JP2020047708A - 電気化学デバイス、接合体、電気化学デバイスの製造方法及び接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導通経路の抵抗が小さく、高出力特性を得ることが可能な電気化学デバイス、接合体、電気化学デバイスの製造方法及び接合体の製造方法を提供すること。【解決手段】電気化学デバイスは、外装缶と、蓄電素子と、補強板１６０とを具備する。外装缶は、第１の金属種を含む金属からなる。蓄電素子は、正極１４０、負極１３０及びセパレータ１５０を備え、正極と負極がセパレータを介して積層され、捲回された蓄電素子であって、正極又は負極に電気的に接続され、第１の金属種とは異なる第２の金属種を含み、外装缶とは異なる金属からなるリード箔１３３を有する。補強板は、外装缶と同一材料からなる。外装缶と補強板はリード箔を挟んで溶接され、溶接箇所に第１の金属種及び第２の金属種が共存する。【選択図】図１１

Description

本発明は、抵抗溶接により接合された導通経路を有する電気化学デバイス、接合体、電気化学デバイスの製造方法及び接合体の製造方法に関する。

リチウムイオンキャパシタ等の電気化学デバイスには、正極と負極がセパレータによって隔てられた状態で捲回され、外装缶に収容されているものがある。正極と負極はそれぞれ集電体に活物質が塗布されて構成されている。

ここで、正極と負極の一方は外装缶に電気的に接続され、外装缶は正極又は負極の導電経路として利用される場合がある。電気化学デバイスにおいて、高出力特性を得るためにはさらなる低抵抗化が求められているが、全体の抵抗の中でも外装缶と電極の接合による抵抗の割合は大きい。

一般的に、外装缶と電極の接合は、集電体を抵抗溶接によって外装缶に接合することによって行われる。（例えば特許文献１参照）。抵抗溶接では溶接対象物を一対一で溶接することにより、強度が確保される。

特開２０１２−２１６６５３号公報

ここで、複数の集電体を重ねて一点で外装缶に直接接合することにより、集電体と外装缶の接続抵抗を小さくすることが可能である。しかしながら、抵抗溶接は溶接対象物を一対一で溶接することが一般的であり、複数の集電体を重ねて外装缶に抵抗溶接すると接合強度が確保できないという問題がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、導通経路の抵抗が小さく、高出力特性を得ることが可能な電気化学デバイス、接合体、電気化学デバイスの製造方法及び接合体の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電気化学デバイスは、外装缶と、蓄電素子と、補強板とを具備する。
上記外装缶は、第１の金属種を含む金属からなる。
上記蓄電素子は、正極、負極及びセパレータを備え、上記正極と上記負極がセパレータを介して積層され、捲回された蓄電素子であって、上記正極又は上記負極に電気的に接続され、上記第１の金属種とは異なる第２の金属種を含み、上記外装缶とは異なる金属からなるリード箔を有し、上記外装缶に収容されている。
上記補強板は、上記第１の金属種を含む金属からなる。
上記外装缶と上記補強板は上記リード箔を挟んで溶接され、溶接箇所に上記第１の金属種及び上記第２の金属種が共存する。

この構成によれば、外装缶と補強板によってリード箔が挟まれた状態で外装缶、リード箔及び補強板が溶接されている。溶接箇所には外装缶及び補強板に含まれる第１の金属種とリード箔に含まれる第２の金属種が共存しており、外装缶、リード箔及び補強板を高い接合強度で互いに接合させることが可能である。さらに、リード箔と外装缶の間の導通経路を低抵抗化し、高出力特性を得ることが可能である。

