(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極端子および負極端子を持つ複数の素電池と、
針状の接続用ピンを備えたバスバーとを含む電池パックであって、
一つの素電池の正極端子は他の素電池の負極端子と前記バスバーを介して電気的に接続され、前記バスバーと前記正極端子および前記負極端子はレーザー溶接によって接合されており、前記バスバー、前記正極端子および前記負極端子の少なくとも1つが、Feを0.50質量%以下、Siを0.50質量%以下、TiとBをそれぞれ0.01質量%以上0.10質量%以下、かつTiとBを合計で0.15質量%以下含有するアルミニウム材で構成されることを特徴とする電池パック。
【請求項２】
電気の充電および放電挙動を監視制御する機能を有する制御基板をさらに含み、前記バスバーの接続用ピンと前記制御基板がハンダ付けによって接合されており、前記バスバーの全表面、または少なくとも接続用ピンの表面上に、Cu、Ag、Ni、Co、Zn、Ge、Au、PdおよびSnからなる群から選ばれた少なくとも1種の第1の金属元素からなる金属層を有することを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
【請求項３】
前記アルミニウム材は、Feを0.30質量%以下、Siを0.30質量%以下、TiとBをそれぞれ0.01質量%以上0.10質量%以下、かつTiとBを合計で0.15質量%以下含有することを特徴とする請求項１または２に記載の電池パック。
【請求項４】
正極端子および負極端子を持つ複数の素電池と、
針状の接続用ピンを備えたバスバーとを含む電池パックの製造方法であって、
一つの素電池の正極端子は他の素電池の負極端子と前記バスバーを介して電気的に接続し、前記バスバーと前記正極端子および前記負極端子をレーザー溶接によって接合する工程を含み、前記バスバー、前記正極端子および前記負極端子の少なくとも1つが、Feを0.50質量%以下、Siを0.50質量%以下、TiとBをそれぞれ0.01質量%以上0.10質量%以下、かつTiとBを合計で0.15質量%以下含有するアルミニウム材で構成されることを特徴とする電池パックの製造方法。
【請求項５】
前記電池パックが、電気の充電および放電挙動を監視制御する機能を有する制御基板をさらに含み、前記方法は、前記アルミニウム材で構成されたバスバーの接続用ピンと前記制御基板をハンダ付けによって接合する工程を含み、前記バスバーの全表面、または少なくとも接続用ピンの表面上に、Cu、Ag、Ni、Co、Zn、Ge、Au、PdおよびSnからなる群から選ばれた少なくとも1種の第1の金属元素からなる金属層を形成する工程をさらに含むことを特徴とすることを特徴とする請求項４に記載の電池パックの製造方法。
【請求項６】
前記アルミニウム材は、Feを0.30質量%以下、Siを0.30質量%以下、TiとBをそれぞれ0.01質量%以上0.10質量%以下、かつTiとBを合計で0.15質量%以下含有することを特徴とする請求項４または５に記載の電池パックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池部品ならびに電池パックおよび電池パックの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、その高エネルギー密度の特徴から、携帯電話、モバイルPCなどの電源として需要が急激に増加している。また、環境問題に対する社会的な関心が高まり、モーターアシスト自転車、自動二輪車、ハイブリッド自動車、電気自動車の普及が広がり、二次電池の性能向上に対する要求が高まっている。
【０００３】
ところで、二次電池の性能、信頼向上を実現するためには、二次電池を構成する部材自体の強度および電気伝導率、ならびにこれら各部材の接合部位の接合強度、信頼性の確保が必要不可欠である。一般に二次電池を構成する正極および負極は、電解液との反応抑制、電気抵抗の低減などの観点から、純アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミニウム材が用いられている。一方、充電または放電の際に電気を導通した板状のバスバーには、強度、電気伝導率、正極および負極との接合性などの観点からアルミニウム材が採用されている。
【０００４】
なお、一般に金属組織が粗大になるほど強度が低下する傾向があるため、高い強度を得るためには出来るだけ微細な金属組織を得ることが望ましい。一方で、金属組織が微細化するほど電気伝導率および熱伝導率が低下する傾向がある。アルミニウム材には主な不純物としてFe、Siが含まれているが、Fe、Siの含有量を小さく抑えることによって鋳造組織が粗大化する結果、加工性、溶接性、電気伝導率、熱伝導率、耐食性を向上させることができるものの、機械的強度が低下する。一方、Fe、Siの含有量または合金元素の含有量を小さく抑えた材料に対して塑性加工を行うことによって高い強度を得ることもできるが、塑性加工に伴う歪みによって、電気伝導率や熱伝導率が低下すること、その後の成形加工が困難になること、高温の使用環境では再結晶による軟化する傾向があることなどの問題が生ずる。
