JP2004253252A - リチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】生産性及び省スペース性に優れるとともに、内部抵抗が低減され、かつ大電流放電に適したリチウム二次電池を提供する。
【解決手段】捲回型内部電極体1の捲回の中心軸を含む断面における、一の正極板2の一方の表面2aから、一の正極板2の他方の表面2b側に捲回されたセパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を介して隣接する他の正極板2の一方の表面2aまでの長さAに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合が、0.01〜0.2であることを特徴とするリチウム二次電池。
【選択図】 図1
【解決手段】捲回型内部電極体1の捲回の中心軸を含む断面における、一の正極板2の一方の表面2aから、一の正極板2の他方の表面2b側に捲回されたセパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を介して隣接する他の正極板2の一方の表面2aまでの長さAに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合が、0.01〜0.2であることを特徴とするリチウム二次電池。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はリチウム二次電池に関し、更に詳しくは、生産性及び省スペース性に優れるとともに、内部抵抗が低減され、かつ大電流放電に適したリチウム二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】リチウム二次電池は、近年、携帯型の通信機器やノート型パーソナルコンピュータ等の電子機器の電源を担う、小型でエネルギー密度の大きな充放電可能な二次電池として広く用いられている。また、国際的な地球環境の保護を背景として省資源化や省エネルギー化に対する関心が高まる中、リチウム二次電池は、自動車業界において積極的な市場導入が検討されている電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)用のモータ駆動用バッテリー、又は夜間電力の保存による電力の有効利用手段としても期待されており、これらの用途に適する大容量リチウム二次電池の実用化が急がれている。
【0003】リチウム二次電池には、一般的にリチウム遷移金属複合酸化物等が正極活物質として、またハードカーボンや黒鉛といった炭素質材料が負極活物質としてそれぞれ用いられる。リチウム二次電池の反応電位は約4.1Vと高いために、電解液として従来のような水系電解液を用いることができず、このため電解質であるリチウム化合物を有機溶媒に溶解した非水電解液が用いられる。そして、充電反応は正極活物質中のリチウムイオンが、非水電解液中を通って負極活物質へ移動して捕捉されることで起こり、放電時には逆の電池反応が起こる。
【0004】これらの中で、EV、HEV等に好適に用いられる比較的容量の大きいリチウム二次電池においては、内部電極体として図10に示すような、リード線として機能する集電タブ(正極集電タブ85、負極集電タブ86)が取り付けられた電極板(正極板82、負極板83)を、互いに接触しないように、間にセパレータ87を介しつつ、正極板82、セパレータ87、負極板83、及びセパレータ87を繰り返し単位として、巻芯93の外周に捲回してなる捲回型内部電極体81が好適に用いられている。なお、正極板82及び負極板83は、金属箔体等の集電基板の両表面に電極活物質(正極活物質と負極活物質の両方を指す)層を形成したものであり、正極集電タブ85及び負極集電タブ86は、正極板82及び負極板83の端部の金属箔体が露出した部分に所定間隔で取り付けられている(例えば、特許文献1参照)。
【0005】しかしながら、これらの集電タブは、電極体を捲回又は積層するときに、一つずつ電極板にスポット溶接等して取り付ける必要があるために、その工程は煩雑であるという問題があった。また、集電タブの、電極板と接続された反対側の端部は、それら複数の集電タブを揃えて束ね、内部端子にリベット等を用いて打ち込み接続等して取り付ける必要があるために、その工程も同様に煩雑であり、また低抵抗に接続することは容易ではないという問題があった。更に、複数枚の集電タブを用いて内部電極体と内部端子とを接続する構造を採用するには、この接続構造を収納するためのより大きなスペースが必要となり、電池自体が大型化してしまうといった問題があった。
【0006】このような問題を解消するため、図11に示すような構造的特徴を有するリチウム二次電池68が開示されている(例えば、特許文献2参照)。このリチウム二次電池68は、捲回型内部電極体61を構成する正極板及び負極板の端部における金属箔体が露出した部分に集電タブを取り付けることなく、正極集電部材と負極集電部材(集電部材54)のそれぞれに溶接によって直接に接続する構造の電池(タブレス構造型のリチウム二次電池)であるために、生産性及びスペース性の向上が図られ、電池自体が小型化されている。
【0007】しかしながら、例えば、車載用、電力保存用等の比較的大容量のリチウム二次電池に関しては、その利用目的や使用状況に応じてより大電流の充放電が要求される場合があるが、特許文献2において開示されたタブレス構造型のリチウム二次電池であっても、想定される全ての場合において十分に満足し得る性能を発揮するものであるとはいいきれず、その内部抵抗を低減し、より大電流放電を可能とすべく更なる改良を図る余地がある。
【0008】
【特許文献1】
特開2001−85042号公報
【特許文献2】
欧州特許出願公開第1255310号明細書
【0009】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、生産性及び省スペース性に優れるとともに内部抵抗が低減され、かつ大電流放電に適したリチウム二次電池を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】発明者は、上述の課題を解決するべく鋭意研究した結果、リチウム二次電池を構成する捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面における、一の正極板の一方の表面から、一の正極板の他方の表面側に捲回又は積層されたセパレータ、負極板、及びセパレータを介して隣接する他の前記正極板の一方の表面までの長さ(捲回又は積層ピッチ)に対する、各金属箔体の厚さの割合を0.01〜0.2とすることにより、対応する金属箔体と集電部材とを溶接する工程において、集電部材が金属箔体から溶け落ちてしまうことを防止し、集電部材の溶接作業の効率及び精度を向上させることができるとともに、得られるリチウム二次電池の電流導出入の効率を向上させることができることを見出し、また、正極板及び負極板を積層して形成した積層型内部電極体を備えたリチウム二次電池についても、その積層断面における構成を同様とすることにより、上述した効果を得ることができることを見出し本発明を完成させた。
【0011】即ち、本発明によれば、正極金属箔体とその両表面に配設された正極活物質とから構成された正極板、負極金属箔体とその両表面に配設された負極活物質とから構成された負極板、及び前記正極板と前記負極板とを隔離するためのセパレータが、前記正極板、前記セパレータ、前記負極板、及び前記セパレータを繰り返し単位として捲回又は積層されてなる捲回型内部電極体又は積層型内部電極体と、前記正極金属箔体及び前記負極金属箔体の端部から導出した電流を集電するための正極集電部材及び負極集電部材とを備えてなるリチウム二次電池であって、前記正極集電部材が、その所定箇所で、前記正極金属箔体の先端部のうちの接続端縁に溶接によって接続されてなるとともに、前記捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面又は前記積層型内部電極体の積層断面における、一の前記正極板の一方の表面から、一の前記正極板の他方の表面側に捲回又は積層された前記セパレータ、前記負極板、及び前記セパレータを介して隣接する他の前記正極板の一方の表面までの長さ(捲回又は積層ピッチ)に対する、前記正極板を構成する前記正極金属箔体の厚さの割合が、0.01〜0.2であることを特徴とするリチウム二次電池が提供される(以下、「第一の発明」ということがある)。
【0012】また、本発明によれば、正極金属箔体とその両表面に配設された正極活物質とから構成された正極板、負極金属箔体とその両表面に配設された負極活物質とから構成された負極板、及び前記正極板と前記負極板とを隔離するためのセパレータが、前記正極板、前記セパレータ、前記負極板、及び前記セパレータを繰り返し単位として捲回又は積層されてなる捲回型内部電極体又は積層型内部電極体と、前記正極金属箔体及び前記負極金属箔体の端部から導出した電流を集電するための正極集電部材及び負極集電部材とを備えてなるリチウム二次電池であって、前記負極集電部材が、その所定箇所で、前記負極金属箔体の先端部のうちの接続端縁に溶接によって接続されてなるとともに、前記捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面又は前記積層型内部電極体の積層断面における、一の前記正極板の一方の表面から、一の前記正極板の他方の表面側に捲回又は積層された前記セパレータ、前記負極板、及び前記セパレータを介して隣接する他の前記正極板の一方の表面までの長さ(捲回又は積層ピッチ)に対する、前記負極板を構成する前記負極金属箔体の厚さの割合が、0.01〜0.2であることを特徴とするリチウム二次電池が提供される(以下、「第二の発明」ということがある)。
【0013】また、本発明によれば、正極金属箔体とその両表面に配設された正極活物質とから構成された正極板、負極金属箔体とその両表面に配設された負極活物質とから構成された負極板、及び前記正極板と前記負極板とを隔離するためのセパレータが、前記正極板、前記セパレータ、前記負極板、及び前記セパレータを繰り返し単位として捲回又は積層されてなる捲回型内部電極体又は積層型内部電極体と、前記正極金属箔体及び前記負極金属箔体の端部から導出した電流を集電するための正極集電部材及び負極集電部材とを備えてなるリチウム二次電池であって、前記正極集電部材及び前記負極集電部材が、その所定箇所で、対応する前記正極金属箔体又は前記負極金属箔体の先端部のうちの接続端縁に溶接によってそれぞれ接続されてなるとともに、前記捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面又は前記積層型内部電極体の積層断面における、一の前記正極板の一方の表面から、一の前記正極板の他方の表面側に捲回又は積層された前記セパレータ、前記負極板、及び前記セパレータを介して隣接する他の前記正極板の一方の表面までの長さ(捲回又は積層ピッチ)に対する、前記正極金属箔体の厚さの割合、及び前記負極金属箔体の厚さの割合が、それぞれ0.01〜0.2であることを特徴とするリチウム二次電池が提供される(以下、「第三の発明」ということがある)。
【0014】また、本発明においては、正極金属箔体が、アルミニウム又はアルミニウム合金からなることが好ましく、また、正極集電部材が、アルミニウム又はアルミニウム合金からなることが好ましい。
【0015】また、本発明においては、負極金属箔体が、銅又は銅合金からなることが好ましく、また、負極集電部材が、銅又は銅合金からなることが好ましい。
【0016】本発明のリチウム二次電池は、電池容量が2Ah以上の大型電池に好適に採用され、また、大電流の放電が頻繁に行われる電気自動車又はハイブリッド電気自動車のモータ駆動用電源等として好適に用いられる。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜、設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
【0018】まず、第一の発明のリチウム二次電池について説明する。本発明(第一の発明)は、正極金属箔体とその両表面に配設された正極活物質とから構成された正極板、負極金属箔体とその両表面に配設された負極活物質とから構成された負極板、及び正極板と負極板とを隔離するためのセパレータが、正極板、セパレータ、負極板、及びセパレータを繰り返し単位として捲回又は積層されてなる捲回型内部電極体又は積層型内部電極体と、正極金属箔体及び負極金属箔体の端部から導出した電流を集電するため正極集電部材及び負極集電部材とを備えてなるリチウム二次電池であって、正極集電部材が、その所定箇所で、正極金属箔体の潜端部のうちの接続端部に溶接によって接続されてなるとともに、捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面又は積層型内部電極体の積層断面における、一の正極板の一方の表面から、一の正極板の他方の表面側に捲回又は積層されたセパレータ、負極板、及びセパレータを介して隣接する他の正極板の一方の表面までの長さ(捲回又は積層ピッチ)に対する、正極板を構成する正極金属箔体の厚さの割合が、0.01〜0.2であることを特徴とするリチウム二次電池である。以下、本発明(第一の発明)の実施の形態について、捲回型内部電極体を備えたリチウム二次電池を例に挙げ具体的に説明する。
【0019】図1は、本発明(第一の発明)のリチウム二次電池に用いられる捲回型内部電極体における、正極集電部材と正極板を構成する正極金属箔体との接続状態を説明する断面図である。図1に示すように、捲回型内部電極体1は、正極金属箔体6とその両表面に配設された正極活物質4とから構成された正極板2、負極金属箔体7とその両表面に配設された負極活物質5とから構成された負極板3、及び正極板2と負極板3とを隔離するためのセパレータ8が、正極板2、セパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を繰り返し単位として、巻芯9の外周に捲回されることにより構成されている。正極金属箔体6の表面には正極活物質4が塗工されており、また負極金属箔体7の表面には負極活物質5が塗工されているが、正極金属箔体6及び負極金属箔体7(以下、単に、「金属箔体6、7」ということがある)の所定の端部には正極活物質4及び負極活物質5(以下、単に、「活物質4、5」ということがある)が塗工されずに金属箔体6、7が露出しており、この金属箔体6、7が露出した端部に、その端部から導出した電流を集電するため正極集電部材10及び負極集電部材(図示せず)が設けられている。本発明(第一の発明)のリチウム二次電池では、正極集電部材10が、その所定箇所で、正極金属箔体6の先端部のうちの接続端縁に溶接によって接続されている。以下、正極板2と負極板3とを併せて電極板ということがある。
【0020】本発明(第一の発明)においては、捲回型内部電極体1の捲回の中心軸を含む断面における、一の正極板2の一方の表面2aから、一の正極板2の他方の表面2b側に捲回されたセパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を介して隣接する他の正極板2の一方の表面2aまでの長さA(以下、「捲回ピッチA」ということがある)に対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合が、0.01〜0.2である。即ち、本発明(第一の発明)のリチウム二次電池は、捲回ピッチAに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合を上述した範囲とすることで、正極集電部材10と正極金属箔体6の端部との溶接を容易に行うことができるとともに、溶接不良を低減させることができるために、低内部抵抗であり、より大電流の充放電を実現することができる。
【0021】上述した、捲回ピッチAに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合が、0.01以下であると、正極集電部材10が溶接される正極金属箔体6の、隣接する接続端部の相互の間隔が広くなりすぎることから、溶接用のレーザー等により溶融した正極集電部材10を、その正極金属箔体6の接続端部で支えることができず、正極集電部材10に穴が空き溶接不良箇所が多数発生する。また、捲回ピッチAに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合が0.2を超えると、溶接の作業性は良好であるが、捲回型内部電極体1に占める活物質4、5の量の割合が低くなり大電流の充放電に不適となることや、セパレータ8の厚さが薄くなり溶接の熱により破損することがある。
【0022】また、電池のエネルギー密度(出力/質量)、及び電池の最大出力の観点からは、本発明のリチウム二次電池においては、捲回ピッチAに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合が0.017〜0.1とすることが好ましい。
