JP5884872B2

JP5884872B2 - 電池

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Publication number: JP5884872B2
Application number: JP2014166102A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　勲; 鈴木　　勲; 武志中本; 瞬伊藤; 彰吾脇
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2014-08-18
Filing date: 2014-08-18
Publication date: 2016-03-15
Anticipated expiration: 2030-12-10
Also published as: JP2014212130A

Description

本発明は、非水電解質二次電池を含む電池に関する。

非水電解質二次電池等の電池は、電池容器内に収容された発電要素の正極と負極をそれぞれ正負の外部端子に電気的に接続するための正負の集電体を備える。集電体は例えばリベットを使用したカシメ等の手段によった電池容器の上端開口を封止する蓋体に固定される（例えば、特許文献１参照）。また、蓋体にカシメ接合するための軸状部を集電体の基部（外部電極に電気的に接続される部分）に一体に設けた電池も知られている（特許文献２参照）。

特開２００３−３４６８８２号公報（図１）特開２００９−２７７６０４号公報（図２）

電池容器の容積に対して発電要素の占める割合が高いほど高いエネルギー密度が得られる。従来の電池の蓋体は概ね平板状であり、電池容器内に位置するリベットのカシメ頭部は蓋体の下面からさらに下方に突出している。そのため、発電要素の上端位置は蓋体の下面近傍ではなく、それよりも下方のリベットのカシメ頭部の近傍に設定する必要がある。言い換えれば、リベットのカシメ頭部が突出しているために発電要素の上端と蓋体の下端の間にデットスペースが存在する。この点で、従来の電池は電池容器の容積に対する発電要素の占める割合を十分に高めることができず、高いエネルギー密度が得られない。

特許文献２に開示された電池のように集電体の基部にカシメ接合のための軸状部を設けた場合、基部が蓋体の下面側に位置する。そのため、発電要素の上端位置は蓋体の下面近傍ではなく、それよりも下方に位置する基部の下面近傍に設定する必要がある。従って、この場合も、デットスペースが不可避的に存在するので、電池容器の容積に対する発電要素の占める割合を十分に高めることができず、高いエネルギー密度が得られない。

本発明は、電池容器内の容積に対して発電要素の占める割合を高めることによるエネルギー密度の向上を課題とする。

本発明は、電池容器内に収容された発電要素と、前記電池容器の開口を封止する蓋体の外部に配置される外部軸部を備える外部端子と、前記発電要素に電気的に接続された集電体と、前記外部端子と前記集電体とを電気的に接続する接続杆と、前記蓋体に対して前記集電体と前記接続杆とを固定するための接合部材と、前記接続杆と前記蓋体との間に介在するパッキンとを備え、前記外部端子の前記外部軸部は前記接続杆に形成された第１の貫通孔に挿通され、前記接合部材は前記蓋体の内面に形成された凹部に突出する軸部を備え、前記接合部材の前記軸部の先端に設けられた頭部が前記凹部内に収容され、前記パッキンは前記蓋体の前記凹部が形成された部分の外面を覆っている、電池を提供する。

接合部材の頭部は蓋体の内面に形成された凹部に収容されており、蓋体の内面から突出しない。そのため、発電要素の端部位置を蓋体の内面近傍の位置に設定し、発電要素と蓋体との間の隙間空間を必要最小限にできる。言い換えれば、接合部材の頭部が蓋体から突出しないので、発電要素と蓋体の内面との間のデッドスペースをなくすことができる。その結果、電池容器の容積に対する発電要素の占める割合を十分に高めることができ、高いエネルギー密度が得られる。

好ましくは、前記凹部は前記蓋体の一部が外側に向かって膨出する膨出部の内側の空間である

蓋体の一部を膨出させた立体的な膨出部を設けることで、この膨出部の部分での断面係数が単なる平板状の場合よりも高くなり、重量増等の原因となる厚みの増大を伴うことなく蓋体の剛性を高めることができる。

例えば、前記接合部材はリベットである。

リベットは、集電体のみを蓋体に固定するものでもよいが、集電体と外部電極の両方を
蓋体に固定するものでもよい。

本発明に係る電池では、接合部材の軸部の先端に設けられた頭部は、蓋体の内面に形成された凹部に収容されており、蓋体の内面から突出しない。そのため、発電要素と蓋体との間の隙間空間を必要最小限に設定してデットスペースをなくすことができる。その結果、電池容器の容積に対する発電要素の占める割合を十分に高めることができ、高いエネルギー密度が得られる。

