JP4281492B2

JP4281492B2 - 二次電池及びその製造方法

Info

Publication number: JP4281492B2
Application number: JP2003333910A
Authority: JP
Inventors: 直実粟野; 博河合; 智明田村; 達則毛受
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: JP2005100840A

Description

本発明は、二次電池及びその製造方法に関し、詳しくは安全性が高く簡単に製造できる二次電池及びその製造方法に関する。

近年の電気自動車、ハイブリッド自動車などの電動車両の開発が活発に行われている。この電動自動車の駆動用電源として、性能、信頼性、安全性に優れた二次電池の要望が高まっている。

これらの電動車両において駆動用電源には、高い起電力と、高いエネルギー密度が求められている。高い起電力と高いエネルギー密度を得られる二次電池として、リチウム電池に代表される非水電解質型二次電池が脚光を浴びている。

高エネルギー密度を有する二次電池は、電池に何らかの異常が発生し暴走などが進行すると電池の破裂などの危険がある。従って、電池の異常発生時には電池の破裂防止のために所定の圧力で開くガス排出部材などの安全弁が二次電池を構成する単位電池に装着されているのが一般的である。安全弁は、電池の異常により電池内部にてガスが発生し内圧が上昇した場合に安全弁が開き、発生したガスを外部に放出する。実際の二次電池では、安全弁から外部に放出されたガスをガス排出ダクトなどで回収し、人的又はシステムに悪影響を与えないようにしている。
特開２００２−８６０３号公報特開２００２−２１６７３１号公報

従来の二次電池では、ガス排出ダクトを取り付ける際に、単位電池１個１個を連結していくため、組み付け性が悪くなり、生産性に限界が生じる（特許文献１の（０００６）段落及び２の（０００６）段落参照）。特許文献１及び２に開示された二次電池はある程度生産性を向上できるものの以下の不都合があった。すなわち、特許文献１に記載の二次電池はガス排出ダクトの取り付けにグロメットなどからなる別部材であるシール部材を介して行っているので、シール部材を取り付ける工程が余分に必要になるという不都合があった。また、特許文献２に記載の二次電池は複数のガス排出ダクトを組み合わせていることによる工数増加に加えて、別部材としてのパッキンを介して接続していることでパッキン取り付けに要する工程が余分に必要であるという不都合があった。

そこで本発明では上記実情に鑑み、ガス排出ダクトを接続する場合に気密性よく簡単に行うことができ生産性を向上できる二次電池及び二次電池の製造方法を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明の二次電池は、発電要素である電極体と、該電極体を収納する電池ケースと、該電池ケース内外を連通可能な貫通孔をもつ管状の本体部をもつガス排出部材と、をもつ単位電池を所定間隔にて複数個配列した組電池と、
複数の該単位電池がもつ該本体部の該電池ケース外側に開口する外側開口部に対応して設けられ該外側開口部に接続されたガス導入口をもち該ガス排出部材から排出されるガスを内部に流すガス排出ダクトと、を有し、
前記ガス排出ダクトは、前記各外側開口部に接続される前記ガス導入口を下側部分にもつように縦に分割された２つの部材を熱融着により接続した単一の部材であり、
それぞれの該外側開口部近傍及び該ガス導入口近傍が熱可塑性樹脂より構成され、
それぞれの該外側開口部及び該ガス導入口は熱融着により接続されたことを特徴とする。

つまり、安全弁として作用するガス排出部材の外側開口部とガス排出ダクトのガス導入口とのそれぞれの近傍を熱可塑性樹脂により構成し且つ熱融着にて接続することで気密性は高いままに簡単に接続することができることに想到して本発明を行った。特に、ガス排出部材及びガス排出ダクトをそれぞれ熱可塑性樹脂にて一体的に形成することで部品点数を少なくすることもできるので好ましい。ここで、ガス排出部材には貫通孔を封止し電池ケースの内外を所定条件時に連通する封止部材をもつことができる。

また、前記ガス排出ダクトは、縦に分割された２つの部材を熱融着により接続していることで、製造時の作業性を向上できる。

更に上記課題を解決する本発明の二次電池の製造方法は、上述した二次電池を製造する方法であって、前記外側開口部及び前記ガス導入口は熱融着により接続することを特徴とする。

