JP4019700B2 - 二次電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は二次電池に関し、特に集電構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＡＶ機器あるいはパソコン等の電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として小型、軽量で高エネルギー密度を有する二次電池への要求が高まっている。この中でリチウムを活物質とするリチウムイオン二次電池はとりわけ高電圧、高エネルギー密度を有する電池として期待が大きい。また新たな要求として電動工具などに用いるために高出力化が望まれる。
【０００３】
この要求に応えるためには電池の内部抵抗の低減が重要である。一般的なリチウムイオン二次電池の集電方式は、正極板及び負極板からそれぞれリードを用いて集電を行う。一方、高出力型のリチウムイオン二次電池などでは、特開２０００−２９４２２２号公報に記載されているように正負極板の端部を群から突出させ、集電板を溶接して集電を行う方法が提案されている。この集電方法はリードを用いる場合よりも低抵抗化が可能である。
【０００４】
極板からのリードあるいは、集電板からの接続片を電池容器に溶接する方法には、一般的に、巻芯部である中空部を利用し、溶接用電極棒を利用してスポット溶接したり、レーザ光や電子線を照射してスポット溶接する方法が取られる。また、特許第２９３７４５６号公報に記載されているように、電池容器の外側からレーザ光や電子線を照射してスポット溶接する方法も提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の溶接棒を巻芯に挿入し、負極集電体と電池底面を抵抗溶接する方法では、溶接棒の径に限界があり、巻芯部分の削減による容量向上が望めない。さらに溶接棒挿入時のセパレータの巻き込みによる不良が発生するという問題があった。
【０００６】
また、底部からレーザ溶接する場合は、負極集電体と電池缶とに隙間が発生しやすいため、溶接強度がばらつき易い。さらに、この隙間を無くすために群上部から圧力が必要であるが、この際にも極板の座屈などの不良が発生するという問題があった。
【０００７】
本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、たとえ電池容量を向上させるために巻芯部分が小さい二次電池であっても、確実に底部に集電体が溶接された集電構造を持つことが出来るようにするのが目的である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では電池容器の底部に穴があり、また、集電板には凸部が形成され、この凸部は、電池容器の底部に開けられた穴に嵌合しており、この嵌合部は溶接により密閉されているとしている。
【０００９】
この溶接は、電池容器の外部から行なえ、直接的に目視にて溶接状況を確認できる。このことにより、溶接棒を用いなくても、確実に底部に集電体が溶接された集電構造を提供することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の二次電池は、正極集電体に正極材料を塗工させて製造した正極板と負極集電体に負極材料を塗工させて製造した負極板とをセパレータを介して捲回して極板群を作成し、前記極板群を電解液とともに電池容器内に収容する二次電池において、前記極板群は、正極板または負極板の少なくとも一つの極板の端部に未塗工部が設けてあり、前記未塗工部を前記極板群から突出させ集電板と直接接続した極板群であって、前記集電板の一つには凸部が形成され、前記凸部は、前記電池容器の底部に開けられた穴に嵌合しており、前記嵌合部は溶接により密閉されていることを特徴とする二次電池としたものであって、確実に底部に集電体が溶接されるという作用を有する。
【００１１】
この溶接には、従来公知の方法が使えるが、レーザによるシーム溶接が加工性が良く、好ましい。
【００１２】
また、集電体の凸部は底部に開けられた穴を塞ぎ易いように、先端部から相似形に徐々に広がっていく形状が望ましい。
