JP6796260B2

JP6796260B2 - 密閉型電池

Info

Publication number: JP6796260B2
Application number: JP2017160351A
Authority: JP
Inventors: 健幸尾崎; 友寛大野; 海人松原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2020-12-09
Anticipated expiration: 2037-08-23
Also published as: JP2019040699A

Description

本発明は、密閉型電池に関する。

近年、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池その他の二次電池は、車両搭載用電源、或いはパソコンおよび携帯端末の電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、車両搭載用高出力電源として好ましく用いられている。この種の二次電池においては、電池ケースの内部に電極体を収容し、当該電極体と接続する集電端子を電池ケースの上端（蓋体）に引き出した電池構造が知られている。例えば、集電端子が電池ケースの蓋体に引き出され、該蓋体にガスケットを介してかしめ固定された密閉型電池が広く知られている。この種の密閉型電池に関する従来技術として特許文献１が開示されている。

特開２０１７−０７３２３６号公報

電池ケースの蓋体に引き出された集電端子は、外部端子に接続される。集電端子と外部端子との接続は、一般に、かしめ加工とレーザ溶接とを用いて行われる（例えば特許文献１）。具体的には、電池ケースと外部端子と内部端子とをかしめ加工によって一体に組み付けた後、溶接のレーザ光の吸収効率を向上させるためにかしめ加工部に粗化処理を行う。そして、カメラ検出により溶接レーザ照射位置を算出して位置決めを行った後、レーザ溶接して端子同士を溶け合わせることで、端子間の導通を確保している。しかし、溶接時に生じるスパッタ異物を低減する等の観点から、かしめ加工やレーザ溶接を控えたいという要望がある。そのため、レーザ溶接等の溶接を用いなくても、内部端子と外部端子とが強固に密着して端子間の導通を確保し得る、新規な端子接続構造が求められている。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、集電端子と外部端子とが強固に密着して端子間の導通を確保し得る密閉型電池を提供することである。

本発明により提供される密閉型電池は、電池ケース；前記ケースに収容された電極体；前記電極体に電気的に接続された内部端子であって、その一部が前記ケースの貫通孔を通って前記電池の外部に露出している集電端子；および、前記ケースにおける前記電池の外側に位置する外面（上面）に配置され、前記集電端子の外部露出部分と接続された外部端子；を備える。前記外部端子は、前記集電端子と水平方向に嵌合される嵌合凹部と、前記嵌合凹部の周縁部分に設けられた段差部とを有する。前記集電端子は、前記電池の内部に配置された台座部と、前記台座部から突設し、前記ケースの貫通孔を通って前記外部端子の嵌合凹部に挿嵌された軸部と、前記軸部の前記台座部と反対側の端部に位置し、水平方向に延びて前記電池の外部に露出している平板部とを有する。前記軸部は、前記平板部の下面と前記段差部の上面とが相互に圧接した状態で前記嵌合凹部に挿嵌されている。かかる構成によれば、集電端子と外部端子とが強固に密着して端子間の接触抵抗が小さい密閉型電池を提供することができる。なお、本明細書において「上下方向」とは、集電端子（軸部）の軸方向をいい、平板部が位置する側を上方向とし、台座部が位置する側を下方向として規定する。また「水平方向」とは、集電端子（軸部）の軸方向に対し垂直な方向をいう。

一実施形態に係る密閉型電池の要部を示す外観斜視図である。一実施形態に係る集電端子の外観斜視図である。一実施形態に係る集電端子の側面図である。一実施形態に係る外部端子の外観斜視図である。一実施形態に係る外部端子の側面図である。

以下、本発明のいくつかの好適な実施形態例を説明する。なお、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。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。

特に限定することを意図したものではないが、以下では捲回型の電極体（捲回電極体）と非水系の液状電解質（電解液）とを扁平な角形（箱形）のケースに収容した形態の密閉型リチウムイオン二次電池を例として本発明を詳細に説明する。また、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化することがある。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は、必ずしも実際の寸法関係を反映するものではない。

