JP5353598B2 - 電池の集電端子封止構造 - Google Patents

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池などの集電端子の封止構造に関する。

ハイブリッド自動車などには、ニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池などの密閉型電池が用いられている。例えば角形の密閉型電池では、特開2005−056648号公報などに記載されたように、電池ケースの上面を塞ぐ蓋体に端子取付孔が貫通状に設けられ、この端子取付孔に集電端子が絶縁パッキングを介して取り付けられている。

蓋体は電池ケースに溶接されて密閉型電池とされるのが一般的であるため、蓋体は電池ケースと同様のアルミニウムなどの金属から形成されている。そのため端子電極と蓋体との間を絶縁しなけらばならず、絶縁パッキングが必要となる。上記した特開2005−056648号公報には、集電端子を拡径することで絶縁パッキングを押圧して強固にシールすることが記載されている。

また特開2008−027823号公報には、蓋体と集電端子とを弾性エラストマ樹脂を含む絶縁密封材料で一体化した封止構造が記載されている。

ところでリチウムイオン二次電池においては、過充電あるいは過放電の場合には異常発熱に繋がるため、充放電を監視する保護回路が必要となる。またニッケル水素二次電池においても、充電開始時の温度が０℃以下や40℃以上の場合には急速充電を行わずトリクル充電する必要があり、また充電中に高温となると寿命が劣化するため電池温度が所定値になるとトリクル充電に切り替える必要がある。

したがって電池の温度を正確に把握することが重要であるが、サーミスタなどで温度を検出する場合には、集電端子など電流が流れる部位の温度を検出することは避け、電流が流れない蓋体などの温度を検出することが多い。

特開2005−056648号公報 特開2008−027823号公報

ところが蓋体の温度を検出する場合には、蓋体は絶縁パッキングによって電極と絶縁されているため、絶縁パッキングなどが熱抵抗となり正確な電池温度を把握することが困難となるという問題があった。例えば電池温度が急激に上昇した場合には、単位時間あたりの温度上昇量は集電端子より蓋体の方が小さくなるため、保護回路を作動させるタイミングが遅れてしまう。

一方、熱伝導性の高い材料を用いてシールすることも考えられるが、絶縁性とシール性を高く維持しつつ熱伝導性を高めることは困難であった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高い絶縁シール性を確保するとともに、電池温度を正確に把握できるようにすることを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明の電池の集電端子封止構造の特徴は、厚さ方向に貫通形成された端子取付孔をもち電池ケースの上面開口を塞ぐ金属製で板状の蓋体と、電池ケース内に配置される集電部と集電部の一端に形成されたフランジ部とフランジ部から突出し端子取付孔に挿通された端子部とからなる集電端子と、弾性体からなりフランジ部と蓋体との間に介装された絶縁シール部材と、端子取付孔から突出する端子部に電気的に接続される圧縮リングと、圧縮リングと蓋体との間に介装された絶縁樹脂リングと、を含み、絶縁シール部材は電気絶縁性の弾性マトリックスと弾性マトリックスより熱伝導性が高いフィラー成分とからなり、フィラー成分はフランジ部の表面と蓋体の表面とを連結する方向に配向していることにある。

本発明の集電端子封止構造によれば、電気絶縁性の弾性マトリックスと弾性マトリックスより熱伝導性が高いフィラー成分とからなる絶縁シール部材がフランジ部と蓋体との間に介装され、フィラー成分はフランジ部の表面と蓋体の表面とを連結する方向に配向している。したがって電池内部の熱が直接的に伝達されたフランジ部の熱は、熱伝導性が高いフィラー成分を介して蓋体へ伝達されるので、現実の蓋体の温度をその時点における現実の電池内部温度の指標とすることができる。換言すれば、蓋体の温度と電池内部の温度との差が小さいので、蓋体の温度を測定することで電池内部温度を把握することが可能となる。

本発明の一実施例に係る集電端子封止構造の部品構成を示す分解斜視図である。 本発明の一実施例に係る集電端子封止構造の要部断面図である。 本発明の一実施例に係る集電端子封止構造に用いた絶縁シール部材の成形に用いた金型の断面図である。 本発明の第２の実施例に係る集電端子封止構造の要部断面図である。 本発明の第３の実施例に係る集電端子封止構造の要部断面図である。 本発明の第４の実施例に係る集電端子封止構造の要部断面図である。 本発明の第５の実施例に係る集電端子封止構造の要部断面図である。

