JP3751869B2

JP3751869B2 - 扁平形電池とその製造方法

Info

Publication number: JP3751869B2
Application number: JP2001311328A
Authority: JP
Inventors: 徹也林; 裕雄岩瀬; 聡小川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2021-10-09
Also published as: JP2003123830A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半殻体に形成されたキャップケース及び封口ケースを互いの開口部を対向させて組み合わせて構成される外装ケース内に巻回構造の極板群を収容して、扁平形の電池としての高負荷電流特性を向上させた扁平形電池とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ボタン形電池、コイン形電池などの扁平形電池は小型薄型であるため、その特徴を生かして腕時計や補聴器など小型化が要求される場合や、カード形機器などのように薄型化が要求される場合に広く用いられている。
【０００３】
扁平形電池の代表的な形態であるコイン形電池は、図６に示すように、円形半殻体に形成された封口ケース３５内に、円盤状に形成された正極ペレット３２と負極ペレット３３とをセパレータ３４を介して対向配置し、電解液を注入した後、封口ケース３５の開口部にガスケット３６を介してキャップケース３１を配し、キャップケース３１の開口端を内側に折り曲げるカシメ封口により内部空間が封口され、コイン形の外観形状を呈する電池に形成される。
【０００４】
このような正極ペレット３２と負極ペレット３３とを１：１で対面させたコイン形電池の構造では、正極板と負極板とが対極する反応面積が小さいことなどの要因によって連続放電電流はせいぜい数１０ｍＡ程度であって、負荷電流が少ない機器にしか適用できない課題があった。
【０００５】
大きな放電電流を取り出すためには、正極板と負極板との対極面積を増加させる必要があり、扁平形電池以外の電池では、複数枚の正極板と負極板とをセパレータを介して積層した積層構造や、帯状の正極板と負極板との間にセパレータを配して渦巻き状に巻回した巻回構造により、反応面積の増大を図る構造が広く用いられている。このような積層構造や巻回構造の極板を、コイン形電池のような高さ寸法が小さく扁平形状の外装ケース内に収容することができれば、放電電流を増大させた扁平形電池を実現することができる。これを実現した扁平形電池は先に本願出願人が提案し、特開２０００−３６０７２８号公報に開示されたものが知られている。また、特願２０００−３３０９１６号、特願２０００−３６０７２８号等として角形あるいは円形の外装ケースに巻回構造の極板群を収容した扁平形電池について提案している。
【０００６】
巻回構造の極板群を用いて放電容量の増大化を図った場合に、極板群から電池の正極及び負極への接続は、従来構造の扁平形電池に多く採用されている接触によるものでは、接触抵抗による損失が生じる。そこで、上記先願例では極板群の電池の正極及び負極に対する接続は溶接による接続方法が採用され、内部抵抗を減少させて大きな放電電流にも対応できるような構成となっている。
【０００７】
巻回構造の極板群１を用いた扁平形電池は、図７に断面図として示すように、半殻体に形成されたキャップケース４と封口ケース５とをガスケット６を介して組み合わせた外装ケース内に極板群１が収容され、極板群１から引き出された正極リード１５はキャップケース４の内面に溶接点（Ａ）で溶接され、負極リード１６は封口ケース５の内面に溶接点（Ｂ）で溶接されている。従って、キャップケース４は電池の正極を構成し、封口ケース５は電池の負極を構成して、外部接続の用に供される。
【０００８】
