JP2014238941A - 二次電池及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】捲回電極群の巻き弛み、或いは巻きずれを防止し、特性の安定化および歩留まりの向上が可能な二次電池及びその製造方法を提供する。
【解決手段】二次電池は、捲回軸方向の端部に電極の金属箔を露出させた金属箔露出部を有する捲回電極群と、捲回電極群を収容する電池缶と、電池缶の開口部を封口する電池蓋と、電池蓋に配された外部端子と前記捲回電極群の前記金属箔露出部とを電気的に接続する集電板と、を備えた二次電池であって、前記金属箔露出部で積層された前記電極の金属箔を積層方向に相互に接合する第１の溶接部と、前記金属箔露出部と前記集電板とを接合する第２の溶接部と、を有する。
【選択図】図５
【解決手段】二次電池は、捲回軸方向の端部に電極の金属箔を露出させた金属箔露出部を有する捲回電極群と、捲回電極群を収容する電池缶と、電池缶の開口部を封口する電池蓋と、電池蓋に配された外部端子と前記捲回電極群の前記金属箔露出部とを電気的に接続する集電板と、を備えた二次電池であって、前記金属箔露出部で積層された前記電極の金属箔を積層方向に相互に接合する第１の溶接部と、前記金属箔露出部と前記集電板とを接合する第２の溶接部と、を有する。
【選択図】図５
Description
本発明は、二次電池及びその製造方法に係り、例えば車載用途等の高容量扁平捲回形の二次電池およびその製造方法に関する。
近年、電気自動車等の動力源として、正極電極と負極電極との間にセパレータを介在させ、これらを捲回して作製した電極群を備えたエネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池の開発が進められている。リチウムイオン二次電池は、性能の向上につれて用途も拡大し、製造工程の簡素化、低コスト化が要求されてきた。
このようなリチウムイオン二次電池においては、内部抵抗を低減し、小型化を図ることができる二次電池が提案され、実用に供されている（例えば、下記特許文献１を参照）。特許文献１の二次電池は、電池缶と電池蓋とで画定された空間内に配置された発電要素群を備えている。該発電要素群は、捲回若しくは積層され、活物質合剤の未塗工部が互いに反対側に形成された正負極板を有し、該正負極板の未塗工部が電池缶の貫通孔の形成面にそれぞれ対向するように位置している。
特許文献１の二次電池は、正負極板の未塗工部にそれぞれ電気的および機械的に接続され、電池缶の貫通孔を介して電池外部と導通する接続部材を、さらに備えている。これにより、発電要素群から電池外部に至る電流経路が短くなり、内部抵抗を低減することができると共に、電池缶内部がコンパクト化され、電池の小型化を図ることができる。
しかしながら、前記従来の技術では、正負極板が捲回されて発電要素群が形成される場合に、正負極板の巻き弛み、或いは捲回軸方向の巻きずれが生じる虞があるという課題がある。
すなわち、特許文献１の二次電池においては、扁平に形成された発電要素群のコーナー部など、捲回された正負極板が湾曲している部分において、正負極板の弾性力、すなわちスプリングバックによって、正負極板の積層間隔を拡大させるような力が発生する。一方、発電要素群の軸心側、すなわち捲回軸の近傍では、正負極板の自重により、正負極板の積層間隔を縮小させるような力が発生する。
そのため、外部端子に接続された接続部材に対して、正負極板の未塗工部を例えば超音波溶接により接合するまでの間に、例えば正負極板間に捲回方向のずれが生じ、捲回された正負極板に巻き弛みが発生する可能性がある。或いは、例えば搬送時の振動などの影響により、捲回軸方向の巻きずれが発生する虞がある。前記の巻き弛みは、電極極間距離が不均一となる要因となり、電池特性を劣化させる可能性がある。また、前記の巻きずれは、正極と負極とが互いに対向する面積を減少させる要因となり、二次電池の歩留まりを低下させる懸念がある。
本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、捲回電極群の巻き弛み、或いは巻きずれを防止し、特性の安定化および歩留まりの向上が可能な二次電池及びその製造方法を提供することにある。
前記の目的を達成するために、本発明に係る二次電池は、捲回軸方向の端部に電極の金属箔を露出させた金属箔露出部を有する捲回電極群と、該捲回電極群を収容する電池缶と、該電池缶の開口部を封口する電池蓋と、該電池蓋に配された外部端子と前記捲回電極群の前記金属箔露出部とを電気的に接続する集電板と、を備えた二次電池であって、前記金属箔露出部で積層された前記電極の金属箔を積層方向に相互に接合する第１の溶接部と、前記金属箔露出部と前記集電板とを接合する第２の溶接部と、を有することを特徴としている。
本発明の二次電池によれば、捲回電極群の金属箔露出部において積層した電極の金属箔が第１の溶接部により積層方向に相互に接合され、捲回電極群の金属箔露出部が第２の溶接部により集電板に接続されるので、捲回された電極の巻き弛み及び巻きずれが防止され、特性の安定化及び歩留まりの向上が可能になる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態である二次電池を説明する。
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係るリチウムイオン二次電池の外観斜視図である。図２は、図１に示すリチウムイオン二次電池の分解斜視図である。リチウムイオン二次電池１は、主に、電池容器２と該電池容器２に収容される捲回電極群３とから構成されている。
図１は、実施形態１に係るリチウムイオン二次電池の外観斜視図である。図２は、図１に示すリチウムイオン二次電池の分解斜視図である。リチウムイオン二次電池１は、主に、電池容器２と該電池容器２に収容される捲回電極群３とから構成されている。
