JP4436587B2 - 電池及び組電池 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電池に関し、特に複数の電池の一端と他端を順次接続した組電池を構成するのに好適な電池及びその組電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境問題から電気自動車やハイブリッド車に期待が高まり、その電源としての二次電池に関して、小型・軽量化と共に高容量化・高出力化が望まれており、単電池からなる各電池を複数個直列に接続した状態の組電池が用いられている。
【０００３】
従来のこの種の電池の一例であるリチウムイオン電池の構成について、図６を参照して説明する。２１は正極集電体２２ｂに正極材料２２ａを塗着させた正極板２２と負極集電体２３ｂに負極材料２３ａを塗着させた負極板２３とをセパレータ２４を介して渦巻き状に巻回された極板群である。２５、２６は極板群２１の両端面に接合された正極集電板及び負極集電板である。正極集電板２５には正極タブ２５ａが溶接されている。
【０００４】
この極板群２１は電解液とともに外装ケース２７に収容され、負極集電板２６が外装ケース２７の内底面に抵抗溶接され、外装ケース２７が電池の負極端子となる。２８は中央部に穴２８ａを有する蓋体で、その内部にＯリング２９、防爆弁体３０、スペーサ３１、キャップ３２を挿入後外周のかしめ部２８ｂをかしめて一体化されている。防爆弁体３０はアルミ箔からなる薄膜状のものであり、電池内圧が所定圧以上に上昇したときにはスペーサ３１の穴３１ａ部より破断して電池内部のガスを外部に排出するように構成されている。この蓋体２８に正極タブ２５ａが溶接され、極板群２１からの電流は蓋体２８のかしめ部２８ｂからキャップ３２に通電され、キャップ３２が電池の正極端子となる。２７ａは蓋体２８の位置決めを行う溝で、外装ケース２７を塑性加工して形成されている。３３は外装ケース２７と蓋体２８の間に介装されたガスケットであり、両者を絶縁するとともに、蓋体２８を挟持するように外装ケース２７の開口部２７ｂをかしめることによりシール機能も有している。
【０００５】
以上のような構成の複数の電池が、例えば特開平１０−１０６５３３号公報に開示されているように、適当な接続体を用いて直列に接続することにより組電池が構成されている。その組電池の接続部の構成を、図７を参照して説明する。接続体３５は、有底小径筒部３６と段部３７と大径筒部３８を有する段付き椀状のプレス成形品にて構成されている。その底面にキャップ３２の接続突部が貫通する穴３９が形成されてキャップ３２上に当接されるとともにその底面に形成された複数のプロジェクションにてキャップ３２に抵抗溶接４０されている。大径筒部３８には外装ケース２７の底部が挿入嵌入されて段部３７上に当接されて保持されるとともに大径筒部３８に形成された複数のプロジェクションにて外装ケース２７に抵抗溶接４１されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の電池及び組電池の構成では、電池の蓋体２８とは別部品の接続体３５を用いて電池間の接続を行っているので、組電池の組立を行った後、接続体３５を組み付け、他の電池を接続するという工程が必要となり、部品点数及び組立工数が多くコスト高になるとともに、量産性も劣るという問題がある。
【０００７】
また、電池間の電流経路が、極板群２１から正極集電板２５、正極タブ２５ａ、蓋体２８、キャップ３２、接続体３５、外装ケース２７、負極集電板２６を経て極板群２１に接続されており、単電池間の電流経路が長くかつそれらの間の接続箇所が多いために抵抗値が大きくなり、単電池当たりの内部抵抗が大きくなって電池の長寿命化と大出力化に対して大きな阻害要因となるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、組立工数及び部品点数が少なくコスト低下を図れるとともに量産性に優れ、また単電池当たりの内部抵抗を低減して高出力が得られる電池及び組電池を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、正極板と負極板をセパレータを介して巻回または積層して構成され、一端に正極板の芯材が他端に負極板の芯材がそれぞれ露出している極板群と、底面が極板群の何れか一方の端面に接続されて電極端子となる有底筒状の外装ケースと、極板群内部に含浸された電解液と、極板群の他方の端面に接続されるとともに外装ケースにシール及び絶縁手段を介して外装ケースに固着された蓋体とを備え、蓋体に、接続すべき他の電池の外装ケースの底部を、その外周に嵌合して溶接により、接続する接続部を一体成形するとともに、電解液注入口と内部圧力の上昇に応じて内部ガスの放出を行う防爆手段を設け、かつ蓋体と極板群の極板芯材の露出部を接合し、蓋体と集電板を兼用したことを特徴とする。本発明によれば、蓋体と一体の接続部にて他の電池の外装ケースと接続できるので、電池間を接続するために従来用いていた別部品の接続体が不要となり、組立工数及び部品点数が少なくなり、コスト低下を図れるとともに量産性に優れ、また単電池当たりの内部抵抗も減少し、内部抵抗を低減した高出力の電池が得られる。
