JP7399147B2 - 電池およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本技術は、電池およびその製造方法に関する。
電池の外装缶に電解液を注液した後、電解液注液孔を封止部材により封止する構造が従来から採用されている。このような構造は、たとえば特開２０１９－４４９２８号公報（特許文献１）に記載されている。特許文献１に記載の構造においては、封止部材が外装缶にカシメ固定される。
封止部材が外装缶にカシメ固定される場合、外装缶の密閉性を確保するため、安定した封止状態を保持することが求められる。本技術の目的は、封止部材による電解液注液孔の安定した封止状態を保持可能な電池およびその製造方法を提供することにある。
本技術に係る電池は、電極体および電解液と、外面および内面を含み、電極体および電解液を収納し、外面から内面に達する注液孔を有する外装缶と、外装缶にカシメ固定され、注液孔を封止する封止部材を備える。封止部材は、注液孔に挿入される軸部を有する第１部材と、軸部に係合する係合部を有する第２部材とを含む。軸部は、係合部が当接する当接面と、外装缶の内面と係合部との間に位置するように形成され、封止部材を外装缶に固定するカシメ固定部とを有する。外装缶における注液孔が形成される部分の厚み（Ａ）と、軸部の当接面と外装缶の内面との距離（Ｂ）とは、０．５５≦Ｂ／Ａの関係を満たす。
本技術に係る電池の製造方法は、電極体を外装缶に収納する工程と、外装缶に設けられた注液孔を介して外装缶の内部に電解液を注液する工程と、封止部材により注液孔を封止する工程とを備える。封止する工程は、軸部を有する第１部材と、軸部に係合する係合部を有する第２部材とを準備することと、軸部を注液孔に挿入することと、第２部材の係合部を第１部材の軸部に形成された当接面に当接させ、係合部により軸部を圧縮することにより、外装缶の内面と係合部との間に位置する軸部にカシメ固定部を形成することとを含む。外装缶における注液孔が形成される部分の厚み（Ａ）と、カシメ固定部を形成する前の状態における軸部の当接面と外装缶の内面との距離（Ｃ）とは、１．３７≦Ｃ／Ａの関係を満たす。
本技術によれば、電池の電解液注入孔を封止する封止部材をカシメ固定する構造において、安定した封止状態を保持することができる。
以下に、本技術の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。
なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本技術の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本技術にとって必ずしも必須のものではない。
なお、本明細書において、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「有する（ｈａｖｅ）」の記載は、オープンエンド形式である。すなわち、ある構成を含む場合に、当該構成以外の他の構成を含んでもよいし、含まなくてもよい。また、本技術は、本実施の形態において言及する作用効果を必ずしもすべて奏するものに限定されない。
本実施の形態に係る電池は、典型的には車載用のリチウムイオン二次電池である。ただし、本明細書において、「電池」は、リチウムイオン電池に限定されず、ニッケル水素電池など他の電池を含み得る。
図１は、角形二次電池１の斜視図である。図２は、図１におけるII－II断面図である。
図１，図２に示すように、角形二次電池１は、電池ケース１００と、電極体２００と、絶縁シート３００と、正極端子４００と、負極端子５００と、正極集電部材６００と、負極集電部材７００と、カバー部材８００と、封止部材９００とを含む。
電池ケース１００は、開口を有する有底角筒状の角形外装体１１０と、角形外装体１１０の開口を封口する封口板１２０とからなる。角形外装体１１０および封口板１２０は、それぞれ金属製であることが好ましく、アルミニウムまたはアルミニウム合金製とすることが好ましい。
封口板１２０には、電解液注液孔１２１が設けられる。電解液注液孔１２１から電池ケース１００内に電解液が注液された後、電解液注液孔１２１は、封止部材９００（リベット）により封止される。
