JP2011076840A - 二次電池および二次電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】集電板と端子とを着実に密着させることができ、安定した溶接が可能な二次電池の提供。
【解決手段】扁平形状の発電要素群５が収納される容器１は、貫通孔１Ｂが形成された底部１Ａと、底部１Ａの対向領域の全域が開口している浅底で扁平な有底筒状を成している。底部１Ａの外表面側には絶縁シール部材３を介して貫通孔１Ｂを封止する端子２が固定されている。端子２の一部は、貫通孔１Ｂから容器内に窪んだ凸状部２Ａを形成し、その頂部２Ｂは容器内に突出している。容器１Ａに収納される発電要素群５の集電部８Ａには、集電板７が設けられており、集電板７は容器１の凸状部２Ａの頂部２Ｂに溶接される。底部１Ａの対向領域は全域が開口しているため、集電板７と頂部２Ｂとを溶接する際に、開口側と底部外側とから金属ブロック１０，１１を押し当てて、集電板７と頂部２Ｂとを確実に密着させることが可能である。
【選択図】図９

Description

本発明は、二次電池、および二次電池の製造方法に関する。

近年、地球環境問題から燃料電池や二次電池を動力源とする電気自動車やハイブリッド自動車に期待が高まっており、その電源や補助動力としての二次電池にも期待が高まっている。この二次電池に関して、小型化や軽量化と共に、高容量化、高出力化および高信頼性が望まれている。さらに、一般ユーザーへ多く普及させる為に低コスト化も重要とされている。このような二次電池として、特許文献１に記載のようなものが知られている。

特許文献１に記載の二次電池では、正負極とセパレータとが積層された発電要素群は、その正負極の未塗工部の端面に集電板が接合されている。そして、発電要素群は、その集電板が金属ケースの長手方向一端に形成された開口に対向するように、金属ケース内に収められている。ケース開口部には貫通孔が形成された蓋が固定され、貫通穴の内周には絶縁シール部材を介して端子が嵌合されている。その端子はケース内部側に窪むような形状を有していて、その窪んだ部分の平坦部に集電板を当接させ、窪みの開口部側からレーザビームを照射させて、端子と集電板とを溶接している。

ところで、集電板と端子の平坦部とを当接させて、それらをレーザ溶接や電子ビーム溶接する場合には、集電板と平坦部との密着状態が重要となる。そのため、端子の鍔部を利用して、金属板等で端子に集電板側への荷重を加えて、平坦部を集電板に当接させるようにしている。

特開２００５−４９７５号公報

しかしながら、端子に加える荷重は、発電要素群の未塗工部が座屈しない程度に抑える必要があるため、平坦部と集電板との密着状態が不十分となり易い。その結果、溶接部にブローホールやクラック等が発生し、気密性が損なわれて電池内部の電解液が外部へ漏れるおそれがあった。また、溶接強度の低下にもつながるという問題があった。

