(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極用集電体に正極活物質を担持させた正極と負極用集電体に負極活物質を担持させた負極とをセパレータを介して長円筒形に巻回した複数個の発電要素の巻回軸線を水平方向に配置すると共に、これらの発電要素を並列に接続して電池ケース内に収納した組電池において、
各発電要素の一方の端面からはみ出した正極用集電体が正極端子に繋がる正極用集電接続体に挟持接続されると共に、各発電要素の他方の端面からはみ出した負極用集電体が負極端子に繋がる負極用集電接続体に挟持接続され、かつ、これらの発電要素と電池ケースとの間隙の全部又は一部に前記発電要素を圧迫するように絶縁充填材を充填したことを特徴とする組電池。
【請求項２】
前記絶縁充填材が、長円筒形の前記発電要素の湾曲した側面と電池ケースとの間隙に備えられていることを特徴とする請求項１に記載の組電池。
【請求項３】
前記複数個の発電要素の間に板状又はシート状の熱伝導材を挿入したことを特徴とする請求項１又は２に記載の組電池。
【請求項４】
前記各発電要素の巻芯部に板状又はシート状の熱伝導材を配したことを特徴とする請求項１，２又は３に記載の組電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長円筒形の巻回型の発電要素を複数個接続して電池ケースに収納した組電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車等に用いられる大型のリチウムイオン二次電池の構成例を図６に示す。このリチウムイオン二次電池は、長円筒形の発電要素１を４個密着して並べ並列接続したものである。各発電要素１は、図７に示すように、正極１ａと負極１ｂをセパレータ１ｃを介して長円筒形に巻回したものである。正極１ａは、集電体となる帯状のアルミニウム箔１ｄの表面に正極活物質を担持させ、負極１ｂは、集電体となる帯状の銅箔１ｅの表面に負極活物質を担持させている。ただし、これらの正極１ａと負極１ｂは、それぞれ帯状の片方の側端部に活物質を塗布しない未塗工部を設けておき、この未塗工部でアルミニウム箔１ｄと銅箔１ｅが露出するようにしている。そして、これらの正極１ａと負極１ｂは、発電要素１の巻回の際に、巻回軸に沿って互いに反対方向にずらすことにより、長円筒形の一方の端面には正極１ａの側端部のアルミニウム箔１ｄのみがはみ出し、他方の端面には負極１ｂの側端部の銅箔１ｅのみがはみ出すようにしている。
【０００３】
上記４個の発電要素１は、図６に示すように、長円筒形の平坦な側面同士を隣合わせて並べられる。そして、これらの発電要素１の両端面部にそれぞれ配置された波板状の集電接続体２に、各発電要素１からはみ出した正極１ａのアルミニウム箔や負極１ｂの銅箔を接続するようになっている。集電接続体２は、金属の平板を波板状の凹凸に成形し、これを２枚端部で合わせると共に、この合わせ部の上端に端子３を接続固定したものである。そして、正極端子３の側の集電接続体２は、波板状の各凹部に発電要素１の一方の端面からはみ出した正極１ａのアルミニウム箔を挟み込んで超音波溶接により接続固定し、負極端子３の側の集電接続体２は、波板状の各凹部に発電要素１の他方の端面からはみ出した負極１ｂの銅箔を挿入して超音波溶接により接続固定している。
【０００４】
上記４個の発電要素１は、図示しない金属製の筐体の電池ケースに収納される。この際、正極端子３と負極端子３の上端部は、絶縁封止材を介してこの電池ケースを貫通し外部に突出するようになっている。そして、この電池ケースの内部に電解液が充填されることによりリチウムイオン二次電池となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記リチウムイオン二次電池は、電池ケースに振動や衝撃が加わると、４個の発電要素１がこの電池ケース内で位置がずれたり移動しようとするので、正極１ａや負極１ｂの金属箔が電池ケースに固定された集電接続体２に接続される接続固定部分に力が集中し、この金属箔が強い引っ張り応力や繰り返しの曲げ応力によって破断するおそれがあるという問題があった。特に、大型のリチウムイオン二次電池では、各発電要素１の重量が重くなるので、正極１ａや負極１ｂの金属箔に加わる力が大きくなる。
