JP2009123438A - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】低コストで組立性に優れ、信頼性のある高率指向のリチウムイオン二次電池を提供する。
【解決手段】リチウムイオン二次電池は、正極板および負極板の箔状集電体は一側端部に未塗布部を有し、未塗布部の一部がセパレータの端からはみ出しており、該はみ出した未塗布部の端部に集電円盤７が溶接により取り付けられている。また、集電円盤７の周縁部には電極群側に折れ曲がった折れ曲がり箇所２０が形成されている。箔状集電体に短冊櫛歯状の加工を施す必要がなく、組立性の向上やコスト低減ができ、未塗布部の端部と集電円盤７との溶接の際に、集電円盤７の穴あき、セパレータの熱収縮、溶断の発生しない一様な溶接が可能となる。
【選択図】図８
【解決手段】リチウムイオン二次電池は、正極板および負極板の箔状集電体は一側端部に未塗布部を有し、未塗布部の一部がセパレータの端からはみ出しており、該はみ出した未塗布部の端部に集電円盤７が溶接により取り付けられている。また、集電円盤７の周縁部には電極群側に折れ曲がった折れ曲がり箇所２０が形成されている。箔状集電体に短冊櫛歯状の加工を施す必要がなく、組立性の向上やコスト低減ができ、未塗布部の端部と集電円盤７との溶接の際に、集電円盤７の穴あき、セパレータの熱収縮、溶断の発生しない一様な溶接が可能となる。
【選択図】図８
Description
本発明はリチウムイオン二次電池に係り、特に、箔状集電体に正極合剤が塗布された正極と、箔状集電体に負極合剤が塗布された負極とをセパレータを介して配置した電極群が電池容器内に収容されたリチウムイオン二次電池に関する。
従来、リチウムイオン二次電池は、アルミニウム箔等の箔状集電体の両面に正極合剤が略均等に塗布された正極と、銅箔等の箔状集電体の両面に負極合剤が略均等に塗布された負極とをセパレータを介して積層ないし捲回した電極群を電池容器内に電解液とともに収容した構造が採られている。
このようなリチウムイオン二次電池のうち、例えば、電気自動車（ＰＥＶ）やハイブリッド自動車（ＨＥＶ）等に用いられる高率指向の電池は、箔状集電体の活物質合剤未塗布部が切り欠かれて（短冊櫛歯状に加工されて）切り欠き残部がリード片として集電部品に接続（溶接）された集電構造を有している（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、大電流高率充放電に対応するために上記集電構造を採った場合、箔状集電体の活物質合剤未塗布部の（切り欠き）加工は、加工速度が上がらない、という問題や、箔の捨て代が多い、すなわち、材料の歩留まりが低い、という工業的量産上の問題が生じる。また、箔状集電体の活物質合剤未塗布部が短冊櫛歯状に加工された正負極をセパレータとともに捲回する際、短冊櫛歯状の箔部分（リード片）が長いと、捲回時の回転遠心力で、放射状にひろがり、電極群に咬み込んでまき取られる場合も生じる。この電極群は電極間の絶縁が損なわれ、所謂工程不良へと繋がる。さらに、短冊櫛歯状の箔部分が電極群の端部を覆う構造とならざるを得ないので、電解液注入や電解液による電極群浸潤の妨げとなり、工程の所要時間が長く掛かるため、コストアップに繋がる要因ともなる。
一方、短冊櫛歯状加工を施すことなく集電したり、短冊櫛歯状の箔部分を比較的短くしたりすることで、上記課題を解決できるとも考えられるが、集電構造や集電部分の溶接状況によって、電気抵抗が増加したり、信頼性が損なわれる事象が発生するおそれがある。特に、短冊櫛歯状加工を施すことなく、箔状集電体無地部端が一直線形状の電極を、例えば捲回して、捲回セパレータ端面から箔状集電体の端部をはみ出させ、箔状集電体の端部に集電部品を電気的に低抵抗で取り付けることができれば、上記問題の解決になる。しかし、厚さの薄い箔状集電体と比較的厚さの厚い集電部品とは、両者の厚さ差から、低抵抗で溶接を一様に仕上げることは容易ではない。
このような場合の溶接には、光エネルギーを熱エネルギーに変換して溶接することが、被溶接物に力が加わらない点や溶接速度が比較的速い点で、好ましいと考えられる。しかし、光エネルギーを熱エネルギーに変換して溶接する場合に、例えばレーザ溶接により、板状集電部品の端部で溶接の始端または終端となる溶接を施すと、照射エネルギーの熱が集中しやすいので（熱の逃げ先が少ないので）、集電部品に貫通穴が発生しやすくなる。貫通穴が発生すると、照射エネルギーは電極群を直接照射することとなり、この場合、特に融点の低いセパレータが熱ダメージを受け、正極，負極の隔離機能が喪失して所謂絶縁抵抗不良へと繋がる。この点を回避するために、端部を避けたところから照射しても、照射始端と終端とは溶融の開始と終了時点となるので溶融体の状態が不安定となり、照射が突き抜けやすい傾向が依然として残る。これは、たとえ照射に助走を加えるなどしても変わらない。また、集電部品の端部を避けたところからの照射では、集電部品の照射反対面に位置する箔状集電体との溶接が施されない部分が発生し、電池としての内部抵抗の増大や出力低下へと繋がり、性能品質面で問題が発生することになる。
