JP6806041B2

JP6806041B2 - 二次電池

Info

Publication number: JP6806041B2
Application number: JP2017223670A
Authority: JP
Inventors: 松浦　智浩; 智浩松浦; 一郎村田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2021-01-06
Anticipated expiration: 2037-11-21
Also published as: JP2019096430A

Description

本開示は、二次電池に関する。

従来の二次電池が開示された文献として、たとえば特開２０１６−０６２７８７号公報（特許文献１）が挙げられる。

特許文献１に開示の二次電池にあっては、電池ケースの蓋部に取り付けられた端子と、電極巻回体の電極箔露出部に接続された集電板の基部とが、電池ケース内部でかしめ固定されている。端子は、電池ケース外でバスバー等に溶接接合される直方体の溶接接合部と、蓋部に設けられた貫通孔を通って溶接接合部から電池ケース内に突出する突出部と、当該突出部の先端でかしめられたかしめ部を有する。かしめ部と溶接接合部との間に、蓋部と、当該蓋部および集電体の基部を絶縁する絶縁体と、蓋部および溶接接合部を絶縁するように貫通孔に挿入されたガスケットとが挟み込まれている。

さらに、ガスケットの内側において突出部の周囲を取り囲む円筒状の熱異方性部材が設けられている。筒軸方向における熱異方性部材の一端は、集電板の基部に当接し、筒軸方向における熱異方性部材の他端は、溶接接合部に接しており、熱異方性部材においては、径方向よりも筒軸方向に熱が伝わりやすくなっている。これにより、電池ケース内部で発生した熱は、ガスケットへ伝わりにくく、電池ケースの外部へ伝わりやすくなる。

特開２０１６−０６２７８７号公報

しかしながら、特許文献１に開示の二次電池にあっては、熱異方性部材と、溶接接合部および集電板の基部とが接触する面積が小さく、放熱性に改善の余地がある。

特に、二次電池の大容量化によって外部端子および電池要素を接続する電流経路に大電流が流れる場合、および急速充電によって当該電流経路に大電流が流れる場合には、当該電流経路での発熱量も増加する。このため、電流経路で発生する熱を効果的に放熱することが要求される。

本開示は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本開示の目的は、外部端子と電池要素とを接続する電流経路で発生する熱を効果的に放熱することができる二次電池を提供することにある。

本開示の二次電池は、電池要素を収容する電池ケースと、上記電池ケースの外部に設けられ、上記電池要素に電気的に接続される外部端子と、上記外部端子と上記電池ケースとの間に設けられ、上記外部端子と上記電池ケースとを電気的に絶縁するインシュレータと、絶縁性を有する熱伝導シートと、を備え、上記熱伝導シートは、上記外部端子と上記インシュレータとの間に挟み込まれた第１部分、上記インシュレータと上記電池ケースとの間に挟み込まれた第２部分、ならびに上記第１部分および上記第２部分を接続する接続部を含み、上記熱伝導シートの熱伝導率は、上記インシュレータの熱伝導率よりも大きい。

このような構成を有することにより、外部端子と電池要素とを接続する電流経路において、熱が発生した場合に、当該熱は、電流経路を通って外部端子に伝導される。外部端子に伝導された熱は、熱伝導シートの第１部分、接続部、および第２部分を順に通って、電池ケースに伝導される。このため、熱伝導シートが設けられていない場合と比較して、熱容量の大きい電池ケースに熱を逃がすことができ、さらに外気に接触する面積が大きい電池ケースからも外部に放熱することができる。この結果、外部端子と電池要素とを接続する電流経路で発生する熱を効果的に放熱することができる。

本開示によれば、外部端子と電池要素とを接続する電流経路で発生する熱を効果的に放熱することができる二次電池を提供することができる。

実施の形態に係る二次電池を示す斜視図である。実施の形態に係る二次電池の外部端子周辺の構成を示す分解斜視図である。実施の形態に係る二次電池の外部端子周辺の構成の一部を表側から示す斜視図である。実施の形態に係る二次電池の外部端子周辺の構成の一部を裏側から示す斜視図である。実施の形態に係る二次電池の外部端子周辺の構成の一部の分解斜視図である。図１に示すＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。

