(57)【要約】【課題】ケースの強度を高め、安全性を向上できる蓄電装置、及び蓄電装置の製造方法を提供すること。【解決手段】正極シート１８及び負極シート１９が間にセパレータを介在させた状態で層状に重なる電極組立体１２と、電極組立体１２を収容するケース１１と、を備えたリチウムイオン二次電池１０であって、ケース１１は、ビッカーズ硬度が５００以上８５０以下の鋼製であり、ケース１１の内面には、銅めっき層１７を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属箔の表面にリチウムイオンを脱挿入可能な活物質を含む活物質層を形成した電極と、前記電極間を絶縁するセパレータとを有し前記電極が間に前記セパレータを介在させた状態で層状に重なる電極組立体と、前記電極組立体を収容するケースと、を備えた蓄電装置であって、
前記ケースは、ビッカーズ硬度が５００以上８５０以下の鋼製であり、前記ケースの内面には、銅のコート層、アルミニウムのコート層、又は電解質に対して耐性を有する樹脂のコート層を有することを特徴とする蓄電装置。
【請求項２】
前記ケースを構成する鋼の炭素量は、０．３５重量％以上０．７７重量％以下である請求項１に記載の蓄電装置。
【請求項３】
前記ケースの壁の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である請求項２に記載の蓄電装置。
【請求項４】
前記蓄電装置は、二次電池である請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄電装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄電装置の製造方法であって、
鋼の板材を箱状に絞り加工して前記ケースの形状とした後に、表面処理を施してビッカーズ硬度を５００以上８５０以下とし、さらに内面に銅のコート層、アルミニウムのコート層、又は電解質に対して耐性を有する樹脂のコート層を設けることを特徴とする蓄電装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電装置、及び蓄電装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug-in Hybrid Vehicle）などの車両に搭載される蓄電装置としては、リチウムイオン二次電池などがよく知られている。リチウムイオン二次電池では、金属箔の表面に活物質を含む活物質層を形成した正極及び負極を、間にセパレータを介在させた状態で積層又は捲回するなどして電極組立体を形成するとともに、該電極組立体をケースに収容している（例えば特許文献１）。そして、特許文献１では、浸炭処理などを施すことにより、ケースのビッカーズ硬度を１５０〜４５０とし、ケースの強度を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１３８６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１では、ビッカーズ硬度が１５０〜４５０であることから、例えば釘状の鋭利な金属片がケースに当接するときには、該金属片がケースを貫通したり、ケースが変形したりすることによって、内部的な短絡が発生する虞がある。このため、ケースの強度を高め、さらに安全性を高めることが期待されている。
【０００５】
この発明は、上記従来技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、ケースの強度を高め、安全性を向上できる蓄電装置、及び蓄電装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、金属箔の表面にリチウムイオンを脱挿入可能な活物質を含む活物質層を形成した電極と、前記電極間を絶縁するセパレータとを有し前記電極が間に前記セパレータを介在させた状態で層状に重なる電極組立体と、前記電極組立体を収容するケースと、を備えた蓄電装置であって、前記ケースは、ビッカーズ硬度が５００以上８５０以下の鋼製であり、前記ケースの内面には、銅のコート層、アルミニウムのコート層、又は電解質に対して耐性を有する樹脂のコート層を有することを要旨とする。
【０００７】
これによれば、電極組立体を収容するケースは、ビッカーズ硬度が５００以上８５０以下の鋼製であり、ケースの内面には、銅のコート層、アルミニウムのコート層、又は電解質に対して耐性を有する樹脂のコート層を有する。このため、鋼が充放電に伴って電解質に溶出することをコート層により抑制しつつ、従来の蓄電装置と比較してケースの強度を向上できる。したがって、例えば鋭利な金属片が当接する場合であっても、金属片の貫通やケースの変形に伴う内部的な短絡の発生を抑制し、蓄電装置としての安全性を高めることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の蓄電装置であって、前記ケースを構成する鋼の炭素量は、０．３５重量％以上０．７７重量％以下である。これによれば、ケースの表面部における炭素量のみが０．３５重量％以上０．