JP2023089231A - 電極端子およびその利用 - Google Patents
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Abstract
【課題】二次電池の電極端子における導電性を向上する技術を提供する。【解決手段】ここで開示される技術によると、二次電池の電極端子が提供される。この電極端子は、金属製の第１部材と、金属製の第２部材とを備えている。上記第１部材は、上記第２部材と接続される接続部を有している。上記第２部材は、上記第１部材の上記接続部が挿入される挿入穴を有している。上記挿入穴の内部における、上記第１部材と上記第２部材との界面において、上記第１部材と上記第２部材とが互いに溶接されている。【選択図】図４
Description
本発明は、電極端子に関する。詳しくは、二次電池の電極端子であって、２つの金属部材が相互に溶接された電極端子およびその利用に関する。
リチウムイオン二次電池等の二次電池は、既存の電池に比べて軽量かつエネルギー密度が高いことから、近年、電気自動車（ＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）等の車両搭載用電源、あるいはパソコンおよび携帯端末等の電気製品等に搭載される電源として好ましく用いられている。
この種の二次電池は、典型的には、正極および負極を有する電極体と、該電極体を収容する電池ケースと、正極に取り付けられた正極端子と、負極に取り付けられた負極端子と、を備えている。正負極端子は、複数の部材を有しており、これらが相互に接続されて、導電経路を形成している。複数の部材の接続に関して、特許文献１では、一の部材と他の部材とを相互に溶接することが提案されている。
ところで、上記のとおり、電極端子における導電経路の形成には、複数の部材が用いられている。各部材の表面には不可避的に凹凸が存在しており、当該凹凸によって、各部材間の界面に微小な隙間が生じ得る。このような隙間があると、部材間の界面抵抗が上昇する虞がある。これらのことは、電極端子における良好な導電経路の形成に支障をきたす虞があるため、好ましくない。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、二次電池の電極端子における導電性を向上する技術を提供することである。
ここで開示される技術によると、二次電池の電極端子が提供される。この電極端子は、金属製の第１部材と、金属製の第２部材とを備えている。上記第１部材は、上記第２部材と接続される接続部を有している。上記第２部材は、上記第１部材の前記接続部が挿入される挿入穴を有している。上記挿入穴の内部における、上記第１部材と上記第２部材との界面において、上記第１部材と上記第２部材とが互いに溶接されている。かかる構成の電極端子では、挿入穴の内部に位置する、第１部材と第２部材との界面が溶接されることによって、部材間の微小な隙間を低減することができる。そのため、第１部材と第２部材との接触界面における導電性を向上させることができる。
ここで開示される電極端子の好ましい一態様では、上記第１部材と上記第２部材とは、相互に異なる金属で構成されている。異種金属間の接触界面における抵抗は、同種金属間の接触界面における抵抗よりも大きくなり得る。かかる構成の電極端子では、異種金属同士の接触界面においても、導電性の向上が実現されている。
また、他の好ましい一態様では、上記挿入穴は、上記第２部材の一の表面に形成された非貫通の凹部である。かかる構成によると、第２部材の挿入穴形成面の反対側の面を、第１部材の露出や溶接痕がない平坦面とすることができる。そのため、上記の効果に加えて、第２部材の挿入穴形成面の反対側の面と他の部材（例えばバスバー等）との好適な接合を実現することができる。
また、他の好ましい一態様では、上記接続部は、円板状に形成されている。上記接続部の周縁部が上記挿入穴の内壁面にかしめられている。両部材をかしめることによって、当該部分の抵抗を高くすることができる。これによって、溶接時における当該部分での発熱量を大きくして、第１部材と第２部材との溶接をより容易にさせることができる。また、かしめによって、両部材の接合強度を向上させることができる。
また、ここで開示される技術によると、正極および負極を有する電極体と、上記電極体を収容する電池ケースと、上記正極に取り付けられた正極端子と、上記負極に取り付けられた負極端子と、を備える二次電池が提供される。上記正極端子および上記負極端子の少なくともいずれか一方が、上記電極端子により構成されている。かかる構成の二次電池では、正極端子および／または負極端子における導電性の向上が実現されている。
