JP6872145B2

JP6872145B2 - 端子固定構造

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Publication number: JP6872145B2
Application number: JP2017091677A
Authority: JP
Inventors: 勝也鹿田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-05-02
Filing date: 2017-05-02
Publication date: 2021-05-19
Anticipated expiration: 2037-05-02
Also published as: JP2018190591A

Description

本発明は、端子固定構造に関する。詳しくは、本発明は、リチウムイオン二次電池等の電池の端子固定構造に関する。

近年、リチウムイオン二次電池等の二次電池は、パソコン、携帯端末等のポータブル電源や、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両駆動用電源などに好適に用いられている。

一般的な二次電池は、電極体と、非水電解質とが電池ケースに収容されている構成を有する。このような構成の典型例では、電池ケースは、開口部を有するケース本体と、当該開口部を塞ぐ封口蓋とから構成される。電極体には集電端子が取り付けられ、当該集電端子は、電池ケースの外側において外部端子と電気的に接続されている。
この二次電池の集電端子部分の構造について具体的には、電池ケースの封口蓋は、貫通孔を有しており、集電端子の一部がこの貫通孔を通って電池ケース外部へと突出している。そして、封口蓋との間に外部端子およびインシュレータを介在させつつ集電端子の上端部がかしめられて、端子類と封口蓋とが固定された構造を有する。

ケース本体と封口蓋とは、特許文献１に記載のようにレーザ溶接等によって接合される。しかしながら、封口蓋は表面光沢があり、レーザ光の反射率が高い。また、封口蓋は熱マスが大きいため、レーザ溶接の際には封口蓋の方がケース本体よりも溶け難い。そこで、特許文献１には、溶接のためのレーザ光の反射率が低くなるように、封口蓋のレーザが照射される部分において深さが０．１ｍｍ以下の溝（凹凸）を設けることが記載されている。

特開２００２−２９２４８６号公報

電池のケース本体と封口蓋とをレーザ溶接する際には溶接部の温度が高くなる。特許文献１に記載のように、封口蓋のレーザ光の反射率を低くする場合には、封口蓋の温度が高くなりやすい。そのため、端子類がインシュレータを介して固定されている部分の近傍でレーザ溶接が行なわれる場合には、溶接部とインシュレータとの距離が近く、また封口蓋の断面積が小さく放熱性が低いため、溶接熱が封口蓋中を伝播してインシュレータの底面に到達し得る。このため、伝播した溶接熱量が大きい場合には、インシュレータの底面が融解する場合がある。この場合、インシュレータの底面の融解によって、端子位置精度の低下、かしめ強度の低下、密閉性の低下、絶縁性の低下等の不具合が生じる可能性がある。また、このインシュレータの底面の融解の発生の有無は、外観検査だけでは確認が困難なものである。

そこで本発明の目的は、電池のケース本体と封口蓋とを溶接する際に、インシュレータの底面の融解が起こりにくい端子固定構造を提供することにある。

ここに開示される端子固定構造は、貫通孔を有する、電池ケースの封口蓋と、前記貫通孔に挿入され、前記封口蓋から挿入方向に突出する突出部を有する集電端子と、前記封口蓋に接触しつつ前記貫通孔の周囲に配置されたインシュレータと、前記インシュレータ上に配置された外部端子と、を備える。前記端子固定構造においては、前記集電端子の突出部にかしめ部が設けられ、前記かしめ部と前記封口蓋との間に、前記インシュレータおよび前記外部端子が挟持されて固定されている。前記封口蓋と前記インシュレータとが接触する面において、前記封口蓋および前記インシュレータの少なくとも一方に、接触面積低減部が設けられている。

このような構成によれば、接触面積低減部が設けられることにより、封口蓋とケース本体とをレーザ溶接する際に、インシュレータの底面に伝わる溶接熱の量を減少させることができる。したがって、このような構成によれば、電池のケース本体と封口蓋とを溶接する際に、インシュレータの底面の融解が起こりにくい端子固定構造が提供される。