封口板１２０には、ガス排出弁１２２が設けられる。ガス排出弁１２２は、電池ケース１００内の圧力が所定値以上となった際に破断する。これにより、電池ケース１００内のガスが電池ケース１００外に排出される。
電極体２００は、電解液とともに電池ケース１００内に収容されている。電極体２００は、正極板と負極板がセパレータを介して積層されたものである。電極体２００と角形外装体１１０の間には樹脂製の絶縁シート３００が配置されている。
電極体２００の封口板１２０側の端部には、正極タブ２１０Ａおよび負極タブ２１０Ｂが設けられている。
正極タブ２１０Ａと正極端子４００とは、正極集電部材６００を介して電気的に接続されている。正極集電部材６００は、第１正極集電体６１０および第２正極集電体６２０を含む。なお、正極集電部材６００は、１つの部品から構成されてもよい。正極集電部材６００は、金属製であることが好ましく、アルミニウムまたはアルミニウム合金製とすることがより好ましい。
負極タブ２１０Ｂと負極端子５００とは、負極集電部材７００を介して電気的に接続されている。負極集電部材７００は、第１負極集電体７１０および第２負極集電体７２０を含む。なお、負極集電部材７００は、１つの部品から構成されてもよい。負極集電部材７００は、金属製であることが好ましく、銅または銅合金製であることがより好ましい。
正極端子４００は、樹脂製の外部側絶縁部材４１０を介して封口板１２０に固定されている。負極端子５００は、樹脂製の外部側絶縁部材５１０を介して封口板１２０に固定されている。
正極端子４００は金属製であることが好ましく、アルミニウムまたはアルミニウム合金製であることがより好ましい。負極端子５００は金属製であることが好ましく、銅または銅合金製であることがより好ましい。負極端子５００が、電池ケース１００の内部側に配置される銅または銅合金からなる領域と、電池ケース１００の外部側に配置されるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる領域を有するようにしてもよい。
カバー部材８００は、第１正極集電体６１０と電極体２００との間に位置する。カバー部材８００は、負極集電体側に設けられてもよい。また、カバー部材８００は必須の部材ではなく、適宜省略が可能である。
角形二次電池１を製造する際は、正極端子４００、負極端子５００、正極集電部材６００、負極集電部材７００、およびカバー部材８００が封口板１２０に組み付けられる。他方、電極体２００は絶縁シート３００で包まれる。電極体２００および絶縁シート３００は、角形外装体１１０に挿入される。その後、封口板１２０が角形外装体１１０に溶接接続され、角形外装体１１０の開口が封口板１２０により封口され、密閉された電池ケース１００が形成される。
その後、封口板１２０に設けられた電解液注液孔１２１から非水電解液が電池ケース１００に注液される。非水電解液としては、たとえば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、およびジメチルカーボネート（ＤＭＣ）を含むものが用いられる。
非水電解液が注液された後、電池ケース１００内の減圧工程を経て、電解液注液孔１２１は封止部材９００により封止される。以上の工程の実施により、角形二次電池１は完成する。
図３は、本実施の形態に係る封止部材９００の構造を示す断面図である。
図３は、本実施の形態に係る封止部材９００の構造を示す断面図である。
図３に示すように、封止部材９００は、第１部材９１０と、第２部材９２０と、第３部材９３０とを含む。
第１部材９１０（スリーブ）は、典型的には金属により構成されるがこれに限定されない。第１部材９１０は、鍔部９１１と、軸部９１２とを含む。
鍔部９１１は、封口板１２０の外面１２０Ｂと対向する。鍔部９１１は、電池ケース１００の外側において軸部９１２の径方向外側に位置する。
軸部９１２は、電解液注液孔１２１に挿入される。軸部９１２は、第２部材９２０が当接する当接面９１２Ａと、電池ケース１００の内面１２０Ａと当接面９１２Ａとの間に位置するカシメ固定部９１２Ｂとを有する。カシメ固定部９１２Ｂにより、第１部材９１０を含む封止部材９００は、封口板１２０に固定される。
第２部材９２０（マンドレル）は、典型的には金属により構成されるがこれに限定されない。第２部材９２０は、係合部９２１と、切断部９２２とを含む。
