JPWO2013105141A1

JPWO2013105141A1 - 電池

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Publication number: JPWO2013105141A1
Application number: JP2013508308A
Authority: JP
Inventors: 瑞穂松本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2015-05-11
Anticipated expiration: 2032-01-13
Also published as: JP5621917B2

Abstract

【課題】中間端子を抵抗溶接する際に生じる分流現象を抑制することを目的とする。【解決手段】活物質が積層された電極シートとセパレータとを含むシート体を軸周りに捲き回した捲回体であって、前記電極シートの前記軸方向の端部に前記活物質が積層されていない露出部が形成された捲回体と、前記捲回体を収容するとともに、電力を外部に取り出すための電極端子を有する外装ケースと、前記捲回体の内側に配置される中間端子であって、前記露出部に抵抗溶接される一対の腕部と、前記一対の腕部を互いに繋ぐ第１の接続部と、前記第１の接続部に形成され、前記一対の腕部の各溶接点間に位置する第１の穴部と、を有する中間端子と、前記捲回体の外側に配置される集電端子であって、前記露出部における前記腕部と向き合う位置に抵抗溶接され、前記捲回体と前記電極端子を導通する集電端子と、を備えることを特徴とする電池。【選択図】図５

Description

本発明は、活物質が積層された電極シートとセパレータとを含むシート体を軸周りに捲き回した捲回体を有する電池に関する。

ニッケル―水素二次電池やリチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池は、外装ケースと、この外装ケースに収容される発電要素とを含む（例えば、特許文献１参照）。発電要素として、正電シート及び負極シートをセパレータを介して積層したシート体を軸周りに捲き回した捲回体が知られている。この種の捲回体は、径方向から扁平形状に押圧された状態で外装ケースの内部に電気液とともに収容される。捲回体の軸方向の端部には活物質が塗布されていない露出部が形成されており、この露出部は、捲回体の径方向にシート状に押し潰された状態で集電端子に溶接される。

近年、電池出力の向上が求められており、特に車両走行用モータに供給される電力を蓄電する二次電池には、高い電池出力が求められるようになっている。電池出力を高める方法として、捲回体の捲き数を増加する方法が考えられる。しかしながら、この方法では、捲回体の厚みが大きくなるため、露出部をシート状に押し潰すことが困難となる。

そこで、捲回体の内側に中間端子を配置し、捲回体の外側に集電端子を配置する方法が考えられる。ここで、中間端子は、露出部の内面に抵抗溶接される一対の腕部と、これらの腕部を繋ぐ接続部とを有する。集電端子は、腕部と向き合う露出部の外面に抵抗溶接される。抵抗溶接は、露出部を介して対向する腕部及び集電端子にそれぞれ電極棒を押し当てるとともに、電極棒に対して電流を流すことにより行われる。

特開２０１１−９２９９５号公報

しかしながら、上述の方法では、一方の腕部を抵抗溶接する際に他方の腕部に電流が流出する、いわゆる分流現象が起こるため、溶接不良を招くおそれがある。

そこで、本発明は、中間端子を抵抗溶接する際に生じる分流現象を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る電池は、（１）活物質が積層された電極シートとセパレータとを含むシート体を軸周りに捲き回した捲回体であって、前記電極シートの前記軸方向の端部に前記活物質が積層されていない露出部が形成された捲回体と、前記捲回体を収容するとともに、電力を外部に取り出すための電極端子を有する外装ケースと、前記捲回体の内側に配置される中間端子であって、前記露出部に抵抗溶接される一対の腕部と、前記一対の腕部を互いに繋ぐ第１の接続部と、前記第１の接続部に形成され、前記一対の腕部の各溶接点間に位置する第１の穴部と、を有する中間端子と、前記捲回体の外側に配置される集電端子であって、前記露出部における前記腕部と向き合う位置に抵抗溶接され、前記捲回体と前記電極端子を導通する集電端子と、を備えることを特徴とする。

