JP2005285761A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 リードプレートの底部とキャッププレートの上面との間の溶接を容易にして，これら同士の間の結合強度を確保することができる二次電池を提供する。
【解決手段】 二次電池は，陽極，陰極，及びセパレータから成る電極組立体，電極組立体と電解液とを受け入れる容器となる角形の缶１１，及び缶１１の開口部を塞ぐキャッププレート１１０を有する。リードプレート４１０は，キャッププレートの表面に設けられた電解液注入口の上においてキャッププレートの上面と結合される。リードプレートの底部にはホール４１５が形成されており，電解液注入口に封入された栓とこの栓を覆う樹脂封止体２５０は，ホール４１５によってリードプレートの底部に当接しなくなる。これによって，リードプレートの底部がキャッププレートの上面に密着する。
【選択図】 図３

Description

本発明は，二次電池に関する。

二次電池は，再充電が可能であり，小型化及び大容量化が可能であるため，最近活発に開発され，広く利用されている。代表的な二次電池として，ニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池，リチウム（Ｌｉ）電池，及びリチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）電池等を挙げることができる。

これら二次電池のベアセル（ｂａｒｅ ｃｅｌｌ）の多くは，陽極，陰極，及びセパレータから成る電極組立体を鉄やアルミニウム，または，アルミニウム合金から成る缶に収容し，缶をキャップアセンブリで仕上げた後，缶の内部に電解液を注入してキャップアセンブリを封入することにより形成される。缶をアルミニウム，または，アルミニウム合金により形成すれば，アルミニウムの軽い属性により電池の軽量化が実現するとともに，高電圧下で長時間使用しても腐食しないといった効果が得られる。

通常，これらの二次電池のベアセルの上部には，周囲部分と絶縁された電極端子が備えられ，この電極端子がベアセル内で電極組立体の一電極と接続されて電池の陽極端子または陰極端子を成すことになる。そして，缶自体は電極端子と反対の極性を有する。

封入された二次電池ベアセルの電極端子は，ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子及び保護回路モジュール（ＰＣＭ：Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｍｏｄｕｌｅ）等の安全装置の端子と電気的に接続される。安全装置等は，陽極と陰極とに接続されて，電池の温度が上昇した場合や過度な充放電等により電池の電圧が急上昇した場合，電流を遮断して電池の破裂等の危険を防止する。

通常，ベアセルの電極と保護回路基板（保護回路モジュール）等の電気端子とを直接溶接して電気接続させることはベアセルの形態上，材質上，容易ではない。このため，リードプレート（ｌｅａｄ ｐｌａｔｅ）という導体構造体が用いられる。このリードプレートは，電池の陽極，陰極と保護回路基板のような安全装置の電気端子とを接続する役目を果たす。リードプレートの材質として，通常，ニッケルまたはニッケル合金やニッケルがメッキされたステンレス鋼が使われる。安全装置とベアセルは，電気的に接続された状態で別途のパックに収容され，溶融された樹脂で隙間が詰められ，被覆される。これによって電池パックが完成する。

ところが，ニッケルから成るリードプレートとアルミニウムからなる缶とを溶接する場合，次のような問題が生じる。すなわち，ニッケルは不溶性を有しており，アルミニウムは優れた導電性を有しており，それぞれの特性により，ニッケルとアルミニウムを超音波溶接または抵抗溶接）することは非常に困難である。このため，缶とリードプレートとは，通常，レーザにより溶接されることになる。ところが，初期の頃には，リードプレートと保護回路基板を接続した状態にしてその接続箇所に溶接のためのレーザビームを照射すると，帯電現象及び電気衝撃が発生し，安全装置等の信頼性が低下してしまうおそれがあった。このため，近年は缶型電池に先にリードプレートを溶接し，溶接されたリードプレートに保護回路基板側の端子プレートを抵抗溶接する方法が使われている。

また，電池の薄型軽量化が進み，缶の厚さは０．２〜０．３ｍｍ程度と非常に薄くなっている。このため，缶の底面等に直接リードプレートをレーザ溶接するためにはその溶接強度を正確に調節しなければならない。レーザ溶接部で電解液が漏洩する等の問題が起きるおそれがあるためである。このような不具合を回避するために最近では，缶型電池のキャップアセンブリ，主にキャッププレートの一部にリードプレートを形成する場合が多い。

