JP4540035B2 - 電池及び電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、リチウム電池等の電池の端子締付構造に関し、特にリチウムイオン電池に設けられる端子の締付構造に関する。

電気自動車のモータ駆動用等に使用される中・大型の電池としてリチウム電池が注目されている。リチウム電池は、次のような特徴を有するがゆえに、電気自動車用の電源装置として注目されている。
（１）体積及び重量当たりのエネルギー密度が高く、軽量化及び大容量化が図れる。
（２）高出力密度であるため、大電流を取り出すことができる。
（３）充放電サイクル性能に優れ寿命が長い。
（４）動作温度範囲が広い。
（５）急速充電が可能である。
（６）自己放電が少ない。

中・大型のリチウム電池に多用される端子は、電槽内部において集電体に接続される基端部と、ネジ部を有しかつ前記電槽（蓋）に開けた端子孔から外部に引き出された先端部とを備えている。そして、この端子の先端部外周に形成したネジ部にナットを螺合して締め付けることにより、端子孔と端子の間に挟んだガスケットを圧縮変形させて、端子孔と端子の隙間をシールする端子部密封方式を採用しているものがある。

一方、リチウム電池の正極集電体には主としてアルミニウムが使用されている。これは、アルミニウムは電解液中において貴な電位においても安定に存在できる金属であることによる。このとき、正極集電体と接続される端子、特に電槽内部において集電体に接続される端子の基端部を構成する金属についても、正極と同じ電位がかかっており、且つ、電解液に接触する部分であるため、やはりアルミニウムが用いられる。

中・大型のリチウム電池（公称容量が１０¹Ａｈ以上１０³Ａｈ未満のもの）では、端子を通して大電流を取り出すことができる必要がある。例えば公称容量２００Ａｈの電池が１０ＩｔＡの放電率で放電されるときには２，０００Ａの電流が端子を流れることになる。端子を大電流に耐えるものとするためには、第一に、端子の径を大きくする必要がある。第二に、端子の材質に電気抵抗の小さなものを選択する必要がある。

アルミニウム材料としては、純アルミニウムとアルミニウム合金とがある。ここで、純アルミニウムとは、純度９９．０％以上のアルミニウムをいう。機械的強度の面からは、アルミニウム合金を使用するのが好ましいが、大電流を取り出す用途に用いる中・大型のリチウム電池においては、電極から端子に至る電子伝導経路の抵抗を少しでも下げる必要があるため、機械的強度をある程度犠牲にしても、より電子伝導性の高い純アルミニウム（例えば、ＪＩＳ Ａ１０５０等）を用いるのが好ましい。

しかしながら、中・大型のリチウム電池の場合、端子の径が大きいためにガスケットの圧縮部分の面積が大きくなり、ガスケットを規定量まで圧縮変形させるのに必要なナットの締付力が非常に大きくなる。従って、純アルミニウム製の端子を使用した場合、ナットの締め付けに伴って端子のネジ山が破損しやすくなることから、ナットの締付力をあまり大きくとれず、その結果として、高信頼度のシールを実現できなくなるおそれが出てくる。

このような場合の対策として、従来、端子のネジ部を形成する際に、１回の冷間鍛造でネジ部を形成することにより、ネジ部の表面硬度をビッカース硬度でＨＶ４０以上に高めるという技術がある（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１４４２８８号公報

しかし、冷間鍛造による表面硬化では、ネジ部の強度は大して高められない。よって、この技術を中・大型のリチウム電池にそのまま適用したとしても、ネジ部の強度の関係から、高い締付力でナットを締め込むことができず、結果的に、ガスケットの圧縮量を十分に高められないことにより、高信頼のシールを得られないおそれがある。

本発明は、上記事情を考慮し、ナットを強く締め付けても、端子のネジ部が破損するおそれがなく、大きな圧縮力を確実にガスケットに与えることができ、シールの信頼性を高めることが可能な、純アルミニウム製の端子を備えた電池の端子締付構造を提供することを目的とする。

本発明は発電要素を収納した電槽と、前記電槽に形成された開口に配置された純アルミニウム製の端子と、前記電槽と前記端子との間に介在されたガスケットと、を有し、前記端子は、電槽内部において前記発電要素に接続される基端部と、ネジ部を有しかつ前記電槽の外部に突出する先端部とを備え、前記先端部の前記ネジ部に螺合されるナットを締め込むことにより、前記ナットと前記端子の基端部とで前記ガスケットを圧縮変形させて前記端子と前記電槽との隙間をシールする電池において、前記端子の前記ネジ部の表面に硬質アルマイト処理による硬化膜が形成されていることを特徴とする。

本発明では、硬質アルマイト処理による硬化膜の厚さを１０〜１００μｍの範囲に設定することで、ネジ部の表面のビッカース硬さをＨＶ３５０〜５００の範囲に調整するのが好ましい。

