JP6759797B2

JP6759797B2 - 蓄電装置

Info

Publication number: JP6759797B2
Application number: JP2016142683A
Authority: JP
Inventors: 幹也栗田; 竜二大井手
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2036-07-20
Also published as: JP2018014221A

Description

本発明は、蓄電装置に係り、詳しくは、ケースの内部圧力が設定圧力に達すると、変形板の変形によって通電経路の電流を遮断する電流遮断装置を備える蓄電装置に関する。

従来から、電装品で使用される電力を蓄えるための蓄電装置として、リチウムイオン二次電池などの二次電池が、ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両に搭載されている。二次電池は、ケースと、ケースに収容されている電極組立体と、ケースの外部に突出しており、それぞれ極性が異なる２つの電極端子と、を有する。

また、二次電池は、ケースの内部圧力の上昇に対応して電流を遮断する電流遮断装置を備えたものがある。電流遮断装置は、一方の極性の電極端子と電極組立体とを電気的に接続している通電経路上に設けられている（例えば、特許文献１参照）。

図７に示すように、特許文献１の蓄電装置１００は、ケース本体６１と、負極集電タブ６３ａ及び正極集電タブ６３ｂを備える電極組立体６３と、負極側のかしめ端子６５と、正極側のかしめ端子６７と、蓋６９と、電流遮断装置８０等を備えている。かしめ端子６５は、ケース本体６１の蓋６９に形成された開口６９ａに取付けられている。ケース本体６１の外部には、外部接続用の外部端子７０及びボルト７４が配置されている。かしめ端子６５、外部端子７０及びボルト７４は、互いに電気的に接続されており、負極端子を構成している。蓋６９の上面と外部端子７０の間、及び蓋６９の上面とかしめ端子６５の間には、樹脂製のガスケット７２が配置されている。また、ガスケット７２により、蓋６９が外部端子７０及びかしめ端子６５から絶縁されている。

かしめ端子６５のｚ方向（図７における上下方向）の端部には変形板８２がレーザ溶接されている。変形板８２の中央部には破断板（破断可能な通電板）８４がレーザ溶接されている。変形板８２と破断板８４により、電流遮断装置８０が構成されている。電流遮断装置８０は、接続端子８５などを介して電極組立体６３の負極集電タブ６３ａに電気的に接続されている。電流遮断装置８０は、接続端子８５と、破断板８４と、変形板８２と、かしめ端子６５とを直列につなぐ通電経路を有している。このため、電極組立体６３とかしめ端子６５は、電流遮断装置８０の通電経路を介して電気的に接続されている。

かしめ端子６５は、円筒部６５ａ、基底部６５ｂ及び固定部６５ｃを有する。基底部６５ｂは平面視すると円環状であり、円筒部６５ａのｚ方向側に位置している。基底部６５ｂの外径は開口６９ａの径よりも大きい。かしめ端子６５は、円筒部６５ａが開口６９ａを貫通した状態で、基底部６５ｂの外周面に嵌合する略円筒状のホルダ８６の内周側に突出形成された円環状の部分８６ａが、蓋６９の下面と基底部６５ｂの上面との間に挟持される状態に設けられている。

正極側のかしめ端子６７は、ケース本体６１の内部で電極組立体６３の正極集電タブ６３ｂに電気的に接続され、かつ蓋６９から絶縁された状態で、外部端子７１とボルト７５に電気的に接続されている。外部端子７１とボルト７５は、蓋６９から絶縁されている。正極側には、電流遮断装置が用意されていない。かしめ端子６５，６７は、かしめることで（塑性変形することで）蓋６９に固定されている。

