JP6079351B2 - 蓄電素子の製造方法、蓄電素子、および、集電体 - Google Patents

Description

本願発明は、蓄電素子の製造方法、蓄電素子、集電体に関し、特に、筐体に集電体が取り付けられる蓄電素子の製造方法、蓄電素子、集電体に関する。

近年、ハイブリッド自動車や電気自動車などのように、駆動源や駆動源の一部として電力を用いる走行車が注目されており、このような走行車の電源として高いエネルギー容量を備える蓄電素子が実用化されている。

特に、大電流を流すことが要求される自動車などに搭載される蓄電素子としては、剛性を有する薄型直方体の筐体と、筐体の内容積のほとんどを占める電極体からなる非水電解質二次電池がある。また、この蓄電素子は、筐体の外側面には電極端子が取り付けられ、筐体の内方には電極端子と電極体とを接続する集電体が配置されており、電極体から電力を筐体外部に取り出し、また、電極体に電力を供給するものとなっている。

さらに、集電体は蓋体に絶縁部材を介して物理的に固定され、電極体の端部とは電気的かつ物理的に接続されている。従って、電極体は、筐体に対し集電体を介して物理的に固定されるものとなるとともに、筐体とは絶縁状態で電力を需給できるものとなっている。

このような二次電池を製造するにあたっては、例えば特許文献１に記載されているように、筐体と集電体とに貫通状態で配置された締結部材をかしめることで筐体に集電体を機械的に締結する場合がある。

昨今では、小型軽量化し、かつ、大電流を確保しうる蓄電素子が望まれている。これらの効果を実現できる蓄電素子の一つとして、電極端子とバスバー等とを締結するためのボルトの頭部を収容させる陥没部を筐体の一部を内方に突出させることで形成し、当該突出部を収容する孔が設けられた電極体を備えた蓄電素子を本願出願人は先に出願している（特許文献２参照）。

特開２００３−３１２０５号公報 特開２０１３−１２３６３号公報

ところが、前記構成の蓄電素子について本願発明者が鋭意試作と検証とを行った結果、筐体の突出部分と集電体の孔との間に絶縁のために配置される絶縁部材が変形する場合があることを見出すに至った。そしてさらに実験と研究とを重ねた結果、筐体に集電体を機械的に接続するために締結部材をかしめる際、特に、機械的強度の向上や密閉性の向上を目的として締結部材を強くかしめる際に集電体が変形し絶縁部材を圧迫することを見出すに至った。

本願発明は上記知見に基づきなされたものであり、絶縁部材の変形を防止して歩留まりの向上を図ることができる、蓄電素子の製造方法、蓄電素子、集電体の提供を目的としている。

上記目的を達成するために、本願発明にかかる蓄電素子の製造方法は、筐体と、基礎部を有する集電体と、前記筐体と前記集電体とを絶縁する絶縁部材と、前記基礎部と前記絶縁部材とを前記筐体に締結する締結部材とを備え、前記絶縁部材は、前記筐体の内方に突出する突出部を有し、前記基礎部は、前記締結部材が挿通される挿通部を有し、前記筐体に前記集電体と前記絶縁部材を組み付ける際に、前記挿通部と前記突出部との間に、変形許容部を備え、前記基礎部と前記絶縁部材とを前記筐体に締結する際に、前記基礎部の一部が前記突出部に向かって変形して前記変形許容部の少なくとも一部を埋めるように前記締結部材をかしめることを特徴としている。

これにより、締結部材を強くかしめた場合であっても、絶縁部材が不本意に圧迫されることを防止することができ、筐体と集電体とを機械的に強固に接続しつつ、絶縁状態や密閉状態の良好な蓄電素子を提供することが可能となる。

