特開 2024-152916 組電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024152916

(43)【公開日】2024-10-25

(54)【発明の名称】組電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/503 20210101AFI20241018BHJP

   H01M 50/505 20210101ALI20241018BHJP

   H01M 50/188 20210101ALI20241018BHJP

   H01M 50/55 20210101ALI20241018BHJP

   H01M 50/553 20210101ALI20241018BHJP

【ＦＩ】

H01M50/503

H01M50/505

H01M50/188

H01M50/55 101

H01M50/553

【審査請求】有

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024139963

(22)【出願日】2024-08-21

(62)【分割の表示】P 2023503357の分割

【原出願日】2021-09-27

(31)【優先権主張番号】P 2021031787

(32)【優先日】2021-03-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】505083999

【氏名又は名称】ビークルエナジージャパン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002365

【氏名又は名称】弁理士法人サンネクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】増田 洋昭

(72)【発明者】

【氏名】會澤 康幸

(57)【要約】

【課題】ガスケットへの熱影響を少なくしながら、端子とバスバを効率よく接合すること。
【解決手段】組電池は、充放電体が収容された容器と、前記容器の一面に設けられた電極端子と、前記容器と前記電極端子との間に設けられ前記容器と前記電極端子との間を封止する封止部材と、を備えた複数の電池と、異なる前記電池の前記電極端子にそれぞれ接合されるバスバと、を有し、前記バスバは、前記電極端子の上面の少なくとも一部を露出させるバスバ孔を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

充放電体が収容された容器と、前記容器の一面に設けられた電極端子と、前記容器と前記電極端子との間に設けられ前記容器と前記電極端子との間を封止する封止部材と、を備えた複数の電池と、
異なる前記電池の前記電極端子にそれぞれ接合されるバスバと、を有し、
前記バスバは、前記電極端子の上面の少なくとも一部を露出させるバスバ孔を備える、
組電池。

【請求項2】

前記バスバ孔により露出された電極端子の上面は平坦であることを特徴とする請求項１に記載の組電池。

【請求項3】

前記電極端子の上面は凸部を有し、前記バスバ孔は前記凸部の周囲の全部または一部を囲うように設けられたことを特徴とする請求項１に記載の組電池。

【請求項4】

前記バスバ孔により露出された電極端子の上面は、プローブ接触面であることを特徴とする請求項１に記載の組電池。

【請求項5】

前記バスバ孔は、円形または楕円形であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の組電池。

【請求項6】

前記バスバ孔は、切り欠きを有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の組電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、組電池に関する。

【背景技術】

【0002】

本技術分野の背景技術として、特許第６３９２４４７号（特許文献１）がある。この公報には、「寸法誤差のある電池バスバを使用しながら、バスバを安定して確実に電極端子にレーザ溶接して、電池セルを低抵抗な状態で電気接続できる特徴がある。それは、以上のバッテリシステムが、バスバに電極端子の突出部を案内する切欠部を設けて、この切欠部と突出部との間に電極端子の溶接面を露出させる露出隙間を設け、バスバは切欠部の内縁側を隅肉溶接部で溶接面に溶接して、電極端子の溶接面との対抗面を貫通溶接部での溶接面に溶接して、隅肉溶接部と貫通溶接部の両方でもって所定の溶接幅で電極端子に溶接しているからである。」と記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６３９２４４７号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１は、端子溶接面とバスバ切欠部とをレーザにより隅肉溶接、貫通溶接で接合する方法を開示する。この特許文献１が開示する方法は、端子の突起部をレーザ照射の基準として可能な限り広い面積を溶接するものである。しかし、この方法では、貫通溶接により端子が溶融する範囲が多く、レーザによるガスケット（封止部材）への入熱が懸念される。ガスケットは、端子と蓋材との間にシール材として設けられており、圧縮させることによる反発力でシール性を保持し密閉している。ガスケットは材質が樹脂のため、熱により限界以上の高温になると劣化により反発力が低下し、シール性が損なわれる虞がある。レーザ溶接は金属の融点以上に熱が発生するため、金属とガスケットの接続部分は溶融しないものの、金属からガスケットへの熱伝導によりガスケットが劣化する程度にまで高温になる可能性がある。
このため本発明では、ガスケットへの熱影響を少なくしながら、端子とバスバを効率よく接合する構造を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例をあげるならば「充放電体が収容された容器と、前記容器の一面に設けられた電極端子と、前記容器と前記電極端子との間に設けられ前記容器と前記電極端子との間を封止する封止部材と、を備えた複数の電池と、異なる前記電池の前記電極端子にそれぞれ接合されるバスバと、を有し、前記バスバは、前記電極端子の上面の少なくとも一部を露出させるバスバ孔を備える、組電池。」である。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、ガスケットへの熱影響を少なくしながら、端子とバスバを効率よく接合することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】角形二次電池の外観斜視図

