JP2010165689A - 円筒形電池およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】集電板を電池ケースに接続するときに、溶接用電極が集電板に付着することなく、高い生産性で円筒形電池を作製できる製造方法を提供する。
【解決手段】極板群の中空円筒部の最大径を極板群の最大径の1/6以上2/6以下とし、円筒形電池ケースの内底面と対向する面に円筒形電池ケースの内底面側に突出する1つの第1プロジェクションと複数の第2プロジェクションとを有し、第1プロジェクションの高さが第2プロジェクションの高さよりも高い集電板を用い、前記集電板を電池ケースに接続するときに、最大径が極板群の中空円筒部の最大径の60%以上、100%以下である溶接用電極を用いる。
【選択図】図5
【解決手段】極板群の中空円筒部の最大径を極板群の最大径の1/6以上2/6以下とし、円筒形電池ケースの内底面と対向する面に円筒形電池ケースの内底面側に突出する1つの第1プロジェクションと複数の第2プロジェクションとを有し、第1プロジェクションの高さが第2プロジェクションの高さよりも高い集電板を用い、前記集電板を電池ケースに接続するときに、最大径が極板群の中空円筒部の最大径の60%以上、100%以下である溶接用電極を用いる。
【選択図】図5
Description
本発明は、主として、捲回型極板群を備えた円筒形電池およびその製造方法に関する。
円筒形電池には、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池などの各種電池が知られている。円筒形電池は、一般的に、帯状の正極板と負極板とを隔離用のセパレータを介在させて重ね合わせ、得られた積層体を渦巻状に巻回して得られた極板群を備える。前記極板群は、金属製の円筒形電池ケースに収容されている。
このような円筒形電池は、信頼性が高く、メンテナンスも容易であることから、携帯電話、ノートパソコン用の電源など、各種用途に使用されている。近年では、電動アシスト自転車、芝刈機、電気自動車などの電源として、大電流放電に適した円筒形電池の開発が要望されている。
大電流の出入力に適した集電構造としては、例えば、極板群の上端面および下端面からそれぞれ正極芯材および負極芯材が突出し、かつ前記正極芯材の端縁部の複数箇所が正極集電体に溶接され、前記負極芯材の端縁部の複数箇所が負極集電体に溶接されている集電構造が知られている。
さらに、特許文献1には、複数のプロジェクションが設けられた負極集電体を用いることが提案されている。特許文献1において、負極集電体は、極板群と電池ケースの内底面との間に配置されており、負極集電体の極板群の中空円筒部に対向する中心部分に1つのプロジェクションが設けられており、前記中心部分と周縁部との間の領域に複数のプロジェクションが設けられている。前記複数のプロジェクションは、負極集電体の電池ケースの内底面に対向している面から、前記内底面に向かって突出している。負極集電体の前記複数のプロジェクションが、電池ケースの内底面に溶接されている。前記負極集電体のプロジェクションが設けられた面と反対側の面には、負極芯材が接続されている。
しかしながら、特許文献1に開示されるような技術において、集電板に設けられた複数のプロジェクションを電池ケースの内底面に点溶接するためには、溶接用電極を通して溶接部に流す溶接電流が大きくなる。そのため、細い溶接用電極を使用すると、溶接時に溶接用電極の先端に熱が発生して、溶接用電極と集電板とが融合して、溶接用電極が集電板に付着するという問題が生じる。さらには、溶接用電極を付着部が外すために、生産性が低下するという問題も生じる。
本発明は、上記問題に鑑み、主として、集電板を電池ケースに溶接するために、溶接用電極に大電流を流した場合でも、溶接用電極が集電板に付着することなく、高い生産性で集電板を電池ケースに溶接できる方法を提供することを目的とする。
本発明の円筒形電池の製造方法は、
(a)帯状の第1芯材と、前記第1芯材に配された第1活物質層とを含み、前記第1芯材の長手方向に平行な一方の辺に沿って前記第1芯材の露出部が設けられている第1電極を作製する工程、
(b)帯状の第2芯材と、前記第2芯材に配された第2活物質層とを含み、前記第2芯材の長手方向に平行な一方の辺に沿って前記第2芯材の露出部が設けられている第2電極を作製する工程、
(c)前記第1電極と前記第2電極とそれらの間に配置されたセパレータとを含む積層体を渦巻状に捲回して、前記第1芯材の露出部および前記第2芯材の露出部が捲回軸方向の2つの端面にそれぞれ配置され、かつ捲回軸に沿って設けられた中空円筒部を有する極板群を得る工程、
(d)前記第1芯材の露出部に、第1集電板を接続する工程、
(e)前記第2芯材の露出部に、第2集電板を接続する工程、
(f)前記第1集電板および前記第2集電板が接続された極板群を、円筒形電池ケースに、前記第2集電板が前記円筒形電池ケースの内底面に接するように、収容する工程、ならびに
(g)前記第2集電板を、前記円筒形電池ケースに接続する工程
を含む。第2集電板は、円筒形電池ケースの内底面と対向する面に、円筒形電池ケースの内底面側に突出する1つの第1プロジェクションと複数の第2プロジェクションとを有する。第1プロジェクションは、第2集電板の極板群の中空円筒部に対向する第1部分に配置されており、複数の第2プロジェクションは、第2集電板の第1部分以外の第2部分に配置されており、かつ第1プロジェクションの高さは、第2プロジェクションの高さよりも高い。工程(g)は、溶接用電極を、極板群の中空円筒部を通して、第2集電板に接触させ、第2集電板と円筒形電池ケースとを密着させた状態で、溶接用電極を用いて、第2集電板と前記円筒形電池ケースとを溶接する工程を有する。極板群の中空円筒部の最大径は、極板群の最大径の1/6以上、2/6以下であり、溶接用電極の最大径は、極板群の中空円筒部の最大径の60%以上、100%以下である。
