电池及其制造方法和成形模具与流程

1.本发明涉及一种电池及其制造方法和成形模具。


背景技术：

2.以往已知具有通过铆接将电极端子和集电体接合的构造的电池。这样的电池例如在日本特开2017-10743号公报等中示出。
3.根据用于铆接接合的成形模具的形状，铆接接合部的形状可能不稳定。在铆接接合部的形状不稳定的情况下，被铆接接合的构件的应变局部变大，可能超过容许的极限值。以往的加工方法从解决上述课题的观点出发未必能说是足够的。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种具有形状稳定的铆接接合部的电池及其制造方法和用于该制造方法的成形模具。
5.本发明的电池具备：导电构件，所述导电构件具有贯通孔；以及端子构件，所述端子构件插入到贯通孔中，具有在导电构件上露出的前端部。形成端子构件的前端部与导电构件的铆接接合部。端子构件的前端部包括具有内周面的凹部。在内周面上形成有内周面相对于端子构件的中心轴的倾斜度发生变化的折弯部。
6.本发明的电池的制造方法具备：将端子构件插入导电构件的贯通孔的工序；以及将端子构件的前端部与导电构件铆接接合的工序。铆接接合的工序包括：准备包括第一锥形部和第二锥形部的成形模具，所述第一锥形部相对于端子构件的中心轴以第一角度倾斜，所述第二锥形部设置在第一锥形部的大径侧，相对于中心轴以比第一角度大的第二角度倾斜；以及使成形模具的第一锥形部与端子构件的前端部相向，使成形模具沿着中心轴移动，将成形模具插入到形成于端子构件的前端部的筒状部中，通过第一锥形部将筒状部的第一部分向径向外侧推压，并且通过第二锥形部将筒状部的第二部分向径向外侧推压，从而使端子构件的前端部扩径。
7.本发明的成形模具是用于将第一构件与第二构件铆接接合并能够插入到形成于第二构件的前端部的筒状部中的成形模具，所述第一构件具有贯通孔，所述第二构件插入到贯通孔中，具有在第一构件上露出的前端部。成形模具具备第一锥形部和第二锥形部，所述第一锥形部相对于第二构件的中心轴以第一角度倾斜，所述第二锥形部设置在第一锥形部的大径侧，相对于中心轴以比第一角度大的第二角度倾斜。
8.根据结合附图理解的关于本发明的以下详细说明，可明确本发明的上述及其他目的、特征、方面和优点。
附图说明
9.图1是方形二次电池的立体图。
10.图2是图1的ii-ii剖视图。
11.图3是构成电极体的正极板的俯视图。
12.图4是构成电极体的负极板的俯视图。
13.图5是表示由正极板和负极板构成的电极体的俯视图。
14.图6是表示电极体与正极集电构件和负极集电构件的连接构造的图。
15.图7是表示正极集电构件和负极集电构件向封口板的安装构造的图。
16.图8是图7的viii-viii剖视图。
17.图9是图7的ix-ix剖视图。
18.图10是表示封口板与电极体连接的状态的图。
19.图11是表示一个实施方式的铆接接合的第一工序的图。
20.图12是图11中的模具前端部的局部放大图。
21.图13是表示一个实施方式的铆接接合的第二工序的图。
22.图14是图13中的模具前端部的局部放大图。
23.图15是表示一个实施方式的铆接接合的第三工序的图。
24.图16是图15中的铆接接合部的局部放大图。
25.图17是表示比较例的铆接接合的第一工序的图。
26.图18是图17中的模具前端部的局部放大图。
27.图19是表示比较例的铆接接合的第二工序的图。
28.图20是图19中的模具前端部的局部放大图。
29.图21是表示比较例的铆接接合的第三工序的图。
30.图22是图21中的铆接接合部的局部放大图。
31.图23是对比表示一个实施方式和比较例的铆接接合的示意图。
32.图24是表示从图23中抽出一个实施方式的铆接接合的图。
33.图25是表示从图23中抽出比较例的铆接接合的图。
34.图26是对铆接接合的中途的应力分布进行说明的图。
35.图27是表示铆接直径与等效总应变最大值的关系的图。
36.图28是用于说明一个实施方式的铆接接合的中途的铆接部的形状的图。
37.图29是用于说明一个实施方式的铆接接合后的铆接部的形状的图。
