JP2021089861A

JP2021089861A - 蓄電装置

Info

Publication number: JP2021089861A
Application number: JP2019220237A
Authority: JP
Inventors: 岡本　夕紀; Yuki Okamoto; 夕紀岡本
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2021-06-10

Abstract

【課題】蓋体の変形を抑制できる蓄電装置を提供すること。【解決手段】二次電池１０は、電極体１２を収容するケース１１を備える。ケース１１は、電極体１２を収容するケース本体１３と、ケース本体１３の開口を閉塞する長四角板状の蓋体１４と、を有する。蓋体１４は、周壁１３ｂの先端１３ｃに接合されるとともに蓋体１４の開口を閉塞するベース材３０と、ベース材３０の短手方向Ｚにおける中央よりも一縁部寄りに接合された第１補強材３１ａと他縁部寄りに接合された第２補強材３１ｂと、を有する。第１補強材３１ａ及び第２補強材３１ｂは、ベース材３０の長手方向の全長において設けられ、かつベース材３０の材料よりもヤング率及び耐力の高い材料からなる。【選択図】図３

Description

本発明は、蓄電装置に関する。

従来から、ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、電動機などへの供給電力を蓄える蓄電装置としてのリチウムイオン二次電池などの二次電池が搭載されている。例えば、特許文献１に記載の二次電池は、正極電極と負極電極とがセパレータを介在させた状態で積層されることにより構成される電極体と、電極体を収容するケースと、電極体と電気的に接続されるとともに各極性を有する端子構造と、を備える。ケースは、電極体を収容するケース本体と、ケース本体の開口を閉塞する長四角板状の蓋体と、を有する。

国際公開第２０１８／００３７６１号

ところが、長四角板状の蓋体においては、ケースの内圧が上昇したときに蓋体が長手方向に撓むように変形する虞があるという問題がある。
本発明の目的は、蓋体の変形を抑制できる蓄電装置を提供することにある。

上記問題点を解決するための蓄電装置は、電極体を収容するケースを備え、前記ケースは、前記電極体を収容する筒状のケース本体と、前記ケース本体の開口を閉塞する長四角板状の蓋体と、を有し、前記ケース本体は、板状の底壁と、前記底壁の縁から延びる周壁と、を有する蓄電装置であって、前記蓋体は、前記周壁の先端に接合されるとともに前記ケース本体の開口を閉塞するベース材と、前記ベース材の短手方向における前記ベース材の中央よりも両縁部寄りに接合された補強材と、を有し、前記補強材は、前記ベース材の長手方向の全長において設けられ、かつ前記ベース材の材料よりもヤング率及び耐力の少なくとも一方が高い材料からなる。

これによれば、補強材により、蓋体の短手方向両縁部寄りの剛性を蓋体の長手方向の全長に亘って向上させることができ、ケースの内圧上昇時に蓋体が長手方向に撓むことを抑制できる。

上記蓄電装置において、前記補強材の短手方向の両端部のうち前記蓋体の中央寄りの第１端面は、前記ベース材の短手方向において前記周壁の内面よりも内側に位置するとともに、前記ベース材の短手方向における端部であって前記第１端面とは反対側の第２端面は、前記ベース材の短手方向において前記周壁の内面よりも外側に位置するとよい。

これによれば、例えば、補強材の第１端面が周壁の内面よりも内側に位置する場合と比べると、蓋体におけるケースの内圧を受ける部分の剛性を向上させることができ、蓋体の長手方向への剛性を効果的に向上させることができる。その結果、蓋体の変形をさらに抑制し易くできる。

上記蓄電装置において、前記ベース材は、長四角板状の天板と、前記蓋体の板厚方向に沿って前記天板の前記ケース本体とは反対側に突出する突出部と、を有し、前記補強材は、前記突出部の前記ケース本体とは反対側に位置する面、及び前記ベース材の短手方向の両端に位置する前記天板の側面と面一になるように露出しており、前記蓋体と前記ケース本体とは溶接部によって接合され、前記溶接部は、前記天板と前記周壁の先端とが溶接されて形成されているとよい。

これによれば、蓋体の板厚方向の寸法、及び補強材の寸法が同じ前提において、蓋体の板厚方向の両端がベース材で構成され、かつ補強材がベース材によって板厚方向に挟まれている場合を比較例とする。比較例と比べると、板厚方向のベース材の寸法を大きくでき、ベース材によって構成される天板の板厚方向の寸法を確保できる。その結果、溶接部を形成する天板においてケース本体との溶接代を確保できる。

