JP7238873B2 - 二次電池およびその製造方法 - Google Patents
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Description
ガスケットを挟んだ加締める方式は巻き締め方式に比べて加締め加工は容易となるが、部品代が増え、ガスケットの品質管理が重要となる。
レーザ溶接は、設備費が高く、レーザ加工による発熱及びスパッタ(溶接中に発生するスラグや金属粒)の発生による影響、特に電池の場合、内部セパレータの溶解による正・負極の短絡、電解液の変容等が発生し、加工品質管理の精度が必要であった。このため、二次電池の信頼性が比較的低く、その結果、接合が煩雑であり、接合コストが比較的高かった。
正極、負極および前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータを含む電極組立体;
開口部を有し、かつ前記電極組立体を収納する、金属から構成された外装体;および
前記開口部を覆い、かつ樹脂から構成された蓋体を備えた二次電池であって、
前記外装体は、前記開口部の周縁が該外装体の内側に折り返されてなる折り返し部を有し、
前記蓋体は、断面視にて、その端面で、前記外装体の前記折り返し部により、前記外装体の外側から内側に向かって弾性圧縮されつつ、前記開口部を密閉している、二次電池に関する。
正極、負極および前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータを含む電極組立体;
開口部を有し、かつ前記電極組立体を収納する、金属から構成された外装体;および
前記開口部を覆い、かつ樹脂から構成された蓋体を備えた二次電池を製造するための二次電池の製造方法であって、
前記外装体において、前記開口部の周縁が該外装体の内側に折り返されてなる折り返し部を形成する工程;および
前記蓋体を前記外装体の前記開口部に冷やし嵌め法により嵌め合わせる工程;
を含む、二次電池の製造方法に関する。
本明細書でいう「二次電池」は、充電・放電の繰り返しが可能な電池のことを指している。従って、本発明に係る二次電池は、その名称に過度に拘泥されるものでなく、例えば蓄電デバイスなどの電気化学デバイスも対象に含まれ得る。本発明の二次電池は、二次電池内部(特に後述する外装体内部)の密閉性の観点から、「密閉型二次電池」とも称され得る。
本発明の二次電池は、電極組立体を包み込む外装体およびその周辺部品(例えば蓋体)に関して特徴を有している。特に、二次電池の外装体とそれに取り付けられる蓋体に関連する要素の点で特徴を有している。
外装体20は、開口部を有し、かつ電極組立体を収納する、または包み込むため、「外装ケース」とも称され得る。外装体20は有底筒状を有している。図2等において、外装体は有底円筒状を有しているが、これに限定されず、例えば、有底四角筒状などの有底多角筒状を有していてもよい。外装体は、外装体と蓋体との間の密閉信頼性のさらなる向上の観点から、有底円筒状を有することが好ましい。有底円筒状は、平面視形状が略円形である有底円筒状を包含する。「略円形(略円形状)」とは、完全な円形(すなわち単に“円”または“真円”)であることに限らず、それから変更されつつも当業者の認識として“丸い形”に通常含まれ得る形状も含んでいる。例えば、円・真円のみならず、その円弧の曲率が局所的に異なるものであってよく、さらには例えば楕円などの円・真円から派生した形状であってもよい。
x<y、特に1.005×x≦y、通常は1.01×x≦y≦1.10×x。
蓋体をPFAから構成させる場合、その線膨張係数は11.5×10-5/℃(-180℃以上23℃以下)である。外装体をSUS316Lから構成させ、常温25℃で蓋体の嵌合を行う。このとき、外径12mmの蓋体を-100℃に冷却すると、寸法変化(収縮)が起こり、以下の計算式より、当該蓋体の外径は11.8275mmとなる。
(115×10-6)×(12)×(-100-25)=-0.1725
この寸法差を利用して、外装体に蓋体を挿入することができる。
蓋体の常温での外径を12.1mmにして、超低温-100℃にすると、外径11.9275mmとなり、外装体開口部内径12.0mmに対して0.036mmのクリアランスで挿入できる。その後、蓋体が常温に戻ると0.05mm圧入代ができたことになる。
この圧入代分が常に蓋体を潰す力(すなわち圧縮力)となり、封止力を発現できる。
仮に、-10℃以上60℃以下の温度範囲が電池の作動温度範囲としても、SUS316Lの線膨張係数は16×10-6/℃(0~100℃)であるので、例えば、-10℃の時、外装体の開口部内径は11.9933mm、蓋体の外径は12.0513mmであり、圧入代は0.0290mmを確保できる。また例えば、60℃の時、外装体の開口部内径は12.0067mm、蓋体の外径は12.1487mmであり、圧入代は0.071mmを確保できる。よって、圧入代は常に確保することができ、密閉は保たれる。
