JP2021086814A - 密閉型電池 - Google Patents

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強 江原
詔一 土屋
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詔一 土屋
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Masahiro Uchimura
将大 内村
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Abstract

【課題】電池ケースの内側の端子と外側の端子とを接続するための力を小さくすることができる構成を備えた密閉型電池を提案する。【解決手段】本発明に係る密閉型電池100は、ケース部材10と、電極体と、集電端子30と、外部端子40と、を備える。ケース部材10は、端子装着孔12cを有し、端子装着孔12cの内周面と周囲とを覆うように絶縁材13が一体成形されている。集電端子30は、電極体に接続されるとともに、絶縁材13のうちケース部材10の内側面12aに成形された部分13bに沿うように配置されている。外部端子40は、絶縁材13のうちケース部材10の外側面12bに成形された部分13cに沿うようにケース部材10の外部に配置されている。集電端子30および外部端子40のうちの一方は、端子装着孔12cに挿通されかつ他方にかしめられた軸部33を有している。【選択図】図2

Description

本発明は、密閉型電池に関する。
密閉型電池において、電池ケースの内部に配置され電極体に接続された内側の端子と、電池ケースの外部に配置された外側の端子とを接続する技術が種々知られている。このような接続では、内側の端子と外側の端子との固定の他に、例えば、電池ケースに対する内側の端子および外側の端子の固定、電池ケースに対する内側の端子および外側の端子の電気的絶縁、電池ケースの密閉等がさらに求められる場合がある。
例えば、特許文献1には、ケース内部から外部に延出されるリベットを有する集電端子と、集電端子のリベットをかしめることにより集電端子と接続される外部端子と、ケースと集電端子および外部端子との間をシールしかつ絶縁するシール部材とを備えた密閉型電池が開示されている。特許文献1に開示された密閉型電池では、集電端子のリベットをかしめることによりシール部材が潰され、ケースに対する集電端子および外部端子の固定、ケースに対する集電端子および外部端子の電気的絶縁、およびケースの密閉が実現される、とされる。特許文献1に記載のシール部材は、ケースの蓋の内側面に接するガスケットと、蓋に設けられた貫通孔および蓋の外側面に接する絶縁部材とから構成されている。
また、例えば特許文献2には、内側端子を外側端子に挿入(圧入)することによって内側端子と外側端子とを接続する技術が開示されている。特許文献2においても、容器の蓋と内側端子および外側端子との間をシールしかつ絶縁するガスケットが使用されている。特許文献2によれば、ガスケットは、内側ガスケットと外側ガスケットとから構成されていてもよく、内側ガスケットと外側ガスケットとが蓋に一体成形されたものであってもよい、とされている。
特開2013−105538号公報 特開2018−97978号公報
特許文献1に記載されているような集電端子を外部端子にかしめる構成では、ガスケットと絶縁部材とを確実に密着させ、集電端子および外部端子とケースとの間の電気的絶縁を確保するため、集電端子と外部端子とを固定するのに必要な力よりも大きい力でかしめが行われる場合が多いものと考えられる。
また特許文献2に記載の構成によれば、内側ガスケットと外側ガスケットとが蓋に一体成形される場合には、内側端子と外側端子との間に大きな力を加えなくとも内側端子および外側端子と蓋との間の電気的絶縁は確保されるものと考えられる。しかし、上記圧入工程では、内側端子を外側端子に圧入するために、内側端子を一部変形させるほどの力を内側端子と外側端子との間に加える必要がある。
そこで、ここでは、電池ケースの内側の端子と外側の端子とを接続するための力を小さくすることができる構成を備えた密閉型電池を提案する。
