JP5135071B2

JP5135071B2 - 集合電池

Info

Publication number: JP5135071B2
Application number: JP2008157585A
Authority: JP
Inventors: 克典鈴木; 貴之三谷
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2028-06-17
Also published as: JP2009301982A

Description

本発明は集合電池に係り、特に、電極群に電気的に接続された導電部材と金属製電池缶の内底面とがスポット溶接で接合された複数の二次電池と、二次電池間を電気的機械的に接続するバスバと備えた集合電池に関する。

近年、電動原動機付自転車、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）や純正電気自動車（ＰＥＶ）等の移動体用の電源、または、太陽熱発電や風力発電等の据置蓄電システムの電源として、複数個の大電流放電用単電池を直列ないし直並列に接続した集合電池（組電池）が利用されている。これらの集合電池は、通常、バスバ（bus bar）と呼ばれ、単電池間を電気的および機械的に接続する導電部材を、例えば、１の単電池の一方の電極となる金属製電池蓋と、他の単電池の他方の電極となる電池缶底とにシリーズスポット溶接で接合することで、２つの単電池を直列（ないし直並列）接続し、さらにこれを必要な単電池数繰り返して、集合電池の所要出力電圧を得ている（例えば、特許文献１参照）。

単電池の電池缶と内部の発電部（電極群に電気的に接続された導電部材）との接続には、通常、電池缶の内底面側で、ダイレクトスポット溶接が用いられている。また、他の単電池とを接続するためのバスバは、上述したダイレクトスポット溶接部（接合箇所）を避けて、電池缶の外底面側で、大電流通電に耐えうるように複数箇所でシリーズスポット溶接がなされている。

特開２００４−１５２７０６号公報

集合電池において、接合部の抵抗を極力下げるためには、溶接点の多点化、接合面積増大およびバスバ接合部と缶底接合箇所の距離を近づけることが有効である。しかしながら、電池缶と発電部との接合箇所では、電池内部の体積密度向上のため、接合箇所の多点化や面積増大は難しい。このため、従来の二次電池では、大電流通電時に、電池缶と発電部との接合箇所が発熱しやすく、最悪の場合、赤熱し接合箇所が溶損に至ることがあった。

本発明は上記事案に鑑み、大電流通電時でも接合箇所の発熱を抑え接合箇所の損傷を防止できる集合電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、集合電池であって、電極群に電気的に接続された導電部材と金属製電池缶の内底面とがスポット溶接で接合された複数の二次電池と、前記二次電池間を電気的機械的に接続するバスバと、一側が前記スポット溶接で接合された電池缶の内底面と反対面側の外底面に当接し、他側が前記バスバの両端部のうち少なくとも一方の端部に固定された金属製の放熱部材と、を備える。

本発明の集合電池は、電極群に電気的に接続された導電部材と金属製電池缶の内底面とがスポット溶接で接合された複数の二次電池が、二次電池間を電気的機械的に接続するバスバで接続されている。バスバの両端部のうち少なくとも一方の端部に金属製の放熱部材の他側が固定されており、放熱部材の一側はスポット溶接で接合された電池缶の内底面と反対面側の外底面に当接している。このため、大電流通電時に、導電部材と電池缶の内底面との接合箇所が発熱しても、この熱が放熱部材を介してバスバに伝達され接合箇所での温度が下がり、接合箇所の損傷を防止することができる。

本発明において、放熱部材は、二次電池の電池缶より大きな熱伝導率を有することが好ましい。また、放熱部材の一側が、スポット溶接による電池缶の内定面の接合箇所に対応した外底面側の箇所に当接していることが望ましい。このような放熱部材は、例えば、バスバ側から圧入されたプラグもしくはリベット状部材またはバスバ側から螺入されたネジ状部材を用いることができ、プラグもしくはリベット状部材またはネジ状部材の頭部底面がバスバの両端部のうち少なくとも一方の端部上面に当接しているようにしてもよい。また、放熱部材はバスバと一体形成されていてもよい。

また、本発明において、バスバの両端部のうち少なくとも一方の端部は、スポット溶接による電池缶の内定面の接合箇所に対応した外底面側の箇所を避けるように電池缶の外底面に複数箇所でスポット溶接で接合されていてもよい。さらに、バスバの両端部にスポット溶接用のスリットが形成されているとともに、二次電池は電池蓋の上面中央部に排気口が形成されており、排気口はバスバの両端部のうち少なくとも他方の端部のスリットの直下に位置付けられていることが好ましい。また、バスバの両端部のうち、一側の端部は集合電池を構成する二次電池の負極性の電池缶に接合されており、他側の端部は該二次電池に直列接続される他の二次電池の正極性の電池蓋に接合されていてもよい。さらに、バスバの両端部間の中央部はバスバの両端部に対し段差を有していることが好ましい。