（２）上記（１）の構成において、前記第１の接続部は、前記捲回体の前記軸方向における中心側に向かって凸となる凸形状であってもよい。（２）の構成によれば、中間端子が挿入しやすくなる。

（３）上記（２）の構成において、前記第１の接続部と前記腕部とは曲げ部を介して繋がっており、前記第１の接続部は、前記第１の穴部と、前記曲げ部との間にテーパ面を有する。（３）の構成によれば、中間端子の挿入時に、第１の穴部の縁に露出部が引っ掛かることが抑制される。これにより、露出部に加わる負荷が軽減される。

（４）上記（１）〜（３）の構成において、前記中間端子は、前記軸方向に対して直交する第１の方向であって、かつ、前記一対の腕部が向き合う第２の方向に対して直交する前記第１の方向に並んで二つ形成されており、前記第１の方向に並ぶ一方の前記中間端子と他方の前記中間端子とは、これらの中間端子が向き合う領域の一部に形成された第２の接続部によって電気的に接続することができる。（４）の構成によれば、第２の接続部が一部に形成されることにより電流経路が狭まるため、前記第１の方向に並ぶ溶接点間における分流現象をも抑制することができる。

（５）上記（４）の構成において、前記第２の接続部は、前記一方の前記中間端子における溶接点と、前記他方の前記中間端子における溶接点とを結ぶ線上を避けた位置に形成することができる。（５）の構成によれば、上記（４）の効果を高めることができる。

本発明によれば、中間端子を抵抗溶接する際に生じる分流現象を抑制することができる。

電池の断面図である。捲回体を展開したシート体の一部における斜視図である。ケース本体に組み込まれる前の電池を図示した斜視図である。中間端子の展開図である。中間端子の斜視図である。図３に図示する電池をＸ１−Ｘ２を切断部としてＹ軸方向に切断した断面図である。第２実施形態の中間端子の展開図である。第３実施形態の中間端子の展開図である。第４実施形態の中間端子の展開図である。第５実施形態の中間端子の展開図である。第６実施形態の中間端子の平面図である。第７実施形態の中間端子の平面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、電池をＹ−Ｚ面で切断した断面図である。Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は互いに直交する三軸である。電池１は、ニッケル―水素二次電池やリチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池であってもよい。電池１は、車両走行用モータに供給される電力を蓄電するバッテリであってもよい。車両走行用モータは、電気自動車、ハイブリッド自動車などに搭載することができる。この場合、複数の電池１を接続した組電池を車両に搭載することができる。

電池１は、外装ケース２と、捲回体４と、中間端子６と、正極端子３１と、負極端子３２と、正極集電端子５１と、負極集電端子５２とを含む。外装ケース２は、ケース本体２１と、蓋体２２とを備える。ケース本体２１は、Ｘ軸方向において向き合う一対の側面と、Ｙ軸方向において向き合う一対の側面と、底面とを有する有底筒形状に形成されている。蓋体２２は、ケース本体２１の開口部を閉塞する位置に配置され、ケース本体２１の内面に溶接されている。外装ケース２は、アルミニウム、樹脂であってもよい。

捲回体４は、外装ケース２の内部に電気液とともに収容されている。捲回体４は、発電要素としてのシート体を軸周りに捲き回すことにより形成されている。捲回体４の軸は、Ｙ軸方向に延びている。なお、軸とは、仮想軸のことであり、軸部材という意味に解釈してはならない。図２は、捲回体４を展開したシート体４´の一部における斜視図である。シート体４´は、正極シート４１（電極シート）と、負極シート４３（電極シート）と、正極シート４１及び負極シート４３の間に介在するセパレータ４２とを含む。電解液は、セパレータ４２の中に含浸させてもよい。

正極シート４１は、金属箔に正極活物質が塗布された発電領域部４１１と、正極活物質が塗布されていない金属箔からなる正極側露出部４１２とを含む。金属箔は、アルミニウムであってもよい。正極活物質は、リチウム−遷移金属複合酸化物であってもよい。また、正極活物質は、導電剤を含んでもよい。導電剤は、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維、カーボンナノチューブであってもよい。