ここで提案される密閉型電池は、ケース部材と、電極体と、集電端子と、外部端子と、を備えている。ケース部材は、内側面と外側面とを貫通する端子装着孔を有し、端子装着孔の内周面と端子装着孔の周囲の内側面および外側面とを覆うように絶縁材が一体成形されている。電極体は、ケース部材に収容されている。集電端子は、電極体に接続されるとともに、絶縁材のうち内側面に成形された部分に沿うように配置されている。外部端子は、絶縁材のうち外側面に成形された部分に沿うようにケース部材の外部に配置されている。集電端子および外部端子のうちの一方は、端子装着孔に挿通されかつ他方にかしめられた軸部を有している。
上記密閉型電池によれば、絶縁材が端子装着孔の内周面および周辺部を覆うように一体成形されているため、端子装着孔の内周面および周辺部には絶縁材の境界ができない。そのため、集電端子と外部端子とを接続可能な力で軸部をかしめるだけで集電端子および外部端子とケース部材との間の絶縁性を確保することができる。従って、上記密閉型電池の構成によれば、ケース部材の内側の端子である集電端子と外側の端子である外部端子とを接続するための力を小さくすることができる。
図1は、密閉型電池の部分断面図である。 図2は、右側の電極付近を示す断面図である。 図3は、蓋アッセンブリ製作のフローチャートの一例である。 図4は、他の絶縁材の構成の一例を示す斜視図である。
以下、密閉型電池の一実施形態を説明する。なお、ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。また、各図は、模式図であり、必ずしも実際の実施品が忠実に反映されたものではない。以下では、同じ作用を奏する部材、部位には同じ符号を付し、重複する説明は適宜省略または簡略化する。ここでは、図中において、前、後、上、下、左、右は、それぞれF、Rr、U、D、L、Rで表す。ただし、前、後、上、下、左、右は説明の便宜上の方向に過ぎず、密閉型電池の設置態様等を限定するものではない。
図1は、密閉型電池100の部分断面図である。図2は、右側の電極(ここでは負極)付近を示す断面図である。図1および図2に示すように、密閉型電池100は、電池ケース10と、電極体20と、集電端子30と、外部端子40と、ボルト端子50とを備えている。なお、本実施形態では、右側の電極(負極)と左側の電極(ここでは正極)とは同様の構成を備えている。そこで、以下の電極に関する説明では、右側の電極について主に説明し、左側の電極の説明は簡略化する。
電池ケース10は、ケース本体11と蓋体12とを備えている。ケース本体11および蓋体12は、電池ケース10を構成するケース部材の一例である。ケース本体11は、電極体20と電解液とを収容している。ケース本体11は、略直方体の扁平な角型の容器である。ケース本体11は、対向する幅広面を構成する一対の側面の間の一側面が開口している。ケース本体11は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金によって形成されている。図1は、略直方体のケース本体11の片側の幅広面に沿って、ケース本体11の内部を露出させた状態を示す図である。
蓋体12は、ケース本体11の開口部11aの周縁に溶接されている。蓋体12も、例えば、アルミニウムまたはアルミ合金によって形成されている。蓋体12は、ケース本体11の開口部11aに装着されるプレート状の部材である。図2に示すように、蓋体12は、密閉型電池100の内部側を向いた内側面12aと外部側を向いた外側面12bとを有している。蓋体12は、また、内側面12aと外側面12bとを貫通する端子装着孔12cを有している。端子装着孔12cは、蓋体12の正極側と負極側に1個ずつ設けられている。端子装着孔12cによって電池ケース10の内部と外部とは連通している。
