JP6789858B2 - 組電池の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は積層された複数の単位電池を備える組電池の製造方法及び製造装置に関する。

近年、携帯電話機、ノート型やタブレット型のパーソナルコンピュータ等の各種携帯機器の普及に伴い、該携帯機器の電源に用いる二次電池の軽量化や薄型化が強く望まれている。そのため、二次電池には、従来の金属缶に代わって、金属フィルム、あるいは金属薄膜と熱融着性樹脂フィルムとを積層したラミネートフィルム等を外装体に用いるフィルム外装電池が増えてきている。フィルム外装電池は、シート状の正極及び負極がセパレータを間に有して積層または巻回されて、電解液と共に外装体である外装フィルムの内部に封入された構成である。外装フィルムからは、電極引き出しタブを介して正極及び負極と接続された外部端子（正極端子及び負極端子）が引き出される。

ところで、近年の二次電池は、上記各種携帯機器で用いられるだけでなく、電動アシスト自転車、電気自動車、ハイブリッド自動車等の電源としても用いられる。さらに、二次電池は、地球温暖化問題に伴う低炭素社会の実現へ向けて導入されつつある、太陽電池等の再生可能電源で発電された電力を貯蔵するためにも利用される。

二次電池を電力貯蔵や電気自動車等の大型の電源として利用する場合、平板状の複数のフィルム外装電池をその厚さ方向に積層し、それらを直列に接続することで組電池を構成したものがある。そのような構成の組電池では、それぞれの正極端子と負極端子の位置が交互に入れ替わるように各フィルム外装電池を積層し、積層方向に隣接して配置されたフィルム外装電池の負極端子と正極端子とを接合する必要がある。外部端子（正極端子及び負極端子）どうしの接合には、例えば周知の超音波接合機が用いられる。その場合、接合対象である正極端子及び負極端子の上方または下方には、積層された他のフィルム外装電池の正極端子または負極端子が位置するため、接合に必要な作業スペースが狭くなる課題がある。

そこで、特許文献１には、複数のフィルム外装電池をそれぞれアルミニウム等から成る枠体に載置して積層すると共に、積層方向で隣接するフィルム外装電池の正極端子と負極端子とを該積層方向に設けたバスバーでそれぞれ接続する構成が記載されている。
また、特許文献２には、接合対象となる複数の正極端子及び負極端子の位置が、フィルム外装電池の積層方向から見て重ならないように、各フィルム外装電池の正極端子及び負極端子の位置をずらして積層する構成が記載されている。

特開２００５−２２２６９９号公報 特開２００９−２７７６７３号公報

上述した特許文献１に記載された組電池は、各フィルム外装電池の外周側面がそれぞれ枠体で保持される構成であるため、外部からの衝撃に対する各フィルム外装電池の耐性が向上する。しかしながら、特許文献１に記載された組電池は、枠体やバスバーを備えることで重量が増大するため、フィルム外装電池を用いることで得られる軽量化の利点を失うことになる。

それに対して、特許文献２に記載された技術は枠体やバスバーが不要であるため、組電池の重量の増大を招くことはない。
しかしながら、特許文献２に記載された技術は、フィルム外装電池の積層数を増やすと、正極端子及び負極端子の幅を狭くする必要があるため、正極端子及び負極端子に大きな電流を流すことができなくなる。一方、正極端子及び負極端子の幅をある程度確保すると、フィルム外装電池の積層数が制限されるため、組電池から高電圧を出力することができなくなる。そのため、特許文献２に記載された技術は、大電力型の組電池に適用することが困難である。
また、特許文献２に記載された技術は、正極端子及び負極端子の位置が異なる複数種類のフィルム外装電池を用意する必要があるため、組電池の製造工程が複雑になることで製品コストが上昇する。

