JP4980057B2 - リチウムイオン二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池に関し、特に、容器のシーリング方式を改善した薄型かつ広面積のリチウムイオン二次電池に関する。

携帯電話及びノート型パソコンのように、携帯用電子機器市場が拡大かつ多様化するに伴い、再充電が可能な電源供給用の二次電池に対する需要も拡大している。携帯用電子機器の小型化、軽量化、高性能化、及び多機能化は、電力源として用いられる二次電池に対するエネルギー保存密度の継続的な向上を求めている。最近、このような要求を満たすために、既存のニッケル−カドミウム及びニッケル−水素のような水溶液系二次電池よりも、単位重量・体積当たりエネルギー密度及び充放電寿命が相対的に大きいリチウムイオン二次電池が、携帯用電子機器の新たなエネルギー源として脚光を浴びている。

リチウムイオン二次電池は、缶とキャップからなる密閉した容器と、容器の内部に挿入される電極体とで構成されている。電極体は、リチウムまたはリチウム金属複合酸化物を含む正極板と、リチウムを吸収及び放出可能な炭素質負極活物質を含む負極板と、正極板と負極板を分離し、非水有機溶媒とリチウム塩からなる電解液を含有するセパレータとで構成される。

図１は、従来のリチウムイオン二次電池の容器を形成する缶とキャップの形状、及びこれらのシーリング方式を説明するための概略図である。

図１を参照すると、缶１０は、内部に空間が形成されており、断面が多角形である筒状であり、キャップ２０は、板状であり、キャップ２０の外側面が缶１０の内側面に密着して、キャップ２０が缶１０に挿入されている。この際、缶１０とキャップ２０が密着している領域に沿ってレーザ溶接を行うことにより、シーリングされた容器が形成される。

このように、電極体を缶に挿入して溶接を行う場合、最も考慮すべき事項は、完璧なシーリング性を与えることにより、電解質の漏液、及び外部からの水分流入を完全に遮断し、溶接の際に発生する熱によって、電池部品または内部の電極体に損傷または変形を引き起こしてはならないということである。ところが、図１に示すような形状では、溶接熱を遮断するための効果的な冷却治具を設置することが難しいという問題点があった。したがって、一般に、比較的溶接熱の発生が少ないレーザ溶接法が採用されている。特に、不連続な溶接ビーズを生成するパルスレーザ溶接法が連続レーザ溶接法よりも好ましい。しかして、そのようなパルスレーザ溶接法は、溶接ビーズが狭く、焦点に対する溶接効率変化が敏感であるため、精巧な機器的な構成を備えなければ、完璧なシーリングが得られ難いという短所があり、各溶接ポイントが約７０％以上重なるように溶接しなければ、充分に信頼できる気密性が保障されないため、溶接速度が遅いという短所もあった。特に、レーザ溶接は、点溶接方式であるため、溶融パルス当たり約０．２〜０．６ｍｍ径の局所領域のみを溶融接合することができ、図１の（１）のように突き合わせ溶接を行う場合、汚染または歪みにより、部品間の完璧な密着が行われなければ、局所的に未接着部または微細割れが生じて、漏液が発生するようになる。また、被接合体間の隙間からレーザが透過することにより、電極体等に損傷を与えるようになる。図１の（２）のように、重合溶接を行う場合は、上述した問題点が解決できるが、上部材質を全て溶融させてから、下部材質の一部が溶融されなければならないので、相対的に多くのエネルギーが投入され、冷却治具の重要性が他の構造よりも大きくなり、上述したように電極端子による干渉のために、これもまた効率的な溶接方法とは言えなかった。

このような短所は、電池外装材がさらに薄くなり、シーリング面の全長が長くなる場合、さらに深刻な問題を引き起こすため、薄型かつ広面積の電池を具現する場合、特に深刻な技術的な限界として認識されている。したがって、缶とキャップの構造的な改善だけでなく新たなシーリング方式が望まれている。

