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JP2018156784A - 蓄電素子 - Google Patents

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美恵子 記村
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Abstract

【課題】電極体と集電体との接合強度の向上を図ることができる蓄電素子を提供する。【解決手段】積層された極板を有する電極体４００と、当該積層された極板に接合される正極集電体５００とを備える蓄電素子１０であって、当該積層された極板及び正極集電体５００は、いずれか一方が他方に向けて突出する凹凸構造で互いに嵌合された接合部２０を備え、接合部２０は、接合部２０における極板の積層方向から見て、非円形の形状を有している。【選択図】図５

Description

本発明は、積層された極板を有する電極体と、当該積層された極板に接合される集電体とを備える蓄電素子に関する。
従来、積層された極板を有する電極体と集電体とを備え、当該積層された極板と集電体とが接合された構成の蓄電素子が知られている。例えば、特許文献１には、電極体の突出部と集電体の片部とクリップ部材の対向片とが互いに嵌合されて接合された構成の蓄電素子が開示されている。
特開２０１６−１８９３２３号公報
電極体と集電体との接合においては、電極体の積層された極板と集電体とが接合される。電極体は、極板の積層によって厚みが形成されてはいるが、積層された極板は１枚１枚が薄いため、例えば２つの部材を接合するような場合よりも、インターロックがかかりにくい。このため、積層された極板と集電体とを接合する場合には、例えば２つの部材を接合するような場合よりも、高い接合強度が要求される。したがって、上記従来の蓄電素子のように電極体と集電体とを接合する構成においても、さらなる接合強度の向上が望まれている。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電極体と集電体との接合強度の向上を図ることができる蓄電素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る蓄電素子は、積層された極板を有する電極体と、前記積層された極板に接合される集電体とを備える蓄電素子であって、前記積層された極板及び前記集電体は、いずれか一方が他方に向けて突出する凹凸構造で互いに嵌合された接合部を備え、前記接合部は、前記接合部における前記極板の積層方向から見て、非円形の形状を有している。
これによれば、蓄電素子において、電極体の積層された極板及び集電体は、いずれか一方が他方に向けて突出する凹凸構造で互いに嵌合された接合部を備えており、当該接合部は、非円形の形状を有している。ここで、従来の蓄電素子においては、電極体と集電体との接合部の形状は円形になっているが、この場合、円形の一周において均一な接合強度を有する構成となっている。しかし、均一な接合強度を有する構成ということは、接合強度が低い箇所はないが、接合強度が高い箇所もない構成であるとも言えるため、接合部の形状が円形の場合には、接合強度が不足する場合がある。これに対し、本願発明者は、接合強度を敢えて不均一にすることで、接合強度が低い箇所はあるものの、接合強度が高い箇所もある構成の方が、接合強度の不足に対応できることを見出した。このように、当該蓄電素子は、電極体と集電体との接合部が非円形の形状を有していることで、接合強度が高い箇所で強固な接合を行うことができるため、電極体と集電体との接合強度の向上を図ることができる。
また、前記接合部は、前記積層方向から見て、外方に張り出した複数の張り出し部と、前記複数の張り出し部を繋ぐ内方に窪んだ窪み部とを有することにしてもよい。
これによれば、蓄電素子において、接合部は、複数の張り出し部と、当該複数の張り出し部を繋ぐ窪み部とを有しているため、接合強度の強弱を大きくすることができる。つまり、窪み部の接合強度は低くなるが、張り出し部の接合強度は高くなるため、張り出し部において、電極体と集電体との接合強度の向上を図ることができる。
また、前記複数の張り出し部のそれぞれは、前記窪み部に比べて、前記積層方向に平行な平面での断面において、前記一方が前記外方に向けて張り出した量が大きいことにしてもよい。
これによれば、張り出し部は、窪み部よりも、電極体及び集電体のいずれか一方が外方に向けて大きく張り出している構成であるため、当該一方の張り出した部分が他方に食い込むこととなる。これにより、張り出し部において、強固にインターロックをかけることができるため、電極体と集電体との接合強度の向上を図ることができる。
また、前記複数の張り出し部は、前記積層方向から見て、第一方向において互いに外方に張り出した２つの第一張り出し部を有することにしてもよい。
これによれば、２つの第一張り出し部は、第一方向において互いに外方（逆方向）に張り出した部位であるため、接合部の第一方向における両側に２つの第一張り出し部が配置されていることになる。このため、接合部の両側において、電極体と集電体との接合強度を向上させることができるため、電極体と集電体とをバランス良く強固に接合することができる。
また、前記複数の張り出し部は、さらに、前記積層方向から見て、前記第一方向と交差する第二方向において互いに外方に張り出した２つの第二張り出し部を有することにしてもよい。
これによれば、２つの第二張り出し部は、第二方向において互いに外方（逆方向）に張り出した部位であるため、接合部の第二方向における両側にも２つの第二張り出し部が配置されていることになる。このため、接合部の４隅において、電極体と集電体との接合強度を向上させることができるため、電極体と集電体とをさらにバランス良く強固に接合することができる。
また、前記集電体は、前記接合部が形成される脚部を有し、前記接合部は、前記第一方向及び前記第二方向が前記脚部の幅方向と交差するように配置されていることにしてもよい。
