JP2016081826A - リチウムイオン電池用注液部の密閉方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リチウムイオン電池用注液部の密閉方法において、従来よりも作業効率を改善し、溶接不良がなく、該注液部の密閉構造を簡素化かつ小型化し、製造コストを大幅に削減した密閉方法を提供する。【解決手段】リチウムイオン電池の電槽蓋に穿設した貫通孔に、直径の異なる二段の円筒孔が順に連なった形状の注液孔を有する中空金属からなる注液栓を取り付け、以って該貫通孔と該注液栓とが連通した状態とし、該注液栓下部の嵌挿部と該貫通孔とは気密となるように溶接し、次いで上端外縁に鍔部を設けた封止用ネジ栓を、該注液孔に柔軟性の環状パッキングを介して注液栓内面のネジ部に螺合することで該電槽缶を気密とした状態で、該鍔部と該注液栓の着接箇所を溶接にて封止することで、リチウムイオン電池用注液部を密閉する。【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン電池の注液後の開口部を密閉するためのリチウムイオン電池用注液部の密閉方法に関するものである。

モバイル型ノートパソコンやタブレット型端末、スマートフォン、携帯音楽機器といった昨今のエレクトロニクス製品の高性能化と小型軽量化には、蓄電池の中でも高電位かつ高エネルギー密度を有するリチウムイオン電池（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｙ, 以下ＬＩＢと略記）が大きく寄与しており、角形やパウチ型など様々な形態のＬＩＢがこれらの機器に搭載されている。近年、その用途は前記の小〜中型機器以外にも拡がりを見せ、電気自動車やハイブリッド自動車、電車、航空機といった移動体用の電源として、あるいは病院施設や通信基地局などで非常時に備えた定置用電源として、大型ＬＩＢの研究開発と製品化が進められている。

ここで、移動体にしばしば用いられる角形ＬＩＢを例にとり、簡単に構成を説明する。角形ＬＩＢは、正極と負極を交互にセパレータを介して積層した極板群を電槽缶に格納し、該正極と該負極に夫々設けた集電タブを、電槽蓋に絶縁して設けた極端子に接続し、該電槽蓋を電槽缶に接合することで、電池内部の該極板群から外部へ電気エネルギーを取り出す構造を有する。

更に該電槽蓋に穿設した貫通孔から、電解液を電槽缶内に所定量注液する。電解液は有機溶媒にリチウム塩を溶解した非水系溶液を用いるが、該電解液は大気中の水分との接触によって激しい性能の劣化を引き起こすので、通常、不活性ガス雰囲気下において注液作業を行う。注液後、電解液と大気との接触を遮断するため、該貫通孔を種々の手段により封止密閉して密閉構造と成すことで、注液部の密閉構造を具備したＬＩＢを得る。

該注液部の封止密閉方法は、貫通孔に封止栓を嵌合する嵌合工程と、該嵌合箇所を溶接し注液部を密閉する溶接工程に分かれる。特に該溶接工程はＬＩＢ電槽缶内に電解液を充填した状態で実施するため、熱による電解液の変質防止を目的として、溶接範囲が狭く熱発生も比較的小さいレーザー溶接を選択することがある。

溶接範囲が狭いことはレーザー溶接の短所でもある。溶接部にコンマ数ミリ程度の空隙があるだけで溶接強度は低下し、場合によっては溶接部にピンホールを生じるなどの溶接不良を起こすことが知られている。ＬＩＢの電槽缶にピンホールが生じた場合、気密が著しく低下し、電解液や極板群等の劣化を招くおそれがある。

