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1. (WO2018180436) 金属製ケース、及び、電池
Document

明 細 書

発明の名称 金属製ケース、及び、電池

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003  

先行技術文献

特許文献

0004  

発明の概要

0005   0006   0007   0008   0009  

図面の簡単な説明

0010  

発明を実施するための形態

0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050  

産業上の利用可能性

0051  

符号の説明

0052  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12  

図面

1   2   3   4   5   6  

明 細 書

発明の名称 : 金属製ケース、及び、電池

技術分野

[0001]
 本発明は、金属製ケース、特に電池缶および電池缶を具備する電池に関する。

背景技術

[0002]
 一般的な円筒形電池は、発電要素と、発電要素を収納する有底円筒形の電池缶とを具備する。電池缶の開口部の開口端の近傍には、内側に突出する環状溝部が形成される。溝部に封口体を支持させることで開口部が封口される。
[0003]
 このような電池をホルダに収納するにあっては、例えば特許文献1に示すように、電池を上ホルダ及び下ホルダを用いて上下方向から弾性体を介して挟み込み、押圧により固定するのが一般的である。

先行技術文献

特許文献

[0004]
特許文献1 : 特開2013-73845号公報

発明の概要

[0005]
 このように、従来、電池缶等の金属製ケース(電池)をホルダ等に固定する方法としては、押圧により金属製ケースを上下から挟み込んで固定する方法が主流であり、固定方法が限定されていた。
[0006]
 また、電池を工業的に複数製造するにあたって、電池サイズを寸分違わずに製造することは難しい。このため、円筒素電池を用いて組電池(電池パック、電池モジュール)を組み立てるに際し、組電池底面を組み立て基準面とし、組み立て基準面から複数部品(集電板、絶縁部品など)を介して素電池を固定し組み立てる。この結果、より上部に位置する電池ほど、各部品の公差が積み上がる結果電池の位置ばらつきが累積的に増大し、集電経路の溶接などの組電池組立工法も制限されてしまう、という問題があった。
[0007]
 上記に鑑み、本開示の一側面は、筒状の胴部と、前記胴部の一方の端部に設けられた、開口を有する開口部と、前記胴部の他方の端部を閉じている底部と、を備え、前記胴部および前記開口部の少なくとも一方に、前記胴部の半径方向において外側に突出する突起部分が設けられている、金属製ケースに関する。
[0008]
 本開示の別の側面は、電極群と、電解質と、前記電極群と前記電解質とを収容する電池缶と、前記電池缶の開口を封口する封口体と、を備える電池であって、
 前記電池缶が、筒状の胴部と、前記胴部の一方の端部に設けられた、前記開口を有する開口部と、前記胴部の他方の端部を閉じている底部と、を備え、前記開口部の開口端の近傍には、縮径した環状溝部が形成されており、前記胴部および前記開口部の少なくとも一方に、前記胴部の半径方向において外側に突出する突起部分が設けられている電池に関する。
[0009]
 本開示によれば、金属製ケースの側面に突起部分が設けられていることにより、当該突起部分を介して電池を容易に且つ高精度に固定できる。

図面の簡単な説明

[0010]
[図1] 本発明の一実施形態に係る電池缶の縦断面図である。
[図2] 同電池缶の突起部分周辺の拡大断面図であり、突起部分をホルダに固定する方法を例示する図(a、b)である。
[図3] 図2の電池缶の変形例を示す、突起部分周辺の拡大断面図である。
[図4] 本発明の一実施形態に係る電池の縦断面図である。
[図5] 本発明の一実施形態に係る電池がホルダに取り付けられた電池モジュール断面図である。
[図6] 本発明の別の一実施形態に掛かる電池缶の断面(a)と、突起部分をホルダに固定する方法を例示する図(b)である。

