JPWO2012073331A1 - 二次電池および二次電池モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
端子の接続平面が電池蓋の主面と垂直なため、十分な接続面積を確保しようとすると、端子が電池上方に延伸するため、電池外形が大型化してしまう。
(2)請求項11の発明による二次電池モジュールは、請求項1の二次電池を複数並列し、隣接する二次電池における正極外部端子と負極外部端子の相互をバスバーで電気的に接続して構成され、バスバーは、正極外部端子または負極外部端子の一方と同一材質の主材部と、正極外部端子または負極外部端子の他方と同一材料の従材部とを一体化したクラッド材によって形成され、正極外部端子には、バスバーにおける正極外部端子と同一材質の主材部または従材部が溶接され、負極外部端子には、バスバーにおける負極外部端子と同一材質の主材部または従材部が溶接されていることを特徴とする。
以下、図面を参照して、本発明を車両駆動用の角形リチウムイオン二次電池に適用した第1の実施の形態について説明する。
図1および図2に示すように、角形二次電池30は、一面が開口した直方体状の電池缶1内に図示しない絶縁ケースを介して捲回型発電要素群6を収納し、電池缶1の開口部11を電池蓋3によって封止して構成されている。なお、電池缶1と電池蓋3により電池容器が構成される。
発電要素アセンブリ43は、図2に示すように、電池蓋アセンブリ42と発電要素群6とを一体化したものである。まず、発電要素群6について説明する。
図3に示すように、発電要素群6は、セパレータ6C、負極板6D、セパレータ6C、正極板6Eの順に重ねられて複数周捲回した捲回体を、扁平状に潰した扁平捲回構造を有している。捲回体は、軸芯を省略して軽量化されており、軸芯の代用として、その捲回開始端部(発電要素群中心部)にはセパレータ6Cが数周巻かれている。また、捲回終了端部(発電要素群表層部)にもセパレータ6Cが数周捲回されて絶縁性が確保され、さらに、巻き解けを防止するためにセパレータ6Cの捲回終了端の片面は、粘着剤が塗着されたテープ(不図示)で止められている。
図4は電池蓋アセンブリ42の分解斜視図である。電池蓋アセンブリ42は、正極外部端子4Aが一体成形されている正極接続板5Aと、負極外部端子4Bが一体成形されている負極接続板5Bを、それぞれ絶縁基材13Aおよび絶縁基材13Aとともに電池蓋3にろう付けで一体化して作製される。電池蓋と正負極接続板の構造を説明した後、両者の一体化構造について説明する。
図4に示すように、アルミニウム合金製の電池蓋3には、両端側に正負極外部端子4A,4Bが貫通する貫通孔31A,31Bがあけられている。電池蓋3の中央部には、電解液を注液するための注液口20と、二次電池30の内圧が上昇したときに予め定められた圧力で開裂してガスを外部に放出する圧力開放弁23が設けられている。圧力開放弁23は、電池内圧が上昇したときに電池缶1および電池蓋3の他の部分よりも先に開裂(破断)するように、蓋を薄肉化して応力集中の度合いが高められている。
正負極接続板5Aはアルミニウム合金製、負極接続板5Bは銅合金製である。図4に示すように、正負極接続板5A,5Bは、超音波接合箇所6F,6G(図1参照)に密着する溶接平面部5A1,5B1と、電池蓋3の主面(最も広い面)に沿って延びる基部5A2,5B2と、基部A2,5B2と溶接平面部5A1,5B1とを接続する接続部(中間部)5A3,5B3とを有する。基部5A2,5B2には、貫通孔31A,31B内に挿入される円筒状の正負極外部端子4A,4Bが絞り加工により一体形成されている。
以上のように予めそれぞれ作製された電池蓋3と正負極接続板5A,5Bとを絶縁基材13A,13Bにより電気的に絶縁して一体化して電池蓋アセンブリ42が作製される。図4および図5を参照して電池蓋アセンブリ42の構造をさらに説明する。
以上説明した電池蓋3と、正負極接続板5A,5Bと、絶縁基材13A,13Bは次のように一体化される。
