JP2015182095A - 抵抗接合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接合強度がより安定するとともに、接合強度を強化できる抵抗接合装置を提供する。
【解決手段】内部負極端子５２と負極シート１２とが積層された積層体Ｘを、積層体Ｘの積層方向に沿って挟む一対の第１の電極１０１及び第２の電極１０２を備え、第１の電極１０１は、積層体Ｘに当接する端部側に、第１の電極１０１の幅が先端に向かって小さくなるテーパ部１０１Ａと、テーパ部１０１Ａから第１の電極１０１の先端側に突出する突出部１０１Ｂと、を備え、突出部１０１Ｂの表面は曲面となっており、テーパ部１０１Ａの表面に接する第１の接線Ｌ１と、突出部１０１Ｂのテーパ部１０１Ａとの境界において当該曲面に接する第２の接線Ｌ２と、がなす角βが鈍角である、抵抗接合装置１００。
【選択図】図２

Description

本発明は、抵抗接合装置に関する。

電気を駆動源として利用する車両に搭載される電源、或いはパソコンや携帯端末その他の電気製品等に用いられる電源として二次電池の重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池等の密閉型電池は、車両搭載用高出力電源として好ましい。

一般に、リチウムイオン二次電池は、電極体と、当該電極体を収容する電池ケースと、当該電極体と電気的に接続される正極端子及び負極端子と、電池ケースの開口部に対して嵌合する封口体と、を有している。電極体は、シート状の正極（以下、正極シートと称する。）とシート状の負極（以下、負極シートと称する。）とを、シート状のセパレータを介して積層することにより形成される。また、当該電極体は、捲回されて電池ケース内に収容される。また、正極端子及び負極端子は、板状の部材であって、正極端子の一方の端部及び負極端子の一方の端部は、それぞれ、封口体に取り付けられる。そして、当該封口体を電池ケースの開口部に嵌合することにより、リチウムイオン二次電池が形成される。

また、正極端子の他方の端部及び負極端子の他方の端部は、それぞれ、電極体と接合されている。具体的には、正極端子及び負極端子は、電極体を形成する正極シートや負極シート等の金属箔と接合されている。
また、一般に、正極端子及び負極端子の板状部材と、正極シートや負極シート等の金属箔とは、抵抗溶接によって接合される。しかしながら、抵抗溶接では、金属が溶融する際にスパッタ等の金属異物が発生する。そのため、絶縁フィルムを用いて電流経路が乱れないように制御する等、金属異物が発生するのを防止する対策を講じる必要がある。

そこで、特許文献１は、接合する金属を溶融させずに抵抗溶接を行って、板状部材と金属箔とを固相接合する方法を開示している。特許文献１に記載の方法では、抵抗溶接を行う電極によって板状部材と金属箔とを挟んで圧縮させるとともに、通電を行ってジュール熱を発生させることによって板状部材及び金属箔を変形させる。これにより、板状部材と金属箔とを接合している。具体的には、板状部材の変形量と金属箔の変形量との差によって、板状部材と金属箔との界面においてせん断応力を生じさせる。そして、当該せん断応力によって板状部材の表面及び金属箔の表面がむしられることにより、板状部材及び金属箔に新生面を発生させて、板状部材と金属箔とを接合している。

特開２００６−２９４５６７号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、板状部材と金属箔との界面において、板状部材及び金属箔が均等に変形せず、変形量が小さい部分と大きい部分とが生じてしまう場合がある。そして、板状部材及び金属箔の変形量が小さい部分は接合強度が弱く剥離の原因となる。そのため、板状部材と金属箔との接合強度にばらつきが生じ、品質が安定しないという問題がある。

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り、接合強度がより安定するとともに、接合強度を強化できる抵抗接合装置を提供することを目的とするものである。

