JP2013161756A - 蓄電装置及び車両 - Google Patents

Abstract

【課題】未塗工部の端をカットすることなく、電極体の積層方向と交差する方向のデッドスペースを解消することができる蓄電装置及び車両を提供する。
【解決手段】電極体５は、正極集電部２１に正極リード２４が取り付けられ、負極集電部２２に負極リード２５が取り付けられている。これらリード２４，２５は、板状のリード２４，２５を集電部２１，２２に溶接し、リード２４，２５を断面Ｌ字状に折り曲げることにより、各集電部２１，２２に取り付け固定される。これにより、集電部２１，２２は、先端が電極体５の積層方向を向けて湾曲された湾曲部２１ｂ，２２ｂを有し、リード２４，２５は、電極体５の積層方向において集電部２１，２２の先端より突出して設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、充放電可能な蓄電装置及び車両に関する。

従来から周知のように、再充電可能な二次電池は、繰り返し使用することが可能であるので、種々の機器や装置に広く使用されている。車両の分野においては、化石燃料の使用削減（二酸化炭素排出規制）が求められていることから、この種の二次電池をモータの電源として走行する車両、いわゆるハイブリッド車やＥＶ車（Electric Vehicle車）などに広く普及してきている。このような二次電池では、大電流での充電及び放電や、電池容量の大容量化が要求され、例えばリチウムイオン二次電池が製品として量産されている。

図１０に示すように、この種の二次電池８１には、シート状の正極８２と負極８３とが複数層に積み上げ形成され、正極８２と負極８３との間にセパレータ８４が介在されている。正負の各電極は、金属製の箔８５のそれぞれの両側に活物質層８６が塗布（挟持）された電極層である。正負の各電極は、それぞれの同極において箔８５の端縁一部分、つまり未塗工部８７が引き出され、これらを集約してできる集電部８８に、電極端子やリード等の端子部材８９が溶接等により取り付けられる（特許文献１等参照）。

特開２００９−０８７７２８号公報

しかし、図１０に示すように、集電部８８は同じ長さの未塗工部８７を束ねて形成されるので、実際のところ、未塗工部８７の長さが揃わない端面ズレ部９０が生じる。この端面ズレ部９０は溶接に使用できない不要部分であるので、端子部材８９を溶接により集電部８８に固定する際、その根元部分が溶接部９１となり、端面ズレ部９０がデッドスペース９２として生じてしまう問題に繋がる。このようなデッドスペース９２は、電極として機能しない無駄な空間となるので、二次電池８１のエネルギー密度確保に悪影響を及ぼし、ひいては装置小型化にも支障を来す懸念がある。

ところで、特許文献１は、図１１に示すように、集電部８８の端部、つまり未塗工部８７の群を直線状に形成して、デッドスペース９２を解消した構造と見て取れる。しかし、未塗工部８７の端部を直線部９３として収めようとするには、未塗工部８７の端部を揃えるために、未塗工部８７の端部をカットする必要がある。よって、特許文献１は、製造作業が一工程増えることになり、製造コストが増える懸念があった。従って、未塗工部８７の端をカットすることなく、端面ズレ部９０に起因するデッドスペース９２を解消することができる技術開発のニーズがあった。

本発明の目的は、未塗工部の端をカットすることなく、電極体の積層方向と交差する方向のデッドスペースを解消することができる蓄電装置及び車両を提供することにある。

前記問題点を解決するために、請求項１では、活物質と、基材に前記活物質が塗工された塗工部と、前記基材の端部に形成され、前記活物質が塗工されていない未塗工部とを有する正負の電極と、前記正負の電極の間を絶縁するセパレータとを有し、前記塗工部と前記セパレータとが層状に積層された電極体を備える蓄電装置であって、前記未塗工部が束ねられた集電群と、前記集電群の外表面と接合された端子部材とを備え、前記集電群は、先端が前記電極体の積層方向を向けて湾曲された湾曲部を有し、前記端子部材は、前記湾曲部に沿う形状に湾曲され、前記電極体の積層方向において前記集電群の前記先端より突出して設けられていることを要旨とする。

