JP3632586B2 - 電池およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定の集電構造を有することにより製造工程を簡素化することのできる電池、およびその製造方法に関する。
なお、本明細書中において「電池」とは、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などのいわゆる電池以外に、キャパシタをも含む意味で使用する。
【0002】
【従来の技術】
長尺状の正極側電極シートおよび負極側電極シートと、両電極シートの間に配されるセパレータとを巻回してなる巻回型の電極体を備えた電池が知られている。例えば特開平9−92335号公報には、両電極シートの側端面に活物質を塗布しない領域を設け、その部分を複数個の短冊状リード(集電リード部)として正極負極それぞれの集電端子に接続する円筒型二次電池が開示されている。また、複数枚の正極側電極シート、負極側電極シートおよびセパレータを積層してなる積層型の電極体を備えた電池においても、各電極シートの側端面に形成された集電リード部を集電端子に接続することが知られている。
通常、上記集電リード部と集電端子とは溶接により接続される。そして、この集電端子の溶接工程を実施した後に、電池容器に電極体を収容して固定する構造が一般的である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような集電構造をもつ電池を製造するには、いったん集電リード部に集電端子を接続(固定)した後、さらに電極体を電池容器に収容して固定する工程が必要となるため、電池の製造に要する工程数が多くコスト高である。また、集電リード部と集電端子との接続には溶接等の方法を用いているので、生産効率の向上や自動化が困難である。
【0004】
本発明の目的は、集電構造の形成が容易であり、組立工程を簡素化することのできる電池、およびその製造方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の電池は、電極体の側端面に形成された集電リード部と、該電極体の外側または内側に向けて拡がる第一テーパ面をもつ集電フランジ部材と、該第一テーパ面に対向する第二テーパ面をもつ固定部材と、を備え、正極側の上記固定部材の少なくとも第二テーパ面から外部に至る部分は導電性材料からなり、該導電性材料により外部と導通し、上記第一テーパ面および上記第二テーパ面により上記集電リード部が挟持されていることを特徴とする。
また、本発明の第2の電池は、電極体の側端面に形成された正極リード部および負極リード部と、該電極体の外側または内側に向けて拡がる第一テーパ面をもつ正極集電部材および負極集電部材と、該正極集電部材の第一テーパ面に対向する第二テーパ面をもつキャップ部材と、該負極集電部材の第一テーパ面に対向する第二テーパ面をもち、上記電極体、上記正極集電部材および上記負極集電部材を収容する電池容器と、を備え、上記正極集電部材の第一テーパ面および上記キャップ材の第二テーパ面により上記正極リード部が挟持され、上記負極集電部材の第一テーパ面および上記電池容器の上記第二テーパ面により上記負極リード部が挟持されていることを特徴とする。
【0006】
本発明の第1の電池は、上記集電リード部が上記第一テーパ面側に引き出されるようにして上記集電フランジ部材を上記電極体の側端面に配置した後、該電極体および該集電フランジ部材を電池容器に収容し、次いで、上記フランジ部材の上方に上記固定部材を載置し、その後、上記電池容器と上記固定部材とを固定することにより、上記第一テーパ面と上記第二テーパ面との間を圧縮して上記集電リード部を挟持するとともに上記電極体を固定する方法によって好適に製造することができる。
本発明の第2の電池は、上記正極リード部及び上記負極リード部が上記正極集電部材及び上記負極集電部材の第一テーパ面側に引き出されるようにして上記正極集電部材及び上記負極集電部材を上記電極体の側端面に配置した後、該電極体並びに該正極集電部材および該負極集電部材を電池容器に収容し、次いで、上記正極集電部材および上記負極集電部材の上方に上記正極固定部材および負極固定部材を載置し、その後、上記電池容器と上記正極固定部材および負極固定部材とを固定することにより、上記第一テーパ面と上記第二テーパ面との間を圧縮して上記正極リード部及び上記負極リード部を挟持するとともに上記電極体を固定する方法によって好適に製造することができる。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
(1)電池の全体構成