また、ここで開示される技術によると、複数の単電池が相互に電気的に接続されて配列された組電池が提供される。この組電池において、複数の単電池として、上記二次電池を備える。かかる構成の組電池では、少なくとも一つの単電池における電極端子における導電性の向上が実現されている。そのため、組電池の性能の向上が実現されている。
好ましい一態様では、上記組電池は、配列された単電池間を電気的に接続するバスバーを備えている。上記バスバーは、上記接続された単電池それぞれの上記第２部材の表面と面接触して溶接されている。上記電池ケースの底面の面方向に直交する方向において、上記バスバーと上記第２部材とは、上記第１部材と上記第２部材との溶接部の略垂直線上で溶接されている。かかる構成の組電池によると、バスバーから単電池への導電経路の抵抗をより小さくすることができる。
以下、図面を参照しながら、ここで開示される技術の好適な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、以下の各図面においては、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。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は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「二次電池」とは、繰り返し充放電が可能な蓄電デバイス全般を指す用語であって、リチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン二次電池、ニッケル水素電池等のいわゆる蓄電池（化学電池）と、電気二重層キャパシタなどのキャパシタ（物理電池）と、を包含する概念である。また、本明細書において「リチウムイオン二次電池」とは、電荷担体としてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンの移動にともなう電荷の移動によって充放電が実現される二次電池をいう。また、本明細書において「Ａ～Ｂ」は、「Ａ以上Ｂ以下」を意味しており、Ａを上回り、かつ、Ｂを下回るものを包含する。また、本明細書において「Ａを主体とする」は、全成分のうち、Ａを少なくとも７０重量％含むことをいう。
ここで開示される二次電池は、繰り返し充放電可能な二次電池であり、例えばリチウムイオン二次電池である。図１に示されるように、二次電池１２は、おおまかにいって、電極体（図示なし）と、非水電解液（図示なし）と、電池ケース３０とを有する。電池ケース３０は、扁平な角型の容器であり、開口部を有する有底箱状の電池ケース本体３２と、該開口部を封止する蓋体３４とを有している。ケース本体３２には、その内部に電極体と非水電解液とが収容されている。ケース本体３２の開口部と蓋体３４の縁部とはレーザー溶接等で封止されている。電池ケース３０には、例えば、アルミニウム等の軽量で熱伝導性の良い金属材料が用いられている。
図２に示されるように、電極体２０は、二次電池１２の発電要素であり、図示しない絶縁フィルム等で覆われた状態で、電池ケース３０の内部に収容されている。電極体２０は、長尺シート状の正極シート２１と、長尺シート状の負極シート２２とが、セパレータ２３、２４と介して、シート長手方向に捲回された捲回電極体である。正極２１は、長尺な箔状の正極集電体２１Ａと、正極集電体２１Ａの片面または両面に長手方向に沿って形成された正極活物質層２１Ｂと、を備えている。二次電池１２の扁平な角型の電池ケース３０の長辺方向における電極体２０の一方の側縁部には、正極活物質層２１Ｂが形成されておらず、正極集電体２１Ａが露出した正極集電体露出部２１Ｃが設けられている。正極集電体２１Ａは、例えばアルミニウム箔であり得る。正極活物質層２１Ｂには、正極活物質、バインダ、導電材等の種々の材料が含まれている。負極２２は、長尺な箔状の負極集電体２２Ａと、当該負極集電体２２Ａの片面または両面に長手方向に沿って形成された負極活物質層２２Ｂと、を備えている。また、上記長辺方向における電極体２０の他方の側縁部には、負極活物質層２２Ｂが形成されておらず、負極集電体２２Ａが露出した負極集電体露出部２２Ｃが設けられている。負極集電体２２Ａは、例えば銅箔であり得る。負極活物質層２２Ｂには、負極活物質やバインダ等の種々の材料が含まれている。セパレータ２３、２４は、正極２１と負極２２との間に介在し、これらの電極が直接接触することを防止する樹脂シートである。正極活物質層２１Ｂ、負極活物質層２２Ｂ、およびセパレータの構成材料としては、この種の二次電池に使用される材料を特に制限なく使用することができ、本発明を特徴づけるものではないため、ここでの記載は省略する。
