JP2016154092A

JP2016154092A - 蓄電素子

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Publication number: JP2016154092A
Application number: JP2015031584A
Authority: JP
Inventors: 伸介吉竹; Shinsuke Yoshitake; 村上　聡; Satoshi Murakami; 聡村上; 康夫辻野; Yasuo Tsujino
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2015-02-20
Filing date: 2015-02-20
Publication date: 2016-08-25

Abstract

【課題】ケースと注液栓との溶接部位において電解液の注入時に蓋板に付着した電解液に起因する溶接荒れが抑えられた蓄電素子を提供する。
【解決手段】電解液を注入する注液孔３２５の形成されたケースと、注液孔３２５を塞ぐ注液栓３２６とを備え、注液栓３２６は、ケースの外面に沿って配置され且つケースと溶接されている頭部３２７と、頭部３２７から延び且つ注液孔３２５に挿入されている挿入部３２８とを有し、注液栓３２６、及び注液孔３２５の内周面の少なくとも一方は、該注液栓３２６と、該内周面においてケースの内面における注液孔３２５の開口を画定する開口縁を含む位置に付着する電解液との接触を避ける形状を有する蓄電素子。
【選択図】図３

Description

本発明は、充放電が可能な蓄電素子に関する。

従来から充放電が可能な密閉式電池が知られている（特許文献１参照）。図９に示すように、密閉式電池１００は、開口部を有し且つ渦巻電極体を収容する外装缶１０１と、外装缶１０１の開口部を塞ぎ且つ注液孔１０２が形成された封口板１０３と、注液孔１０２を封止する封止栓１０４と、を備える。封止栓１０４は、封口板１０３に沿って配置されるベース部１０５と、ベース部１０５から延び且つ注液孔１０２に填り込む先端部１０６と、を有する。先端部１０６は、注液孔１０２に圧入される径を有する圧入部１０７と、圧入部１０７からテーパ状に延びる縮径部１０８とを有する。外装缶１０１及び封口板１０３は、Ａｌ−Ｍｎ係の合金によって形成され、封止栓１０４は、アルミ合金によって形成されている。

この密閉式電池１００は、非水電解液が注液孔１０２から注入されて渦巻電極体に含浸されることで、充放電可能となる。注液孔１０２は、非水電解液の注入後に封止栓１０４の先端部１０６（詳しくは圧入部１０７）が圧入され、ベース部１０５の周縁と封口板１０３とがレーザ溶接されることで封止（密閉）される。

密閉式電池１００の封止栓１０４において、先端部１０６における圧入部１０７の長さ寸法が、封口板１０３の厚さ寸法より大きい。このため、非水電解液を注入したときに封口板１０３（例えば、注液孔１０２の内周面等）に非水電解液が付着していると、先端部１０６が注液孔１０２に圧入されたときに、圧入部１０７が封口板１０３に付着している非水電解液と接触する。このように先端部１０６（圧入部１０７）と封口板１０３に付着した非水電解液とが接触すると、毛細管現象等によって非水電解液が先端部１０６と注液孔１０２の内周面との間を通ってベース部１０５と封口板１０３との間まで移動する（いわゆる液上がりが生じる）。このように、液上がりが生じた状態で、ベース部１０５と封口板１０３とがレーザ溶接されると、非水電解液が反応して、溶接部位にピッチング等の溶接荒れが発生する。

特開２０００−２６８８１１号公報

そこで、本発明は、ケースと注液栓との溶接部位において電解液の注入時に蓋板に付着した電解液に起因する溶接荒れが抑えられた蓄電素子を提供することを目的とする。

本発明に係る蓄電素子は、
電解液を注入する注液孔の形成されたケースと、
前記注液孔を塞ぐ注液栓と、を備え、
前記注液栓は、
前記ケースの外面に沿って配置される頭部であって前記ケースと溶接されている頭部と、
前記頭部から延び且つ前記注液孔に挿入されている挿入部と、を有し、
前記注液栓、及び前記注液孔の内周面の少なくとも一方は、該注液栓と、該内周面において前記ケースの内面における前記注液孔の開口を画定する開口縁を含む位置に付着する電解液と、の接触を避ける形状を有する。

