JP5506837B2 - 電池 - Google Patents

Description

本発明は、電池に関し、特に、電極端子と電極板とを接続する導電接続部材を備えた電池に関する。

電池には、放電のみ行う一次電池や充放電可能な二次電池が存在する。これら電池は、一般的に、電極板、すなわち正極板及び負極板がセパレータを介して積層された積層電極体を電解液とともに電池容器に密閉した構成をしている。

電池容器は、通常、電極板を収容する容器本体、及び該容器本体の開口部を封口する平板状の電池蓋とで構成され、該電池蓋には、この電池蓋上に設けられた貫通孔を介して、電極板と電気的に接合される電極端子が配される。

ここで、電極板と電極端子とを電気的に接合するために、一般的には、導電接続部材を用いて、導電接続部材の一端を電極板と接合し、導電接続部材の他端を電極端子に接合する方法が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００８−２７００８６号公報 特開２００１−１６０３８７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電池における、リード線（導電接続部材）と電極端子との接合方法は、リード線の一端を所定の長さで切り揃え、この切り揃えた先端部と電極端子の端面とをリベット止めしてこれらを接合するといった機械的な接合方法である。この方法は、接合強度は良好である一方、リード線と電極端子とがそれぞれ別部材として構成されているために、その接触抵抗は相対的に高い値であって、電池の電気特性が低下してしまうという問題点があった。また、同じ機械的接合を用いた電池であっても、リベット打ちする際の位置ズレなどの要因によって電極端子とリード線との接触抵抗が異なり得ることも考えられ、電池間の性能のバラつきが生じ得るという問題点もあった。

一方、特許文献２に記載の電池における、電極タブの先端部（導電接続部材）と電極端子との接合方法は、電極タブの先端部を電池容器内における電極端子の鍔部にスポット溶接又は超音波溶接する方法である。この方法は、電極タブと電極端子とを溶接してこれらを一部材となるように接合するものであるため、接触抵抗は比較的安定し得るが、機械的接合に比べて接合強度が低いという問題点があった。例えば、電池を使用する際に振動が加わると、電池容器の内部において、電極板が電池容器に対して上下に移動し、電極タブと電極端子との接合箇所に負荷がかかり、該接合が外れてしまうおそれがある。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、電極端子と導電接続部材との間の接合強度及び接触抵抗が優れた新しい電池を提供することを目的とする。

本発明による電池は、電池容器に収容される電極板と、電池容器を封口する蓋部に配される柱状の電極端子と、電池容器内において電極板と電極端子とを電気的に接続する導電接続部材と、を備える電池であって、導電接続部材は、電極端子と接合する一端において、電極端子を挿通するための挿通孔、及び挿通孔から電極板に面する電極端子の端部まで屈曲されて端部と当接する当接部を有しており、挿通孔の周縁部で電極端子と機械的接合され、且つ、当接部で電極端子と溶接接合されていることを特徴とする。

かかる構成によれば、導電接続部材が、挿通孔の周縁部で電極端子と機械的接合され、且つ、当接部で電極端子と溶接接合されることで、導電接続部材と電極端子との間の接合強度及び接触抵抗が優れた電池を提供することが可能となる。よって、電池の電気特性が安定して電池間の性能のバラつきも抑制できるとともに、電池に加わる振動に対しても耐振力が向上し、結果として、電池の安全性を向上することができる。

以上のように構成された本発明の電池によれば、導電接続部材と電極端子との間の接合強度を十分に保ちつつ、それらの接触抵抗を良好に保つことができ、その結果、電池性能の向上を図ることができる。

