特許 7245146 リードタブと電極箔の接続方法、および巻回型蓄電素子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-03-14

(45)【発行日】2023-03-23

(54)【発明の名称】リードタブと電極箔の接続方法、および巻回型蓄電素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/536 20210101AFI20230315BHJP

   H01M 10/04 20060101ALI20230315BHJP

   H01G 9/008 20060101ALI20230315BHJP

   H01M 10/0587 20100101ALN20230315BHJP

【ＦＩ】

H01M50/536

H01M10/04 W

H01G9/008 303

H01M10/0587

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019194898

(22)【出願日】2019-10-28

(65)【公開番号】P2021068655

(43)【公開日】2021-04-30

【審査請求日】2022-04-22

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和１年７月２７日にニチコン株式会社が友晃電気株式会社にリチウムイオン二次電池を販売したことにより公開された。

(73)【特許権者】

【識別番号】000004606

【氏名又は名称】ニチコン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000475

【氏名又は名称】弁理士法人みのり特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】寺石 尚央

(72)【発明者】

【氏名】西脇 睦博

【審査官】山本 雄一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－２１０６１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１１２１４１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ５０／５０－５０／５９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

巻回型蓄電素子を構成するリードタブと電極箔とを接続する方法であって、
凹部を有する台座部上に電極箔を配置する第１工程と、
前記凹部の真上に位置するように、前記電極箔上にリードタブを配置する第２工程と、
前記リードタブおよび前記電極箔の重ね合わせ体に前記リードタブ側から穿孔用針を突き刺して、前記重ね合わせ体のバリを生じさせる第３工程と、
前記穿孔用針を前記重ね合わせ体から引き抜く第４工程と、
前記重ね合わせ体を上下方向からプレスして前記バリを押し潰す第５工程と、
を備え、
平面視したときの前記凹部の形状が、矩形の四隅を該矩形の対角線に沿って外側に拡張したものであり、
前記穿孔用針の先端部が、前記矩形の対向した辺の中央同士を結んだ十字状の切れ込みを前記重ね合わせ体に形成し得る形状である
ことを特徴とする接続方法。

【請求項2】

平面視したときの前記凹部の形状が、矩形と該矩形の４つの頂点のそれぞれを中心とする４つの円を重ね合わせたものである
ことを特徴とする請求項１に記載の接続方法。

【請求項3】

前記凹部の前記矩形が、正方形であり、
前記穿孔用針の先端部の形状が、正四角錐であり、
平面視したときに、前記正四角錐の断面が、前記凹部の前記矩形に対して４５°傾いている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の接続方法。

【請求項4】

請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の接続方法によりリードタブが接続された２枚の電極箔をセパレータとともに巻回して円筒状の電池本体を形成する第１工程と、
前記電池本体を封口ゴムとともに外装ケースに収容する第２工程と、
を備えたことを特徴とする、巻回型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、加締めによりリードタブと電極箔とを接続する方法、およびこの方法を適用した巻回型蓄電素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、各種巻回型蓄電素子（これには、リチウムイオン二次電池および電解コンデンサ等が含まれる）を構成するリードタブと電極箔とを接続する際に、加締めと呼ばれる接続方法が用いられている。

【0003】

この接続方法は、特許文献１等に見られるように、表裏両面に活物質層が形成された集電体からなる電極箔にリードタブ（電極リード）を重ねる工程と、リードタブ側から穿孔用針を突き刺して貫通させ、電極箔側にバリを生じさせる工程と、穿孔用針を引き抜く工程と、プレスによりバリを押し潰す工程（すなわち、電極箔と電極リードとを加締める工程）とを含んでいる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００８－２１０６１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記の接続方法は、非常に細い穿孔用針を用いて幅が狭いリードタブを接続する場合（言い換えると、生じ得るバリのサイズが小さい場合）に、リードタブと電極箔との接続が不安定になるという問題が起こり得る。すなわち、上記の接続方法では、小型の巻回型蓄電素子を製造する際に、リードタブと電極箔とを機械的および電気的に確実に接合するのが困難であった。

