JP2018525800A - 端子フィードスルーのための封止システム - Google Patents

Abstract

本発明は、金属ハウジングを含む電池（３１３）に関し、金属ハウジングが、周囲開放縁（３１４ｃ；３１４ｄ）によって規定される少なくとも一つの貫通穴（３１４ａ；３１４ｂ）を有するハウジング外部壁（３１４）を有する。少なくとも一つの正極及び少なくとも一つの負極を有する少なくとも一つの個別のセルは、ハウジングの内部に配置される。電気伝導性の端子スタッド（１０１；２０１）は、少なくとも一つの正極又は少なくとも一つの負極に接続される。端子スタッド（２０１）は、貫通穴を通って与えられる軸（１０３；２０３）、及び軸に着座し、貫通穴を覆い、かつハウジング外部壁とともに環状間隙（１１１，１１２；２１１，２１２）を形成するクランプ要素（１０４，１０５；２０４，２０５）を含む。電気絶縁性の環状支持要素（１０６；２０６）が、スリーブ状に端子スタッドの軸を包囲し、かつ外側に面する周囲接触面を有し、周囲接触面に対して貫通穴の開放縁（１０８ａ）が接触する。封止要素（２０９；２１０）が、クランプ要素（１０４，１０５；２０４，２０５）とハウジング外部壁（３１４）の間の間隙（１１１，１１２；２１１，２１２）において支持要素（１０６；２０６）のまわりで同心円で配置される。【選択図】 図２

Description

以下に記載される発明は、端子フィードスルー（ｔｅｒｍｉｎａｌ ｆｅｅｄ−ｔｈｒｏｕｇｈ）、端子フィードスルーを有する電池、及びかかる電池の製造方法に関する。

元来、用語「電池（ｂａｔｔｅｒｙ）」は、直列に接続された複数の電気化学セルを意味した。今日、個別の電気化学セル（個別のセル）は、電池と呼ばれることも多い。電気化学セルが放電されるとき、二つの電気的に結合されているが空間的に分離されている部分反応からなるエネルギー放出化学反応が起こる。負極では、電子が酸化工程で放出され、これは、正極に外部負荷によって流れる電子電流をもたらし、それによって対応する量の電子が引き取られる。従って、還元工程が正極で起こる。同時に、電極反応に対応するイオン流がセル内で発生する。このイオン流は、イオン伝導性の電解質によってサポートされる。二次セル及び電池内では、この放電反応は可逆的である。従って、放電時に起こる化学エネルギーから電気エネルギーへの変換を逆転する機会を持つことができる。

比較的高いエネルギー密度は、既知の二次セル及び電池の中で、特にリチウムイオン電池（即ち、リチウムイオンが充電及び放電工程中に一つの電極から他の電極に移行する電池）によって達成されている。このタイプの電池は、携帯電話やノートブックコンピュータのような携帯装置に使用するために好適である。しかしながら、それらはまた、自動車のためのエネルギー源として特に適切である。

自動車のためのリチウムイオン電池は、しばしば角型金属ハウジングを含む。通常、ハウジングは、矩形ベース、及び前記ベースに直角に配置される四つの側壁、並びにベースと実質的に同じ形状及び寸法を有するカバーを持つ容器から構成される。カバーは、一般的にはほとんど輪郭を描かれることはなく、実質的に平坦なものとして記載されることができる。一般的に、ハウジングは、容器の開放縁にカバーの縁を結合することによって閉じられる。

一般的に、少なくとも一つの個別のセルが金属ハウジングに配置される。これは、複数の平坦な個別のセルのセルスタック（スタック）の形で、又は一つ以上の巻かれた個別のセル（コイル）の形で存在することができる。

電池の基本的な構成要素は、一般に正及び負の端子スタッドを含み、それらは、ハウジングのカバー、ベース又は壁を通って経路を定められ、電気絶縁体によってハウジングから電気的に絶縁されている。電気絶縁体を含む、端子スタッドが壁を通って経路を定められる電池ハウジングの領域は、一般に端子フィードスルーと呼ばれる。正の端子スタッドは、少なくとも一つの個別セルの正極に電気的に結合される。負の端子スタッドは、少なくとも一つの個別セルの負極に電気的に結合される。一般的に、本発明による電池は、正及び負の端子スタッドの両方を含む。しかしながら、ハウジング自体は、正又は負の端子として機能することが可能である。この場合において、本発明による電池は、正の端子スタッドのみ、又は負の端子スタッドのみを含むことができる。