これにより、１４０〜２００Ｎ・ｍの締め付けトルクで前記ネジ部に螺合されるナットが締め込まれても、ネジ山が潰れることがない。従って、公称容量１０Ａｈ以上の中・大型電池の正極端子に適用できる。

本発明によれば、高い電池性能を維持するために純アルミニウム製の端子を使用しながらも、ナットを締め付ける端子のネジ部の表面を硬質アルマイト処理により硬化させているので、ネジ山の潰れを恐れずに、強くナットを締め付けることができ、ガスケットを高い圧力で圧縮変形させて、端子引き出し部分のシールの信頼性を高めることができる。ここで、硬質アルマイト処理により得られるビッカース硬さＨＶ３５０〜５００は、従来の冷間鍛造による表面硬化では得られないオーダーの硬さであり、ネジ山の潰れ防止に対して確実な効果を発揮することができる。

以下、本発明に係る電池及び電池の端子締付構造の実施形態を図面を参照しながら説明する。

図１は実施形態の端子締付構造を採用したリチウム電池の外観斜視図、図２は実施形態の端子締付構造の拡大断面図である。

図１に示すリチウム電池１は、集電体等の発電要素を収納した角箱形の電槽２と、電槽２の上面に形成された複数の開口２ａから突出した正極端子３及び負極端子４とを有している。ここでは、正極端子３に実施形態の端子締付構造が適用されている。

正極端子３は、純アルミニウム製であり、図２に示すように、電槽２内に収容されて発電要素に接続された基端側のフランジ部３１（基端部）と、先端側の円柱状ロッド部３２（先端部）とを有している。電槽２に形成された開口２ａには端子キャップ５が固着されており、その端子キャップ５に形成された端子孔５ａから、正極端子３のロッド部３２が電槽２外に突出している。正極端子３のフランジ部３１の上面側には環状の段部３１ａが形成されており、端子キャップ５には、その段部３１ａに対応した環状の凹所５ｂが形成されている。そして、端子キャップ５の凹所５ｂの基端側内面５ｃと、端子３のフランジ部３１の段部３１ａとの間に、断面がＬ字形状である環状のガスケット６が介挿されている。

端子キャップ５上には、端子孔５ａに筒部７ａを嵌合させた状態で押さえ板７が配置さ
れ、その上にワッシャ８を介してナット１０が配置されている。端子３のロッド部３２は、フランジ部３１の段部３１ａの上側に連なる大径部３２ａと、大径部３２ａの上側に連なるネジ部３２ｂと、ネジ部３２ｂの上側に連なる小径部３２ｃとからなる。大径部３２ａは、押さえ板７の筒部７ａの内周に挿通されている。そして、押さえ板７及びワッシャ８の上から、ナット１０を端子３のネジ部３２ｂに螺合して締め込むことにより、端子キャップ５と端子３の段部３１ａとの間に介在されたガスケット６が圧縮変形され、これにより端子３と端子キャップ５の端子孔５ａとの隙間がシールされている。

本実施形態では、端子３の雄ネジ部３２ｂの表面には、硬質アルマイト処理による硬化膜が形成されている。硬化膜の厚さは１０〜１００μｍの範囲に設定されており、これにより、雄ネジ部３２ｂの表面のビッカース硬さがＨＶ３５０〜５００の範囲に調整されている。

このように、本実施形態では、高い電池性能を維持するために純アルミニウム製の端子３を使用しながらも、ナット１０を締め付ける端子３のネジ部３２ｂの表面を硬質アルマイト処理により硬化させているので、ネジ山の潰れを恐れずに、強くナット１０を締め付けることができる。したがって、純アルミニウム製の端子３を使用した状態で、ガスケット６を高い圧力で圧縮変形させて、端子引き出し部分のシールの信頼性を高めることができる。

特に、硬質アルマイト処理により得られるビッカース硬さＨＶ３５０〜５００は、従来の冷間鍛造による表面硬化では得られないオーダーの硬さであるため、確実に端子３のネジ部３２ｂに設けられたネジ山の潰れを防止することができる。

なお、硬質アルマイト処理による硬化膜の膜厚を１０μｍ以上とすることにより、皮膜の有無の確認が容易である上に、皮膜が剥がれにくくなる。一方、硬化膜の膜厚を１００μｍ以下とすることにより、硬化膜の形成が容易となる上に、特にネジ山部分で皮膜が剥がれてしまう虞を低減できる。以上の理由により、硬質アルマイト処理による硬化膜の膜厚は、１０〜１００μｍの範囲であることが好ましい。

硬質アルマイト処理は、通常の陽極酸化処理（アルマイト処理）よりも低温浴で高い電流を流して処理を行うものであり、これにより、通常のアルマイト処理よりも硬度や耐摩耗性に優れた皮膜を得ることができる。硬質アルマイト処理については、例えば、ＪＩＳ
Ｈ ８６０３−１９９５ 「アルミニウム及びアルミニウム合金の工業用硬質陽極酸化皮膜」に規定されている。

