JP2009087913A - ２次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電極群と安定的に結合できる集電板を含み、かつ、集電板の固有抵抗を減少させて出力を向上させることができる２次電池を提供する。
【解決手段】この２次電池は、正極１１２及び負極１１３と、正極１１２と負極１１３との間に配置されるセパレータ１１４とを含む電極群１１０と、電極群１１０を収納するケース１２０と、ケース１２０を密閉し、電極端子を有するキャップ組立体１４０と、電極群１１０とキャップ組立体１４０とを連結し、電極群１１０に挿入される集電突起１６３，１６７を有する複数の集電片１６１，１６５で作られた集電板１６０と、を含み、集電突起１６３は、隣接する集電片１６５の集電突起１６７の間に嵌合され、集電突起１６３，１６７の間には、正極１１２又は負極１１３に形成された無地部１１２ａが嵌合される。
【選択図】図１

Description

本発明は、２次電池に関し、より詳しくは、電極群に電気的に連結された集電板の構造を改善した２次電池に関する。

２次電池は、充電が不可能な一次電池とは違って充電及び放電が可能な電池である。一つのセルで構成された低容量２次電池の場合、携帯電話機やノートパソコン、又は小形ＶＴＲのように携帯が可能な小型電子機器に使用される。複数のセルがパック形態で連結された大容量２次電池はハイブリッド電気自動車などのモータ駆動用電源として幅広く使用されている。

このような２次電池は色々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、角型を挙げることができる。

そしてこのような２次電池は大電力を必要とする電気自動車などのモータ駆動に用いることができるように直列に連結されて、大容量の２次電池モジュールを構成するようになる。

２次電池は、正極と負極がセパレータを間において位置する電極群と、電極群が収納される空間を備えるケースと、ケースを密閉するキャップ組立体とを含む。

２次電池が円筒形で形成される場合、電極群の正極及び負極には活物質が塗布されない無地部が形成され、正極無地部と負極無地部は互いに異なる方向に向かうように配置される。

負極無地部には負極集電板が付着して、正極無地部には正極集電板が付着し、負極集電板はケースと電気的に連結され、正極集電板はキャップ組立体と電気的に連結されて、外部に電流を誘導するようになる。従ってケースは負極端子役割を果たして、キャップ組立体に設けられたキャッププレートが正極端子役割を果たすようになる。

正極集電板とキャップ組立体は導電性金属で作られたリード部材によって、電気的に連結されるところ、リード部材と溶接された状態でケースに嵌合される。キャップ組立体を嵌合した後にはクランピングをして、キャップ組立体をケースに固定する。

このように電極群と電気的に連結された集電板を通して外部に電流が引き出されるので、電極群と集電板が安定的に接触することは、大変重要である。

また、高出力電池の場合、集電板を通して大電流が流れるので集電板の固有抵抗が小さいほど電力の損失を減らせる。従って集電板の厚さを厚く形成することが好ましいが、集電板の厚さが厚ければ、電極群に熱がよく伝えられなくて集電板と電極群がよく溶接できない問題が発生する。

また、通常集電板と電極群は単純に面接触をした状態で溶接されるが、このような構造の場合集電板を側方向に支持する構造がないため外部衝撃が加えると集電板と電極群の間の接触が不良になる問題が発生する。このように集電板と電極群の接触が不良になれば、接触部位で抵抗が大きくなって、２次電池の出力が低下するだけでなく、抵抗によって多くの熱が発生する問題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、電極群と安定的に結合できる集電板を含み、かつ、集電板の固有抵抗を減少させて出力を向上させることが可能な、新規かつ改良された２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、正極及び負極と、正極と負極との間に配置されるセパレータとを含む電極群と、電極群を収納するケースと、ケースを密閉し、電極端子を有するキャップ組立体と、電極群とキャップ組立体とを連結し、電極群に挿入される集電突起を有する複数の集電片で作られた集電板と、を含み、集電突起は、隣接する集電片の集電突起の間に嵌合され、集電突起の間には、正極又は負極に形成された無地部が嵌合されることを特徴とする、２次電池が提供される。