本発明の電池の集電端子封止構造は、電池ケースの上面開口を塞ぐ蓋体と、集電端子と、絶縁シール部材と、圧縮リングと、絶縁樹脂リングと、を含む。蓋体は金属製で板状をなし、厚さ方向に端子取付孔が貫通形成されている。この蓋体は、電池ケースに溶接固定される。

集電端子は、集電部と、集電部の一端に形成されたフランジ部と、フランジ部から突出する端子部と、からなり、正極と負極の一対からなる。集電部は電池ケース内に挿入され、通常は電極体と複数箇所接合されて集電する。集電部の一端にはフランジ部が形成され、フランジ部からは端子部が突出している。この端子部は蓋体の端子取付孔に挿通されて電池の外部に表出し、圧縮リングに導通されて圧縮リングを介して電力を供給するとともに蓋体に固定される。

しかしながら端子部及び圧縮リングとフランジ部は、蓋体との間を電気的に絶縁する必要がある。そこで圧縮リングと蓋体の表面との間には絶縁樹脂リングを介装し、フランジ部と蓋体の裏面との間には絶縁シール部材を介装している。

絶縁樹脂リングは、圧縮リングと蓋体の表面との間に介装され、圧縮リングと蓋体との間を絶縁するものである。したがってＰＰ、ＰＥなどのオレフィン系樹脂、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリマー、ポリブチレンテレフタレート、ポリアセタール、エポキシ樹脂など、非導電性の各種樹脂材料から形成することができる。一般には孔あき円板状に形成され、その貫通孔に端子部が挿通された状態で圧縮リングと蓋体との間に挟持される。

絶縁樹脂リングは、端子部が挿通される貫通孔をもつ孔あき樹脂板部と、貫通孔の周縁部から突出し端子部の外周表面と端子取付孔の内周表面との間に配置される樹脂筒部とから構成することも好ましい。このようにすれば、樹脂筒部によって端子部の外周表面と端子取付孔の内周表面との間を確実に絶縁シールすることができる。

絶縁シール部材は弾性体からなり、フランジ部と蓋体の裏面との間に介装されている。その形状は、一般には孔あき円板状とされ、中心の貫通孔にフランジ部から突出する端子部が挿通される。絶縁樹脂リングと同様に、貫通孔の周縁部から突出する筒部を形成し端子部の外周表面と端子取付孔の内周表面との間を絶縁シールしてもよい。

本発明の最大の特徴は、絶縁シール部材は電気絶縁性の弾性マトリックスと弾性マトリックスより熱伝導性が高いフィラー成分とからなり、フィラー成分はフランジ部の表面と蓋体の表面とを連結する方向に配向していることにある。

弾性マトリックスとしては、エチレンプロピレンジエン共重合物（ＥＰＤＭ）、クロロプレンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、シリコーンゴムなどのゴム類、オレフィン系、スチレン系、塩化ビニル系、ポリエステル系、ポリウレタン系、ポリアミド系、フッ素系の熱可塑性エラストマー類などの弾性体を用いることができる。

フィラー成分は、電気絶縁性を有しかつ弾性マトリックスより熱伝導性が高いものが用いられる。このようなフィラー成分としては、カーボンブラック、炭素繊維、石油コークス、グラファイト、カーボンナノチューブなどの炭素系フィラー、あるいはアルミナ、ジルコニア、マグネシア、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、炭化ホウ素などのセラミックスを用いることができる。弾性マトリックスの熱伝導率は一般に１Ｗ／ｍ・Ｋ未満であるのに対し、炭素系フィラー及びセラミックスの熱伝導率は大部分が１Ｗ／ｍ・Ｋを超え、１００Ｗ／ｍ・Ｋを超えるものも多いことから、いずれも好適に用いることができる。

フィラー成分の量は、多いほど熱伝導性が向上するが、反面、絶縁シール部材の弾性が低下する。したがって弾性マトリックス及びフィラー成分の種類によっても異なるが、炭素系フィラーは５〜40体積％の範囲が好ましく、セラミックスフィラーは５〜60体積％の範囲が好ましい。後述の磁場印加成形方法で配向させやすい炭素繊維と、反磁性体であるセラミック粉末との混合フィラーとするのが特に好ましい。炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維よりも熱伝導率が大きなピッチ系炭素繊維が好ましい。