図１は密閉型電池１００の要部を示す外観斜視図である。図２は集電端子１０の外観斜視図であり、図３はその側面図である。図４は外部端子２０の外観斜視図であり、図５はその側面図である。以下では、密閉型電池１００の外形に沿って、Ｘ方向を横方向とし、Ｙ方向を縦方向とし、Ｚ方向を上下方向（高さ方向）とする。ただし、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、リチウムイオン二次電池１００の設置態様を何ら限定するものではない。

図１〜図５に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００は、扁平な直方体形状（すなわち角型）の電池ケース３０に、所定の電池構成材料（正負極それぞれの集電体に正負極それぞれの活物質が保持されたシート状の電極、セパレータ等）を具備する捲回電極体（図示せず）が、適当な電解液（図示せず）とともに収容された構成を有する。密閉型電池１００は、集電端子１０と外部端子２０と電池ケース３０とを備える。

＜電池ケース＞
電池ケース３０は、扁平直方体形状における幅狭面の一つが開口部となっている箱形（すなわち有底四角筒状）のケース本体と、その開口部を塞ぐ蓋体とを備える。電池ケース３０を構成する材質は、一般的なリチウムイオン二次電池で使用されるものと同様のもの等を適宜使用することができる。放熱性等の観点から、本体および蓋体のほぼ全体が金属製（例えばアルミニウム製、ステンレススチール（ＳＵＳ）製、スチール製等）である電池ケース３０を好ましく採用し得る。電池ケース３０の上面（ここでは蓋体）には、捲回電極体と電気的に接続される外部端子２０が配置されている。また、電池ケース３０には、後述する集電端子１０の軸部１６が挿通される貫通孔（図示せず）が形成されている。なお、この実施形態において、リチウムイオン二次電池１００は角型電池であるが、かかる電池の形状は角型に限定されず、円柱形状等の任意の形状であってよい。

＜電極体＞
捲回電極体は、通常のリチウムイオン二次電池の捲回電極体と同様、シート状の正極（正極シート）および負極（負極シート）を計二枚のシート状のセパレータ（セパレータシート）とともに積層して長手方向に捲回し、得られた捲回体を側面方向から押圧して拉げさせることによって作製され得る。正極シートと負極シートとは幅方向に位置をややずらして、セパレータシートの幅方向の一端および他端からシートの幅方向の一端がそれぞれはみ出すように積層された状態で捲回されている。その結果として、捲回電極体の捲回軸方向の一方および他方の端部には、正極シートの幅方向の一端が捲回コア部分（すなわち正極シートと負極シートとセパレータシートとが密に捲回された部分）から外方にはみ出した部分（正極シートはみ出し部分）と、負極シートの幅方向の一端が捲回コア部分から外方にはみ出した部分（負極シートはみ出し部分）とがそれぞれ形成されている。これらのはみ出し部分は、典型的には、電極活物質が保持されない部分（活物質層非形成部）となっている。

＜集電端子＞
正負の電極シートはみ出し部分には、集電端子１０の下端１２ａが、例えば超音波溶接により接続されている。この集電端子１０は、下端１２ａからケース（ここでは蓋体）２０に対して略垂直に延びる板状（帯状）のリード部１２と、リード部１２の上端に続いて形成され該上端から略直角に曲がって電池ケース３０（ここでは蓋体）の内面と略平行に広がる板状の台座部１４と、台座部１４の板面中央部から突設し、電池の外方向に略垂直に延びる軸部１６と、軸部１６の台座部１４と反対側の端部に位置する平板部１８とを備える。軸部１６は、電池３０ケースの貫通孔を通って外部端子２０の嵌合凹部２６に挿嵌されている。平板部１８は、水平方向（軸部１６の外径方向）に平板状に延びて電池１００の外部に露出している。平板部１８の下面１８ａは、平面状に形成されている。集電端子１０の構成材料としては導電性のよい金属材料が好ましく、典型的にはアルミニウムが用いられる。本実施形態の集電端子１０はアルミニウム製である。