本発明は、上述の問題点に関してなされたもので、その目的は、溶接性とシーリング性を向上させ、生産費用が画期的に節減される、改善された薄型かつ広面積のリチウムイオン二次電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一実施例に係るリチウムイオン二次電池は、上部が開口した空間が内側に形成され、上端には外側に突出したフランジが設けられた缶と、前記缶に設けられたフランジと対面する接触面を有するキャップと、正極板と負極板を有し、前記缶に内挿される電極体を備え、前記缶のフランジの外側面と前記キャップの外側面をマイクロアーク溶接で溶接することにより、密閉された容器が形成されることを特徴とする。

また、本発明の他の実施例に係るリチウムイオン二次電池は、下部が開口した空間が内側に形成され、下端には外側に突出したフランジが設けられたキャップと、上部が開口した空間が内側に形成され、上端には、外側に突出され、前記キャップに設けられたフランジと対面し、所定領域の内側端が、前記キャップに設けられたフランジの内側端よりもさらに内側に位置するように、前記キャップに設けられたフランジの幅よりも広い幅の所定領域を有するフランジが設けられた缶と、正極板と負極板を有し、前記缶に内挿される電極体と、前記正極板または前記負極板の中から選ばれたいずれか一つと連結され、前記缶において、前記キャップに設けられたフランジの幅よりも広い幅の前記所定領域を貫通して外部に突出する端子とを備え、前記缶のフランジの外側面と前記キャップのフランジの外側面をマイクロアーク溶接で溶接することにより、密閉された容器が形成されることを特徴とする。

また、本発明のまた他の実施例に係るリチウムイオン二次電池は、第１の下面と、前記第１の下面よりも高く位置され、前記第１の下面よりも外側に突出した第２の下面と、前記第１の下面と第２の下面を連結する第１の側壁と、前記第２の下面から上側に突出した第２の側壁が形成されるように、一側壁には段差があり、上端には外側に突出したフランジが設けられ、内側には上部が開口した空間を有する缶と、前記缶に設けられたフランジと対面する接触面を有するキャップと、前記正極板と負極板を有し、前記缶の第１の下面上に位置される電極体と、前記正極板または前記負極板の中から選ばれたいずれか一つと連結され、前記缶の第２の下面を貫通して外部に露出する突出端子と、を備え、前記缶のフランジの外側面と前記キャップの外側面をマイクロアーク溶接で溶接することにより、密閉された容器が形成されることを特徴とする。

上述したような本発明に係るリチウムイオン二次電池によれば、溶接不良を減らし、溶接冷却治具を容易に設置することができるように、突出端子が形成される領域よりも外側にさらに突出するフランジを形成し、さらには、容器を形成する缶及び／またはキャップの好ましい形状を提供することにより、溶接の際に発生する熱による問題点を効果的に解決することができ、結果的には、電池の内部に熱による損傷を引き起こさず、マイクロアーク溶接を適用することができる。したがって、より経済的かつ安定的に、突き合わせ溶接を行うことができるので、漏液が生じ得る欠陥の発生率、及び薄型かつ広面積のリチウムイオン二次電池の全体の生産費用を画期的に減らすことができる。

さらに、従来のレーザ溶接ではなく、マイクロアーク溶接を行うことにより、連続溶接が可能であり、漏液が生じ得る欠陥が発生せず、溶接炎の直進透過度が低く、大きな溶接プールを形成するので、突き合わせ溶接を行うことができ、全体の生産費用を節減することができる。

本発明は、以下の実施例に限定されず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、当該技術の分野における通常の知識を有する者にとって、様々な変形が可能であることは明らかである。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例について説明する。

図２から図４は、本発明の実施例に係るリチウムイオン二次電池及びそのシーリング方式を説明するための概略図である。

図２を参照すると、本発明の実施例１に係るリチウムイオン二次電池は、密閉された容器を形成する缶１１０及びキャップ１２０と、正極板と負極板を有し、容器内に位置される電極体（図示せず）と、正極板及び負極板とそれぞれ連結される端子と、を備えている。端子は、負極板と連結される負極端子と、正極板と連結される正極端子があるが、一般に、負極端子と正極端子のいずれか一方は、缶またはキャップを負極板または正極板と連結することにより形成され、他方は、別途の連結部材を用いて外部に露出させている。以下、別途の連結部材を用いて外部に露出した端子を突出端子１３０という。

