JP2008218133A - 非水系二次電池とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】帯状の正極板および負極板とをこれらの間にセパレータを介在させて渦巻状に巻回してなる電極群を構成し、電極群を金属製で有底形状の電池容器に挿入した後、極板から集電のため取り出した電極リードと電池容器を電極棒で挟み込みスポット溶接により接合する非水系二次電池において、溶接時に電極棒がセパレータを巻き込んだり噛み込んだりして発生する溶接不良を防止した信頼性の高い電池を提供する。
【解決手段】電池容器５の底部と対向する側の電極群６の中心孔７を拡口成形すると共に、最大直径が電極群６の中心孔７の直径に等しく、かつ先端部に向けて複数のテーパを有し先端形状が球形になっている電極棒を用いてスポット溶接を行うことで電極棒がセパレータ９を巻き込んだり噛み込んだりすることを防止しながら電極群６と電池容器５の底部を接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、円筒形リチウムイオン電池に代表される非水系二次電池であって、電極群の電極リードと金属製の有底形状の電池容器の底部とをスポット溶接した非水系二次電池とその製造方法に関するものである。

近年、携帯用電子機器の小型化、高性能化に伴い、これらの電子機器の電源に使用する二次電池の需要が高まってきている。中でもリチウム二次電池は、高いエネルギー密度、軽量化が見込まれるため盛んに開発がなされ、さらに電子機器の高性能化、高機能化およびコンパクト化が進むに伴い、リチウム二次電池の高電圧化、高容量化が要望されている。

以下にこのリチウム二次電池の一般的な製造方法を示す。リチウム二次電池は図８に示されるように、リチウムやリチウム合金もしくは炭素材料のようなリチウムイオンを受け入れることのできる負極活物質を銅箔に塗布した負極板５１と、リチウムコバルト複合酸化物等のリチウム複合酸化物からなる正極活物質をアルミニウム箔に塗布した正極板５２を、微多孔性高分子フィルムからなるセパレータ５３を負極板５１と正極板５２の間に介在させて巻回して電極群５４を構成し、負極板５１から集電するための負極電極リード５５を引き出し金属製で有底状の電池容器５６に接続するとともに、正極板５２から集電するための正極電極リード５７を引き出し電池容器５６を封口する封口板５８に接続した後に、電極群５４を非水系電解液ともに電池容器５６に収容して製造されている。

電極群５４を構成するためには、図９に示すように極板の巻取用の割りピン５９の割り溝６０にセパレータ５３の端部６１を挟み込んで数回巻き取り、更に負極板５１および正極板５２をともに巻いた後に、割りピン５９と電極群５４とを互いに抜き離す。このため図１０に示されるように電極群５４には抜き取った割ピン５９により、中央部に中心孔６２が形成され、この中心孔６２のほぼ中心部には割りピン５９の割り溝６０に挟まれていたセパレータの端部６１が存在する構成となる。

このようにして形成された電極群５４は電池容器５６に格納し、電極群５４と電池容器５６を電気的に接続する。このため図１１に示すように負極板５１に接続された負極電極リード５５を電極群５４に下面に沿うように折り曲げた後に電池容器５６に格納する。そして図１２に示す円柱形状の電極棒６３を図１３に示すように電極群５４の中心孔６２に挿入し、下電極６４との間に電池容器５６の底部と負極電極リード５５を挟み込み、電極棒６３と下電極６４の間に電流を流してスポット溶接する。この電極棒６３を電極群５４の中心孔６２に挿入する際に、セパレータの端部６１が電極棒６３の挿入を阻害し、電極棒６３と電極リード５５の間にセパレータ６１が噛み込んで溶接電流を流すことができずに溶接不良が発生する課題があった。

このため溶接時にセパレータ５３の噛みこみを防止するため図１４（ａ）に示すように成形ピン６５を予め電極群５４の中心孔６２に挿入して、図１４（ｂ）に示すようにセパレータ５３の端面６１を電極群５４の中心孔６２の壁面に添わせるようにする方法が提案されている（例えば、特許文献1参照）。
特許第３３５０９４８号公報

上述した特許文献１の従来技術を用いることで電極棒６３の挿入が容易になり、電極棒６３を挿入する際にセパレータ５３を巻き込む可能性を減少させることはできるものの、図１５に示すように電極群５４を電池容器５６に挿入した際に、電極群５４が電池容器５６の底部と接触することにより、セパレータ５３の下端部６７が押しつぶされて内周側のセパレータ５３が内側に折れ曲がることで中心孔６２の開口部面積が減少し、電極棒６３を挿入すると電極棒６３の先端部と負極電極リード５５の間に折れ曲がったセパレータ５３の下端部６７が噛み込むことで、溶接電流を流すことができず溶接不良が発生する課題は解決していなかった。