【０００６】
本発明は、かかる事情に対処するためになされたものであり、電池ケース内の発電要素を固定することにより、この発電要素の電極が集電接続体との接続固定部分で破断するのを防止することができる組電池を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本出願の請求項１の発明は、正極用集電体に正極活物質を担持させた正極と負極用集電体に負極活物質を担持させた負極とをセパレータを介して長円筒形に巻回した複数個の発電要素の巻回軸線を水平方向に配置すると共に、これらの発電要素を並列に接続して電池ケース内に収納した組電池において、各発電要素の一方の端面からはみ出した正極用集電体が正極端子に繋がる正極用集電接続体に挟持接続されると共に、各発電要素の他方の端面からはみ出した負極用集電体が負極端子に繋がる負極用集電接続体に挟持接続され、かつ、これらの発電要素と電池ケースとの間隙の全部又は一部に前記発電要素を圧迫するように絶縁充填材を充填したことを特徴とする。
【０００８】
請求項１の発明によれば、複数個の発電要素と電池ケースとの間隙に絶縁充填材が充填されることにより、これらの発電要素が電池ケース内で位置がずれたり移動するのを抑制することができるので、この電池ケースが振動や衝撃を受けた場合にも、発電要素の正極の正極用集電体や負極の負極用集電体が正極用集電接続体や負極用集電接続体との接続固定部分で受けるストレスを軽減し破断に至るのを防止することができるようになる。絶縁充填材は、発電要素と電池ケースの間隙全てに充填することもできるが、一部にのみ充填した場合にも、この絶縁充填材が発電要素を圧迫したり固着して支持するようになっていれば、これによって全ての方向への移動を抑制することができるようになる。発電要素と電池ケースとの間隙の一部に絶縁充填材を備える場合、発電要素の湾曲の側面に絶縁充填材を備える形態が好ましい。発電要素の湾曲の側面と電池ケースとの間隙に絶縁充填材を備えることにより、上下方向のみだけではなく、左右方向や前後方向の位置のずれや移動も抑制される。
【０００９】
本出願の他の発明は、正極用集電体に正極活物質を担持させた正極と負極用集電体に負極活物質を担持させた負極とをセパレータを介して長円筒形に巻回した複数個の発電要素の巻回軸線を水平方向にして長円筒形の平坦な側面同士を隣り合わせると共に、これらの発電要素を並列に接続して電池ケース内に収納した組電池において、各発電要素の一方の端面からはみ出した正極用集電体が正極端子に繋がる正極用集電接続体に挟持接続されると共に、各発電要素の他方の端面からはみ出した負極用集電体が負極端子に繋がる負極用集電接続体に挟持接続され、かつ、これらの発電要素を締め付け部材で締め付け固定したことを特徴とする。
【００１０】
上記の構成によれば、複数個の発電要素が締め付け部材によって締め付け固定され一体化されることにより、個々の発電要素が自由に電池ケース内で位置をずらしたり移動するのを抑制するだけでなく、これらの発電要素が一体となって移動する際にも、その移動量を抑制することができるので、この電池ケースが振動や衝撃を受けた場合に、これらの発電要素の正極の正極用集電体や負極の負極用集電体が正極用集電接続体や負極用集電接続体との接続固定部分で受けるストレスを軽減し破断に至るのを防止することができるようになる。
【００１１】
本出願の他の発明は、前記複数個の発電要素の間に板状又はシート状の熱伝導材を挿入したことを特徴とする。
【００１２】