本発明によれば、一側がスポット溶接で接合された電池缶の内底面と反対面側の外底面に当接し、他側がバスバの両端部のうち少なくとも一方の端部に固定された金属製の放熱部材を備えるので、大電流通電時に、導電部材と電池缶の内底面との接合箇所が発熱しても、この熱が放熱部材を介してバスバに伝達され接合箇所での温度が下がり、接合箇所の損傷を防止することができる、という効果を得ることができる。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、本発明を並置型タンデム電池に適用した第１の実施の形態について説明する。

図１および図２に示すように、本実施形態のタンデム電池（集合電池）２０は、極性が互いに反対となるように並置された２個の単電池１、５が金属製のバスバ４により直列接続されている。

単電池１、５には、例えば、リチウムマンガン複酸化物を正極活物質とし、リチウムイオンを放出、吸蔵可能な炭素材を負極活物質としたリチウムイオン二次電池を用いることができる。

図４を参照して、本実施形態のリチウムイオン二次電池について説明すると、単電池１、５は、ニッケルメッキが施されたスチール製で有底円筒状の電池容器１７を有している。電池容器１７の中央部には、ポリプロピレン製で中空円筒状の軸芯２６に帯状の正極板および負極板がセパレータを介して配置された電極群１６が収容されている。なお、本例では、電池容器１７の外径は４０ｍｍ、内径は３９ｍｍである。

本例では、正極板を作製するために、まず、正極活物質として平均粒子径が１〜２μｍのリチウム−マンガン−コバルト−ニッケル複酸化物（ＬｉＭｎ_０．３３Ｃｏ_０．３３Ｎｉ_０．３３Ｏ_２）と、導電材として平均粒子径が０．５μｍの黒鉛粉末と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とを、溶媒のＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に分散させてスラリ状の溶液を作製した。この溶液を厚さ２０μｍのアルミニウム箔の両面にロール・ツー・ロール法転写により塗布し、乾燥させた後、プレスして一体化した。正極板の厚さを１６０〜１６５μｍとし、正極活物質層の密度を２．８ｇ／ｃｍ^３とした。また、アルミニウム箔の長手方向一側に溶液の未塗布部を形成しておき、未塗布部を櫛状に切り欠き、切り欠き残部を正極リード片１５として形成した。

一方、負極板については、負極活物質として非晶質炭素粉末と、結着剤としてＰＶＤＦとを、９０：１０の重量比率で、溶媒のＮＭＰに分散させてスラリ状の溶液を作製した。この溶液を厚さ１０μｍの圧延銅箔の両面にロール・ツー・ロール法転写により塗布し、乾燥させた後、プレスして一体化した。負極板の厚さを１６０〜１６５μｍとし、負極活物質層の密度を１．０５ｇ／ｃｍ^３とした。また、圧延銅箔の長手方向一側に溶液の未塗布部を形成しておき、未塗布部を櫛状に切り欠き、切り欠き残部を負極リード片１３として形成した。

正極板と負極板とは、両極板が直接接触しないように、厚さ３０μｍの多孔質ポリエチレン製セパレータを介して、軸芯２６を中心として断面渦巻き状に捲回され、電極群１６が構成されている。上述した正極リード片１５と負極リード片１３とは、それぞれ電極群１６の互いに反対側に配置されており、セパレータの端から所定長さ（例えば、４ｍｍ）はみ出している。電極群１６は、正極板、負極板、セパレータの長さを調整することで、所定の内直径（例えば、９ｍｍ）および所定の外直径（例えば、３８±０．１ｍｍ）に設定されている。

電極群１６の下側には負極板からの電位を集電するための銅製の負極集電リング２７が配置されている。負極集電リング２７の内周面には軸芯２６の下端部外周面が固定されている。また、負極集電リング２７の外周縁には、負極板から導出された負極リード片１３の端部が超音波溶接で接合されている。負極集電リング２７の下部には銅製で導電部材としての負極リード板１８が配置されており、負極リード板１８は負極外部端子を兼ねる電池容器１７の内底部中央でダイレクトスポット溶接により接合されている。以下、便宜上、このスポット溶接箇所を接合箇所３０という。

