JP6780620B2 - 密閉型電池 - Google Patents

Description

本開示は、密閉型電池に関する。

従来、二次電池に関して、電極が内蔵されるケースを密閉するプレートと端子との間にガスケットを介在させた構成が、たとえば特開２００６−９３１２２号公報（特許文献１）に開示されている。

特開２００６−９３１２２号公報

集電端子とカバーとの間にガスケットを介在させて、密閉型電池を密閉する方法がある。集電端子とカバーとの間にガスケットを挟み込んで圧縮する際、ガスケットを圧縮させるために負荷される荷重（ガスケットの圧縮荷重）を大きくすれば、シール性は向上する。一方、生産性を向上するためには圧縮荷重を小さくすることが望まれるが、この場合シール性を確保しにくくなる可能性がある。

本開示では、シール性を確保した上でガスケットの圧縮荷重を低減できる密閉型電池が提供される。

本開示に係る密閉型電池は、電池要素と、筐体と、カバーと、集電端子と、ガスケットとを備える。筐体は、電池要素を収容する。筐体には、開口が形成されている。カバーは、開口を閉塞する。カバーには、貫通孔が形成されている。集電端子は、集電板頭部と、軸部とを含む。集電板頭部は、筐体の内部に設けられている。集電板頭部は、貫通孔よりも大径である。軸部は、集電板頭部から貫通孔を貫通し筐体の外部へ突出する。ガスケットは、鍔部と筒状の筒部とを含む。鍔部は、集電板頭部とカバーとの間に設けられている。筒部は、貫通孔の内周面と軸部との間に設けられている。カバーは、突起部を有する。突起部は、貫通孔の周囲に設けられている。突起部は、筐体の内部に向かって突出し、鍔部を押圧する。集電板頭部は、ガスケットに対向する対向面を有する。集電板頭部には、軸部の外周面に沿って、溝部が形成されている。溝部は、対向面の突起部に対向する部分よりも軸部に近い位置から軸部まで、対向面が窪んで形成されている。

上記の密閉型電池によると、圧縮荷重を受けて変形するガスケットが溝部の内部に入り込むことができるので、ガスケットの変形量が小さくなり、ガスケットが過圧縮状態になることが抑制される。これにより、シールに必要なガスケットの圧縮量を確保するために負荷される圧縮荷重を、低減することができる。

本開示に従えば、シール性を確保した上でガスケットの圧縮荷重を低減できる、密閉型電池を実現することができる。

密閉型電池の内部構造を示す断面図である。 図１に示す領域ＩＩの拡大図である。 ナットを軸部に締結させる前における図２に示す領域ＩＩＩの拡大図である。 ナットを軸部に締結させた後における図２に示す領域ＩＩＩの拡大図である。 実施の形態２に従う集電端子を示す断面図である。 溝部を設けるための加工方法の一例を示した図である。

以下、図面に基づいて、各実施の形態における密閉型電池について説明する。以下に示す実施の形態において、同一または実質的に同一の構成については、同一の符号を付して、重複した説明は繰り返さない。以下で説明される実施の形態の各構成は、適宜選択的に組み合わされてもよい。

（実施の形態１）
＜密閉型電池１００＞
図１は、密閉型電池１００の内部構造を示す断面図である。密閉型電池１００は、複数個が直列に組み合わされて組電池とされ、ハイブリッド自動車に搭載されている。その組電池は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関とともに、ハイブリッド自動車の動力源とされている。別の例として、密閉型電池１００は、電気自動車または燃料電池自動車に搭載されている。

密閉型電池１００は、電池要素２０と、外装体３０と、導電板４７と、外部端子４０と、集電端子部材４６と、を備えている。電池要素２０は、正負の電極板がセパレータを介して積層されて構成されている。

外装体３０は、内部に電池要素２０を収容している。外装体３０は、筐体３１とカバー３２とを有している。筐体３１は、一方向に開口されたほぼ直方体のケース形状を有している。筐体３１の内部には、電解液とともに、電池要素２０が収容されている。筐体３１は、底部６０を有している。底部６０は、筐体３１の底を構成している。

カバー３２は、略矩形の平面視を有する平板形状を有している。カバー３２は、筐体３１に形成された開口に配置されている。カバー３２は、筐体３１の開口を塞ぐように設けられている。カバー３２には、貫通孔１３が形成されている。カバー３２は、内面３２ａおよび外面３２ｂを有する。内面３２ａは、外装体３０の内部に向く面である。外面３２ｂは、外装体３０の外部に向く面である。

