JP2006019292A - 二次電池および二次電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 キャッププレートと外部端子との結合構造を改善して組立を容易にすることによって、組立に要する時間と労力を減らすことができる二次電池を提供する。
【解決手段】 正極、負極、及び前記正極と前記負極との間に位置するセパレータを備える電極群と、前記電極群が内蔵されるケースと、前記ケースに結合されることによって、前記ケースを密閉するためのキャップ組立体とを含む。前記キャップ組立体は、前記ケースに結合されるキャッププレート３１、前記電極群に電気的に連結されながらキャッププレート３１に設置される外部端子１６、および外部端子１６を覆いながら外部端子１６をキャッププレート３１に固定させる管形体３３を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は二次電池および二次電池の製造方法に関し、より詳しくは外部端子の設置構造を改善した二次電池および二次電池の製造方法に関するものである。

一般に、二次電池は充電が不可能な一次電池とは異なって充電及び放電が可能な電池であって、最近、高エネルギー密度の非水電解液を利用した高出力二次電池が開発されている。携帯電話、ノートブックコンピュータ、及びカムコーダのような携帯が可能な小型電子機器に、一つのセルがパック形態に包装された低容量電池が使用され、また、大電力を必要とする機器、例えば、電気自動車などのモータ駆動用電源に、数十個の前記セルを直列または並列に連結して大容量の二次電池が使用されている。

前記二次電池は、多様な形状に製造されているが、代表的な形状としては円筒形、角形に製造される。二次電池は、帯状の正極、同じく帯状の負極、および前記正極と前記負極との間に配置される絶縁体であるセパレータが、渦流状に巻かれることによって形成される電極群をケース内に設置した後、前記ケースにキャップ組立体を設置することによって形成される。このように形成された二次電池は、正極、負極、およびセパレータが複数積層された状態を呈する。

前記キャップ組立体は、電極群と電気的に連結される外部端子を備えて前記ケースを密閉させるように、前記ケースに溶接などによって固定される。

一般にキャップ組立体に備えられる外部端子は、キャップ組立体のキャッププレートに形成された孔に嵌合して設置される。この孔と外部端子との間には電気的な絶縁と前記ケースの気密維持のためにパッキングとオーリングが設置される。

実質的に前記外部端子はその外周上に形成された螺糸山に結合されるナットによって前記キャッププレートに固定され、この時、ナットを締める力によって前記パッキングとオーリングが加圧されることによって、前記孔の周囲はシーリングされる。

しかし、前記外部端子の設置及びシーリング構造は、これを構成する部品数が多く必要であるために一つの二次電池を製造するにあたって、製造原価を上昇させるだけでなく、その作業を複雑にして生産性を低下させる問題が生じる。

そこで、本発明は前記問題点を解消するために、キャッププレートと外部端子との結合構造を改善して組立を容易にすることによって、組立に要する時間と労力を減らせる二次電池を提供する。

上記課題を解決するために、本発明による二次電池は、正極、負極、及び前記正極と前記負極との間に位置するセパレータを備える電極群と、前記電極群が内蔵されるケースと、前記ケースに結合されることによって、前記ケースを密閉するためのキャップ組立体とを含む。前記キャップ組立体は前記ケースに結合されるキャッププレート、前記電極群に電気的に連結されながら前記キャッププレートに設置される外部端子、および前記外部端子を覆いながら、前記外部端子を前記キャッププレートに固定させる管形体を備える。

前記外部端子は、前記管形体と接する外周面に形成される突起を有し得る。

前記突起は、前記外周面に環状に形成されても良い。

前記外部端子は、前記キャッププレートに形成された貫通孔に嵌合され、前記管形体は、前記貫通孔の周囲に配置されて前記外部端子に密着され得る。

前記管形体は、前記キャッププレートと一体に形成することができる。

前記外部端子の水平断面と前記管形体が有する内部空間の水平断面を、同じ形状に形成することができる。

前記管形体は、円筒形に形成することができる。

二次電池には、前記管形体と前記外部端子との間に介在するシーリング部材をさらに備えることができ、前記シーリング部材は、前記管形体の内周面に密着されるシリンダー形態を呈するガスケットから構成され得る。

また、前記シーリング部材は、前記管形体と前記外部端子との間に注入された樹脂が、硬化することによって形成され得る。

前記ガスケットの両端に、前記管形体の上端と前記キャッププレートの内側面に延長されるフランジを形成することができる。

また、本発明による二次電池の製造方法は、キャップ組立体が有するキャッププレート上に外部端子組立のための管形体を一体に形成し、前記管形体内に前記外部端子を挿入し、そして前記管形体の外側から加圧することによって前記管形体を加圧形成して、前記管形体と前記外部端子を密着させる段階を含む。

