JP6186782B2 - 蓄電素子 - Google Patents

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Description

本願発明は、筐体内に発電要素や電解液などの蓄電・放電手段が収容される蓄電素子に関し、特に前記発電要素と機械的かつ電気的に接続される集電体を備える蓄電素子に関する。
近年、ハイブリッド自動車や電気自動車、アシスト自転車のように、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の蓄電素子(例えば二次電池)が実用化されている。また、太陽光発電などにより発生した電力を蓄えておく蓄電素子も実用化されている。例えば、リチウムイオン電池などが前記高いエネルギー容量の蓄電素子として挙示することができる。
このような蓄電素子は、例えば特許文献1に記載されているように、金属などからなる剛性の高い矩形の筐体と、電力を供給したり蓄えたりするために前記筐体の内外に電気を流すための正極および負極に対応する電極端子と、正極の前記電極端子と負極の前記電極端子とのそれぞれに接続され、前記筐体の内壁と接触しないように内壁の角部分に沿って配置される二つの集電体と、二つの集電体の間を架橋状態で電気的かつ機械的に接続される発電要素とを備える場合がある。
前記構造の蓄電素子の場合、集電体は、矩形の筐体の蓋部と短壁とで形成される角部に沿って配置され、電極端子とは蓋体と平行な面で接続され、発電要素とは短壁に沿った部分において長壁と平行な面で接続される。このような集電体を平板の金属材料から造る場合、特に、特許文献1に示すような一つの集電体に対し複数の発電要素を接続する場合、平板材料の短壁に沿った複数の部分を厚さ方向に屈曲させ、かつ、屈曲した各部分をねじることにより長壁と平行な複数の面を並べて設けている。
特開2002−231214号公報
ところが、集電体の蓋体に沿った部分と短壁に沿った部分の間に存在するねじれた部分は発電要素と干渉するため、集電体のねじれた部分を回避するために発電要素を変形させる必要があり、発電要素を変形させる際に短絡不良が発生し歩留まりの低下を招くことにもなる。
本願発明は上記課題に鑑みなされたものであり、矩形の筐体の中で空間的に効率よく配置できる集電体の製造方法、および、当該集電体を備えた蓄電素子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は、電気を蓄え放出する発電要素と、前記発電要素を収容する筐体と、前記発電要素と機械的かつ電気的に接続される集電体とを備える蓄電素子であって、前記集電体は、前記筐体に取り付けられる導電性を有する平板状の基板と、前記基板に電気的かつ機械的に接続される平板状の第一接続板と、前記発電要素と電気的かつ機械的に接続される少なくとも3つの第二接続板とを備え、前記第二接続板は、少なくとも一つが前記第一接続板に電気的かつ機械的に接続され、前記基板の表面である基板面に対し当該第二接続板の前記発電要素と接続される面である接続面が垂直または略垂直となるように配置され、前記接続面が相互に平行または略平行、かつ、前記接続面の法線に沿って一列に配置されることを特徴としている。
また、電気を蓄え放出する発電要素と、前記発電要素を収容する筐体と、前記発電要素と機械的かつ電気的に接続される集電体とを備える蓄電素子であって、前記集電体は、前記筐体の内壁面に沿って配置され前記筐体に取り付けられる平板状の基板と、前記基板と前記発電要素とを電気的かつ機械的に接続する前記基板より厚みの薄い平板状の第二接続板とを備えることを特徴としてもよい。
これによれば、空間的に効率よく集電体を筐体内に配置することができ、発電要素を変形させる必要がなくなる。
また、上記目的を達成するために、本願発明にかかる集電体製造方法は、電気を蓄え放出する発電要素と、前記発電要素を収容する筐体と、前記筐体と前記発電要素とを電気的かつ機械的に接続する集電体とを備える蓄電素子用の集電体製造方法であって、導電性を有する平板材料を折り曲げて直角または略直角に配置される第一接続板と第二接続板とを形成し、平板状の基板の表面である基板面に沿うように前記第一接続板を取り付けることを特徴としている。
これによれば、空間的に効率よく筐体内に配置することのできる集電体を製造することができる。
本願発明によれば、蓄電素子製造時の歩留まりを向上させることが可能となる。
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、発電要素を模式的に示す側面図である。 図4は、発電要素をXY平面で切断した状態を模式的に示す平面図である。 図5は、集電体を模式的に示す斜視図である。 図6は、集電体を分解した状態で示す斜示図である。 図7は、第一接続板と第二接続板の製造過程を示す斜示図である。 図8は、別態様の集電体を下方から分解状態で示す斜示図である。 図9Aは、別態様の集電体を下方から示す斜示図である。 図9Bは、別態様の集電体を下方から示す平面図である。 図10は、別態様の集電体を分解状態で示す斜示図である。 図11は、別態様の集電体を示す斜示図である。 図12は、他の実施の形態の集電体を分解した状態で示す斜示図である。 図13は、他の実施の形態の集電体を模式的に示す斜視図である。 図14は、図13に示すA−A断面で集電体を模式的に示す断面図である。 図15は、基板と第一接続板との接続のバリエーションを示す平面図である。 図16は、基板と第一接続板との接続のバリエーションを示す平面図である。
