JPH0992242A - 非水電解液二次電池 - Google Patents

非水電解液二次電池

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JPH0992242A
JPH0992242A JP7249942A JP24994295A JPH0992242A JP H0992242 A JPH0992242 A JP H0992242A JP 7249942 A JP7249942 A JP 7249942A JP 24994295 A JP24994295 A JP 24994295A JP H0992242 A JPH0992242 A JP H0992242A
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battery
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aqueous electrolyte
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Yosuke Kita
洋輔 北
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喜代志 片山
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ゴム材などの高分子材料からなるシールに比
べ、外部とのガスや水分の透過性・通過性を低く抑える
ことができ、また、シールの信頼性を高めることができ
る非水電解液二次電池を提供する。 【解決手段】 本発明は、非水電解液を注入するための
電解液注入口32と、この電解液注入口32を密閉する
ためのメクラ栓4とを有する非水電解液二次電池に関す
るものである。ここで、電解液注入口32とメクラ栓4
との間にメタルシール2を配置してある。また、メタル
シール2はアルミニウムを主成分とする金属、またはス
テンレス鋼からなり、メクラ栓4はステンレス鋼からな
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば電気自動車
用電源のように電気容量の大きな大型の電池に適用して
好適な二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、AV用等の小型非水電解液二次電
池を製造する場合、クリンプ構造で電池のシールが可能
であるため、電極に電解液を含浸させた後でクリンプす
る等の手段が採用されていた。
【0003】しかし、大型の非水電解液二次電池にクリ
ンプ構造を採用する場合、クリンプ構造での保持力を保
つために、径が大きくなればなるほど電池容器の肉厚を
厚くする必要があった。したがって、重量エネルギー密
度を考慮すると商品価値として不利になるため、クリン
プシール方式を使われずに、レーザー溶接等のシールが
主流となった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうい
った溶接方式の採用した場合、電解液の蒸気雰囲気に高
価な溶接ヘッドがさらされると、ヘッドの寿命が短くな
るという問題が生じた。したがって、溶接後に電解液を
注入する方式が好ましい。
【0005】また、廉価なシールとしてはゴムシールが
あるが、リチウムイオン二次電池のような有機溶媒系の
電池では電解液がゴムを溶解したり膨潤させたりするも
のもあるので、ゴムシールの種類の選定は難しく、フッ
素系ゴム等の中でも高価なもの、たとえばパーフロロゴ
ムを使用する必要があるといった問題点があった。
【0006】本発明はこのような課題に鑑みてなされた
ものであり、ゴム材などの高分子材料からなるシールに
比べ、外部とのガスや水分の透過性・通過性を低く抑え
ることができ、また、シールの信頼性を高めることがで
きる非水電解液二次電池を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の非水電解液二次
電池は、非水電解液を注入するための電解液注入口と、
この電解液注入口を密閉するためのメクラ栓とを有する
非水電解液二次電池において、電解液注入口とメクラ栓
との間にメタルシールを配置したものである。
【0008】また、本発明の非水電解液二次電池は、メ
タルシールがアルミニウムを主成分とする金属、または
ステンレス鋼からなる上述構成の非水電解液二次電池で
