JP7029924B2 - 蓄電素子及び蓄電モジュール - Google Patents

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Description

本発明は蓄電素子及び蓄電モジュールに関する。
携帯電話、自動車等の様々な機器に、充放電可能な蓄電素子が使用されている。電気自動車（ＥＶ）又はプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）等の電気エネルギーを動力源とする車両は、大きなエネルギーを必要とするため、複数の蓄電素子を備える大容量の蓄電モジュールを搭載している。
一般に、蓄電素子は、セパレータを介して正極板及び負極板を積層し、又は巻回して形成される電極体を、電解液と共にケースに気密に収容する。電極体と集電体を介し電気的に接続される正極外部端子及び負極外部端子が、ケースの蓋板に設けられる。ケースと端子との間、及びケースと集電体との間には、ガスケット又は絶縁プレートが配される。
特許文献１は、角型のケースを有するリチウムイオン二次電池を開示している。ケースの蓋は、貫通孔を有する。貫通孔に棒状の胴部が挿入され、該胴部の一端部にはケース内で第１フランジ部が連結され、胴部の他端部には端子板（外部端子）が接続されている。第１フランジ部には、電極体のタブが接続されている。
特開２０１６－９１６５９号公報
蓄電素子には、外部端子と集電体との機械的かつ電気的な接続性が良好であり、良好な気密性を有し、漏液及び水分の浸入を防止することが求められている。
本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、良好な気密性を有し、漏液及び水分の浸入を防止できる蓄電素子及び蓄電モジュールを提供することを目的とする。
本発明に係る蓄電素子及び蓄電モジュールは、外部端子が設けられた外装体と、前記外装体に収容された電極体と、一端が前記外部端子に接続された導電軸部と、前記外装体に収容され、前記導電軸部の他端が接続され、前記電極体が接続された導電板部とを備え、前記外部端子は、バスバーが載置される第一の表面に凹部を有し、第二の表面が前記外装体に対向し、前記凹部内で前記導電軸部の一端が前記外部端子に圧接し、前記外部端子は、前記バスバーによって前記凹部が気密に覆われるように構成されている。
本発明に係る蓄電素子及び蓄電モジュールにあっては、外部端子の第一の表面に凹部が形成され、バスバーによって凹部が気密に覆われるので、前記外部端子と導電軸部との圧接部分が外部から隔絶される。そのため、耐腐食性が良好であり、蓄電素子の電気的性能の低下、及び短寿命化が抑制されている。
蓄電素子の概略斜視図である。 蓄電素子の概略正面図である。 図２に示すＩＩＩ－ＩＩＩ線を切断線とした蓄電素子の概略断面図である。 図２に示すＩＶ－ＩＶ線を切断線とした蓋板付近の部分拡大断面図である。 複数の蓄電素子を有する蓄電モジュールの概略図である。 図５に示すＶＩ－ＶＩ線を切断線とした部分拡大断面図である。
以下本発明を実施の形態に係る蓄電素子及び蓄電モジュールを示す図面に基づいて説明する。図１は、蓄電素子の概略斜視図、図２は、蓄電素子の概略正面図である。以下、蓄電素子１がリチウムイオン二次電池である場合を説明するが、蓄電素子１は、リチウムイオン二次電池に限定されない。
図１に示すように、蓄電素子１は、蓋板２１及びケース本体２０を有するケース２（外装体）、正極端子４（外部端子）、負極端子５（外部端子）、外ガスケット７、１０、破裂弁６、及び集電体９、１２を備える。正極端子４は略中央部に凹部４１を有し、凹部４１に集電体１２の端部が機械的かつ電気的に接続されている。負極端子５は略中央部に凹部５１を有し、凹部５１に集電体９の端部が機械的かつ電気的に接続されている。集電体９、１２の詳しい接続構造は後述する。
