JP7331360B2 - 電極タブ、電池、及び電極タブの取付け方法 - Google Patents

電極タブ、電池、及び電極タブの取付け方法 Download PDF

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Description

本発明は、電極タブ、電池、及び電極タブの取付け方法に関する。
特開2014-207069号公報(特許文献1)は、ラミネート型リチウムイオン電池に用いられる電極タブを開示する。この電極タブの断面形状は、幅方向の両端部において面取りが行なわれた形状である。この電極タブによれば、樹脂を介したラミネートフィルムと電極タブとのヒートシール時に樹脂が電極タブの側面に円滑に流れるため、完成したラミネート型リチウムイオン電池において良好な気密性を得ることができる(特許文献1参照)。
特開2014-207069号公報
リチウムイオン電池等の二次電池やその他の一次電池においても、電池素子をその内部に収容する収容体から電極タブが外部に向かって突出するタイプの電池がある。そのような電池においては、一般的に、二次電池の最大入出力電力、或いは一次電池の最大出力電力が大きくなると、これらの電池に用いられる電極タブの厚みは厚くなる。電極タブの厚み次第では、上記特許文献1に開示されている電極タブによっては、電池の気密性を十分に確保できない可能性がある。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、電極タブの厚みがある程度厚くなったとしても、電池の気密性を十分に確保することが可能な電極タブを提供することである。
本発明のある局面に従う電極タブは、電池素子を収容する収容体に取り付け可能であり、電池素子の電極に電気的に接続されるように構成されている。電極タブは、収容体に取り付けられるように構成された取付け部を備える。取付け部の断面において、幅方向の中央部の厚みは、幅方向の端部の厚みよりも厚い。取付け部の断面において、外周上の上記中央部に対応するいずれかの点と、外周上の上記端部に対応するいずれかの点との間の少なくとも一部を結ぶ曲線は、少なくとも1つの変曲点を有する。
電極タブの幅方向の端部において厚みが急激に薄くなると(大きい段差が形成されると)、その位置において十分な接着が行なわれず、二次電池の気密性が低下する可能性がある。本発明に従う電極タブにおいては、取付け部の断面において、外周上の上記中央部に対応するいずれかの点と、外周上の上記端部に対応するいずれかの点との間の少なくとも一部を結ぶ曲線が少なくとも1つの変曲点を有する。すなわち、この電極タブの取付け部の断面においては、中央部寄りの領域において断面の厚みが大きくかつ滑らかに減り、端部寄りの領域において断面の厚みが小さくかつ滑らかに減る。したがって、この電極タブによれば、電極タブの幅方向の端部において厚みが急激に薄くならないため、電極タブの厚みがある程度厚くなったとしても電極タブを収容体に十分に接着することができ、電池の気密性を十分に確保することができる。
上記電極タブにおいて、収容体はパウチ状であり、取付け部は収容体に挟まれた状態で収容体に取り付けられるように構成されていてもよい。
上記電極タブにおいて、取付け部の表面には接着性部材が接着されていてもよい。
この電極タブによれば、収容体と電極タブとの接着を容易に行なうことができる。
本発明の別の局面に従う電池は、電池素子と、収容体と、上記電極タブとを備える。収容体は、電池素子を収容する。電極タブは、収容体に取り付けられるとともに、電池素子の電極に電気的に接続されている。収容体のうち取付け部に取り付けられた位置の表面には、取付け部に向かって窪んだ凹部が形成されている。
この電池においては、収容体のうち取付け部に取り付けられた位置の表面に、取付け部に向かって窪んだ凹部が形成されている。すなわち、この電池においては、収容体のうち取付け部に取り付けられた位置の表面が押圧され、収容体と電極タブとがより強固に接合されている。したがって、この電池によれば、電池の気密性をより高めることができる。
上記電池において、取付け部と収容体との間には、接着層が形成されていてもよい。
上記電池において、接着層は、フィルム状の接着性部材であってもよい。
