JP5700008B2

JP5700008B2 - ラミネート型二次電池用電極部接触子

Info

Publication number: JP5700008B2
Application number: JP2012203296A
Authority: JP
Inventors: 斉池田; 孝一竹田; ▲陳▼中▲しゃん▼
Original assignee: SHIN-A MACHINE CO., LTD.; Daiichi Jitsugyo Co Ltd
Current assignee: SHIN-A MACHINE CO., LTD.; Daiichi Jitsugyo Co Ltd
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2032-09-14
Also published as: JP2014059177A; TW201411137A; WO2014041877A1

Description

本発明は、ラミネート型二次電池の検査等に用いる電極部接触子に関する。

小型軽量な二次電池として、ラミネート型リチウムイオン電池等のラミネート型二次電池が普及している。
ラミネート型二次電池の製造工程及び性能検査工程において、初充電処理、充電及び放電検査、並びに、ＯＣＶ検査及びＤＣ-ＩＲ検査等を行うのが一般的であり、ラミネート型二次電池の電極タブと各工程用の回路との接続には、繰り返し使用可能なラミネート型二次電池用電極部接触子（以下において、単に「接触子」という場合がある。）が用いられる。
また、ラミネート型二次電池の多くは、プラス極用電極タブにはアルミニウムを、マイナス極用電極タブには銅板にニッケルメッキしたものを使用しており、特にプラス極のアルミニウムには絶縁酸化皮膜ができやすいため、接触子との接触不良が生じやすいこと等の問題がある。

接触子として、電極タブに安定した接触力で接触させること等を目的とし、下端を台座に軸支された一対の可動片（クリップ部）に取り付けた圧接端子により電極タブを挟持するように構成したものがある（例えば、特許文献１参照。）。
特許文献１の接触子は、一対の可動片を回動させて圧接端子により電極タブを挟持した際に、圧接端子の圧接面と電極タブとの接触角度がズレて擦れるため、表面酸化膜及び汚れ除去を行なうワイピング動作を行うとしているが、特にアルミニウムのような絶縁酸化皮膜を作る電極タブにおいては、このようなワイピング動作では十分ではなく、圧接端子を電極タブに安定した接触力で接触させたとしても、圧接端子及び電極タブの接触を十分に安定させることができない。

このようなことから、図７（ａ）の斜視図に示すような接触子１１が主流となっている。
この接触子１１は、一対の導電体である接触部１２，１２を、回動中心軸１４まわりに回動可能である、一対の絶縁体である保持部１３，１３により保持し、接触部１２，１２の先端（遊端）を内方へ屈曲させるともに、接触部１２，１２先端の端縁である対向面を山切りカット形状（三角波状の凹凸形状）１２Ａ，１２Ａにしたものである。
このような接触子１１によれば、図７（ｂ）の要部拡大断面図に示すように、接触部１２，１２により電極タブ９を挟持した状態で、山切りカット形状１２Ａ，１２Ａの鋭角に突出する凸部先端により、絶縁酸化皮膜１０，１０を効率よく破くことができる。

特開２００２−２９８９２９号公報

しかしながら、図７（ａ）に示す従来の接触子１１のように、接触部１２，１２の先端を山切りカット形状１２Ａ，１２Ａにすることは、絶縁酸化皮膜１０，１０を破くためには有効であるが、図７（ｂ）に示すように、山切りカット形状１２Ａの先端部と電極タブ９との接触幅Ａが小さく、すなわち接触面積が小さくなり、図８に示すように電極タブ表面の接触痕（面積）が小さくなる。
よって、接触抵抗が高くなるという欠点があるので、高電流時にはジュール熱により電極タブ９が異常発熱するという問題がある。
ここで、接触抵抗や接触子温度等の測定は、図９の概略構成図に示すように、直流定電流電源、電圧計Ｖ、周囲温度を測定する温度計Ｔ１及び接触部１２（電極タブ９）の温度を測定する温度計Ｔ２等を用いて行うことができ、接触抵抗として、４〜１０ｍΩの測定結果が得られた。
例えば、接触抵抗が４ｍΩで、３０Ａの電流を流した場合、電力Ｐは、Ｐ＝Ｒ・Ｉ²＝３．６Ｗとなり、図１０の実測結果に示すように、接触子温度（接触部１２の温度）は５０℃近く上昇した。

そこで本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、特にアルミニウムのような絶縁酸化皮膜を作る電極タブに対しても、安定して接触することができる接触部を備えて接触不良を防止しながら、接触抵抗を小さく抑えて電極タブの発熱（温度上昇）を小さくすることができるラミネート型二次電池用電極部接触子を提供する点にある。

