JP4139940B2 - 電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電要素の端面から突出した電極の複数枚の集電金属箔を集電接続板を介して端子に接続する電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車等で用いる従来の大型の非水電解質二次電池の構成例を説明する。この非水電解質二次電池は、図４に示すように、長円筒形巻回型の発電要素１を図示しない長円筒形容器状の電池容器に収納したものであり、この電池容器の上端開口部を塞ぐ蓋板２に取り付けられる正極端子３と負極端子４を発電要素１の正極１ａと負極１ｂに接続するために、金属板からなる集電接続板５，６を用いている。発電要素１は、帯状の正極１ａと負極１ｂをセパレータ１ｃを介し上下にずらして長円筒形に巻回したものであり、これにより長円筒形の下端面には正極１ａの活物質未塗工部であるアルミニウム箔が突出すると共に、上端面には負極１ｂの活物質未塗工部である銅箔が突出するようになっている。なお、図面では説明を分かり易くするために、電極１ａ，１ｂの巻回数を少なく示しているが、実際には極めて密に多数回の巻回が行われる。
【０００３】
正極側の集電接続板５は、アルミニウム板からなり、発電要素１の下端面に配置されると共に、側端部が発電要素１の外周側面に沿って上端部まで引き出されている。また、負極側の集電接続板６は、銅板からなり、発電要素１の上端面に配置されている。これらの集電接続板５，６には、アルミニウム板や銅板を波板状に折り曲げることにより２箇所ずつのＵ字部５ａ，６ａが形成されている。そして、正極側の集電接続板５のＵ字部５ａには、発電要素１の下端面に突出する正極１ａのアルミニウム箔が複数枚ずつ挟み込まれると共に、負極側の集電接続板６のＵ字部６ａには、発電要素１の上端面に突出する負極１ｂの銅箔が複数枚ずつ挟み込まれ、それぞれ超音波溶接により接続固定されている。
【０００４】
上記正極側の集電接続板５は、発電要素１の外周側面に沿って引き出された上端部が、蓋板２に取り付けられた正極端子３の下端部に溶接やかしめ加工等によって接続固定される。また、負極側の集電接続板６は、Ｕ字部６ａを形成したアルミニウム板の側端部が、少し上方に引き出されて、蓋板２に取り付けられた負極端子４の下端部に溶接やかしめ加工等によって接続固定される。そして、これにより、発電要素１の正極１ａと負極１ｂが非水電解質二次電池の正極端子３と負極端子４にそれぞれ接続されることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、集電接続板５，６のＵ字部５ａ，６ａに正極１ａのアルミニウム箔や負極１ｂの銅箔を複数枚挟み込んで超音波溶接を行う場合、１対の溶接ホーンをＵ字部５ａ，６ａの両側壁に外側から押し当てて超音波振動を加えることになるが、Ｕ字部５ａ，６ａの側壁は集電接続板５，６の板厚と同じ０．５〜１．０ｍｍ程度の厚さがあるため、この超音波振動がアルミニウム箔や銅箔に十分に伝わらず、溶接が不完全になるという問題が生じていた。
【０００６】
なお、集電接続板５，６の板厚を薄くすれば、アルミニウム箔や銅箔との溶接が不完全になるという問題は解消されるが、これらの集電接続板５，６が薄くなると電気抵抗が大きくなるために、非水電解質二次電池の内部抵抗が増大し大電流を取り出すことができなくなるという新たな問題が発生する。また、集電接続板５，６のＵ字部５ａ，６ａに内側に通じる窓部を形成し、この窓部を通してアルミニウム箔や銅箔にレーザー溶接を行う方法も提案されているが、このレーザー光を強くしすぎると表面側のアルミニウム箔や銅箔が急激に溶融飛散し、弱すぎると複数枚のアルミニウム箔や銅箔を確実に溶着することができないという別の問題が生じる。
【０００７】
