JP2017134910A - 二次電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極露出部と内部集電端子とをレーザーを用いて溶接接合した場合に、溶接不良の発生を少なくすることを可能にする、二次電池の製造方法を提供する。【解決手段】この二次電池の製造方法は、内部集電端子７１は、電極露出部１７Ｄを巻回軸方向に対して交差する方向から挟み込む一対の接合部７１ｃを含み、接合部７１ｃは、巻回軸から離れるに従って外側に拡がる傾斜面７１ｐを有し、傾斜面７１ｐに沿って電極露出部１７Ｄを拡げることにより、電極露出部１７Ｄを階段状の形態にする工程と、階段状の形態になった電極露出部１７Ｄと傾斜面７１ｐとをレーザーを用いて溶接接合する工程とを備える。【選択図】図７

Description

本発明は、電池ケースの内部に巻回電極体および内部集電端子を収容した、二次電池の製造方法に関する。

たとえば、リチウムイオン二次電池、ナトリウム電池、電気二重層キャパシタ、およびリチウムイオンキャパシタ等の蓄電素子は、発電を行なう発電要素を有底の電池ケースに収容される。

発電要素としては、正極と負極とがセパレータを介在させた状態で、巻回軸の周りに巻回され、この巻回軸が延びる方向に沿った端部に電極露出部を有する巻回電極体が用いられる。このような構成を備える二次電池が、特開２０１３−００８５５９号公報（特許文献１）に開示されている。

特開２０１３−００８５５９号公報

電極露出部と内部集電端子とは、レーザーを用いて溶接接合される。電極露出部は、一方端側が正極、他方端側が負極となるが、いずれの電極露出部も、電極を構成する電極芯体および電極芯体の表面に設けられた電極合剤層のうち、電極合剤層が設けられていない電極芯体が露出した領域で構成されている。そのため、電極露出部は、電極芯体が積層した状態の領域となるが、隙間が発生するなどして、電極露出部の厚さは一定ではない。

その結果、この電極露出部と内部集電端子とをレーザーを用いて溶接接合した場合には、電極露出部においては、部分的に空隙が生じるなどして、積層方向の厚さが一定でないことに起因する溶接不良が発生するおそれがある。

この発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、電極露出部と内部集電端子とをレーザーを用いて溶接接合した場合に、溶接不良の発生を少なくすることを可能にする、二次電池の製造方法を提供することを目的とする。

この二次電池の製造方法においては、正極と負極とがセパレータを介在させた状態で、巻回軸の周りに巻回され、上記巻回軸が延びる方向に沿った端部に電極露出部を有する巻回電極体と、上記電極露出部に接合される内部集電端子とが、電池ケースの内部に収容された、二次電池の製造方法であって、上記内部集電端子は、上記電極露出部を上記巻回軸方向に対して交差する方向から挟み込む一対の接合部を含み、上記接合部は、上記巻回軸から離れるに従って外側に拡がる傾斜面を有し、上記傾斜面に沿って上記電極露出部を拡げることにより、上記電極露出部を階段状の形態にする工程と、階段状の形態になった上記電極露出部と上記傾斜面とをレーザーを用いて溶接接合する工程と、を備える。

この二次電池によれば、レーザーを用いて溶接接合する際に、傾斜面に沿って電極露出部を拡げている。これにより、電極露出部が階段状に積層された状態となるため、下層と上層との位置関係にある電極露出部同士に隙間が生じないようにすることができる。その結果、電極露出部と傾斜面とをレーザーを用いて良好な状態で溶接接合することが可能になる。

実施の形態における二次電池の内部構造を示す平面図である。 実施の形態における巻回電極体の斜視図である。 図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。 実施の形態における内部集電端子の形態を示す斜視図である。 図１に示すＶ−Ｖ線における断面図である。 図５に示すＶＩ−ＶＩ線における断面図である。 階段状の形態になった電極露出部と傾斜面とをレーザーを用いて溶接接合する工程を示す斜視図である。 階段状の形態になった電極露出部と傾斜面との溶接接合後の状態を示す斜視図である。 階段状の形態になった電極露出部と傾斜面とをレーザーを用いて溶接接合する他の工程を示す斜視図である。 各実施例および比較例の評価結果を示す図である。

