JP6172212B2

JP6172212B2 - 蓄電装置および二次電池

Info

Publication number: JP6172212B2
Application number: JP2015104353A
Authority: JP
Inventors: 貴之弘瀬; 元章奥田; 寛恭西原; 耕二郎田丸; 中村　知広; 知広中村
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2034-06-17
Also published as: JP2016004781A

Description

本明細書に開示の技術は、蓄電装置および二次電池に関する。

従来から、車両に搭載され、充電および放電ができる蓄電装置の開発が進められている。特許文献１には蓄電装置が開示されている。特許文献１の蓄電装置は、電解液が収容されたケースと、ケースに収容された電極組立体とを備えている。充電時または放電時には、ケースに収容された電解液および電極組立体が反応する。

特開２００７−３１７４９２号公報

蓄電装置は、水平に置かれた状態から斜めに傾くことがある。例えば、蓄電装置を搭載した車両が斜面を走行するときに、蓄電装置が傾くことがある。蓄電装置が傾くと、充電および放電が良好に行われないことがある。そこで本明細書は、水平におかれた状態から傾いても良好に作動する蓄電装置および二次電池を提供することを目的とする。

本明細書に開示する蓄電装置は、車両に搭載される蓄電装置であって、内部に電解液が収容されたケースと、ケースに収容され、前記電解液中に沈んでいる電極組立体と、ケースに固定され、電極組立体に電気的に接続された端子とを備えている。ケースが水平に置かれた状態から２０．０°〜３０．０°の範囲で傾いたときに、電解液の液面が、電極組立体の頂部より高い位置にある。

このような構成によれば、ケースが水平におかれた状態から傾いたとしても、電極組立体の全体が電解液中に沈んでいるので、電極組立体が電解液と良好に反応し、蓄電装置が良好に作動する。なお、ケースが傾いたときに電解液の液面が電極組立体の頂部より低い位置にあると、電極組立体のうち電解液に沈まない部分が生じ、電解液と電極組立体が良好に反応しない場合がある。このような構成では、電解液と電極組立体が良好に反応しないことにより、蓄電装置の充電および放電が良好に行われないことがある。

上記の蓄電装置において、ケースは、開口部が形成された蓋体を備えていてもよい。端子は、蓋体の開口部に固定されていてもよい。蓄電装置は、蓋体の下面と端子との間に配置された絶縁部材を更に備えていてもよい。ケースが水平に置かれた状態において、電解液の液面が、絶縁部材より低い位置にあってもよい。

また、電極組立体は、端子に電気的に接続された集電タブを備えていてもよい。集電タブは、撓んだ状態でケースに収容されていてもよい。

電極組立体の角に面取り部が形成されていてもよい。

上記の各蓄電装置は、二次電池であってもよい。

蓄電装置が搭載された車両の側面図である。蓄電装置の断面図である。傾いた状態における蓄電装置の断面図である。図３の要部IVの拡大図である。電極組立体の分解斜視図である。図２のIV−IV断面図である。図２の要部IIの拡大図である。通電状態における図２の要部IIIの拡大図である。非通電状態における図２の要部IIIの拡大図である。通電板の裏面図である。

以下、実施形態について添付図面を参照して説明する。図１に示すように、蓄電装置１は、車両１０１に搭載される。車両１０１としては、例えばフォークリフトなどの産業用車両を例示できる。車両１０１は、傾いた斜面を走行可能である。車両１０１は、最大で２４．２°（勾配４５％）傾いた斜面を走行することができる。

図２に示すように、蓄電装置１は、ケース１１と、ケース１１に収容された電極組立体１２と、ケース１１に固定された端子１３（正極端子１３１および負極端子１３２）とを備えている。電極組立体１２と端子１３は電気的に接続されている。また、蓄電装置１は、端子１３と電極組立体１２の間に配置された電流遮断装置１０を備えている。蓄電装置１は、例えばリチウムイオン電池などの二次電池である。