ある。
【0009】また、本発明の非水電解液二次電池は、メ
クラ栓がステンレス鋼からなる上述構成の非水電解液二
次電池である。
【0010】また、本発明の非水電解液二次電池は、リ
チウムイオン二次電池である上述構成の電池である。
【0011】本発明の非水電解液二次電池によれば、電
解液注入口とメクラ栓との間にメタルシールを配置する
ことにより、外部とのガスや水分の透過性・通過性を低
く抑えることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明非水電解液二次電池
の実施例について図1〜図4を参照しながら説明する。
図1および図2は、それぞれ本例のリチウムイオン二次
電池の要部の断面図および側面図を示すものである。ま
た、図3は、本例のリチウムイオン二次電池の全体の構
成を概略示すものである。
【0013】本例においては、図3に示すように、円筒
状の電池容器17に電極渦巻体35を収納してある。こ
の電極渦巻体35は、図1に示すように、帯状の負極電
極14と帯状の正極電極13とをセパレータ30を介し
て、巻き芯31に巻回したものである。ここで、負極電
極14の作製方法について説明する。負極電極14の活
物質は、出発原料として石油ピッチを用い、これを酸素
を含む官能基を10〜20%導入(いわゆる酸素架橋)
した後、不活性ガス気流中1000℃で熱処理して、ガ
ラス状炭素に近い性質を持った炭素材料を得、この炭素
材料を粉砕した平均粒径20μmの炭素材料粉末を使用
する。
【0014】この炭素材料粉末を90重量部と、結着剤
としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)10重量とを
混合し、この混合物を溶剤N−メチルピロリドンに分散
してスラリー状とし、このスラリー状の負極活物質を厚
さ10μmの帯状銅箔よりなる負極集電体の両面に均一
に塗布して、厚さ180μmの負極電極原板を作製し、
側部に負極電極のリード部となる未塗布部を残して、帯
状にカットして形成する。負極電極14の形状は、幅が
383mmであり、このうち塗布部分が348mmで、
未塗布部分が35mmである。また、長さは6940m
mである。
【0015】正極電極13は次の方法により作製する。
すなわち、平均粒径15μmのLiCoO2 の粉末を9
1重量部と、導電剤としてグラファイトを6重量部と、
結着材としてフッ化ビニリデンを3重量部とを混合し、
この混合物を溶剤N−メチルピロリドンに分散してスラ
リー状とし、このスラリー状の正極活物質を厚さ20μ
mの帯状アルミ箔よりなる正極集電体の両面に均一に塗
布して、厚さ150μmの正極電極原板を作製し、側部
に正極電極のリード部となる未塗布部を残して、帯状に
カットして形成する。正極電極の形状は、幅が379m
mであり、このうち塗布部分が344mで、未塗布部分
が35mmである。また、長さは7150mmである。
【0016】上述のように作製した正極電極13および
負極電極14のそれぞれの未塗布部は、巻き取り前に幅
10mm、長さ30mmで、ピッチ15mmおきに短冊
状にカットし短冊状リードとする。ここで、正極電極1
3および負極電極14の未塗布部は、上述の寸法で全長
にわたりカットされる。
【0017】ここで、短冊状リード11の長さは、電極
端から、極柱10までの距離より長くなければならな
い。また、短冊状リード11の幅は、この短冊状リード
11の総断面積が最大通電電流値を満足させるよう設定
される。また、短冊状リード11の折れ曲がりを考える
と幅は10mm以下であることが望ましい。
【0018】図4に示すように、正極電極13、負極電
極14、およびセパレータ30は、正極電極13・セパ
レータ30・負極電極14・セパレータ30の順に重
ね、巻き芯31に巻回され、電極渦巻体35を形成す
る。このとき、この電極渦巻体35の一側は正極電極1
3の短冊状リード11、他側は負極電極14の短冊状リ
ード11として各々リードが集まるように短冊状リード
11の位置は反対側になるように巻いていく。なお、セ
パレータ30は、厚さ38μmで、353×7600m
mの幅にカットされた、微少な孔が形成されているポリ
エチレンのシートである。また、巻き芯31の形状は、
たとえば外径が17mm、内径が14mm、長さが35
4mmの純アルミの円筒である。
【0019】上述したように、電極渦巻体35の巻き芯
