JP7724451B2 - 蓄電デバイス - Google Patents

Description

本開示は、蓄電デバイスに関する。

車両、電子機器などの駆動源として蓄電デバイスは幅広く利用されている。一般に蓄電デバイスは、第１電極と第２電極を含む電極群を収容するとともに開口を有するケースと、ケースの開口を塞ぐ封口体を備える。第１電極がケースに電気的に接続される場合、第２電極は封口体に設けられた端子部に接続される。端子部はケースから電気的に絶縁されている必要がある。

特許文献１は、有底筒状の電池ケース、このケースに収納された発電要素、前記電池ケースの開口部を塞ぐ封口板を備えた非水電解質二次電池であって、前記封口板は、前記電池ケースの開口部形状と略一致するように形成されたフランジ部と、電池ケース内の圧力が所定値に達した際に破断するガス排出手段を保持するボス部と、ボス部の内方に突出した突出部とを有しており、突出部とボス部の一端を内方に屈曲させた屈曲部位との間に、一方の電極端子を兼ねるキャップ、上部金属薄板、下部金属薄板、ガスケットが配された非水電解質二次電池を教示している。

特開２００４－２４１１７１号公報

しかしながら、特許文献１の封口板に、上記のボス部と突出部を設けるためには複雑な加工が必要である。例えば、ボス部および突出部の一方が形成された封口板に、他方を溶接や鍛造によって形成する必要がある。そのような封口板を高精度に製造するにはコストが高くなる。そこで、本開示では、加工が容易な封口体を具備する蓄電デバイスを提供することを目的とする。

本開示の一側面は、第１電極と第２電極を含む電極群と、前記電極群を収容するとともに開口を有するケースと、前記ケースの開口を塞ぐ封口体と、を備え、前記封口体は、環状の封口板と、端子キャップと、前記封口板と前記端子キャップとの間に介在する絶縁性のガスケットと、を具備し、前記封口板は、筒状の第１壁部と、前記第１壁部の一方の端部から前記第１壁部の径方向外側に延びるフランジ部と、を具備し、前記端子キャップは、前記第１壁部の他方の端部で囲われた開口を塞ぐ板状のカバー部と、前記カバー部の周縁に連続するかしめ部と、を具備し、前記ガスケットは、前記第１壁部の外周面と向かい合う筒状の第２壁部と、前記第１壁部の他方の端部と前記カバー部との間に介在する環状基部と、を具備し、前記かしめ部は、前記第２壁部の少なくとも一部を囲う筒状の第３壁部を有し、前記第３壁部が、前記第２壁部を前記第１壁部の径方向内側に押圧することにより前記第２壁部を圧縮し、前記封口板の周縁部と前記ケースの開口端部とが接合され、前記端子キャップは、前記第１電極と電気的に接続し、前記ケースは、前記第２電極と電気的に接続する、蓄電デバイスに関する。

本開示によれば、フランジ部から延びる突出部が不要となり、封口板の加工が容易になる。そのため、高精度の加工を低コストで行える封口体を具備する蓄電デバイスを提供することができる。

本開示の一実施形態に係る蓄電デバイスの一例の構造を示す断面図である。 本開示の実施形態に係る封口体の第１変形例の断面図である。 本開示の実施形態に係る封口体の第２変形例の断面図である。 本開示の実施形態に係る封口体の第３変形例の断面図である。 本開示の実施形態に係る封口体の第４変形例の断面図である。 本開示の一実施形態に係る封口体の製造プロセス（前半）を示す工程図である。 本開示の一実施形態に係る封口体の製造プロセス（後半）を示す工程図である。

本開示の一側面に係る蓄電デバイスは、第１電極と第２電極を含む電極群と、電極群を収容するとともに開口を有するケースと、ケースの開口を塞ぐ封口体とを備える。ケースの形状は、例えば円筒形である。ケースは、例えば、筒部と、筒部の一方の端部に連続するとともに開口に対応する開口端部と、筒部の他方の端部を閉じる底部とを有する。電極群は、例えば、第１電極と第２電極とをセパレータを介して捲回して構成されている。蓄電デバイスが電池の場合、第１電極および第２電極の一方は正極であり、他方は負極である。

