JP5751218B2

JP5751218B2 - 端子溶接方法

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Publication number: JP5751218B2
Application number: JP2012160074A
Authority: JP
Inventors: 丈典池田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-07-19
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2032-07-19
Also published as: JP2014022203A

Description

本発明は、非水電解質二次電池の電極体の集電箔の積層部に端子を溶接する端子溶接方法の技術に関する。

非水電解質二次電池は、例えばリチウムイオン二次電池が良く知られている。リチウムイオン二次電池は、近年、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両搭載用電源、あるいは、パソコン及び携帯端末その他の電気製品等に搭載される電源として重要性が高まっている。

リチウムイオン二次電池は、例えば、箱形の電池ケースと、電池ケースの内部に収容される電極体と、電池ケースにレーザ溶接により接合されることで電池ケースの開口部を封口する封口体（蓋体）と、から構成されている。また、リチウムイオン二次電池の電極体は、例えば、負極とセパレータと正極とを積層した状態で捲回し、さらに偏平させた捲回電極体として構成されている。

捲回電極体が電池ケースに収容されるときには、正極集電端子の脚部（端子）に、捲回電極体の正極集電体（集電箔の積層部）が溶接によって接合される。同様に、負極集電端子の脚部（端子）に、捲回電極体の負極集電体（集電箔の積層部）が溶接によって接合される。

例えば、特許文献１には、電極体の集電箔の積層部に端子を溶接する際に、被溶接部の周囲を押圧して集電箔を集箔した状態で溶接する構成が開示されている。しかし、特許文献１に開示される構成では、集電箔の積層部と端子とを超音波溶接によって接合する場合には、押圧された被溶接部の周囲に振動が伝わり、集電箔の押圧された部分の箔破れが生じる場合がある。

特開２００９−２３８６０４号公報

本発明の解決しようとする課題は、集電箔の押圧された部分の箔破れを防止できる端子溶接方法を提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、集電箔に活物質を担持した部分と、活物質を担持した部分から突出する前記集電箔が露出した部分と、を有する電極を積層して構成した電極体の、前記露出した集電箔の積層部に端子を溶接する端子溶接方法であって、前記積層部と前記端子とを溶接する際には、前記集電箔に活物質を担持した部分が積層配置された部分を押圧して拘束した状態で、前記積層部の被溶接部よりも、前記電極における前記活物質を担持した部分側を、積層方向の両側から押圧手段によって押圧して前記積層部の集電箔を集箔し、前記押圧手段は、前記集電箔が露出した部分の前記突出方向において、前記積層部の互いにずれた位置を押圧し、前記押圧手段と前記被溶接部との前記突出方向における間隔を、所定間隔以上とし、前記所定間隔を、前記集電箔に活物質を担持した部分が積層配置された部分の拘束を解除した際に前記集電箔が突っ張らない間隔に設定するものである。

本発明の端子溶接方法によれば、集電箔の押圧された部分の箔破れを防止できる。

リチウムイオン二次電池の構成を示す模式図。端子溶接工程の流れを示すフロー図。端子溶接工程の流れを示す模式図。集箔工程の構成を示す模式図。捲回電極体と箔押さえの位置関係を示す模式図。

図１を用いて、リチウムイオン二次電池１００の構成について説明する。
なお、図１では、説明を分かり易くするため、電池ケース１０と、捲回電極体２０と、蓋体３０と、を分離して模式的に表している。また、以下の説明では、図１に示す、幅方向、前後方向及び上下方向に従うものとする。

リチウムイオン二次電池１００は、電池ケース１０と、電極体としての捲回電極体２０と、蓋体３０と、を具備している。

電池ケース１０は、上面が開口された略直方体の箱体として構成されている。電池ケース１０の開口された上面は、蓋体３０によって封口される。また、電池ケース１０の内部には、捲回電極体２０が収容される。

捲回電極体２０は、負極と正極との間にセパレータが介在するように、負極と正極とセパレータとを積層した電極体を捲回し、さらに偏平させたものである。捲回電極体２０は、捲回電極体２０の軸方向と蓋体３０による電池ケース１０の開口部の封口方向とが直交するように電池ケース１０に収容される。