上記の構成によれば、電池ケース内に収納された複数個の発電要素で発生した熱をこれらの間に挿入した熱伝導材を通じて電池ケースの内面部に伝えることができるので、この電池の放熱を円滑に行なうことができるようになる。特に、熱伝導材が電池ケースの内面に接触している場合には、この放熱効果がより高まる。発電要素と電池ケースとの間隙に絶縁充填が充填される場合には、この絶縁充填材が断熱材となって発電要素から電池ケースへの熱伝導を妨げるおそれがある。また、これらの発電要素が締め付け部材によって締め付け固定される場合も、同様にこの締め付け部材が熱伝導を妨げるおそれがある。しかしながら、発電要素の間に熱伝導材を挿入しておけば、これら絶縁充填材や締め付け部材の断熱作用によって発電要素の温度が異常に上昇するのを防止することができる。
【００１３】
本出願の他の発明は、前記各発電要素の巻芯部に板状又はシート状の熱伝導材を配したことを特徴とする。
【００１４】
上記の構成によれば、電池ケース内に収納された複数個の発電要素で発生した熱をこれらの発電要素の巻芯部に配された熱伝導材を通じて電池ケースの内面部に伝えることができるので、この電池の放熱を円滑に行なうことができるようになる。特に、熱伝導材が電池ケースの内面に接触している場合には、この放熱効果がより高まる。発電要素と電池ケースとの間隙に絶縁充填材が充填される場合には、この絶縁充填材が断熱材となって発電要素から電池ケースへの熱伝導を妨げるおそれがある。また、これらの発電要素が締め付け部材によって締め付け固定される場合も、同様にこの締め付け部材が熱伝導を妨げるおそれがある。しかしながら、発電要素の巻芯部に熱伝導材を配しておけば、これら絶縁充填材や締め付け部材の断熱作用によって発電要素の温度が異常に上昇するのを防止することができる。なお、発電要素は、この熱伝導材を巻芯として巻回を行なってもよいし、巻回後にこの熱伝導材を巻芯部に挿入するようにしてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
図１〜図２は本発明の第１実施形態を示すものであって、図１はリチウムイオン二次電池の構造を示す縦断面斜視図、図２はリチウムイオン二次電池の構造を説明するための分解斜視図である。なお、図６〜図７に示した従来例と同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記する。
【００１７】
本実施形態は、従来例と同様に、電気自動車等に用いられる大型のリチウムイオン二次電池について説明する。このリチウムイオン二次電池は、図２に示すように、長円筒形の発電要素１を巻回軸線が水平方向を向くように配置して４個密着して並べ並列接続したものである。各発電要素１は、従来例と同じ構成であり、長円筒形の一方の端面からはみ出した正極１ａの側端部のアルミニウム箔は、アルミニウム合金製の集電接続体２の波板状の凹部に挟み込まれて超音波溶接により接続固定され、他方の端面からはみ出した負極１ｂの側端部の銅箔は、銅合金製の集電接続体２の波板状の凹部に挟み込まれて超音波溶接により接続固定されている。また、これらの集電接続体２の中央部の上方には、それぞれ端子３が接続固定されている。
【００１８】
上記４個の発電要素１は、金属製の筐体の電池缶４に収納される。この際、電池缶４の底には、発泡樹脂シート６が予め敷き詰められ、この上に発電要素１が乗るようになっている。また、この電池缶４に収納された４個の発電要素１の上にも、図１に示すように、別の発泡樹脂シート７が載置される。そして、この電池缶４の上端開口部に封口板５を嵌め込んで、発泡樹脂シート６，７を圧迫した状態で、溶接により電池缶４に封止固着する。
【００１９】
発泡樹脂シート６，７は、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）を発泡させて厚いシート状にしたものであり、封口板５が固着されることにより、電池缶４と封口板５からなる電池ケースと４個の発電要素１との上下の間隙に圧迫されて充填されることになる。端子３は、この発泡樹脂シート７を貫通すると共に封口板５も貫通して上方に突出し、絶縁封止材８を介してこの封口板５に絶縁封止固定される。
【００２０】
