JP5533479B2

JP5533479B2 - 蓄電装置及び蓄電装置の製造方法

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Publication number: JP5533479B2
Application number: JP2010205651A
Authority: JP
Inventors: 丈佐々木
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2030-09-14
Also published as: JP2012064346A

Description

本発明は、正極板と負極板とを備えて蓄電する蓄電要素が金属製の筐体内に備えられ、前記筐体の外方側に配置される電極端子と、前記正極板及び前記負極板とを夫々電気的に接続する金属製の集電体が備えられ、前記集電体は、前記電極端子が配置されている面に沿って延びて前記筐体に固定される第１姿勢部分と、その第１姿勢部分と交差する方向に延びて前記蓄電要素と接続される第２姿勢部分とを備えて形成されている蓄電装置、及び、その蓄電装置の製造方法に関する。

かかる蓄電装置は、電力の供給源である蓄電要素と装置筐体の外方側に設置される電極端子とを電気的に接続するための配線形態として、例えば下記特許文献１にも記載のような、金属製の集電体を例えばＬ字状に屈曲形成して、その交差する二つの部分のうちの一方（上記第１姿勢部分）を、電極端子が配置されている筐体面に沿って延びる姿勢で配置し、他方（上記第２姿勢部分）に蓄電要素を接続する場合がある。

特開２００７−０７３３１７号公報

しかしながら、上記従来構成では、集電体に蓄電要素の荷重が作用する関係となるために、集電体の取付箇所でその荷重を支えることになる。
そのような蓄電要素の支持形態において、蓄電装置に振動や衝撃等の外部からの力が作用すると、集電体の取付箇所にかかる力が極めて大となる。
集電体の取付箇所は、蓄電要素と筐体外方側の電極端子とを電気的に接続するという集電体の機能上、蓄電装置の筐体を貫通する配線部材に集電体が連結されているか、あるいは、集電体がそのまま延長されて筐体を貫通する場合もある。
従って、このような集電体の取付箇所に非常に大きな力が作用すると、液漏れが発生するか、あるいは、極端に大きな力が作用したような場合では集電体が損傷してしまう可能性もあり得る。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、集電体を安定的に支持できるようにする点にある。

本出願の第１の発明は、正極板と負極板とを備えて蓄電する蓄電要素が金属製の筐体内に備えられ、前記筐体の外方側に配置される電極端子と、前記正極板及び前記負極板とを夫々電気的に接続する金属製の集電体が備えられ、前記集電体のうちの少なくとも一方の集電体は、前記電極端子が配置されている面に沿って延びて前記筐体に固定される第１姿勢部分と、その第１姿勢部分と交差する方向に延びて前記蓄電要素と接続される第２姿勢部分とを備えて形成されている蓄電装置において、前記筐体の内面における前記集電体の前記第１姿勢部分と対向する位置に、樹脂層と金属層とが積層された状態の接合部材が、前記樹脂層が前記筐体の内面側に位置する状態で取り付けられ、前記金属層と前記集電体とが互いに固定されている。

