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JP2015230745A - 蓄電装置、及び蓄電装置の製造方法 - Google Patents

蓄電装置、及び蓄電装置の製造方法 Download PDF

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JP2015230745A JP2014114738A JP2014114738A JP2015230745A JP 2015230745 A JP2015230745 A JP 2015230745A JP 2014114738 A JP2014114738 A JP 2014114738A JP 2014114738 A JP2014114738 A JP 2014114738A JP 2015230745 A JP2015230745 A JP 2015230745A
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Abstract

【課題】導電部材と集電部群との間の電気抵抗が不均一になることを抑制できる蓄電装置、及び蓄電装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】電極組立体12は、縁部12aから突出し且つ負極電極14の負極タブ14cが層状に重なっている負極タブ群14dを有するとともに、該負極タブ群14dの形状は、1層ごとに負極タブ14cの先端が順に突出方向D1へずれていることにより複数の段部14eを含む階段状であり、負極タブ群14dと導電部材22とは、複数の段部14eで溶接されている。
【選択図】図3

Description

本発明は、蓄電装置、及び蓄電装置の製造方法に関する。
従来から、EV(Electric Vehicle)やPHV(Plug in Hybrid Vehicle)などの車両には、電動機などへの供給電力を蓄える蓄電装置としてリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池などが搭載されている。この種の二次電池は、電極が複数層にわたって層状に重なっている電極組立体を有する。
そして、例えば特許文献1に示されるように、各電極の芯体露出部(以下「集電部」という)が層状に重なった集電部群と、電極端子などの導電部材とは、レーザなどを用いて溶接されている。特許文献1では、集電部群の先端が傾斜面となるように集電部を積層した状態で、その傾斜面を溶接することにより、広範囲を均質に溶接して抵抗を低減している。
特開2011−76776号公報
しかしながら、特許文献1では、集電部群の傾斜面とは反対側に導電部材を配置していることから、集電部群を構成する集電部のうち最も導電部材に近接している集電部が導電部材に溶接されている一方で、その他の集電部は隣り合う集電部と溶接されている。このため、特許文献1では、集電部群と導電部材との間の電気抵抗を均一にし難くなる虞がある。
この発明は、上記従来技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、導電部材と集電部群との間の電気抵抗が不均一になることを抑制できる蓄電装置、及び蓄電装置の製造方法を提供することにある。
上記課題を解決する蓄電装置は、電極が複数層にわたって層状に重なっている電極組立体と、前記電極組立体と電気的に接続されている導電部材と、を備えた蓄電装置であって、前記電極は、活物質層と、前記活物質層を担持する導電性の集電部材と、前記集電部材に接続された金属箔よりなる集電部と、を有し、前記電極組立体は、前記電極の集電部が層状に重なっている集電部群を有するとともに、該集電部群の形状は、1層ごとに又は複数層ごとに前記集電部の先端が順に所定方向へずれていることにより複数の段部を含む階段状であり、前記導電部材は、前記複数の段部に沿って配置されており、前記導電部材と前記集電部群とは、前記複数の段部のうち一部又は全部である複数の段部で溶接されていることを要旨とする。
この構成によれば、集電部群の形状が複数の段部を含む階段状であるとともに、導電部材と集電部群とは、複数の段部のうち一部又は全部である複数の段部で溶接されている。このため、従来のように、集電部群のうち階段状である面とは反対側に導電部材を配置する構成と比較して、より多くの集電部を導電部材と溶接できる。したがって、導電部材と集電部群との間の電気抵抗が不均一になることを抑制できる。
