JP2006093145A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】振動や衝撃によって集電板が電極群から脱落することを防止することのできる二次電池を提供する。
【解決手段】二次電池は、正極、負極、および前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータを含む電極群１０と、電極群１０が内蔵されるケースと、前記ケースと結合されて、前記ケースを密閉するキャップ組立体と、前記正極または前記負極に電気的に接続されるとともに、前記正極または前記負極に固定される第１固定部位、および前記ケースに電気的に接続されるとともに、前記ケースに固定される第２固定部位を含む集電板５０と、前記第１固定部位と前記第２固定部位との間には前記集電板に力が加えられるときに発生するエネルギーを低減させる切断部５４とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、二次電池に関し、より詳しくは、衝撃に対する緩衝機能を有する二次電池に関するものである。

二次電池は、充電が不可能な一次電池とは異なり、充電及び放電が可能な電池である。一つの電池セルからなる低容量電池としての電池パックは、携帯電話、ノートブックコンピュータ、またはカムコーダのような携帯可能な小型電子機器に使用され、また、数十個の電池セルを連結して構成された大容量電池としての電池パックは、ハイブリッド自動車などのモータ駆動用電源として広く使用される。

前記二次電池は、多様な形状に製造され得るが、代表的な形状としては、円筒形、角形、さらにはパウチ形などがあり、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、あるいは積層さ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、外部端子が形成されたキャップ組立体を前記ケースに設置して構成される。

そして、前記正極及び負極には、電池の起電時に電極群から発生する電流を集電し、集電された電流を前記外部端子に誘導するための導電性タブがそれぞれ取り付けられる。

ここで、前記二次電池が高出力用として備えられる場合において、電流集電部位の抵抗を減少させるために、前記導電性タブの代わりに板状の集電部材を適用することとした技術が開示されている（特許文献１）。

ところが、上述した従来技術をはじめとして、集電板を有する二次電池の場合、電池の外部から電池に衝撃などが加えられたり、電池自体の構造的な問題によって電池の内部に振動が発生すれば、電極群やケースに取り付けられた集電板が、電極群またはケースから脱落したり、集電板自体が破損する問題が発生することがある。

つまり、二次電池において、集電板が電極群とケースとに取り付けられた状態で、電極群は、ケースとの間に隙間が存在することにより振動することがあるが、この場合、集電板は電極群の振動による影響を受けて、電極群およびケースへの集電板の取り付け強度が低下される。この取り付け強度の低下が顕著に生じた場合、集電板が、電極群またはケースへの取り付け部位から脱落して、電池の機能が失われる。

特に、二次電池が、電動掃除機、電動スクーター、または自動車（電気自動車またはハイブリッド電気自動車）のモータ駆動用の大容量二次電池として適用される場合、二次電池の外部環境によっては、二次電池自体に生じる振動や外部からの衝撃による振動が持続的に当該電池に加えられることがあるため、上述した問題はさらに増大する。

したがって、二次電池がモータ駆動用電池に適用される場合、ケース内において電極群が持続的に振動することによって、集電板の溶接部位に対する疲労度が増加し、その結果、集電板がその取り付け部位から脱落して、電池としての機能が失われる確率が高い。
米国特許第６１９３７６５号明細書

本発明は、上記従来技術が有する問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、振動や衝撃によって集電板が電極群から脱落することを防止することができる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、本発明による二次電池は、正極、負極、および前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータを含む電極群と、前記電極群が内蔵されるケースと、前記ケースと結合されて、前記ケースを密閉するキャップ組立体と、前記正極または前記負極に電気的に接続されるとともに、前記正極または前記負極に固定される第１固定部位、および前記ケースに電気的に接続されるとともに、前記ケースに固定される第２固定部位を含む集電板と、前記第１固定部位と前記第２固定部位との間において前記集電板に力が加えられるときに発生するエネルギーを低減させる緩衝部とを有する。