フィラー成分は、フランジ部の表面と蓋体の表面（電池ケース側の裏面）とを連結する方向に配向している。ここで連結する方向とは、板状の絶縁シール部材の厚さ方向、あるいは厚さ方向に対して垂直以外の角度で交差する方向をいう。このような配向方向とすることで、フィラー成分を介してフランジ部から蓋体への熱移動が円滑となる。

弾性マトリックス中に、上記したようにフィラー成分を配向させるには、絶縁シール部材の製造時に行うことができる。すなわち弾性マトリックスとなる樹脂とフィラー成分との混合物が流動可能な状態にある時に、磁場を印加することでフィラー成分を配向させ、その状態で固化する方法が例示される。あるいは、樹脂とフィラー成分との混合物が流動可能な状態にある時に、混合物の少なくとも一部を伸長変形させ、伸長方向へフィラー成分を配向させることもできる。なお流動可能な状態とは、加熱により弾性マトリックスが溶融した状態、あるいは弾性マトリックスが架橋・重合する前の状態をいう。このような製造方法は、特開2007−269924号公報、特開2007−291346号公報、特開2008−266586号公報などに詳しく記載されている。

磁場を印加しながら成形することでフィラー成分を配向させる場合には、フィラー成分は磁場の方向（磁力線の方向）に沿うように配向する。配向後に弾性マトリックスを冷却などによって固化させ、フィラー成分の配向状態を固定する。磁場の強さは特に制限されないが、１テスラ以上の強磁場が好ましい。この方法によれば、磁場の方向を調整するだけで、フィラー成分の配向方向を容易に調整することができる。

なお貫通孔をもち、貫通孔の周縁部から突出する筒部をもつ絶縁シール部材の場合には、筒部におけるフィラー成分の配向方向を筒部を構成する壁の厚さ方向とすることが好ましい。このようにすることで、端子部の外周表面から蓋体への熱移動がより円滑となる。

また絶縁樹脂リングが、端子部が挿通される貫通孔をもつ孔あき樹脂板部と貫通孔の周縁部から突出し端子部の外周表面と端子取付孔の内周表面との間に配置される樹脂筒部とを有する場合には、少なくとも樹脂筒部には端子部から端子取付孔の内周表面に向かって配向し樹脂筒部のマトリックス樹脂より熱伝導性が高いフィラー成分を含むことが望ましい。このようにすることで、端子部の外周表面から蓋体への熱移動がより円滑となる。この場合のフィラー成分は、弾性シール部材と同様のものを用いることができ、同様の方法で配向させることができる。

ところで絶縁シール部材は弾性を有しているので、蓋体への固定時に圧縮変形が生じるとフィラー成分の配向方向が変化してしまう。そこで絶縁シール部材の過度の変形を規制するために、スペーサーを介在させることが望ましい。このスペーサーは、絶縁性を有する樹脂から形成することができる。

以下、図面を参照しながら実施例により本発明を具体的に説明する。

図１に本実施例の電池の集電端子封止構造の分解斜視図を、図２にその要部断面図を示す。この集電端子封止構造はリチウムイオン二次電池に用いられるものであり、図示しない電池ケースに溶接されるアルミニウム合金製の蓋体１と、集電端子２と、絶縁シール部材３と、圧縮リング４と、絶縁樹脂リング５と、スペーサー６とから構成されている。

蓋体１は長尺板状をなし、長手方向の両端部に端子取付孔10、10'が厚さ方向に貫通して形成されている。なお図１には、一方の端子取付孔10に取り付けられる部品を示しているが、他方の端子取付孔10'にも同様の部品が同様に取り付けられることは言うまでもない。

集電端子２は、図示しない電池ケース内に配置されて電極体と複数箇所接合される板状の集電部20と、集電部20の端部が略直角に曲折されることで形成されたフランジ部21と、集電部20と平行にフランジ部21から突出する円柱状の端子部22とからなる。端子部22の外周表面には雄ネジが形成されている。

絶縁シール部材３は貫通孔30をもつ円板形状の孔あき板部31と、貫通孔30の周縁部から突出する筒部32とからなる。貫通孔30は端子部22の外径より若干小さな内径を有し、端子部22が挿入可能となっている。