封口体は、環状の封口板と、端子キャップと、封口板と端子キャップとの間に介在する絶縁性のガスケットとを具備する。環状の封口板の周縁部が、ケースの開口端部と接合されることにより、封口体によってケースの開口が密閉される。封口板は、ケースとの接合により、ケースと同じ極性を有する。封口板は、例えば導電性を有し、金属から構成される。ケースも金属から構成される場合は、ケースと封口板は同じ金属から構成されていてもよい。この構成により封口体とケースとの接合部の信頼性を高めることができる。ケースは、負極に接続される場合、鉄、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、ニッケル、これらの金属の合金などから形成してもよい。端子キャップは、ガスケットにより封口板から絶縁されているため、ケースと異なる極性を有し得る。端子キャップは第１電極と電気的に接続され、ケースは第２電極と電気的に接続される。端子キャップは、導電性を有し、例えば金属から構成される。ケースも金属から構成される場合、端子キャップを構成する金属は、後述するリードと同じ材料であってもよい。この構成により、リードと端子キャップとを接合する際に、接合部の信頼性が高まる。

環状の封口板は、筒状の第１壁部と、第１壁部の一方の端部から第１壁部の径方向（以下、径方向Ｄとも称する。）の外側に延びるフランジ部を具備する。すなわち、封口板の周縁部は、フランジ部の周縁部であり、フランジ部の周縁部がケースの開口と接合される。フランジ部の周縁部は、封口体と電極群とが向かい合う方向に延びていてもよい。すなわち、フランジ部の周縁部に、ケース内側に延びる浅い筒状壁を形成してもよい。これにより封口体とケースの開口端部とを接合する際に、溶融痕の高さ方向の寸法（溶融痕の深さ）を容易に拡げられる。そのため、封口体とケースとをより強固に固定することができる。なお、筒状壁はケースの外側へ延びていてもよい。この構成により、封口体とケースを接合する際の熱エネルギーがケース内へ伝わりにくくなる。そのため、筒状壁は、ケースの筒部の延びる方向に対して、平行に延びていてもよい。

筒状の第１壁部は、封口板の中央部に位置し、フランジ部はケースの開口の形状に対応する形状を有していてもよい。また、ケースが円筒形の場合、筒状の第１壁部とフランジ部とは、筒状の第１壁部の軸方向から見ると、同心円の形状を有してもよい。筒状の第１壁部の一方の端部とは、フランジ部に最も近い部位であり、フランジ部と第１壁部との境界部でもある。

端子キャップは、筒状の第１壁部の他方の端部（以下、先端部という。）で囲われた開口を塞ぐ板状のカバー部と、カバー部の周縁に連続するかしめ部とを具備する。一方、端子キャップと封口板との間に介在するガスケットは、封口板の第１壁部の外周面と向かい合う筒状の第２壁部と、第１壁部の他方の端部とカバー部との間に介在する環状基部とを具備する。なお、ガスケットの材料の例には、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、およびポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などが含まれる。筒状の第１壁部の先端部は、フランジ部の主面を基準面として、フランジ部から最も突出した部位である。当該先端部で囲われた開口は、例えば円形であり、これを塞ぐ板状のカバー部も円形であってよい。すなわち、カバー部は円盤状であってよい。

端子キャップのかしめ部は、ガスケットを押圧して圧縮させる役割を有する。このような圧縮により、端子キャップ自身がガスケットを介して封口板の第１壁部に固定されるとともに、ケース内部の流体（ガスや電解液）が封口板と端子キャップとの間から外部に漏洩することが防止される。より具体的には、かしめ部は、ガスケットの筒状の第２壁部の少なくとも一部を囲う筒状の第３壁部を有し、第３壁部が、第２壁部を第１壁部の径方向内側に押圧することにより第２壁部を圧縮している。なお、第３壁部は、かしめ部を有さなくてもよい。例えば、第３壁部と第１壁部の間の寸法を第２壁部の厚さ（径方向Ｄの寸法）より小さくすることにより、第１壁部と第３壁部とが第２壁部を圧縮してもよい。

