JP2021180183A - 蓄電素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】電流経路の抵抗を十分に低くできる蓄電素子を提供する。【解決手段】蓄電素子は、蓋板に外部端子が設けられた外装体と、タブを有して前記外装体に収容された極板と、前記蓋板を貫通して一端が前記外部端子に接続された導電軸部と、前記外装体に収容され、第一の表面に前記導電軸部の他端が接続され第二の表面に前記タブが接続された導電板部とを備え、前記蓋板の面方向における前記導電板部及びタブのそれぞれの寸法は前記外部端子の寸法よりも大きく、前記タブは、前記極板と一体に形成され、前記タブは、前記面方向において、前記外装体の側面から離間して配置され、前記極板は、正極板と負極板とを有し、記タブは、前記正極板の直線状の端縁から前記蓋板に向かって延びる正極タブと、前記負極板の直線状の端縁から前記蓋板に向かって延びる負極タブとを有する。【選択図】図４

Description

本発明は蓄電素子に関する。
携帯電話、自動車等の様々な機器に、充放電可能な蓄電素子が使用されている。電気自動車（ＥＶ）又はプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）等の電気エネルギーを動力源とする車両は、大きなエネルギーを必要とするため、複数の蓄電素子を備える大容量の蓄電モジュールを搭載している。
蓄電素子は、外装体と、該外装体に収容されセパレータを介して積層された複数の正極板及び負極板を有する電極体とを備える。正極板及び負極板それぞれに、タブが設けられている。外装体には正極板及び負極板に対応した外部端子が二つ設けられている。
特許文献１は、角型のケースを有するリチウムイオン二次電池を開示している。ケースの蓋は、貫通孔を有する。貫通孔に棒状の胴部が挿入され、該胴部の一端部にはケース内で第１フランジ部が連結され、胴部の他端部には端子板（外部端子）が接続されている。第１フランジ部には、電極体のタブが接続されている。
特開２０１６−９１６５９号公報
近年、急速充電及び急速放電が可能な蓄電素子が求められている。急速充電又は急速放電の際、電流経路に比較的大きい電流が流れる。大電流が流れても、電流経路における抵抗ロスが小さい、高性能な蓄電素子が求められている。大電流が流れても電流経路が溶断しないことも求められている。
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、電流経路の抵抗を十分に低くできる蓄電素子を提供することを目的とする。
本発明に係る蓄電素子は、蓋板に外部端子が設けられた外装体と、タブを有して前記外装体に収容された極板と、前記蓋板を貫通して一端が前記外部端子に接続された導電軸部と、前記外装体に収容され、第一の表面に前記導電軸部の他端が接続され第二の表面に前記タブが接続された導電板部とを備え、前記蓋板の面方向における前記導電板部及びタブのそれぞれの寸法は前記外部端子の寸法よりも大きく、前記タブは、前記極板と一体に形成され、前記タブは、前記面方向において、前記外装体の側面から離間して配置され、前記極板は、正極板と負極板とを有し、記タブは、前記正極板の直線状の端縁から前記蓋板に向かって延びる正極タブと、前記負極板の直線状の端縁から前記蓋板に向かって延びる負極タブとを有する。
本発明にあっては、蓋板の面方向における導電板部及びタブのそれぞれの寸法は外部端子の寸法よりも大きい。前記面方向における導電板部及びタブのそれぞれの寸法が外部端子の寸法よりも小さい場合に比べて、タブと導電板部との接触面積を大きくし、電流経路の抵抗を小さくできる。
蓄電素子の概略斜視図である。 蓄電素子の概略正面図である。 図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線を切断線とした蓄電素子の概略断面図である。 図２に示すＩＶ−ＩＶ線を切断線とした蓋板付近の部分拡大断面図である。 複数の蓄電素子を有する蓄電モジュールの概略図である。
以下本発明を、実施の形態に係る蓄電素子を示す図面に基づいて説明する。図１は、蓄電素子の概略斜視図、図２は、蓄電素子の概略正面図である。蓄電素子１は、リチウムイオン二次電池であってもよい。
