JP2009117345A

JP2009117345A - 組電池

Info

Publication number: JP2009117345A
Application number: JP2008226166A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fukunaga; 浩福永; Tetsuo Itsu; 哲夫伊津
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Holdings Ltd
Priority date: 2007-10-17
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2009-05-28

Abstract

【課題】単電池同士の接続が良好な組電池を提供する。
【解決手段】複数の単電池から構成される組電池であって、Ｃｕ合金からなる基材の表面にＳｎおよびＮｉの少なくとも一方の金属を有するメッキ層が形成されてなる接続端子によって、前記単電池同士が接続されてなることを特徴とする組電池により、前記課題を解決する。接続端子の基材を構成するＣｕ合金は、Ｎｉ、ＳｎおよびＺｎよりなる群から選択される少なくとも１種の元素を含有していることが好ましく、メッキ層の厚みは１〜５μｍであることが好ましく、接続端子の総厚みは０．１〜０．３ｍｍであることが好ましい。
【選択図】図４

Description

本発明は、単電池を複数個用いて構成されてなり、電動工具用の電源用途などの高出力用途に好適な組電池に関するものである。

近年、電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として、小形・軽量で、且つ高容量、高電圧、高出力を有する二次電池への要望が高い。こうした事情の下、非水電解質系の二次電池、特にリチウムイオン二次電池は、高エネルギー密度、高出力を有する電池であることから、その活用が期待されている。

とりわけ、電動工具やハイブリッド自動車のような電源には、高出力が必要とされており、このような用途には、電池を複数本用いて組電池（電池パック）化し、１０〜１００Ｖ以上の高電圧を得ることが行われている。

ところで、電動工具やハイブリッド自動車の電源のように高出力用途に適用される組電池では、大きな出力を得るために、組電池の抵抗から生じる電圧低下（ＩＲ損出）を極力抑えることが求められている。これは、組電池の電圧低下が大きいと出力が低下するためである。

組電池の抵抗は、単電池抵抗、単電池同士を接続するための接続端子の抵抗、および接続端子と単電池との溶接箇所の抵抗の総和となる。よって、例えば、単電池同士を接続する接続端子の抵抗を抑えることが、組電池の高出力化を図る手段の一つとして挙げられる。また、接続端子と単電池との溶接が不十分であると、大電流で放電した際に、部分的に赤熱を生じることもあるため、かかる溶接を良好に行い得ることも重視される。

従来の組電池において、単電池同士を繋ぐための接続端子には、厚みが０．１〜０．５ｍｍ程度の、主にＮｉを主成分とした金属端子が用いられており、組電池を構成する際には、前記のような接続端子を、例えば電池の缶底と缶の上部（正極キャップ）とに抵抗溶接することが一般的である。

ところが、Ｎｉ製の接続端子を用いて抵抗溶接法により組電池を構成しようとすると、接続端子と単電池との溶接強度が不足するという問題がある。

このようなことから、例えば、特許文献１には、Ｎｉ−Ｓｎ合金層を有する電池用リード体が提案されており、これを、単電池同士を繋ぐための接続端子に用いることで、その溶接強度を高めている。

ところで、特許文献１に開示の電池用リード体では、その基材に例えば低炭素鋼を使用している。しかし、低炭素鋼のような鉄鋼材料からなる基材にメッキを施した接続端子では、溶接部分の表面に鉄がむき出しになり、かかる部分で早期に錆が発生して、特に民生用で用いられる電動工具などでは外観不良となる虞がある。

また、特許文献２では、電池などの内部と外部とを電気的に接続するための電極リード用部材として、純Ｎｉおよび／またはＮｉを主成分とする合金からなるＮｉ層の間に、純ＣｕまたはＣｕを主成分とする合金からなるＣｕ層を有するクラッド材からなる部材を提案している。特許文献２に開示の電極リード用部材は組電池を構成するための部材ではないが、かかる電極リード用部材を単電池同士を接続するための接続端子に応用することも考えられ、これによれば、前記の錆による外観不良の問題を回避できる。

