WO2012105161A1 - 異種金属接合体および端子接続部材 - Google Patents

異種金属接合体および端子接続部材 Download PDF

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WO2012105161A1
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山本　哲也
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Sanyo Electric Co Ltd
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Sanyo Electric Co Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a dissimilar metal joined body and a terminal connecting member that is composed of the dissimilar metal joined body and connects between terminals of adjacent batteries.
  • a lithium ion battery has a positive electrode terminal made of aluminum and a negative electrode terminal made of copper.
  • a bus bar made of a dissimilar metal joined body obtained by joining aluminum and copper may be used.
  • the bus bar is connected to one positive terminal of two batteries adjacent to each other with an aluminum portion, and the copper portion is connected to the other negative terminal.
  • a battery terminal structure of a lithium ion battery a structure including a dissimilar metal joined body composed of an aluminum portion connected to a battery element and a copper portion joined to the aluminum portion and extending to the outside of the battery housing is known. ing. (See Patent Document 1).
  • the dissimilar metal joined body in which aluminum and copper are joined, when the aluminum part and the copper part are pulled in opposite directions, stress concentrates on the end of the boundary surface between the two parts. Therefore, the dissimilar metal joined body has a problem that breakage such as peeling easily proceeds from the end of the boundary surface.
  • the present invention has been made in view of these problems, and an object thereof is to provide a technique capable of suppressing the destruction of a dissimilar metal joined body.
  • An aspect of the present invention is a dissimilar metal joined body.
  • the dissimilar metal bonded body includes a first metal body formed of a metal mainly composed of copper, and a second metal body formed of a metal mainly composed of aluminum and bonded to the first metal body.
  • the side surfaces of the first metal body and the side surfaces of the second metal body are smooth in the one or more joint body side surfaces of the dissimilar metal joint body where the end of the boundary surface between the first metal body and the second metal body is exposed.
  • the angle formed between the tangent plane of the side surface of the first metal body that passes through the intersection line between the side surface and the boundary surface of the first metal body and the tangential plane of the boundary surface that passes through the intersection line is less than 90 ° or 116 °. It is included in a larger angle region.
  • the angle described above may be included in an angle region of 78 ° or less or 127 ° or more.
  • the cross-sectional area of the dissimilar metal joined body parallel to the boundary surface may continuously decrease from the second metal body side to the first metal body side in at least a part of the region including the boundary surface.
  • the joined body side surface may have a partial area on the same plane including a portion where the end of the boundary surface is exposed.
  • the entire side surface of the joined body may be on the same plane.
  • An aspect of the present invention is a terminal connection member.
  • the terminal connection member includes the dissimilar metal joined body according to any one of the above-described aspects, and the first metal body is connected to one negative electrode terminal of two adjacent batteries, and the second metal body is connected to the other positive electrode terminal. The two are electrically connected.
  • the destruction of the dissimilar metal joined body can be suppressed.
  • FIG. 4A is a horizontal sectional view showing a schematic structure of the bus bar
  • FIG. 4B is a side view showing the schematic structure of the bus bar.
  • It is a graph which shows the relationship between order (lambda) of stress singularity, and angle (theta) 1 which a side surface and a boundary surface make.
  • It is a horizontal sectional view showing a schematic structure of a bus bar composed of a dissimilar metal joined body according to a modification.
  • FIG. 1 is a plan view showing a schematic structure of an assembled battery in which a plurality of batteries (single cells) are connected by a bus bar (terminal connection member) formed of a dissimilar metal joined body according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a side view showing a schematic structure of the assembled battery.
  • the assembled battery 10 includes a plurality of batteries 30 and a bus bar 100 that connects these batteries 30.
  • a total of ten batteries 30 are connected in series to form the assembled battery 10. Note that the number of the batteries 30 is not particularly limited.
  • the ten batteries 30 are arranged in parallel at a predetermined interval so that the longitudinal directions of the batteries 30 are substantially parallel in a plan view.
  • the tip portions of the positive electrode terminal 50 and the negative electrode terminal 60 of the battery 30 protrude from the upper surface of the casing of the battery 30.
  • the positive electrode terminal 50 and the negative electrode terminal 60 of the adjacent battery 30 are arranged so as to be opposite to each other.
  • One negative terminal 60 and the other positive terminal 50 of the two batteries 30 adjacent to each other are electrically connected by the bus bar 100, and ten batteries 30 are connected in series.
  • a first metal body 110 (to be described later) of the bus bar 100 is connected to the negative electrode terminal 60 of one battery 30, and a second metal body 130 (to be described later) of the bus bar 100 is connected to the positive electrode terminal 50 of the other battery 30. Both are electrically connected.
  • the battery 30 is housed in a housing (not shown) and protected from the external environment.
  • the negative terminal 60 ′ serving as one end of the series connection of the batteries 30 and the positive terminal 50 ′ serving as the other terminal can be connected to an external load (both not shown) via wiring drawn outside the housing. It has become.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a schematic structure of the battery.
  • FIG. 3 corresponds to a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • the battery 30 includes an outer can (housing) 31 in which an electrode body 32 in which positive and negative electrodes are wound in a spiral shape is housed laterally with respect to the can axis direction of the outer can 31.
  • the opening of the outer can 31 is sealed by the sealing plate 33.
  • the sealing plate 33 is provided with a positive electrode terminal 50 and a negative electrode terminal 60 that protrude outward from the battery 30.
  • the sealing plate 33 is formed with a gas discharge valve (not shown).
  • the positive electrode terminal 50 is fitted in the positive electrode opening 33 a of the sealing plate 33 while being in contact with the gasket 34.
  • the positive electrode terminal 50 is connected to the positive electrode tab member 53 on the battery inner side of the sealing plate 33.
  • the end of the positive electrode terminal 50 is provided with a recess 51 in which a side wall is formed along the positive electrode opening 33a.
