JP5835575B2

JP5835575B2 - 電池

Info

Publication number: JP5835575B2
Application number: JP2011284531A
Authority: JP
Inventors: 義幸両國; 隆志細川; 貴彦馬場
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2031-12-26
Also published as: JP2013134899A

Description

本発明は、例えば、自動車等の車両に搭載される電池の構造に関する。

従来、例えば、携帯電話やパーソナルコンピュータ等の比較的小型の電子機器用の二次電池として、ニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池等が知られている。また近年は、電気自動車等の各種車両に搭載される大型の電池の開発も進んでいる。

このような電池の構造としては、例えば、正極板と負極板とがセパレータを介して捲回されることで積層された電極群（電極束）が非水電解液と共に角形の外装部材（ケース）内に収納され、外装部材が蓋部材によって密閉されたものがある（例えば、特許文献１参照）。

正極板及び負極板は、電極群の軸方向端部でそれぞれ集電体の一端側に接続され、集電体の他端側は蓋部材に設けられる端子部に接続されている。例えば、特許文献１に記載の構成では、正極板及び負極板は、上記集電体に相当する正極リード及び負極リードによって上記端子部に相当する正極端子及び負極端子に接続されている。これら正極リード及び負極リードは、端子部に接続される接続プレートと、接続プレートから下方に延出された短冊状の集電部とを有し、この集電部が正極板又は負極板に接続されている。そして、この集電部は、電極群の表面と略平行となるように接続プレートから下方に向かって延設されている。

特許文献１に記載されているように、上記短冊状の集電部（リード部）は、電極群（電極束）の表面と略平行となるように接続プレートから延設されている。

特開２０１１−７１１０９号公報特開２００２−２９８９０６号公報

ところで、このような電池が車両に搭載されている場合、電池には、例えば、車両の衝突時等に外部から大きな衝撃が加わる虞がある。上記のようにリード部が電極束の表面と略平行に延設されている構成では、リード部の外側から電池に衝撃が加わると、リード部が内側に変形して電極束に進入してしまい正極板又は負極板に接触して内部短絡が生じる虞がある。

なお電極束から突出した正極の端部に正極集電板を溶接するようにした構造の二次電池において、電極束から突出した正極の端部（リード溶接端部）のうちの少なくとも最外周部分が内周側に傾くようにするようにしたものがある（特許文献２参照）。

この構成では、正極の端部が負極端子を兼ねる容器の内壁に接触することによる内部短絡の発生を抑制することができる。ただしこの特許文献２に記載の構成は、集電体の変形に伴う内部短絡を抑制するものではない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、外部からの衝撃によってリード部が変形した場合でも、リード部の電極束への進入を抑制することができる電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、正極板と負極板とがセパレータを介してオフセット積層されて積層体を形成すると共に、積層体を筒状に巻いて形成する捲回体の一方の端面を正極面とし他方の端面を負極面とする電極束と、前記電極束の前記正極面又は前記負極面のいずれかに対応して配置され、前記正極板又は前記負極板のいずれかに接続されるリード部と、を有し、前記リード部は、前記正極面又は前記負極面が露出された挿通部を確保しつつ前記正極面又は前記負極面の一部を覆うように当該リード部の先端部から前記電極束の厚さ方向中央側に向かって延設された羽根部を備え、さらに、前記電極束と前記リード部を収容する外装部材、を有し、前記外装部材には、前記電極束の表面に対向する内壁面から前記リード部と前記電極束との間に凸設されて前記外装部材の側方から前記電極束に向かう前記リード部の変形を規制する変形規制部が備えられていることを特徴とする電池にある。

