JP5004488B2

JP5004488B2 - 電池

Info

Publication number: JP5004488B2
Application number: JP2006097600A
Authority: JP
Inventors: 泰憲岡▲崎▼; 雅統大木; 弘光諏訪; 修一山下
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007273258A

Description

本発明は、電池の集電効率を高める技術に関し、詳しくは負極集電タブの溶接強度の向上と負極集電効率の向上に関する。

今日、携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ等の移動情報端末の高機能化・小型化および軽量化が急速に進展している。これらの端末の駆動電源として、高いエネルギー密度を有し、高容量であるリチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池が広く利用されている。

リチウムイオン二次電池は、通常、正極集電タブが封口板に設けられた電極端子に接続され、負極集電タブが外装缶と接続されることにより、電池内部で発生した化学エネルギーを電気エネルギーとして取り出している。

このような構造の電池において、負極タブとしては、電気抵抗が低く安価な銅が用いられるが、銅は電気抵抗が低いため、鉄や鉄合金製の外装缶と抵抗溶接すると、電流の逃げが生じて十分な溶接強度が得られない。よって、電池落下等の衝撃が加わった場合には、負極集電タブと外装缶との溶接が剥がれるという課題を有している。

そこで、負極タブとし電気抵抗の比較的高いニッケル層を銅層の両面に積層した３層構造クラッド材を用いることにより、鉄系の外装缶と負極タブとの溶接強度を高めることがなされている。更にまた、電流の取り出し効率を高めるために、負極集電タブを複数本とすることが行われている。

ところが、複数本の負極集電タブのすべてを３層構造クラッド材とすると、コスト高になる一方、複数本の負極集電タブを銅層とニッケル層との２層構造クラッド材とした場合には、外装缶に加えてタブ相互を溶接する場合において、十分な溶接強度が得られず、上記と同様の問題が生じる。

このような問題に関して、下記特許文献１〜３が提案されている。

特開2001-176491号公報特開2004-127599号公報特開平11-297300号公報

特許文献１にかかる技術は、負極リード（タブ）として、銅の片面又は両面にニッケル膜を被覆したものを用いる技術である。この技術によると、高率放電時の容量低下を抑制できるとされる。

特許文献２にかかる技術は、負極リード（タブ）として、銅又は銅合金とニッケルとの２層構造クラッド材を用いる技術である。この技術によると、インピーダンスが低く、長時間にわたり大電流放電が可能な電池が得られるとされる。

しかし、上記特許文献１,２ともに、用いる負極リード（タブ）の本数が一本であり、サイクル特性や高率放電特性を十分に高めることはできないという課題を有している。

特許文献３にかかる技術は、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｕ合金、Ｃｒ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｃｒ−Ｆｅ合金、Ｃｒ−Ｎｉ−Ｆｅ合金から選択される溶接層及び表層をＣｕ又は耐熱Ｃｕ合金からなる中間層を介してクラッドされた３層構造からなる電池用リード材料とする技術である。この技術によると、耐食性、溶接性が良好でかつ電気抵抗を従来の材料よりも格段に低減でき、且つ材料全体の厚みを薄くして、軽量化を達成できるとされる。

しかし、この技術は、電池同士を接続するリード線に関する技術であり、この技術をそのまま負極タブに用いることはできない。

本発明は、上記に鑑みなされたものであって、サイクル特性や高率放電特性に優れ、且つ負極タブ同士および負極タブと外装缶との溶接強度が高く、且つ低コストな電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための第１の本発明は、鉄製又は鉄合金製の円筒形外装缶内に、正極と負極とセパレータとが巻回された巻回電極体と、電解液と、が収容された電池において、前記負極には、負極タブが２つ取り付けられており、前記負極タブの１つは、ニッケル−銅−ニッケルからなる３層構造クラッド材であり、他の１つは、ニッケル−銅の２層構造クラッド材とからなり、前記３層構造クラッド材の一方面が前記外装缶の内側面と抵抗溶接され、且つ前記３層構造クラッド材の他方面が、前記２層構造クラッド材のニッケル層面に抵抗溶接されていることを特徴とする。

この構成によると、負極タブを２本としているので、従来の１本構成よりもサイクル特性や高率放電特性を高めることができる。

また、図１、図２に示すように、鉄系の外装缶１と３層構造クラッド材の負極タブ４ａのニッケル層（銅よりも電気伝導度が低い）とが抵抗溶接されるので、十分な溶接強度が得られる。更に、２層構造クラッド材の負極タブ４ｂのニッケル層と前記３層構造クラッド材のニッケル層とが抵抗溶接されるので、負極タブ同士（４ａ，４ｂ）の溶接強度も高まる。よって、タブの剥がれによる電池性能の低下がない。

