JP2006040771A - 捲回式電池 - Google Patents

Abstract

【課題】集電タブの集結を簡便化することができ、コンパクトな構造の捲回式電池を提供する。
【解決手段】円筒型リチウムイオン電池は、軸芯９の周囲に正極板及び負極板が捲回された電極群６を有している。電極群６の両側には、正負極板から正負極の集電タブ８がそれぞれ電極群の反対側に導出されている。集電タブ８の導出端部は、集電部材２の上面側に折り返されており、集電部材１、２間に挟み込まれている。集電部材２に突設された雄ねじ５は、集電部材１の貫通孔４を通じて金属製のナット３と螺合されている。雄ねじ５の内周面に形成された雌ねじは、端子ボルトの雄ねじと螺合されている。集電部材１、２は集電タブ８を間に挟み込んだ状態で締結され、集電タブ８は集電部材１、２を介して端子ボルトと電気的に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は捲回式電池に係り、特に、正負極板が捲回された電極群の両側に正負極板から複数の集電タブが導出された捲回式電池に関する。

非水電解液二次電池は、高エネルギ密度を有するため、様々な用途に用いられている。近年では、大型非水電解液二次電池も開発されており、動力源にモータと内燃機関とを併用するハイブリッド電気自動車用電源としても用いられている。このような用途においては、電池に高い入出力特性が求められている。この要求に対して、非水電解液二次電池では、正負極活物質が薄膜塗工された正負極板を用いる、正負極板から複数の集電タブを導出する等の対応が図られている。

通常、非水電解液二次電池では、帯状金属箔に正負極活物質が薄膜塗工された正負極板が、これら正負極板が直接接触しないように多孔質セパレータを介して断面渦巻状に捲回された捲回式の内部構造を有している。捲回された電極群は、非水電解液に浸潤されて円筒状の電池容器に収容されている。また、正負極板から複数の集電タブを導出する場合には、導出された集電タブを電池の外部端子に接続するために何らかの方法で集結させる必要がある。例えば、集電タブを集合させてリング状の集電部材の周縁部に超音波溶接により接合し、この集電部材からリードを導出して外部端子に接続する技術が開示されている（特許文献１参照）。また、平板リングと円盤との間に集電タブを挟み重ね合わせてレーザ溶接する技術も開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−３１２５３２号公報 特開２００１−１１８５６１号公報

しかしながら、上記特許文献１、２の技術では、集電タブを溶接で集結させるため、確実な電気的接続を得ることができる反面、溶接設備を使用するため作業が繁雑となる上、溶接費によりコスト高となる。また、集電部材と外部端子とをリード等で接続するため、電池内にリード等を配置するための空間が必要となり全体構造が大きくなることがある。

上記事案に鑑み本発明は、集電タブの集結を簡便化することができ、コンパクトな構造の捲回式電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、正負極板が捲回された電極群の両側に前記正負極板から複数の集電タブが導出された捲回式電池において、前記集電タブは、導出端部が前記電極群の両側にそれぞれ配設された２つの集電部材の間に挟み込まれており、前記２つの集電部材の少なくとも一方は外部端子へ電気的に接続するための接続構造を有していることを特徴とする。

本発明の捲回式電池では、集電タブの導出端部が、正負極板が捲回された電極群の両側にそれぞれ配設された２つの集電部材の間に挟み込まれているので、溶接による接続を要せず集電タブが集電部材に簡便かつ確実に接続されると共に、集電部材が外部端子へ電気的に接続するための接続構造を有するので、集電部材の外部端子への接続を簡便化しコンパクトな構造とすることができる。

この場合において、２つの集電部材の集電タブに接触する側の表面のうち少なくとも一方が、粗化表面、棘状の突起及び相互に嵌合する凹凸のいずれかを有すれば、２つの集電部材と集電タブの導出端部との電気的接続を確実にすることができる。また、２つの集電部材を嵌合させるようにしてもよい。更に、２つの集電部材のいずれか一方の周縁を、２つの集電部材のいずれか他方の周縁でカシメるようにしてもよい。また、接続構造を、２つの集電部材のいずれか一方を基部とする雌ねじとしてもよい。

