JP2005197179A - 単電池および組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 電池要素の押圧とラミネートフィルムのシール部の狭圧とを同時に行い、電池要素の内圧上昇によってもシール部の密着強度の劣化防止を図ることが可能な単電池および組電池を提供すること。
【解決手段】 一対の弾性部材１Ａ、１Ｂは板状ばねであり電池要素３の電極面３１、３１に凸部を対向させて電池要素を狭持する。一対の枠体２Ａ、２Ｂは一面２２Ａ、２２Ｂを対向させてシール部３２を狭持する。枠体２Ａ及び２Ｂの係合部２１Ａ及び２１Ｂは、電池要素３を挟んで反対側の弾性部材１Ｂ及び１Ａの端部１１Ｂ及び１１Ａに係合する。電極面３１と枠体との間で弾性力が働き、電極面３１は押圧され、枠体２Ａ、２Ｂはシール部３２に向かって押圧される。電極面３１、３１への押圧により電池要素の内部抵抗が低減され、電池要素３の内圧に応じてシール部３２の狭圧力が自動調整される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、単電池および組電池に関するものであり、特に、ラミネートフィルムにて電池要素が密封されてなる単電池、および複数個の単電池を組み合わせてなる組電池に関するものである。

従来より、電子機器、ハイブリッド車や電気自動車等のバッテリとして、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池が使用されている。これらの二次電池では、充放電時の化学反応により、充電においてガスが発生する反応と放電においてガスを吸収する反応とが繰り返される、いわゆるインターカレーションなる現象が存在することが知られており、通常、電池要素はラミネートフィルムにより密封されて構成されている。

しかしながら、ラミネートフィルムにより密封された内部でガスの発生による内圧上昇が繰り返されると、溶着・接着等により密封されているラミネートフィルムのシール部の密着強度が劣化してしまうおそれがある。また、外部からの衝撃によってもシール部が剥離してしまう場合もある。そこで、特許文献１には、パッケージの周縁シール部が枠状フレームによって狭持されて周縁シール部が保護される技術が開示されている。枠状フレームは、外部からの衝撃を吸収して周縁シール部の密着強度の劣化を防止すると共に、狭持力を有することにより内圧の上昇に伴う周縁シール部の密着強度の劣化を防止することも可能である。

また、電池要素から効率よく電力を取り出すためには、セパレータを介して正／負電極シート間の内部抵抗を極力低減することが好ましい。この目的のため、単電池あるいは組電池においては、正／負電極が密着するように電池要素を押圧する場合がある。特許文献２には、電池要素は、中央部が内部に膨出するように湾曲形成された天板と底板とにより中央部が狭圧された状態で装填される技術が開示されている。

前記特許文献１および特許文献２とを考え合わせることにより、図９に示すように、電池要素の中央部を押圧すると共にラミネートフィルムの周縁シール部を狭圧する収納部材１００、１００が考えられている。収納部材１００、１００は、周縁の立上り部１１０と内底面１２０に囲まれた内側に電池要素が収納される。一対の収納部材１００、１００で電池要素を両端面から挟み込むことにより電池要素を収納する。立上り部１１０で当接する一対の収納部材１００、１００を押圧することにより、内底面１２０で電池要素の本体を押圧すると同時に、立上り部１１０で周縁シール部を狭圧する。

上記の単電池は、特許文献３乃至５に開示されているケースに収納されることにより組電池として構成される。

特開平１１−１６５４６号公報 特開２０００−２９４２０３号公報 特開２００１−２５６９３４号公報 特開２００１−２５６９４１号公報 特開２００３−６８２５７号公報

しかしながら、図９に開示の収納部材１００、１００は、電池要素本体の押圧と周縁シール部の押圧とを同時に行う部材ではあるものの、押圧力の作用する方向が同一の方向であるため、電池要素の内圧上昇に伴い押圧力に抗して収納部材１００、１００の内底面１２０に作用する反力により、周縁シール部の狭圧力も減殺される。周縁シール部に内圧によるストレスが印加され、周縁シール部の密着強度の劣化を招来してしまうおそれがあり問題である。