しかしながら、ＮｉまたはＮｉ合金と、ＣｕまたはＣｕ合金とのクラッド材では、電池との溶接性の面で不十分である。

特開平１１−２６５７０１号公報特開２００４−６３１３２号公報

特に組電池の主要な用途として挙げられる電動工具やハイブリッド自動車では、装置自体が振動などすることから、これらに適用される組電池にも、振動などを受けても単電池間の接続が良好に維持でき、このような状況下でも高出力が得られることが要求される。そのため、単電池同士を接続するための接続端子と、単電池との溶接性を高めることが求められる。

本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、単電池同士の接続が良好な組電池を提供することにある。

前記目的を達成し得た本発明の組電池は、複数の単電池から構成されるものであって、Ｃｕ合金からなる基材の表面にＳｎおよびＮｉの少なくとも一方の金属を有するメッキ層が形成されてなる接続端子によって、前記単電池同士が接続されてなることを特徴とするものである。

本発明によれば、単電池同士の接続が良好であり、振動などを受けても高出力が得られる組電池を提供することができる。

本発明の組電池では、複数の単電池を直列、並列または直並列に接続してなるものであり、単電池同士を接続するに当たり、Ｃｕ合金からなる基材の表面に、ＳｎおよびＮｉの少なくとも一方の金属を有するメッキ層が形成されてなる接続端子を使用する。

本発明に係る接続端子の一例を図１および図２に模式的に示す。図１は平面図であり、図２は断面図である。接続端子１は、Ｃｕ合金からなる基材１ａの表面に、ＳｎおよびＮｉの少なくとも一方の金属を有するメッキ層１ｂが形成されている。

接続端子における前記のメッキ層は、接続端子と単電池とを抵抗溶接する場合に、溶接部分の接触抵抗を高くする作用があり、これにより効率的に局所を溶解させることができるため、強固で十分な溶接が可能となる。

しかし、前記のメッキ層が厚すぎると、溶接時の電流が溶接側に流れ難くなるため、その溶接性が低下し、十分な溶接強度が確保できない。例えば、前記の特許文献２に開示されているような、ＮｉまたはＮｉ合金からなる層の間にＣｕまたはＣｕ合金からなる層を有するクラッド材においても、ＮｉまたはＮｉ合金からなる層が抵抗溶接時の溶接部分の接触抵抗を高くする作用を有するが、クラッド材の場合には、その製法上ＮｉまたはＮｉ合金からなる層を薄くし難いことから、溶接性に劣る。

そこで、本発明では、接続端子の表面におけるＳｎおよびＮｉの少なくとも一方の金属を有する層をメッキ層とすることで、抵抗溶接時の接触抵抗を高めるための層（前記メッキ層）を薄くできるようにして良好な溶接性の確保を可能とし、振動などを受けても単電池間の電気的接続を良好に維持できるようにしている。また、クラッド材は製造コストが高く、接続端子の生産性向上、ひいては組電池の生産性向上の阻害要因となるが、本発明ではメッキ層を有する接続端子を使用することにより、接続端子の低コスト化を図り、接続端子の生産性、ひいては組電池の生産性を高めることもできる。

接続端子に係るメッキ層は、ＳｎおよびＮｉのいずれか一方の金属を少なくとも有していればよく、Ｓｎメッキ層、Ｎｉメッキ層の他、Ｓｎ−Ｎｉ合金メッキ層であってもよい。

メッキ層の厚みは、薄くすることで、より良好な溶接性を確保する観点から、５μｍ以下であることが好ましく、４μｍ以下であることがより好ましい。ただし、メッキ層が薄すぎると、メッキ層を設けることによる溶接性向上効果が小さくなる虞があることから、メッキ層の厚みは、１μｍ以上であることが好ましく、２μｍ以上であることがより好ましい。

また、接続端子は、Ｃｕ合金を基材とする。Ｃｕは伸延性に優れており加工性がよく、更に、導電性が他の金属より優れていることから、半導体分野を始め、集積回路の基板など、様々な分野で幅広く利用されている。

