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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-09-04
(45)【発行日】2024-09-12
(54)【発明の名称】角形二次電池
(51)【国際特許分類】
   H01M 50/533 20210101AFI20240905BHJP
   H01M 50/586 20210101ALI20240905BHJP
   H01M 50/562 20210101ALI20240905BHJP
   H01M 50/553 20210101ALI20240905BHJP
【FI】
H01M50/533
H01M50/586
H01M50/562
H01M50/553
【請求項の数】 5
(21)【出願番号】P 2021534546
(86)(22)【出願日】2020-04-27
(86)【国際出願番号】 JP2020017978
(87)【国際公開番号】W WO2021014705
(87)【国際公開日】2021-01-28
【審査請求日】2023-02-08
(31)【優先権主張番号】P 2019134855
(32)【優先日】2019-07-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000005821
【氏名又は名称】パナソニックホールディングス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001427
【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】村田 一郎
(72)【発明者】
【氏名】今西 裕明
【審査官】瀧口 博史
(56)【参考文献】
【文献】特開2018-137166(JP,A)
【文献】特開2013-222517(JP,A)
【文献】特開平09-147914(JP,A)
【文献】特開2005-122951(JP,A)
【文献】特開2015-053280(JP,A)
【文献】特開2016-111012(JP,A)
【文献】特開2003-346776(JP,A)
【文献】特開2013-008559(JP,A)
【文献】特開2013-219061(JP,A)
【文献】特開2017-111902(JP,A)
【文献】中国特許出願公開第106784586(CN,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M 50/50
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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からなり、前記封口板側の端部には、穴部が設けられており、
前記集電体は、前記穴部に挿入された連結部を介して、前記外部端子に接続されており、
前記連結部は、前記穴部と外部とを連通する連通孔を有する、角形二次電池。
【請求項2】
前記連結部は、鍔部を有する筒状体からなり、
前記鍔部は、前記外部端子と接合されており、
前記連結部は、前記穴部に圧入されている、請求項1に記載の角形二次電池。
【請求項3】
前記封口板は、前記連結部が挿入される貫通孔を有し、
前記貫通孔の内周面と前記連結部の外周面との間、及び前記封口板の底面と前記集電体の上面との間に、圧縮されたガスケットが介在している、請求項1または2に記載の角形二次電池。
【請求項4】
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からなり、前記封口板側の端部には、穴部が設けられており、
前記集電体は、前記穴部に挿入された連結部を介して、前記外部端子に接続されており、
前記正極板の端辺に接続された正極集電体は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、
前記正極集電体に接続された正極連結部と正極外部端子とは、銅または銅合金からなる、角形二次電池。
【請求項5】
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~の何れかに記載の角形二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、角形二次電池に関する。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
特許文献1には、電極体の正極及び負極に接続された集電端子(集電体)と、外部端子とを、リベットのかしめによって締結した構造の密閉型電池(二次電池)が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開2013-105538号公報
【発明の概要】
【0005】
特許文献1に開示された構造の二次電池では、リベットをかしめるためには、リベットの肉厚をある程度薄くする必要がある。そのため、リベットの断面積を大きくすることができず、リベットに大電流が流れると、ジュール熱が増加し、電池内部の温度が過度に上昇するおそれがある。
【0006】
また、エネルギー密度の高いリチウムイオン電池では、通常、正極側の集電体には、アルミニウムまたはアルミニウム合金が使用され、負極側の集電体には、銅または銅合金が使用される。集電体に接続されるリベットは、集電体と同じ材料が使用されるため、正極側に使用されるリベット(アルミニウム等)は、負極側に使用されるリベット(銅等)よりも、電気抵抗が高くなる。そのため、正極側のリベットに大電流が流れると、ジュール熱が増加し、電池内部の温度が過度に上昇するおそれがある。
【0007】
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、電池内で発生するジュール熱を低減し、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。
【0008】
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、集電体の封口板側の端部には、穴部が設けられ、集電体は、穴部に挿入された連結部を介して、外部端子に接続されている。
【0009】
本発明によれば、電池内で発生するジュール熱を低減し、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。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1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図2(a)、(b)は、本実施形態における角形二次電池の組み立て手順を説明した図である。