ケース１１は、略直方体形状の箱型部材である。ケース１１は、金属製であり、例えばステンレスやアルミニウムから形成されている。ケース１１は、本体１１１と、本体１１１に固定された蓋体１１２とを備えている。蓋体１１２は、本体１１１の上部を覆っている。すなわち、ケース１１の上端部に蓋体１１２が配置されている。ケース１１の本体１１１の内部には、電解液が収容されている。ケース１１の蓋体１１２には、正極用の開口部８５と、負極用の開口部８６が形成されている。正極用の開口部８５には正極端子１３１が固定される。負極用の開口部８６には、負極端子１３２が固定される。ケース１１は、車両１０１が水平面を走行しているときは、水平に置かれている。ケース１１は、車両１０１が斜面を走行しているときは、水平に置かれた状態から傾く。車両１０１が傾くと、それに応じてケース１１が傾く。車両１０１が斜面を走行することにより車両１０１の前輪が後輪より高い位置に来る場合、あるいは、後輪が前輪より高い位置に来る場合には、それに応じてケース１１が車両１０１と同じ向き、及び同じ角度で傾く。また、ケース１１が傾くと、ケース１１に収容された電極組立体１２も傾く。ケース１１および電極組立体１２は、最大で３０°傾く。車両１０１が２４．２°傾くと、ケース１１および電極組立体１２が３０°傾く。図２は、ケース１１が水平に置かれた状態を示しており、図３は、ケース１１が傾いた状態を示している。図２に示すように、ケース１１が水平に置かれた状態は、ケースの底面１１３が水平に置かれた状態を意味する。図３に示すように、ケース１１が傾いた状態は、ケースの底面１１３が水平に対して傾いている状態を意味する。また、ケース１１が傾いた状態は、図３に示すように、ケース１１内の電極組立体１２の最も大きい表面を視た状態で、この表面と平行な方向に沿って回転した状態を意味する。

ケース１１に収容された電解液は、非水系の溶媒に支持塩（電解質）を溶解させた非水電解液であることが好ましい。非水系の溶媒として、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等の鎖状エステルを含んでいる溶媒、酢酸エチル、プロピロン酸メチルなどの溶媒、又はこれらの混合液を使用することができる。また、支持塩（電解質）として、例えば、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＡｓＦ_６等を使用することができる。電解液には、芳香族系のモノマー添加剤が含まれている。

電極組立体１２は、略長方形状に形成されている。電極組立体１２は、ケース１１の内部に配置されている。電極組立体１２は、面取り部４００を有している。面取り部４００は、電極組立体１２の角を斜めに除去することにより形成されている。面取り部４００は、電極組立体１２の上部および下部の角に形成されている。面取り部４００は、電極組立体１２の四隅に形成されている。電極組立体１２は、水平に配置されている。電極組立体１２は、電解液中に沈んでいる。ケース１１が水平に置かれた状態において、電解液の液面Ｌは、電極組立体１２より高い位置にある。また、ケース１１が水平に置かれた状態から傾いたときに、図４に示すように、電解液の液面Ｌの高さは、電極組立体１２の頂部１４より高い位置にある。すなわち、ケース１１が水平に置かれた状態であっても、ケース１１が水平に置かれた状態から傾いたときであっても、電極組立体１２の全体が電解液の中に沈んでいる。電極組立体１２の頂部１４は、ケース１１が傾いたときに、電極組立体１２の最も高い位置にある部分である。図４では、ケース１１が水平に置かれた状態から傾いたときの電極組立体１２の角部分を拡大して示している。電極組立体１２の頂部１４は、ケース１１が傾いたときに電解液中に沈んでいる。ケース１１が水平に置かれた状態から２０．０°〜３０．０°の範囲で傾いたときに、電解液の液面Ｌが、電極組立体１２の頂部１４より高い位置にある。電極組立体１２の角が面取りされることにより、電極組立体１２が傾いたときに、電極組立体１２の頂部１４の高さ位置が、面取りされていない場合よりも低くなる。面取り部４００は、電解液中に沈んでいる。

電極組立体１２は、図５に示すように、正極シート１２１と、負極シート１２２と、正極シート１２１と負極シート１２２の間に配置されたセパレータ１２３とを備えている。電極組立体１２は、複数の正極シート１２１、複数の負極シート１２２、および複数のセパレータ１２３が積層された構成である。正極シート１２１及び負極シート１２２は、集電体と、集電体上に形成されている活物質層とを備えている（いずれも図示省略）。蓄電装置１が過充電状態や過放電状態になると、電極組立体１２からガスが発生してケース１１内の圧力が上昇する。

