WO2024181422A1 - 蓄電装置 - Google Patents

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WO2024181422A1
WO2024181422A1 PCT/JP2024/007015 JP2024007015W WO2024181422A1 WO 2024181422 A1 WO2024181422 A1 WO 2024181422A1 JP 2024007015 W JP2024007015 W JP 2024007015W WO 2024181422 A1 WO2024181422 A1 WO 2024181422A1
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gasket
storage device
opening
sealing member
sealing
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PCT/JP2024/007015
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きよみ 神月
雄大 加藤
嵩広 野上
真也 下司
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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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    • HELECTRICITY
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    • H01M50/19Sealing members characterised by the material
    • H01M50/193Organic material

Definitions

  • This disclosure relates to power storage devices such as secondary batteries.
  • the peripheral portion of the sealing member is crimped and fixed to the top of the exterior can, thereby sealing the contact area between the exterior can and the sealing member.
  • a circular groove recessed inward is formed around the top end of the outer can.
  • the peripheral edge of the sealing material is then placed on top of this groove, and the top end of the outer can is bent inward and crimped in this state, so that the peripheral edge of the sealing material is sandwiched and fixed between the groove and the bent portion.
  • the tip of the folded part is bent toward the sealing material to improve the sealing performance of the crimped part.
  • the folding section improves the reliability of the power storage device.
  • the purpose of this disclosure is to provide a power storage device with excellent reliability.
  • the energy storage device includes an electrode body, an exterior can housing the electrode body and having a cylindrical portion and an opening on one end side of the cylindrical portion, and a sealing member that closes the opening, and a folded portion that is folded inward is formed on the periphery of the opening of the exterior can, and the sealing member has a plate-shaped sealing body that is provided to close the opening, and a gasket that is interposed between the upper surface of the sealing body and the folded portion, a recess is formed in a part of the sealing body, a protrusion is formed in a part of the gasket, and the protrusion of the gasket fits into the recess of the sealing body.
  • the energy storage device disclosed herein has improved reliability.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a battery 1 which is an example of an electricity storage device according to an embodiment.
  • 3A and 3B are diagrams illustrating the wound state of the electrode body 10.
  • 2 is a vertical cross-sectional view of an example of a folded portion 210 at the top end of an outer can 20 folded inward.
  • FIG. 5A and 5B are partial enlarged views showing the configuration of the sealing member for the power storage device according to the present embodiment, in which FIG. 5A shows the configuration before bending and FIG. 5B shows the configuration after bending.
  • 5A and 5B are partially enlarged views showing the configuration of a sealing member for an energy storage device according to another embodiment of the present invention, in which FIG. 5A shows the sealing member before bending and FIG. 5B shows the sealing member after bending.
  • 10A and 10B are partial enlarged views showing the configuration of a sealing member for an energy storage device according to still another embodiment of the present invention, in which FIG. 10A shows the sealing member before bending and FIG.
  • “Overall Configuration” 1 is a cross-sectional view of a battery 1, which is an example of a power storage device according to an embodiment. Note that the power storage device also includes a capacitor.
  • the battery 1 includes an electrode body 10 and an exterior can 20 that houses the electrode body 10.
  • the exterior can 20 includes a cylindrical portion 21 and a bottom portion 22 that closes one end of the cylindrical portion 21. An opening is formed at the other end of the cylindrical portion 21, and the opening is closed with a sealing member 24.
  • the exterior can 20 also houses an electrolyte solution together with the electrode body 10.
  • the electrolyte solution may be an aqueous electrolyte solution, but in this embodiment, a non-aqueous electrolyte solution is used.
  • a solid electrolyte may be used instead of the electrolyte solution.
  • the solid electrolyte for example, a solid or gel-like polymer electrolyte, an inorganic solid electrolyte, or the like is used.
  • an annular groove 23 that protrudes radially inward of the battery (or outer can) is provided on the opening side of the tube portion 21.
  • a sealing member 24 is supported by the groove 23 and closes the opening of the outer can 20.
  • the sealing member 24 side of the battery 1 is referred to as the top
  • the bottom 22 side of the outer can 20 is referred to as the bottom.
  • the outer can used in the energy storage device of the present disclosure has openings at both ends in the height direction, and each of the pair of openings may be sealed with a sealing member.
  • the battery 1 further has a number of electrode leads that extend from various points of the electrode body 10 toward the sealing member 24 and directly connect the first electrode constituting the electrode body 10 to the current collector 26 of the sealing member 24.
  • an upper insulating plate 34 is disposed between the electrode body 10 and the sealing member 24.
  • the electrode body 10 is a wound type electrode body in which a first electrode and a second electrode are wound with a separator interposed therebetween, and in this embodiment, the first electrode is a positive electrode and the second electrode is a negative electrode, and the electrode lead is a positive electrode lead 19.
  • multiple positive electrode leads 19 are arranged at predetermined intervals in the longitudinal direction of the positive electrode, and extend upward from the top of the positive electrode.
  • the positive electrode lead 19 electrically connects the positive electrode to the metal parts of the sealing member 24.
  • the negative electrode is electrically connected to the outer can 20, for example, by contacting the protruding portion of its core with the outer can 20 via the negative electrode current collector plate. Therefore, the sealing member 24 functions as the positive electrode terminal, and the outer can 20 functions as the negative electrode terminal.
  • the upper insulating plate 34 prevents the positive electrode and the positive electrode lead 19 from touching the outer can 20, and also prevents the positive electrode lead 19 from touching the negative electrode of the electrode body 10.
  • the negative electrode may also be electrically connected to the bottom of the outer can via a lead.
  • the electrode body 10 includes a positive electrode 11, a negative electrode 12, and a separator 13 interposed between the positive electrode 11 and the negative electrode 12. All of these are long strips that are wound in a spiral shape and are alternately stacked in the radial direction of the electrode body 10.
  • the positive electrode 11 and the negative electrode 12 each have a mixture layer on their surface.
  • the mixture layer of the negative electrode 12 is formed to be one size larger than the mixture layer of the positive electrode 11 in order to prevent lithium precipitation. That is, the mixture layer of the negative electrode 12 is formed longer in the longitudinal direction and width direction (short direction) than the mixture layer of the positive electrode 11.