本願の発明者らは、特にアルミニウムのように絶縁酸化皮膜を作るようなラミネート型二次電池の電極タブに接触子を接触させた際に、（１）絶縁酸化皮膜を効率よく破くことができること、（１）接触抵抗が高くならないこと、という二律背反の課題の両方を解決するために、接触子の様々な構造の検討を行い、一対の接触部を板ばね状に形成することにより、接触部の先端を山切りカット形状にすることなく絶縁酸化皮膜を効率よく破くという着想を得た。そして、このような着想に基づき、シミュレーション及び試作評価等を行って具体化を進めることにより、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明に係るラミネート型二次電池用電極部接触子は、前記課題解決のために、ラミネート型二次電池の電極タブに接触する、一対の導電体である接触部を、回動中心軸まわりに回動可能である、一対の絶縁体である保持部により保持してなる、ラミネート型二次電池用電極部接触子であって、一対の前記接触部が、少なくとも前記保持部の先端から突出する部分が矩形板状に形成された板ばねであり、前記回動中心軸から離れた前記接触部の先端の角部が、前記矩形の一辺である直線状であり、一対の前記角部同士が対向し、前記保持部が前記回動中心軸まわりに回動して前記接触部の先端が閉じられると、前記直線状の角部が前記電極タブの表面に線接触し、前記一対の接触部により前記電極タブが挟持されると、前記接触部が弾性変形した状態となり、前記直線状の角部が線接触している前記表面を擦るとともに、前記角部が前記表面に食い込むことを特徴とする。

このような構成によれば、電極タブの表面に接触する接触部の先端が山切りカット形状（三角波状の凹凸形状）ではなく、矩形の一辺である直線状の角部であるので、接触部の先端が山切りカット形状である構成のように接触面積が小さくならないことから、接触抵抗が高くならないため、高電流時であっても電極タブが異常発熱することがない。
その上、一対の接触部が、少なくとも前記保持部の先端から突出する部分が矩形板状に形成された板ばねであり、一対の接触部により電極タブを挟持した状態では、板ばねである接触部が弾性変形し、接触部先端の直線状の角部が線接触している電極タブの表面を擦るとともに、接触部先端の角部が電極タブの表面に食い込むので、電極タブの表面の絶縁酸化皮膜を効率よく破くことができ、絶縁酸化皮膜を除去して確実な接触を得ることができることから、接触子の接触部が電極タブに安定して接触するため、接触不良を防止することができる。

以上のように、本発明に係るラミネート型二次電池用電極部接触子によれば、一対の接触部を少なくとも保持部の先端から突出する部分が矩形板状に形成された板ばねとし、その先端の角部を前記矩形の一辺である直線状にしており、前記直線状の角部を電極タブの表面に線接触させ、この状態からさらに加圧をすると、板ばねである接触部が弾性変形し、前記角部が前記表面を擦るとともに前記表面に食い込むので、（１）絶縁酸化皮膜を効率よく破くことができること、及び、（２）接触抵抗が高くならないこと、という二律背反の課題の両方を解決することができ、信頼性の高い、繰り返し使用可能なラミネート型二次電池用電極部接触子を得ることができるという顕著な効果を奏する。

本発明の実施の形態に係るラミネート型二次電池用電極部接触子の外観を示しており、（ａ）は接触部側斜め上方から見た斜視図、（ｂ）は回転中心軸に対して接触部の反対側斜め上方から見た斜視図である。接触子の平面図及び接触部の要部拡大平面図である。（ａ）は接触部の角部まわりに作用する力及びたわみ角の説明図、（ｂ）は接触部のたわみの説明図である。接触子による電極タブ表面の接触痕を示す図である。接触抵抗及び接触子温度等の実測結果を示す図である。本発明の実施の形態に係るラミネート型二次電池用電極部接触子を用いた装置の一例を示す斜視図であり、説明の都合上、一部の接触子の記載を省略している。（ａ）は従来のラミネート型二次電池用電極部接触子の斜視図、（ｂ）は電極タブと接触部との接触状態を示す要部拡大断面図である。接触子による電極タブ表面の接触痕を示す図である。接触抵抗測定をするための評価回路の概略構成図である。接触抵抗及び接触子温度等の実測結果を示す図である。

次に本発明の実施の形態を添付図面に基づき詳細に説明するが、本発明は、添付図面に示された形態に限定されず特許請求の範囲に記載の要件を満たす実施形態の全てを含むものである。