以下、本開示の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態においては、同一のまたは共通する部分について図中同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

（二次電池の構成）
図１は、実施の形態に係る二次電池を示す斜視図である。図１を参照して、実施の形態に係る二次電池１００について説明する。

二次電池１００は、車両駆動用であり、たとえば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能なバッテリから電力供給されるモータとを動力源とするハイブリッド自動車や、外部充電が可能なプラグインハイブリッド自動車、電気自動車などに搭載される。

図１に示すように、実施の形態１に係る二次電池１００は、電池ケース１０、電池要素としての電極体１３、正極用の外部端子２０Ａ、インシュレータ２５、負極用の外部端子２０Ｂ、およびインシュレータ２６を備える。

電池ケース１０は、高さ方向Ｔ、幅方向Ｗ、および長さ方向Ｌを有する角型形状を有する。電池ケース１０は、有底角筒状の収容部１１と、収容部１１の開口を密閉する封口板１２とを含む。電池ケース１０は、内部に電極体１３（電池要素）を収容している。外部端子２０Ａ，２０Ｂは、電池ケース１０の外部に設けられている。具体的には、外部端子２０Ａ，２０Ｂは、封口板１２に取り付けられる。

外部端子２０Ａは、ボルト２１および端子板２３を含む。ボルト２１および端子板２３は、導電性材料で形成されている。端子板２３は、ボルト２１に当接することにより当該ボルト２１と電気的に接続されている。なお、外部端子２０Ａは、ボルト２１を含まなくてもよい。

インシュレータ２５は、電池ケース１０の外部に設けられている。インシュレータ２５は、封口板１２の直上に重ねられている。インシュレータ２５は、ボルト２１および端子板２３と封口板１２との間に設けられている。インシュレータ２５は、ボルト２１および端子板２３と封口板１２とを電気的に絶縁している。インシュレータ２５は、たとえばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、テフロン（登録商標）、ナイロンおよびＰＥ（ポリエチレン）等の絶縁性材料から形成されている。

外部端子２０Ｂは、ボルト２２および端子板２４を含む。ボルト２２および端子板２４、導電性材料で形成されている。端子板２４は、ボルト２２に当接することにより当該ボルト２２と電気的に接続されている。

インシュレータ２６は、電池ケース１０の外部に設けられている。インシュレータ２６は、封口板１２の直上に重ねられている。インシュレータ２６は、ボルト２２および端子板２４と封口板１２との間に設けられている。インシュレータ２６は、ボルト２２および端子板２４と封口板１２とを電気的に絶縁している。インシュレータ２６は、インシュレータ２５と同様の絶縁性材料から形成されている。

電極体１３は、正極芯体、負極芯体およびセパレータ（いずれも図示せず）を有し、正極芯体および負極芯体は、セパレータを介して巻回される。電極体１３の両端には、正極芯体露出部１４および負極芯体露出部１５がそれぞれ設けられる。

外部端子２０Ａは、後述する電流遮断装置７０（図６参照）、および集電体５０（図６参照）によって正極芯体露出部１４に電気的に接続されている。外部端子２０Ｂは、リベット（不図示）および集電体（不図示）によって負極芯体露出部１５に電気的に接続されている。

（外部端子周辺の構成）
図２は、実施の形態に係る二次電池の外部端子周辺の構成を示す分解斜視図である。図３は、実施の形態に係る二次電池の外部端子周辺の構成の一部を表側から示す斜視図である。図４は、実施の形態に係る二次電池の外部端子周辺の構成の一部を裏側から示す斜視図である。図５は、実施の形態に係る二次電池の外部端子周辺の構成の一部の分解斜視図である。図２から図５は、正極側の外部端子２０Ａの周辺の構成またはその構成の一部を示している。