本発明によれば、集電タブの導出端部が、正負極板が捲回された電極群の両側にそれぞれ配設された２つの集電部材の間に挟み込まれているので、溶接による接続を要せず集電タブが集電部材に簡便かつ確実に接続されると共に、集電部材が外部端子へ電気的に接続するための接続構造を有するので、集電部材の外部端子への接続を簡便化しコンパクトな構造とすることができる、という効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、本発明を円筒型リチウムイオン電池に適用した実施の形態について説明する。

（構成）
本実施形態の円筒型リチウムイオン電池は、スチール製で円筒状の電池容器及び樹脂製の軸芯の周囲に正極板及び負極板がセパレータを介して捲回された電極群を有している。

電極群の両側には、正負極板から正負極の集電タブがそれぞれ電極群の反対側に導出されている。集電タブは後述する集電部材と接続されており、集電部材は外部端子となる端子ボルトに接続されている。端子ボルトは、電池容器の両側に配設された円盤状の電池蓋の略中央部に挿着されており、端子ボルトと電池蓋とは絶縁部材で絶縁されている。端子ボルトの電池容器内部側の端部には、集電部材と接続するための雄ねじが形成されている。電池蓋の周縁は、電池容器の両端部周縁に溶接で固定されている。このため、端子ボルトは電池容器に固定された電池蓋に支持され、集電部材を介して端子ボルトと接続された電極群は電池蓋に支持される。電池容器内には、非水電解液が注液されている。

電極群を構成する負極板は、例えば、負極集電体の圧延銅箔の両面に、負極活物質の炭素材を含む負極合剤が塗着されている。圧延銅箔の長寸方向一側の側縁には負極合剤の未塗着部が形成されており、未塗着部を櫛状に等間隔で切り欠くことで負極の集電タブが形成されている。一方、正極板は、例えば、正極集電体のアルミニウム箔の両面に、正極活物質のリチウム遷移金属複合酸化物を含む正極合剤が塗着されている。アルミニウム箔の長寸方向一側の側縁には正極合剤の未塗着部が形成されており、負極板と同様に正極の集電タブが形成されている。正負極板を離隔するセパレータの幅は、正極合剤、負極合剤塗着幅より大きく設定されており、正負極の集電タブは、セパレータの長寸方向の側縁からそれぞれ反対側の外側に出る長さに設定されている。このため、電極群の両側に導出された集電タブは電極群の端面に林立した形となる。

図１（Ａ）に示すように、電極群６の端面に林立した集電タブ８は電極群６の端面に平行となるように押し広げられている。押し広げられた集電タブ８の上側にはアルミニウム製で円板状の集電部材２が配置されており、集電部材２の上側にはアルミニウム製で円板状の集電部材１が配置されている。集電部材２には、下面の略中央部に軸芯９の端部と嵌合する窪みが形成されており、窪みの内周面には深さ方向に１つ以上の溝が形成されている。軸芯９の端部外周面には、電極群６の長手方向に沿って、集電部材２の窪みに形成された溝と嵌合する図示を省略したピンが固定されている。このため、ピンと溝との嵌合により集電部材２が軸芯９の端部に固定される。集電部材２の上面の略中央部には、円筒状の雄ねじ５が突設されている。雄ねじ５の内周面には、上述した端子ボルトの端部に形成された雄ねじと螺合可能な雌ねじ（接続構造）が形成されている。集電部材１の略中央部には、雄ねじ５を挿入可能な貫通孔４が形成されている。なお、負極については、集電部材１、２の材質に銅を用いる以外は正極と同様に構成されている。

図１（Ｂ）に示すように、集電タブ８の導出端部は、集電部材２の上面側に折り返されており、集電部材１、２間に挟み込まれている。集電部材２に突設された雄ねじ５は、集電部材１の貫通孔４を通じて金属製のナット３と螺合されている。雄ねじ５の内周面に形成された雌ねじは、図示しない端子ボルトの雄ねじと螺合されている。このため、集電部材１、２は集電タブ８を間に挟み込んだ状態で締結され、集電タブ８は集電部材１、２を介して端子ボルトと電気的に接続される。なお、電極群６及び集電部材１、２の外周面全周には、例えば、ポリイミド製の基材の片面にヘキサメタアクリレートの粘着剤が塗布された粘着テープで絶縁被覆が施されている。

