JP2005116434A

JP2005116434A - 電池電極の溶接方法、および組電池

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Publication number: JP2005116434A
Application number: JP2003351734A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Tono; 龍也東野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: JP4182854B2

Abstract

【課題】異種金属よりなる複数の電極を溶接する電極の溶接方法を提供する。
【解決手段】超音波溶接機のアンビル５１側とホーン５２側に銅製の負極タブ１１および４１が来るようにして、この負極タブ１１、４１の間に銅より融点の低いアルミニウム製の正極タブ２２および３２を挟むようにして載置し、さらにアルミニウム製の電圧検出線５を正極タブ２２と３２の間に挟んで、アンビル５１とホーン５２により各電極タブが密着するように加圧して、超音波溶接を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池電極の溶接方法、およびこの電池電極の溶接方法を用いて製造された組電池に関する。

近年、環境意識の高まりを受けて、自動車の動力源を、化石燃料を利用するエンジンから電気エネルギーを利用するモータに移行しようとする動きがある。このため、モータの電力源となる電池の技術も急速に発展しつつある。

自動車には、小型軽量で、大きな電力を頻繁に充放電可能な、耐震動性、放熱性に優れた電池の搭載が望まれる。大きな電力を供給することができる放熱性に優れた組電池としては、下記特許文献１に示すようなものがある。

特許文献１に開示されている組電池は、直列、並列または直並列に電気的に接続された複数の単電池を、当該単電池の厚み方向に所定の間隔で配置し、単電池間に両側の単電池を押圧する押圧部材を配置して、外装部材によって複数の単電池を固定したものである。このような構造とすることによって単電池の放熱特性を良好にして組電池としてのサイクル特性、レート特性を向上させている。
特開２０００−１９５４８０号公報（段落番号「００１４」〜段落番号「００２９」および図１、図２、図４の記載を参照）

このような組電池は、複数の単電池を直列および並列に、それぞれの単電池の電極を接合するのであるが、単電池の中には、正極と負極で異なる金属素材を用いたものがある。したがってその接続には異種金属の接合技術が必要である。

異種金属の接合技術としては、超音波溶接がある。超音波溶接では、一つの電極と一つの電極を直列に接続するような場合、すなわち、２枚の異種金属を溶接する場合は良好に行えるのに対して、さらに複数の電極を接合する場合、たとえば、４個の電極を一度に接合する場合などでは、接合力が弱かったり、また、振動が加わった場合に溶接部がはがれるなどの問題があった。

そこで、本発明の目的は、異種金属からなる複数の電極を確実に接合することのできる電池電極の溶接方法を提供することであり、また、他の目的は、溶接部における溶接はがれなどの不具合を防止した組電池を提供することである。

本発明の電池電極の溶接方法は、溶接機に第１単電池に備えられた第１金属よりなる第１電極を載置する段階と、前記第１単電池の前記第１電極上に、第２単電池に備えられた前記第１金属より融点の低い第２金属よりなる第２電極を載置する段階と、前記第２単電池の前記第２電極上に、第３単電池に備えられた前記第２金属よりなる第３電極を載置する段階と、前記第３単電池の前記第３電極上に、第４単電池に備えられた前記第１金属よりなる第４電極を載置する段階と、前記第４単電池の前記第４電極上から溶接を実行する段階と、を有することを特徴とする。

また、本発明の組電池は、第１単電池に備えられた第１金属よりなる第１電極と、前記第１単電池の前記第１電極上に接合された第２単電池に備えられた前記第１金属より融点の低い第２金属よりなる第２電極と、前記第２単電池の前記第２電極上に接合された第３単電池に備えられた前記第２金属よりなる第３電極と、前記第３単電池の前記第２電極上に接合された第４単電池に備えられた前記第１金属よりなる第４電極と、を有することを特徴とする。

本発明の溶接方法によれば、同一金属からなる第１電極と第４電極とによって、第１電極および第４電極よりも融点の低い金属よりなる第２電極および第３電極を挟んで溶接することとしたので、確実に異種金属による複数の電極を溶接することができる。

