JP5858158B2 - 二次電池の集電構造 - Google Patents
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Description
本発明は、極板群から延びる複数枚の集電タブが端子の集電体に接合された二次電池の集電構造に関するものである。
リチウムイオン電池を代表とする非水電解質二次電池は、エネルギーの高密度化に適しているため、携帯電話、パソコン等の小型電子機器のみならず、ハイブリッド電気自動車(HEV)、電気自動車(EV)、フォークリフト、ショベルカー等の移動体電源から、UPS(無停電電源装置)、太陽光発電や風力発電の電力貯蔵等の大型蓄電池まで用途が拡大している。このような産業用途の拡大に伴って、リチウムイオン電池等の二次電池には、大容量化、大電流化が求められている。リチウムイオン電池等の二次電池は、端子の集電体に極板群から延びる複数枚の集電タブが電気的に接続された構造を備えている。このような構造の二次電池を大容量化または大電流化するためには、積層する集電タブの枚数を増やさなければない。しかし、集電タブの積層枚数を増やすと、集電タブ間や集電タブと端子との間の接続部分で発熱し易くなる。従来の二次電池では、このような集電タブの積層枚数の増加による発熱を防ぐため、集電タブと端子と間の接続部分の電気抵抗ができるだけ小さくなるように、集電タブが端子に直接接合された集電構造が採用されている。
集電タブを端子の集電板に直接接合する技術として、例えば、特許文献1には、端子の集電板に形成された凹部と、当て板に形成されて集電板の凹部と嵌合する凸部との間に、集電タブを配置して、これをネジで固定する技術が開示されている。また、特許文献2には、端子の集電板と当て板との間に複数枚の集電タブを挟み、これをレーザーで溶接する技術が開示されている。さらに、特許文献3には、集電板と当て板との間に集電タブを挟み、これを摩擦撹拌接合する技術が開示されている。
しかしながら、特許文献1のようなネジ固定により集電タブを端子に接合する構造では、集電タブと端子間に大きな接触抵抗が生じるため、接続部分の電気抵抗が大きくなり、大電流が流れた際の電圧降下が大きくなる問題がある。
また、特許文献2のようなレーザー溶接により集電タブを端子に接続する構造では、溶接時に発生したスパッタが、セパレータを溶かしたり、電極群内に残留したりして、短絡の原因になる。その上、レーザー溶接を用いる場合は、レーザービーム径が通常φ1mm以下と小さいため、大電流を流すために十分な接合面積を得ることができない。
さらに、特許文献3のような摩擦攪拌接合を行った場合は、ネジ固定等の機械的な接合に比べて接触抵抗を小さくすることができ、またレーザー溶接による接合に比べて接合幅や接合面積を広くかつ深くすることができるため、大電流化には適しているものの、摩擦攪拌接合では回転する工具を積層された集電タブに押し付けるため、集電タブのように薄い箔を重ねて接合させる場合は箔がちぎれたり、接合部周辺にバリが発生することに加えて、接合時に集電タブがずれて接触不良を生じる問題がある。
本発明の目的は、端子の集電体と集電タブとの間の接触抵抗を小さくしながら、端子と集電タブとの間の接触不良を防ぐことができる二次電池の集電構造を提供することにある。
本発明の他の目的は、端子の集電体と集電タブとの摩擦攪拌接合が容易な二次電池の集電構造を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、大容量化、大電流化に適した二次電池を提供することにある。
本発明が改良の対象とする二次電池の集電構造は、集電体を有する端子と、複数枚の極板がセパレータを介して積層されてなる極板群から延びる複数枚の集電タブが積層されてなるタブ積層群と、集電体との間にタブ積層群を挟む金属製のカバー部材とを備えている。集電体とタブ積層群とカバー部材とは、摩擦撹拌接合(FSW)により接合されている。ここで、摩擦攪拌接合とは、先端に突起のある工具を回転させながら、重ねた少なくとも二つの接合部材に押し付けて接合部材中に突起を貫入させることにより生じた摩擦熱で少なくとも二つの接合部材を部分的に軟化させて、工具の回転力で軟化した接合部周辺を塑性流動させて練り混ぜることにより接合すべき少なくとも二つの接合部材同士を一体化させる方法である。
本発明の二次電池の集電構造では、集電体及びカバー部材の少なくとも一方に、タブ収納部が設けられている。タブ収納部は、タブ積層群の少なくとも一部を収納して、摩擦撹拌接合時におけるタブ積層群中の複数枚の集電タブがスライドすることを阻止する構造を備えている。このようなタブ収納部を集電体およびカバー部材のいずれかに設けると、タブ積層群中の複数枚の集電タブが工具から加わる回転力によりスライドすることなく、タブ収納部に収納された状態でタブ積層群と集電体との間及びタブ積層群とカバー部材との間で摩擦攪拌接合を行うことができる。その結果、摩擦攪拌接合により接合されるタブ積層群中の隣り合う集電タブ間及びタブ積層群と集電体との間並びにタブ積層群とカバー部材との間の接合を確実なものとすることができ、接合部の接触抵抗が小さくなる。そのため、本発明によれば、集電タブの積層枚数を増やしても、隣り合う集電タブ間及びタブ積層群と集電体との間並びにタブ積層群とカバー部材との間の電気抵抗を小さくして、タブ積層群と集電体との間及びタブ積層群とカバー部材との間の接触不良の発生を防止することができる。接触部における接触抵抗が小さくなると、接触部における発熱量が低下するため、放電電流を大きくすることができ、二次電池の大容量化および大電流化が可能になる。さらに、タブ積層群をタブ収納部に収納することにより、摩擦攪拌接合する際におけるタブ積層群の位置決めが容易になるため、摩擦攪拌接合を用いて複数枚の集電タブを出力端子に接合する作業が容易になる。
