(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元金属多孔体である電極板と、前記電極板に接合されたリードとを備えた電池用電極であって、
円板状に形成された超音波ホーンと円板状に形成されるとともに周面が凹凸状に形成されたアンビルとの相対移動により、前記超音波ホーンと前記アンビルの周面同士を連続的に圧接することで、前記リードが全面に渡って前記電極板の一側縁部全体に超音波接合され、
前記リードを接合した前記電極板上に全面に渡って、前記アンビルの前記凹凸状の周面による押圧痕跡が形成され、前記押圧痕跡の凹部表面の、前記電極板の前記一側縁部全体に対する面積占有率が１０〜５０％であることを特徴とする電池用電極。
【請求項２】
電池用電極の製造方法であって、
円板状に形成された超音波ホーンと、円板状に形成されるとともに周面が凹凸状に形成され、凸部表面の前記周面全体に対する面積占有率が１０〜５０％であるアンビルとの間に、三次元金属多孔体の所定の領域にリードを重ね合わせたワークを挟み込んで加圧する工程と、
前記超音波ホーンを中心軸の周りに回転駆動させながら中心軸方向に振動させることにより、前記リードを全面に渡って連続的に前記三次元金属多孔体に超音波接合する工程と、
前記リードが超音波接合された後の前記三次元金属多孔体に活物質を充填し、前記三次元金属多孔体を圧延する工程とを含むことを特徴とする電池用電極の製造方法。
【請求項３】
活物質を充填し、圧延した後、余分な活物質を除去する請求項２に記載の電池用電極の製造方法。
【請求項４】
エアーを吹き付けることにより、余分な活物質を除去する請求項３に記載の電池用電極の製造方法。
【請求項５】
ブラッシングすることにより、余分な活物質を除去する請求項３に記載の電池用電極の製造方法。
【請求項６】
除去した余分な活物質を吸引して集塵する請求項４又は５に記載の電池用電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元金属多孔体にリードを接合して得られる電池用電極及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、電池用電極には、正極端子や集電板に接続するためのリードが設けられている。従来、この種の電池用電極は、抵抗シーム溶接法を用いて作製されている。すなわち、図６に示すように、まず、三次元金属多孔体２０にリード２１を重ね合わせた状態で、リード２１に棒状の溶接用Ｃｕ電極２２を接触させる。次いで、圧力を加えて、リード２１を三次元金属多孔体２０に密着させ、三次元金属多孔体２０を正極、Ｃｕ電極２２を負極として、両者間に大電流を流す。これにより、リード２１が三次元金属多孔体２０にスポット溶接される。次いで、リード２１が溶接された三次元金属多孔体２０に、活物質を充填した後、圧延加工を施す。最後に、活物質を充填し、圧延加工を施した三次元金属多孔体２０を所定の寸法に切断して、電池用電極を得る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、抵抗シーム溶接法によって電池用電極を作製する方法では、溶接用Ｃｕ電極２２の寿命が短く、メンテナンスを頻繁に行う必要があるため、連続生産が困難であると共に、ランニングコストが高くなるという問題点がある。また、溶接用電極としてＣｕ電極２２を用いた場合には、溶接性は向上するが、スパッタが発生して、Ｃｕの混入による短絡が増加するという問題点がある。さらに、リード２１の表面、側面等に充填の際に入り込んだ活物質が残留し、電池用電極と集電板との溶接時に溶接不良が多発すると共に、短絡も多発するという問題点がある。
【０００４】
