JP5877762B2 - 角形二次電池 - Google Patents

Description

本発明は車載用途等に使用される角形二次電池に関する。

近年、電気自動車等の動力源として、エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池の開発が進められている。車載用途の角形二次電池では、複数の電池を直列に接続して使用する。数多くの電池を効率よく生産するためには、短時間で電池を完成させる必要がある。そのためには、電池製作工程の一つである電解液を電池缶内部に注入させて、電池缶内部に収納された電極群に電解液を短時間で浸透させることが必要である。

これに対して、電池缶の電極群の注液端面に対向する部分の内面を曲面状に形成し、当該電池缶の対向部分と電極群の注液端面との間に空間を設け、注液口をその対向部分に設ける技術が開示されている(特許文献１)。

特開２００５-２５１４２２号公報

特許文献１に記載された技術の場合、電池缶と電極群の注液端面との間に空間を設けるため、電池缶内に収納できる電極群の体積が空間分だけ小さくなってしまうという問題点がある。

本発明は、電池缶に収納できる電極群の体積を減少させることなく、短時間で注液できる二次電池を提供することである。

上記課題を解決する本発明の二次電池は、正極板と負極板を間にセパレータを介在させて捲回した捲回電極群と、該捲回電極群を前記捲回電極群の捲回軸方向が横方向に延在する姿勢状態で収容する電池缶と、該電池缶の上部に開口する開口部を封口しかつ前記電池缶内に電解液を注液する注液口が設けられた蓋とを有する角形二次電池であって、前記電池缶内で前記注液口に対向配置されて、捲回軸方向一方側に向かって傾斜した傾斜部を有するガイド部材を配置したことを特徴としている。

本発明によれば、ガイド部材によって、注液口から注入された電解液を捲回軸方向に沿う方向に案内するので、電極群の捲回軸方向の端面と該端面に対向する電池缶の内面との間に電解液を積極的に導いて、電池缶の缶底に移動させることができ、電解液の注液効率を向上させることができる。したがって、電池容量を低下させることなく、短時間で注液作業を完了させることができ、電池の生産性を向上させることができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第１実施形態に係わる角形二次電池の外観斜視図。 捲回電極群の一部を展開した状態を示す外観斜視図。 電池蓋組立体と捲回電極群の分解斜視図。 注液栓による封止をした状態を示す断面図。 第１実施形態に係わる角形二次電池の断面図。 第１実施形態の構成を説明する断面斜視図。 第１実施形態のガイド部材を示した斜視図。 第１実施形態の蓋に設けた突起を示した斜視図。 第２実施形態のガイド部材を示した斜視図。 第３実施形態の構成を説明する断面斜視図。 第３実施形態の構成を説明する斜視図。

以下、図面を参照して、本発明の角形二次電池をハイブリッド車用の角形リチウムイオン二次電池に適用した各実施の形態について説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係わる角形二次電池の外観斜視図、図２は、捲回電極群の一部を展開した状態を示す外観斜視図、図３は、電池蓋組立体と捲回電極群の分解斜視図、図４は、注液栓による封止をした状態を示す断面図、図５は、第１実施形態に係わる角形二次電池の断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１に示すＸ方向を横方向、Ｙ方向を高さ方向、Ｚ方向を厚さ方向と称するが、実際の姿勢状態を限定するものではない。

角形二次電池１０は、図１に示すように、電池容器を構成する電池缶１および蓋２を備えている。電池缶１は、長方形の底面部ＰＢ（図５を参照）と、底面部ＰＢの長辺で折曲されて互いに厚さ方向（Ｚ方向）に離間して対峙する一対の幅広面部ＰＷと、底面部ＰＢの短辺で折曲されて互いに横方向（Ｘ方向）に離間して対峙する一対の幅狭面部ＰＮとを有する深絞り形状を有しており、電池缶１の上部には、高さ方向（Ｙ方向）上側に向かって開口する開口部が形成されている。

