JP5772641B2

JP5772641B2 - 密閉型電池、及び、密閉型電池の製造方法

Info

Publication number: JP5772641B2
Application number: JP2012026396A
Authority: JP
Inventors: 利幸土橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2032-02-09
Also published as: JP2013164923A

Description

本発明は、密閉型電池、及び、密閉型電池の製造方法に関し、特に、集電端子と絶縁部材とを連結する技術に関する。

従来、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池等の密閉型電池においては、集電端子と絶縁部材との間に電流遮断弁であるダイアフラムを介挿する構造が知られており、これについて開示する文献も存在する（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に記載の技術は、集電端子と接続する集電ホルダーの凹部に、絶縁部材の凸部をはめ込むことにより、集電端子と絶縁部材とを連結する構成としている。

特開２００８−６６２５４号公報

しかし、前記特許文献１に記載の技術によれば、集電端子と絶縁部材との連結がはめ込み固定によるものであるため、密閉型電池の振動などによって集電端子と絶縁部材との結合が外れてしまう可能性があった。
一方、集電端子と絶縁部材とを接着剤で接着する場合は、別部材である樹脂ナットを配置する必要があるため、作業時間や製造コストが肥大化する場合があった。また、接着剤の耐電解液性の問題から集電端子と絶縁部材との結合強度が低下する場合があった。

本発明は、上記の状況を鑑み、集電端子と絶縁部材とを確実に結合させて外れることを防止できる、密閉型電池、及び、密閉型電池の製造方法を提供する。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、集電端子と、該集電端子に密接して配置される絶縁部材と、前記集電端子と前記絶縁部材との間に介挿される電流遮断弁と、を備える密閉型電池であって、前記集電端子には前記絶縁部材と密接する面を貫通する接続孔が形成され、前記絶縁部材には前記集電端子の側に突出し、前記接続孔に挿入可能な接続部が形成され、前記接続部が前記接続孔に挿入された状態で、前記絶縁部材の側と反対の側から前記接続部の先端が加熱されて変形され、熱かしめによって前記絶縁部材と前記集電端子とが連結されるものである。

請求項２においては、前記接続部には、前記接続部を構成する素材よりも高熱伝導率の素材で形成された伝熱部材が前記接続部の軸方向に沿って予め埋め込まれるものである。

請求項３においては、前記伝熱部材は、前記接続部の軸方向の剛性が、前記接続部の先端が熱かしめされる際に、前記接続部の変形を阻害することがない程度に低く構成されるものである。

請求項４においては、前記伝熱部材は、前記接続部の先端部側において、前記接続部の軸方向と直交する集熱板が形成されるものである。

請求項５においては、前記伝熱部材は、前記接続部の基部側において、前記接続部の軸方向と直交する補強部が形成されるものである。

請求項６においては、集電端子と、該集電端子に密接して配置する絶縁部材と、前記集電端子と前記絶縁部材との間に介挿する電流遮断弁と、を備える密閉型電池の製造方法であって、前記集電端子に前記絶縁部材と密接する面を貫通する接続孔を形成し、前記絶縁部材に前記集電端子の側に突出し、前記接続孔に挿入可能な接続部を形成し、前記接続部を前記接続孔に挿入した状態で、前記絶縁部材の側と反対の側から前記接続部の先端を加熱して変形させて、熱かしめによって前記絶縁部材と前記集電端子とを連結するものである。

請求項７においては、前記接続部に、前記接続部を構成する素材よりも高熱伝導率の素材で形成された伝熱部材を前記接続部の軸方向に沿って予め埋め込むものである。

請求項８においては、前記伝熱部材の前記接続部における軸方向の剛性を、前記接続部の先端が熱かしめされる際に、前記接続部の変形を阻害することがない程度に低く構成するものである。

請求項９においては、前記伝熱部材の前記接続部における先端部側に、前記接続部の軸方向と直交する集熱板を形成するものである。

請求項１０においては、前記伝熱部材の前記接続部における基部側に、前記接続部の軸方向と直交する補強部を形成するものである。

本発明によれば、密閉型電池における集電端子と絶縁部材とを確実に結合させて外れることを防止することができる。

第一実施形態に係る密閉型電池の概略構成を示す正面断面図。同じく集電端子上面の近傍を示した図。同じく集電端子と絶縁部材との結合方法を示した図。同じく集電端子と絶縁部材との結合方法を示した断面拡大図。第二実施形態に係る密閉型電池の集電端子と絶縁部材との結合方法を示した断面拡大図。第三実施形態に係る密閉型電池の集電端子と絶縁部材との結合方法を示した断面拡大図。第四実施形態に係る密閉型電池の集電端子と絶縁部材との結合方法を示した断面拡大図。

