JP4961094B2

JP4961094B2 - 電池

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Publication number: JP4961094B2
Application number: JP2003281541A
Authority: JP
Inventors: 昭司唐沢; 弘海加治屋; 義博徳留; 明宏谷口; 徳之藤岡; 勝正木
Original assignee: Panasonic Corp; Toyota Motor Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Toyota Motor Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2019-09-21
Also published as: JP2004006406A

Description

本発明は電池に関するものである。

電池には一次電池と二次電池があり、それぞれ種々の構成のものがあるが、例えば所要の電力容量が得られるように複数の単電池を接続して一体的に連結して成る従来の集合型二次電池として図１７のようなものが知られている。この集合型二次電池は、図１８に示すような密閉型アルカリ二次電池からなる複数個の単電池４１（４１ａ〜４１ｊ）を、その電槽４２の幅の広い長側面同士を互いに対向させて重ねるように配置し、両端の単電池４１ａ、４１ｊの電槽４２の外側にエンドプレート５２を当接させ、両エンドプレート５２、５２間を拘束バンド５３にて結束することにより一体的に連結して構成されている。

単電池４１は、正極板と負極板をセパレータを介して積層してなる発電要素である極板群４７を電解液と共に電槽４２内に収容し、各電槽４２の開口部を安全弁４５を設けた蓋４６で閉じ、極板群４７を構成する各正極板の一側部上端から上方にリード４９を引き出してその上部に正極端子４３を接続し、また同様に各負極板の他側部上端から上方にリード４９を引き出してその上部に負極端子４４を接続し、これら正極端子４３及び負極端子４４を蓋４６に取付けて構成されている。

そして、連結されて隣り合う単電池４１間の正極端子４３と負極端子４４とが接続板５１にて接続されて各単電池４１が直列接続されている。また、各電槽４２間が連結されるとき、電槽４２の長側面に上下方向に突設されたリブ４８が隣接間で突き合わされ、各リブ４８、４８間の長側面間の空間にて電槽４２の上下方向に貫通する冷媒流路が形成され、冷媒通路に送風して各単電池４１ａ〜４１ｊを冷却するように構成されている。

上記極板群４７のリード部４９は溶接にて一体化されているが、その溶接に際して、抵抗溶接では溶接箇所の酸化被膜や異物によってスパークが発生して溶接不良を生じたりして均一な溶接が保証できないという問題があるため、レーザー溶接が好適に用いられ、特にレーザービームを貫通させてリード部に貫通孔を形成し、この貫通孔が溶融金属により塞がりながら再凝固することにより溶接一体化する方法が好適に適用されることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−２２０７１５号公報

ところで、上記従来の集合型二次電池の単電池４１の構成では、極板の上端一側部にリード４９を引き出して極端子４３、４４を接続しているので、極板の全面からリード４９の集電部までの平均距離が長いために電池内抵抗が大きくなり、また電極活物質利用率も低いために出力も低くなるという問題があった。

そこで、極板群の一側端全面に対向して接するように集電板を配置し、各極板の側端縁と集電板を一体的に溶接した極板ユニットを有する二次電池が考えられたが、この集電板と各極板の側端とを一体接続するのに単純なシーム溶接を適用した場合には不十分な接合状態しか得られず、電池出力が不足したり、溶接強度が不足するという問題があり、またレーザー溶接でも極板に悪影響を与えることなく確実に接合するのは極めて困難であるという問題があり、極板群の側端と集電板を適正に接合する方法の確立が要請されている。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、極板群の一側縁と集電板を確実に接合した電池を提供することを目的としている。

