JP5137530B2 - 二次電池及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、タブレス構造の電極群を備えた二次電池に関し、特に高出力で寿命特性に優れた二次電池及びその製造方法に関する。

近年、駆動用電源として用いられる電気化学素子は、重要なキーデバイスの一つとして、その開発が進められている。中でも、ニッケル水素蓄電池やリチウムイオン二次電池は、軽量、小型で高エネルギー密度であることから、携帯電話を始めとして民生用機器から電気自動車や電動工具の駆動用電源にまで幅広く用いられている。最近では、特に、リチウムイオン二次電池が駆動用電源として注目され、高容量化・高出力化に向けた開発が活発化している。

駆動用電源として用いられる二次電池は、大きな出力電流が要求される。このため、二次電池の構造、特に、集電構造に工夫を加えた二次電池が提案されている。

例えば、電極面積を拡大するために、正極板と負極板とをセパレータを介して捲回し、正極板及び負極板を、集電タブを介して集電板に溶接等で接合した集電構造が採用されている。しかしながら、このような集電構造は、集電タブの電気抵抗が大きく集電効率が悪いため、大きな出力電流が要求される駆動用電源に対応することは困難であった。

一方、正極板及び負極板を、全面に亘って集電板に接合したタブレス集電構造は、電気抵抗を小さくできるので、大電流放電に適しているが、タブレス集電を行うためには、正極板及び負極板の端部を集電板に溶接等で接合する必要がある。

図７は、特許文献１に記載されたタブレス集電構造を示した平面図である。図７に示すように、セパレータ（不図示）を介して捲回された電極群１００の極板端部１０１が、接合箇所１０２において十字形状（他にＹ字形状、Ｉ字形状等）の集電板１０３に溶接されている。

このように形成された集電構造は、接合箇所１０２において、極板端部１０１を確実に集電板１０３に溶接することができる。また、集電板１０３が十字形状をなしていることにより、接合位置を容易に確認することができることに加え、接合状態も容易に検査することができるため、信頼性の高い集電構造を得ることができる。さらに、集電板１０３は、接合箇所１０２以外の余剰部がないため、電池の軽量化を図ることができるとともに、電極群１００の殆どの極板端部１０１は集電板１０３に覆われずに露出しているため、電解液を充填する際、電解液を電極群１００の中に素早く充填することができる。
特開２００４−２４７１９２号公報

特許文献１に記載された方法は、電極群の極板端部の集電板への溶接作業が確実かつ容易になることから、信頼性が向上し、さらに軽量化も同時に図ることができる点で有効であるが、本願発明者等が種々の検討を行っていた結果、以下のような課題があることに気がついた。

すなわち、極板端部の集電板への溶接は、集電板の接合箇所にレーザ等のエネルギーを照射して、当該箇所の集電板を溶融させることによって行われるが、エネルギー照射の際に、溶融部材の一部が飛散して、集電板で覆われていない露出した電極群に再付着する場合がある。このような場合、電極群に内部短絡が起きるおそれがあり、電池の信頼性を低下させる要因となる。

また、集電板が十字形状になっていることから、極板を全ての端部に亘って集電板に溶接することはできず、接合箇所は集電板が配置された十字形状の部位に限られる。接合箇所が少ないと、内部抵抗が増加するという問題もあるが（特許文献１では、内部抵抗の増加を抑えるために、捲回単位当たり１箇所以上の接合箇所を設けた捲回単位の数を、全捲回数の７０％以上にすることで内部抵抗の増加を抑制している）、それに加えて、電極群の捲回方向に沿った接合箇所のピッチが、捲回された電極群の内周側ほど小さく、外周側ほど大きくなり、この不均一な接合ピッチに起因して、極板での電流分布にバラツキが生じるという問題がある。その結果、局所的に電極活物質の劣化が進行するおそれがあり、電池寿命を低下させる要因となる。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、信頼性及び寿命特性に優れたタブレス集電構造を備えた二次電池及びその製造方法を提供することにある。

本発明における二次電池の集電構造は、集電板を電極群の全ての極板端部を覆うように配置するとともに、極板端部の接合部位を、極板から集電板に流れる電流が均一に分布するように、集電板の面内に離散的に配置する構成を採用する。

