JP2012221897A - 端子構造、電池、及び、電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外装を貫通し、絶縁部材を介してその外方に突出した状態で外部端子部材を固定する電池において、外部端子部材に回転力が加わった場合でも、外部端子部材と絶縁部材、及び、絶縁部材と外装との間における相対的な回転を抑制することにより、外装と外部端子部材の固定部におけるシール性を向上させるができる、端子構造、電池、及び、電池の製造方法を提供する。
【解決手段】貫通孔３３と回り止め溝３６とを隣接して備える蓋部材３２と、貫通孔３３に挿入される筒状のガスケット部５０ａと回り止め溝３６の内部に固定される回り止め部５０ｂとを備える絶縁部材５０と、ガスケット部５０ａに挿入されて貫通孔３３を貫通する柱状の外部端子部材４０とで、回り止め部５０ｂを回り止め溝３６の内部にインサート成形により形成し、貫通孔３３の内周部をガスケット部５０ａの方向に塑性変形させて外部端子部材４０を貫通孔３３に固定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、端子構造、電池、及び、電池の製造方法に関し、特に、電池の端子構造において外部端子部材を金属性蓋部材に固定する技術に関する。

電池の外装は、電池の発電要素を収納する。外装の外側面には、外装を貫通して外方に突出する外部端子部材（正極端子及び負極端子）が固定される。外部端子部材は、発電要素と電気的に接続されており、外部端子部材を通じて電池内部と外部との電力のやり取りが行われる。

電池がリチウムイオン二次電池等の非水電解質電池である場合は、電池内部に水分が浸入すると電池性能に影響することが知られている。このため、電池の密閉度を十分に高くする必要がある。
さらに、外部端子部材と外装の固定部においては、外部端子部材が電池から抜け落ちないための抜け落ち性、外部端子部材の周囲から電池内部の電解液若しくは電池内部で発生するガスが漏れ出ないための気密性、並びに外部端子部材と外装との絶縁性等が求められている。すなわち、外装と外部端子部材との間のシール性を十分に確保する必要があり、そのための技術が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照）。

特許文献１には、上記のシール性を確保するための構成として、いわゆる「メタルフロー結合」による技術が開示されている。本明細書において「メタルフロー結合」とは、外部端子部材を外装の蓋体に対して樹脂性蓋部材である絶縁部材でシールしつつ、蓋体を塑性変形させて締結固定する技術を指す。具体的には、蓋体に端子固定部を溶接し、外部端子部材と端子固定部との間にシール材を介装する。そして、補強部材で端子固定部の外周側への強度を補強しつつ、端子固定部が突出する方向から補強部材と一体に形成された加圧部で端子固定部をプレスして外部端子部材の側（内側）に塑性変形させることにより、外部端子部材を蓋体に固定するのである。

一方、特許文献２には、蓋体に凹部を形成して絶縁部材を該凹部に嵌合させるとともに、絶縁部材と蓋体にインサート成形する技術が開示されている。これにより、蓋体と絶縁部材とを相対的に回転不能とし、蓋体と絶縁部材の間におえるシール性を向上させているのである。

特開２０１０−１２９３６５号公報 実開平２−５４１６２号公報

しかし、前記特許文献１に記載の技術は、絶縁部材と外部端子部材との間におけるシール性は高く維持できるが、蓋体と絶縁部材との間におけるシール性に課題があった。具体的には、電池を外部の部品と接続する際に外部端子部材に回転力が加わると、絶縁部材が蓋体に対して回転してしまい、シール性が低下する場合があったのである。

一方、前記特許文献２に記載の技術は、絶縁部材と蓋体との間におけるシール性は高く維持できるが、外部端子部材と絶縁部材との間におけるシール性に課題があった。つまり、前記同様に外部端子部材に回転力が加わると、外部端子部材が蓋体に対して回転してしまい、シール性が低下する場合があったのである。また、特許文献２に記載の技術によれば、蓋体の構造上いわゆる「メタルフロー結合」によって外部端子部材を固定することは困難であった。