  • the positive electrode terminal 50 is fixed to the positive electrode tab member 53 by caulking so that the edge portion of the recess 51 is widened.
  • the positive electrode terminal 50 is entirely made of aluminum.
  • An insulating plate 35 is provided between the positive electrode tab member 53 and the battery inner surface of the sealing plate 33.
  • the insulating plate 35 and the gasket 34 are in contact with each other at the positive electrode opening 33a.
  • the positive electrode tab member 53 and the positive electrode terminal 50 are insulated from the sealing plate 33.
  • the positive electrode tab member 53 is connected to the positive electrode current collector plate group 32 a protruding from one end face of the electrode body 32.
  • the positive electrode current collector plate group 32 a is a bundle of a plurality of positive electrode current collector plates protruding from one end face of the electrode body 32.
  • the second metal body 130 portion of the bus bar 100 is fixed to the positive terminal 50 with screws. Specifically, the positive terminal 50 protruding from the positive opening 33 a is fitted into the opening 100 a provided in the second metal body 130 of the bus bar 100, and the fixing screw 80 is screwed into the positive terminal 50. As a result, the bus bar 100 is fixed to the positive electrode terminal 50 while being sandwiched between the gasket 34 and the fixing screw 80.
  • the negative electrode terminal 60 is fitted in the negative electrode opening 33 b of the sealing plate 33 while being in contact with the gasket 34.
  • the negative electrode terminal 60 is connected to the negative electrode tab member 62 inside the sealing plate 33 on the battery side.
  • a recess 61 is formed at the end of the negative electrode terminal 60 so that a side wall is formed along the negative electrode opening 33b.
  • the negative electrode terminal 60 is fixed to the negative electrode tab member 62 by caulking so that the edge portion of the recess 61 is widened.
  • the entire negative electrode terminal 60 is made of copper.
  • An insulating plate 35 is provided between the negative electrode tab member 62 and the battery inner surface of the sealing plate 33.
  • the insulating plate 35 and the gasket 34 are in contact with each other at the negative electrode opening 33b.
  • the negative electrode tab member 62 and the negative electrode terminal 60 are insulated from the sealing plate 33.
  • the negative electrode tab member 62 is connected to the negative electrode current collector plate group 32 b protruding from the other end face of the electrode body 32.
  • the negative electrode current collector plate group 32 b is a bundle of a plurality of negative electrode current collector plates protruding from the other end face of the electrode body 32.
  • the first metal body 110 portion of the bus bar 100 is fixed to the negative electrode terminal 60 with screws. Specifically, the negative electrode terminal 60 protruding from the negative electrode opening 33 b is fitted into the opening 100 a provided in the first metal body 110 of the bus bar 100, and the fixing screw 80 is screwed into the negative electrode terminal 60. Thereby, the bus bar 100 is fixed to the negative electrode terminal 60 while being sandwiched between the gasket 34 and the fixing screw 80.
  • FIG. 4 (A) is a horizontal sectional view showing a schematic structure of the bus bar
  • FIG. 4 (B) is a side view showing a schematic structure of the bus bar.
  • FIG. 4A corresponds to a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
  • the bus bar 100 is formed of a first metal body 110 made of a metal containing copper as a main component and a metal containing aluminum as a main component. It is comprised with the dissimilar metal joining body provided with the 2nd metal body 130 joined to the 1 metal body 110.
  • “having main component” means that the content of copper or aluminum is greater than 50%, and the first metal body 110 And the Young's modulus ratio of the second metal body 130 means that other inclusions are included in a range in which the Young's modulus ratio of copper and aluminum can be considered to be equal (for example, a value approximately equal to 130 MPa / 70.3 MPa).
  • the side surface of the first metal body 110 is the two side surfaces 102 (joint body side surfaces) of the bus bar 100 or the dissimilar metal joined body from which the end portion 104X of the boundary surface 104 between the first metal body 110 and the second metal body 130 is exposed.
  • 112 and the side surface 132 of the second metal body 130 are smoothly continuous.
  • the two side surfaces 102 of the bus bar 100 are tapered such that portions extending in the region R including the boundary surface 104 are inclined with respect to the major axis of the bus bar 100.
  • a side surface 112 of a certain first metal body 110 and a side surface 132 of the second metal body 130 are located on the same plane.
  • this region R will be referred to as a taper region R as appropriate.
  • an intersection line between the side surface 112 of the first metal body 110 and the boundary surface 104 that is, a tangential plane of the side surface 112 of the first metal body 110 passing through the end 104X and a tangential plane of the boundary surface 104 passing through the intersection line.
  • the positional relationship between the boundary surface 104 and the side surface 102 of the bus bar 100 is determined so that the formed angle ⁇ 1 is included in an angle region less than 90 ° or greater than 116 °.
  • the angle ⁇ 1 formed with the tangent to the boundary surface 104 passing through the end 104X is an angle of less than 90 ° or greater than 116 °.
  • the side surface 112 of the first metal body 110 is a plane in the region R
  • the tangential plane of the side surface 112 in the region R coincides with the side surface 112.
  • the boundary surface 104 is also a plane
  • the tangent plane of the boundary surface 104 coincides with the boundary surface 104. Therefore, the angle formed by the side surface 112 of the first metal body 110 and the boundary surface 104 is included in the angle region described above.
  • the tangent to the side surface 132 passing through the end portion 104X and the end An angle ⁇ 2 formed with a tangent to the boundary surface 104 passing through the portion 104X is ⁇ 1 .
  • a force in a direction perpendicular to the boundary surface 104 and in which the first metal body 110 and the second metal body 130 are separated from each other is applied to the dissimilar metal joined body.
  • the stress ⁇ generated on the boundary surface 104 is obtained using a polar coordinate system with the end 104X as the origin, and can be expressed by the following equation (1).