ところで、前記の通り、電動工具などの電源に用いられる組電池には、工具の輸送時や使用時に発生する振動に耐え得るだけの強度が要求される。よって、組電池における単電池同士を繋ぐための接続端子には、溶接性のみならず、強度面でも振動などを加味した特性が求められるが、Ｃｕ（純Ｃｕ）を基材とすると、十分な強度が確保できない。そこで、本発明では、接続端子の基材をＣｕ合金とすることで、その強度を高めている。

接続端子の基材を構成するＣｕ合金は、Ｎｉ、ＳｎおよびＺｎよりなる群から選択される少なくとも１種の元素を含有していることが好ましい。

Ｃｕ合金におけるＮｉ量は、多すぎると導電性が低下するため、３質量％以下であることが好ましく、２．５質量％以下であることがより好ましい。なお、Ｃｕ合金におけるＮｉ添加による効果（強度向上効果）をより確実に確保するには、Ｃｕ合金におけるＮｉ量は、０．５質量％以上であることが好ましい。

また、Ｃｕ合金におけるＳｎ量は、多いほどＣｕ合金の強度が向上するが、多すぎると振動を受けた場合などのように振幅が伴う荷重に対して脆くなる虞があるため、２質量％以下であることが好ましく、０．１５質量％以下であることがより好ましい。なお、Ｃｕ合金におけるＳｎ添加による効果（強度向上効果）をより確実に確保するには、Ｃｕ合金におけるＳｎ量は、０．０５質量％以上であることが好ましい。

更に、Ｃｕ合金にＺｎを含有させることで熱伝導度が高くなり、溶接性が向上するが、Ｚｎ量が多すぎると、熱伝導度が高くなりすぎて溶接点から熱が散逸しやすくなり、却って溶接性が低下することがあるため、Ｃｕ合金におけるＺｎ量は、１質量％以下であることが好ましく、０．５質量％以下であることがより好ましい。なお、Ｃｕ合金におけるＺｎ添加による効果（特に溶接性向上効果）をより確実に確保するには、Ｃｕ合金におけるＺｎ量は、０．１質量％以上であることが好ましい。

また、接続端子の基材を構成するＣｕ合金におけるＣｕ量は、９４〜９７質量％であることが好ましい。

接続端子の総厚み（基材の厚みとメッキ層の厚みとの合計）は、接続端子の抵抗を低くする観点から、０．１ｍｍ以上であることが好ましく、０．１５ｍｍ以上であることがより好ましい。ただし、接続端子が厚すぎると、溶接時に流す電流が大きくなり、より大きな熱量が必要となるため、溶接の対象物である接続端子や単電池が熱影響を受けて劣化する虞がある。そのため、接続端子の総厚みは、０．３ｍｍ以下であることが好ましく、０．２５ｍｍ以下であることがより好ましい。

次に、組電池を構成する単電池について説明する。図３は、筒形の単電池２の一例を示す模式図であり、（ａ）は正極キャップ３を上側に示した図、（ｂ）は負極缶の缶底４を上側に示した図である。単電池２の内部には、例えば、負極と正極とがセパレータを介して巻回されてなる巻回電極体および電解質が収容されている。そして、単電池２の内部において、正極に設けられている正極端子が正極キャップ１に接続され、負極に設けられている負極端子が負極缶２に接続されている。

なお、図３では、組電池を構成する単電池として円筒形の電池を示したが、本発明の組電池に係る単電池は、角形（角筒形）や扁平形（例えば、ラミネートフィルム外装体を用いたもの）などの形状の電池であってもよい。

組電池を構成する単電池としては、より高出力を得ることができる点で、非水電解質二次電池（リチウムイオン二次電池）が好ましい。以下、単電池として使用される非水電解質二次電池には特に制限はなく、従来公知の非水電解質二次電池が使用可能であるが、以下にその具体例について説明する。

