JP3659490B2

JP3659490B2 - 蓄電池用端子

Info

Publication number: JP3659490B2
Application number: JP2000399118A
Authority: JP
Inventors: 智児玉
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: JP2002203537A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウムイオン電池等の蓄電池に用いられる蓄電池用端子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、蓄電池用端子は、図２の断面図に示すように、蓄電池の容器の容器蓋Ｌの略円形の開口に側部がロウ付け等で接合され、容器の内外を貫通する貫通孔１１ａを略中央部に有し、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）セラミックス等からなる筒状のセラミック基体１１を具備する。このセラミック基体１１の貫通孔１１ａの容器外部側の端部には、セラミック基体１１の容器外部側の端面から貫通孔１１ａの内面にかけて面取り部Ｃが形成されており、セラミック基体１１の容器外部側の端面から面取り部Ｃにかけて、モリブデン（Ｍｏ）−マンガン（Ｍｎ）等からなるメタライズ層１４ａが被着されている。
【０００３】
そして、貫通孔１１ａに、一端が閉じられているとともにその一端に鍔部１２ａが形成され他端が開いたアルミニウム（Ａｌ）合金からなる略円筒状等の筒状の端子体１２を、その両端がセラミック基体１１から突出するようにかつ一端面が鍔部１２ａに係止するように挿入し、メタライズ層１４ａと端子体１２とがアルミニウムを主成分とするロウ材１５ａを介して接合される。また、メタライズ層１４ｂとアルミニウム合金や鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属からなる円環状のフランジ１３とが、アルミニウムを主成分としたロウ材や金（約３７．５重量％）−銅（約６２．５重量％）ロウ材等からなるロウ材１５ｂを介して接合されることにより、蓄電池内部が気密に封止される。
【０００４】
また、蓄電池の内部では、端子体１２の一端面が蓄電池の一方の電極板Ｅに接続されるとともに、フランジ１３が蓄電池の容器蓋Ｌに溶接によって接合されることにより、蓄電池の一方の端子として機能している。一方、端子体１２の他端部には、その外側面から内側面にかけて貫通孔１２ｂが形成され、貫通孔１７ａが形成された銅等からなる導線１７を上方より端子体１２の内部に嵌入し、貫通孔１２ｂと貫通孔１７ａが重なるようにしてそれぞれにボルトを挿入して、一方をナットにて締め付ける方法や、導線１７を上方より端子体１２の内部に嵌入した後端子体１２の上部全体を側方からかしめる方法にて、端子体１２と導線１７を接続することにより、外部との導通をとるようにしていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の蓄電池用端子においては、ロウ付け時の端子体１２の変形により端子体１２と導線１７との間に隙間が生じたり、端子体１２と導線１７の表面の凹凸により細かな隙間が多数生じるため、端子体１２と導線１７の接触が不十分となり電気抵抗が増大する場合があった。そこで、端子体１２に導線１７を強固に接続させると、端子体１２が接合されているセラミック基体１１やロウ材１５ａにストレスが加わってクラックが生じやすいという問題点があった。
【０００６】
また、端子体１２へのストレスを回避して導線１７を接合する方法としては、低温接合としてのＳｎ−Ｐｂ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等の半田付けがあるが、アルミニウム合金への半田付けはその表面の強固な酸化皮膜により非常に困難であるため、半田付けを容易とするニッケルメッキ膜等をアルミニウム合金の表面に施す必要がある。しかしながら、表面に強固な酸化皮膜が形成され易いなどの特性により、アルミニウム合金へのニッケルメッキ膜等の形成は極めて困難である。
【０００７】
