WO2012090744A1

WO2012090744A1 - 蓄電素子

Info

Publication number: WO2012090744A1
Application number: PCT/JP2011/079289
Authority: WO
Inventors: 元河本; 伸介 ▲吉▼竹; 雅和 ▲堤▼; 中村　純
Original assignee: 株式会社Ｇｓユアサ
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2012-07-05
Also published as: EP2660898A4; US20130260221A1; KR20140027052A; EP2660898B1; CN103262300B; EP2660898A1; JPWO2012090744A1; JP5894934B2; KR101888214B1; CN103262300A; US9034514B2

Abstract

　蓄電素子に備えられる集電体を的確に保護するため、蓄電素子は、蓄電素子筐体ＢＣの内方側に配置された蓄電要素３と、蓄電素子筐体の外方側に配置された電極端子５と、蓄電素子筐体のうちの電極端子５の配置面に沿って延出形成された第１姿勢部分ＦＰと、その第１姿勢部分の端部から電極端子の存在側と反対側に延出形成された第２姿勢部分ＳＰとを備え、第１姿勢部分ＦＰで蓄電素子筐体に形成された開口を貫通する固定部材８により固定され、第２姿勢部分ＳＰで蓄電要素３を支持することにより、電極端子５と蓄電要素３を電気的に接続する集電体４と、第１姿勢部分ＦＰのうちの蓄電要素３の存在側であって、固定部材８よりも第２姿勢部分側に長く延出するように配置され、第１姿勢部分ＦＰと固定部材８との間に挟み込まれて固定される補強用部材１３とを備える。

Description

蓄電素子

　本発明は、蓄電要素と、電極端子と、前記蓄電要素と前記電極端子とを接続する集電体とを備えた蓄電素子に関する。

　このような蓄電素子の一例である電池は、蓄電素子筐体（以下、「電池筐体」と記す場合もある。）の内方側に配置された蓄電要素となる発電要素と前記蓄電素子筐体の外方側に配置された電極端子とが、集電体を介して電気的に接続されている。

　例えば、特許文献１に開示されているように、集電体は、板状部材を屈曲形成して、電池筐体上面の電極端子の配置面に沿って延びる第１姿勢部分と、その第１姿勢部分の端部から下方に延びる第２姿勢部分とを備えた形状を備えている。

　このような集電体の形状を採用する場合には、集電体の第１姿勢部分が電池筐体上面にリベットのような固定部材を介して固定され、集電体の第２姿勢部分に発電要素が溶接等により接続され、当該第２姿勢部分で発電要素が支持されている。

　発電要素は全体として大面積の極板を有するため、ある程度の重量物となり、第１姿勢部分と第２姿勢部分とに屈曲形成された板状の集電体により重量物の発電要素が支持されていた。

　このような支持構造を採用する場合、電池筐体に収容された発電要素が外力を受けて若干振動しても、通常は金属板にて構成される場合が多い集電体の弾性変形によって振動が吸収されることになり、例えばリベットによる集電体の固定箇所に発電要素の荷重が掛かる構成であっても、発電要素の振動からある程度保護されるものとなっている。従って、発電要素の振動に対する更なる対策については、これまで特に必要とは考えられていなかった。

特開２００３－３４６７７０号公報

　しかしながら、上述したような従来の発電要素の支持構造では、電池の使用態様によっては、集電体を損傷してしまう場合もあり得ることが判明してきた。同様の問題は電池に限らず、電気二重層キャパシタ等、蓄電要素と電極端子と前記蓄電要素と前記電極端子とを接続する集電体とを備えた蓄電素子全般に内在する問題であった。

　本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、蓄電素子の集電体を的確に保護する点にある。

　この目的を達成するため、本発明による蓄電素子の第１の特徴構成は、蓄電素子筐体の内方側に配置された蓄電要素と、前記蓄電素子筐体の外方側に配置された電極端子と、前記蓄電素子筐体のうちの前記電極端子の配置面に沿って延出形成された第１姿勢部分と、その第１姿勢部分の端部から前記電極端子の存在側と反対側に延出形成された第２姿勢部分とを備え、前記第１姿勢部分で前記蓄電素子筐体に形成された開口を貫通する固定部材により固定され、前記第２姿勢部分で前記蓄電要素を支持することにより、前記電極端子と前記蓄電要素を電気的に接続する集電体と、前記第１姿勢部分のうちの前記蓄電要素の存在側であって、前記固定部材よりも前記第２姿勢部分側に長く延出するように配置され、前記第１姿勢部分と前記固定部材との間に挟み込まれて固定される補強用部材と、を備えている点にある。