ここで、極板群の最大径および極板群の中空円筒部の最大径とは、捲回軸に垂直な方向における極板群の最大径および中空円筒部の最大径のことをいう。溶接用電極の最大径とは、溶接用電極の長手方向に垂直な方向における最大径のことをいう。
(a)帯状の第1芯材と、前記第1芯材に配された第1活物質層とを含み、前記第1芯材の長手方向に平行な一方の辺に沿って前記第1芯材の露出部が設けられている第1電極を作製する工程、
(b)帯状の第2芯材と、前記第2芯材に配された第2活物質層とを含み、前記第2芯材の長手方向に平行な一方の辺に沿って前記第2芯材の露出部が設けられている第2電極を作製する工程、
(c)前記第1電極と前記第2電極とそれらの間に配置されたセパレータとを含む積層体を渦巻状に捲回して、前記第1芯材の露出部および前記第2芯材の露出部が捲回軸方向の2つの端面にそれぞれ配置され、かつ捲回軸に沿って設けられた中空円筒部を有する極板群を得る工程、
(d)前記第1芯材の露出部に、第1集電板を接続する工程、
(e)前記第2芯材の露出部に、第2集電板を接続する工程、
(f)前記第1集電板および前記第2集電板が接続された極板群を、円筒形電池ケースに、前記第2集電板が前記円筒形電池ケースの内底面に接するように、収容する工程、ならびに
(g)前記第2集電板を、前記円筒形電池ケースに接続する工程
を含む。第2集電板は、円筒形電池ケースの内底面と対向する面に、円筒形電池ケースの内底面側に突出する1つの第1プロジェクションと複数の第2プロジェクションとを有する。第1プロジェクションは、第2集電板の極板群の中空円筒部に対向する第1部分に配置されており、複数の第2プロジェクションは、第2集電板の第1部分以外の第2部分に配置されており、かつ第1プロジェクションの高さは、第2プロジェクションの高さよりも高い。工程(g)は、溶接用電極を、極板群の中空円筒部を通して、第2集電板に接触させ、第2集電板と円筒形電池ケースとを密着させた状態で、溶接用電極を用いて、第2集電板と前記円筒形電池ケースとを溶接する工程を有する。極板群の中空円筒部の最大径は、極板群の最大径の1/6以上、2/6以下であり、溶接用電極の最大径は、極板群の中空円筒部の最大径の60%以上、100%以下である。
ここで、極板群の最大径および極板群の中空円筒部の最大径とは、捲回軸に垂直な方向における極板群の最大径および中空円筒部の最大径のことをいう。溶接用電極の最大径とは、溶接用電極の長手方向に垂直な方向における最大径のことをいう。
前記溶接用電極の最大径は、4mm以上であることが好ましい。
第2プロジェクションは、極板群における横断面の最大径の50〜80%である部分に対向する第2部分の領域に配置されていることが好ましい。
第1プロジェクションの高さと、第2プロジェクションの高さとの差は、10〜500μmであることが好ましい。
極板群の最大径は、20〜40mmであることが好ましい。
また、本発明は、上記製造方法で作製された円筒形電池に関する。具体的には、本発明の円筒形電池は、
(i)第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に配置されたセパレータを含む捲回型極板群、
(ii)前記捲回型極板群を収容する円筒形電池ケース、
(iii)前記第1電極に接続される第1集電板、
(iv)前記第2電極に接続され、かつ前記極板群と前記円筒形電池ケースの内底面との間に配置された第2集電板、および
(v)電解質
を備える。第1電極は、帯状の第1芯材と、前記第1芯材に配された第1活物質層とを含み、第1芯材の長手方向に平行な一方の辺に沿って前記第1芯材の露出部が設けられており、第2電極は、帯状の第2芯材と、第2芯材に配された第2活物質層とを含み、第2芯材の長手方向に平行な一方の辺に沿って第2芯材の露出部が設けられている。極板群の捲回軸方向の2つの端面には、それぞれ第1芯材の露出部および第2芯材の露出部が配置されており、かつ極板群は、捲回軸に沿って設けられた中空円筒部を有する。第2集電板は、円筒形電池ケースの内底面と対向する面に、円筒形電池ケースの内底面側に突出する1つの第1プロジェクションと複数の第2プロジェクションとを有し、第1プロジェクションは、第2集電板の極板群の中空円筒部に対向する第1部分に配置されており、複数の第2プロジェクションは、前記第1部分以外の第2部分に配置されている。第2集電板に設けられた第1プロジェクションおよび複数の第2プロジェクションが、円筒形電池ケースの内底面に溶接されており、極板群の中空円筒部の最大径は、極板群の最大径の1/6以上、2/6以下である。
(i)第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に配置されたセパレータを含む捲回型極板群、
(ii)前記捲回型極板群を収容する円筒形電池ケース、
(iii)前記第1電極に接続される第1集電板、
(iv)前記第2電極に接続され、かつ前記極板群と前記円筒形電池ケースの内底面との間に配置された第2集電板、および
(v)電解質
を備える。第1電極は、帯状の第1芯材と、前記第1芯材に配された第1活物質層とを含み、第1芯材の長手方向に平行な一方の辺に沿って前記第1芯材の露出部が設けられており、第2電極は、帯状の第2芯材と、第2芯材に配された第2活物質層とを含み、第2芯材の長手方向に平行な一方の辺に沿って第2芯材の露出部が設けられている。極板群の捲回軸方向の2つの端面には、それぞれ第1芯材の露出部および第2芯材の露出部が配置されており、かつ極板群は、捲回軸に沿って設けられた中空円筒部を有する。第2集電板は、円筒形電池ケースの内底面と対向する面に、円筒形電池ケースの内底面側に突出する1つの第1プロジェクションと複数の第2プロジェクションとを有し、第1プロジェクションは、第2集電板の極板群の中空円筒部に対向する第1部分に配置されており、複数の第2プロジェクションは、前記第1部分以外の第2部分に配置されている。第2集電板に設けられた第1プロジェクションおよび複数の第2プロジェクションが、円筒形電池ケースの内底面に溶接されており、極板群の中空円筒部の最大径は、極板群の最大径の1/6以上、2/6以下である。
