JP5562165B2

JP5562165B2 - 非水電解液二次電池および電池モジュール

Info

Publication number: JP5562165B2
Application number: JP2010172274A
Authority: JP
Inventors: 正也堀野; 浩一梶原; 英幸柴沼
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2030-07-30
Also published as: JP2012033395A

Description

本発明は非水電解液二次電池に係り、特に、複数の単位電池を集積して電池モジュールを構成し得る非水電解液二次電池に関する。

この種の非水電解液二次電池は、自動車、バイク、鉄道、建設機械、自転車、電動福祉機器などの移動体に電源として搭載される二次電池や、無停電電源や風力発電、太陽光発電、分散型電力貯蔵システムなどに設置される据え置き型電池のように、高信頼性が求められる電池に適用されている。

特許文献１記載の二次電池は、文献１の図３を参照すると以下のような構成を備えている。二次電池相互の接続、および二次電池からの電力出力のために鉛電池用端子１が設けられ、鉛電池用端子１の端子部材２には螺子が形成されている。鉛電池用端子１にナットを螺合する際に鉛電池用端子１が供回りすることを防止するため、特許文献１の二次電池には供回り防止機構が設けられている。すなわち、端子部材２に鉛ブッシュ４が嵌入され、鉛ブッシュ４の嵌合部４１が樹脂カバー６に嵌合されている。特許文献１の段落００２９を参照すると、嵌合部４１の下方の突起を樹脂カバー６に係合させることにより、端子部材２に締付トルクを加えても突起の食い込みにより、鉛電池用端子１の全体が回ってしまうのを防止することができる構成としている。

特開平１０−１１６６０２

しかし、特許文献１の二次電池では、端子部材２の供回り防止機構となる嵌合部４１と、嵌合部４１が装着される極柱５との位置精度などが不充分のとき、鉛電池用端子１の供回り防止効果が得られないおそれがある。

請求項１の発明による非水電解液二次電池は、開口部を有する容器と、前記開口部を封止するとともに、外部電極が設けられた蓋と、前記容器内に収容され、前記外部電極を介して外部負荷との間で電力を充放電する発電体と、前記発電体と前記外部電極との間を電気的に接続する内部接続部材および外部接続部材と、前記外部接続部材と前記蓋との間で挟持され、前記外部電極の先端が前記外部接続部材を貫通するように前記外部電極の基部を保持する電極保持部材と、前記外部電極と所定距離離れた位置で前記蓋の内側から外側に貫通し、さらに前記電極保持部材および外部接続部材も貫通して前記蓋に固着され、前記容器内の一端が前記内部接続部材と電気的に接続され、前記容器外の他端が前記外部接続部材により前記外部電極に電気的に接続された貫通電極と、前記貫通電極を中心として前記電極保持部材に作用する回転モーメントによる前記電極保持部材の供回りを阻止する供回り防止機構とを備え、前記供回り防止機構は、前記蓋および前記電極保持部材のいずれか一方に突設された突起と、前記蓋および前記電極保持部材のいずれか他方に設けられ、前記突起が前記回転モーメントと直交する方向には遊びを持って係合する凹部を有し、前記凹部の前記回転モーメントが作用する方向の幅は、前記突起が緊密に嵌入する幅に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、突起の位置と、突起を係合して供回りを阻止する凹部の位置とを高い位置精度で設けることなく、外部電極に作用する回転モーメントによる電極保持部材の供回りを確実に防止することができる。

本発明による非水電解液二次電池の第１実施形態を用いた電池モジュールを示す斜視図。第１実施形態の非水電解液二次電池の分解斜視図。第１実施形態の非水電解液二次電池の容器と蓋の斜視図。第１実施形態の非水電解液二次電池の外部電極部の拡大斜視断面図。第１実施形態の電極保持部材を示す斜視図。図５のＶＩ矢視図。本発明による非水電解液二次電池の第２実施形態における容器と蓋の斜視図。第２実施形態の電極保持部材を示す斜視図。図８のＩＸ矢視図。