端子の集電体には、カバー部材側から摩擦撹拌接合を実施する際に、カバー部材が集電体に対してスライドすることを阻止するスライド阻止構造を設けるのが好ましい。このようなスライド阻止構造を設けることにより、端子の集電体およびタブ収納部に収納されたタブ積層群に対するカバー部材の位置ずれを防止することができる。そのため、タブ積層群と集電体との接触不良を小さくしながら(集電タブと集電体との間の電気抵抗を小さくしながら)、摩擦攪拌接合時における複数枚の集電タブの位置ズレを防ぐ(集電タブと集電体との間の接触不良を防ぐ)という効果が確実に得られる。また、スライド阻止構造を設けると、端子の集電体およびタブ収納部に収納されたタブ積層群に対してカバー部材の位置決めが容易になるため、摩擦攪拌接合作業が容易になる。
タブ収納部の構造は、タブ積層群の少なくとも一部を収納して、摩擦撹拌接合時におけるタブ積層群中の複数枚の集電タブがスライドすることを阻止する構造であればどのような構造を採用しても良い。また、スライド阻止構造も、カバー部材が集電体に対してスライドすることを阻止する構造であればどのような構造を採用しても良い。例えば、タブ収納部を、タブ積層群中の複数枚の集電タブがスライドすることを阻止する複数の凸部で構成することができる。また、スライド阻止構造も、カバー部材が集電体に対してスライドすることを阻止する複数の凸部で構成することができる。しかし、タブ収納部およびスライド阻止構造の一方または両方を凸部で構成すると、凸部の存在により集電構造の寸法が大きくなって、電池ケースの容積が大きくなるおそれがある。このような問題を考慮して、タブ収納部およびスライド阻止構造は、いずれも凹部で構成するのが好ましい。この場合は、タブ収納部を、端子の集電体のカバー部材と対向する面に形成された第1の凹部で構成し、スライド阻止構造を、集電体のカバー部材と対向する面に形成された第2の凹部で構成することができる。このような凹部は、端子(または集電体)の厚み分を利用して構成されるため、凸部を形成する場合に比べて集電構造の寸法が大きくならず、電池ケースの容積を大きくする必要がない。また、タブ収納部およびスライド阻止構造をこのような凹部で構成すると、第1の凹部内部の両側面によってタブ積層群中の複数枚の集電タブの移動が阻止され、かつ、第2の凹部内部の両側面によってカバー部材の移動が阻止されるため、摩擦攪拌接合時の集電タブの位置ズレとカバー部材の位置ズレを確実に防ぐことができる。
なお、タブ収納部を構成する第1の凹部の深さ寸法がタブ積層群の厚み寸法よりも大きくなると、タブ積層群がタブ収納部に収納された状態でタブ積層群とカバー部材と間に隙間が生じる。また、タブ収納部を構成する第1の凹部の深さ寸法とタブ積層群の厚み寸法とが同じであると、タブ収納部に収納された状態のタブ積層群とカバー部材とが十分に接触しないため、摩擦攪拌接合を実施しても集電体とタブ積層群とカバー部材との間に接合不良が生じるおそれがある。そこで、第1の凹部の深さ寸法は、タブ積層群の厚み寸法よりも小さくするのが好ましい。第1の凹部の深さ寸法をこのような寸法に設定すると、タブ積層群を積層方向に圧縮した状態で摩擦撹拌接合を実施することができるので、タブ積層群内の複数枚の集電タブ同士を確実に接合することができ、接合不良の発生を確実に防ぐことができる。
タブ収納部を構成する第1の凹部と、スライド阻止構造を構成する第2の凹部とは、交差した状態で形成し、かつ、摩擦撹拌接合による溶接部を、第2の凹部に沿って第1の凹部を完全に横切るように形成するのが好ましい。このように溶接部を形成すると、タブ積層群を構成する複数枚の集電タブを幅方向に完全に横切るように接合部を形成することができ、集電体とタブ積層群の間およびタブ積層群を構成する複数枚の集電タブ間にも隙間が形成されることがないため、接触部における接触抵抗を小さくすることができる。
複数枚の集電タブを1つのタブ積層群として集電体に1カ所で接合する場合、極板の枚数が多くなるほど、極板から延びる集電タブの長さを長くして、集電タブを引き回す必要がある。そこで、同極性の複数の極板から延びる複数枚の集電タブを2つに分けて2つのタブ積層群を形成し、これら2つのタブ積層群をそれぞれ別個に集電体に接合するようにすれば、集電タブの長さをあまり長くすることなく、集電体に接合することができる。また、1つのタブ積層群を構成する集電枚数の数が少ない場合(タブ積層群を変形する際の曲げ応力がタブ積層群中の一部の集電タブに集中し易い場合)でも、タブ積層群中の一部の集電タブに応力が集中するのを防ぐことができるため、集電タブの断線や短絡を防止することができる。
本発明を、特に、リチウムイオン電池等の非水電解液二次電池に適用する場合、非水電解液二次電池は、それぞれ集電タブを備えた複数枚の極板が、セパレータを介して積層されてなる極板群と、極板群中の複数枚の正極板から延びる複数枚の集電タブが積層されてなる1以上のタブ積層群が接続される集電体を備えた正極端子と、極板群中の複数枚の負極板から延びる複数枚の集電タブが積層されてなる1以上のタブ積層群が接続される集電体を備えた負極端子と、集電体との間にタブ積層群を挟む金属製のカバー部材と、正極端子の正極端子部と負極端子の負極端子部を露出させるようにして電池構成素子を収納する電池ケースとを備えている。そして集電体とタブ積層群とカバー部材とが摩擦撹拌接合により接合される。
本発明の二次電池では、上述の集電構造が採用される。すなわち、タブ積層群の少なくとも一部を収納して、摩擦撹拌接合時におけるタブ積層群中の複数枚の集電タブがスライドすることを阻止する構造を備えたタブ収納部が、集電体及びカバー部材の少なくとも一方に設けられている。このような集電構造を備える二次電池では、上述した集電構造の効果がそのまま得られる。すなわち、集電タブの積層枚数を増やしても、集電タブと集電体との間の電気抵抗を小さくしながら、集電タブと集電体との間の接触不良を少なくすることができる。そのため、集電タブと出力端子との間に流れる電流を大きくすることができるので、二次電池の大容量化および大電流化が可能になる。
