JP5609610B2 - 電池 - Google Patents

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Description

本発明は、非水電解質二次電池を含む電池に関する。
非水電解質二次電池等の電池は、電池容器内に収容された発電要素の正極と負極をそれぞれ正負の外部端子に電気的に接続するための正負の集電体を備える。集電体は例えばリベットを使用したカシメ等の手段によった電池容器の上端開口を封止する蓋体に固定される(例えば、特許文献1参照)。また、蓋体にカシメ接合するための軸状部を集電体の基部(外部電極に電気的に接続される部分)に一体に設けた電池も知られている(特許文献2参照)。
特開2003−346882号公報(図1) 特開2009−277604号公報(図2)
電池容器の容積に対して発電要素の占める割合が高いほど高いエネルギー密度が得られる。従来の電池の蓋体は概ね平板状であり、電池容器内に位置するリベットのカシメ頭部は蓋体の下面からさらに下方に突出している。そのため、発電要素の上端位置は蓋体の下面近傍ではなく、それよりも下方のリベットのカシメ頭部の近傍に設定する必要がある。言い換えれば、リベットのカシメ頭部が突出しているために発電要素の上端と蓋体の下端の間にデットスペースが存在する。この点で、従来の電池は電池容器の容積に対する発電要素の占める割合を十分に高めることができず、高いエネルギー密度が得られない。
特許文献2に開示された電池のように集電体の基部にカシメ接合のための軸状部を設けた場合、基部が蓋体の下面側に位置する。そのため、発電要素の上端位置は蓋体の下面近傍ではなく、それよりも下方に位置する基部の下面近傍に設定する必要がある。従って、この場合も、デットスペースが不可避的に存在するので、電池容器の容積に対する発電要素の占める割合を十分に高めることができず、高いエネルギー密度が得られない。
本発明は、電池容器内の容積に対して発電要素の占める割合を高めることによるエネルギー密度の向上を課題とする。
本発明の第1の態様は、電池容器内に収容された発電要素と、前記電池容器の開口を封止する蓋体の外部に少なくとも一部が配置された外部端子と、前記発電要素と前記外部端子とを電気的に接続する集電体と、前記蓋体に対して前記集電体を固定するための接合部材とを備え、前記蓋体の内面に形成された凹部に前記接合部材の頭部と、前記集電体の基部の少なくとも一部とが収容され、前記集電体の基部は、一体成形された、前記頭部によるカシメで前記蓋体に対して固定される被カシメ部と、前記発電要素に電気的に接続された脚部がつながる台座部と、前記被カシメ部と前記台座とを連結する部分とを備え、前記被カシメ部が前記凹部に収容されると共に、前記台座部が前記凹部外の前記蓋体の内面に沿って配置されている、電池を提供する。また、本発明の第2の態様は、電池容器内に収容された発電要素と、前記電池容器の開口を封止する蓋体の外部に少なくとも一部が配置された外部端子と、前記発電要素と前記外部端子とを電気的に接続する集電体と、前記蓋体に対して前記集電体を固定するための接合部材とを備え、前記蓋体の内面に形成された凹部に前記接合部材の頭部と、前記集電体の基部の少なくとも一部とが収容され、前記集電体の基部は、前記頭部によるカシメで前記蓋体に対して固定される被カシメ部を備え、前記被カシメ部は、前記集電体の前記被カシメ部以外の部分を介在することなく、空間を隔てて前記発電要素と対向している、電池を提供する。
接合部材の頭部は蓋体の内面に形成された凹部に収容されており、蓋体の内面から突出しない。そのため、発電要素の端部位置を蓋体の内面近傍の位置に設定し、発電要素と蓋体との間の隙間空間を必要最小限にできる。言い換えれば、接合部材の頭部が蓋体から突出しないので、発電要素と蓋体の内面との間のデッドスペースをなくすことができる。その結果、電池容器の容積に対する発電要素の占める割合を十分に高めることができ、高いエネルギー密度が得られる。また、集電体の基部の少なくとも一部は蓋体の内面に形成された凹部に収容されており、蓋体の内面から突出しない。そのため、発電要素の端部位置を蓋体の内面近傍の位置に設定し、発電要素と蓋体との間の隙間空間を必要最小限にできる。言い換えれば、集電体の基部が蓋体から突出しないので、発電要素と蓋体の内面との間のデッドスペースをなくすことができる。その結果、電池容器の容積に対する発電要素の占める割合を十分に高めることができ、高いエネルギー密度が得られる。
