WO2023176853A1 - 電池 - Google Patents

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present disclosure relates to a battery in which an opening of an outer can is closed with a sealant via a gasket.
  • Lithium ion secondary batteries are widely used in applications such as driving power sources for mobile devices and electric vehicles, and large power storage devices.
  • a lithium ion secondary battery is a sealed type that has an electrode body consisting of a wound body in which a positive electrode and a negative electrode are wound with a separator in between, and an electrolyte housed in an outer can, with the opening of the outer can closed with a sealant. It has been known.
  • the sealing body includes a current collector plate connected to the electrode body by wiring and a cap welded to the current collector plate, and the cap functions as an electrode terminal. Then, the peripheral edge of the stack of the current collector plate and the cap is wrapped in a gasket, and this gasket is fixed by caulking from the outside at the end of the outer can (see Patent Document 1).
  • the cap and the current collector plate are welded at the radially intermediate portion, and the two may be positioned with a slight gap at their outer ends.
  • the center side of the cap may be lifted up and deformed (curved upward), making it impossible to maintain flatness and causing insufficient welding to the current collector plate. there were.
  • the battery according to the present disclosure includes: an outer can having an opening at one end; an electrode body housed in the outer can and formed by winding a positive electrode, a negative electrode, and a separator; and a sealing body that closes the opening.
  • the sealing body includes a ring-shaped current collector plate connected to the electrode body by a lead, and is laminated on the current collector plate, and the sealing body is stacked on the current collector plate at a radially intermediate portion.
  • the outer can includes a joined disk-shaped cap and a gasket that wraps around the peripheral edge of the stack of the current collector plate and the cap from above and below and from the sides, and the outer can includes a peripheral edge of the gasket at an upper end portion thereof.
  • the gasket has an inward protrusion that is inserted from the outside between the current collector plate and the cap, and the protrusion allows the current collector plate to connect with the cap. Fill the gap with the cap.
  • the center side of the cap can be prevented from being deformed so as to be lifted.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the overall configuration of a battery.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the sealing part showing the welding location of the cap/current collector plate.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the sealing portion showing the cap bent upward by caulking.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a sealing portion having a gasket provided with a protrusion.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the gasket.
  • FIG. 1 is a sectional view showing the overall configuration of a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present disclosure. Note that although a cylindrical battery is shown in this embodiment, other shapes may be used, such as a square shape.
  • the battery 1 includes a cylindrical electrode body 10, a cylindrical outer can 20 with an open upper end that houses the electrode body, and a circular sealing body 30 that closes the opening of the outer can 20.
  • the outer can 20 contains an electrolytic solution together with the electrode body 10 .
  • the electrolytic solution may be an aqueous electrolytic solution, in this embodiment, a non-aqueous electrolytic solution is used.
  • the outer can 20 has an annular groove 22 in the upper peripheral wall, and the sealing body 30 is supported by the groove 22 and closes the opening of the outer can 20.
  • the sealing body 30 side of the battery 1 is placed at the top, and the bottom side of the outer can 20 is placed at the bottom.
  • the electrode body 10 is a wound body in which a positive electrode and a negative electrode are wound with a separator in between.
  • the positive electrode lead 12 connected to the positive electrode extends upward from the outer circumferential side of the electrode body 10.
  • a disc-shaped upper insulating plate 24 is arranged above the electrode body 10. The upper insulating plate 24 has an opening in the center, and the positive electrode lead 12 extends upward through the opening in the upper insulating plate 24.
  • the sealing body 30 has a cap 32, a current collector plate 34, and a gasket 36, and is formed into a disk shape as a whole.
  • the outer peripheral end of the sealing body 30 is placed on the groove 22 of the outer can 20, and the upper end of the outer can 20 is bent inward, so that the sealing body 30 is caulked and fixed to the upper end of the outer can 20.
  • the opening of the outer can 20 is closed.
  • the cap 32 is a metal member that is circular as a whole and has a central portion that bulges upward.
  • a wiring material is connected to the cap 32 when the battery 1 is modularized to form a battery pack, and in this embodiment functions as a positive external terminal.
  • the metal outer can 20 is connected to the negative electrode of the electrode body 10, so the outer can 20 functions as the negative external terminal of the battery 1.
  • the current collector plate 34 is a ring-shaped metal member having a diameter comparable to that of the cap 32, and is arranged closer to the electrode body 10 than the cap 32 is.
