JP5812087B2

JP5812087B2 - 蓄電装置

Info

Publication number: JP5812087B2
Application number: JP2013269568A
Authority: JP
Inventors: 貴之弘瀬; 元章奥田; 寛恭西原
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2033-12-26
Also published as: WO2015098517A1; JP2015125904A

Description

本発明は、絶縁フィルムで覆った電極組立体をケースに収容した蓄電装置に関する。

ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、原動機となる電動機への供給電力を蓄える蓄電装置としてリチウムイオン電池などの二次電池が搭載されている。この種の二次電池は、例えば特許文献１に開示されている。

図５に示すように、特許文献１の二次電池（単位電池５０）は、電極群を収納するケース５１と、ケース５１を密閉するキャッププレート５２と、を備えている。キャッププレート５２には、端子５３が突出するように設置されている。端子５３の下部には、キャッププレート５２の内面に端子５３を支持するフランジ部５４が形成されている。端子５３は、ケース５１に収納されている電極群に電気的に接続されている。また、キャッププレート５２及び端子５３の間には、キャッププレート５２及び端子５３を絶縁させるガスケット５５が設置されている。

特開２０１０−２１９０２７号公報

二次電池は、端子を通じて電極群と電気を授受する。しかしながら、何らかの要因により耐電圧を越える高い電圧が印加されると、導体間（例えばケース５１と端子５３）に放電現象が起こり導通し、絶縁破壊を起こす可能性がある。

この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、絶縁破壊を防止し得る蓄電装置を提供することにある。

上記課題を解決する蓄電装置は、正極電極、負極電極、及び前記正極電極と前記負極電極とを互いに絶縁するセパレータが積層された電極組立体と、前記電極組立体が収容されたケースと、前記ケースから突出した状態で設けられた電極端子と、前記電極端子と前記電極組立体の双方に電気的に接続された導電部材と、前記ケースと前記電極端子との間を絶縁する端子絶縁部材と、前記ケースと前記電極組立体との間を絶縁する絶縁フィルムと、を備え、前記端子絶縁部材は、板状の接続部と当該接続部の側部から垂下する壁部と当該壁部から前記接続部に対して平行に延びて当該接続部に対向する板状の板部とを有し、前記接続部は前記電極端子が挿通される切欠部を有し、前記電極端子は、前記端子絶縁部材における前記接続部と前記板部との間に配置されるとともに前記導電部材に接続される端子台を有し、前記端子台は、前記電極組立体の積層方向において前記端子絶縁部材で覆われていない部分を有し、前記絶縁フィルムは、前記端子台において前記端子絶縁部材で覆われていない前記部分であってかつ前記ケースに面する部分と前記ケースとの間に介在されている。

この構成によれば、電極端子における端子台の端子絶縁部材で覆われていない部分であってかつケースに面する部分とケースとの間には電極組立体を覆う絶縁フィルムが介在されている。これにより、絶縁フィルムが、耐電圧を超える高い電圧が印加された場合に前記部分とケースとの間の導通経路を阻害する要因となる。したがって、絶縁破壊を防止し得る。

上記蓄電装置において、前記電極端子は電流遮断機構を有する。
この構成によれば、二次電池が電流遮断機構を有する場合であっても、電流遮断機構において端子絶縁部材で覆われていない部分とケースとの間にも絶縁フィルムが介在される。したがって、絶縁破壊を防止し得る。

上記蓄電装置において、前記蓄電装置の好適な例としては、二次電池を挙げることができる。

本発明によれば、絶縁破壊を防止することができる。

二次電池の分解斜視図。正極電極、負極電極及びセパレータを示す斜視図。絶縁フィルムで覆った電極組立体を示す斜視図。端子周辺を示す断面図。背景技術の蓄電装置における端子周辺を示す断面図。

