JP2008060407A

JP2008060407A - 蓄電素子

Info

Publication number: JP2008060407A
Application number: JP2006236701A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Miwa; 俊之美和; Yasuyuki Katsube; 恭行勝部; Shinichi Ueki; 伸一植木; Takushi Ogawa; 琢司小川
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2008-03-13

Abstract

【課題】平板型の積層電極体の側方へ延出された集電リード部が外部リード端子に超音波溶接されている構造の蓄電素子において、振動が常時加わるような使用環境においても高い信頼性を維持できるようにする。
【解決手段】平板型積層電極体２０の側方へ延出された複数の集電リード部が外部リード端子に超音波溶接により機械的および電気的に接続されている蓄電素子において、上記集電リード部と上記外部リード端子間を複数回の超音波溶接で接続するとともに、その複数回の溶接個所を部分的に重ね合わせる。
【選択図】図２

Description

本発明は、シート状の正極と負極とがセパレータを介して交互に積層された平板型の積層電極体を用いた蓄電素子に関し、とくに、各電極の集電体からそれぞれに延出された集電リード部が外部リード端子に超音波溶接されている構造のものに適用して有効である。

たとえば、風力発電や太陽電池等における負荷平準化、瞬低・停電対策、自動車等におけるエネルギー回生などに使用するため、大きな電気エネルギーの急速充放電が可能な蓄電素子が要求されている。

この種の蓄電素子の構造としては、平板シート状の正極と負極を、セパレータを介して交互に積層してなる平板型の積層電極体を用いた蓄電素子が従来から提案されている（たとえば特許文献１参照）。

この種の蓄電素子の充放電使用を安定に行わせるため、本発明者らは、図３および図４に示すような構成を有する蓄電素子を検討した。この蓄電素子は、まず、図３に示すように、金属箔集電体２１２に正極物質２１１が添着されたシート状正極２１と、金属箔集電体２３２に負極物質２３１が添着されたシート状負極２３を、セパレータ２２を介して交互に積層することにより平板型の積層電極体２０を形成する。この電極体２０の側方には、正極２１および負極２３の各集電体２１２，２３２からそれぞれに延出されてなる集電リード部２１３，２３３が張り出している。

上記集電リード部２１３，２３３は、図４の（ａ）（ｂ）に示すように、極性別に集合されて正極および負極の外部リード端子３１，３３に超音波溶接される。この超音波による溶接個所４０１にて集電リード部２１３，２３３と外部リード端子３１，３３が機械的および電気的に接続されている。外部リード端子３１，３３が接続された電極体２０は素子容器１１に電解液とともに密閉収容される。

素子容器１１はアルミニウム・ラミネートフィルム等の気密性軟包装材１２を用いたソフト容器であって、その外形状は電極体２０の外形状にほぼ追従する。この素子容器１１は、軟包装材１２の縁辺部を重ね合わせて熱融着することにより密閉封止される。この熱融着による封着部１３に上記外部リード端子３１，３３の中間部を挟み込むことにより、素子容器１１の密閉状態を保ちながら正極および負極の外部端子を取り出すことができる。

上記蓄電素子は、各電極２１，２３の集電体２１２，２３２からそれぞれに延出された集電リード部２１３，２３３を集合して外部リード端子３１，３３に溶接接続することにより、大きな充放電電流を得ることを可能にしている。
特開２００５−１４９８８２

上記蓄電素子では、電極体２０の側方へ出ている複数の集電リード部２１３，２３３が重ね合わされた集合状態で外部リード端子３１，３３に超音波溶接されているが、上記蓄電素子を振動が常時加わるような環境で使用し続けると、その溶接個所４０１に剥離のような不具合が起きやすいことが判明した。

この不具合を解決するための手段として、溶接面積を大きくする、または溶接条件を強くするという２つの方法がある。溶接面積を大きくするには、溶接ヘッドを大きくしヘッドを加圧する圧力を大きくしなければならず、製造設備の大幅な変更が必要になってしまう。また、溶接条件（超音波出力）を強く設定すると、溶接部に近い部分の正極物質２１１または負極物質２３１が剥離してしまうことが判明した。このように、単純な溶接面積の増大や溶接条件の強化では、振動が常時加わるような使用環境おいて蓄電素子の信頼性が低下してしまうのを防ぐことができなかった。

