JP2009129704A - 密閉型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】端子板を兼ねる封止体を備える密閉型電池において、封止体に対するリードの溶接強度を良好に確保しながら、スパッタ等の発生無く封止体を電池ケースに確実に溶接できるようにする。
【解決手段】封止体１７は、電池ケース６側に配置されたアルミニウム等からなるアルミニウム層２５と、アルミニウム層２５上に形成されて、アルミニウム層２５よりも熱伝導率の小さいニッケル等で形成されたニッケル層２６とからなる。アルミニウム層２５はニッケル層２６よりも大形に形成されていて、アルミニウム層２５の外周縁部２５ａはニッケル層２６の外周縁２６ａよりも外側に張り出している。封止体１７は、レーザ光２７の中心軸Ｓがアルミニウム層２５の外周縁２５ｂに沿うとともに、レーザ光２７の照射による溶接痕２９のニッケル層２６側の縁２９ａがニッケル層２６の外周縁２６ａよりも外側に位置する状態で、電池ケース６に溶接される。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも外面側がアルミニウム又はアルミニウム合金で形成された電池ケースに注液孔を設け、該注液孔から電池ケース内に電解液を注入したのちに、注液孔を封止体で塞いだ状態で、該封止体を電池ケースにおける注液孔の周縁部にレーザ光で溶接してある密閉型電池に関する。

本発明に係る密閉型電池では、端子板を兼ねる封止体で、電池ケースに設けられた電解液の注液孔を封止するが、同様の形態は例えば特許文献１・２などにも見受けられる。この種の密閉型電池においては、端子板に溶接接合されるリードは、耐食性に優れたニッケルやニッケル合金等で形成されるのに対して、電池ケースは、アルミニウムやアルミニウム合金等で形成される。しかし、アルミニウムやアルミニウム合金とニッケルやニッケル合金等の溶接の適合性は良好であるとは言えず、封止板の全体をアルミニウム等で形成すると、リードの溶接強度が低下する不利がある。このため、特許文献１・２では、アルミニウム層の上側にニッケル層を接合したクラッド材で封止体を形成して、アルミニウム層側を電池ケースに溶接し、ニッケル層の上面にリードを溶接している。

特開２００３−３１７７０３号公報（図２−３） 特開２００６−１２８２９号公報（図２ａ−３）

特許文献１・２に記載の密閉型電池では、封止体のアルミニウム層の上面全体をニッケル層が覆っているため（特許文献２の図３参照）、ニッケル層にレーザ光を照射してニッケル層およびアルミニウム層を溶融させなければ、封止体を電池ケースに溶接することができず、この分だけレーザ光のエネルギーを高く設定する必要がある。
しかし、レーザ光のエネルギーを高く設定すると、ニッケル層が高温になって溶融・蒸発し、ニッケル層が飛び散る所謂スパッタが発生する。このため、特許文献１・２の密閉型電池では、スパッタの発生に伴うピンホール等の溶接不良が生じて、溶接強度が低下するおそれがあった。

本発明は以上のような従来の端子板を兼ねる封止体を備える密閉型電池が抱える問題を解決するためになされたものであり、封止体に対するリードの溶接強度を良好に確保しながら、スパッタ等の発生無く封止体を電池ケースに確実に溶接できる密閉型電池を提供することを目的とする。

本発明が対象とする密閉型電池は、図１に示すように、少なくとも外面側がアルミニウム又はアルミニウム合金で形成された電池ケース６と、該電池ケース６に開設された電解液注入用の注液孔１６を封止する封止体１７とを有し、前記封止体１７が、前記電池ケース６の前記注液孔１６の周縁部にレーザ光２７で溶接されている。

前記封止体１７は、前記電池ケース６側に配置されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層２５と、該アルミニウム層２５上に形成されて、該アルミニウム層２５よりも熱伝導率の小さい金属又は金属合金で形成された異種金属層２６とからなる。そして、前記アルミニウム層２５は前記異種金属層２６よりも大形に形成されていて、該アルミニウム層２５の外周縁部２５ａは前記異種金属層２６の外周縁２６ａよりも外側に張り出しており、前記封止体１７は、前記レーザ光２７の中心軸Ｓが前記アルミニウム層２５の外周縁２５ｂに沿うとともに、前記レーザ光２７の照射による溶接痕２９の前記異種金属層２６側の縁２９ａが前記異種金属層２６の外周縁２６ａよりも外側に位置する状態で、前記電池ケース６に溶接されていることを特徴とする。
異種金属の具体例としては、ニッケルやステンレス鋼等の金属を挙げることができる。レーザ光２７の中心軸Ｓとしては、アルミニウム層２５よりも外側に位置する場合や、アルミニウム層２５の外周縁部２５ａ上に位置する場合等が含まれる。ここでは、溶接痕２９の縁２９ａの位置が、異種金属層２６の外周縁２６ａに一致する場合も含まれる。