正極は、長尺箔状の正極集電箔の両面に正極活物質層を形成して構成されている。ただし、正極集電箔の幅方向（長尺方向と直交する方向）の一側縁部には正極活物質層が形成されておらず、正極集電箔が露出している。つまり、正極は、正極集電箔に正極活物質を担持した部分と、正極集電箔が露出している部分とを有しており、露出している部分の正極集電箔は、正極活物質を担持した部分から一側に向けて突出している。正極集電箔は、アルミニウム箔により構成されている。

負極は、長尺箔状の負極集電箔の両面に負極活物質層を形成して構成されている。ただし、負極集電箔の幅方向（長尺方向と直交する方向）の一側縁部には負極活物質層が形成されておらず、負極集電箔が露出している。つまり、負極は、負極集電箔に負極活物質を担持した部分と、負極集電箔が露出している部分とを有しており、露出している部分の負極集電箔は、負極活物質を担持した部分から一側に向けて突出している。負極集電箔は、銅箔により構成されている。

そして、正極、負極、およびセパレータにより捲回電極体２０を作製する際には、まず正極と負極とをセパレータを介して積層する。このとき、正極および負極は、正極集電箔が露出している部分と負極集電箔が露出している部分とが、正極および負極の幅方向における反対側に位置するように、また正極集電箔が露出している部分および負極集電箔が露出している部分がそれぞれセパレータの幅方向外側へはみ出すように配置される。このように積層された正極、負極、およびセパレータを巻回し、さらに得られた巻回体を側面方向から押し潰して扁平させることで、扁平状の捲回電極体２０が構成される。

このように構成される捲回電極体２０の軸方向一側の端部には、正極の正極活物質を担持した部分から突出する、正極集電箔が露出している部分が積層状態で配置されており、正極集電箔の積層部（正極集電体２１）を形成している。一方、捲回電極体２０の軸方向他側の端部には、負極の負極活物質を担持した部分から突出する、負極集電箔が露出している部分が積層状態で配置されており、負極集電箔の積層部（負極集電体２２）を形成している。

蓋体３０は、電池ケース１０の上面を封口するものである。より詳しくは、蓋体３０は、電池ケース１０の上面にレーザ溶接によって接合されることで、電池ケース１０の上面を封口するものである。すなわち、リチウムイオン二次電池１００においては、電池ケース１０の開口部に蓋体３０をレーザ溶接により接合することで、電池ケース１０の開口部が封口される。

蓋体３０の上面には、端子としての正極集電端子３１と、端子としての負極集電端子３２と、が設けられている。正極集電端子３１には、下方に延設される脚部４１が形成されている。同様に、負極集電端子３２には、下方に延設される脚部４２が形成されている。正極集電端子３１の脚部４１はアルミニウム板により構成されている。また、負極集電端子３２の脚部４２は銅板により構成されている。

捲回電極体２０が電池ケース１０に収容されるときには、正極集電端子３１の脚部４１に、捲回電極体２０の軸方向一側の端部に露出している正極集電体２１が超音波溶接により接合される。同様に、捲回電極体２０が電池ケース１０に収容されるときには、負極集電端子３２の脚部４２に、捲回電極体２０の軸方向他側の端部に露出している負極集電体２２が超音波溶接により接合される。つまり、捲回電極体２０は、正極集電端子３１及び負極集電端子３２を備えた蓋体３０と接合された状態で、電池ケース１０に収容される。

蓋体３０の上面には注液孔３３が設けられており、捲回電極体２０が正極集電端子３１及び負極集電端子３２を備えた蓋体３０と接合された状態で電池ケース１０に収容され、蓋体３０と電池ケース１０の上面とをレーザ溶接によって接合した後、注液孔３３から電解液を注入することで電池が完成する。

図２を用いて、端子溶接工程Ｓ１００の流れについて説明する。
なお、図２は、端子溶接工程Ｓ１００の流れをフローチャートによって表している。

端子溶接工程Ｓ１００は、本発明の端子溶接方法の実施形態である。端子溶接工程Ｓ１００は、捲回電極体２０の正極集電体２１に正極集電端子３１の脚部４１を、負極集電体２２に負極集電端子３２の脚部４２を、超音波溶接によって接合する工程である。端子溶接工程Ｓ１００は、拘束工程Ｓ１１０と、集箔工程Ｓ１２０と、接合工程Ｓ１３０と、拘束解除工程Ｓ１４０と、を具備している。

