JP2012033274A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電極群に極板の位置ズレが生じると、集電板と電極群の端面との接続強度を確保できないことがある。
【解決手段】集電板２１は、極板１７に接続される接続部２５Ａが突出部２５の突出方向に変位可能となるように構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池に関し、特に、二次電池の集電板に関する。

近年、省資源又は省エネルギーの観点から、繰り返し使用できる二次電池を携帯型電子機器又は移動体通信機器等の駆動用電源として使用している。また、化石燃料の使用量の削減又は二酸化炭素の排出量の削減等の観点から、このような二次電池を車両等の駆動用電源として使用することが検討されている。

二次電池の集電構造としては、集電板を電極群の端面に配置して極板の端面に接続するという構造が知られている。このような集電構造では集電板と極板の端面との接続強度を確保する必要があり、この要求を満足させるために集電板の構造等が工夫されている。

例えば、集電板を電極群の中空部内に挿入させることが提案されている。このような集電板には電極群の径方向に延びる突起部が設けられており、突起部を極板の端面に溶接させる（特許文献１）。

また、電極群の端面を集電板で被覆することが提案されている。このような集電板には電極群側に突出する凸条部が設けられており、この凸条部を極板の端面に接触させた状態で溶接させる（特許文献２）。

特開２００２−１００３４０号公報 特開２００５−１４２０２６号公報

電極群の端面では、極板の端面の位置が周回毎又は極板毎に異なることがある。このような極板の位置ズレが電極群に生じると、集電板と極板との接続強度を確保することが難しくなる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、極板の位置ズレが電極群に生じた場合であっても、集電板と極板との接続強度を確保することにある。

本発明に係る二次電池の集電板には、電極群側へ突出する突出部が設けられており、突出部には、極板に接続される接続部が設けられている。接続部は、突出部の突出方向（以下では単に「突出方向」と記す）に変位可能である。

本発明によれば、極板の位置ズレが電極群に生じた場合であっても集電板と極板との接続強度を確保できる。

（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本発明の一実施形態に係る二次電池の外観斜視図及び内部斜視図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本発明の一実施形態における集電板の斜視図及び平面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されない。

図１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本発明の実施形態に係る二次電池の外観斜視図及び内部斜視図である。図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本実施形態における負極集電板斜視図及び平面図である。

本実施形態では、「突出基部」、「突出先端部」、「基端側角部」及び「先端側角部」は、それぞれ、次に示す部分を指す。突出基部は平坦部２３側に位置する突出部の側壁２５Ｂの端部であり、突出先端部は接続部２５Ａ側に位置する突出部の側壁２５Ｂの端部であり、突出基部と突出先端部とは突出方向において互いに反対側に位置している。基端側角部２１Ａは突出基部を含む角部であり、先端側角部２１Ｂは突出先端部を含む角部である。

本実施形態に係る二次電池は、角形電池であり、有底の電池ケース１を有している。電池ケース１の開口端には封口板３が溶接されており、電池ケース１と封口板３とは同極である。電池ケース１内には、電極群１３が電解液又は電解質（以下では「電解質」と記す。）と共に収容されている。

電極群１３は、略楕円形の横断面を有しており、正極板１５と負極板１７とセパレータ１９とを有している。詳細には、正極板１５及び負極板１７の幅方向における一端（露出端）では、集電体が合剤層から露出している。正極板１５の露出端と負極板１７の露出端１７Ａとがセパレータ１９から互いに逆向きに突出するように正極板１５と負極板１７とでセパレータ１９を挟み、正極板１５、負極板１７及びセパレータ１９を捲回する。これにより、本実施形態における電極群１３が形成される。なお、正極板１５及び負極板１７よりもセパレータ１９の方が幅が広いため、図１（ｂ）に示すようにセパレータ１９が正極板１５よりも電極群１３の軸方向に突出している。

正極板１５は、不図示であるが、電池ケース１に接続されている。負極板１７の露出端１７Ａには負極集電板２１（後述）が接続されており、負極集電板２１はリード２９を介して端子部９に接続されている。ここで、封口板３は電池ケース１と同じく正極であるので、端子部９はガスケット等の絶縁部材１１を介して封口板３に貫設されている。

