KR20220037365A - 이차 전지용 단자 및 이차 전지용 단자의 제조 방법 - Google Patents

이차 전지용 단자 및 이차 전지용 단자의 제조 방법 Download PDF

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KR20220037365A
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고스케 스즈키
다카히로 사쿠라이
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프라임 플래닛 에너지 앤드 솔루션즈 가부시키가이샤
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Abstract

접합 강도가 우수한 이종 금속으로 이루어지는 전극 단자를 제조하는 방법을 제공한다. 여기서 개시되는 단자의 제조 방법은, 이하의 공정: 단자를 구성하는 각각 금속제의 제1 부재와 제2 부재를 준비하는 공정, 여기서, 상기 제1 부재는 판상으로 형성되고, 한쪽의 표면에 상기 제2 부재의 일부를 끼워 맞추는 오목부를 갖고, 또한, 상기 제2 부재는 상기 오목부에 수용되는 플랜지부를 갖는다; 및 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 초음파 압접에 의해 서로 고정하는 공정, 여기서, 해당 초음파 압접은, 상기 제1 부재의 오목부에 상기 제2 부재의 플랜지부가 배치된 상태에서 해당 제1 부재 및 제2 부재의 적층 방향으로 압력을 가하면서 초음파 진동을 가함으로써, 상기 플랜지부를 연신시킴과 함께 상기 오목부의 내벽면에 대하여 해당 연신한 플랜지부의 일부를 압접시키도록 행하여진다;를 포함한다.

Description

이차 전지용 단자 및 이차 전지용 단자의 제조 방법{TERMINAL FOR SECONDARY BATTERY AND METHOD FOR MANUFACTURING TERMINAL FOR SECONDARY BATTERY}
본 발명은, 이차 전지의 전극 단자에 사용되는 단자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 상세하게는, 2종의 금속으로 이루어지는 단자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
리튬 이온 이차 전지 등의 비수 전해액 이차 전지는, 기존의 전지에 비하여 경량이고 또한 에너지 밀도가 높은 점에서, 근년, 전기를 구동원으로 하는 차량 탑재용 전원, 혹은 개인용 컴퓨터 및 휴대 단말기 등의 전기 제품 등에 탑재되는 전원으로서 사용되고 있다. 특히, 경량으로 높은 에너지 밀도가 얻어지는 밀폐형의 리튬 이온 이차 전지를 단전지로 해서 구성되는 조전지는, 전기 자동차(EV), 플러그인 하이브리드 자동차(PHV), 하이브리드 자동차(HV) 등의 차량의 구동용 고출력 전원으로서 바람직하게 사용되고 있다.
이러한 조전지를 구성하는 밀폐형의 이차 전지는, 전극체를 수용하는 전지 케이스와, 정극 및 부극의 전극 단자를 구비하고 있다. 이차 전지를 구성하는 전극 단자의 한쪽의 단부는 전지 케이스의 외부에 노출되어 있고, 다른 쪽의 단부는 전지 케이스 내부의 전극체와 집전체를 통해 접속되어 있다.
이러한 이차 전지(이하, 「단전지」라고도 한다)가 소정의 배열 방향을 따라서 복수 배열되고, 하나의 단전지 전극 단자가 다른 하나의 단전지와 버스바를 통해 전기적으로 접속됨으로써, 조전지가 구축되고 있다.
통상, 리튬 이온 이차 전지의 정극 및 부극의 전극 단자는 다른 재료로 구성되어 있다. 한쪽의 전극 단자와 동종의 재료로 이루어지는 버스바를 단전지 사이의 접속에 사용하는 경우, 해당 한쪽의 전극 단자와 비교하여 다른 쪽의 전극 단자와 버스바 사이의 도통 및 접합 강도가 상대적으로 낮아진다.
전극 단자와 버스바 사이를 도통시키기 위해서, 특허문헌 1에는, 버스바 및 집전 단자를 구성하는 금속종에 맞춘 클래드재를 사용하여 전극 단자를 구성하는 기술이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 다른 종류의 금속으로 이루어지는 접속 단자를 초음파 용접에 의해 접합하고, 그 후에 코오킹함으로써, 상기 부품 사이의 도통 및 접합 강도를 향상시키는 기술이 개시되어 있다.
일본 특허 출원 공개 제2016-85961호 공보 일본 특허 출원 공개 제2011-124024호 공보
그런데, 특허문헌 1에 기재되는 것과 같은 클래드재를 사용하여 구성된 전극 단자는, 일반적으로 제조 비용이 높다. 또한, 특허문헌 2에 기재된 바와 같이, 접속 단자 사이를 초음파 용접에 의해 접합하고, 그 후에 코오킹하는 방법에서는, 코오킹에 의해 부품이 변형해 버릴 우려가 있다. 보다 저렴하게, 또한 충분한 접합 강도를 갖도록, 이종 금속을 전극 단자에 접합하기 위한 기술 개발이 요구되고 있다.
본 발명은, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것이고, 접합 강도가 우수한 이종 금속으로 이루어지는 전극 단자를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 아울러, 그러한 방법에 의해 제조된 단자 및 해당 단자를 사용한 전지를 제공하는 것을 다른 주목적으로 한다.
본 발명자들은, 2종의 금속으로 이루어지는 전극 단자를 초음파 접합에 의해 접합하여 제조할 때에, 당해 2종의 금속에 가하여진 압력과 진동에 의해 한쪽의 금속이 다른 쪽의 금속에 비하여 연신하고, 압접함으로써, 코오킹 구조가 만들어지는 것을 알아냈다.
이러한 방법으로 제작된 접속 단자는, 2종의 금속 사이가 금속 접합되어 있음으로써 양호하게 도통되어 있고, 또한, 코오킹 구조를 갖고 있음으로써 제1 부재와 제2 부재 사이가 충분한 강도로 접합되어 있는 것을 알아냈다.
