JP2015095441A

JP2015095441A - 二次電池構造

Info

Publication number: JP2015095441A
Application number: JP2013236172A
Authority: JP
Inventors: 茂高城; Shigeru Takagi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2015-05-18
Anticipated expiration: 2033-11-14
Also published as: JP6075640B2

Abstract

【課題】電流遮断機構のがたつきの抑制と絶縁性能の向上とを両立できる二次電池構造を提供する。
【解決手段】リベット４１とホルダー４２と反転板５２とを備え、反転板５２を変形させることによって電流を遮断する電流遮断機構３０を具備する二次電池構造であって、リベット４１とホルダー４２とをインサート成形してインサート成形部材４０を成形し、リベット４１および反転板５２の接合部である溶接部５２ａと、インサート成形部材４０の外縁部との間に凹部４１ｃを設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、二次電池の電池ケース内の圧力が所定レベルを超えたときに電流を遮断する電流遮断機構を具備する二次電池構造に関する。

従来から、リチウムイオン電池等の二次電池には、電池ケース内の圧力が所定レベルを超えたことを検知して電流を遮断する電流遮断機構を具備するものがある。
電流遮断機構は、電池ケース内の圧力が所定レベルを超えたときに、集電板およびリベットに接合される反転板を変形させて、反転板と集電板との接続部を分離するものである。

特許文献１に開示される技術では、反転板と正極集電板との間にシール材を配置して、リベットの外側に配置される下ガスケットの凸部をかしめることで、リベット、反転板、およびシール材を固定する。
これにより、特許文献１に開示される技術では、シール材を圧縮した状態で固定して、電池ケース内部のシール性を確保している。

特許文献１に開示される技術では、下ガスケットの凸部をかしめる都合上、電流遮断機構ががたついてしまう可能性がある。
このようながたつきを抑制するための構造としては、リベットと下ガスケットとをインサート成形する構造が考えられる。この場合には、反転板と正極集電板との間にシール材を圧縮した状態で固定できない、つまり、シール材を配置できない可能性がある。
このような場合においては、下ガスケット等に電解液が付着している状態で電流を遮断したとき等に、電流を遮断した後も前記電解液を介してリベットに電流が流れてしまう可能性がある。

以上のように、従来技術においては、電流遮断機構のがたつきの抑制と絶縁性能の向上とを両立できなかった。

特開２０１３−１５７２００号公報

本発明は、以上の如き状況を鑑みてなされたものであり、電流遮断機構のがたつきの抑制と絶縁性能の向上とを両立できる二次電池構造を提供するものである。

本発明に係る二次電池構造は、二次電池の蓋体を固定するリベットと、前記リベットを覆う絶縁部材と、集電板および前記リベットに接合される反転板とを備え、前記二次電池の電池ケース内の圧力が所定レベルを超えたときに前記反転板を変形させることによって、前記反転板と前記集電板との接続部を分離して電流を遮断する電流遮断機構を具備する二次電池構造であって、前記リベットと前記絶縁部材とをインサート成形してインサート成形部材を成形し、前記リベットおよび前記反転板の接合部と、前記インサート成形部材の外縁部との間に凹部または凸部を設ける、ものである。

本発明に係る二次電池構造において、前記リベットおよび前記反転板の前記接合部は、前記リベットと前記反転板とを溶接によって接合することで形成される溶接部であり、前記二次電池構造は、前記溶接部と前記インサート成形部材の外縁部との間に凹部を設ける、ものである。

本発明は、電流遮断機構のがたつきの抑制と絶縁性能の向上とを両立できる、という効果を奏する。

二次電池を示す断面図。電流遮断機構の断面図。反転板とリベットとの溶接部を示す拡大断面図。電流が流れる距離を示す説明図。凸部が形成されるリベットを示す断面図。ホルダーの別実施形態を示す断面図。（ａ）凹部が形成されるホルダーを示す図。（ｂ）凸部が形成されるホルダーを示す図。凹部の形状の別実施形態を示す断面図。（ａ）断面視略Ｖ字状の凹部を示す図。（ｂ）断面視略半円状の凹部を示す図。

以下では、本実施形態の二次電池構造について説明する。

図１および図２に示すように、二次電池構造は、電池ケース１１内の圧力が所定レベルを超えたことを検知して電流を遮断する電流遮断機構３０を具備する二次電池１の構造に関するものである。

