JP5032737B2

JP5032737B2 - 電気化学素子

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Publication number: JP5032737B2
Application number: JP2004175186A
Authority: JP
Inventors: きよみ神月
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-06-14
Filing date: 2004-06-14
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2024-06-14
Also published as: CN101916840A; CN1716658A; JP2005353519A; US20050277022A1; CN101916840B; US7763377B2

Description

本発明は、正負極板を扁平に巻回した極板群を電解液と共に容器内に収容して外形形状を角形に構成した電池、電気二重層コンデンサなどの電気化学素子に関し、特に高出力に対応できる集電構造を備えた電気化学素子に関するものである。

電池、電気二重層コンデンサ等の電気化学素子においては、単位体積当りの反応面積を増加させるために正極板と負極板とをセパレータを介して巻回した巻回構造の極板群を用いたものが広く用いられている。この極板群を電解質と共に金属容器内に収容して密閉し、正極板及び負極板をそれぞれ正極外部接続端子及び負極外部接続端子となる部位に接続して外部接続可能な電気化学素子に形成される。

正極板及び負極板は、箔あるいは網状の金属薄板で形成された集電体に活物質を塗着して形成されているので、正負の各集電体それぞれを正極外部接続端子、負極外部接続端子となる部位にリード接続すれば電流経路が形成される。そのとき、集電体の１箇所から外部接続端子となる部位に接続すると、巻回された帯状の集電体では接続箇所から離れた部位からの電流経路が長くなるため、比較的大きな電流の充放電を行った場合の損失や温度上昇が発生する問題があった。特に、電気二重層コンデンサのように短時間にエネルギーを充放電できる特性を有効に生かすためには、電流経路の内部抵抗を低減する必要性がより大きくなる。

上記のごとき極板群と正極及び負極の各外部接続端子部位との接続に係る課題を解決すべく、正極板と負極板とをセパレータを介して円筒形に巻回して極板群に形成するとき、正極板又は負極板を構成する集電体の一部が極板群の一方端から突出するように形成し、端部から突出した集電体に円筒軸心方向から平面押圧力を加えて突出した集電体を内側に折り曲げて平坦部を形成し、この平坦部に集電板を溶接することにより、集電効率の向上を図った電池構造が知られている（特許文献１参照）。

また、帯状の幅方向の端辺から集電体を露出させた正極板と負極板とを正極端子及び負極端子とする金属板材を取り付けた扁平な巻回軸芯の周囲に巻回し、正極板の集電体露出部を正極端子に溶接し、負極板の集電体露出部を負極端子に溶接して扁平巻回電極に構成し、前記正極端子及び負極端子の端部を電池容器の外部に引き出し、電気自動車などの高出力の組電池を構成するのに適した電池構造が知られている（特許文献２参照）。

上記２例は何れも電池の場合であるが、正負極板を巻回した電気二重層コンデンサにおいては、巻回した正極板及び負極板の集電体から半径方向の同一線上に複数の集電タブが突出するように極板群を形成し、半径方向の複数の集電タブを束ねて同一材料の端子部材で挟んだ状態で溶接し、引き出し端子部を形成した構成が知られている（特許文献３参照）。
特開２０００−２９４２２２号公報（第２〜４頁、図１）特開２０００−０４０５０１号公報（第２〜３頁、図１）特開平１０−０５０５５６号公報（第３〜４頁、図６）

しかしながら、端部から突出させた集電体を折り曲げて平坦面を形成し、その上に載置した集電板と溶接する上記特許文献１に示された構成では、高容量化を目論んで極板集電体を薄くした場合に溶接条件が不安定になり、耐熱性に劣るセパレータの溶融による短絡不良が頻発する。特に集電体に薄い箔状金属を用いるリチウムイオン電池においてこの現象は顕著であり、生産歩留が低下するという課題を有していた。

また、特許文献２に開示された巻回軸芯の周囲に正負極板を扁平に巻回する構成は、電気自動車など設置スペースが比較的大きい装置に適用するのには有効であるが、巻回軸芯を必要としているため扁平角形電池としての厚さを小さくすることが困難で、小型化が要求される装置に適用する場合や多数の電池を一体に組み合わせた組電池を構成する際に電池の小型化が阻害される課題があった。

また、円筒形に巻回された正極板及び負極板の半径方向に複数の集電タブを形成する上記特許文献３に示した構成では、帯状に切り出される極板に複数の集電タブが突出した状態になるため、極板形成の材料取りが悪く、生産性に欠ける課題があった。