本発明は上述したような背景技術が有する課題を解決するためになされたものであり、大電力型の組電池にも適用が可能であり、製品コストの上昇を抑制できる組電池の製造方法及び該製造方法で用いる製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の組電池の製造方法は、積層された複数の単位電池を備える組電池の製造方法であって、
外部端子どうしを接合する一方の単位電池を、第１の台座が備える、該接合側を頂点とする傾斜部上に載置し、
前記外部端子どうしを接合する他方の単位電池を、前記一方の単位電池の外部端子の先端部と前記他方の単位電池の外部端子の先端部とが重なるように前記第１の台座と対向して配置された第２の台座が備える、該接合側を頂点とする傾斜部上に載置し、
前記一方の単位電池の外部端子の先端部と前記他方の単位電池の外部端子の先端部とを接合し、
前記接合した前記外部端子をそれぞれ折り曲げて前記一方の単位電池と前記他方の単位電池とを積層する方法である。

一方、本発明の組電池の製造装置は、積層された複数の単位電池を備える組電池の製造装置であって、
外部端子どうしを接合する一方の単位電池が載置される、前記一方の単位電池の載置面に該接合側を頂点とする傾斜部を備えた第１の台座と、
前記外部端子どうしを接合する他方の単位電池が載置される、前記他方の単位電池の載置面に該接合側を頂点とする傾斜部を備え、前記一方の単位電池の外部端子の先端部と前記他方の単位電池の外部端子の先端部とが重なるように前記第１の台座と対向して配置される第２の台座と、
前記一方の単位電池の外部端子の先端部と前記他方の単位電池の外部端子の先端部とを接合する接合機と、
を有する。

本発明によれば、大電力型の組電池にも適用が可能であり、製品コストの上昇を抑制できる。

第１の実施の形態の組電池の一構成例を示す斜視図である。 図１に示した組電池の製造方法の処理手順の一例を示す側断面図である。 本発明の組電池の製造方法の処理手順を示すフローチャートである。 第２の実施の形態の組電池の一構成例を示す斜視図である。 図４に示した組電池の製造方法の処理手順の一例を示す側断面図である。

次に本発明について図面を用いて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の組電池の一構成例を示す斜視図である。
図１で示すように、第１の実施の形態の組電池１は、複数（図１では４つ）の単位電池２を備え、該複数の単位電池２が積層された構成である。
図１に示す組電池１が備える各単位電池２は、電池本体の一方の短辺から外部端子２１である正極端子がそれぞれ引出され、電池本体の他方の短辺から外部端子２１である負極端子がそれぞれ引出された構成である。各単位電池２は、積層方向に隣接する単位電池２に対して、各々の正極端子及び負極端子の位置が交互に入れ替わるように積層される。

組電池１を構成する各単位電池２には、フィルム外装電池がそれぞれ用いられる。フィルム外装電池は、上述したようにシート状の正極及び負極（不図示）がセパレータ（不図示）を間に有して積層または巻回されて、電解液と共に外装体である外装フィルムの内部に封入された構成である。フィルム外装電池の電池本体外周は、２枚の外装フィルムどうしが熱融着されることで封止されている。

積層された各単位電池２は、正極端子が積層方向に隣接する一方の単位電池２の負極端子と接合され、負極端子が積層方向に隣接する他方の単位電池２の正極端子と接合される。これにより積層された各単位電池２が直列に接続される。

積層されて直列に接続された複数の単位電池２のうち、最外層（最下層及び最上層）に位置する単位電池２には、隣接する単位電池２の外部端子２１と接合されない外部端子２１（以下、「最外端子」と称す）が存在する。これらの最外端子には、例えば該最外端子以外の外部端子２１よりも積層方向から見て外周側に突出する延長端子が接合され、該延長端子または該延長端子に接続されたケーブルが組電池１から外部へ引き出される。組電池１の外部へ引き出された延長端子またはケーブルは、該組電池１の充放電に用いられる。

積層されて直列に接続された複数の単位電池２は、互いの位置がずれないように外部端子２１以外の場所でも固定される。単位電池２どうしは、例えば不図示の筐体（ケース）に収納することで固定してもよく、両面テープを用いて積層方向に隣接する単位電池２どうしを貼着することで固定してもよい。また、単位電池２どうしは、積層された複数の単位電池２を帯状の固定バンドを用いて、例えばその短辺と平行な方向に拘束することで固定してもよく、これらの方法を組み合わせて固定してもよい。