本発明を角形の非水電解液二次電池に適用した実施形態を図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
−電池モジュール−
図１に示すように、例えば１２個の非水電解液二次電池２０がモジュールケース２２内に収納され、直列に接続されて電池モジュール１００を構成するように使用される。１２個の電池はモジュールケース２２に保護されており、振動や衝撃などの外力に耐える構成となっている。

モジュールケース２２内において、隣接する非水電解液二次電池２０の正極外部電極ボルト１２Ｐと負極外部電極ボルト１２Ｎとが相互に隣り合うように、非水電解液二次電池２０の向きが交互に反転して配列されている。そして、隣接する非水電解液二次電池２０の反対極性の外部電極ボルト１２Ｐ、１２Ｎ間にバスバー１９が架け渡され、隣接する非水電解液二次電池２０が相互に電気的に接続される。バスバー１９はナット１２Ｔで外部電極ボルト１２に螺着されて固定されている。このようにして、電池モジュール１００が構成される。

図１において、符号２１は、非水電解液二次電池２０に設けられる圧力解放弁（図示省略）から排出されるガスを貯留するダクトを示す。万一の熱暴走や電池内部の圧力上昇により圧力解放弁が開裂した場合は、ダクト２１内にガスが充満する。

−非水電解液二次電池−
図２に示すように、非水電解液二次電池２０は、細長い長方形の開口部を有する扁平直方体状の金属製の角形容器５と、角形容器５内に挿入された発電体１５とを有する。角形容器５の開口部には金属製の蓋４がレーザビーム溶接によって固着され、角形容器５が封止されている。蓋４を角形容器５に溶接した後には、圧力解放弁取り付け穴３から角形容器５内に電解液が注入され、その後、圧力解放弁取り付け穴３に圧力解放弁が取り付けられる。

蓋４は、開口部に対応した帯状の長方形である。蓋４には、角形容器５の内部方向に延びる内部電極１４が固着され、内部電極１４には、押さえ板１７を介して発電体１５が溶接されている。溶接は超音波溶接あるいはレーザビーム溶接であり、図中、溶接部を符号１８で示す。後述するように、内部電極１４の他端には外部電極１２に接続される貫通電極１１が設けられている。図２に示すように、貫通電極１１は蓋４を貫通して電池外部に突設している。

発電体１５は、たとえば、セパレータで絶縁した状態で正極箔と負極箔とを捲回した扁平型捲回電極群であり、扁平型捲回電極群の両端部には接続集電板である内部電極１４が溶接される。この発電体１５により電力が充放電される。

貫通電極１１はかしめ加工により蓋４に固着され、貫通電極１１とともに、端子部材として機能する接続バー１０、内部電極１４、および供回り防止機構として機能する電極保持部材９が蓋４に固定されている。電極保持部材９には接続バー１０を貫通して外部電極ボルト１２が装着されている。内部電極１４と角形容器５の内面との間には絶縁部材１３が挿入されている。

図３は蓋４と容器５を一体化した斜視図、図４は貫通電極１１と外部電極ボルト１２周辺の構造を説明する断面図である。
図３に示すように、蓋４には、正負両極の貫通電極１１を挿通する電極貫通孔２が穿設され、貫通電極１１は、図４に示すように、蓋４の内側で、内部電極１４にかしめ加工により固着されている。電極貫通孔２には蓋４の内側からガスケット１６が装着され、貫通電極１１は、ガスケット１６によってシールされつつ、電極貫通孔２を貫通している。貫通電極１１には、蓋４の外側で、電極保持部材９が嵌装され、さらに、その外側に接続バー１０が嵌装されている。貫通電極１１は、接続バー１０の外側でかしめ加工され、これによって、接続バー１０および電極保持部材９が、蓋４の外側で固定されることになる。

図３に示すように、電極貫通孔２は、圧力解放弁取り付け穴３の両側に配置され、蓋４の長手方向に離間している。蓋４の外面には、各電極貫通孔２の近傍に円形の突起１が突設されている。突起１と電極貫通孔２とは、蓋４の長手方向に所定距離離間して配設されている。突起1は蓋４の略両端に設けられ、後述する供回り防止機構として機能する。