上記の問題を解決するために、外部端子部材をいわゆる「メタルフロー結合」によって蓋体に固定して、絶縁部材と外部端子部材との間におけるシール性を確保しつつ、絶縁部材が蓋体に対して回転することを抑制する技術が知られている。具体的には図５（ａ）及び（ｂ）に示す如く、蓋体に回り止め溝を形成するとともに、この回り止め溝の内部に挿入される回り止め部を絶縁部材に形成する。そして、図５（ｂ）に示す如く回り止め部を回り止め溝に係合させた状態で、外部端子部材の「メタルフロー結合」を行うのである（図１及び図３を参照）。

前記の技術によれば、回り止め溝に対して回り止め部が係合することにより、絶縁部材の蓋体に対する回転が規制されるため、絶縁部材の回転を抑制することができる。しかし、回り止め溝と回り止め部との間には、図５（ｂ）に示す如く、回り止め溝及び回り止め部の公差分の隙間ｄが生じている。このため、前記の如く外部端子部材に回転力が加わると、この隙間ｄによって絶縁部材が外部端子部材の軸心を中心として、蓋体に対して図５（ａ）中の矢印ｒの方向に回転してしまい、シール性が低下する場合があった。

本発明は、上記の状況を鑑み、外装を貫通し、絶縁部材を介してその外方に突出した状態で外部端子部材を固定する電池において、外部端子部材に回転力が加わった場合でも、外部端子部材と絶縁部材、及び、絶縁部材と外装との間における相対的な回転を抑制することにより、外装と外部端子部材の固定部におけるシール性を向上させるができる、端子構造、電池、及び、電池の製造方法を提供する。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、貫通孔と、回り止め溝と、を隣接して備える金属性蓋部材と、前記貫通孔に挿入される筒状のガスケット部と、前記回り止め溝の内部に固定される回り止め部と、を備える樹脂性蓋部材と、前記ガスケット部に挿入されて前記貫通孔を貫通する柱状の外部端子部材と、を具備し、前記回り止め部が前記回り止め溝の内部に挿入されて、前記樹脂製蓋部材と前記金属製蓋部材とが一体的に構成され、前記金属性蓋部材における前記貫通孔の内周部を前記ガスケット部の方向に塑性変形させて、前記内周部により前記外部端子部材と前記貫通孔との間に圧迫力を発生させることによって、前記外部端子部材を前記貫通孔に固定するものである。

請求項２においては、前記回り止め部が前記回り止め溝の内部に挿入された状態でインサート成形されることにより、前記樹脂製蓋部材と前記金属製蓋部材とが一体的に構成されるものである。

請求項３においては、請求項１又は請求項２に記載の端子構造により閉塞される収容部材と、前記収容部材に収納される発電要素と、前記発電要素と前記外部端子部材とを接続する集電端子部材と、を具備するものである。

請求項４においては、貫通孔と、回り止め溝と、を隣接して備える金属性蓋部材と、前記金属性蓋部材により閉塞される収容部材と、前記貫通孔に挿入される筒状のガスケット部と、前記回り止め溝の内部に固定される回り止め部と、を備える樹脂性蓋部材と、前記ガスケット部を貫通して挿入される柱状の外部端子部材と、前記収容部材に収納される発電要素と、前記発電要素と前記外部端子部材とを接続する集電端子部材と、を具備する電池の製造方法であって、前記回り止め部を前記回り止め溝の内部に挿入して、前記樹脂製蓋部材と前記金属製蓋部材とを一体的に構成する、第一の工程と、前記外部端子部材を前記ガスケット部に挿入した状態で、前記金属性蓋部材における前記貫通孔の内周部を前記ガスケット部の方向に塑性変形させて、前記内周部により前記外部端子部材と前記貫通孔との間に圧迫力を発生させることによって、前記外部端子部材を前記貫通孔に固定する、第二の工程と、前記発電要素と、前記金属性蓋部材に固定された前記外部端子部材とを、前記集電端子部材により接続した状態で、前記発電要素及び前記集電端子部材を前記収容部材に収容し、前記金属性蓋部材で前記収容部材を閉塞する、第三の工程と、を備えるものである。