また、アルミニウム合金の熱膨張係数がセラミックスの熱膨張係数の約４倍程度と両者の熱膨張係数差が大きく、貫通孔１１ａ内面全面にメタライズ層を形成して端子体１２をロウ付けした場合は、ロウ付け後の端子体１２の熱収縮によりセラミック基体１１の貫通孔１１ａ付近にクラックが発生し易い。さらに、セラミック基体１１の両端面にメタライズ層を形成して端子体１２をロウ付けした場合、セラミック基体１１の両端面からクラックが発生する。
【０００８】
これらのことから、セラミック基体１１と端子体１２はセラミック基体１１の一方の端面でしかロウ付けすることができず、その結果セラミック基体１１と端子体１２の間に袋小路状の隙間が生じ、ニッケルメッキ膜等を施した場合その隙間にニッケルメッキ膜形成用のメッキ液の残存が生じてしまう。このようなメッキ液の残存成分が蓄電池用端子の使用時に電解液中等に流出し、蓄電池としての機能に支障をきたすため、ニッケルメッキ膜等を施すことは困難であった。
【０００９】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、端子体に機械的外力やストレスを加えることなく外部との導通を低抵抗で確保することができ、セラミック基体やロウ材に過大なストレスをかけることなく、セラミック基体やロウ材のクラックを有効に防止することにより、蓄電池内部の気密性を良好なものとすることができる蓄電池用端子を提供することにある。
【００１０】
本発明の蓄電池用端子は、軸方向に貫通孔を有する筒状のセラミック基体と、該セラミック基体の貫通孔に挿入接合された、一端が閉じられているとともに該一端に鍔部が形成され他端が開いたアルミニウム合金からなる筒状の端子体とを具備した蓄電池用端子において、前記セラミック基体は一端面が前記鍔部に係止され、他端面と前記貫通孔の内周面との間に面取り部が形成されているとともに前記他端面から前記面取り部にかけてメタライズ層が被着されており、該メタライズ層及び前記端子体が、前記面取り部と前記内周面との間の角部近傍まで垂れ込んだロウ材を介してロウ付けされており、かつ前記端子体の他端に導線を半田付けするためのニッケルまたは銅からなる環状の接続部材が嵌入されロウ付けされていることを特徴とする。
【００１１】
本発明は、上記の構成により、端子体に機械的外力を加えることなく外部との導通を低抵抗で確保することができ、セラミック基体やロウ材に過大なストレスをかけることなくクラックを有効に防止することにより、蓄電池で得られる電流を有効に外部に取り出すことができる。また蓄電池内部の気密性を良好なものとすることができる。その結果、蓄電池の性能は長期にわたって安定し、長寿命化と高い信頼性が得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の蓄電池用端子を添付の図面を基に詳細に説明する。図１は本発明の蓄電池用端子について実施の形態の一例を示す断面図である。図１において、１は軸方向に貫通孔１ａを有する筒状のセラミック基体、２はアルミニウム合金からなる端子体、３は金属製のフランジであり、これらとメタライズ層４ａ、４ｂとが、それぞれロウ材５ａ、５ｂを介して接合されることによって、蓄電池内部を気密に封止する蓄電池用端子が構成される。さらに、端子体２の他端部に、ニッケルまたは銅からなる接続部材６を端子体２とメタライズ層４ａを接合するのと同時にロウ材５ｃでロウ付け接合する。
【００１３】
セラミック基体１は、例えばアルミナセラミックス等の電気絶縁性に優れるセラミックスからなる円筒状、断面が多角形の筒状のものであり、端子体２とフランジ３とを電気的絶縁性をもって保持している。そして、図１に示すように、セラミック基体１は容器の容器蓋Ｌの略円形の開口にその側部が接合され、かつその略中央部に内外を貫通する貫通孔１ａが形成される。その貫通孔１ａには、端子体２の容器外部側の他端部（図１では上端部）が突出するように端子体２を挿通し接合するとともに、端子体２の容器内部側の一端部（図１では下端部）に形成された係止用の鍔部２ａをセラミック基体１の一端面（図１では下面）に接触させている。また、セラミック基体１の外側面にはフランジ３が接合され、フランジ３を介して容器蓋Ｌに接合固定されている。上記鍔部２ａは、端子体２の一端面に面一となるように設けられているが、端子体２の一端部の側面から突出していれば良く、必ずしも端子体２の一端面と面一になっていなくても良い。
【００１４】