かかる第１の態様では、外装部材の側方から衝撃（外力）が加わり、リード部が電極束側に変形しても、羽根部が電極束の正極面又は負極面に実質的に面接触することで、リード部の電極束側への移動が規制される。したがって、リード部の電極束の内部への進入を抑制することができる。またリード部が変形規制部に当接することで、リード部の電極束の内部への進入をより確実に抑制することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様の電池において、前記羽根部は前記リード部の外側端部から延設されるように形成されていることを特徴とする電池にある。
また本発明の第３の態様は、第１又は２の態様の電池において、前記正極面に接続される複数のリード部を有し、且つ、前記負極面に接続される複数のリード部を有し、前記羽根部が、前記正極面に接続される複数のリード部間に亘って連続して設けられており、且つ、前記負極面に接続される複数のリード部間に亘って連続して設けられていることを特徴とする電池にある。

かかる第２又は第３の態様では、リード部の変形がより確実に抑制される。

本発明の第４の態様は、第１から３の何れか一つの態様の電池において、前記変形規制部は、前記リード部に対向する面の前記外装部材の内壁面に対する角度が鋭角となるように形成されていることを特徴とする電池にある。

かかる第４の態様では、リード部が変形する際、リード部が変形規制部に沿って変形することで、リード部の電極束の内部への進入がより確実に抑制される。

かかる本発明では、外部からの衝撃によって集電体のリード部が変形した場合でも、羽根部が電極束に当接することで、リード部の電極束内への進入を抑制することができる。したがって集電体が正極板又は負極板に接触することによる内部短絡の発生を抑制することができる。また挿通部が確保されているため、正極板及び負極板とリード部とを良好に接続することができる。

本発明の実施形態１に係る密閉形電池の概略構成を示す分解斜視図である。本発明の実施形態１に係る密閉形電池の概略構成を示す縦断面図である。電極束の積層構造を示す概略図である。本発明の実施形態１に係る密閉形電池の概略構成を示す横断面図である。集電体のリード部の変形時の状態を説明する密閉形電池の縦断面図である。本発明に係る電池の使用態様の一例を示す概略図である。本発明に係る電池の使用態様の一例を示す概略図である。本発明に係る羽根部の変形例を示す密閉形電池の横断面図である。本発明の実施形態１に係る密閉形電池の変形例を示す横断面図である。本発明に係る変形規制部の変形例を示す密閉形電池の横断面図である。本発明の実施形態２に係る密閉形電池の概略構成を示す分解斜視図である。本発明の実施形態２に係る密閉形電池の変形例を示す横断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施形態１）
図１及び図２に示す本実施形態に係る電池１０は、例えば、リチウムイオン電池である密閉形電池であり、正極板２１及び負極板２２を備える電極束（エレメント）２０と、集電体３０，４０とが非水電解液（図示なし）と共に外装部材である電池ケース５０内に収容されている。この電池ケース５０の上部は、蓋部材６０で密閉されている。なお電池ケース５０内には、電池ケース５０の内面を覆う絶縁部材５５が設けられている。これにより、電池ケース５０と内部に収容される電極束２０及び集電体３０，４０との絶縁が図られている。

詳しくは後述するが、電極束２０の正極板２１には集電体３０の一端側が接続され、この集電体３０の他端側には、蓋部材６０に設けられた貫通孔６１から外部に突出する正極端子部材７０が接続されている。負極板２２には集電体４０の一端側が接続されている。この集電体４０の他端側には、蓋部材６０に設けられた貫通孔６１から外部に突出する負極端子部材８０が接続されている。

なお蓋部材６０の上下面側には、各貫通孔６１の開口部に対応して絶縁シート部材９０がそれぞれ配されている。正極端子部材７０及び負極端子部材８０は、絶縁シート部材９０によって蓋部材６０との絶縁が図られている。

図３に示すように、電極束２０は、例えば、金属箔からなる正極板２１と負極板２２とが、セパレータ２３を介してオフセット積層されて積層体を形成する。そして、この積層体を筒状に巻いて形成する捲回体の一方の端面を正極面２０ａとし他方の端面を負極面２０ｂとする（図１参照）。本実施形態に係る電極束２０は、セパレータ２３を介して帯状の正極板２１及び負極板２２を扁平形状に捲回することによって形成されている。

