JP7028685B2 - 電池構造体 - Google Patents

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Description

本発明は、一つの容器内に複数個の電極体が収納された電池構造体に関する。
ハイブリッドカーや電気自動車等に搭載されるリチウムイオン二次電池等のバッテリーモジュール(電池パック)は、複数の電池構造体(電池セル)により構成される。電池構造体は、金属製の容器内に正極及び負極からなる電極体が収納され、容器の端子面に設けられた正極端子及び負極端子に、電極体の正極及び負極がそれぞれ電気的に接続される構造を有する。
特許文献1には、このような電池構造体において、正極端子と負極端子の他に、容器と電気的に接続される補助電極を設け、容器の電位を正極と負極の中間の電位にすることにより、容器の腐食や機械的特性の劣化の問題を解決することが開示されている。
特開平11-67284号公報
一般に、複数の電池構造体を直列接続する場合、電池構造体が絶縁プレートを挟んで並列され、各電池構造体の電極体同士がバスバー等の別途の部品によって直列接続される。しかし、従来の電池構造体の構造では、電極体の数だけ容器のスペースをとるため、電池構造体を並列させた際に大型化が避けられない問題がある。また、電極体同士を直列接続するためには、バスバー等の電池構造体とは別途の部品も必要である。このため、従来の電池構造体を用いて複数の電極体同士を直列接続しようとすると、部品点数が多くなり、構造も複雑化して高コストとなる問題もある。
特許文献1に記載の技術は、容器の腐食や機械的特性の劣化の問題に着目したものであり、電池構造体の上記問題を解決することについては全く言及していない。
そこで、本発明は、複数の電極体同士が直列接続された、小型で、低コストな電池構造体を提供することを目的とする。
(1) 本発明に係る電池構造体は、正極集電部(例えば、後述の正極集電部21A、21B)及び負極集電部(例えば、後述の負極集電部22A、22B)をそれぞれ有する複数個の電極体(例えば、後述の第1電極体2A、第2電極体2B)が、一つの導電性の容器(例えば、後述のセル缶10及び封口体11)に収納された電池構造体(例えば、後述の電池構造体1)であって、第1電極体の負極集電部(例えば、後述の負極集電部22A)と第2電極体の正極集電部(例えば、後述の正極集電部21B)とが、前記容器に電気的に接続されることにより、前記第1電極体と前記第2電極体とが直列接続されている。
(1)により、一つの容器内で第1電極体の負極集電部と第2電極体の正極集電部とを容器を介して電気的に直列接続できるため、電極体毎の容器が不要となると共に、電極体同士の電気的接続のためのバスバー等の別途の部品も不要となり、電池構造体の小型化及び低コスト化が可能である。また、容器にハーネスを接続するだけで中間電位を検出できるため、電圧検出用端子も不要となり、電圧検出部品も簡素化できる。
(2) (1)に記載の電池構造体において、前記第1電極体の前記負極集電部と前記第2電極体の前記正極集電部とは、前記第1電極体の前記正極集電部(例えば、後述の正極集電部21A)と前記第2電極体の前記負極集電部(例えば、後述の負極集電部22B)との間に配置されていることが好ましい。
(2)により、第1電極体の負極集電部と第2電極体の正極集電部とが、各電極体の長さ方向の中央部寄りの位置で電気的接続されるため、各電極体の中央部で発生した熱が、負極集電部及び正極集電部を介して容器に拡散されるようになり、各電極体の中央部の熱拡散性が向上する。
(3) (1)又は(2)に記載の電池構造体において、前記容器は、前記第1電極体の正極集電部(例えば、後述の正極集電部21A)に電気的に接続される正極端子(例えば、後述の正極端子12)と、前記第2電極体の負極集電部(例えば、後述の負極集電部22B)に電気的に接続される負極端子(例えば、後述の負極端子13)と、が外部に露出する端子面を備え、前記第1電極体の前記負極集電部と前記第2電極体の前記正極集電部とが、前記端子面に電気的に接続されることが好ましい。
(3)により、第1電極体と第2電極体の各集電部を、容器の同一面に揃えることができるため、電池構造体の組立て性が向上する。