キャッププレートにリードプレートが接続される場合，二次電池は樹脂モールディング型に形成されることが多い。つまり，ベアセルと保護回路基板はリードプレート溶接により接続された状態で，成形樹脂用モールドに固定されて成形樹脂で間隙が詰められる。このような樹脂モールディング型二次電池は，別途のハードパック用ケースが不要となる。この結果，外観を滑らかに仕上げることが可能となり，ケース分の厚さを減らすことができる。さらにこの構造は，電池をケースに装入する工程が省略されるため，製造コストの低減にも寄与する。

図１は，従来の角型二次電池のベアセルの上部の縦断面図であって，ベアセルのキャッププレートの一側にリードプレートが溶接結合される際の問題点を説明するために示すものである。

図１に示したように，陰極１５，陽極１３，及びセパレータ１４が積層状態で巻取られた電極組立体１２が，缶１１の内部に挿入された後，開放された缶１１の上部にはキャップアセンブリが結合される。キャップアセンブリは，キャッププレート１１０が本体となる。このキャッププレート１１０の中央ホールには絶縁ガスケット１２を介して陰極端子１３０が設けられている。陰極端子１３０を中心にして，一方にはキャッププレート１１０に電解液注入口１１２が設けられており，他方には安全弁（図示せず）が設けられている。電解液注入口１１２は，缶１１にキャップアセンブリが取り付けられた後，電解液を缶１１の内部に注入するために形成されたのである。

このような従来の樹脂モールディング型二次電池の構成において，栓１６０は，電解液注入後，キャッププレートに形成された電解液注入口１１２にアルミニウムボールを圧入する方法により形成される。このとき電解液注入口１１２と栓１６０との間に微細な隙間が発生するおそれがある。そこで，この隙間からの電解液の漏出を防止するために，栓１６０の周辺において，栓１６０とキャッププレートとの間のレーザ溶接がなされる。また，栓１６０の上には，液状の樹脂を塗布したり樹脂液滴を落としたりして，これを光や熱により硬化させ，樹脂封止材２５０を形成することにより，電解液の漏洩を二重に防止することもできる。

リードプレート２１０は，少なくとも，ベアセルのキャッププレート１１０との面結合のための一定広さ以上の底部２１１と，保護回路基板の電気端子との結合のために底部２１１から保護回路基板側に垂直に突出する壁体部２１３を有する。また，リードプレート２１０は，大きさが考慮され，電解液注入口１１２の上部に一部が重なるように形成される。

しかしながら，従来，樹脂封止材２５０や栓１６０は，キャッププレート面（電解液注入口１１２）の上部にその一部が突出するように形成されていた。このため，溶接リードプレート２１０がキャッププレート１１０の上面から浮き上がってしまい，リードプレート２１０の底部２１１をキャッププレート１１０に結合させるための溶接が困難となっていた。また，溶接ができたとしても両者の接合が弱くなるおそれもあった。

リードプレート２１０は，ベアセルの陽極端子のキャッププレート１１０を保護回路基板の接続端子と接続する導電路を成すとともに，樹脂モールディング型二次電池で保護回路基板とベアセルとを結合する成形樹脂部に挿入されて，ベアセルを強固に固定させる役目も果たす。したがって，リードプレート２１０とキャッププレート１１０が相互に確実強固に溶接されなければ，リードプレート２１０は，上記の機能を適切に遂行することができなくなる。そして，完成した二次電池に機械的強度の不足や電気的接続の不良が発生する可能性がある。

本発明は，このような問題に鑑みてなされたものであり，その目的は，リードプレートとキャッププレートとの間に隙間を生じさせずに，相互の接合を確実にしてこれらの結合強度を確保することができる新規かつ改良された二次電池を提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，陽極，陰極，及びセパレータから成る電極組立体と，この電極組立体が収容され，電解液が注入される容器部と，容器部の開口部を塞ぐものであって，電解液を容器部に注入するための電解液注入口を供えるキャッププレートと，電解液注入口に対向する位置においてキャッププレートに結合されるリードプレートと，を有する二次電池が提供される。そして，この二次電池において，リードプレートは，キャッププレートとの結合面に，電解液注入口に挿入された栓を避けるためのホールを備えたことを特徴としている。