本発明の組電池によれば、同一金属からなる第１電極と第４電極とによって、第１電極および第４電極よりも融点の低い金属よりなる第２電極および第３電極を挟んで溶接することで、組電池の各電極を接合しているため、溶接部における溶接はがれなどを起こすことがなく、振動に強い組電池を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の電池電極の溶接方法、およびこの溶接方法を用いて製造した組電池について説明する。

図１は、本実施の形態による電池電極の溶接方法を説明するための図面であり、図１Ａは平面図、図１Ｂは図１Ａのｂ−ｂ線に沿う断面図である。

この電池電極の溶接方法（以下単に溶接方法と称する）では、台形状の底面に電極タブが備えられた単電池を２個互いに台形状の底面部を向かい合わせて並列に接続し、この並列に接続した２個の電池同士をさらに直列に接続する場合の４個の電極タブを溶接する場合である。

用いている個々の単電池は、たとえば扁平型に形成された電池であり、正極板、負極板およびセパレータを順に積層した積層型の発電要素（不図示）を内部に複数含む。内部の発電要素は、たとえばゲル電解質を用いたリチウムイオン二次電池である。

また、この単電池は、発電要素が缶体に密閉されるか、またはラミネートフィルムによって密閉され、その形状は概略台形状をしており、その底面部から、正極タブおよび負極タブが引き出されている。

なお、ここで接続する単電池は、上記のとおりの単電池であり全く同じものを使用するが、この溶接方法の説明では、その配置や向きの違いを明確にするために第１単電池〜第４単電池と称する。

溶接方法は、まず、超音波溶接を行うための冶具であるアンビル５１上に第１単電池１の第１電極である負極タブ１１を設置する。ここで負極タブ１１は銅製である。

そしてこの第１単電池の負極タブ１１上に第２単電池２の第２電極である正極タブ２２を載置する。正極タブ２２はアルミニウム製である。

この第２単電池２の正極タブ２２上に銅製の電圧検出線５を載せてこれを挟むようにして、第３単電池３の第２電極である正極タブ３２を載せる。

さらにこの正極タブ３２の上に第４単電池４の第１電極である負極タブ４１を載せる。

このように中間に電圧検出線５を挟んで合計４枚の電極を積層した状態で、その上から（すなわち第４単電池４の負極タブ４１上から）、超音波溶接機のホーン５２を押し付けて各電極タブ間に隙間が出ないように加圧しつつ超音波溶接を行う。なお、図においては溶接を行う部分の構造が理解しやすいように各電極タブなどを離して描かれているが、実施に当たっては、これらはすべて密着させて行われるものである。

超音波溶接は、周知のとおり、超音波振動子からの超音波がホーン５２先端まで導かれて、ホーン５２先端の振動によって、ホーン５２と接触した部分が摩擦により熱が発生して、その熱によりホーン５２の接触部分が局所的に溶融して接合されるものである。

本実施の形態では、内側にアルミニウム、外側に銅が来るように各電極タブを配置して超音波溶接を行っている。

ここで、銅は融点９００℃、一方のアルミニウムは融点６６０℃である。このため、外側に位置する銅の方が内側に位置するアルミニウムより融点が高いことから、超音波溶接に際しては、外側の銅が溶融する温度となった時点で、内側のアルミニウムも溶融するため、複数枚の異種金属の溶接であっても確実に接合させることができる。

このため超音波溶接の条件は、溶接部材の厚さや大きさなどによって適宜設定するが、上述したとおり、最上部に位置する銅の溶接が可能な溶接条件であれば内側のアルミニウムまで溶接することが可能である。

また、電圧検出線５を同じアルミニウム製の正極タブ３２の間に挟んだことにより、電圧検出線５が正極タブ３２とよくなじみ、一緒に接合され流ので、抜けてしまうような不具合を防止することができる。

なお、図において接合していない側の電極は、第１単電池１の正極タブ１２、第２単電池２の負極タブ２１、第３単電池３の負極タブ３１、および第４単電池４の正極タブ４２である。