次に、本願発明に係る蓄電素子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。
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。
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であり、発電要素101と、筐体102と、集電体103とを備えている。
図3は、発電要素を模式的に示す側面図である。
同図に示すように発電要素101は、負極、および、正極のいずれか一方であるシート状の第一極体111と、他方であるシート状の第二極体112とシート状のセパレータ119とが第一方向(図中X軸方向)に層状に配置され、電気を蓄えることができる部材である。
本実施の形態の場合、負極は、銅からなる長尺帯状の第一極体111の表面に負極活物質層が形成されたものである。正極は、アルミニウムからなる長尺帯状の第二極体112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119は、樹脂やガラスファイバーなどからなる微多孔性の絶縁性シートである。そして、発電要素101は、第一極体111と第二極体112との間にセパレータ119が挟み込まれるように層状に配置されたものを全体が長円形状となるように巻き回されて形成されている。
図4は、発電要素をXY平面で切断した状態を模式的に示す平面図である。
同図に示すように、発電要素101は、第一極体111と第二極体112とが巻回軸方向(図中Y軸方向)にずれた状態で形成されている。そして、第二極体112から突出する第一極体111の部分、および、第一極体111から突出する第二極体112の部分はそれぞれ集電体103と電気的かつ機械的に接続する接続部115(図中2点鎖線で囲った部分)として機能する。接続部115は、負極活物質や正極活物質が形成されておらずアルミニウム箔や銅箔が露出している。
本実施の形態の場合、一つの筐体102の内部に複数備えられており、正極用、負極用の一組の集電体103により複数の発電要素101が吊り下げ状態で保持されている。
筐体102は、発電要素101を収容する部材である。本実施の形態の場合、筐体102は、容器121と蓋体122とで構成されている。
容器121は、発電要素101を収容する矩形(直方体)の部材である。本実施の形態の場合、容器121は、アルミニウムやその合金、ステンレス鋼等の金属で形成されている。容器121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を備えている。また、容器121は、容器121の開口端部と蓋体122とが溶接されることにより、蓋体122とともに筐体102を構成する。蓋体122は、容器121の開口部を閉塞する金属製の板状部材である。
図5は、集電体を模式的に示す斜視図である。
図6は、集電体を分解した状態で示す斜示図である。
これらの図に示すように、集電体103は、基板133と、第一接続板131と、第二接続板132とを備えている。
集電体103は、電極端子105と発電要素101とを電気的に接続する機能を有すると共に、筐体102(蓋体122)に機械的(物理的)にも接続され発電要素101を筐体102に対して吊り下げる機能を有する部材である。
なお、正極に接続される集電体103は、例えばアルミやその合金で形成され、負極に接続される集電体103は、例えば銅やその合金で形成されるが、一方の集電体103の形状は他方の集電体103の形状の鏡像対称となっているため、以下、一方の集電体103の形状や構造について説明する。
基板133は、筐体102に取り付けられる導電性を有する平板状の部材である。本実施の形態の場合、基板133は、蓋体122に沿って配置され、蓋体122を貫通する集電体用リベット123によって機械的に取り付けられている。なお、基板133と集電体用リベット123とは導通状態で電気的にも接続されるが、基板133と蓋体122(筐体102)とは、絶縁部材を介して取り付けられており、電気的には接続されていない。また、基板133は、全体視平板状であるが、機械的強度向上のため、矩形の平板の三辺を屈曲させて形成しており、また、接続リベット134の頭部が基板133の面から突出しないように、基板133の接続リベット134が取り付けられる部分には、プレスなどで基板133を窪ませた凹陥部139が設けられている。
