JP5346831B2 - 二次電池およびその製造方法 - Google Patents
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Description
このため、バリが発生しやすい正極シートにおける正極リードが設けられた長手方向の一側辺と反対側の側辺を、隣接するセパレータを折り返して被覆するようにした構造とするものが知られている。このようにすれば、バリ等が2枚のセパレータを突き破る虞がなくなり、内部短絡を防止することができる、としている(例えば、特許文献1参照)。
上述した先行文献に記載された発明では、この現象により生じる内部短絡は解決しない。
以下、この発明の二次電池を、リチウムイオン円筒形二次電池を一実施形態として図面と共に説明する。
図1は、この発明の円筒形二次電池の一実施形態を示す拡大断面図であり、図2は、図1に示された円筒形二次電池の分解斜視図である。
円筒形二次電池1は、例えば、外形40mmφ、高さ100mmの寸法を有する。この円筒形二次電池1は、上部が開口された有底円筒形の電池缶2および電池缶2の上部を封口するハット型の上蓋(蓋部材)3で構成される電池容器4の内部に、以下に説明する発電用の各構成部材が収容されたものである。
10は、電極群であり、中央部に軸芯15を有し、軸芯15の周囲に正極電極および負極電極が捲回されている。図3は、電極群10の構造の詳細を示し、一部を切断した状態の斜視図である。図3に図示されるように、電極群10は、軸芯15の周囲に、正極電極11、負極電極12、および第1、第2のセパレータ13、14が捲回された構成を有する。
WS>WC>WA(図3参照)
すなわち、正極合剤11bの幅WAよりも、常に、負極合剤12bの幅WCが大きい。これは、リチウムイオン二次電池の場合、正極活物質であるリチウムがイオン化してセパレータを浸透するが、負極側に負極活物質が形成されておらず負極シート12bが表出していると負極シート12aにリチウムが析出し、内部短絡を発生する原因となるからである。
図1および図3において、中空な円筒形状の軸芯15は軸方向(図面の上下方向)の上端部の内面に径大の溝15aが形成され、この溝15aに正極集電部材27が圧入されている。正極集電部材27は、例えば、アルミニウムにより形成され、円盤状の基部27a、この基部27aの内周部において軸芯15側に向かって突出し、軸芯15の内面に圧入される下部筒部27b、および外周縁において上蓋3側に突き出す上部筒部27cを有する。正極集電部材27の基部27aには、電池内部で発生するガスを放出するための開口部27d(図2参照)が形成されている。
また、正極集電部材27をアルミニウムで形成することにより、正極シート11aの正極リード16を超音波溶接またはスポット溶接等により溶接することが可能となる。
負極シート12aの負極リード17は、すべて、負極集電部材21の外周筒部21cに超音波溶接等により溶接される。各負極リード17は大変薄いため、大電流を取りだすために、軸芯15への巻き始めから巻き終わりまで全長にわたり、所定間隔で多数形成されている。
電池缶2の底部内面2b上および電池缶2の底部内面2bに溶接された負極通電リード23上には、熱硬化樹脂層25が形成されている。熱硬化樹脂層25の厚さは数十μm〜数mmである。熱硬化樹脂層25には、形状およびサイズが異なる多数の異物29が付着し、熱硬化樹脂層25に固定されている。また、軸芯15の段部15bには、電池缶2の段部底部内面2b近傍に、軸芯15の中空部から軸芯15の外部に連通する開口部15cが形成されている。熱硬化樹脂層25の作用および軸芯15の開口部15cの機能についての詳細は後述する。
絶縁板34は、円形の開口部34aを有する絶縁性樹脂材料からなるリング形状を有し、正極集電部材27の上部筒部27c上に載置されている。
なお、上蓋3が鉄で形成されている場合には、別の円筒形二次電池と直列に接合する際、鉄で形成された別の円筒形二次電池とスポット溶接により接合することが可能である。
次に、上記構成の円筒形二次電池の製造方法の一例を説明する。
図5は、上記円筒形二次電池を製造する方法を示すフローチャートである。
以下、図5を参照して、本発明の二次電池の製造方法の一実施形態を説明する。
先ず、工程P101に示す如く、電極群10を作製する。
正極シート11aの両面に、正極合剤11bおよび正極合剤未処理部11cが形成され、また、多数の正極リード16が正極シート11aに一体に形成された正極電極11を作製する。また、負極シート12aの両面に負極合剤12bおよび負極処理部12cが形成され、多数の負極リード17が負極シート12aに一体に形成された負極電極12を作製する。