第2プロジェクションは、極板群における最大径の50〜80%である部分に対向する第2部分の領域に配置されていることが好ましい。
第1プロジェクションの高さは、第2プロジェクションの高さよりも高く、第1プロジェクションの高さと第2プロジェクションの高さとの差が10〜500μmであることが好ましい。
極板群の最大径は、20〜40mmであることが好ましい。
本発明において、極板群の中空円筒部の最大径を、従来より大きくしている。さらに、電池ケースの内底面と極板群との間に配置された集電板に複数のプロジェクションを設けるとともに、集電板の中心部に設けられたプロジェクションの高さは、他の部分に設けられたプロジェクションの高さよりも高くしている。よって、本発明によれば、集電板を電池ケースに溶接するときに用いる溶接用電極の最大径を大きくすることができるとともに、前記プロジェクションにより、前記集電板と電池ケースとを容易に電気的に接続することが可能になる。さらには、前記方法においては、前記集電板に、溶接用電極が付着することを防止することができるため、電池の生産性を向上することができる。
また、本発明の製造方法により、電池ケースと極板群との間に配置された集電板と、電池ケースとを、確実に接続することが可能となるため、集電性が向上する。よって、本発明の製造方法により作製された円筒形電池は、電池特性に優れ、かつその優れた電池特性を維持することができる。
また、本発明の製造方法により、電池ケースと極板群との間に配置された集電板と、電池ケースとを、確実に接続することが可能となるため、集電性が向上する。よって、本発明の製造方法により作製された円筒形電池は、電池特性に優れ、かつその優れた電池特性を維持することができる。
本発明を、図面を参照しながら説明する。
本発明の円筒形電池の製造方法は、
(a)帯状の第1芯材と、前記第1芯材に配された第1活物質層とを含み、前記第1芯材の長手方向に平行な一方の辺に沿って前記第1芯材の露出部が設けられている第1電極を作製する工程、
(b)帯状の第2芯材と、前記第2芯材上に配された第2活物質層とを含み、前記第2芯材の長手方向に平行な一方の辺に沿って前記第2芯材の露出部が設けられている第2電極を作製する工程、
(c)前記第1電極と前記第2電極とそれらの間に配置されたセパレータとを含む積層体を渦巻状に捲回して、前記第1芯材の露出部および前記第2芯材の露出部が捲回軸方向の2つの端面にそれぞれ配置され、かつ捲回軸に沿って設けられた中空円筒部を有する極板群を得る工程、
(d)前記第1芯材の露出部に、第1集電板を接続する工程、
(e)前記第2芯材の露出部に、第2集電板を接続する工程、
(f)前記第1集電板および前記第2集電板が接続された極板群を、円筒形電池ケースに、前記第2集電板が前記円筒形電池ケースの内底面に接するように、収容する工程、ならびに
(g)前記第2集電板を、前記円筒形電池ケースに接続する工程
を含む。第2集電板は、円筒形電池ケースの内底面と対向する面に、円筒形電池ケースの内底面側に突出する1つの第1プロジェクションと複数の第2プロジェクションとを有する。第1プロジェクションは、第2集電板の極板群の中空円筒部に対向する第1部分に配置されており、複数の第2プロジェクションは、第2集電板の第1部分以外の第2部分に配置されている。第1プロジェクションの高さは、第2プロジェクションの高さよりも高い。極板群の中空円筒部の最大径は、極板群の最大径の1/6以上、2/6以下である。
さらに、工程(g)は、溶接用電極を、極板群の中空円筒部を通して、第2集電板に接触させ、第2集電板と円筒形電池ケースとを密着させた状態で、溶接用電極を用いて、第2集電板と前記円筒形電池ケースとを溶接する工程を有する。溶接用電極の最大径は、極板群の中空円筒部の最大径の60%以上、100%以下である。
本発明の円筒形電池の製造方法は、
(a)帯状の第1芯材と、前記第1芯材に配された第1活物質層とを含み、前記第1芯材の長手方向に平行な一方の辺に沿って前記第1芯材の露出部が設けられている第1電極を作製する工程、
(b)帯状の第2芯材と、前記第2芯材上に配された第2活物質層とを含み、前記第2芯材の長手方向に平行な一方の辺に沿って前記第2芯材の露出部が設けられている第2電極を作製する工程、
(c)前記第1電極と前記第2電極とそれらの間に配置されたセパレータとを含む積層体を渦巻状に捲回して、前記第1芯材の露出部および前記第2芯材の露出部が捲回軸方向の2つの端面にそれぞれ配置され、かつ捲回軸に沿って設けられた中空円筒部を有する極板群を得る工程、
(d)前記第1芯材の露出部に、第1集電板を接続する工程、
(e)前記第2芯材の露出部に、第2集電板を接続する工程、
(f)前記第1集電板および前記第2集電板が接続された極板群を、円筒形電池ケースに、前記第2集電板が前記円筒形電池ケースの内底面に接するように、収容する工程、ならびに
(g)前記第2集電板を、前記円筒形電池ケースに接続する工程
を含む。第2集電板は、円筒形電池ケースの内底面と対向する面に、円筒形電池ケースの内底面側に突出する1つの第1プロジェクションと複数の第2プロジェクションとを有する。第1プロジェクションは、第2集電板の極板群の中空円筒部に対向する第1部分に配置されており、複数の第2プロジェクションは、第2集電板の第1部分以外の第2部分に配置されている。第1プロジェクションの高さは、第2プロジェクションの高さよりも高い。極板群の中空円筒部の最大径は、極板群の最大径の1/6以上、2/6以下である。
