JP2008251411A - 密閉型電池とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】負極端子18を円盤状の端子部180と、先端部187において外部に連通する中空部185を持つ本体部181と、集電部品22の挿通口付近に形成された円錐台部(カシメ被り代)182で構成する。円錐台部182の底面Cは、集電部品22の下方の主面部Bに密着するようにカシメ圧接する。そして円錐台部182と集電部品22を、円錐台部182の周縁領域において複数の溶接スポット部183が形成されるようにレーザ溶接する。
【選択図】図2
Description
これらの電子機器には、高エネルギー密度の電源として、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの密閉型電池が多用されている。
密閉型電池は、一般に有底角形等の形状を持つ外装缶に、電極体が電解液とともに収納され、封口板により内部封止されてなる。電極体は、例えば帯状のセパレータを介して正負両極板を重ね、これを渦巻き状に巻回して成形した構成を有する。負極板はリードタブを介して集電部品に接続され、当該集電部品は封口体に配された電極端子(負極端子)と接続される。正極板はリードタブを介して正極端子を兼ねる外装缶に接続される。
すなわち図6(a)に示す例によれば、板状部182xの周縁には、集電部品22の主面部Bの平面方向に対して角度θ1が鋭角となる端面を持つ傾斜端部184xが形成される。ここで、領域S1での板状部182xと集電部品22との溶接に際し、板状部182xの主面部Eの主面に対して垂直方向付近からレーザ照射すると、傾斜端部184x周辺の主面部Eによる遮蔽を受けて、当該傾斜端部184x直下の集電部品22の主面部B付近へのレーザ照射がなされない。従って、レーザ照射の際には傾斜端部184xの付近のみが熱エネルギーを受けて溶解し、集電部品22との溶け込みが生じない場合がある。また、傾斜端部184xとその直下の主面部Bとの間には間隙が存在するため、レーザのエネルギーは集電部品22側には伝達されずに傾斜端部184xに集中するので、過熱により部材がスパッタで欠落する問題も生じうる。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、電極端子と集電部品を確実に溶接することにより、優れた電池性能の発揮が可能な密閉型電池とその製造方法を提供することを目的とする。
また、円錐台部と集電部品とは、円錐台部の底面周縁を含む領域においてエネルギービーム照射によりスポット溶接することも可能である。
さらに本発明は、密閉型電池の製造方法であって、主面部を有する集電部品に対し、その主面部に本体部を持つ端子部材を当該本体部において挿通させ、挿通した本体部を部分的に拡径して板状部を形成することにより集電部品と端子部材をカシメ圧接させる拡径ステップと、板状部を成形することにより、底面が前記主面部と対向するように円錐台部を形成する成形ステップと、円錐台部の底面と集電部品の主面部とを互いにカシメ圧接させた状態で、円錐台部と集電部品とを、円錐台部の周縁を含む領域において溶接する溶接ステップとを経るものとした。
また、本発明は、密閉型電池の製造方法であって、主面部を有する集電部品に対し、先端が擂り鉢状に開口された本体部を持つ端子部材を当該本体部において挿通させる挿通ステップと、挿通した本体部を部分的に拡径することで、底面が前記主面部と対向させた円錐台部を形成しながら集電部品と端子部材をカシメ圧接させる拡径ステップと、円錐台部の底面と集電部品の主面部とを互いにカシメ圧接させた状態で、円錐台部と集電部品とを、円錐台部の底面周縁を含む領域において溶接する溶接ステップと、を経るものとした。
また、本願で言及する「錐台」とは実質的な形状を指し、実際の製造工程における公差を考慮したものとする。
このため、円錐台部の底面は、その全面で集電部品の主面部と隙間なく密着でき、且つ、円錐台部の上面をその垂直方向付近から見下ろすと、円錐台部の底面の周縁端部とその周辺の集電部品の領域は、円錐台部のテーパー状の傾斜端部の周囲で共に外部に露出している。
その結果、従来のように、レーザ溶接時に電極端子のみが溶解して集電部品に溶け込まず、溶接不良を生じたり、スパッタ欠落により内部短絡をを生じる等の問題を抑制し、優れた溶接部分を形成することができる。
<実施の形態1>
1.密閉型電池の構成
図1は、本発明の一適用例である密閉型電池(以下、単に「電池1」と称する。)の構成を示す断面斜視図である。
外装缶15は、板状のアルミニウム合金材料を絞り加工してなる有底角形の外装体である。その筐体の内部には、渦巻き状の電極体14及び所定の電解液が収納される。当該外装缶15の開口部151は封口体16における封口板160の周縁部161とレーザ溶接され、内部封止されている。
