JP2005235763A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 陽極板および陰極板から電流を集電するための部材を陽極板および陰極板に容易に結合し得るようにするとともに陽極板および陰極板それぞれに対する集電効率を向上し得るようにした二次電池を提供する。
【解決手段】 陽極板と陰極板との間にセパレータが介在して成る電極組立体を有する二次電池において，陽極板および陰極板のそれぞれは，その集電体の少なくとも一部に活物質が塗布されなくて形成される無地部を有し，陽極板および陰極板の無地部のそれぞれには陽極板用集電板および陰極板用集電板が溶接で結合され，陽極板用集電板には，複数の第１溶接ラインが所定の角度を成すように形成され，陰極板用集電板には，複数の第２溶接ラインが所定の角度を成すように形成され，第２溶接ラインは第１溶接ラインの間に配置される。
【選択図】 図４

Description

本発明は，二次電池に関するものである。

二次電池は，充電が不可能な一次電池とは異なり，充電および放電が可能な電池である。一般に，二次電池はパック形態に製作され，セルラー電話，ノートブックコンピュータ，およびカムコーダーのような携帯用電子機器の電源として広く使用されている。特に，二次電池のうち，リチウム二次電池は作動電圧と単位重量エネルギー密度が高いため，携帯用電子装置の電源として広く利用されている。

このような二次電池が実質的な電池形態を取るときは，主に円筒形または四角柱形の外形に形成される。このうち，円筒形二次電池は，一般的には次のようにして製造される。まず，帯状の陽極板と陰極板との間に絶縁体のセパレータを介在させて，これらを渦巻状に巻いて電極組立体（または，ゼリーロール；ｊｅｌｌｙ ｒｏｌｌ）を形成する。次に，これを円筒形の缶の内部に挿入する。

そして，陽極板および陰極板に，リード端子，即ち電池の動作時，陽極板および陰極板から発生する電流を集電するための導電性タップがそれぞれ取り付けられる。この導電性タップは，キャップ組立体のリードプレートに溶接などで付着され，それぞれ陽極板および陰極板で発生する電流を陽極端子および陰極端子に誘導する。

このような構造によれば，電池の容量が小さい小型電池は，特に問題なく集電効果を発揮することができる。しかし，高出力を得るために電池を大型化させた場合，陽極板および陰極板の面積が電池のサイズに比例して増加し，これによって各電極板の抵抗値が上昇してしまい，結果として導電性タップによる集電効率が低下する可能性があった。

このような問題点を解消させるため，例えば下記特許文献１には，陽極板と陰極板からそれぞれの電流を誘導するタップを多重に備えた二次電池が開示されている。

このような二次電池は，陽極板と陰極板にそれぞれ幾つかのリードタップを付着して内部抵抗を減らしている。この構成によって，集電効率の向上が図られる。

また，例えば下記特許文献２には，帯状の陽極板および陰極板の一側面に，陽極板および陰極板を構成するそれぞれの集電体に当該活物質が塗布されていないリード取り付け部を形成し，このリード取り付け部に複数のリードを溶接した二次電池が開示されている。

このような二次電池も，多数のリードをリード取り付け部に付着させる構成を有しており，内部抵抗を減らすとともに陽極板および陰極板からの電流を集電して，集電効率を向上させるようにしている。

特開平１１−２３３１４８号公報 特開平６−２６７５２８号公報

ところが，従来の電池構造によれば，陽極板および陰極板に多数のリードを付着させて電池を構成しなければならず，作業性に問題があった。

さらに，従来の二次電池においては，リードタップを陽極板および陰極板のリード付着部に付着させるとき，一般的な溶接方法のスポット溶接が用いられていたが，陽極板および陰極板が薄板から構成されていたため，スポット溶接の際にリード付着部に加わる圧力により，リード付着部の形状を維持することができないおそれがあった。逆に，リード付着部の形状を維持するためには難易度の高い溶接技術が必要となっていた。