ケース２は例えばアルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス等の金属、又は合成樹脂からなる。ケース２は、直方体状をなし、後述する電極体３及び電解液（不図示）を収容する。本実施形態では、蓄電素子１の設置面（不図示）に対し、蓋板２１が垂直に延びるように配置されている。なお、蓋板２１は、図１における上を向くように配置してもよい。
図２に示すように、蓋板２１の外面の一端部に正極端子４が外ガスケット１０を介して設けられ、蓋板２１の外面の他端部に負極端子５が外ガスケット７を介して設けられている。正極端子４及び負極端子５は、その平坦な外面が露呈して、バスバー等の導電部材（図示せず）が溶接されるように構成されている。蓋板２１の、正極端子４と負極端子５との間に破裂弁６が設けられている。
図３は、図２に示すＩＩＩ－ＩＩＩ線を切断線とした蓄電素子１の概略断面図である。
図３に示すように、電極体３は、複数の正極板１３、負極板１４、及びセパレータ１５を備える。正極板１３、負極板１４、及びセパレータ１５はそれぞれ、図３における左右方向から見て矩形状をなす。複数の正極板１３及び負極板１４は、セパレータ１５を介して交互に積層されている。図３においては、それぞれの負極板１４から延びる負極タブ１７が、それらの先端側で重ね合わされて導電板部９０の内面（第二面）に接合されている状態を示す。負極タブ１７は、蓄電素子１のエネルギー密度を向上できるように（負極端子５と負極板１４との間の電流経路による占有スペースを小さくできるように）、ケース２内に湾曲した状態で収容されている。図示していないが、正極板１３から延びる正極タブ１６（後述）も、負極タブ１７と同様に構成されている。
電極体３は、長尺の正極板１３と負極板１４とをセパレータ１５を介して扁平状に巻回して得られる巻回タイプであってもよい。集電体９の取り付け構造は後述する。
正極板１３は、アルミニウムやアルミニウム合金等からなる板状（シート状）又は長尺帯状の金属箔である正極基材箔の両面に正極活物質層が形成されたものである。負極板１４は、銅及び銅合金等からなる板状（シート状）又は長尺帯状の金属箔である負極基材箔の両面に負極活物質層が形成されたものである。
正極活物質層に用いられる正極活物質、又は負極活物質層に用いられる負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質又は負極活物質であれば、適宜公知の材料を使用できる。
正極活物質としては、例えば、ＬｉＭＰＯ4 、ＬｉＭ2 ＳｉＯ4 、ＬｉＭＢＯ3 （ＭはＦｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ等から選択される１種又は２種以上の遷移金属元素）等のポリアニオン化合物、チタン酸リチウム、マンガン酸リチウム等のスピネル化合物、ＬｉＭＯ2（ＭはＦｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ等から選択される１種又は２種以上の遷移金属元素）等のリチウム遷移金属酸化物等を用いることができる。
負極活物質としては、例えば、リチウム金属、リチウム合金（リチウム－アルミニウム、リチウム－シリコン、リチウム－鉛、リチウム－錫、リチウム－アルミニウム－錫、リチウム－ガリウム、及びウッド合金等のリチウム金属含有合金）の他、リチウムを吸蔵・放出可能な合金、炭素材料（例えば黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温焼成炭素、非晶質カーボン等）、金属酸化物、リチウム金属酸化物（Ｌｉ4 Ｔｉ5 Ｏ12等）、ポリリン酸化合物等が挙げられる。
セパレータ１５は、電解液が浸潤するシート状乃至フィルム状の材料から形成される。セパレータ１５を形成する材料としては、例えば織布、不織布、又は多孔性かつシート状乃至フィルム状の樹脂が挙げられる。セパレータ１５は正極板１３と負極板１４とを離隔すると共に、正極板１３と負極板１４との間に電解液を保持する。
図４は、図２に示すＩＶ－ＩＶ線を切断線とした蓋板２１付近の部分拡大断面図である。蓋板２１には、二つの貫通孔２１０、２１１が蓋板２１の長手方向に間隔をあけて設けられている。貫通孔２１０、２１１の間に破裂弁６が配置されている。
