JP6770690B2

JP6770690B2 - 密閉型電池

Info

Publication number: JP6770690B2
Application number: JP2017155509A
Authority: JP
Inventors: 雄太根本; 友寛大野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-08-10
Filing date: 2017-08-10
Publication date: 2020-10-21
Anticipated expiration: 2037-08-10
Also published as: JP2019036412A

Description

本発明は、密閉型電池に関する。詳しくは、電極端子が設けられたケースに電極体が収容されている密閉型電池に関する。

リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池などの二次電池は、車両搭載用電源あるいはパソコンや携帯端末等の電源として重要性が高まっている。かかる二次電池は、例えば、密閉されたケース内に電解液と電極体とが収容された、いわゆる密閉型電池として構築される。そして、この密閉型電池には、車両のモーターや他の電池等の外部機器と接続される電極端子が設けられている。

かかる密閉型電池の電極端子近傍の構造の一例を図５に示す。図５に示すように、密閉型電池１００の電極端子１２０は、ケース１１０に取り付けられており、ボルト１３０と、外部接続部材１４０と、集電部材１５０とを備えている。ボルト１３０は、外部機器と接続される柱状の導電部材であって、ケース１１０の外部に設けられている。また、外部接続部材１４０は、密閉型電池１００の幅方向Ｘに沿って延びる板状の導電性部材であって、一方の端部がボルト１３０と接続されている。そして、集電部材１５０は、高さ方向Ｚに延びる長尺な導電部材であって、下端部がケース１１０内部の電極体（図示省略）と接続されている。一方、集電部材１５０の上端部は、ケース１１０と外部接続部材１４０とを貫通してケース１１０外に露出している。

この密閉型電池１００の集電部材１５０の上端部には、円板状の笠部１５２が形成されている。かかる笠部１５２は、カシメ加工によって集電部材１５０の上端部を押圧変形させることによって形成される。かかるカシメ加工で円板状の笠部１５２を形成することによって、外部接続部材１４０がケース１１０に固定されると共に、集電部材１５０と外部接続部材１４０とが凝着されて導通経路が形成される。
特許文献１、２には、集電部材の上端部をカシメ加工で押圧変形させる技術の例が記載されている。

特開２０１５−１５３５２１号公報特開２０１６−７６３７５号公報

しかしながら、上記した構造の密閉型電池１００では、電極端子１２０の近傍において種々の問題が発生することがあり、かかる問題の解決が望まれていた。

例えば、図５に示す構造の電極端子１２０において、ボルト１３０を外部機器に接続した状態で衝撃や振動が加えられると、当該衝撃や振動に伴って外部接続部材１４０が上下動し、図６に示すように集電部材１５０の笠部１５２に応力が繰り返し加えられる。
ここで、集電部材１５０は、カシメ加工を適切に行うために比較的柔らかな素材で構成されており、外部接続部材１４０よりも塑性変形しやすい。このため、上下動する外部接続部材１４０によって応力が繰り返し加えられると、笠部１５２に大きな塑性変形が生じ、集電部材１５０と外部接続部材１４０との間の凝着部分が剥離して導通経路が減少するため、電池抵抗が上昇する恐れがある。

また、密閉型電池１００のケース１１０の外側には、結露などによって水分が付着することがある。このとき、外部接続部材１４０の上面に水分が付着すると、図５中の矢印Ａに示すように、外部接続部材１４０の上面を伝わって、笠部１５２と外部接続部材１４０との間に水分が入り込む恐れがある。このような場合、笠部１５２と外部接続部材１４０との凝着部分が劣化する原因となる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、電極端子で生じ得る種々の問題を好適に解決し、高い電池性能を発揮することができる密閉型電池を提供することを目的とする。

