JP2005146370A - アルミニウム製金属ボール、電解液注入孔封止材及び当該封止材を使用して製造された電池 - Google Patents

Abstract

【目的】 均一液滴噴霧法にて製造された電解液注入孔封止材用のアルミニウム製金属ボール及びそれを使用して製造されたリチウムイオン電池等の電池を提供する。
【解決手段】 均一液滴噴霧法を用いて製造される本発明のアルミニウム製金属ボールの直径は０．５〜２ｍｍで、ビッカーズ硬度はHv３０以下である。本発明では、電解液注入孔封止材として、ヘッダー加工法にて得られたアルミニウム製金属ボールよりも硬度の低いものが使用されるために、圧入時に外装材の電解液注入孔周辺に変形等のダメージがなく、リチウムイオン電池等の電池を生産性良く製造することができる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、各種電源として利用されるリチウムイオン電池等の電池のアルミニウム製外装材に設けられた電解液注入孔に圧入して使用される金属ボール（球状の電解液注入孔封止材）、並びに、このような封止材により電解液注入孔が封止された構造の電池に関するものである。

近年、アルミニウム製の外装材を用いたリチウムイオン電池が、携帯電話やパソコン他の携帯機器の分野において年間数億個使用されている。
従来、このリチウムイオン電池を組み立てて、電解液を注入した後、電解液注入口を封止する材料としては、ヘッダー加工法やプレス加工法により製造されたアルミニウムまたはアルミニウム合金製のピンや、ヘッダー加工法にて製造されたアルミニウムまたはアルミニウム合金製金属ボールが用いられてきた。例えば、下記の特許文献には、リチウムイオン電池の電解液注入口を封止するための部材として、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼から成る群より選択された材質より成るリベット形状のシーリング部材が開示されている。
特表２００２−５３５８１７号公報

しかしながら、電池外装材の電解液注入口を封止するのに使用されるピン状部材の場合には、高い加工精度が要求され、部品の形状から使用する方向が限定され、電解液注入孔とのかん合が難しいという問題が有る。
一方、ヘッダー加工法により製造されたアルミニウムまたはアルミニウム合金製金属ボールの場合には、ピンに比較して３６０度どの方向からでも使用できるという利便性が有るが、この加工方法によって出来たアルミニウムまたはアルミニウム合金製金属ボールは塑性変形による加工硬化の為硬度が高い為、圧入挿入時に蓋やケースなどの外装材に変形が発生するなどの問題が多発していた。また、ヘッダー加工法により製造されるアルミニウムまたはアルミニウム合金製金属ボールは生産性が悪く、今後のリチウム電池等の電池普及に向け、コスト面から１つの障害となっていた。そこで本発明は、リチウムイオン電池等の電池外装材に開けられた電解液注入孔の封止材料の特性を改善して、電池製造工程での歩留まり向上と生産性の向上を図ることを課題とする。

本発明者等は前述の問題を解決するために検討した結果、アルミニウム製金属ボールの硬度を、ヘッダー加工法にて得られたアルミニウム製金属ボールよりも低くし、圧入時に外装材の電解液注入口周辺に変形等のダメージを与えないようにするには、均一液滴噴霧法で製造されたアルミニウム製金属ボールが好適であり、特定の硬度以下の金属ボールを使用した場合に外装材の変形が有効に防止できることを見い出し、本発明に至った。
即ち、本発明のアルミニウム製金属ボールは、０．５〜２ｍｍの直径を有し、ビッカーズ硬度がHv３０以下であることを特徴とする。
又、本発明は、上記の直径及びビッカーズ硬度を有し、均一液滴噴霧法により製造されたアルミニウム製金属ボールでもある。
更に、本発明は、リチウムイオン電池等のアルミニウム製電池外装材に設けられた電解液注入孔に圧入して使用される封止材（電解液注入孔封止材）で、前記封止材が、０．５〜２ｍｍの直径を有し、ビッカーズ硬度がHv３０以下のアルミニウム製金属ボールであることを特徴とするものでもある。
又、本発明は、アルミニウム製電池外装材に設けられた電解液注入孔に封止材が圧入された構造を有する電池であって、前記封止材として、０．５〜２ｍｍの直径を有し、ビッカーズ硬度がHv３０以下のアルミニウム製金属ボールが使用されていることを特徴とするリチウムイオン電池等の電池でもある。
なお、本発明におけるアルミニウム製金属ボールの硬度は微小硬さ試験機を用いて測定されたものである。

