特開 2024-136597 二次電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024136597

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】二次電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/531 20210101AFI20240927BHJP

   H01M 50/152 20210101ALI20240927BHJP

   H01M 50/533 20210101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

H01M50/531

H01M50/152

H01M50/533

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023047752

(22)【出願日】2023-03-24

(71)【出願人】

【識別番号】000237721

【氏名又は名称】ＦＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100120592

【弁理士】

【氏名又は名称】山崎 崇裕

(74)【代理人】

【識別番号】100184712

【弁理士】

【氏名又は名称】扇原 梢伸

(74)【代理人】

【識別番号】100192223

【弁理士】

【氏名又は名称】加久田 典子

(72)【発明者】

【氏名】横澤 友美

【テーマコード（参考）】

5H011

5H043

【Ｆターム（参考）】

5H011AA09

5H011BB03

5H011CC06

5H011DD13

5H043AA19

5H043BA16

5H043CA03

5H043CA12

5H043CB04

5H043EA02

5H043EA22

5H043HA11E

5H043JA01E

5H043JA06E

5H043JA07E

5H043JA13E

5H043KA01E

(57)【要約】

【課題】安定的な溶接が可能な二次電池を提供する。
【解決手段】二次電池１は、開口部１１を有する外装缶１０と、開口部１１に配置された封口板４２と、外装缶１０に収容された電極群と、一端が封口板４２に溶接され、他端が電極群に接続される正極リード３０（集電リード）と、封口板４２の下面において円周状に配置された複数のプロジェクション４４（溶接用突起）と、を備える。複数のプロジェクション４４の配置間隔（長さＬ１）は、正極リード３０の幅（長さＬ２）よりも短い（Ｌ１＜Ｌ２）。正極リード３０は、封口板４２に溶接される部分が、細長い板状の形状を有する部材である。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

開口部を有する外装缶と、
前記開口部に配置された封口板と、
前記外装缶に収容された電極群と、
一端が前記封口板に溶接され、他端が前記電極群に接続される集電リードと、
前記封口板の下面において円周状に配置された複数の溶接用突起と、
を備える二次電池。

【請求項2】

請求項１に記載の二次電池において、
前記複数の溶接用突起の配置間隔は、前記集電リードの幅よりも短いことを特徴とする二次電池。

【請求項3】

請求項１に記載の二次電池において、
前記集電リードは、前記封口板に溶接される部分が、細長い板状の形状を有する部材であることを特徴とする二次電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、二次電池に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、電池およびその製造方法を開示している。特許文献１の技術では、集電リードに少なくとも２つの突起を設けることで、内部抵抗減と溶接強度とを保ちつつ、爆飛を防止している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５－２６８０７０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、特許文献１の技術のように集電リードに突起を設けた場合、集電リードは、溶接工程において電解液に浸かるため、電解液付着による爆飛が発生し、溶接が安定しないという問題がある。

【0005】

そこで、本発明は、安定的な溶接が可能な二次電池を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、以下の解決手段を採用する。なお、以下の解決手段はあくまで例示であり、本発明はこれに限定されるものではない。また、本発明は、以下の解決手段に示す各発明特定事項を少なくとも１つ含む発明とすることができる。さらに、以下の解決手段に示す各発明特定事項には、発明特定事項を限定する要素を追加して下位概念化することができ、発明特定事項を限定する要素を削除して上位概念化することもできる。

【0007】

解決手段の搬送装置は、例えば、開口部を有する外装缶と、前記開口部に配置された封口板と、前記外装缶に収容された電極群と、一端が前記封口板に溶接され、他端が前記電極群に接続される集電リードと、前記封口板の下面において円周状に配置された複数の溶接用突起と、を備える二次電池である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、安定的な溶接が可能な二次電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】電池１を示す斜視図である。

【図2】封口板４２及び封口体４０の構造を説明する図である。

【図3】封口板４２の構造を説明する図である。

【図4】封口体溶接工程における問題点を示す概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の二次電池の一実施形態として、ニッケル水素二次電池（以下、「電池」と略称する。）を例に挙げ、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は本発明の二次電池の好適な一例として示すものであり、実施形態はこの例示に限定されない。また、電池は、任意のサイズ（単３形、単４形等）とすることができる。