すなわち、集電体が電極端子との電気配線のために本来固定される箇所とは別に、上記接合部材にて集電体と筐体とを固定することで、集電体を安定的に支持する。そして、集電体と電極端子とが直結されているような場合では、電極端子に対してそれの軸周りの回転方向に外力が加えられた場合でも、電極端子に連動して集電体が回転することが抑制される。この効果は、電極端子が、外部回路との接続機構としてネジ締めによる接続機構を備えている場合に顕著に認められる。具体的には、電極端子にネジ加工を施して端子ボルトとして構成した場合において、その電極端子にナットを締めつける際、過剰なトルクが加えられると集電体が回転することがあり、集電体が回転すると、蓄電要素の位置が変化して筺体等他の部材に接触して短絡したり、蓄電要素が捻られた状態となって蓄電性能・放電性能を低下させたりすることがあった。尚、蓄電性能・放電性能の低下は、電極間の間隔が変化することによって生じるものと考えられる。
本発明のように上記接合部材にて集電体と筺体とを本来固定される箇所とは別に固定することで回転方向への位置ズレを効果的に抑制することができ、結果的に、蓄電装置を使用する際に生じていた内部短絡の発生や蓄電性能・放電性能の低下を抑制することができる。
但し、集電体は電気配線の通電経路を構成するものであるので、筐体との間で電気的な絶縁を確保する必要があり、単に筐体と集電体とを固定接続することはできない。
そこで、集電体と筐体との間に接合部材の樹脂層を配置して電気的な絶縁を確保し、その接合部材の金属層と集電体とを互いに固定している。
上記のような接合部材は、筺体内面と集電体とを固定する機能だけでなく、筺体内面と集電体との間隔を高い精度で保持する機能を有する。なぜなら、接合部材の厚さ方向の寸法が取り付け工程の前後で変化しないからである。この接合部材に代えてリベットで固定する場合、リベットが塑性変形する可能性があり、もし塑性変形した場合には筺体内面と集電体との間隔の制御が難しくなる。
さらに、本発明では、間にパッキンを挟み込む状態で集電体を筐体内面に固定する場合において、接合部材の厚さ方向の寸法をそのパッキンとほぼ同じ厚さにすることにより、電池の高さ寸法は従来のままで接合部材を設けることが可能となる。筺体内面と集電体の第１姿勢部分とを平行に配置するという設計も可能となる。

又、本出願の第２の発明は、正極板と負極板とを備えて蓄電する蓄電要素が金属製の筐体内に備えられ、前記筐体の外方側に配置される電極端子と、前記正極板及び前記負極板とを夫々電気的に接続する金属製の集電体が備えられ、前記集電体のうちの少なくとも一方の集電体は、前記電極端子が配置されている面に沿って延びる第１姿勢部分と、その第１姿勢部分と交差する方向に延びて前記蓄電要素と接続される第２姿勢部分とを備えて形成されている蓄電装置の製造方法において、前記筐体の内面における前記集電体の前記第１姿勢部分と対向する位置に、樹脂層と金属層とが積層された状態の接合部材を、前記樹脂層が前記筐体の内面側に位置する状態で取り付ける接合部材取付工程と、前記接合部材における前記金属層と前記集電体とを互いに固定する集電体取付工程とを含む。

すなわち、接合部材取付工程において、筐体の内面に樹脂層と金属層とが積層された状態の接合部材を、樹脂層が筐体の内面側に位置する状態で取り付けると共に、集電体取付工程において、上記接合部材の金属層と集電体とを溶接するなどして互いに固定する。
これによって、集電体が電極端子との電気配線のために本来固定される箇所とは別に、上記接合部材にて集電体と筐体とを固定することで、上記接合部材の樹脂層によって筐体との電気的絶縁を確保しながら集電体を安定的に支持する。

又、本出願の第３の発明は、上記第２の発明の構成に加えて、前記電極端子との電気的接続のために前記筐体を貫通する状態で配置される配線部材と共に前記集電体を前記筐体に固定する配線工程を更に含み、前記配線工程の後に、前記集電体取付工程を行う。
すなわち、集電体に連設される配線部材と共に集電体を蓄電装置の筐体に固定する配線工程は、例えばリベット固定のように、一般に集電体の固定のために集電体に大きな力が作用し、集電体がわずかに変形してしまう場合がある。
そのため、上記集電体取付工程の後に上記配線工程を行うと、接合部材の金属層と集電体との取付部分に応力が作用して、溶接などによる接合強度を低下させてしまう可能性がある。
そこで、上記配線工程の後に、上記集電体取付工程を行うことで、接合部材の金属層と集電体との接合強度を良好な状態に維持できる。この作用は溶接によって取り付けたときに顕著である。