係合部９２１は、第１部材９１０の当接面９１２Ａに当接する。これにより、第１部材９１０の軸部９１２に第２部材９２０が係合する。切断部９２２は、カシメ固定部９１２Ｂを形成する工程において第２部材９２０が切断された部分である。予め第２部材９２０に脆弱部を設けることにより、切断部９２２の位置を決めることができる。
第３部材９３０（ワッシャ）は、第１部材９１０よりも硬度が低い素材（たとえば樹脂など）により構成される。第３部材９３０は、第１部材９１０の鍔部９１１と封口板１２０の外面１２０Ｂとの間で圧縮される。これにより、鍔部９１１と封口板１２０の外面１２０Ｂとの間を第３部材９３０によりシールすることができる。
封口板１２０の厚み（Ａ）は、たとえば１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下程度である。第１部材９１０の当接面９１２Ａと封口板１２０の内面１２０Ａとの距離（Ｂ）は、０．５５≦Ｂ／Ａの関係を満たす範囲に設定される。
図３に示す例では、封口板１２０の厚み（Ａ）は１．１７ｍｍであり、第１部材９１０の当接面９１２Ａと封口板１２０の内面１２０Ａとの距離（Ｂ）は０．７１ｍｍである。したがって、Ｂ／Ａ＝０．６１となる。
図４は、比較例に係る封止部材９００の構造を示す断面図である。図４に示す比較例においても、基本的な構造は、図３に示す構造と同じである。ただし、図４に示す例では、封口板１２０の厚み（Ａ）は１．０８ｍｍであり、第１部材９１０の当接面９１２Ａと封口板１２０の内面１２０Ａとの距離（Ｂ）は０．３３ｍｍである。したがって、Ｂ／Ａ＝０．３１となる。
このように、本実施の形態に係る封止部材９００（図３）においては、比較例に係る封止部材９００（図４）と比較して、封口板１２０の厚み（Ａ）に対する第１部材９１０の当接面９１２Ａと封口板１２０の内面１２０Ａとの距離（Ｂ）の比（Ｂ／Ａ）が高い。具体的には、図３の構造においては、Ｂ／Ａ＝０．６１であるため０．５５≦Ｂ／Ａの関係を満たし、図４の構造においては、Ｂ／Ａ＝０．３１であるため０．５５≦Ｂ／Ａの関係を満たさない。
本実施の形態に係る封止部材９００（図３）によれば、第１部材９１０の当接面９１２Ａと封口板１２０の内面１２０Ａとの間に形成されるカシメ固定部９１２Ｂの形状を安定させ、封止部材９００による電解液注液孔１２１の安定した封止状態を保持することが可能となる。
図５は、本実施の形態に係る封止部材９００のカシメ固定前の構造を示す断面図である。図５に示すように、カシメ固定部９１２Ｂが形成されていない軸部９１２が電解液注液孔１２１に挿入される。第２部材９２０の係合部９２１は、軸部９１２の当接面９１２Ａに当接している。図５に示す状態から、第２部材９２０が引き上げられ、係合部９２１が軸部９１２を圧縮することにより、カシメ固定部９１２Ｂが形成される。
図５に示す状態において第１部材９１０の当接面９１２Ａと封口板１２０の内面１２０Ａとの距離（Ｃ）とは、１．３７≦Ｃ／Ａの関係を満たす範囲に設定される。
図５に示す例では、封口板１２０の厚み（Ａ）は１．００ｍｍであり、第１部材９１０の当接面９１２Ａと封口板１２０の内面１２０Ａとの距離（Ｃ）は１．７６ｍｍである。したがって、Ｃ／Ａ＝１．７６となる。
図６は、比較例に係る封止部材９００のカシメ固定前の構造を示す断面図である。図６に示す比較例においても、基本的な構造は、図５に示す構造と同じである。ただし、図６に示す例では、封口板１２０の厚み（Ａ）は１．５０ｍｍであり、第１部材９１０の当接面９１２Ａと封口板１２０の内面１２０Ａとの距離（Ｃ）は１．２９ｍｍである。したがって、Ｃ／Ａ＝０．８６となる。
このように、本実施の形態に係るカシメ固定前の封止部材９００（図５）においては、比較例に係るカシメ固定前の封止部材９００（図６）と比較して、封口板１２０の厚み（Ａ）に対する第１部材９１０の当接面９１２Ａと封口板１２０の内面１２０Ａとの距離（Ｃ）の比（Ｃ／Ａ）が高い。具体的には、図５の構造においては、Ｃ／Ａ＝１．７６であるため１．３７≦Ｃ／Ａの関係を満たし、図６の構造においては、Ｃ／Ａ＝０．８６であるため１．３７≦Ｃ／Ａの関係を満たさない。
