KR20150004747A

KR20150004747A - 전지 케이스 및 전지 케이스의 안전 밸브의 형성 방법

Info

Publication number: KR20150004747A
Application number: KR1020140080915A
Authority: KR
Inventors: 하루유키 고니시; 히로코 가시마
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2015-01-13
Also published as: CN104282850A; CN104282850B; JP2015015098A; KR101616621B1

Abstract

프레스 성형에 의해 정밀도와 효율이 양호하게 가공할 수 있는, Li 이온 전지에 있어서의 알루미늄 합금제 전지 케이스의 안전 밸브 구조를 제공한다. 안전 밸브(2)로서, 전지 케이스(1)의 벽(3)의 일부(3a)가 외측을 향해 부풀어 오르는 컵 형상의 볼록부 형상으로 프레스 형성되어 이루어지며, 이 안전 밸브(2)의 정상부가 평탄한 박막(4)으로 되며, 박막 정상부(4)의 주연부(4a)가 이 박막 정상부(4)의 측방을 향해 부풀어 오르는 볼록 형상 측벽(6)을 거쳐서 전지 케이스(1)의 벽(3)과 일체로 이어져 있다.

Description

전지 케이스 및 전지 케이스의 안전 밸브의 형성 방법{BATTERY CASE AND METHOD FOR FORMING A SAFETY VALVE OF THE BATTERY CASE}

본 발명은 내부 압력을 개방하는 안전 밸브를 구비한 리튬(Li) 이온 전지 케이스 및 Li 이온 전지 케이스의 안전 밸브의 형성 방법에 관한 것이다.

휴대 전화나 노트형 퍼스널 컴퓨터 등의 전원으로서, 리튬 이온 2차 전지(Li 이온 전지)가 널리 사용되고 있다. 이러한 Li 이온 전지의 케이스(이하, 단순히 "전지 케이스"라고도 함)를 구성하는 판재에는, 그 덮개를 포함하여 금속이 사용되고 있는 경우가 많으며, 특허문헌 1 내지 3에서는 SUS 등의 철합금이, 특허문헌 4 내지 9에서는 알루미늄 합금이 사용된 전지 케이스가 개시되어 있다. 특히, 전지 케이스의 덮개나 본체 등을, 알루미늄 합금판(냉연판) 소재를 프레스 성형한 성형품으로 구성시키면, 내식성이나 경량화 및 가공성이나 비용면에서도 유리하다.

Li 이온 전지의 외장인 전지 케이스(이하, 단순히 "케이스"라고도 함)에는, 과충전이나 과대한 전류가 흐르는 등의 이상 시에, 내부가 고온, 고압이 되었을 때에도, 전지 케이스의 내압을 해방하여 폭발을 방지하기 위한 안전 밸브(방폭 밸브, 방폭 기구)가 마련되어 있다.

이 안전 밸브는 전지 케이스의 벽(전지 케이스의 외면을 형성하는 벽)의 일부에 홈 형상의 박육부(薄肉部)인 노치부를 마련해두고, 이 노치부가 이상 압력 상승으로 절단(파단)되어, 내압을 해방함으로써 기능을 수행한다. 이와 같은 노치부 방식에 의한 안전 밸브에서는, 전지의 설계에도 의하지만, 내압이 O.3㎫ 내지 2㎫ 정도에 도달하면 노치부가 절단되도록 안전 밸브가 작동하여 내압을 해방할 필요가 있다.

이 요건을 만족하기 위해서는, 노치부의 두께를 10㎛ 내지 60㎛ 정도의 얇은 두께로 할 필요가 있다. 또한, 안전 밸브로서 기능하기 위해서는, 이 노치부가 절단 가능하게 되어 있을 뿐만 아니라, 전지 케이스의 벽에 개구부가 크게 벌어져서 내압을 개방할 필요가 있다. 이 때문에, 노치부 방식에 의한 안전 밸브에서는, 노치부의 주연부(주위)에도, 두께 80㎛ 내지 300㎛ 정도의 박육부를 마련할 필요가 있다.

그 한편으로, 전지 케이스의 벽의 그 이외의 부분(나머지의 대부분의 벽)은, 강성이나 내구성 등의 기본 특성을 만족하기 위해서, 두께 0.5㎜ 내지 3㎜ 정도의 두께화가 필요하다. 이 때문에, 전지 케이스의 안전 밸브를 제작하려면, 크게 나누어 2개의 어려운 가공이 필요하게 된다. 그 중 하나는, 전지 케이스의 벽이 되는 원래의 소재판의 두께의 1/1O 정도 두께의 박육부를 정밀도 양호하게 형성하는 가공이다. 그리고, 또 하나는, 이 박육부에, 추가로, 잔존 두께를 박육부의 수분의 1 정도까지 얇게 한 노치부를 정밀도 양호하게 형성하는 가공이다.

이들 안전 밸브의 가공 방법으로서는, 특허문헌 1, 2에는 관통 구멍을 형성한 판재와 다른 판재를 서로 부착하는 방법이, 특허문헌 3에는 다이와 펀치를 이용한 냉간 단조에 의한 방법이, 특허문헌 4 내지 10에는 프레스 성형 가공 혹은 절삭 가공에 의한 방법이 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 9, 10 등에는, 알루미늄 합금 냉연판을 소재로 하여, 이것을 드로잉(drawing) 가공, 아이어닝(ironing) 가공을 조합한 복수의 공정의 프레스 성형에 의해 각형 전지 케이스를 제조하는 것이 개시되어 있다.

이들 종래의 안전 밸브의 가공 방법의 과제를 보다 구체적으로 설명한다. 예를 들면, 상기 단조 가공 방법을 도 6에 도시한다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 전지 케이스의 외면을 형성하는 상기 두께의 벽(21)의 일부분에, 단조 가공으로 부분적인 박육부(24)를 만들고, 이 박육부(24)의 위에 추가로 노치 가공을 실시해서 노치부(25)를 형성하여, 안전 밸브(2D)로 하는 것이다. 이 방식은, 안전 밸브(2D)와 전지 케이스 벽(21)이 일체 구조로 되어 있으며, 후부착 부품의 준비나, 그것을 전지 케이스에 장착하는 용접 등의 작업이 불필요하기 때문에, 전지 케이스의 제조 비용을 적게 할 수 있는 이점이 있다.

