JP5197001B2 - 電気デバイス集合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気的エネルギーを貯留及び出力する電気デバイス要素を有する電気デバイス（例えば、電池やキャパシタ）が複数集合した電気デバイス集合体を製造する方法に関する。特に、各電気デバイスから引き出された電極タブ同士が溶接によって接続されている電気デバイス集合体の製造方法に関する。

近年、例えば電気自動車の駆動電源として、複数の電池セルを直列及び／又は並列に相互接続した組電池の開発が進められている。このような組電池の構成について、図１を参照して簡単に説明する。組電池１５０は、複数の電池セル１２０（図１では２つのみを図示）を集合させたものであり、各電池セル１２０から引き出された電極タブ１２５ａ、１２５ｂ同士が電気的に接続されている。なお、電極タブ１２５ａ、１２５ｂはいずれも金属材料であって、その厚さは例えば５０μｍ〜３００μｍ程度の比較的薄いものである。

特開２００３−３３８２７５号公報には、上記のような構成において、例えば超音波溶接やレーザー溶接を利用して電極タブ１２５ａ、１２５ｂ同士を接合することが開示されている。同文献にはまた、電極タブとバスバーとを電気的に接続することも開示されている。なお、バスバーとは、導電性の金属材料からなる長尺な板状部材であり、その利用方法の１つとしては、例えば互いに離れて配置された電池セルのそれぞれの電極タブ同士を電気的に接続することなどが挙げられる。

しかしながら、上記特開２００３−３３８２７５号公報には、レーザー溶接等を利用して電極タブ同士を接合することについては記載されているものの溶接工程の詳細については触れられてない。

例えば、図１に示したような姿勢、すなわち、電極タブ１２５ａ、１２５ｂが水平方向に延在するような姿勢でレーザー溶接等を行うとすれば、次のような不具合が生じることもある。すなわち、例えば図示上面側から電極タブ１２５ａに向けてレーザーを照射した際、レーザーの照射強度によっては溶融した部材が鉛直下方に抜けてしまう可能性があった。部材の抜けが発生すると、電極タブ同士の接合部の接合強度が低下すると共に、電気的接続の信頼性も低下する。特に、前述の通り、電極タブ１２５ａ、１２５ｂはいずれも薄い部材からなるものであるため、こうした部材抜けの問題が比較的発現しやすいと考えられる。

以上、電池として機能する電池セル１２０を例に挙げて説明したが、上記のような問題は電池に限らず、電極タブ同士を接合する必要がある電気デバイス集合体を製造する際に共通して生じうる問題である。つまり、例えば、内部にキャパシタなどの電気デバイス要素を収容した電気デバイスであっても、該電気デバイスから引き出された電極タブ同士を接合する際に上記のような問題は生じうることとなる。

本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電気デバイスから引き出された電極タブ同士を溶接接合する際に電極タブの部材抜けが起こりにくく、電極タブ同士の電気的接続を高い信頼性で行うことができる、電気デバイス集合体の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の電気デバイス集合体の製造方法は、各電気デバイスから引き出された電極タブ同士を接続することで、複数の前記電気デバイスが直列及び／又は並列に電気的接続された電気デバイス集合体を製造する方法であって、互いに接続される前記電極タブ同士を部分的に重ね合わせる工程と、重ね合わせられた前記電極タブの先端がいずれも鉛直上方を向く姿勢で、前記電極タブの先端側から、前記各電極タブを部分的に溶融させて前記電極タブ同士を溶接する工程とを有する。

このような本発明の製造方法によれば、各電極タブは、電極タブ同士の重ね合せ部の上部側から下部側に向かう方向に溶融していくものであるため、電極タブ同士を水平姿勢に重ねて溶接を行う従来の方法と比較して、部材の抜けの問題が生じにくい。

溶接の方法としては種々利用可能であるが、例えば、前記電極タブの各先端に対してエネルギービームを照射して前記電極タブを溶融させるものであってもよい。

また、本発明は電極タブ同士の溶接に限らず、電極タブ同士にさらにバスバーを重ねたものを一括して溶接するものであってもよい。すなわち、前記電極タブ同士を部分的に重ね合わせる工程は、前記電極タブ同士の重ね合せ部の一方の面に、導電性材料からなるバスバーを密着させて重ね合せることを含み、前記電極タブ同士を溶接する工程は、前記各電極タブと前記バスバーとに対して（あるいはこれらの部材のうち一方のみに対して）エネルギービームを照射して、前記電極タブと前記バスバーとを接合することを含むものであってもよい。この場合、バスバーを介して前記電極タブ同士の前記重ね合せ部を押圧した状態で前記溶接を行うようにしてもよい。