【図2】角形二次電池の分解斜視図

【図3】捲回電極群の一部を展開した状態を示す分解斜視図

【図4】電池モジュールの外観斜視図

【図5】実施例１の端子とバスバとの嵌合部断面図

【図6】実施例１の端子とバスバとの接合後の嵌合部断面図

【図7】実施例１のセル及びバスバ上面図

【図8】実施例２のセル及びバスバ上面図

【図9】実施例３のセル及びバスバ上面図

【図10】実施例３の端子とバスバとの嵌合部断面図

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、実施例を、図面を用いて説明する。

【実施例0009】

本実施例では、扁平捲回形二次電池１００の例を説明する。
図１は、扁平捲回形二次電池の外観斜視図である。
扁平捲回形二次電池１００は、電池缶１および蓋（電池蓋）６を備える。電池缶１は、相対的に面積の大きい一対の対向する幅広側面１ｂと相対的に面積の小さい一対の対向する幅狭側面１ｃとを有する側面と底面１ｄを有し、その上方に開口部１ａを有する。

【0010】

電池缶１内には、捲回群３が収納され、電池缶１の開口部１ａが電池蓋６によって封止されている。電池蓋６は略矩形平板状であって、電池缶１の上方開口部１ａを塞ぐように溶接されて電池缶１が封止されている。電池蓋６には、正極外部端子１４と、負極外部端子１２が設けられている。正極外部端子１４と負極外部端子１２を介して捲回群３に充電され、また外部負荷に電力が供給される。電池蓋６には、ガス排出弁１０が一体的に設けられ、電池容器内の圧力が上昇すると、ガス排出弁１０が開いて内部からガスが排出され、電池容器内の圧力が低減される。これによって、扁平捲回形二次電池１００の安全性が確保される。

【0011】

図２は、角形二次電池の分解斜視図である。
扁平捲回形二次電池１００の電池缶１は、矩形の底面１ｄと、底面１ｄから立ち上がる角筒構造を構成する側面１ｂ、１ｃと、側面１ｂ、１ｃの上端で上方に向かって開放された開口部１ａとを有している。電池缶１内には、絶縁保護フィルム２を介して捲回群３が収容されている。

【0012】

捲回群３は、扁平形状に捲回されているため、断面半円形状の互いに対向する一対の半円部と、これら一対の半円部の間に連続して形成される平面部とを有している。捲回群３は、捲回軸方向が電池缶１の横幅方向に沿うように、一方の半円部から電池缶１内に挿入され、他方の半円部側が上部開口側に配置される。

【0013】

捲回群３の正極箔露出部３４ｃは、正極集電板（集電端子）４４を介して電池蓋６に設けられた正極外部端子１４と電気的に接続されている。また、捲回群３の負極箔露出部３２ｃは、負極集電板（集電端子）２４を介して電池蓋６に設けられた負極外部端子１２と電気的に接続されている。これにより、正極集電板４４および負極集電板２４を介して捲回群３から外部負荷へ電力が供給され、正極集電板４４および負極集電板２４を介して捲回群３へ外部発電電力が供給され充電される。

【0014】

正極外部端子１４と負極外部端子１２、および、正極集電板４４と負極集電板２４、をそれぞれ電池蓋６から電気的に絶縁するために、封止部材であるガスケット５、および、絶縁板７、が電池蓋６に設けられている。また、注液口９から電池缶１内に電解液を注入した後、電池蓋６に注液栓１１をレーザ溶接により接合して注液口９を封止し、扁平捲回形二次電池１００を密閉する。