かしめ部は、第３壁部から第２壁部へ屈曲して延びるフック部を有してもよい。フック部は、ガスケットの第２壁部に食い込むように、鉤状に屈曲していてもよい。この場合、フック部は、第３壁部の先端から径方向Ｄの内側に向けて突出させればよい。これにより、ガスケットの第２壁部の圧縮率が高くなり、端子キャップがガスケットを介して封口板の第１壁部により強固に固定されるとともに、ケース内部の流体が外部に漏洩することが更に防止される。

封口板の第１壁部の先端部とカバー部との間に介在するガスケットの環状基部は、第１壁部の先端部とカバー部とが近づく方向に圧縮されていることが望ましい。これにより、ケース内部の流体が外部に漏洩することが更に顕著に抑制される。

ガスケットの環状基部の内径は、封口板の第１壁部の内径よりも小さいことが望ましい。これにより、端子キャップのカバー部と封口板の第１壁部との接触がより確実に防止され、短絡が抑制される。

ガスケットの第２壁部において、環状基部とは反対側の環状の端部は、フランジ部と第１壁部の外周の両方に接触していてもよい。これにより、端子キャップのかしめ部と封口板のフランジ部との接触がより確実に防止され、短絡が抑制される。このとき、環状の端部は、かしめ部の第３壁部の先端部（もしくはフック部）とフランジ部とが近づく方向に圧縮されていてもよい。これにより、ケース内部の流体がさらに外部に漏洩し難くなる。

蓄電デバイスにおいて、封口体は、第１壁部の先端部がケース内に向かって突出するように配置されていてもよい。この場合、ケース内の圧力は、端子キャップのカバー部を介して封口板のフランジ部に印加される。すなわち、端子キャップと封口板とが近づく方向（ガスケットが圧縮される方向）にケース内圧が印加される。よって、蓄電デバイスの密閉性が高められる。また、第１壁部の先端部がケースの外部に向かって突出していてもよい。この場合、第１壁部の先端部がケース内へ突出する場合とは、端子キャップやガスケットの各部分の向きが逆方向を向いて配置される。この構成でも封口板の加工が容易な蓄電デバイスが得られる。また、端子キャップのカバー部が蓄電デバイスの上端に配置されるため、他の蓄電デバイスや外部機器もしくは外部回路と接続するための接続部材のカバー部に対するアクセスが容易である。

なお、蓄電デバイスの種類は、特に限定されないが、一次電池、二次電池、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層コンデンサ、固体電解コンデンサなどが挙げられる。中でもエネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池（全固体電池を含む）を好適に用い得る。

以下、本発明の実施形態に係る蓄電デバイスについて、図面を参照しながら具体的に説明するが、本発明は以下に限定されるものではない。

図１は、一実施形態に係る蓄電デバイス１００の一例の構造を示す断面図である。蓄電デバイス１００は、開口１０１を有する円筒形のケース１１０と、ケース１１０に収容された第１電極および第２電極を含む電極群１２０と、開口１０１を封止する封口体１３０とを備える。封口体１３０は、環状の封口板１３１と、端子キャップ１３２と、これらの間に介在する絶縁性のガスケット１３３とを具備する。一方、ケース１１０は、円筒形の筒部１１１と、筒部１１１の一方の端部に連続するとともに開口１０１に対応する開口端部１１２と、筒部１１１の他方の端部を閉じる底部１１３とを有する。

封口板１３１は、筒状の第１壁部１３１１と、フランジ部１３１２とを具備し、第１壁部１３１１がケース内に向かって突出するように配置されている。そして、封口板１３１の周縁部は、ケース１１０の開口端部１１２と溶接部ＷＰにおいて接合されている。フランジ部１３１２の周縁部には、封口体１３０とケースの開口端部１１２との位置合わせを容易にするために、ケース内側に延びる浅い筒状壁１３１２Ｗが設けられている。フランジ部１３１２とケース１１０の開口端部１１２とは、例えば溶接により接合されている。

