JP6227756B2

JP6227756B2 - 電池用端子および電池

Info

Publication number: JP6227756B2
Application number: JP2016509814A
Authority: JP
Inventors: 浩志櫻井; 水田　政智; 政智水田
Original assignee: Automotive Energy Supply Corp
Current assignee: Automotive Energy Supply Corp
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: WO2015145715A1; JPWO2015145715A1

Description

この発明は、クラッド材を用いた電池用端子およびこの端子を用いた電池に関する。

特許文献１には、リチウムイオン電池などのフィルム外装電池において、正極側ないし負極側の端子を、２種の金属（正極端子ではアルミニウムとニッケル、負極端子では銅とニッケル）を接合したクラッド材から形成するとともに、両者の界面を覆うように端子の長さ方向の一部に樹脂層を設けた構成が開示されている。

すなわち、発電要素における正極集電体は一般にアルミニウムからなり、かつ負極集電体は一般に銅からなるので、各々の集電体に接続される内側の端部を、集電体と同一の金属材料（つまり正極端子ではアルミニウム、負極端子では銅）から構成し、他方、外部へ引き出される外側の端部を、外部端子やバスバーなどとの接続を考慮して選択される異種の金属、例えばニッケルから構成しているのである。

そして、界面を覆うように設けられる樹脂層は、フィルム状外装体に対する接着層として機能し、負極端子を両側から挟むようにして互いに接合されるフィルム状外装体の封止面が、樹脂層の上に接着される。

このようなクラッド材を用いた端子においては、２種の金属部分の接合強度を高く確保するために、両者の界面を単純な一平面（典型的には端子の長さ方向に直交する平面）とするのではなく、端子の長さ方向にも変化した立体形状とすることが望ましい。しかしながら、このように端子長さ方向に変化した立体形状の界面は、両主面ではそれぞれ端子の幅方向に延びた単純な一直線に現れるものの、端子の側面においては、端子長さ方向に拡がった形に現れることとなる。

特開２００１−１２６７０９号公報

この発明は、長さ方向の一端部を構成する第１金属と他端部を構成する第２金属とが幅方向に延びる界面を介して接合された板状のクラッド材からなる電池用端子である。

上記界面は、端子の長さ方向に沿った断面上の形状として、端子の一方の主面に現れる始点と、他方の主面に現れる終点と、これら始点および終点の位置に比較して長さ方向の一方へ片寄って位置する厚さ方向中間部における少なくとも１つの頂部と、を有している。例えば、端子の長さ方向に沿った断面上の形状として、Ｖ字形もしくはＷ字形をなしている。

そして、本発明の一つの態様においては、幅方向に延びる界面の両端が位置する端子の側縁部分が、厚さ方向に押し潰された形状をなしている。

従って、側縁部分では、厚さ方向に拡がっていた界面が１本の直線形状に近付くように押し潰された形となり、広い面積で露出している金属位置が端子の長さ方向で移動するため、大気の湿度や電解液からの距離を離すことができ、腐食速度を抑制することができる。仮に押し潰しが完全でなくても、端子側縁において実質的に露出する界面の表面積が小さくなる。

また、本発明の第２の態様においては、幅方向に延びる界面の両端が位置する端子の側縁で、始点から頂部へ向かって延びる第１の片部と終点から頂部へ向かって延びる第２の片部とが、厚さ方向に収束したものとなっている。

従って、側縁部分では、収束した分だけ、広い面積で露出している金属位置が端子の長さ方向で移動するため、大気の湿度や電解液からの距離を離すことができ、腐食速度を抑制することができる。仮に収束が完全でなくても、端子側縁において実質的に露出する界面の表面積は小さくなり、腐食面積を小さくできる。

この発明の端子が用いられるフィルム外装電池の一例を示す斜視図。同じくフィルム外装電池の断面図。この発明に係る端子の一実施例の縦断面図。図３のＡ−Ａ線に沿った横断面図。樹脂層装着前の端子の斜視図。図５のＢ−Ｂ線に沿った横断面図。側縁を潰していない母材状態を示す端子の斜視図。テーパ面の角度の説明図。正極端子に適用した場合の界面の方向と樹脂層の形成範囲との組み合わせの例を示す説明図。負極端子に適用した場合の界面の方向と樹脂層の形成範囲との組み合わせの例を示す説明図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

初めに図１および図２に基づいて、この発明による端子が用いられるフィルム外装電池１の一例を説明する。フィルム外装電池１は、例えばリチウムイオン二次電池であり、図１に示すように、偏平な長方形の外観形状を有し、長手方向の一方の端縁に、正極端子２および負極端子３を備えている。

