JP2008192315A - 二次電池、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】集電板と捲回群とにギャップがあっても、溶接可能な構造を提供する。
【解決手段】正極集電板６にはくぼみ８が設けられており、このくぼみ８は、捲回群５とは反対側に設けられている。これらのくぼみ８のあいだに位置する溶接突起部９にレーザ光を照射して溶接する。このとき、正極箔１の端面の高さにはばらつきがあるので、正極箔１と正極集電板６とは必ずしも接触していない。溶接条件は、ＹＡＧレーザを用い、レーザ出力９００Ｗ、溶接速度２ｍ／分で、溶接突起部９を溶接する。
【選択図】図４

Description

本発明は二次電池、及びその製造方法に関し、特に、電池容器の内部に正極電極と負極電極とをセパレータを介して捲回した捲回群を電解液とともに収容し、該捲回群に充放電する電気を正極と負極の電極端子から外部へ取り出すことができる電池の構造に関するものである。

ハイブリッド自動車に用いられるリチウム二次電池は、よりパワーアシスト能力の大きい（大電流）電池が要求されている。そのため、大電流による発熱を抑制するため、電池内部の接続抵抗の低減が要求されている。この電池内部の接続抵抗を低減するためには、集電板と電池の捲回群との溶接点を多くする必要がある。

集電板と捲回群を溶接する従来の方法として、平板たる集電板を溶融させて重力により溶け落とす方法が知られている（特許文献１参照）。

特開２００４−１５８３９４号公報

しかしながら、特許文献１で示された方法では、集電板が平板であるため、重力により溶け落とす長さには限界がある。特許文献１の図３には、集電板を捲回群に押し付けて接触点を増やすことが示されているが、捲回群端面の金属箔の高さばらつきが大きいと、数電板を押し付けても張力によって金属箔は十分に折れ曲がらず、接触点を十分に増やして溶接することができないという問題がある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、集電板と捲回群とにギャップが大きくても、溶接可能な継手構造を用いて集電板を取り付けて構成された二次電池及びその製造方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明による二次電池は、電池容器の内部に正極電極と負極電極とをセパレータを介して捲回した捲回群を電解液とともに収容し、捲回群に充放電する電気を正極と負極の電極端子から外部へ取り出すことができる構造で、捲回群の少なくともいずれか一方の端部には、正極あるいは負極の金属箔が突出しており、この突出した金属箔の端縁と集電板とが溶接されて構成される二次電池に関するものである。そして、溶接前の集電板には、複数のくぼみが形成されており、そのくぼみの間の凸部分を溶接することによって集電板と金属箔が接続されている。また、溶接後の集電板の溶接箇所は、集電板において凹部を形成している。つまり、上記凸部分を溶接すると、その部分の金属（溶接金属）が重力によって溶け落ちて金属箔と接触することができ、この溶接金属が固まることによって集電板と金属箔との接続が確保される。なお、集電板の溶接箇所は、集電板上で同一方向に形成され、また、捲回群の２箇所の外周端を結ぶように形成されている。

さらに、集電板の外周側の一部は、捲回群側に折り曲げて形成された外周折り曲げ部を有している。また、集電板の内周部には打ち抜かれて形成された孔があり、この孔には捲回群側に折り曲げて形成された内周折り曲げ部がある。

本発明による二次電池の製造方法は、電池容器の内部に正極電極と負極電極とをセパレータを介して捲回した捲回群を電解液とともに収容し、捲回群に充放電する電気を正極と負極の電極端子から外部へ取り出すことができる構造を有し、捲回群の少なくともいずれか一方の端部から突出した正極あるいは負極の金属箔の端縁と集電板とを溶接してなる二次電池の製造方法に関するものである。そして、この製造方法は、特に、捲回群と接する面の反対側の表面に複数のくぼみを有する集電板を準備する工程と、くぼみの間の凸部を溶接箇所として溶接により溶かし、重力を利用して溶落すことにより、金属箔と集電板とを溶接する工程と、を備えることを特徴としている。

さらなる本発明の特徴は、以下本発明を実施するための最良の形態および添付図面によって明らかになるものである。

本発明によれば、集電板と捲回群とに大きいギャップがあっても安定した溶接品質を確保することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。

＜第１の実施形態＞
図１は、一般的な捲回群の展開図を示す図である。図１において、捲回群５は複数の部材を捲回したものである。捲回群５のうち、一つは両面に正極活物質２を塗布した正極箔（例えば、１０μｍ厚のアルミニウム箔）１、もうひとつは両面に負極活物質４を塗布した負極箔（例えば、銅箔）３であり、さらにこれらの間にセパレータ１０を挟んで捲回して捲回群５が構成されている。この捲回群５を電解液の中に入れることにより、充放電して二次電池として機能するようになる。