上記外装缶と上記補強板は、３枚以上の上記リード箔を挟んで溶接されていてもよい。

上記外装缶と上記補強板は、同一の金属からなるものであってもよい。

上記第１の金属種は鉄であり、
上記第２の金属種は銅であってもよい。

上記外装缶及び上記補強板は、さらにニッケルを含むものであってもよい。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る接合体は、第１の部材と、複数の箔と、第２の部材とを具備する。
上記第第１の部材は、第１の金属種を含む金属からなる。
上記複数の箔は、上記第１の金属種とは異なる第２の金属種を含み、上記第１の部材とは異なる金属からなる。
上記第２の部材は、上記第１の金属種を含む金属からなる。
上記第１の部材と上記第２の部材は、上記複数の箔を挟んで溶接され、上記第１の部材と上記第２の部材の溶接箇所に上記第１の金属種及び上記第２の金属種が共存する。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電気化学デバイスの製造方法は、
第１の金属種を含む金属からなる外装缶と、正極、負極及びセパレータを備え、上記正極と上記負極がセパレータを介して積層され、捲回された蓄電素子であって、上記正極又は上記負極に電気的に接続され、上記第１の金属種とは異なる第２の金属種を含み、上記外装缶とは異なる金属からなるリード箔を有し、上記外装缶に収容されている蓄電素子と、上記第１の金属種を含む金属からなる補強板とを準備し、
上記外装缶と上記補強板によって上記リード箔を挟み、
上記外装缶に第１の溶接電極を接触させ、
上記補強板に第２の溶接電極を接触させ、
上記第１の溶接電極と上記第２の溶接電極の間に電圧を印加し、抵抗溶接により上記リード箔を挟んで上記外装缶と上記補強板を接合する。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る接合体の製造方法は、
第１の金属種を含む金属からなる第１の部材と、上記第１の金属種とは異なる第２の金属種を含み、上記第１の部材とは異なる金属からなる複数の箔と、上記第１の金属種を含む金属からなる第２の部材とを準備し、
上記第１の部材と上記第２の部材によって上記複数の箔を挟み、
上記第１の部材に第１の溶接電極を接触させ、
上記第２の部材に第２の溶接電極を接触させ、
上記第１の溶接電極と上記第２の溶接電極の間に電圧を印加し、抵抗溶接により上記複数の箔を挟んで上記第１の部材と上記第２の部材を接合する

以上のように本発明によれば、導通経路の抵抗が小さく、高出力特性を得ることが可能な電気化学デバイス、接合体、電気化学デバイスの製造方法及び接合体の製造方法を提供することが可能である。

本発明の実施形態に係る電気化学デバイスの斜視図である。 同電気化学デバイスの一部構成の斜視図である。 同電気化学デバイスが備える蓄電素子の斜視図である。 同蓄電素子の断面図である。 同蓄電素子が備える負極の平面図である。 同蓄電素子が備える正極の平面図である。 同蓄電素子の負極リード箔及び正極リード箔を示す模式図である。 同蓄電素子の容器との電気的接続の態様を示す模式図である。 同蓄電素子の負極リード箔と外装缶の、従来手法による抵抗溶接の態様を示す模式図である。 同蓄電素子の負極リード箔と外装缶の、本発明の手法による抵抗溶接の態様を示す模式図である。 同蓄電素子と外装缶の補強板を用いた接合の態様を示す模式図である。 同蓄電素子の負極リード箔と外装缶及び補強板の溶接箇所を示す模式図である。

本発明に係る電気化学デバイスについて説明する。

[電気化学デバイスの構成]
図１は本実施形態に係る電気化学デバイス１００の斜視図であり、図２は電気化学デバイス１００の一部構成の斜視図である。なお、以下の図においてＸ、Ｙ及びＺ方向は相互に直交する３方向である。

電気化学デバイス１００は、充電及び放電が可能なデバイスであればよく、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタ及びリチウムイオン二次電池等の各種電気化学デバイスのいずれであってもよい。

図１及び図２に示すように、電気化学デバイス１００は、蓄電素子１１０及び容器１２０を備える。電気化学デバイス１００は円柱形状を有し、例えば直径（Ｘ−Ｙ方向）１８ｍｍ、長さ（Ｚ方向）６５ｍｍとすることができる。

図１に示すように、容器１２０は、外装缶１２１及び封口体１２２を備える。

外装缶１２１は金属からなり、缶底部１２１ａと側壁部１２１ｂを有する。缶底部１２１ａは円板形状を有する。側壁部１２１ｂは、缶底部１２１ａの周縁に連続する円筒形状を有する。側壁部１２１ｂは絶縁性フィルムによって被覆されている。