本発明は、かかる事情に対処するためになされたものであり、集電接続板の接続部と発電要素の電極の複数枚の集電金属箔とが重ね合わされて挟持板の間に挟み込まれ溶接されることにより、これら複数枚の集電金属箔を確実に集電接続板に溶接することができる電池を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の電池は、端子に接続固定された金属製の集電接続板の接続部と、発電要素の端面から突出した電極の複数枚の集電金属箔とを重ね合わせたものとを、集電接続板よりも薄い金属板からなる挟持板における板面が向かい合った対向部間に挟み込んで、超音波溶接により接合させたことを特徴とする。
【０００９】
請求項１の発明によれば、集電接続板の接続部と発電要素の電極の複数枚の集電金属箔とを重ね合わせたものを、この集電接続板よりも薄い挟持板の対向部間に挟み込んで超音波溶接により接合するので、超音波溶接のエネルギーが対向部を介して十分に集電金属箔に伝わることになり、複数枚の集電金属箔を確実に集電接続板の接続部に溶接することができるようになる。しかも、金属板である挟持板は、集電金属箔よりも十分に厚いので、超音波溶接のエネルギーが直接集電金属箔に加わることにより、表面の集電金属箔が急激に溶融飛散したり破断することにより溶接が困難になるようなおそれも生じない。
【００１０】
なお、本請求項において、電極の複数枚の集電金属箔とは、積層型の発電要素のように個別の複数枚の電極を積層することにより集電金属箔も個別のものが複数枚重なっている場合の他に、１枚の電極を巻回したり折り曲げることにより同じ電極の集電金属箔が互いに重なっている場合のものも含む。
【００１１】
請求項２の電池は、前記集電接続板の接続部が、この集電接続板の端縁部を折り曲げて形成したもの、又は、この集電接続板を打ち抜いて、この打ち抜き片を一部が集電接続板の本体側に繋がったまま折り曲げたものであり、断面コの字形状の挟持板の一方の対向部をこの接続部の背側に隣接して配置し、他方の対向部を集電接続板の本体側に形成した開口部を通してこの接続部の腹側に、集電金属箔を介して隣接して配置したことを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明によれば、集電接続板の端片や打ち抜き片を折り曲げて接続部を形成すると共に、この隣に開口部を形成するので、断面コの字形状の挟持板の一方の対向部は、この集電接続板の外側や打ち抜き孔を通して接続部の背側に配置し、他方の対向部は開口孔を通して接続部の腹側に配置することができ、簡単な板金加工によって集電接続板や挟持板を作製することができるようになる。
【００１３】
なお、接続部の隣に形成する開口部は、別の接続部を形成するために打ち抜いた打ち抜き孔であってもよく、集電接続板に複数の接続部を形成する場合には、これらの開口部と打ち抜き孔を兼用することができる。
【００１４】
請求項３の電池は、前記集電接続板の接続部における集電金属箔と重なり合う板面、及び／又は、前記挟持板における対向部の向かい合う板面に凸部が形成されたことを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明によれば、集電接続板や挟持板に凸部が形成されるので、超音波溶接のエネルギーをこの凸部に集中させることにより、さらに確実な溶接を行うことができるようになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
図１〜図３は本発明の一実施形態を示すものであって、図１は発電要素の下端面に突出する正極のアルミニウム箔を集電接続板の接続部に接続する構造を示す部分拡大縦断面図、図２は正極側の集電接続板の接続部付近と挟持板の構成を示す斜視図、図３は負極側の集電接続板の接続部付近と挟持板の構成を示す斜視図である。なお、図４に示した従来例と同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記する。