図２から図５を参照して、二次電池１００の外部端子２０Ａの周辺の構成について説明する。なお、負極側の外部端子２０Ｂの周辺の構成については、正極側の外部端子２０Ａの周辺の構成とほぼ同様であるため、ここでは省略する。

図２から図５に示すように、二次電池１００は、熱伝導シート９０をさらに備え、外部端子２０Ａの周辺の構成は、端子板２３、熱伝導シート９０、およびインシュレータ２５を含む。

端子板２３は、板状形状を有する。端子板２３は、二次電池１００の外側を向く第１主面２３ａおよびインシュレータ２５側を向く第２主面２３ｂを有する。第１主面２３ａおよび第２主面２３ｂは、互いに表裏関係にある。

端子板２３は、電池ケース１０の長さ方向Ｌに沿って延在する。端子板２３には、第１挿通孔２３１および第２挿通孔２３２が設けられている。第１挿通孔２３１には、ボルト２１の先端が挿通される。第２挿通孔２３２には、後述するリベット３０の小径部３２が挿通される。

インシュレータ２５は、電池ケース１０の高さ方向Ｔの一方側に向けて開口する箱型形状を有する。インシュレータ２５は、底板部２５１、周壁部２５２を有する。底板部２５１は、端子板２３側を向く第１主面２５１ａおよび封口板１２側を向く第２主面２５１ｂを有する。第１主面２５１ａおよび第２主面２５１ｂは、表裏関係にある。

底板部２５１には、凹部２５３と、挿通孔２５４とが設けられている。凹部２５３には、上述のボルト２１の基端部が収容される。挿通孔２５４は、高さ方向Ｔにおいて第２挿通孔２３２と重なるように設けられている。

また、底板部２５１には、突出片２５５および開口部２５６（図４参照）が設けられている。突出片２５５は、底板部２５１の第１主面２５１ａから周壁部２５２の先端側（高さ方向Ｔの一方側）に向けて突出する。突出片２５５は、端子板２３に干渉しないように設けられている。開口部２５６は、底板部２５１を貫通するように設けられている。開口部２５６は、突出片２５５よりも長さ方向Ｌの外側に設けられている。

熱伝導シート９０は、外部端子２０Ａの熱を電池ケース１０に向けて伝導するための部材である。熱伝導シート９０は、高熱伝導性を有し、熱伝導シート９０の熱伝導率は、インシュレータ２５の熱伝導率よりも大きくなっている。また、熱伝導シート９０は、絶縁性を有する。

熱伝導シート９０は、熱伝導層と絶縁層とが積層された積層構造を有する。熱伝導層は、たとえば、熱伝導率が７００Ｗ／ｍ・Ｋ以上のグラファイトシートによって構成される。絶縁層としては、たとえば、体積抵抗率が１Ｅ＋１７Ω・ｃｍ以上のＰＥＴシートによって構成される。なお、熱伝導シート９０は、上記熱伝導層が上記絶縁層によってラミネートされるように構成されていてもよい。

熱伝導シート９０は、外部端子２０Ａと封口板１２とを接続するようにインシュレータ２５に巻回されている。熱伝導シート９０は、突出片２５５の先端で折り返されて底板部２５１の開口部２５６を貫通するようにインシュレータ２５に巻回されている。

このように、底板部２５１の第１主面２５１ａ、突出片２５５、および第２主面２５１ｂに順に沿うように熱伝導シート９０を巻回することにより、突出片２５５を設けずに、開口部２５６を通して第１主面２５１ａおよび第２主面２５１ｂのみに熱伝導シートを沿わす場合と比較して、熱伝導シート９０の距離を長くすることができる。これにより、沿面放電を防止することができる。

熱伝導シート９０は、第１部分９１、第２部分９２、および接続部９３を有する。第１部分９１は、熱伝導シート９０の一端側に位置する。第１部分９１は、外部端子２０Ａとインシュレータ２５とによって挟み込まれる部分である。具体的には、第１部分９１は、インシュレータ２５の第１主面２５１ａに当接し、端子板２３と底板部２５１とによって挟み込まれる。

