JP6994682B2 - 電池 - Google Patents
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Description
本発明は、金属製ケース、特に電池缶および電池缶を具備する電池に関する。
一般的な円筒形電池は、発電要素と、発電要素を収納する有底円筒形の電池缶とを具備する。電池缶の開口部の開口端の近傍には、内側に突出する環状溝部が形成される。溝部に封口体を支持させることで開口部が封口される。
このような電池をホルダに収納するにあっては、例えば特許文献１に示すように、電池を上ホルダ及び下ホルダを用いて上下方向から弾性体を介して挟み込み、押圧により固定するのが一般的である。
このように、従来、電池缶等の金属製ケース（電池）をホルダ等に固定する方法としては、押圧により金属製ケースを上下から挟み込んで固定する方法が主流であり、固定方法が限定されていた。
また、電池を工業的に複数製造するにあたって、電池サイズを寸分違わずに製造することは難しい。このため、円筒素電池を用いて組電池（電池パック、電池モジュール）を組み立てるに際し、組電池底面を組み立て基準面とし、組み立て基準面から複数部品（集電板、絶縁部品など）を介して素電池を固定し組み立てる。この結果、より上部に位置する電池ほど、各部品の公差が積み上がる結果電池の位置ばらつきが累積的に増大し、集電経路の溶接などの組電池組立工法も制限されてしまう、という問題があった。
上記に鑑み、本開示の一側面は、電極群と、電解質と、前記電極群と前記電解質とを収容する電池缶と、前記電池缶の開口を封口する封口体と、を備える電池であって、前記電池缶は、軸方向に連続して延びる筒状の胴部と、前記軸方向における前記胴部の一方の端部に前記胴部から連続して設けられた、開口を有して前記軸方向に連続して延びる開口部と、前記軸方向における前記胴部の他方の端部を閉じている底部と、を備え、前記胴部および前記開口部の少なくとも一方の外側面から、前記軸方向に垂直な半径方向において外側に向かって立設された突起部分が設けられ、前記突起部分は、前記軸方向において前記胴部の前記底部側の端部と前記開口部の前記開口側の端部との間に設けられている、電池に関する。
上記に鑑み、本開示の他の側面は、電極群と、電解質と、前記電極群と前記電解質とを収容する電池缶と、前記電池缶の開口を封口する封口体と、を備える電池であって、前記電池缶は、筒状の胴部と、前記胴部の一方の端部に設けられた、開口を有する開口部と、前記胴部と連続し、前記胴部の他方の端部を閉じている底部と、を備え、前記胴部の側面から、前記胴部の軸方向に垂直な半径方向において外側に向かって、前記胴部から連続して突出する突起部分が設けられ、前記突起部分の前記底部側の端部が前記底部と連続し、前記突起部分が、前記電池缶において前記半径方向に最も外へ突出している、電池に関する。
本開示によれば、金属製ケースの側面に突起部分が設けられていることにより、当該突起部分を介して電池を容易に且つ高精度に固定できる。
本発明の実施形態に係る金属製ケースは、筒状の胴部と、胴部の一方の端部に設けられた開口部と、胴部の他方の端部を閉じている底部と、胴部の半径方向において外側に突出する突起部分を備える。突起部分は、胴部または開口部の少なくとも一方に設けられ、金属製ケースの筒の少なくとも軸方向における固定および位置決めを容易にする。
金属製ケースは、例えば電池缶であるが、電池缶に限られるものではなく、コンデンサのケースであってもよい。例えば、筒型電解コンデンサの胴部に突起部分を設けることで、突起部分は、電解コンデンサの位置固定および振動防止にも有効である。
金属製ケースが電池缶の場合、好ましくは、開口部の開口端の近傍には、縮径した環状溝部が形成されている。ここでは、開口部とは、開口端だけでなく、その近傍の環状溝部を含む領域をいう。
なお、縮径とは、例えば、電池缶の缶壁に外側から冶具を押し当て、電池缶の周面に沿って缶壁を内側に押し込み、缶壁の内面を内側に突出させる加工をいう。
突起部分は、溶接あるいは接着等の方法により胴部または開口部に取り付けてもよいが、一体的に形成されることが好ましい。一体的に形成されることによって、突起と電池缶との接続強度を高めることができる。後述するように、突起部分は、縮径工程の後、開口部の端部を内側にかしめ、開口部を封口体で封口する工程（封口工程）において、開口部と一体的に形成され得る。この場合、突起部分は、胴部の軸方向において環状溝部と開口端との間の位置に形成される。