【0015】

ここで、正極外部端子１４および正極集電板４４の形成素材としては、例えばアルミニウム合金が挙げられ、負極外部端子１２および負極集電板２４の形成素材としては、例えば銅合金が挙げられる。また、絶縁板７およびガスケット５の形成素材としては、例えばポリブチレンテレフタレートやポリフェニレンサルファイド、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂等の絶縁性を有する樹脂材が挙げられる。

【0016】

また、電池蓋６には、電池容器内に電解液を注入するための注液口９が穿設されており、この注液口９は、電解液を電池容器内に注入した後に注液栓１１によって封止される。ここで、電池容器内に注入される電解液としては、例えばエチレンカーボネート等の炭酸エステル系の有機溶媒に６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）等のリチウム塩が溶解された非水電解液を適用することができる。

【0017】

正極外部端子１４、負極外部端子１２は、バスバ等に溶接接合される溶接接合部を有している。溶接接合部は、電池蓋６から上方に突出する直方体のブロック形状を有しており、下面が電池蓋６の表面に対向し、上面が所定高さ位置で電池蓋６と平行になる構成を有している。

【0018】

正極接続部１４ｂ、負極接続部１２ｂは、正極外部端子１４、負極外部端子１２の下面からそれぞれ突出して先端が電池蓋６の正極側貫通孔４６、負極側貫通孔２６に挿入可能な円柱形状を有している。正極接続部１４ｂ、負極接続部１２ｂは、電池蓋６を貫通して正極集電板４４、負極集電板２４の正極集電板基部４１、負極集電板基部２１よりも電池缶１の内部側に突出しており、先端がかしめられて、正極外部端子１４、負極外部端子１２と、正極集電板４４、負極集電板２４を電池蓋６に一体に固定している。正極外部端子１４、負極外部端子１２と電池蓋６との間には、ガスケット５が介在されており、正極集電板４４、負極集電板２４と電池蓋６との間には、絶縁板７が介在されている。

【0019】

正極集電板４４、負極集電板２４は、電池蓋６の下面に対向して配置される矩形板状の正極集電板基部４１、負極集電板基部２１と、正極集電板基部４１、負極集電板基部２１の側端で折曲されて、電池缶１の幅広面に沿って底面側に向かって延出し、捲回群３の正極箔露出部３４ｃ、負極箔露出部３２ｃに対向して重ね合わされた状態で接続される正極側接続端部４２、負極側接続端部２２を有している。正極集電板基部４１、負極集電板基部２１には、正極接続部、負極接続部が挿通される正極側開口孔４３、負極側開口孔２３がそれぞれ形成されている。

【0020】

捲回群３の扁平面に沿い、かつ、捲回群３の捲回軸方向に直交する軸を中心軸として、前記捲回群３の周囲には絶縁保護フィルム２が巻き付けられている。絶縁保護フィルム２は、例えばポリプロピレンなどの合成樹脂製の一枚のシートまたは複数のフィルム部材からなり、捲回群３の扁平面と平行な方向でかつ捲回軸方向に直交する方向を巻き付け中心として巻き付けることができる長さを有している。さらに、絶縁保護フィルム２は、電池缶１の底面１ｄ側において捲回群３を被覆することで、捲回群３と電池缶１との接触を防止する。

【0021】

図３は、捲回電極群の一部を展開した状態を示す分解斜視図である。
捲回群３は、負極電極３２と正極電極３４を間にセパレータ３３、３５を介して扁平状に捲回することによって構成されている。捲回群３は、最外周の電極が負極電極３２であり、さらにその外側にセパレータ３３、３５が捲回される。セパレータ３３、３５は、正極電極３４と負極電極３２との間を絶縁する役割を有している。

【0022】

負極電極３２の負極合剤層３２ｂが塗布された部分は、正極電極３４の正極合剤層３４ｂが塗布された部分よりも幅方向に大きく、これにより正極合剤層３４ｂが塗布された部分は、必ず負極合剤層３２ｂが塗布された部分に挟まれるように構成されている。正極箔露出部３４ｃ、負極箔露出部３２ｃは、それぞれが平面部分で束ねられて、溶接等により接続される。尚、セパレータ３３、３５は幅方向で負極合剤層３２ｂが塗布された部分よりも広いが、正極箔露出部３４ｃ、負極箔露出部３２ｃで端部の金属箔面が露出する位置に捲回されるため、束ねて溶接する場合の支障にはならない。

