JP4865254B2 - 非水電解質二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、非水電解質二次電池に関し、特に金属材料を用いた電池筐体を有する非水電解質二次電池に関する。

図６は、非水電解質二次電池である通常のリチウム二次電池の一部を破断した斜視図である。同図において１は電池缶、２は電池蓋であり、該電池蓋２がその周囲に沿って電池缶１に溶接接合されて電池筐体が形成されている。電池蓋には注液口１０及び安全弁１５が設けられている。１６は正極電極板、１７は負極電極板、１８はセパレータである。複数の正極電極板１６、セパレータ１８、負極電極板１７が略直立した状態積層されて電極群１９が形成されている。各正極電極板１６は正極端子１３に接続され、各負極電極板１７は負極端子１４に接続されている。電池缶内には非水電解液が封入されている。

該二次電池は前記電極群１９が電池缶１に収納された後に電池蓋が電池缶上部に溶接接合されて密閉構造とされ、その後電解液が注液口１０から注入され、初期充電後に注液口が閉じられる。

非水電解質二次電池は電池内部の電極反応で電解液が分解して二酸化炭素やメタン等のガスが徐々に発生して内圧が上昇するので、内圧が約0.5MPagになると開く安全弁１５が設けられている。

通常、該電池蓋２はその周囲に沿って電池缶１にレーザ溶接されることが多い。
図７は電池蓋２と電池缶１とのレーザ溶接部の断面を示す。レーザ光線は上方から電池蓋２と電池缶１との突き合わせ面（嵌合面）に照射されるが、電池蓋２の厚さある程度厚い場合、図に見られるようにビード３が合い面の下端まで達しないことが多い。このような場合、合い面の下端部がノッチとなり、ビード３の下端部を起点としてクラックが進行して溶接部が破断することがある。部分的クラックの場合には破断に至らなくても、外部から電池内に水分が浸入し、電池の容量保持率の低下を齎す。

本発明の課題は、上記のようなクラックが発生しない非水電解質二次電池を提供することである。

前記課題を解決するため本発明は、有底の電池缶内に電極群を収納し電池蓋外周面を前記電池缶の上部に嵌合し該嵌合部の全周をレーザ光照射により突合せ溶接して密閉構造とする非水電解質二次電池において、電池蓋の突合せ面下側に面取りを施して突合せ面の幅を電池蓋の厚さよりも縮小し、溶接ビードの先端が該突合せ面下端よりも下に延びていることを特徴とする非水電解質二次電池を提案する。そして、前記電池蓋の厚さをT、該蓋表面から溶接ビード先端までの距離をBとしたとき、電池蓋上面から溶接ビード下端までの距離Ｂを0.8・T≦B≦1.5・Tの範囲にするのがよい。

電池筐体の耐圧性は１MPa以上であるのが望ましく、電池缶、電池蓋の厚さは１MPa以上の内圧に耐えるような厚さにされる。溶接ビードが筐体の厚さよりも薄すぎると溶接部の強度が低下して筐体の耐圧性が低下し、厚すぎるとビードの上面が陥没して溶接部の強度が却って低下する。従って電池蓋上面からビード下端までの長さを上に規定した範囲に収めるのが適切である。

また、前記電池蓋の厚さをT、電池蓋の突合せ面下側の面取りの該下面に沿う方向の幅をX、突合せ面に沿う方向の幅をYとしたとき、前記面取りは下式を満足する面取りとするのがよい。
X・（Y/2）≧0.15・π・T^２ （１）

溶接ビードの先端が電池蓋の電池缶への突合せ面下端よりも下まで延びるように溶接すると、溶融したビードが電池内部に落下することがある。電池蓋の電池缶への突合せ面に面取りを施すことにより液溜まりを形成して溶融ビードの落下を防ぐわけであるが、この液溜まりとなる面取り部の断面積が小さいと液溜まりとしての機能が不足し、溶融ビードが落下することがある。これを防ぐために面取り寸法を（１）式を満足するようにする必要がある。（１）式は、面取り部の断面積をいたずらに大きくすればよいという意味ではなく、（１）式の等号が成立する付近にＸ、Ｙの寸法を決めればよいという意味である。

電池蓋の厚さが小さい場合は前記面取りを施さなくても、ビード断面積が小さいのでビードの先端が該突合せ面下端よりも下に延びてもビードが落下しないようにすることができる。その場合、電池蓋の厚さをT、ビード先端の突合せ面下端よりの長さをｔとすると、0.05≦ｔ/T≦0.27とするとよい。