本発明は上記事案に鑑み、低コストで組立性に優れ、信頼性のある高率指向のリチウムイオン二次電池を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明は、箔状集電体に正極合剤が塗布された正極と、箔状集電体に負極合剤が塗布された負極とをセパレータを介して配置した電極群が電池容器内に収容されたリチウムイオン二次電池において、前記正極および負極の少なくとも一方の箔状集電体は一側端部に前記合剤が未塗布の無地部分を有し、前記無地部分の一部または全部が前記セパレータの端からはみ出しており、該はみ出した無地部分の端部に溶接して取り付けられた板状の集電部品を備えており、前記集電部品の周縁部には前記電極群側に折れ曲がった折れ曲がり箇所が存在することを特徴とする。
本発明では、正極および負極の少なくとも一方の箔状集電体は一側端部に正極または負極合剤が未塗布の無地部分を有し、無地部分の一部または全部がセパレータの端からはみ出しており、該はみ出した無地部分の端部に板状の集電部品が溶接で取り付けられているので、箔状集電体に短冊櫛歯状の加工を施す必要がなく、組立性を向上させることができ、コストを低減できるとともに、集電部品の周縁部に電極群側に折れ曲がった折れ曲がり箇所を設けることにより、はみ出した無地部分の端部と集電部品との溶接の際に、集電部品に穴あきの発生しない一様な溶接が可能となり、信頼性を高めることができる。
本発明において、はみ出した無地部分の端部は折れ曲がり箇所の内側に収納されているとともに、はみ出した無地部分の端部は折れ曲がり箇所を始終端として集電部品に溶接されていることが好ましく、折れ曲がり箇所の内側は電極群の最外層の内側であって、はみ出した無地部分の端部は屈曲して折れ曲がり箇所の内側に収納されていることがさらに好ましい。
また、はみ出した無地部分の端部は、集電部品の前記電極群とは反対側の面から溶接のためのエネルギーが照射されて集電部品と溶接されていることが好ましく、溶接のためのエネルギーはレーザ光であることがさらに好ましい。このとき、折れ曲がり箇所の板厚は溶接溶融幅よりも大きいことが望ましい。
本発明によれば、正極および負極の少なくとも一方の箔状集電体は一側端部に正極または負極合剤が未塗布の無地部分を有し、無地部分の一部または全部がセパレータの端からはみ出しており、該はみ出した無地部分の端部に板状の集電部品が溶接で取り付けられているので、箔状集電体に短冊櫛歯状の加工を施す必要がなく、組立性を向上させることができ、コストを低減できるとともに、集電部品の周縁部に電極群側に折れ曲がった折れ曲がり箇所を設けることにより、はみ出した無地部分の端部と集電部品との溶接の際に、集電部品に穴あきの発生しない一様な溶接が可能となり、信頼性を高めることができる、という効果を得ることができる。
以下、図面を参照して、本発明に係るリチウムイオン二次電池の実施の形態について説明する。
（正極板の作製）
正極活物質としてリチウム遷移金属複酸化物のＬｉＭｎ２Ｏ４粉末と、主たる導電材として黒鉛粉末と、副たる導電材アセチレンブラックと、バインダ（結着剤）としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とを質量比８５：８：２：５となるように混合し、これに分散溶媒のＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を添加・混練したスラリを、厚さ２０μｍのアルミニウム箔（正極集電体）の両面に略均等に塗布した。このとき、正極板長寸方向の一方の側縁に幅６ｍｍの未塗布部１（図２参照）、すなわち、スラリ（正極合剤）が未塗布の無地部分を残した。その後乾燥、プレス、裁断して、図２に示すように、幅８８ｍｍの帯状の正極板２を得た。