本発明は以上のような問題を解決するものであって、その目的は、振動が常時加わるような使用環境においても高い信頼性を維持できる蓄電素子を提供することにある。

本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。

本発明が提供する解決手段は以下のとおりである。
（１）金属製集電体に正極物質が添着されたシート状正極と、金属製集電体に負極物質が添着されたシート状負極を、セパレータを介して積層することにより平板型の積層電極体を形成するとともに、各負極の集電体および各正極の集電体をそれぞれ上記電極体の側方へ延出させて集電リード部を形成し、この集電リード部を極性別に集合させて正極および負極の外部リード端子にそれぞれ超音波溶接により機械的および電気的に接続した蓄電素子において、上記集電リード部と上記外部リード端子間を複数回の超音波溶接によって接続するとともに、その複数回の溶接個所を部分的に重ね合わせたことを特徴とする蓄電素子。
（２）上記手段（１）において、上記複数回の溶接個所によって形成される溶接面積が、上記集電リード部と上記外部リード端子との重なり部分の面積の１０％以上であることを特徴とする蓄電素子。

振動が常時加わるような使用環境においても高い信頼性を維持できる蓄電素子を提供することができる。

上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。

図１は、本発明の一実施形態をなす蓄電素子の概要を平面図および断面図によって示したものである。図２は、本発明の一実施形態をなす蓄電素子の要部を拡大平面図によって示したものである。また、図３は、図１および図２に示した蓄電素子に用いる電極体の構成を示したものである。

まず、本発明の実施形態で用いる電極体２０は、図３に示すように、平板シート状の正極２１と、平板シート状の負極２３を、セパレータ２２を介して交互に積層することにより形成される。

シート状正極２１は、リチウムイオンもしくは電解質アニオンを可逆的に担持可能な物質２１１が、金属箔からなる集電体２１２の両面に、塗布等により層状に添着されて作製されている。同様に、シート状負極２３は、電解質カチオンであるリチウムイオンの吸蔵・放出が可能な物質２３１が、金属箔からなるシート状集電体２３２の両面に、塗布等により層状に添着されて作製されている。

電極体２０の側方には、正極２１および負極２３の各集電体２１２，２３２から延出されてなる集電リード部２１３，２３３が水平に張り出している。

上記集電リード部２１３，２３３は、図１の（ａ）（ｂ）に示すように、極性別に集合されて正極および負極の外部リード端子３１，３３に溶接接続される。４０はその溶接個所であって、複数回の超音波溶接により形成される。外部リード端子３１，３３が接続された電極体２０は、素子容器１１に電解液とともに密閉収容される。電解液にはリチウム塩を含む非水電解液が使用される。

素子容器１１はアルミニウム・ラミネートフィルム等の気密性軟包装材１２を用いたソフト容器であって、その外形状は電極体２０の外形状にほぼ追従する。この素子容器１１は、軟包装材１２の縁辺部を重ね合わせて熱融着することにより密閉封止される。この熱融着による封着部１３に上記外部リード端子３１，３３の中間部を挟み込むことにより、素子容器１１の密閉状態を保ちながら正極および負極の外部端子を取り出すようにしている。

上記集電リード部２１３，２３３は極性別に集合され、その集合部分が正極および負極の外部リード端子３１，３３にそれぞれ超音波溶接されている。集電リード部２１３，２３３と外部リード端子３１，３３は、その超音波による溶接個所４０にて機械的および電気的に接続されているのであるが、その溶接個所４０は単一の溶接ではなく、図２に拡大して示すように、複数回（３回）の超音波溶接によって形成されている。これとともに、その複数回の溶接個所４１と４２が部分的に重ね合わせられている。

このため、集電リード部２１３，２３３と外部リード端子３１，３３は、複数の溶接個所４１，４２と、その溶接個所４１と４２の重なり部分いわゆる多重溶接個所４３とによって接続されている。つまり、性質の異なる２種類の溶接個所４１，４２と４３によって、集電リード部２１３，２３３と外部リード端子３１，３３が機械的および電気的に接続されている。このような複合的な溶接により、集電リード部２１３，２３３と外部リード端子３１，３３間の接続強度が格段に高められ、振動が常時加わるような使用環境においても、集電リード部の剥離が発生することなく、機械的および電気的に非常に安定した接続状態を再現性良く得ることができるようになった。また、生産歩留まりも大幅に向上させることができるようになった。したがって、振動が常時加わるような使用環境においても高い信頼性を維持させることができる。

この場合、複数回の溶接個所４１，４２によって形成される複合溶接個所４０の溶接面積は、集電リード部２１３，２３３と外部リード端子３１，３３の重なり面積の１０％以上とすることが、とくに望ましい。これにより、機械的および電気的な接続をさらに強化させて、振動が常時加わるような使用環境での接続の安定性をさらに大幅に高めることができる。

以下、本発明の具体的実施例を示す。

（実施例１）
金属箔集電体の両面に正極物質を添着したシート状正極、セパレータ、金属箔集電体の両面に負極物質を添着したシート状負極を交互に積層して平板型の積層電極体を作製した。

次に、正極の集電体から電極体の側方へ延出されている複数の集電リード部を集合し、この集合部分を正極の外部リード端子に重ね合わせて超音波溶接した。この超音波溶接は、集電リード部と外部リード端子との重なり部分の１０％の面積部分に２回に分けて行うとともに、１回目の溶接個所と２回目の溶接個所を部分的に重ね合わせた。