また、集電片は、板型の平板部と、平板部から突出した複数の集電突起と、を有してもよい。

また、集電突起は、平板部から電極群に向かって傾斜して突出した傾斜部と、傾斜部から平板部と平行に突出した延長部と、延長部から無地部に向かって突出した挿入部と、を含んでもよい。

また、挿入部の端部は、楔状に形成されてもよい。

また、互いに隣接する集電突起は、延長部が同一な平面上に位置するように設けられてもよい。

また、集電板は、集電突起の間に無地部が嵌合された状態で、無地部と溶接によって固定されてもよい。

また、無地部は、延長部と溶接によって固定されてもよい。

また、集電板は、２つの集電片で形成されてもよい。

以上説明したように本発明によれば、電極群と安定的に結合できる集電板を含み、かつ、集電板の固有抵抗を減少させて出力を向上させることができる。

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、本明細書及び図面において、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１は、本発明の一実施形態による２次電池を示した切開斜視図である。
前記図面を参照すると、本実施形態による２次電池１００は、正極１１２と負極１１３とが、セパレータ１１４を間において位置する電極群１１０と、電解液と一緒に電極群１１０を収容できるように一側先端に開口部が形成されたケース１２０とを含む。そしてケース１２０の開口部には、ケース１２０を密封するキャップ組立体１４０がガスケット１４４を媒介として設けられる。

より具体的に説明すれば、ケース１２０は、アルミニウム、アルミニウム合金又はニッケルが鍍金されたスチールのような導電性金属で作られる。

そして本実施形態によるケース１２０の形状は、電極群１１０が位置する内部空間を有する円筒形に形成される。キャップ組立体１４０をケース１２０に嵌合した後、クランピングして、キャップ組立体１４０をケース１２０に固定させるが、この過程でケース１２０には、ビーディング部１２３とクランピング部１２５が形成される。

本実施形態による電極群１１０は、正極１１２とセパレータ１１４と負極１１３とが積層された後、渦流状に巻かれた円筒形タイプで形成されるが、電極群１１０の構造は、必ずしもこの例に限定されるものではなく、他の構造で形成できる。電極群１１０の中心には、空間が形成されて電極群１１０が円筒形の形状を維持できるようにこの空間にセンターピン１７０が設けられる。

そして正極１１２の上端（図１基準）には、正極活物質が塗布されない正極無地部１１２ａが形成され、この正極無地部１１２ａが正極集電板１６０と電気的に連結される。一方、負極１１３の下端（図１基準）には、負極活物質が塗布されない負極無地部１１３ａが形成され、この負極無地部１１３ａが負極集電板１３２と電気的に連結される。

キャップ組立体１４０は、突出した外部端子及び排気口１４３ａが形成されたキャッププレート１４３と、キャッププレート１４３の下部に設置され、設定された圧力条件で破損して、ガスを放出するベントプレート１４２とを含む。ベントプレート１４２は、設定された圧力条件で電極群１１０とキャッププレート１４３との電気的連結を遮断する役割を果たす。

キャッププレート１４３とベントプレート１４２との間には、正の温度素子（正係数の感温素子）１４１が設置される。この正の温度素子１４１は、一定の温度を越えれば電気抵抗が非常に大きくなる（回路において絶縁に等しい抵抗値まで大きくなる）装置であって、２次電池１００が定められた値以上の温度になった時、充電及び放電電流の流れを遮断させる役割を果たす。

ベントプレート１４２は、下へ突出した構造で形成され、突出した部分の下面にはサブプレート１４７が付着する。

ベントプレート１４２の周縁には、リード部１５０を通じて電極群１１０と電気的に連結されてサブプレート１４７に固定したミドルプレート１４６と、このミドルプレート１４６とベントプレート１４２との間においてミドルプレート１４６とベントプレート１４２とを絶縁させる絶縁体１４５とが設けられる。

正極集電板１６０は、２つの集電片１６１、１６５が相互に噛み合った構造で形成される。本実施形態では正極集電板を例として説明するが、本発明がこれに制限されるものではなくて、負極集電板も本実施形態による正極集電板と同一な構造で形成できる。

図２を参照して、集電片１６１について詳細に調べる。
向き合う２つの集電片１６１と１６５とは、同一構造に形成されるので一側集電片１６１についての説明で他の集電片１６５についての説明を兼ねる。

