JP2018056086A - 二次電池及び二次電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では小型化、高密度化した二次電池を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の二次電池は、捲回群と、前記捲回群を収納し、当該捲回群の捲回軸と対向する一対の面を少なくとも有する電池容器と、前記捲回群と接続される集電板と、を備え前記集電板は、前記捲回群との接続部が前記面と対向するように折り曲げられていることを特徴とする。【選択図】 図４

Description

本発明は、二次電池及び二次電池の製造方法に関する。

近年、リチウムイオン二次電池などの二次電池は電気自動車、ハイブリッド電気自動車、あるいは電気機器の電源として利用されている。
特に車載用のリチウムイオン二次電池では高密度化のため、小型化が要求されている。特許文献１には一般的な角形二次電池が開示されている。

特開２０１５−１０３２７７号公報

特許文献１に記載の角形二次電池では、電池容器の幅は集電板の位置及び捲回群の幅によって最小寸法が規定されてしまう。そのため、さらなる小型化、高密度化をしようとした場合には、集電板の位置及び捲回群の幅にたいして工夫する必要がある。

そこで上記の課題を解決するために本発明の二次電池は、捲回群と、前記捲回群を収納し、当該捲回群の捲回軸と対向する一対の面を少なくとも有する電池容器と、前記捲回群と接続される集電板と、を備え前記集電板は、前記捲回群との接続部が前記面と対向するように折り曲げられていることを特徴とする。
二次電池をこのような構造にすることによって、物理的に捲回群の幅を狭めることが出来るので、電池容器も小型化でき、電池全体の小型化、高密度化に繋がる。

本発明に記載の二次電池を用いることによって、小型化、高密度化した二次電池を提供することが可能となる。

角形二次電池の外観斜視図 角形二次電池の分解斜視図 捲回電極群の分解斜視図 角形二次電池の断面図 角形二次電池の集電板折り曲げ前の断面図 円筒形二次電池の断面図 図６に記載の円筒形二次電池のＡ部の拡大図 円筒形二次電池の集電リング折り曲げ前の断面図

以下、実施例について図面を用いて説明する。

《実施例１》
図１は、角形二次電池の外観斜視図である。
角形二次電池Ｃ１は、電池缶１および蓋（電池蓋）６を備える。電池缶１は、相対的に面積の大きい一対の対向する幅広面と相対的に面積の小さい一対の対向する幅狭面とを有する側面と底面を有し、その上方に開口部１aを有する。

電池缶１内には、捲回群３が収納され、電池缶１の開口部１ａが電池蓋６によって封止されている。電池蓋６は略矩形平板状であって、電池缶１の上方開口部１aを塞ぐように溶接されて電池缶１が封止されている。電池蓋６には、正極外部端子８Ａと、負極外部端子８Ｂが設けられている。正極外部端子８Ａと負極外部端子８Ｂを介して捲回群３に充電され、また外部負荷に電力が供給される。電池蓋６には、ガス排出弁１０が一体的に設けられ、電池容器内の圧力が上昇すると、ガス排出弁１０が開いて内部からガスが排出され、電池容器内の圧力が低減される。これによって、角形二次電池Ｃ１の安全性が確保される。

図２は、角形二次電池の分解斜視図である。
角形二次電池Ｃ１の電池缶１は、矩形の底面２２と、底面２２から立ち上がる角筒状の側面２１と、側面２１の上端で上方に向かって開放された開口部１ａとを有している。電池缶１内には、絶縁保護フィルム２を介して捲回群３が収容されている。

捲回群３は、扁平形状に捲回されているため、断面半円形状の互いに対向する一対の湾曲部と、これら一対の湾曲部の間に連続して形成される平面部とを有している。捲回群３は、捲回軸方向が電池缶１の横幅方向に沿うように、一方の湾曲部側から電池缶１内に挿入され、他方の湾曲部側が上部開口側に配置される。

捲回群３の正極電極箔露出部３１ｃは、正極集電板（集電端子）４Ａを介して電池蓋６に設けられた正極外部端子８Ａと電気的に接続されている。また、捲回群３の負極電極箔露出部３２ｃは、負極集電板（集電端子）４Ｂを介して電池蓋６に設けられた負極外部端子８Ｂと電気的に接続されている。これにより、正極集電板４Ａおよび負極集電板４Ｂを介して捲回群３から外部負荷へ電力が供給され、正極集電板４Ａおよび負極集電板４Ｂを介して捲回群３へ外部発電電力が供給され充電される。

