JP6178418B2 - ハウジングと接触する集電体を備えたバッテリセル - 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。本発明はさらに、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のために用いられる。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。但し、このような従来型のバッテリセルは大抵、バッテリセル全体の組み立てのために複数の様々な個別部品を使用する複雑な構造をしている。様々な形状、機能を有し、様々な材料で構成されるこのような複数の個別部品によって、多様な製造技術及び装置を使用することが必要となる。さらに、バッテリセルの製造の際には、複数の様々な個別部品を常に全て揃った状態で提供する必要があり、個別部品の製造調整及び適切なストックが必要になる。これら全てのことが、バッテリセルの製造時のコストの上昇に寄与しうる。

本発明の実施形態によって、特に、バッテリセルの組立のために必要な個別部品の数を低減することが可能である。

少なくとも１つの巻回要素と、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が提案される。巻回要素は、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、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。集電体の一方は銅で構成され、巻回要素の銅箔と導電的に接続され、例えば溶接される。第２の集電体はアルミニウムで構成され、巻回要素のアルミニウム箔と導電的に接続される。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、巻回要素及び２個の集電体がバッテリセルの製造中にハウジング内へとそれを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。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に、貫通構成が形成される。その際に、提案するバッテリセルは、集電体の一方がハウジングと直接的に機械的及び導電的に接触するよう構成されて配置される点で卓越している。この集電体は、ハウジング接触集電体と呼ばれる。

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

バッテリセル内では、様々な金属箔で構成される積層体と、当該様々な金属箔の間に存在する隔膜と、を有する巻回要素が、当該積層体を湿らせる電解質と共に、エネルギーの化学貯蔵のために用いられ、その際に、化学的に貯蔵されたエネルギーが、電極での適切な化学反応によって、電気エネルギーの形態で提供可能である。

集電体は、巻回要素の電極と、バッテリセルのハウジングから出して導かれ外部から接触可能な接触構成と、の間の電気的接触を形成するために用いられる。このために、各集電体は、巻回要素の金属箔の一方に取り付けられ、好適に溶接される。集電体と当該集電体に取り付けられた巻回要素の金属箔との間の接触電位差と、当該接触電位差により生じるバッテリセルの効果の低下と、を回避するために、集電体は好適に、自身に接触する金属箔と同じ金属で構成されるべきであろう。巻回要素で使用される金属箔は、バッテリセルの陽極又は陰極のとしての機能を果たしうるために様々な金属で構成される必要があるため、バッテリセル内に設けられる２つの集電体も、様々な金属で構成されるべきであろう。従ってバッテリセルの製造の際には、少なくとも利用される材料に関して区別される２つの異なる形態の集電体を提供することが必要であり又は少なくとも有利である。

さらに、金属製のハウジングを、その中に収容される巻回要素の電極の一方と同じ電位にすることが、バッテリセルの場合有利でありうることが観察された。このことを実現するために、従来のバッテリセルでは大抵、カバー構成を貫通する接触構成と金属製のカバー構成との間に電気的接続を生じさせる追加的な構成要素が使用される。その際に、バッテリセルの短絡を防ぐために、カバー構成へと、従って当該カバー構成と電気的に接触するハウジングへと伝わる電気的接触が巻回要素の電極の一方とのみ形成されることを保証する必要があるため、適切な安全措置を取る必要がある。特に、ハウジングの内部に収容される集電体の一方とそれぞれが接触する２つの接触構成は、当該２つの接触構成の一方のみがカバー構成又はハウジングと電気的に接触することを保証するために、異なるやり方で組み立てられる必要があり、又は、異なる追加的な部品が提供される必要がある。即ち、複数の様々な部品が提供される必要がある。

以上の記載から、バッテリセルの２つの集電体を、いずれにせよ２つの異なる構成で提供する必要があることが分かるが、これに対して、特にバッテリセルの接触構成のような、バッテリセルの、電解質と直接的には接触しない他の構成要素は、原則的に同じ材料で製造できるであろうし、当該構成要素のために、必ずしも様々な構成要素をストックする必要はないであろう。

従って、バッテリの集電体を適切に構成することが提案され、集電体の一方を用いて、ハウジングと電極の一方との間の電気的接触が確立される。このために、集電体の一方は、ハウジング接触集電体として構成され、その形状が、バッテリセルが完全に組み立てられた際に集電体とハウジングとの間に導電的接触が生じるように調整される。他方の集電体は、このような機械的及び導電的接触がハウジングとの間に生じないように構成される。これに対応して、異なる構成要素として提供される２つの集電体によって既に、バッテリセルのハウジングを巻回要素の電極の一方の電位にすることが実現され、その際に、この目的のために更なる別の構成要素を提供する必要はない。