又、本出願の第４の発明は、上記第２又は第３の発明の構成に加えて、前記接合部材取付工程は、前記接合部材を前記筐体に金属―樹脂接合技術を用いて取り付けることにより行われる。
金属―樹脂接合技術を用いることにより、接着剤を用いて取り付ける場合に生じていた諸問題、すなわち、接着剤成分の電解液への溶出、耐酸化性および耐還元性が十分でないことによる接着剤の劣化、および、接着剤の経年劣化といった問題が生じるおそれが避けられる。また、接合強度を高めることもできる。これらの作用はとくに非水電解液を筺体内に備えた二次電池において有用である。

又、本出願の第５の発明は、上記第２〜第４のいずれかの発明の構成に加えて、前記集電体取付工程は、前記接合部材における前記金属層と前記集電体とを溶接によって互いに固定することにより行われる。
溶接を用いることにより、接着剤を用いて固定する方法と比べて、作業が同程度の簡単さであり、材料コストも同程度の低い水準とできるとともに、溶接条件次第で接合強度を大幅に高めることが可能となる。

上記第１の発明によれば、樹脂層と金属層とが積層された状態の接合部材を筐体内面に固定し、その接合部材の金属層と集電体とを固定しているので、筐体と集電体との電気的絶縁を確保しながら、集電体を安定的に支持できるものとなった。
又、上記第２の発明によれば、樹脂層と金属層とが積層された状態の接合部材を筐体内面に固定し、その接合部材の金属層と集電体とを固定するので、筐体と集電体との電気的絶縁を確保しながら、集電体を安定的に支持できるものとなった。
又、上記第３の発明によれば、上記配線工程の後に、上記集電体取付工程を行うことで、接合部材の金属層と集電体との接合強度を良好な状態に維持できるので、蓄電池装置の信頼性を更に向上させることができる。
又、上記第４の発明によれば、接合部材を筐体に金属―樹脂接合技術を用いて取り付けることにより、接着剤を用いる場合に比べて、電解液への悪影響や接合状態の劣化を抑制することができる。
又、上記第５の発明によれば、溶接によって接合部材と集電体とを固定することにより、接着剤を用いて固定する方法と比べて、作業性を同程度の簡単さに維持すると共に、材料コストも同程度の低い水準に抑えながら、接合強度を大幅に高めることが可能となる。

本発明の実施の形態にかかる蓄電装置の外観斜視図本発明の実施の形態にかかる蓄電装置の内部構成を示す斜視図本発明の実施の形態にかかる蓄電装置の要部拡大断面図本発明の実施の形態にかかる蓄電装置の内部構成を示す正面図本発明の実施の形態にかかる蓄電装置の構成部品の斜視図

以下、本発明の蓄電装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本実施の形態では、蓄電装置として二次電池の１例である非水電解液二次電池（より具体的にはリチウムイオン電池）を例示して説明する。
〔非水電解液二次電池ＲＢの構成〕
図１及び図２の斜視図並びに図４の正面図に示すように、本実施の形態の非水電解液二次電池ＲＢは、有底筒状（より具体的には有底矩形筒状）に形成された金属製の缶体１の開放面に略平板状に形成された金属製の蓋部２を被せて溶接して構成した金属製の筐体ＢＣを有している。蓋部２は短冊状の長方形に形成されており、筐体ＢＣは全体として扁平な直方体形状を有している。尚、図２は、完成した二次電池ＲＢ（図１に示すもの）から缶体１を除いて筐体ＢＣ内部の構成を図示している。

筐体ＢＣの内部には、図２及び図４において２点鎖線で示す蓄電要素３と金属製の集電体４，６が電解液に浸される状態で収納配置されている。本実施の形態では、蓄電装置を二次電池ＲＢとして構成する場合を例示しているので、蓄電要素３は、箔状の正極板と箔状の負極板とからなる一対の電極板の夫々に活物質を塗布し、セパレータを挟んで巻回して構成されている。
蓄電要素３は、箔状の正極板において活物質を塗布していない未塗工部３ａが側方に延出して集電体４に溶接され、箔状の負極板において活物質を塗布していない未塗工部３ｂがそれと反対側の側方に延出して集電体６に溶接されている。

