JP2018156841A - 電極接合構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】 切れや破れ、バリの発生を抑制させる電池の接合構造体を提供する。【解決手段】第１金属板と、上記第１金属板に積層された第２金属板と、を含み、上記第１金属板のうち上記第２金属板が積層されていない一方の面に、複数の凹部が円弧状に配列された電極接合構造体を用いる。上記凹部の先端には、第１平坦部がある上記電極接合構造体を用いる。上記複数の凹部間には、第２凸部を有する上記電極接合構造体を用いる。上記複数の凹部は、１つの領域を形成し、上記一方の面には、上記１つの領域が複数個配置され、上記複数の領域間には、第３凸部が位置する上記電極接合構造体を用いる。【選択図】 図７

Description

本発明は、接合構造体に関する。特に、電池の接合構造体に関する。

超音波振動による接合方法は、突起部を被接合材に加圧し、超音波振動を与え、接合させる方法である。

従来の突起として、例えば、図１２（ａ）は、従来例の超音波ホーンの突起を示す平面図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の側面図である（特許文献１）。超音波接合用ホーンの加圧面に形成された複数の突起１５を示す。突起１５は、先端が面取りされた突起である。この結果、被接合材に応力集中が生じにくくなっている。このことで、被接合材の破れを低減することができる方法である。

また、例えば、図１３に示す特許文献２には、超音波振動方向に対して所定の角度で直線上に並んだ加圧面に設けられた突起１５と、その間の溝３０とで構成されている。この構造により、被接合材に埋まらない空隙を保ちつつ、被接合材を振動させることができ、接合できる。この結果、ホーンより面積の大きい被接合材を超音波接合する場合におけるバリの発生、特に震動方向に対して垂直な突起部の外縁におけるバリの発生を防止できる方法である。

国際公開第２０１３／１０５３６１号 特許第５５７０４４７号公報

特許文献１および２に示す超音波接合装置の構成と接合方法では、ホーン加圧面に直線上に突起１５が構成されており、被接合材の接合後に模られる加工表面の形状がホーン加圧面に直線上に並んだ突起形状がそのまま転写されることになる。

そのため被接合材外縁が直線的に並び、応力集中することで、切れや破れ、バリの発生要因となる問題がある。例えば電池の電極タブ集箔接合部で上記問題が生じると、電池の特性に大きく影響する。

そこで本発明は、上記問題を鑑みて、バリの発生を抑制できる接合構造体を提供する。

上記目的を達成させるために、第１金属板と、上記第１金属板に積層された第２金属板と、を含み、上記第１金属板のうち上記第２金属板が積層されていない一方の面に、複数の凹部が円弧状に配列された電極接合構造体を用いる。

本発明によれば、被接合材の塑性流動を利用することで、被接合材において、切れや破れ、バリの発生を抑制させる接合構造体を提供することができる。

（ａ）本発明の実施の形態にかかる超音波接合用ホーンの配列概略斜視図、（ｂ）（ａ）のうちの１つの領域の斜視図、（ｃ）（ｂ）の内の１つの突起の斜視図 本発明の実施の形態にかかる超音波接合の接合構成概略断面図 本発明の実施の形態にかかる電池の電極構成概略展開図 （ａ）本発明の実施の形態にかかる電池の電極集電構成概略断面図、（ｂ）（ａ）の平面図 （ａ）本発明の実施の形態にかかる電池本体概略斜視図、（ｂ）（ａ）の展開図 本発明の実施の形態にかかる超音波接合用ホーンの配列概略斜視図 （ａ）本発明の実施の形態にかかる被接合材の接合痕の配列概略図、（ｂ）（ａ）の内の１つの領域の平面図、（ｃ）（ｂ）の内の１つの凹部の平面図、（ｄ）（ｃ）の斜視図，（ｅ）（ａ）の断面図 （ａ）〜（ｂ）本発明の実施の形態にかかる超音波接合の接合構成概略断面図 （ａ）〜（ｌ）本発明の実施の形態にかかる超音波接合用ホーン突起の配列概略図 （ａ）〜（ｉ）本発明の実施の形態にかかる被接合材の接合痕の配列概略図、（ｊ）〜（ｍ）本発明の実施の形態にかかる被接合材の接合痕の概略模式斜視図 （ａ）〜（ｄ）本発明の実施の形態にかかる超音波接合の接合構成概略断面図 （ａ）従来例の超音波ホーンの突起を示す平面図、（ｂ）（ａ）の側面図 従来例にかかる超音波ホーンの斜視図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の全ての図において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、以下、本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の説明に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々に変更して実施することができる。