７７重量％以下である場合と比較して、ケース全体の強度を高めることができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の蓄電装置であって、前記ケースの壁の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。これによれば、例えば浸炭処理によってケースの壁の内部まで炭素を侵入させ、ケースの強度を高めることができる。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄電装置であって、前記蓄電装置は、二次電池である。これによれば、二次電池としてケースの強度を高め、安全性を向上できる。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄電装置の製造方法であって、鋼の板材を箱状に絞り加工して前記ケースの形状とした後に、表面処理を施してビッカーズ硬度を５００以上８５０以下とし、さらに内面に銅のコート層、アルミニウムのコート層、又は電解質に対して耐性を有する樹脂のコート層を設けることを要旨とする。
【００１２】
これによれば、鋼の板材を箱状に絞り加工してから表面処理を施してビッカーズ硬度を５００以上８５０以下とすることから、容易にケースの形状に加工できるとともに、強度を向上させ、蓄電装置としての安全性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ケースの強度を高め、安全性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】リチウムイオン二次電池を模式的に示す斜視図。
【図２】図１に示す１−１線断面図。
【図３】電極組立体を模式的に示す斜視図。
【図４】リチウムイオン二次電池の製造工程を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、車両に搭載される蓄電装置としてのリチウムイオン二次電池（以下「二次電池」と示す）１０は、ケース１１に電極組立体１２が収容されている。ケース１１は、電極組立体１２を収容する略有底矩形箱状の本体部材１３と、該本体部材１３の開口部１３ａを閉塞する矩形板状の蓋部材１４とから構成されている。
【００１６】
本体部材１３は、矩形板状の底壁１３ｂと、該底壁１３ｂの４つの縁部からそれぞれ垂直に立設された側壁１３ｃ、側壁１３ｄ、側壁１３ｅ、及び側壁１３ｆとからなる。各壁１３ｂ〜１３ｆの厚さは、同一（又は略同一）であり、例えば０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。
【００１７】
各側壁１３ｃ〜１３ｆの立設方向に沿った長さは、底壁１３ｂの縁部のうち最も短い縁部の長さの１倍を超える長さである。各側壁１３ｃ〜１３ｆの立設方向に沿った長さは、例えば２０ｍｍ以上である。なお、本実施形態の本体部材１３は、後述するように、鋼の板材を絞り加工（深絞り加工）して形成されている。
【００１８】
また、蓋部材１４は、本体部材１３の開口部１３ａを覆った状態で、各側壁１３ｃ〜１３ｆの先端に対し、周縁部の全周にわたって溶接されている。また、ケース１１を形成する壁の１つとなる蓋部材１４には、正極端子１５及び負極端子１６が固定され、外部に向かって突出されている。
【００１９】
そして、本実施形態のケース１１（本体部材１３及び蓋部材１４）は、鋼製（鋼材製）である。ケース１１を構成する鋼の炭素量は、各壁１３ｂ〜１３ｆや蓋部材１４の表面部及び内部であるか否かにかかわらず、例えば０．３５重量％以上０．７７重量％以下である。また、ケース１１は、ビッカーズ硬度が５００以上８５０以下である。
【００２０】
図２に示すように、ケース１１の内面には、銅のコート層としての銅めっき層１７が設けられている。即ち、各壁１３ｂ〜１３ｆの内面、及び蓋部材１４の内面には、それぞれ銅めっきが施され、銅めっき層１７が各内面の全体にわたって形成されている。なお、銅は、リチウム金属基準（ｖｓ  Ｌｉ＋／Ｌｉ）で４．１Ｖ以上の電位であっても安定な金属であり、ケース１１内に充填された電解質としての非水電解液１１ａに溶出（溶解）しない。
【００２１】
図３に示すように、電極組立体１２は、電極（正極）としての正極シート１８と、正極シート１８とは極性が異なる電極（負極）としての負極シート１９と、正極シート１８と負極シート１９との間を絶縁する矩形シート状のセパレータ２０とを有する。
【００２２】
そして、電極組立体１２は、複数の正極シート１８、及び複数の負極シート１９を、間にセパレータ２０を介在させた状態で交互に層状に重なるように積層された積層型の電極組立体である。以下の説明で「積層方向」という場合には、電極組立体１２における正極シート１８及び負極シート１９の積層方向を意味するものとする。
【００２３】
正極シート１８は、正極金属箔（本実施形態ではアルミニウム箔）２１と、正極活物質を含み正極金属箔２１の両面（表面）に形成された正極活物質層２２とを有する。正極シート１８の縁部１８ａには、表面に正極活物質層２２が形成されていないことで正極金属箔２１が露出する正極集電タブ２４が突出している。