この発明によれば、蓋体の変形を抑制できる。

二次電池の分解斜視図。電極体の構成要素を示す分解斜視図。図１におけるＡ−Ａ線断面図。別の実施形態での図１におけるＡ−Ａ線断面図。別の実施形態での図１におけるＡ−Ａ線断面図。

以下、蓄電装置を二次電池に具体化した一実施例を図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示すように、蓄電装置としての二次電池１０は、ケース１１と、ケース１１に収容される電極体１２とを有する。ケース１１は、電極体１２を収容するケース本体１３と、ケース本体１３の開口を閉塞する蓋体１４と、を有する。ケース本体１３及び蓋体１４は、例えば、ステンレスやアルミニウムのような金属製である。また、ケース本体１３は、長四角板状の底壁１３ａと、底壁１３ａの縁から延びる四角筒状の周壁１３ｂとを有する。ケース本体１３は、周壁１３ｂにより底壁１３ａとは反対側に開口している。なお、本実施形態の二次電池１０は、リチウムイオン二次電池である。また、本実施形態の二次電池１０は、その外観が角型をなす角型電池である。

図２に示すように、電極体１２は、複数の正極電極２１と、複数の負極電極２２と、複数のセパレータ２３と、を有する。電極体１２は、正極電極２１と負極電極２２とがセパレータ２３を介在させた状態で積層されることにより直方体状をなしている。

正極電極２１は、矩形シート状の正極金属箔２４と、正極金属箔２４の両面に存在する正極活物質層２５と、を有する。正極金属箔２４は、例えばアルミニウム箔である。正極電極２１は、一対の長辺に沿う縁部のうち一方の縁部の一部から突出した矩形状の正極タブ２６を有する。正極タブ２６は、正極活物質層２５が存在せず、正極金属箔２４そのもので構成されている。

負極電極２２は、矩形シート状の負極金属箔２７と、負極金属箔２７の両面に存在する負極活物質層２８とを有する。負極金属箔２７は、例えば銅箔である。負極電極２２は、一対の長辺に沿う縁部のうち一方の縁部の一部から突出した矩形状の負極タブ２９を有する。負極タブ２９は、負極活物質層２８が存在せず、負極金属箔２７そのもので構成されている。

セパレータ２３は、矩形シート状の絶縁性材料製である。セパレータ２３は、正極電極２１と負極電極２２とを絶縁している。
図１又は図３に示すように、電極体１２は、正極タブ２６が寄せ集められた正極のタブ群１５と、負極タブ２９が寄せ集められた負極のタブ群１５と、を有する。

二次電池１０は、電極体１２から電気を取り出すための各極性の端子部１６を有する。各端子部１６は、矩形状の導電部材１６ａと、導電部材１６ａから突出する電極端子１６ｂと、を有する。正極の端子部１６の導電部材１６ａは、正極のタブ群１５に接合され、負極の端子部１６の導電部材１６ａは、負極のタブ群１５に接合される。各電極端子１６ｂは、蓋体１４を貫通してケース１１外に突出するとともに、蓋体１４に固定されている。各電極端子１６ｂの先端部には、二次電池１０同士を電気的に接続する図示しない外部装置が固定可能である。二次電池１０は、蓋体１４と各端子部１６の電極端子１６ｂとを絶縁するための絶縁リング１７を有する。

二次電池１０は、電極体１２を覆う絶縁シート１８を有する。絶縁シート１８は、電極体１２と、ケース本体１３と、を絶縁する。
次に、蓋体１４について詳細に説明する。蓋体１４は、ケース本体１３の内側に臨む面に内面１４０を有するとともに、内面１４０と平行であり、かつケース１１の外側に臨む面に外面１４１を有する。蓋体１４の板厚方向に沿って外面１４１を見た平面視において、蓋体１４の外面１４１は長方形状である。

蓋体１４は、ケース本体１３の周壁１３ｂの先端１３ｃに接合されるベース材３０と、ベース材３０に接合された一対の補強材３１と、を有する。ベース材３０を外面１４１から見た平面視において、ベース材３０の長辺が延びる方向を蓋体１４の長手方向Ｘとし、短辺が延びる方向を蓋体１４の短手方向Ｚとする。以下の説明において、ベース材３０の短手方向も「短手方向Ｚ」と記載し、ベース材３０の長手方向も「長手方向Ｘ」と記載する。また、ベース材３０の板厚方向は蓋体１４の板厚方向Ｙと一致する。

