JP6529881B2 - 蓄電装置 - Google Patents

Description

本明細書は、蓄電装置に関する技術を開示する。特に、貫通孔を有する電極端子がケースにかしめ固定されている蓄電装置に関する技術を開示する。

蓄電装置の技術分野では、貫通孔を有する電極端子を、ケースにかしめ固定することがある。このような蓄電装置は、製造の際に、電極端子の貫通孔を利用して、蓄電装置内部の組み立てを行うことができる。但し、蓄電装置の内部に異物等が侵入することを防止するために、貫通孔は、蓋等で封止することが必要である。特許文献１の蓄電装置は、金属蓋を蓄電装置の外部に溶接し、貫通孔を封止している。

国際公開ＷＯ２０１０／１４６７０１Ａ１

貫通孔を確実に封止するために、特許文献１では、金属蓋の全周をケース（あるいは、ケースに固定される部品）に溶接している。特許文献１の場合、金属蓋の溶接が不十分であると、蓄電装置の内部（ケース内）を封止することができない。金属蓋の溶接を確実に行うために溶接範囲を広くすると、溶接熱により他の部品へ悪影響を及ぼすことがある。いずれの場合も、蓄電装置の信頼性に欠ける。本明細書は、信頼性の高い蓄電装置を実現する技術を提供する。

本明細書で開示する蓄電装置は、ケースと、電極組立体と、電極端子と、封止栓を備えている。電極組立体は、ケース内に収容されており、正極電極及び負極電極を備えている。電極端子は、ケースの内外を通じており、ケースの外部にかしめ部が設けられている。また、電極端子は貫通孔を有している。封止栓は、電極端子の貫通孔を封止している。封止栓は、固定部と挿入部を有している。固定部は、金属製であり、ケースの外部で電極端子の貫通孔を覆っているとともに電極端子に溶接されている。挿入部は、樹脂製であり、固定部に固定されているとともに貫通孔内に挿入されている。

上記の蓄電装置は、電極端子の貫通孔は、金属製の固定部と樹脂製の挿入部と備える封止栓によって封止される。仮に固定部の溶接が不十分であっても（周方向において溶接されていない部分が存在しても）、挿入部が貫通孔内に挿入されているので、蓄電装置を封止することができる。あるいは、固定部を周方向においてスポット溶接する等、蓄電装置に熱負荷が加わることを抑制することもできる。したがって、信頼性の高い蓄電装置を実現することができる。

第１実施例の蓄電装置の断面図を示す。 図１の破線IIで囲った範囲の拡大図を示す。 第２実施例の蓄電装置の特徴部分を示す。 第３実施例の蓄電装置の特徴部分を示す。

以下、本明細書で開示する蓄電装置の技術的特徴の幾つかを記す。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。

蓄電装置は、ケースと、電極組立体と、電極端子と、封止栓を備えている。電極組立体は、ケース内に収容されており、正極電極及び負極電極を備えていてよい。電極端子は、ケースの内外を通じていてよい。すなわち、電極端子の一部がケースの外部に位置しており、電極端子の他の一部がケースの内部に位置していてよい。電極端子は、貫通孔を備えていてよい。貫通孔の一方の開口がケース外部に位置し、他方の開口がケース内部に位置していてよい。電極端子は、ケースの内部でケースの壁面に沿って広がる基部と、ケースの内外を通じている軸部と、ケースの外部でかしめ変形されたかしめ部を備えていてよい。この電極端子は、中空リベット端子ということもできる。ケースとかしめ部の間に、金属プレートが配置されていてもよい。すなわち、金属プレートは、電極端子とともにケースに固定されていてよい。金属プレートと電極端子が一体となって、電極端子として機能してもよい。

蓄電装置は、電流遮断装置を備えていてもよい。電流遮断装置は、ケース内に収容されていてよい。また、電流遮断装置は、電極端子（負極端子または正極端子）に固定されていてよい。電流遮断装置は、負極端子と負極電極に電気的に接続されていてよい。この場合、電流遮断装置は、負極端子と負極電極の通電経路上に配置され、ケースの内圧が所定値を超えたときに、負極端子と負極電極を導通状態から非導通状態に切換える。あるいは、電流遮断装置は、正極端子と正極電極に電気的に接続されていてもよい。この場合、電流遮断装置は、正極端子と正極電極の通電経路上に配置され、ケースの内圧が所定値を超えたときに、正極端子と正極電極を導通状態から非導通状態に切換える。