本発明の参考例の電池の正面断面図。図１の部分IIの拡大図。図１の部分IIIの拡大図。図１の蓋体を上方から見た斜視図。図１の蓋体を下方から見た斜視図。図５の分解斜視図。本発明の実施形態の電池の部分拡大断面図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（参考例）
図１は、本発明の参考例に係る非水電解質二次電池１（以下、単に電池という）を示す。この電池１は、アルミニウムやアルミニウム合金等で構成された直方体状の電池容器２内に発電要素３を収容し、電池容器２の上端開口を蓋体４で封止したものである。蓋体４の外部には負極外部端子１４と正極外部端子１５の上面が露出している。

発電要素３は、銅箔からなる負極５と、アルミニウム箔からなる正極６との間に、多孔性の樹脂フィルムからなるセパレータ７を配置したものである。これらはいずれも帯状で、セパレータ７に対して負極５と正極６とを幅方向の反対側にそれぞれ位置をずらせた状態で扁平状に巻回されている。発電要素３は、負極５が負極集電体１２を介して負極外部端子１４に電気的に接続され、正極６が正極集電体１３を介して正極外部端子１５に電気的に接続されている。

図４から図６を併せて参照すると、蓋体４は、平面視矩形状の長尺な金属製の板状で、長手方向の中央付近に安全弁８が装着され、一端側に注液孔９が設けられている。

蓋体４の両端部には、上面４ｂから上方に向かって膨出する平面視略矩形状の係合受部（膨出部）１１がそれぞれ形成されている。各係合受部１１では、蓋体４の下面４ａを窪ませて係合凹部１１ａが形成されている。また、蓋体４の下面４ａには係合凹部１１ａの一辺を除く周囲に浅いガイド凹部１１ｂがそれぞれ形成されている。また、係合凹部１１ａを構成する天井面の中心部分には貫通孔１１ｃが形成されている。

図において左側の係合受部１１及びガイド凹部１１ｂには、負極集電体１２及び負極外部端子１４が上パッキン１６と負極下パッキン１７を介してそれぞれ取り付けられている。

上パッキン１６は、隔壁１６ａによって、上方側の端子保持凹部１６ｂと、下方側の装着用凹部１６ｃとを区画した樹脂製の部品であり、隔壁１６ａの中央部分には下方側に延びる両端開口の筒状部１６ｄが設けられている。上パッキン１６は、係合受部１１の上から被せ、装着用凹部１６ｃ内に係合受部１１を収容することで蓋体４に装着される。筒状部１６ｄは貫通孔１１ｃに挿通されて係止凹部１１ａ内に進入している。また、上パッキン１６が備える２つの舌状片１６ｅの係止孔１６ｆには、蓋体４の上面４ｂから突出する係止突部１９が挿通されている。

負極下パッキン１７は、蓋体４の係合凹部１１ａ内に配置される被カシメ部１７ａと、この被カシメ部１７ａに連続して設けられて係合受部１１のガイド凹部１１ｂに配置される平坦部１７ｂとを備える。被カシメ部１７ａは、係合受部１１の係合凹部１１ａの一辺側を除く部分の内面に沿った形状を有する。また、被カシメ部１７ａには貫通孔１７ｃが形成されている。この貫通孔１７ｃには上パッキン１６の筒状部１６ｄの下端付近が差し込まれている。

負極外部端子１４は、平面視矩形状のアルミニウム製の板状体２１と、銅製のリベット（カシメ接合部材）２２とを備える。リベット２２は、顎部２２ａを板状体２１の中央部分に形成した貫通孔２１ａに圧入することで、軸部２２ｂが突出した状態で板状部２１に固定される。板状体２１は上パッキン１６の端子保持凹部１６ｂに収容される。

銅製の板材をプレス加工して製造される負極集電体１２は、基部３１と、一対の脚部３２，３２とを備える。基部３１は、係合凹部１１ａ内に収容されて負極下パッキン１７の被カシメ部１７ａの下側に重ねて配置される被カシメ部３３と、係合凹部１１ａに隣接する位置で負極下パッキン１７の平坦部１７ｂの下側に重ねて配置される台座部３４とを備える。被カシメ部３３の中央には、負極外部端子１４のリベット２２の軸部２２ｂを挿通させるための貫通孔３３ａが形成されている。脚部３２，３２は台座部３４から延びて、図１にのみ模式的に示すクリップ１０により発電要素３の負極５に電気的に接続され、かつ機械的に連結されている。

負極外部端子１４のリベット２２の軸部２２ｂを上パッキン１６の筒状部１６ｄ及び負極集電体１２の被カシメ部３３に形成された貫通孔３３ａを挿通させた後に、先端を押し広げてカシメ頭部２２ｃを形成することで、負極外部端子２８、上パッキン１６、負極下パッキン１７、及び負極集電体１２の被カシメ部３３が蓋体４に対してカシメ接合されている。また、負極集電体１２の被カシメ部３３はリベット２２を介して負極外部端子１４の板状体２１に電気的に接続されている。