正極集電板４Ａと負極集電板４Ｂ、及び、正極外部端子８Ａと負極外部端子８Ｂを、それぞれ電池蓋６から電気的に絶縁するために、ガスケット５および絶縁板７が電池蓋６に設けられている。また、注液口９から電池缶１内に電解液を注入した後、電池蓋６に注液栓１１をレーザ溶接により接合して注液口９を封止し、角形二次電池Ｃ１を密閉する。

ここで、正極外部端子８Ａおよび正極集電板４Ａの形成素材としては、例えばアルミニウム合金が挙げられ、負極外部端子８Ｂおよび負極集電板４Ｂの形成素材としては、例えば銅合金が挙げられる。また、絶縁板７およびガスケット５の形成素材としては、例えばポリブチレンテレフタレートやポリフェニレンサルファイド、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂等の絶縁性を有する樹脂材が挙げられる。

また、電池蓋６には、電池容器内に電解液を注入するための注液孔９が穿設されており、この注液孔９は、電解液を電池容器内に注入した後に注液栓１１によって封止される。ここで、電池容器内に注入される電解液としては、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（ＬｉＰＦ_６）等のリチウム塩が溶解された非水電解液を適用することができる。

正極外部端子８Ａ、負極外部端子８Ｂは、バスバー等に溶接接合される溶接接合部を有している。溶接接合部は、電池蓋６から上方に突出する直方体のブロック形状を有しており、下面が電池蓋６の表面に対向し、上面が所定高さ位置で電池蓋６と平行になる構成を有している。

正極接続部１２Ａ、負極接続部１２Ｂは、正極外部端子８Ａ、負極外部端子８Ｂの下面からそれぞれ突出して先端が電池蓋６の正極側貫通孔６Ａ、負極側貫通孔６Ｂに挿入可能な円柱形状を有している。正極接続部１２Ａ、負極接続部１２Ｂは、電池蓋６を貫通して正極集電板４Ａ、負極集電板４Ｂの正極集電板基部４１Ａ、負極集電板基部４１Ｂよりも電池缶１の内部側に突出しており、先端がかしめられて、正極外部端子８Ａ、負極外部端子８Ｂと、正極集電板４Ａ、負極集電板４Ｂを電池蓋６に一体に固定している。正極外部端子８Ａ、負極外部端子８Ｂと電池蓋６との間には、ガスケット５が介在されており、正極集電板４Ａ、負極集電板４Ｂと電池蓋６との間には、絶縁板７が介在されている。

正極集電板４Ａ、負極集電板４Ｂは、電池蓋６の下面に対向して配置される矩形板状の正極集電板基部４１Ａ、負極集電板基部４１Ｂと、正極集電板基部４１Ａ、負極集電板基部４１Ｂの側端で折曲されて、電池缶１の幅広面に沿って底面側に向かって延出し、捲回群３の正極箔接続部３１ｄ、負極箔接続部３２ｄに対向して重ね合わされた状態で接続される正極側接続端部４２Ａ、負極側接続端部４２Ｂを有している。正極集電板基部４１Ａ、負極集電板基部４１Ｂには、正極接続部１２Ａ、負極接続部１２Ｂが挿通される正極側開口穴４３Ａ、負極側開口穴４３Ｂがそれぞれ形成されている。

捲回群３の扁平面に沿う方向でかつ捲回群３の捲回軸方向に直交する方向を中心軸方向として前記捲回群３の周囲には絶縁保護フィルム２が巻き付けられている。絶縁保護フィルム２は、例えばＰＰ（ポリプロピレン）などの合成樹脂製の一枚のシートまたは複数のフィルム部材からなり、捲回群３の扁平面と平行な方向でかつ捲回軸方向に直交する方向を巻き付け中心として巻き付けることができる長さを有している。

図３は、捲回電極群の一部を展開した状態を示す分解斜視図である。
捲回群３は、負極電極３２と正極電極３１を間にセパレータ３３を介して扁平状に捲回することによって構成されている。捲回群３は、最外周の電極が負極電極３２であり、さらにその外側にセパレータ３３が捲回される。セパレータ３３は、正極電極３１と負極電極３２との間を絶縁する役割を有している。

負極電極３２の負極合剤３２ｂが塗布された部分は、正極電極３１の正極合剤３１ｂが塗布された部分よりも幅方向に大きく、これにより正極合剤３１ｂが塗布された部分は、必ず負極合剤３２ｂが塗布された部分に挟まれるように構成されている。正極箔露出部３１ｃ、負極箔露出部３２ｃは、平面部分で束ねられて溶接等により接続される。尚、セパレータ３３は、幅方向で負極合剤３２ｂが塗布された部分よりも広いが、正極箔露出部３１ｃ、負極箔露出部３２ｃで端部の金属箔面が露出する位置に捲回されるため、束ねて溶接する場合の支障にはならない。