上記構成のリチウムイオン二次電池は、電池缶４と封口板５とからなる電池ケースの内部で、４個の発電要素１の湾曲した側面が、圧迫された発泡樹脂シート６，７の弾性によって上下方向に支持されるので、外部からの力によってこれらの発電要素１が電池ケース内で上下方向に位置ずれしたり移動するのを抑制することができる。また、これらの発電要素１は、発泡樹脂シート６，７によって上下方向から挟持されて支持された状態となるので、左右方向や前後方向の位置ずれや移動も抑制される。従って、電池ケースに振動や衝撃が加わった場合にも、端子３を介して封口板５に固定された集電接続体２に接続固定される発電要素１の端面からはみ出した正極１ａや負極１ｂの金属箔に強い応力が加わりこの金属箔が破断するのを防止することができる。
【００２１】
なお、上記実施形態では、絶縁充填材として、ポリエチレンやポリプロピレンを発泡させた発泡樹脂シート６，７を用いたが、電解液に対して安定なものであれば他の発泡樹脂を用いることもできる。しかも、この絶縁充填材は、予め発泡させた発泡樹脂を挿入して充填するのではなく、電池ケース内で発泡させて発電要素１との間に充填するようにしてもよい。また、発泡樹脂に限らず、弾性のある樹脂等を用いることもできる。さらに、エポキシ樹脂等のように、電池ケースと発電要素１との間に充填して硬化させたものであってもよい。もっとも、絶縁充填材に弾性体を用いた場合には、発電要素１を強い衝撃から保護するクッションの役割を果たすこともできる。
【００２２】
また、上記実施形態では、絶縁充填材を電池ケースと発電要素１の上下との間に充填する場合について説明したが、左右や前後にも充填することができ、この左右や前後だけに充填してもよい。さらに、例えば上下のいずれか一方にのみ充填して他方は発電要素１を直接電池ケースの内面に当接させるようにすることもできる。ただし、本実施形態の場合には、発電要素１の左右方向では、両端の発電要素１しか直接支持することができず、前後方向の場合には、集電接続体２に遮られて発電要素１を十分に支持することができないので、４個の発電要素１の湾曲した側面をそれぞれ確実に支持することができる上下方向への充填が最も効果的である。
【００２３】
図３は本発明の第２実施形態を示すものであって、図３は樹脂シートによって締め付け固定された４個の発電要素を示す斜視図である。なお、図１〜図２に示した第１実施形態と同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記する。
【００２４】
本実施形態は、第１実施形態と同様の構成の大型のリチウムイオン二次電池について説明する。このリチウムイオン二次電池は、図３に示すように、長円筒形の発電要素１を４個密着して並べ並列接続したものである。各発電要素１の構成や、ここでは図示しない波板状の集電接続体２を介した端子３との接続構造、及び、電池缶４と封口板５からなる電池ケースに収納される構造も第１実施形態と同じである。ただし、発泡樹脂シート６，７等の絶縁充填材は、充填してもよいし、充填しなくてもよい。
【００２５】
上記４個の発電要素１は、これらの側面の周囲に樹脂シート９を巻き付けて締め付け固定されている。樹脂シート９は、電解液に対して安定なポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、又は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のシート材が好適である。この樹脂シート９は、４個の発電要素１の側面の周囲にテンションを加えながら巻き付けることにより締め付け、端部を熱融着等によって止め付ける。また、この樹脂シート９の幅は、発電要素１のセパレータ１ｃと同程度にできるだけ広い方が好ましい。
【００２６】
４個の発電要素１が樹脂シート９によって締め付け固定されていなかったとすると、外部から振動や衝撃を受けた場合に、これらの発電要素１が個々に電池ケース内で勝手な方向に移動して相対的な位置ずれが大きくなり、集電接続体２との接続固定部分に大きな応力が加わることによって、正極１ａや負極１ｂの金属箔が破断し易くなる。しかし、上記構成のリチウムイオン二次電池は、４個の発電要素１が樹脂シート９によって締め付け固定されているので、この正極１ａや負極１ｂの金属箔が破断するおそれを小さくすることができるようになる。即ち、個々の発電要素１がばらばらであれば、これらがそれぞれ電池ケース内の勝手な方向に大きく移動する可能性があるが、４個の発電要素１が一体化して移動する場合には、電池ケース内のスペースに限りがあるため、大幅な移動は困難になる。しかも、樹脂シート９が４個の発電要素１と電池ケースとの間で充填材の役割を果たし、これらの発電要素１の電池ケース内での移動をさらに抑制することができる。