好ましくは、前記凹部は前記蓋体の一部が外側に向かって膨出する膨出部の内側の空間である
蓋体の一部を膨出させた立体的な膨出部を設けることで、この膨出部の部分での断面係数が単なる平板状の場合よりも高くなり、重量増等の原因となる厚みの増大を伴うことなく蓋体の剛性を高めることができる。
例えば、前記接合部材はリベットである。
リベットは、集電体のみを蓋体に固定するものでもよいが、集電体と外部電極の両方を蓋体に固定するものでもよい。この場合、前記外部端子は前記蓋体の外部に配置された板状体を備え、前記リベットは、前記板状体に形成された貫通孔に圧入された顎部と、前記顎部から前記凹部内に突出して先端に前記頭部が形成される軸部とを備える。
代案としては、前記接合部材は前記外部端子であってもよい。
この場合、前記外部端子は、蓋体の外部に配置された板状体と、前記板状部から蓋体の内部に突出して先端に前記頭部が形成される軸部とを備える。
本発明に係る電池では、例えばリベットや外部電極の軸部である接合部材の頭部は、蓋体の内面に形成された凹部に収容されており、蓋体の内面から突出しない。そのため、発電要素と蓋体との間の隙間空間を必要最小限に設定してデットスペースをなくすことができる。その結果、電池容器の容積に対する発電要素の占める割合を十分に高めることができ、高いエネルギー密度が得られる。
明に係る電池では、集電体の基部は、蓋体の内面に形成された凹部に収容されており、蓋体の内面から突出しない。そのため、発電要素と蓋体との間の隙間空間を必要最小限に設定してデットスペースをなくすことができる。その結果、電池容器の容積に対する発電要素の占める割合を十分に高めることができ、高いエネルギー密度が得られる。
また、蓋体の一部が外側に向かって膨出する立体的な膨出部の内側の空間を凹部とすることで、この部分での断面係数を単なる平板状の場合よりも高くして、重量増等の原因となる厚みの増大を伴うことなく蓋体の剛性を高めることができる。特に、膨出部を絞り加工で形成することで、加工硬化により蓋体の剛性をさらに向上できる。
本発明の第1実施形態の電池の正面断面図。 図1の部分IIの拡大図。 図1の部分IIIの拡大図。 図1の蓋体を上方から見た斜視図。 図1の蓋体を下方から見た斜視図。 図5の分解斜視図。 本発明の第2実施形態の電池の部分拡大断面図。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の実施形態に係る非水電解質二次電池1(以下、単に電池という)を示す。この電池1は、アルミニウムやアルミニウム合金等で構成された直方体状の電池容器2内に発電要素3を収容し、電池容器2の上端開口を蓋体4で封止したものである。蓋体4の外部には負極外部端子14と正極外部端子15の上面が露出している。
発電要素3は、銅箔からなる負極5と、アルミニウム箔からなる正極6との間に、多孔性の樹脂フィルムからなるセパレータ7を配置したものである。これらはいずれも帯状で、セパレータ7に対して負極5と正極6とを幅方向の反対側にそれぞれ位置をずらせた状態で扁平状に巻回されている。発電要素3は、負極5が負極集電体12を介して負極外部端子14に電気的に接続され、正極6が正極集電体13を介して正極外部端子15に電気的に接続されている。
図4から図6を併せて参照すると、蓋体4は、平面視矩形状の長尺な金属製の板状で、長手方向の中央付近に安全弁8が装着され、一端側に注液孔9が設けられている。