本発明の電池は、正極板と負極板をセパレータを介して積層し、少なくとも一方の極板群の一側縁を集電板に溶着し、かつ極板の集電板に溶着される側縁部に予め屈曲部を設けた極板群を有し、集電板と電極群とは、極板の積層方向に沿う複数ラインで溶着されており、各極板の集電板との溶着部近傍部分を無充填のリード部とし、このリード部に各極板の集電板に対する溶着側縁の位置合わせを行う位置合わせ部を設けたものであり、多数の極板の側縁部が集電板の板面に対して平行な平面上に位置していない場合でも、溶着時に集電板を極板群の一側縁に押し付け、極板の積層方向に沿う複数ラインで溶着することにより両者間の接触を良好にして確実に接合することができるとともに、溶着時に各極板の溶着側縁の位置合わせを行うことにより極板の側縁と集電板の接触を良好にして確実に接合することができる。

また、屈曲部の両側に切り込みまたは溝を形成することにより、屈曲部を集電板の所定の部分のみに形成することができる。

また、位置合わせ部は、孔または切欠にて構成でき、特に位置合わせ部が、一方は円形、他方は長円形の２箇所の孔から成ると、寸法公差を吸収して安定的に位置合わせすることができる。

また、上記電池において、少なくとも正極板における集電板との溶着部近傍のリード部に補強材を付加すると、発泡メタル等から成る強度の小さい正極板においてもそのリード部の強度を確保できて接合時にリード部が不測に変形するのを確実に防止でき、確実な接合状態を得ることができる。

本発明の電池によれば、正極板と負極板をセパレータを介して積層し、少なくとも一方の極板群の一側縁を集電板に溶着した電池において、極板の集電板に溶着される側縁部に予め屈曲部を設け、集電板と電極群とを極板の積層方向に沿う複数ラインで溶着し、各極板の集電板との溶着部近傍部分を無充填のリード部とし、このリード部に各極板の集電板に対する溶着側縁の位置合わせを行う位置合わせ部を設けることによって、多数の極板の側縁部が集電板の板面に対して平行な平面上に位置していない場合でも、溶着時に集電板を極板群の一側縁に押し付け、極板の積層方向に沿う複数ラインで溶着することにより両者間の接触を良好にして確実に接合することができるとともに、溶着時に各極板の溶着側縁の位置合わせを行うことにより極板の側縁と集電板の接触を良好にして確実に接合することができる。

また、上記各電池において、少なくとも正極板における集電板との溶着部近傍のリード部には補強材を付加すると、発泡メタル等から成る強度の小さい正極板においてもそのリード部の強度を確保できて接合時にリード部が不測に変形するのを確実に防止でき、確実な接合状態を得ることができる。

以下、本発明の電池を適用した集合型二次電池の一実施形態について、図１〜図１２を参照して説明する。

まず、本実施形態の集合型二次電池１の全体構成について、図１〜図７を参照して説明する。この集合型二次電池１は、電気自動車用の駆動電源として好適に用いることができるニッケル・水素二次電池であり、図１〜図３に示すように、幅の狭い短側面と幅の広い長側面とを有する上面開口の直方体状の複数（図示例では６つ）の電槽３をその短側面を共用して相互に一体的に連結して成る一体電槽２にて構成されかつ各電槽３の上面開口は一体の蓋体４にて一体的に閉鎖されている。

各電槽３内には、後で詳細に説明するように、電槽３の長側面と平行な多数の正極板と負極板をセパレータを介して短側面方向に積層してなる極板群５が電解液とともに収納され、単電池６が構成されている。

一体電槽２の両端の電槽３の外側の短側面及び各電槽３、３間の短側面の上端部には接続穴７が形成され、両端の電槽３の外側の短側面の接続穴７には正極又は負極の接続端子８が装着され、中間の電槽３、３間の短側面の接続穴７には両側の単電池６、６を直列接続する接続金具９が装着されている。また、蓋体４には各電槽３毎に内部圧力が一定以上になったときに圧力を解放するための安全弁１０が配設され、また単電池６の温度を検出する温度検出センサを装着するセンサ装着穴１１が適当な単電池６又は各単電池６毎に形成されている。