特開２０１６−６８１０３号公報

蓄電装置は、一般に四角箱状のケース内に電極組立体と電解液とが収容されている。また、蓄電装置の体積当たりの容量を大きくするためには、空間を少なくする必要がある。電流遮断装置を備えた蓄電装置の場合、特に電流遮断装置が設けられた負極側において、ケース内の空間が小さい。そのため、例えば、図８に示すように、蓄電装置１００が、ケースの角部側から地面などの硬い面９０に落下して角部が変形した場合、その角部が電流遮断装置に近い側の場合には、ケース本体６１とホルダ８６とのクリアランスが小さいため、ホルダ８６が力を受けてかしめ端子６５が変形し、端子シール部のシール性が損なわれて、液漏れが生じる場合がある。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、電流遮断装置が設けられた側のケースの角部が変形しても、ケースのシール性を確保して液漏れを防ぐことができる蓄電装置を提供することにある。

上記課題を解決する蓄電装置は、開口部を有する四角箱状のケース本体と、前記開口部を塞ぐ蓋体とを有するケースと、前記ケース内に収容された電極組立体と、電流遮断装置とを有する蓄電装置である。そして、前記電流遮断装置は変形板及び破断可能な導電板を備え、前記電流遮断装置が設けられている側の電極端子を支持するホルダと前記導電板とは、前記変形板の外側で固定されており、前記蓋体と前記ホルダとの間には前記蓋体の角部に加わった衝撃を吸収する衝撃吸収手段が設けられている。

この構成によれば、ケースの蓋体に対して電流遮断装置が設けられている側の角部に衝撃が加えられても、蓋体の角部に加わった衝撃が衝撃吸収手段により吸収される。その結果、たとえ、電流遮断装置が設けられている側のケースが変形しても、その変形により電極端子のシール部のシール性が、液漏れが生じるほど損なわれることが防止される。したがって、電流遮断装置が設けられた側のケースの角部が変形しても、ケースのシール性を確保して液漏れを防ぐことができる。

前記衝撃吸収手段は、空隙であってもよい。衝撃吸収手段が空隙の場合は、電流遮断装置が設けられた側のケースの角部が変形しても、変形した部分が空隙の部分に位置することにより、ケースのシール性が確保される。

前記空隙は、前記ホルダと、前記ケース本体の前記蓋体側の内面との間に設けられていてもよい。この構成によれば、空隙を設ける構造が簡単になる。
前記衝撃吸収手段は、前記蓋体の、前記ケース本体の内面と当接する部分を厚くすることにより構成されていてもよい。この構成によれば、蓋体の角部の強度が高くなっているため、ケースの角部に衝撃が加わっても、蓋体の変形が抑制され、ケースの必要なシール性が確保される。

前記衝撃吸収手段は、前記空隙の部分に緩衝材を有していてもよい。この構成によれば、蓋体の角部に加わった衝撃が緩衝材によって弱められるため、衝撃吸収手段を空隙だけで構成する場合に比べて衝撃吸収手段が占める体積を小さくすることが可能になる。

前記ホルダと前記導電板とは、かしめにより固定されていてもよい。この構成によれば、ホルダと導電板との固定のために、別部材を設ける必要がない。
前記かしめは熱かしめであってもよい。この構成によれば、かしめを簡単に行うことができる。

本発明によれば、電流遮断装置が設けられた側のケースの角部が変形しても、ケースのシール性を確保して液漏れを防ぐことができる。

第１の実施形態の二次電池を示す概略斜視図。同じく二次電池を示す部分破断正面図。二次電池の電流遮断装置の部分の縦断面図。別の実施形態の二次電池を示す部分断面図。（ａ）は別の実施形態の二次電池を示す部分断面図、（ｂ）は蓋体の部分裏面図。（ａ）は別の実施形態の二次電池を示す部分断面図、（ｂ）はホルダの概略平面図。従来技術の二次電池を示す断面図。落下試験の状態を示す概略斜視図。

以下、蓄電装置を二次電池に具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示すように、蓄電装置としての二次電池１０はケース１１を備え、ケース１１は、四角箱状のケース本体１２と、このケース本体１２の開口部１２ａ（図３に図示）を塞ぐ矩形平板状の蓋体１３とを有している。ケース１１には電極組立体１４が収容されている。なお、本実施形態の二次電池１０はリチウムイオン電池である。

