(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池缶の開口部に載置された蓋体を溶接によって封口した密閉型電池において、電池缶と蓋体との会合部を封口した封口部と、電池缶と蓋体との間に形成された幅が１０〜１５０μｍである間隙部を封口した封口部とを備えたことを特徴とする密閉型電池。
【請求項２】
間隙部の長さが３〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の密閉型電池。
【請求項３】
電池缶の開口部に蓋体を載置し溶接によって封口した密閉型電池の製造方法において、電池缶内に電池要素を収納した後に、電池缶の開口部に蓋体を載置し、蓋体と電池缶の開口部との会合部の一部に間隙部を形成した状態で溶接によって封口した後に、間隙部から電解液を注液し、次いで間隙部を溶接によって封口することを特徴とする密閉型電池の製造方法。
【請求項４】
電解液の注液が、間隙部を底部に位置させて収容するとともに注液すべき電解液を入れた注液槽を内部に設けた注液室内において、注液室内の圧力を大気圧以下に少なくとも１回減圧した後に、大気圧もしくは大気圧以上の圧力に保持することによって行ったものであることを特徴とする請求項３記載の密閉型電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池缶の開口部に載置した蓋体を溶接によって封口した密閉型電池に関し、とくに電解液の注液に特徴を有する密閉型電池およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
密閉型電池においては、電池缶の開口部にガスケットを介して蓋体を装着して電池缶と一体にかしめて封口した電池、あるいは電池缶の開口部に蓋体を載置した後にレーザー溶接等の方法によって封口した密閉型電池が知られている。
小型の電子機器等の電源として用いられている密閉型電池は、電池収納空間を有効に利用することが可能な角型の密閉型電池がひろく用いられている。
例えば、小型の電子機器用の角型のリチウムイオン電池は、正極集電体および負極集電体に、それぞれ活物質を塗布して製造した正極電極および負極電極をセパレータを介在させて積層したものを巻回した電池要素を、電池缶内に収納した後に電池缶の開口部に蓋体を載置して封口し、蓋体もしくは電池缶に設けた電解液注液口から電解液を注液した後に、電解液注液口に封口片を設けて封口片と注液口の壁面との間を溶接によって封口することが行われている。
【０００３】
図９は、従来の密閉型電池の組立工程を説明する図である。
図９（Ａ）に示すように、電池缶２内に電池要素を収納し、電池缶２の上部の開口部に電解液注液口９、外部電極取り出し端子３、および電池内部の圧力上昇時に電池の破裂等を防止する圧力開放弁等を有した蓋体４をレーザー５の照射による溶接等の方法によって取り付けた後に、図９（Ｂ）に示すように、蓋体４に設けた電解液注液口９に電解液注液装置の注液ノズル７を気密を保持して取り付け、電池缶内部の空気を所定の減圧度まで排気した後に、注液ノズル７から所定量の電解液８を注液している。
次いで、図９（Ｃ）に示すように、電解液注液口９に封口片１０を取り付けてレーザー５による溶接を行って電解液注液口を封口している。
【０００４】
ところが、このような密閉型電池においては、電解液注液口を封口するために、電解液注液口に、板状、棒状、球状等の各種の形状の封口片を装着する工程が不可欠であった。また、封口片が注液口に正確に装着されていないと封口が不良となるという問題点があった。そこで、封口片を仮止めしたり、あるいは封口時に照射するレーザーの照射方向を調節する等の方法が提案されているが、封口片を使用して封口することによって生じる問題点を解決するものではなかった。とくに、小型の電池においては電解液注液口も小さく、封口片も小さなものとなるが、ピン状、球状等の小さな封口片の自動搬送においては、搬送不良が生じやすく、封口片を電解液注液口に正確に装着されたか否かを確認する工程も必要であった。
【０００５】