38.图30是用于说明比较例的铆接接合的中途的铆接部的形状的图。
39.图31是用于说明比较例的铆接接合后的铆接部的形状的图。
40.图32是表示电池壳体外部的铆接部的构造的图。
具体实施方式
41.以下，对本发明的实施方式进行说明。此外，有时对相同或相当的部分标注相同的附图标记，不重复其说明。
42.此外，在以下说明的实施方式中，在提及个数、数量等的情况下，除了特别记载的情况以外，本发明的范围不一定限定于该个数、数量等。另外，在以下的实施方式中，各个构成要素除了特别记载的情况以外，对于本发明而言不一定是必需的。
43.此外，在本说明书中，“具备(comprise)”以及“包括(include)”、“具有(have)”的记载是开放式的。即，在包括某结构的情况下，既可以包括该结构以外的其他结构，也可以
不包括该结构以外的其他结构。另外，本发明不一定限定于实现在本实施方式中提及的所有作用效果。
44.在本说明书中，“电池”不限定于锂离子电池，可以包括镍氢电池等其他电池。在本说明书中，“电极”可以是正极和负极的总称。另外，“电极板”可以是正极板和负极板的总称。
45.图1是方形二次电池1的立体图。图2是图1的ii-ii剖视图。
46.如图1、图2所示，方形二次电池1包括电池壳体100、电极体200、绝缘片300、正极端子400、负极端子500、正极集电构件600、负极集电构件700以及盖构件800。
47.电池壳体100由具有开口的有底方筒状的方形外装体110和将方形外装体110的开口封口的封口板120构成。方形外装体110和封口板120优选分别为金属制，优选为铝或铝合金制。
48.在封口板120上设置有电解液注液孔121。在从电解液注液孔121向电池壳体100内注入了电解液之后，电解液注液孔121被密封构件122密封。作为密封构件122，例如能够使用空心铆钉和其他金属构件。
49.在封口板120上设置有气体排出阀123。气体排出阀123在电池壳体100内的压力达到规定值以上时断裂。由此，电池壳体100内的气体被排出到电池壳体100外。
50.电极体200与电解液一起被收容在电池壳体100内。电极体200是正极板和负极板隔着隔膜层叠而成的。在电极体200与方形外装体110之间配置有树脂制的绝缘片300。
51.在电极体200的封口板120侧的端部设置有正极极耳210a和负极极耳210b。
52.正极极耳210a和正极端子400经由正极集电构件600电连接。正极集电构件600包括第一正极集电体610和第二正极集电体620。此外，正极集电构件600也可以由一个部件构成。正极集电构件600优选为金属制，更优选为铝或铝合金制。
53.负极极耳210b和负极端子500经由负极集电构件700电连接。负极集电构件700包括第一负极集电体710和第二负极集电体720。此外，负极集电构件700也可以由一个部件构成。负极集电构件700优选为金属制，更优选为铜或铜合金制。
54.正极端子400经由树脂制的外部侧绝缘构件410固定于封口板120。负极端子500经由树脂制的外部侧绝缘构件510固定于封口板120。
55.正极端子400优选为金属制，更优选为铝或铝合金制。负极端子500优选为金属制，更优选为铜或铜合金制。负极端子500也可以具有配置在电池壳体100的内部侧的由铜或铜合金构成的区域和配置在电池壳体100的外部侧的由铝或铝合金构成的区域。
56.盖构件800位于第一正极集电体610与电极体200之间。盖构件800也可以设置在负极集电体侧。另外，盖构件800不是必需的构件，能够适当省略。
57.图3是构成电极体200的正极板200a的俯视图。正极板200a具有主体部220a，该主体部220a在由矩形的铝箔构成的正极芯体的两面形成有包含正极活性物质(例如锂镍钴锰复合氧化物等)、粘结材料(聚偏氟乙烯(pvdf)等)以及导电材料(例如碳材料等)的正极活性物质合剂层。正极芯体从主体部的端边突出，该突出的正极芯体构成正极极耳210a。在正极极耳210a中的与主体部220a邻接的部分，设置有包含氧化铝颗粒、粘结材料以及导电材料的正极保护层230a。正极保护层230a具有比正极活性物质合剂层的电阻大的电阻。正极活性物质合剂层也可以不包含导电材料。正极保护层230a也可以不必设置。
