JP2010205702A - 扁平形二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】接触方式により正極リードと、正極側となる外装缶または封口缶とを電気的に接続することができ、しかも集電効率の低下を抑制できるようにする。
【解決手段】本発明に係る扁平形二次電池は、ステンレス鋼製の外装缶５の開口部にガスケット６を介して封口缶７を装着した電池容器２内に、正極１２と負極１３とをセパレータ１５を介して交互に複数段積層してなる電極体３と、非水電解液とが収容されている。各正極１２の正極集電体１７からはアルミニウム箔製の正極リード２４がそれぞれ導出されている。各正極リード２４の先端部どうしは重ね合わされており、該正極リード２４の先端部に、ステンレス鋼製の金属箔片２５が超音波溶接されて、各正極リード２４の先端部と金属箔片２５とが重ね合わせた状態のまま一体化されている。金属箔片２５は、正極側とすべき外装缶５と電極体３との間に位置する状態で外装缶５の内面に接触していることで、各正極リード２４と外装缶５とが電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、扁平形の電池容器内に積層型の電極体を収容した扁平形二次電池に関し、リチウムイオン二次電池等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は、例えば特許文献１に記載されたような二次電池が知られている。これは、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ている電池容器内に、積層構造の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体は、アルミニウム箔製の正極集電体にコバルト酸リチウム等の正極活物質を塗着させてなる正極と、銅箔製の負極集電体にコークス焼成品等の負極活物質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することで構成してある。

前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、通常、電極体の正極は外装缶に電気的に接続されている。その手段として、前記特許文献１記載の扁平形二次電池では、上述したアルミニウム箔製の正極集電体から正極リードをそれぞれ延出させ、そのうちの特定の正極リード（他の正極リードよりも長めに形成した正極リード）に他の正極リードを接続したうえで当該特定の正極リードの先端部を外装缶の内面に超音波溶接している。その場合、アルミニウム箔製の正極リードの接続対象である外装缶が、従来から一般に使用されているステンレス鋼製の外装缶であると、アルミニウムとステンレス鋼との接続となって超音波溶接が容易でないことから、前記特許文献１記載の扁平形二次電池では、外面側がステンレス鋼で内面側がアルミニウムのクラッド材で構成された外装缶を使用し、当該アルミニウム製の内面に前記アルミニウム箔からなる正極リードの先端部を超音波溶接することを行なっている。

特開２００５−３１０５７７号公報（図１−４）

ところが、クラッド材ではない通常のステンレス鋼製の外装缶を使用する場合には、上述したようにステンレス鋼とアルミニウムとの超音波溶接が容易ではなく、たとえ外装缶の内面にアルミニウム箔製の正極リードを超音波溶接しようとしても溶接不良が生じ易いことから、特許文献１記載の手段は採用することができない。

そこで、正極リードの先端側を外装缶の内面に超音波溶接するのではなく接触させることで両者間の電気的接続を実現することが考えられる。しかし、このような接触方式による電気的接続構造を採用した場合、通常は、電解液の作用でアルミニウム箔製の正極リードの表面に形成される電気絶縁性の皮膜によって正極リードと外装缶との間の接触抵抗値が高くなることから、溶接による接続方式の場合よりも集電効率が低下するという問題がある。なお、このような問題は、アルミニウム箔製の正極リードをステンレス鋼製の外装缶に電気的に接続する場合に限らず、アルミニウム箔製の正極リードをステンレス鋼製の封口缶に電気的に接続することとした場合にも生じる。

本発明は、積層型の電極体を備えた扁平形二次電池における上記のような問題に対処するもので、接触方式により正極リードと電池容器（正極側となる外装缶または封口缶）とを電気的に接続することができ、しかも集電効率の低下を抑制できる扁平形二次電池を提供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、例えば図１に示すように、ステンレス鋼製の外装缶５の開口部にガスケット６を介してステンレス鋼製の封口缶７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２を有し、電池容器２内には、アルミニウム箔で構成された正極集電体１７に正極活物質層１６を形成してなる正極１２と負極集電体２０に負極活物質層１９を形成してなる負極１３とをセパレータ１５を介して交互に複数段積層してなる積層型の電極体３と、非水電解液とが収容されており、各正極集電体１７からはこれと一体のアルミニウム箔製の正極リード２４が電極体３の側方に向けてそれぞれ導出されている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、各正極リード２４の先端部どうしを重ね合わせ、この重ね合わせた状態の正極リード２４の先端部に、ステンレス鋼で形成した金属箔片２５を超音波溶接して、各正極リード２４の先端部と金属箔片２５とを重ね合わせた状態のまま一体化している。そして、前記金属箔片２５を、正極側とすべき外装缶５または封口缶７のいずれか一方と電極体３との間に位置させた状態で、当該外装缶５または封口缶７の内面に接触させていることで、各正極リード２４と外装缶５または封口缶７とが電気的に接続された構成とする。

