WO2023145830A1 - 蓄電装置 - Google Patents

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WO2023145830A1
WO2023145830A1 PCT/JP2023/002464 JP2023002464W WO2023145830A1 WO 2023145830 A1 WO2023145830 A1 WO 2023145830A1 JP 2023002464 W JP2023002464 W JP 2023002464W WO 2023145830 A1 WO2023145830 A1 WO 2023145830A1
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sealing
sealing member
plate
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sealing plate
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PCT/JP2023/002464
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健史 長尾
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パナソニックIpマネジメント株式会社
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    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/78Cases; Housings; Encapsulations; Mountings
    • H01G11/80Gaskets; Sealings
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M50/102Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • the present disclosure relates to a power storage device.
  • a sealing member in a battery has a CID (current interrupt device) function that seals the battery case and interrupts current when internal gas is generated in the event of overcharging or abnormality.
  • Patent Literature 1 describes a power storage device (battery) having a CID function in which connection is cut off when a sealing plate separates from a lead in response to an increase in internal pressure of the battery.
  • Patent Literature 2 describes a battery sealant in which two kinds of metals are superimposed to increase strength.
  • the sealing member described in Patent Document 2 has a structure in which two kinds of metals are superimposed to increase rigidity, so it is difficult to reduce the thickness of the sealing member.
  • An object of the present disclosure is to provide a power storage device that can increase rigidity and suppress deformation even if the sealing portion is made thinner.
  • a power storage device includes a bottomed cylindrical outer can that houses an electrode body, and a sealing member that closes an opening of the outer can.
  • the sealing member has a sealing plate and a reinforcing plate arranged on the outer peripheral side of the sealing plate and extending in the thickness direction of the sealing plate, and the reinforcing plate has a boundary joined to the sealing plate, and the reinforcing plate is more rigid than the sealing plate. It is characterized by being constructed from tall members.
  • the power storage device can increase rigidity and suppress deformation of the sealing member even if the sealing portion is made thinner.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a battery according to an embodiment;
  • FIG. It is a partially enlarged cross-sectional view of the sealing member according to the embodiment. It is a partially enlarged cross-sectional view of a sealing member according to another embodiment. It is a partially enlarged cross-sectional view of a sealing member according to still another embodiment. It is a partially enlarged cross-sectional view of a sealing member according to still another embodiment. It is a partially enlarged cross-sectional view of a sealing member according to still another embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a battery 10 according to one embodiment of the power storage device of the present disclosure.
  • a configuration of a lithium-ion secondary battery will be used as an example of the power storage device of the present disclosure.
  • the power storage device of the present disclosure is not limited to lithium ion secondary batteries.
  • the power storage device of the present disclosure may be another secondary battery such as a nickel-metal hydride battery, or a capacitor such as an electric double layer capacitor or a lithium ion capacitor. As shown in FIG.
  • the battery 10 includes a bottomed cylindrical outer can 15 , a sealing member 16 that closes the opening of the outer can 15 , and a gasket 23 interposed between the outer can 15 and the sealing member 16 .
  • the battery 10 also includes an electrode body 14 and an electrolyte housed in an outer can 15 .
  • the electrode body 14 includes a positive electrode 11, a negative electrode 12, and a separator 13, and has a structure in which the positive electrode 11 and the negative electrode 12 are spirally wound with the separator 13 interposed therebetween.
  • a non-aqueous electrolyte includes a non-aqueous solvent and an electrolyte salt dissolved in the non-aqueous solvent.
  • the non-aqueous solvent include esters, ethers, nitriles, amides, and mixed solvents of two or more thereof.
  • the non-aqueous solvent may contain a halogen-substituted product obtained by substituting at least part of the hydrogen atoms of the solvent with halogen atoms such as fluorine.
  • the non-aqueous electrolyte is not limited to a liquid electrolyte, and may be a solid electrolyte using a gel polymer or the like.
  • a lithium salt such as LiPF6 is used as the electrolyte salt.
  • the electrode assembly 14 has a long positive electrode 11, a long negative electrode 12, and two long separators 13. Further, the electrode body 14 has a positive electrode lead 21 joined to the positive electrode 11 and a negative electrode lead 22 joined to the negative electrode 12 .
  • the negative electrode 12 is formed to be larger than the positive electrode 11 and longer than the positive electrode 11 in the longitudinal direction and the width direction (transverse direction) in order to suppress deposition of lithium.
  • the two separators 13 are at least one size larger than the positive electrode 11 and are arranged so as to wrap the positive electrode 11 vertically, for example.
  • the positive electrode 11 has a positive electrode current collector and positive electrode mixture layers formed on both sides of the positive electrode current collector.
  • a foil of a metal such as aluminum or an aluminum alloy that is stable in the potential range of the positive electrode 11, a film having the metal on the surface layer, or the like can be used.
  • the positive electrode mixture layer contains a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder.
  • a positive electrode mixture slurry containing a positive electrode active material, a conductive agent, a binder, and the like is applied onto a positive electrode current collector, the coating film is dried, and then compressed to form a positive electrode mixture layer. It can be produced by forming on both sides of the current collector.
  • the positive electrode active material is composed mainly of a lithium-containing metal composite oxide.
  • Metal elements contained in the lithium-containing metal composite oxide include Ni, Co, Mn, Al, B, Mg, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Ga, Sr, Zr, Nb, In, Sn , Ta, W, and the like.
  • An example of a preferable lithium-containing metal composite oxide is a composite oxide containing at least one of Ni, Co, Mn and Al.
  • Carbon materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, and graphite can be exemplified as the conductive agent contained in the positive electrode mixture layer.
