JP2006278013A - 電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リードが短くしかもその断面積を大きくすることにより、電池の内部抵抗が小さくなって、大きな電流での充放電ができる電池及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【解決手段】正負両極３１、３３を備えた渦巻電極体３が有底筒状の外装缶１内に収納され、この外装缶１が上記負極３３と電気的に導通されて負極端子を構成すると共に、上記正極３１とリード部４５、４６を介して電気的に導通されて正極端子を構成する封口板５が、上記外装缶１とは絶縁状態で外装缶１の開口部に固定された電池において、上記封口板５における上記電極体側の面には、上記リード部４５、４６が固定される接続用突起５３、５４が渦巻電極体３方向に設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、外装缶内に発電要素となる電極体が収納されて、該電極体が発生する電力を正極端子部および負極端子部から外部へ取り出すことが可能な電池及びその製造方法に関し、特に集電構造に関するものである。

近年、携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ等の電子機器のみならず、電動工具、アシスト自転車、電気自動車等のモータを駆動させるための大電流が取り出せる電池（高出力電池）が要求されるようになってきている。このような高出力電池の集電構造としては、円筒型に巻き取った電極体の上下の端部に円形の集電板を溶接させる、所謂タブレス構造が一般的に用いられている。
例えば、下記特許文献１では、活物質、粘着剤等が金属芯体に形成された正負極板をセパレータを介して巻回して積層したタブレス電極体と集電板とが溶接され、その集電板に配設されたリードの一端と封口板とが溶接される構造のものが開示されている。

特開２０００−３６３１９号公報

ここで、上記高出力電池では、電池としての低抵抗化を図り、大電流が取り出せるような構造とすることが不可欠である。このようなことを考慮すれば、電極面積を増やし巻取り電極体の抵抗を下げることが必要となる他、電極体の集電部分で発生する直流抵抗成分を低減することが極めて重要となる。しかしながら、上記の従来の電池では、リードと封口板との溶接時に封口板を傾ける（即ち、外装缶の開口面と封口板とが略垂直状態を保ったまま）溶接する必要が生じるため、巻取り電極体と電気的に導通されたリードが長くなり、しかもリードの厚みが大きくなると溶接が困難となるためリードの断面積を大きくできない。これらのことから、大電流を取り出す際の電池の内部抵抗が大きくなって、充放電時の電流値が低下するという問題があった。
本発明は上記問題点を解消するためになされたものであって、リードが短くしかもその断面積を大きくすることにより、電池の内部抵抗が小さくなって、大電流が取り出せる電池及びその製造方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、正負両極を備えた電極体が有底筒状の外装缶内に収納され、この外装缶が上記正負両極のうち一方の極と電気的に導通されて一方の極の端子を構成すると共に、上記正負両極のうち他方の極とリードを介して電気的に導通されて他方の極の端子を構成する封口板が、上記外装缶とは絶縁状態で外装缶の開口部に固定された電池において、上記封口板における上記電極体側の面には、上記リードが溶接される接続用突起が電極体方向に設けられていることを特徴とする。
上記構成の如く、封口板における電極体側の面に、電極体方向に向けて接続用突起が設けられていれば、リードと封口板との溶接時に封口板を傾けることなく（即ち、外装缶の開口面と封口板とが略平行状態を保ったまま）溶接を行なうことができるので、リードが短くてすむ。したがって、電池の内部抵抗が大幅に小さくなって、大きな電流での充放電ができるようになる。

請求項２記載の発明は請求項１記載の発明において、上記正負両極のうち他方の極と直接接続された集電板が上記電極体と上記封口板との間に設けられ、且つ、上記集電板に上記リードの一端が固定されていることを特徴とする。
上記構成の如く、正負両極のうち他方の極と直接接続された集電板を介して、電極体と封口板とを導通させれば、電池の内部抵抗が更に小さくなって、上記作用効果が一層発揮される。

請求項３記載の発明は請求項１又は２記載の発明において、上記リードが複数設けられていることを特徴とする。
上記構成の如くリードが複数設けられていれば、リードの断面積の合計が大きくなるので、電池の内部抵抗が更に小さくなって、上記作用効果が一層発揮される。

請求項４記載の発明は請求項１〜３記載の発明において、上記封口板に安全弁が形成されていることを特徴とする。
上記構成の如く、封口板に安全弁が形成されていれば、電池内圧力が所定値を超えた場合には、安全弁によって電池内のガスを電池外に放出することができるので、電池の安全性が向上する。

また、上記目的を達成するために、本発明のうち請求項５記載の発明は、正負両極を備えた電極体を有底筒状の外装缶内に収納する第１ステップと、上記外装缶と上記正負両極のうち一方の極とを電気的に導通させると共に、上記正負両極のうち他方の極と電気的に導通されたリードと、封口板における上記電極体側の面に形成された接続用突起とを溶接する第２ステップと、上記封口板を、上記外装缶とは絶縁状態で外装缶の開口部に固定する第３ステップと、を有することを特徴とする。
このような方法であれば、請求項１記載の電池を容易に作製することができる。

