JP2008532235A - 金属ケーシングを有する高容量リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
本発明は、金属ケーシングを有する高容量リチウムイオン二次電池に関するものであり、正極端子あるいは負極端子は、それぞれ上部受板、上部絶縁体および下部絶縁体を含むことを特徴とする。上部受板および上部絶縁体は長円状の部材であり、二つ以上のリベットが、正極タブあるいは負極タブの上側アーム部、下部絶縁板、シールカバー、上部絶縁体、及び上部受板のそれぞれにおける同心の孔部を貫通し、それら全体をリベット締結する。正極タブあるいは負極タブの下側アーム部は、電池コア体の対応する正極タブあるいは負極タブに接合し、電池コア体は、並列に接続された二つ以上のコア部を備える。その電池は、良好なシール性能、優れた電気化学的特性、簡素化された製造工程と共に、複数のそのような単体電池によって形成された積層体による高い安全性といった利点と効果とを有する。その結果、高さ方向における電池の無駄なスペースが削減され、容積比エネルギーが高くなる。
Description
〔技術分野〕
本発明は、金属ケーシングを有する高容量リチウムイオン二次電池に関するものであり、エネルギー分野に属するものである。
本発明は、金属ケーシングを有する高容量リチウムイオン二次電池に関するものであり、エネルギー分野に属するものである。
〔背景技術〕
近年、高い容量かつ高い比エネルギー密度という利点を備えたリチウムイオン電池が開発され、急速に利用が進んでいる。そして、多くの適用分野において、徐々にニッケルカドミウム電池およびニッケル金属水素化物電池を代替しつつある。現在、リチウムイオン電池は、電動自転車、電気モータ、及び電気自動車において幅広く利用されている。金属ケーシングを有する高容量リチウムイオン二次電池が存在しており、該二次電池の正極端子および負極端子の両方にはボルト締め接続が使用されている。また、前記端子の一方がリベットによって接続され、他方が電池ケーシングにより形成された電池が存在する。しかしながら、この種の高電圧の電池は非水系電解質を、通常は集団で使用している。それゆえ、これらの電池は、軽率な行為による爆発、発火などの安全上の問題が発生しやすい。その理由のひとつが、正極端子および負極端子ボルト締め接続が採用されているというものである。電池は自動車その他の移動装置において使用されるため、電池のボルトは、激しい振動力による緩みが生じやすい。その結果、電解質の漏洩、および電池の短絡が起こり、それが事故につながる。一方、電池の組み立てはバッチ生産において複雑であり、信頼性の高いシールを実現することは難しい。従って、複数の単体電池によって形成された積層体であって、正極あるいは負極として金属ケーシングを有するものは、使用中に短絡する危険性が高い。
近年、高い容量かつ高い比エネルギー密度という利点を備えたリチウムイオン電池が開発され、急速に利用が進んでいる。そして、多くの適用分野において、徐々にニッケルカドミウム電池およびニッケル金属水素化物電池を代替しつつある。現在、リチウムイオン電池は、電動自転車、電気モータ、及び電気自動車において幅広く利用されている。金属ケーシングを有する高容量リチウムイオン二次電池が存在しており、該二次電池の正極端子および負極端子の両方にはボルト締め接続が使用されている。また、前記端子の一方がリベットによって接続され、他方が電池ケーシングにより形成された電池が存在する。しかしながら、この種の高電圧の電池は非水系電解質を、通常は集団で使用している。それゆえ、これらの電池は、軽率な行為による爆発、発火などの安全上の問題が発生しやすい。その理由のひとつが、正極端子および負極端子ボルト締め接続が採用されているというものである。電池は自動車その他の移動装置において使用されるため、電池のボルトは、激しい振動力による緩みが生じやすい。その結果、電解質の漏洩、および電池の短絡が起こり、それが事故につながる。一方、電池の組み立てはバッチ生産において複雑であり、信頼性の高いシールを実現することは難しい。従って、複数の単体電池によって形成された積層体であって、正極あるいは負極として金属ケーシングを有するものは、使用中に短絡する危険性が高い。
〔発明の要約〕
従って、本発明の目的は、金属ケーシングを有する高容量リチウムイオン二次電池であって、先行技術が抱える問題点を回避するために、両極端子がリベット締結によって固定された高容量リチウムイオン二次電池を提供することにある。それゆえ、電池のシールの信頼性は改善し、リチウムイオン二次電池の安全性および電気化学的特性（具体的には、高速で充放電を行う電気化学的性能）が向上する。そして、製造プロセスも簡素化される。
