JP2013524469A - フラットセルの膜導体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明はフラットセルの膜導体に関し、この膜導体は、その他のセル又はバスバーと接触するための接触ゾーン（５）と、セルの包装フィルム（４）に接着するための接着ゾーン（６）と、セル内部で電極箔（３）に接続するための接続ゾーン（７）とを有しており、ゾーン（５、６、７）の少なくとも２つは、相異なる表面状態を有している。さらに、本発明は、フラットセルの膜導体の製造方法にも関する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明はフラットセルの膜導体、特にリチウムイオン電池の膜導体に関する。この種のセルは、実質的に、電解質の中に配置されている平坦な電極又は電極スタックからなり、陰極（アノード）と陽極（カソード）とは、リチウムイオン透過性の分離層によって分離されている。このセルは、アルミラミネート加工された包装フィルムで、外部の隣接セル又は周辺に対して絶縁及び密閉される。

異なる電極又は電極スタックとの間で発生する電圧を取り出すため、電極に接続されている導体又はコレクタフラッグがセルの内部から外部へ通されている。これらのコレクタフラッグは、次に、セルの外部でその他のセル又はバスバーに接続することができる。

導体として使用されるのは、通常、金属片又は金属箔であり、マイナスの導体にはニッケルメッキを施した銅板が使用され、プラスの導体にはアルミ板が使用されるのが一般的である。

これらの導体は、複数の機能を満たしていなければならない。すなわち、１つには、これらの導体は、セルから外部へ突き出している、いわゆる接触ゾーンにおいて、バスバー又はその他のセルとの簡単で継続的な電気的接触を実現しなければならない。この場合、特に、プラスの導体では、アルミニウムの自然酸化膜があるために、アルミニウムのハンダ付けは不可能であるか、又は強力なフラックスを使用する必要があり、薄い導体を温度に弱いプラスチックコンポーネントに直に接続するにはあまり適さないという問題がある。

導体をボルトで固定するには、追加の部品（ボルト、クリップ、ネジ付きプレート）が必要となり、このことによって、繊細な膜導体に追加の重量が加わり、製造コストも増加する。

接触ゾーンの超音波溶接には、この場合に送り込まれる振動エネルギーによって、導体が包装フィルムに浸透し、このフィルムと接着する部分（接着ゾーン）が先に損傷しかねないという欠点がある。その他に、セル内部の電極に接続されている導体部分（接続ゾーン）も超音波溶接プロセスによって損傷するおそれがあり、このことから、導体と電極との間の電気接続の質が悪化する。

他方では、すでに加熱されている接着ゾーンの部分でも永続的にセルが密閉されているように導体が形成されなければならない。従来技術によれば、膜導体とセル外被との密閉は、熱溶融／接着プロセスを使って行われ、しばしばこの導体は、接続を強化するため、及びラミネート加工した包装フィルム内の金属層に対する電気的な絶縁を保証するために、プラスチックフィルムなどの絶縁材によって接着ゾーンが強化される。特に、未処理のアルミニウム導体の接着接続は、化学的浸潤が起こりやすいため、継続的な漏れのリスクが生じる。

この従来技術から出発して、本発明は、改善された膜導体を提供することを課題とし、この膜導体は電気的接触を容易に行うことができ、セルの密閉性を向上させることができる。

この課題は、独立請求項に記載されている特徴を備える膜導体によって解決される。本発明の有利な変形例及び実施形態は従属請求項の対象である。

本発明に基づくフラットセルの膜導体は、その他のセル又はバスバーと接触するための接触ゾーンと、セルの包装フィルムに接着するための接着ゾーンと、セル内部で電極箔に接続するための接続ゾーンとを有している。本発明に基づき、この場合、これらのゾーンの少なくとも２つは、相異なる表面状態を有している。
言い換えれば、例えば帯状の膜導体の表面構造が帯の長手方向に変化している。これにより、膜導体の表面への要求も、導体上のそれぞれのポジションに応じて異なるという事実を考慮することができる。

