JP5196824B2 - 円筒型電池及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、円筒型電池及びその製造方法に係り、詳しくは、外装缶の内底と集電体とを溶接する技術に関する。

近年、ニッケル―二次電池の用途は、ＰＣ、ＰＤＡ、携帯電話、ハイブリッド車（ＨＥＶ）等広範囲にわたり、特に、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド車、電動工具などの高出力用途においては、さまざまな開発が行われている。特にハイブリッド車用の二次電池は、電池性能、長期耐久性など高い信頼性が要求されており、より一層の高出力化及び高品質化が望まれている。この種の二次電池では、通常、正極極板と負極極板との間にセパレータを介在させ、これらを渦巻状に巻き回して筒状の電極群とした後、この電極群の負極極板に負極集電体を溶接するとともに、正極極板に正極集電体を溶接する。次にこの電極群を負極端子を兼ねる金属製の外装缶に収納し、負極集電体を外装缶の内底に溶接するとともに、正極集電体に枕状の集電リードを溶接し、この集電リードと正極端子を兼ねる封口体の底部とを溶接した後、この封口体にて外装缶の開口部を絶縁ガスケットを介在して封口することにより二次電池が製造されている。

円筒型の二次電池では、通常、負極集電体が電極群と略同径の円板状に形成されており、負極集電体と外装缶の内底との溶接が電極群の中心部のみで行われるため、電池の内部抵抗を低減することが困難である。そこで、負極集電体の外周部に複数のプロジェクションを配置して外装缶の内底に溶接することで、負極集電体と外装缶との間に通電経路を複数設けた電池構造が提案されている。この電池の製造方法としては、電極群を加圧しながら、電極群の中心孔に挿入した溶接電極と外装缶とを通電させる抵抗溶接方式が採用されている（特許文献１）。
特開２００５−２８５５１４号公報

上記の特許文献１での二次電池の製造方法では、負極集電体と外装缶との溶接時に、負極集電体の中心部が外装缶の内底に接触しないように、負極集電体と内底との間に絶縁材を配置することで、溶接時の無効電流を抑制している。したがって、製造工程が複雑化し、設備費用及び部材コストが上昇するといった問題点があった。
ここで、絶縁材を用いずに、プロジェクションの突出高さを高く設定すると、負極集電体の中心部と外装缶の内底との接触が防止されるものの、溶接時にプロジェクションの溶け残りが発生して、溶接後に負極集電体と内底との間に隙間が生じる虞があり、製造後の内部抵抗が増加してしまう。一方、プロジェクションの突出高さを低く設定すると、電極群を加圧する際に、負極集電体の中心部が外装缶の内底と接触してしまい、プロジェクションを溶接できなくなる虞がある。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、集電体と外装缶の内底との間に絶縁体を用いることなく集電体と外装缶とを溶接可能とし、製造工程を簡素化するとともに、製造後の内部抵抗を抑制可能な円筒型電池及びその製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、正極極板及び負極極板をセパレータを介して渦巻状に巻回して形成され、巻回芯部が中空の電極群と、電極群を収納する有底円筒状の外装缶と、外装缶の内底と前記電極群との間に配置され、外装缶と電極群とを電気接続する集電体と、を有する円筒型電池において、集電体は、上面に正極極板及び負極極板の何れか一方と接続する複数の突起部を有するとともに、中心部が上方に突出して形成された凸部を有する一方、下面に外装缶の内底と接続する複数のプロジェクションを形成したことを特徴とする。

また、請求項２の発明では、請求項１において、集電体の凸部を、突起部より上方に突出させるとともに、巻回芯部より細く形成したことを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項１の円筒型電池の製造方法であって、前記凸部と巻回芯部とを嵌合して集電体と電極群とを位置決めし、正極極板及び負極極板の何れか一方と集電体とを溶接する集電体溶接行程と、集電体のプロジェクションと外装缶の内底とを溶接する缶底溶接行程と、を有することを特徴とする。

また、請求項４の発明は、正極極板及び負極極板をセパレータを介して渦巻状に巻回して形成され、巻回芯部が中空の電極群と、電極群を収納する有底円筒状の外装缶と、外装缶の内底と電極群との間に配置され、外装缶と電極群とを電気接続する集電体と、を有する円筒型電池において、集電体は、上面に正極極板及び負極極板の何れか一方と接続する複数の突起部を有する一方、下面に外装缶の内底と接続する複数のプロジェクションを形成するとともに、外装缶の底板を中心部が下方に突出して形成され、当該下方に突出して形成された部分と前記集電体とが溶接されていないことを特徴とする。