여기서 개시되는 단자의 제조 방법은, 이차 전지의 정극 및 부극 중 어느 것을 구성하는 단자를 제조하는 방법이며, 이하의 공정:
상기 단자를 구성하는 각각 금속제의 제1 부재와 제2 부재를 준비하는 공정, 여기서, 상기 제1 부재는 판상으로 형성되고, 한쪽의 표면에 상기 제2 부재의 일부를 끼워 맞추는 오목부를 갖고, 또한, 상기 제2 부재는 상기 오목부에 수용되는 플랜지부를 갖는다; 및
상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 초음파 압접에 의해 서로 고정하는 공정, 여기서, 해당 초음파 압접은, 상기 제1 부재의 오목부에 상기 제2 부재의 플랜지부가 배치된 상태에서 해당 제1 부재 및 해당 제2 부재의 적층 방향으로 압력을 가하면서 초음파 진동을 가함으로써, 상기 플랜지부를 연신시킴과 함께 상기 오목부의 내벽면에 대하여 해당 연신한 플랜지부의 일부를 압접시키도록 행하여진다;를 포함한다.
이러한 제조 방법에 의해, 제1 부재와 제2 부재 사이가 초음파 접합되어 있음으로써 양호하게 도통되어 있고, 코오킹 구조를 갖고 있음으로써 제1 부재와 제2 부재 사이가 충분한 강도로 접합되어 있는 접속 단자를 포함하는 단자를 제조할 수 있다.
일 실시 형태에 있어서, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재는 서로 다른 금속으로 구성되어 있다.
이러한 제조 방법에 의해, 다른 금속종에 의해 구성되어 있어도, 접합 강도와 도통이 양호한 단자를 제조할 수 있다.
일 실시 형태에 있어서, 상기 제1 부재가 알루미늄 또는 알루미늄을 주체로 하는 합금으로 구성되어 있고, 또한, 상기 제2 부재가 구리 또는 구리를 주체로 하는 합금으로 구성되어 있다.
이러한 제조 방법에 의해, 알루미늄 또는 알루미늄을 주체로 하는 합금으로 구성되는 버스바와 양호하게 도통되는 단자를 제조할 수 있다.
여기에 개시되는 기술의 다른 측면으로서, 이차 전지의 정극 및 부극 중 어느 것을 구성하는 단자가 제공된다. 해당 단자는, 각각 금속제의 제1 부재와 제2 부재를 갖고 있고, 상기 제1 부재는 판상으로 형성됨과 함께 그 한쪽의 표면에 오목부를 갖고 있고, 상기 제2 부재는 상기 제1 부재의 오목부에 수용되는 플랜지부를 갖고 있다. 여기서, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 플랜지부는, 적어도 일부가 금속 접합에 의해 서로 접합되어 있고, 또한, 관통 구멍을 통하지 않고 상기 플랜지부의 단부가 상기 오목부의 내벽면에 코오킹되어 있다.
이러한 구성을 구비하는 단자는, 제1 부재와 제2 부재 사이가 초음파 접합되어 있음으로써 양호하게 도통되어 있고, 코오킹 구조를 갖고 있음으로써 제1 부재와 제2 부재 사이가 충분한 강도로 접합되어 있다.
적합한 일 실시 형태에 있어서, 상기 금속 접합은, 상기 코오킹되어 있는 부분보다도 상기 플랜지부의 중앙 부근에 발생한다.
이러한 구성에 의해, 상기 효과를 보다 잘 발휘할 수 있다.
일 실시 형태에 있어서, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재 사이에 존재하는 상기 금속 접합의 계면은, 초음파 접합에 의해 발생한 접합면을 갖는다.
이러한 구성에 의해, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재 사이를 양호하게 도통시킬 수 있다.
일 실시 형태에 있어서, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재는 서로 다른 금속으로 구성되어 있다.
이러한 구성에 의해, 다른 금속종에 의해 구성되는 단자라도, 접합 강도와 도통을 확보시킬 수 있다.
일 실시 형태에 있어서, 상기 제1 부재가 알루미늄 또는 알루미늄을 주체로 하는 합금으로 구성되어 있고, 또한, 상기 제2 부재가 구리 또는 구리를 주체로 하는 합금으로 구성되어 있다.
이러한 구성에 의해, 상기 단자를 구비한 전극 단자와, 알루미늄 또는 알루미늄을 주체로 하는 합금으로 구성되는 버스바 등의 외부의 접속 부품이 양호하게 도통된다.
여기에 개시되는 기술의 다른 측면으로서, 정극 및 부극을 포함하는 전극체와, 해당 전극체를 내부에 수용한 전지 케이스와, 상기 전극체에 있어서의 정극 및 부극 각각과 전기적으로 접속된 정극 단자 및 부극 단자를, 구비한 이차 전지이며, 상기 정극 단자 및 부극 단자의 적어도 한쪽은, 여기에 개시되는 단자를 포함한 이차 전지가 제공된다.
여기에 개시되는 기술의 다른 측면으로서, 복수의 단전지가 서로 전기적으로 접속되어 배열된 조전지이며, 상기 복수의 단전지로서 상기 정극 단자 및 부극 단자의 적어도 한쪽은 여기에 개시되는 단자를 포함한 상기 이차 전지가 사용되고 있는 조전지가 제공된다.
일 실시 형태에 있어서, 상기 복수의 단전지는, 소정의 버스바에 의해 하나의 단전지의 정극 단자와 다른 하나의 단전지의 부극 단자가 각각 전기적으로 접속되어 있고, 상기 단자의 상기 제1 부재를 구성하는 금속과 동일한 금속에 의해 상기 버스바가 구성되어 있다.