蓋体4の両端部には、上面4bから上方に向かって膨出する平面視略矩形状の係合受部(膨出部)11がそれぞれ形成されている。各係合受部11では、蓋体4の下面4aを窪ませて係合凹部11aが形成されている。また、蓋体4の下面4aには係合凹部11aの一辺を除く周囲に浅いガイド凹部11bがそれぞれ形成されている。また、係合凹部11aを構成する天井面の中心部分には貫通孔11cが形成されている。
図において左側の係合受部11及びガイド凹部11bには、負極集電体12及び負極外部端子14が上パッキン16と負極下パッキン17を介してそれぞれ取り付けられている。
上パッキン16は、隔壁16aによって、上方側の端子保持凹部16bと、下方側の装着用凹部16cとを区画した樹脂製の部品であり、隔壁16aの中央部分には下方側に延びる両端開口の筒状部16dが設けられている。上パッキン16は、係合受部11の上かから被せ、装着用凹部16c内に係合受部11を収容することで蓋体4に装着される。筒状部16dは貫通孔11cに挿通されて係止凹部11a内に進入している。また、上パッキン16が備える2つの舌状片16eの係止孔16fには、蓋体4の上面4bから突出する係止突部19が挿通されている。
負極下パッキン17は、蓋体4の係合凹部11a内に配置される被カシメ部17aと、この被カシメ部17aに連続して設けられて係合受部11のガイド凹部11bに配置される平坦部17bとを備える。被カシメ部17aは、係合受部11の係合凹部11aの一辺側を除く部分の内面に沿った形状を有する。また、被カシメ部17aには貫通孔17cが形成されている。この貫通孔17cには上パッキン16の筒状部16dの下端付近が差し込まれている。
負極外部端子14は、平面視矩形状のアルミニウム製の板状体21と、銅製のリベット(カシメ接合部材)22とを備える。リベット22は、顎部22aを板状体21の中央部分に形成した貫通孔21aに圧入することで、軸部22bが突出した状態で板状部21に固定される。板状体21は上パッキン16の端子保持凹部16bに収容される。
銅製の板材をプレス加工して製造される負極集電体12は、基部31と、一対の脚部32,32とを備える。基部31は、係合凹部11a内に収容されて負極下パッキン17の被カシメ部17aの下側に重ねて配置される被カシメ部33と、係合凹部11aに隣接する位置で負極下パッキン17の平坦部17bの下側に重ねて配置される台座部34とを備える。被カシメ部33の中央には、負極外部端子14のリベット22の軸部22bを挿通させるための貫通孔33aが形成されている。脚部32,32は台座部34から延びて、図1にのみ模式的に示すクリップ10により発電要素3の負極5に電気的に接続され、かつ機械的に連結されている。
負極外部端子14のリベット22の軸部22bを上パッキン16の筒状部16d及び負極集電体12の被カシメ部33に形成された貫通孔33aを挿通させた後に、先端を押し広げてカシメ頭部22cを形成することで、負極外部端子28、上パッキン16、負極下パッキン17、及び負極集電体12の被カシメ部33が蓋体4に対してカシメ接合されている。また、負極集電体12の被カシメ部33はリベット22を介して負極外部端子14の板状体21に電気的に接続されている。
図において右側の係合受部11及びガイド凹部11bには、正極集電体13及び正極外部端子15が上パッキン16及び正極下パッキン18を介してそれぞれ取り付けられている。
負極側と同様に上パッキン16が係合受部11に装着されている。一方、正極側下パッキン18は貫通孔18aを設けた平板状であり、係合凹部11a内に配置される。
正極外部端子(カシメ接合部材)15はアルミニウム製で、平面視矩形状の板状体15aと、その下面中央部から突出する筒状の軸部15bとを備える。板状体15aは上パッキン16の端子保持凹部16bに収容される。