【００２４】
また、負極シート１９は、負極金属箔（本実施形態では銅箔）２５と、負極活物質を含み負極金属箔２５の両面（表面）に形成された負極活物質層２６とを有する。負極シート１９の縁部１９ａには、表面に負極活物質層２６が形成されていないことで負極金属箔２５が露出する負極集電タブ２８が突出している。
【００２５】
そして、図２に示すように、電極組立体１２の縁部１２ａには、複数の正極集電タブ２４が層状に重なる正極集電タブ群２４ａが突設される。正極集電タブ群２４ａは、正極端子１５と電気的に接続される。
【００２６】
また、電極組立体１２の縁部１２ａには、正極集電タブ群２４ａとは異なる部分に、複数の負極集電タブ２８が層状に重なった負極集電タブ群２８ａが突設される。負極集電タブ群２８ａは、負極端子１６と電気的に接続される。なお、電極組立体１２は、絶縁性を有する樹脂材料から形成された図示しない絶縁シートに覆われた状態でケース１１に収容されている。
【００２７】
次に、二次電池１０の作用について説明する。
本実施形態のケース１１は、ビッカーズ硬度が５００以上８５０以下の鋼製であり、ケース１１の内面には、銅めっき層１７を有する。このため、鋼が充放電に伴って非水電解液１１ａに溶出することを銅めっき層１７により抑制しつつ、従来の二次電池と比較してケース１１の強度を向上できる。したがって、例えば鋭利な金属片が当接する場合であっても、該金属片がケース１１を貫通したり、ケース１１が変形したりすることを抑制できる。
【００２８】
このことは、本発明の二次電池１０について、釘刺し試験を行うことで確認される。釘刺し試験は、図１に示すように、積層方向の両端に位置する側壁１３ｃ又は側壁１３ｄの中央に対して、垂直な方向から先鋭な試験釘３５を１００ｍｍ／ｓの速度で当接（衝突）させて行う。なお、試験釘３５は、直径２．５ｍｍであって、ビッカーズ硬度が８０〜１２０の低炭素鋼製である。
【００２９】
釘刺し試験の結果、各壁１３ｂ〜１３ｆ、及び蓋部材１４の厚さが０．１ｍｍ〜１ｍｍであって、ビッカーズ硬度が５００以上８５０以下である鋼製のケース１１を備えた二次電池１０では、試験釘３５の貫通や、ケース１１の変形が観察されないとともに、二次電池１０の内部的な短絡も観察されなかった。
【００３０】
これに対して、各壁１３ｂ〜１３ｆ、及び蓋部材１４の厚さが０．１ｍｍ〜１ｍｍであって、ビッカーズ硬度が５００未満である比較例の二次電池や、ビッカーズ硬度が８５０を超える比較例の二次電池では、試験釘３５の貫通や、ケース１１の変形が生じるとともに、内部的な短絡が観察された。
【００３１】
これは、ビッカーズ硬度が５００未満の場合には、ケース１１の硬度（強度）が不足することに起因して、試験釘３５の貫通やケース１１の変形が発生したものと考えられる。また、ビッカーズ硬度が８５０を超える場合には、ケース１１の硬度が高過ぎることによって脆くなり、試験釘３５が貫通し易くなったものと考えられる。
【００３２】
また、ケース１１を構成する鋼の炭素量は、各壁１３ｂ〜１３ｆ及び蓋部材１４の表面部や内部であるか否かにかかわらず、全て０．３５重量％以上０．７７重量％以下である。このため、ケース１１の表面における炭素量のみが０．３５重量％以上０．７７重量％以下である場合と比較して、ケース１１全体の強度を高めることができる。
【００３３】
次に、二次電池１０の製造方法について説明する。
図４に示すように、炭素量が０．２３重量％以下である低炭素鋼（例えばJIS G 3141：冷間圧延鋼板や、JIS G 4051：機械構造用炭素鋼など）の板材を絞り加工（深絞り加工）して略有底矩形箱状である本体部材１３の形状に形成する（ステップＳ１）。
【００３４】
このとき、本体部材１３の材料となる鋼材は、炭素量が０．２３重量％以下であることから十分な延伸性（延展性）を有しており、容易に本体部材１３の形状に加工できる。なお、蓋部材１４は、炭素量が０．２３重量％以下である低炭素鋼の板材を矩形に打ち抜き加工して得ることができる。
【００３５】
次に、本体部材１３と、蓋部材１４との溶接部分に対して浸炭防止剤を塗布して浸炭防止処理を行う（ステップＳ２）。次に、浸炭防止処理を施した本体部材１３、及び蓋部材１４に表面処理としての浸炭処理（浸炭焼入れ処理）を行って、ビッカーズ硬度を５００以上８５０以下とする（ステップＳ３）。なお、浸炭処理としては、真空浸炭処理、固形浸炭処理、液体浸炭処理、又はガス浸炭処理を用いることができる。
【００３６】
各壁１３ｂ〜１３ｆや蓋部材１４の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。このため、浸炭処理によって各壁１３ｂ〜１３ｆや蓋部材１４の内部まで炭素を侵入させ、ケース１１の強度を好適に高めることができる。
【００３７】
続けて、本体部材１３、及び蓋部材１４において、ケース１１の内面となる部分の全体に対して電解銅めっき、又は無電解銅めっきを施し、銅めっき層１７を設けるめっき処理を行う（ステップＳ４）。
【００３８】
