JP5554837B2 - 双極性の電池個別セルのスタックを備える電池 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分に詳しく定義されている種類の、双極性の電池個別セルのスタックを備える電池に関する。

一般的な従来技術から、双極性の電池個別セルのスタックによって形成されている電池が知られている。この場合、電池は、互いに積み重ねられ、通常は互いに固定されているため、電池個別セルのスタックの片側には一方の電極が位置し、一方、電池個別セルのスタックの別の側にはもう一方の電極が位置している。この種の電池個別セルは、例えば、特許文献１に説明されている。この場合、電池個別セルは、２枚の金属製カバーパネルを有する、いわゆるフレームフラットセルとして形成されている。これらの金属製カバーパネルは、絶縁フレームによって電気的に相互に分離されている。これらのパネルは、一方で、電池個別セルの極として用いられ、他方では、電池内で生じる排熱を電池個別セルの外へ誘導する熱伝導プレートとして用いられる。ここで、金属製カバーパネルは、例えば、通常は冷却液又はエアコンの冷却剤によって冷却される冷却装置に接続することができる。

電池個別セルの内部、すなわち２つのカバーパネルの間で電気絶縁フレームによって取り囲まれている内部には、電気化学的に作用する材料が配置されている。これらは、通常、電極のスタックからなる。この電極スタックは、陽極箔と陰極箔とを有しており、これらの陽極箔と陰極箔はその間に配置されている電気的絶縁セパレータによって互いに切り離され、交互に積み重ねられている。金属箔の縁では、片側に陽極箔が突き出し、別の側に陰極箔が突き出している。上述した文献で電流フラッグと呼ばれているこれらの部分は、適切に相互接続されている。この接続は、例えば、上述の文献で説明されているように、溶接によって行うことができる。さらに、この部分は、電極スタックの接続部分として、それぞれのカバーパネルと電気的に接続されている。この接続もまた、上述の文献に従って、溶接によって行うことができる。この電池個別セルは、次に、フレームと両方のカバーパネルとが揃えられ、完全に組み立てられる。この場合、電池個別セルは、周辺に対して密閉される。次に、該当する電解液がフレームの内部に注入され、この電解液は、電極スタックと共に、電池個別セルの化学作用部分を形成する。

リチウム・イオン電池の場合、陽極箔又は陰極箔は、通常、アルミニウム又は銅から作られ、電解液としては、液体リチウム・イオンを含む電解液を使用するのが一般的である。

従って、それぞれの電極箔をそれぞれのカバーパネルに接続するためには、それに適した溶接方法が用いられる。電極箔又はその接続部分をそれぞれのカバーパネルに溶接する場合、溶接箇所の部分に、典型的には材料の反り又は隆起が生じ、これらは、一方の電池個別セルのカバーパネルを隣接する電池個別セルのカバーパネルと平坦に密着させる妨げとなることが問題である。また、電極スタックの側にも、材料に相応の凹凸が生じる。しかしながら、この構造物は、電解液で満たされている電池個別セル部分によって、向かい側に位置するカバーパネルから離されているため、この場合、このことは重要ではない。

隣接する電池個別セルのカバーパネルを溶接箇所の部分でも平坦に密着させることができるようにするためには、適切な再加工が必要であり、これが製造を複雑にし、コストを高くする。カバーパネル上に突き出している溶接箇所の部分をそのままにした場合、これらの箇所にコントロールできないエアギャップが生じ、溶接箇所の隆起した材料とカバーパネルとが点状に接触することになるであろう。このことは、電池個別セルのスタック内に比較的高い電圧が生じた場合、この部分でスパークを引き起こすおそれがある。このことは、構造物の損傷を防止するために、阻止しなければならない。

独国特許出願公開第１０２００７０６３１８１号明細書

従って、本発明の課題は、上述した問題を回避し、単純かつ低コストに実現できる構造の、双極性の電池個別セルのスタックを備えた電池を提供することである。

本発明に基づき、この課題は、請求項１の特徴部分に記載された特徴によって解決される。その他の本発明に基づく解決方法の有利な実施形態は、従属請求項に示されている。

本発明に基づき、溶接箇所の部分では、電極スタックに溶接されたカバーパネル及び／又は隣接する電池個別セルの向かい側のカバーパネルが、窪んだ形（沈んだあるいは後退した形）で形成されている。これによって、少なくとも溶接箇所の部分において、両方の隣接するカバーパネルの間に隙間が生じる。これらのカバーパネルは、この溶接箇所の部分で互いに接触することができないため、前述の問題を危惧する必要なく、溶接箇所の後処理を省略することができる。この場合、基本的に、溶接箇所を備えているカバープレートだけをこの部分で窪ませ、向かい側のカバープレートはまっすぐなままにすることができ、又はその逆も可能である。また、両方のカバープレートを相応に窪ませることも考えられよう。