電池容器２は、開口部１１ａを有する電池缶１１と、該電池缶１１の開口部１１ａを封口する電池蓋２１とを有している。本実施形態の電池容器２は直方体形状に形成されている。すなわち、電池容器２は、一対の幅広側面ＰＷと、一対の幅狭側面ＰＮと、底面ＰＢと、電池蓋２１とで直方体形状の扁平角形容器を構成する。電池缶１１及び電池蓋２１は、例えばアルミニウム合金により製作されている。
電池容器２は、電池缶１１の内面と捲回電極群３との間にシート状の絶縁保護フィルム４１が介在するようにして電池缶１１の内部に捲回電極群３を収容し、電池缶１１の開口部１１ａに電池蓋２１の外縁が例えばレーザ溶接により接合されることで、捲回電極群３を収容する。
電池蓋２１には、不図示の絶縁部材を介して一対の電極端子である正極端子５１と負極端子６１とが配設されている。正極端子５１及び負極端子６１は、電池蓋２１の長手方向の互いに離れた位置に配置されている。また、電池蓋２１には、電池容器２内の圧力が所定値よりも上昇すると開放されて電池容器２内のガスを排出するガス排出弁７１と、電池容器２内に電解液を注入するための注液口７２が設けられている。注液口７２は、電解液の注入後に注液栓７３によって塞がれる。前記の電池蓋２１、正極端子５１、負極端子６１、ガス排出弁７１などにより蓋組立体４が構成され、該蓋組立体４と捲回電極群３とにより発電要素組立体５が構成されている。
図３は、図２に示す発電要素組立体５の分解斜視図である。正極端子５１及び負極端子６１は、電池容器２の外側に配置される外部端子５２、６２と、該外部端子５２、６２に電気的に接続され、電池容器２の内側に配置される集電板（接続端子）５３、６３とを有している。正極側の外部端子５２と集電板５３は、アルミニウム合金で製作され、負極側の外部端子６２と集電板６３は、銅合金で製作されている。集電板５３、６３及び外部端子５２、６２は、電池蓋２１との間に不図示の絶縁部材を介在させることで、電池蓋２１から電気的に絶縁されている。
集電板５３、６３は、電池容器２の内面となる電池蓋２１の下面から電池缶１１の底面ＰＢに向かって下方に延出している。捲回電極群３は捲回軸方向（図のＸ軸方向）の端部に電極の金属箔を露出させた金属箔露出部３ａ、３ｂを有しており、集電板５３、６３は捲回電極群３の金属箔露出部３ａ、３ｂに接合される。これにより、集電板５３、６３は、電池蓋２１に配された外部端子５２、６２と捲回電極群３の金属箔露出部３ａ、３ｂとを電気的に接続している。金属箔露出部３ａ、３ｂと集電板５３、６３との接合については、後で詳細に説明する。
図４は、図３に示す捲回電極群３の展開斜視図である。捲回電極群３は、セパレータ３５、負極板３２、セパレータ３３、正極板３４をこの順に重ねて、捲回軸である捲回装置の巻き芯周りに捲回することによって構成される。すなわち、捲回電極群３は、電極である正極板３４と負極板３２との間に、絶縁体であるセパレータ３３、３５を介在させ、これらを重ね合わせた状態で捲回軸周りに捲回し、その後、扁平形状に成形した構造を有している。
捲回電極群３は、最外周にセパレータ３５が捲回され、その内側に負極板３２が捲回され、さらにその内側にセパレータ３３及び正極板３４が捲回される。セパレータ３３、３５は、正極板３４と負極板３２とを電気的に絶縁している。
正極電極である正極板３４は、正極集電体である正極金属箔３４ｂと、該正極金属箔３４ｂの両面に正極活物質合剤を塗布することにより形成された正極塗工部３４ａを有している。正極板３４の幅方向、すなわち捲回軸方向（図のＸ軸方向）の一端には、正極金属箔３４ｂが露出した正極未塗工部が設けられている。
負極電極である負極板３２は、負極集電体である負極金属箔３２ｂと、該負極金属箔３２ｂの両面に負極活物質合剤を塗布することにより形成された負極塗工部３２ａを有している。負極板３２の幅方向、すなわち捲回軸方向において、正極板３４の未塗工部と反対側の端部には、負極金属箔３２ｂが露出した負極未塗工部が設けられている。
捲回電極群３の捲回軸方向において、負極板３２の負極塗工部３２ａの幅は、正極板３４の正極塗工部３４ａの幅よりも広い。これにより正極塗工部３４ａは、必ず負極塗工部３２ａに挟まれるように構成されている。
正極未塗工部と負極未塗工部は、捲回電極群３の捲回軸方向の一端と他端において、負極板３２の金属箔３２ｂと正極板３４の金属箔３４ｂを露出させた領域である。このように、負極板３２の未塗工部と正極板３４の未塗工部を捲回軸方向の一端と他端にそれぞれ配置して捲回軸周りに捲回することで、捲回電極群３の捲回軸方向の一端と他端に、金属箔３２ｂ、３４ｂが露出した金属箔露出部３ａ、３ｂが形成される。
尚、捲回軸方向において、セパレータ３３、３５の幅は、負極塗工部３２ａの幅よりも広い。しかし、セパレータ３３、３５は、負極板３２及び正極板３４の未塗工部を、それぞれ捲回軸方向の一端と他端に露出させる位置に配置される。これにより、捲回電極群３の捲回軸方向の一端と他端において、負極板３２の金属箔３２ｂと正極板３４の金属箔３４ｂは、セパレータ３３、３５に覆われずに露出し、金属箔露出部３ａ、３ｂが形成される。
捲回電極群３は、前記のようにセパレータ３３、負極板３２、セパレータ３５、正極板３４をこの順に重ねて捲回軸周りに捲回した後、図３に示すように、荷重をかけて扁平形状に成形される。すなわち、捲回電極群３は、一対の平面部３ｃと一対の湾曲部３ｄを有する扁平形状に捲回される。平面部３ｃは、負極板３２及び正極板３４が概ね平坦な状態で積層された領域である。湾曲部３ｄは、平面部３ｃの両側に位置し、負極板３２及び正極板３４が湾曲した状態で積層された領域であり、捲回電極群３のコーナー部を含む。
