JP6919811B2 - 密閉型電池 - Google Patents

Description

本発明は、密閉型電池に関する。

例えば、特許文献１には、電極体を収容する有底筒状の電池ケースと、電池ケースの蓋体と、電池ケースの外部に延びる端子ボルトと、電極体と端子ボルトとを電気的に接続する集電端子および接続部材と、端子ボルトおよび接続部材と蓋体とを絶縁するインシュレータ（絶縁体）とを備えた密閉型電池が開示されている。

特許第５６７３８３２号公報

上記のような構造の密閉型電池では、蓋体は、例えば、溶接によって電池ケースに接合される。溶接方法としては、例えばレーザー溶接などが好適に利用される。しかしながら、電池ケースと蓋体との接合をレーザー溶接で行うと、蓋体の上に配置された絶縁部材にレーザー溶接に用いられるレーザー光が直接当たらないような場合でも、絶縁部材に焦げが発生する場合があった。

ここで提案される密閉型電池は、開口部を有するケース本体と、開口部を塞ぐように開口部に装着され、かつ、開口部の周縁に溶接された蓋体と、波長４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光に対する反射率が２０％以上の材料によって形成され、蓋体の外側面上に配置された絶縁部材と、絶縁部材の上に、蓋体と絶縁された状態で配置された外部端子とを備えている。
かかる密閉型電池によれば、ケース本体と蓋体とのレーザー溶接によって生じる光に起因して絶縁部材が焦げにくく、欠損しにくい。

図１は、密閉型電池１０の部分断面図である。 図２は、ボルト端子１５付近を示す断面図である。 図３は、密閉型電池１０の平面図である。 図４は、ケース本体１１と蓋体１２との溶接部Ｗを示す断面図である。 図５は、溶接部Ｗが形成される際に生じる光ＲＬの波長による強度分布を示す模式図である。 図６は、インシュレータ１７に焦げが発生する条件を示すグラフである。

以下、密閉型電池の一実施形態を説明する。なお、ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。また、各図は、模式図であり、必ずしも実際の実施品が忠実に反映されたものではない。以下では、同じ作用を奏する部材、部位には同じ符号を付し、重複する説明は適宜省略または簡略化する。ここでは、図中において、前、後、上、下、左、右は、それぞれＦ、Ｒｒ、Ｕ、Ｄ、Ｌ、Ｒで表す。ただし、前、後、上、下、左、右は説明の便宜上の方向に過ぎず、密閉型電池１０の設置態様等を限定するものではない。

図１は、密閉型電池１０の部分断面図である。図１は、略直方体のケース本体１１の片側の幅広面に沿って、ケース本体１１の内部を露出させた状態で描かれている。図２は、ボルト端子１５付近を示す断面図である。図３は、密閉型電池１０の平面図である。図１〜図３に示すように、密閉型電池１０は、ケース本体１１と、ケース本体１１に接合された蓋体１２と、電極体２０と、集電端子１３と、外部端子１４と、ボルト端子１５と、ガスケット１６と、インシュレータ１７とを備えている。

ケース本体１１は、電極体２０と電解液とを収容している。ケース本体１１は、略直方体の扁平な角型の容器である。ケース本体１１は、対向する幅広面を構成する一対の側面の間の一側面が開口している。ケース本体１１は、例えば、アルミニウムまたはアルミ合金によって形成されている。この実施形態では、蓋体１２は、ケース本体１１の開口部１１ａを塞ぐように開口部１１ａに装着される。開口部１１ａの上縁部の内側には、段差１１ａ１が設けられており、蓋体１２は当該段差１１ａ１に嵌められている。

蓋体１２は、ケース本体１１の開口部１１ａの周縁に溶接されている。この実施形態では、蓋体１２は、ケース本体１１の開口部１１ａに装着されるプレート状の部材である。蓋体１２も、例えば、アルミニウムまたはアルミ合金によって形成されている。蓋体１２には、貫通穴１２ａが左右に１個ずつ設けられており、貫通穴１２ａによってケース本体１１の内部と外部とは連通している。また、蓋体１２には安全弁１２ｃおよび電解液注入口１２ｄが形成されている。安全弁１２ｃは、異常時にケース本体１１の内圧が所定の圧力以上に上昇すると破壊され、ケース本体１１内の圧力を開放する機能を有する。電解液注入口１２ｄは、ケース本体１１内に電解液を注入する部位である。蓋体１２は、電極体２０がケース本体１１に収容された後で、開口部を塞ぐようにケース本体１１に取り付けられている。