電流遮断装置は、通電板と、変形板を備えていてよい。通電板は、電極端子の基部と間隔を有して基部に対向する位置に配置されていてよい。通電板は、変形板と電極組立体の間に配置されていてよい。変形板は、電極端子に固定されていてよい。具体的には、変形板の端部が電極端子に固定されていてよい。変形板によって、電極端子の貫通孔が覆われていてよい。変形板の中央部は、通電板に向けて突出し、通電板に固定されていてよい。変形板は、ケース内の圧力が所定値を超えたときに作動し、通電板と非接触になってもよい。変形板は、ケース内の圧力が所定値を超えたときに通電板から離れるように反転してもよい。ケース内の圧力が所定値を超えたときに通電板の中央部が破断し、変形板が通電板から離れてもよい。通電板の中央部に、ケース内の圧力が所定値を超えたときに破断の起点となる溝（破断溝）が設けられていてもよい。破断溝は、通電板の中央部を、連続的又は断続的に囲っていてもよい。変形板の中央部は、破断溝に囲まれた位置で通電板に固定されていてもよい。

封止栓は、ケースの外部で電極端子の貫通孔を覆っていてよい。また、封止栓は、電極端子に溶接されていてよい。封止栓は、電極端子（かしめ部）に直接溶接されていてもよいし、電極端子とともにケースに固定されている金属プレート（電極端子と一体の部品）に溶接されていてもよい。封止栓は、金属製の固定部と、樹脂製の挿入部を備えていてよい。固定部が電極端子（または金属プレート）に溶接され、挿入部はが電極端子の貫通孔に挿入されていてよい。固定部が金属プレートに溶接される場合、金属プレートに固定部の移動を規制する突出部が設けられていてもよい。また、封止栓に、樹脂製の挿入部が固定されていてよい。挿入部の材料は、ブチルゴム，ＥＰＤＭ，ＰＦＡ，ＰＴＦＥであってよい。固定部の材料は、銅，銅合金、ステンレスであってよい。

本明細書で開示する蓄電装置の一例として、二次電池、キャパシタ等が挙げられる。二次電池の電極組立体の一例として、セパレータを介して対向する電極対（負極及び正極）を有するセルが複数積層された積層タイプの電極組立体、セパレータを介して対向する電極対を有するシート状のセルが渦巻状に加工された捲回型の電極組立体が挙げられる。

ケースの内部には、電極組立体，電解液が収容されている。電極組立体は、正極電極及び負極電極を備えている。正極電極用の金属箔として、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼又はそれらの複合材料を用いることができる。特に、アルミニウム又はアルミニウムを含む複合材料であることが好ましい。また、正極リードの材料として、正極電極用の金属箔と同様の材料を用いることができる。

正極活物質は、リチウムイオンが侵入及び脱離可能な材料であればよく、Ｌｉ_２ＭｎＯ_３、Ｌｉ（ＮｉＣｏＭｎ）_０．３３Ｏ_２、Ｌｉ(ＮｉＭｎ)_０．５Ｏ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．１５Ａｌ_０．０５Ｏ_２、Ｌｉ_２ＭｎＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４等を使用することができる。また、正極活物質としてリチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、あるいは、硫黄などを用いることもできる。これらは１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用して用いてもよい。正極活物質は、必要に応じて導電材，結着剤等とともに正極電極用の金属箔に塗布される。

負極電極用の金属箔として、アルミニウム、ニッケル、銅（Ｃｕ）等、又はそれらの複合材料等を使用することができる。特に、銅又は銅を含む複合材料であることが好ましい。また、負極リードの材料として、負極電極用の金属箔と同様の材料を用いることができる。

負極活物質として、リチウムイオンが侵入及び脱離可能な材料を用いる。リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）等のアルカリ金属、アルカリ金属を含む遷移金属酸化物、天然黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、高配向性グラファイト、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素材料、シリコン単体又はシリコン含有合金又はシリコン含有酸化物を使用することができる。なお、負極活物質は、電池容量を向上させるため、リチウム（Ｌｉ）を含まない材料であることが特に好ましい。負極活物質は、必要に応じて導電材，結着剤等とともに負極電極用の金属箔に塗布される。

セパレータは、絶縁性を有する多孔質を用いる。セパレータとして、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、あるいは、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、メチルセルロース等からなる織布または不織布を使用することができる。

