JP2013033661A - 単電池および組電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】振動や衝撃に起因して外部端子が回転することを防止する。
【解決手段】単電池同士を電気的に接続するためのバスバーが溶接されるバスバー溶接部142,152を有する外部端子141,151を備えた単電池において、正負極端子部材104,105のそれぞれは、外部端子141,151を保持する端子台160と、端子台および電池蓋102を貫通して、外部端子と集電体180,190とに接続される接続端子145,155とを有し、端子台は、外部端子と蓋との間に介在されるベース部161と、ベース部から外部端子側に向かって立ち上がり外部端子の側面を拘束する側壁163と、ベース部から蓋側に向かって突設された凸部162とを有し、蓋は、端子台の凸部と係合される凹部122を有する。
【選択図】図6

Description

本発明は、単電池および複数の単電池を備えた組電池に関する。
近年、ハイブリッド自動車や電気自動車等の動力源として大容量(Wh)の二次電池が開発されており、その中でもエネルギー密度(Wh/kg)の高い角形のリチウムイオン二次電池が注目されている。
角形のリチウムイオン二次電池においては、正極活物質を塗布した正極箔、負極活物質を塗布した負極箔およびそれぞれを絶縁するためのセパレータを重ね合わせて捲回することで扁平形状の捲回電極群が形成される。捲回電極群は、電池容器の蓋に設けられた正極外部端子および負極外部端子に電気的に接続される。捲回電極群は、電池容器の缶に収容され、缶の開口部は蓋で封止溶接される。二次電池は、捲回電極群を収容した電池容器の注液口から電解液が注液された後、注液栓が挿入されてレーザ溶接により封止溶接されることで形成される。
複数の上記角形のリチウムイオン二次電池(単電池)の正極外部端子と負極外部端子とをバスバーなどの導電部材により電気的に接続することで組電池が形成され、外部端子と外部機器とをリード線などの導電部材により電気的に接続することで、外部機器に電力を供給でき、あるいは、外部発電電力により二次電池を充電できる。
特許文献1には、外部機器のリード線の圧着端子を外部端子のボルト部に嵌めてナットを締め付けることで、電池と外部機器とが電気的に接続される構造が開示されている。
また、特許文献2には、金属プレート(バスバー)が外部端子に溶接により取り付けられた組電池が開示されている。
特開2010−97822号公報 特開2011−60623号公報
特許文献1には、蓋に突設した回り止め部によって、ナットを締め付ける際に外部端子が回転することを防止できる構造が開示されているが、ボルト部を設けずに導電部材を外部端子に溶接する場合において、電池に作用する振動や衝撃を起因として外部端子に作用する回転力を防止する構成については開示されていない。なお、特許文献1に記載の回り止め構造は、ナットを締め付ける際にボルト部を有する外部端子が回転することを防止する構造であり、電池に作用する振動や衝撃がバスバーと外部端子との接続部に与える影響については考慮されておらず、特許文献1に記載の電池では、電池に振動や衝撃が作用したときにナットが緩んでしまうおそれがある。
特許文献2には、絶縁部材を介して蓋に固定された外部端子に導電部材を溶接する構造が開示されているが、溶接部の直下に絶縁部材が配置されているため、絶縁部材の材質が樹脂である場合、溶接入熱により絶縁部材が溶融あるいは変形してしまうおそれがある。
請求項1に係る発明は、正極電極および負極電極をセパレータを介在させて捲回した扁平形電極群と、扁平形電極群を収容する缶と、缶を封止する蓋と、蓋に取り付けられた正極端子部材および負極端子部材と、正極電極と接続される電極接続部と、正極端子部材と接続される端子接続部とを有する正極集電体と、負極電極と接続される電極接続部と、負極端子部材と接続される端子接続部とを有する負極集電体とを備え、正負極端子部材のそれぞれは、単電池同士を電気的に接続するためのバスバーが溶接されるバスバー溶接部を有する外部端子と、外部端子を保持する絶縁部材と、絶縁部材および蓋を貫通して、外部端子と端子接続部とに接続される接続端子とを有し、絶縁部材は、外部端子と蓋との間に介在されるベース部と、ベース部から外部端子側に向かって立ち上がり外部端子の側面を拘束する立ち上がり部と、ベース部から蓋側に向かって突設された凸部とを有し、蓋は、平面部と、絶縁部材の凸部と係合される凹部を有し、外部端子に接続端子を中心とした回転力が作用すると、絶縁部材の立ち上がり部が外部端子からの回転力を受け、蓋の凹部の側面が絶縁部材の凸部の側面を介して絶縁部材からの回転力を受けることで、外部端子の蓋に対する回転を防止することを特徴とする単電池である。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の単電池において、絶縁部材の立ち上がり部は、ベース部の外縁の全周から立ち上がる側壁であり、外部端子は、絶縁部材の側壁の内側に嵌合され、蓋の凹部は、平面部から缶内側に向かって窪むように形成され、絶縁部材の凸部は、蓋の凹部に嵌合されていることを特徴とする。
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載の単電池において、絶縁部材のベース部におけるバスバー溶接部に対向する面には凹部が設けられ、絶縁部材の凹部を覆うように外部端子が配置され、凹部と外部端子とで空間が画成されていることを特徴とする。
請求項4に係る発明は、請求項3に記載の単電池において、絶縁部材の凹部は、平底面と、平底面から立ち上がる側面とを有し、平底面の面積より、外部端子によって覆われる凹部の開口面の面積が大きくなるように形成されていることを特徴とする。
請求項5に係る発明は、請求項4に記載の単電池において、空間は、凹部の開口面から凹部の平底面に向かって先細の四角錐台形状とされていることを特徴とする。
請求項6に係る発明は、請求項3ないし5のいずれか1項に記載の単電池において、絶縁部材の凹部の平底面は、蓋の平面部の外表面と同一面上か、もしくは、蓋の平面部の外表面よりも外方に位置していることを特徴とする。
請求項7に係る発明は、請求項1または2に記載の単電池を複数備え、複数の単電池同士がバスバーにより電気的に接続されたことを特徴とする組電池である。
請求項8に係る発明は、請求項3ないし6のいずれか1項に記載の単電池を複数備え、複数の単電池同士がバスバーにより電気的に接続された組電池であって、バスバーと外部端子との溶接部が、平面視で外部端子によって覆われる凹部の開口面内に設けられていることを特徴とする組電池である。
