JP4904539B2 - リード部材とその接合方法及び非水電解質蓄電デバイス - Google Patents
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Description
この重複箇所を、一対のダイスであって少なくとも一方に複数の突部を有するもので圧縮して冷間圧接し、複数の凹型の圧接痕を形成する工程。
この重複箇所をその厚み方向に塑性加工して凹型の圧接痕の深さを縮小する平坦化工程。
図1は、本発明のリード部材を示しており、(a)は平面図、(b)は側面図をそれぞれ示している。本発明のリード部材10は、第一部材11と第二部材12とを備え、第一部材と第二部材との重複箇所13を形成し、この箇所を冷間圧接することにより複数の凹型の圧接痕14が形成され接合されている。さらに、圧接痕が形成された重複箇所を厚み方向に塑性加工することにより変形痕が形成されている。
第一部材11は、電極に電気的に接続される部材であり、金属材料から構成される。正極に接続されるリード部材(正極リード)10の第一部材11としては、Al、Ti、又はこれらの合金からなるものが好適に用いられる。また、負極に接続されるリード部材(負極リード)10の第一部材11としては、Ni、Cu、又はこれらの合金からなるものが好適に用いられる。第一部材11は、蓄電デバイス内の電解質媒体と接触するので、耐食性を高めるため表面にアルミナ処理、チタニア処理、酸化処理、水酸化処理、ベーマイト処理、クロメート処理、Niめっき等の耐食処理を施して耐食コーティング層を設けることが好ましい。
第二部材12は、第一部材11において電極から離れた位置に接続される部材であり、第一部材11と異なる金属材料から構成される。正極に接続されるリード部材10の第二部材12としては、Ni、Cu、又はこれらの合金からなるものが好適に用いられ、表面にNiめっきが施されていてもよい。また、負極に接続されるリード部材10の第二部材12としては、Al、Ti、又はこれらの合金からなるものが好適に用いられ、表面に上記の耐食処理が施されていてもよい。
重複箇所13は、第一部材11と第二部材12とを長手方向に部分的に上下に重ね合わせることで形成される。重複箇所13のリード部材長手方向の長さ(ラップ代)は、圧接する面積を十分に確保できるように適宜決定すればよい。ただし、ラップ代が長くなると、その分第一部材11あるいは第二部材12を長くする必要がある。ラップ代の好ましい範囲は3〜30mmであり、より好ましくは5〜15mmである。
冷間圧接は、一対のダイスで第一部材11と第二部材12との重複箇所13を挟み、強く押圧することにより行う。冷間圧接を用いた場合、第一部材11及び第二部材12の表面に形成されている酸化膜だけでなく上記したNiめっき等の耐食コーティング層も十分に圧壊して、第一部材11及び第二部材12を構成する材料の金属組織同士を原子間結合させることができる。
本発明に用いるダイスとしては、複数の突部を有するダイスと平面ダイスの組合せ、複数の突部を有するダイス同士の組合せが考えられる。
突部圧接面22の形状、つまり突部21表面のうちダイス20の押圧方向に対して直交する面の形状としては、円形状、楕円形状、矩形状、多角形状といった種々の形状が挙げられる。中でも、突部圧接面22の形状が、長手方向を有し、端部が先細りしている形状であることが好ましい。このような形状の具体例としては、図3に示すような直線部30と円弧部31とからなる小判型や直線部30と尖形部32とからなる船型が挙げられる。また、各突部圧接面22の大きさは全てが同一であってもよいし、異なっていてもよい。
突部21の先端幅wは、w=t〜5tを満たすことが好ましい。下限未満では、重複箇所において突部により圧縮される面積が減少することとなり、十分な接合強度を得られない傾向にある。逆に上限を超えると、突部により圧縮された重複箇所の幅方向断面において厚さの薄い部分が連続することとなり、接合部における機械的強度が低下し、幅方向断面で破断し易くなる傾向にある。
圧接を行う場合、突部21により圧縮される重複箇所の変形影響範囲を考慮してダイス20の突部21の間隔を決定し、適切な突部間隔を有するダイスで圧接を行う。突部21の隣接間隔pは、突部21の先端幅wとの関係で、w/p=0.3〜0.5を満たすことが好ましい。ここで、隣接間隔pは、隣接する突部圧接面22の中心間距離のことをいう。上記の規定範囲の下限未満では、十分な接合強度が得難い。逆に上限を超えると、隣接する圧接痕同士が干渉し易い。
