JP4359260B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は二次電池に関し，より詳しくは溶接特性が改善された二次電池に関する。

二次電池は，その用途や電池容量を勘案すれば，一つの電池セルをパック形に包装して使う低容量二次電池（以下，「小型電池」）と，電池セルを数十個集めて使う電池パック単位のモータ駆動用大容量二次電池（以下，「大型電池」）に区分できる。

この中で，小型電池は，主に，セルラーフォン（携帯電話），ノートブックコンピュータあるいはカムコーダなどの小型電子装置の電源として用いられる。大型電池は，ハイブリッド自動車などのモータ駆動用電源として用いられる。

小型電池が一つのセルで構成される時には，主に円筒形や角形の外形で形成されるが，帯状の正，負極の間に絶縁体であるセパレータを介在させて，これらを渦流状に巻いて電極組立体（ゼリーロールともいう）を形成し，この電極組立体を所定形状の缶内部に挿入して電池を構成する。

そして，上記正，負極には，引出端子，つまり，電池の作用時に正，負極で発生した電流を集電するための導電性タブがそれぞれ取付けられ，例えば導電性タブを電極組立体に溶接などで接合させ，各々正，負極に発生した電流を正，負極端子に誘導する。

このように構成された小型電池の構造をそのまま大型電池に適用する場合には，容量や出力面で大型電池の動作特性を満足させられない。このため，複数のタブを電極組立体の中に取付けて使うマルチタブ構造が提案され，さらにはタブに代わる板状の集電板が提案された。

しかし，電極集電体とタブは薄い板で作られるので，溶接の時に発生する熱や圧力によって電極集電体またはタブが焦げたり破れたりするために，その形状を維持することが困難であり，溶接作業も不便であるという問題がある。

また，集電板を含む二次電池においても，負極の集電体と集電板とは一般に電気伝導度が良い銅（Ｃｕ）で製造されて，この間の固定は溶接で行われる。しかし，銅相互間での溶接は満足に行えないので，集電板と負極集電体の間の結合が適切に行えず，製品不良を起こすという問題が発生する。さらに，銅は，物質特性上，熱伝導度が高いため，溶接時にセパレータが焦げてしまう短所があり，これによって正極と負極の間で短絡することもある。

そこで，本発明は，上記問題に鑑みてなされたものであり，本発明の目的とするところは，電極組立体と集電板との間の溶接特性に優れ，電極組立体と集電板との間の固定を堅固にして，電池の出力及び集電効率を増加させることが可能な新規かつ改良された二次電池を提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，外装ケースと；外装ケースに収納されて，正極，負極，及び正極と負極との間に介在されたセパレータを巻いて構成された電極組立体と；外装ケースを密閉し，電極組立体から電流を導出するキャップアセンブリと；電極組立体をはさんで相互に対向する位置に配置され，電極組立体と電気的に連結される正極集電板及び負極集電板と；を備え，前記負極の端部には活物質が塗布されていない銅材質の無地部が設けられ，銅材質の前記負極集電板には，ニッケルで表面処理して表面処理層が形成されており，前記負極集電板の前記表面処理層側が，前記負極の銅材質の前記無地部に対して溶接固定されたことを特徴とする二次電池が提供される。

また，上記負極集電板は，無地部の端部にレーザー溶接によって固定されるようにしてもよい。

また，上記負極集電板には，無地部の端部に接触する突起した接触部が設けられているようにしてもよい。

また，上記負極集電板には，少なくとも１つ以上の接触部が設けられており，接触部は，無地部とは他側に形成された溝を含むようにしてもよい。

また，上記負極集電板には，複数の接触部が放射状に配置されているようにしてもよい。

また，上記負極集電板の接触部にのみ表面処理がなされてもよい。

また，上記二次電池は，略円筒形に形成されてもよい。

また，上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，外装ケースと；外装ケースに収納されて，正極，負極，及び正極と負極との間に介在されたセパレータを巻いて構成された電極組立体と；外装ケースを密閉し，電極組立体から電流を導出するキャップアセンブリと；電極組立体をはさんで相互に対向する位置に配置され，電極組立体と電気的に連結される正極集電板及び負極集電板と；を備え，負極の端部には活物質が塗布されていない銅材質の無地部を設け，ニッケルでメッキされた銅材質の負極集電板が無地部に対して溶接固定されたことを特徴とする二次電池が提供される。

以上説明したように本発明によれば，電極組立体と集電板との間の溶接特性が優れるので，電極組立体と集電板との間の固定を堅固にして，電池の出力及び集電効率を増加させることができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１の実施形態）
まず，本発明の第１の実施形態にかかる二次電池について説明する。図１は，本実施形態にかかる二次電池１０を示した斜視図である。

図１に示すように，本実施形態にかかる二次電池１０は，例えば，円筒形または六面体形状を有し一部が開放された外装ケース１１に，正極２３と，負極２２と，正極２３と負極２２の間に配置された絶縁物質であるセパレータ２１とを含む電極組立体２０を挿入して，上記外装ケース１１の開放された部分を，キャップアセンブリ３０で密封して構成される。