그러나, 상기 박육부(24)를 냉간 단조로 성형할 때에, 박육부(24)의 중앙부의 재료를 소성 변형에 의해 주변부(26)를 향해 이동시키는 가공이 필요하게 된다. 그러나, 그 주변부(26)의 이동처의 후육부(厚肉部)에도, 재료는 이미 존재하기 때문에, 재료를 면 내로 압축하는, 재료 저항이 큰 가공이 되어 버린다. 이와 같은 가공에는 다대한 성형력이 필요하게 되기 때문에, 가공으로서의 난도가 높아져, 박육부(24)의 두께를, 그 연장되는 전체 영역에 걸쳐서, 균일화, 일정화 등의 안정화시킬 수 없어서, 두께 변동(변화)을 초래한다. 그 결과, 안전 밸브(20)로서의 작동압도 두께 변동에 영향을 받아 일정하지 않아서 안정되지 않는다는 문제가 있었다.

또한, 안전 밸브의 다른 가공 방법으로서, 도 7에 도시하는 바와 같이, 전지 케이스의 외면을 형성하는 벽(21)의 일부에, 두께가 얇은 판상 부품(27)을 접합하여 박육부(24)로 하는 동시에, 이 박육부(24)[판상 부품(27)]의 위에 추가로 노치 가공을 실시해서 노치부(25)를 형성하여, 안전 밸브(20)로 하는 것이다. 이 방법에서는, 미리, 박육부(24)[판상 부품(27)]를 별도 부분적으로 제작할 수 있으므로, 박육부(24)나 노치부(25)의 치수가 균일화되어 작동압도 안정된다. 다만, 박육부(24)로서 별도 부품을 준비하거나, 전지 케이스 벽(21)에 받침대(28)를 가공, 형성하여, 박육부(24)[판상 부품(27)]를 설치하고, 받침대(28)에서 접합한다고 하는 여분의 공정이 필요하므로, 제조 비용이 비싸지는 문제가 있었다.

이에 대하여 특허문헌 9 혹은 특허문헌 10 등에도 기재되어 있는 알루미늄 합금 냉연판 소재의 프레스 성형을, 전지 케이스뿐만 아니라, 안전 밸브의 형성에 적용할 수 있으면, 프레스 성형 특유의 재현성 혹은 효율화를 얻을 수 있어서, 이들의 모든 문제는 해결할 수 있다.

일본 특허 공개 제 1993-314959 호 공보 일본 특허 공개 제 2002-83578 호 공보 일본 특허 공개 제 2005-251447 호 공보 일본 특허 공개 제 2001-35467 호 공보 일본 특허 공개 제 2001-345083 호 공보 일본 특허 공개 제 2001-143664 호 공보 일본 특허 공개 제 1999-204093 호 공보 일본 특허 공개 제 2003-297323 호 공보 일본 특허 공개 제 2009-4271 호 공보 일본 특허 공개 제 2009-249708 호 공보

그러나, 상기 도 6에 도시하는 바와 같은 전지 케이스의 두께 0.5㎜ 내지 3㎜ 정도의 벽의 부분을, 이 두께의 1/10 정도의 두께의 박육부까지 박육화하는 가공이나, 추가로, 그 위에 잔존 두께를 박육부의 수분의 1 정도까지 얇게 한 노치부를 형성해가는 홈 가공은 프레스 성형에 있어서도 극히 어려운 가공인 것에는 변함이 없다. 즉, 프레스 성형에서도, 상기 박육부(24)를 성형할 때는, 상기 냉간 단조와 마찬가지로, 박육부(24)의 중앙부(24a)의 재료를 소성 변형에 의해 주변부(26)를 향해 이동시키는 것이 필요하게 된다.

이 때문에, 상기한 바와 같이, 주변부(26)에는 두꺼운 재료가 이미 존재하기 때문에, 재료를 면 내로 압축하는 재료 저항이 큰 가공이 된다. 이 때문에, 다대한 성형력을 필요로 하여 가공 난이도가 높아져, 박육부(24)의 두께를, 그 연장하는 전체 영역에 걸쳐서 균일화, 일정화 등의 안정화시킬 수 없어서 두께 변동(변화)을 초래한다. 그 결과, 안전 밸브로서 필요한 파단용 오목홈인 노치부나 박육부의 마이크로한 두께(두께)가 되는 잔존 두께의 정밀도나 형상 정밀도의 확보가 어렵다.

특히, 강성이 높은 상기 SUS 등의 철합금이나 구리에 대하여, 연질이며 또한 탄성 계수가 낮은 특성을 갖는 알루미늄 합금판에서는, 프레스 성형에 있어서, 특히, 상기한 마이크로한 두께(두께)가 되는 잔존 두께의 정밀도나 오목홈의 형상 정밀도의 확보가 매우 곤란해진다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, Li 이온 전지에 있어서의 알루미늄 합금제 전지 케이스라도, 프레스 성형에 의해 정밀도 양호하고 또한 효율적으로 가공할 수 있는 안전 밸브 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적 달성을 위해서, 본 발명의 Li 이온 전지 케이스의 요지는, 알루미늄 합금판을 프레스 성형한 성형품으로 이루어지며, 안전 밸브를 구비한 Li 이온 전지 케이스로서,

상기 안전 밸브는, 상기 전지 케이스의 벽의 일부를 프레스 성형된 컵 형상의 볼록부로 형성되며,

상기 컵 형상의 볼록부는,

상기 전지 케이스의 벽에 마련된 개구부와,

상기 개구부의 주위로부터 일어나고, 상기 개구부로부터 멀어질수록 측방으로 넓어지도록 압궤되며, 상기 전지 케이스의 벽보다 얇은 측벽과,

상기 측벽의 선단측에 마련되고, 주위의 상기 전지 케이스의 벽의 외면에 대하여 평행하고 또한 상기 개구부보다 확대된 면적을 갖는 동시에, 상기 측벽보다 얇아지도록 눌려 넓혀진 정상부와,

상기 정상부의 외표면의 일부에 형성되는 노치부를 구비하여 이루어지는 것이다.

