JP7157907B2

JP7157907B2 - 端子の接合状態判定方法

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Publication number: JP7157907B2
Application number: JP2018235330A
Authority: JP
Inventors: 康介鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-12-17
Filing date: 2018-12-17
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2038-12-17
Also published as: JP2020098682A

Description

本発明は、二次電池における端子の接合状態を判定する接合状態判定方法に関する。

リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池等の二次電池は、軽量で高いエネルギー密度が得られることから、パソコンや携帯端末等のポータブル電源、あるいはＥＶ（電気自動車）、ＨＶ（ハイブリッド自動車）、ＰＨＶ（プラグインハイブリッド自動車）等の車両駆動用電源として広く用いられている。二次電池の一例として、電極体、端子、および電池ケースを備えた密閉型の二次電池が知られている。かかる密閉型二次電池を製造する場合、端子の一部（例えば集電端子）が、溶接等によって電極体に接合される。次いで、当該端子の一部が接合された電極体が、電池ケースの内部に挿入され、電池ケースが密閉される。

ところで、端子と電極体との接合不良は、二次電池の性能低下および故障等に繋がる可能性がある。従って、端子と電極体との接合状態を適切に判定することが望ましい。例えば、特許文献１に記載の二次電池の製造方法では、レーザ溶接によって接合された電極体と集電体の各々を反対方向に引っ張ることで、せん断力が測定される。測定されたせん断力が所定値（Ｘ）Ｎ以上である場合に、製造された二次電池が良品であると判断される。

特開２０１８－７３７６７号公報

端子が接合された電極体を、電池ケースの内部に挿入する場合、電極体と電池ケースの間に生じる摩擦力の影響で、端子と電極体の接合状態が悪化する場合がある。従って、特許文献１に記載の方法で接合状態を判定する場合、端子と電極体の接合状態が、電極体を電池ケースに挿入する際の摩擦力に耐え得る接合状態であるか否かを判定するために、大きな荷重を加えて判定を行う必要がある。この場合、接合状態を判定する際に加えられる荷重によって、二次電池の部材の少なくとも一部に変形または破損等の不具合が生じることも考えられる。

本発明の典型的な目的は、二次電池の部材に過度の力が加わることを抑制しつつ、端子の接合状態を判定することが可能な接合状態判定方法を提供することである。

かかる目的を実現するべく、ここに開示される一態様の端子の接合状態判定方法は、端子が接合された電極体を電池ケースの内部に収容させた状態で、上記端子に対して上記電池ケースから引き抜く方向に所定の荷重を印加する荷重印加ステップと、上記荷重印加ステップにおける上記荷重の印加に起因する、上記端子の変位量を計測する計測ステップと、上記計測ステップにおいて計測された上記端子の変位量が閾値以上である場合に、上記端子と上記電極体の接合状態が不良と判定する判定ステップと、を含むことを特徴とする。

かかる方法によると、電極体が電池ケースに挿入される前に、端子と電極体の接合状態が挿入時の摩擦力に耐え得る接合状態であるか否かを判定する場合に比べて、端子に印加する荷重を小さくすることができる。つまり、端子が接合された電極体が、電池ケースに収容された状態で、端子と電極体の接合状態が小さい荷重によって判定される。よって、二次電池の部材に変形等の不具合が生じることを抑制しつつ、適切に端子の接合状態を判定することができる。

本実施形態の二次電池１の内部構造を模式的に示す断面図である。本実施形態の二次電池１の電極体２０の構成を示す模式図である。端子接合状態判定方法の一例を示すフローチャートである。

以下、本開示における典型的な実施形態の１つについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚み等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

本明細書において、「電池」とは、電気エネルギーを取り出し可能な蓄電デバイス一般を指す用語であって、一次電池および二次電池を含む概念である。「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等のいわゆる蓄電池（すなわち化学電池）の他、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ（すなわち物理電池）を包含する。以下、二次電池の一種である扁平角形のリチウムイオン二次電池を例示して、本開示に係る端子の接合状態判定方法について詳細に説明する。ただし、本開示に係る端子の接合状態判定方法を、以下の実施形態に記載された方法に限定することを意図したものではない。

