JP2012004079A - 二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】温度に起因する劣化を最小限に抑えることができる二次電池を提供する。
【解決手段】二次電池３０は、長手方向に沿う一側に活物質合剤の未塗工部が形成された正極板と、長手方向に沿う一側に活物質合剤の未塗工部が形成された負極板とをセパレータを介して捲回した断面長円状の発電要素群６が電池容器内に収容されている。発電要素群６の平面部を平面視したときの正負極板の未塗工部と正負極接続板の接合面５３との接合箇所の数がそれぞれ２つ（８Ａ１、８Ａ２および８Ｂ１、８Ｂ２）であり、２つの接合箇所間の距離が、発電要素群６の最内周の長さの１／４よりも大、かつ、最外周の長さの１／４よりも小に設定されている。
【選択図】図２
【解決手段】二次電池３０は、長手方向に沿う一側に活物質合剤の未塗工部が形成された正極板と、長手方向に沿う一側に活物質合剤の未塗工部が形成された負極板とをセパレータを介して捲回した断面長円状の発電要素群６が電池容器内に収容されている。発電要素群６の平面部を平面視したときの正負極板の未塗工部と正負極接続板の接合面５３との接合箇所の数がそれぞれ２つ（８Ａ１、８Ａ２および８Ｂ１、８Ｂ２）であり、２つの接合箇所間の距離が、発電要素群６の最内周の長さの１／４よりも大、かつ、最外周の長さの１／４よりも小に設定されている。
【選択図】図２
Description
本発明は二次電池に係り、特に、正極板と負極板とがセパレータを介して捲回された断面長円状の発電要素群を備えた二次電池に関する。
車両駆動用二次電池として、発電要素群たる正極、負極双方のシート（正負極板）と、正負極板間を隔離するセパレータと、電解液とを金属や樹脂製の密閉電池容器内に収容し、電池容器に固定され発電要素群を構成する両極と導通した外部端子を有する二次電池が広く知られている。リチウムイオン二次電池はこの種の代表的二次電池である。
従来、リチウムイオン二次電池は、円柱状の外観を呈するものが多かったが、大出力、大容量の要求から数十あるいは百を超える単位電池を組み合わせることよって組電池や電池モジュールを構成して車両に搭載する場合を考慮し、実装密度（体積容量密度）を向上させるため、角形状の単位電池が検討されるに至っている。
例えば、特許文献１に開示された電池またはキャパシタでは、電極体（以下、発電要素群という。）が収容される角形状でアルミニウム製のケース本体の開口部にケース蓋を被せ、ガスケットを介してかしめることで密閉されている。ケース蓋はフェノール系樹脂製で、両端部に集電端子部材を付設するための端子付設孔が穿設されており、中央部に電解液を注入するための電解液注入孔が形成されている。発電要素群は、積層端部に活物質合剤が塗工されず集電箔の部分のみが積層された集電箔積層部（以下、未塗工部という。）を有し、未塗工部を挟み付ける挟扼集電部材および外部端子にかけて導通している。未塗工部は、それぞれ３箇所ずつ（特許文献１、図４、符号１４参照）集電箔を挟む方向に付勢され抵抗溶接されている。
あるいは例えば、特許文献２に開示された角形電池では、両端部に芯体露出部（以下、未塗工部という。）が形成された電極群（以下、発電要素群という。）が直方体状の金属製外装缶内に収容されている。発電要素群は、正極板と負極板の間に微多孔膜からなる帯状セパレータを介在させ、これらを渦巻状に捲回した後最外周をテープ止めして扁平状に押し潰されている。その一端部には正極未塗工部が、他端部には負極未塗工部が形成されている。正極、負極の未塗工部は束ねられてそれぞれ正極、負極集電体（以下、接続板という。）に溶接されている。すなわち、未塗工部に接続板の本体部を押し当てた状態でレーザビームが照射され、未塗工部と接続板とが所定長さでレーザ溶接されている。
充電もしくは放電状態にあるリチウムイオン二次電池では、電荷は、正負極それぞれの電極箔の露出部（以下、未塗工部という。）接続板の接合部を通過しつつ正極板、負極板それぞれの厚さ内を主面方向に移動する。正極板、負極板内の電荷の分布は必ずしも均一ではなく、未塗工部の接続板との接合部に集中する傾向がある。これは、帯状の発電要素群において例えば負極板側から正極側へ電荷が移動するとき、幅方向中心近傍では発電要素群の幅方向にほぼ平行に移動するのに対し、正極側接合部に近づくにつれそれぞれ最も近い接合部へと向きを変えるためである。
このような部分（接合部）では電流密度が他よりも高くなるため、発熱量が増大して局所的に温度が上昇する。リチウムイオン二次電池は温度が高いほど特性劣化が進行しやすいことから、接合部近傍の活物質は選択的に劣化が早まることになる。
