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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-02-03
(45)【発行日】2022-02-14
(54)【発明の名称】溶接電池キャップを有する電池セル
(51)【国際特許分類】
H01M 50/152 20210101AFI20220204BHJP
H01M 50/184 20210101ALI20220204BHJP
H01M 10/04 20060101ALI20220204BHJP
H01M 50/188 20210101ALI20220204BHJP
H01M 50/578 20210101ALI20220204BHJP
H01M 50/531 20210101ALI20220204BHJP
H01M 50/559 20210101ALI20220204BHJP
H01M 50/55 20210101ALI20220204BHJP
H01M 50/645 20210101ALI20220204BHJP
H01M 50/169 20210101ALI20220204BHJP
【ＦＩ】
H01M50/152
H01M50/184 D
H01M10/04 W
H01M50/188
H01M50/578
H01M50/531
H01M50/559
H01M50/55 201
H01M50/645
H01M50/169
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2018567043
(86)(22)【出願日】2017-06-23
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2019-07-04
(86)【国際出願番号】 US2017038973
(87)【国際公開番号】W WO2017223429
(87)【国際公開日】2017-12-28
【審査請求日】2019-07-26
(31)【優先権主張番号】62/353,664
(32)【優先日】2016-06-23
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】510192916
【氏名又は名称】テスラ，インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000659
【氏名又は名称】特許業務法人広江アソシエイツ特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】マスモト，ケンジン
(72)【発明者】
【氏名】ミレー，クリストフ
【審査官】原 和秀
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１３－５４２５６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１２４００９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－１９４１６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１０－５１１９９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２８２５０４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１６／１５７７４９（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ５０／１０－５０／１９８
Ｈ０１Ｍ ５０／５０－５０／５９８
Ｈ０１Ｍ ５０／６０－５０／６９１
Ｈ０１Ｍ １０／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
缶体と、前記缶体に収容されたゼリーロールと、
前記ゼリーロールに隣接して前記ゼリーロールの上方に、前記缶体に収容された上部絶縁体と、
前記上部絶縁体に隣接して前記上部絶縁体の上方に、前記缶体の内面に溶接された電池キャップと、を備え、
前記電池キャップは、
外側導電性リングと、
絶縁体リングと、
導電性天板であって、前記外側導電性リング、前記絶縁体リング、および前記導電性天板は互いに圧着される、導電性天板と、
前記導電性天板に電気的に接続されたとともに前記導電性天板に溶接されている、導電性破裂板であって、前記導電性破裂板と前記導電性天板との間の溶接部が、前記ゼリーロールの過剰圧力の際に、前記導電性破裂板の前記導電性天板からの電気的分離を許容するように構成された、導電性破裂板と、
前記導電性破裂板に電気的に接続され、前記ゼリーロール内に延びるカソードと、を備えることを特徴とする電池。
【請求項2】
前記導電性破裂板の周囲に配置された絶縁体をさらに備える、請求項１に記載の電池。
【請求項3】
