JP4725022B2

JP4725022B2 - 電池

Info

Publication number: JP4725022B2
Application number: JP2004049672A
Authority: JP
Inventors: 正彦加藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2024-02-25
Also published as: JP2005243337A

Description

本発明は、積層または渦巻状極板群を備えた電池において、極板群と封口体とを接続するリードを改良した構造に関するものである。

近年では、ＡＶ機器あるいはパソコンや携帯型通信機器などの電子機器のポータブル化やコードレス化が急速に促進されており、これらの電子機器の駆動用電源として信頼性も高く、メンテナンスも容易であることから、ニッケルカドミウム蓄電池やニッケル水素蓄電池、リチウム二次電池などが代表的であり、各種用途に幅広く使用されている。また、一方、電動補助付自転車、芝刈機、さらに電気自動車などの大きな負荷特性を必要とする駆動用電源としての用途が拡大しつつあり、一層の大電流の充放電特性が求められ、それに適した電池の開発が要望されている。従来、大電流放電に用いられる電池としては、図４および図５に示すように帯状の正極板と負極板の間にセパレータを介在させて積層した状態で渦巻状に巻回してなる極板群(図示せず)が有底円筒状の金属製電池ケース９内に収納されている。大電流放電に適した正極板と負極板からの出入力集電構造としては、正極板の端部が極板群の上方へと突出し、負極板の端部が極板群の下方に突出するように極板群を構成して、前記正極板の端部に集電体７を接合している。そして正極集電体７と封口体１１とをリード部１２で接続し、前記封口体１１で電池ケース９を密閉する。このとき、より大電流放電に適した構造とするためにはリード部１２の肉厚を厚くしたり幅を広くする必要がある。

しかし、リード部１２の板厚を厚くすることはリード部１２の折り曲げ強度が強くなってしまい、前記リード部１２に接続された封口体１１を電池ケース９の開口部に挿入する際に必要とする力や挿入後のリード部１２による反発力が増加してしまう。それにより、リード部１２と封口体１１との接合部や集電体７とリード部１２との接合部のはがれによる電池内部抵抗上昇、封口体１１の変形や電池ケース９の変形による電池寸法不良、極板群の圧縮による短絡不良などの発生が問題となってくる。
そこで、正極板集電体から伸び出たリード部を2枚設けることにより、リード部の抵抗を低減させ、大電流放電用に用いられたものが知られている。（例えば、特許文献１参照）また、リチウム複合酸化物を含む正極と炭素材料を含む負極の間に非水電解液が含浸されたセパレータを介在されて、渦巻状に巻回してなる極板群が、筒体の両開口部に蓋体を溶接固定してなる円筒状の電池ケースに収納されている。極板群の正極及び負極からは、複数本の集電タブが引き出され、極性が同じ複数枚の集電タブの先端部が１枚の電極端子に接続された構造の電池も知られている。（例えば、特許文献２参照）
特開平０３―７８９６４号公報特開２０００―１３８０５４号公報

ところが、特許文献１に開示されているように集電体から伸び出たリード部の枚数を増やすことは、リード部と封口体との接合や注液が難しいものとなる。

また、特許文献２では、極板群より引き出された複数枚の集電タブの先端部を１つにまとめて電極端子に接続している。集電タブの引き出される方向が四方八方からになるので、一カ所に集めなければならず、作業能率低下の要因となってしまう。また、電解液を電池に注液する際、集電タブが電解液の注液経路を塞いでしまう可能性が高く、注液時間が長くなったりする。更に、電池ケースを密閉するための蓋体を組み付たあと注液しなけれ
ばならず、蓋体に注液孔を別個に設ける必要がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、リード部の電気抵抗を低減しながらも、電池ケース開口部に前記リード部が接続された封口体を容易に挿入出来る構造を提供する。

上記課題を解決するために本発明の電池では極板群から突出した一方極の極板の端部にある集電体と封口体内面との両端を接続しているリード部が、複数枚の金属箔を積層し、その両端部が接合された積層リードにて接続されていることを特徴としている。
前記積層リードはニッケルめっきを施した鉄やニッケル箔などの金属箔を用いている。更に、超音波接合、抵抗溶接、摩擦撹拌接合の接合方法で複数枚の金属箔を積層した積層リードの両端部を接合することを特徴としている。

