JP6466296B2 - 電池及び電池製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電池及び電池製造方法に関する。

近年、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載する車載用二次電池、電力平準化に使用される電力貯蔵用二次電池として好適な、急速充電及び高出力放電が可能で、かつ、サイクル性能に優れた非水電解質二次電池が開発されている。

このような二次電池は、帯状の正極と負極とを、セパレータを介して捲回し扁平状にした電極群と、電極群を浸潤する電解液とが電池容器に収容された構造となっている（例えば、特許文献１参照。）。

また、この電極群の前後の両端部には、正極の集電体となる金属箔と負極の集電体となる金属箔が捲回によって重なり合って突出し、集電タブを形成している。集電タブには、電流を取り出す外部端子へと電気的に連通するリードが接続される。

リードは、発電要素の前後の端部に突出する集電タブの金属箔に重ね合わせて超音波接合により接続される。ただし、リードと集電タブの金属箔とを直接、超音波接合したのでは、薄い金属箔が破断したり、リードの位置がずれて接続されたりするおそれがある。そこで、これらの集電タブの金属箔をクリップ状の板で挟んで、リードと重ね合わせ、その上下から超音波接合を行っている。

特開２００９−２６４９０号公報

近年、二次電池の市場からは、電池のさらなる容量増大及び電流入出力性能向上の要求が高まっている。電池の容量を増加する、もしくは、入出力性能を向上させるためには、電極群を増加させる必要がある。このためには、電極群を構成する正極と負極の捲回数を増加させる必要があり、リードと接合する箇所での集電タブ枚数が増加する。すなわち、集電タブ枚数が増加しても、必要な接合強度を確保しつつリードと集電タブとを接合することが求められている。

このため、集電タブ数の多い電池でも超音波接合強度を確保できる電池及び電池製造方法が必要とされてきている。

本発明の実施形態の電池は、電解液を収容する容器と、前記容器の開口部を塞ぐ蓋と、前記容器内に長手方向に扁平状に捲回されて収納された帯状の電極と、前記電極の前記長手方向に交差する向きに延出された複数の集電タブと、前記集電タブのうち、同じ極に属する集電タブを積層させて挟むクリップ板と、前記クリップ板に挟まれた集電タブの少なくとも一方に超音波接合によって接合され、かつ前記蓋に固定された導電性のリードと、前記クリップ板に超音波接合及び加圧により凹部状に設けられ、積層された前記集電タブと前記クリップ板の総厚tに対し、前記凹部の開口縁を規定する前記クリップ板の表面の位置から前記凹部の前記集電タブに接する底面までを深さとした時に０．５ｔ〜１．５ｔの範囲の深さとなる圧痕と、前記蓋に設けられ、前記リードと接続される外部端子とを備えている。

第１の実施形態に係る電池の構成を示す斜視図。 同電池のリードと集電タブとの接続部付近を示す斜視図。 同電池のリード先端部と集電タブとの接続部の厚さと圧痕深さとの関係を模式的に示す説明図。 同電池のリード先端部と集電タブとの接続部の厚さと圧痕深さとの関係を模式的に示す説明図。 比較例における電池のリード先端部と集電タブとの接続部の厚さと圧痕深さとの関係を模式的に示す説明図。 圧痕深さと接合強度との関係を示す説明図。 第２の実施形態に係る電池のリードと集電タブとの接続部付近を示す斜視図。 第３の実施形態に係る電池のリードと集電タブとの接続部付近を示す斜視図。 第４の実施形態に係る電池のリードと集電タブとの接続部付近を示す斜視図。 第５の実施形態に係る電池のリードと集電タブとの接続部付近を示す斜視図。

図１は第１の実施形態に係る電池１０の構成を示す斜視図、図２は電池１０のリードと集電タブとの接続部付近を示す斜視図、図３は電池１０のリード先端部と集電タブとの接続部の断面形状を模式的に示す説明図、図４は電池１０のリード先端部と集電タブとの接続部の厚さと圧痕深さとの関係を模式的に示す説明図、図５は比較例における電池のリード先端部と集電タブとの接続部の厚さと圧痕深さとの関係を模式的に示す説明図、図６は圧痕深さと接合強度との関係を示す説明図である。

電池１０は、電解液を収容する金属材製（例えば、アルミニウム材あるいはアルミニウム合金等）の収容容器２０と、収容容器２０の開口部を塞ぐ蓋２１と、収容容器２０内に長手方向に扁平状に捲回されて収納された帯状の電極３０とを備えている。

蓋２１には、外部端子２２，２３が設けられている。外部端子２２，２３は、それぞれ後述する正極リード８０，負極リード９０に接続されている。

電極３０は、正電極３１及び負電極３２の２枚から構成されている。正電極３１及び負電極３２、はアルミニウム、銅、あるいはこれらの合金から形成された金属箔を帯状にして形成され、正電極３１の表面に正極材料、負電極３２の表面には負極材料が塗布されている。