前記第１固定部位と前記第２固定部位とは、互いに離隔するように配置される。

前記電極には、無地部が形成され、前記集電板は、前記ケースの内側面に取り付けられる突出部と、前記電極の無地部に取り付けられる接触部とを有し、前記突出部と前記接触部との間には、前記突出部と前記接触部との間が一部切断された切断部が形成される。

前記突出部の内側には溝が形成され、前記溝は前記集電板の中央に配置され、前記接触部は前記溝を中心に放射方向に配置され、前記切断部は前記接触部の長手方向に沿って、前記溝に近接して配置される。

前記突出部と前記切断部との間には皺部を形成することができる。

前記集電板の厚さｄと、前記突出部の先端から前記切断部までの距離Ｌとは、Ｌ＞５ｄの関係を満足する。

本発明によれば、二次電池に加えられる衝撃や振動によって集電板が溶接部位から脱落することを防止することができ、その結果、電池の信頼性を高めて電池の寿命を延長させることができる。

図１は、本発明の実施形態における二次電池の断面図である。

図１に示される二次電池は、正極１１、負極１２、および正極１１と負極１２との間に配置されるセパレータ１３を備えた電極群１０と、電極群１０および電解液を収容できるように、一方の端部が開放されたケース２０と、ガスケット３１を介してケース２０の開口部上端に設置され、ケース２０を密封するキャップ組立体３０と、電極群１０の正極１１と電気的に接続される正極集電板４０と、電極群１０の負極１２に電気的に接続される負極集電板５０とを含む。

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導電性金属から形成され、電極群１０が内部に配置され得る円筒形を呈する。

なお、ケース２０は、上述した円筒形の他に、角形やそれ以外の形状に形成され得る。

電極群１０は、各々の活物質が集電体にコーティングされて構成された正極１１と負極１２とがセパレータ１３を間に介在して積層される構成を有するが、積層された正極１１とセパレータ１３と負極１２とが、渦流状に巻かれて形成されるゼリーロールタイプとすることができる。図１は、円筒形ケース２０の内部に円形のゼリーロールタイプに巻かれた電極群１０が配置された構造を例示している。

前記のように構成された電極群１０は、集電板４０，５０が正極１１と負極１２とのそれぞれに電気的に接続されることによって、一つの電極組立体を構成する。

ここで、集電板４０、５０は、正極１１と負極１２に設けられる無地部１１ａ、１２ａにおいて、それぞれ正極１１および負極１２に接続される。無地部１１ａ、１２ａは、正極１１および負極１２の各集電体の一方の側部における周縁に沿って、活物質が塗布されていない部位を示す。

電極群１０が構成されるために、正極１１の無地部１１ａと負極１２の無地部１２ａは、互いに対向するように配置され、セパレータ１３よりも高く突出するように位置する。

キャップ組立体３０は、外部端子３２ａを有するキャッププレート３２と、ケース２０およびキャッププレート３２を絶縁するガスケット３１と、所定の圧力条件下で破損されてガスを放出することによって、電池の爆発を防止するベントプレート３３とを含み、ベントプレート３３は、リード３５を介して正極集電板４０と電気的に接続される。

ベントプレート３３は、所定の圧力条件下で、電極群１０からキャップ組立体３０に接続される電気的なパスを遮断することができる構造であれば、図示した形状に限定されず、多様に変更して使用することができる。

図２は、本発明の実施形態における二次電池の負極集電板を示した斜視図である。以下に、図２を参照して、本実施形態における負極集電板５０を説明する。

図２に示すように、負極集電板５０は、円板状を呈するプレート５１を備え、プレート５１の中央部には、ケース２０の内面と溶接接合できるように、負極集電板５０がケース２０の内部に配置された状態においてケース２０の内面に向かって突出する突出部５２が形成される。

突出部５２の内側には、溝５２’が形成されるとともに、プレート５１上には、溝５２’を中心にして放射方向に４個の接触部５３が形成される。この４個の接触部５３は、プレート５１’の周方向に隣接する２個の接触部の軸線の交差角が直角となるように配置される。さらに、４個の接触部５３は、突出部５２がプレート５１から突出する方向と反対方向、つまり、負極集電板５０がケース２０の内部に配置された状態において、陰極板１２の無地部１２ａに向かう方向に突出するように形成されている。

