JP2011233257A

JP2011233257A - 二次電池

Info

Publication number: JP2011233257A
Application number: JP2010100097A
Authority: JP
Inventors: Ryuji Kono; 竜治河野; Yutaka Sato; 豊佐藤; Mitsuru Koseki; 満小関; Takuro Tsunaki; 拓郎綱木
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2011-11-17
Anticipated expiration: 2030-04-23
Also published as: JP5514618B2

Abstract

【課題】正極、負極の活物質合剤の未塗工部と正極、負極の端子間に流れる電流分布を均一化して、内部抵抗を小さくし、電池性能を向上する。
【解決手段】捲回された正極電極側未塗工部１１ａを、正極接合板２３Ａと正極導電板５Ａにより挟んで加圧し、超音波溶接により溶接する。超音波溶接部４１は、正極電極側未塗工部１１ａのＨＨ方向（幅方向）における中央部に設ける。また、正極導電板５Ａと正極端子４Ａとをレーザ溶接により溶接する。この場合、レーザ溶接部４２は超音波溶接部４１より内側に位置するようにする。また、正極電極側未塗工部１１ａの幅Ｗに対する正極導電板５Ａの幅Ｗａの比率を、例えば、１／３以上と大きくし、かつ、正極導電板５Ａの幅Ｗａに対する正極端子４Ａの幅Ｗｂの比率を、例えば、１／３以上と大きくする。負極側においても同様な構造にする。
【選択図】図７

Description

この発明は、二次電池に関する。

リチウムイオン二次電池等に代表される角形二次電池においては、正極合剤が形成された正極電極と負極合剤が形成された負極電極とを間にセパレータを介在して捲回し発電要素群を構成する。正極電極と負極電極を所定寸法のシート状に切断し積層して発電要素群を構成する場合もある。正極電極および負極電極は、それぞれ、一側縁に正極合剤または負極合剤が形成されていない未塗工部を有している。

正極電極と負極電極の未塗工部には、通常、タブと言われる集電片が側辺から突き出して一体に形成され、正極電極の集電片および負極電極の集電片は、それぞれ、対向する位置に多層に積層される。すなわち、正極電極の集電片および負極電極の集電片は、それぞれ、厚さ方向に多層構造に構成される。この場合、正極電極の集電片の多層構造および負極電極の集電片の多層構造は、発電要素群の一側辺側において、相互に接触しないようにずれた位置に配置される。
正極電極の集電片の多層構造および負極電極の集電片の多層構造は、中継部材である導電板を上下面に配置して締結部材により締結され、この導電板の延出された一端が、電池容器に取り付けられた正極および負極の端子に、それぞれ、接続される（例えば、特許文献１参照）。

特許第４００９８０３号公報

特許文献１に記載された二次電池は、正極電極および負極電極の集電片の多層構造は、発電要素群の一側辺側において、相互に接触しないよう配置される構造である。つまり、発電要素群の所定の幅の中央に配置されず、発電要素群の所定の幅の一方の側辺側に偏って配置されている。このため、正極電極および負極電極の未塗工部と端子間に流れる電流は、それぞれ、正極電極または負極電極の面内では、その密度が不均一となる。つまり、各集電片の未塗工部に近い側辺側に沿って流れる電流の密度は大きく、集電片の未塗工部から遠い側辺側に沿って流れる電流の密度は小さくなる。また、正極電極の集電片の積層構造または負極電極の集電片の積層構造を、それぞれ、対応する各端子に接続する導電板は、一端部側が集電片に接続され他端部側が端子に接続される細長い形状であるため、接続経路が長いものとなり、発電要素群の内部抵抗が大きいものとなる。また、電流分布が不均一であると、電流密度の高い部分でのみ電池反応が促進され、この作用がさらに密度の不均一化を増大し、局所的な発熱が生じて部分劣化を起こす。内部抵抗の増大は、出力を低下し、また、抵抗の増大に伴う損失分である発熱により構成材料の劣化を早める。

本発明の二次電池は、正極電極、負極電極およびセパレータを有し、正極電極および負極電極が、それぞれ、正極電極の一辺に沿って設けられた正極電極側未塗工部と負極電極の一辺に沿って設けられた負極電極側未塗工部とを対向させて前記セパレータを介在して所定の幅で捲回または積層され、正極電極側未塗工部および負極電極側未塗工部が、それぞれ、多層構造とされた発電要素群と、発電要素群を収容し、電解液が注入される電池容器と、多層構造とされた正極電極側未塗工部の一面に接合された正極導電部材と、正極導電部材に接合された正極端子と、多層構造とされた負極電極側未塗工部の一面に接合された負極導電部材と、負極導電部材に接合された負極端子と、を備え、正極導電部材と正極端子は、正極電極側未塗工部における所定の幅の中央部に設けられ、負極導電部材と負極端子は、負極電極側未塗工部における所定の幅の中央部に設けられていることを特徴とする。

この発明の二次電池によれば、正極および負極の導電部材と端子とは、積層構造の所定の幅における中央部に設けられている。このため、正極電極および負極電極を流れる電流の密度は均一性の高いものとなる。

