JP4459559B2

JP4459559B2 - Sealed battery

Info

Publication number: JP4459559B2
Application number: JP2003174466A
Authority: JP
Inventors: 幹男小熊; 高久鳥塚; 欣也青田; 晃二佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd; Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Resonac Corp
Priority date: 2003-06-19
Filing date: 2003-06-19
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2023-06-19
Also published as: JP2005011673A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、密閉型電池に係り、特に、中央に平面部を有する皿状の導電性ダイヤフラムと、上方に突起が形成され該突起の中央に平面部を有する導電性接続板とが平面部同士で電気的・機械的に接続された防爆機構を備える密閉型電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、密閉型電池は家電製品に汎用されており、最近では、密閉型電池の中でも特にリチウム電池が数多く用いられるに至っている。リチウム電池はエネルギ密度が高いことから、電気自動車（ＥＶ）又はハイブリッド車（ＨＥＶ）の車載電源としても開発が進められている。しかし、密閉型電池は充電装置の故障などによって過充電状態に陥ると、電池内圧が極端に上昇することがある。このため、ダイヤフラム（防爆弁）と、ダイヤフラムより電池の内側に配置され薄肉部を有するリード板取付部材とが接合された防爆機構を有する電池が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この電池では、電池内圧が上昇した場合に、ダイヤフラムとリード板取付部材との接合部又は薄肉部が剥離又は破断することで電流が遮断される。
【０００３】
リチウム電池で防爆機構を正極側に組込む場合は、一般にアルミニウム合金製のダイヤフラムとリード板取付部材とが用いられており、ダイヤフラム及びリード板取付部材の接合には、例えば抵抗溶接やレーザ溶接が採用されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平第７−１０５９３３号公報（図１、段落番号「００１５」〜「００２０」）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１の技術では、電流を遮断する際に、ダイヤフラムの側が破断すると、破断部から電池内部のガスや電解液が漏出することがあるため、リード板取付部材の剥離又は破断を確保する必要があり、リード板取付部材に予め薄肉部を形成する必要があるのでコスト高となる、という問題がある。
【０００６】
また、ダイヤフラム及びリード板取付部材の接合に抵抗溶接を採用する場合は、アルミニウム合金の表面に生成される酸化皮膜の影響を受けて接合が不安定になりやすく、品質の維持が困難である。
【０００７】
更に、大きな充放電電流が流れる電池の場合では、抵抗溶接によって生成するナゲットを大きくする必要があるが、ナゲットの大きさは接合する板の厚さによって限界があるので、大きな充放電流が流れる電池には採用できない、という問題がある。レーザ溶接を採用する場合は多数のパルスで接合することによって大電流にも対応できるが、アルミニウム合金の表面はレーザ光の反射率が高いため効率が低い上、表面状態によって吸収されるエネルギが変動するため、抵抗溶接と同様に、接合が不安定になりやすく接合装置が高価なため低コスト化が困難である、という問題がある。
【０００８】
本発明は、上記事案に鑑み、低コストで信頼性の高い防爆機構を有する密閉型電池を提供することを課題とする。
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、中央に平面部を有する皿状の導電性ダイヤフラムと、上方に突起が形成され該突起の中央に平面部を有する導電性接続板とが前記平面部同士で電気的・機械的に接続された防爆機構を備える密閉型電池であって、前記平面部同士は、摩擦攪拌接合によって前記接続板側から接合されており、前記接続板は、前記摩擦攪拌接合によって接合された近傍の板厚が前記ダイヤフラムの厚さより小さいことを特徴とする。
【００１０】
本発明では、ダイヤフラムと接続板との平面部同士は、摩擦攪拌接合によって接合されているので、塑性流動による結晶の微細化が生じ、接合の安定性が向上し防爆機構の作動圧が一定の信頼性の高い防爆機構を得ることができると共に、平面部同士が接続板側から摩擦攪拌接合されているので、薄肉の接続板を用いることで、接合時とは別に薄肉部を形成する必要がないため、低コスト化を図ることができ、接続板の接合された近傍の板厚がダイヤフラムの厚さより小さいため、電池内圧上昇時に接続板の接合された近傍が破断するので、電池内容物の漏出を防止することができる。
【００１１】
この場合において、ダイヤフラム及び接続板の平面部同士を円形状に接合すれば、接合面積を大きくすることができるので、大電流用とすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明が適用可能な密閉円筒型リチウムイオン二次電池の実施の形態について説明する。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の密閉円筒型リチウムイオン二次電池３０（以下、二次電池３０と略称する。）は、電極捲回群１１を備えている。電極捲回群１１は、負極端子を兼ねる有底円筒状の電池缶１５内の中央に収容されており、正極板と負極板とをポリエチレン製微多孔薄膜のセパレータを介してガラス入り樹脂製軸芯の周りに捲回されている。
