JP3888434B2

JP3888434B2 - 電池の製造方法

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Publication number: JP3888434B2
Application number: JP2001388963A
Authority: JP
Inventors: 吉田　　浩明
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2021-12-21
Also published as: JP2003187778A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、巻回型や積層型の発電要素の電極を集電接続体を介して端子に接続する電池の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車等で用いる従来の大型の非水電解質二次電池の構成例を説明する。この非水電解質二次電池は、図５に示すように、長円筒形巻回型の発電要素１を図示しない長円筒形容器状の電池容器に収納したものであり、この電池容器の上端開口部を塞ぐ蓋板に取り付けられた図示しない正極端子と負極端子を発電要素１の正極と負極に接続するために、金属板からなる集電接続体２，３を用いている。発電要素１は、帯状の正極１ａと負極１ｂとをセパレータ１ｃを介し上下にずらして長円筒形に巻回したものであり、これにより長円筒形の上端面には正極１ａの活物質未塗工部であるアルミニウム箔が突出すると共に、下端側には負極１ｂの活物質未塗工部である銅箔が突出するようになっている。なお、図面では説明を分かりやすくするために、電極１ａ，１ｂの巻回数を少なく示しているが、実際には極めて密に多数回の巻回が行われる。
【０００３】
正極側の集電接続体２は、アルミニウム板からなり、発電要素１の上端面に配置される。また、負極側の集電接続体３は、銅板からなり、発電要素１の下端面に配置されると共に、側端部が発電要素１の外周側面に沿って上端部まで引き出されている。これらの集電接続体２，３には、アルミニウム板や銅板を波板状に折り曲げることにより２箇所ずつの凹部２ａ，３ａが形成されている。そして、正極側の集電接続体２の凹部２ａには、発電要素１の上端面に突出する正極１ａのアルミニウム箔が複数枚ずつ挟み込まれ、超音波溶接やレーザー溶接により接続固定されると共に、負極側の集電接続体３の凹部３ａには、発電要素１の下端面に突出する負極１ｂの銅箔が複数枚ずつ挟み込まれ、超音波溶接やレーザー溶接により接続固定されている。即ち、超音波溶接の場合、図６に示す正極側の集電接続体２では、波板状の凸部の両側面にそれぞれホーン４，４を圧接して超音波振動を印加することにより、凹部２ａに挟み込まれた正極１ａの複数枚のアルミニウム箔を溶着させて超音波溶接が行われる。また、負極側の集電接続体３の場合も同様である。そして、レーザー溶接の場合には、集電接続体２，３の波板状の凸部の側面に凹部２ａ，３ａに通じる窓を設け、この窓にレーザー光を照射することにより、凹部２ａ，３ａに挟み込まれた複数枚のアルミニウム箔や銅箔を溶着させる。
【０００４】
図５に示した正極側の集電接続体２は、波板状に折り曲げたアルミニウム板の側端部が、図面では省略されているが、蓋板に取り付けられた正極端子の下端部に溶接やかしめ加工等によって接続固定される。また、負極側の集電接続体３は、発電要素１の外周側面に沿って引き出された上端部が、図面では省略されているが、蓋板に取り付けられた負極端子の下端部に接続固定される。そして、これにより、発電要素１の電極１ａ，１ｂが正極端子と負極端子に接続されることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、超音波溶接やレーザー溶接は、溶接領域がある程度広くなると共に溶接作業に多少の時間を要するために集電接続体２，３の溶接部での発熱量が大きくなるので、セパレータ１ｃがこの熱によって収縮するおそれがあり、電池の信頼性が低下するという問題が発生していた。即ち、例えば図６に示した正極側の集電接続体２を超音波溶接する場合には、ホーン４，４からの超音波振動によって発生した摩擦熱により正極１ａのアルミニウム箔が溶着するまでに多少の時間を要するので、この間に熱が下方にも広がって負極１ｂとの間に介在させたセパレータ１ｃにも伝わる。すると、多孔質樹脂シートからなるこのセパレータ１ｃは、熱収縮により上端辺が下方に移動するので、負極１ｂの上端が正極１ａに接触して内部短絡を起こすおそれが生じると共に、多孔質の微細な孔が潰れて電解液の透過性が阻害され電池性能が低下することになる。そして、この事情は、負極側の場合も同様である。また、レーザー溶接の場合にも、集電接続体２，３の凸部に形成された窓に沿ってレーザー光を走査させて電極１ａ，１ｂのアルミニウム箔や銅箔を溶着させるので、この走査の間にレーザー光の熱がセパレータ１ｃに伝わるおそれがある。
