CN101399325B - 层叠式电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种层叠式电池,其通过抑制两极板与两端子之间的连接电阻值发生偏差现象,可抑制即使在进行高速充放电时电池循环特性的下降。其将正极集电片(11)以层叠的状态熔接到正极集电端子(15)上、将上述负极集电端(12)以层叠的状态熔接到负极集电端子(16)上,其特征在于,将存在于上述正极集电端子(15)的上述正极板(1)侧的端部(15a)与上述正极板(1)之间的上述正极集电片(11)之间熔接在一起、和/或将存在于上述负极集电端子(16)的上述负极板(2)侧的端部(16a)与上述负极板(2)之间的上述负极集电片(12)之间熔接在一起。

Description

层叠式电池技术领域
[0001] 本发明涉及一种例如机器人、电动车、备用电源等上使用的层叠式电池,特别涉及一种可提高其高速充放电特性的层叠式锂离子电池。
背景技术
[0002] 近年来,电池不仅用于作为手机、笔记本电脑、PDA等移动信息终端的电源,而且被应用到机器人、电动汽车、备用电源等上,使其进行更加高容量化的要求愈加强烈。对于这样的要求,锂离子二次电池具有较高的能源密度而具备高容量,因而它作为上述那样的驱动电源而被广泛应用。
[0003] 作为这样的锂离子二次电池的电池形态,大致可分为将涡卷状的电极体密封于有底筒状外壳体内的筒型电池、和将由多个方形状电极层叠而形成的层叠电极体密封于有底的方形外壳体或将2片层叠薄膜熔接而制成的外壳体内的层叠型电池。 [0004] 这些锂离子二次电池当中后者电池的层叠电极体的具体结构是,通过将具有正极集电片的片状正极板与具有负极集电片的片状负极板按所需数目隔着隔板而层叠起来那样的结构,而且是通过超声波焊接将多块上述正极片以叠合状态熔接到正极集电端子上,另一方面,通过超声波焊接将多块上述负极片以叠合状态熔接到负极集电端子上的结构(参照下述专利文献1、2)。
[0005] 专利文献I :日本特开2003-282044号公报
[0006] 专利文献2 :日本特开2006-324093号公报
[0007] 在此,近年来,如上所述,锂离子二次电池的大容量化不断发展,存在使正极板、负极板的层叠片数随之而变多的倾向;而且,考虑到该电池进行高速充放电,有使两端子的厚度变大的倾向。因此,产生了在许多片箔状的两集电片叠合于厚的金属板(两集电端子)上的状态下进行超声波焊接的要求,但因两者(两集电端子和两集电片)厚度不同和将多片两种集电片同时熔接,会使焊接部的熔接性变差。为此,两极板与两端子之间的连接电阻值会产生偏差,因而特别是在进行高速充放电时,流通于各极板中的电流值将变得不均匀(具体而言,在两极板与两端子之间的连接电阻值较小的部位流通着较大的电流,另一方面,在两极板与两端子之间的连接电阻值较大的部位流通着较小的电流),在电池内部产生充放电状态的不均。其结果,局部发生了过放电、过充电现象,因此存在使电池的循环特性下降的问题。
发明内容
[0008] 本发明是鉴于上述课题而开发出,其目的在于提供一种层叠式电池,其通过抑制两极板与两端子之间的连接电阻值产生偏差,即使在进行高速充放电时也可抑制电池循环特性下降。
[0009] 为了达到上述目的,本发明具有隔着隔板将多个正极板与多个负极板交替层叠而成的层叠电极体,并且由金属箔片构成的正极集电片从上述多个正极板延伸出,由金属箔片构成的负极集电片从上述多个负极板延伸出,将上述正极集电片以层叠的状态熔接到板状正极集电端子上,将上述负极集电片以层叠的状态熔接到板状负极集电端子上,其特征在于,使存在于上述正极集电端子的上述正极板侧的端部与上述正极板之间的上述正极集电片之间相接合、和/或存在于上述负极集电端子的上述负极板侧的端部与上述负极板之间的上述负极集电片之间相接合,并将上述正极集电片之间进行电连接、和/或将上述负极集电片之间进行电连接。
