JP5292709B2 - 電池 - Google Patents

Description

本願発明は、リベットかしめを行うリベット部材を備えた電池に関する。

大気の汚染や二酸化炭素の増加等の環境問題、あるいは石油の枯渇や価格高騰の問題等により、電気自動車、電動バイク、電動自転車、シニアカー等の電動車両の早期実用化が望まれている。実用化のためには、高効率、高出力、高エネルギー密度、軽量等の諸性能の向上もさることながら、信頼性の向上も重要な課題である。その一つに、「電池抵抗の安定化」という課題がある。

この課題に対する従来技術として、たとえば、次のようなものがある。特許文献１には、集電体の一部として用いるリベット部材（リベットかしめをおこない得る部材を意味し、本願の明細書及び特許請求の範囲では、以下、単にリベットと称する。）を他の集電体にくいこませて嵌合することで強固な「かしめ状態」を保持し、電池使用時の抵抗の上昇を防ぐ方法に係る発明が開示されている。また、特許文献２には、集電体の一部として用いるリベットを他の集電体に溶接することで、抵抗の上昇を防ぐ方法に係る発明が開示されている。

これらの発明により、高温多湿環境や寒冷地環境等における放置においては、電池の抵抗の上昇を防ぐことが可能となっていた。
特開平５−３２５９３８号公報 特開平８−３０６３４７号公報

ところが、上記背景技術の欄で説明された発明が、電動車両等に用いられる電池に適用された場合には、問題がある。電動車両等に用いる電池は、一般に、接続桿で直列あるいは並列に組み合わされた一体の組電池として車両に搭載されるところ、電動車両等が走行するときの振動によるストレスは端子部を伝わって隣接する電池に伝播しやすく、その伝播はリベットかしめ部の緩みをもたらし、抵抗を顕著に上昇させるからである。

すなわち、上記背景技術の欄で説明した発明が適用されたのみでは、接続桿を伝わるねじれ等の動的なストレスに対して弱く、かしめ部の回転や溶接部のはずれにより抵抗が上昇しやすい点が問題であった。また、厚みの小さい二次電池を生産する場合には、必然的にリベットの軸部の径を細くせざるを得ず、集電体との接触面積が小さくなるため、集電抵抗が高くなりやすく、高出力の電池を設計しにくい課題があった。さらに、溶接工程で発生した熱が、樹脂製の封口板やパッキンを焼損する恐れもあった。

そこで、本願発明は、リベットの端子部にかかる動的なストレスに対する剛性を向上させ、抵抗増加等の信頼性の低下を抑制することを目的とする。

（１）本願発明は、リベットが固定された外装ケースを備えた電池において、前記リベットは、頭部と、前記頭部の一方側からそれぞれ延出する複数の軸部と、前記複数の軸部の間に位置する前記頭部の他方側の部位に設けられた雄ねじ部または雌ねじ部とを備え、前記リベットは、並び方向が外装ケースの固定面の長手方向に平行とされた前記複数の軸部により前記外装ケースに固定されていることを特徴とする。

（２）本願発明では、上記構成に加えて、前記リベットが頭部を有することを特徴とすることもできる。さらに、その頭部からは雄ねじ部が突出していること、又はその頭部には雌ねじ部が形成されていることを特徴とすることもできる。さらに、その頭部が出入力端子を兼ねることを特徴とすることもできる。

（３）本願発明では、上記構成に加えて、前記外装ケースが集電体を備える発電要素を収納し、前記リベットの複数の軸部のうち少なくとも一つと前記集電体とが一体化していることを特徴とすることもできる。さらに、その一体化は、かしめによって行われることを特徴とすることもできる。

（４）本願発明では、上記構成を備えた複数の前記電池と接続桿とを備えた組電池とすることもでき、前記電池は別の電池と接続桿により直列又は並列に接続され、前記接続桿は前記リベットに固定されていることを特徴とすることもできる。その固定には、前記雄ねじ部又は前記雌ねじ部が用いられることを特徴とすることもできる。

