JP4284926B2

JP4284926B2 - 集合型二次電池

Info

Publication number: JP4284926B2
Application number: JP2002157007A
Authority: JP
Inventors: 浩哉梅山; 泰祥深尾
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2022-05-30
Also published as: JP2003346772A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集合型二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、集合型二次電池としては、セパレータを正極板及び負極板で挟み込んだ構造を積層してなる極板群とこの極板群を浸漬するアルカリ電解液とを有する単電池を、複数個直列に接続したものが知られている。例えば、特開２００１−９３５０３には、図６に示すような集合型二次電池１００が提案されている。この集合型二次電池１００は、ケース１１０の内部を隔壁１２２，１２２，…で仕切ることにより形成した複数の電槽１２３，１２３，…のそれぞれに単電池１４０を収納し、これらの単電池１４０，１４０，…を直列に接続したものである。各単電池１４０は、正極板１４１及び負極板１４２でセパレータ１４３を挟み込んだ構造を積層してなる極板群１４５を有している。この集合型二次電池１００では、隣り合う単電池のうち、一方の単電池１４０が有する複数の正極板１４１の端部を揃えてなる正極板端面に集電板１５０が取り付けられ、もう一方の単電池１４０が有する複数の負極板１４２の端部を揃えてなる負極板端面に集電板１６０が取り付けられている。そして、正極側の集電板１５０の上部に形成された突部と負極側の集電板１６０の上部に形成された突部とが、隔壁１２２の上部に形成された通過穴を介して導通可能となるように連結されて直列接続箇所１７０を形成している。この集合型二次電池１００では、正極側の集電板１５０は正極板端面の上から下まで接触した状態であり、負極側の集電板１６０は負極板端面の上から下まで接触した状態であるため、極板群１４５を流れる電流は各正極板１４１の全面から正極側の集電体１５０、直列接続箇所１７０及び負極側の集電体１６０を経て各負極板１４２の全面へと流れる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、直列接続箇所１７０を基点として正極板１４１及び負極板１４２をみたとき、直列接続箇所１７０からの距離が短い部位つまり正極板１４１及び負極板１４２の上部では電気抵抗が小さいため多くの電流が流れるのに対して、直列接続箇所１７０からの距離が長い部位つまり正極板１４１及び負極板１４２の下部では電気抵抗が大きいため少ない電流しか流れない。ここで、図６における白抜き矢印は電流の流れを表し、矢印の幅は電流の多寡を表す。このように極板群１４５を流れる電流分布が不均一になると、極板群１４５の全体が均一に充放電能力を発揮せず、充放電時に能力を十分発揮できない。なお、特開２００１−３２５９３８号公報には、正極側及び負極側の集電板を上下方向に３分割した構造が提案されているが、この場合も分割された各集電板から直列接続箇所までの距離に応じて電気抵抗が異なるため、極板群を流れる電流分布が不均一になり、やはり充放電時に能力を十分発揮できない。
【０００４】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、充放電時に能力を十分に発揮することのできる集合型二次電池を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。すなわち、本発明は、複数の正極板及び負極板を積層してなる極板群を有する単電池を直列に接続した集合型二次電池であって、
前記単電池が有する複数の正極板の端部を揃えてなる正極板端面と、
前記単電池が有する複数の負極板の端部を揃えてなる負極板端面と、
前記正極板端面の複数箇所と直列接続における接続箇所とを電気的に結ぶ正極側集電体と、
