JP2022182432A - 電池 - Google Patents

Abstract

【課題】集電端子のかしめ部の外部端子からの突出を抑制することで、集電構造の設計の自由度を高める。
【解決手段】外部端子３８と、金属材からなり、軸方向の一方の端部が電極体に電気的に接続され、他方の端部が外部端子３８に接するかしめ部４１を有する集電端子３５とを備え、外部端子３８は、開口部４０Ａ及び底面４２を有し、かしめ部４１を収容する凹部４０と、凹部４０の底面に形成された窪み部４３とを備え、凹部４０の側面は、開口部４０Ａから底面４２に向かって凹部４０が縮径する傾斜面４４である。
【選択図】図２

Description

本発明は、集電構造を備える電池に関する。

リチウムイオン二次電池や、アルカリ二次電池等の電池は、電極体からの電流を外部に取り出すとともに、外部からの電流を電極体に供給するための集電構造を備えている（例えば、特許文献１参照）。集電構造は、電極体に電気的に接続される金属材からなる集電端子と、二次電池のケースの外側に設けられた外部端子とを備えている。集電端子の一方の端部は、電極体に接続されている。集電端子の他方の端部は、外部端子に対してかしめられる。外部端子は、集電端子のかしめ部を収容する凹部を有している。また、集電端子のかしめ部は、外部端子に溶接される。これにより、電極体、集電端子及び外部端子からなる電流経路が形成される。

また、所望の電力を得るために、複数の電池が組み合わされた組電池が用いられることがある。組電池を構成する電池は、その集電構造が、隣接する電池の集電構造と金属材からなるバスバーで接続されている。組電池は、例えば電気自動車又はハイブリッド自動車等の車両の電源として用いられる。

特開２０２０－９５８３７号公報

外部端子に形成された凹部にかしめ部を収容する集電構造においては、かしめ部の一部が外部端子の表面から突出することがある。かしめ部が外部端子の表面から突出する場合、凹部から突出したかしめ部を避けるようにバスバーの配置又はバスバーの設計をする制約が生じ、設計の自由度が低下する。また、組電池を構成する電池以外の電池であっても、外部端子の表面からかしめ部が突出することは、外部の部材と干渉する可能性があるため好ましくない。

上記課題を解決する電池は、外部端子と、金属材からなり、軸方向の一方の端部が電極体に電気的に接続され、他方の端部が前記外部端子に接するかしめ部を有する集電端子とを備え、前記外部端子は、開口部及び底面を有し、前記かしめ部を収容する凹部と、前記凹部の底面に形成された窪み部とを備え、前記凹部は、前記開口部から前記底面に向かって前記凹部が縮径するように傾斜する傾斜面を側面に有する。

上記構成によれば、凹部の底面に窪み部が形成されているため、集電端子の金属材が圧入される容積を増やすことができる。また、凹部の側面が傾斜しているため、集電端子をかしめるときに窪み部に金属材が圧入されやすい。このため、かしめ部が、外部端子の表面から突出することを抑制することができる。

上記電池について、前記窪み部は、前記傾斜面に連続して設けられることが好ましい。
上記構成によれば、傾斜面と窪み部が連続して設けられるため、傾斜面に沿って金属材が窪み部に圧入されやすい。このため、金属材を窪み部にほぼ隙間なく充填することができる。

上記電池について、前記窪み部は環状の形状を有することが好ましい。
上記構成によれば、金属材は環状の窪み部に沿って回り込むため、金属材を窪み部にほぼ隙間なく充填することができる。

上記電池について、前記窪み部は、前記凹部の底面の中央部から前記傾斜面に向かって放射状に広がる複数の直線部を有することが好ましい。
上記構成によれば、異なる方向に延出する直線部に金属材を圧入できるため、金属材を窪み部に充填しやすい。

上記電池について、前記窪み部は、前記凹部の底面に形成された溝であることが好ましい。
上記構成によれば、窪み部は凹部の底面に溝状に形成されるため、凹部の底面の強度を良好に維持することができる。

本発明によれば、集電端子のかしめ部の外部端子からの突出を抑制することで、集電構造の設計の自由度を高めることができる。

二次電池を具体化した一実施形態についてその斜視構造の概略を示す図。 同実施形態における集電構造の断面図。 同実施形態における集電構造の平面図。 同実施形態における集電構造の断面図。 他の実施形態における集電構造の断面図。 他の実施形態における集電構造の一部の断面図。 他の実施形態における集電構造の一部の断面図。 他の実施形態における外部端子の凹部の平面図。 他の実施形態における外部端子の凹部の平面図。