本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、連続生産が可能で、ランニングコストが低く、また、集電板との溶接不良を低減することができると共に、短絡防止をも図ることのできる電池用電極及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に係る電池用電極の構成は、三次元金属多孔体である電極板と、前記電極板に接合されたリードとを備えた電池用電極であって、円板状に形成された超音波ホーンと円板状に形成されるとともに周面が凹凸状に形成されたアンビルとの相対移動により、前記超音波ホーンと前記アンビルの周面同士を連続的に圧接することで、前記リードが全面に渡って前記電極板の一側縁部全体に超音波接合され、前記リードを接合した前記電極板上に全面に渡って、前記アンビルの前記凹凸状の周面による押圧痕跡が形成され、前記押圧痕跡の凹部表面の、前記電極板の前記一側縁部全体に対する面積占有率が１０〜５０％であることを特徴とする。この電池用電極の構成によれば、リードの全面が接合された電池用電極を実現することができるので、リードと電極板との間に活物質が入り込むことのない電池用電極が得られる。電極を所定の寸法に切断する際には、リードも切断されるため、リードと電極板との間に活物質が入り込んでいた場合には、切断時に活物質が出てきてしまい、電極と集電板との溶接不良が起こり易い。しかし、本発明の電池用電極の構成によれば、リードと電極板との間に活物質が入り込むことのない電池用電極が得られるため、電極と集電板との溶接不良を低減することができる。尚、超音波接合時にリードを接合した電極板上に全面に渡って押圧痕跡が形成されているが、この押圧痕跡は、接合強度が最適であるか否か、又は、リード全面に渡って接合が均一であるか否かの判定に利用することができる。
【０００８】
また、本発明に係る電池用電極の製造方法は、電池用電極の製造方法であって、円板状に形成された超音波ホーンと、円板状に形成されるとともに周面が凹凸状に形成され、凸部表面の前記周面全体に対する面積占有率が１０〜５０％であるアンビルとの間に、三次元金属多孔体の所定の領域にリードを重ね合わせたワークを挟み込んで加圧する工程と、前記超音波ホーンを中心軸の周りに回転駆動させながら中心軸方向に振動させることにより、前記リードを全面に渡って連続的に前記三次元金属多孔体に超音波接合する工程と、前記リードが超音波接合された後の前記三次元金属多孔体に活物質を充填し、前記三次元金属多孔体を圧延する工程とを含むことを特徴とする。この電池用電極の製造方法によれば、リードの全面を三次元金属多孔体に連続的に接合することができる。その結果、活物質の充填・圧延工程で、活物質が三次元金属多孔体とリードとの間に入り込むことはないので、電極と集電板との溶接不良を低減することができる。
【０００９】
また、前記本発明の電池用電極の製造方法においては、活物質を充填し、圧延した後、余分な活物質を除去するのが好ましい。この好ましい例によれば、リード部分と三次元金属多孔体の表面に付着した余分な活物質を除去することができるので、最終的に得られる電池用電極と集電板との溶接不良を低減することができると共に、短絡も防止することができる。また、この場合には、エアーを吹き付けることにより、余分な活物質を除去するのが好ましい。この好ましい例によれば、余分な活物質を簡単に除去することができる。また、ブラッシングすることにより、同様の効果が得られる。この場合にはさらに、除去した余分な活物質を吸引して集塵するのが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【００１５】
本実施の形態においては、超音波振動を利用して、電極板としての三次元金属多孔体とリードとが超音波接合（金属間結合）される。図１は本実施の形態で用いられる超音波接合機を示す構成図、図２は当該超音波接合機のアンビルの周面形状を示す断面図、図３は当該超音波接合機を用いて三次元金属多孔体とリードとを接合している状態を示す模式図、図４は余分な活物質の除去工程を示す模式図、図５は本実施の形態の製造方法によって得られた電池用電極を示す平面図である。
【００１６】
図１に示すように、超音波接合機１は、超音波ホーン２と、超音波ホーン２の下方に配置されたアンビル３とを基本構成部材として備えている。
【００１７】
超音波ホーン２は、直径２４０ｍｍ、厚み（幅）８ｍｍの円板状に形成され、モータ１７によって中心軸体４の周りに回転駆動され、かつ、軸方向に移動可能に支持されている。中心軸体４には、周波数２０ｋＨｚの縦波の超音波振動を発生させることのできる発振子５が接続されている。これにより、超音波ホーン２は、振幅１２μｍで軸方向に振動することができる。尚、超音波ホーン２の振幅は１１．１μｍ〜３０μｍの範囲で可変可能である。