正極活物質としてリチウム遷移金属複酸化物のＬｉＭｎ２Ｏ４粉末と、主たる導電材として黒鉛粉末と、副たる導電材アセチレンブラックと、バインダ（結着剤）としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とを質量比８５：８：２：５となるように混合し、これに分散溶媒のＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を添加・混練したスラリを、厚さ２０μｍのアルミニウム箔（正極集電体）の両面に略均等に塗布した。このとき、正極板長寸方向の一方の側縁に幅６ｍｍの未塗布部１（図２参照）、すなわち、スラリ（正極合剤）が未塗布の無地部分を残した。その後乾燥、プレス、裁断して、図２に示すように、幅８８ｍｍの帯状の正極板２を得た。
（負極板の作製）
易黒鉛化性炭素粉末９２質量部に結着剤として８質量部のポリフッ化ビニリデンを添加し、これに分散溶媒のＮＭＰを添加・混練したスラリを、厚さ２０μｍの圧延銅箔（負極集電体）の両面に略均等に塗布した。このとき、負極板長寸方向の一方の側縁に幅３ｍｍの未塗布部３（図３参照）、すなわち、スラリ（負極合剤）が未塗布の無地部分を残した。その後乾燥、プレス、裁断して、図３に示すように、幅８９ｍｍの帯状の負極板４を得た。負極活物質の集電体への塗布量は、初充電時に正極から放出されるリチウムイオン量と初充電時に負極に吸蔵されるリチウムイオン量とが１：１となるよう設定した。
易黒鉛化性炭素粉末９２質量部に結着剤として８質量部のポリフッ化ビニリデンを添加し、これに分散溶媒のＮＭＰを添加・混練したスラリを、厚さ２０μｍの圧延銅箔（負極集電体）の両面に略均等に塗布した。このとき、負極板長寸方向の一方の側縁に幅３ｍｍの未塗布部３（図３参照）、すなわち、スラリ（負極合剤）が未塗布の無地部分を残した。その後乾燥、プレス、裁断して、図３に示すように、幅８９ｍｍの帯状の負極板４を得た。負極活物質の集電体への塗布量は、初充電時に正極から放出されるリチウムイオン量と初充電時に負極に吸蔵されるリチウムイオン量とが１：１となるよう設定した。
（電極群の作製）
図４に示すように、作製した正極板２と負極板４とを、これら両極板が直接接触しないように幅９１ｍｍ、厚さ３０μｍのポリエチレン製セパレータ５とともに捲回して電極群６を作製した。捲回の中心には、ポリプロピレン製の中空円筒状の軸芯１２（図１参照）を用いた。このとき、正極板２の未塗布部１と負極板４の未塗布部３とが、それぞれ電極群６の互いに反対側の両端面に位置するように配置し、それぞれセパレータ５の端から２ｍｍはみ出すようにした。また、正極板２、負極板４、セパレータ５の各長さを調整し、例えば、電極群６の内径（直径として）９ｍｍ、外径（直径として）を３８±０．１ｍｍに設定した。電極群６は巻き解けないように、基材がポリイミドで、その片面にヘキサメタアクリレートからなる粘着剤を塗着した粘着テープを貼り付け、捲回終端を固定した。
図４に示すように、作製した正極板２と負極板４とを、これら両極板が直接接触しないように幅９１ｍｍ、厚さ３０μｍのポリエチレン製セパレータ５とともに捲回して電極群６を作製した。捲回の中心には、ポリプロピレン製の中空円筒状の軸芯１２（図１参照）を用いた。このとき、正極板２の未塗布部１と負極板４の未塗布部３とが、それぞれ電極群６の互いに反対側の両端面に位置するように配置し、それぞれセパレータ５の端から２ｍｍはみ出すようにした。また、正極板２、負極板４、セパレータ５の各長さを調整し、例えば、電極群６の内径（直径として）９ｍｍ、外径（直径として）を３８±０．１ｍｍに設定した。電極群６は巻き解けないように、基材がポリイミドで、その片面にヘキサメタアクリレートからなる粘着剤を塗着した粘着テープを貼り付け、捲回終端を固定した。
（電池の作製）
電極群６の各端面に、集電部品として円盤状の集電円盤を配置した。図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、集電円盤７は、一面側に、中心部から周縁部に延出された複数（本例では４つ）の放射状の突起８が突設されている。図５（Ｃ）に示すように、突起８は断面略台形の形状を有しており、集電円盤７の板厚０．５ｍｍに対し、突起８の上底の幅は０．２ｍｍ、下底の幅は０．６ｍｍ、高さは０．５ｍｍとした。また、集電円盤７の突起８が突設されていない箇所には、後述する非水電解液注入工程で非水電解液の通過経路を提供するための複数（本例では４つ）の貫通スリット９が形成されている。集電円盤７の材質は、溶接する箔状集電体の材質と同じにするのが望ましく、正極側はアルミニウム、負極側は銅がよい。集電円盤７の周縁部には下側（電極群６側）に折れ曲がった折れ曲がり箇所２０が存在している。また、集電円盤７の他面側の中心部には、電極群７の軸心１２と嵌合させるための円筒状の突起が形成されている。