【０００５】
非特許文献1では、電池パックの製造にあたり、電極炭素と、アルミニウム材からなるバスバーとをレーザー溶接することによって接合している。しかしながら、従来のアルミニウム材で構成された電池部品をレーザー溶接すると、溶融したアルミニウム材の接合部位において、凝固時の核生成サイトとしてのAl(Fe)、Al(Fe、Si)金属間化合物が少なくなり、凝固組織が粗大化する。その結果、接合過程に生じた熱応力により、結晶粒界に沿って割れが発生する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】小杉伸一郎、高見則雄、本多啓三「HEV用新型二次電池SCiB電池パック」、東芝レビュー、Vol.64, No.6, Page 44-47 (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記の課題を解決するためなされたものであり、機械的強度を維持しながら、電気伝導率、熱電気伝導率、耐食性、加工性を併せ持つ電池部品を提供し、これらの電池部品の接合部位に十分な機械的強度、信頼性を確保し、高性能、高信頼性の電池パックおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【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鋭意検討した結果、本発明者らは、不純物であるFe、Siの量を制限し、TiおよびBを特定の量で含有するアルミニウム材を用いることによって、Al(Ti-B)や(Ti-B)金属間化合物が凝固核となって鋳造組織および結晶粒が微細化し、その結果、電気伝導率と熱伝導率を犠牲にすることなく、高い機械的強度を得ることができる。また、このようなアルミニウム材を用いることによって、微小区間に高エネルギーが集中し、大きな熱応力を生じるレーザー溶接のような加工を経た後でさえも、一度溶融したアルミニウム材の凝固組織や結晶粒が微細な状態のままで維持され、高い電気・熱伝導率と高い機械的強度を兼備した接合構造を得ることができる。それによって、電気伝導率と熱伝導率を犠牲にすることなく、高い機械的強度を有するアルミニウム製の電池部品を得るに至った。
【００１０】
本発明の一つの側面によれば、正極端子および負極端子を持つ複数の素電池と、針状の接続用ピンを備えたバスバーとを含む電池パックであって、一つの素電池の正極端子は他の素電池の負極端子と前記バスバーを介して電気的に接続され、前記バスバーと前記正極端子および前記負極端子はレーザー溶接によって接合されており、前記バスバー、前記正極端子および前記負極端子の少なくとも1つが、Feを0.50質量%以下、Siを0.50質量%以下、TiとBをそれぞれ0.01質量%以上0.10質量%以下、かつTiとBを合計で0.15質量%以下含有するアルミニウム材で構成されることを特徴とする電池パックが提供される。
【００１１】
本発明の一つの側面によれば、正極端子および負極端子を持つ複数の素電池と、針状の接続用ピンを備えたバスバーとを含む電池パックの製造方法であって、一つの素電池の正極端子は他の素電池の負極端子と前記バスバーを介して電気的に接続し、前記バスバーと前記正極端子および前記負極端子をレーザー溶接によって接合する工程を含み、前記バスバー、前記正極端子および前記負極端子の少なくとも1つが、Feを0.50質量%以下、Siを0.50質量%以下、TiとBをそれぞれ0.01質量%以上0.10質量%以下、かつTiとBを合計で0.15質量%以下含有するアルミニウム材で構成されることを特徴とする電池パックの製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、機械的性質、電気伝導率、熱伝導率、耐食性、加工性などを兼備した電池部品を提供し、これらの接合部位に十分な強度、信頼性を確保し、高性能、高信頼性の電池パックを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、電極群の内部構造を示す図である。
【図２】図２は、図１の電極群の断面図である。
【図３】図３は、図１の電極群を収容した素電池である。
【図４】図４は、図３の素電池の断面図である。
【図５】図５は、本発明の一つの態様による電池パックを示す分解斜視図である。
【図６】図６は、図５の部分拡大図である。
【図７】図７は、図５の電池パックを上方から視た平面図である。
【図８】図８は、図５の電池パックの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明では、添加元素の含有量、特にFe、Si、TiおよびBの含有量を調節したアルミニウム材を用いることを一つの特徴とする。ここでアルミニウム材は、微量の添加元素を含み得るが実質的にアルミニウムで構成されるものであって、いわゆる純アルミニウムと称されるもの、およびアルミニウム合金と称されるものを含む。