本発明の構成によれば、未塗工部を束ねた際に集電群の先端部分にできる端面ズレ部を、端子部材の内側に収納することが可能となる。このため、端面ズレ部に起因するデッドスペースを、端面ズレ部をカットすることなく、なくすことが可能となる。よって、端面ズレ部をカットするという加工コストのかかる工法を使用せずとも、電極体の積層方向と交差する方向のデッドスペースを解消することが可能となる。

請求項２では、請求項１に記載の発明において、前記端子部材は、前記電極体の積層方向において積層厚み範囲内に収められていることを要旨とする。この構成によれば、折り曲げた端子部材が電極体の積層方向おいて飛び出さずに済むので、電極体の積層方向にデッドスペースが発生しない。

請求項３では、請求項１又は２に記載の発明において、前記集電群は、前記電極体の積層方向において前記電極体の積層方向の表面寄りに配置することを要旨とする。この構成によれば、端子部材を電極体の積層方向に大きく形成することが可能となるので、端子接触箇所の面積が電流の大きさに関係する電極体においては、大電流の充放電に寄与する。

請求項４では、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の発明において、前記集電群は、前記湾曲部より前記電極体側において前記電極体の積層方向と垂直に延設された延設部を有し、前記延設部と接合される前記端子部材の外表面は、前記電極体の積層方向の表面に揃って配置されていることを要旨とする。この構成によれば、端子部材が電極体の積層方向に飛び出さずに済むので、電極体の積層方向にデッドスペースが発生しない。

なお、定義として、「電極体の積層方向と垂直な方向」とは、積層方向に対して直角であることに限定されず、若干ずれる場合も広義として含む。
請求項５では、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の蓄電装置を備えた車両であることを要旨とする。

本発明によれば、未塗工部の端をカットすることなく、電極体の積層方向と交差する方向のデッドスペースを解消することができる。

一実施形態の二次電池の分解斜視図。 二次電池の外観を示す斜視図。 電極体の構成要素を示す分解斜視図。 箔の未塗工部を片側に束ねる様子を示す説明図。 板状のリードを集電部に位置合わせした状態を示す斜視図。 リードを集電部に溶接する様子を示す説明図。 溶接後のリードを折り曲げた状態を示す説明図。 溶接後のリードを折り曲げた状態を示す斜視図。 別例の電極体の外観を示す斜視図。 従来の集電部に生じる端面ズレ部を表す断面図。 同じく従来の電極体の構成を示す断面図。

以下、本発明を具体化した蓄電装置及び車両の一実施形態を図１〜図８に従って説明する。
図１及び図２に示すように、例えばハイブリッド車やＥＶ車等の車両１（図２に図示）には、車両１の駆動源として使用されるモータの電源として二次電池２が搭載されている。二次電池２には、例えば金属製のケース３が設けられ、ケース本体４の内部には、発電要素である電極体５が収納されている。ケース本体４の上部の開口部４ａは、金属製の板状のケース蓋６によって閉じられる。

二次電池２の上面には、正極の電極端子である正極端子７と、負極の電極端子である負極端子８とが設けられている。正極端子７及び負極端子８は、ケース蓋６の開口孔６ａ（図１に図示）からケース３の外部に露出されている。正極端子７及び負極端子８とケース蓋６との間には、正極端子７及び負極端子８を、ケース３から絶縁するリング状の絶縁部材９が各々取り付けられている。

図１及び図３に示すように、電極体５は、正極電極となる薄い正極シート１０と、負極電極となる薄い負極シート１１と、正極シート１０及び負極シート１１の間に介在されるセパレータ１２とからなる組（層）を複数層有する組立体からなる。このように、本実施形態の電極体５は、正極シート１０、負極シート１１及びセパレータ１２のシート群が一定方向（積層方向：図１等のＹ軸方向）に層状に積み重ねられた積層構造をとる。なお、各層間には、電解液を入れることも可能である。正極シート１０及び負極シート１１は、実際のところ非常に薄い膜部材からなる。そして、これらが数十枚積層され、隣り合うセパレータ１２との間隔が約100〜160μm程度に設定される。なお、正極シート１０が正極に相当し、負極シート１１が負極に相当する。