各電槽３の長側面が一平面を成す一体電槽２の長側面１２には、各電槽３の両側端に対応する位置に上下方向に延びるリブ１３が突設されており、かつリブ１３、１３間には適当ピッチ間隔でマトリックス状に多数の比較的小さな円形の突部１４が突設されている。これらリブ１３と突部１４は同じ高さである。さらに、電槽３の上端部と蓋体４の側面には、リブ１３の延長位置及び突部１４の配置位置に対応してそれらの側面間にわたるように、リブ１３及び突部１４と同じ高さの連結リブ１５ａ及び１５ｂが形成されている。また、一体電槽２の長側面１２の両端近傍の２つのリブ１３の外面の上部と下部に、一体電槽２をその長側面１２で互いに重ねた時に相互に嵌合する複数の位置決め用の突部１６と凹部１７が設けられている。これらリブ１３、突部１４及び連結リブ１５ａ、１５ｂは、一体電槽２を並列配置したときにそれらの間に各電槽３を効率的にかつ均一に冷却するための冷媒通路を形成する。

上記極板群５について、図４〜図７を参照して詳細に説明する。図４、図５において、多数枚の正極板１８と多数枚の負極板１９とを交互に配置するとともに、各正極板１８に横方向に開口部を有する袋状のセパレータ２０を被せることにより正極板１８と負極板１９の間にセパレータ２０を介装した状態で積層して極板群５が構成されている。図４で、斜線で示した領域は正極板１８と負極板１９がセパレータ２０を介して対向して発電作用を発揮する領域を示している。これら正極板１８群と負極板１９群は互いに反対側の側縁部が外側に突出されてその突出側縁部がリード部１８ａ、１９ａとして構成され、その側端縁にそれぞれ集電板２１、２２が溶着されている。各集電板２１、２２は、その両側縁を内側に折り曲げ、極板１８、１９と集電板２１、２２の溶着時に加圧しても外側に広がらないように寸法規制している。２３は、極板群５の集電板２１、２２間の外面に配設された外周セパレータである。

正極板１８はＮｉの発泡メタルから成るとともに、図６に示すように、リード部１８ａは発泡メタルを加圧して圧縮するとともにその一面にリード板２４を超音波溶接でシーム溶接して構成されている。また、負極板１９は、図７に示すように、Ｎｉのパンチングメタルにリード部１９ａを除いて活物質を塗着して構成されている。これら正極板１８及び負極板１９は、リード部１８ａ、１９ａを設けた側辺の長さをＬ、それと直交する方向の側辺の長さをＤとして、ＬはＤより大きくかつ４Ｄ以下となるように設定されている。図４、図６、図７において、２５はリード部１８ａ、１９ａにそれぞれ上下に適当間隔あけて形成された一対の位置決め穴である。

次に、上記極板群５の詳細構成と製造方法について、図８〜図１２を参照して説明する。製造工程を示す図８において、まず製造した正極板１８及び負極板１９を十分に乾燥させた後、所要枚数の正極板１８と負極板１９をセパレータ２０を介装した状態で交互に積層し、図５の集電板２１、２２が無い積層状態とする。次に、この積層体を適当な治具にセットし、その治具に設けられた位置決めピン２６を正極板１８又は負極板１９の位置決め穴２５に貫通挿入し、その位置決めピン２６にて各正極板１８又は負極板１９を支持する。そして、図９（ａ）、（ｂ）に示すように押圧具２７にて極板１８又は１９の側端縁を押圧することによって、その側端縁群にて平面状の端面が形成されるように揃える。その後、端面が平面状に揃ったか否かの検査を行い、うまく揃わない極板１８又は１９があった場合は、その極板１８又は１９を不良品として交換する。端面揃検査は、例えばレーザフォーカス法等によって効率的に検査でき、１００μｍ程度のばらつきに収まるようにする。