31の両側に短冊状リード11を取り出しているので、
電極集電体で得られた電流を速やかに外部に取り出すこ
とができる。また、この短冊状リード11は、細長い短
冊の形状に形成されているため、その変形が容易であ
り、極柱10の円板状部分の外周部に沿って溶接するこ
とができる。
【0020】正極電極13、負極電極14、およびセパ
レータ30を巻き芯31に巻き取った後、図1に示すよ
うに、短冊状リード部11は、極柱10の円板状部分の
外周部の全周にわたって略均等に押さえ金具33により
押さえつけられる。なお、極柱10の材質は、正極は純
アルミ(A1050)であり、負極は純銅(C110
0)である。また、押さえ金具33の材質は、正極側は
純アルミ(A1050)であり、負極側は純銅(C11
00)である。
【0021】短冊状リード部11を、極柱10の円板状
部分の外周部へ押さえ金具33により押さえつけた後、
短冊状リード11を極柱10の円板状部分の上部端面に
てカットする。この後、極柱10の円板状部分の上面よ
りレーザーを照射し、円板状部分の全周にわたり溶接を
行う。
【0022】このように、電極集電体から出ている短冊
状リード11と極柱10とは、溶接により、しかも広い
面積で接合されているために、内部抵抗は低く、またば
らつきも小さい。しかも大面積という点から、特に大電
流放電特性に優れた電池が得られる。
【0023】溶接された電極渦巻体35および極柱10
は、バックアップリング51、シール8、セラミック突
き当て6、キャップ(天板)1、リング50、およびセ
ラミックワッシャ5を組み込み、ナット7で締め込まれ
る。
【0024】この後、図1に示すように、キャップ1の
外周を電池容器17の中に圧入するとともにレーザー溶
接する。すなわち、キャップ1の上面よりその円周上に
レーザーを照射し、溶接して密封する。このように、電
池容器17のキャップ1をレーザーによって溶接を行う
ことにより、完全密閉構造の電池を得ることができる。
【0025】なお、電池容器17の材質は、ステンレス
鋼(SUS304)であり、その肉厚は0.3〜0.5
mmの範囲である。また、キャップ1の材質は、同じく
ステンレス鋼(SUS304)であり、その肉厚3mm
である。
【0026】図1からわかるように、正極の極柱10の
先端部の外側には、M14のおねじ(おねじ部15)が
切られている。このおねじ部15には、ナット7が配置
されている。このナット7を締め付けることにより、セ
ラミックワッシャ5およびセラミック突き当て6の間に
キャップ1を挟みつけて、極柱10自身がキャップ1に
固定される。また、極柱10の円板状部分とキャップ1
の間にシール8を挟みつけて内部の電解液が漏れないよ
うに密閉される。
【0027】正極の極柱10にはその中心部分にM6の
めねじ(めねじ部16)が切られている。このめねじ部
16は、外部との結線を行うときに使用するものであ
る。すなわち、このめねじ部16に、ボルト19を螺入
することにより、極柱の先端部の端面とボルト19の頭
部との間にブスバーまたは導線を挟みつけて接続固定す
る。
【0028】この場合、極柱10の先端部の外側、すな
わちM14のおねじ部15と同じ高さにM6のめねじ部
を配すると、M6のめねじ部に対するボルトを固定する
際、外部方向に力が加わることになる。したがって、何
度もM6のめねじ部を締めたり緩めたりすると、M14
のおねじ部に対するナット7の締結力に影響を及ぼすこ
とになる。この理由により、極柱10の先端部の端面か
らめねじ部16の上端までの距離は、おねじ部15の終
端よりもさらに余裕をみて20mmをとっている。
【0029】M6のめねじ部16は、電流エネルギーを
取り出すためにブスバーまたは導線を極柱10に固定す
るものであり、取付けが不完全だと接触不良を起こした
りして危険である。特に電池が電気自動車用二次電池の
ように車載されるものであれば、振動に対して強くなけ
ればならず、締結力は強いものが要求される。
【0030】本例の場合、めねじ部16の母材は正極の
場合、純アルミ(A1050)であり、ボルト19の締
結力をステンレス鋼ベースの母材と同じにするために
は、ねじ山1本にかかる締結時のせん断力を小さくし、
かつ、ねじ山の数を増やすことで解決する必要がある。
そのため、めねじ部16の長さは長くする必要がある。
【0031】そこで、めねじ部16の長さがどの程度必
要かについて、実験的に求めた。その結果、M6のめね
