JP2013161757A

JP2013161757A - 蓄電装置及び車両

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Publication number: JP2013161757A
Application number: JP2012025257A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Minamigata; 厚志南形
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2013-08-19
Anticipated expiration: 2032-02-08
Also published as: JP5803713B2

Abstract

【課題】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、かつ端子部材を集電部に取り付ける際の基材の損傷も生じ難く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】二次電池の正極リード２５は、正極集電部２１を束ねて折り曲げ加工されることにより、正極集電部２１に取り付けられる。これにより、正極集電部２１は、未塗工部１６同士が束ねられ電極体５と離間する方向に延びる収束部３６と、収束部３６の端部において未塗工部１６が折り返された折り返し部３７とを有する。また、正極リード２５は、折り返し部３７を収容する収容部３８と、電極体５側を凸として湾曲する保護部２７とを有する。
【選択図】図７

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１１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、集電部８８は、箔８５を電極の厚み方向に束ねて形成される部位であるので、束ね位置に近い側の箔８５が、束ね位置に近い側の箔８５よりも電極の長さ方向に大きく飛び出し、集電部８８において箔８５が揃わない原因となる。よって、この飛び出し長さの違いが端面ズレ部９０となって生じ、これが部品配置上のデッドスペース９１となる問題があった。このようなデッドスペース９１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。

また、箔８５は薄膜であるので、端子部材８９を集電部８８に取り付ける際、端子部材８９の角部分が箔８５に引っ掛かるなどすると、箔８５が破れたり、撓んだりする原因となっていた。よって、端子部材８９を集電部８８に取り付ける際の箔８５の損傷に対する対策も必要であった。

本発明の目的は、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、かつ端子部材を集電部に取り付ける際の基材の損傷も生じ難く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、前記未塗工部同士が束ねられ前記電極体と離間する方向に延設された収束部と、前記収束部の前記電極体と離間する側の端部において前記未塗工部が折り返された折り返し部とを有する集電群と、前記折り返し部を収納する溝を形成する収容部と、前記収容部より前記電極体側に該電極体側を凸として湾曲する湾曲部とを有する端子部材とを備え、前記端子部材は、少なくとも前記収容部及び前記湾曲部において前記集電群と接合されることを要旨とする。

本発明の構成によれば、集電群の先端の端面ズレ部を、折り曲げて端子部材の収容部に収納するので、端面ズレ部に起因するデッドスペースを抑制することが可能となる。また、端子部材を集電部に取り付ける際、仮に端子部材が基材に接触しても、湾曲部で接触すれば基材が保護される。このため、電極体の積層方向と交差する方向のデッドスペースの抑制と、端子部材を集電部に取り付ける際の基材損傷の防止とを、両立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、前記折り返し部及び前記収容部は、かしめによって形成されていることを要旨とする。この構成によれば、折り返し部や収容部を、かしめによって簡単に形成することが可能となる。

請求項４では、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の蓄電装置を備えた車両であることを特徴とする。

本発明によれば、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、かつ端子部材を集電部に取り付ける際の基材の損傷も生じ難くすることができる。

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。（ａ）はリードの正面図、（ｂ）はリードの側面図。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。折り曲げたリードを集電部とともに折り返した状態を示す説明図。別例の電極体の外観を示す斜視図。他の別例のリードの折り曲げ構造を示す部分拡大断面図。従来の集電部に生じる端面ズレ部を表す断面図。

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、正極集電部２１より引き出された未塗工部１６が集電群に対応する。

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２５，２６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２５とし、負極側を負極リード２６とする。本例のリード２５，２６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、自身が曲げ加工されることにより、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２５及び負極リード２６が端子部材を構成する。

図４（ａ）にリード２５，２６の正面図を図示し、図４（ｂ）にその側面図を図示する。図４（ａ），（ｂ）に示すように、正極リード２５には、箔１３を損傷から保護する保護部２７と、正極集電部２１の取り付け箇所となる集電体取付部２８と、集電体取付部２８に対して対向する向きに折り曲げ可能な折り曲げ部２９と、電極端子の取り付け箇所となる電極端子取付部３０とが設けられている。これらは、正極リード２５において一体に形成されている。