【0006】

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、穿孔用針およびリードタブの寸法が小さくてもリードタブと電極箔とを確実に接続することができる接続方法、およびこの方法を適用した巻回型蓄電素子の製造方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明に係る接続方法は、巻回型蓄電素子を構成するリードタブと電極箔とを接続する方法であって、凹部を有する台座部上に電極箔を配置する第１工程と、前記凹部の真上に位置するように、前記電極箔上にリードタブを配置する第２工程と、前記リードタブおよび前記電極箔の重ね合わせ体に前記リードタブ側から穿孔用針を突き刺して、前記重ね合わせ体のバリを生じさせる第３工程と、前記穿孔用針を前記重ね合わせ体から引き抜く第４工程と、前記重ね合わせ体を上下方向からプレスして前記バリを押し潰す第５工程とを備え、平面視したときの前記凹部の形状が、矩形の四隅を該矩形の対角線に沿って外側に拡張したものであり、前記穿孔用針の先端部が、前記矩形の対向した辺の中央同士を結んだ十字状の切れ込みを前記重ね合わせ体に形成し得る形状である、ことを特徴としている。

【0008】

この構成では、平面視したときの凹部の形状が、矩形の四隅を該矩形の対角線に沿って外側に拡張したものとなっている。また、この構成では、穿孔用針の先端部が、上記矩形の対向した辺の中央同士を結んだ十字状の切れ込みを重ね合わせ体に形成し得る形状になっている。このため、この構成によれば、切れ込みにより生じた重ね合わせ体の４つの片が対角線に沿って外側に大きく折れ曲がり、その結果、バリのサイズが最大化されるので、穿孔用針およびリードタブの寸法が小さくてもリードタブと電極箔とを確実に接続することができる。

【0009】

上記接続方法は、平面視したときの前記凹部の形状が、矩形と該矩形の４つの頂点のそれぞれを中心とする４つの円を重ね合わせたものである、との構成を有していてもよい。

【0010】

また、上記接続方法は、前記凹部の前記矩形が正方形であり、前記穿孔用針の先端部の形状が正四角錐であり、平面視したときに、前記正四角錐の断面が前記凹部の前記矩形に対して４５°傾いている、との構成を有していてもよい。

【0011】

また、上記課題を解決するために、本発明に係る巻回型蓄電素子の製造方法は、上記いずれかの接続方法によりリードタブが接続された２枚の電極箔をセパレータとともに巻回して円筒状の電池本体を形成する第１工程と、前記電池本体を封口ゴムとともに外装ケースに収容する第２工程と、を備えたことを特徴としている。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、穿孔用針およびリードタブの寸法が小さくてもリードタブと電極箔とを確実に接続することができる接続方法、およびこの方法を適用した巻回型蓄電素子の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】巻回型リチウムイオン二次電池の構成要素を示す分解斜視図である。

【図2】電極箔と該電極箔上に配置されたリードタブとを示す平面図である。

【図3】本発明の実施例に係る接続方法に含まれる各工程を示す端面図である。

【図4】本発明の実施例における、リードタブ、台座部の凹部、および穿孔用針の先端部の関係を示す平面図である。

【図5】本発明の実施例に係る接続方法により生じたプレス後のバリを電極箔側から見た図である。

【図6】本発明の比較例における、リードタブ、台座部の凹部、および穿孔用針の先端部の関係を示す平面図である。

【図7】本発明の変形例における、リードタブ、台座部の凹部、および穿孔用針の先端部の関係を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施例に係るリードタブと電極箔の接続方法、およびこの方法を適用した巻回型蓄電素子の製造方法について説明する。なお、以下では、巻回型蓄電素子がリチウムイオン二次電池である場合について説明するが、本発明は、巻回型蓄電素子が電解コンデンサ等である場合にも適用することができる。

【0015】

図１に示すように、巻回型のリチウムイオン二次電池１は、正極側リード１３ａおよび負極側リード１３ｂを有する電池本体１０と、リード１３ａ，１３ｂを通すための穴２１，２１を有する封口ゴム２０と、電池本体１０および封口ゴム２０を収容する金属製の外装ケース３０とからなっている。外装ケース３０の開口した端部は、電池本体１０および封口ゴム２０を収容した後にカーリング加工がなされる。また、外装ケース３０の封口ゴム２０を覆う部分は、電池本体１０および封口ゴム２０を収容した後に絞り加工がなされる。

