JP4869740B2 - 積層型リチウムイオン電池およびその製造方法、並びに積層体 - Google Patents
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Description
本発明は、積層型リチウムイオン電池およびその製造方法、並びに積層体に関し、特に複数枚の正極電極の集電用タブおよび複数枚の負極電極の集電用タブをそれぞれ並列に接続した積層型リチウムイオン電池およびその製造方法、並びに積層体に関する。
近年、携帯電話やデジタルスチールカメラなどの携帯機器用の電源として高容量化、小型化の要求によりリチウムイオン電池が用いられている。また、電動アシスト自転車や電動工具の電源としても、高エネルギー密度で、メモリー効果の無いリチウムイオン電池が用いられている。これらの携帯機器或いは電源においては、小型化が要求され、それに伴いリチウムイオン電池も小型化、薄型化の設計が要求されてきている。
近年、複数の平板状の正極電極および負極電極をセパレータを介して積層し、それぞれに接続した集電用タブを並列に接続し、電池のエネルギー密度からも有利であるラミネート外装材を用いた積層型リチウムイオン電池が使用されるようになってきている。
図６は、従来の積層型リチウムイオン電池の積層後の状態を示す斜視図であり、図７は従来の積層型リチウムイオン電池の積層後およびリード端子と集電用タブ接続後の側面図、図８は従来の積層型リチウムイオン電池の集電タブとリード端子の折り曲げ後の側面図である。側面図では、負極集電タブ４を省略し正極集電タブ３のみを示しているが、負極集電タブ４も同様に負極リード端子と接続される。これ以降の側面図も同様に正極集電タブ３のみを示す。積層型リチウムイオン電池は複数枚の正極電極１と負極電極２がセパレータ(図示省略）を介して対向して図６および図７（ａ）に示すように平板状に積層配置されており、正極電極１および負極電極２のそれぞれに接続した正極集電タブ３および負極集電タブ４をそれぞれ接触しないよう離間させて、正極リード端子６および負極リード端子（図示省略）と図７（ｂ）に示すように並列に接続し、図８（ａ）に示すように、正極リード端子６および負極リード端子を上部に９０度位置を変えるようにして、それぞれの正極および負極集電タブを曲げ、正極リード端子６および負極リード端子を図８（ｂ）に示すように平板状の積層体と平行の位置に折り曲げ加工した後、ラミネート材を用いて外装されている（特許文献１参照）。
特許文献１で提案されているように、正極集電タブ３、負極集電タブ４を溶接した後に曲げた場合には、正極集電タブ３、負極集電タブ４の折り曲げ部に多大な引っ張り応力が加わり、正極集電タブ３、負極集電タブ４が損傷する恐れがあった。また、特許文献２では正極集電タブ３、負極集電タブ４を予め最終の折り曲げ形状に癖付けし、その後、正極リード端子６、負極リード端子と接合する方法が提案されている。図９は正負極集電タブを曲げた後、正極リード端子６、負極リード端子と接続する工程を示す側面図である。通常、正負極集電タブ３，４と正極リード端子６、負極リード端子との接合に際しては、超音波溶接或いは抵抗溶接が用いられている。これらの溶接方法においては溶接する部分を挟み込む必要がある。即ち正極集電タブ３、負極集電タブ４と正極リード端子６、負極リード端子を、超音波溶接ではアンビルと溶接チップで、抵抗溶接では二個の電極チップで挟み込み加圧することにより溶接している。しかしながら、最終の折り曲げ形状に癖付けした後に超音波溶接或いは抵抗溶接を行うには、正負極集電タブ３，４および正極リード端子６、負極リード端子と、正極電極１と負極電極２からなる積層体５との間にスペースがないと溶接を行うことは困難であった。
従来の積層型リチウムイオン電池においては、正負極集電タブを溶接した後に折り曲げ加工する場合には正負極集電タブの損傷の可能性があり、正負極集電タブを折り曲げてから溶接するのはスペース上、不利であった。本発明は、正負極集電タブに応力がかからず、小型化できることにある。
