JP7712868B2 - 角形二次電池 - Google Patents

角形二次電池

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Description

本発明は、角形二次電池に関する。
車載用二次電池の高出力化に伴い、電池に流れる電流が増加している。その結果、電池内で発生する発熱量が増加し、電池全体の温度が上昇する。電池全体の温度が過度に上昇すると、ガスケットなどの樹脂部品の劣化や、電解液の変質等が起こるおそれがある。
特許文献１には、発電要素（電極体）に接続された集電体を有する二次電池において、集電体の発熱を抑制するために、集電体を、複数の分岐形状にした構造が開示されている。
特開２０１３－１７９０１５号公報
特許文献１に開示された構造の集電体は、電流を分散させることにより、電流の集中による発熱量の低減を図ることができる。しかしながら、電流を分散させても、発生した熱量自体は、電池内部に分散するため、電池内部の温度上昇を抑制することができない。特に、大電流が流れる電池では、電池内部の温度が過度に上昇するおそれがある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、その主な目的は、電池内で発生する発熱量が増加しても、電池内部の温度上昇を抑制することができる二次電池を提供することにある。
本発明に係る角形二次電池は、正極板及び負極板を備えた電極体と、開口部を有し、電極体を収容した角形の電池ケースと、開口部を封口した封口板と、封口板の長手方向端部において、正極板または負極板の端辺に接続された集電体と、封口板の外側に設けられ、集電体に接続された外部端子とを備え、電極体及び集電体は、絶縁性ホルダーに包まれて、電池ケース内に収容されており、集電体は、絶縁性ホルダーを介して、電池ケースの底部に接触している。
本発明によれば、電池内で発生する発熱量が増加しても、電池内部の温度上昇を抑制することができる二次電池を提供することができる。
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態における角形二次電池の構成を模式的に示した図で、図１（ａ）は、上面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のIb－Ib線に沿った断面図である。 図２は、図１（ｂ）において、集電体の電池ケースの底部近傍を拡大した部分断面図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、本実施形態における電池の組み立て手順を説明した図である。 図４は、本実施形態における電池の組み立て手順を説明した図である。 図５（ａ）、（ｂ）は、本実施形態における電池の組み立て手順を説明した図である。 図６は、本実施形態における電池の組み立て手順を説明した図である。 図７は、図４において、露出部と集電体との接合近傍を拡大した、封口板と平行な面における部分断面図である。 図８は、集電体の他の構成を示した部分断面図である。 図９は、巻回された構造の電極体に対する集電体の構造を模式的に示した部分斜視図である。 図１０は、巻回された構造の電極体に対する集電体の他の構造を模式的に示した部分斜視図である。 図１１は、１つの電極体に対する集電体の構成を示した部分断面図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態における角形二次電池の構成を模式的に示した図で、図１（ａ）は、上面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のIb－Ib線に沿った断面図である。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態における角形二次電池１では、発電要素である電極体１０が電解液とともに、角形の電池ケース１１に収容されている。電極体１０は、正極板及び負極板がセパレータ（何れも不図示）を介して積層された構造をなす。正極板は、正極芯体の表面に、正極活物質層が設けられ、負極板は、負極芯体の表面に負極活物質層が設けられている。電池ケース１１の開口部は、封口板１２で封口されている。
正極板及び負極板は、それぞれ、封口板１２の長手方向端辺において、活物質層が形成されていない露出部１０ａ、１０ｂを有している。露出部１０ａ、１０ｂは、封口板１２の長手方向において、それぞれ反対方向に延出し、正負の集電体２０Ａ、２０Ｂに接続されている。具体的には、複数の露出部１０ａ、１０ｂが、それぞれ束ねられた状態で、集電体２０Ａ、２０Ｂに接合されている。接合は、例えば、超音波接合等により行うことができる。