このようなセラミック基体１は、例えばアルミナセラミックスから成る場合、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化珪素（ＳｉＯ₂）、酸化カルシウム（ＣａO）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機バインダを添加して調製した原料粉末を、所定形状のプレス型内に充填するとともに、これを所定圧力でプレスして成形し、しかる後得られた成形体を大気中にて約１６００℃の温度で焼成することにより製作される。
【００１５】
また、セラミック基体１は、一端面が鍔部２ａに係止され他端面がその他端面より突出した端子体２の他端部の外側面にロウ付けされる。そして、セラミック基体１の両端面と貫通孔１ａの内周面との間に面取り部Ｃが形成され、セラミック基体１の他端面（図１では上面）からこれに連なる面取り部Ｃにかけて延出（進出）するように、環状のメタライズ層４ａが被着されている。このメタライズ層４ａは、Ｍｏ−Ｍｎ等のメタライズ層からなり、セラミック基体１の貫通孔１ａに挿入された端子体２をセラミック基体１に接合するための下地金属であって、このメタライズ層４ａに端子体２がアルミニウムを主成分としたロウ材５ａを介して接合される。
【００１６】
メタライズ層４ａは、例えばモリブデン粉末およびマンガン粉末ならびに金属の酸化物粉末に適当な有機バインダおよび溶剤を添加混合して得た金属ペーストを、セラミック基体１の他端面にスクリーン印刷法や筆塗り法によって印刷塗布するとともにその一部を面取り部Ｃに垂れ込ませ、これを還元雰囲気中において約１４００℃の温度で焼き付けることによって、セラミック基体１の他端面からこれに連なる面取り部Ｃにかけて被着される。
【００１７】
このとき、面取り部Ｃに垂れ込んだ金属ペーストは、面取り部Ｃと貫通孔１ａの内周面との間の角部において表面張力によってその垂れ込みが止まるため、その厚みおよび奥行きが一定のものとなる。よって、メタライズ層４ａと端子体２との接合において、ロウ材５ａが面取り部Ｃとその周囲に均一に行きわたり、その結果セラミック基体１の接合部に応力の偏りを発生させることがなくなる。故に、上記のような面取り部Ｃを設けることが好ましいものとなる。
【００１８】
また、セラミック基体１の外側面の一部（図１では下部）には、メタライズ層４ｂが被着されており、このメタライズ層４ｂはメタライズ層４ａと同様にＭｏ−Ｍｎ等のメタライズ層からなり、セラミック基体１にフランジ３を接合するための下地金属であって、このメタライズ層４ｂにはアルミニウムを主成分としたロウ材や金（約３７．５重量％）−銅（約６２．５重量％）ロウ材等のロウ材５ｂを介して接合される。
【００１９】
メタライズ層４ｂは、メタライズ層４ａと同様に例えばモリブデン粉末、マンガン粉末および金属酸化物粉末に適当な有機バインダおよび溶剤を添加混合して得た金属ペーストを、セラミック基体１の外側面の一部に筆塗り法等によって塗布し、これを還元雰囲気中において約１４００℃の温度で焼き付けることによって、セラミック基体１の外側面に被着される。
【００２０】
なお、メタライズ層４ａ，４ｂの表面には、メタライズ層４ａ，４ｂの酸化腐蝕を防止するとともに、ロウ材５ａ、５ｂとの濡れ性を向上させ、更には端子体２やフランジ３との接合後に発生する応力による剥がれやクラック等によって接合性を劣化させないようにするため、ニッケル等の耐食性に優れかつロウ材５ａ、５ｂとの濡れ性に優れる金属を１〜１０μｍ程度の厚みに被着させることが好ましい。
【００２１】
セラミック基体１の貫通孔１ａ内に挿入され接合される端子体２は、導電路でありかつ蓄電池の容器内に納められた電解液に浸漬されるため、高起電力状態において電気化学的に安定である必要があることから、耐食性に優れるアルミニウム合金からなり、好ましくは耐食性が優れロウ付けしやすいアルミニウム合金（ＪＩＳＨ４０４０合金番号３００３等）からなる。
【００２２】
端子体２は、一端が閉じられているとともにその一端に鍔部２ａが形成され他端が開いた略円筒状等の筒状のものであり、他端面の略中央部分から内部下方に向けて形成された中空部を有することにより、ロウ付け時におけるセラミック基体１との熱膨張差により発生する残留応力を緩和する。その結果、セラミック基体１へのストレスを軽減することによって、セラミック基体１にクラックが生じることを抑制している。端子体２の中空部の底部は、ロウ付け接合部に最も大きな残留応力が発生することから、ロウ付け接合を行うセラミック基体１のメタライズ層４ａよりも下方に位置するのがよく、より好ましくはセラミック基体１の一端面よりも下方に位置するのがよい。