前記上部絶縁体と前記導電性破裂板との間に配置された膨張容積をさらに備える、請求項１に記載の電池。
【請求項4】
前記外側導電性リングが、前記缶体に隣接して前記外側導電性リングの上部に平坦面を備える、請求項１に記載の電池。
【請求項5】
前記外側導電性リングの前記上部の前記平坦面は、アノードを備える、請求項４に記載の電池。
【請求項6】
前記導電性天板がカソードを備える、請求項１に記載の電池。
【請求項7】
前記導電性天板の中央部に開口部と、前記導電性天板の中央部にある前記開口部上に溶接されたカバーと
をさらに備える、請求項１に記載の電池。
【請求項8】
前記導電性破裂板の中央部分に開口部をさらに備え、前記カバーは頂部とプラグ部とを含み、前記プラグ部分は、前記導電性天板の前記中央部分の前記開口部と前記導電性破裂板の前記中央部分の前記開口部の両方を通って延びる、請求項７に記載の電池。
【請求項9】
電池を構築する方法であって、缶体を形成する工程と、
ゼリーロールを形成する工程と、
前記ゼリーロールを前記缶体に挿入する工程と、
上部絶縁体を、前記ゼリーロールに隣接して前記ゼリーロールの上方に前記缶体に挿入する工程と、
外側導電性リング、絶縁体リング、導電性天板、および導電性破裂板を含む電池キャップを組み立てる工程であって、前記導電性破裂板が前記導電性天板に溶接される、工程と、
カソードを前記導電性破裂板に接続する工程と、
前記カソードが前記ゼリーロール内に延びるように前記電池キャップを前記缶体に挿入する工程と、
前記電池キャップを、前記上部絶縁体に隣接して前記上部絶縁体の上方に前記缶体の内面に溶接する工程と
を含み、
前記導電性破裂板と前記導電性天板との間の溶接部が、前記ゼリーロールの過剰圧力の際に、前記導電性破裂板の前記導電性天板からの電気的分離を許容するように構成されたことを特徴とする、方法。
【請求項10】
前記電池キャップの組み立ては、前記外側導電性リング、前記絶縁体リング、および前記導電性天板を互いに圧着することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項11】
絶縁体を前記導電性破裂板の周囲に設置することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項12】
前記上部絶縁体と前記導電性破裂板との間に、膨張容積を形成することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項13】
前記外側導電性リングは、アノードである前記缶体に隣接して前記外側導電性リングの上部に、平坦面を備える請求項９に記載の電池。
【請求項14】
前記導電性天板の中央部分に開口部を形成する工程と、前記電池キャップを前記缶体に溶接した後、充填材料を、前記開口部を通して前記缶体内に注入する工程と、
前記導電性天板の上にカバーを溶接して前記開口部を閉じる工程と
をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項15】
前記導電性破裂板の中央部に開口部を形成する工程と、前記導電性天板の前記中央部分の前記開口部と前記導電性破裂板の前記中央部分の前記開口部とを通して、前記カバーのプラグ部を挿入する工程と
をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
［関連出願の相互参照］
本ＰＣＴ出願は、２０１６年６月２３日に出願された「ＢＡＴＴＥＲＹ ＣＥＬＬ ＨＡＶＩＮＧ ＷＥＬＤＥＤ ＢＡＴＴＥＲＹ ＣＡＰ」という名称の米国仮特許出願第６２／３５３，６６４号明細書に基づく優先権を主張するものであり、これは全ての目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本ＰＣＴ出願は、２０１６年６月２３日に出願された「ＢＡＴＴＥＲＹ ＣＥＬＬ ＨＡＶＩＮＧ ＷＥＬＤＥＤ ＢＡＴＴＥＲＹ ＣＡＰ」という名称の米国仮特許出願第６２／３５３，６６４号明細書に基づく優先権を主張するものであり、これは全ての目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明は電池に関し、より詳細には、電池アレイに使用することができる単セル電池の構造に関する。
【背景技術】
【0003】
充電式電池は以前から知られており、家庭用電化製品、自動車、および多数の他の種類の装置を含む多数の装置に使用されている。例えば、電気自動車（またはハイブリッド電気自動車）では、何千もの比較的小さい個々の電池がアレイ（電池パック）に装填され、自動車に電力を供給するように相互接続される。時間が経つにつれて、これらの電池のそれぞれは、電気自動車の電気的要求を満たすために部分的または完全に充電され、部分的または完全に放電される。電気自動車に電力を供給するために必要とされる多数の電池のために、個々の電池の重量および容量は非常に重要である。さらに、電池の寿命およびアレイ内の電池の相互接続の複雑さもまた非常に重要である。