ここで、電極体の積層された極板の端部を接合部で突出させると、当該端部において極板が階段状に重なって配置されて、当該端部側ほど極板の積層枚数が少なくなってしまう場合がある。この場合、極板は、集電体の脚部の幅方向に向けて、積層枚数が少なくなっており、この極板の積層枚数が少なくなっている箇所で接合されれば、接合強度が低下してしまう。これに対し、接合部は、第一方向及び第二方向が集電体の脚部の幅方向と交差するように配置されているため、積層枚数が少ない箇所と多い箇所とに跨って張り出し部を配置することができている。このため、電極体と集電体との接合強度が低下するのを抑制し、電極体と集電体との接合強度の向上を図ることができる。
なお、本発明は、このような蓄電素子として実現することができるだけでなく、当該蓄電素子が備える電極体と集電体との接合構造としても実現することができる。
本発明における蓄電素子によれば、電極体と集電体との接合強度の向上を図ることができる。
実施の形態に係る蓄電素子の外観を示す斜視図である。 実施の形態に係る蓄電素子の容器内方に配置されている構成要素を示す斜視図である。 実施の形態に係る蓄電素子を分解して各構成要素を示す分解斜視図である。 実施の形態に係る正極集電体が電極体の正極集束部に接合された状態での構成を示す断面図である。 実施の形態に係る正極集電体と電極体との接合部の外観を示す斜視図及び平面図である。 実施の形態に係る正極集電体と電極体との接合部の内部構成を示す断面図である。 実施の形態に係る正極集電体と電極体との接合部の配置位置を示す平面図である。 実施の形態に係る正極集電体と電極体との接合部の形成方法を示す図である。 実施の形態の変形例に係る正極集電体と電極体との接合部の外観を示す平面図である。 実施の形態の変形例に係る正極集電体と電極体との接合部の外観を示す平面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態に係る蓄電素子について説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、製造工程（形成方法）、製造工程の順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図において、寸法等は厳密に図示したものではない。
また、以下の説明及び図面中において、蓄電素子が有する一対の電極端子の並び方向、一対の集電体の並び方向、電極体の両端部（一対の活物質層非形成部）の並び方向、電極体の巻回軸方向、集電体の脚部の幅方向、または、容器の短側面の対向方向をＸ軸方向と定義する。また、容器の長側面の対向方向、容器の短側面の短手方向、容器の厚さ方向、または、接合部における電極体と集電体との並び方向をＹ軸方向と定義する。また、蓄電素子の容器本体と蓋との並び方向、容器の短側面の長手方向、集電体の脚部の延設方向、または、上下方向をＺ軸方向と定義する。これらＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向は、互いに交差（本実施の形態では直交）する方向である。なお、使用態様によってはＺ軸方向が上下方向にならない場合も考えられるが、以下では説明の便宜のため、Ｚ軸方向を上下方向として説明する。また、以下の説明において、例えば、Ｘ軸方向プラス側とは、Ｘ軸の矢印方向側を示し、Ｘ軸方向マイナス側とは、Ｘ軸方向プラス側とは反対側を示す。Ｙ軸方向やＺ軸方向についても同様である。
（実施の形態）
まず、図１〜図３を用いて、本実施の形態における蓄電素子１０の全般的な説明を行う。図１は、本実施の形態に係る蓄電素子１０の外観を示す斜視図である。また、図２は、本実施の形態に係る蓄電素子１０の容器１００内方に配置されている構成要素を示す斜視図である。具体的には、図２は、蓄電素子１０から容器本体１１１を分離した状態での構成を示す斜視図である。つまり、同図は、電極体４００に正極集電体５００及び負極集電体６００を接合した後の状態を示している。また、図３は、本実施の形態に係る蓄電素子１０を分解して各構成要素を示す分解斜視図である。つまり、同図は、電極体４００に正極集電体５００及び負極集電体６００を接合する前の状態を示している。また、同図では、容器本体１１１を省略して図示している。
蓄電素子１０は、電気を充電し、また、電気を放電することのできる二次電池であり、具体的には、リチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池である。蓄電素子１０は、例えば、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）またはプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）等の自動車用電源や、電子機器用電源、電力貯蔵用電源などに使用される。なお、蓄電素子１０は、非水電解質二次電池には限定されず、非水電解質二次電池以外の二次電池であってもよいし、キャパシタであってもよく、さらに、使用者が充電をしなくても蓄えられている電気を使用できる一次電池であってもよい。また、本実施の形態では、矩形状（角型）の蓄電素子１０を図示しているが、蓄電素子１０の形状は、矩形状には限定されず、円柱形状や長円柱形状等であってもよいし、ラミネート型の蓄電素子とすることもできる。
図１に示すように、蓄電素子１０は、容器１００と、正極端子２００と、負極端子３００とを備えている。また、図２に示すように、容器１００内方には、電極体４００と、正極集電体５００と、負極集電体６００とが収容されている。
なお、蓋体１１０と正極端子２００との間、及び蓋体１１０と正極集電体５００との間には、絶縁性及び気密性を高めるためにガスケット等が配置されているが、同図では省略して図示している。負極側についても、同様である。また、容器１００の内部には、電解液（非水電解質）が封入されているが、図示は省略する。なお、当該電解液としては、蓄電素子１０の性能を損なうものでなければその種類に特に制限はなく、様々なものを選択することができる。また、上記の構成要素の他、正極集電体５００及び負極集電体６００の側方に配置されるスペーサ、容器１００内の圧力が上昇したときに当該圧力を開放するためのガス排出弁、または、電極体４００等を包み込む絶縁フィルムなどが配置されていてもよい。
