JP6108221B2 - 蓄電素子 - Google Patents

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池などの蓄電素子に係り、詳しくは、ケースに収容される発電要素と、発電要素の正及び負の電極の少なくとも一方に導通される集電体と、ケースのケース外側面に配置されて集電体に導通される外部端子と、を備えて成る蓄電素子に関するものである。

この種の蓄電素子としては、特許文献１において開示された非水電解質二次電池（リチウムイオン二次電池）が知られている。発電要素（１）は、正負の極板と絶縁用のセパレータとを渦巻状に巻回して成るものである。この蓄電要素における正負の電極の取出しについては、発電要素（１）の正及び負の各極に導通接続される正負の集電接続体（２）と、正負の外部端子（端子ボルト：９）とが、リベット（７）と端子台（８）とを介して導通接続される構造が採られている。

このような電極取出し構造では、金属製の端子台（８）が外部端子（９）を強度的に支持するとともに導通部材として機能している。そして、端子台（８）と集電接続体（２）とがリベット（７）を用いて導通接続されており、そのリベット（７）は、端子台（８）と集電接続体（２）とを蓋板（４）へ止着する手段としても機能可能である。

特開２０１０−２３２１８７

上述のような構成を取る蓄電素子においては、通常、導通部材どうしは、リベットによるカシメ（加締）や圧入などの圧接によって導通接続されているため、振動や材料クリープなどにより、経年に伴って接触抵抗が変化する可能性がある。また、一般に、電池においては、外部短絡などにより連続的に大電流が流れた場合、発熱するおそれがある。

この場合、発電要素と外部端子とが複数の導通部材を用いて導通接続される構成を取る蓄電素子では、接触抵抗が変化するおそれのある導通部材どうしの接続箇所（例：リベットと集電接続体）が発熱し易い。そうなると、温度昇降による接触抵抗の増減幅が増え、さらなる接触抵抗の変化並びに発熱の増大を招き、場合によっては導通部材が発熱によって溶けたりする不都合事象に発展することが予測される。

本発明の目的は、発電要素の極と外部端子とが複数の導通部材を用いて導通接続させる構造を採りながら、導通部材どうしの接続部位における発熱のおそれが可能な限り解消される蓄電素子を提供する点にある。

請求項１に係る発明は、ケース４に収容される発電要素１と、前記発電要素１の正及び負の電極７，８の少なくとも一方に導通される集電体２，３と、ケース外側面１８に配置される接続導体１５と、前記ケース４のケース外側面１８に配置されて前記集電体２，３に前記接続導体１５を介して導通される外部端子５，６と、前記ケース４を内外に貫通して止着されることで、前記外部端子５，６と前記集電体２，３とを導通接続するリベット１３と、を備えて成る蓄電素子であって、前記接続導体１５の表面は、ニッケルメッキによって構成され、前記リベット１３は、アルミ又はアルミ合金製であり、前記リベット１３のケース内部側部分１３ｃと前記集電体２，３、前記リベット１３のケース外部側部分１３ａと前記接続導体１５、及び前記接続導体１５と前記外部端子５，６、のうち少なくとも前記リベット１３のケース外部側部分１３ａと前記接続導体１５が、部分的にアルミはんだｙ付け接続されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の蓄電素子において、前記アルミはんだｙ付けされた部位を覆う樹脂を備えることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の蓄電素子において、前記リベット１３は、前記ケース４の外側に配置されるリベット中間部１３ｂと、前記リベット中間部１３ｂと連接し且つ前記リベット中間部１３ｂとの間に前記接続導体１５を挟み込む上部カシメ部１３ｅと、前記リベット中間部１３ｂと連接し且つ前記リベット中間部１３ｂとの間に前記集電体２，３及び前記ケース４を挟み込む環状カシメ部１３ｄと、を有することを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄電素子において、前記集電体２，３はアルミ又はアルミ合金製で、かつ、前記リベット１３のケース内部側部分１３ｃと前記集電体２，３とがアルミはんだｙ付け接続されていることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄電素子において、前記ケース４が金属製であるとともに、前記リベット１３と前記ケース４との間に樹脂製の封止部材１７が介装されていることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項５に記載の蓄電素子において、前記封止部材１７が前記リベット１３のケース外側部分１３ａの周囲の少なくとも一部を取り囲む形状であることを特徴とする。

