JP6063049B2 - 中央領域が隆起したハウジングカバープレートを有するバッテリセル - Google Patents

Description

本発明は、バッテリセル、特にリチウムイオンバッテリセルに関する。さらに、本発明は、このようなバッテリセルを備えた車両に関する。

部分的に蓄電池セルとも呼ばれるバッテリセルは、電気的に提供されるエネルギーの化学貯蔵ために用いられる。今日では既に、複数の携帯機器のエネルギー供給のためにバッテリセルが使用されている。将来的には、バッテリセルは特に、移動する電気自動車若しくはハイブリッド自動車の陸路及び水路でのエネルギー供給のため、又は、代替的なエネルギー源から来るエネルギーの定置用一時貯蔵のために利用される。

このために大抵では、複数のバッテリセルがバッテリパックへと組み立てられる。その際に、提供されるパック容量を最大限に効果的に活用するために、この目的のために角柱形状、例えば直方体形状のバッテリセルが主に利用される。

例えば、車両のためのストレージソルーションのような要求が高い適用のためには、エネルギー密度や熱的安定性が高いことが多くメモリ効果が無いため、リチウムイオン蓄電池の技術が大抵使用され、このリチウムイオン蓄電池の技術は、将来的なエレクトロモビリティ（Ｅｌｅｋｔｒｏｍｏｂｉｔｉｔａｅｔ）の経済的意味が大きいため、現在集中的に開発されている。

様々な種類のバッテリセル、特にリチウムイオンバッテリセル、さらに特に角柱形状のバッテリセルが既に存在している。その際、バッテリセルの構成要素は大抵、気密に密封されてハウジングの内部に収容される。ハウジングは一般に、上方に向かって開いた容器と、当該容器を上方で圧密に閉鎖するカバー構成と、で構成される。カバー構成の一部は、大抵はカバープレートであり、このカバープレートは、その縁部が容器と圧密に接合され、例えば容器縁部へのカバープレートの溶接により圧密に接合される。カバープレートには、開口部が設けられており、この開口部を貫いて、例えば、外部から接触可能な接触構成であって、内部に存在する構成要素と導電的に接続される上記接触構成が延びている。

バッテリセルでは、特に湿気が高い駆動条件下で予期せぬ短絡が起こりうることが観察された。

本発明の実施形態によって、特にバッテリセルの短絡のリスクを低減することが可能である。

巻回要素と、電解質と、２個の集電体と、ハウジングと、を有するバッテリセル、特にリチウムイオンバッテリセルが提案される。巻回要素は、陽極材料が塗布された第１の金属箔、例えば銅箔と、陰極材料が塗布された第２の金属箔、例えばアルミニウム箔と、隔膜として機能する２個の合成樹脂製フィルムと、から成る積層体が巻回された構成を成している。集電体の一方は、巻回要素の第１の金属箔と導電的に接続され、例えば溶接されている。第２の集電体は、巻回要素の第２の金属箔と導電的に接続されている。ハウジングは、金属製の容器と金属製のカバー構成とを有する。容器は、巻回要素と２個の集電体とが、バッテリセルの製造中にハウジング内へとそれと通して挿入される開口部を有する。カバー構成は、容器の開口部を気密かつ圧密に閉鎖するよう構成される。このために、カバー構成は特にカバープレートを有し、このカバープレートは、容器の内部で開口部を広範囲で閉鎖することが可能であり、ハウジングを気密に閉鎖するために、例えば溶接継ぎ目によって容器と接合される。カバー構成では、ハウジングの内部の集電体の一方とそれぞれが接触する導電性の接触構成を、ハウジングから出してカバー構成を貫通させるための貫通構成が形成される。提案されるバッテリセルは、カバープレートが、中央領域と当該中央領域を包囲する周縁領域とを有し、中央領域は容器の開口部の上方で延在し、周縁領域は容器の開口部内部で延在するという点で卓越している。

本発明に係るバッテリセルの実施形態の根底には、特に以下の考え及び認識がある。

従来のバッテリセルのハウジングの場合、容器の開口部を閉鎖するカバープレートは、一般に平坦に形成される。このためにカバープレートは、打ち抜かれたカバープレートの外面形状が基本的に開口部の領域内の容器の内部輪郭に対応するように、薄板金から打ち抜かれる。従って、カバープレートの外縁部は、容器の壁の内部表面に対して簡単に気密に溶接される。カバープレートではさらに貫通孔が打ち抜かれ、この貫通孔を貫通して、導電性の接触構成はそれぞれ、自身が集電体の一方と電気的に接続されるハウジングの内部から、当該ハウジングの外へと案内され、そこでバッテリセルの極接触子の一方を形成することが可能である。