保護部２７は、正極リード２５の端部を湾曲させることによってＲ形状に形成されている。保護部２７は、正極リード２５を正極集電部２１に取り付ける際、仮に箔１３に接触しても箔１３が損傷しないようにするためのものであり、未塗工部１６…を束ねた正極集電部２１を根元部分で支持する。正極リード２５を正極集電部２１に取り付ける際、保護部２７のＲ面により、未塗工部１６…の群を端寄りに案内することも可能である。なお、保護部２７が湾曲部に相当する。

集電体取付部２８は、板状を呈し、電極対２３の上面と平行する配置向きをとっている。集電体取付部２８には、正極集電部２１が抵抗溶接等により固定されている。未塗工部１６…の群は、抵抗溶接された箇所が溶接部３２となって正極リード２５に強固に固着される。図４に示すように、集電体取付部２８には、抵抗溶接用の溶接スポット３１を形成してもよい。図６に示すように、正極リード２５は、両側から溶接用電極３４，３５を押し当てることにより、正極集電部２１に溶着される。

折り曲げ部２９は、内側に約１８０度折り曲げられた（図７に示す１段階目の曲げ）とき、端面ズレ部Ｋａを正極集電部２１の根元側に折り返すことにより、デッドスペースＳ１を解消する部材である。また、折り曲げ部２９をかしめれば、正極集電部２１と正極リード２５との接触面積が増えることになる。

図７に示すように、正極集電部２１には、未塗工部１６同士が束ねられ電極体５（電極対２３）から離間と離間する方向に延設された収束部３６と、収束部３６の電極体５と離間する側において未塗工部１６が折り返された折り返し部３７とが形成されている。収束部３６は、折り返された未塗工部１６同士が接触している箇所を言う。また、折り返し部３７は、正極集電部２１の先端において正極集電部２１の折り返し箇所のことを言う。

また、正極リード２５には、折り返し部３７を収納する溝を形成する収容部３８が設けられる。よって、正極リード２５は、図７の形状において収容部３８より電極体５側に保護部２７を有し、その反対側に収容部３８を有する。そして、正極リード２５は、少なくとも保護部２７及び収容部３８において正極集電部２１と接合（当接）されている。

正極リード２５は、図６に示すような略平板状の板材を、図７に示すように、折り曲げ部２９は付け根３９と折り曲げ部２９との間で折り曲げ（１段階目の曲げ）、図８に示すように、さらに正極集電部２１の根元部３３で奥（図８の紙面左側）に折り返す（２段階目の曲げ）ことにより、正極集電部２１に取り付けられる。図８に示すように、正極リード２５は、回転後、集電体取付部２８及び折り曲げ部２９の部材群が積層方向Ｙの厚み範囲Ｗ内（積層厚み範囲内）に収まる長さに形成されている。

また、正極集電部２１及び正極リード２５の組と、負極集電部２２及び負極リード２６の組とは、電極体５の長さ方向（図１等のＸ軸方向）において対称となる向きに配置されている。なお、負極リード２６は、正極リード２５と基本的に同様の形状及び取付構造をとるので、正極リード２５の説明を以て、負極リード２６の形状及び取付構造の説明を省略する。

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）板状のリード２５，２６を集電部２１，２２に溶接し、リード２５，２６を１段階目の曲げにより端面ズレ部Ｋａ，Ｋｂとともに折り曲げて、端面ズレ部Ｋａ，Ｋｂをリード２５，２６の内側に収納する（図７の状態）。よって、電極体５の高さ方向ＺにおけるデッドスペースＳ１，Ｓ２を解消することができる。

（２）リード２５，２６の端部をＲ形状（保護部２７）としたので、リード２５，２６を集電部２１，２２に取り付ける際、リード２５，２６が箔１３，１７と接触する状況となっても、このＲ形状にて箔１３，１７が損傷から保護される。このため、電極体５の高さ方向ＺにおけるデッドスペースＳ１，Ｓ２の抑制と、リード２５，２６を集電部２１，２２に取り付ける際の箔１３，１７の損傷防止とを、両立することができる。

