JP4019722B2

JP4019722B2 - コイン型電池

Info

Publication number: JP4019722B2
Application number: JP2002019663A
Authority: JP
Inventors: 望原
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-01-29
Filing date: 2002-01-29
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2022-01-29
Also published as: JP2003217562A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電要素を電池ケースに収納し、上記発電要素に接続されたリードと一方の端子である電池ケース及び他方端子である封口キャップとを抵抗溶接によって接続したコイン型電池の、特にリード先端と電池ケースまたは封口キャップとの溶接部の改良に関するもので、リード先端をその素材に影響されることなく、電池ケースまたは封口キャップと確実に接続することにより、製造コストの低減と電池の信頼性向上を図ったものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種ポータブル機器の小型化が進み、小型高容量の電池がこれらの機器の電源に利用され始めた。また大きな放電容量を得るために、活物質として利用率の高い組成物が電池材料として用いられるようになってきた。さらに省スペースの観点から高容量化を図るため正、負極集電体やリードの極薄化が検討されている。
【０００３】
図６（ａ）は近年開発された巻回式の極板群を用いるコイン型電池の断面図であり、図７（ａ）はこのコイン型電池の発電要素１である正極板１１、図７（ｂ）は負極板１２、図７（ｃ）はセパレータ１３のそれぞれ展開図である。
【０００４】
このコイン型電池は、リチウムイオン二次電池として構成した例を示すもので、正極板１１は、アルミニウム箔の両側にコバルト酸リチウムの微粒子を主体とする正極材料を塗布し、アルミニウム箔を一端から長さ６０ｍｍ，幅５ｍｍで延出させて正極リード２とし、負極板１２は銅箔の両側にカーボンの微粒子を主体とする負極材料を塗布し銅箔を一端から長さ４０ｍｍ，幅５ｍｍで延出させて負極リード３としている。また、セパレータ１３には微孔性ポリエチレンフィルムを使用した。
【０００５】
この発電要素１は前記正極板１１と負極板１２とを図７に示すように正極積層面１７ａ〜１７ｅと負極積層面１８ａ〜１８ｆとがセパレータ１３を介して対面し積層されるように正極連結片１９ａ〜１９ｄ及び負極連結片２０ａ〜２０ｅ部分で折り曲げられて巻回される。
【０００６】
次に図６（ａ）に示すように巻回した発電要素１の一方端であるアルミニウム箔製正極リード２は、電池ケース４を形成する外側面ステンレス鋼，内側面アルミニウムのクラッド材のアルミニウムに、レーザー溶接、超音波溶着、または抵抗溶接によって接続される。
【０００７】
他方端である銅箔製負極リード３は例えば、本出願人が先に出願した特願昭２０００−２４１６７９号に示すように、ステンレス鋼製である封口キャップ５の内側面に接続される。この時負極リード３は、図６（ｂ）に示すように溶接性を高めるために抵抗発熱性の高い金属片１０と電池ケース５との間に負極リード３の先端を配置して一対の溶接電極棒８，９で両側から挟み付けた加圧状態で抵抗溶接することによって接続される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように発電要素から延出されるリード端と電池ケース４及び封口キャップ５とは接続されるのであるが、溶接工法にレーザー溶接法を用いる場合は、設備費が高価なため電池の製造コストが高くなり、かつ溶接の高精度な位置決めが要求される。
【０００９】
また超音波溶接法を用いた場合は、溶接可能な範囲が狭くて溶接条件の設定が難しく、しかも過剰に加圧されたり過剰なエネルギーを加えたりすると被溶接材料にクラックが発生する等の課題を有していた。
【００１０】
