JP3976148B2 - 角形密閉式蓄電池およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、角形密閉式蓄電池およびその製造方法に関し、さらに詳しくは、電池ケースおよび該電池ケースの開口部を封口する蓋板にアルミニウムを用いてなる角形密閉式蓄電池およびその製造方法に関する。

近年、角形密閉式蓄電池は、携帯電話やパーソナルコンピュータなどのポータブル機器の電源として使用されることが多くなってきており、機器の小型、軽量化に伴い、それに装着させる電池も軽量化が要請され、それに応えるため、最近の角形密閉式電池では、電池ケースおよび該電池ケースの開口部を封口する蓋板にアルミニウムを用いて軽量化することが行われている。

そして、上記のように電池ケースや蓋板にアルミニウムを用いた角形密閉式蓄電池では、これまで、電池内への電解液の注入を蓋板に取り付けた中空リベットの透孔から行い、電解液の注入後、上記中空リベットの透孔にゴム栓を挿入し、ゴム栓の弾性を利用して上記透孔を封止する方法が採用されていた。

しかしながら、この方法では、中空リベットとゴム栓との間から電解液が洩れやすく、密閉性に問題があった。

そこで、蓋板または電池ケースに形設された電解液注入用の注入孔から電解液を注入した後、アルミニウム製の封止栓を上記注入孔に挿入し、超音波を照射することによって上記封止栓を蓋板または電池ケースと一体化して注入孔を封止する方法が提案されている（特許文献１）。

しかしながら、この方法は、超音波振動による摩擦熱で封止栓と蓋板または電池ケースを溶融して一体化するため、振動方向により溶融量がばらつき、ヒビが生じて密閉できない部分が生じるという問題があった。さらに、この超音波溶接による方法では、振動が電池ケース全体に加わるため中空リベットと蓋板との間の密閉性を保っている絶縁パッキングのカシメ部分が緩んで密閉性が低下したり、電極体を部分的に破壊するなどの問題もあった。
特開平８−４５４８８号公報

本発明は、上記のような従来技術における溶接の不安定さや密閉性の低さなどを解決し、電池ケースおよび蓋板にアルミニウムを用いた角形密閉式蓄電池において、密閉性を向上させ、密閉性の高い角形密閉式蓄電池を提供することを目的とする。

本発明は、電池ケースおよび蓋板にアルミニウムを用いてなる角形密閉式蓄電池において、蓋板または電池ケースに形設された電解液注入用の注入孔から電池内に電解液を注入した後、上記注入孔に、上部の平面形状が円形であり、かつ軸部の長さが蓋板または電池ケースの厚みより大きい封止栓を挿入し、レーザービームを封止栓と蓋板または電池ケースとの接合部に１周以上にわたって照射するレーザー溶接により上記封止栓を蓋板または電池ケースと一体化して上記注入孔を気密封止することにより、上記課題を解決したものである。

本発明によれば、溶接の不安定さや密閉性の低さなどを解消し、密閉性の高い角形密閉式蓄電池を提供することができる。

上記注入孔の封止にあたり使用する封止栓としては、蓋板や電池ケースがアルミニウム製であることから、アルミニウム製の封止栓が最も適しているが、それ以外にも、たとえば、アルミニウム合金製、ステンレス鋼製、ニッケル製などの封止栓も使用することができる。

レーザー溶接により封止栓と蓋板または電池ケースとを一体化するにあたって、その溶接条件は特に限定されることはないが、たとえば、出力５０Ｗ〜３００Ｗ、特に１２０Ｗ〜２００Ｗで、レーザービーム径０．３ｍｍ〜１ｍｍ、特に０．４ｍｍ〜０．７ｍｍで、移動速度１ｍｍ／秒〜１５ｍｍ／秒、特に３ｍｍ／秒〜８ｍｍ／秒で封止栓と蓋板または電池ケースとの接合部にレーザービームを照射して、上記接合部を溶融し、封止栓を蓋板または電池ケースに一体化して電解液注入用の注入孔を気密封止するようにすることが好ましい。