[0010] 若具有上述构成,即使两集电端子与两集电片的焊接部的熔接性较差时,因为使存在于正极集电端子的正极板侧的端部与正极板与之间的正极集电片之间、和/或存在于负极集电端子的负极板侧的端部与负极板之间的负极集电片之间进行了电连接,因此能够抑制两极板与两端子之间的连接电阻值产生偏差。为此,即使在进行高速充放电时,也可确保流通于各极板中的电流值的均匀性,抑制电池内部发生充放电状态的不均。其结果,抑制了出现部分过放电、过充电现象,从而提高了电池的循环特性。 [0011] 优选上述正极板和上述负极板的片数分别为30片以上。
[0012] 正极板和上述负极板的片数分别为30片以上时,两集电端子与两集电片的焊接部的熔接性特别容易变差,因此在这种情况下能够充分发挥本发明的效果。
[0013] 优选利用超声波焊接法实施上述的接合。
[0014] 利用超声波焊接法实施上述的接合时,对极薄的多个两集电片进行熔接(因为在不存在厚的两集电端子的状态下进行熔接),因而可以通过较小的输出来进行熔接。其结果,可抑制因受到熔接时的冲击而造成的两集电片变形,因此,提高了多个两集电片间的粘合性,可实现连接电阻值的均匀化。而且,在使用超声波焊接法的情况下提高了焊接强度。
[0015] 但是,本发明也不排除采用电阻焊接法、激光焊接法来实施熔接。
[0016] 优选采用穿刺法进行上述的接合。
[0017] 采用穿刺法进行上述的接合时,可使用简单的设备进行接合,因而可降低电池的制造成本。
[0018] 上述的接合优选在上述正极集电端子中的上述正极板侧的端部与上述正极板之间的大致中间位置、或者上述负极集电端子中的上述负极板侧的端部与上述负极板之间的大致中间位置实施。
[0019] 上述的接合也可在接近两极板、两集电端子的位置实施,但因为层叠电极体、两集电端子的厚度较大(特别是层叠电极体的厚度非常大),也有时在该位置进行接合时接合部受到应力的作用,接合部会产生剥离等问题。对此,若如上述构成那样在正极集电端子(负极集电端子)的正极板(负极板)侧的端部与正极板(负极板)之间的大致中间位置进行接合,可抑制其受到上述应力的作用,因此可抑制接合部发生剥离等问题。
[0020] 特别是层叠电极体的厚度比两集电端子的厚度大,因而即使在上述大致中间位置也优选在靠近两集电端子的位置进行接合。
[0021] 上述的接合优选在多个部位进行实施。
[0022] 接合也可以在I个部位进行实施,但通过在多个部位实施接合,可进一步提高接合强度。
[0023] 在上述多个部位实施的接合优选沿着与上述正极集电片或上述负极集电片的延伸方向垂直的方向形成直线状。[0024] 若该接合未沿着与两正极集电片的延伸方向垂直的方向形成直线状,则有时在靠近两极板、两集电端子的位置进行接合,因而有时会与上述情况同样,接合部受到应力的作用,而使接合部发生剥离等问题。
[0025] 上述正极板上使用的正极活物质和上述负极板上使用的负极活物质优选由可吸藏、放出锂的材料构成。
[0026] 若将正极活物质和负极活物质应用于由可吸藏、放出锂的材料构成的锂离子电池上,在该电池中使正负极板的层叠片数增多而实现了大容量化的情况下,可显著提高其高速充放电下的循环特性。
[0027] 根据本发明,可抑制两极板与两端子之间的连接电阻值产生偏差,因此,即使在进行高速充放电时也发挥抑制电池的循环特性下降的良好效果。
附图说明
[0028] 图I是本发明的层叠式电池所使用的层叠电极体的分解立体图。
[0029] 图2是本发明的层叠式电池的立体图。
[0030] 图3是表示本发明的层叠式电池局部的图;图3的(a)是正极的俯视图;图3的(b)是隔板的立体图;图3的(C)是表示内部配置有正极的袋状隔板的俯视图。
[0031] 图4是本发明的层叠式电池所使用的负极的俯视图。
[0032] 图5是表示正极集电片间、以及正极集电片与正极集电端子之间处于相熔接的状态的俯视图。