かかる構成によれば、電解液の注入後に注液栓の挿入部を注液孔に挿入したときに、挿入部と、蓋板に付着した電解液（例えば、電解液の液滴）と、の接触を避けることができる。このため、ケース（注液孔の内周面等）と注液栓との間の電解液の液上がりが抑えられ、これにより、ケース内への電解液の注入後にケースと注液栓とを溶接（例えば、レーザ溶接）して注液孔を密閉したときの溶接部位において、蓋板に付着した電解液に起因する溶接荒れが生じ難い。その結果、ケースと注液栓との溶接部位において溶接荒れの抑えられた蓄電素子が得られる。

前記蓄電素子では、
前記挿入部の長さ寸法は、前記ケースにおける前記注液孔の形成された壁の厚さ寸法より小さくてもよい。

注液孔が形成された壁の厚さ寸法より挿入部の長さ寸法を小さくするといった簡素な構成によって、電解液の注入後に注液栓の挿入部を注液孔に挿入したときの、挿入部と、蓋板に付着した電解液との接触を防ぐことができる。

前記蓄電素子では、
前記挿入部の先端部は、先端に向かうほど縮径していることが好ましい。

かかる構成によれば、ケース内への電解液の注入後に注液栓によって注液孔を塞ぐ際に、注液栓の挿入部を注液孔に挿入し易くなる。

以上より、本発明によれば、ケースと注液栓との溶接部位において電解液の注入時に蓋板に付着した電解液に起因する溶接荒れが抑えられた蓄電素子を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る蓄電素子の斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ位置における断面図である。図３は、図２の注液栓及びその周辺の拡大図である。図４は、前記蓄電素子における注液栓の断面斜視図である。図５は、注液孔の内周面に付着した電解液の液滴の半径の求め方を説明するための図である。図６は、他実施形態に係る蓄電素子の注液栓及びその周辺の拡大断面図である。図７は、他実施形態に係る蓄電素子の注液栓及びその周辺の拡大断面図である。図８は、前記蓄電素子を含む蓄電装置の斜視図である。図９は、従来の密閉式電池の封止栓及びその周辺の拡大断面図である。

以下、本発明に係る蓄電素子の一実施形態について、図１〜図５を参照しつつ説明する。蓄電素子には、一次電池、二次電池、キャパシタ等がある。本実施形態では、蓄電素子の一例として、充放電可能な二次電池について説明する。尚、本実施形態の各構成部材（各構成要素）の名称は、本実施形態におけるものであり、背景技術における各構成部材（各構成要素）の名称と異なる場合がある。

本実施形態の蓄電素子は、非水電解質二次電池である。より詳しくは、蓄電素子は、リチウムイオンの移動に伴って生じる電子移動を利用したリチウムイオン二次電池である。この種の蓄電素子は、電気エネルギーを供給する。蓄電素子は、単一又は複数で使用される。具体的に、蓄電素子は、要求される出力及び要求される電圧が小さいときには、単一で使用される。一方、蓄電素子は、要求される出力及び要求される電圧の少なくとも一方が大きいときには、他の蓄電素子と組み合わされて蓄電装置に用いられる。前記蓄電装置では、該蓄電装置に用いられる蓄電素子が電気エネルギーを供給する。

蓄電素子は、図１〜図４に示すように、電解液を注入する注液孔３２５が形成されたケース３と、注液孔３２５を塞ぐ注液栓３２６と、を備える。また、蓄電素子１は、正極及び負極を含み且つケース３に収容される電極体２、ケース３の外側に配置される外部端子４、及び、電極体２と外部端子４とを導通させる集電体５等を備える。

電極体２は、巻芯２１と、正極と負極とが互いに絶縁された状態で積層された積層体２２であって、巻芯２１の周囲に巻回された積層体２２と、を備える（図２参照）。電極体２においてリチウムイオンが正極と負極との間を移動することにより、蓄電素子１が充放電する。