封口体１２２は金属からなり、側壁部１２１ｂに接合され、外装缶１２１の内部空間を封止する。

図２に示すように、外装缶１２１に蓄電素子１１０及び図示しない電解液が収容され、封口体１２２によって封止されることにより、電気化学デバイス１００が形成されている。

図３は、蓄電素子１１０の斜視図であり、図４は蓄電素子１１０の拡大断面図である。これらの図に示すように、蓄電素子１１０は、負極１３０、正極１４０及びセパレータ１５０を有し、これらが積層された積層体が捲回されて構成されている。

負極１３０は、図４に示すように、負極集電体１３１及び負極活物質層１３２を有する。負極集電体１３１は、導電性材料からなり、銅箔等の金属箔であるものとすることができる。負極集電体１３１は表面が化学的あるいは機械的に粗面化された金属箔や、貫通孔が形成された金属箔が好適である。

負極活物質層１３２は、負極集電体１３１の表裏両面上に形成されている。負極活物質層１３２の材料は、負極活物質がバインダ樹脂と混合されたものとすることができ、さらに導電助材を含んでもよい。負極活物質は、例えばハードカーボン、グラファイト又はソフトカーボン等の炭素系材料等とすることができる。

バインダ樹脂は、負極活物質を接合する合成樹脂であり、例えばカルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、芳香族ポリアミド、フッ素系ゴム、ポリビニリデンフルオライド、イソプレンゴム、ブタジエンゴム及びエチレンプロピレン系ゴム等とすることができる。

導電助剤は、導電性材料からなる粒子であり、負極活物質の間での導電性を向上させる。導電助剤は、例えば、黒鉛やカーボンブラック等の炭素材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。なお、導電助剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料あるいは導電性高分子などであってもよい。

図５は捲回前の負極１３０を示す平面図である。同図に示すように、負極集電体１３１の表面の大部分には負極活物質層１３２が積層されている。また、負極集電体１３１の裏面にも同様に図示しない負極活物質層１３２が積層されている。

また、負極１３０は負極リード箔１３３を備える。負極リード箔１３３は、負極集電体１３１の一部が突出して形成されている。負極リード箔１３３は、後述するように外装缶１２１に接続され、外装缶１２１と負極１３０を電気的に接続する。

なお、負極リード箔１３３は、負極集電体１３１の一部が突出して形成されたものに限られず、負極集電体１３１に電気的に接続された、負極集電体１３１とは別の箔状部材であってもよい。負極リード箔１３３の数は図５に示す７つに限られず、１つ以上の任意の数とすることができる。

正極１４０は、図４に示すように、正極集電体１４１及び正極活物質層１４２を有する。正極集電体１４１は、導電性材料からなり、アルミニウム箔等の金属箔であるものとすることができる。正極集電体１４１は表面が化学的あるいは機械的に粗面化された金属箔や、貫通孔が形成された金属箔が好適である。

正極活物質層１４２は、正極集電体１４１の表裏両面上に形成されている。正極活物質層１４２の材料は、正極活物質がバインダ樹脂と混合されたものとすることができ、さらに導電助材を含んでもよい。正極活物質は、例えば活性炭又はＰＡＳ（Polyacenic Semiconductor：ポリアセン系有機半導体）等とすることができる。

バインダ樹脂は、正極活物質を接合する合成樹脂であり、例えばカルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、芳香族ポリアミド、フッ素系ゴム、ポリビニリデンフルオライド、イソプレンゴム、ブタジエンゴム及びエチレンプロピレン系ゴム等とすることができる。

導電助剤は、導電性材料からなる粒子であり、正極活物質の間での導電性を向上させる。導電助剤は、例えば、黒鉛やカーボンブラック等の炭素材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。なお、導電助剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料あるいは導電性高分子などであってもよい。

図６は捲回前の正極１４０を示す平面図である。同図に示すように、正極集電体１４１の表面の大部分には正極活物質層１４２が積層されている。また、正極集電体１４１の裏面にも同様に図示しない正極活物質層１４２が積層されている。

