(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池容器外部に設けた正極端子及び負極端子と、正極板と負極板とセパレータとが巻回されたものであるとともに、その巻回軸を水平状態にして電池容器内に収納された発電要素と、正極接続導体及び負極接続導体とを備えた電池において、
前記正極接続導体は、電池容器外において前記正極端子に接続されるとともに、電池容器内において二等辺三角形状であって発電要素の一方の端部の上方に配置された板部と前記板部から発電要素の端面側に向けて屈曲されると共に９０度のひねりが加えられて突設され、かつ発電要素の端面から突出する前記正極板の側部に接続された接続部とを有する集電接続体の前記板部に接続されたものであり、
前記負極接続導体は、電池容器外において前記負極端子に接続されるとともに、電池容器内において二等辺三角形状であって発電要素の他方の端部の上方に配置された板部と前記板部から発電要素の端面側に向けて屈曲されると共に９０度のひねりが加えられて突設され、かつ発電要素の端面から突出する前記負極板の側部に接続された接続部とを有する集電接続体の前記板部に接続されたものであり、
前記正極端子及び負極端子は前記正極接続導体及び負極接続導体よりもそれぞれ外側に位置することを特徴とする電池。
【請求項２】
前記電池容器は金属製であり、前記正極接続導体及び負極接続導体は、かしめによって、絶縁部材を介して、前記電池容器に固定されたことを特徴とする、請求項１記載の電池。
【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１に示す。図１はリチウムイオン二次電池の発電要素と集電接続体との接続構造を示す組み立て斜視図、図２は挟持板４の間に挟み込んだ集電接続体の接続部２aと発電要素の正極板や負極板の金属箔とを示す横断面図、図３はリチウムイオン二次電池の端子９に、蓋板６に取り付けた端子台８を接続固定した状態を示す斜視図である。
【０００３】
このリチウムイオン二次電池は、図１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は、図５に示すように、正極板１ａと負極板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。正極板１ａは、電極基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、負極板１ｂは、電極基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。
【０００４】
ただし、これらの正極板１ａと負極板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。
【０００５】
そして、これらの正極板１ａと負極板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板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板１ｂの側端部の銅箔１ｅのみがはみ出すようにしている。
【０００６】
上記４個の発電要素１は、長円筒形の平坦な側面同士が接するようにして密着して並べられ、これらの発電要素１の両端面部にそれぞれ集電接続体２の接続部２ａが配置される。集電接続体２は、発電要素１の一方の端面側に配置するものはアルミニウム合金板からなり、他方の端面側に配置するものは銅合金板からなる。また、これらの集電接続体２は、高率放電時の大きな電流も十分に流せるようにある程度板厚の厚い金属板が用いられる。
【０００７】
これらの集電接続体２は、ほぼ二等辺三角形状の水平に配置された金属板部と、この三角形状の底辺部から下方に向けて突設された８本の細長い接続部２ａを備える。これらの接続部２ａは、集電接続体２の金属板をプレス加工によって細長い金属板状に抜き加工したものであり、下方に向けて屈曲させると共に、９０°のひねりを加えている。また、これらの接続部２ａには、図２に示すように、金属板の一方の表面側に突出する複数の凸部２ｂが形成されている。
【０００８】
上記集電接続体２は、４個の発電要素１の両端部の上方にそれぞれ配置され、接続部２ａがこれらの発電要素１の端面部に配置されるようにする。即ち、発電要素１の正極板１ａのアルミニウム箔がはみ出す側の端面部には、アルミニウム合金板からなる集電接続体２が配置され、負極板１ｂの銅箔がはみ出す側の端面部には、銅合金板からなる集電接続体２が配置される。また、接続部２ａは、各発電要素１の端面に２本ずつ配置される。
【０００９】
