JP2011243531A

JP2011243531A - 金属リードとその製造方法

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Publication number: JP2011243531A
Application number: JP2010117148A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Shimada; 貴章島田; Kosuke Tanaka; 浩介田中; Hiroyasu Sugiyama; 博康杉山; Misato Kusakari; 美里草刈; Taichiro Nishikawa; 太一郎西川
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2030-05-21
Also published as: JP5556364B2

Abstract

【課題】押圧面に凹凸のない平坦な圧接ダイスを用いて、アルミニウム板に冷間圧接により銅板を接続一体化した金属リードとその製造方法を提供する。
【解決手段】矩形状のアルミニウム板５の一方の端部分に銅板７を冷間圧接により接合し、該接合部分を絶縁樹脂フィルムで覆った金属リードで、アルミニウム板５の端部分の接合面５ａの酸化膜が除去された状態で、銅板７と接合されていることを特徴とする。なお、アルミニウム板５の端部分の接合面５ａの酸化膜は、研磨または斜め剪断により除去し、押圧面が平坦な圧接ダイス１０ａ，１０ｂで接合する。
【選択図】図３

Description

本発明は、非水電解質デバイス等に用いられるアルミニウム板からなる銅板付の金属リードとその製造方法に関する。

小型電子機器の電源として、例えば、リチウムイオン電池などの非水電解質電池が用いられている。この非水電解質電池としては、正極板、負極板および電解液を、多層フィルムからなる封入体に収納し、正極板、負極板に接続したリードを密封封止して外部に取り出す構造のものが知られている。この場合のリードは、通常、正極側にアルミニウム板またはその合金導体からなるリード材が用いられている。

アルミニウム板からなるリードは、半田付けによる簡易な電気接続ができない。また、所望の電圧を得るために複数の非水電解質デバイスを直列接続して使用する場合がある。この場合、アルミニウム板のリードと銅板のリードを電気的に接触させて接続するが、接触部に結露等による水分が付着すると、異種金属間で局部電池が形成され、イオン化傾向の大きい方の金属が腐食するという問題がある。これを改善するために、例えば、特許文献１には、アルミニウムのリード部材に冷間圧接による銅のリード部材を接合したリード部材が開示されている。

特開２００８−１０８５８４号公報

図７（Ａ）〜（Ｃ）は、上記特許文献１に開示のアルミニウムのリード部材１１と銅のリード部材１２を冷間圧接により接合する形態を模擬的に示したものである。その接合部分１３を加圧するために、接合部分を挟んで上下にダイス（加圧金型）１４と１５が配される。ダイス１４と１５の少なくとも一方のダイス（例えば、上方のダイス１４）の押圧面には、接合面に変形を生じさせるための凸部１４ａが設けられる。他方のダイス１５の押圧面は平坦か、または、凸部１４ａに対応するような凹部１５ａが設けられる。

アルミニウムのリード部材１１と銅のリード部材１２の接合部分１３は、押圧面に凹凸を有するダイス１４，１５により、塑性変形を生じて密着接合される。また、上記のように加工されたリード部材は、図７（Ｄ）に示すように、例えば、その接合部分を内側層１６ａと外側層１６ｂからなる２枚の絶縁樹脂フィルム１６で覆って、非水電解質電池の外装体に封着するための封止部とされる。

リード部材（アルミ板と銅板）の圧接部分には絶縁樹脂フィルムを隙間なく密着させなければならない。しかし、上記のリード部材では圧接部分にダイスの凹凸形状が写された凹凸があるので、そこに絶縁樹脂フィルムを貼るときに隙間が生じ易い。ダイスの押圧面に凹凸を設けると加工コストが嵩むので、凹凸のない平坦なダイスを使用する方がコスト的に有利である。

本発明は、上述した実情に鑑みてなされたもので、押圧面に凹凸のない平坦な圧接ダイスを用いて、アルミニウム板に冷間圧接により銅板を接続一体化した金属リードとその製造方法の提供を目的とする。

