KR20220037371A - 이차 전지 그리고 이차 전지용 단자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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고스케 스즈키
다카히로 사쿠라이
고시로 요네다
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프라임 플래닛 에너지 앤드 솔루션즈 가부시키가이샤
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Abstract

접합 강도와 도통이 우수한 2개의 부재를 포함하는 단자를 제공한다. 여기서 개시되는 단자는, 이차 전지의 정극 및 부극 중 어느 것을 구성하는 단자(50)이며, 각각 금속제의 제1 부재(56)와 제2 부재(58)를 가지고 있고, 상기 제1 부재는 판 형상으로 형성되며, 상기 제2 부재는 상기 제1 부재에 대향하는 코오킹(58C)를 구비하고 있다. 여기서, 상기 제1 부재의 한쪽 면에 있어서, 관통 구멍을 통하지 않고 상기 제2 부재의 코오킹부가 해당 제1 부재에 코오킹되어 있으며, 또한, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재가 대향하는 면에, 서로 금속 접합된 금속 접합면을 갖는다.

Description

이차 전지 그리고 이차 전지용 단자 및 그 제조 방법{SECONDARY BATTERY AND TERMINAL FOR SECONDARY BATTERY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 이차 전지의 전극 단자에 사용되는 단자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
리튬 이온 이차 전지 등의 비수 전해질 이차 전지는, 기존의 전지에 비하여 경량이고 또한 에너지 밀도가 높기 때문에, 근년, 전기를 구동원으로 하는 차량 탑재용 전원, 혹은 퍼스널 컴퓨터 및 휴대 단말기 등의 전기 제품 등에 탑재되는 전원으로서 사용되고 있다. 특히, 경량이고 높은 에너지 밀도가 얻어지는 밀폐형 리튬 이온 이차 전지를 단전지로서 구성되는 조전지는, 전기 자동차(EV), 플러그인 하이브리드 자동차(PHV), 하이브리드 자동차(HV) 등의 차량의 구동용 고출력 전원으로서 바람직하게 사용되고 있다.
이러한 조전지를 구성하는 밀폐형 이차 전지는, 전극체를 수용하는 전지 케이스와, 정극 및 부극의 전극 단자를 구비하고 있다. 이차 전지를 구성하는 전극 단자의 한쪽의 단부는 전지 케이스의 외부로 노출되어 있고, 다른 쪽의 단부는 전지 케이스 내부의 전극체와 집전체를 통하여 접속되어 있다.
이러한 이차 전지(이하, 「단전지」라고도 함)가 소정의 배열 방향을 따라 복수 배열되고, 하나의 단전지의 전극 단자가 다른 하나의 단전지와 버스 바를 통하여 전기적으로 접속됨으로써, 조전지가 구축되어 있다.
통상 이러한 종류의 이차 전지 정극 및 부극의 전극 단자는 각각 다른 금속 재료로 구성되어 있다. 한쪽 전극 단자와 동종의 재료로 이루어지는 버스 바를 단전지간의 접속에 사용하는 경우, 해당 한쪽 전극 단자와 비교하여 다른 쪽 전극 단자와 버스 바 사이의 도통 및 접합 강도가 상대적으로 낮아진다.
전극 단자와 버스 바 사이의 도통 및 접합 강도를 확보하기 위해, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는, 버스 바와 다른 종류의 재료를 포함하는 전극 단자에 대해, 버스 바와 동종의 재료로 이루어지는 중간 부재를 초음파 접합에 의해 접합하는 기술이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2016-18675호 공보 일본 특허 공개 제2011-124024호 공보
그러나, 전극 단자와 중간 부재를 초음파 접합할 때에는, 해당 전극 단자와 해당 중간 부재간의 접합 강도를 확보하기 위해, 접합면에 큰 접합 에너지를 부여할 필요가 있다. 접합면에 큰 접합 에너지를 부여한 경우, 해당 중간 부재의 표면, 즉 해당 중간 부재와 버스 바의 접속면에 거칠음이나 변형이 생기기 때문에, 당해 표면을 평탄하게 하기 위한 후처리가 필요하다. 특허문헌 1에서는, 초음파 접합 후에 절삭 가공 처리, 연마 가공 처리, 또는 용융 가공 처리 등의 표면 처리에 의해 표면 조도를 저감시키는 처리가 실시되어 있다. 특허문헌 2에서는, 초음파 접합 후에 의해 발생된 이물을 제거하는 공정이 마련되어 있다.
이들 공정은, 전지의 용이한 조립, 나아가 전지의 생산을 방해하는 요인이 된다. 전극 단자와 버스 바 등의 외부의 접속 단자를 양호하게 도통시켜, 부재간의 접합 강도를 확보하고, 또한, 번잡한 후처리를 필요로 하지 않는 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것이며, 예를 들어 버스 바 등의 외부의 접속 부품과의 도통에 우수한 단자를 제공하는 것을 주된 목적으로 한다. 아울러, 그러한 단자를 사용한 전지, 및 후처리를 필요로 하지 않고 해당 단자를 제조하는 기술을 제공하는 것을 다른 주된 목적으로 한다.
본 발명자들은, 단자를 구성하는, 각각 금속제의 2개의 부재가 서로 코오킹되는 것에 의해 부재간의 기계 강도를 강하게 할 수 있는 점에 착안하였다. 또한, 코오킹 구조의 형태를 궁리함으로써, 당해 2개의 부재간에 더욱 코오킹 구조에 영향을 주지 않고 금속 접합을 부여시킬 수 있고, 결과적으로, 접합 강도와 도통의 양립을 종래보다도 용이하게 실현할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성시켰다.
