JP2005332823A - 二次電池とこれを利用した電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 単位電池を収容するモジュール枠内の空間活用度を高めて単位面積当りの出力と容量を高めることができる二次電池を提供する。
【解決手段】 二次電池１１は、正極と負極がセパレータを隔てて位置する電極群と、前記電極群が内蔵されるケース１３と、ケース１３の外側に露出されながらケース１３に連結設置されて前記電極群に電気的に連結される正極端子１６ａ，１７ａ及び負極端子１６ｂ，１７ｂとを含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、二次電池に関し、特に、高出力大容量電池に用いられ、他の二次電池と連結するための連結構造を改善した二次電池とこれを利用した電池モジュールに関する。

一般に、二次電池は、充電が不可能であった一次電池とは異なり、充電及び放電が可能な電池であって、最近、高エネルギー密度の非水電解液を利用した高出力二次電池が開発されている。一つの電池セルがパック形態で包装された低容量電池の場合には、携帯電話、ノートパソコン、及びカムコーダのような携帯可能な小型電子機器に使用されている。前記電池セルを数十個ずつ直列または並列に連結した大容量の二次電池は、大電力を必要とする機器、例えば、電気自動車などのモータ駆動用電源として使用されている。

このように一つの大容量二次電池（以下、明細書前半では便宜上“電池モジュール”という）は、通常直列に連結される複数の二次電池（以下、明細書前半では便宜上“単位電池”という）として構成され、前記それぞれの単位電池は電極群とケース及びキャップ組立体を含む。

つまり、前記単位電池は、多様な形状に製造されているが、代表的な形状としては、円筒形や角形が挙げられ、帯形状の正極と負極との間に絶縁体であるセパレータを介して、これを渦流状に巻いて電極群を形成したり、正極と負極及びセパレータを複数に積層して電極群を形成してから、これをケースに内設して、前記ケースに外部端子が形成されたキャップ組立体を設置して電池を構成する。

前記構成を有する角形の単位電池として、角形のケース上に端子が突設されたキャップが設けられた構造を呈するものがある（特許文献１）。

しかし、前記従来の二次電池において、電池の一つの側面にだけ端子が設置されて、単位電池間の連結が難しく、電池の活用度が落ちる問題がある。

つまり、前記電極群を構成する正極と負極には、電池作用時に発生する電流を集電するために導電性タブや集電板がそれぞれ取り付けられて、前記タブや集電板は、キャップ組立体に設置された正極端子及び負極端子とリードなどを介して連結されて、正極と負極で発生した電流を正極端子及び負極端子に誘導する。

しかし、前記の構造は、正極端子及び負極端子が二次電池のキャップ組立体側にだけ配置されることによって、単位電池を連結して電池モジュールを構成する場合、単位電池間の連結のために連結部材を別に備えなければならないので、連結し難く、単位電池を収容するモジュール枠内の空間活用度が落ちて、単位電池間の多様な連結方式を提供できない問題がある。

図５は、従来の技術による電池モジュールであり、それぞれの単位電池を左から右へ直列に連結して電池モジュール１００を構成した例を示している。例えば、直列接続のためには、各単位電池１１１のキャップ組立体１１３の上部に突出した正極端子１１４及び負極端子１１５の位置を単位電池一個ごとに反転させ、左端から右端に沿って、負端子―正負連結―正負連結―・・・―正負連結―正端子、と成るように連結する。即ち、隣接する単位電池１１１の正極端子１１４及び負極端子１１５と、異なる極同士が連結され、各単位電池１１１を交差配列して、ねじ加工された負極端子１１５と正極端子１１４との間にナット１１７、１１８を介して連結部材１１６を結合する構造となっている。

ところが前記従来の構造は、単位電池のケースの下部が底に向かうように配置した状態で、正極端子及び負極端子が全てケースの上部側にだけ配置されているため、単位電池を直列または並列に連結させるためには、各単位電池を側方向に配置しなければならず、そのために単一空間内に単位電池を多く積載できなくなる。