カバー３２および筐体３１は、電池要素２０を収容する密閉空間を形成している。カバー３２および筐体３１は、アルミニウムなどの金属材料により形成されている。

導電板４７は、外装体３０の外部に設けられている。導電板４７は、正面視でクランク状に形成された導電性の板状部材である。

外部端子４０は、外装体３０の外部に設けられている。外部端子４０は、密閉型電池１００に２つ設けられる。一方が正極用の外部端子４０であり、他方が負極用の外部端子４０である。外部端子４０は、導電板４７を貫通して設けられている。外部端子４０は、導電板４７と電気的に接続されている。

集電端子部材４６は、集電板４８と、集電端子４５とを含む。集電板４８は、筐体３１の内部に設けられている。集電板４８は、電池要素２０と電気的に接続されている。集電板４８は、集電端子４５から、底部６０に向かって延びる形状を有する。集電板４８は、集電端子４５から、筐体３１の開口から離れる方向に延びる形状を有する。集電板４８は、集電端子４５と一体になるように組立てられている。集電板４８は、集電端子４５と電気的に接続されている。

集電端子４５は、外装体３０の外部で導電板４７に接続されている。集電端子４５は、カバー３２の貫通孔１３と、導電板４７とを貫通して設けられている。集電端子４５は、外装体３０の内部から外部にまで延びている。

＜集電端子４５周辺の構造＞
図２は、図１に示す領域ＩＩの拡大図である。集電端子４５は、軸部３３、および集電板頭部３４を有する。軸部３３は、円柱状の形状を有する。図２中に図示された両矢印は、軸部３３の軸方向ＤＲ１と径方向ＤＲ２とを示している。軸方向ＤＲ１は、軸部３３の延在方向であり、図２中の上下方向である。径方向ＤＲ２は、軸方向ＤＲ１に直交する方向であり、図２中においては左右方向である。径方向ＤＲ２の内側は、軸部３３に近づく方向である。径方向ＤＲ２の外側は、軸部３３から離れる方向である。

軸部３３は、集電板頭部３４から突出している。軸部３３は、カバー３２の貫通孔１３を貫通している。軸部３３は、外装体３０の外部へ突出する。軸部３３は、外装体３０の外部において、導電板４７と、インシュレータ５０とを貫通して延びるように設けられている。軸部３３は、外装体３０の外部に突出する方向における端部に先端部Ｔを有する。軸部３３の先端部Ｔには雄ねじ部３３ａが形成されている。

集電板頭部３４は、筐体３１の内部に設けられている。集電板頭部３４は、軸部３３の根元から径方向ＤＲ２の外側に延出する鍔形状を有している。集電板頭部３４は、貫通孔１３よりも大径である。集電板頭部３４は、ガスケット２７に対向する対向面３５を有している。対向面３５は、ガスケット２７と接触している。

ガスケット２７は、カバー３２と集電端子４５との間に介挿されている。ガスケット２７は、カバー３２と集電端子４５との間のシール材として設けられている。これにより、外装体３０の内部が密封されている。

ガスケット２７は、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂）またはＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）などの、弾性の樹脂材料またはゴム材料により形成されている。

ガスケット２７は、筒部２８、鍔部２９、および囲い部３７を有する。筒部２８は、中空円筒状の形状を有している。筒部２８は、鍔部２９から突出している。筒部２８は、軸方向ＤＲ１に沿って延びている。筒部２８は、貫通孔１３に挿通されている。筒部２８は、貫通孔１３の内周面と軸部３３との間に設けられている。

鍔部２９は、筒部２８から径方向ＤＲ２の外側に延出する鍔形状を有している。鍔部２９は、カバー３２と集電板頭部３４との間に設けられている。鍔部２９は、カバー３２と集電端子４５との間で圧縮変形された状態で固定されている。

囲い部３７は、中空円筒状の形状を有している。囲い部３７は、鍔部２９の外周縁から、底部６０に向かう方向に突出している。囲い部３７は、集電板頭部３４の周囲に設けられている。囲い部３７は、集電板頭部３４の径よりも大きい内径を有する。