金属製（具体的には、アルミニウム製）の蓋部２には、正極側の集電体４及びその集電体４に接続されている正極の電極端子である端子ボルト５と、負極側の集電体６及びその集電体６に接続されている負極の電極端子である端子ボルト７とが筐体ＢＣの外方側に取り付けられている。集電体４，６は、端子ボルト５，７と蓄電要素３の正極板及び負極板とを、夫々、電気的に接続している。
集電体４，６は、図４及び正極側の集電体４については更に図３に示すように、全体として略Ｌ字状に金属板を折り曲げて形成されており、それらの上端部において、端子ボルト５，７が配置されている面である蓋部２の平面に沿って延びる第１姿勢部分ＦＰと、その第１姿勢部分ＦＰと９０度で交差する方向に延びる第２姿勢部分ＳＰとからなっている。
上記第１姿勢部分ＦＰは、上記第２姿勢部分ＳＰに連なる側と反対側の端部において端子ボルト５，７との電気的な接続のために蓋部２に固定されている。
上記第２姿勢部分ＳＰでは、蓄電要素３側の突出するように折り曲げ形成された接続部４ａ，６ａが、上述のように、未塗工部３ａ，３ｂに夫々溶接されている。
端子ボルト５は、図３の断面図に示すように、それの頭部側にリベット部５ａを有するように一体形成され、そのリベット部５ａが蓋部２に形成された電極取付孔８を貫通する状態で配置されている。
端子ボルト５は、一対のパッキン９，１０を介在させた状態で、蓋部２と集電体４とを挟み込み、リベット部５ａをかしめて固定されている。
負極側の端子ボルト７の取付構造も正極側と同一構造であり、一対のパッキン１１，１２を介在させた状態で、蓋部２と集電体６とを挟み込み、リベット部７ａをかしめて固定されている。
上記端子ボルト５，７の取付構造においては、集電体４，６も含めて、正極側と負極側とで金属部材の材料のみが異なる。正極側の金属部材はアルミニウムにて構成し、負極側の金属部材は銅にて構成している。
蓋部２には、更に、図１及び図２に示すように、長手方向中央位置に安全弁１３が取り付けられ、長手方向両端部の筐体ＢＣ内面となる側の面に集電体４，６を接続固定するための接合部材１４，１５が取り付けられている。接合部材１４，１５の取り付け位置は、夫々集電体４，６の第１姿勢部分ＦＰと対向する位置に設定されている。接合部材１４，１５については、下記の二次電池ＲＢの製造工程において詳述する。
安全弁１３は、二次電池ＲＢの筐体ＢＣ内の内圧が所定の作動圧力よりも高くなったときに、弁体を開放して内気を逃がすものである。

〔二次電池ＲＢの製造工程〕
次に、二次電池ＲＢの製造工程について概略的に説明する。
先ず、二次電池ＲＢの筐体ＢＣを組み立てる。
〔蓄電要素組立工程〕
蓄電要素３は、上述のように幅方向端部に未塗工部３ａ，３ｂが存在する状態で、長尺帯状の箔状正極板及び箔状負極板に正極活物質及び負極活物質を夫々塗布し、乾燥処理等の後にセパレータを挟んで巻回すると共に、扁平形状となるように押圧して成型する。