本発明の実施形態に係る電池を示す概略的な斜視図であって、該電池の電池容器の一部を透視した図である。 本発明の実施形態に係る電池の概略的な断面図であって、図１のＡ−Ａ’線断面図である。 本発明の実施形態に係る電池の積層電極体及び導電接続部材の平面図である。 本発明の実施形態に係る電池に使用される電極端子と導電接続部材との接合箇所の概要図である。図４（ａ）は、図２における導電接続部材の接合箇所を拡大した断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の下部から見た（−Ｚ方向から見た）該当部分の平面図である。 本発明の実施形態に係る電池に使用される電極端子と導電接続部材との接合を説明するための断面図である。 本発明の実施形態に係る電池の変形例１における積層電極体及び導電接続部材の平面図である。 本発明の実施形態に係る電池の変形例１としての電池の概略的な断面図である。 本発明の実施形態に係る電池の変形例２としての電池の概略的な断面図である。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、下記各実施形態では、電池としてリチウム二次電池を一例にとって説明するものとする。また、各図面において、電池を構成する各部の形状は、明確性の観点から寸法や縮尺を実際と異ならせていることがある。さらに、電池を構成する各部の位置関係について説明するためにＸＹＺ直交座標系を適宜用いるものとし、電池容器の底面からの垂線方向をＺ方向、このＺ方向と直交し且つ電極板が積層される方向をＹ方向、及びＹ方向とＺ方向とに直交する方向をＸ方向とする。

図１は、本発明の実施形態に係る電池の概略的な斜視図（電池容器の一部を透視している図）を示し、図２は、図１のＡ−Ａ’線断面図を示す。

本発実施形態の電池１は、図１に示すように、電池容器本体１０と、電池容器本体１０の開口部を被覆する電池蓋２０とから構成される。なお、以下では、電池容器本体１０と電池蓋２０とが一体となったものを「電池容器」と称する。

電池容器本体（電池容器の本体部）１０は、電極板、すなわち正極板１１ａ及び負極板１１ｂがセパレータ１２を介して積層された積層電極体を電解液又は電解質等とともに収容する略矩形状の容器であり、例えば、アルミニウム合金などの金属材料で形成される。正極板１１ａの一端には正極タブ１３ａが形成されており、該正極タブ１３ａと電池蓋２０に配される正極端子（電極端子）２１ａとを正極リード３０ａで電気的に接続し、また、負極板１１ｂの一端には負極タブ１３ｂが形成されており、該負極タブ１３ｂと負極端子（電極端子）２１ｂとを負極リード３０ｂで電気的に接続する。上記構成により、正極端子２１ａ及び負極端子２１ｂから電流を取り出すことが可能となる。

ここで、積層電極体は、図２に示すように、正極板１１ａと負極板１１ｂとをセパレータ１２を介してＹ方向に交互に順次積層したものであり、例えば、負極板１１ｂが袋状のセパレータに包まれており、この負極板１１ｂを包んだセパレータ１２と正極板１１ａとを順次積層した構成とすることができる。ただし、正極板１１ａ、負極板１１ｂ、及びセパレータ１２の積層は、負極板１１ｂが袋状のセパレータに包まれている場合に限られず、正極板１１ａと負極板１１ｂとが互いに接触して短絡しないようにセパレータを配する構成とすればよい。例えば、正極板１１ａを袋状のセパレータに包んで積層してもよいし、単に、正極板１１ａと負極板１１ｂとの間に平面状のセパレータを配するように積層してもよい。

正極板１１ａ及び負極板１１ｂは、導電性の薄板で構成され、該薄板の両面に電極活物質層が形成される。なお、正極板１１ａ及び負極板１１ｂの材質、及びこれらに形成される電極活物質層は、リチウム二次電池に一般的に用いられているものと同様とすることができる。

電池蓋（電池容器の蓋部）２０は、図１に示すように、電池容器本体１０を被覆して密閉するための平板状の蓋であり、例えば、電池容器本体１０と同様に、アルミニウム合金などの金属材料で形成される。電池蓋２０は、電池蓋２０に形成された貫通孔を介して配され、それぞれ少なくとも一端（本実施形態では両端）が電池蓋２０からＺ方向に突出した正極端子２１ａ及び負極端子２１ｂと、電池蓋２０と正極端子２１ａ及び負極端子２１ｂとを電気的に絶縁する絶縁性樹脂（例えば、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂などの樹脂）２２とを有する。