正極シート１２１、負極シート１２２およびセパレータ１２３は、それぞれ、面取り部４０１、４０２、４０３を有している。正極シート１２１、負極シート１２２、およびセパレータ１２３の面取り部４０１、４０２、４０３が重なることにより、電極組立体１２の面取り部４００が形成されている。

また、電極組立体１２は、集電タブ（正極集電タブ８１および負極集電タブ８２）を備えている。正極集電タブ８１は正極シート１２１の上端部に形成されている。負極集電タブ８２は負極シート１２２の上端部に形成されている。正極集電タブ８１および負極集電タブ８２は上方に突出している。正極集電タブ８１は正極リード８３に固定されている。負極集電タブ８２は負極リード８４に固定されている。

正極集電タブ８１は、図６に示すように、撓んだ状態でケース１１に収容されている。負極集電タブ８２も同様に、撓んだ状態でケース１１に収容されている。ケース１１の内部において電極組立体１２は、正極集電タブ８１および負極集電タブ８２が撓んだ状態から伸びた状態まで移動可能である。正極集電タブ８１および負極集電タブ８２が撓んでいるので、電極組立体１２の移動範囲が広くなる。

図２に示すように、正極リード８３は正極集電タブ８１と正極端子１３１に接続されている。正極リード８３を介して正極集電タブ８１と正極端子１３１が電気的に接続されている。正極リード８３とケース１１の間には絶縁部材７２が配置されている。絶縁部材７２は正極リード８３とケース１１を絶縁している。

負極リード８４は負極集電タブ８２と接続部材８７に接続されている。接続部材８７は電流遮断装置１０を介して負極端子１３２に電気的に接続されている。よって、負極リード８４、接続部材８７および電流遮断装置１０を介して、負極集電タブ８２と負極端子１３２が電気的に接続されている。これにより、電極組立体１２と負極端子１３２を接続する通電経路が形成されている。電流遮断装置１０はこの通電経路を遮断可能である。電流遮断装置１０の構成については後述する。負極リード８４とケース１１の間には絶縁部材７３が配置されている。絶縁部材７３は負極リード８４とケース１１を絶縁している。

端子１３（正極端子１３１および負極端子１３２）は、ケース１１の蓋体１１２に固定されている。正極端子１３１および負極端子１３２は、ケース１１の外部に突出している。正極端子１３１と負極端子１３２は間隔をあけて配置されている。正極端子１３１および負極端子１３２は、電極組立体１２に電気的に接続されている。

図７に示すように、正極端子１３１は、ケース１１の蓋体１１２にかしめ固定されている。正極端子１３１は、円柱部９１、基底部９２、および固定部９３を備えている。円柱部９１は正極用の開口部８５に挿入されている。基底部９２は環状に形成されている。基底部９２は円柱部９１の下端部に固定されている。基底部９２はケース１１の内部に配置されている。固定部９３は環状に形成されている。固定部９３は円柱部９１の上端部に固定されている。固定部９３はケース１１の外部に配置されている。正極端子１３１は、固定部９３と基底部９２が上下に加圧されることによりケース１１に固定されている。

正極端子１３１は、正極側外部端子３０１に接触している。正極側外部端子３０１は、外部の回路（図示省略）に接続されている。正極側外部端子３０１とケース１１の間には絶縁部材７４が配置されている。絶縁部材７４は正極側外部端子３０１とケース１１を絶縁している。また、正極端子１３１とケース１１の間には絶縁性の絶縁部材７５が配置されている。絶縁部材７５は、蓋体１１２の下面と正極端子１３１との間に配置されている。絶縁部材７５は正極端子１３１とケース１１を絶縁している。ケース１１が水平に置かれた状態において、電解液の液面Ｌの高さは、絶縁部材７５より低い位置にある。絶縁部材７５は、電解液に浸漬しておらず、電解液の外部に位置している。

図８に示すように、負極端子１３２は、ケース１１にかしめ固定されている。負極端子１３２は、円筒部９４、基底部９５、および固定部９６を備えている。円筒部９４は負極用の開口部８６に挿入されている。円筒部９４には貫通孔９７が形成されている。基底部９５は環状に形成されている。基底部９５は円筒部９４の下端部に固定されている。基底部９５はケース１１の内部に配置されている。基底部９５には凹部９８が形成されている。凹部９８は貫通孔９７と連通している。固定部９６は環状に形成されている。固定部９６は円筒部９４の上端部に固定されている。固定部９６はケース１１の外部に配置されている。負極端子１３２は、固定部９６と基底部９５が上下に加圧されることによりケース１１に固定されている。