次に、極板１８又は１９の側端縁群にて形成された端面上に集電板２１又は２２を組合せた後、集電板２１又は２２に交番磁界を印加して脱磁を行う。次に、図１０及び図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、集電板２１、２２を極板１８又は１９に向けて加圧した状態で、真空中で集電板２１、２２の極板群と接する面とは反対側の背面側に電子ビーム２８を照射するとともに、この電子ビーム２８を矢印の如く極板積層方向に走査することにより、集電板２１又は２２と極板１８又は１９の側端縁とを溶着する。この溶着動作は、極板１８又は１９の長手方向に適当間隔おきの複数箇所に同時に又は継続的に行う。また、上記のように集電板２１又は２２の脱磁を行っておくことにより、集電板２１、２２の製造・搬送工程で帯びた磁気によって電子ビーム２８が影響を受けて適正な溶着ができなくなるということがない。

なお、電子ビーム２８に代えて、ＣＯ₂レーザー、ＹＡＧレーザー、半導体レーザー、エキシマレーザー等の各種レーザー用いることもできる。

上記集電板２１、２２は、図１２に示すように、Ｎｉ板又はＮｉメッキ鋼板にて構成され、その長手方向適当間隔置きに複数箇所（図示例では７箇所）に極板１８又は１９側に向けて突出する凹凸部２９が設けられるとともに、極板１８又は１９の側端縁に接する部分にＮｉロウ等のロウ材３０が添着されている。図１２の図示例では、図１２（ｄ）に詳細を示すように、極板１８又は１９側に突出する凸部２９ａの頂部に凹溝２９ｂが形成され、その凹溝２９ｂ内にＮｉロウ材３０が充填されている。３１は、集電板２１、２２の一端部を屈曲形成した接続金具９との溶接部である。

また、集電板２１、２２にロウ材３０を添着する工程としては、油分を洗浄除去した終電板２１、２２の所要箇所に、上記合金のパウダーをバインダーでスラリー状にしたものを所要量塗着し、それを４５０℃〜８００℃で３０分〜１０分程度真空炉で加熱することによりリフローし、その後集電板２１、２２をプレスしてその反りを修正するとともにリフロー部を平滑化するのが好ましい。

以上の実施形態の極板群５の構成及びその製造方法によれば、各極板１８、１９の集電板２１、２２との溶着部近傍部分に無充填のリード部１８ａ、１９ａを設け、このリード部１８ａ、１９ａに各極板の集電板に対する溶着側縁の位置合わせを行う位置合わせ用の位置決め穴２５を設けているので、溶着時に各極板１８、１９の溶着側縁の位置合わせを行うことにより極板１８、１９の側端縁と集電板２１、２２との接触を良好にして確実に接合することができる。さらに、発泡メタルから成り、特に強度の弱い正極板１８のリード部１８ａに補強用のリード板２４を固着しているので、強度の弱い正極板１８においてもそのリード部１８ａの強度を確保できて接合時にリード部１８ａが不測に変形するのを確実に防止でき、確実な接合状態を得ることができる。

また、極板１８、１９の位置決め穴２５を位置決めピン２６に挿通支持した状態で極板１８、１９の側端縁を押圧することにより極板１８、１９群の側端縁を確実に揃えておき、その極板１８、１９群の端面に集電板２１、２２を配置し、集電板２１、２２を極板１８、１９群の一側縁に向けて加圧した状態で熱を加えて溶着しているので、各極板１８、１９の側端縁と集電板２１、２２との接触を確保できて、信頼性の高い接合ができる。

また、その溶着時に極板１８、１９群の側端縁に集電板２１、２２を圧接させた状態で、集電板２１、２２の極板群との圧接面とは反対側の面に極板１８、１９群の積層方向に沿うライン状に複数ライン電子ビーム２８等の非接触型熱源にて熱を加えることにより、高速にてかつ他の部分に熱による悪影響を与えることなく溶着することができ、かつ各極板１８、１９の積層方向に沿う複数ラインで溶着するので、各極板１８、１９をそれぞれ確実にかつ複数箇所で集電板２１、２２に接合することができる。

しかも、集電板２１、２２に極板１８、１９の積層方向に延びる複数の凹凸部２９を適当間隔おきに形成しているので、各極板１８、１９の側端縁がそれぞれ複数箇所で確実に集電板２１、２２に接合されることになり、集電板２１、２２と極板１８、１９群が適正に接合された極板群５を得ることができる。

