JP2006139987A

JP2006139987A - 電池パック用板状配線材及び電池パック

Info

Publication number: JP2006139987A
Application number: JP2004327540A
Authority: JP
Inventors: Toru Washimi; 亨鷲見; Tetsuya Tokumitsu; 哲哉徳光; Hiroshi Okikawa; 寛沖川; Shigeru Okamoto; 茂岡本; Fumio Horii; 文夫堀井
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-11-11
Filing date: 2004-11-11
Publication date: 2006-06-01

Abstract

【課題】電池使用時の発熱を十分低いレベルに抑制すると共に、抵抗溶接性、耐食性に優れ、更には、圧延によりクラッド材を製造する際にクラッド材の接着界面に波打ち等の現象を生じさせないでクラッド材を安定して製造することができる電池パック用板状配線材及びそれを用いた電池パックを提供する。
【解決手段】ニッケル・カドミウム、リチウムイオン、ニッケル水素等の二次電池からなる４個の電池１を板状配線材２で直列に電気接続して電池パック３とする。板状配線材２は、銅層の両側に各々ニッケル層を配置して積層一体化した厚さ０．５ｍｍ以下のニッケル／銅／ニッケルクラッド材からなり、クラッド材全体の導電率が７５％以上であると共に、クラッド材全体の厚さに対する両側のニッケル層の厚さの比率が各々１２．５〜１５％の範囲であり、かつ両側のニッケル層の厚さの比率の合計が２５％以上とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、パソコンなどに用いられるニッケル・カドミウム、リチウムイオン、ニッケル水素等の二次電池を接続する電池パック用板状配線材及び電池パックに係り、特に、電池使用時の発熱を抑制することができると共に抵抗溶接性、耐食性に優れ、更には、圧延により安定して製造することが可能な電池パック用板状配線材及びそれを用いた電池パックに関するものである。

図９に、従来の電池パックの平面図を示す。
電池パック３０は、ニッケル・カドミウム、リチウムイオン、ニッケル水素等の二次電池からなる４個の電池１を板状配線材２２で直列に電気接続したものである。各々の電池１の端子４と板状配線材２２とは、抵抗溶接の一種であるスポット溶接により電気接続されている。

このような板状配線材２２としては、電気抵抗が低く、電池１に用いられる電解液に対する耐食性に優れ、また、電極、電池ケースとの溶接性が良い材料を選定する必要がある。

かかる点から、板状配線材２２に耐食性が良く電気抵抗の低い（８〜１０μΩ・ｃｍ以下）純ニッケルが採用されている。しかし、最近の二次電池の高容量化、ハイパワー化に伴い、電気抵抗の低いニッケルであっても発熱する恐れがあるため、さらに電気抵抗の低い材料が要望されている。また、ニッケルは、熱伝導性が高く溶接時に加熱時間が長くかかり、生産性が悪く、加熱しすぎると電池ケースまで加熱されて電池内部に悪影響を及ぼすという問題がある。これに対しては、ニッケルの断面積を大きくするという方法があるが、断面積の増加はスペース上の問題から容易に許容されない。
一方、銅及び銅合金は電気抵抗が１〜２μΩ・ｃｍと低く、良好な導電性を有するが、耐食性が不充分であり、また溶接が非常に困難であるという問題がある。
更に、最近では、板状配線材として全体の厚みをできるだけ薄くするように要望されている。

このような点に鑑みて、ニッケル／銅／ニッケルクラッド材を採用して、全体に対するＮｉ層の厚さの比率を４６．６％〜８６．７％とし、電気抵抗が７μΩ・ｃｍ以下で、全体の厚みが０．５ｍｍ以下とした薄い板状配線材が提案されている（特許文献１参照）。
特開平１１−２９７３００号公報

しかしながら、前記ニッケル／銅／ニッケルクラッド材においても、二次電池の高容量化に伴う発熱の抑制がなお不充分であり、高容量化する前のレベル以下に発熱を抑えたいという顧客の要求を十分満たすことができなかった。

更に、本発明者らの検討によれば、ニッケル層の比率が小さすぎても、溶接性の確保が困難となるだけでなく、硬さの異なるニッケル／銅／ニッケルクラッド材を圧延により製造する際に、クラッド材の接着界面に波打ち等の現象を生じることが判明した。