突起部分は、胴部の軸方向の所定の位置に、周方向に沿って連続的に設けられていてもよいし、間欠的に設けられていてもよい。連続的に設けられる場合、胴部の全体形状としては、当該所定位置で胴部の外径が太くなり、見かけ上、筒状の胴部の外周に所謂「フランジ」を設けたような構造となる。以下において、この突起部分を単に「フランジ」と称することがある。
突起部分を有する金属ケースをホルダ等に固定する場合、ホルダの固定部位に凹部または間隙を設け、当該凹部または間隙に突起部分を嵌め込むようにして固定するとよい。これにより、金属ケースの少なくとも筒の軸方向における位置を固定でき、軸方向の位置決め精度が向上する。また、組み立て加工が容易になり、かつ加工方法の選択肢が増加する。さらに、突起部分の側面をホルダに溶接または接着することで、より強固な固定が可能である。
従来技術では、円筒素電池を用いて組電池（電池パック、電池モジュール）を組み立てる場合、組電池底面を組み立て基準面とし、組み立て基準面から複数部品（集電板、絶縁部品など）を介して素電池を固定し組み立てる。この結果、より上部に位置する電池ほど各部品の公差が積み上がり、電池の位置ばらつきが増大する。これと比較して、本実施形態の金属製ケースでは、突起部分を使用することで、複数部品を介さず組み立てることができ、また、位置決めの基準が突起部分の位置となるため、電池位置のばらつきを小さくすることができる。電池の位置決め及び溶接部位の位置決めを精度よく行うことができる。これにより、組み立て工法の制限をなくすことができる。
突起部分の形状としては、突起部分が胴部の軸に垂直な方向に延伸する形状に限られない。例えば、突起部分は軸に対し垂直方向から所定の角度で傾いた方向に延伸してもよい。あるいは、例えば、突起部分の形状として、突起部分が胴部の軸方向に向かって屈折または湾曲した側面を有していてもよい。
突起部分が軸の垂直方向から傾いて設けられた場合、及び、突起部分が屈折または湾曲した側面を有する場合、突起部分が、胴部の軸に垂直な平面から傾いた側面を有していることにより、金属製ケースをホルダに固定するための鉤として機能する。これにより、金属製ケースをホルダから着脱自在としながら、精度よいより強固な固定が可能となる。また、金属製ケースの軸方向の位置を固定するほか、軸に垂直な方向の位置をも固定することが可能となる。
図１に、突起部分を有する金属製ケースとしての電池缶の一例を拡大断面図で示す。図２は、同電池缶の突起部分周辺の拡大断面図である。なお、図１に示す電池缶は、縮径および封口完了後の状態であるため、電池缶の内部には電極群および電解質が既に充填された状態であるが、煩雑になるのを避けるため図１では図示を割愛した。また、図１は、特に突起部分および縮径部を強調して描かれた模式図であり、図中に示した突起部分その他の電池の構成要素の寸法比と、実際の寸法比は必ずしも一致しない。これは以降の図面においても同様である。
電池缶１００は、筒状の胴部１１０と、胴部１１０の一方の端部に設けられた開口部１２０と、胴部１１０の他方の端部を閉じている底部１３０とを備える。開口部１２０の開口端の近傍には、縮径により環状溝部１２０Ｇが形成されている。さらに、環状溝部１２０Ｇと開口端との間に、突起部分（フランジ）１５０が設けられている。突起部分１５０は、２つの側面１５１、１５２を有している。
ここで、突起部分の「側面」とは、突起部分の表面を構成する面であって、突起部分の突出方向と実質的に平行に、突起部分の突出方向に沿って延伸している面をいうこととする。図１において、フランジの上面と下面（胴部の軸に垂直な面）が突起部分１５０の側面１５１及び１５２に該当する。
この電池缶１００をホルダ２００に固定するには、図２（ａ）の例では、上ホルダ２０２及び下ホルダ２０３を含むホルダ２００によって形成された間隙２０１に突起部分１５０を嵌め込むようにする。さらに、側面１５１、１５２のうち少なくとも一面をホルダ２００に溶接または接着することで、ホルダ２００への固定が強固となる。あるいは、図２（ｂ）の例では、突起部分１５０の下側面１５２とホルダ２００の上面とを接着することによって、電池缶１００がホルダ２００に固定される。なお、図２（ｂ）では、根元部分の肉厚が先端部の肉厚よりも太い断面形状を突起部分１５０が有している場合を例示している。これにより、突起部分の強度を高めることができる。また、接着部位である下側面１５２の面積を大きくすることで、固定強度を高めることができる。
