JP2020107464A - 二次電池及び組電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】端子と外部導電部材の接続部の信頼性が高い二次電池及び組電池を提供する。【解決手段】負極端子９は、フランジ部９aと、フランジ部９aの第１面９１に設けられた接続部９ｂを有し、接続部９ｂは端子取り付け孔に挿入され、負極端子９は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１領域１０１と、銅又は銅合金からなる第２領域１０２を有し、フランジ部９aにおいて、第１面９１側に第２領域１０２が配置され、第２面側９２に第１領域１０１が配置され、第１面９１と第２面９２の間に第１領域１０１と第２領域１０２の境界１０３が配置され、フランジ部９aにおいて、フランジ部９aの厚み方向における第１領域１０１の厚みが最も小さい部分の第１領域１０１の厚みが０．３ｍｍ以上であり、フランジ部９aにアルミニウム又はアルミニウム合金製の外部導電部材１５が溶接されて溶接部が形成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、二次電池及び組電池に関する。
リチウムイオン二次電池等の二次電池は、ハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ、ＨＥＶ）や電気自動車(ＥＶ)の駆動用電源等に利用されている。駆動用電源においては、複数の二次電池が直列ないし並列接続された組電池として利用される。組電池において隣接する二次電池同士はバスバーによって電気的に接続される。
二次電池において、正極芯体及び正極集電体としてアルミニウム系金属が用いられ、負極芯体及び負極集電体として銅系金属が汎用的に用いられる。また、正極端子に溶接される正極外部導電部材の材料にはアルミニウム系金属が用いられ、負極端子に溶接される負極外部導電部材には銅系金属が用いられる（特許文献１参照）。
特開２０１３−１５７１３０号公報
本発明は、二次電池の端子と外部導電部材との接続部の信頼性に優れた二次電池及びそれを用いた組電池を提供することを一つの目的とする。
本発明の一形態の二次電池は、
正極板と負極板を含む電極体と、
開口を有し、前記電極体を収容する外装体と、
前記開口を封口する封口板と、
前記正極板又は前記負極板に電気的に接続された端子と、を備えた二次電池であって、
前記封口板は端子取り付け孔を有し、
前記端子は、第１面と前記第１面とは反対側に位置する第２面とを有するフランジ部と、前記第１面に設けられた接続部を有し、
前記接続部は前記端子取り付け孔に挿入され、
前記端子は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１領域と、銅又は銅合金からなる第２領域を有し、
前記フランジ部において、前記第１面側に前記第２領域が配置され、前記第２面側に前記第１領域が配置され、
前記第１領域と前記第２領域の境界の少なくとも一部が前記第１面と前記第２面の間に配置され、
前記フランジ部において、前記フランジ部の厚み方向における前記第１領域の厚みが最も小さい部分の前記第１領域の厚みが０．３ｍｍ以上であり、
前記フランジ部上にアルミニウム又はアルミニウム合金製の外部導電部材が配置され、
前記外部導電部材が前記フランジ部に溶接されて溶接部が形成されている。
本発明の一形態の組電池は、前記二次電池を複数含む。本発明の一形態の組電池において前記二次電池は直列ないし並列に接続される。
本発明の一形態によると、端子と外部導電部材の接続部の信頼性が高い二次電池及びそれを用いた組電池となる。
実施形態に係る二次電池の斜視図である。 実施形態に係る二次電池の正面図であり、外装体の側壁及び絶縁シートを取り除いた図である。 封口板の長手方向に沿った正極端子近傍の断面図である。 封口板の長手方向に沿った負極端子近傍の断面図である。 図４における負極端子と外部導電部材の溶接部近傍の拡大図である。 封口板の短手方向に沿った負極端子近傍の断面図である。 負極端子と外部導電部材の近傍の平面図である。 実施形態に係る組電池を示す図である。 他の実施形態に係る組電池を示す図である。