じの場合、ステンレス鋼製ボルトの母材並にめねじの強
度を持たせようとした場合、ねじかみ合い長aを15m
m以上にしなければならないことがわかった。したがっ
て、本例では、ねじかみ合い長aを15mmより長くし
た。
【0032】本例のリチウムイオン二次電池は大容量の
電池であるので、円筒形電池で構成する場合は、円筒の
径および円筒の長さを大きくつくることになる。この
際、巻き芯31自体も剛性を確保するためにある程度大
きくする必要が生じる。
【0033】このため、中心部に配置される巻き芯31
が外径17mmのように大きくすることが可能になり、
M6のめねじ部16を巻き芯の内側の空間スペースの中
に収納することが可能となる。したがって、本例によれ
ば、M6のめねじ部16と電極巻取り部をオーバーラッ
プさせることにより、大幅な体積エネルギー密度の上昇
を図ることができる。
【0034】なお、図1に示すように、巻き芯31と極
柱10の間は、ポリプロピレン(PP)製の絶縁カラー
12によって絶縁される。
【0035】図1および図2に示すように、セラミック
ワッシャ5は、その中心に円形の孔を持つ円板の形状を
しており、ナット7とキャップ1との間に挟み込まれて
いる。このセラミックワッシャ5の材質はアルミナ(A
2 3 )である。
【0036】このセラミックワッシャ5の目的は、極柱
10とキャップ1とを絶縁することにあるが、その材質
が上述の通りアルミナであるので、絶縁性を確保するこ
とができる。
【0037】また、極柱10は、ナット7を締め付ける
ことによりキャップ1に固定されているので、セラミッ
クワッシャ5は、この締結力、すなわち圧縮力に十分耐
える剛性がなければならない。この点においても、セラ
ミックワッシャ5の材質がアルミナであるので、ナット
7による圧縮力に十分耐えることができる。さらに、材
質がアルミナであることから、締結後長期間経過しても
その形状が変化しないので、強い締結力を維持すること
ができる。また、アルミナは、温度変化に対してもその
剛性が変化しないので、広い範囲で温度が変化してもそ
の締結力を維持することができる。
【0038】またさらに、アルミナは剛性が非常に高い
ので、ナット7をより強く締め付けることができる。そ
の結果、大きな締結力を得ることができ、車載運用で発
生する振動にも経時的にナット7がゆるんだりせず、十
分なシールが得られるので、非水電解液が漏れたりする
ことを防止できる密閉性を保持できる。
【0039】セラミックワッシャ5とセラミック突き当
て6との間で、かつ、キャップ1の内側と極柱10の外
側の間には、リング50が配置されている。このリング
50は、その断面形状が長方形のリングであり、PPな
どの高分子材料からなっている。このリング50は、ナ
ット7を締め付けることにより極柱10をキャップ1に
固定するときに、極柱10の中心軸を電池の長手方向の
中心軸に保持させるために用いるものである。
【0040】キャップ1の内側の面と極柱10の円板状
部分の間には、セラミック突き当て6が挟みつけられて
いる。このセラミック突き当て6は、セラミックワッシ
ャ5と同様に、その中心に円形の孔を持つ円板の形状を
しており、その材質はアルミナ(Al2 3 )である。
【0041】このセラミック突き当て6は、セラミック
ワッシャ5と同様に、極柱10とキャップ1との絶縁性
を確保している。また、セラミック突き当て6はナット
7による圧縮力に十分耐えることができる。さらに、締
結後長期間経過しても強い締結力を維持することができ
る。また、セラミック突き当て6は、広い範囲で温度が
変化してもその締結力を維持することができる。またさ
らに、セラミック突き当て6は、大きな締結力を得るこ
とができ、車載運用で発生する振動にも経時的にナット
7がゆるんだりせず、十分なシールが得られるので、非
水電解液が漏れたりするのを防止できる。
【0042】このほか、セラミック突き当て6は、その
外周の寸法をシール8の弾性変形がある程度以上起こら
ない位置に設定することにより、シール8の大きな弾性
変形を阻止し、その結果として、シール8の極柱10の
軸方向の反発力を増大させることができる。このように
して、セラミック突き当て6を配置することにより、シ
ール8のシール力を十分な大きさまで増大させることが
できる。
【0043】シール8の外周には、シール8に接する位
置にバックアップリング51が配置されている。このバ
ックアップリング51はPPからなるものである。この