上記蓄電装置について、前記導電部材と前記集電部群とは、前記複数の段部における前記導電部材との対向面で溶接されていることが好ましい。この構成によれば、導電部材と集電部群とは、集電部群における各段部の面で溶接されていることから、接合強度を向上させることができる。
上記蓄電装置について、前記導電部材と前記集電部群とは、レーザ溶接されていることが好ましい。この構成によれば、レーザ溶接を用いることで、導電部材と集電部群とを溶接するときに発熱させる範囲を小さくし、電極が有する活物質層に悪影響を及ぼすことを抑制できる。
上記蓄電装置について、前記導電部材は、前記導電部材と前記集電部群との溶接部とは反対側に凹部を有することが好ましい。この構成によれば、導電部材は集電部群との溶接部とは反対側に凹部を有することから、該凹部を介して簡便且つ確実に溶接できる。したがって、導電部材と集電部群との間の電気抵抗が不均一になることを抑制できる。
上記蓄電装置について、前記集電部群において集電部が重なっている方向から前記集電部群を挟持する挟持部材をさらに備え、前記挟持部材は、前記導電部材と前記集電部群との溶接部よりも前記集電部群の基端部側に配置されていることが好ましい。
この構成によれば、層状に重なっている集電部が相互に離れる方向へ移動や変形することを抑制できることから、集電部の移動や変形に伴って集電部と導電部材との溶接部に負荷がかかることを抑制できる。
上記課題を解決する蓄電装置の製造方法は、1層ごとに又は複数層ごとに前記集電部の先端を順に所定方向へずらして配置することにより複数の段部を形成して前記集電部群の形状を階段状とするとともに、前記複数の段部に沿って配置した導電部材のうち前記集電部群とは反対側の面にレーザを照射することにより、前記導電部材と前記集電部群とを溶接することを要旨とする。
この構成によれば、複数の段部に沿って配置した導電部材のうち集電部群とは反対側の面にレーザを照射することにより、導電部材と集電部群とを溶接することから、導電部材と集電部群との間の電気抵抗が不均一になることを抑制しつつ、さらに集電部群を保護するための保護部材を省略することが可能になる。
本発明によれば、導電部材と集電部群との間の電気抵抗が不均一になることを抑制できる。
一部を分解した蓄電装置を模式的に示す斜視図。 図1に示す1−1線断面図。 (a)は、電極組立体と導電部材とを模式的に示す断面図、(b)は、(a)の一部を拡大して模式的に示す断面図、(c)は、集電タブ群と導電部材とを模式的に示す平面図。 集電タブ群と導電部材との溶接方法を説明するための模式図。 集電タブ群と導電部材との溶接方法を説明するための模式図。 別の実施形態における電極組立体と導電部材とを模式的に示す断面図。
以下、二次電池及び二次電池の製造方法の一実施形態について説明する。
図1に示すように、蓄電装置としての二次電池10は、金属製である直方体状のケース11を有する。ケース11は、例えばアルミニウム製やアルミニウム合金製である。ケース11は、有底四角筒状のケース本体11aと、ケース本体11aの開口部を塞ぐ蓋11bとを有する。ケース11には、電極組立体12が収容されている。また、ケース11には、図示しない電解質(電解液)が充填されている。本実施形態の二次電池10は、リチウムイオン二次電池である。
電極組立体12は、その全体が略直方体状であるとともに、正極電極13と負極電極14とが間にセパレータ15を介在させた状態で複数層にわたって交互に重なっている積層型の電極組立体である。正極電極13、負極電極14、及びセパレータ15は、略矩形のシート状である。正極電極13と負極電極14とは、セパレータ15によって相互に絶縁されている。以下の説明では、電極組立体12において、各電極13,14が重なっている方向を単に「積層方向DS」と示す。
図2に示すように、正極電極13は、略矩形状である正極用の金属箔13aと、その両面の一部をそれぞれ覆うとともに正極用の活物質を含む活物質層13bと、金属箔13aの一縁部(一辺)から突出する集電部としての正極タブ13cとを有する。金属箔13aは、例えばアルミニウム箔である。金属箔13aは、活物質層13bを担持する導電性の集電部材となる。
