JP2018092743A

JP2018092743A - 摩擦攪拌接合方法

Info

Publication number: JP2018092743A
Application number: JP2016233491A
Authority: JP
Inventors: 晃士田丸; Koji Tamaru
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2018-06-14
Anticipated expiration: 2036-11-30
Also published as: JP6810890B2

Abstract

【課題】電池本体への負荷が軽減された摩擦攪拌接合方法を提供する。【解決手段】本発明により、摩擦撹拌接合用の接合ツール３０を用いて、電池の電極端子１２とバスバー２０とを接合する摩擦撹拌接合方法が提供される。かかる摩擦撹拌接合方法は、バスバー２０に凹状部２１を形成する工程と、電極端子１２とバスバー２０とを重ねて、バスバー２０の凹状部２１に接合ツール３０を押し付ける工程と、を包含する。【選択図】図２

Description

本発明は、摩擦攪拌接合方法に関する。詳しくは、電池の電極端子とバスバーとを接合する摩擦撹拌接合方法に関する。

異種金属間の接合方法として、摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding：ＦＳＷ）方法が知られている（特許文献１〜３参照）。例えば特許文献１には、複数の電池の電極端子間を電気的に接続する際に、電極端子とバスバーとを摩擦撹拌接合方法で接合することが開示されている。

特開２０１１−０８２１５９号公報特開２００２−１５３９７６号公報特開２０１５−２２５７５５号公報

特許文献１の摩擦撹拌接合方法では、金属製の電極端子に金属製のバスバーを重ねた状態で、バスバーの側から摩擦撹拌接合用のツールを押し付ける。これによって発生する摩擦熱で電極端子の金属材料とバスバーの金属材料とを共に軟化、塑性流動させることにより、電極端子とバスバーとを固相接合する。

しかしながら、本発明者の検討によれば、特許文献１の摩擦撹拌接合方法では、接合ツールをバスバーに押し付ける際、電池本体に大きな荷重がかかる。そのため、電池ケースが塑性変形することがあった。さらには、これによって電池の気密性が低下することがあった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電池本体への負荷が軽減された摩擦攪拌接合方法を提供することにある。

本発明により、摩擦撹拌接合用の接合ツールを用いて、電池の電極端子とバスバーとを接合する摩擦撹拌接合方法が提供される。かかる摩擦撹拌接合方法は、上記バスバーに凹状部を形成する工程と、上記電極端子と上記バスバーとを重ねて、上記バスバーの上記凹状部に上記接合ツールを押し付ける工程と、を包含する。

上記の摩擦攪拌接合方法では、電極端子とバスバーとを接合する前に、バスバーに凹状部を形成して、接合箇所の金属量を予め減らしておく。このことにより、特許文献１の摩擦撹拌接合方法と比べて、接合ツールを押し付ける際の電池ケースに対する荷重を低減することができる。したがって、電池本体への負荷が軽減された摩擦攪拌接合方法が実現される。

一実施形態に係る組電池を模式的に示す平面図である。（ａ）〜（ｃ）は、一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を説明するための模式的な断面図である。（ａ）、（ｂ）は、一実施形態に係るバスバーの凹状部を模式的に示す部分断面図である。バスバーの凹状部の体積を変化させた時の、ピーク荷重と正極端子−バスバー間の接合強度とを比較したグラフである。凹状部の形状を変化させた時のピーク荷重を比較したグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、摩擦攪拌接合方法以外の電池の製造一般に関する事項）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化することがある。各図における寸法関係（長さ、幅、厚み等）は必ずしも実際の寸法関係を反映するものではない。

なお、本明細書において「電池」とは、電気エネルギーを取り出し可能な蓄電デバイス一般を指す用語であって、一次電池と二次電池とを包含する概念である。また、「二次電池」とは、繰り返し使用可能な電池一般を指す用語であって、リチウム二次電池等の蓄電池のほか、電気二重層キャパシタ等の物理電池を包含する。