また抵抗溶接法を用いる場合は、被溶接材料に電流を流し、その際の被溶接材料の抵抗発熱（ジュール熱）を利用して溶接を行なうが、リードは前記理由によりアルミニウム箔、銅箔等の導電性の高い材料が使用されるため、抵抗比熱が小さく、溶接部を発熱溶融させるためには大電流を必要とする。
【００１１】
しかし、あまりに大きな電流を流すと、封口キャップ５または電池ケース４側が先に大きく溶融して、火花やピンホール等の発生を招くという課題を有している。
【００１２】
そこで、本出願人が先に出願した特願昭２０００−２４１６７９号に示すように、負極リード３をニッケル金属片またはステンレス鋼片と電池ケースとで挟んで抵抗溶接するコイン型電池を提案したが、リードが薄い為に、金属片とリードの間での発熱、およびリードと電池ケースとの間での発熱が同じ温度で生じないために安定した溶接状態を得るのが困難であった。近年、電池容量向上のため正負リードは益々薄くなる傾向にあり、前述の困難さが深まっている。
【００１３】
本発明では、この溶接状態を簡単な操作で安定化させると共に、安価にリード先端と電池ケースまたは封口キャップとの接続が確実な電池を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、
本願発明では、正負の極板とセパレータを介して巻回した発電要素の正極および負極にそれぞれ一端が接続されたリードの他端を、一方極の端子をなす電池ケース及び他方極端子をなす封口キャップの内側に、それぞれ接続したコイン型電池において、
リードの他端と電池ケースまたは封口キャップとが接した状態で、リードよりも抵抗発熱性が高くリードに相対向した面に凹凸状に加工された金属片を当接し、リードの他端を金属片と電池ケースまたは封口キャップとの間に挟み、これら三者が抵抗溶接で一体化して発電要素より導出したリードの他端と電池ケースまたは封口キャップとを接合したものである。
【００１５】
上述のように、リードよりも抵抗発熱性が高く、前記リードに相対向した面に凹凸状に加工された金属片を溶接用部材として用いて抵抗溶接を行なえば、その凸面は確実にリードに接触し、かつ電池ケースまたは封口キャップに小さな接触面積で広い範囲において接触するので凸面部分に通電電流が集中して、この部分が高いジュール熱を発生する。
【００１６】
このように、リードに相対向した面の金属片の表面に凹凸を形成させると、低電流で大きな抵抗発熱を得ることが出来、その熱はリードと電池ケースの両方に伝播される。これにより、十分な溶接部を形成することができ確実な溶接箇所の確保と、機械的強度の向上につながる。また、低電流で溶接を行うことができるため、火花、ピンホールの発生等を発生させることなく溶接を行うことができる。
【００１７】
このとき、上記において、負極リードの幅より大きい金属片を用いることが好ましい。これにより、溶接を行う位置を固定することが困難な三層溶接において溶接を行う位置の自由度を広くすることができる。また、発熱によって溶融した溶融材を封じ込めることができ、一層の機械的強度の向上を図ることができる。
【００１８】
さらに好ましくは、リードに孔を一ヶ所以上穿ち、前記リードよりも抵抗発熱性が高く前記リードに相対向した面に凹凸のある金属片を用い、金属片と電池ケースまたは封口キャップをナゲットのできやすい材質と厚みを選ぶことによって、合金化し難い材質のリードに孔をあけ、この孔を介して前記ナゲットを生じさせることによって、リードをリベットのように挟み込むことができる。
【００１９】
このとき、リードよりも抵抗発熱性が高く前記リードに相対向した面に凹凸のある金属片の凸部に略一致する孔を一ヶ所以上穿つことが好ましい。前記ナゲットのできる位置と前記リードの孔位置をあらかじめ一致させておくことにより一層確実にリードをリベットのように挟み込むことができる。
【００２０】
さらに好ましくは、リードよりも抵抗発熱性が高く前記リードに相対向した面に凹凸のある金属片が、リードよりも厚くする。金属片を厚くすることによって、溶接部をより一層確実に封じ込め、火花を防ぐことができる。
【００２１】
このとき、前記リードよりも抵抗発熱性が高く前記リードに相対向した面に凹凸のある金属片の材質がニッケルまたはニッケル合金であることが好ましい。
【００２２】
