(57)【要約】【課題】集電体の集電構造を改良することにより、質量あたりの出力特性に優れた蓄電デバイスを提供する。【解決手段】鉛蓄電池の集電体は集電耳部が一体形成されており、集電耳部が１箇所または複数箇所で折り返されて（選択図は折り返し前の状態を示す。）、集電体が構成されている。折返された耳は溶接される。折り返す前の集電耳部の幅がストラップ幅よりも幅広く、折返した後の集電耳部の幅がストラップ幅より狭い。集電耳部が集電体内側に向いた方向に折り目がくるように１箇所折り返される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集電耳部が一体成形された集電体を使用した蓄電デバイスにおいて、前記集電耳部が１箇所または複数箇所折り返され重なった状態にあり、折り重なった前記集電耳部が溶接されていることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項２】
折り返す前の前記集電耳部の幅がストラップ幅よりも幅広く、折返した後の前記集電耳部の幅が前記ストラップ幅より狭いことを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイス。
【請求項３】
前記集電耳部が集電体内側に向いた方向に折り目がくるように１箇所折り返されたことを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイス。
【請求項４】
前記集電耳部がスポット溶接、シーム溶接および超音波溶接からなる群のうちのいずれかで溶接されたことを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイス。
【請求項５】
正極活物質に二酸化鉛を使用し、電解液に希硫酸を使用したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の蓄電デバイス。
【請求項６】
前記集電体が金属の圧延板をエキスパンド加工または打ち抜き加工したものであることを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイス。
【請求項７】
負極活物質に海綿状鉛を使用したことを特徴とする請求項５に記載の蓄電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蓄電デバイスに係り、特に、集電耳部が一体成形された集電体を使用した蓄電デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷低減の観点から、蓄電デバイスの軽量化がますます重要と考えられている。極板の軽量化のために集電体を薄くすると、背反事項として放電電圧が低くなる、という問題が生じる。蓄電デバイスの電圧特性を向上させるには、つまり放電電圧を高く維持するには、用いる極板のオーム損を減少させる必要がある。具体的には、極板のオーム損を減少させる手段として、活物質内にカーボン、二酸化スズ等の導電剤を添加することが提案されている。
【０００３】
しかしながら、活物質内に添加する導電剤としてカーボンを用いる場合には、該カーボンが酸化され易く、蓄電デバイスの寿命全般にわたって機能しない、という問題点がある。また、活物質内に添加する導電剤として二酸化スズを用いる場合には、該二酸化スズは大量の添加が必要であり、コスト高になる、という問題点がある。さらに、カーボンや二酸化スズは、両者とも蓄電デバイスの極板中の活物質内に均一に存在させることが難しい、という問題点がある。
【０００４】
このような問題点を回避して極板のオーム損を回避する方法として、格子体の質量当たりの格子体の表面積を広くしたり（例えば、特許文献１参照）、格子体の枠骨の上横枠骨部と縦桟に重点的に格子体の質量を配分して（例えば、特許文献２参照）、集電性を向上させる技術が知られている。なお、本発明に関連する技術として、耳部を折返すことにより耐振動性の向上を図る技術が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】特公平１０−１５４５１６号公報
【特許文献２】特公平５−５４８９３号公報
【特許文献３】特開平３−１３８８５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、格子体の質量当たりの格子体の表面積を広くすると、格子体の腐食により電池寿命が短くなり易い、という問題がある。また、格子体の枠骨の上横枠骨部と縦桟に重点的に格子体の質量を配分する技術では、横方向の電流の経路が枠骨の上横枠骨部に集中するため、枠骨の上横枠骨部に鋳造欠陥がある場合に、電圧特性が大きく低下し電池性能のバラツキの原因となる、という問題がある。一方、集電体材料を無制限に増やせば電圧特性が改善されるが、質量増やコスト増の問題が避けられない。また、耳部を折返す技術では、上記問題はないものの、効果が限定的である、という問題がある。