本発明を適用した巻回型のリチウムイオン二次電池を図1に示す。この電池は、電極体1、この電極体1の図1における上側の側端面に形成された正極リード部(集電リード部)1aおよび下側の側端面に形成された負極リード部(集電リード部)1b、電極体1の正極リード部1a側に配置された正極集電部材(集電フランジ部材)2、電極体1の負極リード部1b側に配置された負極集電部材(集電フランジ部材)3、正極集電部材2の上方に配置されたキャップ部材(固定部材)4、電極体1および両集電部材2、3を収容しキャップ部材4にかしめ固定された電池容器5、を備える。
【0008】
正極リード部1aは、正極集電部材2のもつ第一テーパ面21およびキャップ部材4のもつ第二テーパ面41により挟持されている。一方、電池容器5は底部に第二テーパ面51が形成された有底円筒状であって、負極集電部材3のもつ第一テーパ面31および電池容器5のもつ第二テーパ面51により負極リード部1bが挟持されている。すなわちこの電池容器5は、特許請求の範囲に記載の「固定部材」を兼ねている。正極リード部1aおよび負極リード部1bは、他の部材と溶接されてはおらず、第一テーパ面21、31および第二テーパ面41、51に圧接されることによって外部との導通がとられている。
【0009】
(2)製造方法
この電池は、底面に第二テーパ面51の形成された電池容器5(固定部材を兼ねる)の開口部から、正極集電部材2および負極集電部材3を上下側端面に装着した電極体1を挿入し、次いで正極集電部材2の上方にキャップ部材4を配置した後、キャップ部材4と底面との間に圧縮力を加えつつ電池容器5の開口部をかしめる等の方法により製造することができる。
以下、この電池の製造方法についてさらに詳しく説明する。
【0010】
(2−1)電極体の作製
図2に示すように、正極シート11は、例えば厚さ25μmのアルミニウム箔からなる長尺状の正極集電体111と、この正極集電体111の両面に設けられた厚さ85μmの正極活物質層112とからなる。正極活物質層112は、コンマコーターまたはダイコーター方式により正極集電体111の両面に正極活物質ペースト(正極活物質、導電化材、バインダ等を混練したペースト)を塗布した後、乾燥、プレスすることにより形成される。正極活物質としては、リチウム電池として機能するものであれば特に限定されず、例えばLiMn2O4、LiCoO2、LiNiO3等を用いることができる。正極集電体111の一方の長辺には、正極活物質層112の形成されない帯状域が残されており、ここに厚さ100μm×幅10mm×長さ30mmのアルミニウム箔からなる正極集電リード1aが50mm間隔で溶接されている。
【0011】
負極シート12は、例えば厚さ30μmの銅箔からなる長尺状の負極集電体121と、この負極集電体121の両面に設けられた厚さ80μmの負極活物質層122とからなる。この負極活物質層122の形成方法は正極活物質層121と同様である。負極活物質としては、リチウム電池として機能するものであれば特に限定されず、例えばグラファイトカーボン、アモルファスカーボン等を用いることができる。負極集電体121の一方の長辺には、負極活物質層122の形成されない帯状域が残されており、ここに厚さ100μm×幅10mm×長さ30mmの銅箔からなる負極集電リード1bが50mm間隔で溶接されている。
【0012】
セパレータ13は、例えば厚さ25μmの多孔質ポリプロピレンからなる。
図2に示すように、これらを正極シート11、セパレータ13、負極シート12、セパレータ13の順に重ね(正極リード部1aと負極リード部1bとが反対側となるように積層する)、巻芯14の周囲に巻回して電極体1を得る。
この巻芯14は、ポリフェニルサルフェート等の樹脂、または表面に樹脂、セラミックス等の絶縁層を設けた金属からなり、正極シート11等が巻回される幅よりもやや長い大径部141と、両端に形成された小径部142と有する段付円柱状である。大径部141と小径部142との間には、正極集電部材2および負極集電部材3を係止する段付面143が形成されている。
【0013】
(2−2)集電部材の装着
アルミニウム製の正極集電部材2は、図3および図4に示すように、略円筒状の外側環状部22と内側環状部23とが、十字状の連結部24によって繋がれた形状をなす。外側環状部22と内側環状部23との間には、4つの扇型の貫通孔25が形成されている。外側環状部22の内周面には、図4の上側に向かうにつれて外側に拡がる(すなわち、電極体1の外側に拡がる)第一テーパ面21が形成されている。