上記ではコイン型電池に付いて記述したが、同質の材料を用いるリチウム一次電池やリチウム二次電池の円筒型電池、角型電池、偏平角型電池等に付いても本願発明を用い得ることは、いうまでもない。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の２つの実施形態について説明する。２つの実施形態の共通部分に付いてまず説明する。
【００２４】
図１は本発明の実施形態での、直径３０ｍｍ，厚さ３．５ｍｍのリチウムイオン電池の断面図であり同（ｂ）、（ｃ）はそのリード溶接部の拡大断面図である。図において、発電要素１は前記同様正極板、セパレータおよび負極板を積層巻回して構成されていて、厚さ２０μｍのアルミニウム箔からなる長さ６０ｍｍ，幅５ｍｍの正極リード２は電池ケース４の内面に、厚さ２０μｍの銅箔からなる負極リード３は封口キャップ５の内面にそれぞれ凹凸のある溶接用金属片７で裏打ちされた状態に溶接されている。
【００２５】
以下図２および図３を用いて本発明の第１の実施形態について説明する。
【００２６】
図２に示すように、銅箔製負極リード３の先端を、封口キャップ５の内面中央部に引出し、リードよりも幅広い正方形状で厚さが例えば４０μｍ、リードと対向する片面に８μｍ〜８０μｍのピッチでクロス状の筋目を施したニッケル箔からなる金属片７が上側に押し当てられて、前記リードと共に、溶接される。なお、図２中６は、ケース周縁部に予め取付けられた絶縁封口用ガスケットである。
【００２７】
リードの溶接は、図４に拡大して示すように、金属片７の上側と封口キャップ５の下側に溶接電極棒８，９をそれぞれあてがい２点の溶接部を形成する溶接過程を２度行うことで合計４点の溶接部を形成した。電極棒８，９で上下から挟まれた金属片７、銅箔リード３の先端、封口キャップ５の三者は加圧接触して、対向した２本の電極棒８，９間を流れる溶接電流が、金属片７のクロス状筋目とリードとの接触部に集中し、そのうちの電極棒で最も強く加圧された２ヶ所が溶融すると同時に下側のケース対応箇所の抵抗発熱とあいまって一体に溶接される。この処方で図４の実線位置で示す電極棒を、２点鎖線位置に移動させて通電することで、Ａ，Ｂ２ヶ所ずつ合計４点の溶接部を形成できる。
【００２８】
図２の（ａ）はリードが溶接された封口キャップを示す平面図であり、金属片７は確実にリード先端を覆って、４点の溶接部でリードをケースに接続している。金属片７に設ける凹凸部は、図３（ａ）のクロス状筋目７−１のほか、同（ｂ）に示すリード側に向けて突出したくぼみを等間隔で複数設けた７−２や、同（ｃ）のように金属片７全体を波板状に加工したもの７−３でもよく、いずれもリードとは部分的に接触して、その接触部に発熱を集中させることができる。
【００２９】
また、リードは銅箔のほか、この電池の正極で用いられるアルミニウム箔であっても同様に処理でき、厚さの薄いアルミニウム箔リードを、それよりも厚さの厚い金属片と封口キャップとの間に挟み込んで、前記金属片と共に、抵抗溶接することができる。いずれの場合も、厚さの薄いリード先端は、これより厚さが厚い二つの部材に挟まれているので、溶接時の過大溶断やピンホール等を生じることなく溶接できる。
【００３０】
リード先端を挟み込んで溶接する金属片は、上記の例ではニッケル箔を用いたが、これ以外にニッケル合金やニッケルメッキ鋼でもよく、リードよりも抵抗発熱性の高い材料で、かつ厚く、大きく形成されていればよい。
【００３１】
次に図５を用いて本発明の第２の実施形態に付いて説明する。
【００３２】
ここで説明する被溶接物は、本発明の第１の実施形態と同じく負極リードと電池ケースである。図５（ａ）に示すように、銅箔製負極リード３の先端にあらかじめ４個の直径０．８ｍｍ孔を穿つ、ついで図５（ｂ）に示すような、ニッケル製金属片を準備する。このニッケル金属片は本発明の第１の実施形態７−２と同じ形状をしており、リード側に向けて突出したくぼみが４ヶ所設けられている。この４ヶ所のくぼみと前記負極リード３の４個の孔は同一のピッチであり、突出した凸部の外径と孔径は略一致している。
【００３３】
リード溶接は、図５（ｃ）に示すように、金属片７−２をこの凸部と負極リード３の孔を各々一致させて封口キャップ５とで負極リード３を電極棒８，９で挟み、加圧通電して行う。この溶接で金属片７−２は、この凸部と電池ケース５の間が発熱してナゲットができると共に、負極リード３をリベットの如くかしめる。孔径が凸部径より小径の場合、前記発熱より負極リード３の孔の周辺が溶融し金属片７−２および封口キャップ５と密着状態になる。