  • the inner starting end of the positive electrode 11 is located outside the starting end of the negative electrode 12, and only the negative electrode 12 and the separator 13 are wound in the center of the electrode body 10.
  • the separator 13 is formed with dimensions at least one size larger than the positive electrode 11, and two sheets are arranged to sandwich the positive electrode 11. As a result, when wound, the separator 13 is interposed between the positive electrode 11 and the negative electrode 12.
  • the positive electrode 11 has a strip-shaped positive electrode core and a positive electrode composite layer formed on at least one surface of the core.
  • the positive electrode core can be a foil of a metal that is stable in the potential range of the positive electrode, such as aluminum or an aluminum alloy, or a film with the metal disposed on the surface.
  • the positive electrode composite layer contains a positive electrode active material, a conductive agent such as acetylene black, and a binder such as polyvinylidene fluoride, and is preferably formed on both sides of the positive electrode core.
  • a lithium transition metal composite oxide is used as the positive electrode active material.
  • the positive electrode lead 19 is connected to the positive electrode, but is preferably directly joined to the positive electrode core by welding or the like.
  • the negative electrode 12 has a strip-shaped negative electrode core and a negative electrode composite layer formed on at least one surface of the core.
  • the negative electrode core can be made of a foil of a metal that is stable in the potential range of the negative electrode, such as copper or a copper alloy, or a film with the metal disposed on the surface.
  • the negative electrode composite layer contains a negative electrode active material and a binder such as styrene-butadiene rubber (SBR), and is preferably formed on both sides of the negative electrode core.
  • SBR styrene-butadiene rubber
  • graphite or a silicon-containing compound is used as the negative electrode active material.
  • a tongue-shaped negative electrode lead may be directly joined to the negative electrode core by welding or the like, and then joined to the current collector plate.
  • the non-aqueous electrolyte contained in the exterior can 20 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 of these.
  • the non-aqueous solvent may contain a halogen-substituted product in which at least a portion of the hydrogen in these solvents is replaced with a halogen atom such as fluorine.
  • non-aqueous solvents include ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), dimethyl carbonate (DMC), and mixed solvents of these.
  • a lithium salt such as LiPF6 is used as the electrolyte salt.
  • the outer can 20 is a cylindrical metal container with a bottom and an open upper end in the axial direction, and has a cylindrical tube portion 21 and a circular bottom portion 22 when viewed from the bottom.
  • the outer can 20 is generally made of a metal whose main component is iron, but may be made of a metal whose main component is aluminum or the like, particularly when the outer can 20 is electrically connected to the positive electrode.
  • the outer can 20 also has a groove portion 23 formed along the circumferential direction of the tube portion 21.
  • the groove portion 23 is formed in the vicinity of the opening of the outer can 20, at a position spaced a predetermined length downward from the edge of the opening (the upper end of the outer can 20).
  • the predetermined length is, for example, a length equivalent to 1 to 20% of the axial length of the outer can 20.
  • the bottom 22 of the exterior can 20 is provided with a safety valve mechanism that is activated when an abnormality occurs in the battery 1.
  • the bottom 22 is formed with, for example, a thin-walled portion. When an abnormality occurs in the battery 1 and the internal pressure rises, this thin-walled portion breaks preferentially, and a gas exhaust port is formed in the bottom 22.
  • the groove portion 23 is a portion of the tubular portion 21 that protrudes inwardly from the exterior can 20, and is formed, for example, by spinning the tubular portion 21 from the outside. At the position where the groove portion 23 is formed, the exterior can 20 is reduced in diameter, and a thin groove is formed on the outer circumferential surface of the tubular portion 21.
  • the groove portion 23 preferably has a substantially U-shaped cross section and is formed in a ring shape over the entire circumferential length of the tubular portion 21.
  • the groove portion 23 may be formed by processing the tubular portion 21 after the electrode body 10 is placed inside the exterior can 20.
  • the inner diameter of the outer can 20 at the position where the groove 23 is formed is, for example, 80 to 99% of the maximum inner diameter of the outer can 20.
  • An example of the length of the groove 23 along the radial direction of the outer can 20 is 0.5 to 2.0 mm. Since the diameter of the electrode body 10 is approximately the same as the maximum inner diameter of the outer can 20, the electrode body 10 and the groove 23 overlap in the vertical direction of the battery 1.
  • the lower end of the positive electrode lead 19 is connected to the upper end of the positive electrode at multiple points, and the other end is connected to the cap 25 via the current collector 26.
  • the sealing member 24 includes, for example, a cap 25, a current collector plate 26, and an electrically insulating gasket 33, and is formed in a disk shape as a whole.
  • the sealing member 24 is placed on the groove 23 of the outer can 20 and is fixed to the opening of the outer can 20.
  • the upper end of the opening is bent inward and crimped to the sealing member 24 via the gasket 33 to form a bent portion.
  • the sealing member 24 is fixed to the upper end of the outer can 20 by the groove 23 and the bent portion of the outer can 20, and closes the opening of the outer can 20.
  • the bent portion is formed in a ring shape along the circumferential direction of the outer can 20, and holds the sealing member 24 together with the groove 23.
  • the sealing member 24 includes a member for covering the upper opening of the outer can 20, such as an upper insulating plate 34.
  • the sealing member 24 may also include a metal rupture plate or the like.
  • the cap 25 is a disk-shaped metal member that is exposed to the outside of the exterior can 20 and forms the top surface of the battery 1.
  • the cap 25 has a shape (raised portion) in which the radial center part protrudes outward from the battery 1.
  • Wiring material is connected to the cap 25 when the battery 1 is modularized to form a battery pack. For this reason, the cap 25 functions as an external terminal of the battery 1, and is also called an external terminal or top cover.
  • the positive electrode lead 19 is connected to the current collector 26, and the cap 25 functions as a positive electrode external terminal.
  • the current collector 26 is a metal member having a diameter similar to that of the cap 25, and is disposed closer to the electrode body 10 than the cap 25.
  • the current collector 26 has an opening 26a in the radial center and is formed in a ring shape.
