JP5622676B2

JP5622676B2 - 電池とタブの接続方法およびタブ

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Publication number: JP5622676B2
Application number: JP2011154378A
Authority: JP
Inventors: 大口　達也; 達也大口
Original assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Current assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2031-07-13
Also published as: JP2013020860A

Description

本発明は、複数の単電池同士を電気的に接続して組電池を構成するため、又は組電池を外部電極や保護回路に電気的に接続するために、単電池（以下単に電池と記載する）と薄板状の導電材（以下タブと記載する）とを接続する方法に関し、またその接続構造に関する。

従来から電子機器のポータブル化が進んでおり、当該電子機器の電源として電池が多用されている。また、近年では二次電池が広く利用されるようになり、携帯電話やノート型パーソナルコンピュータ等ではコードレスで長時間の動作を可能とするために、二次電池が小型であって大容量であることへの要求が増し、電動工具やハイブリッド自動車等では、これに加えて高出力であることが期待される。そこで、複数の電池を並列および／又は直列に接続して所望の出力電圧と電流が得られるように、組電池として使用することが広く行われている。

組電池を得るために複数の電池を接続するには、概略図６で示すような構成が主流である。図６において符号５１は電池であり、計１０個の電池５１が接続部材であるタブ５２でこの例の場合直列に接続されている。タブ５１は導電性の薄板状金属からなり、電池５１の正極又は負極に対し溶接箇所５２Ａにおいて溶接される。そして全ての電池５１をタブ５２により直列に接続した端部には、その一端のみを電池に溶接した一対のタブ５２Ｂが設けられ、これらが組電池５３の外部電極に接続されるか、あるいは一対のタブ５２Ｂそのものが外部電極とされる。

このような構成の組電池５３において充放電の効率を高めるには、各電池５１間を接続するタブ５２および電池５１とタブ５２との溶接部の電気抵抗を小さくすることが望まれるのは言うまでもない。また、大電流を必要とする用途に組電池が用いられた場合、電気抵抗の大きな部分が存在すると、その部分がジュール熱により発熱し、特に組電池５３が略密閉状態で容器に収納される場合には、前記発熱により内部温度が上昇して電池の劣化を早めてしまう。したがって電池５１にタブ５２を溶接する場合、所望の大きさのナゲットが大量生産においても安定して得られるような技術が求められている。

次に従来の溶接の様子を図７に基づいて説明する。図７は電池５１の正極又は負極にタブ５２が載置され、一対の溶接電極５４，５４がタブ５２を電池５１に向けて押圧しつつ溶接電極間に通電している様子を側方から見た断面図である。図中矢印で示すのが電流の流路であり、ここでは電流の方向については論じないので双方向に矢印を付してある。符号５５，５５はナゲットであり、電極５４，５４に押圧されて電池５１とタブ５２とが強く接触した部分に集中的に電流が流れ、接触抵抗による発熱で溶接の対象が溶融した溶融部である。

本図ではナゲット５５，５５が既に形成された様子を描いているが、タブ５２の溶接箇所に電池５１方向にプロジェクション（突起）を設け、より確実に電流を溶接箇所に集中させる場合もある。この場合は溶接によりプロジェクションが溶融してナゲットの一部となる。ここで、電流の流路を示す矢印は、途中で分岐しており、そのうちの一方である符号アで示す流路は溶接箇所５５，５５を通過して発熱に寄与する有効電流であるが、符号イで示す他方の流路は溶接箇所５５，５５を通過せずにタブ５２のみに流れる無効電流となる。

そして前述したように、大電流を効率的に取り出せる組電池５３を実現するために、タブ５２の素材も銅又は銅合金等の低電気抵抗の金属が採用されるようになったので、低電気抵抗であるが故に前記無効電流も流れやすくなる。したがって、無効電流の有効電流に対する比率が高くなり、溶接不足の発生等で溶接品質が不安定になる。溶接品質が不安定になれば、大電流を効率的に取り出す目的に反するという問題を抱えていた。

