JP2004139777A

JP2004139777A - 円筒型二次電池

Info

Publication number: JP2004139777A
Application number: JP2002301609A
Authority: JP
Inventors: Naoto Arai; 荒井　直人; Shinji Murashige; 村重　伸治
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2002-10-16
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2022-10-16
Also published as: JP4524982B2

Abstract

【課題】タブレス構造では、電池に振動や衝撃力が加えられたときに、集電板の外装缶との溶接部分が剥離しやすいという課題を解決し、ラフユースにあっても安定して優れた集電構造をもつ二次電池を提供することを目的とする。
【解決手段】外周面の外形は円形であり、さらに、可動部２と固定部３の二つの部分に分けられ、湾曲スリット部４とそれと連通する略Ｕ字状のスリット５があり、また、可動部２は、集電板外周面７に沿った湾曲スリット部４と集電板外周面７とにより形成された円弧状の可動部Ａ９と、この湾曲スリット部４と連通する略Ｕ字状のスリット５により形成された直線状の可動部Ｂ１０との二つの部分からなっている集電板１ａを用いた円筒型二次電池。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウムイオン二次電池などの円筒型二次電池に関し、特にその集電構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、リチウムイオン二次電池などの二次電池の中で電動工具用などの高出力を必要とするものは、従来から集電構造が工夫されていた。その中でも、一般的なものは、タブレス構造と呼ばれるもので、正極板と負極板を互いに上下方向にずらしてセパレータを介して渦巻き状に捲回して極板群とした後、この渦巻き状極板群の正極板端縁の集電体突出部に平板状正極集電板を溶接し、負極板端縁の集電体突出部に平板状負極集電板を溶接して電極体とする。この電極体を金属製外装缶に挿入し、負極集電板を外装缶の底部にスポット溶接し、正極集電板を、正極タブにより、正極端子を兼ねた封口板に溶接した構造である。電池容器は、この外装缶と封口板よりなっている。この構造にすることにより、使用時の正極板における電流分布および負極における電流分布が均一になり、高率放電特性が向上する。
【０００３】
これらタブレス構造の中でも、特に薄型の集電体を使用するリチウムイオン二次電池において、集電効率を高め、充放電時の温度上昇を小さくするために、集電体突出部を押圧して、突出部先端自身により平坦部を形成し、この平坦部に集電板を溶接する構造が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
この構造における集電板としては、集電板と集電リードが一体化されたものが（特許文献１、図３参照）に記載されている。この構成において、特に負極集電板は、集電リードにより外装缶に溶接されているが、電池に振動や衝撃力が加えられたときに、集電リードの外装缶との溶接部分が剥離しやすいという問題があった。
【０００５】
これに対し、外装缶に接合される集電板の接触部に弾性を持たせることにより、この接触部の弾性変形によって溶接部に付加される振動や衝撃力を緩衝し、溶接部の剥離を防止または抑制できるようにする構成が提案されている。（例えば特許文献２参照）この集電板は接触部のみに弾性があることから、集電板と極板の接続にリードを使わないタブレス構造に適用すると、溶接部の剥離の防止または抑制が十分で無く、また、（特許文献１）に記載されているような平坦部に集電板を溶接する構造では、集電板の接触部が中央にあるため、弾性を持たせるためのスリットなどを使用すると溶接する部分が少なくなるという問題があった。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２９４２２２号公報
【特許文献２】
特開２００１−２５６９５４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
電動工具などは、工事現場等で使用者からかなり乱暴に扱われる（ラフユース）ため、電池においても振動や衝撃力に強い電池が望まれている。ところが、前述のように突出部先端自身により平坦部を形成し、この平坦部に集電板を溶接するタブレス構造では、電池に振動や衝撃力が加えられたときに、集電板の外装缶との溶接部分が剥離しやすいという課題があった。
【０００８】
本発明の目的は、上記の課題を解決し、ラフユースにあっても安定して優れた集電構造をもつ二次電池を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、正極芯材に正極材料を付着させて製造した正極板と負極芯材に負極材料を付着させて製造した負極板とをセパレータを介して捲回してなる極板群を電解液とともに封口板と金属製外装缶からなる電池容器内に収容した円筒型二次電池であって、前記正極板および前記負極板の少なくとも一方は、その長手方向に沿う端部に芯材露出部を有し、前記極板群の上面および下面の少なくとも一方には、前記正極板および前記負極板のいずれかの芯材露出部が突出しており、前記突出部の先端自身によって平坦部が形成されており、前記平坦部に集電板が接合されている円筒型二次電池において、前記集電板は、前記平坦部と接合される固定部と前記外装缶の底部と接合される可動部からなり、さらに前記可動部の一部は、集電板外周面を含むことを特徴とする円筒型二次電池とするものである。
