JP2015043282A - 蓄電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】電池容器に対するリチウム等の正極活物質の析出を抑制すると共に、電池容器がそれを囲む金属製の外部ケースと短絡した時に電池容器側から外部ケース側に流れる短絡電流を抑える。
【解決手段】二次電池１であって、正極板と負極板とを含む発電要素１０を収容する金属製のケース４０と、前記ケース４０を貫通し、かつ前記正極板に対して電気的に接続される正極端子６０Ｐと、前記ケース４０を貫通し、かつ前記負極板に対して電気的に接続される負極端子６０Ｎと、前記ケース４０と前記正極端子６０Ｐとの間をシールする正極側シール部材７０Ｐと、前記ケース４０と前記負極端子６０Ｎとの間をシールする負極側シール部材７０Ｎとを備え、前記正極側シール部材７０Ｐと前記負極側シール部材７０Ｎのうち、一方は前記ケース４０よりも抵抗値の大きい導電性の材料であり、他方は絶縁性の材料である。
【選択図】図１

Description

本発明は、外部ケースと電池容器との間で流れる短絡電流を抑える技術に関する。

蓄電素子の一つにリチウムイオン二次電池がある。下記特許文献１には、リチウムイオン二次電池の電池容器を正極端子と同電位にすることにより、電池容器に対するリチウムの析出を防止する技術が開示されている。

特開２００８−１８６５９１公報

しかしながら、特許文献１の構造では、電池容器と正極端子を接続する抵抗素子を追加する必要があり、部品点数が増加する。また、抵抗素子を介さずに電池容器を正極端子と同電位にすると、電池容器がそれを囲む金属製の外部ケースと短絡すると、電池容器側から外部ケース側に大きな短絡電流が流れることから、それを抑えることが課題となっていた。

本明細書によって開示される蓄電素子は、正極板と負極板とを含む発電要素を収容する金属製の電池容器と、前記電池容器を貫通し、かつ前記正極板に対して電気的に接続される正極端子と、前記電池容器を貫通し、かつ前記負極板に対して電気的に接続される負極端子と、前記電池容器と前記正極端子との間をシールする正極側シール部材と、前記電池容器と前記負極端子との間をシールする負極側シール部材とを備え、前記正極側シール部材と前記負極側シール部材のうち、一方は前記電池容器よりも抵抗値の大きい導電性の材料であり、他方は絶縁性の材料である。

この蓄電素子では、前記正極側シール部材と前記負極側シール部材料は、双方とも弾性材料である。

この蓄電素子では、前記正極側シール部材と前記負極側シール部材は、材料の色が異なる。

この蓄電素子では、前記正極側シール部材は前記電池容器よりも抵抗値の大きい導電性の材料であり、前記負極側シール部材は絶縁性の材料である。

この蓄電素子では、前記導電性の材料は導電性のゴムであり、前記絶縁性の材料は絶縁性のゴムである。

本明細書により開示される発明によれば、電池容器に対するリチウム等の活物質の析出を抑制できる。更に、電池容器がそれを囲む金属製の外部ケースと短絡した時に、電池容器側から外部ケース側に流れる短絡電流を抑えることが可能となる。

一実施形態における二次電池の斜視図 二次電池の分解斜視図 発電要素の側面図 蓋体、正極端子、正極側シール部材、正極集電体の分解斜視図 図１のＡ−Ａ線断面図 二次電池を外部ケースに収容した状態を示す平面図 他の実施形態における二次電池の端子回りのシール構造を示す模式図

（本実施形態の概要）
初めに、本実施形態の蓄電素子の概要について説明する。本蓄電素子では、電池容器に対して正極端子又は負極端子のいずれか一方を電気的に接続していることから、電池容器の電位が正極端子又は負極端子と概ね同電位となる。そのため、活物質が電池容器に析出することを抑制できる。しかも、電池容器と端子の電気的な接続にシール部材を使用している。そのため、部品の交換（シール部材の交換）だけで、電池容器の電位を端子と概ね同電位にすることが可能であり、部品増にならない。加えて、電池容器と端子とを接続するシール部材は、電池容器よりも抵抗値が大きい。そのため、電池容器が、それを囲む金属製の外部ケース等と短絡しても、電池容器を介して外部ケースに流れる短絡電流を抑えることが可能となる。