請求項５においては、前記第一の工程において、前記回り止め部を前記回り止め溝の内部にインサート成形により形成することにより、前記樹脂性蓋部材を前記金属性蓋部材に対して固定するものである。

本発明によれば、外装を貫通し、絶縁部材を介してその外方に突出した状態で外部端子部材を固定する電池において、外部端子部材に回転力が加わった場合でも、外部端子部材と絶縁部材、及び、絶縁部材と外装との間における相対的な回転を抑制することにより、外装と外部端子部材の固定部におけるシール性を向上させるができる。

電池の概略構成を示す正面断面図。 （ａ）は本実施形態に係る電池における蓋部材を示す平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図。 （ａ）はプレス前における端子部分を示した図２（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図、（ｂ）はプレス時における端子部分を示した断面図。 電池の製造方法についての工程順序を示した図。 （ａ）は従来技術に係る電池における蓋部材を示す平面図、（ｂ）は（ａ）におけるａ−ａ線断面図。

次に、発明の実施の形態を説明する。
なお、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではなく、本明細書及び図面に記載した事項から明らかになる本発明が真に意図する技術的思想の範囲全体に、広く及ぶものである。

図１から図３を参照して、本発明に係る電池の一実施形態である電池１０の概略構成について説明する。本実施形態の電池１０は、リチウムイオン二次電池である。
電池１０は、主な構成要素として、発電要素２０と、発電要素２０を内部に収納する外装３０と、外装３０から外方に向けて突出する外部端子部材４０・４０と、外部端子部材４０・４０と外装３０との間に介装される樹脂製蓋部材である絶縁部材５０・５０と、を具備する。

発電要素２０は、正極、負極及びセパレータを積層又は巻回してなる電極体に電解液を含浸させたものである。電池１０の充放電時に発電要素２０内で化学反応が起こる（厳密には、正極と負極との間で電解液を介したイオンの移動が起こる）ことによって電流の流れが発生する。

外装３０は、それぞれ金属性の収容部材３１と蓋部材３２を有する角柱型缶である。収容部材３１は、一面が開口した有底筒状の部材であり、内部に発電要素２０を収納する。蓋部材３２は、収容部材３１の開口面に応じた形状を有する平板状の部材であり、収容部材３１の開口面を塞いだ状態で収容部材３１と接合される。

図２（ａ）及び図３（ａ）に示すように、外装３０における蓋部材３２は、外部端子部材４０・４０が貫通可能な貫通孔３３・３３を備え、貫通孔３３・３３の周囲に外装３０の外側に向けて突出する筒状部であるバーリング部３４・３４が形成される。

また、図２（ｂ）及び図３（ａ）に示すように、蓋部材３２は、その内側（図３（ａ）における下側）の面に、貫通孔３３・３３に隣接して形成される回り止め溝３６・３６を備える。詳細には、蓋部材３２における貫通孔３３・３３の付近には、上方に矩形に窪んだ溝が回り止め溝３６・３６として形成されているのである。

貫通孔３３・３３は、所定の内径を有する孔であり、外装３０（蓋部材３２）をその厚み方向に貫通している。
バーリング部３４・３４は、貫通孔３３・３３の周縁に、外装３０の内側から外側へ向けて垂直に突出して設けられる厚肉部位である。バーリング部３４・３４は、外装３０の一部を塑性加工して形成される厚肉部位であり、公知のバーリング処理、深絞り法、寄せ肉法等、又はこれらの組み合わせによって適宜形成される。

バーリング部３４・３４の外周部には、図３（ａ）に示す如く、補強部材である補強リング３５・３５が嵌合される。
補強リング３５・３５は、外装３０（蓋部材３２）を構成する材料よりも高強度の金属材料（例えば鉄）で成形されたリング状の部材であり、バーリング部３４の径方向にかかる外力に対する外周側への強度を補強する補強部材である。