【0016】

電池本体１０は、正極側リード１３ａが接続された正極箔１１ａと、第１セパレータ１２ａと、負極側リード１３ｂが接続された負極箔１１ｂと、第２セパレータ１２ｂとをこの順に重ね合わせて巻回したものである。正極箔１１ａは、正極材としてマンガン酸リチウム塩を含んでおり、負極箔１１ｂは、負極材としてチタン酸リチウム塩を含んでいる。また、セパレータ１２ａ，１２ｂは、レーヨンからなっている。

【0017】

なお、以下では、正極箔１１ａと負極箔１１ｂとを区別することなく電極箔１１と呼ぶことがある。また、以下では、正極側リード１３ａと負極側リード１３ｂとを区別することなくリード１３と呼ぶこともある。

【0018】

図２に示すように、リード１３は、封口ゴム２０の穴２１を通って外部に突き出すことになるリード線１４と、封口ゴム２０の穴２１内にとどまる大径部１５と、大径部１５をプレス加工して形成した薄板状を有するリードタブ１６とからなっている。リード１３は、そのリードタブ１６と電極箔１１とが加締めにより接続されることにより、電極箔１１に電気的および機械的に接続される。大径部１５およびリードタブ１６はアルミニウムからなり、リード線１４は鉄芯または銅芯に外層となるすずめっきを施したものからなっている。

【0019】

本実施例に係るリードタブ１６と電極箔１１との接続方法は、凹部５１を有する台座部５０上に電極箔１１を配置する第１工程と、凹部５１の真上に位置するように、電極箔１１上にリードタブ１６を配置する第２工程とを備えている（図３（Ａ）参照）。同図に示すように、電極箔１１とリードタブ１６の重ね合わせ体１１，１６は、リードタブ１６の上方にある押さえ部４０と電極箔１１の下方にある台座部５０とで挟持される。

【0020】

本実施例に係る接続方法は、重ね合わせ体１１，１６にリードタブ１６側から穿孔用針６０を突き刺して、重ね合わせ体１１，１６のバリ７０を生じさせる第３工程をさらに備えている（図３（Ｂ）参照）。重ね合わせ体１１，１６が押さえ部４０と台座部５０とで挟持されているので、穿孔用針６０を突き刺したときにリードタブ１６と電極箔１１とに位置ずれが生じることはない。なお、本実施例では、凹部５１が台座部５０を貫通しているが、凹部５１は、第３工程において穿孔用針６０を受け入れることが可能な程度の深さを有する有底の穴であってもよい。

【0021】

本実施例に係る接続方法は、穿孔用針６０を引き抜く第４工程（図３（Ｃ）参照）と、重ね合わせ体１１，１６をプレス機の上板と下板との間に移動させ、上板と下板との間の距離（以下、「加締め厚」という）が所定の距離となるまで上下方向からプレスすることによりバリ７０を押し潰す第５工程（図３（Ｄ）参照）とをさらに備えている。

【0022】

図４は、平面視したときのリードタブ１６、台座部５０の凹部５１および穿孔用針６０の先端部６１の形状と、これらの関係とを示した平面図である。

【0023】

リードタブ１６は、幅方向寸法がＷ_１６である。

【0024】

凹部５１は、幅方向寸法がＷ_５１であり、かつ長さ方向寸法がＬ_５１である矩形と、この矩形の４つの頂点のそれぞれを中心とする半径がＲである４つの円とを重ね合わせたような形状を有している。言い換えると、凹部５１は、矩形の四隅を該矩形の対角線に沿って外側に拡張したような形状を有している。

【0025】

また、穿孔用針６０の先端部６１は、凹部５１を構成する矩形の対向した辺の中央同士を結んだ十字状の切れ込み１７，１７を重ね合わせ体１１，１６に形成し得る、四角錐状を有している。

