JP2007115584A - 二次電池とその製造方法及び二次電池用集電板 - Google Patents

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Abstract

【課題】集電板に接合金属等を別途に付与する工程が不要で集電板の作成に費用や手間がかからず低コスト化を図れ、かつ集電板自体及び接合部の抵抗を小さくした二次電池を提供する。
【解決手段】セパレータを介して正負の極板を交互にかつ正負の極板集電部5、6を互いに異なる側縁から突出させて積層された極板群1と、両極板集電部5、6に接合された集電板11、12とを備えた二次電池において、集電板11、12に、集電板11、12を構成する金属板の適所を断面山形状に折曲して突出成形した接合部13を設け、接合部13を極板集電部5、6の端縁部に食い込ませた状態で接触部及びその近傍を溶融させた溶融部15にて相互に接合した。
【選択図】図1

Description

本発明は二次電池の改良に関し、特に二次電池の極板群における各極板の集電部と集電板との接合の低コスト化を図った二次電池とその製造方法及びそれに用いる二次電池用集電板に関するものである。
従来、正負の極板をセパレータを介して積層した極板群の極板集電部と集電板を接合する方法として、集電板の極板集電部との接合部にロウ剤を塗布し、接合時にロウ剤を加熱溶融させることで接合する方法が知られている(例えば、特許文献1や特許文献2参照。)。
上記特許文献1に記載の極板群の構成及び集電板との接合方法について、図7、図8を参照して説明する。極板群1は、図7(a)、(b)に示すように、複数枚の正極板2と負極板3を交互に配置するとともに、各正極板2に袋状のセパレータ4を被せることにより、正極板2と負極板3の間にセパレータ4を介装した状態で積層した構成とされている。図7(a)の斜線部は、正極板2と負極板3がセパレータ4を介して対向して発電作用を発揮する領域を示している。この極板群1においては、正極板2と負極板3の一側にそれぞれ設けられている極板集電部(リード部)5、6が互いに反対側に突出されており、正極と負極の極板集電部5、6の側端縁にそれぞれ集電板21、22が接合されている。7は極板接合部5、6に形成された位置決め穴、8は外周セパレータである。
集電板21、22には、図8に示すように、長手方向適当間隔置きに複数箇所に凹凸部23が設けられるとともに、凹凸部23の極板集電部5、6に対向する側にロウ剤24が添着されており、この集電板21、22を極板群1の極板集電部5、6上に組み合わせ、集電板21、22を極板群1に向けて白抜き矢印25の如く加圧した状態で、集電板21、22の背面側から凹凸部23に沿ってレーザービーム26や電子ビームを照射して矢印27の如く走査し、ロウ剤24を加熱溶融させて極板集電部5、6と集電板21、22を接合している。
また、図9に示すように、集電板31に千鳥状に複数の切欠32、33を設けることで接合突片34を切り起し形成し、その接合突片34の先端縁部に、各極板集電部5、6の側縁部が係合するように鋸歯状に複数の突出部35を設けることで、接合突片34を極板集電部5、6に対して強く加圧しても接合突片34と極板集電部5、6の側縁部との係合状態が外れる恐れがないようにし、適切な加圧力を付与した状態で抵抗溶接する方法も知られている(例えば、特許文献3参照。)。
特開2001−93505号公報 特開2003−36833号公報 特開2001−148239号公報
ところで、特許文献1や特許文献2に記載されているように、集電板21、22に接合用のロウ剤24を塗布して接合する方法では、予めロウ剤24を塗布した集電板21、22を作成しておかねばならず、費用と手間がかかるという問題がある。
また、特許文献3に記載された方法は、集電板31を抵抗溶接するようにしているので集電板31自体の作成に費用や手間はあまりかからないが、抵抗溶接用の接合突片34を設けるために集電板31に切欠32、33を形成しており、その切欠32、33によって集電板31自体の通電抵抗が大きくなってしまうという問題があり、例えばハイブリッドカーや電気自動車などの駆動電源用の蓄電池に要請される高出力・高性能を満足することができないという問題がある。
