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

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_２）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_６）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。