JP4641731B2

JP4641731B2 - 電池

Info

Publication number: JP4641731B2
Application number: JP2004069227A
Authority: JP
Inventors: 直哉中西; 広一佐藤; 隆明池町; 俊之能間
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2024-03-11
Also published as: JP2005259511A

Description

本発明は、筒状の密閉容器内に電池要素となる巻き取り電極体を収容して構成される電池に関し、特に、巻き取り電極体を電極端子部に連結するためにタブを使用しない所謂タブレスタイプの電池に関するものである。

近年、携帯型電子機器、電気自動車等の電源として、エネルギー密度、出力密度の高いリチウムイオン二次電池が注目されている。
例えば図５に示す円筒型リチウムイオン二次電池においては、有底円筒状の電池缶(１)の内部に巻き取り電極体(８)が収容され、該電池缶(１)の開口部には絶縁部材(３)を介して封口板(２)がかしめ固定されて、気密性を有する密閉容器が構成されている。又、封口板(２)には、ガス排出弁(22)と正極端子(21)が取り付けられている。

巻き取り電極体(８)は、図６に示す如く、それぞれ帯状の正極(82)と負極(81)の間に帯状のセパレータ(83)を介在させて、これらを渦巻き状に巻き取って構成されている。正極(82)は、アルミニウム箔からなる帯状芯体の両面にリチウム複合酸化物からなる正極活物質を塗布して構成され、負極(81)は、銅箔からなる帯状芯体の両面に炭素材料を含む負極活物質を塗布して構成されている。セパレータ(83)には、非水電解液が含浸されている。

ここで、正極(82)及び負極(81)はそれぞれセパレータ(83)上に幅方向へずらして重ね合わされ、渦巻き状に巻き取られている。これによって、巻き取り電極体(８)の巻き軸方向の両端部の内、一方の端部では、セパレータ(83)の端縁よりも外方へ正極(82)の芯体端縁が突出すると共に、他方の端部では、セパレータ(83)の端縁よりも外方へ負極(81)の芯体端縁が突出している。

巻き取り電極体(８)の正極側の端縁と負極側の端縁にはそれぞれ集電板(７)(71)が接合されている。正極側の集電板(７)には、中央孔(70)と、巻き取り電極体(８)側へ断面円弧状に突出する複数の凸条(73)と、巻き取り電極体(８)側へ突出する複数の切り起こし(74)とが形成されると共に、帯状のリード部(72)が突設されている。一方、負極側の集電板(71)には、巻き取り電極体(８)側へ断面が円弧状に突出する複数の凸条(73)と、巻き取り電極体(８)側へ突出する複数の切り起こし(74)が形成されている。
そして、集電板(７)(71)の凸条(73)及び切り起こし(74)が巻き取り電極体(８)の端縁に押し付けられた状態でレーザ溶接が施され、図５の如く両集電板(７)(71)が巻き取り電極体(８)の両端縁に接合されている。

正極側の集電板(７)に突設されたリード部(72)は、その先端が封口板(２)の裏面に溶接されている。又、負極側の集電板(71)は、電池缶(１)の底面に溶接されている。これによって、電池缶(１)が負極となり、正極端子(21)と電池缶(１)から巻き取り電極体(８)の発生電力を取り出すことが出来る。

尚、負極側の集電板(71)を電池缶(１)の底面に溶接する際には、巻き取り電極体(８)の中央孔(80)から集電板(71)へ向けて電極棒を差し込み、該集電板(71)の中央部を電池缶(１)の底面に抵抗溶接する(特許文献１参照)。
特開平２００２−１３４０９５号公報

しかしながら、従来の二次電池において、電池缶(１)の底面側に位置する集電板(71)は、その中央部が電池缶(１)の底面に抵抗溶接された構造であるため、該抵抗溶接部に充放電時の電流が集中して、該抵抗溶接部に局所的な発熱を生じることになる。例えば電池缶(１)が負極となる場合、負極側の集電板(71)の材質としてはニッケルや銅が用いられる一方、電池缶(１)の材質としては鉄製の基材にニッケル鍍金を施したものが用いられる。従って、特に大電流での充放電を長期に亘って繰り返した場合、熱サイクルに伴って、異種材料である電池缶(１)と集電板(71)の間の熱膨張係数の違いに起因する熱応力が溶接部に繰り返し作用することとなる。この結果、溶接部に亀裂等の欠陥を生じて、接続不良を引き起こし、接続抵抗の増大によって安定した出力特性が得られない問題があった。

