JP2017098220A - 電池を製造する方法および電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】構成部品点数を少なくし、軽量で容積利用効率の高い電池とその製造方法を提供する。
【解決手段】ケーシングの金属の壁部分１４に電池巻回体２４を挿入する前後に第１電極側２６とケーシングの金属の底部分１６とを材料結合により接合し、電池巻回体を金属の壁部分に挿入した後に第２電極側２８と電流貫流路３２とを材料結合で接合するステップを含み、金属の底部分と壁部分とを材料結合により接合し、第２電極側と電流貫流路とを材料結合により接合した後に金属の蓋部分１２と壁部分１４とを材料結合で接合し、第１電極側２６と底部分１６とを材料結合で接合した後初めて底部分１６と壁部分１４との材料結合による接合を行う電池の製造方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、ケーシングおよびケーシング内に配置された電気蓄積要素を備える電池、特にリチウムイオン電池を製造する方法に関する。
蓄電池と呼ばれることもある電池は、電気エネルギーを蓄積するために用いられる。既に現在において電池は多数の移動機器にエネルギーを供給するために使用されている。将来的には、電池は、陸路および水路で、特に電気自動車またはハイブリッド車にエネルギーを供給するために、または代替的なエネルギー源に由来する電気エネルギーを定常的に一時蓄積するために使用されることが望まれる。
このために、多数の電池が電池パックもしくは電池モジュールとして組み立てられる。この場合に使用可能なパック容量をできるたけ効率的に利用するために、容積利用効率に基づいて、特に角柱状、例えば四角柱状の電池が使用される。
多数の異なった種類の電池が既に存在する。しかしながら、従来の電池の多くは複雑な構造を備え、電池全体を組み立てるため多数の異なる部品が使用される。特に、製造時に多数の部品を組み立てる場合にはコストおよび時間がかかる。
高いエネルギー密度、熱安定性を備え、メモリー効果が欠如していることにより、例えば自動車で利用するためにリチウムイオン技術が使用されることが多い。リチウムイオン技術は、将来的な電気自動車の経済的意義が大きいことにより、今では集中的に開発されている。
リチウムイオン電池のケーシングの内部には、アルミニウムシート、銅シート（これらのシートは反応性カソードおよびアノード材料によって被覆されている）、および隔壁として使用される２枚のプラスチックシートから巻回され、平坦に圧縮された巻回体（いわゆる「ゼリーロール」もしくは「コーヒーバッグ」）が配置されている。ケーシングは、巻回体が挿入された後および耐圧性に閉鎖される前に液体電解質を充填される。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１１０７６９１９号明細書により、電池のケーシングが、電極アンサンブルを周囲から実質的に分離する少なくとも２つのケーシング要素を備えることが知られている。第１ケーシング要素は電極アンサンブルの正極に電気接続されており、第２ケーシング要素は電極アンサンブルの負極に電気接続されており、電池は第１ケーシング要素および第２ケーシング要素において電気接触可能になっている。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１１０８２２８８号明細書は、エネルギー蓄積装置を開示しており、このエネルギー蓄積装置はケーシングおよび少なくとも２つのエネルギー蓄積手段を備え、ケーシング内には、それぞれ１つのエネルギー蓄積手段を収容するための少なくとも２つのチャンバが形成されており、エネルギー蓄積手段は直列に接続されており、それぞれ１つのチャンバ内に配置されている。エネルギー蓄積手段はケーシングの容器によって直接に電気接続され、直列に配置されていてもよく、したがってケーシングの容器は、エネルギー蓄積手段の個々の電圧を検出するためのさらなる極としての役割を果たすことできることがこれらの実施例から明らかである。
重要な要素、電池巻回体は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１３２０１５７２号明細書により明らかなように、一般にケーシング内に挿入される。したがって、集電体ならびに他の構成部品による側方からの接触が必要となる。これは、活物質の容積利用率に関して最適ではない。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１１０７６９１９号 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１１０８２２８８号 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１３２０１５７２号