図１～図４に従って、電池の一実施形態を説明する。本実施形態では、電池を、電気自動車又はハイブリッド自動車等の車両に搭載されるリチウムイオン二次電池に具体化した例について説明する。

図１に示すように、二次電池としての電池モジュール１１は、ケース１２と、蓋部１３と、電極体１４とを備える。ケース１２及び蓋部１３は、金属材から形成されている。ケース１２は開口部を有し、蓋部１３は開口部を封止する。ケース１２及び蓋部１３によって形成される内部空間１５には、電極体１４及び電解質が収容されている。

蓋部１３には、集電構造である正極集電部３２と負極集電部３１とが設けられている。また、蓋部１３には、内部空間１５の圧力に応じて、内部空間１５の気体を放出するガス排出弁２４と、電解質を注入する注液口２５とが設けられている。以下、正極集電部３２及び負極集電部３１を区別しないで説明する場合には、単に集電部３０として説明する。

電極体１４は、複数の負極板１８と複数の正極板１９とがセパレータ（図示略）を介して交互に積層された積層体である。正極板１９は、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属材からなる基材と、基材に設けられた正極合剤とを備える。正極合剤は、正極活物質であるリチウム含有複合酸化物、結着剤、及び導電剤等を含む。正極板１９の基材には、端部から延出された正極タブ１９Ａが設けられている。

負極板１８は、銅からなる基材と、基材に設けられた負極合剤とを備える。負極合剤は、例えば、炭素材料等の負極活物質、結着剤、導電剤等を含む。負極板１８の基材には、端部から延出された負極タブ１８Ａが設けられている。

負極板１８及び正極板１９は、負極タブ１８Ａの位置及び正極タブ１９Ａの位置をそれぞれ揃えた状態で積層される。複数の負極板１８の負極タブ１８Ａは、束状に集められて、負極タブ群２２を構成する。複数の正極タブ１９Ａは、束状に集められて、正極タブ群２３を構成する。負極タブ群２２は負極集電部３１に電気的に接続され、正極タブ群２３は正極集電部３２に電気的に接続されている。

複数の電池モジュール１１は、組電池を構成する。電池モジュール１１の正極集電部３２は、隣り合う電池モジュール１１の負極集電部３１に図示しないバスバーを介して接続される。また、電池モジュール１１の負極集電部３１は、隣り合う電池モジュール１１の正極集電部３２にバスバーを介して接続される。

図２を参照して、集電部３０における集電構造１０の構成について説明する。負極集電部３１及び正極集電部３２の構造は同様であるため、ここでは負極集電部３１の構造について説明する。負極集電部３１は、集電端子３５、ガスケット３６、インシュレータ３７、及び外部端子３８を備えている。本実施形態では、負極の集電端子３５は、負極板１８の基材と同様に、銅又は銅系の材料からなる。また、外部端子３８、バスバーは、アルミニウム又はアルミニウム系の材料からなる。

ガスケット３６は、樹脂などの絶縁材料からなり、筒状の形状を有し、内側に貫通孔３６Ａを有する。ガスケット３６は、蓋部１３に設けられた貫通孔１３Ｃの内側に設けられている。また、インシュレータ３７及び外部端子３８は、蓋部１３の表面１３Ａ側に設けられている。

インシュレータ３７は、樹脂などの絶縁材料からなり、外部端子３８と蓋部１３との間に介在し、外部端子３８と蓋部１３とを絶縁する。また、インシュレータ３７には、貫通孔３７Ａが設けられている。

外部端子３８は、集電端子３５のかしめ部を収容する凹部４０を備える。凹部４０は、表面３８Ａで開口し、表面３８Ａ側から見て円形状の形状を有している。凹部４０の底面４２には、貫通孔３８Ｂが設けられている。外部端子３８は、貫通孔３８Ｂが、インシュレータ３７の貫通孔３７Ａ、ガスケット３６の貫通孔３６Ａ、及び蓋部１３の貫通孔１３Ｃと位置が一致するように配置されている。

また、凹部４０の底面４２には、窪み部４３が形成されている。窪み部４３は、外部端子３８の底面４２に溝状に形成されている。外部端子３８の表面３８Ａと凹部４０の底面４２は、傾斜面４４によって接続されている。つまり、凹部４０の側面は、傾斜面４４となっている。傾斜面４４は、凹部４０の開口部４０Ａから底面４２にむかうにつれ、凹部４０の内径が縮径するように傾斜している。傾斜面４４の傾斜角は一定である。また、傾斜面４４と窪み部４３とは連続している。