本発明は上記の課題を鑑みてなされたものであり、電池容器の底部と対向する側の電極群の端面の中心孔を外周方向に拡がるように拡口成形したことで、電極群を電池容器に挿入した際に内周側のセパレータが内側に折れ曲がることを防止し、電極棒がセパレータを噛み込むことで発生する溶接不良をなくして、電極群と電池容器を確実に溶接して接続して信頼性の高い非水系二時電池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は、正極集電体に少なくとも正極活物質を含む正極合剤塗料を塗布した帯状の正極板および負極集電体に少なくとも負極活物質を含む負極合剤塗料を塗布した帯状の負極板をこれらの間にセパレータを介在させて渦巻状に巻回してなる電極群を非水系電解液とともに金属製で有底形状の電池容器内に収納した非水系二次電池において、少なくとも電池容器の底部と対向する側の電極群の端面の中央部にある中心孔の開口部を中央部より外周方向に拡げた構成としたことを特徴とするものである。

本発明によれば、少なくとも電池容器の底部と対向する電極群の端面の中央部にある中心孔を外側に拡口成形することで、電極群を電池容器に挿入した際に電極群の内周側のセパレータが内側に折れ曲がることで発生する電極棒と電極リードの間にセパレータが噛み込むことを防止し、溶接電流が阻害されることで発生する溶接不良を減少させることが可能になる。

本発明の第１の発明においては、正極集電体に少なくとも正極活物質を含む正極合剤塗料を塗布した帯状の正極板および負極集電体に少なくとも負極活物質を含む負極合剤塗料を塗布した帯状の負極板をこれらの間にセパレータを介在させて渦巻状に巻回してなる電極群を非水系電解液とともに金属製で有底形状の電池容器内に収納した非水系二次電池において、電池容器の底部と対向する側の電極群の端面の中央部にある中心孔の開口部を中央部より外周方向に拡げた構成としたことにより、電極群を電池容器に挿入した際に電極群の内周側のセパレータが内側に折れ曲がることで発生する電極棒と電池容器の間にセパレータが噛み込むことを防止し、スポット溶接の溶接電流が阻害されることで発生する溶接不良を減少させることが可能になる。

本発明の第２の発明においては、正極集電体に少なくとも正極活物質を含む正極合剤塗料を塗布した帯状の正極板および負極集電体に少なくとも負極活物質を含む負極合剤塗料を塗布した帯状の負極板をこれらの間にセパレータを介在させて渦巻状に巻回して電極群を形成し、この電極群を金属製で有底形状の電池容器内に非水系電解液とともに収納した後封止する非水系二次電池の製造法において、電極群の中心孔に両側から成形ピンを挿入して中心孔の開口部を電極群の中央部より外周方向に拡げる加工を行うことにより、中心孔付近のセパレータを外側に広げることができ中心孔の面積が拡大することで電極棒の挿入時にセパレータを巻き込むことを防止することができる。

本発明の第３の発明においては、電極群の中心孔に最大径が電極群の中心孔径に等しく、先端に行くほど細い直径となるような段つきまたはテーパ形状の電極棒を挿入し、電極群より導出された電極リードと前記有底電池容器の底部とをスポット溶接により接続することにより、電極棒の最大径部分で電極群を保持し常に電極棒と電極群の中心孔を同軸に位置させることが可能になるため、電極群を電池容器に挿入した際に内周側のセパレータが内側に折れ曲がった場合についても、電極棒の先端が電極群の中心孔の中心に位置させることができるため、電極棒と電極リードの間にセパレータを噛み込む確率が減少し、溶接不良を低減することが可能になる。

本発明の第４の発明においては、先端部の形状を球面とした電極棒でスポット溶接することにより、電極群を電池容器に挿入した際に内周側のセパレータが内側に折れ曲がった部分を電極棒と電極リードの間に噛み込んだ場合でも、電極棒の先端の球面の一部が電極リードに接触していれば溶接電流を流すことができ溶接できるため、溶接不良を低減させることができる。

以下、本発明の一実施の形態について説明する。本発明の一実施の形態においては、図１に示す炭素材料粉末に結着剤を混合した負極合剤を、厚さ１０μｍの帯状の銅箔からなる負極集電体の両面に均一に塗布した後に乾燥し、更にロールプレス機で圧縮成形して帯状の負極板１を製造する。

次にコバルト酸リチウムを主成分とする正極合剤を厚さ２０μｍの帯状のアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に均一に塗布した後に乾燥し、更にロールプレス機で圧縮成形して帯状の正極板２を製造する。上記負極板１には、電池容器との導通を確保するため電極リード３が接続され、正極板には封口板との導通を確保するため電極リードが予め接続されている。これらの帯状の負極板１と正極板２及び微多孔性ポリプロプレンフィルムからなるセパレータ４を、外径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの金属製で有底形状の電池容器５に適切に収まるような長さと幅に調整する。