第一接続板131は、基板133に電気的かつ機械的に接続される導電性を有する平板状の部材である。本実施の形態の場合、第一接続板131は、基板133の基板面135(本実施の形態の場合図中XY平面に広がる面)と面接触しており、接続リベット134により基板133と接続されている。また、第一接続板131は、基板133の基板面135に沿い第二接続板132が配置される方向(図中X軸方向)と交差する方向に延設される突出部137を一体に備えており、突出部137においても接続リベット134により基板133と接続されている。これにより、第一接続板131(突出部137含む)は、距離の離れた複数箇所(本実施の形態の場合2箇所)で接続されるため、基板133に取り付けられた第一接続板131が基板133に対し回転する方向に発生する力に十分抗することが可能となる。
なお、基板133と第一接続板131との接続は、接続リベット134で締結に限定されるものではない。接続の方法としては、例えば、溶接(レーザー溶接、スポット溶接など)、かしめ(ブラインドリベットを用いるもの、図13、図14に示すクリンチかしめ)などでもよい。また、前記の接続方法による接続作業中に基板133と第一接続板131との回転を防止するために、回り止め機構(片側に凸部を形成し、他方に凹部を形成して嵌合するようなもの)を接続部分に設けてもかまわない。さらには、複数種類の接続方法を任意に組み合わせてもかまわない。具体的には、図15に示すように、一つの第一接続板131に対し、第二接続板132の間にかしめにより接続されるかしめ部161を設け、突出部137に溶接により接続される溶接部162を設けてもかまわない。また、図16に示すように、一つの第一接続板131に対し、第二接続板132の間にかしめにより接続されるかしめ部161を設け、当該かしめ部161を挟むように二つの溶接部162を設けてもかまわない。その他、接続方法の組み合わせのバリエーションとしては、例えば、リベットによるかしめとクリンチかしめとの組み合わせ、突出部137に回り止め機構を設けたうえでかしめ(リベットまたはクリンチ)の組み合わせ、突出部137にスポット溶接を施し回り止め機構と同様の機能を確保した上でかしめ(リベットまたはクリンチ)の組み合わせ、突出部137を含めた基板133と第一接続板131との当接部分の外周縁を溶接(レーザー溶接)する方法、基板133と第一接続板131とを複数のスポット溶接で接続する方法、基板133に設けられた突起163(図8、図9B参照)と前記突起163と係合する受け溝164(図8、図9B参照)とからなる周り止め機構とかしめ(リベットまたはクリンチ)の組み合わせでもよい。なお、これらは単なる例示であり、現在または将来にわたり当業者が思いつく全ての接続方法、および、回り止め機構を採用し、また、それらを複数種類組み合わせて基板133と第一接続板131(突出部137含む)とを接続したものは全て本願発明に含まれる。
このように、第一接続板131と基板133とを、着脱可能とすることなく高い強度で接合することにより、高い機械的強度と接続部分における高い導電性を確保することができ、蓄電素子100としての信頼性の向上を図ることができる。
特に、クリンチかしめは、基板133の一部と第一接続板131の一部とがかみ合うように塑性変形させる接続方法であり、接続リベット134が不要なため、集電体103を製造するための部品点数を削減することができる。また、クリンチかしめは、下穴加工、すなわち基板133、および、第一接続板131に穴を設ける工程が不要となる。
第二接続板132は、発電要素101と電気的かつ機械的に接続される導電性を備えた板状の部材であり、集電体103に少なくとも3つ設けられる部材である。第二接続板132は、少なくとも一つが第一接続板131に電気的かつ機械的に接続され、基板133の表面である基板面135に対し第二接続板132の発電要素101と接続される面である接続面136(本実施の形態の場合図中YZ平面に広がる面)が垂直または略垂直となるように配置され、接続面136が相互に平行または略平行、かつ、接続面136の法線(本実施の形態の場合図中X軸方向)に沿って一列に配置されている。
本実施の形態の場合、第二接続板132は、基板133に4本接続されており、2本が第一接続板131の両端部にそれぞれ接続されている。第一接続板131と第二接続板132とは一体的に形成されており、平板の金属製の材料である平板材料を、平板材料の厚さ方向にねじることなく折り曲げて形成されている。これによれば、一つの平板材料から1回の屈曲動作だけで第一接続板131と一つの第二接続板132とを形成することができる。
さらに本実施の形態の場合、基板133の厚みよりも第二接続板132の厚みは薄い。これによれば、発電要素101を吊り下げ状態で保持するために高いモーメントが常に加えられる部分である基板133の厚みを厚くして高い構造的強度を確保し、あまりモーメントの発生しない第二接続板132(第一接続板131も含む)を薄くすることにより、集電体103全体として軽量化を図ることが可能となる。特に、基板133の厚みを厚くするのは、蓋体122への取付位置と発電要素101の取付位置(第二接続板132の位置)との距離が遠い場合に有効となる。また、上記構造を採用することにより、基板133と第二接続板132との厚みが異なる集電体103を容易に創出することが可能となる。
