JP2018056091A - 円筒形二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】安価な鉄系材料で構成された部品を使用した円筒形二次電池の提供。【解決手段】円筒形二次電池１において、芯材１５が銅系材料である電極を捲回した捲回群と、捲回群の捲回軸と対向した配置され、芯材１５と接続される集電板２１と、捲回群を収容し、集電板２１と接続される電池容器２と、を有する円筒形二次電池１において、集電板２１が鉄系材料で形成し、芯材１５と集電板２１とは溶接ではなく固相−固相接合を行い、鉄系材料で形成された電池容器２と集電板２１とはプロジェクション抵抗溶接により行う円筒形二次電池。【選択図】図１

Description

本発明は、円筒形二次電池に関する。

近年、二次電池の需要はますます増加している。その中でもコスト低減は一つの課題である。たとえば円筒形二次電池は、電極を積層させた発電要素と、発電要素を収納する電池缶、電池缶の開口部を塞ぐ蓋からなる。この円筒形二次電池にかかる費用を低減しようとすると、電池缶に使用される材料のコストを低減する必要がある。その一つの案として電池缶にステンレス鋼を使用するという考えがある。しかし、特性上、鉄と銅は相性が悪く、溶融時、鉄が３%以上になると固溶体にならず、偏析が起こり合金とはならない為に溶融溶接ができない。その為、従来の円筒形二次電池では、鉄と銅を溶接により接合する場合はどちらの材質とも固溶性が良い材質、例えばニッケル、ニッケル合金で構成された接続部材を用意して双方に溶接を行うことになる。

上記課題を解決するために、特許文献１に記載の円筒形二次電池においては、電極群の負極芯材に電気的接続された負極リードが電池容器内側面に直接溶接されている。負極リードは銅で構成されており、鉄との溶接は困難であるが、電池容器に銅を含有するステンレス鋼を用いることにより、直接負極リードの溶接が可能になることが開示されている。

特許第５５１２０５７号

しかしながら、特許文献１に開示された円筒形二次電池においては、電池容器に鉄系材料を用いることが可能となるが、電池容器に使用可能な材料が特許文献１に記載の高価なステンレス鋼に限定されることにより、部品コストの低減効果が十分に得られないという課題がある。

そこで本発明にかかる円筒形二次電池は、芯材が銅系材料である電極を捲回した発電要素と、前記発電要素の捲回軸と対向した配置され、前記芯材と接続される集電板と、前記捲回群を収容し、前記集電板と接続される電池容器と、を有する円筒形二次電池において、前記集電板は鉄系材料で形成し、前記芯材と前記集電板を溶融接合（溶接）ではなく固相−固相接合を行い、鉄系材料で形成された前記電池容器と溶融接合を行う。

本発明によれば、高価な鉄系材料の使用量を最小限にすることができ、電池缶に使用される材料を安価な鉄系材料で構成することができる。そのため、円筒形二次電池全体として安価にした円筒形二次電池を提供することが可能になる。

図１は、円筒形二次電池の断面図である。 図２は、円筒形二次電池の分解斜視図である。 図３は、発電要素の分解断面斜視図である。 図４は、図１のＡ部の拡大図である。

以下、本発明の実施の形態について、図１から図３を用いて説明する。図１は、円筒形二次電池の一実施の形態を示す拡大断面図であり、円筒形二次電池１は、底部を有し、上部が開口された円筒形の電池缶２および電池缶２の上部を封口するハット型の電池蓋３で構成される電池容器４を有する。電池容器４の内部には、以下に説明する発電用の各構成部材が収容され、非水電解液５が注入されている。

円筒形の電池缶２には、上端側に設けられた開口部２ｂ側に電池缶２の内側に突き出した溝２ａが形成されている。

電池缶２の内部には、発電要素１０が配置されている。発電要素１０は、軸方向に沿う中空部を有する細長い円筒形の軸芯１５と、軸芯１５の周囲に捲回された正極電極および負極電極とを備える。円筒形状の軸芯１５の中空部は、軸方向（図面の上下方向）で軸方向に垂直な面の断面形状が異なる。中空部の上方での断面形状は平行部と曲線部で形成されるトラック形状をしている。中空部の下方での断面形状は上方の平行部の幅よりも小さい径の円形である。この上方の中空部１５ａに円筒状の正極集電リング２７が圧入されている。正極集電リング板２７は、円盤状の基部２７ａと、この基部２７ａの内周部において軸芯１５側に向かって突出し、軸芯１５の内面に圧入される下部筒部２７ｂと、外周縁において電池蓋３側に突き出す上部筒部２７ｃとを有する。正極集電リング２７はこの下部筒部２７ｂにより軸芯１５の上端部に固定、支持されている。