さらに、工程(g)は、溶接用電極を、極板群の中空円筒部を通して、第2集電板に接触させ、第2集電板と円筒形電池ケースとを密着させた状態で、溶接用電極を用いて、第2集電板と前記円筒形電池ケースとを溶接する工程を有する。溶接用電極の最大径は、極板群の中空円筒部の最大径の60%以上、100%以下である。
本発明の製造方法により、例えば、図1に示されるような円筒形電池1を作製することができる。以下では、本発明の製造方法を用いて、図1に示される円筒形電池1を作製する場合について説明するが、本発明の製造方法により作製される電池は、図1の円筒形電池に限定されない。
工程(a)および工程(b)で、帯状の第1電極2および帯状の第2電極4が作製される。第1電極2は、帯状の第1芯材と、第1芯材に配された第1活物質層を含む。第1電極において、第1電極の長手方向に平行な一方の辺に沿って第1芯材の露出部2aが設けられている。同様に、第2電極4は、帯状の第2芯材と、第2芯材に配された第2活物質層を含む。第2電極において、第2電極の長手方向に平行な一方の辺に沿って第2芯材の露出部4aが設けられている。
第1電極2の長手方向に対して垂直な方向における第1芯材の露出部2aの幅は、第1芯材の露出部2aと第1集電板6とが接続できるならば、特に限定されない。例えば、前記幅は、1〜2mmであることが好ましい。同様に、第2電極4の長手方向に対して垂直な方向における第2芯材の露出部4aの幅は、特に限定されないが、1〜2mmであることが好ましい。
本発明の製造方法によって作製される電池が、例えば、アルカリ蓄電池である場合、第1電極および第2電極の種類は、特に限定されない。例えば、第1電極2および第2電極4は、焼結型電極であってもよい。または、第1電極2および第2電極4は、非焼結型電極、例えば、活物質を含む合剤ペーストを塗布し、乾燥して得られた電極(合剤型電極)であってもよい。あるいは、第1電極2が焼結型電極であり、第2電極4が合剤型電極であってもよい。第1芯材および第2芯材は、金属多孔体であってもよい。第1活物質層および第2活物質層の厚さは、電池容量等に応じて、適宜決定される。
焼結型電極および合剤型電極は、当該分野で公知の方法を用いて作製することができる。
焼結型電極および合剤型電極は、当該分野で公知の方法を用いて作製することができる。
リチウム二次電池が作製される場合、第1電極2および第2電極4は、例えば、合剤型電極とすることができるが、これに限定されない。
工程(c)において、上記のようにして得られた第1電極2および第2電極4を用いて、極板群5が作製される。具体的には、第1電極2と第2電極4とそれらの間に配置されたセパレータ5とを含む積層体を、所定の巻芯の周りに捲回して、捲回体を得る。前記捲回体から巻芯を除いて、捲回軸に沿って設けられた中空円筒部を有する極板群5を得ることができる。極板群に設けられた中空円筒部の最大径は、極板群の最大径の1/6以上、2/6以下とされる。
極板群5に設けられた中空円筒部5aの横断面の最大径は、巻芯の横断面の最大径を調節することにより制御することができる。
極板群5に設けられた中空円筒部5aの横断面の最大径は、巻芯の横断面の最大径を調節することにより制御することができる。
前記積層体においては、前記積層体の長手方向に平行な一方の辺に沿って第1芯材の露出部2aが配置され、前記積層体の長手方向に平行な他方の辺に沿って第2芯材の露出部4aを配置されている。第1芯材の露出部2aおよび第2芯材の露出部4aを前記のように配置することにより、得られた極板群において、第1芯材の露出部2aは、捲回軸方向の一方の端面(第1端面)に配置され、第2芯材の露出部4aは、捲回軸方向の他方の端面(第2端面)に配置される。
工程(d)において、極板群5の一方の端面(第1端面)に配置された第1芯材の露出部2aに、第1集電板6が接続される。工程(e)において、極板群5の他方の端面(第2端面)に配置された第2芯材の露出部4aに、第2集電板20が接続される。工程(d)および工程(e)において、第1芯材の露出部2aへの第1集電板6の接続および第2芯材の露出部4aへの第2集電板20の接続は、当該分野で公知の方法を用いて行うことができる。
次に、工程(f)において、第1集電板6および第2集電板20が接続された極板群5が、円筒形電池ケース7に、第2集電板20が円筒形電池ケース7の内底面に接するように収容される。次いで、工程(g)において、第2集電板20が、円筒形電池ケース70に接続される。
本発明において、第2集電板20は、電池ケース7の内底面に対向する面に、複数のプロジェクションを有する。図2〜4に、第2集電板20の一例を示す。ここで、図2は、第2集電体の一例の斜視図である。図3は、図2の第2集電板のIII−III線における断面図である。図4は、図2の第2集電板のプロジェクションが設けられた面を、その面に対して垂直な方向から見たときの図面である。
図2〜4に示される第2集電板20は、極板群の中空円筒部に対向する第1部分21aに設けられた1つの第1プロジェクション22aを有する。さらに、第2集電板20は、第2集電板20の第1部分21a以外の第2部分21bに設けられた複数の第2プロジェクション22bを有する。第1プロジェクション22aの高さは、第2プロジェクション22bの高さよりも高い。
第2集電板の電池ケースへの接続は、以下のようにして行われる。図5に示されるように、第1溶接用電極51を、極板群5の中空円筒部を通して第2集電板20に接触させ、第2溶接用電極52を電池ケース7の底部に接触させる。第1溶接用電極51および第2溶接用電極52を用いて第2集電板20と電池ケース7とを密着させ、その状態で、第1溶接用電極51と第2溶接用電極52との間に電流を印加する。こうして、第2集電板20を電池ケース7に抵抗溶接することにより、第2集電板20を電池ケース7に接続される。第1溶接用電極51と第2溶接用電極52との間に印加する電流値は、例えば、2〜6Aとすることができる。