なお、二次電池の正極端子および負極端子の位置は、任意である。例えば、角型の二次電池を構成する場合は、正極端子部および負極端子部を、電池ケースの対向する一対の壁部のうちいずれか一方の壁部からそれぞれ露出するように正極端子および負極端子の位置を定めればよい。また、円筒型の二次電池を構成する場合は、正極端子部と負極端子部を、電池ケースの対向する一対の壁部からそれぞれ露出するように正極端子および負極端子の位置を定めればよい。このような構成により、に電池ケースの対向する一対の壁部のいずれかの側で、負極集電タブと正極集電タブとが交差しないため、短絡し難い二次電池を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明の集電構造を用いた本発明の二次電池の実施の形態の一例の斜視図であり、図2は、本発明の集電構造の基本構成(主要部)を示す斜視図である。図1に示す二次電池は、電池ケース1内に、電池構成素子として、複数枚の極板(負極板3a,正極板3b)が図示しないセパレータを介して積層されてなる極板群3が収納されている。電池ケース1には、この電池構成素子(極板群3等)が収納された状態で、蓋体2がレーザー溶接されている。蓋体2には、電解液を注入する注液孔を封止した注液孔栓4が設けられている。また、蓋体2には、過充電など非定常時に電池ケース1の内圧を開放するための安全弁6が設けられている。
電池ケース1は、矩形の極板をセパレータを介して積層した積層体を収納できるように一面が開口した角形を呈している。このような角形の電池ケースからなる積層型電池は、帯状の極板やセパレータを円柱状に巻回した円筒形の電池ケースと比較して、捲回用の軸芯等が有しないため、体積エネルギー密度を高くすることができる。本例では、電池ケース1が、アルミニウム合金をインパクトプレス成形して形成されている。なお、電池ケース1の材質がアルミ系金属の場合には、電池ケースをダイキャスト成形で作製してもよい。また、電池ケース1の材質は、ステンレス鋼であってもよい。電池ケース1の材質は、機械的強度を高くする観点から、例えばアルミニウム系やステンレス鋼などの金属材料が好ましい。一方、耐久性の観点から、金属材料に限らず、電解液に侵食されない樹脂(例えば、フッ素系、ポリエチレン、ポリプロピレン、エポキシ系、POM、PEEK、BTレジンなどの樹脂)を用いてもよい。樹脂系の電池ケースは、金属系の電池ケースに比べ、材質の密度が小さいため軽くなる利点がある。ただし、樹脂系材料を用いる場合は、樹脂が強度的に弱いこと、また、樹脂は熱伝導性が小さいために放熱性に劣ることなどの欠点がある。したがって、これらの点を考慮して、電池ケース1は、金属製材料を主体とし、その表面を上述の樹脂で被覆してもよい。
極板群3は、銅からなる短冊形状の負極集電板の表面に負極活物質層を形成した極板(負極板3a)と、電解質を保持するセパレータと、アルミニウムからなる短冊形状の正極集電板の表面に正極活物質層を形成した極板(正極板3b)とを交互に積層した構成となっている。極板群3の厚み等の寸法や積層枚数は、必要な電池容量によって決まる。
極板群3の各極板(負極板3a,正極板3b)は、それぞれ負極集電板から延びる集電タブ5と正極集電板から延びる集電タブ5とをそれぞれ備えている。同極性の複数枚の極板(負極板3a)の複数枚の集電タブ5は、積層されて1以上のタブ積層群7を構成する。ここで、タブ積層群7を構成する集電タブ5のうち、負極活物質が塗布された極板(負極板3a)に形成された集電タブは負極集電タブを構成し、正極活物質が塗布された極板(正極板3b)に形成された集電タブは正極集電タブを構成する。したがって、集電タブというときは、負極集電タブ及び正極集電タブの総称を意味する。タブ積層群7を構成する集電タブ5の枚数は、容量によって決まり、数十Ahから数百Ahの容量の電池では、集電タブの枚数が数十枚から数百枚に及ぶ。本例では、正極板の集電タブの枚数を232枚とし、負極板の集電タブの枚数を236枚として、100Ahのリチウムイオン二次電池を構成している。
なお、正極集電板の表面に正極活物質層を形成した極板(正極板3b)は、次のように作製する。リチウム含有酸化物(正極活物質)として、マンガン酸リチウム粉末、導電材として炭素粉末、及びバインダとしてポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFと略す)を混合し、これに分散溶媒となるN−メチルピロリドン(以下、NMPと略す)を適量加えて十分に混練し分散させてスラリーを作成する。このスラリーを転写によって正極板となる厚さ20μmの帯状のアルミニウム箔の両面に塗布して乾燥し、正極活物質を塗布したアルミニウム箔を数100mの長さの帯状のロール状極板として巻き取る。次に、このロール状極板から帯状の極板を引き出し、タブ形成切断機によりタブが形成されたタブ付きロール状極板としてロール状に巻き取る。つぎに、加熱したロールを有するロールプレス機により、所定のプレス圧で圧縮しロール状に巻き取ることにより、ロール状の極板を得る。ついで、このロール状の極板から、帯状の極板を引き出して切断装置で所定の幅に切断され、正極活物質層を形成した矩形の極板(正極板3b)を得る。
一方、負極集電板の表面に負極活物質層を形成した極板(負極板3a)を作製するには、まず炭素材(負極活物質)と結着剤としてPVDFを混合し、NMPを適量加えて十分に混練し分散させてスラリーを作成する。このスラリーを転写により金属集電体となる厚さ10μmの銅箔の両面に塗布して乾燥し、ロール状極板として巻き取る。次のタブ形成工程以降は、正極の作製工程と同様である。この所定の幅に切断されたタブ付きの正極板及び負極板とセパレータとを積み重ねると、極板群3が形成される。
極板群3のうち、上述の負極板が積層された極板群3は負極端子9に接続され、上述の正極板が積層された極板群3は正極端子11に接続されている。負極端子9及び正極端子11は、蓋体2を貫通するネジ付きの端子部の先端にナット8を螺合させて、それぞれ蓋体2に固定されている。負極端子9及び正極端子11は、二次電池のケースの同一の面(本実施の形態では蓋体2)から突出している。これにより、電池ケース1内の負極端子9及び正極端子11への配線が一つの面に向かって収まるため、配線用空間が少なくて済むという利点がある。負極端子9は、蓋体2の外側に露出して外部出力用の端子部を構成する露出部9aと、電池ケース1の内部に収納されて集電体を構成する端子基部9bとを備えている。端子基部(集電体)9bには、極板群3中の複数枚の極板(負極板3a)から延びるタブ積層群7が接続されている。一方、正極端子11は、蓋体2の外側に露出して外部出力用の端子部を構成する露出部11aと、電池ケース1の内部に収納されて正極の集電体を構成する図示しない端子基部とを備えている。正極の端子基部(集電体)には、極板群3中の複数枚の極板(正極板3b)から延びるタブ積層群7が接続されている。なお、本例では、集電体を構成する端子基部(負極の端子基部9bおよび図示しない正極の端子基部)の平面輪郭形状を矩形としたが、これらの端子基部は円筒形状または円柱形状でも、一部が曲面からなる形状にしても良い。
