JP5943146B2 - 二次電池の集電構造及び二次電池の集電構造形成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池の集電構造及び二次電池の集電構造形成方法に関するものである。
リチウムイオン電池を代表とする非水電解質二次電池は、エネルギーの高密度化に適しているため、携帯電話、パソコン等の小型電子機器のみならず、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、フォークリフト、ショベルカー等の移動体電源から、ＵＰＳ（無停電電源装置）、太陽光発電や風力発電の電力貯蔵等の大型蓄電池まで用途が拡大している。このような産業用途の拡大に伴って、リチウムイオン電池等の二次電池には、大容量化、大電流化が求められている。リチウムイオン電池等の二次電池は、端子の集電体に極板群から延びる複数枚の集電タブが電気的に接続された構造を備えている。このような構造の二次電池を大容量化または大電流化するためには、積層する集電タブの枚数を増やさなければない。しかし、集電タブの積層枚数を増やすと、集電タブ間や集電タブと端子との間の接続部分で発熱し易くなる。従来の二次電池では、このような集電タブの積層枚数の増加による発熱を防ぐため、集電タブと端子と間の接続部分の電気抵抗ができるだけ小さくなるように、集電タブが端子に直接接合された集電構造が採用されている。
例えば、特許文献１には、端子の集電板に形成された凹部と、当て板に形成されて集電板の凹部と嵌合する凸部との間に、集電タブを配置して、これをネジで固定することにより、集電タブを端子の集電板に直接接合する技術が開示されている。また、特許文献２には、端子の集電板と当て板との間に複数枚の集電タブを挟み、これをレーザーで溶接することにより、集電タブを端子の集電板に直接接合する技術が開示されている。さらに、特許文献３には、集電板と当て板との間に集電タブを挟み、これを摩擦攪拌接合することにより、集電タブを端子の集電板に直接接合する技術が開示されている。
また電池に用いる接合技術として、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）を用いることができることが特許文献４に開示されている。
しかしながら、引用文献１のようなネジ固定により集電タブを端子に接合する構造では、集電タブと端子間に大きな接触抵抗が生じるため、接続部分の電気抵抗が大きくなり、大電流が流れた際の電圧降下が大きくなる問題がある。
また、引用文献２のようなレーザー溶接により集電タブを端子に接続する構造では、溶接時に発生したスパッタが、セパレータを溶かしたり、電極群内に残留したりして、短絡の原因になる。その上、レーザビーム径が通常φ１ｍｍ以下と小さいため、このようなレーザー溶接を用いても、大電流を流すために十分な接合面積を得ることができない。
さらに、引用文献３のような摩擦攪拌接合を行った場合は、ネジ固定等の機械的な接合に比べて接触抵抗を小さくすることができ、またレーザー溶接による接合に比べて接合幅や接合面積を広くかつ深くすることができるため、大電流化には適しているものの、摩擦攪拌接合では回転する工具を積層された集電タブに押し付けるため、集電タブのように薄い箔を重ねて接合させる場合は箔がちぎれたり、接合部周辺にバリが発生することに加えて、接合時に集電タブがずれて接触不良を生じる問題がある。
発明者は、摩擦攪拌接合により押さえ板と、集電タブ層と集電体とを接合した場合に、接合部の抵抗値に比較的大きなバラツキが発生していることを発見した。放電電流が小さい場合には、抵抗値のバラツキも大きな問題とならない。しかし大電流を放電する大容量タイプの二次電池では、僅かな抵抗値のバラツキが端子の異常発熱を引き起こす原因となっている。
本発明の目的は、端子の集電体と複数の集電タブとの間の接合部の抵抗値を小さくできる二次電池の集電構造及び二次電池の集電構造形成方法を提供することにある。
本発明が改良の対象とする二次電池の集電構造は、集電体を有する端子と、複数枚の極板がセパレータを介して積層されてなる極板群から延びる複数枚の集電タブが積層されてなる集電タブ層と、集電体との間に集電タブ層を挟む金属製の押さえ板とを備えている。集電体と集電タブ層と押さえ板とは、摩擦攪拌接合により接合されている。ここで、摩擦攪拌接合とは、先端に突起のある円筒状の攪拌接合用回転ツールを回転させながら接合部材に押し付けて貫入させることにより生じた摩擦熱で接合部材を軟化させて、ツールの回転力で接合部周辺を塑性流動させて練り混ぜることにより接合部材同士を一体化させる方法である。