蓋体12には、端子装着孔12cの内周面と、端子装着孔12cの周囲の内側面12aおよび外側面12bとを覆うように絶縁材13が一体成形されている。図2に示すように、絶縁材13は、端子装着孔12cの内周面を覆うように成形された筒部13aと、筒部13aの下端に連続し蓋体12の内側面12aに沿って広がる第1鍔部13bと、筒部13aの上端に連続し蓋体12の外側面12bに沿って広がる第2鍔部13cとを備えている。筒部13aは、絶縁材13のうち端子装着孔12cの内周面に成形された部分である。第1鍔部13bは、絶縁材13のうち蓋体12の内側面12aに成形された部分である。第2鍔部13cは、絶縁材13のうち蓋体12の外側面12bに成形された部分である。筒部13aは、第1鍔部13bと第2鍔部13cとを貫通するように形成された貫通孔13a1を有している。貫通孔13a1は、集電端子30の軸部33が挿通可能な内径を有している。
絶縁材13は、例えば、PFA樹脂により形成されている。ただし、絶縁材13は、絶縁性、シール性、および電解液に対する耐性を備えた材料であればよく、PFA樹脂には限定されない。他の好適な絶縁材13の材料としては、例えば、PPS樹脂が挙げられる。なお、絶縁材13の成形時の温度と密閉型電池100の使用時の温度との差を考慮し、蓋体12の線膨張率と絶縁材13の線膨張率とは近い方が好ましい。そこで、好適には、絶縁材13には、PFA樹脂等の他に、線膨張率を調整するためのフィラーが添加されてもよい。
第1鍔部13bおよび第2鍔部13cは、いずれも端子装着孔12cの径方向の大きさが端子装着孔12cよりも大きく形成されている。そのため、特に絶縁材13を蓋体12に保持するような構成を設けなくとも絶縁材13は蓋体12に保持される。
第1鍔部13bの下面には、受け部13b1が設けられている。受け部13b1は、集電端子30の基部31の形状に応じた窪みを有しており、集電端子30の基部31は、受け部13b1によって位置決めされる。
第2鍔部13cの上面には、第1凹部13c1と、第2凹部13c2とが設けられている。第1凹部13c1は、外部端子40が装着される凹部である。第2凹部13c2は、ボルト端子50の台座部52が装着される凹部である。貫通孔13a1の上端は、第1凹部13c1に開口している。
電極体20は、ケース本体11に収容されている。電極体20は、例えば、絶縁フィルム(図示は省略)などで覆われた状態で、ケース本体11に収容されている。電極体20は、正極シート21と、負極シート22と、第1セパレータシート23と、第2セパレータシート24とを備えている。正極シート21、負極シート22、第1セパレータシート23、および第2セパレータシート24は、それぞれ長尺の帯状の部材である。第1セパレータシート23、正極シート21、第2セパレータシート24、負極シート22はこの順に重ねられ、ケース本体11内で捲回されている。
正極シート21は、予め定められた幅および厚さの金属箔(例えば、アルミニウム箔、以下では正極集電箔21aと称する)の両面に、正極活物質を含む正極活物質層21bが形成された部材である。ただし、正極集電箔21aの片側の端部には、正極活物質層21bが形成されていない未形成部21cが一定の長さ設定されている。正極活物質は、例えば、リチウムイオン二次電池では、リチウム遷移金属複合材料のように、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸収しうる材料である。正極活物質は、一般的にリチウム遷移金属複合材料以外にも種々提案されており、特に限定されない。
負極シート22は、予め定められた幅および厚さの金属箔(例えば、銅箔、以下では負極集電箔22aと称する)の両面に、負極活物質を含む負極活物質層22bが形成された部材である。ただし、負極集電箔22aの片側の端部には、負極活物質層22bが形成されていない未形成部22cが一定の長さ設定されている。負極活物質は、例えば、リチウムイオン二次電池では、天然黒鉛のように、充電時にリチウムイオンを吸蔵し、充電時に吸蔵したリチウムイオンを放電時に放出しうる材料である。負極活物質は、一般的に天然黒鉛以外にも種々提案されており、特に限定されない。
第1セパレータシート23および第2セパレータシート24には、例えば、所要の耐熱性を有し、電解質が通過しうる多孔質の樹脂シートが用いられる。セパレータシート23、24についても種々提案されており、特に限定されない。
ケース本体11内で捲回された正極シート21は、未形成部21cがケース本体11内の左端付近にくるように配置される。負極シート22は、未形成部22cがケース本体11内の右端付近にくるように配置される。正極シート21の未形成部21cおよび負極シート22の未形成部22cには、それぞれ1つの集電端子30が溶接されている。