缶１１０の内側には、上部が開口した空間が形成され、缶の上端には、外側に突出したフランジが設けられている。この際、フランジの幅は０．３ｍｍあるいはそれ以上であり、電池の長辺の長さの５％あるいはそれ以下である。フランジの突出量が小さすぎると、キャップ１２０との溶接の際に、冷却治具の設置及び溶接作業が困難となるのに対して、大きすぎると、リチウムイオン二次電池の体積当たりエネルギー密度が小さくなってしまう。

キャップ１２０は、缶１１０に設けられたフランジと対面する接触面を有している。キャップ１２０の形状は、用途に応じて色々なものがあり得るが、例えば、缶１１０に設けられたフランジと同一の外周を有する平板であっても、缶１１０のフランジと同一の外周のフランジを有し、内側には下部が開口した空間を有する形状であってもよい。

電極体は、缶１１０の内側に設けられた空間内に挿入される。

電極体をなす正極板または負極板と連結され、外部に突出する突出端子１３０は、缶１１０の側壁またはキャップ１２０を貫通して外部に突出される。

本発明では、密閉された容器を形成するために、缶１１０に設けられたフランジの外側面とキャップ１２０の外側面に対して、マイクロアーク溶接、好ましくはマイクロプラズマ溶接を行った。従来の缶とキャップの溶接方式であるレーザ溶接と、本発明によるマイクロアーク溶接を比較すると、レーザ溶接である場合は、点溶接であるため、ピンホールのような溶接欠陥が発生して漏液が生じ得るのに対して、アーク溶接の場合は、連続的な溶接が可能であるので、漏液が生じ得る欠陥が発生しないという長所がある。また、溶接炎の直進透過度がレーザよりも低く、大きな溶接プールが形成されるので、重合溶接ではなく、缶に設けられたフランジの外側面とキャップの外側面の突き合わせ溶接を行うことができる。さらには、アーク溶接機は、レーザ溶接機に比べて単価が安いので、全体の生産費用を節減することができるという長所がある。

上述したように、突出端子１３０が形成される領域よりも外側にさらに突出するフランジを形成することにより、缶１１０に設けられたフランジの外側面とキャップ１２０の外側面のみが露出するように、冷却治具１４０を設置し、溶接を行うことができるので、溶接の際に発生する熱による問題点を解決することができる。

図３を参照すると、本発明の実施例２に係るリチウムイオン二次電池も、実施例１と同様に、缶２１０及びキャップ２２０と、電極体（図示せず）と、突出端子２３０と、で構成され、缶２１０とキャップ２２０は、マイクロアーク溶接で密閉された容器を形成する。但し、本実施例と実施例１は、溶接性及び冷却治具の設置容易性のために、缶とキャップの形状及び突出端子の設置部位が相違するので、以下、これについてのみ説明し、繰り返される説明は省略する。

キャップ２２０の内側には、下部が開放した空間が形成され、キャップ２２０の下端には、外側に突出したフランジが設けられている。この際、フランジの幅は、実施例１におけるものと同様である。

缶２１０の内側には、上部が開口した空間が形成され、缶２１０の上端には、キャップが設けられたフランジと対面して外側に突出したフランジが設けられている。この際、フランジには、内側端がキャップ２２０に設けられたフランジの内側端よりもさらに内側に位置するように、キャップ２２０に設けられたフランジの幅よりも広い幅の所定領域が形成されている。

突出端子２３０は、缶２１０において、キャップ２２０に設けられたフランジの幅よりも広い幅に形成された、前記所定領域を貫通して外部に突出される。

このように、突出端子２３０が缶２１０に設けられたフランジを貫通して形成されるが、突出端子２３０が貫通する領域の幅を、その他の領域の幅よりも大きくすることにより、溶接冷却治具２４０の設置が容易である。