すなわち、本発明に係わる二次電池は、正極板及び負極板が多孔質絶縁層を介して捲回された電極群を備えた二次電池であって、少なくとも一方の極性の極板の端部は、多孔質絶縁層から突出した状態で集電板に当接され、かつ、集電板は、電極群に対して電極群の全ての極板端部を覆うように配置されており、集電板に当接された極板端部の一部は、集電板の面内の離散的な接合部位において集電板に溶接されており、接合部位は、極板から集電板に流れる電流が均一に分布するように集電板の面内に離散的に配置されていることを特徴とする。

このような構成により、溶接時に溶融部材の一部が飛散しても、電極群の全ての極板端部を集電板で覆っているため、電極群への再付着を防止することができ、これにより、溶融部材の電極群への付着に起因する内部短絡の発生を防止することができる。また、接合部位を、極板から集電板に流れる電流が均一に分布するように配置することによって、電流分布のバラツキに起因する局所的な電解活物質の劣化を抑制することができる。加えて、接合部位が、集電板の面内に離散的に配置されるため、溶接時のエネルギー照射による集電板の温度上昇も効果的に抑制することができる。その結果、信頼性及び寿命特性の優れた集電構造を有する二次電池を実現することが可能となる。

ここで、上記接合部位の幅は、集電板に当接された極板端部のうち、少なくとも２回以上捲回された極板端部を含む大きさを有することが好ましい。

このような構成により、接合部位における集電板が溶融しても、接合部位に少なくとも２回以上捲回された極板端部が当接しているため、溶融部材は、集電板から落下することなく、極板間の隙間に表面張力で保持される。その結果、接合部位において、確実に極板端部を集電板に溶接することができる。

また、上記極板端部は、電極群の捲回方向に沿って均一なピッチで集電板に溶接されていることが好ましい。これにより、極板から集電板に流れる電流分布を均一にすることができる。

また、上記接合部位は、集電板の面内に設定された極座標（ｒ，θ）（電極群の捲回中心を原点、集電板の径方向を始線とし、始線に対して角度θの方向へｒの距離にある点）で表される位置に従って配置されていることが好ましい。

このような構成により、集電板に覆われた電極群を目視できなくても、集電板の面内に設けた仮想的な座標軸に基づき、接合部位の位置を容易に制御することができ、正確かつ効率的に溶接作業を行うことができる。

また、上記極座標（ｒ，θ）は、以下の式で表されることが好ましい。

（ｒ，θ）＝（ｎｓ，２ｍπ／ｎ）（ｓは接合部位の幅、ｎは１以上の自然数、ｍは１≦ｍ≦ｎを満たす自然数）
このような構成により、接合部位を、電極群の捲回方向に沿って均一なピッチで配置することができる。

本発明に係わる二次電池の製造方法は、正極板及び負極板が多孔質絶縁層を介して捲回された電極群を備えた二次電池の製造方法であって、少なくとも一方の極性の極板の端部が、多孔質絶縁層から突出した状態で正極板及び負極板が多孔質絶縁層を介して捲回された電極群を用意する工程（ａ）と、電極群に対して、電極群の全ての極板端部を覆うように集電板を配置し、極板端部を集電板に当接する工程（ｂ）と、集電板に当接された極板端部の一部を、集電板の面内の離散的な接合部位において集電板に溶接する工程（ｃ）とを有し、工程（ｃ）において、接合部位は、集電板の面内に設定された極座標（ｒ，θ）（電極群の捲回中心を原点、集電板の径方向を始線とし、始線に対して角度θの方向へｒの距離にある点）で表される位置に従って配置されることを特徴とする。

本発明によれば、信頼性及び寿命特性に優れたタブレス集電構造を備えた二次電池を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、説明の簡略化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。

図１（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態における電極群４の構成を模式的に示した図で、（ａ）は、正極板１の平面図、（ｂ）は、負極板２の平面図、（ｃ）は、電極群４の斜視図である。

正極板１は、図１（ａ）に示すように、正極集電体の幅方向に活物質を含む正極合剤が帯状に塗工された塗工部１ｂと未塗工部（正極集電体の露出端）１ａを有する。また、負極板２は、図１（ｂ）に示すように、負極集電体の幅方向に活物質も含む負極合剤が帯状に塗工された塗工部２ｂと未塗工部（正極集電体の露出端）２ａを有する。さらに、電極群４は、図１（ｃ）に示すように、正極板１及び負極板２を、それぞれの端部が多孔質絶縁層（不図示）から突出した状態で、多孔質絶縁層を介して捲回された構成になっている。