【0011】

〔電池の構成〕
図１は、電池１を示す斜視図である。図１においては、構造の理解を容易とするために、電池１の一部を破断して示している。
電池１は、外装缶１０と、外装缶１０に収容された電極群２０と、電極群２０の一部に接続した正極リード３０（集電リード、正極極板の金属リードであるタブ）と、正極リード３０に接続しつつ外装缶１０の開口部１１を封止する封口体４０と、を備えている。

【0012】

外装缶１０は、上部に開口部１１を有する有底円筒形状の部材であり、導電性を有する材料（例えば、ニッケルめっき鋼板）で形成されている。電極群２０は、それぞれ帯状の正極２２、負極２４、セパレータ２６を備えている。負極２４と２枚のセパレータ２６で挟まれた正極２２とは、重ね合わされて渦巻き状に巻回された状態で、図示されていないアルカリ電解液とともに外装缶１０に収容されている。負極２４の最外周部は、電極群２０の最外周部となって外装缶１０の内周面に接触している。これにより、負極２４と外装缶１０とが電気的に接続され、外装缶１０の底壁１２が負極端子として機能する。

【0013】

正極２２は、ニッケル酸化物からなる。負極２４は、水素吸蔵合金からなる。また、セパレータ２６としては、例えば、ポリオレフィン系繊維の不織布に親水基を付加したものを用いることができる。アルカリ電解液としては、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム等を溶質とした水溶液を用いることができる。

【0014】

電極群２０と封口体４０との間には上部絶縁部材３２が配置され、電極群２０と底壁１２との間には下部絶縁部材３６が配置されている。また、上部絶縁部材３２が有するスリット３４を通って正極リード３０が配置されている。

【0015】

正極リード３０は、一端が封口体４０に含まれる封口板４２に溶接され、他端が電極群２０に含まれる正極２２に接続されている。図示の例では、正極リード３０は、Ｓ字曲げの形状（Ｓの文字を横にした形状）であるが、Ｌ字曲げの形状（Ｌの文字を横にした形状）であってもよく、その他の形状であってもよい。

【0016】

封口体４０は、外装缶１０の開口部１１に配置され開口部１１を塞ぐ封口板４２と、封口板４２の下面に配置されたプロジェクション４４（溶接用突起、溶接点）と、封口板４２の外縁部を挟持しつつ外装缶１０の開口縁部１４に密着する環状のガスケット４６と、封口板４２の上面中央部に配置されたフランジ付き円筒形状の正極端子４８とを含んでおり、これらが一体となって外装缶１０の開口部１１を封止している。なお、図１においては、断面で図示している部分の関係上、１つのプロジェクション４４だけが正極リード３０に接しているように見えるが、実際には２つのプロジェクション４４が正極リード３０に接している。

【0017】

封口板４２は、鋼板で形成されている。正極端子４８は、導電性を有する材料で形成されている。正極端子４８は封口板４２に接続しており、正極リード３０は上述したように正極２２及び封口板４２に接続している。このため、正極２２と正極端子４８とは、正極リード３０及び封口板４２を介して電気的に接続されている。ガスケット４６は、絶縁性を有する材料（例えば、ナイロン）で形成されている。

【0018】

封口板４２の中央部には第１ガス抜き孔５０が形成されており、これを塞ぐように配置されたゴム製の弁体５２を、正極端子４８が封口板４２に対し押圧している。また、図示されていないが、正極端子４８の側壁下部には小さな第２ガス抜き孔が形成されている。弁体５２は、通常時には第１ガス抜き孔５０を気密に閉塞するが、外装缶１０の内部でガスが発生して圧力が上昇すると圧縮されて第１ガス抜き孔５０を開く。これにより、第１ガス抜き孔５０及び第２ガス抜き孔を介して外装缶１０の内外が連通し、ガスが外部に放出される。その結果、内圧が降下して弁体５２が元の状態に戻り、再び第１ガス抜き孔５０を閉塞する。このように、弁体５２は電池１の安全弁として機能する。

【0019】

〔封口体の構造〕
図２は、封口板４２及び封口体４０の構造を説明する図である。図２（Ａ）は封口板４２を下面側（裏面側）から見た図を示しており、図２（Ｂ）は封口体４０付近の断面図を示している。