電極体２０は、例えば、絶縁フィルム（図示は省略）などで覆われた状態で、ケース本体１１に収容されている。電極体２０は、正極シート２１と、負極シート２２と、第１セパレータシート２３と、第２セパレータシート２４とを備えている。正極シート２１、負極シート２２、第１セパレータシート２３、および第２セパレータシート２４は、それぞれ長尺の帯状の部材である。第１セパレータシート２３、正極シート２１、第２セパレータシート２４、負極シート２２はこの順に重ねられ、ケース本体１１内で捲回されている。

正極シート２１は、予め定められた幅および厚さの金属箔（例えば、アルミニウム箔。以下では正極集電箔２１ａと称する。）の両面に、正極活物質を含む正極活物質層２１ｂが形成された部材である。ただし、正極集電箔２１ａの片側の端部には、正極活物質層２１ｂが形成されていない未形成部２１ｃが一定の長さ設定されている。正極活物質は、例えば、リチウムイオン二次電池では、リチウム遷移金属複合材料のように、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸収しうる材料である。正極活物質は、一般的にリチウム遷移金属複合材料以外にも種々提案されており、特に限定されない。

負極シート２２は、予め定められた幅および厚さの金属箔（例えば、銅箔。以下では負極集電箔２２ａと称する。）の両面に、負極活物質を含む負極活物質層２２ｂが形成された部材である。ただし、負極集電箔２２ａの片側の端部には、負極活物質層２２ｂが形成されていない未形成部２２ｃが一定の長さ設定されている。負極活物質は、例えば、リチウムイオン二次電池では、天然黒鉛のように、充電時にリチウムイオンを吸蔵し、充電時に吸蔵したリチウムイオンを放電時に放出しうる材料である。負極活物質は、一般的に天然黒鉛以外にも種々提案されており、特に限定されない。

第１セパレータシート２３および第２セパレータシート２４には、例えば、所要の耐熱性を有し、電解質が通過しうる多孔質の樹脂シートが用いられる。セパレータシート２３、２４についても種々提案されており、特に限定されない。

ケース本体１１内で捲回された正極シート２１は、未形成部２１ｃがケース本体１１内の左端付近にくるように配置される。負極シート２２は、未形成部２２ｃがケース本体１１内の右端付近にくるように配置される。正極シート２１の未形成部２１ｃおよび負極シート２２の未形成部２２ｃには、それぞれ１つの集電端子１３が溶接されている。

集電端子１３は、基部１３ａと、取付片１３ｂと、軸部１３ｃとを備えている。右側（負極側）の集電端子１３と左側（正極側）の集電端子１３は、ここでは左右互い違いの形状である。そこで、以下では右側の集電端子１３について説明する。また、集電端子１３に近接する外部端子１４、ボルト端子１５、ガスケット１６、インシュレータ１７などについても右側の部材について説明し、左側の部材の説明は簡略化または省略する。集電端子１３の基部１３ａは、水平方向に延びる板状の部位である。基部１３ａは、ガスケット１６を介して蓋体１２の下面に取り付けられている。基部１３ａからは取付片１３ｂが下方に延びている。取付片１３ｂは、鉛直方向に延びる板状の部位である。取付片１３ｂには、負極の未形成部２２ｃが溶接されている。基部１３ａの上方には、軸部１３ｃが延びている。集電端子１３は、負極シート２２と電気的に接続されている。集電端子１３の軸部１３ｃは、蓋体１２の貫通穴１２ａを通り、蓋体１２の外側で外部端子１４に連結されている。

外部端子１４は、図２に示されているように、中間部に段差１４ａが設けられたプレート状の部材である。段差１４ａの右側には、集電端子１３の軸部１３ｃが挿通される第１貫通穴１４ｂが形成されている。段差１４ａの左側には、ボルト端子１５が挿通される第２貫通穴１４ｃが形成されている。