次に、この溶接方法を用いて製作した組電池について説明する。

図２は、本発明を適用した組電池の全体構成を示す分解斜視図である。

この組電池１００は、台形状の底面に電極タブ１０２、１０３が備えられた単電池１０１を２個一組として互いに台形状の底面部を向かい合わせて並列に接続し、この並列に接続した２個一組の電池組同士を直列に３列接続して電池列１１０とし、さらに、この電池列１１０に、同じ電池列１１０を平行に配置してバスバー１０５によって直列に接続することで、合計１２個の単電池による第１電池層１２１を構成し、さらに、同じ組み合わせよりなる第２電池層１２２を上下逆転させて（詳細後述）、重ねて一つの列の一端の電極タブ１２５と１２６を直接溶接して直列に接続したものである。したがって、この組電池は、合計２４個の単電池１０１よりなる。

図示下層の第１電池層１２１における各２個並列に接続した一組の電池の各電極タブ１０２、１０３、１２５、および１２６の極性の並び方は、図示するとおり、第１電池層１２１の図示右側の端部にある電極タブ１２６から順に、（−）、（＋）、（−）、（＋）、（−）、（＋）となっており、バスバー１０５を介して、（−）、（＋）、（−）、（＋）、（−）、（＋）となっている。

これに対して、図示上層の第２電池層１２２における各２個並列に接続した一組の電池の各電極タブ１０２、１０３、１２５、および１２６の極性の並び方は、図示するとおり、第１電池層１２１の電極タブ１２５と接続される図示右側奧の端部にある電極タブ１２６から順に、（−）、（＋）、（−）、（＋）、（−）、（＋）となっており、バスバー１０５を介して、（−）、（＋）、（−）、（＋）、（−）、（＋）となっている。

したがって、すべての単電池１０１は、第１電池層１２１の電極タブ１２６から、層間を接続する電極タブ１２５および１２６をとおり、第２電池層１２２の電極タブ１２５まで、すべて直列に接続されることになる。

このような接続形態とするためには、同じ構成の電池層を製作し、下層に配置するものを第１電池層１２１として、この第１電池層１２１に対して、上下裏返しとなるように第２電池層１２２を配置して、一端部の電極タブ１２５と１２６を接続すればよい。

なお、層間を接続していない第１電池層１２１の電極タブ１２６と第２電池層１２２の電極タブ１２５は、この組電池としての出力端子（不図示）が接合されか、または、さらに同じ電池層を用いて接続数を増やす場合に、他の電池層との接続に用いられる。

また、第１電池層１２１のバスバー１０５と第２電池層１２２のバスバー１０５の間には、絶縁のための絶縁シート（不図示）を配置する。

この組電池において、２個並列に接続した一組の電池同士の接続部１３０は、前述した溶接方法によって接続されている（図１参照）。すなわち、銅製の負極（−）電極タブ１０３の間に、アルミニウム製の正極（＋）電極タブ１０２を挟み、さらに内側の正極（＋）電極タブ１０２の間に電圧検出線５（図２においては不図示）を挟み込んで超音波溶接したものである。

バスバー１０５によって接続される部分は、図３に示すように、電極タブ１０２、および１０３（２個の単電池を腹合わせにしているため、それぞれの単電池１０１において同極の２枚の電極タブがある）の上にバスバー１０５を載せて超音波溶接によって接合している。溶接箇所１５０は各電極タブ１０２および１０３上において２箇所としている。

第１電池層１２１と第２電池層１２２を直列に接続する電極タブ１２５と１２６の接合は、図４に示すように、アンビル５１側にアルミニウム製の正極（＋）電極タブ１２５（２枚）が来るようにして、その上部に負極（−）電極タブ１２６（２枚）を載せて超音波溶接している。

この部分の接合部における溶接箇所１５１についても、任意に設定するとよいが、図示するように、電極タブ上で２箇所としている。

このように、２個の単電池１０１を腹合わせにして並列に接続し、それをさらに複数個直列に接続した上で、２段重ねとしたことで、コンパクトで、しかも高出力、高容量の組電池とすることができる。

以上説明した本実施の形態の溶接方法によれば、融点の高い銅の電極タブの間に、銅よりも融点の低いアルミニウムの電極タブを挟んで溶接することとしたので、確実に異種金属による複数の電極タブを溶接することができる。

また、電極タブの間に電圧検出線を入れる場合には、同じアルミニウム製の電圧検出線をアルミニウム製の電極タブの間に挟んで溶接することで、電圧検出線の脱落などを防止し、電圧検出線の信頼性を向上することができる。