以下に本発明に係る実施形態を詳細に説明する。但し、本発明は、以下の形態に限定されない。
まず、図１〜図４を用いて実施形態に係る角形の二次電池５０の構成を説明する。二次電池５０は、開口を有する角形の有底筒状の外装体１と、外装体１の開口を封口する封口板２を有する。外装体１と封口板２により電池ケース２００が構成される。外装体１及び封口板２は金属製であることが好ましく、アルミニウム又はアルミニウム合金製であることがより好ましい。
外装体１には、帯状の正極板と帯状の負極板が帯状のセパレータを介して巻回された偏平状の巻回電極体３と非水電解液が収容されている。巻回電極体３は、一方の端部に巻回された正極芯体露出部４を有し、他方の端部に巻回された負極芯体露出部５を有する。巻回電極体３と外装体１の間には樹脂製の絶縁シート２０が配置されている。
正極芯体露出部４には正極集電体６が接続され、正極集電体６と正極端子７が電気的に接続されている。正極集電体６と封口板２の間には内部側絶縁部材１０が配置され、正極端子７と封口板２の間には外部側絶縁部材１２が配置されている。電池ケース２００外において、正極端子７に外部導電部材１４が接続されている。外部導電部材１４にはボルト部１６が設けられている。外部導電部材１４と封口板２の間には絶縁部材１８が配置されている。
負極芯体露出部５には負極集電体８が接続され、負極集電体８と負極端子９が電気的に接続されている。負極集電体８と封口板２の間には内部側絶縁部材１１が配置され、負極端子９と封口板２の間には外部側絶縁部材１３が配置されている。電池ケース２００外において、負極端子９に外部導電部材１５が接続されている。外部導電部材１５にはボルト部１７が設けられている。外部導電部材１５と封口板２の間には絶縁部材１９が配置されている。
封口板２には、電池ケース２００内の圧力が所定値以上となった時に破断し、電池ケース２００内のガスを電池ケース２００外に排出するガス排出弁２１が設けられている。また、封口板２には、電解液注液孔が形成されている。この電解液注液孔は電池ケース２００内に非水電解液を注液した後、封止部材２３により封止される。
次に、二次電池５０の詳細構成について説明する
[正極板]
正極板は、正極芯体としての金属箔の両面に正極活物質層が形成されたものであることが好ましい。正極芯体としては、アルミニウム箔又はアルミニウム合金箔が好ましい。正極活物質はリチウムイオンの吸蔵と放出が可能なリチウム遷移金属酸化物であることが好ましい。正極活物質層は、正極活物質、炭素材料等の導電材、及びバインダーを含むことが好ましい。
[負極板]
負極板は、負極芯体としての金属箔の両面に負極活物質層が形成されたものであることが好ましい。負極芯体としては、銅箔又は銅合金箔が好ましい。負極活物質は、黒鉛等の炭素材料、シリコン材料であることが好ましい。負極活物質層は、負極活物質、及びバインダーを含むことが好ましい。必要に応じて負極活物質層に導電材を含有させることもできる。
[電極体]
幅方向における一方の端部に正極芯体露出部４を有する帯状の正極板と、幅方向における一方の端部に負極芯体露出部５を有する帯状の負極板を、帯状のセパレータを介して巻回することにより偏平状の巻回電極体３とすることができる。なお、電極体は、複数枚の正極板と複数枚の負極板を含む積層型電極体であってもよい。
[非水電解質]
非水電解質としては、非水溶媒に電解質を溶解させた非水電解液を用いることができる。非水溶媒及び電解質は公知のものを使用できる。なお、非水電解質は、固体状、ゲル状であってもよい。
[正極側の導電経路]
図３は、封口板２の長手方向に沿った正極端子７近傍の断面図である。封口板２の正極端子取り付け孔２ａの周囲において、内面側に樹脂製の内部側絶縁部材１０及び正極集電体６を配置する。また、封口板２の正極端子取り付け孔２ａの周囲において、外面側に樹脂製の外部側絶縁部材１２を配置する。そして、正極端子７を、外部側絶縁部材１２、封口板２の正極端子取り付け孔２ａ、内部側絶縁部材１０の貫通孔及び正極集電体６の貫通孔に挿入し、正極端子７の先端を正極集電体６上にカシメる。これにより、正極集電体６及び正極端子７が封口板２に固定される。なお、正極端子７においてカシメされた部分を正極集電体６に溶接して溶接部６０を形成することが好ましい。