【００１５】
純アルミニウムは、具体的にはJIS規格で定められた1050、1070、1080および1100アルミニウムなどである。アルミニウム合金は、具体的には2024、5052、5086および7N71アルミニウムなどである。
【００１６】
さらに本発明のアルミニウム材は、Feを0.50質量%以下、Siを0.50質量%以下、TiとBをそれぞれ0.01質量%以上0.10質量%以下、かつTiとBを合計で0.15質量%以下含み、好ましくは、Feを0.30質量%以下、Siを0.30質量%以下、TiとBをそれぞれ0.01質量%以上0.10質量%以下、かつTiとBを合計で0.15質量%以下含む。
【００１７】
本発明において、上記アルミニウムまたはアルミニウム合金中に不可避的に含まれるFeおよびSiの量をそれぞれ0.50質量%以下に抑制している。これにより、アルミニウムまたはアルミニウム合金の溶接性、電気伝導率が向上するが、接合強度が低下する傾向にある。そこで、本発明では、かかるアルミニウムまたはアルミニウム合金に、TiとBを、それぞれ0.01質量%以上、0.10質量%以下の割合で、かつTiとBの合計が0.15質量%以下となるように添加して、接合強度の向上を図っている。
【００１８】
アルミニウムまたはアルミニウム合金中の、Fe、Si、TiおよびBの量は、それ自体当該分野でよく知られた方法で調節することができる。例えば、FeおよびSiの含有率がそれぞれ0.50質量%以下のアルミニウムまたはアルミニウム合金を選び、これにTiおよびBを高濃度で含有させて母合金を作り、この母合金と別のアルミニウムまたはアルミニウム合金とを所定の割合で溶融することによって、本発明のアルミニウム(またはアルミニウム合金)材を製造することができる。
【００１９】
本発明のアルミニウム材により作製される電池部品は、具体的には集電体、電極タブ、電池容器、正極端子、負極端子、および/または正極端子と負極端子を電気的に接続するバスバーなどである。バスバーは一般に板状の形状を持つ。
【００２０】
また、本発明の他の側面によれば、本発明のアルミニウム材で構成される電池部品を用いた電池パックが提供される。
【００２１】
電池パックは、複数の素電池を電気的に接続し、適宜ケースに収容したものである。素電池は、ニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池などの本体である電極群を電池容器内に収容し、電極群からの電流を取出す正極端子および負極端子を設けたものである。
【００２２】
一つの素電池の正極は、他の素電池の負極とバスバーを介して電気的に接続され、正極および負極とバスバーは溶接によって接合される。溶接方法はアーク溶接、超音波溶接、レーザー溶接などであり、特にレーザー溶接が好ましい。
【００２３】
一方、本発明の電池パックは、電気の充電および放電挙動を監視制御する機能を有する制御基板をさらに含み得る。制御基板は絶縁材上にCu、Ni、Au等の金属製回路を形成したものであり、ハンダ付けによってバスバーと接合される。
【００２４】
ここで、ハンダの濡れ性を向上させて良好な接合強度を得る目的で、本発明のアルミニウム材で構成されるバスバーの全表面または少なくとも接合部の表面上に、Cu、Ni、Co、Zn、Ge、Au、PdおよびSnからなる群の中から選ばれる少なくとも1種の第1の金属元素からなる金属層を形成することができる。
【００２５】
金属層は、単層であっても、2層以上の積層であってもよい。金属層の厚さに特に制限はないが、0.1〜500μmであることが好ましい。金属層の厚さが0.1μm未満であると、効果が不十分であるおそれがあり、また、500μmを超える厚さは不経済である。特に金属層が単層である場合、0.1〜100μmの厚さが好ましく、1μm〜10μmの厚さがより好ましい。金属層は、バスバーの全表面上に形成してもよいし、制御基板との接合領域の表面上のみに形成してもよい。
【００２６】
金属層は、無電解メッキ、電気メッキ、物理的気相体積(PVD)(蒸着)、化学気相体積(CVD)などの方法により形成することができる。
【００２７】
バスバーと制御基板を接合するハンダは、例えばSn系ハンダである。Sn系ハンダは、少なくとも1種の第1の金属元素と固溶体または金属間化合物を形成し得る少なくとも1種の第2の金属元素を含むことが好ましい。この第2の金属元素は、Cu、Ag、In、Bi、CoおよびTiおよびそれらの組み合わせからなる群より選択される。また、第2の金属元素は、金属層に含まれる第1の金属元素と固溶体または金属間化合物を形成し得る量で配合される。
【００２８】
上述のように、金属層は、2層以上の多層構造を取り得るが、その場合、Sn系ハンダと接する層は、第1の金属元素の中でも、Sn系ハンダ中の金属元素と固溶体または金属間化合物をより一層形成しやすい金属元素、例えば、Niおよび/またはCoで形成することができる。
