JP5179103B2 - 二次電池および二次電池の製造方法 - Google Patents
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Description
本願発明者等は、特許文献3に記載された方法において、集電板(第1の凸部)に照射すべきエネルギーの制御が複雑になる要因が、溶融すべき部分の集電板の体積が、溶融されない集電板の本体部の体積に比して大きいことにあることに着目し、本発明における二次電池の集電板において、その主面の一部に、内側に間隙部を有する突出部を設けた構成を採用した。すなわち、本発明の二次電池における集電構造は、当該突出部が形成された集電板の突出部が形成されていない他の主面に、正極板(または負極板)の端部を当接した状態で、突出部を局所的に加熱して、正極板(または負極板)の端部と集電板とを溶接により接合した構成をなす。
図1は、本発明の第1の実施形態における二次電池の集電構造を模式的に示した図で、(a)は、正極板の端部1aを正極集電板10に当接した状態を示した斜視図、(b)は、正極板の端部1aを正極集電板10に接合した状態を示した断面図である。なお、本発明は、負極板の端部2a及び負極集電板11に対しても適用できることから、以下の説明では、正負の極性を区別することなく、単に、極板及び集電板と呼ぶ。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。
第1の実施形態において、集電板10、11の面上に形成される突出部12の形状の好適な例を図3(c)に示したが、これに限らず、種々の形状を有する突出部12を本発明に適用することができる。
第1の実施形態においては、内側に間隙部12aを有する突出部12を溶融させて、当該突出部12が溶融して生成された溶融部材を、間隙部12aを通り極板端部1a、2aに導くことによって、極板端部1a、2aを集電板10、11に溶接したものであるが、本実施形態においては、かかる溶融部材を外部から供給するようにしたものである。
(1)正極板の作製
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、導電剤として炭素粉末を10重量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を5重量部、それぞれ混合して正極合剤を作製した。
負極活性物質として人造黒鉛粉末を95重量部、結着剤としてPVDFを5重量部、それぞれ混合して負極合剤を作製した。
上記のように作製した正極板及び負極板を、正極合剤塗工部と負極合剤塗工部を覆うように、幅53mm、厚み25μmのポリプロピレン樹脂製微多孔フィルムよりなる多孔質絶縁層を介して渦巻き状に捲回し、電極群を作製した。
厚み0.5mm、50mm角のアルミニウム板をプレス加工して、高さが1mm、間隙部が0.2mmの突出部をアルミニウム板の面上に平行に形成した。このアルミニウム板をプレスで打ち抜いて、中央部に直径7mmの穴を有した、直径24mmの円板状の正極集電体を作製した。同様の方法で、厚み0.3mmの銅板からなる負極集電板を作製した。
上記のように作製した電極群を正極集電板及び負極集電板に当接させて、TIG(Tungsten Inert Gas)溶接により電極群を正極集電板及び負極集電板に溶接して、集電構造を作製した。このとき、TIG溶接の条件は、正極集電板及び負極集電板とも、電流120A、時間50msであった。
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電池容器に挿入し、負極集電部板を電池容器に抵抗溶接した後、絶縁板を間に配して、正極集電部板と封口板とをアルミニウム製の正極リードを介して電池容器にレーザ溶接した。
本実施例は、集電板に貫通孔を設けたものである。
厚み0.5mm、50mm角のアルミニウム板をプレスで打ち抜き加工して、直径が 0.2mmの貫通孔をアルミニウム板の面上に放射状に形成した。このアルミニウム板をプレスで打ち抜いて、中央部に直径7mmの穴を有した、直径24mmの円板状の正極集電体を作製した。同様の方法で、厚み0.3mmの銅板からなる負極集電板を作製した。
実施例1と同様の方法で作成した電極群を、上記により作製した正極集電板及び負極集電板に当接させて、TIG溶接により銅製の溶加棒を溶融させて溶融金属を貫通孔に流入し、電極群を正極集電板及び負極集電板に溶接して、集電構造を作製した。このとき、TIG溶接の条件は、正極集電板に対して、電流120A、時間30ms、負極集電板に対して、電流120A、時間50msであった。