正極端子７には、外部導電部材１４が溶接され溶接部６１が形成される。外部導電部材１４にはボルト部１６が設けられている。ボルト部１６は、外部導電部材１４と、他の二次電池５０の外部導電部材を電気的に接続するバスバーを固定するために用いられる。外部導電部材１４と封口板２の間には樹脂製の絶縁部材１８が配置される。
正極集電体６、正極端子７、外部導電部材１４はそれぞれ金属製であり、アルミニウム又はアルミニウム合金製であることが好ましい。ボルト部１６は金属製であることが好ましい。正極集電体６、正極端子７、外部導電部材１４はそれぞれ封口板２と電気的に絶縁されている。
[負極側の導電経路]
図４は、封口板２の長手方向に沿った負極端子９近傍の断面図である。封口板２の負極端子取り付け孔２ｂの周囲において、内面側に樹脂製の内部側絶縁部材１１及び負極集電
体８を配置する。また、封口板２の負極端子取り付け孔２ｂの周囲において、外面側に樹脂製の外部側絶縁部材１３を配置する。そして、負極端子９を、外部側絶縁部材１３、封口板２の負極端子取り付け孔２ｂ、内部側絶縁部材１１の貫通孔及び負極集電体８の貫通孔に挿入し、負極端子９の先端を負極集電体８上にカシメる。これにより、負極集電体８及び負極端子９が封口板２に固定される。なお、負極端子９においてカシメされた部分を負極集電体８に溶接して溶接部６２を形成することが好ましい。
負極端子９には、外部導電部材１５が溶接され溶接部６３が形成される。外部導電部材１５にはボルト部１７が設けられている。ボルト部１７は、外部導電部材１５と、他の二次電池５０の外部導電部材を電気的に接続するバスバーを固定するために用いられる。外部導電部材１５と封口板２の間には樹脂製の絶縁部材１９が配置される。
負極集電体８は銅又は銅合金製であることが好ましい。外部導電部材１５はアルミニウム又はアルミニウム製であることが好ましい。外部導電部材１５をアルミニウム又はアルミニウム合金製とすることで二次電池５０及びそれを用いた組電池を軽量化できる。また、アルミニウム又はアルミニウム合金製のバスバーを用いる場合、外部導電部材１５とバスバーの接続を同種金属間の接続とすることができるため、外部導電部材１５とバスバーの接続部の信頼性が向上する。
図４及び図５に示すように、負極端子９はフランジ部９ａを有する。フランジ部９ａは、第１面９１と、第１面９１と反対側に位置する第２面９２と、第１面９１と第２面９２を繋ぐ側面９３を有する。フランジ部９ａの第１面９１には接続部９ｂが設けられている。フランジ部９ａの外径は、封口板２の負極端子取り付け孔２ｂの内径よりも大きい。フランジ部９ａの外径は、接続部９ｂの外径よりも大きい。接続部９ｂは、封口板２に設けられた負極端子取り付け孔２ｂに挿入されている。接続部９ｂの先端部が負極集電体８上にカシメされている。接続部９ｂには凹部９ｃが設けられている。フランジ部９ａの第２面９２に突部９ｄが設けられている。なお、突部９ｄを設けなくてもよい。
アルミニウム又はアルミニウム合金製の外部導電部材１５は、フランジ部９ａ上に配置されている。外部導電部材１５とフランジ部９ａは溶接され、溶接部６３が形成されている。外部導電部材１５は薄肉部１５ｂを有し、薄肉部１５ｂがフランジ部９ａに溶接されている。外部導電部材１５は貫通孔１５ａを有する。負極端子９の突部９ｄは、貫通孔１５ａ内に配置されている。薄肉部１５ｂは、貫通孔１５ａの縁部近傍に形成されている。
負極端子９は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１領域１０１と、銅又は銅合金からなる第２領域１０２を有する。第１領域１０１は第２面９２側に位置し、第２領域１０２は第１面９１側に位置している。第１領域１０１と第２領域１０２の境界１０３は、フランジ部９ａの側面９３からフランジ部９ａの中央側に延びている。負極端子９の中央部（負極端子９の中心軸９ｘの近傍）においては、境界１０３は、フランジ部９ａの第１面９１よりも接続部９ｂの先端側（図５においては下方側）に位置する。