巻芯２１は、絶縁材料によって形成される。巻芯２１は、筒形状である。本実施形態の巻芯２１は、偏平な筒形状である。

本実施形態の電極体２では、正極と負極とがセパレータによって絶縁された状態で巻回される。即ち、本実施形態の電極体２では、正極、負極、及びセパレータの積層体２２が巻回される。セパレータは、絶縁性を有する部材である。また、セパレータは、ケース３内において、電解液を保持する。これにより、蓄電素子１の充放電時において、リチウムイオンが、セパレータを挟んで交互に積層される正極と負極との間を移動可能となる。

ケース３は、開口を有するケース本体３１と、ケース本体３１の開口を塞ぐ（閉じる）蓋板３２と、を有する。ケース３は、電極体２及び集電体５等と共に、電解液を内部空間３３に収容する。ケース３は、電解液に耐性を有する金属によって形成される。本実施形態のケース３は、例えば、アルミニウム、又は、アルミニウム合金等のアルミニウム系金属材料によって形成される。ケース３は、ステンレス鋼及びニッケル等の金属材料、又は、アルミニウムにナイロン等の樹脂を接着した複合材料等によって形成されてもよい。

電解液は、非水溶液系電解液である。電解液は、有機溶媒に電解質塩を溶解させることによって得られる。有機溶媒は、例えば、プロピレンカーボネート及びエチレンカーボネートなどの環状炭酸エステル類、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、及びエチルメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート類である。電解質塩は、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、及びＬｉＰＦ_６等である。本実施形態の電解液は、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、及びエチルメチルカーボネートを、プロピレンカーボネート：ジメチルカーボネート：エチルメチルカーボネート＝３：２：５の割合で調整した混合溶媒に、１ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ_６を溶解させたものである。

ケース本体３１は、板状の閉塞部３１１であってケース３の内側を向く内面とケース３の外側を向く外面とを有する閉塞部３１１と、閉塞部３１１の周縁に接続される胴部３１２であって、閉塞部３１１の内面側に延び且つ該内面を包囲する筒状の胴部３１２とを備える。

閉塞部３１１は、開口が上を向くようにケース本体３１が配置されたときに、ケース本体３１の下端に位置する（即ち、前記開口が上を向いたときのケース本体３１の底壁となる）部位である。以下では、図１及び図２に示すように、閉塞部３１１の長辺方向をＸ軸方向とし、閉塞部３１１の短辺方向をＹ軸方向とし、閉塞部３１１の法線方向をＺ軸方向とする。

本実施形態の胴部３１２は、角筒形状を有する。詳しくは、胴部３１２は、偏平な角筒形状を有する。

以上のように、ケース本体３１は、開口方向（Ｚ軸方向）における一方の端部が塞がれた角筒形状（即ち、有底角筒形状）を有する。

蓋板３２は、ケース本体３１の開口を塞ぐ板状の部材である。具体的に、蓋板３２は、ケース本体３１の開口を塞ぐようにケース本体３１に当接する。より具体的には、蓋板３２が開口を塞ぐように、蓋板３２の周縁部がケース本体３１の開口周縁部に重ねられる。開口周縁部と蓋板３２とが重ねられた状態で、蓋板３２とケース本体３１との境界部が溶接され、これにより、ケース３が構成される。この蓋板３２には、注液孔３２５が形成されている。

注液孔３２５は、ケース３の内部と外部とを連通する。本実施形態の注液孔３２５は、上述のように、蓋板３２に形成される。具体的に、注液孔３２５は、蓋板３２をＺ軸方向（厚さ方向）に貫通する円形の穴である。尚、ケース３において注液孔３２５の形成される部位は、蓋板３２に限定されず、ケース本体３１であってもよい。