本発明の二次電池の集電構造では、押さえ板と集電タブ層と集電体とが摩擦攪拌接合により接合されて形成された１以上の攪拌接合部の表面に集電タブ層が露出していない。発明者は、摩擦攪拌接合による抵抗値のバラツキの発生原因が、攪拌接合部の状態にあるのではないかと考えて研究した結果、攪拌接合部の表面に集電タブ層が露出している場合と、露出してない場合とで、接合部の抵抗値に大きな差があることを見出した。これは集電タブ層が攪拌接合部の表面に一部でも露出している状態では、複数の集電タブが積層されているために抵抗値が大きくなっている集電タブ層の抵抗値が部分的に、攪拌接合部の抵抗値に直列的に付加挿入されることになるためであると考えられる。そして攪拌接合部の表面に集電タブ層が露出していない状態では、攪拌接合部は全て連続する塑性流動金属によって形成されることになるため、接合部の抵抗値は最も低くなるものと考えられる。この考えは、種々の実験によって確認された。したがって本発明によれば、端子の集電体と複数の集電タブとの間の接触抵抗を小さくできるので、摩擦攪拌接合による抵抗値のバラツキの発生を大幅に抑制することができる。
本発明で用いる攪拌接合部は、押さえ板側から集電体内まで延びる空間を有しており、この空間を囲む攪拌接合部の部分は、押さえ板の塑性流動金属、押さえ板と集電タブが攪拌されてなる塑性流動金属、押さえ板と集電タブと集電体が攪拌されてなる塑性流動金属及び集電タブと集電体が攪拌されてなる塑性流動金属によって、押さえ板と集電体との間に連続して形成されていることが好ましい。言い換えると、回転する攪拌接合用回転ツールによって形成された空間を囲む攪拌接合部の部分は全て塑性流動金属によって形成されている。
摩擦攪拌接合としては、工具を一点に位置決めして行うスポット式の摩擦攪拌接合及び工具を所定の方向に進行させる進行式の摩擦攪拌接合のいずれでもよい。なおスポット式の摩擦攪拌接合を用いる場合、攪拌接合部は、前述の空間の外側に形成されて該空間から離れるに従って集電タブ層に近づくように傾斜する環状の傾斜面を備えた部分を更に備えているのが好ましい。このような形状の攪拌接合部では、空間を囲む攪拌接合部の縁部周辺の塑性流動金属の厚みを厚くすることができて、攪拌接合部の縁部にバリが発生することを防止することができる。
複数の攪拌接合部を、所定の間隔をあけて形成してもよい。このように構成すると、攪拌接合部が一つの場合よりも抵抗値のバラツキの発生をさらに抑制することができる。
複数の攪拌接合部は、傾斜面の一部が隣接する他の攪拌接合部の傾斜面に重なるように形成してもよい。このように構成すると、攪拌接合部の縁部にバリが発生することをより防止することができる。
攪拌接合部は、攪拌接合用回転ツールを押し込む方向と直交する方向に攪拌接合用回転ツールを進行させることにより形成してもよい。このようにすると、攪拌接合部を大きく形成できるので、抵抗値のバラツキの発生をさらに抑制することができる。
本発明の二次電池の集電構造形成方法では、同極性の複数の極板に設けられた複数枚の集電タブからなる集電タブ層を、金属製の押さえ板と集電体との間に配置した状態で、押さえ板の上から集電体に向かって攪拌接合用回転ツールを回転させながら押し付けて攪拌接合用回転ツールの周囲の金属を塑性流動させることにより１以上の攪拌接合部を形成し、集電タブ層を集電体に接合する。そして攪拌接合用回転ツールの押し込み深さ、押し込み速度、保持時間及び回転数を、攪拌接合部の表面に集電タブ層が露出しないように定める。更に攪拌接合用回転ツールの押し込み深さ、押し込み速度、保持時間及び回転数は、攪拌接合部が、すべて塑性流動金属によって、押さえ板と集電体との間に連続して形成され、しかも極板群のセパレータの温度がシャットダウン温度以上にならないように定める。このようにすれば、摩擦攪拌接合の際に発生する熱で、セパレータが溶けてしまうことを防止することができる。なお進行式の摩擦攪拌接合を用いる場合には、拌接合用回転ツールの押し込む方向と直交する方向に攪拌接合用回転ツールを進行させる進行速度及び回転数並びに押し込み深さ、押し込み速度、保持時間を、攪拌接合部がすべて塑性流動金属によって押さえ板と集電体との間に連続して形成され、しかも極板群のセパレータの温度がシャットダウン温度以上にならないように定める。
なお押さえ板と集電体とに挟まれた部分の集電タブ層を冷却した状態で、攪拌接合用回転ツールを回転させて押し付け方向と直交する方向に移動させることが好ましい。攪拌接合用回転ツールを回転させて押し付け方向と直交する方向に移動させると攪拌接合により発生する摩擦熱が増大するおそれがある。そこで押さえ板と集電体とに挟まれた部分の集電タブ層の冷却を実施すると、摩擦熱が極板群に伝熱することを阻止するか、極板群に伝熱した熱を冷却することができるので、耐熱性の低い材料から形成されたセパレータが溶融することを阻止することができる。なお耐熱性の高いセパレータを用いる場合には、この冷却は必要がない。
以下、図面を参照して本発明の二次電池の集電構造及び二次電池の実施の形態の構成を詳細に説明する。図１は、本発明の二次電池の集電構造の第一の実施の形態を適用した非水電解液二次電池としてのリチウムイオン二次電池１の一部破断正面図である。なお、本実施の形態では、理解を容易にするため、一部の部品の厚み寸法を誇張して描いており、また極板の枚数を実際よりも少なく描いている。