ところで、硬質アルマイト皮膜は絶縁性が高いので、他の導電部材との導通接続を図る必要のある端子３のロッド３２の小径部３２ｃには、硬質アルマイト処理による皮膜を付けない工夫が必要である。そのためには、硬質アルマイト処理を行う際に小径部３２ｃにマスキングを施す、または硬質アルマイト処理による皮膜形成の後に何らかの方法（例えば切削など）で該当個所の皮膜を除去する等の手段を講じればよい。

上述したリチウム電池の正極端子の端子締付構造は、中型〜大型のリチウム電池、すなわち容量が１０Ａｈから１００Ａｈのリチウム電池に適用するのが好ましい。このようなリチウム電池は、電気自動車用のモータ駆動用等に用いることが可能である。電気自動車では、１０Ｉｔ程度の放電率で電気が放電される場合もあり、この場合には、例えば容量が２００Ａｈの電池であれば、正極端子には、２０００Ａの大電流が流れることになる。本実施形態の端子締付構造のように、正極端子として純アルミニウムを用いかつネジ山に硬質アルマイト処理をほどこすことにより、端子が低抵抗であるためこのような大電流を損失を抑えて流すことができるとともに、硬質アルマイト処理によりネジ山を強化し安定
した保持力でガスケットを保持して気密性を高めることができる。

図２に示す端子締付構造において、ネジ部に硬質アルマイト処理を施した場合と、施さない場合の効果の違いについて実験を行った。この実験の目的は、硬質アルマイト処理によるネジ部の強度向上の効果を、トルクと圧縮率の関係から確認することである。

正極端子の材質は、工業用アルミニウム（呼称番号 Ａ１０５０）とし、ネジ部に硬質アルマイト処理を施した硬質アルマイト処理有りの正極端子と、ネジ部に何ら処理を施さない硬質アルマイト処理無しの正極端子の２種類を用意した。正極端子のネジ部のサイズはＭ３０の細目で、低ナットを使用してトルクレンチで締め付けを行い、トルクレンチにより締付強度を測定し、ネジ山の状態を観察した。締め付けトルクとしては、８０Ｎ・ｍから２０Ｎ・ｍ毎に２００Ｎ・ｍまで変化させた。結果を以下の表１に示す。

上記表１において、○はネジ山に変化がないことを表し、△は締付けによりネジ山の一部が潰れたことを示し、×は、ネジ山をネジ切ってしまったことを示している。

表１に示されるように、ネジ部にアルマイト処理を施した正極端子は、８０〜２００Ｎ・ｍの締付トルクでナットを締め付けてもネジ山の一部潰れやネジ切れは発生しなかった。一方、ネジ部にアルマイト処理を施さなかった正極端子では、８０Ｎ・ｍの締付トルクでは、ネジ山の一部潰れやネジ切れは発生しなかったが、１００Ｎ・ｍの締付トルクではネジ山の一部に潰れが生じ、１２０Ｎ・ｍ以上では、ネジ切れを起こしてしまいガスケットを圧縮して締結することができなかった。

信頼性のあるシール特性を得るためには、ガスケットを圧縮率２０〜５０％の範囲で圧縮する必要があるが、表１に示すように、圧縮率２０％以上が得られる締め付けトルク１４０〜２００Ｎ・ｍの場合であっても、ネジ部に硬質アルマイト処理を施すことにより、ネジ山を破壊することなくガスケットを固定することができた。すなわち、硬質アルマイト処理を施すことによりネジ部のネジ山の強度が向上することを確認できた。

本発明に係る実施形態の端子締付構造を取り入れた電池の外観斜視図である。 本発明に係る実施形態の端子締付構造の断面図である。

符号の説明

１ リチウム電池
２ 電槽
３ 端子（正極端子）
３２ ロッド部（先端側）
３２ｂ ネジ部
５ 端子キャップ（電槽側の部材）
５ａ 端子孔
６ ガスケット
１０ ナット

Claims (4)

1. 発電要素を収納した電槽と、前記電槽に形成された開口に配置された純アルミニウム製の端子と、前記電槽と前記端子との間に介在されたガスケットと、を有し、
   前記端子は、電槽内部において前記発電要素に接続される基端部と、ネジ部を有しかつ前記電槽の外部に突出する先端部とを備え、
   前記先端部の前記ネジ部に螺合されるナットを締め込むことにより、前記ナットと前記端子の基端部とで前記ガスケットを圧縮変形させて前記端子と前記電槽との隙間をシールする電池において、
   前記端子の前記ネジ部の表面に硬質アルマイト処理による硬化膜が形成されていることを特徴とする電池。
2. 前記硬化膜の厚さが１０〜１００μｍの範囲に設定されていることを特徴とする請求項１記載の電池。
3. 前記ネジ部の表面のビッカース硬さがＨＶ３５０〜５００であることを特徴とする請求項１または２記載の電池。
4. １４０〜２００Ｎ・ｍの締め付けトルクで前記ネジ部に螺合されるナットが締め込まれたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電池の製造方法。

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