JPWO2018142926A1 - 電池モジュール、および、その製造方法 - Google Patents

電池モジュール、および、その製造方法 Download PDF

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Abstract

電池モジュール（１０）は、端子（１４）をそれぞれ有する複数の電池セル（１１）と、複数の電池セル（１１）の各端子（１４）にリード部（４７）がそれぞれ接合されることによって電池セル（１１）同士を電気的に接続するリード板（４１）とを備える。リード部（４７）はアルミニウム純度９９．０％以上のアルミニウム薄板で構成され、リード部（４７）の端子（１４）に対する接合面の表面粗度Ｒａが１０μｍ以下であり、リード部（４７）が固相接合によって端子（１４）に電気的に接続されている。

Description

本開示は、電池モジュールとその製造方法に関する。
従来、複数の電池セルをリード板によって電気的に接続して構成される電池モジュールが知られている。電池セルは、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池が好適に用いられる。また、リード板には、ニッケル薄板や銅薄板が用いられるが、他にも例えば、重量、通電よる発熱、コスト等を考慮してアルミニウム薄板が用いられることもある。
リード板には、各電池セルに対応して複数のリード部が形成されている。リード部は、例えば、平板状のアルミニウム薄板を打ち抜き加工することによって、リード板の基板部に片持ち状態で接続した片状に形成することができる。このように形成されたリード部が各電池セルの端子にそれぞれ接合されることによって、各電池セルはリード板を介して電気的に接続されることになる。
電池セルの端子がアルミニウム又はアルミニウム合金製の板材によって構成される場合、同種のアルミニウム薄板からなるリード板のリード部を例えばスポット溶接することによって冶金接合することが可能である。しかし、電池セルの端子がアルミニウム以外の例えば銅または銅合金や、鉄系金属によって形成される場合、アルミニウムは銅や鉄と合金層を作らないため、冶金接合することができない。また、スポット溶接等の冶金接合でリード板を電池セルに接合すると、溶接時の熱が端子を介して電池セル内部の電極に伝わり、その結果、電極材料（例えば活物質等）が熱影響により劣化して電池性能が低下することが懸念される。
近年、異種金属同士を接合するための技術として固相接合が盛んになってきている。例えば、下記特許文献１には、隣接する複数の素電池の金属端子に金属ラインを接続して金属ラインでもって素電池を直列又は並列に接続して構成される組電池であって、金属ラインを素電池の金属端子の接合面に超音波溶接して連結することが記載されている。
特許第５０７８２８２号公報
上記特許文献１には、金属体からなる金属ラインを素電池の金属端子の上に積層し、金属ラインを金属端子に押圧した状態で、金属ラインを超音波振動させて、金属端子に超音波溶接することが記載されている。そして、このときの金属ラインを押圧および加振する超音波振動子の押圧力、振動周波数、出力が具体的数値によって例示されている。
しかし、上述したようにリード板を固相接合によって電池セルの端子に固相接合する場合、超音波溶接機の溶接プロセス条件以外のパラメータを工夫することよって、リード板の接合強度アップによる電池モジュールの信頼性向上と、接合時間の短縮による生産性向上を図ることが好ましい。
本開示の目的は、超音波溶接のプロセス条件以外のパラメータ調整によって、アルミニウム薄板からなるリード板を電池セルの端子に強固に接合して電池モジュールの信頼性を向上させるとともに、接合時間の短縮による電池モジュールの生産性を向上させることである。
本開示に係る電池モジュールは、端子をそれぞれ有する複数の電池セルと、前記複数の電池セルの各端子にリード部がそれぞれ接合されることによって前記電池セル同士を電気的に接続するリード板と、を備える電池モジュールであって、前記リード部はアルミニウム純度９９．０％以上のアルミニウム薄板で構成され、前記リード部の前記端子に対する接合面の表面粗度Ｒａが１０μｍ以下であり、前記リード部が超音波接合によって前記端子に固相接合されているものである。