（作用等）
次に、本実施形態のリチウムイオン電池の作用等について説明する。

本実施形態のリチウムイオン電池では、集電タブ８の導出端部が、電極群６の両側に配設された集電部材１、２間に挟み込まれている。集電部材１、２は、集電部材２に突設された雄ねじ５を集電部材１の貫通孔４を通じてナット３と螺合することで機械的に締結されている。このため、集電タブを集電部材に溶接で接続する必要がなく、集電タブ８を集電部材１、２間に簡便かつ確実に接続することができる。また、雄ねじ５の内周面に形成された雌ねじが端子ボルトの端部に形成された雄ねじと螺合されている。このため、集電部材１、２と端子ボルトとをリード等で接続せずにねじの螺合で簡便に接続することができ、リチウムイオン電池をコンパクトな構造とすることができる。

また、本実施形態のリチウムイオン電池では、集電タブ８と集電部材１、２とを溶接で接続しないため、溶接にかかる加工人件費、設備費及びエネルギ費を削減することができるので、低コストでリチウムイオン電池を得ることができる。更に、溶接時の（振動や熱）エネルギで集電タブ８を破断することがないので、集電効率の低下を抑制することができる。

更に、本実施形態のリチウムイオン電池では、集電タブ８が集電部材１の側面に沿って上面側に折り返されているため、集電タブ８に弛みがなくリチウムイオン電池に振動等の外力がかかっても集電タブ８の破断を抑制することができる。また、集電部材２の下面の窪み内周面に形成された溝と、軸芯９の端部外周面に固定されたピンとを嵌合させることで集電部材２が軸芯９の端部に固定されている。このため、電極群６に対する集電部材２の位置決めを容易にすることができ、雄ねじ５とナット３とを螺合させるときに集電部材１が供回りして集電タブ８を破断することを防止することができる。

また更に、集電タブ８を集結して電気的接続を確実にするためには、集電タブ８の導出端部を充分に強い締結力で接触させる必要があり、例えば、集電タブ８の導出端部を集電部材１、２間に挟み込むときに、ある程度均一な枚数の集電タブ８が重なり合うようにする必要がある。本実施形態のリチウムイオン電池では、正負極板の作製時に集電上充分以上の集電タブ８を形成させておき、集電タブ８を集電部材１の上面側に折り返した後にほぼ均一な重なり合いが得られるように集電タブ８を間引くことで、集電タブ８の均一な重なりを実現することができる。また、集電タブ８の幅と集電部材１、２の寸法、形状を適切に設定することで集電タブ８と集電部材１、２との均一な接触を確保することも可能である。

これに対し、従来のリチウムイオン電池では、集電タブを集結して集電部材に溶接することで接続するため、溶接費によりコスト高の電池となる。また、集電部材と外部端子とをリード等で接続するため、電池容器内にリード等を配置する空間が必要となり、電池全体が大きくなる。更に、溶接時に集電タブが破断することがあり、正負極板及び集電部材（溶接部）間で集電タブが支持部材等で支持されていないため、電池にかかる振動等の外力で破断することもある。本実施形態のリチウムイオン電池は、これらの問題を解決することができる。

なお、本実施形態では、平板状の集電部材１、２を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、集電部材１、２の集電タブ８と接触する側の表面を種々の形状に形成してもよい。例えば、図２（Ａ）に示すように、棘状突起１１を形成してもよく、図２（Ｂ）に示すように、集電部材１に凹部１２を、集電部材２に凹部１２と嵌合する凸部１３を形成してもよい。また、棘状突起１１は、集電部材１、２のいずれか一方に形成してもよい。更に、サンドブラスト処理等で表面を粗化処理してもよい。このようにすれば、集電部材１、２間に挟み込まれた集電タブ８の導出端部を保持するのに有効であり、また複数枚重ねられた集電タブ８の導出端部に対して接触面積の増大を図ることも期待できる。

また、平板状の集電部材１、２に変えて、断面略凹状の集電部材とこれに嵌合する集電部材とを用いてもよい。例えば、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、断面略凹状で中央部に雄ねじ５が突設された集電部材１６と、集電部材１６の凹部に嵌合する集電部材１５とで集電タブ８の導出端部を挟み込むようにしてもよい。集電部材１６の雄ネジ５を集電部材１５の貫通孔４を通じてナット３と螺合させることで締結して集電タブ８と集電部材１５、１６との電気的接触を確保する。このとき、集電タブ８を、導出端部が集電部材１５の底面にまで挟み込まれるような長さ、形状とすることが好ましい。このようにすれば、集電タブ８の導出端部が集電部材１６の側面と内底面との双方に接触するので、より確実な接合とすることができる。更に、図３（Ａ）、（Ｂ）では電極群６に近い側に位置する集電部品１６が集電部品１５を覆うような例を示しているが、２つの集電部材が互いにはまりあう形状であること以外に限定されるものでない。