【００２９】
ところで、先に述べたように、Sn系ハンダに好ましく含まれる第2の金属元素は、第1の金属元素と固溶体または金属間化合物を形成し得る金属元素であるから、使用する第1の金属元素とは異種の金属元素であるが、かかる異種金属元素に加えて、第1の金属元素と同種の金属元素を含むことができる。すなわち、使用するSn系ハンダは、第2の金属元素として、第1の金属元素とは異種の(第１の金属元素と固溶体または金属間化合物を形成し得る)金属元素を必ず含み、かかる異種金属に加えて、第1の金属元素と同種の金属元素を含み得る。Sn系ハンダは、第1の金属元素とは異種の(第1の金属元素と固溶体または金属間化合物を形成し得る)第2の金属元素と、残部のSn(および不可避不純物)とからなるか、第1の金属元素とは異種の(第1の金属元素と固溶体または金属間化合物を形成し得る)第2の金属元素と、第1の金属元素と同種の第2の金属元素と残部のSn(および不可避不純物)とからなることができる。
【００３０】
固溶体または金属間化合物を形成し得る第1の金属元素と第2の金属元素の組合わせを以下の表1に示す。
【表１】
0005542472.tif 000002
【００３１】
Sn系ハンダが、第1の金属元素とは異種の第2の金属元素を複数種含む場合、該第2の金属元素のそれぞれが第1の金属元素と固溶体または金属間化合物を形成し得るものであることが特に好ましい。
【００３２】
例えば第1の金属元素がCu、Ni、Co、Zn、Ge、Au、Pdおよび/またはSnである場合、Cu、CoおよびTiからなる群より選択される少なくとも1種の第2の金属元素を含有し、残部がSn(および不可避不純物)からなるSn系ハンダ、具体的にはCu-Sn系ハンダ(0.7重量%Cuおよび残部のSn；融点227℃)、Cu-Co-Sn系ハンダ(0.7重量%のCu、0.2重量%のCoおよび残部のSn；融点217.5℃)、またはCu-Co-Ti-Sn系ハンダ(例えば0.3〜1.2重量%Cu、0.01〜1重量%Co、0.01〜1重量%Tiおよび残部のSn、好ましくは0.5〜0.7重量%Cu、0.1〜0.3重量%Co、0.1〜0.3重量%Tiおよび残部のSn)などが適切である。
【００３３】
例えば第1の金属元素がZn、Ge、Au、Pdおよび/またはSnである場合、Cu、Ag、CoおよびTiからなる群より選択される少なくとも1種の第2の金属元素を含有し、残部がSn(および不可避不純物)からなるSn系ハンダ、具体的にはCu-Ag-Co-Ti-Sn系ハンダ(例えば0.3〜1.2重量%Cu、0.3〜4.0重量%Ag、0.01〜1.0重量%Co、0.01〜1.0重量%Tiおよび残部のSn、好ましくは0.5〜0.7重量%Cu、3.0〜3.5重量%Ag、0.1〜0.3重量%Co、0.1〜0.3重量%Tiおよび残部のSn)などが適切である。
【００３４】
例えば第1の金属元素がAu、Pdおよび/またはSnである場合、Cu、Ag、In、CoおよびTiからなる群より選択される少なくとも1種の第2の金属元素を含有し、残部がSn(および不可避不純物)からなるSn系ハンダ、具体的にはCu-Ag-In-Co-Ti-Sn系ハンダ(例えば0.3〜1.2重量%Cu、0.3〜4.0重量%Ag、2.0〜6.0重量%In、0.01〜1.0重量%Co、0.01〜1.0重量%Tiおよび残部のSn、好ましくは0.5〜0.7重量%Cu、3.0〜3.5重量%Ag、4.0〜5.2重量%In、0.1〜0.3重量%Co、0.1〜0.3重量%Tiおよび残部のSn)などが適切である。
【００３５】
例えば第1の金属元素がPdおよび/またはSnである場合、Cu、Ag、Bi、CoおよびTiからなる群より選択される少なくとも1種の第2の金属元素を含有し、残部がSn(および不可避不純物)からなるSn系ハンダ、具体的にはCu-Ag-Bi-Co-Ti-Sn系ハンダ(例えば0.3〜1.2重量%Cu、0.3〜4.0重量%Ag、2.0〜6.0重量%Bi、0.01〜1.0重量%Co、0.01〜1.0重量%Tiおよび残部のSn、好ましくは0.5〜0.7重量%Cu、3.0〜3.5重量%Ag、4.0〜5.0重量%Bi、0.1〜0.3重量%Co、0.1〜0.3重量%Tiおよび残部のSn)などが適切である。
【００３６】
すなわち本発明の電池パックは、一つの素電池の正極端子を他の素電池の負極端子と、本発明のアルミニウムで構成されるバスバーを介して電気的に接続し、正極端子および負極端子とバスバーを溶接することによって得ることができる。また、本発明の電池パックは制御基板を含んでもよく、このような電池パックは、本発明のアルミニウムで構成されるバスバーの表面に存在する酸化被膜をエッチング等により除去し、酸化被膜を除去されたバスバーの全表面または少なくとも接合部の表面上に、Cu、Ag、Ni、Co、Zn、Ge、Au、PdおよびSnからなる群から選ばれた少なくとも1種の第1の金属元素からなる金属層を形成し、このバスバーと制御基板をハンダ付けによって接合することにより得ることができる。