これらを従来と同様に割りピンを用いてとも巻きし渦巻型の電極群６を構成して割りピンを引き抜くと、電極群６の中心部に直径約２．８ｍｍの中心孔７が形成される。電極群６の中心孔７にあるセパレータ８および９は以下に示す実施例により拡口成形し、電極リード３と電池容器５の溶接を容易にしている。

電極群６の中心孔７に図２に示すように電極群６の中心孔７の直径より太い直径を有する最大直径が１０ｍｍで先端側の直径が２．８ｍｍからなる成形ピン１０を電極群６の中心孔７の両側から１０Ｎの力で挿入し、図３に示すように中心孔７の周辺部のセパレータ８，９を外周側に１ｍｍ拡口成形する。このとき成形ピン１０は電極群６の巻きが広がる方向に１０ｒｐｍの速さで回転させると共に、温度調整部用のヒータ１１により加温し、セパレータの成形を容易にできる１００℃に保持した。次に電池容器５の底部と対向する側の負極の電極リード３を電極群６の中心孔７側へ折り曲げ電極群６を電池容器５に収容する。

その後、図４に示すように溶接に用いる電極棒として直径２．２ｍｍ長さ５０ｍｍでクロム銅からなる円柱形状の電極棒１２を電極群６の中心孔７に挿入し、電極棒１２と下電極１３の間に電池容器５の底部と電極リード３を３０Nの力で挟み込んだ。これらの電極棒１２には溶接用電源１４が溶接ケーブル１５により接続されており、電極棒１２に２０００Aの電流を２ｍｓ通電させることで、電池容器５と電極リード３の接触部分を発熱させ溶融接合させることで溶接した。そして、従来と同様に電池容器５内に非水系電解液を注液し、封口板に正極リードを接続した後に封口した電池を実施例１とした。

電極棒として、図５に示すように電極棒の上部の直径を２．８ｍｍ、下部の直径を１．３ｍｍ、先端を直径０.８ｍｍの平坦に加工した全長５０ｍｍのクロム銅からなる電極棒１６を用いて、実施例１と同様の方法で溶接した電池を実施例２とした。

電極棒として、図６に示すように電極棒の上部の直径を２．８ｍｍ、下部の直径を１．３ｍｍ、先端を半径８ｍｍの球形状にした全長５０ｍｍでクロム銅からなる電極棒１７を用いて、実施例１と同様の方法で溶接した電池を実施例３とした。

（比較例１）
電池容器５の底部と対向しない側の電極群６の中心孔７のみを１ｍｍ拡口成形し、従来と同じ直径２．２ｍｍ長さ５０ｍｍのクロム銅からなる円柱形状の電極棒を用いて、実施例１と同様の方法で溶接した電池を比較例１とした。

このようにして構成した実施例１、実施例２、実施例３、比較例１の電池をそれぞれ１００００個作製した際に、溶接に起因して発生した不良率を集計した結果を（表１）に示す。

なお（表１）における挿入不良率は電極群６の中心孔７に電極棒１２を挿入する際に電極棒１２がセパレータ９を巻き込んだため電極棒１２が挿入できなかった不良率を示し、溶接不良率は電極棒１２と電極リード３の間にセパレータ９の端部を噛み込んだため溶接できなかった不良率を示している。

（表１）の結果から電極群６の中心孔７を両側から拡口成形することで、比較例１と比べて挿入不良率の発生を減少させることが明らかである。これは電極群６の中心孔７の直径が通常は２．４〜２．８ｍｍであり、また内部にセパレータ９の端部が存在しているのに対し、図３に示すように１００℃に加温した成形ピン１０を電極群６の中心孔７の巻きが広がる向きに回転させながら挿入することで、電極群６の中心孔７の直径が２．８ｍｍ以上に保たれるため、挿入不良率の発生を防止することができる。

また、電池容器５の底部と対向する側の電極群６の中心孔７が拡口成形されていることで、電極群６を電池容器５に挿入した場合でも、電池容器５と対向する側のセパレータ９が中心孔７を広げる方向に折れ曲がるため、電極棒１２と電極リード３の間にセパレータ９の下端部を噛み込む確率が低下し、溶接不良率を０．３８％まで減少させることができる。

図５に示す実施例２の電極棒１６を用いて溶接した場合、電極棒１６の直径が電極群６の中心孔７の直径に等しい部分で電極群６を保持し、電極棒１６と電極群６の中心孔７を同軸状態に保つことができるため、電極棒１２の先端を常に中心孔７の中心に位置させることができ、拡口成形が不十分で、部分的に内側に折れ曲がったセパレータ９が存在してもセパレータ９の下端部を噛み込まずに溶接することができ、溶接不良率を０．１３％ま
で減少させることができる。