また、前記基礎部は、前記突出部を収容する収容孔を有してもよい。

これにより、絶縁部材と集電体との位置合わせを容易に行うことができる。

また、前記変形許容部は、前記挿通部に向かって膨出した空間であってもよい。

これによれば、変形許容部は、最も変形すると思われる挿通部に近い部分の空間を大きく確保しているため、基礎部の変形が絶縁部材に影響することを効率的に防止することができる。

また、上記目的を達成するために本願発明に係る蓄電素子は、筐体と、基礎部を有する集電体と、前記筐体と前記集電体とを絶縁する絶縁部材と、前記基礎部と前記絶縁部材とを前記筐体に締結する締結部材とを備え、前記絶縁部材は、前記筐体の内方に突出する突出部を有し、前記基礎部は、前記締結部材が挿通される挿通部と、前記挿通部と前記突出部との間に設けられた変形許容部を埋めるように、前記基礎部の一部が前記突出部に向かって変形した変形部とを備えることを特徴とする。

これにより、蓄電素子は、締結部材を強くかしめて製造される蓄電素子であっても、変形のない、または、変形が僅かな絶縁部材を備えることができ、筐体と集電体との接続状態が機械的に強固であり、絶縁状態や密閉状態が良好となる。

また、上記目的を達成するために本願発明に係る集電体は、絶縁部材を介して筐体の内面に沿って配置される基礎部と、前記基礎部に設けられ、前記基礎部を前記筐体に締結する締結部材が挿通される挿通部と、前記基礎部に設けられ、前記挿通部に向かって膨出した空間である変形許容部とを備えることを特徴とする。

これにより、締結部材を強くかしめた場合であっても、集電体の一部が変形許容部を埋めるように変形し、絶縁部材が不本意に圧迫されることを防止することができる。従って、電極端子と筐体と集電体とを機械的に強固に接続しつつ、絶縁状態や密閉状態の良好な蓄電素子を提供することが可能となる。

本願発明によれば、絶縁部材の変形を防止して歩留まりの向上を図ることができる。

図１は、本実施の形態の蓄電素子の外観を示す斜視図である。 図２は、筐体の一部を省略して蓄電素子の内部を模式的に示す斜視図である。 図３は、組立前の集電体近傍を分解状態で模式的に示す分解斜視図である。 図４は、締結する前の絶縁部材と集電体とを重ね合わせた状態を側方から断面で示す断面図である。 図５は、締結する前の絶縁部材と集電体とを重ね合わせた状態を底側から示す平面図である。 図６は、締結後の絶縁部材と集電体とを重ね合わせた状態を底側から示す平面図である。 図７は、締結する前の別態様の絶縁部材と集電体とを重ね合わせた状態を底側から示す平面図である。

次に、本願発明に係る蓄電素子の製造方法、蓄電素子、集電体の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態は、本願発明に係る蓄電素子の製造方法、蓄電素子、集電体の一例を示したものに過ぎない。従って本願発明は、以下の実施の形態を参考に請求の範囲の文言によって範囲が画定されるものであり、以下の実施の形態のみに限定されるものではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。

図１は、本実施の形態の蓄電素子の外観を示す斜視図である。

図２は、筐体の一部を省略して蓄電素子の内部を模式的に示す斜視図である。

図３は、組立前の集電体近傍を分解状態で模式的に示す分解斜視図である。

これらの図に示すように、本実施の形態にかかる蓄電素子１００は、電気を充電し、また、電気を放電することのできる非水電解質二次電池などであり、電極体１０１と、筐体１０２と、集電体１０４と、電極端子１０５と、締結部材１０６と、絶縁部材１０７とを備えている。さらに、本実施の形態の場合、蓄電素子１００は、接続端子１５１と、第二絶縁部材１０８とを備えている。