本発明の別の局面に従う電極タブの取付け方法は、収容体によって上記電極タブの取付け部を挟むステップと、収容体のうち電極タブを挟んでいる領域をヒートシールするステップとを含む。
この取付け方法において収容体に取り付けられる電極タブは、取付け部の断面において、外周上の上記中央部に対応するいずれかの点と、外周上の上記端部に対応するいずれかの点とを結ぶ曲線が少なくとも1つの変曲点を有する。したがって、この電極タブの取付け方法によれば、電極タブの幅方向の端部において厚みが急激に薄くならないため、電極タブを収容体に十分に接着することができ、電池の気密性を十分に確保することができる。
上記電極タブの取付け方法は、収容体のうち取付け部に取り付けられた位置の表面において、取付け部に向かって窪んだ凹部を形成するステップをさらに備えてもよい。
すなわち、この電極タブの取付け方法においては、収容体のうち取付け部に取り付けられた位置の表面が押圧され、収容体と電極タブとがより強固に接合される。したがって、この電極タブの取付け方法によれば、電池の気密性をより高めることができる。
本発明によれば、電極タブの厚みがある程度厚くなったとしても、電池の気密性を十分に確保することが可能な電極タブを提供することができる。
電池の平面図である。 電極タブの平面図である。 図2のIII-III断面図である。 収容体に取り付けられた状態における電極タブの平面図である。 図4のV-V断面図である。 電極タブの製造手順を示すフローチャートである。 電極タブの収容体への取付け手順を示すフローチャートである。 変形例1における電極タブの取付け部の断面形状を示す図である。 変形例2における電極タブの取付け部の断面形状を示す図である。 変形例3における電極タブの取付け部の断面形状を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
[1.概要]
図1は、本実施の形態に従う電極タブ100を含む電池10の平面図である。図1に示されるように、電池10は、電池素子300と、パウチ状の収容体200と、電極タブ100(100A,100B)とを含んでいる。
電池素子300は、リチウムイオン電池、キャパシタ及び全固体電池等の蓄電部材である。
パウチ状の収容体200は、たとえば、基材層、バリア層及び熱融着性樹脂層をこの順に有する積層体(ラミネートフィルム)によって構成されている。たとえば、収容体200は2枚のラミネートフィルムによって構成されており、重ねられたラミネートフィルムの周縁(シール部210)がヒートシールされている。収容体200は、周縁において電極タブ100A,100Bを挟んだ状態で、電池素子300を内部に収容するように構成されている。
電極タブ100(100A,100B)は、電池素子300における電力の入出力に用いられる金属端子である。各電極タブ100の一方の端部は電池素子300の電極(正極又は負極)に電気的に接続されており、他方の端部は収容体200の端縁から外側に突出している。
電極タブ100を構成する金属材料は、たとえば、アルミニウム、ニッケル、銅等である。たとえば、電池素子300がリチウムイオン電池である場合、正極に接続される電極タブ100は、通常、アルミニウム等によって構成され、負極に接続される電極タブ100は、通常、銅、ニッケル等によって構成される。さらに、これらの金属材料から構成されている電極タブ100の表面には易接着層を設ける等の表面処理を行うことができる。これは、後述する接着性フィルム120(図2、図3)を電極タブ本体110の表面に強固に取り付けるためであり、易接着層を接着性フィルム120の最表層と同系の樹脂とすることで可能となる。また、接着性フィルム120を電極タブ本体110の表面に強固に取り付ける目的で、電極タブ本体110の表面を粗面化する表面処理を行うことも可能である。
一般的に、二次電池の最大入出力電力が大きくなると、二次電池に用いられる電極タブの厚みが厚くなる。電極タブの厚みが厚いと、電極タブを挟んだ状態で収容体をヒートシールした場合に、電極タブと収容体との間が樹脂で十分には埋まらずに隙間ができやすい。すなわち、電極タブの厚みが厚い場合には、二次電池の気密性を十分に確保することが難しい。