正極電極の正極タブ１６は、正極集電リング２７の上部筒部２７ｃに溶接されている。正極集電リング２７は例えばアルミニウム系金属により形成され、上部筒部２７ｃの外周には、正極電極の正極タブ１６および押え部材２８が溶接されている。多数の正極タブ１６は、正極集電リング２７の上部筒部２７ｃの外周に密着させておき、正極タブ１６の外周に押え部材２８をリング状に巻き付けて仮固定し、この状態で超音波溶接により接合される。

軸芯１５の下端部の外周には、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２１が圧入されて固定されている。負極集電リング２１の材質については後に詳細に説明する。また、この負極集電リング２１は、円盤状の基部２１ａに軸芯１５の段部１５ｂに圧入される開口部２１ｂが形成され、外周縁に、電池缶２の底部側に向かって突き出す外周筒部２１ｃが形成されている。負極集電リング２１の基部２１ａには、軸芯１５の中空軸に注液された非水電解液５を発電要素１０に浸透させるための開口部２１ｄ（図２参照）が形成されている。

負極電極の負極タブ１７は、負極集電リング２１の外周筒部２１ｃに接合される。負極集電リング２１の外周筒部２１ｃの外周には、負極電極の負極タブ１７および押え部材２２が溶接されている。多数の負極タブ１７を、負極集電板２１の外周筒部２１ｃの外周に密着させておき、負極タブ１７の外周に押え部材２２をリング状に巻き付けて仮固定し、この状態で溶接される。

多数の正極タブ１６は、正極集電リング２７に溶接され、多数の負極タブ１７が負極集電リング２１に溶接されることにより、正極集電リング２７、負極集電リング２１および発電要素１０が一体的にユニット化された発電ユニット２０が構成される。電池缶２の内部には、非水電解液５が所定量注入されている。非水電解液５の一例として、リチウム塩がカーボネート系溶媒に溶解した溶液が上げられる。

図２は円筒形二次電池の分解斜視図である。
円筒形状の軸芯１５の中空部の上方には、円筒状の正極集電リング２７が圧入されている。正極集電リング２７は、例えば、アルミニウム系金属により形成されている。正極集電リング２７の基部２７ａには、電池内部で発生するガスを放出するための開口部２７ｄが形成されている。正極集電リング２７に形成された開口部２７ｅは、負極集電リング２１を電池缶２に溶接するための電極棒（図示せず）を挿通するためのものである。電極棒を正極集電リング２７に形成された開口部２７ｅから軸芯１５の中空部に差し込み、その先端部で負極集電リング２１を電池缶２の底部２ｃの内面に押し付けて抵抗溶接を行う。これにより発電ユニット２０は電池缶２の底部２ｃに固定される。また、負極集電リング２１に接続されている電池缶２の底面は一方の出力端子として作用し、発電要素１０に蓄電された電力を電池缶２から取り出すことができる。正極集電リング２７の基部２７ａの上面には、複数のアルミニウム箔が積層されて構成されたフレキシブルな接続部材３３が、その一端部を溶接されて接合されている。

正極集電リング２７の上部筒部２７ｃ上には、電池蓋ユニット３０が配置されている。電池蓋ユニット３０は、リング形状をした絶縁板３４、絶縁板３４に設けられた開口部３４ａに嵌入された接続板３５、接続板３５に溶接されたダイアフラム３７およびダイアフラム３７に、かしめと溶接により固定された電池蓋３により構成される。