特に、湿気が多い環境で使用されるバッテリセルの場合、例えば船内での利用又は湿潤気候における利用の際には、バッテリセルの極端子間で短絡が起こりうることが観察された。詳細な調査によって、この短絡が、結露又は飛沫により形成される薄い水膜に因るものであろうことが判明した。その際に、水がバッテリセルハウジングのカバープレート上に溜まり、最悪の場合には、２つの極接触子間で電気的接続を形成する可能性がある。

従って、カバープレートを平坦に形成するのではなく、容器の開口部の上方で延在する中央領域と、当該中央領域を包囲する周縁領域であって、容器の開口部内部で延在する上記周縁領域と、を有するカバープレートを形成することが提案される。換言すれば、中央領域は台座のように、カバープレートの周縁領域より上に張り出しており、従って、より高いところに位置する中央領域は、より低いところに位置する周縁領域よりも、容器の内部から遠く離れたところで延在している。その際に中央領域は、容器で囲まれた容積室の外で延在することが可能であり、これに対して、周縁領域は、このような容積室の内部又はその境界面上を延在することが可能である。

中央領域は少なくとも、カバープレートの部分領域に渡って広がり、その際に、この部分領域は、陽極を形成する接触構成から陰極を形成する接触構成まで延在している。換言すれば、中央領域は少なくとも、カバープレートの部分領域内に広がっており、そうでなければ、当該部分領域内では、溜まった水が２つの接触構成間で短絡を引き起こす可能性があるであろう。中央領域が周縁領域に対して隆起していることで、水が中央領域で溜まることを防ぐことが可能である。その代わりに、水は、台座形状に隆起した中央領域から側方へと、より低いところに位置する周縁領域へと排出され、そこでは短絡を引き起こすことは不可能である。

様々な高さで延びる中央領域及び周縁領域を有するカバープレートは、例えば、薄板金の鋳造により製造される。その際に、中央領域自体は平坦であってもよく、中央領域から周縁領域への湿気の放出を容易にするために、場合によっては、より低いところに位置する周縁領域への移行部が、丸みを帯びて形成されてもよい。代替的に、中央領域は、外に向かって凸面状に形成されてもよく、従って、中央領域の中央は、中央領域の縁部よりも高い位置で、外に向かって周縁領域より上に張り出している。このようにして、水が中央領域から周縁領域に流れ出ることがさらにサポートされる。排出をサポートするものとして、特に、中央領域と周縁領域との間の丸みを帯びた移行部が機能しうる。

周縁領域は、容器の開口部へと内部に向かって深さがある溝であって、水受け溝として機能しうる上記溝を形成しうる。従って、中央領域から排出された水が溝の中へと流れ込み、そこで時間が経つにつれて蒸発するということが可能である。これにより、例えば隣接するバッテリセルへと水が流れ込んで損害をもたらすこと、又は、バッテリセルを包囲するハウジング内に水が注ぎ込み、そこで腐食が起こる可能性が生じうるということが予防される。

上記溝は、Ｕ字形状の断面を有してもよい。その際に、上記溝の、内側に位置する側面、即ち、上記溝の、内側に位置する中央領域へと続く側面は、外側に位置する側面よりも高くてもよい。これにより、溝の中に溜まる水が中央領域に達しえないことが実現されうる。というのは、水はそれ以前に、外側に位置するより低い側面を介して排出されるからである。

周縁領域は、上記溝と外側から接する側方に張り出した縁部領域を有してもよい。この縁部領域によって、カバープレートは側方で容器の内部表面に当接し、そこで当該内部表面と溶接されうる。

バッテリセルの記載された特徴、及び、バッテリセルの構成要素の構成、特にカバープレートの構成は、そのハウジングが角柱形状であるバッテリセルで使用するために特に適している。

本発明に係るバッテリセルの可能な構成及び特徴が、本明細書では、様々な実施形態に関して記載されることに注意されたい。当業者には、個々の特徴を適切なやり方で互いに組み合わせ又は交換することが可能であり、このようにして、更なる別の実施形態及び可能な相乗効果が得られることが分かるであろう。

以下では、本発明の実施形態が、添付の図面に関して記載され、その際に、以下の明細書の記載及び図面は、本発明を限定するものとして解釈されないものとする。
リチウムイオンバッテリセルの分解立体図を示す。 本発明の一実施形態に係るバッテリセルのカバープレートの部分的な斜視図を示す。 本発明の一実施形態に係るバッテリセルのカバープレートの断面図を示す。 本発明の一実施形態に係る特別に形成されたカバープレートを備えるバッテリセルの斜視図を示す。 本発明の一実施形態に係るバッテリを備えた車両を示す。