【００１４】
正極は、スピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物（ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）又は層状岩塩型構造を有するＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４のリチウムサイト又はマンガンサイトを他の金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン遷移金属複合酸化物の粉末、導電材の炭素材料、結着剤のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）及び粘度調整溶媒としてｎ−メチルピロリドンを混合し、コーネルデスパで均一分散、混練して得た正極活物質合剤を正極集電体のアルミニウム箔の両表面に均一に塗布、乾燥、所定寸法にプレスして、集電するための一部を残し短冊状に裁断して得られたものである。
【００１５】
一方、負極は、黒鉛又は炭素、結着剤のＰＶＤＦ及び粘度調整溶媒としてｎ−メチルピロリドンを混合し、コーネルデスパで均一分散、混練して得た負極活物質合剤を負極集電体の銅箔の両表面に均一に塗布、乾燥、所定寸法にプレス、集電するための一部を残して短冊状に裁断して得られたものである。なお、集電するために残した部分には正、負極タブが形成されている。
【００１６】
正極タブ及び負極タブは電極捲回群１１の互いに反対側の両端面に位置するように配置されている。軸芯の下端には、集電用の負極集電リングが固定されており、負極集電リングの周縁部には負極タブが超音波溶接されている。負極集電リングは、電池缶１５に抵抗溶接されている。軸芯の上端には集電用の正極集電リング１８が固定されており、正極集電リング１８の周縁部には正極タブが超音波溶接されている。正極集電リング１８には、短冊状の正極リード板１６の一端が溶接されている。正極リード板１６の他端は、短冊状の正極リード板１９の一端に接続されており、正極リード板１９の他端は、電極捲回群１１の上部に配置された上蓋２０を構成するスプリッタ４の底面に溶接されている。
【００１７】
図２に示すように、上蓋２０は、鉄製でニッケルメッキが施された円板状の上蓋キャップ１を有している。円板の中央には上方に向けて突出した円筒状の突起が形成されている。突起の上面には開口が形成されている。上蓋キャップ１の周縁部は、ダイヤフラム２の周縁部でカシメられている。ダイヤフラム２は、アルミニウム合金製で下方に底部が形成された皿状の形状を有している。皿状の底部は平面状でありダイヤフラム２の中央に平面部を形成している。ダイヤフラム２の平面部と周縁部との間には、薄肉化されており電池内圧が所定圧に達すると開裂する開裂溝８が形成されている。ダイヤフラム２の開裂溝８と周縁部との間の下方には、ダイヤフラム２を支持する断面略Ｔ字状の樹脂製絶縁リング３が配置されている。絶縁リング３の内面側には、絶縁リング３と一体成形されたツメ１０が、３箇所以上形成されている。ダイヤフラム２に沿った扁平ドーナツ形状のスプリッタ４の外周部が、ツメ１０により、ダイヤフラム２の底面と所定間隔を隔てて支持されている。スプリッタ４は、アルミニウム合金製で中央に貫通穴９が形成されている。スプリッタ４の中央部は、上方に突起が形成され突起の中央に平面部を有するアルミニウム合金製の接続板６の周縁部と、ダイヤフラム２の平面部とに、ポリプロピレン樹脂製のブッシュ５を介して狭持されている。ブッシュ５は、円環状でフランジ部を有し、フランジ部がダイヤフラム２の平面部の底面に当接されている。なお、ダイヤフラム２、スプリッタ４、上蓋キャップ１及び接続板６は、プレス加工により形成されている。
【００１８】
図３に示すように、ダイヤフラム２の平面部の底面と、接続板６の平面部の上面とは、スポット式に摩擦攪拌接合により電気的・機械的に接合されている（以下、この摩擦攪拌接合箇所を接合部７という。）。摩擦攪拌接合は、図４に示す合金工具鋼製で円柱状の摩擦攪拌接合ツール２１を用いて行われる。ツール２１を高速で回転させながら被接合部材に押しつけて摩擦熱を発生させ、摩擦熱によって被接合部材の表層を塑性流動させ、ツール２１により攪拌して接合する。ツール２１は、先端側に円柱状ピン１２が突出しており、ピン１２の基部周囲には、ツール２１の角部となるショルダ部１３を有している。また、ピン１２を除いたツール２１の先端面には、ツール２１の外周から中心に向かうにつれ深くなる凹部が形成されている。ツール２１は、不図示のモータに接続されており、所定回転速度で回転可能とされている。また、ツール２１は、回転軸の方向に上下動可能に支持部に固定されている。ダイヤフラム２と接続板６との接続板６側からの接合時には、ツール２１の上下動によりツール２１のショルダ部１３が接続板６に食い込み、ショルダ部１３が食い込んだ部分の接続板６の残厚ｔが、ダイヤフラム２の板厚ｔｄより小さくなるように設定されている。ダイヤフラム２は、二次電池３０の内圧が大気圧以上の所定圧になったときに作動（接続板６側が破断しダイヤフラム２が上蓋キャップ１側に反転）するように設定されており、防爆装置として機能する。
【００１９】
ダイヤフラム２のスプリッタ４が沿う部分と、スプリッタ４とが、図１に示した正極集電リング１８内に収容されている。スプリッタ４の底面と正極集電リング１８の内面とで画定された空間Ｓは、電池の高さ方向で中央部より周部の方が大きい。図１に示した正極リード片１６は、空間Ｓの周部近傍で折り曲げられて収容されている。
【００２０】
電池缶１５内に非水電解液が所定量注入された後、上蓋２０の周縁部と電池缶１５とはガスケット１７を介してカシメられて電池内が密閉されている。非水電解液には、例えば、６フッ化リン酸リチウムや４フッ化ホウ酸リチウムをエチレンカーボネート、ジメチルカーボネートなどの有機溶媒に１モル／リットル程度溶解した電解液が用いられている。