また、電池の製造時に電池缶内に発電要素等を収納した後に、電解液を充填し、次いで外部接続端子等を取り付けた蓋体を電池缶の開口部に載置してレーザー溶接によって封口する方法も考えられるが、現実にはこのような方法は行われてこなかった。これは、電池缶の開口部の全面をレーザー溶接によって封口する際には大量の熱によって電解液の劣化が考えられ、また付着した電解液によるピンホールの発生の危険、蓋体が定められた位置に載置されていない場合には、レーザーが電池缶内部に照射されて、電解液として可燃性の物質を用いた場合には、火災の発生の危険等がある等の理由によるものであった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、密閉型電池への電解液の注液を、蓋体もしくは電池缶に電解液注液口を設けずに、注液して封口した電池を提供することを課題とするものであり、注液口への封口片の装着、装着の確認、封口片の溶接による封口工程等の一連の工程が不要な密閉型電池およびその製造方法を提供することを課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、電池缶の開口部に載置された蓋体を溶接によって封口した密閉型電池において、電池缶と蓋体との会合部を封口した封口部と、電池缶と蓋体との間に形成された幅が１０〜１５０μｍである間隙部を封口した封口部とを備えた密閉型電池によって解決することができる。
間隙部の長さが３〜１０ｍｍである前記の密閉型電池である。
また、電池缶の開口部に蓋体を載置し溶接によって封口した密閉型電池の製造方法において、電池缶内に電池要素を収納した後に、電池缶の開口部に蓋体を載置し、蓋体と電池缶の開口部との会合部の一部に間隙部を形成した状態で溶接によって封口した後に、間隙部から電解液を注液し、次いで間隙部を溶接によって封口する密閉型電池の製造方法である。
また、電解液の注液が、間隙部を底部に位置させて収容するとともに注液すべき電解液を入れた注液槽を内部に設けた注液室内において、注液室内の圧力を大気圧以下に少なくとも１回減圧した後に、大気圧もしくは大気圧以上の圧力に保持することによって行ったものである前記の密閉型電池の製造方法である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、電池缶の開口部に装着する蓋体として、蓋体の特定の個所に電池缶の内壁面と蓋体との間に間隙部が形成されるものを用いることによって、間隙部を残して電池缶と蓋体とをレーザー溶接等の方法によって封口した後に、未封口の間隙部から電解液を注液し、その後に間隙部を封口することによって密閉型電池を製造したものである。
そして、本発明によって、電池缶の開口部と蓋体との会合部以外には、注液の後にレーザー溶接によって封口した電解液注液口をはじめとする封口部を有さない密閉型電池を提供することができる。また、本発明の密閉型電池は、蓋体、あるいは電池缶に専用の電解液注液口を設けて封口片を装着し、封口する工程が必要がないという特徴も有している。
【０００９】
以下に図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明の密閉型電池の製造工程を説明する図である。
図１（Ａ）に斜視図を示すように、本発明の密閉型電池１は、電池要素を収納した電池缶２の開口部に、絶縁性部材を介して導電接続端子３を取り付けた蓋体４を載置し、電池缶と蓋体との会合部にレーザー５を照射して封口部６を形成する際に、電池缶の壁面と蓋体との間に、間隙を有する部分を設け、間隙部分にはレーザーを照射せずに間隙部１１とする。
次いで、図１（Ｂ）に示すように、間隙部１１に電解液注液ヘッド７を取り付けて電解液８を注入する。電解液注液ヘッド７には、減圧装置を結合し、電池缶内の気体を吸引除去した後に、電解液を注液することが好ましく、電池缶内部に収納した電池要素の細部への速やかな電解液の充填が可能となる。
図１（Ｃ）に示すように、電解液注液後に、レーザー５を間隙部１１へ照射して密閉型電池の封口を完了する。
本発明の密閉型電池においては、電池缶と蓋体との間には常に一定の範囲に間隙が形成されるように、電池缶、もしくは蓋体を加工することが好ましく、とくに蓋体の一部に、電池缶の開口部に載置した場合に間隙部が形成されるように幅等が小さな部分を設けて、間隙部が形成することが好ましい。