【００１０】
また、集電板や集電板と蓋体を接続するタブを省略できて部品点数及び接合箇所を少なくできるので、コスト低下を図れるとともに、電流経路の長さ及び抵抗値が小さくなって、高出力化を図ることができる。
【００１１】
【００１２】
また、本発明の電池において、蓋体に外装ケース内側に向けて突出する突部を設け、突部を極板群の極板芯材の露出部と密着させて溶接接合すると、突部によって極板芯材の露出部と蓋体との密着性が確保され、その状態で溶接接合することで接続抵抗の小さい状態で信頼性の高い接合状態が得られる。
【００１３】
また、外装ケースと蓋体を、外装ケースの開口部と蓋体の外周に連設した筒状部の間にガスケットを介装した状態でそれらをかしめ成形して一体結合すると、簡単な構成で少ない製造工数にて外装ケースと蓋体の絶縁とシールを確保することができる。
【００１４】
また、防爆手段は、蓋体に連続又は断続して形成した切り込みにて構成すると、簡単で安価な構成にて、電池内が所定圧力以上になると切り込み部で容易に破断して内部のガスを確実に放出することができる。
【００１５】
また、極板群と外装ケースの接続構成については、一方の極板芯材の露出部に集電板を接合した極板群を外装ケースに挿入配置し、その集電板と外装ケースの底面とを接合すればよいが、極板群と蓋体の接続と同様に外装ケースの底面に外装ケース内側に突出する突部を設け、外装ケースに挿入配置した極板群の極板芯材の露出部と密着させて溶接接合すると、集電板を省略できて組立工数及び部品点数を少なくできてコスト低下を図ることができる。
【００１６】
また、蓋体は、外装ケース内に臨む一面が耐電解腐食性の板材から成り、他面が外装ケースと同系材料の板材から成るクラッド板にて構成すると、蓋体の電解腐食を防止しながら、外装ケースとの溶接性が良く、作業性良く信頼性の高い接続を実現できる。
【００１７】
また、上記した構成の複数の電池を、一方の電池の外装ケースの底部外周を他方の電池の蓋体の接続部に嵌合させ、その嵌合部を溶接して相互に接続して、組電池を構成すると、電流通路が短くかつ接続箇所が少なく、単電池当たりの内部抵抗が小さくて高出力の組電池を得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電池及び組電池をリチウムイオン電池に適用した一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
【００１９】
図１において、１は単電池から成る電池で、外装ケース２内に極板群３を電解液とともに収容し、蓋体４にて封止して構成されている。外装ケース２は、耐電解液性を有するニッケルまたはステンレス板から成る有底円筒状の深絞り成形品にて構成されている。
【００２０】
極板群３は、正極板と負極板をセパレータを介して巻回して構成され、その上側の端面には正極板の芯材が、下側の端面には負極板の芯材がそれぞれ露出されている。正極板は、アルミ箔からなる芯材の両面に正極活物質と結着剤を含む正極材料を塗着して構成されており、その正極活物質としては、ＬｉＣｏＯ2 、ＬｉＭｎ2 Ｏ4 、ＬｉＮｉＯ2 などが用いられる。負極板は、銅箔からなる芯材の両面に負極活物質と結着剤を含む負極材料を塗着して構成されており、その負極活物質としては、グラファイト、石油コークス類、炭素繊維などの炭素質材料などが用いられる。なお、図示例では円筒形の外装ケース２に巻回した極板群３を収容した例を示したが、直方体状の外装ケースに平板状の正極板と負極板をセパレータを介して積層した極板群を収容してもよい。
【００２１】
電解液としては、溶質として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6 ）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ4 ）、ホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ4 ）などのリチウム塩、溶媒としてエチレンカーボネイト（ＥＣ）、プロピレンカーボネイト（ＰＣ）、ジエチレンカーボネイト（ＤＥＣ）、エチレンメチルカーボネイト（ＥＭＣ）などの非水溶媒などを用い、この溶媒に溶質を溶解したものを使用する。