接触部５３は、スロット形態に形成され、溝５２’および接触部５３は、平坦なプレート５１をエンボシング加工することによって形成され得る。

上記のような構造を有する負極集電板５０は、接触部５３を負極無地部１２ａに接触させた後、レーザー溶接により負極１２に接合されることにより、負極１２と電気的に接続され、ケース２０とは、ケース２０の底面に接触される突出部５２がケース２０の底面に接触された状態で溶接によって固定され、ケース２０と電気的に接続される。

負極集電板５０において、突出部５２と接触部５３との間には突出部５２と接触部５２とを分離させるために切断部５４が配置されるが、本実施形態における切断部５４は、各接触部５３の長手方向に沿って、溝５２’に近接した接触部５３の一部分が切断されることで形成される。

つまり、負極集電板５０において、突出部５２が形成された部位を第１固定部位とし、接触部５３が形成された部位を第２固定部位とするとき、この第１固定部位と第２固定部位との間に、二次電池に外部から加えられる衝撃などによる力が加えられるときに発生するエネルギーを減らす緩衝部としての切断部５４が形成されている。

負極集電板５０の構造をより具体的に説明すれば、プレート５１に放射方向に形成される接触部５３において、接触部５３の長手方向に沿ってプレート５１の外周部側（前記切断部を除いた部分）に位置する部分は、プレート５１と一体に接合され、プレート５１の中央部に向かった側（前記切断部が形成された部位）に位置する部分は、切断部５４によってプレート５１と切断された状態に維持される。

負極集電板５０が上述した構造を有することによって、負極集電板５０がケース２０と溶接される部位である突出部５２は、負極集電板５０が負極１２と溶接される部位である接触部５３に対して離隔した状態が維持され、その離隔距離は変動され得る。

つまり、ケース２０に固定された突出部５２と、負極無地部１２ａに固定された接触部５３とは、切断部５４が存在することによって、振動可能な状態になる。

このような負極集電板５０が二次電池に適用される場合、この負極集電板５０を媒介して電極群１０とケース２０が互いに連結されて固定されているにもかかわらず、ケース２０に対して電極群１２が、または電極群１２に対してケース２０が、上、下（図１基準）に振動できるようになる。

ここで、突出部５２部と接触部５３との離隔幅、つまり、切断部５４の高さ方向の幅は、切断部５４の長手方向の長さと密接な関連があるが、本実施形態では、負極集電板５０の限界引張応力内で突出部５２と接触部５３とが離隔できる程度を考慮して切断部５４の長手方向の長さが設定されるが、当該長さは、特に所定の値に限定されるものではない。

また、集電板５０の厚さｄと、突出部５２の先端から切断部５４までの距離Ｌとは、Ｌ＞５ｄの関係を満足することが好ましい。

このような二次電池において、外部から振動や衝撃が加えられれば、電極群１０とケース２０との間に隙間が存在することによって、ケース２０内で電極群１０が上下または左右に振動する。

この振動が生じたとき、電極群１０の正極１１側では、正極無地部１１ａに設置された正極集電板４０とキャップ組立体３０との間に設置されるリード３５の弾性力によって、ある程度衝撃の緩衝が可能になり、電極群１０の負極１２側では、負極集電板５０に形成された切断部５４によって、衝撃を緩衝させることができる。

つまり、二次電池に衝撃が加えられたとしても、突出部５２と接触部５３との間に切断部５４が存在することによって、電極群１０が振動して、プレート５１に加えられる外力が緩衝される。

さらに詳しく説明すれば、電極群１０は、負極集電板５０によってケース２０に固定されている状態で、電極群１０がケース２０に対して動けば、ケース２０に対する電極群１０の位置が変更されるため、負極集電板５０を構成するプレート５１に捩れが発生する。しかし、切断部５４が存在することによって、負極無地部１２ａに固定された接触部５３と、ケース２０に固定された突出部５２とが離隔する構造を有するために、前記のように、プレート５１が捩れる場合には、突出部５２と接触部５３との間の切断部５４の幅が自然と大きくなり、図３に示すように、突出部５２が図に示す上下方向に振動して、一種のダンピングの役割を果たすこととなる。その結果、プレート５１に付加される力は低減される。