【００１３】
また、本発明の二次電池は、ニッケルカドミウム蓄電池やニッケル水素蓄電池などの従来公知の二次電池が使えるが、極板が薄く、巻芯部を小さくすることの出来るリチウムイオン二次電池が、特に好ましい。
【００１４】
以下、本発明の二次電池の一実施形態のリチウムイオン二次電池について図１を参照して具体的に説明する。
【００１５】
図１において、１は正極板、２は負極板で、微多孔ポリエチレンフィルムから成るセパレータ３を介して互いに対向された状態で渦巻き状に巻回されて極板群１０が構成され、この極板群１０が電解液とともに電池容器４内に収納配置されている。電池容器４は負極端子となる円筒容器状の電池缶５と正極端子となる電池蓋６にて構成され、電池缶５の上端開口部内周と電池蓋６の外周との間に介装された絶縁パッキン７にて相互に絶縁されるとともに電池容器４が密閉されている。なお、極板群１０と電池缶５の内周との間にもセパレータ３は介装されている。
【００１６】
正極板１は、正極集電体１ｂの両面に正極材料１ａを塗工して構成されるとともに、その正極集電体１ｂの一側部（図示例では上側部）が正極材料１ａの塗工部より突出されている。また、負極板２は、負極集電体２ｂの両面に負極材料２ａを塗工して構成されるとともに、その負極集電体２ｂの他側部（図示例では下側部）が負極材料２ａの塗工部より突出されている。セパレータ３は正極板１及び負極板２の塗工部の両側縁よりも外側に突出されている。
【００１７】
そして、正極集電体１ｂのセパレータ３より突出した部分を塑性変形させて正極平坦部１１が形成され、この平坦部１１に正極集電板８が接合されている。同様に、負極集電体２ｂのセパレータ３より突出した部分を塑性変形させて負極平坦部１２が形成され、この平坦部１２に負極集電板９が接合されている。
【００１８】
これら正極集電板８及び負極集電板９はそれぞれ電池蓋６と電池缶５に接続されている。８ａは、正極集電板８を電池蓋６の内面に接合するためその外周から延出された接続片である。そして、負極集電板９には、凸部９が形成されており、底部に開けられた穴１３に嵌合しており、この嵌合部はレーザでシーム溶接されている。
【００１９】
本電池のサイズは、直径１８ｍｍ、電池高６５ｍｍであり、電池容量は容量１２００ｍＡｈである。電池缶５の厚みは０．５ｍｍ、穴１３の直径は３ｍｍである。また、集電板８、９の厚みは０．２ｍｍであり、凸部９ａは、先端部が直径が２．５ｍｍ、根元が３．５ｍｍ、高さ１ｍｍである。
【００２０】
次に、製造方法を具体的に示す。正極板１は、電解二酸化マンガン（ＥＭＤ：ＭｎＯ2）と炭酸リチウム（Ｌｉ2ＣＯ3）とをＬｉ／Ｍｎ＝１／２となるように混合し、８００℃で２０時間大気中で焼成して製造した正極活物質のＬｉＭｎ2Ｏ4と、導電剤のアセチレンブラックと、結着剤のポリフッ化ビニリデンとを、それぞれ重量比で９２：３：５の割合で混合したものを正極材料１ａとした。
【００２１】
なお、正極材料１ａをペースト状に混練するために結着剤としてのポリフッ化ビニリデンはＮメチルピロリドンディスパージョン液を用いた。上記混合比率は固形分としての割合である。この正極材料ペーストを、厚み２０μｍのアルミ箔から成る正極集電体１ｂの両面に一側縁部に幅６．５ｍｍの非塗工部を残した状態で塗工し、正極材料層を形成した。正極材料層の両膜厚は同じで、塗工、乾燥後の両膜厚の和は２８０μｍで、正極板１の厚さを３００μｍとした。その後、正極板１の厚みが２００μｍになるように直径３００ｍｍのプレスロールにより圧縮成形した。このとき、正極材料密度は３．０ｇ／ｃｍ3であった。
【００２２】
負極板２は、人造黒鉛と結着剤のスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）とを重量比９７：３の割合で混合したものを負極材料１２ａとした。なお、負極材料２ａをペースト状に混練するために結着剤としてのスチレンブタジエンゴムは水溶性のディスパージョン液を用いた。上記混合比率は固形分としての割合である。この負極合剤ペーストを厚み１４μｍの銅箔から成る負極集電体２ｂの両面に一側縁部に幅４ｍｍの非塗工部を残した状態で塗工し、負極材料層を形成した。その後、負極板２の厚みが１７０μｍになるように直径３００ｍｍのプレスロールにより圧縮成形した。このとき、負極材料密度は１．４ｇ／ｃｍ3であった。
