JP5440663B2 - 電池 - Google Patents

Description

本発明は、巻回型や積層型の発電要素の電極を集電接続体を介して端子に接続する電池に関する。

電気自動車等に用いられる大型のリチウムイオン二次電池の構成例を図４に示す。このリチウムイオン二次電池は、長円筒形の発電要素１を４個密着して並べ並列接続したものである。各発電要素１は、図５に示すように、正極１ａと負極１ｂをセパレータ１ｃを介して長円筒形に巻回したものである。正極１ａは、電極基体となる帯状のアルミニウム箔１ｄの表面に正極活物質を担持させ、負極１ｂは、電極基体となる帯状の銅箔１ｅの表面に負極活物質を担持させている。ただし、これらの正極１ａと負極１ｂは、それぞれ帯状の片方の側端部に活物質を塗布しない未塗工部を設けておき、この未塗工部でアルミニウム箔１ｄと銅箔１ｅが露出するようにしている。そして、これらの正極１ａと負極１ｂは、発電要素１の巻回の際に、巻回軸に沿って互いに反対方向にずらすことにより、長円筒形の一方の端面には正極１ａの側端部のアルミニウム箔１ｄのみがはみ出し、他方の端面には負極１ｂの側端部の銅箔１ｅのみがはみ出すようにしている。

上記４個の発電要素１は、図４に示すように、長円筒形の平坦な側面同士が隣接するようにして並べられる。そして、これらの発電要素１の両端面部にそれぞれ配置された波板状の集電接続体２に、各発電要素１からはみ出した正極１ａのアルミニウム箔や負極１ｂの銅箔を接続するようになっている。集電接続体２は、金属の平板を波板状の凹凸に成形し、これを２枚端部で合わせると共に、この合わせ部の上端に端子３を接続固定したものである。そして、正極端子３の側の集電接続体２は、波板状の各凹部に発電要素１の一方の端面からはみ出した正極１ａのアルミニウム箔を挟み込んで超音波溶接により接続固定し、負極端子３の側の集電接続体２は、波板状の各凹部に発電要素１の他方の端面からはみ出した負極１ｂの銅箔を挿入して超音波溶接により接続固定している。

上記４個の発電要素１は、図示しない金属製の筐体の電池ケースに収納される。この際、正極端子３と負極端子３の上端部は、絶縁封止材を介してこの電池ケースを貫通し外部に突出するようになっている。そして、この電池ケースの内部に電解液が充填されることによりリチウムイオン二次電池となる。

ところが、波板状の集電接続体２は、高率放電時等に大きな電流が容易に流れるようにするために、金属板の厚さをある程度厚くする必要がある。従って、この集電接続体２の波板状の凹部にアルミニウム箔や銅箔を挟み込んで、その外側から超音波ホーンを当てて超音波溶接を行なっても、厚い金属板を介するために、これらのアルミニウム箔や銅箔が十分には溶着されずに、剥がれやすくなるなどして接合強度が弱くなるという問題が生じていた。また、このために、超音波の出力を強くすると、今度は０．２ｍｍ程度の薄いアルミニウム箔や銅箔自体が破れて破断するという問題が生じる。

しかも、上記集電接続体２は、４個の発電要素１ごとに幾重にも重なり合ったアルミニウム箔や銅箔を波板状の各凹部に同時に挿入して挟み込む必要があり、この組み立て時の作業性が悪いという問題もあった。

本発明は、かかる事情に対処するためになされたものである。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面は、
端面から電極基体が突出した巻回型の発電要素と、
前記電極基体と接続する集電接続体とを備え、
前記電極基体は、巻回軸を中心にして二分されており、
前記集電接続体は複数の接続部を有し、
前記複数の接続部は、それぞれの片面のみが二分された前記電極基体のそれぞれに対向して配置されている、
電池である。