そこで、前記無効電流を小さくするために、図８に示すような工夫がなされてきた。図８は電池５１の正極又は負極を上方から見た平面図であり、これに載置されたタブ５６も平面図として描かれている。図中の符号５６Ａはタブ５６の一端から中央に向けて、タブ５６の長手方向に設けられたスリットであり、このスリット５６Ａの両側（図を見て上下側）にプロジェクション５６Ｂが設けられている。ここでスリット５６Ａを跨ぐようにプロジェクション５６Ｂ上に溶接電極を押し当てて通電すると、図の矢印のように無効電流イがスリット５６Ａを迂回して流れる。このように無効電流の経路を長くすることで、無効電流の有効電流に対する比率を小さくしようというものである。

さらに、無効電流を削減する工夫として、図９（ａ）で示すような技術が特許文献１に開示されている。図９（ａ）も電池５１の正極又は負極を上方から見た平面図であり、これに載置されたタブ５７も平面図として描かれている。図中の符号５７Ａ，５７Ａはタブ５７の両端から中央に向けて、タブ５７の長手方向に設けられた一対のスリットであり、タブ５７の中央には、両スリット５７Ａ，５７Ａに挟まれた断面積の小さな連結部５７Ｃが設けられている。また図８で説明した従来技術と同様に、プロジェクション５７Ｂがスリット５７Ａ，５７Ａの両側に設けられている。ここで、スリット５７Ａ，５７Ａを跨ぐように溶接電極を押し当てて通電すると、通電の初期段階で無効電流イが連結部５７Ｃを溶断し、その後無効電流イが流れることなく、有効電流のみで溶接が行われるというものである。

さらに、図９（ｂ）で示すような技術が特許文献２に開示されている。特許文献２においては、特許文献１で開示された図９（ａ）で示すようなタブ５７であった場合は、めっき処理工程等でスリットに他のタブが入り込むなどして互いに絡み合ってしまい、曲がり、捻れ等の変形、破損が多発するという問題を有するとしている。これは図８に基づいて説明した、一端から中央に向けてタブの長手方向にスリット５６Ａが設けられたタブ５６にも共通した問題である。

そこで、特許文献２が開示する技術は、図９（ｂ）で示すように、タブ５８の一端近傍から他端近傍まで、タブ５８の長手方向にスリット５８Ａを形成し、スリット５８Ａの両端とタブ５８の外形で、一対の断面積の小さな連結部５８Ｃ，５８Ｃを設けている。そして特許文献１と同様に、スリット５８Ａの両側に設けられたプロジェクション５８Ｂに対し、スリット５８Ａを跨ぐように溶接電極を押し当てて通電し、通電の初期段階で一対の連結部５８Ｃ，５８Ｃを溶断するというものである。

さらに特許文献３に記載された技術では、図１０で示すように独立した一対のタブ５９，５９を離隔させて平行に配置し、これら一対のタブ５９，５９を絶縁部材６０で保持し、この絶縁部材６０に設けた開口部に露出した一対のタブ５９，５９それぞれに溶接電極５４，５４を押し付けて電流を流すようにしている。

特開２０００−１０６１７０号公報（第３頁、図１）特開２００７−１９４０３６号公報（第４頁、図１）特開２００４−１７１８９８号公報（第１１頁、図１−３）

しかしながら、特許文献１に記載された図９（ａ）に示す技術や、特許文献２に記載された図９（ｂ）に示す技術は、溶接電極による通電の初期段階で連結部５７Ｃ又は５８Ｃを溶断しなければならないので、この溶断を実現するための所定の電流を流す必要がある。また通電開始から連結部が完全に溶断するまでの時間にばらつきが生じる。こうした場合、溶断動作中も溶接箇所への有効電流が流れているのであるから、本来溶接すべき溶接箇所の溶接電流や溶接時間がコントロール不可能となり、溶接品質もばらついてしまう。また、特許文献３に記載された図１０で示す技術においては、安定した溶接品質は得られるが、タブ５９と絶縁部材６０とを成形し、さらに両者を組み立てる手間がかかり、タブが高価なものとなってしまう。