本実施形態の正極タブ13cは、金属箔13aの一部であって、活物質層13bで覆われていない部分である。電極組立体12を構成する全ての正極電極13は、同一形状及び同一構成である。即ち、各正極電極13の正極タブ13cは、突出方向D1に沿った長さが同一(又は略同一)である。
また、負極電極14は、略矩形状である金属箔14aと、その両面の一部をそれぞれ覆うとともに負極用の活物質を含む活物質層14bと、金属箔14aの一縁部(一辺)から突出する集電部としての負極タブ14cとを有する。金属箔14aは、例えば銅箔である。金属箔14aは、活物質層14bを担持する導電性の集電部材となる。
本実施形態の負極タブ14cは、金属箔14aの一部であって、活物質層14bに覆われていない部分である。電極組立体12を構成する全ての負極電極14は、同一形状及び同一構成である。即ち、各負極電極14の負極タブ14cは、突出方向D1に沿った長さが同一(又は略同一)である。
図1に示すように、電極組立体12は、複数の正極電極13が積層されていることによって、電極組立体12の縁部12aから突出し、且つ正極電極13の正極タブ13cが層状に重なっている集電部群としての正極タブ群13dを有する。また、電極組立体12は、複数の負極電極14が積層されていることによって、電極組立体12の縁部12aから突出し、且つ負極電極14の負極タブ14cが層状に重なっている集電部群としての負極タブ群14dを有する。
二次電池10は、ケース11の外側に突出するように蓋11bに固定された正極端子17と、ケース11の外側に突出するように蓋11bに固定された負極端子18とを有する。なお、正極端子17及び負極端子18は、円環状の絶縁部材19によって蓋11bと絶縁されている。
二次電池10は、電極組立体12(正極タブ群13d)と正極端子17とを電気的に接続する導電部材21を有する。正極端子17と導電部材21とは、導電部材21の基端部で電気的に接続されている。また、正極タブ群13dは、積層方向DSにおける電極組立体12の両端面のうち一方の端面12b側へ、正極タブ群13dを構成する全ての正極タブ13cを寄せ集めた状態であって、且つ縁部12aに沿って延びるように折り曲げられた状態で導電部材21の先端部と溶接されている。
また、二次電池10は、電極組立体12(負極タブ群14d)と負極端子18とを電気的に接続する導電部材22を有する。負極端子18と導電部材22とは、導電部材22の基端部で電気的に接続されている。負極タブ群14dは、電極組立体12の端面12b側へ負極タブ群14dを構成する全ての負極タブ14cを寄せ集めた状態であって、且つ縁部12aに沿って延びるように折り曲げられた状態で導電部材22の先端部と溶接されている。
以下、負極タブ群14d及び導電部材22の形状、並びに負極タブ群14dと導電部材22との接合構造について詳しく説明する。なお、正極タブ群13d及び導電部材21の形状、並びに正極タブ群13dと導電部材21との接合構造については、負極タブ群14d及び導電部材22の場合と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
図3(a)〜(c)に示すように、負極タブ群14dにおいて、複数の負極タブ14cは、負極タブ群14dの先端部の形状が斜面状、拡大した場合の断面では階段状となるように積層されている。即ち、負極タブ群14dの形状は、縁部12aを基準として、1層ごとに負極タブ14cの先端が順に所定方向としての突出方向D1へずれていることにより複数の段部14eを含む階段状の形状である。換言すれば、最も突出方向D1に突出する負極タブ14cの先端を基準として、1層ごとに負極タブ14cの先端が順に突出方向D1とは反対方向(縁部12aへ向かう方向)へずれていると把握することもできる。なお、先端部の形状が斜面状(傾斜面)であるとは、各負極タブ14cと接触する仮想平面が傾斜面となることを意味する。
また、導電部材22は、例えば銅などの略矩形の金属板である。導電部材22は、その基端部側が蓋11bに対して平行である一方で、先端部側が負極タブ群14dの傾斜面に沿うように僅かに捻った形状である。なお、正極用の導電部材21は、例えばアルミニウムやアルミニウム合金の金属板である。