なお、本実施形態では、電極体20は1つの捲回電極体から構成されているが、電極体は複数の捲回電極体から構成されていてもよい。また、電極体は、例えば積層型電極体であってもよい。電極体の構成は特に限定されない。
集電端子30は、電極体20に接続されるとともに、絶縁材13の第1鍔部13bに沿うように配置されている。図1および図2に示すように、集電端子30は、基部31と、取付片32と、軸部33とを備えている。集電端子30の基部31は、板状に形成され、水平方向に延びている。基部31は、絶縁材13の第1鍔部13bを介して蓋体12の内側面12aに取り付けられている。基部31からは取付片32が下方に延びている。取付片32は、板状に形成され、鉛直方向に延びている。左右の集電端子30の取付片32には、それぞれ正負の未形成部21cおよび22cが溶接されている。基部31の上方には、軸部33が延びている。軸部33は、蓋体12の端子装着孔12c(より詳しくは、端子装着孔12cのさらに周方向内部側に形成された絶縁材13の貫通孔13a1)に挿通され、かつ、外部端子40にかしめられている。軸部33は、電池ケース10の外側で外部端子40に接続されている。
外部端子40は、図2に示されているように、中間部に段差40aが設けられたプレート状の部材である。外部端子40の段差40aよりも右側部分は、絶縁材13の第1凹部13c1に装着されている。外部端子40の右側部分には、集電端子30の軸部33が挿通される第1貫通孔41が形成されている。外部端子40の段差40aよりも左側部分には、ボルト端子50が挿通される第2貫通孔42が形成されている。
ボルト端子50は、密閉型電池100の電力を外部に取り出すための端子である。複数の密閉型電池100を連結して組電池が構成される場合には、このボルト端子50同士がバスバー(図示省略)によって接続される。ボルト端子50は、図2に示すように、ボルト部51と台座部52とを備えている。ボルト部51の外周部には、ネジが加工されている。ボルト部51は、外部端子40の第2貫通孔42に挿通されている。台座部52は、ボルト部51の下方に位置している。台座部52は、ボルト部51よりも径方向の大きさが大きく構成されている。台座部52は、外部端子40の下面に接している。
図2に示すように、集電端子30の軸部33の先端は、外部端子40の外側において第1貫通孔41の周囲にかしめられたかしめ部33aを構成している。かしめ部33aにより、集電端子30と外部端子40とが接続される。その結果、ボルト端子50は、外部端子40と絶縁材13の第2鍔部13cとに挟まれて固定される。また、かしめ部33aがかしめられることにより、絶縁材13の第1鍔部13bが集電端子30の基部31によって蓋体12の内側面12aに向かって押圧される。これにより、端子装着孔12cがシールされる。
さらに、集電端子30と外部端子40との境界部の一部または全部は、集電端子30と外部端子40との固定および電気的接続をより安定させるために、例えばレーザー溶接により溶接されている。
負極側の集電端子30、外部端子40、およびボルト端子50は、例えば、銅または銅合金で形成されている。正極側の集電端子30、外部端子40、およびボルト端子50は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成されている。
なお、本実施形態では、集電端子30は、端子装着孔12cに挿通されかつ外部端子40にかしめられた軸部33を有している。しかし、軸部は外部端子に設けられ、集電端子にかしめられてもよい。軸部は、集電端子および外部端子のうちの一方に設けられ、端子装着孔に挿通され、かつ他方にかしめられればよい。
密閉型電池100の製作工程において、蓋体12には、集電端子30と、外部端子40と、ボルト端子50とが取り付けられる。さらに、蓋体12に取り付けられた集電端子30に電極体20が取り付けられる。以下、上記蓋体12に、集電端子30と、外部端子40と、ボルト端子50と、電極体20とが取り付けられたものを蓋アッセンブリと呼ぶ。蓋アッセンブリは、電極体20がケース本体11に収容されるようにケース本体11の開口部11aに装着され、その後、ケース本体11と溶接される。以下では、上記プロセスのうち蓋アッセンブリの製作プロセスについて詳しく説明する。
