JP5481178B2

JP5481178B2 - 組電池および単電池

Info

Publication number: JP5481178B2
Application number: JP2009278735A
Authority: JP
Inventors: 欣也青田
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2009-12-08
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2029-12-08
Also published as: JP2011124024A

Description

本発明は、複数の単電池を電気的に接続した組電池、および単電池に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車用では、高出力電圧を得るために、例えば、リチウム二次電池の単電池を、複数直列に接続した組電池が採用されている。組電池を構成するためには、単電池を電気的に接続する必要があり、リチウム二次電池では、アルミニウム製の正極端子と、銅製の負極端子とを接続する。この際、単電池のアルミニウム製の正極端子と、銅製のバスバーとを接続している。しかし、アルミニウムと銅は溶融溶接した場合には、溶接部に脆い金属間化合物が生成するという問題がある。

そこで、特許文献１では、アルミニウム製の正極端子と銅製のバスバーとを超音波接合により固相で接合する組電池製造方法が提案されている。

特開２００７−３２４００４号公報

超音波接合は、振動子と固定子とで正極端子とバスバーとを挟み、接合部材と固定子とを相対振動させ、この相対振動の際に、接合部材の表面層を除去することにより部材同士を拡散接合するものである。単電池は、容器内に発電要素である電極捲回群を収納し、容器の蓋から正負極端子を突出しているが、超音波接合によって除去された表面層は異物となり飛散する。その結果、製造された電池の歩留まりが低下するおそれがある。

（１）請求項１の発明は、複数の単電池を、銅、銅合金またはニッケルにより形成されたバスバーで接続してなる組電池において、前記単電池は、容器内に収容され、互いに異なる金属材料で形成される正極箔および負極箔を有する発電要素と、前記容器の開口を塞ぐ蓋から絶縁シール部材を介して突出され、前記発電要素で発生する電力を外部へ取り出すために前記正極箔に接続される正極端子および前記負極箔に接続される負極端子とを有し、前記負極端子が銅または銅合金により形成され、前記正極端子が、銅または銅合金により形成された外部端子と、アルミニウムまたはアルミニウム合金により形成され、一端に前記外部端子が接合され、他端に前記正極箔が接続される基部とを含んで構成され、前記基部が前記蓋裏面から前記絶縁シール部材の上部に突出して前記外部端子に超音波溶接により溶接されたうえ、該溶接された部分においてかしめにより接合され、前記バスバーの一方の接続部を一の単電池の前記外部端子に溶接により接合し、他方の接続部を他の単電池の異なる極性の端子に溶接により接合したことを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の組電池において、前記負極端子、前記外部端子および前記バスバーにはそれぞれ、溶接のための突起部が形成されていることを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、バスバーで接続して組電池を構成する単電池において、前記単電池は、容器内に収容され、互いに異なる金属材料で形成される正極箔および負極箔を有する発電要素と、前記容器の開口を塞ぐ蓋から絶縁シール部材を介して突出され、前記発電要素で発生する電力を外部へ取り出すために前記正極箔に接続される正極端子および前記負極箔に接続される負極端子とを有し、前記負極端子が銅または銅合金により形成され、前記正極端子が、銅または銅合金により形成された外部端子と、アルミニウムまたはアルミニウム合金により形成され、一端に前記外部端子が接合され、他端に前記正極箔が接続される基部とを含んで構成され、前記基部が前記蓋裏面から前記絶縁シール部材の上部に突出して前記外部端子に超音波溶接により溶接されたうえ、該溶接された部分においてかしめにより接合されていることを特徴とする。

本発明によれば、バスバーとの間で溶接する際に品質が劣化する金属材料からなる正負極端子のいずれか一方の端子については、それぞれ異なる金属材料の基部と外部端子とで構成し、バスバーとの溶接品質が良好な金属材料からなる外部端子を介して接合するようにした。これにより、外部端子を事前に基部に接合することができ、正極と負極とが短絡する不良による歩留まりを低減させることができる。