【００１０】
図２は、間隙部の形成個所の一例を説明する図である。
図２（Ａ）ないし（Ｄ）は、平面図であり、電池缶の内壁面で形成される空間よりも蓋体の大きさを部分的に小さくしたものであり、電池缶と蓋体との会合部では常に同じ位置に間隙が形成されるので、その部分を間隙部１１とすることができる。このような蓋体は、蓋体を金属加工によって製造する際に所定の金型を用いることによって容易に製造することができる。間隙の形成部はいずれの部分としても良いが、常に同じ個所に間隙が形成され、その部分を間隙部とすることが好ましい。
【００１１】
また、間隙の大きさ（幅）は１０〜１５０μｍとすることが好ましく、間隙の大きさが１０μｍよりも小さいと、間隙部からの電解液の注液に時間を要することとなるので好ましくなく、一方、１５０μｍよりも大きい場合には、レーザーによる封口の際に封口部にピンホールが生じる等の溶接不良が起きやすくなるという問題点がある。
間隙部の大きさ、すなわち幅を大きくすると、電解液の注液速度は速くなるので製造時間を短縮することができるので有利であるが、レーザ溶接によって封口した場合には、ピンホールが生じる等の問題が生じる可能性があるので、そのような場合には、電池缶の間隙部を押圧する等の方法によって間隙部の大きさを小さくした後に、レーザー溶接を行ったり、あるいは電池缶の間隙部を押圧した状態でレーザー溶接を行うことによって封口部の特性を良好なものとすることができる。
また、間隙の長さも電解液の注液速度に影響を与えるので、間隙の長さは電解液の注液速度の観点からは長い方が好ましいが、注液した電池の取り扱い時の電解液の漏れ、あるいは注液後に封口する部分が長くなるという問題点があるので、長さは３ないし１０ｍｍとすることが好ましい。
【００１２】
本発明の電池においては、電解液の注液は、電池缶の内壁面と蓋体の間の間隙部によって形成される間隙に電解液注液ヘッドを装着し、電池缶内を減圧した後に行うことができる。
また、電解液の注液は、本出願人が特願２０００−３０５８６５（特開２００１−１９６０５０号公報）として提案している電解液中に開口部を位置させて、系内の圧力を変化させることによる注液装置を用いて注液することが好ましい。従来の注液ヘッドを装着する方法では、間隙部の形状に応じた注液ヘッドを準備することが必要であるが、この方法では、電解液を注液する間隙の位置を電解液の液面下に設定することができれば、間隙部の形状等に依存せずに電解液の注液が可能である。
【００１３】
図３に、圧力の変化によって注液する注液装置を用いた注液を方法を説明する。
電解液注液装置２１は、複数の単位注液槽２２を有する注液槽２３を内部に設けた注液室２４を有し、注液室２４には注液室内の圧力を任意に調整可能な圧力調整手段２５が結合されている。圧力調整手段２５は、注液室２４内の圧力を大気圧以下の圧力に減圧することができる排気手段２６、大気開放弁２７を有している。
一部に間隙部１１を残した電池缶２の複数個を、間隙部１１を底部にして、電解液９を入れた注液槽２３に設けた単位注液槽２２に収容した後に、注液室２４内の圧力を圧力調整手段２５の排気手段２６を作動させて注液室２４内の圧力を減圧して予め定められた時間保持する。
【００１４】
次いで、大気開放弁２７を開放し、注液室２４内の圧力を大気圧として所定の時間保持した後に、さらに注液室２４内の圧力を圧力調整手段２５の排気手段２６を作動させて注液室２４内の圧力を減圧した後に、大気開放弁２７を開放して注液室２４内の圧力を大気圧として予め定められた時間保持する。
このように、注液室２４内の圧力を変動させることによって、減圧された電池缶２内へ間隙部１１から電解液が注液される。電解液が注液された後に、注液室内から電池缶を取り出す。
間隙部に形成される間隙は、充分に小さなものであるので、注液槽から電池缶を取り出した際に間隙部からは電解液が落下することはない。