以下、蓄電装置を具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、蓄電装置としての二次電池１０は、ケース１１と、そのケース１１に収容される電極組立体１２と、を備えている。ケース１１には、電極組立体１２とともに電解液も収容されている。ケース１１は、有底四角筒状のケース本体１３と、ケース本体１３に電極組立体１２を挿入するための開口部１４を塞ぐ矩形平板状の蓋体１５と、を有する。ケース本体１３と蓋体１５は、何れも金属製（例えば、ステンレスやアルミニウム）である。本実施形態の二次電池１０は、その外観が角型である角型電池である。また、本実施形態の二次電池１０は、リチウムイオン電池である。

図２に示すように、電極組立体１２は、正極電極１６、負極電極１７、及び正極電極１６と負極電極１７とを互いに絶縁するセパレータ１８を有する。電極組立体１２は、複数の正極電極１６と複数の負極電極１７とを交互に積層するとともに、両電極の間にセパレータ１８を介在した積層構造である。本実施形態の電極組立体１２は、正極電極１６と、負極電極１７と、セパレータ１８とを積層することにより、図１に示すように、直方体状に構成されている。直方体状の電極組立体１２は、ケース１１に収容した場合に蓋体１５の内面（電極組立体１２側の面）に面する上面１２ａと、上面１２ａと対向しかつケース本体１３の底壁の内面に面する下面１２ｂと、上面１２ａ及び下面１２ｂに連設される側面１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆと、を有する。側面１２ｃ，１２ｄは、電極組立体１２をケース１１に収容した場合に電極組立体１２の積層方向Ｔで対向するケース本体１３の側壁の内面に面する。側面１２ｅ，１２ｆは、電極組立体１２をケース１１に収容した場合に電極組立体１２の積層方向Ｔに直交する方向で対向するケース本体１３の側壁の内面に面する。

図２に示すように、正極電極１６は、正極金属箔（本実施形態ではアルミニウム箔）１９と、その両面に正極活物質層２０を有する。正極電極１６の一端としての縁部１６ａには、正極金属箔１９からなる正極集電タブ２１が突出するように設けられている。正極集電タブ２１は、正極活物質が塗布されていない正極未塗工部を構成する。正極集電タブ２１は、電極組立体１２を構成する各正極電極１６において同じ形状であり、同じ位置にある。

図２に示すように、負極電極１７は、負極金属箔（本実施形態では銅箔）２２と、その両面に負極活物質層２３を有する。負極電極１７の一端としての縁部１７ａには、負極金属箔２２からなる負極集電タブ２４が突出するように設けられている。負極集電タブ２４は、負極活物質が塗布されていない負極未塗工部を構成する。負極集電タブ２４は、電極組立体１２を構成する各負極電極１７において同じ形状であり、同じ位置にある。また、負極集電タブ２４は、正極電極１６と負極電極１７を積層する場合に正極集電タブ２１とは積層方向Ｔにおいて重ならない位置にある。

電極組立体１２を構成する各正極電極１６は、それぞれの正極集電タブ２１が積層方向Ｔに沿って列状に配置されるように積層される。同様に、電極組立体１２を構成する各負極電極１７は、それぞれの負極集電タブ２４が、正極集電タブ２１と重ならないように積層方向Ｔに沿って列状に配置されるように積層される。各正極集電タブ２１は、図１に示すように、電極組立体１２における積層方向Ｔの一端から他端までの範囲に集められて正極集電タブ群２５を構成している。また、各負極集電タブ２４も同様に、図１に示すように、電極組立体１２における積層方向Ｔの一端から他端までの範囲に集められて負極集電タブ群２６を構成している。

正極集電タブ群２５には、矩形板状の正極導電部材２７が接合されている。正極導電部材２７には、電極組立体１２と電気を授受する正極端子２９が接合されている。これにより、正極導電部材２７は、正極端子２９と正極集電タブ群２５とを電気的に接続する。一方、負極集電タブ群２６には、矩形板状の負極導電部材２８が接合されている。負極導電部材２８には、電極組立体１２と電気を授受する負極端子３０が接合されている。これにより、負極導電部材２８は、負極端子３０と負極未塗工部をなす負極集電タブ群２６とを電気的に接続する。

