JP2008066075A - 非水電解質二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】量産性に優れ、かつ電池内の抵抗が低い高性能な非水電解質二次電池を提供すること。
【解決手段】箔状の正極１と負極２の間にセパレータ３を挟みこんで巻回された電極群４と、電極群の幅方向の端部と電気的導通を図る導電部材５と、を備えた非水電解質二次電池において、導電部材５は、巻回電極群４の中央部から外周部の端部に当接する放射形状の複数の足部５ａが形成され、足部は、放射形状の先端部がその中央部よりも巻回電極群の端部寄りになるように傾斜した構造であり、導電部材５の足部５ａと電極群の端部とが溶着されている。また、電極群の幅方向端部は、導電部材の足部に対向する部分で、電極群中央部側に折れ曲がって当接している。
【選択図】図１

Description

本発明は、非水電解質二次電池の電極群と導電部材の接続構造に係わり、特に、電気自動車等に用いられる高出力、高密度の非水電解質二次電池の電極群と前記電極群との電気的な導通を図る導電部材の形状及び溶着構造に関する。

現在のハイブリッド自動車等に搭載されている二次電池は、ニッケル水素電池が主流であるが、今後は高出力で高密度のリチウムイオン電池（非水電解質二次電池）が普及すると予測されている。そのため、非水電解質二次電池には、高密度化及びハイブリッド自動車等の普及に伴い電気抵抗の低減、小型・軽量化のみならず、量産性向上も重要な課題となっている。

リチウムイオン電池は、活性物質が塗布された帯状の正極（数〜数十ミクロンの厚さ）と負極間に樹脂製のセパレータを挟んで渦巻き状に巻かれた電極群とこれらが浸される電解液、前記電極群と電気的に導通した導電部材、さらに外部への導通を図る部材、収納用の電池ケースから構成される。電極群と導電部材との電気的な接続構造は、負極及び正極の端部に設けられたタブと呼ばれる耳状の部材を収束して、その収束部と導電部材とを溶接（溶着）する構造が一般的である。なお、電極群と導電部材とは、電池内の電気抵抗を低減するために、渦巻き状に巻かれた電極群の中心部から外周部の全ての箇所で電気的に接続する必要がある。

このような電極群と導電部材との接続構造としては、たとえば、特許文献１に示すように、電極群の一部を収束し、収束した電極群の断面形状と同じ断面形状を有する導電部材を用いて、レーザ溶接で溶着する事例が既に提案されている。また、正極及び負極の端部に、円弧状に突出した形状の電流取出部を形成し、その電流取出部に導電部材（たとえば、リード線）を溶着する構造が、例えば、特許文献２に開示されている。さらに、電極群と導電部材の接続における従来技術として、正・負極板をセパレータで巻回した発電要素の上下端面に導電端縁を突出させ、集電体を端面に当接し溶接することが、例えば、特許文献３に提案されている。
特許第３７０２３０８号 特開平１１−７３９９５号 特開平７−１４５６９号公報

しかしながら、上記特許文献１，２に開示されているように、負極及び正極の端部にタブを設けて、前記タブを収束して導電部材と溶接する構造では、タブの加工及びタブの収束に時間を要し、その結果量産性を向上することが難しかった。また、タブの加工の際に切り取った部材は、廃棄材料となるため材料に無駄が生じやすかった。さらに、タブ加工に伴うコンタミにより、渦巻き状に巻いている電極群内で接触不良を引き起こすことが懸念されていた。さらに、上記特許文献１，２に示した構造では、電極群を収束する工程や収束部材に見合った断面形状を有する導電部材を製作する必要があり、製造工程が増えることになる。

また、上記特許文献３に開示された正負極板における上下端面の導電端縁と集電端子との接続は、集電端子が櫛歯とスリットからなる複雑な構造を前提にしており、製造工程の複雑化、増加という課題が生じる。