図において右側の係合受部１１及びガイド凹部１１ｂには、正極集電体１３及び正極外部端子１５が上パッキン１６及び正極下パッキン１８を介してそれぞれ取り付けられている。

負極側と同様に上パッキン１６が係合受部１１に装着されている。一方、正極側下パッキン１８は貫通孔１８ａを設けた平板状であり、係合凹部１１ａ内に配置される。

正極外部端子（カシメ接合部材）１５はアルミニウム製で、平面視矩形状の板状体１５ａと、その下面中央部から突出する筒状の軸部１５ｂとを備える。板状体１５ａは上パッキン１６の端子保持凹部１６ｂに収容される。

アルミニウム製の板材をプレス加工して製造される正極集電体１３は、負極集電体１２と同様の構造を有しており、負極集電体１２と同一ないし同様の要素には図において同一の符号を付している。正極集電体１３の基部３１のうち、被カシメ部３３は係合凹部１１ａ内に収容されて正極下パッキン１８に重ねて配置されるが、係合凹部１１ａに隣接する位置に配置される台座部３４は蓋体４の下面４ａに対して正極下パッキン１８を介することなく配置される。正極集電体１３の脚部３２，３２は図１にのみ模式的に示すクリップ１０により発電要素３の正極６に対して電気的に接続され、かつ機械的に連結されている。

正極外部端子１５の軸部１５ｂを上パッキン１６の筒状部１６ｄ及び正極集電体１３の被カシメ部３３に形成された貫通孔３３ａを挿通させた後に、先端を押し広げてカシメ頭部１５ｃを形成することで、正極外部端子２８、上パッキン１６、正極下パッキン１８、及び正極集電体１３の被カシメ部３３が蓋体４に対してカシメ接合されている。正極集電体１３の被カシメ部３３は軸部１５ｂの部分に直接接触することで正極外部端子１５に電気的に接続されている。

図２に最も明瞭に示すように、負極集電体１２の被カシメ部３３を蓋体４にカシメ接合しているリベット２２の軸部２２ａの先端のカシメ頭部２２は、蓋体４の下面に形成された係合凹部１１ａに収容されており、蓋体４の下面から下方へ突出していない。同様に、図３に最も明瞭に示すように、正極集電体１３の被カシメ部３３を蓋体にカシメ接合している正極外部端子１５の軸部１５ｂの先端のカシメ頭部１５ｃは、蓋体４の下面に形成された係合凹部１１ａに収容されており、蓋体４の下面から下方へ突出していない。

このように、負極側及び正極側のいずれにおいても、集電体１２，１３を蓋体４へカシメ接合しているカシメ頭部２２ｃ，１５ｃは、係合凹部１１ａ内に収容されており、蓋体４の下面４ａから突出しない。そのため、発電要素３の上端位置を蓋体４の下面近傍の位置に設定し、発電要素３と蓋体４との間の隙間空間（図２及び図３において符号Ｓで概念的に示す。）を必要最小限にできる。例えば、隙間空間Ｓは、注液孔９から電解液を電池容器２内に注入する際に電解液の円滑な流れを確保できる最小の隙間に設定される。このように、カシメ頭部２２ｃ，１５ｃが蓋体４から突出しないので、発電要素３と蓋体４の下面４ａとの間のデッドスペースをなくすことができる。その結果、電池容器２の容積に対する発電要素３の占める割合を十分に高めることができ、高いエネルギー密度が得られる。

例えば、電池容器２の底部から蓋体４の下面４ａまでの高さが１００ｍｍの場合、従来の電池のエネルギー密度が１００Ｗｈ／Ｌとすると、本参考例のカシメ頭部２２ｃ，１５ｃは、係合凹部１１ａ内に収容する構成を採用することでエネルギー密度を１０４Ｗｈ／Ｌに向上できる。

また、仮にカシメ頭部２２ｃ，１５ｃを係合凹部１１ａに収容することなく、蓋体４の下面４ａに対して発電要素３の上端を接近して配置した場合、カシメ頭部２２ｃと負極集電体１２の被カシメ部３３との間の接触抵抗や、カシメ頭部１５ｃと正極集電体１３の被カシメ部３３との間の接触抵抗による発熱により、セパレータ７の収縮等の発電要素３の劣化を生じるおそれがある。しかし、本参考例では、カシメ頭部２２ｃ，１５ｃは係合凹部１１ａに収容されているので、発電要素３を蓋体４の下面に接近して配置しているのにもかかわらず、接触抵抗による発熱が起こる部位であるカシメ頭部２２ｃ，１５ｃと集電体１２，１３との接触部分は、発電要素３からの距離が十分に離れている。つまり、本参考例では、カシメ頭部２２ｃ，１５ｃを係合凹部１１ａに収容することで、接触抵抗による発熱によって発電要素３の劣化を招くことなく、エネルギー密度の向上を実現している。

