JP5118287B2

JP5118287B2 - 電池

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Publication number: JP5118287B2
Application number: JP2004094388A
Authority: JP
Inventors: 健次河野; 竜昇米田; 教友鎌田
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2024-03-29
Also published as: JP2005285406A

Description

本発明は、電池ケースから電極端子が突出している電池に関する。

モータの駆動時や電池を急速に充電したいときなど、電池から大きな電流を充放電したい場合、電極端子からの集電抵抗を低減するためにケーブルあるいは接続板など（以下、総称して「接続板等」と称する）と電極端子との接触を充分なものとする必要がある。そこで従来電極端子にねじ加工を施してナットを締め付けることでナット，ワッシャを介して接続板等に通電していた。しかしナットは電極端子の周囲に設けられたねじ山に螺合されてねじ部で集電接触を行うため接触抵抗が安定しない問題がある。

そこで、電極端子のねじ加工を端子高さの途中までとし、ねじ加工を施していない側面上部を平面加工して接続板等を取付ける方法が行われている。この場合、接触面積を十分に確保するためには、電極端子の柱状部の径を大きくすることで接続板等の接触面積を大きくすることが可能であるが、発電要素の集電板に接続された電極端子は、電池ケース（蓋）に設けた端子用孔に貫通させて組み立てる必要があるため、電極端子の柱状部の径を大きくするには制約が生じる。

ところで、電池は、電池ケース内で発電要素と接続し、前記電池ケースから突出している電極端子を有している。集電板への電極端子柱状部の前記取り付けは、従来、かしめによる方法が一般的であるが、かしめ方法では、発電要素から電極端子に至る電流経路中に、かしめによって形成される電極柱状部下部と前記集電板との接触部分を含むことになるため、充放電を大電流で行う必要のある電池においては、集電が不安定になったり、端子部分が発熱するという問題があった。

そこで、本発明に係る電池は、電池ケース内で発電要素と集電板によって接続された電極端子が電池ケースに設けられた孔から突出している電池において、前記電極端子は、突出方向に連続する柱状部を有し、前記柱状部の下端が前記集電板と溶接によって接続され、前記柱状部の上端がガスケットを介して前記孔から電池ケースの外側に突出し、前記電池ケースの外側に突出している柱状部に嵌め込まれたナットが締め込まれることによって前記ガスケットが圧縮されていることを特徴とする。

また、前記電極端子は、前記電池ケースの外側に突出している前記柱状部の上端に板状部を有し、前記板状部は、その平面方向が前記突出方向と直交し、前記板状部の断面積が前記柱状部の断面積よりも大きいことを特徴とする。
上記構成からなる電池によれば、電池ケースから突出している柱状部と、該柱状部に直交するように取り付けた板状部とから構成される電極端子を備えるようにしたので、電極端子の頭部を幅広に設定することができるため、電極端子に接続板等を取り付ける際に接続板等と電極端子との接触面積を大きく取ることができる。従って、大電流を取り出すことができ、電池の急速充電、急速放電を行うことができる。
また、前記と異なる本発明に係る電池は、電池ケース内で発電要素と集電板によって接続された電極端子が電池ケースに設けられた孔から突出している電池において、前記電極端子は、突出方向に連続する柱状部と、該柱状部の上端に嵌め込まれる板状部とを有し、前記柱状部の下端が前記集電板と溶接によって接続され、前記柱状部の上端がガスケットを介して前記孔から電池ケースの外側に突出し、前記電極端子の板状部が柱状部の下端の方に嵌め込まれることによって前記ガスケットが圧縮されていることを特徴とする。
また、前記電池は、前記電極端子の下端と蓋の間にガスケットを配置し、そのガスケットを圧縮することで密閉化を達成している。このガスケットの圧縮寸法を経時変化することなく安定化することが重要である。そこで、前記板状部は、前記ガスケットを圧縮する位置に固定されていることを特徴とする。これにより、ガスケットの圧縮にあたってナットなどの締め付け用部品が不要になり、ガスケットの圧縮と、板状部の取り付けとを同時に行うことができ、作業工程が容易になる。また、板状部の各部寸法を規定することによりガスケットの圧縮寸法を一定にできるので、ガスケットの圧縮精度を高めることができ、さらに板状部が溶接等により柱状部に確実に固定されているので、ガスケット圧縮寸法の経時安定性を高めることができる。従って、ガスケットによる電池の気密性が一定に保たれるので、品質の安定した電池を提供することができる。

