JP7290173B2 - 二次電池、二次電池の製造方法、電子機器、電動工具 - Google Patents
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Description
電池缶の開放端部を閉塞する電池蓋と、電池蓋と電極巻回体の間に設けられた安全弁機構を有する、
二次電池であって、
安全弁機構は少なくともセーフティーカバーを備え、
電池蓋の外周部とセーフティーカバーの外周部とが溶接法により接合され、
前記セーフティーカバーの外周部において、電池蓋と溶接される面とは反対側の面に凸部を有し、
電池蓋の外周部とセーフティーカバーの外周部とが接合された領域の面積は、電池の径方向の断面積の18.1%以上25.0%以下である二次電池である。
電池缶の開放端部を閉塞する電池蓋と、電池蓋と電極巻回体の間に設けられた安全弁機構を有する、
二次電池の製造方法であって、
安全弁機構は少なくともセーフティーカバーを備え、
電池蓋の外周部とセーフティーカバーの外周部とを溶接法により接合し、
セーフティーカバーの外周部において、電池蓋と溶接される面とは反対側の面に凸部を有し、
電池蓋の外周部とセーフティーカバーの外周部とが接合された領域の面積は、電池の径方向の断面積の18.1%以上25.0%以下とする二次電池の製造方法である。
<1.一実施の形態>
<2.変形例>
<3.応用例>
以下に説明する実施の形態等は本発明の好適な具体例であり、本発明の内容がこれらの実施の形態等に限定されるものではない。
まず、リチウムイオン電池の全体構成に関して説明する。図1は、リチウムイオン電池1の概略断面図である。リチウムイオン電池1は、図1に示すように、電池缶11の内部に電極巻回体20が収納されている円筒型のリチウムイオン電池1である。
電池缶11は、主に、電極巻回体20を収納する部材である。この電池缶11は、一端部が開放されると共に他端部が閉塞された円筒状の容器である。すなわち、電池缶11は、開放された一端部(開放端部)を有している。この電池缶11は、鉄、アルミニウム及びそれらの合金などの金属材料のうちのいずれか1種類又は2種類以上を含んでいる。ただし、電池缶11の表面において、ニッケルなどの金属材料のうちのいずれか1種類又は2種類以上がめっき処理されていてもよい。
絶縁体12,13は、電極巻回体20の巻回軸方向(図1の鉛直方向)に対して略垂直な面を有するシート状の部材である。絶縁体12,13は、互いに電極巻回体20を挟むように配置されている。絶縁体12,13の材質としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリプロピレン(PP)、ベークライトなどが用いられる。ベークライトには、フェノール樹脂を紙又は布に塗布した後に加熱して作製される、紙ベークライトや布ベークライトがある。
電池缶11の開放端部には、電池蓋14及び安全弁機構30がガスケット15を介して、かしめられており、かしめ構造11R(クリンプ構造)が形成されている。これにより、電池缶11の内部に電極巻回体20などが収納された状態において、その電池缶11は密閉されている。
電池蓋14は、電池缶11の内部に電極巻回体20などが収納された状態において、その電池缶11の開放端部を閉塞する部材であり、鉄にニッケルをめっき処理したもので構成されている。この電池蓋14は、電池缶11の形成材料と同様の材料を含んでいる。電池蓋14のうち中央領域は、図1の鉛直方向に突出している。
ガスケット15は、主に、電池缶11の折り曲げ部11P(クリンプ部とも称される。)と電池蓋14との間に介在することにより、その折り曲げ部11Pと電池蓋14との間の隙間を封止する部材である。ガスケット15の表面には、例えば、アスファルトなどが塗布されていてもよい。
安全弁機構30は、主に、電池缶11の内部の圧力(内圧)が上昇した際に、必要に応じて電池缶11の密閉状態を解除することにより、その内圧を開放する。電池缶11の内圧が上昇する原因は、充放電時において電解液の分解反応に起因して発生するガスなどである。