集電体２０Ａ、１０Ｂの材料は特に限定されないが、正極板の露出部１０ａ及び負極板の露出部１０ｂと、それぞれ、同じ材料で構成されていることが好ましい。これにより、露出部１０ａ、１０ｂと、集電体２０Ａ、２０Ｂとの超音波溶接を容易に行うことができる。例えば、リチウムイオン二次電池の場合、正極板の露出部１０ａに接続される集電体２０Ａは、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、負極板の露出部１０ｂに接続される集電体２０Ｂは、銅又は銅合金で構成されていることが好ましい。
正極の集電体２０Ａ、２０Ｂは、それぞれ、連結部２２Ａ、２２Ｂを介して、封口板１２の外側に設けられた正負の外部端子２１Ａ、２１Ｂに接続されている。ここで、連結部２２Ａ、２２Ｂは、封口板１２に設けられた貫通孔を貫通して、外部端子２１Ａ、２１Ｂに接続されている。連結部２２Ａ、２２Ｂは、それぞれ、絶縁部材３０Ａ、３０Ｂにより、封口板１２と絶縁されている。また、外部端子２１Ａ、２１Ｂは、それぞれ、絶縁部材３１Ａ、３１Ｂにより、封口板１２と絶縁されている。
電極体１０及び集電体２０Ａ、２０Ｂは、絶縁性ホルダー４０に包まれて、電池ケース１１内に収容されている。絶縁性ホルダー４０は、封口板１２側が開放された袋状になっている。絶縁性ホルダー４０の材料は、特に限定されないが、例えば、ポロプロピレン（ＰＰ）や、ポリエチレン(ＰＥＴ)等の樹脂性シートで構成されている。
集電体２０Ａ、２０Ｂは、それぞれ、絶縁性ホルダー４０を介して、電池ケース１１の底部１１ａに接触している。好ましくは、集電体２０Ａ、２０Ｂは、絶縁性ホルダー４０を押圧して、電池ケース１１の底部１１ａに接している。すなわち、絶縁性ホルダー４０は、集電体２０Ａ、２０Ｂと、電池ケース１１の底部１１ａとに挟まれた部位において、厚み方向に圧縮されているのが好ましい。
図２は、図１（ｂ）において、集電体２０Ａの電池ケース１１の底部１１ａ近傍を拡大した部分断面図である。
図２に示すように、集電体２０Ａに集電された電流により発生した熱は、矢印に示すように、絶縁性ホルダー４０を経由して、電池ケース１１の底部１１ａに放熱される。電池ケース１１は、熱伝導性の高い金属からなるため、電池ケース１１の底部１１ａに伝達した熱は、速やかに電池ケース１１全体に伝達されるとともに、電池１の外部に放熱される。これにより、電池１の内部で発生した熱を、速やかに、電池１の外部の放熱することができる。
本実施形態において、集電体２０Ａは、封口板１２の幅方向に厚みを有するブロック体で構成されていることが好ましい。これにより、集電体２０Ａの熱伝導性が向上するため、電池１の内部で発生した熱を、より速やかに、電池１の外部の放熱することができる。
車載用角形二次電池は、モジュール、パックを組んで運用され、パックには熱暴走を避けるために、空冷や水冷などの冷却機構を有する。本実施形態における外部への放熱は、この機構により効率的に廃熱される。そのため、本実施形態の効果として、冷却の効率化により冷却機構の簡易化が期待できる。
また、絶縁性ホルダー４０の厚みは、例えば、０．０５～０．５ｍｍの範囲にあることが好ましい。絶縁性ホルダー４０の厚みが、０．０５ｍｍより薄いと、集電体２０Ａで絶縁性ホルダー４０を押圧したとき、絶縁性ホルダー４０が損傷するおそれがある。その結果、集電体２０Ａと電池ケース１１との絶縁性が劣化するおそれがある。一方、絶縁性ホルダー４０の厚みが、０．５ｍｍより厚いと、集電体２０Ａから電池ケース１１の底部１１ａへの熱伝達性を低下させるおそれがある。
次に、図３～図６を参照しながら、本実施形態における電池１の組み立て手順を説明する。
まず、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、電極体１０及び集電体２０Ａ（２０Ｂ）を用意する。電極体１０は、図３（ａ）に示すように、封口板１２の長手方向両端部において、それぞれ、正負の露出部１０ａ、１０ｂを有する。集電体２０Ａは、図３（ｂ）に示すように、ブロック体で構成されており、封口板１２側の端部に、連結部２２Ａ（２２Ｂ）が挿入される孔２３を有する。