図５および図６は電極保持部材９の斜視図である。電極保持部材９には、貫通電極１１を貫通するための電極貫通孔８が穿設され、さらに、蓋４に接する面に凹部７が形成されている。電極保持部材９は、凹部７が形成される部分が、電極貫通孔８が穿設された部分（薄肉部９ｔと呼ぶ）よりも肉厚の肉厚部９Ｔとされる。電極保持部材９の取り付け時に、突起１は凹部７に嵌入、係合し、電極保持部材９の貫通電極１１を中心とした回転が阻止される。

電極保持部材９は、外部電極ボルト１２にナット１２Ｔを締め込む際の回転トルクを支承する「反力部材」として機能し、突起１と電極保持部材９の凹部７とは、協働して、外部電極ボルト１２の供回りを防止する「供回り防止機構」として機能する。

凹部７は蓋４の長手方向を長径方向とする長円形状であり、その短径は、突起１の直径と略等しい。これによって、突起１の位置がずれたときにも、突起１は、確実かつ緊密に、凹部７に嵌合する。従って、突起１の位置、特に、電極貫通孔８からの距離に関する公差を大きく取ることができる。

すなわち、凹部７は、外部電極ボルト１２に作用する回転モーメントと直交する方向に遊びを持って突起1が係合するように形成されている。このような機能を達成できるものであれば、供回り防止機構の突起１と凹部７の形状は実施形態に限定されない。

電極保持部材９は絶縁材料で形成されるが、たとえばセラミックスやガラスなどの脆性材料によって形成することができる。この場合、凹部７の長手方向と直角方向の寸法は、蓋４に設けられた突起１の直径よりもわずかに大きくして部材の干渉を防止するのが好ましい。電極保持部材９を絶縁性樹脂材などの延性を持つ材料で形成してもよく、この場合には、凹部７の幅方向の寸法は、突起１の直径よりもわずかに小さくして、嵌合を締り嵌めとしてもよい。

図4に示すように、接続バー１０には、貫通電極１１、外部電極ボルト１２がそれぞれ貫通する貫通孔１０２、１０４が穿設されている。貫通電極１１は、貫通孔１０２の周囲に拡がるようにかしめ加工され、電極保持部材９、接続バー１０が締め付け固定される。

外部電極ボルト１２には、貫通孔１０４を貫通する軸部１２Ｂと、軸部１２Ｂに連続しかつ軸部１２Ｂよりも大径の当接部１２Ｓと、当接部１２Ｓに連続しかつ当接部１２Ｓよりも大径の頭部１２Ｈとが設けられている。軸部１２Ｂの外周には、ナット１２Ｔを螺合する螺子が形成されている。頭部１２Ｈは、正方形、長方形、六角形等の多角形であり、対辺を拘束することにより、回転が阻止される。

図５に示すように、電極保持部材９の肉厚部９Ｔには、頭部１２Ｈが嵌合するＴ字溝９Ｒが形成されている。Ｔ字溝９Ｒには、電極保持部材９の側方から頭部１２Ｈが挿入される。Ｔ字溝９Ｒ内に挿入された頭部１２Ｈの対辺がＴ字溝９Ｒに接することによって、頭部１２Ｈは、その回転が阻止される。電極保持部材９には、当接部１２Ｓを側方から挿入し得る長孔９Ｈが形成され、長孔９Ｈの最奥部は、当接部１２Ｓの直径に略等しい半円状である。当接部１２Ｓは、接続バー１０の裏面に当接し、接続バー１０からの脱落が阻止される。

外部電極ボルト１２は、当接部１２Ｓが長孔９Ｈの最奥部に収られつつ、頭部１２ＨがＴ字溝９Ｒ内で拘束される。さらに、当接部１２Ｓにより抜け止めされることによって、外部電極ボルト１２は安定に保持される。