一方、未塗工部の帯状長手方向全域に無数にもしくは全域に接合部が存在すれば、電流密度は均一化され発熱は最小限に抑えられる。しかし、製造上の観点からは現実的な措置ではない。このため、接合部の数を有限とした上記特許文献の技術は製造上の観点で好適である。
しかしながら、上述した特許文献１では、互いの相対位置関係を定めずに３箇所ずつ溶接により接合されているため、各接合部近傍の電流密度が均等化せず、上述した問題点に対応できない。また、特許文献２では、ある長さを持ってレーザ溶接により接合されているため、溶接に要する時間が長く熱エネルギが発電要素群に作用し、発電要素群の構成部品中特に高温に弱いセパレータが損傷するおそれがある。
本発明は上記事案に鑑み、温度に起因する劣化を最小限に抑えることができる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、長手方向に沿う一側に活物質合剤の未塗工部を有する正極板と、長手方向に沿う一側に活物質合剤の未塗工部を有する負極板とを、セパレータを介して、前記正負極板の未塗工部が互いに反対側に配されるように捲回した断面長円状の発電要素群と、前記発電要素群を収容する電池容器と、前記発電要素群の前記正負極板が捲き返された湾曲部間の平面部の端部に位置付けられた前記正負極板の未塗工部に、一側がそれぞれ接合された正負極接続板と、前記電池容器に固定され、前記正負極接続板の他側にそれぞれ接続された正負極外部端子と、を備え、前記発電要素群の平面部を平面視したときの前記正負極板の未塗工部と前記正負極接続板の一側との接合箇所の数がそれぞれ２つであり、前記２つの接合箇所間の距離が、前記発電要素群の前記正負極板が捲回されている最内周の長さの１／４よりも大であり、かつ、前記発電要素群の前記正負極板が捲回されている最外周の長さの１／４よりも小である、ことを特徴とする。
本発明において、正負極板の未塗工部を構成する集電箔が、発電要素群の平面部の端部において、接触するように束ねられていることが好ましい。また、２つの接合箇所間の距離が、正負極板の未塗工部間で同じであるようにしてもよい。さらに、正負極板の未塗工部と正負極接続板の一側とが超音波溶接により接合されていることが望ましい。また、正極接続板と正極外部端子、および、負極接続板と負極外部端子を、それぞれ単一部材で構成するようにしてもよい。
本発明によれば、発電要素群の平面部を平面視したときの正負極板の未塗工部と正負極接続板の一側との接合箇所の数をそれぞれ２つとし、２つの接合箇所間の距離を、発電要素群の正負極板が捲回されている最内周の長さの１／４よりも大、かつ、発電要素群の正負極板が捲回されている最外周の長さの１／４よりも小に設定することで、集電箔の全域に均等に電流が流れて電流密度が均一化され、発電要素群内の局所的な発熱とそれに伴う局所的な温度上昇が防止でき、温度に起因する発電要素群の部分劣化を抑制できる、という効果を得ることができる。
以下、図面を参照して、本発明をハイブリッド電気自動車用のリチウムイオン二次電池に適用した適用した実施の形態について説明する。
（構成）
＜全体構造＞
図１に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池３０（以下、二次電池３０と略称する。）は、電池容器として、角部にＲ付が施された角形（矩形状）で深絞り法により開口部の短辺寸法よりも深さ寸法を大きくした有底の電池缶１と、平板状の電池蓋３とを有している。電池蓋３の両端部には円形の貫通孔３Ａ、３Ｂが穿設されており、貫通孔３Ａ、３Ｂには、シール材１３Ａ、１３Ｂを介して正負極の外部端子４Ａ、４Ｂがそれぞれ挿着されている。また、電池蓋３には電解液を注液するための注液口２０が形成されており、注液口２０は注液栓２２によって封止されている。電池缶１、電池蓋３は共に、アルミニウム合金で製作されている。
＜全体構造＞
図１に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池３０（以下、二次電池３０と略称する。）は、電池容器として、角部にＲ付が施された角形（矩形状）で深絞り法により開口部の短辺寸法よりも深さ寸法を大きくした有底の電池缶１と、平板状の電池蓋３とを有している。電池蓋３の両端部には円形の貫通孔３Ａ、３Ｂが穿設されており、貫通孔３Ａ、３Ｂには、シール材１３Ａ、１３Ｂを介して正負極の外部端子４Ａ、４Ｂがそれぞれ挿着されている。また、電池蓋３には電解液を注液するための注液口２０が形成されており、注液口２０は注液栓２２によって封止されている。電池缶１、電池蓋３は共に、アルミニウム合金で製作されている。
図２に示すように、電池缶１の底面１Ａに対向する面側には開口１１が形成されている。電池缶１と電池蓋３とで画定される直方体状の空間内には、発電要素群６と電池蓋アセンブリ１２とが接合部８Ａ１、８Ａ２、８Ｂ１、８Ｂ２で接合、一体化された発電要素アセンブリ５０が、開口１１側から挿入され収容されている。電池缶１と電池蓋３とは輪郭部分が合致するよう構成されており、輪郭部分が隙間なく溶接封止されている。