【０００７】
本発明は上記事案に鑑み、集電体の集電構造を改良することにより、質量あたりの出力特性に優れた蓄電デバイスを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、集電耳部が一体成形された集電体を使用した蓄電デバイスにおいて、前記集電耳部が１箇所または複数箇所折り返され重なった状態にあり、折り重なった前記集電耳部が溶接されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明において、折り返す前の集電耳部の幅がストラップ幅よりも幅広く、折返した後の集電耳部の幅が前記ストラップ幅より狭いことが好ましい。ストラップ幅より狭ければ、折り返さずともＣＯＳまたはバーナ溶接できる。ストラップ幅より広いとＣＯＳまたはバーナ溶接の金型に入らずストラップの溶接ができない。また、集電耳部が集電体内側に向いた方向に折り目がくるように１箇所折り返されるようにしてもよい。このような蓄電デバイスでは、正極活物質に二酸化鉛を使用し、電解液に希硫酸を使用するようにしてもよい。集電体は金属の圧延板をエキスパンド加工または打ち抜き加工したものであってもよい。また、負極活物質に海綿状鉛を使用するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、質量あたりの出力特性に優れる蓄電デバイスを提供することができる、という効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明が適用可能な蓄電デバイスの実施の形態について説明する。
【００１２】
本実施形態の蓄電デバイスでは、集電耳部が一体成形された集電体を使用しており、集電耳部が１箇所または複数箇所で折り返され重なった状態にあり、重なった前記集電耳部が溶接されている。蓄電デバイスとしては、例えば、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドニウム電池、リチウムイオン電池などの電池、キャパシタ、電池とキャパシタとのハイブリットなどを挙げることができる。なお、電池とキャパシタとのハイブリットとしては、リチウムイオンキャパシタや、正極に二酸化鉛、負極に活性炭、電解液に希硫酸を使用したセルなどを例示することができる。
【００１３】
鉛蓄電池は、上述した蓄電デバイスの中で、代表的なもののひとつであり、正極活物質に二酸化鉛、負極活物質に海綿状鉛、電解液に希硫酸を使用した構成の電池が鉛蓄電池と呼ばれる。構造的には角型電池、捲回電池、バイポーラ電池に分類される。
【００１４】
これらの蓄電デバイスの多くは、活物質、活性炭などのキャパシタ材料の保持および集電を目的とした集電体を有している。集電体は通常アルミニウム、銅、鉛、ニッケルなどの金属が用いられる。これら金属の長所は、導電率が大きいため通電時の熱損失が小さいこと、溶接性に優れること、成形しやすいことの３点である。集電体が薄いほど本発明の効果が大きい。バイポーラ構造の場合は集電体腐食の問題を避けるために導電性ゴムや金属酸化物などの比較的抵抗の大きい材料も使用される。カーボン材料は導電性が比較的高いが溶接性や成形性に劣るため一次電池以外は集電体用途に用いられることは少ない。集電体には平滑なシート、多孔質シート、格子などが用いられ、塗布、含浸、充填などの方法で活物質やキャパシタ材料と一体化される。集電体にはタブまたは耳と呼ばれる導通部（集電耳部）があり、この耳部をストラップに溶接して導通を得る。耳部の溶接方法には、バーナ溶接、キャストオンストラップ、回転摩擦圧接法、超音波溶接、スポット溶接などの手法が用いられる。
【００１５】
以下、鉛蓄電池の場合について説明する。鉛蓄電池では、鉛を原料とした格子状の集電体が用いられる。格子状集電体の製造方法には重力鋳造、連続鋳造、パンチング（打ち抜き）、エキスパンド、鍛造、粉末治金などがあり、近年は耐食性に優れた金属組織が得られることからエキスパンド格子が多くの鉛蓄電池メーカで採用されている。また、耳部の溶接には、例えば、キャストオンストラップ法が用いられる。キャストオンストラップ法とは、ストラップ金型に鉛溶湯を入れ、鉛溶湯が凝固する前に、耳部を下に向けた極板の耳部先端を浸漬し、ストラップの成形と極板との溶接を同時に行う溶接方法をいう。
【００１６】
従来のエキスパンド格子を図１、本実施形態の蓄電デバイスの耳部折り返し前のエキスパンド格子を図２に示す。図１に示す格子は、耳幅１ｃｍ、耳の下の部分の寸法が横１０ｃｍ、縦１１ｃｍ、シート厚さは一般的な負極シートの場合０．６ｍｍであり、厚さ０．６ｍｍの場合は格子質量１３ｇとなる。
【００１７】
