JP5699804B2 - 電池 - Google Patents
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Description
かかる電池は、活物質を塗布した箔状正極板及び箔状負極板を電池筐体内に高密度で配置できるため、単位体積当たりの電池容量を大きくできるものとなっている。
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、箔状部材で発電要素を構成する場合でも、耐衝撃,耐振動性能を可及的に向上させる点にある。
これによって、箔状正極板等の巻回物が、芯材と強固に結合し、電池筐体に強い衝撃等が加わっても、芯材が発電要素における箔状正極板と箔状負極板との間の相対変位を十分に抑制する。
又、本出願の第4の発明は、上記第1〜第3のいずれかの発明の構成に加えて、前記芯材は樹脂材料にて構成され、前記金属プレートは、インサート成形にて前記芯材に埋め込まれている。
これによって、箔状正極板等の巻回物が、芯材と強固に結合し、電池筐体に強い衝撃等が加わっても、芯材が発電要素における箔状正極板と箔状負極板との間の相対変位を十分に抑制する。
更に、発電要素から電極端子への電流経路の一部を構成すると共に、発電要素を支持する構造物でもある集電体を、芯材の導電体部分と接合することで、芯材に箔状正極板等を巻回して構成した発電要素を安定的に支持できる。
又、上記第2の発明によれば、発電要素を支持する構造物でもある集電体が、箔状正極板等の未塗工部と接合されているので、更に強固に発電要素を支持して、それの変位又は変形を抑制することができる。
又、上記第3の発明によれば、発電要素の支持構造として、略矩形の枠構造の1辺に箔状正極板等を巻回する構成とすることで、より一層強固に発電要素を支持して、それの変位又は変形を抑制することができる。
又、上記第5の発明によれば、発電要素において、箔状正極板等の巻回物が芯材と強固に結合し、電池筐体に強い衝撃等が加わっても、芯材が発電要素における箔状正極板と箔状負極板との間の相対変位を十分に抑制するので、箔状部材で発電要素を構成する場合でも、耐衝撃,耐振動性能を可及的に向上させ得るものとなった。
更に、発電要素を支持する構造物でもある集電体が、箔状正極板等の未塗工部と接合されているので、更に強固に発電要素を支持して、それの変位又は変形を抑制することができる。
又、上記第6の発明によれば、発電要素の支持構造として、略矩形の枠構造の1辺に箔状正極板等を巻回する構成とすることで、より一層強固に発電要素を支持して、それの変位又は変形を抑制することができる。
本実施の形態では、電池として二次電池の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。
図1及び図2の斜視図に示すように、本実施の形態の非水電解液二次電池RBは、有底筒状の缶体1の開放面側の端部に、略平板状に形成された蓋体2を被せて、缶体1の開放面側の端部と蓋体2の端部とを溶接により接合して構成した電池筐体BC(以下において、単に「筐体BC」と称する)を有している。
蓋体2は、図2に示すように、短冊状の長方形の金属板の端縁部を全周に亘って直角に折り上げた形状に加工形成し、全体としては浅い皿状に形成されている。
この蓋体2の筐体BC外方側となる面に正極の電極端子である端子ボルト5と負極の電極端子である端子ボルト7とが取り付けられる。
缶体1は、扁平な略直方体形状を有し、最も短い辺で構成される1側面を開放面とする有底矩形筒状に形成している。
缶体1は金属板にて形成し、その材料は、本実施の形態では、アルミニウムを使用している。従って、筐体BC全体としても扁平な略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。
集電体4,6は、発電要素3と端子ボルト5,7とを電気的に接続するための部材であり、又、発電要素3を支持する支持構造物である。
集電体4と集電体6とは何れも導電体であり、金属板にて形成されている。
正極側の集電体4と負極側の集電体6とでは、同一形状のものが対称に配置される関係となっているが、両者で材質が異なる。正極側の集電体4はアルミニウムにて形成され、負極側の集電体6は銅にて形成されている。