また、負極タブの一方が２層構造クラッド材であるため、２本ともに３層構造クラッド材を用いるよりも低コストにできる。

なお、負極タブ全体がクラッド材であってもよく、溶接部分のみがクラッド化された部分クラッド材であってもよい。

また、ニッケル層としては、純ニッケルのみならず、ニッケル合金を用いることができ、銅層としては、純銅のみならず、銅合金を用いることができる。

上記構成において、前記負極に取り付けられた２層構造クラッド材は、前記電極体の巻回中心軸の外装缶底側端部に重なるように折り曲げられ、前記負極に取り付けられた３層構造クラッド材は、外装缶底側端部に重なるように折り曲げられた前記２層構造クラッド材の上に重なるように折り曲げられて、前記電極体の巻回中心軸近傍である前記外装缶の缶底中央部分において、前記外装缶底と前記３層構造クラッド材とが溶接され、かつ当該溶接部分に重なるようにして前記３層構造クラッド材と前記２層構造クラッド材とが溶接されている構成とすることができる。

この構成によると、図２に示すように、２層構造クラッド材４ｂを電極体１の巻回中心軸であった中空部分７に向かって折り曲げ、その上から、３層構造クラッド材４ａを電極体１の巻回中心軸であった中空部分７に向かって折り曲げ、電極体２の巻回中心軸であった中空部分７に溶接棒を挿入して負極タブ４ｂにあてがい、外装缶１の缶底中央部に電極をあてがい、該溶接棒と電極とに電圧を印加することにより、負極タブ４ａと外装缶１、及び負極タブ同士（４ａ，４ｂ）を同時に抵抗溶接できる。よって、溶接工程が容易となる。

上記課題を解決するための第２の本発明は、鉄製又は鉄合金製の円筒形外装缶内に、正極と負極とセパレータとが巻回された巻回電極体と、電解液と、が収容された電池において、前記負極には、負極タブがｎ本（ｎは３以上の整数）取り付けられており、前記複数本の負極タブは、ｎ−１本のニッケル−銅−ニッケルの３層構造クラッド材と、１本のニッケル−銅の２層構造クラッド材とからなり、前記３層構造クラッド材の内の１本と前記外装缶とが抵抗溶接され、かつ隣接する前記３層構造クラッド材同士がすべて抵抗溶接され、前記３層構造クラッド材の前記外装缶内壁と最も離れた側の１本と前記２層構造クラッド材のニッケル層面とが抵抗溶接されていることを特徴とする。

負極タブが３本以上とする場合には、このような構成を採用することが好ましい。

以上説明したように、本発明によると、サイクル特性に優れ、且つ負極タブの溶接強度に優れた電池を提供できる。

本発明を実施するための最良の形態を、図面を用いて詳細に説明する。なお、本発明は下記の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。

（実施の形態）
図１、図２を参照にして、実施の形態１にかかる電池を説明する。図１は、本発明にかかる電池の断面部分解体斜視図であり、図２は、本発明にかかる電池の負極タブ溶接部分の断面図である。

図１に示すように、本発明にかかる電池は、正極３と負極４とセパレータ５とを備える電極体２が、円筒形の外装缶１内に挿入されている。外装缶１の開口部は封口板６により封口されている。また、負極４は負極タブ４ａ，４ｂを介して外装缶１と電気的に接続されており、正極４は正極タブ３ａを介して封口板６と電気的に接続されている。また、外装缶１内には、電解液が注液されている。

図２に示すように、負極タブは、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｎｉの３層構造クラッド材４ａと、Ｎｉ−Ｃｕの２層構造クラッド材４ｂとを有しており、３層構造クラッド材４ａと外装缶１とが抵抗溶接され、３層構造クラッド材４ａと２層構造クラッド材４ｂのニッケル（Ｎｉ）層面とが抵抗溶接されている。

この形態の電池を、リチウムイオン二次電池に適用した場合の作成方法を以下に示す。

〔正極の作製〕
コバルト酸リチウムからなる正極活物質９０質量部と、黒鉛からなる導電剤５質量部と、ポリフッ化ビニリデンからなる結着剤５質量部とを、Ｎ−メチルピロリドンに混合して正極活物質スラリーとなす。このスラリーをアルミニウム製の集電体に塗布し、乾燥、圧延して、正極３を作製する。この正極３に、ニッケル製の正極タブ３ａを取り付ける。