カバーパネルの両方がそれぞれ電極スタックに溶接されているか（通常はこのケースが当てはまる）、あるいは、カバーパネルの一方のみが電極スタックに溶接されており、他方のカバーパネルは別の方法で電極スタックに電気的に接続されているかは、この場合重要ではない。本発明に基づく実施形態は、溶接箇所が１箇所のみの場合でも適切に使用することができる。

本発明の特に有利なもう１つの実施形態では、カバーパネルと電極スタックとが加圧溶接法によって相互に溶接されるようになっている。特に、この方法、例えば超音波溶接又は抵抗−加圧溶接の場合、溶接される構成部品の範囲に電極形状の浮き出しが生じる。このことは、例えば超音波溶接の場合、ソノトロード及び／又はアンビルの起伏のある、又はギザギザのついた表面であることができる。しかし、その代わりに、この加圧溶接法は、異なる材料を互いに溶接できるというメリットもある。例えば、リチウム・イオン電池化学反応をもつ電池個別セルでは、鉄ベースの材料から作られた金属製カバーパネルを、陽極のアルミニウム箔又は陰極の銅箔と溶接しなければならないため、加圧溶接法のこのメリットは、この種の電池個別セルを製造する場合に重要である。これにより、電池個別セルの製造が簡単になり、電池自体の製造コストを安くすることができる。

本発明のその他の有利な実施形態は、残りの従属請求項及び以下に図を用いて詳しく説明される実施例に示されている。

本発明に基づく電池個別セルの三次元図である。 図１に基づく電池個別セルの展開図である。 図１の部分的拡大図である。 カバーパネルと電極スタックとを溶接した場合の、図１に基づく電池個別セルの三次元図である。 図４を別の角度から見た図である。 図４及び図５のアンビルの詳細図である。 本発明に基づく電池個別セルの断面図である。 本発明に基づく電池個別セルのスタックの断面図である。 代替の溶接方法による、図１と同様の三次元図である。 代替の実施形態における本発明に基づく電池個別セルの三次元図である。 もう１つの代替の実施形態における本発明に基づく電池個別セルの三次元図である。 図１０又は図１１に基づく実施形態での電池個別セルのスタックの断面図である。

図１は、三次元図に示された電池個別セル１である。この電池個別セルは、電気的絶縁フレーム２と、第１のカバーパネル３と、フレーム２の反対側に配置されている第２のカバーパネル４とからなる。

図２は、同一構造の展開図であり、この図では両方のカバーパネル３、４とフレーム２の他に、電極スタック５が示されている。この電極スタック５では、陽極箔６と陰極箔７とが、それらの間に１枚ずつ挟まれているセパレータ８とともに積み重ねられている。この構造は、図２では確認できないが、図７の拡大断面図から見て取ることができる。陽極箔６と陰極箔７とは、この場合、それぞれ交互に積み重ねられ、電気的に絶縁されたセパレータ８が、通常は同様にフィルムの形で、陽極箔６と陰極箔７との間にそれぞれ１枚配置されている。電極スタック５の一方の側では、陽極箔６がこのスタックからはみ出しており、他方の側では陰極箔７がはみ出している。この場合、これらの部分は、それぞれ、図２でも再度示されている電気接続部分９を形成している。これらの電気接続部分９は、それぞれのカバーパネル３、４に溶接されている。図１及び２では、このことが、例えば陽極パネルなどの第１のカバーパネル３部分において、該当する溶接箇所１０によって示されている。