正極端子２９は、一部がケース１１外に露出する正極端子部３１と、正極端子部３１の雄ねじ部３１ａが螺合される雌ねじ部３２ａを有する正極端子台３２と、電流遮断機構３３と、を含む。電流遮断機構３３は、二次電池１０の内圧で変形する金属板を有する。電流遮断機構３３の金属板は、正極端子台３２と正極導電部材２７のそれぞれに接合されている。これにより、電流遮断機構３３は、二次電池１０の内圧が設定圧力よりも高くなると、金属板の変形によって正極導電部材２７から分離することにより、電流を遮断する。また、負極端子３０は、一部がケース１１外に露出する負極端子部３４と、負極端子部３４の雄ねじ部３４ａが螺合される雌ねじ部３５ａを有する負極端子台３５と、を含む。

正極端子２９は、蓋体１５に所定の間隔をあけて並設された一対の貫通孔３６に絶縁リング３７を介在させた状態で雄ねじ部３１ａを挿通させるとともに、雌ねじ部３２ａに螺合させることによって正極端子部３１と正極端子台３２が一体化されている。正極端子２９は、正極導電部材２７を介して電極組立体１２と電気的に接続されている。同様に、負極端子３０は、貫通孔３６に絶縁リング３７を介在させた状態で雄ねじ部３４ａを挿通させるとともに、雌ねじ部３５ａに螺合させることによって負極端子部３４と負極端子台３５が一体化されている。負極端子３０は、負極導電部材２８を介して電極組立体１２と電気的に接続されている。絶縁リング３７は、正極端子２９及び負極端子３０のそれぞれをケース１１から絶縁する。

正極端子部３１と正極端子台３２を接続した正極端子２９、及び負極端子部３４と負極端子台３５を接続した負極端子３０は、それぞれが蓋体１５から突出した状態で設けられる。また、電極組立体１２は、正極端子２９及び負極端子３０がそれぞれ電気的に接続されることにより、蓋体１５に対して固定される。蓋体１５と電極組立体１２は、正極端子部３１と正極端子台３２の接続、及び負極端子部３４と負極端子台３５の接続により、一体化されている。

正極端子２９と負極端子３０のそれぞれにおいてケース１１に収容される部分には、ケース１１と絶縁するための端子絶縁部材３８が取り付けられる。端子絶縁部材３８は、正極端子台３２と負極端子台３５のそれぞれに取り付けられる。端子絶縁部材３８は、樹脂製である。

端子絶縁部材３８は、四角板状の接続部４０を有する。接続部４０は、一側部に開口するＵ字状の切欠部４１を有する。切欠部４１の両側には、正極端子台３２の雌ねじ部３２ａ及び負極端子台３５の雌ねじ部３５ａを挟んで支持する一対の挟持片部４２を有する。また、接続部４０には、切欠部４１の開口側とは反対側の一側部から垂下する壁部４３を有する。壁部４３には、接続部４０と平行に延びる四角板状の板部４４を有する。板部４４は、接続部４０との間で正極導電部材２７と正極端子台３２、又は負極導電部材２８と負極端子台３５を挟み込むことが可能な間隔をあけて位置している。

端子絶縁部材３８は、切欠部４１に正極端子台３２の雌ねじ部３２ａを挿通させて一対の挟持片部４２で挟み込むとともに、接続部４０と板部４４とで正極導電部材２７及び正極端子台３２を挟み込むように取り付けられる。また、端子絶縁部材３８は、切欠部４１に負極端子台３５の雌ねじ部３５ａを挿通させて一対の挟持片部４２で挟み込むとともに、接続部４０と板部４４とで負極導電部材２８及び負極端子台３５を挟み込むように取り付けられる。

