JP3702308B2

JP3702308B2 - 非水電解質二次電池

Info

Publication number: JP3702308B2
Application number: JP27705196A
Authority: JP
Inventors: 吉田　　浩明
Original assignee: 日本電池株式会社
Priority date: 1996-09-26
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 2005-10-05
Anticipated expiration: 2016-09-26
Also published as: JPH10106536A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子機器の駆動用電源もしくは電気自動車用電池として、高率放電性能が要求される非水電解質二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
駆動機器、携帯電子機器、電気自動車等の高率放電性能が要求される非水電解質二次電池は、電解質の抵抗が水溶液系と比較して著しく大きいために、電極面積を大きくして対向面積を増やす必要がある。このため、電極の基体１には５〜５０μｍ程度の金属箔を使用し、電極ペーストを塗布している。発電素子は、薄い帯状の正極５および負極６をセパレータ７を介して巻回して組み立てられている。
【０００３】
従来、上記発電素子の集電は図１に示すように、活物質を塗布していない電極の基体１が露出した部分（未塗布部４）に端子２を取り出していた。しかし、電気自動車用電池等では高率放電性能が要求されるため、内部抵抗の低減や電流分布の均一化が必要となった。そこで、従来アルカリ電池で用いられていた一括集電方式（図２）を検討した。しかし、金属箔が５〜５０μｍと薄いことと、材質が銅あるいはアルミニウムであるため、アルカリ電池で用いられている抵抗溶接では接合することができなかった。このため、図３に示すように連続した電極の未塗布部４に多数の端子２を溶接し、集電をおこなう方法（多端子集電方式）を用いていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
高率放電性能が要求される非水電解質二次電池では、集電に必要な端子数が多くなり生産性が低くなるという問題があった。１００〜４００Ｗｈ級の電池では、多端子集電方式では端子数が１０〜５０本となり、特に生産性に問題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
発明は、溶接方法、集電体の形状および発電素子の端縁部の形状を検討した結果、帯状の正負極板の少なくとも一方の極板の長辺の一方の端縁部を他方の極板の端縁部より突出させ、セパレータを介して巻回してなる発電素子の突出した極板の長辺の一方の端縁部全体に設けられた活物質未塗布部が、収束されて集電体とをレーザー溶接することにより、生産性を向上させることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る非水電解液二次電池のいくつかの実施例を図面を参照しながら説明する。
【０００７】
【実施例】
実施例１
正極活物質として炭酸リチウム０．５モルと炭酸コバルト１モルを混合して、９００℃で空気中にて焼成してＬｉＣｏＯ_２を得た。このＬｉＣｏＯ_２を９１重量％と導電剤としてグラファイトを６重量％と結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）３重量％を混合し正極合剤とした。この正極合剤にＮメチル２ピロリドンを溶剤として添加し、混合分散してスラリー状にした。電極の基体１として厚さ２０μｍの帯状アルミニウム箔を用い、この基体１に正極合剤スラリーを均一に塗布し、乾燥させた後にロールプレス機を用いて厚さを調整して帯状の正極５を作製した。この電極の長辺の一方の端縁部全体には、１０ｍｍの幅の未塗布部４を設けた。
【０００８】