図１の斜視図及び図２の平面図に示すように、本発明の実施の形態に係るラミネート型二次電池用電極部接触子１は、ラミネート型二次電池の電極タブ９に接触する、一対の導電体である接触部２，２を、回動中心軸４まわりに回動可能である、一対の絶縁体である保持部３，３により保持しており、一対の接触部２，２は板ばねとされ、接触部２，２の、少なくとも保持部３，３の先端（遊端）から突出する部分は矩形板状であり、その先端（遊端）２Ａ，２Ａの角部２Ｂ，２Ｂは、矩形の一辺である直線状であり、接触部２，２の基端が保持部３，３に固定される。
また、保持部３，３が回動中心軸４まわりに回動可能であるため、保持部３，３の回動にともなって接触部２，２も回動し、保持部３，３の先端から突出する回動中心軸４から離れた接触部２，２の先端２Ａ，２Ａが開閉し、先端２Ａ，２Ａの内方の角部２Ｂ，２Ｂは対向する。

さらに、保持部３，３における、回転中心軸４に対する接触部２，２の反対側には、開閉操作用の一対の引っ掛け部５，５が設けられる。
図６の斜視図に一例を示すラミネート型二次電池用電極部接触子１，１，…を用いた装置（開閉機構）は、アクチュエータ８により駆動される上板６及び下板７が逆方向へ移動するように構成されており、接触子１の一対の引っ掛け部５，５（図１（ｂ）参照。）の一方の引っ掛け部５を上板６に係合させ、他方の引っ掛け部５を下板７に係合さることにより、アクチュエータ８を動作させて上板６及び下板７を駆動することにより、上板６及び下板７が逆方向へ移動して接触子１の一対の引っ掛け部５，５の間隔が広がるため、接触部２，２の先端２Ａ，２Ａを、図２（ａ）の矢印Ｂ，Ｂのように閉じることができる。

ここで、板ばねである平板状の導電体である接触部２の材質は、体積抵抗率が低く、さらに耐力（比例限度）の高い金属（例えば、ばね用りん青銅等）が望ましい。また、接触部２を保持する絶縁体である保持部３の材質は、絶縁性はもちろん、板ばねである接触部２の基端を確実に保持するために、比較的剛性及び強度の高い合成樹脂（例えば、ポリフェニレンオキサイド（ＰＰＯ）又はポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等）が望ましい。

図２及び図３（ｂ）の説明図に示すＸ及びＬを用いて、板ばねである接触部２のたわみ（先端２ＡからＸの位置におけるたわみ）δは、一般的な弾性曲線方程式を用いて、次式（１）により求めることができる。

δ＝（Ｆ／（ＥＩ））・（Ｘ³／６−ＸＬ²／２＋Ｌ³／３）（１）

ここで、Ｅは接触部２の縦弾性係数、Ｉは接触部２の断面二次モーメントであり、Ｆは接触部２の先端２Ａに掛かる荷重（接触部２の弾性変形による復元力）である。

また、図３（ａ）の説明図に示す接触部２の先端２Ａのたわみ角θは、一般的な弾性曲線方程式を用いて、次式（２）により求めることができる。

θ＝（Ｆ／（２ＥＩ））・（Ｘ²−Ｌ²）（２）

さらに、板ばねである接触部２は、塑性変形を起こさない範囲で使用しなければならないので、曲げ応力の最大値σmaxは、次式（３）を満足する必要がある。

σmax＝（Ｍmax／Ｚ）＜σb （３）

ここで、Ｍmaxは接触部２に掛かる曲げモーメントの最大値、Ｚは接触部２の断面係数、σbは使用材料の耐力（比例限度）である。

接触子１の一対の引っ掛け部５，５が開閉機構により操作され、保持部３，３が回動中心軸４まわりに回動して接触部２，２の先端２Ａ，２Ａが閉じる方向へ移動すると、図２の要部拡大平面図の二点鎖線に示すように、接触部２，２の直線状の角部２Ｂ，２Ｂが電極タブ９の表面に線接触する。
この状態からさらに保持部３，３を回動させると、図２の要部拡大平面図の実線に示すように、板ばねである接触部２，２が弾性変形し、直線状の角部２Ｂ，２Ｂが線接触している電極タブ９の表面を擦るとともに、角部２Ｂ，２Ｂが電極タブ９の表面に食い込んだ状態になる。
ここで、本発明の実施の形態に係る接触子１における接触部２，２の角部２Ｂ，２Ｂが電極タブ９の表面を擦る長さ（移動距離）Ｃは０．２ｍｍ程度である。

