JP5364751B2 - 電池セル - Google Patents

Description

本発明は、電池、特に電池容器の腐食を防止した電池セルに関する。

電極板（正極板、負極板）と電解液を収納して電池セルを形成する容器（以下、電池容器という）は、成型容易且つ強度があり、さらに放電または充電により発熱する電池の放熱を効果的に行うため熱伝導性の高い金属（合金を含む、例えばアルミニウム合金）を用いた材料で形成されるのが一般的である。
かような金属で形成された電池容器は、電池セルの正極板に塗工される正極活物質および負極板に塗工される負極活物質の材料によっては腐食等し、結果として電池性能を低下させる場合がある。
そこで、当該材料に対応して、電池容器の電位を正極板の電位と同電位または負極板の電位と同電位とすべく、正極板と電池容器とを電気的に接続する導電体（プルアップ導電体）または負極板と電池容器とを電気的に接続する導電体（プルダウン導電体）を採用する電池セルが開発されている（特許文献１、特許文献２参照）。

特開２００８−１８６５９１号公報 特開２００５−１６６５８４号公報

しかしながら、特許文献１の電池セルは、上記腐食は防止できるものの、プルアップ導電体としての抵抗体は電池セルに外付けされる部材であるため外的要因により外れやすい。
例えば、点検などの際に人や点検用具に引っかかりやすいため、結果として電池セルの故障が発生する恐れがある。
一方、特許文献２の電池セルは、上記腐食を防止できるとともに、プルアップ導電体としての半導性樹脂パッキンは電池セルに外付けではなく電池容器に形成されるため、プルアップ抵抗体が外れやすいという特許文献１の短所は解消される。しかし、電池セルに振動が頻繁に加えられるなど、電池セルの配置される環境又は使用状態によっては、半導性樹脂パッキンに対する正極端子の接触位置が当初の接触位置からずれる恐れがある。当該ずれが生じるということは、電池セルの密閉が不完全であることを意味し、電池セル内で発生する腐食ガスが電池セルの外部へ漏れ出し、電池セルが組み込まれる電池システム等の他の部材や装置を腐食して電池システム等の故障を誘発または電池システム等を使用するユーザーの人体に悪影響を及ぼす恐れがある。
本発明の電池セルは、簡易な構成で上記電池容器の腐食を防止するのみならず、密閉性を確保して安全性の向上した電池セルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電池セルは、導電体である第１の凸部が一体に形成された第１の電極端子と、第２の電極端子と、第１の貫通孔と第２の貫通孔とを備えた導電性の電池容器と、前記電池容器に収納され、前記第１の電極端子に電気的に接続される第１の電極板と、前記第２の電極端子に電気的に接続される第２の電極板とを備えた積層電極体と、前記第１の凸部を前記電池容器に接触させつつ前記第１の電極端子が前記第１の貫通孔に配置された前記第１の凸部と前記電池容器とを、前記電池容器の内外から挟み込むように前記第１の貫通孔を介して固化しており且つ前記第１の貫通孔を密閉する第１の絶縁性樹脂と、前記第２の貫通孔に配置された前記第２の電極端子を前記電池容器に電気的に接続しないように、前記第２の貫通孔を介して固化しており且つ前記第２の貫通孔を密閉する第２の絶縁性樹脂とを有することを特徴とする。

この構成により、第１の凸部が電池容器に接触した状態で第１の電極端子が電池容器に第１の絶縁性樹脂によって固定されるので導電性の電池容器の腐食を防止することができる。また、第１の電極端子に一体に形成された第１の凸部と電池容器とを、第１の貫通孔を通って且つ電池容器の内外から挟み込むように第１の絶縁性樹脂が第１の貫通孔を密閉して固化するので、第１の凸部によるいわゆるアンカー効果によって、第１の電極端子の第１の絶縁性樹脂に対する接触位置が当初の接触位置からずれることが防止される。従って、電池セルの密閉性を確保して安全性の向上することができる。