図２に示すように、フィルム外装電池１は、発電要素４を電解液とともにラミネートフィルムからなる外装体５の内部に収容したものである。発電要素４は、それぞれシート状をなす複数の正極１１および負極２１をセパレータ３１を介して交互に積層した積層構造を有する。正極１１は、例えばアルミニウム箔からなる正極集電体１２の両面に正極活物質層１３を塗布して構成され、負極２１は、例えば銅箔からなる負極集電体２２の両面に負極活物質層２３を塗布して構成されている。なお、図における各部の寸法や正極１１，負極２２の数は必ずしも正確なものではなく、説明のために誇張したものとなっている。

負極集電体２２の長手方向の端縁の一部は、負極活物質層２３を具備しない端子接続部２２ａとして延びており、その先端に負極端子３の一端部３ａが接続されている。詳しくは、複数の負極２２の端子接続部２２ａを負極端子３の上に重ね合わせた上で、超音波溶接することによって互いに接合されている。そして、負極端子３の他端部３ｂは、外装体５の外部へ導出されている。

また図２には示されていないが、正極端子２も同様の接続構造を有しており、つまり、正極集電体１２の長手方向の端縁の一部に、正極活物質層１３を具備しない端子接続部が延長形成され、その先端に正極端子２の一端部が超音波溶接されている。そして、正極端子２の他端部は、外装体５の外部へ導出されている。

発電要素４を電解液とともに収容する外装体５は、図２に一部を拡大して示すように、熱融着層５１と金属層５２と保護層５３との三層構造の可撓性を有するラミネートフィルムからなる。中間の金属層５２は、例えばアルミニウム箔からなり、その内側面を覆う熱融着層５１は、熱融着が可能な合成樹脂例えばポリプロピレン（ＰＰ）からなり、金属層５２の外側面を覆う保護層５３は耐久性に優れた合成樹脂例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる。なお、さらに多数の層を有するラミネートフィルムを用いることもできる。また、上記の例では金属層５２の両面に合成樹脂層をラミネートしているが、金属層５２の外側の合成樹脂層は必ずしも必須のものではなく、内側表面にのみ合成樹脂層を備えた構成であってもよい。

外装体５は、一つの例では、図２の発電要素４の下面側に配置される１枚のラミネートフィルムと上面側に配置される他の１枚のラミネートフィルムとの２枚構造をなし、これら２枚のラミネートフィルムの周囲の４辺を重ね合わせ、かつ互いに熱融着した構成となっている。図示例は、このような２枚構造の外装体５を示している。また、他の一つの例として、外装体５は１枚の比較的大きなラミネートフィルムからなり、２つ折りとした状態で内側に発電要素４を配置した上で、周囲の３辺を重ね合わせ、かつ互いに熱融着した構成とすることができる。

正極端子２および負極端子３は、長方形をなすフィルム外装電池１の短辺に並んで配置されており、これら端子２，３は、外装体５となるラミネートフィルムの端縁５ａを重ね合わせて熱融着する際に、両者の接合面５ｂを通して外部へ導出されている。

詳しくは、端子２，３の長さ方向の中間部の外周面に、予め樹脂層４１が設けられており、この樹脂層４１を両側から挟み込むような形で外装体５の端縁５ａが樹脂層４１の上に接合されている。樹脂層４１としては、電解液に対する耐性ならびに接着性に優れた樹脂材料が用いられ、例えば、酸変性ポリオレフィン系樹脂が用いられる。

図３および図４は、本発明を正極端子２に適用した一実施例を示し、図３は正極端子２の長さ方向に沿った断面（縦断面）、図４は図３のＡ−Ａ線に沿った断面である。この正極端子２は、第１金属としてのアルミニウムと第２金属としての銅とが一体に接合された板状のクラッド材から構成されており、外装体５の内部で正極集電体１２に接続される長さ方向の一端部２ａがアルミニウムからなる第１金属部分６１によって構成され、かつ外装体５から外部へ導出される長さ方向の他端部２ｂが銅からなる第２金属部分６２によって構成されている。なお、本明細書では、端子２，３の導出方向である図３のｘ方向を端子２，３の「長さ方向」と呼び、ｘ方向に直交する図４のｙ方向を端子２，３の「幅方向」と呼ぶこととする。これは、必ずしもｘ方向の寸法がｙ方向の寸法よりも大きいことを意味するものではない。また図３のｚ方向を端子２，３の「厚さ方向」と呼ぶこととする。