前記負極板端面の複数箇所と直列接続における接続箇所とを電気的に結ぶ負極側集電体と
を備え、
前記正極側集電体は、前記正極板端面の複数箇所の各々から前記直列接続における接続箇所までの電気抵抗が略同じで、前記負極側集電体は、前記負極板端面の複数箇所の各々から前記直列接続における接続箇所までの電気抵抗が略同じものである。
【０００６】
この集合型二次電池では、直列接続における接続箇所を基点として正極板端面をみたとき、正極板端面までの距離の短い部位であっても距離の長い部位であっても、電気抵抗が略同じであるため流れる電流も略同じである。また、直列接続における接続箇所を基点として負極板端面をみたとき、負極板端面までの距離の短い部位であっても距離の長い部位であっても、電気抵抗が略同じであるため流れる電流も略同じである。したがって、充放電時に極板群を流れる電流分布が略均一になり、極板群の全体が略均一に能力を発揮し、充放電時に十分な能力を発揮する。
【０００７】
ここで、「直列接続における接続箇所」は、隣り合う単電池同士を直列接続する箇所をいうが、これに加えて外部接続端子と単電池とを接続する箇所を含む意としてもよい。また、電気抵抗を略同じにするには、例えば長さ、断面積、抵抗率などの電気抵抗に関わるパラメータの値を適宜調整すればよい。
【０００８】
本発明の集合型二次電池において、前記正極側集電体又は前記負極側集電体は、先端が分岐されて複数の分岐端をなし該複数の分岐端が前記正極板端面又は前記負極板端面の複数箇所の各々に接合され、基端が前記直列接続における接続箇所をなすようにしてもよい。こうすれば、正極側集電体及び負極側集電体を比較的簡単に作製することができる。
【０００９】
本発明の集合型二次電池において、前記正極側集電体又は前記負極側集電体は、前記正極板端面又は前記負極板端面の長手方向に沿った異なる箇所に接合されていてもよい。この場合には、直列接続における接続箇所を基点として正極板端面をみたとき、正極板端面までの距離が短い部位と長い部位との差が比較的大きく、また負極板端面についても同様であるため、本発明を適用する意義が大きい。例えば、前記正極側集電体又は前記負極側集電体は、前記正極板端面又は前記負極板端面の長手方向に沿った異なる２箇所に接合されていてもよいが、３箇所以上の異なる箇所に接合されていてもよい。
【００１０】
本発明の集合型二次電池において、前記正極側集電体又は前記負極側集電体は、長さの異なる複数の集電体要素を接合することにより先端が分岐されて複数の分岐端をなす形状に形成されていてもよい。こうすれば、正極側集電体及び負極側集電体を比較的簡単に作製することができる。
【００１１】
このとき、前記複数の集電体要素は、電気抵抗が略同じになるように、各々の長さに応じて断面積が決められていてもよい。一般に導電体の電気抵抗はその導電体の長さに比例し断面積に反比例するから、集電体要素の長さが長いほど断面積を大きくすれば電気抵抗を略同じにすることができる。
【００１２】
あるいは、前記複数の集電体要素は、電気抵抗が略同じになるように、各々の長さに応じて抵抗率が決められていてもよい。一般に導電体の電気抵抗はその導電体の長さ及び抵抗率に比例するから、集電体要素の長さが長いほど抵抗率を小さくすれば電気抵抗を略同じにすることができる。なお、各集電体要素の抵抗率を変えるには、たとえば各集電体要素の材質を変えればよい。
【００１３】
あるいは、前記複数の集電体要素は、電気抵抗が略同じになるように、各々の長さに応じて前記正極板端面又は前記負極板端面との接触面積が決められていてもよい。一般に電気抵抗は正極板端面又は負極板端面との接触面積によっても変化するから、例えば集電体要素の長さが長いほど接触面積を大きくすれば電気抵抗を略同じにすることができる。
【００１４】