本発明の電池セルによれば、簡易な構成で上記電池容器の腐食を防止するのみならず、密閉性を確保して安全性の向上した電池セルを提供することができる。

本発明の実施形態の電池セルの概要図である。図１（ａ）は、電池セルの上面の概要図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ´線における断面概要図である。 図２は、図１の正極端子付近の拡大図を示す。図２（ｂ）は図１（ｂ）の一点鎖線αの内部の拡大図であり、図２（ａ）は図２（ｂ）のＢ−Ｂ´線断面図を示す。 図１の電池セルの第１変形例における正極端子の拡大図を示す。図３（ａ）は図２（ａ）に相当する正極端子の拡大図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ´線断面図を示す。 図１の電池セルの第２変形例における正極端子付近の拡大図を示す。 図４（ｃ）は図１（ｂ）の一点鎖線αに相当する部分の拡大図であり、図４（ａ）は図４（ｃ）の蓋（正極端子用の貫通孔付近）を示す。図４（ｂ）は蓋（負極端子用の貫通孔付近）の断面図を示す。 図１の電池セルの第３変形例における正極端子であって、図４（ｃ）に相当する断面の概要図である。

本発明の実施形態に係る電池セルにおいては、上記材料に対応して、正極端子と負極端子のいずれか一方の電極端子のうち、当該電極端子の端面から凸状に形成且つ当該電極端子と一体に形成された導電体（後述する凸部９を指す）が導電性の電池容器に物理的に接触した状態で、絶縁性樹脂によって当該電極端子と当該電池容器とが固定されていることを特徴の１つとしている。以下、図面（図１及至図５）を参照しながらこれを詳述する。なお、これらの図においては、いずれも同一のＸＹＺ直交座標系を用いている。
また、実施形態の電池セルとしては、一次電池または二次電池等のいずれの電池セルでも用いることが可能であるが、ここでは電池セルの一例として、充放電可能な電池セル、例えば蓄電池であるリチウムイオン二次電池の電池セルを用いて説明する。

以下、本実施形態の電池セル１につき図１及び図２を参照して説明する。
まず、図１を用いて電池セル１の構成の概要につき説明する。図１（ａ）は、電池セル１の上面（ＸＹ平面）の概要図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ´線のＹＺ平面における断面概要図である。

電池セル１は、ＸＹ平面上に略矩形の形状の底面をもち且つ当該略矩形の全ての辺からＺ方向へ伸びる壁面をもつ角型で導電性且つ金属製（例えば、アルミニウム合金等）の容器本体２と、容器本体２に収納され且つ正極板３と負極板４とがセパレータ（図示せず）を介して積層された積層電極体（１対の絶縁性樹脂板（図示せず）でＹ方向から、また、他の１対の絶縁性樹脂板（図示せず）でＸ方向から、積層電極体をそれぞれ挟んだユニットを「電池ブロック」という）と、積層電極体を含む電池ブロックを容器本体２に収納後に容器本体２を密閉する蓋５とを備えている（容器本体２と蓋５とがレーザー溶接等にて密閉されて「電池容器」となる）。なお、図示しないものの、電池容器には電解液が蓄えられる。

ここで、蓋５は容器本体２と同一の材質である。そして、蓋５には、蓋５を貫通して配置される円柱状（ＸＹ平面における断面が実質的に直径ｒの円）の正極端子６及び負極端子７と、これら電極端子（正極端子６又は負極端子７）を蓋５に固定し且つ電極端子と蓋５との間を電気的に絶縁する絶縁性樹脂８（例えば、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂等のプラスチック）が形成されている。上述のように電池容器が導電性であるので、電池ブロックと電池容器との間を電気的に絶縁すべく、容器本体２の内側の底面に当該底面と実質的に同じ形状及び寸法の絶縁性のプラスチック樹脂板（図示せず）を配置している。
また、電池の性能劣化を防止するため、積層電極体の活物質等の材質に対応させて、電池容器の電位を電池セル１の正極電位または負極電位とすべく、正極端子６または負極端子７の少なくともいずれか一方の電極端子に一体に形成された導電体である凸部９が蓋５に物理的に接触して配置される。ここでは、積層電極体の活物質等の材料が後述のとおりであるため、正極端子６と電池容器との間に導電経路を形成して電池容器を正極端子６の電位と実質的に同じとすべく、正極端子６に形成された凸部９が蓋５に物理的且つ電気的に接続される。凸部９については、後に詳述する。