従って、本発明の目的は、金属ケーシングを有する高容量リチウムイオン二次電池であって、先行技術が抱える問題点を回避するために、両極端子がリベット締結によって固定された高容量リチウムイオン二次電池を提供することにある。それゆえ、電池のシールの信頼性は改善し、リチウムイオン二次電池の安全性および電気化学的特性（具体的には、高速で充放電を行う電気化学的性能）が向上する。そして、製造プロセスも簡素化される。
本発明の目的は、以下の技術的解決手段に従って達成される。
金属ケーシングを有する高容量リチウムイオン二次電池は、ケーシング（３）と、シールカバー（１）と、電池コア体（２）と、防爆孔（６）と、注入孔（７）と、正極端子（４）と、負極端子（５）と、を含み、前記正極端子および前記負極端子は前記シールカバーの両端部に設けられ、前記防爆孔は前記正極端子と前記負極端子との間に位置し、前記注入孔は前記シールカバーの一端部の隅部に設けられ、前記正極端子あるいは前記負極端子は、シールカバー基体（１３）の一端部に配置された上部受板（８）および上部絶縁体（９）を含むと共に、前記一端部の下方に配置された下部絶縁板（１０）並びに正極タブ（１１）若しくは負極タブ（１４）を含み、前記上部受板および前記上部絶縁体は長円状の部材であり、前記上部絶縁体には、前記長円状の上部受板を受け入れるための長円状の凹部が形成され、前記凹部には二つ以上の孔部が形成され、管状の凸部が前記孔部の各々の底部に形成され、前記管状の凸部は、その外径部が前記シールカバーにおける同心の孔に緊合し、前記管状の凸部の内径部はリベット軸に緊合し、前記凸部の高さは前記シールカバーの厚みと同様であり、前記下部絶縁板は矩形状の部材であり、二つ以上のリベット（１２）が、前記正極タブあるいは前記負極タブの前記上側アーム部、前記下部絶縁板、前記シールカバー、前記上部絶縁体、及び前記上部受板のそれぞれにおける同心の孔部を貫通し、それら全体をリベット締結し、前記正極タブあるいは前記負極タブは、その底部において、前記電池コア体の対応する正極タブあるいは負極タブに接合していることを特徴としている。
前記電池コア体は、並列に接続された二つ以上のコア部を備えており、各コア部は、正極板、セパレータ、及び負極板を巻回して構成されている。前記リベットは中塞のリベットであり、前記正極端子に用いるリベットの材料はアルミニウム、あるいはアルミニウム合金であり、前記負極端子に用いるリベットの材料はアルミニウム、銅、あるいはそれらの合金である。
本発明によると、前記金属ケーシングを有する高容量リチウムイオン二次電池は、通常は５アンペア時以上の性能を有する。金属ケースは、ステンレス鋼、アルミニウム合金、あるいはニッケルで被覆された鉄含有材を引き延ばし、若しくは打ち抜きすることにより形成する。シールカバーの材質は金属ケースの材質と同様である。前記シールカバーは、金属金型を利用した打ち抜きによって形成される。シールカバーの隅部には、電池の正極、負極を示すための“＋”、“−”の刻みが入っている。注入孔は、電解質を注入するために使用し、鋼鉄製の小球、あるいは塑性金属ブロックをプレスすることにより密閉されることができる。防爆孔は電池の安全手段を構成する。注入孔は、シールカバーの一端部の隅部にあり、通常は、金属箔を用いたろう付け溶接、あるいは高強度接着剤によって密閉される。電池コア体は、並列に接続された二つ以上のコア部を備えており、各コア部は、正極板、セパレータ、及び負極板を巻回して構成されている。正極の材質は、リチウム含有コバルト酸化物、リチウムニッケル酸塩、リチウムマンガン酸塩、あるいはリチウム燐酸塩である。負極の材質は、リチウムをインターカレーションした炭素材その他の層間化合物である。上部絶縁体、および下部絶縁板は、射出成形による高絶縁性ポリマーによって形成されており、該高絶縁性ポリマーは、通常はポリプロピレン、あるいはフッ素含有樹脂である。
先行技術と比べて、本発明に従う技術的解決手段は以下の利点と効果とを有する。
（ａ）電池ケーシングは正極端子および負極端子から絶縁されており、その結果、電池の安全性が改善する。
（ｂ）電池のシール性能及び電気化学的特性が向上する一方、製造工程が簡素化する。
（ｃ）二つ以上のリベットを用いてリベット締結することにより、電池の内部抵抗が効率的に減少し、高電流出力性能が向上する。また、高さ方向における電池の無駄なスペースが削減されると共に、容積比エネルギーが高くなる。