図２は、集電板６を捲回群５上に取り付ける前の状態を示す斜視図である。捲回群５の端面には正極箔１が捲回された状態で突出している。そして、二次電池として機能させるためには、捲回群５で充放電した電気を通電するため正極集電板６と正極箔１とを接続（溶接）する必要がある。

図３は、溶接前の集電板６が捲回群５上に載置された状態を示す斜視図である。また、図４は、図３におけるＡＢにおける断面図である。本実施形態による集電板６は、円板の端部を切り取った形状をなしており、集電板の中心穴３０の両側に線分ＣＤと平行（線分ＡＢと垂直）に２本の溶接突起部（凸線）９と４本のくぼみ（凹線）８を備えている。なお、配置された正極集電板６は厚さ１ｍｍのアルミニウム板であり、くぼみ８は例えば、幅１ｍｍ、深さ０．５ｍｍであり、機械加工で形成される。また、図４で示されるように、正極集電板６に設けられたくぼみ８は、捲回群５と接する面とは反対側の面に設けられている。そして、２本のくぼみ８の間に位置する溶接突起部９にレーザ光を照射して集電板６と正極箔１を溶接する。例えば、溶接条件は、ＹＡＧレーザを用い、レーザ出力９００Ｗ、溶接速度２ｍ／分である。

このとき、正極箔１の端面の高さにはばらつきがあるので、必ずしも正極箔１の端部全てと正極集電板６とは接触していない。仮に、くぼみ８が無い状態の平らな集電板の上表面からレーザ光を照射したとしても溶けた金属（溶接金属）の表面張力によって十分に溶けた金属が垂れ下がらず、端面高さのばらつきがある正極箔１には溶接金属が接触しない部分が生じる可能性がある。しかし、本実施形態では溶接突起部９の両側にくぼみ８が設けられているので、レーザ光照射によって溶接金属が受ける表面張力の影響を軽減することができ、溶けた金属は捲回群５に接触するのに十分に垂れ下がるのである（図７参照）。

図５は、図３のＣＤにおける断面図である。図５に示されるように、正極集電板６は、平板を捲回群５側に折り曲げて形成された内周折り曲げ部７と外周折り曲げ部１１を備えている。これらは、溶接変形を防止するために設けられている。つまり、正極集電板６は単なる平板だと溶接によって角変形やそり変形が生じる場合がある。しかし、上記折り曲げ加工によって正極集電板６に対して９０°に折り曲げると、集電板６に溶接時の変形を耐えうる程度の強度が備わるので、溶接変形のない溶接を実現することができる。なお、内周折り曲げ部７は、集電板となる平板を押出成形した後、真中を打ち抜いてプレス加工することにより形成され、外周折り曲げ部１１も押出材の外周をプレス加工することにより形成される。また、集電板６を押出成形するには、集電板６は左右対称であることが好ましい。

図６は、溶接後の状態を示す斜視図である。図６に示されるように、正極集電板６は、２本の溶接金属１２の位置（溶接突起部９に対応する位置）で溶接されている。このように第１の実施形態では、２本の溶接位置によって正極集電板６と捲回群５との接触点数を十分に確保することができるので、集電板６自体の大きさを大きくする必要はない。よって、集電板６を小型化でき、部品及び材料のコストを削減できる。また、第１の実施形態によれば、同一方向の溶接位置によって溶接を実行しているので、溶接回数を少なくすることができ、溶接中の二次電池を回転させる必要がない。よって溶接設備を簡単にすることができる。

図７は、図６のＥＦにおける断面図である。図７に示されるように、溶接突起部９をレーザ照射することによってその部分の金属が溶け、溶接金属１２が重力により溶け落ちる。上述のように、くぼみ８の作用によって表面張力の溶接金属１２に対する影響が軽減されるので、溶接金属１２は十分に溶け落ち、この作用によって正極箔１と正極集電板６とが溶接される。つまり、通常、正極箔１の端面高さのばらつきは０．５ｍｍあり、必ずしも全ての端面が正極集電板６と接触しているわけではない。これに対し、第１の実施形態では溶接金属１２の溶け落とし高さを０．５ｍｍ以上にすることができるので、正極箔１と正極集電板６との間に所定のギャップがあったとしても溶接可能となるのである。また、第１の実施形態では、溶け落として正極集電板６と正極箔１とを溶接するため、正極箔１を捲回したままの状態で溶接するのが特徴で、正極箔１と正極集電板６とがほぼ直角に溶接することができる。