この発明に係る二次電池の一実施形態である角形のリチウムイオン二次電池の外観を示し、（Ａ）は電池蓋側からみた外観斜視図、（Ｂ）は電池缶の底部側からみた外観斜視図。図１に示された二次電池の分解斜視図。図１（Ａ）に示された二次電池のIII−III線切断拡大断面図。図１に示された二次電池の発電要素群と端子間の接続状態を示すための断面図。本発明に係る二次電池の発電要素群を構成する正極電極と負極電極の捲回状態を説明するための外観斜視図。本発明に係る二次電池の正極または負極の電極と端子との接続状態を示す平面図。本発明に係る二次電池の正極または負極の電極の未塗工部と端子間に流れる電流の分布を示す有限要素法解析結果の斜視図。図１（Ａ）および図１（Ｂ）に図示された二次電池の製造方法に関し、最初の工程を説明するための部分断面斜視図。図８に続く工程を説明するための部分断面斜視図。図９に続く工程を説明するための部分断面斜視図。図１０に続く工程を説明するための部分断面斜視図。図１１に続く工程を説明するための部分断面斜視図。本発明に係る二次電池の実施形態２を示す図であり、電池容器を部分的に破断し、発電要素群の接続状態を示す部分破断斜視図。図１３に図示された二次電池の発電要素群と端子間の接続状態を示すための断面図。本発明に係る二次電池の実施形態３を示す図であり、正極または負極の電極と端子との接続状態を示す平面図。本発明に係る二次電池の実施形態４を示す図であり、別の発電要素群の構成を示す斜視図。

（実施形態１）
−二次電池の構造−
以下、この発明の二次電池を、角形のリチウムイオン二次電池（以下、二次電池という）に適用した一実施形態を図面と共に説明する。
図１（Ａ）は、この発明の二次電池を電池蓋側からみた外観斜視図であり、図１（Ｂ）は電池缶の底部側からみた外観斜視図である。
図１（Ａ）および図１（Ｂ）に図示されるように、二次電池３０は、ほぼ、平坦な板状の電池蓋３と、電池蓋３側が開口され、電池蓋３と反対側に底部が形成された薄型の直方体を構成する電池缶２とを有する電池容器１を有する。電池蓋３は、電池缶２の開口部２４（図３参照）とほぼ同一程度の平面寸法とされている。電池蓋３は、例えば、アルミニウム合金で形成され、電池蓋３と電池缶２の開口部２４の周縁部を溶接することにより、内部に空間を有する電池容器１が構成される。この内部空間には、後述する発電要素群、この発電要素群に接続される導電部材が収容され、電解液が注入される。

電池缶２の側辺のうち、短い方の側辺の一方には、その側辺に沿う方向のほぼ中央部に正極端子４Ａが配置されており、他方の側辺には、その側辺に沿う方向のほぼ中央部に負極端子４Ｂが配置されている。正極端子４Ａおよび負極端子４Ｂは、後述する如く、それぞれ、電池缶２の底部側から、対応する側辺に沿うように断面Ｌ字形状に屈曲されている。

電池缶２には、一対の短い方の側辺に沿って、底面２ａから電池蓋３側に向けて陥没した陥没部１９が形成されている。従って、この部分では陥没部１９が陥没した寸法分、陥没部１９と電池蓋３の厚さ方向の寸法は小さくなっており、電池容器１の短い方の側辺の厚さは薄くなっている。この場合、各陥没部１９は、電池缶２の底面２ａから次第に深く陥没する傾斜部分を有し、中央部に電池蓋３と平行な平坦部分を有する構造となっている。

図２は図１に示された二次電池の分解斜視図であり、図３は図１（Ａ）に示された二次電池のIII−III線切断拡大断面図である。ここで、以下の説明を明瞭にするために、二次電池３０における三次元の３方向を次のように定義する。すなわち、電池缶２の短い方の側辺に沿う方向、換言すれば、正極端子４Ａと負極端子４Ｂを結ぶ方向をＷＨ方向（長さ方向）、電池缶２の底面２Ａと電池蓋３を結ぶ方向をＤＨ方向（厚さ方向）、ＷＨ方向およびＤＨ方向のいずれとも直交する方向をＨＨ方向（幅方向）とする。

電池蓋３には、電解液を注入するための注液口３ａが形成され、この注液口３ａが注液栓２２で塞がれている。
図２に図示されるように、電池缶２と電池蓋３との間には、電池缶２の底面２ａの内面から電池蓋３の内面に向けて、絶縁ケース１７Ａ、発電要素群１０、絶縁ケース１７Ｂがこの順に収納されている。

発電要素群１０は、図５の外観斜視図に図示されるように、正極電極１１、負極電極１２が、第１のセパレータ１３Ａと第２のセパレータ１３Ｂを介在させて捲回された構造を有する。正極電極１１は、正極板の表裏両面に正極活物質合剤が塗布されて形成され、負極電極１２は、負極板の表裏両面に負極活物質合剤が塗布されて形成されている。正極電極１１の長手方向に沿う一側縁には、正極板の表裏両面に正極活物質合剤が塗布されない未塗工部（以下、正極電極側未塗工部）１１ａが形成されている。負極電極１２の長手方向に沿う一側縁には、負極板の表裏両面に負極活物質合剤が塗布されない未塗工部（以下、負極電極側未塗工部）１２ａが形成されている。

第１のセパレータ１３Ａおよび第２のセパレータ１３Ｂは、正極電極側未塗工部１１ａの中間から正極電極１１の他側縁まで正極活物質合剤全体を覆い、且つ、負極電極側未塗工部１２ａの中間から負極電極１２の他側縁まで負極活物質合剤全体を覆う幅を有する。つまり、第１のセパレータ１３Ａおよび第２のセパレータ１３Ｂは、正極電極側未塗工部１１ａおよび負極電極側未塗工部１２ａの一側辺よりの一部のみをその長手方向に沿って露出し、正極電極１１および負極電極１２の他の部分全体を覆う幅を有している。

正極電極１１と負極電極１２とは、図５に図示される如く、正極電極側未塗工部１１ａと負極電極側未塗工部１２ａを長手方向の反対側に位置させて、換言すれば、対向させた状態で、第１のセパレータ１３Ａおよび第２のセパレータ１３Ｂを挟んで捲回される。そして、正極電極側未塗工部１１ａと負極電極側未塗工部１２ａが、図２に図示されるように、ＷＨ方向（長さ方向）で対向させた状態で電池缶２内に収容されている。

