JP2007059249A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の電極引出タブと電池蓋との溶接において、幅の狭い缶を用いる場合、２つの電極引出タブの間隙が確保できないという問題があった。この原因は、電極引出タブの幅が３〜４ｍｍであるため、正極及び負極の引出タブ間の短絡を防止しようとした場合、幅が２０ｍｍ以下の缶では正極及び負極の引出タブの間隙を確保することが困難または不可能であった。
【解決手段】 電極集合体から引き出された二次電池において、正極タブ２および負極タブ３の少なくともいずれか一方の電極集合体１の外部のタブの幅が電極集合体の内部のタブの幅より狭く、正極タブ２および負極タブ３は電極集合体形成後に狭く成型したものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、二次電池に関するものであり、特に二次電池の内部構造に関する。

小型の電子機器、たとえば、携帯電話機、デジタルカメラ等の電源として、小型で大容量のリチウムイオン電池等の二次電池が用いられている。また、電子機器の薄型化に伴い電池も薄型の機器に適した角型かつ薄型の二次電池がスペース効率が優れており、広く用いられている。

図９は、従来の二次電池の正極タブ、負極タブと電池蓋との接続構造を説明する図であり、図９（ａ）は正極タブ、負極タブと電池蓋との溶接後の説明図であり、図９（ｂ）は幅の狭い缶の正極タブ、負極タブと電池蓋との溶接後の説明図である。図１０は、従来の二次電池の電極集合体とタブの幅を説明する図である。図１１は、特許文献１の電極集合体とタブの幅の説明図である。

図９（ａ）に示すように、アルミニウム製の缶９を用いたリチウムイオン二次電池においては、正極、負極、セパレータ等からなる電極集合体１よりニッケル製の負極タブ３、およびアルミニウム製の正極タブ２がそれぞれ引出され、端子、安全弁５、注液用穴６等の組立後電池蓋１３と端子絶縁板８により絶縁された端子部と、負極タブ３を抵抗溶接により接続し、負極タブ３と正極タブ２間にタブ絶縁板７を配し、電池蓋４と正極タブ２をレーザー溶接により接続していた。

従来の電極引出タブ、すなわち正極タブ２および負極タブ３の電極集合体１との位置関係は、扁平形状に巻回した電極集合体の場合を一例として、図１０に示すように、電極集合体１の幅Ｗ１２が１６ｍｍ、厚さＷ１１が６ｍｍの場合、電極引出タブが設置できる電極集合体１の側面がほぼ平面となる平面幅Ｗ１３は巻回形状の関係から１０ｍｍとなる。電極引出タブの幅Ｗ１が４ｍｍとした場合、電極引出タブが設置できる残り寸法が２ｍｍとなる。しかし、電極引出タブの位置精度が必要となり例えば位置精度を±１．５ｍｍとすると、図９（ｂ）に示すように、正極タブ２と、負極タブ３が重なる可能性があり、設計上平面幅Ｗ１３の範囲に電極引出タブを配置できないとういう問題がある。

即ち、扁平形状に巻回した電極集合体の場合、電極引出タブの幅がそれぞれ４ｍｍ、電極集合体１の厚さＷ１１が６ｍｍの場合には、幅Ｗ１２が２０ｍｍ以下の電極集合体１を用いた幅の狭い缶の場合、正極タブ２及び負極タブ３の引出タブ間の間隙を確保することが困難または不可能であるため正極タブ２と負極タブ３間で短絡の可能性があった。

一方、特許文献１には、密閉型電池において電極集合体１の内部の電極引出タブの幅を狭くして、電極集合体の圧縮処理時のセパレータの劣化を防止する構造について記載されている。

図１１に示すように、特許文献１において電極集合体１の内部のタブ幅Ｗ２，Ｗ２ａ，Ｗ２ｂについては電極集合体１の外部のタブ幅Ｗ１より小さくＷ１＞Ｗ２となり、さらに、内部のタブが二股に分かれている場合でも二股のタブの幅Ｗ２ａ、Ｗ２ｂを合わせたものは外部のタブ幅Ｗ１より小さく、Ｗ１＞（Ｗ２ａ＋Ｗ２ｂ）の関係がある。特許文献１に記載された電極引出タブの形状の場合は、電極集合体１内の電極引出タブの幅を狭くすることにより、電極集合体１の圧縮処理時のセパレータの劣化を防止しているが、電極引出タブ部分の幅が狭いため、圧縮処理時にはタブ部分のセパレータにおけるダメージが非常に大きくなり、タブ溶接部分のバリがセパレータを突き破ることにより内部短絡を引き起こす場合がある。

