JP6065610B2 - 蓄電装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電装置の電極とその電極との間で電気を授受する導電部材とを抵抗溶接する蓄電装置の製造方法に関する。

ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＶ（Plug in Hybrid Vehicle）などの車両には、原動機となる電動機への供給電力を蓄える蓄電装置としてリチウムイオン電池などの二次電池が搭載されている。この種の二次電池は、金属箔に負極活物質を塗布した負極電極と金属箔に正極活物質を塗布した正極電極との間をセパレータで絶縁し、これらを積層して層状とした電極組立体を有し、その電極組立体がケース内に電解液とともに収容されている。電極組立体を構成する各電極は、電極との間で電気を授受する導電部材を介してケース外に露出する正負の電極端子と電気的に接続される。そして、各電極と導電部材の接合は、例えば特許文献１に開示されるような抵抗溶接機を用いた抵抗溶接で行われる。

国際公開ＷＯ２０１０／１１０３１６号公報

抵抗溶接は、接合対象物に正負一対の溶接用電極を接触させて溶接用電極と接合対象物を通電させ、その通電によって生じる抵抗熱で接合対象物を溶融し、溶接する方式である。ところで、二次電池において電極と導電部材の抵抗溶接を行う場合、例えば電極の表面に酸化被膜などが形成されていると、その酸化被膜が抵抗となって抵抗溶接が行い難い。その結果、電極と導電部材の溶接による接合面積を十分に確保できず、溶接不良などの要因となり得る。

この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、電極と導電部材の抵抗溶接を確実に行い得る蓄電装置の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決する蓄電装置の製造方法は、端部にタブが設けられた蓄電装置用の複数の電極と、複数の前記電極との間で電気を授受する導電部材とを抵抗溶接する蓄電装置の製造方法であって、所定の枚数の前記電極を前記タブ同士が重なるように配置して前記タブ同士の新生面を接触させた接触部を形成する初期工程と、前記接触部を形成済みの前記タブと前記接触部を形成する前の所定の枚数の前記タブとを前記タブ同士が重なるように配置して、前記接触部を形成済みの前記タブと前記接触部を形成する前の所定の枚数の前記タブとの前記接触部を形成する工程を繰り返す接触部形成工程により、全ての前記タブに前記接触部が形成されており、前記接触部は、前記タブの重なり方向からみて螺旋状に配置されており、さらに前記導電部材と複数の前記タブとを重ねて、前記接触部が全て含まれる領域を溶接する溶接工程を有する。これによれば、導電部材と複数のタブを溶接する前にタブ同士を接触部によって接触させるので、その接触部によってタブ同士を繋ぐ導電経路が形成される。これにより、抵抗溶接時、タブ間において電流を流れ易くすることができる。したがって、電極と導電部材の抵抗溶接を確実に行うことができる。

また、溶接工程においてタブの溶融部位をタブの面方向及び重なり方向のそれぞれに広げることができ、電極と導電部材の溶接を良好に行うことができる。

上記製造方法において、前記接触部は、重ね合わせたタブを針状部材で刺すことによって形成することもできる。これによれば、接触部を容易に形成することができる。

本発明によれば、電極と導電部材の抵抗溶接を確実に行うことができる。

二次電池の分解斜視図。 正極電極、負極電極及びセパレータの斜視図。 一次溶接で正極集電タブ同士を溶接する様子を示す部分斜視図。 図３の溶接後に新たに正極集電タブを重ねて溶接する様子を示す部分斜視図。 一次溶接で形成された接触部を示す平面図。 接触部が形成された正極タブ群の側面図。 二次溶接の様子を示す部分斜視図。 二次溶接において溶接部が形成される様子を示す断面図。

以下、蓄電装置の製造方法を具体化した一実施形態を図１〜図８にしたがって説明する。
図１に示すように、蓄電装置としての二次電池１０は、ケース本体１１とケース本体１１の開口部１１ａを覆う蓋１２で構成された四角箱状のケース１３内に、電極組立体１４及び電解液が収容されている。電極組立体１４には、正極端子１５及び負極端子１６が電気的に接続されている。正極端子１５及び負極端子１６は、蓋１２からケース１３外に露出している。

図２に示すように、電極組立体１４は、蓄電装置の電極としての正極電極１８と負極電極１９と、正極電極１８及び負極電極１９を絶縁するセパレータ２０と、を有する。電極組立体１４は、複数の正極電極１８と複数の負極電極１９を交互に積層するとともに、正極電極１８と負極電極１９の間にセパレータ２０を介在した積層構造である。