図２は、図１に示した組電池の製造方法の処理手順の一例を示す側断面図である。
図２（ａ）は、隣接して積層される２つの単位電池２の外部端子２１（正極端子または負極端子）どうしを接合する工程を示している。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した工程で接合された単位電池２の外部端子２１どうしを折り曲げて成形し、該単位電池２を積層する工程を示している。図２（ｃ）は、図２（ｂ）に示した積層化された単位電池２の一方の最外端子に、他の単位電池２の外部端子２１（正極端子または負極端子）を接合する様子を示している。

図２（ａ）で示すように、本実施形態では、積層方向に隣接する２つの単位電池２が備える外部端子２１どうしを、例えば周知の超音波接合機３を用いて接合する。超音波接合機３は、接合対象となる一対の外部端子２１が載置されるアンビル３１と、該一対の外部端子２１をアンビル３１の方向に加圧しつつ振動を加えることで外部端子２１どうしを接合するホーン３２とを有する。

アンビル３１は単位電池２が載置される２つの台座４間に配置され、ホーン３２はアンビル３１上に載置された一対の外部端子２１を間に挟んでアンビル３１と対向する位置に配置される。
単位電池２が載置される２つの台座４は、一方の単位電池２の外部端子２１の先端部と他方の単位電池２の外部端子２１の先端部とが重なるように、互いに対向して配置されている。

ホーン３２は、アンビル３１上に載置された一対の外部端子２１と当接し、該一対の外部端子２１をアンビル３１方向に加圧しつつ振動を加えることで超音波接合する。このとき、台座４上に載置する単位電池２の外部端子２１は、アンビル３１上でそれぞれの先端部が重なるように、予め折り曲げておくことが好ましい。このように外部端子２１の先端部を予め折り曲げておくことで、後工程で単位電池２どうしを積層する際に該単位電池２の位置ずれを抑制できると共に、折り曲げる際に単位電池２内部の正極や負極へ与える機械的なストレスを緩和できる。

本実施形態では、台座４上の単位電池２の載置面にアンビル３１側を頂点とする傾斜部４１がそれぞれ設けられ、該傾斜部４１に、載置された単位電池２が下方へスライドするのを防止するためのストッパ４２が固定されている。ストッパ４２には、該ストッパ４２と当接する単位電池２の短辺に設けられた外部端子２１を避けるために開口等が設けられている。

台座４上に載置された各単位電池２は、それぞれの外周端部をストッパ４２に押し当てることで、アンビル３１（接合位置）に対して所定の位置で位置決めされる。そのため、図２（ｂ）で示すように、外部端子２１どうしを接合した各単位電池２を積層する際に、該単位電池２どうしの積層位置を容易に一致させることができる。傾斜部４１の角度は、載置された単位電池２が容易に動かないように、例えば所定の固定角度に設定すればよい。

図２（ｂ）で示すように、外部端子２１どうしが接合された２つの単位電池２は、それぞれの外部端子２１を折り曲げて成形することで積層する。このとき、外部端子２１どうしの接合部は、単位電池２の外周から離れて位置する。

図２（ｃ）で示すように、積層された複数の単位電池２（以下、積層セルと称す）は一方の台座４に載置し、該積層セルに対して次に積層する単位電池２は他方の台座４に載置し、それぞれの外部端子２１どうしを接合する。
ここで、積層セルの接合対象となる一方の最外端子の上方に、他の外部端子２１の接合部が位置する場合、該接合部がホーン３２と当接しないように、アンビル３１及びホーン３２と、積層セルが載置される台座４とは、離間して配置すればよい。あるいは、台座４の傾斜部４１の角度を急峻にすることで、外部端子２１の接合部がホーン３２に当接しないようにしてもよい。あるいは、これらの手法を組み合わせてもよい。上述した外部端子２１を予め折り曲げておく角度は、このときの台座４が備える傾斜部４１の角度や台座４とアンビル３１及びホーン３２との位置関係に応じて決定すればよい。
また、積層セルの接合対象となる一方の最外端子の上方に、他方の最外端子が位置する場合、例えば図２（ｃ）で示すように、該他方の最外端子の先端部を予め上方へ折り曲げることで、ホーン３２と当接しないようにしておくのが好ましい。
以降、積層する単位電池２の数に応じて同様の工程を繰り返すことで、直列に接続されて積層された複数の単位電池２から成る組電池１が構成される。