【0004】
「ゼリーロール」または「スイスロール」の設計は、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）およびリチウム－イオン（Ｌｉイオン）電池を含むほとんどの円筒形充電式電池に使用されている。この設計では、絶縁シートを敷設し、次にアノード材料の薄層を敷設し、セパレータ層を塗布し、そしてカソード材料を最上層に積層する。このサンドイッチはそれから巻き取られ、しばしば「缶体」と呼ばれる中空シリンダケーシングに挿入される。電池を密閉し、金属コンタクトを取り付け、電池を単４形／単３形／単２形／単１形アルカリ電池の代わりに使用する場合は、任意のボタントップを装着する。電池の断面がスイスロールケーキのように見えるので、その設計はその名前が付けられる。
【0005】
典型的な電池構造は、缶体、缶体内に収容されたゼリーロール、缶体に圧着された電池キャップ、ならびに様々な相互接続および絶縁体を含む。この構造はかなり単純であるが、幾つかの問題がある。ゼリーロールとゼリーロールの上に配置された上部絶縁体を缶体に入れた後、電池キャップを缶体に圧着する。上部絶縁体は、ゼリーロールを導電性電池キャップから絶縁する。電池キャップを缶体に圧着すると、ゼリーロールを損傷することがよくある。さらに、ゼリーロールを定位置に保持する上部絶縁体は圧着構造によってのみ定位置に保持されるので、上部絶縁体はゼリーロールに対して弱い物理的保護しか与えず、ゼリーロールのために体積を減らし、かなり硬い材料でなければならない。ゼリーロールは動作温度と共に膨張する可能性があるので、この弱い物理的保護は電池の早期故障につながり得る。圧着電池キャップ設計の他の欠点は、図２Ａ、図２Ｂ、および図３を参照してさらに説明される。
【発明の概要】
【0006】
したがって、他の欠点の中でも特に上述の欠点を克服するために、本開示の第１の実施形態により構築された電池は、缶体と、缶体に収容されたゼリーロールと、ゼリーロールに隣接してゼリーロールの上方に収容された上部絶縁体と、上部絶縁体に隣接して上部絶縁体の上方に、缶体の内面に溶接された電池キャップとを含む。電池キャップは、少なくとも外側導電性リング、絶縁体リング、および導電性天板を含む。外側導電性リング、絶縁体リング、および導電性天板は互いに圧着されている。電池キャップはさらに、導電性天板に電気的に接続された導電性破裂板と、ゼリーロール内に延びる導電性破裂板に電気的に接続されたカソードとを含む。
【0007】
第１の実施形態の電池を用いると、複数の利点がある。導電性天板が初めに構築され、その後缶体に溶接されるので、製造中にゼリーロールに生じる損傷は最小限になる。さらに、上部絶縁体は、より安価な絶縁体で、より薄い形材を用いて強度が低く構成されてもよく、その結果、コストが低くなる。第１の実施形態により構成された電池キャップを用いると、電池は、従来の電池よりも薄型で、ゼリーロールのためのより多くの空間、より軽量の電池、ならびに同等の体積および重量に対してより大きな電池容量を可能にする。
【0008】
第１の実施形態の電池には、様々な追加の構造および要素が任意選択で含まれてもよく、それらは、第１の実施形態の様々な態様に単独で含まれる、複数含まれる、または完全に含まれてもよい。電池は、導電性破裂板の周囲に配置された絶縁体リングを含み得る。電池は、上部絶縁体と導電性破裂板との間に配置された膨張容積をさらに含み得る。幾つかの態様では、外側導電性リングは、缶体に隣接して外側導電性リングの上部に平坦面を有する。電池のこの態様では、外側導電性リングの上部の平坦面はアノードである。また、この態様によれば、導電性天板は電池のカソードである。
【0009】
第１の実施形態の他の任意選択の態様によれば、電池は、導電性天板の中央部にある開口部と、導電性天板の中央部にある開口部上に溶接されたカバーとを含む。この態様の変形例では、電池はまた、導電性破裂板の中央部に、頂部およびプラグ部を含むカバーを有する開口部を含む。この開口部が利用可能であると、例えば、粉末または液体であり得る電解質を使用して、導電性天板および導電性破裂板に形成された開口部を介して、缶体を充填材料でさらに充填することができる。カバーの設置の際、プラグ部分は、導電性天板の中央部分の開口部と導電性破裂板の中央部分の開口部の両方を通って延び、電池を密閉する。
【0010】
導電性破裂板は、導電性天板に溶接することができる。さらに、導電性破裂板と導電性天板との間の溶接は、ゼリーロールの過剰圧力の際に、導電性破裂板の導電性天板からの電気的分離を可能にする。
【0011】
本開示の第２の実施形態によれば、電池を構築する方法は、缶体を形成することと、ゼリーロールを形成することと、ゼリーロールを缶体に挿入すること、上部絶縁体を、ゼリーロールに隣接してゼリーロールの上方に缶体に挿入することと、外側導電性リング、絶縁体リング、導電性天板、導電性破裂板を含む電池キャップを組み立てることとを含む。この方法はさらに、カソードを導電性破裂板に接続することと、カソードがゼリーロール内に延びるように電池キャップを缶体に挿入することと、電池キャップを、上部絶縁体に隣接して上部絶縁体の上方に缶体の内面に溶接することとを含む。