＜発電要素群＞
図３に示すように、発電要素群６は、正負極板６Ｅ、６Ｄを、セパレータ６Ｃを介在させつつ扁平状に捲回されたものである。正負極板６Ｅ、６Ｄは、正負極集電箔上に活物質合剤を塗工した塗工部６Ｆ、６Ｇを有している。正負極板６Ｅ、６Ｄの長手方向に沿う一側には、それぞれ活物質合剤が未塗布の未塗工部６Ａ、６Ｂが形成されている。
図３に示すように、発電要素群６は、正負極板６Ｅ、６Ｄを、セパレータ６Ｃを介在させつつ扁平状に捲回されたものである。正負極板６Ｅ、６Ｄは、正負極集電箔上に活物質合剤を塗工した塗工部６Ｆ、６Ｇを有している。正負極板６Ｅ、６Ｄの長手方向に沿う一側には、それぞれ活物質合剤が未塗布の未塗工部６Ａ、６Ｂが形成されている。
未塗工部６Ａ、６Ｂは、発電要素群６の幅方向の互いに反対側となるように発電要素群６の捲回方向に直交する方向の両端部に位置付けられている。未塗工部６Ａ、６Ｂは、活物質合剤が塗工されていない分、塗工部６Ｆ、６Ｇに較べ厚さが小さくなっている。また、発電要素群６は後述する組立工程（組立手順）で電池缶１内に無理なく挿入、収容できるように、正負極板６Ｅ、６Ｄが捲き返された湾曲部６Ｒと、湾曲部６Ｒ間に位置し略平坦な平面部６Ｐとを有する扁平渦巻き状（断面長円状）に形成されている。
＜正負極接続板＞
図２に示すように、正負極の接続板５Ａ、５Ｂは、丸孔が形成され電池蓋３の内底面に沿う水平状の取付部５１（接続板の他側）と、取付部５１から略直角に折れ曲がって、電池缶１の狭側面１Ｓ１に沿って底面１Ａに向かって発電要素群６の下部側まで延設された側面部５２Ａ、５２Ｂと、側面部５２Ａ、５２Ｂの下半部で発電要素群６に向かって、すなわち、電池缶１の広側面１Ｓ２に沿って略直角に折り曲げられた接合面５３Ａ、５３Ｂ（接続板の一側）とを有している。接合面５３Ａ、５３Ｂはそれぞれ２箇所の接合部８Ａ１、８Ａ２および８Ｂ１、８Ｂ２で発電要素群６の未塗工部に接合されている（詳細後述）。正極側の接続板５Ａはアルミニウム合金で製作され、負極側の接続板５Ｂは銅合金で製作されている。なお、接合部８Ａ１と接合部８Ｂ１、接合部８Ａ２と接合部８Ｂ２がそれぞれ同じ高さ位置に位置付けられている。
図２に示すように、正負極の接続板５Ａ、５Ｂは、丸孔が形成され電池蓋３の内底面に沿う水平状の取付部５１（接続板の他側）と、取付部５１から略直角に折れ曲がって、電池缶１の狭側面１Ｓ１に沿って底面１Ａに向かって発電要素群６の下部側まで延設された側面部５２Ａ、５２Ｂと、側面部５２Ａ、５２Ｂの下半部で発電要素群６に向かって、すなわち、電池缶１の広側面１Ｓ２に沿って略直角に折り曲げられた接合面５３Ａ、５３Ｂ（接続板の一側）とを有している。接合面５３Ａ、５３Ｂはそれぞれ２箇所の接合部８Ａ１、８Ａ２および８Ｂ１、８Ｂ２で発電要素群６の未塗工部に接合されている（詳細後述）。正極側の接続板５Ａはアルミニウム合金で製作され、負極側の接続板５Ｂは銅合金で製作されている。なお、接合部８Ａ１と接合部８Ｂ１、接合部８Ａ２と接合部８Ｂ２がそれぞれ同じ高さ位置に位置付けられている。
＜蓋アセンブリ＞
蓋アセンブリ１２は、電池蓋３に対してシール材１３、外部端子４Ａ、４Ｂ、接続板５Ａ、５Ｂが機械的に一体化されたものである。外部端子４Ａ、４Ｂは、貫通孔３Ａ、３Ｂを挿通して正負極の接続板５Ａ、５Ｂの取付部５１Ａ、５１Ｂにそれぞれ接続されている。図４に示すように、負極側では、電池蓋３の貫通孔３Ｂにシール材１３を装着し、負極接続板５Ｂと負極外部端子４Ｂを、シール材１３を上下から挟むように配して、シール材１３が所定量潰れるように圧縮しながら、負極接続板５Ｂの取付部５１に形成された丸孔に予め挿通された負極外部端子４Ｂの円筒状下端部を外側に折り曲げることでかしめ部４Ｂａを構成することで行われる。これにより、各部品が一体化され、機械的な強度が確保される。また、かしめ部分４Ｂａの周部にスポット溶接を施し、溶接部４Ｂｂを電流が流れるように電気的導通を確保している。なお、正極側も同様の構成である。
蓋アセンブリ１２は、電池蓋３に対してシール材１３、外部端子４Ａ、４Ｂ、接続板５Ａ、５Ｂが機械的に一体化されたものである。外部端子４Ａ、４Ｂは、貫通孔３Ａ、３Ｂを挿通して正負極の接続板５Ａ、５Ｂの取付部５１Ａ、５１Ｂにそれぞれ接続されている。図４に示すように、負極側では、電池蓋３の貫通孔３Ｂにシール材１３を装着し、負極接続板５Ｂと負極外部端子４Ｂを、シール材１３を上下から挟むように配して、シール材１３が所定量潰れるように圧縮しながら、負極接続板５Ｂの取付部５１に形成された丸孔に予め挿通された負極外部端子４Ｂの円筒状下端部を外側に折り曲げることでかしめ部４Ｂａを構成することで行われる。これにより、各部品が一体化され、機械的な強度が確保される。また、かしめ部分４Ｂａの周部にスポット溶接を施し、溶接部４Ｂｂを電流が流れるように電気的導通を確保している。なお、正極側も同様の構成である。