前記電極端子は、前記板状部から前記柱状部が突出しないように設けられていることを特徴とする。このように、前記柱状部の頭部を前記板状部の上面よりも低位置に配置することにより、前記板状部の上面に接続板等を取り付ける際に前記突出部が障害になることがないので、前記接続板等を容易に取り付けることができ、且つ、電極端子と接続板等との接触面積を確実に大きく取ることができる。

また、前記電極端子は、前記柱状部と前記板状部との接触部分の少なくとも一部を溶接してなることを特徴とする。これにより、ネジで螺合して接触集電する場合よりも、溶接する方が抵抗が小さくなり、大電流を取り出すことが可能となる。

さらに、前記電極端子の板状部は、周囲に少なくとも１つの貫通孔を有することが好ましい。これにより、隣接する電池の板状部の上面に接続板等を渡し、前記貫通孔を利用して接続することにより、複数の電池の端子同士を連結することができる。ここで、前記貫通孔は、内壁にネジ溝を設けてもよい。これにより、電極端子と接続板等との接続にあたってネジ止め方法を用いることができるため、前記接続を確実なものとすることが容易となり、好ましい。

本発明に係る電池は、電極端子の柱状部の下端が集電板と溶接によって接続されたことにより、電極端子の柱状部の発熱を抑制することができる。

＜第一実施形態＞
以下、本発明の一実施形態について図面を参酌しつつ説明する。

図１は、本発明の第一実施形態に係るものであり、ナット方式でガスケットを圧縮し、電極端子付近を密封した電池の要部断面図であり、正極又は負極のいずれか一方を示している。

まず、電池ケース内部の発電要素と接続された集電板３の上面に電極端子の柱状部２を取り付ける。該柱状部２は、最小断面積部分の直径が１４ｍｍである。そして、該柱状部２と集電板３とが接する周囲の下端から、樹脂製のガスケット７を配置し、その上部に電池の蓋部２０ｂを挟み込むように、樹脂製の押さえ板６を配置する。さらに、該押さえ板６の上面に、ワッシャ５を介してナット４を嵌め込む。そして、ナット４を柱状部２の周囲に形成されたネジ溝によって締め込んで、ガスケット７を圧縮させる。

次に、電極端子２の上端に上部が平面の板状部１を取り付ける。板状部１は、上面に凹部１ａを有し、反対の面に柱状部２の頭部を嵌め込む凹部（図示せず）が形成されている。前記柱状部２の頭部を板状部１に嵌め込んで、前記凹部１ａの上面から同心円上に２周溶接する。この溶接により板状部１及び柱状部２の部材が溶け合って、両部材を接合することができる。１２は溶接部位を表す。溶接には、アーク溶接、ガス溶接、レーザー溶接などの種々の溶接を利用することができるが、特に、電子ビーム溶接を採用することが好ましい。

このようにして、板状部１及び柱状部２からなる電極端子１０を取り付けることができる。図２に、図１の電池の全体斜視図を示す。なお、図１と同一又は同等の部分については、同じ符号を付して説明を省略する。

図２より電池２０の外装体は、筐体のケース本体２０ａと、その口部分を塞ぐ蓋部２０ｂとから構成されている。蓋部２０ｂの両端部には、正極又は負極の柱状部２を突出させるための端子用孔（図示せず）を有し、さらに、ガス抜きのための安全弁４０と、電解液を注入するための注入口３０が設けられている。

