JP5713127B2

JP5713127B2 - 電池

Info

Publication number: JP5713127B2
Application number: JP2014066709A
Authority: JP
Inventors: 哲三小島; 武司下薗; 下薗　　武司; 訓良胸永; 胸永　　訓良; 岳人松原; 博志田才; 田才　　博志; 鈴木　勲; 鈴木　　勲
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2022-05-27
Also published as: JP2014143211A

Description

本発明は、電池引出端子と端子接続部材と外部接続端子からなる端子を備えた電池に関する。

図３に、大型の非水電解質二次電池における従来の発電要素１と集電接続板２と端子３との接続構造を示す。この非水電解質二次電池は、２個の長円筒形の発電要素１を並べ並列接続したものである。各発電要素１は、正極１ａと負極１ｂをセパレータを介して長円筒形に巻回したものであり、正極１ａは帯状のアルミニウム箔の表面に正極活物質を担持させ、負極１ｂは帯状の銅箔の表面に負極活物質を担持させたものである。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と銅箔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（図示右下）の端面には正極１ａの側端部のアルミニウム箔のみがはみ出し、他方（図示左上）の端面には負極１ｂの側端部の銅箔のみがはみ出すようにしている。

上記２個の発電要素１，１は、長円筒形の平坦な側面同士が直立して重なり合うように横置きに並べられる。そして、これらの発電要素１，１の双方の端面で、それぞれ波板状の集電接続板２，２に、各発電要素１の端面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。各集電接続板２は、２枚の金属板を波板状の凹凸に成形し、これらの端部同士を重ね合わせると共に、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、正極側となる端子３を接続固定した集電接続板２は、波板状の各凹部に発電要素１，１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、負極側となる端子３を接続固定した集電接続板２は、波板状の各凹部に発電要素１，１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２個の発電要素１は、図示しない筐体状の電池容器に収納され、この電池容器の上端開口部が蓋板によって塞がれる。この際、端子３，３の上端部は、絶縁封止材を介してこの蓋板を貫通し外部に突出するようになっている。そして、この電池容器と蓋板からなる電池外装体の内部に電解液が充填され封止されることにより非水電解質二次電池となる。

従って、上記非水電解質二次電池は、２個の発電要素１，１を長円筒形の平坦な側面が直立するように横置きに並べて収納し、しかも、端子３，３が電池外装体の上面の両端部から上方に突設されるので、設置のスペース効率が良いものとなる。

ところが、上記非水電解質二次電池は、上方に突出する端子３に接続された集電接続板２を横置きの発電要素１の正極１ａや負極１ｂにおける直線部の垂直になって重なり合った部分に沿わせて接続するために、波板状の複雑な形状の板材を組み合わせたり、端子３にも接続し難い形状にならざるを得ないため、作製が困難になるという問題があった。

しかも、集電接続板２は、電流容量を高めるために、波板状の部分の板厚もある程度厚くする必要があり、薄いアルミニウム箔や銅箔を挟み込んで超音波溶接を行なっても十分に溶着させることができないという問題も生じていた。また、この集電接続板２は、２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くなるという問題もあった。

本発明は、かかる事情に対応して改良された電池において、作製を容易にすることができる電池を提供することを目的としている。

請求項１の電池は、蓋板を有する電池外装体と、一端部に正極の活物質未塗工部を有し、他端部に負極の活物質未塗工部を有する発電要素と、前記蓋板の一端部に配置された正極側の外部接続端子、及び、前記蓋板の他端部に配置された負極側の外部接続端子と、前記電池外装体の外方に配置されるとともに前記正極側の外部接続端子に接続される正極側の端子接続部材、及び、前記電池外装体の外方に配置されるとともに前記負極側の外部接続端子に接続される負極側の端子接続部材と、前記正極の活物質未塗工部と前記正極側の端子接続部材とを接続する正極側の集電接続板、及び、前記負極の活物質未塗工部と前記負極側の端子接続部材とを接続する負極側の集電接続板とを備え、前記正極側の集電接続板は、前記発電要素の正極側の端部から前記発電要素の中央方向に水平に延びるとともに前記正極側の端子接続部材と接続される正極側の本体部と、前記正極側の本体部から突設されて、前記正極の活物質未塗工部の外側面のうちの前記正極の活物質未塗工部の端部と前記正極の活物質塗工部との間に、表面が接合される正極側の接続板部とを有し、前記負極側の集電接続板は、前記発電要素の負極側の端部から前記発電要素の中央方向に水平に延びるとともに前記負極側の端子接続部材と接続される負極側の本体部と、前記負極側の本体部から突設されて、前記負極の活物質未塗工部の外側面のうちの前記負極の活物質未塗工部の端部と前記負極の活物質塗工部との間に、表面が接合される負極側の接続板部とを有することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、集電接続板を外部接続端子と発電要素とに容易に接続することができるため、容易に電池を作製することができるようになる。