発明を実施するための形態

[0011]
 本発明の実施形態に係る金属製ケースは、筒状の胴部と、胴部の一方の端部に設けられた開口部と、胴部の他方の端部を閉じている底部と、胴部の半径方向において外側に突出する突起部分を備える。突起部分は、胴部または開口部の少なくとも一方に設けられ、金属製ケースの筒の少なくとも軸方向における固定および位置決めを容易にする。
[0012]
 金属製ケースは、例えば電池缶であるが、電池缶に限られるものではなく、コンデンサのケースであってもよい。例えば、筒型電解コンデンサの胴部に突起部分を設けることで、突起部分は、電解コンデンサの位置固定および振動防止にも有効である。
[0013]
 金属製ケースが電池缶の場合、好ましくは、開口部の開口端の近傍には、縮径した環状溝部が形成されている。ここでは、開口部とは、開口端だけでなく、その近傍の環状溝部を含む領域をいう。
[0014]
 なお、縮径とは、例えば、電池缶の缶壁に外側から冶具を押し当て、電池缶の周面に沿って缶壁を内側に押し込み、缶壁の内面を内側に突出させる加工をいう。
[0015]
 突起部分は、溶接あるいは接着等の方法により胴部または開口部に取り付けてもよいが、一体的に形成されることが好ましい。一体的に形成されることによって、突起と電池缶との接続強度を高めることができる。後述するように、突起部分は、縮径工程の後、開口部の端部を内側にかしめ、開口部を封口体で封口する工程(封口工程)において、開口部と一体的に形成され得る。この場合、突起部分は、胴部の軸方向において環状溝部と開口端との間の位置に形成される。
[0016]
 突起部分は、胴部の軸方向の所定の位置に、周方向に沿って連続的に設けられていてもよいし、間欠的に設けられていてもよい。連続的に設けられる場合、胴部の全体形状としては、当該所定位置で胴部の外径が太くなり、見かけ上、筒状の胴部の外周に所謂「フランジ」を設けたような構造となる。以下において、この突起部分を単に「フランジ」と称することがある。
[0017]
 突起部分を有する金属ケースをホルダ等に固定する場合、ホルダの固定部位に凹部または間隙を設け、当該凹部または間隙に突起部分を嵌め込むようにして固定するとよい。これにより、金属ケースの少なくとも筒の軸方向における位置を固定でき、軸方向の位置決め精度が向上する。また、組み立て加工が容易になり、かつ加工方法の選択肢が増加する。さらに、突起部分の側面をホルダに溶接または接着することで、より強固な固定が可能である。
[0018]
 従来技術では、円筒素電池を用いて組電池(電池パック、電池モジュール)を組み立てる場合、組電池底面を組み立て基準面とし、組み立て基準面から複数部品(集電板、絶縁部品など)を介して素電池を固定し組み立てる。この結果、より上部に位置する電池ほど各部品の公差が積み上がり、電池の位置ばらつきが増大する。これと比較して、本実施形態の金属製ケースでは、突起部分を使用することで、複数部品を介さず組み立てることができ、また、位置決めの基準が突起部分の位置となるため、電池位置のばらつきを小さくすることができる。電池の位置決め及び溶接部位の位置決めを精度よく行うことができる。これにより、組み立て工法の制限をなくすことができる。
[0019]
 突起部分の形状としては、突起部分が胴部の軸に垂直な方向に延伸する形状に限られない。例えば、突起部分は軸に対し垂直方向から所定の角度で傾いた方向に延伸してもよい。あるいは、例えば、突起部分の形状として、突起部分が胴部の軸方向に向かって屈折または湾曲した側面を有していてもよい。
[0020]
 突起部分が軸の垂直方向から傾いて設けられた場合、及び、突起部分が屈折または湾曲した側面を有する場合、突起部分が、胴部の軸に垂直な平面から傾いた側面を有していることにより、金属製ケースをホルダに固定するための鉤として機能する。これにより、金属製ケースをホルダから着脱自在としながら、精度よいより強固な固定が可能となる。また、金属製ケースの軸方向の位置を固定するほか、軸に垂直な方向の位置をも固定することが可能となる。
[0021]
 図1に、突起部分を有する金属製ケースとしての電池缶の一例を拡大断面図で示す。図2は、同電池缶の突起部分周辺の拡大断面図である。なお、図1に示す電池缶は、縮径および封口完了後の状態であるため、電池缶の内部には電極群および電解質が既に充填された状態であるが、煩雑になるのを避けるため図1では図示を割愛した。また、図1は、特に突起部分および縮径部を強調して描かれた模式図であり、図中に示した突起部分その他の電池の構成要素の寸法比と、実際の寸法比は必ずしも一致しない。これは以降の図面においても同様である。
[0022]
 電池缶100は、筒状の胴部110と、胴部110の一方の端部に設けられた開口部120と、胴部110の他方の端部を閉じている底部130とを備える。開口部120の開口端の近傍には、縮径により環状溝部120Gが形成されている。さらに、環状溝部120Gと開口端との間に、突起部分(フランジ)150が設けられている。突起部分150は、2つの側面151、152を有している。