  • the cap 25 and the current collector 26 are welded, and the current collector 26 is welded, for example, to a position closer to the outer periphery than the radial center of the cap 25.
  • the current collector 26 has a ring-shaped protrusion 26b, which will be described later, and the protrusion 26b becomes the welded part with the cap 25.
  • the positive electrode lead 19 connected to the positive electrode of the electrode body 10 is connected to the current collector 26, so that the current collector 26 functions as a positive electrode current collector. It is also possible to directly join the positive electrode lead to the cap without providing a positive electrode current collector.
  • the gasket 33 is provided so as to encase the outer periphery of the laminate of the cap 25 and the current collector plate 26.
  • the gasket 33 is an annular resin or rubber member that prevents contact between the cap 25 and the current collector plate 26 and the outer can 20, and ensures electrical insulation between the outer can 20 and the sealing member 24.
  • the gasket 33 covers the upper surface of the cap 25, the sides of the cap 25 and the current collector plate 26, and the lower surface of the current collector plate 26 on the outer periphery of the laminate.
  • the gasket 33 also seals the inside of the battery 1 by filling the gap between the outer can 20 and the sealing member 24.
  • the gasket 33 is formed to cover most of the lower surface of the current collector 26, and is interposed between the current collector 26 and the upper insulating plate 34.
  • An opening 33a is formed in the radial center of the gasket 33, which overlaps with the opening 26a of the current collector 26 in the vertical direction.
  • the gasket 33 may have a through hole 33b formed in a portion located below the current collector 26. It is expected that electrolyte will accumulate on the upper surface of the gasket 33, and by providing the through hole 33b, such electrolyte can be efficiently returned to the electrode body 10 side.
  • multiple through holes 33b are formed along the circumferential direction of the gasket 33.
  • the gasket 33 has an inner extension portion 33c that extends inward from the outer periphery of the cap 25.
  • the upper end of the exterior can 20 is bent inward to form a bent portion 210.
  • This bent portion 210 can be used as a negative electrode external terminal.
  • Configuration of bending portion 210" 3 is a vertical (radial) cross-sectional view of an example of a bent portion 210 formed by bending the upper end of the exterior can 20 inward.
  • the bent portion 210 is formed by bending the upper end portion inward from a portion 211 extending in the axial direction (vertical direction) of the cylindrical portion 21.
  • the bent portion 210 is formed by crimping as described below.
  • the bent portion 210 includes a bent portion 212 that bends inward, an intermediate portion 213 that extends inward from the bent portion 212, and a tip portion 214 that is the inner tip.
  • the tip portion 214 may be formed thicker than the thin portion located outside the tip portion 214 in the radial direction of the outer can 20.
  • the tip portion 214 may protrude toward the closure member from the thin portion in the height direction of the outer can.
  • the bent portion 212 and the tip portion 214 may also be thick portions.
  • the intermediate portion 213 has a thin portion 213-2 on the side closer to the tip portion 214, a thick portion 213-1 near the center of the intermediate portion 213, and a thin portion 213-3 on the side closer to the bent portion 212.
  • the tip of the bent portion 210 extends further inward on the sealing member 24 side, forming an annular tapered slope. This shape makes the tip thicker and easier to hold down (bite into) the inward extending portion 33c of the gasket 33.
  • the bent portion 210 has a thick tip portion 214 and a thin portion 213-2 near the inside thereof.
  • the pressing force against the gasket below it can be increased.
  • This increased pressing force increases the reaction force of the inner extension portion 33c of the gasket 33, and a reliable seal is obtained near the tip portion 214 of the inner extension portion 33c of the gasket 33.
  • the thin portion 213-2 is formed on the radial outside of the tip portion 214, the material pressed by the tip portion 214 can be received to maintain the reaction force of the gasket 33.
  • the bent portion 210 has an inclined surface on the surface facing the gasket 33 in the radially inner region of the thin portion 213 that approaches the gasket in the radially inner direction, and this region may become thicker as it moves inward.
  • the bent portion 210 may satisfy the requirement W5 ⁇ W6.
  • the bent portion 210 may also satisfy the requirement W5 ⁇ W4, W3 ⁇ W4, W3 ⁇ W2, or W1 ⁇ W2. If the tip portion 214 has a tapered slope and the thickness in the diagonal direction is W7, the tip portion may satisfy the requirement W6 ⁇ W7.
  • the bent portion 210 may also satisfy the requirement W2>W4.
  • the tip portion 212 is located on the 0.5A-A side.
  • the area of 0.9A-A is the tip portion.
  • the thickness of the tip portion W6 or W7 may be increased by 120% or more relative to the minimum thickness W5 in the middle portion of the outer can 20, particularly in the range of 0.5A-0.9A from the outer diameter.
  • the bent portion 212 is thicker than the surrounding area. By making the bent portion 212 thicker, the mechanical strength of the bent portion 212 can be improved.
  • the bent portion 210 has a thickness that varies in the radial direction, which can be achieved by a crimping device.
  • a motor is attached to the crimping device, and its rotating shaft extends in the vertical direction.
  • a body is attached to the lower end of the rotating shaft, and the body rotates within a horizontal plane.
  • wheels are rotatably supported on a horizontally extending shaft.
  • the stand can move up and down, and the crimping device moves up and down as a whole.
  • the shaft may extend in a direction other than horizontal.
  • This crimping device is positioned above the outer can 20, and the motor is rotated to rotate the body.
  • the wheels When the crimping device is moved downward in this state, the wheels come into contact with the upper end of the periphery of the outer can 20.
  • the wheels which function as a crimping die, are rotatable, and move while passively rotating above the upper end of the outer can 20. Then, when the crimping device is further lowered in this state, the upper end of the tubular portion 21 is gradually bent inward.
  • a notch is formed in the outer peripheral surface of the wheel, which is the surface that contacts the cylindrical portion.
  • the inner surface of the notch is in line contact with the cylindrical portion.
  • the inner surface of the notch has a first surface that faces the upper end of the cylindrical portion 21 in the height direction of the outer can, a second surface that is opposite the outer peripheral surface of the cylindrical portion in the radial direction, and a curved R portion at a corner where one end of the first surface and one end of the second surface are connected.
  • the tip of the bent portion 210 is thickened.
