JP2004087337A

JP2004087337A - 電池積層集合体およびそれに用いる電池

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Publication number: JP2004087337A
Application number: JP2002247645A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Tono; 東野　龍也
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】電極タブの溶接代が十分に確保され電極タブ同士が確実に接合される電池積層集合体の提供を図る。
【解決手段】最上段の電池１０の電極タブ１４、１５に、その折曲部１６の少なくとも幅方向中央部に切欠部１８を設けた。これにより、最上段の電池１０の電極タブ１４、１５の切欠部１８に超音波溶接機１００の振動部１０２先端を挿入した状態で、電極タブ１４、１５の接合部１７を溶接できる。つまり、通常では超音波溶接機１００の振動部１０２先端が電極タブ１４、１５に干渉する位置まで、超音波溶接機１００の振動部１０２を電池本体１０ａ側に近接させた状態で、電極タブ１４、１５先端部１７同士を溶接できる。そのため、溶接代をより広く確保でき、電極タブ１４、１５同士を確実に接合できる。
【選択図】　　図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電要素を外装フィルムで被覆して密閉してなる電池本体とこの電池本体から引き出され発電要素からの電流を送受する電極タブとを備える電池に関する。また、この電池を複数多段に積層するとともにその電極タブを溶接してなる電池積層集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電要素を外装フィルムで密閉した電池は、所望の出力を確保するために、複数の電池を集合した電池集合体（組電池）として利用される。例えば特開平９−５０８２１号公報に開示されるように、電池を複数多段に積層して積層方向に隣合う電池の電極タブ同士を積層接続した電池積層集合体として利用される。
【０００３】
この種の電池積層集合体は、外装フィルムから引き出される電極タブを折り曲げて、電極タブの先端部同士を積層接合する構造である（図１参照）。多くの場合、接合は超音波溶接により行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように電極タブの先端部同士を溶接接合する場合、超音波溶接機の振動部が電極タブの折曲部に干渉しないように位置決めする必要があり、十分な溶接代を確保できずに接合不完全となる虞がある。
【０００５】
本発明はこのような従来技術の改良に係り、その目的は、電極タブの溶接代が十分に確保され電極タブ同士が確実に接合される電池積層集合体の提供である。また、これに用いる電池の提供である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、発電要素を外装フィルム内に密閉してなる電池本体と、該電池本体から引き出され前記発電要素からの電流を送受する電極タブと、を備える電池を、複数多段に積層し、前記各電池の電極タブを折り曲げてその先端部同士を積層して溶接してなる電池積層集合体において、
少なくとも最上段の電池の電極タブには、その折曲部の少なくとも幅方向中央部に切欠部を備えることを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明は、発電要素を外装フィルム内に密閉してなる電池本体と、該電池本体から引き出され前記発電要素からの電流を送受する電極タブと、を備える電池において、前記電極タブの少なくとも幅方向中央部に切欠部を設けたことを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、少なくとも最上段の電池の電極タブの切欠部に超音波溶接機の振動部先端を挿入した状態で、前記複数多段に積層された電極タブの先端部を溶接できる。つまり、通常では超音波溶接機の振動部先端が電極タブに干渉するような位置まで超音波溶接機の振動部を電池本体側に近接させた状態で、電極タブ先端部同士を溶接できる。そのため、電極タブ先端部の溶接代をより広く確保でき、電極タブ同士を確実に接合できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面をもとに説明する。
【００１０】
第１実施形態：図１〜図６は本発明の第１実施形態を示すものである。図１は電池１０を複数多段に積層して各電池１０の電極タブ１４、１５同士を積層接続した電池積層集合体１を示す図である。この電池積層集合体１は、例えば図示せぬケース内に納められ、配線としてのバスバー２を介して図示せぬ入出力端子に接続されることで、組電池となる。
【００１１】
この実施形態では、電池１０の電極タブ１４、１５の構造およびその接続構造に特徴があり、以下、電池１０の全体構造とともに詳しく説明する。
【００１２】