絶縁板３４は、円形の開口部３４ａを有する絶縁性樹脂材料からなるリング形状を有し、正極集電リング２７の上部筒部２７ｃ上に載置されている。

絶縁板３４は、開口部３４ａおよび下方に突出する側部３４ｂを有している。絶縁板３４の開口部３４ａ内には接続板３５が嵌合されている。接続板３５の下面には、接続部材３３の他端部が溶接されて接合されている。

接続板３５は、アルミニウム系金属で形成され、中央部を除くほぼ全体が均一でかつ、中央側が少々低い位置に撓んだ、ほぼ皿形状を有している。接続板３５の中心には、薄肉でドーム形状に形成された突起部３５ａが形成されており、突起部３５ａの周囲には、複数の開口部３５ｂが形成されている。開口部３５ｂは、電池内部に発生するガスを放出する機能を有している。接続板３５の突起部３５ａはダイアフラム３７の中央部の底面に抵抗溶接または摩擦攪拌接合により接合されている。ダイアフラム３７はアルミニウム系金属で形成され、ダイアフラム３７の中心部を中心とする円形の切込み３７ａを有する。切込み３７ａはプレスにより上面側をＶ字形状に押し潰して、残部を薄肉にしたものである。ダイアフラム３７は、電池の安全性確保のために設けられており、電池の内圧が上昇すると、切込み３７ａにおいて開裂し、内部のガスを放出する機能を有する。

ダイアフラム３７は周縁部において電池蓋３の周縁部を固定している。ダイアフラム３７は図２に図示されるように、当初、周縁部に電池蓋３側に向かって垂直に起立する側壁３７ｂを有している。この側壁３７ｂ内に電池蓋３を収容し、かしめ加工により、側壁３７ｂを電池蓋３の上面側に屈曲して固定する。

電池蓋３は、炭素鋼等の鉄で形成され、表裏両面にニッケルめっきが施されており、ダイアフラム３７に接触する円盤状の周縁部３ａと、この周縁部３ａから上方に突出す筒部３ｂを有するハット型を有する。筒部３ｂには開口部３ｃが形成されている。この開口部３ｃは、電池内部に発生するガス圧によりダイアフラム３７が開裂した際、ガスを電池外部に放出するためのものである。電池蓋３は一方の電力出力端として作用し、電池蓋３から蓄電された電力を取り出すことができる。

ダイアフラム３７と電池蓋３とのかしめ部を覆う絶縁部材からなるガスケット４３が設けられている。ガスケット４３は、ゴムで形成されており、限定する意図ではないが、１つの好ましい材料の例として、フッ素系樹脂をあげることができる。

ガスケット４３は、リング状の基部４３ａの周側縁に、上部方向に向けてほぼ垂直に起立して形成された外周壁部４３ｂを有する形状を有している。

そして、プレス等により、電池缶２と共にガスケット４３の外周壁部４３ｂを屈曲して基部４３ａと外周壁部４３ｂにより、ダイアフラム３７と電池蓋３を軸方向に圧接するようにかしめ加工される。これにより、電池蓋３、ダイアフラム３７、絶縁板３４および接続板３５が一体に形成された電池蓋ユニット３０がガスケット４３を介して電池缶２に固定されると共に、絶縁板３４が発電ユニット２０の正極集電リング２７に当接し、発電ユニット２０を電池缶２の缶底側に押しつけている。

図３は、発電要素１０の構造の詳細を示すための分解断面斜視図である。
発電要素１０は、軸芯１５の周囲に、正極電極１１、負極電極１２、および第１、第２のセパレータ１３、１４が捲回された構造を有する。

軸芯１５は、例えば、ＰＰ（ポリプロピレン）のような絶縁材により形成され、中空円筒形状を有する。軸芯１５には、第１のセパレータ１３、負極電極１２、第２のセパレータ１４および正極電極１１が、順に積層され、捲回されている。最内周の負極電極１２の内側には第１のセパレータ１３および第２のセパレータ１４が数周（図３では、１周）捲回されている。第１のセパレータ１３および第２のセパレータ１４は、絶縁性の多孔質体で形成されている。