（３）１段階目の曲げの後、リード２５，２６を集電部２１，２２とともに根元部３３で更に内側に折り曲げる２段階目の曲げにより、リード２５，２６及び集電部２１，２２を電極体５の上面に収納する。このため、デッドスペースＳ１，Ｓ２を更に小さく抑えることができる。

（４）図８に示すように、２段階目の曲げにより折り曲げられたリード２５，２６及び集電部２１，２２の部品群は、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２５，２６が積層方向Ｙにおいて電極体５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。

（５）保護部２７をＲ形状としたので、リード２５，２６の端を単に湾曲形成するだけで、保護部２７を設けることができる。よって、保護部２７を簡単に形成することができる。

（６）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２５，２６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。

（７）板状のリード２５，２６を用意し、リード２５，２６を集電部２１，２２に溶接した後、リード２５，２６や集電部２１，２２を折り曲げることで、リード２５，２６を集電部２１，２２に取り付ける。よって、板状のリード２５，２６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２５，２６を集電部２１，２２に取り付けることができる。

（８）図７の二点鎖線で示すように、折り曲げたリード２５，２６を更に内側にかしめるようにした場合、溶接部３２を折り曲げ部２９によって強く押し付けることが可能となるので、溶接部３２を保護することができる。また、かしめた場合、リード２５，２６と集電部２１，２２との接触面積が増えるので、抵抗低減等にも繋がる。

（９）正極において未塗工部１６を１箇所に束ねて正極集電部２１を形成し、この箇所に正極リード２５を抵抗溶接するので、正極リード２５及び正極集電部２１を、一対の溶接用電極３４，３５で強く押し付けて溶接することができる。よって、充分な荷重をかけて溶接することが可能となるので、正極リード２５を正極集電部２１に強固に固定することができる。なお、これは負極側でも同様に言える。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・図９に示すように、正極集電部２１及び正極リード２５の組と、負極集電部２２及び負極リード２６の組とは、回転対称に配置されてもよい。

・２段階目の曲げの際、図１０に示すように、リード２５，２６自体を折り曲げることにより、リード２５，２６及び集電部２１，２２を内側に収納してもよい。即ち、２段階目の曲げの際、その折り曲げ位置は適宜変更可能である。

・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つ又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２５，２６の電極端子取付部３０の上面に取り付けられることに限定されず、下面に取り付けてもよい。

・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２５，２６と集電部２１，２２との接合は、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２５，２６は、実施形態に述べた形状に限定されず、他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らず、例えば積層方向Ｙの中央位置に配置してもよい。

・リード２５，２６の曲げ形状は、実施形態に述べた形状に限定されず、他の形状に適宜変更可能である。
・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。

・保護部２７は、Ｒ形状に限定されず、例えば球面形状などの他の形状に変更してもよい。
・保護部２７は、箔１３，１７を損傷から保護する部材であればよいので、その形成位置や形状は、目的に応じて適宜変更可能である。

・端子部材は、リード２５，２６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。

・１段階目の曲げと２段階目の曲げは、両方必要ではなく、少なくとも１段階目の曲げが実施されればよい。
・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…正極集電部、２２…負極集電部、２３…電極対、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、２７…湾曲部としての保護部、２９…折り曲げ部、３２…溶接部、３６…収束部、３７…折り返し部、３８…収容部、５１…蓄電装置、５２，５３…電極、５４…セパレータ、５５…電解液、Ｋａ，Ｋｂ…端面ズレ部、Ｙ…積層方向、Ｗ…積層方向の厚み範囲。

Claims

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、
前記未塗工部同士が束ねられ前記電極体と離間する方向に延設された収束部と、前記収束部の前記電極体と離間する側の端部において前記未塗工部が折り返された折り返し部とを有する集電群と、
前記折り返し部を収納する溝を形成する収容部と、前記収容部より前記電極体側に該電極体側を凸として湾曲する湾曲部とを有する端子部材とを備え、
前記端子部材は、少なくとも前記収容部及び前記湾曲部において前記集電群と接合される
ことを特徴とする蓄電装置。
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。
前記折り返し部及び前記収容部は、かしめによって形成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電装置。
請求項１〜３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。