次に、工程P101で作製した電極群10を用いて、工程P102に示す如く発電ユニット20を作製する。
電極群10の軸芯15の下部に負極集電部材21を取り付ける。負極集電部材21の取り付けは、負極集電部材21の開口部21bを軸芯15の下端部に設けられた段部15bに嵌入して行う。次に、負極集電部材21の外周筒部21cの外周の全周囲に亘り、負極リード17をほぼ均等に配分して密着し、負極リード17の外周に押え部材22を巻き付ける。そして、超音波溶接等により、負極集電部材21に負極リード17および押え部材22を溶接する。次に、軸芯15の下端面と負極集電部材21とに跨る負極通電リード23を負極集電部材21に溶接する。
次に、工程P102で作製した発電ユニット20を、工程P103に示す如く電池缶2に収容する。
発電ユニット20を収容可能なサイズを有する金属製の有底円筒部材に、上述の工程を経て作製された発電ユニット20を収容する。有底円筒部材は、電池缶2となるものである。以下において、説明を簡素にして明瞭にするために、この有底円筒部材を電池缶2として説明する。
次に、工程P104に示す如く、発電ユニット20の負極側を電池缶2に溶接する。
電池缶2内に収納した発電ユニット20の負極通電リード23を、電池缶2の底部内面2bに抵抗溶接等により溶接する。この場合、図示はしないが、電池缶2の外部から、軸芯15の中空軸に電極棒を挿通し、電極棒により負極通電リード23を電池缶2の底部内面2bに押し付けて溶接する。
電池缶2の溝2aは、発電ユニット20の上端部、換言すれば、正極集電部材27の上端部近傍に位置するように形成する。なお、この工程において形成する溝2aは、後述する如く、最終的な形状またはサイズではなく、仮の形状またはサイズのものである。
次に、工程P105に示す如く、電池缶2の底部内面に熱硬化樹脂を形成する。
工程P104において、発電ユニット20の負極集電部材21に溶接された負極通電リード23を電池缶2の底部内面2bに溶接した後、熱硬化樹脂溶液を軸芯15の上端側の中空部から注入する。熱硬化樹脂溶液は電池缶2の底部内面2bに接合された部分の負極通電リード23上に広がる。また、熱硬化樹脂溶液は、軸芯15の開口部15cから軸芯15の外部に流出して電池缶2の底部内面2b上に広がる。そして、電池缶2の底部内面2bに接合された部分の負極通電リード23上および電池缶2の底部内面2b上に、ほぼ均一な厚さの熱硬化樹脂層25が形成される。熱硬化樹脂層25の材料としては、例えば、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂等を用いることができる。また、熱硬化樹脂層25は、厚さ数十μm〜数mmとすればよい。この場合、熱硬化樹脂層25は、数十μmより薄くしても差し支えない。
次に、工程P106に示す如く、熱硬化樹脂層25が形成された電池缶2の内部に、非水電解液を所定量注入する。
非水電解液の一例としては、前述した如く、リチウム塩がカーボネート系溶媒に溶解した溶液を用いることが好ましい。リチウム塩の例として、フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、フッ化ホウ酸リチウム(LiBF6)、等が挙げられる。また、カーボネート系溶媒の例として、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、プロピレンカーボネート(PC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、或いは上記溶媒の1種類以上から選ばれる溶媒を混合したもの、が挙げられる。
一方、工程P101〜工程P106とは別に、工程P110に示すように蓋ユニット30を作製しておく。
蓋ユニット30は、前述した如く、絶縁板34、絶縁板34に設けられた開口部34aに嵌入された接続板35、接続板35に溶接されたダイアフラム37およびダイアフラム37にかしめにより固定された上蓋3により構成されている。
次に、工程P121に示す如く、発電ユニット20の正極側と工程P110で作製した蓋ユニット30とを電気的に接続する。