外部電極ボルト１２にナット１２Ｔを螺合する際、外部電極ボルト１２に作用する軸回りの回転トルクによって、電極保持部材９は貫通電極１１を回転中心とした回転モーメントが作用する。このとき、突起１が凹部７に係合して、電極保持部材９の貫通電極１１を中心とした回転が阻止されるため、接続バー１０の供回りが防止される。凹部７は蓋４の長手方向を長径方向とする長円形状に形成している。したがって、蓋４に突設する突起１の位置と、突起１を係合して供回りを阻止する電極保持部材９に凹設した凹部７の位置を高い精度で設けるように設計することなく、外部電極ボルト１２に作用する回転モーメントによる電極保持部材９や接続バー１０の供回りを確実に防止することができる。

また、蓋４の電極貫通孔２と、蓋4の突起１との間隔を高い精度で設定しなくても、突起1を凹部７に確実に嵌入して係合することができ、組立不良による歩留まりの低下も解消される。

２個の電極貫通孔２、突起１は、蓋４の幅方向略中央に配置され、長手方向に一直線上に配置されている。このような配置とすることで、プレス成型や切削加工などで成形する際に加工効率を高め、加工誤差も少なくできる。

以上のとおり、本実施形態による非水電解液二次電池は、接続バー１０の種々の寸法精度、突起１の位置精度、蓋４と容器開口部との嵌め合い精度、電極保持部材９の種々の寸法精度（とくに凹部７の位置の精度）が良好でないときにも、確実に電極保持部材９の供回りを防止できる。

［第２実施形態］
本発明を角形の非水電解液二次電池に適用した第２実施形態を、図７〜図９を参照して説明する。なお、図中、第１実施形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。

第２実施形態は、１個の電極保持部材に対して、２個の突起を係合させるものである。

図７に示すように、蓋４には、略中央に圧力解放弁取り付け穴３が穿設され、圧力解放弁取り付け穴３の両側に電極貫通孔２が配置されている。さらに、各電極貫通孔２の両側には、各電極貫通孔２の近傍に、円形の突起１ａ、１ｂが突設され、突起１ａは突起１ｂよりも、蓋４の長手方向端部よりに配置されている。突起１ａ、１ｂ、電極貫通孔２とは、蓋４の幅方向略中央で、蓋４の長手方向に一直線上に配列されている。

第２実施の形態による電極保持部材９を図8および図９に示す。
電極保持部材９は、第１実施形態と同様の肉厚部９Ｔが形成され、薄肉部９ｔは第１実施形態よりも長く設定されている。肉厚部９Ｔには、第１実施形態と同様のＴ字溝９Ｒ、長孔９Ｈが形成され、第１実施形態の凹部７と同様の長円状の凹部７ａが形成されている。肉厚部９Ｔは、蓋４の端部に配置され、凹部７ａには突起１ａが嵌入される。

電極保持部材９の薄肉部９ｔには、第１実施形態と同様の電極貫通孔８が穿設され、さらに、薄肉部９ｔは、第１実施形態よりも延長されて、その先端部裏面に、第２の長円状の凹部７ｂが形成されている。凹部７ｂには、突起１ｂの位置に対応して配置され、凹部７ｂには、突起１ｂが嵌入、係合される。

本実施形態による非水電解二次電池によれば、蓋4の２個の突起１ａ、１ｂが電極保持部材９の凹部７ａ、７ｂにそれぞれ係合されるので、電極保持部材９は、より大きな回転トルクに耐えることができ、大きな締め付け力に対して、供回りを防止できる、すなわち、本実施形態による非水電解二次電池は、第１実施形態の効果に加え、耐え得る回転トルクが大きいという効果を奏する。

［変形例］
以上の実施の形態を次のように変形することもできる。
（１）上記実施の形態の供回り防止機構では、突起１を蓋４に設け、凹部７を電極保持部材９に設けて構成した。しかしながら、突起１を電極保持部材９に設け、凹部７を蓋４に設けても良い。
（２）上記実施の形態の供回り防止機構では、外部電極ボルト１２に作用する回転トルクによる貫通電極１１を中心として電極保持部材9に作用する回転モーメントと直交する方向に遊びを持って突起1が係合するように凹部7が形成されれば、どのような構造組合せでもよい。すなわち、供回り防止機能を達成できるものであれば、突起１と凹部７の形状は実施形態に限定されない。