図３は、本発明の組電池の製造方法の処理手順を示すフローチャートである。
図３は、図２（ａ）〜（ｃ）で示した組電池の製造方法の処理手順のうち、本発明に関する主要な処理工程の一例を示している。
図３に示すように、本発明では、まず外部端子２１どうしを接合する一方の単位電池２を、一方の台座（第１の台座）４が備える、該接合側を頂点とする傾斜部４１上に載置する（ステップＳ１）。
次に、外部端子２１どうしを接合する他方の単位電池２を、一方の単位電池２の外部端子２１の先端部と他方の単位電池２の外部端子２１の先端部とが重なるように第１の台座４と対向して配置された他方の台座（第２の台座）４が備える、該接合側を頂点とする傾斜部４１上に載置する（ステップＳ２）。
次に、一方の単位電池２の外部端子２１の先端部と他方の単位電池２の外部端子２１の先端部とを接合する（ステップＳ３）。
最後に、接合した外部端子２１をそれぞれ折り曲げて一方の単位電池２と他方の単位電池２とを積層する（ステップＳ４）。

なお、上記説明では、２つの台座４にそれぞれ傾斜部４１を備える例を示しているが、傾斜部４１は、いずれか一方の台座４のみに備えていてもよい。その場合、傾斜部４１は積層セルが載置される台座４に設けることが望ましい。

また、上記説明では、台座４が備える傾斜部４１の角度を固定としているが、傾斜部４１の角度は変化させてもよい。例えば、傾斜部４１の角度は、接合対象となる外部端子２１の先端部の折り曲げ角度に応じて変化させればよい。傾斜部４１の角度を変えるための機構は、周知のどのような機構を用いてもよい。例えば、傾斜部４１及びストッパ４２となる断面がＬ字状の金具を用意し、該金具を回動可能に台座４に固定する構成が考えられる。

また、上記説明では、接合対象となる外部端子２１を備える単位電池２または積層セルを台座４上に単に載置する例を示しているが、単位電池２または積層セルは台座４上に着脱可能に固定してもよい。単位電池２または積層セルを着脱可能に固定するための固定機構は、周知のどのような機構を用いてもよい。

さらに、上記説明では、一方の台座４に積層セルを載置し、他方の台座４に次に積層する単位電池２を載置する例を示したが、一方の台座４及び他方の台座４に積層セルをそれぞれ載置し、互いの最外端子どうしを接合してもよい。

第１の実施の形態によれば、対向して配置された台座４上に単位電池２を載置し、該単位電池２の外部端子２１どうしを、超音波接合機３を用いて接合し、接合した外部端子２１を折り曲げて成形することで積層する。そのため、特許文献２で示した組電池の製造方法のように、正極端子及び負極端子の位置が異なる複数種類のフィルム外装電池を用意する必要がない。したがって、製造工程が複雑になることがなく、組電池１を簡易に製造することが可能になるため、該組電池の製品コストの上昇が抑制される。
また、第１の実施の形態によれば、特許文献２で示す組電池の製造方法のように、単位電池２の積層数に応じて外部端子２１（正極端子及び負極端子）の幅が制限されることはない。そのため、大電力型の組電池にも適用することが可能である。

（第２の実施の形態）
図４は、第２の実施の形態の組電池の一構成例を示す斜視図である。
図４に示すように、第２の実施の形態の組電池５は、積層されて直列に接続される複数の単位電池６が、第１の実施の形態で示した組電池１と異なっている。すなわち、第２の実施の形態の単位電池６は、電池本体の一方の短辺（同一短辺）から２つの外部端子６１（正極端子及び負極端子）がそれぞれ引き出された構成である。その他の構成は、図１に示した第１の実施の形態の組電池１と同様であるため、その説明は省略する。