【００１８】
アンビル３は、直径６０ｍｍ、周面の幅８ｍｍの円板状に形成され、中心軸体６を介して支持台７に回転可能に支持されている。ここで、アンビル３は、超音波ホーン２に対向して超音波ホーン２と同一平面内に配置されている。また、アンビル３は、中心軸体６を回転中心として回転可能である。支持台７は、さらに基台８に昇降可能に支持され、その下面がエアシリンダ９に連結されている。また、エアシリンダ９には、エアー圧を計測するための圧力計１０が接続されている。そして、三次元金属多孔体（Ｎｉ）にリードを重ね合わせたワーク１１を、リード部分を超音波ホーン２と対向させた状態で、超音波ホーン２とアンビル３との間に配置し、支持台７を上昇させることにより、超音波ホーン２とアンビル３とによってワーク１１のリード部分を挟み込むと共に、加圧する。このときの加圧力は９４０Ｎ（エアー圧：０．２０ＭＰａ、アンビル＋中心軸体＋支持台の質量：１２ｋｇ）である。また、ワーク１１の供給速度は１０ｍ／分である。
【００１９】
上記したように、本実施の形態においては、超音波ホーン２とアンビル３が円板状に形成されているので、ワーク１１としてフープ材を用いることができる。その結果、電池用電極の連続フープ接合が可能となるので、ランニングコストを低く抑えることができる。
【００２０】
図２に示すように、アンビル３の周面は、ワーク１１の保持力を高めるためにエッチング処理、電着処理又は機械加工によって凹凸状に幾何学的配置で形成されている。ここで、凸部表面の面積占有率は１０〜５０％であるのが望ましい。凸部表面の面積占有率が１０％未満であったり、あるいは５０％を超えると、ワーク１１の保持力が低下するため望ましくない。本実施の形態において、凸部表面の面積占有率は２０％に設定されている。また、凹部の深さは２０μｍ〜１００μｍであるのが望ましい。凹部の深さが２０μｍ未満の場合には、ワーク１１の保持力が低下するため望ましくなく、また、凹部の深さが１００μｍを超えると、三次元金属多孔体に転写された凹部に入り込んだ活物質の集塵が困難となるため望ましくない。尚、凹部の深さが１００μｍを超えても、ワーク１１の保持力はそれほど変化しない。本実施の形態において、凹部の深さは８０μｍに設定されている。さらに、凹凸状に形成されたアンビル３の周面は、三次元金属多孔体（Ｎｉ）の付着を抑制するためにセラミックコーティング処理あるいはＮｉメッキ処理が施されている。
【００２１】
超音波ホーン２の周面は、メンテナンス性を向上させるためにフラットに形成されている。これにより、超音波ホーン２の寿命を長くして、電池用電極板の連続生産性を向上させることができる。特に、本実施の形態の場合、超音波ホーン２とアンビル３の幅が同一であり、摩耗が同時に進行するので、装置のさらなる長寿命化を図ることができる。尚、リード部分の保持力は、アンビル３による加圧力を高めることにより確保される。
【００２２】
また、超音波ホーン２とアンビル３の周面の両縁部は、丸み（Ｒ面）や小さな平面（Ｃ面）を付けることによって面取りがなされている（図３参照）。これにより、超音波ホーン２とアンビル３とによってワーク１１のリード部分を挟み込んで加圧したときに、リード部分の周辺が切れることを防止することができる。
【００２３】
次に、上記のように構成された超音波接合機を用いて電池用電極を製造する方法について説明する。
【００２４】
まず、幅１５０ｍｍのＮｉからなる三次元金属多孔体１２を用意する。
【００２５】
次いで、三次元金属多孔体１２の所定の領域に、ガイド（図示せず）を通した幅６ｍｍのリード１３を重ね合わせて配置する。これにより、ワーク１１が得られる。
【００２６】
次いで、ワーク１１を、リード部分を超音波ホーン２と対向させた状態で、超音波ホーン２とアンビル３との間に配置し、支持台７を上昇させることにより、超音波ホーン２とアンビル３とによってワーク１１のリード部分を挟み込むと共に、加圧する。
【００２７】