（ｄ）電池コア体が、巻回された２つ以上のコア部を並列接続した構成であり、それによってもまた電池の内部抵抗が効率的に減少し、製造が容易になる。その結果、製造工程が簡素化する。
（ａ）電池ケーシングは正極端子および負極端子から絶縁されており、その結果、電池の安全性が改善する。
（ｂ）電池のシール性能及び電気化学的特性が向上する一方、製造工程が簡素化する。
（ｃ）二つ以上のリベットを用いてリベット締結することにより、電池の内部抵抗が効率的に減少し、高電流出力性能が向上する。また、高さ方向における電池の無駄なスペースが削減されると共に、容積比エネルギーが高くなる。
（ｄ）電池コア体が、巻回された２つ以上のコア部を並列接続した構成であり、それによってもまた電池の内部抵抗が効率的に減少し、製造が容易になる。その結果、製造工程が簡素化する。
〔図面の説明〕
図１は、本発明に従うリチウムイオン二次電池の概要図である。
図１は、本発明に従うリチウムイオン二次電池の概要図である。
図２は、組立前後における前記電池の正極端子および負極端子の概要図である。
〔発明を実施するための最良の形態〕
図１に示すように、金属ケーシングを有する高容量リチウムイオン二次電池は、ケーシング（３）と、シールカバー（１）と、電池コア体（２）と、防爆孔（６）と、注入孔（７）と、正極端子（４）と、負極端子（５）と、を含む。前記正極端子および前記負極端子は前記シールカバーの両端部に設けられ、前記防爆孔は前記正極端子と前記負極端子との間に位置し、前記注入孔は前記シールカバーの一端部の隅部に設けられている。前記正極端子あるいは前記負極端子は、シールカバー基体（１３）の一端部に配置された上部受板（８）および上部絶縁体（９）を含むと共に、前記一端部の下方に配置された下部絶縁板（１０）並びに正極タブ（１１）若しくは負極タブ（１４）を含む。前記上部受板および前記上部絶縁体は長円状の部材であり、前記上部絶縁体には、前記長円状の上部受板を受け入れるための長円状の凹部が形成される。前記凹部には２つ以上の孔部が形成され、管状の凸部が前記孔部の各々の底部に形成されている。前記管状の凸部の外径部は前記シールカバーにおける同心の孔に緊合し、前記管状の凸部の内径部はリベット軸に緊合する。前記凸部の高さは前記シールカバーの厚みと同様である。前記リベットは前記管状の凸部によって前記シールカバーから絶縁されることができ、それにより電池の安全性が向上する。前記下部絶縁板は矩形状の部材である。２つ以上のリベット（１２）が、前記正極タブあるいは前記負極タブの前記上側アーム部、前記下部絶縁板、前記シールカバー、前記上部絶縁体、及び前記上部受板のそれぞれにおける同心の孔部を貫通し、それら全体をリベット締結している。前記正極タブあるいは前記負極タブは、その底部において、前記電池コア体の対応する正極タブあるいは負極タブに接続している。
図１に示すように、金属ケーシングを有する高容量リチウムイオン二次電池は、ケーシング（３）と、シールカバー（１）と、電池コア体（２）と、防爆孔（６）と、注入孔（７）と、正極端子（４）と、負極端子（５）と、を含む。前記正極端子および前記負極端子は前記シールカバーの両端部に設けられ、前記防爆孔は前記正極端子と前記負極端子との間に位置し、前記注入孔は前記シールカバーの一端部の隅部に設けられている。前記正極端子あるいは前記負極端子は、シールカバー基体（１３）の一端部に配置された上部受板（８）および上部絶縁体（９）を含むと共に、前記一端部の下方に配置された下部絶縁板（１０）並びに正極タブ（１１）若しくは負極タブ（１４）を含む。前記上部受板および前記上部絶縁体は長円状の部材であり、前記上部絶縁体には、前記長円状の上部受板を受け入れるための長円状の凹部が形成される。前記凹部には２つ以上の孔部が形成され、管状の凸部が前記孔部の各々の底部に形成されている。前記管状の凸部の外径部は前記シールカバーにおける同心の孔に緊合し、前記管状の凸部の内径部はリベット軸に緊合する。前記凸部の高さは前記シールカバーの厚みと同様である。前記リベットは前記管状の凸部によって前記シールカバーから絶縁されることができ、それにより電池の安全性が向上する。前記下部絶縁板は矩形状の部材である。２つ以上のリベット（１２）が、前記正極タブあるいは前記負極タブの前記上側アーム部、前記下部絶縁板、前記シールカバー、前記上部絶縁体、及び前記上部受板のそれぞれにおける同心の孔部を貫通し、それら全体をリベット締結している。前記正極タブあるいは前記負極タブは、その底部において、前記電池コア体の対応する正極タブあるいは負極タブに接続している。