上記の如きレーザー溶接時の溶接不良をなくすため、先に出願人は特許文献１に開示したＬＩＢの電槽缶の密閉方法を提案した。この物は図２に示す通り、電槽蓋１に穿設した貫通孔２に、直径の異なる三段の円筒孔が順に連なった形状の注液孔３を有する中空金属からなる注液栓４を取り付け、以って該貫通孔２と該注液孔３とが連通した状態とし、該注液孔３の下段円筒５の雌ネジ部に対し中段円筒６内に載置した環状パッキン７を介してネジ栓８を螺合し、該ネジ栓頭部９上面と該注液栓４の中段円筒６の内周面が囲繞する所望の深さを有する凹部空間に軟質の平板パッキン１０を載置し、更に該平板パッキン１０を圧縮するように平板座金１１を摺接嵌合し、該平板座金１１の外周面と注液栓上段円筒１２の内周面とをレーザー溶接にて封止することにより、該電槽蓋１を密閉した。
この方法によれば、平板座金１１の位置を上段円筒１２の内周に対して自由に決められるため、溶接箇所の空隙を許容範囲内まで小さくできるばかりか、ネジ栓８上の凹部空間に軟質の該平板パッキン１０が載置されることで、該平板座金１１と注液栓４の上面とを常に面一に保てるため、溶接工程における不良をなくすことができる。

他方、レーザー溶接に適した形状の封止栓として、特許文献２は鍔部を設けた多段円筒構造の封止栓を提案している。該鍔部に沿ってレーザー溶接することで、溶接部から注液孔の電解液面までの沿面距離を充分とれるため、溶接熱の電解液への影響を減らし、電解液の漏出やそれに伴うピンホール生成等の溶接不良をなくすことができる。

特許第５３１４３５９号公報 特開２００８―１４７０６９号公報

然しながら、特許文献１の手法では確かにレーザー溶接不良をなくすことができた一方、加工精度によっては上段円筒１２に平板座金１１が勘合し辛くなり、その場合はやすりがけが必要となるなど嵌合工程に手間を要し、作業性の向上について改善の余地があった。特に該平板座金１１は一度強固に嵌合すると構造上取り外しが困難であり、作業を誤った場合には注液部が破損したり、最悪の場合ＬＩＢの電槽自体を損なったりする恐れもあった。更に、部品点数が多いため注液部の構造が複雑となり大型化していた。

一方で、特許文献２の如く鍔部を有する封止栓を用いた場合、該封止栓の寸法公差を大きく取ることが許されるため嵌合工程の作業性は向上するが、必然的に該封止栓と注液孔の嵌合が弱くなるため空隙ができやすく気密性が低下する。気密性が低下すれば、注液孔から溶接部までの沿面距離を稼いでも電解液が容易に浸透するため、溶接熱による該電解液の劣化、最悪の場合には発火や破裂に至る危険も考えられる。逆に寸法公差を小さくした場合、該封止栓を最下部まで嵌合することが難しくなり、よって鍔部が電槽蓋から浮いた状態となり、斯くの如き状態でレーザー溶接を行った際に溶接不良が生じることは予想に難くない。

更に上記に加えて解決すべき課題として、一連の密閉工程設備の大型化とそれに伴う製造コストの増大、及び作業性の低下が挙げられる。特許文献２の手法では、注液から密閉封止に至るまでの工程を不活性ガス雰囲気下にて実施する必要があり、注液設備とレーザー溶接装置の両方を一体化させ、諸作業を大型のグローブボックス内にて行う必要があった。更に、注液孔に封止栓を嵌合する作業をグローブボックス内で行うことは困難を要する。不活性ガスが外部に漏れないよう、グローブボックスの作業用手袋は厚手のゴム等で形成される場合が多く、これは寸法が数センチメートル台以下の部品を組み付けるような細かい作業を作業者が行う場合に部品を誤って取り落とし易く、それにより厚さコンマ数ミリの鍔部が破損すれば溶接不良を招く恐れがあり、不便なことこの上ない。

本願発明は、注液部の気密構造を改善し、従来よりも作業効率がよく、溶接不良をなくし、構造を簡素化かつ小型化し、製造コストを大幅に削減した封口溶接方法を提供することを目的とする。