次に、集電体103の製造方法を説明する。
図7に示すように、導電性を有する平板材料130、例えば、銅やアルミニウムの板状の部材を切り抜いて成形される平板材料130を直角または略直角に折り曲げて、第一接続板131と第二接続板132とを形成する。
本実施の形態の場合、第一接続板131の両端部にそれぞれ第二接続板132が接続されているため、平板材料130に対して平板材料130の厚さ方向(図中矢印の方向)に折曲する折曲動作を2回別々に、または、同時に行う(折曲工程)。この工程により、一つの第一接続板131の両端部にそれぞれ設けられた二つの第二接続板132の接続面136は、相互に平行または略平行となり、かつ、一方の接続面136の法線に沿って他方の第二接続板132は一列に配置された状態となる。以下、説明のため、接続された第一接続板131と第二接続板132とを接続板体と記す場合がある。
次に、基板133の基板面135に沿うように第一接続板131を基板133に取り付ける(取り付け工程)。本実施の形態の場合、第一接続板131、および、第一接続板131から延設される突出部137に接続リベット134挿入用の孔が設けられており、基板133の対応する位置にも接続リベット134挿入用の孔が設けられている。これらの孔に接続リベット134を挿入し塑性変形させることにより、第一接続板131と基板133とを電気的、かつ、機械的に接続する。また、第一接続板131と第二接続板132とが一体に接続される接続板体の状態で基板133に取り付けられているため、前記取り付け工程により基板133に第二接続板132も電気的、かつ、機械的に取り付けられることになる。
なお、本実施の形態の場合、集電体103は4本の第二接続板132が設けられており、第一接続板131には2本の第二接続板132が取り付けられている。従って、先に接続板体を基板133に取り付けた後、別途上記と同様にして作成された接続板体を取り付ける。この際、第二接続板132の表面である接続面136が、先に取り付けられている接続板体の第二接続板132の接続面136と平行または略平行となり、かつ、先に取り付けられている第二接続板132の接続面136の法線に沿って一列に配置されるように次の接続板体を基板133に取り付ける。
以上により、上記実施の形態で示した形状の集電体103が製造できる。
以上のような蓄電素子100、以上の方法により製造された集電体103を備えた蓄電素子100によれば、ねじられた部分のない集電体103により、筐体102内部の空間に効率よく集電体103を配置することができ、集電体103を回避するために発電要素101の端部を変形させるフォーミング加工を行う必要がなくなる。さらに、同じ筐体102内部の容積であっても、発電要素101を収容することができる領域を広くすることができ、蓄電素子100の容量の向上を図ることが可能となる。
また、発電要素101の巻回軸方向(筐体102の長壁に沿う方向)の揺れに対し、第二接続板132や第一接続板131に大きな力が加えられることになるが、第二接続板132や第一接続板131は、前記巻回軸方向に沿って広がって配置されるため、ねじられた部分に応力が集中することを回避できる。従って、長期的に振動を受ける車載用の蓄電素子100などの信頼性を向上させることができる。
また、基板133の厚さよりも第二接続板132の厚さを薄くすることで、構造的強度の低下を可及的に抑制しつつ、集電体103、引いては蓄電素子100全体の軽量化を図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。
図8は、別態様の集電体を下方から分解状態で示す斜示図である。
図9Aは、別態様の集電体を下方から示す斜示図である。
図9Bは、別態様の集電体を下方から示す平面図である。
同図に示すように、集電体103は、第二接続板132のいくつか(これらの図に示す集電体103の場合2本)が基板133に直接設けられるものでもよい。また、平板の金属製の材料を厚さ方向にねじることなく折り曲げて基板133、および、第二接続板132を形成してもかまわない。
また、第一接続板131と基板133との間で係合する突起163と受け溝164とを有してもかまわない。これらの図に示す集電体103の場合、第一接続板131に凹陥状に設けられた受け溝164と、基板133に設けられ、受け溝164に嵌合する突起163とで回り止め機構が形成されている。
以上のような集電体103とすることで、一枚の基板133に4本の第二接続板132が接続される集電体103でありながら、第二接続板132を平行に並べて配置することが可能となる。
図10は、別態様の集電体を分解状態で示す斜示図である。
図11は、別態様の集電体を示す斜示図である。