蓋２は、電池缶１の開口部を閉塞する長方形の平板形状を有している。そして、蓋２の長辺方向両側には、正極側端子構成部６０と負極側端子構成部７０が設けられており、長辺方向中央寄り位置には、安全弁１３と注液口１２（図３を参照）が設けられている。

安全弁１３は、電池缶１の内圧が規定値よりも上昇した場合に開裂して電池缶１内のガスを放出する構成を有している。注液口１２は、電池缶１内に所定量の電解液を所定時間内に注液することができるように、予め設定された内径を有して蓋２に開口形成されている。安全弁１３と注液口１２のうち、安全弁１３は、蓋２の長辺方向略中央位置に配置されており、注液口１２は、安全弁１３よりも蓋２の長辺方向一方側に偏位した位置、本実施形態では負極側端子構成部７０側に偏位した位置に配置されている。注液口１２は、図４に示すように、電池缶１内に電解液を注液した後に注液栓１１によって閉塞される。注液栓１１は、レーザ溶接等により蓋２に接合されて電池内部を密閉する。

電池缶１内には、発電要素である捲回電極群６が収納されている。捲回電極群６は、セパレータ６Ｃ、負極板６Ｄ、セパレータ６Ｃ、正極板６Ｅの順に重ねられた状態で扁平に捲回され、平面部の両側にそれぞれ湾曲部が形成された扁平捲回構造を有している。捲回開始端部にはセパレータ６Ｃが巻かれており、捲回終了端部にもセパレータ６Ｃが数周捲回され、巻き解けを防止するために、図２の下側に配されたセパレータ６Ｃの捲回終了端が予め片面に粘着剤が塗着されたテープ（不図示）で止められている。

正極板６Ｅは、アルミニウム合金箔（正極集電体）の両面に、正極活物質として、例えば、マンガン酸リチウム等のリチウム含有遷移金属複酸化物を含む正極活物質合剤が略均等かつ略均一に塗着（塗工）されており、両面とも長手方向に沿う一方側に正極活物質合剤が未塗工の正極金属箔の露出部６Ａが形成されている。

一方、負極板６Ｄは、銅合金箔（負極集電体）の両面に、負極活物質として、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な黒鉛等の炭素材を含む負極活物質合剤が略均等かつ略均一に塗着されており、両面とも長手方向に沿う一方側に負極活物質合剤が未塗工の負極金属箔の露出部６Ｂが形成されている。セパレータ６Ｃ、６Ｃは、リチウムイオンが通過可能な微多孔性シート材で構成されており、本例では、数十μｍ厚のポリエチレンシートが用いられている。

電池蓋組立体４０は、図３に示されるように、蓋２と、正極側端子構成部６０と、負極側端子構成部７０を備える。

正極側端子構成部６０は、正極外部端子６１、正極接続端子６２、正極端子板６３、絶縁板６４および正極集電板２１から構成される。正極外部端子６１、正極端子板６３、正極接続端子６２および正極集電板２１は、一体的に固定され、蓋２に取り付けられている。

正極側端子構成部６０を作製するには次のようにする。予め、正極集電板２１を正極接続端子６２にかしめておく。そして、蓋２の貫通孔と絶縁板６４の貫通孔とを位置合わせして配置する。次に、正極外部端子６１を正極端子板６３に設けられた貫通孔に嵌入し、絶縁板６４上で正極端子板６３に固定する。正極外部端子６１は正極端子板６３にかしめてもよい。

そして、正極集電板２１がかしめられた正極接続端子６２を蓋２の裏側から絶縁板６４の貫通孔に挿通する。正極接続端子６２の先端側は、正極端子板６３の貫通孔よりも僅かに小さい円筒形状を有しており、この正極接続端子６２の先端部分をかしめることにより、正極側端子構成部６０が蓋２に一体的に組み付けられる。

この状態において、正極集電板２１、正極接続端子６２、正極端子板６３および正極外部端子６１は、電気的に接続されている。また、正極集電板２１、正極接続端子６２、正極端子板６３および正極外部端子６１は、絶縁板６４により蓋２から絶縁されている。