ケーシングおよびケーシングの内部に配置された電池巻回体を含む電池を製造する方法が提案され、電池巻回体は第１電極側および第２電極側を備える。この方法は、金属の壁部分に電池巻回体を挿入する前または挿入した後に電池巻回体の第１電極側とケーシングの金属の底部分とを材料結合により接合するステップと、電池巻回体を金属の壁部分に挿入した後に電池巻回体の第２電極側と電流貫流路とを材料結合により接合するステップとを含み、金属の底部分と金属の壁部分とを材料結合により接合し、第２電極側と電流貫流路とを材料結合により接合した後に金属の蓋部分と金属の壁部分とが材料結合により接合され、電池巻回体の第１電極側と金属の底部分とが材料結合により接合された後にはじめて金属の底部分と金属の壁部分との材料結合による接合が行われる。ケーシングもしくはケーシングの部品のための金属材料としてはアルミニウムが特に適している。
第２電極側は、好ましくは接触フラグを備え、この接触フラグを介して電流貫流路に材料結合により接合され、電流貫流路は金属の蓋部分または金属の壁部分から突出し、第１端子に結合される。
金属の蓋部分は、好ましくは第２端子を備え、第２端子は、本発明による方法の過程で金属の蓋部分に取り付けられるか、または金属の蓋部分に組み込まれる。
代替的には、第２端子は、本発明による方法の過程で金属の壁部分に結合してもよい。
本発明による方法の過程では、缶は金属の壁部分および金属の底部分により形成される。電解質は金属の蓋部分と缶とが材料結合により接合される前に缶に充填してもよいし、または金属の蓋部分と缶とが材料結合により接合された後に、金属の蓋部分に設けられた開口を介して後から充填してもよい。
本発明による方法では、深絞り加工によって製造されるセル缶の代わりに、金属の壁部分が使用される。ケーシングと電池巻回体の第２電極側との間の短絡を防止するために、ケーシングの金属の蓋部分と電池巻回体の第２電極側の接触フラグとの間に絶縁部材が挿入される。電池巻回体とケーシングの金属の底部分とを材料結合により接合するために、金属の底部分は段部を含むか、および／または電池巻回体の第１電極側が別の接触フラグによって金属の底部分に方向に拡大される。本発明による電池において電池巻回体の第２電極側に割り当てられた電池接続部は、シール・絶縁部材、端子、および電流貫流路を含む。これに対して、電池巻回体の第１電極側に割り当てられた電池接続部はシール・絶縁部材も電流貫流路も必要とせず、したがって、本発明による方法によって、電池の電池巻回体の第１電極側に割り当てられた電池接触部は、シールなしに、および／または付加的な構成部品なしに構成される。
本発明の別の一態様は、本発明による方法にしたがって製造される電池に関する。本発明の実施形態によれば、金属の底部分、および金属の壁部分と金属の底部分とにより形成される缶は、完全に第１電極側の電位になるか、または集電体として用いられる。
本発明による電池は、有利には電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド車（ＨＥＶ）、またはプラグイン・ハイブリッド車（ＰＨＥＶ）において使用される。家庭用電化製品または電動工具で使用することも可能である。
発明の利点
本発明による電池は、電池における電極との電気接触のために少数の構成部品のみが必要とされるという利点を有する。本発明による方法の実施形態によれば、ケーシングは完全に第１電極側の電位になり、集電体として用いられる。したがって、電池接続部は、本発明による電池の電池巻回体の第１電極側に１つの端子のみを備え、この端子は、直接に金属の蓋部分に取り付けられているか、または金属の蓋部分に組み込まれている。したがって、電池の電池巻回体の第１電極側の電流貫流路のための集電体、シール、および他の構成部品は節約され、これにより、重量が著しく低減され、これに伴い重量測定によるエネルギー内容は増大する。複雑性が減じられ、電池接続部の構成部品の数が減少することにより、電池をより安価に製造することができる。
本発明によれば、製造された電池についても同様の利点が得られる。電池接続部の構成部品を節約することにより、電池の効率的な容積利用を達成することができる。すなわち、電池をより肉薄に製造することができ、これにより電池パックの良好な容積利用効率を達成することができる。さらに、電池接続部における構成部品の節約により電池の良好なシールを達成することができ、金属の底部分、金属の壁部分、および金属の蓋部分の材料結合による接合を達成することがでる。