特許文献１のように、電極集合体１の内部のタブ幅Ｗ２を外部のタブ幅Ｗ１より小さくした場合でも、外部のタブ幅Ｗ１が４ｍｍとすると、電極集合体１の厚さＷ１１が６ｍｍの場合には、電極集合体１の幅Ｗ１２が２０ｍｍ以下の場合は、タブの位置精度を±１．５ｍｍとすると、設計上 正極、負極の引出タブが重なり、電極引出タブが配置できないとういう問題がある。

特開２００３−２８８８８２号公報

従来技術による電極引出タブの構造では、幅の狭い形状の電池に対応する電極引出タブ付きの電極集合体は、正極タブ、負極タブが短絡する可能性があるため組み立てることができず、また、電極集合体内部の電極引出タブの幅を狭くした場合には、電極集合体の圧縮処理時にセパレータが損傷する恐れがあった。

このような状況下において、本発明の課題は、幅の狭い電極集合体であっても正極タブと負極タブとの間隙が確保されることにより、タブ間での短絡防止だけでなく容易に組立可能な二次電池を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明の二次電池は、正極タブおよび負極タブが電極集合体から引き出された二次電池において、前記正極タブおよび前記負極タブの少なくとも一方は前記電極集合体の外部でのタブ幅が電極集合体の内部でのタブ幅より狭いことを特徴とする。また、前記正極タブおよび前記負極タブの少なくとも一方は前記電極集合体の外部でのタブが前記電極集合体形成後に狭く成型したものであることを特徴とする。また、前記正極タブおよび前記負極タブが電池蓋に接続されていることを特徴とする。また、前記正極タブおよび前記負極タブ間に絶縁体を有し、ラミネート材で外装したことを特徴とする。

本発明の二次電池によれば、電極集合体内の電極引出タブ幅が広いためタブの厚さが同じであれば、電池体積容量密度の面では不利であるが、電極集合体の圧縮処理時は電極集合体の広い面全体で圧力を受けるためダメージは均一化され、また幅の狭い電池を提供できる。また、通常の幅の二次電池においても、電極集合体に取り付ける電極引出タブの取付位置の許容範囲が広くできるため、組立歩留の良い二次電池を提供することができる。

本発明の実施の形態による二次電池について、以下に説明する。本発明の二次電池は、電極引出タブを電極集合体から引き出すに際し、幅の広い５ｍｍ〜１５ｍｍの電極引出タブを用いて巻回した電極集合体を作成した後、電極引出タブは金型により最適形状に打ち抜かれ、その後、電極引出タブ間に短絡防止用の絶縁体を配置し、組立られた二次電池である。

図１は、本発明の実施例１の巻回後の電極集合体の説明図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図、図１（ｃ）は側面図である。図２は、電極集合体の負極タブ及び正極タブを金型にて打抜いた後の説明図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は正面図である。図３は、本発明の実施例１のアルミニウム缶を使用した二次電池における電極引出タブと正極蓋との位置関係の説明図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は正面図である。図４は、電極集合体の電極引出タブの幅を表す説明図であり、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）、図４（ｃ）は正面図である。図５は、成形後の電極引出タブの幅を表す説明図であり、図５（ａ）は電極引き出しタブを中心に配置した図、図５（ｂ）、図５（ｃ）は電極引出タブを端部に配置した図である。

図１に示すように、幅が狭い電極集合体を作製するため、電極集合体１より引出される正極タブ２及び負極タブ３は通常より広いものを使用している。電極集合体１は、巻回機により作製されるが、タブの位置決め精度は通常±１．５ｍｍ前後であるため、電極集合体１の幅Ｗ１２が２０ｍｍ以下の狭い電極集合体の場合は、電極集合体１の厚さＷ１１が６ｍｍの場合幅の制約により前記のタブ位置精度を確保できないため、ずれを加味して本実施例においては通常よりも広い５ｍｍ〜１０ｍｍを使用する（図４参照）。