正極電極１８は、矩形のシート状であり、正極金属箔（実施形態ではアルミニウム箔）２１の両面に正極活物質を含む正極活物質層２２を有する。正極電極１８の端部１８ａには、正極金属箔２１からなる正極集電タブ２３が設けられている。負極電極１９は、矩形のシート状であり、負極金属箔（実施形態では銅箔）２４の両面に負極活物質を含む負極活物質層２５を有する。負極電極１９の端部１９ａには、負極金属箔２４からなる負極集電タブ２６が設けられている。

図１に示すように、電極組立体１４は、各正極電極１８の正極集電タブ２３を電極組立体１４の積層方向の一端側に集約させた正極タブ群３０を有する。正極端子１５と正極タブ群３０の各正極集電タブ２３は、各正極電極１８との間で電気を授受する正極導電部材（実施形態ではアルミニウム板）３１と電気的に接続されている。また、電極組立体１４は、各負極電極１９の負極集電タブ２６を電極組立体１４の積層方向の一端側に集約させた負極タブ群３２を有する。負極端子１６と負極タブ群３２の各負極集電タブ２６は、各負極電極１９との間で電気を授受する負極導電部材（実施形態では銅板）３３と電気的に接続されている。

正極集電タブ２３と正極導電部材３１の接合、及び負極集電タブ２６と負極導電部材３３の接合には、それぞれ抵抗溶接が用いられる。抵抗溶接は、例えば、正極集電タブ２３と正極導電部材３１などの接合対象物を、正負一対の溶接用電極で挟み込んで溶着する方法である。なお、図１の符号「３４」は、抵抗溶接によって形成された溶接部である。

次に、溶接方法について作用とともに説明する。なお、以下では、正極集電タブ２３と正極導電部材３１の溶接方法について説明する。
この実施形態の溶接方法には、正極集電タブ２３同士を新生面で接触させる一次溶接と、その一次溶接後に正極集電タブ２３と正極導電部材３１を溶接する二次溶接と、を含む。一次溶接を行う工程には、初期工程と接触部形成工程を含み、二次溶接を行う工程が溶接工程となる。この実施形態において一次溶接では、二次溶接よりも小径の電極棒を用いるとともに、１度に溶接する正極集電タブ２３の枚数が少ない。また、一次溶接は、二次溶接とは異なる条件で行う。

図３及び図４に示すように、一次溶接では、正極電極１８の正極集電タブ２３を順に重ね合わせ、正極集電タブ２３を重ね合わせる毎に所定枚数単位（実施形態では２枚）で接合する。このように一次溶接では、正極集電タブ２３の重ね合わせと接合を繰り返す。

この実施形態において一次溶接の初期工程では、図３に示すように、１枚の正極電極１８の正極集電タブ２３に同極である他の１枚の正極電極１８の正極集電タブ２３を重ね合わせ、所定の枚数としての２枚の正極集電タブ２３を溶接対象として溶接用電極３７を用いて抵抗溶接を行う。これにより、初期工程において２枚の正極集電タブ２３同士が溶接によって生じる新生面で接触した接触部３５が得られる。

次に、図４に示すように、初期工程で溶接した溶接後の２枚の正極電極１８の正極集電タブ２３に、新たに所定の枚数としての１枚の正極電極１８の正極集電タブ２３を重ね合わせ、その重ね合わせた正極集電タブ２３と、当該正極集電タブ２３が直上に積層された１枚の正極集電タブ２３を溶接対象として抵抗溶接を行う。これにより、初期工程で得た接触部３５を形成済みの正極集電タブ２３に対して新たな正極集電タブ２３が溶接され、その溶接によって生じる新生面で接触した接触部３５が新たに得られる。このように接触部３５を形成済みの正極集電タブ２３に対して新たに正極集電タブ２３を溶接し、接触部３５を形成する工程が接触部形成工程となる。そして、接触部形成工程では、接触部３５を形成済みの正極集電タブ２３に対して新たに正極集電タブ２３を溶接し、接触部３５を形成する工程を繰り返す。このように一次溶接では、２枚の正極集電タブ２３同士が溶接によって生じる新生面で接触した接触部３５が得られる。新生面とは、正極集電タブ２３の酸化被膜が除かれた面である。