【００２７】
また、４個の発電要素１が樹脂シート９によって締め付け固定されると、各発電要素１の正極１ａと負極１ｂを均一に圧迫することができるので、リチウムイオン二次電池の膨潤を抑制することができる。従来は、発電要素１を電池ケースに収納した後に、この電池ケースに窪みを付けて、外部からこれらの発電要素１を圧迫する場合があったが、このような窪みでは、各発電要素１の正極１ａと負極１ｂへの圧迫が不均一になり、電池の膨潤を十分に抑制することができなかった。
【００２８】
なお、上記実施形態では、締め付け部材である樹脂シート９の端部を熱溶着等によって固着する場合について説明したが、この樹脂シート９に粘着テープを用いれば、このような端部の固着は不要となる。また、上記実施形態では、締め付け部材として幅広の樹脂シート９を用いる場合について説明したが、幅の狭いテープ材を徐々にずらして何周にもわたって巻き付けたり、複数のテープ材を位置をずらして全体に巻き付けることにより、これらの発電要素１の側面全体を締め付け固定するようにしてもよい。さらに、この締め付け部材は、樹脂が伸びたときの弾性を利用して締め付けを行なうようにしてもよいし、伸びのないシート材をテンションを加えた状態で巻き付けることにより締め付けるようにしてもよい。また、この締め付け部材は、シート材やテープ材を巻き付ける代わりに、弾性のあるチューブを被せて圧迫したり、熱収縮性チューブを被せて加熱収縮させたものを用いることもできる。さらに、この締め付け部材は、樹脂製のような絶縁材ではなく、導電性のシート材を用いることもできる。ただし、導電性の締め付け部材を用いる場合には、各発電要素１のセパレータ１ｃの上だけに巻き付けるようにしたり、各発電要素１又は４個の発電要素１の側面全体を絶縁シートで覆った後に巻き付けるようにする必要がある。
【００２９】
図４〜図５は本発明の第３実施形態を示すものであって、図４は間に熱伝導シートを挟み込んだ４個の発電要素を示す斜視図、図５は各巻芯部に熱伝導シートを挿入した４個の発電要素を示す斜視図である。なお、図１〜図３に示した第１実施形態や第２実施形態と同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記する。
【００３０】
本実施形態は、第１実施形態や第２実施形態と同様の構成の大型のリチウムイオン二次電池について説明する。このリチウムイオン二次電池は、図４に示すように、長円筒形の発電要素１を４個密着して並べ並列接続したものである。各発電要素１の構成や、ここでは図示しない波板状の集電接続体２を介した端子３との接続構造、及び、電池缶４と封口板５からなる電池ケースに収納される構造も第１実施形態や第２実施形態と同じである。ただし、このリチウムイオン二次電池は、少なくとも第１実施形態で示した発泡樹脂シート６，７等の絶縁充填材を充填しているか、又は、第２実施形態で示した樹脂シート９等の締め付け部材で締め付け固定している。
【００３１】
上記各発電要素１の間には、熱伝導シート１０が挟み込まれている。熱伝導シート１０は、熱伝導性のよい高密度ポリエチレン（ＰＥ）等の樹脂シート材からなる。また、これらの熱伝導シート１０は、熱が電池ケースを介して外部に伝わり易くなるように、端部がこの電池ケースの内面に接触していることが好ましい。このため、熱伝導シート１０の端部を余分に長くして、常に電池ケースの内面に触れているようにしてもよいし、この端部を電池ケースの内面に溶着させたり接着するようにしてもよい。さらに、この熱伝導シート１０は、、十分な熱量を伝えることができるように、ある程度の厚さを有することが好ましく、柔軟性のある樹脂シート材ではなく硬い樹脂板を用いることもできる。また、このような樹脂シート材や樹脂板に代えて、金属板を用いることもできる。ただし、金属板を用いる場合には、この金属板を絶縁材で覆う等して絶縁を施す必要が生じることもある。