本発明の第１の態様にかかる抵抗接合装置は、板状部材と金属箔とを接合する抵抗接合装置である。また、前記抵抗接合装置は、前記板状部材と前記金属箔とが積層された積層体を、前記積層体の積層方向に沿って挟む一対の電極を備える。また、一対の前記電極のうち、少なくとも一方の前記電極は、前記積層体に当接する端部側に、前記電極の幅が前記電極の先端に向かって小さくなるテーパ部と、前記テーパ部から前記電極の先端側に突出する突出部と、を備える。また、前記突出部の表面は曲面となっている。また、前記テーパ部の表面に接する第１の接線と、前記突出部の前記テーパ部との境界において前記曲面に接する第２の接線と、がなす角が鈍角である。

本発明の第１の態様にかかる抵抗接合装置によれば、前記電極は、前記突出部の表面が曲面となっているため、当該電極と前記積層体とは１つの接触点で接触した後、前記突出部と前記テーパ部とが前記積層体を圧縮する。これより、当該接触点を中心として放射方向に前記積層体を均等に押し広げるように、前記積層体を変形させることができる。さらに、前記テーパ部の表面に接する第１の接線と、前記突出部の前記テーパ部との境界において前記曲面に接する第２の接線と、がなす角が鈍角となっている。そのため、前記突出部と前記テーパ部との境界において、前記積層体が変形する度合い及び方向が大きく変化することがない。そのため、前記板状部材と前記金属箔との界面において、前記板状部材及び前記金属箔を均等に変形させることができ、接合強度のばらつきを低減することができる。さらに、前記テーパ部を備えることにより、前記積層体の変形量を大きくすることができ、接合強度を強化することができる。よって、接合強度がより安定するとともに、接合強度を強化できる抵抗接合装置を提供することができる。

接合強度がより安定するとともに、接合強度を強化できる抵抗接合装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池を示す側面断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる抵抗接合装置による接合方法を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる抵抗溶接装置の第１の電極を説明する図である。 図３の一点鎖線で囲む部分を拡大して示す側面図である。 本発明の実施の形態１にかかる抵抗溶接装置の第２の電極を説明する図である。 比較例にかかる抵抗接合装置による接合方法を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる実施例及び比較例を説明する表である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態１にかかる抵抗接合装置１００について説明する。抵抗接合装置１００は、板状部材である内部負極端子５２と、金属箔である負極シート１２とを接合するものであり、リチウムイオン二次電池２００を製造する工程で用いられる装置である。まず、図１を参照しながら、本発明の実施の形態１にかかるリチウムイオン二次電池２００について簡単に説明する。図１は、リチウムイオン二次電池２００を示す側面断面図である。図１に示すように、リチウムイオン二次電池２００は、電極体１、電池ケース２、封口体３、正極端子４、負極端子５、絶縁部材６等を備えている。

電極体１は、正極シート１１と負極シート１２とが、セパレータ（図示省略）を介して積層されたものである。また、電極体１は、扁平形状に捲回されて、電池ケース２内に収容される。
捲回された電極体１を以下、捲回体１と称する。図１に示すように、捲回体１において、正極シート１１の一方の端部および負極シート１２の一方の端部は露出している。そして、正極端子４は、正極シート１１の当該一方の端部に電気的に接続されている。同様に、負極端子５は、負極シート１２の当該一方の端部に電気的に接続されている。なお、正極シート１１、負極シート１２、正極端子４、負極端子５は、それぞれ、金属等の導電性の材料から形成されている。

電池ケース２は、扁平な箱状の部材である。そして、電池ケース２内部には、捲回体１と非水電解液が収容されている。
また、電池ケース２は上面が開口されている。そして、封口体３は、電池ケース２の開口部に嵌合している。換言すれば、電池ケース２と封口体３とは、リチウムイオン二次電池２００の筐体を形成する。なお、電池ケース２と封口体３とは、金属製である。

