JP2014164854A - 電池用配線材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合強度及び接合信頼性を兼ね備え、電気抵抗が小さい電池用配線材を、連続に、かつ、多量に製造する。
【解決手段】接合する第一の金属及び第二の金属のうち、第一の金属を心材１２とし、第二の金属（線材１０）を塑性流動状態とし、第二の金属が心材１２に接した状態で押し出して複合線材とすることにより、第二の金属を焼き鈍し又は動的再結晶により金属組織が再結晶した状態とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、電池用配線材及びその製造方法に関する。

近年、リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池の実用化が進展している。非水電解質二次電池は、鉛蓄電池など他の電池と比較して単位体積（単位質量）当たりのエネルギ出力が高いため、移動体通信機器及びノートパソコンを始め、電気自動車やハイブリッド自動車、さらには、太陽電池など再生可能エネルギを利用する電力の蓄電システムへの適用が進められている。

こうした非水電解質二次電池においては、正極の基材としてアルミニウムが、負極の基材として銅が用いられる。

このような非水電解質二次電池は、移動体通信機器など一部の機器ではセル単体で用いられるが、電気自動車やハイブリッド自動車など大出力が必要な機器ではセル単体の出力では当然足りず、複数の単セルを直列又は並列に接続し、単セルの集合体である組電池として所望の出力を得ている。

この場合、正極と負極とを接続する必要があるが、前述のように、正極にはアルミニウムが、負極には銅が用いられているため、従来のアルミニウムや銅の配線材では異種金属同士の接合を行わなければならない。異種金属同士の接合では、金属のイオン化傾向の違いによる局部電池効果によって接合部の腐食問題が懸念される。

また、電極と配線材とは、ボルトなどの機械的な締結機構を利用して電気的な接続を成立させているが、ボルト締結部が場所を取るため組電池の小型化を妨げること、締結トルク（ネジ締めトルク）のバラツキや実使用時に締結機構が緩むことによる接触抵抗の増加などが問題となる。

これらの問題を受け、特許文献１には、配線材として、正極及び負極と同様の金属、即ちアルミニウム及び銅で構成された第一部材と第二部材との一部を重ね合わせ、その重複筒所を冷間圧接し、その重複箇所に耐食材を被覆した配線材が開示されている。この配線材によれば、機械的に十分な接合強度が得られ、且つ、被覆による外気遮断で接合部分の腐食を防止することができるとされている。これをセルの正極リード又は負極リードに用いることにより、セル間の電極接続では同種金属同士の接合となるため、局部電池効果による腐食を防止する。

そのほか、例えば、特許文献２及び特許文献３には、アルミニウム板と銅板とを部分的に重ね合わせ、重複した部分をレーザなどで溶接し、接合部分を樹脂で被覆した構造が開示されている。

特許文献４には、アルミニウムの金属元材と銅の金属元材とが面で接する状態となっているビレット（対面元材）を用意し、そのビレットに対して高圧の静水圧環境下にて押出加工又は引抜加工を施すことによりバスバーを製造する方法が開示されている。

特開２００８−１０８５８４号公報 特許第３９３１９８３号公報 特開２００４−２４７２４４号公報 特開２０１１−２１０４８０号公報

特許文献１に記載の接合は、圧接及びかしめ構造による機械的な接合であるため、振動及び熱影響により生じる接合部の緩みによる接合強度の低下及び電気抵抗の増加が懸念される。また、アルミニウムと銅との接合においては、アルミニウムと銅との熱膨張率の違い、及びこれに伴うアルミニウムのクリープの問題がある。

特許文献２及び特許文献３に記載の構造は、アルミニウム板と銅板とを溶接するものであり、溶接部はアルミニウム及び銅の合金となる。この合金は、元の材料であるアルミニウムや銅よりも硬い材料であるが、延性が低い材料であるため、脆性破壊を生じやすい。また、電気抵抗も元の材料より大きい。これらの点から、電気自動車やハイブリッド自動車のような振動環境下で用いられる電池の配線材には不適である。

