(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒体(11)の開口部に蓋体(12)が固定されて気密性を有する電池缶(１)の内部に、二次電池要素を収納して構成され、蓋体(12)には、電池缶(１)の内圧が所定値を越えたときに開放する弁膜(42)と該弁膜(42)の外周部に形成されたリング体(41)とからなる円板状の弁(４)が、該リング体(41)の外周部を蓋体(12)に開設された貫通孔(14)の開口縁にレーザ溶接して固定されている二次電池において、蓋体(12)には、該弁(４)の溶接部の周囲に、溶接時の熱が通過すべき熱流路の断面積を絞るための絞り部(51)が形成されていることを特徴とする二次電池。
【請求項２】
蓋体(12)の表面若しくは裏面には、前記弁(４)の溶接部を包囲して伸びる周溝(５)が凹設され、該周溝(５)の弁側の側面と前記弁(４)の溶接部との間に、前記絞り部(51)が形成されている請求項１に記載の二次電池。
【請求項３】
周溝(５)の溝幅が蓋体(12)に開設された貫通孔(14)の内径の１／５０〜１の範囲であり、溝深さが蓋体(12)の厚さの２／３以下である請求項２に記載の二次電池。
【請求項４】
絞り部(51)は、蓋体(12)の表面に貫通孔(14)を包囲して突設した筒状の凸部(６)によって形成され、該凸部(６)の中央開口部に前記弁(４)が溶接固定されている請求項１に記載の二次電池。
【請求項５】
電池容量が５Ａｈ以上、２００Ａｈ以下であり、蓋体(12)の厚さが１〜５ｍｍである請求項１乃至請求項４の何れかに記載の二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池缶の内部に巻き取り電極体等の二次電池要素を収容して、電池缶に取り付けられた一対の電極端子から二次電池要素の発生電力を取り出すことが可能な二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯型電子機器、電気自動車等の電源として、エネルギー密度の高いリチウム二次電池が注目されている。例えば電気自動車に用いられる比較的大きな容量の円筒型リチウム二次電池は、図１１及び図１２に示す様に、筒体(11)の両端部に蓋体(12)(12)を溶接固定してなる円筒状の電池缶(１)の内部に、巻き取り電極体(２)を収容して構成されている。両蓋体(12)(12)には、正負一対の電極端子機構(９)(９)が取り付けられており、巻き取り電極体(２)と両電極端子機構(９)(９)とが、複数本の集電タブ(３)により互いに接続されて、巻き取り電極体(２)が発生する電力を一対の電極端子機構(９)(９)から外部に取り出すことが可能となっている。又、蓋体(12)には圧力開閉式のガス排出弁(13)が取り付けられている。
【０００３】
巻き取り電極体(２)は、図１３に示す様に、リチウム複合酸化物を含む正極(21)と炭素材料を含む負極(23)の間に、非水電解液が含浸されたセパレータ(22)を介在させて、これらを渦巻き状に巻回して構成されている。
巻き取り電極体(２)の正極(21)及び負極(23)からは夫々複数本の集電タブ(３)が引き出され、極性が同じ複数本の集電タブ(３)の先端部(31)が１つの電極端子機構(９)に接続されている。尚、図１３においては、便宜上、一部の集電タブの先端部が電極端子機構(９)に接続されている状態のみを示し、他の集電タブについては、先端部が電極端子機構(９)に接続されている状態の図示を省略している。
【０００４】
電極端子機構(９)は、電池缶(１)の蓋体(12)を貫通して取り付けられたネジ部材(91)を具え、該ネジ部材(91)の基端部には鍔部(92)が形成されている。蓋体(12)の貫通孔には絶縁パッキング(93)が装着され、蓋体(12)と締結部材(91)の間の電気的絶縁性とシール性が保たれている。ネジ部材(91)には、筒体(11)の外側からワッシャ(94)が嵌められると共に、第１ナット(95)及び第２ナット(96)が螺合している。そして、第１ナット(95)を締め付けて、ネジ部材(91)の鍔部(92)とワッシャ(94)によって絶縁パッキング(93)を挟圧することにより、シール性を高めている。
前記複数本の集電タブ(３)の先端部(31)は、ネジ部材(91)の鍔部(92)に、スポット溶接或いは超音波溶接によって固定されている。
【０００５】