本蓄電素子では、シール部材を弾性材料としているので、シール性が高く、電解液の漏れを確実に防ぐことができる。また、正極端子や負極端子に加わる衝撃や振動を緩和できる。加えて、両極のシール部材を、双方とも弾性材料にしている。そのため、両極端子の応力に対する反応が等しくなるので、蓄電素子としての信頼性が向上する。

本蓄電素子では、両極のシール部材は、材料の色が異なる。そのため、製造作業者やユーザが、色の違いにより正極と負極を簡単に識別できる。

本蓄電素子では、電池容器と正極端子を電気的に接続していることから、電池容器の電位が正極端子と概ね同電位となる。そのため、リチウム等の正極活物質が電池容器に析出することを抑制できる。

本蓄電素子では、導電性の材料は導電性のゴムであり、絶縁性の材料は絶縁性のゴムである。ゴムであれば、安価であり、コストメリットがある。

＜実施形態＞
１．二次電池の構成
二次電池１は、繰り返し充放電可能なリチウムイオン電池である。二次電池１は例えば電気自動車やハイブリット自動車に搭載され、電気エネルギーで作動する動力源に電力を供給する。尚、二次電池１が「蓄電素子」の一例である。

二次電池１は、図１、図２に示すように発電要素１０、絶縁フィルム３５、ケース４０、正極端子６０Ｐ、負極端子６０Ｎ、正極集電体９０Ｐ、負極集電体９０Ｎを備え、更に正極側シール部材７０Ｐ、負極側シール部材７０Ｎを備える（図４、図５参照）。尚、以下の説明において、ケース４０の横幅方向をＸ方向とし、ケース４０の奥行方向をＹ方向、上下方向をＺ方向とする。また、ケースが「電池容器」の一例である。

発電要素１０は、正極板１２Ｐと負極板１２Ｎとセパレータ１５とを含む。正極板１２Ｐは、帯状をなすアルミニウム箔の表面に正極活物質層が形成されたものであり、負極板１２Ｎは、帯状をなす銅箔の表面に負極活物質層が形成されたものである。発電要素１０は、これら正極板１２Ｐと負極板１２Ｎとの間にセパレータ１５を挟んだ状態で扁平型に巻回した構成である（図３参照）。また、正極板１２ＰのＸ方向の一方側の縁部（本例では図２中の右縁部）には、正極活物質層が形成されずにアルミニウム箔が露出した正極集電箔１３Ｐが形成され、負極板１２ＮのＸ方向の他方側の縁部（本例では図２中の左縁部）には、負極活物質層が形成されずに銅箔が露出した負極集電箔１３Ｎが形成されている。

図１、図２に示すように、ケース４０は、ケース本体４１と蓋体５０とを備える。ケース本体４１は上面が開口する箱型をなし、金属製である。尚、ケース本体４１の材料としてはアルミニウムやステンレスが適用できるが、アルミニウムを用いることが好ましい。理由は、ケース本体４１を正極端子６０Ｐと同電位にした時に腐食し難いからである。絶縁フィルム３５は、発電要素１０とケース本体４１との間を絶縁するものであり、発電要素１０を包囲可能な箱型をなす。ケース本体４１には、絶縁フィルム３５と共に発電要素１０が収容され、更に電解液が充填される。

蓋体５０は、導電性材料により形成され、金属製である。尚、蓋体５０の材料としてはアルミニウムやステンレスが適用できるが、アルミニウムを用いることが好ましい。理由は、蓋体５０を正極端子６０Ｐと同電位にした時に腐食し難いからである。蓋体５０は、全体として略長方形状をなし、ケース４１の開口部４１Ａと略同一の形状をなす。蓋体５０は、ケース本体４１に対して、開口部４１Ａを塞ぐように接合されており、ケース本体４１を密閉する構造となっている。

正極端子６０Ｐと負極端子６０Ｎは、電気機器や他の二次電池との電気的な接続を図る端子であり、二次電池１は、蓋体５０のＸ方向一端側（本例では右側）に正極端子６０Ｐを配置し、Ｘ方向他端側（本例では左側）に負極端子６０Ｎを配置している。