本実施の形態に係るカシメ固定前の封止部材９００（図５）によれば、第１部材９１０の当接面９１２Ａと封口板１２０の内面１２０Ａとの間に位置する軸部９１２の距離が大きく設定されるため、カシメ工程における軸部９１２の座屈代が大きい。この結果、第１部材９１０の当接面９１２Ａと封口板１２０の内面１２０Ａとの間に形成されるカシメ固定部９１２Ｂの形状を安定させ、封止部材９００による電解液注液孔１２１の安定した封止状態を保持することが可能となる。
図７は、電解液の注液工程と封止部材のカシメ工程を示す図である。図７（ａ）に示すように、注液ノズル１０を用いて電池ケース１００内に電解液２００Ａが注液される（注液工程）。
電解液２００Ａの注液工程の後、封止部材９００のカシメ工程が実施される。図７（ｂ）に示すように、封口板１２０に封止部材９００が組み付けられる。このとき、封止部材９００の第１部材９１０は、封口板１２０の電池ケース１００内に挿入される。封止部材９００上にカシメ治具２０が設けられる。
カシメ治具２０は、ジョー２１と、ヘッド２２と、押さえ部２３とを含む。図７（ｃ）に示すように、ヘッド２２内に設けられたジョー２１により、封止部材９００の第２部材９２０が保持される。この状態から、ジョー２１が図中上側に向かって引き上げられる。これにより、図７（ｄ）に示すように、第１部材９１０が封口板１２０にカシメ固定され、第２部材９２０は第１部材９１０の内部において切断される。第１部材９１０は、押さえ部２３により図中下側に向かって押圧される。これにより、第３部材９３０が押圧され、第１部材９１０と封口板１２０との間が第３部材９３０によりシールされる。
図８は、本実施の形態に係る封止部材のカシメ工程を示す断面図である。図８（ａ）に示すように、第１部材９１０の軸部９１２が電解液注液孔１２１に挿入される。
次に、図８（ｂ）に示すように、第２部材９２０が引き上げられることにより、軸部９１２の一部が座屈してカシメ固定部９１２Ｂが形成される。本実施の形態においては、上述のとおり、軸部９１２の座屈代が大きく確保されているため、第２部材９２０の移動量が小さくても十分なカシメ固定部９１２Ｂを形成することが可能である。このため、形成されたカシメ固定部９１２Ｂが電解液注液孔１２１の内部に入り込むことが抑制される。
カシメ固定部９１２Ｂが形成された後、図８（ｃ）に示すように、第１部材９１０が図中下側に押圧され、第３部材９３０が圧縮される。上述のとおり、カシメ固定部９１２Ｂが電解液注液孔１２１の内部に入り込むことが抑制されているため、第１部材９１０が下側に押圧されるとき（矢印Ｆ１）、封口板１２０の変形が抑制される。
図９は、比較例に係る封止部材のカシメ工程を示す断面図である。図９に示す比較例においても、基本的な工程は、図８に示す工程と同じである。ただし、図９に示す例では、軸部９１２の座屈代が小さいため、必要なカシメ強度を有するカシメ固定部９１２Ｂを形成するために、第２部材９２０の移動量を大きくする必要がある。したがって、形成されたカシメ固定部９１２Ｂが電解液注液孔１２１の内部に入り込みやすくなる。この結果、第１部材９１０が下側に押圧されるとき（矢印Ｆ１）、封口板１２０にも下側に向かう力（矢印Ｆ２）が作用しやすくなり、封口板１２０が変形しやすい。
本実施の形態に係る封止部材９００によれば、第１部材９１０の軸部９１２の座屈代が大きいため、カシメ固定部９１２Ｂが電解液注液孔１２１に入り込むことが抑制され、封口板１２０の変形が防止される。換言すると、封口板１２０の変形を抑制しながら第３部材９３０を十分に圧縮してシール性を高めることができる。結果として、封止部材９００による電解液注液孔１２１の安定した封止状態を保持することが可能となる。
以上、本技術の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本技術の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ 角形二次電池、１０ 注液ノズル、２０ カシメ治具、２１ ジョー、２２ ヘッド、２３ 押さえ部、１００ 電池ケース、１１０ 角形外装体、１２０ 封口板、１２０Ａ 内面、１２０Ｂ 外面、１２１ 電解液注液孔、１２２ ガス排出弁、２００ 電極体、２００Ａ 電解液、２１０Ａ 正極タブ、２１０Ｂ 負極タブ、３００ 絶縁シート、４００ 正極端子、４１０ 外部側絶縁部材、５００ 負極端子、５１０ 外部側絶縁部材、６００ 正極集電部材、６１０ 第１正極集電体、６２０ 第２正極集電体、６３０ 絶縁部材、７００ 負極集電部材、７１０ 第１負極集電体、７２０ 第２負極集電体、７３０ 絶縁部材、８００ カバー部材、９００ 封止部材、９１０ 第１部材、９１１ 鍔部、９１２ 軸部、９１２Ａ 当接面、９１２Ｂ カシメ固定部、９２０ 第２部材、９２１ 係合部、９２２ 切断部、９３０ 第３部材。
