JP2012252924A

JP2012252924A - 組電池の製造方法

Info

Publication number: JP2012252924A
Application number: JP2011125671A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Kiba; 大輔木庭
Original assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Current assignee: Primearth EV Energy Co Ltd
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2012-12-20

Abstract

【課題】組電池の再構成（リビルト）を容易にするための組電池の製造方法を提供する。
【解決手段】単電池３同士を接続して組電池を構成する。単電池３の一方に凸状端子４を形成し、他方に凹状端子５を形成する。電池の使用温度帯において、凸状端子４の直径は凹状端子５の内径以上に設定される。接続時に、凸状端子４を冷却して収縮させ、あるいは、凹状端子５を加熱して膨張させて凸状端子４を凹状端子５に嵌入し、その後電池の使用温度帯に戻すことで凸状端子４と凹状端子５を接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は組電池の製造方法に関し、特に、複数の単電池を互いに直列接続してなる組電池の製造方法に関する。

従来から、複数の単電池を互いに直列接続して組電池あるいは集合電池を構成する技術が知られている。

例えば、下記の特許文献１には、単電池を２個以上直列に接続してなる集合電池において、隣接する単電池同士が、一方の単電池の電槽の側壁を貫通させた凸状端子の凸部を、他方の単電池の電槽の側壁を貫通させた凹状端子の凹部に挿入させることにより直列に接続される構成が開示されている。

図４に、従来技術の集合電池の構成を示す。集合電池の両端の単電池３以外の各単電池３は、金属製の凸状端子４及び凹状端子５を有している。凸状端子４は負極タブ３４に溶接されて負極端子となっており、凹状端子５は正極タブ３５に溶接されて正極端子となっている。隣接する単電池３同士は、一方の単電池３の凸状端子４と他方の単電池３の凹状端子５とを用いて接続される。集合電池の両端の単電池３は、凸状端子４及び凹状端子５の一方のみを正極端子又は負極端子として有しており、他方の端子は外部端子６となっている。

具体的な接続は、以下のように行われる。すなわち、蓋が接合されていない状態の隣接する単電池３同士を、側壁３１１と側壁３１２とを向い合わせて配置し、突起部７２を溝部７１に嵌入させ、超音波振動を印加して溝部７１と突起部７２とを溶着させる。次に、凹状端子５の凹部５３を貫通穴から突出させるとともに、凸状端子４の凸部４２を貫通穴から突出させ、プレスしながら凸部４２を凹部５３に圧入する。次に、凸部４２と凹部５３とを抵抗溶接する。そして、電槽内に電解液を注入し、蓋を電槽に接合する。凸部４２の直径Ｒ１は、凹部５３の内径Ｒ２よりも大きいとしている。また、集合電池をニッケル水素電池とし、凸部４２を凹部５３へ圧入するプレス圧を３トンとすることが記載されている。

特開２００１−１２６７０６号公報

ところで、資源の効率的な活用の観点から、ユーザから回収した組電池を再利用可能な性能を有する組電池に再構成（リビルト）して再びユーザに提供する再利用技術が検討されているが、現状の組電池では単電池同士が溶接されているため、回収した組電池の中の特性良好な単電池のみを分離して新たな組電池を再構成することができない。上記の従来技術においても、溝部７１と突起部７２とを溶着するとともに、凸部４２と凹部５３とを抵抗溶接しているため、同様の問題がある。

本発明の目的は、単電池単位に分解が可能かつ容易であり、新たな組電池を再構成（リビルト）することが可能な組電池の製造方法を提供することにある。

本発明は、複数の単電池同士を接続してなる組電池の製造方法であって、隣接する２つの単電池の一方に凸状端子が形成され、他方に前記凸状端子に対向するように凹状端子が形成され、特定の温度帯において前記凸状端子の直径は前記凹状端子の入口部の内径以上であり、前記凸状端子を特定の温度帯よりも低い所定温度以下となるように冷却して収縮させ、前記凸状端子が収縮した状態において前記凸状端子を前記凹状端子に嵌入することを特徴とする。