【００２２】
極板群３の下側の端面に露出している負極芯材には負極集電板５が予め溶接にて接合され、その状態で極板群３を外装ケース２内に収容した後、極板群３の中心部を貫通する中空部３ａを通して負極集電板５の中央部と外装ケース２の底面中央部とが抵抗溶接されている。極板群３の端面に露出している負極芯材と負極集電板５の溶接に当たっては、負極集電板５の周方向複数箇所に半径方向に延びる突部５ａを突出形成し、この負極集電板５を極板群３の端面に押し付けることで突部５ａを負極芯材に密着させた状態で、レーザビーム溶接等にて溶接されている。
【００２３】
蓋体４は、図１及び図２に示すように、有底小径筒部６と段部７と大径接続筒部８を有する段付き椀状のプレス成形品にて構成されている。この蓋体４の底面の中心部には電解液を注入する注液口９が形成され、封止手段１０にて封止されている。また、注液口９の周囲には断面Ｖ字状の切り込み１１が環状に形成され、この切り込み１１にて内部圧力の上昇に応じて内部ガスの放出を行う防爆手段が構成されている。また、蓋体４の底面には外装ケース２内側に突出するとともに半径方向に延びる突部４ａが周方向複数箇所（図示例では４箇所）に形成されている。
【００２４】
蓋体４の大径接続筒部８は外装ケース２の底部が丁度挿入嵌入される径に形成され、外装ケース２の底部外周が段部７上に当接されて保持されるように構成されている。蓋体４の有底小径筒部６は、電気絶縁性とシール性を有するガスケット１２を外装ケース２の開口部にその端縁と内周面に係合させて配置した状態で、外装ケース２の開口部内に挿入嵌合可能な径に形成され、段部７の外面がガスケット１２の上端面との間に若干の隙間が生じるか、ほぼ係合した状態で、その底面の突部４ａが極板群３の上側端面に露出している正極芯材に密着するように構成されている。そして、蓋体４の突部４ａを極板群３の上側端面の正極芯材に密着させた状態で蓋体４の上方からレーザビーム溶接等にて溶接されている。
【００２５】
また、外装ケース２の開口部と蓋体の有底小径筒部６がガスケット１２を介して嵌合している部分に、外装ケース２の外面側から適当な治具を用いて固定溝１３が絞り加工にて形成され、この固定溝１３にてガスケット１２を介して外装ケース２と蓋体４が相互に一体固定されている。
【００２６】
なお、蓋体４は、図２（ｂ）に示すように、外装ケース２内に臨む一面が正極板の芯材と同様に耐電解腐食性のアルミまたはアルミ合金板１４ａから成り、他面が耐電解液性を有するニッケルまたはステンレス板１４ｂから成り、これらを冷間圧接にて貼り合わせたクラッド材１４にて構成されている。
【００２７】
また、蓋体４には、有底小径筒部６の固定溝１３より上部位置から段部７を介して大径接続筒部８の下部にわたる長さのガス抜き穴１５が、周方向複数箇所（図示例では４箇所）に形成され、防爆手段１１が作動して電池１内のガスが放出された時に外部に放出するように構成されている。
【００２８】
以上の構成の電池１の製造に際しては、極板群３を作製するとともにその負極芯材が露出している端面に負極集電板５を溶接接合し、この極板群３を外装ケース２内に挿入して収容し、負極集電板５を外装ケース２の底面に抵抗溶接にて接合する。その後外装ケース２の開口部内周にガスケット１２を嵌合配置した後、蓋体４の有底小径筒部６を外装ケース２の開口部内に嵌合させて極板群３に向けて押圧し、その状態で外装ケース２の開口部外面から固定溝１３をかしめ加工してガスケット１２を介して外装ケース２と蓋体４を電気的絶縁とシール性を確保した状態で固定する。また、その状態で蓋体４の突部４ａは、極板群３の正極芯材が露出している端面に密着しており、蓋体４の外面側からレーザビーム溶接等にて突部４ａを正極芯材に溶接接合する。その後、蓋体４の注液口９から所定量の電解液を注入し、極板群３に含浸させた後、注液口９を封止手段１０にて封止することで電池１が完成する。
【００２９】
以上の構成の複数の電池１を直列接続して、図３に示すように、組電池１６が構成されている。この組電池１６を組み立てる際には、図４に示すように、一方の電池１の外装ケース２の底部を他方の電池２の蓋体４の大径接続筒部８に嵌合させるとともに、外装ケース２の底部外周を段部７に当接させて保持し、その状態で大径接続筒部８と外装ケース２の底部外周とを溶接することにより、相互に電気的に接続されるとともに機械的にも結合され、単一の組電池１６が構成される。その溶接に際しては、レーザビーム溶接を適用しても、大径接続筒部８の周方向複数箇所にプロジェクションを設けて抵抗溶接を適用してもよい。