여기서 개시되는 단자는, 이차 전지의 정극 및 부극 중 어느 것을 구성하는 단자이며, 각각 금속제의 제1 부재와 제2 부재를 갖고 있다. 상기 제1 부재는 판 형상으로 형성되고, 상기 제2 부재는 상기 제1 부재에 대향하는 코오킹부를 구비하고 있다. 여기서, 상기 제1 부재의 한쪽 면에 있어서, 관통 구멍을 통하지 않고 상기 제2 부재의 코오킹부가 해당 제1 부재에 코오킹할 수 있으며, 또한, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재가 대향하는 면에, 서로 금속 접합된 금속 접합면을 갖는다.
통상의 코오킹에서는, 한쪽 부재의 일부가, 다른 쪽 부재에 미리 형성된 관통 구멍을 통과하고, 당해 통과한 한쪽 부재의 일부가 다른 쪽 부재의 관통 구멍의 주위에서 코오킹됨으로써, 코오킹 구조가 형성된다. 그러나, 이러한 관통 구멍을 통한 코오킹 구조는, 관통 구멍의 형성에 의해 당해 코오킹 구조 자체가 큰 면적을 차지하기 때문에, 별도 금속 접합을 행하는 데 적합한 영역을 확보하는 것이 곤란하다.
한편, 여기서 개시되는 이차 전지용 단자는, 관통 구멍을 통하지 않고 제1 부재와 제2 부재가 코오킹되어 있는 것에 의해 단자의 기계 강도가 확보된다. 이에 의해, 코오킹 후의 제1 부재와 제2 부재가 서로 대향하는 면에 금속 접합을 형성하는 영역을 확보할 수 있다. 또한, 관통 구멍을 통하지 않고 제1 부재와 제2 부재를 코오킹할 수 있기 때문에, 제1 부재에 있어서 제2 부재와 대향하는 면과는 반대측의 면에, 코오킹 구조에 수반하는 형상 변화를 억제할 수 있다.
또한, 여기서 개시되는 단자에서는, 관통 구멍을 통하지 않는 코오킹 구조에 의한 기계적 강도의 확보와 함께, 제1 부재와 제2 부재가 대향하는 면에, 서로 금속 접합된 금속 접합면이 형성됨으로써, 제1 부재와 제2 부재의 양호한 도통이 확보된다.
바람직한 일 실시 형태에 있어서, 상기 금속 접합면의 면적은, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재가 대향하는 면의 면적의 10％ 이하이다.
이러한 구성에 의하면, 금속 접합이 상기 제1 부재 표면에 미치는 영향을 작게 할 수 있다. 그 결과, 판 형상의 제1 부재에 있어서의 제2 부재와 대향하는 면과는 반대측의 면(즉, 제1 부재에 있어서의 외부의 접속 부품과 접속될 수 있는 면)의 당초의 평탄성을 유지할 수 있다.
보다 바람직한 일 실시 형태에 있어서, 상기 제1 부재는, 상기 제2 부재와 대향하는 면과 반대측의 면에 오목부를 구비하고, 상기 금속 접합면은, 상기 오목부와 대향하는 부분에 형성되어 있다.
이러한 구성에 의해, 상기 판 형상 제1 부재의 제2 부재와 대향하는 면과 반대측의 면에 있어서, 상기 오목부 이외의 부분의 평탄성을 유지할 수 있다.
다른 바람직한 일 실시 형태에 있어서, 상기 제1 부재의 상기 대향하는 면과 반대측의 면에 있어서의 산술 평균 조도 Sa가 5㎛ 이하이다.
이러한 구성에 의하면, 판 형상의 제1 부재에 있어서의 제2 부재와 대향하는 면과는 반대측의 면(즉, 제1 부재에 있어서의 외부의 접속 부품과 접속될 수 있는 면)의 평탄성이 양호하게 확보된다.
여기서 개시되는 기술의 바람직한 일 실시 형태로서, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재는 서로 다른 금속으로 구성되어 있는 것을 들 수 있다.
상기한 바와 같이, 여기서 개시되는 기술에서는, 관통 구멍을 통하지 않는 코오킹 구조와 금속 접합이 양립되어 있고, 제1 부재와 상기 제2 부재가 서로 다른 금속으로 구성되어 있는 경우라도, 양호한 기계적 강도와 도통이 실현된다.
예를 들어, 상기 제1 부재가 알루미늄 또는 알루미늄을 주체로 하는 합금으로 구성되어 있고, 또한, 상기 제2 부재가 구리 또는 구리를 주체로 하는 합금으로 구성되어 있는 것을 들 수 있다.
일 실시 형태에 있어서, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재 사이에 존재하는 상기 금속 접합면은, 초음파 접합에 의해 생긴 접합면을 갖는다.
이러한 구성에 의해, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재를 보다 양호하게 도통시킬 수 있다.
여기에 개시되는 기술의 다른 측면으로서, 정극 및 부극을 포함하는 전극체와, 해당 전극체를 내부에 수용한 전지 케이스와, 상기 전극체에 있어서의 정극 및 부극 각각과 전기적으로 접속된 정극 단자 및 부극 단자를 구비하고, 상기 정극 단자 및 부극 단자 중 적어도 한쪽은, 여기에 개시되는 단자를 포함한 이차 전지가 제공된다.
여기에 개시되는 기술의 다른 측면으로서, 복수의 단전지가 서로 전기적으로 접속되어 배열된 조전지이며, 상기 복수의 단전지로서, 상기 정극 단자 및 부극 단자 중 적어도 한쪽은 여기에 개시되는 단자를 포함한 상기 이차 전지가 사용되고 있는 조전지가 제공된다.
바람직한 일 실시 형태로서, 상기 복수의 단전지는, 소정의 버스 바에 의해 하나의 단전지의 정극 단자와 다른 하나의 단전지의 부극 단자가 각각 전기적으로 접속되어 있고, 상기 단자의 상기 제1 부재를 구성하는 금속과 같은 금속에 의해 상기 버스 바가 구성되어 있다.
