JP5270910B2 - 蓄電池用正極集電体とタブの超音波溶接法 - Google Patents
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Description
即ち、発明者等は、アルミ箔から成る正極の集電体の厚みや破断強度などが異なるものを溶接条件を変えて、その夫々の正極の集電体の無地部にアルミ箔から成るタブを超音波溶接装置による溶接を試みたところ、該タブのホーン振動方向の幅方向の両側縁部と接する集電体の部分に金属疲労が残り、このような方法で作製した正極を用いたリチウムイオン電池では、機械的な衝撃や振動により、タブの端部付近で、アルミ箔集電体が破断することがある。このような現象はアルミ箔集電体が薄ければ薄いほど発生し易く、また、破断強度が低ければ低いほど発生し易く、特に、集電体の厚みが25μm以下で、破断強度が300N・mm-2以下の場合に特に発生し易いことが判明した。
本発明は、厚み25μm以下で破断強度が300N・mm-2以下のアルミ箔から成る正極集電体とアルミ箔から成るタブの接続を超音波溶接により行っても、ホーンの振動により集電体が破断されることなく円滑且つ安定強固に該集電体と該タブとの溶接を行うことができる超音波溶接方法を提供することにある。
本発明の超音波溶接方法に用いられる超音波溶接装置は、例えば、ラテラルドライブ式を用いる。該装置による蓄電池用電極集電体とタブの溶接方法は、一般に次のように行われる。即ち、該装置のアンビルの上に電極集電体の無地部を載せ、その上に溶接すべきタブを重ね、該タブを該装置のホーン(音極)により上方から加圧する。即ち、該電極集電体の無地部と該タブとを挟圧し、この状態で、該装置の振動子に高周波電流を流し、該振動子に発生した縦波を該ホーンに横波として伝え、その振動により該タブの表面をこすることにより生ずる摩擦熱により該タブを該電極集電体の無地部に溶接するように使用される。
リチウムイオン電池用の正極の集電体にタブを超音波溶接を溶接する試験を行うに当たり、正極集電体として、下記表1に示すような厚み及び破断強度(N・mm-2)を異にする実施例1〜4の4種類の長尺のアルミ箔と比較例1〜4の4種類の広幅長尺のアルミ箔を用意し、その夫々の両面に、通常の方法で正極活物質合剤の塗工用スラリーを、ダイコーダを用いて同時塗工し、オーブンで乾燥して、正極活物質合剤塗膜を形成し、これを所定の密度までプレスし、次いで所定のサイズ幅でスリットして、帯状極板の端部に所定の幅の集電体の無地部、即ち、正極活物質塗工層のない端部を有する正極板を夫々作製した。
上記の正極板Eの集電体3の表裏に塗布形成する塗工用のスラリー状の正極活物質としては、例えば、LiCoO2粉末91重量部、バインダーとしてポリ弗化ビニリデン樹脂4.0重量部、導電剤としてグラファイト粉末5.0重量部、分散剤としてN-メチルピロリドンを配合したものを、分散機にて撹拌混合することにより調製したものを使用した。該分散剤は、上記の正極板の作製におけるオーブンによる乾燥工程で除去される。
尚、リチウムイオン電池用の正極活物質として、LiMn2O4等のスピネル構造化合物や、一般にLiMO2で表せられるα-NaFeO2構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物等が利用できる。ここでMはCo,Ni,Al,Mn,Ti,Fe等から選ばれる1種若しくは2種類以上の金属元素である。更には、リチウムの挿入可能なMnO2やV2O5等の金属酸化物やTiS2やZnS2等の金属硫化物、電気化学的酸化還元活性を有するポリアニリンやポリピロール等のπ共役系高分子、分子内に硫黄-硫黄結合の形成-開裂を利用するジスルフィド化合物等を適宜、選択使用できる。
負極活物質として、例えば、人造黒鉛粉末を90重量部、バインダーとしてポリ弗化ビニリデン樹脂を10重量部、分散剤としてN-メチルピロリドンを配合したものを、分散機にて撹拌混合させることにより、負極活物質合剤の塗工用スラリーを調製した。次いで、上記の負極活物質合剤の塗工用スラリーを、ダイコータを用いて厚み10μm、所定の広幅長尺の銅合金箔から成る負極集電体に両面同時塗工し、オーブンで乾燥して分散剤を除去することにより負極活物質合剤塗膜を形成した。これを所定の密度にプレスし、所定サイズ幅でスリットして、極板の幅方向の端部に所定幅の集電体の無地部を有する負極板を8枚作製した。