突部を有するダイス20は、基底部23と、この基底部23から突出する突部21とから構成される。通常、基底部23は平面状に形成される。突部21は、押圧時の圧縮荷重に耐えられるよう、圧接面22から基底部23に向かって末広がりに構成することが好ましい。そのため、突部側面24の勾配α(基底部23の平面に直交する線と、突部側面24の輪郭線との角度)は、0〜30°を満たすことが好ましい。より好ましくは10〜20°である。このような勾配を有するダイスを用いることで、次の効果を奏することができる。
(1)圧接時に押圧力でダイスが変形することを抑制できる。
(2)圧接時に突部による重複箇所の変形を容易にし、確実に強度の高い接合を行うことができる。
突部21の高さhは、h>0.8tを満たすことが好ましい。この高さを有するダイスで圧縮すれば、重複箇所を圧接するのに好ましい圧力を付与し易く、より確実な接合を行うことができる。
突部21の長さLは、L=5t〜10tを満たすことが好ましい。下限未満では、重複箇所において突部により圧縮される面積が減少することとなり、十分な接合強度を得られない傾向にある。逆に上限を超えると、ラップ代が長くなることから好ましくない。
突部21の傾きβ(ダイス20の幅方向に直交する線と、突部圧接面22の長手方向の中心線との角度)は、0〜45°を満たすことが好ましい。β=0°では、ラップ代が最も長くなり、βが大きくなるにつれてラップ代が短くなる。上限を超える場合、突部により圧縮された重複箇所の幅方向断面において厚さの薄い部分が連続することとなり、接合部における機械的強度が低下し、幅方向断面で破断し易くなる傾向にある。
突部の配置としては、ダイスの突部圧接面側から見て図2(a)に示すような、圧接面の形状が同じ突部をダイスの幅方向に並列に配する他に、突部21を長手方向に千鳥状に配する(図4(a)参照)、あるいは、圧接面22の大きさが異なる突部21をダイスの幅方向に並列に配する(図4(b)参照)ことが考えられる。これにより、引張や振動に対して応力が集中し易く破断の起点となり易い圧接痕の両端部を長手方向にずらすことができ、接合強度を高めることができる。
(圧接位置)
重複箇所の外縁から規定幅以上内側の領域を突部21で圧縮することが好ましい。ここでの規定幅は、第一部材あるいは第二部材のうち薄い方の厚みの2倍とする。重複箇所の外縁付近を突部で圧縮すると、外縁が変形して外側に膨出し、極端な場合には外縁に割れが生じることがある。この圧接位置の限定は、重複箇所の厚みが1mm以上の場合に特に有効である。重複箇所の厚みが1mm未満の場合は、より外縁に近い領域を突部で圧縮できる場合がある。
圧接には、通常、58839〜78453N(6000〜8000kgf)の押圧力を有するプレスが用いられる。その場合、面圧(押圧力/ダイスの接地面積)は980MPa(100kgf/mm2)以上とすることにより圧接が可能と考えられる。ダイス20を圧縮しきった際、通常はダイス突部の圧接面22のみが重複箇所を押圧するため、ダイスの接地面積は圧接面22の合計面積とする。
凹型の圧接痕は、重複箇所を上述の突部を有するダイスと平面ダイスで、或いは突部を有するダイス同士で圧縮して冷間圧接することで形成される。圧接痕の形状はダイスの突部形状が転写された形状となる。形成された圧接痕の周囲には突部により圧縮された箇所の金属材料の一部が逃げて形成された盛り上がり部が見られる。そのため、圧接痕の周囲は圧接前の重複箇所の厚さよりも厚くなり、圧接痕の深さが深く、重複箇所における表面の凹凸の段差が大きい。
塑性加工は、重複箇所を圧接して圧接痕を形成した後、重複箇所の厚みを圧縮するように行う。重複箇所の厚み方向への塑性加工により、重複箇所の表面が平坦化され、塑性加工前における凹型の圧接痕の深さを縮小した変形痕が形成される。
この塑性加工は、例えば一対の平面ダイスで重複箇所を圧縮することが考えられる。このとき、圧接する前の重複箇所の厚さと同等となるように重複箇所を圧縮することが好ましい。