本発明による組電池の第１の実施の形態を示す斜視図。第１の実施の形態における単電池を示す斜視図。第１の実施の形態における発電要素である電極捲回群を示す分解斜視図。正極基部と外部端子とをかしめ成型した蓋組立体を示す斜視図。第１の実施の形態における蓋組立体において外部端子を接合する前の状態を示す斜視図。第１の実施の形態の製造に際して、正極端子と外部端子とを超音波接合する状況を示す斜視図。図４のかしめ成型の成型前の状態を示す断面図。図４のかしめ成型の成型後の状態を示す断面図。第１の実施の形態における、電極捲回群を蓋組立体に接続した状態を示す斜視図。第１の実施の形態における単電池をバスバーで接続するためのセット状態を示す斜視図。バスバー接続のためのアークスポット溶接の状況を示す断面図。アークスポット溶接後の溶接部を示す断面図。本発明による組電池の第２の実施の形態を示す斜視図。

本発明による組電池の実施の形態を図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］

［組電池概要］
図１（ａ）は組電池ＢＭを示す。組電池ＢＭは、並列配置された直方体状の複数の単電池ＢＣと、一方の単電池ＢＣの正極端子４（または負極端子５）と他方の負極端子５（または正極端子４）とを直列に接続するバススバー１１とを備えている。バスバー１１は、図１（ｂ）に示すように、長方形板状の基部１１ａと、基部１１ａの両端から直角に折曲された接続部１１ｂとから成り、銅材をコ字状に形成したものである。正極端子４は、後で詳細に説明するように、アルミニウムからなる基部（以下、正極基部）４ａに銅材からなる外部端子（以下、正極外部端子）４ｂを超音波溶接して形成されている。そして、銅のバスバー１１は銅の正極外部端子４ｂに溶接されている。
以下、組電池ＢＭを構成する各要素について詳細に説明する。

［単電池概要］
図２に示すように、単電池ＢＣは、一端部に開口を有する容器１と、容器１内に収容された図３に示す電極捲回群２１と、容器１の開口を塞ぐ蓋２と、絶縁シール部材３を介して蓋２から突出する正負極端子４，５と、正負集電板２７，２８（図９）とを備えるリチウムイオン二次電池である。正負極端子４，５は、絶縁シール部材３により蓋２と電気的に絶縁されている。正負集電板２７，２８は、図９に示すように、電極捲回群２１の正極箔２５，負極箔２６にそれぞれ接続されている。

［電極捲回群］
発電要素である電極捲回群２１は、図３に示すように、正極箔２５と負極箔２６とを、セパレータ２２を挟んで偏平形状に捲回して構成される。正極箔２５は厚さ３０μｍのアルミニウムであり、負極箔２６は厚さ１５μｍの銅である。また、セパレータ２２は多孔質のポリエチレン樹脂である。

正極箔２５の両面には正極活物質２３が塗布されており、負極箔２６の両面には負極活物質２４が塗布されている。電極捲回群２１の一方の端面には正極活物質２３が塗布されていない正極箔２５が露出した構造（未塗工部）になっており、反対側の負極側端面も同様に、負極活物質２４が塗布されてない負極箔２６が露出した構造になっている。正負極箔２５、２６は未塗工部において、正負極集電板２７、２８にそれぞれ接続される。

単電池ＢＣを組み立てるにあたり、図９に示す電極捲回群２１と蓋組立体２００を一体化したサブアッセンブリを容器１に収納し、蓋２によって容器１を塞ぐ。蓋容器１を蓋組立体２００によって塞いだ後に、不図示の注液口から容器１内に電解液を注入する。電解液注入後、注液口は注液栓１４によって塞がれる。

［蓋組立体２００］
本発明による実施の形態の単電池ＢＣでは、正負極端子４，５が突出する蓋２は事前に蓋組立体２００として組み立てられる。蓋組立体２００について、図４〜図７を参照して説明する。

図４は蓋組立体２００を示す。蓋組立体２００は、蓋２と、絶縁シール部材３を介して蓋２から突出する正負極端子４，５と、正負極端子４，５の蓋裏面側端部に接続された正極集電板２７と負極集電板２８とを備え、予め組み立てられている。

正極基部４ａは蓋２を貫通して蓋２の裏面まで延在している。負極端子５も同様に蓋２を貫通して蓋２の裏面まで延在している。正極基部４ａの蓋裏面側端部には正極集電板２７が接続され、負極端子５の蓋裏面側端部には負極集電板２８が接続されている

正極端子４について説明する。図４に示すように、正極端子４は、正極基部４ａと正極外部端子４ｂとで構成される。正極基部４ａはアルミニウムで形成され、正極外部端子４ｂは銅で形成されている。蓋組立体２００を作製する際、正極端子4を構成する銅の正極外部端子４ｂをアルミニウムの基部４ａに超音波接合し、さらにかしめ成型を行って正極端子４を作製している。負極端子５は銅で形成されている。