次に、発明の実施の形態を説明する。
なお、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではなく、本明細書及び図面に記載した事項から明らかになる本発明が真に意図する技術的思想の範囲全体に、広く及ぶものである。

［電池１０］
図１を参照して、本発明に係る密閉型電池の第一実施形態である電池１０の概略構成について説明する。本実施形態の電池１０は、密閉型のリチウムイオン二次電池である。なお、本発明が適用される対象はリチウムイオン二次電池に限定されるものではなく、ニッケル水素二次電池等の他の密閉型電池についても適用可能である。

電池１０は、発電要素２０と、発電要素２０を内部に収納する電池容器である外装３０と、外装３０から外方に向けて突出する外部端子４０・４０と、それぞれの外部端子４０と外装３０との間に介装される上側絶縁部材５０及び下側絶縁部材５１と、を具備する。

発電要素２０は、正極、負極及びセパレータを積層又は巻回してなる電極体に電解液を含浸させたものである。電池１０の充放電時に発電要素２０内で化学反応が起こる（厳密には、正極と負極との間で電解液を介したイオンの移動が起こる）ことによって電流の流れが発生する。

電池容器である外装３０は、収納部３１と蓋部３２を有する角柱型缶である。収納部３１は、一面が開口した有底角筒状の部材であり、内部に発電要素２０を収納する。蓋部３２は、収納部３１の開口面に応じた形状を有する平板状の部材であり、収納部３１の開口面を塞いだ状態で収納部３１と接合される。蓋部３２において、外部端子４０・４０が挿通される箇所の間には、電解液を注液するための注液孔３２ｂが開口している。注液孔３２ｂには、封止部材であるブラインドリベット６１、及び、ガスケット３７が取り付けられる。
なお、本実施形態の電池１０は、外装３０が有底の角筒状に形成された角型電池に構成しているが、これに限るものではなく、例えば、外装３０が有底の円筒状に形成された円筒型電池に適用することも可能である。

外部端子４０・４０は、その一部が蓋部３２の外側面から電池１０の外方に突出した状態で配置される。外部端子４０・４０は、後述する電流遮断装置及び集電端子４５・４５を介して発電要素２０の正極又は負極に電気的に接続される。外部端子４０・４０及び集電端子４５・４５は、発電要素２０に蓄えられる電力を外部に取り出す、若しくは、外部からの電力を発電要素２０に取り入れる通電経路として機能する。

集電端子４５・４５は、発電要素２０の正極板、負極板と接続されている。集電端子４５は、外部端子４０の側に位置する平面部である集電端子上面４５ａと、集電端子上面４５ａから下方に二本延出されて発電要素２０に当接する集電端子下部４５ｂと、で構成されている（図２及び図３を参照）。集電端子上面４５ａの略中央部には、通気孔４５ｃが開口されている。集電端子４５・４５の材料としては、例えば正極側にアルミニウム、負極側に銅を採用することができる。

それぞれの外部端子４０は、その外周面部に固定部材３５が嵌装されることにより、上側絶縁部材５０及び下側絶縁部材５１を間に介して蓋部３２に対して絶縁状態で固定される。下側絶縁部材５１は集電端子４５の集電端子上面４５ａに密接して配置されている。上側絶縁部材５０及び下側絶縁部材５１の材料としては、高温クリープ特性に優れる材料、つまり、電池１０の冷熱サイクルに対する長期の耐クリープ性を有する材料が好ましく、例えばＰＦＡ（パーフルオロアルコシキエチレン）等が挙げられる。

集電端子４５と下側絶縁部材５１との間には、電流遮断弁５２を備えた電流遮断装置（ＣＩＤ：ＣｕｒｒｅｎｔＩｎｔｅｒｒｕｐｔＤｅｖｉｃｅ）が介挿される。換言すれば、下側絶縁部材５１は収容部５１ｃ（図３を参照）に電流遮断装置を収容するサポートガスケットとして構成されている。