  • the current collector plate 34 has an opening at the center in the radial direction.
  • the cap 32 and the current collector plate 34 are welded, and the current collector plate 34 is welded at a position closer to the outer peripheral edge of the cap 32 than to the center in the radial direction.
  • An annular convex portion 34 a is formed on the current collector plate 34 , and this convex portion 34 a becomes a welded portion with the cap 32 .
  • a concave portion corresponding to the convex portion 34a of the current collector plate 34 is formed on the lower side of the cap 32, and the two are welded in a fitted state.
  • a positive electrode ring 35 is arranged above the current collector plate 34 and inside the convex portion 34a so as to overlap the current collector plate 34. Then, the positive electrode lead 12 that has passed through the inside of the upper insulating plate 24 is inserted between the positive electrode ring 35 and the current collector plate 34 and fixed.
  • the gasket 36 covers the outer periphery of the laminate of the cap 32 and the current collector plate 34 from above the periphery of the cap 32, and then extends inward along the lower surface of the current collector plate 34 to connect the current collector plate 34 and the upper insulator. It is interposed between the plates 24.
  • the gasket 36 is an annular resin member or rubber member for preventing contact between the cap 32 and the current collector plate 34 and the outer can 20 and ensuring insulation between the outer can 20 and the sealing body 30. Further, the gasket 36 closes the gap between the outer can 20 and the sealing body 30 at the outer peripheral portion of the laminate, thereby sealing the inside of the battery 1.
  • An opening that vertically overlaps the opening of the current collector plate 34 and the opening of the upper insulating plate 24 is formed in the radial center of the gasket 36, through which the positive electrode lead 12 passes. Further, in this example, it is preferable to form a through hole through which the electrolytic solution passes in a portion of the gasket 36 located below the current collector plate 34 .
  • the upper end of the gasket 36 is bent inward together with the upper end of the outer can 20 located outside and fixed by caulking, thereby sandwiching the current collector plate 34 and the cap 32 on the inside. At this time, the gasket 36 is elastically deformed and seals the contact portion.
  • the negative electrode of the electrode body 10 is connected to a negative electrode current collector plate 25 below it, and the negative electrode current collector plate 25 is connected to the outer can 20 at its central portion.
  • a part of the negative electrode of the electrode body 10 may extend downward and be connected to the negative electrode current collector plate 25, it is also possible to provide a negative electrode lead and connect the negative electrode of the electrode body 10 and the negative electrode current collector plate 25 by the negative electrode lead. good.
  • a circular recess 23 is provided at the bottom of the outer can 20 and functions as a safety valve that operates when an abnormality occurs in the battery 1.
  • FIG. 2 is a diagram showing welded portions with circles. In this way, the top surface of the convex portion 34a matches the bottom surface of the concave portion of the cap 32 and is welded thereto.
  • the sealing body 30 is composed of four parts: a cap 32, a current collector plate 34, a positive electrode ring 35, and a gasket 36.
  • the gasket 36 and the current collector plate 34 are welded, and the electrolytic solution is poured. implement.
  • the cap 32 is inserted, and the sealing body 30 is fixed to the outer periphery of the outer can 20 by caulking. After this caulking, the cap 32 and the current collector plate 34 are welded to ensure electrical continuity.
  • FIG. 3 is a diagram showing a state where the cap 32 is warped upward. If upward warpage occurs in this way, a gap will be created in the welded portion with the current collector plate 34, and there is a possibility that the contact between the two will not be sufficient, and a sufficient joint will not be obtained during welding.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the welded portion and its surroundings of the battery 1 according to the present embodiment
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the gasket according to the present embodiment.
  • the gasket 36 has a cylindrical side wall 362 whose outer circumferential side extends in the vertical direction, and a ring-shaped bottom wall 364 extends inward from the lower end of the side wall 362, with an opening at the center of the bottom wall 364. It has become.
  • annular protrusion 366 that is formed by an undercut and protrudes inward is provided in the middle portion of the side wall 362.
  • the protrusion 366 of the gasket 36 fits between the cap 32 and the peripheral edge of the current collector plate 34. Therefore, when the upper end portion of the outer can 20 is bent inward together with the upper end portion of the gasket 36 and caulked, it is possible to prevent the outer circumferential end of the cap 32 from moving downward and causing the central portion to warp upward. can. As a result, the flatness of the top surface of the convex portion 34a of the current collector plate 34 and the bottom surface of the concave portion of the cap 32 is maintained, and welding of these portions can be reliably performed.