本発明に基づいた一例における実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。実施の形態における構成を適宜組み合わせて用いることは当初から予定されていることである。また、図においては、実際の寸法比率では記載しておらず、構造の理解を容易にするために、一部比率を異ならせて記載している。

［二次電池の構成］
図１から図３を参照して、本実施の形態の二次電池の構成について説明する。図１は、二次電池の内部構造を示す平面図、図２は、巻回電極体の斜視図、図３は、図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。

図１を参照して、本実施の形態の二次電池は、電池ケース１のケース本体１Ａには巻回電極体１１と電解質又は電解液（不図示）とが設けられており、ケース本体１Ａの開口は電池ケース１の蓋体１Ｂによって閉塞されている。

図２および図３を参照して、巻回電極体１１は、正極１３と負極１７とセパレータ１５とが巻回軸ａ３を中心にして巻回されている（図３参照）。正極１３は、正極芯体１３Ａと、正極芯体１３Ａの表面の一部に設けられた正極合剤層１３Ｂとを有する。負極１７は、負極芯体１７Ａと、負極芯体１７Ａの表面の一部に設けられた負極合剤層１７Ｂとを有する。セパレータ１５は正極合剤層１３Ｂと負極合剤層１７Ｂとの間に設けられており、セパレータ１５の最外周部分が巻回電極体１１の最外周を構成している。

巻回電極体１１では、負極合剤層１７Ｂの最外周部分１１７Ｂの方が正極合剤層１３Ｂの最外周部分よりも外周側に位置しており、負極合剤層１７Ｂの最外周部分１１７Ｂよりも巻回電極体１１の外周側には導電性部材１９が設けられている（図３、図４）。

（巻回電極体１１）
巻回電極体１１は、正極合剤層１３Ｂが設けられていない正極芯体１３Ａの部分（正の電極露出部１３Ｄ）を軸方向一方端（図２の左端）に有し、負極合剤層１７Ｂが設けられていない負極芯体１７Ａの部分（負の電極露出部１７Ｄ）を軸方向他方端（図２の右端）に有する。

巻回電極体１１の軸方向一方端では、電極露出部１３Ｄと導電性部材１９とが、セパレータ１５よりも巻回電極体１１の巻回軸ａ３方向の外側へ向かって突出しており、正極側の内部集電端子３１に溶接されている。同様に、巻回電極体１１の軸方向他方端では、電極露出部１７Ｄが、セパレータ１５よりも巻回電極体１１の巻回軸ａ３方向の外側へ向かって突出しており、負極側の内部集電端子７１に溶接されている。

導電性部材１９が正極芯体１３Ａと同一の材料（例えばアルミニウム）からなれば、導電性部材１９と電極露出部１３Ｄとを同一の溶接条件で正極側の内部集電端子３１に溶接できる。これにより、内部集電端子３１への導電性部材１９の溶接が容易となるので、二次電池を簡便且つ低コストで製造できる。

正極側の内部集電端子３１は、絶縁部材３３によって蓋体１Ｂとは絶縁されている一方、正極端子３に電気的に接続されている。正極端子３は、絶縁部材３５を挟んで蓋体１Ｂに設けられている。負極側の内部集電端子７１は、絶縁部材７３によって蓋体１Ｂとは絶縁されている一方、負極端子７に電気的に接続されている。負極端子７は、絶縁部材７５を挟んで蓋体１Ｂに設けられている。

（内部集電端子３１，７１）
図４を参照して、内部集電端子３１，７１の形態について説明する。図４は、内部集電端子７１の形態を示す斜視図である。正極側の内部集電端子３１および負極側の内部集電端子７１は同じ形態を有していることから、ここでは負極側の内部集電端子７１の形態について説明する。