又、本発明の第２の側面は、
前記複数の接続部は、前記発電要素の、前記巻回軸に平行な面上にて束ねられている、
本発明の第１の側面の電池である。

又、本発明の第３の側面は、
前記発電要素は、前記巻回軸を水平にして電池内部に収納されている、
本発明の第１又は第２の側面の電池である。

又、本発明の第４の側面は、
前記発電要素は複数であって、それぞれの前記発電要素が長円筒形の平坦な側面を隣り合せて並列接続されたものである、
本発明の第１から第３のいずれかの側面の電池である。

又、本発明の第５の側面は、
前記発電要素は二つの前記端面を有し
前記発電要素の一方の前記端面からは正極電極の前記電極基体のみが突出し、
前記発電要素の他方の前記端面からは負極電極の前記電極基体のみが突出している、
本発明の第１から第４のいずれかの側面の電池である。

又、本発明の第６の側面は、
前記電極基体と前記複数の接続部のそれぞれとを挟み込む、前記接続部よりも厚みの小さい金属製挟持板を備えた、
本発明の第１から第５のいずれかの側面の電池である。

又、本発明の第７の側面は、
前記金属製挟持板は前記電極基体の縁部及び前記接続部の側面を覆っている、
本発明の第６の側面の電池である。

又、本発明の電池は、発電要素の端面から突出した電極基体に、端子に接続された金属製集電接続体の接続部を重ね合わせ、金属製挟持板の間に前記電極基体と接続部とを挟み込んで溶着又は圧着したことを特徴としてもよい。

これによれば、発電要素の電極の電極基体に集電接続体の接続部を重ね合わせて、これを挟持板の間に挟みこんで溶着等を行なうので、電流は主に集電接続体の接続部を通ることになり、この接続部の断面積を大きくして十分な電流が流れるようにすることができると共に、挟持板には溶着や圧着に適した厚さの金属板を用いることができるようになる。このため、超音波溶接等に最適な薄い板厚の挟持板を用いて、電極基体を十分確実に集電接続体の接続部に溶着させて接続固定することができるようになり、これらの電極基体が破断するようなおそれもなくなる。また、逆に挟持板の板厚を十分に厚くすれば、この挟持板の外側から強い力で圧迫することにより、電極基体と集電接続体の接続部を確実に圧着させて接続固定することもできるようになる。さらに、電極基体は、集電接続体の接続部ごとに挟持板で挟み込んで行けばよいので、組み立て作業も容易となる。

又、前記接続部が板棒状体であることを特徴としてもよい。

これによれば、接続部が板棒状体なので、挟持板の間に挟み込み易く、この板厚を厚くすることで電流容量も十分に大きくすることができるようになる。

又、前記接続部の前記電極基体と重なり合う面に凸部が設けられたことを特徴としてもよい。

これによれば、接続部に凸部が設けられるので、電極基体の溶着や圧着をこの凸部に集中させて、より確実な接続固定を行なうことができるようになる。

又、前記発電要素が、長円筒形の巻回型のものであることを特徴としてもよい。

これによれば、発電要素が巻回型であっても長円筒形なので、電極基体が端面から湾曲して突出する他、直線状に突出する部分もあり、この直線状の部分に接続部や挟持板を容易に溶着や圧着できるようになる。

又、前記発電要素が、その巻回軸を水平線方向にして電池内部に収納されたものであることを特徴としてもよい。

これによれば、長円筒形の巻回型の発電要素を横向きに配置した電池に適した接続構造を提供することができる。

又、複数の前記発電要素が、長円筒形の平坦な側面を隣り合わせて並列接続されたものであることを特徴としてもよい。

これによれば、長円筒形の巻回型の発電要素を横向きに配置して、平坦な側面を隣り合わせた電池に適した接続構造を提供することができる。

又、前記発電要素の一端面からは正極電極の電極基体のみが突出し、他端面からは負極電極の電極基体のみが突出したことを特徴としてもよい。

これによれば、発電要素の両端面からそれぞれ別極性の電極基体が突出するので、接続部や挟持板も極性を分離して配置でき、組み立てが容易となる。

又、一つの発電要素の同一極性の電極基体に接続される接続部が２本以上であることを特徴としてもよい。

これによれば、各発電要素の正負それぞれの極性の電極基体ごとに２本以上の接続部が配置されるので、これらの溶着や圧着が容易にできるようになる。特に、長円筒形の巻回型の発電要素の場合に、この接続部を２本設ければ、直線状に突出する電極基体が巻回軸を中心に２箇所に分かれるので、それぞれに接続部を配置することができる。