ここで、各発電要素１の端面には、正極板１ａのアルミニウム箔か負極板１ｂの銅箔が巻回された状態で長円筒形にはみ出しているので、これらの金属箔が直線状に束となった部分は、巻回軸を中心にして左右に分かれている。そして、各発電要素１毎に配置された２本の接続部２ａは、これら左右に分かれた金属箔の束の外側にそれぞれ配置される。また、これら２本の接続部２ａは、図２に示すように、凸部２ｂの突出する側の面が内側、つまり金属箔の束側を向くように、互いに逆方向に９０°のひねりが加えられている。
【００１０】
このようにして集電接続体２の接続部２ａが配置されると、挟持板４によって、各接続部２ａと共に、正極板１ａや負極板１ｂの金属箔の束を挟み込む。挟持板４は、短冊状の金属板を長手方向に沿って二つ折りにしたものであり、正極板１ａ側の接続部２ａの場合にはアルミニウム合金板が用いられ、負極板１ｂ側の接続部２ａの場合には銅合金板が用いられる。そして、これらの挟持板４の両側から超音波溶接を行なうことにより、それぞれの挟持板４の間に挟み込んだ集電接続体２の接続部２ａと正極板１ａや負極板１ｂの金属箔の束とを溶着させる。
【００１１】
この際、挟持板４は、接続部２ａと金属箔の束とを溶着して接続固定するためだけに用いられるので、最適な超音波溶接が可能となるようなある程度薄い金属板を用いることができる。また、接続部２ａには、正極板１ａや負極板１ｂの金属箔の束と重なり合う面に凸部２ｂが形成されているので、これらの金属箔の束が凸部２ｂで集中的に超音波のエネルギーを受けて確実に溶着するようになる。
【００１２】
発電要素１の両端部の上方に配置された正負の集電接続体２のほぼ二等辺三角形状の部分は、図３に示すように、絶縁封止材５を介して矩形の蓋板６の下面の両側に取り付けられる。蓋板６は、ステンレス鋼版からなり、上面の両側には、正極接続導体３及び負極接続導体３が別の絶縁封止材７を介して配置される。
【００１３】
これらの接続導体３は、下端部が蓋板６を貫通してそれぞれの集電接続体２のほぼ二等辺三角形状の頂点部付近にかしめによって接続固定される。また、これらの接続導体３の上端部は、絶縁封止材７上に配置された端子９を係止する端子台８にかしめによって接続固定される。
【００１４】
これらの接続導体３は、アルミニウム合金板からなる集電接続体２にはアルミニウム合金製のものが用いられ、銅合金板からなる集電接続体２には銅合金製のものが用いられる。しかし、端子台８や端子９は、電解液に触れることがないので、これらアルミニウム合金や銅合金等よりも強度が高い鋼や鉄の合金等が用いられる。
【００１５】
絶縁封止材５，７は、蓋板６の上下に配置されて、集電接続体２や接続導体３、端子台８、端子９と蓋板６との間を絶縁封止する樹脂成形板である。尚、端子９としてはボルト状のものが一般的であるが、必ずしもボルト状に限られるものではない。
【００１６】
上記４個の発電要素１は、図示しないステンレス鋼板製の電池容器本体に収納され、蓋板６がこの電池容器本体の上端開口部に嵌め込まれ溶接によって固着される。そして、この電池容器本体の内部に非水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。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示すようなリチウムイオン二次電池の場合、接続導体３と端子９の位置関係についてみれば、端子９が接続導体３よりも電池上面の中央よりにある（端子９が接続導体３よりも内側にある）ため、同種電池を複数接続したり外部機器と接続したりする際、接続竿が長くなるという問題や、正負端子間隔が狭まるため、自動車等への電池搭載に際し、電池の固定方法が制限されてしまうという問題がある。
【００１８】
この発明は上記のような問題を解決するもので、同種電池を複数接続したり外部機器と接続したりする際の接続や自動車等への電池搭載が容易な電池を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の電池は、電池容器外部に設けた正極端子及び負極端子と、正極板と負極板とセパレータとが巻回されたものであるとともに、その巻回軸を水平状態にして電池容器内に収納された発電要素と、正極接続導体及び負極接続導体とを備えた電池において、前記正極接続導体は、電池容器外において前記正極端子に接続されるとともに、電池容器内において二等辺三角形状であって発電要素の一方の端部の上方に配置された板部と前記板部から発電要素の端面側に向けて屈曲されると共に９０度のひねりが加えられて突設され、かつ発電要素の端面から突出する前記正極板の側部に接続された接続部とを有する集電接続体の前記板部に接続されたものであり、前記負極接続導体は、電池容器外において前記負極端子に接続されるとともに、電池容器内において二等辺三角形状であって発電要素の他方の端部の上方に配置された板部と前記板部から発電要素の端面側に向けて屈曲されると共に９０度のひねりが加えられて突設され、かつ発電要素の端面から突出する前記負極板の側部に接続された接続部とを有する集電接続体の前記板部に接続されたものであり、前記正極端子及び負極端子は前記正極接続導体及び負極接続導体よりもそれぞれ外側に位置することを特徴とする。なお、電池容器とは電池容器本体と当該電池容器本体の開口部を塞ぐ蓋板との総称である。