また、本開示に係る電池モジュールの製造方法は、端子をそれぞれ有する複数の電池セルと、前記複数の電池セルの各端子にリード部がそれぞれ接合されることによって前記電池セル同士を電気的に接続するリード板とを備え、前記リード部が超音波接合によって前記端子に固相接合されている電池モジュールの製造方法であって、前記複数の電池セル、および、前記リード部がアルミニウム純度９９．０％以上のアルミニウム薄板で構成されるとともに前記リード部の前記端子に対する接合面の表面粗度Ｒａが１０μｍ以下であるリード板を準備する準備工程と、前記リード部の接合面を前記電池セルの端子に超音波振動子によって押圧する押圧工程と、前記超音波振動子を用いて前記リード部を加振する加振工程と、前記リード板において少なくとも前記リード部を加熱する加熱工程と、を含む。ここで、押圧工程、加振工程及び加熱工程は同時に実行されてもよい。
本開示に係る電池モジュールおよびその製造方法によれば、アルミニウム薄板からなるリード板を電池セルの端子に異種金属同士であっても強固に固相接合でき、電池モジュールの信頼性が向上するとともに、接合時間の短縮による電池モジュールの生産性が向上する。
一実施形態である電池モジュールの分解斜視図である。 （ａ）は電池セルの端子に固相接合されたリード板のリード部の拡大平面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）〜（ｃ）はリード部の形状の変形例を示す図２（ａ）と同様の図である。 リード板のリード部を電池セルの端子に超音波接合するときの様子を示す図である。 リード板のリード部を電池セルの端子に超音波接合して電池モジュールを製造する工程を示すフローチャートである。
以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。
以下においては、電池セルが円筒型電池である場合について説明するが、本開示は、角形をなす電池セルを複数接続して構成される電池モジュールに適用されてもよい。また、以下では、スポット溶接等の冶金接合と明確に区別するために、一般的用語「超音波溶接」に代えて「超音波接合」なる用語を適宜に使用する。
図１は、本開示の一実施形態である電池モジュール１０の分解斜視図である。先ず、図１を用いて電池モジュール１０の全体像について説明する。図１に示すように、電池モジュール１０は、複数の円筒型の電池セル１１と、各電池セル１１を収容する筒状の収容部が複数設けられた電池ホルダー２０とを備える。
電池セル１１は、金属製のセルケース１２と、セルケース１２内に収容された電池要素（図示せず）と、正極端子１４および負極端子１５を備える。電池要素には、一対の電極体と、電荷の移動を許容する非水電解質などが含まれる。セルケース１２は、電池要素を収容する有底円筒形状のセルケース本体１３と、セルケース本体１３の開口部を塞ぐ封口体とで構成される。この封口体が電池セル１１の一端部において例えば扁平円柱状に突出した正極端子１４を構成する。セルケース本体１３と正極端子１４の間には、樹脂製のガスケット（図示せず）が設けられる。
正極端子１４は、例えば弁体、キャップ等を含む積層構造を有し、電池要素の正極電極体と電気的に接続されている。本実施形態では、正極端子１４は、アルミニウム板又はアルミニウム合金板で形成されてもよいし、あるいは、銅、銅合金、鉄系金属等の金属板で形成されもよい。また、セルケース本体１３が、電池要素の負極電極体と電気的に接続されて電池セル１１の負極として機能するが、通常はセルケース本体１３の外周側面が絶縁樹脂フィルムで被覆されてセルケース本体１３の円形状の平坦な底面が負極端子１５となっている。本実施形態において、負極端子１５を構成するセルケース本体１３は、アルミニウム板又はアルミニウム合金板で形成されてもよいし、あるいは、銅、銅合金、鉄系金属等の金属板で形成されもよい。
