JP7285809B2 - 角型電池の製造方法および角型電池 - Google Patents

Description

本発明は、角型電池の製造方法および角型電池に関する。

一般に、リチウムイオン二次電池等の電池は、電極体と、電極体を収容する電池ケースと、を備える。このような電池の一形態として、角型（箱形）の電池ケースを使用した角型電池が知られている。例えば車両駆動用の高出力電源等のような用途では、複数の角型電池を所定の方向に配列し、拘束治具で拘束した組電池が広く用いられている。角型電池に関する従来技術文献として、特許文献１～５が挙げられる。

例えば特許文献１には、一枚の平板を断面コ字状に折り曲げて第１の部材を作製した後、第１の部材の両端面に第２および第３の部材（平板）をそれぞれ溶接し、四隅が固定されたロの字状の開口部を有する電池ケースを作製し、次いで、開口部から電池ケースの内部に電極体を収容した後、開口部を封口板で塞ぐことによって、角型電池を製造することが記載されている。

特開２０１７－１０７７７３号公報 特開平６－１５０９７４号公報 特開２００４－１０３３６８号公報 特開平１０－２１８９０号公報 特開２００２－１９８０１１号公報

電極体は、体積エネルギー密度を向上する観点から、電池ケースの開口部を挿通可能な範囲で可能な限り大きなサイズに形成されている。そのため、電池ケースを作製した後にロの字状の開口部から電極体を挿入しようとすると、電極体の外周部分が開口部に引っかかって挿入しにくい場合があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電極体の挿入性が向上した角型電池の製造方法および角型電池を提供することにある。

本発明により、矩形状の底面と、矩形状の上記底面の長辺を一辺として有し且つ相互に対向する一対の長側面と、上記底面の短辺を一辺として有し且つ相互に対向する一対の短側面と、を有する電池ケースと、上記電池ケースの内部に収容され、上記長側面に対向する一対の幅広面を有する電極体と、を備える角型電池の製造方法が提供される。かかる製造方法は、上記電池ケースを構成する部材であって、上記底面と、上記底面から延びる一対の上記長側面と、を備える端面略コ字状の第１の部材、および、上記第１の部材の両端面にそれぞれ接合され、上記短側面を構成する第２および第３の部材、を用意する用意工程と、上記電極体の上記幅広面を上記第１の部材の一対の上記長側面で挟む挟持工程と、上記電極体を一対の上記長側面で挟んだ状態で、上記第１の部材の上記両端面に、上記第２および第３の部材をそれぞれ接合する接合工程と、を包含する。

上記製造方法では、従来の方法とは異なり、まず端面略コ字状の第１の部材で電極体を挟み込み、その状態で第１の部材に第２および第３の部材を接合する。これにより、電池ケースを作製した後にロの字状の開口部から電極体を挿入する従来の方法と比較して、電極体の挿入性を向上することができ、電極体が電池ケースに収容された状態を効率よく実現することができる。また、上記製造方法では、電池ケースと電極体との間にクリアランスを確保する必要がない。そのため、従来の方法と比較して電極体のサイズを大きくすることが可能となる。加えて、上記製造方法では、電池ケースの構築と電池ケースへの電極体の収容とが同時に行われる。そのため、電池ケース自体の歩留りを向上して、製造コストを低減することができる。

なお、電極体の挿入性に関する従来技術として、例えば特許文献２には、電極体を導電性カバー（銅板を板金成形したもの）で包んで開口部から挿入することにより、導電性カバーが挿入ガイドの役目を果たして電池ケースへの挿入性を向上しうる旨が記載されている。

ここに開示される製造方法の好ましい一態様では、上記挟持工程において、上記第１の部材の一対の上記長側面は、上記電極体の上記幅広面を１５Ｎ以上の挟持力で挟む。これにより、例えば接合工程で電池ケースに軽い衝撃等が加わっても、電池ケースに電極体が収容された状態を安定して維持しやすくなる。