【0012】
第２の実施形態の方法には、様々な追加の構造および要素が任意選択で含まれてもよく、それらは、第１の実施形態の様々な態様に単独で含まれる、複数含まれる、または完全に含まれてもよい。電池キャップの組み立ては、外側導電性リング、絶縁体リング、および導電性天板を互いに圧着することをさらに含み得る。電池キャップの組み立ては、導電性破裂板を導電性天板に溶接することをさらに含み得る。方法は、絶縁体を導電性破裂板の周囲に設置することをさらに含み得る。方法はまた、上部絶縁体と導電性破裂板との間に膨張容積を形成することを含んでもよい。
【0013】
第２の実施形態の方法では、外側導電性リングは、アノードとして機能する缶体に隣接して、外側導電性リングの上部に平坦面を有することができる。この方法はまた、導電性天板の中央部分に開口部を形成することと、電池キャップを缶体に溶接した後、充填材料、例えば電解質を、開口部を通して缶体内に注入することと、次いで導電性天板の上にカバーを溶接して開口部を閉じることとを含んでもよい。この態様はまた、導電性破裂板の中央部に開口部を形成することと、導電性天板の中央部分の開口部と導電性破裂板の中央部分の開口部とを通して、カバーのプラグ部を挿入することとを含み得る。
【0014】
電池キャップを缶体に溶接することは、異なる方法で達成することができる。電池キャップは、電池キャップおよび缶体を、電池および電池キャップの中心軸の周りに回転させる溶接治具を使用して、缶体の上から缶体に溶接することができる。電池キャップは代わりに、電池キャップに隣接する缶体の側面から溶接することもできる。このような場合には、
【0015】
第２の実施形態の方法はまた、導電性破裂板を導電性天板に溶接することを含み得る。導電性破裂板と導電性天板との間の溶接は、ゼリーロールの過剰圧力の際に、導電性破裂板の導電性天板からの電気的分離を可能にする。
【0016】
開示された実施形態の利点は、図面を参照して以下の詳細な説明を読むことから明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】電池式電気自動車の基本構成要素を示す。
【0018】
【0019】
【0020】
【図4】説明した実施形態により構築された電池の側断面図である。
【0021】
【0022】
【図6】記載された別の実施形態により構築された電池の側断面図である。
【0023】
【図7】本発明の一実施形態による電池を構築する方法を説明するフローチャートである。
【0024】
【0025】
【発明を実施するための形態】
【0026】
図１は、電池式電気自動車（電気自動車）１００の基本構成要素を示す。電気自動車１００は、少なくとも１つの駆動モータ（牽引モータ）１０２Ａおよび／または１０２Ｂと、対応する駆動モータ１０２Ａおよび／または１０２Ｂに結合された少なくとも１つのギアボックス１０４Ａおよび／または１０４Ｂと、電池パック１０６と、電子機器１０８（駆動モータ電子機器を含む）とを含む。一般に、電池パックは、電気自動車１００の電子機器１０８に電気を供給し、駆動モータ１０２Ａおよび／または１０２Ｂを使用して電気自動車１００を推進する。電池パック１０６は、本発明の１つ以上の実施形態により構成された個々の電池のアレイを含む。電池パック１０６は、幾つかの実施形態では、何千もの個々の電池を含む。
【0027】
電気自動車１００は、本明細書に記載されていないが当業者に周知の多数の他の構成要素を含む。図１の電気自動車１００の構造は４つの車輪を有するように示されているが、異なる電気自動車は４つより少ないかまたは４つより多い車輪を有することができる。さらに、異なる種類の電気自動車１００は、他の種類の車両の中でも、オートバイ、航空機、トラック、ボート、列車エンジンを含む本明細書に記載の発明概念を組み込んでもよい。
【0028】
電池パック１０６は、数千個の個々の電池から形成されているので、各電池の重量は、数千個の電池を乗じると、極めて重要である。さらに、各電池の充電容量もまた、数千個の電池を乗じると、非常に重要である。さらに、各電池の構造は、電池パック１０６の安全性および信頼性の要件のために重要である。本明細書における以下の説明は、この図１の構成要素にも関連し得る。本明細書で説明されるさらなる図において識別される構成要素を指すために共通の番号付けが使用され得る。
【0029】
