JP5942449B2 - 蓄電装置及び車両 - Google Patents

Description

本発明は、充放電可能な蓄電装置及び車両に関する。

従来から周知のように、再充電可能な二次電池は、繰り返し使用することが可能であるので、種々の機器や装置に広く使用されている。車両の分野においては、化石燃料の使用削減（二酸化炭素排出規制）が求められていることから、この種の二次電池をモータの電源として走行する車両、いわゆるハイブリッド車やＥＶ車（Electric Vehicle車）などに広く普及してきている。このような二次電池では、大電流での充電及び放電や、電池容量の大容量化が要求され、例えばリチウムイオン二次電池が製品として量産されている。

図１１に示すように、この種の二次電池８１は、箱状のケース８２の内部に電極体８３が収納されて組み立てられる。電極体８３は、多数の正極電極及び負極電極と、これら電極間に階層されたセパレータ（ポリエチレンフィルム）とにより構成される。ケース８２は、強度等の関係から金属製である。よって、電極体８３をケース８２から絶縁するために、これらケース８２と電極体８３との間に、絶縁部材（絶縁フィルム８４）を設ける技術が提案されている（特許文献１等参照）。

特開平６−３３８３０４号公報

ところで、ケース８２と電極体８３とにおいて、仮に絶縁がなされていない箇所が存在すると、その部分に絶縁確保のためのスペースが必要となるので、デッドスペースが発生してしまう問題があった。デッドスペースは、電極として機能しない無駄な空間となるので、二次電池８１のエネルギー密度確保に悪影響を及ぼし、ひいては装置小型化にも支障を来す懸念があった。よって、ケース８２と電極体８３とを確実に絶縁する絶縁構造の開発ニーズがあった。

また、図１１の場合、細長い形状のケースの上面の開口部から電極体を挿し込む取付構造をとるので、電極体８３を縦向きにしてケース８２に入れる必要がある。よって、開口面積が狭い孔に電極体８３を挿し込む必要があるので、ケース８２への電極体８３の組み立てが行い難いという問題もあった。

本発明の目的は、ケースと電極体との絶縁を確保することができ、かつケースと電極体との組み立ても容易に行うことができる蓄電装置、電池用絶縁部材及び車両を提供することにある。

前記問題点を解決するために、請求項１では、最も面積の大きい面又は前記最も面積の大きい面と反対の面のいずれか一方に開口部を有する直方体のケースと、前記開口部から前記ケース内に収納される直方体の電極体と、前記ケースと前記電極体とを絶縁する薄膜状の絶縁部材とを備え、前記電極体は、正極と、負極と、当該正極及び負極を絶縁するセパレータとからなる層を複数有し、前記絶縁部材は、前記電極体において、前記ケースの前記開口部を有する面に対向する正面、及び当該正面に隣り合う右側面並びに左側面並びに裏面、及び前記正面とは反対側の背面の全５面に取り付けられる第１絶縁部材と、前記正極及び前記負極において活物質層が塗布されていない未塗工部を束ねて形成される集電部を覆う第２絶縁部材とを備え、前記第１絶縁部材は、フィルム部材であり、前記第２絶縁部材は、テープ部材であって、前記第１絶縁部材は、前記第２絶縁部材によって前記電極体に取り付け固定されていることを要旨とする。

本発明の構成によれば、電極体のほぼ全体を絶縁部材によって覆うことが可能となるので、電極体とケースとの絶縁を確保することが可能となる。また、ケースには、最も面積の大きい面又は前記最も面積の大きい面と反対の面のいずれか一方に開口部が形成されており、その開口部から電極体をケース内部に収納する。よって、面積の大きな穴から電極体を入れるという容易な位置決めにより、電極体をケースに組み付けることも可能である。

また、本発明の構成によれば、電極体の周囲を広範囲に亘り絶縁することが可能となるので、ケースと電極体との絶縁確保に効果が高くなる。

また、本発明の構成によれば、例えば第１絶縁部材が単なるフィルム部材で済むので、部品コストの削減に効果が高くなる。

請求項２では、請求項１に記載の発明において、前記集電部は、前記電極体の１つの面に集約して配置されていることを要旨とする。この構成によれば、集電部を１つの面に集約、つまり一方向で集電をとるので、電極体において他の面の全てを単なる平面とすることが可能となる。よって、絶縁部材の形状が複雑化せずに済む。

請求項３では、請求項１又は２に記載の発明において、前記集電部は、正極集電部及び負極集電部からなり、前記正極集電部及び前記負極集電部は、前記電極体に対して同じ方向に配置され、前記集電部は、前記電極体の上面に配置されていることを要旨とする。この構成によれば、正負の集電部から延びる電極端子を、配線を取り回すことなく、ケースの上部から簡単に引き出すことが可能となる。

