WO2016031768A1 - 密閉式蓄電デバイスの封止構造体、密閉式蓄電デバイス、およびその製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a sealing structure provided in a sealed electric storage device, and more particularly to a sealing structure that seals a liquid injection hole provided in a sealing plate that seals an opening of a case with a sealing plug.
- capacitors such as lithium ion capacitors and electric double layer capacitors, nickel-capacitors, etc. have been used as hermetically sealed power storage devices used for mobile devices such as mobile phones, portable AV devices, and notebook computers, and for various power sources such as stationary and mobile. Secondary batteries such as alkaline storage batteries such as hydrogen storage batteries and nickel-cadmium storage batteries and lithium ion batteries are widely used.
- a power generation element in which an electrode group consisting of a positive electrode and a negative electrode is impregnated with an electrolyte is housed in a case made of a metal plate.
- the electrolyte may be injected from the liquid injection hole with a nozzle or the like after the electrode group is accommodated in the case and welded between the sealing plate and the case opening. This is because the sealing failure caused by the electrolyte adhering to the welded portion is suppressed because the gap between the sealing plate and the case opening is welded with the electrolyte still not in the case.
- the liquid injection hole is closed by a sealing plug formed of an elastic material such as rubber after the electrolyte is injected into the case (Patent Document 1, etc.).
- leakage inspection by sampling is performed for sealed electricity storage devices. This is because if the sealing type power storage device has a sealing failure, the electrolyte leaks and damages the devices arranged around the power storage device, or the performance of the power storage device decreases.
- the sealing plate and the outer can are welded, the electrolyte is injected from the injection hole, and then helium gas is injected from the injection hole.
- a sealing plug having a metal holding member is inserted into the liquid injection hole, and the metal portion of the sealing plug and the sealing plate are welded to complete the sealed electric storage device.
- this sealed electricity storage device is installed in a decompression chamber and the helium concentration in the decompression chamber is measured (Patent Documents 2 and 3, etc.).
- the 1st aspect of this invention is a sealing structure which seals the liquid injection hole which injects electrolyte to a sealing type electrical storage device,
- the said sealing structure is a sealing board which has the said liquid injection hole,
- a sealing plug that seals the liquid injection hole, and the sealing plug includes a plate-shaped holding member that is bonded to the sealing plate, and a press-fit member that includes an elastic material and is bonded to the holding member.
- the sealing plate has a deep counterbore around the liquid injection hole on the surface to be joined to the holding member, and the liquid injection hole is a flat surface on the bottom side of the deep counterbore part.
- the press-fitting member includes a base that is joined to the holding member, and a protrusion that is provided to protrude from the base and is inserted into the liquid injection hole.
- the base has a diameter BD and a diameter HD1 of the first opening satisfies a relationship of diameter BD> diameter HD1, and the protruding portion is more base than the second opening in a sealed state.
- a first side surface portion on the side and a second side surface portion on the tip side with respect to the second opening, and a part of the first side surface portion and the inner peripheral surface of the liquid injection hole are the inner peripheral surface.
- the angle ⁇ 1 formed between the abutting portion and the direction perpendicular to the main surface of the holding member in an unloaded state is 0 ° or more and 45 ° or less
- the diameter PD1 at the boundary of the protrusion with the base, the diameter PD3 at the tip, and the diameter HD1 satisfy the relationship of diameter PD1> diameter HD1> diameter PD3, and the maximum in the second side surface portion of the protrusion
- the diameter PD5 and the diameter HD1 satisfy the relationship of diameter PD5> diameter HD1, and the front of the protruding portion.
- the diameter PD2 at the boundary between the first side surface portion and the second side surface portion and the diameter PD5 satisfy the relationship of diameter PD5> diameter PD2, and between the base portion and the bottom portion of the deep spot facing portion.
- the present invention relates to a sealed structure for a sealed electricity storage device in which a gap L1 is provided.
- a second aspect of the present invention includes a case including the sealing structure, a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte, which are accommodated in the case.
- the present invention relates to a sealed electric storage device.
- a third aspect of the present invention is a method for manufacturing a sealed electricity storage device including the above-described sealing structure, the step of preparing a bottomed outer can, the sealing plate, and the sealing plug; A step of accommodating the electrode group in the outer can, a step of welding the opening end of the outer can in which the electrode group is accommodated, and a peripheral edge of the sealing plate, and impregnating the electrode group with an electrolyte. A step of injecting an inert gas from the injection hole of the sealing plate welded to the outer can, and a state in which the interior of the outer can is pressurized by the injected inert gas.
- the step of press-fitting the press-fitting member into the liquid injection hole the step of welding the sealing plate and the sealing plug together with the press-fitting member press-fitted into the liquid injection hole, and the sealing Measuring the amount of inert gas leaking from the electricity storage device.
- a method for manufacturing a closed-type power storage device A method for manufacturing a closed-type power storage device.
- the hermeticity of the electricity storage device pressurized with helium gas or the like is improved, so the leakage inspection is performed under more strict conditions. be able to. Therefore, even a minute sealing failure can be detected, and the long-term reliability of the sealed electric storage device is improved.
- 1 is a perspective view of a square sealed electric storage device to which a sealing structure according to an embodiment of the present invention is applied.
- 1 is a longitudinal sectional view schematically showing an electricity storage device according to an embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows a part of sealing plate which concerns on 1st Embodiment of this invention. It is sectional drawing which shows a part of sealing plate which concerns on 2nd Embodiment of this invention. It is sectional drawing which shows a part of sealing plate which concerns on 3rd Embodiment of this invention. It is sectional drawing (a) and top view (b) which show the sealing stopper which concerns on 1st Embodiment of this invention.
- the present invention is (1) a sealing structure that seals a liquid injection hole for injecting an electrolyte into a sealed electric storage device, wherein the sealing structure includes a sealing plate having the liquid injection hole, A sealing plug that seals the liquid injection hole, and the sealing plug includes a plate-shaped holding member that is bonded to the sealing plate, and a press-fitting member that includes an elastic material and is bonded to the holding member.
- the sealing plate has a deep counterbore around the liquid injection hole on the surface to be joined to the holding member, and the liquid injection hole is on a plane on the bottom side of the deep counterbore.
- the press-fitting member penetrates the sealing plate in the thickness direction from a certain first opening to a second opening on a plane on the side where the deep spot facing portion of the sealing plate is not formed.
- the base portion has a diameter BD and a diameter HD1 of the first opening satisfy a relationship of diameter BD> diameter HD1, and the protruding portion is closer to the base side than the second opening in a sealed state.
- An angle ⁇ 1 between the abutting portion and a direction perpendicular to the main surface of the holding member in an unloaded state is 0 ° or more and 45 ° or less, and the projecting portion.
- the diameter PD1 at the boundary with the base portion, the diameter PD3 at the tip, and the diameter HD1 satisfy the relationship of diameter PD1> diameter HD1> diameter PD3, and the maximum diameter PD5 at the second side surface portion of the projecting portion.
- the present invention relates to a sealed structure for a sealed electricity storage device. Thereby, even in the inserted state, the hermeticity of the electricity storage device pressurized by helium gas or the like is improved.
- the protrusion includes a hollow from the tip toward the base. This is because it becomes easier to insert the protruding portion into the liquid injection hole.
- the ratio HD1 / PD4 between the diameter HD1 and the diameter PD4 of the protruding portion in the unloaded state at the contacting portion is preferably 0.85 to 0.95. This is because the sealing performance in the inserted state is further improved.
- the elastic material includes ethylene-propylene-diene rubber or fluororubber, and the ethylene-propylene-diene rubber is at least one selected from the group consisting of ethylidene norbornene, 1,4-hexadiene, and dicyclopentadiene.
- the durometer type A hardness of the elastic material according to JIS K 6253 is preferably 30-80. This is because the hermeticity of the electricity storage device is easily maintained over a long period of time.
- the first opening of the liquid injection hole has a chamfered portion. This is because the sealing performance in the inserted state is further improved.
- the present invention includes (6) a case including the sealing structure, a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte, which are accommodated in the case.
- the present invention relates to a sealed electric storage device. This sealed electric storage device is excellent in sealing performance and has long-term reliability.
- the sealed electric storage device may contain an inert gas, and the pressure in the case may be greater than atmospheric pressure. According to the sealed electric storage device of the present invention, the effect of preventing the electrolyte from leaking is high even when such a high internal pressure is present.
- the present invention is (8) a method for manufacturing a sealed electricity storage device including the above-described sealing structure, the step of preparing a bottomed outer can, the sealing plate, and the sealing plug; A step of accommodating the electrode group in the outer can, a step of welding the opening end of the outer can in which the electrode group is accommodated, and a peripheral edge of the sealing plate, and impregnating the electrode group with an electrolyte. A step of injecting an inert gas from the injection hole of the sealing plate welded to the outer can, and a state in which the interior of the outer can is pressurized by the injected inert gas.
- the sealed electric storage device manufactured by this method has excellent sealing properties and long-term reliability.
- the sealing structure of the present invention is a sealing structure that seals a liquid injection hole for injecting an electrolyte into a sealed electric storage device.
- the sealing structure includes a sealing plate having a liquid injection hole and a sealing plug for sealing the liquid injection hole.
- a sealing plate having a liquid injection hole and a sealing plug for sealing the liquid injection hole For example, as shown in FIG. 1, an outer can 12, an opening of the outer can 12, a sealing plate 13 having an electrolyte injection hole, and a sealing plug 11 that seals the injection hole are provided. ing.
- FIG. 1 the state by which the sealing stopper 11 is inserted in the liquid injection hole is shown.
- the sealing plate 13 includes a liquid injection hole 20 penetrating the sealing plate 13 in the thickness direction from the first opening 20a to the second opening 20b. Further, the sealing plate 13 is provided with a step for facilitating the injection of the electrolyte around the first opening 20a of the liquid injection hole 20 and for accommodating a base 33 (see FIG. 4A) of the press-fitting member 32 described later. A deep counterbore 21 is formed.
- the first opening 20 a is an opening formed inside the circumference that is the boundary between the liquid injection hole 20 and the deep spot facing portion 21, and is on the same plane as the bottom portion 21 ⁇ / b> B of the deep spot facing portion 21. It is in.
- the second opening 20b is an opening formed inside the circumference that is the boundary between the liquid injection hole 20 and the inside of the case, and the surface of the sealing plate 13 on which the deep countersink portion 21 is not formed. On the same plane.
- the sealing plug 11 includes a plate-like holding member 31 joined to the sealing plate 13 and a press-fitting member 32 containing an elastic material and joined to the holding member 31.
- the press-fitting member 32 includes a base 33 that is joined to the holding member, and a protrusion 34 that is provided so as to protrude from the base 33 and is inserted into the liquid injection hole 20.
- the protruding portion 34 includes a first side surface portion 34a positioned on the base 33 side with respect to the second opening portion 20b, and a second side surface portion 34b positioned on the distal end side with respect to the second opening portion 20b. It has.
- the sealing plate 13 will be described with reference to FIGS. 3A to 3C.
- the sealing plate 13 includes a liquid injection hole 20 that is a through hole and a deep spot facing portion 21.
- the depth L2 of the counterbore portion 21 is larger than the thickness L3 of the base portion 33 (L2> L3).
- a first opening 20a is formed in the approximate center of the bottom 21B of the counterbore 21.
- the diameter of the inner peripheral surface 20c is the same HD1 in the first opening 20a and the second opening 20b, but gradually decreases in a tapered shape from the first opening 20a to the second opening 20b. It may be smaller.
- At least one step is provided on the inner peripheral surface 20c of the liquid injection hole 20 so that the diameter of the inner peripheral surface 20c decreases stepwise from the first opening 20a toward the second opening 20b.
- a portion 20d is formed (see FIG. 3B).
- the shape and dimensions of the protruding portion 34 and the size of the inner peripheral surface 20c ′ are set so that the first side surface portion 34a and the inner peripheral surface 20c ′ of the stepped portion 20d are in contact with each other over the entire circumference. May be. Thereby, not only the vicinity of the 1st opening part 20a of the liquid injection hole 20 but the vicinity of the step part 20d can maintain airtightness.
- one step portion 20d is formed at a position of a depth H1 from the first opening 20a.
- the number of stepped portions 20d is not limited to one and may be two or more.
- the inner diameter (large hole diameter) of the liquid injection hole in the portion surrounded by the inner peripheral surface 20c is the diameter HD1 of the first opening 20a, and the inner diameter (smaller diameter) of the liquid injection hole in the portion surrounded by the inner peripheral surface 20c ′. (Hole diameter) is the diameter HD2 of the second opening 20b.
- the sealing plate 13 has a chamfered portion 20e in the vicinity of the first opening 20a (see FIG. 3C).
- the elastic material constituting the first side surface portion 34a is deformed and comes into contact with the chamfered portion 20e. Since the contact area between the first side surface portion 34a and the inner peripheral surface 20c is larger than the case where the chamfered portion 20e is not provided, the sealing performance is further improved.
- a chamfer similar to that of the example of FIG. 3C can be provided in the vicinity of the first opening 20a and / or in the vicinity of the stepped portion 20d.
- the boundary of the upper end of the chamfered portion 20e is the first opening 20a, and the diameter of the liquid injection hole 20 Is slightly smaller than the diameter HD1 of the first opening 20a.
- That the relationship between the angle ⁇ 3 and the ratio (L1 / X1) satisfies this range means that the outer edge of the projecting portion 34 compressed between the bottom portion 21B of the counterbore portion 21 and the base portion 33, the chamfered portion 20e, Is almost on a plane. Therefore, while increasing the contact pressure between the first side surface portion 34a and the first opening portion 20a, the repulsive force (acting in the direction of pushing up the base portion 33 and the holding member 31) generated by compressing the elastic material constituting the protruding portion 34. Force). Therefore, even if the pressure inside the case 10 is high, it becomes easier to achieve high sealing performance.
- the sealing plug 11 includes a plate-like holding member 31 and a press-fitting member 32.
- the diameter of the holding member 31 is larger than the bottom portion 21 ⁇ / b> B of the deep spot facing portion 21 provided on the sealing plate 13 and larger than the first opening portion 20 a.
- the holding member 31 comes into contact with the surface of the sealing plate 13 including the deep spot facing portion 21 so as to cover the deep spot facing portion 21 (see FIG. 7 and the like).
- the holding member 31 is preferably formed of a metal plate. This is because the penetration of the electrolyte is suppressed and it is easier to prevent the electrolyte from leaking outside the electricity storage device.
- the press-fitting member 32 includes a base 33 and a protrusion 34.
- the base 33 and the protrusion 34 can be obtained by integrally molding an elastic material.
- the boundary portion between the protruding portion 34 and the base portion 33 is, for example, a circle.
- the base 33 has a disk shape, for example.
- the diameter BD of the base 33 is larger than the diameter HD1 of the first opening (diameter BD> diameter HD1).
- the diameter PD1 of the boundary portion between the first side surface 34a and the base 33 is larger than the diameter HD1 of the first opening 20a, and the diameter PD3 at the tip is smaller than the diameter HD1 of the first opening 20a (diameter PD1> Diameter HD1> diameter PD3).
- the tip diameter PD3 is smaller than the diameter HD2 of the second opening 20b.
- the first side surface portion 34a is held by the holding member 31 so as to include a portion having the largest curvature on the curved surface.
- the diameter of the cross section cut in the direction parallel to is the diameter PD1.
- the protruding portion 34 is not inserted into the liquid injection hole 20 up to the boundary portion with the base portion 33 and is locked to the first opening portion 20a by a part of the first side surface portion 34a. To do. Further, a part of the first side surface portion 34a and the inner peripheral surface 20c of the liquid injection hole 20 abut over the entire circumference of the inner peripheral surface 20c (hereinafter, the abutting portion is referred to as an abutting portion SH). . At least a part of the protrusion 34 is not engaged with the liquid injection hole 20.
- the projecting portion 34 includes a first side surface portion 34a positioned on the base 33 side with respect to the second opening portion 20b, and a second side surface portion 34b positioned on the distal end side with respect to the second opening portion 20b. (See FIG. 7).
- the maximum diameter PD5 of the second side surface portion 34b is larger than the diameter HD1 of the first opening 20a (diameter PD5> diameter HD1), and the diameter PD2 at the boundary between the first side surface portion 34a and the second side surface portion 34b is a diameter. It is smaller than PD5 (diameter PD5> diameter PD2). That is, the protrusion 34 is formed with a protrusion P formed by the second side surface portion 34b.