一方、電極群１６の上側には、軸芯２６のほぼ延長線上に正極板からの電位を集電するためのアルミニウム製の正極集電リング１４が配置されている。正極集電リング１４は軸芯２６の上端部に固定されている。正極集電リング１４の周囲から一体に張り出している鍔部周縁には、正極板から導出された正極リード片１５の端部が超音波溶接で接合されている。

正極集電リング１４の上方には、正極外部端子を兼ねる電池蓋が配置されている。電池蓋は、金属製で連通穴が形成された蓋ケース２２と、断面ハット状でハット部中央に円形穴状の排気口２３Ａが形成された金属製の蓋キャップ２３と、気密を保つ弁押さえ２４と、内圧上昇により開裂する金属製の開裂弁２１とで構成されており、これらが積層されて蓋ケース２２の周縁をかしめ固定することで組み立てられている。従って、単電池１、５の内圧が所定値以上となると、開裂弁２１の開裂溝が開裂し、単電池１、５内のガスは、蓋ケース２２に形成された連通穴、開裂弁２１の開裂溝、蓋キャップ２３の排気口２３Ａを介して、単電池１、５の外部に排出される。正極集電リング１４の上面には、リボン状のアルミニウム箔を積層した２本の正極リード板１９のうち１本の一側が接合されている。正極リード板１９のもう１本の一側は、蓋ケース２２の下面に接合されている。２本の正極リード板１９の他端同士は接合されている。

電池蓋は、絶縁性および耐熱性のＥＰＤＭ樹脂製ガスケット２５を介して電池容器１７の上部にかしめ固定されている。このため、単電池１、５の内部は密封されている。また、電池容器１７内には、電極群１６全体を浸潤可能な非水電解液（不図示）が注液されている。非水電解液には、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）の体積比３０：５０：２０の割合で混合した溶媒中にリチウム塩として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を、１モル／リットル溶解したものを用いることができる。なお、単電池１、５の両端面を除く側周面は、熱収縮性のシュリンクチューブ（不図示）で被覆されている。単電池１、５の定格容量は４．０Ａｈである。

図１および図２に示すように、バスバ４は、両端部のうち、一側（図１の右側）に配置された略円盤状の溶接部４Ａ、他側（図１の左側）に配置された略円盤状の溶接部４Ｂ、および、段差により溶接部４Ａ、４Ｂより一段高い位置に配置され溶接部４Ａ、４Ｂ間を接続する板状の接続部（中央部）４Ｃで構成されている。溶接部４Ａ、４Ｂには、溶接点となる位置にプロジェクション（突起）７が正方形の四隅を形成するように、単電池１、５側に向けて突設されている。プロジェクション７間には、スポット溶接用の十字状スリット８が形成されている。

本実施形態では、単電池１、５を直列接続するために、バスバ４の溶接部４Ａは、単電池５の電池容器１７の外底面に、電池容器１７の内底面側の接合箇所３０を避けるように、４つのプロジェクション７の位置で、ダイレクトスポット溶接で電気的機械的に接合されている。一方、バスバ４の溶接部４Ｂは、単電池１の電池蓋（蓋キャップ２３）に、蓋キャップ２３に形成された排気口２３Ａがスリット８の十字中心部に位置するように（排気口２３Ａの位置を避けるように）、４つのプロジェクション７の位置で、ダイレクトスポット溶接で電気的機械的に接合されている。すなわち、排気口２３Ａは、溶接部４Ｂのスリット８の直下に位置付けられている。

図２に示すように、溶接部４Ａのスリット８の十字中央部には金属製でリベット状の放熱部材１０が固定されている。本例の放熱部材１０は、単電池５と溶接部４Ｂとが接合された後に、溶接部４Ｂ側からスリット８を介して圧入されたもので、一側（断面Ｔ字状の脚部側）が接合箇所３０に対応した電池容器１７の外底面に当接し、他側（断面Ｔ字状の腕部（頭部）底面側）が溶接部４Ｂの上面に当接している。

放熱部材１０の材質としては、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、鉄、ステンレススチール等の金属材料を選択することができるが、放熱を主目的とするため、電池容器１７より大きな熱伝導率を有する材質がより好ましい。