これらの図に示すように、集電体103は、基板133に設けられた貫通孔143やスリット(図示せず)に第二接続板132を挿入、または、差し込んだ状態で設けるものでもかまわない。また、収容部141に第一接続板131、および、接続リベット134の頭部を収容するものでもかまわない。
これによれば、比較的重い発電要素101をぶら下げる第二接続板132を接合強度ばかりでなく基板133の構造的強度も併せて保持することができ、集電体103の機械的強度を向上させることができる。また、第一接続板131、および、第二接続板132に加えられる基板133に対する回転方向の力に十分抗することが可能となる。
また、基板133と第一接続板131との接合を接続リベット134で行う場合、リベット134の頭部が他の部材(例えば絶縁部材)と接触しないことが好ましい。これを実現する態様として図5に示すように基板133に凹陥部139を設けたが、こればかりでなく、接続リベット134が設けられている部分以外の基板133の部分を接続リベット134の頭部よりも突出させるものでもよい。
また、図12に示すように、第一接続板131と基板133とのいずれか一方に(図12では第一接続板131に)他方に向かって突出する第一係合部151を設け、他方(図12では基板133に)に第一係合部151と係合する第二係合部152とを設けてもかまわない。
これによれば、基板133と第一接続板131とを組み合わせる際に、第一係合部151と第二係合部152とを係合させることで位置決めを行うことができ、接続リベット134で接続する際には、第一係合部151と第二係合部152とが回り止めとして機能する。従って、接続リベット134による集電体103の製造工程が容易になり、また、部品点数を削減することができる。
本願発明は、二次電池等の蓄電素子、筐体内に複数の発電要素を有する蓄電素子に利用可能である。
100 蓄電素子
101 発電要素
102 筐体
103 集電体
104 係合部
105 電極端子
111 第一極体
112 第二極体
115 接続部
119 セパレータ
121 容器
122 蓋体
123 集電体用リベット
130 平板材料
131 第一接続板
132 第二接続板
133 基板
134 接続リベット
135 基板面
136 接続面
137 突出部
139 凹陥部
141 収容部
142 突起部
143 貫通孔
151 第一係合部
152 第二係合部

Claims (11)

  1. 電気を蓄え放出する発電要素と、前記発電要素を収容する筐体と、前記発電要素と機械的かつ電気的に接続される集電体とを備える蓄電素子であって、
    前記発電要素を複数有し、
    前記集電体は、
    前記筐体に取り付けられる導電性を有する平板状の基板と、
    前記基板に電気的かつ機械的に接続される平板状の第一接続板と、
    前記発電要素と電気的かつ機械的に接続される少なくとも3つの第二接続板とを備え、
    前記第二接続板は、少なくとも一つが前記第一接続板に電気的かつ機械的に接続され、前記基板の表面である基板面に対し当該第二接続板の前記発電要素と接続される面である接続面が垂直または略垂直となるように配置され、前記接続面が相互に平行または略平行、かつ、前記接続面の法線に沿って一列に配置され、
    前記第一接続板及び前記第二接続板は、ねじれた部分を有していない
    蓄電素子。
  2. 前記第一接続板と前記第二接続板は一体的に形成されている請求項1に記載の蓄電素子。
  3. 前記第一接続板と前記第二接続板とは平板材料を、平板材料の厚さ方向に折り曲げて形成されている請求項2に記載の蓄電素子。
  4. 前記第一接続板と前記基板とを係合する係合部を有する請求項1又は2に記載の蓄電素子。
  5. 前記係合部は、前記第一接続板、および、前記基板のいずれか一方に設けられる突起部と、他方に設けられる収容部とを備える
    請求項4に記載の蓄電素子。
  6. 前記基板は、前記第一接続板の表面と前記基板面とが面一または略面一となるように前記第一接続板を収容する凹部を備える請求項1〜5のいずれか1項に記載の蓄電素子。
  7. 前記第一接続板と前記基板とは面接触している請求項1〜6のいずれか1項に記載の蓄電素子。
  8. 前記基板と前記第一接続板とは接続リベットで接続されており、
    前記基板には前記接続リベットの頭部を収容する凹陥部を備える
    請求項1〜のいずれか1項に記載の蓄電素子。
  9. 前記基板と前記第一接続板とのいずれか一方に突出状の第一係合部を設け、他方に前記第一係合部と係合する第二係合部を設ける
    請求項1〜のいずれか1項に記載の蓄電素子。
  10. 前記第一係合部は突起であり、
    前記第二係合部は受け溝である
    請求項に記載の蓄電素子。
  11. 前記基板の厚みが前記第一接続板の厚みより大きい請求項1〜10のいずれか1項に記載の蓄電素子。
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