負極端子１３２は、負極側外部端子３０２に接触している。負極側外部端子３０２は、外部の回路（図示省略）に接続されている。負極側外部端子３０２とケース１１の間には絶縁部材７６が配置されている。絶縁部材７６は負極側外部端子３０２とケース１１を絶縁している。また、負極端子１３２とケース１１の間には絶縁部材７７が配置されている。絶縁部材７７は、蓋体１１２の下面と負極端子１３２との間に配置されている。絶縁部材７７は負極端子１３２とケース１１を絶縁している。ケース１１が水平に置かれた状態において、電解液の液面Ｌの高さは、絶縁部材７７より低い位置にある。絶縁部材７７は、電解液に浸漬しておらず、電解液の外部に位置している。

次に、電流遮断装置の構成について説明する。図８および図９に示すように、電流遮断装置１０は、通電板２０および第１変形板４０を備えている。電流遮断装置１０はケース１１の内部に配置されている。電流遮断装置１０は、負極端子１３２より下側に配置されている。図８は通電状態を示しており、図９は非通電状態を示している。

通電板２０は、金属製の部材であり、導電性を有している。通電板２０は、接続部材８７に接続されている。通電板２０は、接続部材８７および負極リード８４を介して、電極組立体１２に電気的に接続されている。

また、通電板２０は、第１変形板４０より下側に配置されている。通電板２０は、第１変形板４０に固定されている。通電板２０の中央部２２が第１変形板４０に固定されている。また、通電板２０は、表面２８および裏面２９を有している。通電板２０の表面２８が第１変形板４０と対向しており、裏面２９がケースに収容された電解液と対向している。

通電板２０の裏面２９には、溝部２３が形成されている。図１０は、通電板の裏面図である。図１０に示すように、通電板２０は、円形状に形成されている。溝部２３は、通電板２０の裏面２９において円形状に延びるように形成されている。溝部２３は、外周部２１より内側に形成されている。溝部２３は、中央部２２より外側に形成されている。溝部２３は、中央部２２の周囲に形成されている。溝部２３は、通電板２０の他の部分より強度が弱く、破断しやすい。通電板２０は、溝部２３を起点にして破断する。これにより、通電が遮断される。通電板２０は、図８に示すように、通電状態のときには破断しておらず、図９に示すように、破断すると非通電状態になる。

また、通電板２０には、貫通孔５０が形成されている。貫通孔５０は、通電板２０を貫通している。貫通孔５０は、空間５４に通じている。貫通孔５０は、通電板２０の外周部２１と中央部２２の間に形成されている。貫通孔５０は、溝部２３より外側に形成されている。

第１変形板４０は、金属製のダイアフラムである。第１変形板４０は、導電性を有しており、平面視において円形状に形成されている。第１変形板４０は、通電板２０より上側に配置されている。第１変形板４０は、中央部４２および外周部４１を有している。第１変形板４０は、図８に示すように、通電状態のときには下方に凸の状態であり、図９に示すように、非通電状態のときには上方に凸の状態になる。通電状態のときは、第１変形板４０の中央部４２が下方に突出している。

第１変形板４０の中央部４２は、通電板２０の中央部２２に固定されている。第１変形板４０の中央部４２と通電板２０の中央部２２は、溶接により固定されている。第１変形板４０の下面が通電板２０の上面に固定されている。第１変形板４０の外周部４１と通電板２０の外周部２１の間には絶縁部材７８が配置されている。絶縁部材７８は、第１変形板４０と通電板２０を絶縁している。

第１変形板４０は、負極端子１３２より下側に配置されている。第１変形板４０の外周部４１は、負極端子１３２の基底部９５に固定されている。第１変形板４０の外周部４１と負極端子１３２の基底部９５は、溶接により固定されている。第１変形板４０の上面が負極端子１３２の下面に固定されている。

通電板２０および第１変形板４０は、固定部材７０により固定されている。固定部材７０は、通電板２０および第１変形板４０をかしめ固定している。固定部材７０は、通電板２０および第１変形板４０を、負極端子１３２の基底部９５に対して固定している。固定部材７０の内側には絶縁部材７９が配置されている。絶縁部材７９は、通電板２０、第１変形板４０、および負極端子１３２を、固定部材７０から絶縁している。

