JP3878854B2

JP3878854B2 - 蓄電池用端子

Info

Publication number: JP3878854B2
Application number: JP2002017671A
Authority: JP
Inventors: 孝義栂
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-01-25
Filing date: 2002-01-25
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2022-01-25
Also published as: JP2003217563A

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。
【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、下端が閉じられているとともにその下端に鍔部12ａが形成され上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下端面が鍔部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Ａｌ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Ａｌ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、Ａｌを主成分としたロウ材や金（Ａｕ：約37.5重量％）−銅（Ｃｕ：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の下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の上端部には、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16ａが形成された銅等からなる導線16を上方より端子体12の内部に嵌入し、貫通孔12ｂと貫通孔16ａが重なるようにしてそれぞれにボルト17を挿入して、一方をナットにて締め付ける方法や、導線16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16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とセラミック基体11との間にロウ材の割れ等の欠陥を生じて気密性を損なったり、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に外力等のストレスが加わってクラックが生じ、気密性を損ないやすいという問題点があった。
【０００６】
また、Ａｌ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という問題点があった。
【０００７】
従って、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、Ａｌ合金とセラミックスとの熱膨張差によるロウ付け後の残留ストレスを緩和し、セラミック基体に生じるクラックを有効に防止し、また、端子体に機械的外力やストレスが加わっても気密性を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にすることができる蓄電池用端子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の蓄電池用端子は、筒状のセラミック基体の内側に筒状の端子体が挿入されており、前記筒状の端子体は、その一端が閉じているとともに該一端側に前記セラミック基体の端面に当接する鍔部が形成されて、他端が前記セラミック基体の他端側端面にロウ付けされており、前記セラミック基体は、前記一端側端面に、前記鍔部に当接するとともに先端が尖っており、前記セラミック基体と前記端子体との軸方向熱膨張差より突出している突条部が前記セラミック基体の一端側開口を取り囲むように全周にわたって形成されていることを特徴とする。
本発明の蓄電池用端子の製造方法は、筒状のセラミック基体の内側に筒状の端子体が挿入されており、前記筒状の端子体は、その一端が閉じているとともに該一端側に前記セラミック基体の一端側端面に当接する鍔部が形成されて、他端が前記セラミック基体の他端側端面にロウ付けされている蓄電池用端子の製造方法であって、前記セラミック基体の一端側端面に、先端が尖っており、前記セラミック基体と前記端子体との軸方向熱膨張差より突出している突条部を前記セラミック基体の一端側開口を取り囲むように全周にわたって形成しておき、前記セラミック基体の内側に、前記鍔部と前記突条部とが当接するように前記端子体を挿入した後に、前記端子体と前記セラミック基体とを加熱して前記端子体の他端と前記セラミック基体の他端側端面とをロウ付けし、その後、前記端子体と前記セラミック基体とを冷却することによって製造することを特徴とする。
【０００９】
本発明は、上記の構成により、端子体に機械的外力やストレスが加わっても気密性を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にすることができる。その結果、蓄電池の性能は長期にわたって安定し、長寿命と高い信頼性が得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の蓄電池用端子について以下に詳細に説明する。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Ａｌ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。
【００１１】
本発明のセラミック基体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や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。筒状のセラミック基体１の内側（貫通孔１ａ）には、端子体２の容器外部側の上端部が突出するように端子体２が挿通され接合される。また、端子体２の容器内部側の一端側（図１では下端側）に形成された端子体２係止用の鍔部２ａに、セラミック基体１の一方の端面（図１では下端面）の全周に設けた突条部１ｂを接触させ陥没させることにより、セラミック基体１と端子体２との隙間がメカニカルに気密シールされる。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の下端面に面一となるように設けられているが、端子体２の下端部の側面から突出していれば良く、必ずしも端子体２の下端面と面一になっていなくても良い。
【００１２】
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。
【００１３】
また、セラミック基体１は、貫通孔１ａより突出した端子体２の上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の上端面と貫通孔１ａの内周面との間の稜部に面取り部Ｃが形成され、セラミック基体１の上端面からこれに連なる面取り部Ｃにかけて延出するように、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り、このメタライズ層４ａに端子体２がＡｌを主成分としたロウ材５ａを介して接合される。
【００１４】
セラミック基体１の下端面には、先端が尖っている突条部１ｂが全周にわたって設けられている。図１（ａ）は、突条部１ｂの断面形状がその先端の角度が９０°以下の鋭角で、かつ頂角を２等分した形状（突条部１ｂの一方の側面が鍔部２ａの上面に略垂直になっている形状）であるものを示し、図１（ｂ）は、突条部１ｂの断面形状がナイフエッジ状であるものを示し、図１（ｃ），（ｄ）は、貫通孔１ａからやや離れた配置に設けられた突条部１ｂを示す。突条部１ｂの先端の角度は60〜90°程度が好ましい。60°未満では、先端部のカケが生じやすく、機械的特性において、靭性の高いセラミックスに限定される点で不適であり、90°を超えると、例えば、端子体２の鍔部２ａに、接触、埋没する際の変形抵抗が大きく、接触面積が少なくなり、封止性の点で不適である。
【００１５】
なお、突条部１ｂの先端の角度は、セラミック基体１の材質の強度、靭性などを考慮して、上記角度範囲から外れる場合があってもよい。例えばセラミック基体１の材質の強度および靭性がきわめて高い場合、突条部１ｂの先端の角度を60°未満とできる場合がある。
【００１６】
突条部１ｂの高さは１〜３ｍｍ程度がよい。１ｍｍ未満では、セラミック材料に突条部１ｂを作製するうえで加工が難しくなり、先端が尖っているとともに側面が滑らかな形状となるようにすることが困難になる。３ｍｍを超えると、突条部１ｂが１〜２ｍｍ程度鍔部２ａに埋没するのに対して、セラミック基体１の下端面と鍔部２ａとの間に隙間ができるため気密性が劣化する場合がある。なお、許容電流値などの端子体２の設計条件や構造によっては上記高さ範囲から外れる場合があってもよい。
【００１７】
セラミック基体１の下端面の突条部１ｂは、アルミナセラミックス（熱膨張係数：７×10^-6／℃）等から成るセラミック基体１の下端面の突条部１ｂが、Ａｌ−Ｍｎ合金等のＡｌ合金（熱膨張係数：23×10^-6／℃）から成る端子体２の鍔部２ａの上面に接した状態でこれらを600℃程度でロウ付けすると、端子体２の冷却収縮がセラミック基体１よりも大きいため、冷却工程で突条部１ｂの先端が鍔部２ａの上面に自ずと圧入され、セラミック基体１と端子体２との隙間がメカニカルにシールされることとなる。この場合、セラミック基体１と端子体２とをロウ付けする前に、突条部１ｂを鍔部２ａの上面に予め圧入させておいてもよく、冷却工程での圧入を確実なものとすることができる。