捲回電極群３が電池容器２に収容されると、一対の平面部３ｃは、電池缶１１の一対の幅広側面ＰＷに対向し、電池蓋２１と電池缶１１の底面ＰＢとの間の上下方向（図３のＹ軸方向）に延在する。また、一対の湾曲部３ｄのうち、上方側の湾曲部３ｄは電池蓋２１の近傍に配置され、下方側の湾曲部３ｄは電池缶１１の底面ＰＢの近傍に配置される。
本実施形態の二次電池１は、捲回電極群３の捲回軸方向の一端に設けられた負極側の金属箔露出部３ａにおいて、積層された負極板３２の金属箔３２ｂを積層方向に相互に接合する第１の溶接部３２ｃを有している。また、二次電池１は、捲回電極群３の捲回軸方向の他端に設けられた正極側の金属箔露出部３ｂにおいても、積層された正極板３４の金属箔３４ｂを積層方向に相互に接合する第１の溶接部３４ｃを有している。ここで、積層方向とは、捲回軸方向に垂直な断面において、捲回軸周りに捲回された負極板３２及び正極板３４が積層する方向であり、換言すると負極板３２及び正極板３４の厚さ方向である。
負極側の第１の溶接部３２ｃは、捲回電極群３の負極側の金属箔露出部３ａにおいて、捲回されて積層された負極板３２の金属箔３２ｂが、例えば抵抗溶接、超音波溶接により溶接され、厚さ方向に一体化された部分である。同様に、正極側の第１の溶接部３４ｃは、捲回電極群３の正極側の金属箔露出部３ｂにおいて、積層された正極板３４の金属箔３４ｂが、例えば抵抗溶接、超音波溶接により溶接され、厚さ方向に一体化された部分である。
図５は、図３のＡ方向すなわち捲回電極群３の捲回軸方向から見た、発電要素組立体５の模式的な断面図である。第１の溶接部３２ｃは、捲回電極群３の負極側の金属箔露出部３ａにおいて積層された負極板３２の金属箔３２ｂを、積層方向に相互に接合することで、一括して束ねている。なお、二次電池１は、捲回電極群３の正極側の金属箔露出部３ｂにおいても、図５に示す負極側の金属箔露出部３ａと同様の構成を有している。すなわち、第１の溶接部３４ｃは、捲回電極群３の正極側の金属箔露出部３ｂにおいて積層された正極板３４の金属箔３４ｂを、互いに厚さ方向に接合して一括して束ねている。
また、本実施形態の二次電池１は、捲回電極群３の金属箔露出部３ａ、３ｂと集電板６３、５３とを接合し、これらを電気的に接続する第２の溶接部３２ｄ、３４ｄを有している。負極側の第２の溶接部３２ｄは、捲回電極群３の負極側の金属箔露出部３ａにおいて積層された負極板３２の金属箔３２ｂを、銅合金からなる当板６４と集電板６３とで挟持し、例えば超音波溶接によりこれらを一体的に接合することにより形成されている。正極側の第２の溶接部３４ｄは、捲回電極群３の正極側の金属箔露出部３ｂにおいて積層された正極板３４の金属箔３４ｂを、アルミニウム合金からなる当板５４と集電板５３とで挟持し、例えば超音波溶接によりこれらを一体的に接合することにより形成されている。
本実施形態において、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃ及び第２の溶接部３２ｄ、３４ｄは、捲回電極群３の平面部３ｃに設けられている。
また、本実施形態において、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃは抵抗溶接により形成され、第２の溶接部３２ｄ、３４ｄは超音波溶接により形成されている。そして、第２の溶接部３２ｄ、３４ｄの面積は、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃの面積よりも大きくなっている。ここで、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃの面積とは、捲回電極群３の平面部３ｃの平面視における個々の溶接スポットの面積である。また、第２の溶接部３２ｄ、３４ｄの面積とは、捲回電極群３の平面部３ｃの平面視において、捲回電極群３の金属箔露出部３ａ、３ｂと接合される、集電板６３、５３の領域の面積を意味する。
また、本実施形態において、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃは、第２の溶接部３２ｄ、３４ｄと重なるように形成されている。
なお、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃは、第２の溶接部３２ｄ、３４ｄと同様に、超音波溶接により形成してもよい。また、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃの一部が、第２の溶接部３２ｄ、３４ｄと重なるようにしてもよい。この例を、図６に示す。
図６は、捲回電極群３の模式的な平面図であり、平面部３ｃの平面視における第１の溶接部３２ｃ、３４ｃと第２の溶接部３２ｄ、３４ｄとの関係を示している。なお、図６では、捲回電極群３と集電板５３、６３以外の構成は、図示を省略している。図において、右上がりの破線ハッチングで示す領域が、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃであり、右下がりの点線ハッチングで示す領域が、第２の溶接部３２ｄ、３４ｄである。
図６に示す例においては、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃの一部が、第２の溶接部３２ｄ、３４ｄと重なっている。しかし、この例においても、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃと第２の溶接部３２ｄ、３４ｄとが完全に重なっていてもよいし、或いは、外縁が接するように隣接していてもよい。第１の溶接部３２ｃ、３４ｃの一部が第２の溶接部３２ｄ、３４ｄと重なる場合には、例えば、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃの面積の５０％以上かつ１００％以下の面積が、第２の溶接部３２ｄ、３４ｄと重なるようにしてもよい。