同様に、負極の集電体から電極体の側方へ延出されている複数の集電リード部を集合し、この集合部分を負極の外部リード端子に重ね合わせて超音波溶接した。この超音波溶接も、集電リード部と外部リード端子との重なり部分の１０％の面積部分に２回に分けて行うとともに、１回目の溶接個所と２回目の溶接個所を部分的に重ね合わせた。

このようにして外部リード端子を接続した電極体をアルミニウム・ラミネートフィルムからなるソフト容器に収容する。そして、電解液を注液した後、真空封止することにより蓄電素子を作製した。

（実施例２）
実施例１と同じく作製した電極体を使用し、正極側および負極側の両方共に、集電リード部と外部リード端子との重なり部分の１１％の面積部分に超音波溶接を２回に分けて行うとともに、１回目の溶接個所と２回目の溶接個所を部分的に重ね合わせた。

このようにして外部リード端子を接続した電極体を実施例１と同じく、アルミニウム・ラミネートフィルムからなるソフト容器に収容し、電解液を注液して真空封止することにより蓄電素子を作製した。

（実施例３）
実施例１と同じく作製した電極体を使用し、正極側および負極側の両方共に、集電リード部と外部リード端子との重なり部分の５０％の面積部分に超音波溶接を３回に分けて行うとともに、１回目と２回目の溶接個所、および２回目と３回目の溶接個所をそれぞれ部分的に重ね合わせた。

（実施例４）
実施例１と同じく作製した電極体を使用し、正極側および負極側の両方共に、集電リード部と外部リード端子との重なり部分の９％の面積部分に超音波溶接を２回に分けて行うとともに、１回目の溶接個所と２回目の溶接個所を部分的に重ね合わせた。

（比較例１）
実施例１と同じく作製した電極体を使用し、正極側および負極側の両方共に、集電リード部と外部リード端子との重なり部分の５％の面積部分に超音波溶接を１回だけ行った。

このようにして外部リード端子を接続した電極体を実施例１と同じく、アルミニウム・ラミネートフィルムに収容し、電解液を注液して真空封止することにより蓄電素子を作製した。

（比較例２）
実施例１と同じく作製した電極体を使用し、正極側および負極側の両方共に、集電リード部と外部リード端子との重なり部分の９％の面積部分に超音波溶接を２回に分けて行ったが、１回目の溶接個所と２回目の溶接個所は重ならないよう互いに離した。

実施例１〜４および比較例１，２の蓄電素子についてそれぞれ、製造工程中における溶接個所の剥離状態と、振動試験による溶接個所の剥離状態を調べた。その結果、比較例１のものは、製造工程中に溶接個所の剥離を生じることがあった。また、比較例２のものは、製造工程中での溶接個所の剥離はなかったが、振動試験では高い頻度で溶接個所の剥離が生じた。一方、実施例１〜３のものは、製造工程および振動試験のどちらにおいても、溶接個所の剥離は皆無であった。実施例４のものは、低頻度ではあるが、振動試験で溶接個所の剥離の兆しを認めた。しかし、使用不能にまでは至らなかった。

本発明の一実施形態をなす蓄電素子の概要を示す平面図および断面図である。本発明の一実施形態をなす蓄電素子の要部を示す拡大平面図である。図１および図２に示した蓄電素子に用いる電極体の構成を示す平面図、斜視図、および部分断面図である。従来の蓄電素子の構成を示す平面図および断面図である。

符号の説明

１１素子容器
１２軟包装材
１３封着部
２０電極体
２１シート状正極
２１１正極物質
２１２集電体（正極）
２１３集電リード部（正極）
２２セパレータ
２３シート状負極
２３１負極物質
２３２集電体（負極）
２３３集電リード部（負極）
３１外部リード端子（正極）
３３外部リード端子（負極）
４０溶接個所（多重）
４１，４２溶接個所
４３溶接個所の重なり部分
４０１溶接個所（単一）

Claims

金属製集電体に正極物質が添着されたシート状正極と、金属製集電体に負極物質が添着されたシート状負極を、セパレータを介して積層することにより平板型の積層電極体を形成するとともに、各負極の集電体および各正極の集電体をそれぞれ上記電極体の側方へ延出させて集電リード部を形成し、この集電リード部を極性別に集合させて正極および負極の外部リード端子にそれぞれ超音波溶接により機械的および電気的に接続した蓄電素子において、上記集電リード部と上記外部リード端子間を複数回の超音波溶接によって接続するとともに、その複数回の溶接個所を部分的に重ね合わせたことを特徴とする蓄電素子。
請求項１において、上記複数回の溶接個所によって形成される溶接面積が、上記集電リード部と上記外部リード端子との重なり部分の面積の１０％以上であることを特徴とする蓄電素子。