ベース材３０は、ケース本体１３の周壁１３ｂの先端１３ｃに接合されるとともにケース本体１３の開口を閉塞する。ベース材３０は、長四角板状の天板３０ａと、蓋体１４の板厚方向Ｙに沿って天板３０ａのケース本体１３とは反対側に突出する突出部３０ｂと、を有する。天板３０ａの長手方向はベース材３０の長手方向と一致し、天板３０ａの短手方向はベース材３０の短手方向と一致する。ベース材３０は、蓋体１４の板厚方向Ｙに沿った両面のうち、補強材３１と対向する面に端面３００ａを有する。なお、蓋体１４の板厚方向Ｙに沿ったベース材３０の両面のうち、端面３００ａと平行な面は、蓋体１４の内面１４０を構成している。また、ベース材３０は、蓋体１４の内面１４０を構成する面に直交する天板３０ａの側面に側端面３０２ａを有する。突出部３０ｂは、天板３０ａの両方の端面３００ａよりも突出する。ベース材３０は、例えばアルミニウム合金の１０００番である。

一対の補強材３１のうちの一方は、ベース材３０の短手方向の一端寄りの第１補強材３１ａであり、一対の補強材３１のうちの他方は、ベース材３０の短手方向の他端寄りの第２補強材３１ｂである。ベース材３０の端面３００ａから第１補強材３１ａ及び第２補強材３１ｂが突出する方向は蓋体１４の板厚方向Ｙに一致する。第１補強材３１ａの板厚方向Ｙにおける両面のうち、蓋体１４の外面１４１に位置する面を外端面３１２ａとする。また、突出部３０ｂの板厚方向Ｙにおける両面のうち、蓋体１４の外面１４１に位置する面であり、突出部３０ｂのケース本体１３とは反対側に位置する面を突出面３０３ｂとする。第１補強材３１ａの外端面３１２ａは、突出部３０ｂの突出面３０３ｂと面一である。第２補強材３１ｂの板厚方向Ｙにおける両面のうち、蓋体１４の外面１４１に位置する面を外端面３１２ｂとする。第２補強材３１ｂの外端面３１２ａは、突出部３０ｂの突出面３０３ｂと面一である。突出部３０ｂの突出面３０３ｂは、蓋体１４の外面１４１に露出している。

第１補強材３１ａは、ベース材３０の短手方向Ｚの中央寄りに第１端面３１１ａを有し、短手方向Ｚの外寄りに第２端面３１４ａを有する。ベース材３０の短手方向Ｚにおいて、第２端面３１４ａは第１補強材３１ａを挟んだ第１端面３１１ａの反対側に位置する。

そして、第１補強材３１ａの第２端面３１４ａは、天板３０ａの側端面３０２ａと面一である。また、第１補強材３１ａの第２端面３１４ａは、蓋体１４の外側に露出している。

第１補強材３１ａは、ベース材３０の材料よりもヤング率及び耐力が高い材料からなる。本実施形態では、第１補強材３１ａは、ベース材３０の材料であるアルミニウム合金の１０００番よりもヤング率及び耐力が高い材料であるステンレスからなる。

第１補強材３１ａは、ベース材３０の長手方向Ｘの全長に設けられている。
第１補強材３１ａは、ベース材３０の短手方向Ｚにおける中央よりも縁部寄りに接合されている。第１補強材３１ａの第１端面３１１ａと、突出部３０ｂの側端面３０１ｂと、が接合されている。また、第１補強材３１ａの端面３１０ａと、天板３０ａの端面３００ａと、が接合されている。

第２補強材３１ｂは、ベース材３０の短手方向Ｚの中央寄りに第１端面３１１ｂを有し、短手方向Ｚの外寄りに第２端面３１４ｂを有する。ベース材３０の短手方向Ｚにおいて、第２端面３１４ｂは第２補強材３１ｂを挟んだ第１端面３１１ｂの反対側に位置する。