本発明は、上記従来の課題を解決し、集電板に接合金属等を別途に付与する工程が不要で集電板の作成に費用や手間がかからず低コスト化を図れ、かつ集電板自体及び接合部の抵抗を小さくできる二次電池とその製造方法及び二次電池用集電板を提供することを目的とする。
本発明の二次電池は、セパレータを介して正負の極板を交互にかつ正負の極板集電部を互いに異なる側縁から突出させて積層された極板群と、両極板集電部に接合された集電板とを備えた二次電池において、集電板に、集電板を構成する金属板の適所を断面山形状に折曲して突出成形した接合部を設け、接合部を極板集電部の端縁部に食い込ませて相互に接合したものである。
また、本発明の二次電池の製造方法は、セパレータを介して正負の極板を交互にかつ正負の極板集電部を互いに異なる側縁から突出させて積層して極板群を構成する工程と、極板群の両極板集電部に集電板を接合する工程を有する二次電池の製造方法において、金属板の適所を断面山形状に折曲して突出成形した接合部を有する集電板を極板集電部に押し付け、接合部を極板集電部の端縁部に食い込ませる工程と、集電板を押し付けた状態で接合部と極板集電部の接触部及びその近傍を溶融させて接合する工程とを有するものである。
この構成によると、集電板を折曲成形して極板集電部に対する接合部を設けているので集電板に接合金属等を別途に付与する工程が不要であり、集電板の作成に費用や手間がかからず低コスト化を図ることができるとともに、集電板自体の通電抵抗を小さくでき、また集電板の接合部を極板集電部に食い込ませ、レーザー溶接や電子ビーム溶接や抵抗溶接などによって、それらの接触部とその近傍を溶融させて接合しているので、集電板の接合部と極板集電部を確実にかつ接合抵抗の小さい状態で接合することができる。かくして、集電板の低コスト化を図れ、かつ集電板自体及び接合部の抵抗を小さくすることができる。
また、極板集電部における集電板の接合部が接合される部位に、接合部の先端が係合する凹部を接合前に形成すると、極板群の極板集電部に集電板を強く押しつけてその接合部を食い込ませるときに、各極板の極板集電部が横滑りして外れる恐れが小さくなり、確実に食い込ませることができて接合信頼性を向上することができる。
また、接合部の板厚を接合部以外の金属板の板厚の1/3以上とすると、接合部の板厚を低減させることで接合部が形成し易くかつ成形した接合部を極板集電部に食い込み易くでき、かつ所定以上の板厚を確保していることで通電抵抗が大きくなるのを抑制することができる。
また、接合部の先端を尖らせた形状にすると、接合部を一層容易に極板集電部に食い込ませることができ、接合抵抗の小さい接合が確実にかつ容易に形成できる。
また、接合部の断面山形状の立ち上がり部の内面同士を接触させた形状にすると、接合部の極板集電部への食い込み幅が一定の小さい幅となり、容易により深く食い込ませることができるとともに、食い込ませる際の接合部の強度と剛性を確保することができる。
また、集電板の異なる接合部の背面に溶接電極を押し当てて溶接電流を流し、接合部と極板集電部の接触部を抵抗溶接する方法にて、接合部と極板集電部とを抵抗溶接すると、簡単に信頼性の高い接合状態が得られ、低コストにて接合抵抗の低減を図ることができる。
また、抵抗溶接に限らず、集電板の接合部の背面側からレーザー光や電子ビームを照射して接合部の先端と極板集電部を加熱溶融して接合しても良い。
また、本発明の二次電池用集電板は、セパレータを介して正負の極板を交互にかつ正負の極板集電部を互いに異なる側縁から突出させて積層された極板群における極板集電部に接合する二次電池用集電板であって、集電板を構成する金属板の適所を断面山形状に折曲して極板集電部に対する接合部を突出成形したものであり、この集電板を用いることに上記効果を奏することができる。
また、好適には接合部の板厚を接合部以外の金属板の板厚の1/3以上とし、また接合部の先端を尖らせた形状にし、また接合部をその断面山形状の立ち上がり部の内面同士が互いに接触した形状とすることで、それぞれ上記効果を奏することができる。