また上記課題を解決する本発明の二次電池の製造方法は、上述した組電池を備える二次電池を製造する方法であって、複数の前記単位電池がもつ前記外側開口部及びそれぞれ対応する複数の前記ガス導入口は熱融着により同時に接続されることを特徴とする。

縦に分割されたガス排出ダクトをもつ二次電池を製造するには、前記ガス排出ダクトの前記２つの部材の接続は、前記外側開口部及び前記ガス導入口を接続した後に行うことが好ましい。

ガス排出部材の外側開口部とガス排出ダクトのガス導入口とのそれぞれの近傍を熱可塑性樹脂により構成し且つ熱融着にて接続することで気密性は高いままに作業性良く簡単に接続できる。特に、ガス排出部材及びガス排出ダクトをそれぞれ熱可塑性樹脂にて一体的に形成することで部品点数を少なくできる。また、ガス排出部材及びガス排出ダクトをそれぞれ熱可塑性樹脂にて一体的に形成することで部品点数を少なくすることもできコストが低減できる。

組電池を備える二次電池において、単位電池を配列させる間隔を一定間隔にすることで、一般的な生産ロボットを組み立てに適用することが容易になる。更に、外側開口部及びガス導入口の熱融着による接続は同時に行うことで高い生産性を発揮できる。

本発明の二次電池及びその製造方法について、以下、実施形態に基づき詳細に説明する。本実施形態の二次電池は特に限定しないが、リチウム二次電池などの非水電解質型二次電池や、ニッケル水素二次電池などが好ましい。以下の説明ではリチウム二次電池に基づいて説明を行う。

（二次電池）
本実施形態の二次電池は単位電池とガス排出ダクトとを有する。単位電池は電極体と電池ケースとガス排出部材とをもつ。電極体は発電要素であり、正極、負極及びセパレータなどの一般的な構成をもつ。正極及び負極はセパレータを介して単純に積層乃至は積層して捲回されている。正極、負極及びセパレータは一般的なものを採用することができる。セパレータに代えて固体電解質を採用することもできる。

リチウム二次電池の場合を例に説明すると、正極はリチウムイオンを吸蔵及び放出可能なリチウム−金属複合酸化物などを正極活物質をもつものであり、負極はリチウムイオンを吸蔵及び放出可能な炭素系材料などの負極活物質をもつものである。セパレータは、正極及び負極を電気的に絶縁し、電解液を保持する役割を果たすものであり、電解液がしみ込んでイオンが透過し易いように、多孔質化されている。

電池ケースとしては電極体を保護でき、電池内の雰囲気下で物理的・化学的に安定な素材からなるものなら特に限定しない。例えば、金属、プラスティックなどである。エネルギー密度向上の観点からはフィルムなどからなることが好ましい。電池ケースを構成するフィルムは耐電解液性、電解液・空気などの透過性などの諸性能を発揮させるために必要なフィルム（ポリオレフィンフィルム、ポリエステルフィルム、アルミ箔など）を積層したラミネートフィルムなどを用いることが好ましい。また、電池ケースの形状についても角型、円筒形など特に限定されない。

ガス排出部材は、電池ケース内外を連通可能な貫通孔をもつ管状の部材である本体部をもつ。電池ケースの外側に開口する外側開口部近傍は熱可塑性樹脂より構成される。貫通孔によって電池ケースの内外を連通できる。ガス排出部材は全体が熱可塑性樹脂より一体的に形成されることが好ましい。

単位電池は複数個組み合わせて組電池にすることもできる。組電池にすることで必要な端子電圧、出力などを得ることができる。組電池とした場合には所定間隔にて配列させるが所定間隔としては一定間隔にすることで製造時における作業性が向上する。

