JP5205710B2

JP5205710B2 - 密閉式電池の製造方法

Info

Publication number: JP5205710B2
Application number: JP2006122292A
Authority: JP
Inventors: 勝志西江; 真也北野
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2026-04-26
Also published as: JP2007294308A

Description

本発明は、密閉式電池の製造方法に関する。

近年、携帯用の電話、ＡＶ機器、コンピュータなどの携帯機器の駆動用電源として各種の電池が用いられている。このような電池としては、従来、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池などをはじめとする密閉式電池が用いられている。
このような密閉式電池としては、例えば、特許文献１に記載の密閉構造を有したものなどが知られている。

特許文献１に記載の密閉式電池は、頭部が平板状をなすボルト（封孔栓）を注液孔の内部に形成された雌ねじ部に螺合した後、ボルト頭部の外周面と注液孔の内周面とをレーザー溶接することで接合し密閉したものである。
実用新案登録第３１１３６７４号公報

上記特許文献１に記載の密閉式電池は、封孔栓の頭部の外周縁のうちの一点を始点として、外周縁に沿ってレーザー溶接が施されることで密閉される。

上記のような密閉方法を用いて、電池を密閉すると、封孔栓のレーザー溶接の始点に、電池内部方向へ応力がかかり封孔栓が傾くことがあり、これは、特に小さい封孔栓を備えた電池を密閉する際に起こり易い。このように封孔栓が傾くのは、外周縁のレーザー溶接の始点において局所的に温度が上昇して熱的に不均衡な状態が生じ、その結果、熱膨張による応力が局所的にかかるからではないかと考えられる。

そして、封孔栓の外周縁の一点部分が傾いたままレーザー溶接を施すと、封孔栓と注液孔との間にピンホール、クラックなどの隙間が生じ易くなり、注液孔の封孔不良が生じることがあった。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、注液孔の封孔不良が生じ難く、耐漏液性の高い密閉式電池を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明は、電池外装体に形成された電解液を注入するための注液孔と、その注液孔を封孔する封孔栓を備えた密閉式電池の製造方法であって、前記封孔栓のうち、前記注液孔を封孔した際に露出している露出部の中央部にレーザー照射を施した後、前記露出部の外周縁に沿ってレーザー溶接を施すことで密閉されることを特徴とする密閉式電池の製造方法である。

請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、前記封孔栓の前記露出部が平板状となっているところに特徴を有する。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のものにおいて、前記露出部の中央部にレーザー照射を施した後、連続して前記露出部の中央部から前記露出部の外周縁に連なるようにレーザー照射を施し、さらに前記露出部の外周縁に沿ってレーザー溶接を施すところに特徴を有する。

＜請求項１の発明＞
請求項１に記載の発明によれば、封孔栓のうち、注液孔を封孔した際に露出している露出部の中央部にレーザー照射を施した後、露出部の外周縁部分にレーザー溶接を施すことで密閉式電池の注液孔が密閉されるから、外周縁の一点部分を始点とした場合と相違して、封孔栓が傾き難い。これは、封孔栓の露出部の中央部にレーザー照射を施すことで、中央部の熱膨張による応力が均等に分散されるからではないかと考えられる。したがって、本発明の製造方法によれば、封孔栓がほぼ水平な状態で溶接が施されるから、注液孔の封孔不良が生じ難く、耐漏液性の高い密閉型電池を提供することができる。

＜請求項２の発明＞
請求項２に記載の発明によれば、封孔栓の露出部が平板状となっているから、レーザー溶接の開始の際に露出部の中央部から多少のずれがあっても、封孔栓が傾き難い。したがって、さらに封孔不良を生じ難い密閉型電池を提供することができる。

＜請求項３の発明＞
請求項３に記載の発明によれば、露出部の中央部にレーザー照射を施した後、連続して露出部の中央部から露出部の外周縁に連なるようにレーザー照射を施し、さらに露出部の外周縁に沿ってレーザー溶接を施すから、レーザー照射による熱の影響が徐々に中央部から外周縁に向かって及び、熱膨張による応力がより均等に分散されるという点で好適である。