ここに開示される製造方法の好ましい一態様では、上記電極体は、少なくとも上記幅広面の一対の上記長側面で挟まれる部分が絶縁フィルムで覆われており、上記挟持工程において、上記電極体を上記絶縁フィルムとともに上記第１の部材の一対の上記長側面で挟む。これにより、絶縁フィルムにシワを発生させることなく、絶縁フィルムごと電池ケース内にスムーズに電極体を収容することができる。

ここに開示される製造方法の好ましい一態様では、上記用意工程において、一対の上記長側面が上記底面から離れるほど相互の間隔が小さくなるように傾斜して設けられている上記第１の部材と、台形状の上記第２および第３の部材と、を用意する。これにより、電極体の上部を一対の長側面でしっかりと挟持することができ、電池ケースに電極体が収容された状態をより安定して維持することができる。

ここに開示される角型電池は、矩形状の底面と、矩形状の上記底面の長辺を一辺として有し且つ相互に対向する一対の長側面と、上記底面の短辺を一辺として有し且つ相互に対向する一対の短側面と、を有する電池ケースと、上記電池ケースの内部に収容され、上記長側面に対向する一対の幅広面を有する電極体と、を備える。上記電池ケースの一対の上記長側面は、上記電極体の上記幅広面を挟持している。上記構成では、電池を拘束する拘束治具を別途使用せずとも、電極体にテンション（挟持力）が付加されている。これにより、電池ケース内で電極体がずれにくくなると共に、電極体の膨張収縮を抑えて、安定した充放電を好適に実現することができる。

ここに開示される角型電池の好ましい一態様では、上記電池ケースの一対の上記長側面は、上記電極体の上記幅広面を１５Ｎ以上の挟持力で挟持している。これにより、例えば電池ケースに軽い衝撃等が加わっても、電極体を所定の位置に安定して維持しやすくなる。

ここに開示される角型電池の好ましい一態様では、一対の上記長側面が、上記底面から離れるほど相互の間隔が小さくなるように傾斜して設けられており、上記短側面が台形状である。これにより、電極体の上部を長側面でしっかりと挟持することができ、電極体に挟持力がかけられた状態を安定して維持しやすくなる。

一実施形態に係る角型電池の模式的な斜視図である。 一実施形態に係るユニット体の模式的な分解斜視図である。 他の実施形態に係るユニット体の模式的な側面図である。

以下、図面を参照しながら、ここで開示される技術の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、本発明を特徴付けない電池の一般的な構成および製造プロセス）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。

なお、本明細書において「電池」とは、電気エネルギーを取り出し可能な蓄電デバイス全般を指す用語であって、一次電池と二次電池とを包含する概念である。また、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電が可能な蓄電デバイス全般を指す用語であって、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池等のいわゆる蓄電池（化学電池）と、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ（物理電池）と、を包含する概念である。

図１は、角型電池１００の模式的な斜視図である。ここに開示される角型電池１００の製造方法は、用意工程と、挟持工程と、接合工程と、封止工程と、を包含する。なお、封止工程は必須ではなく、他の実施形態において省略することもできる。また、本実施形態の製造方法は、任意の段階で上記以外の工程を適宜含んでもよい。用意工程と、挟持工程と、接合工程とは、後述するユニット体６０（図２参照）を構築する工程である。図２は、ユニット体６０の模式的な分解斜視図である。以下、各工程について説明する。

用意工程では、電池ケース４０（図１参照）を構成する部材を用意する。具体的には、図２に示すように、第１の部材１０と、第２の部材２０と、第３の部材３０と、を用意する。第１～第３の部材１０、２０、３０は、典型的には、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼等の金属製である。第１～第３の部材１０、２０、３０は、例えば特許文献１に記載されているものと同様であってよい。