この内部集電端子７１は、主プレート部７１ａと、主プレート部７１ａの両側から下方に向って延びる一対の集電端子部７１ｂを備える。集電端子部７１ｂには、それぞれ電極露出部１７Ｄを巻回軸ａ３方向に対して交差する方向から挟み込む一対の接合部７１ｃを含む。この接合部７１ｃは、巻回軸ａ３から離れるに従って外側に拡がる傾斜面７１ｐを有している。

本実施の形態では、傾斜面７１ｐは、接合部７１ｃの内面を内側に向けて膨出させるように成形させることにより、接合部７１ｃの内側の表面が傾斜面７１ｐを形成している。本実施の形態では、一対の傾斜面７１ｐの開口角度（θ）は、約９０°に設定している（図６参照）。なお、この開口角度(θ）は、８０°以上１２０°以下であり、好ましくは、９０°以上１００°以下である。

また、傾斜面７１ｐを形成する方法としては、接合部７１ｃの内面を内側に向けて膨出させる方法には限定されず、接合部７１ｃを外側にねじる方法、集電端子部７１ｂに傾斜面７１ｐを有する接合部７１ｃを溶接接合する等、その他の構造の適用が可能である。

図５および図６を参照して、負極側の内部集電端子７１に負極側の電極露出部１７Ｄが接合された状態を示す。図５は、図１に示すＶ−Ｖ線における断面図、図６は、図５に示すＶＩ−ＶＩ線における断面図である。なお、正極側の内部集電端子３１に正極側の電極露出部１３Ｄが接合された状態も同じである。

一対に配置された接合部７１ｃの間を電極露出部１７Ｄが通過している。電極露出部１７Ｄは、接合部７１ｃの内側の領域で一旦窄められる。その後、電極露出部１７Ｄは、図５および図６の図示において左右に均等に分離され、左右に位置する傾斜面７１ｐに沿って折り重ねられ、その結果、階段状に押し広げられた状態となる。ここで、電極露出部１７Ｄの重ね代（Ｓ、図７参照）は、０．０５ｍｍ以上がよいが、さらに好適には、０．０８ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下であるとよい。

開口角度（θ）が８０°未満の場合、または、重ね代（Ｓ）が０．０５ｍｍ未満となると、傾斜面７１ｐの外側に向うほど十分な階段形状が得られなくなる。その結果、後述のレーザー溶接において溶融金属が隙間に流れ込まず、溶接不足が発生する可能性が高くなる。

［溶接接合工程］
次に、図７および図８を参照して、電極露出部１７Ｄと傾斜面７１ｐとをレーザーを用いて溶接接合する工程について説明する。図７は、階段状の形態になった電極露出部１７Ｄと傾斜面７１ｐとをレーザーを用いて溶接接合する工程を示す斜視図、図８は、階段状の形態になった電極露出部１７Ｄと傾斜面７１ｐとの溶接接合後の状態を示す斜視図、図９は、階段状の形態になった電極露出部１７Ｄと傾斜面７１ｐとをレーザーを用いて溶接接合する他の工程を示す斜視図である。

図７に示すように、階段状に配列された電極露出部１７Ｄのそれぞれの負極芯体１７Ａに対して跨るようにレーザーが照射される（走査方向Ｄ１）。これにより、階段状の形態になった電極露出部１７Ｄと傾斜面７１ｐとがレーザーを用いて溶接接合される。この際、電極露出部１７Ｄは階段状になっていることから、それぞれの負極芯体１７Ａの間には隙間が生じ難く、また、隙間が生じた領域には、レーザーの照射により溶融した金属はその隙間に流れ込む。その結果、図８に示すように、階段状の形態になった電極露出部１７Ｄの上に、溶融領域Ｗが良好に形成され、信頼性の高い電極露出部１７Ｄと傾斜面７１ｐとの溶接接合を得ることができる。