請求項６記載の発明は請求項５記載の発明において、上記第２ステップにおけるリードと接続用突起との固定時に、上記リードの端部が上記外装缶の端部から露出する長さが３ｍｍ以下であることを特徴とする。
上記請求項１で記載の如く、外装缶の開口面と封口板とが略平行状態を保ったままリードと接続用突起との溶接を行なうことができるので、リードの端部が上記外装缶の端部から露出する長さが３ｍｍ以下であっても容易に溶接を行なうことができる。したがって、リードが短くてすむので、大電流を取り出す際の電池の内部抵抗が小さくなる。

請求項７記載の発明は請求項５又は６記載の発明において、上記第２ステップにおけるリードと接続用突起との溶接方法として、レーザ溶接法又は超音波溶接法を用いることを特徴とする。
このように、レーザ溶接法又は超音波溶接法を用いれば、リードと接続用突起との溶接が強固なものとなる。

本発明によれば、大電流を取り出す際の電池の内部抵抗を低減することにより、充放電時の電流値が低下するのを抑制できるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の内容を、図１〜図７に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の最良の形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能なものである。

図１は、本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池の分解斜視図である。このリチウムイオン二次電池は直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの円筒型電池であり、図１に示すように、有底円筒状をなす外装缶１内には、底部側から順に、負極集電板２と、渦巻電極体３と、正極集電板４と、封口板５とが配置されている。

上記渦巻電極体３は、図２に示すように、それぞれ帯状の正極３１と負極３３の間に帯状のセパレータ３２を介在させて、これらを渦巻き状に巻回して構成されている。上記正極３１は、アルミニウム箔からなる帯状芯体３５の両面にリチウム複合酸化物からなる正極合剤３４を塗布して構成され、上記負極３３は、銅箔からなる帯状芯体３７の両面に炭素材料を含む負極合剤３６を塗布して構成されている。また、上記セパレータ３２には、非水電解液が含浸されている。

ここで、上記正極３１には、正極合剤３４の塗布されている塗工部と、正極合剤の塗布されていない非塗工部とが形成されている。又、負極３３にも、負極合剤３６の塗布されている塗工部と、負極合剤の塗布されていない非塗工部とが形成されている。正極３１及び負極３３は、それぞれセパレータ３２上に幅方向へずらして重ね合わせ、正極３１及び負極３３の前記非塗工部をセパレータ３２の両端縁からそれぞれ外側へ突出させた状態で、これらを渦巻き状に巻き取ることによって渦巻電極体３が構成される。該渦巻電極体３においては、巻き軸方向の両端部の内、一方の端部では、正極３１の非塗工部の芯体端縁３８が、セパレータ３２の一方の端縁よりも外方へ突出し、他方の端部では、負極３３の非塗工部の芯体端縁３９が、セパレータ３２の他方の端縁よりも外方へ突出している構造となっている。

上記正極集電板４は、図３に示すように、円形の平板状本体４１を具え、該平板状本体４１には、放射状に伸びる複数本の円弧状凸部４２が一体成型され、渦巻電極体３側に突出している。又、平板状本体４１には、中央孔４４が開設されると共に、該中央孔４４の周囲に、複数の注液孔４３が開設されている。更に平板状本体４１の端部には、短冊状のリード部４５、４６が平板状本体４１と一体に形成されている。 尚、正極集電板４の円弧状凸部４２は、平板状本体８１の半径線に直交する断面形状が半円の円弧を呈している。一方、負極集電板２は、ニッケル製で短冊状のリード部４７が設けられていない。また、中央孔がない構造である。

ここで、上記両集電板２、４の円弧状凸部４２は、渦巻電極体３の各端部に形成されている芯体端縁３８、３９に食い込み、円弧状凸部４２と芯体端縁３８、３９の間には、円筒面からなる接合面が形成され、この接合面はレーザ溶接により固定されている。

上記封口板５は円盤状をなし、図４に示すように、アルミニウムからなる本体部５１とニッケルからなる蓋部５２とから構成されている。上記本体部５１の中央部には、他の部位より薄肉となっているドーム状の安全弁５１ａが形成されている。これにより、電池内圧力が所定値を超えた場合には、安全弁５１ａが破砕して、電池内のガスを電池外に放出する構成である。また、封口板５の下面（電池内部側の面）５１ｂには板状の接続用突起５３、５４が設けられており、この接続用突起５３、５４と上記正極集電板４のリード部４５、４６とはレーザ溶接法により固定されている。