本発明の集合型二次電池において、前記直列に接続された単電池のうち隣り合う単電池はケース内部を隔壁で仕切った電槽内にそれぞれ収納され、前記隣り合う単電池同士を直列接続する箇所は前記隔壁にて両電槽を連通する通過穴に形成されていてもよい。こうすれば、隣り合う単電池同士をケース外部で直列接続する場合に比べて、集合型二次電池をコンパクト化できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明を一層明らかにするために、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１は本実施形態の集合型二次電池１０の外観を表す斜視図、図２は集合型二次電池１０の縦断面図、図３は図２の部分拡大図、図４は図２のＡ−Ａ断面図である。
【００１６】
本実施形態の集合型二次電池１０は、図１及び図２に示すように、ケース２０内に複数設けられた電槽２３，２３，…のそれぞれに単電池４０を収容し、これら複数の単電池４０を直列に接続した角型密閉式電池である。本実施形態では、単電池４０としてニッケル水素二次電池を例に挙げて説明する。
【００１７】
ケース２０は、図２に示すように、樹脂製のケース本体２１が同じく樹脂製のケース蓋３０によって密閉されたものである。ケース本体２１は、上面が開口した直方体状に形成され、その内部は隔壁２２，２２，…によって仕切られて複数の電槽２３，２３，…が形成されている。ケース本体２１の各隔壁２２には各単電池４０を直列に接続するための通過穴２４（図３参照）が設けられ、ケース本体２１の各端壁２５には外部接続端子２６を露出させるための通過穴２７が設けられている。なお、一方の端壁２５の外部接続端子２６が正極端子、もう一方の端壁２５の外部接続端子２６が負極端子である。ケース蓋３０は、各電槽２３の上方に天穴３１が設けられ、隣り合う天穴３１，３１には連通蓋３２が被せられ、この連通蓋３２に形成された連通路３３により両天穴３１，３１が連通されている。ケース蓋３０には、ケース２０の内部圧力が所定圧以上になったときに圧力を開放するための安全弁３４（図１参照）が取り付けられ、また、ケース２０の内部温度を検出する温度検出センサ３６を装着するためのセンサ装着部３５が形成されている。なお、ケース２０内の電槽２３，２３，…は連通路３３によって連通されているため、安全弁３４は一つだけ設けておけば十分である。
【００１８】
単電池４０は、水酸化ニッケルを主活物質とする正極板４１と、水素を可逆的に吸蔵・放出する水素吸蔵合金を主原料とする負極板４２と、イオン伝導性が高く正極板４１と負極板４２との短絡を防止するセパレータ４３と、正極板４１及び負極板４２を浸漬し正極・負極の電気化学反応に伴うイオンを輸送する役割を果たすアルカリ電解液４４とを備えている。図４に示すように、正極板４１及び負極板４２は、セパレータ４３を挟み込みながら多数枚積層されて極板群４５を構成している。本実施形態では、セパレータ４３は不織布製の袋であり、正極板４１に被せられている。各正極板４１の一端は自由端であり、他端は揃えられて正極板端面４１ａをなし、この正極板端面４１ａには正極側リード４６が接合されている。この正極側リード４６は、両側縁が内側に折り曲げられた略長方形の板状に形成されている。また、各負極板４２の一端は自由端であり、他端は揃えられて負極板端面４２ａをなし、この負極板端面４２ａには負極側リード４７が接合されている。この負極側リード４７は、両側縁が内側に折り曲げられた略長方形の板状に形成されている。なお、極板群４５の外側には外周セパレータ４８が配設されている。
【００１９】
図２に示すように、正極側リード４６には、正極側集電体５０が溶接されている。この正極側集電体５０は、正極側リード４６の上部に溶接された長さの短い第１集電体要素５１と、正極側リード４６の中部に溶接された長さが中位の第２集電体要素５２と、正極側リード４６の下部に溶接された長さの長い第３集電体要素５３とから構成されている。図３に示すように、これら集電体要素５１，５２，５３の間には、上端周辺を除き絶縁フィルム５４が挿入されている。各集電体要素５１，５２，５３は、段差を有する導電板であり、正極側リード４６に溶接されている側とは反対側の端部５０ａが揃えられてこの端部で一体となるようにかしめ溶接されている。この結果、正極側集電体５０の全体形状をみたとき、先端（下端）が分岐されて複数の分岐端をなし基端（上端）が分岐されていない非分岐端をなしている。また、正極側集電体５０の基端には、隔壁２２に設けられた通過穴２４に挿入可能な凸部５５が設けられている。