本発明において、前記突合せ面下端よりも延び出した溶接ビードの表面が該突合せ面における電池蓋の下端面となす角度及び電池缶の内側側面となす角度は共に鈍角をなすように溶接される。突合せ溶接部における電池蓋の下端面と溶接ビードが該端面から延び出す部分がなす角度が鋭角であると、該鋭角部がノッチとなり、該ノッチからクラックが生じ易い。また、電池缶の内側面においても、前記溶接ビードが電池缶内側面に接続する部分で該内側面と鋭角をなすと、該鋭角部がノッチとなり、該ノッチからクラックが生じ易い。溶接ビードと前記面との接合部の角度が鈍角となるように溶接することにより、該接合部にクラック発生の起点となるノッチが形成されず、クラックが生じ難い密閉構造とすることができる。

電池蓋を電池缶にレーザ溶接して電池筐体が形成される非水電解質二次電池において、ビード溶け込み先端部付近からクラックが発生することが防止される。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は本発明の実施例に係る電池の密閉構造におけるレーザ溶接の断面を示す図であり、１は有底の電池缶、２は電池蓋、３は溶接ビードである。電池蓋２の電池缶１への突合せ面下側には面取り２aが施され、該面取りにより突合せ面の幅Ｗは電池蓋２の厚さＴよりも縮小されている。そして、ビード３が突合せ面の下端Ｐよりも下に延びるように溶接されている。この場合、電池蓋２の厚さをT、該蓋表面から溶接ビード先端までの距離をBとしたとき、電池蓋上面から溶接ビード下端までの距離Ｂが0.8・T≦B≦1.5・Tの範囲に納まるようにレーザ溶接する。

前記面取り２aは、電池蓋２の下面に沿う方向の幅をX、突合せ面に沿う方向の幅をYとしたとき、X・（Y/2）≧0.15・π・T^２を満足するような面取りである。この式において、X・（Y/2）がいたずらに大きければよいという意味ではなく、X・（Y/2）が0.15・π・T^２よりも小さくならないように面取りを施すという意味である。

（試験例１）
図２は、電池蓋２の厚さ２ｍｍで、電池缶１への突合せ面下側には面取りを施した場合のビード厚さ、即ち電池蓋表面からビード先端までの距離Bを種々変えて耐圧性能を試験した結果を示す。図２(A)は溶接部断面を、（B）は試験結果を示している。図２(B)において、B=1.6、即ちB／T＝0.8で耐圧力は1.0MPaであり、Bが増大するほど耐圧力は増大するが、B=2.4で2.0MPaと最大になり、以降Bの増大と共に耐圧力は減少し、B=3.0、即ちB／T＝1.5で耐圧力は1MPaとなっている。これは、Bが大きくなるとビード上端面が陥没するため耐圧力が減少するのである。非水電解質二次電池としては１MPaの耐圧性を有することが望ましいので、0.8≦B／T≦1.5であることが望ましい。

（試験例２）
図３は電池蓋の板厚Ｔが1.5mmの場合に、面取り寸法Ｘ、Ｙを変えてビードの落下状況を調べた結果を示し、（Ａ）は各部寸法を記号で示し、（Ｂ）は試験結果を示す。図３(Ｂ)において、×印はビードが落下したことを示し、○印はビードは落下せず良好であったことを示す。この結果より、ビードが落下せずに良好な形状を保つには、面取りの断面積、つまり液溜まりの断面積がビードの断面積の１５％以上必要であることが分かった。ビード断面は略半円形であり、ビード下端は略電池蓋２の下端面位置まで延びるので、面取りの寸法Ｘ、ＹはX・（Y/2）≧0.15・π・T^２を満足するように決めればよいと言える。また、tanθ=Y/Xとした場合のθの値は２０°〜６０°の範囲にするのがよい。

（試験例３）
図４は電池の密閉構造におけるレーザ溶接部の特に母材表面と溶接ビード表面の接合部の断面を示す図であり、（Ａ）は良好なビード形状を、（Ｂ）、（Ｃ）は不良なビード形状を示している。これらの図において１は電池缶、２は電池蓋、３は溶接ビードである。図４の（Ａ）においては、電池蓋２の下面２aと該下面と溶接ビード３との接合部におけるビード表面との角度A₁は鈍角であり、電池缶１の内側面1aと該内側面と溶接ビード３との接合部におけるビード表面との角度B₁も鈍角であり、良好な溶接接合状態を示す。図４の（Ｂ）ではA₂は鈍角であるがB₂は鋭角であり、この鋭角接合部からクラックが発生し易い。図４の（C）ではA₃、B₃ともに鋭角であり、これらの鋭角接合部からクラックが発生し易い。図４は電池蓋２の突合せ面下側に面取りを施してない場合を示しているが、面取りを施した場合についても同様である。その場合は、図４における電池蓋下面2aが面取り面、即ち傾斜面となる。そのような場合は図１に見ることができる。前記面取りを施した場合は、突合せ部から延び出す溶接ビードは面取り面に沿って広がる傾向があり、垂直に落下することがなくなるので、溶解したビードの表面張力により、鋭角部が生じ難くなる。