好適に、ハウジング接触集電体は、容器と直接的に機械的及び導電的に接触するよう構成される。さらに、ハウジング接触集電体は好適に、カバー構成と直接的には機械的及び導電的に接触しないように構成される。バッテリセルが完全に組み立てられた際には、容器とカバー構成とは、いずれにせよ常に互いに電気的に接触するため、この２つの構成要素の一方に対して、巻回要素の内部に存在する電極の一方との接触を形成すれば十分である。その際に、ハウジング接触集電体による容器への電気的接触は、カバー構成への電気的接触よりも大抵簡単に実現される。さらに、容器が未だ開いている際には、ハウジング接触集電体が正しく取り付けられ容器との所望の接触が形成されているかどうかを視覚的に検査することが可能であるが、これに対して、カバー構成との接触を形成するであろうハウジング接触集電体の場合、このような検査は、カバー構成がハウジングを密閉し次第、少なくとも光学的にはもはや可能ではない。

有利な構成において、ハウジング接触集電体は、プレート形状の領域を有し、このプレート形状の領域は、カバー構成に対して平行に伸長し、その縁部が、容器の内部表面と機械的及び導電的に接触する。一般に、バッテリセルの集電体は、Ｌ字形状を有することが多く、このＬ字形状においては、長い脚部がバッテリセルの縦方向に伸び、即ちバッテリセルのハウジングの側壁と平行に伸び、及び、巻回要素の金属箔の一方と溶接されるのに対し、より短い肢部は、長い肢部に対して横向きに、カバー構成と平行に伸びている。その際に、より短い肢部には大抵、外部に向かってカバー構成を貫通する接触構成が接触する。その際に、集電体は簡単なやり方で、金属板で構成されて曲げられており、従って単体でありうる。集電体のより短い肢部は、簡単に適切なやり方でプレート形状の領域を有して形成され、従って、バッテリセルが組み立てられた際にはハウジングに突き当たって、好適に容器に突き当たって当該容器と電気的接触を形成する。

その際に、ハウジング接触集電体のプレート形状の領域の幅は、好適に、容器の対向する２つの内壁の間の幅に対応するように算定されうる。これにより、ハウジング接触集電体は、ハウジングに組み込まれた際にその縁部がハウジングの内壁と接触し、その際、容器の対向する２つの内壁によって支持される。

その際に、ハウジング接触集電体のプレート形状の領域の縁部領域は、容器の側壁に対して平行な方向に曲げられる。このような屈曲は、例えば角度が９０°であってもよい。屈曲した縁部領域によって、ハウジング接触集電体のプレート形状の領域は、自身を形成する金属板の鋭い端部でハウジングに突き当たるのではなく、屈曲した縁部領域が広い面でハウジングに当接することが実現される。これにより、局所的な過度な表面圧力が防止される。特に、ハウジングも集電体も薄板金で形成され、ハウジング接触集電体の薄板金がハウジングの薄板金とは異なる厚さを有し、従ってハウジングの薄板金とは機械的安定性が異なる場合には、ハウジング接触集電体のプレート形状の領域の縁部領域の適切な構成によって、過度な表面圧力によるハウジング接触集電体及び／又はハウジングへの損傷を防止することが可能である。

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、特に集電体の構成は、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ためのハウジング接触集電体の斜視図を示す。 本発明の一実施形態に係るバッテリセルの断面図を示す。 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個の集電体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。さらに後の時点に、容器１３には液状の電解質が充填され、当該電解質は、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。

容器１３の開口部１４は、カバー構成１５によって気密かつ圧密に閉鎖される。その際に、一方では、接触構成１９がカバー構成１５を貫通可能であること、他方では、自身の内部に設けられた接触構成１９も含むカバー構成１５が、電解質の漏出及び湿気の侵入を確実に防止するのに十分な程度に堅く容器１３の開口部１４を密閉することを可能にしうるために、カバー構成１５は複数の部品を有する。