容器１００は、矩形筒状で底を備える容器本体１１１と、容器本体１１１の開口を閉塞する板状部材である蓋体１１０とで構成されている。また、容器１００は、電極体４００等を内部に収容後、蓋体１１０と容器本体１１１とが溶接等されることにより、内部を密封することができるものとなっている。なお、蓋体１１０及び容器本体１１１の材質は特に限定されず、例えばステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金など溶接可能な金属とすることができるが、樹脂を用いることもできる。
電極体４００は、正極板と負極板とセパレータとを備え、電気を蓄えることができる蓄電要素（発電要素）である。正極板は、アルミニウムやアルミニウム合金などからなる長尺帯状の集電箔である正極基材層上に正極活物質層が形成された極板である。負極板は、銅や銅合金などからなる長尺帯状の集電箔である負極基材層上に負極活物質層が形成された極板である。なお、上記集電箔として、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、チタン、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス、Ａｌ−Ｃｄ合金など、適宜公知の材料を用いることもできる。また、正極活物質層及び負極活物質層に用いられる正極活物質及び負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な活物質であれば、適宜公知の材料を使用できる。また、セパレータは、例えば樹脂からなる微多孔性のシートや、不織布を用いることができる。
そして、電極体４００は、正極板と負極板との間にセパレータが配置され巻回されて形成されている。具体的には、電極体４００は、正極板と負極板とが、セパレータを介して、巻回軸（本実施の形態ではＸ軸方向に平行な仮想軸）の方向に互いにずらして巻回されている。そして、正極板及び負極板は、それぞれのずらされた方向の端部に、活物質が塗工されず（活物質層が形成されず）基材層が露出した部分（活物質層非形成部）を有している。
つまり、電極体４００は、積層された極板（正極板及び負極板）を有している。そして、電極体４００は、巻回軸方向の一端部（Ｘ軸方向プラス側の端部）に、正極板の活物質層非形成部が積層されて束ねられた正極集束部４１０を有している。また、電極体４００は、巻回軸方向の他端部（Ｘ軸方向マイナス側の端部）に、負極板の活物質層非形成部が積層されて束ねられた負極集束部４２０を有している。例えば、正極板及び負極板の活物質層非形成部（集電箔）の厚みは、５μｍ〜２０μｍ程度であり、これらが例えば３０〜４０枚ほど束ねられることで、正極集束部４１０及び負極集束部４２０が形成されている。なお、本実施の形態では、電極体４００の断面形状として長円形状を図示しているが、円形状または楕円形状でもよい。
正極端子２００は、電極体４００の正極板に電気的に接続された電極端子であり、負極端子３００は、電極体４００の負極板に電気的に接続された電極端子である。つまり、正極端子２００及び負極端子３００は、電極体４００に蓄えられている電気を蓄電素子１０の外部空間に導出し、また、電極体４００に電気を蓄えるために蓄電素子１０の内部空間に電気を導入するための金属製の電極端子である。また、正極端子２００及び負極端子３００は、電極体４００の上方に配置された蓋体１１０に取り付けられている。具体的には、図３に示すように、正極端子２００は、突出部２１０が蓋体１１０の貫通孔１１０ａと正極集電体５００の開口部５１１とに挿入されて、かしめられることにより、正極集電体５００とともに蓋体１１０に固定される。負極端子３００についても同様である。
正極集電体５００は、電極体４００の正極集束部４１０と容器本体１１１の側壁との間に配置され、正極端子２００と電極体４００の正極板とに電気的に接続される導電性と剛性とを備えた部材である。また、負極集電体６００は、電極体４００の負極集束部４２０と容器本体１１１の側壁との間に配置され、負極端子３００と電極体４００の負極板とに電気的に接続される導電性と剛性とを備えた部材である。
具体的には、正極集電体５００及び負極集電体６００は、容器本体１１１の側壁から蓋体１１０に亘って当該側壁及び蓋体１１０に沿って屈曲状態で配置される導電性の板状部材である。正極集電体５００及び負極集電体６００は、蓋体１１０に固定的に接続（接合）されている。また、正極集電体５００及び負極集電体６００は、電極体４００が有する積層された極板、つまり、正極集束部４１０及び負極集束部４２０にそれぞれ固定的に接続（接合）されている。この構成により、電極体４００が、正極集電体５００及び負極集電体６００によって蓋体１１０から吊り下げられた状態で保持（支持）され、振動や衝撃などによる揺れが抑制される。
なお、正極集電体５００の材質は限定されないが、例えば、電極体４００の正極基材層と同様、アルミニウムまたはアルミニウム合金などで形成されている。また、負極集電体６００についても、材質は限定されないが、例えば、電極体４００の負極基材層と同様、銅または銅合金などで形成されている。
ここで、図２に示すように、正極集電体５００は、電極体４００の正極集束部４１０と、複数の接合部２０において接合されている。また、負極集電体６００は、電極体４００の負極集束部４２０と、複数の接合部３０において接合されている。この接合部２０、３０まわりの概略構成について、以下に、図４も用いて説明する。なお、正極側の接合部２０まわりと負極側の接合部３０まわりとは、同様の構成を有しているため、以下では、正極側の接合部２０まわりの構成について説明し、負極側の接合部３０まわりの構成の説明は省略する。
図４は、本実施の形態に係る正極集電体５００が電極体４００の正極集束部４１０に接合された状態での構成を示す断面図である。具体的には、同図は、図２に示された正極集電体５００及び正極集束部４１０を、接合部２０を通るＹＺ平面で切断した場合の構成を示している。