本発明は上記従来技術の課題に鑑みて創案されたもので、その目的とするところは、極板群からの集電効率を向上させることを可能とした接続構造を備えた電気化学素子を提供することにある。

上記目的を達成するための本願第１発明は、帯状に形成された正極集電体に正極活物質を塗着した正極板と、帯状に形成された負極集電体に負極活物質を塗着した負極板とをセパレータを介して巻回し、正極板に接合された正極リードを正極外部接続端子とする部位に接続し、負極板に接合された負極リードを負極外部接続端子とする部位に接続した極板群を電解液と共に容器内に収容した電気化学素子において、前記正極板は幅方向の一端側及び長手方向一端側に正極活物質が塗着されない集電体露出部が所定幅に形成され、前記長手方向一端側に形成された集電体露出部に正極リードが接合され、前記負極板は幅方向の他端側及び長手方向他端側に負極活物質が塗着されない集電体露出部が所定幅に形成され、前記長手方向他端側に形成された集電体露出部に負極リードが接合されてなり、前記正極リード及び負極リードがそれぞれ接合された正極板及び負極板はその幅方向寸法より小さい幅寸法のセパレータを両板間に介在させて断面形状が長円形になるように巻回した極板群に形成された後、一方端からセパレータより外に突出する正極板の集電体露出部は長円形断面の長手方向の中間部を長円形断面の短手方向に挟圧して溶接接合され、他方端からセパレータより外に突出する負極板の集電体露出部は長円形断面の長手方向の中間部を長円形断面の短手方向に挟圧して溶接接合されることにより、前記正極板及び前記負極板は前記溶接接合の両側にて各々長円形形状部からなる非挟圧部を形成し、前記正極リード及び前記負極リードは、前記非挟圧部の間に位置すると共に、前記正極板及び負極板の幅方向に延出して極板群の幅方向の端部から突出していることを特徴とするものである。

上記構成によれば、帯状に形成された正極板及び負極板は扁平に巻回されて極板群に形成された後、極板群の一方端においてセパレータより外側に突出している正極板の正極集電体露出部が挟圧されて互いに圧接した状態にして溶接され、極板群の他方端においてセパレータより外側に突出している負極板の負極集電体露出部が挟圧されて互いに圧接した状態にして溶接されるので、正極リードに対して正極板は複数箇所で接続された状態となり、同様に負極リードに対して負極板は複数箇所で接続された状態となる。従って、正極板及び負極板は帯状の複数箇所から集電される状態が得られるので、内部抵抗が小さく集電効率のよい電気化学素子に構成することができ、特に大きな充放電を行った際の損失や温度上昇を抑えることができる。

また、本願第２発明は、帯状に形成された正極集電体に正極活物質を塗着した正極板と、帯状に形成された負極集電体に負極活物質を塗着した負極板とをセパレータを介して巻回し、正極板に接合された正極リードを正極外部接続端子とする部位に接続し、負極板に接合された負極リードを負極外部接続端子とする部位に接続した極板群を電解液と共に容器内に収容した電気化学素子において、前記正極板又は負極板は幅方向の一端側及び長手方向一端側に活物質が塗着されない集電体露出部が形成されてなり、前記長手方向一端側に形成された集電体露出部に正極リード又は負極リードが接合され、前記正極リード及び負極リードがそれぞれ接合された正極板及び負極板はその幅方向寸法より小さい幅寸法のセパレータを両板間に介在させて断面形状が長円形になるように巻回した極板群に形成された後、正極板又は負極板の一方端からセパレータより外に突出する集電体露出部は長円形断面の長手方向の中間部を長円形断面の短手方向に挟圧して溶接接合されることにより、前記正極板又は前記負極板は前記溶接接合の両側にて各々長円形形状部からなる非挟圧部を形成し、前記正極リード又は前記負極リードは、前記非挟圧部の間に位置すると共に、前記正極板又は負極板の幅方向に延出して極板群の幅方向の端部から突出していることを特徴とするものである。

上記構成によれば、正極板又は負極板は極板群として扁平に巻回された後、集電体露出部が形成された一方端側で挟圧溶接されるので、正極板又は負極板は複数箇所で接続された状態となり、内部抵抗を減少させて集電効率のよい電気化学素子に構成することができる。

上記各構成において、セパレータは、その端辺が挟圧溶接される集電体露出部より内側に位置し、挟圧溶接されない極板の端辺より外側に位置するように、幅寸法及び正極板と負極板との間の介在位置が調整されることにより、集電体露出部が挟圧されたときの極板の変形により正極板と負極板との間で短絡が生じることを防止することができる。