次いで、電解液が付着した間隙部の周辺を有機溶剤で洗浄し、間隙部をレーザー溶接によって封口処理を行うことができる。洗浄に使用する有機溶剤としては、電解液中に混入しても悪影響を及ぼさないものであって、揮発速度が速いものが好ましく、具体的には、炭酸ジエチルを挙げることができる。また、これらの有機溶媒には、特に水分の含有量の少ないものを用いることが好ましい。
【００１５】
注液室内の減圧の程度および減圧下での保持時間は、注液する電解液の特性等に応じて考慮することが好ましく、揮発性が大きな液体が含まれており、減圧によって混合比が変化する場合には、減圧状態での保持時間は短時間とすることが好ましい。
注液室内の減圧と大気圧に開放して大気圧下で保持する回数は、少なくとも２回以上とするとすることが好ましい。
また、複数回の減圧を行う場合には、第２回目以降の減圧度を第１回目の圧力よりも低く設定しても良く、減圧速度においても第１回目よりも大きくしても良く、これによって注液速度を高めることができる。
また、大気圧下での保持は、最終的に装置内を大気圧として注液後の容器を取り出す必要から行うものであり、大気圧に限らず任意の圧力下で保持した後に、大気圧に戻して取り出す等の多段階に圧力を変更する方法を採用しても良い。
【００１６】
また、図４に、他の電解液の注液装置の例を示す。
図４（Ａ）に示す電解液注液装置２１は、複数の単位注液槽２２からなる注液槽２３を内部に有した注液室２４を有し、注液室２４には、注液室内の圧力を任意に調整可能な圧力調整手段２５が結合されている。圧力調整手段２５は、注液室２４内の圧力を大気圧以下の圧力に減圧することができる排気手段２６、雰囲気気体供給手段２８を有しており、間隙部１１を残して密閉した電池缶２を、間隙部１１を底部に位置させて、電解液９を入れた複数の単位注液槽２２を有する注液槽２３内に収容した後に、注液室２４内の圧力を圧力調整手段２５の排気手段２６を作動させて注液室２４内の圧力を減圧し、予め定められた時間保持した後に、雰囲気気体供給弁２９を開放し、注液室２４内に所定の雰囲気気体を供給して所定の時間保持した後に、雰囲気気体供給弁２９を閉じる。
さらに注液室２４内の圧力を圧力調整手段２５の排気手段２６を作動させて注液室２４内の圧力を減圧した後に、雰囲気気体供給弁２９を開放する。これによって注液室２４内に雰囲気気体を供給して所定の時間保持することによって、減圧された電池缶内に電解液が注液される。次いで、大気開放弁２７を開いて雰囲気気体を空気で置換した後に、注液室内から間隙部を上部に向けた状態で電池缶を取り出した後に封口処理を行うことができる。
【００１７】
このような電解液注液装置を用いることによって、雰囲気気体供給手段から窒素、ヘリウム、二酸化炭素等の気体を供給してこれらの気体の雰囲気を形成することができるので、容器内をこれらの気体の雰囲気で満たすことが可能となり、液体が空気と触れることによる問題点を解決することができる。
特に、ヘリウム等の漏洩検知に使用することができる特殊気体を用いるならば、これらの気体の充填工程を設けることなく、電池の封口後において漏洩検知を行うことが可能となる。
【００１８】
また、図４（Ｂ）に示す電解液注液装置２１は、複数の単位注液槽２２を有する注液槽２３を内部に有した注液室２４を有し、注液室２４には、注液室内の圧力を任意に調整可能な圧力調整手段２５が結合されている。圧力調整手段２５は、注液室２４内の圧力を大気圧以下の圧力に減圧することができる排気手段２６、加圧手段３０を有しており、間隙部１１を残して密閉した電池缶２を、間隙部１１を底部に位置させて、電解液９を入れた単位注液槽２２内に収容した後に、注液室２４内の圧力を圧力調整手段２５の排気手段２６を作動させて注液室２４内の圧力を減圧して予め定められた時間保持した後に、加圧手段３０によって注液室内の圧力を大気圧以上に保って予め定められた時間保持することによって、減圧された電池缶内に電解液が注液される。また、注液室２４内の圧力の減圧と所定の圧力での保持の工程を繰り返し行っても良い。次いで、大気開放弁２７を開いて雰囲気気体を空気で置換して注液室内を大気圧とする。
注液が行われた電池缶は、間隙部を上部に向けた状態で取り出して封口処理を行うことができる。
また、図４（Ｂ）に示した加圧手段３０には、図４（Ａ）示した雰囲気気体供給手段を結合して、大気圧以上の圧力で所定の雰囲気気体を供給しても良い。
