JP2018055892A

JP2018055892A - モジュール電池

Info

Publication number: JP2018055892A
Application number: JP2016188683A
Authority: JP
Inventors: 寛之笹淵; Hiroyuki Sasabuchi; 三代　祐一朗; Yuichiro Mishiro; 祐一朗三代
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2018-04-05
Anticipated expiration: 2036-09-27
Also published as: JP6794741B2

Abstract

【課題】電池セルの端子と導電部材との電気抵抗を低減し、電池特性を向上できるモジュール電池を提供する。【解決手段】モジュール電池は、一端部に正極端子２１が設けられ他端部に負極端子２２が設けられた複数の電池セル１５と、正極端子２１および負極端子２２に電気的に接続される銅製のバスバー３１とを備えている。正極端子２１はアルミニウム又はアルミニウム合金であり、バスバー３１が接触する正極端子２１の端子側の接触面３７と、正極端子２１が接触するバスバー３１のバー側の接触面３８との少なくともいずれか一方に凹凸部を設け、バー側の接触面３８にスズメッキ層を設けた。【選択図】図２

Description

本発明は、複数の電池セルを組み合わせて形成されるモジュール電池に関する。

円柱形状または四角柱形状に組み立てられた電池セルは単電池とも言われている。複数の電池セルを直列または並列に組み合わせることにより、高電力ないし高持久力のモジュール電池が形成されており、モジュール電池は組電池または電池パックとも言われる。柱形状の電池セルには、電池セルの一端部から正極端子が突出し、他端部から負極端子が突出している。

このような電池セルを複数組み合わせて形成されるモジュール電池は、複数の電池セルが並列に配置された状態となってモジュールケース等の収容部材の中に組み込まれる。並列に配置される複数の電池セルからなるセル群を、上下にモジュールケース内に組み込むと複数のセル群を備えたモジュール電池の形態となる。このように、複数の電池セルを組み合わせて形成されるモジュール電池においては、隣り合う電池セルの端子は導電部材により直列または並列に電気的に接続される。

特許文献１には、正極板、負極板およびセパレータを積層した扁平型の単電池を、複数積層して形成される組電池が記載されている。それぞれの単電池の電極タブの間には、突起部を有する導電部材が配置され、単電池が電極タブの部分で導電部材により電気的に接続された組電池つまりモジュール電池が形成される。

特開２００５−２６８０２９号公報

特許文献１の組電池においては、突起部が設けられた導電部材を単電池の電極タブの間に挟むことにより、電極タブの表面に付着した酸化皮膜や油分を除去し、導電部材が接続される電極タブの接続部の抵抗を低減するようにしている。

しかしながら、本発明者らの検討の結果、導電部材に突起部を設けたのみでは、接続部の電気抵抗を十分に低減することができず、モジュール電池の電池特定の向上には限度があることが判明した。

本発明の目的は、電池セルの端子と導電部材との電気抵抗を低減し、電池特性を向上できるモジュール電池を提供することにある。

本発明のモジュール電池は、一端部に正極端子が設けられ他端部に負極端子が設けられた複数の電池セルと、前記正極端子および前記負極端子に電気的に接続される銅製のバスバーとを備えたモジュール電池であって、前記正極端子はアルミニウム又はアルミニウム合金であり、前記バスバーが接触する前記正極端子の端子側の接触面と、前記正極端子が接触する前記バスバーのバー側の接触面との少なくともいずれか一方に凹凸部を設け、前記バー側の接触面にスズメッキ層を設けた。

正極端子と銅製のバスバーの少なくともいずれか一方の接触面には、凹凸部が形成されており、正極端子とバスバーは接触面には凹凸部が食い込んだ状態となって締結され、電池セルが温度変化しても締結部には隙間が生じない。これにより、締結部間に酸化皮膜が生じることがなく、バスバーと正極端子とが接続される接続部の電気抵抗の上昇が低減され、モジュール電池の電池特性を向上させることができる。また、モジュール電池が使用されているときには、バスバーに取り付けられた信号線により正確な電圧測定を行うことができ、モジュール電池の安全性を向上させることができる。

銅製のバスバーにはスズメッキがなされており、メッキ層を介してバスバーと正極端子とが接触するので、バスバー自体の酸化皮膜の形成を抑制することができるとともに、異種金属の接触に起因した電食の発生を防止することができる。バスバーのスズメッキと、接触面に凹凸部を設けることによって、バスハーと正極端子との締結部における抵抗の上昇を抑制することができる。