＜超音波ホーンの形状＞
図１（ａ）は、実施の形態の超音波接合用ホーン１００の斜視図である。図１（ｂ）は、領域２ａと堀溝３ｂの空隙を示す。図１（ｃ）は、突起２の拡大図を示し、面取りされた突起２の先端９を示す。先端９は、面取りされて平坦となっている。

超音波接合用ホーン１００は、ホーン基部１の加圧面４に複数の突起２が円弧状に配列され、その円弧状に配列された突起２の領域２ａが複数個配列されている。超音波接合用ホーン１００の材質は、例えば超硬合金やステンレスを用いることが好ましく、超硬合金がより好ましい。超硬合金とは、例えば鉄、コバルト、ニッケルなどの鉄系金属で焼結した複合材料が好ましいが、その限りではない。

更に、加圧面４の突起２間には、突起２間を縫うように堀溝３ａの空隙が形成されており、領域２ａ間の加圧面４にも堀溝３ｂの空隙が形成されている。堀溝３ｂの空隙は、堀溝３ａの空隙より大きい。より多くの被接合材を逃がす。

また、加圧面４より突出し突起２より低い平面部５が加圧面４を囲むように四方に凸状の壁として形成されている。これにより突起２で押し出された被接合材は、塑性流動により堀溝３ｂへ流動し、更に外周部に押し出された被接合材は、外周の平面部５と堀溝３ｂの空隙により留まり外周縁へ流出することを抑制でき、更には応力緩和により、切れや破れ、バリやはみ出しによるバリの発生を抑制させることができる。

＜超音波接合用ホーン１００を使用＞
図２は、超音波接合用ホーン１００を使用した接合を説明する断面図である。図２では、被接合材として、電極積層体３００を示している。電極積層体３００は、電池の複数の電極集電体の導電タブ２１（第１金属板）と集電板リードタブ２６（第２金属板）とを接合したものである。

固定台アンビル１５０上に、電極集電体の導電タブ２１（第１金属板）と集電板リードタブ２６（第２金属板）とを重ね、超音波接合用ホーン１００で、加圧しながら、方向５０の方向に超音波振動を与える。このことで、導電タブ２１（第１金属板）と集電板リードタブ２６（第２金属板）とを接合させる。

固定台アンビル１５０の上面は、平坦でもよいし、超音波接合用ホーン１００の加圧面４と同様に複数の突起部が施されてもよい。また、固定台アンビル１５０の材質は、例えば超硬合金やステンレスを用いることが好ましく、超硬合金がより好ましい。超硬合金とは、例えば鉄、コバルト、ニッケルなどの鉄系金属で焼結した複合材料が好ましいが、その限りではない。

超音波接合工程では、振動周波数は、例えば２０ｋＨｚであり、その限りではない。超音波振動により、被接合材の上面と下面の接触面の表面酸化物やその他汚染物が除去される。更に摩擦発熱により、被接合材の塑性流動が生じ、接合面積の拡大と導電タブ２１（第１金属板）と集電板リードタブ２６（第２金属板）の接合、即ち原子間接合が行われる。

＜電池の構造＞
図３は、一般的な角型リチウムイオン二次電池の電極構成概略展開図である。図３において、正極電極集電体２０と負極電極集電体２３がある。正極電極集電体２０と負極電極集電体２３は、基材層であり、金属箔からなる集電体である。