本発明の二次電池及びその製造方法によれば、集電板を折曲成形して極板集電部に対する接合部を設けているので集電板に接合金属等を別途に付与する工程が不要であり、集電板の作成に費用や手間がかからず低コスト化を図ることができるとともに、集電板自体の通電抵抗を小さくでき、また集電板の接合部を極板集電部に食い込ませ、レーザー溶接や電子ビーム溶接や抵抗溶接などによって、それらの接触部とその近傍を溶融させて接合しているので、集電板の接合部と極板集電部を確実にかつ接合抵抗の小さい状態で接合することができる。
以下、本発明の二次電池の実施形態について、図1〜図6を参照しながら説明する。なお、本実施形態における二次電池の全体構成は特許文献1に記載のものを援用し、その二次電池における極板群と集電板の全体概略構成は、図7の説明を援用し、同一の構成要素については同一の参照符号を付して説明を省略する。
(第1の実施形態)
まず、第1の実施形態について、図1〜図3を参照して説明する。図1、図2において、1は正極板と負極板をセパレータを介して積層したニッケル水素二次電池における極板群で、正極板は水酸化ニッケルを主成分とする正極活物質をニッケルの発泡メタルに充填して構成され、負極板は水素吸蔵合金を主成分とする負極活物質をニッケルのパンチングメタルに塗着して構成されている。この極板群1の両側に正極板と負極板の極板接合部(リード部)5、6が突出して配置されている。極板接合部5、6には、それぞれ正負の集電板11、12が接合されている。集電板11、12は、金属板、具体的には板厚が0.5〜1.0mm程度のニッケルメッキ鋼板にて構成されている。
集電板11、12には、その長手方向に適当間隔あけた複数適所に、U字状に折曲して突出成形した断面山形状の接合部13が設けられている。本実施形態の接合部13は、集電板11、12を構成している金属板を同じ板厚のままで、断面山形状の立ち上がり部の内面同士を接触させた形状に折曲成形して構成されている。接合部13の突出高さの目安を示すと、極板接合部5、6の幅寸法の半分〜2/3程度が好適であり、具体的には極板接合部5、6の幅寸法が2.0〜5.0mmの場合に接合部13の高さは1.0〜3.0mmである。
一方、極板群1の極板集電部5、6における接合部13が接合される部位には、接合部13の先端が係合する凹部14が接合前に予め形成されている。凹部14の形状の具体例を示すと、集電板11、12の板厚を半径とする半円形である。
極板群1の極板集電部5、6に集電板11、12を接合する際には、まず、図2(a)に示すように、集電板11、12の接合部13を極板集電部5、6の端縁部に形成した凹部14に対向させ、集電板11、12を矢印16の如く押圧し、接合部13を極板集電部5、6の端縁部に食い込ませる。次いで、集電板11、12を押し付けた状態で、集電板11、12の隣接する又は互いに異なる接合部13の背面に溶接電極(図示せず)を押し当て、溶接電流を流して抵抗溶接し、図2(b)に示すように、接合部13と極板集電部5、6の接触部及びその近傍を溶融させ、その溶融部15にて極板集電部5、6に集電板11、12を接合する。
以上の構成によれば、集電板11、12を折曲成形して極板集電部5、6に対する接合部13を設けているので、集電板11、12に接合金属等を別途に付与する工程が不要となり、集電板11、12の作成に費用や手間がかからず低コスト化を図ることができるとともに、集電板11、12に切欠等を設けないので集電板11、12自体の通電抵抗を小さくできる。そして、この集電板11、12の接合部13を極板集電部5、6に食い込ませ、それらの接触部とその近傍を溶融させて形成した溶融部15にて接合しているので、集電板11、12の接合部13と極板集電部5、6を確実にかつ接合抵抗の小さい状態で接合することができる。
また、接合部13を断面山形状の立ち上がり部の内面同士を接触させた形状にしているので、接合部13の極板集電部5、6への食い込み幅が一定の小さい幅となり、容易により深く食い込ませることができるとともに、食い込ませる際の接合部13の強度と剛性を確保することができる。さらに、極板集電部5、6における接合部13が接合される部位に、接合部13の先端が係合する凹部14を形成したことにより、極板集電部5、6に集電板11、12を強く押しつけてその接合部13を食い込ませるときに、各極板の極板集電部5、6が横滑りして外れる恐れが小さくなり、確実に食い込ませることができて接合信頼性を向上することができる。