【００３０】
以上の実施形態によれば、蓋体４に、接続すべき他の電池１の外装ケース２の底部を嵌合して接続する大径接続筒部８を一体成形しているので、蓋体４と一体の接続部にて他の電池１の外装ケース２と接続でき、従って電池１、１間を接続するために従来用いていた別部品の接続体が不要となり、組立工数及び部品点数が少なくなり、コスト低下を図れるとともに量産性に優れ、また単電池当たりの内部抵抗も減少し、内部抵抗を低減した高出力の電池１が得られる。
【００３１】
また、蓋体４を極板群３の正極芯材が露出した上側端面に接合し、蓋体４にて正極集電板を兼用しているので、正極集電板及びこの正極集電板と蓋体４を接続するタブを省略することができ、さらに部品点数及び接合箇所を少なくできるので、コスト低下を図れるとともに、電流経路の長さ及び抵抗値が小さくなって、高出力化を図ることができる。さらに、その蓋体４に外装ケース２内側に向けて突出する突部４ａを設けているので、突部４ａが極板群の正極芯材の露出部に確実に密着し、その状態で溶接接合しているので、接続抵抗の小さい状態で信頼性の高い接合状態が得られる。
【００３２】
また、外装ケース２の開口部に蓋体４を固定するのに、外装ケース２の開口部と蓋体４の有底小径筒部６の筒状部の間にガスケット１２を介装した状態でそれらをかしめ成形した固定溝１３にて一体結合しているので、簡単な構成で少ない製造工数にて外装ケース２と蓋体４の絶縁とシールを確保することができる。
【００３３】
また、蓋体４が、外装ケース２内に臨む一面が耐電解腐食性のアルミまたはアルミ合金板１４ａから成り、他面がニッケルまたはステンレス板１４ｂから成るクラッド板１４にて構成しているので、蓋体４の電解腐食を防止しながら、外装ケース２との溶接性が良く、作業性良く信頼性の高い接続を実現できる。
【００３４】
また、防爆手段を蓋体４に連続又は断続して形成した断面Ｖ状の切り込み１１にて構成しているので、簡単で安価な構成にて、電池１内が所定圧力以上になると切り込み部で容易に破断して内部のガスを確実に放出することができる。特に、この切り込み１１にて蓋体４を構成しているクラッド材１４における強度の高いニッケルまたはステンレス板１４ｂを完全に切除し、比較的強度の小さいアルミまたはアルミ合金板１４ａを所定厚さにして残すことにより、破断して電池１内部のガスを放出させる所定圧を精度良く制御することができ、高い安全性を得ることができる。
【００３５】
また、本実施形態の組電池１６は、上記した構成の複数の電池１を、一方の電池１の外装ケース２の底部を他方の電池の蓋体４の大径接続筒部８に嵌合させ、その嵌合部を溶接して相互に接続しているので、電流通路が短くかつ接続箇所が少なく、単電池当たりの内部抵抗が小さくて高出力の組電池１６を得ることができる。
【００３６】
以上の実施形態の説明では、極板群３の負極板の芯材に負極集電板５を溶接接合した状態で外装ケース２内に極板群３を収容し、負極集電板５と外装ケース２の底面とを溶接して接合したものを例示したが、図５に示すように、外装ケース２の底面に外装ケース２内側に突出する突部２ａを設け、外装ケース２に挿入配置した極板群３の負極芯材の露出部と密着させて溶接接合してもよい。
【００３７】
このように外装ケース２の底面に突部２ａを設けて極板群３の負極芯材の露出部と密着させて溶接接合すると、負極集電板５を省略でき、その分組立工数及び部品点数を少なくできてコスト低下を図ることができる。
【００３８】
また、上記実施形態の説明では、蓋体４と外装ケース２の接続部として、蓋体４に筒状の大径接続筒部８を一体的に形成した例を示したが、必ずしも筒状である必要はなく、有底小径筒状部６の上端部ないし段部７から周方向に適当間隔おきに複数の舌片を延出して接続部としても良い。
【００３９】
また、以上の説明では蓋体４を正極側に、外装ケース２を負極側としたが、正負極を逆にして、蓋体４を負極側に外装ケース２を正極側としてもよく、その場合は外装ケース２がアルミまたはアルミ合金製となる。
【００４０】
また、以上の実施形態では、電池１がリチウムイオン電池から成る例についてのみ説明したが、本発明はニッケル水素電池等、その他の構成の電池にも適用することで同様の作用効果を得ることができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の電池によれば、以上のように外装ケースに固着される蓋体に、接続すべき他の電池の外装ケースの底部外周を嵌合して接続する接続部を一体成形したので、蓋体と一体の接続部にて他の電池の外装ケースと接続でき、電池間を接続するために従来用いていた別部品の接続体が不要となり、組立工数及び部品点数が少なくなり、コスト低下を図れるとともに量産性に優れ、また単電池当たりの内部抵抗も減少し、内部抵抗を低減した高出力の電池が得られる。