この絶縁シール部材３は、シリコーンゴムをマトリックスとし、アルミナ粉末を30体積％と炭素繊維を15体積％含んでいる。以下、この絶縁シール部材３の製造方法を説明する。

先ず加熱硬化型の液状シリコーン樹脂を用意し、反磁性体であるアルミナ粉末を30体積％となるように混合し、かつピッチ系炭素繊維を15体積％となるように混合した。これを図３に示す金型のキャビティへ射出成形し、150℃で30分間保持してシリコーン樹脂を硬化させシリコーンゴムとした。

金型は下型100と上型200とからなり、両者の間に孔あき板部31を成形するキャビティ101と、筒部32を成形するキャビティ102が形成されている。成形時及び加熱時には、磁力線がキャビティ101の厚さ方向に通過するように、２テスラの磁場を印加した。

このようにして成形することで、図３に示すように炭素繊維103は孔あき板部31の厚さ方向と平行に配向し、アルミナ粒子どうしは鎖状に繋がったクラスター104を形成し、クラスター104も孔あき板部31の厚さ方向と平行に配向する。得られた絶縁シール部材３は、シリコーンゴムのみから成形されたものに比べて、孔あき板部31の厚さ方向の熱伝導率が30〜50倍増大している。

絶縁樹脂リング５はエポキシ系液晶ポリマーからなり、端子部22が挿通される貫通孔50を備えている。

スペーサー６はエポキシ系液晶ポリマーからなり、絶縁シール部材３の孔あき板部31の外径と略同一の内径をもつ保持孔60が形成されている。

本実施例の集電端子封止構造を組み立てるには、先ず集電端子２の端子部22を絶縁シール部材３の貫通孔30に挿通し、次いでスペーサー６の保持孔60、蓋体２の端子取付孔10、絶縁樹脂リング５の貫通孔50の順に挿通する。最後に、絶縁樹脂リング５の貫通孔50から突出する端子部22に導電金属製の圧縮リング４を締結し、全体を一体に固定する。

したがって本実施例の集電端子封止構造によれば、集電部20に集電された電力は端子部22から圧縮リング４を介して供給される。またフランジ部21及び端子部22は、絶縁シール部材３を介して蓋体１に固定されているので、フランジ部21及び端子部22と蓋体１との間が絶縁されている。さらに圧縮リング４は、絶縁樹脂リング５を介して蓋体１に固定されているので、圧縮リング４と蓋体１との間も絶縁されている。すなわち蓋体１には電流が流れない。

そして本実施例の集電端子封止構造によれば、絶縁シール部材３の孔あき板部31は厚さ方向の熱伝導率がきわめて高い。また絶縁シール部材３は、スペーサー６によって圧縮変形量が規制されているので、過度の変形によってフィラー成分の配向方向が変動することがない。したがって、集電端子２の熱はフランジ部21から蓋体１へ円滑に伝熱され、蓋体１の温度と図示しない電池ケース内部の温度との差が小さくなるので、蓋体１の温度を検出することで保護回路の駆動を正確に制御することができる。

図４に、本発明の第２の実施例に係る集電端子封止構造の要部断面図を示す。本実施例の集電端子封止構造は、絶縁シール部材３に含まれるフィラー成分の配向方向が異なること以外は実施例と同様の構成である。

絶縁シール部材３は、実施例１と同様に貫通孔30をもつ円板形状の孔あき板部31と、貫通孔30の周縁部から突出する筒部32とからなる。フィラー成分は、孔あき板部31及び筒部32ともに、中心軸に対して45°傾斜して筒部32の端面側へ向かう斜め方向に配向している。フィラー成分をこのように配向させるには、磁場の印加方向を調整して行うことができる。また磁場を印加しながら金型を回転させるなどの方法による遠心力を併用することで行うことも可能である。

本実施例の集電端子封止構造によれば、フランジ部21及び端子部22の熱はフィラー成分を介して蓋体１の下面及び端子取付孔10の内周面に円滑に伝熱される。

図５に、本発明の第３の実施例に係る集電端子封止構造の要部断面図を示す。本実施例の集電端子封止構造は、絶縁シール部材３の孔あき板部31と筒部32とを分割してそれぞれ成形したこと以外は実施例と同様の構成である。

