JP2015506085A - 新規な構造の二次電池 - Google Patents

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Abstract

本発明は、新規な構造の二次電池に係り、より詳細には、正極集電体の少なくとも一面に正極活物質コーティング部を含む正極と、負極集電体の少なくとも一面に負極活物質コーティング部を含む負極とが分離膜が介在した状態で巻き取られているジェリーロール型電極組立体（“ジェリーロール”）、及び電解液が電池ケースに内蔵されており、正極無地部に結合された正極リード及び負極無地部に結合された負極リードのうち少なくとも一つは、電極無地部に対する結合及び／または電池ケースに対する結合に用いられる第１金属層と、前記第１金属層よりも相対的に抵抗の低い第２金属層との結合からなっている二次電池に関する。

Description

本発明は、新規な構造の二次電池に係り、より詳細には、正極集電体の少なくとも一面に正極活物質コーティング部を含む正極と、負極集電体の少なくとも一面に負極活物質コーティング部を含む負極とが分離膜が介在した状態で巻き取られているジェリーロール型電極組立体（“ジェリーロール”）、及び電解液が電池ケースに内蔵されており、正極無地部に結合された正極リード及び負極無地部に結合された負極リードのうち少なくとも一つは、電極無地部に対する結合及び／または電池ケースに対する結合に用いられる第１金属層と、第１金属層よりも相対的に抵抗の低い第２金属層との結合からなっている二次電池に関する。
モバイル機器に対する技術開発及び需要の増加に伴い、エネルギー源としての二次電池の需要が急増しており、そのような二次電池のうち、高いエネルギー密度及び放電電圧のリチウム二次電池に対して多くの研究が行われており、また、商用化されて広く使用されている。
二次電池は、電池ケースの形状によって、電極組立体が円筒形又は角形の金属缶に内蔵されている円筒型電池及び角型電池と、電極組立体がアルミニウムラミネートシートのパウチ型ケースに内蔵されているパウチ型電池とに分類される。そのうち円筒型電池は、相対的に容量が大きく、構造的に安定しているという長所を有する。
電池ケースに内蔵される電極組立体は、正極／分離膜／負極の積層構造からなる充放電が可能な発電素子であって、活物質が塗布された長いシート状の正極と負極との間に分離膜を介在して巻き取ったジェリーロール型と、所定の大きさの多数の正極と負極とを分離膜が介在した状態で順次積層したスタック型とに分類される。そのうちジェリーロール型電極組立体は、製造が容易で且つ重量当たりのエネルギー密度が高いという長所を有している。
これに関連して、図１には、一般的な円筒型電池の垂直断面斜視図が模式的に示されている。
図１を参照すると、円筒型電池１００は、ジェリーロール型（巻取り型）電極組立体１２０を円筒状の缶１３０に収納し、円筒状の缶１３０内に電解液を注入した後、円筒状の缶１３０の開放上端に電極端子（例えば、正極端子；図示せず）が形成されているトップキャップ１４０を結合して作製する。
電極組立体１２０は、正極１２１と負極１２２、及びこれらの間に分離膜１２３を介在した後、丸く巻いた構造で、その巻芯（ジェリーロールの中心部）には円筒状のセンターピン１５０が挿入されている。センターピン１５０は、一般に、所定の強度を付与するために金属素材からなり、板材を丸く曲げた中空状の円筒形構造からなっている。このようなセンターピン１５０は、電極組立体を固定及び支持する作用と、充放電及び作動時に内部反応により発生するガスを放出する通路として作用する。
一方、リチウム二次電池は、安全性が低いという短所を有している。例えば、電池が約４．５Ｖ以上に過充電される場合には、正極活物質の分解反応が起こり、負極でリチウム金属の樹枝状（ｄｅｎｄｒｉｔｅ）成長、及び電解液の分解反応などが起こる。このような過程で熱を伴うことで、上記のような分解反応及び多数の副反応が急速に進行し、ひいては、電池の発火及び爆発が誘発されることもある。
したがって、このような問題点を解消するために、一般的な円筒型電池には、電池の異常な作動時に電流を遮断し、内圧を解消するための電流遮断部材（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ；ＣＩＤ）及び安全ベント（ｖｅｎｔ）が、電極組立体１２０とトップキャップ１４０との間の空間に装着されている。
具体的に、図２を参照すると、トップキャップ１０は、突出した形状に正極端子を形成し、排気口が穿孔されており、その下部に、電池内部の温度上昇時に電池抵抗が大きく増加して電流を遮断するＰＴＣ素子（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｅｌｅｍｅｎｔ）２０と、正常な状態では下向きに突出した形状からなっており、電池内部の圧力上昇時に形状が上向きに逆転しながら破裂されてガスを排気する安全ベント３０と、上端一側の部位が安全ベント３０に結合され、下端一側が電極組立体４０の正極に接続されている接続プレート５０とが順次位置している。
したがって、正常な作動条件で、電極組立体４０の正極は、正極リード４２、接続プレート５０、安全ベント３０及びＰＴＣ素子２０を経由してトップキャップ１０に接続されて通電される。
一方、電動工具用二次電池は、他の電池に比べて使用環境が劣悪な環境下で駆動しなければならないため、電池内部の抵抗を減少させて発熱を最小化することがなにより重要である。このような問題点を解決するために、従来は、正極リードの大きさを大きくするか、または２つの負極リードを使用するなどの方法を考案して適用している実情である。
特に、既存の負極リードの場合、ニッケルのような単一の材質を使用し、単一の大きさを有している。また、負極リードとして、銅のようにニッケルよりも抵抗の小さい物質を使用してもよいが、電極箔や缶との溶接に対する工程性の確保が難しいため適用しにくいという問題点がある。