또한, 상기 목적 달성을 위해서, 본 발명의 Li 이온 전지 케이스의 안전 밸브의 형성 방법의 요지는, 알루미늄 합금판으로 이루어지는 전지 케이스의 벽의 일부를 컵 형상의 볼록부로 프레스 성형하여 상기 안전 밸브로 하는 것을 포함하며,

상기 전지 케이스의 벽의 일부를 프레스 성형하여 상기 벽에 개구부를 마련하는 동시에, 상기 개구부의 주위로부터 일어나는 측벽과 상기 측벽의 선단측에 마련된 정상부로 이루어지는 컵 형상의 볼록부를 형성하는, 제 1 박육화 공정과,

상기 컵 형상의 볼록부를 추가로 프레스 성형하여, 상기 측벽을 상기 개구부로부터 멀어질수록 측방으로 넓어지도록 압궤하는 동시에, 상기 정상부를 주위의 상기 전지 케이스의 벽의 외면에 대하여 평행하며 또한 상기 개구부보다 확대된 면적으로 상기 측벽보다 얇아지도록 눌러 넓혀서 박막화하는, 제 2 박육화 공정과,

상기 박막화된 정상부의 외표면의 일부에 노치부를 마련하는 노치 형성 공정을 구비하는 것이다.

본 발명은 안전 밸브측의 형상을 고안하여, 종래의 안전 밸브 형상과는 전혀 다른, 프레스 성형하기 쉽고, 또한, 종래의 오목홈형 안전 밸브의 기능을 손상시키는 일이 없는, 볼록형(컵 형상 볼록부)의 안전 밸브측 구조로 했다. 그 결과, 상기 알루미늄 합금제 전지 케이스라도, 프레스 성형에 의해, 박막 형상의 안전 밸브를 노치부도 포함하여 정밀도 양호하게 가공할 수 있다. 그 결과, 전지 케이스가 파열되기 전에, 전지 케이스의 안전 밸브를 확실하게 개열할 수 있다.

도 1은 본 발명의 Li 이온 전지 케이스의 일 태양의 전체를 나타내는 사시도,
도 2는 도 1의 안전 밸브 부분의 요부를 확대하여 나타내는 단면도,
도 3은 도 2의 안전 밸브의 프레스 성형의 제 1 박육화 공정을 나타내는 프레스 장치의 단면도,
도 4의 도 1의 안전 밸브의 프레스 성형의 제 2 박육화 공정을 나타내는 프레스 장치의 단면도,
도 5는 도 1의 안전 밸브의 프레스 성형의 노치 형성 공정을 나타내는 프레스 장치의 단면도,
도 6은 종래의 안전 밸브의 단조 가공을 나타내는 전지 케이스의 단면도,
도 7은 종래의 안전 밸브 부재의 조립 공정을 나타내는 전지 케이스의 단면도.

이하에 도면을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여함으로써 중복 설명을 생략한다.

도 1에 본 발명의 Li 이온 전지 케이스의 전체도를 사시도로 도시한다. 또한, 도 2에, 도 1의 안전 밸브의 실시형태를 요부 단면도로 도시한다. 이와 같은 본 발명의 Li 이온 전지 케이스는 상기한 휴대 전화나 노트형 퍼스널 컴퓨터 혹은 자동차용 등의 탑재 전원이 된다.

전지 케이스의 기본 구조

도 1 및 도 2의 본 발명의 Li 이온 전지 케이스(1)는, 알루미늄 합금 박판(냉연판) 소재를, 복수의 공정으로 이루어지는 드로잉 가공 및 아이어닝 가공을 조합한 통상의 프레스 성형에 의해 각형 전지 케이스로 하고 있다. 보다 구체적으로는, 전반의 드로잉 가공에서는, 원형 혹은 타원형 등의 소정 형상으로 미리 타발한 알루미늄 합금 박판(소재 블랭크)을, 다단의 프레스 장치에 의해, 장방형의 균일한 횡단면 형상을 그 높이 방향에 걸쳐서 갖고 스트레이트한 외관 형상인 중간 컵체로 완전히 드로잉한다. 이어서, 이 중간 컵체를, 또한 펀치와 복수 단으로 배치한 아이어닝 다이스(다이스 열)로 후반의 아이어닝 가공을 실행하여 박육화(감육화)한 후에, 장방형의 균일한 횡단면 형상을 그 높이 방향에 걸쳐서 갖고 스트레이트한 외관 형상인 최종 각형 전지 케이스로 성형한다.

도 1에 있어서, 전지 케이스(1)의 본체는 그 전체 형상이 각형이며, 정면(1a) 및 배면(1b)이 양측면(1c, 1c) 및 저면(1b)에 비해 넓은 면인, 상면을 제외한 5면으로 구성된 편평형의 직방체를 이루고 있다. 이와 같은 전지 케이스(1)의 본체에 있어서, 덮개(9)가 접합되는 상면(1e)측만 개방된 공간으로 된 상자체로 되어 있다. 이들 도 1 및 도 2의 태양에서는, 본 발명에 따른 안전 밸브(2)는, 전지 케이스(1)의 상면(1e)이 되는 덮개(9)의 외표면측의 중앙부 위치에 형성되어 있다.

전지 케이스(1)의 크기, 형상 등은 통상의 Li 이온 2차 전지 등의 사양에 따라서 다양하게 선택된다. 이 점에서, 전지 케이스의 벽(외벽)의 두께는 0.5㎜ 내지 3㎜의 범위로부터 선택하는 것으로 한다. 전지 케이스(1)의 두께가 0.5㎜ 미만에서는, 비교적 고강도인 알루미늄 합금 박판을 덮개의 소재로서 이용했다고 해도, 요구되는 강성이나 강도가 부족하다. 한편, 전지 케이스의 두께가 3㎜를 초과하면, 중량이 무거워지는 동시에 두께가 두꺼워져서, 박육부나 파단용 오목홈 등의 안전 밸브의 정밀도 양호한 가공이 어려워진다.