本発明は，このような問題に鑑みてなされたものであり，その目的は，陽極板および陰極板から電流を集電するための部材を陽極板および陰極板に容易に結合し得るように構成されるとともに，陽極板および陰極板それぞれに対する集電効率を向上し得るように構成された，新規かつ改良された二次電池を提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明の第１の観点によれば，陽極板と陰極板との間にセパレータが介在して成る電極組立体を有する二次電池が提供される。そして，この二次電池は，陽極板および陰極板がそれぞれ，その集電体の少なくとも一部に活物質が塗布されていない無地部を有し，陽極板の無地部には陽極板用集電板が溶接で結合され，陰極板の無地部には陰極板用集電板が溶接で結合され，陽極板用集電板には，複数の第１溶接ラインが形成され，陰極板用集電板には，複数の第２溶接ラインが形成されることを特徴としている。さらに，陽極板用集電板または陰極板用集電板の法線方向からみて，各第２溶接ラインが各第１溶接ラインの間に位置するように各第１溶接ラインおよび第２溶接ラインの位置が設定されることを特徴としている。

第１溶接ラインは前記陽極板用集電板上に十字状を成すように形成され，第２溶接ラインは前記陰極板用集電板上に十字状を成すように形成されることが好ましい。

一の第１溶接ラインと，当該一の第１溶接ラインに隣り合って配置される他の第１溶接ラインは，９０°を成すことが好ましい。

また，一の第２溶接ラインと，当該一の第２溶接ラインに隣り合って配置される他の第２溶接ラインは，９０°を成すことが好ましい。

前記陽極板用集電板または前記陰極板用集電板の法線方向からみて，各第１溶接ラインと各第２溶接ラインは，１０°〜８０°を成すことが好ましい。より好ましくは４５°である。

また，上記課題を解決するために，本発明の第２の観点によれば，陽極板と陰極板との間にセパレータが介在して成る電極組立体を有する二次電池が提供される。そして，この二次電池は，陽極板および陰極板がそれぞれ，その集電体の少なくとも一部に活物質が塗布されていない無地部を有し，陽極板の無地部には陽極板用集電板が溶接で結合され，陰極板の無地部には陰極板用集電板が溶接で結合され，陽極板用集電板には，陽極溶接ラインが形成され，陰極板用集電板には，陰極溶接ラインが形成されることを特徴としている。さらに，陽極板用集電板または陰極板用集電板の法線方向からみて，陽極溶接ラインと陰極溶接ラインは交差するように配置されることを特徴としている。

陽極溶接ラインと陰極溶接ラインはそれぞれ十字状に配列されることが好ましい。

本発明によれば，陽極板および陰極板の無地部と集電板との溶接が簡便化される。また，無地部の形状を変形させないで，一枚の集電板上に無地部の多数部位を簡単に溶接することが可能となる。これによって，集電効率が向上し，大きな電池出力が得られる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は，本発明の実施の形態にかかる二次電池の断面図である。

同図に示すように，本実施の形態にかかる二次電池は，陽極板１１と陰極板１２がセパレータ１３を挟んで位置して成る電極組立体１０と，電解液（図示せず）とともに電極組立体１０を収容するように一端が開放されたケース２０と，ガスケット３１を介してケース２０の開口部に設けられて，ケース２０を密閉するキャップ組立体３０と，電極組立体１０の陽極板１１に電気的に接続される陽極集電板４０と，電極組立体１０の陰極板１２に電気的に接続される陰極集電板５０と，を有している。

より具体的には，ケース２０は，アルミニウム，アルミニウム合金，またはニッケルが鍍金されたスチールのような導電性金属を用いて，電極組立体１０が位置する内部空間を有する円筒形に形成される。

この実施の形態においては，円筒形二次電池を例として説明するが，本発明はこれに限定されるものではなく，円筒形のほかに，角形その他の形状にも形成するようにしてもよい。

電極組立体１０は，それぞれの活物質が集電体にコートされて成る陽極板１１と陰極板１２がセパレータ１３を介して積層されて成る。これら陽極板１１，セパレータ，および陰極板１２は，積層された状態で渦巻状に巻き付けられたゼリーロール状を有している。図１には，ゼリーロール状に巻き付けられた電極組立体１０が円筒形ケース２０に収容された状態が例示されている。

