JP2013062199A - 密閉形電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池封口体に開設された注液口を封止する際に発生する封止不良を無くし、封止工程における生産性を向上させることのできる技術と嵌合後漏液を防ぐ長期信頼性の確保を提供する。
【解決手段】封止栓２１は、平板状の蓋体２２と栓体２３とにより構成され、この栓体２３は、弾性材料で、かつ中空状態で形成されている。蓋体２２は、電池封口体１０の電解液注液口を覆う形で設置され、栓体２３は電池封口体に開口された注液口へ圧入され圧縮された状態となる。
蓋体２２と栓体２３とは、蓋体２２が注液口２０を蓋う状態で栓体２３と接するまでは分離されている。
栓体２３を中空の弾性部材で形成することで、注液口へ封止栓２１を圧入する際、栓体２３が注液口の内壁部分に密着し封止栓２１と電池封口体１０との溶接が十分に行われ確実に封止することができることで、信頼性の高い密閉形電池を提供することができる。
【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は密閉形電池に関する。

近年、携帯電話やパーソナルコンピュータなどの電子機器や、ハイブリッド自動車や、電気自動車、携帯電話基地局の無停電電源用などの電源、電力平準化に使用される電力貯蔵用の電源として、ニッケル水素二次電池や、リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池などの密閉形電池が期待されている。

密閉形電池は電解液を注液することにより初めて電池として電気化学的機能を有するようになる。その方法として、電池封口体に電解液を注液する1〜３ミリ程度の小さな注液口を開設しておいて、外装缶の開口部を電池封口体で封止した後、注液口からノズルで電解液を注液し、その後、注液口に封止栓を嵌め込んでこれをレーザ溶接で封止する方法などが知られている。

通常、封止栓は、栓体部分と蓋体部分とが一体形状となっており、注液口へ封止栓の栓体部分を圧入する際、栓体の外形寸法と注液口の開口径との寸法差が大きい場合、栓体が注液口へ圧入されず、封止栓が電池封口体と密着しなくなる場合や、栓体と注液口の嵌合範囲も狭く、きつくて嵌合ができないものや嵌合はできるがゆるくなりなど、封止栓と電池封口体との溶接が不十分となる懸念がある。

特開平１１−２５９３６号公報 特開２００５−１９０６８９公報

注液口の密閉性を向上し、漏液不良も低減し、信頼性の高い密閉形電池を提供することを目的とする。

実施形態によれば、正極と負極とをセパレータを介して形成された電極群と、前記電極群が収納される外装缶と、前記外装缶の開口部に取り付けられ、正極端子及び負極端子を有する電池封口体と、前記電池封口体若しくは前記外装缶に設けられた前記外装缶内へ電解液を注液する注液口と、前記電池封口体若しくは前記外装缶に設けられた前記注液口を蓋う状態で固着され、中央に円弧状の凸状部を有する板状の封止蓋体とを有する密閉形電池が提供される。

実施形態の密閉形電池を示す展開斜視図。 実施形態の密閉形電池の封口部分を示す斜視図。 図２におけるＡ―Ａ断面図。 本発明の実施の形態におけるＡ―Ａ断面図。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。

図１に示す角形の密閉形電池は、有底矩形筒状をなす外装缶１を具備する。外装缶１は、例えば、アルミニウム板もしくはアルミニウム合金板に深絞り加工を施すことにより成形されたものである。電極群２は、例えば、シート状の正極と、シート状の負極とをセパレータを間にして渦巻状に捲回した後、全体を電池缶の横断面形状に合致した断面四角形状に押し潰し変形することにより作製される。

