(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状電極板が積層した構造を有する電池の電極体と、該電極体に重ね合わされた電流取り出し端子と、に超音波振動を付与して、該電極体の該シート状電極板同士および該電極体と該電流取り出し端子とを接合させる電池の電極体の接合方法であって、
該電流取り出し端子は、該電極体との重ね合わせ部に突出した突起部を有し、該突起部は重ね合わされた部分の該電極体の厚さと略同一の高さを有し、該突起部が該電極体を押圧した状態で超音波振動が付与されることを特徴とする電池の電極体の接合方法。
【請求項２】
前記電極体は、表面に正極活物質が付与されたシート状正極板、表面に負極活物質が付与されたシート状負極板を積層あるいは巻回して形成されている請求項1記載の電池の電極体の接合方法。
【請求項３】
前記突起部は、錐状に形成された請求項1または2記載の電池の電極体の接合方法。
【請求項４】
前記電極体を構成する前記シート状部材および前記電流取り出し端子は、アルミ、銅、ニッケル、ステンレス鋼より選ばれる金属を主成分とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の電池の電極体の接合方法。
【請求項５】
前記電極体を構成する前記シート状正極板、前記シート状負極板には各前記活物質が塗布されていない未塗布部を有しており、前記電流取り出し端子は、該未塗布部の積層部分にて該電極体に接合されている請求項2〜4のいずれか1つに記載の電池の電極体の措合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シート状部材が積層された積層体と被接合部材とを超音波接合法により接合する積層体の接合方法に関する。特に、電池における電極板と電流取り出し端子との接合に用いられる接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車用バッテリー等に用いられる電池においても、高性能化が求められている。具体的には、自動車用バッテリーの高出力化および高エネルギー密度化が要求されており、この要求を満たす二次電池として、ニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池をあげることができる。
【０００３】
また、このような二次電池は、密閉された電池ケースの中に、正極および負極が対向して配置された電極体を有している。この二次電池は、対向して配置された正極および負極の間に電極反応が生じ、正極および負極のそれぞれに電気的に接続された外部端子を用いて電流を取り出している。さらに、電極体は、電池の電流密度を向上させるために、電極板面積を広くとることが求められ、シート状の正極板および負極板とをお互いに対向した状態で積層あるいは、巻回させた電極体としている。
【０００４】
ここで、従来の小型二次電池においては、正極および負極よりなる電極体と、外部端子との接続は、電極板にもうけられた細いタブ（１本）を接合することでなされていた。
【０００５】
しかし、自動車用バッテリーのように大電流が求められる電池においては、タブ数を増やすことで電流を効率よく取り出す構造や、積層あるいは巻回された電極体の電極板に活物質の未塗布部をもうけ、この未塗布部をまとめて直接端子に接合する等の方法により、高性能化が進められている。このような高性能化の手段において、電極と端子との接続には、超音波による接合が、広い面積を短時間で接合させる方法として多く用いられている。
【０００６】
しかし、シート状電極板の多層体と電流取り出しの端子との超音波接合においては、電極板の各層および電流取り出し端子を一体的に接合する上で、電極板の積層枚数の増加に応じて接合時に付与される超音波エネルギーを高出力化させる必要があった。しかし、高出力域での条件により接合状態を満足しようとした場合、接合部および接合部周辺に過大なストレスを与えてしまい、電極体を構成するシート状の電極板が強度不足により破れてしまうという問題を有していた。
【０００７】
特に、リチウムイオン二次電池の場合には、電極板および電流取り出し端子にアルミ、銅が一般的に用いられるが、これらの材質は接合が困難であることからシート状の電極板にダメージを与えることなく完全な接合状態を得ることは困難な技術であった。
【０００８】
このように、シート状部材が積層した構造を有する積層体に、異種部材を一体的に接合することは困難を有していた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、電池の電極体と電流取り出し端子とを接合するときに、電池の電極体にダメージを与えることなく接合できる接合方法を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明者等は、超音波接合法について検討を重ねた結果、電流取り出し端子が電極体の厚さと同じ厚さの突起部を有し、この突起部が電池の電極体と重ね合わされた状態で超音波振動を付与することで上記課題を解決できることを見出した。