【００２１】
次に、本実施形態の二次電池３０の作用等について説明する。
【００２２】
本実施形態の二次電池３０は、ダイヤフラム２と、接続板６との平面部同士は、摩擦攪拌接合によって接合されている。このため、塑性流動による結晶の微細化を生ずるので、接合部７の安定性が向上し、ダイヤフラム２の作動圧が一定の防爆装置を得ることができる。従って、確実に一定の作動圧でダイヤフラム２が反転する信頼性の高い二次電池３０を得ることができる。また、摩擦攪拌接合では、従来の溶接に比べて低温で金属部材同士を接合することができる。このため、摩擦攪拌接合時のダイヤフラム２及び接続板６の変形を抑制することができるので、変形の少ない部材を用いて信頼性に優れた防爆装置を作製することができる。
【００２３】
更に、本実施形態の二次電池３０は、接続板６側からツール２１を押し当てて摩擦攪拌接合する。このため、摩擦攪拌接合時にツール２１のショルダ部１３が接続板２に食い込ませて、接続板６の残厚ｔをダイヤフラム２の板厚ｔｄより小さくすることができる。従って、摩擦攪拌接合時とは別に接続板６を薄くする工程が不要なので、二次電池３０の生産コストを低減することができる。
【００２４】
また、本実施形態の二次電池３０では、接続板６の残厚ｔはダイヤフラム２の板厚ｔｄより小さい。このため、一定の作動圧で、ダイヤフラム２より接続板６の残厚ｔの箇所が破断するので、電池内のガスや非水電解液の漏出を防止しすることができる。従って、ガスや非水電解液による二次電池３０の周辺機器の劣化を抑制することができる。
【００２５】
更にまた、ダイヤフラム２の作動圧は大気圧より大きいので、一旦ダイヤフラム２が反転すれば、大気圧でダイヤフラム２は元の形状には戻らず、接続板６がダイヤフラム２に再度電気的に接触することもない。このため、安全性に優れた電池とすることができる。
【００２６】
更に、二次電池３０の内圧が更に上昇すると、ダイヤフラム２には薄肉化された開裂溝８が形成されているので、開裂溝８が内圧により開裂される。電池缶１５内のガスは、スプリッタ４に形成された貫通穴、開裂溝８の開裂箇所、上蓋キャップ１に形成された開口を経て外部へ開放される。従って、安全に二次電池３０を使用不能状態とすることができる。
【００２７】
なお、本実施形態では、ダイヤフラム２及び接続板６の平面部同士を、スポット式に摩擦攪拌接合する例を示したが、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明をより大型の二次電池に適用する場合には、ダイヤフラム２及び接続板６の平面部同士を重ね合わせ不図示の載置台上に載置して固定し、接続板６側からツール２１を回転させながら押し当てて、ツール２１による接合部２７が直径Ｄの円形状となるように載置台を回転するようにしてもい。このようにすれば、ダイヤフラム２及び接続板６の通電断面積を大きくすることができるので、大電流用の電池とすることができる。電池は、用途に応じて要求される最大充放電電流値や通電パターンが異なるので、接合部の温度上昇が実用上問題ない範囲に収まるように直径Ｄを設定すればよい。
【００２８】
また、本実施形態では、ダイヤフラム２、接続板６及びスプリッタ４の材質にアルミニウム合金を用いる例を示したが、これに限定されるものではなく、アルミニウム、ニッケル合金、導電性プラスチックなどの他の導電性材質を使用するようにしてもよい。
【００２９】
そして、本実施形態では、先端側にピン１２が突出するツール２１を用いて摩擦攪拌接合する例を示したが、接続板６側を薄くすることができれば、ピン１２の形状は限定されず、例えば、ピン１２の長さを短くしてもよい。これにより、より薄い部材の接合に対応することができる。
【００３０】
【実施例】
次に、上記実施形態に従って作製した実施例の二次電池について説明する。比較のために作製した電池についても併記する。
【００３１】
（比較例１）
下表１に示すように、比較例１では、ダイヤフラムに厚さ０．６ｍｍのアルミニウム合金Ａ３００３−Ｈ１４、接続板に厚さ０．８ｍｍのアルミニウム合金Ａ３００３−Ｈ１４を用い、ショルダ径３ｍｍ、ピン径１ｍｍ、ピンの長さ１ｍｍのツールを使用し、接続板の残厚ｔが０．７０ｍｍ、容量６Ａｈ、電池の外径４０ｍｍ、電池の高さ１１０ｍｍ、最大充放電電流３０Ａの電池を作製した。
【００３２】
【表１】

【００３３】
（比較例２）
表１に示すように、比較例２では、接続板の残厚ｔを０．６０ｍｍとした以外は比較例１と同様に電池を作製した。
【００３４】
（実施例１）
表１に示すように、実施例１では、接続板の残厚ｔを０．５５ｍｍとした以外は比較例１と同様に電池を作製した。
【００３５】
（実施例２）
表１に示すように、実施例２では、接続板の残厚ｔを０．５０ｍｍとした以外は比較例１と同様に電池を作製した。
【００３６】
＜試験＞
上述したように作製した実施例及び比較例の電池をそれぞれ１００個ずつ準備し、６Ａの電流値で過充電したときの防爆装置の動作を調べた。下表２に試験結果を示す。
【００３７】
【表２】

【００３８】
比較例１及び比較例２の電池では、ダイヤフラム側が破断することがあったのに対し、実施例１及び実施例２の電池では、ダイヤフラム側が破断することはなかった。従って、接続板の残厚ｔをダイヤフラムの板厚ｔｄより小さくすることで、確実に接続板側を破断することができることが確かめられた。
【００３９】
（比較例３）
下表３に示すように、比較例３では、ダイヤフラムに板厚１．６ｍｍのアルミニウム合金Ａ３００３−Ｈ１４、接続板に厚さ１．６ｍｍのアルミニウム合金Ａ３００３−Ｈ１４を用い、ショルダ径６ｍｍ、ピン径２ｍｍ、ピンの長さ１．８ｍｍのツールを使用し、接続板の残厚ｔを１．２ｍｍ、直径Ｄを２ｍｍ、容量３０Ａｈ、電池の外径６７ｍｍ、電池の高さ１３５ｍｍ、最大充放電電流３００Ａの電池を作製した。
【００４０】
【表３】

【００４１】
（比較例４）
表３に示すように、比較例４では、直径Ｄを４ｍｍとした以外は比較例３と同様に電池を作製した。