このような問題は、ＨＥＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）の場合さらに深刻であり、ＨＥＶ用二次電池の場合、何より大容量かつ高出力が要求されるので、単一空間内により多くの単位電池が設置されるべきであるが、前記従来の二次電池の構造は、単位電池間の空間配置が電池の側方向に行なわれるので、単位面積対比容量と出力低下の問題が生じる。

また、前記従来の構造は、数個から数十個までの単位電池を連結させて一つの電池モジュールを構成しており、連結部材をナットに連結させなければならないので、作業が困難で時間がかかり、連結部材の使用による原価が上昇する問題がある。
実開平６−８６２５９号公報

本発明は、前記の問題を解消するためのもので、本発明の目的は、単位電池の空間活用度を高めて、単位面積当りの出力と容量を高めることができる二次電池と、これを利用した電池モジュールを提供することである。

また、本発明の他の目的は、連結作業及び交換作業にかかる時間と手間を軽減できる二次電池と、これを利用した電池モジュールを提供することである。

前記の目的を達成するために、本発明の二次電池は、二次電池を構成するケースの両端に端子が設置されることをその要旨とする。

このために本発明の二次電池は、正極と負極がセパレータで隔てられて位置する電極群と、前記電極群が内蔵されるケースと、前記ケースの外側に露出されながら前記ケースに連結設置されて前記電極群に電気的に連結される複数の正極端子及び負極端子と、を含む二次電池を含む。

ここで、前記二次電池は、電極群がジェリーロール形態で巻かれ、前記ケースが角形からなることが好ましい。

ここで、電極群を構成する前記正極と負極は、集電体と、活物質が被覆された被覆部と、被覆されない無地部とで形成される。本発明の二次電池の場合、前記無地部は各極板の一側端に沿って連続的に形成され、前記正極と負極に対して互いに対向する方向に配置されて、電極群の両端になるようにすることが好ましい。

より好ましくは、キャップ組立体が上部を向かうようにケースを立てた時、負極の無地部と正極の無地部がケースの両側面に配置されるようにして、前記キャップ組立体に設置された正極端子、負極端子及び前記ケースの他側先端に設置された正極端子及び負極端子がタブ（または集電板）を介して、各々前記正極の無地部及び負極の無地部と電気的に連結されることである。

ここで、前記構造の場合、ケースの他側先端に正極端子及び負極端子が直接設置されるので、ケースと正極端子及び負極端子間に別途の絶縁部材が設置されて、両者の間を絶縁させることが好ましい。

また、前記二次電池を構成するケースは、シリンダーの形態を呈し、両側の先端部において開口部が設けられる。当該両側の開口部には、前記電極群と電気的に連結される正極端子及び負極端子が設置されたキャップ組立体が取り付けられ、前記ケースは前記キャップ組立体が取り付けられることによって密閉される。

前記開口部にキャップ組立体を取り付けるにあたって、同一の極性の端子が同軸上に並ぶように例えば両側の先端部においてケースに対して右側（または左側）に正極端子が位置するようにキャップ組立体を前記開口部に取り付けてもよく、あるいは異なる極性の端子が同軸上に並ぶように例えば一方の先端部においてはケースに対して右側（または左側）に正極端子が位置するように、他方の先端部においてはケースに対して左側（または右側）に正極端子が位置するようにキャップ組立体を前記開口部に取り付けることとしてもよい。

また、前記ケースの両先端に配置される各端子は、表面にねじ山が形成されたねじ軸構造からなることが好ましい。

また、前記二次電池はモータ駆動用二次電池でありうる。

本発明は、複数の単位電池を電気的に連結して電池モジュールを構成するにあたって、前記単位電池の一方の先端部とこれに対応する他方の先端部に各々正極端子及び負極端子が設置されることによって少なくとも二つの単位電池が連結部材を介して電気的に連結される二次電池を提供する。