電池蓋3の貫通孔31A,31Bには、絶縁基材13Aおよび13Bが電池蓋3の二次電池内側方向から挿入され、絶縁基材13Aおよび13Bの貫通孔13A3,13B3には正負極外部端子4A,4Bが挿通されている。すなわち、絶縁基材13A,13Bを介在させて貫通孔31A,31Bに正負極外部端子4A,4Bが挿通されている。正負極外部端子4A,4Bの上端面は絶縁基材13A,13Bよりも電池蓋3の外側に突出している。
第1実施形態の二次電池30の製造工程は、(1)電池蓋3に正負極接続板5A,5Bを一体化して電池蓋アセンブリ42(図2、図4参照)を組み立てる電池蓋アセンブリ組立工程、(2)正負極板6E,6D、セパレータ6Cを捲回して形状を整え、発電要素群6(図2、図3参照)を形成する発電要素群形成工程、(3)発電要素群6と電池蓋アセンブリ42を一体化して発電要素アセンブリ43(図1参照)を組み立てる発電要素アセンブリ組立工程、(4)発電要素アセンブリ43を電池缶1内に挿入し、電池缶1と電池蓋3を接合して電解液を注入し、注液口20を封止する封止工程、を含む。以下、上記工程順に本実施形態の二次電池30の製造方法について詳述する。
図4に示すように、アルミニウム合金からなる厚さ1.0ないし2.0mmの板材に対して正極外部端子4Aを絞り加工し、かつ所定の輪郭に打ち抜いた後、曲げ加工して正極接続板5Aを形成する。さらに、同様の厚さの銅合金の板材に同様の加工を施し、負極接続板5Bを形成する。
また、アルミニウム合金からなる厚さ1.0ないし2.0mmの板材に対してプレスおよび打ち抜き加工され、貫通孔、注液口および圧力開放弁などが形成された電池蓋3を形成する。
図3に示すように、正極板6Eおよび負極板6Dを2枚のセパレータ6Cを介して捲回することによってロール状の発電要素群を形成し、セパレータ6Cの捲回終了端をテープで止めるとともに治具を用いて扁平状に押し潰すことで扁平捲回群を得る。次に、扁平捲回群の正極未塗工部6A,負極未塗工部6Bの超音波接合される部分(図1参照)を、治具を用いてロール状に径方向に押圧することで折り曲げ、正極未塗工部6A,負極未塗工部6Bを押し潰して集結させて発電要素群6を形成する。
電池蓋アセンブリ42と発電要素群6を用意し、接合する部位同士を位置決めする。次に、正極接続板5A,負極接続板5Bを、正極未塗工部6A,負極未塗工部6Bの最外周の表面に接触させ、加圧するとともに超音波振動を加えて正極未塗工部6A,負極未塗工部6Bの各層と正極接続板5A,負極接続板5Bをそれぞれ一括接合して、発電要素アセンブリ43が構成される(図2参照)。
図1に示すように、発電要素アセンブリ43を、電池缶1の開口面から挿入する。このとき、上述した絶縁ケースを、発電要素群6および正極接続板5A,負極接続板5Bを内部に収容するように配置する。次に、電池蓋3の周縁を電池缶1の開口面11に合わせ、合わせ面に隙間が生じないよう治具により加圧しながら、電池蓋3と電池缶1の周縁の合わせ面に向けてレーザビームを照射しつつ合わせ面に沿って全周にわたり走査して、電池缶1と電池蓋3とを接合(封口)する。
本実施形態の二次電池30によれば、発電要素群の正負極未塗工部6A、6Bには、正負極外部端子4A,4Bが一体成型された正負極接続板5A,5Bを接続し、正負極外部端子4A,4Bを電池容器外部に露出するようにした。また、正負極外部端子4A,4Bと電池蓋3との間に絶縁基材13A,13Bをろう付けで接合して介在させ、正負極外部端子4A,4Bと電池蓋3との間の電気的絶縁とシールの両機能を実現するようにした。このような二次電池は次のような作用効果を奏することができる。
(4)電気抵抗の低減により、発電要素群6から正負極外部端子4A,4Bにかけて電流が流れたときの発熱が小さくなるため、その熱が発電要素群6に移動して発電要素群6の温度が局所的に上昇して発電要素群6を部分劣化させる現象が抑制され、二次電池30の寿命を長くすることができる。
以上の構成からなる二次電池30は、車両への搭載に際して複数個が機械的に一体化された電池モジュールとして使用されるのが一般的である。