端子スタッドが壁を通って供給される領域におけるハウジングの封止は、特に重要である。ＤＥ１００４７２０６Ａ１に記載されるタイプのガラス化合物は、例えば封止のために適切であり、同時に電気絶縁体の機能を持つ。さらに、ポリマーベースの封止システムはまた、特に適切である。

端子フィードスルーのための封止システムには極めて厳しい条件が適用される。優れた絶縁及び封止性能に加えて、以下の追加の特性もまた、極めて重要である：
− 端子スタッドに対する外力の付与に対して長期間の機械的安定性、
− −４０℃〜＋１００℃の範囲内の熱安定性、
− 周期的温度ストレスに対する耐性、
− 様々な電解質システムに対する化学耐性。

一般的に、端子フィードスルーのための封止システムは、１５年の最小耐用年数を持つべきである。従来技術からの上で述べた既知の封止システムでは、これは、必ずしもそうなっていない。プラスチックベースの封止材料は、長期間の機械的及び化学的負荷に反応した脆化を受け、結果として応力クラック及び封止欠陥を受けやすい。ガラスベースの封止材料は、低い弾性を示すことが多く、結果として機械的モーメント荷重に対する耐性が制限される。力の突然の付与により、容易にクラックがもたらされ、同様に結果として封止の欠陥を生じうる。

本発明の目的は、従来技術から知られている解決策より効果的に上述の条件を満たす端子フィードスルーによって区別される電池を開示することである。

この目的は、請求項１の特徴を有する電池、請求項８の特徴を有する端子フィードスルー、及び請求項１０の特徴を有する方法によって満たされる。本発明による電池の実施形態の好ましい形態は、従属請求項２〜７に開示される。本発明による端子フィードスルーの実施形態の好ましい形態は、従属請求項９に規定される。本発明による方法の実施形態の好ましい形態は、従属請求項１１に規定される。全ての請求項の文章は、ここに参考として本明細書の内容とされる。

本発明による電池は、ハウジングと、ハウジングに又はその内部に少なくとも一つの正極及び少なくとも一つの負極を有する少なくとも一つの個別のセルとを含む。個別のセルは、リチウムイオンベースの設計のセルであることが好ましい。対応して、本発明による電池は、リチウムイオン電池であることが好ましい。

個別のセルは、次の順序で電極箔及びセパレーター箔の複合構造の形で構成されることが好ましい：正極／セパレーター／負極。電極は、金属電流コレクターを含むことが好ましく、それは、一般的に二次元又は三次元のプレフォームの形で構成される。リチウムイオン電池では、例えば正極の側に、アルミニウムメッシュ又はフィルム、例えば拡張アルミニウムメッシュ又は有孔アルミニウム箔が設けられる。負極の側には、銅メッシュ又は箔が一般的に電流コレクターとして使用される。従来技術からの既知の電池の場合のように、本発明による電池はまた、複数の平坦な個別のセルのセルスタック（スタック）、又は一つ以上の巻かれた個別のセル（コイル）を含むことができる。

ハウジングは、少なくとも一つの個別のセルをその周囲から保護し、気密で液密の設計を持つことが好ましい。従来技術からの既知のハウジングの場合のように、それは、一般的に角型形態をとり、矩形ベースと、それに直角に配置された四つの側壁と、ベースと本質的に同じサイズ及び形状を有するカバーとを有する容器を含む。もしハウジングが四つの側壁とベースとカバーとを有する実施形態の形で閉じられるなら、それは、合計六つのハウジング外部壁を含む。ハウジングの金属組成は、特にアルミニウム又はアルミニウム合金からなることが特に好ましい。