さらに本発明による構成により、円筒状のセルの構造を角柱状のセルに転用することが可能なことは有利である。これにより、例えばＶＤＡにより標準化されているＰＨＥＶ２セルなどの自動車産業協会（ＶＤＡ）の規範にしたがった古典的な角柱状の構成において最大限に容積を利用することが可能である。
本発明による電池のさらなる利点は、既存の概念と比較して新たなプロセスを製造工程に組み込む必要がなく、したがって、既に存在する設備を利用できることである。
次に複数の実施例および付属の図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
従来技術により既知の電池装置を示す分解図である。 本発明による電池を第１実施形態にしたがって示す斜視図である。 本発明による電池を第１実施形態にしたがって示す断面図である。 本発明の電池の電池接続部を第１実施形態にしたがって示す詳細図である。 本発明による電池を第２実施形態にしたがって示す概略図である。 本発明による電池を第３実施形態にしたがって示す斜視図である。 本発明による方法を示す概略的なフロー図を示す。
図１は、従来技術により既知の電池装置１００を示す。電池装置１００は、角柱状、本実施例では平行六面体状に形成されたセルケーシング６を含む。セルケーシング６は、この場合には導電性に構成されており、例えばアルミニウムによって深絞り加工で製造されている。セルケーシング６は平行六面体状の容器７を含み、容器７は一面に容器開口７ａを備える。容器開口７ａは、２つの端子２、２つのシール３、および他の４つの個別部品を含むカバー装置１によって閉じられる。
図１に示すように、電極巻回体４は容器７の内部に位置し、電極巻回体４のアノード４ａおよびカソード４ｂは容器開口７ａもしくはカバー装置１に対して垂直方向に位置し、２つの集電体５に接続されている。
本発明の実施形態
次に、図２〜図５について有効な、Ｘ、Ｙ、およびＺ軸線を備える３次元座標系を用いる。
図２は、本発明による電池８を一実施形態にしたがって３次元座標系で示す斜視図である。
電池８は、実質的に長方形に、平坦に構成されている。電池巻回体２４（図３参照）が電池８のケーシング１０の内部に配置されており、電池巻回体２４は、特にリチウムイオン蓄電池として、平坦な設計で、剛性カバーなしに構成されている。さらに、電池８は第１端子２０および第２端子２２を備える。電池８のケーシング１０は金属の蓋部分１２、金属の壁部分１４、および金属の底部分１６を含む。この場合、金属の壁部分１４と金属の底部分１６とは缶４０を形成している。
図３は、本発明による電池８を第１実施形態にしたがって３次元座標系のＹ‐Ｚ平面で示す断面図である。
図２に対する補足として、ケーシング１０の内部の電池巻回体２４が示されており、電池巻回体２４は、第１電極側２６および第２電極側２８を備える。図１に示した従来技術とは異なり、この場合、電池巻回体２４は本発明による方法を実施する前にＸ軸線を中心として９０°だけ回動される。すなわち、電池巻回体２４の第１電極側２６および第２電極側２８は、金属の蓋部分１２もしくは金属の底部分１６に対して垂直ではなく、金属の蓋部分１２もしくは金属の底部分１６に対して平行である。電池巻回体２４の第１電極側２６は金属の底部分１６に材料結合により接合されている。電池巻回体２４を金属の底部分１６と共に金属壁部１４に挿入し、金属の底部分１６と金属の壁部分１４とが材料結合により接合された後に、金属の底部分１６および金属の底部分１６と金属の壁部分１４との材料結合による接合により得られた缶４０は、完全に第１電極側２６の電位になる。電池巻回体２４の第２電極側２８は接触フラグ３６を備え、第２電極側２８は、この接触フラグ３６を介して電流貫流路３２に材料結合により接合されている。
第１端子２０および電流貫流路３２ならびにシール・絶縁部材３０は、電池接続部１８を形成しており、電流貫流路３２は金属の蓋部分１２およびシール・絶縁部材３０から突出し、第１端子２０に結合されている。金属の蓋部分１２は、金属の壁部分１４と金属の底部分１６とにより形成された缶４０に材料結合により接合され、金属の蓋部分１２と電池巻回体２４の第２電極側２８の接触フラグ３６との間には絶縁部材３８が組み込まれる。第１電極側２６と金属の底部分１６とが材料結合により接合される場合には、金属の底部分１６が段部３４を含み、および／または電池巻回体２４の第１電極側２６が別の接触フラグ３７（図６参照）によって金属の底部分１６の方向に（すなわち、３次元座標系のＺ方向に）拡大されることに注目されたい。第２端子２２は、方法の過程において金属の蓋部分１２に取り付けてもよいし、または金属の蓋部分１２に組み込んでもよい。