この実施形態において一次溶接は、正極集電タブ２３の重なり方向からみたときに所定の領域としての円形領域３６内を周回させるように２枚の正極集電タブ２３の溶接位置をずらしながら行う。そして、一次溶接は、電極組立体１４を構成する全ての正極電極１８の正極集電タブ２３を対象に行う。

図５及び図６に示すように、一次溶接を円形領域３６内において周回させるように行うと、一次溶接によって形成される複数の接触部３５は、正極集電タブ２３の重なり方向からみたときに円を描くように位置する。また、一次溶接は、正極集電タブ２３を重ねる毎に円形領域３６の周方向に位置をずらして行うので、隣り合う接触部３５は、図６に示すように正極集電タブ２３の重なり方向においても位置がずれる。このように一次溶接を行うと、複数の接触部３５は、正極集電タブ２３の面方向及び重なり方向のそれぞれに段階的に位置がずれて形成され、螺旋状に配置される。そして、この実施形態の一次溶接において接触部３５は、円形領域３６内で不連続となる位置に形成される。

なお、接触部３５は、正極集電タブ２３を順に重ね合わせて一次溶接を行うことから、最後の正極集電タブ２３を重ねて一次溶接を行った後は正極タブ群３０の表面に１つだけ現れる。そして、図６に示すように、接触部３５は、正極タブ群３０の最外に位置する正極集電タブ２３に対しては１ヶ所に形成される一方、最外の正極集電タブ２３の間に位置する正極集電タブ２３に対しては面方向において異なる２ヶ所に形成される。

一次溶接後の正極タブ群３０には、重なり合う正極集電タブ２３同士を繋ぐ導電経路が接触部３５によって形成される。そして、この正極タブ群３０に形成される導電経路は、接触部３５が正極集電タブ２３の重なり方向において位置がずれていることにより、正極タブ群３０の表面間に亘って形成される。

図７及び図８に示すように、二次溶接は、一次溶接後に正極タブ群３０（正極集電タブ２３）と正極導電部材３１を溶接対象とし、一次溶接時とは異なる溶接用電極３８を用いて行う。二次溶接に用いる溶接用電極３８は、一次溶接において接触部３５を形成した円形領域３６の径以上の径を有することが好ましい。また、二次溶接は、１回の一次溶接に比して長い時間、正極集電タブ２３と、正極導電部材３１と、溶接用電極３８とが通電状態とされる。

二次溶接では、一次溶接で得た各接触部３５における新生面同士の接触によって酸化被膜による抵抗が減少していることにより、各接触部３５を経由して電流が流れ易くなっている。このため、二次溶接において正極集電タブ２３は、溶接用電極３８の間を直線的に流れる電流と、各接触部３５を経由して流れる電流によって広範囲で加熱されるとともに溶融される。そして、各正極集電タブ２３の溶融部位が結合して溶接部３４が形成されるとともに、溶接部３４を介して正極タブ群３０（正極集電タブ２３）と正極導電部材３１が接合される。

したがって、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）一次溶接によって正極集電タブ２３同士を繋ぐ接触部３５を形成することで、重なり合う正極集電タブ２３間に電流を流れ易くすることができる。したがって、正極集電タブ２３と正極導電部材３１の抵抗溶接を確実に行うことができる。

（２）また、二次溶接時には、接触部３５の周辺部位も溶融することになるので、溶接部３４が拡大し、接合面積を広くすることができる。したがって、正極集電タブ２３と正極導電部材３１の溶接を良好に行うことができる。また、接合面積を広くすることで二次電池１０における通電経路が広くなるため、電気抵抗が低下し、高出力化に繋がる。

（３）円形領域３６内に接触部３５を形成するので、二次溶接においては正極集電タブ２３の溶融部位を中央に広げることができる。したがって、正極集電タブ２３と正極導電部材３１の溶接を良好に行うことができる。

（４）接触部３５を螺旋状に配置しているので、二次溶接において正極集電タブ２３の溶融部位を正極集電タブ２３の面方向及び重なり方向のそれぞれに広げることができる。したがって、正極集電タブ２３と正極導電部材３１の溶接を良好に行うことができる。