電極群６の各端面に、集電部品として円盤状の集電円盤を配置した。図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、集電円盤７は、一面側に、中心部から周縁部に延出された複数（本例では４つ）の放射状の突起８が突設されている。図５（Ｃ）に示すように、突起８は断面略台形の形状を有しており、集電円盤７の板厚０．５ｍｍに対し、突起８の上底の幅は０．２ｍｍ、下底の幅は０．６ｍｍ、高さは０．５ｍｍとした。また、集電円盤７の突起８が突設されていない箇所には、後述する非水電解液注入工程で非水電解液の通過経路を提供するための複数（本例では４つ）の貫通スリット９が形成されている。集電円盤７の材質は、溶接する箔状集電体の材質と同じにするのが望ましく、正極側はアルミニウム、負極側は銅がよい。集電円盤７の周縁部には下側（電極群６側）に折れ曲がった折れ曲がり箇所２０が存在している。また、集電円盤７の他面側の中心部には、電極群７の軸心１２と嵌合させるための円筒状の突起が形成されている。
集電円盤７の突起８が形成されていない面側（他面側）を捲回群６側となるよう当接させた後、突起８側から突起８の上面に、突起８の長手方向に沿ってレーザ光を照射、溶融させることで、照射面裏側に位置する各箔状集電体との溶接を施した。なお、突起８の長さは、電極群６の中心から外周にむかって捲回される箔状集電体が突起８の下面に位置するように決定した。レーザ光照射は全ての突起８について実施した。照射後の照射面から観察される溶接溶融幅（溶接軌跡幅）は、正極側、負極側ともに０．８ｍｍであった。
溶接装置にはＩＰＧ社製Ｙｂファイバーレーザ溶接装置ＹＬＲ−２０００を使用し、焦点距離１２５ｍｍ、集光部レーザスポット直径０．１ｍｍの光学系を用い、レーザ光の送り速度を５ｍ／分とした。また、突起８の上底面にジャスト・フォーカスとした。レーザの出力条件は、集電円盤７の突起８が溶融して下方に垂下し、突起８の上底面がほぼ周囲面と同じか少なくとも突起８の高さの２０％程度になるように出力条件を設定した。この条件は、突起８が集電円盤７の他面側に垂下し、箔状集電体との溶接に適切であることを実験的に求めたものである。レーザ出力が強すぎると、レーザ光が貫通し箔状集電体を溶断させてしまい、一方、レーザ出力が弱すぎると、十分な垂下が得られず箔状集電体との溶接の確実性が低下するからである。
次いで、電極群６の正極側の集電円盤７（図１の上側に配置された集電円盤７）の外周面と、電極群６の正極側の集電円盤７の近傍とを同時に覆うように、基材がポリイミドで、その片面にヘキサメタアクリレートからなる粘着剤を塗着した粘着テープを貼り付けて絶縁処置した（図１参照）。
次に、図１に示すように、電極群６の負極側の集電円盤７（図１の下側に配置された集電円盤７）の溶接されている側には、厚さ０．５ｍｍ、ニッケル製の負極リード１３をレーザ溶接で取り付け、ニッケルめっきの施された鉄製で厚さ０．５ｍｍの有底容器１０内に挿入、負極リード１３と容器１０の底部とを抵抗溶接した。さらに、容器１０の底部外側からレーザ光を照射し、負極リード１３と容器１０の底部との溶接箇所を増やした。
次いで、正極側の集電円盤７に、厚さ０．３ｍｍ、幅１６ｍｍのアルミニウム製の正極リード１４の一端を溶接して接続し、正極リード１４の他端は、図６に示すように、上蓋１１を構成するアルミニウム円盤１６に溶接して接続した。上蓋１１は、厚さ０．５ｍｍのアルミニウム円盤１６に厚さ１ｍｍのアルミニウム製外部端子１７を重ね、アルミニウム円盤１６の周縁を折り返してかしめ、折り返した上面側から、アルミニウム円盤１６の周縁に沿って全周レーザ溶接を施したものである（図６の黒三角箇所参照）。
そして、非水電解液５０ｇを注入、ポリプロピレン樹脂製ガスケット１５とともに上蓋１１を容器１０の開口部に挿入、容器１０の開口部をかしめて密閉し、リチウムイオン二次電池３０を完成させた。なお、非水電解液には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの体積比２：３の混合溶液中へ６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１モル／リットル溶解したものを用いた。
電池製作後、室温にて２Ａ定電流で４．０Ｖまで充電し、引続き４．０Ｖ定電圧で、電流が０．１Ａに垂下するまで充電した。その後、必要に応じて、１ｋＨｚの交流インピーダンスを、周囲環境温度、電池温度ともに２５±０．５°Ｃの条件で測定した。