発電要素の極と外部端子とが複数の導通部材を用いて導通接続される構造を採る蓄電素子においては、集電体とリベットとの導通部、リベットと接続導体との導通部、接続導体と外部端子との導通部のそれぞれが圧接によって導通されている。従って、経年による材料クリープや外部から加えられる振動（走行振動など）により、各導通部の圧接が緩み、接触抵抗が増えたり、増減変化したり、或いはガタついたりといった接続不良を招く可能性がある。この接触不良が生じているときに大電流が流れると導通部が発熱し、高温になったり導通部材が溶けたりする不都合事象に至るおそれがある。

そこで、本発明の蓄電素子においては、リベットのケース内部側部分と集電体といった導通部をはんだ付け接続させてあるから、導通部は、一体化によって導通されるので、振動や材料クリープが生じることによって接触不良を起し、接触抵抗が増えたりして発熱し易くなることが解消される。これにより、何らかの原因によって大電流が流れることがあっても、ハンダ付け接続される導通部から発熱することは無くなり、耐久性や信頼性に優れる蓄電素子を提供することができる。その結果、発電要素の極と外部端子とが複数の導通部材を用いて導通接続させる構造を採りながら、導通部材どうしの接続部位における発熱のおそれが可能な限り解消される蓄電素子を提供することができる。

そして、リベットや集電体、接続導体をアルミ又はアルミ合金製とする場合には、はんだをアルミ製としたアルミはんだ付け接続することにより、一般的にハンダ付けがし難いとされるアルミ又はアルミ合金材どうしが良好にはんだ付けされて導通接続させることが可能になる。
加えて、アルミはんだの持つ低い融点により、何らかの原因によって発電要素などが発熱して高温になった場合には、アルミはんだが溶解して導通が遮断され、通電され続けることによるさらなる発熱が未然に防止されるヒューズとして機能することが可能になる、という利点も得られる。

蓄電素子の一例であるリチウムイオン二次電池の分解斜視図 第１導通部がアルミはんだによってハンダ付けされた導通接続部の拡大断面図（実施形態１） 第２導通部がアルミはんだによってハンダ付けされた導通接続部の拡大断面図（実施形態２）

以下に、本発明による蓄電素子の実施の形態を、非水電解質二次電池として代表的なリチウムイオン二次電池に適用した場合について図面を参照しながら説明する。以下、一対の集電体２，３やその構造に関しては、基本的に一方（正極側）の説明のみとし、他方（負極側）には対応する符号を付して、その説明が為されたものとする。

〔実施形態１〕
図１に、実施形態１によるリチウムイオン二次電池Ａの分解斜視図が示されている。このリチウムイオン二次電池Ａは、発電要素１や電解質（図示省略）などを収容する電池ケース４の上面に、正負の外部端子５，６を設けて成る扁平な縦向き角型のものに構成されている。電池ケース４は、無蓋箱状でアルミ合金製の本体ケース４Ｂと、アルミ又はアルミ合金の板材で成る蓋ケース部４Ａとをレーザー溶接などによって溶接一体化されて構成されている。なお、図示は省略するが、発電要素１及び一対の集電体２，３などと電池ケース４との間には、これら発電要素１及び各集電体２，３などを収容する合成樹脂製袋状体などの絶縁材が配備されている。

角丸直方形を呈する発電要素１は、図１に示すように、正及び負の各極板（極箔）７，８とそれら両者７，８間に設けられる絶縁材で二枚のセパレータ９とを渦巻状に巻回して渦巻軸心Ｐ方向視で角丸長方形を呈するものに形成されている。正極板７は、帯状のアルミニウム箔製の基材上に正極活物質層が形成されて成り、長手方向（左右方向）の一端部に正極活物質層のない正極の活物質層未形成部７Ａが形成されている。負極板８は、帯状の銅箔製の基材上に負極活物質層が形成されて成り、長手方向（左右方向）の一端部に負極活物質層のない負極の活物質層未形成部８Ａが形成されている。４枚積層体構造の発電要素１においては、正極板７と負極板８とが渦巻軸心Ｐ方向で互いに異なる方向にずらされた状態で交互に積層されている。

