JP5086566B2

JP5086566B2 - 蓄電素子

Info

Publication number: JP5086566B2
Application number: JP2006163424A
Authority: JP
Inventors: 義訓三田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-06-13
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2026-06-13
Also published as: JP2007335150A

Description

本発明は、二次電池やキャパシタなどの蓄電素子に関する。

近年、ハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車等の需要が高まるとともに、蓄電素子に対する更なる大電流化と小型化が求められている。蓄電素子としては、正電極部と負電極部とがセパレータを挟むように配置されてなる積層体と、正電極部と負電極部とのそれぞれから引き出された複数層の集電箔に溶接接合された板状端子とを有する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−８７２６０号公報（図２）

蓄電素子において、大電流化、すなわち、より大きな電流を充放電することを可能にする手法として、正電極部と負電極部の面積を拡大することが一般的に知られている。一方で、蓄電素子は、小型化も求められているので、少なくとも蓄電素子の体積を大きくしたくはなく、大電流が流せても短時間で寿命がきてしまうのでは困るので、いわゆる電流容量が小さくならないように、正電極部と負電極部とに形成する活物質の厚さを薄くしたくはない。以上のことから、正電極部と負電極部の面積を拡大するには、正電極部と負電極部とにおいて活物質の基板となり発生した電荷を集める集電箔を薄くすることになる。

しかし、正電極部と負電極部の面積を拡大し集電箔を薄くする場合、正電極部と負電極部とがセパレータを挟むように配置されてなる積層体の層数が多くなり、板状端子と溶接接合する集電箔の枚数が増えることになる。板状端子に一度に溶接する集電箔の枚数が多くなれば、束ねた複数の集電箔の表層側は溶けすぎて破れやすくなり、板状端子側の集電箔は溶けにくくて接合されにくくなり、溶接が困難になると考えられた。

本発明は、上記点に鑑み、集電箔の枚数が多くなっても、集電箔と板状端子とを溶接接合にて接続可能な蓄電素子を提供することを目的とする。

本発明は、正電極部と負電極部とがセパレータを挟むように配置されてなる捲回体または積層体と、前記正電極部と前記負電極部とのそれぞれが、複数層の集電箔を介して接続する板状端子とを有する蓄電素子において、前記複数層の集電箔を分けて束ねた複数の束の１つと溶接接合する集電接合部と、前記板状端子と溶接接合する端子接合部とを有する複数の補助集電板を有し、前記補助集電板には、前記集電接合部と前記端子接合部の間に曲げが設けられ、複数の前記束のそれぞれは、前記集電接合部と溶接接合する箇所において、前記板状端子の方向に傾いていることを特徴とする。

本発明によれば、複数の補助集電板毎に、複数層の集電箔を分けて溶接接合しているので、１箇所で溶接接合される集電箔の枚数を減らすことができる。具体的には、集電箔を均等に分ければ、集電箔の枚数を補助集電板の枚数で除した枚数に減らせ、溶接接合を容易に行うことができる。

前記補助集電板は、前記集電接合部と前記端子接合部の間に曲げが設けられ、複数の前記束のそれぞれは、前記集電接合部と溶接接合する箇所において、前記板状端子の方向に傾いている。その曲げによって所定の角度曲げられているので、端子接合部は板状端子に沿わせたまま、溶接接合するために束ねた集電箔を無理に曲げずに集電接合部に沿わせて接合できる。このため、集電箔を無理に曲げたことによる破損を防止することができる。

複数の前記補助集電板と前記板状端子にはそれぞれ、互いに重なった位置決め穴が設けられ、複数の前記端子接合部は、互いに重なっていることが好ましい。複数の補助集電板にはそれぞれ、位置決め穴が設けられているので、集電箔に対する溶接における位置関係を容易に再現させることができる。また、複数の補助集電板と板状端子の位置決め穴を貫通するようにガイドピンを通して、複数の補助集電板と板状端子との溶接接合を行うことにより、複数の補助集電板と板状端子の相互の位置関係を一意に決定し固定することができる。

前記補助集電板の板厚は、前記板状端子の板厚より薄いことが好ましい。集電箔の枚数が増えることにより、板状端子への溶接接合が困難になるだけでなく、集電箔の膜厚が薄くなることによっても、集電箔の板状端子への溶接接合は困難になっている。集電箔は板状端子よりもともと薄いが、板状端子の板厚に対する集電箔の膜厚の比が小さくなればなるほど集電箔の板状端子への溶接接合は困難になると考えられる。そこで、集電箔の膜厚が薄くなっても、直接溶接接合させる補助集電板の板厚を、板状端子より薄くすることにより、補助集電板の板厚に対する集電箔の膜厚の比を、板状端子の板厚に対する集電箔の膜厚の比より小さくして、溶接接合を容易にしている。