本願発明によれば、従来技術の発明である単一箇所での保持又は固定と比較して、回転やねじれに対する剛性が高くなる。この効果は、雄ねじ部又は雌ねじ部が形成されたリベットが用いられた場合に、とくに顕著となる。

また、本願発明によれば、かしめ部のすべり、及び溶接部のはずれによる抵抗上昇が起こりにくくなる。したがって、電池性能、特に出入力性能が安定に保持される。また、電池の厚みが薄い場合であっても、リベットと集電体との接触面積を広く設計することができる。これにより、高出入力が可能な電池が得られるので、電動車両に用いられる電池に好適となる。

本願発明を以下に詳細に説明するが、本願発明が以下の実施の形態に限定されないことは言うまでもない。

本願発明に係る電池は、リベットが固定された外装ケースを備えた電池において、前記リベットは複数の軸部を備え、前記リベットはその複数の軸部により前記外装ケースに固定されていることを特徴とする。このような特徴を有する電池は、端子部に動的なストレスがかかった場合においても抵抗が上昇しにくくなる。そのため、電動車両等の電源として有用である。なお、リベットの複数の軸部が外装ケースに差し込まれていれば、リベット自体が回転することができなくなるので、この状態は、回転するか又はしないかという意味において「リベットが固定されている」と言える。また、ここでいう「外装ケースに差し込む」とは、リベットの軸部が外装ケースを貫通している場合を意味するのみならず、外装ケースに凹部を備えさせたうえで、その凹部に軸部を差し込む場合をも意味する。双方の場合ともに、いずれも本願の効果（リベットが回転しなくなることにより剛性が増すという効果）が得られるからである。

本願発明のリベットは、たとえば、図１及び図２に示すような外観である。そのリベットは出入力端子を兼ねる頭部と、複数の軸部からなる。その複数の軸部がリベットの頭部から突出している方向は、本実施の形態においては、平行である。

リベットの頭部は、接続桿との接合方式により、雄ねじや雌ねじの形状としてもよい。あるいは、溶接を考慮した平板の形状としてもよい。雄ねじは、頭部から軸部が突出する方向と逆の方向に向けて突出するように形成することができる。

リベットの軸部は、電池の外装ケースの一つといえる電池蓋の裏面側（すなわち、電池の内側）で集電体をかしめて保持している。その軸部の数は、リベット一つあたり最低２本以上必要である。回転に対する剛性を得るためである。しかし、多過ぎると部品の形状が複雑となりコストがかかるうえに、電池の気密信頼性も低下するため、好ましくは２〜３本程度である。軸部は、中空でも中実でもかまわない。かしめは、複数の軸部のうち少なくとも一つについて行っていればよい。かしめにより、集電体と電池外部との電気的な接続が可能になるとともに、回転するか又はしないかという意味においてリベットが固定され本願の効果が発揮されるからである。通例では、軸部のすべてにかしめがおこなわれる。なお、電池の厚みが薄い場合は必然的に軸部の径も細くなるが、複数の軸部を設けることで他の集電体との接触面積を広く取ることができるという効果がある。また、軸部の形状を、円柱のみならず角柱とすることもできる。

リベットの材質としては、（ｉ）電池内の酸化雰囲気および還元雰囲気に対する耐食性、（ｉｉ）高温多湿や寒冷等の外部の厳しい環境に対する耐食性、（ｉｉｉ）接続桿の材質との電位差が低く、電食に対する耐性などを有することが必要とされる。また、低コストや低抵抗であることも重要である。以上の要件を満たす材質として、例えば、電池が非水電解液二次電池である場合では、正極に用いるリベットとしてアルミニウムやアルミニウム合金が推奨される。負極に用いるリベットとして銅やニッケルが推奨される。しかし、必ずしもこれらに限定されるものではなく、ステンレス等でもかまわない。

