JP2018185955A - 密閉型電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電極集電体の破断や電極端子の集電部材の変形などを生じさせずに、集電部材と電極集電体との接合強度を向上させることができる技術を提供する。【解決手段】ここで開示される密閉型電池は、正負極の電極シートを備えた電極体と、当該電極体を収容するケースと、ケース内において電極体と接続されている電極端子とを備えている。かかる密閉型電池の電極シートは、電極集電体の表面に電極合材層が付与されることによって形成されており、電極端子は、一方の端部に電極集電体と接合される接合面３２ａが設けられた集電部材３２を備えている。そして、ここで開示される密閉型電池では、集電部材３２の接合面３２ａに所定の方向に延びる複数の溝部３２ｃが形成されており、当該複数の溝部３２ｃと交差する接合痕３２ｄが接合面３２ａに形成されるように集電部材３２と電極集電体とが接合されている。【選択図】図３

Description

本発明は、電極体が収容されるケースに電極端子が設けられた密閉型電池に関する。

近年、環境車向け車載用二次電池への需要の高まりから、高出力、高エネルギー密度の非水系二次電池（例えば、リチウムイオン二次電池）の開発が進められており、車両の燃費向上の観点から、小型・軽量化や高出力化に関する開発が特に盛んに行われている。かかる非水系二次電池の典型的な構造の一つとして、正負極の電極シートを備えた電極体をケース内に収納した密閉構造の電池（密閉型電池）があり、当該密閉型電池のケースには、他の電池やモーターなどの外部機器と接続される電極端子が設けられている。

上記した密閉型電池においては、近年の高出力化によって充放電時の電流が１００Ａ以上の大電流になることがあり、このような大電流の導通経路となり得る電極端子には更なる改良が求められている。例えば、密閉型電池の電極端子は、ケース内の電極体と接続される集電部材を備えている。この集電部材は、超音波接合や抵抗接合などによって電極体の電極集電体に接合されるが、かかる集電部材と電極集電体との接合部分の強度は電池の信頼性に影響するため、高強度での接合を可能にする技術の開発が求められている。かかる集電部材と電極集電体との接合に関する技術が特許文献１〜特許文献４に記載されている。

特許第６０３７１７１号 特開２０１６−１９２２８５号公報 特開平１１−３０７０７８号公報 特開２００３−１５１５２７号公報

一般に、集電部材と電極集電体のような金属製の部材同士を接合する際には、接合強度を向上させるために、接合時の力を大きくするという手段が用いられる。例えば、超音波接合の場合には超音波振動の振動数を大きくする、抵抗接合の場合には大電流を流すという手段を用いることによって、金属部材同士の接合強度を向上させることができる。

しかしながら、密閉型電池の電極集電体は、厚みが数μｍ〜数十μｍ程度の非常に薄い金属箔であるため、上記した大きな力が加わると破断する虞がある。また、電極端子の集電部材についても同様に、大きな力が加わった際に変形する虞がある。これらの電極集電体の破断や集電部材の変形が生じると、電極体と電極端子とを適切に導通させることができなくなって電池の信頼性が低下する原因となる。
このため、密閉型電池の集電部材と電極集電体との接合においては、接合時に加える力を大きくするという手段を用いることが難しく、かかる手段を用いずに、集電部材と電極集電体との接合部分の強度を向上させることができる技術の開発が望まれていた。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、電極集電体の破断や集電部材の変形などを生じさせずに、集電部材と電極集電体との接合強度を向上させることができる技術を提供することを目的とする。

上記目的を実現するべく、本発明によって以下の構成の密閉型電池が提供される。

ここで開示される密閉型電池は、正負極の電極シートを備えた電極体と、当該電極体を収容するケースと、ケース内において電極体と接続されていると共にケース外において外部機器と接続される電極端子とを備えている。
かかる密閉型電池の電極シートは、箔状の電極集電体の表面に電極合材層が付与されることによって形成されており、電極端子は、一方の端部に電極集電体と接合される接合面が設けられ、他方の端部にケース外に露出する外部露出部が設けられた長尺の導電性部材である集電部材を備えている。
そして、ここで開示される密閉型電池では、集電部材の接合面に所定の方向に延びる複数の溝部が形成されており、当該複数の溝部と交差する接合痕が接合面に形成されるように集電部材と電極集電体とが接合されている。

なお、上記した密閉型電池における「接合痕」とは、集電部材と電極集電体とを接合する際に加えられた力の向きと同じ方向に形成される接合の痕跡である。例えば、集電部材と電極集電体とを超音波接合によって接合した場合には、上記した接合痕として、超音波振動が印加された方向と同じ方向に延びる擦過痕が形成される。また、レーザー接合によって接合した場合には、接合痕として、レーザーの走査方向と同じ方向に延びる溶融痕が形成される。