正極は、例えば、正極活物質を含むスラリーをアルミニウム箔もしくはアルミニウム合金箔からなる集電体に塗着することにより作製される。正極活物質としては、リチウムを吸蔵放出できる酸化物や硫化物、ポリマーなどが使用できる。好ましい活物質としては、高い正極電位が得られるリチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウム燐酸鉄等が挙げられる。また、負極は、負極活物質を含むスラリーをアルミニウム箔もしくはアルミニウム合金箔からなる集電体に塗着することにより作製される。負極活物質としては、リチウムを吸蔵放出できる金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、合金等が使用でき、好ましくは、リチウムイオンの吸蔵放出電位が金属リチウム電位に対して０．４Ｖ以上貴となる物質である。このようなリチウムイオン吸蔵放出電位を有する負極活物質は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金とリチウムとの合金反応を抑えられることから、負極集電体および負極関連構成部材へのアルミニウムもしくはアルミニウム合金の使用を可能とする。たとえば、チタン酸化物、リチウムチタン酸化物、タングステン酸化物、アモルファススズ酸化物、スズ珪素酸化物、酸化珪素などがあり、中でもリチウムチタン複合酸化物が好ましい。セパレータとしては、微多孔性の膜、織布、不織布、これらのうち同一材または異種材の積層物等を用いることができる。セパレータを形成する材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合ポリマー、エチレン−ブテン共重合ポリマー等を挙げることができる。

非水電解液（図示しない）は外装缶１内に収容されており、電極群２に含浸されている。非水電解液は、非水溶媒に電解質（例えば、リチウム塩）を溶解させることにより調製される。非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、γ−ブチロラクトン（γ−ＢＬ）、スルホラン、アセトニトリル、１，２−ジメトキシエタン、１，３−ジメトキシプロパン、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２−メチルテトラヒドロフラン等を挙げることができる。非水溶媒は、単独で使用しても、２種以上混合して使用してもよい。電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ4）、六フッ過リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ4）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ6）、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ3ＳＯ3）等のリチウム塩を挙げることができる。電解質は単独で使用しても、２種以上混合して使用してもよい。電解質の非水溶媒に対する溶解量は、０．２ｍｏｌ／Ｌ〜３ｍｏｌ／Ｌとすることが望ましい。

図１に示すように、複数の正極導電タブ３は、正極の複数個所と電気的に接続されており、それぞれが電極群２の上側の端面から上向きに導出されている。一方、複数の負極導電タブ４は、負極の複数個所と電気的に接続されており、それぞれが電極群２の上側の端面から上向きに導出されている。正極導電タブ３には、例えば、正極の集電体を部分的に延出させたものを使用することができるが、正極と別体であっても良い。また、負極導電タブ４には、例えば、負極の集電体を部分的に延出させたものを使用することができるが、負極と別体であっても良い。

正極導電タブ３は、少なくとも先端部が重ね合わされた後、重ね合わされた部分の両方の最外層がＵ字状もしくは二つに折り曲げられた正極保護リード５で被覆されている。この正極保護リード５は正極導電タブ３に溶接によって固定されている。一方、負極導電タブ４は、少なくとも先端部が重ね合わされた後、重ね合わされた部分の両方の最外層がＵ字状もしくは二つに折り曲げられた負極保護リード６で被覆されている。この負極保護リード６は、負極導電タブ４に溶接によって固定されている。なお、導電タブと保護リードとの溶接方法には、レーザ溶接、超音波溶接、抵抗溶接等の方法が用いられるが、超音波溶接が好ましい。正極保護リード５の材質は、例えば、アルミニウムもしくはアルミニウム合金にすることができる。負極保護リード６の材質は、例えば、アルミニウムもしくはアルミニウム合金にすることができる。また、正極保護リード５の材質は、正極導電タブ３と同一の材質であることが好ましく、負極保護リード６の材質は、負極導電タブ４と同一の材質であることが好ましい。

正極保護リード５の外側の一方の面には、四角形板状の正極中間リード７が溶接されている。正極中間リード７は、大きさを正極保護リード５との対向面積よりも大きくすることが望ましく、また、厚さについては正極リード１５の厚さとの差が小さいことが望ましい。また、負極保護リード６の外側の一方の面には、四角形板状の負極中間リード８が溶接されている。負極中間リード８は、大きさを負極保護リード６との対向面積よりも大きくすることが望ましく、また、厚さについては負極リード１４の厚さとの差が小さいことが望ましい。なお、溶接方法には、レーザー溶接、超音波溶接、抵抗溶接等の方法が用いられるが、超音波溶接が好ましい。正極中間リード７の材質は、例えば、アルミニウムもしくはアルミニウム合金にすることができる。負極中間リード８の材質は、例えば、アルミニウムもしくはアルミニウム合金にすることができる。また、正極中間リード７の材質は、正極導電タブ３と同一の材質であることが好ましく、負極中間リード８の材質は、負極導電タブ４と同一の材質であることが好ましい。