次に、図４に示すように、同じ構造を有する２つの電極体１０Ａ、１０Ｂを、封口板１２の幅方向に並べて配置する、そして、各電極体１０Ａ、１０Ｂの露出部１０ａ、１０ａで、集電体２０Ａを挟み込んで、接合領域２４で、露出部１０ａ、１０ａと集電体２０Ａとを、例えば、超音波溶接等により接合する。
次に、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、集電体２０Ａを、封口板１２及び外部端子２１Ａに固定する。ここで、図５（ａ）は、集電体２０Ａの封口板１２近傍を拡大した、部分斜視図である。また、図５(ｂ）は、図５(ａ）のVb－Vb線に沿った部分断面図である。
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、集電体２０Ａの上に、絶縁部材３０Ａ、封口板１２、絶縁部材３１Ａ、及び外部端子２１Ａを、この順番で配置する。なお、絶縁部材３０Ａ、封口板１２、絶縁部材３１Ａ、及び外部端子２１Ａには、それぞれ、集電体２０Ａの孔２３の位置に合わせて、貫通孔が設けられている。さらに、絶縁部材３０Ａは、封口板１２に設けられた貫通孔の内周面と当接する外周部を備えている。そして、ボルト状の連結部２２Ａを、絶縁部材３０Ａ、封口板１２、絶縁部材３１Ａ、及び外部端子２１Ａに設けられた貫通孔を貫通させて、集電体２０Ａのネジ孔２３に締結する。なお、ボルトによって締結する代わりに、連結部２０Ａの端部を、外部端子２１Ａにかしめ加工することにより、集電体２０Ａ及び外部端子２１Ａを、封口板１２に固定してもよい。
次に、図６に示すように、集電体２０Ａ等が一体化して固定された封口板１２を、絶縁性ホルダー４０内に挿入する。そして、絶縁性ホルダー４０に包まれた電極体１０及び集電体２０Ａを、電池ケース１１内に収容する。ここで、集電体２０Ａの封口板１２と垂直な方向の長さを、電池ケース１１の高さに合わせて、予め決められた長さに設定しておくことによって、集電体２０Ａを、絶縁性ホルダー４０を介して、電池ケース１１の底部１１ａに接触させることができる。さらに、絶縁性ホルダー４０の厚みと、集電体２０Ａの長さ方向の寸法公差を考慮することによって、集電体２０Ａを、絶縁性ホルダー４０を、厚み方向に圧縮された状態で、電池ケース１１の底部１１ａに接触させることができる。
その後、電池ケース１１の開口側端部と、封口板１２の外周部とを、例えばレーザ溶接し、電池ケース１１を密封する。最後に、封口板１２に設けられた注液孔１２ａから、電解液を電池ケース１１内に注液した後、注液孔１２ａを栓５０（図１を参照）で封止する。
図７は、図４において、露出部１０ａと集電体２０Ａとの接合近傍を拡大した、封口板１２と平行な面における部分断面図である。
上述したように、集電体２０Ａは、２つの電極体１０Ａ、１０Ｂの露出部１０ａ、１０ａに挟み込まれて、露出部１０ａと集電体２０Ａとが接合されている。即ち、集電体２０Ａは、封口板１２の幅方向に厚みＷを有するブロック体で構成されている。これにより、集電体２０Ａの熱伝導性が向上するため、電池１の内部で発生した熱を、より速やかに、電池ケース１１の底部１１ａに伝達することができる。
ここで、集電体２０Ａと露出部１０ａ、１０ａとが接触する面の長さをＬとすると、Ｗ：Ｌは、４：１～１：１の範囲にあることが好ましい。また、集電体２０Ａは、中実構造であることが好ましいが、一部、中空構造であってもよい。
また、集電体２０Ａは、必ずしも略直方体である必要はない。例えば、図８に示すように、集電体２０Ａの一側面が、電極体１０Ａ、１０Ｂ側に向けて、突出部Ａを有していてもよい。これにより、集電体２０Ａの封口板１２と平行な面における断面積が増えるため、集電体２０Ａの熱伝導性をより向上させることができる。
本実施形態によれば、電極体１０及び集電体２０が、絶縁性ホルダー４０に包まれて、電池ケース１１内に収容された角形二次電池において、集電体２０を、絶縁性ホルダー４０を介して、電池ケース１１の底部１１ａに接触させることによって、電池１内で発生した熱を、集電体２０及び絶縁性ホルダー４０を介して、電池ケース１１の底部１１ａに速やかに伝達することができる。これにより、電池内で発生した熱を、速やかに電池外部に放熱することができる。その結果、電池内で発生する発熱量が増加しても、電池内部の温度上昇を抑制することができる。
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。
また、上記実施形態では、電極体として、正極板及び負極板をセパレータを介して積層された構造を用いたが、正極板及び負極板をセパレータを介して巻回された構造であってもよい。