図2は、負極側の集電構造の基本構成を示している。図2に示すように、集電構造の主要部は、負極端子9と複数枚の集電タブ5から構成されるタブ積層群7と金属製のカバー部材13とから構成されている。この集電構造では、タブ積層群7が負極端子9の端子基部9bとカバー部材13との間に挟まれた状態で、摩擦撹拌接合(FSW)により接合されている。その結果、端子基部9bとタブ積層群7とカバー部材13とが、摩擦攪拌接合により接合されている。なお、負極端子9の材質には、負極板の材質と同様に銅系の材料を用いた(なお、正極端子11の材質には、正極板の材質と同様にアルミ系の材料を用いた)。またカバー部材13の材質は、負極端子9側では負極板と同様に銅系の材料を用いた(正極端子11側では正極板と同様にアルミ系の材料を用いた)。すなわち、負極端子9に接合する場合のカバー部材13は銅系の材料により形成し、正極端子11に接合する場合のカバー部材13はアルミ系の材料により形成した。また、カバー部材13の厚さは、負極用及び正極用共に1mmとした。ただし、カバー部材13の厚さは、接合する集電タブ5の枚数によって適した厚さを選定すれば良く、通常、0.5mm〜2mmに定めればよい。
次に、本発明の集電構造について詳細に説明する。図3は、集電構造の第1実施例を示す概略図であり、図4は、図3の集電構造(第1実施例)における集電体と集電タブとカバー部材との接合部を示す図であり、図5は、図3の集電構造(第1実施例)を製造する方法を示す概略工程図であり、特に図5(A)は集電体にタブ積層群を収納した後、カバー部材を配置する前の状態を示す図であり、図5(B)は摩擦攪拌接合を実施している状態を示す図である。これらの図では、集電構造の構成部材として、極板群3(複数枚の極板3a)の一部、タブ積層群7(複数枚の集電タブ5)の一部、端子9(露出部9aと集電体9bを備える負極端子9)及びカバー部材13のみを示し、それ以外の部材(電池ケース1、蓋体2等)の図示は省略している。
図3に示す集電構造は、図1の負極端子9側の集電構造を示している。この第1実施例では、集電体9bに、タブ収納部15が設けられている。タブ収納部15は、タブ積層群7の最も外側に位置する集電タブ5と接触する平面状の接触部15aと、接触部15aと直交する方向に延びる接触面を備えた凸部15bとから構成されている。凸部15bは、1mmの幅寸法で構成され、端子9の集電体9bの表面の大部分が接触部15aになるように集電体9bの端部に設けられている。図5(A)に示すように、タブ積層群7の集電体9bと対向する対向面7aが接触部15aと接触し、かつタブ積層群7の端部7bが凸部15bの一つの側面からなる接触面と接触するように、タブ積層群7の一部をタブ収納部15に収納する。そして、図5(B)に示すように、一部がタブ収納部15に収納されたタブ積層群7を集電体9bとの間に挟むようにカバー部材13を配置する。端子9と集電タブ5とカバー部材13の位置関係ができるだけズレないように、端子9に対して集電タブ5とカバー部材13とは、摩擦攪拌接合装置(図示せず)において治具(図示せず)で固定されている。この状態で、カバー部材13側から摩擦攪拌接合用の円柱状工具16を回転させながら工具16の先端部をカバー部材13に押し当てて、カバー部材13、タブ積層群7を構成する複数枚の集電タブ5及び集電体9bを部分的に軟化させて塑性流動させた状態で、工具16を直線的に移動させて摩擦攪拌接合を実施する。円柱状工具16の先端部の挿入深さは、端子9の集電体9bまで達する深さとした。円柱状工具16は、先端径が8mmのものを選定した。摩擦攪拌接合では、集電体9bとタブ積層群7とカバー部材13とが接触した状態で、タブ積層群7が延びる方向と直行する方向(タブ積層群7の幅方向)にタブ積層群7を完全に横切るように円柱状工具16を直線状に移動させて溶接部17(集電体9bとタブ積層群7とカバー部材13との接合部)を形成した。なお、本実施例では図4に示すように溶接部(接合部)17の長さLは、タブ積層群7(集電タブ5)の幅寸法よりも長くしたが、必要な電流密度によっては溶接部17の長さをタブ積層群7(集電タブ5)の幅寸法よりも短くすることができる。このような摩擦攪拌接合を実施すると、集電体9bとタブ積層群7とカバー部材13とを完全に接合する溶接部17が形成される。このとき、摩擦攪拌接合による押圧力に対して、タブ積層群7中の複数枚の集電タブ5がスライドするのを、凸部15bが阻止する。端子9の集電体9bにこのようなタブ収納部15を設けると、タブ積層群7がタブ収納部15に収納された状態でタブ積層群7と集電体9bとの摩擦攪拌接合を行うことができる。その結果、摩擦攪拌接合を行うことによる効果(タブ積層群と集電体との接触抵抗及びタブ積層群とカバー部材との接触抵抗が小さくなる効果)と同時に、摩擦攪拌接合を行っても凸部15bによって集電タブ5がスライドするのを防ぐ効果も得られる。そのため、第1実施例のように、集電タブ5の積層枚数を増やしても、集電タブ5と集電体9bとの間の電気抵抗を小さくしながら、集電タブ5と集電体9bとの間の接触不良を少なくすることができる。したがって、第1実施例の集電構造を採用することにより、タブ積層群7中の集電タブ5同士の接合面積と、タブ積層群7と集電体9bとの接合面積が増加するため、溶接部の抵抗が小さくなって、二次電池の大容量化および大電流化が可能になる。また、タブ積層群7をタブ収納部15に収納することによって、摩擦攪拌接合する際に集電タブ5の位置決めが容易になるため、摩擦攪拌接合を用いて集電タブ5を端子9に接合する作業が容易になる。
なお図4に破線で示すように上記実施例の凸部15bに加えて、凸部15bの両側に位置する接触部15aの対向する一対の辺に沿って一対の凸部を設けてよい。このような構造を採用すると、タブ積層群7のスライド防止効果を最大限高めることができる。