円形の外装ケース内に収容するための極板群１は、図８に示すように、正極板７及び負極板８を円形の収容スペースに対応させて幅方向に円弧を形成してそれぞれ正極板材料及び負極板材料から切り出すと、スペース効率のよい極板群１に構成することができる。正極板７は正極積層面１７ａ〜１７ｅを連結する連結片１９ａ〜１９ｄの長さ方向寸法が徐々に増加するように形成し、負極板８は負極積層面１８ａ〜１８ｅを連結する連結片２０ａ〜２０ｄの長さ方向寸法が徐々に増加するように形成することによって、正極積層面１７ａ〜１７ｅと負極積層面１８ａ〜１８ｅとがセパレータ９を介して積層されるように扁平に巻回することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、正極板７は、図９に示すように、アルミニウム箔等により形成された正極集電体５１の両面に正極活物質層５２を形成した正極板材料５０から図示するように連続的に所定形状に切り出される。負極板８の場合も同様であり、銅箔等により形成される負極集電体の両面に負極活物質を塗着した負極板材料から図８（ｂ）に示した所定形状に切り出される。正極板７の一端には正極リード１５を、負極板８に一端には負極リード１６を形成する必要がある。正極リード１５は溶接による電気的接続を行なうために正極集電体が露出した状態、同じく負極リード１６も負極集電体が露出した状態にしておく必要がある。即ち、正極リード１５を設けた正極板７は、図９に示すように、正極集電体５１に正極活物質層５２を形成した部位と塗着されていない部位とを形成した正極板材料５０から切り出す必要がある。同様に負極リード１６を設けた負極板８も負極集電体に負極活物質を塗着した部位と塗着されていない部位とを形成した負極板材料から切り出す必要がある。従って、正極板材料及び負極板材料は、正極板７及び負極板８の構造に応じて正極活物質層又は負極活物質層を形成した部位と形成しない部位を作る効率の悪い製造工程となる問題点があった。
【００１０】
また、正極板材料から正極板７を切り出し、負極板材料から負極板８を切り出すとき、図９に示すように、正極リード１５及び負極リード１６を形成する部位では、切り出した後に残る残滓の量が多く、材料資源を廃棄する量が増える無駄があった。
【００１１】
また、正極リード１５及び負極リード１６は、図７に示すように、ケースへの溶接時及び組立時に屈曲を受けるのため、柔軟性に富む材料を用いたい要求があるが、正極板７と一体に形成されているため、正極集電体の材質、例えばアルミニウム箔そのままを正極リード１５として使用することになる。正極集電体として用いるアルミニウム箔は通常２０μｍの厚さであり、機械的強度が低く、引き回しや折り畳みの力が加わることによって折損する恐れがあった。
【００１２】
本発明が目的とするところは、少なくとも正極板から引き出されるリードを別体に形成して、極板材料の製造工数削減、残滓量の削減、リード材質及び処理方法の選択性を実現して、巻回構造の極板群を用いた扁平形電池の製造を容易にすると共にコストダウンを図った扁平形電池とその製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本願第１発明は、アルミニウム箔からなる正極集電体上に正極活物質層が形成された正極板及び銅箔からなる負極集電体上に負極活物質層が形成された負極板がそれぞれ帯状に形成され、この正極板と負極板とがセパレータを介して他端側から扁平に巻回して極板群が形成されてなり、半殻体に形成されたキャップケースと封口ケースとを互いの開口部を対向させ、互いの側周部の間にガスケットを配して組み合わせた内部空間内に前記極板群が収容され、前記正極板の一端に設けられた正極リード及び負極板の一端に設けられた負極リードがキャップケース又は封口ケースに振り分けて溶接接続されてなる扁平形電池であって、前記正極リードは、アルミニウム箔に焼鈍処理が施されたもので、かつ正極板とは別体に形成されたものであり、この正極リードが正極板の一端に溶接接続されてなることを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、正極リードがアルミニウム箔に焼鈍処理が施されたものであって、アルミニウム箔からなる正極板とは別体に形成されているので、柔軟性にすぐれ、耐久性や取り扱いに適している。また、リード部分が別体であるため、材料から極板を切り出すときのロス部分が少なく、残滓量を減らして無駄なコスト上昇を抑えることができる。従って、巻回構造の極板群を用いた扁平形電池を品質よく製造することができ、コストダウンを図ることができる。
【００１７】