したがって、このような問題点を根本的に解決すると共に、使用中に抵抗及び発熱を減少させることができる二次電池に対する技術の必要性が非常に高い実情である。
本発明は、従来技術の問題点及び過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
本発明者らは、正極無地部に結合された正極リード及び負極無地部に結合された負極リードのうち少なくとも一つは、電極無地部に対する結合及び／または電池ケースに対する結合に用いられる第１金属層と、第１金属層よりも相対的に抵抗の低い第２金属層との結合からなるように構成する場合、二次電池の使用中に抵抗の低い第２金属層によって抵抗及び発熱を減少させることができることを確認し、本発明を完成するに至った。
また、後述するような特定の素材の電極リードを開発し、このような電極リードを用いて二次電池を製造する場合、低い抵抗特性を有すると共に、電極組立体に対する溶接などの製造工程性に優れることを確認し、本発明を完成するに至った。
したがって、本発明に係る二次電池は、正極集電体の少なくとも一面に正極活物質コーティング部を含む正極と、負極集電体の少なくとも一面に負極活物質コーティング部を含む負極とが分離膜が介在した状態で巻き取られているジェリーロール型電極組立体（“ジェリーロール”）、及び電解液が電池ケースに内蔵されており、正極無地部に結合された正極リード及び負極無地部に結合された負極リードのうち少なくとも一つは、電極無地部に対する結合及び／または電池ケースに対する結合に用いられる第１金属層と、第１金属層よりも相対的に抵抗の低い第２金属層との結合からなっている。
したがって、本発明に係る二次電池において、正極無地部に結合された正極リード及び負極無地部に結合された負極リードのうち少なくとも一つは、電極無地部に対する結合及び／または電池ケースに対する結合に用いられる第１金属層と、第１金属層よりも相対的に抵抗の低い第２金属層との結合からなっているので、相対的に抵抗が大きい第１金属層によって電極無地部、電池ケースに対する所定の結合力を確保しながら、抵抗が低い第２金属層によって正極リード及び／または負極リードの抵抗が減少して、二次電池の使用中に電極リードで発生する抵抗及び発熱を減少させることができる。
電池ケースは、形状によって、円筒形缶、角形缶、またはパウチ型ケースであってもよく、相対的に容量が大きく、構造的に安定した円筒型電池を製造するためには円筒形缶からなることが好ましい。
一つの好ましい例において、第１金属層は、電極無地部または電池ケースに溶接方式で結合される構造であってもよい。溶接方式は、好ましくは抵抗溶接であってもよく、第１金属層の相対的に高い抵抗は、このような抵抗溶接において電極無地部または電池ケースに対して高い結合力を提供する。
第２金属層の抵抗は、第１金属層の抵抗に対して１０％〜７０％の大きさを有することが好ましい。
具体的に、第２金属層の抵抗が第１金属層の抵抗に対して１０％未満であると、本発明において所望の効果を発揮しにくく、反対に、７０％を超えると、金属層間の高い抵抗差によって電池の性能低下をもたらし得るため好ましくない。
例えば、第１金属層と第２金属層との結合からなる電極リードは、全体的に２．０ｍΩ〜５．０ｍΩの抵抗値を有することができ、これは、同一の断面積を有する単一の金属層（例えば、第１金属層素材からなる）からなる電極リードの抵抗が約７．５ｍΩを示すことと比較して、抵抗が５０％程度減少した数値である。
第１金属層と第２金属層との結合は、相互間の結合を容易に達成できる結合法であれば特に制限されないが、例えば、異種材料結合法により達成することができる。具体的な例として、異種材料結合法は、熱融着方法、圧延方法、化学的接着方法、レーザー溶接、スポット溶接、メッキ方法、またはコーティング方法であってもよく、特に、製造の工程性の面で圧延方法が好ましい。
一方、第１金属層と第２金属層との結合構造は多様に構成することができる。
一つの好ましい例において、第１金属層と第２金属層とは上下に結合されている構造であってもよい。
更に他の好ましい例において、第２金属層を中心に両側面にそれぞれ第１金属層が結合されている構造であってもよい。
一般に、正極リードは、アルミニウムまたはアルミニウム合金で形成され、負極リードは、ニッケルまたはニッケル合金で形成される構造が主に使用されている。しかし、ニッケルまたはニッケル合金で形成される負極リードは、ニッケル自体の抵抗が高いため、二次電池の充放電時に熱が多く発生するという問題点がある。また、負極板と負極リードとが溶接される部位、及びアルミニウムである電池ケースと負極リードとが溶接される部位は、異種金属が接合される部位であるため、溶接が容易でないことがあり、さらに、充放電過程で高い内部抵抗によって発熱が集中することがあり、これは、高温短絡を誘発して二次電池の爆発をもたらすという問題点がある。
これに関連して、一つの好ましい例において、本発明の正極リード及び／または負極リードにおいて、第１金属層はニッケル層またはアルミニウム層であり、第２金属層は銅層または銀層からなることができ、相対的に抵抗の低い第２金属層によって、従来の正極リードまたは負極リードの構造とは異なり、抵抗が増加して発熱が発生するという問題点を根本的に解決することができる。
また、正極リード及び／または負極リードは、所望の抵抗の大きさによって、ニッケル層と銅層との組み合わせ、ニッケル層と銀層との組み合わせ、アルミニウム層と銅層との組み合わせ、またはアルミニウム層と銀層との組み合わせのうち選択的に使用できることは勿論である。
正極リードまたは負極リードは、好ましくは、厚さを基準として５％〜９５％の銅と９５％〜５％のニッケルとからなることができ、より好ましくは、正極リードまたは負極リードは、厚さを基準として５０％の銅と５０％のニッケルとからなることができる。