突起部分の突出長（高さ）Ｈについては、電池缶のサイズ、電池缶およびホルダの材質にも依存するが、胴部の半径に対して１％～５０％の長さであることが好ましい。同様に、突起部分の幅（厚み）については、電池缶のサイズ、電池缶およびホルダの材質にも依存するが、突起部分の最大の厚みＷが、胴部の肉厚の０．３～１０倍であることが好ましい。
図３は、電池缶の突起部分周辺の拡大断面図であり、突起部分の形状について、図２にとは別の変形例を示すものである。図３（ａ）において、突起部分１５０は、胴部の軸に対して垂直方向から若干傾いた方向に突出している。図３（ｂ）は、側面１５１、１５２のうち一方（側面１５１）が胴部の軸方向に向かって湾曲した曲面となっている。図３（ｃ）では、側面１５１は、胴部の軸方向に向かって屈折した２つの側面１５１ａと１５１ｂを含んでなる。
上記図３（ａ）～（ｃ）では、突起部分１５０は、その一側面（側面１５１）が胴部の軸に垂直な平面から傾いて形成されている。これにより、突起部分１５０は、電池缶１００をホルダ２００に固定するための鉤として機能する。これにより、電池缶１００とホルダ２００との精度よい固定が可能となり、鉤形状の突起部分をホルダに挟み込んで固定することで、電池缶の軸方向への位置ずれが制限されるのに加えて、電池缶の軸に垂直な方向（横方向）の位置ずれも制限される。なお、図３（ａ）における突起部分１５０の傾き角θは、－４５°～＋４５°の範囲が好ましい。
電池缶の胴部の横断面形状は、典型的には、円形または円形に近似した形状であるが、これに限定されるものではない。胴部の長さ、内径、肉厚についても特に限定されない。溝部の内側への突出幅（溝深さ）についても、電池サイズに応じて決定されるが、特に限定されるものではない。
電池缶の材質には、例えば、鉄、鉄合金、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金などが用いられるが、特に限定されない。
電池の種類は、特に限定されないが、上記電池缶は、例えば、高度な耐震性が求められる電池モジュールに組み込まれるリチウムイオン二次電池の電池ケースに適している。
次に、上記電池缶を用いた円筒形電池の一例について説明する。
円筒形電池は、電極群と、電解質と、電極群と電解質とを収容する電池缶と、電池缶の開口を封口する封口体を備える。より具体的には、電池缶の環状溝部と電極群の開口部側の端面との間には、内部短絡を抑制するために第１絶縁板が配置される。同様に、電池缶の底部と電極群の底部側の端面との間には、第２絶縁板が配置される。
第１絶縁板および第２絶縁板の材質は、例えばエポキシ樹脂のような絶縁性樹脂を主成分とする材料であり、絶縁性の繊維状材料を芯材に含むものが好ましい。
以下、図４を参照しながら、本発明の一実施形態に係る筒形電池について、リチウムイオン二次電池を例にとって説明する。図４は、リチウムイオン二次電池の縦断面図である。
リチウムイオン二次電池（以下、電池）１０は、電極群１８と、電解質（図示せず）と、これらを収容する電池缶１００とを具備する。電極群１８は、正極板１５と負極板１６とをセパレータ１７を介して捲回して形成されている。電池缶１００の開口端の近傍には環状溝部１２０Ｇが形成されている。電極群１８の一方の端面と環状溝部１２０Ｇとの間には、第１絶縁板２３が配置されている。電極群１８の他方の端面と電池缶１００の底部１３０との間には、第２絶縁板２４が配置されている。
電池缶１００の開口部は、周縁部にガスケット２１を具備する封口体１１で封口されている。封口体１１は、弁体１２と、金属板１３と、弁体１２の外周部と金属板１３の外周部との間に介在する環状の絶縁部材１４とを具備する。弁体１２と金属板１３は、それぞれの中心部において互いに接続されている。正極１５から導出された正極リード１５ａは、金属板１３に接続されている。よって、弁体１２は、正極の外部端子として機能する。負極１６から導出された負極リード１６ａは、電池缶１００の底部内面に接続されている。