図８は、図６のＧＨにおける断面図であり、溶接金属１２の中心の断面を示している。例えば正極箔１が１２ターン捲回されているとすると、溶接位置を捲回群５の外周端を結ぶ溶接に選定することにより、１本の溶接で、２４箇所の溶接をすることができる。溶接箇所が増えれば集電板６と正極箔１との接触箇所を増やすことができるので、正極箔１と正極集電板６との接続抵抗を低減することができる。このことは、上述のように、大電流の二次電池の場合に特に有効な技術的効果である。また、本実施形態によれば、１本の溶接で確実に２４箇所の接触箇所を確保できるので、単なる平板の集電板（特許文献１参照）とは異なり接触箇所を多くするために広範囲に溶接する必要がなく、溶接の工程も短時間で簡単に実行することができるようになる。

図９は、電池全体構造を示す断面図である。図９において、電池缶１８の内部には軸心２には、正極活物質２が塗布された正極箔１と負極活物質４が塗布された負極箔３とがセパレータ１０を介して捲回した捲回群５が配置され、捲回群５の端部にはそれぞれ正極箔１と負極箔３が露出している。正極箔１はいくつかの部材を介して上蓋キャップ１５に導通していて外部と通電する構造である。一方、負極箔３も負極集電板２０、負極接続板２３を介して電池缶１８に電気的に接続されている。また、電池缶１８の内部にはこれらの部材とともに電解液が注入されており捲回群５で充放電する構造である。本発明は、正極箔１と正極集電板６、負極箔３と負極集電板２０とを接続する構造に関するものである。負極側は、正極側と同様の構造を有するが材質が異なるだけである。負極箔は１０μｍの銅箔で負極集電板２０は銅板である。

＜第２の実施形態＞
図１０は、第２の実施形態による、溶接後の二次電池の斜視図である。第１の実施形態に係る二次電池との差異は、溶接金属１２が４本ある点であり、その他の構成要素は同じであるので、ここでは説明を省略する。

以上、第２の実施形態による継手形状でも第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

＜第３の実施形態＞
図１１は、第３の実施形態による、溶接後の二次電池の斜視図である。第１の実施形態に係る二次電池との差異は、溶接金属１２が２本のみであることであり、その他の構成要素は同じであるので、ここでは説明を省略する。溶接箇所は第１及び第２の実施形態による二次電池よりも少ないので、それらの構成よりは低抵抗を実現できないが、実用上問題はない。

以上、第３の実施形態による継手形状でも第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

＜第４の実施形態＞
図１２は、第４の実施形態による溶接前の断面図（図３のＡＢにおける断面に相当）である。第４の実施形態では、正極集電板６は冷間鍛造（プレス加工）で作製されている。このため、くぼみ８は円弧形状になり、その外側には余盛り部２２が生じる場合がある。プレス加工は、第１の実施形態の機械加工よりも安価に実現することができるという利点がある。

以上、第４の実施形態による継手を溶接しても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

＜まとめ＞
以上のように、各実施形態は、電池容器の内部に正極電極と負極電極とをセパレータを介して捲回した捲回群を電解液とともに収容し、捲回群に充放電する電気を正極と負極の電極端子から外部へ取り出すことができる構造で、捲回群の少なくともいずれか一方の端部には、正極あるいは負極の金属箔が突出しており、この突出した金属箔の端縁と集電板とが溶接されて構成される二次電池を提供している。そして、溶接前の集電板の捲回群と接する面と反対側の面には、複数のくぼみが形成されており、そのくぼみの間の凸部分を溶接することによって集電板と金属箔が接続される。このようにすることにより、集電板と捲回群とのあいだにギャップがあっても溶接が可能になる。また、くぼみを設けると溶接部以外の板厚を厚くできるので、溶接変形を少なくできる利点もある。なお、集電板は、押出材でも形成可能である。

また、集電板の溶接箇所は、集電板上で同一方向に捲回群の２箇所の外周端を結ぶように形成されているので、溶接回数少なくでき、かつ集電板における溶接範囲を小さくすることができる。よって、溶接中の二次電池の方向を変える必要がないので、溶接の工程を簡単にすることができる。また、溶接範囲を小さくできるので、集電板を小型化することができ、部品のコストを削減することができる。さらに、十分に金属を溶接によって垂れ下がらせることができるので、金属箔との接続点を多くすることができ、よって集電板と金属箔との接続抵抗を低減することができる。

また、集電板の外周側の一部は、捲回群側に折り曲げて形成された外周折り曲げ部を有している。さらに、集電板の内周部には打ち抜かれて形成された孔があり、この孔には捲回群側に折り曲げて形成された内周折り曲げ部がある。このような折り曲げ部を設けたことにより、集電板の強度を高くすることができ、溶接による集電板の変形を防止することができ、精度良く溶接することができる。そして、形状が安定した正極及び負極を有する二次電池を提供することができる。