  • the R portion that contacts the tip is represented by an arc of a circle with a radius of 3 mm or less in a cross section obtained by cutting the wheel in the radial direction. Furthermore, it may be an arc of a circle with a radius of 2.5 mm or less, and may be an arc of a circle with a radius of 2.0 mm or less.
  • the thick portion 213-1 in the middle of the bent portion is thickened.
  • FIG. 4 is a partially enlarged view showing the configuration of the sealing member of the energy storage device according to this embodiment, where (a) shows the state before bending and (b) shows the state after bending.
  • the resin gasket 33 of the sealing member 24 has a protrusion 33d in the middle, slightly before the upper tip.
  • the cap 25, which is the metal sealing body of the sealing member 24, has a recess 25a formed in its peripheral portion at a position that corresponds to the protrusion 33d when the gasket 33 is folded to form the inner extension 33c.
  • the sealing body is defined as a member that is placed in the opening of the exterior body and covers at least a portion of the opening. Therefore, the protrusion of the gasket may be fitted into a member other than the cap.
  • the convex portion 33d of the gasket 33 fits into the concave portion 25a of the cap 25.
  • the reaction force of the gasket 33 acts on the underside of the bent portion 210, reliably sealing this portion.
  • the convex portion 33d has a cross-sectional shape that tapers downward, and the concave portion has a corresponding cross-sectional shape. This shape makes it easier for the convex portion 33d of the gasket 33 to fit into the concave portion 25a when folded.
  • this cross-sectional shape is not necessarily required, and rectangular parallelepiped convex portion 33d and concave portion 25a may also be used.
  • convex portion 33d and concave portion 25a into a circular ring shape, sufficient stress can be obtained in the gasket 33 in the entire radial direction.
  • they instead of being circular, they may be divided into multiple parts in the circumferential direction as long as they can be aligned in the circumferential direction.
  • FIG. 5 is a partially enlarged view showing the configuration of a sealing member for an energy storage device according to another embodiment, where (a) shows the state before bending and (b) shows the state after bending.
  • the shapes of the convex portion 33d and the concave portion 25a are different from those in the example of FIG. 2.
  • the convex portion 33d has a shape that increases in thickness toward the tip side of the gasket 33 (the radially inner side of the bent portion 210).
  • the radial cross section has a right-angled triangular shape that becomes thicker toward the inside.
  • the concave portion 25a has a shape that corresponds to the convex portion 33d.
  • the flow of material toward the inside of the gasket can be suppressed, achieving an optimal seal.
  • FIG. 6 is a partially enlarged view showing the configuration of a sealing member for a power storage device according to yet another embodiment, where (a) shows the state before bending and (b) shows the state after bending.
  • the cross section of the recess formed on the surface of the protrusion 33d facing the metal member is composed of multiple semicircles. Multiple hemispheres may protrude, or a circular protrusion may be formed.
  • the bottom surface of the recess 25a may be a hemispherical or semicircular groove that fits the protrusion 33d.
  • the recess 25a may also be a circular groove with a flat bottom surface as in FIG. 2, in which case, when the gasket is pressed downward by the bent portion 210, the bottom surface of the protrusion 33d expands to fit the shape of the recess 25a.
  • the flow of material toward the inside of the gasket 33 can be suppressed, and suitable sealing can be achieved.
  • the gasket 33 When the gasket 33 is folded together with the folding portion 210, the gasket 33 may be folded while being pressed radially inward by the wheel of the crimping device via the folding portion 210.
  • the inner extension portion 33c is formed by this pressing, the dimension from the outer periphery of the sealing body may be longer than before the folding starts due to elastic deformation.
  • the recess 25a may be formed at a position separated from the outer periphery of the cap by a predetermined distance inward, and the protrusion 33d of the gasket 33 may be fitted into the recess 25a in a state in which the gasket 33 is stretched radially inward.
  • the sealing property of the interface between the recess 25a and the protrusion 33d is improved by the reaction force of the protrusion 33d acting radially outward.
  • the above reaction force is particularly easy to obtain if the distance between the protrusion 33d and the outer periphery of the cap before folding the gasket 33 (in the protruding direction of the gasket) is shorter than the distance (radial direction) from the outer periphery of the cap to the recess 25a.
  • the distance between the convex portion 33d and the outer circumferential edge of the cap before the gasket 33 is folded may be shorter when the gasket 33 is not fitted in the concave portion 25a than when the gasket 33 is fitted in the concave portion 25a.
  • the protrusion 33d on the gasket 33 fits into the recess 25a on the sealing body (cap 25) of the sealing member 24, sealing the opening. This prevents the material of the gasket 33 from flowing and escaping inward, and the reaction force of the gasket 33 is sufficient to ensure a reliable seal.
  • REFERENCE SIGNS LIST 1 battery 10 electrode body, 11 positive electrode, 12 negative electrode, 13 separator, 19 positive electrode lead, 20 outer can, 21 cylindrical portion, 22 bottom portion, 23 groove portion, 24 sealing material, 25 cap, 25a recessed portion, 26 current collecting plate, 26a opening portion, 26b protruding portion, 33 gasket, 33d protruding portion, 34 upper insulating plate, 210 folded portion, 211 portion, 212 bent portion, 213 intermediate portion, 213-1 thick portion, 213-2: thin portion, 213-3: thin portion, 214 tip portion.