さらに、本実施の形態による組電池によれば、２つの単電池を並列に接続して一組とし、これを複数直列に接続することにより、高電圧、高容量の組電池をコンパクトにまとめることができる。

これにより、この組電池は、本発明による溶接方法によって、電極タブを接合しているため、振動などが加わった場合でも溶接部における溶接はがれなどを起こすことがなく、かつ、小型化が可能となるので、自動車用の電池として好適である。また、その他に環境の劣悪な現場で作業を行うロボット用電源、工事現場用電源としても利用することができる。

以上本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。たとえば、異種金属による複数の電極としては、銅とアルミニウムの例を挙げたが、この他にも金電極、ニッケル電極、アルミニウム合金電極などを用いる場合にも、同様に融点の低い方の金属でできた電極を、融点の高い方の金属でできた電極により挟むようにして超音波溶接を行うことにより、上述した実施の形態による溶接方法と同様の作用を引き出し、確実に溶接することが可能となる。

また、組電池の形態としても、並列接続の接続数を増やしたり、層構造を３層以上とするなど、単電池の数や接続形態は様々に変形可能である。

なお、本実施の形態では溶接方法を超音波溶接としたが、マイクロスポット溶接であっても適用可能である。ただし、マイクロスポット溶接を用いる場合、１回の溶接で溶接できる面積が小さいこと、各溶接部位同士の間には所定の間隔が必要であることから、複数回に渡って所定の間隔をあけて溶接する必要があるため、溶接可能な面積の小さい通常の電池タブを溶接する場合は、本実施の形態のように超音波溶接を用いることが好ましい。

本発明にかかる組電池は、自動車積載用電池として利用できるだけでなく、環境の劣悪な生産現場や工事現場で使用する電源として利用できる。

電池電極の溶接方法を説明するための図面であり、図１Ａは平面図、図１Ｂは図１Ａのｂ−ｂ線に沿う断面図である。組電池の全体構成を示す分解斜視図である。バスバーによって接続される電極部分の平面図である。上下に接続される電極タブ部分の図面であり、図４Ａは平面図、図４Ｂは断面図である。

符号の説明

１…第１単電池、
３…第３単電池、
４…第４単電池、
５…電圧検出線、
１１、２１、３１、４１…負極タブ、
１２、２２、３２、４２…正極タブ、
５１…アンビル、
５２…ホーン、
１０１…単電池、
１０５…バスバー、
１１０…電池列、
１３０…接続部、
１２１…第１電池層、
１２２…第２電池層。

Claims

溶接機に第１単電池に備えられた第１金属よりなる第１電極を載置する段階と、
前記第１単電池の前記第１電極上に、第２単電池に備えられた前記第１金属より融点の低い第２金属よりなる第２電極を載置する段階と、
前記第２単電池の前記第２電極上に、第３単電池に備えられた前記第２金属よりなる第３電極を載置する段階と、
前記第３単電池の前記第３電極上に、第４単電池に備えられた前記第１金属よりなる第４電極を載置する段階と、
前記第４単電池の前記第４電極上から溶接を実行する段階と、
を有することを特徴とする電池電極の溶接方法。
前記溶接機は超音波溶接機であることを特徴とする請求項１記載の電池電極の溶接方法。
前記第１金属は銅であり、前記第２金属はアルミニウムであることを特徴とする請求項１または２記載の電池電極の溶接方法。
前記第２単電池の前記第２電極と前記第３単電池の前記第３電極との間に、さらに導電性の電圧検出線を載置する段階を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電池電極の溶接方法。
第１単電池に備えられた第１金属よりなる第１電極と、
前記第１単電池の前記第１電極上に接合された第２単電池に備えられた前記第１金属より融点の低い第２金属よりなる第２電極と、
前記第２単電池の前記第２電極上に接合された第３単電池に備えられた前記第２金属よりなる第３電極と、
前記第３単電池の前記第２電極上に接合された第４単電池に備えられた前記第１金属よりなる第４電極と、
を有することを特徴とする組電池。
前記第１金属は銅であり、前記第２金属はアルミニウムであることを特徴とする請求項５記載の組電池。
前記第２単電池の前記第２電極と前記第３単電池の前記第３電極との間に、さらに導電性の電圧検出線を有することを特徴とする請求項５または６記載の組電池。