JP3552152B2 - 扁平巻回電極電池 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、巻回電極を持つ電池の技術分野に属し、特に電気自動車への応用に好適な巻回電極電池の技術分野に属する。
【0002】
【従来の技術】
近年、電気自動車が社会の注目を集めているが、電気自動車用の電池(バッテリ)としては、数十個〜数百個程度の単電池が接続された組電池が使用されている。それゆえ、電気自動車用の電池には、組電池を構成するための接続が容易であることが、生産性の面から要求される。
【0003】
また、電気自動車用の電池では、携帯電話等の情報機器用の電池とは異なり、大電流での放電を行える能力が要求される。それゆえ、通常の巻回電極電池では正極および負極からそれぞれタブを介して電流を取り出しているが、電気自動車用の電池では過熱焼損の恐れがあるので、単一または少数のタブを介して電流を取り出す構成を取ることはできない。かといって、多数のタブを正極および負極のそれぞれに取り付けていたのでは、生産性の点で不利であり、あまり実用的とは言えない。
【0004】
電気自動車に適用が可能な大電流に耐える巻回電極電池としては、特開平9−92335号公報および特開平9−92249号公報に開示された従来の技術が存在する。これらの公報に開示された巻回電極電池では、正極および負極から巻回軸長方向に突出したタブ状の突出端部が、それぞれ正極端子および負極端子に接続されている。それゆえ、正極端子と負極端子とは、円筒状の電池容器の互いに反対側の端面に絶縁部材を介して固定されており、互いに背向して配設されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の両公報に開示された巻回電極電池では、巻回電極電池の両端部に互いに背向して正極端子および負極端子が配設されているので、電気自動車に適用した場合のように組電池を構成しようとすると、作業性が良くない。すなわち、組電池を構成するための接続部材が、巻回電極電池の両端面側に必要になるので、巻回電極電池の両側から接続部材の組み付け作業を行うことが必要とされる。それゆえ、組電池を構成する際の作業性が悪く、組電池の生産性が劣るという不都合があった。
【0006】
そこで本発明は、多数の単電池からなる組電池を構成する際の作業性に優れ、高い生産性が発揮される巻回電極電池を提供することを解決すべき課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、発明者らは以下の手段を発明した。
(第1手段)
本発明の第1手段は、請求項1記載の扁平巻回電極電池である。
本手段の扁平巻回電極電池は、扁平な形状の巻回軸芯と、帯状の正極および負極と両極間に介在するセパレータとが巻回された扁平巻回電極と、これら巻回軸心及び扁平巻回電極を収納する容器と、先端側がこの容器より同一方向に外部に突出した端子部をもつ正極端子および負極端子とを有する。そして、正極および負極は、巻回軸長方向に沿って互いに反対方向にセパレータから突出した電極活物質が塗布されていない辺縁部であってそれぞれ正極端子および負極端子に接続されている突出端部を持つ。また、これら正極端子及び負極端子は、扁平状となった突出端部の辺縁部に沿って延び、かつ扁平状となって平行する全ての積層された突出端部と溶接された板状の接続部と、この接続部と一体的に形成された棒状の端子部とをもつ。
【0008】
本手段では、巻回電極が扁平形状をしているので、周方向に所定の長さをもつ正極および負極を巻回しても、両面での巻回積層数が少なく、かつ、突出端部の平行部の長さが長く取れる。それゆえ、各突出端部と平行に正極端子および負極端子の板状の接続部を配置し、各突出端部を積層した状態でこの板状の接続部で接合すれば、正極および負極の各部からそれぞれ正極端子および負極端子に至る距離が短縮される。その結果、正極および負極の内部での電流が流れる距離が短縮されて内部抵抗が減るとともに、各突出端部と正極端子および負極端子との接続部においてそれぞれの接続抵抗も低減されるので、大電流に耐える巻回電極電池を構成することができる。
【0009】