また、本発明は、複数の単電池同士を接続してなる組電池の製造方法であって、隣接する２つの単電池の一方に凸状端子が形成され、他方に前記凸状端子に対向するように凹状端子が形成され、特定の温度帯において前記凸状端子の直径は前記凹状端子の入口部の内径以上であり、前記凹状端子を特定の温度帯よりも高い所定温度以上となるように加熱して膨張させ、前記凹状端子が膨張した状態において前記凸状端子を前記凹状端子に嵌入することを特徴とする。

また、本発明は、複数の単電池同士を接続してなる組電池の製造方法であって、隣接する２つの単電池の一方に凸状端子が形成され、他方に前記凸状端子に対向するように凹状端子が形成され、特定の温度帯において前記凸状端子の直径は前記凹状端子の入口部の内径以上であり、前記凸状端子を特定の温度帯よりも低い第１所定温度以下となるように冷却して収縮させ、前記凹状端子を特定の温度帯よりも高い第２所定温度以上となるように加熱して膨張させ、前記凸状端子が収縮し、かつ前記凹状端子が膨張した状態において前記凸状端子を前記凹状端子に嵌入することを特徴とする。

また、本発明は、隣接する２つの単電池の端子同士をバスバーを介して接続することで、複数の単電池同士を接続してなる組電池の製造方法であって、前記バスバー及び端子のいずれか一方に凸部が形成され、他方に前記凸部に対向するように凹部が形成され、特定の温度帯において前記凸部の直径は前記凹部の入口部の内径以上であり、前記凸部を特定の温度帯よりも低い所定温度以下となるように冷却し収縮させ、前記凸部が収縮した状態において前記凸部を前記凹部に嵌入することを特徴とする。

また、本発明は、隣接する２つの単電池の端子同士をバスバーを介して接続することで、複数の単電池同士を接続してなる組電池の製造方法であって、前記バスバー及び端子のいずれか一方に凸部が形成され、他方に前記凸部に対向するように凹部が形成され、特定の温度帯において前記凸部の直径は前記凹部の入口部の内径以上であり、前記凸部を特定の温度帯よりも高い所定温度以上となるように加熱し膨張させ、前記凸部が膨張した状態において前記凸部を前記凹部に嵌入することを特徴とする。

本発明によれば、単電池同士を溶接することなく接続することができるので、ユーザから回収した組電池を分解して新たな組電池を再構成することが容易化される。また、特定の温度帯（例えば、電池使用時の温度帯）においては凸状端子の直径は凹状端子の内径以上であるため、両端子は確実に接続され、接触抵抗も低減する。

実施形態の製造方法を示す説明図である。凹状端子の平面図である。他の実施形態の構成図である。従来の組電池（集合電池）の構成図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。なお、本実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、図４に示す従来技術と同一若しくは対応する部材については同一符号を付す。

図１に、本実施形態における組電池の製造方法を模式的に示す。本実施形態において、組電池の両端の単電池３以外の各単電池３は、金属製の凸状端子４及び凹状端子５を有している。凸状端子４は正極タブに溶接されて正極端子となっており、凹状端子５は負極タブに溶接されて負極端子となっている。隣接する単電池３同士は、一方の単電池３の凸状端子４と他方の単電池３の凹状端子５とを用いて接続される。組電池の両端の単電池３は、凸状端子４及び凹状端子５の一方のみを正極端子又は負極端子として有しており、他方の端子は外部端子となっている。

具体的な接続は、以下のように行われる。すなわち、図１（ａ）に示すように、電池の使用温度帯においては凸状端子４の直径ｄ１と凹状端子５の内径ｄ５はほぼ等しいか、あるいは直径ｄ１の方が内径ｄ５よりも大きく設定される。つまり、
電池の使用温度帯：ｄ４≧ｄ５
であり、電池の使用温度帯においてはそのままでは凸状端子４は凹状端子５に嵌入できない。

そして、単電池３同士を接続する場合には、凸状端子４を−２００℃以下となるまで冷却し、凸状端子４の直径ｄ４を収縮させて凹状端子５の内径ｄ５よりも小さくする。つまり、
−２００℃：ｄ４＜ｄ５
である。この状態で、図１（ｂ）に示すように凸状端子４を凹状端子５に嵌入する。すると、図１（ｃ）に示すように、凸状端子４が凹状端子５に嵌入し、温度が電池の使用温度帯に戻るに従って凸状端子４が膨張し、凸状端子４と凹状端子５は密に接続される。これにより、電池間の接触抵抗が低下し、電池特性が良好となる。