シール材１３Ａ、１３Ｂによって、電池蓋３と外部端子４Ａ、４Ｂ、あるいは接続板５Ａ、５Ｂとの電気的絶縁が果たされると共に、貫通孔３Ａ、３Ｂを介して二次電池３０内の電解液の漏出や、外部から二次電池３０内への水分等の浸入が防止され、二次電池３０内部の気密が確立されている。正極側の外部端子４Ａはアルミニウム合金で製作され、負極側の外部端子４Ｂは銅合金で製作されている。シール材１３は絶縁性樹脂であるポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）により作製されている。
＜発電要素アセンブリ＞
図２に示すように、発電要素アセンブリ５０は、発電要素群６の正負極未塗工部６Ａ、６Ｂと、蓋アセンブリ１２の正負極接続板５Ａ、５Ｂとを、加圧しながら超音波接合して一体化したものである。これによって、外部端子４Ａ、４Ｂは発電要素群６と機械的および電気的に接続され、発電要素群６は電池蓋３によって機械的に支持される。
図２に示すように、発電要素アセンブリ５０は、発電要素群６の正負極未塗工部６Ａ、６Ｂと、蓋アセンブリ１２の正負極接続板５Ａ、５Ｂとを、加圧しながら超音波接合して一体化したものである。これによって、外部端子４Ａ、４Ｂは発電要素群６と機械的および電気的に接続され、発電要素群６は電池蓋３によって機械的に支持される。
正極側では接合部８Ａ１、８Ａ２の２箇所、負極側では８Ｂ１、８Ｂ２の２箇所において、接合面５３Ａ、５３Ｂに垂直な方向に存在する全ての層の未塗工部６Ａ、６Ｂが一括接合されている。活物質合剤が塗工されていない分、塗工部６Ｆ、６Ｇに較べ厚さが小さな未塗工部６Ａ、６Ｂは、接合時に加圧されることによって層間の隙間がなくなり（集電箔同士が接触するように束ねられた状態となり）、塗工部６Ｆ、６Ｇが存在する発電要素群６中央部近傍に比べ全体の厚さが小さくなっている。加圧、接合された未塗工部６Ａ、６Ｂの各層は、発電要素群６の厚さ方向（接合面５３Ａ、５３Ｂに垂直な方向）中央部近傍に束ねられている。
ここで、各接合部８Ａ１、８Ａ２、８Ｂ１、８Ｂ２の位置について説明する。
図５に示すように、発電要素群６は、セパレータ６Ｃ、負極板６Ｄ、セパレータ６Ｃ、正極板６Ｅの４層を積層して扁平渦巻き状に捲回されている。それぞれは一定の厚さを有することから、発電要素群６のうち正負極板６Ｅ、６Ｄが捲回されている最外周長さＬＯＵＴは、発電要素群６のうち正負極板６Ｅ、６Ｄが捲回されている最内周長さＬＩＮよりも長くなる。なお、発電要素群６では、捲回開始端部および捲回終了端部にはセパレータ６Ｃが数周捲回されているが、図５では、これらを捨象している。
発電要素群６の最外周１周部分の平面図を図７（Ａ）に、最内周１周部分の平面図を図７（Ｂ）に示す。図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、接合部８Ａ１、８Ａ２、８Ｂ１、８Ｂ２はそれぞれ２個ずつ存在している。接合部８Ａ１と接合部８Ａ２の定点間距離、および接合部８Ｂ１と接合部８Ｂ２の定点間距離は、発電要素群６の最内周長さＬＩＮの１／４よりも大きく、かつ最外周長さＬＯＵＴの１／４よりも小さく設定されている。
また、隣接する接合部８Ａ１と接合部８Ａ２の間隔ＤＡはいずれも同じであり、隣接する接合部８Ｂ１と接合部８Ｂ２の間隔ＤＢはいずれも同じである。これらは、接合面５３Ａ、５３Ｂに垂直な方向に存在する未塗工部６Ａ、６Ｂが一括接合されることにより、捲回１周回の間に２箇所一括接合される部分が生じることによる。すなわち、例えば接合部８Ａ１同士は、発電要素群６が捲回された状態では平面視において同一箇所に存在する（他の接合部８Ａ２、８Ｂ１、８Ｂ２も同様）。なお、本実施形態では、間隔ＤＡが間隔ＤＢと同じに設定されている。図７（Ａ）に示すように、最外周の隣接する同一接合部同士の間隔ＤＡＯＵＴ、ＤＢＯＵＴは、間隔ＤＡ、ＤＢよりも大きくなっている。一方、図７（Ｂ）に示すように、最内周の隣接する同一接合部同士の間隔ＤＡＩＮ、ＤＢＩＮは、間隔ＤＡ、ＤＢよりも小さくなっている。
（組立手順）
次に、本実施形態のリチウムイオン二次電池３０の組立手順について説明する。なお、本発明は以下に示す組立手順に限定されるものではない。
次に、本実施形態のリチウムイオン二次電池３０の組立手順について説明する。なお、本発明は以下に示す組立手順に限定されるものではない。
＜概要＞