平板だけでリードプレートを構成することができるが，リードプレートは，保護回路基板など他の電池部品の電極タップとの結合のために，結合面から上方に立ち上がる壁体部を有することも好ましい。

リードプレートの結合面（底面）に，電解液注入口に挿入された栓を避けるためのホールが形成されているために，リードプレートとキャッププレートを結合させたときに，栓が結合面に当接しなくなり，リードプレートの結合面がキャッププレートに隙間なく接触することになる。

本発明によれば，リードプレートとキャップアセンブリを溶接によって接合する場合，その強度が十分確保される。二次電池のパックに対して外力が加えられても，その外力に対する耐久性が向上する。このため，リードプレートを溶接した後の工程でリードプレートがキャップアセンブリから分離脱落することが防止される。また，電気接続の点においても安定化が図られる。

また，本発明によると，リードプレートとキャッププレートとが密着された状態で安定した溶接が可能となるため，例えば，レーザによる溶接が行われる場合，そのレーザ出力が適切に調節できる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図２は，本発明の実施の形態に係る角形二次電池（リチウムパック電池）の分解斜視図である。同図では，本実施の形態に係る角型二次電池は，成形樹脂により結合される前段階で保護回路基板とベアセルとが結合された状態にある。図３は，本発明の実施の形態により，ベアセルとリードプレートとが結合された状態を示す部分斜視図である。また，図４は，本発明の実施の形態に係る角形二次電池の正断面図である。同図において，ベアセルとリードプレートは，相互結合された状態にある。

図２に示したように，リチウムパック電池は，缶１１（容器部）と，該缶１１の内部に受け入れる電極組立体１２と，缶１１の開放された上段と結合して缶１１を封止するキャップ組立体とを備えるベアセルを有する。

電極組立体１２は，薄板あるいは膜から成る陽極１３，セパレータ１４，および陰極１５を備え，これらを積層状にしてさらに渦巻状に巻くことによって形成される。陽極リード１６及び陰極リード１７が電極組立体１２から引出される境界部には陽極１３と陰極１５との間の短絡を防止するために絶縁テープ１８が各々巻き付けられている。角形の缶１１は，例えば，直方体の形状を有するアルミニウムあるいはアルミニウム合金から成る。開放された上部（開口部）を通じて缶１１の内部に電極組立体１２が収容される。このように，缶１１は，電極組立体１２と電解液の容器の役目を果たすものである。

キャップ組立体には缶１１の開口部に対応する大きさ及び形状を有する平板状のキャッププレート１１０が取り付けられる。このキャップ組立体のキャッププレート１１０は，ベアセルの端子台の役目を果たすものであり，その中央部には電極端子（陰極端子）１３０を通すための端子用通孔が形成される。陰極端子１３０の外側には陰極端子１３０とキャッププレート１１０との電気的絶縁のためにチューブ形状のガスケット１２０が設けられている。また，キャッププレート１１０の下面に絶縁プレート１４０が配置されている。絶縁プレート１４０の下面には陰極端子１３０と接続される端子プレート１５０が設けられている。図４に示すように，キャッププレート１１０の下面には陽極リード１６が溶接されており，陰極端子１３０の下部には陰極リード１７が溶接されている。

電極組立体１２の上部をカバーする絶縁ケース１９０を設けるようにしてもよい。絶縁ケース１９０にはリード通孔１９１と電解液通過孔１９２が設けられる。陰極端子１３０を中心にしてキャッププレート１１０の一方には電解液注入孔１１２が形成され，他方には安全弁（図示せず）が設けられることが好ましい。缶１１に電解液が注入された後，電解液注入孔１１には缶１１を密閉させるために栓１６０が取り付けられる。栓１６０の上側は樹脂封止材（図示せず）によって覆われる。そして，キャッププレート１１０の周縁部と缶１１の側壁の上淵は溶接により結合される。