【００２３】
電解液は、エチレンカーボネイト（ＥＣ）とジエチレンカーボネイト（ＤＥＣ）を体積比１：１の配合比で混合した混合溶媒に、溶質として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）を１ｍｏｌ／ｄｍ3の濃度に溶解したものを用いた。
【００２４】
このリチウムイオン二次電池の製造に当たっては、上記のようにして作製した正極板１と負極板２をセパレータ３を介して対向させかつそれらの集電体１ｂ、２ｂの突出部を両端に突出させた状態で渦巻き状に巻回して極板群１０を形成した。突出部の長さは２ｍｍとした。
【００２５】
この極板群１０を、突出部の芯材を屈曲させ平坦部１１および１２を作成した。
【００２６】
次いで、平坦部１１、１２を形成した極板群１０に対し、集電板８、９を平坦部１１、１２に押し付けるように配置して両者を圧接させた状態で、集電板８、９の表面の周方向複数箇所を中心部から外周縁まで放射状にレーザビームを照射することによって集電板８、９と平坦部１１、１２をレーザ溶接する。そして、この集電板８、９を接合した極板群１０を電池缶５内に収容し、底部の穴１３に集電体の凸部９ａを嵌合させ、レーザのシーム溶接で接合した。
【００２７】
その後、接続片８ａと電池蓋６をそれぞれレーザ溶接等にて接続し、電解液を注入して真空含浸させ、電池蓋６で密閉した。
【００２８】
以上の電池を１００個、作成したときの溶接強度のセンター値は、１８．５ｋｇ／ｃｍ2、標準偏差（σ値）は、０．９ｋｇ／ｃｍ2であった。この値は、実用上、従来の抵抗溶接等に比べても有効な数値である。
【００２９】
また、本電池のサイズで従来方法の溶接棒にて底部溶接する場合、確実に底部溶接するために巻神経は最小でも直径３．５ｍｍ程度は必要であるが、本発明の二次電池では直径０．５ｍｍ程度の巻芯においても作成可能であり、体積換算で約４％の容量向上が可能となる。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明の二次電池によれば、確実に底部に集電体が溶接された集電構造を持つことが出来る。さらに、電池の巻芯部に相当する容積が削減されるため、この容積を有効に活用し容量を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池の縦断面図
【符号の説明】
１ 正極板
１ａ 正極材料
１ｂ 正極集電体
２ 負極板
２ａ 負極材料
２ｂ 負極集電体
３ セパレータ
４ 電池容器
５ 電池缶
６ 電池蓋
７ 絶縁パッキン
８ 正極集電板
８ａ 正極接続片
９ 負極集電板
９ａ 凸部
１０ 極板群
１１ 正極平坦部
１２ 負極平坦部
１３ 穴
【発明の属する技術分野】
本発明は二次電池に関し、特に集電構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＡＶ機器あるいはパソコン等の電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として小型、軽量で高エネルギー密度を有する二次電池への要求が高まっている。この中でリチウムを活物質とするリチウムイオン二次電池はとりわけ高電圧、高エネルギー密度を有する電池として期待が大きい。また新たな要求として電動工具などに用いるために高出力化が望まれる。
【０００３】
この要求に応えるためには電池の内部抵抗の低減が重要である。一般的なリチウムイオン二次電池の集電方式は、正極板及び負極板からそれぞれリードを用いて集電を行う。一方、高出力型のリチウムイオン二次電池などでは、特開２０００−２９４２２２号公報に記載されているように正負極板の端部を群から突出させ、集電板を溶接して集電を行う方法が提案されている。この集電方法はリードを用いる場合よりも低抵抗化が可能である。
【０００４】
