JP5146092B2 - 組電池用スペーサーおよびそれを用いた組電池 - Google Patents

組電池用スペーサーおよびそれを用いた組電池 Download PDF

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Description

本発明は薄角形電池を用いた組電池用スペーサーおよびそれを用いた組電池に関するものである。
各種二次電池の単セル電圧は約1.2〜5Vの間にある。すなわちニッケル―カドミウム電池やニッケル―水素電池では約1.2V、鉛蓄電池では約2V、非水系二次電池では約3〜5Vである。
ところが電池の用途によっては、例えば電気自動車の電源に用いる場合、200V以上の電圧や400Ah以上の容量が要求される。しかし、単セルの電圧や容量には限度があるため、特許文献1や特許文献2に開示されているように、複数の二次電池を直列や並列に接続して組電池とし、用途に応じた電圧や容量が得られるようにして使用している。
角薄形単電池を複数個積層して組電池にする場合、電池は充放電によって発熱するため、電池を冷却する目的で、特許文献3に開示されているように、電池と電池の間に冷却風を流すためのスペーサーを設けている。また、電池とスペーサーが直接接触している場合には、特許文献4に開示されているように、スペーサーに冷却風通路を設けることがある。
多数の二次電池を接続した組電池においては、異なる電池の端子間を接続杆でつなぐことにより、電気的接続をおこなっている。例えば、特許文献5で開示されているように、従来の接続構造では、接続杆は平板状であり、その平面が電池蓋の板面と平行となるようにとりつけられていた。
従来の組電池における端子と接続杆との接続構造の分解斜視図を図9に示す。図9において、1は薄形電池ケース、2は電池蓋、3は電池蓋に設けられた貫通孔、4は端子、4aは端子の台座部、4bは端子の足部、4cは端子のボルト部、5は平板状接続杆、5aは平板状接続杆の平面、5bは平板状接続杆の側面、5cは平板状接続杆に設けられた貫通孔、6はナット、7は電池蓋の貫通口3と端子4の間に設けた絶縁部材、8は電池蓋に設けられた安全弁である。
図9の電池では、電池蓋2に設けられた貫通孔3に絶縁部材7を差し込み、端子4の足部4bを絶縁部材7に設けられた貫通孔に貫通させることにより、絶縁された状態で端子4が電池蓋2にとりつけられている。
なお、絶縁部材7は、耐有機溶媒性を有する樹脂材料、ガラスハーメチックシール、セラミックスなどの絶縁体から構成されている。また、図9では示していないが、端子4の足部4bには電池内部の発電要素の正極または負極リードが結合されている。
接続杆5は平板状で、平面に垂直方向に貫通孔5cが設けられている。端子4と接続枠5とは、端子4のボルト部4cを接続杆5に設けられた貫通孔5cに挿入し、ナット6を螺着することで接続固定される。
このように、図9に示すように、従来の接続構造では、平板状接続杆5はその平面5aと電池蓋2の板面とが平行となるようにとりつけられていた。
図9に示した従来の接続構造では、端子4のボルト部4cが電池蓋2の板面に垂直であるため、ナット6を締めつける時のトルクが、端子の足部4bと電池蓋2とのとりつけ部の軸回り方向に直接加わり、端子4が回転方向にずれ、絶縁部材7を破損し易く、端子4と蓋板2との間の気密性が低下するという問題があった。
特許文献3に記載のスペーサーを設けた組電池の場合、電池間に冷却風を流すすき間が必要なため、個々の電池が固定されず、不安定である。また、特許文献4に記載された組電池では、スペーサーと接続端子が一体化され、円筒型接続端子の間に単電池の端子を挟んでいるため、電池とスペーサーが交互に積層されて、電池は固定されているが、スペーサーに冷却用通路が必要となリ、スペーサーの構造が複雑になる。さらに、特許文献5に記載された接続構造では、電池間のすき間が大きくなり、組電池としての容積効率が低下するという問題があった。
また、従来の組電池においては、スペーサーと接続杆とは別々の部品であったため、部品点数が多く組電池の組立時間が長くなるという問題があった。
そこで本発明は、従来の組電池における上記問題点を解決するためになされたもので、その目的は、組電池化の際に電池の気密性をそこなうことなく、接続杆のとりつけが容易な、薄形電池用の組電池用スペーサーおよびこの組電池用スペーサーと薄形電池とを組み合わせた組電池を提供することにある。
特開2004−71173号公報 特開2005−327677号公報 特開平11−126585号公報 特開2006−196222号公報 特開2002−246074号公報