請求項9に係る発明は、正極電極および負極電極をセパレータを介在させて捲回した扁平形電極群と、扁平形電極群を収容する缶と、缶を封止する蓋と、蓋に取り付けられた正極端子部材および負極端子部材と、正極電極と接続される電極接続部と、正極端子部材と接続される端子接続部とを有する正極集電体と、負極電極と接続される電極接続部と、負極端子部材と接続される端子接続部とを有する負極集電体とを備え、正負極端子部材のそれぞれは、単電池同士を電気的に接続するためのバスバーが溶接されるバスバー溶接部を有する外部端子と、外部端子と蓋との間に介在される絶縁部材と、絶縁部材および蓋を貫通して、外部端子と端子接続部とに接続される接続端子とを有し、絶縁部材におけるバスバー溶接部に対向する面には凹部が設けられ、絶縁部材の凹部を覆うように外部端子が配置され、凹部と外部端子とで空間が画成されていることを特徴とすることを特徴とする単電池である。
請求項10に係る発明は、請求項9に記載の単電池において、絶縁部材の凹部は、平底面と、平底面から立ち上がる側面とを有し、平底面は、蓋の平面部の外表面よりも内方に位置していることを特徴とする。
請求項11に係る発明は、請求項9または10に記載の単電池を複数備え、複数の単電池同士がバスバーにより電気的に接続された組電池であって、バスバーと外部端子との溶接部が、平面視で外部端子によって覆われる凹部の開口面内に設けられていることを特徴とする組電池である。
請求項1または2の発明によれば、単電池同士を電気的に接続するためのバスバーが溶接されるバスバー溶接部を有する外部端子を備えた単電池において、振動や衝撃に起因して外部端子が回転することを防止できる。
請求項3ないし6のいずれかの発明によれば、単電池同士を電気的に接続するためのバスバーが溶接されるバスバー溶接部を有する外部端子を備えた単電池において、振動や衝撃に起因して外部端子が回転することを防止でき、かつ、バスバーを外部端子に溶接する際の絶縁部材の温度上昇を抑制し、絶縁部材の溶融や変形を防止できる。
請求項7の発明によれば、振動や衝撃に起因して外部端子が回転することが防止され、外部端子とバスバーとを接続する溶接金属の破損が防止された耐振性および耐衝撃性に優れた組電池を提供できる。
請求項8の発明によれば、振動や衝撃に起因して外部端子が回転することが防止され、外部端子とバスバーとを接続する溶接金属の破損が防止された耐振性および耐衝撃性に優れた組電池であって、バスバーを外部端子に溶接する際の絶縁部材の温度上昇が抑制され、絶縁部材の溶融や変形が防止されて適正な絶縁性が確保された信頼性の高い組電池を提供できる。
請求項9または10の発明によれば、単電池同士を電気的に接続するためのバスバーが溶接されるバスバー溶接部を有する外部端子を備えた単電池において、バスバーを外部端子に溶接する際の絶縁部材の温度上昇を抑制し、絶縁部材の溶融や変形を防止できる。
請求項11の発明によれば、バスバーを外部端子に溶接する際の絶縁部材の温度上昇が抑制され、絶縁部材の溶融や変形が防止されて適正な絶縁性が確保された信頼性の高い組電池を提供できる。
(a)は本発明の第1の実施の形態に係る組電池の平面図、(b)は(a)のA部拡大図。 図1の組電池を構成する単電池の外観を示す斜視図。 図2の単電池の構成を示す分解斜視図。 図3の捲回電極群を示す斜視図。 図3の蓋組立体を示す斜視図。 (a)は図5のVI−VI線切断断面図、(b)は(a)のB部拡大図。 図5の蓋組立体の分解斜視図。 図7の外部端子を示す平面図。 (a)は図7の端子台の平面図、(b)は(a)のC−C線切断断面を示す端子台の斜視図である。 図7の蓋の平面図。 (a)は本発明の第2の実施の形態に係る組電池の平面図、(b)は(a)のD部拡大図。 図11(b)のXII−XII線切断断面図。
以下、図面を参照して、本発明をハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される蓄電装置に組み込まれる組電池であって、角形リチウムイオン二次電池(以下単電池と記す)を複数備えた組電池に適用した実施の形態について説明する。なお、同様の形状、同種の材質の構成要素には、同一の符号を付けた。
―第1の実施の形態―
図1(a)は、本発明の第1の実施の形態に係る組電池の平面図であり、図1(b)は図1(a)のA部拡大図である。図1(a)に示すように、組電池は、複数の単電池100A〜100Eを有している。単電池100A〜100Eは、扁平な直方体形状であって、側面のうちで広い面積を有する幅広面同士が対向するように並べて配置されている。図示するように、単電池100A,100C,100Eは、正極外部端子141が図中左側に配され、単電池100B,100Dは、負極外部端子151が図中左側に配されている。すなわち、並置された複数の単電池100A〜100Eは、各単電池100A〜100Eのそれぞれの蓋102に取り付けられた正極外部端子141および負極外部端子151の位置が逆転するように、向きが反転して配置されている。
図1(a)に示すように、単電池100Aの図中右側の負極外部端子151と単電池100Eの図中左側の正極外部端子141とを除いて、隣り合う各単電池100A〜100Eの正極外部端子141と負極外部端子151とは金属製の平板状導電部材であるバスバー110によって電気的に接続されている。単電池同士を電気的に接続するバスバー110は、レーザ溶接により正極外部端子141および負極外部端子151に接続されている。溶接部(溶接金属)111は、図1(b)に示すように、平面視で後述の伝熱抑制空間169内に配されるように形成されている。
図1(a)に示す単電池100Aの図中右側の負極外部端子151と、単電池100Eの図中左側の正極外部端子141には、不図示の他の電池に電気的に直列または並列に不図示のバスバーにより接続されるか、不図示の電力取り出し用の端子に不図示のバスバーにより接続され、電力取り出し用の端子に接続されるリード線等を介して外部機器に電気的に接続される。
組電池を構成する単電池について説明する。各単電池100A〜100Eはそれぞれ同じ構造であるため、以下、代表して単電池100Aについて説明する。図2は単電池100Aを示す外観斜視図であり、図3は単電池100Aの構成を示す分解斜視図である。図4は捲回電極群170を示す斜視図であり、図5は蓋組立体107を示す斜視図である。