正極端子６０Ｐは、図４に示すように、金属製のプレート６１と、金属製のボルト６５と、金属製のリベット（結合部材）６７とを含む。プレート６１はＸ方向に長い平板であり、ボルト６５の螺子部を貫通させる第１貫通孔６２と、リベット６７を貫通させる第２貫通孔６３が形成されている。

ボルト６５は、電気機器に接続されたハーネスに設けられた端子（図略）や二次電池同士を電気的接続するバスバー（図６中の符号１４０）の取り付け用であり、プレート６１の第１貫通孔６２を上向きに貫通し、プレート６１の上面側に突出している。

リベット６７は、プレート６１の第２貫通孔６３を下向きに貫通しつつ、更にアウタシール部材７１の貫通孔７６、蓋体５０の貫通孔５２、インナシール部材８１Ｐの貫通孔８２、正極集電体９０Ｐの本体部９１の貫通孔９２を順に貫通している。そして、正極集電体９０Ｐの本体部９１から下向きに突出するリベット６７の先端部を加締めつけることにより、蓋体５０の上面側に、ボルト６５を装着したプレート６１が固定され、蓋体５０の下面側に正極集電体９０Ｐが固定される構造になっている。

正極集電体９０Ｐは、正極端子６０Ｐと正極板１２Ｐとを電気的に接続するものである。正極集電体９０Ｐは、例えばアルミニウム合金板からなり、図４に示すように、本体部９１と正極脚部９５を有する。

本体部９１は、概ね台形をした平板であり、蓋体５０の下面側に配置される。本体部９１には、貫通孔９２が形成されており、正極端子６０Ｐのリベット６７が上下に貫通する構造となっている。

正極脚部９５は、本体部９１の端縁から、ケース内方にあたる下方向に延びている。正極脚部９５は、アルミニウム合金からなる正極側のクリップ３０Ｐにより、正極集電箔１３Ｐを挟み込んだ状態で超音波溶接される。これにより、正極集電体９０Ｐが正極板１２Ｐに対して電気的に接続される構造となっている。尚、正極集電体９０Ｐは大きな電流容量が得られるように十分な厚さを有する。

正極側シール部材７０Ｐは、蓋体５０に形成された貫通孔５２の回りをシールすることにより、内部の電解液が、ケース４０の外に漏れないようにするものであり、アウタシール部材７１Ｐと、インナシール部材８１Ｐとを含む。

アウタシール部材７１Ｐは弾性材料、具体的にはゴム製であり、図５に示すようにプレート６１よりも一回り大きな形状である。アウタシール部材７１Ｐは、蓋体５０とプレート６１との間に挿入されている。アウタシール部材７１Ｐの外周にはフランジ７２が全周に亘って形成されていて、プレート６１の周囲を取り囲む構成となっている。

また、アウタシール部材７１には、ボルト６５の頭部を収容する収容部７４と、リベット６７が貫通する貫通孔７６が形成されている。貫通孔７６の孔縁には、円形フランジ７８が形成されている。円形フランジ７８は、蓋体５０に形成された貫通孔５２に嵌合している。リベット６７は、円形フランジ７８の内側を貫通していて、蓋体５０の貫通孔５２とは非接触となっている。

アウタシール部材７１Ｐは、プレート６１の下面と蓋体５０の上面との間に隙間なく密着して両間をシールすると共に、蓋体５０の貫通孔５２とリベット６７との間に隙間なく密着して、両間をシールする。

また、アウタシール部材７１Ｐは、導電性のゴム製（天然ゴムや合成ゴム等のゴム原料に導電性カーボンブラックや 金属粉末を配合したもの）である。アウタシール部材７１Ｐを導電性の材料にすることで、ケース４０と正極端子６０Ｐが電気的に接続されることから、後述するようにケース４０を正極端子６０Ｐと概ね同電位に出来る。また、アウタシール部材７１Ｐの抵抗値はケース４０側の抵抗値よりも大きいことが好ましく、本例では、ケース４０の抵抗値が「０．１」Ω以下であるのに対して、アウタシール部材７１Ｐの抵抗値を「０．１」Ωより大きな値、具体的には５００Ω程度としている。このようにアウタシール部材７１Ｐの抵抗値を、ケース４０側より高くする理由は、後述するように短絡電流を抑制することが出来るからである。尚、アウタシール部材７１Ｐの抵抗値の数値例としては、「１００」Ω〜「１００００」Ω程度が好ましく、更には「１００」Ω〜「１０００」Ωがより好ましい。