本発明の目的は、生産性に優れ、かつ電気抵抗が低い電極群と導電部材とを接続する接続構造、及び量産性、信頼性に優れた導電部材の構造を提案することにある。

前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
箔状の正極と負極の間にセパレータを挟みこんで巻回された電極群と、前記電極群の幅方向の端部と電気的導通を図る導電部材と、を備えた非水電解質二次電池において、
前記導電部材は、前記巻回電極群の中央部から外周部の端部に当接する放射形状の複数の足部が形成され、前記足部は、放射形状の先端部がその中央部よりも前記巻回電極群の端部寄りになるように傾斜した構造であり、前記導電部材の足部と前記電極群の端部とが溶着されている非水電解質二次電池。

また、前記非水電解質二次電池において、前記電極群の幅方向端部は、前記導電部材の足部に対向する部分で、電極群中央部側に折れ曲がって当接している非水電解質二次電池。

本発明によれば、電極群に導電部材との電気的な接続を図るための電流取り出し部の加工を施す必要がなく、生産性が飛躍的に向上する。また、電極群端部の剛性による反力を最小とした状態で、導電部材を溶着することが可能となり、電極群と導電部材との安定した接続構造を提供することができる。

また、電極群と導電部材とは安定した接続をしているので、電池内の電気抵抗を格段に減少することができ、電池の放電容量を増大することができる。さらに、電極群の端部が平面であるので、電極群と導電部材との接続部（溶着部）を小さくすることができ、体積効率を高めることができる。

本発明の実施形態に係る非水電解質二次電池について、図１〜図８を参照しながら以下詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係る非水電解質二次電池における電極群と導電部材を含む斜視図である。図２は本実施形態に係る非水電解質二次電池における電極群と導電部材の溶着状態を示す断面図である。図３は本実施形態に係る非水電解質二次電池における電極群と導電部材の接触状態を示す断面図である。

また、図４は本実施形態に係る非水電解質二次電池における巻回された電極群の変形状況を説明する見取図である。図５は本実施形態に係る非水電解質二次電池における導電部材の一の構成例を示す図である。図６は本実施形態に係る非水電解質二次電池における導電部材の他の構成例を示す図である。図７は本実施形態に係る非水電解質二次電池における導電部材の別の構成例を示す図である。図８は本実施形態に係る非水電解質二次電池における導電部材の種々の断面形状を示す図である。

本発明の実施形態に係る非水電解質二次電池としてリチウムイオン電池を例として取り上げて、本発明の実施形態について以下説明する。

まずはじめに、本実施形態に係る非水電解質二次電池の一例としてのリチウムイオン電池に関する動作原理について簡単に説明する。正極及び負極は金属製の箔（例えば、正極はアルミニウム、負極は銅）に電極材料（活性物質）が塗布された構造を有し、正極はＬｉＣｏＯ_２やＬｉＭｎ_２Ｏ_４、負極はＣからなり、これらの正極と負極はＬｉイオンを含んだ有機電解液に浸されている。

正極及び負極に用いられている活性物質は、Ｌｉイオンの受け渡しが可能な特性を有しており、Ｌｉイオンが結晶中の原子間に出入りすることで、電池として動作する。

図１に本実施形態に係る非水電解質二次電池の一例としてリチウムイオン電池の斜視図を示し、リチウムイオン電池の正極側を示したものである。リチウムイオン電池は、正極１及び負極２の間にセパレータ３ａ，３ｂを挟み込んで巻かれた電極群４と、電極群４の端部と電気的に導通するために溶着された導電部材５と、蓋６と、電池容器７と、絶縁を兼ねたパッキン８と、から構成される。

次に、本実施形態に係るリチウムイオン電池の製造方法について説明する。正極１は厚さ２０μｍのアルミニウム箔、負極２は厚さ１０μｍの銅箔からなり、これらの表面には電極材料が塗布されている。本実施形態では、正極１には約粒径１０μｍのＬｉＭｎ_２Ｏ_４の粉末に、粒径数μｍの炭素粉末と結着剤のポリフッ化ビニリデンを溶媒に分散させたものを塗布し、一方、負極には粒径２０μｍの炭素粒子と結着剤を溶媒に分散させた混合物を塗布した。塗布法はローラを用いた転写法とし、正極１及び負極２の幅方向（図示する方向）の片側に未塗布部（図示する部位）を形成するように帯状に塗布した。なお、上述した活性物質はこれに限るものではない。