図2に示すように、単電池100Aは、缶101と蓋102とからなる電池容器を備えている。缶101および蓋102の材質は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などである。図3に示すように、缶101には蓋組立体107(図5参照)に保持された捲回電極群170(図4参照)が収容されている。缶101は一端が開口された矩形箱状に形成されている。捲回電極群170は絶縁ケース108に覆われた状態で缶101に収容されている。絶縁ケース108の材質は、ポリプロピレン等の絶縁性を有する樹脂である。これにより、缶101の底面および側面と、捲回電極群170とは電気的に絶縁されている。
図2および図3に示すように、蓋102は、矩形平板状であって平面部121を有し、缶101の開口を塞ぐように溶接されている。つまり、蓋102は、缶101を封止している。図3に示すように、蓋102には、捲回電極群170の正極電極174および負極電極175と電気的に接続された正極外部端子141および負極外部端子151が配設されている。
正極外部端子141が捲回電極群170の正極電極174に電気的に接続され、負極外部端子151が捲回電極群170の負極電極175に電気的に接続されているため、正極外部端子141および負極外部端子151を介して外部機器に電力が供給され、あるいは、正極外部端子141および負極外部端子151を介して外部発電電力が捲回電極群170に供給されて充電される。
図2に示すように、蓋102には、注液部106が設けられている。注液部106には、電池容器内に電解液を注入するための注液孔が穿設されている。注液孔は、電解液注入後に注液栓によって封止される。電解液としては、たとえば、エチレンカーボネート等の炭酸エステル系の有機溶媒に6フッ化リン酸リチウム(LiPF)等のリチウム塩が溶解された非水電解液を用いることができる。
蓋102には、ガス排出弁103も設けられている。ガス排出弁103は、プレス加工によって蓋102を部分的に薄肉化することで形成されている。ガス排出弁103は、単電池が過充電等の異常により発熱してガスが発生し、電池容器内の圧力が上昇して所定圧力に達したときに開裂して、内部からガスを排出することで電池容器内の圧力を低減させる。
電極群組立体は、図3に示すように、捲回電極群170(図4参照)と、蓋組立体107(図5参照)とを含んで構成されている。
図4を参照して、捲回電極群170について説明する。蓄電要素である捲回電極群170は、図4に示すように、長尺状の正極電極174および負極電極175をセパレータ173を介在させて捲回軸W周りに扁平形状に捲回することで積層構造とされている。
正極電極174は、正極箔171と、正極活物質に結着材(バインダ)が配合された正極活物質合剤が正極箔171の両面に塗工されて形成された正極活物質合剤層176とを有する。負極電極175は、負極箔172と、負極活物質に結着材(バインダ)が配合された負極活物質合剤が負極箔172の両面に塗工されて形成された負極活物質合剤層177とを有する。正極活物質と負極活物質との間では、充放電が行われる。
正極箔171は、厚さ20〜30μm程度のアルミニウム合金箔であり、負極箔172は、厚さ15〜20μm程度の銅合金箔である。セパレータ173の素材は多孔質のポリエチレン樹脂である。正極活物質は、マンガン酸リチウム等のリチウム含有遷移金属複酸化物であり、負極活物質は、リチウムイオンを可逆に吸蔵、放出可能な黒鉛等の炭素材である。
捲回電極群170の幅方向(捲回方向に直交する捲回軸W方向)の両端部は、一方が正極活物質合剤層176が形成されていない未塗工部(正極箔171の露出部)が積層された部分とされ、他方が負極活物質合剤層177が形成されていない未塗工部(負極箔172の露出部)が積層された部分とされている。正極側未塗工部の積層体および負極側未塗工部の積層体は、それぞれ予め押し潰され、それぞれ後述の蓋組立体107の正極集電体180および負極集電体190(図5参照)と超音波接合により接続され、電極群組立体(図3参照)が形成される。
図5〜図10を参照して蓋組立体107の構成を詳しく説明する。図6(a)は図5のVI−VI線切断断面図であり、図6(b)は図6(a)のB部拡大図である。図7は蓋組立体107の分解斜視図である。図6および図7では正極側の構成を示しているが、正極側と負極側とは同様の形状、構成であるため、便宜上、かっこ書きで負極側の構成要素の参照番号を付している。
図5に示すように、蓋組立体107は、蓋102と、蓋102に取り付けられた正極端子部材104および負極端子部材105と、正極集電体180および負極集電体190とを含んで構成されている。図6および図7に示すように、正極端子部材104は、正極外部端子141と、端子台160と、ガスケット109と、正極集電体180に接続された正極接続端子145とを有している。同様に、負極端子部材105は、負極外部端子151と、端子台160と、ガスケット109と、負極集電体190に接続された負極接続端子155とを有している。
正極外部端子141、正極接続端子145および正極集電体180の材質はアルミニウム合金である。正極外部端子141は、後述するように正極接続端子145を介して正極集電体180に電気的に接続される。負極外部端子151、負極接続端子155および負極集電体190の材質は銅合金である。負極外部端子151は、後述するように負極接続端子155を介して負極集電体190に電気的に接続される。端子台160の材質は、JIS K6900プラスチック―用語で定義された「硬質プラスチック」にガラス繊維(GF)を混入した絶縁性材料である。ガスケット109の材質は、ポリブチレンテレフタレートやポリフェニレンサルファイド、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂等の絶縁性を有する樹脂である。
図8は、正極外部端子141の平面図である。図8では正極外部端子141を示しているが、負極外部端子151も同様の形状、構成であるため、便宜上、かっこ書きで負極外部端子151の構成要素の参照番号を付している。
図6〜図8に示すように、正極外部端子141は、平板状部材であって、一端側に正極接続端子145が取り付けられる矩形状の取付部143が設けられ、他端側にバスバー110(図1参照)が溶接される矩形状のバスバー溶接部142が設けられている。取付部143には後述の正極接続端子145の先端側貫通部146aが挿通される円形状の貫通孔144が設けられている。図7および図8に示すように、取付部143とバスバー溶接部142との間には、取付部143およびバスバー溶接部142に対して幅狭のくびれ部141aが設けられている。