本発明によれば、キャップ組立体に外部端子を設置することが簡単になることによって外部端子の装着に要する時間と労力を減らすことができる。

また、外部端子とキャップ組立体との間の気密性を改善して電池性能を高めることができる。

また、外部端子の組立とケースの気密維持のために必要となる部品の個数を減らして二次電池の製造原価を節減することができる。

以下、本発明の好ましい実施例を添付した図面を参照して詳細に説明する。

以下の実施例ではキャップ組立体を構成するキャッププレート上に外部端子である正極端子と負極端子が設置された角形の二次電池について説明する。もちろん、本発明は以下に説明する構造に限定されるわけではなく、円筒形電池等、他の外形を有する二次電池にも適用することができる。

本実施例における二次電池は図１に示すように、正極１１、負極１２、及び正極１１と負極１２との間に位置するセパレータ１３を含む電極群１０と、電極群１０が内蔵される空間を備えるケース２０と、ケース２０の開口２０ａに設置されるキャップ組立体３０を含む。

キャップ組立体３０は、ケース２０の開口２０ａに設置されてケース２０を密閉するキャッププレート３１と、正極１１及び負極１２に各々リードエレメント１５、１５’を媒介として電気的に接続され、キャッププレート３１に取り付けられ、一部がケース２０の外側に露出する正極端子１６（外部端子）及び負極端子１７（外部端子）を含む。以下、正極端子１６と負極端子１７とを、適宜、端子１６、１７と省略して記載する。

正極端子１６と負極端子１７は、キャッププレート３１に形成された貫通孔３２に挿入され、この貫通孔３２の周囲のキャッププレート３１には正極端子１６と負極端子１７が挿入される管形体３３、３３’が形成される。

管形体３３、３３’は、正極端子１６および負極端子１７の水平断面と同じ形状の水平断面を有する内部空間を有し、端子１６、１７が前記内部空間に挿入された状態で、それぞれ管形体３３、３３’の内面に密着することによって、端子１６、１７がキャッププレート３１に上に固定され得る構造を有する。この固定構造についての詳細な内容は後述する。

管形体３３、３３’は、本実施例において、キャッププレート３１と一体に形成され、端子１６、１７のそれぞれが円形の水平断面を有することによって、円筒形を呈する。

ケース２０は、アルミニウム、アルミニウム合金、またはニッケルがメッキされたスチールのような導電性金属で製作され、その形状は電極群１０が位置する内部空間を有する六面体の角形になる。

電極群１０は、正極活物質と負極活物質が各々の集電体１１ａ、１２ａにコーティングされて構成された正極１１と負極１２が、セパレータ１３を間に置いて積層された状態で、正極１１、負極１２、およびセパレータ１３が渦流状に巻かれて形成されるゼリーロールタイプを呈する。

正極１１と負極１２は、集電体１１ａ、１２ａのそれぞれの一周縁に沿って活物質が塗布されない正極無地部１１ｂおよび負極無地部１２ｂを有する。

正極無地部１１ａおよび負極無地部１２ｂは、電極群１０を形成するにあたって互いに対向配置され、正極無地部１１ｂには正極外部端子１６と連結されたリードエレメント１５が接触して連結され、負極無地部１２ｂには負極外部端子１７と連結されたリードエレメント１５’が接触して連結される。

管形体３３、３３’は、キャッププレート３１の外側面からケース２０の外側に向かって所定の高さで突出するように形成される。

管形体３３、３３’の内径は、端子１６、１７が嵌合可能な大きさに形成されることが好ましく、管形体３３、３３’の厚さは、プレスＰによって押さえられて内径が縮少された状態で、管形体３３、３３’の内周面が均等に端子１６、１７の外周面に密着することが可能となる厚さであれば特に限定されない。

正極端子１６と負極端子１７には、管形体３３、３３’の上端位置からケース２０の外部に露出する上端部位において螺糸山が形成され、ケース２０の内部に位置する下端部位においてフランジ１８、１８’が形成される。

螺糸山は、複数個の二次電池から電池モジュールを構成するにあたって、各二次電池を電気的に接続させるための連結具（図示せず）をネジ結合によって締結するために形成される。

フランジ１８、１８’は、正極端子１６と負極端子１７が貫通孔３２に挿入されてキャッププレート３１に結合されるときに、フランジ１８、１８’がキャッププレート３１の下端面に密着することによって、正極端子１６と負極端子１７とがキャッププレート３１から外側に離脱することを防止する。

一方、管形体３３、３３’と接する端子１６、１７の外周面には、その周囲に沿って、環状に突起１９、１９’が形成されている。突起１９、１９’は、端子１６、１７の長手方向の軸線を含む平面で切断した断面が半円形を呈する。