ここで、多孔質絶縁層は、樹脂からなる微多孔膜フィルムであってもよく、金属酸化物などのフィラーからなる多孔質絶縁層であってもよく、微多孔膜フィルムと多孔質絶縁層との積層体であってもよい。

図２（ａ）、（ｂ）は、本実施形態における集電構造を模式的に示した図で、（ａ）は、正極板の端部１ａが正極集電板５に接合された状態を示した平面図、（ｂ）は、正極集電板５の断面図である。なお、本発明は、正負の極性に区別なく適用できることから、以下の説明では、極性を明記せずに、単に、「極板」、「集電板」等とだけ記し、また、図面には、正極用部材に用いた符号のみを付している。勿論、本発明は、一方の極性に対してのみ適用するものも当然に含まれる。

図２（ａ）に示すように、極板の端部１ａは、多孔質絶縁層（不図示）から突出した状態で集電板５に当接され、かつ、集電板５は、電極群に対して、電極群の全ての極板端部１ａを覆うように配置されている。そして、集電板５に当接された極板の端部１ａの一部は、集電板５の面内の離散的な接合部位６において集電板５に溶接されている。ここで、接合部位６は、極板から集電板５に流れる電流が均一に分布するように、集電板５の面内に離散的に配置されている。

このように、電極群の全ての極板端部１ａを集電板５で覆う構成にすることによって、溶接時に溶融した集電板５の一部が飛散しても、電極群への再付着を防止することができる。これにより、溶融部材の電極群への再付着に起因する内部短絡の発生を効果的に防止することができる。

また、接合部位６を、極板から集電板５に流れる電流が均一に分布するように配置することによって、電流分布のバラツキに起因する局所的な電解活物質の劣化を抑制することができる。加えて、接合部位６が、集電板５の面内に離散的に配置されるため、溶接時のエネルギー照射による集電板５の温度上昇を抑制するという効果も得られる。

このような集電構造を採用することにより、信頼性及び寿命特性の優れた二次電池を実現することが可能となる。

ここで、接合部位６の幅は、図３（ａ）に示すように、集電板５に当接された極板端部１ａのうち、少なくとも２回以上捲回された極板端部１ａを含む大きさ（図中では３回捲回された極板端部１ａを含む）を有することが好ましい。これにより、接合部位６をレーザ等で照射して極板端部１ａを集電板５に溶接する際、図３（ｂ）に示すように、集電板５が溶融しても、接合部位６に少なくとも２回以上捲回された極板端部１ａが当接しているため、溶融部材は、集電板５から落下することなく、極板１ａ間の隙間に表面張力で保持される。その結果、接合部位６において、確実に極板端部１ａを集電板５に溶接することができる。

本発明において、極板から集電板５に流れる電流分布を均一にするには、極板端部１ａを電極群４の捲回方向に沿って均一なピッチで集電板５に溶接することが好ましい。ここで、「均一なピッチ」とは、必ずしも同一のピッチを意味するものではなく、極板から集電板５に流れる電流分布が、局所的な電解活物質の劣化が生じない程度の範囲内になるように互いに離散して配置されたピッチも含む。

次に、接合部位６を均一なピッチで集電板５の面内に配置する具体的な方法について、図２（ａ）を再び参照しながら説明する。なお、ここに示した方法は一例であり、本発明はこれに限定されない。

図２（ａ）に示すように、接合部位６を、集電板５の面内において、以下の極座標で表される位置Ｐ（ｒ，θ）に配置する。
（ｒ，θ）＝（ｎｓ，２ｍπ／ｎ）（ｓは接合部位の幅、ｎは１以上の自然数、ｍは１≦ｍ≦ｎを満たす自然数）
ここで、極座標（ｒ，θ）は、電極群の捲回中心Ｏを原点、集電板５の径方向を始線ＯＡとし、始線ＯＡに対して角度θの方向へｒの距離にある点を表す。

