JP6610989B2 - 蓄電素子、及び蓄電素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属部材同士が超音波接合された蓄電素子、及び蓄電素子の製造方法に関する。

従来から、金属部材同士を超音波溶接して角形電池を製造する方法が知られている（特許文献１参照）。この製造方法では、例えば、金属製の正極又は負極と、金属製の集電体とが超音波溶接される。

前記角形電池が、例えば、車両等に用いられる場合、振動や熱が断続的に繰り返し加わるなどの過酷な条件下での信頼性が該角形電池において求められる。このため、近年、角形電池では、超音波接合された金属部材間において、より高い引っ張り強度が求められている。

特開２００５−２１６８２５号公報

そこで、本発明は、超音波接合された金属部材間において十分な引っ張り強度が得られる蓄電素子、及び蓄電素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る蓄電素子は、
互いに超音波接合された金属製の第一部材及び第二部材を備え、
前記第一部材において前記第二部材との接合面における表面粗さの算術平均高さＲａは、Ｒａ≦０．３μｍを満たす。

かかる構成によれば、第一部材と第二部材との間における十分な引っ張り強度が確保されている、即ち、第一部材と第二部材とが強固に連結されている。

また、本発明に係る蓄電素子の製造方法は、
金属製の第一部材と金属製の第二部材とを面接触させた状態で超音波接合することを備え、
前記第一部材において前記第二部材と前記面接触する接合面における表面粗さの算術平均高さＲａは、Ｒａ≦０．３μｍを満たす。

かかる構成によれば、超音波接合後の第一部材と第二部材との間における十分な引っ張り強度が得られる。

この場合、
前記第一部材における前記接合面は、アルミニウム又はアルミニウム合金により構成されていれば、超音波接合後の第一部材と第二部材との間において、より十分な引っ張り強度が得られる。

前記蓄電素子の製造方法では、
前記第一部材は、電極が積層された電極体であり、
前記第二部材は、集電体、及び前記集電体と前記電極体との間に配置される当て板の少なくとも一方であってもよい。

かかる構成によれば、電極体と、集電体及び当て板の少なくとも一方との間において十分な引っ張り強度が確保された蓄電素子が得られる。

以上より、本発明によれば、超音波接合された部材間において十分な引っ張り強度が得られる蓄電素子、及び蓄電素子の製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る製造方法によって製造される蓄電素子の斜視図である。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ位置における断面図である。 図３は、前記蓄電素子の分解斜視図である。 図４は、前記蓄電素子の蓋板及び該蓋板に組み付けられた部材を示す斜視図である。 図５は、電極、セパレータ、及び電極体を説明するための斜視図である。 図６は、前記蓄電素子のクリップ部材の斜視図である。 図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ位置における断面図である。 図８は、前記蓄電素子の製造方法のフローを示す図である。 図９は、ホーン及びアンビルによる電極体と集電体との超音波接合を説明するための図である。 図１０は、ホーンの挟持面の形状を説明するための底面図である。 図１１は、ホーンの挟持面の形状を説明するための正面図である。 図１２は、超音波接合される部材の表面粗さと、引っ張り強度との関係を示す図である。 図１３は、前記蓄電素子を備えた蓄電装置を説明するための斜視図である。

以下、本発明の一実施形態について、図１〜図１１を参照しつつ説明する。尚、本実施形態の各構成部材（各構成要素）の名称は、本実施形態におけるものであり、背景技術における各構成部材（各構成要素）の名称と異なる場合がある。

以下では、先ず、蓄電素子について説明し、その後、該蓄電素子の製造方法について具体的に説明する。

蓄電素子は、図１〜図５に示すように、電極を含む電極体２と、電極体２を収容するケース３と、ケース３の外側に配置される外部端子４であって電極体２と導通する外部端子４と、を備える。また、蓄電素子１は、電極体２、ケース３、及び外部端子４の他に、電極体２と外部端子４とを導通させる集電体５等も有する。