以上の方法で作成した集電構造を用いて、実施例1と同様の方法で、リチウムイオン二次電池(サンプル2)を作製した。
本実施例は、実施例1で作製した正極板及び負極板の各端部に補強層を設けたものである。
まず、無機酸化物フィラーであるアルミナと、ポリアクリロニトリル変性ゴム結着剤とを、N−メチルピロリドン(NMP)に混練し、補強層用のスラリーを作製した。
以上の方法で作成した正極板及び負極板を用いて、実施例1と同様の方法で、リチウムイオン二次電池(サンプル3)を作製した。
実施例1と同様の正極板、負極板を用いて電極群を作製した後に、正極板端部及び負極板端部をそれぞれ巻回軸芯方向に押圧して平坦面を形成した。そして、正極板端部の平坦面を、アルミニウムからなる正極集電板(厚み0.5mm、直径24mm)に当接して、レーザ溶接により正極板端部の平坦面を正極集電板に溶接した。同様に、負極板端部の平坦面を、銅からなる負極集電板(厚み0.3mm、直径24mm)に当接して、レーザ溶接により負極板端部の平坦面を負極集電板に溶接した。このとき、レーザ溶接の条件は、正極集電板に対しては、電流125A、時間1.2秒、負極集電板に対しては、電流95A、時間1.4秒であった。
厚み1.5mmのアルミニウム板をプレスで打ち抜いて、中央部に直径7mmの穴の空いた直径24mmの円板状に加工した後、アルミニウム板の表面の一部を切削して、突出高さが1mmの突出部が平行に形成された正極集電板を作製した。同様の方法により、突出部が形成された銅板(厚み1.3mm)からなる負極集電板を作製した。
サンプル1〜3のいずれにおいても、接合部の穴あき、集電体(極板)の破損は観察されなかった。一方、サンプル4では、数個の接合部の穴あきが観察された。また溶融した金属が極板端部上に導かれていないものもあった。また、サンプル5では、接合部の穴あきや集電体(極板)の破損が多数観察された。またサンプル5では、突出部を溶融する際、溶融した金属が極板端部上に導かれていなかったり、あるいは、集電板の本体部ごと溶融して抜け落ちてしまったり、接合部のバラツキが大きかった。
サンプル1、2においては、合剤部に歪が生じるほどの折れ曲がりはほとんど観察されず、溶接する際に集電板を当接させたときに若干の曲がりが生じただけであった。また、サンプル3は補強層があることで折れ曲がりは皆無であった。また、サンプル1〜3のいずれにおいても、合剤の剥離や損傷はまったく観察されなかった。一方、サンプル4では、極板端部を押圧して平坦面を成形した段階で合剤部の破損が多数観察された。サンプル5では、接合部の穴あきや集電体の破損があったものでも、折れ曲がりは観察されなかったが、合剤部の破損や集電板と接続されていない極板端部が多数観察された。
極板端子と集電板との引っ張り強度を、JIS Z2241に基づいて、各サンプルから5個ずつ抜き取り測定した。具体的には、引っ張り試験機の一方に電極群を保持し、他方に集電板を保持した状態で、一定の速度で軸方向に引っ張り、接合部が外れたときの荷重を引っ張り強度とした。
各サンプルを、1250mAの定電流で4.2Vまで充電した後、1250mAの定電流で3.0Vまで放電する充放電を、3サイクル繰り返した後、1kHzの交流で、二次電池の内部抵抗を測定し、接続状態を評価した。
サンプル1及び3 6.0/1000×I=2.7・・・I=450A
サンプル2 5.8/1000×I=2.7・・・I=465A
サンプル4 12.3/1000×I=2.7・・・I=219A
サンプル5 11/1000×I=2.7・・・I=245A
となり、サンプル1〜3では大電流放電を可能にできる抵抗値であることがわかる。
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
3 多孔質絶縁層
4 電極群
9 接合部
10 正極集電板
11 負極集電板
12 突出部
12a 間隙部
13 電池容器
15 正極リード
16 封口板
17 ガスケット
20 貫通孔
Claims (23)
- 正極板及び負極板が多孔質絶縁層を介して配置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前記多孔質絶縁層を介して配置された電極群を用意する工程(a)と、
一の主面に、内側に間隙部を有する突出部が形成された集電板を用意する工程(b)と、
前記多孔質絶縁層から突出した前記極板の端部を、前記集電板の前記突出部が形成されていない他の主面に当接する工程(c)と、