電池ブロックの積層電極体は、一例として、複数の正極板３と複数の負極板４とがセパレータ（図示せず）を介して順次積層された積層型の積層電極体であるとして、以下説明する。
正極板３は、アルミニウム等の正極用金属箔の両面にマンガン酸リチウム等の正極活物質が塗工された後、略矩形に打ち抜かれて形成される。この打ち抜きの際、正極活物質が塗工されていない正極用金属箔も正極板３と一体に打ち抜かれ、当該正極用金属箔は正極板３に接続した正極タブ１０となる。ここでは、正極タブ１０の形状はＹＺ平面をＸ方向から見て略矩形であり、Ｙ方向の寸法は、正極板３のＹ方向の寸法より小さく設計されている。
一方、負極板４は、銅等の負極用金属箔の両面にカーボン等の負極活物質が塗工された後、略矩形に打ち抜かれて形成される。この打ち抜きの際、負極活物質が塗工されていない負極用金属箔も負極板４と一体に打ち抜かれ、当該負極用金属箔は負極板４に接続した負極タブ１１となる。ここでは、負極タブ１１の形状はＹＺ平面をＸ方向から見て略矩形であり、Ｙ方向の寸法は、負極板４のＹ方向の寸法より小さく設計されている。
負極板４のＹＺ平面における略矩形の寸法は、電池容器の内部に折れ曲がることなく収納される寸法であり、正極板３のＹＺ平面における略矩形の寸法は、負極板４のＹＺ平面における略矩形の寸法よりも小さい。従って、図１（ｂ）に示すように、Ｘ方向から見て、正極板３は負極板４の面内に配置される。また、負極タブ１１は、正極板３と負極板４とを後述のようにＸ方向に積層した際に、ＹＺ平面上で正極タブ１０と重ならない位置に配置される。
図示していないが、セパレータは略矩形に形成された電池用のセパレータであり、例えば樹脂性のセパレータである。セパレータのＹＺ平面における略矩形の寸法は、負極板４のＹＺ平面における略矩形の寸法よりも大きく設計される。

そして、正極板３より寸法の大きな負極板４から積層を始め、負極板４の上（＋Ｘ方向）にセパレータを配置し、当該セパレータの上（＋Ｘ方向）に正極板３を積層する。さらに、当該正極板３の上（＋Ｘ方向）にセパレータを配置し、当該セパレータの上（＋Ｘ方向）に負極板４を積層する。この際、積層される複数の正極板３は、それぞれに接続された各々の正極タブ１０のＹＺ平面における位置を揃えて積層される。また、積層される複数の負極板４は、それぞれに接続された各々の負極タブ１１のＹＺ平面における位置を揃えて積層される。
これを順次繰り返し、最終的に複数の正極板３と複数の負極板４からなり且つＹ方向から見てＸ方向の両端に負極板４が配置される積層電極体が形成される。

そして、積層電極体を＋Ｘ方向と-Ｘ方向から圧迫して１対の絶縁性樹脂板（図示せず）で挟みこみ、さらに、積層電極体を＋Ｙ方向と-Ｙ方向から１対の絶縁性樹脂板（図示せず）で挟みこみ、隣り合う絶縁性樹脂板同士を絶縁性テープで固定することで、１つのユニットとしての上記電池ブロックが形成される。これら絶縁性樹脂板は、例えば張りのある厚みを備えたプラスチック樹脂製の板である。積層電極体の電極板が、これら絶縁性樹脂板の面内からはみ出ることのないように、上記挟みこみ及び固定がなされる。積層電極体が４つの絶縁性樹脂板で挟まれた電池ユニットとして容器本体２に挿入されることで、容器本体２にはこれら樹脂板が接触することになり、積層電極体が当該挿入時に損傷することを防止することができる。すなわち、これら絶縁性樹脂板は、挿入ガイドとして機能する。