このように、接合部位を、集電板５の面内に設けた仮想的な座標軸に基づいて配置することによって、集電板５に覆われた電極群を目視できなくても、接合部位６の位置を容易に制御することができ、正確かつ効率的に溶接作業を行うことができる。また、接合部位６の位置を、上記の極座標（ｒ，θ）の式で表される位置に設定することによって、接合部位６を、電極群の捲回方向に沿って均一なピッチで配置することができる。

ここで、図２（ａ）に示すように、電極群の内径をｖ、外径をｗとしたとき、集電板５の面内に配置すべき接合部位６は、以下のように表すことができる。
（ｒ，θ）＝（ｎｓ，２ｍπ／ｎ） （ｓは接合部位の幅、ｎは１以上で、かつｖ＜ｎｓ＜ｗを満たす自然数、ｍは１≦ｍ≦ｎを満たす自然数）
なお、図３（ａ）、（ｂ）に示したように、接合部位６に複数の極板端部１ａが接合される場合、この複数の極板において、外周側の極板ほど接合ピッチが大きくなるが、接合ピッチは捲回された極板間の距離に比べて十分大きいので、この接合ピッチの差は無視できる程度に小さい。

図４は、上記の方法により形成された集電構造を、電池ケース８に収容して完成させた二次電池の構造を示した断面図である。負極集電板７は電池ケース８の底部に、正極集電板５は正極リード９を介して封口板１０にそれぞれ接続されている。また、電池ケース８には、非水電解液が注入され、ガスケット１１を介して封口板１０で密封されている。

本発明における集電構造において、捲回された電極群は正極集電板５で覆われているが、正極集電板５の中央部に貫通孔を設けておくことによって、電解液を注入する際、貫通孔を介して電解液を電極群の中に素早く充填することができる。ここで、電極群は、通常、巻芯に極板を巻き付けて形成した後、巻芯を抜き取っているため、電極群の中心は空隙になっている。従って、正極集電板５の中央部に設けた貫通孔の大きさを、電極群の空隙の径よりも小さくしておけば、電極群が正極集電板５から露出することはない。

なお、負極板２の極板端部２ａの負極集電板７への溶接は、正極板１の極板端部１ａの正極集電板５への溶接と同様の方法により行うことができる。

ところで、図２（ａ）に示したように、電極群が円筒状の場合には、集電板５の面内に配置する接合部位６の位置を、所定の極座標を用いて設定することにより、均一な接合ピッチを得ることができるが、電極群が扁平状の場合にはあまり適当ではない。

図５は、扁平状に捲回された電極群における集電構造を模式的に示した平面図で、極板端部１ａが集電板５に接合された状態を示したものである。

図５に示すように、集電板５は、電極群に対して、電極群の全ての極板端部１ａを覆うように配置されている。そして、集電板５の面内において、電極群の短軸方向（図中のｙ軸方向）においては、接合部位６ａが、電極群の中心から一定間隔をもって連続的に配置され、電極群の長軸方向（図中のｘ軸方向）においては、電極群の折り返し部分をなす円弧状の領域に、接合部位６ｂが一定間隔をもって連続的に配置されている。

このような構成により、接合部位６ａ、６ｂを、電極群の捲回方向に沿って均一なピッチで配置することができる。また、集電板５に覆われた電極群を目視できなくても、集電板５の面内に設けた仮想的な座標軸（短軸、長軸）に基づき、接合部位６ａ、６ｂの位置を容易に制御することができ、正確かつ効率的に溶接作業を行うことができる。

なお、電極群の折り返し部分においては、外周側ほど接合ピッチが長くなるが、電極群の長軸は短軸に比べて十分に長いため、このような接合ピッチの差は無視できる程度に小さい。

ここで、図５に示すように、集電板５は矩形状としたが、電極群を覆うものであれば、どのような形状でもよく、例えば、扁平状の電極群と相似形であってもよい。

以下に、本発明をリチウムイオン二次電池に適応した実施例を説明する。

１．リチウムイオン二次電池の作製方法
（実施例１）
（１）正極板の作製
まず、正極活性物質としてコバルト酸リチウム粉末を８５重量部用意し、導電剤として炭素粉末を１０重量部用意し、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を５重量部用意した。そして、用意した正極活性物質、導電剤および結着剤を混合して、正極合剤を作製した。