塗布後は乾燥処理を施し、正極１及び負極２を、塗布部の幅が約９０ｍｍになるように一端を切断した。次に、厚さ２５μｍのポリエチレン製微多孔薄膜であるセパレータ３ａ，３ｂを介して、正極１、セパレータ３ａ、負極２、セパレータ３ｂが積層した状態で渦巻き状に巻いて電極群４を製造した。ここで、電極群４の一方の端部は、正極１の活性物質の未塗布部（図示する部位であってセパレータから突出している突出部）、もう一方の端部は負極の活性物質の未塗布部が飛び出すように捲回した（不図示）。この未塗布部（突出部又は端部）が導電部材５との電気的な接続部となる。

次に、未塗布部（突出部又は端部、以下突出部と称する）の電極群４の端縁（先端部分）に導電部材５を押し当て、レーザ溶接法で溶着した（図２を参照）。その後は、電極群４と導電部材５を金属製の円筒状電池容器７内に収納し、電池容器７に電解液を注入後、電池容器７の内周部にパッキン８を設置し、蓋９をかしめて締結した。最後に、蓋９の中心部に設けた孔９から突き出た導電部材５の中央部の周囲をレーザ溶接した。なお、負極側の構造は図示していないが、ほぼ同様な形状を有している。

次に、本実施形態に係る非水電解質二次電池における導電部材の形状と作用について説明する。図２に渦巻き状に巻かれた電極群４と導電部材５の溶着部の断面を示す。図２は電極群４の断面を模式的に示したもので、セパレータは図示していない。図２に示すように、電極群４の端縁（電極群の突出部の先端部分）はほぼ平面であり（図２の（１）に示すように、正極１の先端部分は、電極群４の巻回軸の内周側から外周側に亘って当該軸に直交する平面に揃って位置している）、その電極群の先端部分の平面形状に対して導電部材５の傾斜した足部５ａ（図１の図示例では８本の足部）をＬ１の方向に押しつけると（図２の（２）を参照）、電極群４の突出部（未塗装部）にはＬ２の方向、すなわち巻回電極群４の中心側へすべるように電極群４の突出部が折り曲がるようになる。

ここで、導電部材５をＬ１の方向に押しつけると導電部材５の足部５ａ（電極群の巻回軸の中心から放射状に延びた複数の足形状のものであって、電極群先端部分の面に対して傾斜しているもの）が電極群４の先端部分の平面に対して傾斜しているので、電極群４にはわずかであるが、Ｌ２の方向へ折り曲がる力が作用している。その結果、電極群４の突出部は折り曲がり、電極群４と導電部材５は図２の（２）に示した形状のように接触する。なお、図２の（２）では、足部５ａは傾斜しているが、Ｌ１方向の押し付けによって足部５ａが結果的にほぼ平面になっても本実施形態の技術思想の範囲内である。

図３に導電部材５と電極群４との接触状態を示す。図３の（１）に示すように導電部材５が電極群４と垂直に接触する場合（導電部材の足が傾斜していない場合）は、電極群４の端部は座屈するような形状で接触するが、一方、図３の（２）に示すように、導電部材５の足部５ａが傾斜している場合には、中心側へすべるように電極群４が折り曲がる。

ここで、電極群４の突出部は、図３の（３）に示すように予めコの字型に折り曲げた形状としても良い。この場合には図示するように電極群の突出部が変形して導電部材の足部５ａと当接状態となる。さらには、電極群４の突出部は、予め折り曲がりやすいように中心側に変形させておいても良い。なお、本実施形態では、３ｋＷのレーザ溶接機を用いて電極群４と導電部材５とを溶着した。溶着後の溶接状態を破壊検査及び断面観察により実施した結果、電極群４と導電部材５は良好に溶着していた。

