JP6149744B2 - 密閉型電池およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、密閉型電池およびその製造方法に関する。

従来の密閉型電池に関して、たとえば、特開２００９−２５９７０１号公報には、封止キャップの接合部分に作用する応力を緩和することを目的とした、電池が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された電池は、注液孔が形成された筺体と、注液孔を塞ぐ封止キャップとを備える。封止キャップの周縁部は、溶接により筺体に接合されており、封止キャップの中央部は、周縁部から屈曲して筺体の外側に盛り上がっている。

そのほか、特許第４８１１５４０号公報には、電池容器に形成された開口部をその全周に渡って一定の溶接条件で閉塞することを目的とした、密閉型電池が開示されている（特許文献２）。

特開２００９−２５９７０１号公報 特許第４８１１５４０号公報

上述の特許文献１に開示された電池においては、注液孔が形成された筺体に対して、注液孔を塞ぐ封止キャップが溶接により接合されている。しかしながら、封止キャップの溶接時、筺体内部のガスが溶接熱で加熱され、膨張すると、そのガスが溶接雰囲気内に侵入する。この場合、溶接部が筺体内部のガスを巻き込むことにより、ブローホール（溶接部の内部に気泡が生じる現象）が発生する可能性がある。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、溶接部にブローホールが発生することを抑制する密閉型電池およびその製造方法を提供することである。

この発明に従った密閉型電池は、不活性ガスを含む内部空間を形成し、内部空間に連通する開口部が形成される外装体と、開口部を塞ぎ、内部空間を密閉する蓋体と、外装体および蓋体の境界に設けられ、外装体と蓋体とを接合する溶接部とを備える。開口部が内部空間からその外部に向けて鉛直上方向に開口する状態において、溶接部は、内部空間の最上部よりも高い位置に設けられる。

このように構成された密閉型電池によれば、外装体および筺体の溶接時、内部空間の最上部に不活性ガスを滞留させることによって、溶接部に外装体内部のガスが巻き込まれる現象を防止できる。これにより、溶接部にブローホールが発生することを抑制できる。

また好ましくは、蓋体は、溶接部に隣り合う位置に設けられ、外部から内部空間に向けて突出する凸部を有する。

このように構成された密閉型電池によれば、外装体および筺体の溶接時、内部空間の最上部への不活性ガスの滞留を促進させることができる。

また好ましくは、溶接部の最下部は、内部空間の最上部よりも高く設定される。このように構成された密閉型電池によれば、溶接部の最下部よりも低い位置に不活性ガスを滞留させることによって、溶接部に外装体内部のガスが巻き込まれる現象を防止できる。

また好ましくは、外装体は、頂面を有する。蓋体は、頂面から突出しないように設けられる。

このように構成された密閉型電池によれば、外装体および筺体の溶接時、外部の空間において溶接部に向けてシールドガスを供給する場合に、蓋体によってシールドガスの流れが妨げられることを防止できる。これにより、溶接部にブローホールが発生することをより効果的に抑制できる。

この発明に従った密閉型電池の製造方法は、開口部を通じて外装体に電解液を注入するとともに、外装体の内部に不活性ガスを供給する工程と、不活性ガスを供給する工程の後、開口部を蓋体により塞ぎ、外装体の内部に密閉された内部空間を形成する工程と、開口部が内部空間からその外部に向けて鉛直上方向に開口する状態において、内部空間の最上部よりも高い位置に設けられた外装体および蓋体の合わせ面を、溶接により接合する工程とを備える。

このように構成された密閉型電池の製造方法によれば、外装体および筺体の溶接時、内部空間の最上部に不活性ガスを滞留させることによって、溶接位置に外装体内部のガスが巻き込まれる現象を防止できる。これにより、外装体および筺体の溶接部にブローホールが発生することを抑制できる。