また、正極リード又は負極リードは、挟圧溶接される集電体露出部に接合することも可能であり、正極板及び負極板の構成を簡易にすることができる。

本発明によれば、巻回するために長い帯状に形成された極板は複数箇所で接合された状態の極板群に形成されるので、集電効率が高く内部抵抗が低減化され、高出力に対応できる電気化学素子を高い歩留と低いコストを維持して生産することができる。

本実施形態は、電気化学素子の一例であるリチウムイオン二次電池に本発明に係る接続構造を適用した例を示すものである。本実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、図１に示すように、正極板と負極板とをセパレータを介して断面形状が長円形になるように巻回された極板群４を電池缶１２内に収容し、正極板から引き出された正極リード９を電池缶１２の開口部を封口する封口板１４にそれと絶縁して設けられた正極外部接続端子２１に接続し、負極板から引き出された負極リード１０を封口板１４に接続し、外形形状が扁平な角形に形成されている。

前記極板群４を構成する正極板１は、図２（ａ）に示すように、所要長さと幅の帯状に形成された正極集電体１ａに、その幅方向の一方端及び長手方向の一方端に正極集電体露出部１ｃを残した両面に正極活物質１ｂを塗着し、長手方向の一方端に形成された正極集電体露出部１ｃに正極リード９を溶接して形成されている。より具体的には、正極活物質１ｂは、電解二酸化マンガン（ＭｎＯ₂）と炭酸リチウム（Ｌｉ₂ＣＯ₃）とをＬｉ／Ｍｎ＝１／２となるように混合し、８００℃で２０時間焼成したＬｉＭｎ₂Ｏ₄と、導電剤のアセチレンブラックと、結着剤のポリフッ化ビニリデンとを、それぞれ重量比で９２：３：５の割合で混合し、これをペースト状に混練するため、ポリフッ化ビニリデンの溶媒であるｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）に溶解した液を用いている。この正極活物質１ｂのペーストを、厚さ１５μｍのアルミニウム箔を用いた正極集電体１ａに、その幅方向の一端側と長手方向の一端側とに所定幅の正極集電体露出部１ｃを残した状態で両面に塗布して乾燥させ、乾燥後の両面の膜厚みの総和が２８０μｍとなるように正極活物質１ｂの層を形成し、厚さが２００μｍになるように正極活物質１ｂを圧縮成形している。

また、負極板２は、図２（ｂ）に示すように、所要長さと幅の帯状に形成された負極集電体２ａに、その幅方向の他方端及び長手方向の他方端に負極集電体露出部２ｃを残した両面に負極活物質２ｂを塗着し、長手方向の他方端に形成された負極集電体露出部２ｃに負極リード１０を溶接して形成されている。より具体的には、負極活物質２ｂは、人造黒鉛と結着剤のスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）とを重量比９７：３の割合で混合し、負極活物質２ｂをペースト状に混練するため、スチレンブタジエンゴムは水溶性のディスパージョン液を用いている。上記混合比率は固形分としての割合である。この負極活物質２ｂのペーストを、厚さ１４μｍの銅箔を用いた負極集電体２ａに、その幅方向の他端側と長手方向の他端側とに所定幅の集電体露出部を残した状態で両面に塗布して乾燥させ、厚さが１７０μｍになるように圧縮成形している。

上記構成になる正極板１と負極板２とを、微多孔性ポリエチレンフィルムを用いたセパレータ３を介して重ね合わせ、渦巻き状に巻回して断面形状が長円形の極板群４に形成される。このとき、図３（ａ）に示すように、正極板１の幅方向の正極集電体露出部１ｃが形成された一方端側では、セパレータ３の一方端辺より外側に正極集電体露出部１ｃが位置し、セパレータ３の一方端辺より内側に負極板２の一方端辺が位置し、負極板２の幅方向の負極集電体露出部２ｃが形成された他方端側では、セパレータ３の他方端辺より外側に負極集電体露出部２ｃが位置し、セパレータ３の他方端辺より内側に正極板１の他方端辺が位置するように、正極板１及び負極板２の重ね合わせ位置とセパレータ３の幅寸法が調整される。