逆に、捲回体または積層体で充放電する電流は、集電箔から補助集電板を通って、板状端子を流れるが、補助集電板での電流密度が、板状端子での電流密度より高いと、補助集電板において異常な発熱が生じる場合がある。そこで、複数の補助集電板のそれぞれの板厚は、板状端子の板厚より薄くても、補助集電板での電流密度が、板状端子での電流密度より高くならないように、複数の補助集電板の板厚の合計が、板状端子の板厚に等しいか大きくなるように設定されている。

本発明によれば、集電箔の枚数が多くなっても、集電箔と板状端子とを溶接接合にて接続可能な蓄電素子を提供できる。

図１に示すようには、本発明の実施形態に係る蓄電素子１は、板状端子２を両端に有する内部構造体６と、内部構造体６を浸す図示しない電解質液と、板状端子２を露出させながら内部構造体６と電解質液を密封しているラミネートフィルムの外装３とを有している。外装３は、重ねた２枚のラミネートフィルムの外周部を一周にわたり熱溶着させた熱溶着部５を設けることにより、板状端子２を露出させながら、密閉された袋部４を構成しており、この袋部４の中に、内部構造体６と電解質液を封止している。

図２と図３に示すように、内部構造体６は、充放電して電流を発生させる捲回体８と、発生した電流を集電させる補助集電板１２、１３と、集電された電流を外部装置に流すために外部装置に接続する板状端子２とを有している。板状端子２には、外部装置の配線に締結するための締結穴１５が設けられている。捲回体８の両端には、それぞれ複数層の集電箔９が設けられ、捲回体８で発生した電流は、集電箔９を流れる。集電箔９は、補助集電板１２に、集電接合部１０において溶接接合している。補助集電板１２は、板状端子２に、端子接合部１１において溶接接合している。補助集電板１２には、集電箔９に対する補助集電板１２の溶接における位置関係を容易に再現させることができる位置合わせ穴１４が設けられている。

図３と図４（ａ）に示すように、複数層の集電箔９を分けて束ねた複数の束３０を形成しており、その束３０の１つと補助集電板１２とが、集電接合部１０で溶接接合している。束３０のもう１つは、補助集電板１３と、集電接合部１７で溶接接合している。補助集電板１２、１３は、端子接合部１１、１６において、板状端子２と溶接接合している。複数の補助集電板１２、１３毎に、複数層の集電箔９を分けて溶接接合しているので、１箇所で溶接接合される集電箔９の重ね枚数を減らすことができる。具体的には、集電箔を均等に２つに分けているので、重ね枚数を半分に減らせるので溶接接合を容易に行うことができる。なお、図３の範囲Ｃと範囲Ｄの構造は線対称の関係にあるので、範囲Ｃの拡大図である図４（ａ）から範囲Ｄの詳細を類推することができる。

また、補助集電板１２には、集電接合部１０と端子接合部１１の間に曲げ１８が設けられている。同様に、補助集電板１３にも、集電接合部１７と端子接合部１６の間に曲げ１８が設けられている。補助集電板１２、１３は、曲げ１８によって所定の角度θだけ曲げられているので、端子接合部１１、１６は板状端子２に沿わせたまま、集電接合部１０、１７に溶接接合するために束ねた集電箔９を、無理に曲げずに、補助集電板１２、１３に沿わせて接合できる。このため、集電箔９を無理に曲げたことによる破損を防止することができる。なお、角度θとしては、１３５°以上１７０°以下が好ましく、このような範囲であれば、集電箔９を無理に曲げずに補助集電板１２、１３に沿わせて接合できる。また、補助集電板１２、１３の集電箔９側の端部の高さは、接続する束３０の中央の高さに設定されている。このことによれば、特定の集電箔９のみを大きく曲げることがないので、破損を防止することができる。

補助集電板１２、１３の板厚は、板状端子２の板厚より薄くなっている。集電箔９の枚数が増えることにより、板状端子２への溶接接合が困難になるだけでなく、集電箔９の膜厚が薄くなることにより、集電箔９の板状端子２への溶接接合は困難になっている。集電箔９は板状端子２よりもともと薄いが、この集電箔９が薄くなることにより、板状端子２の板厚に対する集電箔９の膜厚の比が小さくなり、溶接においては集電箔９ばかりが溶けやすくなり、集電箔９の板状端子２への溶接接合は困難になると考えられる。そこで、集電箔９の膜厚が薄くなっても、直接溶接接合させる補助集電板１２、１３の板厚を、板状端子２より薄くすることにより、補助集電板１２、１３の板厚に対する集電箔９の膜厚の比を、板状端子２の板厚に対する集電箔９の膜厚の比より小さくして、溶接においては集電箔９ばかり溶けやすくするのでなく、補助集電板１２、１３も溶けやすくすることにより、溶接接合を容易にしている。