絶縁部材５０・５０は、貫通孔３３・３３に挿入される筒状のガスケット部５０ａ・５０ａと、回り止め溝３６・３６と略同形状に形成されて、その内部に固定される回り止め部５０ｂ・５０ｂと、を備える。そして、筒状に形成されたガスケット部５０ａ・５０ａで外部端子部材４０・４０の周囲を巻装することで、外装３０の蓋部材３２と外部端子部材４０・４０とを電気的に絶縁する。換言すれば、外部端子部材４０・４０は絶縁部材５０・５０のガスケット部５０ａ・５０ａに挿入されて、貫通孔３３・３３を貫通するのである。

絶縁部材５０・５０は集電端子部材４５・４５の上面に配置され、外装３０と集電端子部材４５・４５との間も電気的に絶縁する。つまり、本実施形態の絶縁部材５０・５０は、バーリング部３４の内周面である貫通孔３３と外部端子部材４０・４０の外周面の間と、集電端子部材４５・４５と蓋部材３２との間とを絶縁している。
なお、本実施形態においては、外部端子部材４０・４０と集電端子部材４５・４５とを別部材として構成しているが、これらを一体的に構成することも可能である。
絶縁部材５０・５０の材料としては、高温クリープ特性に優れる材料、つまり、電池１０の冷熱サイクルに対する長期の耐クリープ性を有する材料が好ましく、例えばＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等が挙げられる。

外部端子部材４０・４０は、その一部が蓋部材３２の外側面から電池１０の外方に突出した状態で配置され、絶縁部材５０・５０を介して蓋部材３２に固定される柱状の部材である。外部端子部材４０・４０は、集電端子部材４５・４５を介して発電要素２０の正極又は負極に電気的に接続される。外部端子部材４０・４０及び集電端子部材４５・４５は、発電要素２０に蓄えられる電力を外部に取り出す、若しくは、外部からの電力を発電要素２０に取り入れる通電経路として機能する。
集電端子部材４５・４５は、発電要素２０の正極板、負極板と接続されている。集電端子部材４５・４５の材料としては、例えば正極側にアルミニウム、負極側に銅を採用することができる。

外部端子部材４０・４０には、電池１０の外方側に突出する部位にはねじ転造によりねじ加工が施され、ボルト部が形成される。電池１０の実使用時には、このボルト部を用いて外部端子部材４０・４０にバスバー、外部装置の接続端子等が締結固定される。締結固定する際、外部端子部材４０・４０には締結トルクがかかるとともに、ねじ締結によって軸方向へ外力が付与されるため、外部端子部材４０・４０の材料としては、鉄等の高強度材料を採用することが好ましい。

一方の外部端子部材４０を蓋部材３２に固定する際は、まず、蓋部材３２の回り止め溝３６内に固定される回り止め部５０ｂ、および蓋部材３２の貫通孔３３内に挿入されるガスケット部５０ａを有する絶縁部材５０と、蓋部材３２とを一体的に構成する。
具体的には、絶縁部材５０を形成する際に、インサート成形を用いることにより、図２（ｂ）に示す如く回り止め溝３６と回り止め部５０ｂとの間に隙間を生じないで絶縁部材５０を成形するのである。また、貫通孔３３とガスケット部と５０ａとの間に隙間を生じないで絶縁部材５０を成形することが可能となる。

さらに、蓋部材３２における貫通孔３３の内周部をガスケット部５０ａの方向（内周側）に塑性変形させる。そして、内周部により外部端子部材４０と貫通孔３３との間に圧迫力を発生させることによって、外部端子部材４０を貫通孔３３に固定する。

具体的には図３（ｂ）に示す如く、外部端子部材４０及び絶縁部材５０を蓋部材３２の貫通孔３３に挿入する。さらに、プレス装置４４により軸心方向外側である上方からバーリング部３４を押圧する。これにより、図３（ｂ）に示す如くバーリング部３４が電池１０の軸心方向に垂直な水平方向内側に塑性変形される。そして、塑性変形したバーリング部３４の一部により外部端子部材４０と貫通孔３３との間に圧迫力が発生することによって、外部端子部材４０が貫通孔３３に固定されるのである。