58.图4是构成电极体200的负极板200b的俯视图。负极板200b具有主体部220b，该主体部220b在由矩形的铜箔构成的负极芯体的两面形成有负极活性物质层。负极芯体从主体部220b的端边突出，该突出的负极芯体构成负极极耳210b。
59.图5是表示由正极板200a和负极板200b构成的电极体200的俯视图。如图5所示，电极体200被制作成在一个端部层叠各个正极板200a的正极极耳210a，并层叠各个负极板200b的负极极耳210b。正极板200a和负极板200b例如分别重叠50张左右。正极板200a和负极板200b隔着聚烯烃制的矩形的隔膜交替层叠。此外，也可以将长条的隔膜以曲折的方式折叠而使用。
60.图6是表示电极体200与正极集电构件600和负极集电构件700的连接构造的图。如图6所示，电极体200由第一电极体元件201(第一层叠组)和第二电极体元件202(第二层叠组)构成。在第一电极体元件201和第二电极体元件202的外表面也分别配置隔膜。第一电极体元件201和第二电极体元件202例如能够通过胶带等以层叠状态的状态固定。或者，也可以在各个正极板200a、负极板200b以及隔膜上设置粘接层，分别粘接隔膜和正极板200a，并分别粘接隔膜和负极板200b。
61.第一电极体元件201的多个正极极耳210a构成第一正极极耳组211a。第一电极体元件201的多个负极极耳210b构成第一负极极耳组211b。第二电极体元件202的多个正极极耳210a构成第二正极极耳组212a。第二电极体元件202的多个负极极耳210b构成第二负极极耳组212b。
62.在第一电极体元件201和第二电极体元件202之间配置有第二正极集电体620和第二负极集电体720。第二正极集电体620具有第一开口620a和第二开口620b。第一正极极耳组211a和第二正极极耳组212a焊接连接在第二正极集电体620上，形成焊接连接部213。第一负极极耳组211b和第二负极极耳组212b焊接连接在第二负极集电体720上，形成焊接连接部213。焊接连接部213例如可以通过超声波焊接、电阻焊接、激光焊接等形成。
63.图7是表示正极集电构件600和负极集电构件700向封口板120安装的安装构造的图。图8表示图7的viii-viii截面。图9表示图7的ix-ix截面。
64.首先，参照图7、图8，对正极集电构件600向封口板120的安装进行说明。
65.在封口板120的外表面侧配置树脂制的外部侧绝缘构件410。在封口板120的内表面侧配置第一正极集电体610和树脂制的绝缘构件630(正极集电体支架)。接着，将正极端子400插入到外部侧绝缘构件410的贯通孔、封口板120的正极端子安装孔、第一正极集电体610的贯通孔以及绝缘构件630的贯通孔中。然后，位于正极端子400的前端的铆接部400a铆接连接到第一正极集电体610上。由此，正极端子400、外部侧绝缘构件410、封口板120、第一正极集电体610、以及绝缘构件630被固定。此外，正极端子400和第一正极集电体610的被铆接连接的部分优选通过激光焊接等进行焊接连接。此外，第一正极集电体610具有锪孔610a，铆接部400a设置在锪孔610a内。
66.并且，第二正极集电体620以第二正极集电体620的一部分与第一正极集电体610重叠的方式配置在绝缘构件630上。在设置于第二正极集电体620的第一开口620a，第二正极集电体620通过激光焊接等焊接连接于第一正极集电体610。
67.如图8所示，绝缘构件630具有在电极体200侧突出的筒状部630a。筒状部630a贯通第二正极集电体620的第二开口620b，规定与电解液注液孔121连通的孔部630b。