また、正極端子および負極端子が、単電池の同一方向に配設されているので、多数の単電池からなる組電池を構成する際の作業性に優れ、高い生産性が発揮される。
したがって本手段によれば、大電流での使用にも耐えることができながら、多数の単電池からなる組電池を構成する際の作業性に優れ、高い生産性が発揮される扁平巻回電極電池を提供することができるという効果がある。
【0010】
(第2手段)
本発明の第2手段は、請求項2記載の扁平巻回電極電池である。
本手段では、正極端子および負極端子の板状の各記接続部は扁平状に巻回された突出端部の軸心部分に配置されている。そしてこの板状の接続部の両面にそれぞれ積層された各突出端部が溶接されている。
各突出端部は、それぞれ重ね合わされて正極端子および負極端子の板状の接続部の両面に溶接されているので、突出端部の各層が、確実かつ容易に正極端子または負極端子に接続される。それゆえ、接続抵抗が抑制され、電池の内部抵抗が低減されて、発熱が抑制されるので、よりいっそう大電流に耐えることができるようになる。また、リベット接合などと異なり、スポット溶接およびシーム溶接等の電気溶接や、超音波溶接などによる接続が容易であるので、単電池としての生産性も向上する。
【0011】
したがって本手段によれば、前述の第1手段の効果に加えて、単電池としての生産性も向上していながら、よりいっそう大電流に耐えることができ、いっそう信頼性に優れた扁平巻回電極電池を提供することができるという効果がある。
(第3手段)
本発明の第3手段は、請求項3記載の扁平巻回電極電池である。
【0012】
本手段では、板状の各接続部は巻回軸芯に保持され、一つの接続部はこの巻回軸心に保持された連結部により一つの端子部に一体的に連結されている。すなわち、正極端子および負極端子のうち一方は、巻回軸芯の巻回軸長方向の一方に保持された接続部と、巻回軸芯の一方から突出した端子部とを持つ。また、正極端子および負極端子のうち他方は、巻回軸芯の巻回軸長方向の他方に保持された接続部と、巻回軸芯の上記一方から突出した端子部と、接続部と端子部とを連結する連結部とを持つ。それゆえ、巻回軸長方向の一方から正極端子および負極端子の両方が突出しているので、組電池を構成する際の作業性が極めて良く、組電池の生産性が向上する。また、正極端子および負極端子が巻回軸芯に保持されているので、力学的にも強固な構造が形成される。
【0013】
したがって本手段によれば、前述の第1手段の効果がよりいっそう強化されるうえに、構造がより強固になるという効果がある。
(第4手段)
本発明の第4手段は、請求項4記載の扁平巻回電極電池である。
本手段では、正極端子は、正極の突出端部に接合された接続部と、巻回軸長方向と直交する扁平軸長方向に突出する端子部とを持つ。同様に、負極端子は、負極の突出端部に接合された接続部と、巻回軸長方向と直交する扁平軸長方向に突出する端子部とを持つ。それゆえ、巻回軸長方向の一方から正極端子および負極端子の両方が突出しているので、組電池を構成する際の作業性が極めて良く、組電池の生産性が向上する。
【0014】
したがって本手段によれば、前述の第1手段の効果がよりいっそう強化されるという効果がある。
(第5手段)
本発明の第5手段は、請求項5記載の扁平巻回電極電池である。
この手段では、板状の各接続部は扁平状に巻回された突出端部の外側に配置されている。そして板状の接続部の片面に積層された突出端部が溶接されている。接続部の配置位置を突出端部の軸心側と共に外側でも良いことを示すものである。
(第6手段)
本発明の第6手段は、請求項6記載の扁平巻回電極電池である。
この手段では、第5手段の各端子部を規定したものである。すなわち、各端子部は、巻回軸長方向と直交する扁平軸長方向に突出し、それぞれ端子部はそれぞれの接続部とそれぞれ連結部で一体的に連結されている
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明の扁平巻回電極電池の実施の形態については、当業者に実施可能な理解が得られるよう、以下の実施例で明確かつ十分に説明する。
[実施例1]
(実施例1の構成)