請求項１に係る二次電池は、第１および第２の貫通孔が形成された底部を有し、該底部の対向領域の全域が開口している浅底で扁平な有底筒状の容器と、絶縁シール部材を介して底部の外表面側に固定されて第１の貫通孔を封止する板状導体部材であって、該板状導体部材の一部が第１の貫通孔から容器内に窪んだ第１の凸状部を形成し、第１の凸状部の頂部が容器内に突出している第１の端子と、絶縁シール部材を介して底部の外表面側に固定されて第２の貫通孔を封止する板状導体部材であって、該板状導体部材の一部が第２の貫通孔から容器内に窪んだ第２の凸状部を形成し、第２の凸状部の頂部が容器内に突出している第２の端子と、容器に収納され、第１の凸状部の頂部に溶接される集電板が設けられた正極集電部と、第２の凸状部の頂部に溶接される集電板が設けられた負極集電部とを有する扁平形状の発電要素群と、発電要素群が収納された容器の、開口を密閉する蓋と、を備えたことを特徴とする。
請求項４に係る二次電池の製造方法は、板状導体部材から成る端子の一部を絞り加工により窪ませて凸状部を形成する工程と、第１および第２の貫通孔が形成された底部を有し、該底部の対向領域の全領域が開口している浅底で扁平な有底筒状の容器に、凸状部が第１の貫通孔を容器外から容器内へと貫通するように端子を絶縁シール部材を介して固定し、第１の貫通孔を封止する工程と、第１および第２の貫通孔が形成された底部を有し、該底部の対向領域の全領域が開口している浅底で扁平な有底筒状の容器に、凸状部が第２の貫通孔を容器外から容器内へと貫通するように端子を絶縁シール部材を介して固定し、第２の貫通孔を封止する工程と、第１の貫通孔を通って容器内に貫通している凸状部の頂部に、扁平形状の発電要素群の正極集電部に設けられた集電板を密着させ、該頂部に底部の外表面側から溶接用ビームを照射して、該頂部と正極集電部の集電板と溶接する工程と、第２の貫通孔を通って容器内に貫通している凸状部の頂部に、発電要素群の負極集電部に設けられた集電板を密着させ、該頂部に底部の外表面側から溶接用ビームを照射して、該頂部と正極集電部の集電板と溶接する工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、集電板と端子とを着実に密着させることができ、安定した溶接が可能となる。

本実施の形態における二次電池を示す斜視図である。 缶Ａｓｓｙの斜視図である。 缶Ａｓｓｙの分解斜視図である。 図２のＢ−Ｂ断面を示す図である。 発電要素群Ａｓｓｙの分解斜視図である。 集電部の超音波接合を説明する図である。 発電要素群５の構成を示す図である。 発電要素群Ａｓｓｙの缶Ａｓｓｙへの収納を説明する図である。 図１のＡ−Ａ断面を示す断面図である。 溶接加工を説明する図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は本実施の形態における二次電池を示す斜視図であり、缶Ａｓｓｙ４と、その缶Ａｓｓｙ４内に収納された発電要素群Ａｓｓｙ８とを示す。二次電池の外観形状は、扁平な略直方体形状を成している。なお、缶Ａｓｓｙ４には、缶１の矩形開口には二点差線で示す蓋１００が溶接され、缶１の開口に蓋１００を取り付けることにより、電池容器としての缶Ａｓｓｙ４が密閉される。

図２〜４は缶Ａｓｓｙ４を説明する図である。図２は缶Ａｓｓｙ４の斜視図であり、図３は缶Ａｓｓｙ４の分解斜視図である。缶Ａｓｓｙは、缶１、端子２、絶縁シール部材３、開裂弁１３で構成されている。扁平状の有底矩形筒を成す浅底の缶１は、略矩形の底部１Ａと、底部１Ａの周縁から上方に立設するように形成された側壁部１Ｃとを有している。側壁部１Ｃの上端は、すなわち底部１Ａの対向領域は、全域が開口している矩形状の開口となっており、上述したように、この開口に不図示の蓋が溶接により固定される。なお、缶１や蓋１００にはアルミニウムが用いられ、端子２にはアルミニウムと銅が用いられる。

缶１の側壁部１Ｃには開裂弁１３が取り付けられる。開裂弁１３は、電池容器内の内圧が上昇したときに作動して容器内のガスを外部に放出し、内圧が課題となるのを防止する。缶１の底部１Ａには、底部１Ａの長手方向の両隅に貫通孔１Ｂがそれぞれ形成されている。各貫通孔１Ｂに、端子２および絶縁シール部材３が取り付けられる。絶縁シール部材３には、電気的絶縁性の材料（例えば、絶縁性樹脂材）が用いられる。

図４は、図２のＢ−Ｂ断面を示す図である。貫通孔１Ｂの縁には、絶縁シール部材３の嵌合部３Ｂが嵌合している。さらに、絶縁シール部材３の嵌合部３Ｃの部分には、端子２の嵌合部２Ｅが嵌合している。このように、端子２は絶縁シール材３を介して缶１に取り付けられる。端子２の一部は、缶１の底の部分から側面まで引き出されており、その部分においても絶縁シール材３の符号３Ａで示す部分が端子２と缶１との間に介在している。このように、端子２と缶１とは絶縁シール部材３によって絶縁されるとともに、端子２と貫通孔１Ｂとの隙間が絶縁シール材３によって密封される。