また帯状の正極板２１には、その幅方向一端部に設けられる非塗布部２４を除いて、活物質が塗布された活物質塗布部２５が形成されている。同様に、負極板２２にも非塗布部２６を除いて活物質塗布部２７が形成されている。すなわち、正極板２１の負極板２２と重なっている部分に活物質塗布部２５が形成され、負極板２２の正極板２１と重なっている部分に活物質塗布部２７が形成されている。

図４に示すように、電極束２０の幅方向（図中左右方向）一端側、すなわち正極面２０ａ側には、複数の正極板２１の非塗布部２４同士が束ねられた正極結束部２８が形成されている。電極束２０の幅方向他端側、すなわち負極面２０ｂ側には、複数の負極板２２の非塗布部２６同士が束ねられた負極結束部２９が形成されている。これら正極結束部２８及び負極結束部２９は、例えば、略コ字状の結束部材（図示なし）等によって結束されている。本実施形態に係る電極束２０には、正極結束部２８及び負極結束部２９がそれぞれ二つずつ設けられている。なお正極結束部２８及び負極結束部２９の数は、特に限定されず、それぞれ一つであってもよいし、三つ以上であってもよい。

そしてこのような電極束２０の各正極結束部２８には集電体３０が接続され、各負極結束部２９には集電体４０側が接続されている。集電体３０，４０は、蓋部材６０に対向して設けられる板状の端子接続部３１，４１と、端子接続部３１，４１から電極束２０の表面に対向して延設されるリード部３２，４２と、を備えている。

集電体３０の端子接続部３１は、蓋部材６０の外側に突出して設けられる正極端子部材７０に接続されている。集電体４０の端子接続部４１は、蓋部材６０の外側に突出して設けられる負極端子部材８０に接続されている。これら端子接続部３１と正極端子部材７０との接続構造、及び端子接続部４１と負極端子部材８０との接続構造は、既存の構造を採用すればよいため、この点についての詳細な説明は省略する。

集電体３０のリード部３２は、電極束２０の表面、具体的には、正極結束部２８の表面に対向して延設されており、正極結束部２８の外側の面に接続されている。集電体４０のリード部４２は、負極結束部２９の表面に対向して延設されており、負極結束部２９の外側の面に接続されている。

本実施形態では、電極束２０は正極結束部２８及び負極結束部２９を二つずつ備えている。このため、集電体３０は、これら二つの正極結束部２８に対応する二つのリード部３２を備えている。同様に、集電体４０は、二つの負極結束部２９に対応する二つのリード部４２を備えている。具体的には、集電体３０のリード部３２は、端子接続部３１から所定幅で二股に分岐されて各正極結束部２８の外側の表面に対向して延設されている。集電体４０のリード部４２は、端子接続部４１から所定幅で二股に分岐されて各負極結束部２９の外側の表面に対向して延設されている。

なお、各リード部３２，４２と正極結束部２８又は負極結束部２９とは、例えば、超音波溶着によって接続されている。勿論、各リード部３２，４２と正極結束部２８又は負極結束部２９との接合方法は、特に限定されるものではない。

ここで、集電体３０のリード部３２は、正極面２０ａが露出された挿通部１００を確保しつつ正極面２０ａの一部を覆うように延設された羽根部３３を備えている。本実施形態では、図１及び図４（ｂ）に示すように、羽根部３３はリード部３２の先端部に電極束２０の正極面２０ａに対向して設けられ、挿通部１００はリード部３２の羽根部３３よりも基端部側に確保されている。同様に、集電体４０のリード部４２の先端部にも羽根部４３が負極面２０ｂに対向して設けられ、挿通部１００がリード部４２の羽根部４３よりも基端部側に確保されている。また、これらの羽根部３３，４３は、リード部３２，４２の外側（電池ケース５０側）の端部から、電極束２０の厚さ方向中央側に向かって延設されている。

なお挿通部１００とは、正極板２１又は負極板２２とリード部３２，４２との接続作業、本実施形態では、正極結束部２８又は負極結束部２９とリード部３２，４２とを超音波溶着によって接続する作業を行うために正極面２０ａ又は負極面２０ｂを露出させた部分をいう。