図１は、一実施形態に係る組電池１を模式的に示す平面図である。組電池１は、複数の二次電池１０と、複数の二次電池１０の間を電気的に接続する複数のバスバー２０とを備えている。複数の二次電池１０は、配列方向Ｘに沿って平行に並んでいる。各二次電池１０の外表面には、正極端子１２と負極端子１４とが突出している。正極端子１２は、例えばアルミニウム等の金属製である。負極端子１４は、例えば銅等の金属製である。正極端子１２と負極端子１４とは、電極端子の一例である。

配列方向Ｘに隣り合う二次電池１０の正極端子１２と負極端子１４とはバスバー２０で交互に接続されている。言い換えれば、組電池１において、複数の二次電池１０は、複数のバスバー２０によって直列に接続されている。バスバー２０は、導電性の連結部材である。バスバー２０は、ここでは矩形な板状である。バスバー２０は、正極端子１２と負極端子１４とを覆うように、正極端子１２と負極端子１４との上部に配置されている。バスバー２０は、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル等の金属製である。

二次電池１０の正極端子１２とバスバー２０、および／または、二次電池１０の負極端子１４とバスバー２０は、ここに開示される摩擦攪拌接合方法によって接合されている。
以下、正極端子１２とバスバー２０との摩擦攪拌接合方法を一例として、本実施形態における摩擦攪拌接合方法について説明する。

図２（ａ）〜（ｃ）は、一実施形態に係る摩擦攪拌接合方法を説明するための模式的な断面図である。本実施形態における摩擦攪拌接合方法では、摩擦撹拌接合用の接合ツール３０を用いて、二次電池１０の正極端子１２とバスバー２０とを接合する。本実施形態の摩擦攪拌接合方法では、まず、二次電池１０とバスバー２０と摩擦撹拌接合用の接合ツール３０とを用意する（用意工程）。次に、バスバー２０に凹状部を形成する（凹状部形成工程）。そして、二次電池１０の正極端子１２にバスバー２０を重ねて、バスバー２０の側から接合ツール３０を押し付ける（接合工程）。

用意工程では、二次電池１０とバスバー２０と摩擦撹拌接合用の接合ツール３０とを用意する。二次電池１０は、従来の一般的な二次電池と同様でよい。二次電池１０は、正極端子１２と負極端子１４とを有する。二次電池１０は、典型的には、所定の電池構成材料（正極、負極、セパレータ等）を具備する電極体が、適当な電解質と共に電池ケースに収容された構成を有する。なお、電池構成材料、電極体および電解質の構成は本発明を特徴づけるものではないので、説明は省略する。

バスバー２０は、金属製の導電性部材である。バスバー２０を構成する金属材料の種類や、バスバー２０の形状については特に限定されない。バスバー２０は、二次電池１０の正極端子１２と同じ金属材料で構成されていてもよいし、二次電池１０の負極端子１４と同じ金属材料で構成されていてもよいし、正極端子１２や負極端子１４とは異なる金属材料で構成されていてもよい。

接合ツール３０は、摩擦撹拌接合を行うためのものである。接合ツール３０は、図示しないモータに接続されており、回転可能に構成されている。図２（ａ）に示すように、接合ツール３０は、ツール本体３１と、突起部（プローブ）３２とを有している。ツール本体３１と突起部３２とは、超合金等の高融点材料で構成されている。ツール本体３１は、外形が円筒形状である。突起部３２は、ツール本体３１の先端に位置し、外形が円筒形状である。突起部３２は、ツール本体３１よりも小さな外径を有している。突起部３２は、平面視で円形状を有している。突起部３２は、ツール本体３１から一体的に形成されている。突起部３２は、摩擦撹拌接合の際、真っ先にバスバー２０に挿入される部位である。ツール本体３１と突起部３２との間には、段差部（ショルダー）３３が形成されている。段差部３３は、摩擦撹拌接合の際、バスバー２０に強く押し付けられる部位である。

凹状部形成工程では、バスバー２０の表面であって接合ツール３０の突起部３２を押し当てる位置に、凹状部２１を形成する。凹状部２１は、従来公知の方法で形成することができる。凹状部２１は、例えば、切削工具を用いてバスバー２０を切削加工することによって形成することができる。あるいは、バスバー２０を凹状部２１の形状と対応した凸状部を有する金型に押し付けて成形加工することによっても作製することができる。