Ｘ方向から見て実質的に同じ位置に揃えられた全ての正極タブ１０は、リベット打ち又は溶接等で、正極端子６に電気的に接続される。この際、正極タブ１０を直接的に正極端子６に接続してもよいし、正極タブ１０と正極端子６との間に金属製の正極用リードを介在させてもよい。また、Ｘ方向から見て実質的に同じ位置に揃えられた全ての負極タブ１１は、リベット打ち又は溶接等で、負極端子７に電気的に接続される。この際、負極タブ１１を直接的に負極端子７に接続してもよいし、負極タブ１１と負極端子７との間に金属製の負極用リードを介在させてもよい。
なお、図１（ｂ）では、電極端子に一体形成されたリベット部１２を電極タブに形成した貫通孔に挿入し、その後にリベット打ちすることで、電極端子とそれに対応する電極板（正極板３又は負極板４）とを物理的に固定するとともに電気的に接続する構成としている。

では、次に、凸部９について、図１及び図２を用いて詳述する。図２（ｂ）は、図１（ｂ）の一点鎖線αの内部の拡大図であり、図２（ａ）は図２（ｂ）のＢ−Ｂ´線における断面図を示す。
図２に示すように、円柱状の正極端子６のＺ方向の端面に接続された導電体である凸部９は、ＸＹ平面上で略矩形の形状であり且つ当該円柱の中心から外向きに寸法Ｌの長さを備えている。この凸部９を備えた正極端子６を、蓋５に形成された正極端子６用の貫通孔に、凸部９を蓋５に接触させて配置し、凸部９及び蓋５を電池容器の内側と外側から絶縁性樹脂８が挟み込むように、すなわち凸部９及び蓋５を＋Ｚ方向と-Ｚ方向から絶縁性樹脂８が挟み込むように且つ絶縁性樹脂８が当該貫通孔を通過するように、絶縁性樹脂８を型に流して当該貫通孔を密閉するとともに、絶縁性樹脂８を固化させて正極端子６と蓋５とを固定する。
この構成により、正極端子６が蓋５と凸部９を介して電気的に接続されることになるので、凸部９がプルアップ導電体として機能し、結果として電池容器の腐食を防止することができる。また、凸部９は電池セル１の内部に内蔵され、凸部９と蓋５はいずれも、当該貫通孔を通過して固化した絶縁性樹脂８により電池容器の内外から挟み込まれているので、電池セル１が組み込まれて電力供給をする電池システムの振動等による正極端子６と絶縁性樹脂８の相対位置の変化がいわゆるアンカー効果によって防止される。従って、電池セル１の密閉性を確保して人または物に対する安全性を向上することができる。

ここで、凸部９は、正極端子６と別体として用意された後、溶接等で正極端子６と一体に接続されてもよいし、切削または型成形等にて正極端子６を形成する際に同時に一体成形されてもよい。また、凸部９は絶縁体でなければよいので、例えば１ｋΩ〜１ＭΩ程度の抵抗体であってもよい。正極端子６は、正極板３が上記の材質である場合には、例えばアルミニウムで製造される。従って、正極端子６と別体として凸部９が用意される場合には、凸部９を正極端子６より抵抗値の大きく且つ正極端子６と異なる材料（例えば、タングステン）で形成してもよい。また、正極端子６と同時に凸部９が一体成形される場合には、一体成形後に凸部９のみを酸化等して、凸部９の抵抗値を正極端子６の抵抗値と異なる、より大きな抵抗値としてもよい。