カバー３２は、突起部２４を有する。突起部２４は、貫通孔１３の周囲に設けられている。突起部２４は、筐体３１の内部に向かって突出している。突起部２４は、カバー３２の内面３２ａ側に設けられている。突起部２４は、鍔部２９を押圧する。鍔部２９における突起部２４に押圧されている部分（図２中の領域Ｓ）は、鍔部２９における領域Ｓ以外の部分と比較して、圧縮量が大きくなる。

インシュレータ５０は、外装体３０の外部に設けられている。インシュレータ５０は、カバー３２上に載置されている。インシュレータ５０は、カバー３２と導電板４７との間に設けられている。インシュレータ５０はまた、カバー３２と図１に示す外部端子４０との間に設けられている。インシュレータ５０は、絶縁性材料から形成されており、カバー３２と、外部端子４０および導電板４７と、を電気的に絶縁している。

導電板４７は、インシュレータ５０上に載置されている。導電板４７を介して、外部端子４０と集電端子部材４６とが電気的に接続されている。

図２に示すナット５１は、内周面に雌ねじ部（図示しない）を有する。ナット５１の雌ねじ部は、軸部３３の雄ねじ部３３ａと螺合する。ナット５１は、軸部３３よりも大径のフランジ５１ａを有する。フランジ５１ａは、導電板４７と接触している。フランジ５１ａは、フランジ５１ａの外周面を構成する外縁５１ｂを有する。外縁５１ｂは、突起部２４よりも径方向ＤＲ２の外側に設けられている。

外縁５１ｂが突起部２４よりも径方向ＤＲ２の外側に設けられていることで、ナット５１が導電板４７を押圧する力が、インシュレータ５０を介して、カバー３２の突起部２４が設けられている部分に確実に伝わる。これにより、鍔部２９と対向面３５とのシール性が向上されている。

ナット５１を軸部３３に締結させることにより、フランジ５１ａが導電板４７を押圧する。フランジ５１ａが導電板４７を押圧することにより、ガスケット２７と、カバー３２と、インシュレータ５０と、導電板４７とが、ナット５１および集電板頭部３４により把持される。これにより、ガスケット２７が圧縮され、鍔部２９と対向面３５とが密着する。

ナット５１の締め付けトルクを大きくすることにより、フランジ５１ａが導電板４７を押圧する力が大きくなる。これにより、ガスケット２７の圧縮量が大きくなる。したがって、ガスケット２７と集電端子４５との間のシール性が向上する。ガスケット２７と集電端子４５との間のシール性の品質は、ナット５１の締め付けトルクで管理されている。

＜ガスケット２７の圧縮荷重を低減する構造＞
図３は、ナット５１を軸部３３に締結させる前における図２に示す領域ＩＩＩの拡大図である。図４は、ナット５１を軸部３３に締結させた後における図２に示す領域ＩＩＩの拡大図である。図３および図４を参照して、ガスケット２７の圧縮荷重を低減する構造について説明する。

集電板頭部３４には、溝部２５が、軸部３３の外周面に沿って形成されている。溝部２５は、軸部３３を囲うように円周状に形成されている。溝部２５は、突起部２４よりも径方向ＤＲ２の内側に設けられている。溝部２５は、対向面３５の突起部２４に対向する部分（図３中のＸ部分）よりも軸部３３に近い位置から、軸部３３の外周面まで、対向面３５が窪んで形成されている。

対向面３５が窪むことにより、第１の側壁面３５ａが設けられる。第１の側壁面３５ａは、溝部２５の外周面である。集電板頭部３４は、底部２６を有する。底部２６は、溝部２５の底面を構成する。

図３中の符号Ｄは、径方向ＤＲ２における第１の側壁面３５ａから軸部３３の外周面までの長さ（以下、溝幅Ｄ）を表す。符号Ｇは、軸方向ＤＲ１における対向面３５から底部２６までの長さ（以下、溝深さＧ）を表す。溝深さＧは、筒部２８の押込み量（筒部２８が突出する方向における筒部２８の先端２８ａから対向面３５までの軸方向ＤＲ１における長さの圧縮前後における差）を基に適宜決定される。

突起部２４よりも径方向ＤＲ２の外側には、対向面３５が窪んだ凹部３６が形成されている。対向面３５が窪むことにより、第２の側壁面３５ｂが設けられる。第２の側壁面３５ｂは、凹部３６の径方向ＤＲ２における内側の面を構成する。

凹部３６が形成されることにより、鍔部２９と、集電板頭部３４との間に隙間が形成される。隙間が形成されることにより、温度上昇により膨張した鍔部２９は、隙間に入り込むことができる。