[0023]
 ここで、突起部分の「側面」とは、突起部分の表面を構成する面であって、突起部分の突出方向と実質的に平行に、突起部分の突出方向に沿って延伸している面をいうこととする。図1において、フランジの上面と下面(胴部の軸に垂直な面)が突起部分150の側面151及び152に該当する。
[0024]
 この電池缶100をホルダ200に固定するには、図2(a)の例では、上ホルダ202及び下ホルダ203を含むホルダ200によって形成された間隙201に突起部分150を嵌め込むようにする。さらに、側面151、152のうち少なくとも一面をホルダ200に溶接または接着することで、ホルダ200への固定が強固となる。あるいは、図2(b)の例では、突起部分150の下側面152とホルダ200の上面とを接着することによって、電池缶100がホルダ200に固定される。なお、図2(b)では、根元部分の肉厚が先端部の肉厚よりも太い断面形状を突起部分150が有している場合を例示している。これにより、突起部分の強度を高めることができる。また、接着部位である下側面152の面積を大きくすることで、固定強度を高めることができる。
[0025]
 突起部分の突出長(高さ)Hについては、電池缶のサイズ、電池缶およびホルダの材質にも依存するが、胴部の半径に対して1%~50%の長さであることが好ましい。同様に、突起部分の幅(厚み)については、電池缶のサイズ、電池缶およびホルダの材質にも依存するが、突起部分の最大の厚みWが、胴部の肉厚の0.3~10倍であることが好ましい。
[0026]
 図3は、電池缶の突起部分周辺の拡大断面図であり、突起部分の形状について、図2にとは別の変形例を示すものである。図3(a)において、突起部分150は、胴部の軸に対して垂直方向から若干傾いた方向に突出している。図3(b)は、側面151、152のうち一方(側面151)が胴部の軸方向に向かって湾曲した曲面となっている。図3(c)では、側面151は、胴部の軸方向に向かって屈折した2つの側面151aと151bを含んでなる。
[0027]
 上記図3(a)~(c)では、突起部分150は、その一側面(側面151)が胴部の軸に垂直な平面から傾いて形成されている。これにより、突起部分150は、電池缶100をホルダ200に固定するための鉤として機能する。これにより、電池缶100とホルダ200との精度よい固定が可能となり、鉤形状の突起部分をホルダに挟み込んで固定することで、電池缶の軸方向への位置ずれが制限されるのに加えて、電池缶の軸に垂直な方向(横方向)の位置ずれも制限される。なお、図3(a)における突起部分150の傾き角θは、-45°~+45°の範囲が好ましい。
[0028]
 電池缶の胴部の横断面形状は、典型的には、円形または円形に近似した形状であるが、これに限定されるものではない。胴部の長さ、内径、肉厚についても特に限定されない。溝部の内側への突出幅(溝深さ)についても、電池サイズに応じて決定されるが、特に限定されるものではない。
[0029]
 電池缶の材質には、例えば、鉄、鉄合金、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金などが用いられるが、特に限定されない。
[0030]
 電池の種類は、特に限定されないが、上記電池缶は、例えば、高度な耐震性が求められる電池モジュールに組み込まれるリチウムイオン二次電池の電池ケースに適している。
[0031]
 次に、上記電池缶を用いた円筒形電池の一例について説明する。
[0032]
 円筒形電池は、電極群と、電解質と、電極群と電解質とを収容する電池缶と、電池缶の開口を封口する封口体を備える。より具体的には、電池缶の環状溝部と電極群の開口部側の端面との間には、内部短絡を抑制するために第1絶縁板が配置される。同様に、電池缶の底部と電極群の底部側の端面との間には、第2絶縁板が配置される。
[0033]
 第1絶縁板および第2絶縁板の材質は、例えばエポキシ樹脂のような絶縁性樹脂を主成分とする材料であり、絶縁性の繊維状材料を芯材に含むものが好ましい。
[0034]
 以下、図4を参照しながら、本発明の一実施形態に係る筒形電池について、リチウムイオン二次電池を例にとって説明する。図4は、リチウムイオン二次電池の縦断面図である。
[0035]
 リチウムイオン二次電池(以下、電池)10は、電極群18と、電解質(図示せず)と、これらを収容する電池缶100とを具備する。電極群18は、正極板15と負極板16とをセパレータ17を介して捲回して形成されている。電池缶100の開口端の近傍には環状溝部120Gが形成されている。電極群18の一方の端面と環状溝部120Gとの間には、第1絶縁板23が配置されている。電極群18の他方の端面と電池缶100の底部130との間には、第2絶縁板24が配置されている。
[0036]