【００１１】
すなわち、本発明の電池の電極体の接合方法は、シート状電極板が積層した構造を有する電池の電極体と、電極体に重ね合わされた電流取り出し端子と、に超音波振動を付与して、電極体のシート状電極板同士および電極体と電流取り出し端子とを接合させる電池の電極体の接合方法であって、電流取り出し用端子は、電極体との重ね合わせ部に突出した突起部を有し、突起部は重ね合わされた部分の電極体の厚さと略同一の高さを有し、突起部が該電極体を押圧した状態で超音波振動が付与されることを特徴とする。
【００１２】
本発明の電池の電極体の接合方法は、電流取り出し端子の電極体との接合面に突起部をもうけることで、超音波接合法における超音波振幅エネルギーを局部的に、吸収、拡散させ、超音波接合プロセスの高効率化を図っている。このため、電極体の接合部および接合部周辺において、超音波振動による発熱、破れ、ホーンの食い込みを抑制し、接合面の高品質化が達成される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の電池の電極体の接合方法は、電極体と、突起部を有する電流取り出し端子とを、重ね合わせた状態で超音波振動を付与することにより接合する接合方法である。
【００１４】
本発明の電池の電極体の接合方法は、電極体と電流取り出し端子とを、重ね合わせた状態で超音波振動を付与する超音波接合法によりなされる。超音波接合法は、当接した二つの部材に超音波振動を付与することにより、お互いに当接面同士が相対的に振動し、この振動のエネルギーにより、お互いの表面の原子が移動・拡散することで接合される。
【００１５】
電池の電極体は、シート状電極板が積層した構造を有する。
【００１６】
電流取り出し端子は、電極体との重ね合わせ部に突出した突起部を有する。この突起部を有することで、超音波接合時に付与される超音波振幅エネルギーを局部的に付与でき、積層体と被接合部材とを一体的に接合させる。
【００１７】
すなわち、電流取り出し端子を電極体と重ね合わせたときに、電流取り出し端子にもうけられた突起部が局部的に電極体を押圧することとなる。すなわち、突起部が電極体を押圧することとなり、押圧面積が小さくなるとともに、電極体を加圧する加圧力が増大する。
【００１８】
電極体は、シート状電極板が積層あるいは巻回して形成されていることが好ましい。すなわち、電極体は、電流取り出し端子との接合部において、シート状電極板が積層した構造を有していればよい。このような構造として、シート状電極板の積層体および巻回体をあげることができる。
【００１９】
突起部は、錐状に形成されていることが好ましい。すなわち、突起部が先端方向に向かって絞られた錐状に形成されることで、突起部が重ね合わせ部において局部的に電極体を押圧するようになる。ここで、突起部の錐状とは、先端方向に向かって絞られている形状をいい、先端部が尖った円錐や角錐だけでなく、円錐や角錐の先端部が欠けた形状である錐台形状も含んでいる。
【００２０】
突起部は、重ね合わされた部分の電極体の厚さと略同一の高さを有することが好ましい。すなわち、突起部の高さが低すぎると、突起部による電極体の局部的な加圧が不十分となり、高さが高くなると突起部が電極体を構成するシート状電極板にダメージを与えるようになる。
【００２１】
電極体を構成するシート状電極板および電流取り出し端子は、アルミ、銅、ニッケル、ステンレス鋼より選ばれる金属を主成分とすることが好ましい。ここで、これらの金属より選ばれる金属を主成分とするということは、これらの金属の純金属およびこれらを主成分とする合金をシート状電極板および電流取り出し端子に用いられることを示している。
【００２７】
本発明の電池の電極体の接合方法は、超音波溶接機を用いて超音波振動を付与することが好ましい。すなわち、従来の超音波溶接機を用いて電極体と電流取り出し端子とを一体的に接合することができる。
【００２８】
本発明の電池の電極体の接合方法は、超音波振動を付与するときに、緩衝板を介して超音波振動を付与することが好ましい。この緩衝板を配置することで、電極体への直接的なダメージを低減する。すなわち、緩衝板を配置せずに、電極体に超音波振動を付与すると、超音波振動を付与する超音波溶接機のホーンが食い込み、電極体に過剰なストレスがかかり、電極体を構成するシート状部材に切断が生じたり、電極体を構成するシート状部材の各層同士の接合にばらつきが生じ、溶接品質が安定しなくなる。ここで、この緩衝板には、アルミ、銅、ニッケル、ステンレス鋼等よりなる部材を用いることが好ましい。すなわち、緩衝板が電極体と同種あるいは接合可能な材質により形成されることで、緩衝板と電極体を一体的に接合し、接続部の一部をなす構造とすることが可能となる。
【００２９】
