JP6947575B2 - 蓄電素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、蓄電素子の製造方法に関する。

携帯電話、自動車等の様々な機器に、充放電可能な蓄電素子が使用されている。電気自動車（ＥＶ）又はプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）等の電気エネルギーを動力源とする車両は、大きなエネルギーを必要とするため、複数の蓄電素子を備える大容量の蓄電モジュールを搭載している。

蓄電素子は、開口を有するケースと、該ケースに収容されセパレータを介して積層された複数の正極板及び負極板と、前記ケースの開口を覆う蓋板とを備える。正極板及び負極板それぞれにタブが設けられている。蓋板には正極板及び負極板に対応した二つの外部端子が設けられている。外部端子とタブとは導電部材を介して接続される（例えば特許文献１参照）。

特開２０１６−９１６５９号公報

蓄電素子の製造コストを低減するために、蓄電素子の生産性の向上が望まれている。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、生産性を向上できる蓄電素子の製造方法を提供することにある。

本発明に係る蓄電素子の製造方法は、極板を収容するケースの開口を覆う蓋板と、前記蓋板の外側に露呈する外部端子と、前記蓋板の内側に配置される導電板部とを重ねて一体化することで蓋アセンブリを形成し、振動治具と受け治具との間に、前記蓋アセンブリを配置するとともに、前記導電板部と前記振動治具との間に前記極板のタブを配置し、前記タブ及び導電板部を超音波溶接する。

従来、蓋板の内側に配置される導電板部と極板のタブとの超音波溶接は、導電板部及びタブを、振動治具と受け治具との間に挟んで行われていた。本発明にあっては、蓋板、外部端子及び導電板部を含む蓋アセンブリを先に形成し、その蓋アセンブリを、振動治具と受け治具との間に配置し、かつ蓋アセンブリの導電板部と振動治具との間にタブを配置した状態で、タブと導電板部とを超音波溶接する。蓋アセンブリの形成は、必ずしもドライルームで行わなくてもよい。蓋アセンブリの形成段階で製造不良が発生した場合、まだタブが溶接されていないため、その製造途中の蓋アセンブリのみを廃棄できる。つまり、極板全体を廃棄せずに済む。したがって、蓄電素子の生産性を向上できる。

蓄電素子の概略斜視図である。 蓄電素子の概略正面図である。 図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線を切断線とした蓄電素子の概略断面図である。 図２に示すＩＶ−ＩＶ線を切断線とした蓋板付近の部分拡大断面図である。 蓄電素子の製造方法を説明するための蓋板付近を示す部分拡大断面図である。 蓄電素子の製造方法を説明するための蓋板付近を示す部分拡大断面図である。 蓄電素子の製造方法を説明するための蓋板付近を示す部分拡大断面図である。 蓄電素子の製造方法を説明するための蓋板付近を示す部分拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る蓄電素子の製造方法を、図面に基づいて説明する。図１は、蓄電素子の概略斜視図、図２は、蓄電素子の概略正面図である。蓄電素子１は、リチウムイオン二次電池であってもよい。

蓄電素子１は、直方体状をなし、前後に延びたケース２を備える。ケース２には、電解液と共に、後述する積層電極体３が収容される。本実施形態では、ケース２として金属ケースが用いられている。金属ケースの材質は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、又はステンレスであってもよい。ケース２は、対向して配設される大きさが略等しい長方形状の底壁７及び天壁８と、底壁７及び天壁８の短辺間を接続し、底壁７及び天壁８よりも面積が小さい長方形状の後壁１０と、底壁７及び天壁８の長辺間を接続し、底壁７及び天壁８よりも面積が大きい長方形状の二つの側壁１１、１１とを備える。ケース２の前側には開口２ａ（図３、図４参照）が形成されており、蓋板９が開口２ａを覆う。本実施形態では、蓄電素子１の設置面（図示せず）に設置される底壁７に対し、蓋板９が垂直に延びて、蓋板９が蓄電素子１の側面の一部を形成している。代替的に、蓄電素子１の底壁７とは反対側の天壁８の位置に蓋板があってもよい。