正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵及び放出する公知の材料が可能であり、例えば、ＬｉＣｏＯ₂や前記Ｃｏの一部がＮｉ，Ｍｎその他の遷移金属或いはホウ素で置換されたα−ＮａＦｅＯ₂構造を有するリチウム含有遷移金属酸化物、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄に代表されるスピネル型結晶構造を有する化合物、ＬｉＦｅＰＯ₄、ＬｉＦｅＳＯ₄、或は前記Ｆｅの一部がＣｏ、Ｍｎ等で置換されたポリアニオン型化合物等を用いることが可能である。

アルミ又はアルミ合金製の正極の集電体２と、銅又は銅合金製の負極の集電体３とは互いに同じ構造を有しており、正極の集電体２で説明する。即ち、図１に示すように、正極の集電体２は、蓋ケース部４Ａに係止される横板部１０と、その端から折り曲げられて垂下される縦板部１１と、縦板部１１の下部両脇から内向きに９０度曲げられた状態で下方延伸される帯状で一対の集電板部１２，１２とを備える屈曲板状のものに構成されている。

横板部１０は、その内側端部に形成される孔１０ａを挿通するリベット１３などを用いて（介して）正極の外部端子５に導通接続される。各集電板部１２には、金属材製のクリップ１４を用いて正極の活物質層未形成部７Ａの複数が導通接合される。具体的には、活物質層未形成部７Ａにおける上下に延びる部分の複数を束ねてクリップ１４に挟み込み、その複数の活物質層未形成部７Ａを挟み込んだ状態のクリップ１４と集電板部１２とを重ね、超音波溶接などの手段を用いて導通接合させる。なお、正極用のクリップ１４はアルミ又はアルミ合金製であり、負極用のクリップ１４は銅板製である。

次に、発電要素１と正負の外部端子５，６との導通接続部の構造について説明する。正負の各導通接続部は互いに同じ構造であるので、正極の外部端子５のもので代表説明する。
図１に示すように、正極の集電体２と正極の外部端子５とは、リベット１３と導通板（「接続導体」の一例）１５とを介して（用いて）導通接続されている。正極用のリベット１３はアルミ又はアルミ合金製であり、横板部１０と、蓋ケース部４Ａと、これら両者１０，４Ａとの上下間に介装される絶縁板材製の内部ガスケット１６と、絶縁板材製の外部ガスケット（「封止部材」の一例）１７との四者をカシメ（加締）ることにより、集電体２及びリベット１３とを導通接続しながらもそれら両者２，１３及び外部ガスケット１７を蓋ケース部４Ａに支持させている。

導通板１５は、リベット１３の上部に挿通されてのカシメにより、リベット１３に導通接続されるとともに支持される構造である。要するに、導通板１５は蓋ケース部４Ａに強度的に支持される構造となっている。外部端子５は、その下部が外部ガスケット１７に収容される状態で導通板１５に強制内嵌されている。従って、外部端子５も、最終的には蓋ケース部４Ａに強度的に支持される構造となっている。

図２を用いて、上述の導通接続構造をより詳細に説明する。リベット１３は、円柱状のリベット上部（「ケース外部側部分」の一例）１３ａ、リベット上部１３ａよりも径の太いリベット中間部１３ｂ、及び断面中空でリベット上部１３ａと同じ外径を有する筒状のリベット下部（「ケース内部側部分」の一例）１３ｃとを備えている。なお、簡単のため、図１において、リベット１３は概略形状（円柱状）のものとして描いてある。帯板形状の内部ガスケット１６は、その左右方向で内側端部に形成される挿通孔１６ａを有する合成樹脂などによる絶縁部材である。