【００２３】
また、端子体２の他端部には、接続部材６が落下しないように、他端面の外周部を切り欠いた段差部を有する。端子体２の段差部が形成された部位の厚みが０．３ｍｍ以下になると、ロウ付け時のロウ材拡散により端子体２の段差部の薄肉部が低融点化して溶解するため、その薄肉部から接続部材６の段差部にかけてロウ材５ｃのフィレットを形成することができず接合強度が劣化する。そのため、端子体２の段差部は、その段差部の薄肉部の厚さが０．３ｍｍ以上となるように形成されることが好ましい。
【００２４】
接続部材６は、環状のニッケルまたは銅からなる。銅の場合、アルミニウムロウ材による接合が困難であるため、厚み１〜１０μｍのニッケルメッキ膜を施してロウ付け接合を行う。
【００２５】
また、接続部材６は端子体２の他端の段差部にロウ材５ｃを介してロウ付け接合されるが、接続部材６の上面、すなわち導線７と半田接合を行う面にはロウ材５ｃの流出を抑制するために、端子体２の他端の段差部に対応する接続部材６の上面の内周部に、ロウ材５ｃの配置およびフィレット形成のために段差部が形成されている。接続部材６の段差部の寸法は、ロウ材５ｃのワイヤ状のプリフォームが配置できる空間を必要とするため、その段差部の深さおよび幅はロウ材５ｃの線径以上となる。
【００２６】
接続部材６の外径寸法は、接続部材６の半田接合面である上面にロウ材５ｃの這い上がりがあると半田付け性が劣化することと、這い上がりが最大で０．５ｍｍ程度発生することから、半田接合部を確保するために、接続部材６の段差部内の外周側端からの距離が１ｍｍ以上となる外形寸法であることが好ましい。また、フランジ３の外径寸法よりも大きくなると容器蓋Ｌの略円形の開口への挿入およびフランジ３と容器蓋Ｌの開口との溶接接合作業に支障が生じるため、フランジ３の外径寸法以下であることが好ましい。
【００２７】
ロウ材５ａ，５ｃは、アルミニウムを主成分としたものからなり、Ａｌ−Ｓｉ系組成のものを使用する。アルミニウム合金はその表面の強固な酸化皮膜のためロウ付け性が悪く、アルミニウム合金表面の酸化皮膜を除去してロウ付け性を向上させるゲッター作用を有するマグネシウム（Ｍｇ）を少量含有したロウ材からなる。ロウ付け時のロウ材流れ性をよくするためには、端子体２とセラミック基体１、端子体２と接続部材６において、それぞれ両者にロウ材がほぼ全周にわたって接触する必要があるため、プレスなどで形成した板状のプリフォームを使用するよりも曲面へ接触させやすいワイヤ状のロウ材を予め巻回しておきロウ付けを行うことが好ましい。
【００２８】
ロウ材５ｂは、アルミニウムを主成分としたものや金（約３７．５重量％）−銅（約６２．５重量％）合金から成るロウ材等からなり、フランジ３とセラミック基体１において両者にロウ材がほぼ全周にわたって接触する必要があるため、プレスなどで形成した板状のプリフォームを使用するよりも曲面へ接触させやすいワイヤ状のロウ材を予め巻回しておきロウ付けを行うことが好ましい。
【００２９】
次に、本発明の蓄電池用端子の製造方法について以下に説明する。
【００３０】
アルミニウム合金からなる端子体２をロウ材５ａを介してメタライズ層４ａに接合する際に、端子体２をその他端部が突出するようにしてセラミック基体１の貫通孔１ａに挿入するとともに、メタライズ層４ａと端子体２に接触するように、ワイヤ状のアルミニウムロウ材を端子体２の外側面に巻きつけるように配置する。接続部材６をロウ材５ｃを介して端子体２に接合するために、端子体２の他端の段差部に接続部材６を嵌入した後、接続部材６の段差部と端子体２他端の薄肉部に接触するように、ワイヤ状のアルミニウムロウ材を端子体２他端の薄肉部に巻きつけるように配置する。そして、これらのアルミニウムロウ材を真空雰囲気中で約６００℃の温度で加熱させて溶融させることにより、端子体２とメタライズ層４ａおよび接続部材６と端子体２とをロウ付けすることによって接合する。そして、端子体２の一端面に蓄電池の電極板Ｅを接続することにより、電極板Ｅを外部に電気的に接続する蓄電池用端子として機能する。
【００３１】
なお、上記のように接合された接続部材６の半田接合面は、アルミニウムロウ材に含まれるマグネシウムの付着により半田付け性は劣化するが、半田接合面をサンドブラストやワイヤーブラシ等で磨くことにより清浄な接続部材６の表面が露出し半田付け性が良好となり、半田接合による接続部材６として機能する。
【００３２】