極板からのリードあるいは、集電板からの接続片を電池容器に溶接する方法には、一般的に、巻芯部である中空部を利用し、溶接用電極棒を利用してスポット溶接したり、レーザ光や電子線を照射してスポット溶接する方法が取られる。また、特許第２９３７４５６号公報に記載されているように、電池容器の外側からレーザ光や電子線を照射してスポット溶接する方法も提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の溶接棒を巻芯に挿入し、負極集電体と電池底面を抵抗溶接する方法では、溶接棒の径に限界があり、巻芯部分の削減による容量向上が望めない。さらに溶接棒挿入時のセパレータの巻き込みによる不良が発生するという問題があった。
【０００６】
また、底部からレーザ溶接する場合は、負極集電体と電池缶とに隙間が発生しやすいため、溶接強度がばらつき易い。さらに、この隙間を無くすために群上部から圧力が必要であるが、この際にも極板の座屈などの不良が発生するという問題があった。
【０００７】
本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、たとえ電池容量を向上させるために巻芯部分が小さい二次電池であっても、確実に底部に集電体が溶接された集電構造を持つことが出来るようにするのが目的である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では電池容器の底部に穴があり、また、集電板には凸部が形成され、この凸部は、電池容器の底部に開けられた穴に嵌合しており、この嵌合部は溶接により密閉されているとしている。
【０００９】
この溶接は、電池容器の外部から行なえ、直接的に目視にて溶接状況を確認できる。このことにより、溶接棒を用いなくても、確実に底部に集電体が溶接された集電構造を提供することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の二次電池は、正極集電体に正極材料を塗工させて製造した正極板と負極集電体に負極材料を塗工させて製造した負極板とをセパレータを介して捲回して極板群を作成し、前記極板群を電解液とともに電池容器内に収容する二次電池において、前記極板群は、正極板または負極板の少なくとも一つの極板の端部に未塗工部が設けてあり、前記未塗工部を前記極板群から突出させ集電板と直接接続した極板群であって、前記集電板の一つには凸部が形成され、前記凸部は、前記電池容器の底部に開けられた穴に嵌合しており、前記嵌合部は溶接により密閉されていることを特徴とする二次電池としたものであって、確実に底部に集電体が溶接されるという作用を有する。
【００１１】
この溶接には、従来公知の方法が使えるが、レーザによるシーム溶接が加工性が良く、好ましい。
【００１２】
また、集電体の凸部は底部に開けられた穴を塞ぎ易いように、先端部から相似形に徐々に広がっていく形状が望ましい。
【００１３】
また、本発明の二次電池は、ニッケルカドミウム蓄電池やニッケル水素蓄電池などの従来公知の二次電池が使えるが、極板が薄く、巻芯部を小さくすることの出来るリチウムイオン二次電池が、特に好ましい。
【００１４】
以下、本発明の二次電池の一実施形態のリチウムイオン二次電池について図１を参照して具体的に説明する。
【００１５】
図１において、１は正極板、２は負極板で、微多孔ポリエチレンフィルムから成るセパレータ３を介して互いに対向された状態で渦巻き状に巻回されて極板群１０が構成され、この極板群１０が電解液とともに電池容器４内に収納配置されている。電池容器４は負極端子となる円筒容器状の電池缶５と正極端子となる電池蓋６にて構成され、電池缶５の上端開口部内周と電池蓋６の外周との間に介装された絶縁パッキン７にて相互に絶縁されるとともに電池容器４が密閉されている。なお、極板群１０と電池缶５の内周との間にもセパレータ３は介装されている。
【００１６】
正極板１は、正極集電体１ｂの両面に正極材料１ａを塗工して構成されるとともに、その正極集電体１ｂの一側部（図示例では上側部）が正極材料１ａの塗工部より突出されている。また、負極板２は、負極集電体２ｂの両面に負極材料２ａを塗工して構成されるとともに、その負極集電体２ｂの他側部（図示例では下側部）が負極材料２ａの塗工部より突出されている。セパレータ３は正極板１及び負極板２の塗工部の両側縁よりも外側に突出されている。