本発明の電池の電極体の接合方法は、二次電池等に用いられる電極体において、電流取り出し端子を電極板に接合する接合方法に用いることが好ましい。すなわち、シート状部材として電極板を、被接合部材として電流取り出し端子を超音波振動方により接合することができる。
【００３０】
ここで、本発明の電池の電極体の接合方法を用いて電流取り出し端子を電極板の積層体に接合するときには、接合部には活物質が塗布されていないことが好ましい。
【００３１】
電極体と電流取り出し端子との接続に本発明の電池の電極体の接合方法を用いると、電極体と取り出し端子との接合面積を広くできるため、電極板の積層体から大電流を取り出せることができるようになる。このため、本発明の接合方法を用いた電極体を有する電池は、電池性能が向上する。
【００３２】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明を説明する。
【００３３】
（実施例）
実施例として、本発明の積層体の接合方法を用いて、角形電池に用いられる巻回型電極体と、電極体から電流を取り出す電流取り出し端子と、を接合した。この巻回型電極体１と電流取り出し端子２との接合体を図１および図２に示した。図１はこの接合体を巻回型電極体１の電流取り出し端子２の接合されていない方向から、図２はこの接合体を巻回型電極体１の軸方向から示した図である。
【００３４】
巻回型電極体１は、図３に示されるように、セパレータを介した正極板１１と負極板１２とからなる電極板が巻回して形成された電極体である。ここで、正極板１１には厚さが１５μｍのアルミニウムシートの表面に正極活物質が付与されたシート状正極が、負極板１２には厚さが１０μｍの銅シートの表面に負極活物質が付与されたシート状負極が、用いられた。なお、以降において、正極での具体例を用いて本実施例を説明する。
【００３５】
なお、この巻回型電極体１は、電流取り出し端子２が接合される接合部は、その厚さ方向における電極板に電極反応を生じさせる活物質が塗布されていない未塗布部がもうけられ、正極シートにおいては、アルミニウムシートが露出するように形成されている。このため、接合部においては、アルミニウムシートが４８枚積層され、その厚さが０．７ｍｍとなっている。
【００３６】
接合部は、巻回型電極体１の周方向にもうけられている。具体的には、巻回型電極体１を形成するときに、図３に示されるように、正極板１１および負極板１２をお互いに軸方向にずらして巻回させ、お互いの端面から突出した部分を活物質未塗布部１１１、１２１とすることで、接合部が形成される。
【００３７】
電流取り出し端子２は、図４に示されるように、一方の端部側が平らな巻回型電極体との接合面２１になるように半円形状の断面を有する棒状部材であり、さらに、この接合面２１に突起２２が形成されている。また、この電流取り出し端子２において、接合面２１とならない他方の端部は、電池を組み立てたときに外部端子となるようになっている。ここで、この電流取り出し端子２は、正極側がアルミニウムで、負極側が銅で形成されている。なお、接合面２１に形成された突起２２は、底辺の一辺が１．４ｍｍで、突出高さが０．７ｍｍの四角錐形状となるようにもうけられている。なお、この突起２２は、電流取り出し端子２１の接合面２１に二個軸方向にならんでもうけられている。
【００３８】
巻回型電極体１と電流取り出し端子２との接合は、この巻回型電極体１の接合部に、電流取り出し端子２の突起２２が当接するように重ね合わせ、超音波振動を付与することによりなされた。
【００３９】
ここで、この超音波接合における接合過程を図５に示した。
【００４０】
超音波振動の付与は、通常の超音波接合法を用いた超音波溶接機を用いてなされた。超音波接合は、まず、超音波溶接機のアンビル７１上に電流取り出し端子２を突起２２が鉛直上方に向かって突出するように配置し、この電流取り出し端子２の巻回型電極体１との接合面２１に、巻回型電極体１の接合部を重ね合わせた。つづいて、この巻回型電極体１と電流取り出し端子２を重ね合わせた上に、さらに、厚さが０．３ｍｍのアルミニウム板よりなる緩衝板４を配置した。この電流取り出し端子２、巻回型電極体１および緩衝板４を重ね合わせた状態で、超音波溶接機のホーン７２により超音波振動を付与した。ここで、振動条件は、振幅が４２μｍであり、振動時間は３秒であった。
【００４１】
超音波接合は、アンビル７１上の電流取りだし端子２と巻回型電極体１に緩衝板４を配置した状態で、超音波溶接機のホーン７２を振動させ、この振動を所定の時間、繰り返した。
【００４２】
このとき、振動が付与されることにより、突起２２の頂点２３において、巻回型電極体１との接触面積が小さくなったことによる加圧力が増大される工作効果により、巻回型電極体１を構成する電極板および電流取り出し端子２の表面に形成されていた酸化被膜が除去され、清浄なアルミニウム表面が現れる。この清浄な表面において原子の移動、拡散が生じるようになる。この移動、拡散により電極板同士および巻回型電極体１と電流取り出し端子２が接合する。
【００４３】
（評価）