(4) (3)に記載の電池構造体において、前記容器は、天面に封口体(例えば、後述の封口体11)を備え、前記端子面は、前記封口体により構成されることが好ましい。
(4)により、第1電極体の負極集電部と第2電極体の正極集電部とが、一般に板厚の大きい封口体を介して電気的に接続されるため、電気抵抗を低減することができる。また、予め封口体と各電極体とを一体化することが可能となるため、各電極体を容器に収納した後に電気的接続作業を行う必要がなく、電池構造体の組立て性が更に向上する。更に、封口体が容器の天面に配置されるため、各電極体の側面及び底面をそれぞれ絶縁するだけで、液絡防止を図ることができ、各電極体の液絡防止構造を簡素化できる。
(5) (4)に記載の電池構造体において、前記封口体は、前記第1電極体の前記負極集電部との接続部位と、前記第2電極体の前記正極集電部との接続部位と、で挟まれる領域よりも外側に、圧力解放弁(例えば、後述の圧力解放弁14)及び/又は注液口(例えば、後述の注液口15)を有することが好ましい。
(5)により、圧力解放弁及び/又は注液口は、通電時に発熱する部位を避けて配置されるようになるため、圧力解放弁及び/又は注液口の熱履歴を抑制できる。
(6) (4)又は(5)に記載の電池構造体において、前記第1電極体と前記第2電極体との間、前記第1電極体と前記容器の内面との間、及び、前記第2電極体と前記容器の内面との間、にそれぞれ絶縁部材(例えば、後述の絶縁部材3A、3B)を有し、前記絶縁部材は、天面側が開放されていることが好ましい。
(6)により、各電極体の集電部の電気的接続に影響を与えることなく、各電極体と容器との間の短絡を防止できると共に、絶縁のための構造も簡素化できる。
(7) (1)~(6)のいずれかに記載の電池構造体において、前記第1電極体の負極集電材料と、前記第2電極体の正極集電材料と、前記容器の材料と、は同一の合金種であることが好ましい。
(7)により、各電極体の集電材料と容器の材料を揃えることができるため、電池構造体の材料コストを抑制できると共に、電気的接続を同材料同士で行うことができるため、電気的接続を構築するための溶接も容易に行うことができる。
(8) (7)に記載の電池構造体において、前記第1電極体の負極(例えば、後述の負極202)及び前記第2電極体の負極(例えば、後述の負極202)における負極活物質(例えば、後述の負極活物質202b)が酸化物であり、前記第1電極体の前記負極集電材料と、前記第2電極体の前記正極集電材料と、前記容器の材料と、はアルミニウム合金であることが好ましい。
(8)により、容器の加工性が良好で、電池構造体の軽量化を図ることができる。
本発明によれば、複数の電極体同士が直列接続された、小型で、低コストな電池構造体を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る電池構造体の斜視図である。 図1に示す電池構造体の分解斜視図である。 電極体を容器内に収納して電池構造体を構成する様子を示す斜視図である。 容器の内部の電極体を透視して示す電池構造体の斜視図である。 封口体に接続された各電極体を斜め下から見た図である。 図1におけるX-X線に沿って切断した電池構造体の一部を示す断面図である。 図6におけるZ部の拡大断面図である。 図1におけるY-Y線に沿って切断した電池構造体の一部を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
電池構造体1は、図2、図3に示すように、セル缶10及び封口体11で構成される容器内に、第1電極体2Aと第2電極体2Bとの2つの電極体が収納されることにより構成されている。
第1電極体2Aと第2電極体2Bは、図8に示すように、複数の正極201と複数の負極202とが、セパレータ(図示せず)を介して交互に積層されることにより、それぞれ構成されている。第1電極体2Aと第2電極体2Bの正極201及び負極202の構成は同一である。正極201は、平板状の正極箔201aと、その正極箔201aの表面に塗布された正極活物質201bと、をそれぞれ有している。負極202は、平板状の負極箔202aと、その負極箔202aの表面に塗布された負極活物質202bと、をそれぞれ有している。