以上に説明したように、この発明に従えば、溶接部にブローホールが発生することを抑制する密閉型電池およびその製造方法を提供することができる。

この発明の実施の形態１における密閉型電池を示す斜視図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線上に沿った密閉型電池を示す断面図である。 図２中の密閉型電池の製造方法の工程を示す断面図である。 比較のための密閉型電池の製造方法の工程を示す断面図である。 図４中の比較のための密閉型電池において、溶接部を示す断面図である。 図５中のＶＩ−ＶＩ線上に沿った溶接部を示す断面図である。 図２中の密閉型電池において、ＶＩＩ−ＶＩＩ線上に沿った溶接部を示す断面図である。 図７中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線上に沿った溶接部を示す断面図である。 図３中の密閉型電池の製造方法の工程の第１変形例を示す断面図である。 図３中の密閉型電池の製造方法の工程の第２変形例を示す断面図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１における密閉型電池を示す斜視図である。図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線上に沿った密閉型電池を示す断面図である。

図１および図２を参照して、本実施の形態における密閉型電池１０は、複数個が直列に組み合わされて組電池とされ、ハイブリッド自動車に搭載されている。その組電池は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関とともにハイブリッド自動車の動力源とされている。代表的な一例として、密閉型電池１０は、リチウムイオン二次電池である。

密閉型電池１０は、電池要素（不図示）および外装体１１を有する。電池要素は、正負の電極板がセパレータを介して積層されて構成されている。外装体１１は、筺体形状を有し、その内側に形成された内部空間１６には、電池要素および電解液が収容されている。

外装体１１は、ケース１２およびカバー２１が互いに組み合わさって構成されている。ケース１２は、全体として略直方体形状の外観を有し、そのうちの一面が開口されている。カバー２１は、矩形の平面視を有する平板形状を有し、ケース１２の開口を塞ぐように設けられている。カバー２１は、頂面２１ａを有する。頂面２１ａは、外装体１１の外側の外部空間に面している。

ケース１２およびカバー２１は、金属から形成されている。ケース１２およびカバー２１は、たとえば、アルミニウムから形成されている。ケース１２とカバー２１とは、溶接により互いに接合されている。

外装体１１の内側の内部空間１６には、所定量の不活性ガスが封入されている。不活性ガスは、内部空間１６における主要なガス成分（代表的な例としては、空気）よりも小さい比重を有する。不活性ガスの種類は、特に限定されないが、たとえば、ヘリウム（Ｈｅ）が利用される。

外装体１１には、注液孔２４が形成されている。注液孔２４は、外装体１１の外側から内部空間１６に連通するように形成されている。注液孔２４は、カバー２１を貫通するように形成されている。注液孔２４は、外装体１１の外部から内部空間１６に電解液を注入するための開口部として形成されている。

図２中においては、注液孔２４が内部空間１６から外装体１１の外側に向けて鉛直上方向（矢印１０１に示す方向）に開口する状態で、外装体１１が示されている。

カバー２１は、段差部２６および段差部２７を有する。注液孔２４の開口面を正面から見た場合に、段差部２７は、注液孔２４の外周上に設けられ、段差部２６は、段差部２７の外周上に設けられている。段差部２６は、頂面２１ａから内部空間１６側に凹んだ位置に設けられ、段差部２７は、段差部２６から内部空間１６側にさらに凹んだ位置に設けられている。段差部２７の内周縁により、注液孔２４の開口面が規定されている。段差部２６は、環状に周回して設けられている。段差部２６の平面視は特に限定されないが、本実施の形態では、注液孔２４の開口面を正面から見た場合に、段差部２６が円形状の外形を有する。

密閉型電池１０は、封止栓（キャップ）３１および溶接部４１をさらに有する。封止栓３１は、注液孔２４を塞ぐように設けられている。内部空間１６は、封止栓３１により密閉空間とされている。封止栓３１は、金属から形成されている。封止栓３１は、たとえば、アルミニウムから形成されている。外装体１１（カバー２１）と封止栓３１とは、溶接部４１により互いに接合されている。

封止栓３１は、段差部２６に載置されている。本実施の形態では、封止栓３１は、カバー２１の頂面２１ａから突出しないように設けられている。封止栓３１は、頂面３１ａを有する。頂面３１ａは、外装体１１の外側の外部空間に面している。封止栓３１は、その頂面３１ａがカバー２１の頂面２１ａと面一となるように設けられている。

封止栓３１は、全体として平板形状を有する。封止栓３１は、段差部２６の外形に対応する平面視を有し、本実施の形態では、円形の平面視を有する。封止栓３１は、その構成部位として、凸部３３および平板部３４を有する。