図４、５は上記電池積層集合体１を構成する電池１０を示す図である。電池１０は図４、５に示すように電池本体１０ａと、該電池本体１０ａから引き出される電極タブ１４、１５と、を備えている。電池本体１０ａは、発電要素としての扁平形状の積層電極１１を、一対の外装フィルムとしてのラミネートフィルム１２、１３の中央部に配置し、これらラミネートフィルム１２、１３によって積層電極１１の両面を挟むようにして覆い、ラミネートフィルム１２、１３の周縁部を熱溶着により接合することにより、これらラミネートフィルム１２、１３間に積層電極１１とともに電解液を密閉したものである。
【００１３】
上記積層電極１１は、複数枚の正極板１１Ａおよび負極板１１Ｂをそれぞれセパレータ１１Ｃを介在させつつ順次積層したものであり、各正極板１１Ａは正極リード１１Ｄを介して正極タブ（電極タブ）１４に接続されるとともに、各負極板１１Ｂは負極リード１１Ｅを介して負極タブ（電極タブ）１５に接続され、これら正極タブ１４および負極タブ１５が電池本体１０ａ（ラミネートフィルム１２、１３密閉部Ｂ）から外部に引き出されて露出している。
【００１４】
正極タブ１４および負極タブ１５は、Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅなどの金属箔によって形成され、この実施形態では正極タブ１４がＡｌ、負極タブ１５がＮｉで形成されている。
【００１５】
また、前記ラミネートフィルム１２、１３は、外側から内側に向けて、樹脂層としてのナイロン層α、接着剤層β、金属層としてのアルミ箔層γ、樹脂層としてのＰＥ（ポリエチレン）またはＰＰ（ポリプロピレン）層δで構成される。
【００１６】
このように構成される電池１０のうち最上段の電池１０は、図２および図３に示すように電極タブ１４、１５が略ロ字状に形成されることで、該電極タブ１４、１５の折曲部１６の幅方向中央部に切欠部１８が設けられている。
【００１７】
ここで、電池積層集合体１を車両駆動用電池に利用する場合にあっては、電池は高エネルギー密度・高出力のリチウムイオン二次電池を使用するのが好ましく、以下、リチウムイオン二次電池の材質の説明を付加する。
【００１８】
正極板１１Ａを形成している正極の正極活物質としては、リチウムニッケル複合酸化物、具体的には一般式ＬｉＮｉ_１−ｘＭｘＯ_２（但し、０．０１≦ｘ≦０．５であり、ＭはＦｅ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｂ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒの少なくとも一つである。）で表せる化合物を含有する。
【００１９】
また、正極はリチウムニッケル複合酸化物以外の正極活物質を含有することも可能である。リチウムニッケル複合酸化物以外の正極活物質としては、例えば一般式ＬｉｙＭｎ_２−ｚＭ’ｚＯ_４（但し、０．９≦ｙ≦１．２、０．０１≦ｚ≦０．５であり、Ｍ’はＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｂ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒの少なくとも一つである。）で表される化合物であるリチウムマンガン複合酸化物が挙げられる。また、一般式ＬｉＣｏ_１−ｘＭｘＯ_２（但し、０．０１≦ｘ≦０．５であり、ＭはＦｅ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｂ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒの少なくとも一つである。）で表せる化合物であるリチウムコバルト複合酸化物を含有してもよい。
【００２０】
リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物およびリチウムコバルト複合酸化物は、例えばリチウム、ニッケル、マンガン、コバルトなどの炭酸塩を組成に応じて混合し、酸素存在雰囲気中において６００℃〜１０００℃の温度範囲で焼成することにより得られる。なお、出発原料は炭酸塩に限定されず、水酸化物、酸化物、硝酸塩、有機酸塩等からも同様に合成可能である。
【００２１】
なお、リチウムニッケル複合酸化物やリチウムマンガン複合酸化物などの正極活物質の平均粒径は、３０μｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
また、負極板１１Ｂ、１１Ｂ、・・・を形成している負極活物質としては、比表面積が０．０５ｍ^２／ｇ以上、２ｍ^２／ｇ以下の範囲であるものを使用する。この範囲とすることにより、負極表面上におけるＳＥＩ（Ｓｏｌｉｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ：固体電解質界面）の形成を充分に抑制することができる。
【００２３】
負極活物質の比表面積が０．０５ｍ^２／ｇ未満である場合、リチウムの出入り可能な場所が小さすぎるため、充電時において負極活物質中にドープされたリチウムが放電時において負極活物質中から充分に脱ドープされず、充放電効率が低下する。一方、負極活物質の比表面積が２ｍ^２／ｇを越える場合、負極表面上におけるＳＥＩ形成を制御することができない。
【００２４】