図４に示すように、蓄電素子１は貫通孔２１１の近傍に、負極端子５、外ガスケット７、内ガスケット８、及び集電体９を備える。
集電体９は銅製であり、導電板部９０、導電軸部９１、及びかしめ部９２を有する。導電板部９０は蓋板２１の内側に配置されている。筒状の導電軸部９１は導電板部９０の外面（第一面）の略中央部に設けられており、貫通孔２１１を貫通する。導電軸部９１の軸方向の一端にかしめ部９２が形成されている。
導電軸部９１は導電板部９０に一体的に形成されてもよい。代替的に、導電軸部９１は導電板部９０と別体で、導電板部９０に溶接、かしめ等により接合されてもよい。導電軸部９１は中実であってもよい。
内ガスケット８は、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）又はポリプロピレン（ＰＰ）等の合成樹脂製である。内ガスケット８は、板部８０、挿通孔８１、ボス８２、縁部８３、及び被圧縮凸部８４を有する。板部８０は、導電板部９０と蓋板２１の内面との間に介在し、略中央部に挿通孔８１を有する。挿通孔８１を囲むように、筒状のボス８２が設けられており、導電軸部９１の外周を覆っている。板部８０の内面の周縁には、内側に突出する縁部８３が設けられている。縁部８３は導電板部９０の側面を覆う。板部８０における、ボス８２の外周側の両面にはリング状の被圧縮凸部８４、８４が設けられている。被圧縮凸部８４はリング状に限定されず、周方向に間隔をあけて複数設けられてもよい。被圧縮凸部８４は、かしめ時に押圧されて圧縮する。
負極端子５はアルミニウム製であり、矩形板状をなす。負極端子５は第一面（外面）に、丸穴状の凹部５１を有する。凹部５１の底面の中央部には、導電軸部９１が挿通される挿通孔５２（貫通孔）が設けられている。
負極端子５はアルミニウム製であり、かしめ部９２は銅製であり、イオン化傾向の差が大きい。負極端子５とかしめ部９２との接触部分に水等の液体が浸入し、かしめ部９２と負極端子５とが液体を介して導通した場合、電蝕（ガルバニック腐食）が生じる虞がある。
外ガスケット７はＰＰＳ又はＰＰ等の合成樹脂製であり、板部７０、挿通孔７１、及び縁部７２を有する。板部７０は、蓋板２１の外面と負極端子５の内面との間に介在する。挿通孔７１は板部７０の略中央部に設けられており、ボス８２が挿入される。板部７０の外面の周縁には、外側に突出する縁部７２が設けられており、負極端子５の側面を覆っている。
蓋板２１の面方向（長手方向）における、導電板部９０及び負極タブ１７のそれぞれの寸法（面積）は、負極端子５の寸法よりも大きい。
図４に示すように、蓄電素子１は貫通孔２１０の近傍に、正極端子４、外ガスケット１０、内ガスケット１１、及び集電体１２を備える。
集電体１２はアルミニウム製であり、導電板部１２０、導電軸部１２１、及びかしめ部１２２を有する。導電板部１２０は蓋板２１の内側に配置されている。筒状の導電軸部１２１は導電板部１２０の略中央部に設けられており、貫通孔２１０を貫通する。導電軸部１２１の端部にかしめ部１２２が形成されている。
導電軸部１２１は導電板部１２０に一体的に形成されてもよい。代替的に、導電軸部１２１は導電板部１２０と別体で、導電板部１２０に溶接、かしめ等により接合されてもよい。
内ガスケット１１は、例えばＰＰＳ又はＰＰ等の合成樹脂製である。内ガスケット１１は、板部１１０、挿通孔１１１、ボス１１２、縁部１１３、及び被圧縮凸部１１４を有する。板部１１０は、導電板部１２０と蓋板２１の内面との間に介在し、略中央部に挿通孔１１１を有する。挿通孔１１１を囲むように、筒状のボス１１２が設けられており、導電軸部１２１の外周を覆っている。板部１１０の内面の周縁には、内側に突出する縁部１１３が設けられている。板部１１０における、ボス１１２の外周側の両面に、リング状の被圧縮凸部設けられた１１４、１１４が設けられている。被圧縮凸部１１４はリング状に限定されず、周方向に間隔をあけて複数設けられてもよい。
正極端子４はアルミニウム製であり、矩形板状をなす。正極端子４は第一面（外面）に、丸穴状の凹部４１を有する。凹部４１の底面の中央部には、導電軸部１２１が挿通される挿通孔４２（貫通孔）が設けられている。