図6は、集電構造の第2実施例を示す概略図であり、図7は、図6の集電構造(第2実施例)における集電体と集電タブとカバー部材との接合部を示す図であり、図8は、図6の集電構造(第2実施例)を製造する方法を示す概略工程図である[図6(A)は集電体にタブ積層群を収納した後、カバー部材を配置する前の状態を示す図であり、図6(B)は摩擦攪拌接合を実施している状態を示す図である]。なお、図6乃至図8において、図3乃至図5と共通する部分については、図3乃至図5において付した符号の数に100の数を加えた数の符号を付して説明を省略する。また、図6乃至図8でも、集電構造の構成部材として、極板群103(複数枚の極板103a)の一部、タブ積層群107(複数枚の集電タブ105)の一部、端子109(露出部109aと集電体109bを備える負極端子109)及びカバー部材113のみを示し、それ以外の部材(電池ケース、蓋体等)の図示を省略している。
図6に示す集電構造(第2実施例)も、図3等の集電構造(第1実施例)と同様に負極端子側の集電構造を示している。この第2実施例では、タブ積層群107が、極板群103が同極性の複数の極板(負極板103a)から延びる複数の集電タブ105がそれぞれ積層された2つのタブ積層群107に分割されている。具体的には、図6に示すように、極板群103が半分に分割され、分割した各極板群103から正極の集電タブが116枚、負極の集電タブが118枚、それぞれ延びている。これらの集電タブ105を極板群毎に束ねることにより2つのタブ積層群107が構成されている。集電体109bに設けられたタブ収納部115は、タブ積層群107が接触する2つの接触部115aと、2つの接触部115aと直交する方向に突出する凸部115bとから構成されている。凸部115bは、2つの接触部115aを隔てるように端子9の集電体9bのほぼ中央部に設けられている。この第2実施例では、図8(A)に示すように、2つのタブ積層群107の集電体109bと対向する対向面107aがそれぞれ2つの接触部115aと接触し、かつ各タブ積層群107の端部107bが凸部115bの側面にそれぞれ接触するように、各タブ積層群107の一部をタブ収納部115に収納する。そして、図8(B)に示すように、一部がタブ収納部115に収納されたタブ積層群107を集電体109bとの間に挟むようにカバー部材113を配置して、カバー部材113側から摩擦攪拌接合(FSW)用の工具116を回転させながら押し付けて摩擦攪拌接合すると、集電体109bとタブ積層群107とカバー部材113とを接合する溶接部117が形成される。このとき、摩擦攪拌接合による押圧力に対して、凸部115bが、タブ積層群107中の複数枚の集電タブ105がスライドするのを阻止する。このように、2つのタブ積層群107がそれぞれ別個に集電体109bに接合するように構成すると、集電体109bと集電タブ105との接合部を2カ所に分散させることができる。その結果、各極板103aから延びる集電タブ105の長さをあまり長くすることなく、集電体に接合することができる。また、1つのタブ積層群を構成する集電枚数の数が少ない場合でも、タブ積層群107を変形する際の曲げ応力がタブ積層群107中の一部の集電タブ105に集中するのを防ぐことができるため、集電タブ105の断線や短絡を防止することができる。
図9は、本発明の集電構造の第3実施例を示す概略図であり、図10は、図9の集電構造(第3実施例)における集電体と集電タブとカバー部材との接合部を示す図である。なお、図9及び図10において、図3及び図4と共通する部分については、図3及び図4において付した符号の数に200の数を加えた数の符号を付して説明を省略する。この第3実施例では、各電極群において正極の集電タブの枚数を58枚とし、負極の集電タブの枚数を59枚とした。これらの正極及び負極の集電タブの枚数は、それぞれ、第2実施例の半分に相当する。また、摩擦攪拌接合では、円柱状工具(図示せず)の径を4mmとした。カバー部材213の幅寸法は、集電タブ205が導出されるカバー部材213の辺が端子209の側面より内側に配置される寸法に調整されている。それ以外は、第2実施例と同じ条件で第3実施例を製造した。このようにすると、図6(第2実施例)の端子109をそのまま用いて、第2実施例よりもコンパクトな電池を作製することができる。
図11は、本発明の集電構造の第4実施例を示す概略図である。この図において、図3と共通する部分については、図3で付した符号の数に300の数を加えた数の符号を付して説明を省略する。第1乃至第3実施例(図3、図6及び図9)では、いずれも、端子基部9b,109b及び209bの露出部9a,109a及び209a側とは反対の側にタブ収納部15,115及び215が設けられているのに対して、第4実施例(図11)では、タブ収納部315が端子基部309bの露出部309a側に設けられている。このような構造では、端子基部309bの露出部309a側の表面がタブ収納部315の接触部315aを構成し、露出部309aがタブ収納部315の凸部315bを構成する。そのため第4実施例では、端子9に加工を施すことなくタブ収納部315を構成することができる。
図12は、本発明の集電構造の第5実施例における集電体と集電タブとカバー部材との接合部を示す図である。この図において、図4と共通する部分については、図4で付した符号の数に400の数を加えた数の符号を付して説明を省略する。第5実施例の集電構造は、第1実施例と同様に100Ahの電池に用いる集電構造である。第1実施例では、摩擦攪拌接合の際に、円柱状工具16をタブ積層群7の幅方向(カバー部材13の長手方向)に直線状に移動させて接合したのに対して、図12の第5実施例では、円柱状工具(図示せず)をカバー部材413の所定位置に挿入し、端子409の深さに達した後、挿入した位置と同じ位置で引き上げている。この動作を同一のカバー部材413内で位置を変えて3回実施し、図12に示す接合部417(3つの接合部417a,417b,417c)を形成した。このような摩擦攪拌接合を行うと、第1実施例に比べて、接合時に発生するバリを少なくすることができた。