本発明の実施例1としての扁平巻回電極電池は、図1に示すように、扁平な形状の巻回軸芯3と、帯状の正極41および負極42と両極間に介在するセパレータ43とが巻回された扁平巻回電極4と、同一方向に配設された正極端子1および負極端子2とを有する。そして、正極41および負極42は、巻回軸長方向に沿って互いに反対方向にセパレータから突出した電極活物質が塗布されていない辺縁部であってそれぞれ正極端子1および負極端子2に接続されている突出端部411,421を持つ。
【0016】
正極端子1および負極端子2は、共に金属製の導電体からなり、正極端子1の突出端部411および負極端子2の突出端部421は、同一方向に配設されて突出している。
巻回軸芯3は、図2に示すように、水平断面が長円形の扁平形状をしている合成樹脂(ポリプロピレン等)製の絶縁部材であって、正極端子1および負極端子2を一体的に保持している。
【0017】
すなわち、巻回軸芯3の巻回軸長方向の一方の端部には、L字状の正極端子1の基部にあたる扁平な接続部11を保持する凹部が形成されており、正極端子1の接続部11は、同凹部に嵌合して巻回軸芯3に固定される。また、巻回軸芯3の巻回軸長方向の他方の端部には、長L字状の負極端子2の基部にあたる扁平な接続部21を保持する凹部が形成されており、負極端子2の接続部21は、同凹部に嵌合して巻回軸芯3に固定されている。さらに巻回軸芯3には、巻回軸長方向の一方と他方とを連通する貫通孔が形成されており、同貫通孔には負極端子2の接続部21と端子部22とを連結する連結部23が挿入されて固定されている。正極端子1の接続部11と負極端子2の接続部21とは、巻回軸芯3の両側面からそれぞれ面一に露出している。
【0018】
同じく図2に示すように、正極端子1は、巻回軸芯3の巻回軸長方向の一方に保持された接続部11と、巻回軸芯3の巻回軸長方向の一方から突出した端子部12とを持つ一体部材である。一方、負極端子2は、巻回軸芯3の巻回軸長方向の他方に保持された接続部21と、巻回軸芯3の巻回軸長方向の上記一方から突出した端子部22と、接続部21と端子部22とを連結する連結部23とを持つ一体部材である。
【0019】
なお、正極端子1は、正極41のアルミニウム箔からなる突出端部411との溶接が容易であるように、アルミニウム合金から形成されている。一方、負極端子2は、負極42の銅箔からなる突出端部421との溶接が容易であるように、銅合金から形成されている。
扁平巻回電極4は、図3に示すように、正極活物質層412が両面に形成された帯状の正極41と、負極活物質層422が両面に形成された帯状の負極42と、正極41と負極42との間にそれぞれ介在する二枚の帯状のセパレータ43とからなる。セパレータ43は、両極41,42に電極活物質412,422が塗布された領域よりも巻回軸長方向の幅が広く、また巻回方向の長さも両極41,42よりも長く形成されているポリエチレン製またはポリプロピレン製のシートである。
【0020】
正極41および負極42は、巻回軸長方向に沿って、互いに反対方向に二枚のセパレータ43から突出した電極活物質412,422が塗布されていない辺縁部である突出端部411,421を持つ。そして、両極41,42および二枚のセパレータ43は、再び図1に示すように、扁平な巻回軸芯3の周囲に幾重にも巻回されて扁平巻回電極4を形成している。
【0021】
同じく図1に示すように、各突出端部411,421は、それぞれ重ね合わされて、扁平巻回電極4の内周側に配設された正極端子1および負極端子2に溶接されている。
すなわち、正極41の突出端部411は、扁平巻回電極4の一端部を形成しており、扁平巻回電極4の内周側に配設されている正極端子1の接続部11に、超音波溶接よって片面につきそれぞれ二ヶ所の溶接部5で接続されている。正極41の突出端部411は、図4に示すように、正極端子1の接続部11に押し付けられて超音波溶接されている。なお、上記図4では、作図上の都合で扁平巻回電極4が厚めに描かれているせいで、正極41の接続部11に当接して重ね合わされた突出端部411の巻回軸長方向の長さが、外周部の正極41では不足するように見える。しかし、実際には扁平巻回電極4の厚さが薄く、また、巻回軸長方向の寸法がもっと長いので、突出端部411の巻回軸長方向の長さが正極41の外周部で不足するような不都合が生じることはない。