端子２には、図２，４に示すように、缶１の底部１Ａから開口方向に突出するように窪んだ凸状部２Ａが絞り加工によって形成されている。端子２は、凸状部２Ａが缶１の貫通孔１Ｂを貫通するように固定されている。凸状部２Ａの頂部２Ｂは、絶縁シール部材３の嵌合部３Ｂよりも缶１の内側に突出している。凸状部２Ａは絞り加工によって形成され、頂部２Ｂの図示下側（容器外側）には窪み２Ｄが形成されている。

図５は、発電要素群Ａｓｓｙ８の分解斜視図である。発電要素群Ａｓｓｙ８は、発電要素群５、保護箔６および集電板７を有する。発電要素群５は、図７に示すように、両面に正極材５１１が塗工された正極箔５１４と、両面に負極材５１２が塗工された負極箔５１３とを有している。正極箔５１４と負極箔５１３との間にはセパレータ５１０が挟み込まれ、それらを扁平状に捲回することにより発電要素群５が形成される。このように、渦巻き状に捲回された発電要素群５は、捲回の軸に沿って扁平になっている。

図５に示すように、扁平状に捲回された発電要素群５の両端には未塗工部５Ａが露出している。この未塗工部５Ａの上部に保護箔６を設置し、さらに、未塗工部５Ａの下部に、集電板７を設置する。その後、図６に示すように、保護箔６および集電板７の両端の、矢印で示した箇所を超音波接合する。その結果、未塗工部５Ａ、保護箔６、集電板７が超音波接合で一体化された集電部８Ａ，８Ｂを発電要素群５の両端に有する、発電要素群Ａｓｓｙ８が形成される。集電部８Ａ，８Ｂは、一方が正極集電部であって、他方が負極集電部である。

その後、図８に示すように、集電板７のほぼ中央の符号７Ａで示す部分が凸状部２Ａの頂部２Ｂに密着して載置されるように、発電要素群Ａｓｓｙ８を缶Ａｓｓｙ４内に収納する。集電板７の符号９で示す部分は、超音波接合された部分を示している。なお、図示していないが、缶１の底部１Ａと発電要素群Ａｓｓｙ８、および、発電要素群Ａｓｓｙ８と蓋との間には絶縁シートが配設される。

発電要素群Ａｓｓｙ８を缶Ａｓｓｙ４内に収納したときの状態は、図１に示すものと同様である。また、図９は、そのときのＡ−Ａ断面を示したものである。端子２の凸状部２Ａの頂部２Ｂには、発電要素群Ａｓｓｙ８の一体化された集電部８Ａが、集電板７、未塗工部５Ａ、保護箔６の順に載置される。ここで、頂部２Ｂの厚さｔ１、集電板７の厚さｔ２、端子２の麓部分２Ｃの厚さｔ３は、ｔ１＜ｔ２、ｔ１＜ｔ３のように設定される。図９に示す例では、端子２の板厚をｔ３とし、凸状部２Ａを絞り加工により形成する際に、頂部２Ｂの厚さをｔ１＜ｔ３となるように成形する。具体例を示すと、ｔ２＝ｔ３＝０．８ｍｍとし、絞り加工の際に頂部２Ｂの厚さｔ１を０．４ｍｍに加工する。

図９に示すように発電要素群Ａｓｓｙ８を缶Ａｓｓｙ４内に収納したならば、発電要素群Ａｓｓｙ８の集電板７と端子２の頂部２Ｂとを溶接する。図１０は、溶接加工を説明する図である。この溶接には、レーザビーム溶接や、電子ビーム溶接などのビーム溶接が用いられる。