正極電極３１は、正極集電体である正極電極箔の両面に正極活物質合剤を有し、正極電極箔の幅方向一方側の端部には、正極活物質合剤を塗布しない正極箔露出部３１ｃが設けられている。

負極電極３２は、負極集電体である負極電極箔の両面に負極活物質合剤を有し、正極電極箔の幅方向他方側の端部には、負極活物質合剤を塗布しない負極箔露出部３２ｃが設けられている。正極箔露出部３１ｃと負極箔露出部３２ｃは、電極箔の金属面が露出した領域であり、捲回軸方向の一方側と他方側の位置に配置されるように捲回される。

負極電極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した。この負極合剤を厚さ１０μｍの銅箔（負極電極箔）の両面に溶接部（負極未塗工部）を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断工程を経て、銅箔を含まない負極活物質塗布部厚さ７０μｍの負極電極３２を得た。

尚、本実施形態では、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）、またはそれ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。

正極電極３１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した。この正極合剤を厚さ２０μｍのアルミニウム箔（正極電極箔）の両面に溶接部（正極未塗工部）を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断工程を経て、アルミニウム箔を含まない正極活物質塗布部厚さ９０μｍの正極電極３１を得た。

また、本実施形態では、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、本実施形態では、正極電極、負極電極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

また、軸芯としては例えば、正極箔３１a、負極箔３２a、セパレータ３３のいずれよりも曲げ剛性の高い樹脂シートを捲回して構成したものを用いることができる。

続いて本発明の特徴点について説明する。図４は、角形二次電池Ｃ１を図１のＡ―Ａ線で切断した断面図である。本発明では負極箔３２ａと溶接された集電板に折り曲げ面が設けられている。この折り曲げ面１００は電池缶１の幅狭面１０１、つまり、捲回群３の捲回軸と対向する面と対向するように折り曲げられている。従来は溶接幅分の幅が必要だった負極集電板４Ｂの幅の一部を捲回群３の厚み方向にあるデッドスペース側に折り曲げることによって、捲回群３の厚み方向には大型化することなく、捲回群３の軸方向に短くすることが出来る。従って、二次電池全体として小型化することが出来る。

なお、折り曲げ面１００は電池缶側面１０１に対向するように折り曲げればよいので、負極接続部の折り曲げ部１０２が山となっても谷になってもよい。この折り曲げ面１００は溶接用の加工ヘッドと捲回群との干渉を考慮すると溶接後に形成する方がより好ましい。

図５は図４の集電板の折り曲げ前の断面図である。集電板４２Ｂの折り曲げ部に切欠き部１０３を設けることで、集電板４２Ｂを折り曲げることが容易となる。切欠き部１０３は折り曲げ部の一部に形成することで効果を発現するが、負極集電板４Ｂの幅方向に複数本設けられている方が効果的である。

本実施例では負極集電板を折り曲げることについて説明したが、正極集電板も折り曲げることで負極集電板と同様に電極の高密度化効果が得られる。

《実施例２》
続いて第二の実施例について説明する。本実施例が第一の実施例と異なる点は、円筒形二次電池に本発明を適用した点である。

図６は、円筒形二次電池の一部を拡大した図である。円筒形二次電池Ｃ２は、軸芯１５に電極を捲きつけた捲回群３を電池缶１に収納した構成となっている。この捲回群３からは負極タブ１７が突出しており、この負極タブ１７が負極集電リング２１０に接続されている。

この負極集電リング２１０は軸芯１５の下端部に配置される。また、この軸芯１５には、外周には、外径が径小とされた段部１５ｂが形成され、この段部１５ｂに負極集電リング２１０が圧入されて固定されている。負極集電リング２１０は、例えば、銅系金属により形成され、円盤状の基部２１０ａに軸芯１５の段部１５ｂに圧入される開口部２１０ｂが形成され、外周縁に、電池缶１の底部側に向かって突き出す外周筒部２１０ｃが形成されている。負極集電リング２１０の基部２１０ａには、軸芯１５の中空軸に注液された非水電解液５を捲回群３に浸透させるための開口部２１０ｄが形成されている。