68.在将正极集电构件600安装于封口板120时，首先，将第一正极集电体610与封口板120上的绝缘构件630连接。接着，将与电极体200连接的第二正极集电体620安装于第一正极集电体610。此时，以第二正极集电体620的一部分与第一正极集电体610重叠的方式将第二正极集电体620配置在绝缘构件630上。接着，通过激光焊接等将设置于第二正极集电体620的第一开口620a的周围焊接连接于第一正极集电体610。
69.下面，参照图7和图9说明负极集电构件700向封口板120的安装。
70.在封口板120的外表面侧配置树脂制的外部侧绝缘构件510。在封口板120的内表面侧配置第一负极集电体710和树脂制的绝缘构件730(负极集电体支架)。接着，将负极端子500插入到外部侧绝缘构件510的贯通孔、封口板120的负极端子安装孔、第一负极集电体710的贯通孔以及绝缘构件730的贯通孔中。然后，将位于负极端子500的前端的铆接部500a铆接连接到第一负极集电体710上。由此，负极端子500、外部侧绝缘构件510、封口板120、第一负极集电体710以及绝缘构件730被固定。此外，负极端子500和第一负极集电体710的被铆接连接的部分优选通过激光焊接等进行焊接连接。
71.并且，以第二负极集电体720的一部分与第一负极集电体710重叠的方式将第二负极集电体720配置在绝缘构件730上。在设置于第二负极集电体720的第一开口720a，第二负极集电体720通过激光焊接等焊接连接于第一负极集电体710。
72.在将负极集电构件700安装于封口板120时，首先，将第一负极集电体710连接于封口板120上的绝缘构件730。接着，将与电极体200连接的第二负极集电体720安装于第一负极集电体710。此时，以第二负极集电体720的一部分与第一负极集电体710重叠的方式将第二负极集电体720配置在绝缘构件730上。接着，通过激光焊接等将设置于第二负极集电体720的第一开口720a的周围焊接连接于第一负极集电体710。
73.图10是表示封口板120与电极体200连接的状态的图。如上所述，第一电极体元件201和第二电极体元件202经由正极集电构件600和负极集电构件700安装于封口板120。由此，如图10所示，第一电极体元件201和第二电极体元件202与封口板120连接，电极体200与正极端子400及负极端子500电连接。
74.从图10所示的状态起，第一电极体元件201和第二电极体元件202集成为一体。此时，第一正极极耳组211a和第二正极极耳组212a在相互不同的方向上弯曲。第一负极极耳组211b和第二负极极耳组212b在相互不同的方向上弯曲。
75.第一电极体元件201和第二电极体元件202可以通过胶带等集成为一体。或者，也可以通过将第一电极体元件201和第二电极体元件202配置在成形为箱状或袋状的绝缘片内而集成为一体。并且，也能够通过粘接来固定第一电极体元件201和第二电极体元件202。
76.集成为一体的第一电极体元件201和第二电极体元件202被绝缘片300包围，并插入到方形外装体110。然后，将封口板120焊接连接于方形外装体110，方形外装体110的开口被封口板120封口，形成密闭的电池壳体100。
77.之后，从设置于封口板120的电解液注液孔121向电池壳体100注入非水电解液。作为非水电解液，例如能够使用在将碳酸亚乙酯(ec)、碳酸甲乙酯(emc)以及碳酸二乙酯(dec)以体积比(25℃)30：30：40的比例混合而成的非水溶剂中以1.2mol/l的浓度溶解有lipf6的非水电解液。
78.在注入非水电解液之后，电解液注液孔121被密封构件122密封。通过以上工序的
实施，方形二次电池1完成。
79.图11是表示用于形成本实施方式的铆接部400a的第一工序的图，图12是图11中的模具前端部的局部放大图。
80.铆接部400a具有沿着x轴方向的长轴和沿着y轴方向的短轴。在图11和图12(后述的图13～图22也同样)中，中心线的左侧表示长轴方向(x轴方向)的截面，中心线的右侧表示短轴方向(y轴方向)的截面。
81.本实施方式的铆接部400a具有在x轴方向上延伸的一对直线部和一对曲线部沿着周向交替排列的平面形状。但是，铆接部400a的平面形状也可以是椭圆形状，也可以是不具有长轴和短轴的正圆形状。