이와 같은 전지 케이스의 본체에 대하여, 그 상면(1e)측의 공간에 평판 형상의 덮개(9)가 세트되지만, 이 덮개(9)에는 안전 밸브(2)가 미리 프레스 성형에 의해 형성되어 있다. 세트된 덮개(9)는, 평면에서 보아 직사각형(사각형)의 덮개(9)의 네 주위(주연)이 전지 케이스(1)의 정면(1a) 및 배면(1b), 양측면(1c, 1c)의 각 상면(1e)측 단부와 각각 레이저 용접 등의 용접에 의해 접합된다. 이에 의해, 덮개(9)의 네 주위의 용접 비드(9a)로 나타내는 바와 같이, 전지 케이스(1)를 기밀 상태로 보지한다. 이 덮개(9)의 두께(판 두께)는 구체적으로 정해지는 전지 케이스(1) 본체의 두께보다 다소 두꺼워도 좋지만, 수치 범위로서는 전지 케이스(1) 본체와 마찬가지로 0.5㎜ 내지 3㎜의 범위로 한다.

이러한 전지 케이스(1)에는, 도시하지는 않지만, 통상의 외부 전극, 전해액의 주입구나 커버 등의 다른 필요 부품이나 부위가 장착된다.

안전 밸브(2)

도 2에, 본 발명의 Li 이온 전지 케이스에 있어서, 형성된 안전 밸브(2)를 확대하여 요부로 도시한다.

안전 밸브(2)는, 이들 도 1 및 도 2의 태양에서는, 전지 케이스(1)의 상면을 구성하는 덮개(9)의 외표면측 중앙부 부위에 형성되어 있다. 즉, 전지 케이스의 덮개(9)의 벽(3)에 있어서의, 점선으로 나타내는 직선적인 벽 부분(3a)의 영역(부분)을, 도 2의 상방을 향하는 화살표로 나타내는 바와 같이, 전지 케이스(1)[덮개(9)]의 외측을 향해 부풀어 오르는 컵 형상의 볼록부(통 형상의 볼록부, 볼록 형상, 돌기 형상)로 프레스 성형하여 이루어진다. 여기서, 안전 밸브(2)는 평판상의 형상을 갖고 있는 덮개(9)에 미리 프레스 성형되어 있다. 그리고, 이 안전 밸브(2)가 형성된 덮개(9)가 전지 케이스(1)의 상면 (1e)측에 접합되어 있다.

다만, 성형 가능하면, 이러한 컵 형상의 볼록부를, 방향이 반대인 도 2의 하방으로 전지 케이스의 내측을 향해 부풀어 오르는 컵 형상의 볼록부로 프레스 성형해도 좋다.

도 2에 있어서, 안전 밸브(2)는 전지 케이스(1)의 덮개(9)의 벽(3)의 일부(3a)를 프레스 성형하여 형성된 컵 형상의 볼록부로서 구성되어 있다. 이 컵 형상의 볼록부는, 개략, 벽(3)에 마련된, 개구부(3c), 측벽(6), 정상부(4), 노치(5)로 이루어진다.

이와 같이, 안전 밸브(2)는 전지 케이스(1)의 벽(3)의 일부를 프레스 성형하여 형성된 컵 형상의 볼록부로 구성되지만, 안전 밸브(2)를 형성하는 벽으로서는, 상기 덮개(9)의 벽뿐만 아니라, 전지 케이스(1)의 본체측의 각 면의 벽을 선택할 수 있다. 즉, 전지 케이스의 덮개(9)의 벽(3) 이외에도, 전지 케이스(1)의 본체측의, 저면(하면)(1d), 정면(1a), 배면(1b), 측면(1c, 1c)으로부터 선택되는 부위의 벽의 일부를 직접 프레스 성형하여 안전 밸브(2)를 성형할 수 있다. 이들 안전 밸브(2)를 성형하는(마련하는) 부위나 그 위치는 통상의 Li 이온 2차 전지의 사양에 따라서 다양하게 선택된다.

또한, 전지 케이스(1)의 본체측의 각 면의 벽에의 안전 밸브(2)의 형성은, 전지 케이스(1)의 본체의 성형을 드로잉과 아이어닝 가공을 조합한 가공으로 실행하는 경우에는, 이 전지 케이스(1)의 본체의 성형 전에 실행하는 것은 곤란하다. 따라서, 전지 케이스(1)의 본체의 성형 후에, 선택되는 각 면의 벽에 안전 밸브(2)를 성형하는 것이 바람직하다.

이하의 설명에서는, 덮개(9)의 벽(3)에의 안전 밸브(2)의 형성을 중심으로 하지만, 도 2에 있어서의 벽(3)을, 전지 케이스(1)의 본체의 저면(1d), 정면(1a), 배면(1b), 측면(1c, 1c) 등의 면으로부터 선택되는 부위의 벽(3)으로 치환하면, 점선으로 나타내는 직선적인 벽 부분(3a)의 영역을, 도 2의 상방(전지 케이스 외측)이나 하방(전지 케이스 내측) 중 어느 하나를 향해 부풀어 오르는 컵 형상의 볼록부로 프레스 성형하여 마찬가지로 형성할 수 있다. 이하에, 안전 밸브(2)인 컵 형상의 볼록부를 구성하는 각 요건의 의의에 대해 도 2를 이용하여 설명한다.

[개구부(3c)]

전지 케이스 내부의 가스의 외측으로의 출구가 되는 개구부(3c)는, 벽(3)의 일부(3a)가 후술하는 프레스 성형됨으로써 형성된다. 이 개구부(3c)[성형되는 벽(3)의 일부(3a)]의 크기, 형상 등은 Li 이온 2차 전지 등의 사양에 따라서, 내부 가스를 개방하기 위해 필요한 크기(면적), 형상이 설계된다. 본 발명에서는, 이 개구부(3c)의 크기(면적), 형상은 안전 밸브(2)를 형성하는 컵 형상의 볼록부의 크기나 형상을 규정하므로, 이 안전 밸브(2)의 설계 조건도 부가하여, 상기 설계된다. 이 점에서, 안전 밸브(2)를 형성하는 컵 형상의 볼록부를 프레스 성형하기 쉬운 평면에서 본 형상으로서, 타원형이나 타원, 이것에 유사한 원형이나 다각형 형상으로 하는 것이 바람직하다. 다만, 성형이 가능하면, 이외의 평면에서 본 형상으로서, 대략 사각형(대략 직사각형), 진원형, 원형에 유사한 다각형 형상으로 형성되어도 좋다.