図２Ａおよび図２Ｂは、圧着電池キャップ接続を有する従来技術の電池を示す。図２Ａを参照すると、電池２００は、「ゼリーロール」２０４が設置されている缶体２０２を含む。「ゼリーロール」は、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）およびリチウム－イオン（Ｌｉイオン）電池を含む、大部分の円筒形充電式電池に使用されている。ゼリーロール設計では、絶縁シートが置かれ、次にアノード材料の薄層が置かれ、セパレータ層が塗布され、そしてカソード材料がその上に積層される。次に、このサンドイッチを円筒形に巻いて缶体２０２に挿入する。電池キャップは、導電性天板２１０と、導電性天板２１０を缶体２０２から絶縁する絶縁体２１４と、スペーサ（例えば、正特性「ＰＴＣ」装置）２１６と、ダイヤフラム２１８と、絶縁体２２０および導電性破裂板２２２とを含むサンドイッチ構造である。電池キャップは、圧着部２１２を使用して缶体２０２に圧着されている。上部絶縁体２０６は、絶縁体２１４と組み合わせて、ゼリーロール２０４を電池キャップから隔離する。導電性破裂板２２２はダイヤフラム２１８に溶接され、カソード２０８は導電性破裂板２２２に溶接される。ゼリーロール２０４の過剰圧力の場合には、圧力がゼリーロール２０４によってダイヤフラム２１８に加えられ、導電性破裂板２２２とダイヤフラム２１８との間の溶接点を分離させ、カソードを導電性天板２１０から切り離し、電池２００を効果的に動作不能にし、電池２００および電池２００を含むことができる電池パックにさらなる損傷を与えることを防ぐ。
【0030】
電池キャップが缶体２０２に圧着されているので、製造工程に困難がある。電池キャップが缶体２０２に圧着されるとき、ゼリーロール２０４が損傷する可能性がある。図２の電池２００の構造では、缶体２０２と電池上部との間の圧着接続部の高さ、ならびに電池２００の構造的完全性を提供するために必要とされる電池キャップ構成要素の相対的な厚さのために缶体２０２内の容積が減少するため、ゼリーロール２０４のサイズが小さくなる。さらに、上部絶縁体２０６は、圧着接続によって適所に保持されるのに十分な強度の材料でなければならず、その結果コストが増大する。
【0031】
ここで図２Ｂを参照すると、導電性天板２１０と、導電性天板２１０を缶体２０２（圧着部２１２）から絶縁する絶縁体２１４と、スペーサ（すなわちＰＴＣ）２１６と、ダイヤフラム２１８と、絶縁体２２０と導電性破裂板２２２とを含む電池キャップの構成要素が詳細に示される。電池キャップは、缶体２０２の圧着部２１２を使用して缶体２０２に圧着されている。上部絶縁体２０６は、絶縁体２１４と組み合わせて、ゼリーロール２０４を導電性天板２１０から隔離する。導電性破裂板２２２はダイヤフラム２１８に溶接され、カソード２０８は導電性破裂板２２２に溶接される。ゼリーロール２０４の過剰圧力の場合には、圧力がゼリーロール２０４によってダイヤフラム２１８に加えられ、導電性破裂板２２２とダイヤフラム２１８との間の溶接点を分離させ、カソード（図示せず）を導電性天板２１０から切り離し、電池２００を効果的に動作不能にし、電池および電池２００を含むことができるアレイにさらなる損傷を与えることを防ぐ。
【0032】
図３は、電池故障後の図２Ａおよび図２Ｂの従来技術の電池を示す。電池キャップは、ゼリーロール２０４が過剰圧力状態になった後、ダイヤフラム２１８が導電性破裂板２２２から分離した後に示されている。ダイヤフラム２１８が導電性破裂板２２２に接続されていない場合、電池２００は動作していない。
【0033】
図４は、説明した実施形態により構築された電池４００の側断面図である。電池４００は、「ゼリーロール」４０４が設置されている缶体４０２を含む。「ゼリーロール」は、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）、またはリチウム－イオン（Ｌｉ－イオン）ベースの構造のうちの１つである。ゼリーロール４０４は円筒形であり、缶体４０２内に挿入される。電池４００はさらに、ゼリーロール４０４に隣接してゼリーロールの上方に缶体４０２内に収容された上部絶縁体４０６を含む。電池４００はまた、別個に構成され、後で溶接部４２０を介して上部絶縁体４０６に隣接して上部絶縁体の上方に缶体４０２の内面に溶接される電池キャップ４０３を含む。電池キャップ４０３は、外側導電性リング４１２、絶縁体リング４１４、および導電性天板４１０を含む。外側導電性リング４１２、絶縁体リング４１４、および導電性天板４１０は互いに圧着されている。絶縁体リング４１４は、導電性天板４１０と外側導電性リング４１２との間の導電性天板４１０の周囲に存在する。これらの構成要素は、電池キャップ４０３を缶体４０２に溶接する前に、圧着工程で一緒に圧着される。電池キャップ４０３は、導電性天板４１０と、ゼリーロール４０４内に延在するカソード４０８とに電気的に接続された導電性破裂板４２２をさらに含む。電池４００は、外側導電性リング４１２、絶縁体リング４１４、導電性天板４１０、および導電性破裂板４２２の圧着された組み合わせの間に配置された導電性破裂板絶縁体リング４０７をさらに含む。
【0034】