そして、第２補強材３１ｂの第２端面３１４ｂは、天板３０ａの側端面３０２ａと面一である。また、第２補強材３１ｂの第２端面３１４ｂは、蓋体１４の外側に露出している。

第２補強材３１ｂは、ベース材３０の材料よりもヤング率及び耐力が高い材料からなる。本実施形態では、第２補強材３１ｂは、ベース材３０の材料であるアルミニウム合金の１０００番よりもヤング率及び耐力が高い材料であるステンレスからなる。

第２補強材３１ｂは、ベース材３０の長手方向Ｘの全長に設けられている。
第２補強材３１ｂは、ベース材３０の短手方向Ｚにおける中央よりも縁部寄りに接合されている。第２補強材３１ｂの第１端面３１１ｂと、突出部３０ｂの側端面３０２ｂと、が接合されている。また、第２補強材３１ｂの端面３１０ｂと、天板３０ａの端面３００ａと、が接合されている。

第１補強材３１ａの第１端面３１１ａは、短手方向Ｚにおいて周壁１３ｂの内面１３０よりも内側に位置している。第１補強材３１ａの第２端面３１４ａは、短手方向Ｚにおいて周壁１３ｂの内面１３０よりも外側に位置している。

第２補強材３１ｂの第１端面３１１ｂは、短手方向Ｚにおいて周壁１３ｂの内面１３０よりも内側に位置している。第２補強材３１ｂの第２端面３１４ｂは、短手方向Ｚにおいて周壁１３ｂの内面１３０よりも外側に位置している。

二次電池１０は、蓋体１４の天板３０ａと、周壁１３ｂの先端１３ｃとが溶接された溶接部４０を有する。
次に二次電池１０の作用について説明する。

二次電池１０の使用時、ケース１１の内圧の上昇に伴い、蓋体１４の天板３０ａ及びケース本体１３の周壁１３ｂに大きな圧力が作用する。このとき、蓋体１４の長手方向Ｘの全長に亘って第１補強材３１ａ及び第２補強材３１ｂが設けられているため、蓋体１４の長手方向Ｘへの剛性が全体に亘って向上している。これにより、ケース１１の内圧上昇時に蓋体１４に大きな圧力が作用しても蓋体１４が長手方向に沿って外側に向けて変形し難くなる。

上記実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）第１補強材３１ａ及び第２補強材３１ｂにより、ケース１１の内圧上昇時に、蓋体１４が長手方向に撓み変形することを抑制できる。

（２）第１補強材３１ａの第１端面３１１ａは、周壁１３ｂの内面１３０よりも内側に位置する。さらに、第１補強材３１ａの第２端面３１４ａは、周壁１３ｂの内面１３０よりも外側に位置する。同様に、第２補強材３１ｂの第１端面３１１ｂは、周壁１３ｂの内面１３０よりも内側に位置する。さらに、第２補強材３１ｂの第２端面３１４ｂは、周壁１３ｂの内面１３０よりも外側に位置する。これによれば第１補強材３１ａ及び第２補強材３１ｂにおいて、第１端面３１１ａ，３１１ｂがベース材３０の短手方向Ｚにおいて周壁１３ｂの内面１３０よりも内側に位置する場合に比べて、蓋体１４のうちケース１１の内圧を受ける部分の剛性を効果的に向上させることができる。

（３）第１補強材３１ａの外端面３１２ａは、突出部３０ｂの突出面３０３ｂと面一になるように露出している。
同様に、第２補強材３１ｂの外端面３１２ｂは、突出部３０ｂの突出面３０３ｂと面一になるように露出している。

蓋体１４の板厚方向Ｙの寸法、及び補強材３１の寸法が同じ前提において、蓋体１４の板厚方向Ｙの両端がベース材３０で構成され、かつ補強材３１がベース材３０によって板厚方向Ｙに挟まれている場合を比較例とする。比較例と比べると、板厚方向Ｙのベース材３０の寸法を大きくでき、蓋体１４とケース本体１３との溶接代を確保できる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

○ 図４に示すように、蓋体１４は、短手方向Ｚにおける中央に位置する突出部３０ｂだけでなく、短手方向Ｚにおける両端部に第１突出部３０ｃ及び第２突出部３０ｄを有する構成であってもよい。この場合、第１補強材３１ａは、ベース材３０の短手方向Ｚにおける突出部３０ｂと第１突出部３０ｃとの間に設けられ、第２補強材３１ｂは、ベース材３０の短手方向Ｚにおける突出部３０ｂと第２突出部３０ｄとの間に設けられる。