請求項1の発明は、絶縁体からなる枠体と導電材からなる接続杆とが一体化された組電池用スペーサにおいて、前記枠体は、形状が平板状で、複数の単電池を収納する開口部を備え、最大厚みが単電池厚みよりも大きく、前記接続杆は、形状が平板状で、平面部分が前記枠体の平面部分と平行であることを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1記載の組電池用スペーサーの枠体の開口部に複数の薄形電池を収納した小組電池において、前記薄形電池の蓋板に正・負極端子が設けられ、前記正・負極端子の上方に平板状接続部を備え、前記端子の平板状接続部は、前記薄形電池の前面と平行で、前記複数の薄形電池間を前記接続杆で直列に接続し、前記組電池用スペーサの両端の接続杆の一方は前記薄形電池の正極端子に、他方は負極端子に接続されたことを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項2記載の小組電池を用いた組電池であって、小組電池を複数個積層し、前記複数の小組電池を直列または並列に接続したことを特徴とする。
請求項1の発明によれば、組電池用スペーサにおいて、絶縁体からなる枠体と導電材からなる接続杆とが一体化されているため、小組電池を組み立てる作業時間を大幅に短縮することができる。
請求項2の発明によれば、端子の接続孔や接続溝、接続突起の穿設方向や突設方向が電池ケースと交差しないので、この端子に接続部材を接続する際のトルクや押圧力が、この端子の足部の電池ケースへのかしめ部や溶接部や圧接部に過度の負担を加えないようにすることができ、単電池間を接続する際の端子と蓋板の気密性が低下する恐れがなくなる。
請求項3の発明によれば、平板状小組電池を積層するため、組電池の組立が容易で、また、小組電池の数を選択することで、使用目的の電圧、容量に応じた組電池とすることができる。
図1は、本発明で用いる薄形電池の斜視図を示したものである。図1において、11は薄形電池、12は電池ケース、13は電池蓋、14は正極端子、15は負極端子、16は安全弁、17は絶縁部材である。
この薄形電池は、電池ケース12の上面開口部に電池蓋13を溶接などでとりつけたもので、正極端子14および負極端子15はいずれも絶縁部材17を介して電池蓋13にとりつけられている。
図1に示すように、薄形電池の各コ−ナーをA〜Hとした場合、薄形電池の6つの面のうち、電池のおもて面(BCGF)とうら面(ADHE)が最大面積となる。また、この薄形電池では、短側面はABEF面とDCGH面であり、蓋面はABCD面であり、底面はEFGH面となる。
本発明の薄形電池の高さをh、幅をw、厚みをtとした場合、薄形電池とはhおよびwと比較してtが小さい形状の電池を意味する。実用的な薄型電池では次の条件を満たすことが好ましい。
t<h/3、t<w/3、t<20mm
なお、本発明の薄形電池の形状は、t<hおよびt<wを満たせば、図1のX−X’断面は、長方形・長円筒形いずれでもかまわない。
次に、本発明の組電池用スペーサーについて、例として開口部が2つのあるものについて説明する。図2は本発明の組電池用スペーサーの斜視図である。図2において、21は枠体、22は接続杆、23は枠体の開口部、24は枠体の凸部、25は孔である。
枠体21は、絶縁体からなる平板に2つの開口部を設けたものである。接続杆22は導電材からなり、形状が平板状である。また、枠体21の上部にはインサート成形または超音波溶着によって3つの接続杆22が組み込まれている。接続杆22は、端子の平面部の位置の公差できるようにフレキシブルに動く構造となっている。なお、端子位置の公差が小さい電池の場合は、接続杆は固定されていてもよい。そして、接続杆22の平面部分が枠体21の平面部分と平行になっている。
枠体の凸部24は数箇所に設けられ、この部分が枠体の最大厚みとなっており、薄型電池の厚みよりも大きくなっている。そのため、組電池用スペーサーの開口部に薄型電池をはめ込んで、組電池用スペーサーを積層した場合、隣接する組電池用スペーサーの枠体の凸部24同士が接触し、隣接する薄型電池の間には冷却用の空気通路が形成されることになる。
なお、図2では開口部が2つある組電池用スペーサーを例示したが、開口部の数には特に制限はなく、開口部がN個ある組電池用スペーサーでは、接続杆はN+1個となる。
図3は、本発明の小組電池の斜視図である。図3において、31は枠体、32、33は薄型電池、34、35、36は接続杆、37は電池の端子と接続杆とを接続するボルトおよびナットである。
本発明の小組電池は、組電池用スペーサーの枠体31の開口部に薄型電池32、33がはめ込まれ、一方の端の接続杆34と薄型電池32の負極端子とがボルト・ナットで電気的に接続され、中央の接続杆35は、薄型電池32の正極端子および薄型電池33の負極端子とに接続され、他方の端の接続杆36と薄型電池33の正極端子とが接続されている。