負極活物質としては、対リチウム電位が２．０Ｖ以下の範囲でリチウムをドープ・脱ドープすることが可能な材料であれば何れも使用可能であり、具体的には難黒鉛化性炭素材料、人造黒鉛、天然黒鉛、熱分解黒鉛類、ピッチコークスやニードルコークスや石油コークスなどのコークス類、グラファイト、ガラス状炭素類、フェノール樹脂やフラン樹脂などを適当な温度で焼成して炭化した有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭、カーボンブラックなどの炭素質材料を使用することが可能である。
【００２５】
また、リチウムと合金を形成可能な金属、およびその合金も使用可能であり、具体的には、酸化鉄、酸化ルテニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化スズ等の比較的低電位でリチウムをドープ・脱ドープする酸化物やその窒化物、３Ｂ族典型元素の他、ＳｉやＳｎなどの元素、または例えばＭｘＳｉ、ＭｘＳｎ（但し、式中ＭはＳｉ又はＳｎを除く１つ以上の金属元素を表す。）で表されるＳｉやＳｎの合金などを使用することができる。これらの中でも、特にＳｉまたはＳｉ合金を使用することが好ましい。
【００２６】
さらに、電解液としては、電解質塩を非水溶媒に溶解して調製される液状のものの他、電解質塩を非水溶媒に溶解した溶液を高分子マトリクス中に保持させたポリマーゲル電解質であってもよい。
【００２７】
非水電解質としてはポリマーゲル電解質を用いる場合、使用する高分子材料として、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリルなどが挙げられる。
【００２８】
非水溶媒としては、この種の非水電解質二次電池においてこれまで使用されている非水溶媒であれば何でも使用可能であり、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリルなどが挙げられる。なお、これらの非水溶媒は、１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を混合して用いてもよい。
【００２９】
特に、非水溶媒は不飽和カーボネートを含有することが好ましく、具体的には、ビニレンカーボネート、エチレンエチリデンカーボネート、エチレンイソプロプロピリデンカーボネート、プロピリデンカーボネートなどを含有することが好ましい。また、これらの中でも、ビニレンカーボネートを含有することが最も好ましい。非水溶媒として不飽和カーボネートを含有することにより、負極活物質に生成するＳＥＩの性状（保護膜の機能）に起因する効果が得られ、耐過放電特性がより向上すると考えられる。
【００３０】
また、この不飽和カーボネートは電解質中に０．０５重量％以上、５重量％以下の割合で含有されることが好ましく、特に０．５重量％以上、３重量％以下の割合で含有されることが最も好ましい。不飽和カーボネートの含有量を上記範囲とすることで、初期放電容量が高く、エネルギ密度の高い非水二次電池となる。
【００３１】
電解質塩としては、イオン伝導性を示すリチウム塩であれば特に限定されることはなく、例えばＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢ（Ｃ_６Ｈ_５）_４、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＣＦ_３ＳＯ_３Ｌｉなどが使用可能である。これらの電解質塩は、１種類を単独で用いてもよく、２種類以上を混合して用いることも可能である。
【００３２】
組立工程
このように構成された電池積層集合体１は、以下のように組み立てられる。まず、電池１０の向きを揃えた状態で、電池１０を複数多段に積層する。そして、この積層された電池１０の電極タブ１４、１５を折り曲げて該電極タブ１４、１５の先端部の接合部１７を重ね合わせ、これら電極タブ１４、１５同士を超音波溶接によって接合する。
【００３３】
この電極タブ１４、１５同士の超音波溶接は、図６、７に示すように超音波溶接機１００の振動部１０２（ホーン）に装着されたホーンリング１０３のホーンチップ１０４を電極タブ１４、１５の接合部１７に押圧した状態で、超音波アクチュエータ１０１を振動させることで行う。このとき、図６、図７に示すように、超音波溶接機１００の振動部先端末（ホーンリング着脱用ナット）１０５を最上段の電池１０の電極タブ１４、１５の切欠部１８に臨ませることで、超音波溶接機１００の振動部１０２をより電池本体１０ａ側に近づけた状態で溶接できるため、溶接代をより広く確保することができる。
【００３４】
つまり、この実施形態にあっては、最上段の電池１０の電極タブ１４、１５に切欠部１８を設けたため、電極タブ１４、１５の溶接代をより広く確保でき、電極タブ１４、１５同士を確実に接合できる。結果、電極タブ１４、１５同士が確実に接合されて接触不良などが起きにくい電池積層集合体１となる。なお、無論、全ての電池１０の電極タブ１４、１５に切欠部１８を設けた構造であってもよい。
【００３５】