組立手順は、電池蓋３にシール材１３Ａ、１３Ｂ、接続板５Ａ、５Ｂ、外部端子４Ａ、４Ｂを固定して電池蓋アセンブリ１２を作製する蓋アセンブリ組立ステップと、正負極板６Ｅ、６Ｄ、および２枚のセパレータ６Ｃを捲回して形状を整え、発電要素群６を形成する発電要素群組立ステップと、発電要素群６を電池蓋アセンブリ１２の接続板５Ａ、５Ｂに電気的、機械的に接合して発電要素アセンブリ５０を作製する発電要素アセンブリ組立ステップと、発電要素アセンブリ５０を電池缶１内に挿入し、電池缶１と電池蓋３とを溶接接合して電解液を注液する封止ステップとを含む。
組立手順は、電池蓋３にシール材１３Ａ、１３Ｂ、接続板５Ａ、５Ｂ、外部端子４Ａ、４Ｂを固定して電池蓋アセンブリ１２を作製する蓋アセンブリ組立ステップと、正負極板６Ｅ、６Ｄ、および２枚のセパレータ６Ｃを捲回して形状を整え、発電要素群６を形成する発電要素群組立ステップと、発電要素群６を電池蓋アセンブリ１２の接続板５Ａ、５Ｂに電気的、機械的に接合して発電要素アセンブリ５０を作製する発電要素アセンブリ組立ステップと、発電要素アセンブリ５０を電池缶１内に挿入し、電池缶１と電池蓋３とを溶接接合して電解液を注液する封止ステップとを含む。
＜蓋アセンブリ組立ステップ＞
図２に示すように、電池蓋３の２箇所の貫通孔３Ｂにシール材１３Ｂを装着し、シール部材１３Ｂに外部端子４Ａ、４Ｂを挿入する。挿入した外部端子４Ａ、４Ｂの電池内側の先端部に、接続板５Ａ、５Ｂに予め設けた貫通孔を通して、同部をかしめて固定する。外部端子４Ａと接続板５Ａ、および外部端子４Ｂと接続板５Ｂは、かしめ部４Ｂａにさらに溶接を施して電気的、機械的接続をより強固にする（溶接部４Ｂｂ）。これにより、電池蓋アセンブリ１２が作製される。外部端子４Ａと接続板５Ａ、および外部端子４Ｂと接続板５Ｂは直接接触し、かつ溶接されているため電気的に導通状態となる。また、これらと電池蓋３とは絶縁性のシール材１３Ｂを介して接するため、電気的に絶縁の状態となる。また、かしめと溶接の作用により、いずれもが機械的に一体化される。
図２に示すように、電池蓋３の２箇所の貫通孔３Ｂにシール材１３Ｂを装着し、シール部材１３Ｂに外部端子４Ａ、４Ｂを挿入する。挿入した外部端子４Ａ、４Ｂの電池内側の先端部に、接続板５Ａ、５Ｂに予め設けた貫通孔を通して、同部をかしめて固定する。外部端子４Ａと接続板５Ａ、および外部端子４Ｂと接続板５Ｂは、かしめ部４Ｂａにさらに溶接を施して電気的、機械的接続をより強固にする（溶接部４Ｂｂ）。これにより、電池蓋アセンブリ１２が作製される。外部端子４Ａと接続板５Ａ、および外部端子４Ｂと接続板５Ｂは直接接触し、かつ溶接されているため電気的に導通状態となる。また、これらと電池蓋３とは絶縁性のシール材１３Ｂを介して接するため、電気的に絶縁の状態となる。また、かしめと溶接の作用により、いずれもが機械的に一体化される。
＜発電要素群組立ステップ＞
正極板６Ｅおよび負極板６Ｄをセパレータ６Ｃを介して捲回することによって発電要素群６を形成し、断面長円状となるように成形する。すなわち、図３に示すように、セパレータ６Ｃ、負極板６Ｄ、セパレータ６Ｃ、正極板６Ｅの順に積層し、一側から断面長円状になるよう捲回する。このとき、正極板６Ｅの未塗工部６Ａと負極板６Ｄの未塗工部６Ｂとを互いに反対側に配置する。また、捲き始め部分および巻き終わり部分には、セパレータ６Ｃのみを数周捲回する。
正極板６Ｅおよび負極板６Ｄをセパレータ６Ｃを介して捲回することによって発電要素群６を形成し、断面長円状となるように成形する。すなわち、図３に示すように、セパレータ６Ｃ、負極板６Ｄ、セパレータ６Ｃ、正極板６Ｅの順に積層し、一側から断面長円状になるよう捲回する。このとき、正極板６Ｅの未塗工部６Ａと負極板６Ｄの未塗工部６Ｂとを互いに反対側に配置する。また、捲き始め部分および巻き終わり部分には、セパレータ６Ｃのみを数周捲回する。
正極板６Ｅの正極集電箔はアルミニウム箔よりなり、正極活物質合剤としては、マンガン酸リチウム等のリチウム含有遷移金属複酸化物を含むものが使用され、正極集電箔に略均等かつ略均一に塗着される。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（以下、ＰＶＤＦと略記する。）等のバインダ（結着材）が配合される。正極活物質合剤の正極集電箔への塗工時には、正極活物質合剤を、Ｎ−メチルピロリドン（以下、ＮＭＰと略記する。）等の分散溶媒で粘度調整する。このとき、未塗工部６Ａを形成する。正極活物質合剤塗工後、正極板６Ｅを乾燥し、さらにロールプレスで密度調整する。
負極板６Ｄの負極集電箔は銅箔よりなり、負極活物質合剤としては、リチウムイオンを可逆に吸蔵、放出可能な黒鉛等の炭素材を含むものが使用され、負極集電箔に略均等かつ略均一に塗着される。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る。負極活物質合剤の負極集電箔への塗工時には、負極活物質合剤をＮＭＰ等の分散溶媒で粘度調整する。このとき、未塗工部６Ｂを形成する。負極活物質合剤の負極集電箔への塗工後、負極板６Ｄを乾燥し、さらにロールプレスで密度調整する。