一方、上記蓋部５２の中央部には、上記本体部５１の安全弁５１ａを配置するための透孔５２ａが形成されている。そして、蓋部５２と本体部５１とからなる封口板５は、図５に示すように、絶縁ガスケット６１を介して上記外装缶１の開口部にかしめ固定されている。

ここで、上記構造のリチウムイオン二次電池を、以下のようにして作製した。
先ず、アルミニウム箔からなる帯状芯体３５の両面にリチウム複合酸化物、導電剤、及び結着剤からなる正極合剤３４を塗布して正極３１を作製すると共に、銅箔からなる帯状芯体３７の両面に炭素材料及び結着剤を含む負極合剤３６を塗布して負極３３を作製した後、これら両極３１、３３をセパレータ３２を介して渦巻き状に巻き取って、渦巻電極体３を作製した。尚、正極３１及び負極３３の幅方向の端部には、一定幅の非塗工部を設けた。この工程と並行して、厚さ１ｍｍの平板状本体４１に複数本の円弧状凸部４２を放射状に形成すると共に、複数の注液孔４３が５０％の開口率で開設され、さらに端部から短冊状のリード部４５、４６が延設されたアルミニウム製の正極集電板４を作製した。また、ニッケル製である負極集電板２も作製した。

次に、図６に示すように、正極集電板４を渦巻電極体３の正極側の芯体端縁３８に被せて、上部から治具により押さえつけた後、この状態で正極集電板４の円弧状凸部４２の内周面に向けてレーザビーム（電子ビームでもよい）を照射し、正極集電板４の円弧状凸部４２の外周面を芯体端縁３８に溶接した。また、上記正極側と同様にして、負極集電板２を負極側の芯体端縁３９に溶接した。
その後、両集電板２、４を取り付けた渦巻電極体３を、外装缶１内に収容した後、集電板４の中央孔４４及び渦巻電極体３の中心の空間部１１に、図示しない溶接電極を挿入して負極側の集電板２の中央部４７を外装缶１の内側の底面にスポット溶接した。

しかる後、図７に示すように、封口板５の本体部５１の下面（電池内部側の面）に設けられた板状の接続用突起５３、５４の外側面に、正極集電板４の平板状本体４１から延設された短冊状のリード部４５、４６をそれぞれ配置した後、レーザビームを照射して、接続用突起５３、５４とリード部４５、４６とを溶接した。

最後に、支持塩としてのＬｉＰＦ₆を１モル／リットルの割合で含むエステル系有機電解液を外装缶１内に注入した後、外装缶１の開口部に、周縁に絶縁ガスケット６１を嵌めた封口板５を配置し、更に、外装缶１の上方端を内側にかしめて電池を封口することにより、図５に示す状態のリチウムイオン二次電池を作製した。

（実施例）
実施例としては、前記発明を実施するための最良の形態で示したリチウムイオン二次電池を用いた。
このようにして作製した電池を、以下、本発明電池Ａと称する。

（比較例）
図８及び図９に示すように、封口板６の本体部５１の下面に板状の接続用突起を形成せず、且つ、正極集電板４には短冊状のリード部４６を１つだけ設けると共に、このリード部４６の先端部を本体部５１の下面に直接溶接すること以外は、実施例１と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。尚、図８及び図９において、上記本発明電池Ａと同一の機能を有する部材については同一の符号を付している。
このようにして作製した電池を、以下、比較電池Ｘと称する。

（実験）
上記本発明電池Ａと比較電池Ｘとにおいて、リード部の長さ、及び、正極集電板と封口板の溶接部との間の抵抗値（ＡＣ，１ｋＨｚ）を測定したので、その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、リード部４５、４６の長さについては、比較電池Ｘでは２５ｍｍ（図９のＬ２）であるのに対して、本発明電池Ａでは１５ｍｍ（図３のＬ１）であり、４０％程度低減されたことが認められる。これは、本発明電池Ａでは、封口板５の下面に板状の接続用突起５２、５３が設けられているので、リード部４５、４６と封口板５との溶接時に封口板５を傾けることなく（即ち、正極集電板４[外装缶１の開口面]と封口板５とが略平行状態を保ったまま、換言すれば、封口板５と渦巻電極体３の軸とが略垂直となるような状態で）溶接を行なうことができるので、正極集電板４の端面から延出するリード部の長さが小さくてすむ（本発明電池Ａでは３ｍｍ以下である）。これに対して、比較電池Ｘでは、封口板５の下面に板状の接続用突起が設けられていないので、リード部４６と封口板５との溶接時に封口板５を傾けながら（即ち、正極集電板４[外装缶１の開口面]と封口板５とが所定の角度[約９０°]を保ったまま、換言すれば、封口板５と渦巻電極体３の軸とが略平行となるような状態で）溶接を行なわなければならないので、正極集電板４の端面から延出するリード部の長さ大きくしなければならない（比較電池Ｘでは１３ｍｍである）という理由によるものである。