まず，外装ケース１１は，例えば，アルミニウム，アルミニウム合金又はニッケルがメッキされたスチールなどの導電性金属材からなる。この外装ケース１１の形状は，前述のように上記電極組立体２０を挿入安着することができる空間が形成された円筒形または六面体で形成されることが好ましいが，これに限定される必要はない。

そして，電極組立体２０は，それぞれの活物質が集電体の全面または主要部のみに被覆されて構成された正極２３と負極２２とが，セパレータ２１が介在した状態で積層されて構成されてもよい。また，電極組立体２０は，正極２３，セパレータ２１及び負極２２が積層された状態でこれらを巻いて構成したゼリーロール型に構成してもよい。図１においては，外装ケース１１を円筒形，電極組立体２０をゼリーロール型として示した。

この時，電極組立体２０の正極２３は，その上部の集電体周辺に正極用活物質が塗布されていない部分である無地部２３ａを有しており，当該無地部２３ａで正極集電板７０と接触し，電気的に連結される。そして，正極集電板７０は，タブ６０を通じてキャップアセンブリ３０と電気的に連結される。また，正極集電板７０はアルミニウム（Ａｌ）で製作されるのが好ましい。

これと同様に，電極組立体２０のうち負極２３下部に，この負極２３の集電体に負極活物質が塗布されていない部分である無地部２２ａが配置される。ここで，上記負極２２と外装ケース１１の間には，図２に示したように，上記負極２２の無地部２２ａと上記外装ケース１１を電気的に連結する負極集電板４０が設けられる。

上記負極集電板４０は，通電経路を提供して，電池の集電効率に関係するが，大型電池の動作特性を満足できるように板状に製作されるのが好ましく，これに関する詳しい説明は後述する。

次に，キャップアセンブリ３０は，外装ケース１１と機械的に連結されながら，電気的には絶縁されており，外装ケース１１を密閉する。このキャップアセンブリ３０は，外部正極端子３１ａを有するキャッププレート３１と，上記外装ケース１１を上記キャッププレート３１から絶縁させるガスケット３２とを含む。このキャップ組立体３０には，内部圧力を緩衝させることができる空間部を有して，設定された圧力で破損してガスを放出することによって電池の爆発を防止する安全弁を有するベントプレート３３がさらに含まれることができる。上記安全弁はベントプレート３３に形成されたものに限られず，設定された圧力以下で上記タブ６０を通じて電極組立体２０と外部端子３１ａとを電気的に接続させ，設定圧力を超えるとこの電気的接続を遮断できる構造であれば，いずれの構造でも可能である。

以下，本実施形態にかかる負極集電板４０について図２を参照して説明する。

図２に示すように，本実施形態にかかる負極集電板４０は円板状の本体４１を有し，この本体４１には，上記電極組立体２０に向かって突起して，負極２２の無地部２２ａと電気的に接触する，少なくとも一つ以上の接触部４２が形成されている。

ここで上記本体４１は，その形状を円形に限定する必要はなくて，三角形，四角形または多角形など多様な形状の中から適切なものを選んで形成できる。また，上記接触部４２は，上記本体４１をビーディング（突き出し成形）加工することによって形成できる。そして，この接触部４２は，任意のパターンに形成できるが，例えば，本体４１の複数箇所に設けられて，本体４１の中心から縁部に向かって放射状に配置されてもよい。この一例としては，図２に示したように，接触部４２は，その設置数を４つにして，上記本体４１に十字状をなすように配置された構造を有することができる。

本実施形態では，上記接触部４２は，図２に示すように，本体４１の周縁から上記本体４１の中心に向かって直線状に形成されている。かかる例に限定されず，接触部４２は所定の間隔をおいて突出している連続ビーズ形でも形成できる。また，接触部４２の断面は，四角形，三角形または半球形など多様な形状から選択された適切な形状に形成できる。

このように構成された負極集電板４０は，二次電池を製造する過程で，電極組立体２０を形成した状態で負極２２の無地部２２ａと負極集電板４０の接触部４２とが接触した状態で収納して，電気的に連結される（図３参照）。

接触部４２において電極組立体２０とは他側には，溝４３が形成されている。この溝４３は，本体４１の底面よりも電極組立体２０側に陥没し，所定の空間を形成している。この接触部４２の溝４３に沿ってレーザー溶接することで負極集電板４０は無地部２２ａに固定される。

しかし，負極集電板４０と負極２２の接点では異種導体間の電極間起電力が発生するために，負極集電板４０と負極２２の材質は，正極２３より電気伝導度が良い物質である銅（Ｃｕ）が使用される。しかし，周知のように銅相互間の溶接は材質特性上，溶接が非常に難しいという短所がある。つまり，銅は熱伝導度が高い物質であるため，溶接ポイントに熱が集中しないで，周辺に拡散するようになる。

