JP2020087842A - 二次電池及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】負極集電体と負極集電リードとの抵抗溶接部における溶接強度のばらつきを少なくし、高い溶接強度の実現を図る。【解決手段】二次電池1は、電池ケース2を備える。電池ケース2内には、巻回電極体3が収容されている。巻回電極体3は、正極板5と負極板6とを備える。正極板5は、正極集電体8に正極活物質層が形成されてなる。負極板6は、負極集電体9に負極活物質層が形成されてなる。負極集電体9は、負極集電リード12を介して、電池ケース2に設けられた負極外部端子13に接続されている。負極集電体9と負極集電リード12は抵抗溶接部により接合されている。負極集電体9は、銅箔又は銅合金箔から構成されており、且つ、負極集電体9の負極集電リード12側に位置する主面のX線回析による(111)方位の回析強度I(111)が、他の方位の回析強度に比べて大きい。【選択図】図3

Description

本発明は二次電池に関する。
リチウムイオン二次電池等の二次電池は、正極と負極とを備えた電極体を、非水電解質とともに、電池ケース内に収容したものである。正極は、正極集電体上に正極活物質層が形成されたものである。負極は、負極集電体上に負極活物質層が形成されたものである。正極活物質層及び負極活物質層は、電荷担体(例えば、リチウムイオン)を可逆的に吸蔵及び放出し得る活物質を主成分とする。
例えば、リチウムイオン二次電池では、正極集電体はアルミニウム箔又はアルミニウム合金箔からなり、正極活物質層はコバルト酸リチウム等のリチウム複合酸化物を含む。一方、負極集電体は銅箔又は銅合金箔からなり、負極活物質層はカーボン等を含む。
正極集電体は、正極集電リードを介して、電池ケースに設けられた正極外部端子に、電気的に接続されている。一方、負極集電体は、負極集電リードを介して、電池ケースに設けられた負極外部端子に、電気的に接続されている。負極集電体と負極集電リードとの接合には、一般に抵抗溶接が採用されている。
特許文献1には、負極集電体における溶接部の溶接強度を高めるための非水電解質二次電池に関する発明が開示されている。この非水電解質二次電池では、負極集電体として表面がクロメート処理されたクロメート被膜層形成銅箔が用いられている。また、負極集電体の表面の少なくとも負極端子との接合部分およびその周辺の一部は、酸化銅からなる酸化銅被膜層が形成されている。かかる構成により、負極集電体と負極端子との溶接部の溶接強度を高めている。
特開2013−251048号公報
本願発明者らは、負極集電体における溶接部の溶接強度とは別に、負極集電体の仕様(厚み、比抵抗、引張強度、等)が同じで、且つ、抵抗溶接の条件が同じであっても、負極集電体のロットの違いにより、溶接強度のばらつきが生じ、溶接強度が低い二次電池が製造される可能性があることを見出した。
本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的とするところは、負極集電体と負極集電リードとの抵抗溶接部における溶接強度のばらつきを少なくし、高い溶接強度の実現を図ることにある。
本発明に係る二次電池は、正極集電体に正極活物質層が形成された正極と、負極集電体に負極活物質層が形成された負極とを備えた電極体が、電池ケース内に収容された二次電池であって、前記負極集電体は、負極集電リードを介して、前記電池ケースに設けられた負極外部端子に接続されており、前記負極集電体と前記負極集電リードは抵抗溶接部により接合されており、前記負極集電体は、銅箔又は銅合金箔から構成されており、且つ、前記負極集電体の前記負極集電リード側に位置する主面におけるX線回析による(111)方位の回析強度I(111)が、他の方位の回析強度に比べて大きい。
本発明に係る二次電池の製造方法は、前記負極集電リードを前記負極集電体に当接するように配置し、前記負極集電リードを前記負極集電体に押圧しながら、前記負極集電体と前記負極集電リードとを抵抗溶接により接合する工程とを、備える。
