JP2017059506A - 蓄電素子及び蓄電素子の製造方法 - Google Patents

蓄電素子及び蓄電素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】絶縁部材に設置された端子又は集電体を溶接する場合、絶縁部材の熱変形を抑制することを抑制する。
【解決手段】蓄電素子10は、端子(負極端子300)又は集電体(負極集電体150)と容器100との間に配置された絶縁部材(下部絶縁部材130)と、端子又は集電体を、絶縁部材とで挟む位置に配置された溶接対象部材(負極リード板155)とを備える。絶縁部材には、溶接対象部材の溶接箇所に対向する位置に、端子又は集電体に向けて突出する突起136が設けられている。
【選択図】図9

Description

本発明は、蓄電素子及び蓄電素子の製造方法に関する。
従来、蓄電素子においては、端子又は集電体は絶縁部材を介して容器に設けられており、これにより端子と集電体とが容器と絶縁されている(例えば特許文献1参照)。容器の外方においてはバスバーが端子に溶接される。また、容器の内方においては、電極体のタブ部又は当該タブ部に接続されたリード板が集電体に溶接される。
特開2006−100097号公報
ところで、端子又は集電体が絶縁部材上に設置された状態で溶接される場合があるが、溶接時の熱が絶縁部材にまで伝わってしまい、絶縁部材を公差以上に変形させてしまうおそれがある。
本発明は、上記従来の課題を考慮し、絶縁部材に設置された端子又は集電体を溶接する場合、絶縁部材の熱変形を抑制することのできる蓄電素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る蓄電素子は、容器に設けられた端子と、端子に電気的に接続される集電体とを備える蓄電素子であって、端子又は集電体と容器との間に配置された絶縁部材と、端子又は集電体を、絶縁部材とで挟む位置に配置された溶接対象部材とを備え、絶縁部材には、溶接対象部材の溶接箇所に対向する位置に、端子又は集電体に向けて突出する突起が設けられている。
この構成によれば、端子又は集電体における溶接対象部材に接触する面とは反対側の面に、絶縁部材の突起が接触しているので、突起がない部分においては絶縁部材は端子又は集電体から離間する。したがって、溶接対象部材が端子又は集電体に溶接されたとしても、絶縁部材全体としての熱変形を抑制することができる。
また、本発明の一態様に係る蓄電素子は、さらに、タブ部を有する電極体を備え、溶接対象部材は、タブ部又はタブ部に接続される導電部材であり、集電体に溶接されてもよい。
ここで、タブ部又はタブ部に接続される導電部材を集電体に溶接する場合、これらは比較的薄いために絶縁部材に与える熱影響は大きい。しかしながら、この構成によれば、溶接対象部材がタブ部又は導電部材であったとしても、突起が変形するだけであるので、絶縁部材全体としての変形量を小さいままとすることができる。
また、本発明の一態様に係る蓄電素子は、さらに、容器の内周面に重ねられた絶縁シートを備え、絶縁部材には、絶縁シートの端部と、タブ部との間に配置される突出部が設けられていてもよい。
この構成によれば、絶縁部材の突出部が、絶縁シートの端部と、タブ部との間に配置されているので、振動や衝撃によってタブ部が切れたとしても、突出部がタブ部を押さえてそれ以上の移動を制限することになる。つまり、切断後のタブ部の移動は、絶縁シートがある範囲までに制約されるので、タブ部と容器との接触を防止することができる。
また、本発明の一態様に係る蓄電素子は、突起は、溶接箇所の延在方向に交差する方向に沿って長尺状に形成されていてもよい。
この構成によれば、溶接箇所の延在方向に交差する方向に沿って、突起が長尺状に形成されているので、溶接時においては例えばエネルギービームが突起を短時間で通過することになり、突起への熱影響を押さえることができる。
また、本発明の一態様に係る蓄電素子は、突起は、突起の長手方向に交差する方向で、所定の間隔をあけて複数設けられていてもよい。
この構成によれば、複数の突起が長手方向に交差する方向で、所定の間隔をあけて配置されているので、複数の突起によって溶接対象部材が安定して保持され、溶接も安定して行うことができる。また、溶接後の突起と端子又は集電体との接合面積も大きくすることができる。
また、本発明の一態様に係る蓄電素子は、溶接対象部材は、貫通孔を有し、溶接箇所は、貫通孔を介してすみ肉溶接により形成されていてもよい。
この構成によれば、貫通孔を介してすみ肉溶接されることで溶接箇所が形成されているので、他の溶接と比しても絶縁部材に対する熱影響を抑えつつ、確実な溶接を行うことができる。
また、本発明の一態様に係る蓄電素子の製造方法は、端子又は集電体と容器との間に配置された絶縁部材と、端子又は集電体を、絶縁部材とで挟む位置に配置された溶接対象部材とを備える蓄電素子の製造方法であって、絶縁部材が有する突起に端子又は集電体を接触させてから、端子又は集電体に溶接対象部材を重ねて、エネルギービームを溶接対象部材に照射することにより、溶接対象部材と端子又は集電体とを溶接する。
この構成によれば、端子又は集電体における溶接対象部材に接触する面とは反対側の面に、絶縁部材の突起が接触しているので、突起がない部分においては絶縁部材は端子又は集電体から離間する。したがって、溶接対象部材が端子又は集電体に溶接されたとしても、絶縁部材全体としての熱変形を抑制することができる。
そして、エネルギービーム溶接によって溶接対象部材と、端子又は集電体とを溶接しているので、短時間で溶接することができる。したがって、絶縁部材全体に対する熱影響を小さくすることができる。
本発明によれば、絶縁部材に設置された端子又は集電体と溶接対象部材とを溶接する場合、絶縁部材の熱変形を抑制することができる。
実施の形態に係る蓄電素子の外観を示す斜視図である。 実施の形態に係る蓄電素子の分解斜視図である。 実施の形態に係る蓋板構造体の分解斜視図である。 実施の形態に係る下部絶縁部材の概略構成を示す平面図である。 実施の形態に係る下部絶縁部材の概略構成を下方から見た斜視図である。 実施の形態に係る負極リード板の概略構成を示す斜視図である。 実施の形態に係る電極体の構成を示す斜視図である。 実施の形態に係る負極リード板及びその周辺の構造を示す断面概要図である。 実施の形態に係る蓄電素子の製造時における一工程を示す説明図である。 図9におけるX−X線を通るZX平面で切断した場合の下部絶縁部材、負極集電体及び平板を示す断面図である。 実施の形態に係る平板に対する曲げ加工の各工程を示す説明図である。 実施の形態に係る平板に対する曲げ加工の各工程を示す説明図である。 実施の形態に係る平板に対する曲げ加工の各工程を示す説明図である。 実施の形態に係る平板に対する曲げ加工の各工程を示す説明図である。 実施の形態に係る平板に対する曲げ加工の各工程を示す説明図である。 実施の形態に係るリード板の変形例を模式的に示す側面視図である。 実施の形態に係るリード板の変形例を模式的に示す側面視図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態における蓄電素子について説明する。なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示したものではない。