インナシール部材８１Ｐは絶縁性の弾性材料、具体的には絶縁性のゴム製であり、正極集電体９０Ｐの本体部９１と同じ形状とされる。インナシール部材８１Ｐは図５に示すように、蓋体５０と正極集電体９０Ｐの本体部９１との間に挿入されている。インナシール部材８１Ｐは、蓋体５０の下面と正極集電体９０Ｐの上面との間に隙間なく密着して両間をシールする。また、インナシール部材８１Ｐは、リベット６７の外周に隙間なく嵌着し、リベット６７の回りをシールする。

負極端子６０Ｎは、正極端子６０Ｐと同様、金属製のプレート６１と、金属製のボルト６５と、金属製のリベット６７とを含む。ボルト６５は、電気機器に接続されたハーネスに設けられた端子（図略）や二次電池同士を電気的接続するバスバーの取り付け用であり、プレート６１を上向き貫通し、蓋体５０の上面側に突出している。リベット６７は、プレート６１を下向きに貫通しており、正極端子側のリベット６７と同様、ボルト６５を装着したプレート６１を蓋体５０の上面側に固定し、負極集電体９０Ｎを蓋体５０の下面側に固定する機能を果たす。

負極集電体９０Ｎは、負極端子６０Ｎと負極板１２Ｎとを電気的に接続するものである。負極集電体９０Ｎは、例えば銅合金板からなり、正極集電体９０Ｐと同様、本体部９１と負極脚部９５を有する。本体部９１は概ね台形をした平板であり、蓋体５０の下面側に配置される。負極脚部９５は、銅合金からなる負極側のクリップ３０Ｎにより、負極集電箔１３Ｎを挟み込んだ状態で超音波溶接される。これにより、負極端子６０Ｎが負極板１２Ｎに対して電気的に接続される構造となっている。

負極側シール部材７０Ｎは、正極側シール部材７０Ｐと同様、蓋体５０に形成された貫通孔５２の回りをシールすることにより、内部の電解液が、ケース４０の外側に漏れないようにするものであり、アウタシール部材７１Ｎと、インナシール部材８１Ｎとを含む。

アウタシール部材７１Ｎは、絶縁性の弾性材料、具体的には絶縁性のゴム製であり、プレート６１よりも一回り大きな形状とされる。アウタシール部材７１Ｎは、正極側のアウタシール部材７１Ｐと同様、蓋体５０とプレート６１との間に挿入されている。アウタシール部材７１Ｎは、正極側のアウタシール部材７１Ｐと同じ構造であり、プレート６１の下面と蓋体５０の上面との間に隙間なく密着して両間をシールすると共に、蓋体５０の貫通孔５２とリベット６７との間に隙間なく密着して、両間をシールする。

また、正極側と負極側のアウタシール部材７１Ｐ、７１Ｎは、色が異なる設定にしてある。具体的には、正極側のアウタシール部材７１Ｐが「赤色」であるのに対して、負極側のアウタシール部材７１Ｎは「黒色」である。このように、両アウタシール部材７１Ｐ、７１Ｎの色を変えておくことで、色の違いから、製造作業者やユーザが、正極と負極を簡単に識別できる。

インナシール部材８１Ｎは、絶縁性の弾性材料、具体的には絶縁性のゴム製であり、負極集電体９０Ｎの本体部９１と同じ形状とされる。インナシール部材８１Ｎは、正極側のインナシール部材７１Ｐと同様、蓋体５０と負極集電体９０Ｎの本体部９１との間に挿入されており、蓋体５０の下面と負極集電体９０Ｎの本体部上面との間に隙間なく密着して両間をシールする機能を果たす。また、インナシール部材８１Ｎは、リベット６７の外周に隙間なく嵌着し、リベット６７の回りをシールする。