【0023】なお、本発明にいう、「捲回ピッチA」とは、捲回型内部電極体1が、正極板2及び負極板3と各セパレータ8との間に隙間を有するように捲回されてなるものである場合は、その隙間を含めた断面の厚さのことを意味する。
【0024】更に、正極集電部材10と正極板2を構成する正極金属箔体6とを溶接することにより直接的に接続して電流を導出入する構造であるため、集電タブが不要である。従って、本発明のリチウム二次電池12は、煩雑な集電タブの取り付け工程が不要となるため生産性の向上が図られてなるものである。更に、集電タブを収納するためのスペースを省くことができるために、電池全体がコンパクトである。
【0025】本発明においては、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さについては特に限定することはないが、正極金属箔体6と正極集電部材10との溶接を良好に行うためには、例えば、5〜50μmであることが好ましく、更に、15〜30μmであることが好ましい。また、負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さについても特に限定することはないが、例えば、5〜50μmであることが好ましく、更に、8〜30μmであることが好ましい。
【0026】また、正極金属箔体6の両表面に塗工された正極活物質4の厚さについても特に限定することはないが、本発明のリチウム二次電池が、省スペース性に優れるとともに、大電流放電に適したものとするためには、50〜500μmであることが好ましく、更に、50〜200μmであることが好ましい。また、負極金属箔体7の両表面に塗工された負極活物質5の厚さについても特に限定することはないが、上述した効果を得るためには、50〜500μmであることが好ましく、更に、50〜200μmであることが好ましい。
【0027】ここで、本発明(第一の発明)のリチウム二次電池を構成する主要部材及び構造、並びに製造方法について説明する。
【0028】上述したように、正極板2は、集電基板となる正極金属箔体6の両表面に正極活物質4を塗工することによって作製される。正極金属箔体6を構成する金属としては、アルミニウムやチタン等の正極電気化学反応に対する耐蝕性が良好な金属箔体が用いられる。正極活物質4としては、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)やコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)等のリチウム遷移金属複合酸化物が好適に用いられるが、立方晶スピネル構造を有するマンガン酸リチウムを用いると、他のリチウム遷移金属複合酸化物を用いた場合と比較して、内部電極体の抵抗を小さくすることができるために好ましい。なお、正極活物質4には、アセチレンブラック等の炭素微粉末を導電助剤として加えることが好ましく、2〜10質量%の範囲で任意に添加すればよい。
【0029】マンガン酸リチウムの化学量論組成はLiMn2O4で表されるが、このような化学量論組成のものに限られず、遷移元素Mnの一部を、Tiを含み、その他に、Li、Fe、Ni、Mg、Zn、B、Al、Co、Cr、Si、Sn、P、V、Sb、Nb、Ta、Mo及びWからなる群より選択される1種類以上の元素からなる、2種類以上の元素で置換してなるLiMXMn2−XO4(但し、Mは置換元素で、Xは置換量を示す)も好適に用いられる。
【0030】上述のような元素置換を行った場合には、そのリチウム(Li)/マンガン(Mn)比(モル比)は、マンガンをリチウムで置換したリチウム過剰の場合には(1+X)/(2−X)となる。一方、リチウム以外の置換元素Mで置換した場合には1/(2−X)となる。従って、いずれの場合であっても常にリチウム(Li)/マンガン(Mn)比>0.5となるが、本発明においてはこのようなマンガン酸リチウムを用いることが好ましく、化学量論組成(LiMn2O4)のものを用いた場合と比較して結晶構造が更に安定化されているため、電池に優れたサイクル特性を付与することができる。
【0031】なお、置換元素Mにあっては、理論上、Liは+1価、Fe、Mn、Ni、Mg、Znは+2価、B、Al、Co、Crは+3価、Si、Ti、Snは+4価、P、V、Sb、Nb、Taは+5価、Mo、Wは+6価のイオンとなり、LiMn2O4中に固溶する元素であるが、Co、Snについては+2価の場合、Fe、Sb及びTiについては+3価の場合、Mnについては+3価、+4価の場合、Crについては+4価、+6価の場合もあり得る。従って、各種の置換元素Mは混合原子価を有する状態で存在する場合があり、また、酸素の量については、必ずしも理論化学組成で表されるように4であることを必要とせず、結晶構造を維持するための範囲内で欠損して、又は過剰に存在していても構わない。
【0032】正極活物質4の塗工は、正極活物質粉末に溶剤や結着剤等を添加して作製したスラリー又はペーストを、ロールコータ法等を用いて、正極金属箔体6に塗布・乾燥することで行われ、その後に必要に応じてプレス処理等が施される。
【0033】負極板3は、正極板2と同様にして作製することができる。負極板2を構成する負極金属箔体7としては、銅箔又はニッケル箔等の負極電気化学反応に対する耐蝕性が良好な金属箔体が好適に用いられる。負極活物質5としては、ソフトカーボンやハードカーボンといったアモルファス系炭素質材料や人造黒鉛や天然黒鉛等の高黒鉛化炭素材料が、更には、この高黒鉛化炭素材料としては繊維状のものが好適に用いられる。
【0034】本発明においては、リチウム二次電池の構成部材として良好な特性を発揮させるといった観点から、正極板2を構成する正極金属箔体6は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなることが好ましく、正極集電部材10も、アルミニウム又はアルミニウム合金からなることが好ましい。また、負極板3を構成する負極金属箔体7は、銅又は銅合金からなることが好ましく、負極集電部材11も、銅又は銅合金からなることが好ましい。
【0035】セパレータ8としては、マイクロポアを有するリチウムイオン透過性のポリエチレンフィルム(PEフィルム)を、多孔性のリチウムイオン透過性のポリプロピレンフィルム(PPフィルム)で挟んだ三層構造としたものが好適に用いられる。これは、電極体の温度が上昇した場合に、PEフィルムが約130℃で軟化してマイクロポアが潰れ、リチウムイオンの移動、即ち電池反応を抑制する安全機構を兼ねたものである。そして、このPEフィルムをより軟化温度の高いPPフィルムで挟持することによって、PEフィルムが軟化した場合においても、PPフィルムが形状を保持して正極板2と負極板3の接触・短絡を防止し、電池反応の確実な抑制と安全性の確保が可能となる。
【0036】上述したように構成された正極板2、負極板3、及びセパレータ8を巻芯9の外周に捲回して、捲回型内部電極体1を作製する。捲回型内部電極体1を作製する具体的な方法としては、例えば、2枚のセパレータ8を両面テープ等を用いて巻芯9に固定し、巻芯9の外周にセパレータ8を巻き取る際に、セパレータ8間に挟み込まれるようにして正極板2及び負極板3を巻き取る方法等を好適例として挙げることができる。また、本発明においては、正極板2及び負極板3の巻取速度やテンション等の捲回における条件ついては、特に限定されることはなく、従来の製造方法において行われている条件と同様の条件を採用することができる。
【0037】次に、非水電解液について説明する。非水電解液を構成する溶媒(有機溶媒)としては、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、プロピレンカーボネート(PC)といった炭酸エステル系のものや、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、アセトニトリル等の単独溶媒又は混合溶媒が好適に用いられる。
【0038】電解質としては、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)やホウフッ化リチウム(LiBF4)等のリチウム錯体フッ素化合物、又は過塩素酸リチウム(LiClO4)といったリチウムハロゲン化物を挙げることができ、これらのうちの1又は2種類以上を上述した有機溶媒(混合溶媒)に溶解して用いることができる。なお、酸化分解が起こり難く非水電解液の導電性の高い六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を用いることが好ましい。
【0039】ここで、本発明のリチウム二次電池の製造方法について、図2を参照しつつ具体的に説明する。図2に示すように、製造した捲回型内部電極体1を電池ケース73に挿入し、電極リード部材72と集電部材(正極集電部材10、負極集電部材11)、及び電極内部端子(正極内部端子69A、負極内部端子69B)を接合して安定な位置にホールドする。その後、電池蓋(正極電池蓋71A、負極電池蓋71B)により電池ケース73を封ずるとともに前述の非水電解液を含浸することにより、本実施の形態のリチウム二次電池12(タブレス構造型のリチウム二次電池)を得ることができる。
【0040】本実施の形態においては、電極リード部材72は、接続される正極集電部材10、正極内部端子69A、及び負極集電部材11、負極内部端子69Bと、同種金属又はその合金により構成されていることが好ましい。具体的には、正極内部端子69A及び正極集電部材10にアルミニウム又はアルミニウム合金を用いた場合には、正極の電極リード部材72にアルミニウム又はアルミニウム合金を採用し、負極内部端子69B及び負極集電部材11に銅又は銅合金を用いた場合には、負極の電極リード部材72に銅又は銅合金を採用することが好ましい。
【0041】電極リード部材72を用いなくとも、正極集電部材10と正極内部端子69A、負極集電部材11と負極内部端子69Bとを直接的に接続し、通電させてもよい。また、これまで述べてきたタブレス構造を有する部分を正極及び負極に用いてもよいし、正極又は負極のいずれかに用いてもよい。なお、図2中、符号70Aは正極外部端子、符号70Bは負極外部端子、符号75は放圧孔を示す。
【0042】また、図3に示すように、集電部材10、11が、電極蓋を兼用している構成であってもよい。図3では、片端が開放された円筒形の電池ケース73を用い、その電池ケース73の片端にくびれ加工を形成した例を示しているが、集電部材10、11が電極蓋を兼用している構成であれば電池の形状に特に制限はなく、例えば、電池ケース73の両端がくびれ加工されているもの、電池ケース73の両端が開放されたもの等を使用しても構わない。また、図3においては、正極側に放圧孔75を有する例を示しているが、負極側に放圧孔を有する構成でも構わない。
【0043】また、本発明においては、正極集電部材10の形状が、図4(a)及び図4(e)に示すような十字形状、図4(b)及び図4(f)に示すようなY字形状、図4(c)及び図4(g)に示すようなI字形状、又は図4(d)及び図4(h)に示すような、一部に切り欠きを有する円板形状であることが好ましい。正極集電部材10形状がこれらの形状である場合には、溶接により形成された溶接箇所の、接続状態の検査がし易く、また余剰部ができるだけ含まれない形状であるために電池を軽量化することができる。また、電解液を充填する際等において、電解液が全体に回り易い構造であるために好ましい。
【0044】図2及び図3に示すように、本実施の形態のリチウム二次電池12は、捲回型内部電極体1からの電流導出部分に、正極板2を構成する正極金属箔体6と、対応する正極集電部材10とを直接的に接続した構成を採用することにより、従来の電流導出手段である集電タブを用いる必要がない。従って、煩雑な集電タブの取り付け工程が不要であり、生産性の向上を図ることができる。また、集電タブの長さの分のスペースを省くことができるため、電池全体がコンパクトである。
【0045】また、これまでに、捲回型内部電極体1を備えたリチウム二次電池について説明してきたが、本発明(第一の発明)のリチウム二次電池については、積層型内部電極体を備えてなるリチウム二次電池であってもよく、この場合は、図5に示すように、正極板2、セパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を繰り返し単位として積層されてなる積層型内部電極体20を備え、この積層型内部電極体20の積層断面における、一の正極板2の一方の表面2aから、一の正極板2の他方の表面2b側に積層されたセパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を介して隣接する他の正極板2の一方の表面2aまでの長さD(積層ピッチD)に対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合が、0.01〜0.2である。このように構成することによって、図2に示した捲回型内部電極体1を備えたリチウム二次電池12と同様の作用、効果を得ることができる。また、電池のエネルギー密度(出力/質量)、及び電池の最大出力の観点からは、積層ピッチDに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合が0.017〜0.1とすることが好ましい。
【0046】また、本発明における正極集電部材と正極板を構成する正極金属箔体の接続端縁とを溶接により接続する具体的方法については後述する。
【0047】次に、本発明(第二の発明)のリチウム二次電池について説明する。本発明(第二の発明)は、正極金属箔体とその両表面に配設された正極活物質とから構成された正極板、負極金属箔体とその両表面に配設された負極活物質とから構成された負極板、及び正極板と負極板とを隔離するためのセパレータが、正極板、セパレータ、負極板、及びセパレータを繰り返し単位として捲回又は積層されてなる捲回型内部電極体又は積層型内部電極体と、正極金属箔体及び負極金属箔体の端部から導出した電流を集電するための正極集電部材及び負極集電部材とを備えてなるリチウム二次電池であって、負極集電部材が、その所定箇所で、負極金属箔体の先端部のうちの接続端縁に溶接によって接続されてなるとともに、捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面又は積層型内部電極体の積層断面における、一の正極板の一方の表面から、一の正極板の他方の表面側に捲回又は積層されたセパレータ、負極板、及びセパレータを介して隣接する他の正極板の一方の表面までの長さ(捲回又は積層ピッチ)に対する、負極板を構成する負極金属箔体の厚さの割合が、0.01〜0.2であることを特徴とするリチウム二次電池である。
【0048】本発明(第二の発明)においては、負極集電部材が、その所定箇所で、負極金属箔体の先端部のうちの接続端縁に溶接によって接続されてなるとともに、捲回又は積層ピッチに対する、負極板を構成する負極金属箔体の厚さの割合が、上述した範囲となるものである。以下、本発明(第二の発明)の実施の形態について、捲回型内部電極体を備えたリチウム二次電池を例に挙げ具体的に説明する。
【0049】図6は、本発明(第二の発明)のリチウム二次電池に用いられる捲回型内部電極体における、負極集電部材と負極板を構成する負極金属箔体との接続状態を説明する断面図である。図6に示すように、捲回型内部電極体1は、正極金属箔体6とその両表面に配設された正極活物質4とから構成された正極板2、負極金属箔体7とその両表面に配設された負極活物質5とから構成された負極板3、及び正極板2と負極板3とを隔離するためのセパレータ8が、正極板2、セパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を繰り返し単位として、巻芯9の外周に捲回されることにより構成されている。正極金属箔体6の表面には正極活物質4が塗工されており、また負極金属箔体7の表面には負極活物質5が塗工されているが、金属箔体6、7の所定の端部には活物質4、5が塗工されずに金属箔体6、7が露出しており、この金属箔体6、7が露出した端部に、その端部から導出した電流を集電するため正極集電部材(図示せず)及び負極集電部材(図示せず)が設けられている。本発明(第二の発明)のリチウム二次電池では、負極集電部材11が、その所定箇所で、負極金属箔体7の先端部のうちの接続端縁に溶接によって接続されている。