(1)外部に突出した正負極外部端子4A,4Bの上端とバスバーの凹部53の内面とがほぼ合致した形状であるため、セルフアライメントによって両者の位置決めを容易に(自動的に)行うことができる。
(2)絶縁基材13A,13Bの上端面が電池蓋3よりも高いため、バスバー52の位置決めの際に誤って電池蓋3と正極外部端子4Aあるいは負極外部端子4Bとが短絡することを防止することができる。
また、発電要素群の集電部分から端子、および複数の電池の端子同士を接続する構造に多くの部品点数を必要とする。また、各部品を仮組する工程、ガスケットに所定圧力を付与し保持するためのかしめ工程、導通部品間の電気的接続のためのかしめ部溶接工程など、組立にも多くの工程を要する。
図面を参照して、本発明を、車両駆動用の角形リチウムイオン二次電池に適用した第2の実施の形態について説明する。なお、本実施形態以下の実施形態において、上述した第1実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、相違点を主に説明する。
図9に示すように、二次電池30は、第1実施形態と同様の電池蓋3、正負極接続板5A,5Bを備え、電池蓋3の貫通孔31には、絶縁基材13Cを介在させつつ、正負極外部端子4A,4Bが挿通されている。
絶縁基材13Cは絶縁性の樹脂材料からなり、貫通孔31周縁全周および正負極接続板5A,5Bにおける正負極外部端子4A,4Bの壁面4A1、4B1の全面に密着されている。電池蓋3および正負極接続板5A,5Bは、絶縁基材13Cとの密着性を高めるため、予め表面に微細な凹凸が形成されることで粗面化されている。
絶縁基材13Cには、例えばポリフェニレンサルファイド(PPS)やポリブチレンテレフタレート(PBT)、あるいはペルフルオロアルコキシフッ素(PFA)等の絶縁性樹脂を用いることができる。
第2実施形態の二次電池の製造工程は、(1)電池蓋3および正負極接続板5A,5Bおよびこれらにそれぞれ形成された正負極外部端子4A,4Bの各表面を粗面化する粗面化工程、(2)電池蓋3に正負極接続板5A,5Bを一体化して電池蓋アセンブリ42を組み立てる電池蓋アセンブリ組立工程、(3)正負極板6E,6D、セパレータ6Cを捲回して形状を整え、発電要素群6を形成する発電要素群形成工程、(4)発電要素群6と電池蓋アセンブリ42を接合して発電要素アセンブリ43を組み立てる発電要素アセンブリ組立工程、(5)発電要素アセンブリ43を電池缶1内に挿入し、電池缶1と電池蓋3を接合して電解液を注入し、注液口20を封止する封止工程、を含む。以下、上記工程順に本実施形態の二次電池の製造方法について詳述する。
アルミニウム合金からなる正極接続板5Aおよび電池蓋3を、前処理として、脱脂槽に浸漬して油剤を除去した後、酸性水溶液に浸漬し表層に酸成分を吸着させ、次いで、塩基性水溶液に浸漬してアルカリエッチングを行い、これらの表面に残存している油脂や汚れを薄いアルミニウム合金の表面と一緒に分離させ、水洗い後、乾燥させる。次に、本処理として、前処理後のこれらの部材を、温度管理された、ヒドラジン、アンモニア、水溶性アミン化合物等を含む水溶液(pH9〜10)に所定時間浸漬して、水洗い後、乾燥させる。この処理の結果、正極接続板5Aおよび電池蓋3の表面は平均直径20〜80nmの無数の微細凹部で覆われた状態、すなわち、表面が粗面化された状態となる。
正極接続板5A,負極接続板5Bをそれぞれ電池蓋3に形成された貫通孔31に挿通し、所定の相対間隔を確保して位置決めした状態で金型に固定する。その後、金型を100℃ないし200℃に加熱した状態で、正極接続板5A,負極接続板5Bと電池蓋3との間の隙間に上述したPPS等の樹脂を加圧注入(射出成形)して絶縁基材13Cを形成する。このとき、アルミニウム合金あるいは銅合金からなる正負極接続板5A,5B、正負極外部端子4A,4Bが高温に曝されることにより熱酸化して酸化皮膜形成や変色等を生じるのを防止するために、周囲(少なくとも金型内部)を窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。射出成形された絶縁基材13Cは冷却後固化し、正極接続板5A,負極接続板5Bと電池蓋3とは機械的に一体化され、電池蓋アセンブリ42が構成される。