本発明の効果としては、アルミニウム製外装材を使用するリチウムイオン電池等の電解液注入孔の封止材に、均一液滴噴霧法で低コストで安定して製造される硬度の低いアルミニウム製金属ボールを利用することによって、外装材の電解液注入孔周辺に変形等のダメージを与える事無く、封止材を圧入することが可能であり、これにより、イオン電池等の製造工程での歩留まり向上と生産性の向上を図ることが実現できる。

０．５〜２ｍｍの直径を有するアルミニウム製金属ボールの作成方法としては、ワイヤー状に加工したアルミ線を一定長さに切断し、それを半球凹状の金型内部に仕込み、ボールヘッダーマシンにて圧縮して球形に成型し、その後圧縮によって出来た表面バリを除去し仕上げる方法（ヘッダー加工法）があるが、この方法ではビッカーズ硬度がHv３０以下のアルミニウム製金属ボールを得ることは困難であるために、ビッカーズ硬度がHv３０以下で、しかも０．５〜２ｍｍの直径を有する本発明のアルミニウム製金属ボールの作成方法としては、溶融アルミニウム液滴を滴下させ冷却過程で球状化する方法（均一液滴噴霧法）が好適である。均一液滴噴霧法にて得られた本発明のアルミニウム製金属ボールは、ヘッダー加工法により得られたアルミニウム製金属ボールよりも硬度が低く、生産性も良好であり、リチウムイオン電池等の電池の電解液注入孔を封止するための封止材に最も適している。なお、ヘッダー加工法により得られたアルミニウム製金属ボールの硬度が、均一液滴噴霧法にて得られたものよりも高い理由は、前述のように金型による圧縮の塑性変形での加工硬化によるものと考えられる。
本発明におけるアルミニウム製金属ボールの粒径は、外装の電池外装材に設けられた電解液注入孔の寸法に左右されるが、現在主流の電池ケース寸法から判断すると直径０．５〜２ｍｍのものが最も実用性のある範囲である。
又、本発明のアルミニウム製金属ボールを製造する際に適した原料としては、ＪＩＳ １０８５（Ａｌ純度９９．８５以上）、１０７０（Ａｌ純度９９．７０以上）、１０５０（Ａｌ純度９９．５０以上）等が挙げられる。
本発明の金属ボールの硬度は上記のビッカーズ硬度で表される他、直径１ｍｍのボールについて、測定温度＝２３℃で圧縮試験を行い、クロスヘッド移動量法により荷重‐クロスヘッド移動量線図を取得し、荷重＝５０Ｎ時の変形量（試験速度＝０．５ｍｍ／ｍｉｎ）をクロスヘッド移動量から読み取った際の変形量が０．２８〜０．４１の範囲にあるものでもある。この値は、ヘッダー加工法により得られたアルミニウム金属ボールについての同一測定条件下での変形量（０．１０〜０．２２）よりも明らかに大きい。