従って、プラスの導体としての膜導体は、例えばアルミニウムベースの基本構造を有し、接着ゾーンには接着面であり化成処理層である接着面／化成処理層を設けることができる。

このことによって、工場生産されたアルミニウムフィルム及びアルミニウム帯が自然酸化膜を有し、この膜内に、湿気、汚れ、油脂が固着するという問題が処理される。この自然酸化膜は、防食処理としても、及び接着接続の接着面としても不適切であり、それは特に、この自然酸化膜により、有機被膜が腐食的に浸潤されるからである。従って、接着力のある表面を製造するには、まず、自然酸化膜を化学的に取り除くことが有利であり、その後すぐに、そのように清浄された表面に接着面又は化成処理層を、調整しながら取り付けることができる。この場合、接着面として、３価及び６価のクロム酸溶液、チタン又はジルコニウムベースのクロムフリー溶液、並びに陽極で生じる酸化被膜（陽極酸化処理、硬質陽極酸化処理）を使用することができる。この場合、特に３価クロムの使用は、以下のような利点がある。
‐ 酸性水性媒体内での良好な溶解性。通常、この媒体内で化成処理層がアルミニウム上に形成される。
‐ 表面の反応生成物（酸化クロム（ＩＩＩ））は不活性であり、継続的な保護を提供する。
‐ 健康への影響がない。

好ましくは、言及した接着力のある層を、すぐに、ポリマー層により事前のシーリングとして一浴法で被覆することもでき、また、言及した層を、フィルムとして、特に接着剤塗工後すぐに溶融されるフィルムとしても実施することができる。後者のケースでは、必ずしもプライマーを使用する必要はない。ポリマー層は、一方で、接着力のある導体表面を後の処理作業による汚れから保護し、続いて、直接包装フィルムと共に熱によって溶接することができる。その他、ポリマー層の代わりに、例えばプライマーを混ぜ合わせたテープ、特に布テープも考えられる。

膜導体が、ニッケルメッキされた表面を備える銅の基本構造を有する場合、すなわち、通常はマイナスの導体として使用されるが、有利であり得るのは、接着ゾーンが粗面を有することである。有利な表面粗さは５〜４０ｐｍである。この粗面は、化学的又は研削もしくはビームなどの機械的プロセスによって作ることができ、ビーム加工を使用する場合、加工されるフィルムの機械的感度が考慮される。

バスバー又はセルを直列接続するための電気的接触は、膜導体がアルミニウムの基本構造を有する場合、特にニッケル、スズ、銅又は銀を含むことのできるハンダ付け可能なコーティングを接触ゾーンに設けることによって単純化できる。この場合、このコーティングは、好ましくは、それぞれ純粋な材料で行われるが、例えば、第１の層をニッケルで、第２の層をスズとするなど、様々な層の連続にすることもできる。

特別に、セルを相前後して順に接続する場合、アルミニウムから実施されているプラスの導体とニッケルメッキされた銅からなるマイナスの導体とを互いに接続しなければならない。好ましくはニッケルとの接触ゾーンにおける、言及したハンダ付け可能なプラス導体のコーティングにより、両方の導体材料とのハンダ付けが可能である。さらに、銅製の測定又は接続ラインも、そのようにコーティングされた膜導体に直接ハンダ付けすることができる。ハンダ付けの必要性に応じて、すでに言及したように、その他又は追加のハンダ付け可能なコーティング（例えばスズ、銅、銀など）も部分的に施すことができる。このコーティングは、好ましくは、断片又は帯状の亜鉛メッキによって行うことができる。帯状材料として部分的にコーティングするために、浸漬法、ブラシ法、ジェットメッキ法又はテープ法を使用することができる。

浸漬法においては、例えば、後に膜導体となる原材料を、後に接続ゾーンとなる部分に垂れ下がった状態で掴持して、それぞれの浸漬槽に通すことができる。この場合、特に、まず接着及び接触ゾーンのために設けられている部分に接着／化成処理層を作ることができる。後の工程で接着ゾーンをシーリングした後、この接着／化成処理層は、接触ゾーンのために設けられている部分を、例えばエッチングによって取り除き、その後、ハンダ付け可能な層をこのゾーンに施すことができる。浸漬槽の外部にある後の接続ゾーンも、シーリングされた後の接着ゾーンのいずれも、ここには該当しない。