＜実施形態１＞
以下、本発明の製造方法によって得られた実施形態１のリチウムイオン二次電池について説明する。
図１は、実施形態１を示す長円筒形のリチウムイオン二次電池１（以下、電池１という）の斜視図である。この電池１は、アルミニウム箔からなる正極集電体に正極合剤を塗布してなる正極板と、銅箔からなる負極集電体に負極合剤を塗布してなる負極板とがセパレータを介して長円渦巻状に巻回された長円筒形極板群２と、非水電解液（図示せず）とを電池外装体３に収納してなる、幅１２ｍｍ、高さ２０ｍｍ、厚さ５．０ｍｍのものである。

電池外装体３の上面には電池蓋４が、レーザー溶接によって取り付けられている。長円筒形極板群２の負極はリードを介して、電池蓋４に設けられた負極端子５と接続され、正極はリードを介して電池蓋４と接続されている。また、電池蓋４に設けられた注液孔１１を塞ぐように封孔栓６が取り付けられ、電池蓋４と封孔栓６とはレーザー溶接され、レーザー溶接部７が形成されている（詳細は後述する）。

図２は図１に示した電池１のＡ−Ａ断面図である。本実施形態において、注液孔１１は外側から内側に向けて大小２種の内径を有する段付き孔になっており、外側に近い方から第１孔部１１Ａ、第２孔部１１Ｂとされる。この注液孔１１に取り付けられている封孔栓６の形状は、図２に示すように、注液孔１１の第１孔部１１Ａと第２孔部１１Ｂとの間に配される上側部分が円盤状をなし（以下、円盤部１３ともいう）、第２孔部１１Ｂよりも下方に配される下側部分が円錐台形状をなす（以下、円錐台形部１４ともいう）ものである。円盤部１３の直径は注液孔１１の第１孔部１１Ａの直径よりやや小さめに設定され、円錐台形部１４は、その最大径が第２孔部１１Ｂの直径よりもやや小さめで、かつ、その直径は下方へ近づくに従い小さくなるように設定されている。
本実施形態の電池１を例えば、小型電池に適用する場合には、封孔栓６の円盤部１３の直径は通常０．３〜５ｍｍで、厚さは通常０．１〜３ｍｍである。

さて、本実施形態においては、封孔栓６のうち、注液孔１１に取り付けられた際に電池１の外側に露出している円盤部１３の上面部分が露出部１３Ａとされる。そして、この露出部１３Ａの中央部１３Ｂはレーザー照射を施す際の始点とされる。本実施形態においては、露出部１３Ａの中央部１３Ｂにレーザー照射を施した後、連続して中央部１３Ｂから外周縁１３Ｃに連なるようにレーザー照射を施し、さらに外周縁１３Ｃに沿ってレーザー溶接を施すことで、注液孔１１が密閉される。

＜実施例１〜３、比較例１および２＞
以下、実施形態１の電池１と同様の形態をなしている実施例１および、実施形態１とは封孔栓のレーザー照射の手順が相違する実施例２、３と比較例１、２について示すが、本発明はこれに限定されるものではない。

１．電池１の作製
（１）正極板の作製
正極板は、結着剤のポリフッ化ビニリデン６重量％と、導電剤のアセチレンブラック４重量％と、正極活物質としてＬｉＣｏＯ_２９０重量％とを混合してなる正極合剤に、Ｎ−メチルピロリドンを加えてペースト状に調製した後、これを厚さ１５μｍのアルミニウム箔製の正極集電体の両面に塗布、乾燥することによって作製した。

（２）負極板の作製
負極板の作製のための負極活物質としては、メソカーボンマイクロビーズ８５質量％と人造黒鉛１５質量％の混合材を用いた。負極板は、この負極活物質９７重量％とスチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）２重量％とカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）１重量％とを水中で分散させてペースト状に調製した後、これを、厚さ１０μｍの銅箔製の負極集電体の両面に塗布、乾燥することによって作製した。