【００１７】
そして、正極集電体１ｂのセパレータ３より突出した部分を塑性変形させて正極平坦部１１が形成され、この平坦部１１に正極集電板８が接合されている。同様に、負極集電体２ｂのセパレータ３より突出した部分を塑性変形させて負極平坦部１２が形成され、この平坦部１２に負極集電板９が接合されている。
【００１８】
これら正極集電板８及び負極集電板９はそれぞれ電池蓋６と電池缶５に接続されている。８ａは、正極集電板８を電池蓋６の内面に接合するためその外周から延出された接続片である。そして、負極集電板９には、凸部９が形成されており、底部に開けられた穴１３に嵌合しており、この嵌合部はレーザでシーム溶接されている。
【００１９】
本電池のサイズは、直径１８ｍｍ、電池高６５ｍｍであり、電池容量は容量１２００ｍＡｈである。電池缶５の厚みは０．５ｍｍ、穴１３の直径は３ｍｍである。また、集電板８、９の厚みは０．２ｍｍであり、凸部９ａは、先端部が直径が２．５ｍｍ、根元が３．５ｍｍ、高さ１ｍｍである。
【００２０】
次に、製造方法を具体的に示す。正極板１は、電解二酸化マンガン（ＥＭＤ：ＭｎＯ2）と炭酸リチウム（Ｌｉ2ＣＯ3）とをＬｉ／Ｍｎ＝１／２となるように混合し、８００℃で２０時間大気中で焼成して製造した正極活物質のＬｉＭｎ2Ｏ4と、導電剤のアセチレンブラックと、結着剤のポリフッ化ビニリデンとを、それぞれ重量比で９２：３：５の割合で混合したものを正極材料１ａとした。
【００２１】
なお、正極材料１ａをペースト状に混練するために結着剤としてのポリフッ化ビニリデンはＮメチルピロリドンディスパージョン液を用いた。上記混合比率は固形分としての割合である。この正極材料ペーストを、厚み２０μｍのアルミ箔から成る正極集電体１ｂの両面に一側縁部に幅６．５ｍｍの非塗工部を残した状態で塗工し、正極材料層を形成した。正極材料層の両膜厚は同じで、塗工、乾燥後の両膜厚の和は２８０μｍで、正極板１の厚さを３００μｍとした。その後、正極板１の厚みが２００μｍになるように直径３００ｍｍのプレスロールにより圧縮成形した。このとき、正極材料密度は３．０ｇ／ｃｍ3であった。
【００２２】
負極板２は、人造黒鉛と結着剤のスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）とを重量比９７：３の割合で混合したものを負極材料１２ａとした。なお、負極材料２ａをペースト状に混練するために結着剤としてのスチレンブタジエンゴムは水溶性のディスパージョン液を用いた。上記混合比率は固形分としての割合である。この負極合剤ペーストを厚み１４μｍの銅箔から成る負極集電体２ｂの両面に一側縁部に幅４ｍｍの非塗工部を残した状態で塗工し、負極材料層を形成した。その後、負極板２の厚みが１７０μｍになるように直径３００ｍｍのプレスロールにより圧縮成形した。このとき、負極材料密度は１．４ｇ／ｃｍ3であった。
【００２３】
電解液は、エチレンカーボネイト（ＥＣ）とジエチレンカーボネイト（ＤＥＣ）を体積比１：１の配合比で混合した混合溶媒に、溶質として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）を１ｍｏｌ／ｄｍ3の濃度に溶解したものを用いた。
【００２４】
このリチウムイオン二次電池の製造に当たっては、上記のようにして作製した正極板１と負極板２をセパレータ３を介して対向させかつそれらの集電体１ｂ、２ｂの突出部を両端に突出させた状態で渦巻き状に巻回して極板群１０を形成した。突出部の長さは２ｍｍとした。
【００２５】
この極板群１０を、突出部の芯材を屈曲させ平坦部１１および１２を作成した。
【００２６】
次いで、平坦部１１、１２を形成した極板群１０に対し、集電板８、９を平坦部１１、１２に押し付けるように配置して両者を圧接させた状態で、集電板８、９の表面の周方向複数箇所を中心部から外周縁まで放射状にレーザビームを照射することによって集電板８、９と平坦部１１、１２をレーザ溶接する。そして、この集電板８、９を接合した極板群１０を電池缶５内に収容し、底部の穴１３に集電体の凸部９ａを嵌合させ、レーザのシーム溶接で接合した。