そこで、本発明はこれらの課題を解決すべく、タブに、外形に連通したスリットを設けないようにすることで、取り扱い時のタブの変形や破損を招くことなく、またタブの生産が容易で安価であっても、安定した電池とタブとの溶接品質を得る溶接方法およびこの方法で使用するタブを提供する。

本発明は第１の態様として、複数の電池をタブを介して接続して組電池とするための電池とタブの接続方法であって、電池の電極である正極又は負極に薄板状のタブを載置し、一対の溶接電極の一方は、前記タブの表面であって第１の位置にその先端を当接させ、前記一対の溶接電極の他方は、前記タブに設けた第１の逃げ穴に挿通させて前記電池の電極にその先端を当接させ、前記一対の溶接電極に通電することで、前記第１の位置の裏面であって前記電池の電極との接触部を溶接し、一対の溶接電極の一方は、前記タブに設けた前記第１の逃げ穴とスリットを介して連設された第２の逃げ穴に挿通させて前記電池の電極にその先端を当接させ、前記一対の溶接電極の他方は、前記タブの表面であって前記第１の位置から見て前記スリットを跨いだ位置である第２の位置にその先端を当接させ、前記一対の溶接電極に通電することで、前記第２の位置の裏面であって前記電池の電極との接触部を溶接することを特徴とする電池とタブの接続方法を提供する。

これにより、溶接部に形成された、あるいは形成されつつあるナゲットを通って電池の電極とタブ間に流れる電流であって、溶接過程において形成してしまう、他の溶接箇所の溶接にとっての無効電流の経路が、第１および第２の逃げ穴の外側を回り込むことで長い経路となり、溶接の品質が向上する。

また本発明は第２の態様として、前記第１の位置の裏面の溶接と前記第２の位置の裏面の溶接を２対の溶接電極を用いて溶接し、溶接のための通電時間のうち少なくとも一部の時間は、前記２対の溶接電極に同時に通電することを特徴とする第１の態様として記載の電池とタブの接続方法を提供する。

これにより、溶接に要する時間が短縮でき、大量生産に好適な接続方法が得られる。

また本発明は第３の態様として、前記第１の位置にその先端を当接させる一方の溶接電極と、前記第２の逃げ穴に挿通させる一方の溶接電極とが同一の電極であり、且つ、前記第１の逃げ穴に挿通させる他方の溶接電極と、前記第２の位置にその先端を当接させる他方の溶接電極とが同一の電極であることを特徴とする第１の態様として記載の電池とタブの接続方法を提供する。

これにより、両方の先端を下方に向けて平行に設けられた一対の溶接電極を有する、一般的なシーズ溶接用の溶接ヘッドを用い、２回の溶接動作を順に行うことで、電池とタブとの接続作業が可能となる。

また本発明は第４の発明として、前記第１の位置および／又は前記第２の位置の裏面にプロジェクションを突説することを特徴とする第１乃至第３のいずれか１つの態様に記載の電池とタブの接続方法を提供する。

これにより、溶接すべき位置において、より溶接電流が集中するので、溶接品質を安定させることができ、また、溶接電流を低減させることが可能となる。

また本発明は第５の発明として、複数の電池を接続して組電池とするために用いるタブであって、前記タブは平面視が略長方形又は長円形の薄板状であって導電性を有する１枚の金属からなり、前記タブにおける長手方向の少なくとも一端の近傍に、前記タブの長手方向の中心線を跨ぎ、且つその位置を長手方向にずらして設けられた２箇所の逃げ穴を有し、前記２箇所の逃げ穴がスリットを介して連結されていることを特徴とするタブを提供する。

このタブを使用することにより、第１乃至第３の態様として記載の電池とタブの接続方法が実現可能となる。

また本発明は第６の態様として、前記２箇所の逃げ穴それぞれから見て前記長手方向の中心線を跨いだ位置であって、前記スリットを跨いだ２箇所のうちの、少なくとも１箇所の裏面に、プロジェクションが突設されていることを特徴とする第５の態様として記載のタブを提供する。