また、正極集電板４と封口板５の溶接部との間の抵抗値ついては、比較電池Ｘでは０．２５ｍΩであるのに対して、本発明電池Ａでは０．０８ｍΩであり、７０％程度低減されたことが認められる。これは、上記の如く、本発明電池Ａは比較電池Ｘに比べて、リード部４５、４６の長さ小さくなることに加え、本発明電池Ａはリード部４５、４６が２つ設けられているのに対して、比較電池Ｘではリード部４６が１つしか設けられていないので、比較電池Ｘに比べて本発明電池Ａでは、リード部４５、４６の断面積の合計が２倍になるという理由によるものと考えられる。

尚、比較電池Ｘについてもリード部を２つ形成することも考えられるが、上述の如く、比較電池Ｘではリード部と封口板との溶接時に封口板を傾けつつ行う必要があるため、２つめのリード部の溶接が極めて困難となるので、実用的ではない。

〔その他の事項〕
（１）上記実施例では、正極集電板のリード部を２つしか設けていないが、３つ、或いは４つ以上設けてもよい。このような構成とすれば、正極集電板と封口板溶接部との間の抵抗値が更に小さくなる。また、この場合には、図１０に示すように、封口板５の本体部５１に板状の接続用突起５３〜５６を、リード部の数に応じて設けるのが好ましい。更に、接続用突起としては、図１１に示すように、円弧状の接続用突起５７であってもよい。

（２）接続用突起とリードとの溶接は上記レーザ溶接法に限定するものではなく、超音波溶接法等であってもよい。
（３）本発明を適用できる電池としては、上記リチウムイオン二次電池に限定するものではなく、ニッケル−カドミウム蓄電池やニッケル−水素蓄電池といった他の種類の二次電池、或いは、乾電池、リチウム電池などの一次電池に対しても幅広く適用することができる。

本発明は、例えば携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ等の移動情報端末の駆動電源のみならず、電気自動車やハイブリッド自動車の車載用電源等の大型電池に適用することもできる。

本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池の分解斜視図である。 渦巻電極体の分解斜視図である。 正極集電板の斜視図である。 図１に示す封口体のＡ−Ａ線矢視断面図である。 本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池の要部断面図である。 正極集電板の円弧状凸部を正極側の芯体端縁に溶接する場合の説明図である。 封口板の本体部の接続用突起と正極集電板のリード部とを溶接する場合の説明図である。 比較電池において封口板の本体部と正極集電板のリード部とを溶接する場合の説明図である。 比較電池における正極集電板の斜視図である。 封口板の本体部における接続用突起の変形例を示す斜視図である。 封口板の本体部における接続用突起の別の変形例を示す斜視図である。

符号の説明

１：外装缶
２：渦巻状電極体
４：正極集電板
４５：リード部
４６：リード部
５：封口板
５１：本体部
５３：接続用突起
５４：接続用突起

Claims (7)

1. 正負両極を備えた電極体が有底筒状の外装缶内に収納され、この外装缶が上記正負両極のうち一方の極と電気的に導通されて一方の極の端子を構成すると共に、上記正負両極のうち他方の極とリードを介して電気的に導通されて他方の極の端子を構成する封口板が、上記外装缶とは絶縁状態で外装缶の開口部に固定された電池において、
   上記封口板における上記電極体側の面には、上記リードが溶接される接続用突起が電極体方向に設けられていることを特徴とする電池。
2. 上記正負両極のうち他方の極と直接接続された集電板が上記電極体と上記封口板との間に設けられ、且つ、上記集電板に上記リードの一端が固定されている、請求項１記載の電池。
3. 上記リードが複数設けられている、請求項１又は２記載の電池。
4. 上記封口板に安全弁が形成されている、請求項１〜３記載の電池。
5. 正負両極を備えた電極体を有底筒状の外装缶内に収納する第１ステップと、
   上記外装缶と上記正負両極のうち一方の極とを電気的に導通させると共に、上記正負両極のうち他方の極と電気的に導通されたリードと、封口板における上記電極体側の面に形成された接続用突起とを溶接する第２ステップと、
   上記封口板を、上記外装缶とは絶縁状態で外装缶の開口部に固定する第３ステップと、
   を有することを特徴とする電池の製造方法。
6. 上記第２ステップにおけるリードと接続用突起との溶接時に、上記リードの端部が上記外装缶の端部から露出する長さが３ｍｍ以下である、請求項５記載の電池の製造方法。
7. 上記第２ステップにおけるリードと接続用突起との溶接方法として、レーザ溶接法又は超音波溶接法を用いる、請求項５又は６記載の電池の製造方法。