電極体２は、図２及び図５に示すように、筒状の巻芯２１と、セパレータ２５、及び該セパレータ２５によって互いに絶縁された状態で巻芯２１の周囲に巻回される電極と、を有する。本実施形態の電極は、正極２３と負極２４とを有する。即ち、電極体２は、セパレータ２５を介して正極２３と負極２４とが積層された状態で巻芯２１の周囲に巻回されることにより形成されている。電極体２においてリチウムイオンがセパレータ２５を介して正極２３と負極２４との間を移動することにより、蓄電素子１が充放電する。

正極２３は、金属箔と、金属箔の上に形成された正極活物質層と、を有する。金属箔は帯状である。本実施形態の金属箔は、例えば、アルミニウム箔である。正極２３は、帯形状の短手方向である幅方向の一方の端縁部に、正極活物質層の非被覆部（正極活物質層が形成されていない部位）２３１を有する。正極２３において正極活物質層が形成される部位を被覆部２３２と称する。

前記正極活物質層は、正極活物質と、バインダーと、を有する。本実施形態の正極活物質は、例えば、リチウム金属酸化物である。また、本実施形態のバインダーは、例えば、ポリフッ化ビニリデンである。

負極２４は、金属箔と、金属箔の上に形成された負極活物質層と、を有する。金属箔は帯状である。本実施形態の金属箔は、例えば、銅箔である。負極２４は、帯形状の短手方向である幅方向の他方（正極２３の非被覆部２３１と反対側）の端縁部に、負極活物質層の非被覆部（負極活物質層が形成されていない部位）２４１を有する。負極２４の被覆部（負極活物質層が形成される部位）２４２の幅は、正極２３の被覆部２３２の幅よりも大きい。

前記負極活物質層は、負極活物質と、バインダーと、を有する。本実施形態の負極活物質は、例えば、難黒鉛化炭素である。また、本実施形態のバインダーは、例えば、ポリフッ化ビニリデンである。

セパレータ２５は、絶縁性を有する帯状の部材である。本実施形態のセパレータ２５は、正極２３と負極２４との間に配置されて正極２３と負極２４との間を絶縁する。また、セパレータ２５は、ケース３内において、電解液を保持する。これにより、蓄電素子１の充放電時において、リチウムイオンが、セパレータ２５を挟んで交互に積層される正極２３と負極２４との間を移動する。このセパレータ２５は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、ポリアミドなどの多孔質膜によって構成される。

セパレータの幅（帯形状の短手方向の寸法）は、負極２４の被覆部２４２の幅より僅かに大きい。セパレータ２５は、被覆部２３２、２４２同士が重なるように幅方向に位置ずれした状態で重ね合わされた正極２３と負極２４との間に配置される。このとき、正極２３の非被覆部２３１と負極２４の非被覆部２４１とは重なっていない。即ち、正極２３の非被覆部２３１が、正極２３と負極２４との重なる領域から幅方向に突出し、且つ、負極２４の非被覆部２４１が、正極２３と負極２４との重なる領域から幅方向（正極２３の非被覆部２３１の突出方向と反対の方向）に突出する。このように積層された状態の正極２３、負極２４、及びセパレータ２５が巻回されることによって、電極体２が形成される。正極２３の非被覆部２３１又は負極２４の非被覆部２４１のみが積層された部位によって、電極体２における非被覆積層部２６が構成される。

非被覆積層部２６は、電極体２における集電体５と導通される部位である。本実施形態の非被覆積層部２６は、巻回された正極２３、負極２４、及びセパレータ２５の巻回中心方向視において、中空部２７（図３及び図５参照）を挟んで二つの部位（二分された非被覆積層部）２６１に区分けされる。

以上のように構成される非被覆積層部２６は、電極体２の各極に設けられる。即ち、正極２３の非被覆部２３１のみが積層された非被覆積層部２６が電極体２における正極の非被覆積層部を構成し、負極２４の非被覆部２４１のみが積層された非被覆積層部２６が電極体２における負極の非被覆積層部を構成する。

ケース３は、図１〜図３に示すように、開口を有するケース本体３１と、ケース本体３１の開口を塞ぐ（閉じる）蓋板３２と、を有する。ケース３は、電極体２及び集電体５等と共に、電解液を内部空間３３（図２参照）に収容する。ケース３は、電解液に耐性を有する金属によって形成される。本実施形態のケース３は、例えば、アルミニウム、又は、アルミニウム合金等のアルミニウム系金属材料によって形成される。