このタブを使用することにより、第４の態様として記載の電池とタブの接続方法が実現可能となる。

また本発明は第７の態様として、前記タブは銅板又は銅合金板にニッケルめっきが施されていることを特徴とする第５又は第６の態様として記載のタブを提供する。

このタブを使用することにより、組電池全体としての電気抵抗が低くなり、効率の良い組電池の生産が可能となる。

本発明によれば、電池の電極とタブとを抵抗溶接する際の無効電流を少なくすることができ、電気抵抗が低い素材をタブに適用しても、溶接の品質が安定する。また、本発明に係るタブは、薄板素材を型で打ち抜けば生産可能なシンプルな形状であり、外形に連通したスリットがないので、めっき処理やその他のハンドリングで曲がり、捻れ等の変形、破損が多発する心配もなく、歩留まり良く安価に生産できる。したがって、充放電効率が良く安価で品質の安定した組電池を生産することが可能となる。

本発明の実施形態に係る電池とタブの斜視図本発明の他の実施形態に係る電池とタブの斜視図本発明の他の実施形態に係る電池とタブの斜視図本発明の実施形態に係るタブの平面図本発明の他の実施形態に係るタブの平面図従来の技術を示す組電池の概略図従来の技術を示す溶接部の断面図従来の技術を示す電池とタブの平面図従来の他の技術を示す電池とタブの平面図従来の他の技術を示す電池とタブの斜視図

次に、添付図面を参照して、本発明に係る電池とタブの接続方法、およびこれに使用するタブの実施形態を詳細に説明する。図１は本発明に係る電池とタブの接合方法を示す斜視図である。図１において符号１は電池であり、１Ａは電池１の電極である。また、符号２はタブ、３はタブ２の表面の第１の位置、４はタブ２に設けた第１の逃げ穴、５はタブ２に設けた第２の逃げ穴であり、スリット６を介して第１の逃げ穴４と連設されている。さらに符号７はタブ２の表面の第２の位置であり、この第２の位置７は第１の位置３から見てスリット６を跨いだ位置である。

そして図１（ａ）のように、電池１の電極１Ａに薄板状のタブ２が載置される。図ではタブ２の一端のみに第１および第２の位置並びに第１および第２の逃げ穴が示してあるが、タブ２の他端も同様にすることで他の電池を同様に接続することができる。次に図１（ｂ）で示すように、一対の溶接電極８Ａおよび８Ｂを溶接箇所に当接させる。この一対の溶接電極８Ａ，８Ｂのうち一方の溶接電極８Ａは図１（ａ）で示したタブ２の表面の第１の位置３にその先端である下端を当接させ、他方の溶接電極８Ｂは図１（ａ）で示した第１の逃げ穴４を挿通させて電池１の電極１Ａにその先端である下端を当接させる。

そしてこの状態で一対の溶接電極８Ａ，８Ｂ間に通電すると、溶接電流は一方の溶接電極８Ａから第１の位置３の裏面であって電池１の電極１Ａとの接触部を通り、予め電池１の電極１Ａに直接当接している他方の溶接電極８Ｂに流れる。あるいはこの経路をこれとは逆の方向に流れる。これにより、第１の位置３の裏面であって電池１の電極１Ａとの接触部が接触抵抗により発熱し溶融することで、図１（ｃ）に点線で示すナゲット９が形成され溶接がなされる。

次に、図１（ｃ）で示すように一対の溶接電極８Ａ，８Ｂを移動させる。ここで一方の溶接電極８Ａは、図１（ａ）で示した第２の逃げ穴５を挿通させて電池１の電極１Ａにその先端を当接させ、他方の溶接電極８Ｂは、図１（ａ）で示したタブ２の表面の第２の位置７にその先端を当接させる。そしてこの状態で一対の溶接電極８Ａ，８Ｂ間に通電すると、溶接電流は一方の溶接電極８Ａが直接当接している電池１の電極１Ａを通り、第２の位置７の裏面であって電池１の電極１Ａとの接触部を通り、他方の電極８Ｂに流れる。あるいはこの経路をこれとは逆の方向に流れる。これにより、第２の位置７の裏面であって電池１の電極１Ａとの接触部が接触抵抗により発熱し溶融することで、ナゲットが形成され溶接がなされる。