図は概略的なものであり、実際の寸法に忠実ではない。図面では、同一の特徴又は同一に作用する特徴には、同じ符号が付される。

図１は、従来のリチウムイオンバッテリセルの分解立体図を示す。バッテリセルが、個別にストックし製造中にコストを掛けて組み立てなければならない複数の個々の構成要素で構成されていることが分かる。ここでは、本発明の実施形態との関係から必要な構成要素及びその特徴のみが記載され、バッテリセルの残りの構成要素については記載されない。

バッテリセル１は、陽極材料が塗布された銅箔と、陰極材料が塗布されたアルミニウム箔と、銅箔とアルミニウム箔の間に存在し隔膜として機能する合成樹脂製フィルムと、から成る積層体５が巻回された巻回要素３を有する。

電気的接触のために、銅箔とアルミニウム箔とは、巻回軸に沿って互いに反対方向に少しずれて重なり合って積層され、従って、短辺側の銅箔と、対向する短辺側のアルミニウム箔とは、巻回要素の各縁部から僅かに張り出している。銅箔の張出領域４には、銅で構成された集電体７が溶接され、従ってこの集電体は巻回要素の陽極と接合される。アルミニウム箔の対向する張出領域には、巻回要素３の陰極との電気的接触を形成するために、アルミニウムで構成された第２の集電体９が溶接される。

その後で、２つの集電体７、９が設けられた巻回要素３は、開口部１４を通して、上方に向かって開いた直方体形状の容器１３に挿入される。続いて、容器１３の開口部１４が、カバープレート２３によって閉鎖される。このために、カバープレート２３は、その縁部が、開口部１４の領域内の容器１３の内部表面と溶接される。続いて、カバープレート２３内の小さな孔２６を通して、液状の電解質が容器１３内に充填され、従って、当該電解質が、巻回要素の金属箔に設けられた陽極材料及び陰極材料と接触し、界面では、当該材料と電解質との間で、対応して化学エネルギーを電気エネルギーへと変換するため及び電気エネルギーを化学エネルギーへと変換するための所望の化学反応が起こる。特に、化学的腐食性を有する電解質に耐えられるように、容器１３は薄板金で形成される。

カバープレート２３は、数個の孔を有し、当該孔は、様々な目的のために設けられ、バッテリセル１１の組み立ての間に気密に閉鎖される。例えば、２つの丸い孔２５が設けられるが、この２つの丸い孔２５を通じて、内部に存在する集電体７、９上に設けられた連結ボルト２７が、ハウジングから外に向かって案内され、従って連結ボルト２７は、接触構成１９の構成要素として、外に存在する連結子２１との電気的接触を形成することが可能である。さらに、電解質を容器１３の内部へとそれと通じて挿入することが可能な孔２６が設けられる。更なる別の２つの孔２８、２９は、破裂板３０、又は、いわゆるＯＳＤメンブレン（ＯＳＤ−Ｍｅｍｂｒａｎ）３１を収容するために用いられる。

図１で示される従来型のバッテリセル１の場合、カバープレート２３は平坦である。このカバープレート２３は、薄板金からの簡単な打ち抜き処理によって形成することが可能である。

しかしながら、この平坦な構成のために、及び、カバープレートの縁部が容器１３の内部表面に溶接され、従って、溶接ビードがカバープレート２３よりも高い可能性があるという事実のために、例えば結露によって、カバープレート２３上に液膜が形成されるということが起こりうる。このような液膜によって、最悪の場合には、孔２５を貫通して突き出るボルト２７間、従ってバッテリセル１の両極間に電気的接続が生じ、これによりバッテリセルの短絡が起こる可能性がある。

図２には、本発明の一実施形態に係るバッテリセルのために利用可能なカバープレート２３の部分的な斜視図が示されている。図３には、このようなカバープレートの断面図が示されている。図４は、このように構成されたカバープレート２３を備えたバッテリセル１を示している。

特に図２及び図３から分かるように、カバープレート２３は、中央領域３３と、当該中央領域３３を環状に包囲する周縁領域３５と、を有する。中央領域３３は台座形状により、周縁領域より高く出ている。

従って図３に示されるように、周縁領域３５が開口部１４内部に存在し、従って当該周縁領域３５が溶接継ぎ目３９を介して容器１３の内部表面と接合可能であるように、しかし中央領域３３は容器１３の開口部１４の上方に延在するように、カバープレート２３が容器１３の開口部１４内に配置される。