そして、電池２０を組み立てるには、まず、ケース本体２０ａに、発電要素と電極端子１０とが共に固定された蓋部２０ｂを嵌め込み周囲を溶接する。続いて、注入孔３０から電解液を注入し、注入後、先端部分を溶接して塞ぐ。

次に、図３に、図２の単電池を複数繋げた場合の斜視図を示す。電極端子１０を構成する板状部１は、例えば、略矩形状をしており周囲に４つの貫通孔１ｂ，…が設けられている。そして、電池２０を複数隣接させ、隣接する板状部１の上面に接続板５０を載置する。前記接続板５０には、前記貫通孔１ｂ，…と連通する貫通孔（図示せず）が設けられており、ネジ５１を締め付けて固定することができる。

このように本第一実施形態に係る電池は、柱状部２の先端に幅広の板状部１をかぶせて上面から溶接して固定した。このような構成により、電極端子に接続板５０を取り付ける際に電極端子との接触面積を大きく取ることができる。また、柱状部２及び板状部１の接合部分を溶接することにより、ネジ止めした場合よりも接触抵抗が小さくなり、大電流を充放電することができる。ここで、本発明の大電流を充放電することが可能な電池とは、具体的には、公称容量５Ａｈ以上の電池をいう。なお、溶接は前記凹部１ａの上面から同心円上に２周行うようにしたが、それは例示であり、前記板状部１及び柱状部２が接合できれば、どのように溶接しても構わない。

なお、本第一実施形態においては、集電板３への電極端子柱状部の前記取り付けは、溶接により行った。この部分の取り付けについては、従来、かしめによる方法が一般的であるが、かしめ方法では、発電要素から電極端子に至る電流経路中に、かしめによって形成される電極柱状部下部と前記集電板との接触部分を含むことになるため、本発明に係る電池のように充放電を大電流で行う必要のある電池においては、溶接による取り付けを行うことが好ましい。

なお、本第一実施形態で使用した板状部１は、一辺が２８ｍｍの矩形状であり、厚さが５ｍｍ、開口部１ａの深さが１ｍｍのものである。また、柱状部の断面積は１５４ｍｍ²のものを用いた。

＜参考例＞
図４は、本発明の参考例に係るものであり、ナット方式でガスケットを圧縮し、電極端子付近を密封した電池において、集電板への電極端子柱状部の取り付けをかしめ方式で行った電池の要部断面図であり、正極又は負極のいずれか一方を示している。なお、図１と同一又は同等の部分については、同じ符号を付して説明を省略する。

図より、柱状部２”は、下端にフランジ部２ａ”が形成されると共に、該フランジ部２ａ”の下端面からかしめ用突起２ｂ”が突設されている。まず、前記フランジ部２ａ”の上面を、セル間接続板９を介して、柱状部２”の周囲にナット４を螺合させて固定する。そして、前記柱状部２”をガスケット７，７に挟まれた蓋部２０ｂ及び集電板３の開口部（図示せず）に挿入して、かしめ用突起２ｂ”をかしめることにより、接続固定される。図４には、かしめ用突起２ｂ”についてはかしめられた後の形状について示している。なお、板状部１の取り付けについては、上記第一実施形態と同様であるので説明を省略する。このような構成により、電極端子に接続板５０を取り付ける際に電極端子との接触面積を大きく取ることができる。また、柱状部２及び板状部１の接合部分を溶接することにより、ネジ止めした場合よりも接触抵抗が小さくなり、大電流を充放電することができる。

このように参考例に係る電池は、柱状部２"の下端にかしめ用突起２ｂ"を設けて、下端からプレス等で加圧し、前記突起２ｂ"を変形させて集電板３と固定するようにしたので、ガスケット７，７の圧縮精度を保持することができるものの、発電要素から電極端子に至る電流経路中に、かしめによって形成される電極柱状部下部と前記集電板との接触部分を含むことになるため、本発明に係る電池のように充放電を大電流で行う必要のある電池においては上記第一実施形態の方が優れている。