図１～３に示されるように、電池ケース３０（蓋体３４）は、正極端子４０および負極端子５０を備えている。正極端子４０は、正極接続端子４４と正極集電端子４２とを備えている。正極接続端子４４は、蓋体３４のケース外側表面に配置される部位と、ケース内側に配置される部位とを有する。正極接続端子４４は、電池ケース３０の内部で正極集電端子４２に接続されている。正極集電端子４２は、正極集電体露出部２１Ｃに接続されている。負極端子５０は、負極接続端子５４と負極集電端子５２とを備えている。負極接続端子５４は、蓋体３４のケース外側表面に配置される部位と、ケース内側に配置される部位とを有する。負極接続端子５４は、電池ケース３０の内部で負極集電端子５２に接続されている。負極集電端子５２は、負極集電体露出部２２Ｃに接続されている。
二次電池１２において、正極接続端子４４および負極接続端子５４の少なくともいずれか一方は、ここで開示される電極端子によって構成されている。以下、負極接続端子５４がここで開示される電極端子である場合について説明する。なお、正極接続端子４４がここで開示される電極端子である場合についても、同様であるため、詳細な説明は省略する。
図４，５に示されるように、負極接続端子５４は、金属製の第１部材５６と、金属製の第２部材５８とを備えている。第１部材５６は、円板状の接続部５６ａと、円柱状の軸部５６ｂとを備えている。第２部材５８は、平板状に形成されており、第２部材５８の厚み方向の一の面５８１（以下、「第２部材５８の下面５８１」ともいう。）には、非貫通の凹部である挿入穴５８２が形成されている。第１部材５６の接続部５６ａの周縁部が挿入穴５８２の内壁面にかしめられている。ここで、「第１部材５６の接続部５６ａの周縁部が挿入穴５８２の内壁面にかしめられている」とは、例えば、第１部材５６の接続部５６ａの周縁部が挿入穴５８２の内壁面に対して圧接されていることによって、第１部材５６が第２部材５８に対して固定されている状態をいう。上記のとおり、挿入穴５８２は非貫通であるため、接続部５６ａは、上記厚み方向における他の面５８４（以下、「第２部材５８の上面５８４」ともいう。）から外部に露出しない。そのため、上面５８４に他部材（例えばバスバー等）をより容易に接合させることができる。また、上面５８４は、単一の材料から構成されているため、他部材との接合強度を向上させることができる。
接続部５６ａの周縁部と挿入穴５８２の内壁面との界面は、相互に溶接され、溶接部５９が形成されている。挿入穴５８２の内部に接続部５６ａを挿入した状態で、即ち、挿入穴５８２の内部で第１部材５６と第２部材５８との界面を溶接することによって、該界面における抵抗を低下させ、第１部材５６と第２部材５８との間の隙間を低減させることによって、第１部材５６から第２部材５８への導電性を向上させることができる。また、接続部５６ａの周縁部と挿入穴５８２の内壁面との界面における溶接は、上記導電性向上に加えて、第１部材５６と第２部材５８との接合強度を向上する観点からも、好ましい。
特に限定されるものではないが、第１部材５６および第２部材５８は、アルミニウム、アルミニウムを主体とする合金、銅、または銅を主体とする合金で構成され得る。第１部材５６を構成する金属および第２部材５８を構成する金属は、同じであってもよく、異なっていてもよい。後述するバスバーとの接続の観点から、第２部材５８はアルミニウムまたはアルミニウムを主体とする合金で構成されることが好ましく、負極集電体との接続の観点から、第１部材５６は銅または銅を主体とする合金で構成されることが好ましい。好ましい一例では、第２部材５８はアルミニウムで構成され、第１部材５６は銅で構成される。
負極接続端子５４は、おおまかにいって、第１部材５６と第２部材５８とを重ね合わせて、両部材の界面を抵抗溶接することによって作製することができる。まず、図４に示されるように、第１部材５６の接続部５６ａの周縁部を、挿入穴５８２の内壁面にかしめる。次いで、第１部材の凹部５６１に溶接プローブ７１（電極）を当接させ、第２部材５８の周縁部に溶接プローブ７２（他方の電極）を当接させて、溶接プローブ７１と溶接プローブ７２との間を通電する。そうすると、挿入穴５８２の内部において、接続部５６ａと挿入穴５８２の内壁面との界面は、通電時の抵抗によって発熱する。この発熱によって、上記界面を溶接し、溶接部５９を形成できる。なお、溶接部５９は、挿入穴５８２の内壁面の少なくとも一部に形成されていればよいが、導電性向上や接合強度向上の観点から、挿入穴５８２の内壁面の全面に形成されているとより好ましい。溶接プローブ７２を第２部材５８の周縁部に沿って適宜移動させながら抵抗溶接を行うことによって、挿入穴５８２の内壁面の全面に溶接部５９を形成できる。抵抗溶接を用いることによって、第２部材５８の表面に溶接痕を形成することなく、両部材を溶接することができる。とりわけ、上面５８４に溶接痕を形成することなく、第１部材５６と第２部材５８との溶接を実現することは、他部材（バスバー等）を上面５８４に接合するために、好ましい。なお、抵抗溶接の条件（溶接電流の大きさ、溶接時間等）は特に限定されず、適宜変更し得る。