蓋ケース部４Ａの上面に装備される外部ガスケット１７は、略無蓋箱状の本体枠１７Ａと、上方突出部１７Ｂと、下方に延びる筒部１７Ｃとを備えて成る合成樹脂などによる絶縁部材である。本体枠１７Ａは、底壁１７ａと四方の側壁１７ｂとを有し、平面視が四角形を呈する上方突出部１７Ｂが底壁１７ａから盛り上がり形成されている。そして、上下に貫通する円孔１７ｃを備える筒部１７Ｃが、底壁１７ａから垂下形成されている。筒部１７Ｃは、蓋ケース部４Ａに形成されている円孔４ａに挿通内嵌するように設定されている。

外部端子５は、無底四角箱状のベース部５Ａと、雄ねじが形成されたボルト状の端子部５Ｂとを有するアルミ又はアルミ合金製の部材である。外部端子５は、そのベース部５Ａが上方突出部１７Ｂに丁度外嵌されて収容されることで、上下軸心（図示省略）に関して回り止めされる状態で外部ガスケット１７に載置される。
導通板１５は、アルミ又はアルミ合金製で矩形板状の部材であり、リベット上部１３ａ挿通用の第１孔１５ａと端子部５Ｂ挿通用の第２孔１５ｂとが形成されている。

導通接続部を組付けるには、まず、外部ガスケット１７を、その筒部１７Ｃを蓋ケース部４Ａの円孔４ａに挿通内嵌し、筒部１７Ｃにおける蓋ケース部４Ａからの下方突出部分に挿通孔１６ａを嵌合させて、内部ガスケット１６を蓋ケース部４Ａの下面側に配置する。

それから、或いは並行して、リベット下部１３ｃを筒部１７Ｃの円孔１７ｃに挿入することでリベット１３を外部ガスケット１７に装填し、次いで、下方突出しているリベット下部１３ｃに孔１０ａを挿通させて集電体２を内部ガスケット１６の下側に配置し、その状態でリベット下部１３ｃをカシメ処理する。このとき、外部ガスケット１７の底面（符記省略）と蓋ケース部４Ａの上面（「ケース外側面」の一例）１８とを接着剤を用いるなどして貼着させる手段が採られれば好都合である。

カシメ処理によって形成される環状カシメ部１３ｄとリベット中間部１３ｂとの上下間に、集電体２の横板部１０と、内部ガスケット１６と、蓋ケース部４Ａと、底壁１７ａとが挟まれて圧接されることにより、外部ガスケット１７、内部ガスケット１６、及び集電体の三者が蓋ケース部４Ａに支持される状態（図２参照）がもたらされる。

それから、ベース部５Ａを上方突出部１７Ｂに外嵌させて外部ガスケット１７に載置されている外部端子５の端子部５Ｂに、第２孔１５ｂを強制外嵌（密嵌合又は圧入など）させて導通板１５を下ろし移動させて行き、第１孔１５ａをリベット上部１３ａに外嵌させる。なおも導通板１５を強制下降移動させ、ベース部５Ａの上面（符記省略）並びにリベット中間部１３ｂの上面（符記省略）それぞれに当接される所定の位置に置く。

その状態において、今度はリベット上部１３ａをカシメ処理し、上部カシメ部１３ｅとリベット中間部１３ｂとの間に導通板１５を圧接保持させる。この導通板１５のリベット１３への圧接保持により、下方に押え付けられる外部端子５が回り止め及び上方への抜け止め状態で外部ガスケット１７に係止固定されるとともに、導通板１５及びリベット１３を介して外部端子５と集電体２とが導通接続される状態（図２参照）がもたらされる。

このような構造の導通接続部においては、集電体２とリベット１３との第１導通部ｄ１、リベット１３と導通板１５との第２導通部ｄ２、導通板１５と外部端子５との第３導通部ｄ３の三箇所それぞれは圧接によって導通されている。従って、経年による材料クリープや外部から加えられる振動（走行振動など）により、三箇所の導通部ｄ１〜ｄ３の圧接が緩み、接触抵抗が増えたり、増減変化したり、或いはガタついたりといった接続不良を招く可能性がある。走行振動に晒される割合の多い自動車などの走行車輌に搭載される蓄電素子Ａでは、前記接続不良のおそれが高くなる。