外部端子３８の貫通孔３８Ｂ、インシュレータ３７の貫通孔３７Ａ、ガスケット３６の貫通孔３６Ａには、集電端子３５が挿通される。集電端子３５は、その一端が、ケース１２及び蓋部１３によって形成される内部空間１５に突出している。

集電端子３５の一方の端部は、接続部材５０を介して電極体１４（図１参照）に接続されている。集電端子３５は、他方の端部にかしめ部４１を備えている。かしめ部４１は、貫通孔３８Ｂの内径よりも大きい外径を有する略円盤状の部分である。かしめ部４１は、集電端子３５の端部が凹部４０に向かって押圧されてかしめられることにより形成され、外部端子３８の凹部４０に収容されている。

かしめ部４１の底面には、突部４５が形成されている。突部４５は、集電端子３５を構成する金属材が窪み部４３に圧入することにより形成されるものである。突部４５は、外部端子３８の窪み部４３に嵌合している。突部４５及び窪み部４３は互いに嵌合する凹凸構造をなす。

かしめ部４１の一部は、外部端子３８に、ＦＳＷ（Friction Stir Welding、摩擦攪拌接合）、レーザー溶接、アーク溶接、超音波溶接等の溶接又はろう接により接合される。こうしてインシュレータ３７及び外部端子３８は、かしめ部４１と蓋部１３との間に保持される。なお、インシュレータ３７及び蓋部１３の間と、インシュレータ３７及び外部端子３８の間とには接着層は設けられていないが、各部材のずれを抑制するために接着層を設けてもよい。

正極集電部３２の集電端子（図示略）は、正極板１９の基材と同様に、アルミニウム又はアルミニウム系の材料からなる点で負極集電部３１と相違する。つまり、正極集電部３２の外部端子（図示略）、集電端子（図示略）及びバスバーは、同一又は同一成分系の材料からなる。

図３は、外部端子３８のうち凹部４０を含む部分の平面図であって、集電端子３５が取り付けられていない状態を示す。窪み部４３は、平面からみて貫通孔３８Ｂを囲む環状をなしている。

本実施形態の集電構造についてその作用とともに詳述する。負極集電部３１における作用と正極集電部３２における作用は同様であるため負極集電部３１について説明する。集電端子３５をかしめる前は、集電端子３５の端部３５Ａは凹部４０から突出している。集電端子３５の端部３５Ａには、治具５１を挿入するための穴部３５Ｃが設けられている。穴部３５Ｃに治具５１を差し込み、治具５１を圧入しながら回転させることにより、集電端子３５の端部３５Ａが塑性変形する。このとき、集電端子３５の端部３５Ａは、治具５１の押圧力を受けて端部３５Ａの軸方向と直交する径方向に広がり、傾斜面４４に押し付けられる。傾斜面４４に押し付けられた金属材は、傾斜面４４に沿って変形し、窪み部４３に入る。窪み部４３は環状の形状をなすため、金属材が径方向に広がる際に窪み部４３に圧入されやすい。

また、外部端子３８には、バスバーが接合されるため、バスバーを介して振動や急な加減速等により外力が加わる場合がある。集電端子３５及び外部端子３８は接合により互いに固定されているため、集電端子３５及び外部端子３８は外れにくくなっている。本実施形態では、その構造に加え、集電端子３５のかしめ部４１の突部４５と外部端子３８の窪み部４３とが凹凸構造をなすため、集電端子３５と外部端子３８との間に蓋部１３の表面１３Ａと平行な方向の外力が加わったとしても、集電端子３５及び外部端子３８が、ずれにくいといった効果が得られる。

上記実施形態の効果について説明する。
（１）外部端子３８の凹部４０の底面４２に窪み部４３が形成されているため、集電端子３５の金属材が圧入される容積を増やすことができる。また、凹部４０の側面が傾斜しているため、集電端子３５をかしめるときに窪み部４３に金属材が圧入されやすい。このため、かしめ部４１が、外部端子３８の表面３８Ａから突出することを抑制することができる。

（２）傾斜面４４と窪み部４３が連続して設けられるため、傾斜面４４に沿って金属材が窪み部４３に圧入されやすい。このため、金属材を窪み部４３にほぼ隙間なく充填することができる。
（３）金属材は環状の窪み部４３に沿って回り込むため、金属材を窪み部４３にほぼ隙間なく充填することができる。