集電体4,6の形状は、端子ボルト5,7の取付面である蓋体2の平坦面に沿って伸びる形状の部分と、蓋体2の長手方向端部付近で下方へ90度屈曲して蓋体2の平坦面の法線方向に伸びる部分とが連なる略L字状の屈曲形状を有している。その集電体4,6の一端側の、蓋体2の平坦面に沿う部分で端子ボルト5,7と接続され、集電体4,6の他端側の、蓋体2の平坦面の法線方向に延びる部分で発電要素3と接合されている。
集電体4,6における発電要素3との接合箇所には、発電要素3の存在側に突出する接続部4a,6aが形成されている。接続部4a,6aは平面視でコの字状に形成され、後述する未塗工部3a,3bを挟み込む形態で、その未塗工部3a,3bと接合されている。
発電要素3は、上記のように巻回した状態で、箔状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(箔状正極板の長手方向と直交する方向)に延出し、箔状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(箔状負極板の長手方向と直交する方向)に延出している。
本実施の形態の発電要素3は、詳しくは後述するが、扁平形状の芯材に箔状正極板等を巻回して、巻回物も扁平形状とすることで、扁平形状の筐体BCに適合させている。
発電要素3の缶体1内での配置姿勢は、箔状正極板等の巻回軸心が蓋体2の長手方向と平行となる姿勢としており、正面視(缶体1の扁平面の法線方向視)では、箔状正極板の未塗工部3aが集電体4の接続部4aと重なるように位置し、箔状負極板の未塗工部3bが集電体6の接続部6aと重なるように位置している。
箔状正極板の未塗工部3aは束ねられた状態で集電体4に溶接され、箔状負極板の未塗工部3bは束ねられた状態で集電体6に溶接されている。
端子ボルト5の蓋体2への取付構造及び端子ボルト5と集電体4との接続構造と、端子ボルト7の蓋体2への取付構造及び端子ボルト7と集電体6との接続構造とは、同一構成のものが対称に配置されたものであり、以下において、正極側の構成によって代表させて説明する。
端子ボルト5には、図3の断面図に示すように、それの頭部側に、集電体4を筐体BCに固定するための導電性を有するリベット部材5aが一体成形されている。そのリベット部材5aの部分が蓋体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及び集電体4の蓋体2への取付固定は、蓋体2を挟む状態で配置される一対のガスケット9,10を端子ボルト5の頭部と集電体4とで挟んで、リベット部材5aの筐体BC内方側端部をかしめることで行い、この取付固定によって、リベット部材5aと集電体4とが発電要素3と端子ボルト5との間の通電経路を形成し、発電要素3と端子ボルト5とを電気的に接続する。
次に、二次電池RBの製造工程について概略的に説明する。
発電要素3は、上述のように、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したものである。
箔状正極板及び箔状負極板への活物質の塗布は、箔状正極板等の巻回態様を示す図6で示すように、箔状正極板13及び箔状負極板14の夫々において、幅方向の端部に未塗工部3a,3bを残して、活物質層13a,14aを表裏両面に塗布形成する。箔状正極板13等の巻回時においては、箔状正極板13における未塗工部3aの存在位置と箔状負極板14における未塗工部3bの存在位置は、図6に示すように、幅方向で反対側となるように配置する。
芯材11は、剛性を有する電気的絶縁材料(例えば、樹脂あるいはセラミックス等)にて扁平の板状に形成され、扁平面の法線方向視で略矩形形状に形成されている。
芯材11における上記略矩形形状において対辺となる端部、すなわち、芯材11の扁平面の法線方向視で、扁平面の中央に対して互いに反対側に位置する一対の端部の夫々には導電体部分を形成している。この芯材11の対辺となる端部の夫々に形成された導電体部分は、具体的には金属製であり、扁平直方体形状の一対の金属プレート11a,11bを芯材11に埋め込む形で形成されている。
芯材11の対辺となる端部の一方にはアルミニウムの金属プレート11aが、他方の端部には銅の金属プレート11bが、夫々、芯材11の扁平面の表裏両面及び芯材11の短辺側の端縁と面一となる状態で埋め込まれている。この金属プレート11a,11bの埋め込みは、芯材11を樹脂材料で構成する場合には例えばインサート成形等にて行えば良く、芯材11をセラミックスにて構成する場合には例えばろう付け等にて行えば良い。