図３中の符号Ａは、径方向ＤＲ２における突起部２４の長さ（以下、突起幅Ａ）を表す。符号Ｂは、突起部２４の径方向ＤＲ２における最も内側の部分から第１の側壁面３５ａでの長さを表す。符号Ｃは、突起部２４の径方向ＤＲ２における最も外側の部分から第２の側壁面３５ｂでの長さを表す。径方向ＤＲ２における第１の側壁面３５ａから第２の側壁面３５ｂまでの長さは、突起幅Ａよりも大きい。

シール性を確保するために突起部２４は、径方向ＤＲ２において、第１の側壁面３５ａから第２の側壁面３５ｂまでの間に設けられていなければならない。部品の寸法および組み付けのバラつきを考慮すると、長さＢおよび長さＣは、０．１［ｍｍ］以上が好ましい。

軸部３３と、ガスケット２７と、底部２６と、第１の側壁面３５ａとによって囲われた部分の容積を溝容積Ｖ１とする。溝容積Ｖ１は、円周状の溝部２５の容積である。鍔部２９の、突起部２４と対向する部分（領域Ｙ）の圧縮前後の体積差を圧縮体積Ｖ２とする。圧縮体積Ｖ２は、突起部２４が鍔部２９を押圧することにより、鍔部２９が圧縮されて変形した体積である。

図４中に示す２点鎖線で囲う領域は、圧縮される前の筒部２８の先端の形状を示している（図３も併せて参照）。筒部２８は、インシュレータ５０により、先端２８ａを押圧されて圧縮される。筒部２８の圧縮前後の体積差を圧縮体積Ｖ３とする。圧縮体積Ｖ３は、軸方向ＤＲ１において、筒部２８が圧縮されて変形した体積である。圧縮された分のガスケット２７が、溝部２５の内部に収まるように、溝容積Ｖ１は、圧縮体積Ｖ２の半分と、圧縮体積Ｖ３と、の合算値以上にするのが望ましい。

ナット５１を軸部３３に締結させることにより、突起部２４が、領域Ｙを押圧する。これにより、領域Ｙは圧縮される。領域Ｙが圧縮されることにより、領域Ｙの反発力が大きくなる。領域Ｙは、鍔部２９における領域Ｙ以外の部分よりも大きい力で対向面３５を押圧する。したがって、対向面３５と鍔部２９との間のシール性が向上する。

図４に示すように、圧縮された後のガスケット２７は、変形部２７ｂを有する。突起部２４により圧縮された鍔部２９、およびインシュレータ５０によって圧縮された筒部２８によって、変形部２７ｂが形成される。変形したガスケット２７の一部が溝部２５の内部に入り込むことにより、変形部２７ｂが形成されている。変形部２７ｂと底部２６との間には隙間が形成されている。

溝部２５が設けられることで、筒部２８が軸方向ＤＲ１において圧縮されても、圧縮された分の筒部２８は、溝部２５に入り込むことができる。さらに、領域Ｙが圧縮されても突起部２４によって圧縮された鍔部２９は溝部２５に入り込むことができる。これにより、ガスケット２７が圧縮変形する変形量が小さくなるため、ガスケット２７が過度に圧縮される状態（過圧縮状態）になることが抑制される。

過圧縮状態のガスケット２７をさらに圧縮するには、ガスケット２７が過圧縮状態でない場合よりも大きなナット５１の締め付け力が必要とされる。ガスケット２７が過圧縮状態になることを抑制することにより、ガスケット２７と集電端子４５とのシールに必要なガスケット２７の圧縮量を確保するためのナット５１の締め付け力を、低減することができる。

したがって、溝部２５を設けることにより、ガスケット２７と集電端子４５とのシール性を確保した上で、ガスケット２７の圧縮荷重を低減することができる。

（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に従う集電端子４５を示す断面図である。実施の形態２に従う集電端子４５には、実施の形態１に従うナット５１の代わりに、加締め部１０が設けられている。加締め部１０は、軸部３３の先端を加締めることにより形成される。加締め部１０は、導電板４７およびインシュレータ５０を介してカバー３２を押圧し、ガスケット２７を圧縮している。加締め部１０および集電板頭部３４により、ガスケット２７と、カバー３２と、インシュレータ５０と、導電板４７とが把持されている。