次に、本実施形態に従って作製したリチウムイオン二次電池３０の詳細について各実施例に基づいて説明する。なお、比較のために作製したリチウムイオン二次電池についても併記する。
（実施例１）
図７は、実施例１のリチウムイオン二次電池３０の集電円盤７の突起８での断面を模式的に示した図である。最外の直径は３８ｍｍである。折れ曲がり箇所２０の幅を示すＡの寸法を、１ｍｍとした。電極群６の直径は３８ｍｍであり、電極群６のセパレータ５からはみ出した正極の箔状集電体は、図８（Ａ）に示すように、正極側の集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の内側に屈曲させて収納した。また、電極群６のセパレータ５からはみ出す負極の箔状集電体も、図８（Ｂ）に示すように、の集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の内側に屈曲させて収納した。なお、集電円盤７、電極群６の直径はともに３８ｍｍであり、図８（Ａ）、（Ｂ）からも明らかなように、折れ曲がり箇所２０の内側の位置は電極群６の最外層の内側に位置している。また、折れ曲がり箇所２０の板厚は１ｍｍであり、上述した溶接溶融幅の０．８ｍｍより大きい。
図７は、実施例１のリチウムイオン二次電池３０の集電円盤７の突起８での断面を模式的に示した図である。最外の直径は３８ｍｍである。折れ曲がり箇所２０の幅を示すＡの寸法を、１ｍｍとした。電極群６の直径は３８ｍｍであり、電極群６のセパレータ５からはみ出した正極の箔状集電体は、図８（Ａ）に示すように、正極側の集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の内側に屈曲させて収納した。また、電極群６のセパレータ５からはみ出す負極の箔状集電体も、図８（Ｂ）に示すように、の集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の内側に屈曲させて収納した。なお、集電円盤７、電極群６の直径はともに３８ｍｍであり、図８（Ａ）、（Ｂ）からも明らかなように、折れ曲がり箇所２０の内側の位置は電極群６の最外層の内側に位置している。また、折れ曲がり箇所２０の板厚は１ｍｍであり、上述した溶接溶融幅の０．８ｍｍより大きい。
図９は図７と同様、実施例１のリチウムイオン二次電池３０の集電円盤７の突起８の断面を模式的に示した図であるが、溶接ためのレーザ光の照射の始端、終端を示している。図９において黒三角で示した箇所は照射の始点もしくは照射が終了する点で、始点、終点とも集電円盤７の折れ曲がり箇所２０としてリチウムイオン二次電池３０を製作した。なお、実施例１の電池だけでなく、全ての実施例の電池において、電極群６の中心部側の箔状集電体は、形状上、屈曲して収納することができないので、屈曲させずに集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の内側に収納した。屈曲させると、形状上、箔状集電体の破断が生じるからである。
（実施例２）
図７のＡの寸法を０．８ｍｍとした以外は、実施例１と同様にリチウムイオン二次電池３０を製作した。
図７のＡの寸法を０．８ｍｍとした以外は、実施例１と同様にリチウムイオン二次電池３０を製作した。
（実施例３）
電極群６の直径を３６．２ｍｍとし、電極群６のセパレータ５からはみ出した正極の箔状集電体は、図１０（Ａ）に示すように、正極側の集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の内側に屈曲させずに収納し、負極の箔状集電体も、図１０（Ｂ）に示すように、負極側の集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の内側に屈曲させずに収納した。これら以外は実施例２と同様にリチウムイオン二次電池３０を製作した。
電極群６の直径を３６．２ｍｍとし、電極群６のセパレータ５からはみ出した正極の箔状集電体は、図１０（Ａ）に示すように、正極側の集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の内側に屈曲させずに収納し、負極の箔状集電体も、図１０（Ｂ）に示すように、負極側の集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の内側に屈曲させずに収納した。これら以外は実施例２と同様にリチウムイオン二次電池３０を製作した。
（実施例４）
図７のＡの寸法を０．５ｍｍとした以外は、実施例１と同様にリチウムイオン二次電池３０を製作した。
図７のＡの寸法を０．５ｍｍとした以外は、実施例１と同様にリチウムイオン二次電池３０を製作した。