絶縁部材６は、正極端子４と封口体３との間、および、負極端子５と封口体３との間に設けられている。絶縁部材６は、樹脂材料を主材として形成される。そして、絶縁部材６は、正極端子４および負極端子５からの不要な電流の流出を防いでいる。

負極端子５は、外部負極端子５１、内部負極端子５２等を備えている。
外部負極端子５１は、ボルト５１１、連結部材５１２、カシメ部材５１３等を備えている。
連結部材５１２は、ボルト５１１が螺合する螺合孔部を備えている。
そして、ボルト５１１が当該螺合孔部に螺合することにより、ボルト５１１と連結部材５１２とが連結する。
また、連結部材５１２、封口体３、絶縁部材６は、カシメ孔部を備えている。そして、絶縁部材６、封口体３、連結部材５１２のカシメ孔部に、カシメ部材５１３をカシメることにより、絶縁部材６と封口体３と連結部材５１２とが互いに連結する。
これにより、外部負極端子５１は、封口体３に絶縁部材６を介して連結される。
内部負極端子５２は、カシメ部材５１３から延出して形成された板状部材であって、捲回体１の負極シート１２の露出した端部に電気的に接続されている。そして、内部負極端子５２は、電極体１（捲回体１）から集電を行う集電端子として機能する。

正極端子４は、外部正極端子４１、内部正極端子４２等を備えている。
外部正極端子４１は、ボルト４１１、連結部材４１２、カシメ部材４１３等を備えている。
図１に示すように、正極端子４の構造は、負極端子５の構造と左右対称となっているため、その説明を省略する。
内部正極端子４２は、カシメ部材４１３から延出して形成された板状部材であって、捲回体１の正極シート１１の露出した端部に電気的に接続されている。そして、内部正極端子４２は、電極体１（捲回体１）から集電を行う集電端子として機能する。

内部正極端子４２及び内部負極端子５２は、金属製の板状部材であって、それぞれ、正極シート１１及び負極シート１２である金属箔と接合されている。具体的には、本発明の実施の形態１にかかる抵抗接合装置１００を用いた抵抗接合により、内部負極端子５２は、負極シート１２と接合されている。図１において、内部負極端子５２と負極シート１２とが接合される箇所をハッチングした円で示す。なお、内部正極端子４２と正極シート１１とが、抵抗接合装置１００を用いた抵抗接合によって接合されてもよい。

また、本明細書において、「抵抗接合」とは、抵抗溶接により、ワーク（本明細書では、内部負極端子５２と負極シート１２とが積層された積層体Ｘ）を溶融させずに接合する方法を意味する。すなわち、「抵抗接合」とは、固相接合に含まれる抵抗溶接を意味する。具体的には、「抵抗接合」とは、抵抗溶接を行う電極によってワークを挟んで圧縮させるとともに、当該電極に通電してジュール熱を発生させることによってワークを変形させることにより、ワークを接合する方法を意味する。

具体的には、板状部材である内部負極端子５２の変形量と金属箔である負極シート１２の変形量との差によって、内部負極端子５２と負極シート１２との界面においてせん断応力を生じさせる。そして、当該せん断応力によって内部負極端子５２の表面及び負極シート１２の表面がむしられることにより、内部負極端子５２及び負極シート１２に新生面を発生させて、内部負極端子５２と負極シート１２とを接合している。

本実施の形態１にかかる抵抗接合装置１００の一対の電極のうち少なくとも一方の電極の形状は、ワークである内部負極端子５２及び負極シート１２が均等に変形するように、且つ、内部負極端子５２の変形量と負極シート１２の変形量とが、内部負極端子５２と負極シート１２との接合強度が十分な強度となる大きさとなるように、設計されている。
以下、本実施の形態１にかかる抵抗接合装置１００について詳細に説明する。

