JP6398418B2 - 組電池およびタブ接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、積層方向のタブ同士を重ね合わせて接合してなる組電池に関する。

偏平な単電池を複数積層してなる組電池として特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載された組電池では、電極端子が１回または複数回折り曲げられるようにして、偏平な単電池の各々が構成されている。積層方向に隣接した偏平な単電池の折り曲げられた電極端子同士が、突き合わせ接続、重ね接続またはフランジ状の突き合わせ接続によって互いに接続されている。

特表２０１２−５２５６６５号公報

しかし、積層方向に隣接した複数の偏平な単電池において、単電池の偏平面と平行に導出した電極端子の直線部の先端から折り曲げ部をそれぞれ直角に折り曲げて、折り曲げ部同士を突き合わせるかまたは重ね合わせてレーザ溶接を行うようにすると、電極端子の折り曲げ部と単電池の本体部との間の空間にレーザ溶接用の治具を挿入する必要があり、電極端子の幅方向に沿って治具を挿入することになる。従って、上記空間を十分に確保して治具を確実に挿入するためには、電極端子の直線部を長くすることが必要となり、これにより、組電池全体が大型化する。

本発明は、タブが偏平面と平行に導出された偏平な単電池を用い、この偏平な単電池を複数積層してなる組電池において、各タブが、基部と、基部の一方の側部から折り曲げられた折り曲げ部と、を有しており、各折り曲げ部が、基部よりも突出して延びており、積層方向に隣接した複数のタブの折り曲げ部同士が、重ね合わされて互いに接合されてなる組電池を提供するものである。

本発明によれば、各タブの導出方向の先端ではなく一方の側部から折り曲げ部を折り曲げてあるので、タブ導出方向へとタブの基部を長くすることなく、さらに、タブと単電池の本体部との間の空間にレーザ溶接用の治具を挿入しなくてすむようにして、組電池の小型化が図れる。

単電池の一例としてラミネート型のリチウムイオン二次電池の概略構造を示す斜視図である。 本発明に係る組電池の第１の実施例を示す図である。 本発明に係る組電池における１つの単電池の１つのタブの初期状態を示す図である。 図３の単電池のタブを折り曲げた状態を示す図である。 図４の単電池を同図の右側から見た図である。 （Ａ）は図２の第１〜４の単電池における一方のタブの列を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）のタブの列を同図の左側から見た図である。 積層方向に重ね合わされた４つのタブ全てをレーザ溶接用クランプ装置でクランプしてレーザ溶接を行う工程を説明するための上面図である。 同じくレーザ溶接工程を示す側面図である。 本発明に係る組電池の第２の実施例を示す図である。 積層方向に重ね合わされた複数のタブの折り曲げ部全てをプレス装置で折り曲げる工程を説明するための上面図である。 積層方向に重ね合わされた複数のタブの折り曲げ部全てをプレス装置で折り曲げた後でレーザ溶接を行うことを説明するための上面図である。

図１に基づいて、本発明の組電池に用いられるフィルム外装電池の一例を説明する。図１は、フィルム外装電池の一例としてリチウムイオン二次電池１の概略構造を示しており、この二次電池１（以下、単に「単電池」という。）は、例えば、電気自動車のリチウムイオンバッテリパックを構成する単電池として用いられる。

図１に示すように、単電池１は、電極端子として一対のタブ２，２が外部に導出された状態で上下二枚のラミネートフィルム３ａ，３ｂからなる矩形状のラミネートフィルム外装体３にて収納密閉されている。ラミネートフィルム外装体３の内部には、電極としての正極ならびに負極とこれら両者の間に介在するセパレータとを複数積層してなる電池要素（発電要素）である積層体が電解液とともに収容されていて、ラミネートフィルム外装体３の四周が熱溶着により気密に封止されている。ここで、一対のタブ２，２は、一方が正極タブであり、他方が負極タブである。また、一対のタブ２，２は、単電池１の本体部の偏平面４と平行に延びている。このように構成された偏平な単電池１は、複数積層した上でそれぞれのタブ２を接合することで組電池を構成する。

ここで、以下の説明の便宜のために、タブ２の導出方向である図１のＸ方向を「タブ導出方向」と定義し、Ｘ方向と直交するＹ方向を「タブ幅方向」と定義し、さらに、Ｘ方向およびＹ方向と直交するＺ方向を「積層方向」と定義する。

