JP3885342B2 - 電池用リード材およびそれを用いた電池パック - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電池用リード材に関し、更に詳しくは、Ni板またはNi合金を主成分とするNi合金めっき鋼板から成る電池容器に抵抗溶接したときに、当該電池容器との間で高い溶接強度を安定した状態で得ることができる電池用リード材に関する。
【0002】
【従来の技術】
ニッケル・カドミウム二次電池,ニッケル・水素二次電池,リチウム二次電池などの二次電池において、それぞれの発電要素を収容する電池缶とその電池缶に液密に封着される電池蓋から成る電池容器の材料としては、一般に、低炭素鋼板の表面をNiめっき層で被覆して成るNiめっき鋼板が使用されている。
【0003】
一方、各種の携帯用電気・電子機器の普及に伴い、それらの駆動源である電池の複数個から成る電池パックを、直接、当該機器に組み込むケースが急増している。その場合には、電池の充電または放電のために、電池パックの端子と電池の間、また各電池の間をリード材で接続して電池容器の表面にリード材を固定することが必要になる。
【0004】
また、1個の電池を充放電制御回路などと一緒にパッケージした電池パックについても同様のことがいえる。
そして、電池とリード材の接続に関しては、一般に、次に説明するようなパラレル式抵抗溶接法が適用されている。
まず、図4で示したように、電池容器1の表面1a(図の場合は、電池容器の底面)に溶接すべきリード材2が配置される。なお、リード材2としては、従来から、Ni単体の小片や、電池容器1の場合と同じようなNiめっき鋼板が広く使用されている。
【0005】
リード材2の表面2aには、先端3aが小径になっている2本の溶接電極3,3が所定の間隔を置いて平行配置される。そして、これら溶接電極3,3からリード材2に所定の加圧力を印加してリード材2の裏面2bと電池容器1の表面1aを密着させる。
この状態で電源4から所定値の溶接電流を通電する。溶接電流は一方の溶接電極からリード材2に入力し、その一部はリード材2を通って他方の溶接電極から電源4に帰還し、残余の溶接電流は溶接電極の先端3aの直下に位置する箇所を中心にしてリード材2の厚み方向に流れて電池容器1の表面1aに至り、ついで電池容器1を通って他方の溶接電極の先端3aの直下に位置する箇所を中心にしてリード材2の厚み方向に流れて他方の溶接電極から電源に帰還していく。
【0006】
この過程で、各溶接電極の直下付近に位置するリード材の裏面2bと正極端子の表面1aとの接触界面ではジュール熱が発生し、その接触界面近傍における両部材が一部溶融してナゲットを形成し、両部材が点溶接されることにより、リード材2は電池容器1に固定される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電池容器がNiめっき鋼板から成り、またリード材がNi単体やNiめっき鋼板から成る場合、両者を上記したパラレル式抵抗溶接法で溶接すると、次のような問題の起こることが指摘されている。
すなわち、電池容器とリード材との溶接強度を高くすることはかなり困難であり、またそのための条件も狭く、しかも溶接作業ごとに得られる溶接強度がばらつくという問題である。
【0008】
この溶接強度が高くないということは、電池パックを電気・電子機器に組み込んで実使用したときに、例えばそれら機器を落とした場合、その衝撃で溶接箇所が破損して機器の機能喪失を招くことにもなる。
また、溶接強度がばらつくということは、通常、溶接作業はライン工程で連続的に行われていることを考えると、製造されてきた電池とリード材の溶接構造体における溶接信頼性を低めることでもある。
【0009】
このようなことから、溶接電流や溶接時間などの溶接条件の最適化を企て高い溶接強度を安定して得るための努力がなされているが、それでも必ずしも満足すべき結果は得られていない。
本発明は、Niめっき鋼板から成る電池容器にパラレル式抵抗溶接法でリード材を抵抗溶接するときにおける上記した問題を解決して、高い溶接強度を安定して得ることができる新規な電池用リード材の提供を目的とし、またそれを用いた電池パックの提供を目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記した問題を解決するために鋭意研究を重ねる過程で、問題解決の方向を溶接条件の最適化に求める方向ではなく、リード材の材質そのものに向ける研究を行い、その結果、後述するリード材を用いると、Niめっき鋼板から成る電池容器との間で高い溶接強度を安定して実現することができるとの知見を得、本発明のリード材を開発するに至った。
【0011】
すなわち、本発明の電池用リード材は、Niめっき鋼板から成る電池容器にパラレル式抵抗溶接法で溶接される電池用リード材であって、前記リード材が、基材と、前記基材の表面のうち、少なくとも前記電池容器に溶接される方の表面に電気めっき法で形成されたNi−Sn系合金層とから成ることを特徴とする。