【0026】

図４から理解されるように、本実施例において、穿孔用針６０の先端部６１は、正四角錐状を有している。そして、この正四角錐の断面（正方形）は、凹部５１を構成する矩形（正方形）に対して４５°だけ傾いている。

【0027】

本実施例に係る接続方法によれば、穿孔用針６０を突き刺したときに、十字状の切れ込み１７，１７により隔てられた重ね合わせ体１１，１６の４つの片が凹部５１を構成する矩形の対角線に沿って外側に大きく折れ曲がり、バリ７０のサイズが最大化される。そして、その結果、穿孔用針６０およびリードタブ１６の寸法が小さくても、リードタブ１６と電極箔１１とを確実に接続することができる。

【0028】

続いて、電極箔１１およびリードタブ１６の接続強度を確認する試験の結果について説明する。本試験では、まず、正極材としてのマンガン酸リチウム塩を含む厚み６０［μｍ］の正極箔１１ａと、負極材としてのチタン酸リチウム塩を含む厚み４５［μｍ］の負極箔１１ｂと、レーヨンからなる厚み２０［μｍ］のセパレータ１２ａ，１２ｂと、幅（＝Ｗ_１６）１．０［ｍｍ］、厚み１８０［μｍ］のリードタブ１６を用いて各実施例および各比較例に係るφ３．０［ｍｍ］のリチウムイオン二次電池１を作製した。そして、それぞれの作製直後（初期）のＥＳＲと、それぞれの正極側リード１３ａまたは負極側リード１３ｂを６［Ｎ］、８［Ｎ］、１０［Ｎ］、１２［Ｎ］の力で引っ張った後のＥＳＲを測定し、初期値に対する変化率を評価した。初期値に対する変化率が＋／－２０％までの範囲を◎、＋／－２０％を超え＋／－２５％までの範囲を○、＋／－２５％を超える結果を×とした。

【0029】

表１に、第１～第９実施例に係るリチウムイオン二次電池１の正極側リード１３ａについての結果を示す。第１～第９実施例は、正極箔１１ａと正極側リード１３ａのリードタブ１６との接続条件、より詳しくは、プレス後のバリ７０の対角間寸法（以下、「花びら寸法」ともいう。図５の符号Ｄ参照）と加締め厚が異なっている。

【表1】

【0030】

ここで、第１～第９実施例（および後述する第１０～第１８実施例）における凹部５１の形状は、図４に示した形状（以下、「クローバー形状」という）である。

【0031】

表１に示した結果は、凹部５１の形状をクローバー形状とし、かつ加締め厚を正極箔１１ａおよびリードタブ１６の厚みの合計である２４０［μｍ］に０～２０［μｍ］を足した寸法とすれば、１２［Ｎ］の比較的大きな力で正極側リード１３ａを引っ張っても、正極箔１１ａとリードタブ１６との接続状態が悪化しなかったことを示している。加締め厚は、厚み合計に５～１５［μｍ］を足した寸法とすることが特に好ましい。なお、加締め厚を厚み合計よりも小さくすると、正極箔１１ａが損傷するおそれがある。一方、加締め厚を厚み合計に２０［μｍ］を足した寸法よりも大きくすると、加締めが不十分となり、接続強度が低下するおそれがある。

【0032】

また、表１に示した結果は、花びら寸法を０．７０～１．１０［ｍｍ］とすれば、１２［Ｎ］の比較的大きな力で正極側リード１３ａを引っ張っても、正極箔１１ａとリードタブ１６との接続状態が悪化しなかったことを示している。花びら寸法は、０．８０～１．００［ｍｍ］とすることが特に好ましい。

【0033】

表２に、第１０～第１８実施例に係るリチウムイオン二次電池１の負極側リード１３ｂについての結果を示す。第１０～第１８実施例は、負極箔１１ｂと負極側リード１３ｂのリードタブ１６との接続条件が異なっている。