本発明の一実施形態に係る端子固定構造を含むリチウムイオン二次電池の概略斜視図である。図１のＩＩ−ＩＩ断面に沿った断面模式図である。本発明の一実施形態に係る端子固定構造の一部（図２の枠内）を拡大した断面模式図である。本発明の一実施形態に係る端子固定構造に含まれる封口蓋の一部を電池ケース外側から見た斜視図である。本発明の変形例の実施形態に係る端子固定構造の一部を拡大した断面模式図である。

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。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（例えば、本発明を特徴付けない端子固定構造の一般的な構成および製造プロセス）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。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。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

以下、ここで開示される端子固定構造を含む電池の実施形態として、リチウムイオン二次電池を例にして説明するが、本発明の適用対象をかかる電池に用いられるものに限定することを意図したものではない。本明細書において「電池」とは、電気エネルギーを取り出し可能な蓄電デバイス一般を指す用語であって、一次電池、二次電池等を含む概念である。「二次電池」とは、リチウムイオン二次電池、金属リチウム二次電池、ナトリウム二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等のいわゆる蓄電池（いわゆる化学電池）のほか、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ（いわゆる物理電池）をも包含する概念である。

図１は、本発明の一実施形態に係る端子固定構造を含むリチウムイオン二次電池の概略斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面に沿った断面模式図である。

図１に示すように、リチウムイオン二次電池２００は、電池ケース１１０に、電極体１２０と非水電解液（図示せず）とが収容された構成を有する。電池ケース１１０は、開口部を有するケース本体１１２と、当該開口部を塞ぐ封口蓋１０とから構成されている。電池ケース１１０は、金属製であっても樹脂製であってもよく、ここでは、アルミニウム製である。封口蓋１０には、電池ケース１１０の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように設定された薄肉の安全弁１３０が設けられている。また、封口蓋１０には、非水電解液を注入するための注液口１４０が設けられている。

電極体１２０は、図示しないが、正極と、負極とが、これらの間にセパレータが介在しながら積層された構造を有する。電極体１２０は、捲回型電極体および積層型電極体のいずれであってもよい。電極体１２０の正極は、正極集電端子２０および正極外部端子４０を介して、正極端子１５０と電気的に接続されている。正極側においては、本実施形態に係る端子固定構造１００が採用されている。また、電極体１２０の負極は、正極側と同様の構造を有し、負極端子１６０と電気的に接続されている。

本実施形態に係る端子固定構造１００は、図１および図２に示すように、貫通孔１２を有する封口蓋１０を備える。封口蓋１０は、ここでは長辺を有する方形平板状である。
本実施形態に係る端子固定構造１００は、正極集電端子２０を備える。正極集電端子２０は、その一部が貫通孔１２に挿入されている。また、正極集電端子２０は、封口蓋１０から挿入方向に突出する突出部２２を有する。
本実施形態に係る端子固定構造１００は、封口蓋１０上に配置されたインシュレータ３０を備える。インシュレータ３０は、典型的には、絶縁性の樹脂材料から構成される。インシュレータ３０は貫通孔３２を備え、正極集電端子２０は、貫通孔３２に挿入されている。このようにして、インシュレータ３０は、封口蓋１０に接触しつつ貫通孔１２の周囲に配置されている。
本実施形態に係る端子固定構造１００は、インシュレータ３０上に配置された正極外部端子４０を備える。正極外部端子４０は、電池ケース１１０の外側において使用される端子であり、正極Ｚ端子とも呼ばれることがある。正極外部端子４０は、貫通孔４２を備え、正極集電端子２０は、貫通孔４２に挿入されている。

封口蓋１０は、図２に示すように、外周溝１４を有する。外周溝１４は、封口蓋１０とケース本体１１２とを溶接する際に、封口蓋１０の放熱性を低下させて封口蓋１０の端部を溶融しやすくする機能を有する。また、外周溝１４は、溶接ビードが封口蓋１０の内側方向へと流入することを抑制する機能を有する。

正極集電端子２０の突出部２２には、かしめ部２２ａが設けられている。かしめ部２２ａと封口蓋１０との間に、インシュレータ３０および正極外部端子４０が挟持されて固定されている。封口蓋１０と正極外部端子４０とは、インシュレータ３０によって絶縁されている。