端子キャップ１３２は、第１壁部１３１１で囲われた開口を塞ぐ板状のカバー部１３２１と、その周縁に連続するかしめ部１３２２とを具備する。一方、ガスケット１３３は、第１壁部１３１１と向かい合う筒状の第２壁部１３３１と、第１壁部１３１１とカバー部１３２１との間に介在する環状基部１３３２とを具備する。かしめ部１３２２は、ガスケット１３３の第２壁部１３３１の一部を囲う筒状の第３壁部１３２３と、第３壁部１３２３に連続する鉤状のフック部１３２４を有し、第３壁部１３２３が第２壁部１３３１を径方向Ｄの内側に押圧するとともにフック部１３２４がガスケット１３３の第２壁部１３３１に食い込んでガスケット１３３に係合している。

また、ガスケット１３３の環状基部１３３２の内径は、第１壁部１３１１の内径よりも小さく、環状基部１３３２が第１壁部１３１１とカバー部１３２１とが近づく方向（径方向Ｄに垂直な軸方向Ａ）に圧縮されている。フック部１３２４がガスケット１３３に係合することで、軸方向Ａにおける環状基部１３３２の圧縮が維持されやすくなっている。

更に、ガスケット１３３の第２壁部１３３１の環状基部１３３２とは反対側の環状の端部１３３３は、フランジ部１３１２と第１壁部１３１１の外周の両方に接触するとともに、フック部１３２４とフランジ部１３１２との間で軸方向Ａに圧縮されている。環状の端部１３３３の圧縮も、フック部１３２４がガスケット１３３に係合することで維持されやすくなっている。

電極群１２０と封口体１３０との間には、内部絶縁板１４０が配置され、内部絶縁板１４０が電極群１２０と封口体１３０との接触を防止している。内部絶縁板１４０には、所定のリード孔１４１が設けられている。電極群１２０を構成する第１電極から導出されたリード１２２は、リード孔１４１を通過して端子キャップ１３２の内面に電気的に接続されている。よって、端子キャップ１３２は第１電極と同じ極性を有する。一方、電極群１２０を構成する第２電極は、ケース１１０に電気的に接続される。よって、ケース１１０は第２電極と同じ極性を有する。

封口体の構造は、図１に示したものに限られず、様々に変更してよい。以下、封口体の変形例について図面を参照しながら説明するが、変形例は以下に限定されるものではない。

図２に、第１変形例を示す。図２では、封口板１３１の第１壁部１３１１の先端部１３１１Ｔが第１壁部の径方向Ｄの外側に屈曲している。この場合、ガスケット１３３の第２壁部１３３１が、第１壁部１３１１の先端部１３１１Ｔによって径方向Ｄの外側に押圧される。そのため、先端部１３１１Ｔがガスケット１３３を押圧しない構成と比べて第２壁部１３３１が先端部１３１１Ｔによって強く圧縮される。また、端子キャップ１３２のかしめ部１３２２がフック部１３２４を有することで、フック部１３２４と第１壁部１３１１の先端部１３１１Ｔとがガスケット１３３を介して係合し、軸方向Ａにおけるガスケット１３３の圧縮が維持されやすくなる。特にガスケット１３３の環状基部１３３２とは反対側の環状の端部１３３３の軸方向Ａにおける圧縮状態が安定する。

図３、４に、第２、３変形例を示す。図３、４では、端子キャップ１３２のカバー部１３２１の中央部が、第１壁部１３１１の中空に向かって突出している。この場合、カバー部１３２１の中央部と封口板１３１のフランジ部１３１２の軸方向Ａにおける高さが近づくため、カバー部１３２１の中央部と外部機器等との電気的な接続が容易になる。第２変形例では、カバー部１３２１の中央部が肉厚に形成されており、端子キャップ１３２は全体として剛直で高強度を有する。一方、第３変形例では、カバー部１３２１の中央部にケースの外側に突出する窪みが形成されている。このような窪みをもつ導電キャップは、肉厚な中央部を有するカバー部を有する導電キャップより軽量である。

図５に、第４変形例を示す。図５では、封口体１３０と電極群とが向かい合う軸方向Ａにおいて、フランジ部１３１２の周縁部が第１壁部１３１１の先端部に近づくようにフランジ部１３１２が傾斜している。この場合、ケース１１０の開口端部１１２と端子キャップ１３２のカバー部１３２１の軸方向Ａにおける高さが近づくため、カバー部１３２１の中央部と外部機器等との電気的な接続が容易になる。