図１及び図３に示すように、この実施形態の電極組立体１２は、その外面の一部が絶縁フィルム４５で覆われた状態でケース本体１３に収容される。絶縁フィルム４５は、ケース本体１３に収容される前においてその全体が平面視略四角状であり、電極組立体１２において正極集電タブ群２５及び負極集電タブ群２６を設けた上面１２ａを除く、下面１２ｂ及び各側面１２ｃ〜１２ｆの５面を覆うことが可能な大きさである。絶縁フィルム４５は、電極組立体１２をケース本体１３に収容した場合に、電極組立体１２の下面１２ｂ及び各側面１２ｃ〜１２ｆが面するケース本体１３の壁面との間に介在し、電極組立体１２とケース本体１３を絶縁する。また、絶縁フィルム４５において電極組立体１２の側面１２ｃ，１２ｄを覆う部分は、延長部４６を有する。延長部４６は、電極組立体１２の側面１２ｃ，１２ｄの幅方向Ｗに直交する高さ方向Ｈに沿って延長されている。

図４に示すように、延長部４６は、電極組立体１２を絶縁フィルム４５で覆った状態において電極組立体１２の側面１２ｃ，１２ｄよりも電極組立体１２の高さ方向Ｈに突出するように延長されている。正極端子２９においてケース１１内に位置する部分の一部には、端子絶縁部材３８によって覆われていない部分がある。この実施形態では、図４に示すように、正極端子台３２の一部と電流遮断機構３３の一部とが、端子絶縁部材３８で覆われていない部分となる。同様に、図示しないが、負極端子３０においてケース１１内に位置する部分の一部には、端子絶縁部材３８によって覆われていない部分がある。この実施形態では、負極端子台３５の一部が、端子絶縁部材３８で覆われていない部分となる。そして、上記した端子絶縁部材３８で覆われていない部分は、ケース１１内において電極端子（正極端子２９と負極端子３０）が露出した部分となる。この露出した部分は、ケース１１の内面に面する部分となる。このため、この実施形態において絶縁フィルム４５の延長部４６は、上記した端子絶縁部材３８で覆われていない電極端子の部分であってかつケース１１に面する部分と、ケース１１の内面との間に介在されるように延長されている。

以下、本実施形態の作用を説明する。
ケース１１内において電極端子が露出している場合、その露出した部分は、耐電圧を越える高い電圧が印加されたときにケース１１の内面と導通経路を形成してしまう。このため、電極端子の露出した部分とケース１１の内面との間に絶縁フィルム４５を介在させることにより、その絶縁フィルム４５が導通経路を阻害する要因となる。つまり、導通経路は、絶縁フィルム４５を迂回することで経路長が長くなる。

また、この実施形態の二次電池１０のように電流遮断機構３３を有する場合は、電流遮断機構３３の作動に伴って電極端子（実施形態の場合は正極端子２９）に高い電圧が印加される場合がある。このような場合であっても、電流遮断機構３３とケース１１の内面との間に絶縁フィルム４５を介在させることにより、その絶縁フィルム４５が導通経路を阻害する要因となる。

したがって、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）電極端子（正極端子２９と負極端子３０）において端子絶縁部材３８で覆われていない部分であってケース１１に面する部分とケース１１との間に絶縁フィルム４５を介在させることにより、絶縁破壊を防止できる。

（２）また、二次電池１０が電流遮断機構３３を有する場合であっても、上記のように絶縁フィルム４５を介在させることにより、絶縁破壊を防止できる。
（３）絶縁フィルム４５に延長部４６を設け、電極端子において端子絶縁部材３８で覆われていない部分とケース１１との間に介在させるので、簡単な構成で、絶縁破壊を防止できる。その結果、二次電池１０の製造コストの増加を抑制できる。