ケース３は、ケース本体３１の開口周縁部３４と、蓋板３２（本実施形態の例では、蓋板３２の周縁部）とを重ね合わせた状態で接合することによって形成される。ケース３では、ケース本体３１と蓋板３２とによって、内部空間３３が画定されている。本実施形態の蓄電素子１では、ケース本体３１の開口周縁部３４と蓋板３２の周縁部とは、レーザ溶接によって接合されている。

ケース本体３１は、板状の閉塞部３１１と、閉塞部３１１の周縁に接続される筒状の胴部３１２とを備える。

閉塞部３１１は、開口が上を向くようにケース本体３１が配置されたときに、ケース本体３１の下端に位置する（即ち、前記開口が上を向いたときのケース本体３１の底壁となる）部位である。閉塞部３１１は、該閉塞部３１１の法線方向視において、矩形状である。

以下では、図１及び図２に示すように、閉塞部３１１の長辺方向を直交座標におけるＸ軸方向とし、閉塞部３１１の短辺方向を直交座標におけるＹ軸方向とし、閉塞部３１１の法線方向を直交座標におけるＺ軸方向とする。

本実施形態の胴部３１２は、角筒形状を有する。詳しくは、胴部３１２は、偏平な角筒形状を有する。胴部３１２は、閉塞部３１１の周縁における長辺から延びる一対の長壁部３１３と、閉塞部３１１の周縁における短辺から延びる一対の短壁部３１４とを有する。短壁部３１４が一対の長壁部３１３の対応（詳しくは、Ｙ軸方向に対向）する端部同士をそれぞれ接続することによって、扁平な角筒状の胴部３１２が形成される。

以上のように、ケース本体３１は、開口方向（Ｚ軸方向）における一方の端部が塞がれた角筒形状（即ち、有底角筒形状）を有する。

蓋板３２は、ケース本体３１の開口を塞ぐ板状の部材である。具体的に、蓋板３２は、ケース本体３１の開口を塞ぐようにケース本体３１に当接する。より具体的には、ケース本体３１の開口を塞ぐように、蓋板３２の周縁部がケース本体３１の開口周縁部３４（図３参照）に重ねられる。開口周縁部３４と蓋板３２とが重ねられた状態で該蓋板３２と該ケース本体３１とがレーザ溶接されることにより、ケース３が構成される。蓋板３２は、Ｚ軸方向視において、ケース本体３１の開口周縁部３４に対応した輪郭形状を有する。即ち、蓋板３２は、Ｚ軸方向視において、Ｘ軸方向に長い矩形状の板材である。

外部端子４は、他の蓄電素子の外部端子又は外部機器等と電気的に接続される部位である。外部端子４は、導電性を有する部材によって形成される。例えば、外部端子４は、アルミニウム又はアルミニウム合金等のアルミニウム系金属材料、銅又は銅合金等の銅系金属材料等の溶接性の高い金属材料によって形成される。外部端子４は、図１〜図４に示すように、バスバ等が溶接可能な接続面４１を有する。本実施形態の接続面４１は、平面である。

集電体５は、図２〜図４に示すように、ケース３内に配置され、電極体２と通電可能に直接又は間接に接続される。本実施形態の集電体５は、クリップ部材（当て板）６を介して電極体２と通電可能に接続される。即ち、蓄電素子１は、集電体５と、電極体２と集電体５とを通電可能に接続するクリップ部材６と、を備える。

集電体５は、導電性を有する部材によって形成される。集電体５は、ケース３の内面に沿って配置される（図２参照）。本実施形態の集電体５は、外部端子４とクリップ部材６とを通電可能に接続する。具体的に、集電体５は、外部端子４と通電可能に接続される第一接続部５１と、電極体２（詳しくはクリップ部材６）と通電可能に接続される第二接続部５２と、第一接続部５１と第二接続部５２とを接続する屈曲部５３と、を有する。集電体５では、屈曲部５３がケース３内における蓋板３２とケース本体３１との境界近傍に配置され、第一接続部５１が屈曲部５３から蓋板３２に沿って延びると共に、第二接続部５２が屈曲部５３から短壁部３１４に沿って延びる。即ち、集電体５は、Ｌ字状に形成されている。本実施形態の集電体５は、所定形状に裁断された板状の金属材料を曲げ加工することによって形成される。