図2、図4に示すように、第1電極体2Aは、上部に正極集電部21Aと負極集電部22Aとを有している。正極集電部21Aは、各正極201の正極箔201aの上端が部分的に帯状に延出され、積層されて1つに束ねられることにより、平板状に構成されている。また、負極集電部22Aは、各負極202の負極箔202aの上端が部分的に帯状に延出され、積層されて1つに束ねられることにより、平板状に構成されている。正極集電部21Aと負極集電部22Aとは、第1電極体2Aの上部において横向きに屈曲され、第1電極体2Aの上面に対して略平行な平面を形成している。
第1電極体2Aの正極集電部21Aは、第1電極体2Aの上部における長さ方向(正極201と負極202の積層方向と直交する方向)の一方端部に配置されている。即ち、正極集電部21Aは、各正極201の正極箔201aの一方端部の上端が部分的に帯状に延出されることにより形成されている。これに対し、負極集電部22Aは、第1電極体2Aの上部における長さ方向の他方端部よりもやや中央寄りにずれて配置されている。即ち、負極集電部22Aは、各負極202の負極箔202aの他方端部よりもやや中央寄りの上端が部分的に帯状に延出されることにより形成されている。
一方、第2電極体2Bも、上部に正極集電部21Bと負極集電部22Bとを有する。正極集電部21Bは、各正極201の正極箔201aの上端が部分的に帯状に延出され、積層されて1つに束ねられることにより、平板状に構成されている。また、負極集電部22Bは、各負極202の負極箔202aの上端が部分的に帯状に延出され、積層されて1つに束ねられることにより、平板状に構成されている。正極集電部21Bと負極集電部22Bとは、第2電極体2Bの上部において横向きに屈曲されることにより、第2電極体2Bの上面に対して略平行な平面を形成している。
第2電極体2Bの正極集電部21Bは、第2電極体2Bの上部における長さ方向(正極201と負極202の積層方向と直交する方向)の一方端部よりもやや中央寄りにずれて配置されている。即ち、正極集電部21Bは、各正極201の正極箔201aの一方端部よりもやや中央寄りの上端が部分的に帯状に延出されることにより形成されている。これに対し、負極集電部22Bは、第2電極体2Bの上部における長さ方向の他方端部に配置されている。即ち、負極集電部22Bは、各負極202の負極箔202aの他方端部の上端が部分的に帯状に延出されることにより形成されている。
図2、図3及び図8に示すように、第1電極体2Aと第2電極体2Bは、それぞれ絶縁部材3A、3Bに収容されている。絶縁部材3A、3Bは、いずれも絶縁性のシート材により、第1電極体2A及び第2電極体2Bとほぼ同形状で、上部が開口する袋状に形成されている。第1電極体2Aと第2電極体2Bは、正極集電部21A、21Bと負極集電部22A、22Bが上方に配向されて、絶縁部材3A、3B内にそれぞれ収容されている。
絶縁部材3A、3Bにそれぞれ収容された第1電極体2Aと第2電極体2Bは、正極201と負極202の積層方向に並列されて、一つのセル缶10内に収納されている。セル缶10は、導電性の材料により、並列させた第1電極体2Aと第2電極体2Bとを収納可能な直方体形状に形成され、天面側(各図における上側)が矩形状に開口している。
第1電極体2Aと第2電極体2Bとは、それぞれ絶縁部材3A、3Bに収容されているため、第1電極体2Aと第2電極体2Bとの間は、絶縁部材3A、3Bにより電気的に絶縁される。また、第1電極体2Aとセル缶10の内面との間、及び、第2電極体2Bとセル缶10の内面との間、もそれぞれ電気的に絶縁される。従って、各電極体2A、2Bとセル缶10との間の短絡を防止することができる。また、絶縁部材3A、3Bは、図8に示すように、天面側(図8における上側)が開放されているため、絶縁のための構造も簡素化できる。
第1電極体2Aと第2電極体2Bとが並列された状態で、全ての正極集電部21A、21Bと負極集電部22A、22Bとは、第1電極体2Aと第2電極体2Bのそれぞれの上部に配置されている。そして、この第1電極体2Aと第2電極体2Bの上部に対して、封口体11が取り付けられている。