また、本発明においては、正極リード２４のうちの一つの正極リード（便宜上、特定正極リードという）２８の中間部２９に、その他の正極リード２４を超音波溶接し、当該特定正極リード２８の先端部に、ステンレス鋼で形成した金属箔片２５を超音波溶接して、特定正極リード２８の先端部および金属箔片２５を一体化する構成とすることができる。ここでの特定正極リード２８は、電極体３の最上段に配置した正極１２の正極集電体１７から導出された正極リード２４であってもよいし、電極体３の最下段に配置した正極１２の正極集電体１７から導出された正極リード２４であってもよく、更にはこれらの中間に配置した正極１２の正極集電体１７から導出された正極リード２４であってもよい。

本発明に係る扁平形二次電池では、アルミニウム箔製の正極リード２４に超音波溶接された金属箔片２５が、正極側となる外装缶５または封口缶７に接触することで、各正極リード２４と外装缶５または封口缶７とが電気的に接続される。その場合、外装缶５または封口缶７に接触された金属箔片２５はステンレス鋼製のため、電解液と接触していてもアルミニウム箔製の正極リード２４の場合のような電気絶縁性の皮膜が表面に形成されることがない。このため、正極側となる外装缶５または封口缶７に、アルミニウム箔製の正極リード２４を直接接触させた場合のような接触抵抗の増大という問題は生じることがなく、外装缶５または封口缶７と金属箔片２５（ひいては正極リード２４）との接触による電気的接続状態が良好に維持される。こうして接触方式でありながら正極側の集電効率の低下を確実に回避ないし抑制できることとなる。

また、本発明に係る扁平形二次電池において、特定正極リード２８の中間部２９に、その他の正極リード２４を超音波溶接し、当該特定正極リード２８の先端部に金属箔片２５を超音波溶接するように構成した場合には、ステンレス鋼製の金属箔片２５には、アルミニウム製の特定正極リード２８を一枚だけ溶接すればよいから、金属箔片２５に複数の正極リード２４を重ね合わせて溶接する場合に比べて容易に且つ確実に溶接できることになる。

本発明に係る扁平形二次電池の実施例１の縦断面図である。 本発明の扁平形二次電池の全体を示す縦断面図である。 扁平形二次電池の組み立て前の状態を示す分解断面図である。 電極体の分解断面図である。 本発明に係る扁平形二次電池の実施例２の縦断面図である。

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実施例１に係る扁平形二次電池１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５の開口部にガスケット６を介して封口缶７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。外装缶５は、底壁８の周縁から周側壁９を上向きに曲げた扁平丸皿形状に形成され、封口缶７は、上壁１０の周縁から周側壁１１を下向きに曲げた扁平丸皿形状に形成されている。封口缶７の周側壁１１の下部は、内外二重のはぜ折りに加工してある。外装缶５と封口缶７とはステンレス鋼で構成されている。ガスケット６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、図２および図４に示すように、略円形の正極１２と略円形の負極１３とを電極体３の厚さ方向（図２では上下方向）に交互に複数段積層することで構成され、電極体３の上下両端に負極１３がそれぞれ配置されている。各正極１２は、略円形の扁平袋状のセパレータ１５内に収容されており、このセパレータ１５を介して正極１２と負極１３とが積層された構成とされている。正極１２は、図１に示すように、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１６をアルミニウム箔製の正極集電体１７の上下両面に配置することで形成されている。

負極１３は、黒鉛等の負極活物質を含有する負極活物質層１９を銅箔製の負極集電体２０の上下両面に配置することで形成されている。ただし、図示例の最上段に配置された負極１３ａにおいては、負極集電体２０の上面に負極活物質層１９が配置されておらず、該負極集電体２０の上面が露出状態で封口缶７の上壁１０の内面に接触している。更に最下段に配置された負極１３ｂにおいては、負極集電体２０の下面に負極活物質層１９が配置されていない。最下段の負極１３ｂの負極集電体２０と外装缶５の底壁８の内面との間には、短絡防止用の絶縁シール２１を介在させている。絶縁シール２１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ている。