電極体１０１は、正極用の電極と負極用の電極とが絶縁性のセパレータを介して巻回、または、層状に重ねられたいわゆる電極群である。本実施の形態の場合、負極は、例えば、銅からなる長尺帯状の負極集電箔の表面に負極活物質層が形成されたものである。正極は、例えば、アルミニウムからなる長尺帯状の正極集電箔の表面に正極活物質層が形成されたものである。セパレータは、例えば、樹脂からなる微多孔性のシートである。電極体１０１は、負極と正極との間にセパレータが挟み込まれるように層状に配置されたものを長さ方向に全体が長円形状となるように巻き回されて形成されるいわゆる扁平巻回型の電極体である。

筐体１０２は、電極体１０１を収容する矩形の箱体である。筐体１０２は、軽量化のため、アルミニウムやその合金で形成されたり、肉厚の薄いステンレス鋼などにより形成される。本実施の形態の場合、筐体１０２は、矩形の底部と、底部の各長辺部にそれぞれ立設される矩形の長壁部と、底部の各短辺部にそれぞれ立設される矩形の短壁部とで形成される容器状の本体１２１と、本体１２１の開口端部と溶接されることにより、開口端部を閉塞する蓋体１２２とを備えている。

本実施の形態の場合、蓋体１２２は、金属製の板状部材であり、係合部１３１を備えている。本実施の形態の場合、係合部１３１は、電極体１０１に向かって突出する突出部であり、矩形となっている。また、係合部１３１は、板状の金属部材をプレス加工により形成される部分であり、突出していると反対側の部分は、電極体１０１に向かって陥没している。

電極端子１０５は、筐体１０２に対し集電体１０４と反対側に配置される導電性の部材であり、電極体１０１に蓄えられている電気を筐体１０２外方に導出し、また、電極体１０１に電気を蓄えるために筐体１０２の内方に電気を導入するための端子である。本実施の形態の場合、電極端子１０５は蓋体１２２に沿って取り付けられており、蓋体１２２が金属製であるため、蓋体１２２と絶縁するための第二絶縁部材１０８を介して蓋体１２２に取り付けられている。

図４は、締結する前の絶縁部材と集電体とを重ね合わせた状態を側方から断面で示す断面図である。

図５は、締結する前の絶縁部材と集電体とを重ね合わせた状態を底側から示す平面図である。なお、本図、および、図６、７において、集電体の足である接続部１４２は、その記載を省略している。

これらの図に示すように、絶縁部材１０７は、樹脂などの絶縁体で形成される板状の部材であって、筐体１０２と集電体１０４とを絶縁する部材である。絶縁部材１０７は、筐体１０２の内方に突出する突出部１７１を備えている。本実施の形態の場合、絶縁部材１０７は、突出部１７１の反対側に係合部１３１と嵌合する凹陥部を有している。

集電体１０４は、電極端子１０５と電極体１０１との間に介在配置され、これらを電気的に接続する部材であり、蓋体１２２と電極体１０１とを機械的にも接続する部材である。集電体１０４は、筐体１０２の内面に沿って配置される基礎部１４１と、電極体１０１に電気的に接続される接続部１４２とを備えている。

基礎部１４１は、締結部材１０６が挿通される孔である挿通部１４３と、絶縁部材１０７の突出部１７１を収容する収容孔１４４とを備えている。また、本実施の形態の場合、基礎部１４１に変形許容部１０９が設けられている。

変形許容部１０９は、筐体１０２に集電体１０４と絶縁部材１０７などを組み付ける際に、挿通部１４３と絶縁部材１０７の突出部１７１との間に設けられる空間である。具体的には、挿通部１４３と突出部１７１を仮想的に結んだ線上（図中Ｘ軸に沿った軸）の基礎部１４１と突出部１７１との間に設けられる空間である。