【００３４】
ナゲットのできる第２の実施形態は、第１の実施形態に比較して、ナゲットの生じ難いリードが間に無いので溶接強度を格段に向上させることができる。
【００３５】
上記の処理で正極リード２及び負極リード３がそれぞれ溶接された電池ケース４を封口キャップ５に被せ、電池ケース４の開口端側を内側に折り曲げるカシメ加工により、図１（ａ）に示すように、封口キャップ４と電池ケース５とガスケット６で形成される密閉容器内に回構造の極板群１を収容したコイン型電池が完成する。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明の通り、本発明によれば、正極・負極リードと電池ケースおよび封口キャップとを抵抗溶接法によって確実に接続できることにより、製造コストの低減と電池の信頼性の向上とを図ることができると共に、十分な溶接部を形成することにより集電性が良好で内部抵抗の低いコイン型電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本願発明のコイン型電池の断面図
（ｂ）同電池ケースとリードとの溶接部の拡大断面図
（ｃ）同封口キャップとリードとの溶接部の拡大断面図
【図２】（ａ）本願実施の形態による電池の封口キャップとリードとの溶接状態を示す平面図
（ｂ）同断面図
【図３】（ａ）第１の実施形態を示す溶接用金属片の表面状態を示す図
（ｂ）別な金属片の表面状態を示す図
（ｃ）さらに別な金属片の表面状態を示す図
【図４】本願発明の第１の実施形態示す封口キャップへのリード溶接時の状態図
【図５】（ａ）本願発明の第２の実施形態を示すリード先端の平面図
（ｂ）同金属片の平面図と断面図
（ｃ）同封口キャップへのリード溶接時の状態を示す断面図
【図６】（ａ）従来のコイン型電池の構成を示す断面図
（ｂ）同電池の封口キャップにリードを溶接する際の説明図
【図７】（ａ）巻回した発電要素の正極板展開図
（ｂ）同負極板展開図
（ｃ）同セパレータ展開図
【符号の説明】
１巻回した発電要素
２正極リード
３負極リード
４電池ケース
５封口キャップ
６ガスケット
７溶接用金属片
８溶接電極棒
９溶接電極棒

Claims

正負の極板とセパレータを巻回した発電要素の正極及び負極にそれぞれ一端が電気的に接続されたリードの他端を、一方極の端子をなす電池ケース及び他方極端子をなす封口キャップの内側にそれぞれ接続したコイン型電池において、
前記リードの他端と電池ケースまたは封口キャップとが接した状態で、前記リードよりも抵抗発熱性が高く前記リードに相対向した面に凹凸状をした金属片を当接し、前記リードの他端を前記金属片と電池ケースまたは封口キャップとの間に挟み、これら三者が抵抗溶接で一体化して前記発電要素より導出したリードの他端と電池ケースまたは封口キャップとを接合したコイン型電池。
前記リードの他端と電池ケースまたは封口キャップとが接した状態で、前記リードよりも抵抗発熱性が高く前記リードに相対向した面に凹凸のある金属片が、リード他端部を覆うに足るように前記リード他端部よりも幅広く形成されている請求項１記載のコイン型電池。
前記リードの他端と電池ケースまたは封口キャップとが接した状態で、前記リードの他端には、一ヶ所以上の透孔を穿ち、この部分は前記リードよりも抵抗発熱性が高く前記リードに相対向した面に凹凸のある金属片と電池ケースまたは封口キャップとの間に挟まれてこれら三者が抵抗溶接で一体化されている請求項１または２に記載のコイン型電池。
前記リードの他端と電池ケースまたは封口キャップとが接した状態で、前記リードの他端には前記リードに相対向した面に凹凸のある金属片の凸部と略一致する位置に一ヶ所以上の透孔が穿たれている請求項３記載のコイン型電池。
抵抗発熱性が高く前記リードに相対向した面に凹凸のある金属片は、リードよりも厚みが厚い請求項１〜４のいずれかに記載のコイン型電池。
前記リードがアルミニウム、銅またはそれ等の合金いずれかで形成され、リードよりも抵抗発熱性が高く前記リードに相対向した面に凹凸のある金属片がニッケルまたはニッケル合金の板あるいは箔で形成されている請求項１〜５のいずれかに記載のコイン型電池。