更に、２つの集電部材を立体的な形状としてもよく、例えば、断面略ホーン状の集電部材を用いてもよい。このようにすれば、集電タブ８の導出端部が円錐面に挟み込まれるので、集電部材と集電タブ８との接触面積の増大を図ることができる。

また更に、本実施形態では、雄ねじ５とナット３とを螺合させることで集電部材１、２を締結する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、集電部材１の外径を集電部材２より大きくしておき、集電部材１の周縁で集電部材２の周縁をカシメるようにしてもよい。また、集電部材２の外径を集電部材１より大きくしても同様にカシメることができる。

更にまた、本実施形態では、集電タブ８の導出長さをセパレータの側縁から外側に出る長さとし、複数の集電タブ８の長さをほぼ同じとする例を示したが、例えば、軸芯９の周囲に捲回したときの軸芯９に近い側の集電タブ８の長さを電極群６の外周側の集電タブ８の長さより大きくするようにしてもよい。このようにすれば、集電部材８の導出端部を集電部材２の上面側に折り返したときに全ての集電タブ８の導出端部を集電部品１、２間に挟み込むことができるため、電極群６全体から均一な集電を可能とすることができる。

また、本実施形態では、接続構造に集電部材２に突設された雄ねじ５の内周面に形成された雌ねじを例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、集電部材１の上面に雌ねじを配置してもよい。また、端子ボルトの電池容器内部側の端部に雌ねじを形成し、集電部材１又は集電部材２に雄ねじを配置するようにしてもよい。

更に、本実施形態では、円筒型リチウムイオン電池を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、正負極板を捲回した電池全般に適用することができる。また、円筒型に限定されるものではなく、例えば、角形に捲回した電池にも適用可能である。更に、本実施形態で例示した正負極の活物質についても限定されるものではない。

本発明は、集電タブの集結を簡便化することができ、コンパクトな構造の捲回式電池を提供するものであり、製造、販売に寄与し、産業上利用することができる。

本発明を適用可能な実施形態のリチウムイオン電池の正極板から導出された集電タブと平板状の２つの集電部材との配置を示し、（Ａ）は分解斜視図であり、（Ｂ）は組み立てた電極群の斜視図である。 リチウムイオン電池の２つの集電部材の集電タブと接触する側の表面形状を示し、（Ａ）は表面に棘状の突起が形成された２つの集電部材の斜視図であり、（Ｂ）は一方の集電部材の表面に複数の窪みが形成され、他方の集電部材の表面に複数の突起が形成された２つの集電部材の斜視図である。 リチウムイオン電池の正極板から導出された集電タブと、嵌合する２つの集電部材との配置を示し、（Ａ）は分解斜視図であり、（Ｂ）は組み立てた電極群の斜視図である。

符号の説明

１、２ 集電部材（２つの集電部材）
５ 雄ねじ（接続構造）
６ 電極群
８ 集電タブ

Claims (5)

1. 正負極板が捲回された電極群の両側に前記正負極板から複数の集電タブが導出された捲回式電池において、前記集電タブは、導出端部が前記電極群の両側にそれぞれ配設された２つの集電部材の間に挟み込まれており、前記２つの集電部材の少なくとも一方は外部端子へ電気的に接続するための接続構造を有していることを特徴とする捲回式電池。
2. 前記２つの集電部材の前記集電タブに接触する側の表面のうち少なくとも一方が、粗化表面、棘状の突起及び相互に嵌合する凹凸のいずれかを有していることを特徴とする請求項１に記載の捲回式電池。
3. 前記２つの集電部材が嵌合していることを特徴とする請求項１に記載の捲回式電池。
4. 前記２つの集電部材のいずれか一方の周縁が、前記２つの集電部材のいずれか他方の周縁でカシメられていることを特徴とする請求項１に記載の捲回式電池。
5. 前記接続構造は、前記２つの集電部材のいずれか一方を基部とする雌ねじであることを特徴とする請求項１に記載の捲回式電池。