同様に、図6〜図8に示すように、負極外部端子151は、平板状部材であって、一端側に負極接続端子155が取り付けられる矩形状の取付部153が設けられ、他端側にバスバー110(図1参照)が溶接される矩形状のバスバー溶接部152が設けられている。取付部153には後述の負極接続端子155の先端側貫通部156aが挿通される円形状の貫通孔154が設けられている。図7および図8に示すように、取付部153とバスバー溶接部152との間には、取付部153およびバスバー溶接部152に対して幅狭のくびれ部151aが設けられている。
図5に示すように、蓋102には正負極外部端子141,151のそれぞれを保持する一対の端子台160が設けられている。図9(a)は端子台160の平面図であり、図9(b)は図9(a)のC−C線切断断面を示す端子台160の斜視図である。図6、図7および図9に示すように、端子台160は、正負極外部端子141,151と蓋102の平面部121との間に介在されるベース部161と、ベース部161の外縁の全周から正負極外部端子141,151側に向かって立ち上がる側壁163と、正負極外部端子141,151のバスバー溶接部142,152に対向する位置において蓋102側に向かって突設された凸部162とを有している。
図6(a)に示すように、絶縁性を有する端子台160のベース部161が、正負極外部端子141,151と蓋102との間に介在されているため、正負極外部端子141,151と蓋102とは電気的に絶縁されている。
図9(a)および図9(b)に示すように、ベース部161は、四隅が丸みを帯びた矩形平板状であって、図6(b)、図7および図9に示すように、ベース部161における正負極外部端子141,151のバスバー溶接部142,152に対向する面には凹部168が設けられている。図6(a)、図7および図9に示すように、ベース部161における正負極外部端子141,151の取付部143に対向する面には、後述の正負極接続端子145,155の基端側貫通部146b,156bが挿通される円形状の貫通孔164が設けられている。
側壁163は、凹部168および貫通孔164の周囲を覆うように、かつ、内面形状が正負極外部端子141,151の外形形状に対応するように形成されている。図6(a)に示すように、正負極外部端子141,151は、端子台160の側壁163の内側に嵌合されている。これにより、正負極外部端子141,151の側面は、端子台160の側壁163の内面によって拘束されている。
図10は蓋102の平面図である。図6(b)、図7および図10に示すように、蓋102には平面部121から缶内側に向かって窪むように形成された凹部122と、後述の正負極接続端子145,155の基端側貫通部146b,156bが挿通される貫通孔124が設けられている。蓋102の凹部122は、正負極外部端子141,151のバスバー溶接部142,152に対向する位置に設けられており、図6(b)に示すように、端子台160の凸部162は蓋102の凹部122に嵌合されている。これにより、端子台160の凸部162の側面は、蓋102の凹部122の内面によって拘束されている。
正負極外部端子141,151は、端子台160に嵌合されると、図6(b)に示すように、端子台160の凹部168の開口面が正負極外部端子141,151によって塞がれる。正負極外部端子141,151が端子台160の凹部168を覆うように配置されることで、凹部168と正負極外部端子141,151の裏面とで伝熱抑制空間169が画成されている。伝熱抑制空間169内には熱伝導率の低い空気が存在している。
端子台160のベース部161に形成された凹部168は、図9(a)および図9(b)に示すように、平面視矩形状の平底面168aと、平底面168aの四辺から立ち上がる側面168bとを有している。凹部168の側面168bは、平底面168aの面積より正負極外部端子141,151によって覆われる凹部168の開口面の面積が大きくなるように、傾斜して形成されている。
これにより、伝熱抑制空間169は、凹部168の開口面から凹部168の平底面168aに向かって先細の四角錐台形状とされている。伝熱抑制空間169は、バスバー110を正負極外部端子141,151に溶接する際に発生する熱の伝わりを緩和するための空間である。図1(b)に示したように、バスバー110と正負極外部端子141,151との溶接部111は、平面視で伝熱抑制空間169内に配置されるように形成される。換言すれば、バスバー110と正負極外部端子141,151との溶接部111は、平面視で正負極外部端子141,151によって覆われる凹部168の開口面内に設けられており、溶接部111の直下において端子台160の一部が正負極外部端子141,151の裏面に直接に接触しないように配慮されている。
図6(b)に示すように、端子台160は、凹部168の平底面168aと正負極外部端子141,151の裏面との間の距離h11が、蓋102の平面部121の外表面と正負極外部端子141,151の裏面との間の距離h12と等しくなるように(h11=h21)、形成されている。換言すれば、凹部168の深さ寸法と、ベース部161の肉厚寸法とは同一である。したがって、端子台160の凹部168の平底面168aと、蓋102の平面部121の外表面とは、同一面上に位置している。
なお、端子台160の凹部168の平底面168aと正負極外部端子141,151の裏面との間の距離h11が、蓋102の平面部121の外表面と正負極外部端子141,151の裏面との間の距離h12よりも短くなるように(h11<h21)、端子台160を形成することもできる。この場合、端子台160の凹部168の平底面168aは、蓋102の平面部121の外表面よりも外方に位置することになる。
したがって、第1の実施の形態では、図6(b)に示すように、蓋102の凹部122に嵌合される凸部162の肉厚t1は、少なくとも蓋102の凹部122の深さ寸法h13以上とされている(t1≧h13)。
図6(a)および図7に示すように、ガスケット109は円筒状の筒部と、筒部の下端に設けられた鍔部とを備えている。ガスケット109は、後述の正負極接続端子145,155の基端側貫通部146b,156bに装着される。図6(a)に示すように、ガスケット109の筒部は、蓋102の貫通孔124と正負極接続端子145,155との間に介在するように配置されている。ガスケット109の鍔部は、蓋102の内表面と後述する正負極接続端子145,155のフランジ147,157との間に介在するように配置されている。これにより、蓋102と正負極接続端子145,155との間が封止されている。ガスケット109は上記したように絶縁性を有しているため、正負極接続端子145,155と蓋102とは電気的に絶縁されている。