【０００６】
ここで、集電接続体２，３と電極１ａ，１ｂの金属箔との溶接にスポット溶接を用いると、通電時間が極めて短いために熱の影響も溶接部に限定されるので、セパレータ１ｃを熱収縮させるようなおそれはなくなる。しかしながら、電極１ａ，１ｂの集電金属箔や集電接続体２，３は、電池の内部抵抗を小さくするために導電性のよい金属材料を用いる必要がある。このため、集電接続体２，３と電極１ａ，１ｂの集電金属箔とを重ねてスポット溶接の電流を流しても、ジュール熱による十分な発熱が得られず、これらを確実に溶着させることができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、かかる事情に対処するためになされたものであり、集電接続体と電極の集電金属箔を導電性の低い金属材と共にスポット溶接することにより、セパレータが熱収縮するようなおそれがなくなり、しかも、電極の金属箔を集電接続体に確実に溶着させることができる電池の製造方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の電池の製造方法は、端子に繋がる金属製の集電接続体を波板状に折り曲げた凹部に、発電要素の端面から突出した電極の複数枚の集電金属箔を、集電接続体よりも導電性の低い金属材を介し又はこの金属材と共に重ね合わせて挟み込み、これらの集電接続体と集電金属箔と金属材とをスポット溶接により溶着させることを特徴とする。
【０００９】
請求項１の発明によれば、スポット溶接の電流が導電性の高い集電接続体と電極の集電金属箔に流れる際に、導電性の低い金属材にも流れることになるので、この金属材で大きなジュール熱が発生し、電極の集電金属箔を確実に溶着させることができるようになる。しかも、スポット溶接の通電時間は極めて短いので、溶接時に発生した熱が周囲に伝わって、セパレータを熱収縮させるようなおそれもなくなる。しかも、集電接続体の波板状の凹部に複数枚の集電金属箔や金属材を挟み込むことができるので、スポット溶接のための組み立て作業を容易にすることができる。
【００１０】
なお、本請求項において、集電金属箔を金属材と共に重ね合わせるとは、独立した部品としての金属材を複数枚の集電金属箔の片端若しくは両端及び／又は間に配置して重ね合わせることを意味し、集電金属箔を金属材を介し重ね合わせるとは、集電接続体の表面に金属材を張り合わせて溶接用金属層を形成したクラッド材を用いる請求項２に示すような場合や、この集電接続体の表面に金属材をメッキし又は塗布焼結させる等して溶接用金属層を形成した集電接続体を用いるような場合を意味する。また、本請求項において、電極の複数枚の集電金属箔とは、積層型の発電要素のように個別の複数枚の電極を積層することにより集電金属箔も個別のものが複数枚重なり合っている場合の他に、１枚の電極を巻回したり折り曲げることにより同じ電極の集電金属箔が互いに重なり合っている場合のものも含む。そして、これらは、以降の請求項においても同様である。
【００１１】
請求項２の電池の製造方法は、前記金属材が、集電接続体の表面に形成された溶接用金属層であり、複数枚の集電金属箔をこの集電接続体の溶接用金属層を形成した面に重ね合わせ、これらの集電金属箔と溶接用金属層及び／又は集電接続体とをスポット溶接により溶着させることを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明によれば、金属板の表面に溶接用金属層を形成したクラッド材の集電接続体を用いることにより、金属材を重ね合わせる手間を省くことができ、スポット溶接のための組み立て作業が従来と同様の手間で済むようになる。
【００１３】