本発明による金属リードは、矩形状のアルミニウム板の一方の端部分に銅板を冷間圧接により接合し、該接合部分を絶縁樹脂フィルムで覆った金属リードで、アルミニウム板の端部分の接合面の酸化膜が除去された状態で、銅板と接合されていることを特徴とする。
また、本発明による金属リードの製造方法は、矩形状のアルミニウム板の一方の端部分に銅板を冷間圧接により接合し、該接合部分を絶縁樹脂フィルムで覆った金属リードの製造方法で、アルミニウム板の端部分の接合面の酸化膜を研磨または斜め剪断により除去した後に、銅板を押圧面が平坦な圧接ダイスで接合する。

本発明による金属リードおよびその製造方法によれば、接続部分に凹凸がないので、絶縁樹脂を確実に密着させることが容易である。また、ダイスの加工コストも小さい。

本発明による金属リードの概略を説明する図である。本発明による金属リードを用いた非水電解質デバイスの一例を示す図である。本発明によるアルミニウム板と銅板を冷間圧接で接合する一例を説明する図ある。本発明によるアルミニウム板と銅板を冷間圧接で接合する他の例を説明する図ある。本発明によるアルミニウム板と銅板を冷間圧接で接合するその他の例を説明する図ある。本発明によるアルミニウム板と銅板を冷間圧接で接合した試験結果を示す図ある。従来技術の解決すべき課題を説明する図である。

図により本発明の実施の形態を説明する。図１（Ａ）は、本発明による金属リードの一例を示し、図１（Ｂ）は、その正面図、図１（Ｃ）は、断面図である。
本発明によるアルミリード３は、矩形状のアルミニウム導体の板５（以下、アルミ板という）の一方の端部分に、矩形状の銅導体の板７（以下、銅板という）を後述する冷間圧接により接合し、該接合部分を絶縁樹脂フィルム６で覆って形成される。なお、銅板７には、その外周面にニッケルメッキが施されたニッケルメッキ銅の板を含めたものとする。

アルミ板５と銅板７との接合部分を覆う絶縁樹脂フィルム６は、板の幅方向から張り出て、板の接合部分を両面から挟むようにして貼り付けられる。絶縁樹脂フィルム６は、図１（Ｃ）に示すように、アルミ板５および銅板７に接着または溶着する内側層６ａと、電池外装体等と融着される外側層６ｂとの２層で形成することができる。内側層６ａは、加熱溶融によりアルミ板、銅板およびそれらの接合部分に密着させる。外側層６ｂは、内側層６ａよりは融点の高いものが用いられ、電池外装体に封止される時には形状を保持する。

図２（Ａ）は、図１に示したアルミリード３を、リチウムイオン電池やキャパシタなどの非水電解質デバイスに用いる例を示し、図２（Ｂ）は金属リードの封着例を示した図である。
なお、非水電解質電池１では、正極側には、高い電位がかかるため高電位で電解液に溶解しない金属のアルミニウムからなるアルミリード３が使用され、負極側には、ニッケルメッキした銅からなる銅リード４が使用されることが多い。また、電気二重層コンデンサでは、正極側も負極側もアルミリードが使用される。

非水電解質電池１は、セパレータを介して積層された正極板と負極板、ならびに、電解液とを、金属箔を含む多層フィルムからなる外装体２に収納し、図２（Ａ）に示すように、正極側のアルミリード３、負極側の銅リード４を、絶縁樹脂フィルム６を介して外装体２のシール部２ｄから密封封止した状態で取り出して構成される。
なお、アルミリード３は、銅板７の部分が外部に露出するように配され、半田接続や銅導体との直接接続に供せられる。アルミ板５の他方の端部分は、アルミニウム導体のままで、図２（Ｂ）に示すように、電池内の電極板リード８と接続される。