そして、導電部材22と負極タブ群14dとは、図中において墨色で示すように、負極タブ群14dの傾斜面、即ち複数の段部14eのうち全てである複数の段部14eで溶接されている。より詳しく説明すると、導電部材22と負極タブ群14dとは、各段部14eのうち導電部材22との対向面14fで溶接されている。また、後述するように、本実施形態において、導電部材22と負極タブ群14dとは、溶接用のレーザを用いて溶接(レーザ溶接)されている。以下の説明では、各負極タブ14cにおいて、導電部材22と溶接された部分を溶接部14gと示す。
次に、二次電池の製造方法について、導電部材22と負極タブ14cとの溶接方法を中心に、その作用とともに説明する。本実施形態の二次電池10は、以下に説明する積層工程、成型工程、配置工程、及び溶接工程を含んで構成された製造工程を経て製造される。
図4及び図5に示すように、まず積層工程では、正極電極13及び負極電極14を間にセパレータ15を介在させた状態で交互に積層することにより、電極組立体12を得る。次に、成型工程では、負極タブ群14dを構成する全ての負極タブ14cを電極組立体12の端面12b側へ寄せ集めることにより、負極タブ群14dの先端部の形状を斜面状(傾斜面)に成形する。
前述のように、突出方向D1に沿った各負極タブ14cの長さは同一(又は略同一)である。このため、成型工程では、各負極タブ14cを端面12b側に寄せ集めることにより、端面12bから離間した位置に積層されている負極電極14の負極タブ14cである程、その先端が縁部12aに対して順に近接するように整列される。即ち、成形工程では、1層ごとに負極タブ14cの先端を順に突出方向D1へずらして配置することにより複数の段部14eを形成して負極タブ群14dの形状を階段状とする。
次に、配置工程では、負極タブ群14dの傾斜面に対して先端部側が沿うように導電部材22を配置する。即ち、配置工程では、導電部材22を複数の段部14eに沿って配置する。このとき、各段部14eの対向面14fは、それぞれ導電部材22と面接触される。
次に、溶接工程では、導電部材22のうち、負極タブ群14dとは反対側の面に溶接用のレーザ25aをレーザ照射装置25から照射することにより、導電部材22及び負極タブ14cを溶融及び固化させ、負極タブ群14dと導電部材22とを溶接する。溶接工程では、図中において矢印で示すように、レーザ25aの照射位置を突出方向D1に沿って往復移動させることにより、導電部材22と各負極タブ14cの対向面14fとを溶接し、溶接部14gを形成する(図中において墨色で示す)。
溶接工程において、レーザ25aの強度(出力)や、各部位におけるレーザ25aの照射時間は、各負極タブ14cのうち導電部材22に接触する部分と、導電部材22とが溶融する程度に設定されている。レーザ溶接では、例えば抵抗溶接などと比較して、より狭い範囲で発熱させることが可能であることから、溶接に伴って発生した熱により負極電極14を構成する活物質層14bに悪影響を及ぼすことを抑制できる。
このような溶接工程を経て、導電部材22と負極タブ群14dとは、各段部14eの対向面14fで溶接される。したがって、導電部材22と負極タブ群14dとは、複数の負極タブ14cにて電気的に接続されることから、単一の負極タブ14cにて導電部材22と電気的に接続されている従来の構成と比較して、導電部材22と負極タブ群14dとの間の電気抵抗を小さく、且つ均一化できる。
また、仮に抵抗溶接などにより導電部材22と負極タブ群14dとを溶接する場合には、例えば銅製の金属板である保護部材が必要となる。この保護部材は、例えばスポット溶接の電極棒と負極タブ群14dとの間に介在されることで、電極棒よりの加圧により負極タブ群14dを構成する負極タブ14cが破断することを抑制する。これに対して、本実施形態では、レーザ25aにより溶接を行うことから、上述のような保護部材を省略することが可能となる。なお、正極タブ群13d及び導電部材21についての成型工程、配置工程、及び溶接工程は、負極タブ群14d及び導電部材22の場合と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
その後、正極タブ群13d及び負極タブ群14dは、電極組立体12の縁部12aに沿って折り曲げられることにより、図1や図2に示す状態となる。また、導電部材21,22は、それぞれ端子17,18と電気的に接続される。そして、電極組立体12は、電解質とともにケース11に収容されて二次電池10が完成される。