第１の部材１０は、矩形状（長方形状）の底面１２と、底面１２から延びる一対の長側面１４と、を備える。長側面１４は、矩形状の底面１２の長辺を一辺として有する側面である。なお、本明細書において「矩形状」とは、例えば、直線状の長辺と短辺とが曲線を介して互いに接合している形状や、長辺および短辺の少なくとも一方が直線状ではなく、湾曲したり、凹凸になっていたり、屈曲して複数の直線あるいは曲線から構成されている形状、等を包含する用語である。

図２に示すように、第１の部材１０の底面１２と対向する面は、開口（開放）されている。第１の部材１０は、その内部、即ち、底面１２と一対の長側面１４とで囲まれた空間に、後述する電極体５０を収容可能な大きさおよび形状に構成されている。一対の長側面１４は、ここでは同じ形状および同じサイズである。一対の長側面１４は、後述する電極体５０の挿入性や挟持性を向上する観点から、弾性（バネ性）を有していてもよい。第１の部材１０は、例えば方形状（典型的には矩形状）の一枚の平板を電池ケース４０の寸法にあわせて略コ字状に折り曲げ、底面１２と長側面１４とを形成することによって用意することができる。図２では、一対の長側面１４が底面１２から垂直に立ち上がるように一枚の平板が折り曲げられている。ここでは、底面１２と一対の長側面１４とのなす角が、それぞれ９０°である。

第１の部材１０の長手方向の両端には、それぞれ端面１０Ｅが形成されている。第１の部材１０の端面１０Ｅは、略コ字状である。なお、本明細書において「略コの字状」とは、例えばコ字状やＵ字状のように、四方のうち三方が底面１２と長側面１４とで閉じられ、一方が開口されている形状全般を指す用語である。したがって、底面１２と長側面１４とのなす角は、直角でなくてもよく、例えば鋭角（９０°未満）であってもよい。

第２および第３の部材２０、３０は、第１の部材１０の両方の端面１０Ｅにそれぞれ接合される部材である。図２に示すように、第２および第３の部材２０、３０は、ここでは方形状（典型的には矩形状）の平板部材である。第２および第３の部材２０、３０は、ここでは同じ形状および同じサイズである。

挟持工程では、まず電極体５０を用意する。電極体５０は従来と同様でよく、特に制限はない。図示は省略するが、電極体５０は、正極と負極を有している。電極体５０は、ここでは、帯状の正極と帯状の負極とが絶縁された状態で捲回されてなる扁平な捲回電極体である。ただし、電極体５０は、方形状（典型的には矩形状）の正極シートと方形状（典型的には矩形状）の負極シートとが絶縁された状態で積層されてなる積層電極体であってもよい。図２に示すように、電極体５０は、一対の幅広面５２を有している。幅広面５２は、ここでは平面視において略長方形状である。電極体５０は、ここでは全体が絶縁フィルム５４で覆われている。ただし、電極体５０の一部が絶縁フィルム５４で覆われ、一部が露出していてもよい。

絶縁フィルム５４の材質や形状等は従来と同様でよく、特に制限はない。絶縁フィルム５４の材質は、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）等の樹脂材料であってもよい。絶縁フィルム５４の形状は、例えば、電極体５０を収容可能なように一面が開口された有底袋状であってもよいし、筒状であってもよいし、シート状であってもよい。電極体５０は、ここでは幅広面５２の全体が絶縁フィルム５４で覆われている。ただし、幅広面５２のうち、少なくとも一対の長側面１４で挟持される部分を含む一部分のみが絶縁フィルム５４で覆われていてもよい。

本工程では、次に、図２に示すように、電極体５０を第１の部材１０の内部、即ち、底面１２と一対の長側面１４とで囲まれた空間に挿入する。電極体５０は、例えば第１の部材１０の端面１０Ｅの側から挿入してもよいし、例えば一対の長側面１４が弾性を有する場合等には、底面１２と対向する開口を内側から押し広げて、当該開口から挿入してもよい。電極体５０は、典型的にはその全体が、第１の部材１０の内部に収容される。そして、電極体５０の幅広面５２の一部または全体が、第１の部材１０の一対の長側面１４で挟みこまれる。電極体５０の周囲が絶縁フィルム５４で覆われている場合には、絶縁フィルム５４とともに一対の長側面１４で挟みこんでもよい。これにより、第１の部材１０で電極体５０が挟持され、第１の部材１０と電極体５０とが一体化される。