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Abstract

蓄電装置は、電極体(10)と、電極体(10)を収容し、筒部(21)と筒部(21)の一端側に開口部を有する外装缶(20)と、開口を閉鎖する封口部材(24)と、を含む。外装缶(20)の開口の周縁部には、内側に折りたたまれた折り曲げ部(210)が形成され、封口部材(24)は、開口を閉鎖するように設けられる板状の封口体と、封口体その上面と折り曲げ部との間に介在するガスケット(33)と有し、封口体の一部に凹部(25a)が形成されており、ガスケット(33)の一部に凸部(33d)が形成されており、ガスケットの凸部が封口体の凹部(25a)に嵌る。

Description

蓄電装置
 本開示は、二次電池などの蓄電装置に関する。
 リチウムイオン電池などの蓄電装置においては、発電を担う電極体を収容する有底円筒状の外装缶と、外装缶の開口部を塞ぐ封口部材とを備えるものが広く利用されている。
 このような蓄電装置では、外装缶内部への水分侵入を防ぐ必要などがあり、高い気密性が求められる。そこで、封口部材の周縁部を外装缶の上部にかしめ固定することで、外装缶と封口部材の接触部を封止する。
 すなわち、外装缶の上端に近い部分に内側に凹んだ円環状の溝部を周回するように形成する。そして、この溝部の上側に封口部材の周縁部を載せ、この状態で外装缶の上端部を内側に折り曲げようにしてかしめることで、封口部材の周縁部を溝部と、折り曲げ部とで挟み込んで固定する。
 特許文献1では、折り畳み部の先端を封口部材側にまで曲げることで、かしめ部分の封止性を改善している。
特開2000-173565号公報
 上記折り畳み部により蓄電装置の信頼性は向上する。しかし、蓄電装置の高容量化や高出力化に伴い、蓄電装置の信頼性をさらに高めている必要がある。そこで本開示は、信頼性に優れた蓄電装置を提供することを目的とする。
 本開示に係る蓄電装置は、電極体と、電極体を収容し、筒部と前記筒部の一端側に開口部を有する外装缶と、前記開口を閉鎖する封口部材と、を含み、前記外装缶の前記開口の周縁部には、内側に折りたたまれた折り曲げ部が形成され、前記封口部材は、前記開口を閉鎖するように設けられる板状の封口体と、前記封口体その上面と前記折り曲げ部との間に介在するガスケットと有し、前記封口体の一部に凹部が形成されており、前記ガスケットの一部に凸部が形成されており、前記ガスケットの凸部が前記封口体の凹部に嵌る。
 本開示に係る蓄電装置では、信頼性が向上する。
実施形態の蓄電装置の一例である電池1の断面図である。 電極体10の巻回状態を説明する図である。 外装缶20の上端を内側に折り曲げた折り曲げ部210の一例の縦断面図である。 本実施形態に係る蓄電装置の封口部材の構成を示す一部拡大図であり、(a)は折り曲げ前、(b)は折り曲げ後を示す。 他の本実施形態に係る蓄電装置の封口部材の構成を示す一部拡大図であり、(a)は折り曲げ前、(b)は折り曲げ後を示す。 さらに他の本実施形態に係る蓄電装置の封口部材の構成を示す一部拡大図であり、(a)は折り曲げ前、(b)は折り曲げ後を示す。
 以下、図面を参照しながら、本開示に係る蓄電装置の実施形態の一例について詳細に説明する。なお、以下で説明する複数の実施形態および変形例を選択的に組み合わせてなる構成は本開示に含まれている。
「全体構成」
 図1は、実施形態の蓄電装置の一例である電池1の断面図である。なお、蓄電装置には、キャパシタなども含まれる。
 図1に示すように、電池1は、電極体10と、電極体10を収容する外装缶20とを備える。外装缶20は、筒部21とその一端を塞ぐ底部22と、を含み、筒部21の他端には開口部が形成されており、その開口部は封口部材24で塞がれている。また、外装缶20には、電極体10と共に電解液が収容されている。電解液は水系電解液であってもよいが、本実施形態では非水電解液を用いるものとする。また、電解液に代えて、固体電解質を用いてもよい。固体電解質としては、例えば、固体状またはゲル状のポリマー電解質、無機固体電解質等が使用される。
 高さ方向において、筒部21の開口部側には、電池(または外装缶)の径方向内側に突出する円環状の溝部23が設けられている。封口部材24は溝部23に支持されて外装缶20の開口部を塞いでいる。以下では、説明の便宜上、電池1の封口部材24側を上、外装缶20の底部22側を下とする。なお、本開示の蓄電装置に用いられる外装缶は、高さ方向両端が開口しており、一対の開口がそれぞれ封口部材で封止されていてもよい。
 電池1は、さらに、電極体10の各所から封口部材24側に向けて延出し、電極体10を構成する第1電極と封口部材24の集電板26を直接接続する複数の電極リードを有する。また、電極体10と封口部材24との間には、例えば、上部絶縁板34が配置されている。
 電極体10は、第1電極と第2電極がセパレータを介して巻回された巻回型の電極体であって、本実施形態では、第1電極が正極、第2電極が負極であり、上記電極リードは正極リード19である。後述するように、正極リード19は、正極の長手方向において所定間隔をおいて複数配置されており、正極の上部から上方に延出する。
 正極リード19が正極と封口部材24の金属部品を電気的に接続する。また、負極は、例えばその芯材の突出部が負極集電板を介し外装缶20に接触することで、外装缶20に電気的に接続される。このため、封口部材24が正極端子として機能し、外装缶20が負極端子として機能する。上部絶縁板34は、正極および正極リード19が外装缶20に触れることを防止し、また正極リード19が電極体10の負極に触れることを防止する。なお、負極も外装缶の底部とリードを介して電気的に接続してもよい。
 図2は、電極体10の巻回状態を説明する図である。電極体10は、正極11、負極12、および正極11と負極12の間に介在するセパレータ13を含み、これらはいずれも帯状の長尺体であって、渦巻状に巻回されることで電極体10の径方向に交互に積層されている。正極11および負極12は、それぞれその表面に合剤層を有する。通常、負極12の合材層は、リチウムの析出を防止するために、正極11の合材層よりも一回り大きな寸法で形成される。すなわち、負極12の合材層は、正極11の合材層よりも長手方向および幅方向(短手方向)に長く形成される。図2の例では、正極11の内側の始端は、負極12の始端より外側に位置し、電極体10の中心部は、負極12とセパレータ13のみが巻回されている。また、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、正極11を挟むように2枚配置される。これによって、巻回した際に、セパレータ13が正極11と負極12の間に介在する。