【００４２】
（実施例３）
表３に示すように、実施例３では、直径Ｄを６ｍｍとした以外は比較例３と同様に電池を作製した。
【００４３】
（実施例４）
表３に示すように、実施例４では、直径Ｄを８ｍｍとした以外は比較例３と同様に電池を作製した。
【００４４】
＜試験＞
上述したように作製した実施例及び比較例の電池をそれぞれ１０個ずつ準備し、２５゜Ｃの恒温槽中で３０Ａ充電と３００Ａ放電を繰り返し行って接合部の温度を赤外線温度計で測定し、平均値を調べた。下表４に試験結果を示す。
【００４５】
【表４】

【００４６】
表４に示すように、比較例３及び比較例４の電池では、最高温度が１００゜Ｃを超えたのに対し、実施例３及び実施例４の電池では、１００゜Ｃ以下に抑えることができ、高温による接合部の劣化のおそれがないことが判明した。また、３０Ａの電流で過充電したときに、防爆装置が確実に作動することも確かめられた。従って、実施例３及び実施例４の電池は、摩擦攪拌接合の直径Ｄを６ｍｍ以上とすることで、大電流の充放電に適すると共に、過充電時の安全性に優れていることが判明した。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ダイヤフラムと接続板との平面部同士は、摩擦攪拌接合によって接合されているので、塑性流動による結晶の微細化が生じ、接合の安定性が向上し防爆機構の作動圧が一定の信頼性の高い防爆機構を得ることができると共に、平面部同士が接続板側から摩擦攪拌接合されているので、薄肉の接続板を用いることで、接合時とは別に薄肉部を形成する必要がないため、低コスト化を図ることができ、接続板の接合された近傍の板厚がダイヤフラムの厚さより小さいため、電池内圧上昇時に接続板の接合された近傍が破断するので、電池内容物の漏出を防止することができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な実施形態の密閉円筒型リチウムイオン二次電池の断面図である。
【図２】実施形態の密閉円筒型リチウムイオン二次電池の上蓋の断面図である。
【図３】密閉円筒型リチウムイオン二次電池のダイヤフラムと接続板との接合部の拡大断面図である。
【図４】実施形態の摩擦攪拌接合に用いるツールの先端部の一部破断断面図である。
【図５】本発明が適用可能な大型の密閉円筒型リチウムイオン二次電池のダイヤフラムと接続板との接合部の拡大図であり、（Ａ）は接続板側から見た平面図、（Ｂ）は断面図である。
【符号の説明】
２ダイヤフラム（防爆機構の一部）
６接続板（防爆機構の一部）
７、２７接合部
２０上蓋
３０密閉円筒型リチウムイオン二次電池（密閉型電池）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sealed battery, and in particular, a plate-shaped conductive diaphragm having a flat portion at the center and a conductive connection plate having a protrusion formed above and having a flat portion at the center of the protrusion. The present invention relates to a sealed battery having an explosion-proof mechanism electrically and mechanically connected.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, sealed batteries have been widely used in home appliances, and recently, lithium batteries, in particular, have been used in many cases among sealed batteries. Since the lithium battery has a high energy density, the lithium battery is being developed as an in-vehicle power source for an electric vehicle (EV) or a hybrid vehicle (HEV). However, when the sealed battery falls into an overcharged state due to a failure of the charging device or the like, the battery internal pressure may extremely increase. For this reason, a battery having an explosion-proof mechanism in which a diaphragm (explosion-proof valve) and a lead plate attachment member having a thin wall portion disposed inside the battery from the diaphragm are joined has been proposed (for example, see Patent Document 1). In this battery, when the internal pressure of the battery rises, the current is interrupted by peeling or breaking the joint or thin part between the diaphragm and the lead plate mounting member.