82.如图11、图12所示，成形模具900具有第一锥形部910和第二锥形部920，该第一锥形部910相对于中心轴cl斜向倾斜，该第二锥形部920设置在第一锥形部910的大径侧，相对于中心轴cl以比第一锥形部910大的角度斜向倾斜。
83.正极端子400(端子构件)包括具有内周面400α的筒状前端部400β。成形模具900用于通过插入到正极端子400的筒状前端部400β中而将第一正极集电体610(第一构件)与正极端子400(第二构件)的筒状前端部400β铆接接合。
84.成形模具900配置成使第一锥形部910与正极端子400的筒状前端部400β相向。然后，位于成形模具900的前端侧的第一锥形部910沿着中心轴cl插入正极端子400的筒状前端部400β。
85.在此，第一锥形部910的最小直径(2
×
r2)比筒状前端部400β的孔径(2
×
r1)小100μm以上。由此，即使成形模具900产生一些偏芯，也能够将第一锥形部910的前端无障碍地插入到正极端子400的筒状前端部400β中。
86.图13是表示接着图11、图12的第二工序的图，图14是图13中的模具前端部的局部放大图。
87.如图13、图14所示，插入到正极端子400的筒状前端部400β中的成形模具900进一步朝向筒状前端部400β的里侧插入。
88.此时，位于成形模具900的前端侧的第一锥形部910在抵接面b1(第一部分)与筒状前端部400β抵接，并沿着箭头a1方向将筒状前端部400β向径向外侧推压。
89.位于成形模具900的根部侧的第二锥形部920在抵接面b2(第二部分)与筒状前端部400β抵接，并沿着箭头a2方向将筒状前端部400β向径向外侧推压。由此，正极端子400的筒状前端部400β扩径。
90.这样，通过沿着相互不同的方向(箭头a1、a2)推压筒状前端部400β的不同部分(抵接面b1、b2)，能够使整个筒状前端部400β变形，因此，能够抑制在铆接工序中筒状前端部400β的应力局部过大而产生断裂。
91.另外，第一锥形部910推压筒状前端部400β的根部，筒状前端部400β从根部开始扩径，因此，铆接部400a容易扩展，容易到达锪孔610a的侧壁。
92.并且，即使在成形模具900相对于正极端子400偏芯的情况下，也能够利用相对于中心轴cl的倾斜角度比较小的第一锥形部910来抑制形状的偏差的同时使筒状前端部400β变形。
93.这样，通过使用本实施方式的成形模具900，能够抑制筒状前端部400β的断裂，并
且也能够使形成的铆接部400a的形状稳定。
94.在此，第一锥形部910的最大直径(2
×
r3：参照图12)比筒状前端部400β的孔径(2
×
r1：参照图12)大。更优选第一锥形部910的最大直径(2
×
r3)比筒状前端部400β的孔径(2
×
r1)大50μm以上左右(进一步优选大100μm以上左右)。
95.该关系(r3＞r1)在通过中心轴cl的至少一个截面中成立即可，但更优选在包含正极端子400的前端焊接于第一正极集电体610的部分在内的截面(例如长轴方向的截面)中上述关系(r3＞r1)成立，进一步优选在包含中心轴cl的所有截面(绕中心轴cl的整周方向的截面)中上述关系(r3＞r1)成立。
96.通过满足上述关系(r3＞r1)，能够从成形模具900的第一锥形部910和第二锥形部920可靠地使相互不同的方向(箭头a1、a2)的推压力作用于正极端子400的筒状前端部400β。结果，能够容易地使铆接部400a的形状稳定。
97.图15是表示接着图13、图14的第三工序的图，图16是图15中的铆接接合部的局部放大图。
98.如图15、图16所示，铆接部400a被第二模具900a进一步推压。结果，筒状前端部400β的前端到达锪孔610a的侧壁。正极端子400的前端焊接于第一正极集电体610。通过使正极端子400的前端可靠地到达锪孔610a的侧壁，容易进行焊接，另外，焊接的强度也稳定。