負極集電部材3は銅製であり、その形状は正極集電部材2と同一であって、外側環状部32と内側環状部33が連結部34によって繋がれ、その間に4つの貫通孔35が形成されている。外側環状部32の内周面には、電極体1の外側に拡がる第一テーパ面31が形成されている。
【0014】
図5に示すように、電極体1の上側端面および下側端面に正極集電部材2および負極集電部材3を、それぞれ第一テーパ面21、31の形成された側が電極体1と反対側に配置される向きで、内側環状部22、32に小径部142を挿入して装着する。このとき、正極リード部1aおよび負極リード部1bをそれぞれ貫通孔25、35に通し、第一テーパ面21、31側に引き出されるようにする。正極集電部材2および負極集電部材3は、巻芯14の上下に形成された段付面143にそれぞれ係止される。また、正極リード部1aおよび負極リード部1bをやや曲げ変形させておく(例えば、第一テーパ面21、31に近づける方向に)ことにより、装着された正極集電部材2および負極集電部材3の組立途中におけるリード部の脱落を予防することもできる。
【0015】
(2−3)電池容器への収容
図6に示すように、電池容器5はステンレス製の深絞り缶であって、その底面には前述のように第二テーパ面51が形成されている。この第二テーパ面51は、負極集電部材3の第一テーパ面31に対応した形状であって、図6の下方に向かって拡がっている。なお、電池容器5の材質としては、ステンレスの他、アルミニウム、メッキ鋼板等を用いることができる。
この電池容器5内に、正極集電部材2および負極集電部材3を装着した電極体1を挿入すると、電池容器5の底面に形成された第二テーパ面51と第一テーパ面31とが負極リード部1bを挟んで対向する。
【0016】
ここで、電池容器5内に図示しない電解液を注入する。電解液としては、例えばジエチルカーボネート(DEC)とエチレンカーボネート(EC)との重量比7:3の混合溶媒に、1mol/リットルのLiPF6を溶解させたものを用いることができる。
【0017】
(2−4)キャップ部材の配置
図7に示すように、キャップ部材4は、下端面と側面との間に形成された第二テーパ面41と、その上方に形成された鍔部42とを有する円柱状である。このキャップ部材4は、電池容器5の内部空間を密閉するとともに電池容器5との間を絶縁するシールドゴム、電池内圧の過剰な上昇を防止する安全弁(いずれも図示せず)等を備える。キャップ部材4の少なくとも第二テーパ面41から外部に至る部分はアルミニウム、ニッケル、貴金属(Ag、Au、Pt)等の導電性材料からなり、これにより外部との導通を可能としている。
【0018】
両集電部材2、3を装着した電極体1を電池容器5に収容した後、正極集電部材2の上方において電池容器5に絞り部52を設ける。次いで、電池容器5の開口部からキャップ部材4を挿入して絞り部52にて係止する。第一テーパ面21と第二テーパ面41とは正極リード部1aを挟んで対向する。
【0019】
(2−5)リード部の挟持
キャップ部材4を下方に押圧しつつ、電池容器5の開口部をかしめてキャップ部材4と固定し、電池内部と外部空間とを遮断する。この押圧により、図1に示すように、キャップ部材4が正極集電部材2に押しつけられ、第二テーパ面41と第一テーパ面21とが圧縮されて正極リード部1aが挟持される。また、正極集電部材2および負極集電部材3は段付面143と当接しているので、キャップ部材4に加えられた押圧力により負極集電部材3が電池容器5の底面に押しつけられる。これにより、第一テーパ面31と第二テーパ面51とが圧縮されて負極リード部1bが挟持される。また、このキャップ部材4と電池容器5との間にかかる圧縮力によって電極体1が保持固定される。
【0020】
この製造方法によると、電池容器5の内部に、両集電部材2、3を装着した電極体1、電解液、およびキャップ部材4を順に挿入した後、電池容器5の開口部をかしめるという簡単な操作により電池を組み立てることができる。開口部をかしめる際、正極リード部1aおよび負極リード部1bがキャップ部材4および電池容器5にそれぞれ圧接されることにより集電構造が形成され、この集電構造を形成するために溶接を行う必要はない。また、電池の軸方向に圧縮力を加えることにより、正極リード部1aおよび負極リード部1bと外部との接続と、電池容器5内における電極体1の固定とを一つの工程で行うことができる。
【0021】
なお、上記実施例では電池容器5をかしめにより固定したが、キャップ部材4を下方に押圧しつつ電池容器5をキャップ部材4に溶接して固定してもよい。また、上記実施例では正極集電部材2および負極集電部材3を巻芯14に係止したが、正極集電部材2および負極集電部材3を巻芯14にネジ止めする構成とすることもできる。さらに、上記実施例では電極体1から離れるに従って第一テーパ面21、31が外側に拡がる形状としたが、逆に電極体の内側に向けて拡がる形状の第一テーパ面としてもよい。