また、以下で説明する実施の形態は、本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、製造工程の順序などは一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
まず、図1〜図3を用いて、実施の形態における蓄電素子10の全般的な説明を行う。
図1は、実施の形態に係る蓄電素子10の外観を示す斜視図である。図2は、実施の形態に係る蓄電素子10の分解斜視図である。図3は、実施の形態に係る蓋板構造体180の分解斜視図である。なお、図3では、蓋板構造体180が有する正極集電体140及び負極集電体150に接合される正極リード板145及び負極リード板155は、破線で図示されている。
また、図1及び以降の図について、説明の便宜のため、Z軸方向を上下方向として説明しているが、実際の使用態様において、Z軸方向と上下方向とが一致しない場合もある。
蓄電素子10は、電気を充電し、また、電気を放電することのできる二次電池である。具体的には、蓄電素子10は、リチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池である。蓄電素子10は、例えば、電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)またはプラグインハイブリッド電気自動車(PHEV)等に適用される。なお、蓄電素子10は、非水電解質二次電池には限定されず、非水電解質二次電池以外の二次電池であってもよいし、キャパシタであってもよい。
図1に示すように、蓄電素子10は、容器100と、正極端子200と、負極端子300とを備えている。また、図2に示すように、容器100内方には電極体400が収容されており、電極体400の上方に、蓋板構造体180が配置されている。
蓋板構造体180は、容器100の蓋板110、集電体、及び、絶縁部材を有する。具体的には、蓋板構造体180は、上記集電体として、電極体400の正極側のタブ部410と電気的に接続された板状の正極集電体140を有している。同様に、蓋板構造体180は、上記集電体として、電極体400の負極側のタブ部420と電気的に接続された板状の負極集電体150を有している。
また、蓋板構造体180は、上記絶縁部材として、蓋板110と正極集電体140との間に配置された下部絶縁部材120を有している。同様に、蓋板構造体180は、上記絶縁部材として、蓋板110と負極集電体150との間に配置された下部絶縁部材130とを有している。
本実施の形態に係る蓋板構造体180はさらに、正極端子200、負極端子300、上部絶縁部材125、及び、上部絶縁部材135を有している。
上部絶縁部材125は、蓋板110と正極端子200との間に配置されている。上部絶縁部材135は、蓋板110と負極端子300との間に配置されている。
上記構成を有する蓋板構造体180と、電極体400との間には、上部スペーサ500と緩衝シート600とが配置されている。
上部スペーサ500は、電極体400の、タブ部410及び420が設けられた側と蓋板110との間に配置され、蓋板構造体180の一部に係止される係止部510を有している。
具体的には、上部スペーサ500は全体として平板状であり、かつ、2つの係止部510と、タブ部410及び420が挿入される(タブ部410及び420を貫通させる)2つの挿入部520とを有している。本実施の形態では、挿入部520は、上部スペーサ500において切り欠き状に設けられている。上部スペーサ500は、例えば、ポリカーボネート(PC)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、または、ポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)等の絶縁性を有する素材によって形成されている。
上部スペーサ500は、例えば、電極体400の上方(蓋板110の方向)への移動を直接的もしくは間接的に規制する部材、または、蓋板構造体180と電極体400との間における短絡を防止する部材として機能する。上部スペーサ500は、2つの係止部510を有し、2つの係止部510のそれぞれは、蓋板構造体180が有する取付部122または132に係止される。
緩衝シート600は、発泡ポリエチレンなどの、柔軟性の高い多孔質の素材で形成されており、電極体400と上部スペーサ500との間の緩衝材として機能する部材である。
また、本実施の形態では、電極体400の、電極体400と蓋板110との並び方向(Z軸方向)に交差する方向の側面(本実施の形態ではX軸方向の両側面)と、容器100の内周面との間にサイドスペーサ700が配置されている。サイドスペーサ700は、例えば、電極体400の位置を規制する役割を果たしている。サイドスペーサ700は、例えば上部スペーサ500と同様に、PC、PP、PE、またはPPS等の絶縁性を有する素材によって形成されている。
なお、蓄電素子10は、図1〜図3に図示された要素に加え、電極体400と容器100(本体111)の底113との間に配置された緩衝シートなど、他の要素を備えてもよい。また、蓄電素子10の容器100の内部には電解液(非水電解質)が封入されているが、電解液の図示は省略する。
容器100は、本体111と、蓋板110とを備える。本体111及び蓋板110の材質は、特に限定されないが、例えばステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金など溶接可能な金属であるのが好ましい。
本体111は、上面視矩形状の筒体であり、一端部に開口部112を備えるとともに、他端部に底113を備える。本体111の内方には、電極体400を覆う絶縁シート350が設けられている。絶縁シート350は、例えばPC、PP、PE、またはPPS等の絶縁性を有する素材によって形成されている。絶縁シート350は、本体111の内周面に重ねられており、電極体400と本体111との間に位置している。具体的には、絶縁シート350は、上面視で開口部112の長辺をなす本体111の一対の内周面と、底113の内面とに重ねて配置されている。