  • Equation (1) ⁇ is the order of stress singularity, K is a generalized stress intensity factor, and r is the distance on the boundary surface 104 from the end 104X.
  • ⁇ is the order of stress singularity
  • K is a generalized stress intensity factor
  • r is the distance on the boundary surface 104 from the end 104X.
  • Equation (2) The order ⁇ of stress singularity in equation (1) can be expressed by the following characteristic equation (equation (2)).
  • P of Formula (2) can be calculated
  • ⁇ and ⁇ in equation (3) are Dundurs parameters, ⁇ is represented by the following equation (4), and ⁇ is represented by the following equation (5).
  • G 1 and G 2 in the formulas (4) and (5) are represented by the following formula (6), and m 1 and m 2 are represented by the following formula (7).
  • E i and ⁇ i in formula (6) and formula (7) are the Young's modulus and Poisson's ratio of the i-th metal body.
  • the Young's modulus and Poisson's ratio of copper, which is the main component of the first metal body 110, are 130 MPa and 0.35, respectively, corresponding to E 1 and ⁇ 1 .
  • the Young's modulus and Poisson's ratio of aluminum, which is the main component of the second metal body 130, are 70.3 MPa and 0.35, respectively, corresponding to E 2 and ⁇ 2 .
  • m i of Equation (7) is plane strain.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the stress singularity order ⁇ and the angle ⁇ 1 formed by the side surface 112 and the boundary surface 104.
  • the relationship between the stress singularity order ⁇ and the angle ⁇ 1 obtained from the equations (2) to (14) is as shown in the graph of FIG.
  • the point b corresponds to a conventional structure in which the side surface 102 and the boundary surface 104 of the dissimilar metal joined body are in perpendicular contact with each other. Therefore, in the angle region C between the point b and the point c, the order ⁇ of the stress singularity is larger than that in the conventional structure.
  • the angle ⁇ 1 is less than 90 ° or exceeds 116 °, that is, the angle regions A and B where the angle ⁇ 1 is 0 ° ⁇ 1 ⁇ 90 °, or the angle ⁇ 1 is 116 ° ⁇ 1 ⁇ 180.
  • the angle regions D and E where the angle is ° the order ⁇ of the stress singularity is smaller than that of the conventional structure. Therefore, the angle ⁇ 1 formed by the tangent plane of the side surface 112 of the first metal body 110 passing through the end portion 104X and the tangential plane of the boundary surface 104 passing through the end portion 104X is included in an angle region that is less than 90 ° or greater than 116 °. In this case, the stress ⁇ generated at the end portion 104X can be reduced as compared with the conventional structure.
  • the angle ⁇ 1 formed between the side surface 112 and the boundary surface 104 is larger than the angle ⁇ 2 formed between the side surface 132 and the boundary surface 104. small. Therefore, the cross-sectional area of the dissimilar metal joined body parallel to the boundary surface 104 is continuous from the second metal body 130 side to the first metal body 110 side in at least a part of the region including the boundary surface 104, here, the tapered region R. Is decreasing.
  • the electrical resistivity ⁇ Cu of copper as the main component of the first metal body 110 and aluminum as the main component of the second metal body 130 is 1.68 ⁇ 10 ⁇ 8 ⁇ m and 2.65 ⁇ 10 ⁇ 8 ⁇ m, respectively. is there.
  • the thermal conductivities ⁇ Cu of copper and aluminum are 398 W / mK and 236 W / mK, respectively. Therefore, the side surface 102 is tapered by making the cross-sectional area of the second metal body 130 having a higher electrical resistivity and lower thermal conductivity than the first metal body 110 larger than the cross-sectional area of the first metal body 110. Therefore, it is possible to suppress a decrease in conductivity and heat conductivity of the dissimilar metal joined body.
  • the densities of copper and aluminum are 2.7 g / cm 3 and 8.92 g / cm 3 , respectively. Therefore, by making the cross-sectional area of the second metal body 130 larger than the cross-sectional area of the first metal body 110, the second metal body 130 having a density lower than that of the first metal body 110 can be increased. Thereby, weight reduction of a dissimilar metal joined body can be achieved. Therefore, when the angle ⁇ 1 formed between the side surface 112 and the boundary surface 104 is less than 90 ° and the cross-sectional area of the dissimilar metal joined body is decreased from the second metal body 130 side to the first metal body 110 side, the dissimilar metal The joined body can be more suitably employed as a bus bar.
  • the side surface 102 has a partial area on the same plane including a portion where the end 104X of the boundary surface 104 is exposed. That is, the portion included in the tapered region R in the side surface 102 is on the same plane.
  • the side surface 102 has a taper region R partially extending, and a portion outside the taper region R extends parallel to the major axis of the dissimilar metal joined body.
  • the portion near the side surface of the first metal body 110 Since it is possible to avoid the portion near the side surface of the first metal body 110 from becoming extremely small, when a dissimilar metal joined body is used as a bus bar, the conductivity or heat conductivity in the portion is reduced, The situation where connection becomes difficult can be avoided.
  • the portion near the side surface of the second metal body 130 can be prevented from becoming extremely large, when the dissimilar metal joined body is used as the bus bar, the width dimension of the bus bar is increased and the assembled battery 10 is increased in size. The situation can be avoided.
  • the angle ⁇ 1 formed by the side surface 112 and the boundary surface 104 is an angle included in the smaller angle region A of the angle regions A and B less than 90 °, or the angle regions D and E larger than 116 °. Even if it is a case where it is an angle included in the larger angle area
  • the shape of the dissimilar metal joined body can be made to be a more suitable shape as a bus bar.
  • the stress reduction effect obtained by setting the angle ⁇ 1 formed by the side surface 112 and the boundary surface 104 to the above-described angle region can be obtained in the range of the nanometer order from the end 104X, for example, in the region of 1 nm from the end 104X.