アルミニウム製の板材をプレス加工して製造される正極集電体13は、負極集電体12と同様の構造を有しており、負極集電体12と同一ないし同様の要素には図において同一の符号を付している。正極集電体13の基部31のうち、被カシメ部33は係合凹部11a内に収容されて正極下パッキン18に重ねて配置されるが、係合凹部11aに隣接する位置に配置される台座部34は蓋体4の下面4aに対して正極下パッキン18を介することなく配置される。正極集電体13の脚部32,32は図1にのみ模式的に示すクリップ10により発電要素3の正極6に対して電気的に接続され、かつ機械的に連結されている。
正極外部端子15の軸部15bを上パッキン16の筒状部16d及び正極集電体13の被カシメ部33に形成された貫通孔33aを挿通させた後に、先端を押し広げてカシメ頭部15cを形成することで、正極外部端子28、上パッキン16、正極下パッキン18、及び正極集電体13の被カシメ部33が蓋体4に対してカシメ接合されている。正極集電体13の被カシメ部33は軸部15bの部分に直接接触することで正極外部端子15に電気的に接続されている。
図2に最も明瞭に示すように、負極集電体12の被カシメ部33を蓋体4にカシメ接合しているリベット22の軸部22aの先端のカシメ頭部22は、蓋体4の下面に形成された係合凹部11aに収容されており、蓋体4の下面から下方へ突出していない。同様に、図3に最も明瞭に示すように、正極集電体13の被カシメ部33を蓋体にカシメ接合している正極外部端子15の軸部15bの先端のカシメ頭部15cは、蓋体4の下面に形成された係合凹部11aに収容されており、蓋体4の下面から下方へ突出していない。
このように、負極側及び正極側のいずれにおいても、集電体12,13を蓋体4へカシメ接合しているカシメ頭部22c,15cは、係合凹部11a内に収容されており、蓋体4の下面4aから突出しない。そのため、発電要素3の上端位置を蓋体4の下面近傍の位置に設定し、発電要素3と蓋体4との間の隙間空間(図2及び図3において符号Sで概念的に示す。)を必要最小限にできる。例えば、隙間空間Sは、注液孔9から電解液を電池容器2内に注入する際に電解液の円滑な流れを確保できる最小の隙間に設定される。このように、カシメ頭部22c,15cが蓋体4から突出しないので、発電要素3と蓋体4の下面4aとの間のデッドスペースをなくすことができる。その結果、電池容器2の容積に対する発電要素3の占める割合を十分に高めることができ、高いエネルギー密度が得られる。
例えば、電池容器2の底部から蓋体4の下面4aまでの高さが100mmの場合、従来の電池のエネルギー密度が100Wh/Lとすると、本実施形態のカシメ頭部22c,15cは、係合凹部11a内に収容する構成を採用することでエネルギー密度を104Wh/Lに向上できる。
また、仮にカシメ頭部22c,15cを係合凹部11aに収容することなく、蓋体4の下面4aに対して発電要素3の上端を接近して配置した場合、カシメ頭部22cと負極集電体12の被カシメ部33との間の接触抵抗や、カシメ頭部15cと正極集電体13の被カシメ部33との間の接触抵抗による発熱により、セパレータ7の収縮等の発電要素3の劣化を生じるおそれがある。しかし、本実施形態では、カシメ頭部22c,15cは係合凹部11aに収容されているので、発電要素3を蓋体4の下面に接近して配置しているのにもかかわらず、接触抵抗による発熱が起こる部位であるカシメ頭部22c,15cと集電体12,13との接触部分は、発電要素3からの距離が十分に離れている。つまり、本実施形態では、カシメ頭部22c,15cを係合凹部11aに収容することで、接触抵抗による発熱によって発電要素3の劣化を招くことなく、エネルギー密度の向上を実現している。
本実施形態では、蓋体4の一部を立体的に膨出させた係合受部11を設けて、その内部をカシメ頭部22c,15cが収容される係合凹部11aとしている。立体的に膨出した係合受部11を設けることで、この部分での断面係数が単なる平板状の場合よりも高くなり、重量増等の原因となる厚みの増大を伴うことなく蓋体4の剛性を高めることができる。
また、本実施形態では、蓋体4に対して絞り加工を施すことで、係合受部11(係合凹部11a)を設けている。そのため、蓋体4の係合受部11の周辺において加工硬化が生じて局所的に降伏応力が増加し、蓋体4の塑性変形を抑制できる。つまり、係合受部11を絞り加工で形成していることでも、蓋体4の剛性が高められている。