溶接を行う際には、図１０に示すように、集電部８Ａの図示上側から保護箔６の面に金属ブロック１０を押し当てると共に、凸状部２Ａの周囲の麓部分２Ｃに図示下側から金属ブロック１１を押し当てる。金属ブロック１０，１１の内部には冷却水や冷却ガスなどの冷媒を流すための冷媒通路１０Ａ，１１Ａが形成されている。また、金属ブロック１１には、端子２の窪み２Ｄと対向する位置に、窪み２Ｄの開口部と同様の形状を有する貫通孔１１Ｂが形成されている。この貫通孔１１Ｂは、溶接用ビーム１２を通すための貫通孔である。

ビーム溶接を行う際には、金属ブロック１０，１１の冷媒通路１０Ａ，１１Ａに冷媒を流しながら、金属ブロック１０，１１を矢印の方向に荷重を加える。金属ブロック１０，１１の材料には、放熱性に優れた銅などが用いられる。このように荷重を加えることによって集電板７と頂部２Ｂとを完全に密着させ、その状態でビーム１２を貫通孔１１Ｂを介して頂部２ｂに照射することにより、端子２の頂部２Ｂと集電板７とを溶接する。

このように、本実施の形態の二次電池では、缶１が扁平状の有底筒を成す浅底の缶であって、集電部の上方が大きく開口しているので、端子２と集電板７とを挟持するように金属ブロック１０，１１で適正荷重を加えることができる。そのため、集電板７と端子２とが確実に密着し、安定した溶接が可能となり、隙間が要因となるブローホールやクラックの発生を確実に防止でき、端子溶接部分における気密性を確保することができる。また、従来のように、端子側だけから荷重を加える構造でないので、集電部８Ａ，８Ｂが荷重により座屈したり変形したりすることがない。

また、端子２の凸状部２Ａの頂部２Ｂの厚さｔ１を、集電板７の厚さｔ３よりも薄く設定したことにより、少ない入熱量で溶接が行え、かつ、溶接時の貫通を防止することができる。溶接時の貫通を防止するには、頂部２Ｂの厚さｔ１を集電板７の厚さｔ３の５０％程度にするのが好ましい。また、端子２においては、頂部２Ｂの厚さｔ１よりも、その他の部分の厚さｔ３を厚く設定しているので、溶接時の熱を頂部２Ｂの周囲に効果的に逃がすことができる。

さらに、端子２と集電板７とを挟持する金属ブロック１０，１１に冷媒を流して冷却しているので、頂部２Ｂの周囲に逃げた熱は金属ブロック１０，１１へと放熱され、溶接部分以外（例えば、絶縁シール部材３や発電要素群５）への熱影響を抑制することができる。例えば、溶接時の熱による絶縁シール部材３の熱変形を防止することができ、絶縁シール部材３による気密性が確保でき、信頼性の高い二次電池を提供できる。

また、従来の二次電池では（例えば、特開２００５−１４２０２６号公報に記載されている二次電池）、集電板と端子との間にリード部材を介して接合する構造のものもあるが、その場合、リード部材の部品抵抗分と接合部の抵抗分が加算されて、電池の内部抵抗が高くなるという欠点がある。しかし、本実施の形態では、集電板７と端子２とを密着させた状態で直接溶接する構成であるため、リード部材が不要となり内部抵抗の低減につながるのと同時に、リード部材が不要な分、電池の軽量化や低コスト化が図れる。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、缶１の形状を扁平状の有底矩形筒としてが、矩形筒に限定されない。また、発電要素群５に関しても、扁平状に捲回された発電要素群としたが、扁平状に積層された発電要素群であっても構わない。

１：缶、１Ａ：底部、１Ｂ，１１Ｂ：貫通孔、１Ｃ：側壁部、２、端子、２Ａ：凸状部、２Ｂ：頂部、２Ｄ：窪み、３：絶縁シール部材、４：缶Ａｓｓｙ、５：発電要素群、７：集電板、８：発電要素群Ａｓｓｙ、８Ａ，８Ｂ：集電部、１０，１１：金属ブロック、１０Ａ，１１Ａ：冷媒通路、１２：溶接用ビーム、１００：蓋

Claims (6)