図3は、蓋アッセンブリ製作のフローチャートの一例である。図3に示すように、本実施形態に係る蓋アッセンブリの製作プロセスは、一体成形工程S10と、組付工程S20と、かしめ工程S30と、かしめ部33aの溶接工程S40と、電極体20の溶接工程S50とを含んでいる。
図3に示すように、一体成形工程S10は、部品セット工程S11と、上型セット工程S12と、射出成形工程S13と、上型リリース工程S14と、部品取出工程S15とを含んでいる。一体成形工程S10における一体成形は、部品と樹脂とが一体となった成形品を製造する、いわゆるインサート成形である。部品セット工程S11では、成形用金型の下型に蓋体12が装着される。下型は、蓋体12を支持しかつ位置決めする位置決め部と、樹脂が流れ込む凹部とを備えている。部品セット工程S11の完了時、下型の凹部は、蓋体12の端子装着孔12cの下方に位置する。
上型セット工程S12では、下型とともに蓋体12を上下方向に挟むように上型が上方から降下する。下型は、下型と当接するシール部と、樹脂が流れ込む凹部と、凹部に接続されたゲート部とを備えている。ゲート部は、溶融樹脂の金型への入口である。ゲート部は、射出成形機の樹脂射出口に接続されている。上型の凹部は、蓋体12を挟んで下型の凹部と向かい合っている。貫通孔13a1を形成するための柱状部は、上型、下型のいずれに設けられていてもよい。
射出成形工程S13では、まず下型および上型が加熱される。加熱温度は樹脂の種類によって異なるが100度から200度程度である。下型および上型の加熱が完了すると、ゲート部から溶融樹脂が注入される。溶融樹脂は上型の凹部に充填され、さらに端子装着孔12cを通って下型の凹部に充填される。貫通孔13a1を形成するための柱状部には樹脂が充填されず、貫通孔13a1が形成される。その後、金型と成形品とが冷却される。これにより絶縁材13が蓋体12に一体成形される。
上型リリース工程S14では、上型が上昇し下型から離間する。部品取出工程S15では、成形品が下型から取り外される。なお、部品取出工程S15の後に、樹脂のゲート部や成形バリを除去する工程があってもよい。
組付工程S20では、絶縁材13が一体成形された状態の蓋体12に集電端子30、外部端子40、およびボルト端子50が組付けられる。蓋体12と集電端子30との間、および蓋体12と外部端子40との間にはそれぞれ絶縁材13の第1鍔部13bおよび第2鍔部13cが存在しているため、蓋体12と集電端子30および外部端子40との間は電気的に絶縁されている。
かしめ工程S30では、集電端子30の軸部33の先端が外部端子40にかしめられる。これにより、蓋体12に対して集電端子30、外部端子40、およびボルト端子50が固定される。また、端子装着孔12cがシールされる。
かしめ部33aの溶接工程S40では、集電端子30と外部端子40との境界部の一部が、例えばレーザー溶接により溶接される。電極体20の溶接工程S50では、集電端子30の正負の取付片32にそれぞれ電極体20の正極シート21の未形成部21cおよび負極シート22の未形成部22cが溶接される。これにより蓋アッセンブリが完成する。
上記のように、本実施形態に係る密閉型電池100の蓋体12には、端子装着孔12cの内周面と端子装着孔12cの周囲の内側面12aおよび外側面12bとを覆うように絶縁材13が一体成形されている。従来の典型的な技術では、絶縁材は2つ以上の部品から構成され、集電端子と外部端子とを接続する力で蓋体に固定されていた。そこで、本実施形態に係る密閉型電池100によれば、従来の典型的な技術に比べて絶縁材に係る部品点数を削減することができる。さらに、本実施形態では、絶縁材13は蓋体12に一体成形されるため、絶縁材の複数の部品を蓋体に組み付ける作業を削減できる。