また、本発明においては、複数個の電池が前記電池用リード材で接続されている電池用パックが提供される。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の電池用リード材は、溶接対象の相手材がNiめっき鋼板から成る電池容器であるときに使用される。そして、少なくとも前記電池容器に溶接される箇所が後述するNi−Sn系合金層になっていることを最大の特徴とする。
以下に、本発明の電池用リード材の好適例を図面に基づいて説明する。図1は本発明の好適なリード材の1例の断面構造を示す断面図である。
【0013】
このリード材2は、基材2Aとその表面を被覆するNi−Sn系合金層2Cで構成されるか、または基材2Aと、基材2Aの表面を被覆する下地層2Bと、その下地層2Bの表面を被覆するNi−Sn系合金層2Cで構成されており、これらはいずれも導電性を備えていることはいうまでもない。
ここで、基材2Aはリード材全体の強度を確保すると同時に、リード材の実使用時における電流が流れる主要通路として機能する。この基材2Aの材料としては、適正な強度と良好な導電性を備え、かつ、めっき処理が可能な材料であれば何であってもよく、例えば、低炭素鋼,Niなどをあげることができるが、入手が容易かつ安価であるということから低炭素鋼で構成することが好ましい。
【0014】
なお、基材2Aによっては、基材2Aの上に形成されるNi−Sn系合金層2Cが前記基材2Aの表面から剥離しないために、またNi−Sn系合金のめっきを安定して行うために、中間層として下地層2Bを設けてもよい。この下地層2Bの材料としては、この上に形成される層がNi−Sn系合金層であるということからして、Ni成分を含有する材料であることが好ましく、例えばNi単体の層,Ni−Fe合金の層などをあげることができる。また、Niを含まないが、Cu単体の層,Cu−Sn合金の層などの使用も可能である。
【0015】
この下地層2Bは、電気めっき法,真空蒸着法,スパッタ法などの常用の成膜法を基材1の表面に適用して容易に形成することができる。これら成膜法のうち、とくに電気めっき法は、膜質,成膜コストの点や生産性の点で好適である。
電気めっき法で下地層2Bを形成する場合には、その下地層の構成元素を含む所定のめっき浴を建浴し、それを用いて所定の条件下で電気めっきを行えばよい。
【0016】
この下地層2Bの厚みが厚くなりすぎると、成膜時に層内に蓄積する歪みが大きくなって下地層にワレなどが発生することもあり、逆に薄すぎると、前記した中間層としての機能低下を招くようになるので、その厚みは0.2〜10μm程度であることが好ましい。
なお、前記したように、Ni−Sn系合金層2Cを基材2Aの表面に密着した状態で直接形成できる場合には、この中間層2Bは必ずしも必要ではない。
【0017】
Ni−Sn系合金層2Cは、抵抗溶接時に相手材である電池容器の表面と接触しその接触界面で大きなジュール熱を発生して安定したナゲットを形成するために寄与し、もってリード材と電池容器との間で安定した高い溶接強度を実現するための層である。
この層2Cを構成するNi−Sn系合金は、NiとSnをその主成分とする合金である。
【0018】
その場合に、NiとSnの組成比は、合金の融点や比抵抗との関係で適宜に選択されるが、Snの組成比が高すぎると、理由は不明であるが、溶接強度が低くなり、また逆にSnの組成比が低すぎると、脆くなりすぎるという問題が生ずるとともにコスト高を招く。このようなことを勘案すると、Snの組成比は40〜75重量%に規制することが好ましい。
【0019】
このNi−Sn系合金層2Cは、電気めっき法を基材1の表面に適用して形成する。電気めっき法は、成膜コストの点や生産性の点に加え、優れた膜特性を容易に得ることができるという点で好適である。
電気めっき法でNi−Sn系合金層を形成する場合には、塩化ニッケル(NiCl2・6H2O)のようなNi源と塩化第1すず(SnCl2・2H2O)のようなSn源とが所定の濃度比になっているめっき浴を建浴し、それを用いて所定の条件下で基板2Aの表面に電気めっきを行えばよく、また後述するように基材2Aの上に下地層2Bを設けている場合は下地層2Bの上に電気めっきを行えばよい。
【0020】
このとき、Ni−Sn系合金層3の厚みが厚くなりすぎると、Ni−Sn組成比,めっき条件によっては成膜時に層内に蓄積する歪みが大きくなって当該Ni−Sn系合金層にワレなどの発生することもあると同時に、コスト面での問題が発生し、逆に薄すぎても高い溶接強度を安定して実現することが困難になるので、その厚みは0.1〜10μm程度、より好ましくは0.2〜8μm程度にすることが好ましい。
【0021】
【実施例】
厚み0.15mm,幅5.0mm,長さ30mmの低炭素鋼板(炭素濃度0.08%)を基材として用意した。
一方、硫酸ニッケル240g/L,塩化ニッケル45g/L,ホウ酸30g/L、サッカリン1.5gから成るめっき浴を建浴し、pH4.0,浴温45℃,電流密度4A/dm2の条件で前記基材の全面に厚み3μmのNiめっき層を下地層として形成した。