凸部３３は、円形の平面視を有する封止栓３１の中央部に設けられている。凸部３３は、外装体１１の外側から内部空間１６に向けて突出するように設けられている。注液孔２４の開口面を正面から見た場合に、凸部３３は、注液孔２４の開口面に投影される位置に設けられている。凸部３３は、後述する溶接部４１に隣り合って設けられている。凸部３３は、環状に周回する溶接部４１の内側に設けられている。平板部３４は、凸部３３の外周上に設けられている。平板部３４は、カバー２１の頂面２１ａに平行な方向に平板状に延在している。注液孔２４の開口面を正面から見た場合に、平板部３４は、段差部２６および段差部２７に投影される位置に設けられている。

平板部３４は、段差部２６に重ね合わされている。平板部３４と段差部２７との間には、不活性ガス滞留部２８が空間として形成されている。不活性ガス滞留部２８の内側には、凸部３３が位置決めされている。図２中に示す、注液孔２４が内部空間１６から外装体１１の外側に向けて鉛直上方向に開口する状態において、不活性ガス滞留部２８は、内部空間１６の最上部に位置する。

溶接部４１は、外装体１１と封止栓３１との合わせ面を溶接することによって形成される溶接跡である。溶接部４１は、外装体１１（カバー２１）と封止栓３１との境界に設けられている。溶接部４１は、円形の平面視を有する封止栓３１の外周上に設けられている。溶接部４１は、平板部３４の外周縁に沿って環状に周回して設けられている。溶接部４１は、頂面２１ａおよび頂面３１ａから封止栓３１の厚み方向に所定の深さを有して設けられている。

溶接部４１は、内部空間１６の最上部よりも高い位置に設けられている。溶接部４１は、不活性ガス滞留部２８よりも高い位置に設けられている。特に本実施の形態では、溶接部４１の最下部が、内部空間１６の最上部よりも高い位置に設けられている。内部空間１６の最上部は、溶接部４１の最下部に繋がっている。

なお、本発明においては、必ずしも、溶接部４１の全体が内部空間１６の最上部よりも高い位置に設けられなくてもよく、たとえば、溶接部４１が、封止栓３１が載置される段差部２６の載置面２６ａよりも深い位置まで形成されている場合であっても、このような実施形態は本発明に含まれる。

本実施の形態における密閉型電池１０の製造方法について説明する。図３は、図２中の密閉型電池の製造方法の工程を示す断面図である。

図１から図３を参照して、ケース１２に図示しない電池要素を収容する。ケース１２の開口を塞ぐようにカバー２１を設け、溶接によりケース１２とカバー２１とを接合する。次に、注液孔２４を通じて、外装体１１に電解液を注入するとともに、内部空間１６に不活性ガスを供給する。

図３を参照して、次に、注液孔２４を塞ぐように封止栓３１を設け、内部空間１６を密閉する。このとき、封止栓３１の平板部３４の外周縁と、その外周縁と対面する外装体１１（カバー２１）の内周面とにより、外装体１１および封止栓３１の合わせ面１５が形成される。

次に、図３中に示す、注液孔２４が内部空間１６からその外部に向けて鉛直上方向に開口する状態において、内部空間１６の最上部よりも高い位置に設けられた外装体１１および封止栓３１の合わせ面１５を、溶接により接合する。本実施の形態では、図中の白抜き矢印に示すように、外装体１１および封止栓３１の合わせ面１５に向けてレーザを照射することによって、溶接を実施する。

この溶接工程時、外装体１１の外部では、矢印１０２に示すように溶接部位に向けてシールドガスを供給する。シールドガスの一例として、アルゴン（Ａｒ）または窒素（Ｎ_２）などの不活性ガスを用いる。これらの不活性ガスを主成分とし、さらに副ガス（炭酸ガス、酸素または水素など）を含むガスをシールドガスとして用いてもよい。

シールドガスは、溶接時のアークや溶融金属を覆って、空気が溶接雰囲気内に侵入することを防ぐ。本実施の形態では、封止栓３１がカバー２１の頂面２１ａから突出しないように設けられるため、溶接部位に向けてシールドガスを円滑に供給することができる。