図２に示すように、蓋板９の外面の一端部に正極外部端子４が外側ガスケット１９を介して設けられ、蓋板９の外面の他端部に負極外部端子５が外側ガスケット１９を介して設けられている。正極外部端子４及び負極外部端子５は、その平坦な外面が露呈して、バスバー等の導電部材（図示せず）が溶接されるようになっている。蓋板９の、正極外部端子４と負極外部端子５との間に、破裂弁(Rupture Valve)６が設けられている。

図３は、図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線を切断線とした蓄電素子１の概略断面図である。図３に示すように、積層電極体３は、複数の正極板１２、複数の負極板１３及び複数のセパレータ１４を備える。正極板１２、負極板１３及びセパレータ１４はそれぞれ、図３における側壁１１、１１を貫通する方向視において方形状をなす。複数の正極板１２及び負極板１３は、セパレータ１４を介して交互に積層されている。図３は、それぞれの負極板１３から延びる負極タブ１６（後述）が、それらの先端側で束ねられて導電板部１８ａに接合されている様子を示す。負極タブ１６は、蓄電素子１のエネルギー密度を向上できるよう（負極外部端子５と負極板１３との間の電流経路による占有スペースを小さくできるよう）、ケース２内に湾曲した状態で収容されている。図示しないが、正極板１２から延びる正極タブ１５（後述）も、負極タブ１６と同様に構成されている。

正極板１２は、導電性を有する箔状乃至シート状の正極基材と、該正極基材の両面に積層される正極活物質層とを有する。負極板１３は、導電性を有する箔状乃至シート状の負極基材と、該負極集電体の両面に積層される負極活物質層とを有する。

セパレータ１４は、電解液が浸潤するシート状乃至フィルム状の材料から形成される。セパレータ１４を形成する材料としては、例えば織布、不織布、又は多孔性かつシート状乃至フィルム状の樹脂が挙げられる。セパレータ１４は正極板１２と負極板１３とを離隔すると共に、正極板１２と負極板１３との間に電解液を保持する。

図４は、図２に示すＩＶ−ＩＶ線を切断線とした蓋板９付近の部分拡大断面図である。蓋板９には、二つの貫通孔９ａ、９ｂが蓋板９の長手方向に間隔をあけて設けられている。二つの貫通孔９ａ、９ｂの間に破裂弁６が配置されている。代替的に、破裂弁６は、蓋板９と対向する後壁１０（図３参照）に配置されてもよい。

図４に示すように、蓋板９の内側において、貫通孔９ａ付近に、電気的絶縁性を有する内側ガスケット２０（第一絶縁部材）が設けられている。内側ガスケット２０は、蓋板９の長手方向に平行な長辺を持つ長方形板状のガスケット本体を有し、該ガスケット本体が、蓋板９の内面に接して延びている。内側ガスケット２０のガスケット本体には、貫通孔が設けられ、その貫通孔を囲うように筒状のボス２０ｂが設けられている。内側ガスケット２０のガスケット本体の、積層電極体３に対向する面には、蓋板９の長手方向に延びる凹部２０ａが形成されている。内側ガスケット２０は、ボス２０ｂの外周側におけるガスケット本体の両面に、リング状の被圧縮凸部を有する。被圧縮凸部はリング状に限定されず、周方向に間隔をあけて複数設けられてもよい。被圧縮凸部は、ガスケット本体の片面（外面又は内面）のみに設けられてもよい。被圧縮凸部を押し潰すことで、ケース２の気密性が確保される。

蓋板９の外面において、貫通孔９ａ付近に、電気的絶縁性を有する外側ガスケット１９（第二絶縁部材）が設けられている。外側ガスケット１９は内側ガスケット２０と同様に長方形板状をなし、その中央部に貫通孔１９ａが形成されている。貫通孔１９ａの直径は、内側ガスケット２０のボス２０ｂの外径よりも大きい。外側ガスケット１９の一面には凹部１９ｂが形成されている。外側ガスケット１９の他面は蓋板９の外面に対向する。蓋板９の貫通孔９ａ及び外側ガスケット１９の貫通孔１９ａには、内側ガスケット２０のボス２０ｂが挿入されている。該ボス２０ｂの先端面は凹部１９ｂの底面に略面一である。