まず、二次電池１の構成について説明する。

なお、本実施形態において、二次電池１はリチウムイオン電池であるものとするが、これに限定されるものでない。

二次電池１は、上面が開口した有底角筒状の電池ケース１１に電極体２０を収納し、電池ケース１１を蓋体１２で封缶して電池ケース１１内に電解液を注液することで製造される。
蓋体１２は、外部端子１３（正極端子および負極端子）と電気的に接続されるＺ端子１４を支持する。蓋体１２とＺ端子１４との間には、上側絶縁部材１５が介装される。
電極体２０は、両端部に集電板１６が接合されることで集電板１６と電気的に接続される。

電流遮断機構３０は、二次電池１の正極側（図１における左側）のＺ端子１４と集電板１６との間に配置される。図２に示すような動作前の電流遮断機構３０は、Ｚ端子１４と集電板１６とを電気的に接続する。また、電流遮断機構３０が動作した際には、Ｚ端子１４と集電板１６とが電気的に分断される。
二次電池構造は、このような電流遮断機構３０を具備する二次電池１に用いられる。

次に、二次電池構造が用いられる電流遮断機構３０の構成について説明する。

図２に示すように、電流遮断機構３０は、インサート成形部材４０、ガスケット５１、および反転板５２を備える。

インサート成形部材４０は、リベット４１とホルダー４２とからなる部材である。

リベット４１は、アルミニウム等を素材として形成される。
リベット４１は、下側の内径寸法および外径寸法が、上側の内径寸法および外径寸法よりも大径に形成される略円筒形状の部材であり、上側の小径部分である小径部４１ａと、下側の大径部分である大径部４１ｂを有している。

リベット４１の小径部４１ａは、上端部が蓋体１２（より詳細には、蓋体１２に載置されるＺ端子１４および上側絶縁部材１５）より上方に突出する。

リベット４１の大径部４１ｂは、蓋体１２の下方、すなわち、電池ケース１１の内側に配置される。大径部４１ｂの下端部は、その内径寸法および外径寸法が、他の部分の内径寸法および外径寸法よりもさらに大径に形成される（図２の溶接部５２ａの内側に示す二点鎖線参照）。

二次電池構造では、このような大径部４１ｂの下端部に凹部４１ｃを形成する。凹部４１ｃは、底面視略円状の溝である。凹部４１ｃは、断面視略Ｕ字状に形成される。

リベット４１は、小径部４１ａの上端部をかしめることでＺ端子１４と上側絶縁部材１５と蓋体１２とガスケット５１とを一体的に固定する。
これにより、リベット４１は、Ｚ端子１４と電気的に接続される。

ホルダー４２は、樹脂を素材として形成される。
ホルダー４２は、上方へ円形状に窪んだような形状に形成される。ホルダー４２は、上側が下側よりも小さく開口する。
ホルダー４２の内径寸法は、リベット４１の大径部４１ｂの外径寸法と同等に形成される。リベット４１の大径部４１ｂは、ホルダー４２の内側に配置される。

つまり、本実施形態のホルダー４２は、本発明に係るリベットを覆う絶縁部材である。

二次電池構造では、リベット４１とホルダー４２とをインサート成形してインサート成形部材４０を成形する。
つまり、二次電池構造では、リベット４１を金型に挿入し、前記金型とリベット４１の間の空間に溶融状態の樹脂を注入し、リベット４１を覆うホルダー４２を成形する。

ガスケット５１は、樹脂等を素材として形成される。
ガスケット５１は、上側の外径寸法が下側の外径寸法よりも小さい断面視略Ｌ字状の略筒形状に形成され、蓋体１２とリベット４１との間に介装される。ガスケット５１の下側（大径部側）の外径寸法は、ホルダー４２の上側の開口部の内径寸法と同等に形成される。ガスケット５１の下側の外周面は、ホルダー４２の上側の開口部に接触する。

このように、ホルダー４２およびガスケット５１は、蓋体１２とリベット４１との間に介装され、蓋体１２とリベット４１とを電気的に絶縁する。

反転板５２は、アルミニウムを素材とした略円板形状に形成される。
反転板５２の略中央部は、下方向に向けて窪んでいる。図３に示すように、反転板５２の厚み（上下方向の長さ寸法）は、リベット４１の凹部４１ｃの深さ（上下方向の長さ寸法）と略同一となっている。