次に、本実施形態の導電部材５の作用について説明する。図４に電極群４の変形の様相を示す。図示するように、電極群４は巻回された状態であるため、電極群の先端部分（図示例では上方側の先端部分）は、外周側には変形しにくいが内周側には容易に変形しやすい属性をもっている（電極群の先端部分が中心方向には倒れ込み易い）。また、電極群４の先端部分の全周面を内周側に変形することは難しく、先端部分面内の一部分のみであれば容易に変形することができる。すなわち、導電部材５に導電用の傾斜した足部５ａを設けることで、確実に且つ容易に電極群４と導電部材５とを接触させることができる。なお、足部５ａを傾斜させない水平構造として電極群の先端部分面の鉛直方向からと押し付けると電極群の先端部分は変形し難い。

電極群４の先端部分の面精度は、電極群４を製造する装置制約上、完全な平面に形成することができない。それゆえ、電極群４の先端部分表面は、０．１〜０．５ｍｍ程度の凹凸を有している。一方、電極群４として形成した後の先端部分は巻いているため、軸方向の剛性が強く、加圧しても変形しにくい。すなわち、平面を有する導電部材（たとえば、円板）を電極群４の端部に鉛直方向から押しつけても、導電部材５と電極群４とを密着させることができない（先端部分表面の凹凸のため）。たとえば、５〜１０ｋｇ程度の荷重で押しつけても完全に導電部材と電極群とを密着させることができないことを確認している。そのため、導電部材５と電極群４とを接触していない状態で溶着しても、導電部材５と電極群４にはクリアランスが生じているので、溶接不良が生じてしまう。

そこで、本実施形態に示したように、導電部材５に放射状に傾斜した足部５ａを設け、足部５ａと電極群４との先端部分を接触させると、電極群４は巻いているため外周側には変形しにくいが、内周側には容易に変形するので、良好に電極群４と導電部材５が接触することが可能となる。すなわち、導電部材５の足部５ａが傾斜していない場合は、導電部材５と電極群４は、クリアランスが生じる場合があり、さらに接触していても線で接触しているため溶接不良が生じやすい。一方、導電部材５の足部５ａが傾斜している場合は、導電部材５と電極群４は面で接触するので、安定した溶接が可能となる。

次に、導電部材５の形状と材質について説明する。導電部材５は、正極１及び負極２の材質と溶接性や電気抵抗の点から、同一な材質であることが好ましい。たとえば、正極１の場合は電気抵抗の低い高純度のアルミニウムが好ましい。また、負極２に用いる導電部材の場合は、銅であることが好ましいが、この場合はレーザの反射率が大きいので、表面にニッケルめっきやニッケルと銅のクラッド材を用いて導電部材５を加工すると良い。また、導電部材５の足部５ａの断面形状は、円形に限らず、たとえば、図５に示すように平板をＶ型に折り曲げた形状としても良い。図５に示した構成例は、厚さ０．５ｍｍの純アルミニウムを成形したものである。

さらには、図６に示すように、導電部材５の足部５ａは針金のような形状でも良い。この場合は、電極群４と針金部の接触部には適度な厚さの箔１０（例えば０．１〜０．３ｍｍ）を設けて同時に溶着させても良い。さらに、図７に示すような形状でも良い。図７に示す導電部材５は、電極群４と接触する足部５ａが傾斜しており、図１と同様な効果を有している。図７で、足部５ａを互いに連結する環状部材は足部の強度補強用であり、円形の孔は電解液の注入孔である。また、図８に導電部材５の足部断面の形状の一例を示す。導電部材５の足部５ａは、電極群４の端部表面と接触しやすいように丸型、Ｖ型及び矩形状の断面をとしても良い。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る非水電解質二次電池は、次のような構成と機能を備えていることを特徴とするものである。すなわち、活性物質の塗布された箔状の正極と負極間に樹脂製のセパレータを挟みこんで巻かれた電極群と、前記電極群の端部表面と電気的な導通を図る導電部材を有する非水電解質二次電池おいて、前記導電部材には、電極群の端部表面の中心から外周方向に向かって接触する複数の足部が放射状に設けられ、かつ前記足部と電極群の端部表面で溶着している。また、前記電極群の足部は、中心部に比べ外周部が低くなるように傾斜し、さらに、前記電極群の足部の断面は、電極群の端部表面と接触しやすいように丸型、Ｖ型及び矩形状等の断面を有している。これにより、電極群と導電部材は良好に接触することができ、低抵抗で高信頼な接続構造を提供できる。また、導電部材との溶着以前における前記電極群の端部はほぼ平面としている。これにより、渦巻き状に巻いた電極群に導電部材との接続用の加工を施す必要がない。