正極電極１１は、例えば、正極集電箔としてのアルミニウム箔からなる正極板を有している。アルミニウム箔の両面には、正極活物質としてリチウム含有遷移金属複酸化物を含む正極活物質合剤が略均等かつ略均一に塗着されている。正極活物質合剤には、正極活物質以外に、炭素材料等の導電材およびポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等のバインダ（結着材）が配合されている。アルミニウム箔への正極活物質合剤の塗工時には、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）等の分散溶媒で粘度調整される。このとき、アルミニウム箔の長さ方向に沿う一側縁に正極電極側未塗工部１１ａを形成する。すなわち、正極電極側未塗工部１１ａはアルミニウム箔が露出している。正極電極１１は、乾燥後ロールプレスで密度が調整されている。

負極電極１２は、負極集電箔としての銅箔からなる負極板を有している。銅箔の両面には、負極活物質としてリチウムイオンを可逆に吸蔵、放出可能な炭素材を含む負極活物質合剤が略均等かつ略均一に塗着されている。負極活物質合剤には、負極活物質以外に、アセチレンブラック等の導電材やＰＶＤＦ等のバインダが配合されている。銅箔への負極活物質の塗工時には、ＮＭＰ等の分散溶媒で粘度調整される。このとき、銅箔の長さ方向に沿う一側縁に負極活物質合剤の塗工されない負極電極側未塗工部１２ａを形成する。すなわち、負極電極側未塗工部１２ａでは、銅箔が露出している。負極電極１２は、乾燥後ロールプレスで密度が調整されている。

負極電極１２の長さは、正極電極１１および負極電極１２を捲回したときに、捲回最内周および最外周で捲回方向に正極電極１１の正極活物質合剤が負極電極１２の負極活物質合剤からはみ出すことがないように、正極電極１１の長さより長く設定されている。また、負極活物質合剤の塗着部の長さ（ＷＨ方向の長さ）は、発電要素群１０の長手方向（ＷＨ方向）において正極活物質合剤の塗着部が負極活物質合剤の塗着部からはみ出すことがないように、正極活物質合剤の塗着部の幅よりも長く設定されている。

図２に示すように、発電要素群１０の正極電極側未塗工部１１ａおよび負極電極側未塗工部１２ａは、ＷＨ方向（長さ方向）の両側に対向して配置され、それぞれ、ＨＨ方向（幅方向）における両端部のほぼ中央部にプレス加工により形成された平坦部ＨＴを有する。この平坦部ＨＴのＨＨ方向（幅方向）における両側およびＷＨ方向（長さ方向）の活物質合剤塗工部側には傾斜部ＫＳが形成されている。

正極電極側未塗工部１１ａおよび負極電極側未塗工部１２ａの電池缶２の底面２ａ側には、それぞれ、正極導電板（正極導電部材）５Ａおよび負極導電板（負極導電部材）５Ｂが接合されている。正極導電板５Ａおよび負極導電板５Ｂは、それぞれ、ＨＨ方向（幅方向）に細長い平板状部５Ｈと、この平板状部５Ｈの電池中央部側端部をＤＨ方向（厚さ方向）に向けて屈曲した傾斜部５Ｋとを有する。正極導電板５Ａおよび負極導電板５Ｂの傾斜部５Ｋは、それぞれ、正極電極側未塗工部１１ａの平坦状の中央部に隣接して形成された傾斜部ＫＳおよび負極電極側未塗工部１２ａの平坦状の中央部に隣接して形成された傾斜部ＫＳに対応する位置に、各傾斜部に沿って配置されている（図３参照）。

正極電極側未塗工部１１ａおよび負極電極側未塗工部１２ａの電池蓋３側には、それぞれ、正極接合板（正極接合部材）２３Ａおよび負極接合板（負極接合部材）２３Ｂが接合されている。正極接合板２３Ａおよび負極接合板２３Ｂは、それぞれ、ＷＨ方向（長さ方向）に細長い平板部２３Ｈと、平板部２３Ｈの電池中央部側端部をＤＨ方向（厚さ方向）に向けて屈曲した傾斜部２３Ｋを有する。但し、屈曲する向きは、正極導電板５Ａと負極導電板５Ｂとが反対方向である。正極導電板５Ａおよび負極導電板５Ｂの傾斜部５Ｋは、それぞれ、正極電極側未塗工部１１ａの平坦状の中央部に隣接して形成された傾斜部ＫＳおよび負極電極側未塗工部１２ａの平坦状の中央部に隣接して形成された傾斜部ＫＳに対応する位置に、各傾斜部ＫＳに沿って配置されている（図３参照）。

換言すれば、発電要素群１０を構成する正極電極側未塗工部１１ａの平坦状の中央部には、電池缶２の底面２ａ側の面に正極導電板５Ａが接合され、電池蓋３側の面に正極接合板２３Ａが接合されている。また、発電要素群１０を構成する負極電極側未塗工部１２ａの平坦状の中央部には、電池缶２の底面２ａ側の面に負極導電板５Ｂが接合され、電池蓋３側の面に負極接合板２３Ｂが接合されている。
このように、多層構造とされた正極電極側未塗工部１１ａは、正極導電板５Ａと正極接合板２３Ａで挟まれ、超音波溶接あるいは攪拌接合等によって、ＤＨ方向（厚さ方向）に相互に接合されている。
また、多層構造とされた負極電極側未塗工部１２ａは、負極導電板５Ｂと負極接合板２３Ｂで挟まれ、超音波溶接あるいは攪拌接合等によって、ＤＨ方向（厚さ方向）に相互に接合されている。
このような接合を行うために好適な材料の一例として、正極導電板５Ａと正極接合板２３Ａの材料としてはアルミニウム合金、負極導電板５Ｂと負極接合板２３Ｂの材料としては銅合金が挙げられる。