図３及び図４に示すように、正極集電体５００は、端子接続部５１０と、端子接続部５１０のＹ軸方向両端部からＺ軸方向マイナス側に向けて延設された２つの電極接続部５２０とを有している。
端子接続部５１０は、正極端子２００に接続（接合）される正極集電体５００の基部である。つまり、端子接続部５１０は、正極集電体５００の正極端子２００側（上側、Ｚ軸方向プラス側）に配置される平板状の部位であり、正極端子２００に電気的及び機械的に接続される。
電極接続部５２０は、電極体４００に接続（接合）される正極集電体５００の脚部である。つまり、電極接続部５２０は、正極集電体５００の電極体４００側（下側、Ｚ軸方向マイナス側）に配置される部位であり、電極体４００に電気的及び機械的に接続される。具体的には、電極接続部５２０は、Ｚ軸方向に延びる長尺状かつ平板状の部位であり、電極体４００の正極集束部４１０のうちの２つの対向する平坦な集束部に、２つの電極接続部５２０がそれぞれ接合される。
また、正極集束部４１０の内側にはカバー部材７００が配置されており、電極接続部５２０と正極集束部４１０とカバー部材７００とが機械的に接合されて、４つ（２つの電極接続部５２０に２つずつ）の接合部２０が形成されている。つまり、電極体４００の積層された極板及び正極集電体５００は、いずれか一方が他方に向けて突出する凹凸構造で互いに嵌合された接合部２０を備えている。具体的には、接合部２０は、電極接続部５２０が正極集束部４１０に向けて突出した凹凸構造の接合部であり、電極接続部５２０と正極集束部４１０とが互いに嵌合されて接合されている。接合部２０は、例えば、電極接続部５２０と正極集束部４１０とカバー部材７００とをかしめることによって（詳細には、クリンチかしめ接合を行うことによって）、形成することができる。
なお、カバー部材７００は、電極接続部５２０とで、正極集束部４１０を挟む位置に配置された、正極集束部４１０を保護するカバーである。具体的には、カバー部材７００は、正極集束部４１０に沿ってＺ軸方向に延びる矩形状かつ平板形状の部材であり、接合前の状態においては、厚みが一様となるように形成されている。このカバー部材７００は、材質は特に限定されないが、例えば、電極体４００の正極基材層と同様、アルミニウムまたはアルミニウム合金などで形成された金属部材である。なお、負極側にも同様にカバー部材が配置されており、この負極側のカバー部材についても、材質は特に限定されないが、例えば、電極体４００の負極基材層と同様、銅または銅合金などで形成された金属部材である。
次に、接合部２０の構成について、さらに詳細に説明する。まず、接合部２０の外観について説明する。図５は、本実施の形態に係る正極集電体５００と電極体４００との接合部２０の外観を示す斜視図及び平面図である。具体的には、図５の（ａ）は、図４に示された接合部２０をカバー部材７００側（突出側）から見た斜視図であり、図５の（ｂ）は、図５の（ａ）をカバー部材７００側（突出側）から見た平面図である。
図５に示すように、接合部２０は、接合部２０における極板の積層方向から見て、非円形の形状を有している。ここで、当該積層方向とは、極板が積層される方向であって、本実施形態においては接合部２０において極板が積層される方向であり、図４等ではＹ軸方向、図５の（ａ）では上下方向、図５の（ｂ）では紙面の表裏を貫く方向である。また、当該積層方向は、カバー部材７００、正極集束部４１０及び電極接続部５２０の並び方向、または、接合部２０の突出方向と定義することもできる。本実施の形態では、接合部２０は、突出した部分が、当該積層方向から見て、非円形の形状としてＸ字形状を有している。
ここで、接合部２０は、積層方向から見て、外方に張り出した複数の張り出し部２１と、複数の張り出し部２１を繋ぐ内方に窪んだ窪み部２２とを有している。つまり、接合部２０のＸ字形状を構成する４方向に突出したそれぞれの先端部分に対応して、４つの矩形状の凸部である張り出し部２１が配置されている。また、隣り合う張り出し部２１同士の間に、内方に凹んだ凹部である窪み部２２が４つ配置されている。
具体的には、複数の張り出し部２１は、積層方向から見て、第一方向において互いに外方に張り出した２つの第一張り出し部２１ａ、２１ｂを有している。また、複数の張り出し部２１は、さらに、積層方向から見て、第一方向と交差する第二方向において互いに外方に張り出した２つの第二張り出し部２１ｃ、２１ｄを有している。つまり、２つの第一張り出し部２１ａ、２１ｂが、第一方向において、互いに逆方向に突出して配置され、２つの第二張り出し部２１ｃ、２１ｄが、第二方向において、互いに逆方向に突出して配置されている。
なお、第一方向及び第二方向は、当該積層方向と直交する平面内の異なる２つの方向である。本実施の形態では、第一方向及び第二方向は、互いに直交する２つの方向である。つまり、積層方向、第一方向及び第二方向は、互いに直交する３つの方向である。具体的には、第一方向及び第二方向は、図４等におけるＸＺ平面内の互いに直交する２つの方向であり、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に対して４５°傾いた方向である。
また、複数の窪み部２２は、２つの第一窪み部２２ａ、２２ｂと、２つの第二窪み部２２ｃ、２２ｄとを有している。例えば、第一窪み部２２ａは、第一張り出し部２１ａと第二張り出し部２１ｄとを繋ぐ、内方に窪んだ部位である。つまり、第一窪み部２２ａは、第一張り出し部２１ａと第二張り出し部２１ｄとが、第一方向及び第二方向に張り出すことで形成された窪みであり、接合部２０の角部が正方形状に切欠かれたような形状を有している。他の窪み部２２についても、同様である。
次に、接合部２０の内部構成について説明する。図６は、本実施の形態に係る正極集電体５００と電極体４００との接合部２０の内部構成を示す断面図である。具体的には、図６の（ａ）は、図５の（ｂ）に示された接合部２０のＶＩａ−ＶＩａ断面、つまり、張り出し部２１（同図では第一張り出し部２１ａ、２１ｂ）の位置における積層方向に平行な平面での断面を示している。また、図６の（ｂ）は、図５の（ｂ）に示された接合部２０のＶＩｂ−ＶＩｂ断面、つまり、窪み部２２（同図では第一窪み部２２ａ、２２ｂ）の位置における積層方向に平行な平面での断面を示している。