99.图17是表示用于形成比较例的铆接部400a的第一工序的图，图18是图17中的模具前端部的局部放大图。图19是表示接着图17、图18的第二工序的图，图20是图19中的模具前端部的局部放大图。另外，图21是表示接着图19、图20的第三工序的图，图22是图21中的铆接接合部的局部放大图。
100.在图17～图22所示的比较例中，也经过与图11～图16的例子同样的工序形成铆接部400a。但是，在图17～图22的比较例中，成形模具900的形状与本实施方式的构造不同。
101.即，在图17～图22的比较例中，位于成形模具900的前端侧的弯曲面b3不与正极端子400的筒状前端部400β抵接，推压力集中于筒状前端部400β的前端。结果，筒状前端部400β有可能断裂。另外，筒状前端部400β的根部不被直接推压，该部分难以变形，因此，铆接部400a难以扩展。结果，如图21、图22所示，有时铆接部400a不到达锪孔610a的侧壁。
102.图23是对比表示本实施方式和比较例的铆接接合的示意图。图24、图25分别是表示从图23中抽出本实施方式和比较例的铆接接合的图。参照图23～图25可容易理解的是，在本实施方式中，在将成形模具900插入筒形前端部400β时，第一锥形部910与筒形前端部400β抵接，但在比较例中，弯曲面b3不与筒形前端部400β抵接。
103.图26是对形成铆接部400a的中途的应力分布进行说明的图。参照图26，在位于筒状前端部400β的最前端的区域c2中，筒状前端部400β的应力最大。位于区域c2的根部侧的区域c1中的应力比区域c2中的应力小。位于筒状前端部400β的底部的区域c3中的应力比区域c1中的应力更小。
104.这样，越朝向筒状前端部400β的前端，在铆接工序中产生的应力越大。根据本实施方式的成形模具900，由于能够通过第一锥形部910推压筒状前端部400β的根部，因此，能够缓和在筒状前端部400β的最前端部(区域c2)产生的应力，抑制筒状前端部400β的断裂。
105.图27是表示铆接直径与等效总应变最大值的关系的图。在此，“铆接直径”是指通过成形模具900而扩径的筒状前端部400β的前端的开口直径。因此，“铆接直径”随着铆接工
序的进行而增大。
106.如图27所示，在使用本实施方式的成形模具900的情况(实施例)下，相对于比较例，整体上，等效总应变最大值的上升被抑制。结果，能够抑制筒状前端部400β的断裂，并且能够使形成的铆接部400a的形状稳定。
107.下面，使用图28、图29，对本实施方式的铆接接合的中途和铆接接合后的铆接部400a的形状进行说明，并且，使用图30、图31，对比较例的铆接接合的中途和铆接接合后的铆接部400a的形状也进行说明。
108.在本实施方式的方形二次电池1中，如图28所示，利用第一锥形部910和第二锥形部920推压正极端子400的筒状前端部400β，因此，在中途工序中，产生使内周面400α的倾斜度非连续地变化的两个折弯部d1、d2。而且，如图29所示，在被第二模具900a进一步推压后，也残留根部侧的折弯部d1。
109.与此相对，在比较例中，如图30所示，在中途工序中形成一个折弯部d3，但如图31所示，在被第二模具900a进一步推压后，不会残留使内周面400α的倾斜度非连续地变化的折弯。
110.但是，在本实施方式的方形二次电池1中，也存在不残留折弯部d1的情况。
111.折弯部d1有时也在内周面400α的整周上形成为环状，但有时也形成于内周面400α的周向的一部分。
112.在上述的例子中，对电池壳体100内部的铆接部400a进行了说明，但如图32所示，在正极端子400的端子构件401与外部端子402的铆接部400b中也能够采用同样的结构。即，本发明的铆接接合构造也能够应用于配置在电池壳体100的外部的端子构件与导电构件的接合构造。
113.另外，也可以设置第三锥形部(未图示)，该第三锥形部设置在第二锥形部920的大径侧，相对于中心轴cl以比第二锥形部更大的角度倾斜。
114.对本发明的实施方式进行了说明，但应认为本次公开的实施方式在所有方面均为例示而非限制性的。本发明的范围由权利要求书表示，包括与权利要求书等同的含义和范围内的所有变更。