第一接続部５１は、ケース３（詳しくは蓋板３２）と絶縁された状態でケース３（蓋板３２）の内面に沿って屈曲部５３から延びる板状の部位である。

第二接続部５２は、電極体２（本実施形態では、クリップ部材６を介して電極体２の非被覆積層部２６）に導通可能に接続される。具体的に、第二接続部５２は、ケース３（詳しくは短壁部３１４）と絶縁された状態でケース３（短壁部３１４）の内面に沿って屈曲部５３から延びる。第二接続部５２は、短壁部３１４の近傍から非被覆積層部２６に向けて延びると共に第二接続部５２と同方向に延びる、少なくとも一つの接合片５５を有する。接合片５５は、クリップ部材６と接合される。本実施形態の接合片５５は、例えば、超音波接合によってクリップ部材６と接合される。

第二接続部５２は、二つの接合片５５，５５を有する。具体的に、第二接続部５２は、Ｙ軸方向の中央に設けられた開口を画定するように該開口の両側においてＺ軸方向に延びる二つの接合片５５を有する。即ち、第二接続部５２は、各非被覆積層部２６における二分された非被覆積層部２６１のうちの一方を挟み込んだクリップ部材６に接合される接合片５５と、前記二分された非被覆積層部２６１のうちの他方を挟み込んだクリップ部材６に接合される接合片５５と、を有する。

各接合片５５のクリップ部材６との接合面（超音波接合によってクリップ部材６と接合する面）における表面粗さの算術平均高さ（算術平均粗さ）Ｒａは、Ｒａ≦０．３μｍを満たしている。ここで、算術平均高さＲａとは、日本工業規格（ＪＩＳ）において定められた表面粗さを表すパラメータの一つであり、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけを抜き取り、この抜き取り部分の平均線の方向にＸ軸を、縦倍率の方向にＹ軸を取り、粗さ曲線をｙ＝ｆ（ｘ）で表したときに、下記の式（１）によって求められる値をマイクロメートル（μｍ）で表したものである。

以上のように構成される集電体５は、電極体２の正極側と負極側とにそれぞれ配置される。本実施形態の蓄電素子１では、集電体５は、ケース３内において、電極体２の正極の非被覆積層部２６近傍と、電極体２の負極の非被覆積層部２６近傍とにそれぞれ配置される。

正極の集電体５と負極の集電体５とは、異なる材料によって形成される。本実施形態の正極の集電体５は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金によって形成され、負極の集電体５は、例えば、銅又は銅合金によって形成される。尚、正極の集電体５と負極の集電体５とは、同じ材料によって形成されてもよい。

クリップ部材６は、図３、図４、図６及び図７に示すように、電極体２の非被覆積層部２６（詳しくは、二分された非被覆積層部２６１）において積層された正極２３又は負極２４を束ねるように挟む。これにより、クリップ部材６は、非被覆積層部２６において積層される正極２３同士、又は負極２４同士を導通させる。具体的に、クリップ部材６は、非被覆積層部２６の二分された非被覆積層部２６１（積層された正極２３又は負極２４）を挟んで対向する一対の対向片６１と、対向片６１の対応する一方の端部同士を連結する連結部６２と、を有する。クリップ部材６は、導電性を有する部材によって形成される。本実施形態のクリップ部材６は、接続される集電体５と同じ金属材料によって形成されている。即ち、正極の二分された非被覆積層部２６１を挟み込むクリップ部材６は、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金によって形成され、負極の二分された非被覆積層部２６１を挟み込むクリップ部材６は、例えば、銅又は銅合金によって形成される。このクリップ部材６は、板状の金属材料を断面がＵ字状となるように曲げ加工することによって形成される（図７参照）。本実施形態の蓄電素子１では、電極体２の正極に二つのクリップ部材６が配置されると共に、電極体２の負極に二つのクリップ部材６が配置される。