ボルト端子１５は、密閉型電池１０の電力を外部に取り出すための端子である。複数の密閉型電池１０を連結して組電池が構成される場合には、このボルト端子１５同士がバスバー（図示省略）によって接続される。ボルト端子１５は、図２に示されているように、ボルト部１５ａと鍔部１５ｂとを備えている。ボルト部１５ａの外周部には、ネジが加工されている。鍔部１５ｂは、ボルト部１５ａよりも径の大きい円柱状の部位であり、ボルト部１５ａの下方に位置している。ボルト端子１５のボルト部１５ａは、外部端子１４の第２貫通穴１４ｃに挿通されている。鍔部１５ｂは、外部端子１４の下面に接している。

負極側の集電端子１３、外部端子１４、およびボルト端子１５は、例えば、銅または銅合金で形成されている。正極側の集電端子１３、外部端子１４、およびボルト端子１５は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されている。

この実施形態では、集電端子１３と、外部端子１４およびボルト端子１５と、蓋体１２との間には、絶縁部材としてのガスケット１６とインシュレータ１７が介在している。

ガスケット１６は、基部１６ａと、筒部１６ｂと、受け部１６ｃとを有している。基部１６ａは、蓋体１２の下面に装着される平板状の部位である。筒部１６ｂは、基部１６ａから突出し、蓋体１２の貫通穴１２ａの内周面に装着される部位である。筒部１６ｂの内側には、集電端子１３の軸部１３ｃが挿通される。受け部１６ｃは、ガスケット１６の下面に設けられている。受け部１６ｃは、集電端子１３の基部１３ａの形状に応じた窪みを有しており、集電端子１３の基部１３ａは、受け部１６ｃによって位置決めされる。ガスケット１６は、所要の弾性を有する樹脂部材（例えば、フッ素系樹脂）にて構成されている。ガスケット１６によって、集電端子１３の軸部１３ｃが挿通される蓋体１２の貫通穴１２ａのシール性が確保されている。また、ガスケット１６は絶縁体であり、蓋体１２と集電端子１３とを電気的に絶縁している。

インシュレータ１７は、蓋体１２の外側面上に配置された絶縁部材であり、波長４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光に対する反射率が２０％以上の材料によって形成されている。
この実施形態では、インシュレータ１７は、蓋体１２と、外部端子１４およびボルト端子１５との間に介在している。インシュレータ１７は、蓋体１２と、外部端子１４およびボルト端子１５とを絶縁している。インシュレータ１７は、波長４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光に対する反射率が２０％以上の材料として、例えば、ガラス繊維を５０％程度含有するナイロン６６で形成されている。インシュレータ１７は、例えば、射出成形によって成形されている。

この実施形態では、インシュレータ１７の下面には、図２に示されているように、凸部１７ａが設けられている。凸部１７ａは、蓋体１２の凹部１２ｂに装着されている。
インシュレータ１７の上面には、第１凹部１７ｂと、第２凹部１７ｃとが設けられている。第１凹部１７ｂには、ボルト端子１５の鍔部１５ｂが装着される。第２凹部１７ｃには、ボルト端子１５のボルト部１５ａに装着された外部端子１４が装着される。
外部端子１４が装着される第２凹部１７ｃには、蓋体１２の貫通穴１２ａに対応する位置に貫通穴１７ｄが形成されている。貫通穴１７ｄは、集電端子１３の軸部１３ｃが挿通されうる内径を有している。

インシュレータ１７は、図３に示されているように、前後方向において、蓋体１２の上部によりも少し小さい幅を有している。この実施形態では、インシュレータ１７は、蓋体１２の左右方向の端部に近い位置に配置されている。インシュレータ１７のいくつかの部位は、ケース本体１１と蓋体１２とが溶接された溶接部Ｗに近接している。例えば、ケース本体１１と蓋体１２とが溶接された溶接部Ｗと、インシュレータ１７との距離は、狭いところでは、例えば、１．３６ｍｍ〜１．７５ｍｍ程度であり得る。

蓋体１２の下部では、ガスケット１６が装着されている。この際、ガスケット１６の筒部１６ｂが蓋体１２の貫通穴１２ａに下方から挿入されている。集電端子１３は、蓋体１２の下方から取り付けられる。集電端子１３の軸部１３ｃは、蓋体１２の下方からガスケット１６の筒部１６ｂを通して蓋体１２の貫通穴１２ａを貫通するように装着されている。集電端子１３の基部１３ａは、ガスケット１６の受け部１６ｃにはめ込まれている。