電池セル１１は、電池ホルダー２０の筒状の収容部の穴２１に収容されて整列配置される。電池モジュール１０は、電池ホルダー２０に取り付けられる一対のポスト３０を備える。各ポスト３０は、電池ホルダー２０の横方向両側面を覆う板状部材であって、一方の面に凸部３１が設けられる。各ポスト３０は、各凸部３１を電池ホルダー２０側に向け、電池ホルダー２０を挟んで互いに対向するように配置される。凸部３１は、電池ホルダー２０の凹部２５に嵌合する。
電池ホルダー２０の上には、正極リード板（リード板）４１が、正極絶縁板４２を介して複数の電池セル１１の各正極端子１４と電気的に接続された状態で設けられ、その上には正極集電板４０が正極リード板４１と電気的に接続された状態で設けられる。正極リード板４１と正極集電板４０とは、例えば溶接等によって一体化される。
他方、電池ホルダー２０の下には、負極リード板（リード板）４６が、負極絶縁板５３を介して複数の電池セル１１の各負極端子１５と電気的に接続された状態で設けられ、その下には、負極集電板４５が負極リード板４６と電気的に接続された状態で設けられる。負極リード板４６と負極集電板４５とは、例えば溶接等によって一体化される。
複数の電池セル１１は、正極リード板４１及び負極リード板４６によって並列接続される。正極リード板４１は、正極基板部（基板部）４３と、正極リード部（リード部）４７とを含む。正極リード部４７は、電池モジュール１０に含まれる複数の電池セル１１に対応する数で形成されている。正極基板部４３は、正極リード部４７を介して電池セル１１の正極端子１４に電気的に接続される。
また、負極リード板４６は、負極基板部（基板部）４８と、負極リード部（リード部）５０とを含む。負極リード部５０は、電池モジュール１０に含まれる複数の電池セル１１に対応する数で形成されている。負極基板部４８は、負極リード部５０を介して電池セル１１の負極端子１５に電気的に接続される。
電池ホルダー２０と、正極及び負極リード板４１,４６の間には、複数の電池セル１１の各端子１４，１５を露出させる円形の孔４９，５４が形成された正極絶縁板４２及び負極絶縁板５３が設けられる。正極絶縁板４２及び負極絶縁板５３は、例えば樹脂の板材で構成される。また、円形の孔４９，５４は、正極端子１４よりも大径で、円筒状のセルケース本体１３よりも小径に形成されている。
正極集電板４０および正極絶縁板４２等は、例えば、図示しないネジを用いて一対のポスト３０に固定される。負極集電板４５および負極絶縁板５３もまた、例えば、図示しないネジを用いて一対のポスト３０に固定される。これにより、電池モジュール１０が一体に組み付けられる。このように一体化された電池モジュールは、例えば、正極集電板４０及び負極集電板４５を用いて、隣接配置される別の電池モジュール１０と直列接続される。
図２（ａ）は電池セル１１の正極端子１４に固相接合された正極リード板のリード部の拡大平面図であり、同（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面図である。
図２（ａ），（ｂ）に示すように、正極リード板４１において、正極リード部４７は、例えばアルミニウム薄板に略Ｕ字状の貫通孔４４を例えば打ち抜き加工で形成することよって、基板部４３に片持ち状に接続された片状に形成される。正極リード部４７は、例えば、略円状をなすリード先端部４７ａと、リード先端部４７ａと基板部４３とを接続するリード首部４７ｂとを含む。本実施形態では、リード首部４７ｂは、基板部４３に近い基端側で斜めに傾斜するように曲げられ、リード先端部４７ａの近傍においてリード先端部４７ａが基板部４３に沿った姿勢となるように曲げられている。
リード先端部４７ａの最大幅Ｗ１は、リード首部４７ｂの幅Ｗ２（例えば、０．１５〜２ｍｍ）の１．０〜１０倍程度、より好ましくは２〜５倍程度に形成されるのが好ましい。換言すれば、リード首部４７ｂの幅Ｗ２は、リード先端部４７ａの最大幅Ｗ１と同値〜１／１０程度、より好ましくは１／２〜１／５程度に形成されている。このようにリード首部４７ｂの幅Ｗ２を狭く形成することで、後述するように正極リード部４７を正極端子１４に超音波接合する場合、リード先端部４７ａが振動しやすくなり、超音波接合を良好かつ短時間で行うことができる。