封口体11は、セル缶10の開口形状と同一の矩形状に形成された導電性の平板部材からなる。封口体11は、セル缶10の開口を被蓋することにより、セル缶10と封口体11とによって、内部に第1電極体2Aと第2電極体2Bとを収納する容器を構成する。この封口体11は、セル缶10の内部の圧力に耐えるために、セル缶10の板厚よりも大きな板厚を有している。
封口体11は、電池構造体1の正極端子12と負極端子13とを有する。
正極端子12は、図6、図7に示すように、封口体11の長さ方向の一方端部側に配置され、封口体11を貫通し、封口体11の上面に突出して露出している。封口体11の裏面には、正極端子12と電気的に接続される内部接続用バスバー121が設けられている。これら正極端子12及び内部接続用バスバー121と封口体11との間には、絶縁材122が設けられ、導電性の封口体11との間で電気的な絶縁が図られている。
一方、負極端子13も、正極端子12と同一の構造を有している。即ち、負極端子13は、図6に示すように、封口体11の長さ方向の他方端部側に配置され、封口体11を貫通し、封口体11の上面に突出して露出している。封口体11の裏面には、負極端子13と電気的に接続される内部接続用バスバー131が設けられている。なお、図6では示されていないが、これら負極端子13及び内部接続用バスバー131と封口体11との間にも、正極端子12側の絶縁材122と同様に絶縁材が設けられ、導電性の封口体11との間で電気的な絶縁が図られている。
本実施形態において、この封口体11は、第1電極体2Aの正極集電部21Aに電気的に接続される正極端子12と、第2電極体2Bの負極集電部22Bに電気的に接続される負極端子13と、が外部に露出する端子面を構成している。
図2~図5に示すように、第1電極体2Aの正極集電部21Aは、正極端子12の内部接続用バスバー121に対して、電気的に接続されている。正極集電部21Aは、封口体11の裏面において、この内部接続用バスバー121を介して、正極端子12と電気的に接続される。一方、第1電極体2Aの負極集電部22Aは、封口体11の裏面における負極端子13よりも中央寄り(正極端子12寄り)の部位に対して、直接に電気的に接続されている。
また、第2電極体2Bの正極集電部21Bは、封口体11の裏面における正極端子12よりも中央寄り(負極端子13寄り)の部位に対して、直接に電気的に接続されている。一方、第2電極体2Bの負極集電部22Bは、負極端子13の内部接続用バスバー131に対して電気的に接続されている。負極集電部22Bは、この内部接続用バスバー131を介して、負極端子13と電気的に接続される。
このように、第1電極体2Aの負極集電部22Aと第2電極体2Bの正極集電部21Bとが、封口体11の裏面に対して直接に電気的に接続されることにより、第1電極体2Aと第2電極体2Bとは、封口体11を介して直列接続される。
セル缶10内には、第1電極体2Aと第2電極体2Bとが並列されて収納され、セル缶10の天面側が封口体11により被蓋される。セル缶10と封口体11との間は、溶接、かしめ等により固定される。これにより、図1に示す電池構造体1が形成される。第1電極体2Aと第2電極体2Bとの間は、絶縁部材3A、3Bで絶縁されるため、各電極体2A、2B間の短絡のおそれはない。また、各電極体2A、2Bとセル缶10との間も絶縁部材3A、3Bで絶縁されるため、各電極体2A、2Bとセル缶10との間の短絡のおそれもない。
このように構成される電池構造体1は、セル缶10と封口体11とで構成される一つの容器内で、第1電極体2Aの負極集電部22Aと第2電極体2Bの正極集電部21Bとを直列接続できるため、各電極体2A、2B毎の容器が不要であり、また、容器間のセパレータも省略できる。しかも、電極体2A、2B同士の電気的接続のためのバスバー等の別途の部品も不要となる。このため、直列接続された複数の電極体2A、2Bを備える電池構造体1でありながらも、電池構造体1の小型化及び低コスト化を図ることができる。
また、この電池構造体1によれば、容器を構成する封口体11にハーネスを接続するだけで中間電位を検出することができるため、中間電位を検出するための電圧検出用端子も不要となる。このため、電圧検出部品の簡素化を図ることもできる。