図３に示すように、正極シート１０の両面には、金属製のシート状の箔１３の両面に正極活物質層１４が塗布され、この部分が塗工部１５として形成されている。正極シート１０の周縁の一部分には、箔１３の一部がタブとして引き出され、この部分が正極活物質層１４を塗布していない未塗工部１６として形成されている。負極シート１１の両面には、金属製のシート状の箔１７の両面に負極活物質層１８が塗布され、正極シート１０と同様に塗工部１９及び未塗工部２０が形成されている。なお、箔１３，１７が基材に相当する。

図１に示すように、正極シート１０及び負極シート１１の各々には、同極の未塗工部１６，２０同士を、積層方向Ｙにおいて束ねること（図４及び図５参照）により、それぞれ集電部２１，２２が形成されている。本例の場合、正極側を正極集電部２１とし、負極側を負極集電部２２とする。集電部２１，２２は、電極体５の同一面（本例は上面）においてそれぞれ端寄りの位置に配置される。よって、本例の電極体５は、電極体５の本体部である電極対２３の一辺（上辺）から、一対の正極集電部２１及び負極集電部２２がタブ状に突出した形状をなしている。なお、集電部２１，２２が集電群を構成する。

図６に示すように、正極集電部２１の未塗工部１６には、箔１３の突出長さが順に低くなっていく端面ズレ部（正極側をＫａとする）が生じる。これは、未塗工部１６の各箔１３の長さは元々同じであるが、束ねることによって生じる配置経路の違いにより、先端位置が相違するからである。端面ズレ部Ｋａは、未塗工部１６が同じ長さで並ばないので、抵抗溶接できない部分となる。また、この端面ズレ部Ｋａが電極体５の高さ方向（図１等のＺ軸方向）のデッドスペース（正極側をＳ１とする）にもなる。また、図示はしないが、負極集電部２２にも、正極集電部２１と同様に、未塗工部２０の先端に端面ズレ部Ｋｂが形成されるとともに、これがデッドスペースＳ２として発生する。

図１に示すように、各集電部２１，２２には、断面Ｌ字状の金属製のリード２４，２５が取り付け固定されている。本例の場合、正極側を正極リード２４とし、負極側を負極リード２５とする。本例のリード２４，２５は、デッドスペースＳ１，Ｓ２をなくすために折り曲げ可能であって、この曲げ加工により、集電部２１，２２を内部に折り曲げた状態で収納する。なお、正極リード２４及び負極リード２５が端子部材に相当する。

正極リード２４には、電極体５の高さ方向（Ｚ軸方向）に延びる根元部２６と、根元部２６から約９０度直角に曲がる折り曲げ部２７と、電極端子の取り付け箇所となる電極端子取付部２７ａとが設けられている。これらは、正極リード２４において一体に形成されている。正極端子７は、電極端子取付部２７ａの裏面に、例えば溶接等によって固着されている。正極集電部２１及び正極リード２４の組と、負極集電部２２及び負極リード２５の組とは、電極体５の長さ方向（図１等のＸ軸方向）において対称配置されている。

図７に示すように、正極集電部２１は、根元の延設部２１ａが正極リード２４の根元部２６の内面に溶接により固定されている。延設部２１ａは、湾曲部２１ｂよりも電極体５側に、電極体５の積層方向と垂直な方向に立設する。正極集電部２１は、先端が電極体５の積層方向に向けて湾曲された湾曲部２１ｂとして形成される。正極集電部２１の湾曲部２１ｂは、正極リード２４に固定されておらず、正極リード２４の根元を一端とし、先端を他端とすると、正極集電部２１は一端〜他端を半径とする内に位置することとなる。

正極リード２４は、正極集電部２１の湾曲部２１ｂに沿う形状に湾曲されている。正極リード２４は、電極体５の積層方向において正極集電部２１の先端よりも外方に突出するように形成されている。