本体111は、電極体400、絶縁シート350等を内部に収容後、蓋板110が溶接等されることにより、内部が密封されている。
蓋板110は、本体111の開口部112を閉塞する板状部材である。蓋板110には、図2及び図3に示されるように、安全弁170、注液口117、貫通孔110a及び110b、並びに、2つの膨出部160が形成されている。安全弁170は、容器100の内圧が上昇した場合に開放されることで、容器100の内部のガスを放出する役割を有する。
注液口117は、蓄電素子10の製造時に電解液を注液するための貫通孔である。また、図1〜図3に示すように、蓋板110には、注液口117を塞ぐように、注液栓118が配置されている。つまり、蓄電素子10の製造時に、注液口117から容器100内に電解液を注入し、注液栓118を蓋板110に溶接して注液口117を塞ぐことで、電解液が容器100内に収容される。
なお、容器100に封入される電解液としては、蓄電素子10の性能を損なうものでなければその種類に特に制限はなく様々なものを選択することができる。
2つの膨出部160のそれぞれは、本実施の形態では、蓋板110の一部が膨出状に形成されていることで蓋板110に設けられており、例えば、上部絶縁部材125または135の位置決めに利用される。また、膨出部160の裏側(電極体400に対向する側)には上方に凹状の部分である凹部(図示せず)が形成されており、凹部の一部に、下部絶縁部材120または130の係合突部120bまたは130bが係合する。これにより、下部絶縁部材120または130も位置決めされ、その状態で蓋板110に固定される。
上部絶縁部材125は、正極端子200と蓋板110とを電気的に絶縁する部材である。下部絶縁部材120は、正極集電体140と蓋板110とを電気的に絶縁する部材である。上部絶縁部材135は、負極端子300と蓋板110とを電気的に絶縁する部材である。下部絶縁部材130は、負極集電体150と蓋板110とを電気的に絶縁する部材である。上部絶縁部材125及び135は、例えば上部パッキンと呼ばれる場合もあり、下部絶縁部材120及び130は、例えば下部パッキンと呼ばれる場合もある。つまり、本実施の形態では、上部絶縁部材125及び135並びに下部絶縁部材120及び130は、電極端子(200または300)と容器100との間を封止する機能も有している。
なお、上部絶縁部材125及び135、並びに、下部絶縁部材120及び130は、例えば上部スペーサ500と同様に、PC、PP、PE、またはPPS等の絶縁性を有する素材によって形成されている。また、下部絶縁部材120の、注液口117の直下に位置する部分には、注液口117から流入する電解液を電極体400の方向に導く貫通孔121が設けられている。
ここで、下部パッキンについて下部絶縁部材130を例示して詳細に説明する。
図4は、実施の形態に係る下部絶縁部材130の概略構成を下方から見た平面図である。図5は、実施の形態に係る下部絶縁部材130の概略構成を下方から見た斜視図である。なお、図4においては、負極集電体150の外形を二点鎖線で示し、負極リード板155の外形を破線で示している。
なお、正極側の下部絶縁部材120についても基本的な構成は、以下で説明する負極側の下部絶縁部材130と同様の構成であるが、貫通孔121を有する点で下部絶縁部材130と異なる。このため、正極集電体140は、貫通孔121に対向する部分が切り欠かれている。同様に、正極リード板145についても、貫通孔121に対向する部分が切り欠かれている。これにより、注液口117から貫通孔121を介して流入した電解液がスムーズに電極体400まで流れ込む。なお、正極集電体140の上記切り欠き以外の基本的な構成は、負極集電体150と同じである。また、正極リード板145においても、負極リード板155と同様に導電部材であり、上記切り欠き以外の基本的な構成は、負極リード板155と同じである。
図4及び図5に示すように、下部絶縁部材130は、負極集電体150を収容する収容部131を有する。収容部131は、負極集電体150を収容できるように、負極集電体150の外形よりもわずかに大きい形状で凹んだ凹部である。収容部131の一端部には、負極集電体150の貫通孔150aと連通する貫通孔130aが形成されている。収容部131の貫通孔130aは、負極集電体150の貫通孔150aの直径よりも大きい。この貫通孔130a,150aに対して、負極端子300の締結部310が挿入される。
ここで、収容部131において、貫通孔130a周辺の領域を締結領域133とする。下部絶縁部材130における締結領域133の外方には、上部スペーサ500の係止部510が係止される取付部132が設けられている。
また、収容部131において、締結領域133以外の領域、つまり締結領域133よりもX軸方向マイナス側の領域を溶接領域134とする。負極集電体150のうち、溶接領域134に配置された部分に対して、溶接対象部材である負極リード板155が溶接されて固定される。これにより、収容部131に収容された負極集電体150は、下部絶縁部材130と負極リード板155とで挟まれる。
収容部131の溶接領域134には、3つの突起136がX軸方向に所定の間隔をあけて配列されている。なお、突起136は、少なくとも1つ設けられていればよい。突起136は、収容部131の全幅にわたるようにY軸方向に延在する長尺状のリブである。このように、突起136の長手方向に交差する方向で、複数の突起136が所定の間隔をあけて配置されている。
また、複数の突起136の先端面に対して負極集電体150が接触するので、負極集電体150が複数の突起136によって保持される。また、複数の突起136の間においては、負極集電体150は、下部絶縁部材130から離間する(図10参照)。
図4及び図5に示すように、下部絶縁部材130における周縁部の一部には、外方に向けて突出する突出部137が設けられている。突出部137は、収容部131の溶接領域134に対向する位置に配置されている。突出部137は、X軸方向に長尺な形状であり、その外面が傾斜面となっている。
また、下部絶縁部材130における収容部131と突出部137との間には、負極リード板155を位置決めするための突部138がX軸方向で所定の間隔をあけて2つ設けられている。具体的には、突部138は、収容部131の溶接領域134の外縁から突出部137までY軸方向に沿って延在している。なお、突部138は少なくとも1つ以上設けられていればよい。
図6は、実施の形態に係る負極リード板155の概略構成を示す斜視図である。