負極６には、リチウムのドープ・脱ドープが可能な炭素材料（グラファイト）粉末を用いた。グラファイト粉末を９０重量％、結着剤としてのＰＶＤＦを１０重量％を混合して負極合剤とした。この負極合剤にＮメチル２ピロリドンを溶剤として添加し、混練してスラリー状にした。電極の基体１として厚さ２０μｍの帯状銅箔を用い、この基体１に負極合剤スラリーを均一に塗布し、乾燥させた後にロールプレス機を用いて厚さを調整して帯状の負極６を作製した。この電極の一方の端縁部にも正極５と同様に、１０ｍｍの幅の未塗布部４を設けた。
【０００９】
このようにして作製した正極５と負極６をポリエチレン製の微多孔膜よりなるセパレータ７を介しポリイミド製のパイプからなる巻芯８を中心として渦巻き状に巻回して発電素子を得た。このとき図４に示されるように極板の端縁部全体（未塗布部４）を他方の極板の端縁部より突出させるようにして巻回した。
【００１０】
次に、円筒形の発電素子の外周部をテープ９で固定し、押し潰すことにより長円形の断面を有する図５に示すような発電素子に成形した。この発電素子の上下端縁部の直線部を治具を用いて、図６に示すように電極の端縁部を５ヶ所に分けて収束するようなくせをつけた。この部位に電極の基体１と同じ材質で厚さが５ｍｍ（溶接部（薄肉部）は５００μｍ）の集電体１０（図７（ａ））を図８及び図９に示すように装着し、集電体１０の溶接部（薄肉部）に沿ってレーザー溶接を用いて電極の端縁部と集電体１０とを溶接した。
【００１１】
レーザー溶接には、スラブ型ＹＡＧパルスレーザーを用いておこなった。レーザー溶接は正極５の基体（アルミニウム箔）と集電体１０ａ（アルミニウム）では出力：２５０Ｗ，パルス周波数：２０ｐｐｓ，パルス幅：４．０ｍｓで、負極６の基体（銅箔）と集電体１０ｂ（銅）では出力：５００Ｗ，パルス周波数：１５ｐｐｓ，パルス幅：６．０ｍｓの条件でおこなった。１パルスのレーザー出力波形（電流変化）を、それぞれ図１０及び図１１に示した。
【００１２】
この発電素子を長円形の電池容器（縦５０ｍｍ×横１３０ｍｍ×高さ２１０ｍｍ）に挿入し封口した。このとき、正極集電体及び負極集電体は電池容器に設けられた正極端子及び負極端子にそれぞれ接続した。次に、この電池容器内に、エチレンカーボネート及びジメチルカーボネートの１：１（体積比）の混合溶液に１ｍｏｌ／ｌ（リットル）の六フッ化燐酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）を溶解した電解液を減圧注入した。この電池の容量は１００Ａｈであった。
【００１３】
実施例２
実施例１において電極の端縁部にくせをつけた後、集電体１０を装着するかわりに、図１２に示すような形状のポリプロピレン製のガイド１１と組み合わせた集電体１０（図１３（ａ））を図１４に示すように装着した以外は、実施例１と同様にして実施例２の電池を作製した。
【００１４】
実施例３
実施例２においてガイド１１と組み合わせた集電体１０を装着するかわりに、図１５（ａ）に示すような形状のガイド部を有する集電体を装着した以外は、実施例２と同様にして実施例３の電池を作製した。
【００１５】
比較例
比較例として、従来の方法による電池を次のようにして作製した。本発明の実施例と同様にして正極５及び負極６を作製した。この正極５及び負極６の端縁部（活物質未塗布部４）が反対に位置するように配置し、ポリエチレン製の微多孔膜よりなるセパレータ７を介しポリイミド製のパイプからなる巻芯８を中心として渦巻状に巻回しながら位置決めをし、端子２をそれぞれ５０本ずつ超音波溶接を用いて取り付けて発電素子を得た。この発電素子の外周部をテープ９で固定し、押し潰すことにより長円形の断面を有する発電素子（図１６）に成形した。この発電素子を本発明の実施例で用いたものと同じ長円形の電池容器に挿入し封口した。正極及び負極の端子２は電池容器に設けられた正極端子及び負極端子にそれぞれ接続した。次に、本発明の電池と同様に電池容器内に電解液を注入した。比較例の電池の容量も１００Ａｈであった。
【００１６】