＜二次電池の構成＞
図１を参照して、端子の接合状態を判定する対象となる二次電池１の構成の一例について説明する。図１に示す二次電池１は、電解液１０、電極体２０、電池ケース３０、正極端子４１、および負極端子４３を備えた密閉型のリチウムイオン二次電池である。電池ケース３０は、電解液１０および電極体２０を内部に密閉した状態で収容する。本実施形態における電池ケース３０の形状は、扁平な角形である。電池ケース３０は、一端に開口部を有する箱型の本体３１と、該本体の開口部を塞ぐ板状の蓋体３２を備える。電池ケース３０（詳細には、電池ケース３０の蓋体３２）には、正極端子４１における外部接続用の正極外部端子４２、負極端子４３における外部接続用の負極外部端子４４、および安全弁３６が設けられている。安全弁３６は、電池ケース３０の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に、該内圧を開放する。また、電池ケース３０には、電解液１０を内部に注入するための注入口（図示せず）が設けられている。

本実施形態では、電池ケース３０は剛性を有する。詳細には、本実施形態の電池ケース３０の材質には、剛性を有し、軽量で、且つ熱伝導性の良い金属材料が用いられる。ただし、電池ケースの構成を変更することも可能である。例えば、電池ケースの形状は、角形以外の形状（例えば円筒状等）であってもよい。また、電池ケースとして、可撓性を有するラミネートが用いられてもよい。また、電池ケースの形状は、角形以外の形状（例えば円筒状等）であってもよい。

図２に示すように、本実施形態の電極体２０には、長尺状の正極体（正極シート）５０、長尺状の負極体（負極シート）６０、および、２枚の長尺状のセパレータ（セパレータシート）７０が重ね合わされて長手方向に捲回された捲回電極体が採用されている。詳細には、正極体５０では、長尺状の正極集電体５２の片面または両面（本実施形態では両面）に、長手方向に沿って正極活物質層５４が形成されている。負極体６０では、長尺状の負極集電体６２の片面または両面（本実施形態では両面）に、長手方向に沿って負極活物質層６４が形成されている。

電極体２０の捲回軸方向（上記長手方向に直交するシート幅方向）の両側から外方にはみ出すように形成された、正極活物質層非形成部分５２Ａ（即ち、正極活物質層５４が形成されずに正極集電体５２が露出した部分）と、負極活物質層非形成部分６２Ａ（即ち、負極活物質層６４が形成されずに負極集電体６２が露出した部分）には、それぞれ、正極集電端子４２Ａおよび負極集電端子４４Ａ（図１参照）が接合されている。集電端子４２Ａ，４４Ａと電極体２０の接合方法は、適宜選択できる。一例として、本実施形態では、集電端子４２Ａ，４４Ａと電極体２０は溶接（例えば、スポット溶接、およびレーザ溶接等の少なくともいずれか）によって接合されている。正極集電端子４２Ａには正極外部端子４２（図１参照）が電気的に接続され、負極集電端子４４Ａには負極外部端子４４（図１参照）が電気的に接続されている。なお、電極体の構成を変更することも可能である。例えば、捲回電極体の代わりに積層型の電極体が用いられてもよい。

電極体２０の正負極を構成する材料、部材は、従来の一般的な二次電池に用いられるものと同様のものを制限なく使用可能である。例えば、正極集電体５２には、この種の二次電池の正極集電体として用いられるものを特に制限なく使用し得る。典型的には、良好な導電性を有する金属製の正極集電体が好ましい。例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等の金属材を正極集電体５２として採用できる。特にアルミニウム（例えばアルミニウム箔）が好ましい。正極活物質層５４の正極活物質としては、例えば層状構造やスピネル構造等のリチウム複合金属酸化物（例えば、ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２、ＬｉＮｉＯ_２、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＦｅＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＮｉ_０．５Ｍｎ_１．５Ｏ_４，ＬｉＣｒＭｎＯ_４、ＬｉＦｅＰＯ_４等）が挙げられる。正極活物質層５４は、正極活物質と必要に応じて用いられる材料（導電材、バインダ等）とを適当な溶媒（例えばＮ－メチル－２－ピロリドン：ＮＭＰ）に分散させ、ペースト状（またはスラリー状）の組成物を調製し、該組成物の適当量を正極集電体５２の表面に付与し、乾燥することによって形成することができる。

負極集電体６２には、この種の二次電池の負極集電体として用いられるものを特に制限なく使用し得る。典型的には、良好な導電性を有する金属製の負極集電体が好ましく、例えば、銅（例えば銅箔）や銅を主体とする合金を用いることができる。負極活物質層６４の負極活物質としては、例えば、少なくとも一部にグラファイト構造（層状構造）を含む粒子状（或いは球状、鱗片状）の炭素材料、リチウム遷移金属複合酸化物（例えば、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２等のリチウムチタン複合酸化物）、リチウム遷移金属複合窒化物等が挙げられる。負極活物質層６４は、負極活物質と必要に応じて用いられる材料（バインダ等）とを適当な溶媒（例えばイオン交換水）に分散させ、ペースト状（またはスラリー状）の組成物を調製し、該組成物の適当量を負極集電体６２の表面に付与し、乾燥することによって形成することができる。