つぎに、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は、それらの実施例のみに限られるものではない。

実施例１
図１はこの実施例１の角形密閉式蓄電池を概略的に示すもので、図１の（ａ）はその平面図で、（ｂ）はその断面図である。

図１において、１は正極端子を兼ねる電池ケースであり、２は上記電池ケース１の開口部を封口する蓋板で、３は電解液注入用の注入孔を封止するための封止栓であり、これらの電池ケース１、蓋板２、封止栓３は、いずれもアルミニウム製である。上記電池ケース１は平面形状が６ｍｍ×３０ｍｍの長方形状で、高さが４８ｍｍで、材質は上記のようにアルミニウム製で、その厚みは０．５ｍｍである。蓋板２は厚さ１ｍｍのアルミニウム板を用いて上記電池ケース１の開口部に嵌め込むのに適したサイズに作製されている。この蓋板２に形設された電解液注入用の注入孔は直径１ｍｍの円形である。

そして、上記注入孔を封止するための封止栓３は、図２に示すように、その上部は平面形状が円形であり〔図２の（ａ）〕、かつ軸部の長さが蓋板２の厚みより大きく〔図２の（ｂ）〕、その上端部の直径が１ｍｍ、下端部の直径が０．８ｍｍで下端部近傍がテーパー状になった円柱からなり、蓋板２との溶接に適するようにアルミニウムで作製されている。

上記電池ケース１には電極体４が収容され、蓋板２にはステンレス鋼製でリベット形の負極端子５がポリプロピレン製の絶縁パッキング６を介して取り付けられ、上記負極端子５の下部には蓋板２との間にポリプロピレン製の絶縁体８を介在させてステンレス鋼製の座板７が嵌め込まれ、この座板７には電極体４の負極から引き出されたニッケル製のタブ９の上端部が溶接により固定されている。また、電池ケース１の底部には電極体４の挿入に先立ってポリプロピレン製の絶縁体１０が配置され、正極端子としての機能を兼ねる電池ケース１と電極体４の負極との間を絶縁している。

この実施例１に示す電池では、電池ケース１が正極端子を兼ねているが、必ずしもそれに固定されることはなく、電池ケース１が負極端子としての機能を兼ね、現在負極端子５として示されているものが正極端子となる場合もある。

上記負極端子５は、当初リベット形をしていて、その軸部を絶縁パッキング６の透孔に通し、絶縁体８を介して軸部に座板７を嵌め込んでから、その先端部を押し潰すことによって固定することにより、蓋板２に取り付けられている。

上記電池ケース１と蓋板２は、電池ケース１の開口部に蓋板２を嵌め込み、電池ケース１の開口端部と蓋板２の外周部との接合部をレーザー溶接し、電解液を蓋板２に形設された電解液注入用の注入孔から電池内に注入した後、上記注入孔にアルミニウム製の封止栓３を挿入し、封止栓３と蓋板２との接合部にレーザービームを出力１６０Ｗ、レーザービーム径０．５ｍｍ、移動速度５ｍｍ／秒で照射してレーザー溶接し、封止栓３を蓋板２に一体化して注入孔を気密封止している。この図１では、電解液を電池内に注入するのに使用した注入孔に封止栓３を挿入し、レーザー溶接により注入孔を封止しているので、この図１では注入孔は図示されていないが、蓋板２において封止栓３の挿入されている部分が上記封止栓３の挿入前に注入孔であった部分である。

この実施例１の電池における電極体４は、ＬｉＣｏＯ2 を活物質とするシート状の正極と黒鉛を活物質とするシート状の負極とをセパレータを介して渦巻状に巻回して作製した渦巻状のものからなり、前記のように、その渦巻状の電極体４の負極からタブ９が引き出され、電極体４の負極から負極端子５までの電気的接続は上記タブ９と座板７を介してなされ、電池ケース１は電極体４の正極と電気的に接続されている。