前記課題を解決するため、本発明の積層型リチウムイオン電池は、正極電極と負極電極をセパレータを介して積層した積層体からそれぞれ引き出された正極集電タブおよび負極集電タブと、前記正極集電タブに接合された正極リード端子、および前記負極集電タブに接合された負極リード端子と、を備え、前記正極集電タブおよび前記負極集電タブのそれぞれは、第１の部分と第２の部分からなり、前記第１の部分は、前記正極集電タブおよび前記負極集電タブの先端を含む平坦な部分であるとともに、前記正極リード端子および前記負極リード端子が接合された接合部を含む部分であり、前記第２の部分は、前記積層体の、前記正極集電タブおよび前記負極集電タブが引き出された引き出し面と前記第１の部分との間の部分であり、前記第２の部分がたわんでいる。
また本発明の積層型リチウムイオン電池の製造方法は、正極集電タブおよび負極集電タブを同一方向に引き出した正極電極と負極電極をセパレータを介して積層した積層体を湾曲させ、前記正極集電タブおよび負極集電タブの先端を階段状にずらして形成する工程と、前記正極集電タブおよび負極集電タブをそれぞれ正極リード端子および負極リード端子と接続する工程と、前記積層体を平板状に戻し前記正極集電タブおよび負極集電タブを湾曲させる工程と、前記正極集電タブおよび負極集電タブを前記積層体の前記正極集電タブおよび前記負極集電タブの引き出し面に沿って曲げ、正極リード端子および負極リード端子の先端を前記積層体と平行にする工程を含むことを特徴とする。
本発明によれば、正極集電タブおよび負極集電タブは引っ張り応力がかからずに折り曲げられるため、集電タブの損傷の恐れがなく、またリード端子と接続した後折り曲げることにより、信頼性を損なうことなく積層型リチウムイオン電池の小型化が可能となる等の効果がある。
次に、本発明の第一の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の積層型リチウムイオン電池の製造工程のうち積層体の湾曲前後を説明する図であり、図１（ａ）は積層体の形成後の側面図、図１（ｂ）は積層体の湾曲後の側面図である。図２は、本発明の第一の実施の形態による積層型リチウムイオン電池の製造工程のうち積層体の湾曲を戻す工程を説明する図であり、図２（ａ）は正負極リード端子と正負極集電タブ接続後の側面図、図２（ｂ）は積層体を平板状に戻した後の側面図である。図３は、本発明の第一の実施の形態による積層型リチウムイオン電池の製造工程のうちリード端子の加工工程を説明する図であり、図３（ａ）はリード端子折り曲げ後の側面図、図３（ｂ）は正負極集電タブ折り曲げ後の側面図である。
本発明の第一の実施の形態の積層型リチウムイオン電池の製造について説明する。まず、アルミニウム箔からなる正極集電体上に、正極集電体から引き出された正極集電タブ上を除き、リチウムイオンを吸蔵、放出するＬｉＭｎ2Ｏ4等の正極活物質を塗布して正極集電タブが引き出された正極電極を形成する。また、銅箔からなる負極集電体上に、負極集電体から引き出された負極集電タブ上を除き、リチウムイオンを吸蔵、放出するグラファイト等の負極活物質を塗布して負極集電タブが引き出された負極電極を形成する。正負極集電タブは正極電極あるいは負極電極をそれぞれ並列に接続し、さらに外部電極端子となる正負極リード端子と接続するためのものである。正負極集電タブは正負極集電体を使用する場合には厚さは集電体と同じにするとよい。幅については用途により異なるが大電流に耐えられる断面積があればよい。