正極基部４ａは、例えば、厚さ０.６ｍｍのアルミニウムで形成され、正極外部端子４ｂは、例えば、厚さ０.６ｍｍの銅で形成されている。正極外部端子４ｂはバスバー１１との溶接における相溶性が良好であり、高品質の接合が可能である。なお、負極端子５は、例えば、厚さ０.６ｍｍの銅で形成されているので、バスバー１１との溶接における相溶性は良好である。

アルミニウム製の正極基部４ａと、銅製の正極外部端子４ｂとは異種金属であるので、低温接合が可能な超音波接合によって接合されるが、この接合工程は、上述したように、蓋組立体２００の製造工程で行われる。すなわち、異種金属同士の接合はバスバー１１の接続による組電池作成前であるため、蓋組立体２００として洗浄処理が可能である。これにより、超音波接合の際に発生する異物を洗浄することで、正負極端子４，５の外部短絡を防止できる。

正極外部端子４ｂの上端面には、外部端子突起部９が２箇所、負極端子５の上端面には、負極端子突起部１０が２箇所、バスバー１１の接続部１１ｂの上端面には、バスバー突起部１２が２箇所、それぞれ設けられている。突起部９、１０、１２は、負極端子５とバスバー１１との溶接、および正極外部端子４ｂとバスバー１１との溶接について、溶接品質を確保するために設けられている

［蓋組立体２００の製造方法］
蓋組立体２００の製造手順について詳細に説明する。この製造工程は、超音波接合工程と、洗浄工程と、かしめ成型工程とを含む。

［超音波接合工程］
図５は、蓋組立体２００を製造する過程を示し、正極外部端子４ｂを正極基部４ａに接合する前の状態を示す。図６に示すように、正極基部４ａに正極外部端子４ｂを重ねた状態で、正極基部４ａと正極外部端子４ｂを固定子３２と振動子３３で挟み、振動子３３を駆動して、超音波接合を行う。振動子３３の加圧力を１.８ｋＮ、周波数を２７ｋＨｚ、出力を２３００Ｗとして超音波接合を行った場合、正極基部４ａと正極外部端子４ｂの破断荷重は８５０Ｎであった。

［洗浄工程］
超音波接合直後、ずなわち、電極捲回群２１を蓋組立体２００に接続する前に、蓋組立体２００を洗浄し、超音波接合で発生した異物を除去する。

［かしめ成形工程］
図７に示すように、超音波接合した正極基部４ａと正極外部端子４ｂとを、両側から垂直方向に凸型のパンチ工具３０と凹型のダイ工具３１とによって押圧し、両部材をかしめ成型する。その結果、図８に示すように、かしめ部８が形成され、超音波接合とかしめ成型の相乗効果により両者の接合強度を確保することができる。
なお、図中、１５は超音波接合界面である。

［電極捲回群２１の蓋組立体２００への接続］
図９に示すように、電極捲回群２１の正負極箔２５、２６を、蓋組立体２００における負正極集電板２７、２８に、超音波接合によってそれぞれ接続する。

［蓋組立体２００の容器１への組み付け］
蓋組立体２００に電極捲回群２１を接続した図９に示すサブアッセンブリーを絶縁カバー（図示省略）で被覆しつつ容器１に収納する。蓋２を容器１の開口に溶接して蓋２により容器１を密閉する。その後、図示しない注液口から容器１内に電解液を注入し、さらに注液口に注液栓１４を溶接して、注液口を封止する。
［単電池ＢＣの接続］

図１０に示すように、上述の工程を経て製造された複数の単電池ＢＣを接続すべき状態に配列し、バスバー１１を隣接単電池ＢＣの正負極端子４，５に沿って配置する。このとき、外部端子突起部９とバスバー突起部１２とを１ｍｍ程度離間させた状態で突合せて配置し、負極端子突起部１０とバスバー突起部１２とを１ｍｍ程度離間させた状態で突合せて配置する。