一方、ユーザあるいは市場から回収した組電池を分解し、電気特性に優れた単電池３のみを抽出して新たな組電池を再構成する場合には、組電池を構成する単電池３の一方の端子、すなわち凸状端子４を再び−２００℃以下となるように冷却する。すると、凸状端子４は冷却により収縮し、その直径ｄ４が再び凹状端子５の内径ｄ５よりも小さくなって凸状端子４を凹状端子５から容易に分離することができる。

本実施形態では、凸状端子４と凹状端子５とは溶接により接続しないため、物理的損傷なく組電池を単電池３同士に分離することが可能であり、新たな組電池への再構成が容易化される。

なお、凸状端子４を−２００℃以下に冷却するためには、例えば液体窒素を凸状端子４に局所的に吹き付ければよい。

また、凸状端子４を−２００℃以下に冷却するとともに、凹状端子５を１００℃以上に加熱して凹状端子５を膨張させることでｄ４＜ｄ５の条件を満たすようにしてもよい。この場合、新たな組電池を再構成する際にも、凸状端子４を冷却するとともに凹状端子５を加熱するのが好適である。

凸状端子４及び凹状端子５はともに金属であるが、その材料としては線膨張係数が所定値以上であることが望ましい。本願出願人は、凸状端子４及び凹状端子５をともに鉄で構成し、凸状端子４の直径ｄ４を６ｍｍとして室温（２５℃）から液体窒素で−２２０℃まで冷却した場合、凸状端子４の直径ｄ４が５５μｍ程度縮小することを確認している。したがって、電池の使用温度帯において、凸状端子４の直径ｄ４を６ｍｍとし、凹状端子５の内径ｄ５をこれよりも５０μｍ小さい値に設定しておくことで、電池の使用温度帯では凸状端子４を凹状端子５に嵌入できないが凸状端子４を冷却することで凸状端子４を凹状端子５に嵌入することが可能となり、かつ、この嵌入状態で電池の使用温度帯に戻すことで凸状端子４と凹状端子５は密に接続し、接触抵抗を低減することが可能である。もちろん、凸状端子４を冷却するとともに、凹状端子５を加熱することを考慮して、凸状端子４と凹状端子５の電池の使用温度帯における直径ｄ４、内径ｄ５を設定してもよい。鉄の線膨張係数は約１２．１×１０^-6（１℃あたり）であり、凸状端子４及び凹状端子５の材料としてはこれよりも線膨張係数が大きい金属、例えば銅や黄銅、アルミニウムが好適である。単電池３をリチウムイオン電池とする場合、アルミニウムが電極材料として用いられていることから、凸状端子４及び凹状端子５もアルミニウムとすることが望ましいであろう。

凸状端子４及び凹状端子５の材料については上記の通りであるが、端子形状については任意である。

図２に、凹状端子５の平面形状の例を示す。図２（ａ）は平面形状が正方形の場合、図２（ｂ）は平面形状が長方形の場合、図２（ｃ）は平面形状が三角形の場合、図２（ｄ）は平面形状が十字形の場合である。凸状端子４は凹状端子５と凹凸あるいは表裏の関係にあるので、図２から凸状端子４の平面形状も同時に明らかとなろう。つまり、大きさが異なる同一形状となる。もちろん、平面形状は円であってもよく、さらには図２（ｅ）に示すように平面形状が円であるとともに、その周囲にガス抜け用の穴５ａ、５ｂが形成されていてもよい。図２（ｅ）の場合、凸状端子４の平面形状は円であり、当状端子４が凹状端子５に嵌入した状態においてもガス抜け用穴５ａ、５ｂは間隙としてそのまま残存し、ガス排出口として機能する。

また、凸状端子４及び凹状端子５は、図１に示す断面矩形状でなくてもよい。例えば、図３（ａ）に示すように、凸状端子４の周囲の突起部７が設けられていてもよいし、図３（ｂ）に示す断面楕円状や、図３（ｃ）に示す断面台形状であってもよい。このような場合、電池の使用時の温度帯において、少なくとも凹状端子の入口部の寸法が凸状端子の付根の寸法よりも大きければよい。図３（ａ）〜図３（ｃ）に示す形状では、通常の電池の使用温度帯において、凸部の寸法が、凹部の入口部の寸法より大きい部分を有するため、単電池同士を分離しようとしても電池の使用時の温度帯では端子同士が引っ掛かるため、図１で示す形状よりも分離し難くなる。さらに、端子同士の接触面積が増加するという利点も有する。