- the second side surface portion 34b including the protrusion P formed by the second side surface portion 34b is disposed inside the case with respect to the second opening portion 20b. Therefore, even when the case has a high internal pressure, the contact between the first opening 20a and the first side surface 34a is maintained by the protrusion P. Furthermore, since the protrusion P and the sealing plate 13 in the vicinity of the second opening 20b can come into contact with each other, further improvement in sealing performance can be expected.
- the second side surface portion 34b is included so as to include the portion with the largest curvature on the curved surface.
- the diameter of the cross section cut in the direction parallel to the holding member 31 is the diameter PD2.
- the sealing performance by the sealing plug is ensured mainly by welding the sealing plug and the sealing plate. Therefore, it is not a big problem that the sealing property before welding (insertion state) is not sufficient. However, as will be described later, when the leakage inspection is performed in a state where the internal pressure of the case is high, high sealing performance in the inserted state is required. Since this embodiment is provided with the above-described configuration, the sealing performance in the inserted state is further improved.
- having an excellent sealing property in the inserted state indicates that the power storage device is excellent in long-term reliability.
- Such an electricity storage device has a sealing property that can pass the leakage test even when the case has a high internal pressure. That is, it shows that it does not have a minute sealing defect, and the sealing performance over a long period can be ensured.
- the angle ⁇ 1 formed between the contact portion SH and the direction perpendicular to the main surface of the holding member 31 in an unloaded state is 0 ° or more and 45 ° or less (see FIG. 4A).
- the first side surface portion 34a includes the contact portion SH, and includes a tapered portion 34at having an angle ⁇ 1 of greater than 0 ° and 45 ° or less, and a straight portion 34as having an angle ⁇ 1 of 0 °. Have.
- the first side surface portion 34a is in contact with the first opening portion 20a and the inner peripheral surface 20c of the liquid injection hole 20 at the tapered portion 34at.
- the straight portion 34as may be in contact with the inner peripheral surface 20c of the liquid injection hole 20 or may not be in contact.
- the first side surface portion 34a is not limited to this shape, and may include only a tapered portion where the angle ⁇ 1 is greater than 0 ° and 45 ° or less, or includes only a straight portion where the angle ⁇ 1 is 0 °. May be.
- the first side surface portion 34a may have a curved surface.
- an angle formed by taking a tangent line at a point on the curved surface and a plane including the tangent line and a direction perpendicular to the main surface of the holding member 31 can be regarded as the angle ⁇ 1.
- the angle ⁇ 1 is more preferably 5 ° or more, and further preferably 15 ° or more, in that the compressibility of the elastic material constituting the protruding portion 34 in the contact portion SH can be further increased.
- the angle ⁇ 1 is preferably 35 ° or less, and more preferably 30 ° or less.
- the ratio HD1 / PD4 of the minimum diameter PD4 of the protrusion 34 in the no-load state and the diameter HD1 of the first opening 20a in the contact portion SH is 0.85 to 0.95.
- the compression ratio of the press-fitting member 32 at the contact portion SH, 1-HD1 / PD4 is in the range of 0.05 to 0.15.
- the compression ratio (the value obtained by subtracting the inner diameter of the inner peripheral surface 20c ′ from the minimum diameter PD4) at the portion where the first side surface portion 34a and the inner peripheral surface 20c ′ of the stepped portion 20d contact each other is The position (H1) of the stepped portion and the inner circumference so that the compression ratio (1-HD1 / PD4) of the protruding portion 34 in the first opening 20a is approximately the same as that calculated by dividing by the small diameter PD4.
- the inner diameter of the surface 20c ′ may be set.
- the protrusion P by the second side surface portion 34b may be formed over the entire circumference on the distal end side of the projecting portion 34 (see FIG. 5A), or may be partially formed on the distal end side (see FIG. 5B). .
- the protrusions P are formed at four locations on the protrusion 34.
- the maximum diameter HD5 is the diameter of the maximum circle when a minimum virtual circle including the protrusion P is drawn in a direction parallel to the holding member 31.
- the diameter PD3 of the tip is the diameter when a minimum virtual circle including the entire tip portion is drawn when the tip of the protruding portion 34 has a hollow S therein.
- the maximum diameter PD5 is preferably about 1.05 to 1.2 times the diameter HD1 of the first opening 20a from the viewpoint of hermeticity and ease of insertion.
- the protrusion 34 preferably has a hollow S from its tip toward the base 33 (see FIG. 4A). According to this embodiment, when the protrusion 34 is inserted into the liquid injection hole 20, the second side surface 34 b surrounding the hollow S can be deformed so as to be pushed into the hollow S. Therefore, it becomes easier to insert the protrusion 34 into the liquid injection hole 20.
- the hollow S has a substantially cylindrical shape (strictly speaking, a shape spreading toward the tip from the base 33 side), but is not limited to this shape.
- the hollow S may be formed in an I shape so as to penetrate the second side surface portion 34 b in a direction parallel to the holding member 31.
- the size and shape of the hollow S affects the ease of deformation and the repulsive force of the entire protrusion 34. Therefore, what is necessary is just to set the magnitude
- the depth Ds of the hollow S is not particularly limited, but in particular, from the viewpoint of hermeticity, the depth Ds preferably does not extend from the end of the protruding portion 34 to the contact portion SH. Further, from the viewpoint of ease of insertion, the depth Ds preferably extends from the end of the protrusion 34 to the vicinity of the second opening 20b.
- the maximum cross-sectional area when the hollow S is cut in a direction parallel to the holding member 31 is not particularly limited. In particular, the cross-sectional area is preferably about 15 to 50% with respect to the area in the direction parallel to the holding member 31 at the tip of the projecting portion 34 from the viewpoint of hermeticity and ease of insertion.
- a gap L1 is formed between the base portion 33 and the bottom portion 21B of the counterbore portion 21 (see FIG. 7 and the like).
- the gap L ⁇ b> 1 accepts this bending and relaxes the action of the bending pushing up the base 33 and the holding member 31. Therefore, the insertion depth of the sealing plug 11 is maintained at a position close to the initial stage even before welding. Therefore, the sealing performance in the inserted state is improved. Further, since there is a gap L1 for receiving the deflection, even if the angle ⁇ 1 is 0 ° or more, the protrusion 34 is injected into the liquid injection hole 20 until the compression rate of the protrusion 34 by the liquid injection hole 20 reaches a desired value. It becomes easy to insert into.
- ethylene-propylene-diene rubber EPDM
- fluorine rubber ethylene-propylene-diene rubber
- the ethylene-propylene-diene rubber preferably contains at least one selected from the group consisting of ethylidene norbornene, 1,4-hexadiene, and dicyclopentadiene.
- the diene component is preferably contained in an amount of 3.0 to 10.5% by mass.
- the elastic material preferably has a durometer type A hardness of 30 to 80 in accordance with JIS K 6253.
- Examples of such a fluororubber include a rubbery copolymer (FEPM) of tetrafluoroethylene (TFE) and propylene, a rubbery copolymer (FKM) containing vinylidene fluoride (VDF) as a monomer unit, TFE and par A rubbery copolymer (FFKM) with fluoroalkyl vinyl ether can be exemplified.
- FKM include VDF-hexafluoropropylene (HFP) copolymer, VDF-pentafluoropropylene copolymer, VDF-trifluorochloroethylene copolymer, VDF-HFP-TFE copolymer, etc. It is rubbery.
- the heat resistance of the elastic material (safe use heat-resistant temperature that can be used continuously) is 90 ° C. or higher.
- the elastic material preferably has a compression set of 10% or less after being left for 1000 hours under the condition of environmental temperature: 100 ° C.
- the compression set can be measured by a compression set test based on JIS K6262, ASTM D395, or ISO815.
- FIG. 6A shows a state in which the sealing plug 11 is inserted into the liquid injection hole 20 formed in the sealing plate 13, and the peripheral portion of the holding member 31 and the front surface of the sealing plate 13 are joined by welding or the like.
- a state before insertion (inserted state) is shown in a sectional view.
- a gap G ⁇ b> 1 is generated between the sealing plate 13 and the holding member 31 due to the repulsive force of the elastic member constituting the protruding portion 34.
- the inner peripheral surface 20c of the liquid injection hole 20 and a part of the first side surface portion 34a are in contact with each other over the entire circumference of the inner peripheral surface 20c, the sealing performance is ensured. Is done.
- the protruding portion 34 is inserted from the liquid injection hole 20 into the case 10 from the portion separated by the distance L1 from the boundary portion with the base portion 33 to the tip.
- a part of the first side surface portion 34a is in contact with the inner peripheral surface 20c including the first opening portion 20a of the liquid injection hole 20 to ensure hermeticity.
- At least a part of the second side surface portion 34 b and the tip end surface 34 c are not engaged with the liquid injection hole 20.
- the surface pressure of the contact portion SH is preferably 4.5 to 5.5 MPa at the maximum. This is because the sealing performance in the inserted state is further improved.
- the size of the gap L1 between the base portion 33 and the bottom 21B of the counterbore portion 21 depends on the diameter of the liquid injection hole 20, but is preferably 0.1 to 0.6 mm, for example. Thereby, it becomes easy to accept the bending of the elastic material which arises above the 1st opening part 20a, and the sealing performance in an insertion state further improves.
- This embodiment is the same as the first embodiment except that the hollow S is not formed inside the protruding portion 34 (see FIG. 4B).
- the protrusion P may be formed over the entire circumference on the tip side of the protrusion (see FIG. 5C), or may be partially formed on the tip side (see FIG. 5D).
- the angle ⁇ 2 formed by the second side surface portion 34b and the direction perpendicular to the main surface of the holding member 131 is equal to or larger than the angle ⁇ 1. It is preferable.
- the diameter PD3 of the tip is smaller than the diameter PD1 of the boundary portion and the diameter PD4 of the contact portion SH, so that the protruding portion 34 can be easily inserted into the liquid injection hole 20.
- This effect is particularly remarkable when the internal pressure of the case is high.
- the angle ⁇ 2 may be equal to or larger than the angle ⁇ 1.
- the angle ⁇ 2 is preferably larger than 5 ° and preferably smaller than 45 °.
- the type of power storage device is not particularly limited. Examples include alkali metal ion capacitors such as lithium ion capacitors and sodium ion capacitors, and alkali metal ion secondary batteries such as lithium ion secondary batteries and sodium ion secondary batteries (hereinafter referred to as nonaqueous electrolyte secondary batteries). it can.
- FIG. 2 is a longitudinal sectional view schematically showing a case where the electricity storage device 100 is cut by a cross-sectional line passing through the center line of the external negative electrode terminal 14 and cutting the long side of the electricity storage device 100.
- the electricity storage device 100 includes a stacked electrode group (see FIG. 2), an electrolyte (not shown), and a rectangular aluminum case 10 that accommodates these.
- the case 10 includes a bottomed outer can 12 having an upper opening, a sealing plate 13 that closes the upper opening, and a liquid filling plug 11.
- the sealing plate 13 and the liquid filling plug 11 have the above-described sealing structure. Make up body.
- the sealing structure includes at least a sealing plate 13, an inner peripheral surface 20 c and a first opening 20 a of the liquid injection hole 20 provided in the sealing plate 13, and the sealing plug 11.
- An external positive terminal 15 penetrating the sealing plate 13 is provided near one side of the sealing plate 13, and an external negative terminal 14 penetrating the sealing plate 13 is provided at a position near the other side of the sealing plate 13. Yes.
- Each terminal is preferably insulated from the case.
- a pressure regulating valve 17 is provided at a position near the external negative electrode terminal 14 of the sealing plate 13 to release the gas generated inside when the internal pressure of the battery case 10 gradually increases.
- a liquid injection hole 20 (not shown) is provided at a position of the sealing plate 13 near the external positive terminal 15.
- the liquid injection hole 20 for example, inserts power generation elements (electrode group and electrolyte) into the container body 12, welds the sealing plate 13 to the opening of the container body 12, and then injects the electrolyte into the battery case 10. It is a hole for.
- the injection hole 20 is sealed with a sealing plug 11 shown in FIG. 4A and the like after the injection of the electrolyte into the case 10 is completed.
- the laminated electrode group is composed of a plurality of positive electrodes 2 and a plurality of negative electrodes 3 each having a rectangular sheet shape, and a plurality of separators 1 interposed therebetween.
- the positive electrode, the negative electrode, and the separator will be described later.
- the separator 1 is formed in a bag shape so as to surround the positive electrode 2, but the form of the separator is not particularly limited.
- the plurality of positive electrodes 2 and the plurality of negative electrodes 3 are alternately arranged in the stacking direction within the electrode group.
- a positive electrode lead piece 2 c may be formed at one end of each positive electrode 2.
- the plurality of positive electrodes 2 are connected in parallel by bundling the positive electrode lead pieces 2 c of the plurality of positive electrodes 2 and connecting them to the external positive terminal 15 provided on the sealing plate 13 of the case 10.
- a negative electrode lead piece 3 c may be formed at one end of each negative electrode 3.
- a plurality of negative electrodes 3 are connected in parallel by bundling the negative electrode lead pieces 3 c of the plurality of negative electrodes 3 and connecting them to the external negative terminal 14 provided on the sealing plate 13 of the case 10. It is desirable that the bundle of the positive electrode lead pieces 2c and the bundle of the negative electrode lead pieces 3c are arranged on the left and right sides of the one end surface of the electrode group with an interval so as to avoid mutual contact.
- the external positive electrode terminal 15 and the external negative electrode terminal 14 are both columnar, and at least a portion exposed to the outside has a screw groove.
- a nut 4 is fitted in the screw groove of each terminal, and the nut 4 is fixed to the sealing plate 13 by rotating the nut 4.
- a flange portion 6 is provided in a portion of each terminal accommodated in the case, and the flange portion 6 is fixed to the inner surface of the sealing plate 13 via the washer 5 by the rotation of the nut 4.
- the case 10 may be increased by an inert gas such as helium gas so that the internal pressure is higher than atmospheric pressure (for example, when atmospheric pressure is 0 kPa (gauge pressure), higher than 0 kPa, preferably 100 kPa or less).
- atmospheric pressure for example, when atmospheric pressure is 0 kPa (gauge pressure), higher than 0 kPa, preferably 100 kPa or less.
- the inert gas is injected into the case 10 for leakage inspection and is not particularly limited. For example, helium gas, argon gas, nitrogen gas, etc. are mentioned.
- the injected inert gas usually escapes from the case 10 after the sealing plug 11 is inserted into the liquid injection hole 20 and before the holding member 31 and the sealing plate 13 are welded. For this reason, the internal pressure of the case 10 at the time of leakage inspection is reduced to substantially the same as the atmospheric pressure, and even if a leakage inspection is performed thereafter, it is difficult to detect a minute sealing failure.
- the sealing structure of the present embodiment high sealing performance can be achieved in the insertion state before welding, and therefore, it can be subjected to a leakage inspection while the internal pressure of the case 10 is kept high. That is, since the leakage inspection can be performed under more severe conditions, the reliability is further increased.
- the leakage inspection is usually performed on a part of the manufactured power storage device.
- an inert gas is not injected into the case 10.
- the electricity storage device can be manufactured as follows. First, the outer can 12, the sealing plate 13, the sealing plug 11, and an electrode group described later are prepared. Next, the electrode group is accommodated in the outer can 12. Subsequently, the opening end of the outer can 12 and the peripheral edge of the sealing plate 13 are welded together to obtain the case 10 in which the electrode group is accommodated. After welding the outer can 12 and the sealing plate 13, an electrolyte is injected from the injection hole 20 provided in the sealing plate 13.
- the sealing plug 11 is inserted into the liquid injection hole 20 while applying a load.
- the holding member 31 of the sealing plug 11 and the sealing plate are welded to complete the electricity storage device.
- the method for welding the holding member 31 and the sealing plate 13 is not particularly limited, and for example, they can be joined by spot resistance welding.
- spot resistance welding a plurality of welds may be formed and joined around the first opening 20a on a circumference that is concentric with the first opening 20a.
- high sealing performance can be ensured in the inserted state. Therefore, the electrolyte can be prevented from leaking out of the electricity storage device through the liquid injection hole 20 even by partial joining such as spot resistance welding.
- an electricity storage device into which an inert gas used for leakage inspection is injected can be manufactured as follows.
- the preparation process of the outer can 12, the sealing plate 13, the sealing plug 11 and the electrode group, the electrode group accommodation process, the welding process between the outer can 12 and the sealing board 13 and the electrolyte impregnation process are performed in the same manner as described above. .
- an inert gas is further injected into the case 10.
- the inert gas is injected by, for example, an inert gas injection device. Schematic views of the inert gas injector are shown in FIGS. 11A-11D.