境界１０３は、フランジ部９ａの側面９３から負極端子９の中心軸９ｘに向けて第１領域１０１の厚みが徐々に小さくなる領域と、負極端子９の中心軸９ｘに向けて第１領域１０１の厚みが徐々に大きくなる領域が形成されるように配置されている。そして、接続部９ｂにおいて境界１０３は、中央部が第２面９２側に突出する凸状に形成されている。凸状に形成されている部分は、湾曲した凸状となっている。
フランジ部９ａは、接続部９ｂの根元部分に、外周部の厚みよりも厚みの大きい肉厚部９ｅを有する。肉厚部９ｅは、第１面９１から部分的に封口板２側に突出した状態となっている。肉厚部９ｅが形成されていることにより、負極端子９の導電性を向上させること
ができる。よって、より出力特性に優れた二次電池となる。また、負極端子９の発熱を抑制できるため、外部側絶縁部材１３の劣化を抑制できる。
アルミニウム又はアルミニウム合金からなる外部導電部材１５は、負極端子９においてアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１領域１０１に接続されている。また、銅又は銅合金からなる負極集電体８は、負極端子９において銅又は銅合金製の第２領域１０２と接続されている。したがって、外部導電部材１５と負極端子９が同種の金属間で接続され、負極集電体８と負極端子９が同種の金属間で接続されている。したがって、外部導電部材１５と負極端子９の接続部、負極集電体８と負極端子９の接続部のそれぞれが強固であり信頼性の高いものとなる。
ここで、外部導電部材１５と負極端子９の第１領域１０１の間に形成された溶接部６３が、負極端子９の第２領域１０２まで達した場合、アルミ系金属と銅系金属の間の異種金属間接合となるため、外部導電部材１５と負極端子９の接合強度、及び第１領域１０１と第２領域１０２の接合強度が低下する虞がある。したがって、溶接部６３は、負極端子９の第２領域１０２に達していないことが好ましい。
外部導電部材１５と負極端子９の第１領域１０１の接合強度を確保し、且つ、溶接部６３が負極端子９の第２領域１０２に達しないようにするためには、フランジ部９ａにおいて、第１領域１０１の厚みが最も小さい部分の第１領域１０１の厚みＴ１を０．３ｍｍ以上とすることが好ましい。これにより、負極端子９の第１領域１０１に形成される溶接部６３の位置がずれた場合であっても、外部導電部材１５と負極端子９の接合強度を確保し、且つ、溶接部６３が負極端子９の第２領域１０２に達することを防止できる。
また、フランジ部９ａにおいて、第１領域１０１の厚みが最も小さい部分よりも負極端子９の中心軸９ｘに近い領域に溶接部６３が形成されるようにすることが好ましい。これにより、溶接部６３が負極端子９の第２領域１０２に達することを効果的に防止できる。
なお、フランジ部９ａにおいて、第１領域１０１の厚みが最も小さい部分の第１領域１０１の厚みＴ１を０．５ｍｍ以上とすることがより好ましい。
外部導電部材１５に貫通孔１５ａを設けることにより、外部導電部材１５と負極端子９を溶接接続する際に、外部導電部材１５と負極端子９のフランジ部９ａの間に隙間が生じていないことを確認できるため、溶接部６３を安定的に形成できる。よって、溶接部６３が負極端子９の第２領域１０２に達しないように確実に制御できる。
また、外部導電部材１５の薄肉部１５ｂに溶接部６３を形成することにより、溶接部６３が負極端子９の第２領域１０２に達しないように確実に制御できる。なお、薄肉部１５ｂの厚みは、突部９ｄの高さよりも小さいことが好ましい。
外部導電部材１５の厚み（薄肉部１５ｂの周囲の厚み）は、突部９ｄの高さより大きいことが好ましい。このような構成であると、溶接部６３が他の部材等に接触し溶接部６３が損傷することを防止できる。