［全体構成］
図１に示すように、本実施の形態のリチウムイオン二次電池１は、極板群３と、極板群３を内部に収容するステンレス製で角型の電池容器５とを備えている。電池容器５は、一方の端部が開口する電池缶７と、電池蓋９とを備えており、極板群３を電池缶７に挿入した後、電池缶７の開口周縁部と、電池蓋９の周縁部とを溶接することで密閉されている。
図１に示すように、本実施の形態のリチウムイオン二次電池１は、極板群３と、極板群３を内部に収容するステンレス製で角型の電池容器５とを備えている。電池容器５は、一方の端部が開口する電池缶７と、電池蓋９とを備えており、極板群３を電池缶７に挿入した後、電池缶７の開口周縁部と、電池蓋９の周縁部とを溶接することで密閉されている。
電池蓋９には、アルミニウム製の正極端子１１及び銅製の負極端子１３が固定されている。正極端子１１及び負極端子１３は、電池蓋９の蓋板を貫通して電池容器５の外部に突出する螺子付きの端子部１１ａ及び１３ａと、電池容器内に配置される集電体１１ｂ及び１３ｂとをそれぞれ有している。螺子付きの端子部１１ａ及び１３ａには、正極端子用ナット２１及び負極端子用ナット２３が螺合されている。正極端子１１及び負極端子１３と電池蓋９の間には、円環状の内側パッキン１５がそれぞれ設けられている。電池蓋９の外側には、電池蓋９を介して内側パッキン１５と対向する位置に、円環状の外側パッキン１７と、端子ワッシャ１９とが重ねられた状態で設けられている。正極端子１１及び負極端子１３は、内側パッキン１５、外側パッキン１７、端子ワッシャ１９を介して、ネジ部の先端に設けられた正極端子用ナット２１及び負極端子用ナット２３により、電池蓋９にそれぞれ固定されている。電池蓋９の正極端子１１及び負極端子１３が設けられた部分は、内側パッキン１５及び外側パッキン１７により、電池容器５内の密閉・封止状態を確保している。
電池蓋９には、ステンレス箔を溶接したガス排出弁９ａ及び注液口９ｂが配設されている。ガス排出弁９ａは、電池内圧上昇時にステンレス箔が開裂して内部のガスを放出する機能を有している。注液口９ｂからは、エチレンカーボネートのような環状カーボネートとジメチルカーボネートのような鎖状カーボネートとの混合溶媒に６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）または４フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）等のリチウム塩を溶解した図示しない非水電解液が注入される。
正極端子１１の集電体１１ｂには、正極側押さえ板２５と正極集電タブ層２７とが攪拌接合部２９により取り付けられている。また、負極端子１３の集電体１３ｂには、負極側押さえ板３１と負極集電タブ層３３とが攪拌接合部２９により取り付けられている。本実施の形態の正極端子１１の集電体１１ｂには、極板群３の積層方向に対向する２つの面に、正極側押さえ板２５と正極集電タブ層２７がそれぞれ取り付けられている。また、負極端子１３の集電体１３ｂには、極板群３の積層方向に対向する２つの面に、負極側押さえ板３１と負極集電タブ層３３がそれぞれ取り付けられている。
正極側押さえ板２５は、厚さ１〜３ｍｍのアルミニウム板又はアルミニウム合金板によりほぼ直方体形状に形成されている。アルミニウム合金としては例えば、工業用純アルミニウムのＡ１０５０やＡ１１００、Ａ１２００、Ａｌ−Ｃｕ系のＡ２０１７、Ａ２０２４、Ａｌ−Ｍｎ系のＡ３００３、Ａ３００４、Ａｌ−Ｓｉ系のＡ４０３２、Ａｌ−Ｍｇ系のＡ５００５、Ａ５０５２、Ａ５０８３、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のＡ６０６１、Ａ６０６３、Ａｌ−Ｚｎ系のＡ７０７５等（いずれもＪＩＳ）が挙げられる。本実施の形態では、特にバリの発生を少なくできるＡ５０８３またはＡ６０６３により正極側押さえ板２５を形成している。正極側押さえ板２５は、正極端子１１の集電体１１ｂとの間に正極集電タブ層２７を挟んだ状態で集電体１１ｂに攪拌接合部２９により取り付けられる。
負極側押さえ板３１は、厚さ１〜３ｍｍの銅板または銅合金板によりほぼ直方体形状に形成されている。本実施の形態では、特にバリの発生を少なくできる純銅系の材料である無酸素銅Ｃ１０２０により負極側押さえ板３１を形成している。銅または銅合金は、アルミニウムまたはアルミニウム合金よりもバリが発生しにくく、押さえ板の材料として好ましい。負極側押さえ板３１は、負極端子の集電体１３ｂとの間に負極集電タブ層３３を挟んだ状態で集電体１３ｂに攪拌接合部２９により取り付けられる。