さらに、集電板２１、２２の凹凸部２９の極板１８、１９の側端縁に接する部分にロウ材３０を添付したことにより、ロウ材は比較的低い温度で溶融するため、極板１８、１９に熱影響をあまり与えずにロウ材３０を介して集電板２１、２２と極板１８、１９の側端縁とを確実に接合することができる。また、集電板２１、２２をＮｉ板又はＮｉメッキ鋼板にて構成しているので、Ｎｉ製の極板１８、１９と適切に接合できてニッケル−アルカリ二次電池の極板群５を得ることができる。

また、熱を加えるのに真空中で電子ビーム２８を照射しているので、溶着時の加熱によって酸化せず、溶着欠陥を生じず、良好な接合状態が得られるとともに、酸化物の発生による電池性能の低下をもたらさない。さらに、電子ビーム２８の照射による加熱に先立って極板１８、１９群と集電板２１、２２を組み合わせた状態で脱磁しているので、集電板２１、２２の加工・搬送中に磁化していても確実に除去されるため、電子ビーム２８に磁気が悪影響を与える恐れを無くすことができ、適正な接合状態を得ることができる。

上記説明の集電板２１、２２においては、図１２に示すように、凹凸部２９の凸部２９ａの頂部に形成された凹溝２９ｂにＮｉロウ材３０を充填した例を示したが、図１３に示すように、極板１８、１９群の端面に対向する面に突出する凸部２９ａの頂部にロウ材３０を付着させてもよい。なお、図１３において、３２は集電板２１、２２の一端部に突出形成された接続突部で、この接続突部３２を電槽３の短側面に形成された接続穴７に両側から挿入してその先端面３２ａ同士を溶接することにより、接続金具９を用いずに隣接する単電池６、６の集電板２１、２２同士を直接接続できるように構成されている。

凹凸部２９の形状及びロウ材３０の配置状態は、図１４に例示するように種々の例が考えられる。図１４（ａ）は、図１２と基本的に同じであるが、凹溝２９ａ内に充填されたロウ材３０の先端が凸部２９ａの先端よりも突出している。図１４（ｂ）は、凹凸部２９の凸部２９ａが鋭くかつ高く突出され、その頂部に浅く小さい凹溝２９ｂを形成して、ロウ材３０を大きく突出するように添付している。図１４（ｃ）は、図１３と基本的に同じであるが、凹凸部２９の凸部２９ａが若干鋭くかつ高く突出され、その頂部とその両側にわたってロウ材３０が添付されている。図１４（ｄ）は集電板２１、２２の表面に帯状にロウ材３０を添付することにより、ロウ材３０自体により凹凸部２９を突出形成している。図１４（ｅ）は、無電解メッキによって集電板２１、２２の表面にロウ材３０を添付している。このとき、ロウ材３０の厚みは２０〜２００μｍが適している。

また、上記実施形態では、極板１８、１９のリード部１８ａ、１９ｂがその側端縁までストレートな平面状のものを例示したが、図１５（ａ）に示すように、各極板１８、１９のリード部１８ａ、１９ａの側縁部の集電板２１、２２との接合部両側に切り込みや溝３４を形成し、集電板２１、２２との接合部が比較的容易に屈曲できるようにしてもよく、また、図１５（ｂ）に示すように、各極板１８、１９のリード部１８ａ、１９ａの側縁部に積極的に屈曲部３３を形成してもよい。そうすると、各極板１８、１９の寸法公差のために、位置決めピン２６にて極板１８、１９群の側端縁を揃えても、その端縁位置にｄのようなばらつきの発生が避けられない場合でも、図１５（ｃ）に示すように、集電板２１、２２を極板１８、１９群に端面に押圧したときに屈曲部３３が屈曲することにより、溶着時に集電板２１、２２と極板１８、１９群の側端縁との接触を良好にして確実に接合することができる。さらに、好適には、図１５（ａ）、（ｂ）の手段を併用し、図１５（ｄ）に示すように、屈曲部３３の両側に切り込み３５や溝を形成することにより、屈曲部３３を集電板２１、２２の凹凸部２９に対応する部分のみに形成してもよい。