（作用等）
次に、本実施形態のタンデム電池２０の作用等について説明する。

本実施形態のタンデム電池２０は、電極群１６に電気的に接続された負極リード板１８と電池容器１７の内底面とがスポット溶接で接合された２個の単電池１、５が、単電池１、５間を電気的機械的に接続するバスバ４で接続されている。バスバ４の両端部のうち一方の溶接部４Ａに放熱部材１０の他側が固定されており、放熱部材１０の一側はスポット溶接で接合された電池容器１７の内底面側の溶接箇所３０と反対面側の外底面に当接している。従って、タンデム電池２０の大電流通電時に接合箇所３０が発熱しても、放熱部材１０を介して熱がバスバ４に伝達され接合箇所３０での温度が下がり、接合箇所３０の損傷を防止することができる。このとき、放熱部材１０の熱伝導率が電池容器１７の熱伝導率より大きければ、接合箇所３０での発熱温度を効率的に下げることができる。

また、本実施形態のタンデム電池２０では、放熱部材１０の側面部が溶接部４Ｂに当接しており、放熱部材１０の断面Ｔ字状の腕部底面が溶接部４Ｂの上面にも当接しているので（図２参照）、放熱用面積を大きくでき、発熱による接合箇所３０の損傷防止に対する信頼性を高めることができる。

さらに、本実施形態のタンデム電池２０では、溶接部４Ｂが、スポット溶接で接合された電池容器１７の内定面の接合箇所３０に対応した外底面側の箇所を避けるように電池容器１７の外底面に４箇所でスポット溶接されているので（図１参照）、接合箇所３０に対応した電池容器１７の外底面側にスポット溶接した場合（２度の溶接履歴を電池容器１７に与える場合）に比べ、接合箇所３０の流動化に伴う接合不良や電池容器１７の脆弱化による影響（穴あき等）を防止することができる。

また、本実施形態のタンデム電池２０では、排気口２３Ａが溶接部４Ｂのスリット８の十字中心部の直下に位置付けられているので（図１参照）、単電池１の電池異常時に、単電池１の内圧が所定値以上となり開裂弁２１の開裂溝が開裂しても、単電池１内のガスは、蓋キャップ２３Ａに形成された排気口２３Ａ、および、溶接部４Ｂの形成されたスリット８を介して、円滑に単電池１の外部に排出される。従って、単電池１が破裂するような事態には至らない。

さらに、本実施形態のタンデム電池２０では、バスバ４の接続部４Ｃが段差により溶接部４Ａ、４Ｂより一段高い位置に配置されている。このため、放熱部材１０を介して熱がバスバ４に伝達されたときにバスバ４の変形が段差で吸収されるとともに、変形による溶接部４Ｂと単電池１の電池容器との短絡を防止することができる。

なお、本実施形態では、二次電池にリチウムイオン二次電池を例示したが、本発明はこれに限らず、例えば、ニッケル水素電池にも適用可能である。また、本実施形態では２本の単電池を直列接続したタンデム電池を例示したが、本発明はこれに限定されず、３本以上の単電池を直列接続した集合電池（組電池）や単電池を並列または直並列に接続した集合電池にも適用可能であることは論を待たない。さらに、放熱部材１０にリベット状のものを例示したが、プラグ状のものを用いるようにしてもよい。また、スリット８にネジ穴を螺設しておき、放熱部材１０にネジ状部材を用いるようにしてもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明を並置型タンデム電池に適用した第２の実施の形態について説明する。本実施形態のタンデム電池は、第１実施形態の放熱部材１０をバスバ４と一体形成したものである。なお、本実施形態において、第１実施形態と同一部材には同一の符号を付してその説明を省略し、以下、異なる箇所のみ説明する。

図３に示すように、本実施形態における溶接部４Ａは、第１実施形態のスリット８が形成された一部から下側（単電池５側）に向けて斜設された板バネ状部材１１を有している。板バネ状部材１１の先端部は電池容器５の内底面側の溶接箇所３０と反対面側の外底面に当接しており、板バネ状部材１１の基部は溶接部４Ａに固定されている。本形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、部品点数の削減、コストダウンおよび電池の軽量化を図ることができる。

