JP4918997B2 - 非水電解質二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、非水電解質電池に関し、詳しくは、シート上の電極板の活物質が塗布されていない未塗布部が積層した電極体と集電端子とをもつ非水電解質電池に関する。

近年の電気製品の軽量化、小型化に伴い高いエネルギー密度を有する非水系二次電池が注目され、様々な研究・開発が進められている。非水系二次電池としては、例えば、リチウム二次電池がある。

また、環境間題から電池白動車や電力を動力の一部に利用したハイブリッド車の実用化が盛んに行われている。

現在の一般的な非水系二次電池は、電気エネルギーが蓄えられた（あるいは電気エネルギーを発生する）電極体（発電素子）と、電極体からエネルルギーを外部に取り出すための集電端子と、をもち、電極体と集電端子とは溶接にて接合した構成となっている。そして、電極体と集電端子とを接合する方法としては、例えば特許文献１には、電極体の極板端縁部を集電端子に設けたスリット穴に差し込み端縁部と集電端子を溶融接合（溶接）する方法が開示されている。

しかしながら、このようなスリットに溶接する接合方法においては、溶接時の熱抵抗のアンバランスにより溶融状態にバラツキが生じる事で、接合部の内部抵抗にもバラツキが発生するという問題があった。さらに、この場合には、集電端子の質量が大きいために、溶接の入熱量も多く必要となるため、溶接熱の影響で絶縁シートが溶け短絡する間題も発生するという問題があった。
特開平１０−２６１４４１号公報

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、電極体と集電端子の接合において問題となる溶融状態のばらつきと絶縁シートの溶けを防止し、電池品質が確保された非水電解質二次電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明者らは検討を重ねた結果、本発明をなすに至った。

本発明の非水電解質電池は、シート状の電極板の電極活物質が塗布されていない未塗布部が積層した状態の端縁部をもつ電極体と、電極体の端縁部が溶接された集電端子と、をもつ非水電解質電池であって、電極体と集電端子とが複数箇所で接合され、集電端子は、それぞれの接合部の間に熱の伝達を阻害する断熱部と、電極板の未塗布部が積層した状態で挿入されるスリット状の開口部の周縁部にリブをもつ挿入部と、をもち、挿入部に未塗布部が挿入された状態で挿入部のリブと未塗布部とが溶接されることを特徴とする。

本発明の非水電解質電池は、集電端子に断熱部を設ける事により、溶接時の熱抵抗バランスの均等化を図ると共に溶接に必要な入熱量を低減させ、良好な溶融状態の確保と絶縁シートの溶けによる短絡を防止することができた。

本発明の非水電解質電池は、シート状の電極板の電極活物質が塗布されていない未塗布部が積層した状態の端縁部をもつ電極体と、電極体の端縁部が溶接された集電端子と、をもつ非水電解質電池である。そして、電極体と集電端子とが複数箇所で接合され、集電端子は、それぞれの接合部の間に熱の伝達を阻害する断熱部をもつ。集電端子が断熱部をもつことで、電極体と集電端子とを溶接（溶融し接合）するときに、熱抵抗バランスが均等化され、それぞれの接合部で良好な溶融状態が確保される。また、断熱部をもつことで、溶接時に溶融のために必要な入熱量を少なくすることができる効果を発揮する。
さらに、本発明の非水電解質電池において、集電端子は、電極板の未塗布部が積層した状態で挿入されるスリット状の開口部の周縁部にリブをもつ挿入部をもち、挿入部に未塗布部が挿入された状態で挿入部のリブと未塗布部とが溶接される。
集電端子は、電極板の未塗布部が積層した状態で挿入されるスリット状の挿入部をもち、挿入部に未塗布部が挿入された状態で挿入部と未塗布部とが溶接される。このような構成となることで、電極体と集電端子とを溶接することができる。
挿入部がスリット状の開口部の周縁部にリブをもち、未塗布部とリブとが溶接される。挿入部の開口部の周縁部にリブをもつことで、リブと電極体とを溶接することとなり、溶接に必要な熱量がリブを溶融することができる熱量となるため、溶接に要する熱量をさらに低減できる。