円筒型リチウムイオン電池では、帯状の正極21と帯状の負極22がセパレータ23を挟んで渦巻き状に巻回されて、電解液に含浸された状態で、電池缶11に収納されている。図示しないが、正極21、負極22はそれぞれ、正極集電体、負極集電体の片面又は両面に正極活物質層、負極活物質層を形成したものである。正極集電体の材料は、アルミニウムやアルミニウム合金を含む金属箔である。負極集電体の材料は、ニッケル、ニッケル合金、銅や銅合金を含む金属箔である。セパレータ23は多孔質で絶縁性のあるフィルムであり、正極21と負極22とを電気的に絶縁しながら、リチウムイオンの移動を可能にしている。
正極活物質層は、リチウムを吸蔵及び放出することが可能である正極材料(正極活物質)を少なくとも含み、さらに、正極結着剤及び正極導電剤などを含んでいてもよい。正極材料は、リチウム含有複合酸化物又はリチウム含有リン酸化合物が好ましい。リチウム含有複合酸化物は、例えば、層状岩塩型又はスピネル型の結晶構造を有している。リチウム含有リン酸化合物は、例えば、オリビン型の結晶構造を有している。
負極集電体の表面は、負極活物質層との密着性向上のために粗面化されていることが好ましい。負極活物質層は、リチウムを吸蔵及び放出することが可能である負極材料(負極活物質)を少なくとも含み、さらに、負極結着剤及び負極導電剤などを含んでいてもよい。
セパレータ23は、樹脂を含む多孔質膜であり、2種類以上の多孔質膜の積層膜でもよい。樹脂は、ポリプロピレン及びポリエチレンなどである。セパレータ23は、多孔質膜を基材層として、その片面又は両面に樹脂層を含んでいてもよい。正極21及び負極22のそれぞれに対するセパレータ23の密着性が向上するため、電極巻回体20の歪みが抑制されるからである。
電解液は、溶媒及び電解質塩を含み、必要に応じてさらに添加剤などを含んでいてもよい。溶媒は、有機溶媒などの非水溶媒、又は水である。非水溶媒を含む電解液を非水電解液という。非水溶媒は、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、ラクトン、鎖状カルボン酸エステル又はニトリル(モノニトリル)などである。
続いて、二次電池の製造方法に関して説明する。まず、正極21を作製する場合には、正極活物質、正極結着剤及び正極導電剤を混合することにより正極合剤を作製する。続いて、有機溶剤に正極合剤を分散させることにより、ペース卜状の正極合剤スラリーを作製する。続いて、正極集電体の両面に正極合剤スラリーを塗布したのち、乾燥させることにより、正極活物質層を形成する。続いて、正極活物質層を加熱しながら、ロールプレス機を用いて正極活物質層を圧縮成型し、正極21が得られる。
電池1の外径を13.8mmとし、溶接によって接合された領域32の内径を9.52mmとし、溶接によって接合された領域32の外径を11.76mmとすることで、溶接率を25.0%とした。
電池1の外径を13.8mmとし、溶接によって接合された領域32の内径を10.09mmとし、溶接によって接合された領域32の外径を11.76mmとすることで、溶接率を19.2%とした。
電池1の外径を13.8mmとし、溶接によって接合された領域32の内径を10.15mmとし、溶接によって接合された領域32の外径を11.76mmとすることで、溶接率を18.5%とした。
電池1の外径を13.8mmとし、溶接によって接合された領域32の内径を10.19mmとし、溶接によって接合された領域32の外径を11.76mmとすることで、溶接率を18.1%とした。
電池1の外径を18.20mmとし、溶接によって接合された領域32の内径を12.79mmとし、溶接によって接合された領域32の外径を15.7mmとすることで、溶接率を25.0%とした。
電池1の外径を18.05mmとし、溶接によって接合された領域32の内径を13.00mmとし、溶接によって接合された領域32の外径を15.7mmとすることで、溶接率を23.8%とした。
電池1の外径を18.20mmとし、溶接によって接合された領域32の内径を13.60mmとし、溶接によって接合された領域32の外径を15.7mmとすることで、溶接率を18.6%とした。
電池1の外径を18.05mmとし、溶接によって接合された領域32の内径を13.69mmとし、溶接によって接合された領域32の外径を15.7mmとすることで、溶接率を18.1%とした。