変形痕は、重複箇所の厚み方向への塑性加工により第一部材と第二部材に生じる加工痕のことである。変形痕には、種々の形態があるが、その代表例としては、塑性加工前における凹型の圧接痕の深さを縮小するように形成される変形痕が挙げられる。その他、圧接痕の周囲に形成される湾曲状の盛り上がり部が圧縮されることにより形成された平面部も変形痕の一つとして挙げられる。この平面部により、重複箇所における表面の凹凸の段差が小さくなると共に、圧接痕の周囲が平坦となる。また別の変形痕としては、圧接痕の周囲の盛り上がり部が圧縮されることにより、圧接痕の幅が縮小することが挙げられる。さらに別の変形痕としては、圧接痕の幅が縮小するように変形すると共に、圧接痕の底部が波型に形成されることが挙げられる。通常、この波型は、断面で見たときに底部がW型に屈曲された形状である。底部の重複箇所の下側(冷間圧接時に平面ダイスで押圧された面)には、W型の底部の中央に相当する凹みが形成される。
図5は、複数の突部を有するダイス同士の組合せで第一部材と第二部材の重複箇所を圧縮する一例を説明する図である。図5(a)は、第一部材11と第二部材12との重複箇所13の幅方向断面図を示しており、圧接前の状態である。
耐食材は、重複箇所の外周に被覆され、異種金属からなる第一部材と第二部材との重複箇所に水分等が浸入することを防止し、局部電池が形成されることによる腐食を抑制する。
非水電解質蓄電デバイスとしては、例えばリチウムイオン電池等の非水電解質電池や電気二重層キャパシタ等の非水電解質キャパシタが挙げられる。非水電解質蓄電デバイスは、非水電解質媒体を備えており、非水電解質媒体としては、非水溶媒に電解質(例えばリチウム化合物)を溶解した非水電解液やポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド等からなる固体電解質が用いられる。
図7は、本発明のリチウムイオン電池の一例を示す概略構成図である。リチウムイオン電池70は、フィルムからなる外装体74の内部に、正極71と負極72とをセパレータ73を介して重ねて積層構造とした電極群が電解液と共に収納される構成である。正極71に接続されるリード部材(正極リード)75は、外装体74の一辺から外部に引き出される。また、負極72に接続されるリード部材(負極リード)79は、正極リード75が引き出される辺とは反対側の外装体74の一辺から外部に引き出される。
次に、図7に示したリチウム電池と類似の構成の電池同士を直列に接続する構造を図8〜図11に基づいて説明する。これら図8〜図11おいて、図7と同一の符号は同一部材を示し、矢印は電流の流れる方向を示す。
図12に電気二重層キャパシタの概略構成図を示す。電気二重層キャパシタも、二次電池と同様に電解液740に浸漬された正極710と負極720との間にセパレータ730が介在された構成である。正極710または負極720の電極材料711,721には活性炭や炭素繊維が用いられる。通常、電極材料は、比表面積を高めるための賦活処理を行った後、導電材や架橋材と混合してシート状に成形される。そして、このシート状の活性炭に金属基材(正極基材712,負極基材722)が接合されている。非水系に用いる代表的な電解液にはプロピレンカーボネートなどが挙げられる。
突部の高さ:1.0mm
突部の幅:1.5mm
突部の長さ:40mm
突部の数:1個
突部の高さ:1.0mm
突部の先端幅:0.5mm
突部の長さ:3.2mm
突部の数:32個
突部の高さh:1.0mm
突部の先端幅w:0.5mm
突部の長さL:3.2mm
突部の隣接間隔p:1.4mm
突部の傾きβ:30°
突部側面の勾配α:15°
突部の数:30個
11A Al板 12A NiめっきCu板
14,14a,14b 圧接痕 15 最薄部 16a,16b 閉鎖痕 17 係合部
20,20a,20b ダイス 21,21a,21b 突部 22 突部圧接面 23 基底部
24 突部側面
30 直線部 31 円弧部 32 尖形部
50a,50b 平面ダイス
70 リチウムイオン電池 71 正極 71A 連結リード
72 負極 72A 連結リード 73 セパレータ
74 外装体 74a,74b フィルム 75 正極リード(リード部材)
76 第一部材 77 第二部材 78 耐食材 79 負極リード(リード部材)
80 熱電対 81 定電流電源
710 正極 711 電極材料 712 正極基材
720 負極 721 電極材料 722 負極基材
730 セパレータ 740 電解液 750 電気二重層
Claims (17)
- 電極に電気的に接続される第一部材と、この第一部材における電極から離れた位置に接合される第二部材で、第一部材とは材質が異なるものとを備えるリード部材であって、