上記電池をそれぞれ１００個作製した。このとき、電極の状態から発電素子を電池容器に挿入するまでに要した時間（電池１個当たりの平均値）を比較した結果を表１に示す。
【００１７】
【表１】

以上の結果から、本発明の集電構造を有する非水電解質二次電池は製造タクトを短縮することができ、生産性を向上させることが明らかである。
【００１８】
なお、上記実施例では、発電素子を長円状に巻回したものを用いたが、発電素子の形状はこれに限定されず、円筒状であってもよい。また、集電体１０の形状も実施例のものに限定されるものではなく、電極の端縁部に適した形状を用いることができる。すなわち、円筒形状の集電にはその曲率にあわせた図７（ｂ），（ｃ）のような形状を用いることができる。
【００１９】
また、ガイド１１の断面形状も特に限定されるものではなく、図１７に示される形状でもよい。すなわち、ガイド１１を用いることにより集電体１０のスリットに電極の端縁部が収束されるような形状であればどのような形状であってもよい。円筒形状の場合には集電体と組み合わせた図１３（ｂ）のような形状を用いることができる。また、ガイド１１の材質として本発明の実施例では、ポリプロピレンを用いたがポリエチレン，ポリエチレンテレフタレート，フッ素樹脂またはステンレス等のような電池内部で安定な材質あるいは集電体と同様な材質であれば用いることができる。
【００２０】
また、実施例３のようなガイド部を有する集電体の断面形状も特に限定されるものではなく、図１８に示される形状でもよい。すなわち、ガイド部により集電体のスリットに電極の端縁部が収束されるような形状であればどのような形状であってもよい。また、円筒形状の集電にはその曲率にあわせた図１５（ｂ），（ｃ）のような形状を用いることができる。
【００２１】
また、電極の基体１の材質として、アルミニウム及び銅を用いたが、アルミニウムのかわりに種々の合金、例えばアルミニウム−マンガン合金，アルミニウム−マグネシウム合金等が、銅のかわりに種々の合金、例えば銅−亜鉛合金，銅−ニッケル合金，銅−アルミニウム合金等も用いることが可能である。ただし、これらの合金よりも純アルミニウム及び純銅の方が溶接は容易であった。
【００２２】
集電体の材質は、基本的には基体１と同じものを用いることが好ましいが、加工性等の理由により基体１と異なる合金等と組み合わせることも可能である。
【００２３】
アルミニウム製の基体１と集電体をレーザー溶接する条件は、出力：２００〜３５０Ｗ、パルス周波数：５〜３５ｐｐｓである。好ましくは出力：２５０〜３００Ｗ、パルス周波数：１０〜３０ｐｐｓである。銅製の基体１と集電体をレーザー溶接する条件は、出力：３００〜５５０Ｗ、パルス周波数：５〜２５ｐｐｓである。好ましくは出力：４００〜５００Ｗ、パルス周波数：１０〜２０ｐｐｓである。また、パルスの出力波形も上記実施例のものに限定されるものではなく、基体１及び集電体の材質や厚さを考慮し、段階的に出力を減衰するような波形で溶接が可能な条件であればよい。出力を段階的に減衰させることで溶接部にクラックの発生が抑制でき、電気抵抗の増大及び溶接強度の低下を防止することができる。パルス周波数を落とす（パルス幅を広げる）ことによって、タクトは低下するが厚い集電体（溶接部）の溶接も可能である。種々の溶接条件を検討し、溶接部の強度，生産性等を考慮した結果、溶接部の厚さは２０μｍ〜３ｍｍで良好な結果が得られた。２０μｍ以下では充分な溶接強度が得られず、３ｍｍ以上では出力を上げなければならないために生産性が低下した。電極の基体１には任意の厚さのものを使用することができるが、電極の強度や電池のエネルギー密度、さらにレーザー溶接可能な厚さを考慮し検討した結果、５〜５０μｍの範囲において好適な結果が得られた。
【００２４】
また、実施例では未塗布部４の幅を１０ｍｍとしたが、レーザー溶接時の熱によってセパレータ７及び活物質の合剤が影響を受けない範囲であれば特に限定はされない。未塗布部４の幅を大きくするほど熱の影響を受けにくくなるが、電池のエネルギー密度は低下する。よって、実用性を考慮すると１ｍｍ〜５ｃｍ，好ましくは３ｍｍ〜３ｃｍである。
【００２５】