図6に示すように、負極リード板155は、側面視U字状の板金である。具体的には、負極リード板155は、所定の間隔をあけて対向する第1板部156と、第2板部157とを備え、第1板部156と第2板部157とが互いの端部で連続して接続されている。なお、第1板部156と第2板部157とは対向しているのであれば接触していてもよい。第1板部156における第2板部157とは反対側の第1主面156aには、負極集電体150が固定される。第2板部157における第1板部156とは反対側の第2主面157aには、電極体400のタブ部420が固定される。
第1板部156には、X軸方向に長尺な一対の貫通孔(長孔159)がY軸方向に所定の間隔をあけて形成されている。この長孔159を介して負極リード板155と、負極集電体150とが溶接される。溶接後においては、この長孔159に基づいて溶接箇所190が形成される(図9参照)。
図6に示すように、第1板部156の先端部には、2つの切り欠き部158がX軸方向に所定の間隔をあけて形成されている。切り欠き部158は、外方に向かって徐々に広がる形状となっている。本実施の形態では、切り欠き部158は、平面視台形状に形成されていて、下底部分が第1板部156の先端に位置している。2つの切り欠き部158が下部絶縁部材130の突部138に係合する。つまり、切り欠き部158が係合部であり、突部138が被係合部である。これらが係合しあうことによって、下部絶縁部材130及び負極集電体150に対して、負極リード板155が位置決めされる。
図1〜図3に示すように、正極端子200は、正極集電体140を介して、電極体400の正極に電気的に接続された電極端子である。負極端子300は、負極集電体150を介して、電極体400の負極に電気的に接続された電極端子である。つまり、正極端子200及び負極端子300は、電極体400に蓄えられている電気を蓄電素子10の外部空間に導出し、また、電極体400に電気を蓄えるために蓄電素子10の内部空間に電気を導入するための金属製の電極端子である。なお、正極端子200及び負極端子300は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などで形成されている。
また、正極端子200には、容器100と正極集電体140とを締結する締結部210が設けられている。負極端子300には、容器100と負極集電体150とを締結する締結部310が設けられている。
締結部210は、正極端子200から下方に延設された部材(リベット)であり、正極集電体140の貫通孔140aに挿入されてかしめられる。具体的には、締結部210は、上部絶縁部材125の貫通孔125a、蓋板110の貫通孔110a、下部絶縁部材120の貫通孔120a、及び、正極集電体140の貫通孔140aに挿入されてかしめられる。これにより、正極端子200と正極集電体140とが電気的に接続され、正極集電体140は、正極端子200、上部絶縁部材125及び下部絶縁部材120とともに、蓋板110に固定される。
締結部310は、負極端子300から下方に延設された部材(リベット)であり、負極集電体150の貫通孔150aに挿入されてかしめられる。具体的には、締結部310は、上部絶縁部材135の貫通孔135a、蓋板110の貫通孔110b、下部絶縁部材130の貫通孔130a、及び、負極集電体150の貫通孔150aに挿入されてかしめられる。これにより、負極端子300と負極集電体150とが電気的に接続され、負極集電体150は、負極端子300、上部絶縁部材135及び下部絶縁部材130とともに、蓋板110に固定される。
なお、締結部210は、正極端子200との一体物として形成されていてもよく、正極端子200とは別部品として作製された締結部210が、かしめまたは溶接などの手法によって正極端子200に固定されていてもかまわない。締結部310と負極端子300との関係についても同様である。
正極集電体140は、電極体400と容器100との間に配置され、電極体400と正極端子200とを電気的に接続する部材である。正極集電体140は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などで形成されている。本実施の形態では、正極集電体140は、リード板としての正極リード板145を介して電極体400の正極側のタブ部410と電気的に接続される。正極リード板145は、正極集電体140と同様に、アルミニウムまたはアルミニウム合金などで形成されている。
負極集電体150は、電極体400と容器100との間に配置され、電極体400と負極端子300とを電気的に接続する部材である。負極集電体150は、銅または銅合金などで形成されている。本実施の形態では、負極集電体150は、リード板としての負極リード板155を介して電極体400の負極側のタブ部420と電気的に接続される。負極リード板155は、負極集電体150と同様に、銅または銅合金などで形成されている。
なお、リード板を介した集電体とタブ部との接続部分の詳細については、図8を用いて後述する。
次に、電極体400の構成について、図7を用いて説明する。
図7は、実施の形態に係る電極体400の構成を示す斜視図である。なお、図7では、電極体400の巻回状態を一部展開して図示している。
電極体400は、電気を蓄えることができる発電要素である。電極体400は、正極450及び負極460と、セパレータ470a及び470bとが交互に積層されかつ巻回されることで形成されている。つまり、電極体400は、正極450と、セパレータ470aと、負極460と、セパレータ470bとがこの順に積層され、かつ、断面が長円形状になるように巻回されることで形成されている。
正極450は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などからなる長尺帯状の金属箔である正極基材層の表面に、正極活物質層が形成された電極板である。なお、正極活物質層に用いられる正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質であれば、適宜公知の材料を使用できる。例えば、正極活物質として、LiMPO、LiMSiO、LiMBO(MはFe、Ni、Mn、Co等から選択される1種または2種以上の遷移金属元素)等のポリアニオン化合物、チタン酸リチウム、マンガン酸リチウム等のスピネル化合物、LiMO(MはFe、Ni、Mn、Co等から選択される1種または2種以上の遷移金属元素)等のリチウム遷移金属酸化物等を用いることができる。