第１金属部分６１と第２金属部分６２との界面６３は、正極端子２の長さ方向の略中間部に存在しており、従って、正極端子２の一端部２ａは厚さ方向の全体が第１金属部分６１として構成され、他端部２ｂは厚さ方向の全体が第２金属部分６２として構成されている。このように正極端子２をクラッド材とすることで、第１金属部分６１を正極集電体１２との接合に適した材料としつつ、第２金属部分６２を外部の端子やバスバー等との接合に適した材料とすることができる。例えば、上記実施例の正極端子２は、全体が銅からなる負極端子３と組み合わせて用いることができ、これにより、両端子２，３の外部に導出されている部分を同じ銅材料とすることが可能である。

界面６３は、正極端子２の幅方向の全体に亘って直線的に延びているが、２種の金属部分６１，６２の接合強度を高く確保するために、単純な一平面ではなく、図３に示すように、断面略Ｖ字形をなす立体形状の界面６３となっている。すなわち、この実施例の界面６３は、図３つまり端子２，３の長さ方向に沿った断面上の形状（Ｚ方向）として、正極端子２の第１主面６４ａに現れる始点６３ａから厚さ方向中間部へ向かって斜めに延びる第１片部６３１と、正極端子２の第２主面６４ｂに現れる終点６３ｂから厚さ方向中間部へ向かって斜めに延びる第２片部６３２と、がほぼ対称に形成され、かつ第１片部６３１と第２片部６３２とが厚さ方向中間部の頂部６３ｃで連続することで、全体として、断面略Ｖ字形をなしている。従って、端子２，３の長さ方向に関して、第１主面６４ａに現れる界面６３の始点６３ａの位置と第２主面６４ｂに現れる界面６３の終点６３ｂの位置とは、基本的に等しい位置にあり、これらの位置に比較して、Ｖ字形の頂部６３ｃが正極端子２の一端部２ａ寄りに片寄って位置している。

なお、界面６３は、Ｕ字形に近い断面形状であってもよく、あるいは、頂部６３ｃを複数有するＷ字形のような断面形状であってもよい。

上記のような界面６３のＶ字形断面形状は、図４に示す正極端子２の側縁２ｃ，２ｄ部分を除く幅方向の全体に亘って、基本的に同一の断面形状をなしている。これに対し、正極端子２の側縁２ｃ，２ｄは、図５および図６に示すように、厚さ方向に上下から押し潰されたテーパ状に形成されており、これによって、界面６３の第１片部６３１と第２片部６３２とが厚さ方向に徐々に収束していく形となっている。すなわち、２種の金属を接合したクラッド材の母材としては、図７に示すように、側面１０１にまで断面Ｖ字形の界面６３が同一断面形状で連続したものとなっているが、この側面１０１の両側のエッジ１０２，１０３を端子２，３の厚さ方向に両側からテーパ状に押し潰すことによって、最終的な正極端子２の側縁２ｃ，２ｄにそれぞれ一対のテーパ面１０４，１０５（図５参照）が形成されている。そして、このような母材の塑性変形に伴い、界面６３の第１片部６３１と第２片部６３２とは、図６に示すように徐々に収束し、最終的に１本の線に近い形となっている。また、図７に示す母材におけるエッジ１０２，１０３に沿って三角形に存在する第１金属部分６１の材料（図７に符号６１ａで示す部分の材料）が厚さ方向の中央に集められ、そして、第２金属部分６２を覆うことにより、最終的に側縁２ｃ，２ｄに現れる界面６３がより細いものとなる。理想的には、側縁２ｃ，２ｄに現れる界面６３は、細い１本の直線状の部分が長くなる。

一つの具体的な寸法例を挙げると、正極端子２は、例えば、長さが５０ｍｍ、幅が７０ｍｍ、厚さが０．２ｍｍであり、一実施例では、図８に示すように、側縁２ｃ，２ｄが１ｍｍ程度の幅Ｗ１に亘って押し潰され、各々のテーパ面１０４，１０５の角度θが７°程度のものとなっている。

なお、側縁２ｃ，２ｄにおけるエッジ１０２，１０３の押し潰し加工は、側縁２ｃ，２ｄの切断と同時に行うことも可能である。

このように、クラッド材において異種金属の接触面である界面が電解液または外気に近付くことは、腐食の観点で好ましくない。本実施例では、第１金属部分が第２金属部分を覆うことで、露出する第２金属部分との距離を離すことができ、腐食速度を抑制することができる。