＜外部端子＞
外部端子２０は、電池ケース３０における電池１００の外側に位置する外面に配置され、集電端子１０の外部露出部分１８と接続されている部材である。この実施形態では、外部端子２０は、集電端子１０の軸部１６を挿嵌可能な嵌合凹部２６が設けられた第一接続部２２と、この第一接続部２２から電池ケース（蓋体）３０の長手方向中央側（すなわち安全弁側）に続き、ケース３０の外方に階段状に持ち上がって形成された第二接続部２４とを有する。第二接続部２４には、図示しないボルトの脚部を挿通可能なボルト挿通孔２４ａが形成されている。このボルト挿通孔２４ａにボルトの脚部を下から上に通し、第二接続部２４から上方に突出した脚部に外部（他の電池の端子、外部回路等であり得る。）接続用の接続部材を装着してナットを締め付けることにより、外部端子２０に接続部材を連結（固定）することができる。

第一接続部２２は、電池ケース３０の貫通孔に対応する位置に開口した嵌合凹部２６（図４参照）を有している。嵌合凹部２６は、集電端子１０の軸部１６が挿通されるように上下方向Ｚが開口している。また、嵌合凹部２６は、集電端子１０の軸部１６と水平方向に嵌合し得るように横方向Ｘに開口している。この実施形態では、嵌合凹部２６は、縦方向Ｙにおいて、集電端子１０の軸部１６の直径よりも幅広な開口幅を有する幅広部２６ａと、該幅広部２６ａよりも狭く、集電端子１０の軸部１６と嵌合する程度の大きさの開口幅を有する幅狭部２６ｂとから構成されている。また、嵌合凹部２６の周縁部分には、段差部２８が設けられている。この実施形態では、段差部２８は、上下方向Ｚにおいて、集電端子１０の平板部１８の下面１８ａとの距離が相対的に小さい厚肉部２８ａと、下面１８ａとの距離が相対的に大きい薄肉部２８ｂとからなる段差形状に形成されている。薄肉部２８ｂは、嵌合凹部２６の幅広部２６ａの周縁部分に設けられている。厚肉部２８ａは、嵌合凹部２６の幅狭部２６ｂの周縁部分に設けられている。外部端子２０と集電端子１０とを組み付ける前の状態において、外部端子２０の厚肉部２８ａの上下方向Ｚの長さ（厚み）と電池ケース３０の上下方向Ｚの長さ（厚み）との合計長さは、集電端子１０の軸部１６の長さ（すなわち台座部１４の上面と平板部１８の下面１８ａとの距離）よりも僅かに大きい。また、外部端子２０の薄肉部２８ｂの上下方向Ｚの長さ（厚み）と電池ケース３０の上下方向Ｚの長さ（厚み）との合計長さは、集電端子１０の軸部１６の長さ（すなわち台座部１４の上面と平板部１８の下面１８ａとの距離）と概ね同じか、集電端子１０の軸部１６の長さよりも小さい。外部端子２０の構成材料としては、アルミニウム等の金属材料を好ましく採用することができる。

かかる構成のリチウムイオン二次電池１００は、例えば概ね以下の手順で好適に製造（構築）することができる。すなわち、上述した構成の電池ケース（ここでは蓋体）３０を用意し、外側面に外部端子２０をセットする。次いで、集電端子１０を用意し、その軸部１６を電池ケース３０の貫通孔に挿通して、電池ケース３０に貫通させる。次いで、集電端子１０の軸部１６を外部端子２０の嵌合凹部２６に沿って相対的にスライド移動（図１の矢印９０参照）させて軸部１６を嵌合凹部２６の幅狭部２６ｂに挿嵌する。その際、外部端子２０の厚肉部２８ａの上下方向Ｚの長さと電池ケース３０の上下方向Ｚの長さとの合計長さは、集電端子１０の軸部１６の上下方向Ｚの長さよりも僅かに大きいので、集電端子１０の平板部１８の下面１８ａと外部端子２０の厚肉部２８ａの上面２８ｃとが互いに接触して削り合いながら組み付けられる。これにより、平板部１８の下面１８ａと厚肉部２８ａの上面２８ｃとが相互に圧接され（ひいては集電端子１０の軸部１６が嵌合凹部２６に圧嵌され）、集電端子１０と外部端子２０とが接続固定される。このようにして、集電端子１０および外部端子２０を電池ケース３０に固定することができる。