【0050】本発明(第二の発明)においては、捲回型内部電極体1の捲回の中心軸を含む断面における、一の正極板2の一方の表面2aから、一の正極板2の他方の表面2b側に捲回されたセパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を介して隣接する他の正極板2の一方の表面2aまでの長さA(以下、「捲回ピッチA」ということがある)に対する、負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が、0.01〜0.2である。即ち、本発明(第一の発明)のリチウム二次電池は、捲回ピッチAに対する、負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合を上述した範囲とすることで、負極集電部材11と負極金属箔体7の端部との溶接を容易に行うことができるとともに、溶接不良を低減させることができるために、低内部抵抗であり、より大電流の充放電を実現することができる。
【0051】上述した、捲回ピッチAに対する、負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が、0.01未満であると、負極集電部材11が溶接される負極金属箔体7の、隣接する接続端部の相互の間隔が広くなりすぎることから、溶接用のレーザー等により溶融した負極集電部材11を、その負極金属箔体7の接続端部で支えることができず、負極集電部材11に穴が空き溶接不良箇所が多数発生する。また、捲回ピッチAに対する、負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が0.2を超えると、溶接の作業性は良好であるが、捲回型内部電極体1に占める活物質4、5の量の割合が低くなり大電流の充放電に不適となり、また、セパレータ8の厚さが薄くなり溶接の熱によりセパレータ8が破損する。
【0052】また、電池のエネルギー密度(出力/質量)、及び電池の最大出力の観点からは、本発明のリチウム二次電池においては、捲回ピッチAに対する、負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が0.017〜0.1とすることが好ましい。
【0053】また、本発明(第二の発明)においては、負極集電部材11と、負極板3を構成する負極金属箔体7の端部との接続部分において、負極板3から負極集電部材11の方向に延びる柱状晶が形成されてなることが好ましい。一般に溶接金属は、溶融金属が母材(未溶融部)の結晶粒上に同一結晶方位をもって成長(エピタキシャル成長)する。このように形成された固相は熱源の移動に伴い、溶接ビード(溶融部分)内部へ成長する。この成長は、温度勾配の最も大きい方向に成長し易く、その方向へほぼ一方向に延びた形態で成長し、このように成長した結晶は柱状晶と呼ばれる。
【0054】負極集電部材11から垂れ下がった溶融部は、冷却に伴い再結晶化するが、負極板3を構成する負極金属箔体7を通じて溶融部の熱が急速に拡散する。即ち、負極板3に密着した部分の溶融部の温度が低下し、負極板2と溶融部との界面が核となって負極板3から負極集電部材11の方向へと柱状晶が形成し易くなると考えられる。更に、本発明では負極板3の接続端縁近傍の側面部が負極集電部材11の第一凸部の突出端面と隙間なく密着して接触状態が良好であり、負極板3を通じた冷却効果によって柱状晶が形成し易い状態である。従って、接続部分において、負極板3から負極集電部材11の方向に延びる柱状晶が形成されている場合には、負極板3と負極集電部材11との接続状態が良好、即ち、負極集電部材11と負極板3との接続に十分な強度が確保されているために好ましい。
【0055】本発明(第二の発明)においては、負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さについては特に限定することはないが、負極金属箔体7と正極集電部材11との溶接を良好に行うためには、例えば、5〜50μmであることが好ましく、更に、8〜30μmであることが好ましい。また、正極板2を構成する負極金属箔体6の厚さについても特に限定することはないが、例えば、5〜50μmであることが好ましく、更に、15〜30μmであることが好ましい。
【0056】また、負極金属箔体7の両表面に塗工された負極活物質5の厚さについては特に限定することはないが、本発明のリチウム二次電池が、省スペース性に優れるとともに、大電流放電に適したものとするためには、50〜500μmであることが好ましく、更に、50〜200μmであることが好ましい。また、正極金属箔体6の両表面に塗工された負極活物質4の厚さについても特に限定することはないが、上述した効果を得るためには、50〜500μmであることが好ましく、更に、50〜200μmであることが好ましい。
【0057】また、本発明においては、負極集電部材11の形状が、図4(a)及び図4(e)に示すような十字形状、図4(b)及び図4(f)に示すようなY字形状、図4(c)及び図4(g)に示すようなI字形状、又は図4(d)及び図4(h)に示すような、一部に切り欠きを有する円板形状であることが好ましい。負極集電部材11の形状がこれらの形状である場合には、溶接により形成された溶接箇所の、接続状態の検査がし易く、また余剰部ができるだけ含まれない形状であるために電池を軽量化することができる。また、電解液を充填する際等において、電解液が全体に回り易い構造であるために好ましい。
【0058】また、本発明(第二の発明)のリチウム二次電池においては、上述した構成を有するものであれば、それ以外の各構成部材は、図1及び図2に示した第一の発明のリチウム二次電池の各構成部材と同様に構成されたものを好適に用いることができる。
【0059】また、これまでに、捲回型内部電極体1を備えたリチウム二次電池について説明してきたが、本発明(第二の発明)のリチウム二次電池については、積層型内部電極体を備えてなるリチウム二次電池であってもよく、この場合は、図5に示すように、正極板2、セパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を繰り返し単位として積層されてなる積層型内部電極体20を備え、この積層型内部電極体20の積層断面における、一の正極板2の一方の表面から、一の正極板2の他方の表面側に積層されたセパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を介して隣接する他の正極板2の一方の表面までの長さD(積層ピッチD)に対する、負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が、0.01〜0.2である。このように構成することによって、上述した捲回型内部電極体を備えたリチウム二次電池と同様の作用、効果を得ることができる。また、電池のエネルギー密度(出力/質量)、及び電池の最大出力の観点からは、積層ピッチDに対する、負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が0.017〜0.1とすることが好ましい。
【0060】また、本発明における負極集電部材と負極板を構成する負極金属箔体の接続端縁とを溶接により接続する具体的方法については後述する。
【0061】次に、本発明(第三の発明)のリチウム二次電池について説明する。本発明(第三の発明)は、正極金属箔体とその両表面に配設された正極活物質とから構成された正極板、負極金属箔体とその両表面に配設された負極活物質とから構成された負極板、及び正極板と負極板とを隔離するためのセパレータが、正極板、セパレータ、負極板、及びセパレータを繰り返し単位として捲回又は積層されてなる捲回型内部電極体又は積層型内部電極体と、正極金属箔体及び負極金属箔体の端部から導出した電流を集電するための正極集電部材及び負極集電部材とを備えてなるリチウム二次電池であって、正極集電部材及び負極集電部材が、その所定箇所で、対応する正極金属箔体又は負極金属箔体の先端部のうちの接続端縁に溶接によってそれぞれ接続されてなるとともに、捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面又は積層型内部電極体の積層断面における、一の正極板の一方の表面から、一の正極板の他方の表面側に捲回又は積層されたセパレータ、負極板、及びセパレータを介して隣接する他の正極板の一方の表面までの長さ(捲回又は積層ピッチ)に対する、正極金属箔体の厚さの割合、及び負極金属箔体の厚さの割合が、それぞれ0.01〜0.2であることを特徴とするリチウム二次電池である。以下、本発明(第三の発明)の実施の形態について、捲回型内部電極体を備えたリチウム二次電池を例に挙げ具体的に説明する。
【0062】図7は、本発明(第三の発明)のリチウム二次電池に用いられる捲回型内部電極体における、正極集電部材と正極板を構成する正極金属箔体との接続状態、及び負極集電部材と負極板を構成する負極金属箔体との接続状態を説明する断面図である。図7に示すように、捲回型内部電極体1は、正極金属箔体6とその両表面に配設された正極活物質4とから構成された正極板2、負極金属箔体7とその両表面に配設された負極活物質5とから構成された負極板3、及び正極板2と負極板3とを隔離するためのセパレータ8が、正極板2、セパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を繰り返し単位として、巻芯9の外周に捲回されることにより構成されている。正極金属箔体6の表面には正極活物質4が塗工されており、また負極金属箔体7の表面には負極活物質5が塗工されているが、正極金属箔体6及び負極金属箔体7(以下、単に、「金属箔体6、7」ということがある)の所定の端部には正極活物質4及び負極活物質5(以下、単に、「活物質4、5」ということがある)が塗工されずに金属箔体6、7が露出しており、この金属箔体6、7が露出した端部に、その端部から導出した電流を集電するため正極集電部材10及び負極集電部材11(以下、単に、「集電部材10、11」ということがある)が設けられている。本発明(第三の発明)のリチウム二次電池では、正極集電部材10及び負極集電部材11が、その所定箇所で、対応する正極金属箔体6又は負極金属箔体7の先端部のうちの接続端縁に溶接によってそれぞれ接続されている。
【0063】本発明(第三の発明)においては、捲回型内部電極体1の捲回の中心軸を含む断面における、一の正極板2の一方の表面2aから、一の正極板2の他方の表面2b側に捲回されたセパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を介して隣接する他の正極板2の一方の表面2aまでの長さA(以下、「捲回ピッチA」ということがある)に対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合、及び負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が、それぞれ0.01〜0.2である。即ち、本発明(第三の発明)のリチウム二次電池は、捲回ピッチAに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合、及び負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合を上述した範囲とすることで、集電部材10、11と金属箔体6、7の端部との溶接を容易に行うことができるとともに、溶接不良を低減させることができるために、低内部抵抗であり、より大電流の充放電を実現することができる。また、各集電部材10、11と対応する金属箔体6、7の端部とがそれぞれ溶接により接続されていることにより、より省スペース性に優れたものとなる。
【0064】上述した、捲回ピッチAに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合、及び負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が、0.01未満であると、正極集電部材10及び負極集電部材11がそれぞれ溶接される金属箔体6、7の、隣接する接続端部の相互の間隔が広くなりすぎることから、溶接用のレーザー等により溶融した集電部材10、11を、その金属箔体6、7の接続端部で支えることができず、金属箔体6、7に穴が空き溶接不良箇所が多数発生する。また、捲回ピッチAに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合、及び負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が、0.2を超えると、溶接の作業性は良好であるが、捲回型内部電極体1に占める活物質4、5の量の割合が低くなり大電流の充放電に不適となり、また、セパレータ8の厚さが薄くなり、溶接の熱により破損する。
【0065】また、電池のエネルギー密度(出力/質量)、及び電池の最大出力の観点からは、本発明のリチウム二次電池においては、捲回ピッチAに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合、及び負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が0.017〜0.1とすることが好ましい。
【0066】また、本発明(第三の発明)のリチウム二次電池においては、上述した構成を有するものであれば、それ以外の各構成部材は、これまでに説明した第一の発明及び第二の発明のリチウム二次電池の各構成部材と同様に構成されたものを好適に用いることができる。
【0067】また、これまでに、捲回型内部電極体1を備えたリチウム二次電池について説明してきたが、本発明(第三の発明)のリチウム二次電池については、積層型内部電極体を備えてなるリチウム二次電池であってもよく、この場合は、図5に示すように、正極板2、セパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を繰り返し単位として積層されてなる積層型内部電極体20を備え、この積層型内部電極体20の積層断面における、一の正極板2の一方の表面から、一の正極板2の他方の表面側に積層されたセパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を介して隣接する他の正極板2の一方の表面までの長さD(積層ピッチD)に対する、負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が、0.01〜0.2である。このように構成することによって、上述した捲回型内部電極体を備えたリチウム二次電池と同様の作用、効果を得ることができる。また、電池のエネルギー密度(出力/質量)、及び電池の最大出力の観点からは、積層ピッチDに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合、及び負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が、それぞれ0.017〜0.1とすることが好ましい。
【0068】ここで、本発明(第一〜第三の発明)のリチウム二次電池における、正極集電部材と正極板の接続端縁との溶接(正極側)、及び負極集電部材と負極板の接続端縁との溶接(負極側)の方法について具体的に説明する。
【0069】正極側については、図8に示すように、正極板2の狭幅端面21を含む面の法線23Aに対して、角度θ1(0°<θ1≦90°)で、正極集電部材10の第二突条部32にエネルギー線53を照射し、第二突条部32、本体部22の一部、及び第一突条部31を溶解して、正極集電部材10と、正極板2(正極金属箔体6)の端部15とを溶接によって接続すればよい。このような状態でエネルギー線53を照射することで、正極板2と正極集電部材10との接続状態をより確実なものとすることができ、正極集電部材10に穴等の製品欠陥が生じ難くなる。なお、正極板2と正極集電部材10との接続状態をより確実とし、正極集電部材10に穴等の製品欠陥を更に生じ難くするといった観点からは、前述の角度θ1は5°≦θ1≦80°であることが更に好ましく、10°≦θ1≦60°であることが特に好ましく、15°≦θ1≦45°であることが最も好ましい。
【0070】また、正極集電部材10を、その第一突条部31が狭幅端面21に略垂直に交差するように配置し、狭幅端面21に略垂直に交差するように、エネルギー線発生装置を用いて、第二突条部32を走査して照射すればよい。このとき、上述した、狭幅端面21を含む面の法線23Aに対して角度θ1(0°<θ1≦90°)で第二突条部32にエネルギー線53を照射することに加え、エネルギー線53を、狭幅端面21に略垂直に交差する線に対して、角度が略垂直となるように第二突条部32に照射することが好ましい。このことにより、ろう材を用いることなく、簡易な操作によって正極板2の端部15と正極集電部材10とを接続することができる。また、正極板2を構成する正極金属箔体6に損傷を与えずに、正極集電部材10のみを溶解させて接続することができるために、正極集電部材10と正極板2を構成する正極金属箔体6との接続に十分な強度が確保される。
【0071】なお、本発明にいう「接続端縁」とは、1枚の電極板を構成する金属箔体における複数箇所の接続される端縁、又は複数枚の電極板を構成する金属箔体における複数箇所に渡る各金属箔体の接続される端縁を意味する。また、「狭幅端面21に略垂直に交差する」とは、複数の接続端縁における狭幅端面21の全てについて略垂直に交差することを意味する。