負極側端子構成部７０は、負極外部端子７１、負極接続端子７２、負極端子板７３、絶縁板７４および負極集電板３１から構成される。負極側端子構成部７０は、正極側端子構成部６０と同様な構造であり、負極外部端子７１、負極端子板７３、負極接続端子７２および負極集電板３１は、一体的に固定され、蓋２に取り付けられている。

この状態において、負極集電板３１、負極接続端子７２、負極端子板７３および負極外部端子７１は、電気的に接続されている。また、負極集電板３１、負極接続端子７２、負極端子板７３および負極外部端子７１は、絶縁板７４により蓋２から絶縁されている。

角形二次電池１０は、正極・負極の集電板２１、３１を捲回電極群６に接合することにより、正極外部端子６１および負極外部端子７１に接続された外部電子機器に対して、充放電が可能となる。

正極集電板２１は、アルミニウムまたはアルミニウム合金により形成されている。正極集電板２１は、蓋２の下面に沿って取り付けられる平板状の本体部２２と、本体部２２の幅方向両端部でそれぞれ下方にほぼ９０°に折曲された一対の支持部２２ａを有する。これら一対の支持部２２ａの先端には、それぞれ平坦状の接合片２３が形成されている。各接合片２３は、捲回電極群６に超音波溶接により接合される。接合片２３は、それぞれ、支持部２２ａに対して傾斜した角度に折曲されている。一対の接合片２３は、蓋２の長辺方向中央側から外側に向かって移行するにしたがって蓋２の短辺方向に互いに離反するように傾斜しており、傾斜方向は相互に逆方向であるが中心面に対して同一の角度であり、線対称となっている。一対の接合片２３は、その間に捲回電極群６の正極金属箔露出部６Ａが挿入され、捲回電極群６の正極金属箔露出部６Ａをハの字状に開いた状態で、正極金属箔露出部６Ａに超音波溶接により接合される。

負極集電板３１は、銅または銅合金により形成されているが、正極集電板２１と同じ構造を有している。負極集電板３１は、蓋２の下面に沿って取り付けられる平板状の本体部３２と、本体部３２の幅方向両端部でそれぞれ下方にほぼ９０°に折曲された一対の支持部３２ａを有する。これら一対の支持部３２ａの先端には、それぞれ平坦状の接合片３３が形成されている。各接合片３３は、捲回電極群６に超音波溶接により接合される。接合片３３は、それぞれ、支持部３２ａに対して傾斜した角度に折曲されている。一対の接合片３３は、蓋２の長辺方向中央側から外側に向かって移行するにしたがって蓋２の短辺方向に互いに離反するように傾斜しており、傾斜方向は相互に逆方向であるが中心面に対して同一の角度であり、線対称となっている。一対の接合片３３は、その間に捲回電極群６の負極金属箔露出部６Ｂが挿入され、捲回電極群６の負極金属箔露出部６Ｂをハの字状に開いた状態で、負極金属箔露出部６Ｂに超音波溶接により接合される。

そして、捲回電極群６の捲回軸方向が電池缶１の開口部と平行になるように、横方向に延在する姿勢状態で捲回電極群６を電池缶１に収容し、その後に、蓋２で電池缶１の開口部を閉塞して電池缶１と蓋２の嵌合部をレーザにより溶着して封口する。

電池缶１の一対の幅広面部ＰＷの間隔は、各幅広面部ＰＷの内面が捲回電極群６の平面部との間に絶縁フィルムシート（図示せず）を介してそれぞれ当接する寸法に設定されている。そして、一対の幅狭面部ＰＮの間隔は、捲回電極群６の捲回軸方向両側の端面との間に所定の間隙を有して対向する寸法に設定されている。