  • 112 and 132 and the boundary surface 104 may be flat. Therefore, the side surface 112 of the first metal body 110, the side surface 132 of the second metal body 130, and the boundary surface 104 do not have to be flat except for the planar region in the vicinity of the end 104X.
  • the boundary surface 104 may be a curved surface that is curved toward the first metal body 110 or the second metal body 130, or a refractive surface, except for the planar region.
  • region may become a curved surface by the deburring process etc. in the manufacturing process of a dissimilar metal joined body.
  • the dissimilar metal joined body having the above-described configuration can be manufactured, for example, as follows. First, the block of the first metal body 110 and the block of the second metal body 130 are pressure-bonded to form a clad material. Then, the clad material is sliced in a direction perpendicular to the interface 104 between the first metal body 110 and the second metal body 130 to form a plate-like clad material having a predetermined thickness. Then, the outer peripheral part of a plate-shaped clad material is cut, and a dissimilar metal joined body is manufactured. Moreover, the opening 100a is provided in the predetermined area
  • the dissimilar metal joined body is formed of the first metal body 110 made of a metal containing copper as a main component and the metal containing aluminum as a main component. 110 and a second metal body 130 joined to 110.
  • the side surface 112 of the first metal body 110 and the side surface 132 of the second metal body 130 are smoothly continuous on the side surface 102 where the end 104X of the boundary surface 104 between the first metal body 110 and the second metal body 130 is exposed.
  • an angle formed between the tangent plane of the side surface 112 of the first metal body 110 passing through the intersection line between the side surface 112 of the first metal body 110 and the boundary surface 104 and the tangent plane of the boundary surface 104 passing through the intersection line is 90.
  • the bus bar 100 includes the dissimilar metal joined body having the above-described structure, the first metal body 110 is connected to one negative electrode terminal 60 of two adjacent batteries 30, and the other positive electrode terminal 50 is connected.
  • the 2nd metal body 130 is connected and both are electrically connected. According to the dissimilar metal joined body according to the present embodiment, it is possible to suppress the stress ⁇ from concentrating on the end portion 104X of the boundary surface 104 and causing the dissimilar metal joined body to break down. When used for 100, the connection reliability of the bus bar 100 can be improved.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art.
  • the embodiment to which such a modification is added is also the present embodiment. It can be included in the scope of the invention.
  • FIG. 6 is a horizontal sectional view showing a schematic structure of a bus bar composed of a dissimilar metal joined body according to a modification.