例えば、ニッケル層が、正極リードまたは負極リードの総厚さに対して５％の厚さの割合で形成されるとき、銅層は、９５％の厚さの割合で形成されてもよく、これとは逆に、ニッケル層が、９５％の厚さの割合で形成されるとき、銅層は、５％の厚さの割合で形成されてもよい。ここで、ニッケル層が５％未満の厚さの割合で形成されると、電極無地部、電池ケースなどに対して所望の水準の結合力を提供しにくいことがある。一方、銅が５％未満の厚さの割合で形成されると、所望の水準の抵抗減少の効果を期待しにくいという問題点がある。
ニッケル層または銅層が９５％の厚さの比率を超える場合には、上記と相反する結果が得られるため、やはり好ましくない。
具体的な例として、正極リードまたは負極リードの厚さは、０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍからなることができる。
一方、第１金属層の厚さは、第２金属層の厚さと同一の大きさに形成するか、または第１金属層の幅は、第２金属層の幅と同一の大きさに形成してもよいが、これらに限定されるものではないことは勿論である。
本発明はまた、正極活物質未コーティング部（無地部）と負極活物質コーティング部とが対向する位置の正極活物質コーティング境界部に絶縁テープを付着することによって、電気絶縁性を確保し、安全性を向上させた二次電池を提供する。
一つの好ましい例において、正極の巻取り開始部は、正極集電体の上部及び下部の全てに正極活物質コーティング部を有することによって正極無地部を含まず、正極の巻取り終了部にのみ正極リードの設置のための正極無地部を含み、
正極の巻取り終了部に位置し、負極と対向する正極活物質コーティング部の境界面は絶縁テープを含んでいる構造からなることができる。
更に他の例において、正極の巻取り開始部は、正極集電体の上部及び下部の全てに正極活物質コーティング部を有することによって正極無地部を含まず、正極の巻取り終了部にのみ正極リードの設置のための正極無地部を含み、正極無地部の末端部の少なくとも一面に正極活物質コーティング部をさらに含み、正極の巻取り終了部に位置し、負極と対向する正極活物質コーティング部の境界面は絶縁テープを含んでいる構造からなることができる。
一方、絶縁テープは、優れた絶縁特性を有するものであれば特に制限されず、例えば、２００℃熱収縮されない材料が好ましい。また、熱を受けると多少伸縮する材料を使用する場合、電極間に位置した分離膜に問題が生じても、その部分を解決することができる。
絶縁テープとしては、ポリイミドテープ、アセテートテープ、ガラスクロス（ｇｌａｓｓ ｃｌｏｔｈ）テープ、ポリエステルテープ、ポリフェニレンスルフィド（Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｓｕｌｆｉｄｅ、ＰＰＳ）、及びポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）からなる群から選択された１種以上であってもよく、特にポリエチレンテレフタレートフィルムが好ましい。
また、絶縁テープの厚さは、１０μｍ〜１００μｍであることが好ましい。
一方、第１金属層と第２金属層との結合は、様々な方法により達成することができる。
一つの例として、第１金属層と第２金属層とは予め結合された状態で電極無地部に結合されてもよく、このような結合方法は、製造の工程性の面で好ましい。
更に他の例として、第１金属層及び第２金属層は、電極無地部に結合される過程で共に結合されてもよい。
本発明はまた、正極集電体の少なくとも一面に正極活物質コーティング部を含む正極と、負極集電体の少なくとも一面に負極活物質コーティング部を含む負極とが分離膜が介在した状態で巻き取られているジェリーロール型電極組立体（“ジェリーロール”）、及び電解液が電池ケースに内蔵されており、銅とニッケルを含み、銅の含量が８０％以上である（元素含量基準）合金からなる電極リードが、溶接によって、正極集電体または負極集電体に結合されている構造の二次電池を提供する。
一般に、合金は、特定の金属元素に、これと異なる元素を一つ以上添加して得た複合金属であって、本発明に係る二次電池の電極リードは、主成分として銅及び副成分としてニッケルを含む合金構成によって、異質の２種類の元素の差別的な特性を複合的に発揮し、低い抵抗及び優れた製造工程性を同時に発現することができる。
電極リードとして、抵抗が小さい銅のみを用いた場合には、目的とした抵抗を減少させる効果は発揮することができるが、上述したように、溶接によって電極組立体の電極板に対する優れた結合強度を提供しにくい。
反面、本発明の二次電池において、電極リードは、抵抗値が非常に小さい銅の含量を８０％以上含むことによって、充電及び放電時に低い抵抗によって電池の作動性能を向上させることができる。また、このような電極リードは、ニッケルを所定量含んでいるので、正極集電体または負極集電体に対して超音波溶接などにより接合させるとき、優れた結合強度を提供する。
後述する実験の内容からわかるように、本発明に係る二次電池の電極リードは、従来の電極リードと比較してほぼ同一の溶接結合強度を有しながらも、１０％〜５０％の抵抗減少を示すことを確認することができる。
上記で定義したように、本発明の電極リードにおいて銅の含量は、元素のモル量を基準として８０％以上であり、銅の含量がこれより少ないと、所望の低い抵抗特性を発揮しにくいことがある。
一つの好ましい例において、合金における銅の含量は８０％〜９９．９％であり、ニッケルの含量は０．１％〜２０％であってもよい。
本発明者らが実験的に確認したところによれば、ニッケルの含量が０．１％未満であると、超音波溶接時に結合強度が銅の結合強度と比較して実質的に低く、２０％を超えると、抵抗が急激に増加することを確認した。より好ましい例において、銅の含量は９０％〜９９％であり、ニッケルの含量は１％〜１０％であってもよい。
場合によっては、合金は、銅とニッケルを除外した異種元素をさらに含むことができ、このような異種元素は、錫及び硅素からなる群から選択される１種以上であってもよい。