図6(a)および図7に示すように、正極集電体180は、蓋102の内面に沿う座面部181と、座面部181の長辺側部から略直角に曲がって、缶101の幅広面に沿いながら缶底面に向かって延在する平面板182と、図7に示すように、平面板182の下端に設けた傾斜部186により接続される接合部183とを備えている。図7に示すように、接合部183は、捲回電極群170の正極電極174との接合面183aを有している。座面部181は正極接続端子145が取り付けられる円形状の貫通孔184を有している。
同様に、図6(a)および図7に示すように、負極集電体190は、蓋102の内面に沿う座面部191と、座面部191の長辺側部から略直角に曲がって、缶101の幅広面に沿いながら缶底面に向かって延在する平面板192と、図7に示すように、平面板192の下端に設けた傾斜部196により接続される接合部193とを備えている。図7に示すように、接合部193は、捲回電極群170の負極電極175との接合面193aを有している。座面部191は負極接続端子155が取り付けられる円形状の貫通孔194を有している。
図7に示すように、正極接続端子145は、上記した蓋102の貫通孔124、端子台160の貫通孔164および正極外部端子141の貫通孔144を貫通する平面視円形状の貫通部146と、貫通部146の一端部に設けられる平面視円形状のフランジ147と、フランジ147から捲回電極群170側に向かって突設された円筒状の突部148とを備えている。
円筒状の突部148の先端は、突部148が正極集電体180の座面部181に形成された貫通孔184に挿通され、フランジ147が座面部181に当接された状態で、座面部181にカシメられる。その結果、図6(a)に示すように、座面部181はカシメ部148sとフランジ147とによって挟持されている。
同様に、図7に示すように、負極接続端子155は、上記した蓋102の貫通孔124、端子台160の貫通孔164および負極外部端子151の貫通孔154を貫通する平面視円形状の貫通部156と、貫通部156の一端部に設けられる平面視円形状のフランジ157と、フランジ157から捲回電極群170側に向かって突設された円筒状の突部158とを備えている。
円筒状の突部158の先端は、突部158が負極集電体190の座面部191に形成された貫通孔194に挿通され、フランジ157が座面部191に当接された状態で、座面部191にカシメられる。その結果、図6(a)に示すように、座面部191はカシメ部158sとフランジ157とによって挟持されている。
正極接続端子145のフランジ147は、レーザ溶接により、座面部181の蓋102側の面との当接面の周縁の全周に亘って座面部181に隅肉溶接されている。同様に負極接続端子155のフランジ157は、レーザ溶接により、座面部191の蓋102側の面との当接面の周縁の全周に亘って座面部191に隅肉溶接されている。
このように、正極接続端子145は、正極集電体180にカシメおよび溶接により固定され、負極接続端子155は、負極集電体190にカシメおよび溶接により固定されている。これにより、正極集電体180と正極接続端子145とが電気的に接続され、負極集電体190と負極接続端子155とが電気的に接続される。
図7に示すように、正極接続端子145の貫通部146は、フランジ147から上方に向かって突設される基端側貫通部146bと、基端側貫通部146bの上端から上方に向かって突設される先端側貫通部146aとを有している。先端側貫通部146aの外径は、基端側貫通部146bの外径よりも小さく、先端側貫通部146aの上部は円筒状とされている。
同様に、図7に示すように、負極接続端子155の貫通部156は、フランジ157から上方に向かって突設される基端側貫通部156bと、基端側貫通部156bの上端から上方に向かって突設される先端側貫通部156aとを有している。先端側貫通部156aの外径は、基端側貫通部156bの外径よりも小さく、先端側貫通部156aの上部は円筒状とされている。
正極接続端子145の貫通部146は、ガスケット109が基端側貫通部146bに装着された状態で、蓋102の貫通孔124、端子台160の貫通孔164および正極外部端子141の貫通孔144に挿通される。フランジ147と蓋102の内面とでガスケット109の鍔部が挟まれた後、先端側貫通部146aの円筒状部分の先端が正極外部端子141にカシメられる。その結果、図6(a)に示すように、正極外部端子141、端子台160、蓋102およびガスケット109の鍔部は、カシメ部146sとフランジ147とによって挟持されている。カシメ部146sと正極外部端子141とは、カシメ固定された後、レーザによりスポット溶接される。
同様に、負極接続端子155の貫通部156は、ガスケット109が基端側貫通部156bに装着された状態で、蓋102の貫通孔124、端子台160の貫通孔164および負極外部端子151の貫通孔154に挿通される。フランジ157と蓋102の内面とでガスケット109の鍔部が挟まれた後、先端側貫通部156aの円筒状部分の先端が負極外部端子151にカシメられる。その結果、図6(a)に示すように、負極外部端子151、端子台160、蓋102およびガスケット109の鍔部は、カシメ部156sとフランジ157とによって挟持されている。カシメ部156sと負極外部端子151とは、カシメ固定された後、レーザによりスポット溶接される。
このように、正極接続端子145は、正極外部端子141にカシメおよび溶接により固定され、負極接続端子155は、負極外部端子151にカシメおよび溶接により固定されている。これにより、正極外部端子141と正極接続端子145とが電気的に接続され、負極外部端子151と負極接続端子155とが電気的に接続される。
上述した本実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
(1)端子台160のベース部161から正負極外部端子141,151側に向かって立ち上がって正負極外部端子141,151の側面を拘束する側壁163を設け、端子台160の凸部162を蓋102の凹部122に係合させた。これにより、正負極外部端子141,151に正負極接続端子145,155の中心軸CL(図6(a)参照)を回転中心とした回転力が作用すると、端子台160の側壁163が正負極外部端子141,151からの回転力を受け、蓋102の凹部122の側面が端子台160の凸部162の側面を介して端子台160からの回転力を受けることができるため、正負極外部端子141,151の蓋102に対する回転を防止できる。