負極端子18は、ニッケルからなり、図2(a)に示すように、電池外部に配置される円盤状の端子部180と、外部に連通する中空部185を持つ本体部181と、本体部181の先端部187において部分的に形成された円錐台部(カシメ被り代)182からなる。本実施の形態1では、集電部品22の挿通口から露出した電極端子18の本体部181の領域に円錐台部182が配設されている点が従来構成と異なっている。
集電部品22はニッケルからなり、スペーサ20の下方の主面中央にある挿通口付近において、前記円錐台部182とカシメ圧接及びレーザ溶接されるように配設される。当該集電部品22は、ニッケルからなるリードタブ19を介し、電極体14の負極板12と抵抗接続される。
なお、電極体14の体積はエネルギー密度を確保する観点から、外装缶15の容積に対してできるだけ大きく設定するのが望ましい。
負極板12は、銅等の負極芯体表面に、負極活物質である炭素質材料を主体とし、結着剤を混合した負極合剤を塗布してなる。
なお、図1でセパレータ13は便宜上、正負極板11、12とほぼ同サイズの短冊状に図示しているが、当該セパレータの上下いずれかを袋状とし、その中に正極板11を入れて負極板12と絶縁を図るようにしてもよい。
以上の構成を有するリチウムイオン電池1によれば、充電時には正極板11においてコバルト酸リチウム中のリチウムがイオンとなり(LiCoO2→Li1-xCoO2+xLi++xe-)、リチウムイオンLi+が電解液中を流通して負極板12側へ移動する。
そして放電時にはこれと逆の電池反応が発生し、外部電力(一例として800mAh)が取り出される。
ここで電池1は、負極端子18の円錐台部182と集電部品22との溶接部分周辺の構成に特徴を有する。すなわち図4(d)に示すように、負極端子18の円錐台部182は、面積の大きい底面Cがその全面において集電部品22の主面部Bに密着され、面積の小さい上面Dが集電部品22から遠い位置に配されている。
この円錐台部182によれば、製造時に上面Dの平面に対して垂直方向(逆z方向)またはその付近の角度(垂直角度から10°ほど傾斜した照射角度を含む)からレーザを照射した場合、集電部品22と円錐台部182に対し、その底面Cの周縁を含む領域にレーザ照射でき、これらを共に溶解させ、溶け込み後に凝固させることで、良好なスポット溶接がなされる。
2.封口体16の製造工程
本実施の形態1の製造工程では、以下に示すように、円錐台部182の成形ステップと、集電部品22及び円錐台部182の溶接ステップとを順次経るものとしている。
まず最初に、端子部材18x(カシメ圧接前の負極端子18)を用意する(前述した図5(a))。そして絶縁部材であるガスケット17を介して、端子部材18xを封口板160、スペーサ20、集電部品22に順次挿通させる(図5(b))。
続いて図3に示すように、板状部182と相補的な凹部を有し、当該凹部の周縁に所定角度(例えば2π-θ2)の傾斜部A1を有する加工パンチ(型)Aを用意する。そして、当該型Aを、板状部182xの周縁に傾斜部A1が当接するように押し込み、板状部182xを部分的に変形加工させる成形ステップを行う(図3(a))。この追加工により、板状部182xが円錐台部182として成形される(図3(b))。そして円錐台部182の成形と同時に、集電部品22の主面部Bの平面方向に対する傾斜端部184の端面の間の角度θ2は、鈍角に調整されることとなる(図3(b))。
このとき、領域S2において円錐台部182の底面Cは、その全面で集電部品22の主面部Bと良好に密着されており、且つ、円錐台部182の周縁と主面部Bとの境界領域はレーザに対して露出している。従って、照射されたレーザのエネルギーは、集電部品22及び傾斜端部184の双方に偏りなく伝達され、両者が共に溶解・溶け込みを経て凝固する。これにより、溶接部には溶接スポット部(ナゲット)183が形成される。以上で封口体16が構成される。
なお、カシメ圧接処理の方法によっては、主面部Bに対して円錐台部182の底面Bは必ずしもその全面では密着せず、その周縁領域において密着する場合もある。しかしながら、このような場合であっても、溶接ステップにおいてレーザ照射される領域S2では、集電部品22と円錐台部22はともに密着した部分に対してレーザ照射されるので、良好な溶接スポット部183が形成される。
実施の形態2について、実施の形態1との差異を中心に説明する。
実施の形態1では、成形ステップ時にカシメ圧接で板状部182xの端部を型Aで変形させ、これにより円錐台部182を形成するものとしたが、本発明はこの製造方法に限定するものではない。
このような形状の端子部材18aを用いれば、製造時にはこれを封口板160、スペーサ20、集電部品22に挿通させたのち(挿通ステップ、図4(a)〜(b))、1回目のカシメ圧接処理にて中空部185を押し広げる。そして2回目のカシメ圧接処理でさらに中空部185を広げ(図4(c))、これを拡径することにより円錐台部182を形成する(拡径ステップ、図4(d))。この例では、傾斜部186が最終的に円錐台部182の傾斜端部(184)となる。