図２に示すように、電極組立体１４は、シート状の複数の正極電極１５とシート状の複数の負極電極１６とを備え、正極電極１５は、正極金属箔（本実施形態ではアルミニウム箔）と、その正極金属箔の両面に存在する正極活物質層とを有する。負極電極１６は、負極金属箔（本実施形態では銅箔）と、その負極金属箔の両面に存在する負極活物質層とを有する。そして、電極組立体１４は、複数の正極電極１５と複数の負極電極１６の間にこれらを絶縁するセパレータ１７を介在させて層状とした積層型である。なお、図２においては、図の手前側に負極電極１６が位置し、奥側に向かってセパレータ１７、正極電極１５、セパレータ１７、負極電極１６、セパレータ１７、正極電極１５の順に所定枚数の正極電極１５、負極電極１６、セパレータ１７が配置されて電極組立体１４が構成されている。

正極電極１５は、正極電極１５の一辺の一部から突出した形状のタブ１５ａを有する。負極電極１６は、負極電極１６の一辺の一部から突出した形状のタブ１６ａを有する。複数の正極のタブ１５ａ、及び複数の負極のタブ１６ａは、正極電極１５及び負極電極１６が積層された状態で、正極のタブ１５ａと負極のタブ１６ａとが重ならない位置にそれぞれ設けられている。電極組立体１４を構成する各正極電極１５は、それぞれのタブ１５ａが積層方向に沿って列状に配置されるように積層される。同様に、電極組立体１４を構成する各負極電極１６は、それぞれのタブ１６ａが積層方向に沿って列状に配置されるように積層される。

二次電池１０は、全ての正極のタブ１５ａを電極組立体１４における積層方向の一端側に寄せ集め、積層して構成された正極タブ群１８を有する。また、二次電池１０は、全ての負極のタブ１６ａを電極組立体１４における積層方向の一端側に寄せ集め、積層して構成された負極タブ群１９を有する。

図１及び図２に示すように、蓋体１３の外面には正極端子構造２０を構成する外側絶縁部材２１及び負極端子構造２２を構成する外側絶縁部材２１が配置されている。正極端子構造２０と負極端子構造２２とは、後記する電流遮断装置を除いて基本的に同じ構成であるため、共通の部材については、同じ部材番号を使用して説明する。

正極端子構造２０及び負極端子構造２２は、蓋体１３の外面に配置された矩形状の外側絶縁部材２１を備える。外側絶縁部材２１は合成樹脂製である。
正極端子構造２０は、端子接続部材２３により電気的に接続された外部接続端子２４及び正極引出端子２５を有し、外側絶縁部材２１は、正極の外部接続端子２４及び正極引出端子２５と蓋体１３とを絶縁する。負極端子構造２２は、負極の外部接続端子２６及び負極引出端子２７を有し、外側絶縁部材２１は、負極の外部接続端子２６及び負極引出端子２７と蓋体１３とを絶縁する。なお、正極引出端子２５は正極導電部材２５ａを介して正極タブ群１８に電気的に接続されており、負極引出端子２７は負極導電部材２８を介して負極タブ群１９に電気的に接続されている。

図２及び図３に示すように、二次電池１０は、一方の電極端子である負極引出端子２７に一体の電流遮断装置４０を備える。電流遮断装置４０は、ケース１１の内部に配置されており、ケース１１の内部圧力が所定の設定圧力に達すると、電極組立体１４と、負極引出端子２７とを電気的に接続している通電経路の電流を遮断する。

図３に示すように、負極導電部材２８は、負極タブ群１９に電気的に接続される電極接続部２８ａと、負極引出端子２７に電気的に接続される端子接続部２８ｂとを有し、電極接続部２８ａが端子接続部２８ｂより蓋体１３に近くなるように屈曲形成されている。

