(57)【要約】【課題】蓄電素子の新規な製造方法を提供する。【解決手段】集電体５は、導電板部５１と、導電板部５１の第一の表面に設けられた突起部５２とを有する。受け治具３３の収容穴３３０に突起部５２を収容した状態で、導電板部５１の第一の表面を受け治具３３に配置し、導電板部５１の第二の表面に電極タブ１４を配置する。超音波振動する振動治具３１により、受け治具３３との間で電極タブ１４及び導電板部５１を挟み込み、導電板部５１の少なくとも突起部５２に対向する部分に電極タブ１４を超音波接合する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の表面に突起部を有する導電板部の第二の表面に、電極タブを超音波接合する蓄電素子の製造方法であって、
受け治具の穴に前記突起部を収容した状態で、前記導電板部の前記第一の表面を前記受け治具に配置し、
前記導電板部の前記第二の表面に前記電極タブを配置し、
超音波振動する振動治具により、前記受け治具との間で前記電極タブ及び前記導電板部を挟み込み、前記導電板部の前記第二の表面における少なくとも前記突起部に対向する部分に前記電極タブを超音波接合する、蓄電素子の製造方法。
【請求項２】
前記穴の幅をＷ1 、前記導電板部の厚みをｔとしたとき、下記式を満たす、請求項１に記載の蓄電素子の製造方法。
Ｗ1 ≦８×ｔ
【請求項３】
前記穴の幅をＷ1 、前記振動治具の前記電極タブに対向する部分の幅をＷ2 、前記導電板部の厚みをｔとしたとき、下記式を満たす、請求項１又は２に記載の蓄電素子の製造方法。
Ｗ2 ≧２×Ｗ1 
【請求項４】
前記導電板部は銅製である、請求項１から３までのいずれか１項に記載の蓄電素子の製造方法。
【請求項５】
前記導電板部は集電体であり、
電池ケースの蓋板に前記突起部を貫通させた状態で、該蓋板の内表面に、前記集電体を配置する、請求項１から４までのいずれか１項に記載の蓄電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電素子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等の蓄電素子は、ノートパソコン及び携帯電話機等のモバイル機器の電源として用いられてきた。蓄電素子は近年、ＥＶ（電気自動車）、ＨＥＶ（ハイブリッド電気自動車）、ＰＨＥＶ（プラグインハイブリッド電気自動車）の電源等、幅広い分野で使用されている。
【０００３】
一般に、蓄電素子は、電極体を、電解液と共にケースに気密に収容する。電極体は、セパレータを介して正極板及び負極板を積層し、又は巻回して形成される電極体本体と、電極体本体からケースの蓋板に向けて延びる正極タブ及び負極タブとを有する。正極端子及び負極端子は蓋板に設けられており、正極タブ及び負極タブと、夫々導電部材を介し電気的に接続される。
【０００４】
特許文献１は、正極タブ又は負極タブ（以下、電極タブという）を、導電部材と溶接することを開示している。溶接装置は、電極タブと導電部材とを一対の溶接用電極棒で挟持しつつ、溶接用電極棒の間で通電する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−００１５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、一対の溶接用電極棒などの溶接用治具で挟持できるよう、導電部材として板状のものが用いられている。
近年、急速充電及び急速放電が可能な蓄電素子が求められている。急速充電又は急速放電の際、導電部材を含む電流経路に比較的大きい電流が流れる。大電流が流れても、電流経路における抵抗ロスが小さい、高性能な蓄電素子が求められている。大電流が流れても電流経路が溶断しないことも求められている。
これまで、導電部材の形状の自由度を高めることについて、十分な検討がなされてこなかった。
【０００７】
本発明は、蓄電素子の新規な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】