  • the binder contained in the positive electrode mixture layer include fluororesins such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylonitrile (PAN), polyimide, acrylic resins, and polyolefins. These resins may be used in combination with cellulose derivatives such as carboxymethyl cellulose (CMC) or salts thereof, polyethylene oxide (PEO), and the like.
  • the negative electrode 12 has a negative electrode current collector and negative electrode mixture layers formed on both sides of the negative electrode current collector.
  • a foil of a metal such as copper or a copper alloy that is stable in the potential range of the negative electrode 12, a film having the metal on the surface layer, or the like can be used.
  • the negative electrode mixture layer contains a negative electrode active material and a binder.
  • a negative electrode current collector is coated with a negative electrode mixture slurry containing a negative electrode active material, a binder, and the like. can be produced by forming on both sides of the
  • a carbon material that reversibly absorbs and releases lithium ions is generally used as the negative electrode active material.
  • Preferred carbon materials are graphite such as natural graphite such as flake graphite, massive graphite and earthy graphite, massive artificial graphite and artificial graphite such as graphitized mesophase carbon microbeads.
  • the negative electrode mixture layer may contain a Si-containing compound as a negative electrode active material.
  • a metal other than Si that forms an alloy with lithium, an alloy containing the metal, a compound containing the metal, or the like may be used as the negative electrode active material.
  • the binder contained in the negative electrode mixture layer may be fluororesin, PAN, polyimide resin, acrylic resin, polyolefin resin, or the like, but preferably styrene-butadiene rubber (SBR ) or its modified form.
  • the negative electrode mixture layer may contain, for example, CMC or its salt, polyacrylic acid (PAA) or its salt, polyvinyl alcohol, etc. in addition to SBR or the like.
  • a porous sheet having ion permeability and insulation is used for the separator 13 .
  • porous sheets include microporous thin films, woven fabrics, and non-woven fabrics.
  • olefin resin such as polyethylene and polypropylene, cellulose, and the like are preferable.
  • the separator 13 may have either a single layer structure or a laminated structure.
  • a heat-resistant layer or the like may be formed on the surface of the separator 13 .
  • the negative electrode 12 may constitute the winding start end of the electrode body 14, but in general, the separator 13 extends beyond the winding start side end of the negative electrode 12, and the winding start side end of the separator 13 is the electrode body. 14 winding start end.
  • the positive electrode lead 21 is electrically connected to the intermediate portion of the positive electrode core in the winding direction
  • the negative electrode lead 22 is electrically connected to the winding end portion of the negative electrode core in the winding direction.
  • the negative electrode lead 22 may be electrically connected to the winding start end of the negative electrode core in the winding direction.
  • the electrode body 14 has two negative leads, one negative lead is electrically connected to the winding start end of the negative electrode core in the winding direction, and the other negative lead is connected to the negative electrode core. It may be electrically connected to the winding end portion in the winding direction.
  • the negative electrode 12 and the outer can 15 may be electrically connected by bringing the winding end portion of the negative electrode core in the winding direction into contact with the inner surface of the outer can.
  • the sealing member 16 side in the axial direction of the battery 10 will be described as the upper side, and the bottom portion 27 side will be described as the lower side.
  • the battery 10 further has an insulating plate 19 arranged above the electrode assembly 14 and an insulating plate 20 arranged below the electrode assembly 14 .
  • the positive electrode lead 21 attached to the positive electrode 11 extends through the through-hole of the insulating plate 19 toward the sealing member 16
  • the negative electrode lead 22 attached to the negative electrode 12 extends outside the insulating plate 20 .
  • the positive electrode lead 21 is connected to the bottom surface of the sealing member 16 at the center in the radial direction by welding or the like, and the top surface of the sealing member 16 electrically connected to the positive electrode lead 21 serves as a positive external terminal.
  • the negative electrode lead 22 is connected to the inner surface of the bottom portion 27 of the outer can 15 by welding or the like, and the outer can 15 serves as a negative external terminal.
  • the outer can 15 is a metallic container having a bottomed cylindrical side wall portion 26 and a bottom portion 27 .
  • a ring-shaped gasket 23 seals between the outer can 15 and the sealing member 16, and the internal space of the battery is sealed by the sealing.
  • the gasket 23 is sandwiched between the outer can 15 and the sealing member 16 to insulate the sealing member 16 from the outer can 15 .
  • the gasket 23 serves as a sealing material for keeping the inside of the battery airtight and prevents leakage of the electrolyte. Gasket 23 also serves as an insulating material to prevent short circuit between outer can 15 and sealing member 16 .
  • a groove portion 24 is provided in the upper portion of the outer can 15 by spinning a part of the outer peripheral surface of the cylinder and recessed inward in the radial direction. is provided.
  • the inner peripheral surface of the groove portion 24 protrudes radially.
  • the side wall portion 26 accommodates the electrode body 14 and the non-aqueous electrolyte, and the crimped portion 25 is bent radially inward from the opening-side end portion of the side wall portion 26 and extends radially inward. .
  • the sealing member 16 is fixed to the outer can 15 by being clamped together with the gasket 23 between the crimped portion 25 and the upper side of the groove portion 24 .
  • the sealing member 16 has a disk-shaped sealing plate 17 and a reinforcing plate 18 arranged on the outer periphery of the sealing plate 17 .
  • the sealing member 16 acts as a CID function.
  • the sealing plate 17 of the sealing member 16 is deformed upward, disconnecting the positive electrode lead 21 from the sealing plate 17 of the sealing member 16 .
  • a current path to the sealing member 16 is cut off.
  • the sealing plate 17 may be provided with an explosion-proof valve that ruptures and discharges the internal gas when the internal pressure further increases. Details of the sealing member 16 will be described later.