請求項４では、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の蓄電装置を備えた車両であることを要旨とする。

本発明によれば、ケースと電極体との絶縁を確保することができ、かつケースと電極体との組み立ても容易に行うことができる。

一実施形態の二次電池の分解斜視図。 二次電池の外観を示す斜視図。 電極体の構成要素を示す分解斜視図。 折り曲げ前の絶縁フィルムの平面図。 絶縁フィルムを電極体に取り付ける様子を示す説明図。 電極体に絶縁テープを貼り付ける様子を示す説明図。 絶縁フィルム及び絶縁テープを取り付けた電極体の断面図。 電極体をケース本体に収納する様子を示す説明図。 ケース本体をケース蓋で閉じる様子を示す説明図。 別例の絶縁フィルムの平面図。 従来の二次電池の構成を示す分解斜視図。

以下、本発明を具体化した蓄電装置、電池用絶縁部材及び車両の一実施形態を図１〜図９に従って説明する。
図１及び図２示すように、例えばハイブリッド車やＥＶ車等の車両１（図２に図示）には、車両１の駆動源として使用されるモータの電源として二次電池２が搭載されている。二次電池２には、例えば直方体（偏平状）の金属製のケース３が設けられ、ケース本体４の内部には、発電要素である電極体５が収納されている。直方体のケース３において最も面積の大きい面である側面３ａには、電極体５の収納口となる開口部４ａが形成されている。開口部４ａは、板状のケース蓋６によって密封状態に閉じられる。

図２に示すように、二次電池２の上面には、正極の電極端子である正極端子７と、負極の電極端子である負極端子８とが設けられている。正極端子７及び負極端子８は、ケース本体４の上壁４ｂの開口孔４ｃから外部に露出されている。正極端子７及び負極端子８と上壁４ｂとの間には、正極端子７及び負極端子８を、ケース３から絶縁するリング状の絶縁部品９が各々取り付けられている。

図３に示すように、電極体５は、正極電極となる薄い正極シート１０と、負極電極となる薄い負極シート１１と、正極シート１０及び負極シート１１の間に介在されるセパレータ１２とからなる組（層）を複数有する組立体からなる。このように、本例の電極体５は、正極シート１０、負極シート１１及びセパレータ１２のシート群が一定方向（積層方向：図１等のＹ軸方向）に積み重ねられた積層構造をとる。なお、各層の間には、電解液を入れることも可能である。正極シート１０及び負極シート１１は、実際のところ非常に薄い膜部材からなる。そして、これらが数十枚積層され、隣り合うセパレータ１２との間隔が約100〜160μm程度に設定される。なお、正極シート１０及び負極シート１１が電極を構成する。

図３に示すように、正極シート１０の両面には、金属製のシート状の箔１３の両面に正極活物質層１４が塗布され、この部分が塗工部１５として形成されている。正極シート１０の周縁の一部分には、箔１３の一部がタブとして引き出され、この部分が正極活物質層１４を塗布していない未塗工部１６として形成されている。負極シート１１の両面には、金属製のシート状の箔１７の両面に負極活物質層１８が塗布され、正極シート１０と同様に塗工部１９及び未塗工部２０が形成されている。

図３の円内に図示するように、正極シート１０及び負極シート１１の各々には、同極の未塗工部１６，２０同士を、積層方向Ｙにおいて束ねることにより、それぞれ集電部２１，２２が形成されている。本例の場合、正極側を正極集電部２１とし、負極側を負極集電部２２とする。集電部２１，２２は、電極体５の同一面（本例は上面）においてそれぞれ端寄りの位置に配置される。よって、本例の電極体５は、電極体５の本体部である電極対２３の上面２３ｆから、一対の集電部２１，２２がタブ状に突出した形状をなしている。

各集電部２１，２２には、電流経路として金属製のリード２４，２５が取り付け固定されている。本例の場合、正極側を正極リード２４とし、負極側を負極リード２５とする。これらリード２４，２５は、各々の集電部２１，２２に例えば抵抗溶接等によって固定されている。正極端子７は、正極リード２４に取り付け固定され、負極端子８は、負極リード２５に取り付け固定されている。未塗工部１６，２０は、抵抗溶接された箇所が溶接部２６，２７となってリード２４，２５に強固に固定される。