図２は封止栓を蓋板にレーザー溶接により溶接する際の溶接部分を拡大して示すものであり、（ａ）はその封止栓の平面図で、（ｂ）は上記溶接部分の断面図である。まず、蓋板２に形設された注入孔から電解液を電池内に注入した後、封止栓３を上記注入孔に挿入し、封止栓３と蓋板２との接合部にレーザービーム１１を出力１６０Ｗ、レーザービーム径０．５ｍｍ、移動速度５ｍｍ／秒で１周以上にわたって照射し、上記接合部を溶融させて封止栓３を蓋板２と一体化して注入孔を気密封止する。この際、レーザービーム１１の径を大きくすれば、封止栓全体が溶融できる強さで、１ショットの溶接もできる。この図２において、十字状に斜線を密に施した部分はレーザー溶接により封止栓３と蓋板２とが溶融して一体化した部分である。

封止栓３の形状は、図２に示す円柱形が一般的で最も安価であるが、取り扱いやすく頭を付けた形状のものも、実用的であり、生産性が向上する。図３に頭付き封止栓３の例を示す。この図３に示すものでは、その頭部３ａの周縁部が蓋板２にのっかっているので、安定性がよく、溶接時の作業性がよくなり、生産性が向上する。さらに、図４に蓋板２に座グリ１２をして、頭付き封止栓３を埋め込んだ例を示す。この場合は、単に頭付き封止栓を用いた時に比べ、溶接をより安定して容易に行うことができ、また、溶接後の表面が平らになる利点もある。これらの図３や図４において、十字状に斜線を密に施した部分はレーザー溶接により封止栓３の頭部３ａと蓋板２とが溶融して一体化した部分である。

この実施例１では、電解液注入用の注入孔を蓋板２に形設した場合について説明したが、注入孔は電池ケース１に形設（たとえば、電池ケース１の側面に形設する）してもよく、その場合においても、電解液を該注入孔から電池内に注入した後、封止栓３を注入孔に挿入し、封止栓３と電池ケース１との接合部をレーザー溶接することによって、上記蓋板に注入孔を形設した場合と同様に気密封止することができる。

比較例１
実施例１と同様の電池の蓋板に、直径１ｍｍの注入孔を設け、該注入孔から電解液を注入した後、該注入孔に直径１．２ｍｍの球状の封止栓を置き、その上部に超音波ホーンを当てがって、振動数２０ｋＨｚ、振幅３０μｍ、荷重６０ｋｇｆの条件下で超音波振動を付加し、封止栓を蓋板に溶接した。

この状態を図５により説明する。図５の（ａ）に示すように、蓋板２には電解液注入用の注入孔として直径１ｍｍの注入孔１３を形設し、該注入孔１３から電解液を電池内に注入した後、該注入孔１３の上部に直径１．２ｍｍの球状の封止栓３を配置し、該封止栓３の上部に超音波ホーン１４を当てがい、振動数２０ｋＨｚ、振幅３０μｍ、荷重６０ｋｇｆの条件下で超音波振動を付加し、封止栓３を蓋板２に溶接して、図５の（ｂ）に示すような状態にした。なお、図５の（ａ）において、上から下向きの矢印は荷重方向を示し、横方向への矢印は超音波の振動方向を示している。

上記封止栓の溶接は、実施例１、比較例１とも、２００個ずつの試料について行い、溶接部に５ｋｇｆ／ｃｍ² の空気圧力を加え、空気の漏れがあるか否かを調べ、空気の漏れがある場合を不良品として不良発生率を調べた。ただし、この空気漏れ試験にあたり、実際の電池（実装電池）で封止栓の溶接をしたものを使用すると、電池ケース１内の電極体４などに悪影響を及ぼし、電池が使用できなくなるおそれがあるので、同様の溶接条件下でモデル的に試料を作製し、それを上記空気漏れ試験に供した。