本発明の請求項１の円筒型電池によれば、集電体の中心部が上方に突出して凸部が形成されているので、電極群の収納時に外装缶の内底と集電体の下面のプロジェクションとを当接させたときに、プロジェクションの高さが低くても、集電体の中心部が外装缶の内底と接触しなくなる。したがって、外装缶の内底と集電体とを溶接するときに、外装缶の内底と集電体との間に絶縁材を配置することなく、プロジェクションが効率よく溶接可能となり、製造工程を簡素化できる。また、プロジェクションの高さが抑制されることから、溶接時のプロジェクションの溶け残りが発生し難くなり、製造後の内部抵抗の増加を抑制することができる。

また、請求項２の円筒型電池によれば、集電体の凸部が巻回芯部より細くかつ突起部より上方に突出しているので、正極極板及び負極極板の何れか一方に突起部を当接させると凸部が巻回芯部に嵌合する。したがって、電極部と集電体とを溶接するときに、電極部と集電体との位置決めを容易に行うことができる。
また、請求項３の円筒型電池の製造方法によれば、集電体溶接行程において、集電体の凸部と電極群の巻回芯部とを嵌合して位置決めするので、電極部と集電体との位置決めを容易に行うことができ、容易に円筒型電池を製造することができる。

また、請求項４の円筒型電池によれば、外装缶の底板の中心部が下方に突出しているので、外装缶の内底と集電体の下面のプロジェクションとを当接させたときに、プロジェクションの高さが低くても、集電体の中心部と外装缶の内底との接触を防止できる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る円筒型電池の全体構造を示す断面図である。
本実施形態では、円筒型電池として、ニッケル−水素型二次電池を採用している。
図１に示すように、ニッケル−水素型二次電池（以下、単に電池１という）は、金属製の有底円筒状の外装缶２に円筒状の電極群３が収納されており、内部にアルカリ電解液が注入されて正極端子となる金属製の封口体４で封止して形成されている。

電極群３は、ニッケル正極板（正極極板）５と水素吸蔵合金負極板（負極極板）６との間にセパレータ７を介在させて渦巻状に巻き回して形成されており、その中心部である巻回芯部８は中空となっている。電極群３と外装缶２の底板（内底）９との間には負極集電体１０が、電極群３と封口体４との間には、正極集電体１１が内装されている。負極集電体１０は、下面が外装缶の底板９と接続される一方、上面が水素吸蔵合金負極板６と接続されている。正極集電体１１は、下面がニッケル正極板５と接続される一方、上面が枕状の集電リード１２を介して封口体４の下面に接続されている。

図２は、外装缶２の缶底部の構造を示す拡大断面図である。
本発明の第１の実施形態の電池１では、図２に示すように、負極集電体１０の中心部が上方に突出して凸部２０が形成されており、この凸部２０は電極群３の巻回芯部８に嵌入されている。凸部２０の下方には、負極集電体１０と外装缶２の底板９との間に隙間２１が形成されている。

次に、本実施形態の電池１の製造方法について説明する。
電池１の製造方法は、１）電極群作製、２）集電体作製、３）集電体溶接、４）缶底溶接、５）組立の工程を有している。
１）電極群作製
まず、ニッケル正極板５及び水素吸蔵合金負極板６を、完成させる電池１個につき各１枚製造する。

ニッケル正極板５は、パンチングメタルからなる極板芯体の表面にニッケル焼結多孔体を形成した後、化学浸透法により水酸化ニッケルを主体とする活物質をニッケル焼結多孔体に充填して作製される。一方、水素吸蔵合金負極板６は、パンチングメタルからなる極板芯体の表面に水素吸蔵合金からなるペースト状負極活物質充填し、乾燥させた後に、所定の厚さになるまで圧延して作製される。

次に、ニッケル正極板５及び水素吸蔵合金負極板６をセパレータ７を介在させて渦巻状に巻き回して、両端が開放した略円筒状の電極群３を作製する。電極群３の上端面ではニッケル正極板５の極板芯体であるパンチングメタルの端部を露出させる一方、電極群３の下端面では水素吸蔵合金負極板６の極板芯体であるパンチングメタルの端部を露出させる。
２）集電体作製
負極集電体１０及び正極集電体１１を完成させる電池１個につき各１枚製造する。