なお、図12の第5実施例では、図13に示すように、接合部417(3つの接合部417a,417b,417c)の表面が樹脂419で覆われている。このように接合部417の表面を樹脂419で覆うことにより、接合時に生じるバリも樹脂419で覆われるため、電池の組み立て時に作業者がケガをし難くすることができる。このような構造は、第5実施例に限らず、本発明の他の実施例でも用いることができる。
図14は、集電構造の第6実施例を示す概略図であり、図15は、図14の集電構造(第6実施例)における集電体と集電タブとカバー部材との接合部を示す図であり、図16は、図14の集電構造(第6実施例)を製造する方法を示す概略工程図である[図16(A)は集電体にタブ積層群を収納した後、カバー部材を配置する前の状態を示す図であり、図16(B)は摩擦攪拌接合を実施している状態を示す図である]。なお、図14乃至図16において、図3乃至図5と共通する部分については、図3乃至図5において付した符号の数に500の数を加えた数の符号を付して説明を省略する。図6に示す集電構造(第2実施例)では、1つの端子109(集電体109b)に接続する2つのタブ積層群107に対応して2つのカバー部材113が接合されているのに対して、図14に示す集電構造(第6実施例)は、1つの端子509(集電体509b)に接続する2つのタブ積層群507に対応して1つのカバー部材513が接合されている。この例では、図16(A)及び図16(B)に示すように、タブ収納部515に収納された各タブ積層群507の端部507bとタブ収納部515の凸部515bとを1枚のカバー部材513で覆い、各タブ積層群507の端部507bが集電体509bに接合するように摩擦攪拌接合を行った。このように2つのタブ積層群507を1つのカバー部材513で接合すると、第2実施例(2枚のカバー部材113を用いて、2カ所の接合箇所を設ける構成)に比べて、部品点数を少なくすることができる上に、摩擦攪拌接合の接合箇所を1カ所にすることができるため、摩擦攪拌接合工程にかかる時間を短縮することができる。また、同一極の各極板群503が同一の接合部517で接合されているため、接合部の電気抵抗のバラツキによる各極板群に流れる電流の偏りを少なくすることができる。
図17は、本発明の集電構造の第7実施例を示す概略図であり、図18は、図17の集電構造(第7実施例)における集電体と集電タブとカバー部材との接合部を示す図であり、図19は、図18において集電タブとカバー部材が接合されていない状態の集電体を示す図であり、図20(A)乃至(D)は、端子609の各部位を切断して示した端子609の断面図であり、図21は、図17の集電構造(第7実施例)を製造する方法を示す概略工程図である[図21(A)は集電体にタブ積層群を収納した後、カバー部材を配置する前の状態を示す図であり、図21(B)は摩擦攪拌接合を実施している状態を示す図である]。なお、図17乃至図21において、図3乃至図5と共通する部分については、図3乃至図5において付した符号の数に600の数を加えた数の符号を付して説明を省略する。この第7実施例では、図18、図19及び図20(A)に示すように、タブ収納部615が凹部621(第1の凹部)で構成されている。この例では、タブ積層群607を収納するタブ収納部615に加え、カバー部材613を収納するスライド阻止構造623がさらに設けられている[図19及び図20(B)乃至(D)参照]。スライド阻止構造623は、凹部625(第2の凹部)で構成されている。タブ収納部615を構成する凹部621(第1の凹部)の深さ寸法は、スライド阻止構造623を構成する凹部625(第2の凹部)の深さ寸法よりも、タブ積層群607の厚み寸法を考慮して深くなっている[図20(D)参照]。スライド阻止構造623は、カバー部材613側から摩擦撹拌接合を実施する際に、カバー部材613が集電体609bに対してスライドすることを阻止する機能を有する。すなわち、スライド阻止構造623によって、端子609の集電体609bおよびタブ収納部615に収納されたタブ積層群607に対するカバー部材613の位置ずれを防止することができる(集電タブ605と集電体609bとの間の接触不良を防ぐことができる)。また、端子609の集電体609bおよびタブ収納部615に収納されたタブ積層群607に対してカバー部材613の位置決めが容易になるため、摩擦攪拌接合の際にカバー部材613を用いてタブ積層群607を集電体609bに接合する作業が容易になる。
また、第7実施例のように、タブ収納部615を凹部621(第1の凹部)で構成し、スライド阻止構造623を凹部625(第2の凹部)で構成すれば、端子609(または集電体609b)の寸法を大きくすることなく、タブ収納部615及びスライド阻止構造623を構成することができるため、電池ケースの容積を大きくする必要がない。また、タブ収納部615を構成する凹部621(第1の凹部)によってタブ積層群607中の集電タブ605の動きが阻止され、かつ、スライド阻止構造623を構成する凹部625(第2の凹部)によってカバー部材613の動きが阻止されるため、摩擦攪拌接合時に円柱状工具616によりタブ積層群607及びカバー部材613が回転力を受けても、集電体609bに対する集電タブ605の位置ズレとカバー部材613の位置ズレを確実に防ぐことができる[図21(A)及び(B)参照]。
また、第7実施例では、図18乃至図21に示すように、タブ収納部615を構成する凹部621(第1の凹部)と、スライド阻止構造623を構成する凹部625(第2の凹部)とを設けることにより、摩擦攪拌接合時にタブ積層群607とカバー部材613と間に隙間が生じることがなく、しかも、摩擦攪拌接合を行う際にタブ積層群607の大部分がタブ収納部615に収納された状態でタブ積層群607をカバー部材613に確実に接触させることができるので、集電体609bとタブ積層群607との間の接合不良を防ぐことができる。