より具体的には、電池蓋２０は、電池蓋２０の貫通孔にこれら正極端子２１ａ及び負極端子２１ｂが電池蓋２０に接触しないように通された際の貫通孔の隙間に絶縁性樹脂（封口部材）２２が充填されてその隙間が封口されている。そして、電池容器本体１０に積層電極体等を収容後、電池蓋２０の外縁部を電池容器本体１０の開口部の周縁部と溶接（例えば、レーザ溶接）することで、電池容器本体１０は密閉される。

次に、本発明の第１実施形態における、電極端子と電極板の一端に設けられた電極タブとを導電接続部材を用いて接合する接合構造について詳細に説明する。なお、以下では、正極板１１ａ、正極端子２１ａ、正極リード３０ａを順に説明した後、正極端子２１ａと正極タブ１３ａとを正極リード３０ａを用いて接合する接合構造について説明する。なお、負極側の接合構造も正極側の接合構造と同様とすることができるので、その説明は省略する。

正極板１１ａは、図３に示すように、ＸＺ平面に対して平行に配される略矩形状の板であり、その板の周縁の一部から＋Ｚ方向に延びるように正極タブ１３ａが形成されている。正極タブ１３ａは、電極活物質が形成されていない領域（電極活物資の非形成領域）であって、正極板１１ａと正極端子２１ａとを電気的に接続するための正極リード３０ａの一端と接合するための部位である。また、正極タブ１３ａは、正極板１１ａにおいて、正極板１１ａを電池容器内に収容して電池蓋２０で被覆した際、電池蓋２０に配設される正極端子２１ａと対向する位置に設けられ、且つ、正極板１１ａと負極板１１ｂとを積層したときに、負極板１１ｂに形成される負極タブ１３ｂとＸＺ平面において重ならない位置及び大きさで形成される。図３では、正極板１１ａの表面とほぼ平行な面内に正極タブ１３ａ及び正極リード３０ａを展開して図示し、また、負極板１１ｂの表面とほぼ平行な面内に負極タブ１３ｂ及び負極リード３０ｂを展開して図示している。

なお、負極板１１ｂの形状は、正極板１１ｂの形状と同様とし得るが、負極板１１ｂの表面面積を、図３に示すように、正極板１１ａの表面面積以上とすることで、電解液中のイオンが負極板１１ｂに析出することを抑制することができる。負極タブ１３ｂは、負極板１１ｂを電池容器内に収容された際、電池蓋２０に配設される負極端子２１ｂと対向する位置に設けられ、且つ、正極板１１ａと負極板１１ｂとを積層したときに、正極板１１ａに形成される正極タブ１３ａとＸＺ平面において重ならない位置及び大きさで形成される。

複数の正極板１１ａの各正極タブ１３ａは、少なくとも１つ以上束ねられた状態で、Ｙ方向に略垂直に折り曲げられ、後述する正極リード３０ａの当接部３３において溶接接合される。なお、本実施形態では、図２等に示すように、３つの正極板１１ａの各正極タブ１３ａが束ねられた状態で、正極リード３０ａの当接部３３において溶接接合されている場合を例にとって説明する。

正極端子２１ａは、円柱状の形状からなり、図４（ａ）に示すように、一端が電池容器の内部に向かって突出され（−Ｚ方向に突出）、且つ、他端が電池容器の外部に露出して突出されている（＋Ｚ方向に突出）。正極端子２１ａは、正極端子２１ａの電池容器内に配される部位において、電池蓋２０の貫通孔３１に挿通されている本体部２１１の中央から−Ｚ方向に突出し、正極リード３０ａに設けられた挿通孔３１を挿通するための突出部２１２を有する。なお、本実施形態において、正極端子２１ａ（本体部２１１及び突出部２１２）は、円柱状の形状として説明するが、本発明はこれに限られず、四角柱状など多角柱状の形状としてもよい。