発電要素群形成工程は第1実施形態と同様であり、説明を省略する。
発電要素アセンブリ組立工程は第1実施形態と同様であり、説明を省略する。
封止工程は第1実施形態と同様であり、説明を省略する。
本実施形態の二次電池によれば、第1実施形態と同様に、正負極それぞれにおいて、正負極未塗工部6A、6Bとの接続部分である溶接平面部5A1,5B1から正負極外部端子4A,4Bに至る部分を単一の部品である正負極接続板5A,5Bで構成し、正負極外部端子4A,4Bのバスバー接続面を電池容器の一面と平行に延在させて貫通孔から露出するようにしたので、第1の実施形態と同様の効果を奏するとともに、とくに次のような作用効果を奏することができる。
(3)絶縁基材13Cが樹脂材からなるので、第1実施形態のようにセラミック材とした場合に比べ、部品費を安価に抑えることができる。
次に、図面を参照して、本発明を車両駆動用の角形リチウムイオン二次電池に適用した第3の実施の形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態における正負極外部端子およびバスバー形状を変更したものである。相違点を主に説明する。
本実施形態の二次電池によれば、第1の実施形態と同様の作用効果を奏するとともに、とくに次の作用効果を奏することができる。
(1)正負極外部端子4A,4Bは電池蓋3の貫通孔31を通じて、二次電池の表面に露出してバスバー52Aとの接続性を確保しながらも、それらは電池蓋3や絶縁基材13A,13Bの最外面よりも内側に位置している。したがって、不要な外部との接触を避けることができ、正負極外部端子面を保護できるとともに、感電や短絡などを防止することができる。
(3)第1実施形態に比べて正負極外部端子4A,4Bの高さ、すなわち絞り量を小さく抑えることができるので、正負極外部端子4A,4Bの製造コストを節減することができる。
図面を参照して、本発明を車両駆動用の角形リチウムイオン二次電池に適用した第4の実施の形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態から正負極外部端子およびバスバー形状を変更したものである。
本実施形態の二次電池によれば次のような作用効果を奏することができる。
(1)第3実施形態と同様に、正負極外部端子4A,4Bは電池蓋3の貫通孔31を通じて二次電池の表面に露出してバスバー52Bとの接続性を確保しながらも、それらは電池蓋3や絶縁基材13Aの最外面よりも内側に位置している。したがって、不要な外部との直接的な接触を避けることができ、正負極外部端子4A,4Bの先端面(上端面)を保護できるとともに、感電や短絡などを防止することができる。
次に、図面を参照して、本発明を車両駆動用の角形リチウムイオン二次電池に適用した第5の実施の形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態における正負極外部端子およびバスバー形状を変更したものである。
本実施形態の二次電池によれば、第3実施形態と同様に、正負極外部端子4A,4Bは電池蓋3の貫通孔31と絶縁基材13A,13Bの貫通孔13A3,13B3を通じて二次電池の表面に露出してバスバー52Pとの接続性を確保しながらも、それらは電池蓋3や絶縁基材13A,13Bの最外面よりも内側に位置しているので、以下のような作用効果を奏することができる。
図面を参照して、本発明を車両駆動用の角形リチウムイオン二次電池に適用した第6の実施の形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態から電池蓋および正負極接続板形状を変更し、ろう材層の信頼性向上を図ったものである。