注液栓３２６は、注液孔３２５を密閉する（塞ぐ）。詳しくは、蓄電素子１の製造工程において、電解液が注液孔３２５からケース３内に注入された後に、注液栓３２６が注液孔３２５に挿入されて該注液孔３２５が塞がれ、注液栓３２６とケース３（本実施形態の例では蓋板３２）とがレーザ溶接されることによって、注液孔３２５が密閉される。この注液栓３２６は、具体的には、ケース３の外面に沿って配置される頭部３２７と、頭部３２７から延び且つ注液孔３２５に挿入されている挿入部３２８とを有する。本実施形態の注液栓３２６は、溶接によってケース３（本実施形態の例では蓋板３２）に固定されている。詳しくは、蓋板３２と頭部３２７の周縁とがレーザ溶接されている。

頭部３２７は、注液孔３２５を覆う部位である。頭部３２７は、Ｚ軸方向視において注液孔３２５より大きい。具体的に、頭部３２７は、板状の部位であり、蓋板３２と重なるようにして注液孔３２５を覆う。本実施形態の頭部３２７は、Ｚ軸方向視において略円形の輪郭を有する。即ち、頭部３２７は、円板状の部位である。

頭部３２７における蓋板３２と対向する面と反対の面の中央に、基準凹部３２９が設けられる。基準凹部３２９は、頭部３２７の周縁と蓋板３２とをレーザ溶接（自動溶接）するときの溶接位置を決めるための基準等として用いられる。

挿入部３２８は、頭部３２７から注液孔３２５内に延びる柱状の部位である。本実施形態の挿入部３２８は、頭部３２７から該頭部３２７の拡がり方向（ケース３の外面が拡がる方向）と直交する方向に延びる略円柱状の部位である。挿入部３２８の長さ寸法は、ケース３における注液孔３２５の形成された壁（本実施形態の例では蓋板３２）の厚さ寸法より小さい（図３参照）。この挿入部３２８は、注液孔３２５に圧入される径を有する圧入部３２８１と、圧入部３２８１からテーパ状に延びる縮径部（先端部、又は挿入部３２８における先端を含む部位）３２８２とを有する。

圧入部３２８１の外径は、蓋板３２の注液孔３２５の内径よりも僅かに大きい。このため、注液栓３２６を蓋板３２に取り付けるときには、挿入部３２８（圧入部３２８１）が注液孔３２５に圧入される。圧入部３２８１の長さ寸法（挿入部３２８が延びる方向の寸法）は、挿入部３２８が注液孔３２５に圧入された状態で頭部３２７の周縁と蓋板３２とがレーザ溶接されるときに、蓋板３２に対して注液栓３２６が動かない（例えば傾かない）ような大きさに設定されている。

縮径部３２８２の外径は、挿入部３２８の先端に向かって漸減する、即ち、縮径部３２８２は、先端に向かうほど縮径している。

本実施形態の注液栓３２６は、注液孔３２５の内周面３２５１においてケース３の内面における注液孔３２５の開口を画定する開口縁（エッジ）３２５２を含む位置に付着する電解液の液滴を避けた形状を有する（図３参照）。即ち、注液孔３２５の内周面３２５１における開口縁３２５２を含む位置に電解液の液滴７０が付着した状態で、注液栓３２６の挿入部３２８が注液孔３２５に挿入されたときに、挿入部３２８が液滴７０と接触しない。挿入部３２８の詳しい形状は、以下の通りである。

先ず、液滴７０の曲率半径を求める。このとき、液滴７０が半球（半球形状）７２であると見なし、この半球７２の半径ｒを液滴の半径ｒと見なす。これは、重力によって液滴７０が半球７２と比べて下方に垂れた形状となるため、挿入部３２８が半球７２に接しない形状を有していれば、挿入部３２８が液滴７０と接触しないからである。

液滴７０に働く力を図５に示す。この図５において、矢印γ_ＳＧは、固体と液体との界面の表面張力であり、矢印γ_ＬＧは、液体と気体との界面の表面張力であり、矢印γ_ＳＬは、固体と液体との界面の表面張力であり、ｍは、液滴７０と見なした半球７２の質量であり、ｇは、重力加速度であり、ρは、液滴７０と見なした半球７２を構成する電解液の密度であり、ｒは、液滴７０と見なした半球７２の半径である。また、液滴７０の固体との接触角（内周面３２５１と、固体と液体との界面の表面張力の方向とのなす角）をθとする。

