JP5606480B2 - 電池及び電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は電池、及び電池の製造方法に関する。

近年、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、電動自転車の電源、あるいは、電気機器の電源として、二次電池が広く用いられている。例えば、非水系二次電池であるリチウムイオン二次電池は、高出力、高エネルギー密度を有することから、電気自動車等の電源として注目されている。

一般に、二次電池は、アルミニウム等で偏平な矩形箱状に形成された外装容器と、この外装容器内に電解液とともに収納された電極群と、外装容器に設けられているとともに電極群に接続された電極端子と、を備えたセルとして構成されている。

また、高容量化、高出力化を図るため、複数のセルをケース内に並べて配置し、これらのセルを並列あるいは直列に接続して組電池を構成し、この組電池の外面に、隣接するセルの端子間を電気接続するバスバーや電気回路が取り付けられて構成される二次電池装置が用いられている。

特開２０１１-２５３７７９号公報

組電池では複数のセルの組付け工程や、多数のリード、端子、及びバスバー等の電気接続処理が複雑である。本発明が解決しようとする課題は、組付け工程や電気接続処理の単純化が可能な電池及び電池の製造方法を提供することである。

一実施形態にかかる電池は、正極板、負極板、及び前記正極板と前記負極板の間に設けられた絶縁性のセパレータを有する複数の電極体と、前記複数の電極体の各々と電気的に接続された複数のリードと、前記複数のリードの各々に電気的に接続される金属製の端子部を複数有するバスバーが一体に設けられた樹脂製の第１ケース材を有し、その内部に前記複数の電極体を収容する電池ケースと、を備える。
前記バスバーは成形により前記樹脂製の第１ケース材に一体に設けられる。前記第１のケース材は、その外表面に周囲に対して凹む基板収容部が設けられる。前記バスバーは、複数の前記端子部と、前記端子部に対して延びる形状であるとともに前記第１ケース材の前記基板収容部内に露出する電圧検出端子と、を一体に連結して備える。前記第１ケース材の前記基板収容部内に前記電圧検出端子に接続される回路基板が配置される。

実施形態に係る二次電池装置の外観を示す斜視図。 同二次電池装置の内部構造を示す説明図。 同二次電池装置の電極群の構成を示す斜視図。 同二次電池装置のバスバーの上側を示す斜視図。 同二次電池装置のバスバーの下側を示す斜視図。 同二次電池装置の接続構造及び組み付け工程を断面で示す説明図。 同二次電池装置の組み付け工程を示す説明図。

以下、本発明の一実施形態にかかる二次電池装置１について、図１乃至７を参照して説明する。各図中矢印Ｘ，Ｙ，Ｚはそれぞれ互いに直交する三方向を示す。また、各図において説明のため、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。

図１は、実施形態に係る二次電池装置の外観を示す斜視図、図２は内部構造を示す説明図である。図１及び図２に示す二次電池装置１は、内部に複数に仕切られた空間である収容部１１ａを形成する電池ケース１１と、電池ケース１１内に非水電解液と共に収納された複数の電極群１２と、を備え、各々が二次電池として機能する複数の二次電池部を一体に有する組電池として構成されている。

また、本実施の形態では、電極群１２の各々は、正極板、及び負極板を有し、それらの間に絶縁性のセパレータが設けられた電極体と、この電極体の正極板、及び負極板の各々に電気的に接続されているリード（例えば、図３の正極リード２２ａ、負極リード２２ｂを参照する。）を含む構成を有するものである。

電池ケース１１は、第１ケース材１３と、第２ケース材１４とを有し、矩形状の箱形に構成される。第１ケース材１３と第２ケース材１４とが互いに組み付けられて封止されることで、電池ケース１１の内部に非水電解液と共に複数の電極群１２を収容する密閉空間を形成する。

第１ケース材１３及び第２ケース材１４に使用される樹脂材料は、熱可塑性樹脂（非結晶性を有する）が好ましく、例えば変性ＰＰＥが用いられる。

樹脂製の第１ケース材１３は、樹脂成形品であって、所謂、筐体形状を有し、その中には、板上の仕切り板が複数枚、備えられている。ここでは、具体的には、樹脂性の第１ケース材１３は、下部が開口する矩形の箱形状に構成された外郭部（筐体部）１３ａと、外郭部１３ａの内側に複数並列して設けられた仕切板１３ｂと、を備えている。外郭部１３ａは、電極群１２の一方側を覆う天井壁１３ｃと、周囲を覆う側壁１３ｄと、を有し下方に開口を有している。天井壁１３ｃにはインサート成形により複数のバスバー１５が一体に設けられている。外郭部１３ａは電気的な絶縁により端子間の短絡を防止する機能を果たしている。