前記正極外部端子４は板状をなし、その中央付近に貫通孔４ａが形成されている。貫通孔４ａの内径はボス２０ｂの内径と略同じである。正極外部端子４の一面において、貫通孔４ａの周辺にはザグリ４ｂが形成されている。正極外部端子４は、正極外部端子４の他面と、凹部１９ｂの底面とが対向するように、凹部１９ｂ内に配置されている。貫通孔４ａとボス２０ｂとは同軸的に配置されており、ザグリ４ｂは外側に露出する。

蓋板９の外面に、正極外部端子４と外側ガスケット１９が配置され、蓋板９の内面に、内側ガスケット２０と正極集電体１７が配置される。正極外部端子４にバスバー等を溶接する際、外側ガスケット１９には、溶接により生じる熱が伝わりやすい。ケース２の気密性を確保するための被圧縮凸部は、上述のように内側ガスケット２０に設けられており、熱が伝わりにくいため、被圧縮凸部によりケース２の気密性を維持できる。

正極集電体１７が、正極外部端子４に取り付けられている。正極集電体１７は、蓋板９の長手方向に平行な長辺を持つ長方形状をなす正極導電板部１７ａと、該正極導電板部１７ａの一面から突出した筒状の正極導電軸部１７ｂとを備える。正極導電軸部１７ｂの外径は、正極外部端子４の貫通孔４ａの直径及び内側ガスケット２０のボス２０ｂの内径よりも小さい。本実施形態では、正極導電軸部１７ｂは中空（中空リベット）であるが、代替的に正極導電軸部は中実（中実リベット）であってもよい。正極導電板部１７ａの他面は平坦に形成されている。正極導電板部１７ａの他面は平坦面であることが好ましいが、タブの接合性を失わない範囲であれば、多少の凹みがあってもよい。正極導電板部１７ａ及び正極導電軸部１７ｂは一体成形されている。本実施形態では、正極導電板部１７ａ及び正極導電軸部１７ｂは同じ材質からなる一つの部品として形成されている。

蓋板９の長手方向、換言すれば面方向における正極導電板部１７ａの寸法は正極外部端子４よりも大きい。図４に示すように、断面視において、正極外部端子４の一側端４ｃ及び他側端４ｄのそれぞれより正極導電板部１７ａの一端１７ｄ及び他端１７ｅが蓋板９の面方向に突出している。

正極導電軸部１７ｂは内側ガスケット２０の凹部２０ａからボス２０ｂに挿入されており、その先端部１７ｃは正極外部端子４の貫通孔４ａよりも外側に配置されて、かしめられている。かしめられた先端部１７ｃはザグリ４ｂ内に配置される。正極導電板部１７ａは凹部２０ａの内側に配置される。先端部１７ｃをかしめることによって、先端部１７ｃと正極導電板部１７ａとの間に、正極外部端子４、外側ガスケット１９、蓋板９及び内側ガスケット２０が狭持される。

図４に示すように、複数の正極板１２はそれぞれ帯状の正極タブ１５を有する。蓋板９の長手方向、換言すれば面方向における正極タブ１５の寸法は正極外部端子４よりも大きい。正極タブ１５は、正極導電板部１７ａの他面、即ち正極導電軸部１７ｂが突出している面と反対側の面に、超音波溶接によって接続されている。正極タブ１５は、正極導電板部１７ａの、正極外部端子４の一側端４ｃより突出した部分から正極外部端子４の他側端４ｄより突出した部分に亘って、正極導電板部１７ａに接続されている。正極タブ１５は、少なくとも、正極導電板部１７ａの他面における正極導電軸部１７ｂに対向する部分に接続されている。

蓋板９の貫通孔９ｂ付近に、内側ガスケット２０、外側ガスケット１９、負極外部端子５及び負極集電体１８が設けられている。これらの内側ガスケット２０、外側ガスケット１９、負極外部端子５及び負極集電体１８は、貫通孔９ａ付近に設けられた前記内側ガスケット２０、外側ガスケット１９、正極外部端子４及び正極集電体１７と同様な構成を有するので、以下、その詳細な説明は適宜省略する。