図２は、本発明に係る組電池の第１の実施例を示す図である。ここで、複数積層された単電池１を上から順に第１の単電池１Ａ、第２の単電池１Ｂ、第３の単電池１Ｃ・・・とする。図２に示す例では、左側のタブの列において、第１の単電池１Ａのタブ２と第２の単電池１Ｂのタブ２とを積層方向Ｚに隣接させて配置してこれらのタブ２，２同士を互いに接合し、さらに、第２の単電池１Ｂのタブ２と第３の単電池１Ｃのタブ２とを積層方向Ｚに隣接させて配置してこれらのタブ２，２同士を互いに接合してある。そして、このような接合を第３の単電池１Ｃのタブ２および第４の単電池１Ｄのタブ２にも適用することにより、第１〜４の単電池１Ａ〜１Ｄのタブ２，２，２，２が並列接続されている。同様に、右側のタブの列において、積層方向Ｚに隣接した第１の単電池１Ａのタブ２と第２の単電池１Ｂのタブ２とを互いに接合し、さらに、積層方向Ｚに隣接した第２の単電池１Ｂのタブ２と第３の単電池１Ｃのタブ２とを互いに接合してある。そして、このような接合を第３の単電池１Ｃのタブ２および第４の単電池１Ｄのタブ２にも適用することにより、右側のタブの列においても、第１〜４の単電池１Ａ〜１Ｄのタブ２，２，２，２が並列接続されている。このようにして、組電池５が構成されている。

図３は、本発明に係る組電池における１つの単電池１の１つのタブ２の初期状態を示す図である。単電池１のタブ２が、偏平面４と平行に延びる矩形の基部２ａを備えており、矩形の折り曲げ部２ｂ，２ｂが、基部２ａの両側部２ｃ，２ｃからタブ幅方向Ｙに延びている。また、折り曲げ部２ｂ，２ｂは、単電池１の本体部からタブ導出方向Ｘに離間した位置から基部２ａの前縁２ｄよりも突出するようにしてタブ導出方向Ｘにも延びている。ここで、基部２ａの前縁２ｄと、基部２ａの前縁２ｄよりも突出した２つの折り曲げ部２ｂ，２ｂの部分とによって、単電池１の本体部とは反対側に、矩形の切り欠き部６が構成されている。また、基部２ａと各折り曲げ部２ｂとの間の境界部には、一点鎖線で示したように、折り曲げ基準線７がそれぞれ設けられている。ここで、折り曲げ基準線７は、各折り曲げ部２ｂが基部２ａの各側部２ｃから折り曲げられるときの折り曲げの開始位置となる線である。また、折り曲げ基準線７，７は、タブ導出方向Ｘに沿って互いに平行に延びている。

図４は、図３の単電池１のタブ２を折り曲げた状態を示す図である。図４に示した例では、タブ２の各折り曲げ部２ｂが、各折り曲げ基準線７を中心として、基部２ａの各側部２ｃから下方へと折り曲げられている。

図５は、図４の単電池１を同図の右側から見た図である。図５に示す例では、各折り曲げ部２ｂが、基部２ａの各側部２ｃから折り曲げ角度αで下方へとＲ曲げで折り曲げられている。つまり、左側の折り曲げ部２ｂと右側の折り曲げ部２ｂとが、基部２ａに対し左右対称となるように折り曲げ角度αで互いに折り曲げられている。ここで、左側の折り曲げ部２ｂの先端と右側の折り曲げ部２ｂの先端との間のタブ幅方向Ｙに沿った距離は、基部２ａの幅よりも大きい。また、折り曲げ角度αは、基部２ａの延長線８と折り曲げ部２ｂとがなす角度であり、９０度未満の角度に設定されている。折り曲げ角度αは、例えば８９度であり、この角度は、重ね合わされたタブの厚み等によって一義的に決定されるものである。