電極板の未塗布部が積層した厚さ方向における位置がそれぞれ異なるように複数の接合部がもうけられたことが好ましい。つまり、電極板の厚さ方向に接合部が並んだ状態となることで、電極体と集電端子とが溶接したことが好ましい。

集電端子は、電極板の未塗布部が積層した厚さ方向に端縁部を圧縮するとともに端縁部が厚さ方向に圧縮された状態で溶接されることが好ましい。このような構成となることで、未塗布部が圧縮された状態（互いに密着した状態）で溶接されることとなり、積層した複数枚の未塗布部が一体に溶接されるようになる。

断熱部は、複数の接合部の間にもうけられた空隙よりなることが好ましい。部分的に集電端子に空隙を設けることで、この空隙により集電端子を熱が伝達することが阻害される。これにより、溶接時に接合部に加えられた熱量が集電端子を拡散することが抑えられる。さらに、空隙により区画された部分の体積が小さくなり、熱量の拡散が抑えられ溶接時に必要な熱量が小さくなるため、低コストで溶接できる効果を発揮する。

本発明の非水電解質電池は、電極体と集電端子とを溶接で接合するものであるが、非水電解質電池を構成する材質等の上記以外の構成は、従来公知の非水電解質電池と同様の構成とすることができる。

本発明の非水電解質電池は、特に、リチウム電池であることが好ましい。また、このリチウム電池は、一次電池でも二次電池でもよいが、二次電池において特にその効果が発揮される。

リチウム電池は、リチウムを吸蔵、放出可能な正極および負極と、電解質塩を非水溶媒に溶解させてなる非水電解液とを有する。

正極は、リチウムイオンを充電時には放出し、かつ放電時には吸蔵することができれば、その材料構成で特に限定されるものではなく、公知の材料構成のものを用いることができる。特に、正極活物質、導電材および結着材を混合して得られた合材が集電体に塗布された塗布部と、塗布されずに集電体が露出した未塗布部とを備えたシート状の正極板を用いることが好ましい。

正極活物質には、その活物質の種類で特に限定されるものではなく、公知の活物質を用いることができる。たとえば、ＴｉＳ₂、ＴｉＳ₃、ＭｏＳ₃、ＦｅＳ₂、Ｌｉ_(1-x)ＭｎＯ₂、Ｌｉ_(1-x)Ｍｎ₂Ｏ₄、Ｌｉ_(1-x)ＣｏＯ₂、Ｌｉ_(1-x)ＮｉＯ₂、Ｖ₂Ｏ₅等の化合物をあげることができる。ここで、ｘは０〜１を示す。また、これらの化合物の混合物を正極活物質として用いてもよい。さらに、Ｌｉ_1-xＭｎ_2+xＯ₄、ＬｉＮｉ_1-xＣｏ_xＯ₂などのようにＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＮｉＯ₂の遷移金属元素の一部を少なくとも１種類以上の他の遷移金属元素あるいはＬｉで置き換えたものを正極活物質としてもよい。

正極活物質としては、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂等のリチウムおよび遷移金属の複合酸化物がより好ましい。すなわち、電子とリチウムイオンの拡散性能に優れるなど活物質としての性能に優れているため、高い充放電効率と良好なサイクル特性とを有する電池が得られる。

結着剤は、活物質粒子をつなぎ止める作用を有する。結着剤としては、有機系結着剤や、無機系結着剤を用いることができ、たとえば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ塩化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の化合物をあげることができる。

導電剤は、正極の電気伝導性を確保する作用を有する。導電剤としては、たとえば、カーボンブラック、アセチレンブラック、黒鉛等の炭素物質の１種または２種以上の混合したものをあげることができる。