図４（ｂ）に示すように、複数の補助集電板１２、１３と板状端子２にはそれぞれ、互いに重なった位置決め穴１４、１９、２０が設けられ、位置決め穴１４、１９、２０は連通している。複数の補助集電板１２、１３にはそれぞれ、位置決め穴１４、１９が設けられているので、集電箔９に対する溶接における位置関係を容易に再現させることができる。

次に、本発明の実施形態に係る蓄電素子の製造方法について説明する。

まず、図５により、捲回体８の製造方法について説明する。まず、＋極となる帯状の集電箔９の右片側側部を除いた両面に活物質を塗布し、集電箔９上に正電極部２１を形成する。同様に、−極となるもう１枚の集電箔９の左片側側部を除いた両面に活物質を塗布し、集電箔９上に負電極部２５を形成する。正電極部２１と負電極部２５とが直接接しないように、帯状のセパレータ２４の上に負電極部２５がはみ出さないように負電極部２５を重ねて配置し、負電極部２５の上に帯状のセパレータ２３が負電極部２５を全て覆うように重ねて配置し、セパレータ２３の上に正電極部２１がはみ出さないように正電極部２１を重ねて配置する。そして、セパレータ２４、負電極部２５付きの集電箔９、セパレータ２３、正電極部２１付きの集電箔９を重ねたまま扁平巻きにする。以上で捲回体８が完成する。捲回体８では、正電極部２１と負電極部２５とがセパレータ２３とセパレータ２４を交互に挟むように配置される。なお、蓄電素子１が二次電池の場合は化学反応を起こす活物質が必要になるが、蓄電素子１がキャパシタの場合は、化学反応を起こす必要がない。

図６と図９（ａ）に示すように、集電箔９の正電極部２１あるいは負電極部２５の形成されていない片側側部にはセパレータ２３、２４を重ねないようにして巻いているので、それぞれの集電箔９の片側側部は、セパレータ２３、２４とで覆われずに、捲回体８の左右側辺部に露出している。

図７（ａ）に示すように、補助集電板１２は、金属板を曲げ１８で折り曲げて作製される。曲げ１８の片側には位置合わせ穴１４が設けられている。同様に、補助集電板１３も、図７（ｂ）に示すように、金属板を曲げ１８で折り曲げて作製される。曲げ１８の片側には位置合わせ穴１９が設けられている。補助集電板１３は、上下を入れ替えるように回転させると、補助集電板１２と合同であることがわかる。補助集電板１２を複数製造しておけば、補助集電板１２を補助集電板１３に転用できる。

図７（ｃ）に示すように、板状端子２は、平板の一方の片側に位置合わせ穴２０が設け、他方の片側に締結穴１５が設けることにより作製される。位置合わせ穴１４、１９、２０が重なるように、補助集電板１２、板状端子２、補助集電板１３を重ねて位置合わせをするので、２つの位置合わせ穴１４の中心から中心までの距離と、２つの位置合わせ穴１９の中心から中心までの距離と、２つの位置合わせ穴２０の中心から中心までの距離とは等しくなるように設定されている。さらに、位置合わせ穴１４、１９、２０の直径を同じにすれば、同じ径のガイドピンを位置合わせ穴１４、１９、２０に刺すことで容易に位置合わせができる。

次に、図８、図９（ｂ）に示すように、溶接機２７で、複数層の集電箔９を束ねて束３０を作りながら、束３０と補助集電板１２とを一緒に挟み、超音波溶接により束３０の集電箔９それぞれと補助集電板１２を溶接接合する。この溶接による３つの溶接箇所が集電接合部１０になる。溶接の前には、位置合わせ穴１４を用いて、集電箔９と補助集電板１２の位置関係の位置合わせを行う。具体的には、集電箔９と位置合わせ穴１４との距離が所定の距離になるように、集電箔９に対して補助集電板１２を配置する。

図９（ｃ）に示すように、溶接機２７で、複数層の集電箔９の残りの層を束ねてもう一つの束３０を作りながら、束３０と補助集電板１３とを一緒に挟み、超音波溶接により束３０の集電箔９それぞれと補助集電板１３を溶接接合する。この溶接による溶接箇所が集電接合部１７になる。なお、溶接の前には、補助集電板１２の場合と同じように位置合わせを行う。