〔接合部材取付工程〕
次に、蓋部２の組み立て工程について説明する。
蓋部２は、短冊形状に形成したアルミニウム製の板材に端子ボルト５，７を取り付ける電極取付孔８や、安全弁１３を取り付ける安全弁取付孔１６を開けた後、図５に示すように接合部材１４，１５を取り付ける。接合部材１４，１５の取り付け位置は、上述のように、集電体４，６の上記第１姿勢部分ＦＰと対向する位置である。接合部材１４，１５は、正極側及び負極側の双方に取り付けるのが好ましいが、何れか一方にのみ取り付ける構成としても良い。
接合部材１４は、図３の断面図において正極側を示すように、蓋部２表面に接する樹脂層１４ａとその樹脂層１４ａの上に形成される金属層１４ｂとが積層されたものであり、負極側の接合部材１５も、同様に、樹脂層１５ａと金属層１５ｂとの積層構造としている。
但し、正極側の接合部材１４の金属層１４ｂはアルミニウム製であり、負極側の接合部材１５の金属層１５ｂは銅製である。
接合部材１４，１５の取り付け位置は、夫々、集電体４，６の上端面と対向する位置に設定されている。
蓋部２への接合部材１４，１５の取り付けは、いわゆる金属−樹脂接合技術によって行う。なお、取り付け方法としては、蓋部２と接合部材１４，１５との間に接着剤を塗布する方法を用いてもよいが、金属−樹脂接合技術を用いるほうが好ましい。
この金属−樹脂接合技術としては、例えば金属表面を表面処理して微少な凹部を形成し、その表面処理した金属を金型内に配置して樹脂を射出成形することで、金属と樹脂とを強固に接合させる技術や、あるいは、金属表面に有機メッキによる皮膜形成処理を行った後、その処理面に樹脂を射出成形して、金属と樹脂とを強固に接合させる技術があり、これらの金属−樹脂接合技術を適宜に用いることができる。
具体的には、接合部材１４，１５の金属層１４ｂ，１５ｂとなる金属板と蓋部２とに対して上述の表面処理を施した後、それらが樹脂層１４ａ，１５ａの厚みに相当する間隔を開けて配置される所定形状の金型中に配置し、金属層１４ｂ，１５ｂとなる金属板と蓋部２との間の空間に樹脂を射出注入して成型する。

〔配線工程〕
次に、上記のようにして接合部材１４，１５を取り付けた蓋部２に端子ボルト５，７等を取り付けて、筐体ＢＣの内外に亘る電気配線を行う。
蓄電要素３の正極板及び負極板から端子ボルト５，７に至る電気配線には、筐体ＢＣを貫通する状態で取り付けられる配線部材が必要であり、この配線部材を集電体４，６に連設する。
本実施の形態では、端子ボルト５，７のリベット部５ａ，７ａを上記配線部材として使用している。
具体的には、蓋部２の電極取付孔８の両側にパッキン９，１０，１１，１２を嵌め込むと共に、端子ボルト５，７のリベット部５ａ，７ａを差し込み、更に、集電体４，６の上端面（上記第１姿勢部分ＦＰ）の開口をリベット部５ａ，７ａに嵌め込んで、リベット部５ａ，７ａをかしめて固定する。集電体４，６は、上記第１姿勢部分ＦＰが蓋部２の長手方向に沿う姿勢となるように固定する。
これによって、リベット部５ａ，７ａと共に集電体４，６が蓋部２に機械的に固定されると共に、リベット部５ａ，７ａが集電体４，６に連設されることになって、集電体４，６と端子ボルト５，７とが、リベット部５ａ，７ａを経て電気的に接続される。
更に、パッキン９，１０，１１，１２によって、集電体４，６から端子ボルト５，７に至る配線と蓋部２との間の電気的な絶縁も確保される。
〔集電体取付工程〕
上記のようにして集電体４，６を蓋部２に組み付けた状態で、次に、集電体４，６と接合部材１４，１５とを溶接する。なお、溶接による取り付け方法に代えて、集電体４，６と接合部材１４，１５との間に接着剤を塗布して互いに固定する方法を用いてもよいが、溶接による取り付け方法を用いるほうが好ましい。
この溶接は、抵抗溶接やレーザー溶接等を用いることができる。例えば抵抗溶接を用いる場合は、集電体４，６を蓋部２側に加圧した状態で、接合部材１４，１５の金属層１４ｂ，１５ｂと集電体４，６との間に電流を流して両者の界面を接合させる。実際の抵抗溶接の作業としては、抵抗溶接装置の一対の電極を金属層１４ｂと集電体４とにそれぞれ接触させて電流を流す方法でも溶接することができるが、一対の電極の両方を集電体４に押し当て、集電体４を蓋部２側に加圧しながら一対の電極間に電流を流すことにより溶接することもできる。なお、後者の方法は、前者の方法と比べて作業性に優れている。
この集電体取付工程を上記配線工程の後に行うため、金属層１４ｂ，１５ｂと集電体４，６との溶接箇所に、上記配線工程における集電体４，６の固定作業に伴う応力が作用してしまうことがない。