- the inert gas injection device 40 supports the vacuum pad 41 for fixing the sealing plug 11, the vacuum pad 41, for example, a cylinder 42 having a cylindrical shape, an O-ring 43 disposed at the tip portion of the cylinder 42, and the case 10.
- an inert gas supply device 44 inert gas cylinder
- a vacuum pump 45 A connected to the vacuum pad 41.
- the vacuum pad 41 is connected to the vacuum pump 45A by a pipe 49.
- a valve 46A is arranged between the vacuum pump 45 and the vacuum pad 41.
- the pipe 49 is branched on the way, and the valve 48 for taking in external air is arrange
- the cylinder 42 is provided with a space 42s for accommodating the vacuum pad 41 at the tip portion thereof.
- the space 42s is connected to the inert gas supply device 44 and the vacuum pump 45B by a pipe 50 having a branch.
- a valve 47 is disposed between the space 42s and the inert gas supply device 44, and a valve 46B is disposed between the space 42s and the vacuum pump 45B.
- the space 42s is filled with an inert gas.
- the valve 46B is opened while the valve 47 is closed and the vacuum pump 45B is operated, the space 42s is depressurized.
- the O-ring 43 disposed at the tip of the cylinder 42 is in close contact with the sealing plate 13, not only the space 42s but also the inside of the case 10 is filled with an inert gas or depressurized.
- the inert gas is injected into the case 10 as follows, for example.
- Step a First, the case 10 is installed in the inert gas injection device 40. At this time, the cylinder 42 and the vacuum pad 41 are located above the case 10. Further, the valve 46A is opened to operate the vacuum pump 45A, and the sealing plug 11 is sucked and fixed to the vacuum pad 41 (see FIG. 11A).
- Step b The cylinder 42 is lowered to bring the O-ring 43 and the sealing plate 13 into close contact.
- the valve 46B is opened to operate the vacuum pump 45B, and the space 42s and the inside of the case 10 are depressurized.
- the valve 46B is closed, the valve 47 is opened, and an inert gas is supplied from the inert gas cylinder 44.
- an inert gas is inject
- the inert gas injection pressure (gauge pressure) is preferably 10 kPa to 100 kPa.
- the internal pressure of the case 10 into which the inert gas is injected at such a pressure is greater than atmospheric pressure (for example, when the atmospheric pressure is 0 kPa (gauge pressure), it is greater than 0 kPa, preferably 100 kPa or less).
- Step c When the internal pressure of the case 10 reaches a desired pressure, the vacuum pad 41 is immediately lowered and the sealing plug 11 is inserted into the liquid injection hole 20 (see FIG. 11C).
- the insertion load per unit area at this time needs to be at least larger than the internal pressure of the case 10. For example, when the opening area of the liquid injection hole 20 is 19.6 mm 2 ( ⁇ 5 mm), the insertion load is approximately 11 N.
- Step d After confirming that the sealing plug 11 has been inserted into the injection hole 20, the operation of the vacuum pump 45 is stopped, the valve 46A is closed, and the valve 48 is opened. Thereby, a positive pressure is applied to the inside of the vacuum pad 41 (vacuum breakage), and the sealing plug 11 is detached from the vacuum pad 41. Subsequently, the cylinder 42 is raised (see FIG. 11D).
- the protrusion P engages with the main surface of the sealing plate 13 on the second opening 20b side, this prevents the sealing plug 11 from coming out of the liquid injection hole 20 any more. Therefore, even if the internal pressure of the case 10 is high, the contact between the first opening 20a and the first side surface 34a is maintained. At this time, the protrusion P is pressed against the sealing plate 13 by the internal pressure of the case 10. When the protrusion P is formed over the entire circumference on the tip side of the protrusion 34, the protrusion P also contributes directly to the improvement of the sealing performance.
- the power storage device 100 is moved to the welding apparatus, and the holding member 31 and the sealing plate 13 are joined by welding.
- the gap G ⁇ b> 1 is formed between the sealing plate 13 and the holding member 31. Therefore, a process of applying a load to the holding member 31 and pushing the sealing plug 11 into the liquid injection hole 20 again to bring the sealing plate 13 and the holding member 31 into close contact (eliminating G1) is performed (step e, (See FIG. 6B).
- a gap G2 may be formed between the sealing plate 13 and the protrusion P.
- the sealed power storage device 100 is installed in a decompression chamber, and the amount of inert gas leaking from the power storage device 100 is measured.
- the internal pressure of the case 10 in this leakage inspection is approximately the same as the internal pressure immediately after the sealing plug 11 is inserted into the liquid injection hole 20 in the step (c). Can be maintained. That is, since a leak test can be performed in a state having a high internal pressure, an electricity storage device that passes this test becomes more reliable.
- the electrolyte is not particularly limited, and may be selected in consideration of desired performance and the like.
- Examples of the electrolyte include an electrolyte (organic electrolyte) in which a salt of an alkali metal ion and an anion (alkali metal salt) is dissolved in a nonaqueous solvent (or an organic solvent), and an ionic liquid containing an alkali metal ion and an anion. Is used.
- the concentration of the alkali metal salt in the nonaqueous electrolyte may be, for example, 0.3 to 3 mol / liter.
- the kind of the anion (first anion) constituting the alkali metal salt is not particularly limited.
- an anion of a fluorine-containing acid anion of fluorine-containing phosphate such as hexafluorophosphate ion (PF 6 ⁇ );
- Anion of fluorine-containing boric acid such as acid ion (BF 4 ⁇ )], anion of chlorine-containing acid [perchlorate ion (ClO 4 ⁇ ), etc.]
- anion of oxygen acid having an oxalate group lithium bis (oxalato) Oxalatoborate ions such as borate ions (B (C 2 O 4 ) 2 ⁇ );
- Oxalatoborate ions such as lithium tris (oxalato) phosphate ions (P (C 2 O 4 ) 3 ⁇ )], fluoroalkane sulfones anion of acid [trifluoromethanesulfonate ion (CF 3 SO
- ionic liquid is a salt in a molten state (molten salt), and is used to mean a liquid having ionic conductivity.
- the content of the ionic liquid in the nonaqueous electrolyte is preferably 80% by mass or more, and more preferably 90% by mass or more.
- the non-aqueous electrolyte can contain a non-aqueous solvent, an additive and the like in addition to the ionic liquid.
- the total amount of the organic solvent and the alkali metal salt in the nonaqueous electrolyte is preferably 80% by mass or more of the nonaqueous electrolyte, and 90% by mass or more. Is more preferable.
- the non-aqueous electrolyte can contain an ionic liquid, an additive and the like in addition to the organic electrolyte.
- the non-aqueous solvent is not particularly limited, and a known non-aqueous solvent used for an electricity storage device can be used.
- Non-aqueous solvents include, for example, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, and butylene carbonate; chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate; cyclic carbonates such as ⁇ -butyrolactone. Etc. can be preferably used.
- a non-aqueous solvent may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.
- the ionic liquid containing alkali metal ions may further contain a second cation in addition to the alkali metal ion (first cation).
- a second cation an inorganic cation other than an alkali metal, for example, a magnesium ion, a calcium ion, an ammonium cation or the like may be used, but an organic cation is preferable.
- a 2nd cation can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.
- Examples of the organic cation used as the second cation include cations derived from aliphatic amines, alicyclic amines and aromatic amines (for example, quaternary ammonium cations), as well as cations having nitrogen-containing heterocycles ( That is, examples include nitrogen-containing onium cations such as cations derived from cyclic amines; sulfur-containing onium cations; and phosphorus-containing onium cations.
- the positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer attached to the positive electrode current collector.
- the positive electrode active material layer includes a positive electrode active material as an essential component, and may include a conductive carbon material, a binder, and the like as optional components.
- the positive electrode active material exchanges electrons with alkali metal ions (Faraday reaction). Therefore, the positive electrode active material is not particularly limited as long as it is a material that electrochemically occludes and releases alkali metal ions.
- Such materials include metal chalcogen compounds (sulfides, oxides, etc.), alkali metal-containing transition metal oxides (lithium-containing transition metal oxides, sodium-containing transition metal oxides), alkali metal-containing transition metal phosphates. (Such as iron phosphate having an olivine structure). These materials can be used singly or in combination of two or more.
- the positive electrode active material physically adsorbs and desorbs alkali metal ions without transferring electrons to or from the alkali metal ions (non-Faraday reaction). Therefore, the positive electrode active material is not particularly limited as long as it is a material that electrochemically adsorbs and desorbs anions or alkali metal ions.
- a carbon material is preferable. Examples of the carbon material include activated carbon, mesoporous carbon, microporous carbon, and carbon nanotube. The carbon material may be activated or may not be activated. These carbon materials can be used singly or in combination of two or more. Of the carbon materials, activated carbon, microporous carbon, and the like are preferable.
- microporous carbon examples include microporous carbon obtained by heating metal carbide such as silicon carbide and titanium carbide in an atmosphere containing chlorine gas.
- activated carbon the well-known thing used for a lithium ion capacitor can be used, for example.
- the raw material of activated carbon include wood; coconut shells; pulp waste liquid; coal or coal-based pitch obtained by thermal decomposition thereof; heavy oil or petroleum-based pitch obtained by thermal decomposition thereof; phenol resin and the like.
- Examples of the conductive auxiliary agent included in the positive electrode include graphite, carbon black, and carbon fiber. Among these, carbon black is preferable because a sufficient conductive path can be easily formed by using a small amount. Examples of carbon black include acetylene black, ketjen black, and thermal black.
- the amount of the conductive assistant is preferably 2 to 15 parts by mass, more preferably 3 to 8 parts by mass per 100 parts by mass of the positive electrode active material.
- the binder serves to bond the positive electrode active materials to each other and fix the positive electrode active material to the positive electrode current collector.
- fluororesin polyamide, polyimide, polyamideimide and the like can be used.
- fluororesin polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, and the like can be used.
- the amount of the binder is preferably 1 to 10 parts by weight and more preferably 3 to 5 parts by weight per 100 parts by weight of the positive electrode active material.
- the positive electrode current collector a metal foil, a non-woven fabric made of metal fibers, a porous metal sheet, or the like is used.
- the metal constituting the positive electrode current collector is preferably aluminum or an aluminum alloy because it is stable at the positive electrode potential, but is not particularly limited. When using an aluminum alloy, it is preferable that metal components (for example, Fe, Si, Ni, Mn, etc.) other than aluminum are 0.5 mass% or less.
- the thickness of the metal foil serving as the positive electrode current collector is, for example, 10 to 50 ⁇ m, and the thickness of the metal fiber nonwoven fabric or the metal porous sheet is, for example, 100 to 600 ⁇ m.
- a current collecting lead piece 2c may be formed on the positive electrode current collector. The lead piece 2c may be formed integrally with the positive electrode current collector, or a separately formed lead piece may be connected to the positive electrode current collector by welding or the like.
- the positive electrode is applied or filled with a positive electrode mixture slurry containing a positive electrode active material on a positive electrode current collector, and then the dispersion medium contained in the positive electrode mixture slurry is removed. It can be obtained by compressing (or rolling) the current collector holding the. Moreover, as a positive electrode, you may use what is obtained by forming the deposit film of a positive electrode active material on the surface of a positive electrode electrical power collector by vapor phase methods, such as vapor deposition and sputtering. In addition to the positive electrode active material, the positive electrode mixture slurry may contain the above-described binder, conductive additive, and the like.
- the negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer attached to the negative electrode current collector.
- the negative electrode active material layer includes a negative electrode active material as an essential component, and may include a conductive carbon material, a binder, and the like as optional components.
- the negative electrode active material exchanges electrons with alkali metal ions (Faraday reaction). Therefore, the negative electrode active material is not particularly limited as long as it is a material that occludes and releases alkali metal ions.
- the negative electrode active material include, in addition to carbon materials, lithium titanium oxide (such as spinel type lithium titanium oxide such as lithium titanate), alloy-based active material, and sodium-containing titanium compound (spinel type sodium such as sodium titanate). Titanium oxide, etc.).
- Examples of the carbon material include graphitizable carbon (soft carbon), non-graphitizable carbon (hard carbon), graphite (carbon materials having a graphite-type crystal structure such as artificial graphite and natural graphite), and the like.
- An alloy-based active material is an active material containing an element that forms an alloy with an alkali metal. For example, zinc, a zinc alloy, a silicon oxide, a silicon alloy, a tin oxide, a tin alloy, etc. are mentioned.
- a negative electrode active material may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type. Of the negative electrode active materials, carbon materials are preferable, and graphite and / or hard carbon are particularly preferable.
- graphite examples include natural graphite (eg, scaly graphite), artificial graphite, and graphitized mesocarbon microspheres.
- Graphite is a layered structure in which planar six-membered rings of carbon are two-dimensionally connected, and has a hexagonal crystal structure. Alkali metal ions can easily move between the layers of graphite and are reversibly inserted into and desorbed from the graphite.
- Hard carbon is a carbon material that does not develop a graphite structure even when heated in an inert atmosphere. Fine graphite crystals are arranged in random directions, and nano-order voids are formed between crystal layers. A material having
- the negative electrode active material exchanges electrons with alkali metal ions (Faraday reaction). Therefore, examples of the negative electrode active material include those exemplified as the negative electrode active material of the nonaqueous electrolyte secondary battery, and can be appropriately selected according to the type of alkali metal ion.
- the binder and the conductive material used for the negative electrode the materials exemplified as the constituent elements of the positive electrode can be used.
- the amount of the binder is preferably 1 to 10 parts by mass and more preferably 3 to 5 parts by mass per 100 parts by mass of the negative electrode active material.
- the amount of the conductive material is preferably 5 to 15 parts by mass and more preferably 5 to 10 parts by mass per 100 parts by mass of the negative electrode active material.
- the negative electrode current collector a metal foil, a non-woven fabric made of metal fibers, a porous metal sheet, or the like is used.
- the metal a metal that is not alloyed with sodium can be used.
- aluminum, an aluminum alloy, copper, a copper alloy, nickel, a nickel alloy, and the like are preferable because they are stable at the negative electrode potential.
- aluminum and aluminum alloys are preferable in terms of excellent lightness.
- the aluminum alloy for example, an aluminum alloy similar to that exemplified as the positive electrode current collector may be used.
- the thickness of the metal foil serving as the negative electrode current collector is, for example, 10 to 50 ⁇ m, and the thickness of the metal fiber non-woven fabric or metal porous sheet is, for example, 100 to 600 ⁇ m.
- a current collecting lead piece 3c (see FIG. 2) may be formed on the negative electrode current collector.
- the lead piece 3c may be formed integrally with the negative electrode current collector, or a separately formed lead piece may be connected to the negative electrode current collector by welding or the like.
- the negative electrode is, for example, coated or filled with a negative electrode mixture slurry containing a negative electrode active material on a negative electrode current collector, and then the dispersion medium contained in the negative electrode mixture slurry is removed, and further, if necessary, the negative electrode active material It can be obtained by compressing (or rolling) the current collector holding the.
- the negative electrode mixture slurry may contain the above-described binder, conductive additive and the like in addition to the negative electrode active material.
- a separator can be disposed between the positive electrode and the negative electrode.
- the material of the separator may be selected in consideration of the operating temperature of the electricity storage device. From the viewpoint of suppressing side reactions with the electrolyte, glass fiber, silica-containing polyolefin, fluororesin, alumina, polyphenylene sulfite (PPS) Etc. are preferably used.
- a glass fiber nonwoven fabric is preferable because it is inexpensive and has high heat resistance.
- Silica-containing polyolefin and alumina are preferable in terms of excellent heat resistance.
- a fluororesin and PPS are preferable in terms of heat resistance and corrosion resistance. In particular, PPS has excellent resistance to fluorine contained in the molten salt.
- the thickness of the separator is preferably 10 ⁇ m to 500 ⁇ m, more preferably 20 to 50 ⁇ m. If the thickness is within this range, an internal short circuit can be effectively prevented, and the volume occupancy of the separator in the electrode group can be kept low, so that a high capacity density can be obtained.
- Example 1 Preparation of outer can 12 (38 mm ⁇ 112 mm ⁇ 150 mm) was obtained from an aluminum plate having a thickness of 1.5 mm.
- a 37 mm ⁇ 111 mm sealing plate 13 was cut out from a 1.5 mm thick aluminum plate by pressing. Simultaneously with the cutting, a hole for taking out the external negative electrode terminal 14 and the external positive electrode terminal 15, a hole for installing the safety valve 16 and the pressure regulating valve 17, and a liquid injection hole 20 were formed. Furthermore, a counterbore 21 (L2: 0.6 mm) was formed around the liquid injection hole 20. The arrangement of each hole is as shown in FIG. The inner diameter HD1 of the inner peripheral surface 20c of the liquid injection hole 20 was 5 mm, and the internal shape was as shown in FIG. 3A.