負極シート４３は、金属箔に負極活物質が塗布された発電領域部４３１と、負極活物質が塗布されていない金属箔からなる負極側露出部４３２とを含む。金属箔は、銅であってもよい。負極活物質は、カーボンであってもよい。負極活物質は、導電剤を含んでもよい。導電剤は、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維、カーボンナノチューブであってもよい。

再び図１を参照して、正極側露出部４１２は、捲回体４の軸方向における一端部に形成されており、負極側露出部４３２は、捲回体４の軸方向における他端部に形成されている。これらの正極側露出部４１２及び負極側露出部４３２には、捲回体４の内側に配置される中間端子６が抵抗溶接されている。正極側露出部４１２には、捲回体４の外側に配置される正極集電端子５１が抵抗溶接されている。負極側露出部４３２には、捲回体４の外側に配置される負極集電端子５２が抵抗溶接されている。抵抗溶接の詳細な説明は、後述する。

正極端子３１は、端子ボルト３３、ナット９Ａ、接続端子３５、支持部材３６、ガスケット３７、リベット部５３を備える。リベット部５３は、接続端子３５、支持部材３６及びガスケット３７を貫通してＺ軸方向に延びるとともに、接続端子３５の上面にリベット止めされている。

接続端子３５は、端子ボルト３３に挿通されている。端子ボルト３３は、凸状に形成されており、外周面にはネジ溝が形成されている。端子ボルト３３は、支持部材３６に載置されている。端子ボルト３３には、接続端子３５の上からバスバー３４が挿通されており、このバスバー３４の上から端子ボルト３３に対してナット９Ａが締結されることにより、接続端子３５及びバスバー３４は固定される。なお、支持部材３６は、樹脂であってもよい。負極端子３２は、正極端子３１と同じ構成であるため説明を省略する。

次に、図３を参照しながら、正極集電端子５１及び中間端子６と、捲回体４との接続構造について詳細に説明する。図３は、ケース本体に組み込まれる前の電池を図示した斜視図である。正極集電端子５１は、一対の集電端子部５４と、天面部５５とを含む。一対の集電端子部５４は、互いにＸ軸方向において向き合っている。天面部５５は、一対の集電端子部５４のＺ軸方向の端部を繋いでおり、リベット部５３に対して電気的及び機械的に接続されている。

一対の集電端子部５４はそれぞれ、捲回体接触部５４１を備える。捲回体接触部５４１は、集電端子部５４の下端部を捲回体４の径方向内側に向かって折り曲げることに形成されている。捲回体接触部５４１は、軸側に押圧された捲回体４の正極側露出部４１２に対して抵抗溶接される。これにより、集電端子部５４及び捲回体４は電気的に導通する。負極集電端子５２及び中間端子６と、捲回体４との接続構造については、上述の正極側の構造と同様であるため説明を省略する。なお、正極集電端子５１は、正極シート４１と同じ材料で構成することができる。負極集電端子５２は、負極シート４３と同じ材料で構成することができる。

図４及び図５を参照しながら、中間端子６について詳細に説明する。図４は、中間端子の展開図であり、図５は、中間端子の斜視図である。図４を参照して、金属板６０は、第２の穴部６３及び一対の第１の穴部６４を有する。第２の穴部６３は、金属板６０の長手方向（Ｚ軸方向）中央に形成されている。第２の穴部６３は、Ｘ軸方向に延びており、一端側が開口しており、他端側が第２ブリッジ（第２の接続部に相当する）６３１により閉じられている。つまり、第２の穴部６３は、Ｙ軸方向視において、略長方形に形成されている。