[0003]
When an explosion-proof mechanism is incorporated on the positive electrode side in a lithium battery, an aluminum alloy diaphragm and a lead plate mounting member are generally used. For example, resistance welding or laser welding is used to join the diaphragm and the lead plate mounting member. Has been.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-105933 (FIG. 1, paragraph numbers “0015” to “0020”)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the technique of Patent Document 1, when the current is interrupted, if the diaphragm side breaks, the gas or electrolyte inside the battery may leak from the breakage part. There is a problem that it is necessary to ensure and a thin portion needs to be formed in advance on the lead plate mounting member, resulting in high costs.
[0006]
Further, when resistance welding is employed for joining the diaphragm and the lead plate mounting member, the joining tends to be unstable due to the influence of an oxide film formed on the surface of the aluminum alloy, and it is difficult to maintain quality.
[0007]
Furthermore, in the case of a battery in which a large charge / discharge current flows, it is necessary to increase the nugget generated by resistance welding. However, since the nugget size is limited by the thickness of the plates to be joined, a large charge / discharge current flows. There is a problem that it cannot be used for batteries. When laser welding is used, large currents can be accommodated by joining with a large number of pulses, but the aluminum alloy surface has low efficiency due to the high reflectance of laser light, and the energy absorbed varies depending on the surface condition. Therefore, like resistance welding, there is a problem that it is difficult to reduce the cost because the joining tends to be unstable and the joining device is expensive.
[0008]
An object of the present invention is to provide a sealed battery having a low-cost and highly reliable explosion-proof mechanism in view of the above-mentioned case.
[0009]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a plate-like conductive diaphragm having a flat portion at the center, and a conductive connecting plate having a protrusion formed above and having a flat portion at the center of the protrusion. A sealed battery having an explosion-proof mechanism electrically and mechanically connected to each other, wherein the flat portions are joined from the connecting plate side by friction stir welding, and the connecting plate is friction stir The thickness of the vicinity joined by joining is smaller than the thickness of the diaphragm.
[0010]
In the present invention, since the flat portions of the diaphragm and the connection plate are joined by friction stir welding, crystal refinement occurs due to plastic flow, the stability of the joining is improved, and the operating pressure of the explosion-proof mechanism is constant. A highly reliable explosion-proof mechanism can be obtained, and the flat portions are friction stir welded from the connecting plate side, so it is necessary to form a thin portion separately from the joining by using a thin connecting plate. Therefore, the cost of the battery can be reduced, and the thickness of the vicinity of the connection plate joined is smaller than the thickness of the diaphragm. Leakage can be prevented.
[0011]
In this case, when bonding the flat portions of the dust Iyafuramu and connecting plate into a circular shape, the bonding area can be increased, it can be for a large current.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a sealed cylindrical lithium ion secondary battery to which the present invention can be applied will be described with reference to the drawings.
[0013]
As shown in FIG. 1, the sealed cylindrical lithium ion secondary battery 30 (hereinafter abbreviated as a secondary battery 30) of the present embodiment includes an electrode winding group 11. The electrode winding group 11 is accommodated in the center of a bottomed cylindrical battery can 15 that also serves as a negative electrode terminal, and the positive electrode plate and the negative electrode plate are made of a glass-filled resin shaft through a polyethylene microporous thin film separator. It is wound around the core.
[0014]
The positive electrode is a lithium manganese complex oxide (LiMnO ₂ , LiMn ₂ O ₄ ) having a spinel structure or LiMnO ₂ having a layered rock salt structure, LiMn ₂ O ₄ lithium sites or manganese sites substituted or doped with other metal elements Obtained by mixing lithium manganese transition metal composite oxide powder, conductive carbon material, polyvinylidene fluoride (PVDF) binder and n-methylpyrrolidone as viscosity adjusting solvent, and uniformly dispersing and kneading with Cornel Despa. The positive electrode active material mixture was uniformly applied to both surfaces of the aluminum foil of the positive electrode current collector, dried, pressed to a predetermined size, and cut into a strip shape, leaving a part for current collection. It is.
[0015]
On the other hand, the negative electrode is obtained by mixing graphite or carbon, PVDF as a binder and n-methylpyrrolidone as a viscosity adjusting solvent, uniformly dispersing and kneading with Cornel Despa, and using the negative electrode active material mixture as copper for the negative electrode current collector. It was obtained by uniformly coating on both surfaces of the foil, drying, pressing to a predetermined size, and cutting into strips leaving a part for current collection. Note that positive and negative electrode tabs are formed in the portions left for current collection.