本発明の一実施形態を示すものであって、非水電解質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、非水電解質二次電池の構造を示す組み立て斜視図である。従来例を示すものであって、非水電解質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。

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２は本発明の一実施形態を示すものであって、図１は非水電解質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は非水電解質二次電池の構造を示す組み立て斜視図である。なお、図３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、従来例と同様に大型の非水電解質二次電池について説明する。この非水電解質二次電池は、図１に示すように、２個の長円筒形の発電要素１，１を並べて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２個の発電要素１，１は、長円筒形の平坦な側面同士が直立して重なり合うように横置きに並べられる。そして、これら２個の発電要素１，１の両端部にそれぞれ集電接続板２，２が配置されている。集電接続板２，２は、それぞれ大きな電流容量が得られるように十分な厚さの金属板が使用され、発電要素１の一方の端部に配置する正極１ａ側のものはアルミニウム合金板からなり、他方の端部に配置する負極１ｂ側のものは銅合金板からなる。各集電接続板２は、ほぼ台形状の水平に配置された本体２ａと、この本体の台形状の底辺部から下方に向けて突設された４本の細長い接続板部２ｂとからなる。また、各接続板部２ｂには、板面から突出する凸部が適宜間隔で複数箇所ずつ形成されている。即ち、各集電接続板２は、アルミニウム合金板や銅合金板を、台形状の本体２ａとこの台形状の底辺部から櫛歯状に真っ直ぐ伸びた細長い４本の接続板部２ｂとをプレス加工により打ち抜くと共に各接続板部２ｂに凸部を形成し、これらの接続板部２ｂを基部で本体２ａに対して直角に折り曲げ、折り曲げた各接続板部２ｂを基部でそれぞれ９０度ねじることにより形成される。また、これら４本の接続板部２ｂは、左右の２本ずつが対となり、各対の２本の接続板部２ｂの向かい合う側辺が本体２ａ側とは反対方向に回転するようにねじっている。そして、各接続板部２ｂの凸部は、このねじりによって、対となるもの同士が向かい合う方向に突出するように突設されている。

上記各接続板部２ｂのねじれ部の突出方向における長さＬは、この接続板部２ｂの板厚Ｔよりも長くなるようにしている。これは、長さＬが板厚Ｔよりも短い場合には、この接続板部２ｂに急峻なねじり加工が加えられねじれ部に応力が集中して導電性が低下するからである。

上記各集電接続板２は、２個の発電要素１，１の双方の端部の上方に本体２ａを配置すると共に、接続板部２ｂがこれらの発電要素１，１の端面に沿って配置されるようにする。即ち、各発電要素１の正極１ａのアルミニウム箔がはみ出す端面側には、アルミニウム合金板からなる集電接続板２が配置され、負極１ｂの銅箔がはみ出す端面側には、銅合金板からなる集電接続板２が配置される。また、対となる２本の接続板部２ｂは、各発電要素１の端面から突出する正極１ａや負極１ｂの金属箔の両脇に配置される。ここで、各発電要素１の双方の端面には、正極１ａや負極１ｂの金属箔が巻回された状態で長円筒形にはみ出して突出しているので、これらの金属箔が長円筒形の湾曲部の間の直線部で垂直になり重なり合った部分は、巻回軸を中心にして左右に二等分することができる。そして、各発電要素１の端面ごとに配置された対となる２本の接続板部２ｂは、これら左右に分かれた金属箔の重なりの外側にそれぞれ配置される。この際、対となる２本の接続板部２ｂは、元々向かい合っていた内側の側辺が発電要素１から逃げるような方向にねじられているので、各発電要素１の端面から突出する金属箔の特に上側の湾曲部が各対の２本の接続板部２ｂの間に自然に嵌まり込むようになる。