本参考例では、蓋体４の一部を立体的に膨出させた係合受部１１を設けて、その内部をカシメ頭部２２ｃ，１５ｃが収容される係合凹部１１ａとしている。立体的に膨出した係合受部１１を設けることで、この部分での断面係数が単なる平板状の場合よりも高くなり、重量増等の原因となる厚みの増大を伴うことなく蓋体４の剛性を高めることができる。

また、本参考例では、蓋体４に対して絞り加工を施すことで、係合受部１１（係合凹部１１ａ）を設けている。そのため、蓋体４の係合受部１１の周辺において加工硬化が生じて局所的に降伏応力が増加し、蓋体４の塑性変形を抑制できる。つまり、係合受部１１を絞り加工で形成していることでも、蓋体４の剛性が高められている。

例えば、蓋体４の材質がＡ１０５０の場合、従来の電池では数１０Ｎ〜１００Ｎ程度の外力が作用すると外部端子１４，１５の部分で蓋体４の変形が生じたのに対し、本参考例の絞り加工により膨出させた係合受部１１を設けることで、数１００Ｎ〜１ｋＮ程度の外力に対しても蓋体４は変形しない。

図２に最も明瞭に示すように、負極集電体１２の基部３１のうちリベット２２の軸部２２ａが貫通している被カシメ部３３は、蓋体４の下面に形成された係合凹部１１ａに収容されており、蓋体４の下面から下方へ突出していない。同様に、図３に最も明瞭に示すように、正極集電体１３の被カシメ部３３は、蓋体４の下面に形成された係合凹部１１ａに収容されており、蓋体４の下面から下方へ突出していない。

このように、負極側及び正極側のいずれにおいても、集電体１２，１３の基部３１のうち被カシメ部３３は、係合凹部１１ａ内に収容されており、蓋体４の下面４ａから突出しないことでも、発電要素３と蓋体４の下面４ａとの間のデッドスペースをなくすことができる。その結果、電池容器２の容積に対する発電要素３の占める割合を十分に高めることができ、高いエネルギー密度が得られる。

（実施形態）
図７は本発明の実施形態に係る電池１を示す。図７では負極側のみを図示しているが正極側の構造も同様である。

本実施形態における負極外部端子４２は頭部４２ａと雄螺子が形成された軸部４２ｂとを有するボルト状であり、リベット４１と負極外部端子４２とは接続杆４３を介して電気的に接続されている。具体的には、上パッキン１６の上面の凹部に負極外部端子４２の頭部４２ａが収容され、上向きに突出する軸部４２ｂは接続杆４３の貫通孔４３ａに挿通されている。一方、リベット４１は軸部４１ｂの上端が接続杆４３の他の貫通孔４３ｂにカシメ接合されている。また、リベット４１の軸部４１ｂは上パッキン１６の筒状部１６ｄと負極集電体１２の被カシメ部３３の貫通孔３３ａに挿通されて係合凹部１１ａ内に進入している。係合凹部１１ａに位置する軸部４１ｂの先端を押し広げてカシメ頭部４１ａが形成されている。

リベット４１の下端のカシメ頭部４１ａは蓋体４の下面４ａに設けられた係合凹部１１ａ内に収容されており、蓋体４の下面４ａから下方に突出していない。そのため、発電要素３と蓋体４との間の隙間空間Ｓを必要最小限に設定し、電池容器２の容積に対する発電要素３の占める割合を十分に高めることで高いエネルギー密度を実現できる。

また、係合凹部１１ａは蓋体４の絞り加工によって外部へ立体的に膨出するように形成された係合受部１１の内部の空間である。係合受部１１の部分で断面係数が高くなることと、蓋体４の係合受部１１の周辺で加工硬化が生じることとにより、重量増等の原因となる厚みの増大を伴うことなく蓋体４の剛性を向上できる。

さらに、負極集電体１２の被カシメ部３３は係合凹部１１ａ内に収容されており、蓋体４の下面から突出しておらず、この点でも発電要素３と蓋体４の下面４ａとの間のデッドスペースをなくすことができる。その結果、電池容器２の容積に対する発電要素３の占める割合を十分に高めることができ、高いエネルギー密度が得られる。