次に、本発明のアルミニウム製金属ボールを製造する際に使用される製造装置について説明する。
図１は、本発明のアルミニウム製金属ボールを製造する際に使用される均一液滴噴霧装置の概略を示す図である。この装置は坩堝１を備えている。坩堝１は坩堝蓋１０によって密閉されている。坩堝１はカーボンから構成されているが、基本的にはアルミニウムの融点より融点が高く、アルミニウムと反応を起こさない材質のものから構成されても良い。坩堝１の周囲には第一の加熱手段として加熱器２が設けられている。加熱器２は高周波誘導加熱器であるが、坩堝内の温度をアルミニウムの融点以上にできるものであれば限定されるものではない。坩堝１内のアルミニウムは第一の加熱手段によって加熱され溶融される。坩堝１内には熱電対６が設置されており溶融物の温度がわかるようになっている。坩堝１の底部にはオリフィス７が設けられている。オリフィス７の個数は1個であるが複数個のオリフィスを設けても良い。坩堝１にはガスの注入口３が設けられており、坩堝内を加圧し、溶融物８を噴出できるようになっている。注入されるガスとしては不活性ガスが用いられる。ガスとしてはアルゴン、ヘリウムが挙げられるが冷却速度の速さから判断してヘリウムを使用するのが好ましい。坩堝１内には振動棒５が設けられている。振動棒５の上端部には圧電素子４が取り付けられており、振動棒５を上下に振動できるようになっている。オリフィス口径、ガス圧、振動周波数は目的とするアルミニウム製金属ボール９の粒径により適宜選択される。坩堝１内の溶融物はガス注入口３よりガスを注入することによって坩堝１底部に設置されているオリフィス７より噴出されるが、ガス注入と同時に振動棒５により圧電素子４の振動が坩堝１内の溶融物に伝わる。この振動の伝達によりオリフィス７より噴出された溶融物は均一な液滴に分断され、坩堝１の下部に設置されている冷媒槽１１内の冷媒１２中に滴下され凝固球状化される。冷媒１２としてはシリコーンオイル等の合成油が用いられる。

又、本発明は、アルミニウム製電池外装材に設けられた電解液注入孔が前述のアルミニウム製金属ボールにより封止された構造の電池でもあり、図２には、本発明の電池の一例として、近年携帯電話等の電池として大量に使用されているアルミニウム合金製の外装材、ケースと蓋を持つリチウムイオン電池の内部構造が部分断面図により示されている。
図２における符号１３は電解液注入孔であり、この電解液注入孔に本発明のアルミニウム製金属ボール（電解液注入孔封止材）９が挿入されており、この金属ボール９の上には金属薄板１４が配置され、この金属薄板１４が蓋１５に固定されている。図２において、符号１６はアルミニウム合金製の外装材、１７は陽極端子、１８は、陽極板、陰極板及びセパレータを含む極板群である。
尚、このような構造の本発明の電池を製造するには、先ずそれぞれ活物質を塗布した正極と負極をセパレーターを介して所定の幅、長さで巻き取り、これをケース内に挿入し、次に外装材に正負極を導通させて蓋を溶接して、外装材に開けられた電解液注入孔から電解液を注入し、この後、本発明のアルミニウム製金属ボールを電解液注入孔に挿入する。そして、図２に示されるようにして金属薄板を配置し、注入孔が完全に密閉された状態で金属薄板を蓋にレーザー溶接等により固定する。

〔実施例１〕
この実施例においては、図１に示される均一液滴噴霧装置を用いて、直径０．５ｍｍのアルミニウム製金属ボールを製造した。まず坩堝底部に一つのオリフィスを有する坩堝を使用し、溶融坩堝内にアルミニウム地金を仕込んだ。ヘリウムガス雰囲気下で坩堝内の加熱を開始して溶融した。坩堝内アルミニウム地金が完全に溶融した後に振動棒を振動させた。坩堝内にヘリウムガスを注入して溶融物の噴出を開始し、坩堝内の溶融物を全て噴出させた。オリフィス口径、ガス圧、振動周波数は製造されるアルミニウム製金属ボールが０．５ｍｍになるように選択した。坩堝より噴出した溶融液滴はシリコーンオイル中で冷却し、凝固球状化した。その後回収して脱脂洗浄して乾燥させた。乾燥させたアルミニウム製金属ボールは０．５１ｍｍと０．４９ｍｍの精密篩を使用して選別をおこないサンプル１を得た。次に、そのサンプル１を無作為に１００個取り出し、電池の電解液注入口に圧入し封止材として使用し電池ケースを１００個製造した。
次に、同様にして直径１ｍｍ、２ｍｍのアルミニウム製金属ボールになるよう適宜条件を選択し、本発明に従うサンプル２，３を製造した。
以下の表１は、サンプル１，２，３から各々無作為に５個のボールを抽出し前記の方法にて硬度を測定した結果である。結果を見る限りすべてHv３０以下となっている。