【0072】正極集電部材10の第二突条部32に照射するエネルギー線のパワー密度は、5kW/mm2以上であることが好ましく、6kW/mm2以上であることが更に好ましく、7kW/mm2以上であることが特に好ましい。5kW/mm2未満であると、接続状態が良好ではなく、機械的強度が不十分となる場合が想定されるために好ましくない。なお、パワー密度の上限については特に限定されないが、使用する各部材への損傷発生を回避する等の観点から適宜決定すればよく、例えば、60kW/mm2以下であればよい。ここで、本発明にいうエネルギー線53の「パワー密度」とは、エネルギー線53のパワー(kW)を、エネルギー線53が照射される照射点のスポット面積(mm2)で除して得た値を意味する。
【0073】負極側については、図9に示すように、負極板3の側面部33を含む面の法線23Bに対して、角度θ2(0°≦θ2≦30°)で、負極集電部材11の第二突条部32にエネルギー線53を照射し、第二突条部32、本体部22の一部、及び第一突条部31を溶解して、負極集電部材11と、負極板3を構成する負極金属箔体7の端部15とを溶接によって接続すればよい。このような状態でエネルギー線53を照射することにより、負極板3と負極集電部材11との接続状態をより確実なものとすることができ、負極集電部材11に穴等の製品欠陥が生じ難くなる。なお、負極板3と負極集電部材11との接続状態をより確実とし、負極集電部材11に穴等の製品欠陥を更に生じ難くするといった観点からは、前述の角度θ2は0°≦θ2≦10°であることが更に好ましく、0°≦θ2≦5°であることが特に好ましい。また、熱効率の観点からは、負極集電部材11の第二突条部32の表面又はその近傍にエネルギー線53を合焦させることが好ましく、更に、負極板3を構成する負極金属箔体7に対して、エネルギー線53を実質的に照射しないことが好ましい。
【0074】更に、負極集電部材11を、その第一突条部31が側面部33に略垂直に交差するように配置し、側面部33に略垂直に交差するように、エネルギー線発生装置を用いて、第二突条部32を走査して照射すればよい。このとき、上述した、側面部33を含む面の法線23Bに対して角度θ2(0°≦θ2≦30°)で第二突条部32にエネルギー線53を照射することに加え、エネルギー線53を、側面部33に略垂直に交差する線に対して、角度が略垂直となるように第二突条部32に照射することが好ましい。このことにより、ろう材を用いることなく、簡易な操作によって負極板3の端部15と負極集電部材11とを接続することができる。また、負極板3を構成する負極金属箔体7に損傷を与えずに、負極集電部材11のみを溶解させて接続することができるために、負極集電部材11と負極板3との接続に十分な強度が確保される。なお、「側面部33に略垂直に交差する」とは、複数の接続端縁における側面部33の全てについて略垂直に交差することを意味する。
【0075】負極集電部材11の第二突条部に照射するエネルギー線53のパワー密度は、3kW/mm2以上であることが好ましく、6kW/mm2以上であることが更に好ましく、8kW/mm2以上であることが特に好ましい。3kW/mm2未満であると、接続状態が良好ではなく、機械的強度が不十分となる場合が想定されるために好ましくない。なお、パワー密度の上限については特に限定されないが、使用する各部材への損傷発生を回避する等の観点から適宜決定すればよく、例えば、60kW/mm2以下であればよい。
【0076】また、エネルギー線53の乱反射を抑制して負極板3を構成する負極金属箔体7への損傷発生を抑制する観点から、負極集電部材11の第二突条部32のうちの、エネルギー線53を照射する部分が平面状であることが好ましく、少なくとも照射点よりも広い範囲が平面状であることが好ましい。更に、照射するエネルギー線53のスポット径を、1mm以下とすることが好ましく、0.8mm以下とすることが更に好ましい。このことにより、不要な箇所へのエネルギー線53の照射が抑制され、特に負極板3を構成する負極金属箔体7への損傷発生を抑制することができる。
【0077】なお、図8及び図9に示すように、エネルギー密度が高く発熱量も小さい、レーザー又は電子ビームによるエネルギー線53を照射して溶接することが好ましく、更に、エネルギー線53が連続波であることが、第二突条部53の表面にエネルギーを集中させて照射することができ、電極板(正極板2及び負極板3)を構成する金属箔体(正極金属箔体6及び負極金属箔体7)への損傷発生を抑制することができるために好ましい。なお、レーザーの中でも、YAGレーザーは焦点を良好に絞ることができ、焦点以外に配置された金属箔体への損傷発生を更に抑制することができるために好ましい。
【0078】また、正極集電部材10の第二突条部32にエネルギー線53を照射するに際しては、連続照射が可能なエネルギー線発生装置を用いることが好ましく、このときの走査速度は、0.1〜100m/minであることが好ましく、1〜30m/minであることが更に好ましく、2〜10m/minであることが特に好ましい。更に、配列された正極板2の枚数に応じ、正極集電部材10を複数個用意し、複数の正極集電部材10を、それらの第一突条部31が狭幅端面21に略垂直に交差するようにして連続的に配置することが好ましく、このことにより複数枚の正極板2を一度の照射によって接続することができる。
【0079】一方、負極集電部材11の第二突条部32にエネルギー線53を照射するに際しては、連続照射が可能なエネルギー線発生装置を用いることが好ましい。更に、配列された負極板3の枚数に応じ、負極集電部材11を複数個用意し、複数の負極集電部材11を、それらの第一突条部31が側面部33に略垂直に交差するようにして連続的に配置することが好ましく、このことにより、複数枚の負極板3を一度の照射によって接続することができる。
【0080】なお、集電部材(正極集電部材10及び負極集電部材11)と電極板の接続端縁とを溶接して接続するに際して、ろう材等の接合補助材料は不要ではあるが、用いても構わない。接合補助材料を用いる場合には、これを電極板を構成する金属箔体及び/若しくは集電部材の所定箇所に塗布し、又は金属箔体と集電部材の所定箇所との間に挟持した状態でエネルギー線を照射すればよい。
【0081】以上、本発明(第一〜第三の発明)に係るリチウム二次電池について、その実施の形態を示しながら説明してきたが、本発明が上記の実施の形態に限定されるものでないことはいうまでもない。また、本発明に係るリチウム二次電池は、特に、電池容量が2Ah以上である大型の電池に好適に採用されるが、このような容量以下の電池に適用することを妨げるものではない。また、本発明のリチウム二次電池は、大容量でありながらも小型化されているため、特に省スペース性が要求される車載用電池として、更には、電気自動車又はハイブリッド電気自動車のモータ駆動用電源に用いることが好ましいとともに、高電圧を必要とされるエンジン起動用としても好適に用いることができる。
【0082】
【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【0083】
(捲回型内部電極体の作製)
Li/Mn>0.5であるLi1.05Mn1.95O4スピネルを正極活物質とし、これに導電助剤としてアセチレンブラックを外比で2〜10質量%の範囲で添加したものに、更に溶剤、バインダを加えて調製した正極剤スラリーを正極活物質としてアルミニウム箔(正極金属箔体)の両面に塗工して正極板を作製した。本実施例における、正極板を構成するアルミニウム箔(金属箔体)の厚さ、及びアルミニウム箔に塗工した正極活物質の塗工厚さを表1に示す。
【0084】次に、繊維状高黒鉛化炭素粉末を負極活物質として、銅箔の両面に塗工して負極板を作製した。本実施例における、負極板を構成する銅箔(金属箔体)の厚さ、及び銅箔に塗工した負極活物質の塗工厚さを表1に示す。
【0085】次いで、得られた正極板と負極板とを、厚さ25μmのセパレータを介して、正極板、セパレータ、負極板、セパレータを繰り返し単位として捲回することにより捲回型内部電極体を作製した。捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面における、一の正極板の一方の表面から、一の正極板の他方の表面側に捲回されたセパレータ、負極板、及びセパレータを介して隣接する他の正極板の一方の表面までの長さ(捲回ピッチ)、及び捲回ピッチに対する金属箔体の厚さの割合(金属箔体の厚さ/捲回ピッチ)を表1に示す。
【0086】
(非水電解液の調製)
EC、DMC、及びEMCの各種有機溶媒を、EC:DMC:EMC=1:1:1(体積比)で混合して混合溶媒を調製し、それぞれに1mol/lの濃度となるように電解質であるLiPF6を溶解して非水電解液を調製した。
【0087】
(実施例1〜14)
捲回型内部電極体の、電極板(正極板及び負極板)を構成する金属箔体の接続端縁上に、対応するアルミニウムからなる十字形状の正極集電部材又は銅からなる負極集電部材を載置し、各集電部材の上方からYAGレーザーを4方向に照射して溶接することにより、各集電部材と、対応する電極板を構成する各金属箔体の接続端縁との接続体を得た。
【0088】得られた接続体を電池ケースに収納後、所定の電解液注入孔を通じて電池ケース内部の減圧(1Pa)処理をしながら加熱(100℃、24時間)後、非水電解液を含浸(真空含浸)した。次いで電解液注入孔を封止することにより、リチウム二次電池を作製した(実施例1〜14)。なお、その他の部材、試験環境は全ての試料について同じとし、電池の封止不良等による電池外部からの水分の浸入等の影響も排除した。
【0089】
(比較例1〜4)
前述の実施例1〜14と同様の方法により、リチウム二次電池を作製した(比較例1〜4)。比較例1〜4における、金属箔体の厚さ、各活物質の塗工厚さ、捲回ピッチ、及び捲回ピッチに対する金属箔体の厚さの割合については、表1に示す。
【0090】
(溶接状況の確認)
作製したリチウム二次電池(実施例1〜14、比較例1〜4)における、各集電部材と各電極板との溶接状況を目視にて確認した。結果を表1に示す。溶接状況の判別方法としては、溶接不良箇所がほとんど確認されず、集電部材が溶けることによる穴等が確認されない場合は◎、溶接不良箇所が一部確認されるものの、集電部材が溶けることによる穴等が確認されない場合は○、溶接不良箇所が多数確認され、集電部材が溶けることによる穴等が確認された場合は×とした。
【0091】
(電池の動作確認)
1Cの電流値で充電後、1C〜1000Aの電流値で放電し、異常発熱及び溶断のないことを確認した。
【0092】
【表1】
【0093】
(結果)
実施例1〜14のリチウム二次電池は、集電部材と電極板との溶接が良好に行われていることから生産性及び省スペース性に優れるといった特性を備えているとともに内部抵抗が低減されており、大電流放電に適していることが判明した。また、比較例1〜4のリチウム二次電池は、溶接不良が多数あることから、内部抵抗が大きく大電流放電に不適であることが判明した。
【0094】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のリチウム二次電池は、捲回又は積層ピッチに対する、正極板を構成する正極金属箔体の厚さの割合、又は/及びを負極板を構成する負極金属箔体の厚さの割合を、所定の数値とすることにより、各集電部材と各金属箔体との接続状態が良好であり、生産性及び省スペース性に優れるとともに内部抵抗の低減がなされ、かつ大電流放電に適したものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明(第一の発明)のリチウム二次電池に用いられる捲回型内部電極体における、集電部材と電極板との接続状態を説明する断面図である。
【図2】本発明(第一の発明)のリチウム二次電池の一例を示す断面図である。
【図3】本発明(第一の発明)のリチウム二次電池の他の例を示す断面図である。
【図4】図4(a)〜図4(h)は、本発明(第一〜第三の発明)のリチウム二次電池を構成する集電部材の形状の例を示す平面図である。
【図5】本発明(第一〜第三の発明)のリチウム二次電池に用いられる積層型内部電極体における、集電部材と電極板との接続状態を説明する断面図である。
【図6】本発明(第二の発明)のリチウム二次電池に用いられる捲回型内部電極体における、集電部材と電極板との接続状態を説明する断面図である。
【図7】本発明(第三の発明)のリチウム二次電池に用いられる捲回型内部電極体における、集電部材と電極板との接続状態を説明する断面図である。
【図8】本発明(第一〜第三の発明)のリチウム二次電池に用いられる、正極集電部材と正極板の接続端縁との溶接方法を模式的に示す斜視図である。
【図9】本発明(第一〜第三の発明)のリチウム二次電池に用いられる、負極集電部材と負極板の接続端縁との溶接方法を模式的に示す斜視図である。
【図10】タブ構造型のリチウム二次電池に用いられる捲回型内部電極体の一例を示す斜視図である。
【図11】タブレス構造型のリチウム二次電池の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
1…捲回型内部電極体、2…正極板、2a…一方の表面、2b…他方の表面、3…負極板、4…正極活物質(活物質)、5…負極活物質(活物質)、6…正極金属箔体(金属箔体)、7…負極金属箔体(金属箔体)、8…セパレータ、9…巻芯、10…正極集電部材(集電部材)、11…負極集電部材(集電部材)、12…リチウム二次電池、15…端部、20…積層型内部電極体、21…狭幅端面、22…本体部、23A…狭幅端面を含む面の法線、23B…側面部を含む面の法線、31…第一突条部、32…第二突条部、33…側面部、53…エネルギー線、54…集電部材、69A…正極内部端子、69B…負極内部端子、70A…正極外部端子、70B…負極外部端子、71A…正極電池蓋、71B…負極電池蓋、72…電極リード部材、73…電池ケース、75…放圧孔、81…捲回型内部電極体、82…正極板、83…負極板、85…正極集電タブ、86…負極集電タブ、87…セパレータ、93…巻芯、A…捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面における、一の正極板の一方の表面から、一の正極板の他方の表面側に捲回されたセパレータ、負極板、及びセパレータを介して隣接する他の正極板の一方の表面までの長さ(捲回ピッチ)、B…正極板を構成する正極金属箔体の厚さ、C…負極板を構成する負極金属箔体の厚さ、D…積層型内部電極体の積層断面における、一の正極板の一方の表面から、一の正極板の他方の表面側に積層されたセパレータ、負極板、及びセパレータを介して隣接する他の正極板の一方の表面までの長さ(積層ピッチ)。
【発明の属する技術分野】本発明はリチウム二次電池に関し、更に詳しくは、生産性及び省スペース性に優れるとともに、内部抵抗が低減され、かつ大電流放電に適したリチウム二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】リチウム二次電池は、近年、携帯型の通信機器やノート型パーソナルコンピュータ等の電子機器の電源を担う、小型でエネルギー密度の大きな充放電可能な二次電池として広く用いられている。また、国際的な地球環境の保護を背景として省資源化や省エネルギー化に対する関心が高まる中、リチウム二次電池は、自動車業界において積極的な市場導入が検討されている電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)用のモータ駆動用バッテリー、又は夜間電力の保存による電力の有効利用手段としても期待されており、これらの用途に適する大容量リチウム二次電池の実用化が急がれている。
【0003】リチウム二次電池には、一般的にリチウム遷移金属複合酸化物等が正極活物質として、またハードカーボンや黒鉛といった炭素質材料が負極活物質としてそれぞれ用いられる。リチウム二次電池の反応電位は約4.1Vと高いために、電解液として従来のような水系電解液を用いることができず、このため電解質であるリチウム化合物を有機溶媒に溶解した非水電解液が用いられる。そして、充電反応は正極活物質中のリチウムイオンが、非水電解液中を通って負極活物質へ移動して捕捉されることで起こり、放電時には逆の電池反応が起こる。
【0004】これらの中で、EV、HEV等に好適に用いられる比較的容量の大きいリチウム二次電池においては、内部電極体として図10に示すような、リード線として機能する集電タブ(正極集電タブ85、負極集電タブ86)が取り付けられた電極板(正極板82、負極板83)を、互いに接触しないように、間にセパレータ87を介しつつ、正極板82、セパレータ87、負極板83、及びセパレータ87を繰り返し単位として、巻芯93の外周に捲回してなる捲回型内部電極体81が好適に用いられている。なお、正極板82及び負極板83は、金属箔体等の集電基板の両表面に電極活物質(正極活物質と負極活物質の両方を指す)層を形成したものであり、正極集電タブ85及び負極集電タブ86は、正極板82及び負極板83の端部の金属箔体が露出した部分に所定間隔で取り付けられている(例えば、特許文献1参照)。