カバープレート２３の中央領域３３は、図で示されように平坦であってもよい。しかしながら、中央領域を外に向かって膨らませ、即ち、中央領域を凸面状に形成するということも可能である。中央領域と、隣接する周縁領域との間の移行部は、丸みを付けて形成すべきであろう。

周縁領域３５は、開口部１４内へと内部に向かって深さがある溝３７を形成しうる。この溝３７は、Ｕ字形状の断面を有してもよく、その際に、内側に位置する側面３８、即ち、Ｕ字形状の溝の、内側に位置する中央領域３３と隣接する側面は、外側に位置する側面３６よりも高く構成されてもよい。溝３７に外側から隣接して、側方に張り出す縁部領域４０が設けられ、この縁部領域４０は、中央領域３３と同様に基本的には水平方向に、即ち、容器１３の開口部１４を画定する平面に対して平行に延在している。この縁部領域４０で、カバープレート２３が容器１３に溶接されうる。

カバープレート２３の中央領域３３は、特に、（図２及び図３では図示されない）接触構成１９がそれを通って伸びる孔２５も含んでいる。従って、図４で示されるように、陽極４３を形成する接触構成１９と陰極４１を形成する接触構成１９との間の全領域が、カバープレート２３の中央領域３３内に存在する。

この中央領域３３は台座形状を成して、包囲する周縁領域３５より高いところに位置するため、発生した湿気が、中央領域３３から、当該中央領域３３の丸みを帯びた移行部を介して、周縁領域３５内に形成された溝３７へと排出されうる。ここに、湿気が集められ、時間の経過と共に飛ばされる。従って、陽極４３と陰極４１との間の短絡のリスクが大幅に低減されうる。

図５は、複数の上記バッテリセル１で構成されたバッテリ１０２を有する車両１００を示している。

Claims (8)

1. 陽極材料が塗布された第１の金属箔と、陰極材料が塗布された第２の金属箔と、隔膜として機能する合成樹脂製フィルムと、から成る積層体（５）が巻回された巻回要素（３）と、
   電解質と、
   ２個の集電体（７、９）であって、そのうち一方が前記第１の金属箔と導電的に接続され、他方が前記第２の金属箔と導電的に接続された前記２個の集電体（７、９）と、
   金属製の容器（１３）と金属製のカバー構成（１５）とを有するハウジング（１１）と、
   を有するバッテリセル（１）であって、
   前記容器（１３）は、前記巻回要素（３）と前記２個の集電体（７、９）とが前記ハウジング（１１）内へとそれを通して挿入される開口部（１４）を有し、
   前記カバー構成（１５）は、カバープレート（２３）を有し、前記容器（１３）の前記開口部（１４）を気密かつ圧密に閉鎖し、
   前記カバー構成（１５）では、前記ハウジング（１１）の内部の前記集電体（７，９）の一方とそれぞれが接触する導電性の接触構成（１９）を、前記ハウジング（１１）から出して前記カバープレート（２３）を気密に貫通させるための貫通構成（２５）が形成される、前記バッテリセル（１）において、
   前記カバープレート（２３）は、中央領域（３３）と、当該中央領域（３３）を包囲する周縁領域（３５）と、を有し、前記中央領域（３３）は、前記容器（１３）の前記開口部（１４）の上方で延在し、前記周縁領域（３５）は、前記容器（１３）の前記開口部（１４）内部で延在し、
   前記中央領域（３３）は、外に向かって凸面をなし、前記貫通構成（２５）は前記中央領域（３３）の凸面に位置し、
   前記周縁領域（３５）は、前記開口部（１４）内へと内部に向かって深さがある溝（３７）を形成することを特徴とする、バッテリセル（１）。
2. 前記中央領域（３３）は少なくとも、前記カバープレート（２３）の、陽極（４３）を形成する接触構成（１９）から陰極（４１）を形成する接触構成（１９）まで延在する部分領域に渡って広がる、請求項１に記載のバッテリセル（１）。
3. 前記中央領域（３３）は平坦である、請求項１〜２のいずれか１項に記載のバッテリセル（１）。
4. 前記中央領域（３３）は、丸みを帯びて前記周縁領域（３５）へ移行する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリセル（１）。
5. 前記溝（３７）は、Ｕ字形状の断面を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバッテリセル（１）。
6. 前記溝（３７）の、内側に位置する側面（３８）は、外側に位置する側面（３６）よりも高い、請求項５に記載のバッテリセル（１）。
7. 前記周縁領域（３５）は、外側から前記溝（３７）と接する側方に張り出した縁部領域（４０）を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載のバッテリセル（１）。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のバッテリセル（１）を有する車両（１００）。

Images