次に、正極合剤を、厚み１５μｍ、幅５６ｍｍのアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に塗布した後、正極合剤を乾燥させた。その後、正極合剤を塗布した部分（正極合剤塗工部）を圧延して、厚みが１５０μｍである正極板を作製した。このときの正極合剤塗工部の幅は５０ｍｍ、正極合剤未塗工部（露出端）の幅は６ｍｍであった。

（２）負極板の作製
まず、負極活性物質として人造黒鉛粉末を９５重量部用意し、結着剤としてＰＶＤＦを５重量部用意した。そして、負極活性物質および結着剤を混合して、負極合剤を作製した。

次に、負極合剤を、厚み１０μｍ、幅が７ｍｍの銅箔からなる負極集電体の両面に塗布した後、負極合剤を乾燥させた。その後、負極合剤を塗布した部分（負極合剤塗工部）を圧延して、厚みが１６０μｍである負極板を作製した。このときの負極合剤塗工部の幅は５２ｍｍ、負極合剤未塗工部（露出端）の幅は５ｍｍであった。

（３）電極群の作製
正極合剤塗工部と負極合剤塗工部との間に、幅５３ｍｍ、厚み２５μｍのポリプロピレン樹脂製微多孔フィルムからなるセパレータを挟んだ。その後、正極、負極およびセパレータを渦巻き状に捲回して電極群を作製した。このとき、電極群の内径は６ｍｍ、外形は２４ｍｍとなるように作製した。

（４）集電板の作製
厚み０．５ｍｍで５０ｍｍ角のアルミニウム板を、直径２５ｍｍの円盤状にプレス成形した後、円盤の中央をプレスで打ち抜いて直径５ｍｍの貫通孔を有する正極集電板を作成した。また、同様の方法で、厚み０．２ｍｍのニッケル製の負極集電板を作製した。

（５）集電構造の作製
正極板の端部を正極集電板に当接させた状態で、レーザ溶接により正極板の端部を正極集電板に溶接した後、電極群を上下反転させて、同様に、負極板の端部を負極集電板に当接させた状態で、レーザ溶接により負極板の端部を負極集電板に溶接した。

ここで、レーザ溶接の条件は、正極集電板に溶接するときは、電流値を１２５Ａ、溶接時間を２．４ｍｓとし、負極集電板に溶接するときは、電流値を１００Ａ、溶接時間を２．６ｍｓとした。なお、溶接スポット径は、ともに１ｍｍとした。

レーザによる溶接箇所（接合部位）は、集電板の面内の以下の極座標（ｒ，θ）（座標軸は、図２（ａ）に示したものと同じ）で表される位置とした。

（ｒ，θ）＝（３，２π／３），（３，４π／３），（３，２π），（４，π／２）（４，π），（４，３π／２），（４，２π），・・・（ｎ，２ｍπ／ｎ）（ｎは３≦ｎ≦１２を満たす自然数、ｍはｍ≦ｎを満たす全ての自然数）
（６）円筒型リチウムイオン二次電池の作製
上記のように作製した集電構造を、片側のみ開口した円筒型の金属ケースに挿入した。その後、負極集電部板を金属ケースに抵抗溶接した後、絶縁板を間に配して、アルミニウム製の正極リードを介して正極集電部板と封口板とを金属ケースにレーザ溶接した。

また、非水溶媒としてエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを体積比１：１で混合して調製し、この非水溶媒を六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）の溶質に溶解させて、非水電解液を作製した。

その後、金属ケースを加熱して乾燥させた後、金属ケースに上記非水電解液を注入した。その後、ガスケットを介して封口板を金属ケースでかしめて封止し、直径２６ｍｍ、高さ６５ｍｍの円筒型リチウムイオン二次電池を作製した。この電池の容量は２６００ｍＡｈであった。