また、この実施形態にあっては、電池１０の電極タブ１４、１５は、折曲部１６に切欠部１８を備えるため、該折曲部１６がその他の部位に比べ軟弱となる。これにより、ラミネートフィルム密閉部Ｂとの境界線Ｌ近傍に曲げ応力が集中しにくい構造となり、電極タブ１４、１５の境界線Ｌ近傍における破損やラミネートフィルム密閉部Ｂのシール性低下を回避できる。また、接合部１７にも応力がかかりにくくなり、電極タブ１４、１５の接合安定性が得られる。
【００３６】
なお、超音波溶接機１００のホーンリング１０３は、溶接面積や溶接ピッチに応じて、例えば図１３に示すような複数のホーンチップ１１２を備えるホーンリング１１１や図１４に示すような溶接面積の広いホーンチップ１２２を備えるホーンリング１２１などに交換してもよい。
【００３７】
第２実施形態：図８〜図１０は本発明の第２実施形態の電池を示すものである。なお、第１実施形態と同様の構成については同一符号を付して構成および作用効果の説明を省略する。この第２実施形態にあっては、電池２０の電極タブ１４、１５を略コ字状に形成することで、電極タブ１４、１５の折曲部１６に切欠部２１を設けた点で第１実施形態と異なっている。また、この第２実施形態にあっては、電池２０の電極タブ１４、１５の長手方向先端部（接合部）２２が厚肉となっている点で、第１実施形態と異なっている。
【００３８】
このような、第２実施形態にあっては、電池２０の電極タブ１４、１５の幅方向中央部に切欠部２１を設けてあるため、第１実施形態と同様の作用効果を得られる。
【００３９】
また、この第２実施形態にあっては、電池２０の電極タブ１４、１５の先端部２２を肉厚に形成してあるため、その分、電極タブ１４、１５の折り曲げ角度を小さくでき、超音波溶接機１００の電極タブ１４、１５折曲部１６との干渉が生じにくい構造となり、第１実施形態に比べてさらに溶接代を広く確保できる。また、折り曲げ角度が小さいぶん、第１実施形態に比べさらにラミネートフィルム密閉部Ｂとの境界線Ｌ近傍に曲げ応力が集中しにくい構造となる。
【００４０】
なお、電池としては、図１１に示すように、図９とは折曲部１６が幅方向逆側に存在する電極タブ１４、１５を備える電池２３であってもよい。また、電池積層集合体としては、図９の電池２０および図１１の電池２３を交互に積層した構造であってもよい。また、電池積層集合体としては電池を複数多段に積層した構造であれば、例えば図１３に示すように、電池１０（２０，２３）を交互に上下反転せした状態で複数多段に積層したものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を電池積層集合体を示す図。
【図２】図１の電池積層集合体の要部を示す斜視図。
【図３】図１の電池積層集合体の要部を示す上面図。
【図４】図１の電池積層集合体に用いる電池を示す図であって、分図ａは上面図、分図ｂは側面図。
【図５】図４の電池の内部構成を示す概略図。
【図６】超音波溶接機による溶接工程を示す側面図。
【図７】超音波溶接機による溶接工程を示す上面図。
【図８】本発明の第２実施形態の電池積層集合体を示す図。
【図９】図８の電池積層集合体に用いる電池の要部を示す上面図。
【図１０】
図８の電池積層集合体に用いる電池の要部を示す斜視図。
【図１１】電池のその他の形態を示す上面図。
【図１２】電池積層集合体のその他の形態を示す図。
【図１３】超音波溶接機のその他の形態を示す図。
【図１４】超音波溶接機のその他の形態を示す図。
【符号の説明】
１　電池積層集合体
１０　電池
１０ａ　電池本体
１１　積層電極（発電要素）
１２　ラミネートフィルム（外装フィルム）
１３　ラミネートフィルム（外装フィルム）
１４　正極タブ（電極タブ）
１５　負極タブ（電極タブ）
１６　折曲部
１７　接合部
１８　切欠部
２０　電池
２１　切欠部
２２　接合部
２３　電池

Claims

発電要素を外装フィルム内に密閉してなる電池本体と、該電池本体から引き出され前記発電要素からの電流を送受する電極タブと、を備える電池を、複数多段に積層し、
前記各電池の電極タブを折り曲げてその先端部同士を積層して溶接してなる電池積層集合体において、
少なくとも最上段の電池の電極タブには、その折曲部の少なくとも幅方向中央部に切欠部を備えることを特徴とする電池積層集合体。
請求項１記載の電池積層集合体において、
前記電極タブを略ロ字状に形成することで、該電極タブの幅方向中央部に切欠を設けたことを特徴とする電池積層集合体。
請求項１記載の電池積層集合体において、
前記電極タブを略コ字状に形成することで、該電極タブの幅方向中央部に切欠部を設けたことを特徴とする電池積層集合体。
請求項１〜３のいずれか１項記載の電池積層集合体において、
前記各電池の電極タブの先端部を、基端側より厚く形成したことを特徴とする電池積層集合体。
発電要素を外装フィルム内に密閉してなる電池本体と、該電池本体から引き出され前記発電要素からの電流を送受する電極タブと、を備える電池において、
前記電極タブの少なくとも幅方向中央部に、切欠部を設けたことを特徴とする電池。
請求項５記載の電池において、
前記電極タブを略ロ字状に形成することで、該電極タブの幅方向中央部に切欠を設けたことを特徴とする電池。
請求項５記載の電池において、
前記電極タブを略コ字状に形成することで、該電極タブの幅方向中央部に切欠部を設けたことを特徴とする電池。
請求項５〜７のいずれか１項記載の電池において、
前記電極タブの先端部を、基端側より厚く形成したことを特徴とする電池。