また、正極１４０は正極リード箔１４３を備える。正極リード箔１４３は、正極集電体１４１上において正極活物質層１４２が塗布されていない領域に接続されており、図示しない絶縁テープによって被覆されている。正極リード箔１４３は、後述するように封口体１２２に接続され、封口体１２２と正極１４０を電気的に接続させる。

なお、正極リード箔１４３は、正極集電体１４１の一部が突出して形成されたものであってもよい。正極リード箔１４３の数は図５に示す３つに限られず、１つ以上であればよい。

セパレータ１５０は負極１３０と正極１４０の間に配置され、負極１３０と正極１４０を絶縁すると共に電解液中に含まれるイオンを透過する。セパレータ１５０は、織布、不織布、ガラス繊維、セルロース繊維又はプラスチック繊維等からなる多孔質シートとすることができる。

電気化学デバイス１００は以上のように構成されている。蓄電素子１１０と共に容器１２０に収容される電解液は、電気化学デバイス１００の種類に応じて任意に選択することが可能である。

［材料について］
外装缶１２１及び負極リード箔１３３は金属からなる。ここで、外装缶１２１は第１の金属種を含む金属からなる。第１の金属種は鉄が好適であり、外装缶１２１は、鉄からなるものとすることができる。また、外装缶１２１は鉄を含む合金からなるものであってもよい。さらに外装缶１２１は、ステンレスからなるものであってもよい。

また、外装缶１２１は、鉄に加え、ニッケルを含むものが好適であり、鉄とニッケルの合金からなるものであってもよい。さらに、外装缶１２１は、鉄からなる基材にニッケルメッキを施したものであってもよい。

また、負極リード箔１３３は、第２の金属種を含み、外装缶１２１とは異なる金属からなる。第２の金属種は、第１の金属種とは異なる金属種である。第２の金属種は銅が好適であり、負極リード箔１３３は、銅からなるものとすることができる。また、負極リード箔１３３は、銅を含む合金からなるものであってもよい。

外装缶１２１の材料は、負極リード箔１３３の材料よりも融点が高いものが好適である。

［蓄電素子と外装缶の電気的接続について］
電気化学デバイス１００では、負極１３０は外装缶１２１に、正極１４０は封口体１２２にそれぞれ電気的に接続され、外装缶１２１及び封口体１２２を介して蓄電素子１１０の充電及び放電が行われる。

図７は蓄電素子１１０の模式的な断面図である。同図に示すように、負極１３０及び正極１４０はセパレータ１５０によって隔てられた状態で捲回されている。同図に示すように、捲回中心の孔を中心孔Ｓとする。負極リード箔１３３は負極１３０から蓄電素子１１０の片側（図７中、下方）に突出し、正極リード箔１４３は正極１４０から反対側（図７中、上方）に突出する。

図８は、蓄電素子１１０と容器１２０との電気的接続を示す模式図である。同図に示すように、負極リード箔１３３は外装缶１２１の缶底部１２１ａに接合され、正極リード箔１４３は封口体１２２に接合される。これにより、外装缶１２１の缶底部１２１ａは負極端子として機能し、封口体１２２は正極端子として機能する。

ここで、負極リード箔１３３と外装缶１２１の接合は抵抗溶接によって行われる。図９は一般的な手法による負極リード箔と外装缶の抵抗溶接を示す模式図である。同図に示すように、複数枚の負極リード箔２３３と外装缶２２１を抵抗溶接によって接合する場合、外装缶２２１の缶底部２２１ａ上に負極リード箔２３３を載置し、外装缶２２１を下部溶接電極３０１に接触させる。

さらに、負極リード箔２３３上に上部溶接電極３０２を接触させ、上部溶接電極３０２と下部溶接電極３０１の間に電圧を印加する。

これにより、負極リード箔２３３と外装缶２２１を介して上部溶接電極３０２と下部溶接電極３０１の間に電流が流れ、抵抗による発熱で負極リード箔２３３と外装缶２２１が溶接（抵抗溶接）される。

しかしながら、負極リード箔２３３が複数枚である場合、上層（上部溶接電極３０２側）の負極リード箔２３３は加熱されるが、下層（外装缶２２１側）の負極リード箔２３３は十分に加熱されず、負極リード箔２３３と外装缶２２１の接合強度が不十分となる。特に、外装缶２２１と負極リード箔２３３が異種金属の場合、接合強度が不十分となりやすい。