図３を用いて、端子溶接工程Ｓ１００の流れについてさらに説明する。
なお、図３は、端子溶接工程Ｓ１００の流れを各ステップにおいて模式的に表している。また、以下では、捲回電極体２０の正極集電体２１に正極集電端子３１の脚部４１を溶接によって接合する場合について説明する。

拘束工程Ｓ１１０は、捲回電極体２０の前後方向（厚み方向）の長さが一定寸法に収まるように、拘束板５０・５０によって前後方向の前側と後側とから捲回電極体２０（詳しくは、捲回電極体２０における、正極の正極活物質を担持した部分と負極の負極活物質を担持した部分とが積層配置された部分）を押圧して拘束する工程である。

集箔工程Ｓ１２０は、捲回電極体２０の軸方向一側の端部に露出している正極集電体２１の被溶接部（脚部４２と溶接する部分）よりも幅方向における内側（正極活物質を担持した部分側）を、押圧手段としての箔押さえ６０・６０によって前後方向の前側と後側とから（正極集電体２１の積層方向の両側から）押圧し、積層状態の正極集電体２１を集箔する工程である。また、集箔工程Ｓ１２０は、正極集電体２１を集箔した後に、捲回電極体２０の正極集電体２１の被溶接部と、正極集電端子３１の脚部４１との位置合わせを行なう工程である。

接合工程Ｓ１３０は、超音波溶接装置（図示略）のホーン７０を捲回電極体２０の正極集電体２１の被溶接部に接触させるとともに、正極集電体２１に重ね合わせた正極集電端子３１の脚部４１に超音波溶接装置（図示略）の押え部材８０を接触させて、ホーン７０と押え部材８０とで正極集電体２１および脚部４１を挟持した状態で、正極集電体２１と脚部４１とを超音波溶接によって接合する工程である。

拘束解除工程Ｓ１４０は、拘束板５０・５０による拘束、並びに、箔押さえ６０・６０の押圧を解除する工程である。

図４を用いて、集箔工程Ｓ１２０について詳細に説明する。
なお、図４の上部には、集箔工程Ｓ１２０を表す捲回電極体２０の正面図におけるＡＡ断面を表している。なお、捲回電極体２０の正極集電体２１は、複数の正極集電箔が積層された状態となっているが、図４上部のＡＡ断面図においては、最外層の正極集電箔のみを表している。

集箔工程Ｓ１２０は、上述したように、正極集電体２１の被溶接部（脚部４１を重ね合わせた部分）よりも幅方向内側の部分を、箔押さえ６０・６０によって押圧し、正極集電体２１の正極集電箔を集箔する工程である。このとき、前側（図４のＡＡ断面図における上側）から押圧する箔押さえ６０と、後側（図４のＡＡ断面図における下側）から押圧する箔押さえ６０とは、幅方向（捲回電極体２０の巻回軸方向）において、互いにずれた位置を押圧するものとする。なお、箔押さえ６０・６０により互いにずれた位置を押圧するときには、箔押さえ６０・６０の間に所定の隙間Ｔを設けて押圧することが好ましい。

集箔工程Ｓ１２０では、箔押さえ６０・６０が正極集電体２１の互いにずれた位置を押圧するため、正極集電体２１がそれぞれの箔押さえ６０によって十分に圧縮される。このとき、正極集電体２１の互いにずれた位置で押圧される部分の間には、前後方向にせん断力が作用し、正極集電体２１が確実に集箔される。

図５を用いて、集箔工程Ｓ１２０についてさらに詳細に説明する。
なお、図５の上部には、集箔工程Ｓ１２０を表す捲回電極体２０の正面図におけるＡＡ断面を表している。なお、図５上部のＡＡ断面図における正極集電体２１は、図４の場合と同様に、最外層の正極集電箔のみを表している。

集箔工程Ｓ１２０は、上述したように、正極集電体２１の被溶接部よりも幅方向内側の部分を、箔押さえ６０・６０によって押圧し、正極集電体２１の正極集電箔を集箔する工程であり、正極集電体２１に脚部４１位置合わせされた状態で接触している。

ここで、拘束解除工程Ｓ１４０において拘束板５０・５０による捲回電極体２０の拘束が解除された場合には、捲回電極体２０は元の形状（拘束される前の形状）に戻ろうとして前後方向に膨らむ（図５のＡＡ断面図の二点鎖線で示す状態）。このとき、正極集電体２１の余裕代（脚部４１と箔押さえ６０との幅方向の間隔ａ）が十分でない場合には、正極集電箔が突っ張り、破れるおそれがある。