上記目的を実現するべく、本発明によって以下の構成の密閉型電池が提供される。

ここで開示される密閉型電池は、電極体を収容するケースと、ケースの外部に設けられており、外部機器と接続されるボルトと、ケースの外部においてボルトと電気的に接続されている板状の外部接続部材と、下端部がケース内で電極体と電気的に接続されると共に、上端部がケースと外部接続部材とを貫通してケースの外側に露出する長尺の集電部材とを備えている。また、かかる密閉型電池では、集電部材の上端部に円板状の笠部が形成されており、当該円板状の笠部によって外部接続部材がケースに固定される。
そして、ここで開示される密閉型電池では、外部接続部材の上面から上方に向かって突出する凸部が、円板状の笠部の周縁部を囲むように環状に連続して形成されており、当該環状の凸部が円板状の笠部の周縁部の側面と上面を覆うように径方向内側に向かって押圧変形されている。

ここで開示される密閉型電池では、集電部材の笠部を囲む環状の凸部が外部接続部材に形成されている。そして、当該環状の凸部は、径方向内側に押圧変形されて笠部の周縁部の上面を覆っている。これによって、環状の凸部と外部接続部材との間に集電部材の笠部を挟み込んで固定することができるため、振動等で生じた応力で笠部が塑性変形して外部接続部材から離間することを好適に抑制できる。このため、集電部材と外部接続部材との導通経路を適切に確保し、電池抵抗の上昇を防止することができる。
また、ここで開示される密閉型電池では、環状に連続して形成された凸部によって笠部の周縁部の側面が覆われているため、笠部と外部接続部材との間に水分が入り込むことを抑制し、笠部と外部接続部材との凝着部分の劣化を好適に防止することもできる。
以上のように、ここで開示される密閉型電池によれば、電極端子で生じ得る種々の問題を好適に解決し、高い電池性能を発揮することができる。

本発明の一実施形態に係る密閉型電池を模式的に示す斜視図である。図１に示す密閉型電池の電極端子近傍の構造を模式的に示す断面図である。本発明の一実施形態に係る密閉型電池に用いられる外部接続部材を模式的に示す平面図である。本発明の一実施形態に係る密閉型電池の電極端子の組み立てにおけるカシメ加工を説明する断面図である。本発明の一実施形態に係る密閉型電池の電極端子の組み立てにおけるカシメ加工後の状態を説明する断面図である。本発明の一実施形態に係る密閉型電池の電極端子の組み立てにおける凸部の押圧変形を説明する断面図である。本発明の一実施形態に係る密閉型電池の電極端子の組み立てにおける凸部の押圧変形後の状態を説明する断面図である。従来の密閉型電池の電極端子近傍の構造を模式的に示す断面図である。従来の密閉型電池の電極端子における笠部の塑性変形を説明する断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る密閉型電池の一例としてリチウムイオン二次電池を説明する。なお、ここで開示される密閉型電池はリチウムイオン二次電池に限定されず、例えば、ニッケル水素電池などであってもよい。

また、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。なお、各図における寸法関係（長さ、幅、厚み等）は実際の寸法関係を反映するものではない。また、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、電極体や電解液の構成および製法などのリチウムイオン二次電池の構築に係る一般的技術等）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。

１．密閉型電池の構造
（１）全体構造
図１は本実施形態に係る密閉型電池を模式的に示す斜視図である。なお、図１中の符号Ｘは密閉型電池の幅方向を示し、符号Ｙは厚み方向を示し、符号Ｚは高さ方向を示している。

図１に示すように、本実施形態に係る密閉型電池１は、扁平な角型のケース１０を備えている。かかる密閉型電池１のケース１０は、上面が開口した角型のケース本体１２と、当該ケース本体１２上面の開口部を塞ぐ板状の蓋体１４とから構成されている。かかるケース１０は、銅やアルミニウムなどの軽量で熱伝導性の良い金属材料を主体に構成されていることが好ましい。

上述のケース１０の内部には、電極体７０と電解液（図示省略）とが収容されている。図１に示す電極体７０は、セパレータを介してシート状の正極と負極とを捲回させた捲回電極体であるが、かかる電極体の構造は特に限定されない。なお、電極体や電解液の材料については、従来の一般的なリチウムイオン二次電池と同様のものを特に制限なく使用することができるため詳細な説明を省略する。