突起１９、１９’は、プレスＰによって管形体３３、３３’が端子１６、１７に加圧密着されるときに、管形体３３、３３’の内周面が押さえられて、端子１６、１７の外周面にさらに緊密に密着されるように、二つの部材の間の気密性を高める機能を発揮する。

さらに、突起１９、１９’は、管形体３３、３３’から端子１６、１７が離脱することを防止する機能も発揮するが、これについては後述する。

また、管形体３３、３３’には、管形体３３、３３’の内側面と端子１６、１７との間の気密維持のためのシーリング部材を設置することができる。

本実施例におけるシーリング部材はガスケット３４、３４’からなる。ガスケット３４、３４’は、管形体３３、３３’と同様に、円筒（シリンダー）形態に形成される。これにより、ガスケット３４、３４’は、管形体３３、３３’の内側面に密着され得る。また、ガスケット３４、３４’の上端と下端には各々フランジ３５、３６が形成され、ガスケット３４、３４’が管形体３３、３３’に挿入されて設置されるときに、ガスケット３４、３４’の上端に形成されたフランジ３５は管形体３３、３３’の上端に係止され、ガスケット３４、３４’の下端に形成されたフランジ３６はキャッププレート３１の内側面に係止される（図２及び図３参照）。

これにより、端子１６、１７が管形体３３、３３’に結合されたときには、ガスケット３４、３４’が管形体３３、３３’の内周面に密着されることによって端子１６、１７と管形体３３、３３’との間の気密性はさらに高められる。

また、フランジ３５、３６も前記気密性を一層高めることができる。

ガスケット３４、３４’は、前記のように、プレスＰによって管形体３３、３３’が加圧されるときに、端子１６、１７に形成された突起１９、１９’に沿って、形状を変化させながら、端子１６、１７に密着する。

このように端子１６、１７の表面に形成された突起１９、１９’は、ガスケット３４。３４’のフランジ３５、３６と共に管形体３３、３３’と端子１６、１７との間の気密性の維持、及び管形体３３、３３’に対する相対的な端子１６、１７の移動防止に効果的な作用をする。

一方、前記シーリング部材はポリマー樹脂が用いられて形成されても良い。この場合、シーリング部材は、管形体３３、３３’に端子１６、１７が挿入された状態で、管形体３３、３３’と端子１６、１７との間に液状のポリマー樹脂を注入し、これを硬化することによって形成され得る。この時、前記管形体３３、３３’と端子１６、１７との間に存在する空気を除去することができるので、より緊密な状態にシーリングできる効果が期待される。

以下では、本発明によって管形体３３、３３’に端子１６、１７が設置される過程を説明する。図２は管形体３３に端子１６が結合される前の状態を示した分解斜視図であり、図３は管形体３３に端子１６が結合された後の状態を示した部分断面図である。

本実施例において、正極端子１６と負極端子１７は、同じ形状に形成され、また正極端子１６と負極端子１７に対応する形状を呈する管形体３３、３３’に挿入されて設置される。便宜上図２及び図３には正極端子１６のみを示すものであるが、以下の説明で正極端子１６について説明する事項は、負極端子１７にも同様に当てはまる事項である。

まず、キャップ組立体３０に端子１６を設置するにあたって、キャッププレート３１の貫通孔３２の周囲に、キャッププレート３１と一体に形成された管形体３３の内側にガスケット３４が挿入設置された状態で、管形体３３の内側に端子１６を挿入する（図２参照）。

端子１６が完全に管形体３３に嵌合されて、端子１６の下端に形成されたフランジ１８がガスケット３４の下端フランジ３６に接触させた後に、管形体３３へプレスＰを移動させることにより、管形体３３はプレスＰによって端子１６側へ加圧されて、この加圧に伴い成形される（図３参照）。

ここで、プレスＰは端子１６の外周面に形成された突起１９と対応する位置に、突起１９の形状と対応する形状を呈する溝Ｈを形成している。プレスＰが上記の形状を呈することによって、プレスＰによって管形体３３を加圧させれば、管形体３３は、突起１９に対応する部位を外側（プレスＰが位置する側）に突出させながら、全体的に端子１６の外形に対応する形状を呈するように、加圧成形される。

このように、管形体３３は、当初の形状から変更しながら端子１６側に押さえられて、ガスケット３４を介して端子１６に密着される。端子１６は、この時に発生する結合力によって、管形体３３に固定され、結果として、端子１６はキャップ組立体３０上に固定される。

このように、本実施例では、簡単なプレスＰ成形によってキャッププレート３１に形成された管形体３３を端子１６に密着させることによって、端子１６を固定させ、同時に、端子１６と管形体３３との間の気密維持も達成することができる。

