JP2010205701A - 扁平形二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】積層型の電極体から導出された複数枚のアルミニウム箔製の正極リードがステンレス鋼製または鉄製の缶の内面に接続される扁平形二次電池において、前記缶の内面に正極リードを複数枚重ねた状態でも確実に超音波溶接できるようにする。
【解決手段】電極体３から導出されたアルミニウム箔製の正極リード７１ａとステンレス鋼製の外装缶４との電気的接続部となる缶内底面部分４ｃにアルミニウム箔片１１をあらかじめ超音波溶接し、このアルミニウム箔片１１に各正極リード７１ａの先端部を重ねた状態で超音波溶接した構造とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、扁平形の電池容器内に積層型の電極体と非水電解液とを収容した扁平形二次電池に関し、リチイムイオン二次電池などに適用されるものである。

この種の扁平形二次電池として、例えば特許文献１に記載されたようなコイン形二次電池が知られている。これは、電池缶（外装缶）の開口部にガスケットを介して封口板（封口缶）を装着して当該開口部の周縁部をかしめることにより封口された電池容器内に、積層構造の電極群（電極体）および非水電解液を収容して、コイン形の外観を呈する電池としたものである。この電池における積層構造の電極群は、アルミニウム箔によって形成された正極集電体の両面にコバルト酸リチウム等の正極材料を塗着させてなる正極と、銅箔によって形成された負極集電体にコークス焼成品等の負極材料を塗着させてなる負極とを、セパレータを介して交互に積層した構成で、正極集電体から延出されたアルミニウム箔からなる正極リードが電池缶に、負極集電体から延出された銅箔からなる負極リードが封口板に、それぞれ電気的に接続される。

特開２００５−３１０５７７号公報（第５〜７頁、図１〜４）

上記のような積層型の電極体を備えた扁平形二次電池においては、電極体中の各正極集電体からそれぞれ延出されたアルミニウム箔からなる正極リードを正極端子となる側の缶（特許文献１では電池缶）に電気的に接続するために、缶の内面に正極リードを超音波溶接することが行なわれる。その場合、電池容器の構成部材として一般に使用されているステンレス鋼製の缶の内面に、アルミニウム箔からなる複数枚の正極リードを重ねた状態で溶接しようとしても、一般にステンレス鋼とアルミニウムとの超音波溶接は容易でないことに加えて、正極リード全体の厚み寸法が重ねた枚数分だけ大きくなって超音波による振動が重ね状態の正極リードの全てに十分には伝わらないため溶接性が悪く、溶接不良が生じやすいという問題があった。このとき所要の溶接強度を確保しようとして溶接出力を上げると、正極リードを構成しているアルミニウム箔が切れやすくなって作業性が低下するという問題が生じる。このような問題は、正極リードが接続される缶がステンレス鋼製である場合のみならず鉄製である場合にも生じる。

本発明は、このような問題に対処するもので、積層型の電極体から導出された複数枚のアルミニウム箔製の正極リードがステンレス鋼製または鉄製の缶の内面に接続される扁平形二次電池において、前記缶の内面に正極リードを複数枚重ねた状態でも確実に超音波溶接できる構造とすることにより、当該溶接部における信頼性および溶接時における作業性の向上が図られるようにすることを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、外装缶の開口部にガスケットを介して封口缶を装着して当該開口部の周縁部をかしめることにより封口された電池容器を有し、この電池容器内に、アルミニウム箔（アルミニウム合金箔も含まれる）で構成された正極集電体の両面に正極活物質層を形成してなる正極と負極集電体に負極活物質層を形成してなる負極とをセパレータを介して交互に複数段積層してなる積層型の電極体と、非水電解液とが収容されており、各正極集電体からはこれと一体のアルミニウム箔製の正極リードが電極体の側方に向けてそれぞれ導出されて、ステンレス鋼または鉄で構成された外装缶または封口缶のいずれか一方の缶内面部分に電気的に接続された扁平形二次電池において、次のように構成したことを特徴とする。

すなわち、前記正極リードと外装缶または封口缶との電気的接続部となる缶内面部分にアルミニウム箔片（アルミニウム合金箔も含まれる）を超音波溶接し、このアルミニウム箔片に各正極リードの先端部を重ねた状態で超音波溶接した構成とする。具体的には、アルミニウム箔片の溶接位置は、電池容器内に収容された電極体の側方に位置する缶内底面部分とすることができる。なお、正極リードは、当然ながら、正極側となる缶（正極缶）に電気的に接続される。通常は外装缶が正極側とされるため正極リードは外装缶に接続するが、場合によっては封口缶が正極側とされることもある。後者の場合には正極リードは封口缶に接続する。