 正極11は、帯状の正極芯体と、当該芯体の少なくとも一方の面に形成された正極合材層とを有する。正極芯体には、アルミニウム、アルミニウム合金など、正極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。正極合材層は、正極活物質、アセチレンブラック等の導電剤、およびポリフッ化ビニリデン等の結着剤を含み、正極芯体の両面に形成されることが好ましい。正極活物質には、例えば、リチウム遷移金属複合酸化物が用いられる。正極リード19は、正極に接続されるが、溶接等により正極芯体に直接接合されていることが好ましい。
 負極12は、帯状の負極芯体と、当該芯体の少なくとも一方の面に形成された負極合材層とを有する。負極芯体には、銅、銅合金など、負極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などを用いることができる。負極合材層は、負極活物質、およびスチレン-ブタジエンゴム(SBR)等の結着剤を含み、負極芯体の両面に形成されることが好ましい。負極活物質には、例えば黒鉛、シリコン含有化合物などが用いられる。なお、舌片状の負極リードを、溶接等により負極芯体に直接接合して集電板と接合してもよい。
 外装缶20に収容される非水電解質は、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が用いられる。非水溶媒は、これら溶媒の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いてもよい。非水溶媒の一例としては、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジメチルカーボネート(DMC)、およびこれらの混合溶媒等が挙げられる。電解質塩には、例えば、LiPF6等のリチウム塩が使用される。
 図1に戻り、外装缶20は、軸方向の上端が開口部した有底円筒形状の金属製容器であって、円筒状に形成された筒部21と、底面視円形状の底部22とを有する。外装缶20は、一般的に、鉄を主成分とする金属で構成されるが、特に外装缶20が正極と電気的に接続されるときは、アルミニウム等を主成分とする金属で構成されていてもよい。また、外装缶20は、筒部21の周方向に沿って形成された溝部23を有する。溝部23は、外装缶20の開口部の近傍において、開口部縁部(外装缶20の上端)から所定長さ下方に離れた位置に形成されている。所定長さは、例えば、外装缶20の軸方向長さの1~20%に相当する長さである。
 本実施形態では、外装缶20の底部22に、電池1の異常発生時に作動する安全弁機構が設けられている。底部22には、例えば、薄肉部が形成されている。電池1に異常が発生して内圧が上昇すると、この薄肉部が優先的に破断し、底部22にはガスの排出口が形成される。
 溝部23は、筒部21の一部が外装缶20の内側に張り出した部分であって、例えば、筒部21を外側からスピニング加工して形成される。なお、溝部23の形成位置において、外装缶20は縮径し、筒部21の外周面には細線状の溝が形成される。溝部23は、断面略U字形状を有し、筒部21の周方向全長にわたって環状に形成されることが好ましい。溝部23は、外装缶20内に電極体10を収容した後、筒部21を加工して形成されるとよい。
 溝部23の形成位置における外装缶20の内径は、例えば、外装缶20の最大内径の80~99%である。外装缶20の径方向に沿った溝部23の長さの一例は、0.5~2.0mmである。電極体10の直径は外装缶20の最大内径と同程度であるから、電極体10と溝部23は、電池1の上下方向に重なっている。本実施形態では、正極リード19の下端が正極の上端に複数個所で接続され、他端が集電板26を介しキャップ25に接続されている。
 封口部材24は、例えばキャップ25と、集電板26と、電気的に絶縁性であるガスケット33とを含み、全体として円盤状に形成されている。封口部材24は、外装缶20の溝部23上に配置され、外装缶20の開口部に固定されている。開口部の上端は、内側に折り曲げられ封口部材24に対してガスケット33を介してかしめられて折り曲げ部を形成している。言い換えると、封口部材24は、外装缶20の溝部23と折り曲げ部により、外装缶20の上端部に固定され、外装缶20の開口部を塞いでいる。折り曲げ部は、外装缶20の周方向に沿って環状に形成され、溝部23と共に封口部材24を挟持している。なお、封口部材24には、上部絶縁板34などの、外装缶20の上部開口部を覆うための部材が含まれる。また、封口部材24に、金属製のラプチャー板などが含まれてもよい。
 キャップ25は、円盤状の金属製部材であって、外装缶20の外部に露出して電池1の天面を形成している。キャップ25は、径方向中央部が電池1の外側に突出した形状(隆起部分)を有する。キャップ25には、電池1をモジュール化して組電池を構成する際に配線材が接続される。このため、キャップ25は、電池1の外部端子として機能し、外部端子又はトップカバーとも呼ばれる。本実施形態では、集電板26に正極リード19が接続され、キャップ25が正極外部端子として機能する。
 集電板26は、キャップ25と同程度の直径を有する金属製部材であって、キャップ25よりも電極体10側に配置されている。集電板26は、径方向中央部に開口部26aを有し、環状に形成されている。キャップ25と集電板26は溶接され、集電板26は、例えば、キャップ25の径方向中央よりも外周縁に近い位置に溶接されている。集電板26には、後述する環状の凸部26bが形成され、凸部26bがキャップ25との溶接部となる。集電板26には、上述のように、電極体10の正極につながった正極リード19が接続されるので、集電板26は正極集電板として機能する。なお、正極集電板を設けず、キャップに正極リードを直接接合してもよい。
 ガスケット33は、キャップ25および集電板26の積層体の外周部に包むように設けられている。ガスケット33は、キャップ25および集電板26と、外装缶20との接触を防止して、外装缶20と封口部材24の電気的な絶縁を確保するための環状の樹脂製部材又はゴム製部材である。ガスケット33は、上記積層体の外周部において、キャップ25の上面、キャップ25および集電板26の側面、および集電板26の下面を覆っている。また、ガスケット33は、外装缶20と封口部材24の隙間を塞いで、電池1の内部を密閉している。