反転板５２をリベット４１に接続する際には、反転板５２は、リベット４１の大径部４１ｂの下端部の内側に配置される。このとき、大径部４１ｂの下端部の内周面と反転板５２の外周面との間には、所定の隙間が形成される（図３の溶接部５２ａの内側に示す二点鎖線参照）。
リベット４１の大径部４１ｂの下端部に配置された反転板５２は、外周縁部が全周にわたって隙間なく溶接されることによってリベット４１の大径部４１ｂの下端部に接合され、リベット４１と電気的に接続される（図３に黒塗りの三角で示すレーザおよび溶接部５２ａ参照）。

このように、リベット４１および反転板５２の接合部は、リベット４１と反転板５２とを溶接によって接合することで形成される溶接部５２ａである。

以下では、溶接前に形成される大径部４１ｂの下端部の内周面と反転板５２の外周面との間の隙間（反転板５２の径方向に沿った距離）を「溶接部隙間Ｃ」と表記する。

本実施形態の二次電池構造では、反転板５２とリベット４１の大径部４１ｂの下端部とをジグザグ溶接する。つまり、二次電池構造では、反転板５２の周方向に沿って波打つように溶接する。
これにより、二次電池構造は、反転板５２の位相によって溶接部隙間Ｃがばらついた場合でも、反転板５２の外周縁部を局所的に溶接できるため、溶接溶け込み深さを安定化することができる。

図２に示すように、反転板５２の中央部は、集電板１６の上面に対して、全周にわたって隙間なく溶接されることによって接合され、集電板１６と電気的に接続される（図２に示す溶接部５２ｂ参照）。
つまり、反転板５２は、溶接によって集電板１６およびリベット４１に接合される。

集電板１６の反転板５２と接合される部分は、その厚みが部分的に薄くなっている。また、集電板１６の溶接部５２ｂよりも外側には、切欠部１６ａが形成される。

このように、二次電池構造では、リベット４１とホルダー４２とをインサート成形することで、ホルダー４２を集電板１６にかしめることなく、ホルダー４２を蓋体１２に固定している。

これによれば、二次電池構造では、ホルダー４２を集電板１６にかしめて固定した場合と比較して、電流遮断機構３０のがたつきを抑制できる。

このような電流遮断機構３０を具備する二次電池１の電池ケース１１の圧力が上昇したとき、反転板５２の下側の空間と上側の空間との間には圧力差が生じる。

電流遮断機構３０は、反転板５２の下側の圧力（電池ケース１１内の圧力）が所定レベルを超えたときに、反転板５２の下側と上側との圧力差によって、反転板５２を上向きに反るように変形させる。
これにより、電流遮断機構３０は、集電板１６を切欠部１６ａで破断して、反転板５２と集電板１６との接続部を分離して電流を遮断する。

ここで、ホルダー４２等に電解液が付着している場合、電流遮断機構３０が電流を遮断した後（反転板５２を変形させた後）も、ホルダー４２等に付着した電解液を介して集電板１６からリベット４１に電流が流れてしまう可能性がある。

そこで、二次電池構造では、リベット４１の大径部４１ｂの下端部に凹部４１ｃを形成することでリベット４１の下面に起伏を設けている。

これによれば、図４に示すように、二次電池構造は、リベット４１の沿面距離を延ばすことができる。
つまり、二次電池構造は、集電板１６からホルダー４２までの上下方向に沿った距離と、インサート成形部材４０および反転板５２の下面の沿面距離とを合算した距離Ｌ、すなわち、電流が流れる距離を延ばすことができる。
従って、二次電池構造は、電流遮断機構３０が電流を遮断した後で前記電解液を介して電流を流れにくくすることができるため、電流遮断機構３０の絶縁性能を向上できる。

このように、二次電池構造は、インサート成形によって成形されるリベット４１に凹部４１ｃを形成することで、電流遮断機構３０のがたつきの抑制と絶縁性能の向上とを両立できる。

なお、二次電池構造では、リベット４１またはホルダー４２の下端部、すなわち、インサート成形部材４０の下端部の溶接部５２ａよりも外側に凹凸を設ければよい。

例えば、図５に示すように、二次電池構造では、凹部４１ｃに代えてリベット４１に凸部１４１ｃを形成しても構わない。
また、図６に示すように、二次電池構造では、ホルダー４２に凹部１４２ａまたは凸部２４２ａを形成しても構わない。