　本発明の発明者は、第１姿勢部分が固定部材によって蓄電素子筐体に固定され、第２姿勢部分で蓄電要素を支持するように集電体を構成する場合、蓄電素子に対して定常的に強い振動あるいは衝撃が加わるような過酷な使用条件下においては、蓄電素子筐体に対する集電体の固定箇所で小さな亀裂が発生する場合があることを見出した。

　特に集電体の固定箇所、例えばリベット留め箇所で蓄電要素の荷重を受ける支持構造を採用する場合には、集電体が支える蓄電要素の振動等に起因するモーメントによって、集電体のうち固定部材の貫通孔の周部（より厳密には、第２姿勢部分の存在側の周部）に発生する応力が、このような亀裂の発生の原因となることが判った。

　そこで、そのような応力を緩和するために、集電体の第１姿勢部分に、固定部材よりも第２姿勢部分側に長く延出するように補強用部材を配置することで、集電体が支える蓄電要素の振動等によって発生する応力を分散させる構造を採用した。この結果、集電体における固定部材の貫通孔の周部に発生する応力が小さくなり、上記亀裂の発生を防止できるようになった。

　もちろん、蓄電要素の荷重を集電体の固定部以外の位置で受ける構成であっても、上記のように補強用部材を配置することで、集電体の固定部で発生する応力を緩和できることになる。

　本発明による蓄電素子の第２の特徴構成は、上述した第１の特徴構成に加えて、前記集電体の前記第１姿勢部分と前記補強用部材とが同種の金属材料で構成され、互いに接する状態で配置されている点にあり、このような構成により、補強用部材と集電体とによる異種金属の接触腐食を防止できる。

　本発明による蓄電素子の第３の特徴構成は、上記第１又は第２の特徴構成に加えて、前記集電体及び前記補強用部材は、板状部材にて形成されている点にある。

　集電体を板状部材で形成すれば、電池筐体内の電気配線をコンパクトに引き回すことができ、その集電体を固定部において補強する補強部材についても板状部材で形成すれば、コンパクトに補強を行える。

　本発明による蓄電素子の第４の特徴構成は、上記第３の特徴構成に加えて、前記補強用部材は、前記固定部材による固定箇所から、前記第１姿勢部分と前記第２姿勢部分との接続箇所に向かう方向を長手方向とする長方形形状に形成されている点にある。

　従って、補強用部材は、発電要素の振動等による力が集電体に対して作用したときに、曲がりやすい形状となっており、又、リベット留め箇所からより離れた位置にまで応力を分散させることになり、より有効に応力を分散させることができる。

　上述した第１の特徴構成によれば、集電体における固定部材による固定箇所の周部に発生する応力が小さくなり、亀裂の発生を防止して、集電体を的確に保護できるようになる。

　上述した第２の特徴構成によれば、補強用部材と集電体とによる異種金属の接触腐食を防止でき、電池の信頼性を向上できる。

　上述した第３の特徴構成によれば、板状部材で形成される集電体の固定箇所を板状部材で形成される補強用部材で補強することで、設置スペースを可及的に抑制しながら集電体の固定箇所を補強することができる。

　上述した第４の特徴構成によれば、補強用部材の形状を適切に設定して、より有効に応力を分散させることができる。

図１は、本発明の実施の形態にかかる電池の外観斜視図である。図２は、本発明の実施の形態にかかる電池の内部を示す斜視図である。図３は、本発明の実施の形態にかかる要部断面図である。図４は、本発明の実施の形態にかかる構成部品の分解図である。図５は、本発明の別実施形態にかかる電池の内部を示す斜視図である。図６は、本発明の別実施形態にかかる電池の内部を示す斜視図である。