この際、絶縁部材５０は、外装３０と外部端子部材４０とを絶縁する絶縁性に加えて、電池１０内部の気密性を確保するための部材としても機能する。
具体的には、貫通孔３３内に絶縁部材５０を巻装した外部端子部材４０を配置し、上記の如く補強リング３５でバーリング部３４の突出側端面の内周部を押圧してかしめることによって、バーリング部３４の内周側面から径方向内側に向けて膨出する膨出部が形成される。
このとき、バーリング部３４の外周側に位置する補強リング３５は、バーリング部３４よりも高強度の材料で形成されているため、かしめ時の押圧力が外側に緩和されることが防止されるため、膨出部は内側（外部端子部材４０側）に向けて膨出する。

内側に膨出した膨出部は、絶縁部材５０のガスケット部５０ａを圧迫し、この圧迫力がガスケット部５０ａへの面圧として付与される。ガスケット部５０ａにおいて膨出部によって上記面圧が付与される箇所は内側に向けて弾塑性変形し、この弾塑性変形により生じる外力が外部端子部材４０への面圧として付与される。
このように、バーリング部３４をプレス装置４４で上方からプレスし、バーリング部３４の端面の内周部をかしめることによって、内側に膨出する膨出部が形成され、膨出部からの面圧がガスケット部５０ａを介して外部端子部材４０に伝達される。係る面圧によって外部端子部材４０が圧迫されて、蓋部材３２の貫通孔３３に固定される。
このとき、膨出部は、プレス方向に対して直交する方向に塑性変形し、絶縁部材５０と外部端子部材４０とを締結固定しているため、外装３０、絶縁部材５０、及び外部端子部材４０間に強い面圧及び摩擦力を付与することが可能である。従って、電池１０を使用する際の冷熱サイクルを受けても、膨出部は変形し難く、固定部が緩むことがない。

外部端子部材４０の軸方向中途部には、気密溝４１が形成されている。気密溝４１は、外部端子部材４０の周方向に沿って、その外周全周に亘って形成される半円状（又は半楕円状等、溝端部にエッジラインを有する形状）の溝であり、所定の溝幅を有する。
ガスケット部５０ａが上記のように弾塑性変形し、外部端子部材４０の気密溝４１内に入り込むとともに、気密溝４１のエッジラインに食い付くことによって、絶縁部材５０と外部端子部材４０とが強固に密着し、気密性が確保される。

そして、発電要素２０と、蓋部材３２に固定された外部端子部材４０とを、集電端子部材４５により接続した状態で、発電要素２０及び集電端子部材４５を収容部材３１に収容する。そして、上記の如く構成した蓋部材３２で収容部材３１を閉塞することにより、電池１０を形成するのである。

このように電池１０の製造方法は、回り止め部５０ｂを回り止め溝３６の内部にインサート成形により形成することにより、絶縁部材５０を蓋部材３２に対して固定する、第一の工程（図４に示すステップＳ０１）と、外部端子部材４０をガスケット部５０ａに挿入した状態で、蓋部材３２における貫通孔３３の内周部をガスケット部５０ａの方向に塑性変形させて、内周部により外部端子部材４０と貫通孔３３との間に圧迫力を発生させることによって、外部端子部材４０を貫通孔３３に固定する、第二の工程（図４に示すステップＳ０２）と、発電要素２０と、蓋部材３２に固定された外部端子部材４０とを、集電端子部材４５により接続した状態で、発電要素２０及び集電端子部材４５を収容部材３１に収容し、蓋部材３２で収容部材３１を閉塞する、第三の工程（図４に示すステップＳ０３）と、を備える。

本実施形態によれば上記の如く構成することにより、外部端子部材４０に回転力が加わった場合でも、外部端子部材４０と絶縁部材５０、及び、絶縁部材５０と外装３０（蓋部材３２）との間における相対的な回転を抑制することができる。

具体的には、絶縁部材５０の回り止め部５０ｂを回り止め溝３６の内部に成形する際にインサート成形を用いるため、図２（ｂ）に示す如く回り止め溝３６と回り止め部５０ｂとの間に隙間が生じない。これにより、外部端子部材４０に回転力が加わっても、絶縁部材５０が回転することがないのである。