正電極３１及び負電極３２には、正電極３１及び負電極３２の長手方向に交差する向きに延出された複数の集電タブ４０，５０が設けられている。

正電極３１及び負電極３２は、収容容器２０の形状に合わせて扁平状に捲回することで、複数の集電タブ４０，５０が正極リード８０，負極リード９０の長手方向に沿って位置する。

これら集電タブ４０，５０のうち、同じ極に属する集電タブ４０，５０を積層させて挟むクリップ板６０，７０が超音波接合により接合され、接続部を形成している。クリップ板６０，７０は、超音波接合の際に集電タブ４０，５０の位置がずれたり、破損したりすることを防止する機能を有している。

クリップ板６０，７０に挟まれた集電タブ４０，５０の少なくとも一方に超音波接合によって接合され、かつ蓋２１に固定された導電性の正極リード８０，負極リード９０が設けられている。

図２に示すように、クリップ板６０，７０には、それぞれ複数の圧痕６１，７１（圧痕７１は不図示）が長手方向に沿って設けられている。これら圧痕６１，７１は、超音波接合及び加圧により形成されている。

図３及び図４に示すように、圧痕６１，７１は、積層された集電タブ４０，５０とクリップ板６０，７０の総厚tに対し、０．５ｔ〜１．５ｔの範囲の深さで略角錐台の凹状に形成されている。なお、クリップ板７０はクリップ板６０と、圧痕７１は圧痕６１と、負極リード９０は正極リード８０とそれぞれ同様に設けられているため、以下はクリップ板６０，圧痕６１，正極リード８０についてのみ説明する。なお、図中ｈは、圧痕７１の深さを示している。

正極リード８０と集電タブ４０との接続時には、接続部は接合ステージＳの上に載置され、接合ツールＴによって加圧される。続いて、超音波発振器Ｕによって駆動される超音波ホーンＨから接合ツールＴに超音波振動が伝達され、集電タブ４０、クリップ板６０、正極リード８０が一括して接合される。

このとき、接続部に形成される圧痕６１は、積層されたタブとクリップ板の総厚tに対し、０．５ｔから１．５ｔの範囲の深さとなるように接合される。

図５は、圧痕Ｘを略平面状に形成するツールＱによって形成されている工程を示している。なお、他の部材については同じであるため、同一符号を付している。この図からも判るように、ツールＱでは、略角錐台の凹状の圧痕を形成しておらず、集電タブ４０の枚数が多くなった場合、下側に積層された集電タブ４０が十分に密着していない。このためツールＱから超音波を印加しても下側に積層された集電タブ４０まで接合に必要な超音波振動と加圧力が伝達されず、十分な接合力を有する超音波接合ができない。

従来の方法では、集電タブ枚数が多くなった場合に、接合性が十分確保できなくなる課題があった。この場合、従来の方法では図９に示すように、接続部を略平面状に加圧して超音波接合を行っていた。

図６は圧痕深さと接合強度の関係を求めた実験結果を表すグラフである。グラフの横軸は圧痕深さの値を、積層された集合タブとクリップ板の総厚tを用いて正規化して表示している。縦軸は接合強度の値を、比較例による接合強度の値を用いて正規化して表示している。このグラフから、本実施形態による接合強度は、圧痕深さが深くなるに従い、比較例に対して増加していることがわかる。また、外挿曲線が示すように、接合強度は極大値を示した後減少する傾向がみられる。これは、圧痕が深くなるに従って被接合部材の肉厚が減少し、その結果、接合継ぎ手としての強度が減少して接合強度が低下するためである。このため、圧痕深さは０．５ｔから１．５ｔまでの範囲が適切である。

したがって、上述した圧痕６１が形成されている場合においては、多数の集電タブ４０が積層されていても、超音波接合強度を確保することができる。

また、圧痕６１は、電極３０の長手方向に沿って複数個設けることで、接合中の超音波振動によって接続部の集電タブ４０やクリップ板６０に生じる位置ずれを防止できる。したがって、接続部を強固に保持し、位置ずれを防ぎつつ超音波振動を確実に伝達することができる。

さらに、圧痕６１は、略角錐台の凹状となっており、ホーンＨが超音波を伝達しやすい形状であると共に、ホーンＨの加工が容易であるという利点がある。

図７は第２の実施形態に係る電池１０Ａの正極リード８０と集電タブ４０との接続部付近を示す斜視図である。図７において、図２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図２においては、圧痕６１を３つ設けたが、２つの圧痕６１Ａを設けている。

本実施形態においても、上述した電池１０と同様の効果を得ることができる。

図８は第３の実施形態に係る電池１０Ｂの正極リード８０と集電タブ４０との接続部付近を示す斜視図である。図８において、図２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