捲回電極群６は、間に絶縁フィルムシート（図示せず）を介して電池缶１内に収容される。捲回電極群６は、電池缶１に収容された状態で、捲回電極群６の平面部が電池缶１の一対の幅広面部ＰＷの内面に当接する。そして、捲回電極群６の捲回軸方向両側の端面とその端面に対向する電池缶１の幅狭面部ＰＮの内面との間には、電池缶１の高さ方向（Ｙ方向）に延在する間隙が形成される。

捲回電極群６は、捲回軸方向両側の端面から捲回電極群６の内部に電解液を浸透させる必要がある。したがって、捲回電極群６の捲回軸方向両側の端面と、その端面に対向する電池缶１の内面、すなわち、幅狭面部ＰＮの内面との間には、必ず所定の間隙が設けられる。電池缶の底面部ＰＢは、平面形状を有しており、捲回電極群６の底部側の湾曲部との間に、短辺方向に分かれて長辺方向に亘って延在する２つの空間部が形成されるようになっている。

角形二次電池１０は、図５に示すように、ガイド部材８０を有している。ガイド部材８０は、図５及び図６に示すように、注液口１２の缶内部側に配置されている。

ガイド部材８０は、電池缶１内で注液口１２に対向配置されて、捲回軸方向一方側に向かって傾斜した傾斜部８２を有している。ガイド部材８０は、注液口１２から注入された電解液を傾斜面８２によって捲回軸方向に沿う方向に案内することができる。ガイド部材８０は、蓋２の裏面と捲回電極群６の上端部との間の空間に配置可能な所定の板厚を有するブロック状の部材によって構成されている。ガイド部材８０は、蓋２の下面に取り付けられる取付面８３と、取付面８３の中央部に凹設された凹部８１を有している。凹部８１は、取付面８３側が注液口１２に連続し、蓋２への取付面８３以外は四つの側面のうち一つの側面８０ａだけに開口している。凹部８１の底面には、下方に移行するにしたがって漸次側面８０ａに向かって移行するように傾斜した傾斜部８２が形成されている。傾斜部８２は、平面を有している。

ガイド部材８０は、図６に示すように、注液口１２の下方に対向する位置で側面８０ａが捲回電極群６の捲回軸方向一方側である負極側短辺４側に向くように取り付けられている。この凹部８１によってガイド部材８０の通路部が形成される。

安全弁１３は、蓋２の長辺方向中央に配置されることが多いため、注液口１２は、蓋２の一方の短辺側に偏って配置されることになる。例えば、図３に示すように、蓋２の正極側の短辺３よりも負極側の短辺４に近い位置に注液口１２が設置されたときは、捲回電極群６の上方を捲回軸方向に沿って短辺４側に向かって電解液が流れるようにガイド部材８０を設置する。

凹部８１は、負極側短辺４側に向かう側面８０ａだけに開口しているので、注液口１２を介して電池缶１内に注液された電解液を、傾斜部８２によって捲回電極群６の捲回軸方向に沿って負極側短辺４側に向かって流れるように案内することができる。

ガイド部材８０の取付面８３には、図７に示すように、４つの嵌合穴８４を四隅に設けておく。また、蓋２には、図８に示すように、４つの突起８５を設けておく。蓋２に設けた４つの突起８５は、ガイド部材８０の４つの嵌合穴８４の位置と一致するように設けられる。また、突起８５は円柱状になっており、その直径は、ガイド部材８０の嵌合穴８４の直径より少し大きい寸法となるように設定する。このような寸法に設定することによって、ガイド部材８０は、蓋２の突起８５に圧入されて固定される。

また、ガイド部材８０を蓋２に固定する方法として、接着を用いることもできる。接着のときは、上記の圧入とは逆に、ガイド部材８０に設けた嵌合穴８４の直径を、蓋２の突起８５より少し大きくしておく。そして、突起８５と嵌合穴８４の係合面に接着剤を塗ることにより、ガイド部材８０を蓋２に接着剤で固定することができる。ガイド部材８０は、絶縁体によって構成されており、材質としては、樹脂であることが望ましい。