本実施の形態に従う電極タブ100においては、電極タブ100の厚みが厚くなったとしても電池10の気密性を十分に確保するために、電極タブ100の断面形状が工夫されている。以下、電極タブ100の構成、電極タブ100の収容体200への取付け状態、電極タブ100の製造方法、及び、電極タブ100の収容体200への取付け方法について順に説明する。
[2.電極タブの構成]
図2は、電極タブ100の平面図である。図2に示されるように、電極タブ100は、電極タブ本体110と、接着性フィルム120とを含んでいる。すなわち、電極タブ100においては、接着性フィルム120が電極タブ本体110に予め取り付けられている。電極タブ本体110は、取付け部112と、配線接続部114と、電極接続部116とを含んでいる。取付け部112は、接着性フィルム120が取り付けられている領域である。配線接続部114は、負荷に接続された配線を接続するための領域である。電極接続部116は、電池素子300の電極を接続するための領域である。
接着性フィルム120は、ヒートシールによって、電極タブ本体110及び収容体200(図1)の両方に接着するように構成されている。接着性フィルム120としては、公知の種々の接着性フィルムを採用することができる。一例として、接着性フィルム120は、無水マレイン酸変性ポリプロピレン(PPa)の単層フィルムであってもよいし、PPa、ポリエチレンナフタレート(PEN)及びPPaの積層フィルムであってもよい。また、上記のPPa樹脂に替えて、アイオノマー樹脂、変性ポリエチレン、EVA等の金属接着可能な樹脂も適用可能である。
本実施の形態においては、接着性フィルム120として、PPa/PEN(芯材)/PPaからなる、芯材が含まれた三層構造の積層フィルムが採用されている。芯材としては、上記したPEN以外にも公知の種々の材料を採用することができる。一例として、芯材は、ポリエステル繊維であってもよいし、ポリアミド繊維であってもよいし、カーボン繊維であってもよい。接着性フィルム120に芯材が含まれている理由については、後程詳しく説明する。
接着性フィルム120は、上述のように電極タブ本体110のうち取付け部112の外周を覆った状態で電極タブ本体110に接着している。接着性フィルム120は収容体200(図1)にも接着するため、電極タブ100によれば、ヒートシールによって金属製の電極タブ100と収容体200とを容易に接着することができる。
また、接着性フィルム120の幅方向の長さW1は、取付け部112の幅方向の長さW2よりも長い。すなわち、電極タブ100においては、接着性フィルム120が取付け部112の外周一周以上の範囲に及ぶ。したがって、電極タブ100によれば、接着性フィルム120の配置範囲が広いため、電極タブ100と収容体200との接着をより確実なものとすることができる。
図3は、図2のIII-III断面図である。図3に示されるように、電極タブ100の取付け部112の断面は、全周が湾曲した形状である。取付け部112の断面は、円形部102と、翼状延端部104,106とを含んでいる。
取付け部112の断面において、幅方向の中央部の厚み(円形部102の厚み)は、幅方向の端部の厚み(翼状延端部104,106の先端における厚み)よりも厚い。
また、取付け部112の断面において、幅方向の中央部に対応する外周上の点P1と、幅方向の端部に対応する外周上の点P3との間を結ぶ曲線は、変曲点P5,P6を有している。また、幅方向の中央部に対応する外周上の点P1と、幅方向の端部に対応する外周上の点P4との間を結ぶ曲線は、変曲点P7,P8を有している。また、幅方向の中央部に対応する外周上の点P2と、幅方向の端部に対応する外周上の点P3との間を結ぶ曲線は、変曲点P9,P10を有している。また、幅方向の中央部に対応する外周上の点P2と、幅方向の端部に対応する外周上の点P4との間を結ぶ曲線は、変曲点P11,P12を有している。なお、取付け部112の断面における幅方向の「中央部」とは、取付け部112の断面における幅方向の中央(たとえば、点P1と点P2との間の領域)を示し、取付け部112の断面における幅方向の「端部」とは、取付け部112の断面における幅方向の端(たとえば、点P3,P4)を示す。