なお、本形態において、溶接部４Ａを単電池５に溶接する場合には、板バネ状部材１１の付勢力に抗するように押圧し、電池容器１７の外底面に４箇所のプロジェクション７でスポット溶接を行うようにしても、スポット溶接した後、板バネ状部材１１を折り曲げて、先端部が電池容器５の内底面側の溶接箇所３０と反対面側の外底面に当接するようにしてもよい。板バネ状部材１１は、電池容器１７との接触面積を大きくするために、先端部が付勢力により電池容器１７と沿うように折り曲げられていてもよい。また、溶接部４Ａは、板バネ状部材１１を、図３に示すように１個だけではなく、複数個有していてもよい。

上述した実施形態に従って、実施例のタンデム電池２０を作製し通電試験を行った。なお、比較のために作製した比較例の電池についても併記する。

（実施例）
実施例１では、上述した第１実施形態（図１、２参照）のタンデム電池２０を作製した。実施例２では、第２実施形態（図３参照）のタンデム電池２０を作製した。

（比較例）
比較例では、上述した第１実施形態の放熱部材１０を欠く、すなわち、従来例のタンデム電池を作製した。

（試験）
作製した実施例１、２および比較例のタンデム電池を８．２Ｖ（単電池レベルでは４．１Ｖ）に充電した後、電子負荷装置に接続し、２００Ａ通電にて４．０Ｖまで放電し、電池容器１７（接合箇所３０）の状態の目視観察および通電時間を評価した。その結果を下表１に示す。

表１から明らかなように、実施例１、２のタンデム電池は、溶接箇所３０の発熱を抑制でき、大電流の連続放電に適している。

本発明は大電流通電時でも接合箇所の発熱を抑え接合箇所の損傷を防止できる集合電池を提供するものであるため、集合電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

本発明が適用可能な第１実施形態のタンデム電池の放熱部材の圧入前の平面図である。第１実施形態のタンデム電池の上部側面図である。本発明が適用可能な第２実施形態のタンデム電池の平面図である。タンデム電池を構成するリチウムイオン二次電池の断面図である。

符号の説明

１、５単電池（二次電池）
４バスバ
４Ａ溶接部（一方の端部）
４Ｂ溶接部（他方の端部）
４Ｃ接続部（中央部）
８十字状スリット（スリット）
１０放熱部材
１６電極群
１７電池容器（電池缶）
１８負極リード板（導電部材）
２０タンデム電池（集合電池）
２３蓋キャップ（電池蓋の一部）
２３Ａ排気口

Claims

電極群に電気的に接続された導電部材と金属製電池缶の内底面とがスポット溶接で接合された複数の二次電池と、
前記二次電池間を電気的機械的に接続するバスバと、
一側が前記スポット溶接で接合された電池缶の内底面と反対面側の外底面に当接し、他側が前記バスバの両端部のうち少なくとも一方の端部に固定された金属製の放熱部材と、
を備えた集合電池。
前記放熱部材は、前記二次電池の電池缶より大きな熱伝導率を有することを特徴とする請求項１に記載の集合電池。
前記放熱部材の一側が、前記スポット溶接による電池缶の内定面の接合箇所に対応した外底面側の箇所に当接していることを特徴とする請求項１に記載の集合電池。
前記放熱部材は、前記バスバ側から圧入されたプラグもしくはリベット状部材または前記バスバ側から螺入されたネジ状部材であることを特徴とする請求項１に記載の集合電池。
前記プラグもしくはリベット状部材またはネジ状部材の頭部底面が前記バスバの両端部のうち少なくとも一方の端部上面に当接していることを特徴とする請求項４に記載の集合電池。
前記放熱部材は前記バスバと一体形成されていることを特徴とする請求項１に記載の集合電池。
前記バスバの両端部のうち少なくとも一方の端部は、前記スポット溶接による電池缶の内定面の接合箇所に対応した外底面側の箇所を避けるように前記電池缶の外底面に複数箇所でスポット溶接で接合されたことを特徴とする請求項３に記載の集合電池。
前記バスバの両端部にスポット溶接用のスリットが形成されているとともに、前記二次電池は電池蓋の上面中央部に排気口が形成されており、前記排気口は前記バスバの両端部のうち少なくとも他方の端部の前記スリットの直下に位置付けられていることを特徴とする請求項７に記載の集合電池。
前記バスバの両端部のうち、一側の端部は前記集合電池を構成する二次電池の負極性の電池缶に接合されており、他側の端部は該二次電池に直列接続される他の二次電池の正極性の電池蓋に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の集合電池。
前記バスバの両端部間の中央部は前記バスバの両端部に対し段差を有することを特徴とする請求項１に記載の集合電池。