外装体２は、非水電解質電池１の外装ケースとなるもので、例えば、矩形状の２枚の多層フィルム周辺のシール部２ｄを、熱溶着によりシールすることにより密封される。外装体２を形成する多層フィルムは、少なくとも３層の積層体からなり、その最内層フィルム２ａは、電解液で溶解されずシール部２ｄから電解液が漏出するのを防止するのに適したものとしてポリオレフィン樹脂（例：無水マレイン酸変性低密度ポリエチレンまたはポリプロピレン）が用いられる。金属箔層２ｂは、アルミニウム、銅、ステンレス等の金属箔が用いられ、電解液に対する密封性を高めている。最外層フィルム２ｃは、薄い金属箔層２ｂを保護するためのもので、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等で形成されている。

アルミリード３および銅リード４は、共に絶縁樹脂フィルム６が外装体２の多層フィルムに熱融着されて密封封着される。なお、絶縁樹脂フィルム６は、図１（Ｃ）で説明したように、例えば、内側層６ａと外側層６ｂとの２層で形成することができる。そして、外装体２とのシール時に、外側層６ｂと外装体２と融着させることで、外装体２内の金属箔２ｂとリードとが電気的に短絡が生じないようにして、封着させることができる。

上述の非水電解質電池１は、例えば、実使用時における電池温度のモニタや充放電の制御を行なって電池を保護する保護回路基板９を接続して一体としたり、複数個の電池の正極側のリード３と負極側のリード４を電気的に直列接続して使用する場合などがある。このような場合、通常のアルミリードが用いられている場合は、半田接続ができない。しかし、図２のように、半田付け可能な銅板７を有するアルミリード３を用いることにより、保護回路基板９の導体パターン９ａに直接接続することができ、組立てが容易に行なえる。また、複数の電池の正極側のアルミリード３と負極側の銅リード４とを直列接続して使用することも可能となる。

図３〜図５は、上記のアルミ板５と銅板７を、冷間圧延による接合する方法を説明する図である。図３は、厚さが同じのアルミ板と銅板とを互いに接合させる例で、図３（Ａ）に示すように、同じ厚さのアルミ板５と銅板７との互いの端部同士を重ねて接合するものとする。図３（Ｂ）に示すように、接合するアルミ板５の端部分を、斜めに剪断して表面の酸化膜を除去した斜めの接合面５ａを形成する。また、銅板７の端部分も同様に斜めに剪断して表面の汚れや、ニッケルメッキ層を除去した斜めの接合面７ａを形成する。

次いで、図３（Ｃ）に示すように、双方の板の斜めの接合面５ａと７ａを突き合わせ、上下に圧接ダイス１０ａと１０ｂを配する。斜めの接合面５ａと７ａを互いに重ねると、自然と上側に重なる銅板７の接合面７ａが、アルミ板５の接合面５ａから上方に浮き出るようにして乗り上げる。上側の圧接ダイス１０ａと下側の圧接ダイス１０ｂは、その押圧面が共に平坦に形成されている。

次いで、図３（Ｄ）に示すように、上下の圧接ダイス１０ａと１０ｂに押圧力（負荷応力）を加えて接合部分を冷間圧接する。この圧接により、接合面５ａと７ａは接合一体化される。このとき、接合前の接合面５ａ，７ｂは、接合端部分５ｃ，７ｃで示すような不定形に塑性変形して密着接合される。なお、圧接の中心部分における圧接変形後の残存板厚さは、アルミ板５側を（ａ）、銅板７側を（ｂ）とすると、後述するように、（ａ＜ｂ）で、接合厚さ（ａ＋ｂ）は、ほぼ板の厚さで接合される。

図４は、厚さが異なるアルミ板と銅板とを互いに接合させる例で、図４（Ａ）に示すように、厚いアルミ板５と薄い銅板７'との互いの端部同士を重ねて接合するものとする。図４（Ｂ）に示すように、図３の例と同様に接合するアルミ板５の端部分を、斜めに剪断して表面の酸化膜を除去した斜めの接合面５ａを形成する。また、銅板７'の端部分も同様に斜めに剪断して表面の汚れや、酸化層を除去した斜めの接合面７'ａを形成する。