上記した参考例においては、ガスケットを用いて端子付近を密封する方式の電池について述べたが、ガスケットによらないで端子付近を密封する方式の電池、例えばガラス溶接方式により端子付近を密封する方式の電池に適用してもよい。

＜第二実施形態＞
図５は、本発明の第二実施形態に係るものであり、端子柱状部への板状部の形成を行うと共に、該板状部の形成工程によって同時に前記ガスケットを圧縮し、もって、ガスケットにより電極端子付近を密封した電池の要部断面図であり、図５（ａ）は、ガスケットを圧縮する前、図５（ｂ）は、ガスケットを圧縮固定した後の図である。なお、図５の電池は、正極又は負極のいずれか一方を示し、また、図１と同一又は同等の部分については、同じ符号を付して説明を省略する。

まず、図５（ａ）より、柱状部２’は、その下端に鍔部２ａが形成されている。まず、該柱状部２’と集電板３とが接する周囲の下端から絶縁板８を配置し、続いて、鍔部２ａの肩部分にガスケット７を配置し、その上部に電池の蓋部２０ｂを挟み込むように押さえ板６を配置する。そして、最後に柱状部２の先端に板状部１を嵌め込む。該板状部１は、前記柱状部２’を貫通可能な内周径と、上部が該内周径よりも幅広な径を有する開口部１ｄを有している。従って、前記柱状部２’の頭部を前記板状部１に嵌め込んだときに、段差部１ｃが形成される。そして、ガスケット７の圧縮量に合わせて、段差部１ｃの高さを設定し、板状部１ａの上面から冶具を用いて、前記段差部１ｃの高さの量を圧縮させる。例えば、２ｍｍのガスケットを圧縮させて１ｍｍにするならば、段差部１ｃを１ｍｍに設定する。

続いて、図５（ｂ）に示すように、予め設定された圧縮量（段差部１ｃ）を冶具で板状部１の上面から圧縮後、前記柱状部２’と開口部１ａとが接する溶接部位１２を溶接する。

このように本第二実施形態によれば、次に述べるさらなる効果を奏する。即ち、本第二実施形態に係る電池は、ガスケット７を介して、板状部１の上面から冶具で圧縮することにより一体的に形成したので、電極端子１０のシールと板状部１の取り付けとを同時に行うことができ、作業工程を短縮でき生産性が向上する。また、圧縮距離を一定にすることができ、電極端子１０の周囲に配置される押さえ板６や蓋部２０ｂなどの部材の位置合わせが容易になり、ガスケット７の圧縮精度を保持することができる。即ち、ナット方式でネジの締め付けによりガスケットを圧縮する場合においては、圧縮の反発力によりネジ山が変形し圧縮精度が保てないといった問題があったが、本第二実施形態によれば、そのような問題が発生する虞を大幅に低減できる。特に、リチウムイオン電池等の非水電解質電池では、端子にアルミニウムや銅といった強度の弱い金属を用いざるを得ないので、上記構成を非水電解質電池に適用すると、効果的である。さらに、ナットやかしめ部材などの締め付け部材が不要なので、電池の重量を軽減でき、且つ、電極端子１０の高さ寸法を低くすることができる。

なお、上記第二実施形態では、板状部１の開口部１ｄに段差部１ｃを設けて、圧縮量の設定を容易に行えるようにしたが、前記段差部１ｃを設けなくても、同様に実施することは可能である。