また、前記電極タブ同士を部分的に重ね合わせる工程は、前記電極タブの各先端を揃えた状態で、前記電極タブ同士を重ね合わせることを含むものであってもよい。

上述したように本発明によれば、鉛直方向に延在する姿勢となっている電極タブの先端側から溶接を行って電極タブ同士を接合するものであるため、電極タブ同士を溶接接合する際に電極タブの部材抜けが起こりにくく、したがって電極タブ同士の電気的接続を高い信頼性で行うことができるものとなる。

従来の組電池の構成の一例を示す平面図である。 本発明の製造方法によって製造される電気デバイス集合体の一態様である組電池の構成を示す平面図である。 図２の電池セルを単体の状態で示す斜視図である。 電極タブ同士の電気的接続部を示す斜視図である。 電極タブ同士の電気的接続部を拡大して示す部分拡大図である。

符号の説明

２０ 電池セル
２２ 電池要素
２３ 封止部
２４ 外装フィルム
２５ａ、２５ｂ 電極タブ
２６ 重ね合せ部
３１ バスバー
３１ａ 貫通穴

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図２は、本発明の製造方法によって製造される組電池の構成を示す図である。図３は、図２の電池セルを単体の状態で示す斜視図である。図４は、電極タブ同士の電気的接続部を示す斜視図である。

図３に示すように、電池セル２０単体は、内部に密閉空間を形成する外装フィルム２４を有しており、該密閉空間内には、所定の起電力（例えば３．６Ｖ）を出力する薄型の電池要素２２（電気デバイス要素）が電解液と共に収容されている。外装フィルム２４は、詳細には、２枚のフィルムを張り合わせた構造となっており、外装フィルム２４の外周部にはフィルム同士を熱シールした封止部２３が全周にわたって形成されている。外装フィルム２４は長方形の輪郭形状を有しており、短辺側の２辺から、正極用の電極タブ２５ａ及び負極用の電極タブ２５ｂが引き出されている。なお、電極タブ２５ａ、２５ｂの引き出し位置は特に限定されるものではなく、図３に示すような形態の他にも、１つの辺から正極用及び負極用の電極タブが引き出されているものであってもよい。

電池要素２２は、表面に正極活物質が塗布されたシート状の正電極と、同じく表面に負極活物質が塗布されたシート状の負電極とがセパレータを介して複数枚積層されたものである。電池要素２２の厚みは例えば数ｍｍから十数ｍｍ程度である。

外装フィルム２４としては特に限定されるものではないが、例えば、熱シール性を備えた内面層と、金属箔膜からなる中間層と、保護層として機能する外面層とが順に積層された３層構造のものであってもよい。内面層は、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリアミド、アイオノマー等の耐電界液性及び熱シール性に優れた熱可塑性樹脂からなるものであってもよい。中間層は、例えばアルミ箔又はＳＵＳ箔膜など、可撓性を有し強度にも優れたものを利用すればよい。外面層は、ポリアミド系樹脂又はポリエステル系樹脂など、絶縁性に優れた熱可塑性樹脂からなるものであってもよい。

電極タブ２５ａ、２５ｂはいずれも、厚みが例えば５０μｍ〜３００μｍのシート状の部材であり、可撓性を有している。正極用の電極タブ２５ａの材質は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金等である。負極用の電極タブ２５ｂの材質は、例えば銅又は合金等である。

図２に示すように、本実施形態の組電池５０においては、各電池セル２０が直列接続をなすようにして電気的に接続されている。すなわち、一方の電池セル２０の電極タブ２５ａと、それに隣接する他方の電池セル２０の電極タブ２５ｂとが対向する状態で、複数の電池セル２０が積層されている。なお、電池セル２０の個数は特に限定されるものではないが、例えば１２個であってもよい。

前述の通り、１つの電池セル２０の起電力は３．６Ｖであり、これを１２個集合させると、最終的に得られる出力は４３Ｖ程度となる。このように、出力が５０Ｖ程度の場合、組電池の取扱い時に、作業者が誤って電極タブ等に触れてしまったとしても人体に及ぼす影響は比較的小さいため、本実施形態のように最終的に得られる出力を５０Ｖ以下とすることは安全性の観点から好ましい。