なお、電池の端子と接続杆との電気的接続は、ボルト・ナット以外にも、リベットでかしめる方法や、直接溶接で接続する方法なども用いることができる。
また、組電池用スペーサーの枠体31の開口部の大きさは、薄型電池がその中に入り、枠体と薄型電池との間のすき間がほとんどない大きさとすることが好ましい。
図4は、本発明になる組電池の斜視図を示したものである。なお、図4では、例として、小組電池を4個組み合わせた組電池を示す。図4において、41は小組電池、42は一方の端の接続杆、43は他方の端の接続杆である。この組電池は、小組電池の組電池用スペーサーの枠体31に設けられた孔に、通しボルトを4本通し(図4では「通しボルト」は図示せず、1箇所のみ点線で示している)、4個の積層した小組電池を一体化している。
図3に示すような2個の単電池を備えた小組電池を4つ電気的に接続する方法は2種類ある。図5および図6は組電池を上方から見た接続状態を示し、図5は並列接続、図6は直列接続を示す。図5および図6において、51は小組電池、52は小組電池の正極端子、53は小組電池の負極端子、54はボルト、55はナットである。
図5に示すように、隣接する小組電池の一方の端の接続杆をすべて負極、他方の端の接続杆をすべて正極となるように、多数の小組電池を積層し、負極側および正極側をそれぞれ通しボルトなどで接続固定すれば、多数の小組電池を並列に接続することができる。また、図6に示すように、隣接する小組電池の一方の端の接続杆を、正極と負極が交互に配置されるように多数の小組電池を積層し、隣接する正極と負極のみを接続固定すれば、多数の小組電池を直列に接続することができる。
本発明の小組電池は、図3に示したように、組電池用スペーサーの枠体の開口部に薄型電池がはめ込まれ、接続杆と薄型電池の端子とが電気的に接続されている。この場合、図2に示すように、接続杆の平面部分が枠体の平面部分と平行になっているため、薄形電池の正極端子および負極端子は、この平板状接続杆と接続しやすいように、端子の上方に平板状接続部を備え、この端子の平板状接続部は薄形電池の前面と平行とする必要がある。
図7は端子の平板状接続部の形状の例を示したもので、図7aに示したような板状や、図7bに示した水平方向の断面が半円状の形状などを用いることができる。そして、接続杆と端子とをボルト・ナットやリベットで接続する場合には、端子の平板状接続部に貫通孔を設ける必要がある。
なお、本発明において、枠体の厚みと薄型電池の厚みの関係は、枠体の最大厚みが単電池厚みよりも大きくすることにより、電池の間に冷却用の空気が流れる空間ができるようにすることができる。
[実施例]
1)薄型電池
正極板は、正極活物質としてのコバルト酸リチウム(LiCoO)87wt%と導電剤としてのアセチレンブラック5wt%と結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)8wt%との混合物にN−メチルピロリドン(NMP)を加えて正極合剤ペーストとし、この正極合剤ペーストをアルミニウム箔製正極集電体(厚さ20μm、幅90mm、長さ5000mm)の両面に塗布、乾燥することによって作製した。正極合剤層の片面厚みは0.03mmとした。なお、正極集電体の端部には正極合剤未塗布部を設け、この部分にリード端子を溶接して取り付けた。
負極板は、負極活物質としてのグラファイト(黒鉛)95wt%と結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)5wt%との混合物にN−メチルピロリドン(NMP)を加えて負極合剤ペーストとし、この負極合剤ペーストを銅箔製負極集電体(厚さ15μm、幅90mm、長さ5100mm)の両面に塗布、乾燥することによって作製した。負極合剤層の片面厚みは0.04mmとした。なお、負極集電体の端部には負極合剤未塗布部を設け、正極板の場合と同様にしてリード端子を溶接して取り付けた。
セパレータにはポリエチレン製微多孔膜(厚さ25μm、幅87mm、長さ10800mm)を用い、正極板と負極板とをセパレータを介して巻回し、扁平巻回形発電要素とした。この長円筒扁平形発電要素のリード端子部分を除いた大きさは、厚み19mm、幅122mm、高さ66mmであった。
電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との体積比3:7混合溶媒に六フッ化リン酸リチウム(LiPF)を1mol/L溶解したものを用いた。
電池ケースは外形寸法が厚み20mm、幅90mm、高さ70mmであるステンレス鋼製とし、この電池容器に扁平巻回形発電要素を収納し、発電要素の正極および負極のリード端子と電池蓋の正極端子および負極端子とを接続した後、電解液を注入し、ステンレス鋼製の電池蓋と電池ケースとをレーザー溶接して、薄型電池を得た。得られた薄型電池の重量は約0.32Kgで、電圧は約4V、設計容量は7Ahとした。