図3~図6に示すように、本実施形態に示す電池構造体1において、第1電極体2Aの負極集電部22Aと第2電極体2Bの正極集電部21Bとは、第1電極体2Aの正極集電部21Aと第2電極体2Bの負極集電部22Bとの間に配置されている。従って、第1電極体2Aの負極集電部22Aと第2電極体2Bの正極集電部21Bとは、各電極体2A、2Bの長さ方向の中央部寄りの位置で、封口体11を介して電気的接続される。これにより、各電極体2A、2Bの中央部で発生した熱が、負極集電部22A及び正極集電部21Bを介して、封口体11、更にはセル缶10に拡散されるようになり、各電極体2A、2Bの熱拡散性が向上する効果が得られる。
また、本実施形態において、第1電極体2Aの負極集電部22Aと第2電極体2Bの正極集電部21Bとは、正極端子12と負極端子13とを有する端子面に電気的に接続される構成であるため、第1電極体2Aと第2電極体2Bの各集電部21A、22A、21B、22Bを、セル缶10と封口体11とで構成される容器の同一面に揃えることができる。これにより、各集電部21A、22A、21B、22Bの電気的接続を同一面から行うことができ、電池構造体1の組立て性を向上させることができる。
この端子面は、本実施形態のように封口体11により構成することが好ましい。封口体11は、セル缶10よりも大きな板厚を有しているため、この封口体11に、第1電極体2Aの負極集電部22Aと第2電極体2Bの正極集電部21Bとを電気的に接続することで、電気抵抗を低減することができる。
また、封口体11に、第1電極体2Aの負極集電部22Aと第2電極体2Bの正極集電部21Bとを電気的に接続することにより、セル缶10に収納する前に、予め封口体11と各電極体2A、2Bとを一体化することも可能である。これにより、図3に示すように、封口体11と一体化された各電極体2A、2Bをセル缶10内に収納した後、セル缶10と封口体11とを接合するだけで電池構造体1を構成することができる。このため、各電極体2A、2Bをセル缶10に収納した後に電気的接続作業を行う必要がなくなり、電池構造体1の組立て性を更に向上させることができる。
更に、封口体11は、セル缶10とで構成される容器の天面に配置されることにより、各集電部21A、22A、21B、22Bも全て天面に配向されるようになる。このため、各電極体2A、2Bの側面及び底面をそれぞれ絶縁するだけで、液絡防止を図ることができる。これにより、各電極体2A、2Bの液絡防止構造を簡素化することができる。
本実施形態に示す電池構造体1は、封口体11に、圧力解放弁14と注液口15とを有している。圧力解放弁14と注液口15は、図3、図6に示すように、封口体11と第1電極体2Aの負極集電部22Aとの接続部位と、第2電極体2Bの正極集電部21Bとの接続部位と、で挟まれる領域11aよりも外側、即ち、封口体11の長さ方向の両端部側、に配置されている。具体的には、圧力解放弁14は、封口体11と第2電極体2Bの正極集電部21Bとの接続部位(図3において符号21Bで示される破線の部位)と、正極端子12と、の間に配置されている。一方、注液口15は、封口体11と第1電極体2Aの負極集電部22Aとの接続部位(図3において破線で示される符号22Aの部位)と、負極端子13と、の間に配置されている。
封口体11は、第1電極体2Aの負極集電部22Aと第2電極体2Bの正極集電部21Bとが電気的に接続されることにより、通電時に発熱する。この発熱は、特に負極集電部22Aと正極集電部21Bとの間で顕著になる。しかし、本実施形態の圧力解放弁14と注液口15との配置構成によれば、圧力解放弁14と注液口15とは、通電時に発熱する部位である領域11aを避けて配置されるようになるため、圧力解放弁14と注液口15との熱履歴を抑制することができる。なお、本実施形態では、領域11aの外側に、圧力解放弁14と注液口15との両方が配置されているが、圧力解放弁14と注液口15とのうちのいずれか一方のみでもよい。