【００３２】
４個の発電要素１を並べて配置したリチウムイオン二次電池は、並びの中央に配置された２個の発電要素１で発生した熱が両側の発電要素１に遮られて放熱され難くなるので、電池異常時等に、この中央の発電要素１の温度のみが高くなりすぎることがあり、これによって両側の発電要素１よりも電池寿命が短くなる傾向があった。しかも、電池ケースに発泡樹脂シート６，７等の絶縁充填材を充填している場合や発電要素１を樹脂シート９等の締め付け部材で締め付け固定している場合には、これらの絶縁充填材や締め付け部材が断熱材として機能するために、特にこの傾向が強かった。しかし、上記構成のリチウムイオン二次電池によれば、各発電要素１の間に挟み込まれた熱伝導シート１０がこれらの発電要素１で発生した熱を金属製の電池ケースに効率よく伝えて外部に放熱させることができるので、中央に配置された発電要素１の温度だけが高くなり電池寿命が短くなるのを防止することができる。
【００３３】
なお、上記実施形態では、各発電要素１の間に熱伝導シート１０を挟み込む場合について説明したが、図５に示すように、発電要素１の巻芯部に熱伝導シート１０を配してもよく、これらの双方に熱伝導シート１０を配置することもできる。
【００３４】
また、上記第１〜第３の実施形態では、波板状の集電接続体２を用いて発電要素１の正極１ａや負極１ｂと端子３との間を接続する場合について説明したが、この接続構造は任意である。特に第３実施形態のように各発電要素１の間や巻芯部に熱伝導シート１０を配置する場合、この熱伝導シート１０の端部を波板状の集電接続体２が前後方向に遮ることになるので、他の構造の集電接続体２を用いることが好ましい。
【００３５】
また、上記第１〜第３の実施形態では、発電要素１を４個並べたリチウムイオン二次電池について説明したが、この発電要素１の個数は任意であり、長円筒形に巻回した複数個の発電要素１を用いる組電池であれば、リチウムイオン二次電池に限定されることもない。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の組電池によれば、複数個の発電要素が電池ケース内で自由に移動するのを抑制することができるので、この電池ケースが振動や衝撃を受けた場合にも、発電要素の電極が接続固定部分で受けるストレスを軽減し破断に至るのを防止することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態を示すものであって、リチウムイオン二次電池の構造を示す縦断面斜視図である。
【図２】  本発明の第１実施形態を示すものであって、リチウムイオン二次電池の構造を説明するための分解斜視図である。
【図３】  本発明の第２実施形態を示すものであって、樹脂シートによって締め付け固定された４個の発電要素を示す斜視図である。
【図４】  本発明の第３実施形態を示すものであって、間に熱伝導シートを挟み込んだ４個の発電要素を示す斜視図である。
【図５】  本発明の第３実施形態を示すものであって、各巻芯部に熱伝導シートを挿入した４個の発電要素を示す斜視図である。
【図６】  従来例を示すものであって、リチウムイオン二次電池の構造を説明するための発電要素と端子との接続構造を示す分解斜視図である。
【図７】  従来例を示すものであって、発電要素の構造を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
１    発電要素
１ａ  正極
１ｂ  負極
２    集電接続体
３    端子
６    発泡樹脂シート
７    発泡樹脂シート
８    絶縁封止材
９    樹脂シート
１０    熱伝導シート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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