第7実施例では、さらに、図18乃至図21に示すように、タブ収納部615を構成する凹部621(第1の凹部)と、スライド阻止構造623を構成する凹部625(第2の凹部)とは、交差した状態で形成され、かつ、摩擦撹拌接合による接合部(溶接部)617が凹部625(第2の凹部)に沿って凹部621(第1の凹部)を完全に横切るように形成されている。このような構成にすると、タブ積層群607(複数枚の集電タブ605)の幅方向にタブ積層群607と集電体609bとが完全に接合する接合部(溶接部)617を形成することができる。また、このような接合部617を形成することによって、集電体609bとタブ積層群607の間およびタブ積層群607を構成する複数枚の集電タブ605間に隙間が形成されることないので、集電体609bとタブ積層群607との間の接触抵抗を低くすることができる。
なお、図22は、図20(D)の断面図を拡大して、タブ収納部615(凹部621)にタブ積層群607を収納した状態を示す図である。この図に示すように、タブ収納部615を構成する凹部621(第1の凹部)の深さ寸法dは、タブ積層群607の厚み寸法tよりも小さくなっている。言い換えると、タブ積層群607の厚み寸法tは、凹部621(第1の凹部)の深さ寸法dよりも大きくなっている。これにより、スライド阻止構造623を構成する凹部625(第2の凹部)にカバー部材613を配置した際に、タブ積層群607とカバー部材613と間に隙間が生じることがなく、しかも、摩擦攪拌接合を行う際にタブ積層群607の大部分がタブ収納部615に収納された状態で摩擦攪拌接合を行うことができるので、集電体609bとタブ積層群607との間の接合不良を確実に防ぐことができる。
図23は、本発明の集電構造の第9実施例を示す概略図である。図1に示すように、角型の二次電池を構成する場合は、負極端子部および正極端子部が電池ケースの対向する一対の壁部のうちいずれか一方の壁部からそれぞれ露出するように、負極端子および正極端子の位置が定められている。これに対して、図23に示すように、図示しない電池ケースの対向する一対の壁部からそれぞれ露出するように負極端子709(露出部709a及び端子基部709b)および正極端子711(露出部711a及び端子基部711b)の位置が定められている。負極端子709および正極端子711をこのように配置すると、電池ケースの底面側または蓋体側で、負極集電タブと正極集電タブとが交差しないため、短絡し難い二次電池を提供することができる。また、このような集電構造は、負極端子709及び正極端子711が電池ケースの対向する一対の壁部からそれぞれ露出するため、円筒型の二次電池に採用することができる。
図24は、本発明の集電構造の第10実施例を示す概略図である。図25は、図24の集電構造(第10実施例)を製造する方法の工程の一部を示す概略工程図である[図25(A)は集電体のタブ収納部にタブ積層群を収納した後、カバー部材を配置する前の状態を示す図であり、図25(B)は摩擦攪拌接合を実施している状態を示す図である]。この例では、負極端子部809aおよび正極端子部811aが、電池ケース801の対向する一対の壁部のうち上側の壁部(蓋部802)からそれぞれ露出するように負極端子809および正極端子811の位置が定められている。負極端子809及び正極端子811の端子基部809b及び811bは、電池ケース801及び蓋部802の内側に配置されて、負極端子部809aおよび正極端子部811aから電池ケース801の対向する一対の側壁801a,801bの方向にそれぞれ延びる第1の集電体半部809b及び811bを構成する。第1の集電体半部809b及び811b(端子基部809b及び811b)には、第2の集電体半部809d及び811dが接続されている。第2の集電体半部809d及び811dは、一端が第1の集電体半部809b及び811bの端部809c及び811cに接続されており、この端部809c及び811cから電池ケース801の一対の側壁801aおよび801bに沿い且つ電池ケース801の対向する一対の壁部のうち下側の壁部(底部801c)に向かって延びている。第2の集電体半部809d及び811dには、貫通孔809e及び811eが設けられている(図25参照)。本例では、極板群803が電池ケース801の蓋部802及び底部801cが対向する方向に極板方向を向ける姿勢で電池ケース801に収納されている。極板群3中の複数枚の極板(負極板803a及び正極板803b)から延びる2つのタブ積層群807は、第2の集電体半部809d及び811dに形成された貫通孔809e及び811eを通過した状態で先端が2つに分けられてなる分割タブ積層群807A及び807Bを備えている。この2つの分割タブ積層群807A及び807Bは、第2の集電体半部809d及び811dの極板群803と対向する面とは反対の側の接合面809f及び811fに沿って曲げられている[図25(A)]。そして、分割タブ積層群807A及び807Bは、カバー部材813と第2の集電体半部809d及び811dとの間に挟まれた状態で、上述と同様に摩擦攪拌接合により、第2の集電体半部809d及び811dの接合面809f及び811fとカバー部材813とに接合されている[図25(B)]。本例では、貫通孔809e及び811eと接合面809f及び811fとによりタブ収納部815が構成されている。このような構造では、摩擦攪拌接合時に工具からの回転力がタブ積層群807に加わっても、貫通孔809e及び811eと接合面809f及び811fとの間の角部にタブ積層群807が支持されるため、タブ積層群807中の複数枚の集電タブ805が工具から加わる回転力によりスライドすることなく、タブ収納部815に収納された状態でタブ積層群807と集電体(第2の集電体半部809d及び811d)との間及びタブ積層群807とカバー部材813との間を摩擦攪拌接合により接合することができる。また、このような構造によれば、負極集電タブと正極集電タブとが交差しない構造(短絡し難い集電構造)を角型の二次電池にも採用することが可能になる。
以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態および実施例に限定されるものではない。すなわち、上述の実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的位置等は、特に記載がない限り、本発明の技術的思想に基づく変更が可能であるのは勿論である。