本発明に係る蓄電素子の製造方法は、第一の表面に突起部を有する導電板部の第二の表面に、電極タブを超音波接合する蓄電素子の製造方法であって、受け治具の穴に前記突起部を収容した状態で、前記導電板部の前記第一の表面を前記受け治具に配置し、前記導電板部の前記第二の表面に前記電極タブを配置し、超音波振動する振動治具により、前記受け治具との間で前記電極タブ及び前記導電板部を挟み込み、前記導電板部の前記第二の表面における少なくとも前記突起部に対向する部分に前記電極タブを超音波接合する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明においては、受け治具の穴に突起部を収容した状態で、振動治具により、受け治具との間で電極タブ及び導電板部を挟み込み、導電板部の第二の表面における少なくとも突起部に対向する部分に電極タブを超音波接合する。この方法により、突起部を有する導電板部に電極タブを接合することができる。導電板部の第二の表面における突起部に対向する部分（突起部が設けられている第一の表面と反対側の面の突起部とオーバーラップする部分）にも電極タブを接合できるため、接合面積を十分に確保することができ、電流経路の抵抗を低くできる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係る蓄電素子の斜視図である。
【図２】蓄電素子の正面図である。
【図３】図２のIII−III線断面図である。
【図４】図２のIV−IV線断面図である。
【図５】超音波接合を説明するための模式図である。
【図６】従来のホーン及びアンビルによる超音波接合を説明するための模式図である。
【図７】超音波接合の試験を説明するための模式図である。
【図８】Ｗ1と残存面積との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本発明の概要）
本発明の一態様に係る蓄電素子の製造方法は、第一の表面に突起部を有する導電板部の第二の表面に、電極タブを超音波接合する蓄電素子の製造方法であって、受け治具の穴に前記突起部を収容した状態で、前記導電板部の前記第一の表面を前記受け治具に配置し、前記導電板部の前記第二の表面に前記電極タブを配置し、超音波振動する振動治具により、前記受け治具との間で前記電極タブ及び前記導電板部を挟み込み、前記導電板部の前記第二の表面における少なくとも前記突起部に対向する部分に前記電極タブを超音波接合する。
【００１２】
上記構成においては、受け治具の穴に突起部を収容した状態で、振動治具により、受け治具との間で電極タブ及び導電板部を挟み込み、導電板部の少なくとも突起部に対向する部分に電極タブを超音波接合する。この方法により、突起部を有する導電板部に電極タブを接合することができる。導電板部の突起部に対向する部分にも電極タブを接合できるため、接合面積を十分に取ることができ、電流経路の抵抗を低くできる。
また、導電板部の形状の自由度を高くできる。
【００１３】
上述の蓄電素子の製造方法において、前記穴の幅をＷ1 、前記導電板部の厚みをｔとしたとき、下記式（１）を満たすのが好ましい。Ｗ1 の幅とは、穴が丸穴である場合、直径をいい、穴が角穴である場合、横幅をいう。
Ｗ1 ≦８×ｔ…（１）
【００１４】
上記構成においては、超音波接合時にかかる荷重に対して、接合する部材が変形せず、超音波エネルギーを受け止めることができる。即ち、より強固な溶接を行うことができる。導電板部の厚みは、断面二次モーメント（曲げにくさ）に影響する。式（１）を満たす場合、断面二次モーメントが大きく、導電板部が曲がりにくい。導電板部の厚みが大きい場合、Ｗ1 を大きくできる。
【００１５】
上述の蓄電素子の製造方法において、前記穴の幅をＷ1 、前記振動治具の前記電極タブに対向する部分の幅をＷ2 、前記導電板部の厚みをｔとしたとき、下記式（２）を満たすのが好ましい。
Ｗ2 ≧２×Ｗ1 …（２）
【００１６】
式（２）を満たす場合、超音波接合時にかかる荷重に対して、接合する部材がより変形しにくい。荷重を加える振動治具の幅Ｗ2 が広い場合、導電板部がたわみ難く、Ｗ1 を大きくできる。
【００１７】
上述の蓄電素子の製造方法において、前記導電板部は銅製であってもよい。
【００１８】
上記構成によれば、導電板部の剛性が高く、電極タブ接合時に導電板部が変形し難い。
【００１９】
上述の蓄電素子の製造方法において、前記導電板部は集電体であり、電池ケースの蓋板に前記突起部を貫通させた状態で、該蓋板の内表面に、前記集電体を配置するのが好ましい。
【００２０】
上記構成によれば、突起部が、蓋板を貫通する電流経路の一部（軸部）となる。蓄電素子の集電体の突起部が設けられている面と反対側の面に電極タブが超音波接合される。従来の蓄電素子と異なり、軸部の直下に電極タブを接合することができる。
電流経路の抵抗を低くできるので、急速充電又は急速放電により大電流が流れても電流経路が溶断しにくい。