一対の第１の穴部６４は、第２の穴部６３を挟む位置に形成されている。第１の穴部６４は、Ｙ軸方向視において、略正方形に形成されている。第１の穴部６４は、Ｚ軸方向の両端部が第１ブリッジ６４１により閉じられている。Ｆ１、Ｆ２及びＦ３は、折り曲げ部であり、これらの折り曲げ部Ｆ１、Ｆ２及びＦ３に沿って金属板６０を折り曲げることにより中間端子６が形成される。ここで、金属板６０のうち折り曲げ部Ｆ２及びＦ３に挟まれた領域によって、図３及び図５に図示する接続部（第１の接続部に相当する）６２が形成される。また、接続部６２においてハッチングで示された領域によって、図５に図示するガイド部６５が形成される。さらに、金属板６０のうち接続部６２を除いた領域は、図３及び図５に図示する腕部６１を形成する。なお、図５において、溶接点Ｐ１及びＰ２が並ぶ方向（つまり、Ｚ軸方向）が第１の方向に相当し、一対の腕部６１が向き合う方向（つまり、Ｘ軸方向）が第２の方向に相当する。

図４において、一対の溶接点Ｐ１は、第１の穴部６４を挟む位置に設定され、一対の溶接点Ｐ２は、第１の穴部６４を挟む位置に設定される。また、溶接点Ｐ１及びＰ２は、第２の穴部６３を挟む位置に設定される。

ここで、金属板６０は、母材となる一枚の板材に対して順次プレス成型を施すことにより連続的に得ることができる。この場合、隣接する金属板６０を互いに繋ぐ接続部が残るように、プレス成型を施すことにより、複数の金属板６０を有する一枚の板材を得ることができる。これにより、複数の金属板６０は、一枚の板材として、次の工程（曲げ工程）に容易に搬送できる。搬送後、板材の接続部が切断されて除去されることにより、個々の金属板６０が得られる。

再び図３を参照して、一対の腕部６１は、正極側露出部４１２の内面に抵抗溶接される。ここで、正極側露出部４１２の内面とは、捲回体４の径方向内側の面のことである。一対の腕部６１は、互いにＸ軸方向において向き合っており、Ｙ軸方向、つまり、捲回体４の軸方向に沿って延びている。各腕部６１は、溶接点Ｐ１及びＰ２において抵抗溶接される。

図６を参照しながら、抵抗溶接の方法について説明する。図６は、図３に図示する電池をＸ１−Ｘ２を切断部としてＹ軸方向に切断した断面図である。ただし、説明に必要な要素以外は、省略している。図６を参照して、最初に、中間端子６を捲回体４の内部に押し込む。なお、捲回体４の軸方向端部から突出する正極側露出部４１２は、予め捲回体４の径方向内側に寄せられているものとする。

中間端子６の押し込み方向の端部には、接続部６２が形成されており、この接続部６２は押し込み方向の端部に接近するに従って鋭くるなるテーパ形状に形成されている。したがって、中間端子６が捲回体４の内部に押し込まれると、正極側露出部４１２は、接続部６２のテーパ面に当接することにより拡開される。これにより、中間端子５の挿入性が向上するとともに、押し込み時に正極側露出部４１２に加わる負荷が軽減される。中間端子６がさらに押し込まれると、正極側露出部４１２は接続部６２のガイド部６５にガイドされながら更に拡開される。これにより、さらに前記効果を高めることができる。ガイド部６５が設けられることにより、第１の穴部６４の縁に正極側露出部４１２が引っ掛かることを抑制できる。これにより、正極側露出部４１２に加わる負荷が軽減される。

中間端子６は、図６に図示する固定位置まで押し込まれる。ここで、正極側露出部４１２の軸方向のサイズをＬ１、中間端子６の軸方向のサイズをＬ２としたときに、Ｌ１＞Ｌ２なる条件を満足させることが好ましい。これにより、中間端子６が活物質に接触することを防止できる。

次に、捲回体４の径方向外側から、集電端子部５４の捲回体接触部５４１における溶接ポイント（つまり、溶接点Ｐ１に対応する位置）に対して電極棒９１を押しつける。さらに、捲回体４の径方向内側から、腕部６１の溶接ポイント（つまり、溶接点Ｐ１に対応する位置）に対して電極棒９２を押しつける。そして、これらの電極棒９１及び９２を溶接ポイントに押しつけた状態で、電流を流す。これにより、捲回体接触部５４１、正極側露出部４１２及び腕部６１の一部がジュール熱により溶融し、中間端子６が捲回体４に対して電気的及び機械的に接続される。