図３は、本発明の第１の実施形態の負極集電体１０の構造を示し、Ａ）は上面図、Ｂ）は正面図、Ｃ）は下面図である。
図３に示すように、負極集電体１０は、ニッケルメッキ鋼板を例えば打抜き型で打抜いて円板状に形成される。負極集電体１０には、その中心と端縁との中間部から端縁に向かって開口する一対のスリット３０が形成される。また、負極集電体１０の上面には、複数のバーリング突起（突起部）３１を形成するとともに、下面には下方に突出する複数のプロジェクション３２を形成する。バーリング突起３１は、負極集電体１０の外周部、詳しくは水素吸蔵合金負極板６の極板芯体の露出部の下方に位置することとなる箇所に多数配置される。プロジェクション３２は、負極集電体１０の外周部に同心円状に等間隔で数個（例えば４個）形成される。

更に、本実施形態の負極集電体１０は、その中心部が上方に突出して凸部２０が形成される。凸部２０は、その上面が平坦に形成され、かつバーリング突起３１より上方に突出されるように形成されるとともに、電極群３の巻回芯部８に略隙間なく嵌入されるように外径が設定されている。
正極集電体１１は、負極集電体１０と同様に、ニッケルメッキ鋼板を例えば打抜き型で打抜いて円板状に形成され、一対のスリット３０及び複数のバーリング突起３１が形成されている。バーリング突起３１は、ニッケル正極板５の露出部の上方に位置することとなる箇所に多数配置される。また、正極集電体１１の中心部には溶接電極が挿入できるように巻回芯部８と略同径の挿入孔が設けられている。

３）集電体溶接
ａ）負極集電体溶接
電極群３の水素吸蔵合金負極板６の極板芯体が露出している側の端面を上方にして、その上にバーリング突起３１が電極群３側になるように負極集電体１０を載せる。このとき、負極集電体１０の凸部２０を巻回芯部８に嵌入させて、電極群３と負極集電体１０との水平方向（軸線に対して垂直方向）の位置決めがなされる。そして、溶接電極で負極集電体１０を押圧してバーリング突起３１を水素吸蔵合金負極板６の極板芯体に食い込ませ、水素吸蔵合金負極板６と負極集電体１０との間に溶接電流を流して、これらを抵抗溶接し、負極集電体１０付きの電極群Ａを作成する。

ｂ）正極集電体溶接
上記ａ）の工程にて作成した電極群Ａを、ニッケル正極板５の極板芯体が露出している側の端面を上方にして、その上にバーリング突起３１が電極群３側になるように正極集電体１１を載せる。このとき、電極群３の中心と正極集電体１１の中心とが一致するように配置する。そして、溶接電極で正極集電体１１を押圧してバーリング突起３１をニッケル正極板５の極板芯体に食い込ませ、ニッケル正極板５と正極集電体１１との間に溶接電流を流して、これらを抵抗溶接し、正負両極集電体付きの電極群３を作成する。
４）缶底溶接
図４は、本発明の第１の実施形態の缶底溶接前の状態を示す缶底部の断面図である。図５は、缶底溶接の要領を示す説明図である。

図４に示すように、まず、上記ｂ）の工程にて作成した正負両極集電体付きの電極群３を、金属製の有底円筒状の外装缶２に挿入する。このとき、負極集電体１０を下側（缶底側）に配置する。そして、図５に示すように、溶接電極棒４０を正極集電体１１の挿入孔４１から挿入して、負極集電体１０の凸部２０に当接させる。加圧機４２により、電極群３を下方に押圧するとともに、溶接電極棒４０を負極集電体１０の凸部２０に向かって押圧しつつ、溶接電極棒４０と外装缶２の底板９に接触させた溶接電極４３との間に通電し、負極集電体１０と外装缶２の底板９とを抵抗溶接する。

５）組立
例えば母材厚さ０．４mmニッケル鋳金鋼板等の導電体をプレスして作製した枕状の集電リード１２を、中心が一致するように正極集電体１１の上に載せる。集電リード１２の底面には複数の突起を形成しておき、この突起に溶接用の電極棒を垂直に立ててスポット溶接を行い、正極集電体１１と集電リード１２とを接続する。次に、外装缶２内にアルカリ電解液を所定量注入後、封口体４の底面と集電リード１２の上面部とを溶接する。そして、外装缶２の開口部４４を封口体４により絶縁ガスケット４５を挟んで封口し、パンチにより固定して、電池１が完成する。

以上の製造方法で製造した本実施形態の電池１は、負極集電体１０の中心部が上方に突出して凸部２０が形成されているので、絶縁部材がなくとも負極集電体１０の中心部が外装缶２の底板９と接触することを防止できる。したがって、缶底溶接工程において負極集電体１０の中心部での溶接電流のリークが防止され、外周部に設けられたプロジェクション３２が良好に溶接される。また、負極集電体１０の中心部が底板９と接触しないことからプロジェクション３２の高さを抑えることができる。これにより、缶底溶接時のプロジェクション３２の解け残りが防止され、缶底溶接工程後に負極集電体１０の外周部と外装缶２の底板９とを隙間なく密着させることができる。したがって、負極集電体１０と外装缶２の底板９との抵抗が抑制され、延いては電池１全体の内部抵抗を低減することができる。