本実施例の巻回型電極体１と電流取り出し端子２との接合の評価は、接合部における外観および断面を観察することによりなされた。この外観および断面の写真を図６および図７に示した。
【００４４】
図６および図７より、本実施例の巻回型電極体１と電流取り出し端子２との接合部は、巻回型電極体１を構成する電極板および緩衝板４に破れ、割れは見られず、超音波振動を付与するときに電極板に余計なストレスがかかっていないことがわかった。さらに、電流取り出し端子２、電極板、緩衝板４のそれぞれの界面においても、接合が不十分なことによる浮き、剥離が見られず、一体的に固相接合していることがわかった。
【００４５】
（角型電池）
本実施例において電流取り出し端子２が接合され巻回型電極体１を用いて、角型形状電池を作製した。この角型形状電池を図８に示した。この角型形状電池は、取り出し端子２を接合した巻回型電極体１を、電解液とともに角型電池容器３に挿入、固定して、角型形状電池が得られた。なお、この角型形状電池は、巻回型電極体１に接合された電流取り出し端子２の接合されていない他端部が、角型電池容器３から突出してこの電池の外部端子となっている。
【００４６】
この角型形状電池に用いられた活物質は、通常の電池に用いられるものであり、正極活物質にはリチウムマンガン酸化物が、負極活物質にはカーボンが、また、セパレータにはポリエチレン製シートが用いられた。
【００４７】
（比較例）
本発明の比較例として、接合面に突起がもうけられていない電流取り出し端子と、電極体との超音波接合を行った。
【００４８】
本比較例は、接合部に突起がない電流取り出し端子を用いた以外は実施例と同様の条件で超音波接合を行った。この超音波接合における接合過程を図９に示した。
【００４９】
アンビル７１上の電流取り出し端子２と巻回型電極体１に緩衝板４を配置した状態で、超音波溶接機のホーン７２を振動させ、これを繰り返す。
【００５０】
この比較例における接合状態を実施例と同様に評価したところ、巻回型電極体を構成する電極板同士の間に空隙が見られ、完全に一体化された接合状態が得られなかった。
【００５１】
さらに、この比較例において、巻回型電極体における電極板同士の接合を完全に行うために、振幅を５０μｍにまで大きくして超音波接合を行った。この振幅が５０μｍで接合を行った接合体においては、巻回型電極体の接合部を構成する電極板同士は一体化されたが、緩衝板の接合部周辺に割れが発生するとともに、電極板が数枚やぶれていた。
【００５２】
このため、本実施例の接合方法は、突起を有することで超音波接合時に要求される振幅のエネルギーを低減させることができるとともに、電極板にストレスを与えることなく電流取り出し端子を接合することができる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の電池の電極体の接合方法は、電流取り出し端子の電極体との重ね合わせ部に突起部を有することで、従来よりも低い振動出力で接合できるようになったため、電極体を構成するシート状電極板に過剰なストレスがかかることが防止される。このため、電極体と電流取り出し端子とを接合する接合方法として有用となっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例の巻回型電極体と電流取り出し端子との接合体の図である。
【図２】  実施例の巻回型電極体と電流取り出し端子との接合体の図である。
【図３】  実施例の巻回型電極体の図である。
【図４】  実施例の電流取り出し端子の図である。
【図５】  実施例の巻回型電極体と電流取り出し端子との接合過程を示した図である。
【図６】  実施例の巻回型電極体と電流取り出し端子の接合体における接合部の外観を示す写真図である。
【図７】  実施例の巻回型電極体と電流取り出し端子の接合体における接合部の断面を示す写真図である。
【図８】  実施例の接合体を用いた角型形状電池を示した図である。
【図９】  比較例の巻回型電極体と電流取り出し端子との接合過程を示した図である。
【符号の説明】
１…巻回型電極体              １１…正極板
１１１…正極活物質未塗布部        １２…負極板
１２１…負極活物質未塗布部        １３…セパレータ
２…電流取り出し端子        ２１…接合面
２２…突起                      ３…角型電池容器
４…緩衝板
７１…アンビル              ７２…ホーン
【図１】
0003681928.tif 000002
【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】
0003681928.tif 000008
【図８】
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【図９】
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