図３．１は、本発明による電池８の電池接続部１８を第１実施形態にしたがって示す詳細図である。
図３．１に示すように、電流貫流路３２はシール・絶縁部材３０および金属の蓋部分１２を通って延在し、第１端子２０に結合されている。電池巻回体２４の第２電極側２８の接触フラグ３６は、電流貫流路３２に材料結合により接合される。絶縁部材３８は、金属の蓋部分１２と電池巻回体２４の第２電極側２８の接触フラグ３６との間に組み込まれる。
図２、図３、および図３．１に示した本発明による解決手段と比較して、図１に示した従来技術による電池装置１００の組付けは、手間がかかり、コスト高である。
図４は、本発明による電池８の第２実施形態を示す。この場合、金属の底部分１６は、電池巻回体２４を金属の壁部分１４に挿入した後に、電池８の電池巻回体２４の第１電極側２６に材料結合により接合される。図４の実施形態では、このために第１電極側２６は別の接触フラグ３７を備え、この別の接触フラグ３７は金属の底部分１６に材料結合により接合される。接触フラグ３６は固定部分５０および偏向された端部４６を備える。接触フラグ３６の固定部分５０は第２電極側２８に取り付けられ、接触フラグ３６の偏向された端部４６は、金属の蓋部分１２およびシール・絶縁部材３０を通って延在する電流貫流路３２に平坦に、材料結合により接合される。絶縁部材３８は金属の蓋部分１２と接触フラグ３６との間に組み込まれる。別の接触フラグ３７は固定部分５２および偏向された端部４８を備える。固定部分５２にわたって、別の接触フラグ３７は電池巻回体２４の第１電極側２６に取り付けられ、偏向された端部４８は金属の底部分１６に平坦に、材料結合により接合される。この場合、金属の底部分１６には段部３４を設けてもよいし、段部３４なしに作製してもよい。金属の蓋部分１２および金属の底部分１６は、金属の壁部分１４に側方で隣接している。金属の底部分１６と金属の壁部分１４とが材料結合により接合された後に、金属の蓋部分１２は、金属の壁部分１４と金属の底部分１６とにより形成された缶４０に嵌め込まれ、材料結合により接合される。
図５は、本発明による電池８を第３実施形態にしたがって示す。電池８は、第１端子２０、第２端子２２、金属の蓋部分１２、金属の壁部分１４、および金属の底部分１６を備える。この場合、第１端子２０および第２端子２２は、金属の蓋部分１２に載置されているのではなく、金属の壁部分１４の狭い方の面に配置されている。２つの接触フラグ２６および３７（図４参照）のいずれか一方の接触フラグは、金属の壁部分１４の狭い方の面を通って延在する電流貫流路３２（図３から図４参照）に材料結合により接合され、第１端子２０に結合され、他方の接触フラグはケーシング１０に取り付けられる。金属の底部分１６と金属の壁部分１４とが材料結合により接合された後に、金属の蓋部分１２は、金属の壁部分１４と金属の底部分１６とにより形成された缶４０に嵌め込まれ、材料結合により接合される。
図６は、本発明による方法の一実施形態の概略的なフロー図を示す。
図３に示すように、電池巻回体２４は、方法を実施する前に９０°だけ回動される。第１ステップ１０１では、電池巻回体２４の第１電極側２６が電池８のケーシング１０の金属の底部分１６に材料結合により接合され、好ましくはこの場合に溶接が用いられる。原則的には、他の材料結合による接合方法、例えば溶接、ろう付け、接着等を使用する可能性もある。
第２ステップ１０２では、金属の底部分１６および電池巻回体２４が電池８のケーシング１０の金属の壁部分１４に挿入される。第３ステップ１０３では、金属の底部分１６が金属の壁部分１４に材料結合により接合され、これにより缶４０が形成される。第４ステップ１０４では、電池巻回体２４の第２電極側２８の接触フラグ３６が、電池８のケーシング１０の金属の蓋部分１２およびシール・絶縁部材３０を通って延在する電流貫流路３２に材料結合により接合され、第１端子２０に結合される。第５ステップ１０５では、金属の蓋部分１２が、第３ステップ１０３で得られた缶４０に材料結合により接合される。第６ステップ１０６では、第２端子２２が直接に金属の蓋部分１２に取り付けられるか、または金属の蓋部分１２に組み込まれる。
本発明は、ここで説明した実施例およびここで取り上げた態様に制限されていない。むしろ、請求項に記載の範囲内で専門家が取り扱う範囲内の多数の実施形態が可能である。
１ カバー装置
２ 端子
３ シール
４ 電極巻回体
４ａ アノード