本発明による電池の基本的な構成要素は、電気伝導性の端子スタッドであり、それは、少なくとも一つの正極又は少なくとも一つの負極のいずれかに接続される。好ましくは、電池は、少なくとも一つの正極に電気的に接続される正の端子スタッド、及び少なくとも一つの負極に電気的に接続される負の端子スタッドの両方を含む。

本発明による電池のハウジングは、少なくとも一つのハウジング外部壁を含み、それは、周囲開放縁によって規定された少なくとも一つの貫通穴を含む。少なくとも一つの貫通穴を有するハウジング外部壁は、ハウジングのベース又はカバーであることが好ましい。

電気伝導性の端子スタッドは、貫通穴を通って与えられる軸を含む。それはさらに、少なくとも一つのクランプ要素を含み、それは、軸に着座し、貫通穴を覆い、ハウジング外部壁と組み合わせて環状間隙を形成又は包囲する。本発明による電池は、二つのかかるクランプ要素を有する端子スタッドを含むことが好ましい。二つのクランプ要素の主な機能は、ハウジング外部壁において貫通穴に端子スタッドの軸を固定すること、そして端子スタッドのいかなる滑りも防止することである。組み立てられた状態では、クランプ要素は、それらの間に配置される構成要素にクランプ力を発揮することができる。

簡単な形の実施形態では、端子スタッドの軸は、雄ねじを有する脚と、反対方向に回転するように配置され、かつクランプ要素として脚に着座する二つのナットとを含むことが好ましい。しかしながら、好ましくは、端子スタッドは、ボルトタイプの設計で構成される。この場合において、少なくとも一つのクランプ要素は、かかるボルトタイプの端子スタッドのヘッドと、ボルトタイプの端子スタッドが固定されるための手段としてのナットとから構成されることが好ましい。

本発明による電池の構成要素は、少なくとも一つの電気絶縁性の支持要素及び少なくとも一つの封止要素である。組み合わせると、これらは、端子フィードスルーのための封止システムを構成する。

電気絶縁性の支持要素は、環状設計を持つことが好ましく、スリーブ状に端子スタッドの軸を包囲する。支持要素は、包囲した軸の方向に内側に面する接触面と、外側に面する接触面とを含む。内側に面する接触面は、軸と直接接触することが好ましい。外側に面する接触面は、貫通穴の開放縁と直接接触することが好ましい。逆に、貫通穴の開放縁は、支持要素の外側に面する接触面の上に直接のしかかる。換言すれば、端子スタッドは、支持要素を介してハウジング縁上に支持されることができる。

支持要素の外側に面する接触面が貫通穴の開放縁と直接接触しているだけでなく、支持要素の外側に面する接触面がクランプ要素によって形成される環状間隙、及びハウジング外部壁から内部を好ましくは同時に画定し、特に、間隙内で端子フィードスルーの他の構成要素（例えば、少なくとも一つの封止要素）と端子スタッドの直接接触が除かれることが特に好ましい。

封止要素は、クランプ要素とハウジング外部壁の間の間隙に、好ましくは支持要素のまわりで同心円配置で配置されることが好ましい。好ましい形の実施形態では、それは、間隙を完全に占有する。しかしながら、貫通穴の開放縁と端子スタッドの軸の間の直接接触領域は、封止材料がないことが好ましい。この接触領域は、支持要素によって収容される。

端子スタッドの軸又はハウジング外部壁に対して作用する機械的負荷は、支持要素によって受け止められることができ、封止要素に作用しない。支持要素及び封止要素から構成される封止システムは、端子スタッドに軸方向及び半径方向の両方に作用する機械的力が支持要素だけに直接影響することを確実にする。逆に、封止要素は、機械的負荷がないように維持され、その使用寿命を有意に高めることができる。

もし封止要素が、例えば支持要素及びさらなる構成要素と組み合わされて端子フィードスルーを形成することができる組み立て式の構成要素でないなら、特に好ましい。むしろ、封止要素が多数の上述の構成要素と直接接触して、特にクランプ要素及びハウジング外部壁と、そして適用可能である場合には支持要素の外側に面する接触面と直接かつ同時に接触して形成されることが好ましい。あるいは、言い換えると、封止要素は、間隙に直接形成されることが好ましい。