第２部分９２は、熱伝導シート９０の他端側に位置する。第２部分９２は、インシュレータ２５と電池ケース１０とによって挟み込まれる部分である。具体的には、第２部分９２は、インシュレータ２５の第２主面２５１ｂに当接し、底板部２５１と封口板１２とによって挟み込まれる。

接続部９３は、第１部分９１と第２部分９２とを接続する。接続部９３は、熱伝導シートがインシュレータ２５に巻回された状態において、突出片２５５の先端側で折り返されたＵ字形状を有する。

第１部分９１には、貫通孔９１ａが設けられている。第２部分９２には、貫通孔９２ａが設けられている。熱伝導シート９０がインシュレータ２５に巻回された状態においては、貫通孔９１ａおよび貫通孔９２ａが、底板部２５１の挿通孔２５４に連通する。挿通孔２５４は、端子板２３の第２挿通孔２３２に連通している。これら、貫通孔９１ａ，９２ａ、挿通孔２５４、および第２挿通孔２３２にリベット３０の小径部３２が挿通される。

（二次電池の詳細構造）
図６は、図１に示すＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。図６を参照して、二次電池１００の詳細構造について説明する。

図６に示すように、二次電池１００は、正極側において、ガスケット６１、スペーサ６２、電流遮断装置７０、および集電体５０をさらに備える。電流遮断装置７０は、リベット３０、および反転板４０を含む。なお、負極側においては、電流遮断装置７０は設けられておらず、リベット（不図示）が、封口板１２に絶縁された状態で負極用の集電体（不図示）に接続されている。

リベット３０は、アルミニウム、アルミニウム合金等の導電性材料から形成されている。リベット３０は、封口板１２に形成された貫通孔１２ｈに挿通されている。リベット３０は、電池ケース１０の外部で端子板２３に接続され、電池ケース１０の内部で反転板４０に接続されている。

リベット３０は、かしめ部３１、小径部３２、対向部３３、大径部３４、および鍔部３５を含む。小径部３２は、中心軸１０２を中心に筒状に延びる形状を有する。かしめ部３１は、小径部３２のうちの対向部３３とは反対側に形成される。かしめ部３１は、小径部３２を貫通孔１２ｈに挿通したのち、小径部３２の先端部側をかしめることによって形成される。かしめ部３１と対向部３３との間で、端子板２３、インシュレータ２５、封口板１２、熱伝導シート９０、ガスケット６１、およびスペーサ６２がかしめ固定されている。

対向部３３は、小径部３２から大径部３４に向かって径方向の外側に広がる略円盤状の形状を有している。対向部３３は、電池ケース１０内で封口板１２と距離を設けて対向する。対向部３３は、電池ケース１０内において封口板１２と略平行に延在する。

大径部３４は、対向部３３の周縁から下垂しており（集電体５０に近接する方向に折れ曲がっており）、全体として環状の形状を有している。鍔部３５は、対向部３３の反対側に位置する大径部３４の端部から径方向外側に突出する。鍔部３５は、環状の形状を有している。鍔部３５の内周側には段差部３５ａが設けられている。

ガスケット６１は、絶縁性を有する。ガスケット６１は、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂）またはＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）などの、弾性の樹脂材料またはゴム材料により形成されている。

ガスケット６１は、リベット３０に接触して設けられている。ガスケット６１の一部は、封口板１２とリベット３０との間に介挿されている。これにより、電池ケース１０の内部が気密に封止されている。ガスケット６１は、封口板１２とリベット３０との間のシール材として設けられている。

スペーサ６２は、ガスケット６１を取り囲むように設けられている。スペーサ６２は、ガスケット６１とほぼ同様の材料により形成されている。スペーサ６２は、対向部３３と封口板１２との間に介挿される。

集電体５０は、脚部５１と基台部５２を含む。脚部５１は、一端および他端を有する。脚部５１は、上下方向（高さ方向Ｔ）に沿って延在する。脚部５１の一端側は、電極体１３に接続されている。脚部５１の他端は、基台部５２に接続されている。