図２は、電池缶７を取り除いた状態のリチウムイオン二次電池１の斜視図であり、図３は、電池缶７を取り除いた状態のリチウムイオン二次電池１の右側面図である。なお図２及び図３においては、理解を容易にするために各構成部材を模式的に示している。そのため、図２及び図３に示した各構成部材は、実際の極板群の構成部材とは、形状及び寸法等が異なる。極板群３は、複数枚の正極板３５と、複数枚の負極板３７とがセパレータ３９を介して交互に積層されて構成されている。
［正極板の構成］
正極板３５は、アルミニウム箔からなる集電タブ３５ａ付きの正極集電板３５ｂと、正極集電板３５ｂの両面に形成された図示しない正極活物質層とから構成される。アルミニウム箔は１０から４０μｍの厚みのものが好適に用いられる。アルミニウム箔が１０μｍよりも薄い場合には機械的強度や溶接に対する強度が弱く、電気抵抗や熱抵抗が大きくなるために好ましくない。また、４０μｍより厚くなると電池容器内で余分な空間を占有するため好ましくない。本実施の形態のアルミニウム箔の厚みは、２０μｍである。正極活物質層の厚みは３０μｍから１５０μｍ程度が好適である。正極活物質層は、例えばリチウムマンガン複酸化物粉末と、導電材として鱗片状黒鉛と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とを重量比８５：１０：５の割合で混合し、これに分散溶媒のＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を添加、混練したスラリを、正極集電板に塗布した後、乾燥、プレスすることにより形成することができる。正極集電板の電池蓋９に沿って延びる辺には、合剤未塗工部からなる正極集電タブ３５ａが一体に形成されている。複数の正極板３５は、同じ形状を有している。複数の正極板３５の複数の正極集電タブ３５ａを積層することにより、正極集電タブ層２７が構成される。正極集電タブ層２７は、正極端子１１の集電体１１ｂと正極側押さえ板２５との間に挟持された状態で、攪拌接合部２９により正極端子１１の集電体１１ｂに接合されている。図２及び図３に示すように本実施の形態では、複数の正極集電タブ３５ａは２分されて、２つの正極集電タブ層２７が構成されている。
正極板３５は、アルミニウム箔からなる集電タブ３５ａ付きの正極集電板３５ｂと、正極集電板３５ｂの両面に形成された図示しない正極活物質層とから構成される。アルミニウム箔は１０から４０μｍの厚みのものが好適に用いられる。アルミニウム箔が１０μｍよりも薄い場合には機械的強度や溶接に対する強度が弱く、電気抵抗や熱抵抗が大きくなるために好ましくない。また、４０μｍより厚くなると電池容器内で余分な空間を占有するため好ましくない。本実施の形態のアルミニウム箔の厚みは、２０μｍである。正極活物質層の厚みは３０μｍから１５０μｍ程度が好適である。正極活物質層は、例えばリチウムマンガン複酸化物粉末と、導電材として鱗片状黒鉛と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とを重量比８５：１０：５の割合で混合し、これに分散溶媒のＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を添加、混練したスラリを、正極集電板に塗布した後、乾燥、プレスすることにより形成することができる。正極集電板の電池蓋９に沿って延びる辺には、合剤未塗工部からなる正極集電タブ３５ａが一体に形成されている。複数の正極板３５は、同じ形状を有している。複数の正極板３５の複数の正極集電タブ３５ａを積層することにより、正極集電タブ層２７が構成される。正極集電タブ層２７は、正極端子１１の集電体１１ｂと正極側押さえ板２５との間に挟持された状態で、攪拌接合部２９により正極端子１１の集電体１１ｂに接合されている。図２及び図３に示すように本実施の形態では、複数の正極集電タブ３５ａは２分されて、２つの正極集電タブ層２７が構成されている。
［負極板の構成］
負極板３７は、電解銅箔からなる集電タブ３７ａ付きの負極集電板３７ｂと、負極集電板３７ｂの両面に形成された図示しない負極活物質層とから構成される。電解銅箔の厚みは５から２０μｍのものが好適に用いられる。負極活物質層の厚みは２０μｍから１００μｍが好適である。負極活物質層は例えば、負極活物質としての非晶質炭素粉末９０質量部に対し、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを１０質量部添加し、これに分散溶媒のＮＭＰを添加、混練したスラリを、厚さ１０μｍの電解銅箔の両面に塗布した後乾燥、プレスすることにより形成することができる。負極集電板３７ｂの電池蓋９に沿って延びる辺には、合剤未塗工部からなる負極集電タブ３７ａが一体に形成されている。この負極集電タブ３７ａは、正極板３５及び負極板３７を積層したときに、正極集電タブ３５ａと対向しないように形成されている。複数の負極板３７は、同じ形状に形成されている。複数の負極板３７の複数の負極集電タブ３７ａを積層することにより、負極集電タブ層３３が構成される。負極集電タブ層３３は、負極端子１３の集電体１３ｂと負極側押さえ板３１との間に挟持された状態で、攪拌接合部２９により負極端子１３の集電体１３ｂに接合されている。図２及び図３に示すように本実施の形態では、複数の負極集電タブ３７ａは２分されて、２つの負極集電タブ層３３が構成されている。