以上の工程により、外装体１１および封止栓３１の合わせ面１５が図２中に示す溶接部４１によって封止された密閉型電池１０が得られる。

続いて、本実施の形態における密閉型電池１０およびその製造方法によって奏される作用効果について、比較例を交えながら説明する。

図４は、比較のための密閉型電池の製造方法の工程を示す断面図である。図４は、図３に対応する図である。図４を参照して、比較のための密閉型電池は、図３中の封止栓３１に替えて、封止栓５１を有する。封止栓５１は、内部空間１６から外装体１１の外部に向けて突出する形状を有し、その内側に、内部空間１６の最上部となる不活性ガス滞留部５３が形成されている。このような構成のため、比較のための密閉型電池では、外装体１１および封止栓３１の合わせ面１５（溶接部４１）が、内部空間１６の最上部よりも低い位置に設定されている。

外装体１１および封止栓３１の合わせ面１５を封止する溶接部４１には、気密性および耐圧強度の２つの機能が求められる。レーザ照射による溶接時、一般的には、溶接部位にシールドガスを流して、溶接部４１にブローホールが発生することを抑制する。しかしながら、外装体１１の内側の内部空間１６にシールドガスを流すことができないため、外装体１１内の空気が加熱されて膨張し、逃げ場を失って、ブローホールが発生し易くなる。

このようなブローホールの発生を抑制する手段として、外装体１１内に不活性ガスを配置する方法が考えられる。図４中に示す比較のための密閉型電池では、矢印１０４に示すように、外装体１１内で比重の小さい不活性ガスが内部空間１６の最上部に位置する不活性ガス滞留部５３に滞留する。しかしながら、外装体１１および封止栓３１の合わせ面１５が内部空間１６の最上部よりも低い位置に設定されているため、不活性ガスによって溶接部位を外装体１１内の空気から遮蔽することができない。

図５は、図４中の比較のための密閉型電池において、溶接部を示す断面図である。図５中には、図４中のＶ−Ｖ線上に沿った位置に対応する溶接部４１の断面が示されている。図６は、図５中のＶＩ−ＶＩ線上に沿った溶接部を示す断面図である。これらの図中には、ＣＴ（Computed Tomography）を用いて撮影された溶接部の断面が示されている。

図５および図６を参照して、比較のための密閉型電池では、図５中の引き出し線１１０および図６中の引き出し線１３０により指し示すように、周方向に連続して並ぶブローホールが溶接部４１に確認される。

図３を参照して、これに対して、本実施の形態の形態における密閉型電池１０では、溶接時、外装体１１および封止栓３１の合わせ面１５が内部空間１６の最上部よりも高い位置に設けられている。このような構成により、矢印１０３に示すように、内部空間１６の最上部に位置する不活性ガス滞留部２８に不活性ガスを滞留させ、その不活性ガスによって、溶接部位を覆うことができる。結果、溶接部位に外装体１１内の空気が巻き込まれることを防ぎ、溶接部４１にブローホールが発生することを抑制できる。

さらに本実施の形態では、封止栓３１が、外装体１１の外側から内部空間１６に向けて突出する凸部３３を有する。このような構成により、不活性ガスが不活性ガス滞留部２８に滞留し易くなるため、ブローホールの発生をより効果的に抑制することができる。

図７は、図２中の密閉型電池において、ＶＩＩ−ＶＩＩ線上に沿った溶接部を示す断面図である。図８は、図７中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線上に沿った溶接部を示す断面図である。これらの図中には、ＣＴを用いて撮影された溶接部の断面が示されている。

図７および図８を参照して、本実施の形態の形態における密閉型電池１０では、図７中の引き出し線１２０により指し示すように、図５および図６中における比較例と比べて、ブローホールが大幅に減少していることが確認される。

以上に説明した、この発明の実施の形態１における密閉型電池１０およびその製造方法の構成についてまとめて説明すると、本実施の形態における密閉型電池１０は、不活性ガスを含む内部空間１６を形成し、内部空間１６に連通する開口部としての注液孔２４が形成される外装体１１と、注液孔２４を塞ぎ、内部空間１６を密閉する蓋体としての封止栓３１と、外装体１１および封止栓３１の境界に設けられ、外装体１１と封止栓３１とを接合する溶接部４１とを備える。注液孔２４が内部空間１６からその外部に向けて鉛直上方向に開口する状態において、溶接部４１は、内部空間１６の最上部よりも高い位置に設けられる。