図４(D)には、図４(A)、（B）,（C）における角度Bが約120°で角度Aが80°〜１20°の場合の耐圧試験結果、及び角度Aが約120°で角度Bが80°〜１20°の場合の耐圧試験結果が示してある。耐圧性は１MPa以上が望ましいので、角度A、Bは共に90°以上、即ち鈍角をなしていることが望ましい。

図５は電池蓋２の電池缶１への突合せ面Ｆの面取りを行なわずにレーザ溶接する場合で、ビード３の先端が電池蓋２の下面から延び出す長さｔが0.05≦ｔ/T≦0.27の範囲に納まるように溶接するのがよい。そうすると、電池蓋２の下面から延び出したビード３の表面が前記下面となす角度が鈍角となり、またビード３の表面が電池缶１の内側面となす角度も鈍角となり、ビード３とこれらの面との接続部でノッチ、つまり鋭角部が生じる事がなくなる。

なお、図８にビード先端が電池蓋２の下面まで達せず、ビード下端部がノッチになって下側からクラックＣが発生している状況を示す。図９はビード先端が電池蓋２の下面から伸び出た長さが過大の場合であり、ビード３の上面の陥没が大きく、クラックＣはビード上面から発生している。

電池缶に電池蓋をレーザ溶接により突き合せ溶接して密閉構造とする非水電解質二次電池において、電池使用時の内圧上昇による溶接部におけるクラック発生を防止した密閉構造が得られる。

本発明の実施例に係る電池の密閉構造におけるレーザ溶接部の断面を示す図である。 電池蓋表面からビード先端までの距離を変えて耐圧性を調べた試験結果を示す図である。 電池蓋の面取り寸法を変えて溶接ビードの電池内への落下状況を調べた試験結果を示す図である。 電池の密閉構造におけるレーザ溶接部の特に母材表面と溶接ビード表面の接合部の断面及び耐圧試験結果を示す図であり、（Ａ）は良好なビード形状を、（Ｂ）、（Ｃ）は不良なビード形状を、（D）は耐圧試験結果を示す図である。 本発明の他の実施例に係る電池の密閉構造におけるレーザ溶接部の断面を示す図である。 リチウム二次電池の一部を破断した斜視図である。 電池蓋と電池缶の突き合せ溶接において、溶接ビード先端が電池蓋下面まで達しない状況を示す溶接部断面図である。 電池蓋と電池缶の突き合せ溶接部のクラック発生状況の一例を示す溶接部断面図である。 電池蓋と電池缶の突き合せ溶接部のクラック発生状況の他の例を示す溶接部断面図である。

１ 電池缶
２ 電池蓋
２ａ 面取り
３ 溶接ビード
１０ 注液口
１３ 正極端子
１４ 負極端子
１５ 安全弁
１６ 正極電極板
１７ 負極電極板
１８ セパレータ
１９ 電極群

Claims (4)

1. 有底の電池缶内に電極群を収納し電池蓋外周面を前記電池缶の上部に嵌合し該嵌合部の全周をレーザ光照射により突合せ溶接して密閉構造とする非水電解質二次電池において、電池蓋の突合せ面下側に面取りを施して突合せ面の幅を電池蓋の厚さよりも縮小し、溶接ビードの先端が該突合せ面下端よりも下に延びており、
   前記電池蓋の厚さをT、該蓋表面から溶接ビード先端までの距離をBとしたとき、電池蓋上面から溶接ビード下端までの距離Ｂが0.8・T≦B≦1.5・Tの範囲であることを特徴とする非水電解質二次電池。
2. 前記電池蓋の厚さをT、電池蓋の突合せ面下側の面取りの該下面に沿う方向の幅をX、突合せ面に沿う方向の幅をYとしたとき、前記面取りは下式を満足する面取りであることを特徴とする請求項１に記載の非水電解質二次電池。
   X・（Y/2）≧0.15・π・T ^２ （１）
3. 有底の電池缶内に電極群を収納し電池蓋外周面を前記電池缶の上部に嵌合し該嵌合部の全周をレーザ光照射により突合せ溶接して密閉構造とする非水電解質二次電池において、溶接ビードの先端が該突合せ面下端よりも下に延びており、
   電池蓋の厚さＴと、突合せ面下端からビード先端までの長さｔとが、０．０５≦ｔ／Ｔ≦０．２７の関係を満たすことを特徴とする非水電解質二次電池。
4. 前記突合せ面下端よりも延び出した溶接ビードの表面が該突合せ面における電池蓋の下端面となす角度及び電池缶の内側側面となす角度が共に鈍角であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池。

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