  • a positive external terminal as a first terminal is formed on the top surface of the sealing member 16
  • a negative external terminal as a second terminal is arranged facing the crimped portion 25 of the outer can 15 .
  • the electrode body 14 may be connected so that the outer can 15 functions as a positive electrode external terminal and the sealing member 16 functions as a negative electrode external terminal. Further, when the outer can 15 also serves as a terminal, current may be collected from the bottom portion 27 of the outer can 15 .
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of part of the sealing member 16 used in the battery 10 of the first embodiment.
  • the sealing member 16 has a disk-shaped sealing plate 17 and an annular reinforcing plate 18 arranged on the outer peripheral side of the sealing plate 17 . Both the sealing plate 17 and the reinforcing plate 18 are made of a metal material. The reinforcing plate 18 is made of a material having higher rigidity than the sealing plate 17 .
  • the sealing plate 17 has a disk shape in plan view and is composed of a plate-like member made of metal.
  • the sealing plate 17 is made of aluminum, for example.
  • the sealing plate 17 has a disk-shaped valve body 17a at the radially central portion, an arm portion 17b extending radially outward on the outer peripheral side of the valve body 17a, and an outer peripheral portion 17c on the outer peripheral side of the arm portion 17b. .
  • the valve body 17a has a convex joint portion below the central portion in the radial direction.
  • the valve body 17 a is welded to the positive electrode lead 21 at the joint and is electrically connected to the positive electrode 11 .
  • the valve element 17a has a CID function that breaks the connection with the positive electrode lead 21 by inverting upward when the gas pressure inside the battery rises.
  • the thickness of the arm portion 17b is thinner than that of the valve body 17a and the outer peripheral portion 17c.
  • the outer peripheral portion 17 c is located on the outer periphery of the sealing plate 17 and is a portion that is crimped by the crimped portion 25 of the outer can 15 .
  • the outer peripheral portion 17c has a first region 17d whose plate thickness decreases in the circumferential direction. Furthermore, the outer peripheral portion 17c has a second region 17e having a thinner plate thickness than the first region 17d on the outer peripheral side of the first region 17d.
  • the reinforcing plate 18 is made of an annular metal material and has an inner edge portion 18a on the radially inner peripheral side.
  • the reinforcing plate 18 is formed in a shape corresponding to the shape of the second region 17 e of the sealing plate 17 .
  • the reinforcing plate 18 is placed on the second region 17e and is formed such that the inner edge portion 18a is aligned with the first region 17d.
  • a radially outer edge of the reinforcing plate 18 is formed so as to coincide with an outer peripheral edge of the second region 17e.
  • the sealing member 16 is configured together with the sealing plate 17 in a state where the reinforcing plate 18 is placed on the second region 17e. Note that the reinforcing plate 18 does not necessarily have to be annular. It may be arc-shaped or the like.
  • the reinforcing plate 18 is made of a metal member having higher rigidity than the sealing plate 17.
  • the reinforcing plate 18 is made of, for example, iron, nickel, copper, SUS (Stainless Used Steel), or the like. However, it is not limited to these, and any metal material having high rigidity may be used.
  • the sealing member 16 of the present embodiment seals the battery case by crimping the sealing plate 17 with the reinforcing plate 18 placed in the second region 17e with the gasket 23 attached.
  • the sealing member 16 can suppress deformation of the sealing member 16 due to caulking by arranging a reinforcing plate 18 having higher rigidity than the sealing plate 17 at least below the crimped portion 25 .
  • the reinforcing plate 18 of the present embodiment is arranged below the crimped portion 25 in the second region 17e where the plate thickness of the outer peripheral portion of the sealing plate 17 is thin. Thereby, the battery capacity can be increased without increasing the plate thickness of the crimped portion 25 of the sealing member 16 . Therefore, in the battery 10 of the present embodiment, the sealing member 16 can be made thinner, and deformation of the sealing member 16 due to caulking can be suppressed.
  • the sealing plate 17 and the reinforcing plate 18 will be further described with reference to FIG.
  • the first region 17d and the inner edge portion 18a provided radially inwardly of the reinforcing plate 18 are butted against each other to form a butt portion 30.
  • FIG. By abutting the first region 17d and the inner edge portion 18a, positioning when the reinforcing plate 18 is placed is facilitated.
  • the second region 17e of the sealing plate 17 on which the reinforcing plate 18 is placed receives strong stress when caulking or connecting with an external circuit. Therefore, the sealing plate 17 and the reinforcing plate 18 need to have a bonding strength that does not easily deform against these stresses.
  • the sealing plate 17 and the reinforcing plate 18 are joined by butt welding at the butt portion 30 . By performing butt welding, the joints are integrated and the joint strength is increased. In other words, the weld marks are formed along the boundary formed between the first region 17d and the inner edge portion 18a and extending in the thickness direction of the sealing plate 17 .
  • the joining method of the boundary between the first region 17d and the reinforcing plate 18 is not limited to welding. They may be joined by pressure contact or a conductive adhesive.
  • the inner edge portion 18a of the reinforcing plate 18 is configured to be located on the inner peripheral side of the tip of the crimped portion 25 located on the inner peripheral side in the radial direction.
  • the reinforcing plate 18 receives the stress due to caulking, so that deformation due to caulking can be effectively suppressed.
  • the outer edge in the radial direction of the reinforcing plate 18 is located outside the tip of the crimped portion, deformation due to crimping can be further suppressed.
  • the outer can 15 below the sealing plate 17 is filled with an electrolytic solution.
  • the sealing plate 17 may come into contact with the electrolyte, it is preferably made of a metal material having corrosion resistance to the electrolyte.