【0022】
同様に、負極42の突出端部421は、再び図1に示すように、扁平巻回電極4の他端部を形成しており、扁平巻回電極4の内周側に配設されている負極端子2の接続部21に、超音波溶接よって片面につきそれぞれ二ヶ所の溶接部5で接続されいる。
なお、図1に示した本実施例の扁平巻回電極電池の要部は、内側に適正な絶縁層を持つ容器(図略)に収容され、同容器からは正極41および負極42の端子部12,22だけが同一方向に突出して外部端子を形成している。
【0023】
(実施例1の作用効果)
本実施例の扁平巻回電極電池は、以上のように構成されているので、以下のような作用効果を発揮する。
第一に、正極端子1の端子部12と負極端子2の端子部22とが、巻回軸長方向の一方に並行して突出しているので、多数の単電池からなる組電池を構成する際の作業性に優れ、高い生産性が発揮されるという効果がある。
【0024】
第二に、電池の内部抵抗が小さくなり、大電流に耐えることができるという効果がある。
その理由は三つあり、その一は、扁平巻回電極4が巻回軸芯3を一周する毎に、四ヶ所の溶接部5で突出端部411,421が、それぞれ正極端子1および負極端子2に接続されているからである。すなわち、両極41,42のうち電極活物質412,422が塗布されている部分で生じた起電力による電流は、主に巻回軸長方向に流れ、周方向には長くても四分の一周未満の距離を流れるだけで、正極端子1または負極端子2に達する。それゆえ、両極41,42の内部での電流が減るので、ジュール熱の発生が抑制され、扁平巻回電極4の過熱損傷が防止される。
【0025】
理由のその二は、各突出端部411,421につきそれぞれ四ヶ所で正極端子1または負極端子2に溶接されているので、接続抵抗が小さく抑制されており、溶接部5の一箇所当たりのジュール熱の発生が小さく抑制されている。それゆえ、溶接部5での過熱が防止され、過熱による溶接部5の剥離や電池活性部分の損傷が防止されている。
【0026】
理由のその三は、後述するように、溶接部5の接続が強固であって、構造的に強いばかりではなく、接続抵抗が小さく抑制されており、溶接部5での過熱が防止され、過熱による溶接部5の剥離や電池活性部分の損傷が防止されている。
以上の理由をもって、電池の内部抵抗が小さくなり、大電流に耐えることができるという効果が発揮される。
【0027】
第三に、正極端子1および負極端子2が巻回軸芯3に保持されており、両端子1,2と巻回軸芯3とが一体化しているので、構造が強固に構成されると共に、組立が容易になるという効果がある。
第四に、扁平巻回電極4の正極41および負極42の巻回回数が少なく、突出端部213,223の積層厚さが薄いので、各突出端部213,223をそれぞれ正極端子1の接続部11および負極端子2の接続部21に容易に溶接することができる。
【0028】
すなわち、図5に示すように、平行部の長さが100mmで厚さが3mmの扁平な巻回軸芯3を仮定し、その周囲に扁平巻回電極4を形成するものとすると、図6に示すように、かなり長く巻いても溶接部5の接合は容易である。すなわち、巻回される正極41および負極42の長さが10mにまで達しても、巻数は40回程度に留まり、積層厚さは20mm強にしかならないので、突出端部411,421の厚さはごく薄く限定される。その結果、突出端部411,421を正極端子1および負極端子2の接続部11,21に接合する作業は、容易に行うことができる。なお、図6に示した接合容易領域と接合難領域とは、超音波溶接を仮定してのことである。
【0029】
本実施例の扁平巻回電極電池では、大きな電池容量になっても、溶接部5の接合が容易であり、しっかりと接続がなされるので、前述のように、構造的に強固であるばかりではなく、電池の内部抵抗が抑制されるという効果がある。
第五に、溶接部5は超音波溶接によって溶接されているので、溶接時の発熱量が少なく、扁平巻回電極4の電極活物質層412,422やセパレータ43を過熱によって損傷することが防止されている。それゆえ、本実施例の扁平巻回電極電池によれば、生産時の歩留まりが良く、高い信頼性が発揮されるという効果がある。
【0030】
(実施例1の変形態様1)