이러한 구성에 의해, 단전지 사이가 보다 양호하게 접속된 조전지가 제공된다.
도 1은, 일 실시 형태에 따른 단자를 사용한 이차 전지의 외형을 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 2는, 일 실시 형태에 따른 단자를 사용한 단전지로 구성된 조전지를 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 3은, 일 실시 형태에 따른 단자를 사용한 이차 전지의 내부 구조를 모식적으로 도시하는 광폭면의 단면도이다.
도 4는, 일 실시 형태에 따른 단자를 사용한 이차 전지의 내부 구조를 모식적으로 도시하는 협폭면의 단면도이다.
도 5는, 일 실시 형태에 따른 단자의 구조를 모식적으로 도시하는 주요부 단면도이다.
도 6은, 일 실시 형태에 따른 단자를 포함하는 이차 전지의 제조 수순을 도시하는 흐름도이다.
도 7은, 초음파 압접에 의해 제1 부재와 제2 부재를 코오킹할 때의 구성을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 8은, 초음파 압접에 의해 제1 부재와 제2 부재를 코오킹하기 전의 모습을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 9는, 초음파 압접에 의해 제1 부재와 제2 부재를 코오킹하고 있는 모습을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 10은, 초음파 압접에 의해 제1 부재와 제2 부재가 코오킹된 모습을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 11은, 일 실시 형태에 따른 제1부품의 구조를 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 12는, 일 실시 형태에 따른 제1 부재와 제2 부재가 코오킹된 상태를 도시하는 단면 사진이다.
도 13은, 일 실시 형태에 따른 단자의 파단 후의 단면의 주사형 전자 현미경(SEM)상이다.
이하, 적절히 도면을 참조하면서, 여기에서 개시되는 단자, 해당 단자를 구비하는 이차 전지, 해당 단자를 구비한 단전지를 구성 요소로 하는 조전지 및 해당 단자의 제조 방법의 일 실시 형태에 대해서, 권회 전극체를 구비한 각형의 리튬 이온 이차 전지를 예로 들어서 상세하게 설명한다. 이하의 실시 형태는, 당연히 여기에 개시되는 기술을 특별히 한정하는 것을 의도한 것은 아니다.
여기서 개시되는 이차 전지는, 이하에 설명하는 리튬 이온 이차 전지에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 나트륨 이온 이차 전지, 마그네슘 이온 이차 전지, 혹은, 소위 물리 전지에 포함되는 리튬 이온 캐패시터 등도 여기에서 말하는 이차 전지에 포함되는 예이다. 또한, 여기서는 복수의 정극 및 부극의 전극체가 세퍼레이터를 통해 권회된 구조를 갖는 권회 전극체를 구비한 리튬 이온 이차 전지를 사용하여 설명하지만, 전극체는 이러한 구성에 한정되지 않고, 복수의 정극 및 부극의 전극체가 세퍼레이터를 통해 적층된 구성이어도 된다.
또한, 본 명세서에 있어서 특별히 언급하고 있는 사항 이외의 사항이며 본 발명의 실시에 필요한 사항은, 당해 분야에 있어서의 종래 기술에 기초하는 당업자의 설계 사항으로서 파악될 수 있다. 본 발명은, 본 명세서에 개시되어 있는 내용과 당해 분야에 있어서의 기술 상식에 기초하여 실시할 수 있다.
이하의 도면에 있어서, 동일한 작용을 발휘하는 부재·부위에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 생략 또는 간략화하는 경우가 있다. 이하의 도면에 있어서의 길이나 폭 등의 치수 관계는, 실제의 치수 관계를 반드시 반영하는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서 수치 범위를 A 내지 B(여기서, A, B는 임의의 수치)라고 기재하고 있는 경우에는, A 이상 B 이하를 의미하는 것으로 한다. 또한, 본 명세서에 있어서 「주체」란, 전성분 중 70중량％ 이상을 차지하는 성분을 말한다.
도 1은, 일 실시 형태에 따른 단자를 사용한 이차 전지의 외형을 모식적으로 도시하는 사시도이다.
이차 전지(12)는, 반복 충방전 가능한 이차 전지이고, 예를 들어 리튬 이온 이차 전지이다. 상세한 구조의 설명은 생략하지만, 여기에 개시되는 이차 전지(12)는, 정극 및 부극이 세퍼레이터를 통해 적층된 구조를 갖는 전극체를 전지 케이스(30)의 내부에 구비하고 있다. 이러한 전극체는, 비수 전해액(도시하지 않음)과 함께 전지 케이스 본체(32)에 수용되어, 내부가 감압된 상태에서 덮개(34)의 테두리부가 용접 등으로 밀봉되고, 밀폐되어 있다. 전지 케이스(30)에는, 예를 들어 알루미늄 등의 경량으로 열전도성이 좋은 금속 재료가 사용된다. 전지 케이스(30)의 형상은, 도 1에 기재되어 있는 것과 같은 각형의 것에 한정되지 않고, 예를 들어 원통형 등이어도 된다.
전지 케이스(30)는, 전지 케이스 내부의 전극체와 전기적으로 접속되고, 버스바 등을 통해 외부의 접속 부품과 접속되는 정극 단자(40) 및 부극 단자(50)를 구비하고 있다. 정극 단자(40) 및 부극 단자(50)의 적어도 한쪽은, 정극 접속 단자(44)와 부극 접속 단자(54) 중, 당해 전극 단자에 대응하는 접속 단자를 갖고 있다.
또한, 전지 케이스 외부에 노출되어 있는 정극 단자(40) 및 부극 단자(50)의 형상은 특별히 제한되지 않고, 도시되어 있는 바와 같이 직사각 형상이어도 되고, 예를 들어 타원 형상을 포함하는 원 형상 등이어도 된다.