 電池缶100の開口部は、周縁部にガスケット21を具備する封口体11で封口されている。封口体11は、弁体12と、金属板13と、弁体12の外周部と金属板13の外周部との間に介在する環状の絶縁部材14とを具備する。弁体12と金属板13は、それぞれの中心部において互いに接続されている。正極15から導出された正極リード15aは、金属板13に接続されている。よって、弁体12は、正極の外部端子として機能する。負極16から導出された負極リード16aは、電池缶100の底部内面に接続されている。
[0037]
 正極板15は、箔状の正極集電体と、その表面に形成された正極活物質層とを具備する。正極集電体の材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、チタン、チタン合金等を用いることができる。正極活物質としては、リチウム含有遷移金属複合酸化物が好ましく用いられる。例えばコバルト、マンガン、ニッケル、クロム、鉄およびバナジウムよりなる群から選択される少なくとも1種と、リチウムとを含む複合酸化物が使用される。
[0038]
 負極板16は、箔状の負極集電体と、その表面に形成された負極活物質層とを具備する。負極集電体の材料としては、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス鋼等を用いることができる。負極活物質としては、リチウムイオンを可逆的に吸蔵し、放出し得る炭素材料、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボンや、酸化錫、酸化珪素等を用いることができる。
[0039]
 セパレータ17としては、例えば、ポリオレフィンで形成された微多孔膜を用いることができる。ポリオレフィンとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン共重合体などが例示できる。
[0040]
 電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解させたリチウム塩とを具備する。非水溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどの環状カーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート、カルボン酸エステル、鎖状エーテルなどが用いられる。リチウム塩としては、LiPF 6、LiBF 4、LiClO 4などが使用される。
[0041]
 次に、電池缶に突起部分を形成する方法について説明する。本実施形態では、突起部分150の形成は、電池缶100の開口部を封口体11で封口する工程において、封口と同一工程で形成する。
[0042]
 かかる封口工程では、開口部の側面を封口金型の上型と下型で挟み込むことにより、突起部分を形成し、その後、開口部端部をガスケット21を介してかしめ、封口することによって、突起部分150を開口部と一体的に形成することができる。また、封口金型の形状を変えることによって、任意の形状の突起部分を形成することが可能である。
[0043]
 図5は、本発明の一実施形態に係る筒形電池がホルダに取り付けられた電池モジュール210の一例を示す断面図である。図5において、ホルダ200に取り付け、固定された2個の電池10が示されている。ホルダ200は、上ホルダ202及び下ホルダ203を含んでなる。上ホルダ202及び下ホルダ203は、ネジ204によってネジ止めされている。
[0044]
 電池10は、上ホルダ202に設けられた板バネ(接続部)205、及び、下ホルダ203にも受けられた板バネ(接続部)206と正負両電極が接触し、電力を供給可能に構成されている。板バネ205、206は、夫々、集電部207と接続し、隣り合う電池10同士が接続される。板バネ205、206の電池10及び集電部207と接触しない外周は、絶縁部208に取り囲まれている。
[0045]
 さらに、上ホルダ201と下ホルダ202は、鉤状に形成された突起部分150を上下から挟み込んでおり、これによって、電池10が軸方向(ホルダの上下方向)及び軸に垂直な方向(横方向)に移動しないように、電池10のホルダ内の位置が位置決めされ、固定される。
[0046]
 図6は、突起部分を有する金属製ケースとしての電池缶の別の一例の断面図と、その電池缶の突起部をホルダで固定する方法を示す拡大図である。
[0047]
 底部130に面一になるように、突起部分(フランジ)150が設けられている。突起部分150は、2つの側面151、152を有しており、下側面151が底部130と連続し、面一になっている。
[0048]
 突起部分150は上ホルダ202と下ホルダ203によって上下から挟みこまれており、これによって、電池10が横方向に移動しないように位置決めされ固定される。
[0049]
 下ホルダ203には電池を冷却するための冷却機構を設けてもよく、冷媒を導通することによる液冷機構やファン等による空冷機構を形成することが好ましい。
[0050]
 特に、このように冷却機構を設置させた場合、底部130の面一の位置に突起部分を設けることにより、下ホルダ203と電池底部130との設置面積が増加し、下ホルダ203によって電池10の冷却効果を促進させることができる。