集電片１６１は、平板部１６２と、平板部１６２から突出した複数の集電突起１６３とにより形成される。集電突起１６３は、平板部１６２の一側端部に形成されるが、平板部１６２の一側端部から前方に突出した複数の集電突起１６３は、所定間隔で離隔形成される。集電突起１６３は、平板部１６２から下向きの傾斜を有するように突出した傾斜部１６３ａと、この傾斜部１６３ａに連結されて形成され、平板部１６２と平行に突出した延長部１６３ｂと、この延長部１６３ｂから垂直に連結されて形成された挿入部１６３ｃを含む。

換言すれば、集電片１６１は、集電片１６５と組み合わせられてケース１２０の水平方向の断面形状を形成するので、集電片１６１（集電片１６５）は、略半円形状に形成され、かつ、略半円形状における円弧から、組み合わせられる集電片１６５（集電片１６１）の方向に向けて突出形成された複数の突起を有する。略半円形状の片が、平板部１６２であり、突起が、集電突起１６３である。つまり、平板部１６２は、略半円形の平板状に形成される。そして、集電突起１６３は、複数所定の間隔で離隔して、平板部１６２の円弧から突出形成される。この集電突起１６３のそれぞれは、傾斜部１６３ａと、延長部１６３ｂと、挿入部１６３ｃを有する。傾斜部１６３ａは、平板部１６２の円弧から斜め下方向（正極無地部１１２ａ方向）に突出して形成される。延長部１６３ｂは、傾斜部１６３ａの端部から、平板部１６２と略平行な面内に延長形成される。そして、挿入部１６３ｃは、延長部１６３ｂの端部から垂直に下方向（正極無地部１１２ａ方向）に突出して形成される。

挿入部１６３ｃは、正極無地部１１２ａの間に容易に嵌合できるように端が尖っているように形成されている。そして平板部１６２は平らな半円形の板状に形成され、中央に通気孔１６４を形成している。

図３に示すように２つの集電片１６１、１６５は、平板部１６２、１６６と複数の集電突起１６３、１６７とを含み、平板部１６２、１６６には通気孔１６４、１６８が形成されている。そして平板部１６２、１６６で突出した集電突起１６３、１６７が互いに行き違うように嵌合されて、正極無地部１１２ａと接触するように設けられる。

図３は、正極無地部１１２ａに設けられた正極集電板１６０を例として示しているが、本発明が正極集電板１６０に限定されるものではなくて、負極集電板も同一な構造で形成できる。

図４及び図５に示すように集電片１６１、１６５は、正極無地部１１２ａの上に設置され、複数の集電突起１６３、１６７が正極無地部１１２ａの間に挿入設される。そして２つの集電片１６１、１６５が互いに対向しながら、集電突起１６３、１６７が相互嵌合されるが、これにより集電突起１６３、１６７の延長部１６３ｂ、１６７ｂが互いに重ねられて同一平面上で平行に配置される。

図３を参照して、電極群１１０に集電板１６０が設けられる過程を調べると次の通りである。

最初１つの集電片１６１が正極無地部１１２ａ上に設置されるが、この際、集電突起１６３は、正極無地部１１２ａの間を食い込む。集電突起１６３の挿入部１６３ｃは、端部が楔状に形成されて正極無地部１１２ａの間に容易に食い込むことができる。

１つの集電片１６１が設置されると、これとペアを構成する他の集電片１６５が正極無地部１１２ａ上に設置されるが、この際、他の集電片１６５の集電突起１６７は既に設けられた集電片１６１の集電突起１６３と行き違うように設けられる。この際、他の集電片１６５の集電突起１６７は、正極無地部１１２ａの間に食い込みながら、集電突起１６３と集電突起１６７との間に正極無地部１１２ａが嵌合されて突出する。

このように集電突起１６３、１６７が正極無地部１１２ａの間に嵌合されれば、集電板１６０が正極無地部１１２ａと絡まって、正極集電板１６０が電極群１１０に対して流動することを安定的に防止することができる。