【００１０】
さらに、前記平坦部と前記固定部との接合は、レーザ溶接接合または抵抗スポット溶接接合であるのが効果的である。
【００１１】
また、前記集電板が円形であり、前記可動部は、前記集電板外周面に沿った湾曲スリット部と前記集電板外周面とにより形成された円弧状の可動部Ａと、前記湾曲スリット部と連通する略Ｕ字状のスリットにより形成された直線状の可動部Ｂの少なくとも二つの部分からなることが好ましく、その際、可動部Ｂが線対称であり、その対称線およびその延長線が、集電板の中心と前記湾曲スリット部の終点を通ることが、特に好ましい。
【００１２】
上記のように構成された円筒形二次電池では、集電板が、平坦部と接合される固定部と外装缶の底部と接合される可動部からなり、さらに前記可動部の一部は、集電板外周面を含むように構成されているため、底部との接合部から集電板外周面を含む部分までの可動部全体が弾性体となるため振動や衝撃力に対して、接合部にかかる負荷を小さくするという作用がある。
【００１３】
さらに、平坦部と固定部との接合は、レーザ溶接接合または抵抗スポット溶接接合であると、簡便かつ確実に接合できるという作用があり効果的である。
【００１４】
また、集電板の外形が円形であり、その可動部は、集電板外周面に沿った湾曲スリット部と集電板外周面とにより形成された円弧状の可動部Ａと、この湾曲スリット部と連通する略Ｕ字状のスリットにより形成された直線状の可動部Ｂとの少なくとも二つの部分からなる構成であると、可動部全体の長さが比較的長くなるため、可動部全体の弾性力が大きくなり、振動や衝撃力に対して、さらに接合部にかかる負荷を小さくするという作用がある。この可動部Ａの円弧の長さは湾曲スリット部の長さにより決まり、任意の長さを取ることができるが、平坦部により集電された電流が可動部を通って外装缶に流れるため、あまり可動部全体の長さが長くなると電気抵抗が大きくなり不都合である。また、衝撃力を受けた時の耐衝撃力のバランス上、可動部Ｂが略線対称であり、その対称線およびその延長線が、集電板の中心と前記湾曲スリット部の終点を通ることが、特に好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の円筒形二次電池の集電板の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施の形態である集電板の斜視図であり、図２は上面図である。
【００１７】
図１において、側面の稜線は物品の形状をわかりやすくするためのもので、実際はなめらかな曲線となっている。図１および図２において、集電板１ａは、外周面の外形は円形である。さらに、集電板１ａは、可動部２と固定部３の二つの部分に分けられ、湾曲スリット部４とそれと連通する略Ｕ字状のスリット５がある。可動部２と固定部３の境界８は、湾曲スリット部４の終点６と集電板外周面７を最短に結ぶ線である。また、可動部２は、集電板外周面７に沿った湾曲スリット部４と集電板外周面７とにより形成された円弧状の可動部Ａ９と、この湾曲スリット部４と連通する略Ｕ字状のスリット５により形成された直線状の可動部Ｂ１０との二つの部分からなっている。
【００１８】
このような構成になっているため、凸部１１を外装缶に溶接したとき、境界８までの長さが長くなるため十分な弾性が得られる。なお、終点６の位置を変えることにより自由に、境界８の位置を変えることができ、弾性力も変化することができる。ここで、衝撃力を受けた時の耐衝撃力のバランス上、本実施例のように可動部Ｂ１０が略線対称であり、その対称線およびその延長線が、集電板の中心と前記湾曲スリット部４の終点６を通ることが、特に好ましい。
【００１９】
図３は、本発明のその他の実施の形態である集電板１ｂの斜視図であり、図４は上面図である。これらの図において、図１および図２と同じ符号は、同じ機能および名称を持つものを示す。集電体１ｂにおいては、湾曲スリット部４が２つあり、略Ｕ字状のスリット５の両側に連通している。したがって、可動部Ａ９も２つになる。この実施の形態においても終点６の位置は自由に変えられ、左右対称でなくとも良い。
【００２０】
【実施例】
次に、実施例を用いて本発明の具体例について図４を参照して説明する。本実施例の二次電池はリチウムイオン二次電池である。
【００２１】
図４において、１２は正極板、１３は負極板で、微多孔ポリエチレンフィルムから成るセパレータ１４を介して互いに対向された状態で渦巻き状に巻回されて極板群２１が構成され、この極板群２１が電解液とともに電池容器１５内に収納配置されている。電池容器１５は負極端子となる円筒容器状の外装缶１６と正極端子となる電池蓋１７にて構成され、外装缶１６の上端開口部内周と電池蓋１７の外周との間に介装された絶縁パッキン１８にて相互に絶縁されるとともに電池容器１５が密閉されている。なお、極板群２１と外装缶１６の内周との間にもセパレータ１４は介装されている。
【００２２】
正極板１２は、正極芯材１２ｂの両面に正極材料１２ａを塗工して構成されるとともに、その正極芯材１２ｂの一側部（図示例では上側部）が正極材料１２ａの塗工部より突出されている。また、負極板１３は、負極芯材１３ｂの両面に負極材料１３ａを塗工して構成されるとともに、その負極芯材１３ｂの他側部（図示例では下側部）が負極材料１３ａの塗工部より突出されている。セパレータ１４は正極板１２及び負極板１３の塗工部の両側縁よりも外側に突出されている。
【００２３】
そして、正極芯材１２ｂのセパレータ１４より突出した部分を塑性変形させて正極平坦部２２が形成され、この平坦部２２に正極集電板１９が接合されている。正極集電板１８は電池蓋１７に接続されている。１９ａは、正極集電板１９を電池蓋１７の内面に接合するためその外周から延出された接続片である。