  • it is preferably made of aluminum.
  • the reinforcing plate 18 is placed on the second region 17e of the sealing plate 17 and is less likely to come into contact with the electrolytic solution. Therefore, it is preferable to select the material giving priority to rigidity over corrosion resistance.
  • the material is preferably iron, nickel, copper, SUS, or the like.
  • the positive electrode 11 of the electrode assembly 14 is electrically connected to the lower surface of the sealing member 16 in the radial direction through the positive electrode lead 21 . not shown). Therefore, it is preferable that the resistance of this current path is low.
  • the sealing member described in Patent Document 2 is formed by laminating two kinds of metals. Therefore, if the bonding state between the lower metal and the upper metal of the joint where the positive electrode lead is joined is poor, the resistance value increases. Furthermore, since one side is made of a highly rigid metal material, the resistance value from the positive electrode 11 to the positive electrode external terminal tends to increase, which is not preferable.
  • the sealing member 16 of the battery 10 of the present embodiment has a reinforcing plate 18 arranged below the crimped portion 25 of the outer peripheral portion to increase rigidity. Therefore, the reinforcing plate 18 is far from the current path from the positive electrode 11 to the sealing member 16 and from the top surface of the sealing member 16 to the positive electrode external terminal. Therefore, it does not greatly affect the resistance value of the current path. Therefore, the rigidity of the sealing member 16 can be increased without significantly affecting the battery performance.
  • the configuration of the sealing member 16 is not limited to that shown in FIG. Other embodiments will be described below.
  • FIG. 3 is a partially enlarged sectional view of the sealing member 16 of the second embodiment.
  • the form of the battery 10 is the same as in FIG.
  • Members having functions equivalent to those of the first embodiment shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals.
  • the sealing member 16 of the present embodiment is formed so as to extend below the outer peripheral edge of the reinforcing plate 18 and contact the outer peripheral edge of the second region 17e. As a result, abutting portion 31 between the reinforcing plate 18 and the second region 17e is formed on the lower surface of the sealing member 16.
  • Abutting portion 30 formed by the first region 17d and the inner edge portion 18a is the same as in the first embodiment shown in FIG.
  • the abutting portions 30, 31 effectively act on positioning as in the first embodiment.
  • the sealing member 16 of the present embodiment is joined by butt welding on the upper and lower surfaces of the sealing member 16 at the butted portions 30 and 31 .
  • the joint strength between the sealing plate 17 and the reinforcing plate 18 can be made higher than in the case of the first embodiment by providing two radially butt-welded portions in the outer peripheral portion 17c of the sealing member 16 . Similar to the first embodiment, the sealing member 16 is made thinner and the deformation strength against caulking is increased.
  • FIG. 4 is a partially enlarged sectional view of the sealing member 16 of the third embodiment.
  • the form of the battery 10 is the same as in FIG.
  • the thin second region 17e of the sealing plate 17 does not reach the outer edge in the radial direction and forms a groove-shaped second region 17e in the circumferential direction.
  • the second region 17e in addition to the butting portion 30, has a butting portion 31 on the radially outer peripheral side.
  • the reinforcing plate 18 is adjusted in length in the radial direction according to the shape of the second region 17e, and is formed to have a size that fits in the groove-shaped second region 17e.
  • two abutting portions 30 and 31 are formed on the radially inner and outer peripheral sides of the second region 17e. The point that the abutting portions 30 and 31 effectively act for positioning is the same.
  • the joint strength between the sealing plate 17 and the reinforcing plate 18 can be increased. Similar to the other embodiments, the sealing member 16 is made thinner and the deformation strength against caulking is increased.
  • FIG. 5 is a partially enlarged cross-sectional view of the sealing member 16 of the fourth embodiment.
  • the form of the battery 10 is the same as in FIG.
  • the sealing member 16 of this embodiment differs from the first embodiment in that the position of the first region 17d of the sealing plate 17 is provided radially inward. With this configuration, it is possible to flexibly cope with changes in the dimensions of the crimped portion 25 of the sealing member 16 . That is, even in a battery in which the tip of the crimped portion 25 on the inner peripheral side in the radial direction extends greatly toward the inner peripheral side, the reinforcing plate 18 can be reliably positioned below the crimped portion 25 . It is the same as in the other embodiments that the butt portions 30 are butt-welded to be firmly joined. Similar to the other embodiments, the sealing member 16 is made thinner and the deformation strength against caulking is increased.
  • FIG. 6 shows a partially enlarged sectional view of the sealing member 16 of the fifth embodiment.
  • the sealing member 16 of the first to fourth embodiments has a configuration in which the reinforcing plate 18 is placed in the second region 17e provided on the outer peripheral portion 17c of the sealing plate 17.
  • FIG. In the present embodiment the sealing plate 17 of the sealing member 16 is not provided with the second region 17e, and for example, the reinforcement plate 18 replaces all the portions where the second region 17e was in the first embodiment. Therefore, a configuration is obtained in which the reinforcing plate 18 is fitted on the outer peripheral side of the sealing plate 17 .
  • the sealing plate 17 has abutting portions 30 and 31 at two locations on the upper surface and the lower surface.
  • the joining strength can be increased by performing butt welding at the two butt portions 30 and 31 .
  • the reinforcing plate 18 is provided below the crimped portion 25, so that the strength against crimping stress can be increased.