特許文献４に記載の方法を用いた場合、アルミニウムと銅とで変形抵抗及び塑性流動の程度が大きく異なる場合、押し出し後の配線材に含まれるアルミニウム及び銅の比率を安定させることが困難である。例えば、アルミニウムと銅との界面の位置を維持することが困難である。また、押出しの元材は、丸棒状のビレットであるため、連続的な材料供給に限りがあり、大量生産することが難しい。

本発明の目的は、異種金属を接合した構成を有する電池用配線材において、機械的に十分な接合強度を有し、電気抵抗が小さく、かつ、接合信頼性（長期接合安定性）を向上するとともに、連続に、かつ、多量に製造することができるようにすることにある。

本発明は、接合する第一の金属及び第二の金属のうち、第一の金属を心材とし、第二の金属を塑性流動状態とし、第二の金属が心材に接した状態で押し出して複合線材とすることにより、第二の金属を焼き鈍し状態とすることを特徴とする。

本発明によれば、接合強度及び接合信頼性を兼ね備え、電気抵抗が小さい電池用配線材を、連続に、かつ、多量に製造することができる。

従来技術の組電池を構成する単セルと配線材との接続状態の例を示す斜視図である。 コンフォーム押出機を示す概略断面図である。 コンクラッド押出機を示す概略断面図である。 コンクラッド押出機の要部を示す斜視図である。 図４のコンクラッド押出機により製造した電池用配線材を示す斜視図である。 コンクラッド押出機の要部を示す斜視図である。 図６のコンクラッド押出機により製造した電池用配線材を示す斜視図である。 コンクラッド押出機の要部を示す斜視図である。 図８のコンクラッド押出機により製造した電池用配線材を示す斜視図である。

本発明は、リチウムイオン電池等の二次電池の電極間を電気的に連結する配線材及びその製造方法に関する。

図１は、従来技術の組電池を構成する単セルと配線材との接続状態の例を示したものである。

従来では、電池１００の電極間を連結する配線材は、バスバーまたはブスバーと呼ばれる銅またはアルミニウム等の金属板材１が用いられる。特に、電気抵抗が小さい銅が使用されることが多い。バスバーと電池１００の電極２とを接続するには、ボルト３等により締結されるのが一般的である。

本発明の基本となる技術であるコンクラッド押出しについて以下に示す。

コンクラッド押出しの元となるコンフォーム押出しは、連続押出法として１９７１年に英国原子力公社（ＵＫＡＥＡ）で開発された技術である。

図２は、コンフォーム押出機の概要を示したものである。

本図において、コンフォーム押出機は、溝４を有する回転ホイール５と、溝４に蓋をする機能を有するシュー６と、材料をせき止める機能を有するアバットメント７と、押出ダイス８と、押出ダイス８を収納するダイチャンバー９とを備えている。押出しの材料は、通常の直接押出しではビレットを使用するのに対し、コンフォーム押出しでは線材１０を使用する。

コンフォーム押出しの原理は、次のとおりである。

回転ホイール５の溝４に線材１０を挿入すると、回転ホイール５との摩擦力によって線材１０が引き込まれる。引き込まれた線材１０は、溝４に挿入されたアバットメント７によってせき止められるが、溝４はシュー６によって閉塞されているため、ここで押出圧力が発生する。線材１０は、ダイチャンバー９の材料溜り１１に送られ、押出しダイス８で任意の形状に成形され押し出される。このとき、線材１０は、摩擦熱及び変形熱により高温度となるため、加熱装置を使用せずに数百℃以上に達する。この高温状態とアバットメント７におけるせん断方向ヘの変形により、材料は、塑性流動状態となり、異形断面から押し出すことが可能となる。

また、材料は、ダイチャンバー９の材料溜り１１に溜まり、加熱されることによって焼き鈍され、金属組織が再結晶化される。若しくは、ダイチャンバー９の材料溜り１１から押出しダイス８で押し出されるまでの過程で、熱と変形が加えられることによって動的再結晶が起こり、金属組織が再結晶化される。押し出された材料は、焼き鈍し又は動的再結晶によって完全に再結晶している状態、つまり、金属組織が転移やひずみを含まない結晶状態となっている。また、押出し素材である線材１０を溶接することにより連続加工を行うことができるため、押し出した製品の長さに制限がない。