又、前記挟持板が、金属板を折り曲げて形成されたものであることを特徴としてもよい。

これによれば、挟持板が簡単な構成であるため、安価に製造することができる。また、挟持板の間に接続部や電極基体を挟み込む際には折り曲げ角度を広くしておくことができるので、組み立て作業を容易にすることができるようになる。

以上の説明から明らかなように、本発明の電池によれば、各発電要素の電極基体ごとに接続部が配置されるので、これらの溶着や圧着が容易にできるようになる。特に、長円筒形の巻回型の発電要素の場合に、この接続部を設ければ、直線状に突出する電極基体が巻回軸を中心に２箇所に分かれるので、それぞれに接続部を配置することができる。

本発明の一実施形態を示すものであって、リチウムイオン二次電池の発電要素と端子との接続構造を示す組み立て斜視図である。 本発明の一実施形態を示すものであって、挟持板の間に挟み込んだ集電接続体の接続部と発電要素の正極や負極の金属箔とを示す横断面図である。 本発明の一実施形態を示すものであって、リチウムイオン二次電池の端子に、蓋板に取り付けた端子台を接続固定した状態を示す斜視図である。 従来例を示すものであって、リチウムイオン二次電池の発電要素と端子との接続構造を示す分解斜視図である。 従来例を示すものであって、発電要素の構造を示す組み立て斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１〜図３は本発明の一実施形態を示すものであって、図１はリチウムイオン二次電池の発電要素と端子との接続構造を示す組み立て斜視図、図２は挟持板の間に挟み込んだ集電接続体の接続部と発電要素の正極や負極の金属箔とを示す横断面図、図３はリチウムイオン二次電池の端子に、蓋板に取り付けた端子台を接続固定した状態を示す斜視図である。なお、図４〜図５に示した従来例と同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記する。

本実施形態は、従来例と同様に、電気自動車等に用いられる大型のリチウムイオン二次電池について説明する。このリチウムイオン二次電池は、図１に示すように、長円筒形の発電要素１を４個密着して並べ並列接続したものである。各発電要素１は、従来例と同じ構成であり、長円筒形の一方の端面からは正極１ａの側端部のアルミニウム箔がはみ出すと共に、他方の端面からは負極１ｂの側端部の銅箔がはみ出すようになっている。

上記４個の発電要素１は、長円筒形の平坦な側面同士が接するようにして密着して並べられ、これらの発電要素１の両端面部にそれぞれ集電接続体２の接続部２ａが配置される。集電接続体２は、発電要素１の一方の端面側に配置するものはアルミニウム合金板からなり、他方の端面側に配置するものは銅合金板からなる。また、これらの集電接続体２は、高率放電時の大きな電流も十分に流せるようにある程度板厚の厚い金属板が用いられる。これらの集電接続体２は、ほぼ二等辺三角形状の水平に配置された金属板であり、この三角形状の底辺部から下方に向けて８本の細長い接続部２ａが突設されている。これらの接続部２ａは、集電接続体２の金属板をプレス加工によって細長い金属板状に抜き加工したものであり、下方に向けて屈曲させると共に、９０°のひねりを加えている。また、これらの接続部２ａには、図２に示すように、金属板の一方の表面側に突出する複数の凸部２ｂが形成されている。