【００３７】
以下、図を参照して本発明をより具体的に説明する。
【００３８】
図１は、電極群の内部構造を示す図であり、図２は、図１の電極群の断面図である。また、図３は、図１の電極群を収容した素電池であり、図４は、図３の素電池の断面図である。ここでは、後述する正極集電体1a、負極集電体2a、正極タブ3、負極タブ4、電池容器20、封口体30、バスバー55、正極端子56および負極端子57のうちの少なくとも1つ、好ましくは全部を、本発明のアルミニウム材で構成することができるが、これらに限定されるわけではない。
【００３９】
図３及び図４に示すように、素電池52は、電極群7、電池容器20、封口体30、安全弁35、および電解液(図示せず)を備えている。素電池の形状は、扁平な角型である。
【００４０】
電極群7は、図１に示すように、正極1と負極2がその間にセパレータ8を介在させながら扁平もしくは円筒の渦巻き状に捲回された後、プレスにより所望の扁平形状にすることにより得られる。図２に示すように、正極1は、帯状の正極集電体1aと、正極集電体１aの両面に形成された活物質含有層1bとを有する。活物質含有層1bは、正極活物質、導電剤及び結着剤を含むことができる。一方、負極2は、帯状の負極集電体2aと、負極集電体2aの両面に形成された活物質含有層2bとを有する。活物質含有層2bは、負極活物質、導電剤及び結着剤を含むことができる。
【００４１】
複数の正極タブ3は、正極1の正極集電体の複数箇所にそれぞれ電気的に接続されている。複数の負極タブ4は、負極2の負極集電体の複数箇所にそれぞれ電気的に接続されている。
【００４２】
図３及び図４に示すように、電池容器20は、有底矩形筒状に形成されている。より詳しくは、電池容器20は、矩形枠状であり、一端が開口し、他端が閉塞されている。電池容器20は、電極群７を収容している。なお、図示しないが、電池容器20の他端側である電池容器20の底部の内面に、絶縁体が配置されている。
【００４３】
封口体30は、矩形板状に形成されている。封口体30は、電池容器20の開口に対応したサイズに形成されている。封口体30は、電池容器20の開口に、例えばレーザー溶接により気密に接合されている。封口体30は、電池容器20の開口を閉塞(封止)するものである。
【００４４】
封口体30は、一部が開口してなる注入口31を有している。このため、注入口31から電池容器20内に電解液を注入することができる。なお、電解液を注入した後、注入口31は、封止材32により封止されている。電解液は、電極群7に浸透し、電極群7によって保持されている。封口体30には、負極端子10及び正極端子11が取付けられている。
【００４５】
負極端子10は、樹脂等の絶縁材33を介してかしめにより封口体30に取付けられている。負極端子10は、封口体30と電気的に絶縁されている。ここで、負極タブ4は、束ねられて負極端子10に電気的に接続されている。負極2は、負極タブ4を介して負極端子10と電気的に接続されている。なお、負極端子10は、封口体30にガラス等の絶縁材を介在するハーメチックシールにより取付けられていてもよい。
【００４６】
正極端子11は、封口体30に直に取付けられている。正極端子11は、封口体30に電気的に接続されている。ここで、正極タブ3は束ねられて封口体30に電気的に接続されている。正極1は、正極タブ3を介して正極端子11と電気的に接続されている。
【００４７】
安全弁35は、封口体30に形成されている。ここでは、安全弁35は封口体30の一部を薄くして形成されている。安全弁35は、素電池内部(電池容器20及び封口体30で密閉された領域)の圧力によって作動するものであり、素電池内部の圧力が上昇し、圧力が特定値を超えたとき、開裂し、素電池の破裂を防止するものである。
【００４８】
一方、図５は本発明の電池パック51の分解斜視図である。図６は図５の部分拡大図であり、図７は図５の電池パック51を真上から見た図である。また、図８は、図５の電池パック51の断面図である。
【００４９】
図５〜８において、電池パック51は複数の素電池52を含む。一つの素電池の正極56は他の素電池の負極57と本発明のアルミニウム材からなるバスバー55を介して電気的に直列に接続されており、一連の電気的接続の両端に位置する素電池の正極または負極のうちの一方は、バスバーと接続されていない状態で存在している。この両端の素電池の正極または負極を電気機器と接続して使用する。バスバー55は、平板の中央に逆U字型の構造を形成した形状にあり、中央の逆U字型の湾曲部553と、湾曲部553を挟んで両側に存在する平面部552とを持ち、平面部552の中央部には正極端子56または負極端子57を嵌合するための開口部554が設けられている。さらにバスバー55は、平面部552から垂直にせり出した針状の本発明のアルミニウム製接続用ピン551を持つ。正極端子56および負極端子57とバスバーの開口部554の周縁とがレーザー溶接され、接合部56aおよび57aを形成している。