図3図3は、本実施形態における角形二次電池の組み立て手順を説明した図である。
図4図4は、本実施形態における角形二次電池の組み立て手順を説明した図である。
図5図5(a)、(b)は、本実施形態における角形二次電池の組み立て手順を説明した図である。
図6図6は、本実施形態における角形二次電池の組み立て手順を説明した図である。
図7図7(a)、(b)は、他の実施形態における角形二次電池の組み立て手順を説明した図である。
図8図8(a)、(b)は、他の実施形態における角形二次電池の組み立て手順を説明した図である。
図9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。
【発明を実施するための形態】
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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、レーザ溶接等により行うことができる。
【0015】
集電体20A、20Bは、電解液中において、それぞれ正極電位、負極電位で侵されない材料で構成されていれば、その材料は特に限定されない。また、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。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(正極集電体)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(負極集電体)20Bは、銅又は銅合金で構成されていることが好ましい。
【0016】
正負の集電体20A、20B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おり、封口板12側の端部には、それぞれ、穴部23A、23Bが設けられている。集電体20A、20Bに設けられた穴部23A、23Bには、それぞれ、連結部22A、22Bが挿入されている。
【0017】
連結部22A、22Bは、鍔部を有する筒状体(例えば円筒体)からなり、鍔部が、それぞれ、外部端子21A、21Bに接合されている。これにより、集電体20A、20Bは、それぞれ、穴部23A、23Bに挿入された連結部22A、22Bを介して、正負の外部端子21A、21Bに接続されている。
【0018】
連結部22A、22Bは、それぞれ、絶縁部材(ガスケット)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。
【0019】
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。
【0020】
次に、図2図6を参照しながら、本実施形態における角形二次電池1の組み立て手順を説明する。
【0021】
まず、図2(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2(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2(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が挿入される穴部23Aを有する。負極側の集電体20Bも、同様の構成を有する。なお、以下の説明では、集電体20Bについての説明は省略する。
【0022】
次に、図3及び図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、レーザ溶接等により接合する。
【0023】
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。
【0024】
図5(a)、(b)に示すように、集電体20Aの上に、絶縁部材(ガスケット)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の穴部23A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12aの内周面と当接する外周部を備えている。
【0025】
次に、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の穴部23Aに圧入する。これにより、集電体20Aは、連結部22Aにより強固に固定される。このとき、封口板12に設けられた貫通孔12aの内周面と、連結部22Aの外周面との間、及び封口板12の底面と集電体20Aの上面との間には、圧縮された絶縁部材(ガスケット)30Aが介在している。
【0026】
その後、連結部22Aの鍔部と外部端子21Aとを、例えばレーザ溶接することにより、連結部22Aと外部端子21Aとは溶融結合し、電気抵抗を更に低減させることができる。
【0027】
なお、連結部22Aを穴部23Aに圧入する際、穴部23A内の空間は、徐々に圧縮される。そのため、連結部22Aは、徐々に圧入しにくくなり、所定の深さまで到達できない場合もある。これを解消するために、図5(b)に示すように、連結部22Aに、穴部23Aと外部とを連通する連通孔26Aを設けることが好ましい。これにより、穴部23内の空気を、連通孔26Aを介して外部に逃がしながら、連結部22Aを穴部23Aの所定の深さまで圧入することができる。
【0028】
次に、図6に示すように、集電体20A、連結部22A、及び外部端子21A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。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(不図示)から、電解液を電池ケース11内に注液した後、注液孔を栓50(図1を参照)で封止する。
【0029】
本実施形態によれば、集電体20Aと外部端子21Aとを接続する連結部22Aを、筒状体で構成することにより、従来のリベットのかしめによる締結に比べて、電流が流れる断面積を大きくすることができる。これにより、連結部22Aの電気抵抗を小さくできるため、連結部22Aに大電流が流れても、ジュール熱の発生を抑制することができる。その結果、電池内部の温度が上昇するのを抑制することができる。
【0030】
本実施形態では、2つの電極体10A、10Bを、封口板12の幅方向に並べて配置している。そして、図4に示したように、各電極体10A、10Bの露出部10a、10aで、集電体20Aを挟み込んで、露出部10a、10aと集電体20Aとを接合している。そのため、集電体20Aを構成するブロック体は、封口板12の幅方向の厚みを大きくすることができる。これにより、集電体20Aの断面積を大きくすることができるため、穴部23Aの内径も大きくすることができる。その結果、連結部22Aの外径も大きくできるため、電池内部の温度上昇をより効果的に抑制することができる。