導電軸部１２１の端部を凹部４１にかしめることにより、かしめ部１２２が形成され、集電体１２が正極端子４に機械的にかつ電気的に接続される。正極端子４の表面にめっき層は形成されていない。正極端子４及び集電体１２は共にアルミニウム製であるので、かしめ部１２２と正極端子４とが接触する部分で、電蝕は生じない。
外ガスケット１０はＰＰＳ又はＰＰ等の合成樹脂製であり、板部１００、挿通孔１０１、及び縁部１０２を有する。板部１００は、蓋板２１の外面と正極端子４の内面との間に介在する。挿通孔１０１は板部１００の略中央部に設けられており、ボス１１２が挿入される。板部１００の外面の周縁には、外側に突出する縁部１０２が設けられており、正極端子４の側面を覆っている。
本実施形態においては、導電軸部９１の直下に負極タブ１７が配置されているので、負極タブ１７から負極端子５までの電流経路が短い。導電板部９０が蓋板２１と略平行に延びる板状に形成されているため、導電板部９０がケース２内で占有する体積が小さい。そのため、ケース２内における電極体３の体積占有率が大きく、蓄電素子１のエネルギー密度が良好である。導電板部９０がケース２内で占有する体積が小さいにも関わらず、負極タブ１７が接続される内面の面積を広く確保できる。そのため、蓋板２１の面方向における導電板部９０及び負極タブ１７のそれぞれの寸法を負極端子５の寸法よりも大きくし、負極タブ１７と導電板部９０との接触面積を大きくして、電流経路の抵抗ロスを小さくできる。同様に、正極タブ１６から正極端子４までの電流経路が短く、また正極タブ１６と導電板部１２０との接触面積を大きくして、電流経路の抵抗ロスを小さくできる。従って、蓄電素子１において、大電流が流れても、電流経路が溶断しにくい。
複数の蓄電素子１を使用して、蓄電モジュールを作製することができる。図５は、複数の蓄電素子１を有する蓄電モジュール２６の概略図、図６は、図５に示すＶＩ－ＶＩ線を切断線とした部分拡大断面図である。蓄電モジュール２６は、ボックスやエンドプレート等の保持部材２４と、該保持部材２４により保持された複数の蓄電素子１を備える。複数の蓄電素子１は、外部端子が設けられた壁（蓋板）が、同じ方向を向くように配置される。本実施形態では、設置面から、複数の蓄電素子１の蓋板が立ち上がり、それら蓋板に設けられた外部端子が蓄電素子モジュールの側方に向けられている。複数の蓄電素子１において、隣り合う蓄電素子は正極端子４と負極端子５が上下逆になるように配置される。隣接する蓄電素子１の正極端子４と負極端子５とをバスバー２５によって接続することで、複数の蓄電素子１を直列接続できる。同極を接続して、複数の蓄電素子１を並列接続してもよい。
バスバー２５は長方形をなし、バスバー２５の一端部は、凹部４１内に配置されたかしめ部１２２と正極端子４との接続部分に対向し、凹部４１を覆っている。凹部４１の周囲全体において、バスバー２５の一端部と正極端子４とが溶接されている。以下、バスバー２５と正極端子４との溶接部分を、溶接部分２５ａと称する。バスバー２５の一端部及び溶接部分２５ａによって、凹部４１は封止されており、凹部４１内に配置されたかしめ部１２２と正極端子４との接続部分、即ちかしめによる圧接部分は外部から隔絶されている。
バスバー２５の他端部は、凹部５１内に配置されたかしめ部９２と負極端子５との接続部分に対向し、凹部５１を覆っている。凹部５１の周囲全体において、バスバー２５の他端部と負極端子５とが溶接されている。以下、バスバー２５と負極端子５との溶接部分を、溶接部分２５ｂと称する。バスバー２５の他端部及び溶接部分２５ｂによって、凹部５１は封止されており、凹部５１内に配置されたかしめ部９２と負極端子５との接続部分、即ち圧接部分は外部から隔絶されている。