本発明に係る扁平形二次電池においては、各正極集電体からこれと一体のアルミニウム箔製の正極リードが電極体の側方に向けてそれぞれ導出されて、ステンレス鋼または鉄で構成された外装缶または封口缶のいずれか一方の缶内面部分に電気的に接続される。その手段として超音波溶接が使用されるが、その際、正極リードを接続すべき外装缶または封口缶の缶内面部分には、まずアルミニウム箔片が超音波溶接される。この超音波溶接は、当該缶内面部分がステンレス鋼または鉄で構成されているので、アルミニウムとステンレス鋼または鉄との溶接となり、通常は容易でない。しかし、アルニウム箔片が一枚だけだとステンレス鋼製または鉄製の缶内面にも比較的容易に超音波溶接できる。

次に、上記の溶接されたアルミニウム箔片に複数枚の正極リードが重ねられた状態で超音波溶接される。この超音波溶接はアルミニウム箔どうしの溶接であるので比較的容易である。このため、溶接出力を通常以上に上げなくても、ステンレス鋼製または鉄製の缶内面に複数枚の正極リードを重ねた状態で確実に超音波溶接することができ、しかも溶接強度を高めることができる。

したがって、超音波溶接の出力を上げた場合に生じるアルミニウム箔製の正極リードの切断の問題、ひいてはそのような切断による作業性の低下の問題を回避することができる。また、溶接強度を高めることができるので、そのぶん信頼性も向上することとなる。

本発明の扁平形電池の全体構造を示す縦断面図である。 本発明の扁平形電池において正極リードの溶接部の周辺を拡大して示す縦断面図である。 扁平形電池の組み立て前の状態を示す分解図である。 本発明の扁平形電池を組み立てる場合において、外装缶の内底面部に正極リードの先端部を重ねた状態で溶接する際の作業工程を説明するために使用した縦断面図である。

図１〜図４に、本発明をコイン型のリチウムイオン電池に適用した一実施形態例に係る扁平形二次電池を示す。この扁平形二次電池１は、図１および図２に示すように、電池容器２内に積層型の電極体３と非水電解液（図示せず）とを収容した構成である。

電池容器２は、外装缶４の開口部にガスケット５を介して封口缶６を装着して当該開口部の周縁部をかしめることにより封口されている。すなわち、電池容器２は、周縁部４ａを図１中の上向きに曲げた扁平丸皿形状の外装缶４と、周縁部６ａを図１中の下向きに曲げた扁平丸皿形状の封口缶６とからなり、これら外装缶４と封口缶６とが、両者の周縁部４ａ・６ａ間に配置したガスケット５を介してカシメ封口された構成とされている。封口缶６の周縁部６ａの最外周部分（下部側の部分）は、内外二重のはぜ折りに加工してある。外装缶４および封口缶６はステンレス鋼で構成されている。ガスケット５は、絶縁体である合成樹脂で形成されている。この例における扁平形電池１は、全高寸法が３．５ｍｍ、外径寸法が２０ｍｍである。

電極体３は、略円形の正極７と略円形の負極８とを袋状のセパレータ９を介して上下方向に交互に複数段積層した構成である。各セパレータ９は、絶縁性に優れたポリエチレン製の微多孔性薄膜で構成されており、リチウムイオンが透過可能とされている。なお、図示例では正極７および負極８の積層段数は簡略化のため３段しか描いていないが、実際には上述したサイズの扁平形電池において７段程度の積層段数を採用する。ただし、このような段数に限られないことは勿論である。

電極体３の積層方向における両端（図１中の上下両端）には負極８Ａ・８Ｂがそれぞれ配置されている。この上下両端に位置する負極８Ａ・８Ｂを除いて、負極８は、銅等の金属箔製の負極集電体８１の両面に、黒鉛等の負極活物質を含有する負極活物質層８２を設けた構成である。図１の状態で電極体３の上端に位置する負極８Ａにおいては、負極集電体８１の下面側にのみ負極活物質層８２が設けられ、反対側の上面が露出状態で封口缶６の内面に接触している。同じく、電極体３の下端に位置する負極８Ｂにおいては、負極集電体８１の上面側にのみ負極活物質層８２が設けられている。電極体３の下端に位置する負極８Ｂの負極集電体８１と外装缶４の内底面４ｂとの間には、短絡防止用の絶縁シール１０が配置されている。絶縁シール１０は、ポリエチレンやポリプロピレン等からなる絶縁テープで構成される。