この凸部５５は第３集電体要素５３に設けられている。更に、正極側集電体５０は、第１集電体要素５１と正極側リード４６との接合面から凸部５５までの電気抵抗と、第２集電体要素５２と正極側リード４６との接合面から凸部５５までの電気抵抗と、第３集電体要素５３と正極側リード４６との接合面から凸部５５までの電気抵抗が略同じになるように、各集電体要素５１，５２，５３の長さに応じてその断面積が決められている。一般に電気抵抗は長さに比例し断面積に反比例すること、また、第１集電体要素５１が最も短く第３集電体要素５３が最も長いことから、第１集電体要素５１の断面積が最も小さく第３集電体要素５３の断面積が最も大きくなるように設定されている。
【００２０】
図２に示すように、負極側リード４７には、負極側集電体６０が溶接されている。この負極側集電体６０は、負極側リード４７の上部に溶接された長さの短い第１集電体要素６１と、負極側リード４７の中部に溶接された長さが中位の第２集電体要素６２と、負極側リード４７の下部に溶接された長さの長い第３集電体要素６３とから構成されている。図３に示すように、これら集電体要素６１，６２，６３の間には上端周辺を除き絶縁フィルム６４が挿入されている。各集電体要素６１，６２，６３は、段差を有する導電板であり、負極側リード４７に溶接されている側とは反対側の端部６０ａが揃えられこの端部６０ａにて一体となるようにかしめ溶接されている。この結果、負極側集電体６０の全体形状をみたとき、先端（下端）が分岐されて複数の分岐端をなし基端（上端）が分岐されていない非分岐端をなしている。また、負極側集電体６０の上端には、隔壁２２に設けられた通過穴２４に挿入可能な凸部６５が設けられている。この凸部６５は第３集電体要素６３に設けられている。更に、負極側集電体６０は、第１集電体要素６１と負極側リード４７との接合面から凸部６５までの電気抵抗と、第２集電体要素６２と負極側リード４７との接合面から凸部６５までの電気抵抗と、第３集電体要素６３と負極側リード４７との接合面から凸部６５までの電気抵抗が略同じになるように、各集電体要素６１，６２，６３の長さに応じてその断面積が決められている。一般に電気抵抗は長さに比例し断面積に反比例すること、また、第１集電体要素６１が最も短く第３集電体要素６３が最も長いことから、第１集電体要素６１の断面積が最も小さく第３集電体要素６３の断面積が最も大きくなるように設定されている。
【００２１】
隣り合う単電池４０，４０のうち一方の単電池４０に接合された正極側集電体５０の凸部５５ともう一方の単電池４０に接合された負極側集電体６０の凸部６５とは、図３に示すように、隔壁２２の通過穴２４に挿入され突き合わされた状態で溶接されて集電体連結部７０をなしている。この集電体連結部７０は直列接続における接続箇所に相当する。また、図２に示すように、集合型二次電池１０の一端に配置された単電池４０は、正極側集電体５０の凸部５５が端壁２５の通過穴２７に挿入された状態で外部接続端子２６と溶接されている。この溶接箇所も直列接続における接続箇所に相当する。なお、図示しないが、集合型二次電池１０の他端に配置された単電池４０も、負極側集電体６０の凸部６５が外部接続端子２６と溶接されており、この溶接箇所も直列接続における接続箇所に相当する。
【００２２】
次に、本実施形態の集合型二次電池１０の作用について説明する。両接続端子２６，２６の間に負荷を接続して集合型二次電池１０の内部で放電反応を行うとき、隣り合う単電池４０，４０は集電体連結部７０で電気的に接続されているため、一方の単電池４０の正極側リード４６から集電体連結部７０を経てもう一方の単電池４０の負極側リード４７へと電流が流れる。このとき、正極側リード４６の上部、中部、下部の各々から正極側集電体５０の各集電体要素５１，５２，５３を経て集電体連結部７０に至るまでの電気抵抗はいずれも略同じであり、また、負極側リード４７の上部、中部、下部の各々から負極側集電体６０の各集電体要素６１，６２，６３を経て集電体連結部７０に至るまでの電気抵抗もいずれも略同じである。一方、正極側リード４６の上部、中部、下部の各々から正極側集電体５０の各集電体要素５１，５２，５３を経て正極端子である外部接続端子２６に至るまでの電気抵抗はいずれも略同じであり、負極側リード４７の上部、中部、下部の各々から負極側集電体６０の各集電体要素６１，６２，６３を経て負極端子である外部接続端子２６に至るまでの電気抵抗もいずれも略同じである。このため、極板群４５を流れる電流は上部、中部、下部にかかわらず略均一になる。なお、図２の白抜き矢印は電流の流れを表し、矢印の幅は電流の多寡を表す。また、両接続端子２６，２６の間に図示しない充電器を接続して充電反応を行うときも、放電時と同様、極板群４５を流れる電流が略均一になる。