【0005】しかしながら、これらの集電タブは、電極体を捲回又は積層するときに、一つずつ電極板にスポット溶接等して取り付ける必要があるために、その工程は煩雑であるという問題があった。また、集電タブの、電極板と接続された反対側の端部は、それら複数の集電タブを揃えて束ね、内部端子にリベット等を用いて打ち込み接続等して取り付ける必要があるために、その工程も同様に煩雑であり、また低抵抗に接続することは容易ではないという問題があった。更に、複数枚の集電タブを用いて内部電極体と内部端子とを接続する構造を採用するには、この接続構造を収納するためのより大きなスペースが必要となり、電池自体が大型化してしまうといった問題があった。
【0006】このような問題を解消するため、図11に示すような構造的特徴を有するリチウム二次電池68が開示されている(例えば、特許文献2参照)。このリチウム二次電池68は、捲回型内部電極体61を構成する正極板及び負極板の端部における金属箔体が露出した部分に集電タブを取り付けることなく、正極集電部材と負極集電部材(集電部材54)のそれぞれに溶接によって直接に接続する構造の電池(タブレス構造型のリチウム二次電池)であるために、生産性及びスペース性の向上が図られ、電池自体が小型化されている。
【0007】しかしながら、例えば、車載用、電力保存用等の比較的大容量のリチウム二次電池に関しては、その利用目的や使用状況に応じてより大電流の充放電が要求される場合があるが、特許文献2において開示されたタブレス構造型のリチウム二次電池であっても、想定される全ての場合において十分に満足し得る性能を発揮するものであるとはいいきれず、その内部抵抗を低減し、より大電流放電を可能とすべく更なる改良を図る余地がある。
【0008】
【特許文献1】
特開2001−85042号公報
【特許文献2】
欧州特許出願公開第1255310号明細書
【0009】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、生産性及び省スペース性に優れるとともに内部抵抗が低減され、かつ大電流放電に適したリチウム二次電池を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】発明者は、上述の課題を解決するべく鋭意研究した結果、リチウム二次電池を構成する捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面における、一の正極板の一方の表面から、一の正極板の他方の表面側に捲回又は積層されたセパレータ、負極板、及びセパレータを介して隣接する他の前記正極板の一方の表面までの長さ(捲回又は積層ピッチ)に対する、各金属箔体の厚さの割合を0.01〜0.2とすることにより、対応する金属箔体と集電部材とを溶接する工程において、集電部材が金属箔体から溶け落ちてしまうことを防止し、集電部材の溶接作業の効率及び精度を向上させることができるとともに、得られるリチウム二次電池の電流導出入の効率を向上させることができることを見出し、また、正極板及び負極板を積層して形成した積層型内部電極体を備えたリチウム二次電池についても、その積層断面における構成を同様とすることにより、上述した効果を得ることができることを見出し本発明を完成させた。
【0011】即ち、本発明によれば、正極金属箔体とその両表面に配設された正極活物質とから構成された正極板、負極金属箔体とその両表面に配設された負極活物質とから構成された負極板、及び前記正極板と前記負極板とを隔離するためのセパレータが、前記正極板、前記セパレータ、前記負極板、及び前記セパレータを繰り返し単位として捲回又は積層されてなる捲回型内部電極体又は積層型内部電極体と、前記正極金属箔体及び前記負極金属箔体の端部から導出した電流を集電するための正極集電部材及び負極集電部材とを備えてなるリチウム二次電池であって、前記正極集電部材が、その所定箇所で、前記正極金属箔体の先端部のうちの接続端縁に溶接によって接続されてなるとともに、前記捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面又は前記積層型内部電極体の積層断面における、一の前記正極板の一方の表面から、一の前記正極板の他方の表面側に捲回又は積層された前記セパレータ、前記負極板、及び前記セパレータを介して隣接する他の前記正極板の一方の表面までの長さ(捲回又は積層ピッチ)に対する、前記正極板を構成する前記正極金属箔体の厚さの割合が、0.01〜0.2であることを特徴とするリチウム二次電池が提供される(以下、「第一の発明」ということがある)。
【0012】また、本発明によれば、正極金属箔体とその両表面に配設された正極活物質とから構成された正極板、負極金属箔体とその両表面に配設された負極活物質とから構成された負極板、及び前記正極板と前記負極板とを隔離するためのセパレータが、前記正極板、前記セパレータ、前記負極板、及び前記セパレータを繰り返し単位として捲回又は積層されてなる捲回型内部電極体又は積層型内部電極体と、前記正極金属箔体及び前記負極金属箔体の端部から導出した電流を集電するための正極集電部材及び負極集電部材とを備えてなるリチウム二次電池であって、前記負極集電部材が、その所定箇所で、前記負極金属箔体の先端部のうちの接続端縁に溶接によって接続されてなるとともに、前記捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面又は前記積層型内部電極体の積層断面における、一の前記正極板の一方の表面から、一の前記正極板の他方の表面側に捲回又は積層された前記セパレータ、前記負極板、及び前記セパレータを介して隣接する他の前記正極板の一方の表面までの長さ(捲回又は積層ピッチ)に対する、前記負極板を構成する前記負極金属箔体の厚さの割合が、0.01〜0.2であることを特徴とするリチウム二次電池が提供される(以下、「第二の発明」ということがある)。
【0013】また、本発明によれば、正極金属箔体とその両表面に配設された正極活物質とから構成された正極板、負極金属箔体とその両表面に配設された負極活物質とから構成された負極板、及び前記正極板と前記負極板とを隔離するためのセパレータが、前記正極板、前記セパレータ、前記負極板、及び前記セパレータを繰り返し単位として捲回又は積層されてなる捲回型内部電極体又は積層型内部電極体と、前記正極金属箔体及び前記負極金属箔体の端部から導出した電流を集電するための正極集電部材及び負極集電部材とを備えてなるリチウム二次電池であって、前記正極集電部材及び前記負極集電部材が、その所定箇所で、対応する前記正極金属箔体又は前記負極金属箔体の先端部のうちの接続端縁に溶接によってそれぞれ接続されてなるとともに、前記捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面又は前記積層型内部電極体の積層断面における、一の前記正極板の一方の表面から、一の前記正極板の他方の表面側に捲回又は積層された前記セパレータ、前記負極板、及び前記セパレータを介して隣接する他の前記正極板の一方の表面までの長さ(捲回又は積層ピッチ)に対する、前記正極金属箔体の厚さの割合、及び前記負極金属箔体の厚さの割合が、それぞれ0.01〜0.2であることを特徴とするリチウム二次電池が提供される(以下、「第三の発明」ということがある)。
【0014】また、本発明においては、正極金属箔体が、アルミニウム又はアルミニウム合金からなることが好ましく、また、正極集電部材が、アルミニウム又はアルミニウム合金からなることが好ましい。
【0015】また、本発明においては、負極金属箔体が、銅又は銅合金からなることが好ましく、また、負極集電部材が、銅又は銅合金からなることが好ましい。
【0016】本発明のリチウム二次電池は、電池容量が2Ah以上の大型電池に好適に採用され、また、大電流の放電が頻繁に行われる電気自動車又はハイブリッド電気自動車のモータ駆動用電源等として好適に用いられる。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜、設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
【0018】まず、第一の発明のリチウム二次電池について説明する。本発明(第一の発明)は、正極金属箔体とその両表面に配設された正極活物質とから構成された正極板、負極金属箔体とその両表面に配設された負極活物質とから構成された負極板、及び正極板と負極板とを隔離するためのセパレータが、正極板、セパレータ、負極板、及びセパレータを繰り返し単位として捲回又は積層されてなる捲回型内部電極体又は積層型内部電極体と、正極金属箔体及び負極金属箔体の端部から導出した電流を集電するため正極集電部材及び負極集電部材とを備えてなるリチウム二次電池であって、正極集電部材が、その所定箇所で、正極金属箔体の潜端部のうちの接続端部に溶接によって接続されてなるとともに、捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面又は積層型内部電極体の積層断面における、一の正極板の一方の表面から、一の正極板の他方の表面側に捲回又は積層されたセパレータ、負極板、及びセパレータを介して隣接する他の正極板の一方の表面までの長さ(捲回又は積層ピッチ)に対する、正極板を構成する正極金属箔体の厚さの割合が、0.01〜0.2であることを特徴とするリチウム二次電池である。以下、本発明(第一の発明)の実施の形態について、捲回型内部電極体を備えたリチウム二次電池を例に挙げ具体的に説明する。
【0019】図1は、本発明(第一の発明)のリチウム二次電池に用いられる捲回型内部電極体における、正極集電部材と正極板を構成する正極金属箔体との接続状態を説明する断面図である。図1に示すように、捲回型内部電極体1は、正極金属箔体6とその両表面に配設された正極活物質4とから構成された正極板2、負極金属箔体7とその両表面に配設された負極活物質5とから構成された負極板3、及び正極板2と負極板3とを隔離するためのセパレータ8が、正極板2、セパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を繰り返し単位として、巻芯9の外周に捲回されることにより構成されている。正極金属箔体6の表面には正極活物質4が塗工されており、また負極金属箔体7の表面には負極活物質5が塗工されているが、正極金属箔体6及び負極金属箔体7(以下、単に、「金属箔体6、7」ということがある)の所定の端部には正極活物質4及び負極活物質5(以下、単に、「活物質4、5」ということがある)が塗工されずに金属箔体6、7が露出しており、この金属箔体6、7が露出した端部に、その端部から導出した電流を集電するため正極集電部材10及び負極集電部材(図示せず)が設けられている。本発明(第一の発明)のリチウム二次電池では、正極集電部材10が、その所定箇所で、正極金属箔体6の先端部のうちの接続端縁に溶接によって接続されている。以下、正極板2と負極板3とを併せて電極板ということがある。
【0020】本発明(第一の発明)においては、捲回型内部電極体1の捲回の中心軸を含む断面における、一の正極板2の一方の表面2aから、一の正極板2の他方の表面2b側に捲回されたセパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を介して隣接する他の正極板2の一方の表面2aまでの長さA(以下、「捲回ピッチA」ということがある)に対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合が、0.01〜0.2である。即ち、本発明(第一の発明)のリチウム二次電池は、捲回ピッチAに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合を上述した範囲とすることで、正極集電部材10と正極金属箔体6の端部との溶接を容易に行うことができるとともに、溶接不良を低減させることができるために、低内部抵抗であり、より大電流の充放電を実現することができる。
【0021】上述した、捲回ピッチAに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合が、0.01以下であると、正極集電部材10が溶接される正極金属箔体6の、隣接する接続端部の相互の間隔が広くなりすぎることから、溶接用のレーザー等により溶融した正極集電部材10を、その正極金属箔体6の接続端部で支えることができず、正極集電部材10に穴が空き溶接不良箇所が多数発生する。また、捲回ピッチAに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合が0.2を超えると、溶接の作業性は良好であるが、捲回型内部電極体1に占める活物質4、5の量の割合が低くなり大電流の充放電に不適となることや、セパレータ8の厚さが薄くなり溶接の熱により破損することがある。
【0022】また、電池のエネルギー密度(出力/質量)、及び電池の最大出力の観点からは、本発明のリチウム二次電池においては、捲回ピッチAに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合が0.017〜0.1とすることが好ましい。
【0023】なお、本発明にいう、「捲回ピッチA」とは、捲回型内部電極体1が、正極板2及び負極板3と各セパレータ8との間に隙間を有するように捲回されてなるものである場合は、その隙間を含めた断面の厚さのことを意味する。
【0024】更に、正極集電部材10と正極板2を構成する正極金属箔体6とを溶接することにより直接的に接続して電流を導出入する構造であるため、集電タブが不要である。従って、本発明のリチウム二次電池12は、煩雑な集電タブの取り付け工程が不要となるため生産性の向上が図られてなるものである。更に、集電タブを収納するためのスペースを省くことができるために、電池全体がコンパクトである。
【0025】本発明においては、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さについては特に限定することはないが、正極金属箔体6と正極集電部材10との溶接を良好に行うためには、例えば、5〜50μmであることが好ましく、更に、15〜30μmであることが好ましい。また、負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さについても特に限定することはないが、例えば、5〜50μmであることが好ましく、更に、8〜30μmであることが好ましい。
【0026】また、正極金属箔体6の両表面に塗工された正極活物質4の厚さについても特に限定することはないが、本発明のリチウム二次電池が、省スペース性に優れるとともに、大電流放電に適したものとするためには、50〜500μmであることが好ましく、更に、50〜200μmであることが好ましい。また、負極金属箔体7の両表面に塗工された負極活物質5の厚さについても特に限定することはないが、上述した効果を得るためには、50〜500μmであることが好ましく、更に、50〜200μmであることが好ましい。
【0027】ここで、本発明(第一の発明)のリチウム二次電池を構成する主要部材及び構造、並びに製造方法について説明する。
【0028】上述したように、正極板2は、集電基板となる正極金属箔体6の両表面に正極活物質4を塗工することによって作製される。正極金属箔体6を構成する金属としては、アルミニウムやチタン等の正極電気化学反応に対する耐蝕性が良好な金属箔体が用いられる。正極活物質4としては、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)やコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)等のリチウム遷移金属複合酸化物が好適に用いられるが、立方晶スピネル構造を有するマンガン酸リチウムを用いると、他のリチウム遷移金属複合酸化物を用いた場合と比較して、内部電極体の抵抗を小さくすることができるために好ましい。なお、正極活物質4には、アセチレンブラック等の炭素微粉末を導電助剤として加えることが好ましく、2〜10質量%の範囲で任意に添加すればよい。
【0029】マンガン酸リチウムの化学量論組成はLiMn2O4で表されるが、このような化学量論組成のものに限られず、遷移元素Mnの一部を、Tiを含み、その他に、Li、Fe、Ni、Mg、Zn、B、Al、Co、Cr、Si、Sn、P、V、Sb、Nb、Ta、Mo及びWからなる群より選択される1種類以上の元素からなる、2種類以上の元素で置換してなるLiMXMn2−XO4(但し、Mは置換元素で、Xは置換量を示す)も好適に用いられる。