外装缶１の開口部は封口部材９によって封止されている。封口部材９は、図１に示すように、外装缶１の開口部を塞ぐ電池封口体１０と、電池封口体１０の外面（上面）にガスケット１１を介して取り付けられた出力端子（リベット）１２と、電池封口体１０の内面（下面）に絶縁体１３を介して取り付けられた負極リード１４及び正極リード１５とを備える。ガスケット１１の材質としては、ポリプロピレン（ＰＰ）、熱可塑性フッ素樹脂等を挙げることができる。熱可塑性フッ素樹脂としては、例えば、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体（ＰＦＡ）、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（ＦＥＰ）等を挙げることができる。

電池封口体１０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金板材を素材にしたプレス成形品からなり、板面上にガスケット１１の取付け用に貫通孔１６が形成され、該貫通孔１６の上面側の開口周縁には、ガスケット１１用の受け座１７が凹み形成されている。受け座１７は、廻り止めのために円形以外の形状、例えば図１では四角形をしている。一方極端子としての正極端子１８は、電池封口体１０の上面側に凸状に張り出している。正極端子１８の先端面は、廻り止めのために円形以外の形状、例えば図１では四角形をしている。また、圧力開放弁は、電池封口体１０の上面における受け座１７と正極端子１８との間に位置する凹部内の底面に設けられたＸ字状の溝１９を備え、ケース内圧が一定圧力を越えると溝１９が破断して内圧を開放する役割を持つ。電解液注液口２０は、電解液の注液後、封止栓体２１で閉止される。この封止栓体２１は、電池封口体１０に溶接される。

負極リード１４は、絶縁体１３の軸用貫通孔３０と連通するように設けられ、少なくとも一部が円形以外の形状を持つ軸用貫通孔１４ｃを有する第１のプレート部１４ａと、第１のプレート部１４ａから電極群２側に延出された第２のプレート部１４ｂとを備え、Ｌ字型の断面形状を有するものである。第１のプレート部及び第２のプレート部は導電材料から形成されている。軸用貫通孔１４ｃは、円形穴からなる。軸用貫通孔１４ｃには、出力端子１２の軸先端部２４が挿入される。負極リード１４の厚さは０．５〜１．５ｍｍが望ましい。また、負極リード１４の材質は、活物質の材質に合わせて変更される。負極活物質がチタン酸リチウムの場合、アルミニウムもしくはアルミニウム合金を使用することができる。

正極リード１５は、四角形の板からなる第１のプレート部１５ａと、第１のプレート部１５ａから電極群２側に延出された第２のプレート部１５ｂとを備える。第１のプレート部及び第２のプレート部は導電材料から形成されている。第１のプレート部１５ａと電池封口体１０の下面と接触して正極端子１８の周囲にレーザ溶接される。正極リード１５の材質は、正極活物質の種類により変更されるものではあるが、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金を使用することができる。

図１に示すように、封口部材９の負極リード１４の第２のプレート部１４ｂに、負極中間リード８がレーザ溶接され、かつ封口部材９の正極リード１５の第２のプレート部１５ｂに正極中間リード７がレーザ溶接される。正負極中間リード７，８を設けることによって、封口部材９と、電極群２の正負極導電タブ３，４との電気的接続が容易になる。すなわち、正負極導電タブ３，４を正負極保護リード５，６と中間リード７，８とで挟み、これらを超音波溶接により一体化した後、中間リード７，８を正負極リード１４，１５にレーザ溶接することによって、溶接の際に封口部材９に振動が加わらないため、封口部材９に設けられた圧力開放弁の溝１９の破断を防止することができる。なお、保護リードを厚くすることができ、保護リードが溶接された導電タブをリード部材にレーザ溶接することが可能な場合、中間リードは用いなくても良い。