次に、上記構成の負極接続端子５４の二次電池の取り付けについて説明する。図５に示されるように、二次電池１２において、電池ケース３０の外側から、第１部材５６の軸部５６ｂは、ガスケット６０、蓋体３４、インシュレータ６１、および負極集電端子５２の順に、各部材にそれぞれ設けられた貫通孔に挿入されており、電池ケース３０の内部で先端５６２がかしめ加工されている。負極集電端子５２の貫通孔の周縁部分には、平面視においてリング状のかしめ部が形成されている。ガスケット６０は、負極接続端子５４と蓋体３４とを絶縁する部材であり、絶縁性を有する材料（例えば、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）等のフッ素樹脂）で形成されている。インシュレータ６１は、蓋体３４と負極集電端子５２とを絶縁する部材であり、絶縁性および耐電解液性を有する材料（例えば、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）等の樹脂材料）で形成されている。
二次電池１２は、図６に示されるような組電池を構成する単電池として使用することができる。図示されるように、組電池１００は、おおまかにいって、複数の二次電池１２（以下、「単電池１２」ともいう。）と、スペーサ１１と、バスバー１４と、エンドプレート１７とを備えている。複数の単電池１２は、各単電池間にスペーサ１１を介在させつつ、単電池１２の偏平面を対向させるように、所定の方向に沿って配列されている。単電池１２の配列方向の両端には、エンドプレート１７がそれぞれ配置されて、配列された複数の単電池１２を同方向に挟み込んでいる。各エンドプレート１７は、金属製の拘束バンド１８で架橋されており、拘束バンド１８の端部がビス１９によって締め付けられて固定されている。
図示されるように、一の単電池１２の正極端子４０と、該単電池に隣接する他の単電池１２の負極端子５０とが、平板状のバスバー１４を介して電気的に接続されている。バスバー１４は、レーザー溶接等によって正極接続端子４４と負極接続端子５４とに溶接されている。図７に示されるように、バスバー１４は、第２部材５８の上面５８４に溶接され、溶接部１４ａが形成されている。バスバー１４と第２部材５８とは、両部材を十分な強度で接合し得る限りは特に限定されないが、バスバー１４と負極端子５０との導電性を向上させる観点から、バスバー１４と第２部材５８との溶接部１４ａと、第１部材５６と第２部材５８との溶接部５９との距離を短くすることが好ましい。電池ケース３０の底面の面方向に直交する方向（即ち、軸部５６ｂの延伸方向）において、バスバー１４と第２部材５８とは、第１部材５６と第２部材５８との溶接部５９の略垂直線上で溶接されることが好ましい。ここで、本明細書において「略垂直線上で溶接される」とは、第１部材５６と第２部材５８との溶接部５９を中心とした半径５ｍｍ以下（好適には３ｍｍ以下）の円形の領域の上方に、バスバー１４と第２部材５８との溶接部１４ａが形成されることをいう。
バスバー１４は、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス等の金属で構成され得る。第２部材５８との接合強度および導電性を向上させる観点から、バスバー１４は、第２部材５８の金属と同じ金属で構成されることが好ましい。例えば、第２部材５８がアルミニウム製である場合、バスバー１４もアルミニウム製であることが好ましい。なお、バスバー１４の形状は特に限定されず、例えば円柱状のものを使用してもよい。
組電池１００は、各種用途に利用可能であるが、例えば車両に搭載されるモーター用の動力源（駆動用電源）として好適に用いることができる。車両の種類は特に限定されないが、典型的には自動車、例えばプラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、電気自動車（ＥＶ）等が挙げられる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、上記実施形態は例示にすぎず、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。以下に例示される変形例においても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。例えば、上記実施形態では、第１部材５６の接続部５６ａの周縁部が挿入穴５８２の内壁面にかしめられているが、これに限定されず、かしめ加工を行わなくてもよい。この場合、接続部を挿入穴に挿入した状態で抵抗溶接を行うことによって、第１部材と第２部材との溶接を行うことができる。
