JP5117133B2 - 非水電解質二次電池およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解質二次電池に係り、特に異物の発生を抑制した非水電解質二次電池に関する。
現在のハイブリッド自動車等に搭載されている二次電池は、ニッケル水素電池が主流であるが、今後は高出力で高密度のリチウムイオン電池（非水電解質二次電池）が普及すると予測されている。このため、非水電解質二次電池には、高密度化および電気抵抗の低減、高信頼化、小型・軽量化、量産性向上が要求されている。
リチウムイオン電池は、活性物質が塗布された帯状の正極（数ミクロン〜数十ミクロンの厚さ）および負極間に樹脂製のセパレータを挟んで渦巻き状に巻回した電極群、これら電極群を浸漬する電解液、前記電極群と電気的に導通した集電板、該集電板から外部への導通を図る部材、電極群を収納する電池容器並びに電極容器の蓋を備える。
電極群と集電板との電気的な接続構造は、電極群を構成する負極および正極の端部に設けられたタブと呼ばれる耳状(短冊状)の部材を収束して、その収束部と導電部材とを溶接（溶着）する構造が一般的である。
このようなリチウムイオン電池では、リチウムイオン電池内への異物混入を極力少なくすることが極めて重要である。たとえば、リチウムイオン電池内に製造過程で導電性の異物が混入した場合は、外部からの振動あるいは充放電に伴う加熱の繰り返しにより、異物が渦巻き状に巻かれた電極群の端部表面に移動し、正極負極間が短絡することが懸念される。短絡して高電流が流れると、リチウムイオン電池内の温度および圧力が急激に上昇し、性能が低下し、場合によっては安全弁（圧力上昇予防弁）が動作して電池性能が失われる。このため、製造工程での異物混入を防止することは極めて重要である。
一般的なリチウムイオン電池では、前述のように帯状の正極および負極の端部に設けられたタブと呼ばれる短冊状の部材を収束して、その収束部と集電板を溶接（溶着）している。タブは束ねる際のハンドリング性の点から十分な長さを必要とするため、溶接後に集電部からはみだした部分を除去する場合がある。この除去したタブは異物となる可能性があり、異物低減の観点から溶接部の構造および製造工程に工夫が必要となっている。
このような電極群のタブと集電板との溶接構造としては、たとえば、特許文献１には、一側に複数の短冊状集電リードを設けた帯状電極を渦巻状に巻回すると共に、この複数の短冊状集電リードを金属平板リングの一面と金属円盤の他面とにより挟み、重ね合わせて溶接することが示されている。また、特許文献２には、複数の短冊状集電リードを、金属平板リングの一面と集電板との間に挟み、重ね合わせて集電板の最外周部で溶接することが示されている。
特開２００１−１１８５６１号公報
特開２００３−５９４８７号公報
電極群を形成する負極および正極の端部にタブを設けて、前記タブを収束して集電板と溶接する前記従来の集電構造では、集電板からはみだしたタブに対する配慮がなされていない。このため、はみだしたタブが異物となる可能性がある。また、タブがはみだした場合におけるタブの除去加工（切断、溶断）にも、配慮がなされていない。このため異物が電極群内に混入する可能性がある。
本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、製造工程における異物の発生し難い非水電解質二次電池を提供するものである。
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
一端に複数の通電用の短冊状タブを備えた一方の電極および他方の電極とこれらの電極の間に挟んだセパレータを渦巻き状に巻回して形成した渦巻き状の電極群と、該電極群を収納する電池容器を備えた非水電解質二次電池において、前記電池容器の一端を内側に折り曲げて形成したリング状底部と、前記電池容器のリング状底部が形成された側を塞ぐ下蓋を備え、前記短冊状タブを前記電池容器に形成されたリング状底部と前記下蓋の間に挟み込んだ状態で前記リング状底部と下蓋と短冊状タブとを溶接して固定した。
本発明は、以上の構成を備えるため、製造工程における異物の発生し難い非水電解質二次電池を提供することができる。
以下、最良の実施形態を添付図を参照しながら説明する。ここでは、非水電解質二次電池としてリチウムイオン電池を例に説明する。
図１はリチウムイオン電池の断面を示す図、図２は電極群を正極側から見た斜視図、図３は電極群を負極側から見た斜視図である。また、図４はタブと電池容器との溶接部の断面および溶接する際の工程を示す図である。なお、これらの図において同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
まず、始めに非水電解質二次電池の一例としてのリチウムイオン電池の動作原理について説明する。リチウムイオン電池の正極電極および負極電極は、金属製の箔（たとえば、正極：アルミニウム、負極：銅）に電極材料（活性物質）を塗布した帯状構造を有し、正極はＬｉＣｏＯ２あるいはＬｉＭｎ２Ｏ４、負極はＣからなる。これら正極電極と負極電極はＬｉイオンを含んだ有機電解液に浸されている。正極および負極に用いられている活性物質は、Ｌｉイオンの受け渡しが可能な特性を有しており、Ｌｉイオンが結晶中の原子間に出入りすることで、電池として動作する。