上記構成によれば、本発明電池では複数枚の金属箔を積層した積層リードの総厚みを厚くして内部抵抗を低減しながらも、その折り曲げ強度は小さく、電池ケース開口部に前記積層リードが接続された封口体を電池ケース開口部に容易に挿入出来る。

本発明の電池では、従来の電池では困難であった１枚、２枚のリード部枚数より格段の差で枚数を容易に増やすことが可能なため、金属箔の積層枚数の増加に比例してリード部の表面積は増加し、放熱が良くなり熱影響も緩和され、従来の電池より電池の内部抵抗を格段に低減して高出力を得ることができる。また、本発明の電池は積層リードの積層した総厚みが従来の電池のリード部厚みより数倍の厚みをもつことが可能で電池内部抵抗の低減を図れ、大電流の充放電特性に適した電池である。その上、積層リードの積層した総厚みが従来の電池より数倍厚くなったにもかかわらず、金属箔一枚当たりの厚みは従来の電池のリード部より薄くなっており、折り曲げ強度が低減される。即ち、電池の内部抵抗を低減させる目的でリード部の板厚を厚くすることによりリード部の折り曲げ強度が強くなる従来の電池の課題であるリード部に接続された封口体を挿入する際に必要とする力の増加や挿入後のリード部の反発力によって発生する不良の課題が解消でき、リード部と封口体との接合部や集電体とリード部との接合部のはがれによる電池内部抵抗上昇、封口体の変形、電池ケースの変形による電池寸法不良、極板群の圧縮による短絡などの不良発生を抑制することができる。

上記積層リードは、複数枚の金属箔を積層し構成しているにもかかわらず、独立単独で製作することが可能である。また、事前に集電体との接合を行なえるように構成し、従来の電池組立工法で製作することが出来、新規設備導入することなく生産性が高く、コストの削減にも繋がる。

以下、図１から図３を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。図１の模式断面図に示す本発明の円筒形電池では、極板群５は正極板１と負極板２とセパレータ６により構成され、正極板１はその先端部分の芯材３を上方に突出させ、負極板２はその先端部分の芯材４を下方へ突出させて渦巻状に巻回されている。この極板群５は上方へ突出した正極板１の芯材突出部３に正極集電体７を溶接し、下方へ突出した芯材突出部４に負極集電体８を溶接し、これらを負極の入出力端子を兼ねた電池ケース９に収納されている。積層リード１０の両端部は、正極集電体７と、安全弁１３を内蔵した正極端子を兼ねたキャップ１４を持つ封口体１１とにそれぞれ接続され、この封口体１１により電池ケース９の開口部が封口されている。

図２は本発明の積層リード１０と正極集電体７を接合し、積層リード１０付きの正極集
電体７を形成させている本発明の電池の模式図である。

図３は積層リード１０付きの正極集電体７を正極板先端部分の芯材３に接合した極板群（図示せず）を電池ケース９に収納した本発明の電池の模式図である。積層リード１０が従来のリード部より遙かに薄い金属箔の積層であることから、リードの折り曲げ強度が低減され、積層リード１０の総厚みが厚いにもかかわらず柔軟であり、封口体１１を容易に電池ケース９に挿入することが可能である。

本発明の積層リード１０は厚さ０．０２ｍｍのニッケル箔を５０枚用い、積層リード１０の両端を予め接合（抵抗、超音波、摩擦撹拌接合、電子ビーム、ろう付け等）し、１.０ｍｍの総厚みの積層リード１０として構成されている。

上記積層リード１０の片方の端に、中心部に透孔をあけた矩形で対角の長さが２７ｍｍの集電体７を接合して極板群５の上端面の真上に配置し、極板群５の下端面の露出した芯材４には有底円筒形の負極集電体８を接触させながら一対の溶接電極を用いてそれぞれ露出した芯材４と複数の箇所で溶接を行なう。この極板群５を電池ケース９に挿入し、さらに正極集電体７の中央透孔部に１本の溶接電極棒(図示せず)を通して負極集電体８の中央部を加圧し、負極集電体８と電池ケース９とを溶接した。次に、所定量のアルカリ電解液を正極集電体７の中央透孔部から電池ケース９内に注入した後、正極集電体７に接合した積層リード１０の先端を正極端子となる封口体１１に溶接し、封口体１１で電池ケース９の開口部を密閉して図２に示されるような積層リードを使用した本発明による電池Ａを作製した。また、積層リード１０の積層金属箔を厚さ０.１ｍｍの鉄箔を１０枚積層にして、１.０mmの厚みにして用いた他は電池Ａと同じの本発明による他の実施例電池を作製した。