このように一対の長側面１４で電極体５０を挟むことにより、幅広面５２には、拘束治具を別途使用せずとも、第１の部材１０の一対の長側面１４によって挟持力が付与される。特に限定されるものではないが、電極体５０の幅広面５２に付与される挟持力は、概ね１Ｎ以上、典型的には５Ｎ以上、好ましくは１０Ｎ以上、例えば１５Ｎ以上であるとよい。なお、電池ケースを作製した後にロの字状の開口部から電極体を挿入する従来の方法では、電池ケースと電極体との間にクリアランスがあるため、電極体は電池ケースに挟持されておらず、挟持力は略０Ｎである。電極体５０の幅広面５２に付与される挟持力は、典型的には、組電池を作製する際に拘束治具を用いて電極体に付与される圧力よりも小さく、概ね６０Ｎ以下、例えば５０Ｎ以下、４０Ｎ以下、３０Ｎ以下であってもよい。なお、一対の長側面１４によって電極体５０の幅広面５２に付与される挟持力は、一対の長側面１４の間にロードセルを挟み込んで測定することができる。

接合工程では、電極体５０と一体化されている第１の部材１０に、第２および第３の部材２０、３０を接合する。具体的には、まず、図２に示すように、第２および第３の部材２０、３０を、それぞれ第１の部材１０の両方の端面１０Ｅに配置する。そして、第２および第３の部材２０、３０を、それぞれ第１の部材１０に接合する。第１の部材１０と第２および第３の部材２０、３０との接合方法は従来と同様でよく、特に制限はない。接合は、例えばレーザ溶接等で行うことができる。以上のようにして、第１～第３の部材１０、２０、３０と電極体５０とを備えたユニット体６０を構築することができる。ユニット体６０は、底面１２と対向する面が開口された有底の直方体形状である。

封止工程では、まず、ユニット体６０の開口を塞ぐ封口板７０（図１参照）を用意する。封口板７０は従来と同様でよく、特に制限はない。本工程では、次に、封口板７０でユニット体６０の開口を封止する。開口の封止方法は従来と同様でよく、特に制限はない。開口の封止は、例えばレーザ溶接等で行うことができる。なお、典型的には、ユニット体６０を封止した後、封口板７０等に設けられた図示しない注液孔から、電解質を注入（典型的には非水電解液を注液）する。以上のようにして、角型電池１００（図１参照）を製造することができる。

このように、本実施形態の製造方法では、電池ケース４０の側面が完全に閉鎖される前に、第１の部材１０の段階で電極体５０を挟みこみ、第１の部材１０と電極体５０とを一体化した後、第１の部材１０に第２および第３の部材２０、３０を接合する。そのため、電池ケースの側面が閉鎖された後にロの字状の開口部から無理やり電極体を挿入する従来の方法と比較して、電極体５０の挿入性を向上することができ、電極体５０が電池ケース４０に収容された状態（即ち、ユニット体６０の状態）を効率よく実現することができる。また、本実施形態の製造方法では、電極体５０が第１の部材１０に挟持されているので、例えば接合工程でユニット体６０に軽い衝撃等が加わっても、電極体５０が電池ケース４０に収容された状態を安定的に維持したまま角型電池１００（図１参照）を製造することができる。

さらに、上記製造方法では、電池ケースと電極体との間にクリアランスを確保する必要がない。そのため、従来の方法と比較して、充放電に寄与する電極体５０のサイズをより大きくして、電池ケース４０内で電極体５０の占有率を高めることが可能となる。したがって、体積エネルギー密度の向上を実現することも可能となる。加えて、上記製造方法では、電池ケース４０の構築と電極体５０の電池ケース４０への収容とが同時に行われる。そのため、従来の方法と比較して、電池ケース４０自体の歩留りを向上して、製造コストを低減することができる。