이러한 구성에 의해, 단전지 사이가 보다 양호하게 접속된 조전지가 제공된다.
여기에 개시되는 기술의 다른 측면으로서, 단자의 제조 방법이 제공된다.
즉, 여기서 개시되는 단자의 제조 방법은, 이하의 공정을 포함한다:
상기 단자를 구성하는 각각 금속제의 제1 부재와 제2 부재를 준비하는 공정, 여기서, 상기 제1 부재는 판 형상으로 형성되고, 상기 제2 부재는 상기 제1 부재에 대향하는 코오킹부를 구비하고 있다;
상기 제1 부재의 한쪽 면에 있어서, 관통 구멍을 통하지 않고 상기 제2 부재의 코오킹부를 상기 제1 부재에 코오킹하는 공정; 및
상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 대향하는 면 중 적어도 일부를 서로 금속 접합하는 공정.
이러한 제조 방법에 의해, 여기서 개시되는 단자를 구성 요소로 한 단자를 제조할 수 있다.
바람직한 일 실시 형태에 있어서, 상기 금속 접합 공정에 있어서, 해당 공정에 의해 형성되는 금속 접합의 접합면이, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재가 대향하는 면의 면적의 10％ 이하로 되도록 실시된다.
이러한 제조 방법에 의해, 금속 접합이 상기 제1 부재 표면에 미치는 영향을 작게 할 수 있고, 그 결과, 제1 부재에 있어서의 외부의 접속 부품과 접속되는 면의 평탄성이 유지된 단자를 제조할 수 있다.
바람직한 일 실시 형태에 있어서, 상기 금속 접합 공정에 있어서, 해당 금속 접합 후에 있어서의 상기 제1 부재의 상기 대향면과 반대측의 면에 있어서의 산술 평균 조도 Sa가 5㎛ 이하로 되도록 실시된다.
이러한 제조 방법은, 상술한 코오킹에 의해 부재간의 기계 강도가 확보되어 있음으로써, 종래보다도 금속 접합에 의해 부여되는 접합 에너지를 약하게 할 수 있는 것에 의해 실현된다. 그 결과, 상기 제1 부재에 있어서의 외부의 접속 부품과 접속되는 면의 조도를 상기한 값으로 억제된 단자를 제조할 수 있다.
여기에 개시되는 기술이 바람직한 일 실시 형태로서, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재는 서로 다른 금속으로 구성되어 있는 것을 들 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 부재가 알루미늄 또는 알루미늄을 주체로 하는 합금으로 구성되어 있고, 또한, 상기 제2 부재가 구리 또는 구리를 주체로 하는 합금으로 구성되어 있는 것을 들 수 있다.
도 1은 일 실시 형태에 관한 단자를 사용한 이차 전지의 외형을 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 2는 일 실시 형태에 관한 단자를 사용한 단전지로 구성된 조전지를 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 3은 일 실시 형태에 관한 단자를 사용한 이차 전지의 내부 구조를 모식적으로 도시하는 광폭면의 단면도이다.
도 4는 일 실시 형태에 관한 단자를 사용한 이차 전지의 내부 구조를 모식적으로 도시하는 협폭면의 측면도이다.
도 5는 일 실시 형태에 관한 단자의 구조를 모식적으로 도시하는 주요부 단면도이다.
도 6은 일 실시 형태에 관한 단자의 코오킹부의 구조를 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 7은 일 실시 형태에 관한 단자의 코오킹부의 구조를 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 8은 일 실시 형태에 관한 단자로 형성되어 있는 오목부를 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 9는 일 실시 형태에 관한 단자로 형성되어 있는 오목부를 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 10은 일 실시 형태에 관한 단자의 파단 후의 단면의 주사형 전자 현미경(SEM)상이다.
도 11은 일 실시 형태에 관한 단자를 포함하는 이차 전지의 제조 수순을 도시하는 흐름도이다.
이하, 적절히 도면을 참조하면서, 여기서 개시되는 단자, 해당 단자를 구비하는 이차 전지, 해당 단자를 구비한 단전지를 구성 요소로 하는 조전지, 및 해당 단자의 제조 방법에 대해, 권회 전극체를 구비한 각형의 리튬 이온 이차 전지를 예로 들어 상세하게 설명한다. 이하의 실시 형태는, 당연히 여기에 개시되는 기술을 특별히 한정하는 것을 의도한 것은 아니다.
여기서 개시되는 이차 전지는, 이하에 설명하는 리튬 이온 이차 전지에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 나트륨 이온 이차 전지, 마그네슘 이온 이차 전지, 혹은 소위 물리 전지에 포함되는 리튬 이온 커패시터 등도 여기서 말하는 이차 전지에 포함되는 예이다. 또한, 여기서는 복수의 정극 및 부극의 전극체가 세퍼레이터를 통해 권회된 구조를 갖는 권회 전극체를 구비한 리튬 이온 이차 전지를 사용하여 설명하지만, 전극체는 이러한 구성에 한정되지는 않고, 복수의 정극 및 부극의 전극체가 세퍼레이터를 통해 적층된 구성이어도 된다.
또한, 본 명세서에 있어서 특별히 언급하고 있는 사항 이외의 사항이며 본 발명의 실시에 필요한 사항은, 당해 분야에 있어서의 종래 기술에 기초하는 당업자의 설계 사항으로서 파악될 수 있다. 본 발명은 본 명세서에 개시되어 있는 내용과 당해 분야에 있어서의 기술 상식에 기초하여 실시할 수 있다.