従って、本発明の目的は、上記課題を解決してニッケル／銅／ニッケルクラッド材の構造の最適化を図り、電池パック用板状配線材として、電池使用時の発熱を十分低いレベルに抑制すると共に、抵抗溶接性、耐食性に優れ、更には、圧延によりクラッド材を製造する際にクラッド材の接着界面に波打ち等の現象を生じさせないでクラッド材を安定して製造することができる電池パック用板状配線材及びそれを用いた電池パックを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の電池パック用板状配線材は、銅層の両側に各々ニッケル層を配置して積層一体化した厚さ０．５ｍｍ以下のニッケル／銅／ニッケルクラッド材からなる電池パック用板状配線材であって、前記クラッド材全体の導電率が７５％以上であると共に、前記クラッド材全体の厚さに対する両側のニッケル層の厚さの比率が各々１２．５〜１５％の範囲であり、かつ両側のニッケル層の厚さの比率の合計が２５％以上であることを特徴とする。

前記銅層の両側に配置される前記ニッケル層の厚さは、各々０．０２５〜０．０５ｍｍであることが好ましい。

前記銅層の両側に配置される前記ニッケル層の厚さを等しくすることができる。

前記クラッド材に、半径０．５〜５．０ｍｍ、深さ０．０５〜１．０ｍｍのプロジェクションを電池との溶接部分に位置するように形成することができる。

また、上記課題を解決するため、本発明の電池パックは、複数個の二次電池をニッケル／銅／ニッケルクラッド材からなる電池パック用板状配線材で直列に電気接続した電池パックであって、前記クラッド材は、銅層の両側に各々ニッケル層を配置して積層一体化した厚さ０．５ｍｍ以下のニッケル／銅／ニッケルクラッド材からなり、前記クラッド材全体の導電率が７５％以上であると共に、前記クラッド材全体の厚さに対する両側のニッケル層の厚さの比率が各々１２．５〜１５％の範囲であり、かつ両側のニッケル層の厚さの比率の合計が２５％以上であることを特徴とする。

前記クラッド材に、半径０．５〜５．０ｍｍ、深さ０．０５〜１．０ｍｍのプロジェクションを前記二次電池との溶接部分に位置するように形成することができる。

前記二次電池の端子と前記電池パック用板状配線材とを、スポット溶接により電気接続することができる。

本発明によれば、ニッケル／銅／ニッケルクラッド材の厚さ比率等を特定して構造の最適化を図っているので、電池使用時の発熱を十分低いレベルに抑制することができると共に、抵抗溶接性及び耐食性に優れている。更に、圧延によりクラッド材を製造する際にクラッド材の接着界面に波打ち等の現象を生じさせないでクラッド材を安定して製造することができる。このため、電池パック用板状配線材として好適なものとなる。

本発明者らは、圧延により厚さ０．５ｍｍ以下のニッケル／銅／ニッケルクラッド材を製造して電池使用時の発熱を抑制するために必要なクラッド材の導電率を調べたところ、クラッド材全体で導電率８０％±５％以上あれば良いことが分かった。

また、このとき、抵抗溶接後のピール強度（接続性）を確保するという観点から抵抗溶接性と高耐食性を維持するために必要なニッケル層の厚さを調べたところ、クラッド材全体の厚さに対する両側のニッケル層の厚さの比率は、合計で２５％以上必要であることが分かった。

一方、このように薄くて硬さの異なる複合材からなるニッケル／銅／ニッケルクラッド材を圧延により製造するための加工条件を調べたところ、クラッド材全体の厚さに対する両側のニッケル層の厚さ比率は、各々１２．５％以上必要であることが分かった。これは、１２．５％未満、特に１０％以下では、圧延時に銅の伸びにニッケルがついていけなくなって、ニッケルと銅の接着界面が波打つリップル現象が生じやすくなり、クラッド材の製造歩留まりが著しく低下してしまうためである。
また、クラッド材全体の厚さに対する両側のニッケル層の厚さ比率が各々１５％を超えるような値になると、クラッド材全体の導電率を８０％±５％以上に維持することが困難となることが分かった。

このようなことから、クラッド材全体の厚さが０．５ｍｍ以下と薄い場合、クラッド材全体の厚さに対する両側のニッケル層の厚さの比率は、各々１２．５〜１５％の範囲とすれば良い。
因みに、クラッド材全体の厚さに対するニッケル層の厚さの比率が大きいほど、抵抗溶接後のビール強度（接続性）が増すが、中間の銅の存在と導電率に基づく発熱抑制効果は減少する。

両側のニッケル層の厚さは、各々０．０２５〜０．０５ｍｍであることが好ましく、また、その厚さは、各々同一であることが好ましい。両側のニッケル層の厚さが各々同一であれば、クラッド材に表裏の区別がなく、非常に取り扱い易いといえる。また、クラッド材を製造する上でも、用意する素材の数が少なくてすみ、コスト的にも有利であるといえる。