したがって、電極群１０が振動しても、接触部５３と突出部５２との固定部位に付加される力は低減されて、接触部５３と突出部５２とがその固定部位から離隔することが防止され得る。これにより、二次電池に加えられる衝撃や振動によって負極集電板５０が溶接部位から脱落することを防止することができ、その結果、電池の信頼性を高めて電池の寿命を延長させることができる。

また、本実施形態において、プレート５１は、上記の構造を有することに加え、図４に示すように、突出部５２と接触部５３との間に皺部５７がさらに形成される。これにより、負極集電板５０が作用するときに、プレート５１に付加される力はさらに効果的に低減され得る。

上述した本実施形態における二次電池は、ＨＥＶ（ハイブリッド自動車）、ＥＶ（電気自動車）、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し、外部環境から衝撃を多く受けやすい機器において、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効果的に使用することができる。

また、本実施形態では前記ケースに固定される集電板を、当該集電板に固定される電極が負極であるので、負極集電板として説明したが、前記ケースに固定される集電板に固定される電極が正極である場合にも、本発明を適用することもできる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、当業者であれば、特許請求の範囲と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、それらについても当然に本発明の範囲に属するものと理解される。

本発明の実施形態における二次電池の断面図である。 本発明の実施形態における二次電池の負極集電板を示した斜視図である。 本発明の実施形態における二次電池の作用を説明するための部分拡大断面図である。 本発明の他の実施形態における二次電池の負極集電板を示した斜視図である。

符号の説明

１０ 電極群、
１１ 正極、
１１ａ，１２ａ 無地部、
１２ 負極、
１３ セパレータ、
２０ ケース、
３０ キャップ組立体、
３１ ガスケット、
３３ ベントプレート、
３５ リード、
４０ 正極集電板、
５０ 負極集電板、
５１ 円板形態のプレート、
５２ 突出部、
５２’ 溝、
５３ 接触部、
５４ 切断部、
５７ 皺部。

Claims (9)

1. 正極、負極、および前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータを含む電極群と、
   前記電極群が内蔵されるケースと、
   前記ケースと結合されて、前記ケースを密閉するキャップ組立体と、
   前記正極または前記負極に電気的に接続されるとともに、前記正極または前記負極に固定される第１固定部位、および前記ケースに電気的に接続されるとともに、前記ケースに固定される第２固定部位を含む集電板と、
   前記第１固定部位と前記第２固定部位との間において前記集電板に力が加えられるときに発生するエネルギーを低減させる緩衝部と、
   を有する二次電池。
2. 前記第１固定部位と前記第２固定部位とは、互いに離隔するように配置される、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記電極には、無地部が形成され、
   前記集電板は、
   前記ケースの内側面に取り付けられる突出部と、
   前記電極の無地部に取り付けられる接触部とを有し、
   前記突出部と前記接触部との間には、前記突出部と前記接触部との間が一部切断された切断部が形成される、請求項１に記載の二次電池。
4. 前記突出部の内側に溝が形成される、請求項３に記載の二次電池。
5. 前記溝は、前記集電板の中央に配置され、
   前記接触部は、前記溝を中心に放射方向に配置され、
   前記切断部は、前記接触部の長手方向に沿って、前記溝に近接して配置される、請求項４に記載の二次電池。
6. 前記突出部と前記切断部との間に皺部が形成される、請求項３に記載の二次電池。
7. 前記集電板の厚さｄと、前記突出部の先端から前記切断部までの距離Ｌとは、Ｌ＞５ｄの関係を満足する、請求項３に記載の二次電池。
8. 前記二次電池は、円筒形を呈する、請求項１に記載の二次電池。
9. 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。

Images