次いで、超音波ホーン２をモータ１７によって中心軸体４を回転中心として回転駆動させながら、超音波ホーン２を軸方向に振動させる。これにより、ワーク１１が順次送られながら、リード１３の全面が三次元金属多孔体１２の所定の領域に超音波接合（金属間結合）される（図３参照）。このように、本実施の形態においては、超音波接合機１を用いて、リード１３を三次元金属多孔体１２に接合するようにしたので、リード１３の全面が三次元金属多孔体１２に接合される。その結果、後工程の活物質の充填・圧延工程で、活物質が三次元金属多孔体１２とリード１３との間に入り込むことはないので、最終的に得られる電極と集電板との溶接不良を低減することができる。また、溶接用電極を使用しないため、スパッタが発生し、Ｃｕ等の混入によって短絡が増加することを防止することもできる。
【００２８】
次いで、リード１３を接合した後の三次元金属多孔体１２に、活物質を充填した後、圧延加工を施す。
【００２９】
次いで、図４に示すように、活物質の充填・圧延工程が終了した後の三次元金属多孔体１２に、リード１３部分を中心としてエアーを吹き付ける。これにより、リード１３部分と三次元金属多孔体１２の表面に付着した余分な活物質が除去される。その結果、最終的に得られる電池用電極と集電板との溶接不良を低減することができると共に、短絡も防止することができる。この場合、リード１３の幅よりも大きな径を有する吸引ノズル１４と、吸引ノズル１４の内部に収容された噴射ノズル１５とを備えた装置を用いれば、余分な活物質の除去と集塵とを同時に行うことができるので、作業を効率的に行うことができる。
【００３０】
最後に、活物質の除去と集塵が終了したワーク１１を幅：３５ｍｍ×長さ：８０ｍｍの寸法に切断する。これにより、図５に示すような一側縁部にリード１３を有する電池用電極１６が得られる。
【００３１】
このように、本発明による電池用電極の製造方法においては、リード全面が電極板に接合されるため、切断時にリードが剥がれて、バリが発生することを抑えることができる。また、一側縁部にリードを有するため、集電効率に優れた電池用電極を容易に製造することができる。
【００３２】
尚、本実施の形態においては、余分な活物質の除去をエアーの吹き付けによって行っているが、必ずしもこの方法に限定されるものではなく、例えば、ブラシを用いて行うこともできる（この場合、図４の噴射ノズル１５の代わりにブラシが用いられる）。
【００３３】
また、本実施の形態においては、ワーク１１を、リード部分を超音波ホーン２と対向させた状態で、超音波ホーン２とアンビル３との間に配置しているが、必ずしもこの構成に限定されるものではなく、リード部分をアンビル３と対向させた状態で、ワーク１１を超音波ホーン２とアンビル３との間に配置するようにしてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、連続生産が可能で、ランニングコストが低く、また、集電板との溶接不良を低減することができると共に、短絡防止をも図ることのできる電池用電極板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態で用いられる超音波接合機を示す構成図
【図２】図１に示す超音波接合機のアンビルの周面形状を示す断面図
【図３】図１に示す超音波接合機を用いて三次元金属多孔体とリードとを接合している状態を示す模式図
【図４】余分な活物質の除去工程を示す模式図
【図５】本発明の一実施の形態の製造方法によって得られた電池用電極を示す平面
【図６】従来技術における電池用電極板の一製造工程を示す模式図である。
【符号の説明】
１  超音波接合機
２  超音波ホーン
３  アンビル
４  中心軸体
５  発振子
６  中心軸体
７  支持台
８  基台
９  エアシリンダ
１０  圧力計
１１  ワーク
１２  三次元金属多孔体
１３  リード
１４  吸引ノズル
１５  噴射ノズル
１６  電池用電極板
１７  モータ
【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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