また、図６に示す例のように、捲回電極群３の平面部３ｃの平面視において、第２の溶接部３２ｄ、３４ｄの面積は、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃの面積と同等になるように形成されていてもよい。なお、図６に示す例では、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃも、第２の溶接部３２ｄ、３４ｄと同様に、超音波溶接により形成されている。ここで、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃの面積とは、金属箔３２ｂ、３４ｂが積層方向に互いに接合されている個々の領域の面積、すなわち、図６に示す捲回電極群３の平面部３ｃの平面視において、破線のハッチングで示す個々の領域の面積を意味する。同様に、図６において、第２の溶接部３２ｄ、３４ｄの面積とは、点線のハッチングで示す個々の領域の面積を意味する。
捲回電極群３は、前記の第２の溶接部３２ｄ、３４ｄにより、図３に示す蓋組立体４の集電板６３、５３に対して金属箔露出部３ａ、３ｂが支持固定されることで、蓋組立体４と共に発電要素組立体５を構成する。
次に、本実施形態の二次電池１の作用について説明する。本実施形態の二次電池１が備える捲回電極群３においては、負極板３２及び正極板３４が捲回軸周りに捲回され、コーナー部を含む湾曲部３ｄにおいて負極板３２及び正極板３４が湾曲している。そのため、湾曲部３ｄにおいて、負極板３２及び正極板３４の弾性力、すなわちスプリングバックによって、負極板３２及び正極板３４の積層間隔を拡大させるような力が発生する。一方、捲回電極群３の軸心側、すなわち捲回軸に近い部分では、負極板３２及び正極板３４の自重により、負極板３２及び正極板３４の積層間隔を縮小させるような力が発生する。
そのため、例えば前記特許文献１に記載のように、捲回された正負極板を有する従来の二次電池では、正負極板の未塗工部を外部端子に接続された接続部材に対して、例えば超音波溶接により接合するまでの間に、正負極板間に捲回方向のずれが生じ、捲回された正負極板に巻き弛みが発生する可能性がある。或いは、例えば搬送時の振動などにより、捲回された正負極板に捲回軸方向の巻きずれが発生する虞がある。
前記の巻き弛みは、例えば、捲回された正負極板を積層方向に浮き上がらせるような事象を生じさせ、電極極間距離が不均一となる要因となり、電池特性を劣化させる可能性がある。また、前記の巻きずれは、例えば、捲回された正負極板がらせん状、或いは竹の子状に解けるような事象を生じさせ、正極と負極とが互いに対向する面積を減少させる要因となり、二次電池の歩留まりを低下させる懸念がある。
これに対して、本実施形態のリチウムイオン二次電池１は、前記のように捲回電極群３の金属箔露出部３ａ、３ｂで積層された負極板３２及び正極板３４の金属箔３２ｂ、３４ｂを積層方向に相互に接合する第１の溶接部３２ｃ、３４ｃを有している。そのため、前記のように負極板３２及び正極板３４の積層間隔を拡大させるような力が発生しても、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃによって積層間隔を保持し、積層間隔の拡大を防止することができる。
これにより、例えば、捲回電極群３の金属箔露出部３ａ、３ｂを集電板６３、５３に対して接合するまでの間に、負極板３２及び正極板３４の捲回方向のずれを防止し、前記の巻き弛み及び巻きずれを防止することができる。したがって、捲回電極群３の電極極間距離を均一に維持し、従来よりも電池特性を向上させることができる。また、負極板３２と正極板３４とが互いに対向する面積を維持し、従来よりも二次電池の歩留まりを向上させることができる。
また、本実施形態の二次電池１は、捲回電極群３が一対の平面部３ｃを有する扁平形状に捲回され、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃ及び第２の溶接部３２ｄ、３４ｄは、平面部３ｃに設けられている。これにより、湾曲部３ｄに、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃ及び第２の溶接部３２ｄ、３４ｄを設ける場合よりも溶接が容易になり、生産性が向上すると共に、溶接の信頼性が向上する。
また、本実施形態の二次電池１において、捲回電極群３の平面部３ｃの平面視で、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃと第２の溶接部３２ｄ、３４ｄとは、少なくとも一部が重なるように設けられている。これにより、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃと第２の溶接部３２ｄ、３４ｄとが重ならない場合と比較して、第２の溶接部３２ｄ、３４ｄによる、集電板６３、５３と捲回電極群３の金属箔露出部３ａ、３ｂとの接合をよりし易く、より確実にすることができる。
また、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃと第２の溶接部３２ｄ、３４ｄとを重ねることにより、例えば、捲回電極群３の高さが小さくなり、平面部３ｃの面積が減少した場合においても、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃと第２の溶接部３２ｄ、３４ｄの各々の溶接面積を確保することが出来る。したがって、捲回電極群３の寸法に縛られることなく、所望の効果を得ることができる。