蓄電素子１は、直方体状の外装体２を備える。外装体２には、電解液と共に、後述する積層電極体３が収容される。本実施形態では、外装体２として金属ケースが用いられてい
る。金属ケースの材質は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、又はステンレスであってもよい。外装体２は、対向して配設される大きさが略等しい長方形状の底壁７及び天壁８と、底壁７及び天壁８の短辺間を接続し、底壁７及び天壁８よりも面積が小さい長方形状の蓋板９及び後壁１０と、底壁７及び天壁８の長辺間を接続し、底壁７及び天壁８よりも面積が大きい長方形状の二つの側壁１１、１１とを備える。本実施形態では、蓄電素子１の設置面（図示せず）に設置される底壁７に対し、蓋板９が垂直に延びて、蓋板９が蓄電素子１の側面の一部を形成している。代替的に、蓄電素子１の底壁７とは反対側の天壁８の位置に蓋板があってもよい。
図２に示すように、蓋板９の外面の一端部に正極外部端子４が外側ガスケット１９を介して設けられ、蓋板９の外面の他端部に負極外部端子５が外側ガスケット１９を介して設けられている。正極外部端子４及び負極外部端子５は、その平坦な外面が露呈して、バスバー等の導電部材（図示せず）が溶接されるようになっている。蓋板９の、正極外部端子４と負極外部端子５との間に、破裂弁（Ｒｕｐｔｕｒｅ Ｖａｌｖｅ）６が設けられている。
図３は、図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線を切断線とした蓄電素子１の概略断面図である。図３に示すように、積層電極体３は、複数の正極板１２、複数の負極板１３及び複数のセパレータ１４を備える。正極板１２、負極板１３及びセパレータ１４はそれぞれ、図３における側壁１１、１１を貫通する方向視において方形状をなす。複数の正極板１２及び負極板１３は、セパレータ１４を介して交互に積層されている。図３は、それぞれの負極板１３から延びる負極タブ１６（後述）が、それらの先端側で束ねられて導電板部１８ａに接合されている様子を示す。負極タブ１６は、蓄電素子１のエネルギー密度を向上できるよう（負極外部端子５と負極板１３との間の電流経路による占有スペースを小さくできるよう）、外装体２内に湾曲した状態で収容されている。図示しないが、正極板１２から延びる正極タブ１５（後述）も、負極タブ１６と同様に構成されている。
正極板１２は、導電性を有する箔状乃至シート状の正極基材と、該正極基材の両面に積層される正極活物質層とを有する。負極板１３は、導電性を有する箔状乃至シート状の負極基材と、該負極基材の両面に積層される負極活物質層とを有する。
セパレータ１４は、電解液が浸潤するシート状乃至フィルム状の材料から形成される。セパレータ１４を形成する材料としては、例えば織布、不織布、又は多孔性かつシート状乃至フィルム状の樹脂が挙げられる。セパレータ１４は正極板１２と負極板１３とを離隔すると共に、正極板１２と負極板１３との間に電解液を保持する。
図４は、図２に示すＩＶ−ＩＶ線を切断線とした蓋板９付近の部分拡大断面図である。蓋板９には、二つの貫通孔９ａ、９ｂが蓋板９の長手方向に間隔をあけて設けられている。二つの貫通孔９ａ、９ｂの間に破裂弁６が配置されている。代替的に、破裂弁６は、蓋板９と対向する後壁１０（図３参照）に配置されてもよい。
図４に示すように、蓋板９の内面において、貫通孔９ａ付近に、電気的絶縁性を有する内側ガスケット２０が設けられている。内側ガスケット２０は、蓋板９の長手方向に平行な長辺を持つ長方形板状のガスケット本体を有し、該ガスケット本体が、蓋板９の内面に接して延びている。内側ガスケット２０のガスケット本体には、貫通孔が設けられ、その貫通孔を囲うように筒状のボス２０ｂが設けられている。内側ガスケット２０のガスケット本体の、積層電極体３に対向する面には、蓋板９の長手方向に延びる凹部２０ａが形成されている。内側ガスケット２０は、ボス２０ｂの外周側におけるガスケット本体の両面に、リング状の被圧縮凸部を有する。被圧縮凸部はリング状に限定されず、周方向に間隔をあけて複数設けられてもよい。被圧縮凸部は、ガスケット本体の片面（外面又は内面）のみに設けられてもよい。被圧縮凸部を押し潰すことで、外装体２の気密性が確保される。