封口部材と電極群との電気的接続を行った後、電池封口体１０を外装缶１に内嵌したうえで、電池封口体１０と外装缶１との嵌合面が溶接により封止される。最後に、電池封口体１０の電解液注液口２０から電解液を外装缶１内へ注液した後、注液口２０へ栓体２２を圧入し、栓体２２を覆うようにして封止蓋体２１を溶接により固着し、注液口２０を封止することによって図１に示す電池が得られる。

次に封止部材について説明する。図１に示すように、電解液の注液口は外装缶を密閉に封止する電池封口体に開口された１〜３ｍｍ程度の小さな径を有する孔である。また、注液口の開口部は、電池外部方向へテーパー状に拡がり面取り形状となっていてもよい。
封止蓋体２１は、図３に示すように、平板状の蓋体で板状部に円弧状の凸状部を有する。栓体２２は、弾性材料で形成され略球形の形状である。そして、封止蓋体２１と栓体２２とは分離自在であり、封止蓋体が電池封口体へ溶接により固着される工程までは密着されていなくともよい。

封止蓋体２１は、封口電池封口体１０の電解液注液口を覆う形で設置され、栓体２２は電池封口体に開口された注液口へ挿入され圧縮された状態となる。
封止蓋体２１は、注液口へ圧入された栓体２２を注液口内で保持できる剛性を備えていることが好ましい。そして、注液口を密閉するために、レーザ溶接等により固着される。そのため、封止蓋体２１の材質は電池封口体と同様の材質であることが好ましい。具体的には、本実施形態においては、電池封口体と同質であるアルミニウムまたはアルミニウム合金が適している。

栓体２２は、電極群を内蔵した電池容器の中へ注液口から電解液が注液され、その後、注液口へ圧入される。このため、栓体は直接電解液に接することや、電池が過充電等の何らかの外的な不具合により発熱等した場合に備え、耐電解液性、耐熱性を有する材料が好ましい。具体的には、ＥＰゴム、ＥＰＤＭ、シリコン系ゴム、ポリプロピレン、ポリエチレン等を使用することができる。特に、ＥＰゴム、ＥＰＤＭが好ましい。

栓体の形状は、図１に示すように本実施形態では略球形をしており、球形の外径は注液口へ挿入された際、圧縮状態となるよう注液口内径より大きくなっている。本実施形態では、略球形の形状について説明したが、円錐台形、楕円球形、円柱形などでもよい。円柱形の場合は、先端部に面取り部を設け、面取り部先端は注液口の開口径よりも細くなっている。

封止蓋体２１は、電解液の注液口２０を覆うようにして封口電池封口体１０へ固着される。この場合、電解液は、電池封口体１０の注液口２０から外装缶１内へ注液した後、注液口２０へ栓体２２を挿入し、封止蓋体２１の板状部に形成された円弧状の凸状部が電池内部へ向かう方向で電池封口体１０に密着され、溶接により固着される。
また、栓体２２が注液口２０へ十分に挿入されていない場合は、封止蓋体２１の板状部に形成された円弧状の凸状部により注液口２０内へ十分に挿入される。
電解液の注液口は外装缶を密閉に封止する電池封口体に開口された１〜３ｍｍ程度の小さな径を有する孔である。また、注液口の開口部は、電池外部方向へテーパー状に拡がり面取り形状となっていることで、注液口を小さくした場合においても、封止蓋体２１の板状部に形成された円弧状の凸状部が、注液口開口部のテーパー状の面取り部分へ配置される。そのため、封止蓋体２１の凸状部が注液口内へ収まり、封止蓋体２１と電池封口体１０とが十分に密着され、溶接の信頼性が確保される。
また、封止部材による電解液の注液口を封止する工程は、図３に示すように、電池封口体１０の電解液注液口２０から電解液を外装缶１内へ注液した後、注液口２０へ栓体２２を圧入し、封止蓋体２１の円弧状の凸状部を、電池の外部方向へ向け配置し栓体２２を覆うようにして封止蓋体２１を溶接により固着する。そして、封止蓋体２１の凸状部を上部から押圧することで、図４に示すように封止蓋体２１の板状部に形成された円弧状の凸状部が電池内部へ向かう方向で電池封口体１０に固着される。
また、封止蓋体２１の板状部に円弧状の凸状部を形成することにより、略球状の栓体２２を注液口の筒状部内へ収納することができ、電池封口体１０と封止蓋体２１との溶接部に欠陥があった場合においては、加圧リーク検査時の加圧する圧力が小さくても、確実に略球状の栓体を注液口から電池内部に落とすことができ、加圧した圧力を開放した後の電池の膨らみで、溶接部の欠陥検出が可能となる。