本願第２発明に係る扁平形電池の製造方法は、アルミニウム箔からなる正極集電体上に正極活物質層を形成した正極板材料及び銅箔からなる負極集電体上に負極活物質層を形成した負極板材料から、一端に集電体露出部を形成して、それぞれ帯状に正極板及び負極板を切り出し、焼鈍処理されたアルミニウム箔から所定サイズの正極リードを、銅箔またはニッケル箔から負極リードをそれぞれ切りだし、集電体露出部が形成された正極板および負極板の集電体露出部のそれぞれに、正極リードおよび負極リードの一端を溶接し、正極板と負極板とを、それぞれの一端側を巻き終りにして両極板の間にセパレータを配して扁平に巻回して極板群を形成し、半殻体に形成されたキャップケースと封口ケースとにより形成される内部空間内に前記極板群を収容し、正極リード及び負極リードをキャップケース又は封口ケースに振り分けて溶接し、前記キャップケース及び封口ケースを、互いの開口部を対向させ、互いの側周部の間にガスケットを配し、キャップケースと封口ケースとの間を封口することを特徴とする。
【００１８】
上記扁平形電池の製造方法によれば、極板とリードをそれぞれ別々に製造して溶接接続することができるので、極板とリードはそれぞれの材質、加工方法等を上記のように選択することができる。リードは電池の組立方法、特性などに応じて上記のように最適の材質を用いて耐久性や取り扱いに適したものとすることができる。また、リード部分が別体であるため、材料から極板及びリードを切り出すときのロス部分が少なく、残滓量を減らして無駄なコスト上昇を抑えることができる。従って、巻回構造の極板群を用いた扁平形電池を品質よく製造することができ、コストダウンを図ることができる。
【００１９】
上記製造方法における極板のリード溶接部位の形成は、集電体に部分的に活物質を塗着しない集電体露出部を設け、一端側が前記集電体露出部に位置するように正極板及び負極板を切り出す方法、あるいは集電体に活物質を塗着した後、所定部位の活物質層を剥離除去した集電体露出部を設け、一端側が前記集電体露出部に位置するように正極板及び負極板を切り出す方法を適用することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２１】
本実施形態に係る扁平形電池は、円形のコイン形リチウムイオン二次電池として構成した例を示すもので、従来構成と共通する要素には同一の符号を付している。図１に断面図として示すように、円形半殻体に形成されたキャップケース４と封口ケース５とをガスケット６を介して封口結合した内部空間内に、正極板と負極板とをセパレータを介して巻回した巻回構造の極板群１０を収容して、高負荷電流特性を有する扁平形電池に構成したものである。
【００２２】
前記極板群１０は、図４（ａ）に示すように、一端に正極リード１３が溶接点（Ｃ）で溶接接続された正極板１１と、図４（ｂ）に示すように、一端に負極リード１４が溶接点（Ｄ）で溶接接続された負極板１２とを、セパレータ９を介して扁平に巻回して構成されている。
【００２３】
前記正極板１１は、図２（ａ）に示すように、正極板材料の正極集電体上に正極活物質層（斜線部）が形成された部位に、複数の正極積層面２２ａ〜２２ｄを正極連結片２４ａ〜２４ｄで連結した極板部を構成し、その一端に正極集電体を露出させた正極リード溶接部２６を設けて形成されている。この正極板１１を形成するための正極板材料は、厚さ２０μｍのアルミニウム箔によって形成された正極集電体の両面に、正極活物質と結着剤等を溶剤に混練分散させたペーストを塗着し、乾燥、圧延により所定の厚さに正極活物質層を形成したものである。正極板１１の一端に設けられた正極リード溶接部２６は、正極板材料を製造する工程において、前記ペーストを部分的に塗着しない正極集電体露出部を設け、その正極集電体露出部に正極リード溶接部２６が位置するように正極板１１を打ち抜くことによって形成できる。また、正極集電体の全面に正極活物質層を形成した正極板材料から部分的に正極活物質層を剥離し、剥離物を除去して正極集電体露出部を形成し、その正極集電体露出部に正極リード溶接部２６が位置するように正極板１１を打ち抜くことによって形成することもできる。正極活物質層の剥離は、剥離する部位に超音波加振されるチップを圧接する方法、加熱された熱板を圧接する方法、活物質層を溶解させる溶剤を塗布する方法等を適用することができ、剥離された活物質層は金属ブラシや掻き取り板で除去することにより正極集電体を部分的に露出させることができる。
【００２４】