このようにして集電接続板２が配置されると、発電要素１の正極１ａと負極１ｂの金属箔が挟持板４によって各接続板部２ｂに接続固定される。即ち、各発電要素１の各端面では、まず金属箔の直線部の重なりを左右に分けて、それぞれの側の接続板部２ｂに沿わせ、これらの接続板部２ｂと金属箔とを挟持板４の間に挟んで挟持させる。すると、これにより対となる２本の接続板部２ｂの内側の面には、それぞれ左右半分ずつの金属箔の重なりが密着することになる。そして、このようにして接続板部２ｂと金属箔を挟持した各挟持板４の両側から超音波溶接を行うことにより、これら接続板部２ｂと正極１ａや負極１ｂの金属箔とが接合される。各挟持板４は、短冊状の比較的薄い金属板を長手方向に沿って中央で二つ折りにしたものであり、正極１ａ側にはアルミニウム合金板の挟持板４が用いられ、負極１ｂ側には銅合金板の挟持板４が用いられる。これらの挟持板４は、接続板部２ｂと金属箔とを溶着して確実に接続固定するためだけに用いられるので、電流容量を特に大きくする必要はなく、最適な超音波溶接が可能となるような適度な厚さの金属板を用いることができる。また、各接続板部２ｂには、金属箔と重なり合う内側の面に凸部が形成されているので、これらの金属箔が各凸部で集中的に超音波のエネルギーを受けるようになり、溶着を確実にすることができる。

上記挟持板４は、発電要素１の端面から突出する正極１ａや負極１ｂの金属箔の円筒形における直線部の長さよりも短いものが用いられる。このようにすれば、挟持板４が金属箔の直線部だけを接続板部２ｂと共に挟み込むようにすることができる。これは、挟持板４が金属箔の直線部の長さよりも長い場合には、この挟持板４が円筒形に突出した金属箔の上下の湾曲部まで挟み込むことになり、この金属箔を無理に挟持板４側に引っ張り破損させるおそれがあるからである。

本実施形態の非水電解質二次電池の正負極の端子３，３は、それぞれリベット端子３ａと端子接続杆３ｂと端子ボルト３ｃとで構成されている。リベット端子３ａは、四隅が面取りされた正方形状のフランジ部の上下の面から円筒状のカシメ部を突出させたものであり、正極端子として用いられる端子３の場合にはアルミニウムやアルミニウム合金で作製され、負極端子として用いられる端子３の場合には銅や銅合金で作製される。このリベット端子３ａは、下方のカシメ部が電解液に接触するので、非水電解質二次電池の場合、正極端子側では、正極電位で非水電解液に溶解しないアルミニウムやアルミニウム合金等を用いる必要があり、負極端子側では、負極活物質と合金化しない銅や銅合金等を用いる必要がある。端子接続杆３ｂは、銅合金製の矩形の金属板であり、両端部に貫通孔が形成されている。また、端子ボルト３ｃは、六角形状の頭部の上面から上方に向けてボルト部を突設したステンレス鋼製の六角ボルトである。これらの端子接続杆３ｂと端子ボルト３ｃは、電解液と接触することがないので、端子接続杆３ｂの場合は、特に導電性が高く十分な機械強度を有する銅合金を用い、外部回路との接続を行う端子ボルト３ｃの場合には、特に機械強度が強く十分な導電性を有するステンレス鋼が用いられる。

上記集電接続板２，２の本体２ａ，２ａは、実際には発電要素１，１への取り付けよりも先に、それぞれ図２に示す下部絶縁封止材５，５を介して蓋板６の下面の両端部に配置される。また、この蓋板６の上面の両端部には、それぞれ上部絶縁封止材７，７を介して端子３，３のリベット端子３ａ，３ａと端子接続杆３ｂ，３ｂと端子ボルト３ｃ，３ｃとが配置される。ただし、各リベット端子３ａは、下部絶縁封止材５と蓋板６と上部絶縁封止材７に形成された貫通孔を通して下方のカシメ部の先端部を集電接続板２の本体２ａに形成された貫通孔に嵌入させてカシメにより接続固定される。この際、リベット端子３ａは、絶縁封止材５，７によって蓋板６とは絶縁される。また、リベット端子３ａの下方のカシメ部と集電接続板２の本体２ａとがカシメられることにより、絶縁封止材５，７が蓋板６を挟持圧迫することになるので、この蓋板６の貫通孔が封口される。この蓋板６の上面の両端部にそれぞれ上部絶縁封止材７，７を介して配置された各端子接続杆３ｂは、一方の貫通孔にリベット端子３ａの上方のカシメ部を下方から嵌入させてカシメにより接続固定すると共に、他方の貫通孔に端子ボルト３ｃのボルト部を下方から嵌入させる。この際、端子ボルト３ｃは、六角形状の頭部を上部絶縁封止材７の六角形状の凹部に嵌め込むことにより回り止めされる。この端子ボルト３ｃは、ボルト部が端子接続杆３ｂの貫通孔に隙間嵌めされ係止されたままにすることにより、このボルト部に外部回路の接続部材を通してナットで締め付けた場合にのみ端子接続杆３ｂに接続固定されるようにするのではなく、予め溶接等によって頭部等を端子接続杆３ｂに接続固定しておく。このように予め端子ボルト３ｃを端子接続杆３ｂに接続固定しておけば、外部回路の接続部材のナットによる締め付けが十分でない場合にも、端子接続杆３ｂがこの接続部材と直接接触する部分に電流が流れる他に、この端子接続杆３ｂから端子ボルト３ｃを介しナットが接続部材に接触する部分にも確実に電流が流れるようになり、端子３と接続部材との接触抵抗を低減させることができるようになる。