 ガスケット33は、集電板26の下面の大部分を覆うように形成され、集電板26と上部絶縁板34の間に介在している。ガスケット33の径方向中央部には、集電板26の開口部26aと上下方向に重なる開口部33aが形成されている。また、ガスケット33には、集電板26の下方に位置する部分に貫通孔33bが形成されていてもよい。ガスケット33の上面には電解液が溜まることが想定されるが、貫通孔33bを設けることにより、かかる電解液を電極体10側に効率良く戻すことができる。貫通孔33bは、例えば、ガスケット33の周方向に沿って複数形成されている。さらに、ガスケット33は、キャップ25の外周部分から内側に延出する内側延出部33cを有する。
 外装缶20の上端は、内側に向けて折り曲げることで折り曲げ部210を形成する。この折り曲げ部210を負極外部端子として利用することができる。
「折り曲げ部210の構成」
 図3は、外装缶20の上端を内側に折り曲げた折り曲げ部210の一例の縦(半径方向)断面図である。このように、筒部21の軸方向(上下方向)に延びる部分211から、上端部において、内側に折り曲げ、折り曲げ部210が構成されている。この折り曲げ部210は、後述するようなかしめによって形成される。
 折り曲げ部210は、内側に折れ曲がる屈曲部212と、屈曲部212から内側に延びる中間部213と、内側先端となる先端部214とを含む。先端部214は外装缶20の径方向において、先端部214より外側に位置する薄肉部より厚く形成されていてもよい。先端部214は、外装缶の高さ方向において、薄肉部より封口部材に向かって突出していてもよい。そして、屈曲部212、先端部214も厚肉部となっていてもよい。また、中間部213は、先端部214に近い側に薄肉部213-2、中間部213の中央付近に厚肉部213-1、屈曲部212に近い側に薄肉部213-3を有する。
 また、折り曲げ部210の先端は、封口部材24側がより内側まで伸びて、環状テーパ斜面が形成されている。これのような形状によって、先端部を厚肉に形成してガスケット33の内側延出部33cを抑え(食い込み)やすくなっている。
 このように、折り曲げ部210は、厚肉の先端部214とその内側近傍の薄肉部213-2を有する。先端部214を厚肉にすることで、その下側のガスケットに対する押圧力を大きくできる。この押圧力が高まることにより、ガスケット33の内側延出部33cの反力が大きくなり、ガスケット33の内側延出部33cの先端部214付近における確実な封止が得られる。一方、先端部214の径方向外側には、薄肉部213-2が形成されているため、先端部214により押圧された肉を受け入れてガスケット33の反力を維持することができる。また、折り曲げ部の径方向の寸法が長くなっても折り曲げ部210の上面(折り曲げ部の厚さ方向において外側に向いた面)をより平坦にすることができる。従って、折り曲げ部210に負極端子などを溶接する際に十分な溶接エリアを確保することができる。また、折り曲げ部210は、薄肉部213より径方向における内側の領域のガスケット33と対向する面には、径方向に内側に向かってガスケットに近づく傾斜面があり、この領域は同内側に向かうほど厚肉になっていてもよい。
 ここで、図に示すように、筒部21の上部に当たる部分211(折り曲げ部を除く部分であり、溝部より上に位置する部分)の厚みをW1、屈曲部212の厚みをW2、中間部213の手前の薄肉部213-3の厚みをW3、中間部の厚肉部213-1の厚みをW4、中間部213の先端側の薄肉部213-2の厚みをW5、先端部の厚みをW6とすると、折り曲げ部210はW5<W6の要件を満たしていてもよい。また、折り曲げ部210はW5<W4、W3<W4、W3<W2、またはW1<W2の要件を満たしていてもよい。また、先端部214のテーパ状の斜面になっており、この斜め方向の厚みをW7とした場合、先端部はW6<W7の要件を満たしていてもよい。また、折り曲げ部210はW2>W4の要件を満たしていてもよい。
 折り曲げ部210の折り曲げ代の寸法を図3のようにAとしたとき、先端部212は、0.5A~A側に位置する。そして、特に0.9A~Aの領域を先端部する。外装缶20の中間部、特に外径から0.5A~0.9Aの範囲における最小厚みW5に対し、先端部W6またはW7の厚みを120%以上増してもよい。
 また、この例において、屈曲部212が周辺に比べ厚くなっている。屈曲部212が厚肉になっていることで、屈曲部212における機械的強度を改善できる。
「かしめ加工」
 ここで、折り曲げ部210は、半径方向において厚みが変化する。このような厚みは、かしめ装置によって形成することができる。
 かしめ装置には、モータが固定されており、その回転軸が上下方向に伸びている。回転軸の下端には胴部が固定されており、胴部が水平面内で回転する。
 胴部の下端の周囲には、車輪が水平方向に伸びる軸に回転可能に軸支されている。そして、架台が上下動可能であって、かしめ装置が全体として上下動する。なお、軸は、水平方向以外の向きに延びていてもよい。
 このかしめ装置を外装缶20の上方に位置させ、モータを回転させることで、胴部が回転する。この状態で、かしめ装置を下方に移動すると、車輪が外装缶20の周縁部の上端に接触する。加締めの金型として機能する車輪は回転可能であり、外装缶20の上端の上を受動回転しながら移動する。そして、この状態でさらにかしめ装置が下降することで、筒部21の上端が内側に徐々に折り曲げられていく。
 車輪が徐々に下降することで、筒部21の上端が内側に折り曲げられて、折り曲げ部210が形成されていき、ガスケット33とともに、封口部材24に押し付けられる。筒部との当接面である、車輪の外周面には切り欠きが形成されている。この切り欠きの内面が筒部と線接触する。切り欠きの内面には、筒部21の上端と外装缶の高さ方向において対向する第1面と、筒部の外周面と径方向で他行する第2面と、第1面の一端と第2面の一端とが接続する隅に曲面のR部とを有する。この際に、先端部が車輪の切り欠きに当接するかしめの序盤において、折り曲げ部210の先端部が増肉する。先端部を厚くするとき、先端部と当接するR部は、車輪を径方向の切断線で得られる断面において、半径3mm以下の円の弧で示される。さらに半径2.5mm以下の円の弧であってもよく、さらに半径2.0mm以下の円の弧であってもよい。そして、かしめの終盤において、折り曲げ部の中間部の厚肉部213-1が増肉する。
「封口部材品の構成」
 図4は、本実施形態に係る蓄電装置の封口部材の構成を示す一部拡大図であり、(a)は折り曲げ前、(b)は折り曲げ後を示す。