保護回路基板３００において，外部端子３１０，３２０が形成された面の裏面，すなわち缶１１の内側となる面には回路部（図示せず）及び接続端子３６０，３７０が備えられる。接続端子３６０，３７０は，抵抗スポット溶接により，ベアセルに結合されたリードプレート４１０，４２０と結合することができる。保護回路基板３００と陰極端子１３０との間にあるリードプレート４２０にはブレーカー（ｂｒｅａｋｅｒ）等が結合形成され得る。絶縁プレート４３０は，陰極端子１３０と接続されるリードプレート４２０とキャッププレート１１０との間を絶縁するためのものであって，両面粘着テープ等を用いることができ，キャッププレート１１０に安全弁が設けられる場合，安全弁を保護し，かつ，リードプレート４２０に結合させる役割を果たす。栓１６０の上に設けられるリードプレート４１０は，その底部下面がキャッププレート１１０の上面と結合される。リードプレート４１０は，通常，キャッププレート１１０と結合される底部が略直方体から成り，底部の周縁部の少なくとも一部にはキャッププレート１１０の上面を基準にして垂直に立ち上がる壁体部を有する。また，本実施の形態に係るリードプレート４１０は，その底部にホール４１５を有している。このホール４１５は，電解液注入口１１２に対応する領域に配置される栓１６０や樹脂封止材２５０がリードプレート４１０の底部に当接しないように形成される。

以下，リードプレート４１０のより詳細な構造を図３及び図４を参照しながら説明する。ホール４１５の部分では，リードプレート４１０の底部が除去されており，キャッププレート１１０が表れた状態となる。ホール４１５が提供する空間を通じてキャッププレート１１０の電解液注入口１１２の部分が外方に表れることになる。また，電解液注入口１１２を封止しながらキャッププレート１１０の面の上部に一部突出する栓１６０や樹脂封止材２５０も，このホール４１５を通じて表れることになる。

このように，従来とは異なり，リードプレート４１０の底部４１１においてホール４１５が形成された部分以外の部分では，リードプレート４１０の底部４１１がキャッププレート１１０の上面と密着する。この結果，密着部分においてリードプレート４１０とキャッププレート１１０との間の溶接の信頼性が向上して，ベアセルに対するリードプレート４１０の機械的，電気的接続が安定化する。

ホール４１５は，方形や円形等，多様な形態で形成され得るが，キャッププレート１１０から突出する栓１６０や樹脂封止材２５０の形態に対応する大きさ及び形態で形成されることが好ましい。ホール４１５の大きさが大きくなりすぎると，相対的にキャッププレート１１０と接触するリードプレート４１０の底部４１１の面積が減ってしまい，両者の溶接が難くなり溶接の強度が低くなるおそれがある。

ホール４１５は，パンチング（ｐｕｎｃｈｉｎｇ）等の方法により形成され得る。例えば，リードプレート４１０の素材をリードプレート４１０の形態に合うように切断する過程においてホール４１５をパンチングによって形成する。その後，切り出された素材を折り曲げてリードプレート４１０の底部４１１と壁体部４１３が形成される。その他，ホール４１５が創出されるように設計されたモールドに，溶融した金属材料を注ぎ込む鋳造法を用いてリードプレート４１０を形成することもできる。

リードプレート４１０の材料として，例えば，ニッケルあるいはニッケル合金材を用いることが好ましい。リードプレート４１０の底部４１１の中でホール４１５が形成されない部分を介して，多様な形態で，キャッププレート１１０とリードプレート４１０をレーザ溶接することができる。キャッププレート１１０とリードプレート４１０をレーザ溶接する際の溶接の深度は，リードプレート４１０の厚さとキャッププレート１１０の厚さ及び必要とする溶接強度に応じて調整される。例えば，溶接深度０．１５〜０．４ｍｍに調整される。