クラッド材の厚さは、０．５ｍｍ以下、例えば、０．４ｍｍとか０．２ｍｍの他に０．１ｍｍまで薄いものも実施可能である。

なお、本発明において、銅層及びニッケル層とあるのは、基本的には純銅層及び純ニッケル層であるが、特性向上のために少量の添加成分を含んでいてもよい。

以下、本発明の実施例について添付図面を参照しつつ説明する。
図１に、本実施例に係る電池パックの平面図を示す。
電池パック３は、ニッケル・カドミウム、リチウムイオン、ニッケル水素等の二次電池からなる４個の電池１を板状配線材２で直列に電気接続したものである。各々の電池１の端子４と板状配線材２とは、抵抗溶接の一種であるスポット溶接により電気接続されている。

図２に、図１の電池パックに用いた板状配線材２の断面図を示す。
この板状配線材２は、ニッケル／銅／ニッケルのクラッド材５から構成されている。ニッケル／銅／ニッケルクラッド材５は、全体の厚さが０．２ｍｍ、心材である銅板６の厚さが０．１５ｍｍ、両側のニッケル板７の厚さが各々０．０２５ｍｍとされている。ニッケル／銅／ニッケルクラッド材５全体の厚さに対する両側のニッケル板７の厚さの比率は、各々１２．５％である。また、このニッケル／銅／ニッケルクラッド材５の板幅は２０ｍｍであり、導電率は８０％（ＩＡＣＳ）である。

このクラッド材５は、銅板６の両側に各々ニッケル板７を配置して圧延により圧接して製造される。圧延によるクラッド材の製造においては、１回の圧下率を低減して６５％〜８０％の圧下率で何回か圧延を行うと共に、適宜７００℃前後で熱処理を行うことにより、圧延による結晶配向性を小さくし、機械的・電気的特性の安定化を図ることができる。

図３に、図２に示すクラッド材５からなる板状配線材を用いて通電電流と温度上昇との関係を調べた結果を示す。
なお、比較例１は、厚さ０．２ｍｍのニッケル材（導電率２０％）を用いた板状配線材であり、比較例２〜４は、厚さ０．３ｍｍのニッケル／銅／ニッケルクラッド材からなる特許文献１記載の実施例について、各層の厚さ（比率）が０．０７ｍｍ（２３．３％）／０．１６ｍｍ（５３．４％）／０．０７ｍｍ（２３．３％）の場合（比較例２）、各層の厚さ（比率）が０．０６ｍｍ（２０％）／０．１２ｍｍ（４０％）／０．１２ｍｍ（４０％）の場合（比較例３）、各層の厚さ（比率）が０．０６ｍｍ（２０％）／０．０４ｍｍ（１３．３％）／０．２ｍｍ（６６．７％）の場合（比較例４）である。

図３より、本実施例では、比較例１〜４と比べて通電電流に対する温度上昇の割合が小さく、温度上昇抑制効果に優れていることが分かる。
なお、比較例２〜４は、比較例１と対比すると多少の温度上昇抑制効果は認められるが、本実施例と比較すると十分ではないため、顧客の要求によっては対応できない場合がある。

図４は、全体の厚さが０．２ｍｍのニッケル／銅／ニッケルクラッド材を電池の端子にスポット溶接して接続部とし、電池の端子に電流が確実に流れるようにした場合に、クラッド材全体の厚さに対するニッケル層の比率と接続部のピール破断荷重（Ｎ）との関係を調べたものである。

図４より、顧客の要望である３０Ｎ以上のピール強度を得るためには、測定値のバラツキを考慮すると、ニッケル層の比率は１６％では不充分であり、使用上安全な範囲として２５％以上必要であることが分かる。なお、ニッケル層の比率の上限は、クラッド材全体の導電率との関係から自ずと制限される。

図５に、板状配線材の他の変形例を示す。
図５（ａ）の板状配線材では、図２に示すクラッド材５の構造と同様のクラッド材１１に、溶接部タブ付電池のタブ材（ＳＵＳ３０４製）との抵抗溶接性を向上させるため、突起からなるプロジェクション１３を設けたものである。

図６に示すように、各プロジェクション１３の大きさは、半径Ｒが０．５ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲内、高さｈが０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内になるように形成される。

プロジェクション１３の大きさを上記範囲としたのは、この範囲外では溶接性の改善効果が低くなってしまい、好ましくないためである。

このように、クラッド材１１にプロジェクション１３を形成することにより、抵抗溶接時の電流密度が向上し、より良好な接合が得られる。

また、図５（ｂ）に示すように、クラッド材１１に、１ヶ所当たり２個のプロジェクション１５を形成しても良い。

電池パックを製造するに際しては、電池パック用板状配線材の溶接部とタブ付電池のタブ材とを抵抗溶接により溶接する。
図７、図８に、抵抗溶接に用いられる抵抗溶接装置の例を示す。
図７は抵抗溶接装置の平面図であり、図８は図７の抵抗溶接装置の横断面図である。