図３の拡大図では、これらの２つの溶接箇所１０が再度詳細に示されている。溶接箇所１０は、この場合、凹凸のある表面を有している。この表面の形状は、好適な溶接方法によって生じる。例えば、電極スタック５の電気接続部分９とそれぞれのカバーパネル３、４とを溶接するため、例えば超音波溶接などの加圧溶接法を用いることができる。図４、５では、電極スタック５の電気接続部分９と、ここではすでにフレーム２に接続されている第１のカバーパネル３とを、そのような方法で溶接する例が示されている。この場合、図４には、超音波溶接装置のいわゆるソノトロード１１が示されている。溶接する構成部品３、９のいずれかの側に置かれているソノトロード１１は、ここに示されている実施例では、複数の溶接ヘッド１２を有している。図４に示されている実施例では、溶接ヘッド１２の１つが使用されている。溶接ヘッドはアンビル１３と相互作用し、このアンビルは、溶接する２つの構成部品３、９のもう一方の側に配置されている。このことは、図５で確認することができる。両方の構成部品３、９がソノトロード１１とアンビル１３との間で締め付けられている間、ソノトロード１１は高周波超音波によって動かされる。ソノトロード１１又は溶接ヘッド１２の高周波超音波運動により、締め付けられている材料が急激に熱せられ、それによって一種の摩擦溶接が生じる。溶接する構成部品３、９に必要な熱を入力するため、溶接ヘッド１２とアンビル１３とは、相応の荒い表面を備えている。このことは、図６のアンビル１３の例に再度示されている。

ソノトロード１１の溶接ヘッド１２の向かい側にあるアンビル１３の部分は、それに応じて荒く仕上げられており、例えば歯形、ギザギザ又はここに示されている突起模様が付けられている。この突起模様は、ソノトロード１１の溶接ヘッド１２と比較可能に形成することができ、摩擦力をよく伝達するため、溶接する構成部品３、９の加熱に適している。この種の超音波溶接法の利点は、その他の加圧溶接法の場合と同様に、異なる材料を互いに溶接できることにある。ここに示されている実施例の場合は、例えば、第１のカバーパネル３の鉄含有材料と陽極箔のアルミニウムである。

一方で、この種の加圧溶接法の問題は、アンビル１３又はソノトロード１１の必要な表面が、相互に溶接される構成部品３、９に押し付けられるため、不均一な表面と材料の反りを生じることである。このことは、構成部品の溶接箇所１０が前述の図から確認できるため、すでに明らかである。図７の断面図には、このことが、再度図で示されている。この場合、本発明に関連する変形だけが、第１のカバーパネル３の部分に示されている。比較可能な変形が、カバーパネル３に向かい合う接続部分９の側にも生じる。しかし、この変形は、特に機能のない、又は電解液によって満たされている電池個別セル１部分に突き出しているため、図７ではこれに該当する表示が省略されている。図７の断面図は、溶接箇所１０の部分の材料の歪み以外に、陽極箔６、陰極箔７及びそれらの間に配置されているセパレータ８からなる電極スタック５の詳細な構造を再度示している。

従来技術によるカバーパネル３、４は、電池個別セル２の積み重ね方向に完全に平坦に実施されており、溶接ポイント１０の部分の材料の歪みによって、変形が生じるか、又は隣接する電池個別セル２のカバーパネル３、４が点状にしか接触しない事態が生じるおそれがある。このことは、ここに示されている構造の場合、溶接箇所１０が配置される部分のカバーパネル３、４が、それらの溶接箇所に対して、隣接する電池個別セル１に対向する広い範囲で、窪ませることによって防止される。例えば、このことは、フレーム２内にある部分での、カバーパネル３、４の適切なエンボス加工によって行うことができる。ここでは、フレーム２の範囲内で窪ませた部分１４が、図１、２、３、４及び７ですでに示されている。電池個別セル１が、完全な電池になるまで積み上げられると、図８の断面図に例が示されているように、電池個別セル１のスタック１５ができる。図８の電池個別セル１は、この場合、図を簡略化するために、電池個別セル１の内部と溶接箇所１０とを省いて示されている。しかしながら、それぞれ隣接する電池個別セル１のカバーパネル３、４が、フレーム２の部分で接触していることは、はっきりと確認することができる。電池個別セル１の一方の側に陽極３が配置され、他方の側に陰極４が配置されているため、互いに積み重ねられたスタック１５の中で電池個別セル１の直列接続ができる。フレーム２部分のカバーパネル３、４は窪まされずに形成されているため、少なくともこの部分では、電池個別セル１を積み重ねることによって、必要な電気接続が生じる。