次に、本実施形態に係る封口体の製造方法について説明する。図６は、封口体の製造プロセスを示す工程図である。

まず、封口板１３１とガスケット１３３を準備する（図６（ａ））。封口板は、筒状の第１壁部１３１１とフランジ部１３１２とを有する。図示例では、フランジ部の周縁は浅い筒状壁１３１２Ｗを有する。ガスケット１３３は、第１壁部１３１１を収容するための中空を有する筒状の第２壁部１３３１と、第１壁部１３１１の先端部に当接する内フランジ状の環状基部１３３２とを有する筒型である。

次に、封口板１３１の第１壁部１３１１をガスケット１３３の第２壁部１３３１の中空部に挿入して両者を篏合させる（図６（ｂ）、（ｃ））。第２壁部１３３１の内径は、第１壁部１３１１の外径よりも僅かに大きくてもよく、僅かに小さくして第１壁部１３１１を第２壁部１３３１の中空に押し込むようにしてもよい。また、第１壁部１３１１の外周面または第２壁部１３３１の内周面の少なくとも一方に、両者が近づくとともに次第に窄まるような僅かなテーパーを設けてもよい。

次に、フック部１３２４が形成された端子キャップ１３２の前駆体１３２ａを準備する。前駆体１３２ａは、円盤状の金属板にフック部１３２４を形成した後、第３壁部１３２３とカバー部１３２１との環状の境界で、第３壁部１３２３をフック部１３２４と同じ側に所定の角度で屈曲させたものである。端子キャップ１３２の前駆体１３２ａを、凹面がガスケット１３３の環状基部１３３２に対向するようにガスケット１３３に載置する（図６（ｄ）、図７（ｅ））。

次に、封口板１３１の第１壁部１３１１の中空にポンチ（金型）Ｐを挿入する。端子キャップ１３２の前駆体１３２ａの第３壁部１３２３を更に折り曲げて、所定の金型（図示なし）で第３壁部１３２３をガスケット１３３の第２壁部１３３１に向けて押圧する。同時に、所定の金型で端子キャップ１３２のカバー部１３２１をガスケット１３３の環状基部１３３２に向けて押圧する（図７（ｆ））。その結果、ガスケット１３３の第２壁部１３３１、環状基部１３３２およびその反対側の環状の端部１３３３がそれぞれ所望の方向に圧縮された状態の封口体１３０が完成する（図７（ｇ））。すなわち、端子キャップ１３２がガスケット１３３を介して封口板１３１の第１壁部１３１１にかしめられる。

上記では、円筒形の蓄電デバイスを例として説明したが、本開示は、様々な形状（例えば角形）の蓄電デバイスにも利用可能である。

本開示に係る蓄電デバイスは、特にハイブリッド自動車、電気自動車等の車両の電源として使用するのに適している。

１００：蓄電デバイス
１０１：開口
１１０：ケース
１１１：筒部
１１２：開口端部
１１３：底部
１２０：電極群
１２２：リード
１３０：封口体
１３１：封口板
１３１１：第１壁部
１３１２：フランジ部
１３１２Ｗ：筒状壁
１３２：端子キャップ
１３２１：カバー部
１３２２：かしめ部
１３２３：第３壁部
１３２４：フック部
１３３：ガスケット
１３３１：第２壁部
１３３２：環状基部
１３３３：環状の端部
１４０：内部絶縁板
１４１：リード孔

Claims (12)