正極電極集電体２０と負極電極集電体２３とは、それぞれ、一辺から突出した導電タブ２１（第１金属板），導電タブ２４と、を備える。正極電極集電体２０，負極電極集電体２３では両面に活物質を含む電極合剤層２２が塗布形成されてある。

一方、導電タブ２１と導電タブ２４には電極合剤層２２は塗布形成されていない。正極電極集電体２０と負極電極集電体２３とが、セパレータ２５を介して交互に積層されて構成されている。

図４（ａ）は、複数の正極電極集電体２０の導電タブ２１が、互いに重ね合わされて、集電板リードタブ２６（第２金属板）と超音波接合にて接合された被接合材の電極積層体３００の断面図である。

図４（ｂ）は、図４（ａ）の平面図を示す。図示はしないが、同様に複数の負極側も同様の構造である。

図５（ａ）は、一般的な角型リチウムイオン二次電池の本体斜視図である。図５（ｂ）は、一般的な角型リチウムイオン二次電池の本体内部展開斜視図である。正極電極集電体２０と、図示はしない同様の負極電極積層体とを、収納し完成した角型リチウムイオン二次電池６００を示す。天板２７に正極端子２８と負極端子２９を具備して構成される。

＜超音波ホーンの変形例＞
図６は、別の形態の超音波接合用ホーン２００の斜視図である。図１（ａ）の超音波接合用ホーン１００では外周の平面部５を設けたが、図６では外周の平面部５を設けていない。突起２間の堀溝３ａ若しくは、領域２ａ間の加圧面４の堀溝３ｂの幅や深さを変えることで、図１（ａ）と同様の効果が得られる。つまり、応力緩和により、被接続体に切れや破れ、バリやはみ出しによるバリの発生を抑制させることができる。

＜電極積層体３００＞
図７（ａ）は、超音波接合用ホーン１００で超音波接合されできた電極積層体３００の平面図である。突起２によりできた凹部７ａと、領域２ａ間の堀溝３ｂによりできた第３凸部８ｂを示す。また、平面部５によりできた第４凸部１６を示す。

図７（ｂ）は、図７（ａ）の領域７ｂの平面図である。堀溝３ａによりできた第２凸部８ａを示す。

図７（ｃ）は、凹部７ａの拡大図を示し、面取りされた突起２の先端９でできた第１平坦部１４を示す。

図７（ｄ）は、図７（ｃ）の斜視図を示す。

図７（ｅ）は、図７（ａ）の断面図である。第３凸部８ｂと第４凸部１６とを含む部分の断面図である。

図１（ａ）で示した超音波接合用ホーン１００の突起２の形状がそのまま転写された凹部７ａが形成されている。凹部７ａの並びは、突起２と同様、円弧状となる。円となる必要はない。直線状に並ばず、円弧の一部に並ぶことが好ましい。円弧が複数あってもよい。直線でなく緩やかな曲線状に凹部７ａが並ぶのがよい。

突起２の形状と突起２間の堀溝３ａ、および、領域間の堀溝３ｂ、更には図１（ａ）の突起２より低い平面部５とにより、被接合材の塑性流動を制御し、第１平坦部１４、第２凸部８ａ、第３凸部８ｂ、第４凸部１６が形成される。結果、応力緩和により、切れや破れ、バリやはみ出しによるバリの発生を抑制させることができた電池の接合構造体となる。

なお、第１平坦部１４は、底部に平坦部分を有するのが好ましい。第２凸部８ａ、第３凸部８ｂ、第４凸部１６は、頂上に平坦部分を有するのが好ましい。この平坦部分を設けることで、被接合材に応力集中が生じにくくなる。また、被接合材の破れを低減することができる。

なお、電池の例で説明しているが、他の電極間の接合でも同様に適用できる。

正極導電タブ（第１金属板）２１は、例えばアルミニウムやアルミニウム合金などを用いることが好ましい。負極の導電タブ２４は、例えば銅や銅にニッケルメッキを用いることが好ましいが、その限りではない。