各負極８、８Ａ、８Ｂの負極集電体８１からは、これと一体の負極リード８１ａが電極体３の一側方（図１中の右方）に向けて導出されている。これらの負極リード８１ａは、その先端どうしが一まとめにされた状態で超音波溶接等で互いに接続されている。前述のように電極体３の上端に位置する負極８Ａの負極集電体８１は封口缶６の内面に接触しており、従って各負極８、８Ａ、８Ｂは封口缶６に導通している。

各正極７は、略円形の扁平袋状のセパレータ９内にそれぞれ収容されている。各正極７は、それぞれ、アルミニウム箔で構成された正極集電体７１の両面に、コバルト酸リチウム等の正極活物質を含有する正極活物質層７２を設けた構成である。各正極集電体７１からはこれと一体のアルミニウム箔製の正極リード７１ａが電極体３の他側方（前記負極リード８１ａの導出方向とは反対側の図１・図２中の左方）に向けてそれぞれ導出されている。これらの正極リード７１ａは、図示例の扁平形二次電池では外装缶４の内底面に電気的に接続されるが、その電気的接続部の構造として、次のような構造が採用されている。

すなわち、正極リード７１ａと外装缶４との電気的接続部となる缶内面部分、具体的には正極リード７１ａが導出されている側の電極体３の側方に位置する外装缶４の内底面部分（図示例では正極リード７１ａが導出されている側の電極体３の側面とガスケット５との間に位置する外装缶４の内底面部分）４ｃに、正極集電体７１から延びる正極リード７１ａと同種のアルミニウム箔で構成された矩形のアルミニウム箔片（図示例の場合、アルミニウム箔片の厚さは約１５μｍ）１１が超音波溶接されている。そして、このアルミニウム箔片に各正極リード７１ａの先端部が重ねられた状態で超音波溶接されている。

上記の扁平形電池１の組み立ては、図１の状態とは逆に扁平丸皿形状の封口缶６を下側にして（言い換えると、封口缶６の開口部を上向きにして）、これに、ガスケット５の装着→図示しない非水電解液の注入→あらかじめ電極体３を所定の状態に取り付けた外装缶４の組み付け→カシメ封口という順序で行なう。具体的には、以下のようにして行なう。

まず封口缶６の開口部を上にした状態で、その周縁部６ａにガスケット５を装着する。一方、外装缶４については、後述するように、その内底面４ｂの周縁部４ａ寄りの所定位置にあらかじめアルミニウム箔片１１を超音波溶接しておく。そして、この外装缶４の内底面４ｂ側に絶縁シール１０を介して積層型の電極体３を仮止めする。このとき、電極体３の正極リード７１ａは、後述するように外装缶４の所定の内底面部分４ｃに超音波溶接により電気的に接続する。電極体３の仮止めは、例えば、絶縁シール１０の両面に接着剤層をあらかじめ設けておき、電極体３の最外層に位置する負極８Ｂにおける負極集電体８１と外装缶４の内底面４ｂとの間に当該絶縁シール１０を介在させることによって、容易に行なうことができる。

次いで、上記のガスケット５を装着した封口缶６に非水電解液を注入したうえで、当該ガスケット５の外側に、開口部を下向きにした外装缶４を嵌め込んだ後、外装缶４の周縁部４ａを内方に向けてカシメ加工する。このカシメ加工に伴なってガスケット１１が圧縮され、そのガスケット１１によって外装缶４と封口缶６との間が封止される。こうして、外装缶４と封口缶６とがガスケット１１を介在させた状態でカシメ封口されて、図１に示す本発明の扁平形電池１を得ることができる。なお、非水電解液としては、例えば、エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとを混合した溶媒にＬｉＰＦ₆ を溶解させたものを使用することができる。

本発明の扁平形二次電池１は上記のようにして組み立てられるが、その過程で、上述したように、ステンレス鋼で構成された外装缶４に積層形の電極体３の正極側を電気的に接続するために、ステンレス鋼製の外装缶４の内底面部分４ｃに各正極集電体７１から導出されたアルミニウム箔製の正極リード７１ａの先端部を超音波溶接することが行なわれる。このとき、ステンレス鋼製の外装缶４の内底面部分４ｃに直接アルミニウム箔製の各正極リード７１ａの先端部を重ねた状態で超音波溶接しようとしてもステンレス鋼とアルミニウムとの超音波溶接は容易でなく、たとえ溶接できたとしても十分な溶接強度が得られないことが多い。また、溶接しようとして溶接出力を上げるとアルミニウム箔製の正極リード７１ａが切れてしまう等の問題が生じることがある。