次に、図３（ｂ）及び図４に示すように、巻回された極板群４の短手方向に正極集電体露出部１ｃを挟圧して負極板２及びセパレータ３を介して互いに隣接している複数の正極板１の正極集電体露出部１ｃが圧接するようにして溶接点Ｓで溶接接合される。同様に負極板２においても巻回された極板群４の短手方向に負極集電体露出部２ｃを挟圧して正極板１及びセパレータ３を介して互いに隣接している複数の負極板２の負極集電体露出部２ｃが圧接するようにして溶接点Ｓで溶接接合される。この溶接点Ｓは１箇所でもよいが、複数箇所で溶接するのが望ましい。

上記構成になる極板群４は、図１に示すように、扁平な有底角筒に形成された電池缶１２内に挿入され、極板群４を構成する正極板１の長手方向正極集電体露出部１ｃに一端が接合されている正極リード９の他端は封口板１４に絶縁部材１５で絶縁して取り付けられた正極外部接続端子２１に溶接接合され、負極板２の長手方向負極集電体露出部２ｃに一端が接合されている負極リード１０の他端は封口板１４に溶接接合される。正極リード９及び負極リード１０が接合された封口板１４は、電池缶１２の開口部にその周縁部を電池缶１２にレーザ溶接して電池缶１２は封口される。封口板１４に形成された注液口１８から電池缶１２内に電解液が注入され、極板群４に対する含浸処理がなされた後、前記注液口１８には封栓１９が溶接接合されて電池缶１２内が密閉され、扁平角形のリチウムイオン二次電池として完成される。尚、電解液は、エチレンカーボネイト（ＥＣ）とジエチルカーボネイト（ＤＥＣ）を体積比１：１の配合比で混合した混合溶媒に、溶質として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）を１ｍｏｌ／ｄｍ³の濃度に溶解したものを用いている。

上記構成になるリチウムイオン二次電池は、外形形状が角形に形成され、大きな充放電電流にも対応できる集電構造を備えているので、多数個を組み合わせた組電池に構成してもスペース効率がよく、電動工具や電動車両の電池電源として構成するのに好適なものとなる。

以上説明した集電構造の効果を検証するために、幅５０ｍｍ、高さ９５ｍｍ、厚み１０ｍｍ、設計容量３０００ｍＡｈの角形リチウムイオン二次電池を実施例構造及び従来構造により作製して比較検証した。

実施形態として説明した集電構造を適用したものを実施例１、実施形態に係る集電構造を負極板側のみに適用したものを実施例２とし、図５に示すように、幅方向の一端に集電体露出部を形成した正極板及び負極板を扁平に巻回した極板群の一端から突出する正極板の集電体露出部と、他端から突出する負極板の集電体露出部とにそれぞれ集電板を溶接した従来構造を比較例１、図６に示すように、長手方向の一端に形成された集電体露出部に正極リード又は負極リードをそれぞれ溶接した正極板及び負極板を扁平に巻回した従来構造を比較例２として、それぞれ１００個について絶縁不良検査を実施し、この検査に合格した２５個について内部抵抗検査を実施した。
（絶縁不良検査）
それぞれの構成により極板群を形成した後、正極板及び負極板のリードに絶縁抵抗計を接続して直流抵抗値を測定した。直流抵抗値が１ＭΩ未満のものを不良と判定した結果、表１に示すような結果が得られた。実施例１・２および比較例２の電池では絶縁不良の発生はなかったが、比較例１の電池では溶接工程で発生したと考えられる絶縁不良が２０／１００個あった。抽出された絶縁不良品を観察すると溶接時の熱影響で正極集電端子周辺のセパレータに穴があいており、負極板と正極板が接触していることがわかった。このことから、リチウムイオン電池のように薄い極板集電体を用いる場合、端面を溶接する構造は不適切であると判定することができる。

（内部抵抗検査）
絶縁不良検査を合格した極板群を用いて電池を構成した後、１５００ｍＡの定電流で４．２Ｖまで充電し、１５００ｍＡの定電流で３．０Ｖまで放電するというサイクルを３回行い活性化した後、測定周波数１ｋＨｚの交流を用いた内部抵抗測定を実施した。その結果を表２に示す。

表２の結果から実施例１・２および比較例１の電池の内部抵抗は平均約４．５〜９．０ｍΩ程度と小さいのに対し、比較例２は平均約１５．５ｍΩ程度と大きな値を示した。比較例２の電池はリード集電体と反対側の極板部位からの電子伝導が困難であるのに対し、他の電池はリード集電体までの距離短縮が可能な構造を形成しているため、抵抗値を低減できたと考えられる。また実施例２の結果から、本発明の集電構造の効果は、電池反応バランスによっても変わるが、正負極何れかに展開するだけでもある程度発揮されることが明らかである。