【００２３】
以上詳述した本実施形態の集合型二次電池１０によれば、集電体連結部７０を基点として正極側リード４６の接合部位及び負極側リード４７の接合部位をみたとき、集電体連結部７０からの距離が短い部位であっても長い部位であっても電気抵抗が略同じであり、また、正極端子である外部接続端子２６又は負極端子である外部接続端子２６を基点として正極側リード４６の接合部位又は負極側リード４７の接合部位をみたとき、外部接続端子２６からの距離が短い部位であっても長い部位であっても電気抵抗が略同じであるため、充放電時に極板群４５を流れる電流分布が略均一になり、極板群４５の全体が略均一に充放電能力を発揮することができる。
【００２４】
また、正極側集電体５０は、長さの異なる複数の集電体要素５１，５２，５３を接合することにより先端が分岐されて複数の分岐端をなす形状に形成されているため、比較的簡単に作製することができる。この点は負極側集電体６０についても同様である。
【００２５】
更に、正極側集電体５０は、各分岐端即ち集電体要素５１，５２，５３の各下端から基端即ち集電体連結部７０までの電気抵抗が略同じになるように、各集電体要素５１，５２，５３の長さに応じてその断面積を決めるため、比較的簡単に電気抵抗を略同じにすることができる。この点は負極側集電体６０についても同様である。
【００２６】
更にまた、正極側集電体５０は各分岐端即ち集電体要素５１，５２，５３の各下端が正極側リード４６の長手方向に沿った異なる３箇所に接合されており、各集電体要素５１，５２，５３の下端から集電体連結部７０までの距離が比較的大きく異なるため、本発明を適用する意義が大きい。この点は負極側集電体６０についても同様である。
【００２７】
そしてまた、隣り合う単電池４０，４０はケース２０の内部を隔壁２２で仕切った電槽２３，２３，…内にそれぞれ収納され、集電体連結部７０は隔壁２２にて両電槽２３，２３を連通する通過穴２４に形成されているため、隣り合う単電池４０，４０をケース２０の外部で直列接続する場合に比べて外観をコンパクト化できる。
【００２８】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００２９】
例えば、上述した実施形態では、正極側集電体５０を構成する第１〜第３集電体要素５１，５２，５３はそれぞれの先端から基端までの電気抵抗が略同じになるように、長さが長いほど断面積が大きくなるようにしたが、長さが長いほど正極側リード４６との接触面積が大きくなるようにしてもよいし、長さが長いほど抵抗率が小さくなるようにしてもよい。この場合、抵抗率を変えるには導電材料の種類を変えればよい。あるいは、第１〜第３集電体要素５１，５２，５３につき断面積や抵抗率を略同じにすると共に長さも略同じにしてもよい。この場合、第１，２集電体要素５１，５２の長さを第３集電体要素５３の長さに合わせて長くし余分な部分は適宜折り畳んだり巻いたりすればよい。なお、これらの点は負極側集電体６０についても同様である。
【００３０】
また、上述した実施形態では、正極側集電体５０を構成する第１〜第３集電体要素５１，５２，５３の間隙に絶縁フィルム５４を挟み込んだが、絶縁フィルム５４を挟み込む代わりに空隙をあけてもよい。この点は負極側集電体６０についても同様である。
【００３１】
更に、上述した実施形態では、正極側リード４６が正極板端面４１ａの全面を覆うようにしたが、正極側リード４６を上、中、下の３つに分割し各分割体と各集電体要素５１，５２，５３とを接合してもよい。あるいは、正極側リード４６を省略して各集電体要素５１，５２，５３を正極板端面４１ａと直接接合してもよい。この点は負極側リード４７についても同様である。