また、活性物質が塗布された箔状の正極と負極間にセパレータを挟みこんで巻かれた電極群と、前記電極群の端部表面と電気的な導通を図る導電部材を有する非水電解質二次電池おいて、前記電極群の端部はほぼ平面であり、前記平面部に導電部材を溶着している。また、前記電極群と導電部材との溶着部は、電極群の端部の一部が折り曲がり、かつ外周側より中心側が高くなる状態で折り曲がった状態で溶着している。これにより、電極群端部の剛性による反力を最小とした状態で、導電部材を溶着することが可能となり、電極群に導電部材との接続用の加工を施す必要がない。

以上のように、本発明の実施形態における電極群と導電部材を採用すると、従来のような電極群に導通用タブの形成や導電を図るための特別な加工を施す必要がないので、電極群の量産性が向上し、さらには導通用タブの形成に伴うコンタミ発生等がなく、電極群の加工歩留まりが飛躍的に向上する。また、電極群と導電部材が小さな力で良好に接触することができるので、溶接不良を低減でき、良好な性能を得ることができる。

本発明の実施形態に係る非水電解質二次電池における電極群と導電部材を含む斜視図である。 本実施形態に係る非水電解質二次電池における電極群と導電部材の溶着状態を示す断面図である。 本実施形態に係る非水電解質二次電池における電極群と導電部材の接触状態を示す断面図である。 本実施形態に係る非水電解質二次電池における巻回された電極群の変形状況を説明する見取図である。 本実施形態に係る非水電解質二次電池における導電部材の一の構成例を示す図である。 本実施形態に係る非水電解質二次電池における導電部材の他の構成例を示す図である。 本実施形態に係る非水電解質二次電池における導電部材の別の構成例を示す図である。 本実施形態に係る非水電解質二次電池における導電部材の種々の断面形状を示す図である。

符号の説明

１ 正極
２ 負極
３ａ，３ｂ セパレータ
４ 電極群
５ 導電部材
５ａ 足部
６ 蓋
７ 電池ケース
８ パッキン

Claims (6)

1. 箔状の正極と負極の間にセパレータを挟みこんで巻回された電極群と、前記電極群の幅方向の端部と電気的導通を図る導電部材と、を備えた非水電解質二次電池において、
   前記導電部材は、前記巻回電極群の中央部から外周部の端部に当接する放射形状の複数の足部が形成され、
   前記足部は、放射形状の先端部がその中央部よりも前記巻回電極群の端部寄りになるように傾斜した構造であり、
   前記導電部材の足部と前記電極群の端部とが溶着されている
   ことを特徴とする非水電解質二次電池。
2. 請求項１において、
   前記電極群の幅方向端部は、前記導電部材の足部に対向する部分で、電極群中央部側に折れ曲がって当接していることを特徴とする非水電解質二次電池。
3. 請求項１または２において、
   前記導電部材の足部の断面は、丸型、Ｖ型または矩形状の断面であることを特徴とする非水電解質二次電池。
4. 請求項１、２または３において、
   前記足部に溶着された部位を除いて、前記電極群の端部はほぼ平面を形成していることを特徴とする非水電解質二次電池。
5. 活性物質の塗布された箔状の正極と負極の間にセパレータを挟み込むとともに正極又は負極の一方を幅方向に突出させて巻回し電極群を形成するステップと、
   放射形状の複数の足部を形成した導電部材を前記電極群の突出した端部に押し当てて前記突出した端部を電極群の中央部寄りに折り曲げるステップと、
   前記導電部材の足部と前記電極群の端部とを溶着するステップと、
   前記電極群と前記導電部材を電池容器に収納して前記電池容器に電解液を注入するステップと、からなる
   ことを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。
6. 請求項５において、
   前記突出した端部の折り曲げステップにおける導電部材の足部は、放射形状の先端部がその中央部よりも前記巻回電極群の端部寄りになるように傾斜した構造である
   ことを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。

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