 このように、封口部材24の樹脂製であるガスケット33は、上側の先端より若干手前の中間部分において、凸部33dを有する。また、封口部材24の金属製の封口体であるキャップ25には、その周縁部分であって、ガスケット33が折り曲げられて内側延出部33cを形成する際にその凸部33dに対応する位置に凹部25aが形成されている。なお、本開示の蓄電装置では、外装体の開口部に配置されて開口部の少なくとも一部を覆う部材を封口体と定義する。そのため、ガスケットの凸部はキャップ以外の部材と嵌っていてもよい。
 従って、外装缶20の筒部21の上端部分をかしめ装置によって、折り曲げることによって、ガスケット33の凸部33dがキャップ25の凹部25aに嵌り込む。このため、外装缶20の筒部21の上端が内側に折り曲げ、折り曲げ部210が下方向に押圧された際に、この折り曲げ部210によって押圧されたガスケット33の凸部33dは、凹部25aに嵌り込んでいるため、径方向内側に移動することが抑制される。従って、ガスケット33の反力が折り曲げ部210の下面に作用し、この部分が確実に封止される。
 なお、この例では、凸部33dが下側に向けて先細り状の断面形状を有し、凹部がそれの対応する断面形状になっている。このような形状にすることよって、折り曲げた際にガスケット33の凸部33dが凹部25aに嵌り込みやすくなる。しかし、必ずしもこのような断面形状とする必要はなく、直方体状の凸部33dと凹部25aを採用してもよい。
 また、このような凸部33dと凹部25aは、円環状とすることで、半径方向全体において、ガスケット33の十分な応力が得られる。しかし、環状でなく、周方向の位置合わせができれば、周方向で複数に分割されていてもよい。
 図5は、他の実施形態に係る蓄電装置の封口部材の構成を示す一部拡大図であり、(a)は折り曲げ前、(b)は折り曲げ後を示す。この例では、図2の例と比べ、凸部33d、凹部25aの形状が異なっている。この例では、凸部33dはガスケット33の先端側(折り曲げ部210の径方向内側)に向けて厚みが増す形状である。すなわち、半径方向の断面は内側に向けて肉厚となる直角三角形状となっている。また、凹部25aは凸部33dに対応した形状になっている。
 この例においても、上述の例と同様にガスケットの内側に向けての肉の流動を抑制して、好適な封止を達成することができる。
 図6は、さらに他の実施形態に係る蓄電装置の封口部材の構成を示す一部拡大図であり、(a)は折り曲げ前、(b)は折り曲げ後を示す。この例では、凸部33dの金属部材側の面に形成される凹部の断面が複数の半円から構成されている。複数の半球が突出するようにしてもよいし、円環状の突起としてもよい。この場合、凹部25aの底面について、凸部33dに適合した、半球状や、断面半円状の溝にすることができる。また、凹部25aは、図2と同様の底面が平坦な円環状の溝になっていてもよく、その場合ガスケットを折り曲げ部210で下方に向けて押圧した際には、凹部25aの形状に適合するように凸部33dの底面が広がる。
 このような構成においても、ガスケット33の内側に向けての肉の流動を抑制して、好適な封止を達成することができる。
  なお、ガスケット33が折り曲げ部210とともに折り曲げられる際、ガスケット33は折り曲げ部210を介してかしめ装置の車輪に径方向の内側に押されながら、折り曲げられていてもよい。この押しより、内側延出部33cを形成したとき、弾性変形により折り曲げ始める前より封口体の外周縁からの寸法が長くなっていてもよい。この弾性変形を利用して、凹部25aをキャップの外周縁から所定の距離だけ内側に離れた位置に形成し、ガスケット33の凸部33dを、ガスケット33を径方向の内側に伸ばした状態で、凹部25aに嵌めてもよい。この構成により、径方向の外側へ働く凸部33dの反力により、凹部25aと凸部33dの界面の封止性が向上する。このとき、ガスケット33を折り曲げる前の凸部33dとキャップの外周縁との距離(ガスケットの突出方向における)は、キャップの外周縁から凹部25aの距離(径方向)より短いと特に、上記反力を得やすい。言い方を変えれば、ガスケット33を折り曲げる前の凸部33dとキャップの外周縁との距離は、凹部25aに嵌っている状態より、凹部25aに嵌っていない状態のほうが短くてもよい。
 本実施形態では、封口部材24の封口体(キャップ25)に設けた凹部25aにガスケット33に設けた凸部33dが嵌り、封口される。従って、ガスケット33の肉が流動して内側に逃げることを防止でき、ガスケット33の反力を十分なものにして、確実な封止が行える。
 1 電池、10 電極体、11 正極、12 負極、13 セパレータ、19 正極リード、20 外装缶、21 筒部、22 底部、23 溝部、24 封口部材、25 キャップ、25a 凹部、26 集電板、26a開口部、26b 凸部、33 ガスケット、33d 凸部、34 上部絶縁板、210折り曲げ部、211部分、212屈曲部、213中間部、213-1 厚肉部、213-2 :薄肉部、213-3 :薄肉部、214先端部。
 

Claims (5)

  1.  電極体と、
     電極体を収容し、筒部と前記筒部の一端側に開口部を有する外装缶と、
     前記開口を閉鎖する封口部材と、
     を含み、
     前記外装缶の前記開口の周縁部には、内側に折りたたまれた折り曲げ部が形成され、
     前記封口部材は、前記開口を閉鎖するように設けられる板状の封口体と、前記封口体その上面と前記折り曲げ部との間に介在するガスケットと有し、
     前記封口体の一部に凹部が形成されており、
     前記ガスケットの一部に凸部が形成されており、
     前記ガスケットの凸部が前記封口体の凹部に嵌る、
     蓄電装置。
  2.  請求項1に記載の蓄電装置であって、
     前記凹部および前記凸部は、いずれも環状である、
     請求項1に記載の蓄電装置。
  3.  前記ガスケットの内側先端は、前記折り曲げ部の内側の先端より、内側に位置する、
     請求項1または2に記載の蓄電装置。
  4.  前記凸部が形成されるガスケットは樹脂製であり、前記凹部が形成される封口体は、金属製である、
     請求項1または2に記載の蓄電装置。
  5.  前記凹部が前記封口体の外周縁と離れて配置され、
     前記凹部から前記凸部が外れた前記ガスケットにおいて、前記封口体から前記凸部までの距離は、前記封口板の外周縁から前記凹部までの距離より小さい、
     請求項1に記載の蓄電装置。
     
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