本願発明の電池は、たとえば、非水電解質二次電池である。その非水電解質二次電池には、図３に示すように、正極と負極とがセパレータを介して積層して捲回された発電要素が用いられる。この発電要素が外装ケースに収納され、発電要素に電解液を含浸して構成されることにより、非水電解質二次電池が完成する。

ここで、本願でいう外装ケースとは、発電要素を収納する機能を有する部材であれば、どのようなものであっても良い。たとえば、外装ケースは、一般的に、有底容器とそれを封じる電池蓋で構成されることが多いところ、この場合であれば、その有底容器及び電池蓋のいずれもが、外装ケースであることになる。また、たとえば、図５に示すように、有底容器、電池蓋とともに蓋板によって、発電要素が収納される場合には、その有底容器、電池蓋、及び蓋板が、外装ケースであることになる。なお、本願発明においては、二次電池の外観の形状は特に限定されるものではないから、その外装ケースは、従来から用いられている直方体形、長円筒形、円筒型等のどのような形状であってもよい。形状に関わらず、本願発明の効果が得られるからである。

また、図３では正極と負極とセパレータを捲回した構造を例示したが、折りたたんだ構造や積層した構造でもかまわない。また、二次電池に用いられる正極、負極、セパレータおよび電解液などは、特に従来用いられてきたものと異なるところなく、通常用いられているものを使用できる。

本願発明の実施例及びその比較例を説明する。

（１）発電要素の製作
正極は、ＬｉＣｏＯ_２の粉体を８７重量％、導電助剤であるアセチレンブラックを５重量％、結着剤であるポリフッ化ビニリデンを８重量％混合し、これに含水量５０ｐｐｍ以下のＮ−メチル−２−ピロリドン（以下ＮＭＰ）を加えてペースト状としたスラリーをアルミニウム箔上に塗布、乾燥して作製した。

負極は、人造グラファイトの粉体を９０重量％、結着剤であるポリフッ化ビニリデンを１０重量％と混合し、これにＮＭＰを加えてペースト状としたスラリーを銅箔上に塗布、乾燥して作製した。

正極及び負極の乾燥は、０．０１ｔｏｒｒ以下の真空下１５０℃で１２時間以上おこない、その後室温まで冷却した後にロールプレスをおこなった。
そして、正極と負極とをポリエチレン製セパレータを介して捲回して発電要素を構成した。

（２）発電要素と正極集電用接続体及び負極集電用接続体との接続
（２．１）正極端子周りの構造
図４は、本願発明の一実施例である非水電解液二次電池の正極端子周りの部品をならべた状態を示している。

蓋板、外パッキン、出入力端子を兼ねたリベット、内パッキン、および正極集電用接続体は、図４に示すように重ね合わせられた。図４で示された正極集電用接続体の一端は、正極・負極・セパレータからなる発電要素のうち、正極に電気的に接続された。

蓋板には、リベットの二つの軸部を電池内外に貫通させるための孔を二箇所に設けた。蓋板の材料としては、アルミニウムやアルミニウム合金、あるいはステンレスや、ニッケルめっきが施された鉄等が用いられるが、本実施例ではアルミニウム合金を使用した。外パッキンと内パッキンにも、リベットの二つの軸部を貫通させる孔を二箇所に設けた。パッキンは、ポリプロピレンやポリエチレン等の樹脂を成形したものが用いられるが、本実施例ではポリプロピレンを用いた。リベットは、頭部がボルト、軸部が中実で二本ある形状のものをアルミニウム合金で作製した。なお、ボルトはＭ６とし、軸部のパイプ径は４ｍｍとした。集電体には、リベットの二つの軸部をかしめるための孔を二箇所に設けた。正極集電用接続体の材質はアルミニウム合金とした。