ここで、図５に図示するように、一対の溶接点Ｐ１の間には、第１の穴部６４が形成されているため、電流経路を狭くすることができる。これにより、一方の溶接点Ｐ１に流した電流が、他方の溶接点Ｐ１に向かって分流する分流現象を抑制できる。その結果、溶接不良が抑制される。また、Ｚ軸方向に並ぶ溶接点Ｐ１及びＰ２の間には、第２の穴部６３が形成されているため、同様に電流経路を狭くすることができる。これにより、溶接点Ｐ１に流した電流が、溶接点Ｐ２に向かって分流する分流現象を抑制できる。その結果、溶接不良が抑制される。他の溶接点についても、同様の方法で順次抵抗溶接が行われる。

（第２実施形態）
図７を参照しながら、本実施形態の中間端子について説明する。図７は、本実施形態の中間端子の展開図である。実施形態１と同一の機能を有する要素には同一符号を付している。中間端子６Ａは、Ｚ軸方向の両端部に形成された第１ブリッジ６４１が省略されている点で、実施形態１の中間端子６と異なる。本実施形態によれば、溶接点Ｐ１間の電流経路がさらに狭小化するため、分流現象をより効果的に抑制することができる。ただし、中間端子６Ａを捲回体４に挿入する際に、第１の穴部６４のＺ軸方向における両端部に形成されたエッジ部６１Ａが正極側露出部４１２に引っ掛かり、負荷が加わるおそれがある。この点において、実施形態１よりも不利な構造となる。

（第３実施形態）
図８を参照しながら、本実施形態の中間端子について説明する。図８は、本実施形態の中間端子の展開図である。実施形態１と同一の機能を有する要素には同一符号を付している。一対の溶接点Ｐ１間には、第１の穴部６４が形成されているため、抵抗溶接の際に一方の溶接点Ｐ１から他方の溶接点Ｐ１に電流が流れる分流現象が抑制される。また、Ｚ軸方向に並ぶ溶接点Ｐ１及びＰ２の間に形成される電流経路は、第２ブリッジ６３１により経路が狭められているため、抵抗溶接の際に一方の溶接点Ｐ１（Ｐ２）から他方の溶接点Ｐ２（Ｐ１）に電流が流れる分流を抑制できる。ただし、中間端子６Ｂを捲回体４に挿入する際に、第１の穴部６４と第２の穴部６３との境界部分にあるエッジ部６１Ｂが正極側露出部４１２に引っ掛かり、負荷が加わるおそれがある。この点において、実施形態１よりも不利な構造となる。

（第４実施形態）
図９を参照しながら、本実施形態の中間端子について説明する。図９は、本実施形態の中間端子の展開図である。実施形態１と同一の機能を有する要素には同一符号を付している。中間端子６Ｃは、Ｘ軸方向の両側に第２ブリッジ６３１が設けられている点で、実施形態１の中間端子６と相違する。中間端子６Ｃには、中間端子６Ａに形成されたエッジ部６１Ａ及び中間端子６Ｂに形成されたエッジ部６１Ｂがないため、中間端子６Ｃを捲回体４に対する挿入する際の挿入性が高められる。ただし、第２ブリッジ６３１の数が増加するため、実施形態１の中間端子６よりも分流を抑制する効果が低くなる。

（第５実施形態）
図１０を参照しながら、本実施形態の中間端子について説明する。図１０は、本実施形態の中間端子の展開図である。実施形態１と同一の機能を有する要素には同一符号を付している。中間端子６Ｄは、第２の穴部６３がＸ軸方向に分割されており、これらの第２の穴部６３の間には第３ブリッジ６３２が形成されている。第３ブリッジ６３２が形成されることにより、実施形態１の構成よりも折り曲げ部Ｆ１の剛性が高くなるため、折り曲げ部Ｆ１に沿って金属板を折り曲げることが相対的に困難となる。