また、内圧上昇に伴う反力に抗して電池要素本体と周縁シール部とを十分に押圧するためには、収納部材１００、１００は、十分に大きな押圧力で押圧される必要があると共に、こうした押圧力を維持できるだけの強度を確保する必要がある。収納部材１００、１００の体格が大きくなってしまうと共に部材コストも上昇してしまうおそれがあり問題である。

本発明は前記従来技術の課題の少なくとも１つを解消するためになされたものであり、電池要素本体の押圧とラミネートフィルム周縁のシール部の狭圧とを同時に行うと共に、電池要素の内圧上昇によっても周縁シール部の密着強度の劣化防止を図ることが可能な収納部材がコンパクトな体格で構成される単電池および組電池を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に係る単電池は、正負極電極と正負極電極間に設けられるセパレータとで構成される電池要素が、周縁厚さ方向の略中央部にあるシール部により密封されるラミネートフィルムに収納されてなる単電池であって、ラミネートフィルムを介して正負極電極を押圧する第１支持部と、第１支持部の周縁においてシール部を狭圧する第２支持部とを備えて、単電池を狭持する一対の支持部材と、単電池を狭持する際、一方の支持部材の外方への作用力を他方の支持部材の電池要素への押圧力に反転させて、一対の支持部材を係合する係合部とを備えることを特徴とする。

請求項１の単電池では、正負極電極が積層されて構成される電池要素が、周縁厚さ方向の略中央部でシール部においてラミネートフィルムで密封され、一対の支持部材に狭持される。支持部材は第１支持部と第２支持部とを備え、第１支持部によりラミネートフィルムを介して正負極電極が押圧されると共に、第２支持部により第１支持部の周縁でシール部が狭圧される。一対の支持部材は係合部により係合されるが、このとき係合部は、一方の支持部材の外方への作用力を他方の支持部材の電池要素への押圧力に反転させる。

これにより、電池要素が一対の支持部材により狭持される際、一対の第１支持部により正負極電極が押圧され一対の第２支持部により周縁のシート部が狭圧されると共に、一方の支持部材の外方への作用力は他方の支持部材の電池要素への押圧力に反転される。一対の支持部材により電池要素を自立して押圧しておくことができると共に、支持部材に対する外方への作用力により電池要素への押圧力が減退してもシール部の狭圧力を維持することができる。

また、請求項２に係る単電池は、請求項１に記載の単電池において、係合部は、電池要素の内圧上昇に伴う第１支持部への外方への作用力を、第２支持部によるシール部の狭圧力に反転することを特徴とする。

請求項２の単電池では、ラミネートフィルム内の内圧が上昇して第１支持部が外方に押圧されると、このときの作用力が係合部により反転されてシール部の狭圧力として第２支持部に印加される。これにより、ラミネートフィルム内の内圧上昇による外方への作用力を利用してシール部の狭圧力を補強することができ、内圧上昇に伴うシール部の密着強度の劣化を防止することができる。

また、請求項３に係る単電池は、請求項１に記載の単電池において、係合部は、一方の支持部材の第１支持部と他方の支持部材の第２支持部との間に係合されてなることを特徴とする。

請求項３の単電池では、第１支持部の受ける電池要素からの外方への作用力が係合部を介して他方の支持部材の第２支持部に伝えられ、他方の支持部材の第２支持部を一方の支持部材の第２支持部へ押圧することにより、シール部が第２支持部により狭圧される。これにより、一方の支持部材への外方への作用力を他方の支持部材の第２支持部への狭圧力として伝えることができる。

また、請求項４に係る単電池は、請求項３に記載の単電池において、第１支持部は、電池要素に向かって凸となる湾曲形状を有する弾性部材を備え、係合部の一端は弾性部材に係合されて、弾性力を第２支持部に伝達することを特徴とする。