負極は、例えば、負極活物質、導電助剤、およびポリフッ化ビニリデンやポリテトラフルオロエチレンなどのバインダを、溶剤でペースト状やスラリー状にしたものを、負極集電体上に塗布し乾燥して、３０〜３００μｍ厚の負極活物質含有塗膜を形成することにより作製される。前記負極活物質としては、特に限定はされないが、リチウムイオンをドープ、脱ドープ可能な黒鉛類、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類などの炭素材を使用するのが好ましく、前記負極集電体には、５〜６０μｍ厚の銅箔を用いるのが好適である。

正極も、例えば負極と同様にして作製されるが、正極活物質としては、例えば、ＬｉＣｏＯ_２などのリチウムコバルト酸化物、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４などのリチウムマンガン酸化物、ＬｉＮｉＯ_２などのリチウムニッケル酸化物で例示されるリチウム複合酸化物が好適に用いられる。これら活物質のＣｏ、ＭｎまたはＮｉは、それぞれ他の元素で置換されていてもよく、また、複数の活物質を併用してもよい。また、正極集電体としては、５〜６０μｍ厚のアルミニウム箔が好適である。

正極と負極との間には、セパレータを介在させる。セパレータの材質は、特に制限はなく、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンとポリプロピレンの融合体、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートなどが挙げられる。また、セパレータは、透気度が６００（ｓ／１００ｍｌ）以下で、厚みが５〜５０μｍであり、空孔率が３０〜８０％であるものが好ましい。特に、透気度は３００（ｓ／１００ｍｌ）以下であるものがより好ましく、セパレータ厚みは３０μｍ以下であるものがより好ましく、空孔率は４５〜７０％であるものがより好ましい。

非水電解質としては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネートなどの有機溶媒に、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３などの溶質を溶解した溶液、またはこれらの溶液に樹脂や架橋剤を混合して、ゲル状化もしくは固形化させたものを用いることができる。

図４に本発明の組電池の一例を模式的に示している。図４の組電池は、隣り合う単電池２の正極外部端子（正極キャップ）と負極外部端子（負極缶の缶底）とを接続端子１によって接続することで、５個の単電池を直列に接続した例である。本発明の組電池には、図４に示すように複数の単電池を直列に接続したものの他、前記の通り、並列や直並列に接続したものも含まれる。組電池を構成する単電池の個数は２以上であれば特に制限はなく、組電池を適用する用途に応じて必要とされる特性を確保できるような個数とすればよい。

接続端子と単電池との接続は溶接より行うが、本発明に係る接続端子は抵抗溶接法を採用する場合にその効果が顕著であることから、接続端子と単電池との接続は抵抗溶接法により行うことが好ましい。

なお、これまで、図１から図４を用いて本発明を説明したが、図１から図４は本発明の構成の一例を示すものであり、本発明はこれらの図面に示したものに限定される訳ではない。また、図１から図４は、本発明の構成の理解を容易にするためのものであり、各構成要素のサイズなどは必ずしも正確ではない。

本発明の組電池は、単電池同士の接続が良好で、高出力を得ることができるものであることから、こうした特性を生かして、電動工具やハイブリッド自動車の電源用途を始めとして、高出力が要求され、また、振動などに対する耐性の要求される用途に好ましく用いることができる。

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。
実施例１〜６および比較例１
実施例１〜６の組電池の接続端子には、図１に示す形状で、表１に示す組成および物性を有するＣｕ合金よりなる接続端子用基材を使用した。また、比較例１の組電池の接続端子には、純Ｃｕよりなる接続端子用基材を使用した。なお、接続端子には、図１に示すように幅０．５ｍｍ、長さ８ｍｍのスリットを２箇所に設けている。

なお、表１中、導電率は比較例の純Ｃｕの導電率を１００としたときの相対値であり、硬さは、ビッカース硬度（Ｈｖ）である。更に、表１に示す基材の添加元素以外の構成元素は、Ｃｕおよび不可避不純物である。