図９（ｄ）に示すように、位置決め穴１４、１９、２０を貫通するようにガイドピン２８を通して、複数の補助集電板１２、１３と板状端子２の互いの位置決めを行いながら、複数の補助集電板１２、１３と板状端子２を重ねる。溶接機２７で、複数の補助集電板１２、１３と板状端子２とを一緒に挟み、超音波溶接により溶接接合する。ことにより、複数の補助集電板１２、１３と板状端子２の相互の位置関係を一意に決定することができる。この溶接による溶接箇所が端子接合部１１、１６（図４（ａ）参照）になるが、１回の溶接で溶接接合しているので、複数の端子接合部１１、１６は互いに重なっている。

以上から、実施形態の蓄電素子１によれば、集電箔９の枚数が多くなっても、集電箔９を複数の束３０に分けてそれぞれ補助集電板１２、１３に溶接接合してから、この複数の補助集電板１２、１３を板状端子２に溶接接合しているので、束３０毎の集電箔９の枚数を減らすことができ、良好な溶接接合が可能になる。

図１０に、本発明の他の実施形態に係る蓄電素子から外装と電解質を除いた内部構造体６を示す。他の実施形態の蓄電素子が、実施形態の蓄電素子と異なる点は、捲回体８を積層体２９に変更している点である。ただ、積層体２９も捲回体８も、両端にそれぞれ複数層の集電箔９が設けられている点では同じであり、捲回体８と同様に、積層体２９の集電箔９を複数の束３０にして、それぞれの束３０を１つずつ複数の補助集電板１２、１３に溶接接合することができる。このように、積層体２９にも捲回体８と同様に、本発明の実施形態を適用することができる。また、積層体２９の構造も、正電極部と負電極部とが間にセパレータを挟みながら繰り返し配置される点と、正電極部と負電極部とから左右両端にそれぞれの集電箔９が引き出されている点とにおいて、捲回体８の構造を同じである。このように、他の実施形態においても、実施形態同様に本発明を実施でき、同様の効果を得ることができる。すなわち、集電箔９が薄くなり集電箔９の枚数が多くなっても、集電箔９を複数の束３０に分けて補助集電板１２、１３に溶接接合しているので、束３０毎の集電箔９の枚数を減らすことができ、良好な溶接接合が可能になる。

本発明の実施形態に係る蓄電素子の斜視図である。蓄電素子から外装と電解質を除いた内部構造体の斜視図である。図２のＡ−Ａ方向の断面図である。（ａ）は図３の範囲Ｃの拡大図であり、（ｂ）は、図２のＢ−Ｂ方向の断面の拡大図である。捲回体の構造図である。捲回体の斜視図である。（ａ）は第１補助集電板の斜視図であり、（ｂ）は第２補助集電板の斜視図であり、（ｃ）は板状端子の斜視図である。本発明の実施形態に係る蓄電素子の製造途中の斜視図である。（ａ）は図６のＥ−Ｅ方向の断面の集電箔の周辺の図であり、（ｂ）は図８のＦ−Ｆ方向の断面の集電箔の周辺の図であり、（ｃ）は残りの集電箔を第２補助集電板に溶接接合した図であり、（ｄ）は第１補助集電板と第２補助集電板とを板状端子に溶接接合した図である。本発明の他の実施形態に係る蓄電素子から外装と電解質を除いた内部構造体の斜視図である。

符号の説明

１蓄電素子
２板状端子
６内部構造体
８捲回体
９集電箔
１０集電接合部
１１端子接合部
１２、１３補助集電板
１４位置合わせ穴
１６端子接合部
１７集電接合部
１８曲げ
１９、２０位置合わせ穴
２１正電極部
２３、２４セパレータ
２５負電極部
２９積層体
３０束

Claims

正電極部と負電極部とがセパレータを挟むように配置されてなる捲回体または積層体と、前記正電極部と前記負電極部とのそれぞれが複数層の集電箔を介して接続する板状端子とを有する蓄電素子において、
前記複数層の集電箔を分けて束ねた複数の束の１つと溶接接合する集電接合部と、前記板状端子と溶接接合する端子接合部とを有する複数の補助集電板を有し、
前記補助集電板には、前記集電接合部と前記端子接合部の間に曲げが設けられ、
複数の前記束のそれぞれは、前記集電接合部と溶接接合する箇所において、前記板状端子の方向に傾いていることを特徴とする蓄電素子。
複数の前記補助集電板と前記板状端子にはそれぞれ、互いに重なった位置決め穴が設けられ、
複数の前記端子接合部は、互いに重なっていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電素子。
前記補助集電板の板厚は、前記板状端子の板厚より薄いことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の蓄電素子。
複数の前記補助集電板の板厚の合計は、前記板状端子の板厚に等しい、又は、より大きいことを特徴とする請求項３に記載の蓄電素子。