尚、リチウムイオン電池用負極活物質として、金属リチウム若しくは各種リチウム合金、SnO2等各種金属酸化物、或いはリチウムを吸蔵放出可能な炭素材料を選択使用することができる。該炭素材料としては天然に産出される黒鉛若しくは有機原料を2000℃以上の高温で焼成し、グラファイト構造が発達した平坦な電位特性を有する黒鉛系炭素材料、或いは有機原料を1000℃以下の比較的低温で焼成し、黒鉛系材料よりも大きな充放電容量が期待できるコークス系炭素材料等を適宜、選択使用できる。
上記のように作製したアルミ箔から成るタブが溶接された8種類の比較試験用正極板の夫々と、上記のように作製した銅箔から成るタブが溶接された負極板の夫々とをポリエチレン系材料の不織布や多孔性フィルムから成るセパレータを介して積層捲回して極板群に組み立て、次いで、組み立てた8種類の該極板群の夫々につき、正極板のタブと負極板のタブを電槽の蓋に設けた正極端子と負極端子に夫々接続した後、その各極板群を電槽内に挿入すると共に蓋を電槽に溶接した。次いで、このように組み立てた各電池に、重量混合比3:7のエチレンカーボネートとジエチルカーボネートに六フッ化燐酸リチウムを1.3Mol/lになるように溶解した有機電解液を注入し、注液口を封口した後、0.1CAの電流で所定の初充電、所定時間保管を行った後、0.2CAの電流でセル電圧が2.75Vになるまで放電し、最後に活性化処理を行い、実施例1〜4の4種類と比較例1〜4の4種類の合計8種類の比較試験用リチウムイオン電池を製造した。
また、一般に、有機電解液の溶質として用いるリチウム塩としては、電解液系リチウム二次電池で使用されているリチウム塩、例えば、六フッ化燐酸リチウム(LiPF6)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)等の無機リチウム塩、トリフルオロメチルスルホン酸リチウム(LiOSO2CF3)、ビス(トリフルオロメチルスルフォニル)イミドリチウム(LiN(CF3SO2)2)、ビス(パーフルオロエチルスルフォニル)イミドリチウム(LiN(CF5SO2)2)等の有機リチウム塩を、電解質ゲルの合成方法に即して適宜選択、使用することができる。
上記のように作製した8種類のリチウムイオン電池の夫々に、その各電池の短側面方向に、25gO-Pのハーフsin波形10msec間の衝撃を連続2回入力し、その衝撃の前後における各電池の内部インピーダンスを測定した。その結果を、下記表2に示す。
また、両者間の幅の差bとは、ホーンの周側面の形状が方形でなく、即ち、その両側縁が直線でなく、円形、楕円形、長円形など円弧状の線の場合には、その両側縁が対向する方形のタブの直線縁に最も接近する個所と該タブの直線縁との間の最も狭い幅の差bを意味する。
2 ホーン
3 電極の集電体
3a 集電体の無地部
4 タブ
E 電極、正極板
d ホーンの振動方向の幅
D タブの幅
b ホーンの幅の両側とタブの幅との間に夫々生ずる幅の差
A ホーンの振幅
Claims (1)
- 超音波溶接装置のアンビル上に載せた厚み25μm以下で破断強度300N・mm-2以下であるアルミ箔から成る正極の集電体の無地部に、アルミ箔から成るタブを重ね、これらの積層部をホーンにより上方から加圧し該アンビルと該ホーンとにより挟圧した状態で、該ホーンを振動させて該タブを該正極の集電体の無地部に溶接する超音波溶接方法において、該ホーンの振動方向の幅を該タブの幅より小さくし、且つ、該ホーンの幅と該タブの幅との間に該ホーンの振動方向の両側に夫々生ずる幅の差をホーンの振幅の10倍以上として溶接することを特徴とする蓄電池用正極の集電体とタブの超音波溶接法。
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