一方、上述した構造に追加的に気密効果を倍増させるために、端子１６の外周面にはオーリング３７をさらに設置することもできる（図３参照）。

このオーリング３７を端子１６に形成するにあたって、オーリング３７は図３に示すように突起１９の上側に位置し得るが、その位置は特に限定されない。

オーリング３７は、管形体３３と接する端子３３の外周面のどの部位に形成しても良く、その設置数も一つだけでなく、管形体３３の長手方向に複数個設置されても良い。このオーリング３７の設置構造は、通常のオーリング設置構造に従い得る。

このように構成される二次電池は高出力性能が要求されるハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、無線掃除機、電動自転車、電動スクーターなどのようにモータを使用して作動する機器において、当該機器のモータを駆動するためのエネルギー源として使用することができる。

前記では本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲、発明の詳細な説明、及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することができ、これも本発明の範囲に属することは当然である。

本発明の実施例による二次電池を示した断面図である。 本発明の実施例によるキャップ組立体に外部端子が設置される前の状態を説明するための一部切開斜視図である。 本発明の実施例によるキャップ組立体に外部端子が設置された後の状態を説明するために示した断面図である。

符号の説明

１ 端子、
１０ 電極群、
１１ 正極、
１１ａ、１２ａ 集電体、
１１ｂ、１２ｂ 無地部、
１２ 負極、
１３ セパレータ、
１６ 正極端子、
１７ 負極端子、
１８、１８’、３５、３６ フランジ、
１９、１９’ 突起、
２０ ケース、
２０ａ 開口、
３０ キャップ組立体、
３１ キャッププレート、
３２ 貫通孔、
３３、３３’ 管形体、
３４、３４’ ガスケット、
３７ オーリング、
Ｈ 溝、
Ｐ プレス。

Claims (19)

1. 正極、負極、及び前記正極と前記負極との間に位置するセパレータを備える電極群と、
   前記電極群が内蔵されるケースと、
   前記ケースに結合されることによって前記ケースを密閉するためのキャップ組立体とを含み、
   前記キャップ組立体は、前記ケースに結合されるキャッププレート、前記電極群に電気的に連結されながら前記キャッププレートに設置される外部端子、および前記外部端子を覆いながら、前記外部端子を前記キャッププレートに固定させる管形体を備える二次電池。
2. 前記外部端子は、前記管形体と接する外周面に形成される突起を有する、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記突起は、前記外周面に環状に形成される、請求項２に記載の二次電池。
4. 前記外部端子は、前記キャッププレートに形成された貫通孔に嵌合され、
   前記管形体は、前記貫通孔の周囲に配置されて前記外部端子に密着される、請求項１に記載の二次電池。
5. 前記管形体は、前記キャッププレートと一体に形成される、請求項４に記載の二次電池。
6. 前記外部端子の水平断面と前記管形体が有する内部空間の水平断面は、同じ形状である、請求項１に記載の二次電池。
7. 前記管形体は、円筒形である、請求項６に記載の二次電池。
8. 前記管形体と前記外部端子との間に介在するシーリング部材をさらに備える、請求項１に記載の二次電池。
9. 前記シーリング部材は、前記管形体の内周面に密着されるシリンダー形態を呈するガスケットからなる、請求項８に記載の二次電池。
10. 前記シーリング部材は、前記管形体と前記外部端子との間に注入された樹脂が、硬化することによって形成される、請求項８に記載の二次電池。
11. 前記ガスケットの両端に、前記管形体の上端と前記キャッププレートの内側面に係止され得るフランジが形成された、請求項９に記載の二次電池。
12. 前記突起は、前記外部端子の長手方向の軸線を含む平面で切断した断面が半円形に形成される、請求項２に記載の二次電池。
13. 前記外部端子の外周面に、前記外部端子と前記管形体との間に配置されるオーリングが設置される、請求項２に記載の二次電池。
14. 前記二次電池は、角形に形成される、請求項１に記載の二次電池。
15. 前記二次電池は、モータ駆動用である、請求項１に記載の二次電池。
16. キャップ組立体が有するキャッププレート上に外部端子組立のための管形体を一体に形成する段階と、
    前記管形体内に前記外部端子を挿入する段階と、
    前記管形体の外側から加圧することによって前記管形体を加圧形成し、前記管形体と前記外部端子を密着させる段階とを含む二次電池の製造方法。
17. 前記管形体の内部に前記管形体の内周面に密着されるガスケットを挿入設置する段階をさらに含む、請求項１６に記載の二次電池の製造方法。
18. 前記外部端子の外周面に突起を形成する段階をさらに含む、請求項１６に記載の二次電池の製造方法。
19. 前記外部端子の外周面にオーリングを設置する段階をさらに含む、請求項１８に記載の二次電池の製造方法。

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