そして、この密閉型電池１では、車両のモーターや他の電池等の外部機器と接続される電極端子２０がケース１０上面の蓋体１４に設けられている。以下、電極端子２０の具体的な構造について説明する。

（２）電極端子の構造
図２は図１に示す密閉型電池１の電極端子２０近傍の構造を模式的に示す断面図である。図２に示すように、本実施形態に係る密閉型電池１の電極端子２０は、ボルト３０と、外部接続部材４０と、集電部材５０とを備えている。また、本実施形態では、これらの電極端子２０の構成部材がケース１０と導通することを防止するために、蓋体１４に絶縁部材６０が取り付けられている。以下、各々の部材について説明する。

（ａ）ボルト
ボルト３０は、ケース１０外部において密閉型電池１の高さ方向Ｚに立設する柱状の導電部材である。かかる柱状のボルト３０の外周面にはネジ溝（図示省略）が形成されている。このボルト３０に、バスバーなどの接続部材を接触させ、ナット等を締め込むことによって、車両のモーターや他の電池などの外部機器と接続させることができる。なお、ボルト３０には、ナット等を締め込む際に所望の軸力（締付け力）を発揮できるような材料を好ましく用いることができる。

（ｂ）外部接続部材
外部接続部材４０は、ケース１０の外部に配置された板状の導電部材であって、密閉型電池１の幅方向Ｘに沿って延びている。図２に示す電極端子２０では、外部接続部材４０を介してボルト３０と集電部材５０とが電気的に接続されている。この外部接続部材４０には、所定の剛性を有した導電性の金属材料（例えば、５０００系アルミニウム合金など）が好ましく用いられる。

図３は、本実施形態に係る密閉型電池に用いられる外部接続部材を模式的に示す平面図である。図３に示すように、外部接続部材４０の一方の端部にはボルト挿通孔４２が形成されており、当該ボルト挿通孔４２にボルト３０（図２参照）を挿通させることによって、外部接続部材４０とボルト３０とが電気的に接続される。一方、外部接続部材４０の他方の端部には集電部材挿通孔４４が形成されており、当該集電部材挿通孔４４に集電部材５０（図２参照）を挿通させることによって、外部接続部材４０と集電部材５０とが電気的に接続される。

また、図３に示すように、本実施形態に係る密閉型電池１では、外部接続部材４０に、集電部材挿通孔４４を囲む環状の凸部４６が形成されている。詳しくは後述するが、かかる凸部４６は、外部接続部材４０の上面から上方に向かって突出すると共に、集電部材５０の笠部５２の周縁部を囲むように環状に連続して形成されている（図４Ｂ参照）。かかる環状の凸部４６は、図２に示すように、径方向内側に向かって折り曲げられ、集電部材５０の笠部５２の周縁部を覆っている。

（ｃ）集電部材
図１に示すように、集電部材５０は、密閉型電池１の高さ方向Ｚに沿って延びる長尺の導電部材であって、下端部５１がケース１０内で電極体７０と電気的に接続されている。
一方、集電部材５０の上端部は、図２に示すように、絶縁部材６０、蓋体１４、外部接続部材４０を貫通してケース１０の外側に露出している。
そして、集電部材５０の上端部には、円板状の笠部５２が形成されており、当該円板状の笠部５２によって、外部接続部材４０が蓋体１４（ケース１０）に固定されている。詳しくは後述するが、この円板状の笠部５２は、カシメ加工によって集電部材５０の上端部を押圧変形させることによって形成される。
なお、集電部材５０には、電極端子２０を構成する他の部材よりも柔らかな金属材料（例えば、１０００系アルミニウムなど）を用いることが好ましい。これによって、カシメ加工で容易に押圧変形させて好適な形状の笠部５２を形成することができる。