まず、図６の（ａ）に示すように、正極集電体５００の電極接続部５２０、電極体４００の正極集束部４１０及びカバー部材７００は、接合部２０においてカバー部材７００側に向けて突出する凸部（後述の集電体凸部５２１、電極体凸部４１１及びカバー凸部７０１）を有している。また、当該凸部は、当該凸部の突出方向（積層方向）と交差する方向（同図では第一方向両側）に張り出す張出部（後述の集電体張出部５２２及び電極体張出部４１２）を有している。なお、当該凸部及び張出部は、例えば、接合部２０において、電極接続部５２０、正極集束部４１０及びカバー部材７００が塑性変形することにより形成される。本実施の形態では、接合部２０において、電極接続部５２０、正極集束部４１０及びカバー部材７００がかしめられることによって（詳細には、クリンチかしめ接合されることによって）形成される。
具体的には、接合部２０において、電極接続部５２０は、正極集束部４１０に向けて突出した集電体凸部５２１を有している。集電体凸部５２１は、電極接続部５２０と正極集束部４１０との接合面（第一方向及び第二方向に平行な面）と直交する方向（積層方向）に突出した円筒形状の凸部である。言い換えれば、集電体凸部５２１は、電極接続部５２０の外面から、正極集束部４１０に向けて凹んだ形状を有している。また、集電体凸部５２１は、集電体凸部５２１の突出方向（積層方向）と交差する方向に突出した集電体張出部５２２を有している。本実施の形態では、集電体張出部５２２は、当該突出方向と直交する方向（同図では第一方向両側、以下では外方ともいう）に突出している。
また、接合部２０において、電極体４００の正極集束部４１０は、カバー部材７００に向けて突出した電極体凸部４１１を有している。電極体凸部４１１は、正極集束部４１０とカバー部材７００との接合面（第一方向及び第二方向に平行な面）と直交する方向（積層方向）に突出した円筒形状の凸部である。言い換えれば、電極体凸部４１１は、正極集束部４１０の電極接続部５２０側の面から、カバー部材７００に向けて凹んだ形状を有している。また、電極体凸部４１１は、電極体凸部４１１の突出方向（積層方向）と交差する方向に突出した電極体張出部４１２を有している。本実施の形態では、電極体張出部４１２は、当該突出方向と直交する方向（同図では第一方向両側、外方）に突出している。
また、接合部２０において、カバー部材７００は、正極集束部４１０から離れる方向に向けて突出したカバー凸部７０１を有している。カバー凸部７０１は、正極集束部４１０とカバー部材７００との接合面（第一方向及び第二方向に平行な面）と直交する方向（積層方向）に突出した円筒形状の凸部である。言い換えれば、カバー凸部７０１は、カバー部材７００の正極集束部４１０側の面から、正極集束部４１０から離れる方向に向けて凹んだ形状を有している。カバー凸部７０１は、カバー凸部７０１の突出方向（積層方向）と交差する方向の端部（同図では第一方向両端側、外方）に、カバー凸端部７０２を有している。
以上の構成により、集電体張出部５２２及び電極体張出部４１２は、集電体凸部５２１及び電極体凸部４１１の先端から第一方向両側に突出して、第一張り出し部２１ａ、２１ｂを形成している。また、接合部２０の第二張り出し部２１ｃ、２１ｄの位置における断面についても、第一張り出し部２１ａ、２１ｂの位置における断面と同様である。このため、集電体張出部５２２及び電極体張出部４１２は、集電体凸部５２１及び電極体凸部４１１の先端から第二方向両側にも突出して、第二張り出し部２１ｃ、２１ｄを形成している。つまり、集電体張出部５２２、電極体張出部４１２及びカバー凸端部７０２で、張り出し部２１（第一張り出し部２１ａ、２１ｂ及び第二張り出し部２１ｃ、２１ｄ）を構成している。
なお、集電体凸部５２１、電極体凸部４１１、カバー凸部７０１、集電体張出部５２２及び電極体張出部４１２の突出方向は、上記の方向には限定されず、上記の方向から傾いた方向であってもよく、また、突出形状についても上記には限定されない。また、カバー凸端部７０２についても、カバー凸部７０１の突出方向（積層方向）と交差する方向（外方）に突出していてもよいが、外方に突出させない構成とすることで、接合作業後に、接合部２０を、接合器具のダイから取り外しやすくすることができる。この場合、接合部２０をダイからより取り外しやすくするために、カバー凸端部７０２の幅（同図では第一方向の幅）が先端に向かうほど小さくなっている構成でもかまわない。
また、図６の（ｂ）に示すように、接合部２０の窪み部２２（第一窪み部２２ａ、２２ｂ）の位置での断面においては、集電体凸部５２１は、集電体凸部５２１の突出方向（積層方向）と交差する方向（外方）の端部に、集電体凸端部５２３を有している。また、電極体凸部４１１は、電極体凸部４１１の突出方向（積層方向）と交差する方向（外方）の端部に、電極体凸端部４１３を有している。また、カバー凸部７０１は、カバー凸部７０１の突出方向（積層方向）と交差する方向（外方）の端部に、カバー凸端部７０３を有している。ここで、集電体凸端部５２３、電極体凸端部４１３及びカバー凸端部７０３は、外方に突出していない。
以上の構成により、集電体凸端部５２３、電極体凸端部４１３及びカバー凸端部７０３は、第一窪み部２２ａ、２２ｂを構成している。また、接合部２０の第二窪み部２２ｃ、２２ｄの位置における断面についても、第一窪み部２２ａ、２２ｂの位置における断面と同様である。このため、集電体凸端部５２３、電極体凸端部４１３及びカバー凸端部７０３は、第二窪み部２２ｃ、２２ｄも構成している。つまり、集電体凸端部５２３、電極体凸端部４１３及びカバー凸端部７０３で、窪み部２２を構成している。
このように、複数の張り出し部２１のそれぞれは、窪み部２２に比べて、積層方向に平行な平面での断面において、電極接続部５２０が外方に向けて張り出した量が大きい。また、同様に、複数の張り出し部２１のそれぞれは、窪み部２２に比べて、積層方向に平行な平面での断面において、正極集束部４１０が外方に向けて張り出した量が大きい。