【0020】

図２（Ａ）に示すように、封口板４２の下面には、複数（例えば、１４個）のプロジェクション４４が配置されている。複数のプロジェクション４４は、封口板４２の下面において円周状に配置されている。各プロジェクション４４は、半球形状又は円筒形状の突起である。

【0021】

複数のプロジェクション４４の配置間隔（長さＬ１：例えば１ｍｍ）は、正極リード３０の幅（長さＬ２：例えば３ｍｍ）よりも短い（Ｌ１＜Ｌ２）。そして、このような配置間隔を採用することにより、正極リード３０に少なくとも２つのプロジェクション４４を接触させることができる。また、正極リード３０は、封口板４２に溶接される部分が、細長い板状の形状（長方形形状）を有する部材となっている。なお、複数のプロジェクション４４の配置間隔は、一のプロジェクション４４の中心から隣のプロジェクション４４の中心までの長さである。また、プロジェクション４４の直径は、例えば、０．１～１．０ｍｍ程度である。

【0022】

図２（Ｂ）に示すように、左側のプロジェクション４４（４４Ｌ）は、正極リード３０と接しているが、右側のプロジェクション４４（４４Ｒ）は、正極リード３０と接していない。このため、溶接は、左側のプロジェクション４４（４４Ｌ）と正極リード３０とが接している部分で行われる。

【0023】

〔封口板の詳細〕
図３は、封口板４２の構造を説明する図である。図３（Ａ）は図１に示す封口板４２を単独で示しており、図３（Ｂ）は別形態の封口板４２Ａを示している。
図３（Ａ）に示すように、封口板４２は、第１円環状部６１と、第２円環状部６２と、第３円環状部６３と、を備えている。
第１円環状部６１は、中央に第１ガス抜き孔５０（開口部）を有する円環状の部材である。
第２円環状部６２は、第１円環状部６１の外側に配置され、第１円環状部６１よりも下方に位置する円環状の部材である。
第３円環状部６３は、第２円環状部６２の外側に配置され、第２円環状部６２よりも上方に位置する円環状の部材である。
そして、複数のプロジェクション４４は、第２円環状部６２の下面に配置されている。

【0024】

また、プロジェクション４４は、第２円環状部６２の外側端部Ｘと第２円環状部６２の内側端部Ｙとの中間地点を中間部Ｚとした場合、外側端部Ｘから中間部Ｚまでの間には配置されておらず、中間部Ｚから内側端部Ｙまでの間に配置されている（中間部Ｚから内側端部Ｙまでの任意の位置に配置されている）。すなわち、プロジェクション４４は、第２円環状部６２の外側ではなく、第２円環状部６２の内側に寄せた位置に配置されている。

【0025】

このように、本実施形態では、所定サイズ（例えば、約９．５ｍｍのＡＡＡサイズ）の封口板４２に対し、ガスケット４６（図１参照）を備えた外周部（第３円環状部６３）及びガス排出用の孔部（第１ガス抜き孔５０）を備えた最内周部（第１円環状部６１）以外のフラットな面（第２円環状部６２の下面）に、正極リード３０を溶接するプロジェクション４４が設けられており、例えば３ｍｍ幅の正極リード３０に対し、１ｍｍ間隔でプロジェクション４４を配置している。なお、少なくとも２つのプロジェクション４４と正極リード３０とが接すればよく、封口板４２や正極リード３０の形状、寸法はこれらに限定されるものではない。

【0026】

封口板４２は、約３．５ＭＰａの内部圧力に耐久するため、左右に２つの段差Ｓ（第１円環状部６１と第３円環状部６３とに挟まれた部分）が設けてある。このため、溶接面積（第２円環状部６２の下面の面積）は、非常に小さい。
また、第２円環状部６２の左右にＲ加工部分（面取り部分；図中Ｒ参照）があるが、このＲ加工部分は、金型の摩耗により経時的に大きくなる傾向にある（例えばＲ０．２ｍｍ→実測Ｒ０．８ｍｍ等）。
さらに、溶接面が不安定であるため、分流も起きやすい（プロジェクション４４がない場合、正極リード３０が、第２円環状部６２の下面と、Ｒ加工部分との２箇所に溶接されてしまうことがある）。
そこで、本実施形態では、第２円環状部６２の下面にプロジェクション４４を設けることにより、溶接面積の狭さの問題と、分流が発生するという問題とを解決している。