正極電極、負極電極を形成した後、図１（ａ）に示すように、正極集電タブ３が引き出された正極電極１と、負極集電タブ（図示省略）が引き出された負極電極２をポリプロピレンもしくはポリプロピレン／ポリエチレン／ポリプロピレンの三層構造の多孔質膜セパレーター（図示省略）を介して積層して電池要素となる積層体５を作製する。このとき正極集電タブ３および負極集電タブの正極電極１および負極電極２からの引き出し部には後工程でそれぞれの電極をずらした場合にも絶縁性を保つよう絶縁体で被覆されているとよい。この積層体５を図１（ｂ）に示すように、積層体５の正極集電タブ３と負極集電タブが引き出された面の反対側を固定して、積層体５の中央部から、正極集電タブ３と負極集電タブを上方向に、それぞれの正極電極１と負極電極２が少しずつずれるように湾曲させて、正極集電タブ３と負極集電タブの先端が階段状となるようにする。湾曲後の正極集電タブ３と負極集電タブは、元の正極電極１と負極電極２に対して９０度曲げられている。なお角度は４５〜１２０度の範囲で変えることによりずれを調整することができる。
この階段状となった正極集電タブ３と負極集電タブを図２（ａ）に示すように、それぞれ正極リード端子６および負極リード端子と超音波溶接あるいは抵抗溶接等の手段により溶接ヘッド７を用いて接続する。その後、図２（ｂ）に示すように湾曲させた積層体５を平板状に戻す。その際に正極リード端子６および負極リード端子を平板状の積層体５と平行にすると、正極集電タブ３と負極集電タブは積層体５の正極電極１と負極電極２のずれを吸収することになり、下側の正極集電タブ３、負極集電タブほど湾曲することになる。
正極集電タブ３と負極集電タブをこの状態で保ち、図３（ａ）に示すように、正極リード端子６および負極リード端子を下側に折り曲げる。次いで図３（ｂ）に示すように、正極リード端子６および負極リード端子の先端を元に戻すようにして、平板状の積層体５と平行となるようにし、正極集電タブ３と負極集電タブを積層体５の端面に沿って曲げることにより、正極集電タブ３と負極集電タブに引っ張り応力がかからず、歪のない状態で積層体５の組み立てを行う。このようにして作製した積層体５をアルミニウム箔等の金属薄膜の両面に合成樹脂製フィルムを積層したラミネート材を用いて外装し積層型リチウムイオン電池を完成させる。
次に、本発明の第二の実施の形態を図面を参照して説明する。
図４は、本発明の第二の実施の形態による積層型リチウムイオン電池の製造工程のうち積層体の湾曲後を説明する図であり、図４（ａ）は正負極リード端子と正負極集電タブ接続後の側面図、図４（ｂ）は正負極リード端子折り曲げ後の側面図である。図５は、本発明の第二の実施の形態による積層型リチウムイオン電池の製造工程のうち積層体の湾曲を戻した後を説明する図であり、図５（ａ）は積層体を平板状に戻した後の側面図、図５（ｂ）は正負極集電タブ折り曲げ後の側面図である。
図４（ａ）に示すように、正極集電タブ３が引き出された正極電極１と、負極集電タブが引き出された負極電極２をセパレーターを介して積層した積層体５を積層体５の正極集電タブ３と負極集電タブが引き出された面の反対側を固定して、積層体５の中央部から、正極集電タブと負極集電タブを上方向に、それぞれの正極電極１と負極電極２が少しずつずれるように湾曲させて、正極集電タブ３と負極集電タブの先端を階段状とした正極集電タブと負極集電タブをそれぞれ正極リード端子６および負極リード端子と超音波溶接あるいは抵抗溶接等の手段により溶接ヘッド７を用いて接続する。この際、正極リード端子６および負極リード端子は第一の実施の形態とは逆に上端部で、また湾曲した積層体５の外側で接続する。その後、図４（ｂ）に示すように正極リード端子６および負極リード端子を下側から９０度折り曲げる。
その後、図５（ａ）に示すように積層体５の正極集電タブ３と負極集電タブが引き出された面の反対側を固定して、湾曲させた積層体５を平板状に戻す。その際に正極集電タブ３と負極集電タブは積層体５の正極電極１と負極電極２のずれを吸収することになり、下側の正極集電タブ３、負極集電タブほど湾曲することになる。次いで、図５（ｂ）に示すように正極リード端子６および負極リード端子の先端を、平板状の積層体５と平行となるようにし、正極集電タブ３と負極集電タブを積層体５の端面に沿って曲げることにより、正極集電タブ３と負極集電タブに引っ張り応力がかからず、歪のない状態で積層体５の組み立てを行う。このようにして作製した積層体５をアルミニウム箔等の金属薄膜の両面に合成樹脂製フィルムを積層したラミネート材を用いて外装し積層型リチウムイオン電池を完成させる。正極リード端子６および負極リード端子と正極集電タブと負極集電タブとの接続位置を調整することにより、積層型リチウムイオン電池としたときの正極リード端子６および負極リード端子の引き出し位置を変えることができる。ここでは正極リード端子６および負極リード端子と積層体５の底面の位置を合わせた。