正極板１５は、箔状の正極集電体と、その表面に形成された正極活物質層とを具備する。正極集電体の材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、チタン、チタン合金等を用いることができる。正極活物質としては、リチウム含有遷移金属複合酸化物が好ましく用いられる。例えばコバルト、マンガン、ニッケル、クロム、鉄およびバナジウムよりなる群から選択される少なくとも１種と、リチウムとを含む複合酸化物が使用される。
負極板１６は、箔状の負極集電体と、その表面に形成された負極活物質層とを具備する。負極集電体の材料としては、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス鋼等を用いることができる。負極活物質としては、リチウムイオンを可逆的に吸蔵し、放出し得る炭素材料、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボンや、酸化錫、酸化珪素等を用いることができる。
セパレータ１７としては、例えば、ポリオレフィンで形成された微多孔膜を用いることができる。ポリオレフィンとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン－プロピレン共重合体などが例示できる。
電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解させたリチウム塩とを具備する。非水溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどの環状カーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート、カルボン酸エステル、鎖状エーテルなどが用いられる。リチウム塩としては、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣｌＯ4などが使用される。
次に、電池缶に突起部分を形成する方法について説明する。本実施形態では、突起部分１５０の形成は、電池缶１００の開口部を封口体１１で封口する工程において、封口と同一工程で形成する。
かかる封口工程では、開口部の側面を封口金型の上型と下型で挟み込むことにより、突起部分を形成し、その後、開口部端部をガスケット２１を介してかしめ、封口することによって、突起部分１５０を開口部と一体的に形成することができる。また、封口金型の形状を変えることによって、任意の形状の突起部分を形成することが可能である。
図５は、本発明の一実施形態に係る筒形電池がホルダに取り付けられた電池モジュール２１０の一例を示す断面図である。図５において、ホルダ２００に取り付け、固定された２個の電池１０が示されている。ホルダ２００は、上ホルダ２０２及び下ホルダ２０３を含んでなる。上ホルダ２０２及び下ホルダ２０３は、ネジ２０４によってネジ止めされている。
電池１０は、上ホルダ２０２に設けられた板バネ（接続部）２０５、及び、下ホルダ２０３にも受けられた板バネ（接続部）２０６と正負両電極が接触し、電力を供給可能に構成されている。板バネ２０５、２０６は、夫々、集電部２０７と接続し、隣り合う電池１０同士が接続される。板バネ２０５、２０６の電池１０及び集電部２０７と接触しない外周は、絶縁部２０８に取り囲まれている。
さらに、上ホルダ２０１と下ホルダ２０２は、鉤状に形成された突起部分１５０を上下から挟み込んでおり、これによって、電池１０が軸方向（ホルダの上下方向）及び軸に垂直な方向（横方向）に移動しないように、電池１０のホルダ内の位置が位置決めされ、固定される。
図６は、突起部分を有する金属製ケースとしての電池缶の別の一例の断面図と、その電池缶の突起部をホルダで固定する方法を示す拡大図である。
底部１３０に面一になるように、突起部分（フランジ）１５０が設けられている。突起部分１５０は、２つの側面１５１、１５２を有しており、下側面１５１が底部１３０と連続し、面一になっている。
突起部分１５０は上ホルダ２０２と下ホルダ２０３によって上下から挟みこまれており、これによって、電池１０が横方向に移動しないように位置決めされ固定される。
下ホルダ２０３には電池を冷却するための冷却機構を設けてもよく、冷媒を導通することによる液冷機構やファン等による空冷機構を形成することが好ましい。
特に、このように冷却機構を設置させた場合、底部１３０の面一の位置に突起部分を設けることにより、下ホルダ２０３と電池底部１３０との設置面積が増加し、下ホルダ２０３によって電池１０の冷却効果を促進させることができる。