도 2는, 일 실시 형태에 따른 단자를 사용한 단전지로 구성된 조전지를 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 1에 도시한 단전지(12)가 복수 배열되어 이루어지는 조전지(100)에 있어서, 단전지(12)는 스페이서(11)를 개재해서 배열되어 있다. 가장 외측에 배치된 스페이서(11)의 더 외측에는, 한 쌍의 엔드 플레이트(17)가 배치되어 있다. 이들은 엔드 플레이트(17)를 가교하도록 설치된 조임용 빔재(18)에 의해 구속되고, 조임용 빔재(18)의 단부가 비스(19)에 의해 체결되고, 고정되어 있다.
단전지(12)의 상부에는, 정극 단자(40)와 부극 단자(50)가 마련되어 있다. 정극 단자(40)와 부극 단자(50)의 적어도 한쪽은, 정극 접속 단자(44)와 부극 접속 단자(54) 중, 당해 전극 단자에 대응하는 접속 단자를 갖고 있다.
정극 단자(40)와 부극 단자(50)는, 인접하는 단전지(12)와, 버스바(14)를 통해 전기적으로 접속되어 있다. 버스바(14)로서는, 일반적으로 높은 도전성과 높은 기계 강도를 갖는 금속이 사용되고, 예를 들어 알루미늄이나 구리 등이 사용된다.
여기서 개시되는 단자를 사용한 이차 전지의 내부 구조에 대해서, 도 3을 참조하면서 설명한다.
도 3은, 일 실시 형태에 따른 단자를 사용한 이차 전지의 구조를 모식적으로 도시하는 광폭면의 단면도이다. 이차 전지(12)는, 전극체(20)와, 전지 케이스(30)와, 정극 단자(40)와, 부극 단자(50)를 구비하고 있다. 이하, 각각의 구조에 대하여 설명한다.
전극체(20)는, 도시하지 않은 절연 필름 등으로 덮인 상태에서, 전지 케이스(30)의 내부에 수용된 발전 요소이다. 전극체(20)는, 긴 시트상의 정극(21)과, 긴 시트상의 부극(22)과, 긴 시트상의 세퍼레이터(23, 24)를 구비하고 있다. 이러한 전극체(20)는, 상술한 긴 시트상의 부재를 감아 겹친 권회 전극체이다.
정극(21)은, 박상의 정극 집전체(21A)와, 당해 정극 집전체(21A)의 편면 또는 양면에 긴 변 방향을 따라서 형성된 정극 활물질층(21B)을 구비하고 있다. 또한, 이차 전지(12)의 폭 방향에 있어서의 전극체(20)의 한쪽의 측연부에는, 정극 활물질층(21B)이 형성되어 있지 않고, 정극 집전체(21A)가 노출된 정극 집전체 노출부(21C)가 마련되어 있다. 정극 활물질층(21B)에는, 정극 활물질, 바인더, 도전재 등의 다양한 재료가 포함된다.
정극 집전 단자(42)로서는, 예를 들어 알루미늄박 등이 사용된다. 정극 활물질층(21B)에 포함되는 재료에 대해서는, 종래의 일반적인 리튬 이온 이차 전지에서 사용될 수 있는 것을 특별히 제한 없이 사용할 수 있고, 본 발명을 특징짓는 것은 아니기 때문에 상세한 설명은 생략한다.
부극(22)은, 박상의 부극 집전체(22A)와, 당해 부극 집전체(22A)의 편면 또는 양면에 긴 변 방향을 따라서 형성된 부극 활물질층(22B)을 구비하고 있다. 또한, 폭 방향에 있어서의 전극체(20)의 다른 쪽의 측연부에는, 부극 활물질층(22B)이 형성되어 있지 않고, 부극 집전체(22A)가 노출된 부극 집전체 노출부(22C)가 마련되어 있다. 정극 활물질층(21B)과 마찬가지로, 부극 활물질층(22B)에는, 부극 활물질이나 바인더 등의 다양한 재료가 포함된다.
부극 집전 단자(52)로서는, 예를 들어 구리박 등이 사용된다. 부극 활물질층(22B)에 포함되는 재료에 대해서는, 종래의 일반적인 리튬 이온 이차 전지에서 사용될 수 있는 것을 특별히 제한 없이 사용할 수 있고, 본 발명을 특징짓는 것은 아니기 때문에 상세한 설명은 생략한다.
세퍼레이터(23, 24)는, 정극(21)과 부극(22) 사이에 개재하여, 이들의 전극이 직접 접촉하는 것을 방지한다. 도시는 생략하지만, 세퍼레이터(23, 24)에는, 미세한 구멍이 복수 형성되어 있다. 당해 미세한 구멍은, 전하 담체(리튬 이온 이차 전지의 경우에는, 리튬 이온)가 정극(21)과 부극(22) 사이에서 이동하도록 구성되어 있다.
세퍼레이터(23, 24)에는, 필요한 내열성을 갖는 수지 시트 등이 사용된다. 세퍼레이터(23, 24)로서는, 종래의 일반적인 리튬 이온 이차 전지에서 사용될 수 있는 것을 특별히 제한 없이 사용할 수 있고, 본 발명을 특징짓는 것은 아니기 때문에 상세한 설명은 생략한다.
전지 케이스(30)에 수용되는 비수 전해액으로서는, 전형적으로는 비수 용매와 지지염을 함유한, 종래의 일반적인 리튬 이온 이차 전지에서 사용될 수 있는 것을 특별히 제한 없이 사용할 수 있고, 본 발명을 특징짓는 것은 아니기 때문에 상세한 설명은 생략한다.