本発明によれば、負極集電体と負極集電リードとの抵抗溶接部における溶接強度のばらつきを少なくし、高い溶接強度を実現することができる。
図1(a),(b)は、本発明の実施形態に係る二次電池の内部構造を示す。図1(a)は内部構造を示す正面図、図1(b)は図1(a)におけるIb−Ib線の断面図である。 図2は、二次電池の図1(a)におけるII−II線の断面図である。 図3(a),(b)は、負極集電体の面方位とX線回析による回析強度との関係を示したグラフである。図3(a)は溶接不良が生じなかったロットに係る負極集電体の場合、図3(b)は溶接不良が生じたロットに係る負極集電体の場合を示す。 図4(a),(b)は、負極集電リードを負極集電体に押圧した状態を模式的に示す図である。図4(a)は負極集電体の結晶格子(111)面が加圧方向に垂直である場合、図4(b)は負極集電体の結晶格子(100)面が加圧方向に垂直である場合での状態を示す。
(実施形態)
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
図1(a),(b)は、本発明の一実施形態に係る二次電池1の構成を示す。なお、図1(a)は、二次電池1の内部構造を示す正面図である(内部を示すために、後述する電池ケース2における一部の側面を除いている)。また、図1(b)は、二次電池1の図1(a)におけるIb−Ib線の断面図である。二次電池1は、角型のリチウムイオン電池であり、電池ケース2を備える。電池ケース2は、アルミニウム又はアルミにニウム合金からなる。電池ケース2の内部には、扁平状の巻回電極体3が収容されている。電池ケース2の開口部は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる封口板4で封口されている。
巻回電極体3は、正極と負極とを備える。具体的には、図1(b)に示すように、正極板5と負極板6とがセパレータ7を介して互いに絶縁された状態で複数回巻回された構造を有する。また、巻回電極体3は、図1(b)に示すように、扁平状に形成されている。
正極板5は、板状の正極集電体8と、該正極集電体8の両面に形成された正極活物質層(図示せず)からなる。正極集電体8は、厚み10〜20μm程度のアルミニウム箔又はアルミニウム合金箔からなる。正極活物質層はコバルト酸リチウム等のリチウム複合酸化物、炭素材料等からなる導電材、及びバインダーを含む。また、正極活物質層は、正極集電体8の幅方向一方側(巻回電極体3の巻回軸方向一方側、図1aにおける左側)の端部を除いて、両面に形成されている。すなわち、正極集電体8の該幅方向一方側の端部は、正極活物質層が形成されていない正極集電体露出部8aとなっている。
負極板6は、板状の負極集電体9と、該負極集電体9の両面に形成された負極活物質層(図示せず)からなる。負極集電体9は、95質量%以上の銅を含むことが好ましく、99質量%以上の銅を含むことがより好ましい。負極集電体9は、厚み5〜20μm程度の銅箔又は銅合金箔からなることが好ましい。負極活物質層は炭素材料等からなる負極活物質及びバインダー等を含む。また、負極活物質層は、負極集電体9の幅方向他方側(巻回電極体3の巻回軸方向他方側、図1aにおける右側)の端部を除いて、両面に形成されている。すなわち、負極集電体9の該幅方向他方側の端部は、負極活物質層が形成されていない負極集電体露出部9aとなっている。
すなわち、巻回電極体3は、幅方向(巻回軸方向)の一方側(図1aにおける左側)の端部に複数枚積層された正極集電体露出部8aを備え、他方側(図1aにおける右側)の端部に複数枚積層された負極集電体露出部9aを備える。
セパレータ7は、ポリオレフィン製の微多孔性膜からなる。セパレータ7は、正極活物質層及び負極活物質層を被覆できる程度の幅を有することが好ましい。