（５）接触部３５を溶接によって形成するので、正極集電タブ２３同士を新生面で確実に接触させることができる。したがって、正極集電タブ２３と正極導電部材３１の溶接を良好に行うことができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 正極タブ群３０を、正極導電部材３１と他の板部材で挟み、抵抗溶接を行っても良い。同様に、負極タブ群３２を、負極導電部材３３と他の板部材で挟み、抵抗溶接を行っても良い。この構成によれば、溶接用電極は、正極集電タブ２３や負極集電タブ２６の表面に直接当接せず、導電部材と板部材に当接させて抵抗溶接を行うことができる。したがって、溶接時におけるタブの破れなどを抑制できる。

○ 二次電池１０において一次溶接は正極集電タブ２３と正極導電部材３１の溶接時のみに適用し、負極集電タブ２６と負極導電部材３３の溶接には二次溶接のみを適用しても良い。また、正極集電タブ２３と正極導電部材３１の溶接、及び負極集電タブ２６と負極導電部材３３の溶接の双方において一次溶接と二次溶接を適用しても良い。

○ 一次溶接において、タブ同士の接触部３５を形成する方法を溶接とは異なる他の方法に変更しても良い。例えば、重ね合わせたタブを針状部材（例えば、図３の溶接用電極３７のように先端が細くなった部材）で刺すことによって形成しても良い。この場合、針状部材を刺したタブが破れることで、接触部を形成することができる。このような方法でも、実施形態と同様の効果を得ることができる。

○ 所定の領域の形状は、円形領域３６に代えて他の形状としても良い。例えば、四角領域や三角領域でも良い。
○ 接触部３５は、所定の領域内において不規則に位置していても良い。ただし、接触部３５は、正極タブ群３０の表面間（溶接用電極３８の当接面の間）に亘って導電経路が形成されるように配置する。この場合でも、実施形態と同様の効果を得ることができる。

○ 接触部３５によって接触されるタブの枚数を２枚以上に変更しても良い。例えば、３枚を１つの接触部３５によって接触させるようにしても良い。この場合は、一次溶接において溶接対象とするタブの枚数が増加するので、溶接効率を向上させることができる。しかし、上記実施形態の効果を得るためには、接触部３５が、タブの面方向に広がっていることが好ましいので、接触部３５の広がり具合を考慮しつつ、一次溶接におけるタブの枚数を設定すると良い。

○ 初期工程において溶接する電極の枚数を変更しても良いし、接触部形成工程において重ね合わせる電極の枚数を変更しても良い。
○ 二次電池１０は、リチウムイオン二次電池に限らず、他の二次電池であっても良い。要は、正極活物質層と負極活物質層との間をイオンが移動するとともに電荷の授受を行うものであれば良い。また、蓄電装置としてキャパシタでも良い。

○ 実施形態の二次電池１０は、車両電源装置として自動車に搭載しても良いし、産業用車両に搭載しても良い。また、定置用の蓄電装置に適用しても良い。
○ 実施形態の溶接方法は、積層型の二次電池１０に限らず、帯状の正極電極と帯状の負極電極を捲回して層状に積層した捲回型の二次電池において電極と導電部材を接合する際に適用しても良い。

１０…二次電池、１８…正極電極、１８ａ…端部、１９…負極電極、１９ａ…端部、２３…正極集電タブ、２６…負極集電タブ、３１…正極導電部材、３３…負極導電部材、３５…接触部、３６…円形領域。

Claims (2)

1. 端部にタブが設けられた蓄電装置用の複数の電極と、複数の前記電極との間で電気を授受する導電部材とを抵抗溶接する蓄電装置の製造方法であって、
   所定の枚数の前記電極を前記タブ同士が重なるように配置して前記タブ同士の新生面を接触させた接触部を形成する初期工程と、
   前記接触部を形成済みの前記タブと前記接触部を形成する前の所定の枚数の前記タブとを前記タブ同士が重なるように配置して、
   前記接触部を形成済みの前記タブと前記接触部を形成する前の所定の枚数の前記タブとの前記接触部を形成する工程を繰り返す接触部形成工程により、
   全ての前記タブに前記接触部が形成されており、前記接触部は、前記タブの重なり方向からみて螺旋状に配置されており、
   さらに前記導電部材と複数の前記タブとを重ねて、前記接触部が全て含まれる領域を溶接する溶接工程を有する蓄電装置の製造方法。
2. 前記接触部は、重ね合わせたタブを針状部材で刺すことによって形成する請求項１に記載の蓄電装置の製造方法。