図１１に示すように、被溶接物（外部端子突起部９およびバスバー突起部１２）に溶接電極１７を近接させ、溶接電極１７と被溶接物との間に、アーク放電のアークを発生させる。このアーク放電により、外部端子突起部９とバスバー突起部１２を溶融させて溶接する。アークスポット溶接の溶接条件は、電流１３０Ａ、電圧１０Ｖ、溶接時間２００ｍｓである。
なお、図中、１６はシールドノズルである。

図１２に示すように、アークスポット溶接により、外部端子突起部９とバスバー突起部１２がそれぞれ溶融してたまご型の溶接金属１３が形成される。正極外部端子４ｂ、外部端子突起９およびバスバー１１はいずれも銅であり、同じ材質なのでアークスポット溶接が可能である。

外部端子突起部９とバスバー突起部１２の突合せ面にすきまが生じた場合、それぞれの突起を溶融して重力方向に溶け落とすことにより、すきまに相当する部位に溶接金属が入り込むため安定した溶接をすることが可能になる。突起がない場合のすきまの最大許容範囲は、例えば０.１ｍｍまでであるが、突起を設けることにより最大０.４ｍｍのすきまが生じても溶接可能である。

図示は省略するが、同様に、同種材質の負極端子５の負極端子突起部１０とバスバー突起部１２に溶接電極１７を近接させ、アークスポット溶接を行って、負極端子突起部１０とバスバー突起部１２を溶融させてアークスポット溶接する。

以上説明した組電池によれば次のような作用効果を得ることができる。
（１）銅からなるバスバー１１に溶接される正極端子４を、アルミニウムからなる正極基部４ａに銅からなる正極外部端子４ｂを接合して形成した。したがって、バスバー１１は同種金属である正極外部端子４ｂと溶接されることとなり、接合面に金属間化合物が生成されない。

（２）アルミニウムからなる正極基部４ａに銅からなる正極外部端子４ｂを接合する工程は、蓋組立体２００の事前組立作業で行うようにした。したがって、両端子接合後に異物を洗浄することができるので、正極と負極とが異物で短絡するような不良発生の歩留まりを向上することができる。

（３）銅は機械的強度が高く、かつ電気抵抗が低いため、正極外部端子４ｂとバスバー１１を銅とすることによって、高性能の組電池を構成することができる。
（４）正極基部４ａと正極外部端子４ｂを超音波接合した後にかしめ成型を行うようにしたので、両部材の接合強度が十分に確保される。

（５）正極端子４とバスバー１１の接合部の上端、負極端子５とバスバー１１の接合部の上端には、それぞれ溶接用突起９，１０，１２を設け、アーク溶接によりそれら突起を溶融することで正極端子４とバスバー１１を溶接し、負極端子５とバスバー１１を溶接するようにした。したがって、溶融金属が重力で鉛直方向に流動して溶接が行われるので、バスバーと端子間に隙間が生じていても溶融金属で両者が確実に溶接される。

［第２の実施の形態］
本発明による組電池の第２の実施の形態を図１３を参照して説明する。

第２の実施の形態は、第１の実施の形態のバスバー１１の基部１１ａの短辺の配置、接続部１１ｂの配置を変更したものである。

図１３に示すように、バスバー１１の長方形板状の基部１１ａは短辺が蓋２の上面に平行な状態で、正負極端子４，５間で延在する。また接続部１１ｂは、蓋２の上面から立ち上がるように正負極端子４，５の対向面に沿うように配置されつつ、正負極端子４，５に接続される。
第２の実施の形態は、第１の実施の形態と同様の効果を奏する。

以上説明した実施の形態は以下のように変形することができる。
（１）バスバー１１を銅とし、アルミニウムからなる正極箔にアルミニウムからなる正極基部４ａを接続し、さらに、バスバー１１との溶接性を加味して銅からなる正極外部端子４ｂを正極基部４ａに接合した。しかし、正極材料としてアルミニウム合金を使用してもよい。また、負極材料として銅合金を使用してもよい。

（２）銅以外の金属材料でバスバー１１を形成した電池にも本発明を適用することができる。例えば、バスバー１１の材質をニッケルにすることで、銅とニッケルは全率固溶体である溶接歩留まりが良好な組み合わせなので、バスバー１１と銅の負極端子５をアーク溶接により溶接することが可能である。また、銅以外の金属材料で負極端子５を形成した電池にも本発明を適用することができる。例えば、負極端子5の材質をニッケルにすることで、負極端子5と銅製のバスバー5との溶接歩留まりを確保することができる。すなわち、バスバー１１の材料と異なる金属材料で作製される正極端子または負極端子については、その極性の端子を基部と外部端子とで構成し、外部端子をバスバーとの良好な溶接が可能な金属材料で作製することによって、バスバーと端子との溶接箇所の品質を改善できる。また、外部端子を基部に接合する工程を単電池製作時の端子設置工程に行えば、すなわち、バスバーによる組電池組立工程に先だって行えば、組電池の製造歩留まりを改善することができる。