　以下、本発明による蓄電素子の一例である電池の実施の形態を図面に基づいて説明する。
　本実施の形態では、電池として二次電池の１例である非水電解液二次電池（より具体的にはリチウムイオン電池）を例示して説明する。

〔非水電解液二次電池ＲＢの構成〕
　図１には、非水電解液二次電池の斜視図が示されている。本実施の形態の非水電解液二次電池ＲＢは、有底筒状、具体的には有底矩形筒状の缶体１と、蓋部２とからなる蓄電素子筐体としての電池筐体ＢＣ（以下において、単に「筐体ＢＣ」と称する）を有している。筐体ＢＣは、缶体１の開放面に蓋部２を被せて溶接されている。

　蓋部２は、短冊状の長方形の板材にて形成され、それの筐体ＢＣ外方側となる面に正極の電極端子である端子ボルト５と負極の電極端子である端子ボルト７とが取り付けられている。

　缶体１は蓋部２の形状に合わせて扁平形状の直方体であり、従って、筐体ＢＣ全体としても扁平な略直方体形状を有している。

　図２には、非水電解液二次電池の缶体１を除いた状態で、下方側から見上げた斜視図が示されている。筐体ＢＣの内方側には、蓄電要素としての発電要素３と、集電体４，６（図２中、２点鎖線で示されている）とが電解液に浸される状態で収納配置されている。

　図４には、図２と同一方向視で、蓋部２周りの部品を分解斜視図が示されている。集電体４，６は、発電要素３と端子ボルト５，７とを、電気的に接続するための部材である。

　集電体４と集電体６は、材質が異なるが、何れも導電体であり、略同一形状のものが対称に配置される関係となっている。正極側の集電体４はアルミニウムにて形成され、負極側の集電体６は銅にて形成されている。

　集電体４，６は、上記の金属材料の板状部材を所定の形状に屈曲形成して構成されている。詳述すると、集電体４，６は、端子ボルト５，７の配置面である蓋部２の表面に沿って延びる形状の部分（「第１姿勢部分ＦＰ」と称する）と、その第１姿勢部分ＦＰの端部から、蓋部２の長手方向端部付近で下方側（端子ボルト５，７の存在側と反対側）へ９０度屈曲して、蓋部２の筐体ＢＣ内方側の面の法線方向に延びる部分（「第２姿勢部分ＳＰ」と称する）とが連なる略Ｌ字状の屈曲形状を有している。

　この第２姿勢部分ＳＰにおいて、左右側部を更に発電要素３側に屈曲させて、発電要素３と接続するための接続部４ａ，６ａが形成されている。更に、集電体４の上端には、固定部材となるリベット８を挿通するための開口４ｂ，６ｂが形成されている。

　上記接続部４ａ，６ａは、集電体４，６夫々の第２姿勢部分において、平板の状態で上下一対に貫通孔４ｃ，４ｄ及び貫通孔６ｃ，６ｄを形成すると共に、貫通孔４ｃ，４ｄ間、及び、貫通孔６ｃ，６ｄ間に切り込みを形成し、プレス加工等によって、上記切り込み部分を押し出すことで形成している。

　集電体４，６は、筐体ＢＣが扁平形状を有しているのと対応して、上記第１姿勢部分ＦＰは、蓋部２の長手方向を長手方向とする幅狭の長方形形状としてあり、全体として、筐体ＢＣの短辺側の側面に沿う姿勢で屈曲形成されている。

　発電要素３は、長尺箔状に形成された正極板と、長尺箔状に形成された負極板とからなる一対の電極板の夫々に活物質を塗布し、同じく長尺のセパレータを挟んで積層状態で捲回した、いわゆる捲回型の発電要素として構成されている。

　図２に概略的に示すように、発電要素３は、上記のように捲回した状態で、箔状正極板の活物質の未塗工部３ａが側方（箔状正極板の長手方向と直交する方向）に延出し、箔状負極板の活物質の未塗工部３ｂがそれと反対側の側方（箔状負極板の長手方向と直交する方向）に延出している。