電解質は、封口板３に形成された注液孔（不図示）から電池ケース１内に注入され、注液孔は、電解質が注入されると封栓７で蓋される。封口板３には防爆弁５が設けられており、二次電池の内圧が上昇すると防爆弁５が開いて内圧を低下させる。

負極集電板２１をさらに説明する。負極集電板２１は、図１（ｂ）に示すように電極群１３の一端面を覆っており、平坦部２３と、突出部２５と、接続部２５Ａと、弾性部２７とを有している。突出部２５は、平坦部２３よりも電極群１３側に突出しており、略矩形の横断面を有している。接続部２５Ａは、突出部２５の突出方向先端に位置しており、露出端１７Ａの端面に当接されてレーザ溶接等により露出端１７Ａの端面に溶接される。なお、負極集電板２１における突出部２５の位置は図２（ａ）及び（ｂ）に示す位置に限定されず、接続部２５Ａが電極群１３の端面における露出端１７Ａの長手方向に対して略垂直に延びるように突出部２５が形成されていれば良い。

弾性部２７は、接続部２５Ａに一体成形されており、突出部の側壁２５Ｂを含む部位に開口部２７ａが形成されて構成されている。このように弾性部２７は負極集電板２１において相対的に強度が弱いので、接続部２５Ａは突出方向に変位し易い。弾性部を有していない負極集電板（以下では「比較用集電板」と記す）と比較させながら、本実施形態における負極集電板２１を更に説明する。

極板の位置ズレが生じた電極群の端面上に比較用集電板又は本実施形態に係る負極集電板２１を配置すると、相対的に突出している露出端の端面は接続部に当接されるが、それ以外の露出端の端面は接続部に当接されない。それ以外の露出端の端面を接続部に当接させるために比較用集電板又は本実施形態に係る負極集電板を電極群側へ押圧させると、露出端の端面が接続部に当接された箇所では、押圧に対する反発力（外力）が露出端から接続部に付与される。

比較用集電板には、相対的に強度の低い部位は存在しない。そのため、上記外力は、比較用集電板又は露出端の変形を引き起こし、場合によっては比較用集電板又は露出端の折曲を引き起こす。よって、比較用集電板を電極群側へ押圧できない。従って、比較用集電板と極板の位置ズレが生じた電極群との接続強度を確保することは難しい。

しかし、本実施形態における負極集電板２１には、相対的に強度の低い部位（弾性部２７）が存在する。つまり、上記外力は、接続部２５Ａから弾性部２７へ逃げて開口部２７ａに集中する。これにより、開口部２７ａの開口面積が狭くなるように弾性部２７が変形し、よって、接続部２５Ａが平坦部２３側へ変位する。従って、負極集電板２１及び露出端１７Ａの変形等を伴うことなく負極集電板２１を電極群１３側へ移動させることができる。

負極集電板２１が電極群１３側へ移動すると、接続部２５Ａに当接していなかった露出端１７Ａの一部分が接続部２５Ａに新たに当接することとなる。そして、露出端１７Ａが接続部２５Ａに新たに当接することとなった箇所、及び、露出端１７Ａが接続部２５Ａに既に当接している箇所では、上述と同様のことが起こる。よって、負極集電板２１を電極群１３側へさらに移動させることができる。このように負極集電板２１では、電極群１３における極板の位置ズレを吸収することができる。

このように、負極集電板２１では、比較用集電板に比べて、極板の位置ズレが生じた電極群１３との当接箇所が増えるので、その電極群１３との接続強度を確保できる。また、負極集電板２１では、比較用集電板に比べて、極板の位置ズレが生じた電極群１３との接続箇所が増えるので、集電時の抵抗を低く抑えることができる。さらに、負極集電板２１又は露出端１７Ａの変形等を伴うことなく負極集電板２１を露出端１７Ａに接続できるので、二次電池の製造歩留まりの低下を防止できる。

このような負極集電板２１の作製方法は、特に限定されない。例えば、プレス成形法により負極集電板２１を一括成形しても良いし、プレス成形法により突出部２５を成形した後にレーザ光等を用いて開口部２７ａを形成しても良いし、開口部２７ａを形成した後にプレス成形法により突出部２５を成形しても良い。また、プレス成形法の代わりに曲げ加工法等を用いても良い。