【００２７】
その後、接続片８ａと電池蓋６をそれぞれレーザ溶接等にて接続し、電解液を注入して真空含浸させ、電池蓋６で密閉した。
【００２８】
以上の電池を１００個、作成したときの溶接強度のセンター値は、１８．５ｋｇ／ｃｍ2、標準偏差（σ値）は、０．９ｋｇ／ｃｍ2であった。この値は、実用上、従来の抵抗溶接等に比べても有効な数値である。
【００２９】
また、本電池のサイズで従来方法の溶接棒にて底部溶接する場合、確実に底部溶接するために巻神経は最小でも直径３．５ｍｍ程度は必要であるが、本発明の二次電池では直径０．５ｍｍ程度の巻芯においても作成可能であり、体積換算で約４％の容量向上が可能となる。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明の二次電池によれば、確実に底部に集電体が溶接された集電構造を持つことが出来る。さらに、電池の巻芯部に相当する容積が削減されるため、この容積を有効に活用し容量を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例におけるリチウムイオン二次電池の縦断面図
【符号の説明】
１ 正極板
１ａ 正極材料
１ｂ 正極集電体
２ 負極板
２ａ 負極材料
２ｂ 負極集電体
３ セパレータ
４ 電池容器
５ 電池缶
６ 電池蓋
７ 絶縁パッキン
８ 正極集電板
８ａ 正極接続片
９ 負極集電板
９ａ 凸部
１０ 極板群
１１ 正極平坦部
１２ 負極平坦部
１３ 穴
Claims (2)
- 正極集電体に正極材料を塗工させて製造した正極板と負極集電体に負極材料を塗工させて製造した負極板とをセパレータを介して捲回して極板群を作成し、前記極板群を電解液とともに電池容器内に収容する二次電池において、
前記極板群は、正極板または負極板の少なくとも一つの極板の端部に未塗工部が設けてあり、前記未塗工部を前記極板群から突出させ集電板と直接接続した極板群であって、
前記集電板の一つには凸部が形成され、前記凸部は、前記電池容器の底部に開けられた穴に嵌合しており、前記嵌合部は溶接により密閉されていることを特徴とする二次電池。 - 前記二次電池は非水電解液二次電池である請求項１記載の二次電池。
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| JP2001368291A JP4019700B2 (ja) | 2001-12-03 | 2001-12-03 | 二次電池 |
| CNB028197119A CN100364149C (zh) | 2001-10-19 | 2002-09-17 | 二次电池 |
| PCT/JP2002/009526 WO2003036740A1 (en) | 2001-10-19 | 2002-09-17 | Secondary cell |
| US10/826,389 US7153606B2 (en) | 2001-10-19 | 2004-04-19 | Secondary battery |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001368291A JP4019700B2 (ja) | 2001-12-03 | 2001-12-03 | 二次電池 |
Publications (2)
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|---|---|
| JP2003168415A JP2003168415A (ja) | 2003-06-13 |
| JP4019700B2 true JP4019700B2 (ja) | 2007-12-12 |
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ID=19177901
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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