封止体１７は、レーザ光２７の中心軸Ｓをアルミニウム層２５の外周縁２５ｂに一致させた状態で溶接されているものとすることができる。

封止体１７には、アルミニウム層２５と一体形成されてアルミニウム層２５の下面２２ａから下向きに突出する軸部２３が設けられ、軸部２３が注液孔１６に挿入されているものとすることができる。

本発明に係る密閉型電池によれば、封止体１７のアルミニウム層２５の外周縁部２５ａが異種金属層２６の外周縁２６ａよりも外側に張り出したので、アルミニウム層２５に対してレーザ光２７を直接照射することができる。したがって、異種金属層２６を溶融せずともよくなり、レーザ光２７の照射エネルギーを低く抑えながら、アルミニウム層２５を電池ケース６に確実に溶接することができる。ニッケルやステンレス鋼等の異種金属層２６上にリード３０を溶接することができるので、リード３０の溶接強度も良好に確保できる。端子板としての機能を封止体に与えたので、部品点数を削減して、密閉型電池の製造コストの低減化にも貢献できる。

加えて、溶接痕２９の縁２９ａが異種金属層２６の外周縁２６ａの外側に位置するように封止体１７をレーザ光２７で溶接したので、異種金属層２６が溶けて飛び散る所謂スパッタの発生を防止することができ、溶接不良の発生も確実に防止できる。
つまり、アルミニウム層２５は、異種金属層２６に比べて熱伝導率が大きいために、レーザ光２７による熱が拡散し易く、レーザ光２７の照射エネルギーは、例えばニッケルを溶接する場合よりも高く設定される。このため、かかる高エネルギーのレーザ光２７による熱が異種金属層２６に伝達されると、異種金属層２６では熱が拡散され難い分だけ、異種金属層２６が高温になって溶融・蒸発し、スパッタを発生させることになる。これに対して本発明では、前述のように溶接痕２９の縁２９ａが異種金属層２６の外周縁２６ａの外側に位置するようにしたので、レーザ光２７による熱が異種金属層２６に伝わり難く、スパッタの発生を効果的に防止できる。したがって、スパッタの発生に伴うピンホール等の溶接不良を防止して、封止体１７を電池ケース６に確実に溶接固定できる。

レーザ光２７の中心軸Ｓをアルミニウム層２５の外周縁２５ｂに一致させた状態で封止体１７が溶接されると、レーザ光２７がアルミニウム層２５の外周縁部２５ａに確実に照射されるとともに、レーザ光２７がアルミニウム層２５の外周縁２５ｂ近傍の電池ケース６にも照射され、レーザ光２７の照射エネルギーでアルミニウム層２５の外周縁部２５ａおよび電池ケース６を確実に溶融させて、封止体１７を電池ケース６に確りと溶接することができる。

封止体１７の軸部２３が注液孔１６に挿入されると、軸部２３によって封止体１７が電池ケース６に確りと位置決めされる。したがって、封止体１７で注液孔１６を確実に塞ぐことができるうえ、自動溶接機を用いた場合でも封止体１７を注液孔１６の周縁部に確実に溶接することができる。また、軸部２３が注液孔１６に挿入される分だけ、注液孔１６を封止体１７でより確実に封口することができる。

本発明に係る密閉型電池は、図１および図３に示すように、上面に左右横長の開口を有する有底角筒形状の電池缶１と、電池缶１内に収容された電極体２および非水電解液と、電池缶１の開口上面を塞いで密封する左右横長の蓋３と、蓋３の内側に配置されるプラスチック製の絶縁体５とを含む。電池缶１の左右幅寸法は３４ｍｍ、上下高さ寸法は４６ｍｍ、前後厚み寸法は４ｍｍである。電池缶１と蓋３とによって電池ケース６が形成される。

電極体２は、帯状の正極と帯状の負極との間に帯状のセパレータを介在させた状態で渦巻状に巻回して作製され、図３に示すように巻回状態で扁平状になっている。正極は、コバルト酸リチウム等の正極活物質を含有する正極活物質層が帯状の正極集電体の裏表両面に形成されており、図１および図３に示すように、正極集電体から薄板状の正極集電リード１０が導出される。