  • the side surface 102 may be entirely on the same plane. That is, the side surface 102 may extend from one side surface of the bus bar 100 where the tapered region R faces the boundary surface 104 to the other side surface.
  • the manufacturing process of the dissimilar metal joined body or the bus bar 100 can be further simplified.
  • the angle ⁇ 1 formed between the side surface 112 and the boundary surface 104 is the above-described angle range in both of the two side surfaces 102 where the end portion 104X of the boundary surface 104 is exposed.
  • the angle theta 1 is only to be the angular range mentioned above. Even in this case, since the stress reduction effect described above can be exhibited on the one side surface 102, it is possible to suppress the destruction of the dissimilar metal joined body as compared with the conventional structure.
  • 30 battery 50, 50 'positive terminal, 60, 60' negative terminal, 100 bus bar, 102 side surface, 104 boundary surface, 104X end, 110 first metal body, 112 side surface, 130 second metal body, 132 side surface.
  • the present invention can be used for a dissimilar metal joined body and a terminal connecting member that is composed of the dissimilar metal joined body and connects between terminals of adjacent batteries.

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  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)

Abstract

　本発明は、異種金属接合体の破壊を抑制することができる技術の提供を目的とする。 異種金属接合体は、銅を主成分とする金属で形成された第１金属体（１１０）と、アルミニウムを主成分とする金属で形成され、第１金属体（１１０）に接合された第２金属体（１３０）と、を備える。第１金属体（１１０）と第２金属体（１３０）の境界面（１０４）の端部（１０４Ｘ）が露出する異種金属接合体の１以上の接合体側面において、第１金属体（１１０）の側面（１１２）および第２金属体（１３０）の側面（１３２）が滑らかに連続し、第１金属体（１１０）の側面（１１２）と境界面（１０４）との交線を通る第１金属体（１１０）の側面（１１２）の接平面と、交線を通る境界面（１０４）の接平面とのなす角度θ１が、９０°未満または１１６°より大きい角度領域に含まれる。

Description

異種金属接合体および端子接続部材
　本発明は、異種金属接合体と、当該異種金属接合体で構成され、隣接する電池の端子間を接続するための端子接続部材に関する。
　一般にリチウムイオン電池は、アルミニウムからなる正極端子と銅からなる負極端子とを有する。複数のリチウムイオン電池を直列接続する場合、アルミニウムおよび銅を接合した異種金属接合体からなるバスバーが用いられる場合がある。この場合、バスバーは、アルミニウム部分が隣接する２つの電池の一方の正極端子に接続され、銅部分が他方の負極端子に接続される。
　また、リチウムイオン電池の電池端子構造として、電池素子に接続されるアルミニウム部分と当該アルミニウム部分に接合され電池筐体外部に延出する銅部分とからなる異種金属接合体を備えた構造が知られている。（特許文献１参照）。
特開２００７－１３４２３３号公報
　アルミニウムと銅が接合された異種金属接合体は、アルミニウム部分と銅部分とが互いに反対方向に引っ張られた場合、両部分の境界面の端部に応力が集中する。そのため、異種金属接合体は、当該境界面の端部から剥離などの破壊が進行しやすいという課題があった。
　本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、異種金属接合体の破壊を抑制することができる技術の提供にある。
　本発明のある態様は、異種金属接合体である。当該異種金属接合体は、銅を主成分とする金属で形成された第１金属体と、アルミニウムを主成分とする金属で形成され、第１金属体に接合された第２金属体と、を備え、第１金属体と第２金属体の境界面の端部が露出する本異種金属接合体の１以上の接合体側面において、第１金属体の側面および第２金属体の側面が滑らかに連続し、第１金属体の側面と境界面との交線を通る第１金属体の側面の接平面と、交線を通る境界面の接平面とのなす角度が、９０°未満または１１６°より大きい角度領域に含まれることを特徴とする。
　この態様によれば、境界面の端部に応力が集中することを抑制することができるため、異種金属接合体の破壊を抑制することができる。
　上述した態様において、上述した角度は、７８°以下または１２７°以上の角度領域に含まれてもよい。
　上述したいずれかの態様において、境界面に平行な異種金属接合体の断面積は、境界面を含む少なくとも一部の領域において第２金属体側から第１金属体側にかけて連続的に減少してもよい。
　上述したいずれかの態様において、接合体側面は、境界面の端部が露出する部分を含む一部の領域が同一平面上にあってもよい。あるいは、接合体側面は、全体が同一平面上にあってもよい。
　本発明のある態様は、端子接続部材である。当該端子接続部材は、上述したいずれかの態様の異種金属接合体を備え、隣接する２つの電池の一方の負極端子に第１金属体が接続され、他方の正極端子に第２金属体が接続されて、両者を電気的に接続することを特徴とする。
　本発明によれば、異種金属接合体の破壊を抑制することができる。