　本実施の形態の発電要素３は、箔状正極板等を捲回した後、捲回軸に直交する方向で押しつぶして扁平形状に形成し、扁平形状の筐体ＢＣに適合させている。

　発電要素３は、箔状正極板等の捲回軸心が蓋部２の長手方向と平行となる姿勢で缶体１内に収容され、箔状正極板の未塗工部３ａの位置に集電体４の接続部４ａが入り込み、箔状負極板の未塗工部３ｂの位置に集電体６の接続部６ａが入り込む位置関係としている。

　箔状正極板の未塗工部３ａは束ねられた状態で集電体４の接続部４ａに溶接され、箔状負極板の未塗工部３ｂは束ねられた状態で集電体６の接続部６ａに溶接され、集電体４，６の第２姿勢部分ＳＰで発電要素３を支持している。

　上述のように金属製（具体的には、アルミニウム製）の蓋部２に取り付けられている正極側の端子ボルト５は正極側の集電体４に電気的に接続され、負極側の端子ボルト７は負極側の集電体６に電気的に接続されている。

　端子ボルト５の蓋部２への取り付け構造及び端子ボルト５と集電体４との接続構造と、端子ボルト７の蓋部２への取り付け構造及び端子ボルト７と集電体６との接続構造とは、略同一構成のものが対称に配置されたものであり、以下において、正極側の構成を主体に説明する。

　図３の断面図に示すように、端子ボルト５は、リベット８とバスバー９とを介して集電体４と電気的に接続されている。リベット８は金属材料、より具体的には、正極側においては正極側の他の金属部材と同様にアルミニウムにて構成されている。バスバー９も金属材料にて構成され、銅にニッケルメッキを施したものを使用しているが、リベット８と同様にアルミニウムにて形成しても良い。

　図４に示すように、リベット８の頭部側は、バスバー９を挟み込む状態でバスバー９と固定されており、バスバー９には、リベット８の固定位置と隣接する位置に、端子ボルト５のネジ部５ａを挿通させる孔９ａが形成されている。

　蓋部２には、上面側が開放すると共に端子ボルト５の頭部５ｂの矩形形状に適合した皿状の凹部が形成された保持枠１０が取付固定されており、その凹部に端子ボルト５の頭部５ｂが嵌合することで、端子ボルト５が回り止めされている。

　保持枠１０は、電気的な絶縁材料である樹脂にて形成されており、端子ボルト５と蓋部２との間の電気的な絶縁を確保している。

　集電体４から端子ボルト５へ至る電流経路は、いずれも電気的な絶縁材料（より具体的には、樹脂）にて形成されると共にシール用部材である上部ガスケット１１及び樹脂プレート１２によって蓋部２との電気的絶縁が確保され、更に、蓋部２におけるリベット８の貫通箇所において気密封止されている。

　上部ガスケット１１は、上部が開放した皿状の直方体容器の底部に、蓋部２の開口２ａに嵌入する筒部１１ａが取り付けられた構造を有しており、上記皿状の直方体容器でリベット８の頭部付近を保持すると共に、筒部１１ａの内部空間にリベット８が嵌入する。

　端子ボルト５等が蓋部２に取り付けられた状態では、上部ガスケット１１の底部が、リベット８の頭部と蓋部２との間に挟み込まれる。

　樹脂プレート１２は、集電体４等を蓋部２に取り付けた状態では、集電体４の上記第１姿勢部分ＦＰと蓋部２との間に挟み込まれる。

　樹脂プレート１２は、蓋部２に沿って延びる集電体４の上端（第１姿勢部分ＦＰ）と法線方向視で略同一形状をなす薄板状の基部１２ａと、基部１２ａの端縁から基部１２ａと直角をなして起立する背の低い縦壁部１２ｂとを有している。

　樹脂プレート１２の基部１２ａには、上部ガスケット１１の筒部１１ａ及びリベット８が挿通する開口１２ｃが形成されている。

　集電体４の第１姿勢部分ＦＰの下面側（すなわち、発電要素３の存在側）には、リベット８が挿通する開口１３ａが形成された補強用部材１３が、第１姿勢部分ＦＰの発電要素３側の面に直接的に接する状態で配置されている。