また、負極集電体１０の凸部２０が突起部より上方に突出しているので、水素吸蔵合金負極板６とバーリング突起３１とが当接したときに凸部２０が巻回芯部８に嵌合することから、水素吸蔵合金負極板６と負極集電体１０とを溶接する場合に、電極群３と負極集電体１０との位置決めを容易に行うことができる。特に本実施形態では、凸部２０が略隙間がないように巻回芯部８に嵌合されるので、電極群３と負極集電体１０との位置決め精度を向上させることができる。したがって、このように電極群３と負極集電体１０との位置決め精度が向上することで、溶接後の抵抗値のバラツキも抑制することができる。

電極群３と負極集電体１０との位置決めについては、上記のように巻回芯部８の中心と負極集電体１０の中心とを一致させることが望ましい。このように配置される条件としては、電極群３の真円度の確保が上げられるが、極板長さが長く巻回数が多くなるような電極群３の外径が２４ｍｍ以上の単２型以上の電池サイズが適している。電極群３の真円度が十分に確保されない場合には、電極群３の形状に合わせて負極集電体１０形状を設定することで、巻回芯部８と負極集電体１０との位置決め精度を確保することができる。

次に、図６を用いて、本発明の第２の実施形態を説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態の缶底溶接前の状態を示す缶底部の断面図である。以下、第１の実施形態との相違点のみ説明する。
図６に示すように、第２の実施形態では、負極集電体５０の中心部に凸部が形成されず、外装缶２の底板９の中心部が下方(外方)に突出し、底板９の中心部の内面に凹部５１が形成されている。

第２の実施形態では、このような形状により、第１の実施形態と同様に、絶縁部材がなくとも缶底溶接時に負極集電体５０の中心部が外装缶２の底板９と接触することを防止でき、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、以上の第１及び第２の実施形態では、外装缶２の底板９に負極集電体１０、５０が接続する電池に本発明を採用し、負極集電体１０、５０に凸部２０を設けたが、外装缶２の底板９に正極集電体１１が接続されるような電池においても、本発明を適用することができる。この場合には、正極集電体１１に凸部２０を設ければよい。

上記の製造方法により負極集電体溶接の工程まで終えた第１の実施形態の電極群Ａを３０個作製した。
本実施例では、厚さ０．４５ｍｍ、長さ７００ｍｍのニッケル正極板５と、厚さ０．２５ｍｍ、長さ８００ｍｍの水素吸蔵合金負極板６を使用して、巻回芯部８の内径が６ｍｍ、全体の外径が３０ｍｍの電極群３が作製された。負極集電体１０は、厚さ０.４ｍｍ、直径が２９．８ｍｍの円板状に形成され、プロジェクション３１の高さは０．３５ｍｍ、凸部２０の直径は５．８ｍｍ、高さが０．４５ｍｍに設定されている。正極集電体１１は、厚さ０.４ｍｍ、直径が２９ｍｍの円板状に形成されている。バーリング突起３１は、負極集電体１０及び正極集電体１１のいずれにおいても、直径２ｍｍ、高さ０．４ｍｍ、厚みが０.１２ｍｍに設定されている。

缶底溶接工程での、加圧機４２による電極群３を押圧する加圧力は３０kgf、溶接電極棒４０で負極集電体１０の凸部２０を押圧する加圧力は２０kgfに設定し、缶底溶接時における通電時間は８msec、通電電流値は１２kAに設定した。
比較例
従来の電池の製造方法により負極集電体溶接の工程まで終えた電極群Ｂを比較例として３０個作成した。

図７は比較例の缶底部の構造を示す断面図である。以下、上記実施例との相違点のみ説明する。
図７に示すように、比較例の負極集電体６１は、中心部に凸部が形成されておらず、外周部と同じ高さになっている。
そして、実施例の電極群Ａと比較例の電極群Ｂとで、巻回芯部８の中心と負極集電体１０、６１の中心とのズレ（集電体位置ズレ量）を計測し、結果を表１に示した。