- a circle having a diameter of 12 mm was cut out from an aluminum plate having a thickness of 0.3 mm to form a holding member 31.
- the press-fitting member 32 having the shape shown in FIG.
- the press-fitting member 32 includes a circular base portion 33 (BD: 6.7 mm, L3: 0.4 mm), a first side surface portion 34a ( ⁇ 1: 30 °, PD1: 6 mm, PD2: 4.9 mm), and a second side surface portion 34b. (PD3: 3.5 mm, PD5: 5.5 mm, ⁇ 2: 25 °).
- the cross-sectional area of the hollow S having a substantially cylindrical shape was 5.2 mm 2 .
- the shape press-fitting member 32 The elastic member used for the press-fitting member 32 was EPDM, and the durometer type A had a hardness of Hs70.
- the press-fitting member 32 is designed to be in contact with the inner peripheral surface 20c at a part of the first side surface portion 34a, and the diameter PD4 of the contact portion in an unloaded state is 5.7 mm.
- Preparation of positive electrode 85 parts by mass of NaCrO 2 (positive electrode active material) having an average particle diameter of 10 ⁇ m, 10 parts by mass of acetylene black (conductive agent) and 5 parts by mass of polyvinylidene fluoride (binder) are added to N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).
- NMP N-methyl-2-pyrrolidone
- the positive electrode paste was prepared by dispersing.
- the obtained positive electrode paste was applied to both sides of an aluminum foil having a thickness of 20 ⁇ m, sufficiently dried, and rolled to prepare a positive electrode having a total thickness of 180 ⁇ m having a positive electrode mixture layer having a thickness of 80 ⁇ m on both surfaces.
- the positive electrode was cut into a rectangle of size 100 ⁇ 100 mm, and 96 positive electrodes 2 were prepared.
- the positive electrode 2, the negative electrode 3, and the separator 1 were sufficiently dried by heating at 90 ° C. or higher under a reduced pressure of 0.3 Pa. Thereafter, the separator 1 is interposed between the positive electrode 2 and the negative electrode 3, the positive electrode lead pieces 2c and the negative electrode lead piece 3c overlap each other, and the bundle of the positive electrode lead pieces 2c and the bundle of the negative electrode lead pieces 3c are left and right. Lamination was performed so as to be arranged at a target position, and an electrode group was produced. An electrode having an active material layer (mixture layer) only on one side was disposed at one and the other end of the electrode group so that the active material layer faces the other polarity electrode. Subsequently, the separator 1 was also arranged outside the both ends of the electrode group and accommodated in the outer can 12.
- the sealing plate 13 was fitted into the opening of the outer can 12, and the outer can 12 and the sealing plate 13 were joined by laser welding using a fiber laser. Thereafter, a predetermined amount of electrolyte was injected into the case 10 from the injection hole 20 provided in the sealing plate 13.
- the case 10 was placed in the inert gas injection device shown in FIG. 11A, and helium gas was injected into the case 10 according to the above-described procedures (a) to (d) to obtain a sealed state.
- the internal pressure of the case 10 immediately after sealing was 40 kPa, and the insertion load for inserting the sealing plug 11 into the liquid injection hole 20 was 11N.
- the holding member 31 and the sealing plate 13 were joined by spot resistance welding to complete the sodium ion secondary battery A having a nominal capacity of 30 Ah having a structure as shown in FIGS.
- the pressure resistance in the inserted state and the sealed state was measured.
- the results are shown in Table 1.
- the pressure resistance was evaluated as the pressure resistance by making a hole in the outer cans of the sodium ion secondary batteries A to C, measuring the internal pressure when the injection stopper was removed while injecting air from the holes, and measuring the internal pressure.
- Example 2 A sodium ion secondary battery B was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the angle ⁇ 1 was 23.5 °. The evaluation results are also shown in Table 1.
- Example 3 A sodium ion secondary battery C was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the angle ⁇ 1 was set to 35 °. The evaluation results are also shown in Table 1.
- Example 4 A sodium ion secondary battery D was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the shape of the injection hole 20 was as shown in FIG. 3B. The evaluation results are shown in Table 2.
- Example 5 A sodium ion secondary battery E was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the shape of the liquid injection hole 20 was as shown in FIG. 3C. The evaluation results are shown in Table 2.
- Each compression rate of the battery E was calculated
- Chamfer A is near the upper boundary of the chamfer
- Chamfer B is near the lower boundary of the chamfer.
- the present invention it is possible to maintain high hermeticity in the sealed state of the liquid injection hole of the sealed electric storage device, so that it is required to have long-term reliability, for example, large size for home use or industrial use. It is useful as a power source for power storage devices, electric vehicles, hybrid vehicles, and the like.
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Abstract
本発明は、ケースの開口部を封口する封口板に設けられた注液孔を、封止栓により封止する封止構造において、封止栓は、封口板と接合する板状の保持部材と、保持部材と接合された圧入部材とを備え、封口板は、注液孔の周囲に深座ぐり部を有し、圧入部材は、保持部材と接合する基部と注液孔に挿入される突出部とを備え、注液孔の開口部の径HD1と、突出部と基部の境界の径PD1と先端における径PD3とが、径PD1>径HD1>PD3の関係を満たし、基部と深座ぐり部の底部との間には間隙L1が設けられることに関する。
Description
本発明は、密閉式蓄電デバイスが具備する封止構造体に関し、特に、ケースの開口部を封口する封口板に設けられた注液孔を、封止栓により封止する封止構造体に関する。
近年、携帯電話、携帯型AV機器、およびノートパソコンといった携帯機器や定置用および移動用などの各種電源に使用する密閉型蓄電デバイスとして、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層コンデンサなどのキャパシタや、ニッケル-水素蓄電池、ニッケル-カドミウム蓄電池などのアルカリ蓄電池やリチウムイオン電池などの二次電池が広く用いられている。密閉式蓄電デバイスは、金属製の板体からなるケース内に、正極および負極からなる電極群に電解質が含浸された発電要素が収容されている。電解質は、ケースに電極群を収容し、封口板とケース開口部との間を溶接した後に、注液孔からノズル等で注入される場合がある。未だ電解質がケースに入っていない状態で封口板とケース開口部との間を溶接するため、溶接部分に電解質が付着することに起因する封止不良が抑制されるからである。この場合、注液孔は、電解質をケースに注液した後に、ゴム等の弾性材料により形成された封止栓により閉塞される(特許文献1など)。
通常、密閉型蓄電デバイスに対しては、抜き取りによる漏洩検査が行われる。密閉型蓄電デバイスにおいて封口不良があると、電解質が漏液して、蓄電デバイスの周囲に配置された機器を損傷したり、蓄電デバイスの性能が低下するためである。
漏洩検査は、封口板と外装缶とを溶接し、注液孔から電解質を注液した後、当該注液孔からヘリウムガスを圧入する。次いで、金属製の保持部材を有する封止栓を注液孔に挿入して、封止栓の金属部分と封口板との溶接等を行い、密閉型蓄電デバイスを完成させる。最後に、この密閉型蓄電デバイスを減圧チャンバー内に設置して、減圧チャンバー内のヘリウム濃度を測定することにより行われる(特許文献2および3など)。
従来の封止栓を注液孔に挿入するだけでは、ケースを密閉状態にすることは難しい。そのため、漏洩検査のために圧入されたヘリウムガスは、封止栓を注液孔に挿入してから(以下、挿入状態と称す)、その金属部分と封口板とを溶接する(以下、封止状態と称す)までの間に、ケースから抜け出てしまう。つまり、ヘリウムガスが圧入されていても、漏洩検査時のケースの内圧は大気圧とほぼ同じまで低下してしまう。減圧チャンバー内の圧力を低下させ、ケースの内部と外部との気圧差を大きくしても、その程度は限られており、微少な封口不良を検出することは困難である。より高い蓄電デバイス性能が求められる現状の下、このような微少な封口不良であっても検出できる条件で漏洩検査をすることが望まれている。
本発明の第1の局面は、密閉式蓄電デバイスに電解質を注液する注液孔を封止する封止構造体であって、前記封止構造体は、前記注液孔を有する封口板と、前記注液孔を封止する封止栓とを備え、前記封止栓は、前記封口板と接合する板状の保持部材と、弾性材料を含み、前記保持部材と接合された圧入部材とを備え、前記封口板は、前記保持部材と接合される側の表面の前記注液孔の周囲に深座ぐり部を有し、前記注液孔は、前記深座ぐり部の底部側の平面上にある第1開口部から、前記封口板の前記深座ぐり部が形成されていない側の平面上にある第2開口部に亘って、前記封口板を厚み方向に貫通しており、前記圧入部材は、前記保持部材と接合する基部と、前記基部から突出するように設けられ、前記注液孔に挿入される突出部とを備え、前記基部は、その径BDと、前記第1開口部の径HD1とが、径BD>径HD1の関係を満たし、前記突出部は、封止状態において、前記第2開口部よりも基部側の第1側面部と、前記第2開口部よりも先端側の第2側面部とを備え、前記第1側面部の一部と前記注液孔の内周面とが、前記内周面の全周に亘って当接しており、前記当接する部分と、無負荷状態での前記保持部材の主面に垂直な方向とのなす角度θ1が、0°以上、45°以下であり、前記突出部の前記基部との境界における径PD1と、前記先端における径PD3と、前記径HD1とが、径PD1>径HD1>径PD3の関係を満たし、前記突出部の前記第2側面部における最大径PD5と、前記径HD1とが、径PD5>径HD1の関係を満たし、前記突出部の前記第1側面部と前記第2側面部との境界における径PD2と、前記径PD5とが、径PD5>径PD2の関係を満たし、前記基部と、前記深座ぐり部の底部との間には間隙L1が設けられている、密閉式蓄電デバイスの封止構造体に関する。
本発明の第2の局面は、上記封止構造体を具備するケースと、前記ケースに収容された、正極、負極、前記正極および前記負極の間に介在するセパレータ、ならびに電解質と、を含む、密閉式蓄電デバイスに関する。
本発明の第3の局面は、上記封止構造体を具備する密閉型蓄電デバイスの製造方法であって、有底の外装缶と、前記封口板と、前記封止栓とを準備する工程と、前記外装缶に電極群を収容する工程と、前記電極群が収容された前記外装缶の開口端部と前記封口板の周縁とを、互いに溶接する工程と、前記電極群に電解質を含浸する工程と、前記外装缶に溶接された前記封口板の前記注液孔から、不活性ガスを注入する工程と、前記注入された不活性ガスにより、前記外装缶の内部が加圧された状態で、前記注液孔に前記圧入部材を圧入する工程と、前記圧入部材が前記注液孔に圧入された状態で、前記封口板と前記封止栓とを互いに溶接する工程と、前記密閉された蓄電デバイスから漏出する不活性ガスの量を測定する工程と、を具備する密閉型蓄電デバイスの製造方法に関する。
本発明によれば、封止栓を注液孔に挿入した段階(挿入状態)において、ヘリウムガス等により加圧された蓄電デバイスの密閉性が向上するため、より厳格な条件により漏洩検査を行うことができる。よって、微少な封口不良をも検出することが可能となり、密閉式蓄電デバイスの長期信頼性が向上する。