図６（Ａ）は、図２の第１〜４の単電池１Ａ〜１Ｄにおける一方のタブの列を示す図である。つまり、図４および図５の状態の単電池１を４つ積層したときのタブの列に対応している。なお、図６（Ａ）では、図を簡潔にするために、第１〜４の単電池１Ａ〜１Ｄの本体部が省略されている。図６（Ａ）において、第２の単電池１Ｂのタブ２の折り曲げ部２ｂ，２ｂの基部２ａに近い部分に第１の単電池１Ａのタブ２の折り曲げ部２ｂ，２ｂを重ね合わせるようにして、第１の単電池１Ａのタブ２が第２の単電池１Ｂのタブ２に積層方向Ｚに重ね合わされている。上述したように、折り曲げ部２ｂは、Ｒ曲げで折り曲げられている。従って、第２の単電池１Ｂのタブ２に対し第１の単電池１Ａのタブ２を積層方向Ｚに重ね合わせる際には、第１の単電池１Ａのタブ２の折り曲げ部２ｂ，２ｂの先端が、最初に、第２の単電池１Ｂのタブ２の折り曲げ部２ｂ，２ｂのＲ曲げ部分の双方に接触し、これらＲ曲げ部分をガイドとして第２の単電池１Ｂのタブ２の折り曲げ部２ｂ，２ｂの傾斜に沿って移動する。

また、第１の単電池１Ａのタブ２の２つの折り曲げ部２ｂ，２ｂは、基部２ａに対しタブ幅方向Ｙに多少撓むことができるように形成されている。従って、第１の単電池１Ａと第２の単電池１Ｂとがタブ幅方向Ｙにずれて積層されていたとしても、第１の単電池１Ａのタブ２は、このタブ２の２つの折り曲げ部２ｂ，２ｂの撓みによりタブ幅方向Ｙのずれを吸収し、第２の単電池１Ｂの折り曲げ部２ｂ，２ｂに追従して重ね合わされる。

また、第３の単電池１Ｃのタブ２の折り曲げ部２ｂ，２ｂの基部２ａに近い部分に第２の単電池１Ｂのタブ２の折り曲げ部２ｂ，２ｂを重ね合わせるようにして、第２の単電池１Ｂのタブ２が第３の単電池１Ｃのタブ２に積層方向Ｚに重ね合わされている。第１の単電池１Ａおよび第２の単電池１Ｂの例と同様に、第３の単電池１Ｃのタブ２に対し第２の単電池１Ｂのタブ２を積層方向Ｚに重ね合わせる際には、第２の単電池１Ｂのタブ２の折り曲げ部２ｂ，２ｂの先端が、最初に、第３の単電池１Ｃのタブ２の折り曲げ部２ｂ，２ｂのＲ曲げ部分の双方に接触し、これらＲ曲げ部分をガイドとして第３の単電池１Ｃのタブ２の折り曲げ部２ｂ，２ｂの傾斜に沿って移動する。さらに、第１の単電池１Ａおよび第２の単電池１Ｂの例と同様に、第２の単電池１Ｂと第３の単電池１Ｃとがタブ幅方向Ｙにずれて積層されていたとしても、第２の単電池１Ｂのタブ２は、このタブ２の２つの折り曲げ部２ｂ，２ｂの撓みによりタブ幅方向Ｙのずれを吸収し、第３の単電池１Ｃの折り曲げ部２ｂ，２ｂに追従して重ね合わされる。

そして、このような２つのタブ２，２同士の重ね合わせが、第３の単電池１Ｃのタブ２および第４の単電池１Ｄにも行われている。

また、第１〜４の単電池１Ａ〜１Ｄのタブ２，２，２，２を積層方向Ｚに順次重ね合わせた後に、積層方向Ｚに隣接した２つのタブ２，２の積層方向Ｚの位置ずれをそれぞれ防止するために、積層方向Ｚに隣接した２つのタブ２，２の間の各々の空間に位置ずれ防止装置９の中子部１０をそれぞれ挿入し、積層方向Ｚに隣接した２つのタブ２，２の積層方向Ｚの位置をそれぞれ固定することもできる。なお、位置ずれ防止装置９の各中子部１０は、積層方向Ｚに隣接した２つのタブ２，２がそれぞれ例えばレーザ溶接により接合された後に取り除かれる。

図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のタブ２，２，２，２を左側から見た図を示している。なお、図６（Ａ）では第１〜４の単電池１Ａ〜１Ｄの本体部を省略して示したが、図６（Ｂ）では、第１〜４の単電池１Ａ〜１Ｄの本体部を省略せずに示している。この例では、積層された第１〜４の単電池１Ａ〜１Ｄのタブ２，２，２，２が積層方向Ｚに重ね合わされている。さらに、位置ずれ防止装置９の各中子部１０が、積層方向Ｚに隣接した２つのタブ２，２の積層方向Ｚの位置をそれぞれ固定するようにして基部２ａの前縁２ｄ側からタブ２，２の間の各々の空間に挿入されている。