そして、二次電池１では、上記したように、アウタシール部材７１Ｐを導電性とし、インナシール部材７１Ｎを絶縁性としていることから、ケース４０に対して正極端子６０Ｐだけが電気的に接続され、負極端子６０Ｎは絶縁される。従って、ケース４０の電位を、正極端子６０Ｐと概ね同電位にすることが出来る。

２．効果説明
二次電池１は、ケース４０の電位を正極端子６０Ｐと同電位にしていることから、陽イオンであるリチウムイオンがケース４０側に引き寄せられない。そのため、ケース４０に対するリチウムの析出を抑制することができる。

しかも、ケース４０と正極端子６０Ｐの電気的な接続に、シール用として使用されるアウタシール部材７１Ｐを使用している。従って、部品の交換（アウタシール部材７１Ｐの交換）だけで、ケース４０の電位を正極端子６０Ｐと概ね同電位にすることが可能であり、部品増にならない。

また、ケース４０を正極端子６０Ｐと同電位にする方法としては、正極端子６０Ｐをケース４０に対してダイレクトに接触させる方法もある。しかし、正極端子６０Ｐをケース４０に対してダイレクトに接触させると、図６にて示すＢ部のように、ケース４０がそれを囲む金属製の外部ケース１３０と短絡すると、二次電池１からケース４０を通じて外部ケース１３０側に大きな短絡電流が流れる恐れがある。

この点、本二次電池１では、アウタシール部材７１Ｐの抵抗値は、ケース４０よりも抵抗が大きい。そのため、ケース４０がそれを囲む金属製の外部ケース１３０等と短絡しても、アウタシール部材７１Ｐの抵抗で、短絡電流を抑えることが可能となる。

また、アウタシール部材７１Ｐ、７１Ｎを弾性材料としているので、シール性が高く、電解液の漏れを確実に防ぐことができる。また、正極端子６０Ｐや負極端子６０Ｎに加わる振動や衝撃を緩和できる。加えて、両極のアウタシール部材７１Ｐ、７１Ｎを、双方とも弾性材料にしている。そのため、両極端子６０Ｐ、６０Ｎの応力に対する反応が等しくなるので、二次電池１としての信頼性が向上する。また、本例では、アウタシール部材７１Ｐ、７１Ｎをゴム製としている。ゴムであれば、他の材料に比べて、安価であるというメリットがある。
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

（１）上記実施形態では、蓄電素子の一例としてリチウムイオン二次電池を例示したが、これに限らず、リチウムイオン二次電池以外の二次電池や、電気化学現象を伴うキャパシタ等であってもよい。

（２）上記実施形態では、正極側のアウタシール部材７１Ｐを導電性とし、負極側のアウタシール部材７１Ｎを絶縁性としたが、正極側のインナシール部材８１Ｐを導電性とし、負極側のインナシール部材８１Ｎを絶縁性としてもよい。また、正極側のインナシール部材８１Ｐを導電性とし、負極側のインナシール部材８１Ｎを絶縁性とする場合も、両極間でシール部材８１Ｐ、８１Ｎの色を変えることが好ましい。そのようにすることで、色の違いから、製造作業者が正極と負極を簡単に識別できる。

（３）上記実施形態では、シール部材７０を、アウタシール部材７１と、インナシール部材８１とから構成した例を示したが、シール部材７０は必ずしもアウタとインナに分割されている必要はない。正極側のシール部材２５０Ｐが「導電性」で、負極側のシール部材２５０Ｎが「絶縁性」であれば、図７に示す二次電池２００のように、各極のシール部材２５０Ｐ、２５０Ｎは、単体の構成であってもよい。

（４）上記実施形態では、アウタシール部材７１やインナシール部材８１をゴム製としたが、これらシール部材の材料は、熱可塑性エラストマー等、ゴム以外の弾性材料であってもよい。また、弾性材料以外であっても、ケース４０と端子６０との間をシールする機能を果たすことが可能であればよく、例えば、合成樹脂からなる薄板状のガスケットとしてもよい。ただし、材料としては、導電性と絶縁性を選択できる材料（例えば、合成樹脂）であることが必要である。