【００２０】
この発明によれば、正極端子及び負極端子が正極接続導体及び負極接続導体よりもそれぞれ外側にあるので、外部機器や他の同種電池との接続に際し、接続竿を短くすることができる。また、正極端子及び負極端子間が広くとれるので、自動車等への電池搭載に際し、多様な固定方法を採用することができる。また、集電接続体２の板部の一部を二等辺三角形状にすることにより集電接続体２の重量低減が図れ、もって電池の重量エネルギー密度向上が図れる。
【００２２】
請求項２の発明は、前記電池容器は金属製であり、前記接続導体は、かしめによって、絶縁部材を介して、前記電池容器に固定されたことを特徴とする。これによれば、密閉機能の優れた大型リチウムイオン電池に適した接続構造を提供することができる。
【００２３】
【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。
【００２４】
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１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正極板１ａの側端部のアルミニウム箔がはみ出すと共に、他方の端面からは負極板１ｂの側端部の銅箔がはみ出すようになっている。
【００２５】
上記４個の発電要素１は、長円筒形の平坦な側面同士が接するようにして密着して並べられ、これらの発電要素１の両端面部にそれぞれ集電接続体２の接続部２ａが配置される。集電接続体２は、発電要素１の一方の端面側に配置するものはアルミニウム合金板からなり、他方の端面側に配置するものは銅合金板からなる。
【００２６】
また、これらの集電接続体２は、高率放電時の大きな電流も十分に流せるようにある程度板厚の厚い金属板が用いられる。これらの集電接続体２は、やや扁平状の二等辺三角形状部を有する水平に配置された板部と、前記板部から下方に向けて突設された８本の細長い接続部２ａとを備える。
【００２７】
これらの接続部２ａは、集電接続体２の金属板をプレス加工によって細長い金属板状に抜き加工したものであり、下方に向けて屈曲させると共に、９０°のひねりを加えている。また、これらの接続部２ａには、図２に示すように、金属板の一方の表面側に突出する複数の凸部２ｂが形成されている。
【００２８】
上記集電接続体２は、４個の発電要素１の両端部の上方にそれぞれ配置され、接続部２ａがこれらの発電要素１の端面部に配置されるようにする。即ち、発電要素１の正極板１ａのアルミニウム箔がはみ出す側の端面部には、アルミニウム合金板からなる集電接続体２が配置され、負極板１ｂの銅箔がはみ出す側の端面部には、銅合金板からなる集電接続体２が配置される。また、接続部２ａは、各発電要素１の端面に２本ずつ配置される。
【００２９】
ここで、各発電要素１の端面には、正極板１ａのアルミニウム箔か負極板１ｂの銅箔が巻回された状態で長円筒形にはみ出しているので、これらの金属箔が直線状に束となった部分は、巻回軸を中心にして左右に分かれている。そして、各発電要素１ごとに配置された２本の接続部２ａは、これら左右に分かれた金属箔の束の外側にそれぞれ配置される。また、これら２本の接続部２ａは、図２に示すように、凸部２ｂの突出する側の面が内側、つまり金属箔の束側を向くように、互いに逆方向に９０°のひねりが加えられている。
【００３０】
このようにして集電接続体２の接続部２ａが配置されると、挟持板４によって、各接続部２ａと共に、正極板１ａや負極板１ｂの金属箔の束を挟み込む。挟持板４は、短冊状の金属板を長手方向に沿って二つ折りにしたものであり、正極板１ａ側の接続部２ａの場合にはアルミニウム合金板が用いられ、負極板１ｂ側の接続部２ａの場合には銅合金板が用いられる。
【００３１】
そして、これらの挟持板４の両側から超音波溶接を行なうことにより、それぞれの挟持板４の間に挟み込んだ集電接続体２の接続部２ａと正極板１ａや負極板１ｂの金属箔の束とを溶着させる。
【００３２】
この際、挟持板４は、接続部２ａと金属箔の束とを溶着して接続固定するためだけに用いられるので、最適な超音波溶接が可能となるようなある程度薄い金属板を用いることができる。また、接続部２ａには、正極板１ａや負極板１ｂの金属箔の束と重なり合う面に凸部２ｂが形成されているので、これらの金属箔の束が凸部２ｂで集中的に超音波のエネルギーを受けて確実に溶着するようになる。
【００３３】
発電要素１の両端部の上方に配置された正負の集電接続体２のほぼ二等辺三角形状部を有する板状部は、図４に示すように、絶縁封止材５を介して矩形の蓋板６の下面の両側に取り付けられる。蓋板６は、ステンレス鋼版からなり、上面の両側には、正極接続導体３及び負極接続導体３が別の絶縁封止材７を介して配置される。