第１ケース材１３の天井部１３ｄの外面側には、電圧検視用の回路基板１７が配置される基板収容部１３ｅが形成されている。基板収容部１３ｅは電池ケース１１の幅方向中央部が長手方向に沿って一定幅で内側（図中下方）に凹み形成されている。

この基板収容部１３ｅにおいて、バスバー１５の一部として構成された電圧検出端子１５ｂと、配列の一端の電極群１２の正極リード２２ａ、及び配列の他端の電極群１２の負極リード２２ｂに、それぞれ接続される外部出力端子１６とが、第１ケース材１３の外面側に露出するようになっている。

仕切板１３ｂは、外郭部１３ａの内部空間をＸ方向において複数個に仕切り、電極群１２に対応した形状の複数の収容室１１ａを並列して形成するように並列配置されている。ここでは、１１枚の仕切板１３ｂがＸ方向に並列して設けられ、Ｘ方向に１２個の収容室１１ａが並列して形成される。仕切板１３ｂは、電極群１２の位置決め機能や、電極群１２間あるいは部材間の短絡を防止する機能を果たす。

収容室１１ａの各々は、電極群１２の形状に対応した細長い矩形状に形成されている。電池ケース１１の幅方向（Ｙ方向）に沿って各電極群１２が収容され、複数の電極群１２が、電池ケース１１の長手方向（Ｘ方向）に並列するようになっている。

天井壁１３ｃには、インサート成形により、複数のバスバー１５及び外部出力端子１６が一体に成形されている。ここでは、１２個の電極群１２の隣接する電極を直列に接続するように、１１個のバスバー１５が所定位置に並列配置されるとともに、配列の両端に、それぞれ外部出力端子１６が配置され、これらが第１ケース材１３に一体形成されている。複数のバスバー１５及び外部出力端子１６は、一部が第１ケース材１３外に露出し、他の部分が第１ケース材１３内に埋め込まれている。

この他に天井壁１３ｃには、ガス排出弁や注液孔が形成されている。ガス排出弁は、異常モード等によりケースにガスが発生し、内圧が所定の値以上に上昇した際に、そこからガスを開放させる。これにより、内圧を下げて破裂等の不具合を防止する。

本実施の形態では、前述のように、電極群１２の各々は、正極板、及び負極板を有し、それらの間に絶縁性のセパレータが設けられた電極体と、この電極体の正極板、及び負極板の各々に電気的に接続されているリードを含む構成を有する。図３に示すように、電極群１２の構成は、例えば、図３に示すように、正極リード２２ａ、負極リード２２ｂを参照する。）
図３に示すように、電極群１２は、正極板及び負極板が巻回され偏平形状に形成されたコイル２１と、コイル２１の両側にそれぞれ引き出された正極リード２２ａ及び負極リード２２ｂと、を備えている。

コイル２１は、例えば、正極板、及び負極板を、その間に絶縁性のセパレータを介在させて渦巻き状に捲き回し、更に、径方向に圧縮することにより、偏平な矩形状に形成されている。

正極リード２２ａ、及び負極リード２２ｂは、コイル２１よりも上方に延出され、互いに近接する内側に屈曲する板状に構成されている。両側の正極リード２２ａと負極リード２２ｂとの間に、キャップ体２４が設けられている。キャップ体２４は、絶縁樹脂材等から板状に構成され、正極リード２２ａと負極リード２２ｂとの間に介在して設けられることにより、それら、正極リード２２ａと負極リード２２ｂとの間の距離を規定し、正極リード２２ａと負極リード２２ｂの位置を規制している。このキャップ体２４の規制機能により、一対の正極リード２２ａ、及び負極リード２２ｂが、各々、端子部１５ａ、１５ｂに高精度に接続可能になっている。

正極リード２２ａ、及び負極リード２２ｂ上には、コイル２１の上方に突出してバスバー１５の端子部１５ａ、１５ｂの穴部１５ｄに、それぞれ挿入されて接続される、正極コネクタ２３ａ、及び負極コネクタ２３ｂが形成されている。

複数の電極群１２は、隣り合う電極群１２の正極コネクタ２３ａと負極コネクタ２３ｂとが交互に並ぶ向きに配列されている。複数の電極群１２は、導電性部材としての複数のバスバー１５により、電気的に、例えば、直列に接続されている。