電池１０Ｂにおいては、圧痕６１の代わりに略角錐の凹状の圧痕６１Ｂが形成されている。本実施の形態に係る電池１０Ｂにおいても、上述した電池１０と同様の効果を得ることができる。

図９は第４の実施形態に係る電池１０Ｃの正極リード８０と集電タブ４０との接続部付近を示す斜視図である。図９において、図２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

電池１０Ｃにおいては、圧痕６１の代わりに略円錐台の凹状の圧痕６１Ｃが形成されている。本実施の形態に係る電池１０Ｃにおいても、上述した電池１０と同様の効果を得ることができる。

図１０は第５の実施形態に係る電池１０Ｄの正極リード８０と集電タブ４０との接続部付近を示す斜視図である。図１０において、図２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

電池１０Ｄにおいては、圧痕６１の代わりに略円錐の凹状の圧痕６１Ｄが形成されている。本実施の形態に係る電池１０Ｄにおいても、上述した電池１０と同様の効果を得ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］電解液を収容する容器と、前記容器の開口部を塞ぐ蓋と、前記容器内に長手方向に扁平状に捲回されて収納された帯状の電極と、前記電極の前記長手方向に交差する向きに延出された複数の集電タブと、前記集電タブのうち、同じ極に属する集電タブを積層させて挟むクリップ板と、前記クリップ板に挟まれた集電タブの少なくとも一方に超音波接合によって接合され、かつ前記蓋に固定された導電性のリードと、前記クリップ板に超音波接合及び加圧により設けられ、積層された前記集電タブと前記クリップ板の総厚tに対し、０．５ｔ〜１．５ｔの範囲の深さとなる圧痕と、前記蓋に設けられ、前記リードと接続される外部端子とを備えている電池。
［２］前記圧痕は、前記電極の長手方向に沿って、複数設けられている［１］に記載の電池。
［３］前記圧痕は、略円錐、略角錐、略円錐台、略角錐台のいずれかの形状である［１］に記載の電池。
［４］電極の長手方向に沿って設けられると共に、前記電極の前記長手方向に交差する向きに延出された複数の集電タブを、前記長手方向に扁平状に捲回し、前記集電タブのうち、同じ極に属する集電タブを積層させてクリップ板で挟み、前記クリップ板に挟まれた集電タブの少なくとも一方と、外部端子に接続されるリードを、積層された前記集電タブと前記クリップ板の総厚tに対し、０．５ｔ〜１．５ｔの範囲の深さとなる圧痕を前記クリップ板に対し形成すると共に超音波接合し、前記電極を電解液を収容する容器内に収納する電池製造方法。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ…電池、２０…収容容器、２１…蓋、２２，２３…外部端子、３０…電極、３１…正電極、３２…負電極、４０…集電タブ、５０…集電タブ、６１，７１…圧痕、８０…正極リード、９０…負極リード、Ｔ…接合ツール、Ｓ…接合ステージ。

Claims (4)

1. 電解液を収容する容器と、
   前記容器の開口部を塞ぐ蓋と、
   前記容器内に長手方向に扁平状に捲回されて収納された帯状の電極と、
   前記電極の前記長手方向に交差する向きに延出された複数の集電タブと、
   前記集電タブのうち、同じ極に属する集電タブを積層させて挟むクリップ板と、
   前記クリップ板に挟まれた集電タブの少なくとも一方に超音波接合によって接合され、かつ前記蓋に固定された導電性のリードと、
   前記クリップ板に超音波接合及び加圧により凹部状に設けられ、積層された前記集電タブと前記クリップ板の総厚tに対し、前記凹部の開口縁を規定する前記クリップ板の表面の位置から前記凹部の前記集電タブに接する底面までを深さとした時に０．５ｔ〜１．５ｔの範囲の深さとなる圧痕と、
   前記蓋に設けられ、前記リードと接続される外部端子とを備えていることを特徴とする電池。
2. 前記圧痕は、前記電極の長手方向に沿って、複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電池。
3. 前記圧痕は、略円錐、略角錐、略円錐台、略角錐台のいずれかの形状であることを特徴とする請求項１に記載の電池。
4. 電極の長手方向に沿って設けられると共に、前記電極の前記長手方向に交差する向きに延出された複数の集電タブを、前記長手方向に扁平状に捲回し、
   前記集電タブのうち、同じ極に属する集電タブを積層させてクリップ板で挟み、
   前記クリップ板に挟まれた集電タブの少なくとも一方と、外部端子に接続されるリードを、凹部状に設けられ、積層された前記集電タブと前記クリップ板の総厚tに対し、前記凹部の開口縁を規定する前記クリップ板の表面の位置から前記凹部の前記集電タブに接する底面までを深さとした時に０．５ｔ〜１．５ｔの範囲の深さとなる圧痕を前記クリップ板に対し形成すると共に超音波接合し、
   前記電極を電解液を収容する容器内に収納することを特徴とする電池製造方法。