そこで本発明の目的は、大電流での充放電を繰り返したとしても安定した出力特性が得られる電池を提供することである。

本発明に係る電池においては、有底筒状の電池缶(１)の開口部に絶縁部材(３)を介して封口板(２)を固定してなる密閉容器の内部に、電池要素となる巻き取り電極体(８)が収容され、該巻き取り電極体(８)の正極側の端縁と負極側の端縁にはそれぞれ集電板(７)(６)が接合され、電池缶(１)の開口部側に位置する第１の集電板(７)は封口板(２)に連結される一方、電池缶(１)の底面側に位置する第２の集電板(６)は、電池缶(１)の底面に溶接されて、封口板(２)と電池缶(１)から巻き取り電極体(８)の発生電力を取り出すことが出来る。
電池缶(１)の底面側に位置する第２の集電板(６)は、巻き取り電極体(８)の中央孔(80)を投影した領域を占める中央部(65)と、該中央部(65)の外側に拡がる環状部(66)とを有し、該環状部(66)の電池缶底面との対向面が複数箇所にて電池缶(１)の底面に溶接されている。

具体的には、前記第２の集電板(６)の環状部(66)の電池缶底面との対向面、若しくは電池缶(１)の底面には、複数のプロジェクション(61)が突設されて、該プロジェクション(61)によって集電板(６)が電池缶(１)の底面に抵抗溶接(プロジェクション溶接)されている。

上記本発明の電池においては、電池缶(１)の底面側に位置する集電板(６)が、従来の如く中央部(65)にて電池缶(１)の底面に抵抗溶接されるのではなく、その外周側に位置する環状部(66)にて電池缶(１)の底面に抵抗溶接されているので、充放電に伴う電流は、環状部(66)の抵抗溶接部、即ち集電板(６)の広い領域を通過して流れることになる。従って、従来の如く抵抗溶接部に充放電時の電流が集中することはなく、これによって発熱も軽微なものとなる。
従って、大電流での充放電を長期に亘って繰り返した場合においても、抵抗溶接部に作用する熱応力は従来よりも小さくなり、この結果、溶接部に亀裂等の欠陥が生じる虞は殆どなく、長期に亘って安定した出力特性が得られる。

又、具体的構成において、前記第２の集電板(６)と電池缶(１)の底面との間には、絶縁シート(５)が介在している。
該具体的構成によれば、集電板(６)を電池缶(１)の底面に抵抗溶接する工程で、所定の抵抗溶接部(プロジェクション形成部)以外の領域では、集電板(６)と電池缶(１)の底面の間に絶縁シート(５)が介在して電気絶縁が施されているので、所定の抵抗溶接部のみに電流が流れて、均一な抵抗溶接が実現される。

本発明に係る電池によれば、大電流での充放電を繰り返したとしても長期に亘って安定した出力特性が得られる。

以下、本発明をリチウムイオン二次電池に実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係るリチウムイオン二次電池は、図１に示す如く、有底円筒状の電池缶(１)の内部に巻き取り電極体(８)を収容し、該電池缶(１)の開口部に絶縁部材(３)を介して封口板(２)をかしめ固定したものである。封口板(２)には、ガス排出弁(22)と正極端子(21)が取り付けられている。

巻き取り電極体(８)は、図６に示す従来の構成と同じであって、それぞれ帯状の正極(82)と負極(81)の間に帯状のセパレータ(83)を介在させて、これらを渦巻き状に巻き取って構成されている。

図１の如く、巻き取り電極体(８)の正極側の端縁と負極側の端縁にはそれぞれ集電板(７)(６)が接合されている。正極側の集電板(７)は、図６に示す従来の構造と同じ構造を有している。一方、負極側の集電板(６)は、図１に示す様に巻き取り電極体(８)の中央孔(80)を投影した領域を占める円形の中央部(65)と、該中央部(65)の外側に拡がる環状部(66)とを有している。