また、図３（ａ）に示すように、角部２Ｂ，２Ｂが電極タブ９の表面を擦ろうとする力ＦＴ及び角部２Ｂ，２Ｂが電極タブ９の表面に食い込む力ＦＮは、角部２Ｂが電極タブ９に接した状態から最終状態になるまで、接触部２の先端２Ａに掛かる荷重（接触部２の弾性変形による復元力）Ｆ及び式（２）のたわみ角θにより時々刻々変化し、すなわち、ＦＴ＝Ｆｓｉｎθ，ＦＮ＝Ｆｃｏｓθとなる。

本発明に係る接触子１は、一対の接触部２，２により電極タブ９を挟持すると、接触部２，２が弾性変形した状態となり、直線状の角部２Ｂ，２Ｂが線接触している電極タブ９の表面を擦るとともに、角部２Ｂ，２Ｂが電極タブの表面に食い込むように設計されるが、このような設計は、接触子１（接触部２，２及び保持部３，３等）の寸法上の制約及び式（３）の曲げ応力の最大値σmaxの制約を考慮して、接触部２の材質並びに接触部２及び保持部３の形状及び大きさ等をパラメータとして、式（１）のたわみδ、式（２）のたわみ角θ、接触部２の先端２Ａに掛かる荷重（接触部２の弾性変形による復元力）Ｆ、角部２Ｂ，２Ｂが電極タブ９の表面を擦ろうとする力ＦＴ及び角部２Ｂ，２Ｂが電極タブ９の表面に食い込む力ＦＮ等を求めながら、総合的な判断に基づいて行うことができる。

以上のような本発明の実施の形態に係るラミネート型二次電池用電極部接触子１の構成によれば、電極タブ９の表面に接触する接触部２，２の先端が、山切りカット形状（三角波状の凹凸形状）ではなく、直線状の角部２Ｂ，２Ｂであるので、接触部の先端が山切りカット形状である構成のように接触面積が小さくならないことから、接触抵抗が高くならないため、高電流時であっても電極タブが異常発熱することがない。
例えば、従来技術である図８と比較して、図４に示すように電極タブ表面の接触痕（面積）が大きくなる。このことから、接触抵抗を０．６ｍΩ程度に低減することができるため、３０Ａの電流を流した場合の図５の実測結果に示すように、接触子温度（接触部２の温度）上昇も２５℃程度に抑えることができた。

また、一対の接触部２，２が板ばねであり、一対の接触部２，２により電極タブ９を挟持した状態では、板ばねである接触部２，２が弾性変形し、図３（ａ）の力ＦＴにより接触部２，２先端の直線状の角部２Ｂ，２Ｂが線接触している電極タブ９の表面を擦るとともに、図３（ａ）の力ＦＮにより角部２Ｂ，２Ｂが電極タブ９の表面に食い込むので、電極タブ９表面の絶縁酸化皮膜を効率よく破くことができ、絶縁酸化皮膜を除去して確実な接触を得ることができることから、接触部２，２が電極タブ９に安定して接触するため、接触不良を防止することができる。

Ｃ接触部角部電極タブの表面を擦る長さ（移動距離）
Ｆ接触部の弾性変形による復元力
ＦＮ電極タブに垂直に掛かる力
ＦＴ電極タブ表面を擦ろうとする力
１本発明のラミネート型二次電池用電極部接触子
２接触部
２Ａ先端
２Ｂ角部
３保持部
４回動中心軸
５開閉用引っ掛け部
６上部板
７下部板
８アクチュエータ
９電極タブ
１０絶縁酸化皮膜
１１従来のラミネート型二次電池用電極部接触子
１２接触部
１２Ａ山切りカット形状（三角波状の凹凸形状）
１３保持部
１４回動中心軸

Claims

ラミネート型二次電池の電極タブに接触する、一対の導電体である接触部を、回動中心軸まわりに回動可能である、一対の絶縁体である保持部により保持してなる、ラミネート型二次電池用電極部接触子であって、
一対の前記接触部が、少なくとも前記保持部の先端から突出する部分が矩形板状に形成された板ばねであり、前記回動中心軸から離れた前記接触部の先端の角部が、前記矩形の一辺である直線状であり、一対の前記角部同士が対向し、
前記保持部が前記回動中心軸まわりに回動して前記接触部の先端が閉じられると、前記直線状の角部が前記電極タブの表面に線接触し、
前記一対の接触部により前記電極タブが挟持されると、前記接触部が弾性変形した状態となり、前記直線状の角部が線接触している前記表面を擦るとともに、前記角部が前記表面に食い込むことを特徴とするラミネート型二次電池用電極部接触子。