産業上の利用可能性

[0051]
 本発明に係る金属製ケースは、電池缶として有用であり、特に、高度な耐震性が求められる電池モジュールに組み込まれるリチウムイオン二次電池の電池缶に有用である。

符号の説明

[0052]
 10 リチウムイオン二次電池
 11 封口体
 12 弁体
 13 金属板
 14 絶縁部材
 15 正極板
 15a 正極リード
 16 負極板
 16a 負極リード
 17 セパレータ
 18 電極群
 21 ガスケット
 23 第1絶縁板
 24 第2絶縁板
 100 電池缶
 110 胴部
 120 開口部
 120G 環状溝部
 121G 最縮径部
 122G 溝上部
 123G 溝下部
 30 底部
 150 突起部
 151、152 突起部分の側面
 200 ホルダ
 201 間隙
 202 上ホルダ
 203 下ホルダ
 204 ネジ
 205、206 板バネ
 207 集電部
 208 絶縁部
 210 電池モジュール

請求の範囲

[請求項1]
 筒状の胴部と、
 前記胴部の一方の端部に設けられた、開口を有する開口部と、
 前記胴部の他方の端部を閉じている底部と、を備え、
 前記胴部および前記開口部の少なくとも一方に、前記胴部の半径方向において外側に突出する突起部分が設けられている、金属製ケース。
[請求項2]
 前記開口部の開口端の近傍には、縮径した環状溝部が形成されており、
 前記突起部分が、前記胴部の軸方向において前記環状溝部と前記開口端との間の位置に設けられている、請求項1に記載の金属製ケース。
[請求項3]
 前記突起部分が、前記胴部の軸方向の所定の位置に、周方向に沿って連続的または間欠的に設けられている、請求項1または2に記載の金属製ケース。
[請求項4]
 前記突起部分が、前記胴部の軸に垂直な平面から傾いた側面を有している、請求項1~3のいずれか一項に記載の金属製ケース。
[請求項5]
 前記側面が、前記胴部の軸方向に向かって屈折又は湾曲している、請求項4に記載の金属製ケース。
[請求項6]
 前記突起部分が、前記胴部の軸の垂直方向から傾いた方向に突出している、請求項4に記載の金属製ケース。
[請求項7]
 前記突起部分が、前記胴部の軸の垂直方向に対し-45°~+45°の範囲内で傾いて突出している、請求項6に記載の金属製ケース。
[請求項8]
 前記突起部分の突出長Hが、前記胴部の半径に対して1%~50%の長さである、請求項1~7のいずれか一項に記載の金属製ケース。
[請求項9]
 前記突起部分の最大厚みWが、前記胴部の肉厚の0.3~10倍である、請求項1~8のいずれか一項に記載の金属製ケース。
[請求項10]
 前記開口部の開口端の近傍には、縮径した環状溝部が形成されており、
 前記突起部分が、前記胴部の軸方向において前記環状溝部と前記底部との間の位置に設けられている、請求項1に記載の金属製ケース。
[請求項11]
 前記突起部分が、前記底部と面一になるように設けられている、請求項10に記載の金属製ケース。
[請求項12]
 電極群と、
 電解質と、
 前記電極群と前記電解質とを収容する電池缶と、
 前記電池缶の開口を封口する封口体と、を備える電池であって、
 前記電池缶が、
  筒状の胴部と、
  前記胴部の一方の端部に設けられた、前記開口を有する開口部と、
  前記胴部の他方の端部を閉じている底部と、を備え、
  前記開口部の開口端の近傍には、縮径した環状溝部が形成されており、
  前記胴部および前記開口部の少なくとも一方に、前記胴部の半径方向において外側に突出する突起部分が設けられている、電池。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]