次に、本発明の実施の形態１にかかる抵抗接合装置１００について説明する。図２は、本発明の実施の形態１にかかる抵抗接合装置１００による接合方法を示す図である。図２の上側の図は、抵抗接合装置１００及び積層体Ｘの側面断面図であり、図２の下側の図は、積層体Ｘの変形方向を矢印で示す上面図である。なお、本明細書に添付した図面において、左右上下は、図面に対面している場合の左右上下を意味する。また、図２において、抵抗接合装置１００の第１の電極１０１と第２の電極１０２の断面を示すハッチングは省略している。

図２に示すように、抵抗接合装置１００は、板状部材である内部負極端子５２と、金属箔である負極シート１２とを接合する。具体的には、抵抗接合装置１００は、一対の第１の電極１０１及び第２の電極１０２を備える。第１の電極１０１は、負極シート１２に当接する。第２の電極１０２は、内部負極端子５２に当接する。また、第１の電極１０１と第２の電極１０２とは、内部負極端子５２と負極シート１２とが積層された積層体Ｘを、積層体Ｘの積層方向に沿って挟む。

第１の電極１０１は、負極シート１２に当接する先端側に、テーパ部１０１Ａ、突出部１０１Ｂを備えるペンシルのような形状に形成されている。第２の電極１０２は、略円柱形状に形成されている。なお、第２の電極１０２も、第１の電極１０１と同様に、ペンシルのような形状に形成されていてもよい。

図３に、抵抗溶接装置１００の第１の電極１０１を説明する図を示す。図３の左側の図は、第１の電極１０１の側面図である。図３の右側の図は、第１の電極１０１の先端側（負極シート１２に当接する端側）から見た平面図である。また、図４に、図３の一点鎖線で囲む部分を拡大して示す側面図である。

図３に示すように、第１の電極１０１は、負極シート１２に当接する端部側に、第１の電極１０１の幅が当該第１の電極１０１の先端に向かって小さくなるテーパ部１０１Ａ、当該テーパ部１０１Ａから第１の電極１０１の先端側に突出する突出部１０１Ｂを備える。
また、突出部１０１Ｂの表面は凸の曲面となっている。
また、図４に示すように、テーパ部１０１Ａの表面に接する第１の接線Ｌ１と、突出部１０１Ｂのテーパ部１０１Ａとの境界において突出部１０１Ｂの曲面に接する第２の接線Ｌ２と、がなす角βが鈍角となっている。

そして、突出部１０１Ｂの表面が曲面となっているため、第１の電極１０１と積層体Ｘの負極シート１２とは１つの接触点で接触した後、突出部１０１Ｂとテーパ部１０１Ａとが積層体Ｘを圧縮する。これより、図２に示すように、当該接触点を中心として放射方向に積層体Ｘを均等に押し広げるように、積層体Ｘを変形させることができる。

さらに、テーパ部１０１Ａの表面に接する第１の接線Ｌ１と、突出部１０１Ｂのテーパ部１０１Ａとの境界において突出部１０１Ｂの曲面に接する第２の接線Ｌ２と、がなす角が鈍角となっている。そのため、突出部１０１Ｂとテーパ部１０１Ａとの境界において、積層体Ｘが変形する度合い及び方向が大きく変化することがない。そのため、内部負極端子５２と負極シート１２との界面において、内部負極端子５２及び負極シート１２を均等に変形させることができ、接合強度のばらつきを低減することができる。

さらに、第１の電極１０１はテーパ部１０１Ａを備えることにより、積層体Ｘの変形量を大きくすることができ、接合強度を強化することができる。
よって、接合強度がより安定するとともに、接合強度を強化できる抵抗接合装置１００を提供することができる。