本実施形態において、凸状端子４の外表面に付加的に微小凸部を設けるとともに、凹状端子５の外表面に付加的に微小凹部を設け、凸部端子４が凹部端子５に嵌入した場合に微小凸部が微小凹部に嵌入する構成として、凸状端子４と凹状端子５の接触面積をより増大させることもできる。

また、本実施形態では、凸状端子４を正極端子、凹状端子５を負極端子としたが、凸状端子４を負極端子、凹状端子５を正極端子とすることもできる。

また、本実施形態では、凸状端子４を冷却して収縮させることで凸状端子４を凹状端子５に嵌入しているが、凸状端子４を冷却することなく凹状端子５のみを加熱して膨張させることで凸状端子４を凹状端子５に嵌入してもよい。すなわち、本実施形態では、以下の態様が含まれる。
（１）凸状端子４のみを電池の使用温度帯より低い温度まで冷却して凸状端子４を収縮させ、凹状端子５に嵌入する。
（２）凹状端子５のみを電池の使用温度帯よりも高い温度まで加熱して凹状端子５を膨張させ、凹状端子５に嵌入する。
（３）凸状端子４を電池の使用温度帯より低い温度まで冷却して凸状端子４を収縮させるとともに、凹状端子５を電池の使用温度帯よりも高い温度まで加熱して凹状端子５を膨張させ、凸状端子４を凹状端子５に嵌入する。

（１）の方法によって組電池を構成する場合、凸状端子４の直径ｄ４が凹状端子５の内径より小さくなるまで冷却する必要があり、この条件を満たす温度が冷却時の上限温度となる。（２）の方法では、凹状端子５の内径ｄ５が凸状端子４の直径よりも大きくなるまで加熱する必要があり、この条件を満たす温度が加熱時の下限温度となる。一般的には、電池の使用温度帯の変動範囲外の温度まで冷却あるいは加熱することが望ましく、一例を挙げると、２５℃±５０℃の範囲外の温度まで冷却あるいは加熱することが望ましい。言い換えれば、電池の使用温度帯の範囲を２５℃±５０℃とし、この範囲内では凸状端子４の直径ｄ４と凹状端子５の内径ｄ５はｄ４≧ｄ５の関係を満たすように設定されるといえる。また、凸状端子４、凹状端子５の材料として、熱膨張係数１２．１×１０^-6以上の金属（鉄、銅、黄銅、アルミニウム等）を用いた場合、通常の電池の使用温度帯（２５℃±５０℃）では、温度変化による変形が小さいため、電池間の接触抵抗の変化もないので電池の接続方法として好適である。

また、（１）の方法によって組電池を構成した場合、ユーザから回収した組電池を分解する際には、組み立て時と同様の方法、つまり凸状端子４を冷却して収縮させ、凸状端子４を凹状端子５から分離することが望ましいが、凹状端子５を加熱して膨張させて凸状端子４を凹状端子５から分離してもよく、凸状端子４を冷却するとともに凹状端子５を加熱して凸状端子４を凹状端子５から分離してもよい。（２）、（３）の方法においても同様である。

また、本実施形態では、溶接を行うことなく凸状端子４と凹状端子５を接続しているが、必要に応じて凸状端子４あるいは凹状端子５の当接面にニッケルメッキ、あるいは金メッキを施して接触抵抗をさらに低減してもよい。

また、本実施形態では、凸状端子４及び凹状端子５の線膨張係数を利用して凸状端子４と凹状端子５を接続しているが、電池の使用温度帯の範囲での温度変動では凸状端子４及び凹状端子５はほとんど変形しないので、電池の使用温度帯の範囲において接触抵抗が増大することもない。

また、本実施形態において、単電池３の外観形状も任意であり、角柱状あるいは円柱状のいずれでもよい。なお、円柱状の単電池は、単電池の上下に端子を有し、上下方向に連続するよう接続することが多いため、端子の位置を変更せずに凸状端子４及び凹状端子５を適用できる点で有利である。