[0033] 图6是表示负极集电片间、以及负极集电片与负极集电端子之间处于相熔接的状态的俯视图。
[0034] 图7是表示本发明的层叠式电池使用的层叠电极体的制造工序的侧视图。
[0035] 图8是本发明的层叠式电池使用的层叠电极体的侧视图。
[0036] 图9是表示本发明电池A与比较电池Z的循环特性的坐标图。
[0037] 图10是表示本发明的层叠式电池的变形例的俯视图。
[0038] 图11是表示本发明的层叠式电池使用的正极板的变形例的俯视图。
[0039] 图12表示本发明的层叠式电池使用的正极板的变形例的俯视图。
[0040] 图13是表示本发明的层叠式电池使用的层叠电极体的变形例的俯视图。
具体实施方式
[0041] 以下,依据图I〜图8对本发明的一例的方型锂离子电池进行说明。另外,本发明的层叠式电池并不只限定于下述实施方式所述的结构,在不改变其要旨的范围内可进行适当变更来实施。
[0042] 方型锂离子电池的构造
[0043] 如图I所示,方型锂离子电池具有层叠电极体10,该层叠电极体10具有如下结构:使由2片隔板构成且内部配置有正极板I的袋状隔板3与负极板2交替配置,并且在其最靠外侧位置配置负极板2。该层叠电极体10因为在最靠外侧位置配置负极板2,而构成为负极板2的片数比正极板I的片数多I片(具体而言,以正极板I为50片、负极板2为51片而构成)。而且,上述层叠电极体10与电解液一起被密封于通过熔接如图2所示的2片复合薄膜28而形成的外壳体25的内部,下述的正极集电端子15和负极集电端子16从上述外壳体25突出。
[0044] 如图3(a)所示,上述正极板I构造为,在由方形状铝箔(厚度构成的正极用导电性芯体的两表面的整个表面上设置正极活物质层la,该正极活物质层Ia以由LiCoO2构成的正极活物质、由碳黑构成的导电剂、由聚偏氟乙烯构成的粘结剂构成。构成为上述正极板I的宽度LI为95mm、高度L2为115mm,并且,与上述正极用导电性芯体一体形成且未设有上述正极活物质层Ia的正极集电片11 (宽度L3为30mm、高度L4为20mm)从正极板I的一边突出。
[0045] 如图3(c)所示,上述袋状隔板3结构为,使2片聚丙烯(PP)制的隔板3a叠合,在这些隔板3a的周围部设有熔接多个隔板3a而成的熔接部4。通过形成这样的结构,可将上述正极板I收纳于袋状隔板3内。另外,如图3(b)所示,上述隔板3a形成宽度L5为 100mm、高度L6为120mm的方形状,且其厚度为30 u m。
[0046] 如图4所示,上述负极板2具有如下的结构:在由方形状铜箔(厚度:10iim)构成的负极用导电性芯体的两表面的整个表面上设置有负极活物质层2a,该负极活物质层2a以由天然石墨构成的负极活物质、和由聚偏氟乙烯构成的粘结剂构成。上述负极板2的宽度L7为100mm、高度L8为120mm,具有与上述隔板3a同样的大小。而且,构成为与上述负极用导电性芯体一体形成且未设有上述负极活物质层2a的负极集电片12(宽度L9为30mm、高度LlO为20mm)从负极板2的一边突出。
[0047] 在此,如图5以及图8所示,从上述层叠电极体10突出的多个正极集电片11在重叠于由铝板(厚度:0. 5mm)构成的正极集电端子15的表面、背面上的状态下、利用超声波焊接法与正极集电端子15相熔接(图5以及图8的熔接部17)。该熔接部17构成为,将呈大致圆形(直径5mm)的6个焊接点设置为沿着与正极集电片11的延伸方向(图5中的A方向)垂直的方向呈直线状。而且,存在于上述正极集电端子15的上述正极板I侧的端部15a与上述正极板I之间的上述正极集电片11之间由超声波焊接法熔接(图5以及图8的熔接部18)。该熔接部18具有与上述熔接部17同样的结构,即将呈大致圆形(直径5mm)的6处焊接点设置为沿着与正极集电片11的延伸方向(图5中的A方向)垂直的方向呈直线状且位于上述正极集电端子15的端部15a与上述正极板I之间的大致中间位置。若这样在其大致中间位置进行熔接,则会抑制熔接部18所受到的应力,因而可抑制熔接部18发生剥离等问题。