錫は、ニッケルに比べて高い強度、低い抵抗特性を有し、硅素もまた、ニッケルに比べて高い強度を有し、かつ半導体であるので、温度が上がるほど抵抗がさらに低くなる特性があるので、二次電池に特に好ましい。
異種元素の含量は、好ましくは、合金の総含量を基準として０．１％〜１０％である。この場合、合金は、銅の含量が８０％〜９９．８％で、ニッケルの含量が０．１〜１０％で、異種元素の含量が０．１％〜１０％であることが好ましい。
電極リードは、それが結合される集電体の種類によって、正極リードと負極リードとに分類され、本発明に係る電極リードは、正極リードであってもよく、負極リードであってもよい。本発明者らが実験的に確認したところによれば、上記のような合金の電極リードは、超音波溶接時に正極集電体及び負極集電体に対してそれぞれ優れた結合強度を発揮する。
正極集電体に結合されている電極リードと負極集電体に結合されている電極リードとは、好ましくは、同一の大きさを有することができる。
正極集電体は、一般的に３μｍ〜５００μｍの厚さに製造することができる。このような正極集電体は、当該電池に化学的変化を誘発せずに導電性を有するものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、またはアルミニウムやステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどを使用することができる。集電体は、その表面に微細な凹凸を形成して正極活物質の接着力を高めることもでき、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体などの様々な形態が可能である。
負極集電体は、一般的に３μｍ〜５００μｍの厚さに製造することができる。このような負極集電体は、当該電池に化学的変化を誘発せずに高い導電性を有するものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、銅、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、銅やステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したもの、アルミニウム−カドミウム合金などを使用することができる。また、正極集電体と同様に、表面に微細な凹凸を形成して負極活物質の結合力を強化させてもよく、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体などの様々な形態で使用することができる。
本発明の二次電池は、電極リードが集電体にそれぞれ結合されている正極及び負極が、分離膜によって電気的に分離されており、これらにリチウム塩含有非水電解液が含浸されている構造からなっている。
正極は正極合剤を含み、正極合剤には正極活物質、導電材、バインダー、充填剤などが含まれてもよい。
正極活物質は、リチウム二次電池の場合、例えば、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ２）、リチウムニッケル酸化物（ＬｉＮｉＯ２）などの層状化合物や、１またはそれ以上の遷移金属で置換された化合物；化学式Ｌｉ１＋ｘＭｎ２−ｘＯ４（ここで、ｘは０〜０．３３である）、ＬｉＭｎＯ３、ＬｉＭｎ２Ｏ３、ＬｉＭｎＯ２などのリチウムマンガン酸化物；リチウム銅酸化物（Ｌｉ２ＣｕＯ２）；ＬｉＶ３Ｏ８、ＬｉＦｅ３Ｏ４、Ｖ２Ｏ５、Ｃｕ２Ｖ２Ｏ７などのバナジウム酸化物；化学式ＬｉＮｉ１−ｘＭｘＯ２（ここで、Ｍ＝Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、ＢまたはＧａであり、ｘ＝０．０１〜０．３である）で表されるＮｉサイト型リチウムニッケル酸化物；化学式ＬｉＭｎ２−ｘＭｘＯ２（ここで、Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、ＺｎまたはＴａであり、ｘ＝０．０１〜０．１である）またはＬｉ２Ｍｎ３ＭＯ８（ここで、Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕまたはＺｎである）で表されるリチウムマンガン複合酸化物；化学式のＬｉの一部がアルカリ土金属イオンで置換されたＬｉＭｎ２Ｏ４；ジスルフィド化合物；Ｆｅ２（ＭｏＯ４）３などを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
導電材は、通常、正極活物質を含む混合物の総重量を基準として重量％１〜３０重量％で添加される。このような導電材は、当該電池に化学的変化を誘発せずに導電性を有するものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛；カーボンブラック、アセチレンブラック、ケチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック；炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維；フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末；酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー；酸化チタンなどの導電性金属酸化物；ポリフェニレン誘導体などの導電性素材などを使用することができる。
バインダーは、活物質と導電剤などの結合及び集電体に対する結合を助ける成分であって、通常、正極活物質を含む混合物の総重量を基準として１重量％〜３０重量％で添加される。このようなバインダーの例としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルローズ（ＣＭＣ）、澱粉、ヒドロキシプロピルセルローズ、再生セルローズ、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブタジエンゴム、フッ素ゴム、様々な共重合体などが挙げられる。