上記集電接続体２は、４個の発電要素１の両端部の上方にそれぞれ配置され、接続部２ａがこれらの発電要素１の端面部に配置されるようにする。即ち、発電要素１の正極１ａのアルミニウム箔がはみ出す側の端面部には、アルミニウム合金板からなる集電接続体２が配置され、負極１ｂの銅箔がはみ出す側の端面部には、銅合金板からなる集電接続体２が配置される。また、接続部２ａは、各発電要素１の端面に２本ずつ配置される。ここで、各発電要素１の端面には、正極１ａのアルミニウム箔か負極１ｂの銅箔が巻回された状態で長円筒形にはみ出しているので、これらの金属箔が直線状に束となった部分は、巻回軸を中心にして左右に分かれている。そして、各発電要素１ごとに配置された２本の接続部２ａは、これら左右に分かれた金属箔の束の外側にそれぞれ配置される。また、これら２本の接続部２ａは、図２に示すように、凸部２ｂの突出する側の面が内側、つまり金属箔の束側を向くように、互いに逆方向に９０°のひねりが加えられている。

このようにして集電接続体２の接続部２ａが配置されると、挟持板４によって、各接続部２ａと共に、正極１ａや負極１ｂの金属箔の束を挟み込む。挟持板４は、短冊状の金属板を長手方向に沿って二つ折りにしたものであり、正極１ａ側の接続部２ａの場合にはアルミニウム合金板が用いられ、負極１ｂ側の接続部２ａの場合には銅合金板が用いられる。そして、これらの挟持板４の両側から超音波溶接を行なうことにより、それぞれの挟持板４の間に挟み込んだ集電接続体２の接続部２ａと正極１ａや負極１ｂの金属箔の束とを溶着させる。この際、挟持板４は、接続部２ａと金属箔の束とを溶着して接続固定するためだけに用いられるので、最適な超音波溶接が可能となるようなある程度薄い金属板を用いることができる。また、接続部２ａには、正極１ａや負極１ｂの金属箔の束と重なり合う面に凸部２ｂが形成されているので、これらの金属箔の束が凸部２ｂで集中的に超音波のエネルギーを受けて確実に溶着するようになる。

発電要素１の両端部の上方に配置された正負の集電接続体２のほぼ二等辺三角形状の部分は、図３に示すように、絶縁封止材５を介して矩形の封口板６の下面の両側に取り付けられる。封口板６は、ステンレス鋼版からなり、上面の両側には、正負の端子３が別の絶縁封止材７を介して配置される。これらの端子３は、下端部が封口板６を貫通してそれぞれの集電接続体２のほぼ二等辺三角形状の頂点部付近にかしめによって接続固定される。また、これらの端子３の上端部は、絶縁封止材７上に配置された端子ボルト９を係止する端子台８にかしめによって接続固定される。これらの端子３は、アルミニウム合金板からなる集電接続体２にはアルミニウム合金製のものが用いられ、銅合金板からなる集電接続体２には銅合金製のものが用いられる。しかし、端子台８や端子ボルト９は、電解液に触れることがないので、これらアルミニウム合金や銅合金等よりも強度が高い鋼や鉄の合金等が用いられる。絶縁封止材５，７は、封口板６の上下に配置されて、集電接続体２や端子３、端子台８、端子ボルト９と封口板６との間を絶縁封止する樹脂成形板である。

上記４個の発電要素１は、図示しないステンレス鋼板製の筐体の電池ケースに収納され、封口板６がこの電池ケースの上端開口部に嵌め込まれ溶接によって固着される。そして、この電池ケースの内部に非水電解液が充填されることによりリチウムイオン二次電池となる。

上記構成のリチウムイオン二次電池によれば、各発電要素１の正極１ａや負極１ｂと端子３との間の充放電電流は、もっぱら厚い金属板で構成される集電接続体２の接続部２ａを通して流れるので、十分に大きな充放電電流を流すことができるようになる。しかも、各発電要素１の正極１ａや負極１ｂの金属箔の束は、ある程度薄い金属板からなる挟持板４を介して接続部２ａに超音波溶接されるので、溶着が確実に行なわれ金属箔が剥がれ易くなるようなことがなくなる。また、この超音波溶接によるエネルギーを接続部２ａの凸部２ｂに集中させることができるので、金属箔の束をさらに確実強固に接続部２ａに溶着することができるようになる。さらに、各接続部２ａは、発電要素１の端面からはみ出した正極１ａや負極１ｂの金属箔の束の側部に配置され、これらの接続部２ａと金属箔の束を順に挟持板４の間に挟み込んで行けばよいので、従来のように、これらの金属箔の束を集電接続体２の波板状の各凹部に挿入する作業に比べて、容易に組み立て作業を行なうことができるようになる。