セパレータ７０としては、従来公知の多孔質シートからなるセパレータを特に制限なく使用することができる。例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン樹脂から成る多孔質シート（フィルム、不織布等）が挙げられる。かかる多孔質シートは、単層構造であってもよく、二層以上の複数構造（例えば、ＰＥ層の両面にＰＰ層が積層された三層構造）であってもよい。また、多孔質シートの片面または両面に、多孔質の耐熱層を備える構成のものであってもよい。この耐熱層は、例えば、無機フィラーとバインダとを含む層（フィラー層ともいう。）であり得る。無機フィラーとしては、例えばアルミナ、ベーマイト、シリカ等を好ましく採用し得る。

電極体２０とともに電池ケース３０に収容される電解液１０は、適当な非水溶媒に支持塩を含有するものであり、従来公知の電解液を特に制限なく採用することができる。例えば、非水溶媒として、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等を用いることができる。また、支持塩としては、例えばリチウム塩を好適に用いることができ、本実施形態ではＬｉＰＦ_６が採用されている。

＜端子の接合状態判定工程＞
図３を参照して、本実施形態における端子の接合状態判定方法について説明する。まず、端子４１，４３が接合された電極体２０が準備される。詳細には、正極端子４１における正極集電端子４２Ａが、電極体２０の正極活物質層非形成部分５２Ａに接合され、且つ、負極端子４３における負極集電端子４４Ａが、電極体２０の負極活物質層非形成部分５２Ａに接合される。また、本実施形態では、正極集電端子４２Ａに、蓋体３２の正極外部端子４２が接続され、負極集電端子４４Ａに、蓋体３２の負極外部端子４４が接続される。

次いで、端子４１，４３が接合された電極体２０が、電池ケース３０の本体３１の内部に収容される（Ｓ１）。電極体２０を電池ケース３０の本体３１に収容（挿入）する際に、電極体２０と電池ケース３０の間に摩擦力が生じる。端子４１，４３（詳細には、正極集電端子４２Ａおよび負極集電端子４４Ａの少なくとも一方）と電極体２０の接合状態は、電極体２０を電池ケース３０に収容する際の摩擦力によって悪化する場合がある。

特に、本実施形態の電池ケース３０は剛性を有する。さらに、本実施形態では、二次電池１の大型化を抑制しつつ容量を大きくするために、電池ケース３０の内部空間に占める電極体２０の体積比率が極力大きくなるように設計されている。従って、本実施形態では、電極体２０を電池ケース３０の本体３１に収容する際に、大きな荷重で電極体２０が本体３１の内部に押し込まれる。従って、電極体２０に大きな摩擦力が加わり易いので、端子４１，４３の接合状態が適切に判定されることが望ましい。また、接合状態を判定する際に印加される荷重は、部材の変形等を抑制するために、極力小さい方が望ましい。

次いで、端子４１，４３に対する荷重印加工程が実行される（Ｓ２）。荷重印加工程では、端子４１，４３が接合された電極体２０を、電池ケース３０の本体３１の内部に収容させた状態で、端子４１，４３に対して電池ケース３０から引き抜く方向に、所定の荷重が印加される。一例として、本実施形態では、正極外部端子４２および負極外部端子４４を備えた蓋体３２が、本体３１の開口部から離間する方向に引っ張られることで、端子４１，４３の各々に略均等に荷重が印加される。ただし、荷重の印加方法を変更することも可能である。例えば、端子４１，４３の少なくとも一部（例えば、正極外部端子４２および負極外部端子４４の少なくとも一方）に、荷重が直接印加されてもよい。

次いで、端子４１，４３の変位量計測工程が実行される（Ｓ３）。変位量計測工程では、荷重印加工程における荷重の印加に起因する、端子４１，４３の変位量が計測される。詳細には、本実施形態では、端子４１，４３に対する荷重の印加中に、印加前の位置に対する端子４１，４３の変位量が計測される。従って、荷重の印加の終了後に、端子４１，４３の変位量が元に戻る方向に縮小してしまう場合等でも、端子４１，４３の接合状態が適切に判定される。しかし、端子４１，４３の変位量は、荷重の印加後に計測されてもよい。また、本実施形態では、レーザ変位計によって端子４１，４３の変位量が計測される。しかし、端子４１，４３の変位量を計測するための方式には、レーザ方式以外の方式（例えば、過電流方式または超音波方式等）を採用することも可能である。