電池缶２に形成された各陥没部１９の平坦部分には貫通孔２ｂが形成されている。各貫通孔２ｂは、ＨＨ方向（幅方向）に長い長円形状に形成されている。各陥没部１９の貫通孔２ｂ近傍の表裏両面および貫通孔２ｂの内側には、絶縁用のシール１８が形成され、この絶縁用のシール１８の外面側に正極端子４Ａおよび負極端子４Ｂが固定されている。絶縁用のシール１８は、後述する、インサートモールドにより整形されるものであり、電池缶２と正極端子４Ａまたは電池缶２と負極端子４Ｂとは、それぞれ、このインサートモールドされた絶縁用のシール１８により固定されている。シール１８は、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等の樹脂で形成することができる。

次に、図３を参照して、発電要素群１０と正極端子４Ａまたは負極端子４Ｂとの接続構造について説明をする。図３は、正極側における発電要素群１０の接続構造のみを示しているが、この接続構造は、正極側と負極側ともに同様である。従って、代表として正極側のみについて説明するが、負極側の構造もこの正極側の構造に準ずるものである。
シール１８には、電池缶２の底面２ａ側から、電池缶２の2対の側部のうちの短い方の側部の一方に沿って、ＤＨ方向（厚さ方向）にほぼＬ字形状に屈曲された側部１８ｂが形成されている。また、シール１８には、貫通孔２ｂとほぼ同一の形状であるが、寸法が一回り小さい貫通孔１８ａが形成されている。

正極端子４Ａおよび負極端子４Ｂは、それぞれ、シール１８の貫通孔１８ａ内に挿入される突出部Ｔを有する。また、正極端子４Ａおよび４Ｂは、それぞれ、ＤＨ方向（厚さ方向）に屈曲され、シール１８の側部１８ｂを介して電池缶２の短い方の一側部に沿って配置された一側部４Ａ１、４Ｂ１を有する。このように、正極端子４Ａの一側部４Ａ１と電池缶２との間および負極端子４Ｂの一側部４Ｂ１と電池缶２との間にはシール１８の側部１８ｂが配置されるので、正極端子４Ａおよび負極端子４Ｂは、電池缶２と短絡することは無い。
なお、電池缶２の一対の長い方の側部のうちの一方には、周囲に比し肉厚が薄くされた脆弱部２ｃ（図２）が形成されている。脆弱部２ｃは、二次電池３０の内圧が上昇した場合に、内圧の作用によって開裂して内圧を開放するためのものである。脆弱部２ｃ上には保護部材２１が設けられ、通常、作用する外圧によって破損しない構造とされている。

電池缶２の底面２ａと発電要素群１０との間に配置された絶縁ケース１７Ａ、および電池蓋３と発電要素群１０との間に配置された絶縁ケース１７Ｂは、樹脂により形成されている。絶縁ケース１７Ａには、ＷＨ方向の両側の略中央部における電池缶２の貫通孔２ｂに対応する位置に、それぞれ、切欠１７Ａ１、１７Ａ２が形成されている。切欠１７Ａ１、１７Ａ２の周縁部には、正極電極４Ａおよび負極電極４Ｂの傾斜部分ＫＳとほぼ同じ形状および寸法の傾斜部分が形成されている。絶縁ケース１７Ｂは、絶縁ケース１７Ａと同形状に形成されており、ＷＨ方向両側における電池缶２の貫通孔２ｂに対応する位置に、それぞれ、切欠１７Ｂ１、１７Ｂ２が形成されている。切欠１７Ｂ１、１７Ｂ２の周縁部には、正極電極４Ａおよび負極電極４Ｂの傾斜部分ＫＳとほぼ同じ形状および寸法の傾斜部分が形成されている。絶縁ケース１７Ｂの切欠１７Ｂ２は、注液口３ａに連通するように形成されている。

絶縁ケース１７Ａおよび１７ＢのＨＨ方向（幅方向）の両側部は、発電要素群１０を収容することが可能なように、発電要素群１０の断面形状に合わせ、ＤＨ方向（厚さ方向）に半円形の断面形状を有している。そして、絶縁ケース１７Ａと１７Ｂとは、ＨＨ方向（幅方向）の両側における先端部を当接してＤＨ方向（厚さ方向）に発電要素群１０を収容する空間が確保されるように組み合わされる。
また、絶縁ケース１７Ａの切欠１７Ａ１、１７Ａ２および絶縁ケース１７Ｂの切欠１７Ｂ１、１７Ｂ２およびその周縁部の形状および寸法は、発電要素群１０の平坦部分ＨＴと傾斜部分ＫＳの形状に対応しているので、発電要素群１は、絶縁ケース１７Ａと１７Ｂに挟まれた状態で、電池缶２と電池蓋３の周側部を接合して形成される空間内に収容される。絶縁ケース１７Ａ、１７Ｂは、発電要素群１０と、電池缶２および電池蓋３との絶縁を確保すると共に、外力が作用したときに発電要素群１０に作用する外部応力を低減する機能を有している。絶縁ケース１７Ａ、１７Ｂの材料として、一例を示せば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等が挙げられる。