実施形態に係る異種金属接合体で構成されたバスバーにより複数の電池が連結されてなる組電池の概略構造を示す平面図である。 組電池の概略構造を示す側面図である。 電池の概略構造を示す断面図である。 図４（Ａ）は、バスバーの概略構造を示す水平断面図であり、図４（Ｂ）は、バスバーの概略構造を示す側面図である。 応力特異性のオーダーλと、側面と境界面とのなす角度θ１との関係を示すグラフである。 変形例に係る異種金属接合体で構成されたバスバーの概略構造を示す水平断面図である。
　以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
　図１は、実施形態に係る異種金属接合体で構成されたバスバー（端子接続部材）により複数の電池（単セル）が連結されてなる組電池の概略構造を示す平面図である。図２は、組電池の概略構造を示す側面図である。図１および図２に示すように、組電池１０は、複数の電池３０と、これらの電池３０を接続するバスバー１００とを有する。本実施形態では、計１０個の電池３０が直列に接続されて組電池１０が形成されている。なお、電池３０の数は特に限定されない。
　１０個の電池３０は、平面視で電池３０の長手方向が略平行になるように所定の間隔で並設されている。電池３０の正極端子５０および負極端子６０の先端部分は、電池３０の筐体上面から突出している。隣接する電池３０の正極端子５０および負極端子６０は、互いに反対側になるように配列されている。互いに隣接する２つの電池３０の一方の負極端子６０と他方の正極端子５０とがバスバー１００により電気的に接続されて、１０個の電池３０が直列接続されている。具体的には、一方の電池３０の負極端子６０にバスバー１００の後述する第１金属体１１０が接続され、他方の電池３０の正極端子５０にバスバー１００の後述する第２金属体１３０が接続されて、両者が電気的に接続されている。
　電池３０は、ハウジング（図示せず）内に収容されて外部環境から保護される。電池３０の直列接続の一方の終端となる負極端子６０’および他方の終端となる正極端子５０’は、ハウジングの外部に引き回される配線を介して外部負荷（ともに図示せず）と接続可能になっている。
　図３は、電池の概略構造を示す断面図である。図３は、図１におけるＡ－Ａ線に沿った断面図に相当する。図３に示すように、電池３０は、外装缶（筐体）３１内に、正負極が渦巻状に巻回されてなる電極体３２が外装缶３１の缶軸方向に対し横向きに収納されており、封口板３３により外装缶３１の開口が封口されている。封口板３３には電池３０の外方に突出した正極端子５０と負極端子６０が設けられている。また、封口板３３には、ガス排出弁（図示せず）が形成されている。
　正極端子５０は、ガスケット３４に当接された状態で、封口板３３の正極用開口３３ａに嵌め込まれている。また、正極端子５０は、封口板３３の電池内側において正極タブ部材５３と接続している。なお、正極端子５０の端部には、正極用開口３３ａに沿って側壁が形成されるような凹部５１が設けられている。凹部５１の縁部分が広がるようにかしめることで、正極端子５０が正極タブ部材５３に対して固定されている。正極端子５０は全体がアルミニウムで形成されている。
　正極タブ部材５３と封口板３３の電池内側面との間には、絶縁板３５が設けられている。正極用開口３３ａにおいて、絶縁板３５とガスケット３４とが当接している。これにより、正極タブ部材５３および正極端子５０が封口板３３から絶縁されている。正極タブ部材５３は、電極体３２の一方の端面から突出した正極集電板群３２ａに接続されている。なお、正極集電板群３２ａは、電極体３２の一方の端面から突出した複数の正極集電板を束ねたものである。
　正極端子５０には、バスバー１００の第２金属体１３０部分がねじ止め固定されている。具体的には、バスバー１００の第２金属体１３０に設けられた開口１００ａに正極用開口３３ａから突出した正極端子５０が嵌め込まれ、さらに正極端子５０に固定用ねじ８０が螺合している。これにより、バスバー１００は、ガスケット３４と固定用ねじ８０とに挟まれた状態で正極端子５０に固定されている。
　負極端子６０は、ガスケット３４に当接された状態で、封口板３３の負極用開口３３ｂに嵌め込まれている。また、負極端子６０は、封口板３３の電池内側において負極タブ部材６２と接続している。なお、負極端子６０の端部には、負極用開口３３ｂに沿って側壁が形成されるような凹部６１が設けられている。凹部６１の縁部分が広がるようにかしめることで、負極端子６０が負極タブ部材６２に対して固定されている。負極端子６０は全体が銅で形成されている。
　負極タブ部材６２と封口板３３の電池内側面との間には、絶縁板３５が設けられている。負極用開口３３ｂにおいて、絶縁板３５とガスケット３４とが当接している。これにより、負極タブ部材６２および負極端子６０が封口板３３から絶縁されている。負極タブ部材６２は、電極体３２の他方の端面から突出した負極集電板群３２ｂに接続されている。なお、負極集電板群３２ｂは、電極体３２の他方の端面から突出した複数の負極集電板を束ねたものである。
　負極端子６０には、バスバー１００の第１金属体１１０部分がねじ止め固定されている。具体的には、バスバー１００の第１金属体１１０に設けられた開口１００ａに負極用開口３３ｂから突出した負極端子６０が嵌め込まれ、さらに負極端子６０に固定用ねじ８０が螺合している。これにより、バスバー１００は、ガスケット３４と固定用ねじ８０とに挟まれた状態で負極端子６０に固定されている。
　図４（Ａ）は、バスバーの概略構造を示す水平断面図であり、図４（Ｂ）は、バスバーの概略構造を示す側面図である。図４（Ａ）は、図４（Ｂ）におけるＢ－Ｂ線に沿った断面図に相当する。図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すように、バスバー１００は、銅を主成分とする金属で形成された第１金属体１１０と、アルミニウムを主成分とする金属で形成され、第１金属体１１０に接合された第２金属体１３０とを備える異種金属接合体で構成されている。ここで、「銅を主成分とする」および「アルミニウムを主成分とする」という表現中、「主成分とする」は、銅またはアルミニウムの含有量が５０％よりも大きく、第１金属体１１０と第２金属体１３０のヤング率比が銅とアルミニウムのヤング率比に等しいとみなせる範囲（例えば、１３０ＭＰａ／７０．３ＭＰａに概ね等しい値）で他の含有物を含むことを意味する。
　また、第１金属体１１０と第２金属体１３０の境界面１０４の端部１０４Ｘが露出するバスバー１００あるいは異種金属接合体の２つの側面１０２（接合体側面）において、第１金属体１１０の側面１１２および第２金属体１３０の側面１３２が滑らかに連続している。本実施形態では、バスバー１００の２つの側面１０２は、境界面１０４を含む領域Ｒ内に延在する部分がバスバー１００の長軸に対して傾斜したテーパ状となっており、この領域Ｒ内にある第１金属体１１０の側面１１２および第２金属体１３０の側面１３２が同一平面上に位置している。以下、適宜この領域Ｒをテーパ領域Ｒと称する。
　そして、第１金属体１１０の側面１１２と境界面１０４との交線、すなわち端部１０４Ｘを通る第１金属体１１０の側面１１２の接平面と、交線を通る境界面１０４の接平面とのなす角度θ１が、９０°未満または１１６°より大きい角度領域に含まれるように、境界面１０４とバスバー１００の側面１０２との位置関係が定められている。すなわち、側面１０２と接続し、端部１０４Ｘが露出する異種金属接合体の他の面、ここでは異種金属接合体の主表面を平面視したときに、端部１０４Ｘを通る側面１１２の接線と、端部１０４Ｘを通る境界面１０４の接線とのなす角度θ１が、９０°未満または１１６°より大きい角度となっている。