したがって、複数の単電池から構成される組電池に振動や衝撃が作用したとき、正負極外部端子141,151の蓋102に対する回転が防止されるため、バスバー110と正負極外部端子141,151との溶接部(溶接金属)111に加わる力を抑えて、溶接部111の損傷を防止できる。その結果、振動や衝撃が作用することが想定される組電池、たとえばハイブリッド自動車や電気自動車等に搭載される組電池において、耐振性、耐衝撃性に優れた組電池、ならびに、バスバー110が溶接されることで単電池間が接続される組電池に好適な単電池を提供できる。
(2)端子台160の凹部168を覆うように正負極外部端子141,151を配置して、凹部168と正負極外部端子141,151とで伝熱抑制空間169を画成した。伝熱抑制空間169内には、熱伝導率の低い空気が存在している。したがって、平面視で伝熱抑制空間169内に溶接部111が形成されるように、正負極外部端子141,151とバスバー110とをレーザ溶接すると、溶接の際に発生する熱が、伝熱抑制空間169によって緩和されて端子台160に伝わるため、端子台160の温度上昇が効果的に抑制される。
レーザをバスバー110の外表面に対して垂直に照射すると、照射部にエネルギーが集中され、激しい蒸発が起こり、蒸発反力によってバスバー110を貫通し、正負極外部端子141,151に至るキーホールが形成される。キーホールの周囲には溶融池が形成され、溶融池の周囲の部位の温度が上昇する。このため、特にレーザの照射方向に熱が伝わることになる。本実施の形態では、バスバー溶接部142,152の直下に伝熱抑制空間169が形成され、溶接部111の直下において、端子台160と正負極外部端子141,151とが直接に接していない。
したがって、レーザ溶接により生じた熱は、主に伝熱抑制空間169内の空気を介して端子台160に伝わるため、端子台160の温度上昇を効果的に抑制できる。よって、本実施の形態によれば、溶接入熱による端子台160の温度上昇を抑制できるため、端子台160の溶融や変形を防止できる。その結果、絶縁部材である端子台160の溶融や変形を防止することで適正な絶縁性が確保された信頼性の高い組電池、ならびに、バスバー110が溶接されることで単電池間が接続される組電池に好適な単電池を提供できる。
(3)端子台160の凹部168の平底面168aの面積より、正負極外部端子141,151によって覆われる凹部168の開口面の面積が大きくなるように、端子台160の凹部168を形成した。これにより、図6(b)に示す端子台160の凸部162とベース部161とを連結する連結部167の肉厚に所定の厚みを持たせつつ、端子台160との非接触面を拡大することができる。したがって、端子台160の凸部162の側面に作用する回転反力に対して十分な剛性を確保でき、溶接入熱に起因する端子台160の溶融や変形を防止できる。
(4)端子台160の材質には、JIS K6900プラスチック―用語で定義された「硬質プラスチック」にガラス繊維(GF)を混入したものを採用したので、端子台160の側壁163に十分な強度を確保することができ、組電池に振動や衝撃が作用したときに、正負極外部端子141,151の回転を確実に防止できる。
(5)バスバー溶接部142,152の直下に端子台160の凸部162を設け、凸部162と正負極外部端子141,151との間に伝熱抑制空間169が形成されるように凹部168を設け、凹部168の平底面168aを蓋102の平面部121の外表面と同一面上か、もしくは、蓋102の平面部121の外表面よりも外方に位置させた。換言すれば、蓋102の凹部122の深さ寸法h13よりも凸部162の肉厚寸法t1が大きくなるように端子台160を形成した。これにより、伝熱抑制空間169に所定容積を確保して、溶接の際に生じる熱を効果的に緩和させることができるとともに、端子台160の凸部162に回転反力に対して十分な剛性を確保できる。
―第2の実施の形態―
図11および図12を参照して第2の実施の形態に係る組電池および単電池を説明する。図11(a)は本発明の第2の実施の形態に係る組電池の平面図であり、図11(b)は図11(a)のD部拡大図である。図12は図11(b)のXII−XII線切断断面図である。図11(b)および図12では正極側の構成を示しているが、負極側も同様の構成であるため、便宜上、かっこ書きで負極側の構成要素の参照番号も付している。なお、第1の実施の形態と同様の箇所には100番台に代えて200番台の参照番号を付し、下2桁を同一番号として、相違点について主に説明する。
第2の実施の形態では、図11(a)に示すように、第1の実施の形態に比べて幅の広いバスバー210により、単電池200A〜200Eが電気的に接続されている。バスバー210と正負極外部端子241,251との溶接部211は、図11(b)に示すように、平面視で伝熱抑制空間269内に配置されるように形成されている。換言すれば、溶接部211は、平面視で正負極外部端子241,251によって覆われる端子台260の凹部268の開口面内に設けられており、溶接部211の直下において端子台260の一部が正負極外部端子241,251の裏面に直接に接触しないように配慮されている。
このように、第2の実施の形態では、第1の実施の形態に比べてバスバー210の幅が広いが、溶接部211は第1の実施の形態と同様に、平面視で伝熱抑制空間269内に配置されるように形成されているため、溶接の際に端子台260に熱が伝わりにくく、端子台260の溶融や変形を防止できる。
第2の実施の形態では、図12に示すように、端子台260のベース部261において、第1の実施の形態と同様に正負極外部端子141,151のバスバー溶接部242,252に対向する面に凹部268が形成されている。この凹部268は、第2の実施の形態では、平底面268aと正負極外部端子241,251の裏面との間の距離(すなわち、凹部268の深さ寸法)h21が、蓋202の平面部221の外表面と正負極外部端子241,251の裏面との間の距離(すなわち、ベース部261の肉厚寸法)h22よりも長くなるように(h21>h22)、形成されている。つまり、第2の実施の形態では、端子台260の凹部268の平底面268aが蓋202の平面部221の外表面よりも内方に位置しており、第1の実施の形態に比べて、伝熱抑制空間269の容積が大きい。
したがって、第2の実施の形態によれば、第1の実施の形態に比べて、溶接の際、より端子台260への熱の伝わりを抑制して、端子台260の溶融や変形を確実に防止できる。