이하의 도면에 있어서, 동일한 작용을 발휘하는 부재ㆍ부위에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 생략 또는 간략화하는 경우가 있다. 이하의 도면에 있어서의 길이나 폭 등의 치수 관계는, 실제의 치수 관계를 반드시 반영하는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서 수치 범위를 A 내지 B(여기서, A, B는 임의의 수치)로 기재하고 있는 경우는, A 이상 B 이하를 의미하는 것으로 한다. 또한, 본 명세서에 있어서 「주체」란, 전체 성분 중 70중량％ 이상을 차지하는 성분을 말한다.
도 1은, 일 실시 형태에 관한 단자를 사용한 리튬 이온 이차 전지의 외형을 모식적으로 도시하는 사시도이다.
본 실시 형태에 관한 리튬 이온 이차 전지(12)는, 정극 및 부극이 세퍼레이터를 통해 적층된 구조를 갖는 전극체를 전지 케이스(30)의 내부에 구비하고 있다. 이러한 전극체는, 비수 전해액(도시하지 않음)과 함께 전지 케이스 본체(32)에 수용되고, 내부가 감압된 상태에서 덮개체(34)의 에지부가 용접 등으로 밀봉되어, 밀폐되어 있다. 전지 케이스(30)에는, 예를 들어 알루미늄 등의 경량으로 열전도성이 양호한 금속 재료가 사용된다. 전지 케이스(30)의 형상은, 도 1에 기재되어 있는 바와 같은 각형의 것에 한정되지는 않고, 예를 들어 원통형 등이어도 된다.
도 1 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 리튬 이온 이차 전지(12)는, 전지 케이스(30) 내부의 전극체(20)(도 3)와 전기적으로 접속되고, 버스 바 등을 통하여 외부의 접속 부품과 접속되는 정극 단자(40) 및 부극 단자(50)를 구비하고 있다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 이들 정부극 단자(40, 50)는, 전지 케이스(30)의 덮개체(34)를 관통하도록 하여 마련되어 있다. 본 실시 형태에 있어서, 부극 단자(50)가 여기서 개시되는 상기 제1 부재 및 제2 부재를 구비하는 단자 구조를 갖는다. 이것은 후술한다.
또한, 전지 케이스 외부로 노출되어 있는 정극 단자(40) 및 부극 단자(50)의 형상은 특별히 제한되지는 않고, 예를 들어 도시되어 있는 바와 같이 직사각 형상이어도 되고, 타원 형상을 포함하는 원 형상 등이어도 된다.
도 2는, 일 실시 형태에 관한 단자를 사용한 단전지로 구성된 조전지를 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 1에 나타낸 단전지(12)가 복수 배열되어 이루어지는 조전지(100)에 있어서, 단전지(12)는 스페이서(11)를 통하여 배열되어 있다. 가장 외측에 배치된 스페이서(11)의 더 외측에는, 1쌍의 엔드 플레이트(17)가 배치되어 있다. 이들은 엔드 플레이트(17)를 가교하기 위해 장착된 체결용 빔재(18)에 의해 구속되고, 체결용 빔재(18)의 단부가 비스(19)에 의해 체결되고, 고정되어 있다.
정극 단자(40와 부극 단자(50)는, 인접하는 단전지(12)와, 버스 바(14)를 통해 전기적으로 접속되어 있다. 버스 바(14)로서는, 일반적으로 높은 도전성과 높은 기계 강도를 갖는 금속이 사용되고, 예를 들어 알루미늄이나 구리 등이 사용된다.
여기서 개시되는 단자를 사용한 이차 전지의 내부 구조에 대해, 도 3을 참조하면서 설명한다. 도 3은, 일 실시 형태에 관한 단자를 사용한 이차 전지의 구조를 모식적으로 도시하는 광폭면의 단면도이다.
여기서 개시되는 전극체(20)는, 도시하지 않은 절연 필름 등으로 덮인 상태로, 전지 케이스(30)의 내부에 수용된 발전 요소이며, 긴 시트 형상의 정극(21)과, 긴 시트 형상의 부극(22)이 동일하게 긴 시트 형상의 2매의 세퍼레이터(23, 24)를 사이에 개재시키면서 서로 중첩하여 편평형으로 권회된 소위 권회 전극체이다.
정극(21)은, 박 형상의 정극 집전체(21A)와, 당해 정극 집전체(21A)의 양면에 길이 방향을 따라 형성된 정극 활물질층(21B)을 구비하고 있다. 또한, 리튬 이온 이차 전지(12)의 폭 방향에 있어서의 전극체(20)의 한쪽 측연부에는, 정극 활물질층(21B)이 형성되어 있지 않고, 정극 집전체(21A)가 노출된 정극 집전체 노출부(21C)가 마련되어 있다. 정극 활물질층(21B)에는, 정극 활물질, 바인더, 도전재 등의 다양한 재료가 포함된다. 또한, 정극 활물질층(21B)에 포함되는 재료에 대해서는, 종래의 일반적인 리튬 이온 이차 전지로 사용될 수 있는 것을 특별히 제한없이 사용할 수 있고, 본 발명을 특징짓는 것이 아니기 때문에 상세한 설명은 생략한다.
정극 집전 단자(42)로서는, 예를 들어 알루미늄박 등이 사용된다.
부극(22)은, 박 형상의 부극 집전체(22A)와, 당해 부극 집전체(22A)의 편면 또는 양면에 길이 방향을 따라 형성된 부극 활물질층(22B)을 구비하고 있다. 또한, 폭 방향에 있어서의 전극체(20)의 다른 쪽 측연부에는, 부극 활물질층(22B)이 형성되어 있지 않고, 부극 집전체(22A)가 노출된 부극 집전체 노출부(22C)가 마련되어 있다. 정극 활물질층(21B)과 마찬가지로, 부극 활물질층(22B)에는, 부극 활물질이나 바인더 등의 다양한 재료가 포함된다. 부극 활물질층(22B)에 포함되는 재료에 대해서는, 종래의 일반적인 리튬 이온 이차 전지로 사용될 수 있는 것을 특별히 제한없이 사용할 수 있고, 본 발명을 특징짓는 것이 아니기 때문에 상세한 설명은 생략한다.