[0016]
The positive electrode tab and the negative electrode tab are disposed so as to be located on both end surfaces on the opposite sides of the electrode winding group 11. A negative electrode current collecting ring for current collection is fixed to the lower end of the shaft core, and a negative electrode tab is ultrasonically welded to the peripheral edge of the negative electrode current collecting ring. The negative electrode current collecting ring is resistance-welded to the battery can 15. A positive current collecting ring 18 for collecting current is fixed to the upper end of the shaft core, and a positive electrode tab is ultrasonically welded to the peripheral edge of the positive current collecting ring 18. One end of a strip-shaped positive electrode lead plate 16 is welded to the positive electrode current collecting ring 18. The other end of the positive electrode lead plate 16 is connected to one end of a strip-like positive electrode lead plate 19, and the other end of the positive electrode lead plate 19 is a splitter that constitutes an upper lid 20 disposed above the electrode winding group 11. 4 is welded to the bottom surface.
[0017]
As shown in FIG. 2, the upper lid 20 has a disk-shaped upper lid cap 1 made of iron and plated with nickel. A cylindrical projection protruding upward is formed at the center of the disk. An opening is formed on the upper surface of the protrusion. The peripheral edge of the upper lid cap 1 is crimped by the peripheral edge of the diaphragm 2. The diaphragm 2 is made of an aluminum alloy and has a dish-like shape with a bottom portion formed below. The dish-shaped bottom portion is flat and forms a flat portion in the center of the diaphragm 2. Between the flat surface portion and the peripheral edge portion of the diaphragm 2, there is formed a cleavage groove 8 that is thinned and is cleaved when the battery internal pressure reaches a predetermined pressure. A resin insulating ring 3 having a substantially T-shaped cross section for supporting the diaphragm 2 is disposed below the cleavage groove 8 and the peripheral edge of the diaphragm 2. Three or more claws 10 formed integrally with the insulating ring 3 are formed on the inner surface side of the insulating ring 3. The outer periphery of the flat donut-shaped splitter 4 along the diaphragm 2 is supported by a claw 10 at a predetermined distance from the bottom surface of the diaphragm 2. The splitter 4 is made of an aluminum alloy, and a through hole 9 is formed at the center. The central portion of the splitter 4 is formed on a peripheral portion of an aluminum alloy connecting plate 6 having a projection formed on the upper portion and having a flat portion at the center of the projection and a flat portion of the diaphragm 2 via a bush 5 made of polypropylene resin. It is pinched. The bush 5 is annular and has a flange portion, and the flange portion is in contact with the bottom surface of the flat portion of the diaphragm 2. The diaphragm 2, the splitter 4, the upper lid cap 1, and the connection plate 6 are formed by pressing.
[0018]
As shown in FIG. 3, the bottom surface of the flat surface portion of the diaphragm 2 and the top surface of the flat surface portion of the connection plate 6 are electrically and mechanically joined in a spot manner by friction stir welding (hereinafter, this friction stir welding). The joint portion is referred to as a joint portion 7). The friction stir welding is performed using a columnar friction stir welding tool 21 made of alloy tool steel shown in FIG. The tool 21 is pressed against the member to be joined while rotating at a high speed to generate frictional heat, the surface layer of the member to be joined is plastically flowed by the frictional heat, and the tool 21 is agitated and joined. The tool 21 has a cylindrical pin 12 protruding from the tip side, and has a shoulder portion 13 that becomes a corner portion of the tool 21 around the base portion of the pin 12. In addition, a concave portion that is deeper from the outer periphery to the center of the tool 21 is formed on the tip surface of the tool 21 excluding the pin 12. The tool 21 is connected to a motor (not shown) and is rotatable at a predetermined rotational speed. The tool 21 is fixed to the support portion so as to be movable up and down in the direction of the rotation axis. When the diaphragm 2 and the connection plate 6 are joined from the connection plate 6 side, the shoulder portion 13 of the tool 21 bites into the connection plate 6 by the vertical movement of the tool 21, and the remaining thickness of the connection plate 6 where the shoulder portion 13 bites in. t is set to be smaller than the plate thickness td of the diaphragm 2. The diaphragm 2 is set to operate when the internal pressure of the secondary battery 30 reaches a predetermined pressure equal to or higher than the atmospheric pressure (the connection plate 6 side is broken and the diaphragm 2 is reversed to the upper lid cap 1 side). Function as.
[0019]
The portion along the splitter 4 of the diaphragm 2 and the splitter 4 are accommodated in the positive electrode current collecting ring 18 shown in FIG. The space S defined by the bottom surface of the splitter 4 and the inner surface of the positive electrode current collecting ring 18 is larger in the circumferential portion than in the central portion in the height direction of the battery. The positive electrode lead piece 16 shown in FIG. 1 is housed by being bent near the periphery of the space S.
[0020]
After a predetermined amount of non-aqueous electrolyte is injected into the battery can 15, the peripheral portion of the upper lid 20 and the battery can 15 are crimped via a gasket 17 to seal the inside of the battery. As the nonaqueous electrolytic solution, for example, an electrolytic solution in which about 6 mol / liter of lithium hexafluorophosphate or lithium tetrafluoroborate is dissolved in an organic solvent such as ethylene carbonate or dimethyl carbonate is used.