〔筐体組立工程〕
次に、安全弁１３等を取り付けた後、蓄電要素３の未塗工部３ａ，３ｂを夫々集電体４，６に溶接し、蓄電要素３を缶体１内に収納配置して蓋部２と缶体１とを溶接して、筐体ＢＣの組立が完了する。
〔初期充電工程〕
筐体ＢＣの組み立てが完了すると、次に、図示を省略する注液孔から電解液を筐体ＢＣ内に注入し、電解液の注入が完了すると所定の充電条件で二次電池ＲＢの初期充電（予備充電）を行い、筐体ＢＣ内のガスを注液孔から排出させた後、注液孔を封止する。
この後、適宜にエージング等の処理を行い、二次電池ＲＢとして完成させる。

〔別実施形態〕
以下、本発明の別実施形態を列記する。
（１）上記実施の形態では、蓄電装置として非水電解液二次電池ＲＢを例示して説明したが、アルカリ蓄電池等の他の形式の電池や、更には、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置にも本発明を適用できる。
（２）上記実施の形態では、筐体ＢＣの外方側に配置される端子ボルト５，７と集電体４，６とを電気的に接続するために、集電体４，６に連設される配線部材として端子ボルト５，７のリベット部５ａ，７ａを使用する場合を例示しているが、集電体４，６を、蓋部２を貫通する状態で筐体ＢＣの外方側に延出させ、集電体４，６における蓋部２の通過位置を金属−樹脂接合により封止する等して、集電体４，６の延出部分を上記配線部材として使用するように構成しても良い。

３蓄電要素
４，６集電体
５，７電極端子
５ａ，７ａ配線部材
１４，１５接合部材
１４ａ，１５ａ樹脂層
１４ｂ，１５ｂ金属層
ＢＣ筐体
ＦＰ第１姿勢部分
ＳＰ第２姿勢部分

Claims

正極板と負極板とを備えて蓄電する蓄電要素が金属製の筐体内に備えられ、
前記筐体の外方側に配置される電極端子と、前記正極板及び前記負極板とを夫々電気的に接続する金属製の集電体が備えられ、
前記集電体のうちの少なくとも一方の集電体は、前記電極端子が配置されている面に沿って延びて前記筐体に固定される第１姿勢部分と、その第１姿勢部分と交差する方向に延びて前記蓄電要素と接続される第２姿勢部分とを備えて形成されている蓄電装置であって、
前記筐体の内面における前記集電体の前記第１姿勢部分と対向する位置に、樹脂層と金属層とが積層された状態の接合部材が、前記樹脂層が前記筐体の内面側に位置する状態で取り付けられ、前記金属層と前記集電体とが互いに固定されている蓄電装置。
正極板と負極板とを備えて蓄電する蓄電要素が金属製の筐体内に備えられ、
前記筐体の外方側に配置される電極端子と、前記正極板及び前記負極板とを夫々電気的に接続する金属製の集電体が備えられ、
前記集電体のうちの少なくとも一方の集電体は、前記電極端子が配置されている面に沿って延びる第１姿勢部分と、その第１姿勢部分と交差する方向に延びて前記蓄電要素と接続される第２姿勢部分とを備えて形成されている蓄電装置の製造方法であって、
前記筐体の内面における前記集電体の前記第１姿勢部分と対向する位置に、樹脂層と金属層とが積層された状態の接合部材を、前記樹脂層が前記筐体の内面側に位置する状態で取り付ける接合部材取付工程と、
前記接合部材における前記金属層と前記集電体とを互いに固定する集電体取付工程とを含む蓄電装置の製造方法。