（実施例２）
レーザによる溶接箇所（接合部位）を、集電板の面内の以下の極座標（ｒ，θ）で表される位置とした以外は、実施例１と同様に作成した。
（ｒ，θ）＝（３，π），（３，２π），（４，２π／３），（４，４π／３），（４，２π），（５，π／２），（５，π），（５，３π／２），（５，２π），・・・（ｎ，２（ｍ−１）π／（ｎ−１））（ｎは３≦ｎ≦１２を満たす自然数、ｍは２≦ｍ≦ｎを満たす全ての自然数）
（実施例３）
（１）正極板の作製
実施例１と同じ正極合剤を用意し、これを、厚み１５μｍ、幅８３ｍｍのアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に塗布した。正極合剤を乾燥後、正極合剤塗工部を圧延して、厚みが８３μｍである正極板を作製した。このときの正極合剤塗工部の幅は７７ｍｍ、正極合剤未塗工部の幅は６ｍｍであった。

（２）負極板の作製
実施例１と同じ負極合剤を用意し、これを、厚み１０μｍ、幅８５ｍｍの銅箔からなる負極集電体の両面に塗布した。負極合剤を乾燥後、負極合剤塗工部を圧延して、厚みが１００μｍの負極板を作製した。このときの負極合剤塗工部の幅は８０ｍｍ、負極合剤未塗工部の幅は５ｍｍであった。

（３）電極体の作製
正極合剤塗工部と負極合剤塗工部との間に、幅８１ｍｍ、厚み２５μｍのポリプロピレン樹脂製微多孔フィルムからなるセパレータを挟んだ。その後、正極、負極およびセパレータを扁平状に捲回して電極群を作製した。このとき、電極群の長軸の長さが５４ｍｍ、短軸の長さが７ｍｍとなるように作製した。

（４）集電板の作製
厚み０．５ｍｍ、幅８ｍｍ、長さ５５ｍｍのアルミニウム板をプレス加工し、正極集電板を作製した。また、同様の方法で、厚み０．２ｍｍのニッケル板からなる負極集電板を作製した。

（５）集電構造の作製
実施例１と同じ溶接条件で、正極及び負極の端部を、それぞれ正極及び負極集電板に溶接した。

溶接箇所（接合部位）は、集電板の面内の以下の座標（ｘ，ｙ）（座標軸は、図５に示したものと同じ）で表される位置とした。

（ｘ，ｙ）＝（０，０），（０，±１），（０，±２），（０，±３），（±２５，０），（±２６，０），（±２７，０）
（６）扁平型リチウムイオン二次電池の作製
上記のように作製した集電構造を、両側が開口した角形の金属ケースに、正極集電板および負極集電板が開口から突出させた状態で挿入した。

次に、負極集電板を金属ケースの底板となる平板に抵抗溶接させ、負極集電板を折り畳んで金属ケース内に収容した。その後、底板を金属ケースにレーザ溶接し、金属ケースの底部を封止した。

同様に、正極集電板を封口板にレーザ溶接し、正極集電板を折り畳んで金属ケース内に収容した。その後、封口板を金属ケースにレーザ溶接し、封口板を金属ケースの上方開口に取り付けた。このとき、封口板には柱液孔が形成されているが、この柱液孔を封じないようにする。

その後、負極集電部板を金属ケースに抵抗溶接した後、絶縁板を間に配して、アルミニウム製の正極リードを介して正極集電部板と封口板とを金属ケースにレーザ溶接した。

続いて、金属ケースを加熱して乾燥した後、金属ケースに実施例１と同じ非水電解液を注入した後、注液孔を密封した。これにより、厚み１０ｍｍ、幅５８ｍｍ、高さ１００ｍｍの扁平型リチウムイオン二次電池を作製した。この電池の容量は２６００ｍＡｈであった。

（比較例１）
レーザによる溶接箇所（接合部位）を、集電板の面内の以下の極座標（ｒ，θ）で表される位置とした以外は、実施例１と同様に作成した。

（ｒ，θ）＝（３，０），（３，π／２），（３，π），（３，３π／２），（４，０），（４，π／２），（４，π），（４，３π／２），・・・（ｎ，ｍπ／２）（ｎは３≦ｎ≦１２を満たす自然数、ｍは１≦ｍ≦４を満たす全ての自然数）
なお、上記の極座標（ｒ，θ）で表された溶接箇所は、特許文献１に記載された十字形状の集電板を用いて行った溶接箇所と実質的に同じである。