表１に示す基材に、表２に示す構成のメッキ層（厚み２μｍ）を形成して、実施例１〜６および比較例１に係る組電池の接続端子を得た。各接続端子の総厚みを表２に併記している。なお、比較例１の接続端子用基材にはメッキ層を形成せず、そのまま接続端子として用いた。

筒形の非水電解質二次電池（サイズ１８６５０）を各実施例、比較例毎に５本ずつ用意し、それぞれ、表２に示した接続端子を用い、抵抗溶接によって図４に示すように直列に繋いで、実施例１〜６および比較例１の組電池を作製した。得られた組電池は、いずれも公称１８Ｖ、１．５Ａｈである。

実施例１〜６および比較例１の組電池について、接続端子の引き剥がし強度測定、抵抗測定、振動試験、および落下試験を行った。結果を表３に示す。

＜接続端子の引き剥がし強度測定＞
引張試験機（今田製作所製「ＳＶＦ−５００Ｎ−ＳＨ」）を使用し、組電池における正極キャップ部分の接続端子、および負極缶底部分の接続端子をつかんで、１０ｍｍ／分の速度で試験を行い、はがれた時の最大荷重を引き剥がし強度とした。

＜抵抗測定＞
ＨＩＯＫＩ製「３５６０ＨＩＴＥＳＴＥＲ」を用いて４端子法により測定した。

＜振動試験＞
実施例１〜６および比較例１の組電池について、固定した状態で、７Ｈｚ−２００Ｈｚ−７Ｈｚ（合計１５分）の条件で、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の三方向に振動させる一連の操作を合計１２回行った。前記の試験後に各組電池の電圧および抵抗を測定し、試験前から電圧および抵抗の変化がなかったものを「良好」、試験前から電圧または抵抗の変化があったものを「×」とした。組電池の電圧および抵抗は、前記の抵抗測定と同様にして行った。

＜落下試験＞
実施例１〜６および比較例１の組電池を、コンクリートの床に高さ１ｍの位置から自然落下させた。その後、各組電池の電圧および抵抗を測定し、試験前から電圧および抵抗の変化がなかったものを「良好」、試験前から電圧または抵抗の変化があったものを「×」とした。組電池の電圧および抵抗は、前記の抵抗測定と同様にして行った。

表３から明らかなように、実施例１〜６の組電池は、比較例１の組電池に比べて、接続端子の引き剥がし強度が大きい。また、実施例１〜６の組電池は、比較例１の組電池に比べて抵抗が低く、高出力であるといえる。更に、実施例１〜６の組電池は、比較例１の電池とは異なり、振動試験および落下試験を経ても電圧および抵抗の変化が見られない。これらのことから、実施例１〜６の組電池は、単電池同士の接続が良好であり、振動などを受ける用途に適用しても、高出力を得ることが可能であるといえる。

本発明に係る接続端子の一例を示す平面模式図である。本発明に係る接続端子の一例を示す断面模式図である。本発明の組電池を構成し得る単電池の一例を示す模式図である。本発明の組電池の一例を示す模式図である。

符号の説明

１接続端子
１ａ基材
１ｂメッキ層
２単電池

Claims

複数の単電池から構成される組電池であって、
Ｃｕ合金からなる基材の表面にＳｎおよびＮｉの少なくとも一方の金属を有するメッキ層が形成されてなる接続端子によって、前記単電池同士が接続されてなることを特徴とする組電池。
接続端子の基材であるＣｕ合金が、Ｎｉ、ＳｎおよびＺｎよりなる群から選択される少なくとも１種の元素を含有している請求項１に記載の組電池。
接続端子の基材であるＣｕ合金におけるＮｉ、ＳｎおよびＺｎの含有量が、Ｎｉ：３質量％以下、Ｓｎ：２質量％以下、Ｚｎ：１質量％以下である請求項２に記載の組電池。
接続端子におけるメッキ層の厚みが１〜５μｍである請求項１〜３のいずれかに記載の組電池。
接続端子の厚みが０．１〜０．３ｍｍである請求項１〜４のいずれかに記載の組電池。