なお、負極側も同様の構造を採用する。
本実施形態の二次電池によれば、ろう材15Gの層厚さが段差3C1および段差5G1の段差量に等しいとして自動的に均等化されるため、ろう材層厚さの管理が容易になるとともに、ろう材層の機械的強度、電解液や水分のバリア性など、信頼性に関わる性能を常に一定に維持することができる。
図面を参照して、本発明を車両駆動用の角形リチウムイオン二次電池に適用した第7の実施の形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態の構成において、正負極外部端子、絶縁基材、電池蓋の接合部分の形状を変更し、ろう材層の信頼性向上を図ったものである。
本実施形態の二次電池によれば、電池蓋3Dの主面方向から見た平面視におけるろう材15J面積がこれまでの実施形態と同等であっても、斜面にろう材層15Jを形成することから、実際のろう付け面積はより広くできる。このため、ろう材15J層の接合強度を向上させることができると同時に、ろう材15J層を通じた水分の侵入経路をより長くすることができ、水分侵入に対する信頼性を向上させることができる。
図面を参照して、本発明を車両駆動用の角形リチウムイオン二次電池に適用した第8の実施の形態について説明する。本実施形態は、二次電池のモジュール化において隣接する二次電池の正負極外部端子同士を接続するバスバーの構造を変更し、異なる材料で形成された正負異極端子同士の接続容易化を図るものである。
本実施形態の二次電池によれば次のような作用効果を奏することができる。
(1)異なる材料で形成された正負異極端子同士の接続において、溶接接合しにくいアルミニウム合金と銅合金を溶接することなく、それぞれ同材同士の溶接によって良好な電気的接続を得ることができる。
図面を参照して、本発明を車両駆動用の角形リチウムイオン二次電池に適用した第9の実施の形態について説明する。本実施形態は、第2実施形態と同様の構成において正負極外部端子の形状をさらに変更したものである。
正負極外部端子4A,4Bは、絶縁基材13A,13Bの貫通孔13A3,13B3に二次電池内部方向から挿通され、絶縁基材13A,13Bは、電池蓋3および正負極接続板5A,5Bにろう付けされて、機械的に一体化される。正負極外部端子4A,4Bは、その高さが貫通孔13A3,13B3の長さよりも小さく、その上端が貫通孔13A3,13B3内に存在する。
本実施形態の二次電池によれば、正負極外部端子4A,4Bが厚くなるため、正負極外部端子4A,4Bにバスバー(図示省略)を溶接する際の接触圧力を高めても、正負極外部端子4A,4Bが変形することはなく、良好な溶接品質を確保し得る。
本発明による二次電池は以下のように変形して実施することができる。
(1)以上の実施形態では、正負極板を捲回した後に扁平状に形成した発電要素群6を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、正負極板を積層して形成することも可能である。
図21に示すように、積層式の発電要素群6では、矩形状の正極板6Eと、矩形状の負極板6Dとが、矩形状のセパレータ6Cを介して交互に積層されている。このとき、正極未塗工部6A,負極未塗工部6Bが発電要素群6の両端にそれぞれ位置するように積層される。このような積層式の発電要素群でも、上述した本実施形態と同様の効果を得ることができる。
(3)本発明は本実施形態に示した角形二次電池に限らず、円柱状二次電池や多角形二次電池に適用可能である。
このとき、これらの形状の方向を、電池蓋3の長手方向と平行な方向の長さがそれに垂直な方向の長さよりも長くなるように向けてもよく、それと対照的に電池蓋3の長手方向と平行な方向の長さがそれに垂直な方向の長さよりも短くなるように向けてもよい。
Claims (13)
- 正負極活物質がそれぞれ塗工された正極板と負極板をセパレータを介して積層して成り、正負極活物質が塗工されない未塗工部を有する発電要素群と、