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。

本明細書で開示する蓄電装置は、例えば車両に搭載され、モータに電力を供給することができる。以下、蓄電装置の構造について説明する。

（第１実施例）
図１を参照し、蓄電装置１００の構造を説明する。蓄電装置１００は、ケース１と、電極組立体３と、正極端子５と、負極端子７と、電流遮断装置１０と、封止栓１７を備えている。ケース１は、金属製であり、略直方体形状である。ケース１の内部には、電極組立体３と電流遮断装置１０が収容されている。電極組立体３は、正極電極と負極電極を備えている（図示省略）。正極タブ４１が正極電極に固定されており、負極タブ４２が負極電極に固定されている。ケース１の内部には、電解液が注入されており、大気が除去されている。正極端子５と負極端子７は、ケース１の蓋部１ａに固定されている。正極端子５は、蓋部１ａの開口８１を介してケース１の内外に通じている。負極端子７は、蓋部１ａの開口８２を介してケース１の内外に通じている。

蓋部１ａの上面には、樹脂製のインシュレータ６２、６３が配置されている。インシュレータ６２は正極端子５に固定されている。また、正極外部端子（金属プレート）６０が、インシュレータ６２の上面に配置されている。正極外部端子６０には、貫通孔６０ａが形成されている。貫通孔６０ａは、上面側に比べ、下面側のサイズが大きくなっている。インシュレータ６２は、蓋部１ａと正極外部端子６０を絶縁している。ボルト６４が、貫通孔６０ａを通過している。具体的には、ボルト６４の頭部が、貫通孔６０ａ内に収容されている。また、ボルト６４の軸部が、貫通孔６０ａを通って正極外部端子６０の上方に突出している。正極端子５，正極外部端子６０及びボルト６４は、電気的に接続されており、これらを合わせて正極端子と捉えることもできる。インシュレータ６３は、負極端子７に固定されている。負極外部端子６１が、インシュレータ６３の上面に配置されている。また、負極外部端子６１にも正極外部端子６０の貫通孔６０ａと同様の貫通孔が形成されており、貫通孔内にボルト６５の頭部が収容され、ボルト６５の軸部が貫通孔を通って負極外部端子６１の上方に突出している。インシュレータ６３，負極外部端子６１及びボルト６５の構成は、インシュレータ６２，正極外部端子６０及びボルト６４の構成と同様である。負極端子７，負極外部端子６１及びボルト６５は、電気的に接続されており、これらを合わせて負極端子と捉えることもできる。なお、負極外部端子６１は、金属プレートの一例である。

電流遮断装置１０が、負極端子７に固定されている。負極タブ４２に接続されている負極リード４４が、接続端子４６を介して電流遮断装置１０に接続されている。すなわち、電流遮断装置１０は、電極組立体３の負極電極に電気的に接続されている。絶縁部材７３が、負極リード４４とケース１の間に配置されている。絶縁部材７３は、負極リード４４とケース１（蓋部１ａ）を絶縁している。正極タブ４１に接続されている正極リード４３が、正極端子５に接続されている。絶縁部材７２が、正極リード４３とケース１の間に配置されている。絶縁部材７２は、正極リード４３とケース１（蓋部１ａ）を絶縁している。正極端子５は、電極組立体３の正極電極に電気的に接続されている。

図２を参照し、負極端子７及び電流遮断装置１０の構造について説明する。図２に示すように、負極端子７は、ケース１にかしめ固定されている。負極外部端子６１及びインシュレータ６３は、負極端子７とともにケース１に固定されている。負極端子７は、基部９５と、柱状部９４と、かしめ部９６を備えている。柱状部９４が、基部９５とかしめ部９６を接続している。柱状部９４は、ケース１の開口８２を通過している。柱状部９４は、基部９５の中央部から伸びている。柱状部９４には、貫通孔９７が形成されている。基部９５の上面は、ケース１の蓋部１ａに沿って広がる平面を有している。基部９５の端部には下方（電極組立体３側）に突出する突出部９９が設けられている。すなわち、ケース１内から観察すると、基部９５の中央部に凹部９８が形成されており、凹部９８の中央部に貫通孔９７が形成されている。基部９５はケース１の内部に設けられており、かしめ部９６はケース１の外部に設けられている。

電流遮断装置１０は、負極端子７に固定されている。電流遮断装置１０は、通電板２０と、変形板３０と、ホルダ８０を備えている。変形板３０は、金属製のダイアフラムである。変形板３０の外周部３１は、基部９５の突出部９９に固定されている。具体的には、外周部３１は、突出部９９に溶接されている。変形板３０の中央部３２は、下方（電極組立体３側）に突出している。中央部３２は、通電板２０に接続されている。変形板３０によって、ケース１内の空間が凹部９８内の空間５１からシールされている。空間５１は大気圧に保たれている。