なお、集電体凸端部５２３及び電極体凸端部４１３は、一部（または全部）が外方に突出する場合もあるが、この場合でも、集電体張出部５２２及び電極体張出部４１２が突出するよりも小さい突出量（張り出し量）となる。また、カバー凸端部７０３についても、外方に突出していてもよいが、カバー凸端部７０２と同様に、外方に突出させない構成とすることで、接合作業後に、接合部２０を、接合器具のダイから取り外しやすくすることができる。
次に、接合部２０の配置位置について、説明する。図７は、本実施の形態に係る正極集電体５００と電極体４００との接合部２０の配置位置を示す平面図である。具体的には、同図は、電極接続部５２０、正極集束部４１０及びカバー部材７００に形成された接合部２０を、カバー部材７００側から見た図であり、正極集束部４１０の端縁の位置を点線で示している。
同図に示すように、接合部２０は、第一方向及び第二方向が電極接続部５２０の幅方向と交差するように配置されている。つまり、接合部２０は、第一張り出し部２１ａ、２１ｂの張り出した向き、及び、第二張り出し部２１ｃ、２１ｄの張り出した向きが、電極接続部５２０の幅方向及び延設方向と交差（同図では４５°で交差）するように配置されている。なお、これにより、第一窪み部２２ａ、２２ｂは、電極接続部５２０の幅方向に並び、第二窪み部２２ｃ、２２ｄは、電極接続部５２０の延設方向に並ぶこととなる。
ここで、正極集束部４１０は、接合部２０が形成される際に、接合部２０の突出側（カバー部材７００側）の極板が内側に引っ張られて、階段状に重なったようになる場合がある（階段状に重なった極板の端縁を同図の点線で示す）。つまり、正極集束部４１０は、端部ほど積層枚数が少なくなるように極板が階段状に重なった構成となる。このため、この階段状に重なった極板の積層枚数が少ない部分から多い部分に跨るように、第一張り出し部２１ａ及び第二張り出し部２１ｄが配置されることとなる。
次に、接合部２０の形成方法について、説明する。図８は、本実施の形態に係る正極集電体５００と電極体４００との接合部２０の形成方法を示す図である。
同図に示すように、電極接続部５２０、正極集束部４１０及びカバー部材７００を重ねて配置するとともに、電極接続部５２０の下方にダイ３１を配置し、カバー部材７００の上方に凸状のポンチ３２を配置する。ここで、ダイ３１の上面には、第一方向両側に矩形状の可動部３１ａ、３１ｂが配置されており、第二方向両側にも矩形状の可動部３１ｃ、３１ｄが配置されている。可動部３１ａ、３１ｂは、第一方向にスライド可能に配置されており、可動部３１ｃ、３１ｄは、第二方向にスライド可能に配置されている。
この構成において、電極接続部５２０、正極集束部４１０及びカバー部材７００を、ダイ３１上に載置した状態で、上方からポンチ３２でプレスすることで、塑性変形（かしめ）させる。この際、可動部３１ａ〜３１ｄがスライドしていくことで、張り出し部２１が形成される。つまり、可動部３１ａ、３１ｂが第一方向にスライドしていくことで、第一張り出し部２１ａ、２１ｂが形成される。また、可動部３１ｃ、３１ｄが第二方向にスライドしていくことで、第二張り出し部２１ｃ、２１ｄが形成される。
具体的には、ポンチ３２によるプレスによって、凸部（集電体凸部５２１、電極体凸部４１１及びカバー凸部７０１）が形成されつつ、可動部３１ａ〜３１ｄがスライドしていくことで、張出部（集電体張出部５２２及び電極体張出部４１２）が形成される。このように、ダイ３１とポンチ３２とでかしめ接合（クリンチかしめ接合）を行うことで、接合部２０を形成することができる。
なお、本実施の形態では、当該凸部と張出部とは一連のプレスによってほぼ同時に形成されるが、１回目のプレスで凸部を形成し、２回目のプレスで張出部を形成するように、プレスを２回行うことにしてもかまわない。また、ダイ３１が、可動部３１ａ〜３１ｄが配置されていなくても張出部を形成可能な形状を有している場合には、可動部３１ａ〜３１ｄは配置されていなくともかまわない。
以上のように、本発明の実施の形態に係る蓄電素子１０によれば、電極体４００の積層された極板及び正極集電体５００は、いずれか一方が他方に向けて突出する凹凸構造で互いに嵌合された接合部２０を備えており、接合部２０は、非円形の形状を有している。ここで、従来の蓄電素子においては、電極体と正極集電体との接合部の形状は円形になっているが、この場合、円形の一周において均一な接合強度を有する構成となっている。つまり、従来の蓄電素子では、接合強度を均一にするために、接合部の形状を円形にしていた。しかし、接合強度を均一にするということは、接合強度が低い箇所はないが、接合強度が高い箇所もない構成であるとも言えるため、接合部の形状が円形の場合には、接合強度が不足する場合があった。このため、接合強度を高くするために、接合部の突出高さを高くすることが考えられたが、この場合、接合部における部材が伸ばされて、当該部材の板厚が薄くなってしまう（例えば極板が破れてしまうおそれがある）等の別の問題が生じることが分かった。
これに対し、本願発明者は、接合部の形状を非円形として、接合強度を敢えて不均一にすることで、接合強度が低い箇所はあるものの、接合強度が高い箇所もある構成の方が、接合強度の不足に対応できることを見出した。つまり、接合部の形状が円形の場合に、例えば接合強度がＦ１の均等な力で接合されているとした場合、接合部の形状を非円形にすると、接合強度がＦ１よりも低いＦ２の箇所が存在することになるが、接合強度がＦ１よりも高いＦ３の箇所も存在することになる。このため、円形の接合部にＦ１とＦ３との間の力を加えると接合が外れることとなるが、非円形の接合部に当該力を加えても、接合は外れない。これにより、非円形の接合部の方が、円形の接合部よりも全体としては接合強度が強くなっていると言える。このように、蓄電素子１０は、電極体４００と正極集電体５００との接合部２０が非円形の形状を有していることで、接合強度が高い箇所で強固な接合を行うことができるため、電極体４００と正極集電体５００との接合強度の向上を図ることができる。
また、接合部２０が非円形の形状を有していることで、電極体４００と正極集電体５００とが接合部２０まわりに相対的に回転することを抑制（回転トルクを抑制）する回転止めの機能を有する構成にもなっている。