ここで開示される密閉型電池では、複数の溝部が集電部材の接合面に形成されているため、集電部材と電極集電体との接触面積が小さくなっており、接合の際に生じる熱を集電部材と電極集電体との接触部分に集中させることができる。そして、当該複数の溝部と交差する接合痕が形成されるように集電部材と電極集電体とが接合されているため、集電部材と電極集電体との接触部分に接合の際の熱を確実に伝達させることができる。
このように、ここで開示される密閉型電池では、集電部材と電極集電体との接触部分に接合の際の熱を確実に集中させることができるため、電極集電体の破断や集電部材の変形を生じさせるような従来の技術を使用しなくても、集電部材と電極集電体との接合強度を確実に向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る密閉型電池を模式的に示す斜視図である。 本発明の一実施形態における電極体を説明する説明図である。 本発明の一実施形態に係る密閉型電池の電極端子の分解斜視図である。 本発明の一実施形態における集電部材の接合面近傍を拡大した斜視図である。 本発明の一実施形態における集電部材の接合面の表面粗さの測定結果の一例を示す図であって、（ａ）は集電部材の長手方向に沿った測定の結果を示し、（ｂ）は集電部材の短手方向に沿った測定の結果を示している。 本発明の一実施形態における集電部材と電極集電体との接合を説明する斜視図である。 試験例１〜試験例３における集電部材と電極集電体との接合強度の測定結果を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態に係る密閉型電池の一例としてリチウムイオン二次電池を説明する。なお、ここで開示される密閉型電池の構造は、リチウムイオン二次電池に限定されず、種々の二次電池（例えば、ニッケル水素電池）に適用することができる。

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て説明している。なお、各図における寸法関係（長さ、幅、厚みなど）は実際の寸法関係を反映するものではない。また、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、電解質の構成および製法など）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。

１．全体構成
先ず、本実施形態に係る密閉型電池の全体構成を説明する。図１は本実施形態に係る密閉型電池を模式的に示す斜視図であり、図２は本実施形態における電極体を説明する説明図である。なお、図１では、発明の理解を助けるために、ケース１０を透過し、ケース１０内の電極体２０を記載している。

図１に示すように、本実施形態に係る密閉型電池１００は、扁平な角型のケース１０の内部に電極体２０が収納されることによって構成されている。
ケース１０は、上面が開口した扁平な角型のケース本体１２と、当該ケース本体１２上面の開口部を塞ぐ板状の蓋体１４とから構成されている。ケース本体１２および蓋体１４は、軽量で熱伝導性の良い金属材料を主体に構成されていることが好ましく、かかる金属材料としてはアルミニウムなどが挙げられる。

本実施形態における電極体２０は、図２に示すように、正負極の電極シート２１がセパレータ２９を介して複数枚積層された積層電極体である。かかる電極体２０を構成する各々の電極シート２１は、箔状の電極集電体２２の表面に電極合材層２３が付与されることによって形成されている。なお、電極集電体２２には厚さ５μｍ〜２０μｍのアルミニウム箔や銅箔が好ましく用いられる。

なお、ここで開示される密閉型電池において、電極体を構成する各部材（例えば、電極合材層に含まれる電極活物質など）は、従来の一般的なリチウムイオン二次電池に用いられるものと同様のものを制限なく使用可能であり、本発明を特徴づけるものではないため、詳細な説明を省略する。
また、本実施形態に係る密閉型電池１００のケース１０の内部には、上記した電極体２０の他に電解質も収容されているが、かかる電解質についても、従来の一般的なリチウムイオン二次電池と同様のものを特に限定なく使用できるため詳細な説明は省略する。

そして、本実施形態に係る密閉型電池１００では、ケース１０の上面をなす蓋体１４に電極端子３０が設けられている。かかる電極端子３０は、ケース１０内において電極体２０と電気的に接続され、ケース１０外において外部機器と接続されるように構成されている。以下、本実施形態における電極端子３０の具体的な構造について説明する。

２．電極端子
（１）電極端子の構成部材
図３は本実施形態に係る密閉型電池の電極端子の分解斜視図である。図３に示すように、本実施形態における電極端子３０は、集電部材３２と、シール部材３９と、ボルト３４と、外部接続部材３６と、絶縁ホルダ３８とを備えている。以下、各々の部材について説明する。