その際に、接触構成１９は、外側に存在する連結子２１と、ハウジング１１の内部に配置される集電体７、９と、の間の電気的接触を形成するために用いられる。その際に、ハウジング１１を集電体７、９の一方と同じ電位にするために、従来のバッテリセルでは、２つの接触構成１９には、複数の異なる個別部品が備えられる。例えば、接触構成１９の一方には、接触要素２１と、容器１３に溶接された金属製のカバープレート２３と、の間の電気的接触を形成する導電性の電位プレート１７が設けられる。他方の接触構成１９の場合はその代わりに、割り当てられた集電体９又は当該集電体９と接触する接触構成１９と、カバープレート２３と、の間の電気的接触を妨げるために、絶縁部品２８が設けられる。

先に記載したように、接触構成のための複数の個別部品が必要となることを回避しうるために、例えば図２に示すように、２つの集電体７、９の一方をハウジング接触集電体２９として特別に構成することを提案する。巻回要素３内に設けられた金属箔の一方と溶接可能な２つの肢部３１に加えて、Ｌ字形状のハウジング接触集電体２９は、肢部３１に対して直角に突出した第２の肢部３３に、プレート形状の領域３５を有する。このプレート形状の領域３５は、容器１３の内寸の幅にほぼ対応する幅ｄを有する。プレート形状の領域３５の縁部領域３７は、約９０°の角度で上方へと曲げられている。

図３に示すように、容器１３に挿入されたハウジング接触集電体２９は、プレート形状の領域３５の、上方へと曲げられた縁部領域３７で、容器１３の内壁と面で（ｆｌａｅｃｈｉｇ）接触する。その際に、縁部領域３７は、容器１３の対向する壁４１の間に挟まって締め付けられ、これにより、容器１３との機械的及び導電的接触が確立される。

縁部領域３７が、容器１３の内壁４１に対して平行に伸び当該内壁４１に密着することで、ハウジング接触集電体２９と、当該ハウジング接触集電体２９と接触する容器１３と、の間の過度の表面圧力が防止され、従って、局所的な損傷が大幅に予防されうる。

図４は、複数の上記バッテリセル１が組み立てられたバッテリ１０２を備える車両１００を示している。

Claims (9)

1. 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、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（５）が巻回された巻回要素（３）と、
   電解質と、
   前記銅箔と導電的に接続された銅製の集電体（７）と、
   前記アルミニウム箔と導電的に接続されたアルミニウム製の集電体（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）及び２個の前記集電体（７、９）が、前記バッテリセル（１）の製造中に前記ハウジング（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、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２個の前記集電体（７、９）とそれぞれが個別に接触する導電性の２個の接触構成（１９）を、前記ハウジング（１１）から出して気密に貫通させるための貫通構成が形成される、前記バッテリセル（１）において、
   前記集電体（７，９）の一方は、ハウジング接触集電体（２９）として、前記ハウジング（１１）と直接的に機械的及び導電的に接触するよう構成されて配置され、
   前記ハウジング接触集電体（２９）は、プレート形状の領域（３５）を有し、前記プレート形状の領域（３５）の面は、前記カバー構成（１５）に対して平行に伸長し、その縁部が、前記容器（１３）の内部表面と機械的及び導電的に接触し、
   前記プレート形状の領域（３５）の縁部の面は、前記開口部（１４）の互いに対向する縁と平行であることを特徴とする、バッテリセル（１）。
2. 前記ハウジング接触集電体（２９）は、前記容器（１３）と直接的に機械的及び導電的に接触する、請求項１に記載のバッテリセル。
3. 前記ハウジング接触集電体（２９）は、前記カバー構成（１５）と直接的には機械的及び導電的に接触しない、請求項１又は２に記載のバッテリセル。
4. 前記プレート形状の領域（３５）は、前記容器（１３）の対向する２つの壁（４１）の間の幅に相当する幅（ｄ）を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリセル。
5. 前記ハウジング接触集電体（２９）の前記プレート形状の領域（３５）の縁部領域（３７）は、前記容器（１３）の側壁（４１）に対して平行な方向に曲げられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバッテリセル。
6. 前記ハウジング（１１）及び前記集電体（７、９）は、板金で形成され、前記ハウジング接触集電体（２９）の前記板金は、前記容器（１３）の前記板金とは異なる厚さを有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のバッテリセル。
7. 前記集電体（７、９）は単一の部材である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のバッテリセル。
8. 前記ハウジング（１１）は、角柱形状を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載のバッテリセル。
9. 請求項１〜８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）。

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