일 실시 형태에 있어서, 정극 단자(40)는 정극 접속 단자(44)와 정극 집전 단자(42)로 구성되어 있다. 정극 접속 단자(44)는, 도 4에 도시되는 바와 같이, 일부는 전지 케이스(30)의 외부에 노출되어 있고, 일부는 전지 케이스(30)의 내부에서 정극 집전 단자(42)에 접속되어 있다. 정극 집전 단자(42)는, 전지 케이스(30)의 내부에 배치되고, 정극 집전체 노출부(21C)를 통해 정극(21)에 접속되어 있다.
일 실시 형태에 있어서, 부극 단자(50)는 부극 접속 단자(54)와 부극 집전 단자(52)로 구성되어 있다. 부극 접속 단자(54)는, 도 4에 도시되는 바와 같이, 일부는 전지 케이스(30)의 외부에 노출되어 있고, 일부는 전지 케이스(30)의 내부에서 부극 집전 단자(52)에 접속되어 있다. 부극 집전 단자(52)는, 전지 케이스(30)의 내부에 배치되고, 부극 집전체 노출부(22C)를 통해 부극(22)에 접속되어 있다.
정극 단자(40) 및 부극 단자(50)의 적어도 한쪽은, 정극 접속 단자(44)와 부극 접속 단자(54) 중, 당해 전극 단자에 대응하는 접속 단자를 갖고 있다. 이하에서는, 부극 단자(50)가 부극 접속 단자(54)를 갖고 있는 경우의 구성을 바탕으로, 도 5를 참조하면서 상세하게 설명한다. 정극 단자(40)가 정극 접속 단자(44)를 갖고 있는 경우의 구성은, 부극 단자(50)가 부극 접속 단자(54)를 갖고 있는 경우의 구성과 마찬가지이므로, 상세한 설명은 생략한다.
도 5는, 일 실시 형태에 따른 단자의 구조를 모식적으로 도시하는 주요부 단면도이다.
부극 단자(50)는 부극 접속 단자(54)와 부극 집전 단자(52)로 구성되어 있다. 부극 접속 단자(54)는, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)로 구성되어 있다.
부극 집전 단자(52)는, 제2 부재(58)와 용접 등에 의해 접속되어 있다. 부극 집전체(22A)와 접속되는 부극 집전 단자(52)는, 바람직하게는 부극 집전체(22A)와 동종의 금속이 사용되고, 예를 들어 구리가 사용된다. 부극 집전 단자(52)와 접속되는 제2 부재(58)는, 바람직하게는 부극 집전 단자(52)와 동종의 금속이 사용되고, 예를 들어 구리가 사용된다.
도 5에 도시되는 바와 같이, 부극 접속 단자(54)는, 관통 구멍을 갖는 덮개(34)에 삽입 관통되어 있고, 덮개(34)와 부극 접속 단자(54) 사이는 가스킷(60)에 의해 절연되어 있다.
가스킷(60)은 절연성을 갖는 재료에 의해 형성되어 있고, 예를 들어 퍼플루오로알콕시알칸(PFA) 등의 불소 수지 등이 사용된다.
또한, 도시되는 바와 같이, 부극 집전 단자(52)는 인슐레이터(61)에 의해 절연되어 있다. 인슐레이터(61)는 절연성을 갖는 재료에 의해 형성되어 있고, 예를 들어 폴리페닐렌설파이드 수지(PPS) 등의 수지 재료가 사용된다.
상술한 단자의 제조 방법 및 해당 단자를 갖는 이차 전지의 제조 방법을 설명한다. 이하에서는, 부극 단자의 제조 방법을 예로 들어 설명한다. 정극 단자의 제조 방법에 대해서는, 부극 단자의 제조 방법과 마찬가지의 방법으로 제조할 수 있으므로, 설명은 생략한다.
도 6은, 일 실시 형태에 따른 단자를 포함하는 이차 전지의 제조 방법의 흐름도이다.
이러한 제조 방법에서는, 먼저, 접속 단자를 구성하는 각각 금속제의 제1 부재(56)와 제2 부재(58)를 준비한다(S1).
제1 부재(56)은 판상으로 형성됨과 함께, 그 한쪽의 표면에 제2 부재(58)의 일부를 끼워 맞추는 오목부(56R)를 갖고 있다. 제2 부재(58)는, 제1 부재(56)의 오목부(56R)에 끼워 맞춰지는 플랜지부(58F)를 구비하고 있다. 제2 부재(58)는 또한, 덮개(34)의 관통 구멍에 삽입 관통되는 축부(58S)를 구비하고 있다. 제2 부재(58)는, 부극 집전 단자(52)에 용접 등에 의해 접속되고, 또한, 코오킹 등에 의해 덮개(34)에 고정되기 위한 다리부(58L)를 구비할 수 있다. 축부(58S)의 오목부(56R)에 대향하는 측의 단부에는, 도 5에 도시되는 바와 같은, 축부(58S)로부터 외측을 향하여 플랜지 형상으로 넓어진 형상인, 플랜지부(58F)가 마련되어 있다.
제1 부재(56)의 오목부(56R) 및 제2 부재(58)의 플랜지부(58F)의 치수는, 사용하는 금속종 등에 따라서 적절히 설정된다. 이들의 치수는, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 한 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 제1 부재(56)가 알루미늄에 의해 구성되고, 제2 부재(58)가 구리에 의해 구성된 경우, 후속 공정에서 2개의 부재를 압접할 때의 용이성의 관점에서, 오목부(56R)에 플랜지부(58F)를 끼워 맞췄을 때에 형성되는 오목부(56R)와 플랜지부(58F)의 간극은 최대로 1mm 이하인 것이 바람직하다. 당해 간극은 0.8mm 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.5mm 이하인 것이 더욱 바람직하다. 끼워 맞춤의 용이성의 관점에서, 당해 간극은 0.1mm 이상인 것이 바람직하다.