この電池構造体1において、第1電極体2Aの負極集電材料、即ち、第1電極体2Aにおける負極202の負極箔202a及び負極集電部22Aと、第2電極体2Bの正極集電材料、即ち、第2電極体2Bにおける正極201の正極箔201a及び正極集電部21Bと、容器を構成するセル缶10及び封口体11の材料と、は同一の合金種であることが好ましい。これにより、各電極体2A、2Bの上記集電材料とセル缶10及び封口体11の材料の材料とを揃えることができるため、電池構造体1の材料コストを抑制できると共に、電気的接続を同材料同士で行うことができるため、電気的接続を構築するための溶接も容易に行うことができる。
更に、第1電極体2Aの負極202及び第2電極体2Bの負極202における負極活物質202bが、例えばLTO(チタン酸リチウム)等の酸化物である場合には、第1電極体2Aの負極集電材料(負極箔202a及び負極集電部22A)と、第2電極体2Bの正極集電材料(正極箔201a及び正極集電部21B)と、セル缶10及び封口体11の材料と、は全てアルミニウム合金とすることができる。アルミニウム合金は加工性が良好であるため、セル缶10及び封口体11を容易に加工することができる。また、アルミニウム合金は軽量であるため、電池構造体1の軽量化を図ることもできる。
1 電池構造体
2A 第1電極体
2B 第2電極体
21A、21B 正極集電部
22A、22B 負極集電部
202 負極
202b 負極活物質
3A、3B 絶縁部材
10 セル缶(容器)
11 封口体(容器)
12 正極端子
13 負極端子
14 圧力解放弁
15 注液口

Claims (8)

  1. 正極集電部及び負極集電部をそれぞれ有する複数個の電極体が、一つの導電性の容器に収納された電池構造体であって、
    前記容器は、天面に導電性の封口体を備え、
    第1電極体の前記負極集電部と第2電極体の前記正極集電部とが、前記封口体の裏面に直接に電気的に接続されることにより、前記第1電極体と前記第2電極体とが直列接続されており、
    前記第1電極体の前記負極集電部と前記第2電極体の前記正極集電部とは、前記第1電極体の前記正極集電部と前記第2電極体の前記負極集電部との間に配置されている、電池構造体。
  2. 前記封口体は、前記第1電極体の前記負極集電部との接続部位と、前記第2電極体の前記正極集電部との接続部位と、で挟まれる領域よりも外側に、圧力解放弁及び/又は注液口を有する、請求項1に記載の電池構造体。
  3. 正極集電部及び負極集電部をそれぞれ有する複数個の電極体が、一つの導電性の容器に収納された電池構造体であって、
    前記容器は、天面に導電性の封口体を備え、
    第1電極体の前記負極集電部と第2電極体の前記正極集電部とが、前記封口体の裏面に直接に電気的に接続されることにより、前記第1電極体と前記第2電極体とが直列接続されており、
    前記封口体は、前記第1電極体の前記負極集電部との接続部位と、前記第2電極体の前記正極集電部との接続部位と、で挟まれる領域よりも外側に、圧力解放弁及び/又は注液口を有する、電池構造体。
  4. 前記容器は、前記第1電極体の前記正極集電部に電気的に接続される正極端子と、前記第2電極体の前記負極集電部に電気的に接続される負極端子と、が外部に露出する導電性の端子面を備え、
    前記第1電極体の前記負極集電部と前記第2電極体の前記正極集電部とが、前記端子面に電気的に接続される、請求項1~3のいずれか1項に記載の電池構造体。
  5. 記端子面は、前記封口体により構成される、請求項に記載の電池構造体。
  6. 前記第1電極体と前記第2電極体との間、前記第1電極体と前記容器の内面との間、及び、前記第2電極体と前記容器の内面との間、にそれぞれ絶縁部材を有し、
    前記絶縁部材は、天面側が開放されている、請求項1~5のいずれか1項に記載の電池構造体。
  7. 前記第1電極体の負極集電材料と、前記第2電極体の正極集電材料と、前記容器の材料と、は同一の合金種である、請求項1~6のいずれか1項に記載の電池構造体。
  8. 前記第1電極体の負極及び前記第2電極体の負極における負極活物質が酸化物であり、前記第1電極体の前記負極集電材料と、前記第2電極体の前記正極集電材料と、前記容器の材料と、はアルミニウム合金である、請求項7に記載の電池構造体。
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