電池４００は、上部絶縁体４０６と導電性破裂板４２２との間に配置された膨張容積４０９をさらに含む。外側導電性リング４１２は、缶体４０２に隣接する上部に平坦面４１８を備える。電池４００は、導電性天板４１０の中央部に開口部４２４と、導電性天板４１０の中央部にある開口部４２４上に溶接されたカバー４２６とをさらに含む。図示されるように、カバー４２６は頂部およびプラグ部を含み得る。電池キャップ４０３が缶体４０２に溶接された後でかつカバー４２６が導電性天板４１０に溶接される前は、開口部４２４は開いたままである。したがって、上部キャップが缶体４０２に溶接された後でかつカバー４２６が所定の位置に溶接される前に、充填材料で電池４００をさらに充填することができる。充填材料は、粉末または液体のいずれかである電解質であり得る。外側導電性リング４１２の平坦面４１８により、電池４００を電池パックの電池アレイに結合することができ、全ての接続が電池アレイの電池に対してアレイの上面で行われる。
【0035】
導電性破裂板４２２は導電性天板４１０に溶接され、カソード４０８は導電性破裂板４２２に溶接される。ゼリーロール４０４の過剰圧力の場合には、圧力がゼリーロール４０４によって導電性破裂板４２２に加えられ、導電性破裂板４２２と導電性天板４１０との間の溶接点を分離させ、カソード４０８を導電性天板４１０から切り離し、電池４００を効果的に動作不能にし、電池および電池４００を含むことができるアレイにさらなる損傷を与えることを防ぐ。このように導電性破裂板４２２と導電性天板４１０との間の溶接は、ゼリーロールの過剰圧力の際に、導電性破裂板の導電性天板からの電気的分離を可能にし、同等の強度を有する。導電性破裂板４２２と導電性天板４１０との間の溶接部の構造は、過剰圧力の際に分離を可能にするが、それ以外の場合には完全性を支持するように設計されている。
【0036】
図５は、電池キャップ４０３を缶体４０２に取り付ける前の図４の電池の側断面図である。示されるように、電池キャップ４０３は、溶接工程で缶体４０２に接合され、缶体に固定される前に完全に形成されている。カソード４０８が、溶接の代わりにバネ圧によって導電性破裂板４２２に結合している幾つかの実施形態では、図５の構造は、わずかに異なり得ることに留意されたい。
【0037】
図４および５の電池構造では、複数の利点が存在する。導電性天板が初めに構築され、その後缶体４０２に溶接されるので、製造中にゼリーロール４０４に生じる潜在的な損傷は最小限になる。さらに、上部絶縁体４０６は、より安価な絶縁体で、より薄い形材を用いて強度が低く構成されてもよく、その結果、コストが低くなる。図示のように構成された電池キャップ４０３を用いると、電池キャップ４０３はより低い外形を有し、ゼリーロール４０４用のより多くの空間およびより軽量の電池４００を可能にする。この電池上部キャップ構造では、カソード４０８は従来の設計よりも大きく、従来の構造よりも電池４００の中央部により近い。さらに、電池キャップ４０３が缶体４０２に溶接された後に利用可能な電池キャップ４０３を通じて開口部４２４を保持することによって、カバー４２６を取り付ける前に、追加の充填材料、例えば電解質を電池４００に注入することができる。従来の構造に比べてさらなる利益および利点は、本明細書および本明細書におけるさらなる説明から明らかとなろう。
【0038】
図６は、説明した実施形態により構築された別の電池の側断面図である。電池６００は、「ゼリーロール」６０４が設置されている缶体６０２を含む。「ゼリーロール」は、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）、またはリチウム－イオン（Ｌｉ－イオン）ベースの構造のうちの１つである。ゼリーロール６０４は円筒形であり、缶体６０２内に挿入される。電池６００は、ゼリーロール６０４に隣接してゼリーロールの上方に缶体６０２内に収容された上部絶縁体６０６をさらに含む。電池６００はまた、別個に構成され、後に溶接部６２０を介して上部絶縁体６０６に隣接して上部絶縁体の上方に缶体６０２の内面に溶接される電池キャップ６０３を含む。電池キャップ６０３は、外側導電性リング６１２、絶縁体リング６１４、および導電性天板６１０を含む。外側導電性リング６１２、絶縁体リング６１４、および導電性天板６１０は互いに圧着されている。絶縁体リング６１４は、導電性天板６１０と外側導電性リング６１２との間の導電性天板６１０の周囲に存在する。電池キャップ６０３は、導電性天板６１０と、ゼリーロール６０４内に延在するカソード６０８とに電気的に接続された導電性破裂板６２２をさらに含む。電池キャップ６０３は、外側導電性リング６１２、絶縁体リング６１４、導電性天板６１０、および導電性破裂板６２２の圧着された組み合わせの間に配置された導電性破裂板絶縁体リング６０７をさらに含む。
【0039】
電池６００は、上部絶縁体６０６、導電性天板６１０、および導電性破裂板６２２に隣接してそれらの間に配置された膨張容積６０９をさらに含む。外側導電性リング６１２は、缶体６０２に隣接する上部に平坦面６１８を備える。導電性破裂板６２２は導電性天板６１０に溶接され、カソード６０８は導電性破裂板６２２に溶接される（またはバネ荷重される）。ゼリーロール６０４の過剰圧力の場合には、圧力がゼリーロール６０４によって導電性破裂板６２２に加えられ、導電性破裂板６２２と導電性天板６１０との間の溶接点を分離させ、カソード６０８を導電性天板６１０から切り離し、電池６００を効果的に動作不能にし、電池および電池６００を含むことができるアレイにさらなる損傷を与えることを防ぐ。