また、上記リチウムイオン二次電池によれば、アルミニウム合金製や銅合金製の端子３が鋼や鉄の合金等からなる端子台８に接続固定され、外部回路との接続はこの端子台８に係止された端子ボルト９を介して行なうので、強度の弱いアルミニウム合金製や銅合金製の端子３に直接ねじ止めして接続を行なう必要がなくなり、このねじ止めの締め付けによって端子３が破損したり、この端子３が振動や衝撃を受けて変形するようなおそれもなくなる。

なお、上記実施形態では、超音波溶接によって挟持板４の間に接続部２ａと正極１ａや負極１ｂの金属箔とを溶着する場合について説明したが、スポット溶接等の他の溶接により溶着を行なうこともできる。また、このような溶接に代えて、挟持板４の外側から強い力で圧迫することにより、接続部２ａと正極１ａや負極１ｂの金属箔とを圧着することもできる。この場合、挟持板４は、溶接の場合とは異なり、ある程度板厚の厚い金属板を用いて、この間に接続部２ａと金属箔とを確実に圧着保持できるようにする必要がある。さらに、上記実施形態では、接続部２ａに凸部２ｂを形成する場合について説明したが、同様の凸部を挟持板４に形成することもできる。もっとも、このような凸部２ｂを全く形成しない場合にも、金属箔を確実に溶着又は圧着することはできる。

また、上記実施形態では、接続部２ａの片側にだけ正極１ａや負極１ｂの金属箔を配置する場合について説明したが、両側に金属箔を配置して、これを挟持板４の間に挟み込むようにすることもできる。さらに、上記実施形態では、各発電要素１の片方の端面に２本の接続部２ａを配置したが、この接続部２ａの配置本数も限定されない。例えば、各発電要素１の片方の端面に１本ずつの接続部２ａを配置してもよいし、この１本の接続部２ａに隣接する２個の発電要素１の端面からはみ出した金属箔を共通して溶着又は圧着することもできる。

また、上記実施形態では、長円筒形の巻回型の発電要素１について説明したが、積層型の発電要素１の場合にも、積層の端面からはみ出した正極１ａや負極１ｂの金属箔を同様に接続固定することができる。さらに、上記実施形態では、リチウムイオン二次電池について説明したが、電池の種類は問わない。

１ 発電要素
１ａ 正極
１ｂ 負極
２ 集電接続体
２ａ 接続部
２ｂ 凸部
３ 端子
４ 挟持板

Claims (7)

1. 端面から電極基体が突出した巻回型の発電要素と、
   前記電極基体と接続する集電接続体とを備え、
   前記電極基体は、巻回軸を中心にして二分されており、
   前記集電接続体は複数の接続部を有し、
   前記複数の接続部は、それぞれの片面のみが二分された前記電極基体のそれぞれに対向して配置されている、
   電池。
2. 前記複数の接続部は、前記発電要素の、前記巻回軸に平行な面上にて束ねられている、
   請求項１に記載の電池。
3. 前記発電要素は、前記巻回軸を水平にして電池内部に収納されている、
   請求項１又は２に記載の電池。
4. 前記発電要素は複数であって、それぞれの前記発電要素が長円筒形の平坦な側面を隣り合せて並列接続されたものである、
   請求項１から３のいずれかに記載の電池。
5. 前記発電要素は二つの前記端面を有し
   前記発電要素の一方の前記端面からは正極電極の前記電極基体のみが突出し、
   前記発電要素の他方の前記端面からは負極電極の前記電極基体のみが突出している、
   請求項１から４のいずれかに記載の電池。
6. 前記電極基体と前記複数の接続部のそれぞれとを挟み込む、前記接続部よりも厚みの小さい金属製挟持板を備えた、
   請求項１から５のいずれかに記載の電池。
7. 前記金属製挟持板は前記電極基体の縁部及び前記接続部の側面を覆っている、
   請求項６に記載の電池。