蓋板９の外面において、貫通孔９ａ付近に、電気的絶縁性を有する外側ガスケット１９が設けられている。外側ガスケット１９は、内側ガスケット２０と同様に長方形板状をなし、その中央部に貫通孔１９ａが形成されている。貫通孔１９ａの直径は、内側ガスケット２０のボス２０ｂの外径よりも大きい。外側ガスケット１９の一面には凹部１９ｂが形成されている。外側ガスケット１９の他面は蓋板９の外面に対向する。蓋板９の貫通孔９ａ及び外側ガスケット１９の貫通孔１９ａには、内側ガスケット２０のボス２０ｂが挿入されている。該ボス２０ｂの先端面は外側ガスケット１９の凹部１９ｂの底面に略面一である。
前記正極外部端子４は板状をなし、その中央付近に貫通孔４ａが形成されている。貫通孔４ａの直径はボス２０ｂの内径と略同じである。正極外部端子４の一面において、貫通孔４ａの周辺にはザグリ４ｂが形成されている。正極外部端子４は、正極外部端子４の他面と、外側ガスケット１９の凹部１９ｂの底面とが対向するように、凹部１９ｂ内に配置されている。貫通孔４ａとボス２０ｂとは同軸的に配置されており、ザグリ４ｂは外側に露出する。
蓋板９の外面に、正極外部端子４と外側ガスケット１９が配置され、蓋板９の内面に、内側ガスケット２０と正極集電体１７が配置される。正極外部端子４にバスバー等を溶接する際、外側ガスケット１９には、溶接により生じる熱が伝わりやすい。外装体２の気密性を確保するための被圧縮凸部は、上述のように内側ガスケット２０に設けられており、熱が伝わりにくいため、被圧縮凸部により外装体２の気密性を維持できる。
正極集電体１７が、正極外部端子４に取り付けられている。正極集電体１７は、蓋板９の長手方向に平行な長辺を持つ長方形状をなす正極導電板部１７ａと、該正極導電板部１７ａの一面から突出した筒状の正極導電軸部１７ｂとを備える。正極導電軸部１７ｂの外径は、正極外部端子４の貫通孔４ａの直径及び内側ガスケット２０のボス２０ｂの内径よりも小さい。本実施形態では、正極導電軸部１７ｂは中空（中空リベット）であるが、代替的に正極導電軸部は中実（中実リベット）であってもよい。正極導電板部１７ａの他面は平坦に形成されている。正極導電板部１７ａの他面は平坦面であることが好ましいが、タブの接合性を失わない範囲であれば、多少の凹みがあってもよい。正極導電板部１７ａ及び正極導電軸部１７ｂは一体成形されている。本実施形態では、正極導電板部１７ａ及び正極導電軸部１７ｂは同じ材質からなる一つの部品として形成されている。
蓋板９の長手方向、換言すれば面方向における正極導電板部１７ａの寸法は正極外部端子４よりも大きい。図４に示すように、断面視において、正極外部端子４の一側端４ｃ及び他側端４ｄのそれぞれより正極導電板部１７ａの一端１７ｄ及び他端１７ｅが蓋板９の面方向に突出している。
正極導電軸部１７ｂは内側ガスケット２０の凹部２０ａからボス２０ｂに挿入されており、その先端部１７ｃは正極外部端子４の貫通孔４ａよりも外側に配置されて、かしめられ（押し拡げられ）ている。かしめられた先端部１７ｃはザグリ４ｂ内に配置される。正極導電板部１７ａは凹部２０ａの内側に配置される。先端部１７ｃをかしめることによって、先端部１７ｃと正極導電板部１７ａとの間に、正極外部端子４、外側ガスケット１９、蓋板９及び内側ガスケット２０が狭持される。
図４に示すように、複数の正極板１２はそれぞれ帯状の正極タブ１５を有する。蓋板９の長手方向、換言すれば面方向における正極タブ１５の寸法は正極外部端子４よりも大きい。正極タブ１５は、正極導電板部１７ａの他面、即ち正極導電軸部１７ｂが突出してい
る面と反対側の面に、例えば超音波溶接、レーザー溶接又はかしめによって、接続されている。正極タブ１５は、正極導電板部１７ａの、正極外部端子４の一側端４ｃより突出した部分から正極外部端子４の他側端４ｄより突出した部分に亘って、正極導電板部１７ａに接続されている。正極タブ１５は、少なくとも、正極導電板部１７ａの他面における正極導電軸部１７ｂに対向する部分に接続されている。