ここで前記二次電池において、電池モジュールを構成する複数の単位電池は、隣接する単位電子の端子が対向するように連続的に配置されて、当該隣接する単位電池の端子は連結部材を介して直列または並列に連結され得る。

また、前記二次電池は、電池モジュールを構成する単位電池において、端子が設置される方向に各単位電池が積層されて、一つの単位電池の一方の先端部に設置された各端子と、隣接する他の単位電池の一方の先端部に設置された端子が、連結部材（以下、説明の便宜上前記連結部材と明確に区分できるように連結導体という）を介して直列または並列に連結される。

また、前記二次電池において、電池モジュールを構成する複数の単位電池は、端子が設置される方向と当該端子が配置される方向に対して直交する方向に配置されて、当該２つの方向に隣接する単位電池は、連結導体及び連結部材を介して並列または直列に連結され得る。

ここで前記単位電池に設置される各端子は、表面にねじ山が形成されたねじ軸構造からなり、前記各端子を連結する連結導体は二つの端子を十分締結できる長さを有するナットから形成できる。

これによって、二つの単位電池の端子端部が並んで配置された状態で、各単位電池の端子が一つのナットに締結されて互いに電気的に連結されるようになる。

本発明によると、二次電池の端子構造が改善されることによって、複数の単位電池を並列連結及び直列連結することが容易となり、複数の単位電池を効果的に積層できるようになる。また、複数の単位電池を積層して連結するときに、連結される単位電池の配列構造を多様に構成できるようになり、より多くの単位電池を積載することができて、単位電池の空間活用度を高めて、単位面積当りの出力と容量を極大化させることができるようになる。

さらに、二次電池の端子構造が改善され、電池間の連結構造が単純化されることによって、連結作業及び交換作業にかかる時間と手間を軽減できる。

以下、本発明の好ましい実施例について添付図を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例による二次電池を示した概略的な斜視図であり、図２ａは、ジェリーロールタイプの電極群の斜視図であり、図２ｂは、積層型の電極群の分解斜視図である。 図３は、本発明の実施例による二次電池の正面図であり、図４は、本発明の実施例によって単位電池を連結して電池モジュールを構成した状態を示した概略的な斜視図である。

前記図面を参照して、まず大容量の電池モジュール１０を構成する各単位電池１１は、正極と負極がセパレータを隔てて位置する電極群１２と、電極群１２が内蔵される空間部を備えたケース１３と、ケース１３を立てた時、ガスケットを介してケースの上段と下段を結合させて、これを密閉するキャップ組立体１４ａ、１４ｂと、正極１２ａ及び負極１２ｂとタブ１５を介して電気的に連結されて各キャップ組立体１４ａ、１４ｂの外側にそれぞれ突出する正極端子１６ａ、１７ａおよび負極端子１６ｂ、１７ｂと、を含む。

ケース１３は、アルミ、アルミ合金、またはニッケルがメッキされたスチールのような導電性金属で製作されて、その形状は電極群が内蔵される空間部を備えた六面体またはそれ以外の形状で構成される。

そして、本実施例で前記各単位電池１１において、キャップ組立体１４ａ、１４ｂから二つの端子（正極端子と負極端子）が間隔を維持した状態で突出して、各端子１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂの外周面は、ねじ山が形成された構造を呈する。

また、キャップ組立体１４ａ、１４ｂにおいて、前記端子が外側面に固設されて、ケース１３とキャッププレート１４０ａ、１４０ｂとを絶縁させるガスケット（図示せず）を含み、設定された圧力条件下で破損することによってガスを放出して電池の爆発を防止するベントプレート（図示せず）をさらに含むことができる。