図８からさらに確認できるように、カバーパネル３、４が窪まされた部分１４では、窪まされたカバーパネル３、４の部分１４の間に、それぞれ、隙間が生じている。従って、この窪んだ部分１４では、溶接箇所１０も配置されているため、溶接の際に材料の歪みが生じても、積み重ねた後で、この歪みが、向かい側のカバーパネル３、４と直接接触することはない。カバーパネル３、４を相応に窪ませるという、この単純な措置により、電池個別セル１の構造が簡単になる。この電池個別セル１は、簡単に積み重ねられてスタック１５になるため、双極性の電池個別セル１を備える電池が、低コストかつ簡単に製造可能となる。

図９は、超音波溶接の代わりに抵抗−加圧溶接法を用いた、代替の実施形態を示している。一般にスポット溶接と呼ばれるこの方法は、主に、２つの電極１６を用いるが、ここでは例として１つの電極のみが示されている。溶接する構成部品３、９は、これらの２つの電極１６の間で締め付けられ、電極１６から電流が流れ、締め付けられている材料が溶けるため、これらを互いに溶接することができる。電極１６は、次に、溶接する構成部品から再び取り外される。この種のスポット溶接でも、通常は、対応する溶接箇所１０、この場合は溶接ポイントが残る。この溶接ポイントの部分では、同様に、材料の反りが生じ、場合によっては、溶接電極１６も同じく加熱されることによって、溶接時に摩耗する溶接電極１６の材料が残留することがある。これらの材料の反り又は残留した電極材料は、同様に、カバーパネルの平面度を損なう危険があり、場合によっては、重なり合っているカバーパネル３、４が無制御に接触又は非接触している状態が生じるおそれがある。従って、この例で示されているスポット溶接にも、上記で詳しく説明した超音波溶接ですでに述べたようなことが当てはまる。従って、カバーパネル３、４の構造は、ここでも、フレーム２内にある、窪んだ部分１４を伴って実施されている。

図１０では、もう１つの代替の構造が示されている。ここでも、溶接箇所１０の形態から認められるように、再び超音波溶接による溶接が例として取り上げられている。フレーム２内にある、全体として窪まされているカバーパネル３の代わりに、ここでは、カバーパネル３が、溶接箇所１０の周辺のみ、部分的に窪んだ部分１４を有している。これによって、溶接箇所１０を適切にサポートするために、全体として、カバーパネル３の僅かな表面だけがエンボス加工によって窪まされる。これによって、電池個別セル１を積み重ねる場合、比肩しうる有利なセルスタック１５の形態を実現することができ、同様に、溶接箇所１０は向かい側のカバーパネル４と接触していない。それでも、カバーパネル３、４は、互いに比較的広い面で接触することができるため、それに応じて、電池個別セル１の良好な電気接続を達成することができる。この場合、向かい側のカバーパネルは、カバーパネル３の溶接箇所１０の部分において、同じく部分的に窪んだ部分１４を有しているが、一方のカバーパネル３の窪んだ部分１４の深さが十分である場合は、完全に平坦に形成することもできる。

図１１には、電池個別セル１のもう１つの可能な実施形態が示されている。ここに示されているカバーパネル３は、部分的に窪んだ部分１４を有しているが、これらの部分は、カバーパネルに配置されている溶接箇所１０の部分には設けられていない。むしろ、これらの溶接箇所１０は、窪んでいないカバーパネル３の平坦な部分に形成されている。セルが積み重ねられて、セルスタック１５の構造が形成されると、ここでは、前面にある第１のカバーパネル３が、フレーム２の他方の側にある第２のカバーパネル４と接触することになる。このカバーパネル４が比較可能に形成されている場合、図１１では、第２のカバーパネル４の中で窪んだ部分１４に対面して、対応する溶接箇所１０が、平坦なカバーパネル３の上に配置されていることを示している。第１のカバーパネル３上の、ここで確認できる溶接箇所１０の向かい側には、これに対応して窪んだ部分１４が第２のカバーパネル４に形成されている。従って、電池個別セル１がセルスタック１５に積み重ねられた後では、カバーパネル３、４の平坦な部分にある溶接箇所１０の各部分が、隣接するカバーパネル４、３の窪んでいる部分１４の上に位置している。