また図６に示す実施例３の電極棒１７を用いて溶接した場合は、図７に示すようにセパレータ９が内側に折れ曲がり０．５ｍｍ程度噛みこんだ場合についても、電極棒１７の先端が球面であるため、電極棒１７の一部を電極リード３と接触させることができるため、溶接不良の発生する確率が低下し溶接不良率を０．０２％まで削減することができた。このように電極棒１２の先端を球形状とすることで、セパレータ９の下端を噛みこんだ場合についても溶接することが可能になるため、先端が平らな同径の電極棒を用いた場合と比較しても溶接不良率の発生する割合を減少させることができる。

これに対し電池容器５と対向する側の電極群６の中心孔７を拡口成形しないで、電池容器５内に電極群６を挿入すると、電極群６の中心孔７の周りのセパレータ９の下端部が内側におれまがり、電極群６の中心孔７の面積を減少させるため、円柱形状の電極棒６３を電極群６の中心孔７に挿入すると、電極棒６３と電極群６の中心部のずれが発生し電極棒６３が中心孔７の側面に接触しながら挿入されるため、電極棒６３と電極リード３の間にセパレータ９の下端部を噛み込むことが多発し、接合不良率が０．９７％発生した。

本発明の電極群および電極棒を用いることで、電極リードと電池容器を溶接する際に電極棒がセパレータを巻き込んだり噛み込むことで発生していた溶接不良を削減することができ、信頼性の高い電池として有用である。

本発明の一実施の形態における電池の要部を示す断面図 同電極群の中心孔を拡口成形する成形ピンの斜視図 同電極群の中心孔を拡口成形する工程の説明図 本発明の溶接工程を説明する模式図 本発明の段つき電極棒の斜視図 本発明の先端が球形かつ段つき電極棒の斜視図 本発明の電極棒でセパレータの噛み込みを回避している状態を説明する模式図 従来技術における非水系二次電池の構成を示す一部切断斜視図 同電極群の巻き取り構成を説明する説明図 同電極群の上面図 同電極群を電池容器に挿入した時の断面図 同電極棒の外観図 同電極群と電池容器を溶接する工程を説明する断面図 （ａ）同成形ピンで成形を行う前の工程を説明する説明図、（ｂ）同成形ピンで成形を行った後の工程を説明する説明図 従来技術における電池容器の底部と接触する側の電極群のセパレータが内側に折れ曲がる状態を示す断面図

符号の説明

１ 負極板
２ 正極板
３ 電極リード
４ セパレータ
５ 電池容器
６ 電極群
７ の中心孔
８ セパレータ
９ セパレータ
１０ 成形ピン
１１ 成形ピン加熱ヒータ
１２ 電極棒
１３ 下電極棒
１４ 溶接電源
１５ 溶接ケーブル
１６ 電極棒
１７ 電極棒

Claims (4)

1. 正極集電体に少なくとも正極活物質を含む正極合剤塗料を塗布した帯状の正極板および負極集電体に少なくとも負極活物質を含む負極合剤塗料を塗布した帯状の負極板をこれらの間にセパレータを介在させて渦巻状に巻回してなる電極群を非水電解液とともに金属製で有底形状の電池容器内に収納した非水系二次電池において、少なくとも前記電池容器の底部と対向する側の前記電極群の端面の中央部にある中心孔の開口部を中央部より外周方向に拡げた構成としたことを特徴とする非水系二次電池。
2. 正極集電体に少なくとも正極活物質を含む正極合剤塗料を塗布した帯状の正極板および負極集電体に少なくとも負極活物質を含む負極合剤塗料を塗布した帯状の負極板をこれらの間にセパレータを介在させて渦巻状に巻回して電極群を形成し、この電極群を金属製で有底形状の電池容器内に非水系電解液とともに収納した後封止する非水系二次電池の製造法において、前記電極群の中心孔に成形ピンを挿入して前記中心孔の開口部を前記電極群の中央部より外周方向に拡げる加工を行うことを特徴とする非水系二次電池の製造方法。
3. 前記電極群の中心孔に最大径が電極群の中心孔径に等しく、先端に行くほど細い直径となるような段つきまたはテーパ形状の電極棒を挿入し、電極群より導出された電極リードと前記有底電池容器の底部とをスポット溶接により接続することを特徴とする請求項２記載の非水系二次電池の製造方法。
4. 先端部の形状を球面とした電極棒でスポット溶接することを特徴とする請求項３に記載の非水系二次電池の製造方法。

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