図９は、このような構造の電極体１０Ａに対する集電体２０Ａの構造を模式的に示した部分斜視図である。
図９に示すように、電極体１０Ａ、１０Ｂは、巻回された極板の封口板１２の長手方向端部において、複数の露出部１０ａを有する。そして、複数の露出部１０ａは、電池ケース１１の高さ方向の中央領域Ｐにおいて、束ねられた状態で圧縮されている。
一方、集電体２０Ａは、電極体１０Ａ、１０Ｂの露出部１０ａ、１０ａで挟み込まれた状態で配置されている。このとき、集電体２０Ａは、電池ケース１１の高さ方向の中央領域Ｑにおいて、封口板１２の幅方向の幅が、露出部１０ａ、１０ａ側に拡大して、露出部１０ａ、１０ａに接触している。これにより、領域Ｐ、Ｑにおいて、集電体２０Ａと露出部１０ａ、１０ａとを、例えば、超音波溶接等により接合することができる。
図９に示した集電体２０Ａは、中実構造を有するが、図１０に示すように、集電体２０Ａは、中空構造であってもよい。この場合、連結部２２Ａ（２２Ｂ）が挿入される孔２３は、集電体２０Ａの封口板１２側端部に、円筒部２３ａを設け、この円筒部２３ａに孔２３を形成すればよい。また、他の方法として、前述したかしめ加工でも良い。
また、上記実施形態では、電池ケース１１内に、同じ構造を有する２つの電極体１０Ａ、１０Ｂを配置したが、１つの電極体を配置したものでもよい。この場合、図１０に示すように、電極体１０は、封口板１２の長手方向端部において、複数の露出部１０ａを有し、この露出部１０ａは、封口板１２の幅方向端部側に束ねられている。そして、露出部１０ａに集電体２０を当接させた状態で、露出部１０ａと集電体２０とを、例えば、超音波溶接等により接合すればよい。
また、上記実施形態では、正極板及び負極板の両端辺に有する露出部１０ａ、１０ｂに、それぞれ、集電体２０Ａ、２０Ｂを接続したが、正極板及び負極板の何れか一方の露出部１０ａ、１０ｂのみに、集電体２０を接続してもよい。
また、上記実施形態では、露出部１０ａ、１０ｂと、集電体２０Ａ、２０Ｂとの接合を、超音波溶接で行う例を説明したが、これに限定されず、例えば、抵抗溶接やレーザ溶接で行ってもよい。
また、上記実施形態では、集電体２０Ａ、２０Ｂを、連結部２２Ａ、２２Ｂを介して、外部端子２１Ａ、２１Ｂに接続する構造を説明したが、これに限定されず、集電体２０Ａ、２０Ｂと、外部端子２１Ａ、２１Ｂとを電気的に接続する構造であればよい。
本実施形態における角形二次電池は、その種類は特に限定されないが、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池等に適用することができる。
１ 角形二次電池
１０（１０Ａ、１０Ｂ） 電極体
１０ａ、１０ｂ 露出部
１１ 電池ケース
１１ａ 底部
１１ｂ 流路
１２ 封口板
１２ａ 注液孔
２０（２０Ａ、２０Ｂ） 集電体
２１Ａ、２１Ｂ 外部端子
２２Ａ、２２Ｂ 連結部
２３ 孔
２３ａ 円筒部
２４ 接合領域
３０Ａ、３０Ｂ 絶縁部材
３１Ａ、３１Ｂ 絶縁部材
４０ 絶縁性ホルダー
５０ 栓

Claims (3)

  1. 正極板及び負極板を備えた電極体と、
    開口部を有し、前記電極体を収容した角形の電池ケースと、
    前記開口部を封口した封口板と、
    前記封口板の長手方向端部において、前記正極板または前記負極板の端辺に接続された集電体と、
    前記封口板の外側に設けられ、前記集電体に接続された外部端子と、
    を備えた角形二次電池であって、
    前記電極体及び前記集電体は、前記封口板に一体となって固定されて、絶縁性ホルダーに包まれて、前記電池ケース内に収容されており、
    前記集電体は、前記絶縁性ホルダーを介して、前記電池ケースの底部に接触しており、
    前記絶縁性ホルダーは、樹脂性シートで構成されおり、
    前記絶縁性ホルダーは、前記集電体及び前記電池ケースの底部に挟まれた部位において、厚み方向に圧縮されている、角形二次電池。
  2. 前記集電体は、前記封口板の幅方向に厚みを有するブロック体で構成されている、請求項１に記載の角形二次電池。
  3. 前記電極体は、複数からなり、
    各電極体の前記正極板または前記負極板の端辺は、共通の前記集電体に接続されている、請求項１または２に記載の角形二次電池。
JP2021534545A 2019-07-22 2020-04-27 角形二次電池 Active JP7712868B2 (ja)

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