最内周（軸芯側）では、負極電極１２の捲き始めが正極電極１１の捲き始めよりも周方向に延出している。また、最外周（電池缶側）では負極電極１２が正極電極１１よりも外周側に捲回されており、負極電極１２の捲き終わりが正極電極１１の捲き終わりよりも周方向に延出されている。最外周の負極電極１２の外周に第２のセパレータ１４が捲回されている。最外周の第２のセパレータ１４終端が接着テープ１９で止められる。尚、最外周で第１のセパレータ１３および第２のセパレータ１４が数回、捲回された後、接着テープ１９で止められることもある。

正極電極１１は、アルミニウム箔により形成され長尺な形状を有し、正極金属箔１１ａと、この正極金属箔１１ａの両面に正極合剤が塗布された正極合剤層１１ｂを有する。正極金属箔１１ａの長手方向に延在する上方側の側縁は、正極合剤が塗布されず正極金属箔１１ａが露出した正極箔露出部１１ｃとなっている。この正極箔露出部１１ｃには、軸芯１５の軸に沿って上方に突き出す多数の正極タブ１６が等間隔に一体的に形成されている。

正極合剤は正極活物質と、正極導電材と、正極バインダとからなる。正極活物質として、コバルト、マンガン、ニッケル等のリチウム酸化物が挙げられる。正極バインダとして、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）やフッ素ゴムなどが挙げられる。

正極合剤を正極金属箔１１ａに塗布する方法の例として、ロール塗工法、スリットダイ塗工法、等が挙げられる。正極合剤に分散溶液を混練したスラリを、厚さ２０μｍのアルミニウム箔の両面に均一に塗布し、乾燥させた後、プレスし、裁断する。正極合剤の塗布厚さの一例としては片側約４０μｍである。正極金属箔１１ａを裁断する際、正極タブ１６を一体的に形成する。すべての正極タブ１６の長さは、ほぼ同じである。

負極電極１２は、銅箔により形成され長尺な形状を有する負極金属箔１２ａと、この負極金属箔１２ａの両面に負極合剤が塗布された負極合剤層１２ｂとを有する。負極金属箔１２ａの長手方向に延在する下方側の側縁は、負極合剤が塗布されず銅箔が露出した負極箔露出部１２ｃとなっている。この負極箔露出部１２ｃには、軸芯１５の軸に沿って正極タブ１６とは反対方向に延出された、多数の負極タブ１７が等間隔に一体的に形成されている。

負極合剤は、負極活物質と、負極バインダと、増粘剤とからなる。負極活物質としては、黒鉛炭素が挙げられる。

負極合剤を負極金属箔１２ａに塗布する方法の例として、ロール塗工法、スリットダイ塗工法等が挙げられる。

負極合剤に分散溶媒を混練したスラリを、厚さ１０μｍの圧延銅箔の両面に均一に塗布し、乾燥させた後、裁断する。負極合剤の塗布厚さの一例としては片側約４０μｍである。負極金属箔１２ａをプレスにより裁断する際、負極タブ１７を一体的に形成する。すべての負極タブ１７の長さは、ほぼ同じである。

第１、第２のセパレータ１３、１４の幅は、負極電極１２の負極合剤層１２ｂの幅よりも大きい。負極電極１２の負極合剤層１２ｂの幅は、正極電極１１の正極合剤層１１ｂの幅よりも大きい。負極合剤層１２ｂの幅および長さを正極合剤層１１ｂの幅および長さよりも大きくして、正極合剤層１１ｂの全領域を負極合剤層１２ｂで覆う構造とされている。リチウムイオン二次電池の場合、正極活物質であるリチウムがイオン化してセパレータを浸透し、負極活物質に吸蔵される。この場合、負極側に負極活物質が形成されておらず負極金属箔１２ａが表出していると負極金属箔１２ａにリチウムが析出し、内部短絡を発生する原因となる。上記の如く、正極合剤層１１ｂの全領域を負極合剤層１２ｂで覆うことにより、このようなリチウム析出に伴う内部短絡を防止することができる。

第１のセパレータ１３および第２のセパレータ１４は、それぞれ、例えば、厚さ４０μｍのポリエチレン製多孔膜で形成されている。

続いて本発明の特徴部分について説明する。図４は図１のＡ部を拡大したものである。上述したように軸芯１５は負極集電リング２１に接続されている。従来の円筒形二次電池と異なる点として、負極集電リング２１にニッケルをメッキした銅材を使用するのではなく、鉄系材料を用いた点が挙げられる。このような構造にすることによって、大きな電池缶１全体を銅と溶接可能な高価なステンレス材料とせず、電池缶よりもはるかに小さな負極集電リング２１を銅と溶接可能な鉄系材料としたため、円筒形二次電池１を安価に提供出来る。