【００２４】
同様に、負極芯材１３ｂのセパレータ１４より突出した部分を塑性変形させて負極平坦部２３が形成され、この平坦部２３に負極集電板２０として、前述の集電板１ａが接合されている。負極集電板２０は、凸部１１により外装缶１６の底面に溶接されている。
【００２５】
次に、製造方法を具体的に示す。正極板１２は、電解二酸化マンガン（ＥＭＤ：ＭｎＯ_２）と炭酸リチウム（Ｌｉ_２ＣＯ_３）とをＬｉ／Ｍｎ＝１／２となるように混合し、８００℃で２０時間大気中で焼成して製造した正極活物質のＬｉＭｎ_２Ｏ_４と、導電剤のアセチレンブラックと、結着剤のポリフッ化ビニリデンとを、それぞれ重量比で９２：３：５の割合で混合したものを正極材料１２ａとした。
【００２６】
なお、正極材料１２ａをペースト状に混練するために結着剤としてのポリフッ化ビニリデンはＮメチルピロリドンディスパージョン液を用いた。上記混合比率は固形分としての割合である。この正極材料ペーストを、厚み２０μｍのアルミ箔から成る正極芯材１２ｂの両面に一側縁部に幅６．５ｍｍの非塗工部を残した状態で塗工し、正極材料層を形成した。正極材料層の両膜厚は同じで、塗工、乾燥後の両膜厚の和は２８０μｍで、正極板１２の厚さを３００μｍとした。その後、正極板１２の厚みが２００μｍになるように直径３００ｍｍのプレスロールにより圧縮成形した。このとき、正極材料密度は３．０ｇ／ｃｍ^３であった。
【００２７】
負極板１３は、人造黒鉛と結着剤のスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）とを重量比９７：３の割合で混合したものを負極材料１３ａとした。なお、負極材料１３ａをペースト状に混練するために結着剤としてのスチレンブタジエンゴムは水溶性のディスパージョン液を用いた。上記混合比率は固形分としての割合である。この負極合剤ペーストを厚み１４μｍの銅箔から成る負極芯材１３ｂの両面に一側縁部に幅４ｍｍの非塗工部を残した状態で塗工し、負極材料層を形成した。その後、負極板１３の厚みが１７０μｍになるように直径３００ｍｍのプレスロールにより圧縮成形した。このとき、負極材料密度は１．４ｇ／ｃｍ^３であった。
【００２８】
電解液は、エチレンカーボネイト（ＥＣ）とジエチレンカーボネイト（ＤＥＣ）を体積比１：１の配合比で混合した混合溶媒に、溶質として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を１ｍｏｌ／ｄｍ^３の濃度に溶解したものを用いた。
【００２９】
このリチウムイオン二次電池の製造に当たっては、上記のようにして作製した正極板１２と負極板１３とをセパレータ１４を介して対向させかつそれらの集電体１２ｂ、１３ｂの突出部を両端に突出させた状態で渦巻き状に巻回して極板群２１を形成した。
【００３０】
この極板群２１において平坦部２２および２３を作成した。まず、集電板１１９を平坦部２２に押し付けるように配置して両者を圧接させた状態で、集電板１９の表面の周方向複数箇所を中心部から外周縁まで放射状にレーザビームを照射することによって集電板１９と平坦部２２をレーザ溶接した。
【００３１】
次に、集電体１ａを平坦部２３に押し付けるように配置して両者を圧接させた状態で、集電板１ａの固定部３を放射状の模様でレーザビームを数本照射することによって集電板１ａと平坦部２３をレーザ溶接した。
【００３２】
その後、この集電板１９、１ａを接合した極板群２１を外装缶１６内に収容し、巻き芯部を利用して集電板１ａの凸部１１と外装缶１６を溶接し、集電板１９を正極接続片１９ａにより電池蓋１７にレーザ溶接した。
【００３３】
最後に外装缶１６内に電解液を注液し、真空含浸させ、電池蓋１７で密閉した。
【００３４】
（電池の評価）
作成した実施例の電池は、内部抵抗が２８ｍΩで、従来の電池（１３〜２６ｍΩ）とほぼ同じ内部抵抗を示した。また、電池の落下試験では、７５ｃｍの高さからコンクリート床に落とした場合に、６０回まで内部抵抗の上昇が見られず、安定な導電接続が得られた。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の二次電池によれば、以上の説明から明らかなように、ラフユースにあっても安定して優れた集電構造を持つ二次電池が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における集電板の斜視図
【図２】本発明の一実施形態における集電板の上面図
【図３】本発明の別の実施形態における集電板の斜視図
【図４】本発明の別の実施形態における集電板の上面図
【図５】本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池の縦断面図
【符号の説明】
１ａ，１ｂ　　　　　集電板
２　　　　　　　　　可動部
３　　　　　　　　　固定部
４　　　　　　　　　湾曲スリット部
５　　　　　　　　　スリット
６　　　　　　　　　終点
７　　　　　　　　　外周面
８　　　　　　　　　境界
９　　　　　　　　　可動部Ａ
１０　　　　　　　　可動部Ｂ
１１　　　　　　　　凸部
１２　　　　　　　　正極板
１２ａ　　　　　　　正極材料
１２ｂ　　　　　　　正極芯材
１３　　　　　　　　負極板
１３ａ　　　　　　　負極材料
１３ｂ　　　　　　　負極芯材
１４　　　　　　　　セパレータ
１５　　　　　　　　電池容器
１６　　　　　　　　外装缶
１７　　　　　　　　電池蓋
１８　　　　　　　　絶縁パッキン
１９　　　　　　　　正極集電板
１９ａ　　　　　　　正極接続片
２０　　　　　　　　負極集電板
２１　　　　　　　　極板群
２２　　　　　　　　正極平坦部
２３　　　　　　　　負極平坦部