本発明に係る金属製ケースは、電池缶として有用であり、特に、高度な耐震性が求められる電池モジュールに組み込まれるリチウムイオン二次電池の電池缶に有用である。
１０ リチウムイオン二次電池
１１ 封口体
１２ 弁体
１３ 金属板
１４ 絶縁部材
１５ 正極板
１５ａ 正極リード
１６ 負極板
１６ａ 負極リード
１７ セパレータ
１８ 電極群
２１ ガスケット
２３ 第１絶縁板
２４ 第２絶縁板
１００ 電池缶
１１０ 胴部
１２０ 開口部
１２０Ｇ 環状溝部
１２１Ｇ 最縮径部
１２２Ｇ 溝上部
１２３Ｇ 溝下部
３０ 底部
１５０ 突起部
１５１、１５２ 突起部分の側面
２００ ホルダ
２０１ 間隙
２０２ 上ホルダ
２０３ 下ホルダ
２０４ ネジ
２０５、２０６ 板バネ
２０７ 集電部
２０８ 絶縁部
２１０ 電池モジュール
１１ 封口体
１２ 弁体
１３ 金属板
１４ 絶縁部材
１５ 正極板
１５ａ 正極リード
１６ 負極板
１６ａ 負極リード
１７ セパレータ
１８ 電極群
２１ ガスケット
２３ 第１絶縁板
２４ 第２絶縁板
１００ 電池缶
１１０ 胴部
１２０ 開口部
１２０Ｇ 環状溝部
１２１Ｇ 最縮径部
１２２Ｇ 溝上部
１２３Ｇ 溝下部
３０ 底部
１５０ 突起部
１５１、１５２ 突起部分の側面
２００ ホルダ
２０１ 間隙
２０２ 上ホルダ
２０３ 下ホルダ
２０４ ネジ
２０５、２０６ 板バネ
２０７ 集電部
２０８ 絶縁部
２１０ 電池モジュール
Claims (12)
- 電極群と、
電解質と、
前記電極群と前記電解質とを収容する電池缶と、
前記電池缶の開口を封口する封口体と、を備える電池であって、
前記電池缶は、
軸方向に連続して延びる筒状の胴部と、
前記軸方向における前記胴部の一方の端部に前記胴部から連続して設けられた、開口を有して前記軸方向に連続して延びる開口部と、
前記軸方向における前記胴部の他方の端部を閉じている底部と、を備え、
前記胴部および前記開口部の少なくとも一方の外側面から、前記軸方向に垂直な半径方向において外側に向かって立設された突起部分が設けられ、
前記突起部分は、前記軸方向において前記胴部の前記底部側の端部と前記開口部の前記開口側の端部との間に設けられている、電池。 - 前記開口部の開口端の近傍には、縮径した環状溝部が形成されており、
前記突起部分が、前記軸方向において前記環状溝部と前記開口端との間の位置に設けられている、請求項１に記載の電池。 - 前記突起部分が、前記軸方向の所定の位置に、周方向に沿って連続的または間欠的に設けられている、請求項１または２に記載の電池。
- 前記突起部分が、前記胴部の軸に垂直な平面から傾いた側面を有している、請求項１～３のいずれか一項に記載の電池。
- 前記側面が、前記軸方向に向かって屈折又は湾曲している、請求項４に記載の電池。
- 前記突起部分が、前記胴部の軸の垂直方向から傾いた方向に突出している、請求項４に記載の電池。
- 前記突起部分が、前記胴部の軸の垂直方向に対し－４５～＋４５°の範囲内で傾いて突出している、請求項６に記載の電池。
- 前記突起部分の突出長Ｈが、前記胴部の半径に対して１％～５０％の長さである、請求項１～７のいずれか一項に記載の電池。
- 前記突起部分の最大厚みＷが、前記胴部の肉厚の０．３～１０倍である、請求項１～８のいずれか一項に記載の電池。
- 前記開口部の開口端の近傍には、縮径した環状溝部が形成されており、
前記突起部分が、前記軸方向において前記環状溝部と前記底部との間の位置に設けられている、請求項１に記載の電池。 - 電極群と、
電解質と、
前記電極群と前記電解質とを収容する電池缶と、
前記電池缶の開口を封口する封口体と、を備える電池であって、
前記電池缶は、
筒状の胴部と、
前記胴部の一方の端部に設けられた、開口を有する開口部と、
前記胴部と連続し、前記胴部の他方の端部を閉じている底部と、を備え、
前記胴部の側面から、前記胴部の軸方向に垂直な半径方向において外側に向かって、前記胴部から連続して突出する突起部分が設けられ、
前記突起部分の前記底部側の端部が前記底部と連続し、
前記突起部分が、前記電池缶において前記半径方向に最も外へ突出している、電池。 - 前記突起部分が、前記底部と面一になるように設けられている、請求項１１に記載の電池。
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