弾性部２７をさらに説明する。まず、開口部２７ａの位置を説明する。

開口部２７ａが突出部の側壁２５Ｂに形成されていれば、突出部の側壁２５Ｂの強度は比較用集電板よりも低くなる。しかし、基端側角部２１Ａ又は先端側角部２１Ｂの強度が低くなれば、突出方向における接続部２５Ａの変位量を稼ぐことができる。よって、開口部２７ａは、突出基部、平坦部２３において突出基部に隣接する部分、突出先端部、又は、接続部２５Ａにおいて突出先端部に隣接する部分に形成されていることが好ましい。さらに好ましくは、開口部２７ａが基端側角部２１Ａ又は先端側角部２１Ｂに形成されていることであり、さらに好ましくは、開口部２７ａが基端側角部２１Ａ及び先端側角部２１Ｂに形成されていることであり、さらに好ましくは、開口部２７ａが図２（ａ）及び（ｂ）に示すように基端側角部２１Ａから先端側角部２１Ｂへ延びるように形成されていることである。

開口部２７ａの位置が変わると、外力が接続部２５Ａに付与されたときに変形する部分（つまり、弾性部２７）の位置が変わる。例えば、開口部２７ａが突出基部に形成されていれば、外力の付与により突出部の側壁２５Ｂが変形するので、弾性部２７は突出部の側壁２５Ｂに位置する。また、開口部２７ａが図２（ａ）及び（ｂ）に示す位置に形成されていれば、外力の付与により基端側角部２１Ａから先端側角部２１Ｂに至る部位が変形するので、弾性部２７は基端側角部２１Ａから先端側角部２１Ｂに至る部位（段差部）に位置する。なお、開口部２７ａは少なくとも突出部の側壁２５Ｂに形成されるので、弾性部２７は少なくとも突出部の側壁２５Ｂを含んでいる。

次に、弾性部２７における開口率について説明する。弾性部２７における開口率が高くなればなるほど、弾性部２７の強度が低くなるので、接続部２５Ａが突出方向に変位しやすくなる。しかし、弾性部２７における開口率が高すぎると、負極集電板２１が弾性部２７において破断し易くなる。また、弾性部２７の強度は、弾性部２７における開口率だけでなく、負極集電板２１の材料及び厚み、並びに、弾性部２７における開口部２７ａの位置等にも依存する。これらを踏まえて、弾性部２７における開口率を適宜設定すれば良い。例えば、弾性部２７における開口率は、５０％以上８０％以下であることが好ましい。

ところで、弾性部２７は、突出部に側壁２５Ｂを含む部位に開口部２７ａが形成されて構成されているとしたが、次に示す構成であっても良い。例えば、負極集電板が一般的に銅又はニッケル等の金属からなることを考慮すれば、弾性部２７はゴム等の弾性材料からなっても良い。また、弾性部２７は、平坦部２３及び接続部２５Ａよりも膜薄であっても良いし、平坦部２３及び接続部２５Ａよりも幅狭であっても良い。

しかし、平坦部２３及び接続部２５Ａと弾性部２７とで材料が異なると、負極集電板２１を一体成形できず、よって、負極集電板２１の製造歩留まりの低下を引き起こす。従って、平坦部２３及び接続部２５Ａと弾性部２７とでは材料が同一であることが好ましい。

また、弾性部２７が図２（ａ）及び（ｂ）に示す構成を有していれば、負極集電板２１が電極群１３における極板の位置ズレを吸収できるという効果以外に、次に示す効果も得ることができる。よって、弾性部２７は、図２（ａ）及び（ｂ）に示す構成を有していることが好ましい。

電極群１３内でガスが発生したときには、そのガスは開口部２７ａを通って電極群１３の外へ排出される。よって、電極群１３の膨張を防止できるので、二次電池の破裂を防止できる。従って、二次電池が異常な状態に陥ったときであっても、最悪の状態に陥ることを防止できる。

また、電解質を注液孔から電池ケース１内に注入したときには、電解質は開口部２７ａを通って電極群１３へ供給される。よって、電解質が電極群１３に到達する時間を短縮できるので、注液時間を短縮できる。