図2は、二次電池1の図1(a)におけるII−II線の断面図である。すなわち、図2は、二次電池2における負極集電体露出部9aが位置する負極側(図1aにおける右側)の内部構造を示している。図2に示すように、複数枚の負極集電体露出部9aは、厚み方向の中央部に収束されて束になっている。複数枚の負極集電体露出部9aの束(負極集電体9の束)は、負極集電リード12を介して、電池ケース2の封口板4に絶縁部材を介して取り付けられた負極外部端子13に電気的に接続されている。
同様に、複数枚の正極集電体露出部8aも、図1(a)に示すように、正極集電リード10を介して、電池ケース2の封口板4に絶縁部材を介して取り付けられた正極外部端子11に電気的に接続されている。
なお、正極集電リード10及び正極外部端子11は、それぞれアルミニウム又はアルミニウム合金からなる。負極集電リード12及び負極外部端子13は、それぞれ銅又は銅合金からなる。
図2に示すように、負極集電体露出部9aの束の両外面には、負極集電リード12及び負極集電体受部材15が接続されている。また、負極集電リード12の表面には、突起部12aが形成されている。すなわち、負極集電リード12の突起部12aと負極集電体受部材15によって、負極集電体露出部9aの束を挟んでいる。なお、負極集電体受部材15は、銅又は銅合金からなる。
負極集電リード12と負極集電体露出部9aの間であって、負極集電リード12と負極集電体露出部9aが接合される部分の周囲には絶縁フィルム20が配置されている。また、負極集電体露出部9aと負極集電体受部材15の間であって、負極集電体露出部9aと負極集電体受部材15が接合される部分の周囲には絶縁フィルム20が配置されている。絶縁フィルム20を所定の位置に配置することにより、抵抗溶接に利用されない電流が増加することを抑制できるためより好ましい。なお、絶縁フィルム20は必須の構成ではなく、省略することもできる。
なお、突起部12aは必須の構成ではなく、負極集電リード12に突起部12aを設けなくてもよい。また、負極集電体受部材15は必須の構成ではなく、省略してもよい。
負極集電体露出部9aの束(負極集電体9)と、負極集電リード12との抵抗溶接は以下の方法により行われる。
先ず、表面に突起部12aを有する負極集電リード12と、負極集電体受部材15を用意する。次に、図2に示すように、負極集電リード12と負極集電体受部材15を、負極集電体露出部9aの束を挟み込むように、負極集電体露出部9aの束の両側に配置する。このとき、負極集電リード12の突起部12aが、負極集電体露出部9aに当接するようにする。次に、負極集電リード12及び負極集電体受部材15の両側に、銅又は銅合金製の溶接電極18,18を配置する。そして、両方の溶接電極18,18を、両側から負極集電リード12及び負極集電体受部材15に当接させて、互いに挟み込むように押圧する。これにより、負極集電リード12、負極集電体露出部9aの束、及び負極集電体受部材15が電気的に接続された状態となる。次に、両方の溶接電極18,18を互いに押圧しながら、両溶接電極18,18間に溶接電流を流す。これにより、負極集電体9(負極集電体露出部9a)と、負極集電リード12(突起部12a)及び負極集電体受部材15とが抵抗溶接により接合される(負極集電体9と、負極集電リード12及び負極集電体受部材15との接合は、抵抗溶接部を構成する)。
ところで、銅又は銅合金箔からなる負極集電体9の仕様(厚み、比抵抗、引張強度、等)が同じで、且つ、抵抗溶接の条件が同じであっても、負極集電体9のロットの違いにより、溶接強度のばらつきが生じ、溶接強度が低い二次電池が製造される可能性があることを見出した。
二次電池に衝撃や振動が加わった場合、負極集電体9(負極集電体露出部9a)と負極集電リード12(突起部12a)との抵抗溶接部に負荷がかかるおそれがある。また、負極の活物質は、充放電時のリチウムの吸蔵及び放出に伴う膨張収縮が大きいため、負極集電体9(負極集電体露出部9a)と負極集電リード12(突起部12a)との抵抗溶接部に負荷がかかるおそれがある。