また、正極の集電体としては、たとえば、アルミニウム、ステンレスなどの金属を網、パンチドメタル、フォームメタルや板状に加工した箔などを用いることができる。

負極は、リチウムイオンを充電時には吸蔵し、かつ放電時には放出することができれば、その材料構成で特に限定されるものではなく、公知の材料構成のものを用いることができる。特に、負極活物質および結着剤を混合して得られた合材が集電体に塗布された塗布部と、塗布されずに集電体が露出した未塗布部とを備えたシート状の負極板を用いることが好ましい。

負極活物質としては、特に限定されるものではなく、公知の活物質を用いることができる。たとえば、結晶性の高い天然黒鉛や人造黒鉛などの炭素材料、金属リチウムやリチウム合金、スズ化合物などの金属材料、導電性ポリマーなどをあげることができる。

結着剤は、活物質粒子をつなぎ止める作用を有する。結着剤としては、有機系結着剤や、無機系結着剤を用いることができ、たとえば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ塩化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の化合物をあげることができる。

負極の集電体としては、たとえば、銅、ニッケルなどを網、パンチドメタル、フォームメタルや板状に加工した箔などを用いることができる。

非水電解液は、通常のリチウム二次電池に用いられる電解液であればよく、電解質塩と非水溶媒とから構成される。

電解質塩としては、たとえば、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＮ（ＣＦ₃ ＳＯ₂）₂、ＬｉＣ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₃、ＬｉＩ、ＬｉＡｌＣｌ₄、ＮａＣｌＯ₄、ＮａＢＦ₄、Ｎａｌ等をあげることができ、特に、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＡｓＦ₆などの無機リチウム塩、ＬｉＮ（ＳＯ₂Ｃ_xＦ_2x+1）（ＳＯ₂Ｃ_yＦ_2y+1）で表される有機リチウム塩をあげることができる。ここで、ｘおよびｙは１〜４の整数を表し、また、ｘ＋ｙは３〜８である。有機リチウム塩としては、具体的には、ＬｉＮ（ＳＯ₂ ＣＦ₃）（ＳＯ₂Ｃ₂Ｆ₅）、ＬｉＮ（ＳＯ₂ＣＦ₃）（ＳＯ₂Ｃ₃Ｆ₇）、ＬｉＮ（ＳＯ₂ＣＦ₃）（ＳＯ₂Ｃ₄Ｆ₉）、ＬｉＮ（ＳＯ₂Ｃ₂Ｆ₅）（ＳＯ₂Ｃ₂Ｆ₅）、ＬｉＮ（ＳＯ₂Ｃ₂Ｆ₅）（ＳＯ₂Ｃ₃Ｆ₇）、ＬｉＮ（ＳＯ₂Ｃ₂Ｆ₅）（ＳＯ₂Ｃ₄Ｆ₉）等があげられる。なかでも、ＬｉＮ（ＳＯ₂ＣＦ₃ ）（ＳＯ₂Ｃ₄Ｆ₉）、ＬｉＮ（ＳＯ₂Ｃ₂Ｆ₅）（ＳＯ₂Ｃ₂Ｆ₅）などを電解質に使用すると、電気特性に優れるので好ましい。

電解質塩が溶解する有機溶媒としては、通常のリチウム二次電池の非水電解液に用いられる有機溶媒であれば特に限定されず、例えば、カーボネート化合物、ラクトン化合物、エーテル化合物、スルホラン化合物、ジオキソラン化合物、ケトン化合物、ニトリル化合物、ハロゲン化炭化水素化合物等をあげることができる。詳しくは、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、エチレングリコールジメチルカーボネート、プロピレングリコールジメチルカーボネート、エチレングリコールジエチルカーボネート、ビニレンカーボネート等のカーボネート類、γ−ブチルラクトン等のラクトン類、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、１，４−ジオキサンなどのエーテル類、スルホラン、３−メチルスルホラン等のスルホラン類、１，３−ジオキソラン等のジオキソラン類、４−メチル−２−ペンタノン等のケトン類、アセトニトリル、ピロピオニトリル、バレロニトリル、ベンソニトリル等のニトリル類、１，２−ジクロロエタン等のハロゲン化炭化水素類、その他のメチルフォルメート、ジメチルホルムアミド、ジエチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等をあげることができる。さらに、これらの混合物であってもよい。