부극 집전 단자(52)로서는, 예를 들어 구리박 등이 사용된다.
세퍼레이터(23, 24)는, 정극(21)과 부극(22) 사이에 개재되어, 이들 전극이 직접 접촉하는 것을 방지한다. 도시는 생략하지만, 세퍼레이터(23, 24)에는, 미세한 구멍이 복수 형성되어 있다. 당해 미세한 구멍은, 전하 담체(리튬 이온 이차 전지의 경우에는, 리튬 이온)가 정극(21)과 부극(22) 사이에서 이동하도록 구성되어 있다.
세퍼레이터(23, 24)에는, 필요한 내열성을 갖는 수지 시트(예를 들어 폴리프로필렌, 폴리스티렌 등의 폴리올레핀제 시트) 등이 사용된다.
전지 케이스(30)에 수용되는 비수 전해액으로서는, 전형적으로는 비수 용매와 지지염을 함유한, 종래의 일반적인 리튬 이온 이차 전지에서 사용될 수 있음을 특별히 제한없이 사용할 수 있고, 본 발명을 특징짓는 것이 아니기 때문에 상세한 설명은 생략한다.
도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 정극 단자(40)는 전지 케이스 내부에서 전극체와 접속되는 정극 집전 단자(42)와, 해당 집전 단자(42)가 접속되어, 일부가 덮개체의 관통 구멍(36)을 통과하여 덮개체의 외표면에 노출되는 정극 접속 단자(44)로 구성되어 있다. 정극 집전 단자(42)는, 전지 케이스(30)의 내부에 배치되고, 정극 집전체 노출부(21C)를 통하여 정극(21)에 접속되어 있다.
도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 부극 단자(50)는 전지 케이스 내부에서 전극체와 접속되는 부극 집전 단자(52)와, 해당 집전 단자(52)가 접속되고, 일부가 덮개체의 관통 구멍(36)을 통과하여 덮개체의 외표면에 노출되는 부극 접속 단자(54)로 구성되어 있다. 부극 집전 단자(52)는, 전지 케이스(30)의 내부에 배치되고, 부극 집전체 노출부(22C)를 통하여 부극(22)에 접속되어 있다.
이하에서는, 여기서 개시되는 단자 구조가 구현화되어 있는 부극 단자(50)의 구성을 기초로, 도 5를 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 정극 단자(40)가 여기서 개시되는 단자 구조를 갖고 있는 경우의 구성은, 부극 단자(50)가 부극 접속 단자(54)를 갖고 있는 경우의 구성과 마찬가지이므로, 상세한 설명은 생략한다.
도 5는, 일 실시 형태에 관한 단자의 주요부 구조를 모식적으로 도시하는 단면도이다.
상기한 바와 같이, 부극 단자(50)는 부극 접속 단자(54)와 부극 집전 단자(52)로 구성되어 있다. 부극 접속 단자(54)는, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)로 구성되어 있다.
부극 집전 단자(52)는, 부극 접속 단자(54) 중 제2 부재(58)에 있어서의 전지 케이스 내부에 존재하는 부분과 코오킹하고, 용접 등에 의해 접속되어 있다. 본 실시 형태에서는, 후술하는 바와 같이, 부극 집전 단자(52)와 부극 접속 단자(54) 중 제2 부재(58)의 다리부(58L) 사이에 형성된 코오킹 구조에 의해, 부극 집전 단자(52)와 부극 접속 단자(54)가 접속되어 본 실시 형태에 관한 부극 단자(50)를 구성하고 있다(도 5 참조).
부극 집전체(22A)와 접속되는 부극 집전 단자(52)는, 바람직하게는 부극 집전체(22A)와 동종의 금속이 사용되고, 예를 들어 구리가 사용된다. 부극 집전 단자(52)와 접속되는 부극 접속 단자(54) 중 제2 부재(58)는, 바람직하게는 부극 집전 단자(52)와 동종의 금속이 사용되며, 예를 들어 구리가 사용된다. 한편, 본 실시 형태에서는, 부극 접속 단자(54) 중 제1 부재(56)는, 알루미늄제이다.
도 5에 도시되는 바와 같이, 부극 접속 단자(54)는, 덮개체(34)로 형성된 관통 구멍(36)에 삽입 관통되어 있고, 덮개체(34)와 부극 접속 단자(54) 사이는 개스킷(60)에 의해 절연되어 있다.
개스킷(60)은 절연성을 갖는 재료로 형성되어 있고, 예를 들어 퍼플루오로알콕시알칸(PFA) 등의 불소 수지 등이 사용된다.
또한, 도시되는 바와 같이, 부극 집전 단자(52)는 인슐레이터(61)에 의해 절연되어 있다. 인슐레이터(61)는 절연성을 갖는 재료로 형성되어 있고, 예를 들어 폴리페닐렌술피드 수지(PPS) 등의 수지 재료가 사용된다.
부극 접속 단자(54)는, 여기서 개시되는 단자 구조를 반영한 것이며, 각각 금속제의 제1 부재(56)와 제2 부재(58)로 구성되어 있다. 제1 부재(56)는 판 형상으로 형성되고, 제2 부재(58)는 제1 부재(56)에 대향하는 코오킹부(58C)를 구비하고 있다. 여기서, 제1 부재(56)의 한쪽 면에 있어서, 어떤 관통 구멍도 통하지 않고 제2 부재(58)의 코오킹부(58C)가 제1 부재(56)에 코오킹되어 있고, 또한, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)란, 대향면(57)에 서로 금속 접합되어 있는 금속 접합면을 갖는다. 제1 부재(56)의 상기 대향면과는 반대측의 면(55)은, 예를 들어 버스 바(14)와 적어도 일부가 용접되는 것에 의해 외부와 접속된다.