本実施例の変形態様1として、溶接部5の溶接方法として、超音波溶接の代わりに、スポット溶接等の抵抗溶接やレーザ溶接などの他の溶接方法を取ることが可能である。本変形態様によっても、前述の第1手段の作用効果と同様の作用効果が発揮される。
【0031】
なお、このような変形態様は、以下の各実施例についても実施可能であり、本変形態様と同様の作用効果が得られる。
(実施例1の変形態様2)
本実施例の変形態様2として、正負両端子1,2の各接続部11,21にそれぞれ正負両極41,42の突出端部411,421を溶接する溶接部5の箇所をもっと増やした扁平巻回電極電池の実施が可能である。本変形態様では、正負両極41,42の突出端部411,421がそれぞれ重ね合わされている部分が、左右対称ではなくなるが、電池容器に格納されてしまえば外観には表れず、奇異な感じをユーザーに与えることはない。本変形態様によれば、よりいっそう大電流に耐えることができる扁平巻回電極電池を提供することができるという効果がある。
【0032】
なお、このような変形態様は、以下の各実施例についても実施可能であり、本変形態様と同様の作用効果が得られる。
[実施例2]
(実施例2の構成)
本発明の実施例2としての扁平巻回電極電池は、正極端子1と正極41の突出端部411との接合前の状態を図7に示し、接合後の状態を図8に示すように、実施例1とは形状の異なる正極端子1および負極端子2を採用している。これに伴って、巻回軸芯(図略)は同一の断面を持った単純な扁平形状の樹脂部材から形成され、巻回軸芯の巻回軸長方向の長さはセパレータ43の幅程度に実施例1よりも短くなっている。また、図示しない容器の形状も、正極端子1および負極端子2(図略)の突出方向および位置の変更に伴って、適正に変更されている。その他の点については、本実施例の扁平巻回電極電池の構成は、実施例1の構成と同様である。
【0033】
すなわち、正極端子1’は、図7に示すように、正極41の突出端部411に接合された接続部11’と、巻回軸長方向と直交する扁平軸長方向に突出する端子部12’と、両者11’,12’を連結する短い連結部13’を持つ。正極端子1’の接続部11’は、縁部分が丸められた長方形板形状をしており、図8に示すように、正極41の突出端部411に片側それぞれ二ヶ所ずつの溶接部5で超音波溶接されている。すなわち、突出端部411は、両側でそれぞれ重ね合わされて、扁平巻回電極4の内周側に配設された正極端子1’の接続部11’に溶接されている。
【0034】
負極端子(図略)および負極42の突出端部421についても、同様である。すなわち、本実施例の扁平巻回電極電池は、巻回軸長方向と直交する扁平軸長方向に並行して突出する正極端子1’および負極端子(図略)の端子部(12’のみを図示)とを持つ。
(実施例2の作用効果)
本実施例の扁平巻回電極電池によっても、実施例1とおおむね同様の作用効果が発揮される。あえて付記すれば、正極端子1’および負極端子(図略)が巻回軸芯(図略)に嵌合しないので、部品の寸法精度を甘く設定することができ、実施例1よりもややコストダウンが可能である。
【0035】
[実施例3]
(実施例3の構成)
本発明の実施例3としての扁平巻回電極電池は、図9に示すように、正極端子1”は、正極41の突出端部411に接合された接続部11”と、巻回軸長方向と直交する扁平軸長方向に突出する端子部と12”とを持つ。
【0036】
すなわち、前述の実施例2とは異なり、正極端子1”の接続部11”と端子部12”とは、接続部11”と直交して形成された連結部13”によって接続されている。接続部11”および連結部13”は、巻回軸長方向から見てL字状に形成されているので、正極端子1”の端子部12”は、おおむね扁平巻回電極4の対称面上に配設される。
【0037】
また、扁平巻回電極4の正極41の突出端部411も、前述の実施例2とは異なり、片側の平行部が反対側の平行部に押し付けられている。すなわち、突出端部411の両側の平行部が一方に重ね合わされて、突出端部411の外側から当接した正極端子1”の接続部11”に四ヶ所の溶接部5で超音波溶接されている。このようなことは、巻回軸芯3の厚さと扁平巻回電極4の厚さとが薄いから可能なことであって、通常の円筒状の巻回電極をもってしては難しいであろう。
【0038】