充填剤は、正極の膨張を抑制する成分として選択的に使用され、当該電池に化学的変化を誘発せずに繊維状材料であれば特に制限されるものではなく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン系重合体；ガラス繊維、炭素繊維などの繊維状物質が使用される。
正極は、上記のような化合物を含む正極合剤をＮＭＰなどの溶媒に混合して作られたスラリーを正極集電体上に塗布した後、乾燥及び圧延して製造することができる。
負極は、例えば、負極集電体上に負極活物質を含んでいる負極合剤を塗布した後、乾燥して製造され、負極合剤には、必要によって、上述したような成分が含まれてもよい。
負極活物質は、例えば、難黒鉛化炭素、黒鉛系炭素などの炭素；ＬｉｘＦｅ２Ｏ３（０≦ｘ≦１）、ＬｉｘＷＯ２（０≦ｘ≦１）、ＳｎｘＭｅ１−ｘＭｅ’ｙＯｚ（Ｍｅ：Ｍｎ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｇｅ；Ｍｅ’：Ａｌ、Ｂ、Ｐ、Ｓｉ、周期律表の１族、２族、３族元素、ハロゲン；０＜ｘ≦１；１≦ｙ≦３；１≦ｚ≦８）などの金属複合酸化物；リチウム金属；リチウム合金；硅素系合金；錫系合金；ＳｎＯ、ＳｎＯ２、ＰｂＯ、ＰｂＯ２、Ｐｂ２Ｏ３、Ｐｂ３Ｏ４、Ｓｂ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ４、Ｓｂ２Ｏ５、ＧｅＯ、ＧｅＯ２、Ｂｉ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ４、及びＢｉ２Ｏ５などの金属酸化物；ポリアセチレンなどの導電性高分子；Ｌｉ−Ｃｏ−Ｎｉ系材料などを使用することができる。
分離膜は、正極と負極との間に介在し、高いイオン透過度及び機械的強度を有する絶縁性の薄い薄膜が使用される。一般に、分離膜の気孔径は０．０１μｍ〜１０μｍで、厚さは５μｍ〜３００μｍである。このような分離膜としては、例えば、耐化学性及び疎水性のポリプロピレンなどのオレフィン系ポリマー；ガラス繊維またはポリエチレンなどで作られたシートや不織布などが使用される。電解質としてポリマーなどの固体電解質が使用される場合には、固体電解質が分離膜を兼ねることもできる。
リチウム塩含有非水系電解液は、電解液及びリチウム塩からなっている。電解液としては、非水系有機溶媒、有機固体電解質、無機固体電解質などが使用される。
非水系有機溶媒としては、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリジノン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロキシフラン（ｆｒａｎｃ）、２−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、１，３−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、ギ酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エーテル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチルなどの非プロトン性有機溶媒を使用することができる。
有機固体電解質としては、例えば、ポリエチレン誘導体、ポリエチレンオキシド誘導体、ポリプロピレンオキシド誘導体、リン酸エステルポリマー、ポリエジテーションリシン（ａｇｉｔａｔｉｏｎ ｌｙｓｉｎｅ）、ポリエステルスルフィド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、イオン性解離基を含む重合体などを使用することができる。
無機固体電解質としては、例えば、Ｌｉ３Ｎ、ＬｉＩ、Ｌｉ５ＮＩ２、Ｌｉ３Ｎ−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、ＬｉＳｉＯ４、ＬｉＳｉＯ４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ２ＳｉＳ３、Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ４ＳｉＯ４−ＬｉＩ−ＬｉＯＨ、Ｌｉ３ＰＯ４−Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２などのＬｉの窒化物、ハロゲン化物、硫酸塩などを使用することができる。
リチウム塩は、非水系電解質に溶解しやすい物質であって、例えば、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＢ１０Ｃｌ１０、ＬｉＰＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＡｌＣｌ４、ＣＨ３ＳＯ３Ｌｉ、ＣＦ３ＳＯ３Ｌｉ、（ＣＦ３ＳＯ２）２ＮＬｉ、クロロボランリチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、４フェニルホウ酸リチウム、イミドなどを使用することができる。
また、電解液には、充放電特性、難燃性などの改善の目的で、例えば、ピリジン、トリエチルホスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、ｎ−グリム（ｇｌｙｍｅ）、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、Ｎ−置換オキサゾリジノン、Ｎ，Ｎ−置換イミダゾリジン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ピロール、２−メトキシエタノール、三塩化アルミニウムなどが添加されてもよい。場合によっては、不燃性を付与するために、四塩化炭素、三フッ化エチレンなどのハロゲン含有溶媒をさらに含ませることもでき、高温保存特性を向上させるために二酸化炭酸ガスをさらに含ませることもでき、ＦＥＣ（Ｆｌｕｏｒｏ−Ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＰＲＳ（Ｐｒｏｐｅｎｅ ｓｕｌｔｏｎｅ）、ＦＰＣ（Ｆｌｕｏｒｏ−Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）などをさらに含ませることができる。