図３（ａ）、（ｂ）は、一実施形態に係るバスバー２０の凹状部２１を模式的に示す部分断面図である。図３（ａ）に示す凹状部２１は、貫通部（貫通孔）２１ａである。貫通部２１ａは、例えば円筒形状である。貫通部２１ａは、平面視で、例えば接合ツール３０の突起部３２と同じ円形状である。貫通部２１ａは、断面視で、例えば矩形状である。断面視において、貫通部２１ａの深さｔ１は、バスバー２０の厚みＴと同じである。断面視において、貫通部２１ａの開口幅（内径）ｗ１は、接合ツール３０の突起部３２の幅と同じかそれよりも小さいとよい。一好適例では、貫通部２１ａの開口幅ｗ１が、接合ツール３０の突起部３２の幅と同じである。これにより、貫通部２１ａが、接合ツール３０を挿入する際のガイドとして機能し得る。したがって、接合ツール３０の突起部３２を凹状部２１に安定的に挿入することができる。

図４は、バスバー２０の貫通部２１ａの体積（ｍｍ^３）を変化させた時の、ピーク荷重（Ｎ）と正極端子１２−バスバー２０間の接合強度（Ｎ）とを比較したグラフである。図４では、貫通孔２１ａの形状を一定とし、その体積を変化させて、二次電池１０への荷重低減効果を検討している。図４に示すように、貫通部２１ａの体積が大きいほど接合ツール３０をバスバー２０に押し付ける際のピーク荷重を低減することができる。一方で、貫通部２１ａの体積が接合ツール３０の突起部３２の体積を超えると、正極端子１２とバスバー２０との接合部に欠陥（空隙）が発生し易くなる。その結果、図４に示すように、正極端子１２とバスバー２０との接合強度が低下傾向となる。

以上の結果から、貫通部２１ａの体積は、接合ツール３０の突起部３２の体積と同じかそれよりも小さいことが好ましいと言える。一例では、接合ツール３０の突起部３２の体積を１００％としたときに、貫通部２１ａの体積が、概ね３０％〜１００％であることが好ましい。貫通部２１ａの体積を所定値以上とすることで、ここに開示される技術の効果をより良く発揮することができる。また、貫通部２１ａの体積を接合ツール３０の突起部３２の体積以下とすることで、正極端子１２とバスバー２０との接合強度を高く維持することができる。

図３（ｂ）に示す凹状部２１は、溝部２１ｂである。溝部２１ｂは底面を有し、バスバー２０を貫通していない。溝部２１ｂは、外縁から中心に向けて幅が狭まる、所謂、テーパ形状である。溝部２１ｂのテーパ角度θは、例えば１２０°以下である。溝部２１ｂの開口部分は、平面視で、例えば接合ツール３０の突起部３２と同じ円形状である。溝部２１ｂは、断面視で、例えば逆三角形状である。断面視において、溝部２１ｂの深さｔ２は、バスバー２０の厚みＴよりも小さい。溝部２１ｂの深さｔ２は、例えばバスバー２０の厚みＴの９５％以下である。断面視において、溝部２１ｂの開口幅（内径）ｗ２は、接合ツール３０の突起部３２の幅と同じかそれよりも小さいとよい。

図５は、バスバー２０の凹状部２１の形状を変化させた時のピーク荷重（Ｎ）を比較したグラフである。図５では、凹状部２１の体積は一定（２．５ｍｍ^３）とし、その形状を貫通孔形状あるいはテーパ形状として、二次電池１０への荷重低減効果を検討している。図５では、各形状につきＮ＝３で検討を行っている。図５に示すように、貫通孔形状とテーパ形状とを比較すると、テーパ形状の方が、接合ツール３０をバスバー２０に押し付ける際のピーク荷重をより良く低減することができる。したがって、凹状部２１がテーパ形状であると、ここに開示される技術の効果をより高いレベルで発揮することができる。