芯材11におけるアルミニウムの金属プレート11aは、箔状正極板の未塗工部3aと接合するためのものであり、銅の金属プレート11bは、箔状負極板の未塗工部3bと接合するためのものである。
上記の形状に形成した蓋体2の電極取付孔8に、夫々ガスケット9を挟み込んだ状態で端子ボルト5,7の頭部(リベット部材)を嵌入し、その頭部側からガスケット10と集電体4,6とを差し込んで、リベット部材をかしめて固定する。
このように組み立てた状態で、図4の側面図で示すように、集電体6における平面視でコの字状の接続部6aによって、発電要素3における箔状正極板の未塗工部3bと芯材11の金属プレート11bとを挟み込む状態で保持させて、これらを一体に溶接して接合する。又、正極側においても、集電体4のコの字状の接続部4aによって、発電要素3における箔状負極板の未塗工部3aと芯材11の金属プレート11aとを挟み込む状態で保持させて、これらを一体に溶接する。これによって、金属プレート11a,11bが未塗工部3a,3bと強固に接合され、更に、集電体4,6の接続部4a,6aが、芯材11の扁平面の法線方向視で導電体部分である金属プレート11a,11bの存在位置と重なる位置で、未塗工部3a,3bと強固に接合される。尚、図4においては、負極側のみを示しているが、正極側も同様の構成である。
缶体1は、例えば深絞り加工等によって、金属板(アルミニウム板)で構成される有底矩形筒状体とする。
このように缶体1に蓋体2を嵌入した状態で、蓋体2の立ち上げ部2aの上端と、缶体1の開放面側の端縁とを、全周に亘って溶接する。
缶体1と蓋体2とを溶接して、筐体BCの組み立てが完了すると、図示を省略する注液口から電解液を筐体BC内に注入し、初期充電(予備充電)やエージング等を行って、二次電池RBとして完成する。
次に、上記のようにして製造した二次電池RBが、電池筐体BCに加わる衝撃に対してどの程度の耐性を有するかを評価した実験結果について説明する。
実験は、本発明を適用した二次電池と比較のために作製した電池とで、夫々落下衝撃試験を行い、その試験前後の電池電圧の低下度合いを調べて比較した。
実験に使用した二次電池RBは、本発明を適用した二次電池RBとして、上記の製造工程によって、電池筐体BCの寸法を、150mm×110mm×20mm(幅×高さ×厚さ)とし、電池容量は、20Ahとしたものを製作して使用した。尚、芯材11の材質はポリプロピレンを使用している。
比較のために作製した電池は、上記芯材11の代わりに、上記金属プレート11a,11bを備えない巻芯周りに箔状正極板等を扁平形状に巻回した発電要素を有するもので、従来からの製造方法によって発電要素の未塗工部を集電体と溶接して、上記の本発明を適用した二次電池RBと同一寸法で且つ同一容量の二次電池とした。
本発明を適用した二次電池RBと比較のための二次電池とで、夫々10個のサンプルについて、電池を10mの高さから落下させた後に1日放置し、実験開始前の状態から電池電圧が低下した電池がどれだけあるかを調べた。
この結果、比較のために製作した二次電池では、10個中の2個の電池において、当初4.1Vであったものが、夫々、3.3V,3.8Vに低下したのに対して、本発明を適用した二次電池RBでは、電池電圧が低下した電池は皆無であった。
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、集電体4,6と発電要素3との接続態様として、集電体4,6の接続部4a,6aと芯材11の金属プレート11a,11b(導電体部分)とで、発電要素3の未塗工部3a,3bを挟み込む状態で溶接する場合を例示しているが、図4と対応する図7に示すように、芯材11の金属プレート11a,11b(導電体部分)と発電要素3の未塗工部3a,3bとで、集電体4,6の接続部4a,6aを挟み込む状態で溶接し、正極側の集電体4は、一対の金属プレート11a,11bのうちの一方の金属プレート11a、及び、未塗工部3aの双方と接合され、負極側の集電体6は、一対の金属プレート11a,11bのうちの他方の金属プレート11b、及び、未塗工部3bの双方と接合されている構成としても良い。この場合、集電体4,6は、正極側及び負極側の夫々において、それの一端側が、蓋体2の電池筐体外方側に備えられた端子ボルト5,7(電極端子)と接続され、他端側が、蓋体2の法線方向に延びて、未塗工部3a,3b及び金属プレート11a,11b(導電体部分)に接合されている配置となっている。