また、図２では、４つの凸部９が、Ｚ方向の位置を同じにして、ＸＹ平面で見て当該円柱の中心の回りに約９０°間隔毎に正極端子６に接続されている。これにより、正極端子６とそれに接続される全ての凸部９を併せた重心の位置は、当該柱状の形状のＺ方向の中心軸上に実質的に位置することになる。言い換えれば、正極端子６とそれに接続される全ての凸部９を併せた重心のＸＹ平面上の位置がＸＹ平面における当該円柱の中心の位置と実質的に同じとなる。
この構成によれば、上述のように絶縁性樹脂８を型に流して正極端子６と蓋５とを固定する際に、正極端子６用の貫通孔を通る絶縁性樹脂８は正極端子６の周囲に実質的に均等に流れ込むので、正極端子６が所定位置からずれることが防止できる。従って、当該ずれが防止できることにより、凸部９が蓋５に接触しない状態で正極端子６と蓋５とが絶縁性樹脂８により固定されることを防止でき、結果として電池容器の腐食しない優れた性能の電池セル１を提供することができる。
当該ずれを防止する機能は、上記重心と上記円柱の中心のＸＹ平面上の位置が実質的に同じとなればよいので、略矩形の凸部９の数は、２つ以上であることが望ましい。もちろん、当該ずれによる製品歩留まりなどをさほど考慮せずともよい設計である場合には、凸部９の数は１つのみとして電池セル１を形成してもよい。凸部９の数が１つであっても、凸部９が蓋５に接触した状態が維持されるのであれば、凸部９がプルアップ導電体として機能することができるからである。
なお、凸部９の形状を略矩形の形状ではなく、図３に示すように、正極端子６をＸＹ平面で実質的に取り巻く形状としてもよい。図３では、円盤状の凸部９ａが１つだけ正極端子６に一体に接続されている。凸部９ａによっても、上記重心と上記円柱の中心のＸＹ平面上の位置が実質的に同じとなるので、上記ずれを防止する機能が発揮される。ただし、凸部９ａでは、絶縁性樹脂８を電池容器の内外に流し込み易くするため、ＸＹ平面で見て当該円柱の中心の回りに約９０°間隔毎に貫通孔１３が形成されている。

さらに、電池セル１の密閉性をより確保するため、ここでは、負極端子７にも凸部９（又は凸部９ａ）を正極端子６の場合と同様に形成している。ただし、負極端子７に配置した凸部９（又は凸部９ａ）は、負極端子７と絶縁性樹脂８の相対位置の変化が防止できればよいので、蓋５に接触しないように設計される。
この点、図１では、製造容易の観点から、凸部９（又は凸部９ａ）を備えた正極端子６と同一寸法及び形状に凸部９（又は凸部９ａ）を備えた負極端子７を形成し、蓋５に形成された正極端子６用の貫通孔の寸法よりも蓋５に形成された負極端子７用の貫通孔の寸法を大きく設計している。具体的には、図２のように凸部９（又は凸部９ａ）が配置される場合には、ＸＹ平面上で円形の正極端子６用の貫通孔の直径ＲａはＲａ＝ｒ＋２×Ｌとなるが、ＸＹ平面上で円形の負極端子７用の貫通孔の直径Ｒｂは、Ｒｂ＞＞Ｒａと設計している。
これにより、上述した正極端子６の蓋５への絶縁性樹脂８による固定と同様に負極端子７も蓋５へ固定できる。

なお、正極端子と負極端子及び凸部の構成が、いずれの電極端子においても同一の構成である場合、正極端子６用の貫通孔と負極端子７用の貫通孔の寸法を同じとすることも可能である。例えば図４に示す変形例のように、正極端子６用の貫通孔１４（図４（ａ）参照）の直径ＲａはＲａ＝ｒ＋２×Ｌのままとして、負極端子７用の貫通孔１５（図４（ｂ）参照）の直径ＲｂをＲａと同じとし、さらに電極端子と凸部９（又は凸部９ａ）の配置は図２と同様のまま、凸部９（又は凸部９ａ）の寸法Ｌを（Ｌ＋ｌ）と長く設計する。このように設計すると、凸部９（又は凸部９ａ）が必ず蓋５に接触することになるが、蓋５の上面から凸部９（又は凸部９ａ）が突出することのないよう、蓋５には、貫通孔１４及び貫通孔１５のいずれにも凸部９（又は凸部９ａ）と嵌め合わすことができる凹部１６が形成される。
図４（ａ）に示すように、凸部９（又は凸部９ａ）のＺ方向の幅をｗとし、（ｗ×ｌ）の寸法の凹部１６を形成すれば、正極端子６と蓋５とを絶縁性樹脂８で上述のように固定する際に、正極端子６を安定的に位置決めできるので、より精度良く凸部９（又は凸部９ａ）のプルアップ導電体として機能を実現することができる。なお、よりよく位置決めをするために、図５のように、図４に示す電極端子の凸部９（又は凸部９ａ）から-Ｚ方向に延びる突起部１８を形成してもよい。
この場合、負極端子７の貫通孔１５には、負極端子７に配置する凸部９（又は凸部９ａ）が蓋５に電気的に接続しないように、絶縁性樹脂による絶縁膜１７が凹部１５に予め配置される。図４（ｂ）に示すように、絶縁膜１７が配置された状態の凹部１６の寸法を（ｗ×ｌ）とすれば、負極端子７を安定的に位置決めできるので、より精度良く負極端子７と蓋５とを絶縁性樹脂８で固定することができる。もちろん、負極端子７に配置する凸部９（又は凸部９ａ）を、絶縁体で形成してもよい。