蓋体１２の上部には、インシュレータ１７が配置されている。この際、インシュレータ１７の凸部１７ａが、蓋体１２の凹部１２ｂにはめ込まれ、かつ、インシュレータ１７の貫通穴１７ｄが集電端子１３の軸部１３ｃに装着される。
かかる絶縁部材としてのインシュレータ１７の上に外部端子１４が配置されている。外部端子１４と蓋体１２とは、インシュレータ１７によって絶縁されている。蓋体１２と外部端子１４との間の絶縁抵抗は、例えば、大凡１０ＭΩ以上確保されているとよい。

インシュレータ１７の第１凹部１７ｂには、ボルト端子１５の鍔部１５ｂがはめ込まれている。外部端子１４の第１貫通穴１４ｂには集電端子１３の軸部１３ｃが挿通されている。外部端子１４の第２貫通穴１４ｃにはボルト端子１５のボルト部１５ａが挿通されている。そして、図２に示すように、集電端子１３の軸部１３ｃの先端は、外部端子１４の外側において第１貫通穴１４ｂの周囲にかしめられている。集電端子１３と外部端子１４とが接合された部位では、集電端子１３がリベットのように作用している。その結果、ガスケット１６は蓋体１２の下面と集電端子１３の基部１３ａとに挟まれて固定され、インシュレータ１７は蓋体１２の上面と外部端子１４とに挟まれて固定される。また、ボルト端子１５は、外部端子１４とインシュレータ１７とに挟まれて固定される。

蓋体１２には、上述のように、集電端子１３と、外部端子１４と、ボルト端子１５と、ガスケット１６と、インシュレータ１７が取り付けられる。さらに、蓋体１２に取り付けられた集電端子１３に電極体２０が取り付けられる。そして、集電端子１３に取り付けられた電極体２０がケース本体１１に収容されるとともに、ケース本体１１の開口部１１ａが蓋体１２によって塞がれる。そして、ケース本体１１の開口部１１ａの周縁と、蓋体１２の周縁とが、全周に亘ってレーザー溶接によって溶接される。

図４は、ケース本体１１と蓋体１２との溶接部Ｗを示す断面図である。図４では、溶接部Ｗ付近が図示されている。
レーザー光ＬＬは、例えば、互いに近接した位置に照射される複数の微細レーザー光によって構成されている。このように、複数の微細レーザー光によって溶接することによって、ケース本体１１の開口部１１ａの周縁と、蓋体１２の周縁とは全周に亘って隙間無くレーザー溶接される。

ところで、上記のような密閉型電池の製作過程においては、上記したケース本体１１と蓋体１２との溶接部Ｗが、蓋体１２の上に配置されたインシュレータ１７に近接している。このような場合に、溶接部Ｗが形成される際に生じる光ＲＬがインシュレータ１７に照射されうる。かかる光ＲＬをインシュレータ１７が受けると、インシュレータ１７が発熱し、焦げたり、欠損したりしうる。インシュレータ１７は、上述のように、蓋体１２と外部端子１４およびボルト端子１５との絶縁性を確保する部材であり、焦げたり、欠損したりすることは望ましくない。

図５は、溶接部Ｗが形成される際に生じる光ＲＬの波長による強度分布を示す模式図である。図５の横軸は、測定された光ＲＬの波長である。縦軸は、測定された光ＲＬの強度である。図５に示されているように、溶接部Ｗが形成される際に生じる光ＲＬは、４５０〜５５０ｎｍの波長帯において強度が高い。このようなことから本発明者は、アルミ製のケース本体１１と蓋体１２とが溶接される際に生じる光ＲＬが、主として４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの波長において高い発光強度を有する可視光線であることを突き止めた。

ここで提案される密閉型電池１０では、蓋体１２の外側面上に配置された絶縁部材としてのインシュレータ１７は、波長４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光に対する反射率が２０％以上の材料によって形成されている。
かかるインシュレータ１７は、ガラス繊維を５０％程度含有したナイロン６６で形成されている。より具体的には、インシュレータ１７は、上記ガラス繊維含有ナイロン６６のペレットを用いて射出成形によって成形される。この際、射出成形前のペレットの水分除去時間を管理することによってインシュレータ１７の反射率が管理されうる。
波長４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光に対する反射率が２０％以上の材料によって形成されたインシュレータ１７が用いられていることによって、アルミ製のケース本体１１と蓋体１２とが溶接される際にインシュレータ１７が焦げたり、欠損したりしにくくなる。