図１に示すように、本実施形態の角型電池１００は、電池ケース４０と電極体５０とを備えている。ここではさらに、封口板７０を備えている。角型電池１００は、密閉されている。電池ケース４０は、上記した第１の部材１０と第２の部材２０と第３の部材３０とから構成されている。電池ケース４０は、矩形状の底面１２と、相互に対向する一対の長側面１４と、相互に対向し且つ長側面１４よりも幅の狭い一対の短側面１６と、を有する。底面１２と一対の長側面１４とは、上記した第１の部材１０で構成されている。長側面１４は、矩形状の底面１２の長辺を一辺として有する側面である。長側面１４は、底面１２から折れ曲がって延びている。底面１２と長側面１４との境界には、溶接接合部は形成されていない。一対の短側面１６は、上記した第２および第３の部材２０、３０で構成されている。短側面１６は、矩形状の底面１２の短辺を一辺として有する側面である。短側面１６は、底面１２と長側面１４とに溶接接合されている。底面１２と短側面１６との境界、および長側面１４と短側面１６との境界には、溶接接合部が形成されている。

電極体５０は、電池ケース４０の内部に収容されている。電極体５０は、一対の幅広面５２を有する。電極体５０は、幅広面５２（図２参照）が電池ケース４０の一対の長側面１４に対向するように、電池ケース４０に収容されている。電極体５０は絶縁フィルム５４で覆われている。電極体５０の幅広面５２は、絶縁フィルム５４とともに、上記したような挟持力で電池ケース４０の一対の長側面１４によって挟持されている。完全放電状態（ＳＯＣ（state of charge）が０％の状態）において、電極体５０の幅広面５２には、一対の長側面１４によって挟持力が付与されている。

封口板７０は、電池ケース４０の開口を気密に封止している。封口板７０には、電池ケース４０の内部で電極体５０の正極と電気的に接続された正極内部端子７２と、正極内部端子７２と電気的に接続され電池ケース４０の外部に突出した正極外部端子７４と、電池ケース４０の内部で電極体５０の負極と電気的に接続された負極内部端子８２と、負極内部端子８２と電気的に接続され電池ケース４０の外部に突出した負極外部端子８４と、が取り付けられている。

角型電池１００は、各種用途に利用可能であるが、特にエネルギー密度の高い大型の（大容量の）電池として好ましく利用することができる。好適な用途としては、例えば、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両に搭載されるモーター用の動力源（車両駆動用の電源）が挙げられる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、上記実施形態は例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

例えば、上記した実施形態では、図２に示すように、第１の部材１０の一対の長側面１４が底面１２から垂直に立ち上がるように延び、底面１２と長側面１４とのなす角が９０°であった。また、第２および第３の部材２０、３０が、それぞれ矩形状であり、ユニット体６０が直方体形状であった。また、図１に示すように、角型電池１００の外形が直方体形状であった。しかし、これには限定されない。

図３は、変形例の角型電池を製造するためのユニット体１６０を示す模式的な側面図である。なお、以下では、上記した実施形態と共通する部分の説明を省略し、異なる部分について説明する。図３に示すユニット体１６０は、第１～第３の部材１１０、１２０、１３０と、電極体１５０と、を備えている。なお、図３には、第２の部材１２０の側から見た側面図を示している。電極体１５０は、上記した電極体５０と同様であってよい。第１の部材１１０は、矩形状の底面１１２と、底面１１２から延び、相互に対向する一対の長側面１１４と、を有する。一対の長側面１１４は、ここでは底面１１２から離れるほど相互の間隔が小さくなるように傾斜して設けられている。これにより、底面１１２と長側面１１４とは鋭角をなしている。図３に矢印で示すように、電極体１５０は、上方（即ち、底面１１２から離れた側）の一部分がピンポイントで一対の長側面１１４に挟持されている。なお、本発明者らが、一対の長側面１１４の矢印で示す部分にロードセルを挟み込み、電極体１５０に付与される挟持力Ｆを測定したところ、１５Ｎだった。第２および第３の部材１２０、１３０は、ここではそれぞれ台形状の平板部材である。ユニット体１６０は、ここでは外形が台形状である。また、図示は省略するが、このようなユニット体１６０の開口を、例えば略コの字状の封口板で塞ぐことにより、外形が台形状の角型電池を製造することができる。