また、抵抗溶接にて接合しているので、簡単に信頼性の高い接合状態が得られる。かくして、集電板11、12の低コスト化を図れ、かつ集電板11、12自体及び接合部の抵抗を小さくすることができる。
なお、図1、図2に示した例では、接合部13の先端部が折り曲げ加工によって円弧状になっているものを示したが、図3に示すように、接合部13の先端部をプレス成形や研削加工等にて尖らせた形状に成形し、尖り部17としても良い。図示例では、極板集電部5、6の凹部14は半円形の例を示しているが、尖り部17に対応する三角形にしても良い。このように接合部13の先端部に尖り部17を設けると、容易に極板集電部5、6により深く食い込ませることができるため、簡単かつ確実に抵抗の小さい接合状態を得ることができる。
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について、図4、図5を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明では、先行する実施形態と共通する構成要素については同じ参照符号を付して説明を省略し、主として相違点についてのみ説明する。
本実施形態においては、図4(a)に示すように、集電板11、12の接合部13を形成する部位、少なくともその先端部を形成する部位を圧延して薄肉部18とし、この薄肉部18を折り曲げ加工して接合部13を構成している。薄肉部18の板厚は、元の板厚の略1/2〜1/3が好ましい。また、極板集電部5、6に形成される凹部14は、薄肉部18による接合部13に対応した大きさに形成されている。
本実施形態によれば、接合部13、特にその先端部の板厚が低減していることで、接合部13を折曲成形し易くかつ成形した接合部13を極板集電部5、6に食い込み易くできる。また、接合部13の板厚として集電板の板厚の少なくとも1/3以上を確保しているので、接合部13で通電抵抗が大きくなるのを防止することができる。
なお、本実施形態においても、図4(b)に示すように、接合部13の先端部を尖り部17とすると、さらに食い込み易くすることができる。また、本実施形態では、接合部13を極板集電部5、6に食い込ませ易いので、図5(a)に示すように、極板集電部5、6に凹部14を形成していない構成とすることもでき、さらに図5(b)に示すように、接合部13の先端部を尖り部17とした場合には、凹部14を形成していなくても一層容易に食い込ませることができる。
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について、図6を参照して説明する。
本実施形態においては、集電板11、12の接合部13を、V字状に折曲成形したV字折曲部19にて構成するとともにその先端に尖り部17を形成しており、極板集電部5、6に形成する凹部14は尖り部17に対応して三角形状に形成している。そして、図6(a)に示すように、集電板11、12の接合部13を極板集電部5、6の端縁部に形成した凹部14に対向させ、集電板11、12を矢印16の如く押圧し、接合部13を極板集電部5、6の端縁部に食い込ませ、次いで集電板11、12を押し付けた状態で、接合部13の背面側からレーザービーム20や電子ビームなどにより熱エネルギーを照射して走査し、図6(b)に示すように、接合部13と極板集電部5、6の接触部及びその近傍を溶融させ、その溶融部15にて極板集電部5、6に集電板11、12を接合している。本実施形態においても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
次に、実施例として、試験例について説明する。
正極板は次のように作成した。コバルト及び亜鉛を固溶状態で含有した水酸化ニッケル粉末に、コバルト化合物を所定量添加し、水を加えて練合してペースト状にした後、長辺の片側にニッケル板をシーム溶接で貼り付けて極板集電部とした、多孔度95%、面密度450g/m2 の発泡状ニッケル多孔体に充填し、乾燥・加圧後、所定の寸法(厚さ:0.4mm、幅:35mm、長さ:85mm)に切断して700mAhの理論容量を有する正極板を作製した。なお、この正極板にスルホン化されたポリプロピレンセパレータを、極板集電部を除いて袋状に被せて、セパレータ付き正極板とした。