電池缶１は、底部１Ｃを有し、前述した軸芯１５の底面を受ける形となっている。

図７は図６Ａ部の拡大図である。この部分が本発明の特徴となる。負極集電リング２１０は外周方向に折り曲げ部２００を有している。この時、この折り曲げ部２００は、折り曲げ面２０１が電池缶の底面１Ｃと対向するように折り曲げられている。従来は溶接幅分の幅が必要だった負極集電リング２１０の軸方向の長さを、捲回群３の外周方向にあるデッドスペース側に折り曲げることによって、捲回群３の外周方向には大型化することなく、かつ負極集電リング２１０の軸方向のスペースを小型にすることができ、捲回群３の軸方向の体積を小さくすることが出来る。従って、二次電池全体として小型化することが出来る。

図８は集電板の折り曲げ前の円筒形二次電池の集電部断面拡大図である。負極集電リング２１の折り曲げ部に切欠き部２０３を設けることで、折り曲げることを容易にしている。なお、第一の実施例同様、切欠き部２０３は折り曲げ部の一部に形成することで効果を発現するが、負極集電リング２１の幅方向に複数本設けられている方が効果的である。

以上、本発明について簡単にまとめる。本発明に記載の二次電池は、捲回群３と、捲回群３を収納し、捲回群３の捲回軸と対向する一対の面（１０１、１ｃ）を少なくとも有する電池容器１と、捲回群３と接続される集電板（４Ａ、４Ｂ、２１）と、を備え、集電板（４Ａ、４Ｂ、２１）は、捲回群３との接続部が面（１０１、１ｃ）をと対向するように折り曲げられている。このような構造にすることによって、第一の実施例であれば、溶接幅分の幅が必要だった負極集電板４Ｂの幅の一部を捲回群３の厚み方向にあるデッドスペース側に折り曲げることによって、捲回群３の厚み方向には大型化することなく、捲回群３の軸方向に短くすることが出来る。従って、二次電池全体として小型化することが出来る。また、第二の実施例であれば、溶接幅分の幅が必要だった負極集電リング２１０の軸方向の長さを、捲回群３の外周方向にあるデッドスペース側に折り曲げることによって、捲回群３の外周方向には大型化することなく、かつ負極集電リング２１０の軸方向のスペースを小型にすることができ、捲回群３の軸方向の体積を小さくすることが出来る。

また、本発明に記載の二次電池では、接続部は、面と平行になるように折り曲げられる。このような構造にすることによって、最もスペースを小さくした構造とすることができる。

また、本発明に記載の二次電池では、集電板（４Ａ、４Ｂ、２１）は切り欠き部（１０３、２０３）を有し、集電板（４Ａ、４Ｂ、２１）の折り曲部に切り欠き部が配置されることを特徴とする。このような構造にすることによって、折り曲げ工程をしやすくなる。
また、本発明の二次電池は捲回群３と、捲回群３を収納し、当該捲回群の捲回軸と対向
する一対の面を少なくとも有する電池容器１と、捲回群３と接続される集電板（４Ａ、４Ｂ、２１）と、を備え、集電板（４Ａ、４Ｂ、２１）は、捲回群３と接続された後に面（１０１、１ｃ）と対向するように折り曲げられて製造される。

Ｃ１ 角形二次電池
１ 電池缶
１a 開口部
２ 絶縁保護フィルム
３ 捲回群
４Ａ 正極集電板
４Ｂ 負極集電板
５ ガスケット
６ 電池蓋
６Ａ 正極側貫通孔
６Ｂ 負極側貫通孔
７ 絶縁板
８Ａ 正極外部端子
８Ｂ 負極外部端子
９ 注液口
１０ ガス排出弁
１１ 注液栓
１２Ａ 正極接続部
１２Ｂ 負極接続部
２１ 側面
２２ 底面

Claims (4)

1. 捲回群と、
   前記捲回群を収納し、当該捲回群の捲回軸と対向する一対の面を少なくとも有する電池容器と、
   前記捲回群と接続される集電板と、を備えた二次電池において、
   前記集電板は、前記捲回群との接続部が前記面と対向するように折り曲げられていることを特徴とする二次電池。
2. 請求項１に記載の二次電池において、
   前記接続部は、前記面と平行になるように折り曲げられることを特徴とする二次電池。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の二次電池において、
   前記集電板は切り欠き部を有し、
   前記集電板の折り曲部に切り欠き部が配置されることを特徴とする二次電池。
4. 捲回群と、
   前記捲回群を収納し、当該捲回群の捲回軸と対向する一対の面を少なくとも有する電池容器と、
   前記捲回群と接続される集電板と、を備えた二次電池の製造方法において、
   前記集電板は、前記捲回群と接続された後に前記面と対向するように折り曲げられることを特徴とする二次電池の製造方法。
   

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