また，リードプレート４１０の厚さは，缶１１の厚さ及び溶接の作業性に応じて決定され，例えば０．０５〜０．４５ｍｍであることが好ましい。キャップ組立体が収容された電池缶と保護回路基板３００との間の空間に樹脂が充填されるパック電池の場合，リードプレート４１０は支持体として機能するため，リードプレート４１０を厚く形成することによって，電池の捩れ（ｔｗｉｓｔｉｎｇ）あるいは曲げ（ｂｅｎｄｉｎｇ）といった外力に対する抵抗強度を高めることができる。この結果，電池の強度が向上する。

溶接は，多様な形態でなされ得る。例えば，点溶接を底部に均等に分布させるようにしてもよい。また，線溶接によって，溶接強度を一層高めることも好ましい。線溶接は，リードプレート４１０の底部４１１の大きさ及び形態に応じて，円形のような閉曲線形状，直線形状，またはくさび（┐）型やコの字型等の折り線形状になされることが好ましい。

線溶接の一形態として，リードプレート４１０の底部４１１の周縁に沿って溶接すると，底部４１１の上側でレーザ溶接する場合に比べて，リードプレート４１０とキャッププレート１１０との接触部分を直接溶接することになるため，溶接の強度を調節することが可能となる。この結果，より一層確実にリードプレート４１０とキャッププレート１１０が接合されることになる。

キャッププレート１１０と接合されたリードプレート４１０には，電池の過充放電を防止するのための保護回路が搭載された保護回路基板３００，その他の電池付属部品（図示せず）が接続される。リードプレート４１０は陽極として作用し，電極端子（陰極端子１７）は陰極として作用する。ただし，電極構造及び極性は，実施の形態によって変わり得る。保護回路基板３００及び電池付属部品の種類と形態によって，これらが結合された電池は，別途の外装体に受納できる。また，低温成形樹脂を用いて保護回路基板３００とキャッププレート１１０との間の空間をホットメルト（ｈｏｔ ｍｅｌｔ）によって詰める，あるいは，一般的な樹脂によって覆ってパック電池に成形するようにしてもよい。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は，角形二次電池に適用可能である。

従来のベアセルの上部縦断面図である。 本発明の実施の形態に係る角形二次電池の分解斜視図である。 同実施の形態に係るベアセルとリードプレートとが結合された状態を示す部分斜視図である。 同実施の形態に係るベアセルとリードプレートとが結合された状態の角形二次電池の正面図である。

符号の説明

１１ 缶
１２ 電極組立体
１３ 陽極
１４ セパレータ
１５ 陰極
１６ 陽極リード
１７ 陰極リード
１８ 絶縁テープ
１１０ キャッププレート
１１１ 通孔
１１２ 電解液注入口
１２０ ガスケット
１３０ 陰極端子
１４０ 絶縁プレート
１５０ 端子プレート
１９０ 絶縁ケース
１９１ リード通孔
１９２ 電解液通過孔
１６０ 栓
２５０ 樹脂封止体
２１０，４１０，４２０ リードプレート
２１１，４１１ 底部
２１３，４１３ 壁体部
４１５ ホール

Claims (6)

1. 陽極，陰極，及びセパレータから成る電極組立体と，
   前記電極組立体が収容され，電解液が注入される容器部と，
   前記容器部の開口部を塞ぐものであって，前記電解液を前記容器部に注入するための電解液注入口を備えるキャッププレートと，
   前記電解液注入口に対向する位置において前記キャッププレートに結合されるリードプレートと，
   を有し，
   前記リードプレートは，前記キャッププレートとの結合面に，前記電解液注入口に挿入された栓を避けるためのホールを備えたことを特徴とする，二次電池。
2. 前記リードプレートは，他の電池部品と接続される，前記結合面から立ち上がる壁体部を有することを特徴とする，請求項１に記載の二次電池。
3. 前記電解液注入口に挿入された前記栓は，樹脂封止材によって覆われ，
   前記ホールは，前記樹脂封止材をも避けるように形成されたことを特徴とする，請求項１または２に記載の二次電池。
4. 前記リードプレートと前記キャッププレートとの溶接箇所は，閉曲線状または直線状を成すことを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池。
5. 前記リードプレートの底部の周縁部が前記キャッププレートに線溶接されることを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載の二次電池。
6. 前記ホールは，パンチングによって形成されることを特徴とする，請求項１〜５のいずれかに記載の二次電池。

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