ガイド部材８０を蓋２に圧入するときに、ガイド部材８０の嵌合穴８４と蓋２の突起８５が摩擦することにより、異物が発生する可能性がある。ガイド部材８０が金属製であると、異物として金属が発生することになる。ガイド部材８０を樹脂製とすることにより、蓋２の突起８５と摩擦して異物が発生しても、金属製の突起より強度が低い樹脂が異物として発生することになる。

金属異物が電池内にあると正極と負極が短絡する原因となるが、樹脂であれば正極と負極が短絡する原因にはならない。また、電池に振動や衝撃が作用したときに、ガイド部材８０が蓋２から外れる可能性がある。そのときもガイド部材８０が樹脂製であれば、電池内で自由に動いても正極と負極が短絡することはない。

従来は、電解液を注液口１２から電池缶１内に注入すると、そのまま、捲回電極群６の上面に当たり、捲回電極群６の上側の湾曲部と一対の幅広面部とで囲まれる空間に滞留し、それから、捲回軸方向一方側と他方側である正極側短辺３側と負極側短辺４側に向かって流れ始めていた。

注液効率を向上させて注液時間を短縮するには、注液口１２から注入された電解液を、より短時間で電池缶１の缶底まで到達させることが必要である。

そこで、本実施の形態では、ガイド部材８０を注液口１２の缶内部に配置して、注液口１２から注入された電解液を傾斜部８２に当接させて捲回軸方向に沿う方向であって注液口１２により近い負極側短辺４側に向かって流れるように案内する構成とした。これにより、捲回電極群６の捲回軸方向一方側である負極側の端面とその負極側の端面に対向する電池缶１の幅狭面部ＰＮとの間で高さ方向に延在する間隙に電解液を積極的に導くことができる。そして、捲回電極群６の捲回軸方向他方側である正極側の端面とその正極側の端面に対向する電池缶１の幅狭面部ＰＮとの間で高さ方向に延在する間隙を、空気の排気通路とすることができる。

したがって、電解液を電池缶１の上部から電池缶１の缶底に流れ込ませ、缶底に迅速に溜めることができる。そして、電池缶内に貯留される電解液の液面高さを、捲回電極群６の捲回軸方向両側の端面の下端よりも高い位置まで、より短時間で到達させることができ、捲回電極群６に電解液を浸透させる時間をより短くすることができ、電解液の注液効率を向上させて注液時間を短縮することができる。したがって、電池容量を低下させることなく、短時間で注液作業を完了させることができ、電池の生産性を向上させることができる。

なお、本実施形態では、注液口１２から電池缶１内に注液された電解液を、捲回電極群６の捲回軸方向に沿って注液口１２により近い負極側短辺４側に向かって流れるように構成した場合を例に説明したが、電解液を捲回電極群６の捲回軸方向の端面とその端面に対向する電池缶１の幅狭面部ＰＮの内面との間で高さ方向に延在する間隙に電解液を積極的に導くことができるものであればよい。したがって、ガイド部材８０は、捲回軸方向他方側である正極側短辺３側に向かって流れるように案内する構成としてもよく、また、正極側短辺３側と負極側短辺４側の両方に向かって流れるように案内する構成としてもよい。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について図９を用いて説明する。なお、第１実施の形態と同様の構成要素には、同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

本実施形態において特徴的なことは、ガイド部材１８０が蓋２に平行な平坦面１８２を有し、傾斜部を捲回軸方向一方側に移行するにしたがって漸次溝深さが深くなるように傾斜した凹溝形状のくぼみ８６としたことである。

ガイド部材１８０は、取付面８３の中央部に凹設された凹部１８１を有している。凹部１８１は、取付面８３側が注液口１２に連続し、蓋２への取付面８３以外は四つの側面のうち一つの側面８０ａだけに開口している。この凹部１８１によってガイド部材１８０の通路部が形成される。