（比較例２）
レーザによる溶接箇所（接合部位）を、集電板の面内の以下の極座標（ｘ，ｙ）で表される位置とした以外は、実施例３と同様に作成した。

（ｘ，ｙ）＝（０，０），（０，±１），（０，±２），（０，±３），（±２５，０），（±２５，±１），（±２５，±２），（±２５，±３）
２．リチウムイオン二次電池の評価方法
以上のように作製した実施例１〜３、比較例１、２のリチウムイオン二次電池を各５０個準備し、以下のような評価を行った。

（極板端部と集電板との接合部の外観検査）
作製したリチウムイオン二次電池の金属ケースから電極群を取り出して、捲回されている電極板を広げ、接合部を視認により観察して、接合ピッチを求めた。

表１は、円筒型リチウムイオン電池（実施例１、２、比較例１）について、電極群の捲回中心から、それぞれ３ｍｍ、６ｍｍ、９ｍｍ、１２ｍｍの距離にある接合部の接合ピッチ（隣接する接合部の中心間の距離）の値をそれぞれ示した表である。

表１に示すように、実施例１では、接合ピッチのバラツキ（標準偏差）が非常に小さく、接合ピッチはほぼ均一であった。また、実施例２では、接合ピッチが最大２ｍｍほどの差があるものの、バラツキは小さかった。それに対して、比較例１では、内周側の接合ピッチと外周側の接合ピッチとの差が大きく、バラツキも非常に大きかった。

表２は、扁平型リチウムイオン電池（実施例３、比較例２）について、接合ピッチの最小値及び最大値をそれぞれ示した表である。

表２に示すように、実施例３では、接合ピッチは内周側で最小、外周側で最大となった。これは、電極群の長軸方向の折り返し部分における極板長の差によるものと考えられるが、バラツキ（標準偏差）は小さかった。それに対して、比較例２では、接合ピッチは、電極群の折り返し部分で最小、電極群の平面部分で最大となり、そのバラツキは非常に大きかった。

（電池のサイクル試験）
実施例１〜３および比較例１、２に対して、サイクル試験を実施した。具体的には、まず、各サンプルに対して、１２．５Ａの定電流で４．２Ｖまで充電した後、１２．５Ａの定電流で３．０Ｖまで放電する充放電サイクルを繰り返した。このとき、サイクル毎に放電容量を測定し、サイクル数に対する容量維持率（初期の放電容量を１００％とする）を求めた。

図６は、その結果を示した図で、横軸はサイクル数、縦軸は容量維持率である。図６に示すように、実施例１〜３（図中のＡ、Ｂ、Ｃに示した曲線）のどの電池においても、良好なサイクル特性を示したのに対し、比較例１、２（図中のＤ，Ｅに示した曲線）の電池においては、サイクル特性が低下していた。これは、接合ピッチが均一で、極板での電流分布が均一であると、局所的な電解活物質の劣化が生じず、その結果、良好なサイクル特性が得られたものと考えられる。一方、接合ピッチのバラツキが大きく、極板での電流分布のバラツキが大きくなると、局所的な電解活物質の劣化が生じ、その結果、サイクル特性の劣化が早まったものと考えられる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態において、極板端部の集電板への溶接は、レーザ溶接により行ったが、これに限定されず、例えば、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接、電子ビーム溶接等を用いて行ってもよい。

また、本発明が適用される二次電池は、その種類に特に制限はなく、リチウムイオン二次電池の他、ニッケル水素蓄電池等にも適用することができる。また、本発明と同じ集電構造を有する電気化学素子（例えば、コンデンサ等）に適用しても、同様の効果を得ることができる。

以上説明したように、本発明は、高出力電流に適した集電構造を有する二次電池に有用で、例えば、高出力を必要とする電動工具や電気自動車などの駆動用電源、大容量のバックアップ用電源、蓄電用電源等に適用できる。

本発明の実施形態における電極群の構成を模式的に示した図で、（ａ）は正極板の平面図、（ｂ）は負極板の平面図、（ｃ）は電極群の斜視図である。 本発明の実施形態における集電構造を模式的に示した図で、（ａ）は正極板の端部が正極集電板に接合された状態を示した平面図、（ｂ）は正極集電板の断面図である。 本実施形態における集電構造の部分断面図で、（ａ）は溶接前の状態を示した図、（ｂ）は溶接後の状態を示した図である。 本実施形態における二次電池の構造を模式的に示した断面図である。 本実施形態における扁平状に捲回された電極群における集電構造を模式的に示した平面図である。 実施例および比較例における二次電池のサイクル特性を示したグラフである。 従来のタブレス集電構造を示した平面図である。