（３）電池の作製
正極板および負極板の乾燥は、０．０１ｔｏｒｒ以下の真空下で１２時間以上行い、その後ロールプレスを行った。

次に正極板と負極板とを、幅１２ｍｍのセパレータを介して、巻き軸を中心として長円筒形に巻回して長円筒形極板群２とした。その後、巻き軸から長円筒形極板群２を取り外して、長円筒形アルミニウム製の電池外装体３に収納した。

長円筒形極板群２の寸法は長円筒形極板群２の平坦部が電池外装体３に接触し、かつ湾曲部の少なくとも一部が電池外装体３に接触するように設定して、電池１の体積エネルギー密度と耐振動性の向上を図った。

次に、エチレンカーボネート（ＥＣ）：ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）：エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）＝３：２：５（体積比）の混合溶媒に、さらに調製後の濃度が１ｍｏｌ／ＬとなるようにＬｉＰＦ_６を溶解した電解液を注入した。

次に注液孔１１に図２に示す形状の封孔栓６を設置し、図３〜図７に示す位置に下記の手順でレーザー照射を行うことで、注液孔１１を密閉し、本発明の製造方法による電池１（実施例１〜３）および従来の製造方法による電池１（比較例１および２）を得た。詳細は以下の通りである。なお、図３〜図７において、レーザー照射の始点は黒丸で描かれ、レーザー溶接（照射）が施されている部分はレーザー溶接部７として白丸が重ねられるようにして描かれており、図中の矢印の方向にレーザー溶接（照射）が施されていることを示す。なお、本明細書において「レーザー溶接部７」は、レーザー溶接が施された部分とレーザー照射が施された部分とを示す。

実施例１：実施形態１と同様に、封孔栓６の露出部１３Ａの中央部１３Ｂを始点として外周縁１３Ｃへ向けて直線状にレーザー照射を施し、これに続けて露出部１３Ａの外周縁１３Ｃに沿ってレーザー溶接を施した（図３参照）。

実施例２：図４に示すように、封孔栓６の露出部１３Ａの中央部１３Ｂを始点として渦巻き形状を描きながらレーザー照射を施し、露出部１３Ａの外周縁１３Ｃに沿って１周するところまで、レーザー溶接を施した。

実施例３：図５に示すように、まず封孔栓６の露出部１３Ａの中央部１３Ｂにレーザー照射を施した後、露出部１３Ａの外周縁１３Ｃに沿ってレーザー溶接を施した。

比較例１：図６に示すように、封孔栓６の露出部１３Ａの外周縁１３Ｃの一点を始点として、外周縁１３Ｃに沿ってレーザー溶接を施した。

比較例２：図７に示すように、封孔栓６の露出部１３Ａの外周縁１３Ｃの一点を始点として外周縁１３Ｃに沿ってレーザー溶接を施し、これに続けて露出部１３Ａの中央部１３Ｂに向けて直線状にレーザー照射を施した。

２．封孔不良率の判定
実施例１〜３と比較例１および２について、それぞれ１０００個の電池１を作製し、作製された電池１について注液孔１１の封孔が良好かどうかを判定した。この際、顕微鏡観察によって封孔栓６から電解液の染み出しが認められない場合は良好とし、認められる場合は不良とした。不良と判定された電池の個数と不良率（％）を表１に示す。

３．結果と考察
（１）本発明の製造方法によって得られた電池１（実施例１〜３）については、比較例１および２と比較して、不良率は低かった。この理由は以下のように考えられる。