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Abstract

蓄電装置(電池)は、電極体を収容する有底筒状の外装缶と、外装缶の開口部を塞ぐ封口部材とを備える。封口部材は、封口板と、封口板の外周側に配置され、封口板の厚さ方向に延びる封口板との境界を接合された補強板を有し、補強板は、封口板よりも剛性の高い部材から構成される。

Description

蓄電装置
 本開示は、蓄電装置に関する。
 蓄電装置では高容量化が求められている。容量を増加させる施策として、封口部材の厚みを薄型化して、電池缶内の体積を増加させることが有効である。電池における封口部材は、電池ケースを封止するとともに、過充電や異常時の内部ガス発生時に電流を遮断するCID(Current Interrupt Device)機能を有している。特許文献1には、電池内の内圧の上昇に応じて封口板がリードから離れることで、接続が絶たれるCID機能を有する蓄電装置(電池)が記載されている。特許文献2には、2種の金属を重ね合わせて強度を高めた電池用封口体が記載されている。
特開2021-125304号公報 国際公開第2017/073027号
 蓄電装置において封口部材を薄型化すると、剛性が下がり、容易に変形し得る。封止性の低下やCIDの誤動作の原因となる。特許文献2に記載の封口部材は、2種の金属を重ね合わせて剛性をアップさせる構造のため、薄型化が困難である。
 本開示の目的は、封口部を薄型化しても、剛性を高め変形を抑制可能な蓄電装置を提供することである。
 本開示に係る蓄電装置は、電極体を収容する有底筒状の外装缶と、外装缶の開口部を塞ぐ封口部材とを備える。封口部材は、封口板と、封口板の外周側に配置され、封口板の厚さ方向に延びる封口板との境界を接合された補強板を有し、補強板は、封口板よりも剛性の高い部材から構成されることを特徴とする。
 本開示に係る蓄電装置は、封口部を薄型化しても、剛性が高まり、封口部材の変形を抑制することができる。
実施形態に係るの電池の断面図である。 実施形態に係る封口部材の一部拡大断面図である。 他の実施形態に係る封口部材の一部拡大断面図である。 更に他の実施形態に係る封口部材の一部拡大断面図である。 更に他の実施形態に係る封口部材の一部拡大断面図である。 更に他の実施形態に係る封口部材の一部拡大断面図である。
 以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の説明において、具体的な形状、材料、方向、数値等は、本開示の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等に合わせて適宜変更することができる。また、以下で説明する実施形態および変形例の構成要素を選択的に組み合わせることは当初から想定されている。
 <第1の実施形態>
 図1は、本開示の蓄電装置の一実施形態に係る電池10の断面図である。以降は、本開示の蓄電装置の一例として、リチウムイオン二次電池の構成を用いて説明する。しかし、本開示の蓄電装置はリチウムイオン二次電池に限定されない。本開示の蓄電装置は、ニッケル水素電池などの他の二次電池や、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタなどのキャパシタであってもよい。図1に示すように、電池10は、有底筒状の外装缶15と、外装缶15の開口を塞ぐ封口部材16、外装缶15と封口部材16の間に介在するガスケット23とを備える。また、電池10は、外装缶15に収容される電極体14および電解質を備える。電極体14は、正極11と、負極12と、セパレータ13とを含み、正極11と負極12がセパレータ13を介して渦巻き状に巻回された構造を有する。
 非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解した電解質塩とを含む。非水溶媒には、例えばエステル類、エーテル類、ニトリル類、アミド類、およびこれらの2種以上の混合溶媒等を用いてもよい。非水溶媒は、溶媒である水素の少なくとも一部をフッ素等のハロゲン原子で置換したハロゲン置換体を含有してもよい。なお、非水電解質は液体電解質に限定されず、ゲル状ポリマー等を用いた固体電解質であってもよい。電解質塩には、LiPF6等のリチウム塩が使用される。
 電極体14は、長尺状の正極11と、長尺状の負極12と、長尺状の2枚のセパレータ13とを有する。また、電極体14は、正極11に接合された正極リード21と、負極12に接合された負極リード22を有する。負極12は、リチウムの析出を抑制するために、正極11よりも大きな寸法で形成され、正極11より長手方向および幅方向(短手方向)に長く形成される。また、2枚のセパレータ13は、少なくとも正極11よりも一回り大きな寸法で形成され、例えば正極11を上下に包むように配置される。
 正極11は、正極集電体と、正極集電体の両面に形成された正極合剤層とを有する。正極集電体には、アルミニウム、アルミニウム合金など、正極11の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。正極合剤層は、正極活物質、導電剤、および結着剤を含む。正極11は、例えば正極集電体上に、正極活物質、導電剤、および結着剤等を含む正極合剤スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧縮して正極合剤層を集電体の両面に形成することにより作製できる。
 正極活物質は、リチウム含有金属複合酸化物を主成分として構成される。リチウム含有金属複合酸化物に含有される金属元素としては、Ni、Co、Mn、Al、B、Mg、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Ga、Sr、Zr、Nb、In、Sn、Ta、W等が挙げられる。好ましいリチウム含有金属複合酸化物の一例は、Ni、Co、Mn、Alの少なくとも1種を含有する複合酸化物である。