複数の電極群１２のうち、配列の一端に位置した電極群１２の負極コネクタ２３ｂ、及び配列の他端に位置した電極群１２の正極コネクタ２３ａには、それぞれ外部出力端子１６が接続されている。

図１、図２、図４及び図５に示すように、複数のバスバー１５の各々は、導電材料、例えば、アルミ、銅、青銅等の金属材料から構成され、一対の端子部１５ａ、１５ｂと、これらを接続する連結プレート１５ｃと、電圧検出端子１５ｄと、を一体に備えている。

ここでは、バスバー１５は平面視Ｔ字状に構成され、一対の円筒状の端子部１５ａ、１５ｂが一体に連結されるとともに、端子部１５ａ、１５ｂの中間の一部が幅方向（矢印Ｙ）中央側に延びて電圧検視端子１５ｄとして機能するようになっている。

バスバー１５は、一方の端子部１５ａが電極群１２の正極コネクタ２３ａに接合され、他方の端子部１５ｂは、隣の電極群１２の負極コネクタ２３ｂに接合され、これらの電極端子を電気的に接続している。このように、１２個の電極群１２は、複数のバスバー１５により直列に接続されている。なお、複数の電極群１２は、直列に限らず、並列に接続するようにしてもよい。

端子部１５ａは、例えば有底円筒状に構成され、中央において内外方向（Ｚ方向）に延びる穴部１５ｅが形成されている。

端子部１５ａ、１５ｂの一端は、第１ケース材１３の天井部１３ａの内側に突出している。端子部１５ａ、１５ｂが樹脂製の第１ケース材１３にインサート成形により接合されて内部に埋め込まれ、一体に保持されている。バスバー１５のうち、電圧検出端子１５ｂは、第１ケース材１３の凹部１３ｅから外部に露出している。

バスバー１５の端子部１５ａの各々は、正極リード２２ａ、及び負極リード２２ｂの各々に対応して配置され、第１ケース材１３の収容室１１ａに電極郡１２が位置決めされると同時に、各端子部１５ａの穴部１５ｅに、電極群１２の正極リード２２ａ、及び負極リード２２ｂに、各々対応する、正極コネクタ２３a、負極コネクタ２３ｂが、それぞれ挿入される。

すなわち、バスバー１５の連結部１５ｃ、端子部１５ａ、１５ａを介して、隣接する電極群１２の、正極コネクタ２３a、負極コネクタ２３ｂ同士が電気的に接続される。

外部出力端子１６は、バスバー１５と同様に、中空の挿入部（穴部）を有する有底円筒状に構成された端子部１６ａと、この端子部１６ａに形成され中央に伸びる板状の電圧検出端子１６ｂとを備え、導電材料、例えば、アルミ、銅、青銅金等の金属材料で一体に構成されている。

外部出力端子１６の端子部１６ａは、複数の電極群１２のうち、配列の一端に位置した電極群１２の負極コネクタ２３ｂ、及び、配列の他端に位置した電極群１２の正極コネクタ２３ａに対応して配置されている。第１ケース材１３の収容室１１ａに電極群１２が位置決めされると同時に、端子部１６ａの穴部に、正極コネクタ２３a、及び負極コネクタ２３ｂの各々が挿入されるようになっている。

第１ケース材１３の外面側に形成された基板収容部１３ｅには、電圧制御部、電圧検出器、温度センサ等を含む回路基板１７が設置され、基板収容部１３ｅ外側に露出した電圧検出端子１５ｂ、１６ｂに電気的に接続される。

第２ケース材１４は第１ケース材１３の下部開口を塞ぐ板状の底壁１４ａを備えている。底壁１４ａの上面は電極群１２の形状に沿うように湾曲した湾曲面を並列して備えている。電極群１２が収容された後に、下部開口を塞ぐように第２ケース材１４が第１ケース材１３に組み付くことで、収容室の１１ａが閉塞される。

以下、本実施形態にかかる電池の製造方法について図６及び図７を参照して説明する。図６及び図７に示すように、組み付け工程として、まず、個々の電極群１２をそれぞれ第１ケース材１３の各収容室11aに下部開口から挿入することにより、電極群１２を第1ケース材１３に配置する。