また、外部端子部材４０を蓋部材３２に対して絶縁部材５０でシールしつつ、蓋部材３２を塑性変形させて締結固定する、いわゆる「メタルフロー結合」を用いている。これにより、絶縁部材５０と外部端子部材４０との間における回転を抑制することができる。

つまり、本実施形態によれば、絶縁部材５０を蓋部材３２に対してインサート成形し、外部端子部材４０を「メタルフロー結合」で固定している。これにより、外部端子部材４０に回転力が加わった場合でも、外部端子部材４０、絶縁部材５０、外装３０（蓋部材３２）の相互間における相対的な回転を抑制することができるため、蓋部材３２と外部端子部材４０の固定部におけるシール性を向上させることが可能となるのである。

１０ 電池
３０ 外装
３２ 蓋部材
３５ 補強リング
３６ 回り止め溝
４０ 外部端子部材
４５ 集電端子部材
５０ 絶縁部材
５０ａ ガスケット部
５０ｂ 回り止め部

Claims (5)

1. 貫通孔と、回り止め溝と、を隣接して備える金属性蓋部材と、
   前記貫通孔に挿入される筒状のガスケット部と、前記回り止め溝の内部に固定される回り止め部と、を備える樹脂性蓋部材と、
   前記ガスケット部に挿入されて前記貫通孔を貫通する柱状の外部端子部材と、を具備し、
   前記回り止め部が前記回り止め溝の内部に挿入されて、前記樹脂製蓋部材と前記金属製蓋部材とが一体的に構成され、
   前記金属性蓋部材における前記貫通孔の内周部を前記ガスケット部の方向に塑性変形させて、前記内周部により前記外部端子部材と前記貫通孔との間に圧迫力を発生させることによって、前記外部端子部材を前記貫通孔に固定する、
   ことを特徴とする、端子構造。
2. 前記回り止め部が前記回り止め溝の内部に挿入された状態でインサート成形されることにより、前記樹脂製蓋部材と前記金属製蓋部材とが一体的に構成される、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の端子構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載の端子構造により閉塞される収容部材と、
   前記収容部材に収納される発電要素と、
   前記発電要素と前記外部端子部材とを接続する集電端子部材と、を具備する、
   ことを特徴とする、電池。
4. 貫通孔と、回り止め溝と、を隣接して備える金属性蓋部材と、
   前記金属性蓋部材により閉塞される収容部材と、
   前記貫通孔に挿入される筒状のガスケット部と、前記回り止め溝の内部に固定される回り止め部と、を備える樹脂性蓋部材と、
   前記ガスケット部を貫通して挿入される柱状の外部端子部材と、
   前記収容部材に収納される発電要素と、
   前記発電要素と前記外部端子部材とを接続する集電端子部材と、を具備する電池の製造方法であって、
   前記回り止め部を前記回り止め溝の内部に挿入して、前記樹脂製蓋部材と前記金属製蓋部材とを一体的に構成する、第一の工程と、
   前記外部端子部材を前記ガスケット部に挿入した状態で、前記金属性蓋部材における前記貫通孔の内周部を前記ガスケット部の方向に塑性変形させて、前記内周部により前記外部端子部材と前記貫通孔との間に圧迫力を発生させることによって、前記外部端子部材を前記貫通孔に固定する、第二の工程と、
   前記発電要素と、前記金属性蓋部材に固定された前記外部端子部材とを、前記集電端子部材により接続した状態で、前記発電要素及び前記集電端子部材を前記収容部材に収容し、前記金属性蓋部材で前記収容部材を閉塞する、第三の工程と、を備える、
   ことを特徴とする、電池の製造方法。
5. 前記第一の工程において、前記回り止め部を前記回り止め溝の内部にインサート成形により形成することにより、前記樹脂性蓋部材を前記金属性蓋部材に対して固定する、
   ことを特徴とする、請求項４に記載の電池の製造方法。

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