一実施の形態であるモジュール電池を示す斜視図である。モジュール電池を構成する電池セルの両端部を示す断面図である。図２に示された電池セルの正極端子側の端面を示す平面図である。図２に示された正極端子の拡大断面図である。（Ａ）は正極端子の接触面の一例を示す拡大図であり、（Ｂ）は接触面の凹凸形状を示す断面図である。（Ａ）は正極端子の接触面の他の例を示す拡大図であり、（Ｂ）は接触面の応答形状を示す断面図である。バスバーの接触面の一例を示す拡大図である。正極端子の未加工の平坦な接触面を示す拡大図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示されるように、組電池つまりモジュール電池１０は、モジュールケースを構成する直方体形状の収容部材である枠体１１を有している。枠体１１は、第１の枠片１２と第２の枠片１３と両方の枠片の四隅を連結する連結棒１４とを備えている。枠体１１の中には、６つの単電池つまり電池セル１５が相互に平行となって組み込まれている。それぞれの電池セル１５は、リチウムイオン二次電池であり、電力を充電する機能と、放電する機能とを有している。図１においては、６つの電池セル１５に（ａ）〜（ｆ）の符号が付されている。電池セル１５（ａ）〜１５（ｃ）は１つのセル群を形成し、電池セル１５（ｄ）〜１５（ｆ）は他の１つのセル群を構成している。

図１に示されるモジュール電池１０は、６つの電池セル１５を備えているが、枠体１１に組み込まれる電池セル１５は複数であれば、６つに限られることなく、任意の数の電池セル１５とすることができる。また、複数の電池セル１５は枠体１１に組み込まれているが、図１において上下の壁体と、左右の壁体とを備え、それぞれの電池セル１５の外周面を覆うようにした形状のモジュールケース内に複数の電池セル１５を組み込むようにしても良い。さらに、それぞれの電池セル１５としては、円柱形状に限られず、四角柱形状としても良い。

図２に示されるように、電池セル１５は、筒形の容器本体１６を有し、容器本体１６の両端部には蓋部材１７，１８が固定され、容器本体１６の内部には軸芯１９が配置される。軸芯１９と容器本体１６との間のスペースには、電解液に浸潤された捲回極板群２０が収容される。電池セル１５の一端部側の蓋部材１７には、正極端子２１が取り付けられ、他端部側の蓋部材１８には負極端子２２が取り付けられる。正極端子２１と負極端子２２の突出端部にはナット２３がねじ結合され、ナット２３は絶縁性のワッシャ２４を介して蓋部材１７，１８に締結される。これにより、正極端子２１と負極端子２２はナット２３により蓋部材１７，１８に固定される。

正極端子２１と負極端子２２の内方端部は軸芯１９の中空部内に嵌合され、それぞれの軸方向中央部にはディスク形状の集電部２５が一体に設けられており、それぞれの集電部２５は捲回極板群２０の端面に突き当てられている。集電部２５の外側には導電プレート２６が配置され、導電プレート２６と蓋部材１７，１８の間には絶縁リング２７が装着されている。なお、蓋部材１７，１８と導電プレート２６との間にはシール部材２８が装着される。

図１に示されるように、６つの電池セル１５は、上下左右に隣り合う電池セル１５の端部が相互に逆極性の端子となるように、枠体１１内に組み込まれ、６つの電池セル１５は電気的に直列となって接続用のバスバー３１により電気的に接続される。例えば、図１において、電池セル１５（ａ）の正面側の端部から正極端子２１が突出している場合には、電池セル１５（ｂ）の負極端子２２が電池セル１５（ａ）の正極端子２１に隣り合う。他のそれぞれの電池セル１５（ｃ）〜１５（ｆ）については、図１に示されるように、正極端子２１と負極端子２２とが隣り合う。

図１においては、接続用のバスバー３１には（ａ）〜（ｅ）の符号が付されている。電池セル１５（ａ）の負極端子２２は、バスバー３１（ａ）により電池セル１５（ｂ）の正極端子２１に電気的に接続される。電池セル１５（ｂ）の負極端子２２は、電池セル１５（ｃ）の正極端子２１にバスバー３１（ｂ）により電気的に接続される。他の電池セル１５（ｄ）〜（ｅ）についても、同様に、隣り合った１つの電池セル１５の正極端子２１と、隣り合った他の電池セル１５の負極端子２２はバスバー３１により電気的に接続される。電池セル１５（ａ）の正極端子２１には、正極側の出力端子用のバスバー３２が接続され、電池セル１５（ｆ）の負極端子２２には、負極側の出力端子用のバスバー３３が接続される。それぞれのバスバー３１〜３３は銅製の板材をプレス加工することにより形成される。