なお、負極板６Ｄの長さは、正極板６Ｅおよび負極板６Ｄ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板６Ｅが負極板６Ｄからはみ出すことがないように、正極板６Ｅの長さより長く設定されている。また、セパレータ６Ｃは、正極板６Ｅおよび負極板６Ｄの塗工部６Ｆ、６Ｇ同士が接触しないように、両者が重なる幅方向で両者より幅広とされている。
＜発電要素アセンブリ組立ステップ＞
図６（Ａ）に示すように、蓋アセンブリ組立ステップで構成した電池蓋アセンブリ１２Ｂと、発電要素群組立ステップで構成した発電要素群６を用意し、図示しない治具を用いて両者を位置決めする。次に、図６（Ｂ）に示すように、未塗工部６Ｂを構成する集電箔を発電要素群６の厚さ方向中心側に寄せて密着させる。そして、接続板５Ｂを、未塗工部６Ｂの最表面に接触させ、チップ２００とアンビル２０１で矢印の方向に加圧すると共に、接触面に対して水平方向に超音波振動を加えて未塗工部６Ｂの各層と接続板５Ｂを一括接合する。これにより、発電要素アセンブリ５０が作製される。発電要素群６と外部端子４Ｂとは、接続板５Ｂを介して電気的および機械的に接合される。その後、チップ２００とアンビル２０１を逃がしてステップが完了する。
図６（Ａ）に示すように、蓋アセンブリ組立ステップで構成した電池蓋アセンブリ１２Ｂと、発電要素群組立ステップで構成した発電要素群６を用意し、図示しない治具を用いて両者を位置決めする。次に、図６（Ｂ）に示すように、未塗工部６Ｂを構成する集電箔を発電要素群６の厚さ方向中心側に寄せて密着させる。そして、接続板５Ｂを、未塗工部６Ｂの最表面に接触させ、チップ２００とアンビル２０１で矢印の方向に加圧すると共に、接触面に対して水平方向に超音波振動を加えて未塗工部６Ｂの各層と接続板５Ｂを一括接合する。これにより、発電要素アセンブリ５０が作製される。発電要素群６と外部端子４Ｂとは、接続板５Ｂを介して電気的および機械的に接合される。その後、チップ２００とアンビル２０１を逃がしてステップが完了する。
なお、接合部８Ｂ１と８Ｂ２の接合は、上記のように同時に行われる場合と、一箇所ずつ時間的にずらして行う場合がある。また、未塗工部６Ａと接続板５Ａは、未塗工部６Ｂと接続板５Ｂと同様に接合する。
＜封止ステップ＞
図２に示すように、発電要素アセンブリ組立ステップで作製された発電要素アセンブリ５０を電池缶１内に挿入し、電池蓋３の周縁を電池缶１の開口１１に合わせ、合わせ面に隙間を生じぬよう治具により加圧する。次に、電池蓋３と電池缶１の周縁の合わせ面に向けてレーザビームを照射しつつ、合わせ面に沿って全周にわたり走査して、電池缶１と電池蓋３とを接合する。
図２に示すように、発電要素アセンブリ組立ステップで作製された発電要素アセンブリ５０を電池缶１内に挿入し、電池蓋３の周縁を電池缶１の開口１１に合わせ、合わせ面に隙間を生じぬよう治具により加圧する。次に、電池蓋３と電池缶１の周縁の合わせ面に向けてレーザビームを照射しつつ、合わせ面に沿って全周にわたり走査して、電池缶１と電池蓋３とを接合する。
その後、注液口２０から電解液を注液する。電解液としては、例えば、エチレンカーボネート等の炭酸エステル系の有機溶媒に６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）等のリチウム塩が溶解された非水電解液を用いることができる。電解液を発電要素群６の内周部分まで均等かつ効率的に含浸させるために、電池缶１内の圧力を予め電池外周の圧力よりも相対的に低く減圧する措置等を採るようにしてもよい。注液後、注液口２０を注液栓２２で密栓し注液口２０と注液栓２２との合わせ面外周をレーザ溶接して気密封止する。
（作用効果等）
次に、本実施形態の二次電池３０の作用効果等について説明する。
次に、本実施形態の二次電池３０の作用効果等について説明する。
図８に示すように、捲回された発電要素群６を展開した状態において、隣接する接合部８Ａ１と接合部８Ａ２の間隔ＤＡ、および隣接する接合部８Ｂ１と８Ｂ２の間隔ＤＢは、発電要素群６の全域（すなわち最内周から最外周にかけて）において同一の値となるが、最内周の隣接する同一接合部同士の間隔ＤＡＩＮと最外周の隣接する同一接合部同士の間隔ＤＡＯＵＴでは、間隔ＤＡＯＵＴの方が大きくなり、間隔ＤＢＩＮと間隔ＤＢＯＵＴでは、間隔ＤＢＯＵＴの方が大きくなる。また、最内周から最外周にかけて、隣接する同一接合部同士の間隔は、間隔ＤＡＩＮと間隔ＤＡＯＵＴの間の値、および間隔ＤＢＩＮと間隔ＤＢＯＵＴの間の値であって、かつ連続的に僅かずつ大きくなる。従って、発電要素群６の最内周と最外周の間のある部分で、間隔ＤＡと、隣接する同一接合部同士の間隔とが等しくなる。