제1 부재(56) 및 제2 부재(58)의 형상은, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 한에 있어서 특별히 제한되지는 않는다. 이에 한정되지는 않지만, 제1 부재(56)는 판 형상이며, 제2 부재(58)의 코오킹부(58C)가 끼워 맞추는 오목부(56R)를 구비하고 있다. 이에 한정되지는 않지만, 제2 부재(58)는 예를 들어, 제1 부재(56)에 코오킹할 수 있는 코오킹부(58C), 덮개체(34)의 관통 구멍(36)에 삽입 관통되는 축부(58S)를 구비하고 있다. 제2 부재(58)는, 부극 집전 단자(52)에 용접 등에 의해 접속되고, 또한, 코오킹 등에 의해 덮개체(34)에 고정되기 위해 다리부(58L)를 구비하고 있어도 된다. 즉, 도 5에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 부극 접속 단자(54)는, 전지 케이스 내부에 있어서, 덮개체(34)의 관통 구멍(36)을 통과한 제2 부재(58)의 다리부(58L)가, 대향하는 부극 집전 단자(52)에 마련된 코오킹용 관통 구멍(53)의 주위에 코오킹되는 것에 의해 고정되어 있다.
제2 부재(58)의 코오킹부(58C) 및 제1 부재(56)의 오목부(56R)의 형상 등은, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)가 코오킹되어 있어 충분한 강도로 접합되는 한은, 특별히 한정되지는 않는다.
도 6에 도시되는 바와 같이, 제2 부재(58)의 코오킹부(58C)는, 축부(58S)의 제1 부재(56)와 대향하는 면에 볼록 형상으로 마련되어 있어도 된다. 도 7에 도시되는 바와 같이, 제2 부재(58)의 코오킹부(58C)는, 축부(58S)의 제1 부재(56)와 대향하는 면에 플랜지 형상으로 마련되어 있어도 된다.
제1 부재(56)와 제2 부재(58)의 금속 접합은, 초음파 접합에 의해 행해진다. 그러나, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)를 금속 접합에 의해 접합하는 방법은 초음파 접합에 한정되지는 않고, 예를 들어 확산 접합, 마찰 압접, 레이저 용접 등에 의해서도 행해질 수 있다.
여기서 개시되는 부극 접속 단자(54)는, 상술한 바와 같이 제2 부재(58)의 코오킹부(58C)가 제1 부재(56)에 코오킹되어 있기 때문에, 양쪽 부재간의 접합 강도가 양호하며, 또한, 금속 접합에 의해 접합되어 있는 것에 의해 양호한 도통이 확보되어 있다.
상술한 코오킹에 의해 부재간의 접합 강도가 확보되어 있기 때문에, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)의 금속 접합은, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)가 대향하는 면에 대해 좁은 범위로 행해지고 있어도 된다.
이에 한정되지는 않지만, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)가 금속 접합되어 있는 면의 면적이, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)가 대향하는 면의 면적의 50％ 이하인 것이 바람직하고, 예를 들어 30％ 이하인 것이 더 바람직하다. 이러한 면적은, 본 발명의 효과를 발휘하는 한에 있어서 더 좁은 면적이어도 되고, 예를 들어 10％ 이하나 5％ 이하여도 된다. 또한, 도 8 및 도 9에 도시하는 바와 같이, 제1 부재(56)는, 제2 부재(58)와 대향하는 면(57)과 반대측의 면(55)에, 오목부(56R2)를 구비하고, 상기 금속 접합면은, 오목부(56R2)의 개구에 대응하는 범위보다도 내측에 형성되어 있어도 된다. 여기서, 「제1 부재(56)와 제2 부재(58)가 대향하는 면의 면적」란, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)가 대향하고 있는 면(57)을, 면(55)과 수평한 면에 투영하였을 때 형성되는 면의 면적을 말한다.
이와 같이 좁은 범위에서밖에 금속 접합되어 있지 않은 경우에도, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)가 미리 코오킹되어 있는 것에 의해, 부재간의 접합 강도가 양호하다. 또한, 금속 접합이 제1 부재 표면에 미치는 영향이 작은 것에 의해, 제1 부재에 있어서의 외부의 접속 부품과 접속되는 면의 평활성이 유지되고, 평활화를 위한 후처리가 불필요하다.
또한, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)의 금속 접합은, 제1 부재(56)에 있어서, 제2 부재(58)와 대향하는 면과 반대측의 면의 표면 조도가 억제되도록, 약한 접합에너지로 행할 수 있다. 예를 들어, 금속 접합 후의 당해 표면의 산술 평균 조도 Sa는 5㎛ 이하인 것이 바람직하고, 3㎛ 이하인 것이 더 바람직하고, 예를 들어 2㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다.
이와 같이, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)가 대향하는 면의 반대측의 면이 평탄함으로써, 평활화 등의 후처리를 하지 않고, 부극 접속 단자(54)는 버스 바 등의 외부의 접속 부품과 양호하게 접속된다.
본 실시 형태에서는, 부극 접속 단자(54)에 접속되는 버스 바(14)가 알루미늄 또는 알루미늄을 주체로 하는 합금으로 구성된다. 따라서, 본 실시 형태에 있어서는, 알루미늄제의 제1 부재(56)와 버스 바를 구성하는 금속종을 매칭시키는 것에 의해, 부극 단자와 버스 바의 도통 및 접합 강도를 향상시킬 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서는 제1 부재(56)와 제2 부재(58)를 초음파 접합에 의해 형성된 금속 접합면을 갖는다.