請求項４の単電池では、電池要素から外方への作用力を弾性部材で受けることにより、弾性部材の弾性力を利用して、外方への作用力に抗して電池要素への押圧力を維持すると共に、係合部を介して作用力を他方の支持部材の第２支持部による狭圧力に反転する。これにより、外方への作用力に応じて電池要素を押圧しながらシール部への狭圧力を調整することができる。

また、請求項５に係る単電池は、正負極電極と正負極電極間に設けられるセパレータとで構成される電池要素が、周縁厚さ方向の略中央部にあるシール部により密封されるラミネートフィルムに収納されてなる単電池であって、対向する正負極電極を両側から押圧する一対の弾性部材と、対向する正負極電極の両側からシール部を狭圧する一対の枠体とを備え、枠体には、電池要素を挟んで反対側にある弾性部材に係合する係合部を備えることを特徴とする。

請求項５の単電池では、一対の弾性部材により、対向する正負極電極が両側から押圧されると共に、一対の枠体により、正負極電極の両側からラミネートフィルム周縁のシール部が狭圧される。また、枠体には係合部が備えられており、電池要素を挟んで反対側にある弾性部材に係合する。

これにより、電池要素が、一対の弾性部材とこれに係合する一対の枠体とにより狭持されて、正負極電極が両側から押圧されると共にシート部が狭圧される。弾性部材に抗して外方への作用力が印加される場合にも、社応力に応じて弾性力が働き電池要素を押圧することができる。更に、この弾性力は係合部を介して電池要素の反対面側に配置されている枠体に伝えられ、外方への作用力に応じてシール部の狭圧力を調整することができる。

一対の弾性部材に働く外方への作用力に抗する弾性力により、電池要素を自立して押圧しておくことができると共に、弾性力が係合部を介して枠体に伝えられ、作用力に応じた狭圧力でシール部を狭圧することができる。

ここで、弾性部材は、板状バネを備えて構成されてなることが好ましい。これにより、コンパクトに弾性部材を構成することができる。

また、請求項７に係る組電池は、所定間隔ごとに備えられ、請求項１乃至６の少なくとも何れか１項に記載の単電池を、単電池の支持部材または枠体を保持することにより立設する保持部と、単電池の両端部から引き出され、隣接して立設された単電池間で対向する電極は、互いに逆極性であり、隣接する電極間を、単電池の両側部間で交互に接続する電極接続部とを備えることを特徴とする。

請求項７の組電池では、保持部により請求項１乃至６の少なくとも何れか１項に記載の単電池を、支持部材または枠体で保持して立設することができる。このとき、隣接する単電池の両側部で対向する電極を互いに逆極性として、電極接続部により単電池の両側部間で交互に、隣接する電極を接続することで、単電池が直列接続された組電池を構成することができる。

本発明によれば、電池要素本体の押圧とラミネートフィルム周縁のシール部の狭圧とを同時に行うと共に、電池要素の内圧上昇等の外方への作用力をシール部の狭圧力に反転させることにより、内圧上昇に伴う周縁シール部の密着強度の劣化防止を図ることが可能な単電池および組電池をコンパクトな体格で構成することができる。

以下、本発明の単電池および組電池について具体化した実施形態を図１乃至図８に基づき図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１および図２は、ラミネートフィルムで密封された電池要素を外方から押圧支持する支持部材を構成する部材である。図１は、電池要素の電極面を両側から狭持して押圧する弾性部材１の正面図（図１、（Ａ））と、右側面図（図１、（Ｂ））である。図２は、電池要素の周縁厚さ方向の略中央にあるラミネートフィルムのシール部を狭圧する枠体２を示す。

正負極電極を積層して構成される電池要素をラミネートフィルムに収納した上で密封する場合、電池要素の周縁厚さ方向の略中央から正／負電極を引き出した上で密封する。したがって、ラミネートフィルムは、電池要素の周縁であって厚さ方向の略中央においてシールされることとなる。