電池1の外径を21.20mmとし、溶接によって接合された領域32の内径を15.10mmとし、溶接によって接合された領域32の外径を18.45mmとすることで、溶接率を25.0%とした。
電池1の外径を21.20mmとし、溶接によって接合された領域32の内径を15.20mmとし、溶接によって接合された領域32の外径を18.45mmとすることで、溶接率を24.3%とした。
電池1の外径を21.20mmとし、溶接によって接合された領域32の内径を16.10mmとし、溶接によって接合された領域32の外径を18.45mmとすることで、溶接率を18.1%とした。
電池1の外径を13.8mmとし、溶接によって接合された領域32の内径を9.50mmとし、溶接によって接合された領域32の外径を11.76mmとすることで、溶接率を25.2%とした。
電池1の外径を13.8mmとし、溶接によって接合された領域32の内径を10.20mmとし、溶接によって接合された領域32の外径を11.76mmとすることで、溶接率を18.0%とした。
電池1の外径を18.05mmとし、溶接によって接合された領域32の内径を12.80mmとし、溶接によって接合された領域32の外径を15.7mmとすることで、溶接率を25.4%とした。
電池1の外径を18.05mmとし、溶接によって接合された領域32の内径を13.70mmとし、溶接によって接合された領域32の外径を15.7mmとすることで、溶接率を18.0%とした。
電池1の外径を18.20mmとし、溶接によって接合された領域32の内径を13.70mmとし、溶接によって接合された領域32の外径を15.7mmとすることで、溶接率を17.8%とした。
電池1の外径を21.20mmとし、溶接によって接合された領域32の内径を14.80mmとし、溶接によって接合された領域32の外径を18.45mmとすることで、溶接率を27.0%とした。
電池1の外径を21.20mmとし、溶接によって接合された領域32の内径を16.45mmとし、溶接によって接合された領域32の外径を18.45mmとすることで、溶接率を15.5%とした。
以上の実施例及び比較例について、高温高湿保存後に振動試験と燃焼試験を行った。試験数は各例の各試験につき、10本である。振動試験はUN38.3規格に基づくものである。振動試験の前後の電池の内部抵抗の値(交流1kHzでの抵抗値ACR(mΩ))の変化が小さい電池(抵抗値の上昇率が10%以下であるとき)をOKとし、内部抵抗の値の変化が大きい電池(抵抗値の上昇率が10%より大きいとき)をNGとした。燃焼試験はUL 1642 projectile testに基づくものである。燃焼試験の合格率が90%以上である場合をOKとし、燃焼試験の合格率が90%未満である場合をNGとした。振動試験及び燃焼試験前に行った高温高湿保存では、電池1を温度60℃、湿度90%の環境下で約1か月間の保存を行った。
電池1の外径を13.8mmとし、溶接によって接合された領域32の内径を10.15mmとし、溶接によって接合された領域32の外径を11.76mmとすることで、溶接率を18.5%とした。電池蓋14の外周部とセーフティーカバー31の外周部との溶接に超音波溶接法を用いた。図3に示されるように、セーフティーカバー31の外周部において、電池蓋14に溶接される面とは反対側の面に凸部41を作製した。凸部41の1つひとつを、底部の一辺が50~200μmで、高さが50~200μmの略四角錐の形状とし、セーフティーカバー31の外周部について、電池蓋14に溶接される面とは反対側の面の全体に、凸部41を多数配置した。
電池蓋14の外周部とセーフティーカバー31の外周部との溶接にレーザーシーム溶接法を用いたことと、セーフティーカバー31の外周部において、電池蓋14と溶接される面とは反対側の面に凸部41を1つも作製しなかったこと以外は、実施例21と同様にした。
電池蓋14の外周部とセーフティーカバー31の外周部を溶接しなかったことと、セーフティーカバー31の外周部において、電池蓋14と溶接される面とは反対側の面に凸部41を1つも作製しなかったこと以外は、実施例21と同様にした。