図６は、インシュレータ１７に焦げが発生する条件を示すグラフである。図６の横軸は、溶接部Ｗが形成される際に生じる光ＲＬの波長である。図６の縦軸は、インシュレータ１７の反射率である。図６では、溶接部Ｗが形成される際に生じる光ＲＬの波長が４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲が示されている。

図６においてハッチングされた領域Ａ１は、インシュレータ１７に焦げが見られうるＮＧ領域である。図６に示されているように、波長４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光に対する反射率が２０％以上の材料によってインシュレータ１７が形成されている場合には、インシュレータ１７に焦げが見られなかった。このような知見から、蓋体１２の外側面上に配置された絶縁部材としてのインシュレータ１７は、波長４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光に対する反射率が２０％以上の材料によって形成されていることが望ましい。また、製造時のバラツキなどを考慮すると、より好ましくは、蓋体１２の外側面上に配置された絶縁部材としてのインシュレータ１７は、波長４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光に対する反射率が２２％以上の材料によって形成されているとよい。なお、領域Ａ１は、焦げが発生したインシュレータ１７のサンプルと焦げが発生しなかったインシュレータ１７のサンプルについて紫外可視近赤外分光光度計で反射率を測定し、焦げが発生しなくなる下限の反射率を閾値として得られたものである。

本願発明者の知見によれば、波長４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光に対する反射率が２０％以上の材料によって形成されたインシュレータ１７は、例えば、ガラス繊維含有ナイロン６６のペレットの水分除去時間を管理することで得られうる。例えば、ガラス繊維含有ナイロン６６のペレットの水分除去時間を４時間以上１５時間以内に管理すれば、４σ下限においても、波長４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光に対する反射率が２０％以上の材料によって形成されたインシュレータ１７を成形することができる。ガラス繊維含有ナイロン６６のペレットの水分除去時間は、例えば乾燥機の設定時間として規定される。その他の乾燥条件については、例えば、温度は８０度、雰囲気は大気というような乾燥条件である。

ここで提案される密閉型電池は、図１に示されているように、ケース本体１１と、蓋体１２と、絶縁部材（上述した実施形態では、インシュレータ１７）と、外部端子１４とを備えている。蓋体１２は、ケース本体１１の開口部１１ａを塞ぐように開口部１１ａに装着され、かつ、開口部１１ａの周縁に溶接されている。かかる溶接の際に生じる光ＲＬには、波長４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光が含まれるが、インシュレータ１７は、波長４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光に対する反射率が２０％以上の材料によって形成され、かつ、蓋体１２の外側面上に配置されている。このため、インシュレータ１７は、ケース本体１１と蓋体１２とのレーザー溶接によって生じる光に起因して焦げたり欠損が生じたりしにくい。

以上、一実施形態に係る密閉型電池について説明したが、特に言及されない限りにおいて、ここで挙げられた実施形態は本発明を限定しない。例えば、インシュレータ１７の材料はガラス繊維含有ナイロン６６に限定されず、他の様々な樹脂材料を用いることができる。またインシュレータ１７の製法は射出成形に限られず、様々な成形方法で製作可能である。

以上、ここで提案される密閉型電池について、種々説明した。特に言及されない限りにおいて、ここで挙げられた密閉型電池の実施形態などは、本発明を限定しない。

１０ 密閉型電池
１１ ケース本体
１１ａ 開口部
１２ 蓋体
１４ 外部端子
１７ インシュレータ（絶縁部材）
Ｗ 溶接部
ＬＬ レーザー光
ＲＬ 光

Claims (1)

1. 開口部を有するケース本体と、
   前記開口部を塞ぐように前記開口部に装着され、かつ、前記開口部の周縁に溶接された蓋体と、
   波長４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光に対する反射率が２０％以上の材料によって形成され、かつ、前記蓋体の外側面上に配置された絶縁部材と、
   前記絶縁部材の上に配置され、前記絶縁部材によって前記蓋体と絶縁された外部端子と
   を備え、
   前記絶縁部材は、波長４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光に対する反射率が２０％以上となるように水分除去時間が調整されたガラス繊維含有樹脂材が成形されることにより形成されている、密閉型電池。

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