また、蓄電素子１０において、接合部２０は、複数の張り出し部２１と、当該複数の張り出し部２１を繋ぐ窪み部２２とを有しているため、接合強度の強弱を大きくすることができる。つまり、窪み部２２の接合強度は低くなるが、張り出し部２１の接合強度は高くなるため、張り出し部２１において、電極体４００と正極集電体５００との接合強度の向上を図ることができる。
また、接合部２０に張り出し部２１を形成することで、電極体４００と正極集電体５００との接触面積を増加させることができる。このため、張り出し部２１による当該接触面積の増加によっても、電極体４００と正極集電体５００との接合強度の向上を図ることができる。また、当該接触面積の増加によって、電極体４００と正極集電体５００との間の抵抗値を下げることもできる。
また、張り出し部２１は、窪み部２２よりも、電極体４００及び正極集電体５００のいずれか一方（本実施の形態では、正極集電体５００）が外方に向けて大きく張り出している構成であるため、当該一方の張り出した部分が他方に食い込むこととなる。これにより、張り出し部２１において、強固にインターロックをかけることができるため、電極体４００と正極集電体５００との接合強度の向上を図ることができる。つまり、窪み部２２においては、インターロックがかかりにくく、接合強度の向上は図られていないが、張り出し部２１でインターロックを強固にかけている。このように、窪み部２２でインターロックをかけない代わりに、張り出し部２１でインターロックをより強固にかけることで、電極体４００と正極集電体５００との接合強度の向上を図ることができる。
また、２つの第一張り出し部２１ａ、２１ｂは、第一方向において互いに外方（逆方向）に張り出した部位であるため、接合部２０の第一方向における両側に２つの第一張り出し部２１ａ、２１ｂが配置されていることになる。このため、接合部２０の両側において、電極体４００と正極集電体５００との接合強度を向上させることができるため、電極体４００と正極集電体５００とをバランス良く強固に接合することができる。
また、２つの第二張り出し部２１ｃ、２１ｄは、第二方向において互いに外方（逆方向）に張り出した部位であるため、接合部２０の第二方向における両側にも２つの第二張り出し部２１ｃ、２１ｄが配置されていることになる。このため、接合部２０の４隅において、電極体４００と正極集電体５００との接合強度を向上させることができるため、電極体４００と正極集電体５００とをさらにバランス良く強固に接合することができる。
また、電極体４００の積層された極板の端部を接合部２０で突出させると、当該端部において極板が階段状に重なって配置されて、当該端部側ほど極板の積層枚数が少なくなってしまう場合がある。この場合、極板は、正極集電体５００の脚部である電極接続部５２０の幅方向に向けて、積層枚数が少なくなっており、この極板の積層枚数が少なくなっている箇所で接合されれば、接合強度が低下してしまう。これに対し、接合部２０は、第一方向及び第二方向が正極集電体５００の電極接続部５２０の幅方向と交差するように配置されているため、積層枚数が少ない箇所と多い箇所とに跨って張り出し部２１を配置することができている。このため、電極体４００と正極集電体５００との接合強度が低下するのを抑制し、電極体４００と正極集電体５００との接合強度の向上を図ることができる。
また、第一張り出し部２１ａ、２１ｂは第一方向に張り出し、第二張り出し部２１ｃ、２１ｄは第二方向に張り出しているため、接合部２０は、第一方向または第二方向に長い形状を有する場合がある。この場合、正極集電体５００の電極接続部５２０に接合部２０を形成する際に、第一方向または第二方向が電極接続部５２０の幅方向と同じ方向になれば、電極接続部５２０の幅を広くする必要がある。したがって、接合部２０が第一方向または第二方向に長い形状を有する場合でも、第一方向及び第二方向が電極接続部５２０の幅方向と交差するように配置されているため、電極接続部５２０の幅が狭くても、接合部２０を形成することができる。
なお、負極集電体６００側についても、正極集電体５００側と同様の構成を有するため、同様の効果を奏することができる。
以上、本発明の実施の形態に係る蓄電素子１０について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。つまり、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
例えば、上記実施の形態では、接合部２０は、突出した部分が、極板の積層方向から見て、Ｘ字形状を有していることとした。しかし、接合部２０は、Ｘ字形状ではなく、＋字形状を有していることにしてもよい。つまり、図７に示された接合部２０が４５°回転して、第一方向及び第二方向が電極接続部５２０の幅方向及び延設方向（または延設方向及び幅方向）に向いた状態で配置されていてもよい。例えば接合部２０が第一方向または第二方向に短い形状を有する場合に、当該短い方向が電極接続部５２０の幅方向となるように接合部２０を配置することで、電極接続部５２０の幅が狭くても、接合部２０を形成することができる。
また、Ｘ字形状や＋字形状では、接合部２０は、４つの張り出し部２１（及び４つの窪み部２２）を有していることとなるが、接合部２０が有する張り出し部２１（及び窪み部２２）の数は特に限定されない。つまり、接合部２０は、３つ以下、または、５つ以上の張り出し部２１を有していてもよい。
また、接合部２０に代えて、上記形状以外の非円形の接合部が形成されていてもよい。図９Ａ及び図９Ｂは、本実施の形態の変形例に係る正極集電体５００と電極体４００との接合部２０Ａ、２０Ｂの外観を示す平面図である。これらの図に示すように、図９Ａでは、２つの円が連なった形状の接合部２０Ａが形成されている。この場合、２つの円の突出した部分に接合強度が高い張り出し部２３が形成され、２つの円の境界のくびれた部分に接合強度が低い窪み部２４が形成される。また、図９Ｂでは、楕円形状（または長円形状）等の窪み部のない接合部２０Ｂが形成されている。この場合、長手方向の両端部分に接合強度が高い張り出し部２５が形成され、短手方向の両端部分に接合強度が低い端部２６が形成される。このように接合部を長尺の形状とすることで、電極接続部５２０の幅を狭くすることができる。なお、当該接合部は、極板の積層方向から見て非円形の形状を有していればよく、上記実施の形態及びその変形例の形状には限定されない。