電極タブの幅方向の端部において厚みが急激に薄くなると(大きい段差が形成されると)、その位置において十分な接着が行なわれず、二次電池の気密性が低下する可能性がある。電極タブ100においては、取付け部112の断面において、幅方向の中央部に対応する外周上のいずれかの点(点P1,P2)と、幅方向の端部に対応する外周上のいずれかの点(点P3,P4)との間の少なくとも一部を結ぶ曲線が少なくとも1つの変曲点(変曲点P5,P6,P7,P8,P9,P10,P11,P12)を有する。
すなわち、電極タブ100の取付け部112の断面においては、中央部寄りの領域において断面の厚みが大きくかつ滑らかに減り、端部寄りの領域において断面の厚みが小さくかつ滑らかに減る。また、中央部寄りの領域と端部寄りの領域とは、滑らかに接続されている。したがって、電極タブ100によれば、電極タブ100の幅方向の端部において厚みが急激に薄くならず、かつ、各領域が滑らかに接続されているため、電極タブ100の厚みがある程度厚くなったとしても電極タブ100を収容体200に十分に接着することができ、電池10の気密性を十分に確保することができる。
なお、配線接続部114及び電極接続部116の断面形状は、取付け部112の断面形状と同一の形状であってもよいし、異なる形状であってもよい。
[3.電極タブの取付け状態]
図4は、収容体200に取り付けられた状態における電極タブ100の平面図である。図5は、図4のV-V断面図である。図4及び図5に示されるように、収容体200においては、電極タブ100を挟んだ状態で、シール部210がヒートシールされている。詳細については後述するが、シール部210は、1回目のヒートシールによって接着される。
さらに、シール部210の表面のうち、電極タブ100の取付け部112の上方に対応する位置には、取付け部112に向かって窪んだ凹部212が形成されている。凹部212は、2回目のヒートシールによって形成されている。すなわち、電池10においては、収容体200のうち取付け部112に取り付けられた位置の表面が押圧され、収容体200と電極タブ100とがより強固に接合されている。したがって、この電池10によれば、電池10の気密性をより高めることができる。
また、上述のように、電極タブ100において接着性フィルム120は、芯材を含んでいる。仮に接着性フィルム120が芯材を含んでいない場合に、ヒートシールが繰り返し行なわれると(たとえば、2回)、熱及び圧力により収容体200の内層を構成する熱融着性樹脂層と接着性フィルムとが溶融して圧力の弱い部分に押し出される可能性がある。その結果、収容体200のバリア層を構成するアルミニウム箔等の金属箔層と電極タブ本体110とが短絡する形で、収容体200内における電極タブ100を挟んでいる箇所において絶縁層(収容体の内層を構成する熱融着性樹脂層及び接着性フィルム)が破壊され、収容体200内において短絡が生じる可能性がある。本実施の形態に従う電極タブ100において、接着性フィルム120は芯材を含んでいる。したがって、この電極タブ100によれば、芯材が含まれている接着性フィルム120が絶縁層の破壊を抑制するため、電極タブ100付近においてヒートシールが2回(複数回)行なわれたとしても、収容体200内の絶縁性を維持することができる。
[4.電極タブの製造方法]
図6は、電極タブ100の製造手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、電極タブ本体110及び接着性フィルム120が準備された状態で、たとえば、製造装置によって実行される。
図6を参照して、製造装置は、電極タブ本体110の取付け部112を接着性フィルム120によって挟む(ステップS100)。製造装置は、取付け部112が接着性フィルム120によって挟まれた状態で、接着性フィルム120を取付け部112にヒートシールする(ステップS110)。これにより、電極タブ100が完成する。なお、予め接着性フィルム120を電極タブ本体110にヒートシールして取り付けておくことの効果は以下の通りである。電極タブ本体110が厚い金属になると、1カ所だけ、具体的には、電極タブ本体110における一部である取付け部112だけヒートシールして加熱しても、取付け部112以外の部分に熱が全体に伝熱してシールバーが接していない金属表面から放熱していく。したがって、収容体200をヒートシールする際に同時に電極タブ本体110と接着性フィルム120をヒートシールするよりも、予め接着性フィルム120を電極タブ本体110にヒートシールして取り付けておく方が、より安定的に電極タブ本体110に接着性フィルム120を固着することが可能となる。