もし封止要素が好ましくは間隙に直接射出成形によって形成されるなら、特に好ましい。

特に好ましい形の実施形態では、支持要素は、環状溝を含み、そこに貫通穴の開放縁が収容される。環状溝は、支持要素の外側に面する接触面に配置されることが好ましく、又は環状溝は、電気絶縁性の支持要素の外側に面する接触面、もしくはその少なくとも一部を形成する。もし貫通穴の開放縁が環状溝に固定され、軸方向にポジティブフィット（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｆｉｔ）が形成されるなら、特に好ましい。

支持要素は、支持リング、特に二つの環状半分区域から構成される支持リングであることが好ましい。これは、特に上述のポジティブフィットが達成される場合に当てはまる。

支持要素は、ガラス、セラミック、ガラスとセラミックの複合材料、又はガラスもしくはセラミックベースの複合材料から構成されることが好ましい。

封止要素は、プラスチックから構成されることが好ましい。適切なプラスチックは、例えばポリアミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、及びポリスルホンを含む。

軸、及び適用可能である場合には、クランプ要素を含む端子スタッドは、金属から構成されることが好ましい。銅は、特に好ましい金属として挙げることができる。

本発明による端子フィードスルーは、少なくとも三つの構成要素、即ち以下のものを含むことが好ましい：
− 周囲外部縁と、周囲開放縁を有する貫通穴とを持つハウジングパネル、
− 貫通穴を通って与えられる軸と、軸に着座し、貫通穴を覆い、かつハウジングパネルと組み合わせて環状間隙を形成する少なくとも一つのクランプ要素とを有する電気伝導性端子スタッド、
− スリーブ状に端子スタッドの軸を包囲し、かつ外側に面する周囲接触面を有し、周囲接触面に対して貫通穴の開放縁が直接接触する電気絶縁性支持要素。

端子フィードスルーは、特に本発明による電池の製造に使用される。適切な端子スタッド及び支持要素は、既に適切に述べられた。従って、ハウジングパネルのみがより詳細な説明を必要とする。原理的には、ハウジングパネルは、本発明による電池のハウジングの完全なハウジング外部壁、例えば電池のカバー又はベースを構成することができる。しかしながら、もしハウジングパネルがハウジング外部壁の小領域のみを構成するなら、特に好ましい。もしハウジングパネルが円形板として、又は矩形設計で構成されるなら、特に好ましい。ハウジングパネルは、本発明による電池の上述のハウジングと同じ材料から構成されることが好ましい。

特に好ましい形の実施形態では、端子フィードスルーは、上述の封止要素を含み、それは、クランプ要素とハウジング外部壁の間の間隙において支持要素のまわりに同心円で配置される。

端子フィードスルーは、特に本発明による方法の文脈において上述の電池に設置されることができる。前記方法は、好ましくは以下の工程を含む：
− 上述のハウジングパネル、電気伝導性の端子スタッド、及び電気絶縁性の支持要素を含む端子フィードスルーを与えること、
− 封止要素の形成のために、ハウジングパネルとクランプ要素の間の間隙中に液体ポリマー化合物を注入すること、
− さらに可能な工程では、開放縁によって規定される貫通穴を有するハウジング外部壁、例えばカバーを与えること、
− さらに可能な工程では、端子フィードスルーをハウジング外部壁における貫通穴に挿入し、ハウジングパネルをハウジング壁に結合すること。

端子フィードスルーのハウジングパネルのサイズ及び形状が、与えられたハウジング外部壁における貫通穴のサイズ及び形状に対応することが好ましい。ハウジング外部壁における貫通穴の閉鎖のために、ハウジングパネルの周囲外部縁がハウジング外部壁における貫通穴の開放縁と結合されることができるように貫通穴に端子フィードスルーを挿入することが可能である。

本発明のさらなる特徴、及び本発明から生じる効果は、本発明が説明される図面の以下の記載から明らかである。以下に記載される実施形態の形は、本発明の明確化及び良好な理解のためにのみ意図され、いかなる条件下でも制限として解釈されるべきではない。