電流遮断装置は、電流遮断弁５２と接続部材５３とを備える。電流遮断弁５２はダイアフラムであり、その中央部が下方に曲面状（ドーム状）に膨らんで集電端子上面４５ａと接触する導電性の薄板状部材である。接続部材５３は導電性部材により構成され、電流遮断弁５２の周縁部と接触しており、その中央部は外部端子４０と接触している。つまり、外部端子４０は、接続部材５３及び電流遮断弁５２を介して集電端子４５と電気的に接続されているのである。

電池１０は、電池容器である外装３０の内部圧力が上昇すると、電流遮断弁５２が外側である外部端子４０の側（図１における上側）に膨らむことにより、外部端子４０と集電端子４５との電気的接続が切断されるように構成されている。

具体的には、通常の使用時においては、図１に示す如く、電流遮断弁５２が集電端子上面４５ａと接触して電気的に接合されることにより、外部端子４０と集電端子４５とが電気的に接続されている。しかし、例えば電池１０が過充電を起こし、これによって正負極間の内部短絡が生じて電解液の分解によるガスが発生した場合は、電池１０の内部圧力が上昇して一定値以上に達する。そして、通気孔４５ｃから流入するガスの圧力により電流遮断弁５２の中央部が反転して上側に膨らむ。このため、電流遮断弁５２の中央部が集電端子上面４５ａから離間することにより、外部端子４０と集電端子４５との電気的接続が切断されるのである。

外部端子４０・４０には、電池１０の外方側に突出する部位にはねじ転造によりねじ加工が施され、ボルト部が形成される。電池１０の実使用時には、このボルト部を用いて外部端子４０・４０にバスバー、外部装置の接続端子等が締結固定される。締結固定する際、外部端子４０・４０には締結トルクがかかるとともに、ねじ締結によって軸方向へ外力が付与されるため、外部端子４０・４０の材料としては、鉄等の高強度材料を採用することが好ましい。

次に、図２から図４を参照して、集電端子４５と下側絶縁部材５１との結合方法について説明する。なお、図２以降の図面においては、説明の便宜のために電流遮断装置の図示を省略する。
図２に示す如く、下側絶縁部材５１と集電端子４５とは熱かしめによって連結されている。具体的には図３に示す如く、下側絶縁部材５１には集電端子４５の側である下方に突出する四個の接続部５１ａが形成されている。より詳細には、下側絶縁部材５１の下面から下方に突出する基部５１ｂが形成されており、基部５１ｂから円筒形状の接続部５１ａが突出して形成されているのである。

集電端子４５において下側絶縁部材５１と密接する面である集電端子上面４５ａには、図３に示す如く前記接続部５１ａと対応する位置に、集電端子上面４５ａを貫通する四個の接続孔４５ｄが形成されている。接続孔４５ｄの下部は、上部よりも内径の大きな凹部４５ｅとして形成されている（図４を参照）。

そして、それぞれの接続部５１ａを上側から（集電端子下部４５ｂが延出する方向と反対の側から）接続孔４５ｄに挿入した状態で、下側絶縁部材５１の側と反対の側である下方から、図４中の矢印Ａに示す如く接続部５１ａの先端にヒーターＨの加熱部Ｈａを近接させて、接続部５１ａを圧縮する。これにより、接続部５１ａの先端部を加熱して軟化させ、凹部４５ｅの内部において図２、及び、図４中の二点鎖線の如く大径に圧縮して変形させるのである。このように、下側絶縁部材５１の接続部５１ａを接続孔４５ｄに挿入してからその先端部を加熱しながら圧縮して、接続部５１ａの先端部を大径に変形させることにより、熱かしめで下側絶縁部材５１と集電端子４５とを連結するのである。

上記の如く、本実施形態に係る電池１０によれば、下側絶縁部材５１と集電端子４５とを熱かしめによって強固に固定しているため、電池１０が振動した場合でも下側絶縁部材５１と集電端子４５との結合が外れてしまうことを防止できる。換言すれば、下側絶縁部材５１と集電端子４５とを熱かしめにより確実に結合させることが可能となるため、互いの結合が外れることを防止できるのである。

［第二実施形態］
次に、図５を参照して、第二実施形態に係る電池の集電端子４５と下側絶縁部材５１との結合方法について説明する。なお、本実施形態以降において説明する集電端子４５と下側絶縁部材５１との結合方法において、既出の実施形態と共通する部分については、同符号を付してその説明を省略する。