これにより、二次電池構造は、電流遮断機構３０が電流を遮断した後で前記電解液を介して流れる電流の距離（前記距離Ｌ）を延ばすことができるため、電流遮断機構３０の絶縁性能を向上できる。

このように、二次電池構造では、リベット４１および反転板５２の接合部（溶接部５２ａ）と、インサート成形部材４０の外縁部との間に凹部４１ｃ・１４２ａまたは凸部１４１ｃ・２４２ａを設ける。

なお、インサート成形部材に形成する凹部または凸部の断面形状は、本実施形態に限定されるものでない。インサート成形部材に形成する凹部または凸部の断面形状は、例えば、図７（ａ）に示す凹部２４１ｃのような略Ｖ字状、図７（ｂ）に示す凹部３４１ｃのような略半円状であっても構わない。

ここで、本実施形態のように、リベット４１とホルダー４２とでインサート成形部材４０を成形した場合において、樹脂の収縮バラツキの影響で、リベット４１が引っ張られてしまう場合がある。また、リベット４１は、インサート成形時の温度上昇によって変形してしまう場合がある。
つまり、本実施形態のようにインサート成形部材４０を成形した場合、リベット４１の形状寸法、すなわち、溶接部隙間Ｃの公差がばらついてしまう可能性がある。

そこで、図２および図３に示すように、本実施形態の二次池構造では、リベット４１の大径部４１ｂの下端部に凹部４１ｃを形成することで、大径部４１ｂの下端部に空気層を形成している。

これによれば、二次電池構造は、リベット４１とホルダー４２とをインサート成形してインサート成形部材４０を構成する際の、樹脂部材であるホルダー４２の熱収縮バラツキを低減し、かつ一定にすることができる。

これにより、二次電池構造は、溶接部隙間Ｃの公差のバラツキを低減し、かつ一定にできる。
このため、二次電池構造は、リベット４１と反転板５２との接合部が溶接部５２ａである場合でも、リベット４１と反転板５２との溶接部位における溶接深さを安定化させることができる。
つまり、二次電池構造は、溶接品質を向上できるとともに溶接不良を低減できる。

また、二次電池構造は、インサート成形部材４０の下端部に凹部４１ｃを形成することで、溶接部５２ａの熱容量を減少させることができ、溶接時における溶接部５２ａへの入熱量を低減して、溶接により発生する熱によるリベット４１の変形を抑制できる。
また、リベット４１と反転板５２との溶接により発生する熱を、凹部４１ｃから放出できるため、リベット４１の変形を抑制するとともに、溶接時の溶け込み深さを反転板５２の厚みまでに留めることができる。

以上のように、二次電池構造では、リベット４１と反転板５２との接合部が溶接部５２ａである場合に、インサート成形部材４０の下端部に凹部４１ｃを形成することで、電流遮断機構３０のがたつきの抑制と絶縁性能の向上とを両立できるだけでなく、電流遮断機構３０の動作圧を安定化させることもできるのである。

さらに、二次電池構造は、溶接時における溶接部５２ａへの入熱量を低減することで、リベット４１と反転板５２との溶接に要する設備コストを低減できる。

このように、二次電池構造は、溶接部５２ａとインサート成形部材４０の外周縁部（外縁部）との間に凹部４１ｃを設ける。

１二次電池
１１電池ケース
１２蓋体
１６集電板
３０電流遮断機構
４０インサート成形部材
４１リベット
４１ｃ凹部
４２ホルダー（絶縁部材）
５２反転板
５２ａ溶接部（接合部）
１４１ｃ凸部

Claims

二次電池の蓋体を固定するリベットと、前記リベットを覆う絶縁部材と、集電板および前記リベットに接合される反転板とを備え、前記二次電池の電池ケース内の圧力が所定レベルを超えたときに前記反転板を変形させることによって、前記反転板と前記集電板との接続部を分離して電流を遮断する電流遮断機構を具備する二次電池構造であって、
前記リベットと前記絶縁部材とをインサート成形してインサート成形部材を成形し、
前記リベットおよび前記反転板の接合部と、前記インサート成形部材の外縁部との間に凹部または凸部を設ける、
二次電池構造。
前記リベットおよび前記反転板の前記接合部は、
前記リベットと前記反転板とを溶接によって接合することで形成される溶接部であり、
前記二次電池構造は、
前記溶接部と前記インサート成形部材の外縁部との間に凹部を設ける、
請求項１に記載の二次電池構造。