上記のようにして蓋板６の上面の両端部に端子３，３が配置されると共に、この蓋板６の下面の両端部に集電接続板２，２が取り付けられると、これらの集電接続板２，２に上記のようにして発電要素１，１が接続される。そして、これら２個の発電要素１は、ステンレス鋼板製の筐体状の電池容器８の内部に収納され、この電池容器８の上端開口部が蓋板６によって塞がれる。そして、この蓋板６の周囲を溶接によって封止し、電池容器８の内部に電解液を充填して、この内部を密閉することにより非水電解質二次電池となる。この非水電解質二次電池は、２個の発電要素１を長円筒形の平坦な側面が直立するように横置きに並べて収納すると共に、端子３の端子ボルト３ｃが蓋板６の上面の両端部から上方に突出するので、設置のスペース効率が良いものとなる。

上記構成の非水電解質二次電池によれば、各発電要素１の正極１ａや負極１ｂと端子３との間が、大きな電流容量を有する集電接続板２の本体２ａと接続板部２ｂを介して接続されるので、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の金属箔は、ある程度薄い金属板からなる挟持板４を介して接続板部２ｂ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もなくなる。

また、２個の発電要素１，１の上方に集電接続板２の本体２ａを水平に配置して、蓋板を貫通する端子３との接続を容易にすると共に、この本体２ａから接続板部２ｂを下方に向けて折り曲げねじって突出させることにより、各発電要素１の端面から突出する正極１ａや負極１ｂの垂直な金属箔にこの接続板部２ｂの板面を沿わせることができるので、これら金属箔との接続が容易になる。即ち、各接続板部２ｂがねじれてなければ、金属箔とが直交することになり、接続が容易ではなくなる。また、集電接続板２の接続板部２ｂが本体２ａにおける発電要素１，１の並び方向に沿って両側に突出した板片を下方に折り曲げて形成されたものである場合には、発電要素１の端面から突出する金属箔をこの接続板部２ｂの板面を沿わせることができるが、各発電要素１に１本ずつの接続板部２ｂしか割り当てることができず、３個以上の発電要素１が並べて配置された電池の場合には、真ん中の１個以上の発電要素１の集電を行うことができないようになる。しかも、本実施形態の集電接続板２は、１枚の金属板に打ち抜き・曲げ・ねじり加工による簡単な加工を施すだけで作製することができる。

また、各発電要素１の各端面ごとに対となる２本の接続板部２ｂが配置されるので、この接続板部２ｂの幅を狭くしても十分な電流容量を得ることができ、この端面からの金属箔の突出量を少なくて済むようにすることができる。しかも、各発電要素１の各端面から突出する金属箔は、これら対となる２本の接続板部２ｂのねじり方向に従って間に挿入されるので、組み立て作業も容易となる。

なお、上記実施形態では、超音波溶接によって挟持板４の間に接続板部２ｂと正極１ａや負極１ｂの金属箔の接続を行う場合について示したが、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、接続板部２ｂと金属箔とを圧着することもできる。さらに、接続板部２ｂには、凸部が形成されていなくても、金属箔を確実に溶着又は圧着することは可能である。また、上記実施形態では、接続板部２ｂと正極１ａや負極１ｂの金属箔との接続に挟持板４を用いる場合を示したが、挟持板４以外の接続部品を用いたり、いずれの接続部品を用いることなく接続を行うことも可能である。

また、上記実施形態では、２個の発電要素１，１を並べて配置した非水電解質二次電池について示したが、この発電要素１の個数は限定されず、１個以上であれば何個の発電要素１を用いる非水電解質二次電池であってもよい。さらに、上記実施形態では、集電接続板２が各発電要素１の正負極ごとにそれぞれ対となる２本の接続板部２ｂを配置する場合を示したが、各発電要素１の正負極にそれぞれ少なくとも１本以上の接続板部２ｂが配置されていればよい。