本実施形態に係る下側絶縁部材５１の接続部５１ａには、マグネシウムなど、剛性が低く高熱伝導率の素材で形成された伝熱部材５５が接続部５１ａの軸方向（図５における上下方向）に沿って予め埋め込まれている。伝熱部材５５は、接続部５１ａの軸心部分に位置する棒状部である軸部５５ａと、接続部５１ａの先端側における軸部５５ａの一端で、接続部５１ａの軸方向と直交して接続する板状部である集熱板５５ｂと、接続部５１ａの基部５１ｂの側における軸部５５ａの他端で、接続部５１ａの軸方向と直交して接続する板状部である補強部５５ｃと、で構成されている。

本実施形態においては上記の如く、接続部５１ａの軸方向に沿って、予め伝熱部材５５を埋め込む構成としている。これにより、前記第一実施形態と同様に図５中の矢印Ａに示す如く接続部５１ａの先端にヒーターＨの加熱部Ｈａを近接させ、接続部５１ａの先端部を加熱して軟化させる際に、接続部５１ａの内部における熱伝導性を向上させているのである。

つまり、図５中の破線矢印に示す如く、加熱部Ｈａから受け取った熱を熱伝導率の高い伝熱部材５５を介して接続部５１ａに伝えることにより、接続部５１ａの軟化を促進するのである。これにより、接続部５１ａにおける基部５１ｂの側まで容易に変形させることができるため、下側絶縁部材５１と集電端子４５との熱かしめによる結合をより強固にすることが可能となる。換言すれば、接続部５１ａを変形させる際に熱が十分伝わらずに、変形が先端側のみとなって十分な耐加重性が確保できなくなる事態を防ぐことができるのである。
また、本実施形態における伝熱部材５５には剛性が低い素材が用いられるため、加熱圧縮時における接続部５１ａの変形を阻害することもない。つまり、伝熱部材５５は、接続部５１ａを加熱圧縮して熱かしめを行う際に、接続部５１ａの変形を阻害することがない程度の低い剛性を有している。

また、本実施形態においては上記の如く、伝熱部材５５の接続部５１ａの先端部側（図５における下端側）において、接続部５１ａの軸方向と直交する面状部材である集熱板５５ｂを形成する構成としている。これにより、加熱部Ｈａからの熱をより多く吸収し、軸部５５ａを介して効率的に接続部５１ａの基部５１ｂの側に伝熱することができるのである。

また、本実施形態においては上記の如く、伝熱部材５５の接続部５１ａの基部５１ｂ側において、接続部５１ａの軸方向と直交する、接続部５１ａよりも大径の面状部材である補強部５５ｃを形成する構成としている。これにより、下側絶縁部材５１の集電端子４５に対する引き抜き荷重が向上し、互いの結合がよりに強固となるため、電池１０が振動した場合に下側絶縁部材５１と集電端子４５との結合が外れてしまうことをより効果的に防止できる。

［第三実施形態］
次に、図６を参照して、第三実施形態に係る電池の集電端子４５と下側絶縁部材５１との結合方法について説明する。
本実施形態に係る下側絶縁部材５１の接続部５１ａには、前記第二実施形態と同様に、剛性が低く高熱伝導率の素材で形成された伝熱部材１５５が接続部５１ａの軸方向（図６における上下方向）に沿って予め埋め込まれている。

本実施形態に係る伝熱部材１５５は、前記第二実施形態における軸部５５ａ、集熱板５５ｂ、補強部５５ｃに加えて、軸部５５ａにおける上下方向の中途部に配設される二枚の放熱板５５ｄを備えている。これにより、前記第二実施形態と同様に図６中の矢印Ａに示す如く接続部５１ａの先端にヒーターＨの加熱部Ｈａを近接させ、接続部５１ａの先端部を加熱して軟化させる際に、接続部５１ａの内部における熱伝導性を向上させている。

つまり、図６中の破線矢印に示す如く、熱伝導率の高い伝熱部材５５を介して伝わった熱が接続部５１ａ内に埋め込まれた放熱板５５ｄを介して効率的に放熱されることにより、接続部５１ａの軟化がより促進されるのである。即ち、前記第二実施形態と比較して、接続部５１ａの先端が、凹部４５ｅの内部において図６中の二点鎖線の如く大径に圧縮して変形しやすく構成しているのである。

［第四実施形態］
次に、図７を参照して、第四実施形態に係る電池の集電端子４５と下側絶縁部材５１との結合方法について説明する。
本実施形態に係る下側絶縁部材５１の接続部５１ａには、前記第二実施形態と同様に、剛性が低く高熱伝導率の素材で形成された伝熱部材２５５が接続部５１ａの軸方向（図７における上下方向）に沿って予め埋め込まれている。