また、リード先端部４７ａを一体に有する正極リード板４１の板厚ｔは、例えば、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍが好ましく、０．３ｍｍ以下とするのがより好ましい。さらに、リード先端部４７ａはリード首部４７ｂよりも幅広に形成されることが好ましいが、特に、リード先端部４７ａがリード首部４７ｂの幅方向中心性線Ｃに対して対称形状に形成されていることが好ましい。このようにリード先端部４７ａが対称形状に形成されることによっても、リード先端部４７ａが振動しやすくなり、超音波接合を良好かつ短時間で行うことに有利になる。
なお、リード先端部４７ａの形状は、上述した半円形状に限定されるものではない。リード先端部４７ａは、例えば、図３（ａ）に示すように略円形状に形成されてもよいし、図３（ｂ）に示すように略長方形状に形成されてもよいし、あるいは、図３（ｃ）に示すように、略台形状に形成されてもよい。
また、正極リード部４７のリード首部４７ｂは、例えば幅Ｗ２で、がリード先端部４７ａの幅Ｗ１の１／１０程度の細幅に形成されて、ヒューズとして機能してもよい。この場合、電池セル１１の内部短絡等に起因して過電流が流れたときにリード首部４７ｂが溶断することで、当該電池セル１１を電気的に切り離すことができ、他の電池セル１１への影響を抑制できる。
図２（ａ）に示すように、正極リード部４７は、リード先端部４７ａの中央部において、正極端子１４の表面に超音波接合によって接合されている。その接合部６０が二点鎖線の円形領域で示されている。次に、図４を参照して、電池セル１１の正極端子１４に対する正極リード部４７の超音波接合について説明する。
図４は、正極リード板４１の正極リード部４７を電池セル１１の正極端子１４に超音波接合するときの様子を示す図である。図５は、正極リード板４１の正極リード部４７を電池セル１１の正極端子１４に超音波接合して電池モジュール１０を製造する工程を示すフローチャートである。
図４に示すように、本実施形態において正極リード部４７は、例えば円柱状の超音波振動子７２を有する超音波溶接機７０を用いて正極端子１４に接合される。本実施形態では電池セル１１のセルケース本体１３は、鉄系金属板により構成された場合の一例を示し、電池セル１１の正極端子１４は鉄系金属板で構成されている。正極リード部４７は、アルミニウム純度が９９．０％以上のアルミニウム薄板で構成されており、アルミニウム純度が９９．５％（ＪＩＳ規格：Ａ１０５０相当）以上のアルミニウム薄板で構成されるのがより好ましい。また、正極端子１４の表面に接合されることとなる正極リード部４７の接合面の表面粗度はＲａ１０μｍ以下であり、Ｒａ１μｍ以下であることがより好ましい。
このような正極リード部４７の純度および表面粗度は、上記のような純度及び表面粗度を有するアルミニウム薄板で正極リード板４１として用いることで実現される。このように高純度で添加剤や不純物が少ないアルミニウム薄板を用いることで、正極端子１４を構成する金属材料の原子と正極リード部４７のアルミニウム原子との原子間距離を縮めるのに有利となり、強固な固相接合（共晶状態）を実現することができる。
正極リード板４１を電池セル１１に超音波接合する場合、まず、複数の電池セル１１と正極リード板４１を準備する（図５のステップＳ１０）。加えて、本実施形態では、正極絶縁板４２も併せて準備する。本実施形態では、正極リード板４１が正極集電板４０に溶接等で予め一体化されている場合を例示するが、正極リード板４１を電池セル１１に超音波接合した後に、正極リード板４１を正極集電板４０と溶接して一体化してもよい。