さらに、各実施形態は二次電池の製造方法、つまり、電池容器の内部に正極電極と負極電極とをセパレータを介して捲回した捲回群を電解液とともに収容し、捲回群に充放電する電気を正極と負極の電極端子から外部へ取り出すことができる構造を有し、捲回群の少なくともいずれか一方の端部から突出した正極あるいは負極の金属箔の端縁と集電板とを溶接してなる二次電池の製造方法にも関するものである。そして、この製造方法は、特に、捲回群と接する面の反対側の表面に複数のくぼみを有する集電板を準備する工程と、くぼみの間の凸部を溶接箇所として溶接により溶かし、重力を利用して溶落すことにより、金属箔と集電板とを溶接する工程と、を備えることを特徴としている。このような工程による、溶接金属の表面張力による悪影響を除去することができるので、十分に金属を溶接によって垂れ下がらせることができ、金属箔との接続点を多くすることができる。よって集電板と金属箔との接続抵抗を低減することができる。

二次電池の捲回群の展開図である。 第１の実施形態による二次電池の集電板と捲回群の斜視図である。 第１の実施形態による二次電池における、集電板と捲回群の溶接前の状態を示す斜視図である。 図３のＡＢにおける断面図である。 図３のＣＤにおける断面図である。 第１の実施形態による二次電池における、集電板と捲回群の溶接後の状態を示す斜視図である。 図６のＥＦにおける断面図である。 図６のＧＨにおける断面図である。 二次電池の全体構造の断面図である。 第２の実施形態による二次電池における、集電板と捲回群と溶接後の状態を示す斜視図である。 第３の実施形態による二次電池における、集電板と捲回群と溶接後の状態を示す斜視図である。 第４の実施形態による二次電池における、集電板と捲回群と溶接後の状態を示す斜視図である。

符号の説明

１…正極箔、２…正極活物質、３…負極箔、４…負極活物質、５…捲回群、６…正極集電板、７…内周折り曲げ部、８…くぼみ、９…溶接突起部、１０…セパレータ、１１…外周折り曲げ部、１２…溶接金属、１３…リード、１４…上蓋ベース板、１５…上蓋キャップ、１６…正極接続板、１７…軸芯、１８…電池缶、２０…負極集電板、２１…負極溶接金属、２２…余盛り部、２３…負極接続板

Claims (8)

1. 電池容器の内部に正極電極と負極電極とをセパレータを介して捲回した捲回群を電解液とともに収容し、前記捲回群に充放電する電気を正極と負極の電極端子から外部へ取り出すことができる構造で、前記捲回群の少なくともいずれか一方の端部には、正極あるいは負極の金属箔が突出しており、この突出した金属箔の端縁と集電板とが溶接されて構成される二次電池であって、
   前記集電板の溶接箇所は、前記集電板において凹部を形成していることを特徴とする二次電池。
2. 前記集電板の溶接箇所は、前記集電板上で同一方向に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
3. 前記集電板の溶接箇所は、前記捲回群の２箇所の外周端を結ぶように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の二次電池。
4. 前記集電板の外周側の一部は、前記捲回群側に折り曲げて形成された外周折り曲げ部を有していることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
5. 前記集電板の内周部には打ち抜かれて形成された孔があり、この孔には前記捲回群側に折り曲げて形成された内周折り曲げ部があることを特徴とする請求項１記載の二次電池。
6. 電池容器の内部に正極電極と負極電極とをセパレータを介して捲回した捲回群を電解液とともに収容し、該捲回群に充放電する電気を正極と負極の電極端子から外部へ取り出すことができる構造を有し、前記捲回群の少なくともいずれか一方の端部から突出した正極あるいは負極の金属箔の端縁と集電板とを溶接してなる二次電池の製造方法であって、
   前記捲回群と接する面の反対側の表面に複数のくぼみを有する集電板を準備する工程と、
   前記くぼみの間の凸部を溶接箇所として溶接により溶かし、重力を利用して溶落すことにより、前記金属箔と前記集電板とを溶接する工程と、
   を備えることを特徴とする二次電池の製造方法。
7. 前記集電板の複数のくぼみは同一方向に設けられ、溶接方向を同一方向にしたことを特徴とする請求項６に記載の二次電池の製造方法。
8. 前記集電板を準備する工程は、
   中央に孔を有する左右対称の平板の外周部及び前記孔を構成する内周部の少なくとも一方を前記捲回群側に折り曲げて、溶接による集電板の変形を防ぐための折り曲げ部を形成する工程と、
   前記平板に前記複数のくぼみを機械加工或いはプレス加工により形成する工程と、
   を備えることを特徴とする請求項６に記載の二次電池の製造方法。

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