バックアップリング51により、シール8が電池内に存
在する非水電解液に触れ、膨潤して変形したときに、そ
の変形を阻止してシール8の極柱10の軸方向の反発力
が低下するのを防止することができる。
【0044】図1および図2に示すように、キャップ1
の中心から外れた位置には、開放弁9が設置してある。
開放弁9は、キャップ1に設けられた孔にねじ込み式で
固定されている。この開放弁9は、電池容器の内部の圧
力が上昇したときに内部のガスを外部に放出するための
ものである。
【0045】開放弁9の中に配置された弁は、バネによ
り電池の内側に押しつけられ、電池内部の液密を図って
いる。
【0046】何かの原因で、電池内部の圧力が上昇する
と、開放弁9の中の弁が電池の外側に押しつけられる。
この結果電池内部のガスは、弁の移動により生じた隙間
を通じて、開放弁9の側面に設けられた孔を通して外部
に放出される。この開放弁9の設置により電池内部の圧
力が上昇しても、ある一定以上の圧力になることを防止
することができる。
【0047】図1に示すように、キャップ(天板)1の
中心より外れた位置に、電解液注入口32が設けてあ
る。この電解液注入口32の内側の側面には、M6のめ
ねじが切られている。この電解液注入口32は電池構造
体の組立後に、電解液を電池内部に注入するのに用いら
れるものである。
【0048】また、図1および図2に示すように、キャ
ップ1の中心より外れた電解液注入口の位置に、メクラ
栓4が配置してある。このメクラ栓4は、キャップ1の
電解液注入口32にねじ込み式で固定されている。この
メクラ栓4は、電解液注入口32にメタルシール2を介
してねじ込み式で締められ、電池容器を密閉する。
【0049】また、メクラ栓4の頭部とキャップ1の表
面との間には、メタルシール2が挟みつけられている。
このメタルシール2はその断面形状が長方形のリングで
あり、その材質は純アルミまたはステンレス鋼よりなる
ものである。なお、メタルシール2は、純アルミ、ステ
ンレス鋼ばかりでなく、その他の金属を用いることがで
きる。
【0050】一方、メタルシール2に接する金属部分は
電池のキャップ1とメクラ栓4の頭部であり、これらは
ステンレス鋼(SUS304)で作製してある。また、
メタルシール2の面が接する金属の表面は、表面研磨を
施し平滑にしてある。
【0051】なお、ステンレス鋼と純アルミの2種類の
金属を接触させて、本実施例の電池の非水電解液に触れ
させても、金属間の電位はすぐに平衡に達することが認
めれた。したがって、金属間のイオンのやりとりは少な
く、腐食は進まないことが確認されている。
【0052】以上のことから、本実施例によれば、純ア
ルミまたはステンレス鋼からなるメタルシールを用いる
ことにより、たとえばゴム材などの高分子材料からなる
シールに比べ、外部とのガスや水分の透過性・通過性を
低く抑えることができ、電池の寿命を長くすることがで
きる。
【0053】また、非水電解液により膨潤、溶解しない
高分子材料からなるシールは高価であるが、純アルミま
たはステンレス鋼はこれらの高分子材料に比較すると廉
価であり、したがってメタルシールを使用することによ
りコストダウンを図ることができる。
【0054】また、純アルミまたはステンレス鋼は高分
子材料に比べ寿命が長いので、メタルシールをメクラ栓
のシールに使用すれば半永久的に使用することができ、
シールの交換の必要がなくなる。
【0055】また、純アルミまたはステンレス鋼からな
るシールは、高分子材料からなるシールに比較して耐熱
性が高いので、メタルシールを使用することによりシー
ルの信頼性を高めることができる。
【0056】また、図1にも示すように、電池内圧が上
昇した時に圧力をリリースしたりする開放弁9のシール
にもメタルシールを使用することができ、その応用範囲
は広い。
【0057】なお以下に、電池容器内への非水電解液の
注入方法について説明する。まず、注入アタッチメント
を電解液注入口32にねじ込んで固定する。これによ
り、電解液(EL)タンク内に貯蔵してある非水電解液
と電池容器とがパイプを通して連結される。この電解液
タンク内の非水電解液の液面より高い空間の部分は、切
り替えバルブを介して、真空ポンプと連結されている。
【0058】次に、真空ポンプを作動させる。真空ポン
プが作動すると、電池内部の空気が電池容器の外に放出
され、電池容器の内部が大気圧に比べて負圧になる。