電極群１２は、図２Ａに示されるように、それぞれの活物質が集電体に被覆されて構成された正極１２ａとセパレータ及び負極１２ｂが積層された状態で、これらが渦流状に巻かれて形成されたジェリーロールタイプからなる。図２Ａにおいて、ジェリーロールタイプの電極群１２の両端には無地部１２ｄ、１２ｅが配置されている。図２Ｂにおいて、正極１２０ａと負極１２０ｂとは、セパレータ１２０ｃを隔てて積層された構造を呈し、両端に無地部１２０ｄ、１２０ｅが配置される積層型の電極群１２０を示されている。

以下、本実施例では、図１に示されているように角形のケース１３の内部に図２ａのジェリーロールタイプ状に巻かれた電極群１２が配置される例を説明する。なお、電極群１２に代えて、図２Ｂに示される積層型の電極群１２０も角形のケース１３の内部に配置されうる。

また、本実施例では各端子と電気的に連結される正極無地部１２ｄと負極無地部１２ｅが、それぞれ電極群１２を構成する各極板の一側端部に形成された構造例を説明する。本発明は前記構造に限定されることなく、電池の形状や無地部の構造に関係なく全て適用可能である。

本実施例において前記二次電池を構成する電極群１２は、正極の無地部１２ｄと負極の無地部１２ｅが電極群１２の両端に対向配置されるようにセパレータを正極１２ａと負極１２ｂとの間に二つの高ジェリーロール形態で巻かれた構造であって、ケース１３を鉛直方向に立ててキャップ組立体１４ａ、１４ｂが各々上、下方向に置かれたときを基準に、ケース１３の両側面に正極１２ａおよび負極１２ｂの無地部１２ｄ、１２ｅが各々位置するように内設され、無地部１２ｄ、１２ｅに各々設置されるタブ１５（または集電板）を介してキャップ組立体１４ａ、１４ｂの端子１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂが電気的に連結される。

上述した構成を有することによって、本発明の二次電池は、図３に示されるように、ケース１３の上段と下段に各々正極端子１６ａ、１７ａと負極端子１６ｂ、１７ｂが突出した構造を構成する。

また、一つの電池モジュール１０は、各単位電池１１の各端子を直列または並列に連結させるようにして、複数の単位電池１１を積層することによって、形成されるが、本実施例では、電池モジュール１０を形成するにあたって、ケース１３を立てて、端子１６ａ、１６ｂと端子１７ａ、１７ｂとがそれぞれ対向するように複数の単位電池１１を鉛直方向（図４のＶ方向）に積層するとともに、単位電池１１を横方向（図４のＨ方向）に並列配置して単位電池を連結させる。

まず、複数の単位電池１１が横方向（Ｈ方向）に並列配置されて連結された構造をみると、図４に示されるように、複数の単位電池１１は一定間隔をおいて配置されて、各単位電池の上部に位置するキャップ組立体１４ａから突出した正極端子１６ａ及び負極端子１６ｂが、隣接する他の単位電池１１の上部に位置するキャップ組立体１４ａから突出した負極端子１６ｂ及び正極端子１６ａとそれぞれ対向するように、各単位電池は交差配列される。

これにより、単位電池１１の中央を基準としてその両側に、正極端子１６ａと負極端子１６ｂとが交互に入れ替わりながら、複数の端子が一定間隔で並ぶ端子列が形成される。つまり、前記端子列は、隣り合う端子の極性が反対となるように、複数の端子が一列に並んで構成される。

電池モジュール１０には、各単位電池１１を直列に連結させるために、互いに隣接する単位電池１１の正極端子１６ａと負極端子１６ｂとを電気的に連結させるための連結部材２０が取り付けられる。連結部材２０は、両端部においてホール２１が形成される板構造を呈し、ホール２１が各端子１６ａ、１６ｂに嵌合することによって、前記端子に締結されたナット１８上に載置され、さらに、ホール２１に嵌合された端子１６ａ、１６ｂにおいて連結部材２０から上に突出する部分にナット２２が締結されることによって、連結部材２０は固定される。