【００１８】
メタライズ層４ａは、例えばＭｏ粉末およびＭｎ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の上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で約1400℃の温度で焼き付けることによって、セラミック基体１の上端面からこれに連なる面取り部Ｃにかけて被着される。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で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。
【００１９】
また、セラミック基体１の外側面の一部（図１では略中央部）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り、メタライズ層４ｂにはＡｌ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。このメタライズ層４ｂは、メタライズ層４ａと同様に、例えばＭｏ粉末、Ｍｎ粉末および金属酸化物粉末に適当な有機バインダ、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で約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、さらには端子体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ために、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、高起電力状態で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Ａｌ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Ａｌ合金（ＪＩＳＨ 4040 合金番号3003等）からなる。
【００２２】
端子体２は、下端が閉じられ上端が開いた略円筒状等の筒状のもので、端子体２の容器内部側の下端部には、係止用の鍔部２ａが形成されている。組立時には、セラミック基体１の下端面に全周にわたって設けられた先端が尖っている突条部１ｂを、その先端を鍔部２ａの上面に自重で接触させるかまたは加圧し埋没させる。この場合、鍔部２ａの上面に突条部１ｂに対向するとともに突条部１ｂと断面形状が略同形の溝を予め設けておいてもよく、メカニカルシールを確実にできる。そして、端子体２とセラミック基体１とのロウ付け時における熱膨張差により、冷却収縮時に突条部１ｂが鍔部２ａの上面に圧入されるとともに、鍔部２ａの上面の突条部１ｂに位置する部位が陥没する。この結果、ロウ付け接合部に生じる残留応力を緩和するとともにセラミック基体１に生じるストレスが軽減されるため、セラミック基体１にクラックが生じることを抑制する。また、突条部１ｂが鍔部２ａの上面に圧入されるため、封止効果も生じる。従って、ロウ材５ａのロウ付けによる気密封止と突条部１ｂのメカニカルな気密封止とによって、気密性が大幅に向上する。
【００２３】
ロウ材５ａ，５ｂは、端子体２およびフランジ３の材質がＡｌ合金の場合、Ａｌを主成分としたものからなり、Ａｌ−Ｓｉ系のものを使用することが好ましい。Ａｌ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いため、Ａｌ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Ａｌ−Ｓｉ系ロウ材が好ましい。また、ロウ付け時のロウ材の流れ性をよくするために、端子体２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に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。
【００２４】
ロウ材５aは、端子体２の材質が銅系の場合、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るのがよく、この場合、電解液等に使用される溶液に対する耐食性が高いという利点がある。またロウ材５aは、フランジ３とセラミック基体１において、両者にロウ材５ａが略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に接触させやすいワイヤ状のロウ材５ａを予め巻回しておきロウ付けを行うことが好ましい。
【００２５】
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。
【００２６】
Ａｌ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をその上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、ロウ材５ａをメタライズ層４ａと端子体２に接触するように配置する。そして、ロウ材５ａを真空雰囲気中で約600℃の温度で加熱して溶融させることにより、端子体２とメタライズ層４ａをロウ付け接合する。そして、端子体２の下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。
【００２７】
セラミック基体１の外側面に接合されるフランジ３は、Ａｌ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等からなる金属製の円環体であり、例えばＡｌ合金から成る場合、メタライズ層４ｂにＡｌ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。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、ロウ材５ｂを真空雰囲気中で約600℃の温度に加熱して溶融させることにより、フランジ３とメタライズ層４ｂとをロウ付け接合する。
【００２８】
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、セラミック基体１の上端面と端子体２の上部外側面をロウ付け接合し、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。また、端子体２の下端面を電極板Ｅに接続するとともにフランジ３を容器蓋Ｌに溶接し、さらに端子体２の上端部に導線６をその貫通孔６ａにボルトを通して締めたりかしめたりして接続することによって、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。
【００２９】
かくして、本発明の蓄電池用端子は、筒状のセラミック基体１の内側に筒状の端子体２が挿入されてロウ付けされており、筒状の端子体２は、その一端が閉じているとともに一端側にセラミック基体１の端面に当接する鍔部２ａが形成されており、セラミック基体１は、端面に鍔部２ａに当接するとともに先端が尖っている突条部１ｂが全周にわたって形成されている構成である。そして、この構成により、Ａｌ合金等から成る端子体２とセラミック基体１との熱膨張差によるロウ付け後の残留ストレスを緩和し、セラミック基体１に生じるクラックを有効に防止し、また、端子体２に機械的外力やストレスが加わっても気密性を確保することができ、セラミック基体１やロウ材５ａに過大なストレスをかけることなく、セラミック基体１やロウ材５ａ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にすることができる。その結果、蓄電池の性能は長期にわたって安定し、長寿命と高い信頼性が得られる。
【００３０】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、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。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の蓄電池用端子は、筒状のセラミック基体の内側に筒状の端子体が挿入されてロウ付けされており、筒状の端子体は、その一端が閉じているとともに一端側にセラミック基体の端面に当接する鍔部が形成されており、セラミック基体は、端面に鍔部に当接するとともに先端が尖っている突条部が全周にわたって形成されていることにより、セラミック基体と端子体とのロウ付け後の冷却収縮時に突条部が鍔部に徐々に圧入されて、端子体とセラミック基体との熱膨張差によるロウ付け後の残留ストレスを緩和するとともに、セラミック基体に生じるクラックを有効に防止する。また、ロウ材のロウ付けによる気密封止と突条部のメカニカルな気密封止とによって、蓄電池の気密性が大幅に向上する。さらに、セラミック基体のストレスが軽減されるため、端子体の上端部に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による気密洩れ、液洩れが有効に防止される。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】（ａ）〜（ｄ）は本発明の蓄電池用端子について実施の形態の各例をそれぞれ示す断面図である。
【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
１ｂ：突条部
２：端子体
２ａ：鍔部
３：フランジ
４ａ、４ｂ：メタライズ層
５ａ，５ｂ：ロウ材
６：導線
６ａ：貫通孔
７：ボルト
Ｌ：容器蓋
Ｃ：面取り部
Ｅ：電極板