【００１８】
本実施形態は、従来例と同様に、電気自動車等で用いる大型の非水電解質二次電池について説明する。この非水電解質二次電池も、図４に示したように、長円筒形巻回型の発電要素１の正極１ａと負極１ｂを集電接続板５，６を介して正極端子３と負極端子４に接続してあり、発電要素１の構成は従来例と同じである。
【００１９】
正極側の集電接続板５も、従来例と同様にアルミニウム板からなり、発電要素１の下端面に配置されると共に、側端部が発電要素１の外周側面に沿って上端部まで引き出されている。しかしながら、本実施形態の集電接続板５には、図４に示したＵ字部６ａは形成されず、図１及び図２に示すように、開口部５ｂ，５ｃと接続部５ｄ，５ｅとが形成されている。開口部５ｂ，５ｃは、集電接続板５における発電要素１（図２では図示せず）の下端面に配置された平坦な本体に端部側（図１では右側、図２では左上側）から並べて形成された打ち抜き孔である。そして、端部側の開口部５ｂは、コの字形状に打ち抜くことにより、この打ち抜き片における端部とは反対側の辺を繋がったまま残している。また、この開口部５ｂに隣接するもう一方の開口部５ｃは、開口部５ｂよりも狭い幅で方形に打ち抜かれている。接続部５ｄは、集電接続板５における発電要素１の下端面に配置された平坦な本体の端部の板片を上方に向けて直角に折り曲げたものであり、開口部５ｂの端部側の端がわずかに掛かる程度の位置で折り曲げられている。また、この接続部５ｄに隣接するもう一方の接続部５ｅは、開口部５ｂを打ち抜いた際に繋がったまま残した打ち抜き片を上方に向けて直角に折り曲げたものである。開口部５ｃは、端部側の端がこの接続部５ｅと共にわずかに折れ曲がるような位置に形成されている。
【００２０】
上記集電接続板５の接続部５ｄ，５ｅは、それぞれ挟持板７，８に挟み込まれる。正極側の集電接続板５で用いられる挟持板７，８は、この集電接続板５と同じアルミニウム板からなり、方形の板材を断面コの字形状に折り曲げて、向かい合う板面同士が対向部となるようにしたものである。これらの挟持板７，８は、集電接続板５よりも板厚の薄いアルミニウム板が用いられる。即ち、本実施形態では、集電接続板５として板厚が０．８ｍｍのアルミニウム板が用いられているので、挟持板７，８には、これよりも十分に板厚が薄い０．２ｍｍのアルミニウム板が用いられる。また、挟持板７は、開口部５ｂよりもわずかに幅が狭く形成され、挟持板８は、この開口部５ｂよりも狭い開口部５ｃよりもさらにわずかに幅が狭く形成されて、それぞれの片方の対向部がこれらの開口部５ｂ，５ｃに挿入できるようにしている。
【００２１】
上記接続部５ｄ，５ｅと挟持板７，８の対向部には、それぞれ凸部５ｆ，７ａ，８ａが形成されている。接続部５ｄ，５ｅの凸部５ｆは、それぞれ腹側（折り曲げの内側）の面から突出するように形成される。また、挟持板７，８の凸部８ａは、対向部の双方の向かい合う面から突出するように形成されている。これらの凸部５ｆ，７ａ，８ａは、板面からわずかに突出した円柱状や角柱状、半球状等の突起であり、本実施形態の場合、接続部５ｄ，５ｅの凸部５ｆは０．３ｍｍの突起とし、挟持板７，８の凸部７ａ，８ａは板厚と同じ０．２ｍｍの突起としている。なお、本実施形態では、これらの凸部５ｆ，７ａ，８ａを形成するために、アルミニウム板の反対側の面からプレス加工で押圧加工をしているので、接続部５ｄ，５ｅの背側（折り曲げの外側）や挟持板７，８の対向部の外側の面にはこのプレス加工による凹部が生じている。
【００２２】