負極板は次のように作成した。水素吸蔵合金(MmNi3.6 Co0.7 Mn0.4 Al0.3 、Mm:ミッシュメタル)に所定量の決着剤、導電剤を加え、ペースト状にした後、正極板と同様に極板集電部を設けた厚さ0.08mmのパンチングメタルに塗布し、乾燥・加圧後、 所定の寸法(厚さ:0.4mm、幅:35mm、長さ:85mm)に切断して750mAhの理論容量を有する負極板を作製した。
以上の正極板5枚と負極板6枚を交互にかつ極板集電部を互いに反対側に突出するように重ね合わせて極板群を構成した。この極板群の両側の極板集電部に、
実施例1:図2に示した構成で、接合部の板厚t=0.7mm、
接合部高さs=2.0mm
実施例2:図4(a)に示した構成で、接合部の板厚t=0.35mm
実施例3:図4(a)に示した構成で、接合部の板厚t=0.2mm
実施例4:図6に示した構成
比較例1:図8に示した構成
比較例2:図9に示した構成
の実施例1〜4と比較例1、2の集電板を接合した。なお、実施例2〜比較例2で、特記しなかった構成は実施例1と同一である。
以上の集電板を接合した各極板群を、それぞれポリプロピレン製の角形の樹脂電槽内に挿入し、集電板の上部から外部の端子部に接続し、樹脂電槽内に水酸化ナトリウム水溶液を主体とする電解液を10ml注入して樹脂製の蓋を溶着して密閉し、理論容量3500mAhの試験用のニッケル水素系蓄電池とした。上記実施例1、実施例2、実施例3、実施例4、比較例1、及び比較例2に示した集電板を用いた電池をそれぞれ電池A、電池B、電池C、電池D、電池E、電池Fとした。
実施例1〜4と比較例1、2に係る各試験用の電池A〜Fについて、所定の活性条件で充放電した後に、 25℃及び−30℃のときの電池の内部抵抗を測定した。内部抵抗は、25℃環境下において、電池をSOC60%になるように定電流で充電した後、各温度において、放電パルスと充電パルスを繰り返し、各放電パルス印加後の10秒目の電圧を測定して電流値に対してプロットした。次いで、各プロットに最小二乗法を適用して近似直線の傾きから算出した。その測定結果を下記表1に示す。
Figure 2007115584
表1から、実施例1〜4の集電板を用いた電池A〜Dの内部抵抗は、従来のロウ剤を用いた比較例1(電池E)に比べて同等ないしそれ以下で、比較例2(電池F)に比べると格段に優れていることが分かる。また、接合部の板厚が1/3以下の実施例3(電池C)は比較例1(電池E)と同等であるが、それ以外の実施例(電池A、B、D)は比較例1(電池E)より優れた結果が得られている。
上記実施形態では、本発明をニッケル水素蓄電池に適用した例についてのみ説明したが、本発明はニッケル−カドミウム電池、リチウムイオン電池などの角形電池でも同様の結果を得ることができることを確認している。
本発明の二次電池によれば、集電板を折曲成形して極板集電部に対する接合部を設けているので集電板の通電抵抗を小さくかつ低コスト化を図ることができ、さらにその接合部を極板集電部に食い込ませて溶融接合しているため集電板と極板集電部を小さい接合抵抗で接合できるので、内部抵抗の小さい二次電池を安価に提供でき、各種二次電池、特に高出力・高性能を要請される駆動電源用の二次電池に有効に利用できる。
本発明の第1の実施形態の二次電池における極板群と集電板の接合状態を示す正面図。 図1の要部構成を示し、(a)は接合直前状態を示す正面図、(b)は接合後の正面図、(c)、(d)はそれぞれ(a)、(b)の要部斜視図。 同実施形態の変形構成例の要部構成を示し、(a)は接合直前状態を示す正面図、(b)は接合後の正面図、(c)、(d)はそれぞれ(a)、(b)の要部斜視図。 本発明の第2の実施形態の要部構成を示し、(a)は接合直前状態を示す正面図、(b)は変形構成例の接合直前状態を示す正面図、(c)、(d)はそれぞれ(a)、(b)の要部斜視図。 同実施形態の他の変形構成例の要部構成を示し、(a)、(b)はそれぞれ接合直前状態を示す正面図。 本発明の第3の実施形態の要部構成を示し、(a)は接合直前状態を示す正面図、(b)は接合後の正面図。 従来例の二次電池における極板群と集電板を示し、(a)は正面図、(b)は(a)のA−A矢視横断平面図。 同従来例における極板群と集電板の接合工程を示し、(a)は斜視図、(b)は(a)の要部縦断面図。 他の従来例の二次電池における集電板を示し、(a)は斜視図、(b)は(a)のB部拡大図。