これに対し，本実施形態にかかる負極集電板４０は，負極２２との溶接を容易にするための表面処理層５０が設けられている。この表面処理層５０は，ニッケル（Ｎｉ）を使用して形成されることが好ましい。これに対し，負極集電板４０の本体４１をニッケルで製作すれば，ニッケルは銅より電気伝導度が悪くて，好ましい出力電圧を得ることが難しいという短所があるので好ましくない。そこで，本実施形態では，銅の電気伝導度をそのまま維持しながらも，溶接が良好にできるように負極集電板４０の表面をニッケルで表面処理する構成を採用している。

この時，負極集電板４０全体に対して表面処理してもよいが，選択的に負極２２との接触部４２に限定して表面処理することもできる。図４，は集電板本体４１の接触部４２にだけ表面処理層５２が形成された負極集電板４０を示した図面である。

また，上記負極集電板４０において，負極２２と接触する面とその裏面の双方に表面処理層を形成することもできる。

そして，ニッケルを負極集電板４０表面に形成する好ましい方法としては，例えば，コーティング法またはクラッド（被せ金）法を使用できる。このコーティング法としては，例えば，電解メッキ，無電解メッキなどを使うことができる。また，ニッケルは耐食性が良い物質であるので，電解質によって負極集電板４０が酸化されることを予防することもできる。

また，上記説明ではコーティング物質としてニッケルの例を説明したが，本発明がこれに限られるものではなく，銅を除いた金属であれば何を使ってもよい。

以上のように，本実施形態にかかる二次電池によれば，従来の問題点を解決して，負極集電板４０に表面処理層５０，５２を形成することによって，負極集電板４０と電極組立体２０の負極２２とを容易に溶接することができるので，負極集電板４０と電極組立体２０の負極２２とを，堅固に固定することができる。従って，大型電池が要求する動作特性を満足させることができる。また，二次電池１０の出力及び集電効率を増加させることができ，二次電池２０を短時間で安定的に充放電させることができる。

また，表面処理層５０，５２をニッケル等の銅以外の金属で形成することによって，銅を使用した場合のように，溶接時にセパレータ２１が焦げてしまい正極２３と負極２２の間で短絡することを防止できる
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

また，本明細書に添付される図面は，本発明の好適な実施形態を説明するのに参照するためのものであるので，本発明の技術的思想を当該図面に限定して解釈してはいけない。

本発明は，二次電池に適用可能である。

本発明の第１の実施形態にかかる二次電池の断面図である。 同実施形態にかかる負極集電板を示した斜視図である。 同実施形態にかかる負極集電体と負極集電板との接触関係を示す断面図である。 同実施形態にかかる他の例の負極集電板を示した斜視図である。

符号の説明

１０ 二次電池
１１ 外装ケース
２０ 電極組立体
２１ セパレータ
２２ 負極
２２ａ 負極無地部
２３ 正極
２３ａ 正極無地部
３０ キャップアセンブリ
３１ キャッププレート
３１ａ 正極外部端子
３２ ガスケット
３３ ベントプレート
４０ 負極集電板
４１ 負極集電板本体
４２ 負極集電板接触部
５０ 負極集電板表面処理層
５２ 負極集電板表面処理層
６０ 正極タブ
７０ 正極集電板

Claims (7)

1. 外装ケースと；
   前記外装ケースに収納されて，正極，負極，及び前記正極と前記負極との間に介在されたセパレータを巻いて構成された電極組立体と；
   前記外装ケースを密閉し，前記電極組立体から電流を導出するキャップアセンブリと；
   前記電極組立体をはさんで相互に対向する位置に配置され，前記電極組立体と電気的に連結される正極集電板及び負極集電板と；
   を備え，
   前記負極の端部には活物質が塗布されていない銅材質の無地部が設けられ，銅材質の前記負極集電板には，ニッケルで表面処理して表面処理層が形成されており，
   前記負極集電板の前記表面処理層側が，前記負極の銅材質の前記無地部に対して溶接固定されたことを特徴とする二次電池。
2. 前記負極集電板は，前記無地部の端部にレーザー溶接によって固定されることを特徴とする，請求項１に記載の二次電池。
3. 前記負極集電板には，前記無地部の端部に接触する突起した接触部が設けられていることを特徴とする，請求項１または２に記載の二次電池。
4. 前記負極集電板には，少なくとも１つ以上の前記接触部が設けられており，
   前記接触部は，前記無地部とは他側に形成された溝を含むことを特徴とする，請求項３に記載の二次電池。
5. 前記負極集電板には，複数の前記接触部が放射状に配置されていることを特徴とする，請求項３または４に記載の二次電池。
6. 前記負極集電板の前記接触部にのみ前記表面処理がなされたことを特徴とする，請求項３〜５のいずれかに記載の二次電池。
7. 前記二次電池は，略円筒形に形成されたことを特徴とする，請求項１〜６のいずれかに記載の二次電池
   

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