さらに、階段状の形態になった電極露出部１７Ｄを溶接接合した後は、それぞれの負極芯体１７Ａの高さは一定になることから、露出端部の幅を確保する必要がない。言い換えると、露出端部の幅の最小化を図ることが可能となる。

図８では、１本の走査方向Ｄ１のみを図示しているが、複数列繰り返してレーザーの照射を繰り返すことで、溶接面接が拡大し、低抵抗および溶接強度の向上を図ることができる。

レーザーの照射は、階段状の形態になった電極露出部１７Ｄの幅方向（走査方向Ｄ１）に走査され、電極露出部１７Ｄのそれぞれの負極芯体１７Ａには、低エネルギー密度のレーザーが照射され、傾斜面７１ｐに対しては高エネルギー密度のレーザーが照射される。このようにして、表面が溶融するに必要はエネルギーのみを照射して接合するため、周知の端面溶接技術に比較して、低いエネルギーでの照射条件となる。

さらに、溶接不足や過剰な溶接を回避できることから、溶接条件の複雑は制御を不要とする。さらに、効率よく接合面接が大きくなり、低抵抗でより強い接合強度を得ることができる。また、図８に示すように、溶融領域Ｗの状態を外部から容易に確認できることから、複雑な検査を不要する。

このように、本実施の形態における二次電池の製造方法によれば、電極露出部１７Ｄが階段状に積層された状態となるため、下層と上層との位置関係にある電極露出部１７Ｄ同士に隙間が生じないようにすることができる。その結果、電極露出部１７Ｄと傾斜面７１ｐとをレーザーを用いて良好な状態で溶接接合することが可能になる。

このように、電極露出部１７Ｄと内部集電端子７１との溶接接合の信頼性が向上するとともに、電極露出部１７Ｄの露出幅（Ｓ）を最小化することができる。その結果、電池ケース１内に収容される巻回電極体１１の体積当たりの起電効率が向上し、エネルギー密度に優れた二次電池の提供を可能とする。負極側だけでなく、正極側の電極露出部１３Ｄと内部集電端子３１との溶接接合においても同様である。

なお、図７においては、レーザーＬＢのビーム形状が円形の場合を図示したが、必ずしもこの形状に限定されず、例えば、図９に示すような横長のレーザーＬＢを用い、走査方向を段差の長手方向（Ｄ２）に沿って走査するこによっても、同様の作用・効果を得ることが可能である。

（実施例１）
具体的な、巻回電極体１１の実施例１について説明する。正極芯体１３Ａに、厚さが１５μｍのアルミニウム、または、アルミニウム合金箔を用いた。負極芯体１７Ａに、厚さが１０μｍの電解銅箔を用いた。この正極芯体１３Ａおよび負極芯体１７Ａを用いて、図３に示す形態の巻回電極体１１を作成した。

正極側の内部集電端子３１には、厚さ１．０ｍｍのアルミを用いた。開口角度（θ）は、９０°とした。負極側の内部集電端子７１には、厚さ１．０ｍｍの銅を用いた。開口角度（θ）は、９０°とした。電極露出部１７Ｄの重ね代（Ｓ）は、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍとした。

レーザーＬＢの照射は、巻回の中心から電極露出部１７Ｄの端部に向って（図７のＤ１）、電極露出部１７Ｄの階段状の斜面にレーザーを照射した。正極側および負極側ともに、列方向に２ｍｍの間隙を設けて、２箇所に溶接接合を実施した。

レーザーＬＢは、正極側の溶接条件として、ファイバーレーザーを用い、スポット径が０．８ｍｍ、出力１０００Ｗ、速度５０ｍｍ／ｓｅｃである。負極側の溶接条件として、ファイバーレーザーを用い、スポット径が０．８ｍｍ、出力２０００Ｗ、速度５０ｍｍ／ｓｅｃである。