蓋体を冷却する方法として、例えば、液化窒素を利用した冷却システム、ボルテックスの原理を応用した簡易型スポット冷却方式、ペルチェ効果を利用した冷却方式等がある。
外装体20は、図3A、図4Aおよび図4Bに示すように、折り返し部20bの内側で、正極または負極の一方の電極(好ましくは負極)のタブ13を挟持することにより、当該一方の電極のタブと電気的に接続されていることが好ましい。これにより、外装体は当該電極の外部端子として機能する。詳しくは、前述した通り、外装体における開口部周縁を折り返すことで剛性を上げることができるが、この折り返しにより発生する折り返し部20b内側の空間を利用する。より詳しくは電極タブ(例えば負極タブ)を折り返し部20b内側の空間に差し込み、折り返された周縁部20aを外側に向け加締めることにより、電極タブを固定および接合することができる。この構成では、外装体の平面視形状における周囲(例えば円周)上のどの位置に電極タブがあっても、加締め接合が可能となり、電極タブの位置決め等の制約がない。このよう構成においては、外装体と蓋体との密閉ならびに電極タブ(特に負極タブ)の接合において、レーザ溶接、超音波溶接、抵抗溶接を一切使用する必要がない。本明細書中、外部端子とは、二次電池において外部機器との接続に供する出力端子を意味している。
二次電池は、リベットをさらに備え、当該リベットにより電極タブを挟持することが好ましい。電極タブは、正極または負極の一方の電極のタブであり、一方の電極のタブが上記したように折り返し部により挟持されている場合、他方の電極のタブである。
・二次電池表面上で正極と負極の距離が十分開いており、短絡の心配がない;および
・二次電池の上面のみで正極と負極の通電ができる。
本発明の二次電池は、開口部周縁の折り返し工程および蓋体の嵌合工程を含む方法により製造することができる。
開口部周縁の折り返し工程においては、開口部の周縁部20aを、外装体20の平面視形状の全周囲にわったって、外装体の内側に折り返し、折り返し部を形成する。周縁部20aの折り返しは、カーリング加工、またはヘミング加工によって、容易に達成することができる。
蓋体の嵌合工程においては、図8、図9Aおよび図9Bに示すように、蓋体30を外装体20の開口部に嵌め合わせる。嵌め合わせは、例えば、前記したように、圧入法により達成してもよいし、または冷やし嵌め法により達成してもよい。外装体と蓋体との間の密閉信頼性をより十分に確実に保つ観点から、嵌め合わせは冷やし嵌め法により達成することが好ましい。本工程により、蓋体30が、断面視にて、その端面30a(図3A参照)で、外装体20の折り返し部20bにより外装体の外側から内側に向かって(すなわち方向pにて)弾性圧縮され、外装体と蓋体との間の密閉が達成される。図8は、本発明の二次電池の製造方法における嵌合工程において、蓋体を外装体の開口部に嵌め合わせる直前の二次電池前駆体を示す模式的断面図である。図9Aは、本発明の二次電池の製造方法における嵌合工程において、蓋体を外装体の開口部に嵌め合わせた後の二次電池前駆体を示す模式的断面図である。図9Bは、本発明の二次電池の製造方法における嵌合工程において、蓋体を外装体の開口部に嵌め合わせた後の二次電池前駆体の外観および断面を示す模式図である。二次電池前駆体とは、二次電池完成前の二次電池のことを意味する。
本発明の二次電池の製造方法は通常、加締め部の加締め工程をさらに含む。本工程において、加締め部41’(41)を加締めることにより、図10A、図10B、図10C、図11Aおよび図11Bに示すように、加締め部41と鍔部42との間で少なくとも電極タブ60および蓋体30が挟持される。これにより、リベット40が電極タブ60と電気的に接続される。特に、蓋体30の外側表面上に電極板50をさらに配置させる場合においては、加締め部41と鍔部42との間で電極タブ60および蓋体30とともに、当該電極板50が挟持される。これにより、リベット40および電極板50が電極タブ60と電気的に接続される。図10Aは、本発明の二次電池の製造方法における加締め工程において、リベットの加締め部を加締めた後の二次電池の外観および断面を示す模式図である。図10Bは、本発明の二次電池の製造方法における加締め工程を説明するための二次電池の模式的断面図である。図10Cは、図10Bにおける二次電池前駆体のリベット近傍を示す一部拡大模式図であって、蓋体を透視する透視図である。図11Aは、本発明の二次電池の製造方法における加締め工程をより詳細に説明するためのリベット近傍の一部拡大断面図であり、加締め前の断面図である。図11Bは、本発明の二次電池の製造方法における加締め工程をより詳細に説明するためのリベット近傍の一部拡大断面図であり、加締め後の断面図である。
2 負極
3 セパレータ
5 電極構成層
10 電極組立体
13 電極タブ(例えば負極タブ)
15 巻き芯パイプ
20 外装体
20a 外装体における開口部の周縁
20b 外装体における折り返し部
20c 外装体における側壁部
30 蓋体
31 蓋体における端子引出孔