[0021]
Next, the operation and the like of the secondary battery 30 of the present embodiment will be described.
[0022]
In the secondary battery 30 of the present embodiment, the flat portions of the diaphragm 2 and the connection plate 6 are joined by friction stir welding. For this reason, since refinement | miniaturization of the crystal | crystallization by plastic flow arises, the stability of the junction part 7 improves, and the explosion-proof device with the fixed operating pressure of the diaphragm 2 can be obtained. Therefore, it is possible to obtain a highly reliable secondary battery 30 in which the diaphragm 2 is reversed with a certain operating pressure. Moreover, in friction stir welding, metal members can be joined at a lower temperature than in conventional welding. For this reason, since the deformation of the diaphragm 2 and the connecting plate 6 at the time of friction stir welding can be suppressed, an explosion-proof device having excellent reliability can be manufactured using a member with little deformation.
[0023]
Furthermore, the secondary battery 30 of this embodiment presses the tool 21 from the connection plate 6 side and performs friction stir welding. For this reason, the shoulder part 13 of the tool 21 bites into the connection plate 2 at the time of friction stir welding, and the remaining thickness t of the connection plate 6 can be made smaller than the plate thickness td of the diaphragm 2. Accordingly, since the process of thinning the connection plate 6 is not required separately from the friction stir welding, the production cost of the secondary battery 30 can be reduced.
[0024]
Further, in the secondary battery 30 of this embodiment, the remaining thickness t of the connection plate 6 is smaller than the plate thickness td of the diaphragm 2. For this reason, since the location of the remaining thickness t of the connection plate 6 is broken from the diaphragm 2 at a constant operating pressure, leakage of gas and nonaqueous electrolyte in the battery can be prevented. Therefore, it is possible to suppress deterioration of peripheral devices of the secondary battery 30 due to gas or non-aqueous electrolyte.
[0025]
Furthermore, since the operating pressure of the diaphragm 2 is larger than the atmospheric pressure, once the diaphragm 2 is reversed, the diaphragm 2 does not return to its original shape at the atmospheric pressure, and the connecting plate 6 comes into electrical contact with the diaphragm 2 again. There is nothing. For this reason, it can be set as the battery excellent in safety | security.
[0026]
Further, when the internal pressure of the secondary battery 30 further increases, the diaphragm 2 is formed with the thinned cleavage groove 8, so that the cleavage groove 8 is cleaved by the internal pressure. The gas in the battery can 15 is released to the outside through a through hole formed in the splitter 4, a cleavage location of the cleavage groove 8, and an opening formed in the upper lid cap 1. Therefore, the secondary battery 30 can be safely disabled.
[0027]
In addition, in this embodiment, although the flat part of the diaphragm 2 and the connection board 6 was shown in the spot type friction stir welding, as shown to FIG. 5 (A) and (B), this invention is made more. When applied to a large-sized secondary battery, the flat portions of the diaphragm 2 and the connection plate 6 are overlapped and mounted on a mounting table (not shown), and the tool 21 is rotated from the connection plate 6 side. The mounting table may be rotated by pressing so that the joint 27 by the tool 21 has a circular shape with a diameter D. By doing so, the energization cross-sectional areas of the diaphragm 2 and the connection plate 6 can be increased, so that a battery for large current can be obtained. Since the battery has different maximum charge / discharge current values and energization patterns required depending on the application, the diameter D may be set so that the temperature rise at the junction is within a practically acceptable range.
[0028]
Moreover, in this embodiment, although the example which uses an aluminum alloy for the material of the diaphragm 2, the connection board 6, and the splitter 4 was shown, it is not limited to this, Other things, such as aluminum, a nickel alloy, and a conductive plastic, are shown. A conductive material may be used.
[0029]
And in this embodiment, although the example which carries out friction stir welding using the tool 21 which the pin 12 protrudes to the front end side was shown, if the connection board 6 side can be made thin, the shape of the pin 12 will not be limited, For example, the length of the pin 12 may be shortened. Thereby, it can respond to joining of a thinner member.
[0030]
【Example】
Next, the secondary battery of the Example produced according to the said embodiment is demonstrated. A battery manufactured for comparison is also shown.
[0031]
(Comparative Example 1)
As shown in Table 1 below, in Comparative Example 1, an aluminum alloy A3003-H14 having a thickness of 0.6 mm is used for the diaphragm, and an aluminum alloy A3003-H14 having a thickness of 0.8 mm is used for the connection plate. Using a tool of 1 mm and a pin length of 1 mm, a battery with a remaining thickness t of the connection plate of 0.70 mm, a capacity of 6 Ah, a battery outer diameter of 40 mm, a battery height of 110 mm, and a maximum charge / discharge current of 30 A was produced.
[0032]
[Table 1]

[0033]
(Comparative Example 2)
As shown in Table 1, in Comparative Example 2, a battery was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the remaining thickness t of the connection plate was 0.60 mm.