また、上記実施形態では、第１部材５６と第２部材５８との接合時に、第１部材５６の凹部５６１および第２部材５８の周縁部のそれぞれに溶接プローブを当接させたが、これに限定されない。図８、９に示されるように、第１部材５６の凹部５６１に溶接プローブ７１を当接させ、第２部材５８の上面５８４に溶接プローブ７２を当接させて、抵抗溶接を行ってもよい。この場合、溶接部５９を溶接プローブ７２の略垂直下に形成することができる。これによって、第１部材５６と第２部材５８との界面における隙間を低減させることができる。また、上面５８４上に溶接痕は形成されないため、上面５８４とバスバーとの溶接を容易に行うことができ、接合強度を向上させることができる。なお、溶接プローブ７２の当接部位は、図８，９に示される部位に限定されず、必要に応じて適宜移動させてよい。
あるいは、図１０、１１に示されるように、溶接プローブ７２として、断面がリング状のものを使用してもよい。この場合、溶接部５９を溶接プローブ７２の略垂直下に形成することができる。本変形例では、第２部材５８の上面５８４にかかる溶接プローブ７２からの面圧の偏りを防止する観点から、溶接プローブ７２からの距離が、均一となる位置に溶接プローブ７１を配置することが好ましい。
また、上記実施形態では、挿入穴５８２が非貫通の凹部であるが、これに限定されず、貫通孔としてもよい。図１２に示されるように、接続部５６ａの挿入穴５８２への挿入方向における電池ケース３０外側の先端５６３は、第２部材５８の上面５８４より外部に対して露出し得る。第１部材５６と第２部材５８との接合時に、第１部材５６の凹部５６１に溶接プローブ７１を当接させ、第２部材５８の周縁部に溶接プローブ７２を当接させて抵抗溶接を行うと、図示される部位に溶接部５９を形成することができる。なお、第１部材５６の先端５６３を第２部材５８の上面５８４より外部に突出させて、笠状に押圧変形させるカシメ加工を実施してもよい。
また、上記実施形態では、平面視における接続部５６ａの直径は、軸部５６ｂの直径よりも大きいが、これに限定されない。接続部５６ａの直径と軸部５６ｂの直径とを同じとしてもよい。
１１ スペーサ
１２ 二次電池
１４ バスバー
２０ 電極体
２１ 正極シート
２２ 負極シート
２３、２４ セパレータ
３０ 電池ケース
４０ 正極端子
４２ 正極集電端子
４４ 正極接続端子
５０ 負極端子
５２ 負極集電端子
５４ 負極接続端子
５６ 第１部材
５６ａ 接続部
５６ｂ 軸部
５８ 第２部材
５８２ 挿入穴
５９ 溶接部
６０ ガスケット
６１ インシュレータ
７１、７２ 溶接プローブ
１００ 組電池
１２ 二次電池
１４ バスバー
２０ 電極体
２１ 正極シート
２２ 負極シート
２３、２４ セパレータ
３０ 電池ケース
４０ 正極端子
４２ 正極集電端子
４４ 正極接続端子
５０ 負極端子
５２ 負極集電端子
５４ 負極接続端子
５６ 第１部材
５６ａ 接続部
５６ｂ 軸部
５８ 第２部材
５８２ 挿入穴
５９ 溶接部
６０ ガスケット
６１ インシュレータ
７１、７２ 溶接プローブ
１００ 組電池
Claims (7)
- 二次電池の電極端子であって、
金属製の第１部材と、金属製の第２部材とを備えており、
前記第１部材は、前記第２部材と接続される接続部を有しており、
前記第２部材は、前記第１部材の前記接続部が挿入される挿入穴を有しており、
前記挿入穴の内部に位置する、前記第１部材と前記第２部材との界面において、前記第１部材と前記第２部材とが互いに溶接されている、電極端子。 - 前記第１部材と前記第２部材とは、相互に異なる金属で構成されている、請求項１に記載の電極端子。
- 前記挿入穴は、前記第２部材の一の表面に形成された非貫通の凹部である、請求項１または２に記載の電極端子。
- 前記接続部は、円板状に形成されており、
前記接続部の周縁部が前記挿入穴の内壁面にかしめられている、請求項１～３のいずれか一項に記載の電極端子。 - 正極および負極を有する電極体と、
前記電極体を収容する電池ケースと、
前記正極に取り付けられた正極端子と、
前記負極に取り付けられた負極端子と、
を備える二次電池であって、
前記正極端子および前記負極端子の少なくともいずれか一方が、請求項１～４のいずれか一項に記載の電極端子により構成されている、二次電池。 - 複数の単電池が相互に電気的に接続されて配列された組電池であって、
前記単電池として、請求項５に記載の二次電池を備える、組電池。 - 前記配列された単電池間を電気的に接続するバスバーを備えており、
前記バスバーは、前記接続された単電池それぞれの前記第２部材の表面と面接触して溶接されており、
前記電池ケースの底面の面方向に直交する方向において、前記バスバーと前記第２部材とは、前記第１部材と前記第２部材との溶接部の略垂直線上で溶接されている、請求項６に記載の組電池。
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