また、本実施形態では、集電端子30は、端子装着孔12cに挿通され、かつ外部端子40にかしめられた軸部33を有している。軸部33のかしめられた先端部は、かしめ部33aを構成している。従来の技術では、かしめ方向に組み合わされる複数の部品によって絶縁材が構成されていたため、複数の部品同士を確実に密着させて電池ケースと電極との絶縁性を確保するためには、集電端子と外部端子との接続に要するかしめ力よりも強いかしめ力でかしめ工程が行われることが多かった。逆に言うと、そうしなければ、電池ケースと電極との絶縁性を保証することが難しかった。しかし、本実施形態にかかる電極の構成によれば、電池ケース10と電極(詳しくは、集電端子30および外部端子40)との絶縁性は、蓋体12に一体成形された絶縁材13により確保されている。一体成形された絶縁材13には、従来の複数の絶縁部材のような絶縁部材同士の境界は存在しない。よって、かかる密閉型電池100の構成によれば、集電端子30と外部端子40とを接続するための力を小さくすることができる。例えば、本願発明者が実施した一例では、かしめ力は従来約3000N必要であったが、これを2500N以下に低減できた。これにより、例えば、蓋体12がかしめによって変形すること等を抑制することができる。
なお、絶縁材の形状は上記した形状には限定されない。図4は、他の絶縁材113の構成の一例を示す斜視図である。図4では、絶縁材113の形状が分かるように、絶縁材113と蓋体12とを分離して図示している。蓋体12に絶縁材113が一体成形された状態では、絶縁材113の筒状部113aが蓋体12の端子装着孔12cの内周面を覆うように配置される。絶縁材113の第1鍔部113bは、蓋体12の内側面12aに沿って配置される。絶縁材113の第2鍔部113cは、蓋体12の外側面12bに沿って配置される。
図4に示すように、他の好ましい実施形態では、絶縁材113の第2鍔部113cは、平坦な上面を有している。第2鍔部113cの上面には例えば平板状の外部端子が配置され、かしめ構造により集電端子と接続されるとよい。第2鍔部113cの上面に配置された平板状の外部端子には、バスバーなどが例えば溶接で接続される。このように、絶縁材の形状は特に限定されず、外部端子の形状も限定されない。また、外部端子と外部の部材との接続方法も限定されない。
以上、ここで提案される密閉型電池について、種々説明した。特に言及されない限り、ここで挙げられた密閉型電池の実施形態は、本発明を限定しない。
10 電池ケース(ケース部材)
11 ケース本体(ケース部材)
11a 開口部
12 蓋体(ケース部材)
12a 内側面
12b 外側面
12c 端子装着孔
13 絶縁材
13a 筒部
13a1 貫通孔
13b 第1鍔部
13b1 受け部
13c 第2鍔部
13c1 第1凹部
13c2 第2凹部
20 電極体
21 正極シート
21a 正極集電箔
21b 正極活物質層
21c 未形成部
22 負極シート
22a 負極集電箔
22b 負極活物質層
22c 未形成部
23 第1セパレータシート
24 第2セパレータシート
30 集電端子
31 基部
32 取付片
33 軸部
33a かしめ部
40 外部端子
40a 段差
41 第1貫通孔
42 第2貫通孔
50 ボルト端子
51 ボルト部
52 台座部
100 密閉型電池
113 絶縁材
113a 筒状部
113b 第1鍔部
113c 第2鍔部
S10 一体成形工程
S11 部品セット工程
S12 上型セット工程
S13 射出成形工程
S14 上型リリース工程
S15 部品取出工程
S20 組付工程
S30 かしめ工程
S40 かしめ部の溶接工程
S50 電極体の溶接工程

Claims (1)

  1. 内側面と外側面とを貫通する端子装着孔を有し、前記端子装着孔の内周面と前記端子装着孔の周囲の前記内側面および前記外側面とを覆うように絶縁材が一体成形されたケース部材と、
    前記ケース部材に収容された電極体と、
    前記電極体に接続されるとともに、前記絶縁材のうち前記内側面に成形された部分に沿うように配置された集電端子と、
    前記絶縁材のうち前記外側面に成形された部分に沿うように前記ケース部材の外部に配置された外部端子と、を備え、
    前記集電端子および前記外部端子のうちの一方は、前記端子装着孔に挿通されかつ他方にかしめられた軸部を有している、
    密閉型電池。
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