図１に示すように、電極体５は、直方体のケース３の形状に合わせて、同様に直方体に形成されている。よって、電極体５は、略長方形状を呈する大面積の正面２３ａ及び背面２３ｂと、電極体５の高さ方向（図１のＺ軸方向）に細長い小面積の右側面２３ｃ及び左側面２３ｄと、電極体５の幅方向（図１のＸ軸方向）に細長い小面積の裏面２３ｅ及び上面２３ｆの計６面を有する。なお、２３ａ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅが、開口部を有する面に隣接する面に相当し、開口部を有する面と反対の面と対向する面が、２３ｂに相当する。

図１、図４及び図５に示すように、電極対２３の正面２３ａ、背面２３ｂ、右側面２３ｃ、左側面２３ｄ及び裏面２３ｅの全５面には、電極対２３を金属製のケース３から絶縁する薄膜状の絶縁フィルム２８が取り付けられている。絶縁フィルム２８は、例えば１枚のシート状の樹脂材（例えば、ポリエステルやポリエチレン等）フィルムが使用され、上面が開口した有底箱状をなしている。絶縁フィルム２８は、電極対２３の正面２３ａを覆う第１フィルム面２８ａと、電極対２３の背面２３ｂを覆う第２フィルム面２８ｂと、電極対２３の右側面２３ｃを覆う第３フィルム面２８ｃと、電極対２３の左側面２３ｄを覆う第４フィルム面２８ｄと、電極対２３の裏面２３ｅを覆う第５フィルム面２８ｅとを有する。なお、絶縁フィルム２８が第１絶縁部材（フィルム部材、電池用絶縁部材）に相当し、第３フィルム面２８ｃ及び第４フィルム面２８ｄが折れ曲がり部を構成する。

図４に示すように、絶縁フィルム２８は、元々１枚のシートを、電極対２３の外形に沿って折り曲げられることにより、有底箱状になる。本例の絶縁フィルム２８は、第２フィルム面２８ｂの紙面右側に第３フィルム面２８ｃが繋がり、第２フィルム面２８ｂの紙面左側に第４フィルム面２８ｄが繋がり、第２フィルム面２８ｂの紙面下側に第５フィルム面２８ｅを介して第１フィルム面２８ａが繋がっている。絶縁フィルム２８は、各フィルム面２８ａ〜２８ｅの繋ぎ目箇所において折り線２９が形成されている。

図６及び図７に示すように、電極対２３の上部には、集電部２１，２２をケース３から絶縁する絶縁テープ３０が取り付けられている。絶縁テープ３０は、シート状の樹脂材（例えば、ポリエステルやポリエチレン等）からなり、裏面が接着層となっている。絶縁テープ３０は、一方の端縁３０ａを絶縁フィルム２８の第１フィルム面２８ａに接着し、他端の端縁３０ｂを絶縁フィルム２８の第２フィルム面２８ｂに接着することにより、電極対２３に位置合わせされた絶縁フィルム２８を電極対２３に固定する。なお、絶縁テープ３０が第２絶縁部材（テープ部材）に相当する。

次に、本例の電極体５の製造工程を、図５〜図９を用いて説明する。
まず、図５に示すように、１枚のシート状の絶縁フィルム２８を用意し、この絶縁フィルム２８を電極対２３に包み込むようにして組み付ける。絶縁フィルム２８は、折れ線２９に沿って曲がることで電極対２３に位置決めされる。このとき、第１フィルム面２８ａが電極対２３の正面２３ａに当接され、第２フィルム面２８ｂが電極対２３の背面２３ｂに当接され、第５フィルム面２８ｅが電極対２３の裏面２３ｅに当接される。なお、このとき、絶縁フィルム２８の第３フィルム面２８ｃ及び第４フィルム面２８ｄは、まだ外に開いた状態である。

続いて、図６及び図７に示すように、シート状の絶縁テープ３０を、少なくとも集電部２１，２２を完全に覆うようにして、電極体５に取り付ける。本例の場合、絶縁テープ３０の内側に集電部２１，２２を位置させた状態で、絶縁テープ３０の一方の端縁３０ａを第１フィルム面２８ａの縁部に貼り付け、他方の端縁３０ｂを第２フィルム面２８ｂの縁部に貼り付ける。これにより、絶縁フィルム２８が絶縁テープ３０によって電極体５に固定される。

絶縁テープ３０の貼り付け後、図８に示すように、絶縁フィルム２８及び絶縁テープ３０を取り付けた電極体５を、ケース本体４に収納する。本例の場合、ケース本体４の開口部４ａが側面３ａに位置しているので、電極体５は側方からケース本体４に横入れされる。このとき、電極体５をケース本体４に収納する過程で、ケース本体４の側壁４ｄによって絶縁フィルム２８の第３フィルム面２８ｃ及び第４フィルム面２８ｄがそれぞれ押されることにより、これらが折れ曲がって閉じる。そして、図９に示すように、ケース本体４にケース蓋６を取り付けて、二次電池２の組み立てが完了する。