図１１によるカバーパネル３、４の形態は、これが電池個別セル１内部の取付けスペースを最適に利用していることから、特に有利である。溶接箇所１０のある部分は、平坦に形成されているため、ここでは、電極スタック５の接続部分９の変形はない。電極スタック５部分のカバーパネルも平坦に実施されていることにより、電極スタック５自体を最大の取付け高さで実施することができる。電極スタック５とカバーパネル３、４との接続部分９に向かい合う部分にのみ、他方のカバーパネル４、３は、それぞれ、部分的に窪んでいる部分１４を有している。しかし、この部分においては、いずれにせよ電池個別セル１の内部は空であるか、又は電解液によって満たされている。従って、部分的に窪んでいる部分１４は、その他に使用され得るようなスペースは必要ない。

むしろ、この部分は、電解液で満たされる容積を縮小する。いずれにせよ、電解液は十分な量があるので、このことによって、さらに電解液を節約できるという利点が追加される。

図１０又は１１に基づく、カバーパネル３、４を備える構造は、図１２における電池個別セル１のスタック１５で再度確認することができ、さらに、図１２には、図８の説明の範囲内ですでに言及したことが同様に当てはまる。

１ 電池個別セル
２ 電気的絶縁フレーム
３ 第１のカバーパネル
４ 第２のカバーパネル
５ 電極スタック
６ 陽極箔
７ 陰極箔
８ セパレータ
９ 電気接続部分
１０ 溶接箇所
１１ ソノトロード
１２ 溶接ヘッド
１３ アンビル
１４ 窪んでいる部分
１５ スタック
１６ 電極

Claims (10)

1. それぞれの電池個別セルが、１つの電極スタックと、前記電池個別セルを少なくとも積み重ね方向に分離する境界となる２つのカバーパネルとを有し、前記電極スタックは、少なくとも１つの溶接箇所（１０）によって、少なくとも前記カバーパネルの１つに接続されている、双極性の電池個別セルのスタックを備える電池であって、
   前記溶接箇所（１０）の部分では、前記電極スタック（５）に溶接されたカバーパネル（３、４）及び／又は該カバーパネル（３、４）に接する、隣接する前記電池個別セル（１）のカバーパネル（４、３）が、窪んだ部分を有するため、隣接する前記電池個別セル（１）の前記カバーパネル（３、４）は、少なくとも１つの前記溶接箇所（１０）の部分で接触しないことを特徴とする電池。
2. 前記電極スタック（５）に溶接された前記カバーパネル（３、４）が、少なくとも１つの前記溶接箇所（１０）の部分で、部分的に窪んだ部分を有することを特徴とする、請求項１に記載の電池。
3. 前記電極スタック（５）に溶接されたカバーパネル（３、４）に接触する、隣接する前記個別電池セル（１）のカバーパネル（４、３）が、少なくとも１つの前記溶接箇所（１０）に対して積み重ね方向に向かい合う部分で、部分的に窪んだ部分を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の電池。
4. 前記カバーパネル（３、４）の間にフレーム（２）が配置されており、このフレームは、積み重ね方向に対して直角方向に前記電極スタック（５）を取り囲んでいることを特徴とする、請求項１に記載の電池。
5. 前記電極スタック（５）に溶接された前記カバーパネル（３、４）が、前記フレーム（２）内にある部分で、窪んだ部分を有することを特徴とする、請求項４に記載の電池。
6. 前記電極スタック（５）に溶接された前記カバーパネル（３、４）に接する前記カバーパネル（４、３）が、前記フレーム（２）内にある部分で、窪んだ部分を有することを特徴とする、請求項４又は５に記載の電池。
7. 前記カバーパネル（３、４）と前記電極スタック（５）とが、加圧溶接法によって相互に溶接されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電池。
8. 前記カバーパネル（３、４）と前記電極スタック（５）とが、超音波溶接法によって相互に溶接されていることを特徴とする、請求項７に記載の電池。
9. 前記カバーパネル（３、４）と前記電極スタック（５）とが、抵抗−加圧溶接法によって相互に溶接されていることを特徴とする、請求項７に記載の電池。
10. 前記電池個別セル（１）が、リチウム・イオン電池で実施されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の電池。
    

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