ここで、電池１の電極１Ａに当接している一方の溶接電極８Ａと、タブ２の表面の第２の位置７に当接している他方の電極８Ｂとの間には、図１（ｂ）に基づいて説明した溶接で形成された図１（ｃ）に示すナゲット９を経由して無効電流の経路が形成されている。しかしながら、一方の溶接電極８Ａから電池１の電極１Ａを通り、ナゲット９を経由してタブ２に流れる電流が、スリット６を介して連設された第１の逃げ穴４および第２の逃げ穴５の外側を回り込まなければ他方の溶接電極８Ｂに到達しないので、この無効電流の経路が長くなり、図１（ｃ）に基づいて説明した溶接が安定して行われる。このようにして１個の電池と１枚のタブとの接続箇所に２点の溶接部が形成されるため、１点の溶接では回転方向の外力に弱いとされるスポット状の溶接が２点となり、機械的強度も満足する。

このように、図１に基づいて説明した電池の接続方法は、一対の溶接電極８Ａ，８Ｂを使用して、第１の位置３にその先端を当接させる溶接電極と第２の逃げ穴５に挿通させる溶接電極に同一の溶接電極である８Ａを用い、第１の逃げ穴４に挿通させる溶接電極と第２の位置７にその先端を当接させる溶接電極に同一の溶接電極である８Ｂを用いる。この方法は、図２のように一対の溶接電極８Ａ，８Ｂを、タブ２の長手方向に並べた場合にも同様の作用および効果を奏することは言うまでもない。つまりこの場合、第１の位置３と第２の位置７の位置が入れ替わると考えればよい。

また図３で示すように、一対の溶接電極８Ａ，８Ｂに、さらに一対の溶接電極８Ｃ，８Ｄを加えて、２対の溶接電極で溶接作業を行うことも可能である。この場合は、２対の溶接電極に対して溶接電流を同時に通電開始し、同時に通電停止してもよいし、通電時間のうち少なくとも一部の時間だけ２対の溶接電極に同時に通電してもよい。これにより、電池１とタブ２との接続に要する時間を短縮することができる。また、図１乃至図３で説明した接続方法において、第１の位置および／又は第２の位置の裏面にプロジェクション（突起）を突設することで溶接部に溶接電流を集中させ、溶接状態の安定化あるいは溶接電流の低減化を図っても良い。

次に、本発明に係るタブについて説明する。図４は図１乃至図３に基づいて説明した電池とタブの接続方法で用いたタブ２の平面図である。ここで、タブ２は導電性を有する薄板状の金属からなり、本実施形態では銅板又は銅合金板であるりん青銅の薄板を用いる。また、組電池とした後のタブ２の腐食を防ぐため、および外部回路や外部電極とのはんだ付け性を向上させるためにニッケルめっきを施してある。図４（ａ）においてタブ２の一端近傍に、タブ２の長手方向の中心線１０を跨ぎ、且つ長手方向に距離１１だけ位置をずらして２箇所の逃げ穴４および５が設けてある。そしてこれら２箇所の逃げ穴は、スリット６を介して連結されている。したがって、第１の位置３および／又は第２の位置７に形成された、あるいは形成されつつあるナゲットを介した無効電流の経路が、スリット６に阻まれ、２箇所の逃げ穴４，５の外側を回り込まねばならない。

図１（ｂ）は第１の位置３および第２の位置７の裏面にプロジェクションが突設されたタブ２を描いたものである。ここでプロジェクションは、２箇所の逃げ穴４および５のそれぞれから見て、長手方向の中心線１０を跨いだ位置であってスリット６を跨いだ２箇所に設けられる。また、プロジェクションを２箇所の両方に設けることが必須ではなく、タブ２の素材の特性および溶接条件と結果を分析することで、片方のみに設けても良いし、図４（ａ）のようにまったく設けなくても良い。図４では一端のみに逃げ穴やスリット等を描いて説明したが、両端に電池の電極を溶接する場合は、他端の形状も同様の構成とすればよい（図５も同様）。