（比較例１）
巻回電極体１１は、実施例１と同じ構造である。負極側の内部集電端子７１の形状として、Ｖ字形状に折り曲げ、各斜辺に電極露出部１７Ｄを押し広げ、最外の電極露出部１７Ｄに当て板をして、超音波溶接を行なった（特許文献１に開示される溶接構造）。正極側の内部集電端子３１および電極露出部１３Ｄも同様である。

（比較例２）
巻回電極体１１は、実施例１と同じ構造である。負極側の内部集電端子７１の形状として、逆Ｕ字形状に折り曲げ、内部集電端子７１の内部に電極露出部１７Ｄを差し込んで、内部集電端子７１により電極露出部１７Ｄを挟持した状態で、横方向からレーザーを照射し、電極露出部１７Ｄを溶接接合した（特許文献３に開示される溶接構造）。正極側の内部集電端子３１および電極露出部１３Ｄも同様である。

上記実施例および比較例１，２においては、蓋体１Ｂに対して、正極端子３、負極端子７、正極側の内部集電端子３１、負極側の内部集電端子７１、および、巻回電極体１１が一体となった電極体を、ケース本体１Ａの内部に収容し、レーザーを用いて、蓋体１Ｂを電池ケース１に溶接した。その後、蓋体１Ｂに設けた注入孔から電解液を注入し、注入孔を閉じた。

上述の実施例および比較例１，２をそれぞれ３０個作成し、各二次電池の評価を行なった。この評価においては、作成した二次電池に対して、（１）二次電池での充放電性能を確認した後（充放電性能試験）、（２）充放電試験後に各二次電池を分解して、内部集電端子と電極露出部との溶接状態の確認を行なった。

その評価結果を図１０に示す。（１）「充放電性能試験」の評価では、実施例と比較例とにおいて、電池のセパレータからの突出させる溶接に必要な電極露出部の長さを比較すると、実施例の二次電池は、比較例の二次電池よりも短くできたことから、電池容量は、同じ電池ケースの体格に対して７．５％大きくすることができた。このことから、実施例の体積エネルギー密度が高いことが確認できた。

（２）「電池の分解」の評価では、比較例２のケースで、内部集電端子と電極露出部との溶接状態に不具合が生じていることが確認できた。溶接状態の不具合とは、入熱過多による溶接部の一部に穴が開いているケース、入熱不足による溶接部の一部未接合が生じているケースが挙げられる。

（他の実施例）
図９に示すレーザーの形状を用いて内部集電端子と電極露出部との溶接を行なった。

正極側の内部集電端子３１には、厚さ１．０ｍｍのアルミを用いた。開口角度（θ）は、９０°とした。負極側の内部集電端子７１には、厚さ１．０ｍｍの銅を用いた。開口角度（θ）は、９０°とした。電極露出部１７Ｄの重ね代（Ｓ）は、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍとした。

レーザーＬＢの照射は、図９に示すように、横長のレーザーＬＢを用い、走査方向を段差の長手方向（Ｄ２）に沿ってレーザーを照射した。レーザーの走査距離は、１０ｍｍである（溶接長さ）。

レーザーＬＢは、正極側の溶接条件として、ファイバーレーザーを用い、集電端子部でのスポット径が４０μｍ、出力１５０Ｗ、電極露出部での照射範囲が０．５ｍｍ×５ｍｍｍ、出力１０００Ｗ、速度５０ｍｍ／ｓｅｃである。負極側の溶接条件として、集電端子部でのスポット径が４０μｍ、出力４００Ｗ、電極露出部での照射範囲が０．５ｍｍ×５ｍｍｍ、出力３０００Ｗ、速度５０ｍｍ／ｓｅｃである。

この条件において上記（１）、（２）の評価を行なったが、同様に良好な評価が得られた。

なお、上記における二次電池は、好ましくは非水電解質二次電池であり、より好ましくはリチウムイオン二次電池である。

正極芯体としては、リチウムイオン二次電池の正極芯体として従来公知の構成を有することが好ましく、例えばアルミニウム箔を用いることができる。正極集電板及び正極端子についても同様のことが言え、例えばアルミニウムからなることが好ましい。