Claims (10)
- 電極体および電解液と、
外面および内面を含み、前記電極体および前記電解液を収納し、前記外面から前記内面に達する注液孔を有する外装缶と、
前記外装缶にカシメ固定され、前記注液孔を封止する封止部材を備え、
前記封止部材は、
前記注液孔に挿入される軸部を有する第１部材と、
前記軸部に係合する係合部を有する第２部材とを含み、
前記軸部は、前記係合部が当接する当接面と、前記外装缶の前記内面と前記係合部との間に位置するように形成され、前記封止部材を前記外装缶に固定するカシメ固定部とを有し、
前記外装缶における前記注液孔が形成される部分の厚み（Ａ）と、前記軸部の前記当接面と前記外装缶の前記内面との距離（Ｂ）とは、０．５５≦Ｂ／Ａの関係を満たす、電池。 - 前記第１部材は、前記外装缶の外側において前記軸部の径方向外側に位置する鍔部をさらに有し、
前記封止部材は、前記鍔部と前記外装缶の前記外面との間をシールする第３部材をさらに含む、請求項１に記載の電池。 - 前記外装缶における前記注液孔が形成される部分の厚み（Ａ）は、１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の電池。
- 前記外装缶は、開口を有し、前記電極体を収納する本体と、前記本体に結合される封口板とを含み、前記注液孔は前記封口板に形成される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電池。
- 前記外装缶は、角形形状を有する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電池。
- 電極体を外装缶に収納する工程と、
前記外装缶に設けられた注液孔を介して前記外装缶の内部に電解液を注液する工程と、
封止部材により前記注液孔を封止する工程とを備え、
前記封止する工程は、
軸部を有する第１部材と、前記軸部に係合する係合部を有する第２部材とを準備することと、
前記軸部を前記注液孔に挿入することと、
前記第２部材の前記係合部を前記第１部材の前記軸部に形成された当接面に当接させ、前記係合部により前記軸部を圧縮することにより、前記外装缶の内面と前記係合部との間に位置する前記軸部にカシメ固定部を形成することとを含み、
前記外装缶における前記注液孔が形成される部分の厚み（Ａ）と、前記カシメ固定部を形成する前の状態における前記軸部の前記当接面と前記外装缶の内面との距離（Ｃ）とは、１．３７≦Ｃ／Ａの関係を満たす、電池の製造方法。 - 前記第１部材は、前記外装缶の外側において前記軸部の径方向外側に位置する鍔部をさらに有し、
前記封止する工程は、
前記鍔部と前記外装缶の外面との間に第３部材を設けることと、
前記鍔部を前記第３部材に向けて押圧し、前記第３部材により前記鍔部と前記外装缶の外面との間をシールすることとをさらに含む、請求項６に記載の電池の製造方法。 - 前記外装缶における前記注液孔が形成される部分の厚み（Ａ）は、１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である、請求項６または請求項７に記載の電池の製造方法。
- 前記電極体を前記外装缶に収納する工程は、
本体と、前記本体に結合される封口板とを準備することと、
前記本体の開口を介して前記電極体を前記本体に収納することと、
前記本体に前記封口板を結合することとを含み、
前記注液孔は前記封口板に形成されている、請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の電池の製造方法。 - 前記外装缶は、角形形状を有する、請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の電池の製造方法。
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