【0030】上述のような元素置換を行った場合には、そのリチウム(Li)/マンガン(Mn)比(モル比)は、マンガンをリチウムで置換したリチウム過剰の場合には(1+X)/(2−X)となる。一方、リチウム以外の置換元素Mで置換した場合には1/(2−X)となる。従って、いずれの場合であっても常にリチウム(Li)/マンガン(Mn)比>0.5となるが、本発明においてはこのようなマンガン酸リチウムを用いることが好ましく、化学量論組成(LiMn2O4)のものを用いた場合と比較して結晶構造が更に安定化されているため、電池に優れたサイクル特性を付与することができる。
【0031】なお、置換元素Mにあっては、理論上、Liは+1価、Fe、Mn、Ni、Mg、Znは+2価、B、Al、Co、Crは+3価、Si、Ti、Snは+4価、P、V、Sb、Nb、Taは+5価、Mo、Wは+6価のイオンとなり、LiMn2O4中に固溶する元素であるが、Co、Snについては+2価の場合、Fe、Sb及びTiについては+3価の場合、Mnについては+3価、+4価の場合、Crについては+4価、+6価の場合もあり得る。従って、各種の置換元素Mは混合原子価を有する状態で存在する場合があり、また、酸素の量については、必ずしも理論化学組成で表されるように4であることを必要とせず、結晶構造を維持するための範囲内で欠損して、又は過剰に存在していても構わない。
【0032】正極活物質4の塗工は、正極活物質粉末に溶剤や結着剤等を添加して作製したスラリー又はペーストを、ロールコータ法等を用いて、正極金属箔体6に塗布・乾燥することで行われ、その後に必要に応じてプレス処理等が施される。
【0033】負極板3は、正極板2と同様にして作製することができる。負極板2を構成する負極金属箔体7としては、銅箔又はニッケル箔等の負極電気化学反応に対する耐蝕性が良好な金属箔体が好適に用いられる。負極活物質5としては、ソフトカーボンやハードカーボンといったアモルファス系炭素質材料や人造黒鉛や天然黒鉛等の高黒鉛化炭素材料が、更には、この高黒鉛化炭素材料としては繊維状のものが好適に用いられる。
【0034】本発明においては、リチウム二次電池の構成部材として良好な特性を発揮させるといった観点から、正極板2を構成する正極金属箔体6は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなることが好ましく、正極集電部材10も、アルミニウム又はアルミニウム合金からなることが好ましい。また、負極板3を構成する負極金属箔体7は、銅又は銅合金からなることが好ましく、負極集電部材11も、銅又は銅合金からなることが好ましい。
【0035】セパレータ8としては、マイクロポアを有するリチウムイオン透過性のポリエチレンフィルム(PEフィルム)を、多孔性のリチウムイオン透過性のポリプロピレンフィルム(PPフィルム)で挟んだ三層構造としたものが好適に用いられる。これは、電極体の温度が上昇した場合に、PEフィルムが約130℃で軟化してマイクロポアが潰れ、リチウムイオンの移動、即ち電池反応を抑制する安全機構を兼ねたものである。そして、このPEフィルムをより軟化温度の高いPPフィルムで挟持することによって、PEフィルムが軟化した場合においても、PPフィルムが形状を保持して正極板2と負極板3の接触・短絡を防止し、電池反応の確実な抑制と安全性の確保が可能となる。
【0036】上述したように構成された正極板2、負極板3、及びセパレータ8を巻芯9の外周に捲回して、捲回型内部電極体1を作製する。捲回型内部電極体1を作製する具体的な方法としては、例えば、2枚のセパレータ8を両面テープ等を用いて巻芯9に固定し、巻芯9の外周にセパレータ8を巻き取る際に、セパレータ8間に挟み込まれるようにして正極板2及び負極板3を巻き取る方法等を好適例として挙げることができる。また、本発明においては、正極板2及び負極板3の巻取速度やテンション等の捲回における条件ついては、特に限定されることはなく、従来の製造方法において行われている条件と同様の条件を採用することができる。
【0037】次に、非水電解液について説明する。非水電解液を構成する溶媒(有機溶媒)としては、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、プロピレンカーボネート(PC)といった炭酸エステル系のものや、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、アセトニトリル等の単独溶媒又は混合溶媒が好適に用いられる。
【0038】電解質としては、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)やホウフッ化リチウム(LiBF4)等のリチウム錯体フッ素化合物、又は過塩素酸リチウム(LiClO4)といったリチウムハロゲン化物を挙げることができ、これらのうちの1又は2種類以上を上述した有機溶媒(混合溶媒)に溶解して用いることができる。なお、酸化分解が起こり難く非水電解液の導電性の高い六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を用いることが好ましい。
【0039】ここで、本発明のリチウム二次電池の製造方法について、図2を参照しつつ具体的に説明する。図2に示すように、製造した捲回型内部電極体1を電池ケース73に挿入し、電極リード部材72と集電部材(正極集電部材10、負極集電部材11)、及び電極内部端子(正極内部端子69A、負極内部端子69B)を接合して安定な位置にホールドする。その後、電池蓋(正極電池蓋71A、負極電池蓋71B)により電池ケース73を封ずるとともに前述の非水電解液を含浸することにより、本実施の形態のリチウム二次電池12(タブレス構造型のリチウム二次電池)を得ることができる。
【0040】本実施の形態においては、電極リード部材72は、接続される正極集電部材10、正極内部端子69A、及び負極集電部材11、負極内部端子69Bと、同種金属又はその合金により構成されていることが好ましい。具体的には、正極内部端子69A及び正極集電部材10にアルミニウム又はアルミニウム合金を用いた場合には、正極の電極リード部材72にアルミニウム又はアルミニウム合金を採用し、負極内部端子69B及び負極集電部材11に銅又は銅合金を用いた場合には、負極の電極リード部材72に銅又は銅合金を採用することが好ましい。
【0041】電極リード部材72を用いなくとも、正極集電部材10と正極内部端子69A、負極集電部材11と負極内部端子69Bとを直接的に接続し、通電させてもよい。また、これまで述べてきたタブレス構造を有する部分を正極及び負極に用いてもよいし、正極又は負極のいずれかに用いてもよい。なお、図2中、符号70Aは正極外部端子、符号70Bは負極外部端子、符号75は放圧孔を示す。
【0042】また、図3に示すように、集電部材10、11が、電極蓋を兼用している構成であってもよい。図3では、片端が開放された円筒形の電池ケース73を用い、その電池ケース73の片端にくびれ加工を形成した例を示しているが、集電部材10、11が電極蓋を兼用している構成であれば電池の形状に特に制限はなく、例えば、電池ケース73の両端がくびれ加工されているもの、電池ケース73の両端が開放されたもの等を使用しても構わない。また、図3においては、正極側に放圧孔75を有する例を示しているが、負極側に放圧孔を有する構成でも構わない。
【0043】また、本発明においては、正極集電部材10の形状が、図4(a)及び図4(e)に示すような十字形状、図4(b)及び図4(f)に示すようなY字形状、図4(c)及び図4(g)に示すようなI字形状、又は図4(d)及び図4(h)に示すような、一部に切り欠きを有する円板形状であることが好ましい。正極集電部材10形状がこれらの形状である場合には、溶接により形成された溶接箇所の、接続状態の検査がし易く、また余剰部ができるだけ含まれない形状であるために電池を軽量化することができる。また、電解液を充填する際等において、電解液が全体に回り易い構造であるために好ましい。
【0044】図2及び図3に示すように、本実施の形態のリチウム二次電池12は、捲回型内部電極体1からの電流導出部分に、正極板2を構成する正極金属箔体6と、対応する正極集電部材10とを直接的に接続した構成を採用することにより、従来の電流導出手段である集電タブを用いる必要がない。従って、煩雑な集電タブの取り付け工程が不要であり、生産性の向上を図ることができる。また、集電タブの長さの分のスペースを省くことができるため、電池全体がコンパクトである。
【0045】また、これまでに、捲回型内部電極体1を備えたリチウム二次電池について説明してきたが、本発明(第一の発明)のリチウム二次電池については、積層型内部電極体を備えてなるリチウム二次電池であってもよく、この場合は、図5に示すように、正極板2、セパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を繰り返し単位として積層されてなる積層型内部電極体20を備え、この積層型内部電極体20の積層断面における、一の正極板2の一方の表面2aから、一の正極板2の他方の表面2b側に積層されたセパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を介して隣接する他の正極板2の一方の表面2aまでの長さD(積層ピッチD)に対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合が、0.01〜0.2である。このように構成することによって、図2に示した捲回型内部電極体1を備えたリチウム二次電池12と同様の作用、効果を得ることができる。また、電池のエネルギー密度(出力/質量)、及び電池の最大出力の観点からは、積層ピッチDに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合が0.017〜0.1とすることが好ましい。
【0046】また、本発明における正極集電部材と正極板を構成する正極金属箔体の接続端縁とを溶接により接続する具体的方法については後述する。
【0047】次に、本発明(第二の発明)のリチウム二次電池について説明する。本発明(第二の発明)は、正極金属箔体とその両表面に配設された正極活物質とから構成された正極板、負極金属箔体とその両表面に配設された負極活物質とから構成された負極板、及び正極板と負極板とを隔離するためのセパレータが、正極板、セパレータ、負極板、及びセパレータを繰り返し単位として捲回又は積層されてなる捲回型内部電極体又は積層型内部電極体と、正極金属箔体及び負極金属箔体の端部から導出した電流を集電するための正極集電部材及び負極集電部材とを備えてなるリチウム二次電池であって、負極集電部材が、その所定箇所で、負極金属箔体の先端部のうちの接続端縁に溶接によって接続されてなるとともに、捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面又は積層型内部電極体の積層断面における、一の正極板の一方の表面から、一の正極板の他方の表面側に捲回又は積層されたセパレータ、負極板、及びセパレータを介して隣接する他の正極板の一方の表面までの長さ(捲回又は積層ピッチ)に対する、負極板を構成する負極金属箔体の厚さの割合が、0.01〜0.2であることを特徴とするリチウム二次電池である。
【0048】本発明(第二の発明)においては、負極集電部材が、その所定箇所で、負極金属箔体の先端部のうちの接続端縁に溶接によって接続されてなるとともに、捲回又は積層ピッチに対する、負極板を構成する負極金属箔体の厚さの割合が、上述した範囲となるものである。以下、本発明(第二の発明)の実施の形態について、捲回型内部電極体を備えたリチウム二次電池を例に挙げ具体的に説明する。
【0049】図6は、本発明(第二の発明)のリチウム二次電池に用いられる捲回型内部電極体における、負極集電部材と負極板を構成する負極金属箔体との接続状態を説明する断面図である。図6に示すように、捲回型内部電極体1は、正極金属箔体6とその両表面に配設された正極活物質4とから構成された正極板2、負極金属箔体7とその両表面に配設された負極活物質5とから構成された負極板3、及び正極板2と負極板3とを隔離するためのセパレータ8が、正極板2、セパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を繰り返し単位として、巻芯9の外周に捲回されることにより構成されている。正極金属箔体6の表面には正極活物質4が塗工されており、また負極金属箔体7の表面には負極活物質5が塗工されているが、金属箔体6、7の所定の端部には活物質4、5が塗工されずに金属箔体6、7が露出しており、この金属箔体6、7が露出した端部に、その端部から導出した電流を集電するため正極集電部材(図示せず)及び負極集電部材(図示せず)が設けられている。本発明(第二の発明)のリチウム二次電池では、負極集電部材11が、その所定箇所で、負極金属箔体7の先端部のうちの接続端縁に溶接によって接続されている。
【0050】本発明(第二の発明)においては、捲回型内部電極体1の捲回の中心軸を含む断面における、一の正極板2の一方の表面2aから、一の正極板2の他方の表面2b側に捲回されたセパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を介して隣接する他の正極板2の一方の表面2aまでの長さA(以下、「捲回ピッチA」ということがある)に対する、負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が、0.01〜0.2である。即ち、本発明(第一の発明)のリチウム二次電池は、捲回ピッチAに対する、負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合を上述した範囲とすることで、負極集電部材11と負極金属箔体7の端部との溶接を容易に行うことができるとともに、溶接不良を低減させることができるために、低内部抵抗であり、より大電流の充放電を実現することができる。
【0051】上述した、捲回ピッチAに対する、負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が、0.01未満であると、負極集電部材11が溶接される負極金属箔体7の、隣接する接続端部の相互の間隔が広くなりすぎることから、溶接用のレーザー等により溶融した負極集電部材11を、その負極金属箔体7の接続端部で支えることができず、負極集電部材11に穴が空き溶接不良箇所が多数発生する。また、捲回ピッチAに対する、負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が0.2を超えると、溶接の作業性は良好であるが、捲回型内部電極体1に占める活物質4、5の量の割合が低くなり大電流の充放電に不適となり、また、セパレータ8の厚さが薄くなり溶接の熱によりセパレータ8が破損する。
【0052】また、電池のエネルギー密度(出力/質量)、及び電池の最大出力の観点からは、本発明のリチウム二次電池においては、捲回ピッチAに対する、負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が0.017〜0.1とすることが好ましい。
【0053】また、本発明(第二の発明)においては、負極集電部材11と、負極板3を構成する負極金属箔体7の端部との接続部分において、負極板3から負極集電部材11の方向に延びる柱状晶が形成されてなることが好ましい。一般に溶接金属は、溶融金属が母材(未溶融部)の結晶粒上に同一結晶方位をもって成長(エピタキシャル成長)する。このように形成された固相は熱源の移動に伴い、溶接ビード(溶融部分)内部へ成長する。この成長は、温度勾配の最も大きい方向に成長し易く、その方向へほぼ一方向に延びた形態で成長し、このように成長した結晶は柱状晶と呼ばれる。
【0054】負極集電部材11から垂れ下がった溶融部は、冷却に伴い再結晶化するが、負極板3を構成する負極金属箔体7を通じて溶融部の熱が急速に拡散する。即ち、負極板3に密着した部分の溶融部の温度が低下し、負極板2と溶融部との界面が核となって負極板3から負極集電部材11の方向へと柱状晶が形成し易くなると考えられる。更に、本発明では負極板3の接続端縁近傍の側面部が負極集電部材11の第一凸部の突出端面と隙間なく密着して接触状態が良好であり、負極板3を通じた冷却効果によって柱状晶が形成し易い状態である。従って、接続部分において、負極板3から負極集電部材11の方向に延びる柱状晶が形成されている場合には、負極板3と負極集電部材11との接続状態が良好、即ち、負極集電部材11と負極板3との接続に十分な強度が確保されているために好ましい。
【0055】本発明(第二の発明)においては、負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さについては特に限定することはないが、負極金属箔体7と正極集電部材11との溶接を良好に行うためには、例えば、5〜50μmであることが好ましく、更に、8〜30μmであることが好ましい。また、正極板2を構成する負極金属箔体6の厚さについても特に限定することはないが、例えば、5〜50μmであることが好ましく、更に、15〜30μmであることが好ましい。