表１に示すように、集電体位置ズレ量(ｍｍ)は、Ｍin.(最小値)、Ｍax.（最大値）、Ａve.（平均値）のいずれも、電極群Ｂ(比較例)に対して電極群Ａ(実施例)が減少し、負極集電体溶接時の位置精度が向上することがわかった。
次に、完成した実施例の電池Ａと比較例の電池Ｂとで、抵抗値を計測した。
図７に示すように、比較例の電池Ｂでは、缶底溶接工程で、負極集電体６１と外装缶２の底板９とが中心部で接触しないように、負極集電体６１と底板９との間に絶縁体６２を挿入している。絶縁体６２は、巻回芯部８と略同径の円板状に形成されており、中心が巻回芯部８の中心と一致するように配置されている。

図８は、抵抗値の計測要領の説明図であり、一例として比較例での電池Ｂの抵抗値の計測要領を示す。
まず、完成した実施例及び比較例の電池Ａ、Ｂを夫々１０個、２５℃の温度雰囲気で１２００mAhで６時間充電し、同電流値で終止電圧０．８Vまで放電させる充放電サイクルを１０回繰り返した。次に、図８に示すように、外装缶２の側面の缶底近傍部を一部切り欠き、負極集電体６１及び外装缶２に夫々電圧測定用のリード７０を取り付けた。なお、実施例の電池Ａでも同様にリード７０を取り付ける。その後、６Ａで３０minの充電を実施した。そして、４０Ａ放電→４０Ａ充電→８０Ａ放電→８０Ａ放電→１２０Ａ放電→１２０Ａ充電→１６０Ａ放電→１６０Ａ充電の順番で、夫々１０分間の休止を挟みながら１０秒間ずつ通電し、夫々１０秒目の電池電圧を測定した。放電電流を横軸、１０秒後電圧を縦軸とし、Ｖ−Ｉ直線を求め、その傾きより抵抗値を求めて、その結果を表２に示した。

表２に示すように、実施例の電池Ａでは、絶縁部材６２を使用しなくとも、比較例と同等の抵抗値の低減効果が得られるとともに、抵抗値のバラツキが抑制されることが判明した。

本発明に係る円筒型電池の全体構造を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態の缶底部の構造を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態の負極集電体の構造を示し、Ａ）は上面図、Ｂ）は正面図、Ｃ）は下面図である。 本発明の第１の実施形態の缶底溶接前の状態を示す缶底部の断面図である。 缶底溶接の要領を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態の缶底溶接前の状態を示す缶底部の断面図である。 比較例の電池の缶底部の構造を示す断面図である。 比較例の電池の缶底部の構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 電池
２ 外装缶
３ 電極群
５ ニッケル正極板
６ 水素吸蔵合金負極板
７ セパレータ
９ 底板
１０ 負極集電体
２０ 凸部
３１ バーリング突起
３２ プロジェクション

Claims (4)

1. 正極極板及び負極極板をセパレータを介して渦巻状に巻回して形成され、巻回芯部が中空の電極群と、前記電極群を収納する有底円筒状の外装缶と、前記外装缶の内底と前記電極群との間に配置され、前記外装缶と前記電極群とを電気接続する集電体と、を有する円筒型電池において、
   前記集電体は、上面に前記正極極板及び負極極板の何れか一方と接続する複数の突起部を有するとともに、中心部が上方に突出して形成された凸部を有する一方、下面に前記外装缶の内底と接続する複数のプロジェクションが形成されたことを特徴とする円筒型電池。
2. 前記集電体の凸部は、前記突起部より上方に突出するとともに、前記巻回芯部より細く形成されたことを特徴とする請求項１に記載の円筒型電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の円筒型電池の製造方法であって、
   前記凸部と前記巻回芯部とを嵌合して前記集電体と前記電極群とを位置決めし、前記正極極板及び負極極板の何れか一方と前記集電体とを溶接する集電体溶接行程と、
   前記集電体のプロジェクションと前記外装缶の内底とを溶接する缶底溶接行程と、
   を有することを特徴とする円筒型電池の製造方法。
4. 正極極板及び負極極板をセパレータを介して渦巻状に巻回して形成され、巻回芯部が中空の電極群と、前記電極群を収納する有底円筒状の外装缶と、前記外装缶の内底と前記電極群との間に配置され、前記外装缶と前記電極群とを電気接続する集電体と、を有する円筒型電池において、
   前記集電体は、上面に前記正極極板及び負極極板の何れか一方と接続する複数の突起部を有する一方、下面に前記外装缶の内底と接続する複数のプロジェクションが形成されるとともに、前記外装缶の底板は中心部が下方に突出して形成され、
   当該下方に突出して形成された部分と前記集電体とが溶接されていないことを特徴とする円筒型電池。
   
   

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