したがって、上記実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
(1)負極タブ群14dの形状が階段状であるとともに、導電部材22と負極タブ群14dとは、複数の段部14eで溶接されている。このため、従来のように、負極タブ群14dのうち階段状である傾斜面とは反対側に導電部材22を配置する構成と比較して、より多くの負極タブ14cを導電部材22と直接溶接できる。したがって、導電部材22と負極タブ群14dとの間の電気抵抗が不均一になることを抑制できる。正極タブ群13d及び導電部材21についても同様である。
(2)負極タブ群14dと導電部材22とは、負極タブ群14dにおける各段部14eの対向面14fで溶接されていることから、負極タブ14cの先端で溶接する構成と比較して、接合強度を向上させることができる。
(3)溶接にレーザ25aを用いることで、負極タブ群14dと導電部材22とを溶接するときに発熱させる範囲を小さくし、負極電極14が有する活物質層14bに悪影響を及ぼすことを抑制できる。正極タブ群13d及び導電部材21についても同様である。
(4)複数の段部14eに沿って配置した導電部材22のうち、負極タブ群14dとは反対側の面にレーザ25aを照射することにより、負極タブ群14dと導電部材22とを溶接する。このため、本実施形態では、負極タブ群14dを保護するための保護部材を省略することが可能になる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば次のように具体化してもよい。
○ 図6に示すように、二次電池10について、導電部材22は、負極タブ群14dとの溶接部14gと反対側の部分に凹部22aを有していてもよい。この場合、凹部22aは、負極タブ14cの突出方向D1において、最も縁部12aに近接する段部14eから最も離間する段部14eまで、前記突出方向D1に沿って延びる長溝状に形成するとよい。この構成によれば、レーザ25aを凹部22aに照射することで、凹部22aを設けない場合と比較して、より低い強度のレーザ25aにより均一且つ確実に溶接できる。したがって、導電部材22と負極タブ群14dとの間の電気抵抗が不均一になることを抑制できる。導電部材21についても同様に変更できる。
○ 図6に示すように、二次電池10について、負極タブ群14dを積層方向DSから挟持する挟持部材27をさらに備えるとともに、挟持部材27は、導電部材22と負極タブ群14dとの溶接部14gより負極タブ群14dの基端部側(縁部12a側)に配置されていてもよい。この構成によれば、層状に重なっている負極タブ14cが相互に離れる方向へ移動や変形することを抑制できることから、負極タブ14cの移動や変形に伴って負極タブ14cと導電部材22との溶接部14gに負荷がかかることを抑制できる。
○ また、上述した挟持部材27は、溶接工程の終了後に取り外してもよいし、そのまま取り外すことなくケース11に収容して挟持部材27を備えた二次電池10としてもよい。正極タブ群13dについても同様に変更できる。
○ また、上述した挟持部材27に加えて又は代えて、負極タブ群14dを構成する各負極タブ14c同士を抵抗溶接などにより仮固定してもよい。正極タブ群13dについても同様に変更できる。
○ 正極タブ13cや負極タブ14cは、電極組立体12の端面12bとは反対側の端面側に寄せ集められていてもよい。
○ 電極組立体12は、複数の負極タブ14cを分割してそれぞれ寄せ集めることで、複数の負極タブ群14dを有していてもよい。正極タブ群13dについても同様に変更できる。
○ 突出方向D1に沿った負極タブ14cの長さが異なる負極電極14を積層することで、負極タブ群14dの先端部を階段状としてもよい。正極タブ群13dについても同様に変更できる。
○ 負極タブ群14dの形状は、縁部12aを基準として、複数層ごとに負極タブ14cの先端が順に突出方向D1へずれていることにより複数の段部14eを含む階段状の形状としてもよい。正極タブ群13dについても同様に変更できる。
○ 負極タブ群14d及び正極タブ群13dのうちいずれか一方についてのみ、先端部の形状を階段状としてもよい。