符号の説明
1 極板群
5、6 極板集電部
11、12 集電板
13 接合部
14 凹部
15 溶融部
17 尖り部
18 薄肉部
19 V字折曲部(接合部)
20 レーザービーム

Claims (16)

  1. セパレータを介して正負の極板を交互にかつ正負の極板集電部を互いに異なる側縁から突出させて積層された極板群と、両極板集電部に接合された集電板とを備えた二次電池において、集電板に、集電板を構成する金属板の適所を断面山形状に折曲して突出成形した接合部を設け、接合部を極板集電部の端縁部に食い込ませて相互に接合したことを特徴とする二次電池。
  2. 極板集電部における集電板の接合部が接合される部位に、接合部の先端が係合する凹部を接合前に形成したことを特徴とする請求項1記載の二次電池。
  3. 接合部の板厚は、接合部以外の金属板の板厚の1/3以上であることを特徴とする請求項1又は2記載の二次電池。
  4. 接合部の先端を尖らせたことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の二次電池。
  5. 接合部の断面山形状の立ち上がり部の内面同士を接触させたことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の二次電池。
  6. 接合部と極板集電部とを抵抗溶接したことを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の二次電池。
  7. セパレータを介して正負の極板を交互にかつ正負の極板集電部を互いに異なる側縁から突出させて積層して極板群を構成する工程と、極板群の両極板集電部に集電板を接合する工程を有する二次電池の製造方法において、金属板の適所を断面山形状に折曲して突出成形した接合部を有する集電板を極板集電部に押し付け、接合部を極板集電部の端縁部に食い込ませる工程と、集電板を押し付けた状態で接合部と極板集電部の接触部及びその近傍を溶融させて接合する工程とを有することを特徴とする二次電池の製造方法。
  8. 極板集電部における集電板の接合部が接合される部位には、接合前に接合部の先端が係合する凹部を形成しておくことを特徴とする請求項7記載の二次電池の製造方法。
  9. 接合部の先端を尖らせておくことを特徴とする請求項7又は8記載の二次電池の製造方法。
  10. 接合部は、その断面山形状の立ち上がり部の内面同士が互いに接触した形状に形成することを特徴とする請求項7〜9の何れかに記載の二次電池の製造方法。
  11. 集電板の異なる接合部の背面に溶接電極を押し当てて溶接電流を流し、接合部と極板集電部の接触部を抵抗溶接することを特徴とする請求項7〜10の何れかに記載の二次電池の製造方法。
  12. 集電板の接合部の背面側からレーザー光や電子ビームを照射して接合部の先端と極板集電部を加熱溶融して接合することを特徴とする請求項7〜9の何れかに記載の二次電池の製造方法。
  13. セパレータを介して正負の極板を交互にかつ正負の極板集電部を互いに異なる側縁から突出させて積層された極板群における極板集電部に接合する二次電池用集電板であって、集電板を構成する金属板の適所を断面山形状に折曲して極板集電部に対する接合部を突出成形したことを特徴とする二次電池用集電板。
  14. 接合部の板厚を、接合部以外の金属板の板厚の1/3以上としたことを特徴とする請求項13記載の二次電池用集電板。
  15. 接合部の先端を尖らせたことを特徴とする請求項13又は14記載の二次電池用集電板。
  16. 接合部は、その断面山形状の立ち上がり部の内面同士が互いに接触した形状であることを特徴とする請求項13〜15の何れかに記載の二次電池用集電板。
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