一方、ジェリーロール型電極組立体は、集電体として使用される金属箔に電極活物質などをコーティングし、乾燥及びプレスした後、所望の幅及び長さのバンド状に裁断し、分離膜を用いて負極と正極とを隔離した後、螺旋状に巻いて製造される。ジェリーロールは、主に円筒型電池に使用され、場合によっては、これを板状に圧縮して角形またはパウチ型電池に適用することもある。
したがって、本発明に係る合金からなる電極リードは、ジェリーロール型電極組立体の正極及び負極に連結され、より具体的には、活物質層がコーティングされていない電極合剤の無地部に結合される。
集電体に電極リードが溶接される方法は多様であり、例えば、アーク溶接、超音波溶接、抵抗溶接などがある。特に、超音波溶接は、溶接しようとする溶接物を加圧しながら超音波を印加して、その振動を用いる方法であって、２０ＫＨｚ程度の超音波により発生した高周波の振動エネルギーによって、加圧された被溶接物間に存在する異物などが除去され、被溶接物間の隙間が原子間距離に狭くなりながら溶接が行われる。
本発明に係る電極リードの溶接は、好ましくは、超音波溶接によって正極集電体または負極集電体に結合され、上記の溶接に比べて接合部位の抵抗を低減させ、したがって、発生する熱損傷を防止することができる。
本発明はまた、上記の二次電池を電源として含む電動用工具を提供する。
特に、電動用工具の場合、振動の多い作業に使用されるので、このような電動用工具の電源として用いられる二次電池は、内部の抵抗が小さい構造が好ましい。
したがって、本発明に係る二次電池は、従来の二次電池とは異なり、電極リードの抵抗が低く構成されているので、電動用工具に容易に用いることができる。
従来の円筒型電池の垂直断面斜視図である。 図１の部分断面斜視図である。 本発明の一つの実施例に係るジェリーロール型電極組立体を巻き取る前の部分水平断面模式図である。 図３の正極リード及び負極リードの斜視図である。 本発明の更に他の実施例に係る正極リード及び負極リードの斜視図である。 本発明の様々な実施例に係るジェリーロール型電極組立体を巻き取る前の部分水平断面模式図である。 本発明の様々な実施例に係るジェリーロール型電極組立体を巻き取る前の部分水平断面模式図である。
以下では、本発明の実施例に係る図面を参照して説明するが、これは、本発明のより容易な理解のためのものであり、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。
図３には、本発明の一つの実施例に係るジェリーロール型電極組立体を巻き取る前の部分水平断面模式図が示されており、図４には、図３の正極リード及び負極リードの斜視図が模式的に示されている。
これら図面を参照すると、円筒型電池は、正極集電体１５１の両面に正極活物質コーティング部１５５を含む正極１５２と、負極集電体１５３の両面に負極活物質コーティング部１５６を含む負極１５４とが、分離膜１４２が介在した状態で巻き取られているジェリーロール型電極組立体２００、及び電解液が円筒状の缶（図示せず）に内蔵されている。
また、正極無地部１５８に結合された正極リード１１４は、正極無地部１５８に対する結合に用いられる第１金属層１１４２と、第１金属層１１４２よりも相対的に抵抗の低い第２金属層１１４４とが圧延によって上下に結合されており、負極無地部１５７に結合された負極リード１１２は、負極無地部１５７に対する結合に用いられる第１金属層１１２２と、第１金属層１１２２よりも相対的に抵抗の低い第２金属層１１２４とが圧延によって上下に結合されている。
負極リード１１２の第１金属層１１２２は、負極無地部１５７に抵抗溶接方式により結合されており、第２金属層１１２４の抵抗は、第１金属層１１２２の抵抗に対して約５０％の大きさを有している。
また、正極リード１１４の第１金属層１１４２は、正極無地部１５８に抵抗溶接方式により結合されており、第２金属層１１４４の抵抗は、第１金属層１１４２の抵抗に対して約５０％の大きさを有している。
一方、正極リード１１４及び負極リード１１２は、厚さを基準として５０％の銅と５０％のニッケルとからなり、第１金属層１１４２，１１２２の厚さは、第２金属層１１４４，１１２４の厚さと同一の大きさに形成されている。
また、第１金属層１１４２，１１２２の幅は、第２金属層１１４４，１１２４の幅と同一の大きさに形成され、第１金属層１１４２，１１２２はニッケル層またはアルミニウム層であり、第２金属層１１４４，１１２４は銅層または銀層からなっている。
一方、第１金属層１１４２，１１２２及び第２金属層１１４４，１１２４は、予め結合された状態で正極無地部１５８と負極無地部１５７に結合されている。
上述したように、図４の構造は例示的な構造であるので、第１金属層（ａ）−第２金属層（ｂ）−第１金属層（ｃ）などの多層構造も可能であることは勿論である。また、このような構造において、第１金属層（ａ）及び第１金属層（ｃ）の成分、厚さ、幅などが互いに異なってもよいことは勿論である。
図５には、本発明の更に他の実施例に係る正極リード及び負極リードの斜視図が模式的に示されている。
図５を参照すると、正極リード１１４ａ及び負極リード１１２ａは、第２金属層１１４４ａ，１１２４ａを中心として両側面にそれぞれ第１金属層１１４２ａ，１１２２ａが結合されている。
また、第１金属層１１４２ａ，１１２２ａの厚さ及び幅は、第２金属層１１４４ａ，１１２４ａの厚さ及び幅と同一の大きさに形成されている。