図１は、本発明による端子フィードスルーの好ましい実施形態の構成要素の概略図を示す。 図２は、本発明による端子フィードスルーの別の実施形態の概略図を示す。 図３は、図２に示された端子フィードスルーの加工の概略図を示す。

図１は、組み立てられた状態（断面図、右側）、及び部分的に分解された状態（左側）で本発明による端子フィードスルー１００の好ましい形の実施形態の構成要素の概略図を示す。端子スタッド１０１は、多数の構成要素、即ち軸１０３及びボルト頭１０４からなる端子ボルト１０２をナット１０５（分解した状態では示されず）とともに含む。ボルト頭１０４及びナット１０５は、クランプ要素として機能する。軸１０３は、その外側に雄ねじ（図示せず）を含む。ナット１０５は、（同様に図示しない）雌ねじを含み、それは、軸１０３の雄ねじと協働することができる。電気絶縁性の環状支持要素１０６は、スリーブ状に軸１０３を包囲する。それは、二つの環状半分区域１０６ａ及び１０６ｂからなる。支持要素は、その外側に周囲環状溝１０７を含む。

端子フィードスルーは、周囲開放縁１０８ａによって規定される中央貫通穴を有する、円板の形のハウジングパネル１０８をさらに含む。組み立てられた状態（右側）では、この開放縁１０８ａは、ポジティブフィットが軸方向に形成されるように環状溝１０７に固定される。端子スタッドの軸１０３、及びスリーブ状に軸を包囲する支持要素１０６は、開放縁１０８ａによって規定される貫通穴を閉鎖する。さらに、組み立てられた状態では、ナット１０５及びボルト頭１０４の両方は、ハウジングパネル１０８において貫通穴を覆い、それは、周囲開放縁１０８ａによって規定される。

クランプ要素１０５及びハウジングパネル１０８は、環状間隙１１１を包囲する。クランプ要素１０５及びハウジングパネル１０８は、環状間隙１１２を包囲する。間隙１１０及び間隙１１１は、それぞれ支持要素１０６によって内部に画定される。

図２は、端子フィードスルー２００（断面図で表わされる）を示し、それは、さらに二つの封止要素２０９及び２１０を含む点で図１に表わされる端子フィードスルー１００とは異なる。環状間隙２１１及び２１２が一方の側でボルト頭２０４とハウジングパネル２０８の間に、他方の側でナット２０５とハウジングパネル２０８の間に位置される。前記間隙は、封止要素２０９及び２１０によって占有される。封止要素の形成のため、液体ポリマー化合物が、各場合において射出成形によって間隙２１１及び２１２中に導入され、そこで硬化される。

図３は、本発明による電池３１３において、図２に示された端子フィードスルー２００の加工の概略図を示す。

この目的のため、ハウジングカバー３１４が与えられ、それは、二つの円形貫通穴３１４ａ，３１４ｂを含む。貫通穴３１４ａは、開放縁３１４ｄによって規定される。貫通穴３１４ｂは、開放縁３１４ｃによって規定される。円形貫通穴３１４ａ，３１４ｂの直径は、端子フィードスルー２００が貫通穴の各々に適合されることができ、従ってハウジングパネル２０８の縁と開放縁３１４ｃ，３１４ｄの結合を可能にするように構成される。従って、ハウジングパネル２０８は、ハウジングカバー３１４の一要素、結果としてハウジング外部壁の一要素を構成する。明確化のために、端子フィードスルー２００の構成要素２０３，２０５、及び２０８だけが表わされている（上から斜めに見た形）。

次の工程では、矩形ベース、及びそれに直角に配置された四つの側壁を有する角型容器３１５が与えられることができ、そこには少なくとも一つの正極及び少なくとも一つの負極（図示されず）を有する少なくとも一つの個別のセルが挿入されている。個別のセルの電極への端子スタッドの接続に加えて、ハウジングカバー３１４は、容器３１５に適合され、溶接によって容器３１５に結合される。

Claims (11)