以上のように本実施形態では、密閉形電池用電池封口体に開設された注液口を封止する際に用いる封止栓を、電池封口体の表面上に注液口を覆う状態で固着される蓋体と、弾性を有する材料で形成された中空の栓体とで構成した。
このようにして注液口を封止すると、封止栓の栓体は、中空の弾性部材で成形されているため、栓体により注液口が密閉に保持され、栓体の上に配置される蓋体と電池封口体をレーザ溶接する前に気密性を確保することができる。これによって封止栓の蓋体と電池封口体とのレーザ溶接を通常雰囲気内でも溶接が可能となる。

封止蓋体と栓体とが分離していることによって、栓体を注液口に挿入した後に電解液などが注液口周辺に付着した場合には、封止蓋体を注液口へ配置する前に、注液口周辺の電解液などを除去し、その後、封止蓋体を注液口へ配置し、電池封口体と溶接することで溶接不良を回避することができる。
栓体を弾性体とすることで、栓体の外形寸法と注液口の開口径との寸法精度が悪い場合においても、一定の圧力で注液口へ栓体が十分に挿入され、更に、圧入された栓体にわずかながらのズレが生じていたとしても、栓体が柔軟に変形することで、蓋体が電池封口体と密着し、封止栓と電池封口体との溶接が十分行われる。これにより製造された密閉形電池は、漏液がなく長期信頼性を確保できる。

つまり、本実施の形態によれば、封止栓挿入不良を低減し、密着性をあげたことによって漏液不良も低減し、信頼性の高い密閉形電池を提供することができる。このため、ヒートサイクルや大電流用途等において液漏れの無い信頼性に優れた密閉型の電池を提供でき、特にハイブリッド車や電気自動車に搭載する車載用二次電池、電力平準化に使用される電力貯蔵用二次電池として好適なものとなる。

なお、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…外装缶、２…電極群、３…正極導電タブ、４…負極導電タブ、５…正極保護リード、６…負極保護リード、７…正極中間リード、８…負極中間リード、９…封口部材、１０…電池封口体、１１…ガスケット、１２…出力端子、１３…絶縁体、１４…負極リード、１５…正極リード、１６…貫通孔、１７…受け座、１８…正極端子、１９…圧力開放弁、２０…電解液注液口、２１，３１，４１…封止蓋体、２２，３２，４２…蓋体、２３，３３，４３…栓体

Claims (5)

1. 正極と負極とをセパレータを介して形成された電極群と、
   前記電極群が収納される外装缶と、
   前記外装缶の開口部に取り付けられ、正極端子及び負極端子を有する電池封口体と、
   前記電池封口体若しくは前記外装缶に設けられた前記外装缶内へ電解液を注液する注液口と、
   前記電池封口体若しくは前記外装缶に設けられた前記注液口を蓋う状態で固着され、円弧状の凸状部を有する封止蓋体と、
   を備えた密閉形電池。
2. 前記注液口は、栓体と封止蓋体とにより形成されていることを特徴とする請求項１の密閉型電池。
3. 前記注液口の形状は、開口部が面取りにより拡がっていることを特徴とする請求項１の密閉型電池。
4. 前記栓体の横断面形状が円形である請求項１記載の密閉形電池
5. 前記栓体の最外径は、前記注液口の内径よりも大きく形成されている請求項１記載の密閉形電池。

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