【0022】
【発明の効果】
本発明の電池は、第一テーパ面と第二テーパ面との間に集電リード部が挟持された集電構造を備える。この集電構造の形成には溶接工程を必要としないので、製造効率がよく自動化も容易である。また、本発明の製造方法によると、電池容器内に各部材を順次挿入し、最後に電極容器と固定部材とを固定することにより、集電リードの挟持と電極体の固定とを一工程で行うことができる。
本発明の電池およびその製造方法は、巻回型電池および積層型電池のいずれにも適用することができる。巻回型電池に適用した場合には、本発明の集電構造を備えることによる効果がよく発揮されるため好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電池を示す縦断面図である。
【図2】実施例の電池の製造方法において、電極体の形成工程を示す平面図である。
【図3】実施例の電池における集電部材を示す平面図である。
【図4】図3のIV−IV線断面図である。
【図5】実施例の電池の製造方法において、電極体の両側端面に集電部材を装着した段階を示す縦断面図である。
【図6】実施例の電池の製造方法において、電極体および集電部材を電池容器に収容した段階を示す縦断面図である。
【図7】実施例の電池の製造方法において、キャップ部材を配置した段階を示す縦断面図である。
【符号の説明】
1:電極体、1a:正極リード部(集電リード部)、1b:負極リード部(集電リード部)、14:巻芯、143:段付面、2:正極集電部材(集電フランジ部材)、21:第一テーパ面、3:負極集電部材(集電フランジ部材)、31:第一テーパ面、4:キャップ部材(固定部材)、41:第二テーパ面、5:電池容器(固定部材)、51:第二テーパ面。
Claims (5)
- 電極体の側端面に形成された集電リード部と、該電極体の外側または内側に向けて拡がる第一テーパ面をもつ集電フランジ部材と、該第一テーパ面に対向する第二テーパ面をもつ固定部材と、を備え、
正極側の上記固定部材の少なくとも第二テーパ面から外部に至る部分は導電性材料からなり、該導電性材料により外部と導通し、
上記第一テーパ面および上記第二テーパ面により上記集電リード部が挟持されていることを特徴とする電池。 - 電極体の側端面に形成された正極リード部および負極リード部と、該電極体の外側または内側に向けて拡がる第一テーパ面をもつ正極集電部材および負極集電部材と、該正極集電部材の第一テーパ面に対向する第二テーパ面をもつキャップ部材と、該負極集電部材の第一テーパ面に対向する第二テーパ面をもち、上記電極体、上記正極集電部材および上記負極集電部材を収容する電池容器と、を備え、
上記正極集電部材の第一テーパ面および上記キャップ材の第二テーパ面により上記正極リード部が挟持され、上記負極集電部材の第一テーパ面および上記電池容器の上記第二テーパ面により上記負極リード部が挟持されていることを特徴とする電池。 - 上記キャップ部材の少なくとも第二テーパ面から外部に至る部分は導電性材料からなり、該導電性材料により外部と導通している請求項2記載の電池。
- 請求項1記載の電池の製造方法であって、
上記集電リード部が上記第一テーパ面側に引き出されるようにして上記集電フランジ部材を上記電極体の側端面に配置した後、該電極体および該集電フランジ部材を電池容器に収容し、次いで、上記フランジ部材の上方に上記固定部材を載置し、その後、上記電池容器と上記固定部材とを固定することにより、上記第一テーパ面と上記第二テーパ面との間を圧縮して上記集電リード部を挟持するとともに上記電極体を固定することを特徴とする電池の製造方法。 - 請求項2又は3記載の電池の製造方法であって、
上記正極リード部及び上記負極リード部が上記正極集電部材及び上記負極集電部材の第一テーパ面側に引き出されるようにして上記正極集電部材及び上記負極集電部材を上記電極体の側端面に配置した後、該電極体並びに該正極集電部材および該負極集電部材を電池容器に収容し、次いで、上記正極集電部材および上記負極集電部材の上方に上記正極固定部材および負極固定部材を載置し、その後、上記電池容器と上記正極固定部材および負極固定部材とを固定することにより、上記第一テーパ面と上記第二テーパ面との間を圧縮して上記正極リード部及び上記負極リード部を挟持するとともに上記電極体を固定することを特徴とする電池の製造方法。
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