幅Ｗ３が６ｍｍ高さ２０ｍｍ厚さ０．１ｍｍの正極タブ２を接続した正極集電体と、幅Ｗ３が６ｍｍ高さ２０ｍｍ厚さ０．１ｍｍの負極タブ３を接続した負極集電体とをセパレータを介して正極タブ２と負極タブ３の中心が、それぞれ電極集合体の中心から左右に６ｍｍずれるように巻回機を用いて扁平状に成型した後、圧縮し、幅１６ｍｍ高さ４０ｍｍ厚さ６ｍｍの電極集合体１を形成する（図４参照）。

その後、図２に示すように、電極集合体１の外部の正極タブ２と負極タブ３をそれぞれ幅２ｍｍタブ間の間隔４ｍｍに設定し、正極タブ・負極タブの位置が重ならない位置関係としたうえで、金型で切断、成型する。この結果、正極タブ２と負極タブ３の位置精度は良く、寸法のばらつきが小さいものとなる。

次いで、図３に示すように、位置精度良く成形された二つのタブを持つ電極集合体１は、２つのタブ位置決めと短絡防止用のタブ絶縁板７を設置した後、正極タブ２は注液用穴６と端子１０の間の電池蓋４にレーザー溶接にて接続し、また負極タブ３は端子１０に抵抗溶接にて接続する。

ここで、正極タブ２と負極タブ３の幅を説明すると、図４に示すように、電極集合体１の幅Ｗ１２が２０ｍｍ以下の場合、電極集合体１に電極引出タブを取付可能範囲は平面幅Ｗ１３である。電極集合体１の厚さＷ１１が８ｍｍの場合、平面幅Ｗ１３＝（２０−８）ｍｍ＝１２ｍｍとなる。

電極引出タブの幅Ｗ３はＷ１３より狭いため、電極集合体１に取付可能である。また、成形後のタブ幅Ｗ１は従来例と同じく通常３〜４ｍｍであり、電池の組立は従来と同様に製造することが可能である。

成形後のタブ位置は大きく分けて２種類ある。図４（ｂ）、図４（ｃ）に示す２種類のタブ位置について説明する。図４（ｂ）は、負極タブを電極集合体１の中心に配置した場合で、この場合の負極タブは、図５（ａ）に示すように、成形後のタブ位置は中心に配置される。図４（ｃ）は、正極タブ・負極タブのいずれも電極集合体１の外側（Ｗ１３の範囲内）に配置した場合である。この場合には、図５（ｂ）、図５（ｃ）に示すように、成形後のタブ位置は端部に配置される。この配置は、電池蓋４に取り付ける安全弁５と端子１０の配置により使い分けることが必要である。

図６は、本発明の実施例２の電池外装材としてラミネート材を使用した二次電池における電極引出タブの位置関係を表す説明図であり、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は正面図、図６（ｃ）は側面図である。

実施例１と同様に、幅１５ｍｍ高さ４０ｍｍ厚さ３ｍｍの電極集合体１を形成し、その後、電極集合体１の外部の正極タブ２と負極タブ３をそれぞれ幅２ｍｍタブ間の間隔８ｍｍに成型した。

次いで、図６に示すように、金型にて切断成形された二つのタブの内、負極タブ２は、ラミネート材による外装のために正極タブ３と同一平面上の位置となるように、金型による切断成形と同時に折り曲げ成形する。その後、ラミネート材１１により、タブ引き出し辺を除く三辺のラミネート材を封止し、電解液を注入した後、最後の一辺のタブ引き出し辺を封止しラミネート材による外装を完成する。

図７は、本発明の実施例３の電池外装材としてラミネート材を使用した二次電池の電極引出タブを金型にて打抜いた後、絶縁体を設けた後の説明図であり、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は正面図である。図８は、負極タブ及び正極タブを金型にて打抜いた電極集合体とラミネート材との位置関係を示す説明図であり、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は正面図、図８（ｃ）は側面図である。