基台部５２は、脚部５１に交差するように脚部５１の他端側に接続されている。基台部５２は、板状形状を有する。基台部５２は、封口板１２と略平行に配置されている。基台部５２は、電極体１３の上方に配置される。基台部５２は、反転板４０と電極体１３との間に配置される。

基台部５２には、脆弱部５４が設けられている。脆弱部５４は、基台部５２に設けられた貫通孔５３の内部に設けられている。脆弱部５４は、貫通孔５３を規定する基台部５２の壁面から内側に突出するように設けられている。脆弱部５４は、基台部５２の他の部分よりも薄肉に形成されている。

ホルダ８０は、絶縁部材によって構成されている。ホルダ８０は、基台部５２の上面に設けられている。ホルダ８０は、板状部８１および爪部８２を含む。板状部８１の中央部には、穴部８３が設けられている。穴部８３は、板状部８１が反転板４０に干渉しないように設けられている。穴部８３によって集電体５０の脆弱部５４が少なくとも露出する。爪部８２は、リベット３０の鍔部３５に係合する。これによりホルダ８０は、リベット３０に取り付けられている。

反転板４０は、導電性材料から形成されている。反転板４０は、円形の平面視を有する薄板形状を有する。反転板４０は、対向部３３に面する側で凹となり、集電体５０に面する側で凸となる形状を有する。反転板４０は、リベット３０と集電体５０との間に配置される。

反転板４０は、中央部４１、傾斜部４２、および周縁部４３を有する。中央部４１は、円盤形状を有する。傾斜部４２は、中央部４１の周囲を取り囲む環状の形状を有する。周縁部４３は、傾斜部４２の外側に設けられている。周縁部４３は、反転板４０の中心軸（不図示）を中心に周回するように設けられており、環状形状を有する。

反転板４０の中央部４１は、集電体５０の脆弱部５４に溶接されている。反転板４０の周縁部４３は、リベット３０に溶接されている。

電池ケース１０内の圧力が上昇すると、電池ケース１０内の気体によって集電体５０の脆弱部５４および反転板４０の中央部４１が押圧される。電池ケース１０内の圧力が所定の値を超えると、反転板４０が、集電体５０（より詳細には、基台部５２）から離れる方向に反転する。この際、脆弱部５４が破断し、反転板４０と集電体５０との接続が解除される。これにより、外部端子２０Ａと集電体５０との間の電流の流れが遮断される。

（電流経路および放熱）
二次電池１００を充電する際には、電流は、図６中矢印にて示すように、外部端子２０Ａ、リベット３０、反転板４０、集電体５０、および電極体１３の順に流れる。一方で、二次電池１００から外部へ電力を供給する際には、電流は、電極体１３、集電体５０、反転板４０、リベット３０および外部端子２０Ａの順に流れる。

二次電池１００を大容量化した場合、および二次電池１００を急速充電する際には、外部端子２０Ａと電極体１３との間に大電流が流れる。外部端子２０Ａと電極体１３との間を大電流が流れる際には、電流経路が抵抗を有することから、ジュール熱が発生する。

一般的に、電流経路で発生した熱は、電流経路を構成する集電体５０、反転板４０、およびリベット３０を通って外部端子２０Ａに伝導され、外気と接触している外部端子２０Ａから放熱される。

ここで、本実施の形態においては、図２に示すように、絶縁性を有する熱伝導シート９０は、外部端子２０Ａとインシュレータ２５との間に挟み込まれた第１部分９１と、インシュレータ２５と電池ケース１０（より詳細には封口板１２）との間に挟み込まれた第２部分９２と、当該第１部分９１および第２部分９２を接続する接続部９３を有する。加えて、当該熱伝導シート９０の熱伝導率は、インシュレータ２５の熱伝導率よりも大きくなっている。