上記のような構成を備える蓄電装置１によれば、ケース１１が水平に置かれた状態から２０．０°〜３０．０°の範囲で傾いたときに、電解液の液面Ｌの高さが、電極組立体１２の頂部１４より高い位置にある。これにより、ケース１１が傾いたとしても、電極組立体１２の全体が電解液中に沈み、電極組立体１２の活性物質が電解液と良好に反応する。したがって、上記の蓄電装置１は、水平におかれた状態から傾いても良好に作動する。

また、ケース１１の蓋体１１２の下面と端子１３（１３１、１３２）との間に絶縁部材７５、７７が配置されており、ケース１１が水平に置かれた状態において、電解液の液面Ｌの高さが、端子１３（１３１、１３２）とケース１１の間に配置された絶縁部材７５、７７より低い位置にある。その結果、絶縁部材７５、７７が電界液中に沈むことがなく、端子１３（１３１、１３２）とケース１１の間にガスが通過できる隙間を確保することができる。これにより、隙間を通じでケース内のガスを逃がすことができるので、ケース１１内の圧力が高くなりすぎることがない。また、集電タブ８１、８２が撓んだ状態でケース１１に収容されているので、電極組立体１２の移動範囲が広くなる。これにより、ケース１１が傾いたとしても、電極組立体１２の全体が電解液中に沈み易くなる。また、電極組立体１２に面取り部４００が形成されているので、電極組立体１２が傾いたとしても、電極組立体１２の頂部１４の高さ位置を低く抑えることができる。これにより、ケース１１が傾いたとしても、電極組立体１２の全体が電解液中に沈み易くなる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１；蓄電装置
１０；電流遮断装置
１１；ケース
１２；電極組立体
１３；端子
１４；頂部
２０；通電板
２１；外周部
２２；中央部
２３；溝部
２８；表面
２９；裏面
４０；第１変形板
４１；外周部
４２；中央部
５０；貫通孔
７０；固定部材
７２；絶縁部材
７３；絶縁部材
７４；絶縁部材
７５；絶縁部材
７６；絶縁部材
７７；絶縁部材
７８；絶縁部材
７９；絶縁部材
８１；正極集電タブ
８２；負極集電タブ
８３；正極リード
８４；負極リード
８５；（正極用の）開口部
８６；（負極用の）開口部
８７；接続部材
９１；円柱部
９２；基底部
９３；固定部
９４；円筒部
９５；基底部
９６；固定部
９７；貫通孔
９８；凹部
１０１；車両
１１１；本体
１１２；蓋体
１２１；正極シート
１２２；負極シート
１２３；セパレータ
１３１；正極端子
１３２；負極端子
３０１；正極側外部端子
３０２；負極側外部端子
４００；面取り部
４０１；面取り部
４０２；面取り部
４０３；面取り部

Claims

車両に搭載される蓄電装置であって、
内部に電解液が収容されたケースと、
前記ケースに収容され、前記電解液中に沈んでいる直方体状の電極組立体と、
前記ケースに固定され、前記電極組立体に電気的に接続された一対の端子と、を備え、
前記ケースが水平に置かれた状態で、前記一対の端子が水平方向に並び、前記一対の端子が並ぶ方向に前記電極組立体の長辺が延び、前記水平方向に直交する重力方向に前記長辺より短い前記電極組立体の短辺が延び、
前記車両が斜面を走行することによって前記ケースが水平に置かれた状態から２０．０°〜３０．０°の範囲で傾いたとしても、電解液の液面が、前記電極組立体の頂部より高い位置にあり、
前記ケース内の前記電極組立体より上方に液止め用の板を設けていないことを特徴とする蓄電装置。
前記ケースの上端部には、開口部が形成された蓋体が配置されており、
前記端子は、前記蓋体の前記開口部に固定されており、
前記蓋体の下面と端子との間に配置された絶縁部材を更に備え、
前記ケースが水平に置かれた状態において、電解液の液面が、前記絶縁部材より低い位置にあることを特徴とする請求項１に記載の蓄電装置。
前記電極組立体は、前記端子に電気的に接続された集電タブを備え、
前記集電タブは、撓んだ状態でケースに収容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。
前記電極組立体の角に面取り部が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の蓄電装置。
前記蓄電装置は、二次電池である請求項１から４のいずれかに記載の蓄電装置。