また，本実施の形態にかかる電極組立体１０は，陽極板１１と陰極板１２に電気的に接続される各集電板４０，５０を含んでいる。そして，図２に示すように，陰極板１２の下端（図面基準）において，陰極板１２の集電体１２ａの縁部に，陰極活物質１２ｂが塗布されていない無地部１２ｃが陰極板１２の長手方向に設けられている。図１に示したように，この無地部１２ｃは，陰極集電板５０と電気的に接続される。一方，図２に示したように，陽極板１１の上端（図面基準）において，陽極板１１の集電体１１ａの縁部に，陽極活物質１１ｂが塗布されていない無地部１１ｃが陽極板１１の長手方向に設けられている。図１に示したように，この無地部１１ｃは，陽極集電板４０と電気的に接続される。

図１に示したように，キャップ組立体３０は，外部端子３２ａを有するキャッププレート３２と，ケース２０とキャッププレート３２を絶縁するガスケット３１とを含む。さらに，キャップ組立体３０は，ベントプレート３３をさらに含むことが好ましい。このベントプレート３３は，所定の圧力条件で破損して電池内部に発生したガスを外部に放出させるものであり，これによって電池の爆発が防止される。ベントプレート３３は，リード３５を介して陽極集電板４０に電気的に接続される。

なお，ベントプレート３３については，所定の圧力条件でリード３５を介した電極組立体１０と外部端子３２ａとの間の電気的接続を遮断し得る構造であればよく，図示した形状に限定されるものではない。多様な変形例の適用が可能である。

陽極板１１および陰極板１２のそれぞれの無地部１１ｃ，１２ｃは，電極組立体１０の形成の際，セパレータ１３から突出した状態で配置される。各無地部１１ｃ，１２ｃには，これらに対応する陽極集電板４０と陰極集電板５０を接触させる。

この状態で，無地部１１ｃ，１２ｃと集電板４０，５０を溶接で互いに結合する。これによって，各集電板４０，５０上に溶接ラインＬ_１＋，Ｌ_２＋，Ｌ_１−，Ｌ_２−が形成される（図３Ａ，Ｂ，図４，図５参照）。

本実施の形態において，陽極板用集電板４０と陰極板用集電板５０は，導電性物質から構成され，その形状は二次電池の全体形状（底面形状）に合わせて円形とされる。ここで，陽極集電板４０と陰極集電板５０の厚さは，陽極板１１および陰極板１２の集電体１１ａ，１２ａの厚さの２〜３倍が好ましい。

また，無地部１１ｃ，１２ｃと集電板４０，５０との結合は，レーザ溶接によりなされることが好ましい。このレーザ溶接は，従来のスポット溶接とは異なり，陽極集電板４０と陰極集電板５０を対応する無地部１１ｃ，１２ｃに溶接するとき，この無地部１１ｃ，１２ｃに大きな圧力が加わらないようにすることができる。したがって，無地部１１ｃ，１２ｃの形状を変形させることなく，集電板４０，５０を各無地部１１ｃ，１２ｃに固定することができる。

以下，無地部１１ｃ，１２ｃと，陽極集電板４０と陰極集電板５０が溶接される構造をより詳細に説明する。

まず，電極組立体１０が上記のような構造になった状態で，陽極板用集電板４０と陰極板用集電板５０を，対応する陽極板および陰極板の各無地部１１ｃ，１２ｃに接触させたままでこれらをレーザ溶接により溶接する。

これにより，陽極板用集電板４０上には，第１溶接ラインである陽極溶接ラインＬ_１＋，Ｌ_２＋が形成され，陰極板用集電板５０上には，第２溶接ラインである陰極溶接ラインＬ_１−，Ｌ_２−が形成される。

ここで，各溶接ラインＬ_１＋，Ｌ_２＋，Ｌ_１−，Ｌ_２−はそれぞれ，対応する集電板４０，５０の中心を通過する直線に形成されることが好ましい。この実施の形態において，第１溶接ラインＬ_１＋，Ｌ_２＋と第２溶接ラインＬ_１−，Ｌ_２−は，対応する集電板４０，５０上において十字状に交差している。