１０、１１０ 第１の部材
１０Ｅ 端面
１２、１１２ 底面
１４、１１４ 長側面
１６ 短側面
２０、１２０ 第２の部材
３０、１３０ 第３の部材
４０ 電池ケース
５０、１５０ 電極体
５２ 幅広面
５４ 絶縁フィルム
６０、１６０ ユニット体
７０ 封口板
１００ 角型電池

Claims (6)

1. 矩形状の底面と、矩形状の前記底面の長辺を一辺として有し且つ相互に対向する一対の長側面と、前記底面の短辺を一辺として有し且つ相互に対向する一対の短側面と、を有する電池ケースと、前記電池ケースに収容され、前記長側面に対向する一対の幅広面を有する電極体と、を備える角型電池の製造方法であって、
   前記電池ケースを構成する部材であって、前記底面と、前記底面から延びる一対の前記長側面と、を備え、金属板からなる端面略コ字状の第１の部材、および、
   前記第１の部材の両端面にそれぞれ接合され、前記短側面を構成する第２および第３の部材、を用意する用意工程と、
   前記電極体の前記幅広面を前記第１の部材の一対の前記長側面で挟む挟持工程と、
   前記電極体を一対の前記長側面で挟んだ状態で、前記第１の部材の前記両端面に、前記第２および第３の部材をそれぞれ接合する接合工程と、
   を包含し、
   前記用意工程において、一対の前記長側面が前記底面から離れるほど相互の間隔が小さくなるように傾斜して設けられている前記第１の部材と、台形状の前記第２および第３の部材と、を用意する、角型電池の製造方法。
2. 前記挟持工程において、前記第１の部材の一対の前記長側面は、前記電極体の前記幅広面を１５Ｎ以上の挟持力で挟む、
   請求項１に記載の角型電池の製造方法。
3. 前記電極体は、少なくとも前記幅広面の一対の前記長側面で挟まれる部分が絶縁フィルムで覆われており、前記挟持工程において、前記電極体を前記絶縁フィルムとともに前記第１の部材の一対の前記長側面で挟む、
   請求項１又は２に記載の角型電池の製造方法。
4. 矩形状の底面と、矩形状の前記底面の長辺を一辺として有し且つ相互に対向する一対の長側面とを備え、金属板からなる端面略コ字状の第１の部材、および、前記第１の部材の両端面にそれぞれ接合されて前記底面の短辺を一辺として有し且つ相互に対向する一対の短側面、を有する電池ケースと、
   前記電池ケースに収容され、前記長側面に対向する一対の幅広面を有する電極体と、
   を備え、
   前記電池ケースは、一対の前記長側面が、前記底面から離れるほど相互の間隔が小さくなるように傾斜して設けられ、かつ前記短側面が台形状であり、
   前記電池ケースの一対の前記長側面は、前記電極体の前記幅広面を挟持している、
   角型電池。
5. 前記電池ケースの一対の前記長側面は、前記電極体の前記幅広面を１５Ｎ以上の挟持力で挟持している、
   請求項４に記載の角型電池。
6. 前記底面と前記短側面との境界、および前記長側面と前記短側面との境界には、溶接接合部が形成されており、
   前記底面と前記長側面との境界には溶接接合部が形成されていない、
   請求項４又は５に記載の角型電池。

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