次に、図１に示すリチウムイオン電池の断面および図２に示す電極群を正極側から見た斜視図を用いて、リチウムイオン電池の上部を形成する正極側の構成について説明する。
リチウムイオン電池は、正極電極および負極電極とこれらの電極の間に挟んだセパレータを渦巻き状に巻回して形成した渦巻き状電極群４、該渦巻き状電極群４の長さ方向の端部に溶着された集電板５、該集電板５の中央部と溶接され電気的に導通した上蓋６、電池容器７との絶縁を兼ねたパッキン８、集電板５と上蓋６とを絶縁する絶縁リング９を備える。
集電板５と上蓋６の中央部を溶接する溶接部１０はレーザ溶接法で溶接されている。この溶接部１０は、電池内の圧力が上昇したとき、破断されて電流を遮断する。
次に、図１に示すリチウムイオン電池の断面および図３に示す電極群を負極側から見た斜視図を用いて、リチウムイオン電池の下部を形成する負極側の構成について説明する。
前記電極群４の負極側には、図３に示すように、短冊状のタブ１１が形成されており、このタブ１１は電池容器７の下端を内側に折り曲げて形成したリング状底部７ａと下蓋１２の間に挟み込まれた状態で溶接部１０において溶接されている。
次に、図１ないし図３に示すリチウムイオン電池の製法について説明する。まず、厚さ２０μｍのアルミニウム箔からなる帯状の正極電極（基材）１と厚さ１０μｍの銅箔からなる帯状の負極電極（基材）２のそれぞれに電極材料を塗布した。塗布後の正極電極１、負極電極２には乾燥処理を施し、次に厚さ２５μｍのポリエチレン製微多孔薄膜であるセパレータ３ａ、３ｂを介して正極電極１／セパレータ３ａ／負極電極２／セパレータ３ｂの順に積層し、積層した状態で渦巻き状に巻回して電極群４を製造した。
巻回に際しては、電極群４の一方の端部には、正極電極１の活性物質の未塗布部が飛び出すように、また、他方の端部には負極電極２の活性物質の未塗布部（短冊状のタブ）が飛び出すように捲回した。次に、未塗布部の電極群４の正極側の端に厚さ１．５ミリの集電板５を押し当て、電極群の正極端（正極電極１の活性物質の未塗布部の飛び出した部分）と集電板５とをレーザ溶接法で溶接した。
次に、このようにして形成した電極群４をその負極側を下部にして円筒状電池容器７内に収納した。電極群４の負極側にはタブ１１が形成されており、このタブ１１を束ねて、後述するように、電池容器７の前記リング状底部７ａの外表面上に折り曲げて配置し、その上に下蓋１２を押し当て、レーザ溶接法で溶接した。
次に、リチウムイオン電池の負極側の構造と異物混入の関係について説明する。
図４は、リチウムイオン電池の負極側の製造工程を説明する図である。まず、電極群４の負極側に形成されたタブ１１を電極群４の最外径とほぼ同じ径になるように束ねる。この際、電極群４の中心部に設けたタブ１１は外周側に折り曲げずになだらかな形状で、最外径とほぼ同じ位置に束ねる。その後、円筒状電池容器７内に挿通し、電池容器７の下端から露出したタグを電池容器の下部に形成した前記リング状底部７ａの外表面上に沿って折り曲げて配置し、その上に下蓋１２を押し当て、レーザ溶接法で溶接する。
タブ１１が下蓋１２の外周からはみ出している場合は、下蓋１２の外周部に、レーザ、切断用の歯、あるいは摩擦体を押し当てて、はみ出している部分を切断すると良い。このとき、タブ切断部１３は電池容器７の外側にある。また、電池容器７は下蓋１２でふさがれている。このため、タブ１１の切断あるいは溶断の工程で、タブ切断部１３が異物となって容器内に混入することはない。これにより、リチウムイオン電池内に異物が混入する可能性を極めて低くすることができる。なお、タブ１１の溶断と同時にレーザ溶接を行っても良い。
図５は、図４において行われるタブの溶断と同時にレーザ溶接を行う例を説明する図である。図５の例では、リング状底部と下蓋を溶接する溶接部は、前記蓋の最外周部１０ａおよび該最外周部の内側１０ｂの少なくとも２箇所に同心円状に形成している。
図５は、図４において行われるタブの溶断と同時にレーザ溶接を行う例を説明する図である。図５の例では、リング状底部と下蓋を溶接する溶接部は、前記蓋の最外周部１０ａおよび該最外周部の内側１０ｂの少なくとも２箇所に同心円状に形成している。
図５に示す例では、最外周部１０ａの溶接に際してレーザの出力を高くして、タブ１１の溶断と同時に下蓋１２と電池容器７を溶接する。このように、溶接部を同心状に二重に設けているため、下蓋１２と電池容器７の気密性に関する信頼性が向上する。
図６は、タブを電池容器内で集電板と溶接する場合の構造について説明する図である。この図の例では、図６に示すように、タブ１１を、負極側の第１の集電板１４の最外周部から内側に折り曲げ、さらにその折り曲げたタグの上部に円板状の第２の集電板１５を配置し、第１の集電板と第２の集電板をレーザで溶接している。