本発明によれば、集電体及びカバー部材の少なくとも一方に、タブ積層群の少なくとも一部を収納して、摩擦撹拌接合時におけるタブ積層群中の複数枚の集電タブがスライドすることを阻止する構造を備えるタブ収納部が設けられているため、タブ積層群がタブ収納部に収納された状態でタブ積層群と集電体との摩擦攪拌接合を行うことができる。その結果、摩擦攪拌接合を行うことによりタブ積層群と集電体との接触抵抗が小さくなるのと同時に、摩擦攪拌接合の際に集電タブがスライドするのを防ぐことができるので、集電タブの積層枚数を増やしても、集電タブと集電体との間の電気抵抗を小さくしながら、集電タブと集電体との間の接触不良を少なくすることができる。
1 電池ケース
3 極板群
3a,3b 極板
5 集電タブ
7 タブ積層群
9 端子(負極端子)
11 端子(正極端子)
13 カバー部材
15 タブ収納部
17 溶接部(接合部)
621 凹部(第1の凹部)
623 スライド阻止構造
625 凹部(第2の凹部)
3 極板群
3a,3b 極板
5 集電タブ
7 タブ積層群
9 端子(負極端子)
11 端子(正極端子)
13 カバー部材
15 タブ収納部
17 溶接部(接合部)
621 凹部(第1の凹部)
623 スライド阻止構造
625 凹部(第2の凹部)
Claims (6)
- 集電体を有する端子と、
複数枚の極板がセパレータを介して積層されてなる極板群から延びる複数枚の集電タブが積層されてなるタブ積層群と、
前記集電体との間に前記タブ積層群を挟む金属製のカバー部材とを備え、
前記集電体と前記タブ積層群と前記カバー部材とが摩擦撹拌接合により接合されてなる二次電池の集電構造であって、
前記集電体及び前記カバー部材の少なくとも一方には、前記タブ積層群の少なくとも一部を収納して、前記摩擦撹拌接合時における前記タブ積層群中の前記複数枚の集電タブがスライドすることを阻止する構造を備えたタブ収納部が設けられており、
前記カバー部材側から前記摩擦撹拌接合を実施する際に、前記カバー部材が前記集電体に対してスライドすることを阻止するスライド阻止構造が、前記集電体に設けられており、
前記タブ収納部が、前記集電体の前記カバー部材と対向する面に形成された第1の凹部からなり、
前記スライド阻止構造が、前記集電体の前記カバー部材と対向する面に形成された第2の凹部からなり、
前記第1の凹部の深さ寸法は、前記タブ積層群の厚み寸法よりも小さくなっており、
前記第1の凹部と前記第2の凹部とが交差した状態で形成されており、
前記第2の凹部に沿って前記第1の凹部を完全に横切るように前記摩擦撹拌接合により溶接部が形成されており、
前記極板群は、同極性の複数枚の極板から延びる複数枚の前記集電タブからなる2つの前記タブ積層群を備えており、
前記2つのタブ積層群がそれぞれ別個に前記集電体に接合されていることを特徴とする二次電池の集電構造。 - 集電体を有する端子と、
複数枚の極板がセパレータを介して積層されてなる極板群から延びる複数枚の集電タブが積層されてなるタブ積層群と、
前記集電体との間に前記タブ積層群を挟む金属製のカバー部材とを備え、
前記集電体と前記タブ積層群と前記カバー部材とが摩擦撹拌接合により接合されてなる二次電池の集電構造であって、
前記集電体及び前記カバー部材の少なくとも一方には、前記タブ積層群の少なくとも一部を収納して、前記摩擦撹拌接合時における前記タブ積層群中の前記複数枚の集電タブがスライドすることを阻止する構造を備えたタブ収納部が設けられており、
前記カバー部材側から前記摩擦撹拌接合を実施する際に、前記カバー部材が前記集電体に対してスライドすることを阻止するスライド阻止構造が、前記集電体に設けられており、
前記タブ収納部が、前記集電体の前記カバー部材と対向する面に形成された第1の凹部からなり、
前記スライド阻止構造が、前記集電体の前記カバー部材と対向する面に形成された第2の凹部からなる
前記第1の凹部と前記第2の凹部とが交差した状態で形成されており、
前記第2の凹部に沿って前記第1の凹部を完全に横切るように前記摩擦撹拌接合により溶接部が形成されていることを特徴とする二次電池の集電構造。 - 前記第1の凹部の深さ寸法は、前記タブ積層群の厚み寸法よりも小さい請求項2に記載の二次電池の集電構造。
- 前記極板群は、同極性の複数枚の極板から延びる複数枚の前記集電タブからなる2つの前記タブ積層群を備えており、
前記2つのタブ積層群がそれぞれ別個に前記集電体に接合されている請求項2に記載の二次電池の集電構造。 - それぞれ集電タブを備えた複数枚の極板が、セパレータを介して積層されてなる極板群と、
前記極板群中の複数枚の正極板から延びる複数枚の前記集電タブが積層されてなる1以上のタブ積層群が接続される集電体を備えた正極端子と、
前記極板群中の複数枚の負極板から延びる複数枚の前記集電タブが積層されてなる1以上のタブ積層群が接続される集電体を備えた負極端子と、
前記集電体との間に前記タブ積層群を挟む金属製のカバー部材と、
前記正極端子の正極端子部と前記負極端子の負極端子部を露出させるようにして電池構成素子を収納する電池ケースとを備え、
前記集電体と前記タブ積層群と前記カバー部材とが摩擦撹拌接合により接合されてなる非水電解液二次電池であって、
前記集電体及び前記カバー部材の少なくとも一方には、前記タブ積層群の少なくとも一部を収納して、前記摩擦撹拌接合時における前記タブ積層群中の前記複数枚の集電タブがスライドすることを阻止する構造を備えたタブ収納部が設けられており、
前記カバー部材側から前記摩擦撹拌接合を実施する際に、前記カバー部材が前記集電体に対してスライドすることを阻止するスライド阻止構造が、前記集電体に設けられており、
前記タブ収納部が、前記集電体の前記カバー部材と対向する面に形成された第1の凹部からなり、
前記スライド阻止構造が、前記集電体の前記カバー部材と対向する面に形成された第2の凹部からなる
前記第1の凹部と前記第2の凹部とが交差した状態で形成されており、
前記第2の凹部に沿って前記第1の凹部を完全に横切るように前記摩擦撹拌接合により溶接部が形成されていることを特徴とする非水電解液二次電池。 - 前記正極端子部と前記負極端子部とが、前記電池ケースの対向する一対の壁部からそれぞれ露出している請求項5に記載の非水電解液二次電池。
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