JP2018056096A - 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、小型化しつつ、合剤層の剥離を抑制した二次電池を提供することを目的とする。【解決手段】二次電池は、電極とセパレータとを捲回した捲回群と、電極と接続される集電板と、を有し、電極は、一端に合剤層から露出した未塗布部を有する電極箔と、未塗布部から突出する突出部とを備え、集電板は捲回群の捲回軸方向に押圧されて前記突出部と圧接されている。【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や品質向上、コストダウンのため、集電板に捲回群の未塗布部を圧接する技術がある。特許文献１には一般的な二次電池が開示されている。

特開２００８−０６６０４８号公報

特許文献１に記載の二次電池では、タブ部が無い形状で集電板に圧接される構造が開示されている。しかし、特許文献１に記載の構造では、集電板に突起を設け未塗布部に圧接することで接続の信頼性を確保する案が示されているが、箔端部に突起部を押し当てると箔が大きく変形し、箔の損傷や合剤層の剥離が発生する恐れがある。

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、電極とセパレータとを捲回した捲回群と、電極と接続される集電板と、を有し、電極は、一端に合剤層から露出した未塗布部を有する電極箔と、未塗布部から突出する突出部とを備え、集電板は捲回群の捲回軸方向に押圧されて前記突出部と圧接されている。
二次電池をこのような構造にすることによって、集電板とタブとを圧接構造として電池容器を小型化しつつ、箔の損傷や合剤層の剥離も抑制することが出来る。

本発明に記載の二次電池を用いることによって、小型化しつつ、合剤層の剥離を抑制した二次電池を提供することが可能となる。

円筒形二次電池の断面図 円筒形二次電池の分解斜視図 発電要素の分解断面斜視図 タブ圧接部の断面図 発電要素の展開図 タブ圧接部の断面図

以下、実施例を図面を用いて説明する。
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る。
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は、例えば、銅系金属により形成され、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に圧接されている。この点は本発明の特徴部分となるので、詳細については後述する。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、接続リード板５０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、その先端部で接続リード板５０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。

以下、本発明の特徴となる部分について説明する。
図４は、図１のＡ部の拡大図である。
平板構造の負極集電板２１は接続リード板５０に接続されており、接続リード板５０は電池缶２に接続されている。発電要素１０から負極箔露出部１２ｃが出ており、その先に負極タブ１７が形成されている。発電要素１０を電池容器の成型時の圧力等で、負極集電板２１に押し付けることで、負極タブ１７は折れ曲がり集電板２１に圧接されている。なお、タブ折れ曲がり時に負極タブ１７が外側に向いて倒れると、タブの根元部変形が大きくなる為、折れ曲がる方向については、捲回軸芯に向けて倒れるよう予め癖付けしておくほうが好ましい。負極タブ１７が集電板２１に圧接される際に負極タブ１７と負極箔露出部１２ｃがあるため、負極箔露出部１２ｃがつっかえ棒の役割を果たす。従って、圧接時の力が直接発電要素１０や負極合材層にかからなくなるため、合剤層の剥離が抑制される。

図５は実施例１の発電要素１０の展開図である。
図５に示す通り、本発明では前記突出部の長さは前記未塗布部の幅以下である。そのため、圧接時に負極タブ１７が折り込まれたとしても、負極合材層１２ｂまで到達しない。従って、負極合剤層を傷付けるようなことは無い。
また、図５に示す通り、負極タブ１７の根本部はセパレータよりも突出した構造となっている。そのため、圧接時に負極タブ１７の根本部を起点に折れ曲がりやすくなる。従って、負極合剤層未塗布部をよりつっかえ部としての役割を果たしやすくなる。なお、この構造単体であってもタブ根元部を起点としたセパレータの損傷を防ぐことが出来る、正極１１と負極１２を電気的に絶縁するセパレータ１３、１４の幅を負極合材層１２ｂの幅に近づけることが出来、セパレータの使用量の低減を図る効果がある。

なお、本実施形態ではタブ部は未塗布部と連続して設けられる構造となっているが、タブ部だけ別部材で構成されていても良い。
また、本実施形態では負極側で圧接構造を説明したが、正極側に適用してよい。

続いて本発明の実施形態１の二次電池作製の手順を説明する。発電要素１０は、実施例と同じく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。なお実施形態１では、発電要素１０の電極を図５に示す形状とし、タブ根元がセパレータより突出するよう位置を調整されている。負極タブ１７は負極集電リング２１に挿入する前に、概ね捲回軸芯に向けて倒れるよう予め癖付けしておく。軸芯１５の下端部を負極集電リング２１が挿入し、負極タブ１７が負極集電リング２１に接触させる。