（ｄ）絶縁部材
上述したように、本実施形態では、電極端子２０の構成部材がケース１０と導通することを防止するために、蓋体１４に絶縁部材６０が取り付けられている。
図２に示すように、絶縁部材６０は、絶縁ホルダ６２と内部シール材６４とを備えている。絶縁ホルダ６２は、蓋体１４の上面に配置されており、外部接続部材４０やボルト３０が蓋体１４と接触して導通することを防止している。一方、内部シール材６４は、ケース１０内部に配置されており、集電部材５０が蓋体１４と接触して導通することを防止している。なお、絶縁部材６０を構成する各部材には、例えば、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリイミド樹脂などを好ましく用いることができる。

２．電極端子の組み立て
本実施形態に係る密閉型電池１の電極端子２０は、集電部材５０にカシメ加工を施して笠部５２を形成した後、当該笠部５２の周縁部を覆うように外部接続部材４０の環状の凸部４６を押圧変形させることによって組み立てられる。以下、本実施形態における電極端子２０の組み立てを具体的に説明する。

図４Ａ〜図４Ｄは、本実施形態に係る密閉型電池における電極端子の組み立てを説明する断面図である。なお、図４Ａは集電部材のカシメ加工を説明する図であり、図４Ｂはカシメ加工後の状態を説明する図である。また、図４Ｃは凸部の押圧変形を説明する図であり、図４Ｄは凸部の押圧変形後の状態を説明する図である。

（１）カシメ加工
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、本実施形態に係る密閉型電池１の電極端子２０を組み立てる際には、先ず、カシメ加工を行って集電部材５０の上端に笠部５２を形成する。
具体的には、図４Ａに示すように、絶縁部材６０が取り付けられた蓋体１４の上面に外部接続部材４０を配置する。そして、蓋体１４の挿通孔１４ａと外部接続部材４０の集電部材挿通孔４４に、円筒状の集電部材５０の上端部５３を挿通させることによって、当該円筒状の上端部５３をケース１０外部に露出させる。
次に、押圧手段Ｐ１を用いて、円筒状の上端部５３が径方向外側に向かって折り曲げられるように全周に亘って押圧変形させる、いわゆるカシメ加工を行う。これによって、図４Ｂに示すような円板状の笠部５２が集電部材５０の上端に形成され、外部接続部材４０が蓋体１４に固定される。このとき、カシメ加工の圧力によって笠部５２と外部接続部材４０とが凝着し、集電部材５０と外部接続部材４０との間に好適な導通経路が形成される。

（２）凸部の押圧変形
本実施形態では、上述したカシメ加工の後に、環状の凸部４６を押圧変形させる。具体的には、図４Ｂに示すように、本実施形態においては、カシメ加工で形成された円板状の笠部５２の周縁部を囲むように、外部接続部材４０の上面に環状の凸部４６が形成されている。本工程では、図４Ｃに示すように、押圧手段Ｐ２を用いて、環状の凸部４６が径方向内側に向かって折り曲げられるように周状に全周に亘って押圧変形させる。これによって、図４Ｄに示すように、円板状の笠部５２の周縁部の上面５２ａと側面５２ｂとが環状の凸部４６によって覆われた電極端子２０が組み立てられる。

このような電極端子２０を備えた本実施形態に係る密閉型電池１では、笠部５２の周縁部の上面５２ａが環状の凸部４６に覆われるため、環状の凸部４６と外部接続部材４０との間に集電部材５０の笠部５２を挟み込んで固定することができる。このため、密閉型電池１の振動等による応力で笠部５２が塑性変形して外部接続部材４０から離間することを好適に抑制できる。従って、本実施形態によれば、集電部材５０と外部接続部材４０との導通経路を適切に確保して電池抵抗の上昇を防止することができる。

また、本実施形態に係る密閉型電池１では、環状に連続して形成された凸部４６によって集電部材５０の笠部５２の周縁部の側面５２ｂが覆われている。このため、図４Ｄ中の矢印Ａのように、結露などによる水分が外部接続部材４０の上面を伝わって笠部５２に向かって流れたとしても、環状の凸部４６によって水分の侵入を防止することができる。従って、本実施形態によれば、笠部５２と外部接続部材４０との間に水分が侵入して集電部材５０と外部接続部材４０との凝着部分を劣化させることを好適に防止できる。