負極集電体9と負極集電リード12との抵抗溶接は、溶接電極18により負極集電リード12を負極集電体9に強く押しつけた状態で電流を流すことにより行われる。具体的には、負極集電リード12の表面には、微小な突起(以下、「微小突起」という)が形成されており、負極集電リード12の微小突起が、負極集電体9(負極集電体露出部9a)に食い込んでいる。なお、微小突起は、突起部12aと比較して非常に小さい突起であり、突起部12aの表面にも複数の微小突起が形成されており、この微小突起が負極集電体9に食い込んでいる。
通常、負極集電体9に対して負極集電リード12を一定の圧力で押しつけた状態で電流を流している。もし、一定の圧力に対して、負極集電リード12の微小突起の負極集電体9における食い込み量にばらつきが生じると、負極集電リード12と負極集電体9との接触面積にもばらつきが生じる。そして、該接触面積にばらつきが生じると、電流密度にもばらつきが生じ、その結果、負極集電体9の溶融が不安定になる。
そこで、本願発明者は、負極集電リード12の微小突起の負極集電体9における食い込み量のばらつきが、溶接強度のばらつきの要因になっていると考え、負極集電体9を構成する銅又は銅合金箔の結晶配向に着目した。
すなわち、銅又は銅合金の結晶構造は、面心立方格子であるため、結晶の面方位によって、一定の圧力を加えたときの変位が異なる。通常、負極集電体9に用いる銅又は銅合金箔は、一定の比抵抗や引張強度等の特性を有するように制御されているが、面方位については、何ら制御されていない。そのため、負極集電体9を構成する銅又は銅合金箔の面方位にばらつきがあると、負極集電リード12の微小突起の負極集電体9に対する食い込み量にばらつきが生じ、その結果、溶接強度のばらつきが生じると考えた。
そこで、負極集電リード12の微小突起の負極集電体9における食い込み量のばらつきが、溶接強度のばらつきの要因になっていることを検証することとした。このために、負極集電体9と負極集電リード12との溶接部に、溶接不良が生じたロットと、溶接不良が生じなかったロットに対して、各ロットでそれぞれ使用した負極集電体9の厚さ方向の結晶配向を、負極集電体9における負極集電リード12側に配置される主面におけるX線回析を用いて調べた。なお、負極集電体9は、電解銅箔からなるものとした。
その結果を図3(a),(b)に示す。図3(a)は、溶接不良が生じなかったロットに係る負極集電体(銅箔)9における負極集電リード12側に配置される主面におけるX線回析による回析強度と面方位との関係を示す。図3(b)は、溶接不良が生じたロットに係る負極集電体9としての銅箔における負極集電リード12側に配置される主面におけるX線回析による回析強度と面方位との関係を示す。横軸は回折角度(2θ)、縦軸は回折強度(cps)を示す。
図3(a)より、溶接不良が生じなかったロットに係る負極集電体9としての銅箔は、X線回析による(111)方位の回析強度I(111)が一番大きい(他の方位の回析強度に比べて大きい)。一方、図3(b)より、溶接不良が生じたロットに係る負極集電体9としての銅箔は、(200)方位の回析強度I(200)が一番大きい。
この結果は次のように考えられる。
図4(a),(b)は、負極集電リード12の微小突起12bを負極集電体9(負極集電体露出部9a)に押圧した状態を示す。図4(a)は負極集電体9の結晶格子(111)面が加圧方向に垂直である場合、図4(b)は負極集電体9の結晶格子(100)面が加圧方向に垂直である場合での状態を示す。なお、負極集電体9の表面にも負極集電リード12の微小突起12bと同様に、微小な突起が存在するが、図示を省略している。
銅の結晶構造は、面心立方格子であるため、(111)面がすべり面となる。すなわち、図4(a)に示すように、例えば、負極集電リード12の微小突起12bを負極集電体9の(111)面に対して垂直に押圧した場合、加圧による負極集電体9の変位が小さいので接触面積が小さく、電流密度が高い。したがって、負極集電体9が局所的に高温になり易く、負極集電体9が溶融しやすいため、抵抗溶接による溶接強度が高くなる。