図１の弾性部材１は、電池要素の電極面に向かって凸部Ａを有して湾曲する板状ばねで構成される。弾性部材１の上下にある湾曲面に沿った端部１１、１１、１１、１１は、正面視で中央部に切り欠き部を有して形成されており、図２にて後述する枠体２の係合部２１、２１、２１、２１と係合する。ここで、係合する弾性部材１と枠体２とは、電池要素を挟んで反対の電極面に配置されている。これにより、電池要素を挟んで、弾性部材１と枠体２とが、弾性部材１の弾性力により互いに引かれ合うことで電池要素の電極面を押圧し、ラミネートフィルムのシール部を狭圧することができる。

図２の枠体２は中空の枠状部材であり、枠状部材の一面２２にラミネートフィルムのシール部が当接する。係合部２１、２１、２１、２１は、枠状部材の対向する枠辺ごとに、所定間隔を有して二つ備えられ一面２２を越えて延設されると共に、その先端が対向枠辺に向かって屈曲して係合片を有して構成されている。対をなす枠体２との間で電池要素を狭持する際、対の枠体２から延設されている係合部２１を誘導すると共に、係合部２１を支持する受台部２３が係合部２１に隣接して備えられている。

ここで、係合部２１と受台部２３とは、枠辺ごとに所定の配置位置関係を有して配設されている。これにより、図２に示す枠体２、２を、互いの一面２２、２２を対向させて当接してやれば、一方の枠体２に備えられている係合部２１は他方の枠体２の受台部２３に誘導されることとなり、枠体２、２により電池要素を狭持する際、一面２２、２２を密着させてシール部を狭圧することができる。

ここで、枠状部材の一枠辺において、保持受部材２４、２４が枠状部材の両側方に延設して備えられている。枠体２が備えられた単電池セルを後述するベース基台に設置する際の保持受けを提供する。この保持受部材２４を支持することにより、単電池セルがベース基台に支持される。

図３には、弾性部材と枠体とにより電池要素を押圧狭持する際の組み付けの様子を示す。一対の弾性部材１Ａ、１Ｂと一対の枠体２Ａ、２Ｂとで狭持することにより、電池要素３を押圧狭持する。電池要素３は、正負極電極が積層された電池要素の周縁部厚さ方向の略中央において、シール部３２によりラミネートフィルムが密着されて電池要素が密封されて構成されている。中央部の各側面は、ラミネートフィルムを介して正負極電極が対向する電極面３１、３１である。また、電池要素の両側面からは電極３３、３３が引き出されている。

弾性部材１Ａ、１Ｂは板状ばねであり、電池要素３の両側面にある電極面３１、３１に、凸部Ａ（図１）を対向させて電池要素を狭持して配置される。同様に、枠体２Ａ、２Ｂは、一面２２Ａ、２２Ｂを対向させてシール部３２を狭持して配置される。枠体２Ａの係合部２１Ａ、２１Ａは、電池要素３を挟んで反対側に備えられる枠体２Ｂの受台部２３Ｂを介して弾性部材１Ｂの端部１１Ｂ、１１Ｂに係合する。同様に、枠体２Ｂの係合部２１Ｂ、２１Ｂは、電池要素３を挟んで反対側に備えられる枠体２Ａの受台部２３Ａを介して弾性部材１Ａの端部１１Ａ、１１Ａに係合する。

弾性部材１Ａ、１Ｂは、電極面３１に向かって凸形状を有して湾曲する板状ばねであるので、端部と係合部との係合により、電極面３１と枠体との間で弾性力が働き、電極面３１が押圧されると共に枠体がシール部３２に向かって押圧される。電池要素３の両側面に一対の弾性部材１Ａ、１Ｂと一対の枠体２Ａ、２Ｂとを備えるので、電池要素３は、電極面３１、３１を介して加圧され内部抵抗が低減される。また、シール部３２、３２が狭圧されて内圧によるラミネートフィルムの密着強度の劣化を防止することができる。