これらの有機溶媒のうち、特に、カーボネート類からなる群より選ばれた一種以上の非水溶媒が、電解質の溶解性、誘電率および粘度において優れているので、好ましい。

さらに、本発明の電池容器用封口板において、その形状も特に限定されるものではなく、たとえば、正極および負極がシート状に形成され、シート状のセパレータを介した状態で巻回された巻回型電極体を収納する略円筒型や、巻回型電極体を扁平化した形状の扁平形状巻回型電極体を収納する角型でをあげることができる。

以下、本発明の非水電解質電池の詳細について実施例を用いて説明する。

本発明の非水電解質電池の実施例としてリチウム二次電池１を製造した。

（実施例）
まず、扁平形状巻回型電極体２を製造した。扁平形状巻回型電極体２は、図１に示したように、帯状の正極板３および負極板４と両極板３、４間に介在するセパレ−タ５とが巻回された状態で扁平形状に成形された電極体である。なお、この扁平型状巻回型電極体２は、リチウム二次電池に用いられる電極体である。

正極板３は、帯状のアルミニウムシートからなる正極集電体３０の両面に正極活物質層３１が形成されるとともに、正極集電体の幅方向の一方の端部側に正極活物質層３１が形成されていない未塗布部３２を有する。この未塗布部３２は、端部側から一定の幅で形成されていた。また、正極活物質はリチウムマンガン酸化物が用いられた。なお、正極板３の未塗布部３２を構成するアルミニウムは、負極板４の未塗布部４２を構成する銅よりも低い熱量で溶接できる。

負極板４は、帯状の銅のシートからなる負極集電体４０の両面に負極活物質層４１が形成されるとともに、負極集電体の幅方向の一方の端部側に負極活物質層３１が形成されていない未塗布部４２を有する。この未塗布部４２は、端部側から一定の幅で形成されていた。また、負極活物質には、カーボンが用いられた。

セパレ−タ５は、帯状に形成された微多孔性のポリエチレンまたはポリプロピレンにより形成することができ、本実施例においては微多孔性のポリプロピレンにより形成された。セパレータ５は、両極板３、４の電極活物質層３１、４１が形成された領域よりも帯の幅が長く、かつ長さも両極板３、４よりも長く形成されている。

扁平形状巻回型電極体２は、正極板３および負極板４の未塗布部３２、４２が互いに軸方向の反対方向にセパレータ５から突出し、巻回されてリング状に形成された突出端部３３，４３を形成している。

扁平形状巻回型電極体２は、正極板３，負極板４及びセパレータ５が積層した状態で長尺方向に渦巻状に巻回して巻回体を形成し、この巻回体をプレス成形等の方法で径方向に圧縮して扁平形状とすることで製造された。

詳しくは、まず、円筒もしくはオーバル形状の巻芯を用い、この巻芯の外周面側に正極板３、負極板４およびセパレータ５を巻回する。その後、巻芯を取り外すことで、巻回型電極体が製造された。その後、この巻回型電極体を外周面から径方向内方に圧縮することで巻回型電極体の扁平化が行われた。

つづいて、電極端子６を製造した。電極端子６は、金属板を所定形状に形成した後に曲成して形成された部材であり、扁平形状巻回型電極体２の突出端部３３，４３の端面に接合される部材である。