通電板２０は、金属製の平板である。通電板２０は、負極端子７の基部９５と間隔を有して基部９５に対向する位置に配置されている。通電板２０は、変形板３０の下方に配置されている。すなわち、通電板２０は、変形板３０と電極組立体３の間に配置されている。金属製の接続端子４６が、通電板２０に接続している。接続端子４６によって、通電板２０と負極リード４４が導通している（図１も参照）。通電板２０の端部２０ｅが、ホルダ８０に固定されている。通電板２０の中央部２０ｃには、溝２０ａが形成されている。溝２０ａは、中央部２０ｃの周囲を囲っている。変形板３０の中央部３２は、溝２０ａに囲まれた範囲で通電板２０の中央部２０ｃに固定されている。溝２０ａが形成された位置における通電板２０の機械的強度は、溝２０ａ以外の位置における通電板２０の機械的強度よりも低い。また、中央部２０ｃと端部２０ｅの間に、通気孔２０ｂが形成されている。通気孔２０ｂにより、変形板３０と通電板２０との間の空間５０は、ケース１内の空間と連通している。すなわち、空間５０は、ケース１内の圧力と等しい。空間５０が変形板３０によって空間５１からシールされているので、変形板３０の表裏面には圧力差が生じ得る。

ホルダ８０は、上端部７９と、中央部７８と、突出部７６を有している。上端部７９は、ケース１の蓋部１ａに沿って広がる平面を有している。上端部７９の中央に貫通孔７９ａが形成されている。負極端子７の柱状部９４は、貫通孔７９ａ内に設けられている。上端部７９は、ケース１の蓋部１ａと、負極端子７の基部９５の間に配置されている。ホルダ８０は、負極端子７とともに、ケース１に固定されている。ホルダ８０は、絶縁性を有する材料で形成されており、ケース１と負極端子７を絶縁している。

中央部７８は、上端部７９の外周縁から下方に伸びている。負極端子７の基部９５は、中央部７８の内側に配置されている。中央部７８の下方端に、突出部７６が設けられている。通電板２０は、突出部７６に固定されている。突出部７６の内面に、窪み７７が形成されている。窪み７７と、基部９５の突出部９９の外面と、通電板２０の表面の間に、シール部材７５が配置されている、シール部材７５によって、ホルダ８０の内面と負極端子７の外面の隙間がシールされている。

封止栓１７は、固定部１５と挿入部１６を備えている。金属製の固定部１５が、かしめ部９６を覆うように配置されている。固定部１５は貫通孔９７を覆っている。固定部１５の端部１５ｅは、ケース１の蓋部１ａに向けて屈曲しており、負極外部端子６１に溶接されている。固定部１５の端部１５ｅは、全周に亘って負極外部端子６１に溶接されている。また、固定部１５の中央部１５ｃに、樹脂製の挿入部１６が固定されている。挿入部１６は、貫通孔９７内に嵌め込まれている。挿入部１６の材料はブチルゴムである。

蓄電装置１００は、ケース１内の圧力が所定値以下のときは、負極端子７と負極タブ４２が電流遮断装置１０を介して電気的に接続している。すなわち、負極端子７と負極電極の間が導通している。ケース１内の圧力が所定値を超えると、電流遮断装置１０が、負極端子７と負極タブ４２の導通を遮断し、蓄電装置１００に電流が流れることを防止する。具体的には、ケース１内の圧力が上昇すると、通電板２０及び変形板の下面に作用する圧力が上昇する。一方、変形板３０の上面には大気圧が作用する。このため、ケース１の内圧が上昇して所定値に達すると、変形板３０の中央部３２に接続されていた通電板２０が、機械的に脆弱な溝２０ａを起点に破断する。そして、変形板３０が反転して、上方に凸の状態に変化する。これによって、通電板２０と変形板３０を接続する通電経路が遮断され、電極組立体３（負極電極）と負極端子７とが非導通状態となる。

蓄電装置１００の利点を説明する。上記したように、樹脂製の挿入部１６が、貫通孔９７に嵌め込まれている。挿入部１６により、貫通孔９７内が、蓄電装置１００の外部空間から封止されている。そのため、仮に、経年劣化、あるいは、製造誤差により固定部１５と負極外部端子６１の間に隙間が生じても、挿入部１６が貫通孔９７を封止しているので、異物（例えば、水分）が、蓄電装置１００の外部から貫通孔９７を通じ、蓄電装置１００の内部（ケース１内）に侵入することを防止することができる。ケース１内の材料（電解液，電極組立体３等）の劣化を長期間に亘り抑制することができる。あるいは、意図的に、固定部１５と負極外部端子６１の間に隙間を残しながら、固定部１５を負極外部端子６１に溶接することができる。例えば、スポット溶接を行い、固定部１５を負極外部端子６１に溶接することができる。