[측벽(6)]

컵 형상의 볼록부로 이루어지는 안전 밸브(2)의 측벽(6)은, 후술하는 일련의 프레스 성형에 의해 형성되어 있다. 이 측벽(6)은, 도 2 에 도시하는 바와 같이, 전지 케이스(1)[덮개(9)]의 벽(3)의 개구부(3c)의 주위로부터 일어나며, 이 개구부(3c)로부터 멀어질수록 측방으로 넓어지도록 압궤되며, 벽(3)보다 얇게 형성되어 있다. 도 2의 예에서는, 이 측벽(6)은, 박막 정상부(4)의 주연부(4a)와 일체로 이어지며, 박막 정상부(4)의 측방(도 1의 좌우 방향)을 향해 볼록 형상으로 부풀어 오르는 동시에, 볼록 형상의 되접힘부(부풀어 오른 정상부)(6a)를 갖는, 볼록 형상 측벽(부풀어 오른 형상 측벽, 되접힘 형상 측벽)(6)으로서 형성되어 있다. 이 볼록 형상 측벽(6)의 두께는 벽(3)보다 얇으며, 박막 정상부(4)의 두께보다도 두껍게 되도록 마련되어 있다.

이 측벽(6)에 의해, 박막 정상부(4)는, 그 주연부(4a)가 그 볼록 형상 측벽(6)을 거쳐서 안전 밸브(2) 주위의 전지 케이스(1) 본체 혹은 덮개(9) 등의 벽(3)과 일체로 이어져서, 안전 밸브(2)로서의 컵 형상의 볼록부 형상(돌기 형상)을 형성하는(완성하는) 것이 된다. 측벽(6)은 정상부(4)의 주연에 걸쳐서 연장되며, 그의 평면에서 본 형상은 박막 정상부(4)의 평면에서 본 형상에 대응한 동심적인 형상인, 예컨대, 원형, 타원형 등의 대략 원형의 형상이 선택된다.

이 측벽(6)은, 박막 정상부(4)의 프레스 성형 과정에서, 박막 정상부(4)[원래의 벽(3a)]의 박육화 중에, 박막 정상부(4)의 주연 외측으로 배출(이동)된 재료를 그 배출된 만큼만 자신의 측벽의 일부 혹은 전부로 하여 수용하는(취입하는), 중요한 기능을 수행한다. 이와 같은 수용 기능에 의해, 재료의 면 내로의 압축이 경감되어, 재료 저항이 작아져서, 성형력이 작아도 충분하기 때문에, 박막 정상부(4)의 두께(두께)를, 그 연장되는 전체 영역에 걸쳐서, 균일화, 일정화 등의 안정화시킬 수 있다. 그 결과, 안전 밸브(2)로서의 작동압도 두께 변동에 영향받는 일 없이 일정화되어 안정화된다.

따라서, 측벽(6)은, 평면에서 보아, 그 직경(면적)은 개구부(3c)나 정상부(4)의 직경(면적)보다 크지만, 실제의 벽의 높이(길이)는 박막 정상부(4)의 크기(직경), 환언하면, 박막 정상부(4)의 프레스 성형 과정으로 박막 정상부(4)의 주연 외측으로 배출(이동)되는 재료의 양에 의해서도 규정된다.

[박막 정상부(4)]

컵 형상의 볼록부로 이루어지는 안전 밸브(2)의 정상부(4)는, 측벽(6)의 선단측에 마련되고, 주위의 전지 케이스(1) 본체 혹은 덮개(9) 등의 벽(3)의 외 면(3b)에 대하여 평행하며 또한 개구부(3c)보다 확대된 면적을 갖는 동시에, 측벽(6)보다 얇아지도록 눌려 넓혀지며, 벽(3)의 두께보다 얇은 평탄한 박막으로 성형되어 있다. 안전 밸브의 기능 발휘를 위해서는, 후술하는 노치부(5)가 절단 가능하게 되어 있을 뿐만 아니라, 벽(3) 자체에, 개구부(3c)가 크게 벌어져서 내압을 개방할 필요가 있다. 이 때문에, 노치부 방식에 의한 안전 밸브에서는 이와 같은 박막 정상부가 필요하다.

박막 정상부(4)[안전 밸브(2)]를 마련하는 전지 케이스의 부위와, 그 부위에 있어서의 위치도, 그 부위의 중앙부로 하지 않고도, 전지 케이스(1)의 평면 형상이나 크기(면적), 혹은 전지 케이스(1)로의 다른 장착 부품의 장착 위치에 따라서, 단부측으로 하는 등, 임의의 위치를 적절히 선택 가능하다.

박막 정상부(4)의 평면에서 보았을 때의 크기(직경)은, 상기한 안전 밸브로서의 개구부가 되어 내압을 개방하는 역할을 수행하기 위해서, 전지 케이스(1)의 용량이나 내압 등의 조건으로부터 정해지는 안전 밸브의 설계 조건으로부터 결정된다. 또한, 그것을 마련하는 전지 케이스의 부위(저면, 정면, 배면, 측면 혹은 덮개)의 면적이나 폭에 의해 규정된다.

박막 정상부(4)의 평면에서 보았을 때의 형상은 프레스 성형하기 쉬운 타원형이나 타원의 형상, 혹은 이것에 유사한 원형이나 다각형 형상으로 하지만, 성형 가능하면, 그 외의 평면에서 본 형상으로서, 대략 사각형(대략 직사각형), 진원형, 원형에 유사한 다각형 형상으로 형성해도 좋다.