図7に示す構成と、上記実施形態とは、集電体4,6の接続部4a,6aの形状のみが異なり、発電要素3,芯材11及び電池筐体BC等の他の構成要素は全て上記実施の形態と共通である。
図7に示す組み立て構造における集電体4,6の接続部4a,6aは、板体を平面視でコの字状に形成する際の幅を狭くし、芯材11の金属プレート11a,11bの存在部分の厚さと一致させている。この接続部4a,6aを、金属プレート11a,11bの部分を挟み込む状態で、金属プレート11a,11bと発電要素3の未塗工部3a,3bとの間に差し込み、これら3者を溶接している。
(3)上記実施の形態では、芯材11を巻芯として、芯材11の周りに箔状正極板等を巻回して行く工程によって発電要素3を組み立てる場合を例示しているが、巻回軸芯周りに適当なスペースを空けて箔状正極板等を巻回し、箔状正極板等の巻回後に、前記スペースに芯材11を挿入する工程によって発電要素3を組み立てる構成としても良い。
2 蓋体
3 発電要素
3a,3b 未塗工部
4,6 集電体
11 芯材
11a,11b 導電体部分
12 セパレータ
13 箔状正極板
14 箔状負極板
BC 電池筐体
Claims (6)
- 夫々活物質を塗布した長尺の箔状正極板及び箔状負極板を、セパレータを挟んだ状態で、芯材周りで巻回した状態の発電要素が備えられた電池であって、
前記芯材は、扁平形状に形成され、
前記芯材の扁平面の法線方向視で、前記扁平面の中央に対して互いに反対側に位置する一対の端部の夫々に、金属プレートを前記芯材に埋め込む形で導電体部分が形成され、
一対の前記導電体部分のうちの一方が、前記箔状正極板における活物質を塗布していない未塗工部と接合され、他方が、前記箔状負極板における活物質を塗布していない未塗工部と接合されている電池。 - 前記発電要素は、幅方向端部に前記未塗工部が形成された箔状正極板及び箔状負極板を、それらの未塗工部が幅方向で互いに反対側に位置する状態で、前記芯材周りで巻回した状態に構成され、
正極側及び負極側の夫々において、電池筐体に備えられる電極端子と前記発電要素とを電気的に接続すると共に、前記発電要素を支持する集電体が、前記扁平面の法線方向視で前記導電体部分の存在位置と重なる位置で、前記未塗工部と接合されている請求項1記載の電池。 - 前記電池筐体は、略直方体形状で、1側面を開放面とする有底矩形筒状に形成された缶体と、前記缶体の前記開放面側の端部に固定される略平板状の蓋体とによって構成され、
前記集電体は、正極側及び負極側の夫々において、それの一端側が、前記蓋体の電池筐体外方側に備えられた前記電極端子と接続され、他端側が、前記蓋体の法線方向に延びて、前記未塗工部に接合されている請求項2記載の電池。 - 前記芯材は樹脂材料にて構成され、
前記金属プレートは、インサート成形にて前記芯材に埋め込まれている請求項1〜3のいずれか1項に記載の電池。 - 夫々活物質を塗布した長尺の箔状正極板及び箔状負極板を、セパレータを挟んだ状態で、芯材周りで巻回した状態の発電要素が備えられた電池であって、
前記芯材は、扁平形状に形成され、
前記芯材の扁平面の法線方向視で、前記扁平面の中央に対して互いに反対側に位置する一対の端部の夫々に導電体部分が形成され、
正極側及び負極側の夫々において、電池筐体に備えられる電極端子と前記発電要素とを電気的に接続すると共に、前記発電要素を支持する集電体が備えられ、
正極側の前記集電体は、一対の前記導電体部分のうちの一方の前記導電体部分、及び、前記箔状正極板における活物質を塗布していない未塗工部の双方と接合され、負極側の前記集電体は、一対の前記導電体部分のうちの他方の前記導電体部分、及び、前記箔状負極板における活物質を塗布していない未塗工部の双方と接合されている電池。 - 前記電池筐体は、略直方体形状で、1側面を開放面とする有底矩形筒状に形成された缶体と、前記缶体の前記開放面側の端部に固定される略平板状の蓋体とによって構成され、
前記集電体は、正極側及び負極側の夫々において、それの一端側が、前記蓋体の電池筐体外方側に備えられた前記電極端子と接続され、他端側が、前記蓋体の法線方向に延びて、前記未塗工部及び前記導電体部分に接合されている請求項5記載の電池。
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