【0031】
また、本実施形態では、正極側の集電体20Aに接続された連結部(正極連結部)22Aの一部は、封口板12よりも下方の電池ケース11内に位置している。しかしながら、図5(b)に示したように、封口板12に設けられた貫通孔12aの内周面と、連結部22Aの外周面との間、及び封口板12の底面と集電体20Aの上面との間には、圧縮された絶縁部材(ガスケット)30Aが介在している。すなわち、集電体20Aの穴部23Aに圧入された連結部22Aは、絶縁部材(ガスケット)30Aと、集電体20Aによって、電池ケース11内の空間と遮断されている。そのため、連結部22Aは、電池ケース11内の電解液と接触しないため、正極側の連結部22Aの材料を、銅または銅合金にしても、連結部22Aが電解液によって侵されることはない。
【0032】
従って、正極側の連結部22Aを、従来のアルミニウムまたはアルミニウム合金に代えて、銅または銅合金で構成することによって、連結部22Aの電気抵抗をより低減することができる。その結果、連結部22Aに大電流が流れても、ジュール熱の発生を抑制することができるため、電池内部の温度上昇をより抑制することができる。なお、正極側の連結部22Aを銅または銅合金で構成した場合、正極側の外部端子(正極外部端子)21Aも、銅または銅合金で構成することができる。
【0033】
また、本実施形態では、連結部22Aを、集電体20Aの穴部23Aに圧入することによって、集電体20Aを固定している。そのため、従来のリベットのかしめによる締結に比べて、連結部22Aと集電体20Aとの接触抵抗を低減することができる。これにより、連結部22Aにおけるジュール熱の発生を抑制することができるため、電池内部の温度上昇をより抑制することができる。
【0034】
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。
【0035】
例えば、上記実施形態では、連結部22Aを、鍔部を有する筒状体で構成したが、これに限定されず、ボルト等で構成してもよい。
【0036】
図7(a)、(b)、及び図8(a)、(b)は、連結部22Aにボルトを用いた場合の組み立て手順を説明した図である。ここで、図7(a)は、集電体20Aの封口板12近傍を拡大した、部分斜視図で、図7(b)は、図7(a)のVIIb-VIIb線に沿った部分断面図である。また、図8(a)は、集電体20Aの封口板12近傍を拡大した、部分斜視図で、図8(b)は、図8(a)のVIIIb-VIIIb線に沿った部分断面図である。
【0037】
まず、図7(a)、(b)に示すように、集電体20Aの上に、絶縁部材(ガスケット)30A、封口板12、及び絶縁部材32Aを、この順番で配置する。なお、絶縁部材30A、封口板12、及び絶縁部材32Aには、それぞれ、集電体20Aの穴部(メネジが形成された穴)23A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。
【0038】
次に、連結部22Aを、封口板12及び絶縁部材32Aに設けられた貫通孔を貫通させて、集電体20Aの穴部(メネジが形成された穴)23Aにボルト締めする。これにより、集電体20A及び絶縁部材30Aは、連結部22Aにより封口板12に固定される。なお、連結部22Aには、穴部(メネジが形成された穴)23内の空間と外部とを連通する連通孔26Aが設けられていることが好ましい。
【0039】
次に、図8(a)、(b)に示すように、封口板12の上に、絶縁部材31A及び外部端子21Aを載置し、連結部22Aの鍔部と外部端子21Aとを、例えばレーザ溶接することにより、連結部22Aと外部端子21Aとは溶融結合し、電気抵抗を更に低減させることができる。
【0040】
連結部22Aにボルトを用いた場合でも、従来のリベットのかしめによる締結に比べて、電流が流れる断面積を大きくできるため、連結部22Aの電気抵抗を小さくすることができる。そのため、連結部22Aに大電流が流れても、ジュール熱の発生を抑制できるため、電池内部の温度上昇を抑制することができる。
【0041】
また、集電体20Aの穴部(メネジが形成された穴)23Aにボルト締めされた連結部22Aは、絶縁部材(ガスケット)30Aと、集電体20Aによって、電池ケース11内の空間と遮断されている。そのため、連結部22Aは、電池ケース11内の電解液と接触しないため、正極側の連結部22Aの材料を、銅または銅合金にしても、連結部22Aが電解液によって侵されることはない。従って、連結部22Aを、銅または銅合金で構成することによって、連結部22Aの電気抵抗をより低減することができる。その結果、連結部22Aに大電流が流れても、ジュール熱の発生を抑制できるため、電池内部の温度上昇をより抑制することができる。
【0042】
また、上記実施形態では、連結部22Aと外部端子21Aとを、別部品で構成したが、連結部22Aと外部端子21Aとが、同一部材で一体構造になっていてもよい。なお、連結部22Aは、中実構造が好ましいが、一部が中空構造になっていてもよい。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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、レーザ溶接等により接合することができる。
【0047】
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が挿入される穴部23A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に穴部23Aを形成すればよい。
【0048】
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11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、レーザ溶接等により接合すればよい。
【0049】
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。
【0050】
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。
【符号の説明】
【0051】
1 角形二次電池
10、10A、10B 電極体
10a、10b 露出部
11 電池ケース
12 封口板
12a 貫通孔
20、20A、20B 集電体
21A、21B 外部端子
22A、22B 連結部
23A、23B 穴部
23a 円筒部
24 接合領域
26A、26B 連通孔
30A、30B 絶縁部材(ガスケット)
31A、31B 絶縁部材
32A 絶縁部材
40 絶縁性ホルダー
50 栓
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11