負極外部端子５は、貫通孔５ａ及びザグリ５ｂを備える。負極集電体１８は、負極導電板部１８ａと、負極導電板部１８ａの一面から突出した負極導電軸部１８ｂとを備え、負極導電軸部１８ｂの先端部１８ｃはかしめられている。蓋板９の長手方向、換言すれば面方向における負極導電板部１８ａの寸法は負極外部端子５よりも大きい。

複数の負極板１３はそれぞれ帯状の負極タブ１６を有する。蓋板９の長手方向、換言すれば面方向における負極タブ１６の寸法は負極外部端子５よりも大きい。負極外部端子５の一側端５ｃ及び他側端５ｄのそれぞれより負極導電板部１８ａの一端１８ｄ及び他端１８ｅが蓋板９の面方向に突出している。負極タブ１６は、負極導電板部１８ａの、負極外部端子５の一側端５ｃより突出した部分から負極外部端子５の他側端５ｄより突出した部分に亘って、負極導電板部１８ａの他面に超音波溶接によって接続されている。

上述した蓄電素子１においては、複数の正極板１２及び負極板１３を積層させた積層電極体を用いているが、代替的に、一枚の正極板及び一枚の負極板をセパレータを介して巻回した巻回電極体を用いてもよい。蓋板９に正極外部端子４及び負極外部端子５を並べているが、ケース２の二面に正極外部端子４及び負極外部端子５をそれぞれ設けてもよい。

次に蓄電素子１の製造方法について説明する。図５〜図８は、蓄電素子１の製造方法を説明するための蓋板９付近を示す部分拡大断面図である。

図５に示すように、まず蓋板９の内側に内側ガスケット２０が配置され、ボス２０ｂが貫通孔９ａに挿入される。蓋板９の外側に外側ガスケット１９が配置され、貫通孔１９ａにボス２０ｂの先端が挿入される。正極外部端子４が凹部１９ｂ内に配置され、貫通孔４ａとボス２０ｂとが同軸的に配置される。

次に、図６に示すように、正極集電体１７が内側ガスケット２０の内側に配置される。正極導電軸部１７ｂがボス２０ｂに挿入され、正極導電軸部１７ｂの先端部１７ｃが貫通孔４ａから外側に突出する。正極導電板部１７ａは凹部２０ａの内側に配置される。

次に、図７に示すように、先端部１７ｃが押圧され（押し拡げられ）、かしめられる。かしめられた先端部１７ｃはザグリ４ｂ内に拡がり、正極外部端子４は外側ガスケット１９に固定される。かしめられた先端部１７ｃの外面と正極外部端子４の外面とは略面一であってもよい。代替的に、後述する受け治具３２が、かしめられた先端部１７ｃの外面を支持するように構成されていていもよい。正極導電軸部１７ｂの先端部１７ｃがかしめられることによって、正極導電板部１７ａ、内側ガスケット２０、蓋板９、外側ガスケット１９、及び正極外部端子４を含む各部材が押圧され、各部材間の隙間がほとんど無くなる。

図５〜図７に示すように、負極外部端子５についても、正極外部端子４と同様に、ボス２０ｂが蓋板９の内側から貫通孔９ｂに挿入され、蓋板９の外側に外側ガスケット１９が配置され、貫通孔１９ａにボス２０ｂの先端が挿入される。負極導電軸部１８ｂが蓋板９の内側からボス２０ｂに挿入され、負極導電軸部１８ｂの先端部１８ｃが貫通孔４ａから外側に突出し、負極導電板部１８ａは凹部２０ａの内側に配置される。先端部１８ｃはかしめられ、負極外部端子５は外側ガスケット１９に固定される。かしめられた先端部１８ｃの外面と負極外部端子５の外面とは略面一であってもよい。代替的に、後述する受け治具３２が、かしめられた先端部１８ｃの外面を支持するように構成されていていもよい。負極導電軸部１８ｂの先端部１８ｃがかしめられることによって、負極導電板部１８ａ、内側ガスケット２０、蓋板９、外側ガスケット１９、及び負極外部端子５を含む各部材が押圧され、各部材間の隙間がほとんど無くなる。