○ 負極タブ群14dと導電部材22とは、複数の段部14eのうち一部である複数の段部14eで溶接されていてもよい。正極タブ群13d及び導電部材21についても同様に変更できる。
○ 負極タブ群14dの傾斜面と導電部材22との間には、突出方向D1に沿って連続的に溶接部14gが形成されていてもよい。正極タブ群13d及び導電部材21についても同様に変更できる。
○ 負極タブ群14dと導電部材22とは、抵抗溶接や超音波溶接により接合されていてもよい。正極タブ群13d及び導電部材21についても同様に変更できる。
○ 導電部材21や導電部材22の形状は、平板状であってもよい。即ち、各導電部材21,22の形状は適宜変更できる。
○ 電極組立体12は、帯状の正極電極13及び帯状の負極電極14を捲回した巻回型の電極組立体であってもよい。
○ 負極電極14は片面にのみ活物質層14bを有していてもよい。正極電極13についても同様に変更できる。
○ 負極タブ14cは、別の金属箔を金属箔14aに接合して設けられていてもよい。正極タブ13cについても同様に変更できる。また、正極電極13または負極電極14は、集電部材として金属箔に代わり、金属繊維や発泡金属を用いていてもよい。そして、正極タブ13cまたは負極タブ14cが金属箔よりなり、集電部材に接続されていればよい。
○ 二次電池10は、リチウムイオン二次電池に限らず、ニッケル水素二次電池やニッケルカドミウム二次電池等の他の二次電池であってもよい。
○ 二次電池10に限らず、例えば、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等のような蓄電装置であってもよい。
10…二次電池(蓄電装置)、12…電極組立体、12a…縁部、13…正極電極(電極)、13a…金属箔(集電部材)、13b…活物質層、13c…正極タブ(集電部)、13d…正極タブ群、14…負極電極(電極)、14a…金属箔(集電部材)、14b…活物質層、14c…負極タブ(集電部)、14d…負極タブ群、14e…段部、14f…対向面、14g…溶接部、21…導電部材、22…導電部材、22a…凹部、27…挟持部材。

Claims (6)

  1. 電極が複数層にわたって層状に重なっている電極組立体と、前記電極組立体と電気的に接続されている導電部材と、を備えた蓄電装置であって、
    前記電極は、活物質層と、前記活物質層を担持する導電性の集電部材と、前記集電部材に接続された金属箔よりなる集電部と、を有し、
    前記電極組立体は、前記電極の集電部が層状に重なっている集電部群を有するとともに、該集電部群の形状は、1層ごとに又は複数層ごとに前記集電部の先端が順に所定方向へずれていることにより複数の段部を含む階段状であり、
    前記導電部材は、前記複数の段部に沿って配置されており、
    前記導電部材と前記集電部群とは、前記複数の段部のうち一部又は全部である複数の段部で溶接されていることを特徴とする蓄電装置。
  2. 前記導電部材と前記集電部群とは、前記複数の段部における前記導電部材との対向面で溶接されている請求項1に記載の蓄電装置。
  3. 前記導電部材と前記集電部群とは、レーザ溶接されている請求項1または2に記載の蓄電装置。
  4. 前記導電部材は、前記導電部材と前記集電部群との溶接部とは反対側に凹部を有する請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の蓄電装置。
  5. 前記集電部群において集電部が重なっている方向から前記集電部群を挟持する挟持部材をさらに備え、
    前記挟持部材は、前記導電部材と前記集電部群との溶接部よりも前記集電部群の基端部側に配置されている請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の蓄電装置。
  6. 請求項1〜5のうちいずれか1項に記載の蓄電装置の製造方法であって、
    1層ごとに又は複数層ごとに前記集電部の先端を順に所定方向へずらして配置することにより複数の段部を形成して前記集電部群の形状を階段状とするとともに、前記複数の段部に沿って配置した導電部材のうち前記集電部群とは反対側の面にレーザを照射することにより、前記導電部材と前記集電部群とを溶接することを特徴とする蓄電装置の製造方法。
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