接続部９ｂにおいて、径方向（図５においては左右方向）において最も第２領域１０２の厚みが小さい部分の第２領域１０２の厚みＴ２は、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。これにより、接続部９ｂから第１領域１０１が露出することを確実に防止できる。なお、接続部９ｂから第１領域１０１が露出した場合、第１領域１０１が非水電解質により腐食する虞がある。
接続部９ｂにおいて、径方向において最も第２領域１０２の厚みが小さい部分の第２領域１０２の厚みＴ２は、０．５ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、接続部９ｂにおける第１領域１０１が占める割合を大きくできるため溶接部６３が第２領域１０２に達することを効果的に防止できる。
負極端子９の接続部９ｂの中央部において、第２領域１０２の中心軸９ｘが延びる方向における厚みＴ３は、０．６ｍｍ以上であることが好ましい。これにより、負極端子９の導電性を向上させることができる。よって、より出力特性に優れた二次電池となる。また、負極端子９の発熱を抑制できるため、外部側絶縁部材１３の劣化を抑制できる。
図６は、封口板２の短手方向に沿った負極端子９近傍の断面図である。なお、図６では、負極端子９と外部導電部材１５のみを記載している。
図７は負極端子９と外部導電部材１５の近傍の平面図である。溶接部６３は、負極端子９の中心軸９ｘから径方向において複数列形成されていることが好ましい。溶接部６３が渦巻き状に形成することができる。封口板２の長手方向において、溶接部６３が形成される位置は負極端子９の中心軸９ｘから封口板２の中央部側（ガス排出弁２１側）にずれた位置に形成されていることが好ましい。これにより、より低抵抗な二次電池となる。
なお、第２領域１０２の表面にニッケルからなるニッケル層を設けてもよい。
フランジ部９ａの側面に配置された境界１０３は外部側絶縁部材１３に覆われていることが好ましい。このような構成によると、結露等により水分が負極端子９近傍に生じた場合、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１領域１０１と、銅又は銅合金からなる第２領域１０２とに跨って水滴ないし水膜が存在する状態となることを防止できる。よって、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１領域１０１の腐食を抑制できる。
封口板２の短手方向におけるフランジ部９ａの長さに対する肉厚部９ｅの長さの割合は、封口板２の長手方向におけるフランジ部９ａの長さに対する肉厚部９ｅの長さの割合よりも大きいことが好ましい。
[組電池]
図８は、二次電池５０を複数個含む組電池５００の平面図である。一つの二次電池５０の外部導電部材１４と他の二次電池５０の外部導電部材１５が、バスバー５０１により電気的に接続されている。外部導電部材１４とバスバー５０１はボルト部１６とナット５０２により締結接続されている。外部導電部材１５とバスバー５０１はボルト部１７とナット５０２により締結接続されている。なお、バスバー５０１は金属製あることが好ましく、アルミニウム又はアルミニウム合金製であることが好ましい。
[他の組電池]
上述の実施形態に係る二次電池５０及び組電池５００においては、正極端子７に接続された外部導電部材１４と、負極端子９に接続された外部導電部材１５とを、バスバー５０１により接続する例を示した。一方の二次電池５０の正極端子７と他方の二次電池５０の負極端子９を、バスバーにより直接接続することができる。
図９に示す組電池６００では、正極端子７と負極端子９にそれぞれバスバー６０１が直接接続されている。バスバー６０１は貫通孔６０１ａを有し、バスバー６０１は貫通孔６０１ａの周囲に他の部分よりも厚みの小さい薄肉部６０１ｂを有する。バスバー６０１は、薄肉部６０１ｂにおいて、正極端子７と負極端子９にそれぞれ溶接され、溶接部６０２が形成されている。バスバー６０１と封口板２の間には樹脂製の絶縁部材６０３が配置されている。
[その他]