このリード部材は、第一部材と第二部材との重複箇所を備え、その重複箇所には、冷間圧接により形成された複数の凹型の圧接痕を有し、
各圧接痕には、前記重複箇所の厚み方向への塑性加工により、塑性加工前における凹型の圧接痕の深さを縮小した変形痕が形成されていることを特徴とするリード部材。 - 全ての圧接痕の端部がリード部材の幅方向に揃うように並列に配されていることを特徴とする請求項1に記載のリード部材。
- 複数の圧接痕のうち、少なくとも一部の圧接痕の両端部が他の圧接痕の両端部とリード部材の長手方向にずれていることを特徴とする請求項1に記載のリード部材。
- 各圧接痕がリード部材の長手方向に千鳥状に配されていることを特徴とする請求項3に記載のリード部材。
- 各圧接痕は長手方向を有する形状で、その長手方向の長さが異なる圧接痕がリード部材の幅方向に交互に並列されていることを特徴とする請求項3に記載のリード部材。
- 各圧接痕が長手方向を有する形状で、各圧接痕の長手方向がリード部材の長手方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項1に記載のリード部材。
- 前記変形痕として、前記重複箇所の断面において圧接痕の底部が波型に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のリード部材。
- 前記圧接痕は、前記第一部材の表面側の第一圧接痕と、前記第二部材の表面側の第二圧接痕とがあり、
前記変形痕として、
第一部材の表面側には第一圧接痕の閉鎖痕が並列され、
第二部材の表面側には第一圧接痕の間に対応する位置に第二圧接痕の閉鎖痕が並列され、
両閉鎖痕の間には、第一部材と第二部材とを機械的に嵌め合い結合する係合部を有することを特徴とする請求項1に記載のリード部材。 - 前記重複箇所の外周に耐食材が被覆され、
この耐食材が、重複箇所に接着されかつ熱可塑性ポリオレフィン樹脂から成る熱可塑層と、熱可塑層の上に配置されて架橋ポリオレフィン樹脂から成る架橋層とを備えることを特徴とする請求項1に記載のリード部材。 - 電極の正極にAlが用いられており、前記第一部材にAlを、前記第二部材にCuを用いたことを特徴とする請求項1に記載のリード部材。
- 電極の負極にCuが用いられており、前記第一部材にCuを、前記第二部材にAlを用いたことを特徴とする請求項1に記載のリード部材。
- 第一部材と第二部材とが非直線状に並列するように接合されていることを特徴とする請求項1に記載のリード部材。
- 電極に電気的に接続される第一部材と、この第一部材とは異種材質の第二部材とを接合するリード部材の接合方法であって、
この第一部材における電極から離れた位置に第二部材との重複箇所を形成する工程と、
この重複箇所を、一対のダイスであって少なくとも一方に複数の突部を有するもので圧縮して冷間圧接し、複数の凹型の圧接痕を形成する工程と、
この重複箇所をその厚み方向に塑性加工して凹型の圧接痕の深さを縮小する平坦化工程とを備えることを特徴とするリード部材の接合方法。 - 前記平坦化工程は、重複箇所を平面ダイスで圧縮する叩き工程であることを特徴とする請求項13に記載のリード部材の接合方法。
- 前記一対のダイスの各々が複数の突部を有し、各ダイスの突部が互いにずれた状態となるように前記冷間圧接工程を行うことを特徴とする請求項13に記載のリード部材の接合方法。
- 正極、負極及び非水電解質媒体が外装体に収納され、前記正極及び負極の各々に電気的に接続される各リード部材が前記外装体から外部に引き出された非水電解質蓄電デバイスであって、
前記リード部材のうち少なくとも一方は、請求項1〜12のいずれかに記載のリード部材であることを特徴とする非水電解質蓄電デバイス。 - 前記重複箇所の外周に耐食材が被覆されており、
この耐食材が、重複箇所に接着されかつ熱可塑性ポリオレフィン樹脂から成る熱可塑層と、熱可塑層の上に配置されて架橋ポリオレフィン樹脂から成る架橋層とを備え、
この耐食材は、外装体からの非水電解質媒体の漏出を防止するために、前記リード部材と前記外装体との接触箇所にまで延出し、外装体の内面に融着されていることを特徴とする請求項16に記載の非水電解質蓄電デバイス。
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