　なお、本実施形態では、第１金属体１１０の側面１１２は領域Ｒにおいて平面であるため、領域Ｒにおいて側面１１２の接平面は側面１１２と一致する。また、境界面１０４も平面であるため、境界面１０４の接平面は境界面１０４と一致する。したがって、第１金属体１１０の側面１１２と境界面１０４とのなす角度が上述した角度領域に含まれている。また、上述したように、テーパ領域Ｒにおいて第１金属体１１０および第２金属体１３０の側面１１２，１３２が同一平面上に位置しているため、端部１０４Ｘを通る側面１３２の接線と、端部１０４Ｘを通る境界面１０４の接線とのなす角度θ２は、π－θ１である。
　ここで、境界面１０４に対して垂直でかつ第１金属体１１０と第２金属体１３０とが互いに離れる方向（図４（Ａ）において矢印Ｆで示す方向）の力が異種金属接合体にかかった場合に境界面１０４に発生する応力σは、端部１０４Ｘを原点とする極座標系を用いて求められ、以下の式（１）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　式（１）において、λは応力特異性のオーダー、Ｋは一般化応力拡大係数、ｒは端部１０４Ｘからの境界面１０４上の距離をそれぞれ表す。式（１）から分かるように、λが０でない場合、端部１０４Ｘ（ｒ＝０）において応力σが無限大となる。一方、λが０である場合、端部１０４Ｘにおいて無限大になるという応力の特異性が消失する。
　式（１）の応力特異性のオーダーλは、以下の特性方程式（式（２））で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　式（２）のｐは以下の式（３）から求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　式（３）におけるαおよびβは、Ｄｕｎｄｕｒｓのパラメータであり、αは以下の式（４）で表され、βは以下の式（５）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　式（４）および式（５）におけるＧ１およびＧ２は、以下の式（６）で表され、ｍ１およびｍ２は、以下の式（７）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　式（６）および式（７）におけるＥｉおよびνｉは、第ｉ金属体のヤング率およびポアソン比である。第１金属体１１０の主成分である銅のヤング率およびポアソン比は、それぞれ１３０ＭＰａおよび０．３５であり、Ｅ１、ν１に相当する。第２金属体１３０の主成分であるアルミニウムのヤング率およびポアソン比は、それぞれ７０．３ＭＰａおよび０．３５であり、Ｅ２、ν２に相当する。また、式（７）のｍｉは、平面ひずみである。
　また、式（３）におけるＡ～Ｆは、以下の式（８）～式（１３）で表される。さらに、式（８）～式（１３）におけるＨは、以下の式（１４）で表される。
　図５は、応力特異性のオーダーλと、側面１１２と境界面１０４とのなす角度θ１との関係を示すグラフである。上述した式（２）～式（１４）から得られる応力特異性のオーダーλと角度θ１との関係は、図５に示すグラフのようになる。当該グラフにおいて、θ１＝９０°であるｂ点とθ１＝１１６°であるｃ点における応力特異性のオーダーλが同じ値を示している。ｂ点は、異種金属接合体の側面１０２と境界面１０４とが垂直に接する従来の構造に相当する。したがって、ｂ点からｃ点の間の角度領域Ｃにおいて、従来の構造に比べて応力特異性のオーダーλが大きくなる。
　一方、角度θ１が９０°未満または１１６°を越えると、すなわち、角度θ１が０°＜θ１＜９０°となる角度領域Ａ，Ｂ、または角度θ１が１１６°＜θ１＜１８０°となる角度領域Ｄ，Ｅにおいて、応力特異性のオーダーλが従来構造に比べて小さくなる。したがって、端部１０４Ｘを通る第１金属体１１０の側面１１２の接平面と、端部１０４Ｘを通る境界面１０４の接平面とのなす角度θ１が９０°未満または１１６°を越える角度領域に含まれる場合に、端部１０４Ｘに発生する応力σを従来構造に比べて小さくすることができる。
　さらに、θ１＝７８°であるａ点、またはθ１＝１２７°であるｄ点において応力特異性のオーダーλが０になる。したがって、角度θ１が７８°以下、すなわち０°＜θ１≦７８°である角度領域Ａ、または角度θ１が１２７°以上、すなわち１２７°≦θ１＜１８０°である角度領域Ｅにおいて、応力特異性のオーダーλをより小さくすることができる。したがって、角度θ１が７８°以下または１２７°以上の角度領域に含まれる場合に、端部１０４Ｘに発生する応力σを従来構造に比べてより小さくすることができる。
　また、図４（Ａ）に示すように、本実施形態に係る異種金属接合体では、側面１１２と境界面１０４とのなす角度θ１が側面１３２と境界面１０４とのなす角度θ２よりも小さい。したがって、境界面１０４に平行な異種金属接合体の断面積は、境界面１０４を含む少なくとも一部の領域、ここではテーパ領域Ｒにおいて、第２金属体１３０側から第１金属体１１０側にかけて連続的に減少している。
　第１金属体１１０の主成分である銅および第２金属体１３０の主成分であるアルミニウムの電気抵抗率ρＣｕは、それぞれ１．６８×１０－８Ωｍおよび２．６５×１０－８Ωｍである。また、銅およびアルミニウムの熱伝導率κＣｕは、それぞれ３９８Ｗ／ｍＫおよび２３６Ｗ／ｍＫである。そのため、第１金属体１１０よりも電気抵抗率が大きく熱伝導率が小さい第２金属体１３０の断面積を第１金属体１１０の断面積よりも大きくすることで、側面１０２をテーパ状としたことによる異種金属接合体の導電性および伝熱性の低下を抑制することができる。また、銅およびアルミニウムの密度は、それぞれ２．７ｇ／ｃｍ３および８．９２ｇ／ｃｍ３である。そのため、第２金属体１３０の断面積を第１金属体１１０の断面積よりも大きくすることで、第１金属体１１０よりも密度の小さい第２金属体１３０を大きくすることができる。これにより、異種金属接合体の軽量化を図ることができる。したがって、側面１１２と境界面１０４とのなす角度θ１を９０°未満として異種金属接合体の断面積を第２金属体１３０側から第１金属体１１０側にかけて減少させた場合には、異種金属接合体をバスバーとしてより好適に採用可能となる。
　本実施形態に係る異種金属接合体において、側面１０２は、境界面１０４の端部１０４Ｘが露出する部分を含む一部の領域が同一平面上にある。すなわち、側面１０２のうちテーパ領域Ｒに含まれる部分が同一平面上にある。言い換えれば、側面１０２は、一部にテーパ領域Ｒが延在し、テーパ領域Ｒよりも外側の部分は異種金属接合体の長軸に平行に延びている。これにより、第１金属体１１０の境界面１０４と対向する側面近傍部分が極端に小さくなることや、第２金属体１３０の境界面１０４と対向する側面近傍部分が極端に大きくなることを回避できる。第１金属体１１０の側面近傍部分が極端に小さくなることを回避できることで、異種金属接合体をバスバーとして用いた場合に、当該部分において導電性や伝熱性が低下したり、負極端子６０への接続が困難になる事態を回避することができる。また、第２金属体１３０の側面近傍部分が極端に大きくなることを回避できることで、異種金属接合体をバスバーとして用いた場合に、バスバーの幅寸法が大型化し、組電池１０の大型化を招く事態を回避することができる。