これらの素電池52は電池ケース54の中に収容されており、電池ケース54の上には、正極端子56、負極端子57およびバスバー55(551)の一部が露出する窓が形成された電池カバー53が被せられている。電池パック51の上面には制御基板58が取付けられる。制御基板58には接続用ピン551を嵌合する孔581が形成されている。また制御基板58の表面上には金属(例えばCu、Ni、Au)製の回路(図示せず)が形成されている。バスバー55の全表面、または少なくともバスバーの接続用ピン551には、先述した本発明の金属層(図示せず)が形成され、制御基板58の回路部と、孔581と嵌合されたバスバーの接続用ピン551とが、ハンダ接合部59を介して接続されている。
【００５０】
本発明のアルミニウム材からなる電池部品は微細な金属組織を有し、高い強度かつ良好な電気伝導率を示す。また、レーザー溶接によって接合された後にも微細な金属組織を維持し、強度および電気伝導率を損なうことがない。さらに本発明の電池部品を用いることで、高性能、高信頼性の電池パックが得られる。
【００５１】
次に、本発明を実施例および比較例により説明する。
【実施例】
【００５２】
[実施例１]
図６に示すように、Feを0.15質量%、Siを0.15質量%、Mgを2.5重量%、Crを0.3重量%含有する5052アルミニウム合金にTiを0.10質量%およびBを0.05質量%添加することによって調製されたアルミニウム材からなる正極端子56および負極端子57と、Feを0.15質量%、Siを0.15質量%含有する1070アルミニウム合金にTiを0.10質量%およびBを0.05質量%添加することによって調製されたアルミニウム材からなるバスバー55とをレーザー溶接によって接合し、接合部57aおよび57bを形成した。
【００５３】
次に、予め表面上に厚さ約3μmの無電解Cuめっきを施した後、さらに厚さ約1μmのCu電気めっきを施し、Cuからなる金属層を形成したバスバーの接続用ピン551と制御基板58をCu-Co-Ti-Sn系ハンダ(0.7質量%Cu、0.2質量%Co、0.1質量%Tiおよび残部のSn)ハンダを用いて接合し、ハンダ接合部59を形成した。
【００５４】
得られたバスバーの電気伝導率が63 %IACSであり、接合部57aおよび57bの接合強度は83 MPaであった。また、接合部57aおよび57bの断面組織における、求積法により求めた平均結晶粒径が10〜20μmであり、レーザー溶接による熱応力割れの発生がなかった。
【００５５】
ハンダ接合部59の接合強度は55 MPaであり、引張破壊はハンダ層内で発生した。
【００５６】
このようにして、バスバーの高い電気伝導率を確保しながら、正極・負極との接合強度および制御基板との接合強度を十分に高めることができた。
【００５７】
[実施例２]
図６に示すように、Feを0.15質量%、Siを0.15質量%、Mgを2.5重量%、Crを0.3重量%含有する5052アルミニウム合金にTiを0.10質量%およびBを0.05質量%添加することによって調製されたアルミニウム材からなる正極端子56および負極端子57と、Feを0.25質量%、Siを0.15質量%含有する1070アルミニウム合金にTiを0.08質量%およびBを0.02質量%添加することによって調製されたアルミニウム材からなるバスバー55とをレーザー溶接によって接合し、接合部57aおよび57bを形成した。
【００５８】
次に、予め表面上に厚さ約3μmの無電解Niめっきを施した後、さらに厚さ約1μmのNi電気めっきを施し、Niからなる金属層を形成したバスバーの接続用ピン551と制御基板58をCu-Ag-Co-Ti-Sn系ハンダ(0.5質量%Cu、3.0質量%Ag、0.2質量%Co、0.1質量%Tiおよび残部のSn)ハンダを用いて接合し、ハンダ接合部59を形成した。
【００５９】
得られたバスバーの電気伝導率が62 %IACSであり、接合部57aおよび57bの接合強度は85 MPaであった。また、接合部57aおよび57bの断面組織における、求積法により求めた平均結晶粒径が10〜20μmであり、レーザー溶接による熱応力割れの発生がなかった。
【００６０】
ハンダ接合部59の接合強度は52 MPaであり、引張破壊はハンダ層内で発生した。
【００６１】
このようにして、バスバーの高い電気伝導率を確保しながら、正極・負極との接合強度および制御基板との接合強度を十分に高めることができた。
【００６２】
[実施例３]
図６に示すように、Feを0.15質量%、Siを0.15質量%、Mgを2.5重量%、Crを0.3重量%含有する5052アルミニウム合金にTiを0.10質量%およびBを0.05質量%添加することによって調製されたアルミニウム材からなる正極端子56および負極端子57と、Feを0.05質量%、Siを0.05質量%含有する1070アルミニウム合金にTiを0.07質量%およびBを0.03質量%添加することによって調製されたアルミニウム材からなるバスバー55とをレーザー溶接によって接合し、接合部57aおよび57bを形成した。