図７および図８は、上述のように積層方向Ｚに重ね合わされた４つのタブ２，２，２，２全てをレーザ溶接用クランプ装置１１を用いてまとめてクランプしてレーザ溶接を行う工程を説明するための図である。図７の例では、レーザ溶接用クランプ装置１１が、本体部１２と、上述した単電池１に対しタブ幅方向Ｙに移動可能な外側可動アーム１３，１３と、外側可動アーム１３，１３と対向する方向に移動可能であり、かつ外側可動アーム１３，１３とそれぞれ対となる内側可動アーム１４，１４と、を備えている。外側可動アーム１３，１３は、タブ幅方向Ｙに貫通するレーザ溶接用開口部１５，１５を備えている。

このように構成されたレーザ溶接用クランプ装置１１に単電池１をセットした状態では、内側可動アーム１４，１４の先端の双方が、切り欠き部６に配置されている。また、外側可動アーム１３と内側可動アーム１４との間に、４つのタブ２，２，２，２の折り曲げ部２ｂ，２ｂ，２ｂ，２ｂの前縁２ｄよりも突出した部分が配置されている。そして、各対の外側可動アーム１３と内側可動アーム１４とを互いに接近するようにタブ幅方向Ｙに移動することにより、４つの折り曲げ部２ｂ，２ｂ，２ｂ，２ｂの前縁２ｄよりも突出した部分全てをまとめてクランプする。

図８は、図７のレーザ溶接用クランプ装置１１を側方から見た図を示している。図８の例では、積層された第１〜４の単電池１Ａ〜１Ｄの４つのタブ２，２，２，２が積層方向Ｚに重ね合わされている。また、レーザ溶接用クランプ装置１１が、４つのタブ２，２，２，２の前縁２ｄ，２ｄ，２ｄ，２ｄ側から４つのタブ２，２，２，２の折り曲げ部２ｂ，２ｂ，２ｂ，２ｂの前縁２ｄよりも突出した部分全てをまとめてクランプしている。また、外側可動アーム１３の開口部１５が、第１の単電池１Ａのタブ２の上部に近い位置から第４の単電池１Ｄの下部に近い位置へと積層方向Ｚへと延びている。

そして、レーザ溶接用クランプ装置１１を用いて４つのタブ２，２，２，２の折り曲げ部２ｂ，２ｂ，２ｂ，２ｂの前縁２ｄよりも突出した部分全てをまとめてクランプした後に、レーザ溶接機（図示せず）を用いて、図７に矢印Ｌ１で示すように、外側可動アーム１３の開口部１５を通してレーザを照射する。次に、外側可動アーム１３の開口部１５を通して積層方向Ｚに沿ってレーザＬ１を走査し、これにより、積層方向Ｚに隣接した２つのタブ２，２同士を順次接合する。

ここで、レーザＬ１がタブ２の側部側からタブ幅方向Ｙに沿ってタブ２に照射されるので、レーザＬ１に沿った延長線上に単電池１の本体部はなく、レーザＬ１により単電池１の本体部を損傷させることはない。また、接合方法としてレーザ溶接を用いることにより、タブ２の折り曲げ部２ｂのような小さな接合対象であっても精度良く接合することができる。

図９は、本発明に係る組電池の第２の実施例を示す図である。この例では、図４および図５の状態の単電池１のタブ２の折り曲げ部２ｂ，２ｂの一部が切り欠き部６側に折り曲げられて折り曲げ先端部２ｅ，２ｅを形成するようにした単電池１が示されている。なお、図９には、図を簡潔にするために、１つのみの単電池１のタブ２における折り曲げ部２ｂ，２ｂを示しているが、実際には、単電池１が複数積層されており、さらに、これらの複数の単電池１の複数のタブ２の折り曲げ部２ｂが積層方向Ｚに重ね合わされている。