このように集電体３０，４０の各リード部３２，４２に羽根部３３，４３が設けられていることで、電池ケース５０の側方から衝撃（外力）が加わった際に、内部短絡の発生を抑制することができる。例えば、図５に示すように、電池ケース５０の側方から外力が加わりリード部３２が電極束２０側に押圧されると、リード部３２の羽根部３３が電極束２０の端面に実質的に面接触する。これによりリード部３２の電極束２０側への移動が規制される。

本実施形態の場合、まずは羽根部３３，４３が正極結束部２８及び負極結束部２９に面接触することで、リード部３２，４２の変形が抑制される。羽根部３３，４３がさらに変形する場合に、正極結束部２８及び負極結束部２９と共に羽根部３３，４３が変形してセパレータ２３を含む電極束２０の端面に面接触する。これにより、リード部３２の電極束２０側への移動が効果的に規制される。つまり本実施形態の構成では、リード部３２，４２の変形を二段階で効果的に抑制することができる。したがって、リード部３２の電極束２０内への進入を抑えることができる。結果として、電池１０における内部短絡の発生を抑制することができる。

さらに、挿通部１００が確保されていることで、各リード部３２，４２と正極結束部２８又は負極結束部２９との接続を容易に行うことができ、電池１０の生産性が向上する。さらに本実施形態では電池１０が角形であるため、スペース効率が高い。

例えば、図６（ａ）に示すように、角形の密閉型電池である電池１０は、複数個（例えば、５個〜８個程度）ずつまとめて小ケース１１０内に収納されてモジュール化される。さらに、複数の小ケース１１０が、バッテリートレイ１２１及びバッテリーカバー１２２で構成され小ケース１１０よりも容積の大きい大ケース（ケーシング）１２０内に並んで収納されて電池パック１３０を形成する。つまり電池パック１３０においては、電池１０が小ケース１１０と大ケース１２０との二重ケース構造で収納されている。そして図６（ｂ）に示すように、この電池パック１３０が、電気自動車等の車両２００に搭載される。したがって、電池１０が角形であればデットスペースを極力少なく抑えてスペース効率を高めることができる。

なお電池パック１３０の配置は特に限定されるものではない。電池パック１３０は、例えば、車両２００の重心を下げ車両２００の運動性能を高めること、車室内空間を確保すること等を考慮し、車両２００中央部付近の床下に取り付けられる（図６（ｂ）参照）。或いは、車両２００の車高全体を低くすることや、車両２００の車室内の利便性等を考慮して、電池パック１３０が車両２００の後部のトランクルームに取り付けられることもある。

さらに、車両２００に対する電池１０の向きも、特に限定されるものではない。例えば、電池１０は、その長手方向が車両２００の前後方向と一致するように設けられていてもよいし、その長手方向が車両２００の上下方向と一致するようになるように設けられていてもよい。何れの場合でも、車両２００の車室空間を確保するためや車両２００の重心を低くすること等の各種条件を考慮して、デットスペースが少なくなるよう効率良く配置することが好ましい。

上述のように各種条件を考慮して電池１０の配置を適宜決定すると、集電体３０，４０が車両２００の中心に対し外方向に配置されることもある。すなわち電極束２０の正極面２０ａ及び負極面２０ｂ側が、図７（ａ）に示すように、車両の左右方向外側を向くように各電池１０が配置される場合もあるし、或いは図７（ｂ）に示すように、電極束２０の正極面２０ａ及び負極面２０ｂが車両の前後方向外側を向くように電池１０が配置されることもある。このような向きで電池１０が配置されると、例えば車両２００が衝突して電池１０に外力が加わった際に、リード部３２，４２の変形による短絡が発生し易い。しかしながら、本発明の構成によれば、車両２００に対する電池１０の向きに拘わらず、リード部３２，４２の変形による短絡を効果的に抑制することができる。