正極活物質としては、リチウムイオン二次電池の正極活物質として従来公知の材料からなることが好ましく、例えばＬｉと３種の遷移金属元素（Ｃｏ、Ｎｉ及びＭｎ）とを含む複合酸化物からなる粉末を用いることができる。正極合剤層に含まれる導電剤としては、リチウムイオン二次電池の正極合剤層に含まれる導電剤として従来公知の材料からなることが好ましく、例えばアセチレンブラック等の炭素材料を用いることができる。正極合剤層に含まれる結着剤としては、リチウムイオン二次電池の正極合剤層に含まれる結着剤として従来公知の材料からなることが好ましく、例えばポリフッ化ビニリデン等を用いることができる。正極合剤層における正極活物質、導電剤及び結着剤の各含有量としては、リチウムイオン二次電池の正極合剤層における各含有量を特に制限されることなく適用することができる。

負極芯体としては、リチウムイオン二次電池の負極芯体として従来公知の構成を有することが好ましく、例えば銅箔を用いることができる。負極集電板及び負極端子についても同様のことが言え、例えば銅からなることが好ましい。

負極活物質としては、リチウムイオン二次電池の負極活物質として従来公知の材料からなることが好ましく、例えば天然黒鉛を核材とする炭素材料を用いることができる。負極合剤層に含まれる結着剤としては、リチウムイオン二次電池の負極合剤層に含まれる結着剤として従来公知の材料からなることが好ましく、例えばＳＢＲ（styrene-butadiene rubber）等を用いることができる。負極合剤層における負極活物質及び結着剤の各含有量としては、リチウムイオン二次電池の負極合剤層における各含有量を特に制限されることなく適用することができる。

セパレータとしては、リチウムイオン二次電池のセパレータとして従来公知の構成を有することが好ましく、例えばＰＥ（polyethylene）又はＰＰ（polypropylene）からなることが好ましい。

電解質又は電解液としては、それぞれ、リチウムイオン二次電池の電解質又は電解液として従来公知の構成を有することが好ましい。例えば、電解質又は電解液はＬｉＰＦ_６等のリチウム塩を含むことが好ましい。

以上、本発明に基づいた実施の形態および実施例について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 電池ケース、１Ａ ケース本体、１Ｂ 蓋体、３ 正極端子、７ 負極端子、１１ 巻回電極体、１３ 正極、１３Ａ 正極芯体、１３Ｂ 正極合剤層、１３Ｄ 正極露出部、１５ セパレータ、１７ 負極、１７Ａ 負極芯体、１７Ｂ 負極合剤層、１７Ｄ 負極露出部、１９ 導電性部材、３１，７１ 内部集電端子、３３，３５，７３，７５ 絶縁部材、７１ａ 主プレート部、７１ｂ 集電端子部、７１ｃ 接合部、７１ｐ 傾斜面、１１７Ｂ 最外周部分、ａ３ 巻回軸、Ｗ 溶融領域。

Claims (1)

1. 正極と負極とがセパレータを介在させた状態で、巻回軸の周りに巻回され、前記巻回軸が延びる方向に沿った端部に電極露出部を有する巻回電極体と、前記電極露出部に接合される内部集電端子とが、電池ケースの内部に収容された、二次電池の製造方法であって、
   前記内部集電端子は、前記電極露出部を前記巻回軸方向に対して交差する方向から挟み込む一対の接合部を含み、
   前記接合部は、前記巻回軸から離れるに従って外側に拡がる傾斜面を有し、
   前記傾斜面に沿って前記電極露出部を拡げることにより、前記電極露出部を階段状の形態にする工程と、
   階段状の形態になった前記電極露出部と前記傾斜面とをレーザーを用いて溶接接合する工程と、
   を備える、二次電池の製造方法。