そのような接触不良が生じているときに大電流が流れると、導通部ｄ１〜ｄ３がジュール熱によって発熱し、高温になったり導通部材が溶けたりする不都合事象に至るおそれがある。これを未然に防止するには、各導通部ｄ１〜ｄ３、中でも単なる圧接による第１及び第２導通部ｄ１，ｄ２を溶け込み溶着させる手段、即ち、溶接、ロウ付け、ハンダ付けなどの手段を施すことが考えられる。

リベット１３などの導通部材を変形させることなく、かつ、簡易で廉価な手段としてはハンダ付けが望ましく、それによって上記不都合事象のおそれを明確に抑制できることが予測される。しかしながら、全てアルミ製である正極の第１，２導通部ｄ１，ｄ２においては、通常のハンダは使えないので、アルミはんだを用いる必要がある。アルミはんだｙを用いて各導通部ｄ１〜ｄ３をハンダ付けさせる場合には、圧接させなくても良いから、その分組付けの簡単化やそれによるコストダウンを行うことが可能である。
なお、電池ケース４の内部（第１導通部ｄ１）など、電解質（電解液）への溶解を抑制する、若しくはガルバニック腐食の原因となる異種金属接続面への水分の浸入を防ぐべく、アルミはんだ部（アルミはんだ溶着部）をエポキシなどの樹脂（合成樹脂）で覆い、保護すれば好都合である。

実施形態１によるリチウムイオン二次電池Ａにおいては、図２に示すように、集電体２とリベット１３との導通接続箇所に、即ち、第１導通部ｄ１がアルミはんだｙを用いてハンダ付けされている。アルミはんだｙは、環状カシメ部１３ｄの外周全周に亘って設けても良いし、部分的にハンダ付けさせても良い。これにより、横板部１０と環状カシメ部１３ｄとは圧接ではなく、一体化によって導通されるので、振動や材料クリープが生じることによって接触不良を起し、接触抵抗が増えたりして発熱し易くなることが解消される。故に、何らかの原因によって大電流が流れることがあっても、アルミはんだが用いられている第１導通部ｄ１から発熱することは無くなり、耐久性や信頼性に優れる蓄電素子を提供することができている。

さて、アルミはんだを用いると、振動による圧接のゆるみに伴う抵抗増大を、抑制又は解消させることができる。また、リチウムイオン二次電池Ａが発熱した場合、ハンダの融点付近でアルミはんだ溶着部、即ち、導通部ｄ１〜ｄ３が溶解し、導通接合が解消する、という設定も可能となる。このように設定すれば、何らか原因によってリチウムイオン二次電池Ａが発熱した場合には、所定の高温（例：アルミはんだ融点の２３５℃）になったらアルミはんだが溶解して導通遮断され、さらなる通電によるさらなる発熱が未然に防止されるヒューズとして機能させることが可能になる。

例えば、固相線温度２００℃、液相線温度２３５℃であり、錫を８０〜９０％、亜鉛を１０〜２０％含有する合金を正極の電気的接続に用いる。銅製の負極側の導通部ｄ１〜ｄ３にアルミはんだを使うことは可能であるが、正極の導通部ｄ１〜ｄ３に用いられるアルミの方が銅よりも熱伝導率が高いため、正極側に適用するとより効果的である。

導通板１５として、ニッケルめっきが施された銅板を用いる場合、アルミ製のリベット１３とカシメ処理することで電気的に接続されるが、アルミとニッケルとの間には電位差があるため、電食が生じる可能性がある。この場合に導通接合手段としてアルミはんだを用いると、アルミはんだの標準電位はアルミとニッケルとの中間に位置するので、電食を抑制できる、という利点がある。