以上により、本例において、直方体の電極体５の集電構造を、電極対２３の１つの辺に両方の集電部２１，２２が配置された構造とし、電極対２３の全周を、絶縁フィルム２８及び絶縁テープ３０で覆うようにしたので、電極体５とケース３との絶縁が確保される。このため、電極体５とケース３との間に絶縁用の空間（スペース）を設ける必要がないので、二次電池２のエネルギー密度確保に効果が高く、さらにはケース３の小型化にも寄与する。

本実施形態の構成によれば、以下に記載の効果を得ることができる。
（１）電極対２３の正面２３ａ、背面２３ｂ、右側面２３ｃ、左側面２３ｄ及び裏面２３ｅの全５面を１枚の絶縁フィルム２８で包み、接着面を有する絶縁テープ３０を、一対の集電部２１，２２を完全に覆う状態で絶縁フィルム２８の両端に貼り付けて、絶縁フィルム２８を電極体５に固定する。よって、電極体５の５面（正面２３ａ、背面２３ｂ、右側面２３ｃ、左側面２３ｄ及び裏面２３ｅ）が絶縁フィルム２８で覆われるので、ケース３と電極体５との絶縁を確保することができる。また、直方体のケース３において側面３ａに開口部４ａを形成し、この開口部４ａから電極体５を横入れするので、面積の大きな穴から電極体５を入れるという容易な位置決めで以て、電極体５をケース３に組み付けることもできる。

（２）正極シート１０、負極シート１１及びセパレータ１２の積層方向Ｙに沿って電極体５をケース３に入れることが可能となるので、電極体５をずれなくケース３に収納することができる。

（３）電極対２３の周囲を絶縁フィルム２８で覆い、一対の集電部２１，２２を絶縁テープ３０で覆う。このため、電極体５の周囲を広範囲に亘り絶縁することが可能となるので、ケース３と電極体５との絶縁確保に一層効果が高い。

（４）絶縁フィルム２８の上部の両端に絶縁テープ３０を貼り付けることにより、絶縁フィルム２８を電極体５に対して取り付け固定する。よって、絶縁フィルム２８として接着層を有する部材を使用せずに済むので、絶縁フィルム２８にかかる部品コストの削減に効果が高い。

（５）正負の集電部２１，２２を電極体５の１つの面に集約、つまり一方向で集電をとるので、電極体５において他の面の全てを、それぞれ単なる平面にすることができる。よって、絶縁フィルム２８は集電部２１，２２の存在に影響を受けない簡素な形状で済む。

（６）電極対２３の上面２３ｆに集電部２１，２２を集約配置したので、集電部２１，２２から延びる正負の電極を、配線を取り回すことなく、ケース３の上部に簡単に引き出すことができる。

（７）絶縁フィルム２８を電極対２３に取り付けた際、左右のフィルム面２８ｃ，２８ｄは電極体５に当接しない開いた状態をしており、電極体５をケース３に収納する過程において、開口部４ａの周縁に案内されることにより、左右のフィルム面２８ｃ，２８ｄが閉じて電極体５を覆う形状をとる。よって、電極体５をケース３に収納する際に、絶縁フィルム２８の左右のフィルム面２８ｃ，２８ｄを自動的に折り曲げることが可能となるので、組み立て作業を簡素化することができる。

（８）絶縁フィルム２８に折り線２９を設けたので、絶縁フィルム２８を電極対２３の形状に合わせて折れ易くすることができる。
（９）折り曲げ前の絶縁フィルム２８を、第２フィルム面２８ｂの左右両端に第３フィルム面２８ｃ及び第４フィルム面２８ｄを有するシート形状とした。このため、１枚のフィルムシートから、必要な形状の絶縁フィルム２８をカット又は打ち抜きにより形成する際、廃棄する部分を少なく抑えることが可能となるので、歩留まりを少なく抑えることができる。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・絶縁フィルム２８の形状は、折り曲げ前が図４に示す形状をとるものに限定されない。例えば、図１０に示すように、例えば１枚の長方形のシートをなし、紙面上下方向の中央寄りの位置に一対の切り込み４１を有する形状でもよい。要は、絶縁フィルム２８の形状は、使用に応じて適宜変更可能である。なお、これは絶縁テープ３０でも同様に言える。