本発明においては、極板群5の中空円筒部5aの最大径を1/6以上、2/6以下と従来よりも大きくし、かつ第1溶接用電極51の最大径を、前記中空円筒部5aの最大径の60%以上100%としている。つまり、第1溶接用電極51の最大径を、従来よりも大きくしている。なお、従来、最大径が30mm程度の極板群を作製する場合、径が5mmより小さい巻芯が用いられ、よって、形成される中空円筒部の最大径も5mmより小さくなる。その結果、径が巻芯の径よりも小さい第1溶接用電極が用いられていた。
上記のように最大径が従来よりも大きい第1溶接用電極51を用いることにより、第2集電板20を安定して加圧することができるため、第2集電板20と電池ケース7との密着性を高めることができる。さらには、第1溶接用電極51の最大径が大きいため、溶接時の放熱性も良化する。よって、溶接時に第1溶接用電極51が第2集電板20に付着することを防止することができる。この結果、電池の生産性を向上することができる。また、第1溶接用電極51の最大径が従来と比較して大きいため、市販の溶接用電極を加工せずに、または少しの加工で、第1溶接用電極51を得ることができる。
前記効果が十分に得られるため、前記中空円筒部の最大径は、極板群の最大径の1/5以上、2/6以下であることが好ましい。第1溶接用電極51の最大径は、中空円筒部の最大径の80〜100%であることが好ましい。また、第1溶接用電極51の最大径は、4mm以上であることがさらに好ましい。
前記効果が十分に得られるため、前記中空円筒部の最大径は、極板群の最大径の1/5以上、2/6以下であることが好ましい。第1溶接用電極51の最大径は、中空円筒部の最大径の80〜100%であることが好ましい。また、第1溶接用電極51の最大径は、4mm以上であることがさらに好ましい。
さらに、本発明においては、第2集電板20の第1部分21aに1つの第1プロジェクション22aを設け、第2部分21bに複数の第2プロジェクション22bを設けるとともに、第1プロジェクション22aの高さを、第2プロジェクション22bの高さよりも高くしている。
第1電極と第2電極とそれらの間に配置されたセパレータとを含む積層体を渦巻状に捲回する群構成工程において、電極の変形、電極の厚みのバラツキ、設備の精度などによって、1周ずつ捲回するごとに、芯材の露出部にズレが生じる。このため、極板群の捲回軸方向における端面が、平面状にならず、一部の芯材の露出部が突出したり、別の一部の芯材が引っ込んだりしている。このため、このような端面(芯材の露出部)に、第2集電板を接続した場合、第2集電板がフラットになりにくい。
本発明においては、太い第1溶接用電極51を用いて、第2集電板20と電池ケース7との良好な密着状態を実現すると共に、第1プロジェクション22aの高さを、第2プロジェクション22bの高さよりも高くすることにより、極板群5の捲回軸方向の端面の平面度状態に影響されずに、安定したナゲット(溶融部)を形成することができる。つまり、第1プロジェクションの高さを、第2プロジェクションの高さより高くすることにより、第2集電板と電池ケースとが確実に接触し、よって、通電経路を確保できる。このため、第2集電板20と電池ケース7との安定した接続状態を維持することができ、その結果、高い電池性能が維持された電池を得ることができる。
以上のように、本発明の製造方法を用いることにより、高い電池性能の電池を、高い生産性で得ることができる。
なお、極板群5の中空円筒部5aの最大径が、極板群5の最大径の2/6より大きいと、十分な容量が得られない。
第1電極と第2電極とそれらの間に配置されたセパレータとを含む積層体を渦巻状に捲回する群構成工程において、電極の変形、電極の厚みのバラツキ、設備の精度などによって、1周ずつ捲回するごとに、芯材の露出部にズレが生じる。このため、極板群の捲回軸方向における端面が、平面状にならず、一部の芯材の露出部が突出したり、別の一部の芯材が引っ込んだりしている。このため、このような端面(芯材の露出部)に、第2集電板を接続した場合、第2集電板がフラットになりにくい。
本発明においては、太い第1溶接用電極51を用いて、第2集電板20と電池ケース7との良好な密着状態を実現すると共に、第1プロジェクション22aの高さを、第2プロジェクション22bの高さよりも高くすることにより、極板群5の捲回軸方向の端面の平面度状態に影響されずに、安定したナゲット(溶融部)を形成することができる。つまり、第1プロジェクションの高さを、第2プロジェクションの高さより高くすることにより、第2集電板と電池ケースとが確実に接触し、よって、通電経路を確保できる。このため、第2集電板20と電池ケース7との安定した接続状態を維持することができ、その結果、高い電池性能が維持された電池を得ることができる。
以上のように、本発明の製造方法を用いることにより、高い電池性能の電池を、高い生産性で得ることができる。
なお、極板群5の中空円筒部5aの最大径が、極板群5の最大径の2/6より大きいと、十分な容量が得られない。
第2集電板および電池ケースの構成材料としては、例えば、鉄(Fe)およびニッケル(Ni)を用いることができる。なお、第1集電板も、前記材料から構成されることが好ましい。
図2に示される第2集電板20には、4つの第2プロジェクション22bが設けられているが、第2プロジェクション22bの数は特に限定されない。なお、以下で説明するように、第2集電板に、スリットおよびバーリング部が設けられている場合、スリットとスリットとの間に第2プロジェクションが設けられる。第2集電板に多くのスリットが設けられた場合、第2集電板の導電性が低下することが考えられる。よって、第2集電板に設けられるスリットの数等を考慮して、第2プロジェクション22bの数は、3〜8個であることが好ましい。