図１に示すように、負極リード２５は、正極リード２４と同様に、根元部２９、折り曲げ部３０及び電極端子取付部３０ａを有する。また、負極集電部２２は、正極集電部２１と同様に、根元の延設部２２ａが溶接によって負極リード２５の内面に固着され、先端の湾曲部２２ｂが電極体５の積層方向に沿って形成されている。なお、負極集電部２２及び負極リード２５は、正極集電部２１及び正極リード２４と同様の形状をとるので、詳細説明は省略する。

正極リード２４は、図５に示すような平面Ｌ字状の板材を、図７や図８に示すように根元の根元部２６は折り曲げずに、開放側である折り曲げ部２７を繋ぎ目３２に沿って曲げることにより、断面Ｌ字状に形成される。なお、負極リード２５も、正極リード２４と同様に、平面Ｌ字状の板材を繋ぎ目３３（図１参照）に沿って折り曲げることにより形成される。図１に示すように、正極リード２４及び負極リード２５の各根元部２６，２９には、抵抗溶接用の溶接スポット３４ａ，３４ｂを形成してもよい。

図６に示すように、正極リード２４は、根元部２６の外表面２６ａが電極対２３の側面２３ａと同一の面上に配置されている。図７に示すように、正極リード２４は、折り曲げ後、折り曲げ部２７が積層方向Ｙの厚み範囲Ｗ内、つまり積層厚み範囲内に収まる長さに形成されている。なお、図示はしないが、負極リード２５も正極リード２４と同様の形状及び寸法に形成されている。

次に、本例の電極体５の製造工程を、図４〜図８を用いて説明する。ここでは、正極リード２４を正極集電部２１に取り付ける製造過程を説明するが、負極リード２５の取り付け方も正極リード２４と基本的に同じであるので、正極リード２４の取り付け過程のみ詳述する。

まず、図４に示すように、積層された正極シート１０において、未塗工部１６を積層方向Ｙの一端側の表面（図４では紙面下端）に集めて、これらを積み上げる。このとき、元々は同じ長さの未塗工部１６を片側に寄せ集めるので、これら未塗工部１６には、未塗工部１６の長さが順に低くなっていく端面ズレ部Ｋａが生じる。端面ズレ部Ｋａは、各未塗工部１６の長さが各々異なってしまっているため、以降に行う抵抗溶接の不要部分となる。

続いて、図５に示すように、曲げ加工していない板状の正極リード２４を正極集電部２１に位置合わせして、正極リード２４の根元部２６を正極集電部２１に当接させる。このとき、正極リード２４は、自身（根元部２６の外表面２６ａ）が平面方向（図５のＸ−Ｚ平面）において電極対２３の側面２３ａと面一になるように位置決めされる。

そして、図６に示すように、正極リード２４を抵抗溶接によって正極集電部２１に取り付ける。抵抗溶接は、正極集電部２１及び正極リード２４を、正負一対の抵抗溶接用電極３６，３７によって挟み込んで溶着する溶接方式である。なお、本例の場合、正極リード２４の溶接スポット３４ａに抵抗溶接が実施される。溶接スポット３４ａは折り曲げ部２７よりも下にあるので、抵抗溶接は折り曲げ部２７よりも下、つまり折り曲げ箇所よりも下側で実施されると言える。さらに、抵抗溶接は、正極の未塗工部１６の全てが積み重なった箇所が溶接される。未塗工部１６の群は、抵抗溶接された箇所が溶接部３８となって正極リード２４に強固に固着される。なお、溶接部３８が接合部に相当する。

続いて、図７及び図８に示すように、正極リード２４を繋ぎ目３２で略９０度に曲げて断面Ｌ字状にすることにより、電極体５の高さ方向ＺにおけるデッドスペースＳ１を解消する。このとき、正極リード２４は溶接部３８の上、つまり折り曲げ部２７で曲げられ、端面ズレ部Ｋａは正極リード２４のＬ字状の折り曲げ部２７の内面に案内されることにより、折り曲げ部２７に沿い同様に曲がる。また、端面ズレ部Ｋａは根元が溶接部３８となり、先端側が開放されている。このため、正極リード２４を折り曲げた際、端部が開放されている端面ズレ部Ｋａには曲げ応力がかからず、そのまま簡単に曲がる。