扁平巻回電極4の負極の突出端部(図略)と負極端子(図略)とに関しても、以上の正極端子1側と同様の構成である。
それゆえ、本実施例の扁平巻回電極電池は、前述の実施例2と同様に、巻回軸長方向と直交する扁平軸長方向に並行して突出する正極端子1”および負極端子(図略)の端子部(12’のみを図示)とを持つ。
【0039】
(実施例3の作用効果)
本実施例の扁平巻回電極電池によっても、実施例2と同様の作用効果が得られる。あえて付け加えるならば、溶接作業が扁平巻回電極4の一方の側面だけから行えるので、溶接工程の工数が低減されるという効果がある。また、扁平巻回電極4の一周につき、突出端部411,421(図略)の溶接部5が片側で四ヶ所ずつ、合計八ヶ所に形成されるので、溶接部5での接続抵抗がさらに低減されるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の扁平巻回電極電池の要部構成を示す部分切開斜視図
【図2】実施例1の巻回軸芯と正負両端子との構成を示す斜視図
【図3】実施例1の扁平巻回電極の構成を示す展開図
【図4】実施例1の扁平巻回電極の端部付近の構成を示す側断面図
【図5】実施例1の巻回軸芯の主要寸法の一例を示す平面図
【図6】実施例1の扁平巻回電極の接合容易性を示すグラフ
【図7】実施例2としての扁平巻回電極電池の要部構成を示す分解斜視図
【図8】実施例2としての扁平巻回電極電池の要部構成を示す斜視図
【図9】実施例3としての扁平巻回電極電池の要部構成を示す斜視図
【符号の説明】
1,1’,1”:正極端子(アルミニウム合金製)
11,11’,11”:接続部
12,12’,12”:端子部 13’,13”:連結部
2:負極端子(銅合金製)
21:接続部 22:端子部 23:連結部
3:巻回軸芯(合成樹脂製)
4:扁平巻回電極
41:正極 411:突出端部 412:正極活物質層
42:負極 421:突出端部 422:負極活物質層
43:二枚のセパレータ(ポリエチレン製またはポリプロピレン製)
5:溶接部(超音波溶接またはスポット溶接)

Claims (6)

  1. 扁平な形状の巻回軸芯と、
    電極活物質が両面に塗布された帯状の正極および負極と、該正負両極の間にそれぞれ介在する帯状のセパレータとが、該巻回軸芯の周囲に巻回された扁平巻回電極と、
    該巻回軸心及び該扁平巻回電極を収納する容器と、
    先端側が該容器より同一方向に外部に突出した端子部をもつ正極端子および負極端子と、を有し、
    該正極および該負極は、巻回軸長方向に沿って互いに反対方向に該セパレータから突出した電極活物質が塗布されていない辺縁部であってそれぞれ該正極端子および該負極端子に接続されている突出端部を持ち、
    該正極端子及び該負極端子は扁平状となった該突出端部の該辺縁部に沿って延びかつ扁平状となって平行する全ての積層された該突出端部と溶接された板状の接続部と該接続部と一体的に形成された棒状の該端子部とからなる、ことを特徴とする、
    扁平巻回電極電池。
  2. 板状の各前記接続部は扁平状に巻回された該突出端部の軸心部分に配置され、かつ、板状の該接続部の両面にそれぞれ積層された該突出端部が溶接されている、
    請求項1記載の扁平巻回電極電池。
  3. 板状の各前記接続部は前記巻回軸芯に保持され、一方の該接続部は該巻回軸心に保持された連結部により一方の該端子部に一体的に連結されている、
    請求項2記載の扁平巻回電極電池。
  4. 各前記端子部は、巻回軸長方向と直交する扁平軸長方向に突出し、それぞれ該端子部は前記接続部と連結部で一体的に連結されている、
    請求項2記載の扁平巻回電極電池。
  5. 板状の各前記接続部は扁平状に巻回された該突出端部の外側に配置され、かつ、板状の該接続部の片面に積層された該突出端部が溶接されている、
    請求項1記載の扁平巻回電極電池。
  6. 各前記端子部は、巻回軸長方向と直交する扁平軸長方向に突出し、それぞれ該端子部は前記接続部と連結部で一体的に連結されている、
    請求項5記載の扁平巻回電極電池。
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