孔あき板部31では、実施例１と同様にフィラー成分が厚さ方向に配向している。一方、筒部32では、フィラー成分が径方向に放射状に配向している。筒部32の成形時にフィラー成分をこのように配向させるには、筒部32の内周面から外周面に向かう方向へ磁力線が向かうように磁場を印加すればよい。

本実施例の集電端子封止構造によれば、フランジ部21の熱は孔あき板部31のフィラー成分を介して蓋体１の下面に円滑に伝熱され、端子部22の熱は筒部32のフィラー成分を介して端子取付孔10の内周面に円滑に伝熱される。

図６に、本発明の第４の実施例に係る集電端子封止構造の要部断面図を示す。本実施例の集電端子封止構造は、絶縁シール部材３及び絶縁樹脂リング５の形状が異なること以外は実施例１と同様の構成である。

絶縁樹脂リング５は、貫通孔50の周囲から端子取付孔10に向かって突出する筒部52を有し、筒部52が端子取付孔10に挿入されている。また絶縁シール部材３は、筒部32をもたず孔あき板部31のみからなり、フィラー成分が厚さ方向に配向している。

本実施例の集電端子封止構造によれば、フランジ部21の熱は孔あき板部31のフィラー成分を介して蓋体１の下面に円滑に伝熱される。

図７に、本発明の第５の実施例に係る集電端子封止構造の要部断面図を示す。本実施例の集電端子封止構造は、絶縁樹脂リング５の筒部52を絶縁樹脂リング５本体から分割して成形し、筒部52にフィラー成分を含むこと以外は実施例４と同様の構成である。

筒部52は、絶縁樹脂リング５と同様の樹脂から形成され、実施例１と同様のフィラー成分を実施例１と同体積％含んでいる。筒部52の成形時には、筒部32の内周面から外周面に向かう方向へ磁力線が向かうように磁場が印加され、フィラー成分は径方向に放射状に配向している。

本実施例の集電端子封止構造によれば、フランジ部21の熱は絶縁シール部材３のフィラー成分を介して蓋体１の下面に円滑に伝熱され、端子部22の熱は筒部52のフィラー成分を介して端子取付孔10の内周面に円滑に伝熱される。

本発明の集電端子封止構造は、リチウムイオン二次電池ばかりでなく、ニッケル水素二次電池にも利用することができる。

１：蓋体
２：集電端子
３：絶縁シール部材
４：圧縮リング
５：絶縁樹脂リング
６：スペーサー
10：端子取付孔

Claims (3)

1. 厚さ方向に貫通形成された端子取付孔をもち電池ケースの上面開口を塞ぐ金属製で板状の蓋体と、
   電池ケース内に配置される集電部と該集電部の一端に形成されたフランジ部と該フランジ部から突出し該端子取付孔に挿通された端子部とからなる集電端子と、
   弾性体からなり該フランジ部と該蓋体との間に介装された絶縁シール部材と、
   該端子取付孔から突出する該端子部に電気的に接続される圧縮リングと、
   該圧縮リングと該蓋体との間に介装された絶縁樹脂リングと、を含み、
   該絶縁シール部材は電気絶縁性の弾性マトリックスと該弾性マトリックスより熱伝導性が高いフィラー成分とからなり、該フィラー成分は該フランジ部の表面と該蓋体の表面とを連結する方向に配向していることを特徴とする電池の集電端子封止構造。
2. 前記絶縁シール部材は前記端子部が挿通される貫通孔をもつ孔あき板部と該貫通孔の周縁部から突出し前記端子部の外周表面と前記端子取付孔の内周表面との間に配置される筒部とからなり、前記フィラー成分は該孔あき板部と該筒部の軸中心に対して傾斜した放射状に配向している請求項１に記載の電池の集電端子封止構造。
3. 前記絶縁樹脂リングは前記端子部が挿通される貫通孔をもつ孔あき樹脂板部と該貫通孔の周縁部から突出し前記端子部の外周表面と前記端子取付孔の内周表面との間に配置される樹脂筒部とからなり、該樹脂筒部には前記端子部から前記端子取付孔の内周表面に向かって配向し該樹脂筒部のマトリックス樹脂より熱伝導性が高いフィラー成分を含む請求項１に記載の電池の集電端子封止構造。

Images