一方、図２に示す本実施形態の格子は、図１の格子の耳部を設計変更したものであり、折り返し前の耳部幅はストラップ幅よりも広くてもかまわない。本実施形態では、図２の耳部左右両側２箇所を折り返して、図３に示すように、耳部を構成したものである。図３において、折返し部を斜線で示した。従って、折返した後の耳部の幅がストラップ幅より狭くなっている。耳部の折返しは、図４に示すように、耳部片側１箇所を折返すようにしてもよい。折返す方向としては、図４のように耳部から集電体内側に向く方向に折り目が形成される。外側に偏った位置にある耳の片側だけ折返す場合は、偏って耳が位置する方向と逆側の方向で耳を折返す方が、低抵抗が期待できるので望ましい。また、図３および図４では耳部が２重に重なるが、３重以上に重なってもよく、この場合、折りたたむ前の格子形状は、例えば、図５のようになる。本発明はエキスパンド格子以外の集電体にも適用可能であり、例えば、捲回電池の集電体は通常図６に示す形状を有しているが、本発明を適用し耳部の設計変更をすると、折返し前の集電体の形状は図７に示すようになる。
【００１８】
折り返しの方法は、例えば、図８に示すように、耳部４の中央を挟むように曲げ方向固定治具１および曲げ方向逆側固定治具２で耳部４を固定して、固定治具１、２からはみ出した部分を押さえ板３で押して固定治具１の両側に形成された斜辺に接するまで曲げる。図８の例では、固定治具１の斜辺の角度が１３５度に設定されており、この時点で耳部４の（中央を除く）両側が１３５度曲げられる。この後、固定治具１、２を外してから押さえ板３で更に押して約１８０度の位置まで曲げる。ｎ重の場合はこの操作を（ｎ−１）回繰り返す。
【００１９】
折返した後、溶接を行う。折り重なった耳の溶接に適用可能な溶接方法には、スポット溶接、シーム溶接、超音波溶接がある。スポット溶接の利点は、設備が自動化しやすく、タクトが短く、装置が比較的安価である点である。シーム溶接と超音波溶接の利点は、スポット溶接より溶接面積が大きくて電気抵抗低減効果が大きい点である。スポット溶接をする場合は、耳部の電気抵抗を小さくするため、ナゲットが重ならない限りなるべく多くの箇所で溶接する方がよい。実用上は、例えば、図９に示すように９箇所程度スポット溶接するのが適当である。ひとつの電極を移動させて複数箇所のスポット溶接をする場合、スポット溶接箇所の間を電極を移動させる工程が発生しタクトに悪影響するので、スポット溶接の電極はスポット溶接の箇所ごとに設置し、同時に多数箇所の溶接が可能な設備とするのが望ましい。多点同時スポット溶接を行う場合、溶接点ごとに独立した電極を使用する場合と、各溶接点に対応する電極が一体となった一つの電極を使用する場合が考えられる。後者の場合、電極は複数の突起部を有し、これらの突起の先端がワークを加圧した状態で電流を流し溶接が行われるが、突起部先端の磨耗のバラツキが各溶接点の加圧力のバラツキに直結するため溶接の品質の低下が問題になりやすい。従って、多点同時スポット溶接を行う場合も電極は溶接点ごとに独立し、加圧も溶接点ごとに独立して制御する設備とすることが望ましい。
【００２０】
ニッケル水素電池やニッケルカドニウム電池ではニッケルリボンをタブに使用する場合が多いが、大型の角型の産業用電池においては、集電体と集電耳部が一体となった構造を採用することが多いため、このような電池に対しては本発明を適用可能である。
【００２１】
リチウムイオン電池でも集電体と集電耳部が一体となった構造を採用することが多く、本発明を適用可能である。リチウムイオン電池は集電体がアルミニウムや銅の薄い金属箔であるため集電体の電気抵抗が大きく、本発明の効果が出やすいと思われる。
【００２２】
有機電解液系のキャパシタにおいては集電体にアルミニウム箔が用いられ、大電流を必要とする大型のキャパシタにおいては集電体と集電耳部が一体となった構造を採用することが多い。このような構造にも本発明を適用することが可能である。内部抵抗を小さくするためバイポーラ構造を採用する場合もあるが、この場合には耳部が存在しないため本発明は適用できない。
【００２３】
水系キャパシタではバイポーラ構造を採用することが多いため、そのようなキャパシタでは本発明を適用することはできないが、水系であってもバイポーラ構造が必須ではない場合には、集電体と集電耳部が一体となった構造を採用し、本発明を適用することが可能である。
【００２４】
鉛電池やリチウムイオン電池の電極とキャパシタ電極を組み合わせたハイブリッドキャパシタにおいても、同様に本発明を適用可能である。
【００２５】
複数の耳部の接合には鉛電池ではキャストオンストラップやバーナ溶接が用いられることが多いが、他の電池やキャパシタではストラップへのスポット溶接、シーム溶接、超音波溶接、レーザー溶接などの溶接が行われ、ストラップへのネジ留めも実施可能である。
【実施例】
【００２６】