先端部１７ｃ、１８ｃがかしめられることによって、蓋板９と、正極外部端子４及び負極外部端子５と、正極導電板部１７ａ及び負極導電板部１８ａとが一体化され、蓋アセンブリ２５が形成される。

次に、図８に示すように、正極導電板部１７ａの内側に振動治具３１が配置され、正極外部端子４の外側に受け治具３２が配置される。また、振動治具３１と正極導電板部１７ａとの間に正極タブ１５が配置される。振動治具３１が振動し、正極導電板部１７ａと正極タブ１５とが超音波溶接される。

同様に、負極導電板部１８ａの内側に振動治具３１が配置され、負極外部端子５の外側に受け治具３２が配置される。また振動治具３１と負極導電板部１８ａとの間に負極タブ１６が配置される。振動治具３１が振動し、負極導電板部１８ａと負極タブ１６とが超音波溶接される。

超音波溶接の後、積層電極体３はケース２に収容され、蓋板９はケース２の開口２ａを塞ぎ、蓄電素子１が製造される（図４参照）。

上述したように、先端部１７ｃ、１８ｃをかしめることによって、各部材間の隙間がほとんど無くなり、各部材が一体化された蓋アセンブリ２５が形成されるので、超音波の振動エネルギーが不要な隙間で消費されず、正極タブ１５及び負極タブ１６に集中し易くなる。そのため、正極導電板部１７ａと正極タブ１５との溶接、及び負極導電板部１８ａと負極タブ１６との溶接が効果的に行われる。

振動治具３１及び受け治具３２の表面には凹凸が形成されている。超音波溶接を行った後、正極タブ１５及び負極タブ１６と、正極外部端子４及び負極外部端子５とには、前記凹凸による跡、例えば溝又は凹凸が形成される。

正極タブ１５及び負極タブ１６は積層電極体３と共にケース２に収納され、蓋アセンブリ２５は開口２ａを塞ぎ、蓄電素子１が製造される。

実施形態に係る蓄電素子１の製造方法にあっては、蓋板９、外部端子４、５及び導電板部１７ａ、１８ａを含む蓋アセンブリ２５を先に形成し、その蓋アセンブリ２５を、振動治具３１と受け治具３２との間に配置し、かつ蓋アセンブリ２５の導電板部１７ａと振動治具３１との間にタブ１５、１６を配置した状態で、タブ１５、１６と導電板部１７ａ、１８ａとを超音波溶接する。蓋アセンブリ２５の形成は、必ずしもドライルームで行わなくてもよい。蓋アセンブリ２５の形成段階で製造不良が発生した場合、まだタブ１５、１６が溶接されていないため、その製造途中の蓋アセンブリのみを廃棄できる。つまり、積層電極体３全体を廃棄せずに済む。したがって、蓄電素子１の生産性を向上させることができる。

導電板部１７ａ、１８ａの、タブ１５、１６が溶接される面とは反対側の面から突出した導電軸部１７ｂ、１８ｂが、蓋板９及び外部端子４、５に形成された貫通孔９ａ、９ｂ、４ａ、５ａに挿入され、導電軸部１７ｂ、１８ｂの先端が外部端子４、５に固定され、蓋アセンブリ２５が形成される。そのため、タブ１５、１６を導電軸部１７ｂ、１８ｂの直下に溶接し、タブ１５、１６と外部端子４、５との間の電流経路を短くでき、電流経路の抵抗ロスを低くできる。

蓋板９と外部端子４、５との間に、絶縁性を有する外側ガスケット１９が配置され、蓋板９と導電板部１７ａ、１８ａとの間に、絶縁性を有する内側ガスケット２０が配置されている。振動治具３１から受け治具３２に向かう方向において、外部端子４、５とタブ１５、１６とがオーバーラップするよう、導電板部１７ａ、１８ａと振動治具３１との間にタブ１５、１６を配置している。

従来、蓋板９の内側に配置される導電板部１７ａ、１８ａと極板のタブ１５、１６との超音波溶接は、導電板部１７ａ、１８ａおよびタブ１５、１６のみを、振動治具３１と受け治具３２との間に挟んで行われていた。例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）又はポリプロピレン（ＰＰ）等の合成樹脂製のガスケットを、導電板部１７ａ、１８ａおよびタブ１５、１６とともに振動治具３１と受け治具３２との間に挟んで超音波溶接を行うことは、従来試みられてこなかった。