[発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本発明は、(1)密閉式蓄電デバイスに電解質を注液する注液孔を封止する封止構造体であって、前記封止構造体は、前記注液孔を有する封口板と、前記注液孔を封止する封止栓とを備え、前記封止栓は、前記封口板と接合する板状の保持部材と、弾性材料を含み、前記保持部材と接合された圧入部材とを備え、前記封口板は、前記保持部材と接合される側の表面の前記注液孔の周囲に深座ぐり部を有し、前記注液孔は、前記深座ぐり部の底部側の平面上にある第1開口部から、前記封口板の前記深座ぐり部が形成されていない側の平面上にある第2開口部に亘って、前記封口板を厚み方向に貫通しており、前記圧入部材は、前記保持部材と接合する基部と、前記基部から突出するように設けられ、前記注液孔に挿入される突出部とを備え、前記基部は、その径BDと、前記第1開口部の径HD1とが、径BD>径HD1の関係を満たし、前記突出部は、封止状態において、前記第2開口部よりも基部側の第1側面部と、前記第2開口部よりも先端側の第2側面部とを備え、前記第1側面部の一部と前記注液孔の内周面とが、前記内周面の全周に亘って当接しており、前記当接する部分と、無負荷状態での前記保持部材の主面に垂直な方向とのなす角度θ1が、0°以上、45°以下であり、前記突出部の前記基部との境界における径PD1と、前記先端における径PD3と、前記径HD1とが、径PD1>径HD1>径PD3の関係を満たし、前記突出部の前記第2側面部における最大径PD5と、前記径HD1とが、径PD5>径HD1の関係を満たし、前記突出部の前記第1側面部と前記第2側面部との境界における径PD2と、前記径PD5とが、径PD5>径PD2の関係を満たし、前記基部と、前記深座ぐり部の底部との間には間隙L1が設けられている、密閉式蓄電デバイスの封止構造体に関する。これにより、挿入状態においても、ヘリウムガス等により加圧された蓄電デバイスの密閉性が向上する。
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本発明は、(1)密閉式蓄電デバイスに電解質を注液する注液孔を封止する封止構造体であって、前記封止構造体は、前記注液孔を有する封口板と、前記注液孔を封止する封止栓とを備え、前記封止栓は、前記封口板と接合する板状の保持部材と、弾性材料を含み、前記保持部材と接合された圧入部材とを備え、前記封口板は、前記保持部材と接合される側の表面の前記注液孔の周囲に深座ぐり部を有し、前記注液孔は、前記深座ぐり部の底部側の平面上にある第1開口部から、前記封口板の前記深座ぐり部が形成されていない側の平面上にある第2開口部に亘って、前記封口板を厚み方向に貫通しており、前記圧入部材は、前記保持部材と接合する基部と、前記基部から突出するように設けられ、前記注液孔に挿入される突出部とを備え、前記基部は、その径BDと、前記第1開口部の径HD1とが、径BD>径HD1の関係を満たし、前記突出部は、封止状態において、前記第2開口部よりも基部側の第1側面部と、前記第2開口部よりも先端側の第2側面部とを備え、前記第1側面部の一部と前記注液孔の内周面とが、前記内周面の全周に亘って当接しており、前記当接する部分と、無負荷状態での前記保持部材の主面に垂直な方向とのなす角度θ1が、0°以上、45°以下であり、前記突出部の前記基部との境界における径PD1と、前記先端における径PD3と、前記径HD1とが、径PD1>径HD1>径PD3の関係を満たし、前記突出部の前記第2側面部における最大径PD5と、前記径HD1とが、径PD5>径HD1の関係を満たし、前記突出部の前記第1側面部と前記第2側面部との境界における径PD2と、前記径PD5とが、径PD5>径PD2の関係を満たし、前記基部と、前記深座ぐり部の底部との間には間隙L1が設けられている、密閉式蓄電デバイスの封止構造体に関する。これにより、挿入状態においても、ヘリウムガス等により加圧された蓄電デバイスの密閉性が向上する。
(2)前記突出部は、前記先端から前記基部に向かう中空を備えることが好ましい。突出部を注液孔に挿入することがより容易となるためである。
(3)前記径HD1と、前記当接する部分における、前記突出部の無負荷状態での径PD4と、の比HD1/PD4は、0.85~0.95であることが好ましい。挿入状態での密閉性がさらに向上するためである。
(4)前記弾性材料は、エチレン-プロピレン-ジエンゴムまたはフッ素ゴムを含み、前記エチレン-プロピレン-ジエンゴムは、エチリデンノルボルネン、1,4-ヘキサジエン、およびジシクロペンタジエンよりなる群から選択される少なくとも1種を含み、前記弾性材料のJIS K 6253に準拠したデュロメータタイプAの硬度は、30~80であることが好ましい。蓄電デバイスの密閉性が、長期間にわたって維持され易いためである。
(5)前記注液孔の前記第1開口部は、面取り部を有することが好ましい。挿入状態での密閉性がさらに向上するためである。
また、本発明は、(6)上記封止構造体を具備するケースと、前記ケースに収容された、正極、負極、前記正極および前記負極の間に介在するセパレータ、ならびに電解質と、を含む、密閉式蓄電デバイスに関する。この密閉式蓄電デバイスは、密閉性に優れ、長期信頼性を有する。
(7)密閉式蓄電デバイスは不活性ガスを含み、前記ケース内の圧力が大気圧より大きくてもよい。本発明の密閉式蓄電デバイスによれば、このような高い内圧を有する場合であっても、電解質が漏洩することを防止する効果が高い。
さらに、本発明は、(8)上記封止構造体を具備する密閉型蓄電デバイスの製造方法であって、有底の外装缶と、前記封口板と、前記封止栓とを準備する工程と、前記外装缶に電極群を収容する工程と、前記電極群が収容された前記外装缶の開口端部と前記封口板の周縁とを、互いに溶接する工程と、前記電極群に電解質を含浸する工程と、前記外装缶に溶接された前記封口板の前記注液孔から、不活性ガスを注入する工程と、前記注入された不活性ガスにより、前記外装缶の内部が加圧された状態で、前記注液孔に前記圧入部材を圧入する工程と、前記圧入部材が前記注液孔に圧入された状態で、前記封口板と前記封止栓とを互いに溶接する工程と、前記密閉された蓄電デバイスから漏出する不活性ガスの量を測定する工程と、を具備する密閉型蓄電デバイスの製造方法に関する。この方法により製造される密閉式蓄電デバイスは、密閉性に優れ、長期信頼性を有する。
本発明の封止構造体は、密閉式蓄電デバイスに電解質を注液する注液孔を封止する封止構造体である。封止構造体は、注液孔を有する封口板と、注液孔を封止する封止栓とを備える。例えば、図1に示すように、外装缶12と、外装缶12の開口を封口するとともに、電解質の注液孔を有する封口板13と、注液孔を封止する封止栓11とを備えている。なお、図1では、注液孔に封止栓11が挿入されている状態を示している。
まず、図3Aおよび図4Aを参照して、注液孔および封止栓の形状を簡潔に説明する。各詳細については、後述する。
封口板13は、例えば図3Aに示すように、第1開口部20aから第2開口部20bに亘って、封口板13を厚み方向に貫通する注液孔20を備える。さらに、封口板13には、注液孔20の第1開口部20aの周囲に、電解質の注入を容易にするとともに、後述する圧入部材32の基部33(図4A参照)を収納するための段差状の深座ぐり部21が形成されている。なお、第1開口部20aとは、注液孔20と深座ぐり部21との境界である円周の内側に形成されている開口であり、深座ぐり部21の底部21Bと同じ平面上にある。第2開口部20bは、注液孔20とケース内部との境界である円周の内側に形成されている開口であり、封口板13の深座ぐり部21が形成されていない方の面と同じ平面上にある。
封口板13は、例えば図3Aに示すように、第1開口部20aから第2開口部20bに亘って、封口板13を厚み方向に貫通する注液孔20を備える。さらに、封口板13には、注液孔20の第1開口部20aの周囲に、電解質の注入を容易にするとともに、後述する圧入部材32の基部33(図4A参照)を収納するための段差状の深座ぐり部21が形成されている。なお、第1開口部20aとは、注液孔20と深座ぐり部21との境界である円周の内側に形成されている開口であり、深座ぐり部21の底部21Bと同じ平面上にある。第2開口部20bは、注液孔20とケース内部との境界である円周の内側に形成されている開口であり、封口板13の深座ぐり部21が形成されていない方の面と同じ平面上にある。
封止栓11は、例えば図4Aに示すように、封口板13と接合する板状の保持部材31と、弾性材料を含み、保持部材31と接合された圧入部材32とを備える。圧入部材32は、保持部材と接合する基部33と、基部33から突出するように設けられ、注液孔20に挿入される突出部34とを備える。さらに、突出部34は、封止状態において、第2開口部20bよりも基部33側に位置する第1側面部34aと、第2開口部20bよりも先端側に位置する第2側面部34bとを備えている。
[封口板]
封口板13について、図3A~図3Cを参照しながら説明する。
(第1実施形態)
封口板13は、貫通孔である注液孔20と深座ぐり部21とを備えている。深座ぐり部21の深さL2は、基部33の厚みL3よりも大きい(L2>L3)。深座ぐり部21の底部21Bのほぼ中央には、第1開口部20aが形成されている。
封口板13について、図3A~図3Cを参照しながら説明する。
(第1実施形態)
封口板13は、貫通孔である注液孔20と深座ぐり部21とを備えている。深座ぐり部21の深さL2は、基部33の厚みL3よりも大きい(L2>L3)。深座ぐり部21の底部21Bのほぼ中央には、第1開口部20aが形成されている。
図3Aでは、内周面20cの径は、第1開口部20aおよび第2開口部20bにおいて同じHD1であるが、第1開口部20aから第2開口部20bに向かって、テーパ状に徐々に小さくなっていても良い。
(第2実施形態)
本実施形態では、内周面20cの径は、第1開口部20aから第2開口部20bに向かって、段階的に小さくなるように、注液孔20の内周面20cに少なくとも1つの段部20dが形成されている(図3B参照)。このとき、第1側面部34aと段部20dの内周面20c´とが、全周に亘って当接するように、突出部34の形状や寸法、内周面20c´の大きさを設定してもよい。これにより、注液孔20の第1開口部20aの近傍のみならず、段部20dの近傍においても、密閉性が保持され得る。
本実施形態では、内周面20cの径は、第1開口部20aから第2開口部20bに向かって、段階的に小さくなるように、注液孔20の内周面20cに少なくとも1つの段部20dが形成されている(図3B参照)。このとき、第1側面部34aと段部20dの内周面20c´とが、全周に亘って当接するように、突出部34の形状や寸法、内周面20c´の大きさを設定してもよい。これにより、注液孔20の第1開口部20aの近傍のみならず、段部20dの近傍においても、密閉性が保持され得る。
図3Bでは、第1開口部20aから深さH1の位置に、1つの段部20dが形成されている。段部20dの数は1つに限らず、2以上であってもよい。内周面20cで囲まれた部分の注液孔の内径(大孔径)は、第1開口部20aの径HD1であり、内周面20c´で囲まれた部分の注液孔の内径(小孔径)は、第2開口部20bの径HD2である。
(第3実施形態)
本実施形態では、封口板13は、第1開口部20aの近傍に、面取り部20eを有している(図3C参照)。突出部34が注液孔20に挿入されると、第1側面部34aを構成する弾性材料が変形して面取り部20eに当接する。第1側面部34aと内周面20cとの当接する面積は、面取り部20eを有さない場合に比べて大きくなるため、密閉性がより高くなる。なお、図3Bの例においても、第1開口部20aの近傍および/または段部20dの近傍に、図3Cの例と同様の面取り部を設けることができる。
本実施形態では、封口板13は、第1開口部20aの近傍に、面取り部20eを有している(図3C参照)。突出部34が注液孔20に挿入されると、第1側面部34aを構成する弾性材料が変形して面取り部20eに当接する。第1側面部34aと内周面20cとの当接する面積は、面取り部20eを有さない場合に比べて大きくなるため、密閉性がより高くなる。なお、図3Bの例においても、第1開口部20aの近傍および/または段部20dの近傍に、図3Cの例と同様の面取り部を設けることができる。
面取り部20eが設けられている場合、面取り部20eの上端の境界(面取り部20eと深座ぐり部21の底部21Bとの交線)が第1開口部20aであり、注液孔20の径は、第1開口部20aの径HD1よりもわずかに小さくなる。
面取り部20eの傾斜角度(座ぐり部21の底部21Bに対する傾き)θ3は、封止状態における、突出部34(厳密には、第1側面部34a)と基部33との境界部分の外縁と、第1開口部20aの外縁との間の水平距離X1および垂直距離(L1)の比、L1/X1に応じて設定するのが好ましい(図9参照)。特に、α=tanθ3/(L1/X1)とすると、0.8≦α≦1.2となるように、角度θ3を設定することが好ましい。角度θ3と比(L1/X1)との関係がこの範囲を満たすということは、深座ぐり部21の底部21Bと基部33との間で圧縮された突出部34の外縁と、面取り部20eとがほぼ平面上にあるということである。そのため、第1側面部34aと第1開口部20aとの接触圧を高めつつ、突出部34を構成する弾性材料が圧縮されることによって生じる反発力(基部33および保持部材31を押し上げる方向に作用する力)が抑制される。よって、ケース10の内部の圧力が高い場合であっても、高い密閉性を達成することがより容易となる。
[封止栓]
封止栓について、図4Aおよび4Bを参照しながら説明する。
(第1実施形態)
封止栓11は、板状の保持部材31と圧入部材32とを有する。保持部材31の径は、封口板13に設けられている深座ぐり部21の底部21Bよりも大きく、第1開口部20aよりも大きい。封止状態において、保持部材31は、深座ぐり部21を覆うように、封口板13の深座ぐり部21を備える面と当接する(図7等参照)。保持部材31は、金属製の板状物により形成されることが好ましい。電解質の浸透を抑制し、電解質が蓄電デバイス外部に漏洩することをより防止し易いためである。
封止栓について、図4Aおよび4Bを参照しながら説明する。
(第1実施形態)
封止栓11は、板状の保持部材31と圧入部材32とを有する。保持部材31の径は、封口板13に設けられている深座ぐり部21の底部21Bよりも大きく、第1開口部20aよりも大きい。封止状態において、保持部材31は、深座ぐり部21を覆うように、封口板13の深座ぐり部21を備える面と当接する(図7等参照)。保持部材31は、金属製の板状物により形成されることが好ましい。電解質の浸透を抑制し、電解質が蓄電デバイス外部に漏洩することをより防止し易いためである。
圧入部材32は、基部33と突出部34とを備える。基部33と突出部34とは、弾性材料を一体成型することにより得ることができる。突出部34と基部33との境界部分は、例えば、円形である。基部33は、例えば、円盤状である。
基部33の径BDは、第1開口部の径HD1よりも大きい(径BD>径HD1)。第1側面部34aにおける基部33との境界部分の径PD1は、第1開口部20aの径HD1よりも大きく、先端における径PD3は、第1開口部20aの径HD1よりも小さい(径PD1>径HD1>径PD3)。上記のように、第1開口部20aから第2開口部20bに向かって注液孔20の径が小さくなる場合には、先端の径PD3は、第2開口部20bの径HD2よりも小さい。なお、第1側面部34aと基部33との境界部分が曲面を含む等、境界部分が明瞭でない場合は、その曲面における曲率の最も大きい部分を含むように、第1側面部34aを保持部材31と平行な方向に切断した断面の径が、径PD1である。
圧入部材32がこのような形状であるため、突出部34は、基部33との境界部分まで注液孔20に挿入されず、第1側面部34aの一部で第1開口部20aに係止する。また、第1側面部34aの一部と注液孔20の内周面20cとは、内周面20cの全周に亘って当接する(以下、この当接する部分を当接部分SHと称す)。突出部34の少なくとも一部は、注液孔20に係合していない。そのため、突出部34は、封止状態において、第2開口部20bよりも基部33側に位置する第1側面部34aと、第2開口部20bよりも先端側に位置する第2側面部34bとを備える(図7参照)。
第2側面部34bの最大径PD5は、第1開口部20aの径HD1よりも大きく(径PD5>径HD1)、第1側面部34aと第2側面部34bとの境界における径PD2は、径PD5よりも小さい(径PD5>径PD2)。つまり、突出部34には第2側面部34bによる突起Pが形成されている。
第1開口部20aは第1側面部34aと当接するため、第2側面部34bにより形成された突起Pを含む第2側面部34bは、第2開口部20bよりもケースの内側に配置される。そのため、ケースが高い内圧を有する場合であっても、突起Pにより、第1開口部20aと第1側面部34aとの当接は保持される。さらに、突起Pと第2開口部20b近傍の封口板13とが当接し得るため、密閉性のさらなる向上が期待できる。なお、第1側面部34aと第2側面部34bとの境界部分が曲面を含む等、境界部分が明瞭でない場合は、その曲面における曲率の最も大きい部分を含むように、第2側面部34bを保持部材31と平行な方向に切断した断面の径が、径PD2である。
従来、封止栓による密閉性は、主として封止栓と封口板とを溶接することによって確保される。そのため、溶接前(挿入状態)での密閉性が十分でないことは大きな問題とはならない。しかし、後述するように、ケースの内圧が高い状態で漏洩検査を行う場合には、挿入状態における高い密閉性が要求される。本実施形態は、上記構成を備えるため、挿入状態における密閉性がさらに向上する。
また、挿入状態において優れた密閉性を有するということは、蓄電デバイスが長期信頼性に優れることを示すといえる。このような蓄電デバイスは、ケースが高い内圧を有する状態であっても、漏洩検査をパスすることができる程度の密閉性を有している。すなわち、微少な封口不良をも有さないことを示すものであり、長期間に亘る密閉性も確保され得る。