　したがって、側面１１２と境界面１０４とのなす角度θ１を、９０°未満の角度領域Ａ，Ｂのうちより小さい角度領域Ａに含まれる角度とした場合、あるいは１１６°より大きい角度領域Ｄ，Ｅのうちより大きい角度領域Ｅに含まれる角度とした場合であっても、バスバーとして好適に採用可能な形状を維持することができる。よって、異種金属接合体をバスバーに採用した場合における、側面１１２と境界面１０４とのなす角度θ１の設定自由度を高めることができる。
　なお、側面１１２と境界面１０４とのなす角度θ１を、角度領域Ｂあるいは角度領域Ｄに含まれる角度とした場合は、異種金属接合体の形状をバスバーとしてより好適な形状とすることができる。
　なお、側面１１２と境界面１０４とのなす角度θ１を上述した角度領域とすることで得られる応力低減効果は、端部１０４Ｘからナノメートルオーダーの範囲、たとえば端部１０４Ｘから１ｎｍの領域で側面１１２，１３２および境界面１０４が平面状であればよい。したがって、第１金属体１１０の側面１１２、第２金属体１３０の側面１３２および境界面１０４は、この端部１０４Ｘ近傍の平面状領域を除く領域が平面でなくてもよい。たとえば、境界面１０４は、平面状領域を除く領域が、第１金属体１１０側あるいは第２金属体１３０側に湾曲した曲面や、屈折面であってもよい。また、側面１１２，１３２は、平面状領域を除く領域が、異種金属接合体の製造工程におけるバリ取り加工などによって曲面となっていてもよい。
　上述した構成を備えた異種金属接合体は、例えば次のようにして製造することができる。まず、第１金属体１１０のブロックと第２金属体１３０のブロックとが圧着接合されてクラッド材が形成される。そして、クラッド材が第１金属体１１０と第２金属体１３０の境界面１０４に垂直な方向にスライスされて所定厚さの板状クラッド材が形成される。その後、板状クラッド材の外周部がカットされて異種金属接合体が製造される。また、この異種金属接合体の所定領域に開口１００ａが設けられて、バスバー１００が製造される。
　以上説明したように、本実施形態に係る異種金属接合体は、銅を主成分とする金属で形成された第１金属体１１０と、アルミニウムを主成分とする金属で形成され、第１金属体１１０に接合された第２金属体１３０とを備える。そして、第１金属体１１０と第２金属体１３０の境界面１０４の端部１０４Ｘが露出する側面１０２において、第１金属体１１０の側面１１２および第２金属体１３０の側面１３２が滑らかに連続している。さらに、第１金属体１１０の側面１１２と境界面１０４との交線を通る第１金属体１１０の側面１１２の接平面と、交線を通る境界面１０４の接平面とのなす角度が、９０°未満または１１６°より大きい角度領域に含まれる。これにより、境界面１０４に垂直な方向の引っ張り応力が異種金属接合体にかかった際に、境界面１０４の端部１０４Ｘに応力σが集中することを防ぐことができる。そのため、異種金属接合体の破壊を抑制することができる。
　また、本実施形態に係るバスバー１００は、上述した構造の異種金属接合体を備え、隣接する２つの電池３０の一方の負極端子６０に第１金属体１１０が接続され、他方の正極端子５０に第２金属体１３０が接続されて、両者を電気的に接続する。本実施形態に係る異種金属接合体によれば、境界面１０４の端部１０４Ｘに応力σが集中して異種金属接合体が破壊に至ることを抑制できるため、このような異種金属接合体をバスバー１００に用いた場合には、バスバー１００の接続信頼性を向上させることができる。
　本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
　図６は、変形例に係る異種金属接合体で構成されたバスバーの概略構造を示す水平断面図である。図６に示すように、側面１０２は、全体が同一平面上にあってもよい。すなわち、側面１０２は、テーパ領域Ｒが境界面１０４と対向するバスバー１００の一方の側面から他方の側面にかけて延在してもよい。この場合、異種金属接合体の輪郭形状の成形が容易になるため、異種金属接合体あるいはバスバー１００の製造工程をより簡略化することができる。
　上述した実施形態では、境界面１０４の端部１０４Ｘが露出する２つの側面１０２の両方において、側面１１２と境界面１０４とのなす角度θ１を上述した角度範囲としている。しかしながら、少なくとも一方の側面１０２において、当該角度θ１が上述した角度範囲とされていればよい。この場合であっても、当該一方の側面１０２において上述した応力低減効果を発揮することができるため、従来の構造に比べて異種金属接合体の破壊を抑制することができる。
　３０　電池、　５０，５０’　正極端子、　６０，６０’　負極端子、　１００　バスバー、　１０２　側面、　１０４　境界面、　１０４Ｘ　端部、　１１０　第１金属体、　１１２　側面、　１３０　第２金属体、　１３２　側面。
　本発明は、異種金属接合体と、当該異種金属接合体で構成され、隣接する電池の端子間を接続するための端子接続部材に利用することができる。

Claims (6)

  1. 　銅を主成分とする金属で形成された第１金属体と、
    　アルミニウムを主成分とする金属で形成され、前記第１金属体に接合された第２金属体と、を備え、
    　前記第１金属体と前記第２金属体の境界面の端部が露出する本異種金属接合体の１以上の接合体側面において、前記第１金属体の側面および前記第２金属体の側面が滑らかに連続し、
    　前記第１金属体の側面と前記境界面との交線を通る前記第１金属体の側面の接平面と、前記交線を通る前記境界面の接平面とのなす角度が、９０°未満または１１６°より大きい角度領域に含まれることを特徴とする異種金属接合体。
  2. 　前記角度は、７８°以下または１２７°以上の角度領域に含まれる請求項１に記載の異種金属接合体。
  3. 　前記境界面に平行な異種金属接合体の断面積は、前記境界面を含む少なくとも一部の領域において前記第２金属体側から前記第１金属体側にかけて連続的に減少する請求項１または２に記載の異種金属接合体。
  4. 　前記接合体側面は、前記境界面の端部が露出する部分を含む一部の領域が同一平面上にある請求項１乃至３のいずれか１項に記載の異種金属接合体。
  5. 　前記接合体側面は、全体が同一平面上にある請求項１乃至３のいずれか１項に記載の異種金属接合体。
  6. 　請求項１乃至５のいずれか１項に記載の異種金属接合体を備え、
    　隣接する２つの電池の一方の負極端子に前記第１金属体が接続され、他方の正極端子に前記第２金属体が接続されて、両者を電気的に接続することを特徴とする端子接続部材。
PCT/JP2012/000127 2011-01-31 2012-01-11 異種金属接合体および端子接続部材 Ceased WO2012105161A1 (ja)

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