また、前記負極板１２は、図２（ｂ）に示すように、負極板材料の負極集電体上に負極活物質層（斜線部）が形成された部位に、複数の負極積層面２３ａ〜２３ｅを負極連結片２５ａ〜２５ｄで連結した極板部を構成し、その一端に負極集電体を露出させた負極リード溶接部２７を設けて形成されている。この負極板１２を形成するための負極板材料は、厚さ２０μｍの銅箔によって形成された負極集電体の両面に、炭素材料と結着剤等を溶剤に混練分散させたペーストを塗着し、乾燥、圧延により所定の厚さに負極活物質層を形成したものである。負極板１２の一端に設けられた負極リード溶接部２７は、負極板材料を製造する工程において、部分的に負極活物質層を形成しない負極集電体露出部を設け、その負極集電体露出部に負極リード溶接部２７が位置するように負極板１１を打ち抜くことによって形成できる。また、負極集電体の全面に負極活物質層を形成した負極板材料から部分的に負極活物質層を剥離し、剥離物を除去して負極集電体露出部を形成し、その負極集電体露出部に負極リード溶接部２７が位置するように負極板１２を打ち抜くことによって形成することもできる。負極活物質層の剥離除去は、正極活物質層の場合と同様の方法を用いることができる。
【００２５】
また、前記正極リード１３は正極リード材料から、図３（ａ）に示すように、所定の幅と長さに切り出される。正極リード材料は、厚さ２０μｍのアルミニウム箔を熱処理（焼鈍）して柔軟性を与えたものである。また、前記負極リード１４は負極リード材料から、図３（ｂ）に示すように、所定の幅と長さに切り出される。負極リード材料は、負極板１２の負極集電体の材質と同じ厚さ２０μｍの銅箔を適用してもよいが、ニッケル箔を適用することもできる。
【００２６】
上記正極板１１の一端に設けられた正極リード溶接部２６には、図４（ａ）に示すように、正極リード１３の一端が溶接される。溶接はアルミニウム箔どうしの接合なので抵抗溶接等の溶接方法では溶接以前に穴が開いてしまう問題があり、超音波溶接が好適である。超音波溶接は接合界面に超音波振動を加えるので、アルミニウムのように表面に酸化膜ができやすい材質の場合でも振動による摩擦により酸化膜が破壊されと同時に塑性変形を生じて新生金属面どうしの密着が達成され、摩擦熱による局部的な温度上昇により原子の拡散及び再結晶が促進され、強固な接合状態が得られる。また、負極板１２の一端に設けられた負極リード溶接部２７には、図４（ｂ）に示すように、負極リード１４の一端が溶接される。溶接は、銅箔−銅箔あるいは銅箔−ニッケル箔の間の接合となるので、超音波溶接、抵抗溶接、レーザー溶接を適用することができる。
【００２７】
正極リード１３が溶接された正極板１１と、負極リード１４が溶接された負極板１２とは、リード接合された一端側を巻き終りにして両極板間にセパレータ９を介し、正極積層面２２ａ〜２２ｄと負極積層面２３a〜２３ｄとが交互に積層されるように扁平に巻回され、極板群１０に形成される。
【００２８】
図５は、封口ケース５内に極板群１０を収容した状態を平面図として示すもので、極板群１０は封口ケース５によって形成された円形の空間内に無駄な空間が少ない平面形状に形成され、スペース効率のよい状態に封口ケース５内に収容される。
【００２９】
極板群１０から引き出された負極リード１４は、図１に示すように、封口ケース５の内面の溶接点（Ｂ）に溶接接続される。また、極板群１０から引き出された正極リード１３は、図１に示すように、キャップケース４の内面に溶接接続される。溶接は、正極リード１３の他端をキャップケース４の内面に位置させて正極リード１３をキャップケース４の溶接点（Ａ）に超音波溶接する。この溶接によるリード接続によって、巻回構造の極板群１０により得られる大きな放電電流に対応させることができる。
【００３０】
封口ケース５の側周面には、樹脂製のガスケット６が装着され、封口ケース５内には所定量の電解液が注入される。この電解液が極板群１ａ内に含浸されるまでの待機時間を経た後、封口ケース５上にキャップケース４が被せられ、キャップケース４の側周面の開口端側を周囲から封口ケース５側に折り曲げるカシメ加工により、ガスケット６は封口ケース５の側周面に形成された段差上に圧縮され、封口ケース５とキャップケース４との間が封口され、図１に示すような扁平形電池が完成する。
【００３１】
正極リード１３をキャップケース４に溶接するときのリードの引き回し、あるいは封口ケース５にキャップケース４を被せるときに長く延出する正極リード１３が極板群１０上に折り畳まれるとき、正極リード１３は折損を受けやすくなるが、前述したように焼鈍により柔軟性が向上した正極リード材料を用いることにより、折損の発生は抑制される。従来の正極集電体を延出した場合には柔軟性に欠けるため折損が発生する度合いも大きくなるが、本実施形態のように正極板１１と正極リード１３とを別体にして、材質や処理方法を任意に選択できるようにしたことによって、より品質のよい扁平形電池を構成することができる。