例えば、蓋体4の材質がA1050の場合、従来の電池では数10N〜100N程度の外力が作用すると外部端子14,15の部分で蓋体4の変形が生じたのに対し、本実施形態の絞り加工により膨出させた係合受部11を設けることで、数100N〜1kN程度の外力に対しても蓋体4は変形しない。
図2に最も明瞭に示すように、負極集電体12の基部31のうちリベット22の軸部22aが貫通している被カシメ部33は、蓋体4の下面に形成された係合凹部11aに収容されており、蓋体4の下面から下方へ突出していない。同様に、図3に最も明瞭に示すように、正極集電体13の被カシメ部33は、蓋体4の下面に形成された係合凹部11aに収容されており、蓋体4の下面から下方へ突出していない。
このように、負極側及び正極側のいずれにおいても、集電体12,13の基部31のうち被カシメ部33は、係合凹部11a内に収容されており、蓋体4の下面4aから突出しないことでも、発電要素3と蓋体4の下面4aとの間のデッドスペースをなくすことができる。その結果、電池容器2の容積に対する発電要素3の占める割合を十分に高めることができ、高いエネルギー密度が得られる。
(第2実施形態)
図7は本発明の第2実施形態に係る電池1を示す。図7では負極側のみを図示しているが正極側の構造も同様である。
本実施形態における負極外部端子42は頭部42aと雄螺子が形成された軸部42bとを有するボルト状であり、リベット41と負極外部端子42とは接続杆43を介して電気的に接続されている。具体的には、上パッキン16の上面の凹部に負極外部端子42の頭部42aが収容され、上向きに突出する軸部42bは接続杆43の貫通孔43aに挿通されている。一方、リベット41は軸部41bの上端が接続杆43の他の貫通孔43bにカシメ接合されている。また、リベット41の軸部41bは上パッキン16の筒状部16dと負極集電体12の被カシメ部33の貫通孔33aに挿通されて係合凹部11a内に進入している。係合凹部11aに位置する軸部41bの先端を押し広げてカシメ頭部41bが形成されている。
リベット41の下端のカシメ頭部41aは蓋体4の下面4aに設けられた係合凹部11a内に収容されており、蓋体4の下面4aから下方に突出していない。そのため、発電要素3と蓋体4との間の隙間空間Sを必要最小限に設定し、電池容器2の容積に対する発電要素3の占める割合を十分に高めることで高いエネルギー密度を実現できる。
また、係合凹部11aは蓋体4の絞り加工によって外部へ立体的に膨出するように形成された係合受部11の内部の空間である。係合受部11の部分で断面係数が高くなることと、蓋体4の係合受部11の周辺で加工硬化が生じることとにより、重量増等の原因となる厚みの増大を伴うことなく蓋体4の剛性を向上できる。
さらに、負極集電体12の被カシメ部33は係合凹部11a内に収容されており、蓋体4の下面から突出しておらず、この点でも発電要素3と蓋体4の下面4aとの間のデッドスペースをなくすことができる。その結果、電池容器2の容積に対する発電要素3の占める割合を十分に高めることができ、高いエネルギー密度が得られる。
第2実施形態のその他の構成及び作用は第1実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本発明は前記実施形態に限定されず、例えば以下に列挙するように、種々の変形が可能である。
比較的厚みの大きい平板状の蓋体の下面に溝状の凹部を設けた構成、すなわち蓋体を膨出させることなく凹部を設けた構成でも、カシメ頭部をこの凹部に収容することで、電池容器内で発電要素が占める割合を高めてエネルギー密度を向上させる効果が得られる。
第1及び第2実施形態では、係合凹部11a内に収容されたカシメ頭部15c,22c,41a並びに集電体12,13の基部33は、蓋体4の下面4aから突出していない。しかし、電池容器内で発電要素が占める割合を高めてエネルギー密度を向上させる効果が得られる限り、カシメ頭部や集電体の基部は完全に係合凹部内に収容されている必要は必ずしもなく、蓋体の下面から僅かに突出していてもよい。