この抵抗溶接装置は、タブ付電池のクラッド材（タブ材）２１を載置させるためのセラミック板（溶接台）２９と、そのタブ付電池のクラッド材２１に接触される溶接電極２７ｂと、この溶接電極２７ｂと所定間隔を隔てて設けられ、クラッド材２１上に重ねられたクラッド材（導電性板状部材）２３に接触される溶接電極２７ａと、これら溶接電極２７ａと溶接電極２７ｂとの間に電圧を印加する電源（図示せず）とで主に構成されている。

この抵抗溶接装置を用いて溶接を行うには、まず、セラミック板２９上にタブ付電池のクラッド材２１を載置させ、そのクラッド材２１上の所定の位置に溶接電極２７ｂを接触させると共に、タブ付電池のクラッド材２１上の他の所定の位置にクラッド材２３を、プロジェクション２５を挟むようにして重ね合わせ、さらにそのクラッド材２３の裏側から溶接電極２７ａを接触させる。そして、これら溶接電極２７ａと溶接電極２７ｂとの間に所定電圧を所定時間印加する。

導電性板状部材となるクラッド材２３はＮｉ／Ｃｕ／Ｎｉで構成され、溶接部が抵抗溶接に適した伝導度を有しており（導電率が８０％±５％以上ＩＡＣＳ）、さらにプロジェクション２５においては電流密度が向上するので、良好な強度でクラッド材２１とクラッド材２３の溶接部とが溶接される。
このため、所望数の二次電池同士を接続することにより、高容量化を図れる電池パックを提供することが可能となる。

実施例１に係る電池パックを示す平面図である。実施例１に用いられる板状配線材の構造を示す断面図である。実施例２において、通電電流と温度上昇との関係を示したグラフである。実施例３において、クラッド材全体の厚さに対するニッケル層の比率と接続部のピール破断荷重（Ｎ）との関係を示したグラフである。実施例４の板状配線材の構造を示す平面図であり、（ａ）は１箇所あたりプロジェクションを１個設けたもの、（ｂ）は１箇所あたりプロジェクションを２個設けたものである。実施例４の板状配線材の構造を示す断面図である。実施例５で用いられる抵抗溶接装置の平面図である。図７の抵抗溶接装置の横断面図である。従来の電池パックを示す平面図である。

符号の説明

１電池
２板状配線材
３電池パック
４端子
５クラッド材
６銅板
７ニッケル板
１１クラッド材
１３プロジェクション
１５プロジェクション
１６銅板
１７ニッケル板
２１クラッド材
２２板状配線材
２３クラッド材
２５プロジェクション
２７ａ溶接電極
２７ｂ溶接電極
３０電池パック

Claims

銅層の両側に各々ニッケル層を配置して積層一体化した厚さ０．５ｍｍ以下のニッケル／銅／ニッケルクラッド材からなる電池パック用板状配線材であって、前記クラッド材全体の導電率が７５％以上であると共に、前記クラッド材全体の厚さに対する両側のニッケル層の厚さの比率が各々１２．５〜１５％の範囲であり、かつ両側のニッケル層の厚さの比率の合計が２５％以上であることを特徴とする電池パック用板状配線材。
前記銅層の両側に配置される前記ニッケル層の厚さは、各々０．０２５〜０．０５ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の電池パック用板状配線材。
前記銅層の両側に配置される前記ニッケル層の厚さが等しいことを特徴とする請求項１又は２記載の電池パック用板状配線材。
前記クラッド材に、半径０．５〜５．０ｍｍ、深さ０．０５〜１．０ｍｍのプロジェクションを電池との溶接部分に位置するように形成したことを特徴とする請求項１記載の電池パック用板状配線材。
複数個の二次電池をニッケル／銅／ニッケルクラッド材からなる電池パック用板状配線材で直列に電気接続した電池パックであって、
前記クラッド材は、銅層の両側に各々ニッケル層を配置して積層一体化した厚さ０．５ｍｍ以下のニッケル／銅／ニッケルクラッド材からなり、前記クラッド材全体の導電率が７５％以上であると共に、前記クラッド材全体の厚さに対する両側のニッケル層の厚さの比率が各々１２．５〜１５％の範囲であり、かつ両側のニッケル層の厚さの比率の合計が２５％以上であることを特徴とする電池パック。
前記クラッド材に、半径０．５〜５．０ｍｍ、深さ０．０５〜１．０ｍｍのプロジェクションを前記二次電池との溶接部分に位置するように形成したことを特徴とする請求項５記載の電池パック。
前記二次電池の端子と前記電池パック用板状配線材とが、スポット溶接により電気接続されていることを特徴とする請求項５記載の電池パック。