また、集電板リードタブ２６（第２金属板）は、正極導電タブ（第１金属板）２１、負極の導電タブ２４に合わせた材質からなることが好ましいが、その限りではない。

また、ホーン基部１の突起２や堀溝３ａ、３ｂの形状がそのまま被接合材へ転写され、突起２の形状転写では、被接合材は凹み形状となり、堀溝３ａ、３ｂの形状転写では、被接合材は凸形状となることを特徴とする。

突起の凹部７ａの形状は角錐や円錐、角柱や円柱でも良いが、好ましくは角錐や円錐形状が好ましいが、その限りではない。

なお、図２に示した方法で接合する場合には、集電板リードタブ２６（第２金属板）の面に凹部、または、凹凸部が形成される。この凹部、または、凹凸部があることが好ましい。

なお、凹部７ａは、いくつかで１つの領域７ｂを形成し、この１つの領域７ｂが、複数個配置されている。複数の領域７ｂは、それぞれ、凹部７ａの配置がすべて同じであることが好ましいが、凹部７ａの異なる配列の領域があってもよい。１つの領域とは、他の領域から離れて位置する。第２凸部８ａより幅が広い第３凸部８ｂで、領域間は分けられている。

＜プロセス＞
図８（ａ）、図８（ｂ）は、超音波接合による電池の接合工程を示す概略断面図である。接合工程は、図８（ａ）に示すように、固定台アンビル１５０の上に被接合材の電極積層体３００の集電板リードタブ２６（第２金属板）を載置し、その上に被接合材の電極積層体３００の導電タブ２１（第１金属板）を載置する。更にその上に超音波接合用ホーン１００を下降させ、超音波接合用ホーン１００の突起２の先端を、被接合材の電極積層体３００の導電タブ２１（第１金属板）に当接させる。

図８（ｂ）に示すように、超音波接合用ホーン１００により被接合材の電極積層体３００の導電タブ２１（第１金属板）を集電板リードタブ２６（第２金属板）に対して押圧し、超音波接合用ホーン１００を振動の方向５０に超音波振動させる。振動周波数は、例えば２０ｋＨｚである。

被接合材の電極積層体３００の導電タブ２１（第１金属板）を集電板リードタブ２６（第２金属板）に対して押圧しながら振動させることにより、超音波接合用ホーン１００の突起２が被接合材の電極積層体３００の導電タブ２１の上面に食い込み、被接合材の電極積層体３００の導電タブ２１と集電板リードタブ２６（第２金属板）との接合面同士が擦れて、接合面に被覆されている酸化膜等、接合を阻害する汚染物が除去される。

突起２の食い込みにより被接合材の電極積層体３００の導電タブ２１が塑性流動し、突起部２間の堀溝３ａや領域間の加圧面４の堀溝３ｂの空隙に塑性流動した被接合材の電極積層体３００の導電タブ２１が埋まっていく。

更に、外周縁に押し出されようとする被接合材の電極積層体３００の導電タブ２１は、超音波接合用ホーン１００の外周部四方に設けられた平面部５と堀溝３ｂの空隙により留まり外周縁へ流出することを抑制される。

また、平面部５は、被接合材の電極積層体３００の導電タブ２１に食い込まず当接されているだけなので、平面部５が被接合材の電極積層体３００の導電タブ２１に接する部分では、被接合材の電極積層体３００の導電タブ２１が塑性流動することはない。これにより、被接合材の応力緩和により、切れや破れ、バリやはみ出しによるバリの発生を抑制させることができる、電池の接合構造体である。

塑性流動の量は、超音波振動の加圧力、振幅量によって変化し、その変化量に対応するために、堀溝や凸部、突起部の形状も変化させる。

＜超音波接合用ホーン突起＞
図９（ａ）〜図９（ｉ）は、本発明の別の実施形態にかかる超音波接合用ホーンの突起２の配列概略図である。ホーンの突起２の円弧状の配列の一例であり、その限りではない。突起部２間の堀溝３ｂ空隙は図示せず。