なお、上述したように銅と接続可能な鉄系材料とは、溶融時、鉄が３%以上になると固溶体にならず、偏析が起こり合金とはならない為に溶融溶接ができないという問題がある。そのため、本発明では、負極集電箔１２ａと鉄系の負極集電リング２１は超音波接合することにより、安価な鉄系材料を用いても銅からなる負極集電箔１２ａとを固相‐固相接合し、電気的接続を取ることを可能とした。

また、鉄系材料の電池容器２と鉄系材料の負極集電板２１とを互いにプロジェクション溶接することによって電池缶との電気的導通を取っている。プロジェクション溶接することによって、溶接信頼性を上げることが出来る。

なお、本発明では銅材からなる負極金属箔１２ａと鉄系材料からなる負極集電リング２１との接合方法は超音波溶接に限られず、固相―固相接合する方法であればかしめ等であっても良い。ただし、超音波溶接を用いた方が接続信頼性は高くなる。

以上、簡単に本発明についてまとめる。本発明の円筒形二次電池は、芯材１２ａが銅系材料である電極を捲回した発電要素１０と、発電要素１０の捲回軸と対向した配置され、芯材と接続される集電板２１と、発電要素１０を収容し、集電板２１と接続される電池缶と、を有、集電板２１は鉄系材料で形成され、芯材１２ａと集電板２１とは互いに固相―固相接合される。このような構造にすることによって、集電板２１に高価なニッケルめっきを施した銅材を使用することがなくなり、電池缶２にも高価なステンレス材を用いなくてもよくなるため、円筒形二次電池１が安価になる。

１ 円筒形二次電池
２ 電池缶
２ａ 溝
２ｂ 開口部
２ｃ 接合部
３ 電池蓋
３ａ 周縁部
３ｂ 筒部
３ｃ 開口部
４ 電池容器
５ 非水電解液
１０ 発電要素
１１ 正極電極
１１ａ 正極金属箔
１１ｂ 正極合剤層
１１ｃ 正極箔露出部
１２ 負極電極
１２ａ 負極金属箔
１２ｂ 負極合剤層
１２ｃ 負極箔露出部
１３ 第１のセパレータ
１４ 第２のセパレータ
１５ 軸芯
１５ａ 上方の中空部
１５ｂ 段部
１６ 正極タブ
１７ 負極タブ
１９ 接着テープ
２０ 発電ユニット
２１ 負極集電板
２１ａ 基部
２１ｂ 開口部
２１ｃ 外周筒部
２１ｄ 開口部
２２ 押え部材
２７ 正極集電板
２７ａ 基部
２７ｂ 下部筒部
２７ｃ 上部筒部
２７ｄ 開口部
２７ｅ 開口部
２８ 押え部材
３０ 電池蓋ユニット
３３ 接続部材
３４ 絶縁板
３４ａ 開口部
３４ｂ 側部
３５ 接続板
３５ａ 突起部
３５ｂ 開口部
３７ ダイアフラム
３７ａ 切込み
３７ｂ 側壁
４３ ガスケット
４３ａ 基部
４３ｂ 外周壁部

Claims (3)

1. 芯材が銅系材料である電極を捲回した発電要素と、前記発電要素の捲回軸と対向した配置され、前記芯材と接続される集電板と、前記発電要素を収容し、前記集電板と接続される電池缶と、を有する円筒形二次電池において、前記集電板は鉄系材料で形成され、前記芯材と前記集電板は互いに固相―固相接合されることを特徴とする円筒形二次電池。
2. 請求項１に記載の円筒形二次電池おいて、
   前記固相―固相接合は超音波溶接により形成されることを特徴とする円筒形二次電池。
3. 請求項２に記載の円筒形二次電池において、
   前記電池缶と前記集電板とをプロジェクション抵抗溶接により接合されることを特徴とする円筒形二次電池。

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