このため、電気化学デバイス１００では、次のようにして負極リード箔１３３と外装缶１２１の抵抗溶接を行う。図１０は、本発明に係る手法による負極リード箔１３３と外装缶１２１の抵抗溶接を示す模式図である。

同図に示すように、本発明に係る電気化学デバイス１００では、外装缶１２１上に負極リード箔１３３を載置し、外装缶１２１に下部溶接電極３０１を接触させる。さらに、負極リード箔１３３上に補強板１６０を載置して外装缶１２１と補強板１６０によって負極リード箔１３３を挟み、補強板１６０に上部溶接電極３０２を接触させる。なお、上部溶接電極３０２は、中心孔Ｓ（図７参照）を介して、負極リード箔１３３に接触させることができる。

補強板１６０は、金属からなる板状部材であり、上述の第１の金属種を含む。補強板１６０は外装缶１２１と同一材料からなるものが好適である。また、補強板１６０及び外装缶１２１の厚みは溶接対象の負極リード箔１３３の厚みの合計よりも大きいものが好適である。

この状態で、上部溶接電極３０２と下部溶接電極３０１の間に電圧を印加すると、補強板１６０、負極リード箔１３３及び外装缶１２１を介して上部溶接電極３０２と下部溶接電極３０１の間に電流が流れる。この際、抵抗による発熱で補強板１６０、負極リード箔１３３及び外装缶１２１が溶接（抵抗溶接）される。

図１１は、電気化学デバイス１００の模式図であり、補強板１６０を用いて抵抗溶接がなされている状態を示す。図１２は、電気化学デバイス１００抵抗溶接箇所を拡大した模式図である。図１２に示すように、補強板１６０、負極リード箔１３３及び外装缶１２１の溶接箇所には材料共存領域Ｒが形成されている。

材料共存領域Ｒは、補強板１６０、負極リード箔１３３及び外装缶１２１の材料が溶接によって部分的に溶解し、共存する領域である。上記のように、補強板１６０及び外装缶１２１は第１の金属種を含み、負極リード箔１３３は第２の金属種を含む。このため、材料共存領域Ｒでは、第１の金属種と第２の金属種が共存する。

補強板１６０と外装缶１２１によって、複数枚の負極リード箔１３３を挟んだ状態で抵抗溶接を行うことにより、複数枚の負極リード箔１３３が満遍なく加熱され、第１の金属種と第２の金属種が共存する材料共存領域Ｒが形成される。

特に第１の金属種が鉄であり、第２の金属種が銅である場合、鉄と銅が相互に拡散し、好適に材料共存領域Ｒが形成される。また、補強板１６０及び外装缶１２１にニッケルが含まれる場合、銅とニッケルは相性がよく、材料共存領域Ｒの中心部から鉄−ニッケル−銅の順で金属種が共存する材料共存領域Ｒが形成される。

これにより、補強板１６０、負極リード箔１３３及び外装缶１２１を高い接合強度で互いに接合させることが可能である。さらに、補強板１６０、負極リード箔１３３及び外装缶１２１の間での接触面積が拡大するため、負極リード箔１３３と外装缶１２１の間の導通経路を低抵抗化することが可能であり、大電流入出力の際にも発熱の減少や素子劣化の緩和を実現することができる。

本発明に係る手法で接合可能な負極リード箔１３３の枚数は特に限定されないが、３枚以上が好適であり、１２枚程度までは十分な強度で溶接することが可能である。

［変形例］
上記説明では、負極リード箔１３３を外装缶１２１に抵抗溶接によって接合する構成について説明したが、負極リード箔１３３に代えて正極リード箔１４３を上記手法によって外装缶１２１に接合してもよい。この場合、正極リード箔１４３を外装缶１２１と補強板１６０によって挟み、抵抗溶接を行うことにより、複数枚の正極リード箔１４３を高い接合強度で接合することが可能となる。