次に、電池セル１１を超音波溶接機７０の支持台（図示せず）上にセットする。そして、電池セル１１の上に、正極絶縁板４２、正極リード板４１および正極集電板４０を重ねた状態にセットする。このとき、電池セル１１の正極端子１４は、正極絶縁板４２および正極集電板４０の各孔４９，５１を介して露出し、正極端子１４の表面上に正極リード部４７のリード先端部４７ａが対向または載置された状態になる。
この状態で、超音波振動子７２によってリード先端部４７ａを正極端子１４に例えば１〜５０Ｎ、より好ましくは１０〜３５Ｎの押圧力Ｆで押圧する（図５のステップＳ１２）。
続いて、本実施形態では、超音波振動子７２により押圧されたリード先端部４７ａにレーザ光ＬＢを照射して、正極リード板４１の全体ではなく、リード先端部４７ａを局所的に加熱する（図５のステップＳ１４）。このときのレーザ光ＬＢのレーザ波長は、例えば３００〜１１００ｎｍ（より好ましくは８００〜１１００ｎｍ）で、レーザ出力は、例えば１００〜５０００Ｗとすることができる。このように局所加熱することで、常温環境下でリード先端部４７ａを超音波接合するとき、リード先端部４７ａと正極端子１４との境界面での温度上昇が早くなり、より短時間で固相状態を実現するのに有利になる。
ここで、レーザ光ＬＢによる局所加熱は、例えば２０℃〜５０℃程度の温度上昇分が得られる程度で、リード先端部４７ａの接合強度が５％〜１０％程度、高くなることが実験により確認できた。このようにレーザ光ＬＢによって局所的に加熱する構成とすることで、電池モジュール１０の製造設備の小型化および低コスト化を実現できる。リード先端部４７ａを外部から加熱するには、ノズルで熱風をスポット的に噴き付けるか、または、高温槽内に超音波接合を行うことも考えられが、これらの場合には固相接合に関係しないリード先端部４７ａ以外の電池モジュール構成部材（例えば、電池セル１１）等も加熱されて熱影響（例えば電極材料や樹脂製パッキンの劣化等）を受けることが懸念されることから、レーザ光照射による局所加熱を用いることが好適である。
続いて、この押圧状態および局所加熱状態で超音波振動子７２を例えば６０〜１００ｋＨｚ、より好ましくは７０〜９０ｋＨｚの振動周波数ｆで振動させて、リード先端部４７ａを加振する（ステップＳ１６）。このときの超音波溶接機７０の出力は、例えば５〜３００Ｗ、より好ましくは４０〜８０Ｗとすることができる。
これにより、リード先端部４７ａが正極端子１４との摩擦熱によって温度上昇して軟化する。このときのリード先端部４７ａの接合面（すなわち正極端子１４との接触面）の温度は、リード先端部４７ａを構成するアルミニウム薄板の融点（約６６０℃）より低い温度（例えば、約１５０〜３００℃）になる。また、このときリード先端部４７ａが押圧状態で正極端子１４の表面と摩擦することで、リード先端部４７ａの接合面に形成されている酸化アルミ層は破壊されてアルミニウム原子が接合面に露出した状態になるため、固相接合に支障を来すことはない。
このような温度上昇による軟化によって、リード先端部４７ａの接合面に露出した高純度のアルミニウム原子が肥大化することで、正極端子１４を構成する金属材料の原子との間の距離が縮まって共晶状態になり、その結果、短時間で固相接合状態となって強固に接合される。この場合、リード先端部４７ａと正極端子１４との接合面の面積は、例えば、０．１〜３．０ｍｍ2とし、好ましくは０．３ｍｍ2以上とすることで、リード先端部４７ａと正極端子１４とを十分な強度で接合することができる。
なお、本実施形態では、正極リード部４７の外部からの加熱手段としてレーザ光を照射する例について説明したが、これに限定されるものではなく、例えばＬＥＤ等の光を集光して照射してもよい。また、例えばリード先端部と端子とが同種金属で固相接合し易い等の場合には、レーザ光による局所加熱を省略してもよい。
上記のようにして正極リード板４１の正極リード部４７を各電池セル１１の正極端子１４に超音波接合により連結した後、電池セル１１の負極端子１５についても同様に負極リード板４６の負極リード部５０を超音波接合により固相接合することができる。