ガス排出ダクトは外側開口部に接続されたガス導入口をもちガス排出部材から排出されるガスを内部に流し所定の場所にて排出する単一の部材である。外側開口部及びガス導入口は熱融着によって接続される。そのために、ガス導入口近傍は熱可塑性樹脂より構成される。両者を構成する熱可塑性樹脂の種類は互いに熱融着可能なものである。ガス排出ダクトは全体が熱可塑性樹脂で一体的に形成されることが好ましい。そして、長手方向で縦に分割されている。分割された部分のうち、下側部分にそれぞれの単位電池が備える外側開口部に接続されるガス導入口が設けられる。分割は２以上に分割できる。ガス排出ダクト全体としてすべての外側開口部に接続されればよい。ガス排出ダクトは電池ケース内部から排出されるガスを所定の場所に導く。所定の場所としては特に限定されず、排出ガスによる影響が少ない場所や、排出ガスを無害化処理（吸着など）できる装置内などである。

単位電池のガス排出部材及びガス排出ダクトのいずれかには電池ケースの内外の連通を封止する封止部材をもつ。通常は電池ケースの内外は封止されていることが好ましいので封止部材により封止する。封止部材は所定条件時（例えば、電池ケース内が、所定圧力以上になった場合、所定温度以上になった場合など）に封止をとき、電池ケース内外を連通させる。その結果、高くなりすぎた圧力などを外部に逃がすことができ二次電池の安全性が向上する。封止部材はガス排出部材の本体部の貫通孔や、ガス排出ダクトの内部を封止する部材であり、例えば、逆止弁や、破断しやすいフィルムなどにより封止部材を構成できる。電池ケースをラミネートフィルムにて構成する場合にはガス排出ダクトの電池ケース内側の開口部をラミネートフィルムにより封止することで封止部材にすることができる。

（二次電池の製造方法）
本実施形態の二次電池の製造方法は前述した二次電池において、単位電池が備えるガス排出部材の外側開口部とガス排出ダクトのガス導入口との接続方法に特徴をもつ。具体的には外側開口部とガス導入口との接続は熱融着により行う。熱融着の方法は特に限定しないが単純な加熱や超音波照射などにより熱可塑性樹脂を溶融させ一体化することで接合させる。

特に単位電池が組電池を構成する場合には、組電池を構成する単位電池がもつ外側開口部及びそれぞれ対応する複数の前記ガス導入口は熱融着により同時に接続されることが好ましい。また、ガス排出ダクトが長手方向で縦に分割されている場合に分割されたガス排出ダクトの接続は、外側開口部及びガス導入口を接続した後に行うことが好ましい。

本実施例は、単位電池としてリチウム二次電池を採用した組電池である、図１（上面図）及び２（正面図）に示すように、単位電池１０はリチウム二次電池の電極体を電解液とともに電池ケース１１にて封止したものである。単位電池１０の上面には正極端子１２、負極端子１４、ガス排出部材１３及び電解液注入口１６が配設される。正極端子１２及び負極端子１４は電極体の正負極にそれぞれ電気的に接続される。ガス排出部材１３は電池ケース１１の内外を連通可能な貫通孔をもつ管状の本体部（図略）とその貫通孔を封止する封止部材（図略）とをもつ。封止部材は電池ケース１１内の圧力が所定以上になった場合に電池ケース１１の内外を貫通孔にて連通し、電池ケース１１内部のガスを電池ケースの外に排出する作用をもつ。

単位電池１０は、図３に示すように、厚み方向に複数個積層して組電池１とする。隣接した単位電池１間の正負極端子間をバスバー１５ａ及びｂにて接続する。バスバー１５ａ及びｂはそれぞれ金属板を折り曲げてフィンを形成した部材であり、所定間隔にて３つの山及び２つの谷が交互に形成される。バスバー１５はフィンにより単位電池１０を冷却する冷却部材としての作用を併せもつ。

ガス排出部材１３は組電池１の上面に一列に並んでいる。図４に示すように、ガス排出部材１３の外側開口部１３１はまとめてガス排出ダクト３が接続されている。外側開口部１３１とガス排出ダクト３とは熱融着により隙間なく接続されている。ガス排出部材１３及びガス排出ダクト３は熱融着性向上の観点から同じ種類の熱可塑性樹脂（例えばポリオレフィン）から構成されている。