このため、本実施の形態においては、外部端子２０Ａに伝導された熱は、熱伝導シート９０の第１部分９１、接続部９３および第２部分９２を順に通って、電池ケース１０に伝導される。これにより、伝導性シートが設けられていない場合と比較して、熱容量の大きい電池ケースに熱を逃がすことができ、さらに外気に接触する面積が大きい電池ケース１０からも外部に放熱することができる。この結果、外部端子２０Ａと電極体１３とを接続する電流経路で発生する熱を効果的に放熱することができる。

負極側においても正極側同様に外部端子２０Ｂに伝導された熱を、熱伝導シートを介して、電池ケース１０に伝導することができる。このことによっても、電流経路で発生する熱を効果的に放熱することができる。

加えて、このように電流経路で発生する熱を効果的に放熱することにより、電流経路を構成する集電体５０、反転板４０、リベット３０、端子板２３等が高温となり、これらの周辺に配置されたインシュレータ２５、ガスケット６１、スペーサ６２等の樹脂部材が熱によって損傷することを抑制することができる。負極側においても同様である。

上述した実施の形態においては、絶縁性を有する熱伝導シートが、グラファイトシート等の熱伝導層と、ＰＥＴシート等の絶縁層とが積層されて構成された場合を例示して説明したが、これに限定されない。絶縁性を有する熱伝導シートは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド、シリコーン又はエポキシ樹脂等の高分子材料中に、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等のセラミックス、および、炭素繊維を所望の体積率で配合させることにより構成されてもよいし、炭素繊維と無機化合物とを混合することで構成してもよい。

上述した実施の形態においては、正極側に反転板を具備した電流遮断装置が設けられる場合を例示して説明したが、これに限定されず、正極側および負極側の双方に電流遮断装置が設けられていてもよいし、負極側のみに電流遮断装置が設けられていてもよい。

以上、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本開示の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１０電池ケース、１１収容部、１２封口板、１２ｈ貫通孔、１３電極体、１４正極芯体露出部、１５負極芯体露出部、２０Ａ，２０Ｂ外部端子、２１，２２ボルト、２３，２４端子板、２３ａ第１主面、２３ｂ第２主面、２５，２６インシュレータ、３０リベット、３１かしめ部、３２小径部、３３対向部、３４大径部、３５鍔部、３５ａ段差部、４０反転板、４１中央部、４２傾斜部、４３周縁部、５０集電体、５１脚部、５２基台部、５３貫通孔、５４脆弱部、６１ガスケット、６２スペーサ、７０電流遮断装置、８０ホルダ、８１板状部、８２爪部、８３穴部、９０熱伝導シート、９１第１部分、９１ａ貫通孔、９２第２部分、９２ａ貫通孔、９３接続部、１００二次電池、１０２中心軸、２３１第１挿通孔、２３２第２挿通孔、２５１底板部、２５１ａ第１主面、２５１ｂ第２主面、２５２周壁部、２５３凹部、２５４挿通孔、２５５突出片、２５６開口部。

Claims

電池要素を収容する電池ケースと、
前記電池ケースの外部に設けられ、前記電池要素に電気的に接続される外部端子と、
前記外部端子と前記電池ケースとの間に設けられ、前記外部端子と前記電池ケースとを電気的に絶縁するインシュレータと、
絶縁性を有する熱伝導シートと、を備え、
前記熱伝導シートは、前記外部端子と前記インシュレータとの間に挟み込まれた第１部分、前記インシュレータと前記電池ケースとの間に挟み込まれた第２部分、ならびに前記第１部分および前記第２部分を接続する接続部を含み、
前記熱伝導シートの熱伝導率は、前記インシュレータの熱伝導率よりも大きく、
前記インシュレータは、前記インシュレータに対して前記電池ケースが位置する側とは反対側を向く第１主面および前記電池ケース側を向く第２主面を有する底板部と、前記底板部の周縁に接続された周壁部と、前記第１主面から前記周壁部の先端側に向けて突出する突出片とを含み、
前記熱伝導シートは、前記第１主面、前記突出片、および前記第２主面を順に沿うように前記インシュレータに巻回されている、二次電池。