（実施例５）
電極群６の直径を３６．８ｍｍとした以外は、実施例４と同様にリチウムイオン二次電池３０を製作した。ただし、電極群６のセパレータ５からはみ出した正極の箔状集電体は、図１０（Ａ）に示すように、正極側の集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の内側に屈曲させずに収納し、負極の箔状集電体も、図１０（Ｂ）に示すように、負極側の集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の内側に屈曲させずに収納した。
電極群６の直径を３６．８ｍｍとした以外は、実施例４と同様にリチウムイオン二次電池３０を製作した。ただし、電極群６のセパレータ５からはみ出した正極の箔状集電体は、図１０（Ａ）に示すように、正極側の集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の内側に屈曲させずに収納し、負極の箔状集電体も、図１０（Ｂ）に示すように、負極側の集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の内側に屈曲させずに収納した。
（比較例１）
実施例１〜５のうち任意の集電円盤７と、任意の電極群６を用い、図１１に示すように、集電円盤７の折れ曲がり箇所２０以外の箇所（折れ曲がり箇所２０より内側の箇所）を溶接の始端、終端としてリチウムイオン二次電池を製作した。
実施例１〜５のうち任意の集電円盤７と、任意の電極群６を用い、図１１に示すように、集電円盤７の折れ曲がり箇所２０以外の箇所（折れ曲がり箇所２０より内側の箇所）を溶接の始端、終端としてリチウムイオン二次電池を製作した。
（比較例２）
図１２に示すように、折れ曲がり箇所２０のない集電円盤７’と、直径３８ｍｍの電極群６を用い、図１３に示すように、集電円盤７’の周縁を溶接始端、終端としてリチウムイオン二次電池を製作した。
図１２に示すように、折れ曲がり箇所２０のない集電円盤７’と、直径３８ｍｍの電極群６を用い、図１３に示すように、集電円盤７’の周縁を溶接始端、終端としてリチウムイオン二次電池を製作した。
（比較例３）
図１４に示すように、集電円盤７’の周縁以外の箇所（周縁より内側の箇所）を溶接始端、終端とし、これ以外は比較例２と同様にしてリチウムイオン二次電池を製作した。
図１４に示すように、集電円盤７’の周縁以外の箇所（周縁より内側の箇所）を溶接始端、終端とし、これ以外は比較例２と同様にしてリチウムイオン二次電池を製作した。
以上のように作製した実施例と比較例の電池を観察すると、電池の品質や信頼性に影響を及ぼす次のような違いが観察された。
実施例１および実施例２の電池では、電池の品質や信頼性に影響を及ぼす所見は観察されなかった。
比較例２の電池では、集電円盤７’に折れ曲がり箇所がなく、レーザは円盤周縁部で始端、終端としている。照射後の円盤では、レーザ照射の始端、終端ともに溶融貫通破断が生じた。当然ながら、貫通破断下面の箔状集電体には溶断が観察され、近接のセパレータにも溶断が観察された。この現象は、始端、終端を逆にしても同じであった。これは、照射の始端、終端にエネルギーが集中すること、あるいは溶融状態が不安定で、レーザ光が完全に突き抜けたことによると考えられる。
一方、照射の始端、終端の位置を、集電円盤７の周縁部ではなく、周縁部から距離を置いたところにするとどうなるかを試してみたのが、比較例３である。結果は、レーザの始端、終端では、比較的小さくはあるが、ピンホール的に溶融貫通穴が発生しており、穴下面にある箔状集電体には溶断が、そして近接するセパレータ端部には熱による局部収縮が観察された。つまり、レーザ光の照射開始時と照射終了時とは、比較例１の現象とも併せて考えると、不安定な状態であるものと推察できる。
溶接溶融幅（溶接軌跡幅）と集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の厚さとが同じで、電極群６のセパレータ５からはみ出る箔状集電体が屈曲されずに集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の内側に収納された実施例３の電池では、電極群６の外周から１〜２層分の箔状集電体の集電円盤７との溶接されるべき箇所の箔状集電体に溶断と、溶断した箔状集電体に近接するセパレータ５の端部に、程度は比較例３よりも小さいが、熱による局部収縮が観察された。ただし、集電円盤７には穴あきは観察されなかった。これは、箔状集電体は屈曲させずに集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の内側に収納されているので、電極群２０の外周となる箔状集電体は、集電円盤２０の折れ曲がり箇所２０の内側角付近の位置になることと、レーザ照射溶融幅に対して、集電円盤２０の折れ曲がり箇所２０の板厚が同じであることから、比較例３の程度の小さい症状になったものと思われる。