上記実施の形態1の電池を実施例として作製し、各種実験により性能評価を行った。
(レーザ溶接の品質評価)
円錐台部182を備える電池1を実施例とし、板状部182xを備える点のみが実施例と異なる電池を比較例として作製した。これらの電池につき、負極端子と集電部品とのレーザ溶接を行い、当該溶接部分における溶接不良の発生の有無を目視で確認した。レーザ照射の条件としては、パルス幅1.6ms、ピッチ0.22mm、出力1.0J/p、照射角度10°とした。
(電池信頼性の評価)
上記レーザ溶接を行った実施例及び比較例の各電池について、所定の落下試験、ヒートショック試験、高温加湿試験をそれぞれ行い、各試験後の電池信頼性を内部抵抗値の上昇値で評価した。試験数はN=10個とした。
このような実施例における安定した電気導通性は、ヒートショック試験及び高温加湿試験においてもほぼ同様に確認できた。すなわち、各試験実施後は、実施例及び比較例のいずれも内部抵抗値の増加は生じるものの、実施例はその上昇値のバラツキ・大きさが小さい面において、明らかに比較例よりも優れていると言える。
<その他の事項>
上記実施の形態では、本発明をリチウムイオン電池に適用する例について説明したが、当然ながら電池の種類はこれに限定されず、この他、ニッケル水素電池等、各種電池に適用してもよい。
各実施の形態では、電極端子18において円錐台部182を形成する構成と製造方法を例示したが、電極端子18の本体部181が角柱状又は多角形状である場合、各実施の形態に記載の製造方法を実施すれば、角錐台部又は多角錐台部が形成される場合もある。ここで本発明は、本体部181に形成される錐台部は円錐台部182に限定するものではなく、このような角錐台部又は多角錐台部を形成してもよい。
2 電極体
11 正極板
12 負極板
13 セパレータ
14 電極体
15 外装缶
16 封口体
17 ガスケット
18 負極端子
18a、18x 端子部材
19 負極リード
20 スペーサ
21 注液口
160 封口板
180 端子部
181 本体部
182 円錐台部
182x 板状部
183 スポット溶接部(ナゲット)
184、184x 傾斜端部
185 中空部
186 傾斜部
187 先端部
Claims (6)
- セパレータを介して正負極板を重ねてなる電極体が、主面部を持つ集電部品に電気的に接続され、本体部を持つ電極端子が当該本体部において前記集電部品に挿通され、電極体及び集電部品が外装体内に密閉されてなる密閉型電池であって、
電極端子は、集電部品の挿通口から露出した本体部の領域に円錐台部を有し、当該円錐台部は集電部品の主面部に底面が密着するように形成され、
円錐台部の底面と前記集電部品の主面部がカシメ圧接され、且つ、円錐台部と集電部品とが、円錐台部の底面周縁を含む領域において溶接されている
ことを特徴とする密閉型電池。 - 前記本体部は、開口された先端部を持ち、前記円錐台部は、当該開口された先端部の周囲が前記拡径により変形されてなる
ことを特徴とする請求項1に記載の密閉型電池。 - 円錐台部と集電部品とが、円錐台部の底面周縁を含む領域においてエネルギービームによりスポット溶接されている
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の密閉型電池。 - 主面部を有する集電部品に対し、その主面部に本体部を持つ端子部材を当該本体部において挿通させ、挿通した本体部を部分的に拡径して板状部を形成することにより集電部品と端子部材をカシメ圧接させる拡径ステップと、
板状部を成形することにより、底面が前記主面部と対向するように円錐台部を形成する成形ステップと、
円錐台部の底面と集電部品の主面部とを互いにカシメ圧接させた状態で、円錐台部と集電部品とを、円錐台部の周縁を含む領域において溶接する溶接ステップと、
を経ることを特徴とする密閉型電池の製造方法。 - 成形ステップでは、板状部の周縁を押圧型で変形させて、円錐台部を形成する
ことを特徴とする請求項4に記載の密閉型電池の製造方法。 - 主面部を有する集電部品に対し、先端が擂り鉢状に開口された本体部を持つ端子部材を当該本体部において挿通させる挿通ステップと、
挿通した本体部を部分的に拡径することで、底面が前記主面部と対向させた円錐台部を形成しながら集電部品と端子部材をカシメ圧接させる拡径ステップと、
円錐台部の底面と集電部品の主面部とを互いにカシメ圧接させた状態で、円錐台部と集電部品とを、円錐台部の底面周縁を含む領域において溶接する溶接ステップと、
を経ることを特徴とする密閉型電池の製造方法。
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