このコンフォーム押出機の原理を応用し、心材前方張力付加連続押出法（コンクラッド法）が開発され、アルミニウム被覆鋼線やステンレス鋼クラッドアルミニウム線のような被覆押出の分野で急速に実用化が進んだ。

コンクラッド法は、特公昭６０−１０８７号公報に記載されているように、日本で開発された連続押出法であり、近年は、光ファイバー入り架空地線用アルミニウム被覆鋼線、アルミニウム安定化超電導線、同軸ケーブルシース線など多種の複合線材がコンクラッド法で製造されている。

図３は、コンクラッド押出機の断面を示したものである。

本図において、コンクラッド押出機は、回転ホイール５の接線方向に材料を押し出す構造となっている。そして、回転ホイール５の接線方向から供給された心材１２に対して、回転ホイール５側から供給された押出しの素材である線材１０を押し出す構造となっている。心材１２には、圧延加工や押出成形等により、所望の形状や寸法に成形されているものを用いることが好ましい。心材１２は、圧延加工を施されることにより、圧延方向に伸長された加工組織を有する。押出しの素材は、コンフォームと同様に、ダイチャンバー９内で高温度となり、かつ、非常に大きな塑性変形を受けているため、金属の活性面が露出している。このため、心材１２との金属的接合（固相接合）が容易になされる。また、押出しの素材は、コンフォームと同様に焼き鈍し又は動的再結晶によって完全に再結晶化している状態、つまり、金属組織が転位やひずみを含まない結晶状態となっている。

本発明においては、この技術を適用し、心材１２の特定の面に押出し素材を押し出すことにより、電池の配線材を製造する。

以下、本発明の実施形態に係る電池用配線材及びその製造方法について説明する。

前記電池用配線材は、正極端子及び負極端子が異なる種類の金属で形成された単セル同士を接続する導電部材であって、正極端子と接する正極接続部と、負極端子と接する負極接続部と、を備え、正極接続部及び負極接続部はそれぞれ、互いに異なる第一の金属及び第二の金属のうちのいずれかで構成され、第一の金属と第二の金属とを接合した構成を有し、第一の金属は、第二の金属よりも変形抵抗が大きく、第二の金属は、焼き鈍し又は動的再結晶により金属組織が再結晶した状態であることを特徴とする。

第一の金属は、圧延加工により圧延方向に伸長された加工組織を有することが望ましい。

正極接続部及び負極接続部はそれぞれ開口部を有することが望ましい。

第一の金属は銅又は銅合金であり、第二の金属はアルミニウム又はアルミニウム合金であることが望ましい。

前記電池用配線材は、全体の形状が平板状であることが望ましい。

正極接続部及び負極接続部の断面形状はそれぞれＬ字形状であることが望ましい。Ｌ字形状の正極接続部とＬ字形状の負極接続部とを底面部分で接合した形状を有する電池用配線材は、電極の高さが異なる場合に好適である。

前記電池用配線材の製造方法は、接合する第一の金属及び第二の金属のうち、第一の金属を心材とし、第二の金属を塑性流動状態とし、第二の金属が心材に接した状態で押し出して複合線材とし、第一の金属及び第二の金属が含まれる領域を切り出すことを特徴とする。

常温、または、後述のダイチャンバー内の材料溜りでのアルミニウムの温度（約３００〜４００℃程度）に予備加熱した心材となる銅で形成された丸線、平角線その他異形断面形状を有する線材を、コンクラッドのダイチャンバー及びダイスを通し、この銅線の周囲の一部の面（特に、片側の肉薄の側面（一面）が望ましい。）に対し、回転ホイールから供給されチャンバー内で塑性流動させたアルミニウムを押し付け、ダイスを通して所望の形状に銅とアルミニウムとの複合材を押し出す。押し出された複合材は、所定の配線材の寸法にプレスし、切断その他の方法により個片化する。必要に応じて、個片化の加工工程の前後又は当該加工工程と同時に電池の電極を通す穴を開け、電池の電極間を接続する配線材とする。