正極無地部１１２ａが集電突起１６３と集電突起１６７との間に嵌合された状態において、集電突起１６３、１６７を横切って溶接を実施する。この際、集電板１６０上に溶接ライン１８０が形成されるが、溶接ライン１８０により、集電板１６０と正極無地部１１２ａは、同一の平面上に位置するようになる。溶接は同一の平面で平行に配列された延長部１６３ｂ、１６７ｂと正極無地部１１２ａとの間で実施される。

本実施形態のように正極無地部１１２ａと正極集電板１６０とが同一の平面に位置すれば、集電板１６０の厚さを増加させても正極無地部１１２ａと安定的に溶接できる。つまり、従来は集電板にレーザーを照射し、集電板から伝えられた熱で無地部を溶接するので集電板の厚さが過度に厚ければ集電板から無地部に熱がよく伝えられない問題があった。しかしながら、本実施形態のように正極無地部１１２ａが集電突起１６３と集電突起１６７の間に突き出されれば、正極無地部１１２ａに直接レーザーなどで熱を加えて、正極無地部１１２ａを溶かせるので集電板１６０の厚さを厚くしても安定的に溶接できる利点がある。

また、嵌合された集電突起１６３、１６７が正極無地部１１２ａを媒介として溶接されているので、集電突起１６３、１６７と正極無地部１１２ａが一体となって固定され、集電片１６１、１６５が外部の衝撃によって、流動することを防止することができる。つまり、一方の集電突起が他方の集電突起に単純に嵌合された構造でなく各部材が糸の絡み合いのように絡まっているので、集電片１６１、１６５が正極無地部１１２ａに更に安定的に固定されうる。

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詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、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。

本発明の一実施形態による２次電池を示した切開斜視図である。 本発明の一実施形態による集電片を示した斜視図である。 本発明の一実施形態による電極群とこれに設けられた集電板を示した部分斜視図である。 図３の電極群とこれに設けられた集電板を示した正面図である。 図３の電極群とこれに設けられた集電板を示した側面図である。

符号の説明

１００ ２次電池
１１０ 電極群
１１２ 正極
１１２ａ 正極無地部
１１３ 負極
１１３ａ 負極無地部
１１４ セパレータ
１２０ ケース
１２３ ビーディング
１２５ クランピング
１４０ キャップ組立体
１４１ 正の温度素子
１４２ ベントプレート
１４３ キャッププレート
１４３ａ 排気口
１４４ ガスケット
１４５ 絶縁体
１４６ ミドルプレート
１４７ サブプレート
１５０ リード部
１６０ 正極集電板
１６１、１６５ 集電片
１６３、１６７ 集電突起
１７０ ピン

Claims (8)

1. 正極及び負極と、前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータとを含む電極群と；
   前記電極群を収納するケースと；
   前記ケースを密閉し、電極端子を有するキャップ組立体と；
   前記電極群と前記キャップ組立体とを連結し、前記電極群に挿入される集電突起を有する複数の集電片で作られた集電板と；
   を含み、
   前記集電突起は、隣接する集電片の前記集電突起の間に嵌合され、
   前記集電突起の間には、前記正極又は前記負極に形成された無地部が嵌合されることを特徴とする、２次電池。
2. 前記集電片は、
   板型の平板部と、
   前記平板部から突出した複数の集電突起と、
   を有することを特徴とする、請求項１に記載の２次電池。
3. 前記集電突起は、
   前記平板部から前記電極群に向かって傾斜して突出した傾斜部と；
   前記傾斜部から前記平板部と平行に突出した延長部と；
   前記延長部から前記無地部に向かって突出した挿入部と；
   を含むことを特徴とする、請求項２に記載の２次電池。
4. 前記挿入部の端部は、楔状に形成されたことを特徴とする、請求項３に記載の２次電池。
5. 前記互いに隣接する集電突起は、前記延長部が同一な平面上に位置するように設けられたことを特徴とする、請求項３に記載の２次電池。
6. 前記集電板は、前記集電突起の間に前記無地部が嵌合された状態で、前記無地部と溶接によって固定されたことを特徴とする、請求項１に記載の２次電池。
7. 前記無地部は、前記延長部と溶接によって固定されたことを特徴とする、請求項３に記載の２次電池。
8. 前記集電板は、２つの前記集電片で形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の２次電池。

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