〔負極の作製〕
黒鉛からなる負極活物質１００質量部と、カルボキシメチルセルロースからなる増粘剤３質量部と、スチレンブタジエンゴムからなる結着剤２質量部とを、水に混合して負極活物質スラリーとなす。このスラリーを銅製の集電体に塗布し、乾燥、圧延して、負極４を作製する。この負極４の活物質未塗布部分に、図３に示すようにＮｉ−Ｃｕ−Ｎｉクラッド材からなる負極タブ４ａと、Ｎｉ−Ｃｕクラッド材からなる負極タブ４ｂとを取り付ける。

〔電極体の作製〕
上記正極と負極とポリオレフィン系樹脂からなる微多孔膜のセパレータとを、巻き芯を備えた巻き取り機により巻回し、巻き芯を取り除いて、中空部分７を有する巻回電極体２を作製する。この電極体に取り付けられた２層クラッド負極タブ４ｂを電極体２の中空部分７に向かって折り曲げ、その上から、３層クラッド負極タブ４ａを電極体１の中空部分７に向かって折り曲げる。

〔非水電解質の調製〕
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを、体積比５０：５０の割合（１気圧、２５℃における）で混合した非水溶媒に、電解質塩としてのＬｉＰＦ_６を１．０Ｍ（モル／リットル）の割合で溶解して非水電解質を調製する。

〔電池の作製〕
鉄製の円筒形外装缶１内に、上記巻回電極体２を挿入する。この巻回電極体の巻回中心であった中空部分７に溶接棒を挿入して負極タブ４ｂにその先端をあてがい、外装缶１の缶底中央部に電極をあてがう。該溶接棒と該電極とに電圧を印加することにより、負極タブ４ａと外装缶１、及び負極タブ同士（４ａ，４ｂ）を同時に抵抗溶接する。この後、上記非水電解質を挿入し、封口板６と正極タブ３ａとを電気的に接続し、外装缶１の開口部を封口板６により封口して、直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍのリチウムイオン二次電池を完成させる。

《溶接強度の測定サンプルの作製》
（サンプル１）
上記実施の形態で用いた鉄製の円筒形外装缶の缶底部分のみを切り取り、銅箔（厚み０．１５ｍｍ、幅３ｍｍ、長さ６４ｍｍ）と、缶底中央部分とを、図４に示すように抵抗溶接して、サンプル１を作製した。なお、銅箔にあてがった溶接棒の大きさは直径１．０ｍｍである。

（サンプル２）
鉄製の円筒形外装缶の缶底部分のみを切り取り、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｎｉ３層構造クラッド材（厚み０．１５ｍｍ、幅３ｍｍ、長さ６４ｍｍ）と、缶底中央部分とを、図４に示すように抵抗溶接して、サンプル２を作製した。

（サンプル３）
鉄製の円筒形外装缶の缶底部分のみを切り取り、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｎｉ３層構造クラッド材（厚み０．１５ｍｍ、幅３ｍｍ、長さ６４ｍｍ）２枚と、缶底中央部分とを、図５に示すように抵抗溶接して、サンプル３を作製した。

（サンプル４）
鉄製の円筒形外装缶の缶底部分のみを切り取り、Ｎｉ−Ｃｕ２層構造クラッド材（厚み０．１５ｍｍ、幅３ｍｍ、長さ６４ｍｍ）２枚と、缶底中央部分とを、図５に示すように抵抗溶接して、サンプル４を作製した。なお、缶底とは、Ｎｉ層が接するようにし、２枚のクラッド材はＣｕ層とＮｉ層とが接するようにした。

（サンプル５）
鉄製の円筒形外装缶の缶底部分のみを切り取り、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｎｉ３層構造クラッド材（厚み０．１５ｍｍ、幅３ｍｍ、長さ６４ｍｍ）と、Ｎｉ−Ｃｕ２層構造クラッド材（厚み０．１５ｍｍ、幅３ｍｍ、長さ６４ｍｍ）と、缶底中央部分とを、図５に示すように抵抗溶接して、サンプル５を作製した。なお、缶底とは、３層構造クラッド材が接するようにし、２枚のクラッド材はＮｉ層同士が接するようにした。

《溶接強度の測定》
上記で作製したサンプル１〜５に対して、引張試験機を用いて溶接強度を測定した。２枚溶接の場合は、図５に示すように、まず上側の金属箔を引っ張り、強度を測定した後、下側（缶底側）の金属箔を引っ張り、強度を測定した。この結果を下記表１に示す。