本願発明は、ＬＩＢの電槽蓋に穿設した貫通口に、直径の異なる二段の円筒孔が順に連なった形状の注液孔を有する中空金属からなる注液栓を取り付け、以って該貫通孔と該注液孔とが連通した状態とし、該注液栓下部の嵌挿部と該貫通口は気密となるように溶接し、次いで上端外縁に鍔部を設けた封止用ネジ栓を、該注液孔に柔軟性の環状パッキンを介して注液栓内面の雌ネジ部に螺合することで該電槽缶を気密とした状態で、該鍔部と該注液栓の着接箇所を溶接にて封止することを特徴とするＬＩＢ用注液部の密閉方法に関するものである。

本願発明は、注液孔内周に設けたネジ部に対し柔軟性の環状パッキンを介して封止用ネジ栓を螺合することで、該鍔部と注液栓の上面とを着接すれば注液孔を密閉できるため、嵌合し易いように該ネジ栓の寸法公差を大きくしても注液部の気密性を損なわず、作業性を大幅に改善できる。

また、ＬＩＢは電解液注液後の初充電で電解液が分解し、電解液成分の分解ガスが発生して電槽缶や内部構成物の膨張を起こすが、本願発明は封止用ネジ栓をネジによって外せるため、ガス抜き作業が容易である。一方、特許文献２の如き封止栓を圧入する手法では、このようなガス抜きは困難である。

更にこれは、単に該封止用ネジ栓の螺嵌が簡単になることに止まらず、その後の注液部の溶接をグローブボックス外で実施できることを意味する。即ち注液装置とレーザー溶接装置を別体とすることが可能であるので装置を大型化する必要がなく、また汎用の溶接機器を使用できるため製造コストの大幅な削減が可能である。

本願発明の実施形態のＬＩＢ用注液部を示した分解断面図。 従来のＬＩＢ用注液部を示した分解断面図。

以下に図面を参照しながら、本願発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本願発明の実施形態のＬＩＢ用注液部の分解断面図である。金属からなる電槽蓋１の所定の位置に、下方に突出する貫通孔２を穿設している。金属からなる中空の注液栓２０は、外径が該貫通孔２の内径と等しく且つ該下方に突出する貫通孔２の高さと同じ長さになるように形成した円筒型の下部嵌挿部２１と、該下部嵌挿部２１よりも大きな外径の上部円筒部２２とが中心線を共有して連なった二段円筒状となるように加工した。更に、中空部分は注液栓２０の中心を上下に貫通し、内周面の雌ネジ部を形成した下部円筒孔２３と、これより大きな内径を有する上部円筒孔２４とが、中心栓を共有して順に連なった二段円筒孔を成すように作製し、これを注液孔２５とした。符号３０は中央に中空部３１を有する円形平坦の環状パッキングで、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で形成され、柔軟性を有するものである。

図１において、符号４０は金属からなる封止用ネジ栓で、前記注液栓２０の下部円筒孔２３に螺合する雄ネジ部を形成したネジ軸部４１と、該ネジ軸部４１の上部に該ネジ軸部４１の外径よりは大きく該注液栓２０の上部円筒孔２４の内径よりは小さい外径を有するネジ頭部４２が一体に形成されている。ここで、該ネジ頭部４２の高さと環状パッキング３０の厚さの和は、該上部円筒孔２４の深さより大きくなるように加工する。更に、該ネジ頭部４２の上端外側縁には鍔部４３が形成されている。該鍔部４３は、該ネジ頭部４２の外側縁全周に渡り形成され、封止用ネジ栓４０のネジ軸部４１を注液栓２０の下部円筒孔２３に螺合した時に該注液栓２０の上面に当接する大きさに形成されている。なお、符号４４は該封止用ネジ栓４０を螺合する際に使用するドライバー等の工具の作用部の形状に合わせて、該封止用ネジ栓４０上面に形成された溝である。