（４）窪み部４３は凹部４０の底面４２に溝状に形成されるため、底面４２を切り欠いて窪み部４３を形成する場合に比べて凹部４０の底面４２の強度を良好に維持することができる。

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。
・上記実施形態では、蓋部１３の表面１３Ａから突出した集電端子３５の端部３５Ａをかしめるようにした。これに代えて若しくは加えて、図５に示すように、蓋部１３のうち、表面１３Ａと反対側の面である裏面１３Ｂから突出する端部３５Ｂをかしめることで、集電端子３５を蓋部１３に取り付けるようにしてもよい。この場合、裏面１３Ｂにおいて端部３５Ｂをかしめた後に、蓋部１３をケース１２に取り付ける。外部端子３８は、ガスケット３６の内側に取り付けられる。外部端子３８は、上記実施形態と同様の構成である。この場合においても外部端子３８の表面３８Ａから集電端子３５が突出するのを抑制することができる。このため、集電端子３５の突出した部分が、外部端子３８に接合する接続部材５０に接触することが抑制されるため、接続部材５０のレイアウトや形状の制約を少なくすることができる。

・上記実施形態では、傾斜面４４は一定の傾斜角を有する平面である。これに代えて、図６に示すように、凹部４０に、湾曲面である傾斜面４６を設けてもよい。
・上記実施形態では、窪み部４３は、溝状の形状を有する。これに代えて若しくは加えて、図７に示すように傾斜面４４の下端に対して段差を設けることにより窪み部４８を形成してもよい。この構成によれば、窪み部４３の容積の拡大を図ることができる。

・窪み部４３は、凹部４０の底面に形成され金属材が圧入可能な形状であればよく、上記実施形態の形状及び数に限定されない。図８に示すように、複数の円弧状の窪み部５２を貫通孔３８Ｂの周りに配置するようにしてもよい。図８の例では、１対の窪み部５２が底面４２に位置する。また、図９に示すように、貫通孔３８Ｂの周りに、複数の直線状の窪み部５３を設けるようにしてもよい。直線部としての窪み部５３は、凹部４０の底面４２の中央部に位置する貫通孔３８Ｂを中心に放射状に延出している。この構成によれば、異なる方向に延出する窪み部５３に金属材を圧入できるため金属材を窪み部に充填しやすい。

・上記各実施形態では、電池モジュール１１の電極体１４を、複数の負極板１８及び複数の正極板１９を、セパレータを介して交互に積層した積層型の構造とした。これに代えて、電極体１４を、長尺の正極板及び長尺の負極板を長尺のセパレータを介して扁平に捲回した捲回型の構造としてもよい。また、二次電池は、電池モジュール１１以外であってもよく、例えば複数のセルを備えるモジュールであってもよい。要は、正極集電部３２及び負極集電部３１を備え、電極体に充放電できるものであればよい。

・電池モジュール１１は、電気自動車、ハイブリッド自動車、ガソリン自動車やディーゼル自動車等の車両やその他の移動体に用いられてもよい。又は、家庭定置用、産業定置用の二次電池であってもよい。

・上記実施形態では、電池モジュール１１を、リチウム含有複合酸化物を含む正極合材と、炭素材料を含む負極合材とを備えるリチウムイオン二次電池として説明したが、リチウムイオン二次電池に限定されず、ニッケル水素二次電池等の他の正極合材及び負極合材を有する電池であってもよい。また、上記の集電構造１０を有する電池モジュール１１は、角型に限らず円筒型であってもよい。

１１…電池モジュール
３５…集電端子
３８…外部端子
４０…凹部
４１…かしめ部
４３，４８…窪み部
４４，４６…傾斜面

Claims (5)

1. 外部端子と、
   金属材からなり、軸方向の一方の端部が電極体に電気的に接続され、他方の端部が前記外部端子に接するかしめ部を有する集電端子とを備え、
   前記外部端子は、
   開口部及び底面を有し、前記かしめ部を収容する凹部と、
   前記凹部の底面に形成された窪み部とを備え、
   前記凹部は、前記開口部から前記底面に向かって前記凹部が縮径するように傾斜する傾斜面を側面に有する、電池。
2. 前記窪み部は、前記傾斜面に連続して設けられる
   請求項１に記載の電池。
3. 前記窪み部は環状の形状を有する
   請求項１又は２に記載の電池。
4. 前記窪み部は、前記凹部の底面の中央部から前記傾斜面に向かって放射状に広がる複数の直線部を有する
   請求項１又は２に記載の電池。
5. 前記窪み部は、前記凹部の底面に形成された溝である
   請求項１～４のいずれか１項に記載の電池。

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