【００６３】
次に、予め表面上に厚さ約3μmの無電解Co めっきを施した後、さらに厚さ約1μmのCo電気めっきを施し、Coからなる金属層を形成したバスバーの接続用ピン551と制御基板58をCu-Ag-In-Ti-Sn系ハンダ(0.7質量%Cu、3.0質量 Ag、4.0質量%In、0.1質量%Tiおよび残部のSn)ハンダを用いて接合し、ハンダ接合部59を形成した。
【００６４】
得られたバスバーの電気伝導率が64 %IACSであり、接合部57aおよび57bの接合強度は80 MPaであった。また、接合部57aおよび57bの断面組織における、求積法により求めた平均結晶粒径が10〜20μmであり、レーザー溶接による熱応力割れの発生がなかった。
【００６５】
ハンダ接合部59の接合強度は48 MPaであり、引張破壊はハンダ層内で発生した。
【００６６】
このようにして、バスバーの高い電気伝導率を確保しながら、正極・負極との接合強度および制御基板との接合強度を十分に高めることができた。
【００６７】
[比較例１]
Feを0.80質量%およびSiを0.20質量%含有するように調製されたアルミニウム材からなる正極端子56および負極端子57と、この正極端子および負極端子と同じアルミニウム材で作られたバスバーとをレーザー溶接によって接合し、実施例１と同じように接合部57aおよび57bを形成した。
【００６８】
さらに、実施例２と同じ手順でハンダ接合部59を形成した。
【００６９】
得られたバスバーの電気伝導率が58 %IACSであり、接合部57aおよび57bの接合強度は60 MPaであった。また、接合部57aおよび57bの断面組織における、求積法により求めた平均結晶粒径が40〜50μmであり、レーザー溶接による熱応力割れは結晶粒界に沿って発生した。ハンダ接合部59の接合強度は52 MPaであり、引張破壊はハンダ層内で発生した。
【００７０】
ハンダ接合部59の接合強度は十分に確保することができたものの、バスバーおよびハンダ接合部59の電気伝導率が低かった。また正極・負極端子との接合部において、結晶粒の粗大化および凝固ボイド欠陥の生成により十分な接続強度を得ることができなかった。
【００７１】
[比較例２]
Feを0.30質量%およびSiを0.70質量%含有するように調製されたアルミニウム材を用いた以外は、比較例１と同じ手順で接合部57aおよび57b、ならびに接合部59を形成した。
【００７２】
得られたバスバーの電気伝導率が58 %IACSであり、接合部57aおよび57bの接合強度は60 MPaであった。また、接合部57aおよび57bの断面組織における、求積法により求めた平均結晶粒径が40〜50μmであり、レーザー溶接による熱応力割れは結晶粒界に沿って発生した。ハンダ接合部59の接合強度は52 MPaであり、引張破壊はハンダ層内で発生した。
【００７３】
ハンダ接合部59の接合強度は十分に確保することができたものの、バスバーおよびハンダ接合部59の電気伝導率が低かった。また正極・負極端子との接合部において、結晶粒の粗大化および凝固ボイド欠陥の生成により十分な接続強度を得ることができなかった。
【００７４】
[比較例３]
Feを0.80質量%およびSiを0.20質量%含有するように調製されたアルミニウム材からなるバスバーに対して、350℃で2時間の熱処理を行った。その後、比較例１と同じ手順で接合部57aおよび57b、ならびに接合部59を形成した。
【００７５】
得られたバスバーの電気伝導率が61 %IACSであり、接合部57aおよび57bの接合強度は60 MPaであった。また、接合部57aおよび57bの断面組織における、求積法により求めた平均結晶粒径が40〜50μmであり、レーザー溶接による熱応力割れは結晶粒界に沿って発生した。ハンダ接合部59の接合強度は45 MPaであり、引張破壊はバスバー母材内で生じた。
【００７６】
ハンダ接合部59の電気伝導率は十分に確保することができたものの、ハンダ接合部59の接合強度が低かった。また正極・負極端子との接合部において、結晶粒の粗大化および凝固ボイド欠陥の生成により十分な接続強度を得ることができなかった。さらに、熱処理によってバスバー自体の電気伝導率を向上させることができたが、バスバー自体の強度は低下した。
【００７７】
[比較例４]
Feを0.30質量%およびSiを0.70質量%含有するように調製されたアルミニウム材からなるバスバーに対して、350℃で2時間の熱処理を行った。その後、比較例１と同じ手順で接合部57aおよび57b、ならびに接合部59を形成した。
【００７８】
得られたバスバーの電気伝導率が61 %IACSであり、接合部57aおよび57bの接合強度は60 MPaであった。また、接合部57aおよび57bの断面組織における、求積法により求めた平均結晶粒径が40〜50μmであり、レーザー溶接による熱応力割れは結晶粒界に沿って発生した。ハンダ接合部59の接合強度は45 MPaであり、引張破壊はバスバー母材内で生じた。