一つの単位電池１１の正極端子１６ａは、Ｈ方向に隣接する単位電池１１の負極端子１６ｂに連結部材２０を介して連結されて、当該隣接する単位電池１１の正極端子１６ａは、Ｈ方向にその次に隣接する単位電池１１の負極端子１６ｂに連結部材２０を介して連結される。これにより、複数の単位電池１１が直列に連結される。

次に、複数の単位電池１１が鉛直方向（Ｖ）に積層されて連結される構造を見ると、図４に示されるように、ひとつの単位電池１１下部のキャップ組立体１４ｂに設置された正極端子１７ａ及び負極端子１７ｂと、Ｖ方向に連続して隣接する単位電池１１上部のキャップ組立体１４ａに設置された正極端子１６ａと負極端子１６ｂとは互いに対向するように配置されて、各単位電池１１の正極端子１７ａは、隣接する単位電池１１の正極端子１６ａと、ナットである連結導体３０を介してねじ締結され、また、各単位電池１１の負極端子１７ｂは、隣接する単位電池１１の負極端子１６ｂと、ナットである連結導体３０を介してねじ締結される。これにより、各単位電池１１は、鉛直方向に隣接する単位電池１１と電気的に連結される。

すなわち、一つの連結導体３０に対して上側に配置される単位電池１１の下部キャップ組立体１４ｂに設置された正極端子（または負極端子）と、当該連結導体３０に対して下側に配置される単位電池１１の上部キャップ組立体１４ａに設置された正極端子（または負極端子）とは、互いに対向するように配置されて、連結導体３０を介して締結される。

このため、二つの単位電池１１は、一つの連結導体３０を通して、それぞれ電池に設けられた端子が連結されることにより電気的に並列連結される。この結果、複数の単位電池を横方向（Ｈ）だけでなく鉛直方向（Ｖ）にも電気的に連結させることが可能となり、多くの単位電池１１を積載して電池モジュール１０の容量を極大化させることができる。

また、前記単位電池は、並列連結構造だけでなく、直列連結構造を行なうことができるが、鉛直方向（Ｖ）に配列された単位電池において、各単位電池１１の端子位置を変えれば、単位電池は鉛直方向（Ｖ）に正極端子と負極端子とが
交互に入れ替わりながら一定間隔で並ぶ端子列が形成される。すなわち、鉛直方向に隣接する２つの単位電池１１において、各電池の正極端子１７ａと負極端子１６ｂは、ナットである連結導体３０を介して、隣接する電池の負極端子１６ｂと正極端子１７ａに連結されることによって、前記２つの単位電池１１は直列に連結されるようになる。

この場合、横方向や鉛直方向に配列された全ての単位電池が直列に連結されて、電池モジュールの出力を極大化させることができるようになる。

以上のような本発明の二次電池と電池モジュールは、高出力／大容量が要求されるハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、無線掃除機、電動自転車、電動スクーターなどのようにモータを使用して作動する機器において、当該機器のモータを駆動するためのエネルギー源として用いることができる
前記では、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付図の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これらの変形例も、本発明の範囲に属するものとする。

本発明の実施例による二次電池を示した概略的な斜視図である。 ジェリーロールタイプの電極群の斜視図である。 積層型の電極群の分解斜視図である。 本発明の実施例による二次電池の正面図である 本発明の実施例によって単位電池を連結して電池モジュールを構成した状態を示した概略的な斜視図である。 従来の技術による二次電池モジュールを示した概略的な斜視図である。

符号の説明

１０ 電池モジュール、
１１ 電池、
１２ 電極群、
１２ａ 正極、
１２ｂ 負極、
１２ｄ，１２ｅ，１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ，１２０ｅ 無地部、
１３ ケース、
１４ａ，１４ｂ キャップ組立体、
１５ タブ、
１６ａ，１７ａ 正極端子、
１６ｂ，１７ｂ 負極端子、
２０ 連結部材１４０ａ、
２１ ホール、
３０ 連結導体、
１４０ｂ キャッププレート。

Claims (20)