  • the protruding portion 366 seals the outer peripheral ends of the cap 32 and the current collector plate 34, airtightness between the cap 32 and the current collector plate 34 can be ensured.
  • the gasket 36 has the protrusion 366, the outer peripheral end of the current collector plate 34 can be supported by the protrusion 366. That is, when the gasket 36 and current collector plate 34 are inserted into the outer can 20, the gasket 36 is elastically deformed and fixed to the inner surface of the outer can 20, and the gasket 36 holds the current collector plate 34, so that the outer case Even if the opening of the can 20 is directed downward, the current collecting plate 34 does not fall off, and the current collecting plate 34 and the positive electrode lead 12 can be welded in this state.
  • 1 battery 10 electrode body, 12 positive electrode lead, 20 outer can, 22 groove, 23 recess, 24 upper insulating plate, 25 negative electrode current collector plate, 30 sealing body, 32 cap, 34 current collector plate, 34a convex part, 35 positive electrode ring, 36 gasket, 362 side wall, 364 bottom wall, 366 protrusion.

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Abstract

封口体（３０）は、電極体（１０）に正極リード（１２）により接続されたリング状の集電板（３４）と、集電板（３４）に積層されるとともに、径方向の中間部分で集電板（３４）に接合された円板状のキャップ（３２）と、集電板（３４）と、キャップ（３２）の積層体の周縁部を上下および側面から包み込むガスケット（３６）と、を含む。外装缶（２０）は、その上端部分において、ガスケット（３６）の周縁部を上下および側面を覆う状態で挟み込み固定し、ガスケット（３６）は、集電板（３４）とキャップ（３２）との間に外側から挿入される内側への突出部（３６６）を有し、突出部（３６６）により集電板（３４）とキャップ（３２）との端部の隙間を埋める。

Description

電池
　本開示は、外装缶の開口部がガスケットを介して封口体で塞がれた電池に関する。
　リチウムイオン二次電池は、携帯機器や電気自動車の駆動電源、或いは大型蓄電装置などの用途に広く使用されている。
　リチウムイオン二次電池として、正極と負極を、セパレータを挟んで巻回した巻取体からなる電極体と、電解質を外装缶に収容し、外装缶の開口を封口体で塞いだ密閉型のものが知られている。
　このような密閉型リチウムイオン二次電池において、封口体は、電極体と配線で接続された集電板と集電板に溶接されたキャップを含み、キャップが電極端子として機能する。そして、集電板とキャップの積層体の周縁部をガスケットで包み込み、このガスケットを外装缶の端部で外側からカシメ固定している（特許文献１参照）。
特開２０１３－１２０６４４号公報
　ここで、キャップと集電板の溶接は、径方向の中間部分で行われ、両者はその外方端において、若干隙間を開けて位置する場合がある。この場合、外装缶により周縁をカシメ固定した際に、キャップの中心側が持ち上がるように変形（上反り）してしまい、平面性が保てなくなり、集電板との溶接が十分でなくなる可能性があった。