（第６実施形態）
図１１を参照しながら、本実施形態の中間端子について説明する。図１１は、本実施形態の中間端子の平面図である。実施形態１と同一の機能を有する要素には、同一符号を付している。中間端子６Ｅは、接続部６２が凸形状ではなく、捲回体４の軸方向に直交する方向に延びている点で、実施形態１の中間端子６と異なる。本実施形態の構成においても、接続部６２に第１の穴部を形成することにより、一方の溶接点Ｐ１から他方の溶接点Ｐ１に電流が分流する分流現象を抑制できる。

（第７実施形態）
図１２を参照しながら、本実施形態の中間端子について説明する。図１２は、本実施形態の中間端子の平面図である。実施形態１と同一の機能を有する要素には、同一符号を付している。中間端子６Ｆは、接続部６２が捲回体４の軸方向における中心に向かって突出しており、かつ、弧状に屈曲している。本実施形態の構成においても、接続部６２に第１の穴部を形成することにより、一方の溶接点Ｐ１から他方の溶接点Ｐ１に電流が分流する分流現象を抑制できる。

（変形例）
上述の実施形態では、溶接点が四つ設けられているが、二つ、或いは六つ以上であってもよい。溶接点が二つの場合には、第２の穴部６３を省略することができる。

１電池２外装ケース４捲回体６中間端子
４１正極シート４２セパレータ４３負極シート
６１腕部６２接続部６３第２の穴部
６４第１の穴部６５ガイド部
４１１,４３１発電領域部４１２正極側露出部
４３２負極側露出部６４１第１ブリッジ
６３１第２ブリッジ

（３）上記（２）の構成において、前記第１の接続部は、前記第１の穴部と前記各腕部との間において、前記凸形状に沿った面を有する。（３）の構成によれば、中間端子の挿入時に、第１の穴部の縁に露出部が引っ掛かることが抑制される。これにより、露出部に加わる負荷が軽減される。

Claims

活物質が積層された電極シートとセパレータとを含むシート体を軸周りに捲き回した捲回体であって、前記電極シートの前記軸方向の端部に前記活物質が積層されていない露出部が形成された捲回体と、
前記捲回体を収容するとともに、電力を外部に取り出すための電極端子を有する外装ケースと、
前記捲回体の内側に配置される中間端子であって、前記露出部に抵抗溶接される一対の腕部と、前記一対の腕部を互いに繋ぐ第１の接続部と、前記第１の接続部に形成され、前記一対の腕部の各溶接点間に位置する第１の穴部と、を有する中間端子と、
前記捲回体の外側に配置される集電端子であって、前記露出部における前記腕部と向き合う位置に抵抗溶接され、前記捲回体と前記電極端子を導通する集電端子と、
を備えることを特徴とする電池。
前記第１の接続部は、前記捲回体の前記軸方向における中心側に向かって凸となる凸形状であることを特徴とする請求項１に記載の電池。
前記第１の接続部と前記腕部とは曲げ部を介して繋がっており、
前記第１の接続部は、前記第１の穴部と、前記曲げ部との間にテーパ面を有することを特徴とする請求項２に記載の電池。
前記中間端子は、前記軸方向に対して直交する第１の方向であって、かつ、前記一対の腕部が向き合う第２の方向に対して直交する前記第１の方向に並んで二つ形成されており、
前記第１の方向に並ぶ一方の前記中間端子と他方の前記中間端子とは、これらの中間端子が向き合う領域の一部に形成された第２の接続部によって電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載の電池。
前記第２の接続部は、前記一方の前記中間端子における溶接点と、前記他方の前記中間端子における溶接点とを結ぶ線上を避けた位置に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の電池。
請求項１乃至５のうちいずれか一つに記載の電池を複数有する車両用電池と、
前記車両用電池から出力される電力によって車両の走行エネルギを発生させるモータと、を有する車両。