上記挟持板７は、片方の対向部を下方から開口部５ｂに挿入することにより、接続部５ｄを挟み込むように配置される。即ち、挟持板７の一方の対向部は、接続部５ｄの背側に配置され、他方の対向部はこの接続部５ｄの腹側に配置されるようにする。また、挟持板８は、下方から一方の対向部を開口部５ｂに挿入すると共に、他方の対向部を開口部５ｃに挿入することにより、接続部５ｅを挟み込むように配置される。即ち、挟持板８の一方の対向部は、接続部５ｅの背側に配置され、他方の対向部はこの接続部５ｅの腹側に配置されるようにする。
【００２３】
上記挟持板７，８は、図１に示すように、他方の対向部と接続部５ｄ，５ｅとの間に、発電要素１の下端面に突出した正極１ａのアルミニウム箔を複数枚ずつ挟み込んだ状態で、双方の対向部の外側から超音波溶接によりそれぞれ溶接される。この際、薄い挟持板７，８の他方の対向部を介して複数枚の正極１ａのアルミニウム箔に超音波振動が十分に伝わるので、これらのアルミニウム箔が互いに確実に溶接されると共に、この他方の対向部の内側の面と接続部５ｄ，５ｅの腹側の面にも確実に溶接されることになる。また、挟持板７，８の一方の対向部は、超音波振動によって内側の面が接続部５ｄ，５ｅの背側の面にそれぞれ確実に溶接される。しかも、挟持板７，８の対向部の内側の面や接続部５ｄ，５ｅの腹側の面には凸部５ｆ，７ａ，８ａが形成されているので、超音波振動をこれらの凸部５ｆ，７ａ，８ａに集中させることができ、溶接をより確実なものにすることができる。さらに、挟持板７，８が、対向部間の弾性によって、複数枚の正極１ａのアルミニウム箔を接続部５ｄ，５ｅに押し付けるように挟み込めば、超音波溶接を行う前から正極１ａと集電接続板５との間を圧接により接続させることができるので、溶接に不完全な部分があったり、非水電解質二次電池の使用中に溶接部が剥がれるようなことが生じたとしても、この接続が完全に絶たれるようなことはなくなる。
【００２４】
負極側の集電接続板６も、従来例と同様に銅板からなり、発電要素１の上端面に配置される。そして正極側の集電接続板５と同様に、この集電接続板６にも、図３に示すように、開口部６ｂ，６ｃと接続部６ｄ，６ｅが形成されている。ただし、接続部６ｄ，６ｅは、発電要素１の上端面に突出する負極１ｂの銅箔に接続するために、集電接続板６の平坦な本体の端部や開口部６ｂの打ち抜き片を下方に直角に折り曲げて形成している。これらの接続部６ｄ，６ｅは、負極１ｂの銅箔と重ね合わせて、挟持板９，１０に挟み込まれるようになっている。挟持板９，１０は、形状は正極側の集電接続板５に用いられる挟持板７，８と全く同じであるが、材質は負極側の集電接続板６と同じ銅板を用いる。また、これらの挟持板９，１０には、集電接続板６よりも板厚の薄い銅板が用いられる。即ち、本実施形態では、集電接続板６として板厚が０．８ｍｍの銅板が用いられるので、挟持板９，１０には、これよりも十分に板厚が薄い０．２ｍｍの銅板が用いられる。そして、これらの接続部６ｄ，６ｅと挟持板９，１０の対向部にも、それぞれ正極側の場合と同様の凸部６ｆ，９ａ，１０ａが形成されている。
【００２５】
上記挟持板９は、片方の対向部を上方から開口部６ｂに挿入することにより、接続部６ｄを挟み込むように配置される。即ち、挟持板９の一方の対向部は、接続部６ｄの背側に配置され、他方の対向部はこの接続部６ｄの腹側に配置されるようにする。また、挟持板１０は、上方から一方の対向部を開口部６ｂに挿入すると共に、他方の対向部を開口部６ｃに挿入することにより、接続部６ｅを挟み込むように配置される。即ち、挟持板１０の一方の対向部は、接続部６ｅの背側に配置され、他方の対向部はこの接続部６ｅの腹側に配置されるようにする。
【００２６】