電流遮断装置４０は、負極引出端子２７の基部２７ａと、導電板としての負極導電部材２８の端子接続部２８ｂとの間に位置している。詳述すると、負極タブ群１９には、電極組立体１４と、負極端子構造２２とを電気的に接続するための負極導電部材２８が接合されている。この実施形態では、負極引出端子２７の基部２７ａが電流遮断装置４０を介して負極導電部材２８に電気的に接続されるとともに、負極導電部材２８が負極タブ群１９に電気的に接続されることにより、電極組立体１４と、負極引出端子２７との間の通電経路が構成されている。つまり、電流遮断装置４０は、作動していないときには通電経路の一部を構成し、ケース１１の内部に発生したガスの圧力を受けて作動したときに通電経路を遮断する。

図３に示すように、電流遮断装置４０が設けられている側の電極端子である負極引出端子２７はホルダ３０により支持されている。ホルダ３０は絶縁材製（この実施形態では樹脂製）で、負極引出端子２７の基部２７ａの外側を覆う状態に設けられている。詳述すると、ホルダ３０は、略円柱状で、負極引出端子２７の基部２７ａを収容可能な凹部３０ａを有し、負極引出端子２７の筒部２７ｂが遊挿されるとともに、筒部２７ｂとの間にシール部材３１が設けられている。また、ホルダ３０と負極導電部材２８との間にはシールリング３２が設けられている。

電流遮断装置４０は、負極導電部材２８と負極引出端子２７の基部２７ａとに接合された接点板４１を有する。接点板４１は、導電性の材料製であり、電極組立体１４に向けて凸となる碗状である。そして、接点板４１は、基部２７ａの凹部を電極組立体１４側から覆っている。接点板４１における基部２７ａの凹部からはみ出している外周部と、基部２７ａの端面とは、溶接により固定されている。

負極導電部材２８は、シールリング３２と当接する面と反対側の面に凹部２８ｃが形成されている。負極導電部材２８は、凹部２８ｃが形成されることにより、接点板４１と当接する部分の厚さが薄く形成されている。また、負極導電部材２８には接点板４１と当接する部分に溝２８ｄが形成されている。

電流遮断装置４０は、ケース１１の内部圧力を受圧して変形する変形板４２を有する。変形板４２は、弾性材料、例えば金属板で構成されたダイヤフラムであり、端子接続部２８ｂより電極組立体１４に近い位置に配置されている。変形板４２は、円板形状であって凹部２８ｃを電極組立体１４側から覆っている。変形板４２の外周部と端子接続部２８ｂとが変形板４２の外周部の全周にわたって溶接固定されている。変形板４２は、ケース１１内部をケース１１外部に対して気密に隔てている。

変形板４２は、通常状態において蓋体１３側から電極組立体１４側（下方）に向けて凸となっており、この凸部分における負極溶接部分Ｐと対向する箇所には、蓋体１３に向けて突出した突起４２ａを有する。突起４２ａは、溝２８ｄで囲まれた負極溶接部分Ｐと対向している。

負極導電部材２８の端子接続部２８ｂ及び変形板４２より電極組立体１４側には、端子接続部２８ｂ及び変形板４２を覆う絶縁部４３が設けられている。絶縁部４３は、負極タブ群１９と反対側がケース本体１２の内面の近くに位置するように配置されている。

ホルダ３０と負極導電部材２８とは、変形板４２の外側で固定されている。ホルダ３０は、負極導電部材２８にかしめにより固定されている。例えば、負極導電部材２８に複数の穴が形成され、ホルダ３０にその穴と嵌合可能な突部が形成され、穴と突部とが嵌合されて固定されている。かしめは、熱かしめにより行われる。負極導電部材２８は、電極接続部２８ａと反対側の端部がケース本体１２の内面との距離が、ホルダ３０とケース本体１２の内面との距離と同じに形成されている。