【0023】

正極電極３４は、正極集電体である正極電極箔の両面に正極活物質合剤を有し、正極電極箔の幅方向一方側の端部には、正極活物質合剤を塗布しない正極箔露出部３４ｃが設けられている。負極電極３２は、負極集電体である負極電極箔の両面に負極活物質合剤を有し、正極電極箔の幅方向他方側の端部には、負極活物質合剤を塗布しない負極箔露出部３２ｃが設けられている。正極箔露出部３４ｃと負極箔露出部３２ｃは、電極箔の金属面が露出した領域であり、捲回軸方向の一方側と他方側の位置に配置されるように捲回される。

【0024】

正極電極３４に関しては、正極活物質としてマンガン酸リチウム（化学式ＬｉＭｎ２Ｏ４）１００重量部に対し、導電材として１０重量部の鱗片状黒鉛と結着剤として１０重量部のポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦという。）とを添加し、これに分散溶媒としてＮ－メチルピロリドン（以下、ＮＭＰという。）を添加、混練した正極合剤を作製した。この正極合剤を厚さ２０μｍのアルミニウム箔（正極電極箔）の両面に溶接部（正極未塗工部）を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断工程を経て、アルミニウム箔を含まない正極活物質塗布部厚さ９０μｍの正極電極３４を得た。

【0025】

また、本実施形態では、正極活物質にマンガン酸リチウムを用いる場合について例示したが、スピネル結晶構造を有する他のマンガン酸リチウムや、一部を金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン複合酸化物、層状結晶構造を有するコバルト酸リチウムやチタン酸リチウム、これらの一部を金属元素で置換またはドープしたリチウム-金属複合酸化物、を用いるようにしてもよい。

【0026】

負極電極３２に関しては、負極活物質として非晶質炭素粉末１００重量部に対して、結着剤として１０重量部のＰＶＤＦを添加し、これに分散溶媒としてＮＭＰを添加、混練した負極合剤を作製した。この負極合剤を厚さ１０μｍの銅箔（負極電極箔）の両面に溶接部（負極未塗工部）を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断工程を経て、銅箔を含まない負極活物質塗布部厚さ７０μｍの負極電極３２を得た。

【0027】

尚、本実施形態では、負極活物質に非晶質炭素を用いる場合について例示したが、これに限定されるものではなく、リチウムイオンを挿入、脱離可能な天然黒鉛や、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料やＳｉやＳｎなどの化合物（例えば、ＳｉＯ、ＴｉＳｉ２等）、またはそれの複合材料でもよい。その粒子形状においても、鱗片状、球状、繊維状、塊状等、特に制限されるものではない。

【0028】

また、本実施形態では、正極電極、負極電極における塗工部の結着材としてＰＶＤＦを用いる場合について例示したが、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン、アクリル系樹脂などの重合体およびこれらの混合体などを用いることができる。

【0029】

また、軸芯としては例えば、正極箔、負極箔、セパレータ３３のいずれよりも曲げ剛性の高い樹脂シートを捲回して構成したものを用いることができる。

【0030】

図４は、電池モジュールの外観斜視図である。電池モジュール８０は上記の扁平捲回形二次電池１００を複数並べて直列に接合したものである。セル間の電気的な接合にはバスバ５０を用いて、正負極端子にそれぞれレーザ溶接により接合する。正極端子と負極端子でそれぞれ材質がアルミと銅で異なることに対し、レーザ溶接は同じ金属同士で接合する必要がある。このため、バスバ部品上で材質を変換するために、バスバはアルミと銅のクラッド材を用いている。クラッド材バスバを用いて、アルミと銅それぞれ、端子と同じ金属同士でレーザ溶接して接合している。

【0031】

図５は実施例１の端子とバスバの接合部の断面図、図６は端子とバスバの接合部を溶接した後の断面図、図７は端子とバスバの接合部を上面からみた外観図である。端子１４にはセル上面側に電極端子突起部１４ａを設け、バスバ５０には電極端子突起部１４ａが嵌合するためのバスバ孔５０ａを設ける。実施例では正極側の構造を図示しているが、負極においても同様の構造をとることができる。電極端子突起部１４ａとバスバ孔５０ａは、それぞれΦ２ｍｍ～４ｍｍ程度の丸い形状である。実施例では端子中央部に電極端子突起部１４ａを１つ設けているが、複数の電極端子突起部１４ａを設けても構わない。電極端子突起部１４ａを複数設ける場合は、電極端子突起部１４ａの径とバスバ孔５０ａの径を小さくする必要がある。これは、セル充電用のプローブを接触させる面積が必要であるためである。また、バスバ孔５０ａが増えることで端子の加工が困難になり、またバスバ孔５０ａが複数になることで強度への影響も考えなくてはならなくなる。かかる加工への影響を考慮すると、電極端子突起部１４ａの数は１個ないし２個程度とすることが望ましい。