　補強用部材１３は、集電体４と同種の金属材料の板状部材にて構成され、より具体的には同一材料であるアルミニウムの板材にて構成されている。補強用部材１３の形状は、集電体４の第１姿勢部分ＦＰと同幅で且つ第１姿勢部分ＦＰと第２姿勢部分ＳＰとの接続箇所（集電体４，６の屈曲部分）に向かう方向を長手方向とする長方形形状に形成されている。

　リベット８は、上部ガスケット１１の筒部１１ａ，蓋部２の開口２ａ，樹脂プレート１２の開口１２ｃ，集電体４の開口４ｂ及び補強用部材１３の開口１３ａを貫通した状態で加締められ、上部ガスケット１１，蓋部２，樹脂プレート１２，集電体４の第１姿勢部分ＦＰ及び補強用部材１３を挟み込む形で、集電体４の第１姿勢部分ＦＰを蓋部２に固定している。

　図２及び図４に示すように、負極側の構成は、正極側の構成を、蓋部２の中心に対して対称に配置したものであり、筐体ＢＣ外方側では、蓋部２に取付固定した保持枠１４に端子ボルト７の頭部７ｂを保持させると共に、リベット１５に固定したバスバー１６にてリベット１５と端子ボルト７を電気的に接続する。

　リベット１５は、頭部を上部ガスケット１７に保持された状態で、上部ガスケット１７，蓋部２，樹脂プレート１８，集電体６及び補強用部材１９を挟み込んで加締められている。

　端子ボルト７，バスバー１６，リベット１５は導体である金属材料にて構成され、リベット１５及びバスバー１６によって集電体６と端子ボルト７とを電気的に接続する。

　集電体６と補強用部材１９とは同種の金属材料にて構成されており、具体的には、何れも銅にて構成されている。

　上記の各部品の配置構成では、他の電池等の回路構成部品との配線接続のための接続部である端子ボルト５，７が、蓋部２の長手方向端部に夫々配置され、リベット８，１５が端子ボルト５，７よりも蓋部２の中央寄りに配置されている。

　一方、集電体４の第２姿勢部分ＳＰは、発電要素３の容積を可及的に大とするために、缶体１における短辺側の縦壁沿いに寄せられて配置され、第１姿勢部分ＦＰと第２姿勢部分ＳＰとが接続する屈曲部も蓋部２の長手方向端部に位置する。

　この結果、集電体４，６の第１姿勢部分ＦＰにおいて、上記屈曲部からリベット８，１５の固定位置までの距離が長くなり、リベット８，１５の固定位置に作用するモーメントが大となり、リベット８，１５の固定位置に大きな力が作用することになる。

　このような状況において、補強用部材１３，１９を、集電体４，６の第１姿勢部分ＦＰの下面側に配置して、リベット８，１５にて挟み込むことで、上述の力がリベット８，１５の固定位置に集中してしまうのを抑制することになり、リベット８，１５の固定位置における集電体４，６の損傷を防止することができる。

　特に、応力を効果的に分散するために、補強用部材１３，１９は、第１姿勢部分ＦＰのうち発電要素３の存在側であって、リベット８よりも第２姿勢部分ＳＰ側に長く延出するように配置され、第１姿勢部分ＳＰとリベットとの間に挟み込まれて固定されることが好ましい。

〔別実施形態〕
　以下、本発明の別実施形態を列記する。
（１）上述の実施の形態では、集電体４，６の第２姿勢部分ＳＰにおいて発電要素３を支持して、その発電要素３の荷重をリベット８，１５の固定箇所で受ける構成とした場合を例示しているが、発電要素３の荷重をリベット８，１５の固定箇所で受ける構成としない場合にも本発明を適用できる。

　例えば、上記実施形態の図２と対応する図５に示すように、発電要素３の荷重を筐体ＢＣの缶底で受ける場合においても、上記実施の形態と同様に補強用部材１３，１９を備えても良い。

　図５において、同図中において符号「ＥＸ」で示す集電体４，６の第２姿勢部分ＳＰの下端を筐体ＢＣの缶底側に延長した形状とし、集電体４，６等を組み付けた状態の蓋部２を缶体１に被せたときに、適切な電気的絶縁物を挟んだ状態で、集電体４，６の第２姿勢部分ＳＰにおける符号「ＥＸ」で示す下端位置が缶底側に接当するように構成している。このような構成は、発電要素３の重量が大となる大型の電池において特に有効となる。