実施例１と同様に、幅１８ｍｍ、高さ４０ｍｍ、厚さ６ｍｍの電極集合体１を形成し、その後、電極集合体１の外部の正極タブ２と負極タブ３をそれぞれ幅３ｍｍタブ間の間隔８ｍｍに成型した。

次いで、図７に示すように、電池集合体１から引き出された、正極タブ２と負極タブ３の間に、幅１８ｍｍ、高さ１ｍｍ、厚さ３ｍｍの絶縁体１２を、正極・負極タブ間の短絡防止を目的として配置する。この際、正極タブと負極タブ間に確実に配置すること、電極集合体１に密着して配置すること、が必要である。絶縁体１２の材質としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ＰＦＡなどの樹脂成形品及びテープが上げられる。

その後、図８に示すように、金型にて成形された二つのタブの内、負極タブ２は、ラミネートのために正極タブ３と同一平面上の位置となるように折り曲げ成形されている。正極タブ３と負極タブ２の間には絶縁体１２が配置されており、正極タブ３を折り曲げても負極タブ２と短絡することは無く組立時の歩留りが向上できる。その後、実施例２と同様にラミネート材による外装を完成する。

実施例２は、電極集合体の厚さが薄い、例えば３ｍｍ以下の場合に採用する手段である。電極集合体の厚さが薄い場合は、厚い場合よりも正極タブと負極タブ間の間隔を広く取ることが可能であるため、実施例３のような短絡防止の絶縁体は必要ない。ただし、電極集合体の幅が狭い場合に短絡防止を図る場合は、正極タブまたは負極タブのいずれかに絶縁用のテープ例えばポリプロピレン、ポリエチレン、ＰＦＡなどを巻きつけることが有効である。

本発明の実施例１、実施例２、実施例３において、二次電池は特に限定していないが、たとえばリチウムイオン二次電池、その他に適用できる。

本発明の実施例１の巻回後の電極集合体を示す図、図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）は、その説明図。 電極集合体の負極タブ及び正極タブを金型にて打抜いた後を示す図、図２（ａ）、図２（ｂ）は、その説明図。 電極引出タブと正極蓋との位置関係を示す図、図３（ａ）、図３（ｂ）は、その説明図。 電極集合体の電極引出タブの幅を表す図、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）は、その説明図。 成形後の電極引出タブの幅を表す図、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）は、その説明図。 本発明の実施例２の電池外装材としてラミネート材を使用した二次電池における電極引出タブの位置関係を表す図、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）は、その説明図。 本発明の実施例３の電池外装材としてラミネート材を使用した二次電池の電極引出タブを金型にて打抜いた後、絶縁体を設けた後を示す図。図７（ａ）、図７（ｂ）は、その説明図。 負極タブ及び正極タブを金型にて打抜いた電極集合体とラミネート材との位置関係を示す図。図８（ａ）、図８（ｂ）は、その説明図。 従来の二次電池の正極タブ、負極タブと電池蓋との接続構造を示す図。図９（ａ）、図９（ｂ）は、その説明図。 従来の二次電池の電極集合体とタブの幅の説明図。 特許文献１の電極集合体とタブの幅の説明図。

符号の説明

１ 電極集合体
２ 正極タブ
３ 負極タブ
４ 電池蓋
５ 安全弁
６ 注液用穴
７ タブ絶縁板
８ 端子絶縁板
９ 缶
１０ 端子
１１ ラミネート材
１２ 絶縁体
１３ 組立後電池蓋

Claims (4)

1. 正極タブおよび負極タブが電極集合体から引き出された二次電池において、前記正極タブおよび前記負極タブの少なくとも一方は前記電極集合体の外部でのタブ幅が電極集合体の内部でのタブ幅より狭いことを特徴とする二次電池。
2. 前記正極タブおよび前記負極タブの少なくとも一方は前記電極集合体の外部でのタブが前記電極集合体形成後に狭く成型したものであることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
3. 前記正極タブおよび前記負極タブが電池蓋に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の二次電池。
4. 前記正極タブおよび前記負極タブ間に絶縁体を有し、ラミネート材で外装されたことを特徴とする請求項１または２に記載の二次電池。

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