また、仮に第１金属部分による第２金属部分の覆い方が完全でなくても、端子側縁において実質的に露出する界面の表面積は小さくなり、腐食面積を小さくできる。

そして、樹脂層４１は、側縁２ｃ，２ｄの加工処理の後に、樹脂材料の塗布あるいは樹脂フィルムの貼着などの適宜な方法によって正極端子２の表面に設けられる。図５の例では、境界線１０６，１０７の間の長さＬの範囲に樹脂層４１が設けられる。

ここで、側縁２ｃ，２ｄに直線状（あるいは直線に近い極狭いＶ字形）に現れる界面６３の正極端子２の長さ方向の全体を覆うように樹脂層４１を設けるか否かは、任意である。つまり、本発明においては、側縁２ｃ，２ｄにおける界面６３の正極端子２の長さ方向の全体を覆いうるように境界線１０６，１０７を設定してもよく、あるいは、側縁２ｃ，２ｄにおける界面６３の正極端子２の長さ方向の一端部が樹脂層４１から露出するように境界線１０６，１０７を設定してもよい。

上記実施例では、断面Ｖ字形をなす界面６３の頂部６３ｃが第１金属部分６１側へ向かって延びているが、逆に、第２金属部分６２側へ向かって頂部６３ｃが延びる方向に界面６３を構成してもよい。図９は、界面６３の向きと樹脂層４１の形成範囲を適宜に組み合わせた他の代表的な３つの例を示している。なお、図９では、理解を容易にするために、側縁２ｃ，２ｄのエッジ１０２，１０３を押し潰していない母材状態でもって各々の例を示している。

図９（ａ）の例は、図３〜図７で説明した実施例と同様の構成であり、界面６３の頂部６３ｃが第１金属部分６１側へ向かって延びている。そして、側縁２ｃ，２ｄにおいても界面６３の長さ方向の全体が樹脂層４１で覆われるように、樹脂層４１の境界線１０６，１０７が設定されている。この実施例においては、側縁２ｃ，２ｄを押し潰して、側縁２ｃ，２ｄにおける第２金属部分６２である銅の露出位置を第１金属部分６１側の電解液から離すことができる。仮に押し潰しが完全でなくても、表面積を小さくすることができる。

図９（ｂ）の例は、図７と比べて界面６３の向きを逆にした例である。そして、Ｖ字形をなす界面６３の頂部６３ｃ側の露出を許容するように、境界線１０６，１０７が設定されている。つまり、この例では、樹脂層４１に対し、電解液が存在する第１金属部分６１側で境界線１０６と界面６３との間の余裕が大きくなるように、境界線１０６，１０７と界面６３との相対的な位置関係が設定されている。側縁２ｃ，２ｄにおいては、界面６３の端部が外気に露出する形となるが、側縁２ｃ，２ｄを厚さ方向に押し潰すことで、外気と第１金属部分６１との距離を離すことができ、外気による露出する（潰されていない）第１金属部分６１の腐食が抑制される。仮に押し潰しが完全でなくても、実質的な表面積を小さくすることができる。

図９（ｃ）の例は、（ａ）と同様の界面６３の向きを有するものにおいて、界面６３の始点６３ａおよび終点６３ｂ側が樹脂層４１から露出することを許容するように、境界線１０６，１０７が設定されている。この例でも、（ａ）の例と同様に、第２金属である銅が電解液に接触する可能性が低くなる。この例は、特に、外気による腐食が生じにくい場合に有効である。

図９（ｄ）の例は、（ａ）の例における界面６３の向きを逆にしたものであり、側縁２ｃ，２ｄにおいても界面６３の長さ方向の全体が樹脂層４１で覆われるように、樹脂層４１の境界線１０６，１０７が設定されている。この実施例においては、側縁２ｃ，２ｄを押し潰すことで、外気による腐食の可能性が低くなる。仮に押し潰しが完全でなくても、実質的な表面積を小さくすることができる。

以上、正極端子２に本発明を適用した例を説明したが、本発明は、負極端子３においても全く同様に適用することが可能である。図１０は、負極端子３に本発明を適用したいくつかの例を示している。なお、図１０は、図９と同じく、側縁３ｃ，３ｄのエッジ１０２，１０３を押し潰していない母材状態でもって各々の例を示している。負極端子３の場合は、例えば、第１金属としての銅と第２金属としてのアルミニウムとが一体に接合された板状のクラッド材から構成され、外装体５の内部で負極集電体２２に接続される長さ方向の一端部３ａが銅からなる第１金属部分６１によって構成され、かつ外装体５から外部へ導出される長さ方向の他端部３ｂがアルミニウムからなる第２金属部分６２によって構成される。このようなクラッド材を用いた負極端子３は、例えば、全体がアルミニウムからなる正極端子２と組み合わせて用いることができ、これにより、両端子２，３の外部に導出されている部分を同じアルミニウム材料とすることが可能である。