特に、電池要素への充放電に伴うインターカレーション現象により内圧が上昇する場合にもシール部３２への内圧印加を抑制することができ密着強度の劣化を防止することができる。内圧が上昇することにより、弾性部材１Ａ、１Ｂの凸部Ａへの押圧力が高まると、この押圧力に抗する弾性力が弾性部材１Ａ、１Ｂの端部１１Ａ、および１１Ｂを介して枠体２Ｂ、２Ａに伝えられ、シール部３２の狭圧力が増大するからである。電池要素３の内圧に応じてシール部３２の狭圧力が自動調整されることとなり、インターカレーション現象による内圧変化に対応してシール部３２の保護を図ることができる。

図４には、電池要素に弾性部材と枠体とが組みつけられて自立して押圧保持された単電池セル４を示す。一対の枠体により電池要素周縁のシール部が狭圧されると共に、一対の弾性部材により両側部の電極面が押圧されて内部が加圧される。単電池セル４は、単独で自立して電池要素を加圧すると共に内圧上昇に応じてシール部への狭圧力を調整することができる。

図５には、単電池セル４の側面図を示す。電池要素３に弾性部材と枠体とが組み付けられる際、単電池セル４の厚さ方向の端部は、係合部２１Ａ、２１Ｂの係合片先端部２５Ａ、２５Ｂとなり、厚さ方向の幅Ｗは、係合片先端部２５Ａ、２５Ｂの間の距離で規定される。このとき、係合片先端部２５Ａ、２５Ｂを厚さ方向に対して垂直面で構成しておけば、電池要素を幅Ｗのピッチで多層に配列することができ好都合である。

図６乃至図８には、単電池セル４を多層に配列する組電池５について図示する。図６は組み付け状態を示す斜視図であり、図７は組電池５の側面図、図８は組電池５の平面図を示す。

単電池セル４は、係合部の係合片先端部が当接されて厚さ方向に単電池セル４の幅Ｗ（図５）をピッチとしてベース基台５１上に配列される。ベース基台５１には、単電池セル４の枠体２に備えられる一対の保持受部材２４を挿入するための一対の保持スロット５２が、単電池セル４の幅Ｗのピッチで備えられている。

保持スロット５２の間には、両側部で交互に支柱５３が立設されており、支柱５３には、隣接する両側の保持スロット５２に挿入される単電池セル４の電極と接触するように電極接続部５４が設置されている。また、ベース基台５１の両端部には、組電池の電極５６、５６が備えられ、電極５６、５６と端部に配置される単電池セル４とを接続するための電極接続柱５５、５５が立設されている。

単電池セル４を組み付ける際、隣接する単電池セル４ごとに保持スロット５２、５２への挿入向きを逆転してやれば、隣接する単電池セル４ごとに対向する電極は逆極性の電極となる。支柱５３に接続されている電極接続部５４により逆極性の電極が隣接単電池セル４間で順次接続されることとなり、組電池５は単電池セル４を直列接続する電池として構成される。

以上詳細に説明したとおり、本実施形態に係る単電池セル４および組電池５によれば、一対の弾性部材１Ａ、１Ｂが電池要素３の両側面にある電極面３１、３１を押圧して内部の正負極電極が押圧され、一対の枠体２Ａ、２Ｂが電池要素３の周縁にあるシール部３２を狭圧する。このとき、電池要素３の内圧上昇等の外方への作用力が弾性部材１Ａ、１Ｂに加えられると、弾性部材の弾性力により電池要素３を挟んで反対側の枠体２Ａ、２Ｂを電池要素３側に押圧して、シール部３２への狭圧力を強化することができる。一対の弾性部材１Ａ、１Ｂにより電池要素３を自立して押圧することができると共に、内圧上昇等による外方への作用力に応じてシール部３２の狭圧力を自動調整することができる。内圧上昇に伴うシール部３２の密着強度の劣化を防止することができる。ここで、弾性部材１、１Ａ、１Ｂが第１支持部の一例であり、枠体２、２Ａ、２Ｂが第２支持部の一例である。弾性部材１、１Ａ、１Ｂと枠体２、２Ａ、２Ｂとで支持部材を構成する。

尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは言うまでもない。
例えば、本実施形態においては、弾性部材と枠体とを電池要素の各々の側面に備え、各々の弾性部材を反対側面の枠体に係合するとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。電池要素の側面のうち何れか一方の側面については弾性部材と枠体とで構成し、他方の側面については電極およびシール部の押圧部材を一体成形した支持部材として、一体成形の支持部材を反対側面の弾性部材に係合させる構成としても同様の作用・効果を奏することができる。

本実施形態の弾性部材を示す図である。 本実施形態の枠体を示す図である。 弾性部材と枠体とを電池要素に組み付ける際の組み付け状態を示す図である。 弾性部材と枠体が組み付けられた単電池セルを示す図である。 単電池セルの側面図である。 本実施形態の単電池セルを複数組み付けて組電池を構成する場合の組み付け状態を示す図である。 組電池の側面図である。 組電池の平面図である。 従来技術の単電池を示す図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ 弾性部材
２、２Ａ、２Ｂ 枠体
３ 電池要素
４ 単電池セル
５ 組電池
２１、２１Ａ、２１Ｂ 係合部
２２、２２Ａ、２２Ｂ 枠状部材の一面
２３、２３Ａ、２３Ｂ 受台部
２４ 保持受部材
２５Ａ、２５Ｂ 係合片の先端部
３１ 電極面
３２ シール部
５１ ベース基台
５２ 保持スロット
５３ 支柱
５４ 電極接続部
５５ 電極接続柱

Claims (7)

1. 正負極電極と正負極電極間に設けられるセパレータとで構成される電池要素が、周縁厚さ方向の略中央部にあるシール部により密封されるラミネートフィルムに収納されてなる単電池であって、
   前記ラミネートフィルムを介して前記正負極電極を押圧する第１支持部と、前記第１支持部の周縁において前記シール部を狭圧する第２支持部とを備えて、前記単電池を狭持する一対の支持部材と、
   前記単電池を狭持する際、一方の支持部材の外方への作用力を他方の支持部材の前記電池要素への押圧力に反転させて、前記一対の支持部材を係合する係合部とを備えることを特徴とする単電池。
2. 前記係合部は、前記電池要素の内圧上昇に伴う第１支持部への外方への作用力を、前記第２支持部による前記シール部の狭圧力に反転することを特徴とする請求項１に記載の単電池。
3. 前記係合部は、一方の支持部材の第１支持部と他方の支持部材の第２支持部との間に係合されてなることを特徴とする請求項１に記載の単電池。
4. 前記第１支持部は、前記電池要素に向かって凸となる湾曲形状を有する弾性部材を備え、
   前記係合部の一端は該弾性部材に係合されて、弾性力を前記第２支持部に伝達することを特徴とする請求項３に記載の単電池。
5. 正負極電極と正負極電極間に設けられるセパレータとで構成される電池要素が、周縁厚さ方向の略中央部にあるシール部により密封されるラミネートフィルムに収納されてなる単電池であって、
   対向する前記正負極電極を両側から押圧する一対の弾性部材と、
   対向する前記正負極電極の両側から前記シール部を狭圧する一対の枠体とを備え、
   前記枠体には、前記電池要素を挟んで反対側にある前記弾性部材に係合する係合部を備えることを特徴とする単電池。
6. 前記弾性部材は、板状バネを備えて構成されてなることを特徴とする請求項４または５に記載の単電池。
7. 所定間隔ごとに備えられ、請求項１乃至６の少なくとも何れか１項に記載の単電池を、該単電池の前記支持部材または前記枠体を保持することにより立設する保持部と、
   前記単電池の両側部から引き出され、隣接して立設される前記単電池間で対向する電極は、互いに逆極性であり、
   隣接する電極間を、前記単電池の両側部間で交互に接続する電極接続部とを備えることを特徴とする組電池。

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