図６及び図７には、本発明の様々な実施例に係るジェリーロール型電極組立体を巻き取る前の部分水平断面模式図が示されている。
これら図面を参照すると、図６のジェリーロール型電極組立体２００ａにおいて、正極２５２の巻取り開始部は、正極集電体２５８の上部及び下部の全てに正極活物質コーティング部２２０ａ，２２０ｂを有することによって正極無地部を含まず、正極２５２の巻取り終了部にのみ正極リード２１４の設置のための正極無地部２５８’を含んでいる。
また、絶縁テープ２１６ａ，２１６ｂが、正極２５２の巻取り終了部に位置し、負極２５４と対向する正極活物質コーティング部２２０ａの境界面に付着されている。
負極２５４は、負極集電体２５６の両面に負極活物質コーティング部２４０ａ，２４０ｂを含み、負極集電体２５６の巻取り終了部には、負極活物質コーティング部を含まない負極無地部２５６’を含むことで、ここに、外部端子と接続するための負極リード２１２が接続されている。
また、分離膜２４２ａ，２４２ｂは、負極２５４の終了部よりさらに長く延びて位置するように設計して、分離膜２４２ａ，２４２ｂが熱によって収縮しても負極２５４を遮断させるようになっている。
巻取り終了部である負極集電体２５６の上部の負極活物質コーティング部２４０ａは、分離膜２４２ａを挟んで、正極リード２１４が設置された側の正極集電体２５８の下部の正極活物質コーティング境界面に接する。このとき、正極活物質コーティング境界面に絶縁テープ２１６ｂを追加して、正極活物質がコーティングされていない正極無地部２５８’と負極活物質コーティング部２４０ａとの短絡を防止する。
一方、巻取り終了部である負極集電体２５６の下部の負極活物質コーティング部２４０ｂは、分離膜２４２ｂを挟んで、正極リード２１４が設置された側の正極集電体２５８の上部の正極活物質コーティング境界面に接する。このとき、正極活物質コーティング境界面に絶縁テープ２１６ａを追加して、正極活物質がコーティングされていない未コーティング部である正極集電体と接触しないようにする。
図７のジェリーロール電極組立体２００ｂにおいて、正極２５２の巻取り開始部は、正極集電体２５８の上部及び下部の全てに正極活物質コーティング部２１９ｃ，２１９ｄを有することによって正極無地部を含まず、正極の巻取り終了部にのみ正極リード２１４の設置のための正極無地部を含んでいる。
また、正極無地部の末端部の両面に正極活物質コーティング部２１７ａ，２１７ｂが形成され、正極活物質コーティング部２１７ａ，２１７ｂの上面及び下面には第２絶縁テープ２１９ａ，２１９ｂが付着されている。

また、第１絶縁テープ２１６ａ，２１６ｂが、正極の巻取り終了部において、負極２５４と対向する正極活物質コーティング部２１９ｃ，２１９ｄの境界面にそれぞれ付着されている。
以下、実施例を通じて本発明をさらに詳述するが、下記の実施例は本発明を例示するためのもので、本発明の範疇がこれらに限定されるものではない。
＜実施例１＞
銅の含量が９６％（元素含量基準）、ニッケルの含量が３％、錫の含量が１％である合金の負極リードを製造し、アルミニウムからなる正極リードを準備した。このような電極リードを負極及び正極の無地部に超音波融着し、正極と負極との間に分離膜が介在した状態で巻き取ってジェリーロールを形成した後、ステンレススチールの円筒状の缶に挿入し、電解液を注入して、電池セルを作製した。
＜実施例２＞
銅の含量が８９％、ニッケルの含量が１０％、錫の含量が１％である合金の負極リードを製造して用いたこと以外は、実施例１と同様の方法で電池セルを作製した。
＜比較例１＞
ニッケルの含量が９９％、錫の含量が１％である合金の負極リードを製造して用いたこと以外は、実施例１と同様の方法で電池セルを作製した。
＜実験例１＞
まず、実施例１及び２と比較例１の電池セルに用いられた負極リードの抵抗及び強度を測定した。その結果、実施例１及び２の負極リードは、比較例１の負極リードと比較してほぼ同一の結合強度を有しながらも、約１０％〜５０％の範囲で抵抗減少の効果を奏することを確認した。
また、実施例１及び２と比較例１でそれぞれ作製された電池セルを対象として、１００回の充放電サイクル後の電池の性能をテストした。その結果、約１０％以上の性能向上が確認できた。
本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、上記内容に基づいて本発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。
以上で説明したように、本発明に係る二次電池において、正極の無地部に結合された正極リード及び負極の無地部に結合された負極リードのうち少なくとも一つは、電極無地部に対する結合及び／または電池ケースに対する結合に用いられる第１金属層と、第１金属層よりも相対的に抵抗の低い第２金属層との結合からなるように構成されているので、電極無地部または電池ケースに対して所定の結合力を提供すると同時に、二次電池の使用中に電極リードの部位で抵抗及び発熱が発生することを大きく減少させることができる。
また、本発明に係る二次電池において、電極リードは、銅、ニッケルなどを含む合金からなっており、低い抵抗特性を有する銅、及び高い結合強度特性を発揮するニッケルなどを含むことによって、二次電池の充放電時に作動特性を向上させることができるだけでなく、優れた製造工程性を提供することができる。

Claims (26)

  1. 正極集電体の少なくとも一面に正極活物質コーティング部を含む正極と、負極集電体の少なくとも一面に負極活物質コーティング部を含む負極とが分離膜が介在した状態で巻き取られているジェリーロール型電極組立体（“ジェリーロール”）、及び電解液が電池ケースに内蔵されており、
    正極無地部に結合された正極リード及び負極無地部に結合された負極リードのうち少なくとも一つは、電極無地部に対する結合及び／または電池ケースに対する結合に用いられる第１金属層と、前記第１金属層よりも相対的に抵抗の低い第２金属層と、の結合からなっていることを特徴とする二次電池。