 正極合剤層に含まれる導電剤としては、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛等の炭素材料が例示できる。正極合剤層に含まれる結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のフッ素樹脂、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリイミド、アクリル樹脂、ポリオレフィンなどが例示できる。これらの樹脂と、カルボキシメチルセルロース(CMC)又はその塩等のセルロース誘導体、ポリエチレンオキシド(PEO)などが併用されてもよい。
 負極12は、負極集電体と、負極集電体の両面に形成された負極合剤層とを有する。負極集電体には、銅、銅合金など、負極12の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。負極合剤層は、負極活物質、および結着剤を含む。負極12は、例えば負極集電体上に、負極活物質、および結着剤等を含む負極合剤スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧縮して負極合剤層を集電体の両面に形成することにより作製できる。
 負極活物質には、一般的に、リチウムイオンを可逆的に吸蔵、放出する炭素材料が用いられる。好ましい炭素材料は、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛、土状黒鉛等の天然黒鉛、塊状人造黒鉛、黒鉛化メソフェーズカーボンマイクロビーズ等の人造黒鉛などの黒鉛である。負極合剤層には、負極活物質として、Si含有化合物が含まれていてもよい。また、負極活物質には、Si以外のリチウムと合金化する金属、当該金属を含有する合金、当該金属を含有する化合物等が用いられてもよい。
 負極合剤層に含まれる結着剤には、正極11の場合と同様に、フッ素樹脂、PAN、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂等を用いてもよいが、好ましくはスチレン-ブタジエンゴム(SBR)又はその変性体を用いる。負極合剤層には、例えばSBR等に加えて、CMC又はその塩、ポリアクリル酸(PAA)又はその塩、ポリビニルアルコールなどが含まれていてもよい。
 セパレータ13には、イオン透過性および絶縁性を有する多孔性シートが用いられる。多孔性シートの具体例としては、微多孔薄膜、織布、不織布等が挙げられる。セパレータ13の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン樹脂、セルロースなどが好ましい。セパレータ13は、単層構造、積層構造のいずれでもよい。セパレータ13の表面には、耐熱層などが形成されてもよい。なお、負極12は電極体14の巻き始め端を構成してもよいが、一般的にはセパレータ13が負極12の巻き始め側端を超えて延出し、セパレータ13の巻き始め側端が電極体14の巻き始め端となる。
 図1に示す例では、正極リード21は、正極芯体における巻回方向の中間部に電気的に接続され、負極リード22は、負極芯体における巻回方向の巻き終わり端部に電気的に接続される。しかし、負極リード22は、負極芯体における巻回方向の巻き始め端部に電気的に接続されてもよい。又は、電極体14が2つの負極リードを有して、一方の負極リードが、負極芯体における巻回方向の巻き始め端部に電気的に接続され、他方の負極リードが、負極芯体における巻回方向の巻き終わり端部に電気的に接続されてもよい。又は、負極芯体における巻回方向の巻き終わり側端部を外装缶の内面に当接させることで、負極12と外装缶15を電気的に接続してもよい。
 以降、本開示において、電池10の軸方向の封口部材16側を上側、底部27側を下側として説明する。
 図1に示すように、電池10は、電極体14の上側に配置される絶縁板19と、電極体14の下側に配置される絶縁板20を更に有する。図1に示す例では、正極11に取り付けられた正極リード21が絶縁板19の貫通孔を通って封口部材16側に延び、負極12に取り付けられた負極リード22が絶縁板20の外側を通って、外装缶15の底部27側に延びる。正極リード21は、封口部材16の径方向中央部の下面に溶接等で接続され、正極リード21と電気的に接続された封口部材16の天面が正極外部端子となる。また、負極リード22は外装缶15の底部27の内面に溶接等で接続され、外装缶15が負極外部端子となる。
 外装缶15は、有底円筒状の側壁部26と底部27を有する金属製容器である。外装缶15と封口部材16との間は、環状のガスケット23で密封され、その密封で電池の内部空間が密閉される。ガスケット23は、外装缶15と封口部材16とで挟持され、封口部材16を外装缶15に対して絶縁する。ガスケット23は、電池内部の気密性を保つためのシール材の役割を有し、電解液の漏液が起こらないようにする。また、ガスケット23は、外装缶15と封口部材16との短絡を防止する絶縁材としての役割も有する。
 外装缶15の上部には、円筒外周面の一部をスピニング加工して径方向内方側に窪ませた溝部24が設けられ、また外装缶15の開口端には、環状のカシメ部25が設けられている。溝部24の内周面は、径方向に突出している。側壁部26は、電極体14と非水電解質とを収容し、カシメ部25は、側壁部26の開口側の端部から径方向の内方側に折り曲げられて径方向の内方側に延びる。封口部材16は、カシメ部25と溝部24の上側とでガスケット23とともに挟持されて外装缶15に固定される。
 封口部材16は、円盤形状の封口板17と封口板17の外周に配置される補強板18を有している。
 後述するように封口部材16は、CID機能として作用する。封口部材16の封口板17は、過充電や異常時の発熱で電池の内圧が上昇すると、弁体17aが上方に変形して、正極リード21との接続が断たれることにより、正極11から封口部材16への電流経路が遮断される。封口板17は、更に内圧が上昇した場合に、破断して内部ガスを排出する防爆弁が設けられてもよい。封口部材16の詳細については後述する。
 電池10は、第1の端子としての正極外部端子が封口部材16の天面に形成され、第2の端子としての負極外部端子が外装缶15のカシメ部25に向けて配置されている。なお、外装缶15が正極外部端子として機能し、封口部材16が負極外部端子として機能するよう電極体14を接続してもよい。また、外装缶15が端子を兼ねる場合、外装缶15の底部27から集電を行ってもよい。