前記突出部を局所的に加熱することによって、前記極板の端部と前記集電板とを接合する工程(d)とを有し、
前記工程(d)において、前記極板の端部は、前記突出部が溶融して生成された溶融部材によって前記集電板に溶接されることを特徴とする、二次電池の製造方法。 - 前記工程(d)において、前記極板の端部は、前記突出部が溶融して生成された溶融部材が、前記間隙部を通り前記極板の端部に導かれることによって、前記集電板に溶接される、請求項1に記載の二次電池の製造方法。
- 前記突出部は、前記集電板の一の主面上を、放射状に形成されている、請求項1に記載の二次電池の製造方法。
- 前記電極群は、前記正極板及び前記負極板が、前記多孔質絶縁層を介して捲回された構成をなしている、請求項3に記載の二次電池の製造方法。
- 前記突出部は、前記集電板の一の主面上を、前記正極板及び前記負極板の積層方向に平行に形成されている、請求項1に記載の二次電池の製造方法。
- 前記電極群は、前記正極板及び前記負極板が、前記多孔質絶縁層を介して積層された構成をなしている、請求項5に記載の二次電池の製造方法。
- 前記突出部は、平板からなる前記集電板をプレス加工することによって、前記間隙部を設けた状態で一体的に形成されている、請求項1に記載の二次電池の製造方法。
- 前記突出部は、該突出部の高さが、前記集電板の厚みよりも大きく形成されている、請求項1に記載の二次電池の製造方法。
- 前記突出部の内側に設けられた前記間隙部の幅は、前記集電板の厚み以下に形成されている、請求項1に記載の二次電池の製造方法。
- 前記突出部の内側に設けられた前記間隙部は、開口端において広くなっている、請求項1に記載の二次電池の製造方法。
- 前記突出部の内側に設けられた前記間隙部は、開口端において狭くなっている、請求項1に記載の二次電池の製造方法。
- 前記正極板及び前記負極板は、正極集電体または負極集電体上に、正極活物質または負極活物質をそれぞれ塗布したものからなり、
前記正極集電体または前記負極集電体の厚みは、20μm以下である、請求項1に記載の二次電池の製造方法。 - 前記多孔質絶縁層から突出した前記極板の端部は、前記集電板の他の主面に、略垂直に当接している、請求項1に記載の二次電池の製造方法。
- 前記工程(d)において、前記極板の端部は、前記集電板に融接される、請求項1に記載の二次電池の製造方法。
- 前記工程(d)において、前記突出部の局所的な加熱は、該突出部にエネルギーを照射することによって実行される、請求項1に記載の二次電池の製造方法。
- 前記工程(c)において、前記電極群の全ての極板端部は、前記集電体の前記突出部が形成されていない他の主面に当接される、請求項1に記載の二次電池の製造方法。
- 前記工程(d)において、少なくとも二以上の前記極板端部は、前記集電板の他の主面に形成された一の突出部が溶融して生成された溶融部材によって、前記集電板に溶接される、請求項1に記載の二次電池の製造方法。
- 前記多孔質絶縁層は、シャットダウン機能を有する微多孔質膜と、シャットダウン機能を有さない絶縁性粒子を含む耐熱性多孔質膜とで構成されている、請求項1に記載の二次電池の製造方法。
- 前記二次電池は、リチウムイオン二次電池である、請求項1に記載の二次電池の製造方法。
- 正極板及び負極板が多孔質絶縁層を介して配置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が、前記多孔質絶縁層から突出し、該突出した極板の端部が、集電板の一の主面に当接した状態で、該集電板に接合されており、
前記極板端部は、前記集電板の他の主面に形成された突出部が溶融して生成された溶融部材が、前記突出部の内側に設けられた間隙部を通り前記極板端部に導かれて、前記集電板に溶接されており、
前記極板端部の接合部が形成された部位における前記集電板の他の主面は、凹部になっていることを特徴とする、二次電池。 - 前記電極群は、前記正極板及び前記負極板が前記多孔質絶縁層を介して捲回された構成をなし、
前記極板端部の接合部は、前記集電板の一の主面内において、放射状の部位に形成されている、請求項20に記載の二次電池。 - 前記電極群は、前記正極板及び前記負極板が前記多孔質絶縁層を介して積層された構成をなし、
前記極板端部の接合部は、前記集電板の一の主面内において、前記正極板及び前記負極板の積層方向に平行な部位に形成されている、請求項20に記載の二次電池。 - 請求項1に記載の二次電池の製造方法によって製造された、二次電池。
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