電極端子６は、突出端部３３，４３の端面と同一平面上に広がる略板状の接合部６１と実施例のリチウム二次電池１の電極端子を形成する端子部６７と、を有する。

電極端子６の接合部６１は、その先端部の近傍に、電極体２が接合されたときにこの電極体２方向に突出した凸部６２をもつように曲成されている。そして、この凸部６２には、接合部６１ののびる方向にそってのびた３本のスリット６３，６４，６５が開口している。３本のスリット６３，６４，６５のうち、接合部６１の幅方向の両端側の二つのスリット６３，６５の幅方向の両側には、電極体２に背向する表面に突出したリブ６６が設けられている。このリブ６６は、少なくとも凸部６２の先端部に対応した部分に形成されている。また、二つのスリット６３，６５のそれぞれの接合部６１の幅方向の両端までの距離がそれぞれスリット６４までの距離とほぼ同じ距離となるように、３本のスリットが形成された。この電極端子６を図２に示した。

なお、本実施例の電極端子６は、接合部６１の電極体２に対向する表面は、平板状に形成されているが、接合部６１の電極体２に対向する表面は、二つのスリット６３，６５の開口部がテーパ状に開口した構成としてもよい。開口部がテーパ状となることで、電極体２を溶接するときに、電極体２を構成する未塗布部３２，４２がテーパ状のテーパ面に案内され、未塗布部３２，４２のスリット６３，６５への挿入が容易になる。また、さらに、テーパ面をもつことで、電極端子６と突出端部３３，４３との接触面積が小さくなり、溶接時に少ない熱量で溶接できるようになる。

電極端子６は、それぞれが接合される集電体と同種の材質で形成された。詳しくは、正極板３と接合される正極端子はアルミニウムよりなり、負極板４と接合される負極端子は銅により形成された。

つづいて、電極体２と電極端子６とを溶接で接合した。

電極体２と電極端子６の接合は、まず、電極体２の軸方向の端部であって正極板３の未塗布部３２が突出した端部に電極端子６（正極端子）を組み付けた。このとき、電極端子６の３本のスリット６３，６４，６５のうち、両端側の二つのスリット６３，６５のみに正極板３の未塗布部３２が積層した状態で挿入され、凸部６２の内部で電極体に背向した表面側にスリット６３，６５を通って突出した。そして、この積層した未塗布部３２の突出した部分を、それぞれ圧縮した。この圧縮は、二つのスリット６３，６５から突出した未塗布部３２のそれぞれを圧縮するものであり、未塗布部３２のそれぞれを一体に圧縮するものではない。

その後、二つのスリット６３，６５から突出した未塗布部３２とリブ６６とをＴＩＧ溶接で溶接した。これにより、電極体２と電極端子６（正極端子）とが溶接固定された。本実施例においては、電極体２と電極端子６との溶接は、ＴＩＧ溶接によりなされたが、ＴＩＧ溶接以外の溶接方法（レーザ溶接、電子ビーム、アーク溶接等）の溶接方法で行ってもよい。

その後、正極板３の時と同様にして、負極板４と電極端子６（負極端子）との溶接を行った。

これにより、電極体２に一対の正負両極の電極板６，６が接合された。このときの電極体を図３に示した。なお、図３は、電池ケースの蓋体にこの電極体が組み付けられた状態を示した図である。

一対の電極端子６が接合された扁平型状巻回型電極体２は、電池ケース内に非水電解液とともに封入されることで、リチウム二次電池が製造された。

本実施例のリチウム二次電池１の製造において、電極体２と集電端子６との溶接は、端部３３（未塗布部３２）とリブ６６との当接部の近傍に熱量を付与し、この部分を溶融し接合を行っている。そして、当接部の近傍に付与された熱量が集電端子６の接合部６１の内部を伝導しても、二つのスリット６３，６５の間には、スリット６４が開口しており、このスリットにより接合部６１の幅方向に熱の伝導が阻害される。つまり、スリット６４が熱の伝達を阻害する断熱部となった。そして、スリット６４をもつことで、このスリット６４に分割された二つのスリット６３，６５の開口したそれぞれの部分の熱抵抗のバランスが確保され、図４〜５に示したように溶融のバラツキが抑えられ、良好な（均一な）溶接部が得られた。ここで、図５は、図４中のＩＩ線における断面図である。