また、本発明の端子は、電池引出端子と端子接続部材と外部接続端子からなる。電池引出端子は、上記実施形態のリベット端子３ａのように電池外装体の内部で発電要素の電極に接続されると共に、絶縁封止されて外部に突出する導電部品であるが、このリベット端子３ａのような形状には限定されず、絶縁封止手段も絶縁封止材５，７をカシメによって圧迫する方法には限定されない。端子接続部材は、上記実施形態の端子接続杆３ｂのように、電池外装体の外部に配置されると共に、電池引出端子の外部突出部に接続固定された導電部品であるが、この端子接続杆３ｂのような形状には限定されず、電池引出端子との接続固定手段もカシメには限定されない。外部接続端子は、上記実施形態の端子ボルト３ｃのように、電池外装体の外部に配置され外部回路との接続を行うための導電部品であるが、この端子ボルト３ｃのような六角ボルト状の形状には限定されず、ボルト部以外の、ナット状やテーパ軸状等の構造により外部回路との接続を行うようになっていてもよい。

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、本発明は、発電要素１の形状や種類は一切限定されず、集電接続板２とこの発電要素１との接続構造も特に限定されない。さらに、上記実施形態では、電池容器８と蓋板６で構成される電池外装体を例示したが、この電池外装体の構成は特に限定されない。また、上記実施形態では、非水電解質二次電池について説明したが、この電池の種類も特に限定されない。

１発電要素
１ａ正極
１ｂ負極
２集電接続板
２ａ本体
２ｂ接続板部
３端子
３ａリベット端子
３ｂ端子接続杆
３ｃ端子ボルト
４挟持板

Claims

蓋板を有する電池外装体と、
一端部に正極の活物質未塗工部を有し、他端部に負極の活物質未塗工部を有する発電要素と、
前記蓋板の一端部に配置された正極側の外部接続端子、及び、前記蓋板の他端部に配置された負極側の外部接続端子と、
前記電池外装体の外方に配置されるとともに前記正極側の外部接続端子に接続される正極側の端子接続部材、及び、前記電池外装体の外方に配置されるとともに前記負極側の外部接続端子に接続される負極側の端子接続部材と、
前記正極の活物質未塗工部と前記正極側の端子接続部材とを接続する正極側の集電接続板、及び、前記負極の活物質未塗工部と前記負極側の端子接続部材とを接続する負極側の集電接続板とを備え、
前記正極側の集電接続板は、
前記発電要素の正極側の端部から前記発電要素の中央方向に水平に延びるとともに前記正極側の端子接続部材と接続される正極側の本体部と、
前記正極側の本体部から突設されて、前記正極の活物質未塗工部の外側面のうちの前記正極の活物質未塗工部の端部と前記正極の活物質塗工部との間に、表面が接合される正極側の接続板部とを有し、
前記負極側の集電接続板は、
前記発電要素の負極側の端部から前記発電要素の中央方向に水平に延びるとともに前記負極側の端子接続部材と接続される負極側の本体部と、
前記負極側の本体部から突設されて、前記負極の活物質未塗工部の外側面のうちの前記負極の活物質未塗工部の端部と前記負極の活物質塗工部との間に、表面が接合される負極側の接続板部とを有する
電池。
前記発電要素は、巻回型の発電要素である
請求項１記載の電池。
さらに、
前記正極側の端子接続部材と前記正極側の集電接続板とを接続する正極側の電池引出端子、及び、前記負極側の端子接続部材と前記負極側の集電接続板とを接続する負極側の電池引出端子を備え、
前記正極側の電池引出端子は正極側のカシメ部を有し、前記正極側のカシメ部をカシメることで前記正極側の端子接続部材と前記正極側の集電接続板とを接続し、
前記負極側の電池引出端子は負極側のカシメ部を有し、前記負極側のカシメ部をカシメることで前記負極側の端子接続部材と前記負極側の集電接続板とを接続する
請求項１または２に記載の電池。
さらに、
前記蓋板と前記正極側の端子接続部材との間に配置される正極側の上部絶縁封止材、及び、前記蓋板と前記負極側の端子接続部材との間に配置される負極側の上部絶縁封止材と、
前記蓋板と前記正極側の集電接続板との間に配置される正極側の下部絶縁封止材、及び、前記蓋板と前記負極側の集電接続板との間に配置される負極側の下部絶縁封止材とを備える
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池。
前記正極側の接続板部は、前記正極の活物質未塗工部の重なりの外側面に接合され、
前記負極側の接続板部は、前記負極の活物質未塗工部の重なりの外側面に接合される
請求項１〜４のいずれか１項に記載の電池。