上述した如く、正極端子４Ａおよび負極端子４Ｂは、それぞれ、インサートモールドされたシール１８を介して電池缶２の底面２ａに固定されている。正極端子４Ａおよび負極端子４Ｂは、突出部Ｔを有し、この突出部Ｔが形成された部分からＤＨ方向（厚さ方向）に屈曲され、シール１８の側部１８ｂの外側に配置された側部４Ａ１、４Ｂ１を有する。また、側部４Ａ１および４Ｂ１の一端側には、それぞれ、ＷＨ方向（長さ方向）に垂直に屈曲された端子部４Ａ２（図３）または４Ｂ２（図２）が形成されている。
突出部Ｔは、突き出した頭部が平坦状とされ、シール１８の貫通孔１８ａ内を挿通して、正極導電板５Ａまたは負極導電板５Ｂにレーザ溶接または抵抗溶接等により接合される。

図４は、本発明に係る二次電池の発電要素群１０と正極端子間の接続状態を示す断面図であり、図６は、その平面図である。発電要素群１０における正極電極１１と負極電極１２は第１、第２のセパレータ１３Ａ、１３Ｂを挟んで捲回される。この捲回により正極電極側未塗工部１１ａおよび負極電極側未塗工部１２ａは、それぞれ、厚さ方向（ＤＨ方向）に積層状態となる多層構造となる。プレス加工により、多層構造の正極電極側未塗工部１１ａおよび１２ａを押圧して、それぞれ、発電要素群１０における厚さ方向ほぼ中央部に平坦部を形成する。

この状態では、多層構造の正極電極側未塗工部１１ａおよび１２ａは、上下に隣接するもの同士が相互に接触はするが、その接触は不確実である。
以下、図４および図６を参照して、正極側における接続構造ついて説明をするが、負極側についても正極側と同様である。
正極側においては、押圧された正極電極側未塗工部１１ａの一面側に正極導電板５Ａを配し、他面側に正極接合板２３Ａを配し、厚さ方向に一括して加圧し、超音波振動を加える。これにより、正極導電板５Ａ、押圧された正極電極側未塗工部１１ａおよび正極接合板２３Ａが一体化する。図４および図６において、４１は超音波接合部である。この状態では、超音波接合部４１においては、正極電極側未塗工部１１ａは、厚さ方向に確実に導通している。なお、１３Ａは第１のセパレータを示す。

この後、発電要素群１０を電池缶２内に収容して、正極端子４Ａの突出部Ｔ上に正極導電板５Ａを載置し、正極端子４Ａ側からレーザビームを照射してレーザ溶接を行う。このレーザ溶接により、正極端子４Ａと正極導電板５Ａが接合する。図４および図６において、４２は、レーザ溶接部である。図４および図６に図示されるように、正極導電板５Ａと正極端子４Ａは、正極電極側未塗工部１１ａの幅Ｗの中央部に接合されている。正極電極１１は負極電極１２、第１のセパレータ１３Ａ、第２のセパレータ１３Ｂと共に捲回されているので、内周側と外周側とでは幅Ｗの寸法が異なるが、ここでは、最外周における一端辺と他端辺間の寸法、すなわち、最大の面における幅の寸法を幅Ｗとする。

正極導電板５Ａは、正極電極側未塗工部１１ａの最外周面に、その中心を正極電極１１の幅Ｗの中心に一致させて超音波溶接されている。正極端子５Ａは、その中心を正極導電板５Ａの中心に一致させて正極導電板５Ａにレーザ溶接されている。正極端子４Ａは正極導電板４Ａの幅よりも小さい幅をする矩形形状を有する。従って、正極電極側未塗工部１１ａのＨＨ方向（幅方向）の中央に正極端子４Ａと正極導電板５Ａとのレーザ溶接部４２が位置し、その両側に正極導電板５Ａと正極電極側未塗工部１１ａとの超音波溶接部４１が位置している。

図７は、図４および図６に図示された正極電極側未塗工部１１ａと正極端子４Ａ間に流れる電流の分布を示す有限要素法解析結果の斜視図である。
図７においては、電流線の粗密が電流密度の粗密を示す。図７において、正極電極側未塗工部１１ａ、正極導電板５Ａおよび正極端子４Ａのいずれにおいても電流線の分布状態はほぼ均一である。この場合、正極電極側未塗工部１１ａ、正極導電板５Ａおよび正極端子４Ａの電流線の分布状態は、ＨＨ方向（幅方向）の中心線に対して、実質的に対称となっている。また、正極電極側未塗工部１１ａのＨＨ方向（幅方向）の中央部における側縁部における分布状態もほぼ均一である。これらのことから、発電要素群１０内部の電流密度も均一であると推測できる。また、このことは、電気抵抗の極端な集中部がないことを意味し、結果的に電池内部抵抗が小さいこと示している。

すなわち、本発明に係る二次電池の実施形態では、正極電極側未塗工部１１ａ（１２ａ）と正極導電板５Ａ（５Ｂ）との超音波接合部４１を、発電要素群１０のＨＨ方向（幅方向）において、中央部を中心とする対称の位置２箇所に分散させ、その間に正極導電板５Ａと正極端子４Ａのレーザ溶接部４２を配置したため、電流密度が均一化すると共に分散する。また、発電要素群１０の正極電極側未塗工部１１ａ（１２ａ）から正極端子４Ａ（４Ｂ）先端までの距離が短くかつ幅広であるので、結果的に内部抵抗が小さく、高い電池効率を得ることができ、以って、充放電特性等の電池性能を向上することが可能である、という効果を奏する。上記において、（）内の図面参照番号は、対応する負極側の部材である。