負極は、黒鉛等の負極活物質を含有する負極活物質層が帯状の負極集電体の裏表両面に形成されており、負極集電体から薄板状の負極集電リード１１が導出される。セパレータは、ポリエチレン樹脂等の微多孔性薄膜フィルム等からなる。非水電解液は、エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとを混合した溶媒にＬｉＰＦ₆ を溶解させて作製した。

電池缶１は、アルミニウム又はアルミニウム合金の板材の深絞り成形品である。蓋３は、アルミニウム又はアルミニウム合金の板材のプレス成形品であり、電池缶１の開口周縁に蓋３の外周縁がＹＡＧレーザ等のレーザ光でシーム溶接される。これにて、図１に示す電池ケース６が形成される。蓋３の中央には、上側の絶縁パッキング１２および下側の絶縁板１３を介して負極端子１５が貫通状に取り付けられる。

蓋３の左右方向の右端寄りには、平面視で円形の注液孔１６が上下貫通状に形成されている。注液孔１６から電池ケース６内に非水電解液が注入されたのちに、注液孔１６が、封止体１７で塞がれる。負極端子１５の下端には、蓋３の内面において左右横長の薄板からなるリード体１９が接続される。リード体１９は、注液孔１６の反対側に延びており、絶縁板１３で蓋３と絶縁されている。このリード体１９の下面には、負極集電リード１１が溶接される。

正極集電リード１０は、蓋３の裏面において絶縁板１３と注液孔１６との間のスペースに溶接される。これで正極集電リード１０が蓋３および電池缶１に導通して、蓋３および電池缶１が正極電位に帯電する。蓋３の左右方向の一端寄り（図３の左端寄り）には、開裂ベント２０が形成されており、開裂ベント２０は、電池内圧が異常上昇したときに開裂して電池内圧を解放する。

封止体１７は、図１および図３に示すように、蓋３の上面における注液孔１６の周縁部に溶接される四角板状の頭部２２と、頭部２２の下面２２ａの中央よりやや右寄りの位置から下向きに突出する円柱状の軸部２３とを有する。封止体１７の頭部２２は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層２５と、該アルミニウム層２５上に形成されて、アルミニウム層２５よりも熱伝導率の小さいニッケル又はニッケル合金で形成されたニッケル層（異種金属層）２６とからなる。封止体１７の軸部２３は、頭部２２のアルミニウム層２５と一体形成され、注液孔１６に挿入（圧入）される（図１の状態）。

封止体１７の頭部２２は、図３に示すように、アルミニウム層２５がニッケル層２６よりも大形に形成されていて、アルミニウム層２５の外周縁部２５ａが０．４ｍｍの張り出し寸法Ｌ１分だけニッケル層２６の外周縁２６ａよりも外側に張り出している。つまり、封止体１７は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる板材と、ニッケル又はニッケル合金からなる板材とを上下に重ね合わせて圧延機で圧接接合されたクラッド材を用いており、プレス加工機で頭部２２が形成されるとともにアルミニウム又はアルミニウム合金からなる板材の一部で軸部２３が形成され、また頭部２２のアルミニウム層２５の外周縁部２５ａがニッケル層２６の外周縁２６ａよりも外側に張り出すように形成される。頭部２２のアルミニウム層２５の厚さ寸法は０．１５ｍｍ、ニッケル層２６の厚さ寸法は０．２ｍｍである。軸部２３の上下厚さ寸法は１ｍｍである。

そして、頭部２２のアルミニウム層２５の外周縁部２５ａが、電池ケース６の蓋３における注液孔１６の周縁部にＹＡＧレーザ等のレーザ光２７で溶接される。つまり、封止体１７は、図２および図４に示すように、レーザ光２７の中心軸Ｓが頭部２２のアルミニウム層２５の外周縁２５ｂに沿うとともに、レーザ光２７の照射による溶接痕２９のニッケル層２６側の縁２９ａがニッケル層２６の外周縁２６ａよりも外側に位置する状態で、アルミニウム層２５の外周縁部２５ａが電池ケース６の蓋３に溶接される。具体的には、封止体１７は、レーザ光２７の中心軸Ｓを頭部２２のアルミニウム層２５の外周縁２５ｂに一致させた状態で溶接されている。

溶接痕２９のニッケル層２６側の縁２９ａの位置は、ニッケル層２６の外周縁２６ａの位置よりも、平均で０．１ｍｍ以上外側であることが望ましく、平均で０．２ｍｍ以上外側であることがより望ましい。また、溶接痕２９のニッケル層２６側の縁２９ａの位置が、ニッケル層２６の外周縁２６ａよりも離れ過ぎると、アルミニウム層２５の外周縁部２５ａの張り出し寸法Ｌ１の問題や加工の問題が生じるので、溶接痕２９のニッケル層２６側の縁２９ａの位置は、ニッケル層２６の外周縁２６ａの位置よりも、１ｍｍ以下にすることが望ましい。