セパレータ１５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である。各正極１２からはこれと一体のアルミニウム箔製の正極リード２４が電極体３の側方に向けてそれぞれ導出されている。なお、図示例では正極１２および負極１３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１において７段程度の積層段数を採用する。

各負極１３の負極集電体２０には、図４に示すように、正極リード２４の反対方向に延出する導電性の負極リード２６が一体形成されており、各負極１３の負極リード２６の先端どうしが超音波溶接等で互いに接続されている。前述のように最上段に配置した負極１３の負極集電体２０は封口缶７の上壁１０に接触しており、各負極１３は封口缶７に電気的に接続（導通）されている。

このような構成に加えて、本実施例における扁平形二次電池１においては、更に次のように構成されている。すなわち、各正極１２の正極リード２４の先端側どうしが重ね合わされ、この重ね合わされた状態の正極リード２４の先端部にステンレス鋼製の金属箔片２５が超音波溶接されて、各正極リード２４と金属箔片２５とが重ね合わされた状態のまま一体化された構成とされている。

前記各正極リード２４は、図１および図３に示すように、金属箔片２５が電極体３の下面と外装缶５の底壁８の内面との間に位置するように折り曲げ形成されている。そして、組み立て状態（図１の状態）で金属箔片２５を外装缶５の底壁８の内面に接触させることで、各正極１２が、正極リード２４および金属箔片２５を介して外装缶５に電気的に接続（導通）されている。

ここで図示例における金属箔片２５は、前後左右の寸法が３ｍｍ、厚み寸法Ｌ１が０．１ｍｍである。外装缶５の板厚寸法Ｌ２は０．２ｍｍである。金属箔片２５の厚み寸法Ｌ１は、小さいほうが好ましいが、小さくなり過ぎると溶接が困難になるために０．０１〜０．２ｍｍの範囲内であることが好ましい。すなわち、金属箔片２５の厚み寸法Ｌ１は、外装缶５の板厚寸法Ｌ２の５〜１００％の範囲内であることが好ましい。正極リード２４は、幅寸法が４ｍｍ、厚み寸法が０．０１５ｍｍである。

本発明の扁平形二次電池１の組み立てを説明する。まず封口缶７の上壁１０を下側にして開口部を上側にした状態で、封口缶７の開口部にガスケット６を装着し、該ガスケット６の内側に、最上段に配置した負極１３側を下側にした電極体３を嵌め込んで収容する。なお、これに先立って各正極リード２４の先端部には、前述の要領で金属箔片２５が超音波溶接される。そして、各正極リード２４の先端側が、電極体３の絶縁シール２１上に位置するように折り曲げられる。これにて、金属箔片２５が電極体３の上側に位置する。また、各負極１３から延出する負極リード２６どうしを超音波溶接する。

次いで、封口缶７内に非水電解液を注入する。電解液の注入後に封口缶７の上側から外装缶５を被せて、外装缶５の内側に封口缶７をガスケット６と共に嵌め込む。この後、外装缶５の周側壁９を内方に向けてかしめる。これにより、図２に示す本発明の扁平形二次電池１を得ることができる。

この状態で、最上段に配置された負極１３の負極集電体２０の上面が封口缶７の上壁１０の内面に接触している。また、各正極リード２４の先端部および金属箔片２５は、電極体３と外装缶５の底壁８とで挟まれた状態で保持されており、これにて金属箔片２５が外装缶５の底壁８の内面から離れることが防止される。なお、非水電解液は、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 を溶解させて作製した。

以上のような構成からなる扁平形二次電池１によれば、金属箔片２５はステンレス鋼製のため、電解液と接触していてもアルミニウム箔製の正極リード２４の場合のような電気絶縁性の皮膜が表面に形成されることがない。このため、外装缶５と金属箔片２５との接触による電気的接続状態が良好に維持され、正極側の集電効率の低下を確実に抑制できることになる。しかも、外装缶５に比べて薄い金属箔片２５を正極リード２４に超音波溶接するので、金属箔片２５はステンレス鋼製であっても容易に且つ確実にアルミニウム製の正極リード２４に超音波溶接できる。金属箔片２５は正極リード２４に溶接されているので、金属箔片２５と正極リード２４との間の確実な導通状態を得ることができる。