【００３４】
これらの接続導体３は、下端部が蓋板６を貫通してそれぞれの集電接続体２のほぼ二等辺三角形状部の頂点部付近にかしめによって接続固定される。また、これらの接続導体３の上端部は、絶縁封止材７上に配置された端子９を係止する端子台８にかしめによって接続固定される。
【００３５】
これらの接続導体３は、アルミニウム合金板からなる集電接続体２にはアルミニウム合金製のものが用いられ、銅合金板からなる集電接続体２には銅合金製のものが用いられる。しかし、端子台８や端子９は、電解液に触れることがないので、これらアルミニウム合金や銅合金等よりも強度が高い鋼や鉄の合金等が用いられる。絶縁封止材５，７は、蓋板６の上下に配置されて、集電接続体２や接続導体３、端子台８、端子９と蓋板６との間を絶縁封止する樹脂成形板である。
【００３６】
この発明では、正負の接続導体３を正負の端子９よりも電池上面の中央よりに配する（端子が接続導体よりも外側にある）こと、及び、接続導体３と正負極板とを二等辺三角形状部を有する板部と前記板部から発電要素の端面側に向けて屈曲されると共に９０度のひねりが加えられて突設され、かつ発電要素の端面から突出する前記正負極板の側部に接続された接続部とを有する集電接続体を介して接続することに特徴がある。正極端子及び負極端子が正極接続導体及び負極接続導体よりもそれぞれ外側にあるので、外部機器や他の同種電池との接続に際し、接続竿を短くすることができる。また、正負端子間が広くとれるので、自動車等への電池搭載に際し、多様な固定方法を採用することができる。また、集電接続体２の板部の一部を二等辺三角形状にすることにより集電接続体２の重量低減が図れ、もって電池の重量エネルギー密度向上が図れる。
【００３７】
上記４個の発電要素１は、図示しないステンレス鋼板製の筐体の電池容器本体に収納され、蓋板６がこの電池容器本体の上端開口部に嵌め込まれ溶接によって固着される。そして、この電池容器の内部に非水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。
【００３８】
また、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の正極板１ａや負極板１ｂと接続導体３との間の充放電電流は、もっぱら厚い金属板で構成される集電接続体２の接続部２ａを通して流れるので、十分に大きな充放電電流を流すことができるようになる。しかも、各発電要素１の正極板１ａや負極板１ｂの金属箔の束は、ある程度薄い金属板からなる挟持板４を介して接続部２ａに超音波溶接されるので、溶着が確実に行なわれ金属箔が剥がれ易くなるようなことがなくなる。
【００３９】
また、この超音波溶接によるエネルギーを接続部２ａの凸部２ｂに集中させることができるので、金属箔の束をさらに確実強固に接続部２ａに溶着することができるようになる。
【００４０】
さらに、各接続部２ａは、発電要素１の端面からはみ出した正極板１ａや負極板１ｂの金属箔の束の側部に配置され、これらの接続部２ａと金属箔の束を順に挟持板４の間に挟み込んで行けばよいので、従来のように、これらの金属箔の束を集電接続体２の波板状の各凹部に挿入する作業に比べて、容易に組み立て作業を行なうことができるようになる。
【００４１】
また、上記リチウムイオン二次電池によれば、アルミニウム合金製や銅合金製の接続導体３が鋼や鉄の合金等からなる端子台８に接続固定され、外部回路との接続はこの端子台８に係止された端子９を介して行なうので、強度の弱いアルミニウム合金製や銅合金製の接続導体３に直接ねじ止めして接続を行なう必要がなくなり、このねじ止めの締め付けによって接続導体３が破損したり、この接続導体３が振動や衝撃を受けて変形したりするようなおそれもなくなる。
【００４２】
なお、上記実施形態では、超音波溶接によって挟持板４の間に接続部２ａと正極板１ａや負極板１ｂの金属箔とを溶着する場合について説明したが、スポット溶接等の他の溶接により溶着を行なうこともできる。また、このような溶接に代えて、挟持板４の外側から強い力で圧迫することにより、接続部２ａと正極板１ａや負極板１ｂの金属箔とを圧着することもできる。
【００４３】
この場合、挟持板４は、溶接の場合とは異なり、ある程度板厚の厚い金属板を用いて、この間に接続部２ａと金属箔とを確実に圧着保持できるようにする必要がある。さらに、上記実施形態では、接続部２ａに凸部２ｂを形成する場合について説明したが、同様の凸部を挟持板４に形成することもできる。もっとも、このような凸部２ｂを全く形成しない場合にも、金属箔を確実に溶着又は圧着することはできる。
【００４４】