第2集電板20において、第2プロジェクション22bは、同心円上に等間隔(中心角90°)に配置されることが好ましい。また、第2プロジェクションは、極板群5の最大径の50〜80%である極板群5の部分に対向する第2部分の領域25に配置されることが好ましい。なかでも、極板群5の最大径の65〜70%である極板群の部分に対向する第2部分の領域に、第2プロジェクション22bが配置されることが特に好ましい。前記領域25に第2プロジェクション22bを設けることにより、溶接性をさらに向上できるとともに、溶接後の集電性をもさらに向上させることができる。
第1プロジェクション22aの高さAと、第2プロジェクション22bの高さBとの差:A−Bは、電池の大きさ、電池の形状等に応じて、10〜500μmとすることが好ましい。第1プロジェクション22aの高さは、100〜500μmであることが好ましい。第1プロジェクションの高さは、第2集電板の第1プロジェクションが設けられている面から、第1プロジェクションの最も高い位置までの垂直距離として求めることができる。第2プロジェクションの高さも、第1プロジェクションの高さと同様にして求めることができる。
第1プロジェクション22aおよび第2プロジェクション22bの最大径は、0.1〜2mmであることがさらに好ましい。ここで、第1プロジェクションおよび第2プロジェクションの最大径とは、その高さ方向に垂直な方向における最大径のことをいう。
第1プロジェクション22aおよび第2プロジェクション22bの最大径は、0.1〜2mmであることがさらに好ましい。ここで、第1プロジェクションおよび第2プロジェクションの最大径とは、その高さ方向に垂直な方向における最大径のことをいう。
なお、第1プロジェクション22aは、その中心が第1部分21Aに入っていればよい。また、第2プロジェクション22bが領域25内に配置されるとは、第2プロジェクションの中心が、前記領域25内に入っていることをいう。ここで、第1プロジェクションおよび第2プロジェクションの中心とは、それぞれ最大径の中点のことをいう。
第2集電板20は、1つの第1プロジェクション22aを第2集電板の第1部分21aに設け、複数の第2プロジェクション22bを第2集電板の第2部分21bに設けることにより、作製することができる。第1および第2プロジェクションは、当該分野で公知の方法を用いて作製することができる。
負極集電板20は、複数のバーリング部23を有することが好ましい。バーリング部23は、負極集電板20の中心部から外周側に向かって放射状に形成された4つのスリット24の各側縁部から上方に突出している。バーリング部23と極板群に含まれる第2電極の芯材の露出部とを、バーリング部23を前記第2電極の芯材の露出部に食い込ませた状態で溶接することで、第2電極と第2集電板とを、低抵抗で接続することができる。
なお、第2集電板20と電池ケース7とを接続するとき、第1溶接用電極51を用いるとともに、例えば加圧機のような加圧手段53を用いて、第1集電板6の上から極板群5と電池ケース7とを押さえ付けることにより、第2集電板20と電池ケース7と密着させてもよい。
第2集電板20を電池ケース7に接続したのち、前記電池ケース7には、電解質(図示せず)が注入される。次いで、第1端子を兼ねたキャップ10を備えた封口体9を用いて、電池ケース7の開口部を封口して、電池が作製される。第1集電板6と封口板9とは、接続リード8により接続されている。電池ケース7と封口体9との間には、絶縁性ガスケット12が配置されている。なお、図1は、ゴム体11を備えるゴム方式のガス排出弁を有する封口体を含む電池を示している。
本発明において、第1電極は、正極または負極のいずれであってもよい。第2電極は、第1電極が正極である場合、負極であり、第1電極が負極である場合、正極である。
なかでも、第2電極が負極であり、第2集電板が負極集電板であることが好ましい。例えば、アルカリ蓄電池を含む水系二次電池では、充放電中に発生する酸素を吸収するリザーバーとして、正極容量よりも多くの負極活物質を充填する必要がある。その結果、負極板の長さが、正極板の長さよりも長くなる。このため、電池ケースに接する極板郡の最外周は必然的に負極になる。よって、第2電極が負極である方が好ましい。
なかでも、第2電極が負極であり、第2集電板が負極集電板であることが好ましい。例えば、アルカリ蓄電池を含む水系二次電池では、充放電中に発生する酸素を吸収するリザーバーとして、正極容量よりも多くの負極活物質を充填する必要がある。その結果、負極板の長さが、正極板の長さよりも長くなる。このため、電池ケースに接する極板郡の最外周は必然的に負極になる。よって、第2電極が負極である方が好ましい。
本発明の製造方法を用いて作製される電池の種類は、特に限定されない。第1電極を構成する第1芯材および第1活物質、ならびに第2電極を構成する第2芯材および第2活物質は、作製される電池の種類に応じて、適宜選択される。
例えば、アルカリ蓄電池を作製する場合、正極活物質としては、オキシ水酸化ニッケルなど、当該分野で公知の材料を用いることができる。負極活物質としては、水素吸蔵合金など、当該分野で公知の材料を用いることができる。
リチウム二次電池を作製する場合、正極活物質としては、リチウム含有複合酸化物などの当該分野で公知の材料を用いることができる。負極活物質としては、炭素材料、SiまたはSnを含む材料などの当該分野公知の材料を用いることができる。
例えば、アルカリ蓄電池を作製する場合、正極活物質としては、オキシ水酸化ニッケルなど、当該分野で公知の材料を用いることができる。負極活物質としては、水素吸蔵合金など、当該分野で公知の材料を用いることができる。