[0048] 另一方面,如图6以及图8所示,将自上述层叠电极体10突出的多个负极集电片12在重叠于由铜板(厚度:0. 5mm)构成的负极集电端子16的表面、背面的状态下,利用超声波焊接法与负极集电端子16熔接在一起(图6以及图8的熔接部19)。该熔接部19构成为,将呈大致圆形(直径5mm)的6处焊接点设置为沿着与负极集电片12的延伸方向(图6中的B方向)垂直的方向呈直线状。而且,由超声波焊接法将存在于上述负极集电端子16的上述负极板2侧的端部16a与上述负极板2之间的上述负极集电片12之间熔接在一起(图6以及图8的熔接部20)。该熔接部20具有与上述熔接部19同样的结构,即将呈大致圆形(直径5_)的6处焊接点设置为沿着与负极集电片12的延伸方向(图6中的B方向)垂直的方向呈直线状,且位于上述负极集电端子16的端部16a与上述负极板2之间的大致中间位置。若这样在其大致中间位置进行熔接,则根据与上述同样的理由,可抑制熔接部20发生剥离等问题。
[0049] 另外,上述图8中 的附图标记26是用于抑制层叠电极体10中的正极板I、负极板2出现错动的错动防止用带,错动防止用带跨越层叠电极体10,其两端粘贴在存在于最外部的负极2上。
[0050] 方型锂离子电池的制作方法
[0051]〔正极板的制作〕
[0052] 将作为正极活物质的LiCoO2按质量百分比90%、作为导电剂的碳黑按质量百分比5%、作为粘结剂的聚偏氟乙烯按质量百分比5%与作为溶剂的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶液混合一起而调制成正极浆。接着,将该正极浆涂于作为正极集电体的铝箔(厚度:15pm)的两表面上。其后,使溶剂干燥,使用滚子将其压缩到厚度0.1mm后,再将其裁切为上述的宽度LI以及高度L2且使正极集电片突出的形状,从而制作成了正极板。
[0053]〔内部配置有正极板的袋状隔板的制作〕
[0054] 准备2片PP制隔板,在该隔板间配置正极板,其后对隔板周围部进行热熔接,这样便制作成了内部配置有正极板的袋状隔板。
[0055]〔负极板的制作〕
[0056] 将作为负极活物质的天然石墨粉末按质量百分比95%、作为粘结剂的聚偏氟乙烯按质量百分比5%、作为溶剂的NMP溶液混合一起而调制成浆,之后将该浆涂在作为负极集电体的铜箔(厚度:10um)的两个表面。其后,将该溶剂干燥,使用滚子将其压缩到厚度
0. 08mm后,再将其裁切为上述的宽度L7以及高度L8且使负极集电片突出的形状,从而制作出负极板。
[0057]〔电池的制作〕
[0058] 交替层叠如上所述获得的负极板51片与内部配置有正极板的袋状隔板50片而制作成层叠电极体。另外,在该层叠电极体的层叠方向的端部配置负极板。接着,在层叠电极体的4条边,按跨越层叠电极体的方式粘贴上错动防止用带26。
[0059] 接着,如图7所示,按下表I所示的条件,由超声波焊接法将自层叠电极体突出的50片正极集电片11与正极集电端子15熔接在一起。此时,在正极集电端子15的一表面上配置且熔接25片正极集电片11,另一方面,在正极集电端子15的另一表面上配置且熔接25片正极集电片11 (熔接部17)。进而,按下表I所示的条件,由超声波焊接法将自层叠电极体突出的51片负极集电片12与负极集电端子16熔接在一起。此时,在负极集电端子16的一表面上配置且熔接26片负极集电片12,另一方面,在负极集电端子16的另一表面上配置且熔接25片负极集电片12 (熔接部19)。
[0060] 其后,按下表I所示的条件,由超声波焊接法将存在于正极集电端子15中的正极板I侧的端部15a与正极板I之间的正极集电片11之间熔接在一起、将存在于负极集电端子16中的负极板2侧的端部16a与负极板2之间的上述负极集电片12之间熔接在一起。