このような第１溶接ラインＬ_１＋，Ｌ_２＋と第２溶接ラインＬ_１−，Ｌ_２−の位置関係は次のように設定されることが好ましい。例えば，図４に示すように，集電板４０，５０が電極組立体１０に固定された状態を基準として，集電板４０，５０の上面をその法線方向から見たとき，第１溶接ラインＬ_１＋，Ｌ_２＋がそれぞれ，第２溶接ラインＬ_１−，Ｌ_２−の間に位置するようにする。

すなわち，一方の第１溶接ライン（例えば，第１溶接ラインＬ_１＋）とこれに隣り合って配置される他方の第１溶接ライン（例えば，第１溶接ラインＬ_２＋）との間に，一方の第２溶接ライン（例えば，第２溶接ラインＬ_１−）または他方の第２溶接ライン（例えば，第２溶接ラインＬ_２−）が配置されることが好ましい。

図３Ａに示すように，第１溶接ラインＬ_１＋と第１溶接ラインＬ_２＋とが成す角度αは９０°であることが好ましい。また，図３Ｂに示すように，第２溶接ラインＬ_１−と第２溶接ラインＬ_２−とが成す角度αは９０°であるのが好ましい。ただし，本発明は，角度αが９０°に限定されるものではない。

また，第１溶接ラインＬ_１＋，Ｌ_２＋と第２溶接ラインＬ_１−，Ｌ_２−とが成す角度βは１０°〜８０°であることが好ましい。本実施の形態においては，これを４５°に設定している。なお，実際には，第１溶接ラインＬ_１＋，Ｌ_２＋と第２溶接ラインＬ_１−，Ｌ_２−はそれぞれ，異なる平面（すなわち，陽極板用集電板４０と陰極板用集電板５０）に形成されている。したがって，ここでは，陽極板用集電板４０または陰極板用集電板５０の鉛直方向からみた場合の各溶接ラインが成す角度をβとする。

このような位置関係にある溶接ラインＬ_１＋，Ｌ_２＋，Ｌ_１−，Ｌ_２−に沿って，集電板４０，５０と接触する無地部１１ｃ，１２ｃの部位が溶接される。

このように本実施の形態によれば，陽極板１１および陰極板１２からの電流集電は，無地部１１ｃ，１２ｃに接触して固定される一つの板状部材である集電板４０，５０によりなされるため，陽極板１１および陰極板１２から集電されて二次電池の陽極端子および陰極端子に移動する電流に対する内部抵抗を減らすことができる。したがって，電池の出力を向上させることができる。

また，本実施の形態によれば，無地部１１ｃ，１２ｃ上に一つの集電板４０，５０が配置され，これらがレーザ溶接されて電流集電構造が形成される。したがって，電流集電構造の製造作業が簡単になる。

下記の表１は，本実施の形態にかかる二次電池（実施例）と，従来の二次電池（従来例（陽極板および陰極板の無地部にリードタップが付着された構造））の各出力値を比較して示している。表１に記載された数値は，各二次電池の出力値（出力密度，Ｗ／ｋｇ）であり，各二次電池に対して１０万サイクルの充放電を複数回行った後に測定した値である。この実験結果から分かるように，本実施例にかかる二次電池は，従来例の二次電池に比べて出力効率に優れている。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば，本実施の形態においては，各集電板４０，５０上に二つの溶接ラインが形成されるが，図５に示すように，各集電板４０，５０上に一つの溶接ラインを形成するようにしてもよい。すなわち，集電板４０に溶接ラインＬ＋を形成し，集電板５０に溶接ラインＬ−を形成し，それぞれを陽極板および陰極板の無地部に溶接する。このとき，集電板４０，５０の鉛直方向からみた場合の溶接ラインＬ＋，Ｌ−の成す角度を例えば９０°に調整して，溶接ラインＬ＋，Ｌ−を略十字状となるように配置することが好ましい。また，各集電板４０，５０上に三以上の溶接ラインを形成するようにしてもよい。

本発明は，ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ），電気自動車（ＥＶ），無線掃除機，電動自転車，電動スクーターなどの如く，モータにより作動する機器のモータを駆動するためのエネルギー源としての二次電池に適用可能である。