図９（ｊ）は、本発明の実施形態にかかる超音波接合用ホーンの突起１０の配列概略図である。突起２の角錐形状に角柱を組み合わせた形状で、突起を縦方向に伸長したものである。

図９（ｋ）は、本発明の実施形態にかかる超音波接合用ホーンの突起１１の配列概略図である。突起２を円錐形状にしたものである。

図９（ｌ）は、本発明の実施形態にかかる超音波接合用ホーンの突起１２の配列概略図である。円錐の突起１１に円柱を組み合わせた形状で、突起１１を縦方向に伸長したものである。

図９（ｊ）〜図９（ｌ）においても図９（ａ）〜図９（ｉ）同様の配列を用いており、またその限りではない。

図１０（ａ）〜図１０（ｈ）は、本発明の実施形態にかかる被接合材の凹部７ａの配列概略図である。凹部７ａの円弧状の配列の一例であり、その限りではない。凹部７ａ間の堀溝３ａによる第２凸部８ａも図示した。

図１０（ｉ）は、本発明の実施形態にかかる被接合材の接合痕１３の配列概略図である。凹部７ａを円錐形状にしたものである。接合痕１３間の堀溝３ａによる結合痕である第２凸部８ａも図示した。

図１０（ｊ）〜図１０（ｉ）は、本発明の実施形態にかかる被接合材の凹部７ａの接合痕１個当たりの概略模式斜視図であり、その限りではない。

＜プロセス＞
図１１（ａ）は、本発明の実施形態にかかる超音波接合による電池の接合構成概略断面図である。超音波接合用ホーン１００により被接合材の電極積層体３００の導電タブ２１を集電板リードタブ２６（第２金属板）に対して押圧し、超音波接合用ホーン１００を振動の方向５０に超音波振動させる。条件は上記と同じである。

図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に対し平面部５のない、本発明の実施形態にかかる超音波接合による電池の接合構成概略断面図である。超音波接合用ホーン２００により被接合材の電極積層体３００の導電タブ２１を集電板リードタブ２６（第２金属板）に対して押圧し、超音波接合用ホーン２００を振動の方向５０に超音波振動させる。条件は上記と同じである。

図１１（ｃ）は、図１１（ａ）の突起２の角錐形状に対し、突起１１が円錐形状である、本発明の実施形態にかかる超音波接合による電池の接合構成概略断面図である。超音波接合用ホーン４００により被接合材の電極積層体３００の導電タブ２１を集電板リードタブ２６（第２金属板）に対して押圧し、超音波接合用ホーン４００を振動の方向５０に超音波振動させる。条件は上記と同じである。

図１１（ｄ）は、図１１（ｃ）に対し平面部５のない、本発明の実施形態にかかる超音波接合による電池の接合構成概略断面図である。超音波接合用ホーン５００により被接合材の電極積層体３００の導電タブ２１を集電板リードタブ２６（第２金属板）に対して押圧し、超音波接合用ホーン５００を振動の方向５０に超音波振動させる。条件は上記と同じである。

＜効果＞
以上のように、本発明の実施形態にかかる超音波接合による電池の接合構成では、ホーン基部１の加圧面４に複数の突起２を円弧状に配列し、その円弧状に配列された領域が複数個配列し、突起２の先端９を面取りした超音波接合用ホーン１００である。

これにより超音波接合で接合された被接合材の電極積層体３００である電池の複数の電極集電体の導電タブ２１と集電板リードタブ２６（第２金属板）が、超音波振動と加圧により、被接合材外縁の突起形状接合痕が線から点に点在し、突起先端形状接合痕は点から面となる。

更に、加圧面４の突起２間には、堀溝３ａの空隙を形成し、領域間にも堀溝３ｂの空隙が形成されている。また、加圧面４より突出し突起２より低い平面部５が加圧面４を囲むように四方に形成されている。

これにより突起２で押し出された被接合材は、塑性流動により堀溝３ａへ流動し、更に外周部に押し出された被接合材は、平面部５と堀溝３ｂの空隙により留まり外周縁へ流出することを抑制でき、被接合材には、突起２の形状や堀溝３ａ、３ｂにより、被接合材の塑性流動を制御した形状がそのまま被接合材へ転写されることを特徴とする、電池の接合構造体である。