図５は、図４に示した組電池の製造方法の処理手順の一例を示す側断面図である。
図５は、図２（ｃ）と同様に、積層化された複数の単位電池６（積層セル）の一方の最外端子に、他の単位電池６の外部端子６１（正極端子または負極端子）を接合する様子を示している。
上述したように、第２の実施の形態では、各単位電池６の２つの外部端子６１が同一短辺から引き出されているため、接合対象となる一方の外部端子６１には、該一方の外部端子６１と同時に接合されない他方の外部端子２１が隣接する。図４では、接合対象となる一方の外部端子６１と同時に接合されない他方の外部端子６１を破線で示している。図４の破線で示す外部端子６１は、積層方向に隣接する単位電池６の外部端子６１と先端部どうしが既に接合されたものである。

なお、第２の実施の形態の組電池の製造方法では、最初に外部端子６１どうしを接合する２つの単位電池６を対向してそれぞれ水平に設置すると、接合対象ではない外部端子６１どうしが接触してしまうおそれがある。そこで、接合対象ではない外部端子６１は、互いに接触しない程度に先端を折り曲げるか、切断しておくことが好ましい。

外部端子６１どうしを接合した２つの単位電池６は、図２（ｂ）で示したように、当該接合されたそれぞれの外部端子６１を折り曲げて成形することで積層する。
第１の実施の形態では、積層された複数の単位電池２から成る積層セルに対して次の単位電池２を積層するために外部端子２１どうしを接合する場合、該積層セルの長手方向の向きを逆にして台座４に配置する。
一方、本実施形態では、積層セルに対して次の単位電池２を積層するために外部端子２１どうしを接合する場合、該積層セルの短手方向の向きを逆にし、接合対象となる外部端子６１がアンビル３１とホーン３２との間に位置するように一方の台座４に配置する。他方の台座４には、次に積層する単位電池６を、その接合対象となる外部端子６１がアンビル３１とホーン３２との間に位置するように配置し、外部端子６１どうしを接合する。
第２の実施の形態においても、傾斜部４１を備えた台座４上に単位電池６または積層セルを載置して接合作業を実行するため、例えば接合対象となる外部端子６１の先端部のみをアンビル３１上で重なるように予め折り曲げておけば、同時に接合しない外部端子６１をホーン３２から容易に離すことができる。
また、外部端子６１の先端部を予め折り曲げておくことで、後工程で単位電池６どうしを積層する際に該単位電池６の位置ずれを抑制できると共に、折り曲げる際に単位電池６内部の正極や負極へ与える機械的なストレスを緩和できる。

そのため、電池本体の同一短辺から２つの外部端子６１が引き出された単位電池６を用いて組電池５が構成する場合でも、組電池５を簡易に製造することが可能であり、第１の実施の形態と同様に、正極端子及び負極端子の位置が異なる複数種類のフィルム外装電池を用意する必要がない。したがって、製造工程が複雑になることがなく、組電池５を簡易に製造することが可能になるため、該組電池５の製品コストの上昇が抑制される。
また、第２の実施の形態によれば、特許文献２で示す組電池の製造方法のように、単位電池６の積層数に応じて外部端子６１（正極端子及び負極端子）の幅が制限されることはない。そのため、大電力型の組電池にも適用することが可能である。
さらに、本実施形態の単位電池６は、２つの外部端子６１が同一の短辺に存在する構成であるため、台座４が備える傾斜部４１上に単位電池６を搭載する際に外部端子６１がストッパ４２へ当接することがない。そのため、ストッパ４２等に対する接触対策として、外部端子６１に保護処理や絶縁処理等を施す必要がなく、より安全に外部端子６１どうしを接合して、単位電池６を積層できる。

（第３の実施の形態）
上述したように、第１の実施の形態では、上記最外端子に延長端子が接続され、該延長端子または該延長端子に接続されたケーブルが組電池１の外部に引き出されて該組電池１の充放電に用いられる。
近年の組電池１（または５）には、放電電流に１００Ａ程度の高出力電流が要求されることがあるため、最外端子と、組電池１（または５）から放電される放電電流を供給する負荷との間は、接続点を減らして接触抵抗を小さくすることが望ましい。