박막 정상부(4)의 두께는 80㎛ 내지 500㎛의 범위로부터 선택한다. 또한, 측벽(6)의 두께는, 이 80㎛ 내지 500㎛의 범위로부터, 박막 정상부(4)보다 두꺼워지도록, 또한 벽(3)보다 얇아지도록 선택한다. 박막 정상부(4)나 측벽(6)이 안전 밸브로서 기능하기 위해서는, 두께를 500㎛ 이하의 박막으로 할 필요가 있다. 박막 정상부(4) 측벽(6)의 두께가 500㎛를 초과하면, 전지 케이스의 내부 압력 상승에 대하여, 전지 케이스가 파열하지 않는 정도의 내부 압력에서 개열하지 않아서, 안전 밸브의 기점이 될 수 없게 된다. 또한, 후에 가공되는 노치부(파단용 오목홈)(5)의 두께를 충분히 얇게 하는 가공이 곤란하다.

[노치부(5)]

이 박막 정상부의 중앙 부분에는, 박막 정상부(4)의 일부로서, 그 외표면에, 파단용 오목홈인 노치부(5)가, 후술하는 일련의 프레스 성형 혹은 코이닝(coining) 가공에 의해 마련되어 있다. 이 노치부(5)의 길이나 오목홈 깊이도, 전지 케이스(1)의 용량이나 내압 등의 조건으로부터 정해지는 안전 밸브의 설계 조건으로부터 결정되며, 마련되는 부위(정면, 배면, 측면 혹은 덮개)의 면적(크기)에 의해 규정된다.

이 점에서, 노치부(5)의 두께(오목홈 형성 후의 잔존 두께)를 10㎛ 내지 60㎛ 정도의 얇은 두께로 하는 것이 바람직하다. 노치부(5)의 두께가 10㎛ 미만이면, 비교적 고강도인 알루미늄 합금판을 소재로서 이용했다고 해도, 전지 케이스로서 요구되는 강성이나 강도가 부족하다. 한편, 노치부(5)의 두께가 60㎛를 초과하면, 전지 케이스의 내부 압력 상승에 대하여, 전지 케이스의 파열을 방지하기 위해, 파열하지 않는 정도의 내부 압력에서 개열하지 않아서, 안전 밸브의 기점이 될 수 없다.

노치부(5)의 평면에서 본 형상은 박막 정상부(4)의 평면에서 본 형상에 대응하여 원형이나 타원형의 환상이어도, 박막 정상부(4)의 중앙부에 따른 형상으로 직선 형상으로 형성해도 좋다. 이와 같이, 진원 형상, 타원 형상 등의 환상으로 하거나, 직선 형상 혹은 곡선 형상으로 하거나, 연속시키거나, 단속적으로 마련하거나 하는 등, 성형이 가능하면 적절히 선택할 수 있다.

도 1 및 도 2의 전지 케이스(1)의 실시형태에서는, 안전 밸브(2)는, 세로(높이)(50㎜)×가로(폭)(50㎜)×안길이(측벽의 폭)(1O㎜)의 직방체인 전지 케이스(1)의, 덮개(9)의 중앙부의 벽(3)에 성형되어 이루어진다. 덮개(9)의 벽(3)의 두께(판 두께)는 1.5㎜, 전지 케이스(1)의 벽(3)의 두께(판 두께)는 전부 1.1㎜, 박막 정상부(4)는 측면 길이 방향의 장직경이 10㎜, 폭 방향의 단직경이 6㎜인 타원형이며, 두께(판 두께)는 110㎛이다. 또한, 노치부(5)(파단용 오목홈)는 박막 정상부(4)에 전지 케이스 측면 폭 방향에 걸쳐서 길이 7㎜로 마련되며, 그 폭이 50㎛, 잔존 두께가 20㎛이다.

이상과 같은, 도 1과 같은 형상, 구성의 안전 밸브(2)로 함으로써, 전지 케이스(1)의 벽(3)의 외표면과, 박막 정상부(4)나 노치부(5)를 일체로 하면서, 박막 정상부(4)나 노치부(5)의 치수, 두께를 안정시켜서, 안전 밸브(2)의 작동압도 안정시킬 수 있다.

전지 케이스의 안전 밸브의 형성 방법

이하에, 도 1의 안전 밸브를 프레스 성형으로 형성하는 태양(공정)을 순차적으로 시계열적으로 도 3, 도 4 및 도 5의 프레스 성형 장치의 단면도에 나타낸다.

(도 3)

먼저, 도 3은 제 1 박육화 공정을 도시하며, 전지 케이스[덮개(9)]의 벽(3)의 일부(3a)를 프레스 성형하여 벽(3)에 개구부(3c)를 마련하는 동시에, 이 개구부(3c)의 주위로부터 일어나는 측벽(7)과, 이 측벽(7)의 선단측에 마련된 정상부(8)로 이루어지는, 전지 케이스의 외측을 향해 부풀어 오르는 컵 형상(통 형상)의 볼록부를 형성한다. 이때, 이 컵 형상 볼록부의 정상부(8)를, 전지 케이스[덮개(9)]의 벽(3)의 외면에 대하여 평행하며 또한 전지 케이스의 벽(3)보다 얇은 평탄한 박막으로 성형한다.

여기서, 도 3에 있어서, 안전 밸브(1)에 성형하는 벽(3)을, 알루미늄 합금판을 프레스 성형한 성형품인, 전지 케이스(1)의 본체의 저면(d), 정면(1a), 배면(1b), 측면(1c, 1c) 등의 면으로부터 선택되는 부위로 하는 경우는, 이들 면 혹은 면에 상당하는 벽(3)으로 치환되어, 동일하게 성형한다. 또한, 상기한 바와 같이, 전지 케이스의 내측(내부)를 향해 부풀어 오르는 컵 형상의 볼록부를 형성해도 좋다.