蓋体１３とホルダ３０との間には蓋体１３の角部１１ａに加わった衝撃を吸収する衝撃吸収手段４５が設けられている。角部１１ａとは、蓋体１３の短手方向に延びる端部を意味する。この実施形態では、衝撃吸収手段４５として空隙Ｓが設けられている。空隙Ｓは、蓋体１３の角部１１ａに加わった衝撃でケース１１が変形しても、その変形により電極端子（負極引出端子２７）のシール部としてのシール部材３１のシール性が、液漏れが生じるほど損なわれることが防止される大きさに形成されている。この実施の形態では、負極導電部材２８とケース本体１２の内面との距離が、ホルダ３０とケース本体１２の内面との距離と同じに形成されているため、ホルダ３０とケース本体１２の内面との間だけでなく、負極導電部材２８とケース本体１２の内面との間も空隙Ｓを構成する。

次に、前記のように構成された二次電池１０の作用を説明する。
二次電池１０は、電流遮断装置４０を有するため、電極反応が異常に進行してケース１１内の圧力があらかじめ設定された圧力以上になると、変形板４２が蓋体１３へ向かって変形し、突起４２ａが端子接続部２８ｂと接点板４１との負極溶接部分Ｐを破断する。その結果、負極引出端子２７と負極導電部材２８との電気的な接続が遮断され、通電経路の電流が遮断される。

蓋体１３とホルダ３０との間には蓋体１３の角部１１ａに加わった衝撃を吸収する衝撃吸収手段４５が設けられているため、例えば、二次電池１０の落下により蓋体１３の角部１１ａに加わった衝撃でケース１１が変形しても、その変形により負極引出端子２７のシール部材３１のシール性が、液漏れが生じるほど損なわれることが防止される。また、ホルダ３０と導電板（負極導電部材２８）とは、変形板４２の外側で固定されているため、ホルダ３０が電流遮断装置４０の作動に悪影響を与えない。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）蓄電装置（二次電池１０）は、開口部１２ａを有する四角箱状のケース本体１２と、開口部１２ａを塞ぐ蓋体１３とを有するケース１１と、ケース１１内に収容された電極組立体１４と、電流遮断装置４０とを有する。そして、電流遮断装置４０は変形板４２及び破断可能な導電板（負極導電部材２８）を備え、電流遮断装置４０が設けられている側の電極端子（負極引出端子２７）を支持するホルダ３０と導電板とは、変形板４２の外側で固定されており、蓋体１３とホルダ３０との間には蓋体１３の角部１１ａに加わった衝撃を吸収する衝撃吸収手段４５が設けられている。

この構成によれば、ケース１１の蓋体１３に対して電流遮断装置４０が設けられている側の角部１１ａに衝撃が加えられても、蓋体１３の角部１１ａに加わった衝撃が衝撃吸収手段４５により吸収される。その結果、たとえ、電流遮断装置４０が設けられている側のケース１１が変形しても、その変形により電極端子のシール部のシール性が、液漏れが生じるほど損なわれることが防止される。したがって、電流遮断装置４０が設けられた側のケース１１の角部１１ａが変形しても、ケース１１のシール性を確保して液漏れを防ぐことができる。

（２）衝撃吸収手段４５は、空隙Ｓである。衝撃吸収手段４５が空隙Ｓの場合は、電流遮断装置４０が設けられた側のケース１１の角部１１ａが変形しても、変形した部分が空隙Ｓの部分に位置することにより、ケース１１のシール性が確保される。また、衝撃吸収手段４５が空隙Ｓの場合は、衝撃吸収手段４５用の部品を設けずに形成することができる。

（３）空隙Ｓは、ホルダ３０と、ケース本体１２の蓋体１３側の内面との間に設けられている。この構成によれば、空隙Ｓを設ける構造が簡単になる。
（４）空隙Ｓは、ホルダ３０とケース本体１２の内面との間だけでなく、負極導電部材２８とケース本体１２の内面との間に跨るように形成されているため、空隙Ｓが広くなり衝撃吸収機能が大きくなる。

（５）ホルダ３０と導電板（負極導電部材２８）とは、かしめにより固定されている。この構成によれば、ホルダ３０と導電板との固定のために、別部材を設ける必要がない。
（６）ホルダ３０と導電板（負極導電部材２８）とのかしめは、熱かしめにより行われる。そのため、他のかしめよりかしめ作業が容易になる。