本実施形態のその他の構成及び作用は参考例と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本発明は前記実施形態に限定されず、例えば以下に列挙するように、種々の変形が可能である。

比較的厚みの大きい平板状の蓋体の下面に溝状の凹部を設けた構成、すなわち蓋体を膨出させることなく凹部を設けた構成でも、カシメ頭部をこの凹部に収容することで、電池容器内で発電要素が占める割合を高めてエネルギー密度を向上させる効果が得られる。

参考例及び実施形態では、係合凹部１１ａ内に収容されたカシメ頭部１５ｃ，２２ｃ，４１ａ並びに集電体１２，１３の基部３３は、蓋体４の下面４ａから突出していない。しかし、電池容器内で発電要素が占める割合を高めてエネルギー密度を向上させる効果が得られる限り、カシメ頭部や集電体の基部は完全に係合凹部内に収容されている必要は必ずしもなく、蓋体の下面から僅かに突出していてもよい。

非水電解質二次電池を例に本発明を説明したが、非水電解質二次電池以外の電池にも本発明を適用できる。

１非水電解質二次電池
２電池容器
３発電要素
４蓋体
４ａ下面
４ｂ上面
５負極
６正極
７セパレータ
８安全弁
９注液孔
１０クリップ
１１係合受部
１１ａ係合凹部
１１ｂガイド凹部
１１ｃ貫通孔
１２負極集電体
１３正極集電体
１４負極外部端子
１５正極外部端子
１５ａ板状体
１５ｂ軸部
１５ｃカシメ頭部
１６上パッキン
１６ａ隔壁
１６ｂ端子保持凹部
１６ｃ装着用凹部
１６ｄ筒状部
１６ｅ舌状部
１６ｆ係合孔
１７負極下パッキン
１７ａ被カシメ部
１７ｂ平坦部
１７ｃ貫通孔
１８正極下パッキン
１９係止突部
２１板状体
２１ａ貫通孔
２２リベット
２２ａ顎部
２２ｂ軸部
２２ｃカシメ頭部
３１基部
３２脚部
３３被カシメ部
３３ａ貫通孔
３４台座部
３５連結部
４１リベット
４１ａカシメ頭部
４１ｂ軸部
４２負極外部端子
４２ａ頭部
４２ｂ軸部
４３接続杆
４３ａ，４３ｂ貫通孔

Claims

電池容器内に収容された発電要素と、
前記電池容器の開口を封止する蓋体の外部に配置される外部軸部を備える外部端子と、
前記発電要素に電気的に接続された集電体と、
前記外部端子と前記集電体とを電気的に接続する接続杆と、
前記蓋体に対して前記集電体と前記接続杆とを固定するための接合部材と、
前記接続杆と前記蓋体との間に介在するパッキンと
を備え、
前記外部端子の前記外部軸部は前記接続杆に形成された第１の貫通孔に挿通され、
前記接合部材は前記蓋体の内面に形成された凹部に突出する軸部を備え、
前記接合部材の前記軸部の先端に設けられた頭部が前記凹部内に収容され、
前記パッキンは前記蓋体の前記凹部が形成された部分の外面を覆っている、電池。
前記接合部材の前記軸部は前記接続杆に形成された第２の貫通孔に挿通されている、請求項１に記載の電池。
前記凹部内に前記集電体の基部の少なくとも一部が収容され、
前記集電体の前記基部は、一体成形された、前記頭部によるカシメで前記蓋体に対して固定される被カシメ部と、前記発電要素に電気的に接続された脚部がつながる台座部と、前記被カシメ部と前記台座部とを連結する連結部とを備える、請求項１又は請求項２に記載の電池。
前記被カシメ部と、前記台座部と、前記連結部とが同一面上にある、請求項３に記載の電池。
前記被カシメ部と、前記台座部と、前記連結部とが前記凹部内に収容されている、請求項４に記載の電池。
前記台座部が前記凹部外で前記蓋体の内面に沿って配置されている、請求項３に記載の電池。
前記集電体の基部の少なくとも一部が前記凹部に収容され、
前記集電体の前記基部は、前記頭部によるカシメで前記蓋体に対して固定される被カシメ部を備え、
前記被カシメ部は、前記集電体の前記被カシメ部以外の部分を介在することなく、空間を隔てて前記発電要素と対向している、請求項１又は請求項２に記載の電池。
前記凹部は前記蓋体の一部が外側に向かって膨出する膨出部の内側の空間である、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電池。
前記外部端子の前記外部軸部は雄螺子部である、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電池。