蓋板９の貫通孔９ｂ付近に、内側ガスケット２０、外側ガスケット１９、負極外部端子５及び負極集電体１８が設けられている。これら内側ガスケット２０、外側ガスケット１９、負極外部端子５及び負極集電体１８は、貫通孔９ａ付近に設けられた前記内側ガスケット２０、外側ガスケット１９、正極外部端子４及び正極集電体１７と同様な構成を有するので、以下、その詳細な説明は適宜省略する。
負極外部端子５は、貫通孔５ａ及びザグリ５ｂを備える。負極集電体１８は、負極導電板部１８ａと、負極導電板部１８ａの一面から突出した負極導電軸部１８ｂとを備え、負極導電軸部１８ｂの先端部１８ｃはかしめられている。蓋板９の長手方向、換言すれば面方向における負極導電板部１８ａの寸法は負極外部端子５よりも大きい。
複数の負極板１３はそれぞれ帯状の負極タブ１６を有する。蓋板９の長手方向、換言すれば面方向における負極タブ１６の寸法は負極外部端子５よりも大きい。負極外部端子５の一側端５ｃ及び他側端５ｄのそれぞれより負極導電板部１８ａの一端１８ｄ及び他端１８ｅが蓋板９の面方向に突出している。負極タブ１６は、負極導電板部１８ａの、負極外部端子５の一側端５ｃより突出した部分から負極外部端子５の他側端５ｄより突出した部分に亘って、負極導電板部１８ａの他面に、例えば超音波溶接、レーザー溶接又はかしめによって、接続されている。
上述した蓄電素子１においては、複数の正極板１２及び負極板１３を積層させた積層電極体を用いているが、代替的に、一枚の正極板及び一枚の負極板をセパレータを介して巻回した巻回電極体を用いてもよい。蓋板９に正極外部端子４及び負極外部端子５を並べているが、外装体２の二面に正極外部端子４及び負極外部端子５をそれぞれ設けてもよい。
上述した蓄電素子１にあっては、蓋板９の面方向における導電板部１７ａ、１８ａ及びタブ１５、１６のそれぞれの寸法は外部端子４、５の寸法よりも大きい。前記面方向における導電板部１７ａ、１８ａ及びタブ１５、１６のそれぞれの寸法が外部端子４、５の寸法よりも小さい場合に比べて、タブ１５、１６と導電板部１７ａ、１８ａとの接触面積を大きくし、電流経路の抵抗を小さくできる。タブ１５、１６の幅寸法が大きいため、大電流が流れても、タブ１５、１６が溶断しにくい。
タブ１５、１６は、少なくとも、導電板部１７ａ、１８ａの導電軸部１７ｂ、１８ｂに対向する部分に接続されているので、タブ１５、１６から外部端子４、５に至る電流経路が最短になり、電流経路の抵抗値を低くできる。
外部端子４、５の一側端４ｃ、５ｃ及び他側端４ｄ、５ｄのそれぞれより導電板部１７ａ、１８ａの一端１７ｄ、１８ｄ及び他端１７ｅ、１８ｅが蓋板９の面方向に突出しており、タブ１５、１６は、導電板部１７ａ、１８ａの、外部端子４、５の一側端４ｃ、５ｃより突出した部分から外部端子４、５の他側端４ｄ、５ｄより突出した部分に亘って接続されている。そのため、十分な大きさのタブ１５、１６と導電板部１７ａ、１８ａとの接触面積が確保され、電流経路の抵抗値を低くできる。
導電板部１７ａ、１８ａ及び導電軸部１７ｂ、１８ｂは一体成形されており、両者を別部品により構成した場合に比べて、電流経路の抵抗値を低くでき、集電体１７、１８の強
度は向上する。
導電軸部１７ｂ、１８ｂの一端は外部端子４、５の貫通孔４ａ、５ａに挿入されて外部端子４、５にかしめられている。例えば、スピンかしめ加工により、簡易且つ短時間で導電軸部１７ｂ、１８ｂを外部端子４、５に取り付けることができる。かしめ部を、蓋板９の外側に配置することで、蓋板９の内側にかしめ部が存在しない。そのため、導電板部１７ａ、１８ａの、積層電極体３に対向する面を凹凸のない平坦面にすることができ、タブ１５、１６を容易かつ確実にその平坦面に接合できる。
複数の蓄電素子１を使用して、蓄電モジュールを作製することができる。図５は、複数の蓄電素子１を有する蓄電モジュール２６の概略図である。蓄電モジュール２６は、ボックスやエンドプレート等の保持部材２４と、該保持部材２４により保持された複数の蓄電素子１を備える。複数の蓄電素子１は、外部端子が設けられた壁（蓋板）が、同じ方向を向くように配置される。本実施形態では、設置面から、複数の蓄電素子１の蓋板が立ち上がり、それら蓋板に設けられた外部端子が蓄電素子モジュールの側方に向けられている。複数の蓄電素子１において、隣り合う蓄電素子は正極外部端子４と負極外部端子５が上下逆になるように配置される。隣接する蓄電素子１の正極外部端子４と負極外部端子５とをバスバー２５によって接続することで、複数の蓄電素子１を直列接続できる。同極を接続して、複数の蓄電素子１を並列接続してもよい。