図１０および図１１は、上述のように積層方向Ｚに重ね合わされた複数のタブ２の折り曲げ部２ｂ全てをプレス装置１７を用いて折り曲げた後でレーザ溶接を行う工程を説明するための図である。図１０の例では、プレス装置１７が、上述した単電池１に対しタブ導出方向Ｘに貫通するレーザ溶接用の一対の開口部１８，１８を有した本体部１９と、該本体部１９の中央から垂直に延びる支持部２０と、を備えている。また、支持部２０は、本体部１９と平行に延びる長方形の押し当て部２１を支持しており、該押し当て部２１の端部２２，２２が、本体部１９の側壁２３，２３から押し当て部２１の端部２２，２２に向かって延びるアーム２４，２４に面している。また、プレス部２５，２５が、上述した単電池１に対しタブ幅方向Ｙに移動することができるように本体部１９とアーム２４，２４との間に配置されている。また、プレス部２５，２５は、各タブ２の折り曲げ部２ｂ，２ｂの幅分だけ押し当て部２１からタブ導出方向Ｘに離間するようにして配置されている。ここで、プレス部２５，２５には、上述した単電池１に対しタブ導出方向Ｘに貫通する開口部２６，２６がそれぞれ設けられている。また、スリット２７が、各押し当て部２１の端部２２と各アーム２４との間に設けられている。

まず、積層方向Ｚに重ね合わされた複数のタブ２の折り曲げ部２ｂ全てを、各スリット２７を通して押し当て部２１よりも突出してタブ導出方向Ｘに延びるようにして配置する。

そして、図１１に矢印で示したように、タブ幅方向Ｙにプレス部２５，２５を移動し、押し当て部２１よりもタブ導出方向Ｘに突出した折り曲げ部２ｂ，２ｂの部分に押し付けることにより、折り曲げ部２ｂ，２ｂのこれらの部分を押し当て部２１に押し当てて、押し当て部２１とプレス部２５，２５との間でタブ幅方向Ｙに沿って折り曲げる。これにより、タブ２の基部２ａの前縁２ｄと平行な２つの折り曲げ先端部２ｅ，２ｅが形成される。このとき、本体部１９の各開口部１８と各プレス部２５の各開口部２６とは、タブ導出方向Ｘに互いに整列している。

次に、矢印Ｌ２に示したように、互いに整列したこれらの開口部１８，２６の双方を通してレーザを照射する。そして、積層方向Ｚに沿ってレーザＬ２を走査し、これにより、積層方向Ｚに重ね合わされた２つのタブ２，２の折り曲げ部２ｂ，２ｂの折り曲げ先端部２ｅ，２ｅ同士が順次接合される。

上記各実施例では、単電池として、フィルム外装電池の一例としてリチウムイオン二次電池を例にとり、この二次電池を複数積層してなる組電池について説明したが、本発明の対象となる電池は必ずしもフィルム外装電池に限定されるものではない。

なお、折り曲げ基準線７，７は、上述したように互いに平行に延びているが、多少テーパ状になるように互いに傾斜して延びていてもよい。

１・・・単電池
２・・・タブ
２ａ・・・基部
２ｂ・・・折り曲げ部
２ｃ・・・側部
４・・・偏平面
５・・・組電池
６・・・切り欠き部
７・・・折り曲げ基準線

Claims (7)

1. タブが偏平面と平行に導出された偏平な単電池を用い、この偏平な単電池を複数積層してなる組電池において、
   各タブが、基部と、基部の一方の側部から折り曲げられた折り曲げ部と、を有し、
   各折り曲げ部が、基部よりも突出して延びており、
   積層方向に隣接した複数のタブの折り曲げ部同士が、重ね合わされて互いに接合されてなる組電池。
2. 各タブが、基部の他方の側部から折り曲げられた第２の折り曲げ部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の組電池。
3. 第２の折り曲げ部が基部よりも突出して延び、折り曲げ部および第２の折り曲げ部の突出した部分の間に切り欠き部が構成されていることを特徴とする請求項２に記載の組電池。
4. 折り曲げ部および第２の折り曲げ部の各々が、基部の延長線との間の角度が９０度未満となるように基部の各側部から折り曲げられていることを特徴とする請求項２または３に記載の組電池。
5. 折り曲げ部および第２の折り曲げ部が、Ｒ曲げで折り曲げられていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の組電池。
6. タブが偏平面と平行に導出された偏平な単電池を用い、この偏平な単電池を複数積層してなる組電池において、積層方向に隣接したタブ同士を接合する方法であって、
   各タブの基部の一方の側部から折り曲げ部を折り曲げる工程と、
   積層方向に隣接した複数のタブの折り曲げ部同士を重ね合わせる工程と、
   これらの重ね合わされた折り曲げ部同士を接合する工程と、
   を含み、各折り曲げ部が基部よりも突出して延びているタブ接合方法。
7. 上記接合する工程は、レーザ溶接を用いて行うことを特徴とする請求項６に記載のタブ接合方法。

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