セラミック基体１の外側面に接合されるフランジ３は、アルミニウム合金や鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金等からなる金属製の円環体であり、例えばアルミニウム合金から成る場合、メタライズ層４ｂにアルミニウムを主成分とするロウ材５ｂを介して接合される。そして、このフランジ３を蓄電池の容器蓋Ｌに溶接することによって、本発明の蓄電池用端子が蓄電池の容器に固定される。
【００３３】
フランジ３をロウ材５ｂを介してメタライズ層４ｂに接合するには、セラミック基体１をフランジ３の内側に挿入するとともに、メタライズ層４ｂとフランジ３に接触するようにワイヤ状のロウ材５ｂをメタライズ層４ｂに巻きつけるように配置し、このアルミニウムロウ材を真空雰囲気中で約６００℃の温度で加熱させて溶融させることにより、フランジ３とメタライズ層４ｂとをロウ付けすることによって接合する。
【００３４】
そして、このような蓄電池用端子の端子体２にロウ付け接合された接続部材６の上面に、銅等からなる導線７を半田にて接合することによって、外部と電極板Ｅとの電気的接続がなされ蓄電池として機能する。
【００３５】
上記の如く、本発明の蓄電池用端子は、セラミック基体１の両端面から突出するようにセラミック基体１の貫通孔１ａに端子体２を挿通し、端子体２の他端には環状の接続部材６を嵌入し、セラミック基体１の他端面と端子体２の上部外側面、および端子体２の他端の段差部と接続部材６とをロウ付け接合し、フランジ３をセラミック基体１の外側面にロウ付けすることによって製作される。
【００３６】
また、この蓄電池用端子の端子体２の一端面を電極板Ｅに接続するとともにフランジ３を容器蓋Ｌに溶接し、更に端子体２の他端に接合された接続部材６に導線７を半田接合することによって、蓄電池内部が気密に保持されるとともに蓄電池内部と外部とが電気的に接続された蓄電池として機能する。
【００３７】
かくして、本発明は、端子体と外部の導線との接続を、機械的外力が加わるような方法で行う必要はなく、従ってその機械的外力によりセラミック基体やロウ材にクラックが発生するのを有効に防止できる。
【００３８】
また半田接合は、締め付けやかしめのような機械的接続法のように接続部の表面状態に左右されることがなく、従って安定した低抵抗での電気的接続が可能となる。
【００３９】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行なうことは何等差し支えない。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は、端子体の他端に導線を半田付けするためのニッケルまたは銅からなる環状の接続部材を嵌入しロウ付けしたことにより、外部の導線との接続が半田接合にて行えるようになり、従来の機械的接続法で発生していたセラミック基体やロウ材のクラックを有効に防止できるとともに、外部との電気的導通を良好なものとできる。その結果、蓄電池の性能が長期にわたって安定化して長寿命化され、高い信頼性を有する蓄電池となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の蓄電池用端子について実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】従来の蓄電池用端子の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１：セラミック基体
１ａ：貫通孔
２：端子体
２ａ：鍔部
３：フランジ
４ａ、４ｂ：メタライズ層
５ａ〜５ｃ：ロウ材
６：接続部材
７：導線
Ｌ：容器蓋
Ｃ：面取り部
Ｅ：電極板

Claims

軸方向に貫通孔を有する筒状のセラミック基体と、該セラミック基体の貫通孔に挿入接合された、一端が閉じられているとともに該一端に鍔部が形成され他端が開いたアルミニウム合金からなる筒状の端子体とを具備した蓄電池用端子において、前記セラミック基体は一端面が前記鍔部に係止され、他端面と前記貫通孔の内周面との間に面取り部が形成されているとともに前記他端面から前記面取り部にかけてメタライズ層が被着されており、該メタライズ層及び前記端子体が、前記面取り部と前記内周面との間の角部近傍まで垂れ込んだロウ材を介してロウ付けされており、かつ前記端子体の他端に導線を半田付けするためのニッケルまたは銅からなる環状の接続部材が嵌入されロウ付けされていることを特徴とする蓄電池用端子。