さらに、電池Ａ及び電池Ｂと比較するために、図５に示すような、厚み０.４mmのニッケル製リード部１２を用いた従来の電池Ｃを作製した。
これら３種の電池に対し、内部抵抗や電池ケース開口部を密閉する時の封口体の挿入力を測定し比較を行った。

表１に示すように０．０２ｍｍのニッケル箔５０枚を積層した積層リードを用いた電池Ａの内部抵抗が最も低い。

これは、金属箔の固有抵抗が低く、リードの板厚が厚いほど正極集電体７と封口体１１への経路抵抗が小さくなることによるものであり、この結果、内部抵抗が低減し、高率放電が可能となる。

従来電池例のリード部１２に対して、実施例電池の積層リード１０では積層リードの総厚みが厚くなっても封口体を挿入する際に必要とする力が低い。または同程度の挿入力ならリードとしての総厚みを厚くできる。

さらに、実施例電池はリードの表面積が増えたことによる放熱性の向上からリードの発熱が少なく、リードの折り曲げ強度が低減したことによる封口板挿入性の向上から、電池内部抵抗上昇による不良、電池寸法不良、短絡不良を抑制することが可能である。

本発明に係る電池は、集電体と封口体との電気的接続を図るためのリードが金属箔を積層してなる積層リードを用いることで、従来の電池組立工法で製作することができ、作業能率に優れ、生産性を向上してコストの低減を図れることが可能で、電池組立性に優れた電池として高い信頼性で提供できる。

本発明による電池は大きな負荷特性を必要とする電動補助付自転車、芝刈機、さらに電気自動車などの駆動用電源としての大電流の充放電用途に好適に適用できる。

また、本発明の構成は円筒形のアルカリ蓄電池に限定されず、渦巻き状の極板群を電池ケース内に収納した他の電池系でも応用可能で、しかも円筒形に限定されず、角筒状に巻回された極板群を角筒状の電池ケースに収納した場合にも適用できる。更に、本発明の一実施形態についての説明では金属箔にニッケルめっきを施した鉄や、ニッケル箔で行なったが、金属箔をアルミニウム箔として積層リードを構成すれば、リチウムイオン電池等にも好適に適用できる。

本発明の一実施形態に係る円筒形電池の縦断面模式図本発明の一実施形態に係る積層リードと正極電体を接合した状態を示す縦断面模式図本発明の一実施形態に係る積層リードに封口体を接合した状態を示す模式図従来のリード部と正極集電体を接合した状態を示す模式図従来のリード部に封口体を接合した状態を示す模式図

符号の説明

１正極板
２負極板
３正極板先端部分の芯材
４負極板先端部分の芯材
５極板群
６セパレータ
７正極集電体
８負極集電体
９電池ケース
１０積層リード
１１封口体
１２リード部
１３安全弁
１４キャップ

Claims

帯状の正極板および負極板とをこれらの間にセパレータを介在させて積層または渦巻状に巻回してなる極板群が電池ケース内に収納され、前記電池ケースの開口部が絶縁ガスケットを介し封口体により密閉されてなる電池において、
前記電池ケース内に収納された前記極板群から上方に突出した一方極の極板の端部に一方極の集電体が接合され、
前記電池ケースを密閉している前記封口体内面と前記集電体とを接続するリードは、ニッケルめっきを施した鉄や、ニッケル箔からなる複数枚の金属箔を積層して、その両端部が接合された積層リードであり、前記両端部がそれぞれ封口体の内面と集電体とに接続してなる電池。
積層リードは、４〜５０枚の金属箔が積層されてなることを特徴とする請求項1記載
の電池。
積層リードは、複数枚の金属箔を積層した総厚みが０．４〜１．０ｍｍの厚みを持つことを特徴とする請求項１または2に記載の電池。
積層した複数枚の金属箔の両端部における接合方法が超音波接合、抵抗溶接および摩擦撹拌接合のうち、いずれかにより接合されてなる積層リードであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電池。