一方、実施例２ではこの現象は発生しなかった。箔状集電体は屈曲して集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の内側に収納されているので、電極群２０の外周となる箔状集電体は、集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の内側角から遠ざかった位置になることから、箔状集電体や近接のセパレータ５に影響しなかったと考えられる。
実施例４では、レーザ照射溶融幅に対して、集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の板厚が薄いにもかかわらず、箔状集電体や近接のセパレータ５に影響はしていなかった。これも、箔状集電体は屈曲して集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の内側に収納されているので、電極群６の外周となる箔状集電体は、集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の内側角から遠ざかった位置になることによると思われる。
しかしながら、実施例５では、実施例３と同様の現象が観察された。比較例１においても、箔状集電体の溶断と近接セパレータの局部収縮が観察されたが、実施例１〜５、比較例２、３の結果から、当然この現象が予測される。
（効果等）
次に、本実施形態のリチウムイオン二次電池３０の効果等について説明する。
次に、本実施形態のリチウムイオン二次電池３０の効果等について説明する。
本実施形態のリチウムイオン二次電池３０は、正極板２および負極板４の箔状集電体は一側端部に未塗布部１、３を有し、未塗布部１、３の一部がセパレータ５の端からはみ出しており、該はみ出した未塗布部１、３（箔状集電体）の端部に集電円盤７が溶接により取り付けられている。このため、従来のように箔状集電体に短冊櫛歯状の加工を施す必要がなく、組立性を向上させることができ、コストを低減できる。
また、本実施形態のリチウムイオン二次電池３０は、集電円盤７の周縁部には電極群側に折れ曲がった折れ曲がり箇所２０が形成されている。このため、未塗布部１、３の端部と集電円盤７との溶接の際に、集電円盤７の穴あき、セパレータ５の熱収縮、溶断の発生しない一様な溶接が可能となり、内部抵抗の増大を抑制することができるとともに、溶接の信頼性（確実性）を高めることができる。
この場合、実施例で説明したように、箔状集電体の端部は、折れ曲がり箇所２０の内側に収納され、なおかつ溶接は、集電円盤７の折れ曲がり箇所２０で始終端となるのがよく、集電円盤７と箔状集電体との溶接には、集電円盤７の、電極群６とは反対側の面から溶接のためのエネルギーが照射されることが望ましく、そのエネルギーはレーザ光がよい。さらに、集電円盤７の折れ曲がり箇所２０の板厚を、集電円盤７の照射側表面から観察される溶接溶融幅よりも大きくなるように設定することで、未塗布部１、３に、例えば短冊櫛歯形状等の加工をすることなく集電円盤７との低インピーダンスでの溶接が得られるので、加工速度が上がらない、箔の捨て代が多い、すなわち材料歩留まりが低い等の問題を解消することができる。
また、箔状集電体の未塗布部１、３が短冊櫛歯状に加工仕上がった正極板２、負極板４をセパレータ５とともに捲回する際、捲回の回転遠心力で、短冊櫛歯状の箔部分が放射状にひろがり、ひいては電極群に咬み込んでまき取られ、電極間の絶縁が損なわれる所謂工程不良へのポテンシャルも完全に排除することが可能となる。さらに、短冊櫛歯状の箔部分が電解液注入、含浸の妨げとなり、同工程の所要時間が長くかかり、仕掛リードタイムの増加に繋がる要因となっていたが、本実施形態のリチウムイオン二次電池３０によると、短冊櫛歯状にしなくとも、集電部品との低インピーダンスでの溶接が得られるので、電解液注入の妨げになるようなものはなく、仕掛リードタイムの増加に繋がるような要因も完全に排除可能である。
さらに、より安定したプロセス状況で電池が得られる効果があり、また内部短絡、電圧低下を引き起こすポテンシャルをも排除可能となるので、高性能、高信頼性のリチウムイオン二次電池３０を得ることができる。