液滴７０に働く力の釣り合いは、以下の式（１）で表される。

ここで、ｍｇは、以下の式（２）で求められる。

これら式（１）及び式（２）から、

また、ケース３の注液孔３２５が設けられた壁（本実施形態の例では蓋板３２）の厚さ寸法（Ｚ軸方向の寸法）をｌとし、注液孔３２５の内周面３２５１における液滴７０（詳しくは、液滴７０と見なした半球７２）が存在するＺ軸方向の範囲をｄとすると、内周面３２５１において液滴７０が存在しないＺ軸方向の範囲Δｘは、以下のようにして求められる。

ここで、式（３）で求められたｒを式（４）に代入すると、

挿入部３２８は、以上のようにして求められた半径ｒの半球７２と、接触しないような形状を有する。本実施形態の挿入部３２８では、圧入部３２８１の長さ寸法が、式（５）で求められたΔｘより小さく設定され、且つ、縮径部３２８２の形状が、半径ｒの半球７２と接触しないテーパ形状に設定されている。

外部端子４は、他の蓄電素子の外部端子又は外部機器等と電気的に接続される部位である。外部端子４は、導電性を有する部材によって形成される。

集電体５は、ケース３内に配置され、電極体２と通電可能に直接又は間接に接続される。集電体５は、導電性を有する部材によって形成される。本実施形態の集電体５は、外部端子４と電極体２とを通電可能に接続する。集電体５は、蓄電素子１の正極と負極とにそれぞれ配置される。

蓄電素子１は、電極体２とケース３とを絶縁する絶縁部材６等も備える。本実施形態の絶縁部材６は、例えば、絶縁カバーである。絶縁カバー６は、ケース３（詳しくはケース本体３１）と電極体２との間に配置される。絶縁カバー６は、絶縁性を有する部材によって形成される。

以上の蓄電素子１によれば、電解液の注入後に注液栓３２６の挿入部３２８を注液孔３２５に挿入したときに、挿入部３２８と、蓋板３２に付着した電解液（例えば、電解液の液滴）との接触を避けることができる。このため、ケース３（注液孔３２５の内周面３２５１等）と注液栓３２６との間の電解液の液上がりが抑えられる。これにより、ケース３内への電解液の注入後にケース３と注液栓３２６とを溶接（本実施形態の例ではレーザ溶接）して注液孔３２５を密閉したときの溶接部位において、蓋板３２に付着した電解液に起因する溶接荒れが生じ難い。その結果、ケース３と注液栓３２６との溶接部位において溶接荒れの抑えられた蓄電素子１が得られる。

本実施形態の蓄電素子１では、挿入部３２８の長さ寸法がケース３における注液孔３２５の形成された壁（本実施形態の例では蓋板３２）の厚さ寸法より小さい。このような簡素な構成によって、電解液の注入後に注液栓３２６の挿入部３２８を注液孔３２５に挿入したときの、挿入部３２８と、蓋板３２に付着した電解液との接触を防ぐことができる。

本実施形態の蓄電素子では、挿入部３２８の縮径部（先端部）３２８２は、先端に向かうほど縮径している。このため、ケース３内への電解液の注入後に注液栓３２６によって注液孔３２５を塞ぐ（密閉する）際に、注液栓３２６の挿入部３２８を注液孔３２５に挿入し易い。

尚、本発明の蓄電素子は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することができ、また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることができる。さらに、ある実施形態の構成の一部を削除することができる。