また、各正極リード２４の先端部どうしが重ね合わされ、この重ね合わせた状態の正極リード２４の先端部に金属箔片２５を超音波溶接するように構成してあるので、各正極リード２４どうしの溶接と正極リード２４への金属箔片２５の溶接とを別々に行なう場合に比べると、溶接回数が少なくて済む。

図５に、本発明をコイン型のリチウムイオン電池に適用した扁平形二次電池１の実施例２を示す。本実施例の扁平形二次電池１は、各正極リード２４のうち、一枚の正極リード（特定正極リード）２８の中間部２９に、当該特定正極リード２８以外の正極リード２４が超音波溶接され、特定正極リード２８の先端部に金属箔片２５が超音波溶接されている。その他の点は、実施例１と同じであるので、同一部材には同一符号を付して、その説明を省略する。

実施例２の扁平形二次電池１でも、アルミニウム製の特定正極リード２８に超音波溶接されたステンレス鋼製の金属箔片２５が外装缶５に接触していることで、各正極リード２４と外装缶５とが電気的に接続されている。かかる金属箔片２５は、ステンレス鋼製のために、実施例１と同様に外装缶５と金属箔片２５との接触による電気的接続状態が良好に維持される。しかも、金属箔片２５には特定正極リード２８が一枚だけ溶接されているので、金属箔片２５に特定正極リード２８を容易に且つ確実に超音波溶接できる。

前記説明では、最上段に配置された負極１３ａを封口缶７の上壁１０の内面に接触させることで、各負極１３を封口缶７に電気的に接続しているが、各負極リード２６を封口缶７の内面に超音波溶接して、各負極１３を封口缶７に電気的に接続してもよい。また、封口缶７の上壁１０の下面にバネ体を固定し、当該バネ体で電極体３の最上段に配置された負極１３ａを下向きに付勢するように構成してもよい。その場合、各負極１３はバネ体を介して封口缶７に電気的に接続される。

また、金属箔片２５は、正極側として封口缶７の内面に接触するように構成してもよい。その場合、各負極リード２６は、負極側として外装缶５の内面に接触または超音波溶接されることになる。扁平形二次電池１は、例えば扁平四角形状であってもよい。

１ 扁平形二次電池
２ 電池容器
３ 電極体
５ 外装缶
６ ガスケット
７ 封口缶
１２ 正極
１３ 負極
１５ セパレータ
２４ 正極リード
２５ 金属箔片
２８ 特定正極リード
２９ 中間部

Claims (2)

1. ステンレス鋼製の外装缶の開口部にガスケットを介してステンレス鋼製の封口缶を装着して、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、
   前記電池容器内には、アルミニウム箔で構成された正極集電体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、
   前記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前記電極体の側方に向けてそれぞれ導出されている扁平形二次電池であって、
   前記各正極リードの先端部どうしが重ね合わされ、この重ね合わされた状態の正極リードの先端部に、ステンレス鋼で形成した金属箔片が超音波溶接されて、前記各正極リードの先端部と前記金属箔片とが重ね合わせた状態のまま一体化しており、
   前記金属箔片が、正極側とすべき前記外装缶または前記封口缶のいずれか一方と前記電極体との間に位置する状態で、当該外装缶または封口缶の内面に接触していることで、前記各正極リードと前記外装缶または前記封口缶とが電気的に接続されていることを特徴とする扁平形二次電池。
2. ステンレス鋼製の外装缶の開口部にガスケットを介してステンレス鋼製の封口缶を装着して、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、
   前記電池容器内には、アルミニウム箔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、
   前記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前記電極体の側方に向けてそれぞれ導出されている扁平形二次電池であって、
   前記正極リードのうちの一つの正極リード（便宜上、特定正極リードという）の中間部に、その他の正極リードが超音波溶接され、前記特定正極リードの先端部に、ステンレス鋼で形成した金属箔片が超音波溶接されて、前記特定正極リードの先端部と前記金属箔片とが一体化しており、
   前記金属箔片が、正極側とすべき前記外装缶または前記封口缶のいずれか一方と前記電極体との間に位置する状態で、当該外装缶または封口缶の内面に接触していることで、前記各正極リードと前記外装缶または前記封口缶とが電気的に接続されていることを特徴とする扁平形二次電池。

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