【００３２】
更にまた、上述した実施形態では、正極側集電体５０を第１〜第３集電体要素５１，５２，５３で構成したが、図５に示すように、一枚の金属板に切削加工等を施すことにより一つの要素で構成してもよい。この点は負極側集電体６０についても同様である。なお、この場合も、上述した実施形態と同様の位置に絶縁フィルム５４を設けたり空隙を設けたりすることが好ましい。
【００３３】
そしてまた、上述した実施形態では、二次電池としてニッケル水素二次電池を例示したが、ニッカド二次電池やリチウム水素二次電池等のような他の二次電池であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の集合型二次電池の外観を表す斜視図である。
【図２】本実施形態の集合型二次電池の縦断面図である。
【図３】図２の部分拡大図である。
【図４】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図５】他の実施形態の正極側集電体の断面図である。
【図６】従来の集合型二次電池の縦断面図である。
【符号の説明】
１０…集合型二次電池、２０…ケース、２１…ケース本体、２２…隔壁、２３…電槽、２４…通過穴、２５…端壁、２６…外部接続端子、２７…通過穴、３０…ケース蓋、４０…単電池、４１…正極板、４１ａ…正極板端面、４２…負極板、４２ａ…負極板端面、４３…セパレータ、４４…アルカリ電解液、４５…極板群、４６…正極側リード、４７…負極側リード、５０…正極側集電体、５１〜５３…第１〜第３集電体要素、５４…絶縁フィルム、５５…凸部、６０…負極側集電体、６１〜６３…第１〜第３集電体要素、６４…絶縁フィルム、６５…凸部、７０…集電体連結部、

Claims

複数の正極板及び負極板を積層してなる極板群を有する単電池を直列に接続した集合型二次電池であって、
前記単電池が有する複数の正極板の端部を揃えてなる正極板端面と、
前記単電池が有する複数の負極板の端部を揃えてなる負極板端面と、
前記正極板端面の複数箇所と直列接続における接続箇所とを電気的に結ぶ正極側集電体と、
前記負極板端面の複数箇所と直列接続における接続箇所とを電気的に結ぶ負極側集電体と
を備え、
前記正極側集電体は、前記正極板端面の複数箇所の各々から前記直列接続における接続箇所までの電気抵抗が略同じであり、
前記負極側集電体は、前記負極板端面の複数箇所の各々から前記直列接続における接続箇所までの電気抵抗が略同じであり、
前記正極側集電体又は前記負極側集電体は、先端が分岐されて複数の分岐端をなし該複数の分岐端が前記正極板端面又は前記負極板端面の複数箇所の各々に接合され、基端が前記直列接続における接続箇所をなす
集合型二次電池。
前記正極側集電体又は前記負極側集電体は、前記正極板端面又は前記負極板端面の長手方向に沿った異なる箇所に接合されている
請求項１記載の集合型二次電池。
前記正極側集電体又は前記負極側集電体は、前記正極板端面又は前記負極板端面の長手方向に沿った３箇所以上の異なる箇所に接合されている
請求項１記載の集合型二次電池。
前記正極側集電体又は前記負極側集電体は、長さの異なる複数の集電体要素を接合することにより先端が分岐されて複数の分岐端をなす形状に形成されている
請求項１〜３のいずれかに記載の集合型二次電池。
前記複数の集電体要素は、電気抵抗が略同じになるように、各々の長さに応じて断面積が決められている
請求項４記載の集合型二次電池。
前記複数の集電体要素は、電気抵抗が略同じになるように、各々の長さに応じて抵抗率が決められている
請求項４記載の集合型二次電池。
前記複数の集電体要素は、電気抵抗が略同じになるように、各々の長さに応じて前記正極板端面又は前記負極板端面との接触面積が決められている
請求項４記載の集合型二次電池。
前記直列に接続された単電池のうち隣り合う単電池はケース内部を隔壁で仕切った電槽内にそれぞれ収納され、前記隣り合う単電池同士を直列接続する箇所は前記隔壁にて両電槽を連通する通過穴に形成されている
請求項１〜７のいずれかに記載の集合型二次電池。