また、上記実施の形態では、接合部２０は、正極集電体５００が電極体４００及びカバー部材７００に向けて突出した凹凸構造の接合部であることとした。しかし、接合部２０は、カバー部材７００及び電極体４００が正極集電体５００に向けて突出した凹凸構造の接合部であることにしてもよい。例えばカバー部材７００の方が正極集電体５００よりも厚いような場合には、この構成の方が好ましい。
また、上記実施の形態では、正極集電体５００は２本の電極接続部５２０を有しており、当該２本の電極接続部５２０に、接合部２０が２個ずつ形成されていることとした。しかし、接合部２０の個数は限定されず、何個の接合部２０が電極接続部５２０に形成されていてもよい。また、電極接続部５２０の本数も限定されず、正極集電体５００は、１本の電極接続部５２０しか有していないことにしてもよいし、３本以上の電極接続部５２０を有していることにしてもよい。なお、電極接続部５２０を１本にした場合には、電極接続部５２０の両側にダイ３１及びポンチ３２を配置しやすいため、接合部２０を容易に形成することができる。
また、上記実施の形態では、電極体４００は、巻回軸が蓋体１１０に平行となるいわゆる縦巻きの巻回型電極体であることとした。しかし、電極体４００は、巻回軸が蓋体１１０に垂直となるいわゆる横巻きの巻回型電極体であってもよい。また、電極体４００の形状は巻回型に限らず、平板状極板を積層したスタック型や、極板を蛇腹状に折り畳んだ形状などであってもよい。
また、上記実施の形態では、正極集電体５００の電極接続部５２０と電極体４００の正極集束部４１０とが接合されることとした。しかし、正極集電体５００は、電極接続部５２０に接続されるリードなどの導電部材を有しており、正極集束部４１０は当該導電部材と接合されることにしてもよい。この場合、正極集束部４１０と当該導電部材とが接合されて接合部２０が形成される。
また、上記実施の形態では、正極集電体５００と電極体４００とカバー部材７００とが接合されることとしたが、これら以外の部材も一緒に接合されることにしてもよい。または、カバー部材７００は設けられておらず、正極集電体５００と電極体４００とが接合されて接合部２０が形成される構成でもよい。
また、上記実施の形態では、正極集電体５００と電極体４００とは、接合部２０においてのみ接合されることとしたが、接合部２０での接合の他に、他の接合方法による接合が行われてもよい。他の接合方法としては、例えば、超音波溶接、抵抗溶接、アーク溶接、または、レーザや電子ビームを照射して溶接などが挙げられる。
また、上記実施の形態では、正極集電体５００は、２つの電極接続部５２０の双方に、接合部２０が形成されていることとしたが、電極接続部５２０のいずれか一方にのみ接合部２０が形成されている構成でもよい。また、蓄電素子１０において、正極集電体５００及び負極集電体６００の双方に、接合部が形成されていることとしたが、正極集電体５００及び負極集電体６００のいずれか一方にのみ接合部が形成されている構成でもよい。
また、上記実施の形態では、正極集電体５００と電極体４００とを接合する際に正極集電体５００と電極体４００とを塑性変形させる例として、クリンチかしめ接合を例示した。しかし、これには限定されず、クリンチかしめ接合とは異なる形態のかしめによる接合でもよいし、リベットを用いた接合などでもかまわない。
また、上記実施の形態及びその変形例に含まれる構成要素を任意に組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
また、本発明は、このような蓄電素子１０として実現することができるだけでなく、蓄電素子１０が備える電極体４００と正極集電体５００（または負極集電体６００）との接合構造としても実現することができる。
本発明は、リチウムイオン二次電池などの蓄電素子等に適用できる。
１０ 蓄電素子
２０、２０Ａ、２０Ｂ、３０ 接合部
２１、２３、２５ 張り出し部
２１ａ、２１ｂ 第一張り出し部
２１ｃ、２１ｄ 第二張り出し部
２２、２４ 窪み部
４００ 電極体
４１１ 電極体凸部
４１２ 電極体張出部
５００ 正極集電体
５２０ 電極接続部
５２１ 集電体凸部
５２２ 集電体張出部

Claims (6)

  1. 積層された極板を有する電極体と、前記積層された極板に接合される集電体とを備える蓄電素子であって、
    前記積層された極板及び前記集電体は、いずれか一方が他方に向けて突出する凹凸構造で互いに嵌合された接合部を備え、
    前記接合部は、前記接合部における前記極板の積層方向から見て、非円形の形状を有している
    蓄電素子。
  2. 前記接合部は、前記積層方向から見て、外方に張り出した複数の張り出し部と、前記複数の張り出し部を繋ぐ内方に窪んだ窪み部とを有する
    請求項１に記載の蓄電素子。
  3. 前記複数の張り出し部のそれぞれは、前記窪み部に比べて、前記積層方向に平行な平面での断面において、前記一方が前記外方に向けて張り出した量が大きい
    請求項２に記載の蓄電素子。
  4. 前記複数の張り出し部は、前記積層方向から見て、第一方向において互いに外方に張り出した２つの第一張り出し部を有する
    請求項２または３に記載の蓄電素子。
  5. 前記複数の張り出し部は、さらに、前記積層方向から見て、前記第一方向と交差する第二方向において互いに外方に張り出した２つの第二張り出し部を有する
    請求項４に記載の蓄電素子。
  6. 前記集電体は、前記接合部が形成される脚部を有し、
    前記接合部は、前記第一方向及び前記第二方向が前記脚部の幅方向と交差するように配置されている
    請求項５に記載の蓄電素子。
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