さらに、正極活物質として上記実施例の他に、リチウムニッケル複合酸化物，スピネル型リチウムマンガン酸化物，五酸化バナジウム，二硫化チタン等を用いることができる。また、負極６には実施例のグラファイト粉末の他、低結晶性の炭素材料，アモルファスの炭素材料，金属酸化物等を用いることができる。
【００２６】
また、本発明は、リチウム二次電池に限らず同様な構成すなわち金属箔に活物質を塗布し、その金属箔から集電する非水電解質二次電池にも適用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、溶接方法、集電体の形状および発電素子の端縁形状を検討することにより、信頼性が高く、製造容易な集電構造を有する非水電解質二次電池を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の非水電解質二次電池における電極板を示す平面図である。
【図２】アルカリ電池における一括集電方式を示す斜視図である。
【図３】従来の非水電解質二次電池における多端子集電方式を用いた電極板を示す平面図である。
【図４】本発明の一実施例における非水電解質二次電池の発電素子の分解斜視図である。
【図５】本発明の一実施例における非水電解質二次電池の発電素子の斜視図である。
【図６】本発明の一実施例における非水電解質二次電池の発電素子の要部拡大縦断面図である。（電極の端縁部を治具を用いてくせをつけた後の発電素子）
【図７】本発明の一実施例における集電体の斜視図である。
【図８】本発明の一実施例における非水電解質二次電池で集電体を装着した発電素子の斜視図である。
【図９】本発明の一実施例における非水電解質二次電池で集電体を装着した発電素子の要部拡大縦断面図である。
【図１０】本発明の一実施例におけるアルミ製の基体と集電体とをレーザー溶接したときの出力波形を示す図である。
【図１１】本発明の一実施例における銅製の基体と集電体とをレーザー溶接したときの出力波形を示す図である。
【図１２】本発明の一実施例におけるガイドの斜視図である。
【図１３】本発明の一実施例におけるガイドと集電体とを組み合わせたものの斜視図である。
【図１４】本発明の一実施例における非水電解質二次電池でガイドと集電体とを組み合わせたものを装着した発電素子の要部拡大縦断面図である。
【図１５】本発明の一実施例におけるガイド部を有する集電体の斜視図である。
【図１６】従来の多端子集電方式を用いた非水電解質二次電池における発電素子の斜視図である。
【図１７】本発明の一実施例におけるガイド形状を示す断面図である。
【図１８】本発明の一実施例におけるガイド部を有する集電体の断面図である。
【符号の説明】
１基体
２端子
３合材層
４未塗布部
５正極
６負極
７セパレータ
８巻芯
９テープ
１０集電体
１０ａ正極集電体
１０ｂ負極集電体
１１ガイド

Claims

正負極板の少なくとも一方の長辺の一方の端縁部を他方の極板の端縁部より突出させ、セパレータを介して巻回してなる発電素子を有する非水電解質二次電池において、少なくとも該発電素子の突出した極板の長辺の一方の端縁部全体に設けられた１ｍｍ以上５ｃｍ以下の幅の活物質未塗布部が、収束されて集電体とレーザー溶接されていることを特徴とする非水電解質二次電池。
帯状の正極板及び負極板の基体の少なくとも一方が、厚み５μｍ以上５０μｍ以下の金属箔であり、かつ集電体の溶接部の厚みが２０μｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の非水電解質二次電池。
該集電体の溶接部に電極の端縁部を収束する断面形状を有するガイドと該集電体とを組み合わせて用いたことを特徴とする請求項１又は２記載の非水電解質二次電池。
該集電体の断面が、該集電体を装着することにより電極の端縁部が溶接部に収束されるようなガイド部を有する形状であることを特徴とする請求項１又は２記載の非水電解質二次電池。
該レーザー溶接のパルス出力波形を段階的に減衰させることによって溶接することを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の非水電解質二次電池。