注液栓３２６における挿入部３２８の具体的な形状は、限定されない。上記実施形態では、挿入部３２８は、圧入部３２８１と縮径部３２８２とを有するが、例えば、縮径部３２８２のない構成、即ち、圧入部３２８１のみによって構成されてもよい。また、圧入部３２８１から延びる部位（上記実施形態の例では、縮径部３２８２）は、図６に示すように、圧入部３２８１より径の小さな小径部３２８３であってもよい。即ち、挿入部３２８は、段差形状等であってもよい。この場合も、小径部３２８３の径は、内周面３２５１の開口縁３２５２を含む位置に付着した電解液の液滴７０と接触しない大きさに設定される。以上のように、挿入部３２８は、内周面３２５１における開口縁３２５２を含む位置に付着する電解液の液滴７０を避けた形状を有していればよい。

上記実施形態の注液栓３２６における挿入部３２８の長さ寸法は、蓋板３２の厚さ寸法より小さいが、この構成に限定されない。挿入部３２８は、例えば、小径部３２８３の先端がケース３の内面よりも突出した形状でもよい（図６の破線参照）。即ち、挿入部３２８は、内周面３２５１における開口縁３２５２を含む位置に付着する電解液の液滴７０を避けた形状であれば、ケース３における注液孔３２５が形成された壁の厚さ寸法より大きな長さ寸法を有していてもよい。

また、上記実施形態の蓄電素子１では、注液栓３２６の挿入部３２８が、該挿入部３２８と、内周面３２５１における開口縁３２５２を含む位置に付着する電解液の液滴７０と、の接触を避けた形状を有しているが、この構成に限定されない。例えば、図７に示すように、注液孔３２５の内周面３２５１が、挿入部３２８と、内周面３２５１における開口縁３２５２を含む位置に付着する電解液の液滴７０と、の接触を避けた形状を有してもよい。また、挿入部３２８と注液孔３２５の内周面３２５１との両方の形状によって、挿入部３２８と、内周面３２５１における開口縁３２５２を含む位置に付着する電解液の液滴７０と、の接触を避けてもよい。

また、上記実施形態においては、蓄電素子が充放電可能な非水電解質二次電池（例えばリチウムイオン二次電池）として用いられる場合について説明したが、蓄電素子の種類や大きさ（容量）は任意である。また、上記実施形態において、蓄電素子の一例として、リチウムイオン二次電池について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、本発明は、種々の二次電池、その他、一次電池や、電気二重層キャパシタ等のキャパシタの蓄電素子にも適用可能である。

蓄電素子（例えば電池）は、図８に示すような蓄電装置（蓄電素子が電池の場合は電池モジュール）１１に用いられてもよい。蓄電装置１１は、少なくとも二つの蓄電素子１と、二つの（異なる）蓄電素子１同士を電気的に接続するバスバ部材１２と、を有する。この場合、本発明の技術が少なくとも一つの蓄電素子１に適用されていればよい。

１…蓄電素子、２…電極体、２１…巻芯、２２…積層体、３…ケース、３１…ケース本体、３１１…閉塞部、３１２…胴部、３２…蓋板、３２５…注液孔、３２５１…内周面、３２５２…開口縁、３２６…注液栓、３２７…頭部、３２８…挿入部、３２８１…圧入部、３２８２…縮径部、３２８３…小径部、３２９…基準凹部、３３…内部空間、４…外部端子、５…集電体、６…絶縁部材（絶縁カバー）、１１…蓄電装置、１２…バスバ部材、７０…液滴、７２…半球、ｒ…液滴と見なす半球の半径

Claims

電解液を注入する注液孔の形成されたケースと、
前記注液孔を塞ぐ注液栓と、を備え、
前記注液栓は、
前記ケースの外面に沿って配置される頭部であって前記ケースと溶接されている頭部と、
前記頭部から延び且つ前記注液孔に挿入されている挿入部と、を有し、
前記注液栓、及び前記注液孔の内周面の少なくとも一方は、該注液栓と、該内周面において前記ケースの内面における前記注液孔の開口を画定する開口縁を含む位置に付着する電解液と、の接触を避ける形状を有する、蓄電素子。
前記挿入部の長さ寸法は、前記ケースにおける前記注液孔の形成された壁の厚さ寸法より小さい、請求項１に記載の蓄電素子。
前記挿入部の先端部は、先端に向かうほど縮径している、請求項１又は２に記載の蓄電素子。