 次に図1、2を参照して、第1の実施形態における封口部材16の詳細について説明する。図2は第1の実施形態の電池10に用いられる封口部材16の一部の拡大断面図である。
 封口部材16は、円盤状の封口板17と、封口板17の外周側に配置される環状の補強板18を有している。封口板17と補強板18はともに、金属材料から形成されている。補強板18は、封口板17よりも剛性の高い材質から構成されている。
 封口板17は、平面視で円盤形状であり、金属製の板状部材で構成されている。封口板17は、例えば、アルミニウムにより形成される。封口板17は、径方向中央部に円盤状の弁体17aと、弁体17aの外周側で径方向外側に延びる腕部17bと、腕部17bの外周側に外周部17cを有している。
 弁体17aは、径方向の中央部の下方に凸状の接合部を有している。弁体17aは、接合部において、正極リード21と溶接され、正極11と電気的に接続されている。弁体17aは、電池内部のガス圧が上昇時に上方に反転することで、正極リード21との接続が破断するCID機能を構成している。
 腕部17bは、弁体17aと外周部17cの板厚に比べて板厚が薄く形成されている。CID機構が作動した後、更に電池内部のガス圧が上昇する場合には、腕部17bが破断して、ガスを外部に放出する防爆弁として働く。
 外周部17cは、封口板17の外周に位置し、外装缶15のカシメ部25でかしめられる部分である。外周部17cは、周方向に板厚が減少する第1領域17dを有している。更に外周部17cの第1領域17dより外周側には、第1領域17dより板厚の薄い第2領域17eを有している。
 補強板18は、環状の金属材料から形成され、径方向の内周側に内縁部18aを有している。補強板18は、封口板17の第2領域17eの形状に応じた形状に形成されている。本実施形態において、補強板18は、第2領域17eに載置され、内縁部18aが第1領域17dと合わさるように形成されている。補強板18の径方向外周端は、第2領域17eの外周端と一致するように形成されている。補強板18を第2領域17eに載置した状態で、封口板17とともに封口部材16を構成する。なお、補強板18は必ずしも環状でなくてもよい。弧状などでもよい。
 補強板18は、封口板17よりも剛性の高い金属部材で構成されている。補強板18は、例えば、鉄、ニッケル、銅、SUS(Stainless Used Steel)などで形成される。但し、これらに限定されず、剛性の高い金属製材料であれば良い。
 本実施形態の封口部材16は、第2領域17eに補強板18を載置した封口板17にガスケット23を装着した状態でかしめられることで、電池ケースを封止する。封口部材16は、少なくともカシメ部25の下方において、封口板17よりも剛性の高い補強板18を配置することによって、かしめによる封口部材16の変形を抑制することが可能である。
 本実施形態の補強板18は、カシメ部25の下方で、封口板17の外周部の板厚が薄い第2領域17eに配置されている。これにより、封口部材16のカシメ部25における板厚を増すことが無く、電池容量の高容量化が可能である。よって、本実施形態の電池10は、封口部材16を薄型化し、且つかしめによる封口部材16の変形を抑制可能となる。
 次に図2を参照して、封口板17と補強板18について更に説明する。図2に示すように、封口板17は、第1領域17dと補強板18の径方向において内周側に設けられた内縁部18aが突合せられ、突合せ部30を形成している。第1領域17dと内縁部18aを突合せることで、補強板18を載置するときの位置決めが容易となる。
 補強板18が載置される封口板17の第2領域17eは、かしめる際や外部回路と接続する際に強い応力を受ける。従って、封口板17と補強板18は、これら応力に対して変形し難い接合強度が必要である。封口板17と補強板18は突合せ部30において、突合せ溶接によって接合される。突合せ溶接を行うことで、接合部が一体化して、接合強度が高くなる。言い換えれば、第1領域17dと内縁部18aとの間に形成され、封口板17の厚さ方向に延びた境界に沿って溶接痕が形成される。これによって、応力(特に曲げなどの応力)が印加されても、封口板17の厚さ方向に延びた接合部から変形することが抑制される。尚、第2領域17eに補強板18が載置される面で径方向に対しては、重ね合せ溶接を施してもよい。言い換えれば、第2領域17eと補強板18の積層方向を深さ方向にとる溶接痕を形成してもよい。これにより、更に封口部材16のかしめによる応力に対する剛性を増すことが可能である。また、第1領域17dと補強板18の境界の接合方法は溶接に限定されない。圧接や導電性の接着剤により接合してもよい。
 補強板18の内縁部18aは、カシメ部25の径方向における内周側に位置する先端よりも内周側に位置するように構成している。このように構成することで、かしめによる応力を補強板18が受けることで、かしめによる変形を効果的に抑制することができる。また、補強板18の径方向における外縁はカシメ部の上記先端より外にあると、かしめによる変形をさらに抑制できる。
 電池10が非水電解質二次電池の場合、封口板17の下部の外装缶15内には、電解液が充填されている。封口板17は、電解液に接触するおそれがあるために、電解液に対する耐腐食性を有する金属材料で構成されることが好ましい。例えば、アルミニウムで形成されることが好ましい。一方、補強板18は、封口板17の第2領域17eの上に載置されており、電解液に接触する可能性は低い。よって、耐腐食性よりも剛性を優先して材質を選定することが好ましい。材質は先に述べた通り、鉄、ニッケル、銅、SUS等が好ましい。
 電池10においては、電極体14の正極11から正極リード21を介して、封口部材16の径方向中央部下面の接合部に電気的に接続され、封口部材16の天面から正極外部端子(図示せず)へ電流が流れる。従って、この電流経路の抵抗値は低いことが好ましい。特許文献2に記載の封口部材は、2種の金属を重ね合わせて形成されている。よって、正極リードが接合される接合部の下方の金属と上方の金属の接合状態が悪いと抵抗値が高くなる。更に、一方を剛性の高い金属材料で構成しているため、正極11から正極外部端子までの抵抗値は大きくなる傾向にあり好ましくない。