（３）第２実施形態では、２個の突起を蓋から突設させ、各電極保持部材に２個の突起が係合するようにしたが、より多数の突起を係合させることも可能である。
（４）以上の実施形態では、圧力解放弁取り付け穴３から電解液を注入したが、圧力解放弁取り付け穴３とは別個に電解液注入孔を設け、電解液注入孔から電解液を注入してもよい。
（５）以上の実施形態では、蓋４を金属素材としたが、蓋４を樹脂により製作してもよい。この場合、電極保持部材９は絶縁素材で形成する必要はない。

以上の説明は一例であり、本発明が上記実施形態や変形例に限定されるものではない。

１、１ａ、１ｂ：突起
２：電極貫通孔
３：圧力解放弁取り付け穴
４：蓋
５：角形容器
７、７a、７b：凹部
８：電極貫通孔
９：電極保持部材
９Ｈ：長孔
９ｔ：薄肉部
９Ｔ：肉厚部
９ＲＴ：字溝
１０：接続バー
１１：貫通電極１１
１２：外部電極ボルト
１２Ｂ：軸部
１２Ｓ：当接部
１２Ｈ：頭部
１２Ｎ：ナット
１３：絶縁部材
１４：内部電極
１５：発電体
１６：ガスケット
１７：押さえ板
１８：溶接部
１９：バスバー
２０：非水電解液二次電池
２１：ダクト
２２：モジュールケース
１００：電池モジュール
１０２、１０４：貫通孔

Claims

開口部を有する容器と、
前記開口部を封止するとともに、外部電極が設けられた蓋と、
前記容器内に収容され、前記外部電極を介して外部負荷との間で電力を充放電する発電体と、
前記発電体と前記外部電極との間を電気的に接続する内部接続部材および外部接続部材と、
前記外部接続部材と前記蓋との間で挟持され、前記外部電極の先端が前記外部接続部材を貫通するように前記外部電極の基部を保持する電極保持部材と、
前記外部電極と所定距離離れた位置で前記蓋の内側から外側に貫通し、さらに前記電極保持部材および外部接続部材も貫通して前記蓋に固着され、前記容器内の一端が前記内部接続部材と電気的に接続され、前記容器外の他端が前記外部接続部材により前記外部電極に電気的に接続された貫通電極と、
前記貫通電極を中心として前記電極保持部材に作用する回転モーメントによる前記電極保持部材の供回りを阻止する供回り防止機構とを備え、
前記供回り防止機構は、
前記蓋および前記電極保持部材のいずれか一方に突設された突起と、
前記蓋および前記電極保持部材のいずれか他方に設けられ、前記突起が前記回転モーメントと直交する方向には遊びを持って係合する凹部を有し、
前記凹部の前記回転モーメントが作用する方向の幅は、前記突起が緊密に嵌入する幅に形成されていることを特徴とする非水電解液二次電池。
請求項１記載の非水電解液二次電池において、
前記蓋は導電性材料で形成され、前記電極保持部材は絶縁性材料で形成されていることを特徴とする非水電解液二次電池。
請求項１または２記載の非水電解液二次電池において、
前記内部接続部材、前記貫通電極、前記外部接続部材、前記電極保持部材、前記供回り防止機構のそれぞれは、正極用および負極用にそれぞれ設けられることを特徴とする非水電解液二次電池。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の非水電解液二次電池において、
前記蓋は、前記貫通電極が貫通する貫通孔を有する長方形状であり、前記貫通孔と前記突起は所定の距離をあけて蓋の長手方向に配列されていることを特徴とする非水電解液二次電池。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の非水電解液二次電池において、
前記供回り防止機構は、複数の前記突起と、前記複数の突起が係合する複数の前記凹部とを有することを特徴とする非水電解液二次電池。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の非水電解液二次電池において、
前記供回り防止機構を構成する突起は前記蓋に突設され、前記凹部は前記電極保持部材に設けられていることを特徴とする非水電解液二次電池。
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の非水電解液二次電池をバスバーにて複数接続したことを特徴とする電池モジュール。