また電池ケース５０の側方から外力が加わった際、リード部３２，４２はその基端部、つまり端子接続部３１，４１との境界付近を起点として変形することが多い。このためリード部３２，４２の電極束２０側への変形量（移動量）は、リード部３２，４２の先端部において最も大きくなり易い。すなわちリード部３２，４２の先端部が、最も電極束２０の内部に進入し易い。本実施形態では、リード部３２，４２の先端部に羽根部３３，４３が設けられている。したがって、リード部３２，４２の電極束２０内部への進入をより確実に抑制することができる。

なお本実施形態では、羽根部３３，４３が、リード部３２，４２から電極束２０の厚さ方向中央側に向かって延設されているが、例えば、図８に示すように、リード部３２，４２から電極の厚さ方向外側にも羽根部３３，４３が設けられていてもよい。これにより、リード部３２，４２が変形した際に、羽根部３３，４３がより確実に電極束２０の端面に面接触する。したがってリード部３２，４２の電極束２０内部への進入をより確実に抑制することができる。

さらに図９に示すように、電池ケース５０の電極束２０の表面２０ｃに対向する内壁面５１に、リード部３２，４２の電極束２０に向かう変形を規制する変形規制部５２が、集電体３０，４０の各リード部３２，４２に対応して凸設されていてもよい。例えば、本実施形態では、集電体３０，４０がそれぞれ二つのリード部３２，４２を備えているため、電池ケース５０には、各リード部３２，４２に対応して四つの変形規制部５２が設けられていることが好ましい。変形規制部５２は、電極束２０の表面に対向する電池ケース５０の内壁面からリード部３２，４２と電極束２０との間に凸設される。すなわち変形規制部５２は、電極束２０の幅方向端部近傍に、リード部３２，４２の内側の端面が対向する位置まで突出して設けられる。

このような変形規制部５２が設けられていることで、電池ケース５０の側方から衝撃（外力）が加わった場合でも、内部短絡の発生をさらに確実に抑制することができる。例えば、電池ケース５０の側方から外力が加わりリード部３２が電極束２０側に押圧されると、リード部３２が変形規制部５２に当接することで、リード部３２の電極束２０側への移動が規制される。つまりリード部３２が変形規制部５２に当接することで、リード部３２，４２の電極束２０に向かう変形が規制される。したがって、リード部３２，４２の電極束２０内部への進入をさらに確実に抑制することができる。

また本実施形態では、羽根部３３，４３がリード部３２，４２の外側端部から延設されるようにしているため、各リード部３２，４２と、正極結束部２８及び負極結束部２９とを超音波溶着等によって接続する際に、羽根部３３，４３と正極結束部２８又は負極結束部２９とが干渉することがない。さらにリード部３２，４２の羽根部３３，４３よりも基端部側に挿通部１００が確保されていることで、正極結束部２８又は負極結束部２９とリード部３２，４２との接続作業を容易に行うことができる。したがって、リード部３２，４２と正極結束部２８又は負極結束部２９とを良好に接続することができる。

さらに上述の例では、変形規制部５２は、リード部３２，４２の内側の端面に対向する対向面５２ａが電池ケース５０の内壁面に対して略直交するように設けられているが、例えば、図１０に示すように、対向面５２ａの電池ケース５０の内壁面に対する角度θが鋭角となるように設けられていてもよい。

変形規制部５２をこのような構成としても、リード部３２，４２の電極束２０に向かう変形を規制することができる。例えば、リード部３２が電極束２０側に押圧されると、リード部３２が変形規制部５２の対向面５２ａに当接した後、対向面５２ａに沿って変形する。すなわちリード部３２，４２は、変形規制部５２によってガイドされて、電極束２０に向かうことなく電極束２０の外側に向かって変形する。このようにリード部３２，４２の移動方向が変形規制部５２によってガイドされることで、リード部３２，４２の電極束２０に向かう変形が規制される。したがって、リード部３２，４２の電極束２０内部への進入をさらに確実に抑制することができる。

（実施形態２）
図１１に示す本実施形態に係る電池１０Ａは、各集電体３０，４０のリード部３２，４２に設けられる羽根部３３，４３の構成が異なる以外は、実施形態１と同様の構成であり、同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。