図４を参照すると、本実施例も実施例２と同様に、実施例１と比較するとき、溶接性及び冷却治具の設置容易性のために、缶とキャップの形状及び突出端子の設置部位が相違するので、以下、これについてのみ説明し、繰り返される説明は省略する。

缶３１０の内側には、上部が開口した空間が形成されている。缶３１０の一側壁には、第１の下面と、第１の下面よりも高く位置され、第１の下面よりも外側に突出した第２の下面と、第１の下面と第２の下面を連結する第１の側壁と、第２の下面から上側に突出した第２の側壁が形成されるように、２段の段差が形成される。缶３１０の上端には、外側に突出したフランジが設けられている。この際、フランジの幅は、実施例１と同様である。

キャップ３２０には、缶３１０に設けられたフランジの上面と対面する接触面が設けられている。キャップ３２０の形状は、用途に応じて色々なものがあり得るが、例えば、缶３１０に設けられたフランジと同一の外周を有する平板であっても、缶３１０のフランジと同一の外周のフランジを有し、内側には下部が開口した空間を有する形状であってもよい。

突出端子３３０は、缶３１０の第２の下面を貫通して外部に露出し、缶３１０とは絶縁されている。この際、突出端子３３０は、缶３１０との絶縁状態が維持される限り、缶３１０において、２段の段差を有する一側壁の第１の側壁に最大限近接させて設置される。缶３１０とキャップ３２０の溶接の際に作業の容易性のためである。

このように、缶３１０において、突出端子３３０が形成される領域に２段の段差を形成することにより、缶３１０に設けられたフランジの外側面とキャップ３２０の外側面のみが露出するように、冷却治具３４０を設置して溶接することができるので、溶接の際に発生する熱による問題点を解決することができる。

従来のリチウムイオン二次電池の容器を形成する缶とキャップの形状、及びこれらのシーリング方式を説明するための概略図である。 本発明の実施例に係るリチウムイオン二次電池及びそのシーリング方式を説明するための概略図である。 本発明の実施例に係るリチウムイオン二次電池及びそのシーリング方式を説明するための概略図である。 本発明の実施例に係るリチウムイオン二次電池及びそのシーリング方式を説明するための概略図である。

Claims (5)

1. 第１の下面と、前記第１の下面よりも高く位置され、前記第１の下面よりも外側に突出した第２の下面と、前記第１の下面と第２の下面を連結する第１の側壁と、前記第２の下面の外側端から上側に突出した第２の側壁が形成されるように、一側壁には二段の段差があり、上端には外側に突出したフランジが設けられ、内側には上部が開口した空間を有する缶と、
   前記缶に設けられたフランジと対面する接触面を有するキャップと、
   前記正極板と負極板を有し、前記缶の第１の下面上に位置される電極体と、
   前記正極板または前記負極板のいずれか一つと連結され、前記缶の第２の下面を貫通して外部に露出する突出端子と、を備え、
   前記缶のフランジの外側面と前記キャップの外側面をマイクロアーク溶接で溶接することにより、密閉された容器が形成され、
   前記突出する端子が前記二段の段差が形成される、缶の第１の側壁に最大限近接させて設置され、
   前記二段の段差の形成により、前記端子が前記缶の外側面より突出せず、前記缶の外側面と前記キャップの外側面のみが溶接のために外部に露出できるように、冷却治具を設置し、且つ、前記容器の外面全体に密着して接触させることができることにより、溶接時に発生する熱に対する、冷却治具による冷却効果を向上させることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
2. 前記キャップが、平板であることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
3. 前記キャップが、前記缶のフランジと対面するフランジを有し、内側には下部が開口した空間を有する形状であることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
4. 前記フランジの幅が、０．３ｍｍまたはそれ以上であり、電池の長辺の長さの５％またはそれ以下であることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
5. 前記マイクロアーク溶接が、マイクロプラズマ溶接であることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。