上述のとおり、本実施形態及びその変形例では、電池容器の腐食を防止するのみならず、密閉性を確保して安全性の向上した電池セルを提供することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない限りで種々の変形が可能である。例えば、電池容器の形状は角型として説明したが、円筒型であってもよい。同様に、上記積層電極体６は、複数の正極板と複数の負極板とがそれぞれセパレータを介して順次積層された積層電極体（積層型積層電極体）でもよいし、１つの正極板と１つの負極板とが１つのセパレータを介して積層され且つ巻かれた状態の積層電極体（捲回型積層電極体）でもよい。電極端子の形状は円柱状として説明したが、蓋５を貫通して配置される形状であればいかようでもよい。従って、例えば、三角柱や四角柱等でもよい。
また、蓋５に形成された電極端子用の貫通孔のＸＹ平面上の形状も、必ずしも電極端子のＸＹ平面上の形状の相似形でなくともよい。
さらに、負極端子７に一体に形成した凸部９（又は凸部９ａ）にプルダウン導電体としての機能を持たせることもできる。この場合には、上述した実施形態及びその変形例の説明のうち段落番号００１７以降の説明において、「正極端子６」を「負極端子７」、「負極端子７」を「正極端子６」、「プルアップ導電体」を「プルダウン導電体」として読み替えれば、理解可能である。

１…電池セル、２…容器本体、３…正極板、４…負極板、５…蓋、
６…正極端子、７…負極端子、８…絶縁性樹脂、９（９ａ）…凸部、
１０…正極タブ、１１…負極タブ、１２…リベット部、１３…凸部用貫通孔
１４…正極端子用貫通孔、１５…負極端子用貫通孔、１６…凹部、
１７…絶縁膜、１８…突起部

Claims (5)

1. 導電体である第１の凸部が一体に形成された第１の電極端子と、
   第２の電極端子と、
   第１の貫通孔と第２の貫通孔とを備えた導電性の電池容器と、
   前記電池容器に収納され、前記第１の電極端子に電気的に接続される第１の電極板と、前記第２の電極端子に電気的に接続される第２の電極板とを備えた積層電極体と、
   前記第１の凸部を前記電池容器に接触させつつ前記第１の電極端子が前記第１の貫通孔に配置された前記第１の凸部と前記電池容器とを、前記電池容器の内外から挟み込むように前記第１の貫通孔を介して固化しており且つ前記第１の貫通孔を密閉する第１の絶縁性樹脂と、
   前記第２の貫通孔に配置された前記第２の電極端子を前記電池容器に電気的に接続しないように、前記第２の貫通孔を介して固化しており且つ前記第２の貫通孔を密閉する第２の絶縁性樹脂と
   を有することを特徴とする電池セル。
2. 前記第１の電極端子は柱状の形状であって、前記第１の凸部が一体に形成された前記第１の電極端子の重心は、前記柱状の形状の中心軸上に実質的に位置することを特徴とする請求項１に記載の電池セル。
3. 前記第２の電極端子には、前記第１の凸部と同一形状の第２の凸部が、前記第１の電極端子に対する前記第１の凸部の配置と同様の配置に一体に形成されており、前記第２の絶縁性樹脂は、前記第２の凸部と前記電池容器とを前記電池容器の内外から挟み込むように前記第２の貫通孔を介して固化していることを特徴とする請求項２に記載の電池セル。
4. 前記第１の貫通孔の周囲の前記電池容器には、前記第１の凸部と嵌合する第１の凹部が形成されており、前記第２の貫通孔の周囲の前記電池容器には、前記第２の凸部と嵌合する第２の凹部が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電池セル。
5. 前記第１の電極端子は正極端子であり、前記第２の電極端子は負極端子であり、前記第１の電極板は正極板であり、前記第２の電極板は負極板であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の電池セル。

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