上記挟持板９，１０も、他方の対向部と接続部６ｄ，６ｅとの間に、発電要素１の上端面に突出した負極１ｂの銅箔を複数枚ずつ挟み込んだ状態で、双方の対向部の外側から超音波溶接により溶接される。従って、正極側の集電接続板５の場合と同様に、この超音波溶接によって、複数枚の銅箔が互いにそれぞれ確実に溶接されると共に、他方の対向部の内側の面と接続部６ｄ，６ｅの腹側の面にもそれぞれ確実に溶接されることになる。また、挟持板９，１０の一方の対向部は、超音波振動によって内側の面が接続部６ｄ，６ｅの背側の面にそれぞれ確実に溶接される。しかも、超音波振動を挟持板９，１０の対向部の内側の面や接続部６ｄ，６ｅの腹側の面に形成された凸部６ｆ，９ａ，１０ａに集中させることができ、溶接をより確実なものにすることができるようになる。さらに、挟持板９，１０の対向部間の弾性によって、複数枚の負極１ｂの銅箔を接続部６ｄ，６ｅに押し付けるように挟み込めば、溶接に不完全な部分があったり、溶接部が剥がれるようなことが生じたとしても、接続が完全に絶たれるようなことはなくなる。
【００２７】
上記構成により、超音波溶接のエネルギーが板厚の薄い挟持板７，８，９，１０を介して電極１ａ，１ｂの集電金属箔（アルミニウム箔と銅箔）に十分に伝わるので、複数枚の集電金属箔を確実に集電接続板５，６の接続部５ｄ，５ｅ，６ｄ，６ｅに溶接することができるようになる。しかも、これら極めて薄い複数枚の集電金属箔は、これよりも十分に厚い金属板からなる挟持板７，８，９，１０を介して超音波溶接されるので、この超音波振動のエネルギーを直接受けて、表面の集電金属箔が急激に溶融飛散したり破断することにより溶接が困難になるようなおそれも生じない。
【００２８】
なお、上記実施形態では、正極側の集電接続板５と負極側の集電接続板６の双方に本発明を実施する場合について示したが、いずれか一方の極性側の集電接続板に実施するだけでもよい。また、上記実施形態では、各集電接続板５，６に２箇所の接続部５ｄ，５ｅ又は接続部６ｄ，６ｅを形成する場合について示したが、この接続部は集電接続板に１箇所だけに形成してもよいし、３箇所以上に形成することもできる。
【００２９】
また、上記実施形態では、断面コの字形状の挟持板７，８，９，１０について示したが、集電接続板の接続部と集電金属箔とを挟み込むための板面が向かい合った対向部を有する金属板材であれば、どのような形状のものであってもよい。さらに、上記実施形態では、これらの挟持板７，８，９，１０を電極１ａ，１ｂの集電金属箔が挿入される側とは反対側から挟み込む場合について示したが、この挟み込む方向も挟持板の形状に応じて任意である。例えば図２に示す挟持板７は、板面が向かい合う対向部が下端で繋がった形状であるが、これらの対向部が側端で繋がったような形状の挟持板とし、これを接続部の側方から挿入するようにしてもよい。しかも、挟持板をこのように構成すれば、対向部を挿入するための開口部を集電接続板に形成する必要もなくなる。
【００３０】
また、上記実施形態では、複数枚の電極１ａ，１ｂの集電金属箔が重なり合った外側に集電接続板５，６の接続部５ｄ，５ｅ，６ｄ，６ｅが配置される場合について示したが、複数枚の集電金属箔の間にこの接続部を配置することもできる。この場合、挟持板の双方の対向部は、共に集電接続板の接続部との間に集電金属箔を挟み込んで溶接が行われることになる。ただし、このような集電接続板の接続部に凸部を形成する場合には、この凸部を接続部の両面からそれぞれ突設することが好ましい。
【００３１】
また、上記実施形態では、集電接続板５，６の接続部５ｄ，５ｅ，６ｄ，６ｅの凸部５ｆ，６ｆや挟持板７，８，９，１０の対向部の凸部７ａ，８ａ，９ａ，１０ａが円柱状や角柱状、半球状等の突起である場合について示したが、細長い直線状又は曲がったり折れ曲がった畝状の突起とすることもでき、複数本の畝状の突起を交差させて網の目状に形成することもできる。さらに、集電接続板の接続部や挟持板の対向部にこのような凸部を設けないようにしてもよい。
【００３２】