【0056】また、負極金属箔体7の両表面に塗工された負極活物質5の厚さについては特に限定することはないが、本発明のリチウム二次電池が、省スペース性に優れるとともに、大電流放電に適したものとするためには、50〜500μmであることが好ましく、更に、50〜200μmであることが好ましい。また、正極金属箔体6の両表面に塗工された負極活物質4の厚さについても特に限定することはないが、上述した効果を得るためには、50〜500μmであることが好ましく、更に、50〜200μmであることが好ましい。
【0057】また、本発明においては、負極集電部材11の形状が、図4(a)及び図4(e)に示すような十字形状、図4(b)及び図4(f)に示すようなY字形状、図4(c)及び図4(g)に示すようなI字形状、又は図4(d)及び図4(h)に示すような、一部に切り欠きを有する円板形状であることが好ましい。負極集電部材11の形状がこれらの形状である場合には、溶接により形成された溶接箇所の、接続状態の検査がし易く、また余剰部ができるだけ含まれない形状であるために電池を軽量化することができる。また、電解液を充填する際等において、電解液が全体に回り易い構造であるために好ましい。
【0058】また、本発明(第二の発明)のリチウム二次電池においては、上述した構成を有するものであれば、それ以外の各構成部材は、図1及び図2に示した第一の発明のリチウム二次電池の各構成部材と同様に構成されたものを好適に用いることができる。
【0059】また、これまでに、捲回型内部電極体1を備えたリチウム二次電池について説明してきたが、本発明(第二の発明)のリチウム二次電池については、積層型内部電極体を備えてなるリチウム二次電池であってもよく、この場合は、図5に示すように、正極板2、セパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を繰り返し単位として積層されてなる積層型内部電極体20を備え、この積層型内部電極体20の積層断面における、一の正極板2の一方の表面から、一の正極板2の他方の表面側に積層されたセパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を介して隣接する他の正極板2の一方の表面までの長さD(積層ピッチD)に対する、負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が、0.01〜0.2である。このように構成することによって、上述した捲回型内部電極体を備えたリチウム二次電池と同様の作用、効果を得ることができる。また、電池のエネルギー密度(出力/質量)、及び電池の最大出力の観点からは、積層ピッチDに対する、負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が0.017〜0.1とすることが好ましい。
【0060】また、本発明における負極集電部材と負極板を構成する負極金属箔体の接続端縁とを溶接により接続する具体的方法については後述する。
【0061】次に、本発明(第三の発明)のリチウム二次電池について説明する。本発明(第三の発明)は、正極金属箔体とその両表面に配設された正極活物質とから構成された正極板、負極金属箔体とその両表面に配設された負極活物質とから構成された負極板、及び正極板と負極板とを隔離するためのセパレータが、正極板、セパレータ、負極板、及びセパレータを繰り返し単位として捲回又は積層されてなる捲回型内部電極体又は積層型内部電極体と、正極金属箔体及び負極金属箔体の端部から導出した電流を集電するための正極集電部材及び負極集電部材とを備えてなるリチウム二次電池であって、正極集電部材及び負極集電部材が、その所定箇所で、対応する正極金属箔体又は負極金属箔体の先端部のうちの接続端縁に溶接によってそれぞれ接続されてなるとともに、捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面又は積層型内部電極体の積層断面における、一の正極板の一方の表面から、一の正極板の他方の表面側に捲回又は積層されたセパレータ、負極板、及びセパレータを介して隣接する他の正極板の一方の表面までの長さ(捲回又は積層ピッチ)に対する、正極金属箔体の厚さの割合、及び負極金属箔体の厚さの割合が、それぞれ0.01〜0.2であることを特徴とするリチウム二次電池である。以下、本発明(第三の発明)の実施の形態について、捲回型内部電極体を備えたリチウム二次電池を例に挙げ具体的に説明する。
【0062】図7は、本発明(第三の発明)のリチウム二次電池に用いられる捲回型内部電極体における、正極集電部材と正極板を構成する正極金属箔体との接続状態、及び負極集電部材と負極板を構成する負極金属箔体との接続状態を説明する断面図である。図7に示すように、捲回型内部電極体1は、正極金属箔体6とその両表面に配設された正極活物質4とから構成された正極板2、負極金属箔体7とその両表面に配設された負極活物質5とから構成された負極板3、及び正極板2と負極板3とを隔離するためのセパレータ8が、正極板2、セパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を繰り返し単位として、巻芯9の外周に捲回されることにより構成されている。正極金属箔体6の表面には正極活物質4が塗工されており、また負極金属箔体7の表面には負極活物質5が塗工されているが、正極金属箔体6及び負極金属箔体7(以下、単に、「金属箔体6、7」ということがある)の所定の端部には正極活物質4及び負極活物質5(以下、単に、「活物質4、5」ということがある)が塗工されずに金属箔体6、7が露出しており、この金属箔体6、7が露出した端部に、その端部から導出した電流を集電するため正極集電部材10及び負極集電部材11(以下、単に、「集電部材10、11」ということがある)が設けられている。本発明(第三の発明)のリチウム二次電池では、正極集電部材10及び負極集電部材11が、その所定箇所で、対応する正極金属箔体6又は負極金属箔体7の先端部のうちの接続端縁に溶接によってそれぞれ接続されている。
【0063】本発明(第三の発明)においては、捲回型内部電極体1の捲回の中心軸を含む断面における、一の正極板2の一方の表面2aから、一の正極板2の他方の表面2b側に捲回されたセパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を介して隣接する他の正極板2の一方の表面2aまでの長さA(以下、「捲回ピッチA」ということがある)に対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合、及び負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が、それぞれ0.01〜0.2である。即ち、本発明(第三の発明)のリチウム二次電池は、捲回ピッチAに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合、及び負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合を上述した範囲とすることで、集電部材10、11と金属箔体6、7の端部との溶接を容易に行うことができるとともに、溶接不良を低減させることができるために、低内部抵抗であり、より大電流の充放電を実現することができる。また、各集電部材10、11と対応する金属箔体6、7の端部とがそれぞれ溶接により接続されていることにより、より省スペース性に優れたものとなる。
【0064】上述した、捲回ピッチAに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合、及び負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が、0.01未満であると、正極集電部材10及び負極集電部材11がそれぞれ溶接される金属箔体6、7の、隣接する接続端部の相互の間隔が広くなりすぎることから、溶接用のレーザー等により溶融した集電部材10、11を、その金属箔体6、7の接続端部で支えることができず、金属箔体6、7に穴が空き溶接不良箇所が多数発生する。また、捲回ピッチAに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合、及び負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が、0.2を超えると、溶接の作業性は良好であるが、捲回型内部電極体1に占める活物質4、5の量の割合が低くなり大電流の充放電に不適となり、また、セパレータ8の厚さが薄くなり、溶接の熱により破損する。
【0065】また、電池のエネルギー密度(出力/質量)、及び電池の最大出力の観点からは、本発明のリチウム二次電池においては、捲回ピッチAに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合、及び負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が0.017〜0.1とすることが好ましい。
【0066】また、本発明(第三の発明)のリチウム二次電池においては、上述した構成を有するものであれば、それ以外の各構成部材は、これまでに説明した第一の発明及び第二の発明のリチウム二次電池の各構成部材と同様に構成されたものを好適に用いることができる。
【0067】また、これまでに、捲回型内部電極体1を備えたリチウム二次電池について説明してきたが、本発明(第三の発明)のリチウム二次電池については、積層型内部電極体を備えてなるリチウム二次電池であってもよく、この場合は、図5に示すように、正極板2、セパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を繰り返し単位として積層されてなる積層型内部電極体20を備え、この積層型内部電極体20の積層断面における、一の正極板2の一方の表面から、一の正極板2の他方の表面側に積層されたセパレータ8、負極板3、及びセパレータ8を介して隣接する他の正極板2の一方の表面までの長さD(積層ピッチD)に対する、負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が、0.01〜0.2である。このように構成することによって、上述した捲回型内部電極体を備えたリチウム二次電池と同様の作用、効果を得ることができる。また、電池のエネルギー密度(出力/質量)、及び電池の最大出力の観点からは、積層ピッチDに対する、正極板2を構成する正極金属箔体6の厚さBの割合、及び負極板3を構成する負極金属箔体7の厚さCの割合が、それぞれ0.017〜0.1とすることが好ましい。
【0068】ここで、本発明(第一〜第三の発明)のリチウム二次電池における、正極集電部材と正極板の接続端縁との溶接(正極側)、及び負極集電部材と負極板の接続端縁との溶接(負極側)の方法について具体的に説明する。
【0069】正極側については、図8に示すように、正極板2の狭幅端面21を含む面の法線23Aに対して、角度θ1(0°<θ1≦90°)で、正極集電部材10の第二突条部32にエネルギー線53を照射し、第二突条部32、本体部22の一部、及び第一突条部31を溶解して、正極集電部材10と、正極板2(正極金属箔体6)の端部15とを溶接によって接続すればよい。このような状態でエネルギー線53を照射することで、正極板2と正極集電部材10との接続状態をより確実なものとすることができ、正極集電部材10に穴等の製品欠陥が生じ難くなる。なお、正極板2と正極集電部材10との接続状態をより確実とし、正極集電部材10に穴等の製品欠陥を更に生じ難くするといった観点からは、前述の角度θ1は5°≦θ1≦80°であることが更に好ましく、10°≦θ1≦60°であることが特に好ましく、15°≦θ1≦45°であることが最も好ましい。
【0070】また、正極集電部材10を、その第一突条部31が狭幅端面21に略垂直に交差するように配置し、狭幅端面21に略垂直に交差するように、エネルギー線発生装置を用いて、第二突条部32を走査して照射すればよい。このとき、上述した、狭幅端面21を含む面の法線23Aに対して角度θ1(0°<θ1≦90°)で第二突条部32にエネルギー線53を照射することに加え、エネルギー線53を、狭幅端面21に略垂直に交差する線に対して、角度が略垂直となるように第二突条部32に照射することが好ましい。このことにより、ろう材を用いることなく、簡易な操作によって正極板2の端部15と正極集電部材10とを接続することができる。また、正極板2を構成する正極金属箔体6に損傷を与えずに、正極集電部材10のみを溶解させて接続することができるために、正極集電部材10と正極板2を構成する正極金属箔体6との接続に十分な強度が確保される。
【0071】なお、本発明にいう「接続端縁」とは、1枚の電極板を構成する金属箔体における複数箇所の接続される端縁、又は複数枚の電極板を構成する金属箔体における複数箇所に渡る各金属箔体の接続される端縁を意味する。また、「狭幅端面21に略垂直に交差する」とは、複数の接続端縁における狭幅端面21の全てについて略垂直に交差することを意味する。
【0072】正極集電部材10の第二突条部32に照射するエネルギー線のパワー密度は、5kW/mm2以上であることが好ましく、6kW/mm2以上であることが更に好ましく、7kW/mm2以上であることが特に好ましい。5kW/mm2未満であると、接続状態が良好ではなく、機械的強度が不十分となる場合が想定されるために好ましくない。なお、パワー密度の上限については特に限定されないが、使用する各部材への損傷発生を回避する等の観点から適宜決定すればよく、例えば、60kW/mm2以下であればよい。ここで、本発明にいうエネルギー線53の「パワー密度」とは、エネルギー線53のパワー(kW)を、エネルギー線53が照射される照射点のスポット面積(mm2)で除して得た値を意味する。
【0073】負極側については、図9に示すように、負極板3の側面部33を含む面の法線23Bに対して、角度θ2(0°≦θ2≦30°)で、負極集電部材11の第二突条部32にエネルギー線53を照射し、第二突条部32、本体部22の一部、及び第一突条部31を溶解して、負極集電部材11と、負極板3を構成する負極金属箔体7の端部15とを溶接によって接続すればよい。このような状態でエネルギー線53を照射することにより、負極板3と負極集電部材11との接続状態をより確実なものとすることができ、負極集電部材11に穴等の製品欠陥が生じ難くなる。なお、負極板3と負極集電部材11との接続状態をより確実とし、負極集電部材11に穴等の製品欠陥を更に生じ難くするといった観点からは、前述の角度θ2は0°≦θ2≦10°であることが更に好ましく、0°≦θ2≦5°であることが特に好ましい。また、熱効率の観点からは、負極集電部材11の第二突条部32の表面又はその近傍にエネルギー線53を合焦させることが好ましく、更に、負極板3を構成する負極金属箔体7に対して、エネルギー線53を実質的に照射しないことが好ましい。
【0074】更に、負極集電部材11を、その第一突条部31が側面部33に略垂直に交差するように配置し、側面部33に略垂直に交差するように、エネルギー線発生装置を用いて、第二突条部32を走査して照射すればよい。このとき、上述した、側面部33を含む面の法線23Bに対して角度θ2(0°≦θ2≦30°)で第二突条部32にエネルギー線53を照射することに加え、エネルギー線53を、側面部33に略垂直に交差する線に対して、角度が略垂直となるように第二突条部32に照射することが好ましい。このことにより、ろう材を用いることなく、簡易な操作によって負極板3の端部15と負極集電部材11とを接続することができる。また、負極板3を構成する負極金属箔体7に損傷を与えずに、負極集電部材11のみを溶解させて接続することができるために、負極集電部材11と負極板3との接続に十分な強度が確保される。なお、「側面部33に略垂直に交差する」とは、複数の接続端縁における側面部33の全てについて略垂直に交差することを意味する。
【0075】負極集電部材11の第二突条部に照射するエネルギー線53のパワー密度は、3kW/mm2以上であることが好ましく、6kW/mm2以上であることが更に好ましく、8kW/mm2以上であることが特に好ましい。3kW/mm2未満であると、接続状態が良好ではなく、機械的強度が不十分となる場合が想定されるために好ましくない。なお、パワー密度の上限については特に限定されないが、使用する各部材への損傷発生を回避する等の観点から適宜決定すればよく、例えば、60kW/mm2以下であればよい。