次いで、変位量計測工程において計測された変位量が閾値以上であるか否かが判断される（Ｓ４）。変位量が閾値未満であれば（Ｓ４：ＮＯ）、端子４１，４３の接合状態（詳細には、正極集電端子４２Ａおよび負極集電端子４４Ａの少なくとも一方と、電極体２０の接合状態）が良好と判定されて、電池ケース３０の本体３１に対して蓋体３２が封止される（Ｓ５）。一方で、変位量が閾値以上であれば（Ｓ４：ＹＥＳ）、端子４１，４３の接合状態が不良と判定されて（Ｓ６）、蓋体３２は封止されずに工程は終了する。

ここで、電極体２０を電池ケース３０に収容する前に、端子４１，４３の接合状態を判定することも考えられる。しかし、この場合には、端子４１，４３の接合状態が、電極体２０の収容時に生じる摩擦力に耐え得るか否かを判定するために、収容時の荷重よりも大きな荷重を端子４１，４３に印加する必要がある。これに対し、本実施形態の端子接合状態判定方法では、荷重印加工程（Ｓ２）において端子４１，４３に印加する荷重を小さくすることができる。例えば、荷重印加工程において端子４１，４３に印加する荷重は、上記収容時の荷重の２分の１以下、さらに好ましくは３分の１以下に設定することができる。

なお、Ｓ４において変位量が比較される閾値（所定のｍｍ値：Ｘｍｍのように設定され得る。）は、種々の条件（例えば、端子４１，４３と電極体２０の接合方法、接合部分の大きさ、各種部材の材質、電池ケース３０の大きさ、電極体２０を電池ケース３０に収容させる際に印加される荷重等の少なくともいずれか）に応じて適宜設定されればよい。

＜比較試験＞
次に、荷重印加工程（Ｓ２）において印加する荷重を小さくすることで得られる、部材の変形の抑制効果を確認するための、一比較試験の結果について説明する。本比較試験では、端子４１，４３が接合された同一種類の電極体２０を、複数個準備した。各々の電極体２０の端子４１，４３に対して、電極体２０から引き抜く方向に所定の荷重を印加した。荷重を印加した電極体２０における、正極端子４１を含む部分の体格変化量と、負極端子４３を含む部分の体格変化量を測定し、カテゴリー毎に、複数の測定結果の平均値、および、平均値（Ａｖｅ）＋４σ（σは標準偏差）となる測定値を算出した。平均値＋４σとなる測定値も考慮することで、複数の測定値のばらつきも踏まえたうえで、体格の変化の度合いを判断することができる。なお、本試験における体格変化量とは、電極体２０のうち、蓋部３２に最も近い位置と、蓋部３２から最も遠い位置の長さの変化量をいう。

本試験における比較例では、端子４１，４３に対して所定の荷重（ａＮ）が印加された。一方で、本試験における実施例では、比較例の荷重（ａＮ）の凡そ４分の１に当たる荷重（０．２５×ａＮ）が端子４１，４３に印加された。その結果、正極端子４１を含む部分、および、負極端子４３を含む部分のいずれにおいても、体格変化量の平均値、および平均値＋４σとなる値は、実施例の方が比較例に比べて大幅に小さくなった。以上より、本開示で例示した接合状態判定方法によって、小さい荷重で端子４１，４３の接合状態を判定することで、部材の変形等を抑制しつつ接合状態が判定されることが分かる。

１二次電池
２０電極体
３０電池ケース
４１正極端子
４２Ａ正極集電端子
４３負極端子
４４Ａ負極集電端子

Claims

端子が接合された電極体を電池ケースの内部に、該電極体と該電池ケースとの間に摩擦力が生じ得る態様で収容させた状態で、前記端子に対して前記電池ケースから引き抜く方向に所定の荷重を印加する荷重印加ステップと、
前記荷重印加ステップにおける前記荷重の印加に起因する、前記端子の変位量を計測する計測ステップと、
前記計測ステップにおいて計測された前記端子の変位量が閾値以上である場合に、前記端子と前記電極体の接合状態が不良と判定する判定ステップと、
を含む、二次電池の端子の接合状態判定方法。