負極板３７は、電解銅箔からなる集電タブ３７ａ付きの負極集電板３７ｂと、負極集電板３７ｂの両面に形成された図示しない負極活物質層とから構成される。電解銅箔の厚みは５から２０μｍのものが好適に用いられる。負極活物質層の厚みは２０μｍから１００μｍが好適である。負極活物質層は例えば、負極活物質としての非晶質炭素粉末９０質量部に対し、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを１０質量部添加し、これに分散溶媒のＮＭＰを添加、混練したスラリを、厚さ１０μｍの電解銅箔の両面に塗布した後乾燥、プレスすることにより形成することができる。負極集電板３７ｂの電池蓋９に沿って延びる辺には、合剤未塗工部からなる負極集電タブ３７ａが一体に形成されている。この負極集電タブ３７ａは、正極板３５及び負極板３７を積層したときに、正極集電タブ３５ａと対向しないように形成されている。複数の負極板３７は、同じ形状に形成されている。複数の負極板３７の複数の負極集電タブ３７ａを積層することにより、負極集電タブ層３３が構成される。負極集電タブ層３３は、負極端子１３の集電体１３ｂと負極側押さえ板３１との間に挟持された状態で、攪拌接合部２９により負極端子１３の集電体１３ｂに接合されている。図２及び図３に示すように本実施の形態では、複数の負極集電タブ３７ａは２分されて、２つの負極集電タブ層３３が構成されている。
セパレータ３９は、例えばリチウムイオンが通過可能なポリエチレン製の多孔質材によりほぼ長方形形状のシート状に形成されている。
なお、図３においては、図示を簡単にするために、６枚の正極板と６枚の負極板と１２枚のセパレータのみが示されているが、１００Ａｈ程度の容量を想定した本実施の形態のリチウムイオン二次電池１では、実際には、数百枚の正極板と数百枚の負極板と数百枚のセパレータが積層されて極板群３が構成されている。また本実施の形態では、負極側の集電構造は、正極側の集電構造の構造と同じ構造を有している。そこで図３乃至図９については、括弧内に負極側の構成部材の符号を付して負極側の集電構造の図示を省略する。
［攪拌接合部の構成と形成方法］
図４は、本実施の形態の正極側の攪拌接合部２９の断面を模式的に示す図である。なお理解を容易にするために断面を示すハッチングは省略してある。本実施の形態の攪拌接合部２９は、スポット状に形成されており、正極側押さえ板２５側から正極端子１１の集電体１１ｂの内部まで延びる空間Ｓを備えた接合本体部４１と、接合本体部４１と連続して空間Ｓの外側に形成された環状の傾斜面部４３とを備えている。
図４は、本実施の形態の正極側の攪拌接合部２９の断面を模式的に示す図である。なお理解を容易にするために断面を示すハッチングは省略してある。本実施の形態の攪拌接合部２９は、スポット状に形成されており、正極側押さえ板２５側から正極端子１１の集電体１１ｂの内部まで延びる空間Ｓを備えた接合本体部４１と、接合本体部４１と連続して空間Ｓの外側に形成された環状の傾斜面部４３とを備えている。
接合本体部４１は、正極側押さえ板２５側から正極端子１１の集電体１１ｂに向かって延びる筒状壁部４１ａと、筒状壁部４１ａの集電体１１ｂ側の端部に連続して形成されて筒状壁部４１ａの他端を塞ぐ略ドーム形状の底部４１ｂとから構成されている。筒状壁部４１ａの内部に形成される空間Ｓは、断面が略円柱形状となるように形成されており、正極側押さえ板２５側に開口部４１ｃを有している。この接合本体部４１は、正極側押さえ板２５の塑性流動金属からなる部分４２Ａ、正極側押さえ板２５と正極集電タブ３５ａが攪拌されてなる塑性流動金属からなる部分４２Ｂ、正極側押さえ板２５と正極集電タブ３５ａと正極端子１１の集電体１１ｂが攪拌されてなる塑性流動金属からなる部分４２Ｃ及び正極集電タブ３５ａと正極端子１１の集電体１１ｂが攪拌されてなる塑性流動金属からなる部分４２Ｄによって形成されている。このような形状の接合本体部４１は、図５（Ｂ）に示す攪拌接合用回転ツール５１の押し込み深さ、押し込み速度、保持時間及び回転数を、攪拌接合部２９が、すべて塑性流動金属によって正極側押さえ板２５と正極端子１１の集電体１１ｂとの間に全体的に連続して形成され、しかも極板群３のセパレータ３９の温度がシャットダウン温度以上にならないように設定された結果として形成されている。そのため本実施の形態の接合本体部４１の空間Ｓ内に露出する表面には、正極集電タブ層２７が露出していない。攪拌接合部２９の表面に正極集電タブ層２７が露出していない状態では、攪拌接合部２９は全て連続する塑性流動金属によって形成されることになる。そのため接合本体部４１によって形成される接合部の抵抗値は最も低くなるものと考えられる。したがって本実施の形態によれば、端子の集電体と複数の集電タブとの間の接触抵抗を小さくできるので、摩擦攪拌接合による抵抗値のバラツキの発生を大幅に抑制することができる。