　本開示に係る電池は、一端に開口部を有する外装缶と、前記外装缶に収容され、正極と負極とセパレータとを巻回して形成された電極体と、前記開口部を塞ぐ封口体と、を含む電池であって、前記封口体は、前記電極体にリードにより接続されたリング状の集電板と、前記集電板に積層されるとともに、径方向の中間部分で前記集電板に接合された円板状のキャップと、前記集電板と前記キャップの積層体の周縁部を上下および側面から包み込むガスケットと、を含み、前記外装缶は、その上端部分において、前記ガスケットの周縁部を上下および側面を覆う状態で挟み込み固定し、前記ガスケットは、前記集電板と前記キャップとの間に外側から挿入される内側への突出部を有し、前記突出部により前記集電板と前記キャップとの隙間を埋める。
　本開示によれば、外装缶により周縁をカシメ固定した際に、キャップの中心側が持ち上がるように変形することを防止できる。
電池の全体構成を示す断面図である。 キャップ／集電板の溶接箇所を示した封口部の断面図である。 カシメにより上反りしたキャップを表した封口部の断面図である。 突出部を設けたガスケットを有する封口部の断面図である。 ガスケットの断面図である。
　以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態について以下に説明する。なお、以下の実施形態は本開示を限定するものではなく、また複数の例示を選択的に組み合わせてなる構成も本開示に含まれる。
「全体構成」
　図１は、本開示の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の全体構成を示す断面図である。なお、本実施形態では円筒型の電池を示すが、他の形状、例えば角型でもよい。
　図１に示すように、電池１は、円筒状の電極体１０と、これを収容する上端が開口した円筒状の外装缶２０と、外装缶２０の開口部を塞ぐ円形の封口体３０とを備える。外装缶２０には、電極体１０と共に電解液が収容されている。電解液は水系電解液であってもよいが、本実施形態では非水電解液を用いるものとする。
　外装缶２０は上部の周壁に円環状の溝部２２を有し、封口体３０は溝部２２に支持されて外装缶２０の開口部を塞いでいる。説明の便宜上、電池１の封口体３０側を上、外装缶２０の底部側を下とする。
　電極体１０は、正極と負極がセパレータを介して巻回された巻取体である。本実施形態では、正極に接続される正極リード１２が、電極体１０の外周側から上方に延出する。電極体１０の上側には、円板状の上部絶縁板２４が配置されている。上部絶縁板２４は、中央部分に開口を有し、正極リード１２は、上部絶縁板２４の開口を通って上に伸びる。
　封口体３０は、キャップ３２と、集電板３４と、ガスケット３６とを有し、全体として円盤状に形成されている。封口体３０は、その外周側の端部が外装缶２０の溝部２２上に配置され、外装缶２０の上端が、内側に折り曲げられことで、封口体３０が外装缶２０の上端部にカシメ固定されて、外装缶２０の開口部を塞いでいる。
　キャップ３２は、全体として円形で、中央部分が上方に向けて隆起している金属製部材である。キャップ３２には、電池１をモジュール化して組電池を構成する際に配線材が接続されて、本実施形態では正極外部端子として機能する。
　この例では、金属製の外装缶２０が電極体１０の負極に接続されているので、外装缶２０が電池１の負極外部端子として機能する。
　集電板３４は、キャップ３２と同程度の直径を有するリング状の金属製部材であって、キャップ３２よりも電極体１０側に配置されている。集電板３４は、径方向中央部に開口部を有する。キャップ３２と集電板３４は溶接され、集電板３４は、キャップ３２の径方向中央よりも外周縁に近い位置で溶接されている。集電板３４には、環状の凸部３４ａが形成され、この凸部３４ａがキャップ３２との溶接部となる。なお、キャップ３２の下側には、集電板３４の凸部３４ａに対応した凹部が形成されて、両者が嵌合した状態で溶接される。
　集電板３４の上側であって凸部３４ａの内側には、正極リング３５が集電板３４に重なるように配置されている。そして、上部絶縁板２４の内側を通って来た正極リード１２が正極リング３５と集電板３４の間に挿入されて固定される。
　ガスケット３６は、キャップ３２の周辺の上側から、キャップ３２および集電板３４の積層体の外周部を覆い、その後に集電板３４の下面に沿って内側に伸びて集電板３４と上部絶縁板２４の間に介在している。ガスケット３６は、キャップ３２および集電板３４と、外装缶２０との接触を防止して、外装缶２０と封口体３０の絶縁を確保するための環状の樹脂製部材又はゴム製部材である。また、ガスケット３６は、上記積層体の外周部において、外装缶２０と封口体３０の隙間を塞いで、電池１の内部を密閉している。
　ガスケット３６の径方向中央部には、集電板３４の開口部、上部絶縁板２４の開口部と上下方向に重なる開口部が形成されており、ここを正極リード１２が通る。また、この例では、ガスケット３６の集電板３４の下方に位置する部分に電解液が通る貫通孔を形成するとよい。
　ガスケット３６の上端部は、その外側に位置する外装缶２０の上端部と一緒に内側に折り曲げられてカシメ固定されることで、内側の集電板３４とキャップ３２を挟み込む。この際、ガスケット３６は弾性変形し、接触部分を密閉する。