＜実施例１〜３＞
次に、本発明の実施の形態１の実施例１〜３について説明する。図３に示すように、実施例１〜３にかかる第１の電極１０１の突出部１０１Ｂの表面は球面となっている。図３において、テーパ部１０１Ａの傾斜角度をα（°）、突出部１０１Ｂの球面Ｓの半径をＲ（ｍｍ）、突出部１０１Ｂを第１の電極１０１の先端側から見た際の突出部１０１Ｂの円の直径をＤ１（ｍｍ）とする。このとき、実施例１において、α＝９０（°）、Ｒ＝２０（ｍｍ）、Ｄ１＝２．８（ｍｍ）である。また、実施例２において、α＝９０（°）、Ｒ＝２０（ｍｍ）、Ｄ１＝２．０（ｍｍ）である。また、実施例３において、α＝９０（°）、Ｒ＝２０（ｍｍ）、Ｄ１＝１．４（ｍｍ）である。

また、実施例１〜３にかかる第２の電極１０２は、図５に示すように、円柱形状に形成されている。図５において、第２の電極１０２の直径をＤ２（ｍｍ）とする。このとき、実施例１〜３において、Ｄ２＝５（ｍｍ）である。

＜比較例１＞
次に、比較例１にかかる抵抗接合装置３００について説明する。図６は、比較例にかかる抵抗接合装置３００による接合方法を示す図である。図６の上側の図は、抵抗接合装置３００及び積層体Ｘの側面断面図であり、図６の下側の図は、積層体Ｘの変形方向を矢印で示す上面図である。なお、図６において、抵抗接合装置３００の第１の電極３０１と第２の電極３０２の断面を示すハッチングは省略している。

図６に示すように、抵抗接合装置３００は、板状部材である内部負極端子５２と、金属箔である負極シート１２とを接合する。具体的には、抵抗接合装置３００は、一対の第１の電極３０１及び第２の電極３０２を備える。第１の電極３０１は、負極シート１２に当接する。第２の電極３０２は、内部負極端子５２に当接する。また、第１の電極３０１と第２の電極３０２とは、内部負極端子５２と負極シート１２とが積層された積層体Ｘを、積層体Ｘの積層方向に沿って挟む。

また、第１の電極３０１及び第２の電極３０２は、図５に示す実施例１〜３の第２の電極１０２と同様に、略円柱形状に形成されている。ここで、第１の電極３０１及び第２の電極３０２の直径を、実施例１〜３の第２の電極１０２と同様に、Ｄ２（ｍｍ）とすると、比較例１において、第１の電極３０１及び第２の電極３０２共に、Ｄ２＝５（ｍｍ）である。

比較例１にかかる抵抗接合装置３００では、第１の電極３０１と負極シート１２とは面で接触し、同様に、第２の電極３０２と内部負極端子５２とは面で接触する。そのため、負極シート１２及び内部負極端子５２の変形の方向を制御することが難しい。また、内部負極端子５２と負極シート１２との界面において、内部負極端子５２及び負極シート１２が均等に変形せず、変形量が小さい部分と大きい部分とが生じてしまう場合がある。

そのため、図６に示すように、仮に、最初に第１の電極３０１及び第２の電極３０２が積層体Ｘと略中央の１つの接触点において接触しても、内部負極端子５２及び負極シート１２からなる積層体Ｘの変形方向及び変形量に、ばらつきが生じてしまう。そのため、内部負極端子５２及び負極シート１２の変形量が小さい部分は接合強度が弱く剥離の原因となる。
なお、内部負極端子５２及び負極シート１２の接合強度を高めるために、第１の電極３０１及び第２の電極３０２による内部負極端子５２及び負極シート１２の圧縮率を上げると、内部負極端子５２に反り（図７の破線で囲む部分）が発生してしまい、内部負極端子５２の形状を維持することができなくなってしまう。

図７を参照しながら、実施例１〜３にかかる抵抗接合装置１００によって接合された内部負極端子５２及び負極シート１２の引張強度と、比較例１にかかる抵抗接合装置３００によって接合された内部負極端子５２及び負極シート１２の引張強度と、を説明する。なお、実施例１〜３及び比較例１において、通電時間は３０ｍｓ〜５０ｍｓであり、電流値は５ｋＡ〜１５ｋＡである。図７は、本発明の実施の形態１にかかる実施例及び比較例を説明する表である。