接合本体部４１と連続して形成される環状の傾斜面部４３は、図５（Ｂ）に示す形状の攪拌接合用回転ツール５１を用いた結果として、正極側押さえ板２５の塑性流動金属によって形成されている。またこの攪拌接合用回転ツール５１を用いると、環状の傾斜面部４３の径方向外側に、正極側押さえ板２５が塑性流動することにより環状の凸部４５が形成される。特に本実施の形態の傾斜面部４３は、接合本体部４１の開口部４１ｃを中心とする環状に形成されており、空間Ｓから（開口部４１ｃから）離れるに従って正極集電タブ層２７に近づくように傾斜する。そのため傾斜面部４３の内縁部周辺の塑性流動金属の厚みが厚くなり、傾斜面部４３の外縁部に流れる塑性流動金属が少ない状態となる。そのため、傾斜面部４３の外縁に形成されたバリの原因となる環状の凸部４５が、正極側押さえ板２５の表面から突出する寸法が小さくなっている。理想的には、この環状の凸部４５はバリとならないように形成されているのが好ましい。したがって攪拌接合を行う際に使用するツールの形状、ツールの押し込み深さ、押し込み速度、保持時間及び回転数は、環状の凸部４５がバリとならないように定めるのが好ましい。なおバリになるような環状の凸部４５は、後加工でカットすることも可能である。
負極側の攪拌接合部２９も、正極側の攪拌接合部２９と同様に形成されているので、説明は省略する。
次に図５を参照して、本実施の形態の二次電池の集電構造の形成方法について説明する。まず、図５（Ａ）に示すように、正極集電タブ層２７を、正極側押さえ板２５と正極端子１１の集電体１１ｂとの間に配置する。次に図５（Ｂ）に示すように、正極側押さえ板２５の上から正極端子１１に向かって攪拌接合用回転ツール５１を回転させながら押し付けて、正極側押さえ板２５、正極集電タブ３５ａ及び正極端子１１の集電体１１ｂの攪拌接合用回転ツール５１の周囲にある部分を順番に塑性流動させる。本実施の形態の攪拌接合用回転ツール５１は、切頭円錐形状を有する柱状部５３と、傾斜面形成部５５とを備えている。柱状部５３は、正極押さえ板２５側から正極端子１１内まで延びる長さを有している。傾斜面形成部５５は、柱状部５３の一端の基部５３ａと一体に設けられた基部５５ａとこの基部５５ａから柱状部５３に沿って延びて周方向に直交する方向の横断面形状がほぼ三角形状を有する環状部分５５ｂとを有している。柱状部５３及び傾斜面形成部５５の形状は、攪拌接合用回転ツール５１の押し付け力及び回転速度に応じて適宜の形状を採用することができる。
攪拌接合用回転ツール５１の押し込み深さ、押し込み速度、保持時間及び回転数は、塑性流動金属によって正極側押さえ板２５と集電体１１ｂとの間に連続する攪拌接合部２９を形成することができ、しかも極板群３のセパレータ３９の温度がシャットダウン温度以上にならないように設定されている。本実施の形態では、１０００ｒｐｍで回転する攪拌接合用回転ツールが、正極側押さえ板の上から正極端子に向かって、押し込み深さ４．３ｍｍ、押し込み速度は１００ｍｍ／分で保持時間８秒間押し付けた。このような条件で、攪拌接合部２９は、すべて塑性流動金属によって、正極側押さえ板２５と集電体１１ｂとの間に連続して形成された。その結果、攪拌接合部２９の表面に正極集電タブ層２７が露出しない構造が得られた。またこの条件であれば、摩擦攪拌接合の際に発生する熱で、セパレータ３９が溶けてしまうことを防止することができた。なお、この条件であれば、被接合物の材質、攪拌接合用回転ツールの形状によって、適宜に変更する必要があるのは勿論である。負極側の集電構造も同様に形成することができる。負極側は、回転数１０００ｒｐｍ、押し込み深さ４．７ｍｍ、押し込み速度２０ｍｍ/分で保持時間２秒間押し付けた。
特に本実施の形態の攪拌接合用回転ツール５１は、傾斜面形成部５５を有しているので、回転する攪拌接合用回転ツール５１が回転することにより軟化して塑性流動化した正極側押さえ板２５の塑性流動金属は、図５（Ｃ）において矢印で示すように、攪拌接合用回転ツール５１の柱状部５３の基部５３ａに向かって流動するとともに、傾斜面形成部５５の径方向外側にも一部が流動する。傾斜面形成部５５の形状によって、傾斜面部４３の内縁部周辺の塑性流動金属の厚みが厚くなり、傾斜面部４３の外縁部に流れる塑性流動金属が少ない状態となる。そのため、傾斜面部４３の外縁に形成された凸部４５が、正極側押さえ板２５の表面から突出する寸法が小さくなって、バリの発生原因となることを抑制している。