図４に示すように、電極タブ２５ａ、２５ｂ同士の電気的接続部には、さらに、導電性材料（金属材料）からなる板状のバスバー３１が配置されている。バスバー３１は、組電池５０の完成状態では、図５に示すように電極タブ２５ａ、２５ｂの重ね合せ部２６に密着し、これによりバスバー３１自体も通電状態となっている。

なお、バスバー３１の利用方法としては種々考えられるが、例えば、電圧取出しの用の端子として利用することができる。電圧取出し用の端子として利用する場合、本実施形態のように、電極タブ同士の電気的接続部ごとにバスバー３１が配置されていることが好ましい。このような構成とすることで、例えば、バスバー３１のそれぞれに所定の電気回路を接続し、各電池セル２０ごとの電圧を検出することができる。あるいは、各バスバー３１にヒューズを設けることもできる。各バスバー３１ごと、換言すれば各電池セル２０ごとにヒューズを設ける構成とすれば、仮に１つの電池セル２０に異常が発生したとしても、その電池セル２０に対応するヒューズのみが切れることにより、回路全体の損傷が回避される。

バスバー３１の利用方法としては、その他にも、図４の破線にて示すように、図示Ｘ方向に隣接して、他の電池セル群が配置されているような場合、より長いバスバーを利用して、一方の電池セル群の電極タブと他方の電池セル群の電極タブとを相互に接続することも可能である。

バスバー３１は、その両端部に貫通穴３１ａが形成されている。このような貫通穴３１ａは、バスバー３１を他の部材に固定するために利用することができる。また、上記のようにバスバー３１に所定の電気回路を接続する場合にあっては、貫通穴３１ａを利用して、電気回路の一端をなす接続部材とバスバー３１とを共締めすることで、バスバーと電気回路との電気的接続を行うこともできる。

次に、各電極タブ２５ａ、２５ｂ同士を電気的に接続する方法について説明する。なお、組電池を製造するにあたっての他の工程（例えば電池セル２０同士を重ね合わせる工程等）は従来公知の方法で実施可能であるため、その説明は省略する。

まず、図４に示すように、互いに対向した状態に配置された電極タブ２５ａ、２５ｂを、各先端がいずれも鉛直上方に向くようにして部分的に重ね合せる。この状態では、電極タブ同士の重ね合せ部２６が鉛直方向に延在することとなる。そして、不図示の押さえ治具により、電極タブ２５ａ、２５ｂ及びバスバー３１を両側から挟み込むことで、電極タブ２５ａ、２５ｂ及びバスバー３１を、互いに密着した状態に維持する。

このようにバスバー３１を介在させた状態で電極タブ２５ａ、２５ｂを挟持する構成の場合、バスバー３１が板状部材であることから、電極タブの重ね合せ部２６に対して均一な加圧力が付与される。重ね合せ部２６に均一な加圧力が付与されているということは、電極タブ２５ａ、２５ｂの挟持が安定して行われることを意味する。

次いで、電極タブ２５ａ、２５ｂの各先端及びバスバー３１の端面に向けて、鉛直上方からエネルギービームを照射する。これにより、電極タブ２５ａ、２５ｂ及びバスバー３１がそれぞれ先端側（図示上部側）より溶融し、各部材同士が互いに一体化することで溶接が行われる。

なお、エネルギービームとしては、例えばレーザービーム又は電子ビーム等を利用することができる。また、図５に示すように、電極タブ２５ａ、２５ｂの各先端が同一面内に揃えられた状態で溶接を行うようにすれば、各電極タブ２５ａ、２５ｂに対してほぼ同量のエネルギービームが照射されることとなる。両電極タブ２５ａ、２５ｂの先端の位置が揃っていない場合、各電極タブ２５ａ、２５ｂに照射されるエネルギービームの量にバラツキが生じ、その結果、溶融する部材の量にバラツキが生じるおそれもある。これは溶接不良の原因となりうるものであり、したがって、溶接の信頼性を向上させるためには上記のように電極タブの先端同士を揃えることが好ましい。また、こうした観点から、電極タブ２５ａ、２５ｂの各先端とバスバー３１の上部側の端面とを揃えて溶接を行うようにしてもよい。