また、上述した電極端子１０は、前記板状部１の上面より前記柱状部２’を低位置に配置したが、これは、該柱状部２’及び板状部１の接合部分を電子ビームで溶接した際に、溶接の盛り上がりが前記板状部１の上面から突出しないようにするためである。従って、溶接後に、板状部１の上面と柱状部２’の上端とが面一か、柱状部２’の上端が板状部１の上面よりも低位置にあればよい。このような構成により、隣接する電池２０の電極端子同士を繋げるための接続板５０を前記板状部の上面に容易に取り付けることができ、且つ、電極端子と接続板５０との接触面積を確実に大きく取ることができる。

また、本発明の板状部１の例として、図２に平面視矩形状のものを取りあげて説明したが、板状部１の周囲が蓋部２０ｂの周囲からはみ出さない形状であれば、矩形状に限るものではない。板状部１のその他の形状として、例えば、多辺形、円形、楕円形、菱形など用途に応じて種々の形状を採用することが可能である。さらに、板状部１の表面積や厚みを大きくすることにより、取り出せる電流の量を増大させることができる。

また、板状部１に形成した貫通孔１ｂの数は、図２では一例として４個設けているが、穴の数は、４個に限られず、少なくとも１個設けられていればよい。

また、本発明の電池は、１次電池や２次電池、あるいは燃料電池や太陽電池など種々の電池において実施することができる。さらに、電池の形状も矩形型、円筒型、偏平型など種々の形状において実施することができる。

このように、本発明の電池は、電極端子の板状部の面積が、柱状部の断面積よりも大きいものとすることで、上記本発明の効果を奏することができる。板状部の面積は、大きすぎると複数の電池を隣接して並べた場合に、端子同士が接触する等の問題を生じる虞があるので、板状部は、該板状部を上方向から見た場合に、板状部が電池からはみ出さないような寸法形状を選択することが好ましい。電池の大きさ（公称容量）にもよるが、例えば、１０〜１００Ａｈの電池を想定したとき、板状部の面積は１０００ｍｍ²以下とされる。

柱状部の最小断面積が小さすぎると、原理的には大電流を流すことができないが、極端に細いものとしない限りは、大電流によって溶断することはなく、大電流を流すことは可能である。しかしながら、端子部分の構成が最適でない場合には、大電流によって端子部分が発熱する場合がある。例えば、集電板３への電極端子柱状部の前記取り付けをかしめ方式によって行った場合は、発電要素から電極端子に至る電流経路中に、かしめによって形成される電極柱状部下部と前記集電板との接触部分を含むことになるため、発熱を伴うことが多い。

本発明者らは、電池の端子が１２５Ａの電流（公称容量２５Ａｈの電池を５ＩｔＡのレートで通電した場合に相当）の状態のとき、発熱が基準以下になるように電流を流すために必要な端子柱状部の断面積について調べた。端子の材質はアルミニウム又は銅とした。また、電流を供給する発電要素と端子柱状部との接続は、かしめ方式又は溶接方式とした。その結果、１２５Ａの電流を連続して通電したときの温度上昇が５℃以下であるための端子柱状部の必要最小断面積は、表１の通りであった。

表１より、大電流を流したときの温度上昇を５℃以下に抑えるために必要な集電断面積は、溶接方式では、アルミニウムの場合で７８．２ｍｍ²、銅の場合で５０．０ｍｍ²であった。一方、かしめ方式では、アルミニウムの場合で５６８．２ｍｍ²、銅の場合で３５７．１ｍｍ²であった。かしめ方式において、かなり大きな集電断面積を必要としたのは、かしめ用突起２ｂ”と集電板３とが接する接触部分ｂで電流を取り出しているためである。即ち、かしめ方式の場合、プレスでかしめ用突起２ｂ”の部分を変形させて集電板と接触させているため、変形状態により集電が不安定になる。

以上の結果から、上記条件で温度上昇を５℃以下に抑えるには、発電要素の集電板と端子柱状部との接続は溶接方式が好ましく、その場合の柱状部の最小断面積は、アルミニウムの場合で７８．２ｍｍ²以上、銅の場合で５０．０ｍｍ²以上であれば充分であることがわかる。