樹脂製の第１ケース材１３は、樹脂成形品であって、所謂、筐体形状を有している。ここでは、具体的には、樹脂性の第１ケース材１３は、電池ケース１１内に形成された収容室１１ａに、それぞれ電極群１２が配置されることにより、電極群１２の正極リード２２ａ、及び負極リード２２ｂの各々に対応する、正極コネクタ２３ａ、負極コネクタ２３ｂが、端子部１５ａの穴部１５ｄにそれぞれ挿入され、連結部１５ｃによって接続される。そして、第１ケース材１３ａの内部において、隣接する電池部１０の正極リード２２ａ、及び負極リード２２ｂに、それぞれ接続された正極コネクタ２３ａ、負極コネクタ２３ｂが、バスバー１５によって電気的に接続される。また、配列両端の電極群１２の正極ネクタ２３ａ、負極コネクタ２３ｂは、それぞれ外部出力端子１６の穴部に挿入され、電気的な接続と物理的な接合保持が同時になされる。

図７に示すように、すべての電極群１２を配置した状態で、第１ケース材１３の下部開口を塞ぐように、第２ケース材１４を組み付ける。以上により、電極群１２が収容室１１ａ内に収容され、密閉される。

そして、第１ケース体１３の外面に露出した電圧検出端子１５ｂ、１６ｂに接続するように基板収容部１３ｅに回路基板１７を配置する。

さらに、電解液注入処理、初期充放電などの各種の処理が順次行われ、組電池としての二次電池装置１０が完成する。

実施形態にかかる二次電池装置及び二次電池装置の製造方法によれば、以下のような効果が得られる。すなわち、樹脂製の電池ケース１１に一体にバスバー１５が設けられていることにより、組立工程を削減できるとともに、バスバー１５の設置工程における不良を防止することができ、製品歩留りのロスを低減できる。

また、電池ケース１１内の収容部１１ａに、コイル２１、正極リード２２ａ、及び負極リード２２ｂを有する電極群１２が配置され、電極群１２の正極リード２２ａ、及び負極リード２２ｂの各々に対応して、一体形成された正極コネクタ２３ａ、負極コネクタ２３ｂが、電池ケース１１の組み付け時に同時にバスバー１５の孔部１５に挿入されることとしたため、組み付け部品の点数も少なくでき、組み付け工程を高精度に維持しつつ単純化できる。

なお、上記実施形態においては、一例として複数の電極群１２を第１方向に一列に並列配置して、直列に電気接続した場合を例示したが、これに限られるものではなく、例えば複数列であっても、並列接続であっても、本発明を適用できる。その場合にあっても、樹脂製のケースにバスバーを一体に設けることにより、電極群をケースに組み付ける際にリードとバスバーとを容易に電気接続することができる。

上記実施形態においては、第１ケース材１３側に仕切板１３ｂを一体に形成して複数の収容室１１ａを形成する構造としたが、これに限られるものではない。例えば第１ケース材１３の天井部１３ａと、側部１３ｃと別体構造として分割し、側部１３ｃと仕切板１３ｂを有する第３ケース材を別構造として構成してもよい。この場合においても、天井部１３ａに一体にバスバー１５をインサート成形しておくことで、上記実施形態と同様の効果を得られる。

また、第１ケース材１３及び第２ケース材１４に使用される樹脂材料は、上述した変性ＰＰＥの他、各種材料を適用可能である。例えば、ＰＥ、ＰＰ、ＰＭＰ等のオレフィン樹脂、ＰＥＴ、ＰＢＴ、ＰＥＮ等のポリエステル系樹脂、ＰＯＭ樹脂、ＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ１２等のポリアミド系樹脂、ＰＰＳ樹脂、ＬＣＰ樹脂等の結晶性樹脂、及びそれらのアロイ樹脂やＰＳ、ＰＣ、ＰＣ／ＡＢＳ、ＡＢＳ、ＡＳ、ＰＥＳ、ＰＥＩ、ＰＳＦ等の非結晶性樹脂、及びそれらのアロイ樹脂を用いることができる。この他、コイル２１の正極及び負極材料や端子１５の材料等も上述したものに限られず、適宜変更可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…二次電池装置（電池）、１１…電池ケース、１１ａ…収容室、１２…電極群、１３…第１ケース材、１３ａ…外郭部、１３ｂ…仕切板、１３ｃ…天井壁、１３ｄ…側壁、１３ｅ…凹部、１４…第２ケース材、１４ａ…底壁、１５…バスバー、１５ａ、１５ｂ…端子部、１５ｃ…連結部、１５ｄ…電圧検出端子、１５ｅ…穴部、１６…外部出力端子、１６ａ…端子部、１６ｂ…電圧検出端子、１７…回路基板、２１…コイル、２２ａ…正極リード、２２ｂ…負極リード、２３ａ…正極コネクタ、２３ｂ…負極コネクタ。