40 リベット(加締め後)
40’ リベット(加締め前)
41 リベットにおける加締め部(加締め後)
41’ リベットにおける加締め部(加締め前)
42 リベットにおける鍔部
43 リベットにおける軸部
50 電極板(例えば正極版)
51 電極板における端子引出孔
60 電極タブ(例えば正極タブ)
70 接着剤充填部
Claims (16)
- 正極、負極および前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータを含む電極組立体;
開口部を有し、かつ前記電極組立体を収納する、金属から構成された外装体;および
前記開口部を覆い、かつ樹脂から構成された蓋体を備えた二次電池であって、
前記外装体は、前記開口部の周縁が該外装体の内側に折り返されてなる折り返し部を有し、
前記蓋体は、断面視にて、その端面で、前記外装体の前記折り返し部により、前記外装体の外側から内側に向かって弾性圧縮されつつ、前記開口部を密閉している、二次電池。 - 前記外装体は、前記折り返し部の内側で、前記正極または前記負極の一方の電極のタブを挟持することにより、前記一方の電極のタブと電気的に接続されている、請求項1に記載の二次電池。
- 前記二次電池は、
加締め部および鍔部を有し、かつ前記加締め部が前記蓋体の端子引出孔から前記蓋体の外部側に突出するように配置されているリベットをさらに備え、
前記リベットは、前記加締め部が加締められて、該加締め部と前記鍔部との間で少なくとも前記正極または前記負極の他方の電極のタブおよび前記蓋体を挟持することにより、前記他方の電極のタブと電気的に接続されている、請求項2に記載の二次電池。 - 前記二次電池は、
前記蓋体の外側表面上に配置され、かつ前記リベットの前記加締め部と前記鍔部との間で前記他方の電極のタブおよび前記蓋体とともに挟持される電極板をさらに有する、請求項3に記載の二次電池。 - 前記樹脂と前記金属の線膨張係数の差に起因して、より高温になるほど、前記蓋体はより膨張して、前記外装体の前記折り返し部による弾性圧縮力はより高くなる、請求項1~4のいずれかに記載の二次電池。
- 前記外装体は有底筒状を有している、請求項1~5のいずれかに記載の二次電池。
- 前記蓋体は電気絶縁性を有している、請求項1~6のいずれかに記載の二次電池。
- 前記蓋体は、断面視において、前記二次電池の内側に湾曲している、請求項1~7のいずれかに記載の二次電池。
- 前記二次電池は密閉型二次電池である、請求項1~8のいずれかに記載の二次電池。
- 前記二次電池はリチウムイオン二次電池である、請求項1~9のいずれかに記載の二次電池。
- 正極、負極および前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータを含む電極組立体;
開口部を有し、かつ前記電極組立体を収納する、金属から構成された外装体;および
前記開口部を覆い、かつ樹脂から構成された蓋体を備えた二次電池を製造するための二次電池の製造方法であって、
前記外装体において、前記開口部の周縁が該外装体の内側に折り返されてなる折り返し部を形成する折り返し工程;および
前記蓋体を前記外装体の前記開口部に嵌め合わせ、前記蓋体が、断面視にて、その端面で、前記外装体の前記折り返し部により前記外装体の外側から内側に向かって弾性圧縮されつつ、前記開口部を密閉する、嵌合工程;
を含む、二次電池の製造方法。 - 前記嵌合工程において、冷やし嵌め法または圧入法を用いる、請求項11に記載の二次電池の製造方法。
- 前記折り返し工程において、
前記折り返し部を形成するに際し、前記外装体は、前記折り返し部の内側で、前記正極または前記負極の一方の電極のタブを挟持することにより、前記一方の電極のタブと電気的に接続する、請求項11または12に記載の二次電池の製造方法。 - 前記嵌合工程において、
加締め部および鍔部を有するリベットを、前記蓋体の嵌め合わせにより前記加締め部が前記蓋体の端子引出孔から前記蓋体の外部側に突出するように配置させ、かつ
前記正極または前記負極の他方の電極のタブを、前記蓋体と前記鍔部との間にさらに配置させ、
前記加締め部の加締め工程により、
前記加締め部と前記鍔部との間で少なくとも前記他方の電極のタブおよび前記蓋体を挟持することにより、前記リベットを前記他方の電極のタブと電気的に接続する、請求項13に記載の二次電池の製造方法。 - 前記嵌合工程において、
前記蓋体の外側表面上に電極板をさらに配置させ、
前記加締め部の加締め工程により、
前記加締め部と前記鍔部との間で前記他方の電極のタブおよび前記蓋体とともに前記電極板を挟持することにより、前記リベットおよび電極板を前記他方の電極のタブと電気的に接続する、請求項14に記載の二次電池の製造方法。 - 請求項1~10のいずれかに記載の二次電池を製造する、請求項11~15のいずれかに記載の二次電池の製造方法。
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