上記表１から、銅箔と缶底とを溶接したサンプル１の缶底と金属箔との溶接強度が４．２Ｎと、ニッケル層と缶底とを溶接したサンプル２〜５の４７．５〜５１．５Ｎよりもきわめて弱いことがわかる。

このことは、次のように考えられる。銅は電気伝導度が高いために、抵抗溶接時に電圧印加部分から電流が逃げてしまい、強度が弱くなる。ニッケル及び鉄は、銅よりも電気伝導度及び熱伝導度が低いために、このようなことが起こらず、強い溶接強度が得られる。

また、ニッケル層と、銅層とを溶接したサンプル４の金属箔同士の溶接強度が６．８Ｎと、ニッケル層同士を溶接したサンプル３，５の３７．１Ｎ、３９．８Ｎよりもきわめて弱いことがわかる。

このことは、上記考察と同様の理由によると考えられる。

上記試験から、２つの負極タブを用い、これらと外装缶の缶底と、及び負極タブ同士を抵抗溶接しする場合、サンプル３又はサンプル５の条件が好ましいことがわかる。コスト面を考えると、サンプル５の条件とすることがより好ましい。

なお、実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池は、負極タブとしてＮｉ−Ｃｕ−Ｎｉの３層構造クラッド材１本用いたものに比べて、高率放電を行うサイクル特性１０％以上向上していることが確認された。なお、サイクル条件は以下のとおりである。

充電条件：定電流１２００ｍＡで４．２Ｖまで、その後定電圧４．２Ｖで２０ｍＡまで
放電条件：定電流１５Ａで２．５Ｖまで
サイクル特性（％）＝５００サイクル目放電容量÷１サイクル目放電容量×１００

（追加事項）
上記実施の形態では、鉄製の外装缶を用いたが、ステンレススチール等の鉄合金製であってもよい。

また、銅製の負極タブを用いる電池であれば、リチウムイオン二次電池に限らず、一次電池、二次電池を問わず本発明を適用できる。

以上説明したように、本発明によると、高率放電を行うサイクル特性が高く、負極タブ同士及び負極タブと外装缶との溶接強度に優れた電池を提供できるので、産業上の意義は大きい。

本発明にかかる円筒形電池の断面部分解体図である。本発明電池の負極タブ溶接部分を示す部分拡大断面図である。本発明に用いる負極の概略図である。サンプル１，２の溶接法を示す概略図である。サンプル３〜５の溶接法及び引っ張り試験法を示す概略図である。

符号の説明

１外装缶
２電極体
３正極
４負極
４ａ、４ｂ負極タブ
５セパレータ
６封口板

Claims

鉄製又は鉄合金製の円筒形外装缶内に、正極と負極とセパレータとが巻回された巻回電極体と、電解液と、が収容された電池において、
前記負極には、負極タブが２つ取り付けられており、
前記負極タブの１つは、ニッケル−銅−ニッケルからなる３層構造クラッド材であり、他の１つは、ニッケル−銅の２層構造クラッド材とからなり、
前記３層構造クラッド材の一方面が前記外装缶の内側面と抵抗溶接され、
且つ前記３層構造クラッド材の他方面が、前記２層構造クラッド材のニッケル層面に抵抗溶接されている、
ことを特徴とする電池。
請求項１に記載の電池において、
前記負極に取り付けられた２層構造クラッド材は、前記電極体の巻回中心軸の外装缶底側端部に重なるように折り曲げられ、
前記負極に取り付けられた３層構造クラッド材は、外装缶底側端部に重なるように折り曲げられた前記２層構造クラッド材の上に重なるように折り曲げられて、
前記電極体の巻回中心軸近傍である前記外装缶の缶底中央部分において、前記外装缶底と前記３層構造クラッド材とが溶接され、かつ当該溶接部分に重なるようにして前記３層構造クラッド材と前記２層構造クラッド材とが溶接されている、
ことを特徴とする電池。
鉄製又は鉄合金製の円筒形外装缶内に、正極と負極とセパレータとが巻回された巻回電極体と、電解液と、が収容された電池において、
前記負極には、負極タブがｎ本（ｎは３以上の整数）取り付けられており、
前記複数本の負極タブは、ｎ−１本のニッケル−銅−ニッケルの３層構造クラッド材と、１本のニッケル−銅の２層構造クラッド材とからなり、
前記３層構造クラッド材の内の１本と前記外装缶とが抵抗溶接され、かつ隣接する前記３層構造クラッド材同士がすべて抵抗溶接され、
前記３層構造クラッド材の前記外装缶内壁と最も離れた側の１本と前記２層構造クラッド材のニッケル層面とが抵抗溶接されている、
ことを特徴とする電池。