本発明は、予め、平板状の積層体を一旦湾曲させて元に戻す際に、積層体の正負極電極の持つたわみを、正負極集電タブに移動させ、それを利用して、正負極集電タブを積層体に沿って曲げる際に引っ張り応力がかからなくしたものである。
１ 正極電極
２ 負極電極
３ 正極集電タブ
４ 負極集電タブ
５ 積層体
６ 正極リード端子
７ 溶接ヘッド
２ 負極電極
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５ 積層体
６ 正極リード端子
７ 溶接ヘッド
Claims (4)
- 正極電極と負極電極をセパレータを介して積層した積層体からそれぞれ引き出された正極集電タブおよび負極集電タブと、
前記正極集電タブに接合された正極リード端子、および前記負極集電タブに接合された負極リード端子と、を備え、
前記正極集電タブおよび前記負極集電タブのそれぞれは、第１の部分と第２の部分からなり、
前記第１の部分は、前記正極集電タブおよび前記負極集電タブの先端を含む平坦な部分であるとともに、前記正極リード端子および前記負極リード端子が接合された接合部を含む部分であり、
前記第２の部分は、前記積層体の、前記正極集電タブおよび前記負極集電タブが引き出された引き出し面と前記第１の部分との間の部分であり、
前記第２の部分がたわんでいる、積層型リチウムイオン電池。 - 正極集電タブおよび負極集電タブを同一方向に引き出した正極電極と負極電極をセパレータを介して積層した積層体を湾曲させ、前記正極集電タブおよび負極集電タブの先端を階段状にずらして形成する工程と、前記正極集電タブおよび負極集電タブをそれぞれ正極リード端子および負極リード端子と接続する工程と、前記積層体を平板状に戻し前記正極集電タブおよび負極集電タブを湾曲させる工程と、前記正極集電タブおよび負極集電タブを前記積層体の、前記正極集電タブおよび前記負極集電タブが引き出された引き出し面に沿って曲げ、正極リード端子および負極リード端子の先端を前記積層体と平行にする工程を含むことを特徴とする積層型リチウムイオン電池の製造方法。
- 正極集電タブを引き出した正極電極および負極集電タブを引き出した負極電極をセパレータを介して積層した積層体であって、該正極集電タブの先端を含む該正極集電タブの平坦な第１の部分に正極リード端子が接合され、該負極集電タブの先端を含む該負極集電タブの平坦な第１の部分に負極リード端子が接合された積層体を準備する準備工程と、
前記正極集電タブおよび前記負極集電タブのうちの、前記積層体の、前記正極集電タブおよび前記負極集電タブが引き出された引き出し面と前記第１の部分との間の第２の部分をたわませるたわみ工程と、を含む、積層型リチウムイオン電池の製造方法。 - セパレータを介して積層された正極電極と負極電極と、
前記正極電極および前記負極電極からそれぞれ引き出された正極集電タブおよび負極集電タブであって、該正極集電タブおよび該負極集電タブのそれぞれの先端部に正極リード端子および負極リード端子が接合された正極集電タブおよび負極集電タブと、を備え、
前記正極集電タブおよび前記負極集電タブのそれぞれは、第１の部分と第２の部分からなり、
前記第１の部分は、前記正極集電タブおよび前記負極集電タブの先端を含む平坦な部分であるとともに、前記正極リード端子および前記負極リード端子が接合された接合部を含む部分であり、
前記第２の部分は、前記第１の部分と前記正極電極および前記負極電極との間の部分であり、
前記第２の部分がたわんでいる、積層体。
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