前記発電要素群が収納された電池容器と、
前記電池容器に設けた正負極用の2つの貫通孔からそれぞれが電池外部に露出して設けられ、前記発電要素群と外部負荷との間で電力の充放電を行う正負極外部端子とを備え、
前記正負極接続板のそれぞれは単一の素材から製作され、前記正負極接続板のそれぞれの一端の第1の面には、前記発電要素群と接続される発電要素接続部が形成され、他端に設定された前記第1の面とは反対の第2の面には前記正負極外部端子が形成され、前記貫通孔から前記正負極接続板の前記第2の面が前記電池容器の外周面と平行に露出していることを特徴とする二次電池。 - 請求項1記載の二次電池において、
前記電池容器は、電池缶と、前記電池缶の開口を封止し、前記貫通孔が正負極用にそれぞれ設けられている電池蓋とを有し、前記正負極外部端子となる第2の面は前記電池蓋と平行な面であることを特徴とする二次電池。 - 請求項2記載の二次電池において、
中央に基材貫通孔を有する円筒部を有し、前記円筒部が前記正極接続板と正極用貫通孔との間、および前記負極接続板と負極用貫通孔との間にそれぞれ挿入され、前記電池蓋と前記正負極接続板とを電気的に絶縁する絶縁基材をさらに備え、
前記絶縁基材と前記電池蓋、および前記絶縁基材と前記正極接続板および負極接続板が機械的に接合されて前記電池容器内が密閉されていることを特徴とする二次電池。 - 請求項3記載の二次電池において、
前記絶縁基材はセラミックよりなり、前記絶縁基材は、前記電池蓋と、前記正極接続板および負極接続板とにろう材でそれぞれ接合されていることを特徴とする二次電池。 - 請求項2記載の二次電池において、
前記絶縁基材は、前記正極接続板と正極用貫通孔との間、および負極接続板と負極用貫通孔との間、および前記電池蓋との間にモールド成形された樹脂であることを特徴とする二次電池。 - 請求項3記載の二次電池において、
前記正負極外部端子のそれぞれは、それぞれの外部端子が前記基材貫通孔内に進入するように前記正極接続板および負極接続板にそれぞれ突設されていることを特徴とする二次電池。 - 請求項6記載の二次電池において、
前記正負極外部端子の前記第2の面のそれぞれは、前記電池容器の外側に突出していることを特徴とする二次電池。 - 請求項6記載の二次電池において、
前記正負極外部端子の前記第2の面のそれぞれは、前記正負極用貫通孔内および前記絶縁基材の基材貫通孔内に位置していることを特徴とする二次電池。 - 請求項3記載の二次電池において、
前記正極接続板および負極接続板の前記第2の面のそれぞれは、前記電池容器の内部で前記基材貫通孔に対向する凹部形状に形成されていることを特徴とする二次電池。 - 請求項3記載の二次電池において、
前記正極接続板および負極接続板の前記第2の面のそれぞれは、前記電池容器の内部で前記基材貫通孔に対向する平面形状に形成されていることを特徴とする二次電池。 - 請求項1乃至10のいずれか1項に記載の二次電池を複数並列し、隣接する二次電池における前記正極外部端子と負極外部端子の相互をバスバーで電気的に接続した二次電池モジュールであって、
前記バスバーは、前記正極外部端子または負極外部端子の一方と同一材質の主材部と、前記正極外部端子または負極外部端子の他方と同一材料の従材部とを一体化したクラッド材によって形成され、前記正極外部端子には、前記バスバーにおける前記正極外部端子と同一材質の主材部または従材部が溶接され、前記負極外部端子には、前記バスバーにおける前記負極外部端子と同一材質の主材部または従材部が溶接されていることを特徴とする二次電池モジュール。 - 請求項11に記載の二次電池モジュールにおいて、
前記バスバーの溶接部分に薄肉部が設けられていることを特徴とする二次電池モジュール。 - 請求項11に記載の二次電池モジュールにおいて、
前記バスバーの溶接部分に貫通孔が設けられていることを特徴とする二次電池モジュール。
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