보다 구체적으로, 도 3에 있어서, 주위의 전지 케이스[덮개(9)]의 벽(3)을 블랭크 홀더(12)와 다이스(13)로 협지하면서, 제 1 펀치(10)에 의해 벽(3)에 개구부(3c)를 마련하는 동시에, 이 개구부(3c)의 주위로부터 일어나는 측벽(7)과, 이 측벽(7)의 선단측에 마련된 정상부(8)로 이루어지는, 전지 케이스의 외측을 향해 부풀어 오르는 컵 형상의 볼록부(볼록 형상, 볼록 형상 부분)를 형성한다. 서로 대향하는 다이스(13)와 블랭크 홀더(12)는 안전 밸브(2)를 성형하는 전지 케이스[덮개(9)]의 벽 부위(3a)의, 주위의 벽(3)의 상면측과 하면측을 각각 협지한다. 그 후에, 도면의 하측으로부터, 펀치(펀치)(10)에 의해, 벽 부위(3a)를 도면의 상방을 향해 밀어올리도록 성형하여, 도 4의 안전 밸브의 전신이 되는, 도면의 상방으로 돌출한, 측벽(7)과 정상부(8)를 갖는 컵 형상의 볼록부를 형성한다.

이 컵 형상 볼록부의 성형 시에, 이 컵 형상 볼록부의 정상부(8)를, 이 정상부(8) 내측으로부터의 제 1 펀치와, 이 정상부(8)의 외측으로부터의 카운터 펀치(11)로 협지 가압하면서, 전지 케이스(1)[덮개(9)]의 벽(3)의 외면(3b)에 대하여 평행하며 또한 전지 케이스(1)[덮개(9)]의 벽(3)보다 얇은 평탄한 박막으로 동시에 성형한다. 이때, 제 1 편치(10)와 대향하는 벽 부위(3a)의 상측의 면을 카운터 펀치(11)로 도면의 하측을 향해 가압하면서 성형한다.

이와 같은 가공 방법으로 함으로써, 후술하는 박막 정상부(4)의 전신이 되는 정상부(8)는, 면 외에는 압축 응력, 면 내에는 인장 응력을 받기 때문에, 소성 변형하기 쉬워져서, 용이하게 박육(박막)화 한다. 또한, 정상부(8)의 박육화로, 정상부(8)의 주위(주연측)를 향해 배출된 (알루미늄 합금) 재료는, 컵 형상 볼록부(7)의 측벽으로서, 후술하는 볼록 형상 측벽(되접힘 형상 측벽)(6)의 전신이 되는, 상방으로 일어나는, 비교적 긴(높은) 측벽(7) 부분을 형성한다. 즉, 박육부(8)의 박육화로 배출된 재료는 거의 모두가 돌출부(7)의 상기 측벽에 흡수된다. 또한, 환언하면, 박육부(8)의 박육화로 배출된 재료가 상기 컵 형상 볼록부(7)의 측벽에 흡수되도록, 비교적 긴(높은) 측벽 부분을 형성한다. 이 때문에, 이 컵 형상 볼록부(7)의 주변의 벽(3)의 재료와 간섭하는 일이 없어서, 가공력이 작아도 되며, 정상부(8)의 두께가 안정된다.

(도 4)

다음에, 도 4는 제 2 박육화 공정을 도시하며, 상기 컵 형상의 볼록부를 추가로 프레스 형성하여, 상기 측벽(7)을 상기 개구부(3c)로부터 멀어질수록 측방으로 넓어지도록 압궤해서 볼록 형상의 측벽(6)을 형성한다. 이와 동시에, 상기 정상부(8)를 주위의 상기 전지 케이스[덮개(9)]의 벽(3)의 외면(3b)에 대하여 평행하며 또한 상기 개구부(3c)보다 확대된 면적으로, 형성하는 측벽(6)보다 얇아지도록 눌러 넓혀서, 박막 정상부(4)로서 박막화한다. 이에 의해, 이러한 최종적인 컵 형상 볼록부의 정상부(4)를 상기 정상부(8)보다 더욱 박육화하는 동시에, 컵 형상 볼록부(7)의 측벽(6)을 박막 정상부(4)의 측방(횡방향)을 향해 볼록 형상으로 부풀어 오르는 동시에, 되접힘부(6a)를 갖고, 주위의 전지 케이스[덮개(9)]의 벽(3)과 일체로 이어지는, 박막 정상부(4)보다도 두꺼운 볼록 형상 측벽(6)을 형성한다.

도 4에서는, 이것을, 이 주위의 전지 케이스(1)의 벽(3)을 하형(14)으로 보지(지지)하면서, 상기 정상부(8) 내측으로부터의 제 2 펀치(16)와 상기 정상부(8) 외측으로부터의 상형(15)으로 협지 가압하여, 최종의 박막 정상부(4)의 형상, 크기, 두께로 한다. 또한, 컵 형상의 볼록부인 안전 밸브(2)의 박막 정상부(4)로서, 주위의 전지 케이스(1)의 벽(3)의 외면(3b)에 대하여 평행하며 또한 전지 케이스(1)의 벽(3)보다 얇은 평탄한 박막을 형성한다.

이때에도, 제 2 펀치(16)와 상형(15) 사이에서, 상기 박육부(8)의 재료를 압축하여, 박막 정상부(4)로 두께를 얇게 하므로, 이 과정에서도 재료가 배출되지만, 이 재료도 볼록 형상 측벽(6)을 형성하는 재료의 일부로서 흡수된다.

즉, 박막 정상부(4)의 성형과 동시에, 상기 볼록부(7)의 정상부(8)를 가압하여 압궤 변형함으로써, 볼록 형상 측벽(6)이 형성될 때에, 상기 정상부(8)로부터 재료가 배출된다. 이 배출 재료는 볼록 형상으로 부풀어 올라 상기 볼록부(7)의 측벽보다 길이가 길어지는, 볼록 형상 측벽(6)을 형성하는 재료의 일부가 된다. 이 볼록 형상 측벽(6)은 박막 정상부(4)의 측방(도면의 좌우 방향)을 향해 볼록 형상으로 부풀어 오르는 동시에, 주위의 전지 케이스의 벽(3)과 일체로 이어진, 박막 정상부(4)보다 두꺼운 측벽으로서 형성된다. 이 볼록 형상 측벽(6)은 박막 정상부(4)의 주연부(4a)에 걸쳐서, 상기한 평면에서 본 형상으로 연장하고, 볼록 형상의 되접힘부(볼록 형상의 팽창부의 정상부 혹은 변곡점)(6a)를 갖는다.