Claims

正極芯材に正極材料を付着させて製造した正極板と負極芯材に負極材料を付着させて製造した負極板とをセパレータを介して捲回してなる極板群を電解液とともに封口板と金属製外装缶からなる電池容器内に収容した円筒型二次電池であって、前記正極板および前記負極板の少なくとも一方は、その長手方向に沿う端部に芯材露出部を有し、前記極板群の上面および下面の少なくとも一方には、前記正極板および前記負極板のいずれかの芯材露出部が突出しており、前記突出部の先端自身によって平坦部が形成されており、前記平坦部に集電板が接合されている円筒型二次電池において、
前記集電板は、前記平坦部と接合される固定部と前記外装缶の底部と接合される可動部からなり、さらに前記可動部の一部は、集電板外周面を含むことを特徴とする円筒型二次電池。
前記平坦部と前記固定部との接合は、レーザ溶接接合または抵抗スポット溶接接合である請求項１記載の円筒型二次電池。
前記集電板の外周面の外形が円形であり、前記可動部は、前記集電板外周面に沿った湾曲スリット部と前記集電板外周面とにより形成された円弧状の可動部Ａと、前記湾曲スリット部と連通する略Ｕ字状のスリットにより形成された直線状の可動部Ｂとの少なくとも二つの部分からなる請求項１記載の円筒型二次電池。
可動部Ｂが略線対称であり、その対称線およびその延長線が、集電板の中心と前記湾曲スリット部の終点を通ることを特徴とする請求項３記載の円筒型二次電池。