次いで、図４（Ｃ）に示すように、双方の板の斜めの接合面５ａと７'ａを突き合わせ、上下にダイス１０ａと１０ｂを配する。なお、上側の圧接ダイス１０ａと下側の圧接ダイス１０ｂは、図３の例と同様にその押圧面が共に平坦に形成されている。

この後、図４（Ｄ）に示すように、上下の圧接ダイス１０ａと１０ｂに押圧力を加えて接合部分を冷間圧接する。この圧接により、接合面５ａと７'ａは接合一体化される。このとき、接合前の接合面５ａ，７'ａは、圧接により接合端部分５ｃ，７'ｃで示すような不定形に塑性変形して密着接合される。なお、圧接の中心部分における圧接変形後の残存板厚さは、アルミ板５側を（ａ）、銅板７'側を（ｂ）とすると、（ａ＞ｂ）で、接合厚さ（ａ＋ｂ）は、厚みのあるアルミ板５側の厚さよりも圧縮されて接合される。

図５は、厚さが異なるアルミ板と銅板とを互いに接合させる例で、図５（Ａ）に示すように、厚いアルミ板５と薄い銅板７'との互いの端部同士を平面接合するものとする。図５（Ｂ）に示すように、接合するアルミ板５の端部分を研磨して表面の酸化膜を除去した接合面５ｂを形成する。また、銅板７'の端部分も同様に研磨して表面の汚れや、酸化膜を除去した接合面７'ｂを形成する。

次いで、図５（Ｃ）に示すように、研磨した接合面５ｂと７'ｂを重ね合わせ、上下にダイス１０ａと１０ｂを配する。なお、上側のダイス１０ａと下側のダイス１０ｂは、図３，４の例と同様にその押圧面が共に平坦に形成されている。

この後、図５（Ｄ）に示すように、上下の圧接ダイス１０ａと１０ｂに押圧力を加えて、接合部分を冷間圧接する。この圧接により、接合面５ｂと７'ｂは接合一体化される。このとき、接合前の接合面５ｂ，７'ｂは、圧接により接合端部分５ｃ，７'ｃで示すような不定形に塑性変形して密着接合される。なお、圧接の中心部分における圧接変形後の残存板厚さは、アルミ板５側を（ａ）、銅板７'側を（ｂ）とすると（ａ≧ｂ）で、接合厚さ（ａ＋ｂ）は、厚いアルミ板の厚さ程度ないしは以下に圧縮されて接合される。

図６は、上述した種々の形態でアルミ板と銅板とを冷間圧接した試験結果を示す図で、試料１〜７についての接合状態を調べた。試験には、アルミ板（長辺５０ｍｍ、短辺１０ｍｍ）と銅板（長辺５０ｍｍ、短辺１０ｍｍ）の、一方の短辺同士を接合して行った。なお、評価の判断基準は、接合後に、アルミ板または銅板のいずれか一方を持って持ち上げたとき、他方が剥がれずに持ち上がれば「○」、他方が剥がれて持ち上がらなければ「×」とした。
なお、冷間圧接後の圧接部分における残存厚さは、図３〜図５で説明したように、圧接の中心部分で測定した値で、アルミ板側を（ａ）、銅板側を（ｂ）とし、[ ]内の値は、残存率（＝圧接後の板厚／圧接前の板厚×１００）を示す。

試料１，２は、アルミ板と銅板の双方の板厚を共に０.２ｍｍとし、端部分を斜め剪断して酸化膜等の除去処理をした。端部分を図３に示す形態で互いに重ね合わせて、試料１には８０００ＭＰａ、試料２には３０００ＭＰａの負荷応力を圧接ダイスに加えて圧接した。
この結果、残存厚さ[残存率]ａ，ｂは、試料１がａ＝０.０５ｍｍ[２５％]，ｂ＝０.１４ｍｍ[７０％]で、試料２がａ＝０.０６ｍｍ[２５％]，ｂ＝０.１４ｍｍ[７０％]で、何れも接合状態は「○」であった。