また、本発明に係る手法は、電気化学デバイス以外の抵抗溶接にも適用可能である。即ち、第１の部材と第２の部材によって複数枚の金属箔を挟み、第１の部材と第２の部材にそれぞれ溶接電極を当接させ、両溶接電極の間に電流を印加することにより、複数枚の金属箔が第１の部材と第２の部材に接合された接合体を作製することができる。

第１の部材と第２の部材は第１の金属種を含む金属からなり、金属箔は第２の金属種を含む金属からなるものとすることにより、第１の金属種と第２の金属種が共存する材料共存領域が形成され、複数枚の金属箔を高い接合強度で接合させることが可能である。

１００…電気化学デバイス
１１０…蓄電素子
１２０…容器
１２１…外装缶
１２２…封口体
１３０…負極
１３１…負極集電体
１３２…負極活物質層
１３３…負極リード箔
１４０…正極
１４１…正極集電体
１４２…正極活物質層
１４３…正極リード箔
１５０…セパレータ
１６０…補強板

Claims (8)

1. 第１の金属種を含む金属からなる外装缶と、
   正極、負極及びセパレータを備え、前記正極と前記負極がセパレータを介して積層され、捲回された蓄電素子であって、前記正極又は前記負極に電気的に接続され、前記第１の金属種とは異なる第２の金属種を含み、前記外装缶とは異なる金属からなるリード箔を有し、前記外装缶に収容された蓄電素子と、
   前記第１の金属種を含む金属からなる補強板と
   を具備し、
   前記外装缶と前記補強板は前記リード箔を挟んで溶接され、溶接箇所に前記第１の金属種及び前記第２の金属種が共存する
   電気化学デバイス。
2. 請求項１に記載の電気化学デバイスであって、
   前記外装缶と前記補強板は、３枚以上の前記リード箔を挟んで溶接されている
   電気化学デバイス。
3. 請求項１又は２に記載の電気化学デバイスであって、
   前記外装缶と前記補強板は、同一の金属からなる
   電気化学デバイス。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の電気化学デバイスであって、
   前記第１の金属種は鉄であり、
   前記第２の金属種は銅である
   電気化学デバイス。
5. 請求項４に記載の電気化学デバイスであって、
   前記外装缶及び前記補強板は、さらにニッケルを含む
   電気化学デバイス。
6. 第１の金属種を含む金属からなる第１の部材と、
   前記第１の金属種とは異なる第２の金属種を含み、前記第１の部材とは異なる金属からなる複数の箔と、
   前記第１の金属種を含む金属からなる第２の部材と
   を具備し、
   前記第１の部材と前記第２の部材は、前記複数の箔を挟んで溶接され、溶接箇所に前記第１の金属種及び前記第２の金属種が共存する
   接合体。
7. 第１の金属種を含む金属からなる外装缶と、正極、負極及びセパレータを備え、前記正極と前記負極がセパレータを介して積層され、捲回された蓄電素子であって、前記正極又は前記負極に電気的に接続され、前記第１の金属種とは異なる第２の金属種を含み、前記外装缶とは異なる金属からなるリード箔を有し、前記外装缶に収容された蓄電素子と、前記第１の金属種を含む金属からなる補強板とを準備し、
   前記外装缶と前記補強板によって前記リード箔を挟み、
   前記外装缶に第１の溶接電極を接触させ、
   前記補強板に第２の溶接電極を接触させ、
   前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極の間に電圧を印加し、抵抗溶接により前記リード箔を挟んで前記外装缶と前記補強板を接合する
   電気化学デバイスの製造方法。
8. 第１の金属種を含む金属からなる第１の部材と、前記第１の金属種とは異なる第２の金属種を含み、前記第１の部材とは異なる金属からなる複数の箔と、前記第１の金属種を含む金属からなる第２の部材とを準備し、
   前記第１の部材と前記第２の部材によって前記複数の箔を挟み、
   前記第１の部材に第１の溶接電極を接触させ、
   前記第２の部材に第２の溶接電極を接触させ、
   前記第１の溶接電極と前記第２の溶接電極の間に電圧を印加し、抵抗溶接により前記複数の箔を挟んで前記第１の部材と前記第２の部材を接合する
   接合体の製造方法。

Images