さらに、本実施形態では、凸状端子４と凹状端子５を直接接続する場合について説明したが、隣接する単電池３の正極端子と負極端子をバスバーで接続する構成において、端子とバスバーのいずれか一方を凸部、他方を凹部とし、凸部を凹部に嵌入することで接続してもよい。この場合においても、単電池３同士を接続する場合には端子あるいはバスバーの一方を冷却して収縮させ、あるいは一方を冷却して収縮させるとともに他方を加熱して膨張させることで嵌入する。

３単電池、４凸状端子、５凹状端子。

Claims

複数の単電池同士を接続してなる組電池の製造方法であって、
隣接する２つの単電池の一方に凸状端子が形成され、他方に前記凸状端子に対向するように凹状端子が形成され、特定の温度帯において前記凸状端子の直径は前記凹状端子の入口部の内径以上であり、
前記凸状端子を特定の温度帯よりも低い所定温度以下となるように冷却して収縮させ、
前記凸状端子が収縮した状態において前記凸状端子を前記凹状端子に嵌入する
ことを特徴とする組電池の製造方法。
複数の単電池同士を接続してなる組電池の製造方法であって、
隣接する２つの単電池の一方に凸状端子が形成され、他方に前記凸状端子に対向するように凹状端子が形成され、特定の温度帯において前記凸状端子の直径は前記凹状端子の入口部の内径以上であり、
前記凹状端子を特定の温度帯よりも高い所定温度以上となるように加熱して膨張させ、
前記凹状端子が膨張した状態において前記凸状端子を前記凹状端子に嵌入する
ことを特徴とする組電池の製造方法。
複数の単電池同士を接続してなる組電池の製造方法であって、
隣接する２つの単電池の一方に凸状端子が形成され、他方に前記凸状端子に対向するように凹状端子が形成され、特定の温度帯において前記凸状端子の直径は前記凹状端子の入口部の内径以上であり、
前記凸状端子を特定の温度帯よりも低い第１所定温度以下となるように冷却して収縮させ、
前記凹状端子を特定の温度帯よりも高い第２所定温度以上となるように加熱して膨張させ、
前記凸状端子が収縮し、かつ前記凹状端子が膨張した状態において前記凸状端子を前記凹状端子に嵌入する
ことを特徴とする組電池の製造方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の組電池の製造方法において、
前記凸状端子を前記凹状端子に嵌入した後、前記特定の温度帯に戻すことで前記凸状端子と前記凹状端子を接続することを特徴とする組電池の製造方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の組電池の製造方法において、
前記特定の温度帯が、電池の使用時の温度帯であることを特徴とする組電池の製造方法。
請求項１〜５のいずれかに記載の組電池の製造方法において、
前記凸状端子及び凹状端子は、熱、黄銅、銅、アルミニウムの少なくともいずれかを含む金属からなることを特徴とする組電池の製造方法。
請求項１〜６のいずれかに記載の組電池の製造方法において、
前記特定の温度帯は、２５℃±５０℃の範囲内であることを特徴とする組電池の製造方法。
隣接する２つの単電池の端子同士をバスバーを介して接続することで、複数の単電池同士を接続してなる組電池の製造方法であって、
前記バスバー及び端子のいずれか一方に凸部が形成され、他方に前記前記凸部に対向するように凹部が形成され、特定の温度帯において前記凸部の直径は前記凹部の入口部の内径以上であり、
前記凸部を特定の温度帯よりも低い所定温度以下となるように冷却し収縮させ、前記凸部が収縮した状態において前記凸部を前記凹部に嵌入する
ことを特徴とする組電池の製造方法。
隣接する２つの単電池の端子同士をバスバーを介して接続することで、複数の単電池同士を接続してなる組電池の製造方法であって、
前記バスバー及び端子のいずれか一方に凸部が形成され、他方に前記凸部に対向するように凹部が形成され、特定の温度帯において前記凸部の直径は前記凹部の入口部の内径以上であり、
前記凸部を特定の温度帯よりも高い所定温度以上となるように加熱し膨張させ、前記凸部が膨張した状態において前記凸部を前記凹部に嵌入する
ことを特徴とする組電池の製造方法。