さらに、上記屈曲部３３としては、図１５に示したようなくの字状に屈曲したものに限らず、図１６（ａ）に示すように、円弧状に９０°以上屈曲させても、図１６（ｂ）に示すように円弧状に１８０°近く屈曲させてもよい。

なお、上記実施形態では、集電板２１、２２の凹凸部２９にロウ材３０を添付するのに、ロウ材原料を塗着してリフローする方法を例示したが、ロウ材３０を接着材を用いたり、加熱溶着にて貼り付けてもよい。また、Ｎｉロウに近い材質のＮｉ合金を無電解メッキ法等のメッキによって形成しても良く、その場合集電板２１、２２の極板１８、１９の端面との接合面全面に添付してもよい。さらに集電板２１、２２がＮｉメッキ鋼板から成る場合には、そのＮｉメッキ材料にＮｉロウに近い材料を用いても良く、その際にメッキ層の厚みを局部的に厚くしてもよい。

本発明にかかる電池は、多数の極板の側縁部が集電板の板面に対して平行な平面上に位置していない場合でも、溶着時に両者間の接触を良好にして確実に接合することができるため、極板群の一側に集電板を接合して集電するようにした各種電池に有用である。

本発明の一実施形態の集合型二次電池の外観斜視図である。同集合型二次電池の部分縦断側面図である。図２のＡ−Ａ矢視断面図である。同実施形態の極板群の正面図である。図４のＢ−Ｂ矢視断面図である。同実施形態における正極板を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図とその部分詳細図である。同実施形態における負極板を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図とその部分詳細図である。同実施形態の極板群の製造工程を示すフローチャートである。同実施形態における極板群の端面揃え工程を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。同実施形態における極板群と集電板の溶着工程の斜視図である。同溶着工程を示し、（ａ）は要部の正面図、（ｂ）は側面図である。同実施形態における集電体を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は縦断側面図、（ｃ）は（ｂ）のＣ部拡大図、（ｄ）は（ｂ）のＤ部拡大図である。同実施形態における集電体の変形例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は縦断側面図、（ｃ）は（ｂ）のＣ部拡大図、（ｄ）は（ｂ）のＤ部拡大図である。集電体の凹凸部及びＮｉロウ材の添付状態の各種変形例の説明図である。電極のリード部の各種変形例を示し、（ａ）は第１の例の正面図、（ｂ）は第２の例の端面を揃えた状態の説明図、（ｃ）は第２の例の集電体溶着時の状態をを示す説明図、（ｄ）は第３の例の集電体溶着時の状態をを示す部分正面図である。電極のリード部のさらに別の変形例の説明図である。従来例の集合型二次電池の外観斜視図である。同従来例の単電池の部分破断斜視図である。

符号の説明

５極板群
１８正極板
１８ａリード部
１９負極板
１９ａリード部
２０セパレータ
２１集電板
２２集電板
２４リード板（補強材）
２５位置決め穴
２６位置決めピン
３３屈曲部
３４溝
３５切り込み

Claims

正極板と負極板をセパレータを介して積層し、少なくとも一方の極板群の一側縁を集電板に溶着し、かつ極板の集電板に溶着される側縁部に予め屈曲部を設けた極板群を有し、
前記集電板と前記電極群とは、前記極板の積層方向に沿う複数ラインで溶着されており、
前記各極板の集電板との溶着部近傍部分を無充填のリード部とし、このリード部に各極板の集電板に対する溶着側縁の位置合わせを行う位置合わせ部を設けたことを特徴とする電池。
前記屈曲部の両側に切り込みまたは溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電池。
前記位置合わせ部は、孔または切欠であることを特徴とする請求項１記載の電池。
前記位置合わせ部は、一方は円形、他方は長円形の２箇所の孔から成ることを特徴とする請求項３記載の電池。