以下、蓄電デバイスの具体的な実施例を、エキスパンド格子を使用した鉛蓄電池を例として、本発明を更に具体的に説明する。なお、比較のために作製した比較例の鉛蓄電池についても併記する。
【００２７】
（実施例１）
正極格子は厚さが０．６ｍｍの圧延鉛シートを図１に示したものと同じ格子配置のエキスパンド格子に加工したものを用いた。負極用格子は、厚さが０．６ｍｍの圧延鉛シートを図２と同じ格子配置のエキスパンド格子に加工した。耳部の折返し幅を図２よりも狭くした格子も作製し異なる質量の格子を作った。いずれの格子も折返し後の耳幅は１０ｍｍとなるように格子を作製した。折返した集電耳部は９箇所スポット溶接した。溶接条件は、先端曲率半径１ｍｍの電極を用い、通電時間０．１秒、電流３００Ａ、加圧力８０Ｎとした。実施例１において使用した格子の詳細を表１に示す。折り返しは左右同じ幅折返した。表１の折返し幅の値は、左右の折り返し幅の合計である。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
さらにこれらの格子の耳部を折り返した後、鉛粉ペーストの充填、熟成を行った後、キャストオンストラップ溶接を行った。いずれの格子も、耳の幅が１０ｍｍになるよう折り返した。この正極板を５枚、負極板を６枚使ったセルを貫通溶接により６セル直列接続した電池を作製し、セルに希硫酸を注液して常温の水槽中で電槽化成し電解液比重１．２８に調整した。
【００３０】
負極オーム損を評価するため、５枚の負極板の内、一番内側に位置する極板の格子の耳部上端と格子下端横骨中央に電圧測定用の鉛リード線を溶接した。出来上がった電池を１００Ａ／枚となる電流（５００Ａ）で高率放電試験を行い、上記２つのリード線間の電圧を測定した。この電圧が負極オーム損であり、負極オーム損が小さいほど、優れた極板であると評価できる。極板のオーム損が小さいということは、その極板を使った電池は電圧降下が小さく高出力となることを意味する。放電開始後５秒目の負極オーム損を図９に示す。
【００３１】
（比較例１）
比較例１では、本発明とは別の低抵抗化手法である上枠骨幅広化を実施した極板を使い、実施例１と同様に電池を作製し、試験を行った。その結果を図９中にプロットした。比較例１において作製した格子の詳細を表２に示す。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
（比較例２）
比較例２では、本発明とは別の低抵抗化手法であるシート厚さ変更を実施した極板を使い、実施例１と同様に電池を作製し、試験を行った。その結果を図９中にプロットした。比較例２において作製した格子の詳細を表３に示す。
【００３４】
【表３】
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【００３５】
実施例１は、本発明とは別の低抵抗化手法である上枠骨幅広化、シート厚さ変更を実施した比較例１と比較例２よりも同質量で比較した際に電圧降下が小さいことが分かった。以上の結果より、実施例１が優れていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は集電体の集電構造を改良することにより、質量あたりの出力特性に優れた蓄電デバイスを提供するものであるため、蓄電デバイスの製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来のエキスパンド格子の正面図である。
【図２】本発明が適用可能な実施形態の、両側２重折り返しの場合の、耳部折り返し前のエキスパンド格子の正面図である。
【図３】本発明が適用可能な実施形態の耳部折り返し後のエキスパンド格子の正面図である。
【図４】本発明が適用可能な他の実施形態の、片側２重折り返しの場合の、耳部折り返し前のエキスパンド格子の正面図である。
【図５】本発明が適用可能な別の実施形態の、片側４重折り返しの場合の、耳部折り返し前のエキスパンド格子の正面図である。
【図６】本発明を捲回電池の集電体に適用した別の実施形態の集電体の正面図である。
【図７】本発明を捲回電池の集電体に適用した別の実施形態の、耳部折り返し前の、集電体の正面図である。
【図８】格子耳部を曲げる治具を模式的に示す平面図である。
【図９】本発明の溶接箇所の例を模式的に示す説明図である。
【図１０】実施例１、比較例１、および比較例２の蓄電デバイスで使用する集電体のオーム損を示す特性線図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  曲げ方向固定治具
２  曲げ方向逆側固定治具
３  押さえ板
４  耳部（集電耳部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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