試料３，４は、アルミ板の板厚を０.４ｍｍ、銅板の板厚を０.２ｍｍとし、端部分を斜め剪断して酸化膜等の除去処理をした。端部分を図４に示す形態で互いに重ね合わせて、試料３には１０００ＭＰａ、試料４には４０００ＭＰａの負荷応力を圧接ダイス加えて圧接した。
この結果、残存厚さ[残存率]ａ，ｂは、試料３がａ＝０.２６ｍｍ[６５％]，ｂ＝０.１９ｍｍ[９５％]で、試料４がａ＝０.２５ｍｍ[６３％]，ｂ＝０.１７ｍｍ[８５％]で、何れも接合状態は「○」であった。

試料５〜７は、アルミ板の板厚を０.４ｍｍ、銅板の板厚を０.２ｍｍとし、試料５，６は図５に示すように端部分の接合面の酸化膜等の除去処理をしたが、試料７は処理なしとした。接合面を図５に示す形態で互いに重ね合わせて、試料５には１６０００ＭＰａ、試料６には５００ＭＰａ、試料７には１６０００ＭＰａの負荷応力を圧接ダイスに加えて圧接した。
この結果、残存厚さ[残存率]ａ，ｂは、試料５がａ＝０.１９ｍｍ[４８％]，ｂ＝０.１８ｍｍ[９０％]で、試料６がａ＝０.３０ｍｍ[７５％]，ｂ＝０.１９ｍｍ[９５％]で、試料７がａ＝０.１８ｍｍ[４５％]，ｂ＝０.１８ｍｍ[９０％]で、試料５は、接合状態は「○」であったが、試料６と７は、「×」であった。

上記の試験結果から、試料６のように、圧接ダイスに加える負荷応力が少なすぎると圧接不足で接合不良となる。試料３の結果から、負荷応力は１０００Ｍｐａ程度あればよく、これ以上では、負荷応力の大小による残存厚さに、大きな差は生じなかった。また、試料７の結果から、接合面の酸化膜等の除去処理がされず、酸化膜が残っている状態では、例え、大きな負荷応力で圧接しても接合不良となることが判明した。
また、アルミ板と銅板とを冷間圧接した場合、銅に比べて軟質のアルミニウムの圧縮展延が大きく、アルミ板の厚さの残存率（３０〜６５％）は小さく、銅板の厚さの残存率（７０〜９５％）の方が大きかった。

以上の結果から、アルミ板と銅板の冷間圧接による接合で、アルミ板側の接合端部分の酸化膜、銅板側の汚れやメッキ層を除去することで、押圧面が平坦な圧接ダイスを用いることが可能となって、銅付のアルミリードを安価に製造することができる。また、アルミ板と銅板の接合部分の厚さの増加が十分に抑えられ、凹凸が生じず厚み圧縮のための加工処理を必要としない。

１…非水電解質電池、２…外装体、３…アルミリード、４…銅リード、５…アルミ板、５ａ，５ｂ…接合面、６…絶縁樹脂フィルム、６ａ…内側層、６ｂ…外側層、７，７'…銅板、７ａ〜７'ｃ…接合面、８…電極板リード、９…保護回路基板、１０a，１０ｂ…圧接ダイス。

Claims

矩形状のアルミニウム板の一方の端部分に銅板を冷間圧接により接合し、該接合部分を絶縁樹脂フィルムで覆った金属リードであって、
前記アルミニウム板の端部分の接合面の酸化膜が除去された状態で、前記銅板と接合されていることを特徴とする金属リード。
矩形状のアルミニウム板の一方の端部分に銅板を冷間圧接により接合し、該接合部分を絶縁樹脂フィルムで覆った金属リードの製造方法であって、
前記アルミニウム板の端部分の接合面の酸化膜を除去した後に、前記銅板を押圧面が平坦な圧接ダイスで接合することを特徴とする金属リードの製造方法。
前記アルミニウム板の端部分の接合面の酸化膜を、研磨または斜め剪断により除去することを特徴とする請求項２に記載の金属リードの製造方法。