各クリップ部材６における表面粗さの算術平均高さ（算術平均粗さ）Ｒａは、Ｒａ≦０．３μｍを満たしている。尚、クリップ部材６の表面全体が、Ｒａ≦０．３μｍを満たしている必要はなく、クリップ部材６は、少なくとも集電体５（詳しくは、接合片５５）との超音波接合における接合面、及び、電極体２（詳しくは、二分された非被覆積層部２６１）との超音波接合における接合面において、Ｒａ≦０．３μｍを満たしていればよい。

蓄電素子１は、電極体２とケース３とを絶縁する絶縁部材７等も備える。本実施形態の絶縁部材７は、図２及び図３に示すように、ケース３（詳しくはケース本体３１）と電極体２との間に配置される袋状の部材である。この絶縁部材７は、所定の形状に裁断された絶縁性を有するシート状の部材を折り曲げることによって袋状に形成される。蓄電素子１では、袋状の絶縁部材７に収容された状態の電極体２（詳しくは、電極体２及び集電体５）がケース３内に収容される。

次に、上述の蓄電素子１の製造方法について、図８〜図１１も参照しつつ説明する。

正極２３と負極２４とをセパレータ２５を介して積層させた状態で巻芯２１の周囲に巻回することにより、電極体２を形成する（ステップＳ１）。電極体２が形成されると、この電極体２と集電体５とを超音波接合によって導通可能に接続する（ステップＳ２）。本実施形態の蓄電素子１では、集電体５は、クリップ部材６を介して間接的に電極体２に導通可能に接続される。詳しくは、以下の通りである。

電極体２の二分された非被覆積層部２６１のそれぞれをクリップ部材６によって挟み込む。そして、図９に示すように、この二分された非被覆積層部２６１を挟み込んだ状態のクリップ部材６と、集電体５（詳しくは、集電体５の接合片５５）とを、面接触させた状態で、ホーン９とアンビル８とによって挟み込み、ホーン９を超音波振動させる。これにより、二分された非被覆積層部２６１において積層された正極２３又は負極２４同士（詳しくは非被覆部２３１、２４１同士）、二分された非被覆積層部２６１とクリップ部材６、及び、クリップ部材６と接合片５５とがそれぞれ接合（超音波接合）される。

このとき用いられるホーン９及びアンビル８の挟持面（超音波接合させる部材を挟み込む面）は、図１０及び図１１に示すように、例えば、複数の四角錐状の凸部１０を有する。各四角錐状の凸部１０の高さは、０．５ｍｍ以下であり、これら複数の凸部１０が矩形状の領域１００に整列配置されている。この矩形状の領域の短辺は、２〜３ｍｍであり、長辺は、１０ｍｍ程度である。また、ホーン９の振幅は、Ｚ軸方向に、例えば、最大で６４μｍ、最小で２４μｍであり、振動数は、２０ｋＨｚである。また、超音波接合の際のホーン９の振動時間は、最大で０．６秒以下であり、最小で０．４秒以下である。

次に、外部端子４、及び電極体２に超音波接合された集電体５等を蓋板３２に組み付ける（ステップＳ３）。続いて、電極体２及び集電体５等を絶縁部材７によって覆い（ステップＳ４）、絶縁部材７によって覆われた状態の電極体２及び集電体５等をケース本体３１内に挿入する（ステップＳ５）。これにより、電極体２及び集電体５等が組み付けられた蓋板３２によって、ケース本体３１の開口が塞がれる。そして、蓋板３２の周縁部がケース本体３１の開口周縁部３４と重なった状態で、前記周縁部と開口周縁部３４とが溶接（本実施形態の例では、レーザ溶接）される（ステップＳ６）。これにより、蓄電素子１が完成する。

以上の蓄電素子１の製造方法によれば、接合片５５とクリップ部材６とのそれぞれの接合面（超音波接合するときに面接触している面）、及び、クリップ部材６における二分された非被覆積層部２６１との接合面における表面粗さの算術平均高さＲａが、Ｒａ≦０．３μｍを満たしているため、電極体２と集電体５との間（詳しくは、集電体５の接合片５５とクリップ部材６との間、二分された非被覆積層部２６１とクリップ部材６との間）において十分な引っ張り強度が確保された蓄電素子１が得られる。