そこで、第３の実施の形態では、組電池１（または５）の最外層に位置する単位電池２が備える２つの外部端子２１のうち、積層方向に隣接する単位電池２の外部端子２１と接合されない外部端子２１である最外端子に、バスバー付きコネクタ（レセプタクル）のバスバー部を接合する。最外端子とバスバー部の接合には、例えば超音波接合機３を用いればよい。
バスバー付きコネクタ（レセプタクル）には、ケーブルが接続された、該レセプタクルに対応するプラグを挿入し、該ケーブルを組電池１の外部へ引き出させばよい。バスバー付きコネクタには、例えば日本航空電子工業株式会社製のＤＷ４シリーズを用いることができる。
第３の実施の形態で示す構成は、第２の実施の形態で示した組電池５にも適用可能である。

第３の実施の形態によれば、第１及び第２の実施の形態と同様の効果が得られると共に、第１及び第２の実施の形態よりも高出力電流が要求される組電池に適用することができる。

１、５ 組電池
２、６ 単位電池
３ 超音波接合機
４ 台座
２１、６１ 外部端子
３１ アンビル
３２ ホーン
４１ 傾斜部
４２ ストッパ

Claims (8)

1. 積層された複数の単位電池を備える組電池の製造方法であって、
   外部端子どうしを接合する一方の単位電池を、第１の台座が備える、該接合側を頂点とする傾斜部上に載置し、
   前記外部端子どうしを接合する他方の単位電池を、前記一方の単位電池の外部端子の先端部と前記他方の単位電池の外部端子の先端部とが重なるように前記第１の台座と対向して配置された第２の台座が備える、該接合側を頂点とする傾斜部上に載置し、
   前記一方の単位電池の外部端子の先端部と前記他方の単位電池の外部端子の先端部とを接合し、
   前記接合した前記外部端子をそれぞれ折り曲げて前記一方の単位電池と前記他方の単位電池とを積層する組電池の製造方法。
2. 前記一方の単位電池または前記他方の単位電池の少なくともいずれか一方に、少なくとも１つの前記単位電池が積層された請求項１記載の組電池の製造方法。
3. 前記一方の単位電池の外部端子の先端部と前記他方の単位電池の外部端子の先端部とが重なるように、前記一方の単位電池及び前記他方の単位電池の外部端子をそれぞれ折り曲げ、
   前記第１の台座及び前記第２の台座が備える前記傾斜部の角度を、前記外部端子の折り曲げ角度に応じて変化させる請求項１または２記載の組電池の製造方法。
4. 最外層に配置される前記単位電池が備える前記外部端子のうち、積層方向に隣接する単位電池の前記外部端子と接合されない外部端子である最外端子にバスバー付きコネクタのバスバー部が接合する請求項１から３のいずれか１項記載の組電池の製造方法。
5. 前記複数の単位電池を直列に接続する請求項１から４のいずれか１項記載の組電池の製造方法。
6. 積層された複数の単位電池を備える組電池の製造装置であって、
   外部端子どうしを接合する一方の単位電池が載置される、前記一方の単位電池の載置面に該接合側を頂点とする傾斜部を備えた第１の台座と、
   前記外部端子どうしを接合する他方の単位電池が載置される、前記他方の単位電池の載置面に該接合側を頂点とする傾斜部を備え、前記一方の単位電池の外部端子の先端部と前記他方の単位電池の外部端子の先端部とが重なるように前記第１の台座と対向して配置される第２の台座と、
   前記一方の単位電池の外部端子の先端部と前記他方の単位電池の外部端子の先端部とを接合する接合機と、
   を有する組電池の製造装置。
7. 前記第１の台座及び前記第２の台座に、
   前記外部端子の接合部位に対して前記単位電池を所定の位置に位置決めするためのストッパを備える請求項６に記載の組電池の製造装置。
8. 前記第１の台座及び前記第２の台座に、
   前記傾斜部の角度を変えるための機構を備えた請求項６または７に記載の組電池の製造装置。

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