符号の説明

１ 正極板
１ａ 正極板端部（正極合剤未塗工部）
１ｂ 正極合剤塗工部
２ 負極板
２ａ 負極板端部（負極合剤未塗工部）
２ｂ 負極合剤塗工部
４ 電極群
５ 正極集電板
６、６ａ、６ｂ 接合部位
７ 負極集電板
８ 電池ケース
９ 正極リード
１０ 封口板
１１ ガスケット

Claims (10)

1. 正極板及び負極板が多孔質絶縁層を介して捲回された電極群を備えた二次電池であって、
   少なくとも一方の極性の前記極板の端部は、前記多孔質絶縁層から突出した状態で、集電板に当接され、かつ、該集電板は、前記電極群に対して、該電極群の全ての極板端部を覆うように配置されており、
   前記集電板に当接された前記極板端部の一部は、前記集電板の面内の離散的な接合部位において該集電板に溶接されており、
   前記接合部位は、前記極板から前記集電板に流れる電流が均一に分布するように、前記集電板の面内に離散的に配置されている、二次電池。
2. 前記接合部位の幅は、前記集電板に当接された前記極板端部のうち、少なくとも２回以上捲回された極板端部を含む大きさを有する、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記極板端部は、前記電極群の捲回方向に沿って、均一なピッチで前記集電板に溶接されている、請求項１に記載の二次電池。
4. 前記接合部位は、前記集電板の面内に設定された極座標（ｒ，θ）（前記電極群の捲回中心を原点、前記集電板の径方向を始線とし、始線に対して角度θの方向へｒの距離にある点）で表される位置に従って配置されている、請求項１に記載の二次電池。
5. 前記極座標（ｒ，θ）は、以下の式で表される、請求項４に記載の二次電池。
   （ｒ，θ）＝（ｎｓ，２ｍπ／ｎ）（ｓは前記接合部位の幅、ｎは１以上の自然数、ｍは１≦ｍ≦ｎを満たす自然数）
6. 前記電極群は扁平状に捲回された構成をなしており、
   前記接合部位は、前記集電板の面内において、
   前記電極群の短軸方向においては、該電極群の中心から一定間隔をもって連続的に配置され、
   前記電極群の長軸方向においては、前記電極群の折り返し部分をなす円弧状の領域に、一定間隔をもって連続的に配置されている、請求項１に記載の二次電池。
7. 正極板及び負極板が多孔質絶縁層を介して捲回された電極群を備えた二次電池の製造方法であって、
   少なくとも一方の極性の前記極板の端部が、前記多孔質絶縁層から突出した状態で、前記正極板及び前記負極板が多孔質絶縁層を介して捲回された電極群を用意する工程（ａ）と、
   前記電極群に対して、該電極群の全ての極板端部を覆うように集電板を配置し、前記極板端部を前記集電板に当接する工程（ｂ）と、
   前記集電板に当接された前記極板端部の一部を、前記集電板の面内の離散的な接合部位において該集電板に溶接する工程（ｃ）と
   を有し、
   前記工程（ｃ）において、前記接合部位は、前記集電板の面内に設定された極座標（ｒ，θ）（前記電極群の捲回中心を原点、前記集電板の径方向を始線とし、始線に対して角度θの方向へｒの距離にある点）で表される位置に従って配置される、二次電池の製造方法。
8. 前記極座標（ｒ，θ）は、以下の式で表される、請求項７に記載の二次電池の製造方法。
   （ｒ，θ）＝（ｎｓ，２ｍπ／ｎ）（ｓは前記接合部位の幅、ｎは１以上の自然数、ｍは１≦ｍ≦ｎを満たす自然数）
9. 前記工程（ｃ）において、前記接合部位の幅は、前記集電板に当接された前記極板端部のうち、少なくとも２回以上捲回された極板端部を含む大きさを有する、請求項７に記載の二次電池の製造方法。
10. 前記工程（ｃ）において、前記集電板に当接された前記極板端部の一部は、前記接合部位に局所的にエネルギー照射することによって、前記集電板に溶接される、請求項７に記載の二次電池の製造方法。

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