正極端子４又は負極端子５と、かしめ部１２２、９２との接続部分、即ち圧接部分の周囲全体がバスバー２５に溶接されているので、凹部４１、５１がバスバー２５によって気密に覆われ、外気から隔絶される。そのため、例えば外気に含まれる水分又は塩分と反応して、前記圧接部分にガルバニック腐食が発生することを防止できる。また漏液及び水分の浸入を防止できる。溶接は、気密な封止を実現する一例に過ぎず、例えば接着剤又はシールリング等を用いて、正極端子４又は負極端子５と、かしめ部１２２、９２との接続部分の周囲全体と、バスバー２５とを封止してもよい。
集電体９には、銅部材が使用され、負極端子５には、アルミニウム部材が使用される。銅及びアルミニウムの間のイオン化傾向差は、比較的大きいので、両者の接触部分が外気に触れると、外気に含まれる水分又は塩分によってガルバニック腐食が発生し易い。ガルバニック腐食への対策として、集電体９にニッケルめっきを施すことが考えられる。しかし、負極タブ１７と導電板部９０とを超音波溶接する場合には、ニッケルめっきが剥がれ、負極タブ１７にニッケル粉が混入するおそれがある。
導電板部９０にニッケルめっきを施さず、導電軸部９１のみに対して、ニッケルめっきを施すことも考えられる。しかし、導電軸部９１と導電板部９０とが一体に成形されている場合、導電軸部９１のみに対して、ニッケルめっきを施すことは困難である。実施の形態においては、ニッケルめっきを施すことなく、ガルバニック腐食の発生を防止している。なお集電体９に使用される部材は銅部材に限定されず、負極端子５に使用される部材はアルミニウム部材に限定されない。
蓄電素子１がリチウムイオン二次電池である場合につき説明したが、蓄電素子１はリチウムイオン二次電池には限定されない。蓄電素子１は、ニッケル水素電池等の他の二次電池であってもよいし、一次電池であってもよいし、キャパシタ等の電気化学セルであってもよい。
今回開示した実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではない。記載されている技術的特徴は互いに組み合わせることができ、本発明の範囲は、特許請求の範囲内での全ての変更及び特許請求の範囲と均等の範囲が含まれることが意図される。
１ 蓄電素子
２ ケース
３ 電極体
４ 正極端子（外部端子）
４１ 凹部
４２ 挿通孔（貫通孔）
５ 負極端子（外部端子）
５１ 凹部
５２ 挿通孔（貫通孔）
９、１２ 集電体
９０、１２０ 導電板部
９１、１２１ 導電軸部
９２、１２２ かしめ部
２１ 蓋板
２５ バスバー
２５ａ、２５ｂ 溶接部分
２６ 蓄電モジュール

Claims (5)

  1. 外部端子が設けられた外装体と、前記外装体に収容された電極体と、一端が前記外部端子に接続された導電軸部と、前記外装体に収容され、前記導電軸部の他端が接続され、前記電極体が接続された導電板部とを備え、前記外部端子は、バスバーが載置される第一の表面に凹部を有し、第二の表面が前記外装体に対向し、前記凹部内で前記導電軸部の一端が前記外部端子に圧接し、前記外部端子は、前記バスバーによって前記凹部が気密に覆われるように構成されている蓄電素子と、
    バスバーと
    を備え、
    前記バスバーは、前記外部端子の前記凹部の周囲に溶接されている
    蓄電モジュール。
  2. 前記導電板部は、前記外装体の蓋板と略平行に延びる板状に形成され、
    その第一面に前記導電軸部の他端が接続され、
    その第二面に前記電極体の前記蓋板に向けて延びるタブが接続され、
    前記蓋板の面方向における前記導電板部及びタブのそれぞれの寸法は前記外部端子の寸
    法よりも大きい
    請求項１に記載の蓄電モジュール。
  3. 前記導電軸部は、前記外部端子とは異なる材料によって構成されている
    請求項１又は２に記載の蓄電モジュール。
  4. 前記外部端子には、前記凹部に連通する貫通孔が形成され、
    前記導電軸部の一端は前記貫通孔に挿入されて前記凹部内でかしめられている
    請求項１から３のいずれか一つに記載の蓄電モジュール。
  5. 前記導電軸部は銅部材を有し、
    前記外部端子はアルミニウム部材を有する
    請求項１から４のいずれか一つに記載の蓄電モジュール。
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