突出部２１２は、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、本体部２１１の直径Ｄ_１よりも小さな直径Ｄ２となるよう設計されている。突出部２１２は、後述するように、正極リード３０ａの挿通孔３１に挿通した後、リベット止めすることによってその先端部（リベット部）がＸＹ平面に拡径し（リベット止め後、突出部２１２の拡径した先端部（端部）２１３の直径Ｄ３は、Ｄ２＜Ｄ３となる）、正極リード３０ａの挿通孔３１の周縁部を挟持する部位（機械的接合される部位）である。また、突出部２１２は、その拡径された先端部の表面において、正極リード３０ａと摩擦攪拌接合される部位（溶接接合される部位）である。

正極リード３０ａは、一端が正極端子２１ａと接合され、且つ、他端が正極タブ１３ａと接合されることで、正極板１１ａと正極端子２１ａとを電気的に接続する。正極リード３０ａは、正極端子２１ａと接合する一端において、正極端子２１ａの突出部２１２を挿通するための挿通孔３１と、挿通孔３１から所定距離ｄを有して正極端子２１ａの突出部２１２と当接する領域となる当接部３２とを有する。本実施形態では、上記一端の先端に当接部３２が位置し、屈曲のための余裕代として先端から所定距離ｄを有して挿通孔３１が位置しているものとする。一方、正極タブ１３ａと接合する他端において、正極リード３０ａは、正極タブ１３ａと当接する領域となる当接部３３を有する。本実施形態では、正極リード３０ａは、所定数の正極タブ１３ａを一纏めにして束ねた数だけ用意し、それぞれの正極リード３０ａを更に束ねて正極端子２１ａと接合するものとするが、正極リード３０ａは一つであってもよい。なお、上記所定距離ｄとは、正極リード３０ａを挿通孔３１から当接部３２まで屈曲するのに必要な距離である。

ここで、図５（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ、本実施形態における正極端子２１ａと正極リード３０ａとの接合方法の一例を説明する。

まず、図５（ａ）に示すように、絶縁性樹脂２２で電池蓋２０と一体形成された正極端子２１ａの突出部２１２に、正極リード３０ａの挿通孔３１を通した後、座金４０を通す。

次いで、図５（ｂ）に示すように、正極端子２１ａの突出部２１２の先端部（リベット部）を−Ｚ方向から押圧してリベット止めすることで、正極端子２１ａと正極リード３０ａとを機械的に接合する。なお、正極リード３０ａを確実に突出部２１２の本体部２３と拡径した先端部２１３とで挟み込んで機械的に接合ができるように、挿通孔３１の直径は、突出部２１２の直径Ｄ_２より大きく、且つ、突出部２１２をリベット止めした際に突出部２１２の拡径した先端の直径Ｄ_３よりも小さくなるように設計される。なお、座金４０は適宜省略してもよい。

上記機械的接合した後、図５（ｃ）に示すように、正極リード３０ａの正極端子２１ａと接合する一端を、機械的接合された部位から屈曲させて突出部２１２の拡径された先端部２１３の表面（先端面）に当接させる。そして、正極端子２１ａと正極リード３０ａとを摩擦攪拌接合法によって溶接接合する。正極端子２１ａと正極リード３０ａとが溶接接合される領域は、当接部３２において、正極端子２１ａの突出部２１２の先端面の中央領域である。なお、摩擦攪拌接合法を用いることで、その接合箇所は、歪みが小さく且つ残留応力も少なく抑えることができる。その結果、高い接合強度を実現することができる。しかし、本発明はこれに限られず、例えば、レーザ溶接法や超音波溶接法など種々の溶接法を用いることができる。