（３）正極基部４ａの電池容器内の端部に正極集電板２７を接続したが、正極集電板２７を電池容器外方まで延在させ、その端部を正極基部としてもよい。

本発明による単電池は次の構成であればどのような形態の電池も含むものである。すなわち、単電池は、互いに異なる金属材料で形成される正極箔および負極箔を有する発電要素と、発電要素で発生する電力を外部へ取り出すために正極箔に接続される正極端子および負極箔に接続される負極端子とを有する。正極端子または負極端子のうち、バスバーとの溶接品質がより低いいずれか一方の極性の端子を、バスバーとの溶接品質がより良好な材質の外部端子と、基部とで構成する。基部は、一端に外部端子が接合され、他端に一方の極性の箔が接続される。

また、本発明による組電池は以下のような種々のものを包含する。すなわち、上述したように構成された複数の単電池をバスバーで接続するにあたり、バスバーの一方の接続部を一の単電池の外部端子に接続し、他方の接続部を他の単電池の異なる極性の端子に接続するようにした組電池は全て本発明に包含される。

本発明による単電池はリチウムイオン二次電池に限定されず、ニッケル水素二次電池にも本発明を適用できる。
また、本発明による単電池および組電池は、電気自動車やハイブリッド自動車、あるいは、鉄道車両、電力供給用など、種々の分野で使用することができる同種の二次電池に用いて好適である。

４：正極端子 4Ａ：正極基部
4ｂ：正極外部端子５：負極端子
９：外部端子突起部１０：負極端子突起部
１１：バスバー１２：バスバー突起部
２１：電極捲回群３０：パンチ工具
３１：ダイ工具３２：固定子
３３：振動子２００：蓋組立体
ＢＣ：単電池ＢＭ：組電池

Claims

複数の単電池を、銅、銅合金またはニッケルにより形成されたバスバーで接続してなる組電池において、
前記単電池は、容器内に収容され、互いに異なる金属材料で形成される正極箔および負極箔を有する発電要素と、前記容器の開口を塞ぐ蓋から絶縁シール部材を介して突出され、前記発電要素で発生する電力を外部へ取り出すために前記正極箔に接続される正極端子および前記負極箔に接続される負極端子とを有し、
前記負極端子が銅または銅合金により形成され、
前記正極端子が、銅または銅合金により形成された外部端子と、アルミニウムまたはアルミニウム合金により形成され、一端に前記外部端子が接合され、他端に前記正極箔が接続される基部とを含んで構成され、
前記基部が前記蓋裏面から前記絶縁シール部材の上部に突出して前記外部端子に超音波溶接により溶接されたうえ、該溶接された部分においてかしめにより接合され、
前記バスバーの一方の接続部を一の単電池の前記外部端子に溶接により接合し、他方の接続部を他の単電池の異なる極性の端子に溶接により接合したことを特徴とする組電池。
請求項１に記載の組電池において、
前記負極端子、前記外部端子および前記バスバーにはそれぞれ、溶接のための突起部が形成されていることを特徴とする組電池。
バスバーで接続して組電池を構成する単電池において、
前記単電池は、容器内に収容され、互いに異なる金属材料で形成される正極箔および負極箔を有する発電要素と、前記容器の開口を塞ぐ蓋から絶縁シール部材を介して突出され、前記発電要素で発生する電力を外部へ取り出すために前記正極箔に接続される正極端子および前記負極箔に接続される負極端子とを有し、
前記負極端子が銅または銅合金により形成され、
前記正極端子が、銅または銅合金により形成された外部端子と、アルミニウムまたはアルミニウム合金により形成され、一端に前記外部端子が接合され、他端に前記正極箔が接続される基部とを含んで構成され、
前記基部が前記蓋裏面から前記絶縁シール部材の上部に突出して前記外部端子に超音波溶接により溶接されたうえ、該溶接された部分においてかしめにより接合されていることを特徴とする単電池。