蓄電素子１の導電板部１７ａ、１８ａは導電軸部１７ｂ、１８ｂの直下に配置されているので、導電板部１７ａ、１８ａが導電軸部１７ｂ、１８ｂの直下に配置されていない場合に比べて、蓋板９の長手方向における集電体１７、１８の寸法を小さくすることができる。そのため、蓄電モジュール２６の高さ寸法も小さくでき、高さの限られたスペースに蓄電モジュールを配置することが求められる場合に適用できる。
今回開示した実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではない。記載されている技術的特徴は互いに組み合わせることができ、本発明の範囲は、特許請求の範囲内での全ての変更及び特許請求の範囲と均等の範囲が含まれることが意図される。
電流経路の抵抗を十分に抑制できる範囲であれば、タブ１５、１６の寸法は、外部端子４、５の寸法と比較して同等か若干小さくてもよい。タブ１５、１６を、導電板部１７ａ、１８ａの、積層電極体３に対向する面における、導電軸部１７ｂ、１８ｂに対向する部分とその両側部分とに接合することで、タブ１５、１６と導電板部１７ａ、１８ａとの接触面積を確保できる。
蓄電素子１がリチウムイオン二次電池である場合につき説明したが、蓄電素子１はリチウムイオン二次電池には限定されない。蓄電素子１は、ニッケル水素電池等の他の二次電池であってもよいし、一次電池であってもよいし、キャパシタ等の電気化学セルであってもよい。
１ 蓄電素子
２ 外装体
４ 正極外部端子
５ 負極外部端子
９ 蓋板
１２ 正極板
１３ 負極板
１７ 正極集電体
１７ａ 正極導電板部
１７ｂ 正極導電軸部
１８ 負極集電体
１８ａ 負極導電板部
１８ｂ 負極導電軸部
２６ 蓄電モジュール

Claims (6)

  1. 蓋板に外部端子が設けられた外装体と、
    タブを有して前記外装体に収容された極板と、
    前記蓋板を貫通して一端が前記外部端子に接続された導電軸部と、
    前記外装体に収容され、第一の表面に前記導電軸部の他端が接続され第二の表面に前記タブが接続された導電板部と
    を備え、
    前記蓋板の面方向における前記導電板部及びタブのそれぞれの寸法は前記外部端子の寸法よりも大きく、
    前記タブは、前記極板と一体に形成され、
    前記タブは、前記面方向において、前記外装体の側面から離間して配置され、
    前記極板は、正極板と負極板とを有し、
    前記タブは、前記正極板の直線状の端縁から前記蓋板に向かって延びる正極タブと、前記負極板の直線状の端縁から前記蓋板に向かって延びる負極タブとを有する
    蓄電素子。
  2. 前記外部端子には貫通孔が形成されており、
    前記導電軸部の一端は前記貫通孔に挿入されて前記外部端子にかしめられている
    請求項１に記載の蓄電素子。
  3. 前記導電板部の第二の表面は平坦に形成され、
    前記タブは、少なくとも、前記導電板部の前記導電軸部に対向する部分に接続されている
    請求項１又は２に記載の蓄電素子。
  4. 断面視において前記外部端子の一側端及び他側端のそれぞれより前記導電板部の一端及び他端が前記蓋板の面方向に突出しており、
    前記タブは、前記導電板部の前記外部端子の一側端より突出した部分から前記外部端子の他側端より突出した部分に亘って前記導電板部に接続されている
    請求項１から３のいずれか一つに記載の蓄電素子。
  5. 前記導電板部及び導電軸部は一体成形されている
    請求項１から４のいずれか一つに記載の蓄電素子。
  6. 前記蓋板の面方向における前記タブの寸法は、前記外部端子より大きく、前記蓋板と前記導電板部との間に配置された電気的絶縁性を有する部材より小さい
    請求項１から５のいずれか一つに記載の蓄電素子。
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