本発明の実施の形態にかかる二次電池を示す断面図である。 本発明の実施の形態にかかる電極組立体を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態にかかる陽極板用集電板を示す平面図である。 本発明の実施の形態にかかる陰極板用集電板を示す平面図である。 図３Ａの陽極板用集電板と図３Ｂの陰極板用集電板が電極組立体に結合された状態を示す平面図である。 本発明の他の実施の形態にかかる陽極板用集電板と陰極板用集電板が電極組立体に結合された状態を示す平面図である。

符号の説明

１０ 電極組立体
１１ 陽極板
１１ａ 陽極板の集電体
１１ｂ 活物質
１１ｃ，１２ｃ 無地部
１２ 陰極板
１２ａ 集電体
１２ｂ 活物質
１２ｃ 無地部
１３ セパレータ
２０ ケース
３０ キャップ組立体
３１ ガスケット
３２ キャッププレート
３２ａ 外部端子
３３ ベントプレート
４０ 陽極板用集電板
５０ 陰極板用集電板

Claims (12)

1. 陽極板と陰極板との間にセパレータが介在して成る電極組立体を有し，
   前記陽極板および前記陰極板はそれぞれ，少なくとも一部に活物質が塗布されていない無地部を有し，
   前記陽極板の無地部には陽極板用集電板が溶接で結合され，
   前記陰極板の無地部には陰極板用集電板が溶接で結合され，
   前記陽極板用集電板には，複数の第１溶接ラインが形成され，
   前記陰極板用集電板には，複数の第２溶接ラインが形成され，
   前記陽極板用集電板または前記陰極板用集電板の法線方向からみて，前記各第２溶接ラインが前記各第１溶接ラインの間に位置するように前記各第１溶接ラインおよび前記第２溶接ラインの位置が設定されることを特徴とする，二次電池。
2. 前記各第１溶接ラインは前記陽極板用集電板上に十字状を成すように形成され，前記第２溶接ラインは前記陰極板用集電板上に十字状を成すように形成されることを特徴とする，請求項１に記載の二次電池。
3. 前記一の第１溶接ラインと，当該一の第１溶接ラインに隣り合って配置される他の第１溶接ラインは，９０°を成すことを特徴とする，請求項２に記載の二次電池。
4. 前記一の第２溶接ラインと，当該一の第２溶接ラインに隣り合って配置される他の第２溶接ラインは，９０°を成すことを特徴とする，請求項２または３に記載の二次電池。
5. 前記陽極板用集電板または前記陰極板用集電板の法線方向からみて，前記各第１溶接ラインと前記各第２溶接ラインが１０°〜８０°を成すことを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載の二次電池。
6. 前記陽極板用集電板または前記陰極板用集電板の法線方向からみて，前記各第１溶接ラインと前記各第２溶接ラインが略４５°を成すことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の二次電池。
7. 外形が円筒形であることを特徴とする，請求項１〜６のいずれかに記載の二次電池。
8. 前記陽極板用集電板と前記陰極板用集電板は，円板形であることを特徴とする，請求項１〜７のいずれかに記載の二次電池。
9. 前記陽極板の無地部と前記陽極板用集電板はレーザ溶接で固定され，
   前記陰極板の無地部と前記陰極板用集電板はレーザ溶接で固定されることを特徴とする，請求項１〜８のいずれかに記載の二次電池。
10. モータ駆動に用いられることを特徴とする，請求項１〜９のいずれかに記載の二次電池。
11. 陽極板と陰極板との間にセパレータが介在して成る電極組立体を有し，
    前記陽極板および前記陰極板はそれぞれ，少なくとも一部に活物質が塗布されていない無地部を有し，
    前記陽極板の無地部には陽極板用集電板が溶接で結合され，
    前記陰極板の無地部には陰極板用集電板が溶接で結合され，
    前記陽極板用集電板には，陽極溶接ラインが形成され，
    前記陰極板用集電板には，陰極溶接ラインが形成され，
    前記陽極溶接ラインと前記陰極溶接ラインは，所定の角度を成して交差するように配置されることを特徴とする，二次電池。
12. 前記陽極溶接ラインと前記陰極溶接ラインは十字状を成すように配列されることを特徴とする，請求項１１に記載の二次電池。

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