４ｂ カソード
５ 集電体
６ セルケーシング
７ 容器
７ａ 容器開口
８ 電池
１０ ケーシング
１２ 蓋部分
１４ 壁部分
１６ 底部分
１８ 電池接続部
２０ 第１端子
２２ 第２端子
２４ 電池巻回体
２６ 接触フラグ
２６ 第１電極側
２８ 第２電極側
３０ シール・絶縁部材
３２ 電流貫流路
３４ 段部
３６ 接触フラグ
３７ 接触フラグ
３８ 絶縁部材
４０ 缶
４６ 端部
４８ 端部
５０ 固定部分
５２ 固定部分
１００ 電池装置
１０１ 第１ステップ
１０２ 第２ステップ
１０３ 第３ステップ
１０４ 第４ステップ
１０５ 第５ステップ
１０６ 第６ステップ

Claims (10)

  1. ケーシング（１０）および該ケーシング（１０）の内部に配置された電池巻回体（２４）を含み、電池巻回体（２４）が、第１電極側（２６）および第２電極側（２８）を備える電池（８）、特にリチウムイオン電池を製造する方法であって、
    前記ケーシング（１０）の金属の壁部分（１４）に前記電池巻回体（２４）を挿入する前または挿入した後に、前記電池巻回体（２４）の前記第１電極側（２６）と前記ケーシング（１０）の前記金属の底部分（１６）とを材料結合により接合するステップと、
    前記電池巻回体（２４）を前記金属の壁部分（１４）に挿入した後に前記電池巻回体（２４）の前記第２電極側（２８）と電流貫流路（３２）とを材料結合により接合するステップと
    を含み、
    前記金属の底部分（１６）と前記金属の壁部分（１４）とを材料結合により接合し、前記第２電極側（２８）と前記電流貫流路（３２）とを材料結合により接合した後に、金属の蓋部分（１２）と前記金属の壁部分（１４）とを材料結合により接合し、
    前記電池巻回体（２４）の前記第１電極側（２６）と前記金属の底部分（１６）とを材料結合により接合した後にはじめて前記金属の底部分（１６）と前記金属の壁部分（１４）との材料結合による接合を行うことを特徴とする電池（８）を製造する方法。
  2. 請求項１に記載の方法において、
    前記第２電極側（２８）に接触フラグ（３６）を設け、該接触フラグ（３６）を介して前記第２電極側（２８）を前記電流貫流路（３２）に材料結合により接合し、前記電流貫流路（３２）を前記金属の蓋部分（１２）または前記金属の壁部分（１４）から突出させ、第１端子（２０）に接続する方法。
  3. 請求項２に記載の方法において、
    前記金属の蓋部分（１２）と前記電池巻回体（２４）の前記第２電極側（２８）の前記接触フラグ（３６）との間に絶縁部材（３８）を組み込む方法。
  4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法において、
    前記金属の蓋部分（１２）または前記金属の壁部分（１４）に、金属の蓋部分（１２）または金属の壁部分（１４）に結合された第２端子（２２）を設ける方法。
  5. 請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法において、
    角柱状の前記金属の壁部分（１４）を用いる方法。
  6. 請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法において、
    前記金属の底部分（１６）が段部（３４）を含み、および／または前記電池巻回体（２４）の前記第１電極側（２６）を別の接触フラグ（３７）によって前記金属の底部分（１６）の方向に拡大する方法。
  7. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法において、
    前記電池（８）の前記電池巻回体（２４）の前記第１電極側（２６）に割り当てられた電池接続部を、シールなしに、および／または付加的な構成部品なしに構成する方法。
  8. 請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法にしたがって製造される電池（８）、特にリチウムイオン電池。
  9. 請求項８に記載の電池（８）において、
    前記金属の底部分（１６）、および前記金属の壁部分（１４）と前記金属の底部分（１６）とにより形成される缶（４０）が第１電極側（２６）の電位になるようにし、集電体として用いる方法。
  10. 電気自動車、ハイブリッド車、プラグイン・ハイブリッド車、家庭用電化製品または電動工具において請求項８または９に記載の電池（８）を使用する使用法。
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