実施例１〜３においては、封孔栓６の露出部１３Ａの中央部１３Ｂを始点としてレーザー照射が施されることで、中央部１３Ｂの熱膨張による応力が均等に分散されるから、封孔栓６が傾き難い。一方、比較例１および２においては、外周縁１３Ｃの一点部分を始点としてレーザー溶接が施されることで、外周縁１３Ｃにおいて局所的に温度が上昇して熱的に不均衡な状態が生じ、電池内部方向へ熱膨張による応力が局所的にかかるから、実施例１〜３と比較すると封孔栓６が傾き易い傾向にある。そして、その結果、実施例１〜３の方法によって製造された電池１においては、比較例１および２の方法によって製造された電池１と比較して、レーザー溶接の際に、封孔栓６が傾く割合が少ないので、封孔不良が生じ難いのではないかと考えられる。

（２）特に実施例１および２において不良率が低かった。これは、レーザー照射による熱の影響が徐々に中央部１３Ｂから外周縁１３Ｃ方向に及ぶことで、熱膨張による応力がより均等に分散されるからではないかと考えられる。

４．本発明の効果
本発明によれば、注液孔の封孔不良が生じ難く、耐漏液性の高い電池を提供することができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）本発明は露出部の中央部にレーザー照射を施した後、外周縁に沿ってレーザー溶接を施して製造する方法であればよく、上記実施例１〜３以外の溶接方法、例えば、露出部の中央部を始点として外周縁に向けて放射状にレーザー照射を施した後、外周縁に沿って溶接を施しても良い。

（２）上記実施形態は、本発明をリチウムイオン二次電池に適用したものであったが、本発明は、リチウムイオン二次電池に限らず、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池に適用することもできる。

（３）本発明において、封孔栓の形状は、実施形態１に示す形状以外の形状をなすもの、例えば、全体として円錐台形状をなすもの、ねじ形状をなすもの、上部が方形状をなしており下部が円錐台形や円柱状をなすもの、または、上部が円盤形状をなし下部が円錐台形状をなすものにパッキンやワッシャーを嵌めこんだものなどであってもよい。
また、本発明においては、封孔栓のうち、少なくとも注液孔に取り付けられた際に電池の外側に露出している露出部はレーザー溶接可能な材料である必要があるが、溶接されない部分はゴムなどの弾性素材であってもよい。

（４）上記実施形態において注液孔は段付き孔となっていたが、段差のない形状のものでもよい。また、封孔栓のうち注液孔にはめ込まれる部分に弾性素材を用いて圧入によって注液孔をシールする場合などであれば、封孔栓の直径はその一部または全部において注液孔の内径よりも大きく設定されていてもよい。

（５）上記実施形態の電池は、安全弁を備えていないものであったが、安全弁を備えた大型電池にも本発明を適用することができる。安全弁の設置位置は、電池外装体の上面や側面であってもよい。

実施形態１の電池の斜視図そのＡ−Ａ断面図実施例１における封孔栓のレーザー溶接の状態を示す上面図実施例２における封孔栓のレーザー溶接の状態を示す上面図実施例３における封孔栓のレーザー溶接の状態を示す上面図比較例１における封孔栓のレーザー溶接の状態を示す上面図比較例２における封孔栓のレーザー溶接の状態を示す上面図

符号の説明

１…電池
２…長円筒形極板群
３…電池外装体
６…封孔栓
７…レーザー溶接部
１１…注液孔
１３…円盤部
１３Ａ…露出部
１３Ｂ…中央部
１３Ｃ…外周縁

Claims

電池外装体に形成された電解液を注入するための注液孔と、その注液孔を封孔する封孔栓を備えた密閉式電池の製造方法であって、
前記封孔栓のうち、前記注液孔を封孔した際に露出している露出部の中央部にレーザー照射を施した後、前記露出部の外周縁に沿ってレーザー溶接を施すことで密閉されることを特徴とする密閉式電池の製造方法。
前記封孔栓の前記露出部が平板状となっていることを特徴とする請求項１に記載の密閉式電池の製造方法。
前記露出部の中央部にレーザー照射を施した後、連続して前記露出部の中央部から前記露出部の外周縁に連なるようにレーザー照射を施し、さらに前記露出部の外周縁に沿ってレーザー溶接を施すことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の密閉式電池の製造方法。