[0061]表 I
[0062]
Figure CN101399325BD00081
[0063] 然后,将层叠电极体10配置于呈方形状的2片复合薄膜28之间后,在正极集电端子15和负极集电端子16从复合薄膜28突出的状态下,将具有两端子一侧边的多块片状复合薄膜28之间熔接后,将复合薄膜28剩余的三侧边中的两侧边熔接在一起,由此将层叠电极体10配置于外壳体25内。最后,将非水电解液从外壳体25的开口部注入后,再将外壳体25的开口部(复合薄膜28的剩余的I片)熔接,从而制作成了电池。另外,作为上述非水电解液,使用在由碳酸亚乙酯(EC)与碳酸甲乙酯(MEC)按体积比30:70的比例混合而成的混合溶剂中溶入IM(摩尔/升)比例的LiPF6而配制成的混合溶液。
[0064](实施例)
[0065] 作为实施例的层叠式电池,使用与用于实施上述发明的最佳实施方式来说明的电池同样的方法制作电池。另外,该电池的设计电池容量为12Ah。
[0066] 以下,将这样制成的电池称为本发明电池A。
[0067](比较例)
[0068] 除了不采用超声波焊接法将上述正极集电片11之间以及负极集电片12之间熔接在一起以外(不存在图8的熔接部18、20的状态,即处于图7所示的状态),其他按与上述实施例同样的方法来制作电池。另外,该电池的设计电池容量为12Ah。
[0069] 以下,将这样制成的电池称为比较电池Z。
[0070](实验)
[0071] 对本发明电池A以及比较电池Z的循环特性(各循环中的放电容量以及放电末期温度)进行调查,将其结果表示于图9。另外,充放电条件如下所述。
[0072][充放电条件]
[0073] •充电条件
[0074] 充电条件是:以12A的电流对电池进行恒流充电,直到电池电压达到4. 2V后,再以4. 2V的电压对其进行充电,直到电池达到电流值为1A。另外,充电后间歇5分钟。
[0075] •放电条件
[0076] 放电条件是:使电池以120A的电流进行恒流放电,直到电池电压达到2. 5V。另外,放电后间歇30分钟(但进行第4、8、14个循环放电后间歇12〜36小时)。
[0077][考察][0078] 如图9所示,可确认相对于在比较电池Z中经过充放电循环会使电池容量发生大幅度下降,而在本发明电池A中即使经过充放电循环其容量也不太出现下降现象。
[0079] 这是因为,在比较电池Z中,各集电片之间未被熔接(处于不存在图8的熔接部18,20的状态),而使流通于各极板中的电流值变得不均匀;其结果,在电池内部产生充放电状态的不均,发生部分过放电、过充电现象。对此,在本发明电池A中,将各个集电片之间熔接在一起(处于存在图8的熔接部18、20的状态),因而使流通于各极板中的电流值变均匀,其结果,抑制了电池内部充放电状态的不均化,从而可抑制出现部分过放电、过充电现象。
[0080] 另外,也可确认以此作为起因而致使本发明电池A的放电末期温度低于比较电池 Z。
[0081](其他事项)
[0082] (I)虽然在上述实施例中正极集电片11之间的熔接部18由6个熔接点构成,但是只要有I个以上的熔接点,即可达到本发明的目的。然而,为确保熔接强度,优选由多个熔接点构成的熔接部。而且,对于负极集电片12之间的熔接部20,也与此一样。
[0083] (2)虽然在上述实施例中正极集电片11之间设置有I个熔接部18,但是也不限于这样的结构,如图10所示,也可以是在正极集电端子15的正极板I侧的端部15a与正极板I之间设置2个以上的熔接部18的结构。而且,对于负极集电片12之间的熔接部20,也是同样。
[0084] (3)通过由超声波焊接法将正极集电片11之间以及负极集电片12之间熔接接合的方法来实施,但本发明并不限于这样的方法,例如,穿刺法等、只要是使正极集电片11之间和/或负极集电片12之间进行电连接的方法,各种方法都可以。