蓄電装置１００の他の利点を説明する。上記したように、固定部１５は、負極外部端子６１に固定（溶接）されている。また、負極端子７は、かしめ固定を行う（かしめ部９６が塑性変形する）ことにより、ケース１に固定されている。製造上、かしめ部９６の表面を平坦にすることは難しい。一方、負極外部端子６１の表面を平坦にすることは、容易である。蓄電装置１００では、固定部１５を、平坦な表面が得られやすい部品（負極外部端子６１）に溶接している。固定部１５の溶接面と負極外部端子６１の溶接面の面合わせが容易となり、安定して溶接を行うことができる。なお、本明細書で開示する技術は、挿入部１６が貫通孔９７をシールしていればよく、必ずしも固定部１５を負極外部端子６１に溶接することを要しない。すなわち、固定部１５を負極端子７（かしめ部９６）に固定してもよい。

（第２実施例）
図３を参照し、蓄電装置１００ａについて説明する。蓄電装置１００ａは、蓄電装置１００の変形例であり、負極外部端子６１ａの構造が蓄電装置１００の負極外部端子６１と異なる。蓄電装置１００ａについて、蓄電装置１００と同じ部品は、蓄電装置１００と同じ参照番号を付すことにより、説明を省略することがある。

蓄電装置１００ａでは、負極外部端子６１ａの表面に、突出部６９が設けられている。突出部６９は、固定部１５の側面に接している。突出部６９を設けることにより、固定部１５を負極外部端子６１ｂに溶接する際に、固定部１５の移動を規制した状態で実施することができる。固定部１５と負極外部端子６１ｂの溶接を精度よく行うことができるので、貫通孔９７内をより確実にシールすることができる。

（第３実施例）
図４を参照し、蓄電装置２００について説明する。蓄電装置２００は、蓄電装置１００の変形例である。蓄電装置２００について、蓄電装置１００と実質的に同じ部品は、蓄電装置１００と下二桁の数字が同じ参照番号を付すことにより、説明を省略することがある。

蓄電装置２００は、貫通孔を有する電極端子を１個だけ備えている。具体的には、蓄電装置２００は、ケース２０１の内外を通じる正極端子２０７のみを備えている。蓄電装置２００では、金属製のケース２０１の一部が、負極端子として機能する。正極端子２０７は、正極リード２４６により、電極組立体２０３の正極電極に接続されている。また、正極端子２０７は、ケース２０１にかしめ固定されている。正極端子２０７とケース２０１の間に、絶縁性を有するインシュレータ２６３が配置されている。また、インシュレータ２６３によって、正極端子２０７とケース２０１の間の隙間が封止されている。

封止栓２１７が、正極端子２０７の貫通孔を封止している。具体的には、封止栓２１７は、金属製の固定部２１５と、樹脂製の挿入部２１６を備えている。固定部２１５は正極端子２０７に溶接されており、挿入部２１６が正極端子２０７の貫通孔に嵌め込まれている。蓄電装置２００は、蓄電装置１００と同様に、固定部１５と正極端子２０７の間に隙間が存在しても、挿入部２１６が貫通孔を封止しているので、異物が、蓄電装置２００の内部に侵入することを防止することができる。

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。また、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、出願時の請求項に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の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：ケース
５：正極端子
７：負極端子
１５：固定部
１６：挿入部
１７：封止栓
６９：突出部
９６：かしめ部
９７：貫通孔
１００：蓄電装置

Claims (3)

1. ケースと、
   前記ケース内に収容されており、正極電極及び負極電極を備えている電極組立体と、
   前記ケースの内外を通じており、前記ケースの外部にかしめ部が設けられているとともに貫通孔を有する電極端子と、
   前記ケースと前記かしめ部の間に配置されており、平坦な表面を備えた金属プレートと、
   前記貫通孔を封止している封止栓と、を備えており、
   前記封止栓は、前記ケースの外部で前記貫通孔を覆っているとともに前記金属プレートに溶接されている固定部と、その固定部に固定されているとともに前記貫通孔内に挿入されている挿入部と、を有し、
   前記固定部は金属製であり、前記挿入部は樹脂製である、蓄電装置。
2. 前記金属プレートに、前記固定部の移動を規制する突出部が設けられている請求項１に記載の蓄電装置。
3. 前記蓄電装置が、二次電池である請求項１又は２に記載の蓄電装置。
   
   
   

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