上述したハンダ付け可能な導体のコーティングは、説明したフラットセルの他に、丸型セルへの適用も考えられる。その場合、コレクタフラッグをハンダ付けするハンダ付け可能な接触ゾーンを作るために、適切なスポットメッキをセルのアルミ缶の上に実施することができる。

本発明のもう１つの実施形態の場合、フラットセルの膜導体は、その長方形の短い側面が楔形又はトング形に外側へ引き延ばされた状態で形成されている、変形した長方形断面を示している。このように純粋な長方形とは異なることによって、導体を取り囲むポリマー層及び／又は導体に接着された包装フィルムが導体形状にぴったり沿うことができるため、従来技術と比べ導体をより密着した状態で取り囲むことが可能になる。

言い換えれば、導体の断面形状は、導体断面が厳密に長方形に実施されている場合よりも、導体を取り囲んでいるフィルムの変化により良く適合し、そのことによって、導体部分におけるセルの密閉性を向上させることができる。言及した措置により、さらに、導体の寸法をより広い範囲から選ぶことが可能になり、特により太い導体を使用することもできるため、導体の機械的安定性に有利に働く。任意の形状にするために考えられる製造方法は、帯状材料から膜導体を打ち出した後のエンボス加工である。

上述した導体断面の変形は、様々な性質をもった導体表面部分の形成とは無関係に行うことができるのは当然である。

本発明に基づくフラットセルの膜導体の製造方法は、平坦な金属の基本構造の上に、互いに異なる表面の性質をもつ少なくとも２つのゾーンが作られ、特に以下の工程を含むことができる。
‐ アルミニウムの帯状材料からの打出し
‐ 脱脂
‐ 酸化膜の除去
‐ 接着面／化成処理層との接着ゾーンのコーティング

追加又は代替の方法として、本方法は、以下の工程有することができる。
‐ 適切なエッジ構造を作るためのエンボス行程
‐ 接着ゾーンの事前シーリング
‐ 接触ゾーンのエッチング
‐ ハンダ付け可能な表面との接触ゾーンのメタライゼーション

様々な表面状態、及び／又は接触ゾーン及び／又は接着ゾーン及び／又は接続ゾーンのコーティングにより、本発明に基づき、それぞれのゾーンについて有利な接続方法を選択することができ、それらの方法では、それぞれすでに存在している膜導体の接続はせいぜい僅かしか必要としない。このことにより、すでに行われている膜導体と電極箔との接続の質と耐久性、及び／又はその他の膜導体との接触、及び／又は包装フィルムを通る膜導体の密閉性のある通過は、次に続くその他の接続プロセス後も少なくともほぼ確保される。

特に、超音波溶接法のための接続ゾーン、ハンダ付け及び／又は溶接法、特にレーザー溶接法のための接触ゾーン、及び密閉接着のための接着ゾーンを最適化することができる。

以下に、本発明を図に基づいて詳しく説明する。

膜導体を備えるフラットセルの側面図である。 膜導体を備えるフラットセルの断面図である。 図１による部分拡大図である。 従来技術によるフラットセルを通る膜導体の通過図である。 フラットセルの包装フィルムを通過する際の変形された膜導体の第１の斜視図である。 図４に示されている図のバリエーションである。 本発明のもう１つの変形例であり、変形された表面構造を備える丸型セルである。