후속 공정에서 2개의 부재를 압접할 때의 용이성의 관점에서, 오목부(56R)의 깊이를 DR이라 하고, 플랜지부(58F)의 두께를 TF라 하면, DR은 0.5×TF보다 크고, 0.7×TF보다 큰 것이 바람직하고, 0.9×TF보다 큰 것이 보다 바람직하다. 또한, DR은 1.2×TF보다 작은 것이 바람직하고, 1.1×TF보다 작은 것이 보다 바람직하다.
제1 부재(56)의 오목부(56R)의 형상은, 제2 부재(58)의 플랜지부(58F)를 끼워 맞추는 한 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 도 11에 도시되는 바와 같이, 오목부(56R)의 내벽에 플랜지부(58F)의 단부를 압입시키기 위한 홈을 마련함으로써, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)를 보다 강하게 접합할 수 있다.
홈의 형상은, 예를 들어 도 11에 도시되는 바와 같은 단면도에 있어서 직사각 형상의 형상이나, 오목부의 측면에 있어서 저면을 향함에 따라서 넓어져 가는 것과 같은 형상 등이 예시된다.
부극 접속 단자(54)를 구성하는 제1 부재(56)와 제2 부재(58)는, 서로 동종의 금속으로 구성되어 있어도 되지만, 예를 들어 부극 집전체(22A)와 버스바(14)가 서로 다른 금속으로 구성되어 있는 경우 등은, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)는 서로 다른 금속으로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 그 때, 제1 부재(56)와 버스바(14)를 동일한 금속, 제2 부재(58)와 부극 집전체(22A)를 동일한 금속으로 구성되도록 하는 것이 도통 확보의 관점에서 바람직하다.
예를 들어, 부극 접속 단자(54)에 접속되는 버스바(14)가 알루미늄 또는 알루미늄을 주체로 하는 합금으로 구성되고, 또한, 부극 집전 단자(52)가 구리 또는 구리를 주체로 하는 합금으로 구성되어 있는 경우에는, 제1 부재(56)는 알루미늄 또는 알루미늄을 주체로 하는 합금으로 구성되고, 또한, 제2 부재(58)는 구리 또는 구리를 주체로 하는 합금으로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)의 금속종을 버스바나 집전 단자의 금속종에 의해, 선택함으로써, 부극 단자와 버스바 등의 외부의 접속 부품 도통 및 접합 강도를 향상시킬 수 있다.
이어서, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)를 끼워 맞추고(S2), 초음파 압접에 의해 제1 부재(56)와 제2 부재(58)를 서로 고정한다(S3).
도 7에 도시되는 바와 같이, 제1 부재(56)의 오목부(56R)에 제2 부재(58)의 플랜지부(58F)를 끼워 맞추고, 혼(70)과 앤빌(71)로 끼워 넣는다(S2). 혼(70) 및 앤빌(71)의 형상 등은, 본 발명의 효과를 발휘하는 한 제한되지 않는다.
일 실시 형태에 있어서, 제2 부재(58)가 배치되는 앤빌(71)은, 제2 부재(58)의 축부(58S)가 삽입 관통하고, 플랜지부(58F)가 배치되는, 파임부를 갖고 있다. 제1 부재(56)의 상면으로부터 접촉되는 혼(70)은, 오목부(56R)와 플랜지부(58F)가 대향하는 면의 면적과 동일 정도의 면적으로 가압할 수 있는 형상을 갖고 있다. 혼(70)의 형상은 이것에 한정되지 않고, 제1 부재(56) 및 제2 부재(58)의 형상에 따라서 적절히 선택할 수 있다. 이것에 한정되지 않지만, 혼(70)의 형상은, 예를 들어 제1 부재(56) 상면의, 플랜지부(58F)를 통해 앤빌(71)에 의해 지지되어 면을 가압할 수 있도록, 원통상의 형상을 갖고 있어도 되고, 복수의 가압 부분이 둘레 방향으로 균등하게 배치되어 있는 것과 같은 형상을 갖고 있어도 된다.
혼(70)은, 진동 발생기를 구비한 프레스기(도시하지 않음)에 설치되어 있다. 진동 발생기는, 초음파 용접에 요하는 필요한 진동을 혼(70)에 부여하는 장치이다. 플랜지부(58F)의 연신을 효율적으로 행하게 하기 위해서, 플랜지부(58F)의 단부에 초음파에 의한 진동이 부여되도록, 혼(70) 및 앤빌(71)을 배치시키는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 혼(70)과 앤빌(71)에 의해 끼워 넣어진 제1 부재(56)와 제2 부재(58)에 대하여 초음파 압접을 행함으로써 제1 부재(56)와 제2 부재(58)를 고정한다(S3).
프레스기에 의해, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)에 압력을 가한다. 여기에서 가하는 압력은, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)의 금속종, 치수, 혼(70)의 형상 등에 따라, 적절히 설정할 수 있다. 이것에 한정되지 않지만, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)에 가하는 압력은, 예를 들어 200 내지 1600N 정도로 설정될 수 있다.
이어서, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)에 압력이 가해진 상태에서, 혼(70)을 통해 초음파 진동을 부여한다. 도 8에 도시되는 바와 같이, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)에 초음파 진동을 부여하기 전에 있어서, 오목부(56R)의 내벽면과 플랜지부(58F)의 단부에는 간극이 존재한다. 도 9에 도시되는 바와 같이 진동을 부여함으로써, 플랜지부(58F)가 오목부(56R)의 내벽면에 대하여 연신된다. 그 결과, 도 10에 도시되는 바와 같이 오목부(56R)의 내벽면에 대하여 연신한 플랜지부(58F)의 일부가 압접되어, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)가 고정된다.
혼(70)과 앤빌(71)로 집힘으로써 밀어붙여진 플랜지부(58F)와 오목부(56R)가 대향하는 면의 적어도 일부에 금속 접합이 형성될 수 있다.