（２）上述の実施の形態では、補強用部材１３，１９を金属材料にて構成する場合を例示しているが、セラミックスや樹脂等の各種の材料にて構成しても良い。

（３）上述の実施の形態では、補強用部材１３，１９を、集電体４，６と同一の金属材料にて構成する場合を例示しているが、例えば、正極側の補強用部材１３であればアルミニウム合金とし、負極側の補強用部材１９であれば銅合金とする等、同種の金属材料であれば良く、その場合でも、異種金属の接触腐食を抑制できる。

（４）上述の実施の形態では、集電体４，６における発電要素３との接続部４ａ，６ａとして、平板の状態で上下一対に貫通孔４ｃ，４ｄ及び貫通孔６ｃ，６ｄを形成すると共に、貫通孔４ｃ，４ｄ間、及び、貫通孔６ｃ，６ｄ間に切り込みを形成し、プレス加工等によって、上記切り込み部分を押し出すことで形成する場合を例示しているが、集電体４，６における接続部４ａ，６ａの具体形状は、適宜に変更可能である。

　例えば、上述の実施の形態における図２と対応する図６に示すように、接続部４ａ，６ａとして、平板状態で先端側を二股状に形成しておき、その二股形状部分を曲げ加工によって発電要素３の存在側に屈曲形成した構成としても良い。

（５）上述の実施の形態では、補強用部材１３が第１姿勢部分ＦＰの下面側に当接するように、第１姿勢部分ＦＰに沿うように配置した例を説明したが、集電体の第１姿勢部分と補強用部材を予め溶接等によって一体化していてもよい。

（６）上述の実施の形態では、集電体の第１姿勢部分で電池筐体に形成された開口を貫通する固定部材としてリベットを用いた例を説明したが、固定部材はリベットに限るものではなく他の固定部材を用いることもできる。例えば、ボルトとナットを用いて固定するものであってもよい。ボルトを用いて固定する場合には、例えば、蓋部２の開口２ａを含むボルトの貫通孔とボルトとの間に樹脂を流し込むことにより気密性を確保することができる。

（７）上述の実施の形態では、本発明による蓄電素子として二次電池を説明したが、本発明は、二次電池に限らず、一次電池、電気二重層キャパシタ等、蓄電要素と電極端子とそれらを接続する集電体とを備えた蓄電素子に適用できることは言うまでもない。

　ＢＣ　　　　蓄電素子筐体（電池筐体）
　ＦＰ　　　　第１姿勢部分
　ＳＰ　　　　第２姿勢部分
　３　　　　　蓄電要素（発電要素）
　４，６　　　集電体
　５，７　　　電極端子
　８，１５　　固定部材（リベット）
　１３，１９　補強用部材

Claims

　蓄電素子筐体の内方側に配置された蓄電要素と、
　前記蓄電素子筐体の外方側に配置された電極端子と、
　前記蓄電素子筐体のうちの前記電極端子の配置面に沿って延出形成された第１姿勢部分と、その第１姿勢部分の端部から前記電極端子の存在側と反対側に延出形成された第２姿勢部分とを備え、前記第１姿勢部分で前記蓄電素子筐体に形成された開口を貫通する固定部材により固定され、前記第２姿勢部分で前記蓄電要素を支持することにより、前記電極端子と前記蓄電要素を電気的に接続する集電体と、
　前記第１姿勢部分のうちの前記蓄電要素の存在側であって、前記固定部材よりも前記第２姿勢部分側に長く延出するように配置され、前記第１姿勢部分と前記固定部材との間に挟み込まれて固定される補強用部材と、
を備えている蓄電素子。
　前記集電体の前記第１姿勢部分と前記補強用部材とが同種の金属材料で構成され、互いに接する状態で配置されている請求項１記載の蓄電素子。
　前記集電体及び前記補強用部材は、板状部材にて形成されている請求項１又は２記載の蓄電素子。
　前記補強用部材は、前記固定部材による固定箇所から、前記第１姿勢部分と前記第２姿勢部分との接続箇所に向かう方向を長手方向とする長方形形状に形成されている請求項３記載の蓄電素子。