次に、別の工程で得られた電極組立体１２を本体部材１３に収容するとともに、本体部材１３の開口部１３ａを蓋部材１４で覆った状態で、本体部材１３と蓋部材１４とを溶接する封缶溶接を行う（ステップＳ５）。本実施形態では、本体部材１３と蓋部材１４との溶接部分に浸炭処理を行わないことから、本体部材１３と蓋部材１４との溶接が困難となることが抑制される。
【００３９】
なお、電極組立体１２を本体部材１３に収容する前に、蓋部材１４に各端子１５，１６を組み付けるとともに、正極端子１５と正極集電タブ群２４ａ、及び負極端子１６と負極集電タブ群２８ａを電気的に接続しておく。その後、ケース１１に非水電解液１１ａを充填して二次電池１０が完成される。
【００４０】
したがって、本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）ケース１１は、ビッカーズ硬度が５００以上８５０以下の鋼製であるとともに、内面に銅めっき層１７を有することから、鋼が非水電解液１１ａに溶出することを抑制しつつ、従来の二次電池と比較してケース１１の強度を向上できる。このため、例えば鋭利な金属片が当接する場合であっても、該金属片がケース１１を貫通したり、ケース１１が変形したりすることを抑制できる。したがって、二次電池１０としての安全性を高めることができる。
【００４１】
（２）ケース１１を構成する鋼の炭素量は、０．３５重量％以上０．７７重量％以下である。このため、ケース１１の表面部における炭素量のみが０．３５重量％以上０．７７重量％以下である場合と比較して、ケース１１全体の強度を高めることができる。
【００４２】
（３）ケース１１（各壁１３ｂ〜１３ｆ及び蓋部材１４）の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である。このため、浸炭処理によってケース１１の各壁１３ｂ〜１３ｆ及び蓋部材１４の内部まで炭素を侵入させ、ケース１１の強度を高めることができる。
【００４３】
（４）二次電池１０としてケース１１の強度を高め、安全性を向上できる。
（５）鋼板を箱状に絞り加工してから浸炭処理を施してビッカーズ硬度を５００以上８５０以下とすることから、容易に本体部材１３の形状に加工できるとともに、強度を向上させ、二次電池１０としての安全性を高めることができる。
【００４４】
（６）低炭素鋼の板材を用いて絞り加工することから、本体部材１３の形状に容易に形成できる。
（７）ケース１１には鋼を用いていることから、二次電池１０としてのコストを削減できる。
【００４５】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  本体部材１３は、ビッカーズ硬度が５００以上８５０以下である鋼材を切削して本体部材１３の形状に形成してもよく、矩形の板材を溶接して本体部材１３の形状に形成してもよい。この場合、浸炭防止処理（ステップＳ２）及び浸炭処理（ステップＳ３）を省略できる。
【００４６】
○  本体部材１３と蓋部材１４とは、蓋部材１４の周縁部に沿ってかしめることで固定されていてもよく、ボルト締めによって固定されていてもよい。なお、ボルト締めして固定する場合には、浸炭防止処理を省略して本体部材１３及び蓋部材１４の全体に浸炭処理を施してもよい。
【００４７】
○  ケース１１は、表面部の炭素量のみが０．３５重量％以上０．７７重量％以下であってもよい。
○  本体部材１３の厚さを変更してもよい。
【００４８】
○  ケース１１は、円柱状や六角柱状などに形状を変更してもよい。
○  ケース１１の内面には、溶融アルミニウムめっきによって設けたアルミニウムからなるコート層や、非水電解液１１ａに対して耐性を有する樹脂（例えばポリエチレンやポリプロピレンなど）からなるコート層を設けてもよい。なお、「非水電解液１１ａに対して耐性を有する」とは、非水電解液１１ａ中において正極活物質や負極活物質の性能を低下させる程度に成分が溶出したり、ケース１１の内面から剥離したりしないことを意味する。
【００４９】
○  ケース１１には、表面処理として浸炭窒化処理や、窒化処理を用いてもよい。
○  正極シート１８及び負極シート１９は帯状の電極であってもよい。この場合、電極組立体１２は、正極シート１８、及び負極シート１９を、間に帯状のセパレータ２０を介在させた状態で捲回した捲回型の電極組立体としてもよい。
【００５０】
○  正極シート１８、及び負極シート１９は、片面に活物質を塗布して形成されていてもよい。
○  リチウムイオンキャパシタなどの蓄電装置（リチウムイオン蓄電装置）に具体化してもよい。
【００５１】
○  車両以外に用いられる蓄電装置に具体化してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１０…リチウムイオン二次電池（二次電池、蓄電装置）、１１…ケース、１２…電極組立体、１７…銅めっき層（コート層）、１８…正極シート、１９…負極シート、２０…セパレータ、２１…正極金属箔、２２…正極活物質層（活物質層）、２５…負極金属箔、２６…負極活物質層（活物質層）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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