一方、図4(b)に示すように、例えば、負極集電リード12の微小突起12bを負極集電体9の(100)面に対して垂直に押圧した場合、加圧による負極集電体9の変位が大きいので接触面積が大きく、電流密度が低い。したがって、負極集電体9が高温になり難く、負極集電体9が溶融し難くなるため、抵抗溶接による溶接強度が低くなる。
つまり、(111)方位の回析強度I(111)が大きい、すなわち(111)面の配向が多いと、溶接強度が高くなる。したがって、(111)面の配向が多くなるように、負極集電体9の結晶配向を制御することで、負極集電体9(負極集電体露出部9a)と負極集電リード12との抵抗溶接部における溶接強度のばらつきを小さく抑えられると考えられる。
また、溶接強度のばらつきを小さくすることで、溶接強度の低い二次電池が製造されることを防止でき、高い溶接強度を実現することができると考えられる。
上記の知見から、ロット間で溶接強度にばらつきが生じた各電池に対して、(111)方位の回析強度I(111)と、溶接強度との関係を、さらに検証した。
本検証では、負極集電体9として、厚み10μmの電解銅箔を用いた。巻回による負極集電体9の積層数は37層とした。抵抗溶接の条件として、電流値は24.5〜25.1kA、溶接時間は5.4〜5.8ms、加圧力は110kgfとした。
二次電池1を次の条件で充放電を繰り返した後、電池ケース2を解体して、テスターの導通判定により溶接部の接合状態を確認した。テスターで導通を確認できる場合はOK判定、導通を確認できない場合はNG判定とした。なお、条件として、温度は60℃、電流値は60A,充放電の電圧値は4.1〜2.5V、充放電回数は200サイクルとした。
得られた結果を表1に示す。
Figure 2020087842
表1に示すように、本検証では、ロット1〜8を対象とし、各ロットから12セルずつ抽出した。溶接NG数とは、ロットごとに抽出した12セルのうち、溶接部が前記テスタ―判定でNG判定となったセル数をいう。
また、I(111)/Iallとは、X線回析による全方位の回析強度の総和Iallのうち、回析強度I(111)の割合のことをいう。なお、本検証では、Iallを、I(111)、I(200)、I(220)及びI(331)の総和、すなわち、Iall=I(111)+I(200)+I(220)+I(331)としている。これは、図3(a),(b)を見ても分かるように、I(111)、I(200)、I(220)及びI(331)以外の面方位の回析強度が、無視できる程度に小さいからである。
表1より、ロット1は、溶接NG数が12セル中3セルである。一方、ロット2〜8は、溶接NG数が12セル中ゼロである。すなわち、ロット1のみ溶接不良が生じ、ロット2〜8は溶接不良が生じなかったといえる。
また、(111)方位の回析強度比(配向比)I(111)/Iallが、一定以上の場合、具体的には0.46以上の場合、溶接不良は生じないという相関関係が見出せる。すなわち、(111)方位の回析強度比(配向比)I(111)/Iallが、一定以上(0.46以上)の場合、負極集電リード12の微小突起12bの負極集電体9(負極集電体露出部9a)における食い込み量のばらつきが小さくなり、その結果、溶接強度のばらつきが減少したものと考えられる。これにより、溶接強度の低い二次電池が製造されることを防止でき、高い溶接強度を実現することができると考えられる。
なお、(111)方向の変位が最も小さいことから、(111)面の配向比I(111)/Iallを、一定以上にすることによって、抵抗溶接に必要な電流値を小さくすることができると考えられる。