また、封口蓋１０の電池ケース１１０の内側部分には、ガスケット５０が配置されている。ガスケット５０は、典型的には、絶縁性の樹脂材料から構成される。ガスケット５０により、封口蓋１０と正極集電端子２０とが絶縁されている。

図３に、本実施形態に係る端子固定構造１００の一部（図２の枠内）を拡大した断面図を示す。また、図４に、封口蓋１０の一部を電池ケース１１０の外側から斜視図を示す。
図示されるように、封口蓋１０の、インシュレータ３０と接触する面において、３本の非接触溝１６が設けられている。非接触溝１６は、封口蓋１０の長手方向に垂直な方向（封口蓋１０の幅方向）に沿って設けられている。封口蓋１０のインシュレータ３０との接触面においてこの非接触溝１６が形成された部分では、図３に示すように封口蓋１０がインシュレータ３０と接触しない。すなわち、非接触溝１６により接触面積低減部が設けられている。
接触面積低減部（非接触溝）１６は、封口蓋１０の、インシュレータ３０と接触する面において、レーザ溶接される封口蓋１０の端部と、インシュレータ３０との距離が近い部分に形成されている。
このように接触面積低減部（非接触溝）１６が設けられることにより、封口蓋１０とケース本体１１２とをレーザ溶接する際に、インシュレータ３０の底面に伝わる溶接熱の量を減少させることができる。したがって、インシュレータ３０の底面の融解を抑制することができ、これにより端子位置精度の低下、かしめ強度の低下、密閉性の低下、絶縁性の低下等の不具合の発生を抑制することができる。

また非接触溝１６は、図３に示すように、封口蓋１０がインシュレータ３０と接触する面の外部まで伸長している。このような非接触溝１６によれば、リチウムイオン二次電池２００を製造する際の溶接時において、非接触溝１６から冷却ガスを流し込んで、封口蓋１０とインシュレータ３０とが接触する面を冷却することができ、インシュレータ３０の底面の融解をより抑制することができる。また、インシュレータ３０の底面が融解した際には、溶融したインシュレータ３０が非接触溝１６を通って封口蓋１０とインシュレータ３０とが接触する面から流出するため、インシュレータ３０の底面の融解の発生の有無を、外観検査で確認することができる。

非接触溝１６の形状、長さ、幅、深さ、本数等は、インシュレータ３０の底面に伝わる溶接熱の量を低減する観点から、リチウムイオン二次電池２００のサイズに応じて適宜設定すればよい。
例えば、非接触溝１６の深さは、インシュレータ３０と封口蓋１０を確実に接触させず、伝導する溶接熱の量を効果的に減少させる観点から、例えば０．１ｍｍ以上であり、好ましくは０．１５ｍｍ以上である。また、非接触溝１６による封口蓋１０の強度低下に起因するかしめ時の変形や、レーザ溶接時の溶け込み深さの変化を抑制する観点から、非接触溝１６の深さは、例えば０．４ｍｍ以下であり、好ましくは０．３ｍｍ以下である。
非接触溝１６の本数は、特に制限はなく、例えば２本であってよい。
非接触溝１６の断面形状は、特に制限はなく、例えば、四角形、三角形、台形等であってよい。
非接触溝１６は、好ましくは、貫通孔１２と封口蓋１０の端部との間の領域であってインシュレータ３０に覆われる領域において、封口蓋１０とインシュレータ３０との接触面積が、封口蓋１０がインシュレータ３０に覆われる面積に対して４０％以下になるように設けられる。

以上、接触面積低減部が、封口蓋とインシュレータとが接触する面において、封口蓋に設けられている実施形態について説明したが、接触面積低減部は、封口蓋およびインシュレータの少なくとも一方に設けられていればよい。
そこで、変形例として、接触面積低減部がインシュレータに設けられている実施形態について図５を用いて説明する。