本実施形態に係る羽根部３３Ａは、集電体３０の二つのリード部３２間に亘って連続して設けられている。すなわち、集電体３０の二つのリード部３２は、その先端部同士が羽根部３３Ａによって連結されて一体化されている。同様に集電体４０の二つのリード部４２の先端部同士が羽根部４３Ａによって連結されて一体化されている。

このような構成とすることで、リード部３２，４２が電極束２０側に変形した際、羽根部３３Ａ，４３Ａが電極束２０の端面により確実に面接触し、リード部３２の電極束２０内部への進入が抑制される。また本実施形態の構成においてもリード部３２，４２の羽根部３３，４３よりも基端部側には挿通部１００が確保されているため、リード部３２，４２と正極結束部２８又は負極結束部２９とを良好に接続することができる。

また、リード部３２，４２の先端部同士が羽根部３３Ａ，４３Ａによって連結されて一体化されていることで、図１２に示すように、変形規制部５２は、各集電体３０，４０のそれぞれに対して一つずつ設けられていればよい。つまり各集電体３０，４０の一方のリード部３２，４２に対応して変形規制部５２が設けられていればよい。このような構成としても、リード部３２，４２が変形規制部５２に当接することで、各リード部３２，４２の電極束２０側への変形を抑制することができる。さらに変形規制部５２の数が少なくて済むことにより、電池ケース５０の容積が広がるため、電池１０Ａの容積効率の低下を抑制することもできる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能なものである。

例えば、上述の実施形態では、電池の一例として角形の密閉形電池を例示したが、本願発明は、他の構造の電池、例えば、円筒形の電池等にも適用可能なものである。

１０電池
２０電極束
２０ａ正極面
２０ｂ負極面
２０ｃ表面
２１正極板
２２負極板
２３セパレータ
２４，２６非塗布部
２５，２７活物質塗布部
２８正極結束部
２９負極結束部
３０，４０集電体
３１，４１端子接続部
３２，４２リード部
３３，４３羽根部
５０電池ケース
５１内壁面
５２変形規制部
５２ａ対向面
５５絶縁部材
６０蓋部材
６１貫通孔
７０正極端子部材
８０負極端子部材
９０絶縁シート部材
１００挿通部
１１０小ケース
１２０大ケース
１２１バッテリートレイ
１２２バッテリーカバー
１３０電池パック
２００車両

Claims

正極板と負極板とがセパレータを介してオフセット積層されて積層体を形成すると共に、積層体を筒状に巻いて形成する捲回体の一方の端面を正極面とし他方の端面を負極面とする電極束と、
前記電極束の前記正極面又は前記負極面のいずれかに対応して配置され、前記正極板又は前記負極板のいずれかに接続されるリード部と、を有し、
前記リード部は、前記正極面又は前記負極面が露出された挿通部を確保しつつ前記正極面又は前記負極面の一部を覆うように当該リード部の先端部から前記電極束の厚さ方向中央側に向かって延設された羽根部を備え、
さらに、前記電極束と前記リード部を収容する外装部材、を有し、
前記外装部材には、前記電極束の表面に対向する内壁面から前記リード部と前記電極束との間に凸設されて前記外装部材の側方から前記電極束に向かう前記リード部の変形を規制する変形規制部が備えられていることを特徴とする電池。
請求項１に記載の電池において、
前記羽根部は前記リード部の外側端部から延設されるように形成されていることを特徴とする電池。
請求項１又は２に記載の電池において、
前記正極面に接続される複数のリード部を有し、且つ、前記負極面に接続される複数のリード部を有し、
前記羽根部が、前記正極面に接続される複数のリード部間に亘って連続して設けられており、且つ、前記負極面に接続される複数のリード部間に亘って連続して設けられていることを特徴とする電池。
請求項１から３の何れか一項に記載の電池において、
前記変形規制部は、前記リード部に対向する面の前記外装部材の内壁面に対する角度が鋭角となるように形成されていることを特徴とする電池。