図１の部分図１Ａ及び１Ｂには、本発明に基づき実施されている膜導体１、２を備えるフラットセルの上面図又は側面の断面図が示されている。膜導体１及び２は、マイナス導体としての導体１がニッケルメッキされた銅板から実施され、プラス導体としての導体２がアルミ板から実施されており、アルミラミネート加工された包装フィルム４の接着ゾーン６を通り抜け、フラットセル内部の接続ゾーン７において、図１には詳しく図示されていない電極箔スタック３と接続されている。フラットセルの外部では、導体１又は２が、その他のセル又はバスバーと接触するための接触ゾーン５を有している。すでに言及したように、アルミ板から形成されているプラス導体２は、この場合、斜線で示されている接触ゾーン５において、アルミニウム基本構造の上からハンダ付け可能なコーティングが施されているため、プラス導体２の接触ゾーン５は、例えば電流又は測定ケーブルなどの導体との簡単なハンダ付けに適している。ハンダ付け可能なコーティングは、この場合、ニッケル、スズ又は銀を含むことができる。特に好ましいのは、ニッケル層の材料システムが約３〜１０μｍの厚さであることであり、代替として、厚さが３〜１０μｍの第１のニッケル層と、その上に取り付けられている厚さが２〜５μｍのスズ層とからなる連続層も使用することができる。この場合、第２のバリエーションは、より優れたハンダ付け特性を特徴としているが、このバリエーションは２段階プロセスのため、製造に多少経費がかかる。

点で示されている接着ゾーン６では膜導体２が、アルミラミネート加工された包装フィルム４と膜導体２との間の接着接続を改善する接着面／化成処理層を備えている。いわゆる接着面／化成処理層は、この場合ＣｒIIIを含む表面安定化処理を有している。例えばポリマーフィルムとして形成することができ、接着面／化成処理層の上に配置されている追加のポリマー層は図１Ａ又は１Ｂには図示されていない。このポリマー層は、接着面／化成処理層とは反対の面でアルミラミネート加工された包装フィルム４と接着している。

マイナス導体１とアルミラミネート加工された包装フィルム４との接着は、図示されている例では、マイナス導体１がその接着ゾーン６に粗面を備えていることによって改善され、このことにより、導体１の表面と包装フィルム４との接着の流れも同様に改善される。

図２は、図１Ｂに点線で囲まれている部分を再度部分的に拡大した図であり、符号は図１の符号に対応している。この場合、図２ａには、事前のシーリング層９を備える導体１が示され、これに対して図２ｂは事前のシーリング層のない導体２を示している。

図３は、プラス導体２’がフラットセルの包装フィルム４を通過する、従来技術による方法を示している。この場合、プラス導体２’は事前のシーリング層９によって取り囲まれており、このシーリング層９は、プラス導体２’が包装フィルム４を通過する部分に配置されている。実際に、事前のシーリング層９と導体２’の横側正面との間に不可避的に生じる隙間が、図３でよく分かる。矢印で示されている箇所では、周辺に対してフラットセルを確実に密閉することは不可能である。

図４は、導体２の形状についての本発明に基づく解決方法を示し、これによってこの問題が解消される。図４から分かるように、導体２は、その断面が長方形とは異なっているように形成されている。特に、導体２の断面は、長方形の短い側面が楔形又はトング形の突出部２１を有するように形成されている。この措置は、図４に示されている、例えばポリマーフィルムとして形成できる事前のシーリング層９が、導体断面全体に沿って隙間なく導体に接触し、それによって、包装フィルム４との接続部分において、周辺に対するフラットセル内部の確実な密閉性を保証するという作用がある。もちろん、部分２１の形成には他の形状も考えられる。しかし、部分２１の形状が取り囲んでいるフィルムの形状に適合している場合はいずれも有利である。従って、例えば導体２の断面を平坦なレンズ形にすることも考えられるであろう。

図５は、図４のバリエーションを示し、この場合、包装フィルム４は直接導体２の上に接着されている。その他は、図５のバリエーションは図４に示されている実施形態に対応している。