第2の実施の形態は、たとえば、振動や衝撃を抑制できる手段(不図示)が設けられるなどして、組電池に振動や衝撃があまり作用しない場合に有効な形態である。なお、組電池に振動や衝撃があまり作用しないことが予め想定されている場合、端子台260の側壁263や凸部262、蓋202の凹部222を省略することもできる。この場合、凹部268の深さ寸法h21は、ベース部261の肉厚寸法h22よりも小さくなるが、ベース部261の肉厚寸法h22を大きくして、凹部268の深さ寸法h21を大きくすることで、伝熱抑制空間269の容積を確保して、溶接の際の端子台260への熱の伝わりを抑えることができる。
なお、次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
[変形例]
(1)上記した実施の形態では、ベース部161,261の外縁の全周から立ち上がる側壁163,263を設け、側壁163,263によって正負極外部端子141,151,241,251が回転することを防止したが、本発明はこれに限定されない。たとえば、正負極外部端子141,151,241,251の四隅を保持する平面視L字状の立ち上がり部(不図示)を設けて、正負極外部端子141,151,241,251の回転を規制してもよい。図示しない棒状の立ち上がり部を複数設けて、正負極外部端子141,151,241,251の回転を規制してもよい。
(2)上記した実施の形態では、ベース部161,261から蓋102,202側に突設される凸部162,262および蓋102,202に設けられる凹部122,222は平面視矩形状のものについて説明したが本発明はこれに限定されない。凹部122,222および凸部162,262の形状は、凹部122,222の側面が凸部162,262の側面を介して端子台160,260からの回転力を受けることのできる種々の形状とすることができる。たとえば、凹部122,222および凸部162,262の形状は、平面視円形状としてもよい。
(3)上記した実施の形態では、端子台160,260の凹部168,268の開口面の面積が、端子台160,260の凹部168,268の平底面168a,268aの面積よりも大きくなるように、凹部168,268を形成したが本発明はこれに限定されない。凹部168,268の開口面の面積と、凹部168,268の平底面168a,268aの面積とが等しくなるように、凹部168,268を形成してもよいし、凹部168,268の開口面の面積が、凹部168,268の平底面168a,268aの面積よりも小さくなるように、凹部168,268を形成してもよい。
(4)上記した実施の形態では、伝熱抑制空間169,269を凹部168,268の開口面から凹部168,268の平底面168a,268aに向かって先細の四角錐台形状としたが本発明はこれに限定されない。伝熱抑制空間169,269は、凹部168,268の平底面168a,268aから凹部168,268の開口面に向かって先細の四角錐台形状としてもよい。伝熱抑制空間169,269は、正負極外部端子141,151,241,251と端子台160,260との間に空気を介在させる種々の形状、たとえば円錐台形状や円柱形状、多角柱形状とすることができる。
(5)上記した実施の形態では、電池容器の形状を角形としたが、本発明はこれに限定されない。断面長円形状の扁平形電池容器としてもよく、缶101の開口を蓋102,202によって封止する薄形の種々の電池容器を採用できる。
(6)リチウムイオン単電池を一例として説明したが、ニッケル水素電池などその他の単電池にも本発明を適用できる。
(7)正極外部端子141,241、正極接続端子145、正極集電体180および正極箔171の材質は、アルミニウム合金に限定されることなく、アルミニウムとしてもよい。負極外部端子151,251、負極接続端子155、負極集電体190および負極箔172の材質は、銅合金に限定されることなく、銅としてもよい。
(8)正極活物質としてマンガン酸リチウム、負極活物質として黒鉛をそれぞれ例示したが、本発明はこれに制限されるものではなく、通常、リチウムイオン電池に用いられる活物質を用いることもできる。正極活物質としては、リチウムイオンを挿入・脱離可能な材料であり、予め十分な量のリチウムイオンを挿入したリチウム遷移金属複合酸化物を用いればよく、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶中のリチウムや遷移金属の一部をそれら以外の元素で置換あるいはドープした材料を使用するようにしてもよい。結晶構造についても特に制限はなく、スピネル系、層状系、オリビン系のいずれの結晶構造を有していてもよい。一方、黒鉛以外の負極活物質としては、たとえば、コークスや非晶質炭素等の炭素材を挙げることができ、その粒子形状においても、鱗片状、球状、繊維状、塊状等、特に制限されるものではない。
(9)上記した実施の形態では、端子台160,260の材質にJIS K6900プラスチック―用語で定義された「硬質プラスチック」にガラス繊維(GF)を混入したものを採用したが、本発明はこれに限定されない。ポリブチレンテレフタレートやポリフェニレンサルファイド、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂等の絶縁性を有する樹脂を用いてもよい。
(10)上記した実施の形態では、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される蓄電装置に組み込まれる組電池について説明したが本発明はこれに限定されない。他の電動車両、たとえばハイブリッド電車などの鉄道車両、バスなどの乗合自動車、トラックなどの貨物自動車、バッテリ式フォークリフトトラックなどの産業車両などの蓄電装置に利用可能な組電池に本発明を適用してもよい。
(11)上記した実施の形態では、バスバー110,210と正負極外部端子141,151,241,251とをレーザ溶接により接続したが、本発明はこれに限定されない。電子ビーム溶接により、バスバー110,210と正負極外部端子141,151,241,251とを接続してもよい。
本発明は、上記した実施の形態に限定されるものでなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で自由に変更、改良が可能である。