[5.電極タブの取付け方法]
図7は、電極タブ100の収容体200への取付け手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、電極タブ100及び収容体200が準備された状態で、たとえば、製造装置によって実行される。
図7を参照して、製造装置は、収容体200上に電極タブ100を載置する(ステップS200)。たとえば、製造装置は、収容体200の周縁部に電極タブ100が挟まれるように、収容体200上に電極タブ100を載置する。なお、この状態において、電極タブ100の一方の端部は、電池素子300の電極に接続されている。
製造装置は、電極タブ100が収容体200の周縁部に挟まれた状態で、1回目のヒートシール(一次ヒートシール)を行なう(ステップS210)。これにより、収容体200の周縁部全体がヒートシールされる。その後、製造装置は、電極タブ100の周囲におけるシールをより強固にするために、2回目のヒートシール(二次ヒートシール)を行なう(ステップS220)。これにより、電極タブ100の周辺(凹部212)がさらに強固にヒートシールされる。これにより、電極タブ100が収容体200に取り付けられる。
[6.特徴]
以上のように、本実施の形態に従う電極タブ100においては、取付け部112の断面において、幅方向の中央部に対応する外周上のいずれかの点(点P1,P2)と、幅方向の端部に対応する外周上のいずれかの点(点P3,P4)との間の少なくとも一部を結ぶ曲線が少なくとも1つの変曲点(変曲点P5,P6,P7,P8,P9,P10,P11,P12)を有する。
すなわち、電極タブ100の取付け部112の断面においては、中央部寄りの領域において断面の厚みが大きくかつ滑らかに減り、端部寄りの領域において断面の厚みが小さくかつ滑らかに減る。また、中央部寄りの領域と端部寄りの領域とは、滑らかに接続されている。したがって、電極タブ100によれば、電極タブ100の幅方向の端部において厚みが急激に薄くならず、かつ、各領域が滑らかに接続されているため、電極タブ100の厚みがある程度厚くなったとしても電極タブ100を収容体200に十分に接着することができ、電池10の気密性を十分に確保することができる。
[7.変形例]
以上、実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。以下、変形例について説明する。
<7-1>
上記実施の形態において、取付け部112の断面形状は図3に示される形状であった。しかしながら、取付け部112の断面形状は、図3に示される形状に限定されない。たとえば、取付け部112の断面形状は、以下の変形例1-3のような形状であってもよい。
図8は、変形例1における電極タブ100Aの取付け部112Aの断面形状を示す図である。図8に示されるように、取付け部の断面形状は、たとえば、幅方向の中央部に対応する外周上の点P1Aと、幅方向の端部に対応する外周上の点P4Aとの間を結ぶ曲線が変曲点P7Aを1つだけ有してもよい。
また、図9は、変形例2における電極タブ100Bの取付け部112Bの断面形状を示す図である。図9に示されるように、取付け部の断面形状は、たとえば、幅方向の中央部に対応する外周上の点と、幅方向の端部に対応する外周上の点との間に平面部117,118が含まれていてもよい。
また、図10は、変形例3における電極タブ100Cの取付け部112Cの断面形状を示す図である。図10に示されるように、取付け部の断面形状は、たとえば、幅方向の中央部に対応する外周上の点と、幅方向の端部に対応する外周上の点との間を結ぶ曲線が変曲点を1つだけ有し、かつ、幅方向の中央部に対応する外周上の点と、幅方向の端部に対応する外周上の点との間に平面部が含まれていてもよい。
<7-2>