負極460は、銅または銅合金などからなる長尺帯状の金属箔である負極基材層の表面に、負極活物質層が形成された電極板である。なお、負極活物質層に用いられる負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極活物質であれば、適宜公知の材料を使用できる。例えば、負極活物質として、リチウム金属、リチウム合金(リチウム−アルミニウム、リチウム−鉛、リチウム−錫、リチウム−アルミニウム−錫、リチウム−ガリウム、及びウッド合金等のリチウム金属含有合金)の他、リチウムを吸蔵・放出可能な合金、炭素材料(例えば黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温焼成炭素、非晶質カーボン等)、金属酸化物、リチウム金属酸化物(LiTi12等)、ポリリン酸化合物などが挙げられる。
セパレータ470a及び470bは、樹脂からなる微多孔性のシートである。なお、蓄電素子10に用いられるセパレータ470a及び470bの素材としては、蓄電素子10の性能を損なうものでなければ適宜公知の材料を使用できる。
正極450は、巻回軸方向の一端において外方に突出する複数の突出部411を有する。負極460も同様に、巻回軸方向の一端において外方に突出する複数の突出部421を有する。これら、複数の突出部411及び複数の突出部421は、活物質が塗工されず基材層が露出した部分(活物質未塗工部)である。
なお、巻回軸とは、正極450及び負極460等を巻回する際の中心軸となる仮想的な軸であり、本実施の形態では、電極体400の中心を通るZ軸方向に平行な直線である。
複数の突出部411と複数の突出部421とは、巻回軸方向の同一側の端(図4におけるZ軸方向プラス側の端)に配置され、正極450及び負極460が積層されることにより、電極体400の所定の位置で積層される。具体的には、複数の突出部411は、正極450が巻回によって積層されることにより、巻回軸方向の一端において周方向の所定の位置で積層される。また、複数の突出部421は、負極460が巻回によって積層されることにより、巻回軸方向の一端において、複数の突出部411が積層される位置とは異なる周方向の所定の位置で積層される。
その結果、電極体400には、複数の突出部411が積層されることで形成されたタブ部410と、複数の突出部421が積層されることで形成されたタブ部420とが形成される。タブ部410は、例えば積層方向の中央に向かって寄せ集められて、正極リード板145と、例えば超音波溶接によって接合される。また、タブ部420は、例えば積層方向の中央に向かって寄せ集められて、負極リード板155と、例えば超音波溶接によって接合される。タブ部410と接合された正極リード板145は、正極集電体140と接合され、タブ部420と接合された負極リード板155は負極集電体150と接合される。
なお、タブ部(410、420)は、電極体400において、電気の導入及び導出を行う部分であり、「リード(部)」、「集電部」等の他の名称が付される場合もある。
ここで、タブ部410は、基材層が露出した部分である突出部411が積層されることで形成されているため、発電に寄与しない部分となる。同様に、タブ部420は、基材層が露出した部分である突出部421が積層されることで形成されているため、発電に寄与しない部分となる。一方、電極体400のタブ部410及び420と異なる部分は、基材層に活物質が塗工された部分が積層されることで形成されているため、発電に寄与する部分となる。以降、当該部分を本体部430と称する。
次に、リード板を介した集電体とタブ部との接続部分の構成例について図8を用いて説明する。
図8は、実施の形態に係る負極リード板155及びその周辺の構造を示す断面概要図である。なお、図8には、図3におけるVIII−VIII線を通るYZ平面で切断した場合の蓄電素子10の一部の断面が図示されており、X軸方向プラス側のサイドスペーサ700(図2参照)の図示は省略されている。また、電極体400は簡略化されて図示されている。
図8に示すように、電極体400のタブ部420と、負極集電体150とは、負極リード板155を介して電気的に接続されている。具体的には、負極リード板155における第1板部156の第1主面156aには、下部絶縁部材130に収容された負極集電体150の露出した表面が重ねられて固定されている。また、負極リード板155における第2板部157の第2主面157aには、電極体400のタブ部420が重ねられて固定されている。
電極体400の本体部430の、タブ部420が設けられた側の端部に対して、第2板部157の第2主面157aが対向するように負極リード板155が配置されている。これにより、負極リード板155の第1板部156と第2板部157とが、本体部430の端部に対して重なっている。
そして、本体部430の、タブ部420が設けられた側の端部と蓋板110との間には、上部スペーサ500が配置されている。より詳細には、上部スペーサ500によって、タブ部420と負極リード板155との接合部分と、電極体400の本体部430とが仕切られている。タブ部420は、上部スペーサ500に設けられた挿入部520に挿入されて配置されている。また、上部スペーサ500と電極体400の本体部430との間には、図8に示すように、緩衝シート600が挟まれている。
また、下部絶縁部材130の突出部137は、絶縁シート350の端部と、タブ部420との間に配置されている。具体的には、絶縁シート350の端部と、蓋板110との間には隙間が形成されている。突出部137は、この隙間よりも絶縁シート350側まで突出している。また、突出部137は、外方に向かうにつれて絶縁シート350の端部に近づくように傾斜している。突出部137の先端部は、絶縁シート350から離間している。そして、突出部137は、タブ部420の側方に対向して配置されている。突出部137のX軸方向における長さは、タブ部420のX軸方向における長さよりも長い。このため、タブ部420の全体が突出部137で覆われている。
なお、図8では負極リード板155周辺の構造について図示し、その説明を行ったが、正極リード板145周辺の構造も同様である。すなわち、電極体400のタブ部410と、正極集電体140とは、断面がU字状の正極リード板145(例えば図2参照)を介して電気的に接続されている。また、上部スペーサ500によって、タブ部410と正極リード板145との接合部分と、電極体400の本体部430とが仕切られており、タブ部410は、上部スペーサ500に設けられた挿入部520に挿入されて配置される。
このように、電極体400と、正極集電体140及び負極集電体150とを、正極リード板145及び負極リード板155とを介して接続することで、電極体400のタブ部410及び420の長さ(巻回軸方向(Z軸方向)の長さ)を比較的短くすることができる。