【0027】

図３（Ｂ）に示すように、別形態の封口板４２Ａは、基本的には、図３（Ａ）に示す封口板４２と同様の構成であるため、同じ機能を果たす部分の説明は省略する。異なる点は、第１ガス抜き孔５０Ａの開口幅が広くなっている点、封口板４２Ａの厚みが薄くなっている点、各円環状部の径方向の長さが変化している点、第１円環状部６１Ａと第３円環状部６３Ａとの高さが逆転している点等である。

【0028】

このように、封口板の形状は、電池１の形状やサイズに合わせて、様々な形状の封口板を採用することができる。封口板は、図３（Ａ）（Ｂ）に示す封口板よりも平らな封口板（フルフラットに近い形状の封口板）であってもよく、図３（Ａ）（Ｂ）に示す封口板よりも段差が大きい封口板であってもよい。

【0029】

〔封口体溶接工程に関する内容〕
図４は、封口体溶接工程における問題点を示す概念図である。
ニッケル水素二次電池の製造方法では、正極極板の基材であるＮｉスポンジに、予め金属リードからなる正極リード３０を接合し、負極極板及びセパレータとともに捲回した電極群２０を外装缶１０へ挿入した後、電解液を注液する。その後、正極極板となる正極リード３０を、正極端子４８を備える封口体４０と抵抗溶接し（封口体溶接工程を行い）、封口することで電池１が成形される。

【0030】

封口体溶接工程では、図４に示すように、受け電極１００と押し電極２００（電極棒）との間に、封口体４０と正極リード３０とを配置して溶接を行う。そして、この封口体溶接工程では、溶接スパッタ（金属片）が発生し、溶接スパッタの混入による内部短絡不良が発生することがある。溶接スパッタの発生は、抵抗溶接時の爆飛に起因している。溶接スパッタは、最初に封口体４０と正極リード３０との間で発生し（中ちり７０）、その後、正極リード３０の正面（正極リード３０と押し電極２００との間）で発生する（表ちり８０）。

【0031】

そして、このような爆飛に派生する溶接時の高抵抗化箇所抽出を実施したところ、溶接に影響する成分の抽出結果は以下の通りとなった。
（１）電源から受け電極１００までの間は、爆飛による影響が小さい。
（２）封口体４０は、爆飛による影響が小さい。
（３）正極リード３０は、電解液が付着している箇所において爆飛による影響が大きい。
（４）押し電極２００から電源までの間は、電解液が付着している箇所において爆飛による影響が大きい。

【0032】

上記（３）（４）の結果となった理由は、封口体溶接工程は、電解液注液工程後に実施されるため、正極リード３０には電解液が付着しているからである。電解液が付着する部分には、液だまりが発生し、電解液の付着による爆飛が発生し、溶接安定性が悪くなる。
すなわち、電解液を外装缶１０の上部から注液する際、溶接する正極リード３０には電解液が付着するため、封口体４０を溶接する際に、電解液の成分（ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨ等）が析出することで溶接が不安定になり爆飛が発生する。そして、溶接スパッタが混入することにより、電池内部での短絡不良発生を引き起こす。

【0033】

そこで、本実施形態では、封口板４２を安定して溶接するため、封口板４２の下面において円周状に一定間隔で複数のプロジェクション４４を設けている。そして、このプロジェクション４４にて、封口板４２と正極リード３０とが抵抗溶接により接合されている。封口体４０側であれば、電解液の付着もないため、溶接を安定化させ、より安定的に電池１の生産が可能となる。

【0034】

以上説明したように、本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）本実施形態によれば、プロジェクション４４は、正極リード３０側ではなく、封口板４２側に配置されているため、電解液の影響を受けずに封口板４２を溶接して溶接時の爆飛発生を改善することができ、結果として、安定的な溶接が可能な電池１を提供することができる。