 特許文献2に対して、本実施形態の電池10の封口部材16は、外周部のカシメ部25の下方において、剛性を高めるための補強板18を配置している。従って、補強板18は、正極11から封口部材16、封口部材16の天面から正極外部端子への電流経路から遠い。よって電流経路の抵抗値には大きくは影響しない。よって、電池性能へ大きな影響を及ぼすことなく、封口部材16の剛性を増すことができる。
 封口部材16の構成は、図2の構成に限らない。以下、他の実施形態について説明する。
 <第2の実施形態>
 図3は、第2の実施形態の封口部材16の一部拡大断面図である。電池10の形態は、図1と同様である。図2の第1の実施形態と同等の機能を有する部材については、同一の符号を付している。
 本実施形態の封口部材16は、補強板18の外周縁部下方に延出されて、第2領域17eの外周縁部に当接するように形成している。これによって、封口部材16の下面に補強板18と第2領域17eの突合せ部31が形成される。第1領域17dと内縁部18aによる突合せ部30は、図2の第1の実施形態と同様である。突合せ部30、31は、第1の実施形態と同様に、位置決めに効果的に作用する。本実施形態の封口部材16は、突合せ部30、31の封口部材16の上下二面において、突合せ溶接によって接合している。封口部材16の外周部17cにおいて、径方向に二か所突合せ溶接する箇所を設けたことで、封口板17と補強板18の接合強度は、第1の実施形態の場合より高くできる。封口部材16を薄型化し、且つかしめに対する変形強度が増す点は第1の実施形態と同様である。
 <第3の実施形態>
 図4は、第3の実施形態の封口部材16の一部拡大断面図である。電池10の形態は、図1と同様である。
 本実施形態の封口部材16は、封口板17の板厚の薄い第2領域17eが、径方向の外縁まで達しておらず、周方向に溝状の第2領域17eを形成している。本実施形態においては、突合せ部30以外に、第2領域17eの径方向外周側に突合せ部31を有する。補強板18は、第2領域17eの形状に応じて、径方向の長さが調整され、溝状の第2領域17eに丁度納まる大きさに形成されている。本実施形態においては、第2領域17eの径方向の内周側と外周側に2箇所突合せ部30、31が形成される。突合せ部30、31が位置決めに効果的に作用する点は同様である。本実施形態においても、突合せ部30、31を突合せ溶接することで、封口板17と補強板18の接合強度を高くすることができる。封口部材16を薄型化し、且つかしめに対する変形強度が増す点は他の実施形態と同様である。
 <第4の実施形態>
 図5は、第4の実施形態の封口部材16の一部拡大断面図である。電池10の形態は、図1と同様である。
 本実施形態の封口部材16は、封口板17の第1領域17dの位置を第1の実施形態に比べて、径方向内周側に設けた点で異なる。このように構成するで、封口部材16のカシメ部25の寸法の変更に柔軟に対応できる。即ち、カシメ部25の径方向内周側の先端が、内周側に大きく延びる形態の電池でも、確実にカシメ部25の下方側に補強板18が位置するようにできる。突合せ部30を突合せ溶接して接合することで、強固に接合されることは、他の実施形態と同様である。封口部材16を薄型化し、且つかしめに対する変形強度が増す点も他の実施形態と同様である。
 <第5の実施形態>
 図6に第5の実施形態の封口部材16の一部拡大断面図を示す。第1~第4の実施形態の封口部材16は、封口板17の外周部17cに設けた第2領域17eに補強板18が載置される構成であった。本実施形態は、封口部材16の封口板17は、第2領域17eを設けず、例えば、第1の実施形態で第2領域17eがあった部分を全て補強板18で置き換えている。従って、封口板17の外周側に補強板18を嵌め込んだ形態となる。封口板17は、上面と下面の2箇所に突合せ部30、31を有する。本実施形態においても、突合せ溶接を突合せ部30、31の2箇所とすることで、接合強度を強くすることができる。本実施形態においては、カシメ部25の下方には、補強板18のみとなり、かしめの応力に対する強度を高めることができる。
 なお、本発明は上述した実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本願の請求の範囲に記載された事項の範囲内において種々の変更や改良が可能であることは勿論である。
 10 電池(蓄電装置)、11 正極、12 負極、13 セパレータ、14 電極体、15 外装缶、16 封口部材、17 封口板、17a 弁体、17b 腕部、17c 外周部、17d 第1領域、17e 第2領域、18 補強板、18a 内縁部、19,20 絶縁板、21 正極リード、22 負極リード、23 ガスケット、24 溝部、25 カシメ部、26 側壁部、27 底部、30,31 突合せ部

Claims (5)

  1.  電極体を収容する有底筒状の外装缶と、
     前記外装缶の開口部を塞ぐ封口部材と、
     を備え、
     前記封口部材は、封口板と、前記封口板の外周側に配置され、前記封口板の厚さ方向に延びる前記封口板との境界を接合された補強板とを有し、
     前記補強板は、前記封口板よりも剛性の高い部材から構成される、
     蓄電装置。
  2.  前記封口板は、外周部に第1領域と、前記第1領域より外周側に位置し、前記第1領域より薄い第2領域を有し、
     前記補強板は、前記第2領域上に載置され、径方向において内側にある内縁部が前記第1領域と接合された、
     請求項1に記載の蓄電装置。
  3.  前記外装缶の開口部にはかしめられたカシメ部が形成され、
     前記補強板の前記内縁部は、前記カシメ部の径方向内周側の先端よりも内周側に位置している、
     請求項2に記載の蓄電装置。
  4.  前記封口板は、耐腐食性を有する部材から構成される、
     請求項2~3の何れか一項に記載の蓄電装置。
  5.  前記補強板は、前記第1領域と積層方向に延びる溶接痕により接合される、
     請求項2~4の何れか一項に記載の蓄電装置。
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