配線材の寸法は、電池の相互の位置や流れる電流量などにより適宜変更可能であるが、例えば、長辺３０〜７０ｍｍ、短辺１０〜６０ｍｍ、厚さ１〜２ｍｍである。

押し出した複合材に対し、例えば、後加工として圧延又は切削を施すことにより、板厚の調整、異形状への変形、表面研磨をしてもよい。これらの後加工は、個片化の前の長尺部材又は個片化した部材のどちらに対して行ってもよい。

以下、本発明の作用効果について説明する。

銅とアルミニウムとの複合材の場合、材料強度は銅よりもアルミニウムの方が低いため、複合材としての強度はアルミニウムの強度に依存する。本発明の場合、アルミニウムの部分は全て同種の均一な組織となるため、材料全体の性質が安定する。

これに対して、溶接を用いた場合、溶接部分が溶融組織となり、非溶接部分の組織と異なり、その強度や伸び等の機械的性質、電気抵抗等の電気的性質が異なる。

また、本発明に用いるコンクラッドは、接合外面に金属間化合物を生成しない材料を溶融させない固相接合であるため、溶融接合で問題となる接合部での脆性破壊が生じない。

製造においても、塑性流動状態で押し出される素材は一方の金属のみであるから、特許文献４に記載されている手法と異なり、安定した押出しが可能である。

また、本発明の場合、供給する材料が心材（第一の金属）及び押出し素材（第二の金属）ともに、外部から線材として供給されるため、線材の端末溶接等で連結し、押出機の部品の耐久性等を考えなければ、半永久的に連続で押し出すことが可能である。このため、ビレット形状への加工、装置への組入れ等の段取り作業工程を省略することができ、作業コストを削減することが可能である。

以下、実施例を用いて説明する。

図４及び図５を用いて説明する。

図４は、コンクラッド押出機の要部を示す斜視図である。

図５は、図４のコンクラッド押出機により製造した電池の配線材（電池用配線材）を示す斜視図である。

図４に示すように、常温、または４００℃程度に予備加熱した心材となる銅平角線１３を、コンクラッド押出機のダイチャンバー９及び押出ダイスに通し、回転ホイール５により供給されダイチャンバー９内に充填され塑性流動状態となったアルミニウム線１４とともに押し出し、銅平角線１３の周囲四面の内、片側の肉薄の側面（一面）にアルミニウム線１４を接合し、複合線材１７を得た。

得られた複合線材１７を適切な長さに切断し、個片化することにより、図５に示す銅板１５とアルミニウム板１６とが接合した複合材１８（電池用配線材）を作製した。銅板１５及びアルミニウム板１６にはそれぞれ、電池の電極を通す穴１９（開口部）を設けた。

図６及び図７を用いて説明する。

図６は、コンクラッド押出機の要部を示す斜視図である。

図７は、図６のコンクラッド押出機により製造した電池の配線材を示す斜視図である。

図６に示すように、常温、または４００℃程度に予備加熱した心材となる銅平角線１３を、コンクラッド押出機のダイチャンバー９及び押出ダイスを通し、回転ホイール５により供給されダイチャンバー９内に充填され塑性流動した状態のアルミニウム線１４とともに押し出し、銅平角線１３の周囲四面の内、両側の肉薄の側面（二面）にアルミニウム線１４を接合し、複合線材２０を得た。

得られた複合線材２０を適切な長さに切断し、個片化することにより、図７に示すように、銅板１５の両側にアルミニウム板１６を接合した複合材２１を作製した。この複合材２１の銅板１５を二等分するように分割した。そして、銅板１５及びアルミニウム板１６それぞれに、電池の電極を通す穴１９を設け、複合材２２（電池の配線材）とした。