本実施形態では、捲回電極体２０の前後方向の長さの１／２の寸法であるｘを一定とし、脚部４１と箔押さえ６０との間隔ａを所定間隔以上とすることで、正極集電体２１の余裕代を十分に確保して集電箔の突っ張りを防止する。

具体的には、拘束時の捲回電極体２０の前後方向の長さの１／２の寸法をｘとし、拘束解除後の捲回電極体２０の前後方向の長さの１／２の寸法をｅとし、脚部４１と箔押さえ６０との幅方向の間隔をａとし、正極集電体２１（未塗工部）の幅方向の長さをｂとし、脚部４１の幅方向の長さをｃとし、正極集電体２１の端側から脚部４１までの幅方向の間隔をｄとし、箔押さえ６０の幅寸法をｆとしたとき、ｘ、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、およびｆの値を、数１の関係式を満たすように設定する。

図５に示すグラフは、横軸をａとし、縦軸をｘとし、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆに具体的な数値を代入し、数１の関係式よりｘとａとの関係を表したものである。図５においては、グラフより上側の領域が、正極集電体２１の余裕代が十分に確保でき、集電箔の突っ張りを防止できる範囲である。従って、例えば、ｘが６ｍｍの場合には、ａは３ｍｍ以上である
ことが好ましい。

本実施形態では、捲回電極体２０の前後方向の長さを一定とする構成としたが、これに限定されない。例えば、捲回電極体２０の前後方向を一定圧力で拘束する場合には、捲回電極体２０の前後方向の長さが一定の範囲内でばらつくため、脚部４１と箔押さえ６０との間隔ａを十分に大きいものとすれば良い。

また、本実施形態では、捲回電極体２０の正極集電体２１の正極集電箔を集箔して、正極集電端子３１の脚部４１と超音波溶接する場合について説明したが、本実施形態の端子溶接方法は、捲回電極体２０の負極集電体２２の負極集電箔を集箔して、負極集電端子３２の脚部４２と超音波溶接する場合にも適用することが可能である。

端子溶接工程Ｓ１００の効果について説明する。
本実施形態の端子溶接工程Ｓ１００によれば、捲回電極体２０の正極集電体２１及び負極集電体２２における集電箔の、押圧されて集箔される部分の箔破れを防止できる。すなわち、集箔工程Ｓ１２０では、箔押さえ６０・６０により正極集電体２１及び負極集電体２２の集電箔を集箔する際に、箔押さえ６０・６０が正極集電体２１及び負極集電体２２の集電箔の互いにずれた位置を押圧するため、集電箔がそれぞれの箔押さえ６０によって十分に圧縮され、集電箔が確実に集箔される。

また、集箔工程Ｓ１２０では、集電端子の脚部と箔押さえ６０との間隔ａを所定範囲以上とすることで、捲回電極体２０の拘束を解除した際の正極集電体２１及び負極集電体２２における集電箔の突っ張りを防止し、集電箔が破れることを防止できる。

２０捲回電極体
２１正極集電体
２２負極集電体
３１正極集電端子
３２負極集電端子
４１脚部
４２脚部
５０拘束板
６０箔押さえ
７０ホーン
１００リチウムイオン二次電池
Ｓ１００端子溶接工程

Claims

集電箔に活物質を担持した部分と、活物質を担持した部分から突出する前記集電箔が露出した部分と、を有する電極を積層して構成した電極体の、前記露出した集電箔の積層部に端子を溶接する端子溶接方法であって、
前記積層部と前記端子とを溶接する際には、
前記集電箔に活物質を担持した部分が積層配置された部分を押圧して拘束した状態で、
前記積層部の被溶接部よりも、前記電極における前記活物質を担持した部分側を、積層方向の両側から押圧手段によって押圧して前記積層部の集電箔を集箔し、
前記押圧手段は、前記集電箔が露出した部分の前記突出方向において、前記積層部の互いにずれた位置を押圧し、
前記押圧手段と前記被溶接部との前記突出方向における間隔を、所定間隔以上とし、
前記所定間隔を、前記集電箔に活物質を担持した部分が積層配置された部分の拘束を解除した際に前記集電箔が突っ張らない間隔に設定する、
端子溶接方法。