【表2】

【0034】

表２に示した結果は、凹部５１の形状をクローバー形状とし、かつ加締め厚を負極箔１１ｂおよびリードタブ１６の厚みの合計である２２５［μｍ］に５～２５［μｍ］を足した寸法とすれば、１２［Ｎ］の比較的大きな力で負極側リード１３ｂを引っ張っても、負極箔１１ｂとリードタブ１６との接続状態が悪化しなかったことを示している。加締め厚は、厚み合計に１０～２０［μｍ］を足した寸法とすることが特に好ましい。

【0035】

また、表２に示した結果は、花びら寸法を０．７０～１．１０［ｍｍ］とすれば、１２［Ｎ］の比較的大きな力で負極側リード１３ｂを引っ張っても、負極箔１１ｂとリードタブ１６との接続状態が悪化しなかったことを示している。花びら寸法は、０．８０～１．００［ｍｍ］とすることが特に好ましい。

【0036】

表３に、第１比較例に係るリチウムイオン二次電池１の正極側リード１３ａについての結果と、第２比較例に係るリチウムイオン二次電池１の負極側リード１３ｂについての結果とを示す。

【表3】

【0037】

ここで、第１～第２比較例における凹部５１の形状は、図６に示した形状（以下、「Ｈ形状」という）である。Ｈ形状は、矩形と４つの円とを重ね合わせたような形状である点でクローバー形状と共通しているが、４つの円の中心が矩形の頂点からずれている点においてクローバー形状と相違している。すなわち、第１～第２比較例における凹部５１の形状は、矩形の四隅を該矩形の対角線に沿って外側に拡張した形状となっていない。

【0038】

表３に示した結果は、凹部５１の形状をＨ形状とすると、加締め厚を正極箔１１ａおよびリードタブ１６の厚みの合計である２４０［μｍ］に１０［μｍ］を足した寸法としても、１０［Ｎ］の力で正極箔１１ａとリードタブ１６との接続状態が悪化し得ることを示している。また、表３に示した結果は、加締め厚を負極箔１１ｂおよびリードタブ１６の厚みの合計である２２５［μｍ］に１５［μｍ］を足した寸法としても、１０［Ｎ］の力で負極箔１１ａとリードタブ１６との接続状態が悪化し得ることを示している。

【0039】

以上のように、凹部５１の形状をクローバー形状とすれば、凹部５１の形状をＨ形状とした場合に比べて、電極箔１１とリードタブ１６とを強固に接続することができる。

【0040】

また、凹部５１の形状をクローバー形状として作製した１０００個のリチウムイオン二次電池１と、凹部５１の形状をＨ形状として作製した１０００個のリチウムイオン二次電池１の作製直後（初期）のＥＳＲを測定したところ、クローバー形状の標準偏差が０．４７であったのに対してＨ形状の標準偏差は１．０３であり、前者の方がバラツキがかなり少なかった。この試験結果も、凹部５１の形状をクローバー形状とすることの優位性を示している。

【0041】

以上、本発明の実施例について説明してきたが、本発明の構成は実施例によって限定されるものではない。

【0042】

例えば、平面視したときの凹部５１の形状は、図７に示した形状であってもよい。同図（Ａ）に示した形状は、矩形の四隅を拡張した部分が角ばっている点で図４に示したクローバー形状と異なっている。また、同図（Ｂ）および（Ｃ）に示した形状は、矩形が正方形ではなく長方形である点で図４に示したクローバー形状と異なっている。なお、同図（Ｂ）および（Ｃ）に示した形状を採用する場合は、穿孔用針６０の先端部６１の断面も長方形とすることが好ましい。

【符号の説明】

【0043】

１ リチウムイオン電池
１０ 電池本体
１１ 電極箔
１１ａ 正極箔
１１ｂ 負極箔
１２ａ 第１セパレータ
１２ｂ 第２セパレータ
１３ リード
１３ａ 正極側リード
１３ｂ 負極側リード
１４ リード線
１５ 大径部
１６ リードタブ
１７ 切れ込み
２０ 封口ゴム
２１ 穴
３０ 外装ケース
４０ 押さえ部
５０ 台座部
５１ 凹部
６０ 穿孔用針
６１ 先端部
７０ バリ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】