上記空気漏れ試験の結果を表１に示す。ただし、表１には試験に供した試料の全体個数と不良が発生した個数との関係が理解しやすいように、分母に試験に供した試料の全体個数を記載し、分子に不良発生個数を記載する方法で不良発生率を示した。

表１に示すように、実施例１では、不良発生がまったく認められなかったが、従来法に従い、超音波により溶接した比較例１では、２００個の試料中、１４個に不良が発生した。

上記実施例では、蓋板に形設された電解液注入用の注入孔から電池内に電解液を注入した後、上記注入孔に、上部の平面形状が円形であり、かつ軸部の長さが蓋板の厚みより大きい封止栓を挿入し、レーザー溶接することによって、注入孔を気密封止し、密閉性の高い角形密閉式蓄電池が得られることを示したが、電解液注入用の注入孔をアルミニウム製の電池ケースに形設する場合も、該注入孔に上記特定の封止栓を挿入し、レーザー溶接して上記と同様に注入孔を気密封止することによって、密閉性の高い角形密閉式蓄電池を得ることができる。

本発明の角形密閉式蓄電池の一例を示すもので、（ａ）はその平面図で、（ｂ）はその断面図である。 図１における蓋板と封止栓との溶接部分を拡大して示すもので、（ａ）はその封止栓の平面図で、（ｂ）は上記溶接部分の断面図である。 封止栓として図２に示すものとは異なる形状のものを用いた場合の蓋板と封止栓との溶接部分を拡大して示すもので、（ａ）はその封止栓の平面図で、（ｂ）は上記溶接部分の断面図である。 封止栓として図２や図３に示すものとは異なる形状のものを用いた場合の蓋板と封止栓との溶接部分を拡大して示すもので、（ａ）はその封止栓の平面図で、（ｂ）は上記溶接部分の断面図である。 従来技術における注入孔の封止方法を説明するための図で、（ａ）はその封止前の状態を示し、（ｂ）はその封止後の状態を示す。

符号の説明

１ 電池ケース
２ 蓋板
３ 封止栓
４ 電極体
５ 負極端子
６ 絶縁パッキング
７ 座板
８ 絶縁体
９ タブ
１０ 絶縁体
１１ レーザービーム
１２ 座グリ
１３ 注入孔
１４ 超音波ホーン

Claims (4)

1. 電池ケースおよび該電池ケースの開口部を封口する蓋板にアルミニウムを用い、上記蓋板または電池ケースに形設された電解液注入用の注入孔に封止栓を挿入し、レーザービームを封止栓と蓋板または電池ケースとの接合部に１周以上にわたって照射するレーザー溶接により上記封止栓を蓋板または電池ケースと一体化して上記注入孔を気密封止する角形密閉式蓄電池であって、上記封止栓が、上部の平面形状が円形であり、かつ軸部の長さが蓋板または電池ケースの厚みより大きいことを特徴とする角形密閉式蓄電池。
2. 電解液注入用の注入孔が座グリを有することを特徴とする請求項１記載の角形密閉式電池。
3. 電池ケースおよび該電池ケースの開口部を封口する蓋板にアルミニウムを用いてなる角形密閉式蓄電池の製造にあたり、上記蓋板または電池ケースに形設された電解液注入用の注入孔から電池内に電解液を注入した後、上記注入孔に、上部の平面形状が円形であり、かつ軸部の長さが蓋板または電池ケースの厚みより大きい封止栓を挿入し、レーザービームを封止栓と蓋板または電池ケースとの接合部に１周以上にわたって照射するレーザー溶接により上記封止栓を蓋板または電池ケースと一体化して前記注入孔を気密封止することを特徴とする角形密閉式電池の製造方法。
4. 電解液注入用の注入孔が座グリを有することを特徴とする請求項３記載の角形密閉式蓄電池の製造方法。
   

Images