なお、前記発電要素は、正極と負極をセパレータを介して長円筒形に巻回し、この長円筒形の一方の端面に正極の集電金属箔を突出させると共に、他方の端面に負極の集電金属箔を突出させた長円筒形巻回型のものとすることができる。このようにすれば、長円筒形巻回型の発電要素の接続を信頼性が高く確実なものにすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１〜図４は本発明の一実施形態を示すものであって、図１は正極の複数枚のアルミニウム箔を凹部に挟み込んでスポット溶接した集電接続体の部分拡大縦断面図、図２はクラッド材の集電接続体を用いた場合の部分拡大縦断面図、図３は板状の接続部を形成した集電接続体を用いた場合の部分拡大縦断面図、図４は櫛刃状の接続部を形成した集電接続体を用いた場合の部分拡大縦断面図である。なお、図５〜図６に示した従来例と同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記する。
【００１６】
本実施形態は、従来例と同様に、大型の非水電解質二次電池について説明する。この非水電解質二次電池は、図５に示したように、長円筒形巻回型の発電要素１の上端面に突出する正極１ａのアルミニウム箔が正極側の集電接続体２に接続されると共に、この発電要素１の下端面に突出する負極１ｂの銅箔が負極側の集電接続体３に接続される。
【００１７】
正極側の集電接続体２は、図１に示すように、アルミニウム板を波板状にした凹部２ａに、発電要素１の上端面に突出した正極１ａの複数枚ずつのアルミニウム箔が挟み込まれる。また、この凹部２ａの一端には、溶接用金属板５も正極１ａのアルミニウム箔と重ね合わせて挿入されている。溶接用金属板５は、集電接続体２のアルミニウム板の金属材料であるアルミニウムやアルミニウム合金よりも導電性の低い、即ち同じ断面積で同じ長さであれば、より電気抵抗の大きい金属材料からなる板材である。また、この溶接用金属板５は、正極電位で電解液に溶解しない金属である必要があるので、具体的には例えば３Ｖ系の非水電解質二次電池の場合には、ニッケルやＳＵＳ３０４等の一般的なステンレス鋼、又は、チタニウム等を用い、４Ｖ系の非水電解質二次電池の場合には、モリブデンの添加によってＳＵＳ３０４よりも耐食性を高めたＳＵＳ３１６やＳＵＳ３１７等のステンレス鋼、又は、チタニウム等を用いる。
【００１８】
上記集電接続体２は、凹部２ａに正極１ａの複数枚のアルミニウム箔と溶接用金属板５とを挟み込んだ状態で、凸部の両側面にそれぞれスポット溶接用電極６，６を圧接して、これらのスポット溶接用電極６，６間に瞬間的に大きな電流を流すことによりスポット溶接を行う。この際、スポット溶接の電流は、集電接続体２の凹部２ａの一方の板片側から、正極１ａの複数枚のアルミニウム箔と溶接用金属板５とを通り抜けて、他方の板片側に流れる。なお、図では、説明を分かりやすくするために、集電接続体２の凹部２ａが深さに比べて幅広く示されているが、実際には、厚さ２０μｍ程度の正極１ａのアルミニウム箔が１０枚程度重ねて挟み込まれるために、凹部２ａの幅は溶接用金属板５の厚さを含めても数百μｍ程度であり、この凹部２ａの深さは５〜６ｍｍ程度あるので、スポット溶接の際の電流がこの凹部２ａを迂回して直接流れるようなことは生じない。また、このスポット溶接で発生するジュール熱の熱量は、抵抗値をＲとし電流をＩとすると、ＲＩ^２を通電時間だけ時間積分したものに比例する。従って、この電流Ｉが導電性が高く抵抗Ｒの小さい集電接続体２の板片とアルミニウム箔を通り抜ける際には発熱量が少ないが、導電性が低く抵抗Ｒの大きい溶接用金属板５を通り抜ける際に大きなジュール熱を発することになる。そして、この溶接用金属板５での発熱によって、正極１ａの複数枚のアルミニウム箔等が部分的に溶融し、集電接続体２の凹部２ａの内面に確実に溶着することになる。また、このスポット溶接の通電時間は極めて短いので、電流Ｉを大きくすることにより局所的瞬間的に大きな温度上昇が発生したとしても、発生する熱量の総量はそれほど大きなものとはならず、溶接部の周囲まで過剰に加熱するようなこともない。
【００１９】
この結果、本実施形態によれば、スポット溶接の電流が導電性の低い溶接用金属板５を通り抜ける際に大きなジュール熱を生じさせるので、複数枚の正極１ａのアルミニウム箔を集電接続体２の凹部２ａに確実に溶着させることができるようになる。また、スポット溶接の電流は極めて短時間しか流れないので、このスポット溶接時に発生した熱がセパレータ１ｃを過剰に熱っして熱収縮を起こさせるというようなおそれもなくなる。
【００２０】