図２に示す如く、集電板(６)の環状部(66)には、巻き取り電極体側へ断面円弧状に突出する複数の凸条(62)と、巻き取り電極体側へ突出する複数の切り起こし(63)(64)とが、放射状に形成されると共に、中央部(65)を包囲して、複数(８個)のプロジェクション(61)が形成されている。各プロジェクション(61)は、図３の如く電池缶(１)の底面側へ突出している。尚、プロジェクション(61)は、電池缶(１)の底面の内径の１／４〜３／４の直径を有する円周線に沿って、３〜９箇所に均等に配置することが望ましい。
そして、集電板(７)(６)の凸条及び切り起こしが巻き取り電極体(８)の端縁に押し付けられた状態でレーザ溶接が施され、図１の如く両集電板(７)(６)が巻き取り電極体(８)の両端縁に接合されている。

正極側の集電板(７)に突設されたリード部(72)は、その先端が封口板(２)の裏面に溶接されている。又、負極側の集電板(６)は、電池缶(１)の底面に抵抗溶接されている。これによって、電池缶(１)が負極となり、正極端子(21)と電池缶(１)から巻き取り電極体(８)の発生電力を取り出すことが出来る。

上記本発明のリチウムイオン二次電池の組立工程においては、巻き取り電極体(８)に両集電板(７)(６)をレーザ溶接した後、該巻き取り電極体(８)を電池缶(１)の内部に収容する。
そして、先ず、負極側の集電板(６)を電池缶(１)の底面に抵抗溶接した後、正極側の集電板(７)から伸びるリード部(72)の先端を封口板(２)の裏面に溶接する。続いて、電池缶(１)に電解液を注入した後、電池缶(１)の開口部に絶縁部材(３)を介して封口板(２)をかしめ固定する。

尚、負極側の集電板(６)を電池缶(１)の底面に抵抗溶接する工程では、電池缶(１)の底面に集電板(６)の複数のプロジェクション(61)を当接させた状態で、巻き取り電極体(８)の中央孔(80)から一方の電極棒を差し込んで集電板(６)の中央部(65)に接触させると共に、電池缶(１)の裏面に他方の電極棒を接触させて、両電極棒間に通電を施す。
これによって、複数のプロジェクション(61)に電流が流れて、集電板(６)が電池缶(１)の底面に抵抗溶接(プロジェクション溶接)されることになる。

上記本発明のリチウムイオン二次電池においては、電池缶(１)の底面側に位置する集電板(６)が、従来の如く中央部(65)にて電池缶(１)の底面に抵抗溶接されるのではなく、その外周側に位置する環状部(66)に突設されたプロジェクション(61)によって電池缶(１)の底面に抵抗溶接されているので、充放電に伴う電流は、複数のプロジェクション(61)が形成されている広い領域を通過して流れることになる。このため、従来の如く抵抗溶接部に充放電時の電流が集中することはなく、発熱も軽微なものとなる。
従って、大電流での充放電を長期に亘って繰り返した場合においても、抵抗溶接部に作用する熱応力は従来よりも小さくなり、この結果、溶接部に亀裂等の欠陥が生じる虞は殆どなく、長期に亘って安定した出力特性が得られる。

本発明集電板
内径３５ｍｍの電池缶(１)を採用し、負極側の集電板(６)としては、直径３４ｍｍのものを用い、半径９ｍｍの円周線に沿って、高さ０.５ｍｍのプロジェクション(61)を８箇所に均等に形成した。
又、図１に示す如く、集電板(６)と電池缶(１)の底面との間には、厚さ０.３ｍｍのポリプロピレン製絶縁シート(５)を介在させて、プロジェクション(61)以外の領域で集電板(６)と電池缶(１)とが接触することを防止した。尚、絶縁シート(５)には、プロジェクション(61)と対応する箇所に、直径２ｍｍの貫通孔が開設されている。