【００３２】
以上説明した実施形態では、正極板１１及び負極板１２にそれぞれ正極リード１３、負極リード１４を溶接接続しているが、正極板１１のみにリード接続を適用することができる。負極板１２は、負極集電体の材質である銅箔の強度は高いので、負極板１２と負極リード１４とを一体に形成して、正極板１１にのみ焼鈍により柔軟性を与えた正極リード１３を溶接接続するように構成することもできる。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明によれば、リードは電池の組立方法、特性などに応じて最適の材質を用いて耐久性や取り扱いに適したものとすることができる。また、リード部分を別体とすることにより、材料から極板を切り出すときのロス部分が少なく、残滓量を減らして無駄なコスト上昇を抑えることができる。従って、巻回構造の極板群を用いた扁平形電池を品質よく製造することができ、コストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る扁平形電池の構成を示す断面図。
【図２】正極板（ａ）及び負極板（ｂ）の展開図。
【図３】正極リード（ａ）及び負極リード（ｂ）の平面図。
【図４】正極板（ａ）及び負極板（ｂ）にそれぞれ正極リード及び負極リードを溶接接続した状態を示す平面図。
【図５】封口ケースに極板群を収容した状態を示す平面図。
【図６】従来技術になる扁平形電池の断面図。
【図７】従来技術になる巻回構造の極板群を用いた扁平形電池の断面図。
【図８】極板群を構成する（ａ）は正極板、（ｂ）は負極板の構成を示す展開図。
【図９】正極板材料から正極板を切り出す状態を示す説明図。
【符号の説明】
４キャップケース
５封口ケース
６ガスケット
１０極板群
１１正極極板
１２負極極板
１３正極リード
１４負極リード
２６正極リード溶接部（正極集電体露出部）
２７負極リード溶接部（負極集電体露出部）

Claims

アルミニウム箔からなる正極集電体上に正極活物質層が形成された正極板及び銅箔からなる負極集電体上に負極活物質層が形成された負極板がそれぞれ帯状に形成され、この正極板と負極板とがセパレータを介して他端側から扁平に巻回して極板群が形成されてなり、半殻体に形成されたキャップケースと封口ケースとを互いの開口部を対向させ、互いの側周部の間にガスケットを配して組み合わせた内部空間内に前記極板群が収容され、前記正極板の一端に設けられた正極リード及び負極板の一端に設けられた負極リードがキャップケース又は封口ケースに振り分けて溶接接続されてなる扁平形電池であって、前記正極リードは、アルミニウム箔に焼鈍処理が施されたもので、かつ正極板とは別体に形成されたものであり、この正極リードが正極板の一端に溶接接続されてなることを特徴とする扁平形電池。
負極リードは、負極板に一体に形成されたものである請求項１に記載の扁平形電池。
負極リードは、銅箔またはニッケル箔からなり、負極板とは別体に形成されたものであり、この負極リードが負極板の一端に溶接接続されてなる請求項１記載の扁平形電池。
アルミニウム箔からなる正極集電体上に正極活物質層を形成した正極板材料及び銅箔からなる負極集電体上に負極活物質層を形成した負極板材料から、一端に集電体露出部を形成して、それぞれ帯状に正極板及び負極板を切り出し、焼鈍処理されたアルミニウム箔から所定サイズの正極リードを、銅箔またはニッケル箔から負極リードをそれぞれ切りだし、集電体露出部が形成された正極板および負極板の集電体露出部のそれぞれに、正極リードおよび負極リードの一端を溶接し、正極板と負極板とを、それぞれの一端側を巻き終りにして両極板の間にセパレータを配して扁平に巻回して極板群を形成し、半殻体に形成されたキャップケースと封口ケースとにより形成される内部空間内に前記極板群を収容し、正極リード及び負極リードをキャップケース又は封口ケースに振り分けて溶接し、前記キャップケース及び封口ケースを、互いの開口部を対向させ、互いの側周部の間にガスケットを配し、キャップケースと封口ケースとの間を封口することを特徴とする扁平形電池の製造方法。
集電体に部分的に活物質を塗着しない集電体露出部を設け、一端側が前記集電体露出部に位置するように正極板及び負極板を切り出す請求項４に記載の扁平形電池の製造方法。
集電体に活物質を塗着した後、所定部位の活物質層を剥離除去した集電体露出部を設け、一端側が前記集電体露出部に位置するように正極板及び負極板を切り出す請求項４に記載の扁平形電池の製造方法。