[0034]
Example 1
As shown in Table 1, in Example 1, a battery was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1 except that the remaining thickness t of the connection plate was changed to 0.55 mm.
[0035]
(Example 2)
As shown in Table 1, in Example 2, a battery was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the remaining thickness t of the connection plate was 0.50 mm.
[0036]
<Test>
100 batteries of Examples and Comparative Examples prepared as described above were prepared, and the operation of the explosion-proof device when overcharged with a current value of 6 A was examined. The test results are shown in Table 2 below.
[0037]
[Table 2]

[0038]
In the batteries of Comparative Examples 1 and 2, the diaphragm side sometimes broke, whereas in the batteries of Examples 1 and 2, the diaphragm side did not break. Therefore, it was confirmed that the connection plate side can be reliably broken by making the remaining thickness t of the connection plate smaller than the plate thickness td of the diaphragm.
[0039]
(Comparative Example 3)
As shown in Table 3 below, in Comparative Example 3, an aluminum alloy A3003-H14 with a plate thickness of 1.6 mm is used for the diaphragm, and an aluminum alloy A3003-H14 with a thickness of 1.6 mm is used for the connection plate, a shoulder diameter of 6 mm, a pin diameter Using a tool of 2 mm and a pin length of 1.8 mm, the remaining thickness t of the connecting plate is 1.2 mm, the diameter D is 2 mm, the capacity is 30 Ah, the battery outer diameter is 67 mm, the battery height is 135 mm, and the maximum charge / discharge current A 300 A battery was produced.
[0040]
[Table 3]

[0041]
(Comparative Example 4)
As shown in Table 3, in Comparative Example 4, a battery was produced in the same manner as Comparative Example 3 except that the diameter D was 4 mm.
[0042]
(Example 3)
As shown in Table 3, in Example 3, a battery was produced in the same manner as in Comparative Example 3 except that the diameter D was 6 mm.
[0043]
Example 4
As shown in Table 3, in Example 4, a battery was produced in the same manner as in Comparative Example 3 except that the diameter D was 8 mm.
[0044]
<Test>
Prepare 10 batteries for each of the examples and comparative examples prepared as described above, repeat 30A charge and 300A discharge in a thermostat at 25 ° C, and measure the temperature of the joint with an infrared thermometer. The average value was examined. The test results are shown in Table 4 below.
[0045]
[Table 4]

[0046]
As shown in Table 4, in the batteries of Comparative Examples 3 and 4, the maximum temperature exceeded 100 ° C, whereas in the batteries of Examples 3 and 4, the temperature was suppressed to 100 ° C or less. It was found that there was no risk of deterioration of the joint due to high temperature. It was also confirmed that the explosion-proof device operates reliably when overcharged with a current of 30A. Therefore, the batteries of Example 3 and Example 4 were found to be suitable for charging / discharging of a large current and having excellent safety during overcharging by setting the diameter D of the friction stir welding to 6 mm or more. .
[0047]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the flat portions of the diaphragm and the connection plate are joined by friction stir welding, crystal refinement occurs due to plastic flow, and the stability of the joining is improved. A reliable explosion-proof mechanism with a constant operating pressure of the explosion-proof mechanism can be obtained, and the flat portions are friction stir welded from the connection plate side, so by using a thin connection plate, Since it is not necessary to form a separate thin part, the cost can be reduced and the thickness of the vicinity of the connection plate joined is smaller than the thickness of the diaphragm. Since it breaks, the effect that the leakage of the battery contents can be prevented can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a sealed cylindrical lithium ion secondary battery according to an embodiment to which the present invention is applicable.
FIG. 2 is a cross-sectional view of an upper lid of the sealed cylindrical lithium ion secondary battery according to the embodiment.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a joint portion between a diaphragm and a connection plate of a sealed cylindrical lithium ion secondary battery.
FIG. 4 is a partially broken cross-sectional view of a tip portion of a tool used for friction stir welding according to the embodiment.
FIG. 5 is an enlarged view of a joint portion between a diaphragm and a connection plate of a large sealed cylindrical lithium ion secondary battery to which the present invention can be applied, (A) is a plan view viewed from the connection plate side; ) Is a cross-sectional view.
[Explanation of symbols]
2 Diaphragm (part of explosion-proof mechanism)
6 Connection board (part of the explosion-proof mechanism)
7, 27 Joint 20 Upper lid 30 Sealed cylindrical lithium ion secondary battery (sealed battery)

Claims

Explosion-proof in which a dish-shaped conductive diaphragm having a flat portion in the center and a conductive connection plate having a protrusion formed above and having a flat portion in the center of the protrusion are electrically and mechanically connected between the flat portions. A sealed battery comprising a mechanism, wherein the flat portions are joined from the side of the connecting plate by friction stir welding, and the connecting plate has a thickness in the vicinity of the diaphragm joined by the friction stir welding. A sealed battery characterized by being smaller than the thickness of the battery.

The sealed battery according to claim 1, wherein the flat portions are joined in a circular shape by the friction stir welding.