本実施形態の導電板部１７ａ、１８ａは、タブ１５、１６を接合するための広い平坦面を有している。導電板部１７ａ、１８ａは、板状のガスケット本体を介して、蓋板９により支持される。蓋板９は、広い面積にわたって、導電板部１７ａ、１８ａを支持する。導電板部１７ａ、１８ａに、導電軸部１７ｂ、１８ｂは一体成形されている。導電軸部１７ｂ、１８ｂの先端部１７ｃ、１８ｃがかしめられることによって、導電板部１７ａ、１８ａ、内側ガスケット２０、蓋板９、外側ガスケット１９、及び外部端子４、５を含む各部材が押圧され、各部材間の隙間がほとんど無い。このような構成において、導電板部１７ａ、１８ａおよびタブ１５、１６とともにガスケットを振動治具３１と受け治具３２との間に挟んで超音波溶接を行うと、タブ１５、１６を導電板部１７ａ、１８ａに良好に溶接できる。

今回開示した実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。各実施例にて記載されている技術的特徴は互いに組み合わせることができ、本発明の範囲は、特許請求の範囲内での全ての変更及び特許請求の範囲と均等の範囲が含まれることが意図される。

電流経路の抵抗を十分に抑制できる範囲であれば、タブ１５、１６の寸法は、外部端子４、５の寸法と比較して同等か若干小さくてもよい。タブ１５、１６を、導電板部１７ａ、１８ａの、導電軸部１７ｂ、１８ｂに対向する部分とその両側部分とに接合することで、タブ１５、１６と導電板部１７ａ、１８ａとの接触面積を確保できる。

蓄電素子１がリチウムイオン二次電池である場合につき説明しているが、蓄電素子１はリチウムイオン二次電池には限定されない。蓄電素子１は、ニッケル水素電池等の他の二次電池であってもよいし、一次電池であってもよいし、キャパシタ等の電気化学セルであってもよい。

１ 蓄電素子
２ ケース
２ａ 開口
４ 正極外部端子
４ａ 貫通孔
５ 負極外部端子
５ａ 貫通孔
９ 蓋板
１２ 正極板
１３ 負極板
１７ 正極集電体
１７ａ 正極導電板部
１７ｂ 正極導電軸部
１８ 負極集電体
１８ａ 負極導電板部
１８ｂ 負極導電軸部
１９ 外側ガスケット（第二絶縁部材）
２０ 内側ガスケット（第一絶縁部材）
２５ 蓋アセンブリ

Claims (3)

1. 極板を収容するケースの開口を覆う蓋板と、前記蓋板の外側に露呈する外部端子と、前記蓋板の内側に配置される導電板部とを重ねて一体化することで蓋アセンブリを形成し、
   振動治具と受け治具との間に、前記蓋アセンブリを配置するとともに、前記導電板部と前記振動治具との間に前記極板のタブを配置し、
   前記蓋板と前記導電板部との間に、凹部を有する第一絶縁部材が配置され、
   前記凹部の内側に前記導電板部が配置されて、前記蓋アセンブリが形成され、
   前記タブ及び導電板部を超音波溶接し、
   前記導電板部の、前記タブが溶接される面とは反対側の面から突出した導電軸部が、前記蓋板及び外部端子に形成された貫通孔に挿入され、前記導電軸部の先端が前記外部端子に固定されて前記蓋アセンブリが形成され、
   前記外部端子にザグリが形成されており、
   前記導電軸部の先端部は、かしめられて、前記ザグリ内に配置される
   蓄電素子の製造方法。
2. 前記蓋板と前記外部端子との間に第二絶縁部材が配置されて前記蓋アセンブリが形成される
   請求項１に記載の蓄電素子の製造方法。
3. 前記振動治具から前記受け治具に向かう方向において、前記外部端子と前記タブとがオーバーラップするよう、前記導電板部と前記振動治具との間に前記極板のタブを配置する
   請求項１又は２に記載の蓄電素子の製造方法。

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