【００４２】
また、蓋体と極板群の極板芯材の露出部を接合し、蓋体と集電板を兼用したので、集電板や集電板と蓋体を接続するタブを省略できて部品点数及び接合箇所を少なくできるので、コスト低下を図れるとともに、電流経路の長さ及び抵抗値が小さくなって、高出力化を図ることができる。
【００４３】
また、その際に蓋体に外装ケース内側に向けて突出する突部を設け、突部を極板群の極板芯材の露出部と密着させて溶接接合すると、突部によって極板芯材の露出部と蓋体との密着性が確保され、その状態で溶接接合することで接続抵抗の小さい状態で信頼性の高い接合状態が得られる。
【００４４】
また、本発明の組電池によれば、上記構成の複数の電池を、一方の電池の外装ケースの底部を他方の電池の蓋体の接続部に嵌合させ、その嵌合部を溶接して相互に接続したので、電流通路が短くかつ接続箇所が少なく、単電池当たりの内部抵抗が小さくて高出力の組電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態の電池の縦断面図である。
【図２】 同実施形態の電池の蓋体を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図３】 同実施形態の電池を接続して構成した組電池の部分正面図である。
【図４】 図３のＢ部詳細縦断面図である。
【図５】 同実施形態の電池の変形構成例の縦断面図である。
【図６】 従来例の電池の縦断面図である。
【図７】同従来例の電池を接続した組電池における接続部の縦断面図である。
【符号の説明】
１ 電池
２ 外装ケース
２ａ 突部
３ 極板群
４ 蓋体
４ａ 突部
５ 負極集電板
５ａ 突部
８ 大径接続筒部（接続部）
９ 注液口
１０ 封止手段
１１ 切り込み（防爆手段）
１２ ガスケット
１３ 固定溝
１４ クラッド材
１４ａ アルミまたはアルミ合金板
１４ｂ ニッケルまたはステンレス板
１６ 組電池

Claims (8)

  1. 正極板と負極板をセパレータを介して巻回または積層して構成され、一端に正極板の芯材が他端に負極板の芯材がそれぞれ露出している極板群と、底面が極板群の何れか一方の端面に接続されて電極端子となる有底筒状の外装ケースと、極板群内部に含浸された電解液と、極板群の他方の端面に接続されるとともに外装ケースにシール及び絶縁手段を介して外装ケースに固着された蓋体とを備え、蓋体に、接続すべき他の電池の外装ケースの底部を、その外周に嵌合して溶接により、接続する接続部を一体成形するとともに、電解液注入口と内部圧力の上昇に応じて内部ガスの放出を行う防爆手段を設け、かつ蓋体と極板群の極板芯材の露出部を接合し、蓋体と集電板を兼用したことを特徴とする電池。
  2. 蓋体に外装ケース内側に向けて突出する突部を設け、突部を極板群の極板芯材の露出部と密着させて溶接接合したことを特徴とする請求項１記載の電池。
  3. 外装ケースと蓋体を、外装ケースの開口部と蓋体の外周に連設した筒状部の間にガスケットを介装した状態でそれらをかしめ成形して一体結合したことを特徴とする請求項１又は２記載の電池。
  4. 防爆手段は、蓋体に連続又は断続して形成した切り込みにて構成したことを特徴とする請求項１、２又は３記載の電池。
  5. 一方の極板芯材の露出部に集電板を接合した極板群を外装ケースに挿入配置し、その集電板と外装ケースの底面とを接合したことを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の電池。
  6. 外装ケースの底面に外装ケース内側に突出する突部を設け、外装ケースに挿入配置した極板群の極板芯材の露出部と密着させて溶接接合したことを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の電池。
  7. 蓋体は、外装ケース内に臨む一面が耐電解腐食性の板材から成り、他面が外装ケースと同系材料の板材から成るクラッド板にて構成したことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の電池。
  8. 請求項１〜７の何れかに記載の複数の電池を、一方の電池の外装ケースの底部外周を他方の電池の蓋体の接続部に嵌合させ、その嵌合部を溶接して相互に接続したことを特徴とする組電池。
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