  2. 前記電池ケースは、円筒状の缶であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  3. 前記第１金属層は、電極無地部または電池ケースに溶接方式で結合されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  4. 前記第２金属層の抵抗は、第１金属層の抵抗に対して１０％〜７０％の大きさであることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  5. 前記第１金属層と第２金属層との結合は、異種材料結合法により達成されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  6. 前記異種材料結合法は、熱融着方法、圧延方法、化学的接着方法、レーザー溶接、スポット溶接、メッキ方法、またはコーティング方法であることを特徴とする請求項５に記載の二次電池。
  7. 前記第１金属層と第２金属層とは上下に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  8. 前記第２金属層を中心として両側面にそれぞれ第１金属層が結合されていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  9. 前記第１金属層はニッケル層またはアルミニウム層であり、第２金属層は銅層または銀層であることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  10. 前記正極リードまたは負極リードは、厚さを基準として５％〜９５％の銅と９５％〜５％のニッケルとからなることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  11. 前記正極リードまたは負極リードは、厚さを基準として５０％の銅と５０％のニッケルとからなることを特徴とする請求項１０に記載の二次電池。
  12. 前記正極リードまたは負極リードの厚さは０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  13. 前記第１金属層の厚さは、第２金属層の厚さと同一の大きさに形成されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  14. 前記第１金属層の幅は、第２金属層の幅と同一の大きさに形成されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  15. 前記正極の巻取り開始部は、正極集電体の上部及び下部の全てに正極活物質コーティング部を有することによって正極無地部を含まず、正極の巻取り終了部にのみ正極リードの設置のための正極無地部を含み、
    前記正極の巻取り終了部に位置し、前記負極と対向する正極活物質コーティング部の境界面には絶縁テープを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  16. 前記正極の巻取り開始部は、正極集電体の上部及び下部の全てに正極活物質コーティング部を有することによって正極無地部を含まず、正極の巻取り終了部にのみ正極リードの設置のための正極無地部を含み、
    前記正極無地部の末端部の少なくとも一面に正極活物質コーティング部をさらに含み、前記正極の巻取り終了部に位置し、前記負極と対向する正極活物質コーティング部の境界面には絶縁テープを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  17. 前記第１金属層及び第２金属層とは、予め結合された状態で電極無地部に結合されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  18. 前記第１金属層及び第２金属層は、電極無地部に結合される過程で共に結合されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  19. 正極集電体の少なくとも一面に正極活物質コーティング部を含む正極と、負極集電体の少なくとも一面に負極活物質コーティング部を含む負極とが分離膜が介在した状態で巻き取られているジェリーロール型電極組立体（“ジェリーロール”）、及び電解液が電池ケースに内蔵されており、
    銅とニッケルを含み、銅の含量が８０％以上である（元素含量基準）合金からなる電極リードが、溶接によって、正極集電体または負極集電体に結合されていることを特徴とする二次電池。
  20. 前記合金は、銅の含量は８０％〜９９．９％であり、ニッケルの含量は０．１％〜２０％であることを特徴とする請求項１９に記載の二次電池。
  21. 前記合金には、錫及び硅素からなる群から選択される１種以上の異種元素をさらに含んでいることを特徴とする請求項１９に記載の二次電池。
  22. 前記異種元素の含量は、合金の総含量を基準として０．１％〜１０％であることを特徴とする請求項２１に記載の二次電池。
  23. 前記合金は、銅の含量が８０％〜９９．８％であり、ニッケルの含量が０．１％〜１０％であり、異種元素の含量が０．１％〜１０％であることを特徴とする請求項２１に記載の二次電池。
  24. 前記正極集電体に結合されている電極リードと、負極集電体に結合されている電極リードとは同一の大きさからなることを特徴とする請求項１９に記載の二次電池。
  25. 前記電極リードは、超音波溶接により正極集電体または負極集電体に結合されていることを特徴とする請求項１９に記載の二次電池。
  26. 請求項１又は１９のいずれかに記載の二次電池を電源として含む電動用工具。
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