【００７９】
ハンダ接合部59の電気伝導率は十分に確保することができたものの、ハンダ接合部59の接合強度が低かった。また正極・負極端子との接合部において、結晶粒の粗大化および凝固ボイド欠陥の生成により十分な接続強度を得ることができなかった。さらに、熱処理によってバスバー自体の電気伝導率を向上させることができたが、バスバー自体の強度は低下した。
【００８０】
[結果の考察]
実施例１〜３と比較例１〜４を以下の表２に纏める。
【表２】
0005542472.tif 000003
【００８１】
すなわち本発明の正極端子、負極端子およびバスバーを用いた場合、従来の電池部品と比較して、バスバー自体の電気伝導率、ならびに接合部の強度および電気伝導率の全てにおいて優れた性能を示すことが明らかとなった。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[１]  Feを0.50質量%以下、Siを0.50質量%以下、TiとBをそれぞれ0.01質量%以上0.10質量%以下、かつTiとBを合計で0.15質量%以下含有するアルミニウム材で構成されることを特徴とする電池部品。
[２]  Feを0.30質量%以下、Siを0.30質量%以下、TiとBをそれぞれ0.01質量%以上0.10質量%以下、かつTiとBを合計で0.15質量%以下含有するアルミニウム材で構成されることを特徴とする[１]の電池部品。
[３]  前記電池部品が、バスバー、正極端子および負極端子のうちの少なくとも1つであることを特徴とする[１]または[２]の電池部品。
[４]  正極端子および負極端子を持つ複数の素電池と、
針状の接続用ピンを備えたバスバーとを含む電池パックであって、一つの素電池の正極端子は他の素電池の負極端子と前記バスバーを介して電気的に接続され、前記バスバーと前記正極端子および前記負極端子は溶接によって接合されており、前記バスバー、前記正極端子および前記負極端子の少なくとも1つが、Feを0.50質量%以下、Siを0.50質量%以下、TiとBをそれぞれ0.01質量%以上0.10質量%以下、かつTiとBを合計で0.15質量%以下含有するアルミニウム材で構成されることを特徴とする電池パック。
[５]  前記溶接がレーザー溶接であることを特徴とする[４]の電池パック。
[６]  電気の充電および放電挙動を監視制御する機能を有する制御基板をさらに含み、前記バスバーの接続用ピンと前記制御基板がハンダ付けによって接合されており、前記バスバーの全表面、または少なくとも接続用ピンの表面上に、Cu、Ag、Ni、Co、Zn、Ge、Au、PdおよびSnからなる群から選ばれた少なくとも1種の第1の金属元素からなる金属層を有することを特徴とする[４]または[５]の電池パック。
[７]  正極端子および負極端子を持つ複数の素電池と、
針状の接続用ピンを備えたバスバーとを含む電池パックの製造方法であって、一つの素電池の正極端子は他の素電池の負極端子と前記バスバーを介して電気的に接続し、前記バスバーと前記正極端子および前記負極端子を溶接によって接合する工程を含み、前記バスバー、前記正極端子および前記負極端子の少なくとも1つが、Feを0.50質量%以下、Siを0.50質量%以下、TiとBをそれぞれ0.01質量%以上0.10質量%以下、かつTiとBを合計で0.15質量%以下含有するアルミニウム材で構成されることを特徴とする電池パックの製造方法。
[８]  前記溶接がレーザー溶接であることを特徴とする[７]の製造方法。
[９]  前記電池パックが、電気の充電および放電挙動を監視制御する機能を有する制御基板をさらに含み、前記方法は、前記アルミニウム材で構成されたバスバーの接続用ピンと前記制御基板をハンダ付けによって接合する工程を含み、前記バスバーの全表面、または少なくとも接続用ピンの表面上に、Cu、Ag、Ni、Co、Zn、Ge、Au、PdおよびSnからなる群から選ばれた少なくとも1種の第1の金属元素からなる金属層を形成する工程をさらに含むことを特徴とすることを特徴とする[７]または[８]の製造方法。
【符号の説明】
【００８２】
1:正極、1a:正極集電体、2:負極、2a:負極集電体、3:正極タブ、4:負極タブ、7:電極群、8:セパレータ、10:負極端子、11正極端子、20:電池容器、30:封口体、31:注入口、32:封止材、33:絶縁材、35:安全弁、51:電池パック、52:素電池、53:電池カバー、54:電池ケース、55:バスバー、551:接続用ピン、552:平面部、553:湾曲部、554:開口部、56:正極端子、57:負極端子、56a:正極端子とバスバーの接合部、57a:負極端子とバスバーの接合物、58:制御基板、581:孔、59:ハンダ接合部
【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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