이러한 접합면을 갖는 것은, 예를 들어 제1 부재(56)와 제2 부재(58)의 계면에서 파단시켜 당해 파단면을 관찰함으로써 확인할 수 있다. 도 10은, 알루미늄을 포함하는 제1 부재(56)와 구리를 포함하는 제2 부재(58)를 파단시킨 면의 SEM 화상이다. 도면 중의 화살표는, 구리를 포함하는 제2 부재(58)에 대한, 알루미늄을 포함하는 제1 부재(56)의 응착을 가리키고 있다. 이와 같이, 제1 부재(56)와 제2 부재(58) 중 적어도 한쪽 파단면에 다른 쪽 금속의 응착을 확인할 수 있는 경우에, 상기 접합면이 있었다고 확인할 수 있다.
여기에 개시되는 단자(본 실시 형태에서는 부극 단자)를 갖는 이차 전지(12)는, 버스 바(14) 등의 외부의 접속 부품과 양호하게 도통될 수 있다. 또한, 단전지로서 이차 전지(12)가 사용된 조전지(100)에 있어서, 여기에 개시되는 단자(상세하게는 접속 단자)의 제1 부재(56)를 구성하는 금속종과 같은 금속으로 버스 바(14)를 구성함으로써, 단전지(12) 사이를 보다 양호하게 도통시킬 수 있다.
이하, 여기에 개시되는 단자의 제조 방법 및 해당 단자를 갖는 이차 전지의 제조 방법에 대해, 다시 설명한다.
또한, 이하에서는, 여기에 개시되는 단자를 갖는 부극 단자의 제조 방법을 예로 들어 제조 방법을 설명한다. 여기에 개시되는 단자를 갖는 정극 단자의 제조 방법에 대해서는, 해당 단자를 갖는 부극 단자의 경우와 마찬가지의 방법으로 제조할 수 있으므로, 설명은 생략한다.
도 8은, 단자를 제조하는 방법의 흐름도이다.
우선, 단자를 구성하는 상술한 제1 부재(56)와 제2 부재(58)를 준비한다(S1).
다음에, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)를, 코오킹부(58C)와 오목부(56R)를 통하여 코오킹한다(S2). 코오킹은 예를 들어, 제1 부재(56)와 제2 부재(58) 중 어느 하나를 고정하고, 다른 쪽을 한쪽에 대해 가압함으로써 행할 수 있다. 이 조작에 의해, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)의 한쪽 부재를 다른 쪽 부재에 대해 변형시키고, 압입시킴으로써 코오킹부(58C)와 오목부(56R)를 고정할 수 있다.
그리고, 제1 부재(56)와 상기 제2 부재(58)의 대향하는 면 중 적어도 일부를 서로 금속 접합한다(S3).
제1 부재(56)와 제2 부재(58)의 금속 접합은, 상기한 바와 같이 초음파 접합에 의해 행해진다. 초음파 접합은, 예를 들어 제1 부재(56)와 제2 부재(58)를 혼과 앤빌 사이에 끼우고, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)의 축부(58S)를 압박 접촉시키면서, 초음파 진동이 부여됨으로써 행해지는 것이 바람직하다.
예를 들어, 혼을 통하여 부여되는 초음파 진동의 조건은, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)의 금속종, 치수, 혼의 형상 등에 따라, 적절하게 설정할 수 있다. 이에 한정되지는 않지만, 예를 들어 진폭은 20 내지 80㎛ 정도, 주파수는 15 내지 150㎑정도, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)에 부여되는 에너지양이 30 내지 500J 정도로 설정될 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 한정되지는 않고, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)를 금속 접합에 의해 접합하는 방법은, 예를 들어 확산 접합, 마찰 압접, 레이저 용접 등에 의해 행해도 된다.
여기서는, 상기한 바와 같이, 제1 부재(56)와 상기 제2 부재(58)를 금속 접합하는 공정(S3)에 있어서, 금속 접합면이, 통상 제1 부재(56)와 제2 부재(58)가 대향하는 면의 면적의 50％ 이하로 되도록 실시하지만, 특별히 한정되지는 않고 이러한 면적은 예를 들어 상기 대향면의 면적의 10％를 초과하는 영역(예를 들어 전체의 면적의 10 내지 20％)이어도 된다. 이러한 면적이 더욱 좁은 면적이 되도록 실시해도 되고, 예를 들어 10％ 이하나 5％ 이하로 되도록 실시해도 된다.
제1 부재(56)와 제2 부재(58)가 미리 코오킹되어 있음으로써, 부재간의 접합 강도가 확보된다. 그 때문에 금속 접합의 범위를 좁게 해도, 부재간의 접합 강도와 도통을 양립시킬 수 있다. 금속 접합의 범위를 좁게 함으로써, 외부의 접속 부품과 접속되는 면의 거칠어지는 범위도 억제된다. 이 방법으로 제조된 단자는, 외부의 접속 부품과 접속되는 면을 평활화하는 등의 후처리가 불필요하게 되고, 생산성의 관점에서도 바람직하다.
또한, 제1 부재(56)와 제2 부재(58)를 금속 접합하는 공정(S3)에 있어서, 상기한 바와 같이, 당해 금속 접합 후에 있어서의 제1 부재(56)의 대향면과 반대측의 면에 있어서의 산술 평균 조도 Sa가 5㎛ 이하가 되도록 실시하는 것이 바람직한 것이지만, 특별히 한정되지는 않고 3㎛ 이하, 예를 들어 2㎛ 이하로 되도록 실시해도 된다. 제1 부재(56)와 제2 부재(58)를 초음파 접합에 의해 접합할 때 부여하는 접합 에너지를 작게 함으로써, 상기 Sa를 작게 하는 것을 실현할 수 있다. 이 방법으로 제조된 단자는, 외부의 접속 부품과 접속되는 면을 평활화하는 등의 후처리가 불필요해지고, 생산성의 관점에서도 바람직하다.