여기서 혼(70)을 통해 부여되는 초음파 진동의 조건은, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)의 금속종, 치수, 혼(70)의 형상 등에 따라서 적절히 설정할 수 있다. 이것에 한정되지 않지만, 예를 들어 진폭은 20 내지 80㎛ 정도, 주파수는 15 내지 150kHz 정도, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)에 부여되는 에너지양이 20 내지 500J 정도로 설정될 수 있다.
이상의 제조 방법에 의해, 여기에서 개시되는 접속 단자(54)를 구성 요소로 한 단자를 제조할 수 있다.
상술한 공정을 거쳐서 제조된 접속 단자(54)를 사용하여 전지 조립체를 구축할 수 있다(S4).
이 공정에서는, 먼저, 상술한 전극체(20)와, 비수 전해액과, 전지 케이스(30)와, 정극 단자(40)와, 부극 집전 단자(52)와, 부극 접속 단자(54)를 준비한다. 전지 케이스(30)는, 개구부를 갖는 전지 케이스 본체(32)와, 비수 전해액을 주액하기 위한 주액구를 갖는 덮개(34)를 구비하고 있다. 덮개(34)는, 정극 단자(40) 및 부극 접속 단자(54)를 각각 삽입 관통시키기 위한 관통 구멍을 갖고 있다.
이어서, 전극체(20)를 전지 케이스(30)에 수용한다.
덮개(34)의 한쪽의 관통 구멍에 정극 단자(40)를 삽입 관통시켜, 설치한다. 덮개(34)의 다른 쪽의 관통 구멍에 부극 접속 단자(54)를 삽입 관통시켜, 부극 집전 단자(52)와 접속함으로써, 부극 단자(50)를 덮개(34)에 설치한다. 부극 접속 단자(54)와 부극 집전 단자(52)의 접속은, 공지된 방법에 의해 행하여진다. 이것에 한정되지 않지만, 부극 접속 단자(54)와 부극 집전 단자(52)의 접속은, 도 5에 도시되는 바와 같은 코오킹에 의해 접속되어 있어도 된다.
정극 단자(40) 및 부극 집전 단자(52)를, 전극체(20)의 단부에 노출한, 정극 집전체 노출부(21C) 및 부극 집전체 노출부(22C)에 각각 용접한다. 그리고, 전극체(20)를, 전지 케이스(30) 본체의 개구부로부터 그 내부에 수용하고, 전지 케이스(30)의 본체와 덮개를 용접한다.
계속해서, 주입구로부터, 비수 전해액을 주입한다. 비수 전해액을 주입 후, 주입구를 밀봉하여, 전지 조립체를 얻을 수 있다. 당해 전지 조립체에 대하여 초기 충전 처리를 실시함으로써, 리튬 이온 이차 전지를 제조할 수 있다.
여기서 개시되는 제조 방법에 의해 제조된 부극 접속 단자(54)는, 각각 금속제의 제1 부재(56)와 제2 부재(58)를 갖고 있다. 제1 부재(56)는 판상으로 형성 됨과 함께 그 한쪽의 표면에 오목부(56R)를 갖고 있고, 제2 부재(58)는 제1 부재(56)의 오목부(56R)에 수용되는 플랜지부(58F)를 갖고 있다. 제1 부재(56)와 제2 부재(58)의 플랜지부(58F)는, 적어도 일부가 금속 접합에 의해 서로 접합되어 있고, 또한, 관통 구멍을 통하지 않고 플랜지부(58F)의 단부가 오목부(56R)의 내벽면에 코오킹되어 있다.
여기서, 「플랜지부(58F)의 단부가 오목부(56R)의 내벽면에 코오킹되어 있다」란, 예를 들어 플랜지부(58F)의 단부가 오목부(56R)의 내벽면에 대하여 압접되어 있음으로써, 제1 부재(56)가 제2 부재(58)에 대하여 고정되어 있는 상태를 말한다.
도 12는, 제1 부재(56)로서 알루미늄을, 제2 부재(58)로서 구리를 사용했을 때의 초음파 압접 후의 단면 사진이다. 도면 중의 일점 쇄선은, 초음파 압접을 행하기 전의 오목부(56R)의 내벽면의 위치를 나타낸다. 플랜지부(58F)의 단부가 연신됨으로써, 플랜지부(58F)가 오목부(56R)의 내벽면에 대하여 압입하고 있는 상태를 확인할 수 있다.
상기 금속 접합은, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)에 있어서, 오목부(56R)와 플랜지부(58F)가 대향하는 면에 발생하고, 예를 들어 상기 코오킹되어 있는 부분보다도 플랜지부(58F)의 중앙 부근에 발생할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서 제1 부재(56)와 제2 부재(58) 사이에 금속 접합이 발생하는 것은, 예를 들어 제1 부재(56)와 제2 부재(58)의 계면에서 파단시켜 당해 파단면을 관찰함으로써 확인할 수 있다. 도 13은, 알루미늄으로 이루어지는 제1 부재(56)와 구리로 이루어지는 제2 부재(58)를 파단시킨 면의 SEM 화상이다. 도면 중의 화살표는, 구리로 이루어지는 제2 부재(58)에 대한, 알루미늄으로 이루어지는 제1 부재(56)의 응착을 가리키고 있다. 이와 같이, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)의 적어도 한쪽의 파단면에 다른 쪽의 금속 응착을 확인할 수 있는 경우에, 상기의 접합면이 있었다고 확인할 수 있다.
부극 접속 단자(54)를 구성하는 제1 부재(56)와 제2 부재(58)는, 서로 동종의 금속으로 구성되어 있어도 되지만, 부극 집전체(22A)와 버스바(14)가 서로 다른 금속으로 구성되어 있는 경우 등은, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)는 서로 다른 금속으로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 그 때, 제1 부재(56)와 버스바(14)를 동일한 금속, 제2 부재(58)와 부극 집전체(22A)를 동일한 금속으로 구성되도록 하는 것이 도통 확보의 관점에서 바람직하다.