比較集電板
集電板の半径２.５ｍｍの円周線に沿って、高さ０.５ｍｍのプロジェクションを８箇所に均等に形成したこと以外は本発明集電板と同様にして、比較集電板を作製した。

通電試験
図４に示す如く電池缶(１)の底面に上記本発明集電板(６)を抵抗溶接したもの(本発明例)と、電池缶の底面に上記比較集電板を抵抗溶接したもの(比較例)とを対象として、通電試験を行なった。尚、集電板と電池缶の底面との間には上述の絶縁シート(５)を介在させた。

通電試験においては、図４の如く集電板(６)に対して、厚さ１ｍｍ、幅２ｃｍの銅製の通電用リード(91)をレーザ溶接し、電池缶(１)の裏面には、通電用ナット(９)を取り付けて、交流１ｋＨｚにて集電板(６)と電池缶(１)の間の接続抵抗を測定した。
その後、２００Ａ−１０秒の通電及び１分間の休止を２００回繰り返し、その後、再度接続抵抗を測定した。その結果(１０サンプルの平均値)を下記表１に示す。

表１から明らかな様に、本発明例では、比較例に比べて通電試験前後の抵抗増大量が小さくなっており、このことから、集電板と電池缶の間に安定した接続状態が実現されていることが裏付けられる。

上述の如く、本発明に係る二次電池によれば、充放電に伴う電流が集電板(６)の広い領域を通過して流れるので、電流の集中度が低く、これによって発熱も軽微なものとなる。従って、大電流での充放電を長期に亘って繰り返した場合においても、抵抗溶接部に作用する熱応力は従来よりも小さくなり、この結果、溶接部に亀裂等の欠陥が生じる虞は殆どなく、長期に亘って安定した出力特性が得られる。

又、集電板(６)と電池缶(１)の底面との間に絶縁シート(５)を介在させた構成によれば、集電板(６)を電池缶(１)の底面に抵抗溶接する工程で、プロジェクション形成部以外の領域では絶縁シート(５)による電気絶縁が施されているので、プロジェクション形成部のみに電流が流れることとなる。これによって、プロジェクションの高さや集電板の厚さに制限を受けることがなく、均一な抵抗溶接による接続が可能となる。

本発明に係るリチウムイオン二次電池の断面図である。集電板の裏面図である。プロジェクション形成部の拡大断面図である。接続抵抗測定時の構成を示す断面図である。従来のリチウムイオン二次電池の断面図である。巻き取り電極体と集電板の分解斜視図である。

符号の説明

(１) 電池缶
(２) 封口板
(３) 絶縁部材
(５) 絶縁シート
(６) 集電板
(61) プロジェクション
(65) 中央部
(66) 環状部
(７) 集電板
(８) 巻き取り電極体
(80) 貫通孔

Claims

有底筒状の電池缶(１)の開口部に絶縁部材(３)を介して封口板(２)を固定してなる密閉容器の内部に、電池要素となる巻き取り電極体(８)が収容され、該巻き取り電極体(８)の正極側の端縁と負極側の端縁にはそれぞれ集電板(７)(６)が接合され、電池缶(１)の開口部側に位置する第１の集電板(７)は封口板(２)に連結される一方、電池缶(１)の底面側に位置する第２の集電板(６)は、電池缶(１)の底面に溶接されて、封口板(２)と電池缶(１)から巻き取り電極体(８)の発生電力を取り出すことが出来る電池において、電池缶(１)の底面側に位置する第２の集電板(６)は、巻き取り電極体(８)の中央孔(80)を投影した領域を占める中央部(65)と、該中央部(65)の外側に拡がる環状部(66)とを有し、
前記第２の集電板(６)の環状部(66)の電池缶底面との対向面、若しくは電池缶(１)の底面には、複数のプロジェクション(61)が突設されて、該プロジェクション(61)によって集電板(６)が電池缶(１)の底面に抵抗溶接され、
前記第２の集電板(６)と電池缶(１)の底面との間には、前記プロジェクション(61)と対応する箇所に貫通孔が開設された絶縁シート(５)が介在していることを特徴とする電池。