이상, 본 발명의 구체예를 상세하게 설명하였지만, 이들은 예시에 지나지 않고, 청구범위를 한정하는 것은 아니다. 여기에 개시되는 발명에는 상기 구체예를 다양하게 변형, 변경한 것이 포함된다.
11: 스페이서
12: 이차 전지(단전지)
14: 버스 바
17: 엔드 플레이트
18: 체결용 빔재
19: 비스
20: 전극체
21: 정극
21A: 정극 집전체
21B: 정극 활물질층
21C: 정극 집전체 노출부
22: 부극
22A: 부극 집전체
22B: 부극 활물질층
22C: 부극 집전체 노출부
23: 세퍼레이터
24: 세퍼레이터
30: 전지 케이스
32: 전지 케이스 본체
34: 덮개체
36: 관통 구멍(덮개체의 관통 구멍)
40: 정극 단자
42: 정극 집전 단자
44: 정극 접속 단자
50: 부극 단자
52: 부극 집전 단자
53: 관통 구멍(부극 집전 단자의 관통 구멍)
54: 부극 접속 단자
55: 대향면과 반대측의 면
56: 제1 부재
56R 오목부
56R2: 오목부
57: 대향면
58: 제2 부재
58C: 코오킹부
58L: 다리부
58S: 축부
60: 개스킷
61: 인슐레이터
100: 조전지

Claims (15)

  1. 이차 전지의 정극 및 부극 중 어느 것을 구성하는 단자이며,
    각각 금속제의 제1 부재와 제2 부재를 가지고 있고,
    상기 제1 부재는 판 형상으로 형성되고, 상기 제2 부재는 상기 제1 부재에 대향하는 코오킹부를 구비하고 있고,
    여기서, 상기 제1 부재의 한쪽 면에 있어서, 관통 구멍을 통하지 않고 상기 제2 부재의 코오킹부가 해당 제1 부재에 코오킹되어 있고,
    또한, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재가 대향하는 면에, 서로 금속 접합된 금속 접합면을 갖는, 단자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 접합면의 면적은, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재가 대향하는 면의 면적의 10％ 이하인, 단자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 부재는, 상기 제2 부재와 대향하는 면과 반대측의 면에 오목부를 구비하고,
    상기 금속 접합면은, 상기 오목부와 대향하는 부분에 형성되어 있는, 단자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 부재의 상기 대향하는 면과 반대측의 면에 있어서의 산술 평균 조도 Sa가 5㎛ 이하인, 단자.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재는 서로 다른 금속으로 구성되어 있는, 단자.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 부재가 알루미늄 또는 알루미늄을 주체로 하는 합금으로 구성되어 있고, 또한, 상기 제2 부재가 구리 또는 구리를 주체로 하는 합금으로 구성되어 있는, 단자.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재 사이에 존재하는 상기 금속 접합면은, 초음파 접합에 의해 생긴 접합면을 갖는, 단자.
  8. 정극 및 부극을 포함하는 전극체와,
    상기 전극체를 내부에 수용한 전지 케이스와,
    상기 전극체에 있어서의 정극 및 부극 각각과 전기적으로 접속된 정극 단자 및 부극 단자를 구비한 이차 전지이며,
    상기 정극 단자 및 부극 단자 중 적어도 한쪽은, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 단자를 포함하는, 이차 전지.
  9. 복수의 단전지가 서로 전기적으로 접속되어 배열된 조전지이며,
    상기 복수의 단전지로서 제8항에 기재된 이차 전지가 사용되고 있는, 조전지.
  10. 제9항에 있어서, 상기 복수의 단전지는, 소정의 버스 바에 의해 하나의 단전지의 정극 단자와 다른 하나의 단전지의 부극 단자가 각각 전기적으로 접속되어 있고,
    여기서, 상기 단자의 상기 제1 부재를 구성하는 금속과 동일한 금속에 의해 상기 버스 바가 구성되어 있는, 조전지.
  11. 이차 전지의 정극 및 부극 어느 것을 구성하는 단자를 제조하는 방법이며, 이하의 공정:
    상기 단자를 구성하는 각각 금속제의 제1 부재와 제2 부재를 준비하는 공정, 여기서, 상기 제1 부재는 판 형상으로 형성되고, 상기 제2 부재는 상기 제1 부재에 대향하는 코오킹부를 구비하고 있고;
    상기 제1 부재의 한쪽 면에 있어서, 관통 구멍을 통하지 않고 상기 제2 부재의 코오킹부를 상기 제1 부재에 코오킹하는 공정; 및
    상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 대향하는 면 중 적어도 일부를 서로 금속 접합하는 공정;
    을 포함하는, 단자의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 금속 접합 공정에 있어서, 해당 공정에 의해 형성되는 금속 접합의 접합면이, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재가 대향하는 면의 면적의 10％ 이하로 되도록 실시되는, 단자의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 금속 접합 공정에 있어서, 해당 금속 접합 후에 있어서의 상기 제1 부재의 상기 대향면과 반대측의 면에 있어서의 산술 평균 조도 Sa가 5㎛ 이하로 되도록 실시되는, 단자의 제조 방법.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재는 서로 다른 금속으로 구성되어 있는, 단자의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 부재가 알루미늄 또는 알루미늄을 주체로 하는 합금으로 구성되어 있고, 또한, 상기 제2 부재가 구리 또는 구리를 주체로 하는 합금으로 구성되어 있는, 단자의 제조 방법.
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