無負荷状態での、当接部分SHと保持部材31の主面に垂直な方向とのなす角度θ1は、0°以上、45°以下である(図4A参照)。本実施形態においては、第1側面部34aは、この当接部分SHを含み、角度θ1が0°より大きく45°以下であるテーパ部分34atと、角度θ1が0°であるストレート部分34asとを有している。この場合、第1側面部34aは、テーパ部分34atにおいて第1開口部20aおよび注液孔20の内周面20cと当接している。ストレート部分34asは、注液孔20の内周面20cと当接していても良いし、当接していなくても良い。なお、第1側面部34aはこの形状に限定されず、角度θ1が0°より大きく45°以下であるテーパ部分のみを備えていても良いし、角度θ1が0°であるストレート部分のみを備えていても良い。
また、第1側面部34aは、曲面を有していてもよい。この場合、曲面のある点においてその接線を取り、その接線を含む平面と保持部材31の主面に垂直な方向とのなす角度を、上記角度θ1とみなすことができる。
角度θ1がこの範囲であると、第1側面部34aと第1開口部20aとの当接部分SHにおいて、十分な面圧を得ることが可能となり、溶接前の封止状態での高い密閉性を達成することができる。なかでも、当接部分SHにおける突出部34を構成する弾性材料の圧縮率をより高めることができる点で、角度θ1は、5°以上であることがより好ましく、15°以上であることがさらに好ましい。また、角度θ1は、35°以下であることが好ましく、30°以下であることがより好ましい。なお、突出部34の注液孔20への挿入深さを調節することで、面圧および圧縮率を調整することが可能である。
当接部分SHにおける、無負荷状態での突出部34の最小径PD4と第1開口部20aの径HD1との比、HD1/PD4は、0.85~0.95であることが好ましい。このように2つの径(HD1およびPD4)の関係を設定することで、当接部分SHにおける圧入部材32の圧縮率、1-HD1/PD4が0.05~0.15の範囲になる。これにより、圧入部材32を注液孔20に挿入した段階での密閉性がさらに向上する。
また、注液孔20の内周面20cに少なくとも1つの段部20dが形成されている場合には、第1側面部34aの一部と段部20dの内周面20c´とが、全周に亘って当接しても良い(図10参照)。この場合、第1側面部34aと段部20dの内周面20c´とが当接する部分の突出部34の圧縮率(最小径PD4から、内周面20c´の内径を引いた値を、最小径PD4で除して算出される)が、上記第1開口部20aにおける突出部34の圧縮率(1-HD1/PD4)と同程度となるように、段部の位置(H1)および内周面20c´の内径を設定しても良い。
第2側面部34bによる突起Pは、突出部34の先端側に全周にわたって形成されていても良いし(図5A参照)、先端側に部分的に形成されていても良い(図5B参照)。なお、図5Bでは、突起Pは、突出部34の4か所に形成されている。ここで、最大径HD5は、保持部材31と平行な方向に突起Pを含む最小の仮想の円を描いたときに、最大となる円の直径である。また、先端の径PD3は、後述するように、突出部34の先端が内部に中空Sを有する場合、先端部分をすべて含む最小の仮想の円を描いたときの直径である。
最大径PD5は、密閉性および挿入し易さ等の観点から、第1開口部20aの径HD1に対して1.05~1.2倍程度であることが好ましい。
密閉性は、注液孔20の内周面20cと第1側面部34aの一部とが、内周面20cの全周に亘って当接することにより確保される。そのため、突起Pと、封口板13の第2開口部20bが形成されている面とは、接触していなくても良い(図7等参照)。このような場合でも、ケース10内部の圧力が非常に高まった場合などには、封止栓11が押し上げられて、突起Pが封口板13の第2開口部20bが形成されている面に押し付けられ、密閉性が高められる。
突出部34は、その先端から基部33に向かう中空Sを備えていることが好ましい(図4A参照)。本実施形態によれば、突出部34が注液孔20に挿入される際に、中空Sを取り囲む第2側面部34bは、中空Sに押し込まれるように変形することができる。そのため、突出部34を注液孔20に挿入することがより容易となる。
図4Aにおいて、中空Sは略円筒形状(厳密には、基部33側から先端に向かって末広がりの形状)であるが、この形状に限定されない。例えば、中空Sは、第2側面部34bを保持部材31と平行な方向に貫くようにI字型に形成されても良い。中空Sの大きさや形状は、突出部34全体の変形のし易さや反発力等に影響する。そのため、中空Sの大きさや形状は所望の性能に応じて、適宜設定すればよい。
中空Sの深さDsは、特に限定されないが、なかでも、密閉性の観点から、深さDsは、突出部34の端部から当接部分SHにまでは及ばないことが好ましい。また、挿入し易さの観点から、深さDsは、突出部34の端部から第2開口部20b付近にまで及ぶことが好ましい。中空Sを保持部材31と平行な方向に切断した場合に最大となる断面積も、特に限定されない。なかでも、上記断面積は、密閉性および挿入し易さ等の観点から、突出部34の先端の保持部材31と平行な方向の面積に対して、15~50%程度であることが好ましい。
また、基部33と深座ぐり部21の底部21Bとの間には間隙L1が形成される(図7等参照)。突出部34が注液孔20に挿入される際、突出部34を構成する弾性材料は、第1開口部20aによって押し上げられて変形し、第1開口部20aの上方に撓みが生じる。この弾性材料の撓みは、基部33および保持部材31を押し上げる方向に作用し、挿入状態での密閉性を低下させる。
間隙L1は、この撓みを受け入れ、撓みが基部33および保持部材31を押し上げる作用を緩和する。そのため、封止栓11の挿入深さは、溶接前であっても、初期に近い位置で維持される。よって、挿入状態での密閉性が向上する。さらに、撓みを受け入れる間隙L1があることにより、角度θ1が0°以上であっても、注液孔20による突出部34の圧縮率が所望の数値になるまで、突出部34を注液孔20に挿入することが容易となる。
所望の封止性能を長期間に亘って維持することを考慮すると、圧入部材に含まれる弾性材料としては、エチレン-プロピレン-ジエンゴム(EPDM)またはフッ素ゴムを使用することが好ましい。エチレン-プロピレン-ジエンゴムは、エチリデンノルボルネン、1,4-ヘキサジエン、およびジシクロペンタジエンよりなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。なかでも、ジエン成分が、3.0~10.5質量%含有されていることが好ましい。また、弾性材料は、JIS K 6253に準拠したデュロメータタイプAの硬度が30~80であることが好ましい。
このようなフッ素ゴムとしては、テトラフルオロエチレン(TFE)とプロピレンとのゴム状共重合体(FEPM)、フッ化ビニリデン(VDF)をモノマー単位として含むゴム状共重合体(FKM)、TFEとパーフルオロアルキルビニルエーテルとのゴム状共重合体(FFKM)などが例示できる。FKMとしては、VDF-ヘキサフルオロプロピレン(HFP)共重合体、VDF-ペンタフルオロプロピレン共重合体、VDF-トリフルオロクロロエチレン共重合体、VDF-HFP-TFE共重合体などが例示でき、いずれもゴム状である。
さらに、弾性材料の耐熱性(連続使用が可能な使用安全耐熱温度)は、90℃以上であることが好ましい。また、弾性材料は、環境温度:100℃の条件下で1000時間放置した後の圧縮永久ひずみが、10%以下であることが好ましい。圧縮永久ひずみは、JIS K6262、ASTM D395、もしくは、ISO815に準拠した圧縮永久ひずみ試験により計測することができる。
図6Aに、封口板13に形成された注液孔20に封止栓11が挿入された状態であって、保持部材31の周縁部と封口板13の表側の面とが溶接等により接合される前の状態(挿入状態)を、断面図にて示す。封口板13と保持部材31との間には、突出部34を構成する弾性部材の反発力による隙間G1が生じている。しかし、この場合であっても、注液孔20の内周面20cと第1側面部34aの一部とは、内周面20cの全周に亘って当接しているため、密閉性は確保される。
突出部34は、基部33との境界部分から距離L1離れた部分からその先端にわたり、注液孔20からケース10内部へと挿入されている。第1側面部34aの一部は、注液孔20の第1開口部20aを含む内周面20cと当接して、密閉性を確保している。第2側面部34bの少なくとも一部と先端面34cとは、注液孔20に係合していない。
当接部分SHの面圧は、最大で4.5~5.5MPaであることが好ましい。挿入状態での密閉性がさらに向上するためである。
基部33と深座ぐり部21の底部21Bとの間の間隙L1の大きさは、注液孔20の径にもよるが、例えば、0.1~0.6mmとすることが好ましい。これにより、第1開口部20aの上方に生じる弾性材料の撓みが受け入れられやすくなり、挿入状態での密閉性がさらに向上する。
(第2実施形態)
本実施形態は、突出部34の内部に中空Sが形成されていないこと以外は、第1実施形態と同様である(図4B参照)。突起Pは、突出部の先端側に全周にわたって形成されていても良いし(図5C参照)、先端側に部分的に形成されていても良い(図5D参照)。この場合、突出部34を注液孔20に挿入する際の容易性の観点から、第2側面部34bと保持部材131の主面に垂直な方向とのなす角度θ2は、角度θ1以上であることが好ましい。これにより、先端の径PD3は、上記境界部分の径PD1および当接部分SHの径PD4に対して、より小さくなるため、突出部34を注液孔20に挿入することが容易となる。特に、ケースの内圧が高い場合に、この効果は顕著である。中空Sが形成されている場合にも、角度θ2は角度θ1以上であっても良い。角度θ2は、5°より大きいことが好ましく、45°より小さいことが好ましい。
本実施形態は、突出部34の内部に中空Sが形成されていないこと以外は、第1実施形態と同様である(図4B参照)。突起Pは、突出部の先端側に全周にわたって形成されていても良いし(図5C参照)、先端側に部分的に形成されていても良い(図5D参照)。この場合、突出部34を注液孔20に挿入する際の容易性の観点から、第2側面部34bと保持部材131の主面に垂直な方向とのなす角度θ2は、角度θ1以上であることが好ましい。これにより、先端の径PD3は、上記境界部分の径PD1および当接部分SHの径PD4に対して、より小さくなるため、突出部34を注液孔20に挿入することが容易となる。特に、ケースの内圧が高い場合に、この効果は顕著である。中空Sが形成されている場合にも、角度θ2は角度θ1以上であっても良い。角度θ2は、5°より大きいことが好ましく、45°より小さいことが好ましい。
[蓄電デバイス]
蓄電デバイスとして、その種類は特に制限されない。例えば、リチウムイオンキャパシタおよびナトリウムイオンキャパシタなどのアルカリ金属イオンキャパシタ、リチウムイオン二次電池およびナトリウムイオン二次電池などのアルカリ金属イオン二次電池(以下、非水電解質二次電池と称する)などが例示できる。
蓄電デバイスとして、その種類は特に制限されない。例えば、リチウムイオンキャパシタおよびナトリウムイオンキャパシタなどのアルカリ金属イオンキャパシタ、リチウムイオン二次電池およびナトリウムイオン二次電池などのアルカリ金属イオン二次電池(以下、非水電解質二次電池と称する)などが例示できる。
本発明の一実施形態に係る蓄電デバイスの構造について、図1および図2を参照しながら説明する。ただし、本発明に係る蓄電デバイスの構造は、以下の構造に限定されるものではない。図2は、蓄電デバイス100について、外部負極端子14の中心線を通り、蓄電デバイス100の長辺を切断する断面線により切断した場合を、概略的に示す縦断面図である。
蓄電デバイス100は、積層型の電極群(図2参照)、電解質(図示せず)、および、これらを収容する角型のアルミニウム製のケース10を備える。ケース10は、上部が開口した有底の外装缶12と、上部開口を塞ぐ封口板13と、注液栓11とを備えており、封口板13と注液栓11とは、上記封止構造体を構成している。封止構造体は、少なくとも封口板13と、封口板13に設けられた注液孔20の内周面20cおよび第1開口部20aと、封止栓11とを含む。
封口板13の一方側寄りには、封口板13を貫通する外部正極端子15が設けられ、封口板13の他方側寄りの位置には、封口板13を貫通する外部負極端子14が設けられている。各端子は、ケースと絶縁することが好ましい。封口板13の外部負極端子14寄りの位置には、電池ケース10の内圧が徐々に上昇したときに内部で発生したガスを外部に放出する圧力調節弁17が設けられている。封口板13の外部正極端子15寄りの位置には、注液孔20(図示せず)が設けられている。注液孔20は、例えば、発電要素(電極群および電解質)を容器本体12の内部に挿入し、封口板13を容器本体12の開口に溶接した後に、電池ケース10の内部に電解質を注入するための孔である。注液孔20は、ケース10内部への電解質の注入が完了した後、図4A等に示す封止栓11により封止される。
積層型の電極群は、いずれも矩形のシート状である複数の正極2と複数の負極3およびこれらの間に介在する複数のセパレータ1により構成されている。正極、負極およびセパレータについては、後述する。図2では、セパレータ1は、正極2を包囲するように袋状に形成されているが、セパレータの形態は特に限定されない。複数の正極2と複数の負極3は、電極群内で積層方向に交互に配置される。
各正極2の一端部には、正極リード片2cを形成してもよい。複数の正極2の正極リード片2cを束ねるとともに、ケース10の封口板13に設けられた外部正極端子15に接続することにより、複数の正極2が並列に接続される。同様に、各負極3の一端部には、負極リード片3cを形成してもよい。複数の負極3の負極リード片3cを束ねるとともに、ケース10の封口板13に設けられた外部負極端子14に接続することにより、複数の負極3が並列に接続される。正極リード片2cの束と負極リード片3cの束は、互いの接触を避けるように、電極群の一端面の左右に、間隔を空けて配置することが望ましい。
外部正極端子15および外部負極端子14は、いずれも柱状であり、少なくとも外部に露出する部分が螺子溝を有する。各端子の螺子溝にはナット4が嵌められ、ナット4を回転することにより封口板13に対してナット4が固定される。各端子のケース内部に収容される部分には、鍔部6が設けられており、ナット4の回転により、鍔部6が、封口板13の内面に、ワッシャ5を介して固定される。
ケース10は、ヘリウムガスなどの不活性ガスによって、内圧が大気圧より大きく(例えば、大気圧を0kPaとしたとき(ゲージ圧)、0kPaより大きく、好ましくは100kPa以下)高められていても良い。このようにケース10が高い内圧を有する場合であっても、本実施形態の封止構造体によれば、溶接後はもちろん、溶接前の封止状態においても、高い密閉性を達成することができる。なお、不活性ガスは、漏洩検査のためにケース10の内部に注入されるものであり、特に限定されない。例えば、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガスなどが挙げられる。
注入された不活性ガスは、通常、封止栓11を注液孔20に挿入してから、保持部材31と封口板13とを溶接するまでの間に、ケース10から抜け出てしまう。そのため、漏洩検査時のケース10の内圧は大気圧とほぼ同じまで低下しており、その後に漏洩検査を行っても、微少な封口不良を検出することまでは困難である。本実施形態の封止構造体によれば、溶接前の挿入状態において高い密閉性を達成することができるため、ケース10の内圧を高く維持した状態のままで漏洩検査に供することができる。つまり、より厳しい条件の下で、漏洩検査を行うことができるため、信頼性がより高まる。
上記漏洩検査は、通常、製造された蓄電デバイスのうちの一部に対して行われる。漏洩検査に供されない蓄電デバイスについては、ケース10の内部に不活性ガスの注入は行われないのが一般的である。このように不活性ガスの注入が行われない蓄電デバイスであっても、本実施形態によれば、より厳しい条件で行われる漏洩検査をパスすることができる程度の密閉性を有しているため、長期間に亘る密閉性(長期信頼性)が確保される。
[蓄電デバイスの製造方法]
蓄電デバイスは、以下のようにして製造することができる。
まず、外装缶12、上記の封口板13、封止栓11および後述する電極群を準備する。次いで、外装缶12に電極群を収容する。続いて、外装缶12の開口端部と封口板13の周縁とを互いに溶接し、電極群が収容されたケース10を得る。外装缶12と封口板13とを溶接した後、封口板13に設けられた注液孔20から電解質を注液する。
蓄電デバイスは、以下のようにして製造することができる。
まず、外装缶12、上記の封口板13、封止栓11および後述する電極群を準備する。次いで、外装缶12に電極群を収容する。続いて、外装缶12の開口端部と封口板13の周縁とを互いに溶接し、電極群が収容されたケース10を得る。外装缶12と封口板13とを溶接した後、封口板13に設けられた注液孔20から電解質を注液する。
続いて、注液孔20に封止栓11を荷重を加えながら挿入する。最後に、封止栓11の保持部材31と封口板とを溶接して、蓄電デバイスが完成する。保持部材31と封口板13との溶接の方法は特に限定されず、例えばスポット抵抗溶接により接合することができる。スポット抵抗溶接では、第1開口部20aの周囲に、これと同心円となる円周上に、複数個の溶接部を形成して接合すればよい。また、レーザ溶接により、連続した1つの溶接部を第1開口部20aの周囲に、これと同心円状に形成してもよい。本実施形態によれば、挿入状態において高い密閉性を確保することができる。そのため、スポット抵抗溶接のような部分的な接合によっても、電解質が注液孔20を通して蓄電デバイスの外部に漏れるのを防止することができる。
一方、漏洩検査に供される不活性ガスが注入された蓄電デバイスは、以下のようにして製造することができる。外装缶12、封口板13、封止栓11および電極群の準備工程、電極群の収容工程、外装缶12と封口板13との溶接工程および電解質の含浸工程までは、上記と同様に行われる。
外装缶12と封口板13とが溶接され、ケース10内部に電解質が保持されると、ケース10内部には、さらに不活性ガスが注入される。不活性ガスの注入は、例えば、不活性ガス注入装置により行われる。不活性ガス注入装置の概略図を図11A~11Dに示す。