また、従来の密閉型電池の製造工程では、集電部材と外部接続部材との間に適切な導通経路を形成するために、カシメ加工で笠部を形成した後に当該笠部と外部接続部材とをレーザー等で溶接する溶接工程が行われることがあった。
これに対し、本実施形態に係る密閉型電池１では、カシメ加工で形成された笠部５２の周縁部が環状の凸部４６によって覆われており、当該凸部４６と笠部５２との間にも導通経路が形成されるため、従来技術のように笠部５２と外部接続部材４０とを溶接しなくても、集電部材５０と外部接続部材４０との間に適切な導通経路が形成されている。このため、本実施形態に係る密閉型電池１によれば、上述の溶接工程を廃止して密閉型電池の製造工程における加工コストを大幅に削減することに貢献できる。

以上のように、本実施形態に係る密閉型電池１によれば、図２に示すように、外部接続部材４０に環状の凸部４６を形成し、当該環状の凸部４６を笠部５２の周縁部の上面５２ａと側面５２ｂとを覆うように押圧変形させることによって、密閉型電池１の電極端子２０で生じ得る種々の問題を好適に解決することができる。

なお、本実施形態における環状の凸部４６の内径Ｒ１（図３参照）は、集電部材５０の笠部５２の外径Ｒ２（図４Ｂ参照）を考慮して適宜調整することが好ましい。例えば、環状の凸部４６の内径Ｒ１が小さすぎると、カシメ加工の際に集電部材５０の上端部５３と環状の凸部４６とが干渉して、好適な形状の笠部５２を形成できなくなる恐れがある。一方、環状の凸部４６の内径Ｒ１が大きすぎると、当該凸部４６を径方向内側に押圧変形させた際に、笠部５２の周縁部を好適に覆うことが難しくなる恐れがある。具体的には、カシメ加工で形成される笠部５２の外径Ｒ２が７ｍｍ程度になると予想される場合には、環状の凸部４６の内径Ｒ１を７ｍｍ〜７．５ｍｍに設定すると好ましい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。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。

１、１００密閉型電池
１０、１１０ケース
１２ケース本体
１４蓋体
１４ａ挿通孔
２０、１２０電極端子
３０、１３０ボルト
４０、１４０外部接続部材
４２ボルト挿通孔
４４集電部材挿通孔
４６凸部
５０、１５０集電部材
５１集電部材の下端部
５２、１５２笠部
５２ａ笠部の周縁部の上面
５２ｂ笠部の周縁部の側面
５３集電部材の上端部
６０絶縁部材
６２絶縁ホルダ
６４内部シール材
７０電極体
Ａ水分の流れ
Ｐ１、Ｐ２押圧手段
Ｒ１環状の凸部の内径
Ｒ２笠部の外径
Ｘ（密閉型電池の）幅方向
Ｙ（密閉型電池の）厚み方向
Ｚ（密閉型電池の）高さ方向

Claims

電極体を収容するケースと、
前記ケースの外部に設けられており、外部機器と接続されるボルトと、
前記ケースの外部において、前記ボルトと電気的に接続されている板状の外部接続部材と、
下端部が前記ケース内で前記電極体と電気的に接続されると共に、上端部が前記ケースと前記外部接続部材とを貫通して前記ケースの外側に露出する長尺の集電部材と
を備え、
前記集電部材の上端部に円板状の笠部が形成されており、当該円板状の笠部によって前記外部接続部材が前記ケースに固定される密閉型電池であって、
前記外部接続部材の上面から上方に向かって突出する凸部が、前記円板状の笠部の周縁部を囲むように環状に連続して形成されており、
当該環状の凸部が前記円板状の笠部の周縁部の側面と上面を覆うように径方向内側に向かって押圧変形されている、密閉型電池。