なお、本実施の形態の場合、変形許容部１０９を形成するために、集電体１０４の基礎部１４１に設けられた収容孔１４４の形状を突出部１７１の形状に対応する形状から挿通部１４３に向かって膨出させた形状としている。変形許容部１０９の挿通部１４３に近い側の縁部の形状は、図５に示すように、挿通部１４３に最も近い点を頂点として二次関数（例えば円弧）を描くように遠ざかる形状が好ましい。これによれば、挿通部１４３を中心として同心円状に変形すると考えられる基礎部１４１において、挿通部１４３を中心とした放射方向のうち最も突出部１７１に影響を与えると思われる方向である挿通部１４３から突出部１７１に向かう方向に重なる変形許容部１０９の空間を他の方向よりも広く確保することができ、変形後の基礎部１４１の機械的強度を考慮しつつ効率よく基礎部１４１の変形を許容することが可能となる。

ただし、変形許容部１０９の形状は、これに限定されるものではなく、例えば、図７に示すように、突出部１７１の形状を挿通部１４３の反対側に向かって凹陥させることによって形成される形状（変形許容部１０９の挿通部１４３に遠い側の縁部の形状が挿通部１４３から最も遠い点を頂点として二次関数（例えば円弧）を描くように近づく形状）でもかまわない。また、電極体１０１の負極に取り付けられる集電体１０４は、銅や銅の合金で形成され、正極に取り付けられる集電体１０４はアルミニウムやアルミニウム合金で形成されている。

締結部材１０６は、集電体１０４と電極端子１０５とを蓋体１２２に挿通された状態で接続する導電性を備える部材である。本実施の形態の場合、締結部材１０６は金属製のリベットであり、集電体１０４に設けられる挿通部１４３、絶縁部材１０７に設けられる挿通孔、蓋体１２２に設けられる挿通孔、第二絶縁部材１０８に設けられる挿通孔、電極端子１０５に設けられる挿通孔に刺し通された状態で、回転しながら押圧するツールにより塑性変形され（かしめられ）る部材である。締結部材１０６は、集電体１０４と電極端子１０５とを蓋体１２２に機械的に固定する。また、締結部材１０６と蓋体１２２との間には、絶縁部材が介在配置されており、締結部材１０６は、集電体１０４と電極端子１０５とを電気的に接続しつつ、蓋体１２２とは絶縁状態が保たれるものとなっている。

ここで、締結部材１０６が塑性変形する場合、締結部材１０６の径方向に膨らむため、集電体１０４の基礎部１４１の一部が変形許容部１０９を埋めるように収容孔１４４に向かって変形し、変形部１９１を形成する（図６参照）。つまり、集電体１０４を筐体１０２（蓋体１２２）に取り付けた状態では、変形許容部１０９は基礎部１４１の一部により埋められ、変形許容部１０９が存在していた部分は、基礎部１４１が変形した変形部１９１が存在する。

接続端子１５１は、電極端子１０５と他の部材、例えばバスバーや電線などとを電気的かつ物理的に接続するための部材である。本実施の形態の場合、接続端子１５１は、蓋体１２２の凹陥部に第二絶縁部材１０８を介して嵌合状態で一部が配置される部材であり、矩形の凹陥部に対応する矩形のヘッドを有するボルトである。

以上のように、係合部１３１を形成する際に蓋体１２２に形成される凹陥部に接続端子１５１の一部が挿入されることで、蓋体１２２の表面から突出する接続端子１５１の突出量を抑制することができ、蓄電素子１００と他の部材とを接続するために必要な空間を小さくすることが可能となる。従って、小さな空間でも配置可能なコンパクトな蓄電素子１００を提供することが可能となる。

次に、蓄電素子１００の製造方法を説明する。

図３に示すように、集電体１０４、絶縁部材１０７、筐体１０２（蓋体１２２）、第二絶縁部材１０８、接続端子１５１、電極端子１０５の記載順で各部品を重ね合わせ、集電体１０４の挿通部１４３、および、その他の挿入孔に締結部材１０６を刺し通す。

次に、締結部材１０６を塑性変形させて（かしめて）、集電体１０４、絶縁部材１０７、筐体１０２（蓋体１２２）、第二絶縁部材１０８、接続端子１５１、電極端子１０５を機械的に接続（固定）し、集電体１０４と電極端子１０５とを電気的に接続する。