すなわち、本実施形態の二次電池３０は、捲回された発電要素群６の最内周と最外周の間の部分で、隣接する複数の接合部８Ａ１、８Ａ２あるいは８Ｂ１、８Ｂ２の間隔が略等しい理想的な状態を現出させることができる。また、その部分から最内周にかけて、および最外周にかけて僅かずつ理想状態から遠ざかる（すなわち間隔が略等しい状態からずれてゆく）性質を備えることとなる。
この結果、最内周と最外周の間の多くの部分で各接合部近傍の電流密度が略均等化できることとなり、発熱の分布を最小限に抑えることができる。また、温度に起因する活物質の劣化を最小限に抑えることができる。さらに、電流密度が均一化されるので、電池反応が発電要素群全体で平準化され、局所電流がもたらずリチウムのデンドライド析出による微小短絡を防止することができる。
また、各接合部の接合は、レーザ溶接ではなく超音波接合によるものであるため、セパレータが熱的に損傷する不具合を生じることがない。加えて、現実的ではない未塗工部全域を接合する方法を採る必要もないため、生産性に優れ、量産性を確保することができる。
さらに、本実施形態の接合方法は、正負極２つの接合板５Ａ、５Ｂで発電要素群６を懸架する構造の機械的観点からも最も安定した方法である。すなわち、発電要素群６の平面部６Ｐ方向視において上下左右共に対象の位置に各接合部が存在するため、二次電池３０を搭載した車両の振動等が二次電池３０に作用しても、発電要素群６の各部と接合板５Ａ、５Ｂの相対位置関係が常に一定に維持され、相対位置関係が変化することによりもたらされる局所応力の発生が防止できるので、各接合部８Ａ１、８Ａ２、８Ｂ１、８Ｂ２の機械的な疲労強度も確保することができる。
なお、上記では本発明が適用可能な一実施形態について説明したが、本発明は以下のように変形して実施することができる。
（１）上記実施形態では、リチウムイオン二次電池３０を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、二次電池一般に適用することができる。
（２）上記実施形態では、正極活物質としてマンガン酸リチウム、負極活物質として黒鉛をそれぞれ例示したが、本発明はこれらに制限されるものではなく、通常リチウムイオン二次電池に用いられる活物質を用いることもできる。正極活物質としては、リチウムイオンを挿入・脱離可能な材料であり、予め十分な量のリチウムイオンを挿入したリチウム遷移金属複合酸化物を用いればよく、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶中のリチウムや遷移金属の一部をそれら以外の元素で置換あるいはドープした材料を使用するようにしてもよい。
（３）また、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶構造についても特に制限はなく、スピネル系、層状系、オリビン系のいずれの結晶構造を有していてもよい。一方、黒鉛以外の負極活物質としては、例えば、コークスや非晶質炭素等の炭素材を挙げることができ、その粒子形状においても、鱗片状、球状、繊維状、塊状等、特に制限されるものではない。
（４）上記実施形態で例示した導電材やバインダについても特に限定されず、通常リチウムイオン二次電池に用いられているいずれのものも使用可能である。本実施形態以外で用いることのできるバインダとしては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレン／ブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン等の重合体およびこれらの混合体等を挙げることができる。
（５）上記本実施形態では、エチレンカーボネート等の炭酸エチレン系有機溶媒にＬｉＰＦ６を溶解した非水電解液を例示したが、一般的なリチウム塩を電解質とし、これを有機溶媒に溶解した非水電解液を用いてもよく、本発明は用いられるリチウム塩や有機溶媒には特に制限されるものではない。例えば、電解質としては、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＢ（Ｃ６Ｈ５）４、ＣＨ３ＳＯ３Ｌｉ、ＣＦ３ＳＯ３Ｌｉ等やこれらの混合物を用いることができる。また、有機溶媒としてはジエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、１、２−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、スルホラン、プロピオニトリル等、または、これらの２種以上を混合した混合溶媒を用いることができる。