【００２１】
以下、本発明をその実施形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る蓄電素子１の斜視図、図２は蓄電素子１の正面図、図３は図２のIII−III線断面図、図４は図２のIV−IV線断面図である。蓄電素子１はリチウムイオン二次電池であってもよい。
図１に示すように、蓄電素子１は、蓋板２及びケース本体３を有するケース４、負極端子（外部端子）８、正極端子（外部端子）１２、絶縁プレート７，１１、破裂弁１３を備える。図４に示すように、蓄電素子は蓋板２の内面に、集電体５，９、ガスケット６，１０、電極体１６、負極タブ１４、及び正極タブ１５を備える。
【００２２】
図１に示すケース４は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス等の金属、又は合成樹脂からなり、直方体状をなす。ケース４は、電極体１６及び電解液（不図示）を収容する。
【００２３】
図３に示すように、集電体５は、導電板部５１と、導電板部５１の外面の略中央部に設けられた筒状の導電軸部５２と、導電軸部５２の一端部をかしめてなるかしめ部５３とを有する。導電軸部５２は蓋板２の挿通孔２０を貫通する。集電体５は例えば銅製である。
負極端子８は板状をなし、図４に示すように導電軸部５２を挿通させる挿通孔８０を有する。挿通孔８０は、外面側の径が内面側の径より大きく、段部８１を有する。導電軸部５２を段部８１にかしめることにより、かしめ部５３が形成され、集電体５が負極端子８に電気的に接続される。
ガスケット６は、集電体５の導電板部５１の外面と蓋板２の内面との間に配置される板部６１と、導電軸部５２を包囲するボス状の包囲部６２とを有する。ガスケット６は、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）又はポリプロピレン（ＰＰ）等の合成樹脂製である。ガスケット６は、包囲部６２の外周側における板部６１の両面にリング状の被圧縮凸部６３，６３を有する。被圧縮凸部６３はリング状に限定されず、周方向に間隔をあけて複数設けられてもよい。
絶縁プレート７は例えばＰＰＳ又はＰＰ製であり、包囲部６２を挿通させる挿通孔７０を有する。絶縁プレート７は、蓋板２の外面と負極端子８の内面との間に介在する。絶縁プレート７は、負極端子８の内面及び側面を覆う。
【００２４】
図４に示すもう一つの集電体９は、例えばアルミニウム製であり、導電板部９１と、導電板部９１の外面の略中央部に設けられた筒状の導電軸部９２と、導電軸部９２の一端部をかしめてなるかしめ部９３とを有する。導電軸部９２は蓋板２の挿通孔２０を貫通する。
正極端子１２は板状をなし、導電軸部９２を挿通させる挿通孔１２０を有する。挿通孔１２０は、外面側の径が内面側の径より大きく、段部１２１を有する。導電軸部９２を段部１２１にかしめることにより、かしめ部９３が形成され、集電体９が正極端子１２に電気的に接続される。
ガスケット１０は、集電体９の導電板部９１の外面と蓋板２の内面との間に配置される板部１０１と、導電軸部９２を包囲するボス状の包囲部１０２とを有する。ガスケット１０は、例えばＰＰＳ又はＰＰ等の合成樹脂製である。ガスケット１０は、包囲部１０２の外周側における板部１０１の両面にリング状の被圧縮凸部１０３，１０３を有する。被圧縮凸部１０３はリング状に限定されず、周方向に間隔をあけて複数設けられてもよい。
絶縁プレート１１は例えばＰＰＳ又はＰＰ製であり、包囲部１０２を挿通させる挿通孔１１０を有する。絶縁プレート１１は、蓋板２の外面と正極端子１２の内面との間に介在する。絶縁プレート１１は、正極端子１２の内面及び側面を覆う。
【００２５】
電極体１６は、複数の負極板１７及び正極板１８がセパレータ１９を介して交互に積層されて直方体状に形成された電極体本体１６０と、電極体本体１６０から蓋板２に向けて延びる負極タブ１４及び正極タブ１５とを有する。負極タブ１４は、集電体５の内面に、後述する超音波接合により接合されている。正極タブ１５は、集電体９の内面に、超音波接合により接合されている。積層される負極板１７の枚数は、蓄電素子１を高容量化するために、例えば４０〜６０枚とすることができる。正極板１８の枚数も同様とすることができる。
負極タブ１４は集電体５を介し、負極端子８に電気的に接続され、正極タブ１５は集電体９を介し、正極端子１２に電気的に接続されている。