1. 以下の特徴を有する電池（３１３）：
   − 電池が金属ハウジングを含み、金属ハウジングが、周囲開放縁（１０８ａ）によって規定される貫通穴を有するハウジング外部壁（３１４）を有する、
   − 電池が、ハウジングの内部に配置された、少なくとも一つの正極及び少なくとも一つの負極を有する少なくとも一つの個別のセルを含む、
   − 電池が、電気伝導性の端子スタッド（１０１；２０１）を含み、端子スタッドが、少なくとも一つの正極又は少なくとも一つの負極に接続され、端子スタッドが、貫通穴を通って与えられる軸（１０３；２０３）、及び軸に着座し、貫通穴を覆い、かつハウジング外部壁とともに環状間隙（１１１，１１２；２１１，２１２）を形成する、少なくとも一つのクランプ要素（１０４，１０５；２０４，２０５）を含む、
   − 電池が、電気的に絶縁された環状の支持要素（１０６；２０６）を含み、支持要素が、スリーブ状に端子スタッドの軸を包囲し、かつ外側に面する周囲接触面を有し、周囲接触面に対して貫通穴の開放縁（１０８ａ）が接触する、
   − 電池が封止要素（２０９；２１０）を含み、封止要素が、クランプ要素（１０４，１０５；２０４，２０５）とハウジング外部壁（３１４）の間の間隙（１１１，１１２；２１１，２１２）において支持要素（１０６；２０６）のまわりで同心円で配置される。
2. 封止要素（２０９；２１０）が、間隙（１１１，１１２；２１１，２１２）中に、及び／又は射出成形によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電池。
3. 支持要素が環状溝（１０７）を含み、環状溝中に貫通穴の開放縁（１０８ａ）が収容されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池。
4. 支持要素（１０６；２０６）が、二つの環状半分区域（１０６ａ，１０６ｂ；２０６ａ，２０６ｂ）から構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電池。
5. 支持要素（１０６；２０６）が、ガラスもしくはセラミックから、又はガラスもしくはセラミックベースの複合材料から構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電池。
6. 封止要素（２０９，２１０）がプラスチックから構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電池。
7. 端子スタッド（１０１；２０１）が金属から構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電池。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の電池（３１３）を製造するための端子フィードスルー（１００；２００）であって、以下のものを含む端子フィードスルー：
   − 周囲外部縁と、周囲開放縁（１０８ａ）を有する貫通穴とを持つハウジングパネル（１０８；２０８）、
   − 貫通穴を通って与えられる軸（１０３；２０３）と、軸に着座し、貫通穴を覆い、かつハウジングパネルと組み合わせて環状間隙（１１１，１１２；２１１，２１２）を形成する少なくとも一つのクランプ要素（１０４，１０５；２０４，２０５）とを有する電気伝導性端子スタッド（１０１；２０１）、
   − スリーブ状に端子スタッドの軸（１０３；２０３）を包囲し、かつ外側に面する周囲接触面を有し、周囲接触面に対して貫通穴の開放縁（１０８ａ）が直接接触する電気絶縁性の環状支持要素（１０６；２０６）。
9. 端子フィードスルーが封止要素（２０９；２１０）を含み、封止要素が、クランプ要素（１０４，１０５；２０４，２０５）とハウジングパネル（２０８）の間の間隙（１１１，１１２；２１１，２１２）において支持要素（１０６；２０６）のまわりで同心円で配置されていることを特徴とする請求項８に記載の端子フィードスルー。
10. 以下の工程を含む、電池、特に請求項１〜７のいずれかに記載の電池の製造方法：
    − 請求項８に記載の端子フィードスルー（１００；２００）を与えること、及び
    − 間隙（１１１，１１２；２１１，２１２）中に封止要素を形成するために、ハウジングパネル（１０８；２０８）とクランプ要素の間の間隙（１１１，１１２；２１１，２１２）中に液体ポリマー化合物を注入すること。
11. 以下の工程をさらに含む、請求項１０に記載の製造方法：
    − 貫通穴（３１４ａ，３１４ｂ）を有するハウジング壁を与えること、及び
    − 貫通穴に端子フィードスルー（１００；２００）を挿入し、ハウジングパネル（１０８；２０８）とハウジング壁を結合することによって、貫通穴（３１４ａ，３１４ｂ）を閉鎖すること。