要は、補強材３１は、ベース材３０の短手方向Ｚにおけるベース材３０の中央よりも縁部寄りに接合されていれば、第２端面３１４ａ、及び第２端面３１４ｂが露出していなくてもよい。

○ 図５に示すように、補強材３１は、蓋体１４の外面１４１に露出しておらず、突出部３０ｂの突出面３０３ｂと面一でなくてもよい。
例えば、蓋体１４は、板厚方向Ｙにおける突出部３０ｂの先端からベース材３０の短手方向Ｚに突出するフランジ３２を有する。板厚方向Ｙのフランジ３２と天板３０ａとの間に補強材３１が設けられている。

○ 実施形態において、電極体１２は、正極電極２１と負極電極２２とがセパレータ２３を介在させた状態で積層される積層型の電極体であったが、例えば、長尺シート状の正極電極と長尺シート状の負極電極とが長尺シート状のセパレータ２３を介在させた状態で巻回される巻回型の電極体であってもよい。

○ 二次電池１０は、リチウムイオン二次電池に限らず、他の二次電池であってもよい。要は、正極活物質層２５と負極活物質層２８との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであればよい。

○ ベース材３０の材料は、アルミニウム合金の１０００番に限らず、補強材３１の材料よりもヤング率及び耐力の少なくとも一方が低い材料であればよい。
○ 補強材３１の材料は、ステンレスに限らず、例えば、鉄合金又は銅合金若しくはニッケル合金のようなベース材３０の材料よりもヤング率及び耐力の少なくとも一方が高い材料であればよい。

○ ベース材３０と補強材３１との組み合わせは、異種材料に限らない。例えば、ベース材３０にアルミニウム合金の１０００番を使用し、補強材３１にアルミニウム合金の３０００番を使用したような構成であってもよい。アルミニウム合金の３０００番は、１０００番よりも耐力が大きい。

○ 蓄電装置は、キャパシタなどの二次電池１０以外の蓄電装置にも適用できる。

１０…蓄電装置としての二次電池、１１…ケース、１２…電極体、１３…ケース本体、１３ａ…底壁、１３ｂ…周壁、１３ｃ…先端、１４…蓋体、３０…ベース材、３０ａ…天板、３０ｂ…突出部、３１…補強材、３１ａ…補強材としての第１補強材、３１ｂ…補強材としての第２補強材、４０…溶接部、１３０…内面、３０２ａ…天板の側面、３０３ｂ…突出面、３１１ａ…第１端面、３１１ｂ…第１端面、３１４ａ…第２端面、３１４ｂ…第２端面、Ｘ…長手方向、Ｙ…板厚方向、Ｚ…短手方向。

Claims

電極体を収容するケースを備え、
前記ケースは、前記電極体を収容する筒状のケース本体と、
前記ケース本体の開口を閉塞する長四角板状の蓋体と、を有し、
前記ケース本体は、板状の底壁と、
前記底壁の縁から延びる周壁と、を有する蓄電装置であって、
前記蓋体は、前記周壁の先端に接合されるとともに前記ケース本体の開口を閉塞するベース材と、
前記ベース材の短手方向における前記ベース材の中央よりも両縁部寄りに接合された補強材と、を有し、
前記補強材は、前記ベース材の長手方向の全長において設けられ、かつ前記ベース材の材料よりもヤング率及び耐力の少なくとも一方が高い材料からなることを特徴とする蓄電装置。
前記補強材の短手方向の両端面のうち前記蓋体の中央寄りの第１端面は、前記ベース材の短手方向において前記周壁の内面よりも内側に位置するとともに、前記ベース材の短手方向における端面であって前記第１端面とは反対側の第２端面は、前記ベース材の短手方向において前記周壁の内面よりも外側に位置することを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
前記ベース材は、長四角板状の天板と、
前記蓋体の板厚方向に沿って前記天板の前記ケース本体とは反対側に突出する突出部と、を有し、
前記補強材は、前記突出部の前記ケース本体とは反対側に位置する面、及び前記ベース材の短手方向の両端に位置する前記天板の側面と面一になるように露出しており、
前記蓋体と前記ケース本体とは溶接部によって接合され、前記溶接部は、前記天板と前記周壁の先端とが溶接されて形成されていることを特徴とする請求項２に記載の蓄電装置。