リチウム二次電池を作製する場合、正極活物質としては、リチウム含有複合酸化物などの当該分野で公知の材料を用いることができる。負極活物質としては、炭素材料、SiまたはSnを含む材料などの当該分野公知の材料を用いることができる。
用いられる電解質も、作製される電池の種類に応じて適宜選択される。例えば、アルカリ蓄電池用の電解質としては、アルカリ水溶液が用いられる。リチウム電池用の電解質としては、非水溶媒とそれに溶解したリチウム塩とを含む非水電解質が用いられる。非水溶媒およびリチウム塩には、当該分野で公知の材料を用いることができる。
さらに、正極芯材、負極芯材、セパレータ等についても、作製される電池の種類に応じて、当該分野で公知のものが適宜選択される。
本発明の製造方法は、横断面の最大径が20〜40mmである極板群を含む電池を作製する場合に特に適している。
また、本発明の製造方法によって、第2集電板と電池ケースとが、優れた溶接品質で接続される。よって、本発明の製造方法によって得られた電池は、電池特性を良好に維持することができる。
次に、本発明を、実施例を参照しながら具体的に説明する。以下の実施例では、第1電極を正極し、第2電極を負極として、図1に示されるような、直径32mm、高さ60mm、公称容量6000mAhの円筒形ニッケル水素蓄電池を作製した。
当該分野で一般的な帯状の厚さ0.5mmの焼結式ニッケル正極板および帯状の厚さ0.3mmの水素吸蔵合金負極板を用いた。正極板および負極板には、それぞれ長手方向に平行な一方の辺に沿って芯材の露出部を設けておいた。正極板の幅方向における、正極芯材の露出部の長さは、1.5mmであった。負極板の幅方向における、負極芯材の露出部の長さは、1.5mmであった。
正極板と負極板とを、それらの間にセパレータを介在させて積層して、積層体を得た。このとき、正極芯材の露出部を積層体の長手方向に平行な一方の辺に沿って配置し、負極芯材の露出部を積層体の長手方向に平行な他方の辺に沿って配置した。正極芯材の露出部および負極芯材の露出部は、積層体の幅方向において、それぞれ反対方向に、1.5mmずつ突出させておいた。
次に、得られた積層体を、太さ(横断面の径)がφ6mmの巻芯を用いて、渦巻状に捲回して、直径(横断面の径)30mm、高さ50mmの極板群を得た。得られた極板群において、捲回軸方向の一方の端面(第1端面)には、正極芯材の露出部が配置され、捲回軸方向の他方の端面(第2端面)には、負極芯材の露出部が配置されていた。極板群の中央部に捲回軸に沿って設けられた中空円筒部の最大径は、5mmであった。
極板群の第1端面に配置された正極芯材の露出部に、中央部にφ6mmで円形開口部を有する矩形の鉄製正極集電板を溶接した。正極集電板の対角の長さは28mmであり、厚みは400μmであった。
片面に1つの第1プロジェクションと4つの第2プロジェクションを備える、円形の
鉄製負極集電板を用意した。負極集電板の直径は29mmであり、厚みは400μmであった。
第1プロジェクションは、第2集電板の中央部、つまり極板群の中空円筒部に対向する第1部分に配置されていた。第1プロジェクションの高さは380μmであり、第1プロジェクションの最大径は、180μmであった。
4つの第2プロジェクションは、直径20mmの同心円上に等間隔に配置されていた。第2プロジェクションの高さは300μmであり、第2プロジェクションの最大径は、150μmであった。
鉄製負極集電板を用意した。負極集電板の直径は29mmであり、厚みは400μmであった。
第1プロジェクションは、第2集電板の中央部、つまり極板群の中空円筒部に対向する第1部分に配置されていた。第1プロジェクションの高さは380μmであり、第1プロジェクションの最大径は、180μmであった。
4つの第2プロジェクションは、直径20mmの同心円上に等間隔に配置されていた。第2プロジェクションの高さは300μmであり、第2プロジェクションの最大径は、150μmであった。
上記のような負極集電板のプロジェクションが形成されている側とは反対側の面に、負極芯材の露出部を接続した。具体的には、幅5mm、長さ8mmの溶接用電極を、負極集電板に接触させて、負極集電板と負極芯材の露出部とを電気的に溶接した。
正極集電板および負極集電板が溶接された極板群を、鉄製の電池ケースに収容した。第1溶接用電極を、正極集電板の中央部に設けられた開口部および極板群の中空円筒部を通して、第1溶接用電極を負極集電板に接触させると共に、電池ケースの底部に接触させた。第1溶接用電極および第2溶接用電極を用いて、負極集電板の5つのプロジェクションと電池ケースとを密着させた。このとき、群加圧機によって、第1集電板の上から極板群と電池ケースとを150Nの力でさらに押さえ付けた。第1溶接用電極と第2溶接用電極との間に4kAの溶接電流を印加することによって、負極集電板を、電池ケースの内底面に溶接した。
次に、所定のアルカリ電解質を、正極集電体の中央部の開口部から、電池ケース内に、所定量注入した。この後、正極集電板に、ニッケル製接続リードの一端を接続し、接続リードの他端を、正極端子を備える封口体に溶接した。次いで、封口体を用いて、電池ケースの開口部を密閉した。こうして作製したアルカリ蓄電池を電池Aとした。
最大径が3mmの第1溶接用電極を用いたこと以外、電池Aと同様にして、比較電池Bを作製した。
電池Aおよび比較電池Bを各1000個ずつ作製し、電池Aと比較電池Bについて、第1溶接用電極の負極集電板への付着発生率をそれぞれ求めた。得られた結果を表1に示す。表1には、第1溶接用電極の最大径および第1溶接用電極の負極集電板への付着数も示す。
表1から明らかなように、比較電池Bにおいて、第1溶接用電極が負極集電板に付着する割合が高い。一方、本発明の製造方法で作製された電池Aにおいては、第1溶接用電極が負極集電板に付着する割合が0%であった。これは、極板群の中央部に設けられる中空円筒部の最大径を大きくし、かつ第1溶接用電極の最大径を大きくすることにより、溶接用電極の放熱性が良くなり、第1溶接用電極の負極集電板への付着が低減したためと考えられる。