また、本実施の形態における密閉型電池１０の製造方法は、開口部としての注液孔２４を通じて外装体１１に電解液を注入するとともに、外装体１１の内部に不活性ガスを供給する工程と、不活性ガスを供給する工程の後、注液孔２４を蓋体としての封止栓３１により塞ぎ、外装体１１の内部に密閉された内部空間１６を形成する工程と、注液孔２４が内部空間１６からその外部に向けて鉛直上方向に開口する状態において、内部空間１６の最上部よりも高い位置に設けられた外装体１１および封止栓３１の合わせ面１５を、溶接により接合する工程とを備える。

このように構成された、この発明の実施の形態１における密閉型電池１０およびその製造方法によれば、外装体１１および封止栓３１の溶接時、溶接部位に外装体１１内の空気が巻き込まれることを防いで、溶接部４１にブローホールが発生することを抑制できる。これにより、外装体１１の気密性および耐圧強度を向上させることができる。

なお、本実施の形態における密閉型電池１０は、ハイブリッド自動車に限られず、たとえば、電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）に搭載されてもよい。

（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１において説明した密閉型電池１０およびその製造方法の変形例について説明する。

図９は、図３中の密閉型電池の製造方法の工程の第１変形例を示す断面図である。図１０は、図３中の密閉型電池の製造方法の工程の第２変形例を示す断面図である。

図９を参照して、本変形例では、封止栓３１の全体が平板形状を有する。このような構成においても、外装体１１および封止栓３１の溶接時、封止栓３１の直下の空間に不活性ガスを滞留させて、溶接部位に外装体１１内の空気が巻き込まれることを防止できる。

図１０を参照して、本変形例では、図２中の段差部２６が周方向において断続的に設けられている（図１０中には、段差部２６が途切れている断面が示されている）。段差部２６は、周方向において少なくとも２個所に設けられていれば、封止栓３１が載置される土台として機能する。このような構成では、段差部２６が設けられていない位置において、不活性ガス滞留部２８と溶接部４１の最下部とが直接繋がることになる。

このように構成された、この発明の実施の実施の形態２における密閉型電池およびその製造方法によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に奏することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、リチウムイオン二次電池等の密閉型電池に適用される。

１０ 密閉型電池、１１ 外装体、１２ ケース、１５ 合わせ面、１６ 内部空間、２１ カバー、２１ａ，３１ａ 頂面、２４ 注液孔、２６，２７ 段差部、２６ａ 載置面、２８，５３ 不活性ガス滞留部、３１，５１ 封止栓、３３ 凸部、３４ 平板部、４１ 溶接部。

Claims (4)

1. 不活性ガスを含む内部空間を形成し、前記内部空間に連通する開口部が形成される外装体と、
   前記開口部を塞ぎ、前記内部空間を密閉する蓋体と、
   前記外装体および前記蓋体の境界に設けられ、前記外装体と前記蓋体とを接合する溶接部とを備え、
   前記開口部が前記内部空間からその外部に向けて鉛直上方向に開口する状態において、前記溶接部は、前記内部空間の最上部よりも高い位置に設けられ、
   前記蓋体は、前記溶接部に隣り合う位置に設けられ、外部から前記内部空間に向けて突出する凸部を有する、密閉型電池。
2. 前記溶接部の最下部は、前記内部空間の最上部よりも高く設定される、請求項１に記載の密閉型電池。
3. 前記外装体は、頂面を有し、
   前記蓋体は、前記頂面から突出しないように設けられる、請求項１または２に記載の密閉型電池。
4. 開口部を通じて外装体に電解液を注入するとともに、前記外装体の内部に不活性ガスを供給する工程と、
   前記不活性ガスを供給する工程の後、前記開口部を蓋体により塞ぎ、前記外装体の内部に密閉された内部空間を形成する工程と、
   前記開口部が前記内部空間からその外部に向けて鉛直上方向に開口する状態において、前記内部空間の最上部よりも高い位置に設けられた前記外装体および前記蓋体の合わせ面を、溶接により接合する工程とを備える、密閉型電池の製造方法。