【0032】

バスバ５０は、複数のセルを並べて配置を固定した後、バスバ孔５０ａを電極端子突起部１４ａに合わせて嵌めこまれる。このため、位置決め及び嵌め合いをよくするため、嵌合状態を緩い公差にする必要がある。具体的には、電極端子突起部１４ａとバスバ５０孔ａとの隙間が約０．１ｍｍ程度となるように電極端子突起部１４ａ及びバスバ５０孔ａの寸法を決定する。さらに電極端子突起部１４ａの上面の外周の縁をＲ加工またはコーナ加工する。同様に、バスバ孔５０ａの電極端子突起部１４ａに対向する内周の縁をＲ加工またはコーナ加工する。電極端子突起部１４ａのＲ加工またはコーナ加工と、バスバ孔５０ａのＲ加工またはコーナ加工は、いずれも約０．１ｍｍ～０．５ｍｍ程度あれば十分に嵌合可能である。

【0033】

電極端子突起部１４ａとバスバ孔５０ａを嵌合させて、電極端子突起部１４ａの外側面とバスバ孔５０ａの内側面をレーザにより突合せ溶接する。レーザ溶接の径は約０．５ｍｍ～１．０ｍｍとすることで、緩めの嵌合公差においても十分溶け込ませることが可能である。

【0034】

また、電極端子突起部１４ａの高さをバスバ５０の厚みよりも高くすることで、嵌合したときにバスバ５０よりも電極端子突起部１４ａが突き出るようにする。例えば、バスバ５０の厚みを約０．８ｍｍ～１．０ｍｍとして、電極端子突起部１４ａの高さを１．０ｍｍ以上とすればよい。端子の製造の公差を考慮すると、電極端子突起部１４ａの高さは１．２ｍｍ程度が望ましい。電極端子突起部１４ａの突き出た部分に、検査用のプローブを接触させる。端子とバスバの溶接状態を検査するためにセル缶の端子同士の抵抗を測定して電気的な接続を確認する。このため、突き出た電極端子突起部１４ａに直接プローブを接触させることができるため、プローブの位置出しが容易になり検査しやすくなる。

【0035】

また、本発明では前述の嵌合構造を、正負極両方に適用しても、正負極片側だけに適用しても、効果を得ることができる。正極は材質がアルミであり、強度を得るために溶け込み量が必要のため、突起を設けることで効率よく溶け込ませることができる。負極は材質が銅のため、反射率の影響からレーザ出力が必要であり、電極端子突起部１４ａの外側面とバスバ孔５０ａの内側面との突合せ構造にすることで、少ないレーザ出力で溶接することができる。

【実施例0036】

図８は、実施例２の端子とバスバの接合部の断面図である。図８の構造のうち、実施例１と同様の部分については、説明を省略する。実施例１では、電極端子突起部１４ａの形状を丸形状としたが、実施例２では長丸形状である。また、実施例２では、バスバ孔５０ａは長孔であり、前記長孔は端子の短辺に対して並行に位置する。長孔の直線部分を長くとることで溶接面積を多くとることができる。また、電極端子突起部１４ａの形状よりもバスバ孔５０ａを長くとることで、嵌め合いの位置出しを容易にすることができる。電極端子突起部１４ａの外側面とバスバ孔５０ａの内側面の突合せ部分が長くなり、溶接面積を多くとることができるため、全周ではなく部分的な溶接でも構わない。

【0037】

端子とバスバを接合する前にセルを充電する工程がある。その時、端子の上面からプローブを接触させる。電流及び電圧検出のプローブをそれぞれ接触させるために平面部が必要となる。実施例２で電極端子突起部１４ａの面積が多くなることで、充電用のプローブを接触させる面積が減るため、プローブの径や位置を工夫する必要がある。