図６は、本発明の二次電池の集電構造を適用した第二の実施の形態のリチウムイオン二次電池１０１の一部破断正面図である。また図７は、正極側の攪拌接合部１２９の断面を模式的に示す図である。なお、第２の実施の形態においては、第１の実施の形態と同様の部材に、図１乃至図５に付した符号の数に１００の数を加えた符号を付して説明を省略する。第二の実施の形態では、図６及び図７に示すように、正極側押さえ板１２５と正極集電タブ層１２７は、所定の間隔を空けて形成された３つの攪拌接合部１２９により正極端子１１１の集電体１１１ｂに取り付けられている。このような集電構造は、攪拌接合用回転ツールを所定の間隔を空けて正極側押さえ板１２５に押し付けることにより形成することができる。
図８は、本発明の二次電池の集電構造を適用した第三の実施のリチウムイオン二次電池の正極側の攪拌接合部２２９の断面を模式的に示す図である。なお、第三の実施の形態においては、図１の実施の形態と同様の部材に、図１乃至図５に付した符号の数に２００の数を加えた符号を付して説明を省略する。第三の実施の形態においても、正極側押さえ板２２５と正極集電タブ層２２７は、３つの攪拌接合部２２９により正極端子の集電体２１１ｂに取り付けられている。特に本実施の形態では、３つの攪拌接合部２２９は、傾斜面部２４３の一部が隣接する他の攪拌接合部２２９の傾斜面部２４３に重なるように形成されている。そのため、隣接する攪拌接合部２２９のうち、先に形成された一方の攪拌接合部２２９の傾斜面部２４３の外縁の凸部２４５の一部は、隣接する攪拌接合部２２９を形成する際に軟化して塑性流動するため、バリの発生率が少なくなる。
図９は、本発明の二次電池の集電構造を適用した第四の実施の形態のリチウムイオン二次電池の正極側の攪拌接合部３２９の断面を模式的に示す図である。なお、第四の実施の形態においては、図１の実施の形態と同様の部材に、図１乃至図５に付した符号に３００の数を加えた符号を付して説明を省略する。第四の実施の形態においては、攪拌接合部３２９は、塑性流動金属が細長く延びた形状を有している。また、攪拌接合部３２９の一端には、攪拌接合用回転ツールの引き抜きにより空間Ｓが形成されている。このような集電構造でも、攪拌接合部はすべて塑性流動金属によって押さえ板と集電体との間に連続して形成されており、接合部の表面に集電タブは露出していない。本実施の形態の集電構造は、攪拌接合用回転ツールを押し付け方向と直交する方向に移動させて、最後に攪拌接合用回転ツールを引き抜くことにより形成する。なお本実施の形態では、押し付け方向と直交する方向に攪拌接合用回転ツールの押し込み深さ及び押し込み速度並びに直交する方向に進行させる進行速度及び回転数は、攪拌接合部が、すべて塑性流動金属によって、押さえ板と集電体との間に連続して且つ集電タブ層が露出せず、しかも極板群のセパレータの温度がシャットダウン温度以上にならないように定められている。しかしながら連続して攪拌接合部を形成する場合には、どうしても摩擦熱が増大するため、安全のためには、押さえ板と集電体とに挟まれた部分の集電タブ層を冷却した状態で、攪拌接合を実施するのが好ましい。このように冷却を併用すると、攪拌接合により発生する摩擦熱が増大しても、その熱が極板群中のセパレータに伝わってセパレータが溶融することを阻止することができる。なお冷却は、上記第１乃至第３の実施の形態において併用してもよいのは勿論である。セパレータとして耐熱性の高いものを使用する場合には、発熱をあまり気にする必要がないことは勿論である。
上記実施の形態は、本発明をリチウムイオン二次電池の集電構造に適用したものであるが、その他の二次電池にも適用することができるのは勿論である。
本発明によれば、攪拌接合部の表面に集電タブ層が露出しないので、複数の集電タブが積層されているために抵抗値が大きくなっている集電タブ層の抵抗値が部分的に、攪拌接合部の抵抗値に直列的に付加挿入されることがない。そのため、端子の集電体と複数の集電タブとの間の接触抵抗を小さくできるので、摩擦攪拌接合による抵抗値のバラツキの発生を大幅に抑制することができる。
１ リチウムイオン二次電池
３ 極板群
５ 電池容器
７ 電池缶
９ 電池蓋
９ａ ガス排出弁
９ｂ 注液口
１１ 正極端子
１１ａ 端子部
１１ｂ 集電体
１３ 負極端子
１３ａ 端子部
１３ｂ 集電体
１５ 内側パッキン
１７ 外側パッキン
１９ 端子ワッシャ
２１ 正極端子用ナット
２３ 負極端子用ナット
２５ 正極側押さえ板
２７ 正極集電タブ層
２９ 攪拌接合部
３１ 負極側押さえ板
３３ 負極集電タブ層
３５ 正極板
３５ａ 正極集電タブ
３７ 負極板
３７ａ 負極集電タブ
３９ セパレータ
４１ 接合本体部
４１ａ 筒状壁部
４１ｂ 底部
４１ｃ 開口部
４３ 傾斜面部
４５ 凸部
５１ 攪拌接合用回転ツール
５３ 柱状部
５５ 傾斜面形成部
Ｓ 空間
３ 極板群
５ 電池容器
７ 電池缶
９ 電池蓋
９ａ ガス排出弁
９ｂ 注液口
１１ 正極端子
１１ａ 端子部
１１ｂ 集電体
１３ 負極端子
１３ａ 端子部
１３ｂ 集電体
１５ 内側パッキン
１７ 外側パッキン