正極端子２１と負極端子２２には、図２に示されるように、バー取付孔３４が設けられており、バー取付孔３４には雌ねじ部３４ａが設けられている。バスバー３１〜３３は正極端子２１および負極端子２２にねじ部材３５により締結される。ねじ部材３５は六角の頭部３５ａを有するボルトであり、雌ねじ部３４ａにねじ結合される雄ねじ部３５ｂを有している。なお、符号３６はワッシャを示す。

ねじ部材３５により正極端子２１と負極端子２２にバスバー３１〜３３を取り付けると、正極端子２１と負極端子２２の端面つまり端子側の接触面３７には、バスバー３１〜３３が接触する。バスバー３１〜３３の内面のうち、正極端子２１または負極端子２２に対向する部分つまりバー側の接触面３８には、端子側の接触面３７が接触し、ねじ部材３５により接触面３７，３８は締結される。

それぞれのバスバー３１〜３３には、圧着端子が設けられた図示しない信号線が取り付けられる。圧着端子に設けられた取付孔を貫通するねじ部材を、バスバーに設けられた雌ねじにねじ結合することにより、信号線はバスバーに取り付けられる。信号線を電圧計に接続することによって、電池セル１５の出力電圧を測定し、電圧に基づいて電池セル１５の電圧特性の変化や、過放電などの異常状態の発生を検出することができる。

正極端子２１は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム製である。バスバー３１〜３３は、上述のように銅製であり、さらにバスバー３１、３２のうちバー側の接触面３８にはスズメッキが施されてメッキ層が設けられている。正極端子２１の端子側の接触面３７と、バスバー３１、３２のバー側の接触面３８の少なくともいずれか一方には、凹凸部が形成される。

図３および図４は、正極端子２１の端子側の接触面３７に加工された凹凸部３７ａを示す。このように、凹凸部３７ａが形成された端子側の接触面３７をバスバー３１，３２の接触面３８に接触させてねじ部材３５によりバスバー３１，３２を正極端子２１に締結すると、接触面３７の凹凸部３７ａはバスバー３１，３２の接触面３８に食い込まれる。これにより、モジュール電池１０の温度が変化しても、接触面３７と接触面３８との間に隙間が発生することが防止される。したがって、正極端子２１とバスバー３１，３２の締結部の間には酸化皮膜が生じることがなく、バスバー３１，３２と正極端子２１とが接続される接続部の電気抵抗の上昇が抑制される。このように、電池セルの端子と導電部材であるバスバーとの電気抵抗が低減され、モジュール電池の電池特性を向上させることができる。

さらに、銅製のバスバー３１，３２の少なくとも接触面３８にはスズメッキが施されてメッキ層が設けられているので、バー自体の酸化皮膜の形成が抑制されるとともに、異種金属の接触、つまりアルミニウム製の正極端子２１と、銅製のバスバー３１、３２とが直接接触することによる電食の発生を防止することができる。イオン化傾向の差は、アルミニウムと銅との差よりも、アルミニウムとスズとの差の方が小さいので、銅製のバスバーの接触面３８をスズメッキすると、正極端子２１とバスバー３１，３２の電食の発生を防止することができる。電食発生に起因した締結部の電気抵抗の上昇を抑制することができる。

図４においては、正極端子２１に設けられた集電部２５と導電プレート２６とを通過する電流経路が矢印により模式的に示されている。矢印で示されるように、集電部２５から正極端子２１の外方端部に向かう電流経路と、集電部２５から導電プレート２６を介して正極端子２１の外方端部に向かう電流経路とが形成される。

図１に示されるモジュール電池１０を組み立てるには、リチウムイオン電池である電池セル１５を収容部材としての枠体１１の中に組み込む。次いで、図１に示されたバスバー３１〜３３を正極端子２１と負極端子２２の接触面に突き当てた状態として、ねじ部材３５によりそれぞれの接触面に締結する。さらに、上述した電圧検出用の信号線をバスバー３１〜３３にねじ部材により締結する。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。

（実施例１）
図５は正極端子２１の接触面３７の一例としての実施例１を示す。この正極端子２１の接触面３７に、アヤメ形状のローレット加工を施すことにより、接触面３７に凹凸部３７ａを形成した。つまり接触面３７はローレット加工面となっており、図５（Ａ）においてはローレット加工により形成された溝が実線で示されている。バスバー３１，３２の接触面３８にはスズメッキを施して接触面３８にスズメッキ層を設けた。直流抵抗計を用いて、バスバーと正極端子との接触抵抗を測定した。接触抵抗の測定は、バスバーと正極端子を締結した直後（１）と、締結後４５日経過した日（２）とに行い、（２）−（１）の接触抵抗の上昇率を求めた。