（５）上記実施形態では、アウタシール部材７１Ｐの全体を、導電性の材料とする例を示したが、ケース４０と正極端子６０Ｐとを電気的に接続出来ればよく、例えば、シール機能を有する絶縁性基材の一部に、導電部材を形成して両間を電気的に接続する構成であってもよい。

（６）上記実施形態では、ケース４０は、表面全体が金属面であった。ケース４０の表面が、絶縁材で一部覆われている場合でも、金属面が露出していれば、外部ケース１３０との間で短絡する可能性があるため、ケース４０の表面が絶縁材で一部が覆われている場合においても、本技術は有効である。

（７）上記実施形態では、アウタシール部材７１Ｐを導電性とし、インナシール部材７１Ｎを絶縁性とすることにより、ケース４０の電位を、正極端子６０Ｐと概ね同電位にした例を説明したが、これ以外にも、例えば、正極端子６０Ｐが「０」V、負極端子６０Ｎが「−４」Ｖの場合など、正極端子６０Ｐが電位の基準である場合は、アウタシール部材７１Ｐを絶縁性とし、インナシール部材７１Ｎを導電性とすることにより、ケース４０の電位を、負極端子６０Ｎと概ね同電位にしてもよい。上記のように、ケース４０を負極端子６０Ｎと同電位にした場合は、ケース４０と外部ケース１３０と間の短絡により、外部ケース１３０側からケース４０を通じて二次電池１に短絡電流が流れることになるが、インナシール部材７１Ｎの抵抗分により、その短絡電流を抑えることが出来る。尚、ケース４０を負極端子６０Ｎと同電位とした場合は、次の効果が得られる。ケース４０の表面に電解液中の陰イオンが分布すると、発電要素１０内の電解液中の陰イオンがケース４０の表面に偏在し、充放電反応が起こり難くなる可能性がある。したがって、ケース４０を負極端子６０Ｎと同電位にすることで、ケース４０の表面に陰イオンが分布しないようにすると、高レートで充放電した時に問題となる一過性劣化が起こり難くすることが出来、一時的な容量劣化を防ぐことができる。また、陰イオンがケース４０に引き寄せられるのを防止することになるので、ケース４０に対する負極活物質の析出を防止することが出来る。

１：二次電池、１０：発電要素、４０：ケース、５０：蓋体、６０Ｐ：正極端子、６０Ｎ：負極端子、７０Ｐ：正極側シール部材、７０Ｎ：負極側シール部材、７１Ｐ：アウタシール部材（正極）、７１Ｎ：アウタシール部材（負極）、９０Ｐ：正極集電体、９０Ｎ：負極集電体

Claims (5)

1. 蓄電素子であって、
   正極板と負極板とを含む発電要素を収容する金属製の電池容器と、
   前記電池容器を貫通し、かつ前記正極板に対して電気的に接続される正極端子と、
   前記電池容器を貫通し、かつ前記負極板に対して電気的に接続される負極端子と、
   前記電池容器と前記正極端子との間をシールする正極側シール部材と、
   前記電池容器と前記負極端子との間をシールする負極側シール部材とを備え、
   前記正極側シール部材と前記負極側シール部材のうち、一方は前記電池容器よりも抵抗値の大きい導電性の材料であり、他方は絶縁性の材料である蓄電素子。
2. 請求項１に記載の蓄電素子であって、
   前記正極側シール部材と前記負極側シール部材は、双方とも弾性材料である蓄電素子。
3. 請求項１又は請求項２に記載の蓄電素子であって、
   前記正極側シール部材と前記負極側シール部材は、材料の色が異なる請求項１に記載の蓄電素子。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の蓄電素子であって、
   前記正極側シール部材は前記電池容器よりも抵抗値の大きい導電性の材料であり、前記負極側シール部材は絶縁性の材料である蓄電素子。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の蓄電素子であって、
   前記導電性の材料は導電性のゴムであり、前記絶縁性の材料は絶縁性のゴムである蓄電素子。

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