なお、上記実施形態では、図５に示したように、集電接続体２に２箇所の凹部２ａを形成して、それぞれの凹部２ａに正極１ａの複数枚のアルミニウム箔を挟み込んで溶着させる場合について示したが、このような複数枚のアルミニウム箔を溶着させる接続部は、集電接続体２に少なくとも１箇所あればよく、３箇所以上あってもよい。
【００２１】
また、上記実施形態では、溶接用金属板５を集電接続体２の凹部２ａの一端に挿入した場合を示したが、正極１ａの複数枚のアルミニウム箔が重なり合った間に挿入することもできる。さらに、この溶接用金属板５は、１枚に限らず、任意枚数を挿入することもできる。さらに、この溶接用金属板５は、平坦な板材に限らず、例えばＵ字形に曲げた板材とし、このＵ字形の凹部に正極１ａの複数枚のアルミニウム箔を挿入すると共に、この溶接用金属板５自体を集電接続体２の凹部２ａに嵌め込むようにすることもできる。さらに、上記実施形態では、板材からなる溶接用金属板５について示したが、この溶接用金属板５は、必ずしも板材である必要はなく、十分な発熱が得られるなら、金属箔や網材、金属繊維の不織布、金属焼結板等の任意の形態の金属材を用いることができる。
【００２２】
また、上記実施形態では、溶接用金属板５を集電接続体２と別部品とする場合を示したが、図２に示すように、集電接続体２にクラッド材を用いることにより一体化することもできる。即ち、アルミニウム板の一方の面に、溶接用金属板５と同様の金属材料を張り合わせて溶接用金属層７を形成したクラッド材を用い、この溶接用金属層７が凹部２ａの内側面となるように波板状に折り曲げて集電接続体２を作製する。この場合は、従来の超音波溶接の場合と同様の手順で、集電接続体２の凹部２ａに正極１ａの複数枚のアルミニウム箔を挟み込むだけでよいので、スポット溶接のための組み立て作業を容易にすることができるようになる。さかも、この集電接続体２のクラッド材は、正極１ａの複数枚のアルミニウム箔と重なる接続部分を含む一部だけに溶接用金属層７を形成したものであってもよい。さらに、クラッド材に代えて、集電接続体２の表面にメッキを施したり厚膜の焼結等により溶接用金属層７を形成することもできる。
【００２３】
また、上記実施形態では、溶接用金属板５や溶接用金属層７の平坦な面に正極１ａのアルミニウム箔等を重ね合わせる場合について示したが、この溶接用金属板５や溶接用金属層７の表面の１箇所又は複数箇所に凸状や畝状等のプロジェクションを形成し、ここに正極１ａのアルミニウム箔等を重ね合わせるようにすることもできる。このようなプロジェクションを設けると、スポット溶接の電流が流れる断面積がプロジェクションの先端部に制限されるので、より大きなジュール熱が発生すると共に、この発熱の領域をさらに局所化することができるようになる。
【００２４】
また、上記実施形態では、集電接続体２の波板状の凹部２ａに正極１ａの複数枚のアルミニウム箔を挟み込む場合について示したが、図３に示すように、集電接続体２に形成した垂直な板状の接続部と溶接用金属板５との間に正極１ａの複数枚のアルミニウム箔を挟んだ状態でスポット溶接を行うようにすることもできる。さらに、この場合にも、溶接用金属板５は、複数枚のアルミニウム箔の間に挿入することができ、集電接続体２の板状の接続部に溶接用金属板５を沿わせ、この溶接用金属板５に複数枚のアルミニウム箔を重ねるようにすることもできる。また、この集電接続体２を図２に示したクラッド材等で構成し、板状の接続部の溶接用金属層７側に複数枚のアルミニウム箔を重ね合わせるようにしてもよい。さらに、この溶接用金属板５は、平坦な板材に限らず、例えばＵ字形に折り曲げた板材とし、このＵ字形の凹部に正極１ａの複数枚のアルミニウム箔を挟み込んだ溶接用金属板５の外側面に集電接続体２の接続部を重ね合わせたり、この溶接用金属板５のＵ字形の凹部に正極１ａの複数枚のアルミニウム箔と共に集電接続体２の接続部を挟み込むようにすることもできる。
【００２５】
また、上記実施形態では、アルミニウム板を板金加工した集電接続体２を用いる場合について示したが、鋳物や切削加工により削り出したアルミニウム材料を用いることもできる。例えば図４に示す集電接続体２は、櫛刃状に突出した接続部の間に正極１ａの複数枚のアルミニウム箔を挟み込んで両側からスポット溶接用電極６，６によりスポット溶接を行うようにしている。この場合も、溶接用金属板５は、複数枚のアルミニウム箔の間や両端のいずれの位置に挿入してもよく、複数枚の溶接用金属板５を挿入することもできる。また、集電接続体２の接続部の表面にメッキ等により溶接用金属層７を形成することもできる。