つまり、電極体400の製造に必要な、正極450及び負極460の電極板の幅(巻回軸方向(Z軸方向)の長さ)を比較的短くすることができる。このことは、例えば電極体400の製造効率の観点から有利である。
次に、蓄電素子10の製造方法を説明する。なお、ここでの説明においても負極側を例示して説明し、正極側の説明は省略する。
図9は、実施の形態に係る蓄電素子10の製造時における一工程を示す説明図である。図9においては、下部絶縁部材130の収容部131が上方(X軸方向プラス側)を向くように下部絶縁部材130が配置されている。これは溶接を容易に行うためであるが、溶接が可能であるのなら、下部絶縁部材130の溶接時の配置状態は如何様でもよい。
まず、負極リード板155となる平板800を準備する。平板800は、同一平面上に配置された第1領域805と、第2領域810とを有する。第1領域805が第1板部156の第1主面156aとなり、第2領域810が第2板部157の第2主面157aとなる。
そして、平板800の第2領域810に対して、電極体400のタブ部420を、超音波溶接によって溶接し、固定する。
他方、下部絶縁部材130に対しては、収容部131に負極集電体150を収容し組み付ける。
次いで、負極集電体150の露出した表面に対して、負極リード板155となる平板800を重ねる。このとき、負極集電体150の露出した表面上を平板800をスライドさせながら、切り欠き部158を下部絶縁部材130の突部138に係合させて、負極集電体150と平板800との位置を合わせる。位置合わせ時においては、切り欠き部158が外方に向かって徐々に広がる形状であるので、その切り欠き部158の縁部に対して突部138を沿わせれば、切り欠き部158内の所望の位置に突部138を案内することができる。
図10は、図9におけるX−X線を通るZX平面で切断した場合の下部絶縁部材130、負極集電体150及び平板800を示す断面図である。
図10に示すように、位置合わせ後においては、下部絶縁部材130の複数の突起136の先端面が負極集電体150に接触している。また、複数の突起136の間においては、負極集電体150と下部絶縁部材130との間に空間が形成されている。そして、複数の突起136に支持された負極集電体150に対して平板800が重ねられている。これにより、下部絶縁部材130に当接した負極集電体150は、下部絶縁部材130と平板800とによって挟まれる。このとき、平板800の長孔159の延在方向と、突起136の長手方向が直交する方向に延在する(図9参照)。このような状態で平板800と負極集電体150とが溶接される。
平板800と負極集電体150との溶接には、エネルギービームを照射するエネルギービーム溶接が用いられる。エネルギービーム溶接としては、例えば電子ビーム溶接、レーザー溶接などが挙げられる。本実施の形態では、レーザー溶接を採用する。
なお、レーザー溶接時においては、図9に示すように、長孔159の周囲を囲うとともに、切り欠き部158側を開放する上面視U字状の治具950を平板800に当接させて設置する。この治具950の開放部分から例えばアルゴン、ヘリウム、窒素などのシールドガスを注入しながら、レーザー溶接を行う。
レーザー溶接時には、平板800の長孔159の周縁部が、負極集電体150に対してすみ肉溶接されるように、レーザーが照射される。このため、レーザーの進行方向は、長孔159の延在方向に平行、つまり、突起136の長手方向に直交する方向に平行となる。溶接後においては、長孔159の周縁部若しくは当該周縁部を含む長孔159の内側領域が溶接箇所190となる。したがって、下部絶縁部材130の3つの突起136が、負極集電体150を挟んで溶接箇所190と対向する。
レーザー溶接時においては負極集電体150を介して下部絶縁部材130の突起136に熱が伝わる。これにより突起136は溶け、溶接後には負極集電体150に接合される。
負極集電体150に対して平板800が溶接された後には、平板800に曲げ加工を施して負極リード板155を形成する。
図11〜図15は、実施の形態に係る平板800に対する曲げ加工の各工程を示す説明図である。
なお、曲げ加工の前段階として、下部絶縁部材130に対して、蓋板構造体180の他の構成部材を組み付けることで蓋板構造体180を組み立てておく。
そして、図11に示すように、平板800の折り曲げられる箇所には、円柱状の治具900を当接させる。また、平板800に固定されたタブ部420を平板800とともに挟む位置に角柱状の治具910が配置される。具体的には、治具910の一平面でタブ部420を平板800とともに挟む。このようにタブ部429が治具910と平板800とによって面接触で挟持されるので、タブ部420を保護することができる。この状態で、図11の矢印Y1方向の力を蓋板構造体180に付与して、蓋板構造体180を矢印Y2方向に移動させる。これにより、平板800が治具900の外周面に沿って曲げられる。
図12に示すように平板800が所定角度まで曲げられると、治具900及び治具910を当該位置から退避させる。このとき、治具900は、平板800を挟んでタブ部420とは反対側に配置されているので、退避に際してタブ部420に接触せず、タブ部420を傷つけない。
次いで、図13に示すように三角柱状の治具920を設置する。治具920は、その斜面が、平板800に固定されたタブ部420を平板800とともに挟むように配置される。その状態で、図13における矢印Y3方向の力を蓋板構造体180に付与して、蓋板構造体180を矢印Y4方向に移動させる。図14に示すように、平板800の第1板部156と、第2板部157とが所定の間隔をあけて対向すると、負極リード板155が形成される。その後、治具920を当該位置から退避させて、図15に示すように、電極体400の本体部430の、タブ部420が設けられた側の端部に対して、第2板部157の第2主面157aが対向するように負極リード板155を配置する。
その後、容器100の本体111に、電極体400、蓋板構造体180、上部スペーサ500、緩衝シート600、絶縁シート350等を収容し、本体111に蓋板110を溶接して、容器100を組み立てる。
そして、注液口117から電解液を注液してから、注液栓118を蓋板110に溶接して注液口117を塞ぐことで、蓄電素子10が製造される。
以上のように、本実施の形態によれば、負極集電体150における負極リード板155に接触する面とは反対側の面に、下部絶縁部材130の突起136が接触しているので、突起136がない部分においては下部絶縁部材130は負極集電体150から離間する。したがって、負極リード板155が負極集電体150に溶接されたとしても、下部絶縁部材130全体としての熱変形を抑制することができる。