図６には、バッテリセル（この場合は丸型セル）の接触を改善するためのもう１つの方法が示されている。図６に示されているアルミニウムセル缶２０は、その上部の正面にメタライゼーション層５０を備えており、このメタライゼーション層によってハンダ付け可能な表面が作り出されている。この種の接触性の良いセル缶は、例えば押出しプレス加工などによって製造することができる。次に、油脂及び汚れを取り除くため、メタライゼーションする部分５０を部分的に脱脂し、同様に部分的にエッチングして、それによって自然酸化膜を取り除き、規定の基本表面を作る。部分５０のシングル又はダブルのジンケート処理の後、その部分にガルバニックメタライゼーションを行い、希望するハンダ付け可能な表面を設ける。この場合、メタライゼーションは、フラットセルについての解決方法に基づき、上述した方法で実施することができる。

Claims (21)

1. フラットセルの膜導体であり、その他のセル又はバスバーと接触するための接触ゾーン（５）と、セルの包装フィルム（４）に接着するための接着ゾーン（６）と、前記セル内部で電極箔（３）に接続するための接続ゾーン（７）とを有している膜導体であって、
   前記ゾーン（５、６、７）の少なくとも２つは、相異なる表面状態を有していることを特徴とする膜導体。
2. 前記膜導体がアルミニウムの基本構造を有し、前記接着ゾーン（６）は接着面／化成処理層を有していることを特徴とする、請求項１に記載の膜導体。
3. 前記接着ゾーン（６）の前記接着面／化成処理層と前記アルミニウムの基本構造との間には、自然のアルミニウム酸化膜がないことを特徴とする、請求項２に記載の膜導体。
4. 前記接着ゾーン（６）の前記接着面／化成処理層の上に、ポリマー層（９）が配置されていることを特徴とする、請求項２又は３に記載の膜導体。
5. 前記膜導体がアルミニウムの基本構造を有し、前記接触ゾーン（５）はハンダ付け可能なコーティングを有していることを特徴とする、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の膜導体。
6. 前記ハンダ付け可能なコーティングが、ニッケル、スズ、銅又は銀を含むことを特徴とする、請求項５に記載の膜導体。
7. 前記膜導体が銅の基本構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の膜導体。
8. 前記接着ゾーン（６）が粗面を有することを特徴とする、請求項７に記載の膜導体。
9. 前記膜導体が、ニッケルメッキされた表面を有することを特徴とする、請求項7又は８に記載の膜導体。
10. ハンダ付け及び／又は溶接法、特にレーザー溶接法のための前記接触ゾーン（５）の前記表面構造及び／又はコーティング構造が、最適化されていることを特徴とする、請求項１に記載の膜導体。
11. 超音波溶接法のための前記接続ゾーン（７）の前記表面構造及び／又はコーティング構造が、最適化されていることを特徴とする、請求項１に記載の膜導体。
12. 前記膜導体は、長方形の短い側面（２１）が楔形又はトング形に外側へ延びた状態で形成されるように、変形した長方形断面を示していることを特徴とする請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載の膜導体。
13. フラットセルの膜導体の製造方法であり、平坦な金属の基本構造の上に、互いに異なる表面の性質をもつ少なくとも２つのゾーン（５、６、７）が作られる製造方法。
14. 前記接続ゾーン（７）の前記表面が、超音波溶接法のために調整される、請求項１３に記載のフラットセルの膜導体の製造方法。
15. 前記接触ゾーン（５）の前記表面構造及び／又はコーティング構造が、ハンダ付け及び／又は溶接法、特にレーザー溶接法のために調整される、請求項１３に記載のフラットセルの膜導体の製造方法。
16. ‐ アルミニウムの帯状材料からの打出し、
    ‐ 脱脂、
    ‐ 自然酸化膜の除去、という工程を備える、請求項１３に記載の方法。
17. 追加的に、接着面／化成処理層との接着ゾーン（６）のコーティングが行われる、請求項１３に記載の方法。
18. 追加的に、前記接着ゾーン（６）の事前のシーリングが行われる、請求項１７に記載の方法。
19. 追加的に、接触ゾーン（５）のエッチングが行われる、請求項１３に記載の方法。
20. 追加的に、ハンダ付け可能な表面との接触ゾーン（５）のメタライゼーションが行われる、請求項１９に記載の方法。
21. 追加的に、エンボス行程が行われる請求項１３〜２０のうちいずれか一項に記載の方法。

Images