また、本実施形態の蓄電素子１において、電極体２の正極の非被覆積層部２６と、電極体２の正極に配置されるクリップ部材６と、該クリップ部材６に接続される集電体５とは、いずれもアルミニウム又はアルミニウム合金製である。このため、超音波接合後の電極体２とクリップ部材６、及び、クリップ部材６と集電体５との間において、より十分な引っ張り強度が得られる。

ここで、上記実施形態の蓄電素子１の製造方法での効果を確認するために、超音波接合する部材の接合面における表面粗さの算術平均高さＲａを変更し、上記実施形態と同様のホーン９及びアンビル８を用いて超音波接合を行い、超音波接合された部材間における引っ張り強度を測定した。その結果を図１２に示す。この結果から、接合面における表面粗さの算術平均高さＲａが、Ｒａ≦０．３を満たすことで、超音波接合された部材間において十分な引っ張り強度が得られることが確認できた。

尚、本発明の蓄電素子、蓄電素子の製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することができ、また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることができる。さらに、ある実施形態の構成の一部を削除することができる。

超音波接合される金属製の部材の具体的構成は限定されない。超音波接合によって接続される部材は、面接触可能な接合面を有する金属製の部材（第一部材及び第二部材）であればよい。また、超音波接合は、電流が流れる部材同士を接合しなくてもよい、即ち、接合後に電流が流れない部材同士を接合する構成でもよい。

また、上記実施形態においては、蓄電素子１が充放電可能な非水電解質二次電池（例えばリチウムイオン二次電池）として用いられる場合について説明したが、蓄電素子１の種類や大きさ（容量）は任意である。また、上記実施形態において、蓄電素子の一例として、リチウムイオン二次電池について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、本発明は、種々の二次電池、その他、一次電池や、電気二重層キャパシタ等のキャパシタの蓄電素子にも適用可能である。

蓄電素子（例えば電池）１は、図１３に示すような蓄電装置（蓄電素子が電池の場合は電池モジュール）１１に用いられてもよい。蓄電装置１１は、少なくとも二つの蓄電素子１と、二つの（異なる）蓄電素子１同士を電気的に接続するバスバ部材１２と、を有する。この場合、本発明の技術が少なくとも一つの蓄電素子１に適用されていればよい。

１…蓄電素子、２…電極体、２１…巻芯、２３…正極、２４…負極、２３１、２４１…非被覆部、２３２、２４２…被覆部、２５…セパレータ、２６…非被覆積層部、２６１…二分された非被覆積層部、２７…中空部、３…ケース、３１…ケース本体、３１１…閉塞部、３１２…胴部、３１３…長壁部、３１４…短壁部、３２…蓋板、３３…内部空間、３４…開口周縁部、４…外部端子、４１…接続面、５…集電体、５１…第一接続部、５２…第二接続部、５３…屈曲部、５５…接合片、６…クリップ部材、６１…対向片、６２…連結部、７…絶縁部材、８…アンビル、９…ホーン、１１…蓄電装置、１２…バスバ部材

Claims (2)

1. 金属製の当て板と、電極が積層された電極体の非被覆積層部であって前記電極における活物質層の形成されてない部位である非被覆部が積層された非被覆積層部と、前記当て板と、集電体と、が順に面接触している部位を超音波接合する工程を備え、
   前記当て板における前記非被覆積層部と面接触する第一の接合面及び前記集電体と面接触する第二の接合面、並びに、前記集電体における前記当て板と面接触する第三の接合面のそれぞれの接合面における表面粗さの算術平均高さＲａは、Ｒａ≦０．３μｍを満たす、蓄電素子の製造方法。
2. 前記当て板における前記第一の接合面及び前記第二の接合面と、前記集電体における前記第三の接合面とは、アルミニウム又はアルミニウム合金により構成されている、請求項１に記載の蓄電素子の製造方法。