また、上記実施形態では、接続部２ａの片側にだけ正極板１ａや負極板１ｂの金属箔を配置する場合について説明したが、両側に金属箔を配置して、これを挟持板４の間に挟み込むようにすることもできる。さらに、上記実施形態では、各発電要素１の片方の端面に２本の接続部２ａを配置したが、この接続部２ａの配置本数も限定されない。例えば、各発電要素１の片方の端面に１本ずつの接続部２ａを配置してもよいし、この１本の接続部２ａに隣接する２個の発電要素１の端面からはみ出した金属箔を共通して溶着又は圧着することもできる。
【００４５】
上記実施形態では、リチウムイオン二次電池について説明したが、電池の種類は問わない。ちなみに、本発明にかかるリチウムイオン電池の基本構成としては下記のようにすることができる。
【００４６】
まず、正極活物質には二硫化チタンをはじめとしてリチウムコバルト複合酸化物、スピネル型リチウムマンガン酸化物、五酸化バナジウムおよび三酸化モリブデンなどの種々のものが利用可能であるが、なかでも、リチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ２）およびスピネル型リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４）は、４Ｖ（Ｌｉ／Ｌｉ＋）以上のきわめて貴な電位で充放電を行うため、正極として用いることで高い放電電圧を有する電池が実現できる。
【００４７】
尚、正極板は、集電体として１０〜３０μｍ厚のアルミニウム箔が好適であり、前記集体の両面に活物質層が塗着されるのが一般的であり、活物質層は、厚みが５０〜１５０μｍ（片面当り）、密度が１．８〜３．０ｇ／ｃｃ、多孔度が２５〜４５％のものが寿命性能及び充放電特性上好ましい。
【００４８】
負極板としては、金属リチウムをはじめとしてリチウムの吸蔵・放出が可能なＬｉ−Ａｌ合金や炭素材料など種々のものが適用可能であるが、なかでも炭素材料は、安全性が高くかつサイクル寿命の長い電池が得られるという利点がある。この場合、集電体としては１０〜２０μ厚の銅箔が好適であり、活物質層は、厚みが４５〜１２５μｍ（片面当り）、密度が１．１５〜２．５ｇ／ｃｃ、多孔度が２５〜４５％のものが寿命性能及び充放電特性上好ましい。
【００４９】
また、電解液としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、７−ブチロラクトン、スルホランなどの高誘電率溶媒に１，２−ジメトキシエタン、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの低粘度溶媒を混合したものに、溶質としての過塩素酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、六フッ化燐酸リチウムなどが添加されたものである。これら液系のものではなく、全固体式の電解質やゲル状電解質あるいはこれらと液系電解質との併用といったものもある。
【００５０】
正負極板は、例えば活物質と結着剤と溶剤とを混合して調製したスラリーを金属箔上に塗布して製造できる。結着剤として、ポリフッ化ビニリデンおよびポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂が耐酸化還元性、耐電解液性の点で優れているが、なかでも有機溶剤に可溶なポリフッ化ビニリデンは容易にスラリーを調製できるため現在最も広く用いられている。その量としては、正極板の場合は２〜６重量％、負極板の場合には６〜１０重量％とするのが好ましい。
【００５１】
セパレータとしては、厚さ２０〜６０μｍの多孔性の樹脂フィルムが好適であるが、ポリマー電解質膜を用いることもできる。
【００５２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の電池は、正負端子が正負接続導体よりも外側にあるので、外部機器や他の同種電池との接続に際し、接続竿を短くすることができる。また、正負端子間が広くとれるので、自動車等への電池搭載に際し、多様な固定方法を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】リチウムイオン二次電池の発電要素と端子との接続構造を示す組み立て斜視図である。
【図２】挟持板の間に挟み込んだ集電接続体の接続部と発電要素の正極板や負極板の金属箔とを示す横断面図である。
【図３】従来例を示す図である。
【図４】本発明の一実施態様を示す図である。
【図５】発電要素の構造を示す組み立て斜視図である。
【符号の説明】
１ 発電要素
１ｄ アルミニウム箔
１ｅ 銅箔
１ｆ 絶縁材
２ 集電接続体
２ａ 接続部
３ 接続導体
【図１】
0004736301.tif 000002
【図２】
0004736301.tif 000003
【図３】
0004736301.tif 000004
【図４】
0004736301.tif 000005
【図５】
0004736301.tif 000006