凹部１８１は、蓋２に平行に配置される平坦面１８２と、平坦面１８２の中央に設けられたくぼみ（傾斜部）８６を有している。くぼみ８６は、平坦面１８２の中央部から側面８０ａに向かって漸次溝深さが深くなるように傾斜した凹溝形状を有しており、電解液を捲回電極群６の捲回軸方向に沿って負極側短辺４側に向かって流すように案内する。

くぼみ８６は、凹部１８１内で電解液を中央に集中的に集めることができ、電解液をより速い速度で流すことができる。したがって、捲回電極群６の捲回軸方向一方側である負極側の端面とその負極側の端面に対向する電池缶１の幅狭面部ＰＮとの間で高さ方向に延在する間隙に電解液を積極的に導くことができ、電解液を電池缶１の缶底に迅速に溜めて、電解液の注液効率を向上させることができる。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態について図１０、図１１を用いて以下に説明する。なお、上記した各実施の形態と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

本実施形態において特徴的なことは、ガイド部材２８０を蓋２に一体に形成したことである。

ガイド部材２８０は、蓋２に一体に形成されており、注液口１２から下方に向かって延出して負極側端子構成部７０側に向かって開口する断面Ｃ字状の縦壁部２８１と、縦壁部２８１の下端で下方に移行するにしたがって漸次負極側端子構成部７０側に向かって移行する傾斜部２８２とを有している。この縦壁部２８１と傾斜部２８２によってガイド部材２８０の通路部が形成される。

傾斜部２８２には、電解液が電池缶１内に流れ出る開口部に向かって傾斜がついている。この傾斜は、電池缶１の底の方に向かっている。したがって、注液口１２から注入された電解液を、捲回電極群６と電池缶１の幅狭面部ＰＮとの間の間隙に積極的に導くことができ、電解液を電池缶１の缶底に迅速に溜めて、電解液の注液効率を向上させることができる。

ガイド部材２８０は、注液口１２の全体ではなく、その一部に対応する部分にだけ設けられている。ガイド部材２８０は、例えば、蓋２をプレス成形することにより、蓋２と一体に製作することができる。したがって、材料費を低減でき、組立工数の削減により、電池の低コスト化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 電池缶
２ 蓋
３ 正極側短辺
４ 負極側短辺
６ 捲回電極群
６Ａ 正極金属箔露出部
６Ｂ 負極金属箔露出部
６Ｃ セパレータ
６Ｄ 負極板
６Ｅ 正極板
１０ 角形二次電池
１１ 注液栓
１２ 注液口
１３ 安全弁
２１ 正極側集電板
３１ 負極側集電板
４０ 電池蓋組立体
６０ 正極側端子構成部
７０ 負極側端子構成部
８０、１８０、２８０ ガイド部材
８０ａ 側面
８１、１８１ 凹部
８２ 傾斜部
８３ 取付面
８４ 嵌合穴
８５ 突起
８６ くぼみ（傾斜部）
１８２ 平坦面
２８１ 縦壁部
２８２ 傾斜部

Claims (4)

1. 正極板と負極板を間にセパレータを介在させて捲回した捲回電極群と、該捲回電極群を前記捲回電極群の捲回軸方向が横方向に延在する姿勢状態で収容する電池缶と、該電池缶の上部に開口する開口部を封口しかつ前記電池缶内に電解液を注液する注液口が設けられた蓋とを有する角形二次電池であって、
   前記電池缶内で前記注液口に対向配置されて、捲回軸方向一方側に向かって傾斜した傾斜部を有するガイド部材を配置しており、
   前記蓋は、金属材料によって構成されており、前記ガイド部材が一体に成形されていることを特徴とする角形二次電池。
2. 前記ガイド部材の傾斜部は平面であることを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池。
3. 前記ガイド部材は蓋に平行な平坦面を有し、前記傾斜部は、前記捲回軸方向一方側に移行するにしたがって漸次溝深さが深くなるように傾斜した凹溝形状のくぼみであることを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池。
4. 前記注液口は、前記捲回電極群に対して捲回軸方向一方側に偏位した位置に開口形成されていることを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池。

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