また、図７に示すように、正極リード２４を約９０度折り曲げた際には、正極リード２４の根元部２６と、正極集電部２１の未塗工部１６とが、電極体５の積層方向Ｙの厚み範囲Ｗ内に収まった状態となる。よって、正極リード２４を約９０度折り曲げるようにしても、正極リード２４が電極体５の積層方向Ｙにおいて側方に飛び出すこともない。

正極リード２４の取り付けが完了すると、今度は負極リード２５の取り付けを、正極リード２４と同様の工程によって行う。負極リード２５を負極集電部２２に取り付け終えると、正極リード２４に正極端子７を固着し、負極リード２５に負極端子８を固着することにより、電極体５を組み立てる。そして、この電極体５をケース本体４内に収納して、ケース本体４の開口部４ａをケース蓋６で閉じることにより、二次電池２の組み立てが完了する。

以上により、本例においては、板状のリード２４，２５を集電部２１，２２に溶接し、リード２４，２５を断面Ｌ字状に折り曲げることにより、リード２４，２５を集電部２１，２２に取り付ける。これにより、端面ズレ部Ｋａ，Ｋｂをリード２４，２５のＬ字形状に沿わせて曲げ、端面ズレ部Ｋａ，Ｋｂをリード２４，２５の内側に収納する。よって、端面ズレ部Ｋａ，Ｋｂを直線状にカットするという加工コストのかかる工法を使用せずとも、電極体５の高さ方向ＺにおけるデッドスペースＳ１，Ｓ２を解消することが可能となる。

本実施形態の構成によれば、以下に記載の効果を得ることができる。
（１）リード２４，２５を集電部２１，２２に取り付け固定する際、集電部２１，２２の開放端、つまり端面ズレ部Ｋａ，Ｋｂを、折り曲げ部２７，３０のＬ字状に沿わせて配置するので、端面ズレ部Ｋａ，Ｋｂをリード２４，２５の内側に収納することができる。よって、端面ズレ部Ｋａ，Ｋｂを直線状にカットするという高コストを要する工法を使用しなくても、デッドスペースＳ１，Ｓ２を解消することができる。

（２）断面Ｌ字状に折り曲げられたリード２４，２５は、電極体５の積層方向Ｙの厚み範囲Ｗ内に配置される。このため、折り曲げたリード２４，２５が積層方向Ｙの外側に飛び出さずに済むので、積層方向Ｙにデッドスペースが発生しない。

（３）未塗工部１６，２０を束ねる際、これらを積層方向Ｙの端部寄りの位置に集約して配置する。このため、リード２４，２５の積層方向Ｙの幅を広くすることが可能となるので、端子接触箇所の面積が電流の大きさに比例する電極体５では、大電流の充放電に寄与する。

（４）板状のリード２４，２５を用意し、リード２４，２５を集電部２１，２２に溶接した後、リード２４，２５をＬ字状に折り曲げることで、リード２４，２５を集電部２１，２２に取り付ける。よって、板状のリード２４，２５を集電部２１，２２に溶接して曲げるという簡素な製造工程によって、リード２４，２５を集電部２１，２２に取り付けることができる。

（５）リード２４，２５を電極対２３の側面２３ａと同一の面上に位置するようにした。このため、リード２４，２５が電極対２３の側面２３ａの外側に飛び出さずに済むので、電極体５の積層方向Ｙにデッドスペースが発生しない。

（６）リード２４，２５を断面Ｌ字状に折り曲げれば、それでリード２４，２５の位置決めが完了する。よって、リード２４，２５を単に約９０度折り曲げるという簡素な作業によって、集電部２１，２２に取り付けることができる。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下のように変更してもよい。
・図９に示すように、正極集電部２１及び正極リード２４の組と、負極集電部２２及び負極リード２５の組とは、回転対称に配置されてもよい。

・リード２４，２５は、集電部２１，２２に溶接されてから曲げられることに限定されず、元から曲がっていてもよい。
・正極集電部２１は、１つに限定されず、例えば複数でもよく、これらを１つ、或いは複数のリードで電気接続してもよい。なお、これは、負極集電部２２でも同様に言える。