Claims

筒状のセラミック基体の内側に筒状の端子体が挿入されており、前記筒状の端子体は、その一端が閉じているとともに該一端側に前記セラミック基体の端面に当接する鍔部が形成されて、他端が前記セラミック基体の他端側端面にロウ付けされており、前記セラミック基体は、前記一端側端面に、前記鍔部に当接するとともに先端が尖っており、前記セラミック基体と前記端子体との軸方向熱膨張差より突出している突条部が前記セラミック基体の一端側開口を取り囲むように全周にわたって形成されていることを特徴とする蓄電池用端子。
筒状のセラミック基体の内側に筒状の端子体が挿入されており、前記筒状の端子体は、その一端が閉じているとともに該一端側に前記セラミック基体の一端側端面に当接する鍔部が形成されて、他端が前記セラミック基体の他端側端面にロウ付けされている蓄電池用端子の製造方法であって、前記セラミック基体の一端側端面に、先端が尖っており、前記セラミック基体と前記端子体との軸方向熱膨張差より突出している突条部を前記セラミック基体の一端側開口を取り囲むように全周にわたって形成しておき、前記セラミック基体の内側に、前記鍔部と前記突条部とが当接するように前記端子体を挿入した後に、前記端子体と前記セラミック基体とを加熱して前記端子体の他端と前記セラミック基体の他端側端面とをロウ付けし、その後、前記端子体と前記セラミック基体とを冷却することによって製造することを特徴とする蓄電池用端子の製造方法。