さらに、負極集電板２１を露出端１７Ａの端面に溶接するときには、溶接に要する熱の伝達経路が開口部２７ａにより遮断される。よって、溶接に要する熱が接続部２５Ａから平坦部２３へ逃げることを防止できる。従って、溶接時の熱量をそれほど多くしなくても、負極集電板２１と露出端１７Ａの端面との溶接強度を確保できる。

本実施形態に係る二次電池は、以下に示す構成であっても良い。

二次電池は、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池であっても良いし、ニッケル水素二次電池等であっても良い。

二次電池の構成要素（正極板、負極板、セパレータ及び電解質等）の材料及び厚み等は、それぞれ、二次電池の構成要素として公知の材料及び厚み等を特に限定されることなく採用できる。また、正極板及び負極板の構成（例えば、集電板の厚み、合剤層の厚み及び合剤層における各材料の含有量等）は、それぞれ、二次電池の正極板及び負極板の構成として公知の構成を特に限定されることなく採用できる。

二次電池は、円筒型電池であっても良い。この場合、集電板は平面視円形であり、突出部２５は平面視において集電板の径方向に延びていれば良い。

電極群１３は、正極板１５と負極板１７とがセパレータ１９を挟んで積層されて構成されていても良い。

正極板１５は、正極集電板を介して電池ケースに接続されていても良い。この場合、正極集電板は、本実施形態における負極集電板２１と同様の構成を有していることが好ましい。また、正極集電板が本実施形態における負極集電板２１と同様の構成を有しており、負極集電板が比較用集電板であっても良い。

負極集電板２１は、以下に示す構成を有していても良い。

開口部２７ａの形状は、平面視矩形に限定されない。また、開口部２７ａの個数は、図２（ａ）に示す個数に限定されない。弾性部２７における開口率が所定値となるように、開口部２７ａの形状及び個数を適宜選択すれば良い。

突出部２５の個数及び位置は、それぞれ、図２（ａ）に示す個数及び位置に限定されない。露出端１７Ａの端面との接続強度を確保できるように、また、集電時の抵抗が増加しないように、突出部２５の個数及び位置を適宜選択すれば良い。

突出部２５の横断面の形状は、略矩形に限定されず、矩形以外の多角形であっても良いし、略半円であっても良いし、直線部分と円弧部分とを含む形状であっても良い。しかし、突出部２５の横断面の形状が略矩形であれば、突出部２５を容易に成形でき、また、接続部２５Ａと露出端１７Ａの端面との接続強度を確保できる。

負極集電板２１の材料及び厚み等は、それぞれ、二次電池の負極集電板として公知の材料及び厚み等を特に限定されることなく採用できる。例えば、負極集電板２１は、銅又はニッケル等からなれば良く、１００μｍ〜１０００μｍの厚みを有していれば良い。

以上説明したように、本発明は、携帯型電子機器、移動体通信機器又は車両等の駆動用電源として有用である。

２１ 負極集電板
２１Ａ 基端側角部
２１Ｂ 先端側角部
２５ 突出部
２５Ａ 接続部
２５Ｂ 側壁
２７ 弾性部
２７ａ 開口部

Claims (7)

1. 第１極の極板と第２極の極板との間にセパレータが介在されて構成された電極群と、
   前記第１極の極板に接続される集電板とを備え、
   前記集電板は、
   前記電極群側へ突出する突出部と、
   前記突出部に設けられ、前記第１極の極板に接続される接続部と、
   前記接続部を前記突出部の突出方向に変位させる弾性部とを有する二次電池。
2. 請求項１に記載の二次電池であって、
   前記弾性部は、前記接続部に一体成形されており、前記接続部よりも低強度である二次電池。
3. 請求項２に記載の二次電池であって、
   前記突出部には、突出基部から前記接続部へ向かって延びる側壁が設けられており、
   前記弾性部は、前記突出部の前記側壁を含む部位に開口部が形成されて構成されている二次電池。
4. 請求項３に記載の二次電池であって、
   前記開口部は、前記突出基部に形成されている二次電池。
5. 請求項４に記載の二次電池であって、
   前記開口部は、前記突出基部を含む角部に形成されている二次電池。
6. 請求項４又は５に記載の二次電池であって、
   前記開口部は、前記突出基部から前記接続部へ延びている二次電池。
7. 請求項３から６の何れか１つに記載の二次電池であって、
   前記弾性部における開口率は、５０％以上である二次電池。

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