負極集電リング２１は、例えば、銅系金属により形成されている。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が形成されている。以降、実施例と同様に正極タブ１６を正極集電リング２７に溶接から電池蓋３の接合を実施した後、電解液５を注液し、プレス等により電池
缶２とダイアフラム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、発電要素１０の負極箔露出部１２ｃのＤＴ根元部と負極タブ１７を負極集電板２７に押しつけ圧接し通電経路を確保できる。

続いて本発明の実施形態２について実施形態１と異なる点を中心に説明する。第二の実施形態では集電板と電池容器との間にタブ部を挟みこむ構造となっている点が異なる。

図６は、図１のＡ部の拡大図である。
平板構造の負極集電板２１は電池缶２に接続されている。圧接用リング５１の中央部に軸芯１５の段部１５ｂに圧入されており、負極集電板２１と圧接リング５１の間に負極タブ１７を挟み電池容器の成型時の圧力等で負極集電板２１に圧接することにより電気的に接続されている。また、負極集電板２１を省略し、電池缶２に直接圧接し電気的接続を確保することも可能である。

なお、本実施形態ではタブ部は未塗布部と連続して設けられる構造となっているが、タブ部だけ別部材で構成されていても良い。
また、本実施形態では負極側で圧接構造を説明したが、正極側に適用してよい。

以上、本発明について簡単にまとめる。
本発明の二次電池は、電極とセパレータとを捲回した捲回群と、電極と接続される集電板と、を有し、電極は、一端に合剤層から露出した未塗布部を有する電極箔と、未塗布部から突出する突出部とを備え、集電板は捲回群の捲回軸方向に押圧されて突出部と圧接されている。このような構造にすることによって、例えば負極箔露出部１２ｃがつっかえ棒の役割を果たすこととなる。従って、圧接時の力が直接発電要素１０や負極合材層にかからなくなるため、合剤層の剥離が抑制される。

また、本発明の二次電池は、突出部の長さは未塗布部の幅以下である。そのため、圧接時に負極タブ１７が折り込まれたとしても、負極合材層１２ｂまで到達しない。従って、負極合剤層を傷付けるようなことは無い。
また、本発明の二次電池は、突出部が捲回軸方向に向かって折れ曲がっている。このような構造にすることによって、タブが捲回群側に折り込まれても短絡しない構造を実現できる。
また、本発明の二次電池は、突出部の根本部はセパレータよりも突出して配置される。このような構造にすることにより、圧接時に負極タブ１７の根本部を起点に折れ曲がりやすくなり、負極合剤層未塗布部をよりつっかえ部としての役割を果たしやすくなる。
また、本発明の二次電池は、集電板と突出部とはさらに溶接されている。
また、本発明の二次電池は、突出部が未塗布部とは別部材で形成される。
また、本発明の二次電池は、電極とセパレータとを捲回した捲回群と、電極と接続される集電板と、開口を有し、捲回群及び集電板をと収納する電池容器と、開口を塞ぐ蓋とを有し、電極は、一端に合剤層から露出した未塗布部を有する電極箔と、未塗布部から突出する突出部を備え、集電板と突出部とは、蓋を電池容器に組み付ける際に圧接されるようにして製造される。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は、前記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換える
ことが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。さらに、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 円筒形二次電池
２ 電池缶
２ａ 溝
２ｂ 開口部
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
５０ 接続リード板
５１ 圧接用リング

Claims (7)

1. 電極とセパレータとを捲回した捲回群と、
   前記電極と接続される集電板と、を有する二次電池において、
   前記電極は、
   一端に合剤層から露出した未塗布部を有する電極箔と、
   前記未塗布部から突出する突出部とを備え、
   前記集電板は前記捲回群の捲回軸方向に押圧されて前記突出部と圧接されている二次電池。
2. 請求項１に記載の二次電池において、
   前記突出部の長さは前記未塗布部の幅以下である二次電池。
3. 請求項１又は２に記載の二次電池において、
   前記突出部は前記捲回軸方向に向かって折れ曲がっている二次電池。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二次電池において、
   前記突出部の根本部は前記セパレータよりも突出して配置される二次電池。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の二次電池において、
   前記集電板と前記突出部とはさらに溶接されている二次電池。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の二次電池において、
   前記突出部は前記未塗布部とは別部材で形成される二次電池。
7. 電極とセパレータとを捲回した捲回群と、
   前記電極と接続される集電板と、
   開口を有し、前記捲回群及び前記集電板を収納する電池容器と、
   前記開口を塞ぐ蓋とを有する二次電池の製造方法において、
   前記電極は、
   一端に合剤層から露出した未塗布部を有する電極箔と、
   前記未塗布部から突出する突出部とを備え、
   前記集電板と前記突出部とは、前記蓋を前記電池容器に組み付ける際に圧接される二次電池の製造方法。
   

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