このように注液室内を大気圧以上の圧力で加圧することにより、電解液の注液速度を高めることができる。
【００１９】
図５は、圧力変化による電解液の注液装置の注液室内の減圧の速度と減圧度の一例を説明する図であり、縦軸に圧力を横軸に経過時間を示す。
図５（Ａ）において、Ａで示す１回目の減圧速度が大きい場合には、容器内から取り出される気体の速度が大きくなり、発生する気泡によって容器内から液が溢れやすくなるので減圧速度は単位注液槽の壁面の高さ等を考慮して決めることが必要となる。
まず、所定の減圧度Ｂまで減圧する。減圧度Ｂは、注液すべき電解液のその温度での蒸気圧以下の圧力としないことが好ましく、減圧度が大きいと沸騰状態となり単位注液槽から液体が失われることとなる。次いで、所定の減圧度Ｂに達した後に、大気圧に戻して所定の保持時間Ｃの間、大気圧に保持する。
【００２０】
次いで、第１回目の減圧速度よりも大きな減圧速度Ｄで第２回目の減圧操作を行い、第１回目の減圧度Ｂよりも低い所定の減圧度Ｅまで減圧を行う。この状態では、かなりの量の電解液が電池缶内へ注液される。したがって、電池缶内部にセパレータ、活物質等の液が浸透するものが存在している場合には、減圧度を高めたり減圧速度を大きくしても単位注液槽からの液体のあふれ等の現象は生じない。
所定の減圧度Ｅに達した後に、圧力を大気圧に戻して所定の保持時間Ｆが経過した後に容器を取り出す。
また、図５（Ｂ）は、減圧した後に減圧状態の圧力を所定のＢ１からＢ２までの時間保持し、大気圧に戻して所定の時間を保持した後に、再度減圧して以前よりも減圧度を大きくしてＥ１からＥ２まで保持する例を示している。
減圧状態において所定の時間保持する方法は、電解液注液口が注液すべき電池の大きさに比べて小さい場合、電解液の粘性が大きな場合には特に有効である。
【００２１】
図６は、電解液の注液槽を説明する斜視図である。
注液槽２３は、仕切り板３１によって複数の区画に分離された単位注液槽２２を有していることが好ましい。一つの注液槽内に複数の電池缶を収容しても良いが、注液口の状態、注液口と注液槽の壁面との接触状態等によって、注液工程での個々の電池缶内への注液速度が一定とはならないために、注液される液体の量が一定しなくなる。そこで、一度の注液工程において複数の容器内へ同時に注液するためには、仕切板３１で区画した単位注液槽２２を形成することが好ましい。
また、注液槽２３の個々の仕切り毎に形成される単位注液槽２２は、内部に注液すべき所定量の電解液を入れた状態で、電池缶を収容しても電解液が溢れることがない大きさとすることが必要であり、さらに注液室内を排気して減圧した際に、電池缶内の気体が電解液中を上昇する際に電解液が泡だって単位注液槽２２から失われることがない深さとすることが必要である。
【００２２】
また、図７は、単位注液槽の一例を説明する図である。図７（Ａ）は、単位注液槽の断面を示す図であり、図７（Ｂ）は平面図である。
単位注液槽２２の底部３２は中心部に向かって傾斜を有していることが好まししく、また単位注液槽２２の側壁面３３との会合部３４は曲面を形成していることが液体の残留量を少なくするので好ましい。
さらに、底部３２は、注液すべき電池缶を収容した際に電池缶に設けた外部接続端子等の凸部を受け入れるための凹部３５を形成することが好ましく、凹部を形成することによって、間隙部からの確実な注液が可能となる。
【００２３】
注液槽は注液すべき電解液との濡れ性が小さな材料で製作することが好ましく、濡れ性を小さな材料を用いることによって、注液槽に残留する液体の量を減少させることができるので電解液の損失量が小さくなる。また、注液槽の基材に金属等の強度が大きく安定した材料を使用し、注液槽の内面のみを注液すべき電解液との濡れ性が小さな材料で被覆しても良い。
濡れ性が小さな材料としては、注液すべき電解液によって異なるが、ポリプロピレン、フッ素樹脂等の合成樹脂を用いることができる。また、ステンレス等の金属材料を基材としてこれらの被覆を形成しても良い。
【００２４】