以上説明した実施形態は本発明の特徴である集電構造をリチウムイオン二次電池に適用した例について示したが、ニッケル水素蓄電池など他の巻回構造極板群を備えた電池や電気二重層コンデンサに同様に適用することができる。

以上説明した通り本発明に係る集電構造を適用することにより、内部抵抗が小さい高出力の電気化学素子を高い歩留で構成することができる。特に大電流の充放電が要求される電動工具や電動車両などの駆動電源として好適な電気化学素子を提供することができる。

実施形態に係るリチウムイオン二次電池の構成を示す断面図である。同上電池の正極板（ａ）及び負極板（ｂ）の構成を示す平面図である。同上極板を用いた極板群の構成を断面で示す模式図である。極板群の構成を示す斜視図である。従来技術に係る極板構造を示す概略図である。同上。

符号の説明

１正極板
１ａ正極集電体
１ｂ正極活物質
１ｃ正極集電体露出部
２負極板
２ａ負極集電体
２ｂ負極活物質
２ｃ負極集電体露出部
３セパレータ
４極板群
９正極リード
１０負極リード
１２電池缶（容器）
１４封口板

Claims

帯状に形成された正極集電体に正極活物質を塗着した正極板と、帯状に形成された負極集電体に負極活物質を塗着した負極板とをセパレータを介して巻回し、正極板に接合された正極リードを正極外部接続端子とする部位に接続し、負極板に接合された負極リードを負極外部接続端子とする部位に接続した極板群を電解液と共に容器内に収容した電気化学素子において、
前記正極板は幅方向の一端側及び長手方向一端側に正極活物質が塗着されない集電体露出部が所定幅に形成され、前記長手方向一端側に形成された集電体露出部に正極リードが接合され、前記負極板は幅方向の他端側及び長手方向他端側に負極活物質が塗着されない集電体露出部が所定幅に形成され、前記長手方向他端側に形成された集電体露出部に負極リードが接合されてなり、
前記正極リード及び負極リードがそれぞれ接合された正極板及び負極板はその幅方向寸法より小さい幅寸法のセパレータを両板間に介在させて断面形状が長円形になるように巻回した極板群に形成された後、一方端からセパレータより外に突出する正極板の集電体露出部は長円形断面の長手方向の中間部を長円形断面の短手方向に挟圧して溶接接合され、他方端からセパレータより外に突出する負極板の集電体露出部は長円形断面の長手方向の中間部を長円形断面の短手方向に挟圧して溶接接合されることにより、前記正極板及び前記負極板は前記溶接接合の両側にて各々長円形形状部からなる非挟圧部を形成し、前記正極リード及び前記負極リードは、前記非挟圧部の間に位置すると共に、前記正極板及び負極板の幅方向に延出して極板群の幅方向の端部から突出していることを特徴とする電気化学素子。
帯状に形成された正極集電体に正極活物質を塗着した正極板と、帯状に形成された負極集電体に負極活物質を塗着した負極板とをセパレータを介して巻回し、正極板に接合された正極リードを正極外部接続端子とする部位に接続し、負極板に接合された負極リードを負極外部接続端子とする部位に接続した極板群を電解液と共に容器内に収容した電気化学素子において、
前記正極板又は負極板は幅方向の一端側及び長手方向一端側に活物質が塗着されない集電体露出部が形成されてなり、前記長手方向一端側に形成された集電体露出部に正極リード又は負極リードが接合され、
前記正極リード及び負極リードがそれぞれ接合された正極板及び負極板はその幅方向寸法より小さい幅寸法のセパレータを両板間に介在させて断面形状が長円形になるように巻回した極板群に形成された後、正極板又は負極板の一方端からセパレータより外に突出する集電体露出部は長円形断面の長手方向の中間部を長円形断面の短手方向に挟圧して溶接接合されることにより、前記正極板又は前記負極板は前記溶接接合の両側にて各々長円形形状部からなる非挟圧部を形成し、前記正極リード又は前記負極リードは、前記非挟圧部の間に位置すると共に、前記正極板又は負極板の幅方向に延出して極板群の幅方向の端部から突出していることを特徴とする電気化学素子。
セパレータは、その端辺が挟圧溶接される集電体露出部より内側に位置し、挟圧溶接されない極板の端辺より外側に位置するように、幅寸法及び正極板と負極板との間の介在位置が調整されてなる請求項１又は２に記載の電気化学素子。
正極リード又は負極リードは、挟圧溶接される集電体露出部に接合されてなる請求項１〜３いずれか一項に記載の電気化学素子。