上述したように本実施形態の電池モジュール１０およびその製造方法によれば、アルミニウム薄板からなるリード板４１，４６を、電池セル１１の正極及び負極端子１４，１５に同種金属同士はもとより異種金属同士であっても強固に固相接合でき、電池モジュール１０の信頼性が向上するとともに、接合時間の短縮による電池モジュール１０の生産性向上を図れる。
なお、本開示に係る電池モジュール及びその製造方法は、上述した実施形態及びその変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲において種々の変更や改良が可能であることはいうまでもない。
１０ 電池モジュール、１１ 電池セル、１２ セルケース、１３ セルケース本体、１４ 正極端子、１５ 負極端子、２０ 電池ホルダー、３０ ポスト、３１ 凸部、４０ 正極集電板、４１ 正極リード板、４２ 正極絶縁板、４３ 正極基板部、４５ 負極集電板、４６ 負極リード板、４７ 正極リード部、４７ａ リード先端部、４７ｂ リード首部、４８ 負極基板部、５０ 負極リード部、５３ 負極絶縁板、６０ 接合部、７０ 超音波溶接機、７２ 超音波振動子、ＬＢ レーザ光。

Claims (10)

  1. 端子をそれぞれ有する複数の電池セルと、
    前記複数の電池セルの各端子にリード部がそれぞれ接合されることによって前記電池セル同士を電気的に接続するリード板と、を備える電池モジュールであって、
    前記リード部はアルミニウム純度９９．０％以上のアルミニウム薄板で構成され、前記リード部の前記端子に対する接合面の表面粗度Ｒａが１０μｍ以下であり、前記リード部が固相接合によって前記端子に電気的に接続されている、
    電池モジュール。
  2. 前記リード部は超音波接合によって前記端子に固相接合されている、請求項１に記載の電池モジュール。
  3. 前記電池セルのセルケース本体は前記端子を含めて鉄系金属板により構成され、前記リード部は異種金属同士の固相接合により前記端子に電気的に接続されている、請求項１に記載の電池モジュール。
  4. 前記リード部は前記端子に接合されるときに外部から加熱されることによって結晶粒が肥大化されている、請求項１に記載の電池モジュール。
  5. 前記リード部は光照射によって局所的に加熱される、請求項４に記載の電池モジュール。
  6. 前記リード部は、前記端子に接合されるリード先端部と、前記リード先端部と前記リード板の基板部とを接続するリード首部とを有し、前記リード先端部の幅は前記リード首部の幅の１．０〜１０倍である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電池モジュール。
  7. 前記リード先端部は、前記リード首部の幅方向中心線に対して対称形状に形成されている、請求項６に記載の電池モジュール。
  8. 端子をそれぞれ有する複数の電池セルと、前記複数の電池セルの各端子にリード部がそれぞれ接合されることによって前記電池セル同士を電気的に接続するリード板とを備え、前記リード部が超音波接合によって前記端子に固相接合されている電池モジュールの製造方法であって、
    前記複数の電池セル、および、前記リード部がアルミニウム純度９９．０％以上のアルミニウム薄板で構成されるとともに前記リード部の前記端子に対する接合面の表面粗度Ｒａが１０μｍ以下であるリード板を準備する準備工程と、
    前記リード部の接合面を前記電池セルの端子に超音波振動子によって押圧する押圧工程と、
    前記超音波振動子を用いて前記リード部を加振する加振工程と、
    前記リード板において少なくとも前記リード部を加熱する加熱工程と、
    を含む、電池モジュールの製造方法。
  9. 前記超音波振動子による前記リード部に対する押圧荷重は１〜５０Ｎであり、前記超音波振動子による前記リード部の振動周波数は６０〜１００ｋＨｚである、請求項８に記載の電池モジュールの製造方法。
  10. 前記端子に押圧された状態で加振される前記リード部に光を照射して局部的に加熱する、請求項８または９に記載の電池モジュールの製造方法。
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