以上のように圧力変化を利用して電池缶内に注液する方法を用いる場合には、多数の単位注液槽を設けた注液槽に、多数の注液ノズルを有する定量注液手段を用いて電解液の所定量を注入した後に、注液すべき電池缶の多数個を収容し、減圧と圧力を大気圧に戻す動作を所定の回数行うことによって、多数個の電池缶内へ所定の量の液体を一度に注液することができる。
【００２５】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明を説明する。
実施例１
電池缶の上部の長辺２９ｍｍ、短辺４．８ｍｍからなる開口部に、電極取り出し端子を有したヘッダーを取り付けて、長辺側に７０μｍ、短辺側に５５μｍの間隙を形成し、次いで、間隙部を形成する個所を図８に示すように、ａ＝０．０２ｍｍ、ｂ＝３ｍｍとした蓋体を作製し、ｃの領域を残してレーザー溶接によって封口して間隙部を有する電池缶を作製した。
次いで、内部の大きさが幅５０ｍｍ、高さ４２ｍｍ、厚さ１２ｍｍであって、底部に深さ０．８ｍｍの電極取り出し端子部の収容部を設けた単位注入槽に、炭酸ジエチル（ＤＥＣ）、炭酸エチレン（ＥＣ）および６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６  ）を含有する電解液を３．１ｇを入れた後に、電池缶の間隙部を底面に向けて収容した後に、注液室内に装着し、注液室内を排気をし、減圧度が０．００５ＭＰａに達した時点で、減圧度を５秒間保持した後に、注液室内の圧力を大気圧と、５分間大気圧で保持した後に電池缶を取り出した。電池缶の電解液注入口からは電解液が落下することはなかった。
電解液を注液した電池缶各１０個の注液前後の質量を測定し、注液量を表１に示すように、平均３．００ｇの電解液を注液することができた。
【００２６】
比較例１
ヘッダーに１ｍｍの電解液注液口を設けたことを除き、実施例１と同様に、電解液の注液操作を行い、得られた電池の１０個の注液前後の質量を測定したところ、平均注液量は３．００ｇであった。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
【発明の効果】
本発明の密閉型電池は、電池缶の開口部を封口する際に、間隙部を残して封口し、形成した間隙部を電解液の注液に利用したので、電解液注液口を設ける必要がない。また、電解液注液口を設けた場合には封口の際に不可欠である注液口を塞ぐための封口片が不要であり、封口工程を簡素化するとともに、封口片の装着不良等による問題も解消することができる。
また、注液室の圧力変動による電解液注液方法を適用することによって一度の処理工程において大量の電池缶へ注液することができるので、個々の容器へ注液する方法に比べて生産性を高めることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の密閉型電池の製造工程を説明する図である。
【図２】図２は、間隙部の形成個所の一例を説明する図である。
【図３】図３に、圧力の変化によって注液する注液装置を用いた注液を方法を説明する。
【図４】図４に、他の電解液の注液装置の例を示す。
【図５】図５は、圧力変化による電解液の注液装置の注液室内の減圧の速度と減圧度の一例を説明する図であり、縦軸に圧力を横軸に経過時間を示す。
【図６】図６は、電解液の注液槽を説明する斜視図である。
【図７】図７は、単位注液槽の一例を説明する図である。
【図８】図８は、実施例の電池の間隙部を形成する個所を説明する図である。
【図９】図９は、従来の密閉型電池の組立工程を説明する図である。
【符号の説明】
１…密閉型電池、２…電池缶、３…導電接続端子、４…蓋体、５…レーザー、６…封口部、７…電解液注液ヘッド、８…電解液、９…電解液注液口、１０…封口片、１１…間隙部、２１…電解液注液装置、２２…単位注液槽、２３…注液槽、２４…注液室、２５…圧力調整手段、２６…排気手段、２７…大気開放弁、２８…雰囲気気体供給手段、２９…雰囲気気体供給弁、３０…加圧手段、３１…仕切り板、３２…底部、３３…側壁面、３４…会合部、３５…凹部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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