（４）端子絶縁部材３８を取り付けた際に電極端子が覆われていない部分が形成されたとしても、その部分を絶縁フィルム４５によってケース１１と直接面しないようにすることができる。このため、端子絶縁部材３８を簡素な構成としても、絶縁破壊を防止できる。つまり、電極端子の全てを覆うように端子絶縁部材３８を構成しなくても良いので、設計の自由度が増すとともに、二次電池１０の製造コストの増加を抑制できる。

（５）絶縁破壊を防止する構造として、従前から二次電池１０の構成部品として存在する絶縁フィルム４５を用いることで、新たな部品を追加することなく、部品点数を増加させない。このため、二次電池１０の構成が複雑化することを抑制できる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 正極端子２９は、正極端子台３２が正極導電部材２７に直接接合される構成でも良い。この構造の場合は、電流遮断機構３３が存在していない。

○ 電流遮断機構３３は、負極端子３０に設けても良い。
○ 電流遮断機構３３は、二次電池１０の内圧が設定圧力よりも高くなることによって正極導電部材２７から分離し、電流を遮断する構造であれば、その具体的な構造は任意に変更することができる。

○ ケース１１と正極端子２９の絶縁構造、及びケース１１と負極端子３０の絶縁構造を変更しても良い。つまり、上記絶縁構造を構成する端子絶縁部材３８の形状を変更しても良い。このとき、採用した絶縁構造によって電極組立体１２の側面１２ｅ，１２ｆに面するケース１１の内面側に電極端子が露出する場合は、その露出する部分とケース１１の内面との間に絶縁フィルム４５を介在させれば良い。

○ 正極集電タブ群２５や負極集電タブ群２６を折り曲げ構造としなくても良い。
○ 実施形態のような積層型の二次電池１０に限らず、帯状の正極電極と帯状の負極電極を捲回して層状に積層した捲回型の二次電池に適用しても良い。

○ 実施形態において、正極電極１６、及び負極電極１７の形状を変更しても良い。例えば、正面視正方形に形成しても良い。
○ 実施形態の二次電池１０は、リチウムイオン二次電池であったが、これに限らず、他の二次電池であっても良い。要は、正極活物質層と負極活物質層との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであれば良い。

○ 実施形態の二次電池１０は、車両として自動車に搭載しても良いし、産業用車両に搭載しても良い。また、定置用の蓄電装置に適用しても良い。

１０…二次電池、１１…ケース、１２…電極組立体、２７…正極導電部材、２８…負極導電部材、２９…正極端子、３０…負極端子、３３…電流遮断機構、３８…端子絶縁部材、４５…絶縁フィルム。

Claims

正極電極、負極電極、及び前記正極電極と前記負極電極とを互いに絶縁するセパレータが積層された電極組立体と、
前記電極組立体が収容されたケースと、
前記ケースから突出した状態で設けられた電極端子と、
前記電極端子と前記電極組立体の双方に電気的に接続された導電部材と、
前記ケースと前記電極端子との間を絶縁する端子絶縁部材と、
前記ケースと前記電極組立体との間を絶縁する絶縁フィルムと、を備え、
前記端子絶縁部材は、板状の接続部と当該接続部の側部から垂下する壁部と当該壁部から前記接続部に対して平行に延びて当該接続部に対向する板状の板部とを有し、
前記接続部は前記電極端子が挿通される切欠部を有し、
前記電極端子は、前記端子絶縁部材における前記接続部と前記板部との間に配置されるとともに前記導電部材に接続される端子台を有し、
前記端子台は、前記電極組立体の積層方向において前記端子絶縁部材で覆われていない部分を有し、
前記絶縁フィルムは、前記端子台において前記端子絶縁部材で覆われていない前記部分であってかつ前記ケースに面する部分と前記ケースとの間に介在されている蓄電装置。
前記電極端子は、電流遮断機構を有する請求項１に記載の蓄電装置。
前記蓄電装置は、二次電池である請求項１又は請求項２に記載の蓄電装置。