電極体１６は、積層型のものに限らず、負極板１７と正極板１８とをセパレータ１９を介して扁平状に巻回した巻回型のものであってもよい。
【００２６】
正極板は、アルミニウムやアルミニウム合金等からなる長尺帯状の金属箔である正極基材上に正極活物質層が形成されたものである。負極板は、銅及び銅合金等からなる長尺帯状の金属箔である負極基材上に負極活物質層が形成されたものである。セパレータは、樹脂からなる微多孔性のシートである。
正極活物質層に用いられる正極活物質、及び負極活物質層に用いられる負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質及び負極活物質であれば、適宜公知の材料が使用できる。
【００２７】
正極活物質としては、例えば、ＬｉＭＰＯ4 、ＬｉＭＳｉＯ4 、ＬｉＭＢＯ3 （ＭはＦｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ等から選択される１種または２種以上の遷移金属元素）等のポリアニオン化合物、チタン酸リチウム、マンガン酸リチウム等のスピネル化合物、ＬｉＭＯ２（ＭはＦｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ等から選択される１種または２種以上の遷移金属元素）等のリチウム遷移金属酸化物等を用いることができる。
【００２８】
負極活物質としては、例えば、リチウム金属、リチウム合金（リチウム−アルミニウム、リチウム−シリコン、リチウム−鉛、リチウム−錫、リチウム−アルミニウム−錫、リチウム−ガリウム、及びウッド合金等のリチウム金属含有合金）の他、リチウムを吸蔵・放出可能な合金、炭素材料（例えば黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温焼成炭素、非晶質カーボン等）、金属酸化物、リチウム金属酸化物（Ｌｉ4 Ｔｉ5 Ｏ12等）、ポリリン酸化合物等が挙げられる。
【００２９】
破裂弁１３は蓋板２の中央部に設けられている。破裂弁１３は、ケース４の内部にガスが発生して内圧が一定の圧力に達した場合に、開口を形成してケース４内部のガスを放出して内圧を低下させる安全弁である。
【００３０】
蓄電素子１は以上のように構成されており、導電軸部５２が集電体５に備えられ、導電軸部５２は蓋板２の外側でかしめられている。
【００３１】
上述のように、近年、急速充電及び急速放電が可能な蓄電素子が求められている。電気自動車等の用途において、大電流が流れても電流経路における抵抗ロスが小さく、電流経路が溶断しにくいことが要求されている。
【００３２】
蓄電素子１においては、集電体５の導電軸部５２が設けられている面と反対側の面に負極タブ１４が超音波接合されるが、従来の蓄電素子（例えば、特開２０１６−０９１６５９参照）と異なり、導電軸部の直下にタブを接合できる。従って、電流経路の抵抗を低くできる。
ガスケット６が、蓋板２の内側に設けられており、複数の蓄電素子１の外部端子同士をバスバーにより溶接するときに、ガスケット６が熱の影響を受けにくい。ケース４の気密性を確保するためにガスケット６に設けられた被圧縮凸部は熱の影響を受けず、この被圧縮凸部によりケース４の気密性を維持できる。
正極端子１２と集電体９との間も、同様に電流経路の抵抗を低くできる。
電流経路の抵抗を低くできるので、急速充電及び急速放電により大電流が流れても電流経路が溶断しにくい。
また、集電体５、９の形状の自由度も高い。
【００３３】
以下、負極タブ１４の集電体５への接合方法について説明する。
図５は、超音波接合を説明するための模式図である。本実施形態に使用する超音波接合装置は、ホーン（振動治具）３１と、アンビル（受け治具）３３とを備える。
アンビル３３は、導電軸部５２を収容する収容穴３３０を有する。収容穴３３０は、導電軸部５２より径及び高さが大きく、導電軸部５２を容易に抜き差しできればよい。
アンビル３３の収容穴３３０に導電軸部５２を収容した状態で、集電体５の導電板部５１の内面（第一の表面）がアンビル３３に配置される。
超音波溶接時に負極タブ１４が傷まないように、複数の負極タブ１４の端部をクリップ状の金属板１４１により挟み込んだ状態で、導電板部５１の外面（第二の表面）に負極タブ１４が配置される。金属板はクリップ状である場合に限定されず、単に一枚の板（バックアップ板）であってもよい。金属板は用いなくてもよく、この場合、複数の負極タブ１４が、導電板部５１の第二の表面に直接接合される。