表２は、本発明のサンプル１，２，３を使用し前記の方法で電池ケース１００個を製造した際の収率である。表２の結果からわかるように、収率はすべてにおいて１００％となっている。

〔比較例１〕
この比較例においてはヘッダー加工法を用いて、直径０．５ｍｍのアルミニウム製金属ボールを製造した。まず、直径０．５ｍｍのアルミニウムの線材を０．３５ｍｍの長さに切断した。切断したアルミニウムの線材を直径０．５ｍｍの半球凹状の金型内部に仕込みヘッダーマシンを用いて圧縮して球形に成型した。次に圧縮によって出来た表面バリをフラッシングによって除去研磨した。その後回収して脱脂洗浄して乾燥させた。乾燥させたアルミニウム製金属ボールは０．５１ｍｍと０．４９ｍｍの精密篩を使用して選別をおこないサンプル４を得た。
次に、同様にして直径１ｍｍ、２ｍｍのアルミニウム製金属ボールになるようアルミニウムの線材の直径、長さを選択し、サンプル５，６を製造した。
以下の表３は、実施例１と同様のサンプル４，５，６から各々無作為に５個のボールを抽出し、前記の方法にて硬度を測定した結果である。結果を見る限り、サンプル４〜６はサンプル１，２，３に比べ高い数値になっている。

表４は、サンプル４，５，６を使用し前記の方法で電池ケース１００個を製造した際の収率である。

ヘッダー加工法により製造された金属ボールは硬度が高いために、ＬＩＢ蓋板の電解液注入孔に圧入する際のボール側の変形量が少なく、相手側の蓋板の変形ダメージを与え、外観上の不良が発生し、蓋板の変形発生率は１００％で、圧入圧力や圧入速度を調整してもこの問題は発生した。
これに対して、本発明のアルミニウム金属ボールを用いた場合には、金属ボール側に圧入時に良好に変形が起こり、電解液注入孔内にうまく収まるために、蓋板には一切変形が発生せず、変形の発生は０％であった。

アルミニウム製外装材に設けられた電解液注入孔に、均一液滴噴霧法を用いて低コストで安定して製造される硬度の低いアルミニウム製金属ボールを圧入することにより、外装材の電解液注入孔周辺に変形等のダメージを与える事無く、これにより、イオン電池等の製造工程での歩留まり向上と生産性の向上を図ることができる。

本発明のアルミニウム金属ボールを製造するのに使用される均一液滴噴霧装置の概略図である。 本発明の電池（リチウムイオン電池）の一例における部分断面図である。

符号の説明

１ 坩堝
２ 高周波誘導加熱器
３ ガス注入口
４ 圧電素子
５ 振動棒
６ 熱電対
７ オリフィス
８ 溶融物
９ 金属球
１０ 坩堝蓋
１１ 冷媒槽
１２ 冷媒
１３ 電解液注入孔
１４ 金属薄板
１５ 蓋板
１６ ケース
１７ 陽極端子
１８ 極板群

Claims (4)

1. ０．５〜２ｍｍの直径を有し、ビッカーズ硬度がHv３０以下であることを特徴とするアルミニウム製金属ボール。
2. 均一液滴噴霧法により製造されたものであることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム製金属ボール。
3. アルミニウム製電池外装材に設けられた電解液注入孔に圧入して使用される封止材であって、前記封止材が、０．５〜２ｍｍの直径を有し、ビッカーズ硬度がHv３０以下のアルミニウム製金属ボールであることを特徴とする電解液注入孔封止材。
4. アルミニウム製電池外装材に設けられた電解液注入孔に封止材が圧入された構造を有する電池であって、前記封止材として、０．５〜２ｍｍの直径を有し、ビッカーズ硬度がHv３０以下のアルミニウム製金属ボールが使用されていることを特徴とする電池。

Images