又、図９に示す如く蓋体(12)に開設した貫通孔(14)に、電池缶(１)の内圧が所定値を越えたときに作動する圧力開放型のガス排出弁(４)を取り付けた二次電池が知られている(特開平6-68861［H01M2-04］)。該ガス排出弁(４)は、図１０(ａ)に示す如く、リング体(41)に円板状の弁膜(42)を固定してなり、同図(ｂ)の如くリング体(41)の外周部が蓋体(12)の貫通孔(14)の開口縁にレーザ溶接(15)されて、蓋体(12)に固定されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、大型の二次電池においては、数ｍｍ以上の厚さの大なる蓋体(12)にガス排出弁(４)をレーザ溶接によって固定する際、ガス排出弁(４)の厚さに対して蓋体(12)の厚さが非常に大きいために、溶接時の熱の放散が著しく、レーザビームを照射されて溶融した金属が急速に冷えることによって、溶接部にピンホールやクラック等の欠陥が生じる問題があった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、ピンホールやクラックなどの欠陥を生じることなくガス排出のための弁(４)を蓋体(12)に溶接することが出来る二次電池を提供することである。
【０００８】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る二次電池は、筒体(11)の開口部に蓋体(12)が固定されて気密性を有する電池缶(１)の内部に、二次電池要素を収納して構成されている。蓋体(12)には、電池缶(１)の内圧が所定値を越えたときに開放する弁膜(42)と該弁膜(42)の外周部に形成されたリング体(41)とからなる円板状の弁(４)が、該リング体(41)の外周部を蓋体(12)に開設された貫通孔(14)の開口縁にレーザ溶接して固定されている。又、蓋体(12)には、前記弁(４)の溶接部の周囲に、溶接時の熱が通過すべき熱流路の断面積を絞るための絞り部(51)が形成されている。
【０００９】
上記本発明の二次電池においては、前記弁(４)の溶接部の周囲に絞り部(51)が形成されているので、溶接時の熱は、先ず絞り部(51)に伝わった後、絞り部(51)の周囲に伝わり、放散されることになる。ここで絞り部(51)の熱容量は、蓋体(12)の全体に比べて極めて小さく、また熱流束が通過することとなる熱流路の断面積も、絞り部(51)内では小さなものとなるので、絞り部(51)が熱伝導抵抗となって、溶接時の熱の放散が抑制される。
この結果、溶接部は適度な速さで冷えて、ピンホールやクラックを生じることなく固化する。
【００１０】
具体的には、蓋体(12)の表面若しくは裏面に、前記弁(４)の溶接部を包囲して伸びる周溝(５)が凹設され、該周溝(５)の弁側の側面と前記弁(４)の溶接部との間に、前記絞り部(51)が形成されている。
又、他の具体的構成において、絞り部(51)は、蓋体(12)の表面に貫通孔(14)を包囲して突設した筒状の凸部(６)によって形成され、該凸部(６)の中央開口部に前記弁(４)が溶接固定されている。
【００１１】
尚、前記周溝(５)は、溝幅が蓋体(12)に開設された貫通孔(14)の内径の１／５０〜１の範囲であり、溝深さが蓋体(12)の厚さの２／３以下であることが望ましい。周溝(５)の溝幅が貫通孔(14)の内径の１／５０未満では、絞り部(51)の効果が低く、１を越えると、蓋体(12)の強度に問題が生じる。又、溝深さが蓋体(12)の厚さの２／３を越えると、蓋体(12)の強度に問題が生じる。
【００１２】
二次電池は、例えば電池容量が５Ａｈ以上、２００Ａｈ以下であり、蓋体(12)の厚さが１〜５ｍｍである。この様な大型の二次電池において、従来はガス排出弁の溶接部からの熱放散が著しく、本発明の絞り部(51)が優れた効果を発揮する。
【００１３】
【発明の効果】
本発明に係る二次電池によれば、蓋体(12)に絞り部(51)を形成することによって、蓋体(12)に前記弁(４)を溶接する際の熱の放散が抑制され、溶接時に溶融した金属が適度な速度で冷えるので、溶接部にピンホールやクラックなどの欠陥を生じることはない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図１１乃至図１３に示す大型のリチウム二次電池(電池容量５ Ａｈ〜２００Ａｈ)に実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。尚、図１１乃至図１３に示す二次電池と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００１５】