【0035】

（２）本実施形態によれば、プロジェクション４４は、封口板４２の下面において円周状に配置されているため、位置決めが不要であり安定的な溶接が可能となっている。封口板４２は、製造工程において上から下に落下してくるため、どのような向きで溶接されるか決まっていない。この点、本実施形態では、プロジェクション４４が、封口板４２の下面において円周状に配置されているため、プロジェクション４４がどのような向きで配置されても、確実に溶接することができる。また、プロジェクション４４を溶接点としているため、Ｒ加工部分と正極リード３０とが溶接されずに分流がなくなるとともに、溶接をする場所等の溶接条件の設定が容易になる。

【0036】

（３）本実施形態では、正極リード３０と接する２つのプロジェクション４４以外のプロジェクション４４は、基本的には、溶接には用いられない。ただし、溶接が上手くいかなかった場合や溶接箇所が不用意に切断してしまった場合等には、封口板４２を交換しなくても残りのプロジェクション４４を用いて溶接を行うことができ、歩留まりを向上させることができる。

【0037】

（４）本実施形態によれば、プロジェクション４４の配置間隔は、正極リード３０の幅よりも短いため、少なくとも２つのプロジェクション４４と正極リード３０とを溶接することができ、溶接を安定させることができる。すなわち、正極リード３０の幅（例えばＡＡＡであれば３ｍｍ）に対し、２つ以上のプロジェクション４４を接触させるようにすることで溶接不良を低減することができる。

【0038】

（５）本実施形態によれば、正極リード３０は、封口板４２に溶接される部分が、細長い板状の形状を有する部材であるため、円形状の部材と比較して封口板４２との位置合わせが行いにくくなっている。この点、本実施形態のプロジェクション４４は、円周状に配置されているため、正極リード３０が細長い板状の形状を有する部材であったとしても、容易に位置決めを行いながら、安定した溶接を行うことができる。

【0039】

（６）本実施形態によれば、封口板４２は、第１円環状部６１、第２円環状部６２及び第３円環状部６３を備える段差のある部材となっているため、フラットに近い封口板と比較して、溶接スパッタが発生しやすくなっている。この点、本実施形態では、第２円環状部６２の下面にプロジェクション４４を配置することにより、より一層、溶接スパッタを発生させないようにすることができる。

【0040】

（７）本実施形態によれば、プロジェクション４４は、第２円環状部６２の外側端部Ｘから中間部Ｚまでの間には配置されておらず、中間部Ｚから内側端部Ｙまでの間に配置されているため、溶接のしやすさを向上させることができる。すなわち、第２円環状部６２の外側には、ガスケット４６が配置されているため、ガスケット４６の形状によっては、第２円環状部６２の外側にプロジェクション４４を配置すると、溶接が行いにくくなってしまうことがある。そこで、第２円環状部６２の下面の中でも、より内側に寄せた位置にプロジェクション４４を配置することにより、溶接のしやすさを向上させることができる。

【0041】

〔変形形態〕
本発明は、上述した実施形態に制約されることなく、種々に変形して実施することができる。
（１）封口板４２は、段差のある部材の例で説明したが、段差のないフラットな部材であってもよい。
（２）プロジェクション４４の数は、１３個以下であってもよく、１５個以上であってもよい。
（３）２つのプロジェクション４４を正極リード３０に接触させる例で説明したが、プロジェクション４４の配置間隔を短くしたり、プロジェクション４４の直径を短くしたりすることにより、３つ以上のプロジェクション４４を正極リード３０に接触させてもよい。

【0042】

（４）プロジェクション４４は、第２円環状部６２の下面に形成する例で説明したが、第１円環状部６１の下面に形成してもよく、第３円環状部６３の下面に形成してもよい。
（５）複数のプロジェクション４４の配置間隔は、１ｍｍよりも小さい値であってもよく、１ｍｍよりも大きい値であってもよい。正極リード３０の幅は、３ｍｍよりも小さい値であってもよく、３ｍｍよりも大きい値であってもよい。
（６）電池１の形状は、円筒形であっても角筒形（角形）であってもよい。電池１の種類は、ニッケル水素二次電池（密閉型ニッケル・金属水素化物二次電池）に限定されず、その他のアルカリ二次電池であってもよいし、リチウムイオン二次電池等であってもよい。

【符号の説明】

【0043】

１ 電池
１０ 外装缶
１１ 開口部
２０ 電極群
３０ 正極リード
４０ 封口体
４２、４２Ａ 封口板
４４ プロジェクション
４６ ガスケット
４８ 正極端子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】