得られた薄型電池の正極端子および負極端子の形状は、図7aに示したのと同じ、基部が円柱で、上部が平板状とした。
2)組電池用スペーサー
組電池用スペーサーは枠体と接続杆とからなる。枠体はABS樹脂からなり、枠体はアルミニウム製である。枠体は図2に示したような形状に成形し、同時に図2に示したように、3つの接続杆をインサート成形し、枠体と接続杆とを一体化する。得られた組電池用スペーサーにおいては、図2に示すように、接続杆の平面部分が枠体の平面部分と平行になっている。この組電池用スペーサーの重量は約56gとした。
枠体の接続杆取り付け部分を除いた外形寸法は幅257mm、高さ95mmとし、2つの開口部の大きさはいずれも幅111mm、高さ75mmであり、枠体の凸部の厚みは3mm、凸部以外の厚みは2mmとした。なお、枠体の凸部を設けていない場所に、ボルトを通すための孔を数箇所設けた。接続杆の大きさは厚み3mm、幅52mm、高さ12mmで、2箇所に電池の端子と接続するための孔を設けた。
3)小組電池
小組電池は、組電池用スペーサーの枠体の2つの開口部に、2つの薄型電池をはめ込み、組電池用スペーサーの接続杆と薄型電池の正極端子および負極端子とをボルト・ナットで接続したものである。得られた小組電池は2つの薄型電池を直列に接続したもので、端子電圧は約8Vとなる。
小組電池の形状は図3に示したものと同じであり、接続杆と薄型電池の端子との接続部分の構造は図7aに示したものと同じである。
4)組電池
組電池は、図4に示したのと類似の形状であり、10個の小組電池を平面同士が向かい合うように、また隣接する小組電池の一方の端の接続杆を正極と負極が交互に配置されるように積層し、小組電池の組電池用スペーサーの枠体に設けられた孔に、通しボルトを4本通し、10個の積層した小組電池を一体化した。
次に、隣接する正極と負極の一組をボルト・ナットで接続固定すれば、10個の小組電池を直列に接続した、端子電圧が約80Vの組電池が得られる。
[比較例]
実施例で用いたのと同じ薄型電池を20個用い、すべて直列に接続した組電池を作製した。この組電池の接続状態を図8に示す。図8において、81は薄型電池、82は正極端子、83は負極端子、84は接続杆、85はスペーサーである。
この組電池は、図8に示すように、薄型電池を10個づつ2列に並べ、図8に示すように隣接する薄型電池の正極端子と負極端子とを順に接続し、すべての電池が直列に接続され、端子電圧は約80Vと、実施例の組電池と同じ端子電圧となる。
ただし、この比較例の組電池では、各薄型電池を接続する場合、接続杆などの部品が多く、各薄型電池の間にスペーサーを入れて、各薄型電池間に空間を形成する必要があり、さらに、20個の薄型電池をひとつにまとめた組電池とするためには、すべての電池を固定して一体化するための部品が必要で、組電池に擦るための部品が多く、実施例の組電池の組立時間に比べて、2倍以上の時間が必要であった。
角薄形電池の斜視図。 組電池用スペーサーの斜視図. 小組電池の斜視図。 組電池の斜視図 4つの小組電池を並列に接続した状態を示す図。 4つの小組電池を直列に接続した状態を示す図。 端子の平板状接続部の形状の例を示す図。 比較例の組電池の接続状態を示す図。 従来の組電池における端子と接続杆との接続構造の分解斜視図。
符号の説明
21、31 枠体
22、34、35、36 接続杆
23 枠体の開口部
24 枠体の凸部
32、33は薄型電池
41、51 小組電池

Claims (3)

  1. 絶縁体からなる枠体と導電材からなる接続杆とが一体化された組電池用スペーサーにおいて、前記枠体は、形状が平板状で、複数の単電池を収納する開口部を備え、最大厚みが単電池厚みよりも大きく、前記接続杆は、形状が平板状で、平面部分が前記枠体の平面部分と平行であることを特徴とする組電池用スペーサー。
  2. 請求項1記載の組電池用スペーサーの枠体の開口部に複数の薄角形電池を収納した小組電池において、前記薄形電池の蓋板に正・負極端子が設けられ、前記正・負極端子の上方に平板状接続部を備え、前記端子の平板状接続部は、前記薄形電池の前面と平行で、前記複数の薄形電池間を前記接続杆で直列に接続し、前記組電池用スペーサーの両端の接続杆の一方は前記薄形電池の正極端子に、他方は負極端子に接続されたことを特徴とする小組電池。
  3. 請求項2記載の小組電池を複数個積層し、前記複数の小組電池を直列または並列に接続したことを特徴とする組電池。
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