1. 第１電極と第２電極を含む電極群と、
   前記電極群を収容するとともに開口を有するケースと、
   前記ケースの開口を塞ぐ封口体と、を備え、
   前記封口体は、環状の封口板と、端子キャップと、前記封口板と前記端子キャップとの間に介在する絶縁性のガスケットと、を具備し、
   前記封口板は、筒状の第１壁部と、前記第１壁部の一方の端部から前記第１壁部の径方向外側に延びるフランジ部と、を具備し、
   前記端子キャップは、前記第１壁部の他方の端部で囲われた開口を塞ぐ板状のカバー部と、前記カバー部の周縁に連続するかしめ部と、を具備し、
   前記ガスケットは、前記第１壁部の外周面と向かい合う筒状の第２壁部と、前記第１壁部の他方の端部と前記カバー部との間に介在する環状基部と、を具備し、
   前記かしめ部は、前記第２壁部の少なくとも一部を囲う筒状の第３壁部を有し、
   前記第３壁部が、前記第２壁部を前記第１壁部の径方向内側に押圧することにより前記第２壁部を圧縮し、
   前記封口板の周縁部と前記ケースの開口端部とが接合され、
   前記端子キャップは、前記第１電極と電気的に接続し、
   前記ケースは、前記第２電極と電気的に接続し、
   前記封口体は、前記第１壁部の他方の端部が前記ケース内に向かって突出するように配置されている、蓄電デバイス。
2. 前記かしめ部は、前記第３壁部から延びるフック部を有する、
   請求項１に記載の蓄電デバイス。
3. 前記環状基部が、前記第１壁部の前記他方の端部と前記カバー部とが近づく方向に圧縮されている、
   請求項１または２に記載の蓄電デバイス。
4. 前記第２壁部において、前記環状基部とは反対側の環状の端部が、前記フランジ部と前記第１壁部の外周とに接触している、
   請求項２に記載の蓄電デバイス。
5. 前記環状の端部が、前記フック部と前記フランジ部とが近づく方向に圧縮されている、請求項４に記載の蓄電デバイス。
6. 前記第１壁部の他方の端部が、前記第１壁部の径方向外側に屈曲して、前記第２壁部を前記第１壁部の径方向外側に押圧することにより前記第２壁部を圧縮している、
   請求項１～５のいずれか１項に記載の蓄電デバイス。
7. 前記カバー部の中央部が、前記第１壁部の中空に向かって突出している、
   請求項１～６のいずれか１項に記載の蓄電デバイス。
8. 前記封口体と前記電極群とが向かい合う方向において、前記フランジ部の周縁部が前記第１壁部の他方の端部側に近づくように傾斜している、
   請求項１～７のいずれか１項に記載の蓄電デバイス。
9. 前記フランジ部の前記周縁部が、前記封口体と前記電極群とが向かい合う方向に延びている、請求項１～８のいずれか１項に記載の蓄電デバイス。
10. 前記環状基部の内径は、前記第１壁部の内径より小さい、
    請求項１～９のいずれか１項に記載の蓄電デバイス。
11. 第１電極と第２電極を含む電極群と、
    前記電極群を収容するとともに開口を有するケースと、
    前記ケースの開口を塞ぐ封口体と、を備え、
    前記封口体は、環状の封口板と、端子キャップと、前記封口板と前記端子キャップとの間に介在する絶縁性のガスケットと、を具備し、
    前記封口板は、筒状の第１壁部と、前記第１壁部の一方の端部から前記第１壁部の径方向外側に延びるフランジ部と、を具備し、
    前記端子キャップは、前記第１壁部の他方の端部で囲われた開口を塞ぐ板状のカバー部と、前記カバー部の周縁に連続するかしめ部と、を具備し、
    前記ガスケットは、前記第１壁部の外周面と向かい合う筒状の第２壁部と、前記第１壁部の他方の端部と前記カバー部との間に介在する環状基部と、を具備し、
    前記かしめ部は、前記第２壁部の少なくとも一部を囲う筒状の第３壁部を有し、
    前記第３壁部が、前記第２壁部を前記第１壁部の径方向内側に押圧することにより前記第２壁部を圧縮し、
    前記封口板の周縁部と前記ケースの開口端部とが接合され、
    前記端子キャップは、前記第１電極と電気的に接続し、
    前記ケースは、前記第２電極と電気的に接続し、
    前記封口体と前記電極群とが向かい合う方向において、前記フランジ部の周縁部が前記第１壁部の他方の端部側に近づくように傾斜している、蓄電デバイス。
12. 前記封口板の前記周縁部は、前記ケース内に向かって延びる筒状壁を有する、
    請求項１～１１のいずれか１項に記載の蓄電デバイス。