【0040】
電池キャップ６０３には、導電性天板６１０および導電性破裂板６２２に形成された開口部６２４が形成されていてもよい。この開口部６２４は、電池キャップ６０３が缶体６０２に溶接された後に追加の充填材料を電池６００に注入することを可能にする。追加の充填材料が開口部６２４を介して注入された後、カバー６２６が開口部６２４内に挿入され、溶接または他の固定プロセスによって適所に固定される。カバー６２６は、頂部と、導電性天板６１０および導電性破裂板６２２を通って延在するプラグ部とを含み得ることに留意されたい。この構造を有することによって、カバー６２６は、過剰圧力の事象によって導電性破裂板６２２が導電性天板６１０から分離した後でも、材料の漏出を防止する。
【0041】
図６の電池構造では、複数の利点が存在する。導電性天板が初めに構築され、その後缶体６０２に溶接されるので、製造中にゼリーロール６０４に生じる損傷は最小限になる。さらに、上部絶縁体６０６は、より安価な絶縁体で、より薄い形材を用いて強度が低く構成されてもよく、その結果、コストが低くなる。図示のように構成された電池キャップ６０３を用いると、電池６００はより低い外形を有し、ゼリーロール６０４用のより多くの空間、より軽量の電池６００、ならびに同等の体積および重量に対してより大きな電池容量を可能にする。従来の構造に比べてさらなる利益および利点は、本明細書および本明細書におけるさらなる説明から明らかとなろう。
【0042】
図４および図６の電池４００および６００は、さらなる構造上の利点をもたらす圧着キャップ構造を含む。図４を参照すると、導電性天板４１０、外側導電性リング４１２、および絶縁体リング４１４は、サンドイッチ構造が互いに圧着された後に互いに噛み合う相補的なくぼみおよび延長部を有する。同様に、図６を参照すると、導電性天板６１０、外側導電性リング６１２、および絶縁体リング６１４は、サンドイッチ構造が互いに圧着された後に互いに噛み合う相補的なくぼみおよび延長部を有する。これらの相補的なくぼみおよび延長部は、これらの構成要素の周囲と一致しているので、噛み合いの態様は、部品の周囲についても当てはまり、従来技術の構造には存在しなかった圧着構造に強度を加える。
【0043】
図７は、本発明の一実施形態による電池の製造方法を説明するフローチャートである。図７の動作７００では、最初に缶体が適切な金属から形成される。次に電池キャップを最初に組み立てる（ステップ７０２）。この組み立ては、本明細書で図４～図６に示した構造と一致して行われる。電池キャップが組み立てられると、それは一緒に圧着される（ステップ７０４）。次に、カソードおよび導電性破裂板を電池キャップに取り付ける（ステップ７０６）。そのような取り付けは、幾つかの実施形態では溶接の形態をとり、ゼリーロールの過剰圧力事象の際に、導電性破裂板と導電性天板との間の溶接が、導電性破裂板の導電性天板からの電気的分離を可能にする。
【0044】
次に缶体にゼリーロールを充填し、上部絶縁体をゼリーロールの上方に配置する（ステップ７０８）。ステップ７０８は、電池キャップを組み立てる前に実行することができることに留意されたい。さらに、方法７００のステップの順序は、他の様々なステップでも実行され得る。別の実施形態では、カソードはゼリーロールに挿入され、バネ荷重され、電池キャップが缶体に挿入されたときに電池キャップの導電部分と接触する。その後、電池キャップを缶体に溶接する（ステップ７１０）。
【0045】
方法７００はまた、導電性天板の中央部および導電性破裂板の中央部に開口部を形成することを含み得る。この動作は、これらの構成要素のそれぞれの製造時に実行されてもよく、その結果、開口部は、電池キャップ構成要素の組み立て時に位置合わせされる。次いで、方法７００は、開口部を通して注入または他のプロセスを介して、追加の材料、例えば電解質を缶体に挿入することをさらに含む（ステップ７１２）。方法７００は次に、導電性天板の中央部の開口部と導電性破裂板の中央部の開口部とを通して、カバーのプラグ部分を挿入し、次いでカバーを導電性天板に溶接することを含む（ステップ７１４）。ステップ７１２および７１４の動作は、幾つかの事例において追加の問題に対処する。電池キャップを缶体に溶接する前に充填材料、例えば電解質を缶体に挿入する場合、充填材料は電池キャップに隣接する缶体の内面を汚染する場合がある。そのような場合、電池キャップに隣接する内面のこの部分は、清浄な溶接を確実にするために、電池キャップを缶体に溶接する前に洗浄しなければならない。ステップ７１２および７１４の選択肢では、全体的な製造コストはより大きくなり得る。
【0046】