なお、上記実施形態においては、正極電極側未塗工部１１ａ、正極導電板５Ａおよび正極端子４Ａは、全て、ＨＨ方向（幅方向）の中心に位置するとしているが、厳密に、中心を一致させる必要はなく、実用上は、ＨＨ方向（幅方向）の中央部にあれば大きな効果を奏することができる。
ここで、ＨＨ方向（幅方向）の中央部とは、図６に図示される如く、ＨＨ方向（幅方向）における発電要素群１０の一側辺から正極導電部材５Ａの一端部までの距離をＳ１、ＨＨ方向（幅方向）における発電要素群１０の他側辺から正極導電部材５Ａの他端部までの距離をＳ２とした場合、Ｓ２／２≦Ｓ１≦２Ｓ２程度を目安とする。
この場合、正極導電板５Ａの幅Ｗａは、幅Ｗの１／３程度以上であることが望ましい。つまり、正極導電板５Ａの幅Ｗａは、発電要素群１０の一側辺から正極導電部材５Ａの一端部までの距離Ｓ１および発電要素群１０の他側辺から正極導電部材５Ａの他端部までの距離Ｓ２のいずれよりも大きいことが望ましい。また、正極端子４Ａの幅Ｗｂは、正極導電板Ｗａの１／３程度以上であることが望ましい。
上記のことは、負極側においても同様である。

―二次電池の製造方法―
次に、上記構造の二次電池の製造方法を説明する。
二次電池は、発電要素群の作製、電池缶への電極端子の組付け、発電要素群の収容、発電要素群と電極端子の接合および封口の各工程を経て作製される。以下、各工程順にその詳細を説明する。

［発電要素群の作製］
先ず、図５に図示される発電要素群１０を作製する。上述した如く、正極電極１１と負極電極１２を第１セパレータ１３Ａおよび第２セパレータ１３Ｂを介して扁平状、例えば、断面長円形に捲回する。巻き始め側においては第１のセパレータ１３Ａのみを、また巻き終わり側においては第２のセパレータ１３Ｂのみを２〜３周程度捲回する。プレス加工により、正極電極側未塗工部１１ａのＨＨ方向（幅方向）における中央部および負極電極側未塗工部１２ａのＨＨ方向（幅方向）における中央部を加圧し、発電要素群１０の厚さ方向における中央位置に平坦部ＨＴを形成する。

正極電極側未塗工部１１ａの一面側に正極導電板５Ａを配し、他面側に正極接合板２３Ａを配し、図８に矢印に示すように厚さ方向に加圧して超音波溶接により、正極導電板５Ａ、正極電極側未塗工部１１ａの多層構造および正極接合板２３Ａを一体的に接合する。また、負極側においても、同様に、負極電極側未塗工部１２ａの一面側に負極導電板５ｂを、他面側に負極接合板２３Ｂを配し、厚さ方向に加圧して超音波溶接により、負極導電板５Ｂ、負極電極側未塗工部１２ａの多層構造および負極接合板２３Ｂを一体的に接合する。

［電池缶への電極端子の組付け］
次に、インサートモールド法により、電池缶２における陥没部１９に設けられた貫通孔２ｂにシール１８を介して正極端子４Ａおよび負極端子４Ｂを、それぞれ、固定する。図９に図示されるように、図示しない金型に電池缶２と正極端子４Ａおよび負極端子４Ｂをセットする。金型内において、電池缶２の貫通孔２ｂに正極端子４Ａおよび負極端子４Ｂの各突出部Ｔが挿通され、かつ、正極端子４Ａおよび負極端子４Ｂ、それぞれが、電池缶２から離間されるように保持される。金型には予めシール１８が形成されるキャビティが形成されており、この状態で、インサートモールドにより図１０に図示されるようにシール１８を成形する。シール１８により、電池缶２に対する正極端子４Ａおよび負極端子４Ｂの相対位置が固定され、また、各部材の絶縁が確保される。また、シール１８の密封構造により気密性が確率される。

［発電要素群の収容］
次に、図１１に図示されるように、発電要素群１０を、正極導電板５Ａおよび負極導電板５Ｂを電池缶２側に向けて、絶縁ケース１７Ａ（図１１では図示を省略）と共に電池缶２に収容する。このとき、発電要素群１０の正極導電板５Ａを電池缶２に固定された正極端子４Ａに、また、負極導電板５Ｂを電池缶２に固定された負極端子４Ｂに対応させる。

［発電要素群と電極端子の接合］
次に、正極導電板５Ａを正極端子４Ａの突出部Ｔに、また、負極導電板５Ｂを負極端子４Ｂの突出部Ｔに押し付けた状態で、電池缶２の底面２ａ側からレーザを照射し、正極導電板５Ａと正極端子４Ａを、また、負極導電板５Ｂと負極端子４Ｂを、それぞれ、レーザ溶接する。絶縁ケース１７Ａには、貫通孔２ｂに対応して切欠１７Ａ１および１７Ａ２が形成されているため、レーザ照射の障害にはならない。図１２は、電池缶２に固定された正極端子４Ａに電池缶２内に収容された発電要素群１０の正極導電板５Ａが接合された状態の斜視図を示す。

［封口］
そして、発電要素群１０上に絶縁ケース１７Ｂを載置し、電池蓋３を、その外周が電池缶２の開口部２４内に嵌合させる（図３参照）。電池缶２の開口部２４は、電池蓋３の外周とほぼ同じか、ごく僅かに大きい寸法とされており、電池蓋３が嵌入された電池缶２の開口部２４の周囲が合わせ部となる。この状態で、電池蓋３の上方から、電池蓋３と電池缶２との合わせ部にレーザビームを照射して電池缶２と電池蓋３を溶接する。
次に、電池蓋３に形成された注液口３ａから電解液を注入する。この場合、絶縁ケース１７Ｂには、切欠１７Ｂ１および１７Ｂ２が形成されており、切欠１７Ｂ２は注液口３ａに連通しているので、注液の障害となることはない。この後、注液口３ａを注液栓２２により密栓することにより、本発明に係る二次電池の実施形態として示した角形のリチウムイオン二次電池３０が完成する。