このように構成された各部材は、次のように組み立てられ、電槽蓋１の貫通孔２を密閉する。

電槽蓋１の貫通孔２に注液栓２０の下部嵌挿部２１を嵌挿して該貫通孔２と注液孔２５とが連通した状態とし、該注液栓２０の上部円筒部２２が該電槽蓋１の上面に当接した時に、該貫通孔２の下端と該注液栓２０の下部嵌挿部２１の下端が面一となり、この面一となった部分をアルゴンアーク溶接やＴＩＧ溶接等によりガス溶接し、該電槽蓋１に該注液栓２０を気密に取り付ける。この状態で、正極と負極を交互にセパレータを介して積層した極板群が収納された電槽缶の上部開口部に電槽蓋を施し、該注液栓２０の注液孔２５から非水電解液を電槽缶内に所定量注液する。

次いで、封止用ネジ栓４０のネジ軸部４１を環状パッキング３０の中空部３１に挿入し、該封止用ネジ栓４０の上面の溝４４にドライバーを差し込み、該ネジ軸部４１を注液栓２０の下部円筒孔２３内周面の雌ネジ部に螺合し、該封止用ネジ栓４０を注液孔２５に該環状パッキング３０を介して締結した。この時、該環状パッキング３０はつぶれ、該封止用ネジ栓４０のネジ頭部４２の上端外側縁に設けた鍔部４３は、該注液栓２０の上面に空隙なく当接し着接する。なお、該封止用ネジ栓４０および該注液栓２０の寸法公差により多少の締結ズレが生じた場合は、強く締めるなどして調節し、着接を確実にする。この際、該環状パッキング３０の柔軟性により、気密性が阻害されることはない。該環状パッキング３０としてＰＴＦＥを用いた場合、該鍔部４３が該注液栓２０の上面から０．１〜０．５ｍｍ程度突出しても、トルク締めの圧縮により着接させることができた。

この状態でＬＩＢは気密となり、通常の大気雰囲気下に電池を搬送することが可能である。そして、注液栓２０の上面とこれに着接した封止用ネジ栓４０の鍔部４３をレーザー溶接もしくは電子ビーム溶接をして密閉作業は完了する。

ここで、該鍔部４３の厚みは、０．２〜０．５ｍｍ程度設けることで良好な気密性と溶接強度を得られる。

この様にして密閉されたＬＩＢ用注液部は、図２に示す従来の注液部と比較し用いる部品数を低減できて構造を簡素化し得、同時に小型化できる。

更に、ＬＩＢは電解液注液後の初充電で電解液が分解し、電解液成分の分解ガスが発生して電槽缶や内部構成物の膨張を起こす場合があるが、前述の通り、封止用ネジ栓４０を締結した後は通常の大気雰囲気下に搬送できるため、充電した後に、グローブボックス内等の不活性ガス雰囲気下にて該封止用ネジ栓４０を緩めて分解ガスを排出して電槽缶や内部構成物の膨張を元に戻し、該封止用ネジ栓４０を再び締結して鍔部４３を注液栓２０の上面に着接した後、通常の大気雰囲気下にＬＩＢを搬送し、着接した該鍔部４３と該注液栓２０の上面とを溶接することもできる。

更に、注液装置とレーザー溶接装置とを別体とすることが可能なので装置を大型化する必要がなく、また汎用の溶接機器を使用できるため製造コストの大幅な削減が可能である等の効果を奏するものである。

１ 電槽蓋
２ 貫通孔
２０ 注液栓
２３ 下部円筒孔
２４ 上部円筒孔
２５ 注液孔
３０ 環状パッキング
４０ 封止用ネジ栓
４３ 鍔部

Claims (1)

1. リチウムイオン電池の電槽蓋に穿設した貫通孔に、直径の異なる二段の円筒孔が順に連なった形状の注液孔を有する中空金属からなる注液栓を取り付け、以って該貫通孔と該注液栓とが連通した状態とし、該注液栓下部の嵌挿部と該貫通孔とは気密となるように溶接し、次いで上端外縁に鍔部を設けた封止用ネジ栓を、該注液孔に柔軟性の環状パッキングを介して注液栓内面のネジ部に螺合することで該電槽缶を気密とした状態で、該鍔部と該注液栓の着接箇所を溶接にて封止することを特徴とするリチウムイオン電池用注液部の密閉方法。