また、本実施形態の二次電池１は、捲回電極群３の平面部３ｃの平面視で、第２の溶接部３２ｄ、３４ｄの面積が、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃの面積以上の面積とされている。これにより、捲回電極群３の金属箔露出部３ａ、３ｂの集電板６３、５３に対する接合をより確実にすることができる。また、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃを形成した後に、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃの少なくとも一部に第２の溶接部３２ｄ、３４ｄを重ねて形成する場合に、第２の溶接部３２ｄ、３４ｄが第１の溶接部３２ｃ、３４ｃと重複しない領域が形成される。これにより、金属箔３２ｂ、３４ｂの損傷を防止して、集電板６３、５３と捲回電極群３の金属箔露出部３ａ、３ｂとの接合を、より容易かつ確実にすることができる。
（実施形態２）
次に、本発明の別の実施の形態である二次電池について、図１、２及び４を援用し、図７及び８を用いて説明する。図７は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の発電要素組立体５Ａの分解斜視図である。図８は、図７に示すＡ方向から見た発電要素組立体５Ａの模式的な断面図である。
次に、本発明の別の実施の形態である二次電池について、図１、２及び４を援用し、図７及び８を用いて説明する。図７は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の発電要素組立体５Ａの分解斜視図である。図８は、図７に示すＡ方向から見た発電要素組立体５Ａの模式的な断面図である。
本実施形態のリチウムイオン二次電池は、発電要素組立体５Ａの構成が、実施形態１のリチウムイオン二次電池１と異なっている。具体的には、本実施形態の発電要素組立体５Ａは、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃと第２の溶接部３２ｄ、３４ｄとが重ならない点で、実施形態１の発電要素組立体５と異なっている。また、本実施形態の発電要素組立体５Ａは、捲回電極群３Ａの構成が実施形態１の発電要素組立体と異なっている。具体的には、本実施形態の捲回電極群３Ａは、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃがそれぞれ複数設けられている点で、実施形態１の二次電池１の捲回電極群３と異なっている。本実施形態のリチウムイオン二次電池のその他の点は、実施形態１のリチウムイオン二次電池１と同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
捲回電極群３Ａは、平面部３ｃの上下方向（図のＹ軸方向）において、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃがそれぞれ複数設けられている。これにより、積層された負極板３２及び正極板３４をより確実に保持し、前記の巻き弛み及び巻きずれをより効果的に防止することができる。したがって、捲回電極群３Ａの電極極間距離を均一に維持し、従来よりも電池特性を向上させることができる。また、負極板３２と正極板３４とが互いに対向する面積を維持し、従来よりも二次電池の歩留まりを向上させることができる。
また、本実施形態の発電要素組立体５Ａにおいては、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃと第２の溶接部３２ｄ、３４ｄは、互いに重ならないように設けられている。すなわち、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃと第２の溶接部３２ｄ、３４ｄとは、捲回電極群３Ａの平面部３ｃの平面視で、互いに離間するように設けられている。これにより、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃと第２の溶接部３２ｄ、３４ｄを形成した場合であっても、捲回電極群３Ａの金属箔露出部３ａ、３ｂにおける負極板３２及び正極板３４の金属箔３２ｂ、３４ｂが二重に溶接されることを回避できる。したがって、負極板３２及び正極板３４の金属箔３２ｂ、３４ｂに強度が比較的弱い材料を使用した場合であっても、金属箔３２ｂ、３４ｂが損傷することを防止できる。換言すると、より薄い金属箔３２ｂ、３４ｂを用いて負極板３２及び正極板３４を形成することができ、負極板３２及び正極板３４の捲回量を増加させて、二次電池の容量を増加させることができる。したがって、二次電池の電池特性を向上させ、歩留まりを向上させることができる。
（実施形態３）
次に、本発明の別の実施の形態である二次電池について、図１、２及び４を援用し、図９及び図１０を用いて説明する。図９は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の捲回電極群３Ｂの斜視図である。図１０は、図９に示す捲回電極群３ＢをＡ方向から見た、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の発電要素組立体５Ｂの模式的な断面図である。
次に、本発明の別の実施の形態である二次電池について、図１、２及び４を援用し、図９及び図１０を用いて説明する。図９は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の捲回電極群３Ｂの斜視図である。図１０は、図９に示す捲回電極群３ＢをＡ方向から見た、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の発電要素組立体５Ｂの模式的な断面図である。