実施形態は前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 図４に示すように、負極導電部材２８の端部をケース本体１２の内面近くまで延びる状態に設けてもよい。この場合、ケース本体１２の変形が負極導電部材２８によって妨げられるため、ケース１１の角部１１ａに衝撃が加わったときに、ホルダ３０がよりケース本体１２から力を受けにくくなる。

○ 図５（ａ）、（ｂ）に示すように、衝撃吸収手段４５は空隙Ｓで構成されずに、蓋体１３の、ケース本体１２の内面と当接する部分を厚くした肉厚部４６にすることにより構成されていてもよい。肉厚部４６は、例えば、円柱などの柱状に形成される。この構成によれば、蓋体１３の角部１１ａの強度が高くなっているため、ケース１１の角部１１ａに衝撃が加わっても、蓋体１３の変形が抑制され、ケース１１の必要なシール性が確保される。

○ 蓋体１３の、ケース本体１２の内面と当接する部分を厚くした肉厚部４６の構成は、円柱などの柱状に形成されたものに限らず、蓋体１３の幅方向に沿って延びるリブで構成されてもよい。リブは、蓋体１３の幅方向全体に渡って延びるものに限らず、分割された２つのリブであってもよい。

○ 衝撃吸収手段４５は、空隙Ｓの部分に緩衝材を有していてもよい。例えば、図６（ａ），（ｂ）に示すように、ホルダ３０に空隙Ｓのケース本体１２の内面に沿って延びるリブで緩衝材４７を構成してもよい。この構成によれば、蓋体１３の角部１１ａに加わった衝撃が緩衝材４７によって弱められるため、衝撃吸収手段４５を空隙だけで構成する場合に比べて衝撃吸収手段４５が占める体積を小さくすることが可能になる。

○ 図６（ａ）に示すように、緩衝材４７をホルダ３０と一体に構成する場合、ホルダ３０を負極導電部材２８にかしめにより固定するかしめの位置を、ホルダ３０から延設された部分にしてもよい。

○ 衝撃吸収手段４５を構成する緩衝材４７は、ホルダ３０と一体に構成される必要はない。例えば、図３あるいは図４で図示された空隙Ｓに別部材の緩衝材４７を収容してもよい。緩衝材４７としては、例えば、ゴム、発泡樹脂、布などが挙げられる。

○ ホルダ３０と導電板（負極導電部材２８）とをかしめにより固定する場合、かしめは熱かしめでなくてもよい。
○ ホルダ３０と導電板（負極導電部材２８）との固定はかしめに限らない。例えば、接着剤で固定してもよい。

Ｓ…空隙、１１…ケース、１２…ケース本体、１２ａ…開口部、１３…蓋体、１４…電極組立体、２７…電極端子としての負極引出端子、２８…導電板としての負極導電部材、３０…ホルダ、４０…電流遮断装置、４２…変形板、４５…衝撃吸収手段、４７…緩衝材。

Claims

開口部を有する四角箱状のケース本体と、前記開口部を塞ぐ蓋体とを有するケースと、前記ケース内に収容された電極組立体と、電流遮断装置とを有する蓄電装置であって、
前記電流遮断装置は、変形板及び破断可能な導電板を備え、前記電流遮断装置が設けられている側の電極端子を支持するホルダと前記導電板とは、前記変形板の外側で固定されており、前記蓋体と前記ホルダとの間には前記蓋体の角部に加わった衝撃を吸収する衝撃吸収手段が設けられており、
前記衝撃吸収手段は、前記蓋体の、前記ケース本体の内面と当接する部分を厚くすることにより構成されていることを特徴とする蓄電装置。
前記ホルダと前記導電板とは、かしめにより固定されている請求項１に記載の蓄電装置。
前記かしめは熱かしめである請求項２に記載の蓄電装置。