本実施形態に係る伝熱部材２５５は、接続部５１ａの軸心部分に位置する、屈折した棒状部である軸部２５５ａと、接続部５１ａの先端側における軸部２５５ａの一端で接続する板状部である集熱板５５ｂと、接続部５１ａの基部５１ｂの側における軸部２５５ａの他端で接続する板状部である補強部５５ｃと、で構成されている。

即ち、本実施形態に係る伝熱部材２５５における軸部２５５ａは、前記第二実施形態に係る軸部５５ａの如く接続部５１ａの軸心方向と一致した形状よりも、接続部５１ａの軸方向の剛性が低く構成されているのである。これにより、接続部５１ａの軸方向の剛性を前記第二実施形態と比較して低くして、前記第二実施形態と同様に図７中の矢印Ａに示す如く接続部５１ａの先端にヒーターＨの加熱部Ｈａを近接させ、接続部５１ａの先端部を加熱して圧縮変形する際に、接続部５１ａを軸方向へ変形しやすく構成しているのである。なお、本実施形態において、伝熱部材２５５は軸部２５５ａを屈折して構成することにより接続部５１ａの軸方向の剛性を低く構成したが、軸部に対して切れ込みを入れるなど、軸方向の剛性が低くなるものであれば他の構成としても差し支えない。

１０電池
４５集電端子
４５ａ集電端子上面
４５ｄ接続孔
５１下側絶縁部材
５１ａ接続部

Claims

集電端子と、該集電端子に密接して配置される絶縁部材と、前記集電端子と前記絶縁部材との間に介挿される電流遮断弁と、を備える密閉型電池であって、
前記集電端子には前記絶縁部材と密接する面を貫通する接続孔が形成され、前記絶縁部材には前記集電端子の側に突出し、前記接続孔に挿入可能な接続部が形成され、
前記接続部が前記接続孔に挿入された状態で、前記絶縁部材の側と反対の側から前記接続部の先端が加熱されて変形され、熱かしめによって前記絶縁部材と前記集電端子とが連結されることを特徴とする、密閉型電池。
前記接続部には、前記接続部を構成する素材よりも高熱伝導率の素材で形成された伝熱部材が前記接続部の軸方向に沿って予め埋め込まれることを特徴とする、請求項１に記載の密閉型電池。
前記伝熱部材は、前記接続部の軸方向の剛性が、前記接続部の先端が熱かしめされる際に、前記接続部の変形を阻害することがない程度に低く構成されることを特徴とする、請求項２に記載の密閉型電池。
前記伝熱部材は、前記接続部の先端部側において、前記接続部の軸方向と直交する集熱板が形成されることを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載の密閉型電池。
前記伝熱部材は、前記接続部の基部側において、前記接続部の軸方向と直交する補強部が形成されることを特徴とする、請求項２から請求項４の何れか１項に記載の密閉型電池。
集電端子と、該集電端子に密接して配置する絶縁部材と、前記集電端子と前記絶縁部材との間に介挿する電流遮断弁と、を備える密閉型電池の製造方法であって、
前記集電端子に前記絶縁部材と密接する面を貫通する接続孔を形成し、前記絶縁部材に前記集電端子の側に突出し、前記接続孔に挿入可能な接続部を形成し、
前記接続部を前記接続孔に挿入した状態で、前記絶縁部材の側と反対の側から前記接続部の先端を加熱して変形させて、熱かしめによって前記絶縁部材と前記集電端子とを連結することを特徴とする、密閉型電池の製造方法。
前記接続部に、前記接続部を構成する素材よりも高熱伝導率の素材で形成された伝熱部材を前記接続部の軸方向に沿って予め埋め込むことを特徴とする、請求項６に記載の密閉型電池の製造方法。
前記伝熱部材の前記接続部における軸方向の剛性を、前記接続部の先端が熱かしめされる際に、前記接続部の変形を阻害することがない程度に低く構成することを特徴とする、請求項７に記載の密閉型電池の製造方法。
前記伝熱部材の前記接続部における先端部側に、前記接続部の軸方向と直交する集熱板を形成することを特徴とする、請求項７又は請求項８に記載の密閉型電池の製造方法。
前記伝熱部材の前記接続部における基部側に、前記接続部の軸方向と直交する補強部を形成することを特徴とする、請求項７から請求項９の何れか１項に記載の密閉型電池の製造方法。