【0022】
更に、塩化ニッケル300g/L,塩化第1すず50g/L,酸性フッ化アンモニウム35g/L,フッ化ナトリウム25gから成るめっき浴を建浴した。そして、前記Niめっき層の片面をマスキングして上記めっき浴に浸漬し、浴温65℃,電流密度2.5A/dm2の条件で前記片方のNiめっき層の上に厚み0.3μmのNi−Sn合金めっき層を形成して図1で示した本発明のリード材を製造した。なお、このNi−Sn合金めっき層は、Ni:35重量%,Sn:65重量%の組成であった。
【0023】
なお、比較例として、上記Ni−Sn合金めっき層を形成することなく、表面が前記下地層になっているものを用意した。
一方、電池容器が、厚み0.3mmの低炭素鋼板(炭素濃度0.04%)の表面に厚み3〜3.5μmのNiめっきが施されたものであるAAAサイズ電池を30個用意した。
【0024】
そして、図4で示したように、各電池の底部表面に前記リード材を配置し、溶接電極で22N(2つの溶接電極に加わる力の和)の加圧力を印加し、溶接電流1.6kA,1.7kAでそれぞれパラレル式抵抗溶接を行ってリード材2を電池容器に溶接した。なお、ここで、2つの溶接電極に加わる力は略均等となるようにした。
【0025】
ついで、図5で示したように、電池1の底部表面に溶接されているリード材2の一端2cをチャック5で把持し、このチャック5を引張試験器6で引き上げて前記リード材2を引き剥がす試験を行った。このとき、リード材2と電池1の底部表面とがなす角度θおよび相対位置関係は常に一定となるようにリード材2,電池1および引張試験器6の位置関係を調整し、かつ試験器6による引張強さは一定の速さで増加するようにして引き剥がし試験を行い、リード材2が電池1の底部表面から完全に引き剥がされたときの引張強さを測定しそれを溶接強度とした。その結果を図2と図3に示した。
【0026】
図2は溶接電流が1.6kAのときの結果、図3は溶接電流が1.7kAのときの結果であり、各図において、斜線の棒グラフは本発明のリード材を用いた場合、白抜きの棒グラフは比較例のリード材を用いた場合を示している。
図2と図3から明らかなように、本発明のリード材を用いてパラレル式抵抗溶接を行うと、当該リード材の溶接強度は、従来の比較例リード材の場合に比べて、全体として高くなり、しかも安定した値になっている。
【0027】
本発明の電池パックは、以上説明した電池用リード材を溶接して複数個の電池を互いに接続したものである。
【0028】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明のリード材は、それをNiめっき鋼板製の電池容器にパラレル式抵抗溶接法で接続したときに、高い溶接強度を安定して実現することができる。そのため、例えば電池パックをライン生産するときの溶接信頼性は高くなり、不良パックの製造は減少して製造コストの低減を企てることができる。
【0029】
また、本発明の電池パックは、電池とリード材との溶接強度が高くなっているので、衝撃などの外力を受けても損壊することが起こりづらく、信頼性の高い電池パックになっている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のリード材の好適例を示す断面図である。
【図2】溶接電流1.6kAにおけるリード材と電池容器との溶接強度の度数分布を示すグラフである。
【図3】溶接電流1.7kAにおけるリード材と電池容器との溶接強度の度数分布を示すグラフである。
【図4】パラレル式抵抗溶接法を説明するための概略図である。
【図5】溶接強度の測定法を説明するための概略図である。
【符号の説明】
1 電池容器
1a 電池容器1の表面
2 リード材
2a リード材2の表面
2b リード材2の裏面
2c リード材2の一端
2A リード材2の基材
2B リード材2の下地層
2C リード材2のNi−Sn系合金層
3 溶接電極
3a 溶接電極3の先端
4 電源
5 チャック
6 引張試験器
Claims (4)
- Niめっき鋼板から成る電池容器にパラレル式抵抗溶接法で溶接される電池用リード材であって、前記リード材が、基材と、前記基材の表面のうち、少なくとも前記電池容器に溶接される方の表面に、電気めっき法で形成されたNi−Sn系合金層とから成ることを特徴とする電池用リード材。
- 前記基材と前記Ni−Sn系合金層の間に、Ni単体,Ni−Fe合金,Cu単体、または、Cu−Sn合金から成る下地層が介在している請求項1の電池用リード材。
- 前記Ni−Sn系合金層が、Ni:25〜60重量%,Sn:40〜75重量%のNi−Sn2元合金から成る請求項1または2の電池用リード材。
- 複数個の電池を請求項1〜3のいずれかの電池用リード材で接続したことを特徴とする電池パック。
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