（ａ）集電部材
図３に示すように、集電部材３２は、アルミニウムなどからなる長尺の導電性部材であり、一方の端部に電極体２０の電極集電体２２（図２参照）と接合される接合面３２ａが形成されている。詳しくは後述するが、図４に示すように、本実施形態における集電部材３２の接合面３２ａには、集電部材３２の長手方向Ｘに延びる複数の溝部３２ｃと、集電部材３２の短手方向Ｙに延びる接合痕（擦過痕３２ｄ）とが形成され、当該溝部３２ｃと擦過痕３２ｄとが略垂直に交差している。
また、図３に示すように、集電部材３２の他方の端部には、蓋体１４、絶縁ホルダ３８、外部接続部材３６の各々を貫通し、図１に示すようにケース１０の外部に露出する外部露出部３２ｂが形成されている。ケース１０外に露出した外部露出部３２ｂの先端は、かしめられて、上記した各部材をケース１０の蓋体１４に固定している。

（ｂ）シール部材
本実施形態においては、集電部材３２と蓋体１４との間に板状の絶縁部材であるシール部材３９が配置されている。シール部材３９には、集電部材３２の外部露出部３２ｂを挿通させる挿通孔３９ａが形成されており、当該挿通孔３９ａの周囲には筒状の突起である封止部３９ｂが設けられている。かかる封止部３９ｂは、蓋体１４の挿通孔１４ａに挿入され、外部露出部３２ｂが蓋体１４と接触することを防止している。なお、シール部材３９の材料としては、例えば、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリイミド樹脂などの絶縁性樹脂が挙げられる。

（ｃ）ボルト
ボルト３４は、柱状の接続部３４ａを備えた導電性部材である。接続部３４ａの外周にはネジ溝（図示省略）が形成されており、当該接続部３４にナットなどを締め込むことによってボルト３４が外部機器と電気的に接続される。一方、ボルト３４の他方の端部には、矩形の凸部である嵌合部３４ｂが形成されている。この嵌合部３４ｂは、後述する絶縁ホルダ３８のボルト収納部３８ａと対応した寸法に設計されており、かかるボルト収納部３８ａに嵌合部３４ｂを嵌め込むことによってボルト３４の回転が規制される。

（ｄ）外部接続部材
外部接続部材３６は、集電部材３２とボルト３４とを電気的に接続する板状の導電部材である。外部接続部材３６の各々の端部には、挿通孔３６ａ、３６ｂが形成されており、一方の挿通孔３６ａにボルト３４の接続部３４ａが挿通され、他方の挿通孔３６ｂに集電部材３２の外部露出部３２ｂが挿通される。なお、外部接続部材３６には、上記した集電部材３２やボルト３４と同種の導電性材料が用いられる。

（ｅ）絶縁ホルダ
絶縁ホルダ３８は、上記したシール部材３９と同種の絶縁性材料によって構成されており、外部接続部材３６と蓋体１４との間に配置されている。また、絶縁ホルダ３８の一方の端部には集電部材３２を挿通させる挿通孔３８ｂが形成されており、他方の端部には凹状のボルト収納部３８ａが設けられている。上記したように、本実施形態における電極端子３０では、絶縁ホルダ３８のボルト収納部３８ａに、ボルト３４の嵌合部３４ｂを嵌合させることによってボルト３４の回転が規制される。

（２）集電部材の接合面
以下、上記した電極端子３０の集電部材３２について、より具体的に説明する。
図４は本実施形態における集電部材の接合面近傍を拡大した斜視図である。なお、図４に示される集電部材は、電極集電体と一度接合された後に剥離したものである。また、図５は本実施形態における集電部材の接合面の表面粗さの測定結果の一例を示す図であって、（ａ）は集電部材の長手方向に沿った測定の結果を示し、（ｂ）は集電部材の短手方向に沿った測定の結果を示している。

上記したように、本実施形態に係る密閉型電池では、図４に示す集電部材３２の接合面３２ａに、長手方向Ｘに延びる溝部３２ｃが複数形成されている。かかる溝部３２ｃは、例えば、プレス成形で集電部材３２を作製する際に当該溝部３２ｃに対応した凹凸を有する成形金型を用いることによって形成することができる。なお、溝部３２ｃを形成する方法は前記した方法に限定されず、ヤスリなどを用いて接合面３２ａを切削するという機械的な方法や、接合面３２ａにマスキング処理を施した後に、溝部３２ｃに対応する箇所を薬品で溶解させるという化学的な方法を用いることもできる。