次にタブの平面図である図５に基づき、タブの形状の変形例について説明する。図５では理解を容易にするため、図４で説明した第１の位置３および第２の位置７の両方の裏面にプロジェクションが突設されているものとして描かれている。図４では主面である表面の外形形状は、四隅が丸みを帯びた略長方形となっているが、図５（ａ）で示すように、主面の外形形状は長円形であっても良い。また、図５（ｂ）および（ｃ）で示すように、逃げ穴１５，１６，２０，２１は必ずしも円形でなくとも良く、図５（ｂ）で示すように、その一部が中心線１８に係っていても良い。また、スリット１７，２２は必ずしも２箇所の逃げ穴の中心を結ぶ線上に設けなくとも良く、斜めに設けなくとも良い。

１電池
２，１２，１４，１９タブ
３第１の位置
４第１の逃げ穴
５第２の逃げ穴
６スリット
７第２の位置
８Ａ，８Ｃ一方の溶接電極
８Ｂ，８Ｄ他方の溶接電極
９ナゲット
１０，１３，１８，２３長手方向の中心線
１１ずらしの距離

Claims

複数の電池をタブを介して接続して組電池とするための電池とタブの接続方法であって、
電池の電極である正極又は負極に薄板状のタブを載置し、
一対の溶接電極の一方は、前記タブの表面であって第１の位置にその先端を当接させ、
前記一対の溶接電極の他方は、前記タブに設けた第１の逃げ穴に挿通させて前記電池の電極にその先端を当接させ、
前記一対の溶接電極に通電することで、前記第１の位置の裏面であって前記電池の電極との接触部を溶接し、
一対の溶接電極の一方は、前記タブに設けた前記第１の逃げ穴とスリットを介して連設された第２の逃げ穴に挿通させて前記電池の電極にその先端を当接させ、
前記一対の溶接電極の他方は、前記タブの表面であって前記第１の位置から見て前記スリットを跨いだ位置である第２の位置にその先端を当接させ、
前記一対の溶接電極に通電することで、前記第２の位置の裏面であって前記電池の電極との接触部を溶接することを特徴とする電池とタブの接続方法。
前記第１の位置の裏面の溶接と前記第２の位置の裏面の溶接を２対の溶接電極を用いて溶接し、
溶接のための通電時間のうち少なくとも一部の時間は、前記２対の溶接電極に同時に通電することを特徴とする請求項１に記載の電池とタブの接続方法。
前記第１の位置にその先端を当接させる一方の溶接電極と、前記第２の逃げ穴に挿通させる一方の溶接電極とが同一の電極であり、
且つ、前記第１の逃げ穴に挿通させる他方の溶接電極と、前記第２の位置にその先端を当接させる他方の溶接電極とが同一の電極であることを特徴とする請求項１に記載の電池とタブの接続方法。
前記第１の位置および／又は前記第２の位置の裏面にプロジェクションを突設することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電池とタブの接続方法。
複数の電池を接続して組電池とするために用いるタブであって、
前記タブは平面視が略長方形又は長円形の薄板状であって導電性を有する１枚の金属からなり、
前記タブにおける長手方向の少なくとも一端の近傍に、前記タブの長手方向の中心線を跨ぎ、且つその位置を長手方向にずらして設けられた２箇所の逃げ穴を有し、
前記２箇所の逃げ穴がスリットを介して連結されていることを特徴とするタブ。
前記２箇所の逃げ穴それぞれから見て前記長手方向の中心線を跨いだ位置であって、前記スリットを跨いだ２箇所のうちの、少なくとも１箇所の裏面に、プロジェクションが突設されていることを特徴とする請求項５に記載のタブ。
前記タブは銅板又は銅合金板にニッケルめっきが施されていることを特徴とする請求項５又は６に記載のタブ。