이러한 구성에 의해, 부극 접속 단자(54)를 구비한 부극 단자(50)와, 버스바(14)의 도통 및 접합 강도를 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 부극 접속 단자(54)에 접속되는 버스바(14)가 알루미늄 또는 알루미늄을 주체로 하는 합금으로 구성되고, 또한, 부극 집전 단자(52)가 구리 또는 구리를 주체로 하는 합금으로 구성되어 있는 경우에는, 제1 부재(56)는 알루미늄 또는 알루미늄을 주체로 하는 합금으로 구성되고, 또한, 제2 부재(58)는 구리 또는 구리를 주체로 하는 합금으로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 의해, 부극 접속 단자(54)를 구비한 부극 단자(50)와, 부극 단자(50)에 접속되는 버스바(14)의 도통 및 접합 강도를 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 구체예를 상세하게 설명했지만, 이들은 예시에 지나지 않고, 청구범위를 한정하는 것은 아니다. 여기에 개시되는 발명에는 상기의 구체예를 다양하게 변형, 변경한 것이 포함된다.
11: 스페이서
12: 2차 전지(단전지)
14: 버스바
17: 엔드 플레이트
18: 조임용 빔재
19: 비스
20: 전극체
21 정극
21A: 정극 집전체
21B: 정극 활물질층
21C: 정극 집전체 노출부
22: 부극
22A: 부극 집전체
22B: 부극 활물질층
22C: 부극 집전체 노출부
23: 세퍼레이터
24: 세퍼레이터
30: 전지 케이스
32: 전지 케이스 본체
34: 덮개
40: 정극 단자
42: 정극 집전 단자
44: 정극 접속 단자
50: 부극 단자
52: 부극 집전 단자
54: 부극 접속 단자
56: 제1 부재
56R: 오목부
58: 제2 부재
58F: 플랜지부
58L: 다리부
58S: 축부
60: 가스킷
61: 인슐레이터
70: 혼
71: 앤빌
100: 조전지

Claims (11)

  1. 이차 전지의 정극 및 부극 중 어느 것을 구성하는 단자를 제조하는 방법이며,
    이하의 공정:
    상기 단자를 구성하는 각각 금속제의 제1 부재와 제2 부재를 준비하는 공정,
    여기서, 상기 제1 부재는 판상으로 형성되고, 한쪽의 표면에 상기 제2 부재의 일부를 끼워 맞추는 오목부를 갖고, 또한, 상기 제2 부재는 상기 오목부에 수용되는 플랜지부를 갖는다; 및
    상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 초음파 압접에 의해 서로 고정하는 공정,
    여기서, 해당 초음파 압접은, 상기 제1 부재의 오목부에 상기 제2 부재의 플랜지부가 배치된 상태에서 해당 제1 부재 및 해당 제2 부재의 적층 방향으로 압력을 가하면서 초음파 진동을 가함으로써, 상기 플랜지부를 연신시킴과 함께 상기 오목부의 내벽면에 대하여 해당 연신한 플랜지부의 일부를 압접시키도록 행하여진다;를
    포함하는, 단자의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재는 서로 다른 금속으로 구성되어 있는, 단자의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 부재가 알루미늄 또는 알루미늄을 주체로 하는 합금으로 구성되어 있고, 또한, 상기 제2 부재가 구리 또는 구리를 주체로 하는 합금으로 구성되어 있는, 단자의 제조 방법.
  4. 이차 전지의 정극 및 부극 중 어느 것을 구성하는 단자이며,
    각각 금속제의 제1 부재와 제2 부재를 갖고 있고,
    상기 제1 부재는 판상으로 형성됨과 함께 그 한쪽의 표면에 오목부를 갖고 있고,
    상기 제2 부재는 상기 제1 부재의 오목부에 수용되는 플랜지부를 갖고 있고,
    여기서, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 플랜지부는, 적어도 일부가 금속 접합에 의해 서로 접합되어 있고,
    또한, 관통 구멍을 통하지 않고 상기 플랜지부의 단부가 상기 오목부의 내벽면에 코오킹되어 있는, 단자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 금속 접합은, 상기 코오킹되어 있는 부분보다도 상기 플랜지부의 중앙 부근에 발생하는, 단자.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재 사이에 존재하는 상기 금속 접합의 계면은, 초음파 접합에 의해 발생한 접합면을 갖는, 단자.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재는 서로 다른 금속으로 구성되어 있는, 단자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 부재가 알루미늄 또는 알루미늄을 주체로 하는 합금으로 구성되어 있고, 또한, 상기 제2 부재가 구리 또는 구리를 주체로 하는 합금으로 구성되어 있는, 단자.
  9. 정극 및 부극을 포함하는 전극체와,
    해당 전극체를 내부에 수용한 전지 케이스와,
    상기 전극체에 있어서의 정극 및 부극 각각과 전기적으로 접속된 정극 단자 및 부극 단자를, 구비한 이차 전지이며,
    상기 정극 단자 및 부극 단자의 적어도 한쪽은, 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 단자를 포함하는, 이차 전지.
  10. 복수의 단전지가 서로 전기적으로 접속되어 배열된 조전지이며,
    상기 복수의 단전지로서 제9항에 기재된 이차 전지가 사용되고 있는 조전지.
  11. 제10항에 있어서, 상기 복수의 단전지는, 소정의 버스바에 의해 하나의 단전지의 정극 단자와 다른 하나의 단전지의 부극 단자가 각각 전기적으로 접속되어 있고,
    여기서, 상기 단자의 상기 제1 부재를 구성하는 금속과 동일한 금속에 의해 상기 버스바가 구성되어 있는, 조전지.
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