これにより、応力緩和により、切れや破れ、バリやはみ出しによるバリの発生を抑制させることができる。

また、突起２の形状は角錐や円錐、角柱や円柱でも良く、角錐形状に角柱を組み合わせた形状や、円錐形状に円柱を組み合わせた形状でも良いが、好ましくは角錐や円錐形状が好ましいが、その限りではない。

更に、外周の平面部５を設けず、突起２間の堀溝３ａ若しくは、領域間の加圧面４の堀溝３ｂの幅や深さを変えることで、平面部５を設けたのと同様に被接合材の塑性流動効果が得られ、応力緩和により、切れや破れ、バリやはみ出しによるバリの発生を抑制させることができる。

本発明の超音波振動により接合する電池の接合構造体の用途は、特に制限されるものではないが、例えばリチウムイオン二次電池の製造方法として用いることが可能である。

１ ホーン基部
２ 突起
２ａ 領域
３ａ 堀溝
３ｂ 堀溝
４ 加圧面
５ 平面部
７ａ 凹部
７ｂ 領域
８ａ 第２凸部
８ｂ 第３凸部
９ 先端
１０ 突起
１１ 突起
１２ 突起
１３ 接合痕
１４ 第１平坦部
１５ 突起
１６ 第４凸部
２０ 正極電極集電体
２１ 導電タブ（第１金属板）
２２ 電極合剤層
２３ 負極電極集電体
２４ 導電タブ
２５ セパレータ
２６ 集電板リードタブ（第２金属板）
２７ 天板
２８ 正極端子
２９ 負極端子
３０ 溝
５０ 方向
１００ 超音波接合用ホーン
１５０ 固定台アンビル
２００ 超音波接合用ホーン
３００ 電極積層体
４００ 超音波接合用ホーン
５００ 超音波接合用ホーン
６００ 角型リチウムイオン二次電池

Claims (15)

1. 第１金属板と、
   前記第１金属板に積層された第２金属板と、を含み、
   前記第１金属板のうち前記第２金属板が積層されていない一方の面に、
   複数の凹部が円弧状に配列された電極接合構造体。
2. 前記凹部の先端には、第１平坦部がある請求項１記載の電極接合構造体。
3. 前記複数の凹部間には、第２凸部を有する請求項１または２記載の電極接合構造体。
4. 前記複数の凹部は、１つの領域を形成し、
   前記一方の面には、前記１つの領域が複数個配置され、
   前記複数の領域間には、第３凸部が位置する請求項１〜３のいずれか１項に記載の電極接合構造体。
5. 前記１つの領域では、前記凹部が、同心円状に配列された請求項４項に記載の電極接合構造体。
6. 前記１つの領域では、前記円弧状の内で、格子状に配列された請求項４項に記載の電極接合構造体。
7. 前記１つの領域では、前記円弧状の内で、十字状に配列された請求項４項に記載の電極接合構造体。
8. 前記１つの領域では、前記円弧状の内で、千鳥状に配列された請求項４項に記載の電極接合構造体。
9. 前記複数の領域の外周に第４凸部が設けられた請求項４項に記載の電極接合構造体。
10. 前記凹部の形状が角錐である請求項１〜９のいずれか１項に記載の電極接合構造体。
11. 前記凹部の形状が円錐である請求項１〜９のいずれか１項に記載の電極接合構造体。
12. 前記凹部の形状が角柱である請求項１〜９のいずれか１項に記載の電極接合構造体。
13. 前記凹部の形状が円柱である請求項１〜９のいずれか１項に記載の電極接合構造体。
14. 前記凹部の形状が角錐と角柱を組み合わせた形状である請求項１〜９のいずれか１項に記載の電極接合構造体。
15. 前記凹部の形状が円錐と円柱を組み合わせた形状である請求項１〜９のいずれか１項に記載の電極接合構造体。
    

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