（２．２）負極端子周りの構造
負極端子周りの部品については、リベットと負極集電用接続体の材質を銅やニッケルに変更する以外は、上記（２．１）の内容と同様である。

（２．３）組立て
図４に示されるように、蓋板、外パッキン、リベット、内パッキン、正極集電用接続体又は負極集電用接続体を嵌め合わせたのち、リベットの軸部の先端を叩き潰し、それぞれ正極集電用接続体又は負極集電用接続体にかしめることにより、強固に接続された。正極側で二箇所、負極側で二箇所を中実リベットでかしめることで、リベットと集電用接続体とは、より強固に接合されることになる。なお、この実施例では、リベットの２本の軸部の双方がかしめられることとしたが、二つの軸部のうち一方のみをかしめるようにすることができることは、前述の通りである。

その後、これらを直方体形の有底容器であるケースに収納した。そして、電池蓋とそのケースとを溶接により密封した。また、正極側の蓋板及び負極側の蓋板と電池蓋とを、絶縁パッキンを挟んで固定した。

（３）注液工程
ケースの側面に設けた貫通孔を通じて電解液を注液した。電解液には、エチレンカーボネート（ＥＣ）：ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）：エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）＝３：２：５（体積比）の混合溶媒に、ＬｉＰＦ_６を１ｍｏｌ／Ｌとなるように溶解したものを用いた。注液後、貫通孔をアルミ合金の小片で栓をしてレーザー溶接で密閉して電池を完成させた。完成後の電池の外観を、図５に示した。

比較例

比較例となる電池は、従来までの電池と同様に、リベットの軸部を一本としたこと以外は実施例と同様にして作製した。軸部の形状は実施例と同一とした。

[実施例と比較例との対比結果]
以上の実施例および比較例の電池（単電池）を用いて、正極端子のボルトにステンレス製ナットを取り付け、ナットの締め付けトルクを段階的に上げた際の挙動を調査した。その結果を表１に示す。

表１に示す結果より、実施例の電池は、端子部にかかるストレスに対して安定であり、抵抗値が変化しにくいことが明らかになった。この特性は、特に車載等の振動がかかる条件下で、長期にわたり安定した高出入力性能を要求される電池にとって有用なものである。また、本願発明は、高出入力性能と優れた放熱性能の両立を要求される薄型の電池において、特に有効である。

なお、このような効果を有することから、複数の電池（本願発明に係るもの）と接続桿とを備えた組電池において、前記電池は別の電池と接続桿により直列又は並列に接続され、前記接続桿は前記リベットに固定されていることを特徴とする場合にあっては、本願発明の効果（すなわち、回転やねじれに対する剛性が向上するという効果）はさらに顕著に得られる。このことを、本願発明者らは確認した。

本願発明に係るリベットの一実施例を示す図である。 本願発明に係るリベットの他の実施例を示す図である。 本願発明の電池に収納される発電要素を示す斜視図である。 本願発明の一実施例である非水電解液二次電池の正極端子周りの部品をならべて示した図である。 本願発明の一実施例である非水電解液二次電池を示した図である。

符号の説明

１ リベット
２ 頭部
３ 軸部
４ 雌ねじ部
５ 雄ねじ部
６ 発電要素
７ セパレータ
８ａ 正極
８ｂ 正極の集電部
９ａ 負極
９ｂ 負極の集電部
１０ 外パッキン
１１ 外装ケースの一つを構成する蓋板
１２ 内パッキン
１３ 正極集電用接続体
１４ 外装ケースの一つを構成する電池蓋
１５ 外装ケースの一つを構成するケース
１６ 電池

Claims (1)

1. リベットが固定される外装ケースを備えた電池において、
   前記リベットは、頭部と、前記頭部の一方側からそれぞれ延出する複数の軸部と、前記複数の軸部の間に位置する前記頭部の他方側の部位に設けられた雄ねじ部または雌ねじ部とを備え、
   前記リベットは、並び方向が外装ケースの固定面の長手方向に平行とされた前記複数の軸部により前記外装ケースに固定されていることを特徴とする電池。