図８及び図９を用いて説明する。

図８は、コンクラッド押出機の要部を示す斜視図である。

図９は、図８のコンクラッド押出機により製造した電池の配線材を示す斜視図である。

図８に示すように、常温、または４００℃程度に予備加熱した心材となる断面形状がＬ型の銅線２３を、コンクラッド押出機のダイチャンバー９及び押出ダイスを通し、回転ホイール５により供給されダイチャンバー９内に充填され塑性流動した状態のアルミニウム線１４とともに押し出し、銅線２３のＬ型底面部分の一面にアルミニウム線１４を接合し、複合材２４を得た。

得られた複合線材２４を適切な長さに切断し、個片化することにより、図９に示すように、銅板１５とアルミニウム板１６を接合した複合材２４（電池の配線材）を作製した。銅板１５及びアルミニウム板１６にはそれぞれ、電池の電極を通す穴１９を設けた。これにより、電極の高さが異なる場合に用いる配線材を製造した。

上記の実施例、並びに従来技術であるレーザ溶接及び摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）によってアルミニウムと銅とを接合したサンプルについて、その引張強さ及び伸びを測定した。

表１は、その測定結果を示したものである。

表中、引張強さは、アルミニウム単体の引張強さを基準とし、その百分率で表している。

本表に示すように、引張強さは、実施例のサンプルが従来技術のサンプルに比べて強く、アルミニウムの強度に近い値を示している。また、伸びは、実施例のサンプルが従来技術のサンプルに比べて大きい。従来技術のレーザ溶接によって接合したサンプルは、伸びが非常に小さい。

なお、本発明の電池用配線材の断面形状は、上記の実施例に限定されるものではなく、コンクラッド押出機等により製造可能な形状であればどのようなものでもよい。

１：金属板材、２：電極、３：ボルト、４：溝、５：回転ホイール、６：シュー、７：アバットメント、８：押出ダイス、９：ダイチャンバー、１０：線材、１１：材料溜り、１２：心材、１３：銅平角線、１４：アルミニウム線、１５：銅板、１６：アルミニウム板、１７、２０：複合線材、１８、２１、２２、２４：複合材、１９：穴、２３：銅線、１００：電池。

Claims (10)

1. 正極端子及び負極端子が異なる種類の金属で形成された単セル同士を接続する導電部材であって、前記正極端子と接する正極接続部と、前記負極端子と接する負極接続部と、を備え、前記正極接続部及び前記負極接続部はそれぞれ、互いに異なる第一の金属及び第二の金属のうちのいずれかで構成され、前記第一の金属と前記第二の金属とを接合した構成を有し、前記第一の金属は、前記第二の金属よりも変形抵抗が大きく、前記第二の金属は、焼き鈍し又は動的再結晶により金属組織が再結晶した状態であることを特徴とする電池用配線材。
2. 前記第一の金属は、圧延加工により圧延方向に伸長された加工組織を有することを特徴とする請求項１記載の電池用配線材。
3. 前記正極接続部及び前記負極接続部はそれぞれ開口部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電池用配線材。
4. 前記第一の金属は銅又は銅合金であり、前記第二の金属はアルミニウム又はアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電池用配線材。
5. 全体の形状が平板状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電池用配線材。
6. 前記正極接続部及び前記負極接続部の断面形状がそれぞれＬ字形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電池用配線材。
7. 接合する第一の金属及び第二の金属のうち、前記第一の金属を心材とし、前記第二の金属を塑性流動状態とし、前記第二の金属が前記心材に接した状態で押し出して複合線材とし、前記第一の金属及び前記第二の金属が含まれる領域を切り出すことを特徴とする電池用配線材の製造方法。
8. 前記第一の金属で構成された領域及び前記第二の金属で構成された領域にそれぞれ開口部を設けることを特徴とする請求項７記載の電池用配線材の製造方法。
9. 前記第一の金属は、前記第二の金属よりも変形抵抗が大きいことを特徴とする請求項７又は８に記載の電池用配線材の製造方法。
10. 前記第一の金属は銅又は銅合金であり、前記第二の金属はアルミニウム又はアルミニウム合金であることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の電池用配線材の製造方法。

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