・電極体５の収納口となる開口部４ａは、ケースの正面（側面３ａ）に形成されることに限らず、例えばケース３の背面に形成されてもよい。
・集電部２１，２２の配置位置は、電極対２３の上面２３ｆに限定されない。例えば、電極対２３の右側面２３ｃや左側面２３ｄなど、他の位置に変更可能である。

・集電部２１，２２は、一方向に集電をとる構造（一方向集電構造）に限定されず、例えば集電部２１を左側面２３ｄに配置し、集電部２２を右側面２３ｃに配置するなど、別々の面に配置されてもよい。

・正極集電部２１は、１つに限定されず、例えば複数でもよく、これらを１つ又は複数のリードで電気接続してもよい。なお、これは、負極集電部２２でも同様に言える。
・集電部２１，２２は、実施形態に述べた構造に限らず、他の構造に適宜変更可能である。

・第１絶縁部材は、絶縁フィルム２８に限定されず、接着面を有する絶縁テープでもよい。
・第２絶縁部材は、絶縁テープ３０に限定されず、接着面を持たない単なる絶縁フィルムでもよい。

・溶接箇所は、未塗工部１６，２０が束になった箇所であれば、どの場所でもよい。
・抵抗溶接は、スポット溶接、バット溶接、プロジェクション溶接などの種々の溶接が使用可能である。また、溶接は、抵抗溶接に限らず、他の方式を採用可能である。

・リード２４，２５と集電部２１，２２との接合は、溶接に限らず、接着や溶着など、他の工法が採用可能である。
・絶縁フィルム２８の第３フィルム面２８ｃ及び第４フィルム面２８ｄは、電極体５をケース３に取り付ける前、既に電極対２３に当接していてもよい。

・折り線２９は、省略してもよい。
・正極シート１０、負極シート１１及びセパレータ１２の素材は、適宜変更可能である。

・折れ曲がり部は、第３フィルム面２８ｃ及び第４フィルム面２８ｄに限定されず、絶縁フィルム２８の形状によっては、第５フィルム面２８ｅに適用することも可能である。
・絶縁部材は、絶縁フィルム２８及び絶縁テープ３０の両方を必要とせず、少なくとも絶縁フィルム２８を備えていればよい。

・蓄電装置は、二次電池に限定されず、例えば非水電解質キャパシタ（非水電解液キャパシタ）などを用いた電気二重層キャパシタとしてもよい。
・電極体５は、車両１に搭載されることに限定されず、他の機器や装置に搭載可能である。

１…車両、２…電池（二次電池）、３…ケース、３ａ…側面、４ａ…開口部、５…電極体、１０…電極を構成する正極シート、１１…電極を構成する負極シート、１２…セパレータ、１６，２０…未塗工部、２１，２２…集電部、２３…電極対、２３ａ…正面、２３ｂ…背面、２３ｃ…右側面、２３ｄ…左側面、２３ｅ…裏面、２３ｆ…上面、２８…第１絶縁部材（フィルム部材、電池用絶縁部材）としての絶縁フィルム、２８ｃ…折れ曲がり部を構成する第３フィルム面、２８ｄ…折れ曲がり部を構成する第４フィルム面、３０…第２絶縁部材（テープ部材）としての絶縁テープ。

Claims (4)

1. 最も面積の大きい面又は前記最も面積の大きい面と反対の面のいずれか一方に開口部を有する直方体のケースと、
   前記開口部から前記ケース内に収納される直方体の電極体と、
   前記ケースと前記電極体とを絶縁する薄膜状の絶縁部材とを備え、
   前記電極体は、正極と、負極と、当該正極及び負極を絶縁するセパレータとからなる層を複数有し、
   前記絶縁部材は、
   前記電極体において、前記ケースの前記開口部を有する面に対向する正面、及び当該正面に隣り合う右側面並びに左側面並びに裏面、及び前記正面とは反対側の背面の全５面に取り付けられる第１絶縁部材と、
   前記正極及び前記負極において活物質層が塗布されていない未塗工部を束ねて形成される集電部を覆う第２絶縁部材とを備え、
   前記第１絶縁部材は、フィルム部材であり、前記第２絶縁部材は、テープ部材であって、
   前記第１絶縁部材は、前記第２絶縁部材によって前記電極体に取り付け固定されている
   ことを特徴とする蓄電装置。
2. 前記集電部は、前記電極体の１つの面に集約して配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記集電部は、正極集電部及び負極集電部からなり、前記正極集電部及び前記負極集電部は、前記電極体に対して同じ方向に配置され、前記集電部は、前記電極体の上面に配置されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電装置。
4. 請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の蓄電装置を備えた
   ことを特徴とする車両。