なお、最大径が3mmより小さい第1溶接用電極を用い、第1溶接用電極と第2溶接用電極との間に4kAの溶接電流を印加した場合、電池Bの場合と同様に、第1溶接用電極の発熱により、第1溶接用電極と電池ケースとが付着する割合が高いことが確認された。
また、第1溶接用電極の最大径を3mm以下とし、第1溶接用電極と第2溶接用電極との間に2kAの溶接電流を印加すると、第1溶接用電極の電池ケースへの付着はなくなった。しかし、5つのプロジェクションの内、いくつかのプロジェクションが電池ケースに溶接されないことがあることが確認された。これは、第1溶接用電極と第2溶接用電極との間に流れる溶接電流が比較的小さいため、十分な発熱が得られず溶け込み(溶着)不十分でプロジェクションと電池ケースとの密着性が低下したためであると考えられる。
また、第1溶接用電極の最大径を3mm以下とし、第1溶接用電極と第2溶接用電極との間に2kAの溶接電流を印加すると、第1溶接用電極の電池ケースへの付着はなくなった。しかし、5つのプロジェクションの内、いくつかのプロジェクションが電池ケースに溶接されないことがあることが確認された。これは、第1溶接用電極と第2溶接用電極との間に流れる溶接電流が比較的小さいため、十分な発熱が得られず溶け込み(溶着)不十分でプロジェクションと電池ケースとの密着性が低下したためであると考えられる。
本発明により、集電板を電池ケースに接続するときに、溶接用電極が集電板に付着することを防止することができるため、電池の生産性を向上することができる。さらに、本発明の製造方法により、電池ケースと極板群との間に配置された集電板と、電池ケースとを、確実に接続することが可能となるため、集電性が向上する。よって、本発明の製造方法により作製された円筒形電池は、電池特性に優れ、かつその優れた電池特性を維持することができる。また、本発明の製造方法により作製される電池は、良好な電池特性を維持することができるため、例えば、電子機器、電動工具、電気自動車などの電源として好適に用いることができる。
1 電池
2 第1電極
2a 第1芯材の露出部
3 セパレータ
4 第2電極
4a 第2芯材の露出部
5 極板群
5a 中空円筒部
6 第1集電板
7 電池ケース
8 接続リード
9 封口板
10 キャップ
11 ゴム体
12 絶縁性ガスケット
20 第2集電板
21a 第1部分
21b 第2部分
22a 第1プロジェクション
22b 第2プロジェクション
23 バーリング部
24 スリット
25 極板群の最大径の50〜80%の部分に対向する第2集電板の第2部分の領域
51 第1溶接用電極
52 第2溶接用電極
53 加圧手段
2 第1電極
2a 第1芯材の露出部
3 セパレータ
4 第2電極
4a 第2芯材の露出部
5 極板群
5a 中空円筒部
6 第1集電板
7 電池ケース
8 接続リード
9 封口板
10 キャップ
11 ゴム体
12 絶縁性ガスケット
20 第2集電板
21a 第1部分
21b 第2部分
22a 第1プロジェクション
22b 第2プロジェクション
23 バーリング部
24 スリット
25 極板群の最大径の50〜80%の部分に対向する第2集電板の第2部分の領域
51 第1溶接用電極
52 第2溶接用電極
53 加圧手段
Claims (4)
- (i)第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に配置されたセパレータを含む捲回型極板群、
(ii)前記捲回型極板群を収容する円筒形電池ケース、
(iii)前記第1電極に接続される第1集電板、
(iv)前記第2電極に接続され、かつ前記極板群と前記円筒形電池ケースの内底面との間に配置された第2集電板、および
(v)電解質
を備え、
前記第1電極は、帯状の第1芯材と、前記第1芯材に配された第1活物質層とを含み、前記第1芯材の長手方向に平行な一方の辺に沿って前記第1芯材の露出部が設けられており、
前記第2電極は、帯状の第2芯材と、前記第2芯材に配された第2活物質層とを含み、前記第2芯材の長手方向に平行な一方の辺に沿って前記第2芯材の露出部が設けられており、
前記極板群の捲回軸方向の2つの端面には、それぞれ前記第1芯材の露出部および前記第2芯材の露出部が配置されており、かつ前記極板群は、捲回軸に沿って設けられた中空円筒部を有し、
前記第2集電板は、前記円筒形電池ケースの内底面と対向する面に、前記円筒形電池ケースの内底面側に突出する1つの第1プロジェクションと複数の第2プロジェクションとを有し、前記第1プロジェクションは、前記第2集電板の前記極板群の中空円筒部に対向する第1部分に配置されており、前記複数の第2プロジェクションは、前記第2集電板の前記第1部分以外の第2部分に配置されており、かつ前記第2集電板に設けられた前記第1プロジェクションおよび前記複数の第2プロジェクションが、前記円筒形電池ケースの内底面に溶接されており、
前記極板群の中空円筒部の最大径は、前記極板群の最大径の1/6以上、2/6以下である、円筒形電池。 - 前記第2プロジェクションが、前記極板群における最大径の50〜80%である部分に対向する前記第2部分の領域に配置されている、請求項1記載の円筒形電池。
- 前記第1プロジェクションの高さは、前記第2プロジェクションの高さよりも高く、前記第1プロジェクションの高さと、前記第2プロジェクションの高さとの差が、10〜500μmである、請求項1または2記載の円筒形電池。
- 前記極板群の最大径が、20〜40mmである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の円筒形電池。
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