（実施例２）
図６は正極端子２１の接触面３７の他の一例としての実施例２を示す。この正極端子２１の接触面３７に、平目形状のローレット加工を施すことにより、接触面３７を同心円状の複数の溝からなる溝加工面からなる凹凸部３７ａとした。図６（Ａ）においては同心円状の複数の溝が接線で示されている。この接触面３７に接触するバスバーの接触面３８にはスズメッキを施した。他の条件は、実施例１と同様に行った。

（実施例３）
図７はバスバー３１，３２の接触面３８の一例を示す。接触面３８には実施例１と同様のアヤメ形状のローレット加工を施すことにより、接触面３８に凹凸部３８ａを設けた。このバスバー３１，３２を、図８に示されるように、未加工の平坦な接触面３７に締結させて、上述と同様の測定を行った。

（比較例１）
比較例としては、図８に示されるように、正極端子の接触面３７とバスバーの接触面３８のいずれにも凹凸部を設けない未加工のものを用い、実施例１と同様の測定を行った。

以下の表１は、上述した実施例１〜３と、比較例１の測定結果を示す。

実施例１〜３の結果から、バスバー又は正極端子の接触面に凹凸部を設けると、接触抵抗の上昇量を抑制できることが判明した。凹凸部を有しない場合、金属の熱膨張係数の違いから、気温の変化などによってバスバーと正極端子の締結部に隙間が生じ、接触面に酸化皮膜が形成されることによって、実質上の接触面積が低下する。しかしながら、凹凸形状の接触面とすることによって、凹凸形状が対向する接触面に凹凸部が食い込むことで温度変化時においても締結部間にも隙間を生じず実質上の接触面積が低下しないことから、接触抵抗の上昇を抑制することができ、モジュール電池の電池特性を向上させることができた。接触抵抗の上昇を抑制することにより、検出線を用いてより正確なリチウムイオン二次電池の電圧を測定することができるため、過放電などの異常状態を回避することが可能となり、モジュール電池の安全性を向上できる。また、通電時に締結部の上昇した接触抵抗に起因する発熱によるリチウム二次電池の劣化を予防することができる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。上述したモジュール電池においては、正極端子２１の接触面３７とバスバー３１，３２の接触面３８のいずれか一方を凹凸形状としているが、両方を凹凸形状としても良い。また、負極端子２２の接触面３７とこれに接触するバスバー３１，３２の接触面３８のいずれも凹凸形状に加工しておらず、無加工である。このように、無加工としても、負極端子側では接触抵抗の上昇が発生しなかった。しかし、負極端子２２の接触面とこれに接触するバスバー側の接触面のいずれか一方を凹凸形状に加工するようにしても良い。

１０…モジュール電池、１１…枠体、１２…第１の枠片、１３…第２の枠片、１４…連結棒、１５…電池セル、１６…容器本体、１７…蓋部材、１８…蓋部材、１９…軸芯、２０…捲回極板群、２１…正極端子、２２…負極端子、２３…ナット、２４…ワッシャ、２５…集電部、２６…導電プレート、２７…絶縁リング、２８…シール部材、３１〜３３…バスバー、３４…バー取付孔、３４ａ…雌ねじ部、３５…ねじ部材、３５ａ…頭部、３５ｂ…雄ねじ部、３６…ワッシャ、３７…接触面、３７ａ…凹凸部、３８…接触面、３８ａ…凹凸部。

Claims

一端部に正極端子が設けられ他端部に負極端子が設けられた複数の電池セルと、前記正極端子および前記負極端子に電気的に接続される銅製のバスバーとを備えたモジュール電池であって、
前記正極端子はアルミニウム又はアルミニウム合金であり、
前記バスバーが接触する前記正極端子の端子側の接触面と、前記正極端子が接触する前記バスバーのバー側の接触面との少なくともいずれか一方に凹凸部を設け、
前記バー側の接触面にスズメッキ層を設けた、モジュール電池。
請求項１記載のモジュール電池において、１つの前記電池セルの前記正極端子を他の１つの前記電池セルの前記負極端子に前記バスバーにより電気的に接続し、複数の前記電池セルを直列に接続した、モジュール電池。
請求項１または２記載のモジュール電池において、前記凹凸部はローレット加工面、または同心円状の複数の溝からなる溝加工面である、モジュール電池。