そして、かかる溝部３２ｃが形成された接合面３２ａでは、図５に示すように、長手方向Ｘよりも短手方向Ｙの方が規則正しく狭いピッチで凹凸が形成される。具体的には、図５（ａ）に示す長手方向Ｘにおける粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍは、例えば４２５となり、図５（ｂ）に示す短手方向Ｙにおける粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍは、例えば１９３となる。なお、上記した「粗さ曲線要素の平均長さＲｓｍ」と「算術平均粗さＲａ」は、いずれもＪＩＳ Ｂ０６０１に基づいて算出される。

また、本実施形態における集電部材３２の接合面３２ａには、電極体２０の電極集電体２２（図２参照）との接合点Ａが形成されており、かかる接合点Ａには溝部３２ｃに対して略垂直な方向（集電部材３２の短手方向Ｙ）に延びる接合痕である擦過痕３２ｄが形成されている。

上記した擦過痕３２ｄは、複数の溝部３２ｃに略垂直に交差する方向（短手方向Ｙ）に超音波振動を加えながら集電部材３２と電極集電体２２とを接合することによって形成される。図６は本実施形態における集電部材３２と電極集電体２２との接合を説明する斜視図である。

図６に示すように、集電部材３２と電極集電体２２とを超音波接合する場合には、電極体２０の電極集電体２２の下面と、集電部材３２の接合面３２ａ（図４参照）とを接触させた状態で、電極集電体２２の上面に超音波ホーンＳを押し当てて超音波振動を印加する。これによって、超音波振動が印加された接合点Ａ（図４参照）において振動による摩擦熱が生じ、かかる摩擦熱によって集電部材３２と電極集電体２２の表面が溶融して接合される。
このとき、本実施形態では、集電部材３２の接合面３２ａに溝部３２ｃ（図４参照）が形成されており、集電部材３２と電極集電体２２との接触面積が小さくなっているため、接合時の摩擦熱を集電部材３２と電極集電体２２との接触部分に集中させることができる。
そして、本実施形態では、溝部３２ｃと振動方向とが略垂直に交差するように、短手方向Ｙに超音波振動を印加しているため、上記した集電部材３２と電極集電体２２との接触部分に摩擦熱を確実に伝達することができる。このため、超音波振動の振動数を少なくした（接合時の力を小さくした）としても、集電部材３２と電極集電体２２とを十分に溶融させて接合することができるため、電極集電体２２の破断や集電部材３２の変形を生じさせることなく、集電部材３２と電極集電体２２との接合強度を向上させることができる。
そして、このように溝部３２ｃと略垂直に交差する振動が加わるように超音波接合を行うと、図４に示すように、集電部材３２の接合面３２ａの接合点Ａに、集電部材３２の短手方向Ｙに延びて溝部３２ｃに略垂直に交差する擦過痕３２ｄが形成される。

３．他の態様
以上、ここで開示される密閉型電池の一実施形態について説明したが、本発明は、上記した実施形態に限定されず、種々の構造を変更することができる。
例えば、上記した実施形態では、超音波接合を特定の箇所に集中的に行って集電部材３２の接合面３２ａに接合点Ａを形成しているが、超音波接合を接合面の全面に均一に行ってもよい。この場合でも、集電部材と電極集電体との接合強度を適切に向上させることができる。但し、より強固な接合を行うという観点からは、上記した実施形態のように、特定の箇所に集中的に超音波接合を行って接合点Ａを形成する方が好ましい。

また、上記した実施形態では超音波接合によって集電部材と電極集電体とを接合しているが、集電部材と電極集電体とを接合する方法は特に限定されず、超音波接合以外の接合方法として、例えば、レーザー溶接を用いることができる。
レーザー溶接を用いる場合には、先ず、上記した超音波接合と同様に、溝部が形成された集電部材の接合面と電極集電体の下面とを接触させる。そして、集電部材の溝部と直交する方向にレーザー光を走査させながら、電極集電体の上面にレーザー光を照射する。これによって、集電部材と電極集電体との接触部分にレーザーによる熱を確実に集中させて、集電部材と電極集電体とを強固に接合することができる。なお、上記したレーザー溶接を行った場合、集電部材の接合面に溝部に対して略垂直に交差する溶融痕が接合痕として形成される。

なお、上記した実施形態では溝部と接合痕とが略垂直に交差するような接合を行っているが、溝部と接合痕とが交差する角度は略垂直でなくてもよい。例えば、溝部に対して４５°程度の角度で接合痕が交差するように接合を行った場合であっても、集電部材と電極集電体との接合強度を適切に向上させることができる。