　また、電極体１０の負極は、その下方の負極集電板２５に接続され、負極集電板２５はその中央部分において外装缶２０に接続されている。電極体１０の負極の一部が下方に伸びて負極集電板２５と接続されてもよいが、負極リードを設け、負極リードによって電極体１０の負極と負極集電板２５を接続してもよい。
　外装缶２０の底部には、円形の凹み２３が設けられており、電池１の異常発生時に作動する安全弁として機能する。
「溶接部」
　図２は、溶接部を丸印で示した図である。このように、凸部３４ａの頂面がキャップ３２の凹部の下面に合致してここが溶接される。
　ここで、本実施形態のような密閉型のリチウムイオン二次電池では、封口体３０はキャップ３２、集電板３４、正極リング３５、ガスケット３６の４部品で構成される。工程の流れとしては、溝部２２が形成された外装缶２０にガスケット３６、集電板３４を挿入後、集電板３４、正極リング３５および正極リード１２の溶接を行い、電解液の注液を実施する。そして、注液完了後にキャップ３２を挿入し、外装缶２０の外周部に封口体３０をカシメにより固定する。このカシメ後、キャップ３２と集電板３４を溶接することで電気的導通を確保している。
　ここで、カシメ時にかかる荷重により、キャップ３２に上反りが発生する場合がある。図３は、キャップ３２に上反りが発生した状態を示す図である。このように上反りが発生すると、集電板３４との溶接部に隙間ができてしまい、両者の接触が十分でなくなり、溶接おいて十分な接合が得られなくなる可能性がある。
　図４は、本実施形態に係る電池１の溶接部およびその周辺を示した断面図であり、図５は本実施形態に係るガスケットの断面図である。
　ガスケット３６は、外周側が上下方向に伸びる円筒状の側壁３６２となっており、側壁３６２の下端から内方に向けてリング状の底壁３６４が伸びており、底壁３６４の中央部が開口になっている。
　そして、本実施形態では、側壁３６２の中間部分にアンダーカットにより形成された内側に向けて突出する円環状の突出部３６６が設けられている。
　従って、キャップ３２を挿入したときに、ガスケット３６の突出部３６６がキャップ３２と集電板３４の周縁部の間に入り込む。このため、外装缶２０の上端部分をガスケット３６の上端部分とともに内側に折り曲げてカシメを行ったときに、キャップ３２の外周端が下に移動して中央部が上反りすることを防止することができる。これによって、集電板３４の凸部３４ａの頂面と、キャップ３２の凹部の下面の平面性が保たれ、この部分の溶接を確実に行うことができる。
　また、突出部３６６により、キャップ３２と集電板３４の外周端がシールされるため、キャップ３２と集電板３４の間の気密性が確保できる。
　さらに、正極リード１２と、集電板３４の溶接においては、溶接の際のスパッタが電極体１０側に混入しないようにするため、外装缶２０の開口部を下向きにした状態で溶接を行う手法をとることが考えられる。本実施形態では、ガスケット３６に突出部３６６があるため、集電板３４の外周端を突出部３６６で支持できる。すなわち、ガスケット３６、集電板３４を外装缶２０に挿入した際にガスケット３６が弾性変形して、外装缶２０の内面に固定され、かつガスケット３６が集電板３４を保持することで、外装缶２０の開口部を下向きにしても、集電板３４が脱落することなく、この状態で集電板３４と、正極リード１２の溶接を行うことができる。
　１　電池、１０　電極体、１２　正極リード、２０　外装缶、２２　溝部、２３　凹み、２４　上部絶縁板、２５　負極集電板、３０　封口体、３２　キャップ、３４　集電板、３４ａ　凸部、３５　正極リング、３６　ガスケット、３６２　側壁、３６４　底壁、３６６　突出部。

 

Claims (2)

  1. 　一端に開口部を有する外装缶と、
    　前記外装缶に収容され、正極と負極とセパレータとを巻回して形成された電極体と、
    　前記開口部を塞ぐ封口体と、
    　を含む電池であって、
    　前記封口体は、
    　前記電極体にリードにより接続されたリング状の集電板と、
    　前記集電板に積層されるとともに、径方向の中間部分で前記集電板に接合された円板状のキャップと、
    　前記集電板と前記キャップの積層体の周縁部を上下および側面から包み込むガスケットと、
    　を含み、
    　前記外装缶は、その上端部分において、前記ガスケットの周縁部を上下および側面を覆う状態で挟み込み固定し、
    　前記ガスケットは、前記集電板と前記キャップとの間に外側から挿入される内側への突出部を有し、前記突出部により前記集電板と前記キャップとの隙間を埋める、
    　電池。
  2. 　前記ガスケットの突出部は円環状であって、前記集電板と前記キャップと間に位置することで、前記集電板と前記キャップと間の気密性を確保する、
    　請求項１に記載の電池。
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