・電極端子（正極端子７、負極端子８）は、リード２４，２５の下面に取り付けられることに限定されず、例えば上面に取り付けられてもよい。
・正極端子７及び負極端子８は、電極対２３の同一辺に配置されることに限定されず、各々異なる辺に配置されてもよい。

・溶接箇所は、未塗工部１６，２０が束になった箇所であれば、どの場所でもよい。
・抵抗溶接は、スポット溶接、バット溶接、プロジェクション溶接などの種々の溶接が使用可能である。また、溶接は、抵抗溶接に限らず、他の方式を採用可能である。

・リード２４，２５と集電部２１，２２の接合は、溶接に限らず、接着や溶着など、他の工法が採用可能である。
・リード２４，２５は、実施形態に述べた形状に限定されず、種々の形状に変更可能である。

・集電部２１，２２は、積層方向Ｙにおいて端部寄りの位置に集約されることに限定されず、例えば積層方向Ｙの中央位置に配置されてもよい。
・リード２４，２５の曲げ形状は、断面Ｌ字状に限定されず、例えばＴ字状など、他の形状に変更可能である。

・集電部２１，２２の配置位置は、電極対２３の上面に限らず、側面や下面などに変更可能である。
・正極や負極は、シート状の部材に限定されず、例えば所定量厚みのある板状の部材を使用してもよい。

・正極シート１０、負極シート１１及びセパレータ１２の素材は、適宜変更可能である。
・端子部材は、リード２４，２５に限定されず、電極端子自体でもよい。

・電極体５は、積層構造に限定されず、シート状の電極対を何層にも巻いて正負の電極層を持つ捲回構造としてもよい。
・蓄電装置は、二次電池に限定されず、例えば非水電解質キャパシタ（非水電解液キャパシタ）などを用いた電気二重層キャパシタとしてもよい。

・電極体５は、車両１に搭載されることに限定されず、他の機器や装置に搭載可能である。

１…車両、２…二次電池（電池）、５…電極体、１０…正極としての正極シート、１１…負極としての負極シート、１２…セパレータ、１３，１７…基材としての箔、１４…正極活物質層、１５，１９…塗工部、１６，２０…未塗工部、１８…負極活物質層、２１…集電群を構成する正極集電部、２１ａ…延設部、２１ｂ…湾曲部、２２…集電群を構成する負極集電部、２２ａ…延設部、２２ｂ…湾曲部、２３…電極対、２３ａ…側面、２４…端子部材を構成する正極リード、２５…端子部材を構成する負極リード、２６，２９…根元部、２６ａ，２９ａ…外表面、２７，３０…折り曲げ部、３８…接合部としての溶接部、５１…蓄電装置、５２，５３…正負の各電極、５４…セパレータ、５５…電解液、Ｗ…積層方向の厚み範囲、Ｙ…積層方向、Ｚ…積層方向と交差する方向としての高さ方向。

Claims (5)

1. 活物質と、基材に前記活物質が塗工された塗工部と、前記基材の端部に形成され、前記活物質が塗工されていない未塗工部とを有する正負の電極と、
   前記正負の電極の間を絶縁するセパレータとを有し、
   前記塗工部と前記セパレータとが層状に積層された電極体を備える蓄電装置であって、
   前記未塗工部が束ねられた集電群と、
   前記集電群の外表面と接合された端子部材とを備え、
   前記集電群は、先端が前記電極体の積層方向を向けて湾曲された湾曲部を有し、前記端子部材は、前記湾曲部に沿う形状に湾曲され、前記電極体の積層方向において前記集電群の前記先端より突出して設けられている
   ことを特徴とする蓄電装置。
2. 前記端子部材は、前記電極体の積層方向において積層厚み範囲内に収められている
   ことを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記集電群は、前記電極体の積層方向において前記電極体の積層方向の表面寄りに配置する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電装置。
4. 前記集電群は、前記湾曲部より前記電極体側において前記電極体の積層方向と垂直に延設された延設部を有し、前記延設部と接合される前記端子部材の外表面は、前記電極体の積層方向の表面に揃って配置されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の蓄電装置。
5. 請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の蓄電装置を備えた
   ことを特徴とする車両。