100A〜100E 単電池、104 正極端子部材、105 負極端子部材、109 ガスケット、110 バスバー、111 溶接部、121 平面部、122 凹部、124 貫通孔、141 正極外部端子、142 バスバー溶接部、143 取付部、144 貫通孔、145 正極接続端子、146 貫通部、146a 先端側貫通部、146b 基端側貫通部、146s カシメ部、147 フランジ、148 突部、148s カシメ部、151 負極外部端子、152 バスバー溶接部、153 取付部、154 貫通孔、155 負極接続端子、156 貫通部、156a 先端側貫通部、156b 基端側貫通部、156s カシメ部、157 フランジ、158 突部、158s カシメ部、160 端子台、161 ベース部、162 凸部、163 側壁、164 貫通孔、167 連結部、168 凹部、168a 平底面、168b 側面、169 伝熱抑制空間、170 捲回電極群、171 正極箔、172 負極箔、173 セパレータ、174 正極電極、175 負極電極、180 正極集電体、181 座面部、182 平面板、183 接合部、183a 接合面、184 貫通孔、190 負極集電体、191 座面部、192 平面板、193 接合部、193a 接合面、194 貫通孔、200A〜200E 単電池、202 蓋、210 バスバー、211 溶接部、221 平面部、222 凹部、241 正極外部端子、242 バスバー溶接部、251 負極外部端子、252 バスバー溶接部、260 端子台、261 ベース部、262 凸部、263 側壁、268 凹部、268a 平底面、269 伝熱抑制空間

Claims (11)

  1. 正極電極および負極電極をセパレータを介在させて捲回した扁平形電極群と、
    前記扁平形電極群を収容する缶と、
    前記缶を封止する蓋と、
    前記蓋に取り付けられた正極端子部材および負極端子部材と、
    前記正極電極と接続される電極接続部と、前記正極端子部材と接続される端子接続部とを有する正極集電体と、
    前記負極電極と接続される電極接続部と、前記負極端子部材と接続される端子接続部とを有する負極集電体とを備え、
    前記正負極端子部材のそれぞれは、
    単電池同士を電気的に接続するためのバスバーが溶接されるバスバー溶接部を有する外部端子と、
    前記外部端子を保持する絶縁部材と、
    前記絶縁部材および前記蓋を貫通して、前記外部端子と前記端子接続部とに接続される接続端子とを有し、
    前記絶縁部材は、前記外部端子と前記蓋との間に介在されるベース部と、前記ベース部から前記外部端子側に向かって立ち上がり前記外部端子の側面を拘束する立ち上がり部と、前記ベース部から前記蓋側に向かって突設された凸部とを有し、
    前記蓋は、平面部と、前記絶縁部材の凸部と係合される凹部を有し、
    前記外部端子に前記接続端子を中心とした回転力が作用すると、前記絶縁部材の立ち上がり部が前記外部端子からの回転力を受け、前記蓋の凹部の側面が前記絶縁部材の凸部の側面を介して前記絶縁部材からの回転力を受けることで、前記外部端子の前記蓋に対する回転を防止することを特徴とする単電池。
  2. 請求項1に記載の単電池において、
    前記絶縁部材の立ち上がり部は、前記ベース部の外縁の全周から立ち上がる側壁であり、
    前記外部端子は、前記絶縁部材の側壁の内側に嵌合され、
    前記蓋の凹部は、前記平面部から缶内側に向かって窪むように形成され、
    前記絶縁部材の凸部は、前記蓋の凹部に嵌合されていることを特徴とする単電池。
  3. 請求項1または2に記載の単電池において、
    前記絶縁部材のベース部における前記バスバー溶接部に対向する面には凹部が設けられ、
    前記絶縁部材の凹部を覆うように前記外部端子が配置され、前記凹部と前記外部端子とで空間が画成されていることを特徴とする単電池。
  4. 請求項3に記載の単電池において、
    前記絶縁部材の凹部は、平底面と、前記平底面から立ち上がる側面とを有し、前記平底面の面積より、前記外部端子によって覆われる前記凹部の開口面の面積が大きくなるように形成されていることを特徴とする単電池。
  5. 請求項4に記載の単電池において、
    前記空間は、前記凹部の開口面から前記凹部の平底面に向かって先細の四角錐台形状とされていることを特徴とする単電池。
  6. 請求項3ないし5のいずれか1項に記載の単電池において、
    前記絶縁部材の凹部の平底面は、前記蓋の平面部の外表面と同一面上か、もしくは、前記蓋の平面部の外表面よりも外方に位置していることを特徴とする単電池。
  7. 請求項1または2に記載の単電池を複数備え、前記複数の単電池同士がバスバーにより電気的に接続されたことを特徴とする組電池。
  8. 請求項3ないし6のいずれか1項に記載の単電池を複数備え、前記複数の単電池同士がバスバーにより電気的に接続された組電池であって、
    前記バスバーと前記外部端子との溶接部が、平面視で前記外部端子によって覆われる前記凹部の開口面内に設けられていることを特徴とする組電池。
  9. 正極電極および負極電極をセパレータを介在させて捲回した扁平形電極群と、
    前記扁平形電極群を収容する缶と、
    前記缶を封止する蓋と、
    前記蓋に取り付けられた正極端子部材および負極端子部材と、
    前記正極電極と接続される電極接続部と、前記正極端子部材と接続される端子接続部とを有する正極集電体と、
    前記負極電極と接続される電極接続部と、前記負極端子部材と接続される端子接続部とを有する負極集電体とを備え、
    前記正負極端子部材のそれぞれは、
    単電池同士を電気的に接続するためのバスバーが溶接されるバスバー溶接部を有する外部端子と、
    前記外部端子と前記蓋との間に介在される絶縁部材と、
    前記絶縁部材および前記蓋を貫通して、前記外部端子と前記端子接続部とに接続される接続端子とを有し、
    前記絶縁部材における前記バスバー溶接部に対向する面には凹部が設けられ、
    前記絶縁部材の凹部を覆うように前記外部端子が配置され、前記凹部と前記外部端子とで空間が画成されていることを特徴とすることを特徴とする単電池。
  10. 請求項9に記載の単電池において、
    前記絶縁部材の凹部は、平底面と、前記平底面から立ち上がる側面とを有し、
    前記平底面は、前記蓋の平面部の外表面よりも内方に位置していることを特徴とする単電池。
  11. 請求項9または10に記載の単電池を複数備え、前記複数の単電池同士がバスバーにより電気的に接続された組電池であって、
    前記バスバーと前記外部端子との溶接部が、平面視で前記外部端子によって覆われる前記凹部の開口面内に設けられていることを特徴とする組電池。
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