また、上記した実施形態では電極体として積層電極体を用いているが、電極体の構造は特に限定されない。例えば、電極体には、セパレータを介して正負極の電極シートが積層された積層体を捲回することによって構成された捲回電極体を用いることができる。

［試験例］
以下、本発明に関係する試験を説明するが、以下の説明は本発明を限定することを意図したものではない。

１．各試験例
本試験例においては、接合面の状態が異なる３種類の集電部材を用意し、超音波接合を用いて各々の集電部材を電極体の電極集電体に接合した。以下、具体的な試験条件を説明する。

（１）試験例１
試験例１では、平坦な接合面を有したアルミニウム製の集電部材を用意し、各々の集電部材の接合面を正極の電極シートの電極集電体（アルミニウム箔）に接合した。なお、本試験例においては、集電部材と電極集電体との接合に超音波接合を用い、当該超音波接合の接合時間を５００ｍｓ、接合温度を室温（２５℃〜２７℃）に設定し、半径１ｍｍ程度の接合点が形成されるように接合領域を調整した上で、集電部材の短手方向に周波数７５ｋＨｚの超音波振動を印加して接合を行った。

（２）試験例２
試験例２では、短手方向に延びる溝部が接合面に複数形成された集電部材を用意し、溝部の延伸方向と同じ方向（すなわち、短手方向）に超音波振動を印加して集電部材と電極集電体とを接合した。また、超音波接合における周波数などの他の条件は、試験例１と同じ条件に設定した。

（３）試験例３
試験例３では、長手方向に延びる溝部が接合面に複数形成された集電部材を用意し、溝部と略垂直に交差する擦過痕が形成されるように、集電部材の短手方向に超音波振動を印加して集電部材と電極集電体とを接合した。なお、その他の条件は試験例２と同じ条件に設定した。

２．評価試験
（１）評価方法
試験例１〜試験例３の各々について、接合された集電部材と電極集電体を、互いに離間するように引っ張る引張試験を行い、電極集電体から集電部材が剥がれた際の引張強度を接合強度（Ｎ）として測定した。そして、各試験例における測定結果の平均値と標準偏差を算出した。算出結果を図７に示す。

（２）評価結果
図７に示すように、各試験例の接合強度を測定した結果、試験例２および試験例３では、試験例１に比べて集電部材と電極集電体との接合強度が向上していることが確認された。これは、試験例２や試験例３のように、集電部材の接合面に溝部を複数形成すると、集電部材と電極集電体との接触面積が小さくなり、集電部材と電極集電体とが接触している箇所に接合時の熱が集中するためと解される。
そして、試験例２と試験例３とを比較すると、試験例３の方がより高い接合強度を有しており、各サンプルの接合強度のばらつきも小さくなっていた。このことから、集電部材の接合面に形成された溝部と交差する方向に超音波接合を行うことによって、集電部材と電極集電体との接触箇所に接合時の熱を確実に伝達して、集電部材と電極集電体との接合強度をより好適に向上できることが分かった。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

１０ ケース
１２ ケース本体
１４ 蓋体
１４ａ 蓋体の挿通孔
２０ 電極体
２１ 電極シート
２２ 電極集電体
２３ 電極合材層
２９ セパレータ
３０ 電極端子
３２ 集電部材
３２ａ 接合面
３２ｂ 外部露出部
３２ｃ 溝部
３２ｄ 擦過痕
３４ ボルト
３４ａ 接続部
３４ｂ 接合部
３６ 外部接続部材
３６ａ、３６ｂ 外部接続部材の挿通孔
３８ 絶縁ホルダ
３８ａ ボルト収納部
３８ｂ 絶縁ホルダの挿通孔
３９ シール部材
３９ａ 挿通孔
３９ｂ 封止部
１００ 密閉型電池
Ａ 接合点
Ｓ 超音波ホーン
Ｘ 集電部材の長手方向
Ｙ 集電部材の短手方向

Claims (1)

1. 正負極の電極シートを備えた電極体と、当該電極体を収容するケースと、前記ケース内において前記電極体と接続されていると共に前記ケース外において外部機器と接続される電極端子とを備えた密閉型電池であって、
   前記電極シートは、箔状の電極集電体の表面に電極合材層が付与されることによって形成されており、
   前記電極端子は、一方の端部に前記電極集電体と接合される接合面が設けられ、他方の端部に前記ケース外に露出する外部露出部が設けられた長尺の導電性部材である集電部材を備えており、
   ここで、前記集電部材の接合面に所定の方向に延びる複数の溝部が形成されており、当該複数の溝部と交差する接合痕が前記接合面に形成されるように前記集電部材と前記電極集電体とが接合されている、密閉型電池。
   
   

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