ここで、本実施形態における中央領域とは、上記先端面の周縁は、リベット打ちした際に、先端面の中央と比べて丸みを帯びて形成され得るので（すなわち、該周縁は、ＸＹ平面に対して略水平に形成されない）、先端面のうち周縁を除いた実質的に平らな領域（水平領域）を指すものとする。正極端子２１ａと正極リード３０ａとの溶接接合される領域が先端面の周縁であると、正極リード３０ａの当接部３２との接触が不安定になり得るのに対し、正極端子２１ａと正極リード３０ａとの溶接接合される領域が中央領域であると、正極リード３０ａの当接部３２との接触を安定にし得る点で有用である。ただし、先端面の周縁において正極リード３０ａの当接部３２との接触が十分なものであれば、溶接接合される領域は、中央領域のみに限らなくてもよい。

以上のように、本実施形態の電池１における、正極端子２１ａと正極タブ１３ａとを正極リード３０ａを用いて接合する接合構造は形成される。負極側の接合構造も正極側の接合構造と上記同様に形成することができる。

構成された本実施形態の電池１によれば、導電接続部材（正極リード３０ａ又は負極リード３０ｂ）が、挿通孔３１の周縁部で電極端子（正極端子２１ａ又は負極端子２１ｂ）と機械的接合され、且つ、当接部３２で電極端子（正極端子２１ａ又は負極端子２１ｂ）と溶接接合されることで、導電接続部材と電極端子との間の接合強度及び接触抵抗が優れた電池を提供することが可能となる。よって、電池１の電気特性が安定して電池間の性能のバラつきも抑制できるとともに、電池１に加わる振動に対しても耐震力が上がり、結果として、電池１の安全性を向上することができる。

特に、機械的接合した箇所から導電接続部材を屈曲させてその当接部３２を電極端子の先端部２１３に当接させることにより、溶接接合する面積を導電接続部材を屈曲させない場合に比べて大きくできる点で有用である。すなわち、導電接続部材を屈曲させない場合に正極端子２１ａと正極リード３０ａとを溶接接合することを考えると、例えば、図５（ｂ）を参考に説明すると、その溶接可能な面積は、正極端子２１ａと正極リード３０ａとが当接している面積（π（Ｄ_３／２）^２−π（Ｄ_２／２）^２）である。一方、本実施形態のように、導電接続部材を屈曲させた場合であれば、図５（ｃ）の図を参考にすると、その溶接可能な最大面積は、π（Ｄ_３／２）^２であるので、導電接続部材を屈曲させない場合に比べて更なる接触強度の向上及び接触抵抗の抑制を図ることができる。

＜変形例＞
以上のように本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるべきものではなく、特許請求の範囲に表現された思想および範囲を逸脱することなく、種々の変形、追加、及び省略が当業者によって可能である。

例えば、上記実施形態の電池１では、図３に示すように、導電接続部材（正極リード３０ａ及び負極リード３０ｂ）における電極端子と接合する一端において、該一端の先端に当接部３２が位置し、所定距離ｄを有して挿通孔３１が位置しているものとした場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、第一実施形態の電池１の変形例１としての電池１’は、図６に示すように、導電接続部材（正極リード３０ａ’及び負極リード３０ｂ’）における電極端子（正極端子２１ａ及び負極端子２１ｂ）と接合する一端において、該一端の先端に挿通孔３１’が位置し、所定距離ｄを有して当接部３２’が位置していてもよい。この場合、例えば、図７に示すように、正極リード３０ａ’の正極端子２１ａと接合する一端において、正極リード３０ａは、先端に位置する挿通孔３１’の周縁部で正極端子２１ａと機械的接合し、且つ、屈曲のための余裕代として先端から所定距離ｄを有した位置にある当接部３２’で正極端子２１ａと溶接接合する。