[0085] (4)在上述实施例中,使用了 50片正极板、51片负极板,但并不限于这样结构的电池。然而,若正极板和上述负极板的片数分别达到各30片以上,则两集电端子和两集电片的焊接部的熔接性不容易变得特别差,因此,在这种情况下本发明也是极为有效的。
[0086] (5)在上述实施例中,正极集电端子15由铝板构成,负极集电端子16由铜板构成,但它们也可以都由镍板构成。若这样两集电端子都使用同一原料,则可降低电池的生产成本。但是,设置成这样的结构时,因为成为异种金属之间(因为正极集电片11由铝构成,负极集电片12由铜箔构成)的焊接,所以焊接部的熔接性变差,并使两极板与两端子之间的连接电阻值产生偏差的问题进一步明显。因此,若采用上述那样的构成,则可抑制这样的问题,所以是特别有用的。
[0087] (6)为了抑制两极板与两端子之间的连接电阻值产生偏差,制作出例如包括图11所示的宽度狭的正极集电片Ila和图12所示的宽度狭的正极集电片Ilb的正极板I。另夕卜,此时,将包括正极集电片Ila和正极集电片Ilb的正极板I各为层叠片数的一半分别进行制作(若如上述实施例所示的正极板I为50片时则各为25片)。然后,如图13所示,在正极集电片Ila未与正极集电片Ilb叠合的状态下,将各正极集电片IlaUlb熔接到正极集电端子15上。即使采用这样的方法,也可抑制正极板I与正极片子15之间的连接电阻值产生偏差。而且,对于负极板2,若采用同样的构成,也可发挥同样的效果。但是,与上述实施例所示的构成相比,此时各个正极集电片IlaUlb的宽度变得狭窄,由此使电阻升高了一些。因此,优选采用上述实施例所示的结构。[0088] (7)作为正极活物质,并不只限于上述LiCoO2,也可以是LiNiO2、LiMn2O4或它们的复合体等,作为负极活物质,并不只限于上述天然石墨,也可以使用人造石墨等。
[0089] (8)在上述实施例中,对于所有负极板2,在负极用导电性芯体的两表面形成负极活物质层,但与正极板不相对的部位的负极活物质层(具体而言,存在于配置在最外侧的负极板的外侧的负极活物质层)也可以不形成。并且,若采用这样的构造,则会使层叠电极体的厚度变小,因此,可达到电池的高容量密度化。
[0090] 产业h的实用件 [0091] 本发明可适用于例如机器人、电动汽车以及备用电源等上使用的电池。

Claims (7)

1. 一种层叠式电池,该层叠式电池构成为具有隔着隔板将多个正极板与多个负极板交替层叠而成的层叠电极体,并且由金属箔构成的正极集电片从上述多个正极板延伸出,由金属箔构成的负极集电片从上述多个负极板延伸出,而且,将上述正极集电片以层叠的状态熔接到板状正极集电端子上,将上述负极集电片以层叠的状态熔接到板状负极集电端子上,其特征在于, 通过焊接将存在于上述正极集电端子的上述正极板侧的端部与上述正极板之间的上述正极集电片之间相接合,将上述正极集电片之间进行电连接,和/或通过焊接将存在于上述负极集电端子的上述负极板侧的端部与上述负极板之间的上述负极集电片之间相接合,将上述负极集电片之间进行电连接。
2.根据权利要求I所述的层叠式电池,上述正极板和上述负极板的片数各是30片以上。
3.根据权利要求I或2所述的层叠式电池,采用超声波焊接法进行上述接合。
4.根据权利要求I所述的层叠式电池,上述的接合是在上述正极集电端子的上述正极板侧的端部与上述正极板之间的大致中间位置、上述负极集电端子中的上述负极板侧的端部和上述负极板之间的大致中间位置实施的。
5.根据权利要求I所述的层叠式电池,在多个部位进行上述接合。
6.根据权利要求5所述的层叠式电池,在上述多个部位进行的接合以沿着与上述正极集电片或上述负极集电片的延伸方向垂直的方向呈直线状的方式来实施。
7.根据权利要求I所述的层叠式电池,上述正极板上使用的正极活物质和上述负极板上使用的负极活物质由可吸藏、放出锂离子的材料构成。
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