図１０（ａ）の例は、界面６３の頂部６３ｃが銅からなる第１金属部分６１側へ向かって延びている。そして、側縁３ｃ，３ｄにおいても界面６３の長さ方向の全体が樹脂層４１で覆われるように、樹脂層４１の境界線１０６，１０７が設定されている。この実施例においては、側面１０１を押し潰し側縁３ｃ，３ｄにおける第２金属の露出位置（潰されていない部分）をずらすことで、特に、第２金属であるアルミニウムが電解液に接触する速度が遅くなる。

図１０（ｂ）の例は、図１０（ａ）の例と比べて界面６３の向きを逆にし、かつ、Ｖ字形をなす界面６３の頂部６３ｃ側を被覆する樹脂からの露出を許容するように、境界線１０６，１０７が設定された例である。つまり、この例では、長さＬを有する樹脂層４１に対し、電解液が存在する第１金属部分６１側で境界線１０６と界面６３との間の余裕が大きくなるように、境界線１０６，１０７と界面６３との相対的な位置関係が設定されている。側縁３ｃ，３ｄにおいては、界面６３の端部が外気に露出する形となるが、側縁３ｃ，３ｄを厚さ方向に押し潰すことで、外気による界面６３の腐食が抑制されている。

図１０（ｃ）の例は、図１０（ａ）と同様の界面６３の向きを有するものにおいて、界面６３の始点６３ａおよび終点６３ｂ側が樹脂層４１から露出することを許容するように、境界線１０６，１０７が設定されている。この例でも、図１０（ａ）の例と同様に、第２金属であるアルミニウムが電解液に接触する可能性が低くなる。この例は、特に、外気による界面６３での腐食が生じにくい場合に有効である。

図１０（ｄ）の例は、図１０（ａ）の例における界面６３の向きを逆にしたものであり、側縁３ｃ，３ｄにおいても界面６３の長さ方向の全体が樹脂層４１で覆われるように、樹脂層４１の境界線１０６，１０７が設定されている。この実施例においては、側面１０１を押し潰して側縁３ｃ，３ｄにおいて外気による腐食の可能性が低くなる。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば上記実施例では、クラッド材の金属材料として銅とアルミニウムとが用いられているが、他の金属材料を用いることもできる。また、図１，図２に例示したフィルム外装電池１では、外装体５の一方の端縁に一対の端子２，３が並んで配置されているが、一方の端縁に正極端子２を配置し、かつ他方の端縁に負極端子３を配置した構成の電池においても、この発明を同様に適用することが可能である。

Claims

長さ方向の一端部を構成する第１金属と他端部を構成する第２金属とが幅方向に延びる界面を介して接合された板状のクラッド材からなる電池用端子において、
上記界面は、端子の長さ方向に沿った断面上の形状として、端子の一方の主面に現れる始点と、他方の主面に現れる終点と、これら始点および終点の位置に比較して長さ方向の一方へ片寄って位置する厚さ方向中間部における少なくとも１つの頂部と、を有し、
幅方向に延びる界面の両端が位置する端子の側縁部分が、始点から頂部へ向かって延びる界面の第１の片部と終点から頂部へ向かって延びる界面の第２の片部とが厚さ方向に互いに収束するように、厚さ方向に押し潰された形状をなしている、電池用端子。
上記界面は、頂部が始点および終点の位置に比較して上記一端部側に片寄って位置するように構成されており、
端子の側縁部分では、始点と頂部との間に存在する第１金属の材料および終点と頂部との間に存在する第１金属の材料が、厚さ方向の中央に集まるように塑性変形している、請求項１に記載の電池用端子。
上記界面は、端子の長さ方向に沿った断面上の形状として、Ｖ字形もしくはＷ字形をなしている、請求項１または２に記載の電池用端子。
端子の幅方向に沿った断面において、側縁部分がテーパ状をなしている、請求項１〜３のいずれかに記載の電池用端子。
発電要素を電解液とともにフィルム状外装体内に収容してなる電池であって、請求項１〜４のいずれかに記載の端子が正極端子および負極端子の少なくとも一方に用いられ、上記端子の長さ方向の一部に樹脂層が設けられ、当該樹脂層の上に上記フィルム状外装体が接合されてなる、電池。