また、上記実施形態では、集電接続板５，６の本体から折れ曲がった板片を接続部５ｄ，５ｅ，６ｄ，６ｅとする場合について示したが、集電接続板の板材の端部をそのまま折り曲げずに接続部とすることもできる。さらに、この集電接続板の本体の他の任意の部位を接続部とすることもできる。例えば、平坦な集電接続板の本体の中央部を接続部としたり、従来と同様に波板状に折り曲げたＵ字部の一方の側壁を接続部とすることもできる。
【００３３】

【００３４】
また、上記実施形態では、長円筒形巻回型の発電要素１について説明したが、必ずしも長円筒形に巻回したものに限らず、任意の形状の巻回型の発電要素にも実施可能であり、積層型等の他の形式の発電要素にも同様に実施可能である。例えば円筒形の巻回型の発電要素の場合であれば、集電接続板の接続部を電極に沿って湾曲させることにより十分に広い接続面積を得ることができ、挟持板も、湾曲する板面が向かい合うような対向部を有するものを用いればよい。そして、巻回型と積層型以外の形式の発電要素としては、例えば一方又は双方の電極を交互に折り曲げて重ねたようなものが考えられる。
【００３５】
また、上記実施形態では、非水電解質二次電池について説明したが、電池の種類はこれに限定されるものではなく、集電接続板５，６や挟持板７，８，９，１０等の金属材料も、この電池の種類に応じて任意に選択することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の電池によれば、超音波溶接のエネルギーを挟持板を介して集電金属箔に伝えることができるので、複数枚の集電金属箔を確実に集電接続板の接続部に溶接することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態を示すものであって、発電要素の下端面に突出する正極のアルミニウム箔を集電接続板の接続部に接続する構造を示す部分拡大縦断面図である。
【図２】 本発明の一実施形態を示すものであって、正極側の集電接続板の接続部付近と挟持板の構成を示す斜視図である。
【図３】 本発明の一実施形態を示すものであって、負極側の集電接続板の接続部付近と挟持板の構成を示す斜視図である。
【図４】 従来例を示すものであって、長円筒形巻回型の発電要素の電極と端子との接続構造例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 発電要素
１ａ 正極
１ｂ 負極
３ 正極端子
４ 負極端子
５ 集電接続板
５ｂ 開口部
５ｃ 開口部
５ｄ 接続部
５ｅ 接続部
５ｆ 凸部
６ 集電接続板
６ｂ 開口部
６ｃ 開口部
６ｄ 接続部
６ｅ 接続部
６ｆ 凸部
７ 挟持板
７ａ 凸部
８ 挟持板
８ａ 凸部
９ 挟持板
９ａ 凸部
１０ 挟持板
１０ａ 凸部

Claims (3)

1. 端子に接続固定された金属製の集電接続板の接続部と、発電要素の端面から突出した電極の複数枚の集電金属箔とを重ね合わせたものとを、集電接続板よりも薄い金属板からなる挟持板における板面が向かい合った対向部間に挟み込んで、超音波溶接により接合させたことを特徴とする電池。
2. 前記集電接続板の接続部が、この集電接続板の端縁部を折り曲げて形成したもの、又は、この集電接続板を打ち抜いて、この打ち抜き片を一部が集電接続板の本体側に繋がったまま折り曲げたものであり、断面コの字形状の挟持板の一方の対向部をこの接続部の背側に隣接して配置し、他方の対向部を集電接続板の本体側に形成した開口部を通してこの接続部の腹側に、集電金属箔を介して隣接して配置したことを特徴とする請求項１に記載の電池。
3. 前記集電接続板の接続部における集電金属箔と重なり合う板面、及び／又は、前記挟持板における対向部の向かい合う板面に凸部が形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電池。

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