接合工程では、接合ツール３０を用いて、二次電池１０の正極端子１２と、バスバー２０とを摩擦攪拌接合する。

具体的には、まず、図２（ａ）に示すように、二次電池１０の正極端子１２の上にバスバー２０を重ねて配置する。このとき、バスバー２０は、凹状部２１が正極端子１２の上部にくるように配置する。バスバー２０が貫通孔２１ａを有している場合において、バスバー２０の表裏で貫通孔２１ａの形状やサイズが異なるときには、貫通孔２１ａの開口幅の大きい側の表面が接合ツール３０と対向するように配置する。言い換えれば、貫通孔２１ａの開口幅の小さい側の表面が正極端子１２と対向するように配置する。また、バスバー２０が溝部２１ｂを有している場合には、溝部２１ｂが接合ツール３０と対向するように配置する。言い換えれば、溝部２１ｂの形成されていない側の表面が正極端子１２と対向するように配置する。

次いで、図２（ｂ）に示すように、接合ツール３０を回転させながら、接合ツール３０の突起部３２をバスバー２０の凹状部２１に挿入する。このとき、接合ツール３０は、突起部３２の中心が凹状部２１の中心と重なるように凹状部２１に挿入することが好ましい。これによって、正極端子１２とバスバー２０とをより安定的に接合することができる。本実施形態では、凹状部２１がガイドとなり、接合ツール３０の突起部３２をバスバー２０の内部に挿入しやすくなっている。このことにより、接合位置のズレを抑制して、安定的に接合作業を行うことができる。次いで、接合ツール３０の突起部３２の先端をバスバー２０に当接させた状態で、接合ツール３０を正極端子１２の側、すなわちバスバー２０の内部に向かってさらに移動させる。

このとき、凹状部２１の形成されていないバスバー２０を用いる従来の摩擦攪拌接合方法では、接合ツール３０によってバスバー２０が削られ、金属粉、すなわち導電性異物が発生する。これが二次電池１０の内部に入り込むと内部短絡等の不具合の原因となり得る。一方、本実施形態では、バスバー２０の表面であって接合ツール３０を押し付ける位置に、凹状部２１を形成するようにしている。このことによって、導電性異物の発生を抑制して、内部短絡の発生を未然防止することができる。

次いで、図２（ｃ）に示すように、接合ツール３０を回転させながら、接合ツール３０の段差部３３をバスバー２０に押し付ける。すると、接合ツール３０の摩擦熱によってバスバー２０を構成する金属材料と、正極端子１２を構成する金属材料とが軟化する。そして、接合ツール３０の回転力による撹拌作用で、軟化した金属材料が塑性流動する。これによって、バスバー２０を構成する金属材料と正極端子１２を構成する金属材料とが混合され、正極端子１２とバスバー２０とが固相接合される。摩擦攪拌接合方法によれば、例えば、アルミニウムと銅のような異種金属間も十分な接合強度で接合することができる。

以上のように、本実施形態の摩擦攪拌接合方法では、バスバー２０の表面であって接合ツール３０を押し付ける位置に凹状部２１を設けて、接合箇所の金属量を予め減らしておく。このことにより、接合ツール３０をバスバー２０に押し付ける際の電池ケースに対する荷重を、例えば３００〜４００ｋＮ以下にまで低減することができる。したがって、本実施形態の摩擦攪拌接合方法によれば、凹状部２１を設けない従来の摩擦撹拌接合方法と比べて、二次電池１０への負荷を軽減することができる。

以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態および実施例は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

１０二次電池
１２正極端子（電極端子）
１４負極端子（電極端子）
２０バスバー
２１凹状部
３０摩擦撹拌接合用の接合ツール
３２突起部

Claims

摩擦撹拌接合用の接合ツールを用いて、電池の電極端子とバスバーとを接合する摩擦撹拌接合方法であって、
前記バスバーに凹状部を形成する工程と、
前記電極端子と前記バスバーとを重ねて、前記バスバーの前記凹状部に前記接合ツールを押し付ける工程と、
を包含する、摩擦撹拌接合方法。