図８は、本発明の別の実施形態による溶接機内の図４の実施形態により構築された電池の側断面図である。溶接機８００は基部８０２を含み、基部８０２に回転可能に取り付けられて、缶体４０２を電池キャップ４０３に溶接するために電池４００が挿入される回転治具８０４である。支持構造８０６は基部８０２に結合し、電池キャップ４０３が缶体４０２と接触する位置に対応する缶体４０２内の深さに集光レーザビーム８１０を向ける集光レーザ８０８を支持する。電子機器８１２は、回転治具８０４および集光レーザ８０８を制御して、集光レーザ８０８が電池缶体４０２を電池キャップ４０３に溶接している間に、缶体４０２／電池キャップ４０３をそれらの中心軸８１４を中心に回転させる。全回転中に缶体４０２を電池キャップ４０３に溶接することによって、電池キャップ４０３は缶体４０２に取り付けられ、それに密閉される。
【0047】
図９は、本発明の別の実施形態による別の溶接機内の図４の実施形態により構築された電池の側断面図である。溶接機９００は基部９０２を含み、基部９０２に回転可能に取り付けられて、缶体４０２を電池キャップ４０３に溶接するために電池４００が挿入される回転治具９０４である。支持構造９０６は基部９０２に結合し、缶体と接触する電池キャップ４０３に缶体４０２が当接する位置に、溶接部を向ける溶接機８０８を支持する。別の実施形態では、集光レーザが溶接機の代わりにあり、集光レーザビームを電池キャップ４０３が缶体４０２と接触する場所に向ける。電子機器９１２は、回転治具９０４および溶接機（すなわち集光レーザ）９０８を制御して、溶接機（すなわち集光レーザ）９０８が電池缶体４０２を電池キャップ４０３に溶接している間に、缶体４０２／電池キャップ４０３をそれらの中心軸８１４を中心に回転させる。全回転中に缶体４０２を電池キャップ４０３に溶接することによって、電池キャップ４０３は缶体４０２に取り付けられ、それに密閉される。
【0048】
図８および図９の概念は、溶接のために一度に３つ以上の電池を受ける溶接機を作るために拡張することができる。さらに、そのような溶接機に一群の電池を挿入し、溶接後に電池を溶接機から取り外すための自動化を確立することができる。これらの機械は、本発明による電池の製造に使用される組み立てラインの一部を形成してもよい。
【0049】
前述の明細書において、本開示は特定の実施形態を参照して説明されてきた。しかしながら、当業者には理解されるように、本明細書に開示された様々な実施形態は、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な他の方法で修正または実施できる。したがって、この説明は例示と見なされるべきであり、開示されたシステム、方法、およびコンピュータプログラム製品の様々な実施形態を作成および使用する方法を当業者に教示することを目的としている。本明細書に示し説明した開示の形態は代表的な実施形態として解釈されるべきであることを理解されたい。同等の要素、材料、プロセスまたはステップは、本明細書において代表的に例示および記載されたものに置換されてもよい。さらに、本開示のこの説明の利益を得た後に当業者には明らかになるように、本開示の幾つかの特徴を他の特徴の使用とは独立して利用することができる。
【0050】
本明細書で使用されるとき、用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」またはその文脈上の変形は、非排他的な包含を含むことを意図している。例えば、要素のリストを備えるプロセス、製品、物品、または装置は必ずしもそれらの要素のみに限定されず、明示的に列挙されていない、またはそのようなプロセス、製品、物品、または装置に固有の他の要素を含み得る。さらに、そうでないと明示的に述べられていない限り、「または」は包含的な「または」を指し、排他的な「または」を指すのではない。例えば、条件「ＡまたはＢ」は以下の、Ａが真（または存在）かつＢが偽（または存在しない）、Ａが偽（または存在しない）かつＢが真（または存在）、ならびにＡおよびＢの両方が真（または存在）のいずれか１つによって満たされる。
【0051】
ステップ、動作、または計算は特定の順序で提示されてもよいが、この順序は異なる実施形態では変更されてもよい。幾つかの実施形態では、本明細書において複数のステップが連続して示されている限りにおいて、代替実施形態におけるそのようなステップの幾つかの組み合わせは同時に実行されてもよい。本明細書に記載されている一連の動作は、中断され、一時停止され、逆にされ、または他の方法で制御され得る。
【0052】
特定の用途により有用であるように、図面／図に描かれた要素のうちの１つ以上がより分離されたまたは統合された方法で実施され、あるいは場合によっては除去または動作不能とされ得る。さらに、図面／図における任意の信号の矢印は単に例示的であり、他に特にそうでない限り限定的ではないと考慮されるべきである。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】