1. 第１および第２の貫通孔が形成された底部を有し、該底部の対向領域の全域が開口している浅底で扁平な有底筒状の容器と、
   絶縁シール部材を介して前記底部の外表面側に固定されて前記第１の貫通孔を封止する板状導体部材であって、該板状導体部材の一部が前記第１の貫通孔から容器内に窪んだ第１の凸状部を形成し、前記第１の凸状部の頂部が容器内に突出している第１の端子と、
   絶縁シール部材を介して前記底部の外表面側に固定されて前記第２の貫通孔を封止する板状導体部材であって、該板状導体部材の一部が前記第２の貫通孔から容器内に窪んだ第２の凸状部を形成し、前記第２の凸状部の頂部が容器内に突出している第２の端子と、
   前記容器に収納され、前記第１の凸状部の頂部に溶接される集電板が設けられた正極集電部と、前記第２の凸状部の頂部に溶接される集電板が設けられた負極集電部とを有する扁平形状の発電要素群と、
   前記発電要素群が収納された前記容器の、前記開口を密閉する蓋と、を備えたことを特徴とする二次電池。
2. 請求項１に記載の二次電池において、
   前記第１の凸状部の頂部の板厚が、前記正極集電部に設けられた集電板の板厚よりも薄く設定され、
   前記第２の凸状部の頂部の板厚が、前記負極集電部に設けられた集電板の板厚よりも薄く設定されていることを特徴とする二次電池。
3. 請求項２に記載の二次電池において、
   前記第１の端子の前記第１の凸状部の頂部を除く他の部分の板厚が、前記第１の凸状部の頂部の板厚よりも厚く設定され、
   前記第２の端子の前記第２の凸状部の頂部を除く他の部分の板厚が、前記第２の凸状部の頂部の板厚よりも厚く設定されていることを特徴とする二次電池。
4. 板状導体部材から成る端子の一部を絞り加工により窪ませて凸状部を形成する工程と、
   第１および第２の貫通孔が形成された底部を有し、該底部の対向領域の全領域が開口している浅底で扁平な有底筒状の容器に、前記凸状部が前記第１の貫通孔を容器外から容器内へと貫通するように前記端子を絶縁シール部材を介して固定し、前記第１の貫通孔を封止する工程と、
   第１および第２の貫通孔が形成された底部を有し、該底部の対向領域の全領域が開口している浅底で扁平な有底筒状の前記容器に、前記凸状部が前記第２の貫通孔を容器外から容器内へと貫通するように前記端子を絶縁シール部材を介して固定し、前記第２の貫通孔を封止する工程と、
   前記第１の貫通孔を通って容器内に貫通している前記凸状部の頂部に、扁平形状の発電要素群の正極集電部に設けられた集電板を密着させ、該頂部に前記底部の外表面側から溶接用ビームを照射して、該頂部と前記正極集電部の集電板と溶接する工程と、
   前記第２の貫通孔を通って容器内に貫通している前記凸状部の頂部に、前記発電要素群の負極集電部に設けられた集電板を密着させ、該頂部に前記底部の外表面側から溶接用ビームを照射して、該頂部と前記正極集電部の集電板と溶接する工程と、を有することを特徴とする二次電池の製造方法。
5. 請求項４に記載の二次電池の製造方法において、
   前記正極集電部の集電板を溶接する工程および前記負極集電部の集電板を溶接する工程では、前記頂部に密着している前記集電板を開口部方向から前記頂部の方向に第１の金属部材で押圧するとともに、前記集電板に密着している前記頂部を前記頂部の方向から開口部方向に第２の金属部材で押圧しつつ、該集電板と該頂部とを溶接することを特徴とする二次電池の製造方法。
6. 請求項５に記載の二次電池の製造方法において、
   前記第１および第２の金属部材には冷媒を流すための通路が形成されており、
   前記正極集電部の集電板を溶接する工程および前記負極集電部の集電板を溶接する工程では、前記通路に冷媒を流した状態で、前記集電板と前記頂部とを溶接することを特徴とする二次電池の製造方法。

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