【0076】また、エネルギー線53の乱反射を抑制して負極板3を構成する負極金属箔体7への損傷発生を抑制する観点から、負極集電部材11の第二突条部32のうちの、エネルギー線53を照射する部分が平面状であることが好ましく、少なくとも照射点よりも広い範囲が平面状であることが好ましい。更に、照射するエネルギー線53のスポット径を、1mm以下とすることが好ましく、0.8mm以下とすることが更に好ましい。このことにより、不要な箇所へのエネルギー線53の照射が抑制され、特に負極板3を構成する負極金属箔体7への損傷発生を抑制することができる。
【0077】なお、図8及び図9に示すように、エネルギー密度が高く発熱量も小さい、レーザー又は電子ビームによるエネルギー線53を照射して溶接することが好ましく、更に、エネルギー線53が連続波であることが、第二突条部53の表面にエネルギーを集中させて照射することができ、電極板(正極板2及び負極板3)を構成する金属箔体(正極金属箔体6及び負極金属箔体7)への損傷発生を抑制することができるために好ましい。なお、レーザーの中でも、YAGレーザーは焦点を良好に絞ることができ、焦点以外に配置された金属箔体への損傷発生を更に抑制することができるために好ましい。
【0078】また、正極集電部材10の第二突条部32にエネルギー線53を照射するに際しては、連続照射が可能なエネルギー線発生装置を用いることが好ましく、このときの走査速度は、0.1〜100m/minであることが好ましく、1〜30m/minであることが更に好ましく、2〜10m/minであることが特に好ましい。更に、配列された正極板2の枚数に応じ、正極集電部材10を複数個用意し、複数の正極集電部材10を、それらの第一突条部31が狭幅端面21に略垂直に交差するようにして連続的に配置することが好ましく、このことにより複数枚の正極板2を一度の照射によって接続することができる。
【0079】一方、負極集電部材11の第二突条部32にエネルギー線53を照射するに際しては、連続照射が可能なエネルギー線発生装置を用いることが好ましい。更に、配列された負極板3の枚数に応じ、負極集電部材11を複数個用意し、複数の負極集電部材11を、それらの第一突条部31が側面部33に略垂直に交差するようにして連続的に配置することが好ましく、このことにより、複数枚の負極板3を一度の照射によって接続することができる。
【0080】なお、集電部材(正極集電部材10及び負極集電部材11)と電極板の接続端縁とを溶接して接続するに際して、ろう材等の接合補助材料は不要ではあるが、用いても構わない。接合補助材料を用いる場合には、これを電極板を構成する金属箔体及び/若しくは集電部材の所定箇所に塗布し、又は金属箔体と集電部材の所定箇所との間に挟持した状態でエネルギー線を照射すればよい。
【0081】以上、本発明(第一〜第三の発明)に係るリチウム二次電池について、その実施の形態を示しながら説明してきたが、本発明が上記の実施の形態に限定されるものでないことはいうまでもない。また、本発明に係るリチウム二次電池は、特に、電池容量が2Ah以上である大型の電池に好適に採用されるが、このような容量以下の電池に適用することを妨げるものではない。また、本発明のリチウム二次電池は、大容量でありながらも小型化されているため、特に省スペース性が要求される車載用電池として、更には、電気自動車又はハイブリッド電気自動車のモータ駆動用電源に用いることが好ましいとともに、高電圧を必要とされるエンジン起動用としても好適に用いることができる。
【0082】
【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【0083】
(捲回型内部電極体の作製)
Li/Mn>0.5であるLi1.05Mn1.95O4スピネルを正極活物質とし、これに導電助剤としてアセチレンブラックを外比で2〜10質量%の範囲で添加したものに、更に溶剤、バインダを加えて調製した正極剤スラリーを正極活物質としてアルミニウム箔(正極金属箔体)の両面に塗工して正極板を作製した。本実施例における、正極板を構成するアルミニウム箔(金属箔体)の厚さ、及びアルミニウム箔に塗工した正極活物質の塗工厚さを表1に示す。
【0084】次に、繊維状高黒鉛化炭素粉末を負極活物質として、銅箔の両面に塗工して負極板を作製した。本実施例における、負極板を構成する銅箔(金属箔体)の厚さ、及び銅箔に塗工した負極活物質の塗工厚さを表1に示す。
【0085】次いで、得られた正極板と負極板とを、厚さ25μmのセパレータを介して、正極板、セパレータ、負極板、セパレータを繰り返し単位として捲回することにより捲回型内部電極体を作製した。捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面における、一の正極板の一方の表面から、一の正極板の他方の表面側に捲回されたセパレータ、負極板、及びセパレータを介して隣接する他の正極板の一方の表面までの長さ(捲回ピッチ)、及び捲回ピッチに対する金属箔体の厚さの割合(金属箔体の厚さ/捲回ピッチ)を表1に示す。
【0086】
(非水電解液の調製)
EC、DMC、及びEMCの各種有機溶媒を、EC:DMC:EMC=1:1:1(体積比)で混合して混合溶媒を調製し、それぞれに1mol/lの濃度となるように電解質であるLiPF6を溶解して非水電解液を調製した。
【0087】
(実施例1〜14)
捲回型内部電極体の、電極板(正極板及び負極板)を構成する金属箔体の接続端縁上に、対応するアルミニウムからなる十字形状の正極集電部材又は銅からなる負極集電部材を載置し、各集電部材の上方からYAGレーザーを4方向に照射して溶接することにより、各集電部材と、対応する電極板を構成する各金属箔体の接続端縁との接続体を得た。
【0088】得られた接続体を電池ケースに収納後、所定の電解液注入孔を通じて電池ケース内部の減圧(1Pa)処理をしながら加熱(100℃、24時間)後、非水電解液を含浸(真空含浸)した。次いで電解液注入孔を封止することにより、リチウム二次電池を作製した(実施例1〜14)。なお、その他の部材、試験環境は全ての試料について同じとし、電池の封止不良等による電池外部からの水分の浸入等の影響も排除した。
【0089】
(比較例1〜4)
前述の実施例1〜14と同様の方法により、リチウム二次電池を作製した(比較例1〜4)。比較例1〜4における、金属箔体の厚さ、各活物質の塗工厚さ、捲回ピッチ、及び捲回ピッチに対する金属箔体の厚さの割合については、表1に示す。
【0090】
(溶接状況の確認)
作製したリチウム二次電池(実施例1〜14、比較例1〜4)における、各集電部材と各電極板との溶接状況を目視にて確認した。結果を表1に示す。溶接状況の判別方法としては、溶接不良箇所がほとんど確認されず、集電部材が溶けることによる穴等が確認されない場合は◎、溶接不良箇所が一部確認されるものの、集電部材が溶けることによる穴等が確認されない場合は○、溶接不良箇所が多数確認され、集電部材が溶けることによる穴等が確認された場合は×とした。
【0091】
(電池の動作確認)
1Cの電流値で充電後、1C〜1000Aの電流値で放電し、異常発熱及び溶断のないことを確認した。
【0092】
【表1】
【0093】
(結果)
実施例1〜14のリチウム二次電池は、集電部材と電極板との溶接が良好に行われていることから生産性及び省スペース性に優れるといった特性を備えているとともに内部抵抗が低減されており、大電流放電に適していることが判明した。また、比較例1〜4のリチウム二次電池は、溶接不良が多数あることから、内部抵抗が大きく大電流放電に不適であることが判明した。
【0094】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のリチウム二次電池は、捲回又は積層ピッチに対する、正極板を構成する正極金属箔体の厚さの割合、又は/及びを負極板を構成する負極金属箔体の厚さの割合を、所定の数値とすることにより、各集電部材と各金属箔体との接続状態が良好であり、生産性及び省スペース性に優れるとともに内部抵抗の低減がなされ、かつ大電流放電に適したものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明(第一の発明)のリチウム二次電池に用いられる捲回型内部電極体における、集電部材と電極板との接続状態を説明する断面図である。
【図2】本発明(第一の発明)のリチウム二次電池の一例を示す断面図である。
【図3】本発明(第一の発明)のリチウム二次電池の他の例を示す断面図である。
【図4】図4(a)〜図4(h)は、本発明(第一〜第三の発明)のリチウム二次電池を構成する集電部材の形状の例を示す平面図である。
【図5】本発明(第一〜第三の発明)のリチウム二次電池に用いられる積層型内部電極体における、集電部材と電極板との接続状態を説明する断面図である。
【図6】本発明(第二の発明)のリチウム二次電池に用いられる捲回型内部電極体における、集電部材と電極板との接続状態を説明する断面図である。
【図7】本発明(第三の発明)のリチウム二次電池に用いられる捲回型内部電極体における、集電部材と電極板との接続状態を説明する断面図である。
【図8】本発明(第一〜第三の発明)のリチウム二次電池に用いられる、正極集電部材と正極板の接続端縁との溶接方法を模式的に示す斜視図である。
【図9】本発明(第一〜第三の発明)のリチウム二次電池に用いられる、負極集電部材と負極板の接続端縁との溶接方法を模式的に示す斜視図である。
【図10】タブ構造型のリチウム二次電池に用いられる捲回型内部電極体の一例を示す斜視図である。
【図11】タブレス構造型のリチウム二次電池の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
1…捲回型内部電極体、2…正極板、2a…一方の表面、2b…他方の表面、3…負極板、4…正極活物質(活物質)、5…負極活物質(活物質)、6…正極金属箔体(金属箔体)、7…負極金属箔体(金属箔体)、8…セパレータ、9…巻芯、10…正極集電部材(集電部材)、11…負極集電部材(集電部材)、12…リチウム二次電池、15…端部、20…積層型内部電極体、21…狭幅端面、22…本体部、23A…狭幅端面を含む面の法線、23B…側面部を含む面の法線、31…第一突条部、32…第二突条部、33…側面部、53…エネルギー線、54…集電部材、69A…正極内部端子、69B…負極内部端子、70A…正極外部端子、70B…負極外部端子、71A…正極電池蓋、71B…負極電池蓋、72…電極リード部材、73…電池ケース、75…放圧孔、81…捲回型内部電極体、82…正極板、83…負極板、85…正極集電タブ、86…負極集電タブ、87…セパレータ、93…巻芯、A…捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面における、一の正極板の一方の表面から、一の正極板の他方の表面側に捲回されたセパレータ、負極板、及びセパレータを介して隣接する他の正極板の一方の表面までの長さ(捲回ピッチ)、B…正極板を構成する正極金属箔体の厚さ、C…負極板を構成する負極金属箔体の厚さ、D…積層型内部電極体の積層断面における、一の正極板の一方の表面から、一の正極板の他方の表面側に積層されたセパレータ、負極板、及びセパレータを介して隣接する他の正極板の一方の表面までの長さ(積層ピッチ)。
Claims (11)
- 正極金属箔体とその両表面に配設された正極活物質とから構成された正極板、負極金属箔体とその両表面に配設された負極活物質とから構成された負極板、及び前記正極板と前記負極板とを隔離するためのセパレータが、前記正極板、前記セパレータ、前記負極板、及び前記セパレータを繰り返し単位として捲回又は積層されてなる捲回型内部電極体又は積層型内部電極体と、前記正極金属箔体及び前記負極金属箔体の端部から導出した電流を集電するための正極集電部材及び負極集電部材とを備えてなるリチウム二次電池であって、
前記正極集電部材が、その所定箇所で、前記正極金属箔体の先端部のうちの接続端縁に溶接によって接続されてなるとともに、
前記捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面又は前記積層型内部電極体の積層断面における、一の前記正極板の一方の表面から、一の前記正極板の他方の表面側に捲回又は積層された前記セパレータ、前記負極板、及び前記セパレータを介して隣接する他の前記正極板の一方の表面までの長さ(捲回又は積層ピッチ)に対する、前記正極板を構成する前記正極金属箔体の厚さの割合が、0.01〜0.2であることを特徴とするリチウム二次電池。 - 正極金属箔体とその両表面に配設された正極活物質とから構成された正極板、負極金属箔体とその両表面に配設された負極活物質とから構成された負極板、及び前記正極板と前記負極板とを隔離するためのセパレータが、前記正極板、前記セパレータ、前記負極板、及び前記セパレータを繰り返し単位として捲回又は積層されてなる捲回型内部電極体又は積層型内部電極体と、前記正極金属箔体及び前記負極金属箔体の端部から導出した電流を集電するための正極集電部材及び負極集電部材とを備えてなるリチウム二次電池であって、
前記負極集電部材が、その所定箇所で、前記負極金属箔体の先端部のうちの接続端縁に溶接によって接続されてなるとともに、
前記捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面又は前記積層型内部電極体の積層断面における、一の前記正極板の一方の表面から、一の前記正極板の他方の表面側に捲回又は積層された前記セパレータ、前記負極板、及び前記セパレータを介して隣接する他の前記正極板の一方の表面までの長さ(捲回又は積層ピッチ)に対する、前記負極板を構成する前記負極金属箔体の厚さの割合が、0.01〜0.2であることを特徴とするリチウム二次電池。 - 正極金属箔体とその両表面に配設された正極活物質とから構成された正極板、負極金属箔体とその両表面に配設された負極活物質とから構成された負極板、及び前記正極板と前記負極板とを隔離するためのセパレータが、前記正極板、前記セパレータ、前記負極板、及び前記セパレータを繰り返し単位として捲回又は積層されてなる捲回型内部電極体又は積層型内部電極体と、前記正極金属箔体及び前記負極金属箔体の端部から導出した電流を集電するための正極集電部材及び負極集電部材とを備えてなるリチウム二次電池であって、
前記正極集電部材及び前記負極集電部材が、その所定箇所で、対応する前記正極金属箔体又は前記負極金属箔体の先端部のうちの接続端縁に溶接によってそれぞれ接続されてなるとともに、
前記捲回型内部電極体の捲回の中心軸を含む断面又は前記積層型内部電極体の積層断面における、一の前記正極板の一方の表面から、一の前記正極板の他方の表面側に捲回又は積層された前記セパレータ、前記負極板、及び前記セパレータを介して隣接する他の前記正極板の一方の表面までの長さ(捲回又は積層ピッチ)に対する、前記正極金属箔体の厚さの割合、及び前記負極金属箔体の厚さの割合が、それぞれ0.01〜0.2であることを特徴とするリチウム二次電池。 - 前記正極金属箔体が、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
- 前記正極集電部材が、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
- 前記負極金属箔体が、銅又は銅合金からなる請求項1〜5のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
- 前記負極集電部材が、銅又は銅合金からなる請求項1〜6のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
- 電池容量が2Ah以上である請求項1〜7のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
- 車載用電池である請求項1〜8のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
- 電気自動車用又はハイブリッド電気自動車用である請求項9に記載のリチウム二次電池。
- エンジン起動用である請求項9又は10に記載のリチウム二次電池。
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JP2007250395A (ja) * | 2006-03-16 | 2007-09-27 | Honda Motor Co Ltd | 電池の製造方法 |
JP2015125856A (ja) * | 2013-12-26 | 2015-07-06 | 三洋電機株式会社 | 非水電解質二次電池及び非水電解質二次電池の製造方法 |
CN110034326A (zh) * | 2019-04-08 | 2019-07-19 | 江苏金赛尔电池科技有限公司 | 一种无极耳的锂电池及其制备方法 |
-
2003
- 2003-02-20 JP JP2003042446A patent/JP2004253252A/ja active Pending
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