これに対し、スリット６４よりなる断熱部をもたない構成の集電素子６を用いて同様の溶接を行うと、図６に示したように、スリット６３に熱量を付与したときに、付与された熱量はスリット６３に近接した端部とスリット６５方向の両方向に伝達する。そして、スリット６３は、スリット６３に近接した端部までの距離がスリット６５方向の端部までの距離よりはるかに短く形成されており、端子部のスリット６３に近接した端部までの間に熱量が蓄積し、この部分が広い範囲で溶融するようになり、溶接不良が発生する。そして、場合によっては、電極体２に熱量が伝導し、セパレータ５の溶融などにより電極体２に不具合が発生するようになる。

本実施例のリチウム二次電池１の製造において、電極体２と集電端子６との溶接は、未塗布部３２とリブ６６との当接部の近傍に熱量を付与し、この部分を溶融し接合を行っている。つまり、リブ６６を設けたことで、このリブ６６に付与された熱量が集中し、より小さなエネルギーで溶接できた。これにより、電極体２が熱のダメージを受けることが抑えられた。

上記したように、本実施例のリチウム二次電池１は、電極体２と集電端子６との溶接部における溶接品質のバラツキが抑えられ、かつ電極体２の損傷が抑えられた構成となっている。つまり、溶接による電池能力の低下が抑えられたリチウム二次電池となっている。

実施例のリチウム二次電池の扁平形状巻回型電極体の構成を示した図である。 実施例のリチウム二次電池の集電端子を示した図である。 実施例のリチウム二次電池の扁平形状巻回型電極体と集電端子とを組み付けた状態を示した図である。 実施例のリチウム二次電池の扁平形状巻回型電極体と集電端子とを溶接したときの溶接部近傍を示した図である。 実施例のリチウム二次電池の扁平形状巻回型電極体と集電端子とを溶接したときの溶接部近傍の断面図である。 断熱部をもたない集電端子と扁平形状巻回型電極体とを溶接したときの溶接部近傍の断面図である。

符号の説明

１：リチウム二次電池
２：扁平形状巻回型電極体
３：正極板 ３０：正極集電体
３１：正極活物質層 ３２：未塗布部
４：負極板 ４０：負極集電体
４１：負極活物質層 ４２：未塗布部
５：セパレータ
６：電極端子 ６１：接合部
６２：凸部 ６３，６４，６５：スリット
６６：リブ ６７：端子部

Claims (4)

1. シート状の電極板の電極活物質が塗布されていない未塗布部が積層した状態の端縁部をもつ電極体と、
   該電極体の該端縁部が溶接された集電端子と、
   をもつ非水電解質電池であって、
   該電極体と該集電端子とが複数箇所で接合され、
   該集電端子は、それぞれの接合部の間に熱の伝達を阻害する断熱部と、該電極板の該未塗布部が積層した状態で挿入されるスリット状の開口部の周縁部にリブをもつ挿入部と、をもち、
   該挿入部に該未塗布部が挿入された状態で該挿入部の該リブと該未塗布部とが溶接されることを特徴とする非水電解質電池。
2. 前記電極板の前記未塗布部が積層した厚さ方向における位置がそれぞれ異なるように複数の接合部がもうけられた請求項１記載の非水電解質電池。
3. 前記集電端子は、前記電極板の前記未塗布部が積層した厚さ方向に該端縁部を圧縮するとともに該端縁部が厚さ方向に圧縮された状態で溶接される請求項１記載の非水電解質電池。
4. 前記断熱部は、複数の前記接合部の間にもうけられた空隙よりなる請求項１記載の非水電解質電池。

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