本実施形態のリチウムイオン二次電池は、蓋組立体４Ｂの構成が実施形態１のリチウムイオン二次電池１と異なっている。より詳細には、図１０に示すように、本実施形態の蓋組立体４Ｂは、捲回電極群３Ｂの負極側の金属箔露出部３ａを挟持するように対向する一対の集電板６３Ａ、６３Ｂと、正極側の金属箔露出部３ｂを挟持するように対向する一対の集電板５３Ａ、５３Ｂを有している。負極側の集電板６３Ａ、６３Ｂは、実施形態１の集電板６３と同様の構成を有し、外部端子６２に電気的に接続されている。正極側の集電板５３Ａ、５３Ｂは、実施形態１の集電板５３と同様の構成を有し、外部端子５２に電気的に接続されている。
また、本実施形態のリチウムイオン二次電池は、捲回電極群３Ｂの構成が実施形態１のリチウムイオン二次電池１と異なっている。より詳細には、図９に示すように、本実施形態の捲回電極群３Ｂは、負極側及び正極側の金属箔露出部３ａ、３ｂにおいて、金属箔３２ｂ、３４ｂが、それぞれ捲回軸に沿う空洞部を挟んで厚さ方向に２つに分割して束ねられている。そして、負極側及び正極側で束ねられた各部分に第１の溶接部３２ｃ、３４ｃを有している。また、負極側で２つに分化して束ねられた金属箔３２ｂの各部分は、実施形態１の当板６４と同様の当板６４Ａ、６４Ｂと集電板６３Ａ、６３Ｂとによってそれぞれ挟持され、例えば超音波溶接により一体的に接合されている。同様に、正極側で２つに分化して束ねられた金属箔３４ｂの各部分は、実施形態１の当板５４と同様の当板５４Ａ、５４Ｂと集電板５３Ａ、５３Ｂとによってそれぞれ挟持され、例えば超音波溶接により一体的に接合されている。その他の点は、実施形態１と同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
本実施形態では、前記のように捲回電極群３Ｂの負極側及び正極側の金属箔露出部３ａ、３ｂにおいて、金属箔３２ｂ、３４ｂが２つに分割して束ねられ、各部分に第１の溶接部３２ｃ、３４ｂを有している。そのため、負極板３２及び正極板３４は、金属箔３２ｂ、３４ｂが束ねられた各部分において、第１の溶接部３２ｃ、３４ｂにより保持される。これにより、積層された負極板３２及び正極板３４をより確実に保持し、前記の巻き弛み及び巻きずれをより効果的に防止することができる。
したがって、捲回電極群３Ｂの電極極間距離を均一に維持し、従来よりも電池特性を向上させることができる。また、負極板３２と正極板３４とが互いに対向する面積を維持し、従来よりも二次電池の歩留まりを向上させることができる。また、本実施形態によれば、捲回電極群３Ｂの金属箔露出部３ａ、３ｂにおいて、金属箔３２ｂ、３４ｂを分割して集電する必要がある大型のリチウムイオン電池においても、前記の効果を有効に得ることができる。
なお、本実施形態では、捲回電極群３Ｂの金属箔露出部３ａ、３ｂの二つに分割された部分の双方に第１の溶接部３２ｃ、３４ｃを形成したが、分割された部分のいずれか一方に第１の溶接部３２ｃ、３４ｃを設けるようにしてもよい。
（実施形態４）
次に、本発明の別の実施の形態である二次電池について、図１、２及び４を援用し、図１１を用いて説明する。図１１は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の発電要素組立体５Ｃの模式的な断面図である。
次に、本発明の別の実施の形態である二次電池について、図１、２及び４を援用し、図１１を用いて説明する。図１１は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の発電要素組立体５Ｃの模式的な断面図である。
本実施形態のリチウムイオン二次電池は、発電要素組立体５Ｃの構成が実施形態１のリチウムイオン二次電池１と異なっている。より詳細には、本実施形態の発電要素組立体５Ｃは、捲回電極群３Ｃ及び蓋組立体４Ｃの構成が、実施形態１の捲回電極群３及び蓋組立体４と異なっている。
具体的には、蓋組立体４Ｃは、集電板６３が電池蓋２１の下面から電池缶１１の底面ＰＢに向けて延出する長さが、第一の実施形態の蓋組立体４よりも短くされ、集電板６３、５３の下端６３ａ、５３ａは、捲回電極群３Ｃの平面部３ｃの上下方向の中間部分の近傍またはその上方に位置している。
捲回電極群３の第１の溶接部３２ｃ、３４ｃは、集電板６３、５３の下端６３ａ、５３ａよりも下方に設けられている。これにより、第２の溶接部３２ｄ、３４ｄは、捲回電極群３Ｃの平面部３ｃの平面視において、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃと重ならない位置に、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃと離間して設けられている。本実施形態のリチウムイオン電池のその他の構成は、実施形態１のリチウムイオン二次電池１の構成と同一であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
本実施形態のリチウムイオン二次電池によれば、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃを形成することで、実施形態１と同様の効果が得られる。また、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃは、集電板６３、５３の下端よりも下方に設けられ、第２の溶接部３２ｄ、３４ｄと離間して設けられるので、実施形態２と同様の効果を得ることができる。
さらに、本実施形態のリチウムイオン二次電池は、実施形態１のリチウムイオン二次電池１よりも集電板６３、５３が短いため、電池缶１１への発電要素組立体５Ｃの挿入を容易にすることができる。
また、集電板６３、５３が短い所謂ティアドロップ型では、リチウムイオン二次電池の充放電後に捲回電極群３Ｃの下端が膨らむなどして巻き弛みが生じやすい。しかし、本実施形態のリチウムイオン二次電池によれば、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃは、集電板６３、５３の下端よりも下方に設けられるので、捲回電極群３Ｃの下端の巻き弛みを効果的に防止することが可能になる。