【００２６】
また、上記実施形態では、正極端子を集電接続体２に溶接やかしめ加工等によって接続固定する場合について示したが、この集電接続体２の一部に正極端子を一体的に形成することもできる。
【００２７】
また、上記実施形態では、正極１ａの複数枚のアルミニウム箔を集電接続体２に接続固定する場合について示したが、負極１ｂの複数枚の銅箔を集電接続体３に接続する場合にも同様に実施可能である。この場合の溶接用金属板５や溶接用金属層７に用いる金属材は、負極側の集電接続体３の銅板の金属材料である銅や銅合金よりも導電性の低い金属材料を用いる。しかも、この金属材は、負極電位で負極活物質と合金化しない金属である必要があるので、具体的には例えばニッケルやＳＵＳ３０４等の一般的なステンレス鋼、又は、チタニウム等を用いる。
【００２８】
また、上記実施形態では、正極側の集電接続体２と正極１ａの集電金属箔にアルミニウム板とアルミニウム箔を用いる場合について示したが、正極電位で電解液に溶解しない金属であれば、このようなアルミニウムやアルミニウム合金以外の金属材料を用いることもできる。さらに、負極側の集電接続体３と負極１ｂの集電金属箔に銅板と銅箔を用いる場合について示したが、負極電位で負極活物質と合金化しない金属であれば、このような銅や銅合金以外の金属材料を用いることもできる。この場合、溶接用金属板５や溶接用金属層７に用いる金属材は、これらの集電接続体２，３の金属材料よりも導電性の低いものを用いる必要がある。
【００２９】
また、上記実施形態では、非水電解質二次電池について説明したが、発電要素の電極と端子との間を集電接続体で接続する構成のものであれば、他の種類の電池にも同様に実施可能である。さらに、上記実施形態では、長円筒形巻回型の発電要素１について説明したが、通常の円筒形のものやその他の形状の巻回型の発電要素を用いた場合にも同様に実施可能であり、電極の複数枚の集電金属箔を重ね合わせて集電接続体に接続可能なものであればよいので、積層型等の他の形式の発電要素を用いた場合にも同様に実施可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の電池の製造方法によれば、スポット溶接の電流が導電性の低い金属材に流れることにより、この金属材で大きなジュール熱を発生させることができるので、導電性の高い電極の集電金属箔を確実に溶着させることができるようになる。しかも、スポット溶接の通電時間は極めて短いので、溶接時に発生した熱が周囲に伝わって、セパレータを熱収縮させるようなおそれもなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すものであって、正極の複数枚のアルミニウム箔を凹部に挟み込んでスポット溶接した集電接続体の部分拡大縦断面図である。
【図２】本発明の一実施形態を示すものであって、クラッド材の集電接続体を用いた場合の部分拡大縦断面図である。
【図３】本発明の一実施形態を示すものであって、板状の接続部を形成した集電接続体を用いた場合の部分拡大縦断面図である。
【図４】本発明の一実施形態を示すものであって、櫛刃状の接続部を形成した集電接続体を用いた場合の部分拡大縦断面図である。
【図５】電極を集電接続体を介して端子に接続した非水電解質二次電池の長円筒形巻回型の発電要素を示す斜視図である。
【図６】従来例を示すものであって、正極の複数枚のアルミニウム箔を凹部に挟み込んでスポット溶接した集電接続体の部分拡大縦断面図である。
【符号の説明】
１発電要素
１ａ正極
１ｂ負極
２集電接続体（正極側）
２ａ凹部
３集電接続体（負極側）
３ａ凹部
５溶接用金属板
７溶接用金属層

Claims

端子に繋がる金属製の集電接続体を波板状に折り曲げた凹部に、発電要素の端面から突出した電極の複数枚の集電金属箔を、集電接続体よりも導電性の低い金属材を介し又はこの金属材と共に重ね合わせて挟み込み、これらの集電接続体と集電金属箔と金属材とをスポット溶接により溶着させることを特徴とする電池の製造方法。
前記金属材が、集電接続体の表面に形成された溶接用金属層であり、複数枚の集電金属箔をこの集電接続体の溶接用金属層を形成した面に重ね合わせ、これらの集電金属箔と溶接用金属層及び／又は集電接続体とをスポット溶接により溶着させることを特徴とする請求項１に記載の電池の製造方法。