このリチウムイオン二次電池３０サイズは、一例として示せば、１２０ｍｍ（ＷＨ方向）×８５ｍｍ（ＨＨ方向）×１６ｍｍ（ＤＨ方向）であり、このサイズで４〜５Ａｈの容量を有する。この二次電池は、限定する意味ではないが、内部抵抗が小さく高速応答が要求されるハイブリッド自動車用に適している。そして、本発明によれば、発電要素群１０と正極および負極の電極端子４Ａ、４Ｂ間に流れる電流の密度を均一化し、内部抵抗を小さくするので、結果として高い電池効率を得ることができ、実用上、極めて有効である。

（実施形態２）
図１３は実施形態２の二次電池３０を示し、その電池容器１の一部を破断して内部に装着された発電要素群１０と正極端子４Ａ間の接続構造を図示した斜視図である。この場合、図１３は、電池缶２の底面２ａ側から観た図となっている。また、図１４は、図１３に図示された二次電池３０を、ＨＨ方向に沿って切断した断面図である。
実施形態２における二次電池が実施形態１の場合と相違する点は、正極導電板５Ａが平坦ではなくＤＨ方向（厚さ方向）に屈強されており、その分、電池缶２の陥没部１９は、底面２ａからの段差が小さくなっている点である。
より詳細には、実施形態２における正極導電板５Ａは、中央部に電池缶２の底面２ａ側に向かって突き出した屈曲部４３を有する。屈曲部４３は、正極端子４Ａの突出部Ｔとほぼ同じ面積の平坦部を有し、この平坦部が、突出部Ｔとレーザ溶接されている。そして、正極導電板５Ａは、屈曲部４３の両側において、正極電極側未塗工部１１ａに超音波溶接されている。このため、正極電極板５Ａの屈曲部４３が突き出した高さの分だけ、電池缶２の陥没部１９における底面２ａからの段差は小さくなる。

通常、電池缶２は、アルミニウム合金で形成される。従って、電池缶２の陥没部１９はアルミニウム合金を絞り加工することによって形成される。このため、陥没部１９の段差が大きいと絞り加工による電池缶２の残留応力が大きくなり、割れが発生したり強度が低下したりする。実施形態２の構造は、電池缶２の陥没部１９の段差を小さくすることができるので、加工時の残留応力を低減し、十分な強度を確保することができる。
なお、実施形態２におけるその他の構成は実施形態１の場合と同様であり、同一の構成要素に同一の参照番号を付してその説明を省略する。

（実施形態３）
図１５は、本発明の実施形態３に係る二次電池を示し、実施形態１の図６に対応する部分の平面図である。
実施形態３における構造が実施形態１の場合と相違する点は、正極端子４Ａが、実施形態１では単なる矩形形状であるのに対して、発電要素群１０のＨＨ方向（幅方向）の中心線を対称軸として対称にコ字形状に形成されている点である。
より詳細には、正極電極側未塗工部１１ａと正極導電板５Ａは、ＨＨ方向（幅方向）の中央部とその両側の合計３箇所の超音波溶接部４１で接合されている。そして、正極端子４Ａと正極導電板５Ａとは、中央部の超音波溶接部４１とその両側の超音波溶接部４１の間の２箇所のレーザ溶接部４２で接合されている。

正極端子４Ａは、レーザ溶接部４２が配された一端部と反対側の端部で一体に連結されている。正極端子４Ａおよび正極導電板５Ａは、共に、ＨＨ方向（幅方向）の中心線に対して対称の形状を有する。
実施形態３の構成においても、正極導電板５Ａおよび正極端子４Ａは、正極電極側未塗工部１１ａの中央部に配置され、かつ、超音波接合部４１およびレーザ溶接部４２は中央部において幅広いサイズに形成されているので、実施形態１と同様な効果を得ることができる。
なお、図１５において、正極端子４Ａを超音波接合部４２と重合する部分でＤＨ方向（厚さ方向）に屈曲することにより、単なる矩形形状とすることも可能である。

（実施形態４）
実施形態１では、発電要素群１０を、正極、負極の電極を捲回して構成する場合で説明した。しかし、図１６に図示されるように、正極電極１１および負極電極１２を矩形形状のシートにして、第１のセパレータ１３Ａ、第２のセパレータ１３Ｂを挟んで積層した構成としてもよい。

以上の通り、本発明に係る二次電池は、正極電極側未塗工部１１ａと正極導電板５Ａとを、発電要素群１０の幅方向の中央部における複数の超音波接合部４１に分散させて接合した。同様に、負極電極側未塗工部１２ａと負極導電板５Ｂとを、発電要素群１０の幅方向の中央部における複数の超音波接合部４１に分散させて接合した。また、正極電極側未塗工部１１ａと正極導電板５Ａとの超音波接合部４１の間に、正極導電板５Ａと正極端子４Ａのレーザ溶接部４２を配置した。同様に、負極電極側未塗工部１２ａと負極導電板５Ｂとの超音波接合部４１の間に、負極導電板５Ｂと負極端子４Ｂのレーザ溶接部４２を配置した。このため、電流密度が均一化すると共に分散する。また、発電要素群１０の正極電極側未塗工部１１ａから正極端子４Ａ先端までの距離が短くかつ幅広であり、同様に、発電要素群１０の負極電極側未塗工部１２ａから負極端子４Ｂ先端までの距離が短くかつ幅広である。このため、結果的に内部抵抗が小さく、高い電池効率を得ることができ、以って、充放電特性等の電池性能を向上することが可能である、という効果を奏する。