１９ 端子ワッシャ
２１ 正極端子用ナット
２３ 負極端子用ナット
２５ 正極側押さえ板
２７ 正極集電タブ層
２９ 攪拌接合部
３１ 負極側押さえ板
３３ 負極集電タブ層
３５ 正極板
３５ａ 正極集電タブ
３７ 負極板
３７ａ 負極集電タブ
３９ セパレータ
４１ 接合本体部
４１ａ 筒状壁部
４１ｂ 底部
４１ｃ 開口部
４３ 傾斜面部
４５ 凸部
５１ 攪拌接合用回転ツール
５３ 柱状部
５５ 傾斜面形成部
Ｓ 空間
Claims (13)
- 集電体を有する端子と、複数枚の極板がセパレータを介して積層されてなる極板群から延びる複数枚の集電タブが積層されてなる集電タブ層と、前記集電体との間に前記集電タブ層を挟む金属製の押さえ板とを備え、前記集電体と前記集電タブ層と前記押さえ板とが摩擦攪拌接合により接合されている二次電池の集電構造であって、
前記押さえ板と前記集電タブ層と前記集電体とが前記摩擦攪拌接合により接合されて形成された１以上の攪拌接合部の表面に前記集電タブ層が露出していないことを特徴とする二次電池の集電構造。 - 前記攪拌接合部は、前記押さえ板側から前記集電体内まで延びる空間を有しており、
前記空間を囲む前記攪拌接合部の部分は、前記押さえ板の塑性流動金属、前記押さえ板と前記集電タブが攪拌されてなる塑性流動金属、前記押さえ板と前記集電タブと前記集電体が攪拌されてなる塑性流動金属及び前記集電タブと前記集電体が攪拌されてなる塑性流動金属によって、前記押さえ板と前記集電体との間に連続して形成されている請求項１に記載の二次電池の集電構造。 - 前記攪拌接合部は、スポット状に形成されており、前記空間の外側に形成されて前記空間から離れるに従って前記集電タブ層に近づくように傾斜する環状の傾斜面を備えた部分を更に備えている請求項２に記載の二次電池の集電構造。
- 複数の前記攪拌接合部が、所定の間隔をあけて形成されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二次電池の集電構造。
- 複数の前記攪拌接合部が、所定の間隔をあけて形成されており、
前記複数の攪拌接合部は、前記傾斜面の一部が隣接する他の攪拌接合部の傾斜面に重なるように形成されている請求項３に記載の二次電池の集電構造。 - 前記攪拌接合部は、前記塑性流動金属が細長く延びた形状を有している請求項２に記載の二次電池の集電構造。
- 同極性の複数の極板に設けられた複数枚の集電タブからなる集電タブ層を、金属製の押さえ板と集電体との間に配置した状態で、前記押さえ板の上から前記集電体に向かって攪拌接合用回転ツールを回転させながら押し付けて前記攪拌接合用回転ツールの周囲の金属を塑性流動させることにより１以上の攪拌接合部を形成し、前記集電タブ層を前記集電体に接合する二次電池の集電構造形成方法であって、
前記攪拌接合用回転ツールの押し込み深さ、押し込み速度、保持時間及び回転数を、前記攪拌接合部の表面に前記集電タブ層が露出しないように定めたことを特徴とする二次電池の集電構造形成方法。 - 前記攪拌接合用回転ツールの押し込み深さ、押し込み速度、保持時間及び回転数は、前記攪拌接合部が、すべて塑性流動金属によって、前記押さえ板と前記集電体との間に連続して形成され、しかも極板群のセパレータの温度がシャットダウン温度以上にならないように定められている請求項７に記載の二次電池の集電構造形成方法。
- 前記攪拌接合用回転ツールの押し込む方向と直交する方向に前記攪拌接合用回転ツールを進行させる進行速度及び回転数並びに押し込み深さ、押し込み速度、保持時間は、前記攪拌接合部が、すべて塑性流動金属によって、前記押さえ板と前記集電体との間に連続して形成され、しかも極板群のセパレータの温度がシャットダウン温度以上にならないように定められている請求項７に記載の二次電池の集電構造形成方法。
- 前記攪拌接合用回転ツールの形状は、前記攪拌接合部の中央に前記押さえ板側から前記集電体内まで延びる空間を形成し、さらに前記空間の外側に前記空間から離れるに従って前記集電タブ層に近づくように傾斜する環状の傾斜面を形成するように定められている請求項７乃至９に記載の二次電池の集電構造形成方法。
- 前記攪拌接合用回転ツールを所定の間隔をあけて前記押さえ板に押し付けて複数の前記攪拌接合部を所定の間隔を空けて形成する請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の二次電池の集電構造形成方法。
- 前記攪拌接合用回転ツールを押し付け方向と直交する方向に移動させて前記攪拌接合部を形成する請求項７に記載の二次電池の集電構造形成方法。
- 前記押さえ板と前記集電体とに挟まれた部分の前記集電タブ層を冷却した状態で、前記攪拌接合用回転ツールを回転させる請求項１２に記載の二次電池の集電構造形成方法。
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