本実施形態の製造方法によれば、電極タブ２５a、２５ｂ及びバスバー３１の各部材は、重ね合せ部２６の上部側から下部側に向かう方向に溶融していくものであるため、図１を参照して説明したような、溶接時の部材抜けの問題は発生しない。図１のように水平方向に重ね合わせた電極タブ１２５ａ、１２５ｂに対してエネルギービームを照射して溶接する方法では、例えばエネルギービームの照射強度が強すぎると、大量の部材が溶融し、その結果、部材が抜けてしまうおそれがあった。これに対し、本実施形態のように、重ね合せ部２６の上部側から下部側に向かう方向に溶融するものであれば、仮にエネルギービームの照射強度が強すぎたとしても、重ね合せ部２６に形成される溶接部が鉛直下方に向かって大きくなるだけで済むため、部材が抜けることはない。これは、逆に言えば、比較的高い照射強度でエネルギービームを照射したとしても問題が生じないことを意味している。したがって本実施形態の製造方法によれば、エネルギービームの照射強度の調整が容易化する。

なお、本実施形態では、電極タブ２５ａ、２５ｂとバスバー３１とを溶接するものであったが、本発明は単に電極タブ２５ａ、２５ｂ同士を溶接する場合にも適用可能であるし、あるいは３枚以上の電極タブを溶接することも可能である。

本実施形態の製造方法の主たる特徴は、電極タブ２５ａ、２５ｂの先端がいずれも鉛直上方を向く姿勢で、別な言い方をすれば重ね合せ部２６が鉛直方向に延在するような姿勢で溶接を行うことにある。したがって、当然ながら、例えば電極タブ同士を水平姿勢で重ね合わせた後、上記のような姿勢として溶接を行うことも可能である。

また、本発明の方法においては、電極タブ２５ａ、２５ｂ等の先端側から部材を溶融させるものであれば、図４に描かれているようにエネルギービームを鉛直下方に打ち込むことに限定されるものではない。

また、電極タブ同士を溶接する方法としては、電極タブ２５ａ、２５ｂを先端側から溶融させていくものであれば、エネルギービームを利用するものに限らず例えば超音波を利用したものなど、他の溶接方法であってもよい。また、電池セル２０同士の電気的接続も直列接続に限らず、並列接続又は並列と直列との組合せの接続であってもよい。

なお、以上、電池セル２０及びそれが集合した組電池５０を例に挙げて説明したが、本発明は、電池の他にも、キャパシタなどの電気デバイス要素から引き出された電極タブ同士を接合するのにも好適に利用することができる。具体的には、電気デバイス要素は、電気二重層キャパシタ又は電解コンデンサ等であってもよい。

また、図３において電池要素２２を収容する部材は外装フィルム２４に限らず、例えば缶などの剛性のある部材であってもよい。また、電池要素２２は、上述したような、セパレータを介して正電極と負電極とが積層された積層型の他にも、いずれも帯状の正電極及び負電極をセパレータを介して積層し、これを捲回した後に扁平状に圧縮することで薄型とした捲回型のものであってもよい。電池要素２２の種類としては例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドニウム電池、リチウムメタル一次／二次電池、又はリチウムポリマー電池等であってもよい。

Claims (5)

1. 各電気デバイスから引き出された電極タブ同士を接続することで、複数の前記電気デバイスが直列及び／又は並列に電気的接続された電気デバイス集合体を製造する方法であって、
   互いに接続される前記電極タブ同士を部分的に重ね合わせる工程と、
   重ね合わせられた前記電極タブの先端がいずれも鉛直上方を向く姿勢で、前記電極タブの先端側から、前記各電極タブを部分的に溶融させて前記電極タブ同士を溶接する工程とを有する電気デバイス集合体の製造方法。
2. 前記電極タブ同士を溶接する工程は、前記電極タブの各先端に対してエネルギービームを照射することを含む、請求項１に記載の電気デバイス集合体の製造方法。
3. 前記電極タブ同士を部分的に重ね合わせる工程は、前記電極タブ同士を重ね合わせた重ね合せ部の一方の面に、さらに、導電性材料からなるバスバーを密着させて重ね合わせることを含み、
   前記電極タブ同士を溶接する工程は、前記各電極タブと前記バスバーの少なくとも一方に対してエネルギービームを照射して、前記電極タブと前記バスバーとを接合する、請求項１又は２に記載の電気デバイス集合体の製造方法。
4. 前記電極タブ同士を溶接する工程は、前記バスバーを介して前記電極タブ同士の前記重ね合せ部を押圧した状態で前記溶接を行うことを含む、請求項３に記載の電気デバイス集合体の製造方法。
5. 前記電極タブ同士を部分的に重ね合わせる工程は、前記電極タブの各先端を揃えた状態で、前記電極タブ同士を重ね合わせることを含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の電気デバイス集合体の製造方法。

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