また、上記実施形態の電池１は、図２において、導電接続部材（正極リード３０ａ）を挿通孔３１から当接部３２まで屈曲させ、この屈曲部に撓みが少ない状態を示しているが、必要に応じて、図８に示すように、その屈曲部３４に所定の撓みを有するように導電接続部材（正極リード３０ａ’’）を挿通孔３１から当接部３２まで屈曲させてもよい。本実施形態において、所定の撓みとは、例えば、正極リード３０ａ’’の挿通孔３１から当接部３２までの所定距離ｄを適宜調整し、ＹＺ平面から見て、挿通孔３１から屈曲された正極リード３０ａ’’が、正極タブ１３ａと接合された正極リード３０ａの他端側に当接するほどに撓む程度のことをいう。このように屈曲部３４に所定の撓みをもたせることで、例えば、電池を使用する際に振動が加わった場合でも、屈曲部３４によって、電極板が電池容器に対して上下に移動することを抑制することができる。結果として、電池容器内で異なる極性を有する電極端子や電極板が相互に接触するおそれを回避することができ、電池の安全性を向上させることができる。

さらに、上記実施形態の電池１では、電極タブ（正極タブ１３ａ及び負極タブ１３ｂ）と、導電接続部材（正極リード３０ａ及び負極リード３０ｂ）を別部材として説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、電極タブの電極板から突出する長さを適宜調整し、電極タブを導電接続部材として用いてもよい。この場合、電極タブの電極端子と接合される先端に、挿通孔及び当接部が設けられることになる。

さらに、上記実施形態において、正極リード３０ａ及び負極リード３０ｂの両方ともに本実施形態における接合構造を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られず、正極リード３０ａ及び負極リード３０ｂのいずれか一方にのみ本実施形態における接合構造を適用したものであってもよい。

またさらに、上記実施形態では、電池容器の形状は角型として説明したが、円筒型であってもよい。同様に、積層電極体は、複数の正極板と複数の負極板とがそれぞれセパレータを介して順次積層された積層電極体（積層型積層電極体）でもよいし、１つの正極板と１つの負極板とが１つのセパレータを介して積層され且つ巻かれた状態の積層電極体（捲回型積層電極体）でもよい。また、電池として、特にリチウム二次電池を例にとって説明したが、本発明はこれに限られず、電極端子と電極板とを接続する構成を有する電池であれば他の電池に適用できることはもちろんである。

１…電池、１０…電池容器本体、１１ａ…正極板、１１ｂ…負極板、１２…セパレータ、１３ａ…正極タブ、１３ｂ…負極タブ、２０…電池蓋、２１ａ…正極端子、２１ｂ…負極端子、２２…絶縁性樹脂、３０ａ，３０ａ’，３０ａ’ ’…正極リード、３０ｂ，３０ｂ’，３０ｂ’ ’…負極リード、３１…挿通孔、３２，３３…当接部、３４…屈曲部。

Claims (5)

1. 電池容器に収容される電極板と、
   前記電池容器の蓋部に配される電極端子と、
   前記電池容器内において前記電極板と前記電極端子とを電気的に接続する導電接続部材であって、前記電極端子を挿通するための挿通孔、及び前記挿通孔から前記電極端子の端部まで屈曲されて前記端部と当接する当接部を有しており、前記挿通孔の周縁部で前記電極端子と機械的接合され、且つ、前記当接部で前記電極端子と溶接接合されている導電接続部材と、を有することを特徴とする電池。
2. 前記導電接続部材は、前記当接部において、前記電極端子の前記端部の中央領域で溶接接合されていることを特徴とする請求項１に記載の電池。
3. 前記当接部は、前記導電接続部材の先端に位置し、前記挿通孔は、前記当接部から前記屈曲のための余裕代としての所定距離を有して位置していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電池。
4. 前記導電接続部材において、前記挿通孔と前記当接部との間で前記屈曲される屈曲部は所定の撓みを有していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電池。
5. 前記溶接接合は、摩擦攪拌接合であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電池。

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