(도 5)

또한, 도 5에 도시하는 노치 형성 공정에 있어서, 상기 박막 정상부(4)의 외표면의 일부에 노치부를 마련한다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 볼록 형상 안전 밸브(2)의 박막 정상부(4)의 중앙부에, 도면의 상방으로부터 상형 지그(18)와, 도면의 하방으로부터의 하형 지그(17)로 박막 정상부(4)를 협지, 가압함으로써, 박막 정상부(4)의 외표면에 노치 가공을 실시하여, 박막 정상부(4)의 직경 방향에 걸쳐서 직선 형상의 노치부(5)를 형성한다. 이 상형 지그(18)는 그 하부에 하방으로 돌출하여 도면의 전후 방향[박막 정상부(4)의 평면에서 보았을 때의 직경 방향]으로 연장되며, 가압에 의해 노치부(5)를 형성하는 볼록 형상의 돌기(19)를 갖는다. 그리고, 최종적으로 상기 도 1의 전지 케이스를 제조한다.

알루미늄 합금

전지 케이스 본체나 덮개에 사용하는 알루미늄 합금판은 이들 전지 케이스의 벽(외벽)이나 덮개의 두께에 대응한, 0.5㎜ 내지 3㎜의 범위의 판 두께를 갖는 것으로 한다. 전지 케이스 본체(1)의 박육화는 내부 용적의 증가에 직결되어, 전지 특성의 고용량화를 도모하는 중요한 요소가 되지만, 전지 케이스 본체(1)는 이 박육화에 의해서도 필요한 내압성을 유지할 수 있으며, 또한 프레스 성형도 가능하게 할 필요가 있다. 이 때문에, 그 재료 강도는 하기 합금의 냉연판이나 필요에 따라 그것을 용체화 및 담금질 처리나 시효 경화 처리 혹은 풀림 등의 조질(調質)한 후의 0.2% 내력으로, 1000계 알루미늄 합금이면, 30㎫ 내지 120㎫의 범위, 3000계 합금이면 50㎫ 내지 180㎫ 정도로 하는 것이 바람직하다.

이들을 만족하는 알루미늄 합금으로써는, 전지 케이스 본체(1)에는 JIS 내지 AA에 규격되는 3000(Al-Mn)계 알루미늄 합금, 그 중에서도 A3003 알루미늄 합금이 바람직하다. 또한, 덮개재는 JIS 내지 AA에 규격되는 1000계 알루미늄 합금, 그 중에서도, 레이저 용접을 이용하여 밀봉되는 경우에는 순 알루미늄 합금인 A1050 합금이 바람직하다. 이들 합금은 내식성의 면에서도 바람직하다. 다만, 사용 조건이나 성형 조건에 따라서는, 이들 합금의 내 크리프(creep)성(내 크리프 변형성) 등을 보다 개량한 합금이나, 이들의 보다 고강도인 5000계나 6000계 알루미늄 합금을 이용해도 좋다.

이상, 본 발명은, Li 이온 전지에 있어서의 알루미늄 합금제 전지 케이스라도, 프레스 성형에 의해 정밀도 양호하게 그리고 효율적으로 가공할 수 있는 안전 밸브를 제공할 수 있다. 이 때문에, 정밀도 양호하게 그리고 효율적으로 안전 밸브를 가공하고 싶은 리튬 이온 2차 전지나, 그 제조 공정에 바람직하게 사용할 수 있다.

1 : 전지 케이스 2 : 안전 밸브
3 : 전지 케이스 벽 4 : 박막 정상부
5 : 노치부 6 : 볼록 형상 측벽
7 : 돌출부 8 : 박육부
9 : 덮개 9a : 용접 비드
10 : 제 1 펀치 11 : 카운터 펀치
12 : 블랭크 홀더 13 : 다이스
14 : 하형 15 : 상형
16 : 제 2 펀치 17 : 하형 지그
18 : 상형 지그 19 : 노치부 형성용 돌기

Claims

알루미늄 합금판을 프레스 성형한 성형품으로 이루어지며, 안전 밸브를 구비한 리튬(Li) 이온 전지 케이스에 있어서,
상기 안전 밸브는, 상기 전지 케이스의 벽의 일부가 프레스 성형된 컵 형상의 볼록부로 형성되며,
상기 컵 형상의 볼록부는,
상기 전지 케이스의 벽에 마련된 개구부와,
상기 개구부의 주위로부터 일어나고, 상기 개구부로부터 멀어질수록 측방으로 넓어지도록 압궤되며, 상기 전지 케이스의 벽보다 얇은 측벽과,
상기 측벽의 선단측에 마련되고, 주위의 상기 전지 케이스의 벽의 외면에 대하여 평행하며 또한 상기 개구부보다 확대된 면적을 갖는 동시에, 상기 측벽보다 얇아지도록 눌려 넓혀진 정상부와,
상기 정상부의 외표면의 일부에 형성되는 노치부를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는
리튬 이온 전지 케이스.
리튬(Li) 이온 전지 케이스의 안전 밸브의 프레스 성형에 의한 형성 방법에 있어서,
알루미늄 합금판으로 이루어지는 전지 케이스의 벽의 일부를 컵 형상의 볼록부로 프레스 성형하여 상기 안전 밸브로 하는 것을 포함하며,
상기 전지 케이스의 벽의 일부를 프레스 성형하여 상기 벽에 개구부를 마련하는 동시에, 상기 개구부의 주위로부터 일어나는 측벽과 상기 측벽의 선단측에 마련된 정상부로 이루어지는 컵 형상의 볼록부를 형성하는, 제 1 박육화 공정과,
상기 컵 형상의 볼록부를 추가로 프레스 성형하여, 상기 측벽을 상기 개구부로부터 멀어질수록 측방으로 넓어지도록 압궤하는 동시에, 상기 정상부를 주위의 상기 전지 케이스의 벽의 외면에 대하여 평행하며 또한 상기 개구부보다 확대된 면적으로 상기 측벽보다 얇아지도록 눌러 넓혀서 박막화하는, 제 2 박육화 공정과,
상기 박막화된 정상부의 외표면의 일부에 노치부를 마련하는 노치 형성 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는
리튬 이온 전지 케이스의 안전 밸브의 형성 방법.