溶接痕２９がアルミニウム層２５の外周縁部２５ａのみに形成されてニッケル層２６には及ばないようにするうえでは、封止体１７のアルミニウム層２５の外周縁部２５ａが、０．１ｍｍ以上の張り出し寸法Ｌ１だけニッケル層２６の外周縁２６ａよりも封止体１７の外側に張り出していることが望ましく、０．２ｍｍ以上外側に張り出していることがより望ましく、０．３ｍｍ以上外側に張り出していることが最も望ましい。

電池の組み立てに際しては、蓋３に対して、前述のように負極端子１５、絶縁パッキング１２、絶縁板１３およびリード体１９をそれぞれ取り付けておき、電極体２および絶縁体５を電池缶１内に収容したのちに、負極集電リード１１をリード体１９に、正極集電リード１０を蓋３にそれぞれ溶接する。次いで、電池缶１の開口周縁に蓋３をシーム溶接したのちに、電池缶１内を真空減圧して注液孔１６から非水電解液を注入する。

非水電解液の注入完了後に、封止体１７の軸部２３を注液孔１６に圧入し、次いで封止体１７の頭部２２のアルミニウム層２５の外周縁部２５ａを注液孔１６の周縁部にレーザ光２７で溶接する（図１の状態）。これにて、注液孔１６が、封止体１７で塞がれて封口される。この後、図４に示すように、封止体１７の頭部２２のニッケル層２６の上面に、保護回路や外部機器等の正極リード３０がスポット溶接され、負極端子１５の上面に、保護回路や外部機器等の負極リード３１がスポット溶接される。正極リード３０は、ニッケル又はニッケル合金の層を有するクラッド材等からなり、ニッケル又はニッケル合金の層が封止体１７の頭部２２に溶接される。

（実施例）
以下に示すような実施例１〜３および比較例に係る電池をそれぞれ１０００個づつ作製し、ピンホールの発生およびスパッタの発生の有無を確認した。これら実施例１〜３および比較例では、封止体１７の頭部２２のアルミニウム層２５の外周縁部２５ａの張り出し寸法Ｌ１を０．４ｍｍ、レーザ光２７の照射位置での径寸法を０．４５ｍｍに設定してある。これにて、レーザ光２７の照射による溶接痕２９の幅寸法Ｌ２が０．６ｍｍになっている。

（実施例１） 実施例１に係る各電池では、レーザ光２７の中心軸Ｓが封止体１７の頭部２２のアルミニウム層２５の外周縁２５ｂよりもニッケル層２６側へ０．１ｍｍだけ寄る位置で封止体１７を蓋３に溶接した。これにより、溶接痕２９のニッケル層２６側の縁２９ａの位置が、ニッケル層２６の外周縁２６ａの位置に一致した。

（実施例２） 実施例２に係る各電池では、レーザ光２７の中心軸Ｓが封止体１７の頭部２２のアルミニウム層２５の外周縁２５ｂに一致する位置で封止体１７を蓋３に溶接した。これにより、溶接痕２９のニッケル層２６側の縁２９ａの位置が、ニッケル層２６の外周縁２６ａから外側へ０．１ｍｍだけ離れた。

（実施例３） 実施例３に係る各電池では、レーザ光２７の中心軸Ｓが封止体１７の頭部２２のアルミニウム層２５の外周縁２５ｂよりも外側へ０．２ｍｍだけ離れた位置で封止体１７を溶接した。これにより、溶接痕２９のニッケル層２６側の縁２９ａの位置が、ニッケル層２６の外周縁２６ａから外側へ０．３ｍｍだけ離れた。

（比較例） 比較例に係る各電池では、レーザ光２７の中心軸Ｓが封止体１７の頭部２２のアルミニウム層２５の外周縁２５ｂよりもニッケル層２６側へ０．３ｍｍだけ寄る位置で封止体１７を蓋３に溶接した。これにより、溶接痕２９のニッケル層２６側の縁２９ａが、ニッケル層２６の外周縁２６ａよりも０．１ｍｍだけ内側に位置して、溶接痕２９がニッケル層２６に重なった。

表１から明らかなように、実施例１の各電池では、いずれもピンホールの発生は確認されず、１個の電池のみにスパッタの発生が確認された。実施例２・３の各電池では、ピンホールの発生およびスパッタの発生が確認されなかった。これに対して、比較例の各電池では、１０個の電池でピンホールの発生およびスパッタの発生が確認された。