図２に示すように、図の左側は組立前の状態を、図の右側は組立後の状態を示す。リベットは中塞のリベットであり、前記正極端子に用いるリベットの材料はアルミニウム、あるいはアルミニウム合金であり、前記負極端子に用いるリベットの材料はアルミニウム、銅、あるいはそれらの合金である。電極との前記接続によって前記電池ケーシングを前記正極端子および前記負極端子から絶縁できるだけでなく、高さ方向における電池の無駄なスペースを削減し、容積比エネルギーを高めることができる。同時に、ボルトの緩みに起因する電解質の漏洩、及び短絡といった事故を回避することができる。
前記上部絶縁体は射出成形によって形成される。前記シールカバーの両端部に２つ以上の孔が穿設される。前記孔の直径部は、前記上部絶縁体の前記管状の凸部の外径部に緊合する必要があり、それにより組立後に前記正極および前記負極が前記ケーシングから絶縁される。前記防爆孔は前記シールカバーの中央部に穿設され、前記注入孔は前記シールカバーの一端の隅部に穿設される。さらに、前記上部受板、前記下部絶縁体、および前記正極タブ・負極タブの上側アーム部にも、それぞれ２つ以上の孔が形成される。それらの孔は、間隔が前記シールカバーの孔の間隔と同様であり、直径部が前記リベット軸の直径部に対して緊合する。組立時において、２つ以上のリベットが、前記正極タブあるいは前記負極タブの前記上側アーム部、前記下部絶縁体、前記シールカバー、前記上部絶縁体、及び前記上部受板のそれぞれにおける同心の孔部を貫通し、それら全体をリベット締結している。そして、前記電池コア体が前記ケーシング内部に配置され、前記シールカバーの前記正極タブあるいは前記負極タブの前記下側アーム部が、電池コア体の対応する正極タブあるいは負極タブに、抵抗溶接、あるいは超音波溶接により接合される。その後、前記シールカバーおよびケーシングが、レーザ溶接または縁折曲げ密封により全体的に接続される。
本発明は、ニッケルカドミウム電池、あるいはニッケル金属水素化物パワー電池にも適用することができ、同様の効果を得ることができる。
Claims (3)
- 金属ケーシングを有する高容量リチウムイオン二次電池であって、
ケーシング（３）と、シールカバー（１）と、電池コア体（２）と、防爆孔（６）と、注入孔（７）と、正極端子（４）と、負極端子（５）と、を含み、
前記正極端子および前記負極端子は前記シールカバーの両端部に設けられ、前記防爆孔は前記正極端子と前記負極端子との間に位置し、前記注入孔は前記シールカバーの一端部の隅部に設けられ、
前記正極端子あるいは前記負極端子は、シールカバー基体（１３）の一端部に配置された上部受板（８）および上部絶縁体（９）を含むと共に、前記一端部の下方に配置された下部絶縁板（１０）並びに正極タブ（１１）若しくは負極タブ（１４）を含み、
前記上部受板および前記上部絶縁体は長円状の部材であり、前記上部絶縁体には、前記長円状の上部受板を受け入れるための長円状の凹部が形成され、
前記凹部には２つ以上の孔部が形成され、管状の凸部が前記孔部の各々の底部に形成され、前記管状の凸部は、その外径部が前記シールカバーにおける同心の孔に緊合し、前記管状の凸部の内径部はリベット軸に緊合し、
前記凸部の高さは前記シールカバーの厚みと同様であり、
前記下部絶縁板は矩形状の部材であり、
２つ以上のリベット（１２）が、前記正極タブあるいは前記負極タブの前記上側アーム部、前記下部絶縁板、前記シールカバー、前記上部絶縁体、及び前記上部受板のそれぞれにおける同心の孔部を貫通し、それら全体をリベット締結し、
前記正極タブあるいは前記負極タブは、その底部において、前記電池コア体の対応する正極タブあるいは負極タブに接合していることを特徴とする金属ケーシングを有する高容量リチウムイオン二次電池。 - 前記電池コア体は、並列に接続された２つ以上のコア部を備えており、各コア部は、正極板、セパレータ、及び負極板を巻回して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属ケーシングを有する高容量リチウムイオン二次電池。
- 前記リベットは中塞のリベットであり、前記正極端子に用いるリベットの材料はアルミニウム、あるいはアルミニウム合金であり、前記負極端子に用いるリベットの材料はアルミニウム、銅、あるいはそれらの合金であることを特徴とする請求項１に記載の金属ケーシングを有する高容量リチウムイオン二次電池。
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