なお、本実施形態では、正極板４および負極板４の箔状集電体の双方に短冊櫛歯状の箔部分を形成しない例を示したが、本発明はこれに限らず、少なくとも一方に短冊櫛歯状の箔部分を形成しないようにしても、それなりの効果があることは明らかである。
また、本実施形態では、集電円盤７に形成した突起８を放射直線状とした例を示したが、本発明はこれに制限されず、例えば、インボリュート曲線等の曲線状であってもよく、また、全ての突起８は集電円盤７の中心部から周縁部にわたって形成される必要はなく、例えば、一部は、中途から周縁部に延出されているようにしてもよい。
さらに、本実施形態では、正極板２、負極板４の両面に活物質合剤を塗布した例を示したが、本発明はこれに限らず、例えば、正極活物質合剤塗着面と負極活物質合剤塗着面とが対向しない積層構造部分においては、部分的に片面塗布部があってもかまわない。
また、本実施形態では、集電円盤７の突起８に照射するレーザ装置としてファイバーレーザを例示したが、本発明はこの装置に限定されるものではなく、例えば、パルスＹＡＧレーザやＴＩＧ等の他の装置を用いてもよく、また、連続照射でなくても、パルス照射であってもよい。また、レーザ以外のエネルギーを照射する溶接方式では、電子ビーム溶接、プラズマ溶接、アーク溶接等を用いることができる。しかし、電子ビーム溶接では、被溶接物を真空状態に保つ必要があるため装置が大がかりであったり、プラズマ溶接やアーク溶接では、溶接速度が上がらなかったり、また、そのために熱ダメージを被溶接物に与えやすいといったネガティブな点があるので、レーザ光の照射が最も適していると考えられる。
さらに、本実施形態では、図８に示したように、集電円盤７に突起８を突設した例を示したが、本発明はこれに限らず、例えば、図１５に示すように、一対の溝加工を施して、溝間を突起形状とするようにしてもよい。
本発明は、低コストで組立性に優れ、信頼性のある高率指向のリチウムイオン二次電池を提供するものであるため、リチウムイオン二次電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。
１ 未塗布部（無地部分）
２ 正極板（正極）
３ 未塗布部（無地部分）
４ 負極板（負極）
５ セパレータ
７ 集電円盤（集電部品）
２０ 折れ曲がり箇所
３０ リチウムイオン二次電池
２ 正極板（正極）
３ 未塗布部（無地部分）
４ 負極板（負極）
５ セパレータ
７ 集電円盤（集電部品）
２０ 折れ曲がり箇所
３０ リチウムイオン二次電池
Claims (6)
- 箔状集電体に正極合剤が塗布された正極と、箔状集電体に負極合剤が塗布された負極とをセパレータを介して配置した電極群が電池容器内に収容されたリチウムイオン二次電池において、前記正極および負極の少なくとも一方の箔状集電体は一側端部に前記合剤が未塗布の無地部分を有し、前記無地部分の一部または全部が前記セパレータの端からはみ出しており、該はみ出した無地部分の端部に溶接して取り付けられた板状の集電部品を備えており、前記集電部品の周縁部には前記電極群側に折れ曲がった折れ曲がり箇所が存在することを特徴とするリチウムイオン二次電池。
- 前記はみ出した無地部分の端部は前記折れ曲がり箇所の内側に収納されているとともに、前記はみ出した無地部分の端部は前記折れ曲がり箇所を始終端として前記集電部品に溶接されたことを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記折れ曲がり箇所の内側は前記電極群の最外層の内側であって、前記はみ出した無地部分の端部は屈曲して前記折れ曲がり箇所の内側に収納されたことを特徴とする請求項２に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記はみ出した無地部分の端部は、前記集電部品の前記電極群とは反対側の面から溶接のためのエネルギーが照射されて前記集電部品と溶接されたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記溶接のためのエネルギーはレーザ光であることを特徴とする請求項４に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記折れ曲がり箇所の板厚は溶接溶融幅よりも大きいことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のリチウムイオン二次電池。
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