なお、レーザ光２７の中心軸Ｓの位置を実施例３の位置よりもさらに外側へ離すと、レーザ光２７がアルミニウム層２５の外周縁部２５ａに当たらなくなって、アルミニウム層２５の外周縁部２５ａが蓋３に溶接されなくなった。

このように、封止体１７の頭部２２のアルミニウム層２５の外周縁部２５ａが、ニッケル層２６の外周縁２６ａよりも外側に張り出しているので、アルミニウム層２５にレーザ光２７を直接照射できて、アルミニウム層２５を電池ケース６に確実に溶接することができる。溶接痕２９の縁２９ａがニッケル層２６の外周縁２６ａよりも外側に位置するように封止体１７をレーザ光２７で溶接したので、レーザ光２７による熱でニッケル層２６が溶けて飛び散るスパッタの発生を防止することができ、これにてスパッタの発生に伴うピンホール等の溶接不良の発生を防止することができる。

封止体１７のアルミニウム層２５の外周縁部２５ａの張り出し寸法Ｌ１は、大きくすることが可能であるが、０．８ｍｍ以上になるとプレス加工が困難になる。また、電池の大きさ等によっても張り出し寸法Ｌ１は制限される。これらを考慮して張り出し寸法Ｌ１が設定される。また、レーザ光２７の径は、大きくすると、これに伴ってレーザ光２７の照射エネルギーを大きくする必要がある一方で、小さくし過ぎると、アルミニウム層２５が深く溶け込み過ぎて、アルミニウム層２５でスパッタが発生するおそれがある。これらを考慮してレーザ光２７の径が設定される。

封止体１７の軸部２３は、合成ゴム等であってもよい。この場合、軸部２３は、頭部２２の下面２２ａに対して接着剤等で固定されることになる。軸部２３は、注液孔１６に対して遊びを有する状態で挿入されてもよい。また、軸部２３を省略して封止体１７を頭部２２のみで形成してもよい。この場合でも、アルミニウム層２５の外周縁部２５ａは、ニッケル層２６の外周縁２６ａよりも封止体１７の外側に張り出す。

注液孔１６および封止体１７は、必ずしも蓋３に設ける必要はなく、電池ケース６のいずれかの個所に設けてあればよい。例えば注液孔１６および封止体１７は、電池缶１の底面や側面に設けてもよい。封止体１７は、ニッケル層２６に代えてステンレス鋼やステンレス合金等からなる金属層で形成してもよい。電池缶１や蓋３は、少なくとも外面側がアルミニウムやアルミニウム合金の層で形成されるクラッド材で作製してもよい。

本発明に係る密閉型電池の縦断正面図である。 封止体の要部の拡大断面図である。 密閉型電池の分解斜視図である。 密閉型電池にリードを接続した状態を示す平面図である。

符号の説明

６ 電池ケース
１６ 注液孔
１７ 封止体
２２ａ 下面
２３ 軸部
２５ アルミニウム層
２５ａ 外周縁部
２５ｂ 外周縁
２６ 異種金属層（ニッケル層）
２６ａ 外周縁
２７ レーザ光
２９ 溶接痕
２９ａ 縁
Ｓ レーザ光の中心軸

Claims (3)

1. 少なくとも外面側がアルミニウム又はアルミニウム合金で形成された電池ケースと、該電池ケースに開設された電解液注入用の注液孔を封止する封止体とを有し、
   前記封止体が、前記電池ケースの前記注液孔の周縁部にレーザ光で溶接されている密閉型電池において、
   前記封止体は、前記電池ケース側に配置されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層と、該アルミニウム層上に形成されて、該アルミニウム層よりも熱伝導率の小さい金属又は金属合金で形成された異種金属層とからなり、
   前記アルミニウム層は前記異種金属層よりも大形に形成されていて、該アルミニウム層の外周縁部は前記異種金属層の外周縁よりも外側に張り出しており、
   前記封止体は、前記レーザ光の中心軸が前記アルミニウム層の外周縁に沿うとともに、前記レーザ光の照射による溶接痕の前記異種金属層側の縁が前記異種金属層の外周縁よりも外側に位置する状態で、前記電池ケースに溶接されていることを特徴とする密閉型電池。
2. 前記封止体は、前記レーザ光の中心軸が前記アルミニウム層の外周縁に一致する状態で溶接されている請求項１記載の密閉型電池。
3. 前記封止体には、前記アルミニウム層と一体形成されて該アルミニウム層の下面から下向きに突出する軸部が設けられ、該軸部が前記注液孔に挿入されている請求項１又は２記載の密閉型電池。

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