Claims (9)

1. 正極板、負極板、及び前記正極板と前記負極板の間に設けられた絶縁性のセパレータを有する複数の電極体と、
   前記複数の電極体の各々と電気的に接続された複数のリードと、
   前記複数のリードの各々に電気的に接続される金属製の端子部を複数有するバスバーが一体に設けられた樹脂製の第１ケース材を有し、その内部に前記複数の電極体を収容する電池ケースと、を備え、
   前記バスバーは成形により前記樹脂製の第１ケース材に一体に設けられ、
   前記第１のケース材は、その外表面に周囲に対して凹む基板収容部が設けられ、
   前記バスバーは、複数の前記端子部と、前記端子部に対して延びる形状であるとともに前記第１ケース材の前記基板収容部内に露出する電圧検出端子と、を一体に連結して備え、
   前記第１ケース材の前記基板収容部内に前記電圧検出端子に接続される回路基板が配置される
   ことを特徴とする電池。
2. 前記リードには、前記電極体が前記収容部に配置された状態において、前記第１ケース材側に突出するコネクタが設けられ、
   前記バスバーの各々の端子部には、前記コネクタが挿入される穴部が設けられる、ことを特徴とする請求項１記載の電池。
3. 前記電池ケースは、互いに仕切られるとともに、それぞれが、前記電極体を収容可能に構成された複数の収容部を第１方向に並列して備え、
   前記電極体は、前記第１方向と交差する第２方向において、その両端に、正極及び負極のリードが、それぞれ、正極板及び負極板に対応して電気的に接続するように設けられ、前記正極及び負極のリード間に樹脂製のキャップ体が設けられて構成されることを特徴とする請求項１または２記載の電池。
4. 前記第１ケース材には、前記複数の電極体のいずれかの正極または負極のリードに接続されるとともに、少なくともその一部が第１ケース材の外部に露出する外部出力端子が一体に備えられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の電池。
5. 前記第１ケース材は、開口を有する筐体部と、前記筐体部の内部に設けられた複数の仕切板とを備えて構成され、
   前記電池ケースは、前記第１ケース材と、前記第１ケース材に組み付けられ、前記開口を塞ぐとともに、前記第１ケース材とにおいて、前記電極体を保持する第２ケース材と、を有して構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の電池。
6. 前記第１ケース材は、前記電極体の一端側を覆う部材を備えて構成され、
   前記電池ケースは、前記第１ケース材と、前記第１ケース材に対向配置され、前記電極体の他端側を覆う蓋部を備える第２ケース材と、前記第１ケース材及び前記第２ケース材の間に配置されて前記複数の収容室を仕切る複数の仕切板と、前記仕切板の外周を囲む側部と、を一体に備えて構成された第３ケース材と、を組み合わせて構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の電池。
7. 外表面に周囲に対して凹む基板収容部を有するとともに、複数の端子部と前記端子部に対して延びる形状の電圧検出端子とを一体に有するバスバーが前記電圧検出端子が前記基板収容部内に露出した状態で一体成形された樹脂製の第１ケース材に、正極板、負極板、及び前記正極板と前記負極板の間に設けられた絶縁性のセパレータを有し、かつ電気的にリードが接続された電極体を複数配置する工程と、
   前記端子部に前記リードを電気的に接続させる工程と、を有することを特徴とする電池の製造方法。
8. 前記電極体は、前記リードから突出するコネクタを一体に有し、
   前記バスバーの各端子部には、前記リードの前記コネクタが挿入される穴部が設けられ、
   前記複数の電極体を配置する工程において、前記端子部が一体成形された樹脂製の第１ケース材に前記電極体を複数配置され、前記コネクタが前記穴部に挿入されることを特徴
   とする請求項７記載の電池の製造方法。
9. 外表面に周囲に対して凹む基板収容部を有するとともに、複数の端子部と前記端子部に対して延びる形状の電圧検出端子とを有するバスバーが前記電圧検出端子が前記基板収容部内に露出した状態で一体成形され、樹脂製であり、かつ開口部を有する筐体状の第１ケース材に、前記開口部から、その内部に、正極板、負極板、及び前記正極板と前記負極板の間に設けられた絶縁性のセパレータを有し、かつ電気的にリードが接続された電極体を配置し、前記端子部に前記リードを電気的に接続させる工程と、
   前記第１ケース材内に前記複数の電極体が配置され、前記端子部に前記リードが電気的に接続した状態で、前記開口部を前記第２のケース材で塞ぐことを特徴とする電池の製造方法。

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