図５に示す変形例では、上述の実施形態とはインシュレータおよび封口蓋のみが異なっているため、その他の部材についての説明を省略する。
本変形例では、封口蓋１０Ａは、図３および図４に示す封口蓋１０とは異なり、非接触溝１６を有していない。その一方で、インシュレータ３０Ａが、複数の非接触溝３６を有している。
非接触溝３６は、封口蓋１０Ａの長手方向に沿って設けられている。封口蓋１０Ａとインシュレータ３０Ａとが接触する面においてこの非接触溝３６が形成された部分では、図５に示すように封口蓋１０Ａがインシュレータ３０Ａと接触しない。すなわち、非接触溝３６により接触面積低減部が設けられている。
接触面積低減部（非接触溝）３６は、封口蓋１０Ａのインシュレータ３０Ａとの接触面において、レーザ溶接される封口蓋１０Ａ上の端部と、インシュレータ３０Ａとの距離が近い部分に形成されている。

このように接触面積低減部（非接触溝）３６が設けられることにより、封口蓋１０Ａとケース本体１１２とをレーザ溶接する際に、インシュレータ３０Ａの底面に伝わる溶接熱の量を減少させることができる。したがって、インシュレータ３０Ａの底面の融解を抑制することができ、これにより端子位置精度の低下、かしめ強度の低下、密閉性の低下、絶縁性の低下等の不具合の発生を抑制することができる。

非接触溝３６の形状、長さ、幅、深さ、本数等は、溶接熱がインシュレータ３０Ａの底面に伝導し難くする観点から、適宜設定すればよい。

以上、変形例として、接触面積低減部がインシュレータに設けられている実施形態について説明したが、上述の封口蓋に接触面積低減部が設けられている実施形態と、接触面積低減部がインシュレータに設けられている実施形態とを組み合わせて、接触面積低減部が封口蓋とインシュレータの両方に設けられた実施形態とすることも可能である。

なお、上記において、接触面積低減部は、非接触溝より構成されているが、接触面積低減部は、非接触溝に限られない。接触面積低減部は、封口蓋とインシュレータとが対向する領域の面積よりも接触面積が低減されるような部分であればよく、接触面積を低減させるような凸部形状や、溝以外の凹部形状より構成されていてよい。例えば、接触面積低減部は、方形状突起、円柱状突起、球状突起等の凸部や有底穴等の凹部により構成されていてよい。

上記の実施形態では正極側についてのみ説明したが、ここに開示される端子固定構造は負極側にも採用することができる。

ここに開示される端子固定構造を含む電池では、溶接時にインシュレータ底面の融解が抑制されているため、インシュレータを含む端子固定構造と溶接部（封口蓋の端部）との距離を従来よりも小さくすることができる。よって、電池を製造する際の溶接時において、溶接の溶け込み品質を安定化させることができる。また、電池の厚みを従来よりも薄くすることも可能である。

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。

１０，１０Ａ封口蓋
１２貫通孔
１４外周溝
１６非接触溝
２０正極集電端子
２２突出部
２２ａかしめ部
３０，３０Ａインシュレータ
３６非接触溝
４０正極外部端子
５０ガスケット
１００端子固定構造
１１０電池ケース
１１２ケース本体
１２０電極体
１３０安全弁
１４０注液口
１５０正極端子
１６０負極端子
２００リチウムイオン二次電池

Claims

貫通孔を有する、電池ケースの封口蓋と、
前記貫通孔に挿入され、前記封口蓋から挿入方向に突出する突出部を有する集電端子と、
前記封口蓋に接触しつつ前記貫通孔の周囲に配置されたインシュレータと、
前記インシュレータ上に配置された外部端子と、
を備え、
前記集電端子の突出部にかしめ部が設けられ、前記かしめ部と前記封口蓋との間に、前記インシュレータおよび前記外部端子が挟持されて固定されている端子固定構造であって、
前記封口蓋と前記インシュレータとが接触する面の前記かしめ部と前記封口蓋との間にある部分において、前記封口蓋および前記インシュレータの少なくとも一方に、接触面積低減部が設けられている、
ことを特徴とする端子固定構造。
前記接触面積低減部が、前記封口蓋に設けられている、請求項１に記載の端子固定構造。
前記接触面積低減部が、前記封口蓋と前記インシュレータとが接触する面の外部まで伸長する溝である、請求項１または２に記載の端子固定構造。