一般に、タブ１１はハンドリング性を考慮すると長い方が良い。また、電極群４は円筒状の形状をしているので、タブ１１を一箇所に束ねると、長さが異なってしまう。そこで、図６に示すように、電極群４の中心側のタブ１２を折り曲げて配置した部分の上部に第２の集電板１５を配置した後、第１の集電板と第２の集電板とをレーザで溶接する。これにより、タブ１１の長さがふぞろいでも、負極側の第１の集電板１４と第２の集電板１５ではさみ込んでいるので、タブ１１を切断あるいは溶断処理する必要がなく、異物の発生を抑えることができる。このように、短冊状タブ１１を異物源にしないためには、集電板とタブの溶接後に、タブ１１を短くするための切断あるいは溶断工程を省くと良い。これにより、量産性も向上する。
なお、以上の例では、負極側にタブを設けたが、負極および正極の双方にタブを設けた電極群を用いる場合においても同様な効果が得られる。
以上説明したように、本実施形態によれば、溶接後において溶接部からはみだしているタブは電池容器の外部に位置することになる。このため、電池容器内に異物として混入することはない。また、気密性も十分に確保することができる。また、電池容器内にタブを収納する場合は、集電板からはみだしたタブを除去する作業が不要となる。このため、異物が電極群内に混入することはない。
したがって、異物混入を抑えた高信頼性な非水電解質二次電池を提供することができる。また、異物混入の検査も簡素化できるため、量産性を向上することができる。さらに、タブを電池容器に溶接した場合は部品点数を低減でき、コストを低減できる。このように、本実施形態に示すようなタブ１１の溶接構造を採用すると、製造工程での異物発生を低くすることができ、信頼性が向上でき、さらには検査工程の簡素化が可能となり、スループットを向上することができる。
１ 正極
２ 負極
３ａ、３ｂ セパレータ
４ 電極群
５ 正極側の集電板
６ 上蓋
７ 電池容器
８ パッキン
９ 絶縁リング
１０ レーザ溶接部
１１ タブ
１２ 下蓋
１３ タブ切断部
１４ 第１の集電板
１５ 第２の集電板
２ 負極
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１１ タブ
１２ 下蓋
１３ タブ切断部
１４ 第１の集電板
１５ 第２の集電板
Claims (8)
- 一端に複数の通電用の短冊状タブを備えた一方の電極および他方の電極とこれらの電極の間に挟んだセパレータを渦巻き状に巻回して形成した渦巻き状の電極群と、
該電極群を収納する電池容器を備えた非水電解質二次電池において、
前記電池容器の一端を内側に折り曲げて形成したリング状底部と、
前記電池容器のリング状底部が形成された側を塞ぐ下蓋を備え、
前記短冊状タブを前記電池容器に形成されたリング状底部と前記下蓋の間に挟み込んだ状態で前記リング状底部と下蓋と短冊状タブとを溶接して固定したことを特徴とする非水電解質二次電池。 - 請求項１記載の非水電解質二次電池において、
前記短冊状タブの前記下蓋からはみ出した部分は切断されていることを特徴とする非水電解質二次電池。 - 請求項１記載の非水電解質二次電池において、
前記リング状底部と下蓋とを溶接する溶接部は、前記下蓋の最外周部および該最外周部の内側の少なくとも２箇所に同心円状に形成したことを特徴とする非水電解質二次電池。 - 請求項３記載の非水電解質二次電池において、
前記下蓋の最外周部に形成した溶接部からはみ出した部分は切断されていることを特徴とする非水電解質二次電池。 - 一端に複数の通電用の短冊状タブを備えた渦巻き状の電極群と、
該電極群を収納する電池容器と、
該電池容器の少なくとも一端をふさぐ蓋を備えた非水電解質二次電池の製造方法において、
前記短冊状タブを前記電池容器と前記蓋との間に挟み込んで、前記蓋側からレーザ光を照射して、前記電池容器、短冊状タブおよび蓋を溶接することを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。 - 請求項５記載の非水電解質二次電池の製造方法において、
前記短冊状タブの前記下蓋からはみ出した部分を切断することを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。 - 請求項５記載の非水電解質二次電池の製造方法において、
前記短冊状タブの前記下蓋からはみ出した部分をレーザにより切断することを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。 - 請求項５記載の非水電解質二次電池製造方法において、
前記短冊状タブを溶接する溶接部は、前記蓋の最外周部および該最外周部より内側の少なくとも２箇所に同心円状に形成するとともに、前記最外周部を溶接する際に前記蓋からはみ出したタブを溶断することを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。
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