また、上記実施の形態に従う電極タブ100においては、電極タブ本体110に接着性フィルム120が予め接着されていた。しかしながら、接着性フィルム120は、必ずしも予め電極タブ本体110に接着されていなくてもよい。たとえば、接着性フィルム120は、電極タブ100と収容体200とのヒートシール時に初めて間に挟まれてもよい。
<7-3>
また、上記実施の形態に従う電極タブ100においては、電極タブ本体110に接着性フィルム120が接着されていた。しかしながら、電極タブ本体110に接着される接着性部材は接着性フィルム120には限定されない。たとえば、電極タブ本体110の取付け部112の表面に接着性の樹脂層が形成されているだけであってもよい。
<7-4>
また、上記実施の形態においては、電極タブ100を収容体200に取り付けるために、2回のヒートシールが行なわれた。しかしながら、ヒートシールは必ずしも2回行なわれる必要はない。たとえば、ヒートシールは、シール部210を接着するために1回だけ行なわれてもよい。
<7-5>
また、上記実施の形態に従う電極タブ100の取付け部112の断面においては、幅方向の中央部に対応する外周上のいずれかの点と、幅方向の端部に対応する外周上のいずれかの点との間を結ぶ曲線が2つの変曲点を有していた。しかしながら、該曲線が含む変曲点の数は2つに限定されない。該曲線が含む変曲点の数は、上述のように1つであってもよいし、3つ以上であってもよい。
<7-6>
上記実施の形態において、接着性フィルム120は、芯材を含むこととした。しかしながら、接着性フィルム120は、必ずしも芯材を含んでいる必要はない。
<7-7>
上記実施の形態において、電極タブ100A,100Bは、電池10における対向する辺上に配置された。しかしながら、電極タブ100A,100Bの配置場所はこれに限定されない。たとえば、電極タブ100A,100Bが電池10における同一の辺上に配置されてもよい。
10 電池、100,100A,100B,100C 電極タブ、102 円形部、104,106 翼状延端部、110 電極タブ本体、112,112A,112B 取付け部、114 配線接続部、116 電極接続部、117,118 平面部、120 接着性フィルム、200 収容体、210 シール部、212 凹部、300 電池素子。

Claims (4)

  1. 電池素子と、
    前記電池素子を収容する収容体と、
    前記収容体に取り付けられるとともに、前記電池素子の電極に電気的に接続された、電極タブとを備え、
    前記電極タブは、
    前記収容体に取り付けられるように構成された取付け部を備え、
    前記取付け部の断面において、幅方向の中央部の厚みは、幅方向の端部の厚みよりも厚く、
    前記断面において、外周上の前記中央部に対応するいずれかの点と、外周上の前記端部に対応するいずれかの点との間の少なくとも一部を結ぶ曲線は、少なくとも1つの変曲点を有し、
    前記収容体のうち前記取付け部に取り付けられた位置の表面には、前記取付け部に向かって窪んだ凹部が形成されている、電池。
  2. 前記取付け部と前記収容体との間には、接着層が形成されている、請求項に記載の電池。
  3. 前記接着層は、フィルム状の接着性部材である、請求項に記載の電池。
  4. 電極タブの取付け方法であって、
    前記電極タブは、
    電池素子を収容する収容体に取り付け可能であり、前記電池素子の電極に電気的に接続されるように構成され、
    前記収容体に取り付けられるように構成された取付け部を備え、
    前記取付け部の断面において、幅方向の中央部の厚みは、幅方向の端部の厚みよりも厚く、
    前記断面において、外周上の前記中央部に対応するいずれかの点と、外周上の前記端部に対応するいずれかの点との間の少なくとも一部を結ぶ曲線は、少なくとも1つの変曲点を有し、
    前記取付け部の表面には接着性部材が接着されており、
    前記収容体によって前記電極タブの前記取付け部を挟むステップと、
    前記収容体のうち前記電極タブを挟んでいる領域をヒートシールするステップと、
    前記収容体のうち前記取付け部に取り付けられた位置の表面において、前記取付け部に向かって窪んだ凹部を形成するステップと、を含む、電極タブの取付け方法。
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