導通部ｄ１〜ｄ３を溶着させる手段としては、ほかにレーザビーム等による溶接が考えられる。しかしながら、はんだ付けによる溶着手段は、レーザ溶接による溶着手段に比べて、次の点で優れているといえる。
第一に、導通部ｄ１〜ｄ３に応力がかかった場合に、はんだは柔軟であるため応力を吸収できるので、接合箇所の破損が起こりにくい。
第二に、はんだ付けはレーザ溶接に比べて、集電体２とリベット１３又は導通板１５とリベット１３との接触面積を増すことができるので、接触抵抗を低減させられると推測される。
最後に、図２及び図３に示されるように、導通部ｄ１〜ｄ３近傍に外部ガスケット１７が配置される場合、導通部へのレーザ溶接を行うとレーザの熱が外部ガスケット１７に伝わって、封止効果が低下する可能性があるが、はんだ付けは低温で行われるため、外部ガスケットの熱損傷が起こりにくい。

〔実施形態２〕
実施形態２による蓄電素子Ａは、図３に示すように、導通板１５とリベット１３との導通接続箇所にアルミはんだｙが適用されているものである。つまり、アルミはんだｙが第１導通部ｄ１から第２導通部ｄ２に代わった以外は、図２による実施形態１のものと同じである。具体的には、図３に示すように、導通板１５における第１孔１５ａの周縁部位と上部カシメ部１３ｅとが、アルミはんだｙを用いてハンダ付けされている。この第２導通部ｄ２のアルミはんだｙは、上部カシメ部１３ｅの外周全周に亘って設けても良いし、部分的にハンダ付けさせても良い。

〔別実施形態〕
アルミはんだｙを用いたハンダ付けは、第３導通部ｄ３に施しても良い。また、負極側における第１〜第３導通部ｄ１〜ｄ３にアルミはんだｙを用いてハンダ付けしても良い。また、正極側、負極側のｄ１〜ｄ３ははんだの融点が単体の金属よりも低い性質を利用して、部分的（ピンポイント的）に溶接してもよい。

１ 発電要素
２ 正の集電体
３ 負の集電体
４ ケース
４Ａ 蓋ケース部
５ 正の外部端子
６ 負の外部端子
７ 正の電極
７Ａ 活物質層未形成部
８ 負の電極
８Ａ 活物質層未形成部
９ セパレータ
１３ リベット
１３ａ ケース外部側部分
１３ｃ ケース内部側部分
１５ 接続導体（導通板）
１７ 封止部材（外部ガスケット）
１８ ケース外側面
ｙ アルミはんだ
Ａ 蓄電素子（リチウムイオン二次電池）

Claims (6)

1. ケースに収容される発電要素と、
   前記発電要素の正及び負の電極の少なくとも一方に導通される集電体と、
   前記ケース外側面に配置される接続導体と、
   前記ケースのケース外側面に配置されて前記集電体に前記接続導体を介して導通される外部端子と、
   前記ケースを内外に貫通して止着されることで、前記外部端子と前記集電体とを導通接続するリベットと、
   を備えて成る蓄電素子であって、
   前記接続導体の表面は、ニッケルメッキによって構成され、
   前記リベットは、アルミ又はアルミ合金製であり、
   前記リベットのケース内部側部分と前記集電体、前記リベットのケース外部側部分と前記接続導体、及び前記接続導体と前記外部端子、のうち少なくとも前記リベットのケース外部側部分と前記接続導体が、部分的にアルミはんだ付け接続されている蓄電素子。
2. 前記アルミはんだ付けされた部位を覆う樹脂を備える請求項１に記載の蓄電素子。
3. 前記リベットは、前記ケースの外側に配置されるリベット中間部と、前記リベット中間部と連接し且つ前記リベット中間部との間に前記接続導体を挟み込む上部カシメ部と、前記リベット中間部と連接し且つ前記リベット中間部との間に前記集電体及び前記ケースを挟み込む環状カシメ部と、を有する請求項１又は２に記載の蓄電素子。
4. 前記集電体はアルミ又はアルミ合金製で、かつ、前記リベットのケース内部側部分と前記集電体とがアルミはんだ付け接続されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄電素子。
5. 前記ケースが金属製であるとともに、前記リベットと前記ケースとの間に樹脂製の封止部材が介装されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄電素子。
6. 前記封止部材が前記リベットのケース外側部分の周囲の少なくとも一部を取り囲む形状である請求項５に記載の蓄電素子。
   

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