実施の形態２において、ガスケット２７の径方向ＤＲ２の外側に、絶縁用の樹脂板１１が設けられている。樹脂板１１は、カバー３２と集電板頭部３４との間に設けられている。これにより、カバー３２と集電端子４５とが、確実に電気的に絶縁される。

実施の形態２に従う集電端子４５においても、実施の形態１に従う集電端子４５と同様に、ガスケット２７の圧縮荷重を低減する効果が得られる。

図６は、溝部２５を設けるための加工方法の一例を示した図である。溝部２５の加工方法は、平易性を考慮して適宜決定される。溝部２５の加工により軸部３３の根元の径が小さくなってもよい。実施の形態１および実施の形態２において、溝部２５は、軸部３３の外周面に沿って円周状に形成されているがこれに限られない。軸部３３を断続的に囲う複数の円弧状の溝部が形成されていてもよい。

なお、フランジ５１ａを有するナット５１の代わりに、貫通孔１３よりも大径のワッシャーを導電板４７に載置して、フランジを有さないナットで締結する構成としてもよい。

実施の形態１に従う密閉型電池１００と、従来の密閉型電池とを用いて、集電端子に設けられたガスケットをナットにより圧縮してナットの締結荷重を測定した。ナットを軸部に締結した後、通電熱を利用してナットを軸部および導電板に接合した。

実施例における密閉型電池１００には、実施の形態１に従う溝部２５が形成されている集電端子４５を用いた。比較例における密閉型電池には、溝部が形成されていない従来の集電端子を用いた。

実施例および比較例におけるカバーの突起幅は、０．４［ｍｍ］とした。圧縮される前の鍔部の、突起部と対向する部分の厚みは、０．６［ｍｍ］とした。圧縮される前の筒部の軸方向における長さは、１．４［ｍｍ］とした。ガスケットの材質は、ＰＦＡとした。実施例における溝深さＧは、０．３５［ｍｍ］とした。溝幅Ｄは、０．５［ｍｍ］とした。

圧縮された後の鍔部の、突起部と対向する部分の厚みは、０．３［ｍｍ］とした。鍔部の、突起部と対向する部分の圧縮量は０．３［ｍｍ］とした。圧縮された後の筒部の軸方向における長さは、１．２５［ｍｍ］とした。筒部の軸方向における長さの圧縮量は０．１５［ｍｍ］とした。これらの圧縮量を確保するために必要なナットの締結荷重を測定した。

実施例において、ナット５１の締結荷重は、４８３［Ｎ］であった。比較例において、ナットの締結荷重は、６１１［Ｎ］であった。実施例および比較例において、集電端子とガスケットとの隙間からの漏れ量は、１×１０^−５［Ｐａ・ｍ^３／ｓ］以下であった。

以上のことから、溝部２５を設けることで、ガスケット２７の圧縮荷重（ナット５１の締結荷重）を小さくしても、ガスケット２７と集電端子４５とのシール性が確保されることが示された。

今回開示された実施の形態および実施例は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１３ 貫通孔、２０ 電池要素、２４ 突起部、２５ 溝部、２７ ガスケット、２７ｂ 変形部、２８ 筒部、２９ 鍔部、３０ 外装体、３１ 収容部、３２ カバー、３３ 軸部、３４ 集電板頭部、３５ 対向面、４５ 集電端子、５０ インシュレータ、１００ 密閉型電池。

Claims (1)

1. 電池要素と、
   前記電池要素を収容し、開口が形成されている筐体と、
   前記開口を閉塞し、貫通孔が形成されているカバーと、
   前記筐体の内部に設けられ前記貫通孔よりも大径の集電板頭部と、前記集電板頭部から前記貫通孔を貫通し前記筐体の外部へ突出する軸部と、を含む集電端子と、
   前記集電板頭部と前記カバーとの間に設けられている鍔部と、前記貫通孔の内周面と前記軸部との間に設けられている筒状の筒部とを含む、ガスケットと、を備え、
   前記カバーは、前記筐体の内部に向かって突出し前記鍔部を押圧する突起部を前記貫通孔の周囲に有し、
   前記集電板頭部は、前記ガスケットに対向する対向面を有し、
   前記集電板頭部には、前記対向面の前記突起部に対向する部分よりも前記軸部に近い位置から前記軸部まで前記対向面が窪んだ溝部が、前記軸部の外周面に沿って形成されている、密閉型電池。

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