柱状部の最小断面積は、大きすぎると、電槽寸法の自由度が低下し、さらにガスケットによって端子近傍を密封する方式の場合には、ガスケットの周囲寸法が増大するので好ましくない。

以上の観点から、柱状部の断面積は、８０ｍｍ²以上が好ましく、１００ｍｍ²以上がより好ましい。また、６００ｍｍ²以下が好ましく、３００ｍｍ²以下がより好ましい。

電極端子の柱状部の端部に板状部を形成するにあたって、柱状部に接触させた板状部用部材を溶接によって接合する場合において、第一実施形態及び参考例においては取り付け前の板状部は、柱状部が接触する中央部に貫通孔を有さず、第二実施形態においては、取り付け前の板状部は、中心に貫通孔を有している。

第一実施形態や参考例のように、取り付け前の板状部が、柱状部と接触する中央部に貫通孔を有していない場合には、柱状部頭部の上面が板状部と接触するので、該接触部分の上から電子ビーム等で溶接することができる。このとき、溶接ビームの幅や、溶接長さ（第一実施形態では２周溶接している）を調整することにより、柱状部と板状部との電子伝導を十分とすることが容易である。

一方、第二実施形態のように、取り付け前の板状部が、柱状部を貫通しうる貫通孔を有している場合には、図５（ｂ）に示すように、板状部は柱状部の側面とのみ接触することになる。ここで、板状部と接触する柱状部の側面積は柱状部の断面積以上とすることが好ましいこと、及び、前記したように柱状部の断面積は８０ｍｍ²以上とすることが好ましいことから、板状部の厚さは２．５ｍｍ以上とすることが好ましい。さらに、同様の理由により、溶接によって溶融する柱状部側面部分の深さ（図５（ｂ）のａで示される距離）が２．５ｍｍ以上となるように溶接ビームを調整することがより好ましい。

第一実施形態に係る電池の要部断面図を示す。図１の電池の全体斜視図を示す。図２の電池を複数繋げた場合の斜視図を示す。参考例に係る電池の要部断面図を示す。第二実施形態に係る電池の要部断面図を示す。

符号の説明

１…板状部
１ａ…凹部
１ｂ…貫通孔
１ｃ…段差部
１ｄ…開口部
２…柱状部
３…集電板
１０…電極端子

Claims

電池ケース内で発電要素と集電板によって接続された電極端子が電池ケースに設けられた孔から突出している電池において、
前記電極端子は、突出方向に連続する柱状部を有し、前記柱状部の下端が前記集電板と溶接によって接続され、前記柱状部の上端がガスケットを介して前記孔から電池ケースの外側に突出し、前記電池ケースの外側に突出している柱状部に嵌め込まれたナットが締め込まれることによって前記ガスケットが圧縮されていることを特徴とする電池。
前記電極端子は、前記電池ケースの外側に突出している前記柱状部の上端に板状部を有し、前記板状部は、その平面方向が前記突出方向と直交し、前記板状部の断面積が前記柱状部の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の電池。
電池ケース内で発電要素と集電板によって接続された電極端子が電池ケースに設けられた孔から突出している電池において、
前記電極端子は、突出方向に連続する柱状部と、該柱状部の上端に嵌め込まれる板状部とを有し、前記柱状部の下端が前記集電板と溶接によって接続され、前記柱状部の上端がガスケットを介して前記孔から電池ケースの外側に突出し、前記電極端子の板状部が柱状部の下端の方に嵌め込まれることによって前記ガスケットが圧縮されていることを特徴とする電池。
前記電極端子は、前記板状部から前記柱状部が突出しないように設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の電池。
前記柱状部と前記板状部との接触部分の少なくとも一部を溶接してなることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の電池。
前記板状部は、周囲に少なくとも１つの貫通孔を有することを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の電池。