なお、図１１に示す例では、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃを抵抗溶接により形成し、第２の溶接部３２ｄ、３４ｄを超音波溶接により形成する。しかし、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃは超音波溶接により形成してもよい。この例を、図１２に示す。
図１２は、本実施形態の捲回電極群３Ｃの模式的な平面図である。なお、図１２では、捲回電極群３Ｃと集電板５３、６３以外の構成は、図示を省略している。図１２に示すように、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃを超音波溶接により形成する場合には、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃの面積を、第２の溶接部３２ｄ、３４ｄの面積と同等の面積とすることができる。
（二次電池の製造方法）
次に、前記の実施形態１において説明したリチウムイオン二次電池１の製造方法について説明する。図１３は、リチウムイオン二次電池の製造工程の一例を示すフロー図である。
次に、前記の実施形態１において説明したリチウムイオン二次電池１の製造方法について説明する。図１３は、リチウムイオン二次電池の製造工程の一例を示すフロー図である。
まず、準備段階として、負極板３２および正極板３４を製作する。負極板３２に関しては、負極活物質として非晶質炭素粉末１００重量部に対して、結着剤として１０重量部のポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦという。）を添加し、これに分散溶媒としてＮ−メチルピロリドン（以下、ＮＭＰという。）を添加、混練した負極合剤を作製する。この負極合剤を厚さ１０μｍの銅箔（負極電極箔）の両面に集電部（負極未塗工部）を残して塗布する。その後、乾燥、プレス、裁断して銅箔を含まない負極活物質塗布部の厚さが７０μｍの負極板３２を得る。なお、負極活物質に非晶質炭素を用いる場合について例示したが、これに限定されるものではなく、リチウムイオンを挿入、脱離可能な天然黒鉛や、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料やＳｉやＳｎなどの化合物（例えば、ＳｉＯ、ＴｉＳｉ２等）、またはその複合材料でもよく、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。
正極板３４に関しては、正極活物質としてマンガン酸リチウム（化学式ＬｉＭｎ２Ｏ４）１００重量部に対し、導電材として１０重量部の鱗片状黒鉛と結着剤として１０重量部のＰＶＤＦとを添加し、これに分散溶媒としてＮＭＰを添加、混練した正極合剤を作製する。この正極合剤を厚さ２０μｍのアルミニウム箔（正極電極箔）の両面に無地の集電部（正極未塗工部）を残して塗布する。その後、乾燥、プレス、裁断してアルミニウム箔を含まない正極活物質塗布部の厚さが例えば９０μｍの正極板３４を得る。正極活物質にマンガン酸リチウムを用いる場合について例示したが、スピネル結晶構造を有する他のマンガン酸リチウムや一部を金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン複合酸化物や層状結晶構造を有すコバルト酸リチウムやチタン酸リチウムやこれらの一部を金属元素で置換またはドープしたリチウム-金属複合酸化物を用いるようにしてもよい。また、正極板３４、負極板３２における塗工部の結着材としてＰＶＤＦを用いる場合について例示したが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、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、アクリル系樹脂などの重合体およびこれらの混合体などを用いることができる。
次に、第１の工程として、セパレータ３５、負極板３２、セパレータ３３、正極板３４の順に重ねて、捲回軸である捲回装置の巻き芯周りに扁平状に捲回することによって捲回電極群３を作製する。次に、捲回電極群３の金属箔露出部３ａ、３ｂで積層された負極板３２及び正極板３４の金属箔３２ｂ、３４ｂを集束して、例えば抵抗溶接により互いに厚さ方向に接合して第１の溶接部３２ｃ、３４ｃを形成する。
次に、第二の工程として、電池蓋２１に絶縁部材を介して正極端子５１と負極端子６１を取り付けて蓋組立体４を作製する。その後、蓋組立体４の負極端子６１の集電板６３と正極端子５１の集電板５３に、捲回電極群３の金属箔露出部３ａ、３ｂを、例えば超音波溶接により接合して導通接続することで第２の溶接部３２ｄ、３４ｄを形成し、発電要素組立体５を作製する。
次に第３の工程として、捲回電極群３と蓋組立体４が一体となった発電要素組立体５を、電池缶１１の内面との間に絶縁保護フィルム４１を介在した状態で電池缶１１の中に挿入する。その後、レーザ溶接により電池缶１１の開口部１１ａに電池蓋２１を接合する。そして、注液口７２から電解液を注液し、注液栓７３と注液口７２をレーザにより溶接して封止し、外部発電電力によって充電することによって、リチウムイオン二次電池１を製造する。
前記のリチウムイオン二次電池１の製造方法によれば、前記のように捲回電極群３の金属箔露出部３ａ、３ｂで積層された負極板３２及び正極板３４の金属箔３２ｂ、３４ｂを積層方向に相互に接合する第１の溶接部３２ｃ、３４ｃを形成する。そのため、前記のように負極板３２及び正極板３４の積層間隔を拡大させるような力が発生しても、第１の溶接部３２ｃ、３４ｃによって積層間隔を保持し、積層間隔の拡大を防止することができる。