第１実施例
本実施例の二次電池においては、図１に示す如く、電池缶(１)を構成する蓋体(12)に貫通孔(14)を開設すると共に、該貫通孔(14)を塞いでガス排出弁(４)を溶接固定している。又、蓋体(12)の表面には、ガス排出弁(４)を包囲して、周溝(５)が凹設され、該周溝(５)とガス排出弁(４)の間に、絞り部(51)を形成している。
【００１６】
ガス排出弁(４)は、図２(ａ)に示す如く円環状のリング体(41)に円板状の弁膜(42)を固定してなる。一方、蓋体(12)に開設された貫通孔(14)は、該ガス排出弁(４)が係合可能な段付き溝に形成されている。
ガス排出弁(４)は、同図(ｂ)に示す如く蓋体(12)の貫通孔(14)に装着された状態で、リング体(41)の外周部を蓋体(12)にレーザ溶接して固定される。
【００１７】
この際、蓋体(12)の表面には、ガス排出弁(４)の溶接部(15)を包囲して、円環状の絞り部(51)が形成されているので、溶接時の熱は、先ず絞り部(51)に伝わった後、絞り部(51)の周囲に伝わり、放散される。従って、絞り部(51)が熱伝導抵抗となって、溶接時の熱の放散が抑制される。この結果、溶融状態の溶接部(15)は徐々に冷却されて、クラックやピンホールなどの欠陥を生じることなく、ガス排出弁(４)が蓋体(12)に溶接固定される。
【００１８】
尚、本実施例において、蓋体(12)はアルミニウム製であって、図３に示す如く、外径Ｅが６０ｍｍ、厚さＦが４ｍｍ、厚さＴが１.０ｍｍ、蓋体(12)の内径Ｈが７ｍｍ、ガス排出弁(４)の外径Ｄが９ｍｍ、周溝(５)の内周面の径Ａが１１ｍｍ、外周面の径Ｂが１３ｍｍ、周溝(５)の溝幅Ｃが１ｍｍ、溝深さＧが１.５ｍｍに設定されている。
【００１９】
上記本発明の二次電池における効果を実証するべく、蓋体(12)に絞り部(51)を具えた本発明の電池缶と、絞り部(51)を具えない比較例としての電池缶について、それぞれ１０枚の蓋体を作成し、窒素ガスによるリークチェックと、ガス排出弁の作動圧のチェックを行なった。その結果を表１に示す。尚、リークチェックは、３Ｋｇ／ｃｍ2の窒素ガスによって加圧を行ない、石鹸液によってリークの有無 を調べた。又、ガス排出弁は、弁単体としての作動圧の仕様が８±１Ｋｇ／ｃｍ2のものを採用した。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
表１の結果から明らかな様に、本発明の蓋体においては、何れもリークは認められず、作動圧も仕様の値が得られた。これに対し、比較例では、４枚の蓋体についてピンホールやクラックが発生し、３枚の蓋体について、ガス排出弁の作動圧に低下が認められた。ピンホールやクラックの原因としては、レーザ溶接時の熱の放散が著しいために、溶接部の温度低下が急激となったことが考えられる。又、作動圧の低下の原因としては、レーザ溶接時の熱の放散が著しいために、溶接時間が過度に長くなって、ガス排出弁(４)の弁膜(42)に熱がかかり過ぎ、熱応力によって弁膜(42)が変形し、局所的に薄肉部が生じたことが考えられる。
【００２２】
又、本発明の蓋体(図４(ａ))と、絞り部(51)を具えない従来の蓋体(同図(ｂ))について、ガス排出弁(４)をレーザ溶接した直後(５秒後、２０秒後)の蓋体(12)の各部の温度をサーモグラフィによって測定した。その結果を表２及び表３に示す。尚、表中の測定場所Ｎｏ．は、図４(ａ)(ｂ)に示す番号位置に対応している。
【００２３】
【表２】
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【表３】
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【００２４】
従来の蓋体では、溶接時の熱放散が著しく、溶接後の温度低下が急激なものとなっており、これによって、上述の如く溶接部にピンホールやクラックが発生するのである。
これに対し、本発明の蓋体では、熱流路の絞り部が形成されているために、溶接後の温度低下が比較的小さなものとなっており、これによって、上述の如くピンホールやクラックを発生させることなく、ガス排出弁を溶接することが出来るのである。
【００２５】
更に上記本発明の二次電池において、周溝(５)の溝幅の最適範囲を調べるべく、直径６０ｍｍ、厚さ４.１ｍｍを有すると共に、内径１０ｍｍの貫通孔(14)と深さ１.５ｍｍの周溝(５)とが形成された本発明の蓋体であって、周溝(５)が種々の溝幅を有する蓋体を作製して、ガス排出弁溶接後５秒後の温度測定と、３Ｋｇ／ｃｍ2の窒素ガスによるリークチェックとを行なった。