図５に基づきガス排出部材１３及びガス排出ダクト３の接続方法を説明する。ガス排出部材１３の外側開口部１３１にガス排出ダクト３のガス排出ダクト下側部分３１のガス導入口を接続する。ガス排出ダクト下側部分３１は組電池１の上面にあるガス排出部材１３の外側開口部１３１に対応する部分に複数のガス導入口をもち、複数のガス導入口は複数の外側開口部１３１に同時にはめ込む。それぞれのガス排出部材１３は位置決め用の鍔部１３２をそれぞれもち、ガス排出ダクトのガス導入口は鍔部１３２に接するまではめ込まれる（図５ａ）。その後、鍔部１３２の下側とガス排出ダクト下側部分３１のガス導入口近傍とをそれぞれヒータ９２及び９１にて狭持しながら加熱溶融することで両者の間を熱融着して一体化する（図５ｂ）。

ヒータ９２は鍔部１３２の下側に接し鍔部１３２近傍を僅かに加熱する（図５ｃ：図５ｃはヒータ９２を鍔部１３２から離した状態にしてあるとともに、ヒータ９１及びガス排出ダクト下側部分３１の図示は省略している。）。図には示さないが、ヒータ９１はガス導入口の数だけあり、ガス排出部材１３及びガス排出ダクト下側部分３１の接続部分を加熱溶融させる（図５ｄ）。

ヒータ９１及び９２を外した後（図５ｄ）、ガス排出ダクト上側部分３２をガス排出ダクト下側部分３１の上方に接続する。その後、ガス排出ダクト下側部分３１及び上側部分３２の接続部分をヒータ９４及び９３にてそれぞれ狭持して加熱溶融して一体化する（図５ｅ及び４ｆ）。

ガス排出ダクト３及びガス排出部材１３は熱融着によって完全に一体化しており、ガス排出部材１３から排出されるガスが接続部分から漏れることはない。また、ガス排出ダクト３と個々の単位電池１０のガス排出部材１３はまとめて接続できるので、生産性が大幅に向上できる。

実施例における単位電池の上面概略図である。実施例における単位電池の正面概略図である。実施例における組電池の上面概略図である。実施例における組電池の斜視概略図である。実施例におけるガス排出部材及びガス排出ダクトの接続方法を示した概略図である。

符号の説明

１…組電池
１０…単位電池
１１…電池ケース１２…正極端子１３…ガス排出部材１３１…外側開口部１３２…鍔部１４…負極端子１５…バスバー１６…電解液注入口
３…ガス排出ダクト
９１、９２、９３、９４…ヒータ

Claims

発電要素である電極体と、該電極体を収納する電池ケースと、該電池ケース内外を連通可能な貫通孔をもつ管状の本体部をもつガス排出部材と、をもつ単位電池を所定間隔にて複数個配列した組電池と、
複数の該単位電池がもつ該本体部の該電池ケース外側に開口する外側開口部に対応して設けられ該外側開口部に接続されたガス導入口をもち該ガス排出部材から排出されるガスを内部に流すガス排出ダクトと、を有し、
前記ガス排出ダクトは、前記各外側開口部に接続される前記ガス導入口を下側部分にもつように縦に分割された２つの部材を熱融着により接続した単一の部材であり、
それぞれの該外側開口部近傍及び該ガス導入口近傍が熱可塑性樹脂より構成され、
それぞれの該外側開口部及び該ガス導入口は熱融着により接続されたことを特徴とする二次電池。
前記ガス排出部材は前記貫通孔を封止し前記電池ケースの内外を所定条件時に連通する封止部材をもつ請求項１に記載の二次電池。
前記所定間隔は一定である請求項１又は２に記載の二次電池。
前記ガス排出部材及び前記ガス排出ダクトはそれぞれ熱可塑性樹脂により一体的に形成されている請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池。
請求項１〜４のいずれかに記載の二次電池を製造する方法であって、
前記外側開口部及び前記ガス導入口は熱融着により接続することを特徴とする二次電池の製造方法。
請求項１〜５のいずれかに記載の二次電池を製造する方法であって、
複数の前記単位電池がもつ前記外側開口部及びそれぞれ対応する複数の前記ガス導入口は熱融着により同時に接続されることを特徴とする二次電池の製造方法。
請求項１〜４の何れか１項に記載の二次電池を製造する方法であって、
前記ガス排出ダクトの前記２つの部材の接続は、前記外側開口部及び前記ガス導入口を接続した後に行う二次電池の製造方法。