非水電解質二次電池を例に本発明を説明したが、非水電解質二次電池以外の電池にも本発明を適用できる。
1 非水電解質二次電池
2 電池容器
3 発電要素
4 蓋体
4a 下面
4b 上面
5 負極
6 正極
7 セパレータ
8 安全弁
9 注液孔
10 クリップ
11 係合受部
11a 係合凹部
11b ガイド凹部
11c 貫通孔
12 負極集電体
13 正極集電体
14 負極外部端子
15 正極外部端子
15a 板状体
15b 軸部
15c カシメ頭部
16 上パッキン
16a 隔壁
16b 端子保持凹部
16c 装着用凹部
16d 筒状部
16e 舌状部
16f 係合孔
17 負極下パッキン
17a 被カシメ部
17b 平坦部
17c 貫通孔
18 正極下パッキン
19 係止突部
21 板状体
21a 貫通孔
22 リベット
22a 顎部
22b 軸部
22c カシメ頭部
31 基部
32 脚部
33 被カシメ部
33a 貫通孔
34 台座部
35 連結部
41 リベット
41a カシメ頭部
41b 軸部
42 負極外部端子
42a 頭部
42b 軸部
43 接続杆
43a,43b 貫通孔

Claims (7)

  1. 電池容器内に収容された発電要素と、
    前記電池容器の開口を封止する蓋体の外部に少なくとも一部が配置された外部端子と、
    前記発電要素と前記外部端子とを電気的に接続する集電体と、
    前記蓋体に対して前記集電体を固定するための接合部材とを備え、
    前記蓋体の内面に形成された凹部に前記接合部材の頭部と、前記集電体の基部の少なくとも一部とが収容され
    前記集電体の基部は、一体成形された、前記頭部によるカシメで前記蓋体に対して固定される被カシメ部と、前記発電要素に電気的に接続された脚部がつながる台座部と、前記被カシメ部と前記台座とを連結する部分とを備え、
    前記被カシメ部が前記凹部に収容されると共に、前記台座部が前記凹部外の前記蓋体の内面に沿って配置されている、電池。
  2. 電池容器内に収容された発電要素と、
    前記電池容器の開口を封止する蓋体の外部に少なくとも一部が配置された外部端子と、
    前記発電要素と前記外部端子とを電気的に接続する集電体と、
    前記蓋体に対して前記集電体を固定するための接合部材とを備え、
    前記蓋体の内面に形成された凹部に前記接合部材の頭部と、前記集電体の基部の少なくとも一部とが収容され、
    前記集電体の基部は、前記頭部によるカシメで前記蓋体に対して固定される被カシメ部を備え、
    前記被カシメ部は、前記集電体の前記被カシメ部以外の部分を介在することなく、空間を隔てて前記発電要素と対向している、電池。
  3. 前記凹部は前記蓋体の一部が外側に向かって膨出する膨出部の内側の空間である、請求項1又は請求項2に記載の電池。
  4. 前記接合部材はリベットである、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電池。
  5. 前記外部端子は前記蓋体の外部に配置された板状体を備え、
    前記リベットは、前記板状体に形成された貫通孔に圧入された顎部と、前記顎部から前記凹部内に突出して先端に前記頭部が形成される軸部とを備える、請求項4に記載の電池。
  6. 前記接合部材は前記外部端子である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電池。
  7. 前記外部端子は
    蓋体の外部に配置された板状体と、
    前記板状部から蓋体の内部に突出して先端に前記頭部が形成される軸部と
    を備える、請求項6に記載の電池。
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