不活性ガス注入装置40は、封止栓11を固定する真空パッド41、真空パッド41を支持し、例えば円筒形状であるシリンダー42、シリンダー42の先端部分に配置されたO-リング43、ケース10の内部に不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置44(不活性ガスボンベ)、真空パッド41に接続する真空ポンプ45Aを備える。真空パッド41は、パイプ49により真空ポンプ45Aに接続している。真空ポンプ45と真空パッド41の間には、バルブ46Aが配置されている。また、パイプ49は途中で分岐しており、分岐したパイプには、外気を取り込むためのバルブ48が配置されている。
シリンダー42は、その先端部分に真空パッド41を収めるための空間42sを備える。空間42sは、分岐を有するパイプ50により、不活性ガス供給装置44および真空ポンプ45Bとそれぞれ接続している。空間42sと不活性ガス供給装置44との間には、バルブ47が配置されており、空間42sと真空ポンプ45Bとの間には、バルブ46Bが配置されている。
バルブ48が閉められた状態でバルブ46Aが開放され、真空ポンプ45Aが作動すると、パイプ49を介して真空パッド41の内部が減圧される。これにより、封止栓11は真空パッド41に吸引され、保持される。一方、バルブ46Aが閉められた状態でバルブ48が開放されると、真空パッド41に正圧が加えられ、真空パッド41から封止栓11が離脱する。
また、バルブ46Bが閉められた状態でバルブ47が開放されると、空間42s内に不活性ガスが充填される。一方、バルブ47が閉められた状態でバルブ46Bを開放し、真空ポンプ45Bを作動させると、空間42s内が減圧される。このとき、シリンダー42の先端部分に配置されたO-リング43が封口板13と密着していると、空間42sだけでなく、ケース10の内部もまた、不活性ガスが充填し、あるいは減圧される。
ケース10内部への不活性ガスの注入は、例えば、以下のように行われる。
(工程a)まず、ケース10を不活性ガス注入装置40に設置する。このときシリンダー42および真空パッド41は、ケース10の上方に位置している。また、バルブ46Aを開放して真空ポンプ45Aを作動させ、真空パッド41に封止栓11を吸引させて固定する(図11A参照)。
(工程a)まず、ケース10を不活性ガス注入装置40に設置する。このときシリンダー42および真空パッド41は、ケース10の上方に位置している。また、バルブ46Aを開放して真空ポンプ45Aを作動させ、真空パッド41に封止栓11を吸引させて固定する(図11A参照)。
(工程b)シリンダー42を下降させて、O-リング43と封口板13とを密着させる。次いで、バルブ46Bを開放して真空ポンプ45Bを作動させ、空間42sおよびケース10の内部を減圧する。続いて、バルブ46Bを閉めてバルブ47を開放し、不活性ガスボンベ44から不活性ガスを供給する。これにより、不活性ガスは、注液孔20から減圧状態のケース10の内部に注入される(図11B参照)。このとき、不活性ガスの注入圧力(ゲージ圧)は、10kPa~100kPaであることが好ましい。このような圧力で不活性ガスが注入されたケース10の内圧は、大気圧より大きく(例えば、大気圧を0kPaとしたとき(ゲージ圧)、0kPaより大きく、好ましくは100kPa以下)なる。
(工程c)ケース10の内圧が所望の圧力に達すると、速やかに真空パッド41を下降させて、封止栓11を注液孔20に挿入する(図11C参照)。このときの単位面積当たりの挿入荷重は、少なくともケース10の内圧より大きいことが必要である。例えば、注液孔20の開口面積が19.6mm2(φ5mm)の場合、挿入荷重はおおよそ11Nである。
(工程d)注液孔20に封止栓11が挿入されたことを確認した後、真空ポンプ45の作動を停止してバルブ46Aを閉め、バルブ48を開放する。これにより、真空パッド41の内部に正圧を加えて(真空破壊)、真空パッド41から封止栓11を離脱させる。続いて、シリンダー42を上昇させる(図11D参照)。
真空パッド41から封止栓11を離脱させると、封止栓11は、挿入荷重から解放される。そのため、封口板13と保持部材31との間には、突出部34を構成する弾性部材の反発力による隙間G1が生じる(図6A参照)。しかし、密閉性は、注液孔20の内周面20cと第1側面部34aの一部とが、内周面20cの全周に亘って当接することにより確保される。そのため、ケース10内部に注入された不活性ガスは抜けにくく、ケース10の内圧低下が抑制される。さらに、突起Pが、封口板13の第2開口部20b側の主面に係合するため、これが妨げとなって、これ以上、封止栓11が注液孔20から抜け出ることがない。よって、ケース10の内圧が高い場合であっても、第1開口部20aと第1側面部34aとの当接は保持される。このとき、突起Pは、ケース10の内圧により封口板13に押し付けられている。突起Pが突出部34の先端側に全周にわたって形成されている場合には、突起Pもまた、直接的に密閉性向上に貢献する。
その後、蓄電デバイス100を溶接装置へと移動させ、保持部材31と封口板13とを溶接により接合する。ここで、上記のとおり、封口板13と保持部材31との間には隙間G1が形成されている。そのため、保持部材31に荷重をかけて、再度、封止栓11を注液孔20に押し込み、封口板13と保持部材31とを密着させる(G1を解消する)工程がなされる(工程e、図6B参照)。一方、封止栓11が押し込まれることにより、封口板13と突起Pとの間に、隙間G2が形成される場合がある。この場合であっても、第1開口部20aと第1側面部34aとの当接は保持されるため、ケース10内部に注入された不活性ガスの抜けが抑制される。よって、ケース10の内圧低下は抑制される。続いて、この状態で、封口板13と保持部材31とが溶接される。
最後に、密閉された蓄電デバイス100は減圧チャンバに設置され、蓄電デバイス100から漏出する不活性ガスの量が測定される。本実施形態では、封止栓11による密閉性に優れるため、この漏洩検査におけるケース10の内圧は、(c)工程において注液孔20に封止栓11を挿入した直後の内圧と同程度に維持され得る。すなわち、高い内圧を有する状態で漏洩検査を行うことができるため、この検査をパスする蓄電デバイスは、より信頼性の高いものとなる。
[電解質]
電解質としては、特に限定されず、所望の性能等を考慮して選択すればよい。電解質としては、例えば、非水溶媒(または有機溶媒)にアルカリ金属イオンとアニオンとの塩(アルカリ金属塩)を溶解させた電解質(有機電解質)の他、アルカリ金属イオンおよびアニオンを含むイオン液体などが用いられる。非水電解質におけるアルカリ金属塩の濃度は、例えば0.3~3mol/リットルであればよい。
電解質としては、特に限定されず、所望の性能等を考慮して選択すればよい。電解質としては、例えば、非水溶媒(または有機溶媒)にアルカリ金属イオンとアニオンとの塩(アルカリ金属塩)を溶解させた電解質(有機電解質)の他、アルカリ金属イオンおよびアニオンを含むイオン液体などが用いられる。非水電解質におけるアルカリ金属塩の濃度は、例えば0.3~3mol/リットルであればよい。
アルカリ金属塩を構成するアニオン(第1アニオン)の種類は特に限定されず、例えば、フッ素含有酸のアニオン[ヘキサフルオロリン酸イオン(PF6
-)などのフッ素含有リン酸のアニオン;テトラフルオロホウ酸イオン(BF4
-)などのフッ素含有ホウ酸のアニオンなど]、塩素含有酸のアニオン[過塩素酸イオン(ClO4
-)など]、オキサレート基を有する酸素酸のアニオン[リチウムビス(オキサラト)ボレートイオン(B(C2O4)2
-)などのオキサラトボレートイオン;リチウムトリス(オキサラト)ホスフェートイオン(P(C2O4)3
-)などのオキサラトボレートイオンなど]、フルオロアルカンスルホン酸のアニオン[トリフルオロメタンスルホン酸イオン(CF3SO3
- )など]、ビススルホニルアミドアニオンなどが挙げられる。アルカリ金属塩は、一種を単独で用いてもよく、第1アニオンの種類が異なるアルカリ金属塩を二種以上組み合わせて用いてもよい。
なお、本明細書中、「イオン液体」とは、溶融状態の塩(溶融塩)であり、イオン伝導性を有する液体を意味するものとして使用する。非水電解質にイオン液体を用いる場合、非水電解質中のイオン液体の含有量は、80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましい。さらに、非水電解質は、イオン液体に加え、非水溶媒や添加剤などを含むことができる。一方、非水電解質に有機電解質を用いる場合、非水電解質中における有機溶媒とアルカリ金属塩との合計量は、非水電解質の80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましい。さらに、非水電解質は、有機電解質に加え、イオン液体や添加剤などを含むことができる。
非水溶媒は、特に限定されず、蓄電デバイスに使用される公知の非水溶媒が使用できる。非水溶媒は、イオン伝導度の観点から、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどの環状カーボネート;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート;γ-ブチロラクトンなどの環状炭酸エステルなどを好ましく用いることができる。非水溶媒は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
アルカリ金属イオンを含むイオン液体は、アルカリ金属イオン(第1カチオン)に加え、さらに第2カチオンを含んでいてもよい。このような第2カチオンとしては、アルカリ金属以外の無機カチオン、例えば、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、アンモニウムカチオンなどを使用してもよいが、有機カチオンが好ましい。第2カチオンは、一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて使用できる。
第2カチオンとして使用される有機カチオンとしては、脂肪族アミン、脂環族アミンや芳香族アミンに由来するカチオン(例えば、第4級アンモニウムカチオンなど)の他、窒素含有へテロ環を有するカチオン(つまり、環状アミンに由来するカチオン)などの窒素含有オニウムカチオン;イオウ含有オニウムカチオン;リン含有オニウムカチオンなどが例示できる。
[正極]
正極は、正極集電体および正極集電体に付着した正極活物質層を含む。正極活物質層は、正極活物質を必須成分として含み、任意成分として導電性炭素材料、結着剤等を含んでもよい。
正極は、正極集電体および正極集電体に付着した正極活物質層を含む。正極活物質層は、正極活物質を必須成分として含み、任意成分として導電性炭素材料、結着剤等を含んでもよい。
非水電解質二次電池において、正極活物質は、アルカリ金属イオンとの間で電子の授受を行う(ファラデー反応)。そのため、正極活物質としては、電気化学的にアルカリ金属イオンを吸蔵および放出する材料であれば、特に限定されない。このような材料としては、金属カルコゲン化合物(硫化物、酸化物など)、アルカリ金属含有遷移金属酸化物(リチウム含有遷移金属酸化物、ナトリウム含有遷移金属酸化物)、アルカリ金属含有遷移金属リン酸塩(オリビン型構造を有するリン酸鉄など)などが例示できる。これらの材料は、一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて使用できる。
アルカリ金属イオンキャパシタにおいて、正極活物質は、アルカリ金属イオンとの間で電子の授受は行わず、物理的にアルカリ金属イオンを吸着・脱離している(非ファラデー反応)。そのため、正極活物質としては、電気化学的にアニオンまたはアルカリ金属イオンを吸着および脱離する材料であれば、特に限定されない。なかでも、炭素材料であることが好ましい。炭素材料としては、活性炭、メソポーラスカーボン、マイクロポーラスカーボン、カーボンナノチューブなどが例示できる。炭素材料は、賦活処理されたものであってもよく、賦活処理されていなくてもよい。これらの炭素材料は、一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて使用できる。炭素材料のうち、活性炭、マイクロポーラスカーボンなどが好ましい。
マイクロポーラスカーボンとしては、塩素ガスを含む雰囲気中で、炭化珪素、炭化チタンなどの金属炭化物を加熱することにより得られるマイクロポーラスカーボンが例示される。活性炭としては、例えば、リチウムイオンキャパシタに使用される公知のものが使用できる。活性炭の原料としては、例えば、木材;ヤシ殻;パルプ廃液;石炭またはその熱分解により得られる石炭系ピッチ;重質油またはその熱分解により得られる石油系ピッチ;フェノール樹脂などが挙げられる。
正極に含ませる導電助剤としては、黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維などが挙げられる。なかでも、少量使用で十分な導電経路を形成しやすいことから、カーボンブラックが好ましい。カーボンブラックの例としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、サーマルブラック等を挙げることができる。導電助剤の量は、正極活物質100質量部あたり、2~15質量部が好ましく、3~8質量部がより好ましい。
結着剤は、正極活物質同士を結合させるとともに、正極活物質を正極集電体に固定する役割を果たす。結着剤としては、フッ素樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド等を用いることができる。フッ素樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体等を用いることができる。結着剤の量は、正極活物質100質量部あたり、1~10質量部が好ましく、3~5質量部がより好ましい。
正極集電体としては、金属箔、金属繊維製の不織布、金属多孔体シートなどが用いられる。正極集電体を構成する金属としては、正極電位で安定であることから、アルミニウムやアルミニウム合金が好ましいが、特に限定されない。アルミニウム合金を用いる場合、アルミニウム以外の金属成分(例えばFe、Si、Ni、Mnなど)は0.5質量%以下であることが好ましい。正極集電体となる金属箔の厚さは、例えば10~50μmであり、金属繊維の不織布や金属多孔体シートの厚さは、例えば100~600μmである。正極集電体には、集電用のリード片2c(図2参照)を形成してもよい。リード片2cは、正極集電体と一体に形成してもよく、別途形成したリード片を溶接などで正極集電体に接続してもよい。
正極は、例えば、正極集電体に、正極活物質を含む正極合剤スラリーを塗布または充填し、その後、正極合剤スラリーに含まれる分散媒を除去し、さらに必要に応じて、正極活物質を保持した集電体を圧縮(または圧延)することにより得られる。また、正極としては、正極集電体の表面に、蒸着、スパッタリングなどの気相法で正極活物質の堆積膜を形成することにより得られるものを用いてもよい。正極合剤スラリーは、正極活物質の他に、前記した結着剤、導電助剤などを含んでもよい。
[負極]
負極は、負極集電体および負極集電体に付着した負極活物質層を含む。負極活物質層は、負極活物質を必須成分として含み、任意成分として導電性炭素材料、結着剤等を含んでもよい。
負極は、負極集電体および負極集電体に付着した負極活物質層を含む。負極活物質層は、負極活物質を必須成分として含み、任意成分として導電性炭素材料、結着剤等を含んでもよい。
非水電解質二次電池において、負極活物質は、アルカリ金属イオンとの間で電子の授受を行う(ファラデー反応)。そのため、負極活物質は、アルカリ金属イオンを吸蔵および放出する材料であれば、特に限定されない。負極活物質としては、例えば、炭素材料の他、リチウムチタン酸化物(チタン酸リチウムなどのスピネル型リチウムチタン酸化物など)、合金系活物質およびナトリウム含有チタン化合物(チタン酸ナトリウムなどのスピネル型ナトリウムチタン酸化物など)などが挙げられる。炭素材料としては、易黒鉛化性炭素(ソフトカーボン)、難黒鉛化性炭素(ハードカーボン)、黒鉛(人造黒鉛、天然黒鉛などの黒鉛型結晶構造を有する炭素材料など)などが例示できる。合金系活物質とは、アルカリ金属と合金化する元素を含む活物質である。例えば、亜鉛、亜鉛合金、ケイ素酸化物、ケイ素合金、錫酸化物および錫合金などが挙げられる。負極活物質は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。負極活物質のうち、炭素材料が好ましく、特に、黒鉛および/またはハードカーボンが好ましい。
黒鉛としては、天然黒鉛(鱗片状黒鉛など)、人造黒鉛、黒鉛化メソカーボン小球体などが例示できる。黒鉛は、炭素の平面形6員環が二次元的に連なった層状であり、六方晶系の結晶構造を有している。アルカリ金属イオンは、黒鉛の層間を容易に移動することができ、黒鉛内に可逆的に挿入および脱離する。
ハードカーボンとは、不活性雰囲気中で加熱しても黒鉛構造が発達しない炭素材料であり、微小な黒鉛の結晶がランダムな方向に配置され、結晶層と結晶層との間にナノオーダーの空隙を有する材料をいう。
アルカリ金属イオンキャパシタにおいて、負極活物質は、アルカリ金属イオンとの間で電子の授受を行う(ファラデー反応)。そのため、負極活物質としては、非水電解質二次電池の負極活物質として例示したものが挙げられ、アルカリ金属イオンの種類に応じて適宜選択できる。
負極に用いる結着剤および導電材としては、正極の構成要素として例示した材料を用いることができる。結着剤の量は、負極活物質100質量部あたり、1~10質量部が好ましく、3~5質量部がより好ましい。導電材の量は、負極活物質100質量部あたり、5~15質量部が好ましく、5~10質量部がより好ましい。
負極集電体としては、金属箔、金属繊維製の不織布、金属多孔体シートなどが用いられる。前記金属としては、ナトリウムと合金化しない金属を使用することができる。なかでも負極電位で安定であることから、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金などが好ましい。これらのうち、軽量性に優れる点では、アルミニウムやアルミニウム合金が好ましい。アルミニウム合金は、例えば、正極集電体として例示したものと同様のアルミニウム合金を用いてもよい。負極集電体となる金属箔の厚さは、例えば10~50μmであり、金属繊維の不織布や金属多孔体シートの厚さは、例えば100~600μmである。負極集電体には、集電用のリード片3c(図2参照)を形成してもよい。リード片3cは、負極集電体と一体に形成してもよく、別途形成したリード片を溶接などで負極集電体に接続してもよい。