さらに、溶接時の熱により突起136は溶け、溶接後には硬化して負極集電体150に接合されるので、負極集電体150と下部絶縁部材130が一体化する。これにより、負極集電体150と下部絶縁部材130とがより強固に固定される。
そして、エネルギービーム溶接によって負極リード板155と、負極集電体150とを溶接しているので、短時間で溶接することができる。したがって、下部絶縁部材130全体に対する熱影響を小さくすることができる。
ここで、負極リード板155や負極集電体150は、比較的薄いために下部絶縁部材130に与える熱影響は大きい。しかしながら、負極リード板155を負極集電体150に溶接する場合でも突起136が変形するだけであるので、下部絶縁部材130全体としての変形量を小さいままとすることができる。
また、下部絶縁部材130の突出部137が、絶縁シート350の端部と、タブ部420との間に配置されているので、振動や衝撃によってタブ部420が切れたとしても、突出部137がタブ部420を押さえてそれ以上の移動を制限することになる。つまり、切断後のタブ部420の移動は、絶縁シート350がある範囲までに制約されるので、タブ部420と容器100との接触を防止することができる。
また、溶接箇所190の延在方向に交差する方向に沿って、突起136が長尺状に形成されているので、溶接時においてはレーザーが突起136を短時間で通過することになり、突起136への熱影響を押さえることができる。
また、複数の突起136が長手方向に交差する方向で、所定の間隔をあけて配置されているので、複数の突起136によって負極リード板155が安定して保持され、溶接も安定して行うことができる。また、溶接後の突起136と負極リード板155との接合面積も大きくすることができる。
また、長孔159を介してすみ肉溶接されることで溶接箇所190が形成されているので、他の溶接と比しても下部絶縁部材130に対する熱影響を抑えつつ、確実な溶接を行うことができる。なお、貫通孔の形状は長孔でなくてもよい。
また、負極リード板155の第1板部156と第2板部157とが対向していて、第2板部157の第2主面157aにタブ部420が固定されている。つまり、負極リード板155の外周面となる第2主面157aにタブ部420が固定されているので、負極リード板155の先端部にタブ部420が干渉しにくくなる。したがって、タブ部420が破損することを抑制することができる。
そして、タブ部420の破損が抑制できれば、タブ部420を複数、R形状に曲げなくともよくなり、タブ部420の収容空間を小さくすることができる。したがって、蓄電素子10の大型化を抑えることができる。
また、電極体400における本体部430のタブ部420が突出した端部に、負極リード板155の第2板部157の第2主面157aが対向しているので、本体部430の端部に対して第2板部157と第1板部156とが重なることになる。したがって、負極リード板155の収容空間をより小さくすることができる。
また、タブ部420と、本体部430との間に、タブ部420と接触する下部絶縁部材130が設けられているので、タブ部420は下部絶縁部材130により補強され、タブ部420の強度を高めることができる。また、万が一、タブ部420が破損したとしても下部絶縁部材130がタブ部420を押さえるので、他の導電部材にタブ部420が接触してしまうことを防止することができる。
また、平板800の同一平面上に負極集電体150とタブ部420とが溶接されてから、平板800が曲げられて負極リード板155となるので、もともと曲げられている部材に対して溶接するよりも容易に溶接を行うことができる。また、平板800に溶接をするので、安定した溶接が可能であり、タブ部420の接合強度を高めることができる。したがって、タブ部420の破損を抑制することができる。
また、負極リード板155に係合部(切り欠き部158)が設けられるとともに、下部絶縁部材130に被係合部(突部138)が設けられているので、係合部を被係合部に係合させれば、下部絶縁部材130に当接した負極集電体150と、負極リード板155とを位置合わせすることができる。したがって、溶接をする際の作業性を高めることができる。
また、被係合部が突部138であり、係合部が切り欠き部158であるので、切り欠き部158の開口から突部138を係合させることができる。したがって、下部絶縁部材130に当接した負極集電体150上で負極リード板155をスライドさせることで、切り欠き部158を突部138に係合させることができ、簡易な作業で位置合わせを行うことができる。
また、切り欠き部158が外方に向かって徐々に広がる形状であるので、その切り欠き部158の縁部に対して突部138を沿わせれば、切り欠き部158内の所望の位置に突部138を案内することができる。したがって、位置合わせをより容易に行うことができる。
また、下部絶縁部材130に負極集電体150を収容する収容部131が設けられていて、この収容部131の外方に被係合部(突部138)が設けられているので、負極集電体150を収容部131に収容した状態で負極リード板155の位置合わせを行うことができる。したがって、位置合わせを容易に行うことができる。
(他の実施の形態)
以上、本発明に係る蓄電素子について、実施の形態に基づいて説明した。しかしながら、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を上記実施の形態に施したものも、あるいは、上記説明された複数の構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
例えば、蓄電素子10が備える電極体400の個数は1には限定されず、2以上であってよい。蓄電素子10が複数の電極体400を備える場合、同一体積(容積)の容器100に単数の電極体400を収容する場合に比べ、容器100のコーナー部のデッドスペースを減らすことができる。このため、容器100の容積に占める電極体400の割合を増加させることが可能となり、その結果、蓄電素子10の容量の増加が図られる。
また、蓄電素子10が備える電極体400は巻回型である必要はない。蓄電素子10は、例えば平板状極板を積層した積層型の電極体を備えてもよい。また、蓄電素子10は、例えば、長尺帯状の極板を山折りと谷折りとの繰り返しによって蛇腹状に積層した構造を有する電極体を備えてもよい。
また、電極体400が有する正極側のタブ部410と負極側のタブ部420との位置関係は特に限定されない。例えば、巻回型の電極体400において、タブ部410とタブ部420とが巻回軸方向の互いに反対側に配置されていてもよい。また、蓄電素子10が、積層型の電極体を備える場合、積層方向から見た場合において、正極側のタブ部と負極側のタブ部とが異なる方向に突出して設けられていてもよい。この場合、正極側のタブ部と負極側のタブ部にそれぞれ対応する位置に、下部絶縁部材、リード板、集電体等が配置されていればよい。