なお、本発明に係る二次電池は、上記各実施形態で説明した構造に限られるものではなく、電池缶２、電池蓋３、電極端子等の構造、形状は、適宜、変形して適用できるものである。また、超音波溶接部４１およびレーザ溶接部４１は、他の接合方法による接合とすることができる。また、各接合部の個数や位置は、適宜、変更して適用することができる。

また、上記各実施形態では、円筒形二次電池として、リチウム電池を例として説明したが、この発明は、リチウム電池に限られるものではなく、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池など、他の二次電池にも適用をすることができる。

その他、本発明に係る二次電池は、発明の趣旨の範囲内において、種々、変形して構成することが可能であり、要は、正極電極、負極電極およびセパレータを有し、正極電極および負極電極が、それぞれ、正極電極の一辺に沿って設けられた正極電極側未塗工部と負極電極の一辺に沿って設けられた負極電極側未塗工部とを対向させて前記セパレータを介在して所定の幅で捲回または積層され、正極電極側未塗工部および負極電極側未塗工部が、それぞれ、多層構造とされた発電要素群と、発電要素群を収容し、電解液が注入される電池容器と、多層構造とされた正極電極側未塗工部の一面に接合された正極導電部材と、正極導電部材に接合された正極端子と、多層構造とされた負極電極側未塗工部の一面に接合された負極導電部材と、負極導電部材に接合された負極端子と、を備え、正極導電部材と正極端子は、正極電極側未塗工部における所定の幅の中央部に設けられ、負極導電部材と負極端子は、負極電極側未塗工部における所定の幅の中央部に設けられているものであればよい。

１電池容器
２電池缶
２ａ底面
３電池蓋
４Ａ正極端子
４Ｂ負極端子
５Ａ正極導電板（正極導電部材）
５Ｂ負極導電板（負極導電部材）
１０発電要素群
１１正極電極
１１ａ未塗工部（正極電極側）
１２負極電極
１２ａ未塗工部（負極電極側）
１３Ａ、１３Ｂセパレータ
１８シール
１９陥没部
２３Ａ正極接合板（正極接合部材）
２３Ｂ負極接合板（負極接合部材）
４１超音波溶接部
４２レーザ溶接部

Claims

正極電極、負極電極およびセパレータを有し、前記正極電極および前記負極電極が、それぞれ、前記正極電極の一辺に沿って設けられた正極電極側未塗工部と前記負極電極の一辺に沿って設けられた負極電極側未塗工部とを対向させて前記セパレータを介在して所定の幅で捲回または積層され、前記正極電極側未塗工部および前記負極電極側未塗工部が、それぞれ、多層構造とされた発電要素群と、
前記発電要素群を収容し、電解液が注入される電池容器と、
多層構造とされた前記正極電極側未塗工部の一面に接合された正極導電部材と、
前記正極導電部材に接合された正極端子と、
多層構造とされた前記負極電極側未塗工部の一面に接合された負極導電部材と、
前記負極導電部材に接合された負極端子と、を備え、
前記正極導電部材と前記正極端子は、前記正極電極側未塗工部における前記所定の幅の中央部に設けられ、前記負極導電部材と前記負極端子は、前記負極電極側未塗工部における前記所定の幅の中央部に設けられていることを特徴とする二次電池。
請求項１に記載の二次電池において、さらに、前記多層構造とされた正極電極側未塗工部の他面に接合された正極接合部材と、前記多層構造とされた負極電極側未塗工部の他面に接合された負極接合部材とを備え、前記多層構造とされた正極電極側未塗工部は正極接合部材と前記正極導電部材に挟まれて厚さ方向に接合され、前記多層構造とされた負極電極側未塗工部は負極接合部材と前記負極導電部材に挟まれて厚さ方向に接合されていることを特徴とする二次電池。
請求項２に記載の二次電池において、前記正極導電部材と前記正極接合部材により挟まれて厚さ方向に接合された前記正極電極側未塗工部の接合部は、幅方向において、前記正極導電部材と前記正極端子とが接合された接合部の両側に配され、前記負極導電部材と前記負極接合部材により挟まれて厚さ方向に接合された前記負極電極側未塗工部の接合部は、幅方向において、前記負極導電部材と前記負極端子とが接合された接合部の両側に配されていることを特徴とすると二次電池。
請求項２に記載の二次電池において、前記正極導電部材と前記正極接合部材により挟まれて厚さ方向に接合された前記正極電極側未塗工部の接合部は、幅方向において、前記正極導電部材と前記正極端子とが接合された接合部の間に配され、前記負極導電部材と前記負極接合部材により挟まれて厚さ方向に接合された前記負極電極側未塗工部の接合部は幅方向において、前記負極導電部材と前記負極端子とが接合された接合部の間に配されていることを特徴とする二次電池。
請求項１乃至４のいずれかに記載の二次電池において、前記正極接合部材と前記正極導電部材が前記多層構造とされた正極電極側未塗工部に接合された接合部は、前記発電要素群における厚さ方向の中間に位置し、前記負極接合部材と前記負極導電部材が前記多層構造とされた負極電極側未塗工部に接合された接合部は、前記発電要素群における厚さ方向の中間に位置することを特徴とする二次電池。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二次電池において、前記正極端子は、前記電池容器の内部に突き出す突出部を有し、前記突出部において前記正極導電部材に接合され、
前記負極端子は、前記電池容器の内部に突き出す突出部を有し、前記突出部において前記負極導電部材に接合されていることを特徴とする二次電池。
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の二次電池において、前記正極集電部材および前記負極集電部材は、前記正極端子または前記負極端子に接合される部分に突出部を有していることを特徴とする二次電池。
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の二次電池において、前記正極導電部材と前記正極端子の接合部および前記負極導電部材と前記負極端子の接合部は、レーザ溶接部であることを特徴とする二次電池。