（６）電池缶１あるいは電池蓋３は、上記実施形態で例示したアルミニウム合金に限らず、例えば、スチールにニッケルメッキを施したものやステンレス合金により作製してもよい。
（７）シール材１３は、上記実施形態で例示したポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）に限らず、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、あるいはペルフルオロアルコキシフッ素（ＰＦＡ）等の絶縁性樹脂により作製してもよい。
（８）シール材１３は予め別体の部品としてではなく、インサート成型により形成してもよい。例えば、電池缶１と外部端子４Ａ、４Ｂとを一定の間隔に保持した状態で、隙間にＰＰＳやＰＢＴなどの樹脂材料をインサート成型することでシール材１３を形成してもよい。インサート成型により、電池蓋３と外部端子４Ａ、４Ｂとの相対位置が固定され、両者間の絶縁が確保され、かつ気密が確立される。このような態様では、外部端子４Ａと接続板５Ａ（および４Ｂと５Ｂ）を単一の部材とすることができ、部品点数および組立工程数を削減することができる。一方、上記実施形態では接続板５Ａ、５Ｂを単一の部品として例示したが、複数の部品を電気的、機械的に接続することで構成するようにしてもよい。
（９）従って、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、未塗工部に正負極接続板を２箇所接合するようにした、種々の構成を有するリチウムイオン二次電池やその他の二次電池に適用することができる。
本発明は温度に起因する劣化を最小限に抑えることができる二次電池を提供するものであるため、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 電池缶（電池容器の一部）
３ 電池蓋（電池容器の一部）
４Ａ 正極外部端子
４Ｂ 負極外部端子
５Ａ 正極接続板
５Ｂ 負極接続板
６ 発電要素群
６Ａ 正極未塗工部
６Ｂ 負極未塗工部
６Ｃ セパレータ
６Ｄ 負極板
６Ｅ 正極板
６Ｒ 湾曲部
６Ｐ 平面部
８Ａ１、８Ａ２、８Ｂ１、８Ｂ２ 接合部（接合箇所）
３０ リチウムイオン二次電池（二次電池）
５１ 取付部（接続板の他側）
５３ 接合面（接続板の一側）
３ 電池蓋（電池容器の一部）
４Ａ 正極外部端子
４Ｂ 負極外部端子
５Ａ 正極接続板
５Ｂ 負極接続板
６ 発電要素群
６Ａ 正極未塗工部
６Ｂ 負極未塗工部
６Ｃ セパレータ
６Ｄ 負極板
６Ｅ 正極板
６Ｒ 湾曲部
６Ｐ 平面部
８Ａ１、８Ａ２、８Ｂ１、８Ｂ２ 接合部（接合箇所）
３０ リチウムイオン二次電池（二次電池）
５１ 取付部（接続板の他側）
５３ 接合面（接続板の一側）
Claims (5)
- 長手方向に沿う一側に活物質合剤の未塗工部を有する正極板と、長手方向に沿う一側に活物質合剤の未塗工部を有する負極板とを、セパレータを介して、前記正負極板の未塗工部が互いに反対側に配されるように捲回した断面長円状の発電要素群と、
前記発電要素群を収容する電池容器と、
前記発電要素群の前記正負極板が捲き返された湾曲部間の平面部の端部に位置付けられた前記正負極板の未塗工部に、一側がそれぞれ接合された正負極接続板と、
前記電池容器に固定され、前記正負極接続板の他側にそれぞれ接続された正負極外部端子と、
を備え、
前記発電要素群の平面部を平面視したときの前記正負極板の未塗工部と前記正負極接続板の一側との接合箇所の数がそれぞれ２つであり、
前記２つの接合箇所間の距離が、前記発電要素群の前記正負極板が捲回されている最内周の長さの１／４よりも大であり、かつ、前記発電要素群の前記正負極板が捲回されている最外周の長さの１／４よりも小である、
ことを特徴とする二次電池。 - 前記正負極板の未塗工部を構成する集電箔が、前記発電要素群の平面部の端部において、接触するように束ねられていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
- 前記２つの接合箇所間の距離が、前記正負極板の未塗工部間で同じであることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
- 前記正負極板の未塗工部と前記正負極接続板の一側とが超音波溶接により接合されたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
- 前記正極接続板と前記正極外部端子、および、前記負極接続板と前記負極外部端子が、それぞれ単一部材で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
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