負極端子９において第１領域１０１と第２領域１０２の間にニッケル層を配置してもよい。この場合、ニッケル層が境界１０３に存在することになる。
５０・・・二次電池
２００・・・電池ケース
１・・・外装体
２・・・封口板
２ａ・・・正極端子取り付け孔
２ｂ・・・負極端子取り付け孔
３・・・巻回電極体
４・・・正極芯体露出部
５・・・負極芯体露出部
６・・・正極集電体
７・・・正極端子
８・・・負極集電体
９・・・負極端子
９ａ・・・フランジ部
９１・・・第１面
９２・・・第２面
９３・・・側面
９ｂ・・・接続部
９ｃ・・・凹部
９ｄ・・・突部
１０１・・・第１領域
１０２・・・第２領域
１０３・・・境界
９ｅ・・・肉厚部
９ｘ・・・中心軸
１０、１１・・・内部側絶縁部材
１２、１３・・・外部側絶縁部材
１４、１５・・・外部導電部材
１５ａ・・・貫通孔
１５ｂ・・・薄肉部
１６、１７・・・ボルト部
１８、１９・・・絶縁部材
２０・・・絶縁シート
２１・・・ガス排出弁
２３・・・封止部材

６０、６１、６２、６３・・・溶接部

５００・・・組電池
５０１・・・バスバー
５０２・・・ナット
６００・・・組電池
６０１・・・バスバー
６０１ａ・・・貫通孔
６０１ｂ・・・薄肉部
６０２・・・溶接部
６０３・・・絶縁部材

Claims (8)

  1. 正極板と負極板を含む電極体と、
    開口を有し、前記電極体を収容する外装体と、
    前記開口を封口する封口板と、
    前記正極板又は前記負極板に電気的に接続された端子と、を備えた二次電池であって、
    前記封口板は端子取り付け孔を有し、
    前記端子は、第１面と前記第１面とは反対側に位置する第２面とを有するフランジ部と、前記第１面に設けられた接続部を有し、
    前記接続部は前記端子取り付け孔に挿入され、
    前記端子は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１領域と、銅又は銅合金からなる第２領域を有し、
    前記フランジ部において、前記第１面側に前記第２領域が配置され、前記第２面側に前記第１領域が配置され、
    前記第１領域と前記第２領域の境界の少なくとも一部が前記第１面と前記第２面の間に配置され、
    前記フランジ部において、前記フランジ部の厚み方向における前記第１領域の厚みが最も小さい部分の前記第１領域の厚みが０．３ｍｍ以上であり、
    前記フランジ部上にアルミニウム又はアルミニウム合金製の外部導電部材が配置され、
    前記外部導電部材が前記フランジ部に溶接されて溶接部が形成された二次電池。
  2. 前記接続部において前記端子取り付け孔内に配置される部分では、前記第１領域よりも前記第２領域が前記接続部の径方向の外側に位置し、
    前記接続部において前記端子取り付け孔内に配置される部分において、前記接続部の径方向における前記第２領域の厚みが最も小さい部分の前記第２領域の厚みは０．１ｍｍ以上である請求項１に記載の二次電池。
  3. 前記接続部において、前記境界は中央が前記第２面側に突出する凸状に形成されており、
    前記凸状に形成された前記境界において中央に形成される前記第２領域の厚みが最も大きい部分の前記第２領域の厚みは０．６ｍｍ以上である請求項１又は２に記載の二次電池。
  4. 前記外部導電部材にボルト部が形成された請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池。
  5. 前記外部導電部材はバスバーである請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池。
  6. 前記外部導電部材は薄肉部を有し、
    前記薄肉部が前記フランジ部に溶接されて前記溶接部が形成された請求項１〜５のいずれかに記載の二次電池。
  7. 前記溶接部は複数列形成された請求項１〜６のいずれかに記載の二次電池。
  8. 請求項１〜７のいずれかに記載の二次電池を複数含む組電池。

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