【0059】次に、真空ポンプと電解液タンクとの間に
ある切り替えバルブを切り替えて、電解液タンクの液面
を大気に開放する。すると、タンク内の圧力が電池容器
内より高くなるので、タンク内の非水電解液が押し出さ
れて電池容器内に浸入する。
【0060】上述した工程を何度か繰り返すことによ
り、電池容器内に所定の非水電解液を注入することがで
きる。
【0061】非水電解液の注入後は、電池容器から電解
液が電池外部に出ていかないようにシールする必要があ
る。そのため、電解液注入口32にメタルシール2を介
してメクラ栓4をねじ込み式で締め、電池容器を密閉す
る。
【0062】なお、本発明は上述の実施例に限らず本発
明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得
ることはもちろんである。
【0063】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ゴム材などの高分子材料からなるシールに比べ、外部と
のガスや水分の透過性・通過性を低く抑えることがで
き、電池の寿命を長くすることができる。
【0064】また、純アルミは高分子材料に比較すると
廉価であり、したがって純アルミからなるメタルシール
を使用することによりコストダウンを図ることができ
る。
【0065】また、純アルミは高分子材料に比べ寿命が
長いので、純アルミからなるメタルシールは半永久的に
使用することができ、シールの交換の必要がなくなる。
【0066】また、純アルミからなるシールは、高分子
材料からなるシールに比較して耐熱性が高いので、シー
ルの信頼性を高めることができる。
【0067】また、開放弁などのシールにも純アルミか
らなるメタルシールを使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の非水電解液二次電池の一実施例の要部
を示す断面図である。
【図2】本発明の非水電解液二次電池の一実施例の要部
を示す側面図である。
【図3】本発明の非水電解液二次電池の一実施例の全体
を示す断面図である。
【図4】非水電解液二次電池の正極電極および負極電極
の巻取り方法を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 キャップ(天板) 2、3 メタルシール 4 メクラ栓 5 セラミックワッシャ 6 セラミック付き当て 7 ナット 8 シール 9 開放弁 10 極柱 11 短冊状リード 12 絶縁カラー 13 正極電極 14 負極電極 15 おねじ部 16 めねじ部 17 電池容器 18 プラスマーク 19 ボルト 31 巻き芯 32 電解液注入口 33 押さえ金具 35 電極渦巻体 50 リング 51 バックアップリング a ねじかみ合い長さ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清水 達夫 福島県郡山市日和田町高倉字下杉下1番地 の1 株式会社ソニー・エナジー・テック 内 (72)発明者 高橋 秀哉 福島県郡山市日和田町高倉字下杉下1番地 の1 株式会社ソニー・エナジー・テック 内 (72)発明者 北 洋輔 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 片山 喜代志 福島県郡山市日和田町高倉字下杉下1番地 の1 株式会社ソニー・エナジー・テック 内 (72)発明者 大上 悦夫 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 非水電解液を注入するための電解液注入
    口と、この電解液注入口を密閉するためのメクラ栓とを
    有する非水電解液二次電池において、 上記電解液注入口と上記メクラ栓との間にメタルシール
    を配置したことを特徴とする非水電解液二次電池。
  2. 【請求項2】 メタルシールは、アルミニウムを主成分
    とする金属、またはステンレス鋼からなることを特徴と
    する請求項1記載の非水電解液二次電池。
  3. 【請求項3】 メクラ栓は、ステンレス鋼からなること
    を特徴とする請求項2記載の非水電解液二次電池。
  4. 【請求項4】 リチウムイオン二次電池であることを特
    徴とする請求項3記載の非水電解液二次電池。
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