図７に示す表において、２行目は、接合された内部負極端子５２及び負極シート１２の引張強度の平均値ＡＶＧ（Ｎ）と、当該引張強度の標準偏差σ（Ｎ）とを示す。
また、図７に示す表において、３行目は、接合された内部負極端子５２及び負極シート１２の断面を示す写真である。

図７に示すように、比較例１にかかる抵抗接合装置３００によって接合された内部負極端子５２及び負極シート１２の引張強度に比べて、実施例１〜３にかかる抵抗接合装置１００によって接合された内部負極端子５２及び負極シート１２の引張強度は強い。また、比較例１における当該引張強度の標準偏差に比べて、実施例１〜３における当該引張強度の標準偏差は小さい。すなわち、実施例１〜３にかかる抵抗接合装置１００によって接合された内部負極端子５２及び負極シート１２の接合強度は、比較例１にかかる抵抗接合装置３００によって接合された内部負極端子５２及び負極シート１２の接合強度よりも強い。また、実施例１〜３にかかる抵抗接合装置１００によって接合された内部負極端子５２及び負極シート１２の接合強度は、比較例１にかかる抵抗接合装置３００によって接合された内部負極端子５２及び負極シート１２の接合強度よりもばらつきが少ない。

また、図７に示すように、比較例１にかかる抵抗接合装置３００によって接合された内部負極端子５２と負極シート１２との界面では、内部負極端子５２及び負極シート１２の変形量が少ない上、内部負極端子５２及び負極シート１２の変形が不均等となっている。具体的には、内部負極端子５２と負極シート１２との界面において、内部負極端子５２及び負極シート１２は、波を打ったように変形している。そのため、内部負極端子５２及び負極シート１２の接合強度は実施例１〜３に比べて弱くなり、内部負極端子５２及び負極シート１２の接合強度も実施例１〜３に比べてばらついてしまっていると考えられる。

一方、図７に示すように、実施例１〜３にかかる抵抗接合装置１００によって接合された内部負極端子５２と負極シート１２との界面では、内部負極端子５２及び負極シート１２の変形量が大きく（図７の破線で囲む部分）、内部負極端子５２及び負極シート１２の変形が均等となっている。そのため、内部負極端子５２及び負極シート１２の接合強度は比較例１に比べて強くなり、内部負極端子５２及び負極シート１２の接合強度も比較例１に比べてばらつが少ないと考えられる。

また、実施例１〜３を比較すると、突出部１０１Ｂの直径Ｄ１が大きいほど、接合強度が強くなる傾向がある。また、実施例１と実施例１及び実施例２とを比較すると、突出部鵜１０１Ｂの直径Ｄ１が大きいほど、接合強度のばらつきが少なくなる傾向がある。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１００ 抵抗接合装置
１０１ 第１の電極
１０１Ａ テーパ部
１０１Ｂ 突出部
１０２ 第２の電極
１２ 負極シート（金属箔）
５２ 内部負極端子（板状部材）
Ｘ 積層体
Ｌ１ 第１の接線
Ｌ２ 第２の接線

Claims (1)

1. 板状部材と金属箔とを接合する抵抗接合装置であって、
   前記板状部材と前記金属箔とが積層された積層体を、前記積層体の積層方向に沿って挟む一対の電極を備え、
   一対の前記電極のうち、少なくとも一方の前記電極は、
   前記積層体に当接する端部側に、前記電極の幅が前記電極の先端に向かって小さくなるテーパ部と、
   前記テーパ部から前記電極の先端側に突出する突出部と、
   を備え、
   前記突出部の表面は曲面となっており、
   前記テーパ部の表面に接する第１の接線と、前記突出部の前記テーパ部との境界において前記曲面に接する第２の接線と、がなす角が鈍角である、抵抗接合装置。