また、図3(a),(b)より、溶接不良が生じなかったロットに係る負極集電体9と、溶接不良が生じたロットに係る負極集電体9に共通する特徴として、I(111)及びI(200)が、他の方位の回析強度、具体的には、I(220)及びI(331)に比べて、大きいことが確認できる。そして、溶接不良が生じなかったロットに係る負極集電体9では、I(111)がI(200)を含めた他の方位の回析強度よりも大きい一方、溶接不良が生じたロットに係る負極集電体9では、I(200)がI(111)を含めた他の方位の回析強度よりも大きい。
すなわち、表1に示すように、I(111)/I(200)が、一定以上の場合、具体的には1以上の場合(少なくとも1.19以上の場合には)、溶接不良は生じないという相関関係も見出せる。
以上の通り、本実形態に係る二次電池は、負極集電体9が、銅箔又は銅合金箔から構成されており、且つ、負極集電体9の負極集電リード12側に位置する主面におけるX線回析による(111)方位の回析強度I(111)が、他の方位の回析強度に比べて大きいから、負極集電体9と負極集電リード12との抵抗溶接部における溶接強度のばらつきを少なくし、高い溶接強度を実現することができる。
また、I(111)/Iallが0.46以上になるように、負極集電体9としての銅箔又は銅合金箔の結晶配向を制御することによって、溶接強度のばらつきをより少なくすることができる。
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、負極集電リード12は突起部12aを有さない構成としてもよい。負極集電体受部材15を用いずに、溶接電極18を、直接負極集電体9(負極集電体露出部9a)に当接させてもよい。上記実施形態では、負極集電体9として、電解銅箔を採用していたが、これに限らず、例えば、圧延銅箔を採用してもよい。負極集電体9は銅箔ではなく銅合金箔でもよい。二次電池1はリチウムイオン電池に限らず、例えばニッケル水素電池でもよく、負極集電体9と負極集電リード12とが抵抗溶接部により接合されているのであれば、いかなる構成であってもよい。
1 二次電池
2 電池ケース
3 巻回電極体(電極体)
5 正極板(正極)
6 負極板(負極)
9 負極集電体
9a 負極集電体露出部(負極集電体)
12 負極集電リード
13 負極外部端子

Claims (5)

  1. 正極集電体に正極活物質層が形成された正極と、負極集電体に負極活物質層が形成された負極とを備えた電極体が、電池ケース内に収容された二次電池であって、
    前記負極集電体は、負極集電リードを介して、前記電池ケースに設けられた負極外部端子に接続されており、
    前記負極集電体と前記負極集電リードは抵抗溶接部により接合されており、
    前記負極集電体は、銅箔又は銅合金箔から構成されており、且つ、前記負極集電体の前記負極集電リード側に位置する主面におけるX線回析による(111)方位の回析強度I(111)が、他の方位の回析強度に比べて大きい二次電池。
  2. 請求項1において、
    前記負極集電体は、前記負極集電体の前記負極集電リード側に位置する主面におけるX線回析による全方位の回析強度の総和Iallのうち、前記回析強度I(111)の割合I(111)/Iallが0.46以上である二次電池。
  3. 請求項1又は2において、
    前記負極集電体は、99質量%以上の銅を含む厚み5μm乃至20μmの銅箔又は銅合金箔で構成されている二次電池。
  4. 請求項1から3の何れか1つに記載の二次電池の製造方法であって、
    前記負極集電リードを前記負極集電体に当接するように配置し、前記負極集電リードを前記負極集電体に押圧しながら、前記負極集電体と前記負極集電リードとを抵抗溶接により接合する工程を備える二次電池の製造方法。
  5. 請求項4において、
    前記負極集電リードの表面には突起部が設けられており、
    前記負極集電リードの前記突起部が前記負極集電体に当接するように配置された状態で抵抗溶接が行われる、二次電池の製造方法。
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