しかし、本発明の扁平形二次電池１においては、正極リード７１ａが導出されている側の電極体３の側方に位置する外装缶４の内底面部分４ｃに矩形のアルミニウム箔片１１が超音波溶接され、このアルミニウム箔片１１に各正極リード７１ａの先端部が重ねられた状態で超音波溶接される構造であることから、前記矩形のアルミニウム箔片１１は、図３に示すように、電池組み立て前に外装缶４の内底面部分４ｃの所定位置にあらかじめ超音波溶接される。その場合、ステンレス鋼製の外装缶４の内底面部分４ｃにアルミニウム箔片１１を超音波溶接するのでステンレス鋼とアルミニウムとの溶接となるが、図３および図４に示したようにアルミニウム箔片１１が一枚だけだと比較的容易に超音波溶接できる。

そして、外装缶４内に電極体３をセットして当該外装缶４と電極体３の正極側とを電気的に接続する際に、図４に示すようにアンビルＡ上に外装缶４を載せた状態で、前記のあらかじめ超音波溶接されたアルミニウム箔片にそれぞれアルミニウム箔からなる複数の正極リード７１ａの先端部を重ね、その上から超音波溶接装置における溶接ホーンＢを押し当てて外装缶４側のアルミニウム箔片１１とアルミニウム箔製の複数枚の正極リード７１ａの先端部とを超音溶接する。この超音波溶接はアルミニウム箔どうしの溶接となるので比較的容易である。したがって、溶接出力を通常以上に上げなくても、ステンレス鋼製の外装缶４の内底面部４ｃに複数枚の正極リード７１ａの先端部を重ねた状態で確実に接合することができ、しかも溶接強度を高めることができる。これにより、超音波溶接の出力を上げた場合に正極リード７１ａの被溶接部が切れて不良品が発生するといった問題や作業性が低下するといった問題を回避することができる。また、ステンレス鋼製の外装缶４の内底面に複数枚のアルミニウム箔製の正極リード７１ａ先端部を直接超音波溶接する場合に比べて溶接強度を高めることができるので、その分信頼性も向上することとなる。

なお、図示例の扁平形二次電池１においてはステンレス鋼製の外装缶４を使用したが、鉄製の外装缶を使用する場合にも同様の構成で実施できる。また、図示例の扁平形二次電池１は外装缶４が正極側となる場合のものであるが、封口缶６が正極側となる場合、つまり正極リード７１ａがステンレス鋼製または鉄製の封口缶に電気的に接続される扁平形二次電池にも本発明が適用できることはいうまでもない。図示例の扁平形二次電池１では、アルミニウム箔片１１の形状を矩形としたが、アルミニウム箔片の形状は矩形に限らず任意である。アルミニウム箔片の厚さは、通常、正極集電体と同じ厚さで１５〜２０μｍの範囲であるが、ステンレス鋼製の外装缶等との超音波溶接が良好に行なえる厚さのアルミニウム箔片であれば使用可能であり、アルミニウム合金箔も含まれる。

１ 扁平形二次電池
２ 電池容器
３ 積層型の電極体
４ 外装缶
４ａ 外装缶の周縁部
４ｃ 外装缶の内底面部分（缶内底面部分）
５ ガスケット
６ 封口缶
７ 正極
７１ 正極集電体
７２ 正極活物質層
７１ａ 正極リード
８ 負極
８１ 負極集電体
８２ 負極活物質層
９ セパレータ
１１ アルミニウム箔片

Claims (2)

1. 外装缶の開口部にガスケットを介して封口缶を装着して当該開口部の周縁部をかしめることにより封口された電池容器を有し、
   電池容器内には、アルミニウム箔（アルミニウム合金箔も含まれる）で構成された正極集電体の両面に正極活物質層を形成してなる正極と負極集電体に負極活物質層を形成してなる負極とをセパレータを介して交互に複数段積層してなる積層型の電極体と、非水電解液とが収容されており、
   各正極集電体からはこれと一体のアルミニウム箔製の正極リードが電極体の側方に向けてそれぞれ導出されて、ステンレス鋼または鉄で構成された外装缶または封口缶のいずれか一方の缶内面部分に電気的に接続された扁平形二次電池であって、
   前記正極リードと外装缶または封口缶との電気的接続部となる缶内面部分にはアルミニウム箔片（アルミニウム合金箔片も含まれる）が超音波溶接されており、
   このアルミニウム箔片に各正極リードの先端部が重ねられた状態で超音波溶接されていることを特徴とする扁平形二次電池。
2. 前記アルミニウム箔片が超音波溶接されている缶内面部分は、電池容器内に収容された電極体の側方に位置する缶内底面部分である、請求項１記載の扁平形二次電池。

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