1. 正極と負極がセパレータで隔てられて位置する電極群と、
   前記電極群が内蔵されるケースと、
   前記ケースの外側に露出されながら前記ケースに連結設置されて前記電極群に電気的に連結される複数の正極端子と負極端子と、
   を含むことを特徴とする二次電池。
2. 前記正極端子及び負極端子は、前記ケースに対向して配置されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
3. 前記正極端子及び負極端子は、前記ケースの両端部に結合されるキャップ組立体上に設置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の二次電池。
4. 前記ケースの一方の先端部に設置される正極端子及び負極端子と、前記ケースの他方の先端部に設置される正極端子及び負極端子とは、その極性位置が同一であることを特徴とする請求項３に記載の二次電池。
5. 前記電極群の両端に正極無地部と負極無地部が配置され、前記ケースを立てた時、負極無地部と正極無地部は、ケースの両側面に配置され、前記ケースの両先端部に設置された正極端子及び負極端子は、タブまたは集電板を介して前記正極無地部と負極無地部とを電気的に連結されることを特徴とする請求項４に記載の二次電池。
6. 前記二次電池は、モータ駆動用であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
7. 前記電極群は、渦流状に巻かれたジェリーロール形態であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
8. 前記ケースは、角形であることを特徴とする請求項２に記載の二次電池。
9. 複数の二次電池が電気的に連結されることにより構成される電池モジュールであって、
   前記二次電池の一方の先端部とこれに対応する他方の先端部に各々正極端子及び負極端子が設置されることによって少なくとも二つの二次電池が電気的に連結されることを特徴とする電池モジュール。
10. 前記複数の二次電池は、隣接する二次電池の端子が対向するように連続的に配置されて、当該隣接する二次電池の端子は、連結部材を介して電気的に連結されることを特徴とする請求項９に記載の電池モジュール。
11. 前記連結部材は、隣接する二次電池の端子が嵌合されるように両端部にホールが形成され、前記ホールを突出した雄ねじ形態の各端子に締結されるナットによって固定されることを特徴とする請求項１０に記載の電池モジュール。
12. 前記連結部材は、隣接する二次電池の正極端子と負極端子に連結されて前記複数の二次電池を直列連結させることを特徴とする第１１項に記載の電池モジュール。
13. 前記連結部材は、隣接する二次電池の同一極性端子に連結されて前記複数の二次電池を並列連結させることを特徴とする請求項１１に記載の電池モジュール。
14. 前記複数の二次電池は、端子が配置される方向に各電池が積層され、一の二次電池の一方の先端部に設置された各端子と当該一の二次電池に隣接する他の二次電池の一方の先端部に設置された端子とは連結導体を介して電気的に連結されることを特徴とする請求項９に記載の電池モジュール。
15. 前記連結導体は、前記隣接する二次電池の雄ねじ形態の二つの端子を前記連結導体の両端部において締結できる長さを有する一つのナットからなることを特徴とする請求項１４に記載の電池モジュール。
16. 前記連結導体は、隣接する二次電池の正極端子と負極端子を連結して前記複数の二次電池を直列連結させることを特徴とする請求項１５に記載の電池モジュール。
17. 前記連結部材は、隣接する二次電池の同一極性端子の間を連結して前記複数の二次電池を並列連結させることを特徴とする請求項１５に記載の電池モジュール。
18. 前記複数の二次電池は、端子が配置される方向と当該端子が配置される方向に対して直交する方向に配置されて、当該２つの方向に隣接して配置される二次電池は、連結導体及び連結部材を介して並列または直列連結されることを特徴とする請求項１０に記載の電池モジュール。
19. 前記複数の二次電池は、端子が配置される方向と当該端子が配置される方向に対して直交する方向に配置されて、当該２つの方向に隣接して配置される二次電池は、連結導体及び連結部材を介して並列または直列連結されることを特徴とする請求項４に記載の電池モジュール。
20. 前記電池モジュールは、モータ駆動用であることを特徴とする請求項１９に記載の電池モジュール。