なお、上記実施の形態では、負極集電体150に溶接される溶接対象部材として、負極リード板155を例示して説明したが、電極体400のタブ部420を溶接対象部材としてもよい。この場合、負極リード板155が不要となり、部品点数を削減することができる。
また、上記実施の形態では、下部絶縁部材130に負極集電体150に接触する突起136を設けて、下部絶縁部材130と負極集電体150との接触面積を抑制する構成を例示した。同様の構成を、上部絶縁部材125,135に対しても適用することも可能である。具体的には、上部絶縁部材125,135に対して、端子(正極端子200、負極端子300)に接触する突起を設けて、上部絶縁部材125,135と端子との接触面積を抑制する。これにより、端子にバスバーを溶接する際には、突起のみ溶けて、上部絶縁部材125,135全体を変形させることを抑制することができる。なお、この場合においてはバスバーが溶接対象部材となる。
また、上記実施の形態では、長尺状の突起136を例示して説明したが、突起の形状は、溶接時における下部絶縁部材130本体への伝熱量を抑制し、かつ突起自体が溶けるのであれば、如何様でもよい。なお、上記実施の形態で例示した突起136のように、収容部131の全幅に対して連続した形状であれば、下部絶縁部材130の成形時に、下部絶縁部材130が撓んでしまうことを抑制することができる。なお、突起136は、正極側の絶縁部材に設けられていてもよい。さらに、突起136は、正極側、負極側の両方の絶縁部材に設けられていてもよい。
また、上記実施形態では、側面視U字状の負極リード板155を例示して説明したが、リード板の形状は、第1板部及び第2板部が互いに対向し、それらが一体化している形状であれば如何様でもよい。
図16及び図17は、実施の形態に係るリード板の変形例を模式的に示す側面視図である。
図16に示すように、平板が1度屈曲されたことにより形成されたリード板155Aであってもよく、図17に示すように、平板が側面視で直角に二箇所屈曲されたことにより形成されたリード板155Bであってもよい。
また、上記実施の形態では、負極リード板155の切り欠き部158が、下底部分が第1板部156の先端に位置する平面視台形状である場合を例示して説明した。しかし、切り欠き部158の形状は、外方に向かって徐々に広がる形状であれば如何様でもよい。徐々に広がる形状をなす対向する二辺は、直線状であっても、曲線状であってもよい。
また、上記実施の形態では、負極リード板155の係合部を切り欠き部158とし、下部絶縁部材130の被係合部を突部138とした場合を例示した。しかし、係合部及び被係合部の形状は、両者が係合し位置合わせできる形状であれば如何様でもよい。例えば、負極リード板155の係合部を孔とし、下部絶縁部材130の被係合部を前記孔に挿入されるボスとしてもよい。
なお、上記実施の形態及び上記変形例を任意に組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
本発明は、リチウムイオン二次電池などの蓄電素子等に適用できる。
10 蓄電素子
100 容器
110 蓋板
110a,110b,120a,121,125,130a,135a,140a,150a 貫通孔
111 本体
112 開口部
113 底
117 注液口
118 注液栓
120,130 下部絶縁部材(絶縁部材)
120b 係合突部
122,132 取付部
125,135 上部絶縁部材
131 収容部
133 締結領域
134 溶接領域
136 突起
137 突出部
138 突部
140 正極集電体(集電体)
145 正極リード板(導電部材)
150 負極集電体(集電体)
155 負極リード板(導電部材)
155A,155B リード板
156 第1板部
156a 第1主面
157 第2板部
157a 第2主面
158 切り欠き部
159 長孔(貫通孔)
160 膨出部
170 安全弁
180 蓋板構造体
190 溶接箇所
200 正極端子(端子)
210 締結部
300 負極端子(端子)
310 締結部
350 絶縁シート
400 電極体
410,420 タブ部
411,421 突出部
430 本体部
450 正極
460 負極
470a,470b セパレータ
500 上部スペーサ
510 係止部
520 挿入部
600 緩衝シート
700 サイドスペーサ
800 平板
805 第1領域
810 第2領域
900,910,920,950 治具

Claims (7)

  1. 容器に設けられた端子と、前記端子に電気的に接続される集電体とを備える蓄電素子であって、
    前記端子又は前記集電体と前記容器との間に配置された絶縁部材と、
    前記端子又は前記集電体を、前記絶縁部材とで挟む位置に配置された溶接対象部材とを備え、
    前記絶縁部材には、前記溶接対象部材の溶接箇所に対向する位置に、前記端子又は前記集電体に向けて突出する突起が設けられている
    蓄電素子。
  2. さらに、
    タブ部を有する電極体を備え、
    前記溶接対象部材は、前記タブ部又は前記タブ部に接続される導電部材であり、前記集電体に溶接される
    請求項1に記載の蓄電素子。
  3. さらに、
    前記容器の内周面に重ねられた絶縁シートを備え、
    前記絶縁部材には、前記絶縁シートの端部と、前記タブ部との間に配置される突出部が設けられている
    請求項2に記載の蓄電素子。
  4. 前記突起は、前記溶接箇所の延在方向に交差する方向に沿って長尺状に形成されている
    請求項1〜3のいずれか一項に記載の蓄電素子。
  5. 前記突起は、前記突起の長手方向に交差する方向で、所定の間隔をあけて複数設けられている
    請求項4に記載の蓄電素子。
  6. 前記溶接対象部材は、貫通孔を有し、
    前記溶接箇所は、前記貫通孔を介してすみ肉溶接により形成されている
    請求項1〜5のいずれか一項に記載の蓄電素子。
  7. 端子又は集電体と容器との間に配置された絶縁部材と、前記端子又は前記集電体を、前記絶縁部材とで挟む位置に配置された溶接対象部材とを備える蓄電素子の製造方法であって、
    前記絶縁部材が有する突起に前記端子又は前記集電体を接触させてから、前記端子又は前記集電体に前記溶接対象部材を重ねて、エネルギービームを前記溶接対象部材に照射することにより、前記溶接対象部材と前記端子又は前記集電体とを溶接する
    蓄電素子の製造方法。
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