負極は、例えば、負極集電体に、負極活物質を含む負極合剤スラリーを塗布または充填し、その後、負極合剤スラリーに含まれる分散媒を除去し、さらに必要に応じて、負極活物質を保持した集電体を圧縮(または圧延)することにより得られる。負極合剤スラリーは、負極活物質の他に、前記した結着剤、導電助剤などを含んでもよい。
[セパレータ]
正極と負極との間には、セパレータを配置することができる。セパレータの材質は、蓄電デバイスの使用温度を考慮して選択すればよいが、電解質との副反応を抑制する観点からは、ガラス繊維、シリカ含有ポリオレフィン、フッ素樹脂、アルミナ、ポリフェニレンサルファイト(PPS)などを用いることが好ましい。なかでもガラス繊維の不織布は、安価であり、耐熱性も高い点で好ましい。また、シリカ含有ポリオレフィンやアルミナは、耐熱性に優れる点で好ましい。また、フッ素樹脂やPPSは、耐熱性と耐腐食性の点で好ましい。特にPPSは、溶融塩に含まれるフッ素に対する耐性に優れている。
正極と負極との間には、セパレータを配置することができる。セパレータの材質は、蓄電デバイスの使用温度を考慮して選択すればよいが、電解質との副反応を抑制する観点からは、ガラス繊維、シリカ含有ポリオレフィン、フッ素樹脂、アルミナ、ポリフェニレンサルファイト(PPS)などを用いることが好ましい。なかでもガラス繊維の不織布は、安価であり、耐熱性も高い点で好ましい。また、シリカ含有ポリオレフィンやアルミナは、耐熱性に優れる点で好ましい。また、フッ素樹脂やPPSは、耐熱性と耐腐食性の点で好ましい。特にPPSは、溶融塩に含まれるフッ素に対する耐性に優れている。
セパレータの厚さは、10μm~500μm、更には20~50μmであることが好ましい。この範囲の厚さであれば、内部短絡を有効に防止でき、かつ電極群に占めるセパレータの容積占有率を低く抑えることができるため、高い容量密度を得ることができるからである。
[実施例]
次に、実施例に基づいて、本発明をより具体的に説明する。ただし、以下の実施例は、本発明を限定するものではない。
[実施例1]
(外装缶の準備)
厚さ1.5mmのアルミニウム板から、有底で角型の外装缶12(38mm×112mm×150mm)を得た。
次に、実施例に基づいて、本発明をより具体的に説明する。ただし、以下の実施例は、本発明を限定するものではない。
[実施例1]
(外装缶の準備)
厚さ1.5mmのアルミニウム板から、有底で角型の外装缶12(38mm×112mm×150mm)を得た。
(封口板の準備)
プレス加工により、厚さ1.5mmのアルミニウム板から、37mm×111mmの封口板13を切り出した。切り出しと同時に、外部負極端子14および外部正極端子15を取り出す孔と、安全弁16および圧力調節弁17を設置する孔と、注液孔20とを形成した。さらに、注液孔20の周囲に、深座ぐり部21(L2:0.6mm)を形成した。それぞれの孔の配置は、図1に示すとおりである。注液孔20の内周面20cの内径HD1は5mmであり、その内部の形状は、図3Aに示すとおりとした。
プレス加工により、厚さ1.5mmのアルミニウム板から、37mm×111mmの封口板13を切り出した。切り出しと同時に、外部負極端子14および外部正極端子15を取り出す孔と、安全弁16および圧力調節弁17を設置する孔と、注液孔20とを形成した。さらに、注液孔20の周囲に、深座ぐり部21(L2:0.6mm)を形成した。それぞれの孔の配置は、図1に示すとおりである。注液孔20の内周面20cの内径HD1は5mmであり、その内部の形状は、図3Aに示すとおりとした。
(注液栓の準備)
厚さ0.3mmのアルミニウム板から、直径12mmの円を切り出し、保持部材31とした。これに、図5Aに示す形状を有する圧入部材32を接着し、注液栓11を得た。
圧入部材32は、円形の基部33(BD:6.7mm、L3:0.4mm)、第1側面部34a(θ1:30°、PD1:6mm、PD2:4.9mm)、第2側面部34b(PD3:3.5mm、PD5:5.5mm、θ2:25°)で構成されている。また、略円筒型である中空Sの断面積は、5.2mm2であった。形状圧入部材32圧入部材32に使用された弾性部材は、EPDMであり、デュロメータタイプAの硬度はHs70であった。
圧入部材32は、第1側面部34aの一部で内周面20cと当接するように設計されており、当該当接部分の無負荷状態での径PD4は、5.7mmであった。
厚さ0.3mmのアルミニウム板から、直径12mmの円を切り出し、保持部材31とした。これに、図5Aに示す形状を有する圧入部材32を接着し、注液栓11を得た。
圧入部材32は、円形の基部33(BD:6.7mm、L3:0.4mm)、第1側面部34a(θ1:30°、PD1:6mm、PD2:4.9mm)、第2側面部34b(PD3:3.5mm、PD5:5.5mm、θ2:25°)で構成されている。また、略円筒型である中空Sの断面積は、5.2mm2であった。形状圧入部材32圧入部材32に使用された弾性部材は、EPDMであり、デュロメータタイプAの硬度はHs70であった。
圧入部材32は、第1側面部34aの一部で内周面20cと当接するように設計されており、当該当接部分の無負荷状態での径PD4は、5.7mmであった。
(正極の作製)
平均粒子径10μmのNaCrO2(正極活物質)85質量部、アセチレンブラック(導電剤)10質量部およびポリフッ化ビニリデン(結着剤)5質量部を、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)に分散させて、正極ペーストを調製した。得られた正極ペーストを、厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に塗布し、十分に乾燥させ、圧延して、両面に厚さ80μmの正極合剤層を有する総厚180μmの正極を作製した。
正極をサイズ100×100mmの矩形に裁断し、96枚の正極2を準備した。
平均粒子径10μmのNaCrO2(正極活物質)85質量部、アセチレンブラック(導電剤)10質量部およびポリフッ化ビニリデン(結着剤)5質量部を、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)に分散させて、正極ペーストを調製した。得られた正極ペーストを、厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に塗布し、十分に乾燥させ、圧延して、両面に厚さ80μmの正極合剤層を有する総厚180μmの正極を作製した。
正極をサイズ100×100mmの矩形に裁断し、96枚の正極2を準備した。
(負極の作製)
ハードカーボン(負極活物質)95質量部およびポリアミドイミド(結着剤)5質量部を、NMPに分散させて、負極ペーストを調製した。得られた負極ペーストを、厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に塗布し、十分に乾燥させ、圧延して、両面に厚さ65μmの負極活物質層を有する総厚150μmの負極を作製した。
負極をサイズ105×105mmの矩形に裁断し、97枚の負極3を準備した。
ハードカーボン(負極活物質)95質量部およびポリアミドイミド(結着剤)5質量部を、NMPに分散させて、負極ペーストを調製した。得られた負極ペーストを、厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に塗布し、十分に乾燥させ、圧延して、両面に厚さ65μmの負極活物質層を有する総厚150μmの負極を作製した。
負極をサイズ105×105mmの矩形に裁断し、97枚の負極3を準備した。
(電解質の準備)
ナトリウム・ビス(フルオロスルホニル)アミド(Na・FSA)と、1-メチル-1-プロピルピロリジニウム・ビス(フルオロスルホニル)アミド(MPPY・FSA)とのモル比(ナトリウム塩:イオン液体)が10:90の混合物からなる溶融塩電解質を調製した。
ナトリウム・ビス(フルオロスルホニル)アミド(Na・FSA)と、1-メチル-1-プロピルピロリジニウム・ビス(フルオロスルホニル)アミド(MPPY・FSA)とのモル比(ナトリウム塩:イオン液体)が10:90の混合物からなる溶融塩電解質を調製した。
(セパレータの準備)
厚さ50μm、平均細孔径0.1μm、空隙率70%であるシリカ含有ポリオレフィンを、サイズ110×110mmに裁断し、194枚のセパレータ1を準備した。
厚さ50μm、平均細孔径0.1μm、空隙率70%であるシリカ含有ポリオレフィンを、サイズ110×110mmに裁断し、194枚のセパレータ1を準備した。
(蓄電デバイスの組み立て)
まず、正極2、負極3およびセパレータ1を、0.3Paの減圧下で、90℃以上で加熱して十分に乾燥させた。その後、正極2と負極3との間に、セパレータ1を介在させて、正極リード片2c同士および負極リード片3c同士が重なり、かつ正極リード片2cの束と負極リード片3cの束とが左右対象な位置に配置されるように積層し、電極群を作製した。電極群の一方および他方の端部には、片面のみに活物質層(合剤層)を有する電極を、その活物質層が他方の極性の電極と対向するように配置した。ついで、電極群の両端部の外側にもセパレータ1を配置し、外装缶12に収容した。
まず、正極2、負極3およびセパレータ1を、0.3Paの減圧下で、90℃以上で加熱して十分に乾燥させた。その後、正極2と負極3との間に、セパレータ1を介在させて、正極リード片2c同士および負極リード片3c同士が重なり、かつ正極リード片2cの束と負極リード片3cの束とが左右対象な位置に配置されるように積層し、電極群を作製した。電極群の一方および他方の端部には、片面のみに活物質層(合剤層)を有する電極を、その活物質層が他方の極性の電極と対向するように配置した。ついで、電極群の両端部の外側にもセパレータ1を配置し、外装缶12に収容した。
次いで、外装缶12の開口に封口板13を嵌め、ファイバーレーザーを用いたレーザ溶接により外装缶12と封口板13とを接合した。その後、封口板13に設けられた注液孔20から、ケース10に所定量の電解質を注液した。
続いて、ケース10を図11Aに示される不活性ガス注入装置に設置し、上記の手順(a)~(d)に従ってケース10内部にヘリウムガスを注入し、封止状態とした。封止直後のケース10の内圧は40kPaであり、封止栓11を注液孔20に挿入するための挿入荷重は11Nであった。
封止状態のケース10について、保持部材31と封口板13とをスポット抵抗溶接により接合して、図1、2に示すような構造の公称容量30Ahのナトリウムイオン二次電池Aを完成させた。
[評価]
シミュレーションを行って密閉性を評価した。具体的には、上記の封止栓11および封口板13の素材、形状等に関する情報を入力したコンピュータを用いて、シミュレーションを行い、突出部34の圧縮率を求めた。この結果に基づいて、当接部分SHの面圧を求め、封止状態での密閉性の評価とした。面圧が高い場合、密閉性に優れていると評価できる。結果を表1に示す。
シミュレーションを行って密閉性を評価した。具体的には、上記の封止栓11および封口板13の素材、形状等に関する情報を入力したコンピュータを用いて、シミュレーションを行い、突出部34の圧縮率を求めた。この結果に基づいて、当接部分SHの面圧を求め、封止状態での密閉性の評価とした。面圧が高い場合、密閉性に優れていると評価できる。結果を表1に示す。
また、挿入状態および封止状態における耐圧性を実測した。結果をあわせて表1に示す。耐圧性は、ナトリウムイオン二次電池A~Cの外装缶に穴をあけ、その穴から空気を注入しながら、注液栓が外れるときの内圧を計測し、この内圧を耐圧性として評価した。
[実施例2]
角度θ1を23.5°とした以外は、実施例1と同様にしてナトリウムイオン二次電池Bを作製し、評価した。評価結果を、あわせて表1に示す。
角度θ1を23.5°とした以外は、実施例1と同様にしてナトリウムイオン二次電池Bを作製し、評価した。評価結果を、あわせて表1に示す。
[実施例3]
角度θ1を35°とした以外は、実施例1と同様にしてナトリウムイオン二次電池Cを作製し、評価した。評価結果を、あわせて表1に示す。
角度θ1を35°とした以外は、実施例1と同様にしてナトリウムイオン二次電池Cを作製し、評価した。評価結果を、あわせて表1に示す。
[実施例4]
注液孔20の形状を図3Bに示すようにしたこと以外は、実施例1と同様にしてナトリウムイオン二次電池Dを作製し、評価した。評価結果を、表2に示す。
注液孔20の形状を図3Bに示すようにしたこと以外は、実施例1と同様にしてナトリウムイオン二次電池Dを作製し、評価した。評価結果を、表2に示す。
[実施例5]
注液孔20の形状を図3Cに示すようにしたこと以外は、実施例1と同様にしてナトリウムイオン二次電池Eを作製し、評価した。評価結果を、表2に示す。
注液孔20の形状を図3Cに示すようにしたこと以外は、実施例1と同様にしてナトリウムイオン二次電池Eを作製し、評価した。評価結果を、表2に示す。
※電池Eの各圧縮率は、面取り部の2箇所(面取り部Aおよび面取り部B)において求めた。面取り部Aは面取り部の上端の境界付近であり、面取り部Bは面取り部の下端の境界付近である。
本発明によれば、密閉式蓄電デバイスの注液孔の封止状態での密閉性を高く維持することができるので、長期的な信頼性が求められる用途、例えば、家庭用または工業用の大型電力貯蔵装置、電気自動車、ハイブリッド自動車などの電源として有用である。
1:セパレータ、2:正極、2c:正極リード片、3:負極、3c:負極リード片、4:ナット、5:ワッシャ、6:鍔部、10:ケース、11:封止栓、12:外装缶、13:封口板、14:外部負極端子、15:外部正極端子、17:圧力調節弁、20:注液孔、20a:第1開口部、20b:第2開口部、20c、20c´:内周面、20d:段部、20e:面取り部、21:深座ぐり部、21B:底部、31、31A、31B、131:保持部材、32、132:圧入部材、33、33A、33B、133:基部、34、134:突出部、34a、34Aa、34Ba、134a:第1側面部、34b、34Ab、34Bb、134b:第2側面部、40:ヘリウムガス注入装置、41:真空パッド、42:シリンダー、43:O-リング、44:ヘリウムガス供給装置、45A、45B:真空ポンプ、46A、46B、47、48:バルブ、49、50:パイプ、100:蓄電デバイス
Claims (8)
- 密閉式蓄電デバイスに電解質を注液する注液孔を封止する封止構造体であって、
前記封止構造体は、前記注液孔を有する封口板と、前記注液孔を封止する封止栓とを備え、
前記封止栓は、前記封口板と接合する板状の保持部材と、弾性材料を含み、前記保持部材と接合された圧入部材とを備え、
前記封口板は、前記保持部材と接合される側の表面の前記注液孔の周囲に深座ぐり部を有し、
前記注液孔は、前記深座ぐり部の底部側の平面上にある第1開口部から、前記封口板の前記深座ぐり部が形成されていない側の平面上にある第2開口部に亘って、前記封口板を厚み方向に貫通しており、
前記圧入部材は、前記保持部材と接合する基部と、前記基部から突出するように設けられ、前記注液孔に挿入される突出部とを備え、
前記基部は、その径BDと、前記第1開口部の径HD1とが、径BD>径HD1の関係を満たし、
前記突出部は、封止状態において、前記第2開口部よりも基部側の第1側面部と、前記第2開口部よりも先端側の第2側面部とを備え、
前記第1側面部の一部と前記注液孔の内周面とが、前記内周面の全周に亘って当接しており、
前記当接する部分と、無負荷状態での前記保持部材の主面に垂直な方向とのなす角度θ1が、0°以上、45°以下であり、
前記突出部の前記基部との境界における径PD1と、前記先端における径PD3と、前記径HD1とが、径PD1>径HD1>径PD3の関係を満たし、
前記突出部の前記第2側面部における最大径PD5と、前記径HD1とが、径PD5>径HD1の関係を満たし、
前記突出部の前記第1側面部と前記第2側面部との境界における径PD2と、前記径PD5とが、径PD5>径PD2の関係を満たし、
前記基部と、前記深座ぐり部の底部との間には間隙L1が設けられている、密閉式蓄電デバイスの封止構造体。 - 前記突出部は、前記先端から前記基部に向かう中空を備える、請求項1に記載の密閉式蓄電デバイスの封止構造体。
- 前記径HD1と、前記当接する部分における、前記突出部の無負荷状態での径PD4と、の比HD1/PD4が、0.85~0.95である、請求項1または2に記載の密閉式蓄電デバイスの封止構造体。
- 前記弾性材料が、エチレン-プロピレン-ジエンゴムまたはフッ素ゴムを含み、
前記エチレン-プロピレン-ジエンゴムが、エチリデンノルボルネン、1,4-ヘキサジエン、およびジシクロペンタジエンより成る群から選択される少なくとも1種を含み、
前記弾性材料のJIS K 6253に準拠したデュロメータタイプAの硬度が、30~80である、請求項1~3のいずれか1項に記載の密閉式蓄電デバイスの封止構造体。 - 前記封口板が、前記第1開口部の近傍に面取り部を備える、請求項1~4のいずれか1項に記載の密閉式蓄電デバイスの封止構造体。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載の封止構造体を具備するケースと、
前記ケースに収容された、正極、負極、前記正極および前記負極の間に介在するセパレータ、ならびに電解質と、を含む、密閉式蓄電デバイス。 - 前記ケース内部に不活性ガスを含み、前記ケース内の圧力が大気圧より大きい、請求項6に記載の密閉式蓄電デバイス。
- 請求項1~6のいずれか一項に記載の封止構造体を具備する密閉型蓄電デバイスの製造方法であって、
有底の外装缶と、前記封口板と、前記封止栓とを準備する工程と、
前記外装缶に電極群を収容する工程と、
前記電極群が収容された前記外装缶の開口端部と前記封口板の周縁とを、互いに溶接する工程と、
前記電極群に電解質を含浸する工程と、
前記外装缶に溶接された前記封口板の前記注液孔から、不活性ガスを注入する工程と、
前記注入された不活性ガスにより、前記外装缶の内部が加圧された状態で、前記注液孔に前記圧入部材を圧入する工程と、
前記圧入部材が前記注液孔に圧入された状態で、前記封口板と前記封止栓とを互いに溶接する工程と、
前記密閉された蓄電デバイスから漏出する不活性ガスの量を測定する工程と、を具備する密閉型蓄電デバイスの製造方法。
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