実施例21及び比較例21、22について、実施例1~11と同様の条件で高温高湿保存後に振動試験を行い、同様の基準で評価した結果を表2に示す。試験数は各例につき、5本である。
実施例31は、実施例21と同様の実施例である。
セーフティーカバー31の外周部において、電池蓋14と溶接される面とは反対側の面に凸部41を1つも作製しなかったこと以外は実施例31と同様にした。
以上の実施例31及び比較例31について、実施例1~11と同様の条件で高温高湿保存後に振動試験を行い、同様の基準で評価した結果を表3に示す。試験数は各例につき、5本である。
以上、本発明の一実施の形態について具体的に説明したが、本発明の内容は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
(1)電池パック
図4は、本発明の実施形態又は実施例にかかる二次電池を電池パック300に適用した場合の回路構成例を示すブロック図である。電池パック300は、組電池301、充電制御スイッチ302aと、放電制御スイッチ303a、を備えるスイッチ部304、電流検出抵抗307、温度検出素子308、制御部310を備えている。制御部310は各デバイスの制御を行い、さらに異常発熱時に充放電制御を行ったり、電池パック300の残容量の算出や補正を行ったりすることが可能である。電池パック300の正極端子321及び負極端子322は、充電器や電子機器に接続され、充放電が行われる。
上述した本発明の実施形態又は実施例に係る二次電池は、電子機器や電動輸送機器、蓄電装置などの機器に搭載され、電力を供給するために使用することができる。
図5を参照して、本発明が適用可能な電動工具として電動ドライバの例について概略的に説明する。電動ドライバ431には、シャフト434に回転動力を伝達するモータ433と、ユーザが操作するトリガースイッチ432が設けられている。電動ドライバ431の把手の下部筐体内に、本発明に係る電池パック430及びモータ制御部435が収納されている。電池パック430は、電動ドライバ431に対して内蔵されているか、又は着脱自在とされている。
本発明を電動車両用の蓄電システムに適用した例として、図6に、シリーズハイブリッドシステムを採用したハイブリッド車両(HV)の構成例を概略的に示す。シリーズハイブリッドシステムはエンジンを動力とする発電機で発電された電力、あるいはそれをバッテリに一旦貯めておいた電力を用いて、電力駆動力変換装置で走行する車である。
Claims (5)
- セパレータを介して帯状の正極と帯状の負極とが積層され、巻回された構造を有する電極巻回体と、電解液とが、電池缶に収容され、
前記電池缶の開放端部を閉塞する電池蓋と、前記電池蓋と前記電極巻回体の間に設けられた安全弁機構を有する、
二次電池であって、
前記安全弁機構は少なくともセーフティーカバーを備え、
前記電池蓋の外周部と前記セーフティーカバーの外周部とが溶接法により接合され、
前記セーフティーカバーの外周部において、前記電池蓋と溶接される面とは反対側の面に凸部を有し、
前記電池蓋の外周部と前記セーフティーカバーの外周部とが接合された領域の面積は、電池の径方向の断面積の18.1%以上25.0%以下である二次電池。 - セパレータを介して帯状の正極と帯状の負極とが積層され、巻回された構造を有する電極巻回体と、電解液とが、電池缶に収容され、
前記電池缶の開放端部を閉塞する電池蓋と、前記電池蓋と前記電極巻回体の間に設けられた安全弁機構を有する、
二次電池の製造方法であって、
前記安全弁機構は少なくともセーフティーカバーを備え、
前記電池蓋の外周部と前記セーフティーカバーの外周部とを溶接法により接合し、
前記セーフティーカバーの外周部において、前記電池蓋と溶接される面とは反対側の面に凸部を有し、
前記電池蓋の外周部と前記セーフティーカバーの外周部とが接合された領域の面積は、電池の径方向の断面積の18.1%以上25.0%以下とする二次電池の製造方法。 - 前記溶接法は、超音波溶接法である請求項2に記載の二次電池の製造方法。
- 請求項1に記載の二次電池を有する電子機器。
- 請求項1に記載の二次電池を有する電動工具。
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