ホーン３１により、アンビル３３との間で、負極タブ１４及び導電板部５１を所定の圧力で挟み込み、ホーン３１を超音波振動させ、負極タブ１４が導電板部５１に接合される。
【００３４】
図６は、従来のホーン３４及びアンビル３６による超音波接合を説明するための模式図である。
アンビル３６は収容穴を有さない。
まず、集電体５の導電板部５１の一端部分に負極タブ１４が接合される。
次に、集電体５の導電板部５１の他端部分に負極タブ１４が接合される。
【００３５】
従来の超音波接合方法では、導電板部５１の、導電軸部５２が設けられている面と反対側面における導電軸部５２と対向する部分には、負極タブ１４を接合できない。
【００３６】
本実施形態においては、導電軸部５２を収容穴３３０に収容して、導電板部５１に負極タブ１４が接合される。導電板部５１の、導電軸部５２が設けられている面と反対側の面における導電軸部５２と対向する部分にも負極タブ１４を接合できるので、接合面積を十分に取ることができ、電流経路の抵抗を低くできる。超音波接合工程も簡素化される。
【００３７】
収容穴３３０の幅Ｗ1 と集電体５の厚みｔとの関係、及びＷ1 と収容穴３３０に対向するホーン３１の幅Ｗ2 との関係を求めるために、以下の試験を行った。
図７に示すように、穴３７０が設けられたアンビル３７に、穴３７０に対向させて被加工材４０を配置した。被加工材４０上に銅箔４１を配置し、ホーン３１により、アンビル３７との間で、被加工材４０及び銅箔４１を挟み込み、被加工材４０及び銅箔４１を超音波溶接した。
【００３８】
下記の表１に、被加工材４０、銅箔４１、穴３７０の幅Ｗ1 、及び穴３７０に対向するホーン３１の幅Ｗ2 の内容を示す。被加工材４０は銅製である。銅箔４１は「ＮＣ−ＷＳ箔」、厚さｔは８μｍであり、４０枚使用した。表１に示すように、Ｗ1 を変えて超音波溶接が行われた。
【００３９】
【表１】
2019029228.tif 000003
【００４０】
そして、被加工材４０から銅箔４１を上方向に引き剥がす引き剥がし試験を行い、被加工材４０上の銅箔４１の残存面積が顕微鏡を用いて測定された。
【００４１】
図８は、Ｗ1と残存面積との関係を示すグラフである。横軸はＷ1 （ｍｍ）、縦軸は残存面積（ｍｍ2 ）である。
図８より、Ｗ1が小さい程、残存面積が大きく、溶接が強固であることが分かる。試験結果よりＷ1は６ｍｍ以下であるのが好ましく、式（１）を満たすのが好ましい。
Ｗ1 ≦８×ｔ…（１）
【００４２】
試験結果より、Ｗ1が３ｍｍ以下である場合、安定的に残存面積が大きいので、式（２）を満たすのがより好ましい。
Ｗ2 ≧２×Ｗ1 …（２）
【００４３】
以上より、Ｗ1、Ｗ2 、及びｔの間で、式（１）又は（２）を満たすのが好ましいことが確認された。
【００４４】
本発明は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。即ち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
第１実施形態において、導電板部が集電体５に含まれ、突起部として導電軸部５２を有する場合につき説明しているが、これに限定されない。
集電体９に正極タブ１５を接合する場合にも、本発明に係る接合方法を適用される。
蓄電素子１がリチウムイオン二次電池である場合につき説明しているが、蓄電素子１はリチウムイオン二次電池には限定されない。蓄電素子１は、ニッケル水素電池等の他の二次電池であってもよいし、一次電池であってもよいし、キャパシタ等の電気化学セルであってもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１  蓄電素子
２  蓋板
３  ケース本体
４  ケース
５、９  集電体
５１、９１  導電板部
５２、９２  導電軸部
５３、９３  かしめ部
６、１０  ガスケット
６１、１０１  板部
６２、１０２  包囲部
８  負極端子
１２  正極端子
８０、１２０  挿通孔
８１、１２１  段部
１４  負極タブ
１４１  金属板
１５  正極タブ
１６  電極体
１７  負極板
１８  正極板
１９  セパレータ
３１  ホーン
３３  アンビル
３３０  収容穴
【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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