ここに開示される密閉型電池１００は、上記のとおり、電池ケース３０、ケース３０に収容された電極体と、電極体に電気的に接続された内部端子１０であって、その一部がケース３０の貫通孔を通って電池１００の外部に露出している集電端子１０と、ケース３０における電池１００の外側に位置する外面に配置され、集電端子１０の外部露出部分１８と接続された外部端子２０とを備えている。外部端子２０は、集電端子１０と水平方向に嵌合される嵌合凹部２６と、嵌合凹部２６の周縁部分に設けられた段差部２８とを有している。集電端子１０は、電池１００の内部に配置された台座部１４と、台座部１４から突設し、ケース３０の貫通孔を通って外部端子２０の嵌合凹部２６に挿嵌された軸部１６と、軸部１６の台座部１４と反対側の端部に位置し、水平方向に平板状に延びて電池１００の外部に露出している平板部１８とを有している。そして、軸部１６は、平板部１８の下面１８ａと段差部２８の上面２８ｃとが相互に圧接した状態で嵌合凹部２６に挿嵌されている。

かかる構成によれば、集電端子１０の軸部１６を外部端子２０の嵌合凹部２６に沿って相対的にスライドさせて挿嵌する際に、平板部１８の下面１８ａと段差部２８の上面２８ｃとが互いに接触して削り合いながら組み付けられるので、集電端子１０と外部端子２０との密着性が向上する。そのため、両端子１０、２０の導通経路が確実に確保され、端子間の接触抵抗を下げることができる。また、削られることにより発生した屑（典型的には金属屑）は、平板部１８と段差部２８との接触面に挟み込まれる。そのため、該屑の電池内部への侵入を抑制することができる。さらに、従来のようなかしめ加工やレーザ溶接等の溶接を行わなくても端子間密着性および導通経路が十分に確保される。そのため、かしめ部を形成したりかしめ部と外部端子とをレーザ溶接するといった処理（かしめ工程、粗化工程、位置決め工程、溶接工程など）が不要となり、製造プロセスを簡素化できる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明したが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん種々の改変が可能である。
例えば、上述した実施形態では、電池ケース３０における電池の外側に位置する外面に外部端子２０を直接配置した構成を例示したが、これに限定されない。例えば、電池ケース３０の外面に絶縁部材（例えばインシュレータ）を介して外部端子２０を配置してもよい。このように、外部端子２０と電池ケース２０との間に絶縁部材を介在させることにより、外部端子２０と電池ケース３０との間を絶縁することができる。

１０集電端子
１２リード部
１４台座部
１６軸部
１８平板部
１８ａ平板部の下面
２０外部端子
２６嵌合凹部
２８段差部
２８ａ厚肉部
２８ｂ薄肉部
２８ｃ段差部の上面
３０電池ケース
１００密閉型電池

Claims

密閉型電池であって：
電池ケース；
前記ケースに収容された電極体；
前記電極体に電気的に接続された端子であって、その一部が前記ケースの貫通孔を通って前記電池の外部に露出している集電端子；および、
前記ケースにおける前記電池の外側に位置する外面に配置され、前記集電端子の外部露出部分と接続された外部端子；
を備え、
前記外部端子は、
前記集電端子と水平方向に嵌合される嵌合凹部と、
前記嵌合凹部の周縁部分に設けられた段差部と
を有し、
前記集電端子は、
前記電池の内部に配置された台座部と、
前記台座部から突設し、前記ケースの貫通孔を通って前記外部端子の嵌合凹部に挿嵌された軸部と、
前記軸部の前記台座部と反対側の端部に位置し、水平方向に延びて前記電池の外部に露出している平板部と
を有し、
前記軸部は、前記平板部の下面と前記段差部の上面とが相互に圧接した状態で前記嵌合凹部に挿嵌されている、密閉型電池。