又、各蓋体と同一寸法の周溝(５)のみを凹設して、貫通孔(14)のない蓋体を作製し、これらの蓋体について、２０Ｋｇ／ｃｍ2の窒素ガスによるリークチェッ クと、蓋体の変形及び歪みの有無を水準計で確認した。その結果を表４に示す。
【００２６】
【表４】
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【００２７】
表４の結果から明らかな様に、周溝(５)の幅が貫通孔(14)の内径の１／５０よりも小さくなると、溶接部近傍の温度低下が著しく、これによってピンホールが発生したものである。又、周溝(５)の幅が貫通孔(14)の内径よりも大きくなると、蓋体(12)の強度が極端に低下して、所定の圧力(２０Ｋｇ／ｃｍ2)に耐えることが出来ない。従って、周溝(５)の溝幅は、蓋体(12)の貫通孔(14)の内径Ｈの１／５０〜１の範囲が望ましいと言える。
【００２８】
又、上記本発明の二次電池において、周溝(５)の深さの最適範囲を調べるべく、周溝(５)が幅１ｍｍであって、種々の溝深さを有すると共に、その他は上記と同一寸法を有する蓋体を作製して、同様の耐圧試験を行なった。その結果を表５に示す。
【００２９】
【表５】
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【００３０】
表５の結果から明らかな様に、周溝(５)の深さが蓋体(12)の厚さＦの２／３を越えると、蓋体(12)の強度に問題が生じる。従って、周溝(５)の深さは、蓋体(12)の厚さＦの２／３以下が望ましいと言える。
【００３１】
第２実施例
本実施例の二次電池は、図５に示す如く、蓋体(12)の表面に、貫通孔(14)を包囲して、円筒状の凸部(６)を突設し、該凸部(６)の中央開口部にガス排出弁(４)を溶接固定したものである。該二次電池においては、凸部(６)が前記絞り部(51)となって、溶接部(15)の熱の放散を抑制する。
【００３２】
第３実施例
本実施例の二次電池は、図６に示す如く、第２実施例の凸部(６)の周囲に、第１実施例の周溝(５)を凹設したものである。
【００３３】
第４実施例
本実施例の二次電池は、図７に示す如く、蓋体(12)の裏面に、第１実施例と同様の周溝(５)を凹設したものである。該二次電池においては、周溝(５)の底面と蓋体(12)表面の間に前記絞り部(51)が形成されることになる。
【００３４】
第５実施例
本実施例の二次電池は、図８に示す如く、周溝(５)が第１実施例の如く連続したものではなく、１或いは複数箇所で途切れた断続的な周溝(５)を具えたものである。これら複数の周溝(５)に代えて、多数の円孔を円陣に配設することも可能である。
上記第２〜第５実施例の何れにおいても、上記第１実施例の二次電池と同様の効果が得られるのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施例の二次電池の要部を示す断面図である。
【図２】該二次電池において、蓋体にガス排出弁を溶接固定する工程(ａ)(ｂ)を表わす断面図である。
【図３】蓋体の各部寸法を表わす断面図である。
【図４】本発明の蓋体(ａ)と比較例(ｂ)の蓋体において、温度測定場所を示す図である。
【図５】第２実施例の蓋体の断面図である。
【図６】第３実施例の蓋体の断面図である。
【図７】第４実施例の蓋体の断面図である。
【図８】第５実施例の蓋体に凹設された複数の周溝の平面図である。
【図９】従来の圧力開放型のガス排出弁を具えた二次電池の要部を示す断面図である。
【図１０】該二次電池において、蓋体にガス排出弁を溶接固定する工程(ａ)(ｂ)を表わす断面図である。
【図１１】従来の圧力開閉式のガス排出弁を具えた円筒型リチウム二次電池の斜視図である。
【図１２】該二次電池の分解斜視図である。
【図１３】該二次電池の要部を表わす断面図である。
【符号の説明】
(１)  電池缶
(11)  筒体
(12)  蓋体
(14)  貫通孔
(４)  ガス排出弁
(41)  リング体
(42)  弁膜
(５)  周溝
(51)  絞り部
(６)  凸部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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