締結部材１０６を塑性変形させて筐体１０２に集電体１０４、絶縁部材１０７を組み付ける際に、挿通部１４３と絶縁部材１０７の突出部１７１との間の基礎部１４１の一部が塑性変形することにより突出部１７１（収容孔１４４）に向かって膨出して変形部１９１を形成し、当該変形部１９１により変形許容部１０９の一部、または、全部を埋める。上記作業を、正極、および、負極に対して行う。

以上のような工程を含めて蓄電素子１００を製造することにより、締結部材１０６を強く塑性変形させた場合でも、集電体１０４の基礎部１４１の変形を変形許容部１０９が吸収し、絶縁部材１０７への悪影響を防止して不良品の発生を抑制することができる。

従って、集電体１０４や電極端子１０５が強く締結された蓄電素子１００を高い歩留まりで製造することが可能となる。

なお、本願発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて、また、構成要素のいくつかを除外して実現される別の実施の形態を本願発明の実施の形態としてもよい。また、上記実施の形態に対して本願発明の主旨、すなわち、請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本願発明に含まれる。

例えば、収容孔１４４は、絶縁部材１０７の突出部１７１を収容できれば良い。つまり、孔ばかりでなく、切り欠きであってもかまわない。

本願発明は、蓄電素子、例えば電池（リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等）及びキャパシタ（電気二重層キャパシタ等）に利用可能である。

１００ 蓄電素子
１０１ 電極体
１０２ 筐体
１０４ 集電体
１０５ 電極端子
１０６ 締結部材
１０７ 絶縁部材
１０８ 第二絶縁部材
１０９ 変形許容部
１２１ 本体
１２２ 蓋体
１３１ 係合部
１４１ 基礎部
１４２ 接続部
１４３ 挿通部
１４４ 収容孔
１５１ 接続端子
１７１ 突出部
１９１ 変形部

Claims (5)

1. 筐体と、
   基礎部を有する集電体と、
   前記筐体と前記集電体とを絶縁する絶縁部材と、
   前記基礎部と前記絶縁部材とを前記筐体に締結する締結部材とを備え、
   前記絶縁部材は、前記筐体の内方に突出する突出部を有し、
   前記基礎部は、前記締結部材が挿通される挿通部を有し、
   前記筐体に前記集電体と前記絶縁部材を組み付ける際に、前記挿通部と前記突出部との間に、変形許容部を備え、
   前記基礎部と前記絶縁部材とを前記筐体に締結する際に、前記基礎部の一部が前記突出部に向かって変形して前記変形許容部の少なくとも一部を埋めるように前記締結部材をかしめる
   蓄電素子の製造方法。
2. 前記基礎部は、前記突出部を収容する収容孔を有している請求項１記載の蓄電素子の製造方法。
3. 前記変形許容部は、前記挿通部に向かって膨出した空間である請求項１または２記載の蓄電素子の製造方法。
4. 筐体と、
   基礎部を有する集電体と、
   前記筐体と前記集電体とを絶縁する絶縁部材と、
   前記基礎部と前記絶縁部材とを前記筐体に締結する締結部材とを備え、
   前記絶縁部材は、前記筐体の内方に突出する突出部を有し、
   前記基礎部は、前記締結部材が挿通される挿通部と、
   前記挿通部と前記突出部との間に設けられた変形許容部を埋めるように、前記基礎部の一部が前記突出部に向かって変形した変形部とを備える
   蓄電素子。
5. 絶縁部材を介して筐体の内面に沿って配置される基礎部と、
   前記基礎部に設けられ、前記基礎部を前記筐体に締結する締結部材が挿通される挿通部と、
   前記基礎部に設けられ、前記挿通部に向かって膨出した空間である変形許容部とを備える
   集電体。

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