これにより、例えば、捲回電極群３の金属箔露出部３ａ、３ｂを集電板６３、５３に対して接合するまでの間に、負極板３２及び正極板３４の捲回方向のずれを防止し、前記の巻き弛み及び巻きずれを防止することができる。したがって、捲回電極群３の電極極間距離を均一に維持し、従来よりも電池特性を向上させることができる。また、負極板３２と正極板３４とが互いに対向する面積を維持し、従来よりも二次電池の歩留まりを向上させることができる。
以上説明したように、前述の実施形態のリチウムイオン二次電池１及びその製造方法によれば、捲回された負極板３２及び正極板３４の巻き弛み及び巻きずれが防止され、特性の安定化及び歩留まりの向上が可能になる。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。前述の実施形態は本発明を解りやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されない。
例えば、前述の実施形態においては、捲回電極群が電池缶の一対の幅広側面に対向する左右の平面部を有する場合について説明したが、捲回電極群の上下に電池蓋および電池缶の底面に対向する一対の平面部をさらに有していてもよい。この場合、捲回電極群の左右の平面部と上下の平面部との間にコーナー部を含む湾曲部が形成される。
また、前述の実施形態においては、第１の溶接部及び第２の溶接部が捲回電極群の平面部に設けられる場合について説明したが、第１の溶接部及び第２の溶接部の少なくとも一方を捲回電極群の平面部以外に設けてもよい。例えば、第１の溶接部及び第２の溶接部の少なくとも一方を、捲回電極群の湾曲部に設けてもよい。
また、前述の実施形態においては、第１の溶接部のみが平面部の上下方向に複数設けられる構成について説明したが、第２の溶接部のみが平面部の上下方向に複数設けられていてもよく、第１の溶接部及び第２の溶接部の双方が、平面部の上下方向に複数設けられていてもよい。
１ 二次電池
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ 捲回電極群
３ａ、３ｂ 金属箔露出部
３ｃ 平面部
１１ 電池缶
１１ａ 開口部
２１ 電池蓋
３２ 負極板（電極）
３４ 正極板（電極）
３２ｂ、３４ｂ 金属箔
３２ｃ、３４ｃ 第１の溶接部
３２ｄ、３４ｄ 第２の溶接部
５２、６２ 外部端子
５３、５３Ａ、６３、６３Ａ 集電板
６３ａ 下端
ＰＢ 底面
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ 捲回電極群
３ａ、３ｂ 金属箔露出部
３ｃ 平面部
１１ 電池缶
１１ａ 開口部
２１ 電池蓋
３２ 負極板（電極）
３４ 正極板（電極）
３２ｂ、３４ｂ 金属箔
３２ｃ、３４ｃ 第１の溶接部
３２ｄ、３４ｄ 第２の溶接部
５２、６２ 外部端子
５３、５３Ａ、６３、６３Ａ 集電板
６３ａ 下端
ＰＢ 底面
Claims (8)
- 捲回軸方向の端部に電極の金属箔を露出させた金属箔露出部を有する捲回電極群と、該捲回電極群を収容する電池缶と、該電池缶の開口部を封口する電池蓋と、該電池蓋に配された外部端子と前記捲回電極群の前記金属箔露出部とを電気的に接続する集電板と、を備えた二次電池であって、
前記金属箔露出部で積層された前記電極の金属箔を積層方向に相互に接合する第１の溶接部と、
前記金属箔露出部と前記集電板とを接合する第２の溶接部と、
を有することを特徴とする二次電池。 - 前記捲回電極群は、少なくとも一対の平面部を有する扁平形状に捲回され、
前記第１の溶接部及び前記第２の溶接部は、前記平面部に設けられることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。 - 前記平面部の平面視で、前記第２の溶接部の面積は、前記第１の溶接部の面積以上の面積であることを特徴とする請求項２に記載の二次電池。
- 前記平面部の平面視で、前記第１の溶接部と前記第２の溶接部とは、少なくとも一部が重なることを特徴とする請求項３に記載の二次電池。
- 前記平面部の平面視で、前記第１の溶接部と前記第２の溶接部とは、互いに離間することを特徴とする請求項３に記載の二次電池。
- 前記集電板は、前記電池蓋の下面から前記電池缶の底面に向けて下方に延出し、
前記第１の溶接部は、前記集電板の下端よりも下方に設けられることを特徴とする請求項５に記載の二次電池。 - 前記平面部は、前記電池蓋と前記電池缶の底面との間の上下方向に延在し、
前記第１の溶接部及び前記第２の溶接部の少なくとも一方は、前記平面部の上下方向に複数が設けられることを特徴とする、
請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の二次電池。 - 捲回軸方向の端部に電極の金属箔を露出させた金属箔露出部を有する捲回電極群と、該捲回電極群を収容する電池缶と、該電池缶の開口部を封口する電池蓋と、該電池蓋に配された外部端子と前記電極群の前記金属箔露出部とを電気的に接続する集電板と、を備えた二次電池の製造方法であって、
前記電極を前記捲回軸の周りに捲回して前記捲回電極群を得る工程と、
前記捲回電極群の前記金属箔露出部で積層された前記電極の金属箔を互いに厚さ方向に接合して第１の溶接部を形成する工程と、
前記捲回電極群の前記金属箔露出部と前記電池蓋の前記集電板とを接合して第２の溶接部を形成する工程と、
前記第１の溶接部及び前記第２の溶接部を有する前記捲回電極群を前記電池缶に収容する工程と、
前記電池缶の開口部に前記電池蓋を接合して前記電池缶を封口する工程と、
を有することを特徴とする二次電池の製造方法。
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