正極集電部材27の基部27aに接続部材45の一端部を、例えば、超音波溶接等により溶接する。そして、上蓋3、ダイアフラム37、接続板35および絶縁板34が一体化された蓋ユニット30を、接続部材45の他端部に近接して配置する。次に、接続部材45の他端部を接続板35の下面に、レーザ溶接により溶接する。この溶接は、接続部材45の他端部における接続板35との接合面が、正極集電部材27に溶接された接続部材45の一端部の接合面と同じ面となるようにして行う。
次に、工程P122に示す如く、電池缶2に収容された発電ユニット20の正極集電部材27に電気的に接続された蓋ユニット30を電池缶2に固定することにより電池缶2を封口する。
電池缶2の溝2aの上にガスケット43を収容する。この状態におけるガスケット43は、図2に図示するように、リング状の基部43aの上方に、基部43aに対して垂直な外周壁部43bを有する構造となっている。この構造で、ガスケット43は、電池缶2の溝2a上部の内側に留まっている。ガスケット43は、ゴムで形成されており、限定する意図ではないが、1つの好ましい材料の例として、エチレンプロピレン共重合体(EPDM)をあげることができる。また、例えば、電池缶2が厚さ0.5mmの炭素鋼製で、外径が40mmΦの場合、ガスケット43の厚さは10mm程度とされる。
これにより、ダイアフラム37、上蓋3、接続板35および絶縁板34が一体化された蓋ユニット30が、ガスケット43を介して電池缶2に固定され、また、正極集電部材27と上蓋3が接続部材45、接続板35およびダイアフラム37を介して導電接続され、図1に図示された円筒形二次電池1が作製される。
次に、工程P123に示す如く、非水電解液中に混入された異物を沈降させる。
前述した如く、正極シート11および負極シート12の作製工程に発生し発電ユニットに付着していた異物、電池缶2の加工工程中に発生し電池缶2内に付着した異物、あるいは電池缶を封口する際に発生した異物等が、非水電解液中に混入する。これらの異物を沈降させ、電池缶2の底部内面2bに付着させるために所定時間、例えば、数分〜数十分の間、組立が完成した円筒形二次電池1を、底部側を下方にして静止状態に維持する。この工程P123は、内部短絡の発生に影響を及ぼすサイズの異物を沈降させればよく、内部短絡の発生に影響する確率が極めて小さい微小なサイズの異物を含め、すべての異物が沈降するような長い時間をかける必要はない。
次に、工程P124に示す如く、熱硬化型接着層25を硬化させる。
熱硬化型接着層25のガラス転移点は材料により相違するが、例えば、2液性エポキシ樹脂の場合、45℃〜90℃の温度に1〜3時間程度、ヒータにより加熱して熱硬化接着層25の硬化処理を行う。この硬化処理によって、熱硬化型接着層25に付着した異物26は、図4に図示されるように、熱硬化型接着層25に固定される。
2 電池缶
3 上蓋
4 電池容器
10 電極群
11 正極電極
12 負極電極
13 第1のセパレータ
14 第2のセパレータ
15 軸芯
16 正極リード
17 負極リード
20 発電ユニット
21 負極集電部材
25 熱硬化樹脂層
27 正極集電部材
29 異物
30 蓋ユニット
34 絶縁板
35 接続板
37 ダイアフラム
43 ガスケット
45 接続部材
Claims (5)
- 電池容器内に、正極電極および負極電極を含む発電ユニットと電解液とが外部から密封して収容された二次電池であって、前記電池容器の底部内面に、前記電解液中に混入されている異物を固定するための熱硬化樹脂層が形成されていることを特徴とする二次電池。
- 請求項1に記載の二次電池において、前記熱硬化樹脂層は異物が固定された状態で硬化されていることを特徴とする二次電池。
- 請求項1または2のいずれか1項に記載の二次電池において、前記発電ユニットは、軸芯と、前記軸芯の周囲に前記正極電極および前記負極電極がセパレータを介して捲回された電極群を含み、前記軸芯は前記電池容器の底部側に前記熱硬化樹脂層を注入するための開口部を有することを特徴とする二次電池。
- 正極電極および負極電極を含む発電ユニットを、上部が開口された電池缶内に収容する工程と、
前記電池容器の底部内面に熱硬化樹脂層を形成する工程と、
前記電池容器内に電解液を注入する工程と、
前記電池缶の上部を蓋部材により封口する工程と、
前記熱硬化樹脂層を硬化させて前記電解液中に混入する異物を前記熱硬化樹脂に固定する工程と、
を含むことを特徴とする二次電池の製造方法。 - 請求項4に記載の二次電池の製造方法において、さらに、前記電池缶の上部を蓋部材により封口する工程と前記熱硬化樹脂層を硬化させて前記電解液中に混入する異物を前記熱硬化樹脂に固定する工程との間に、前記電池容器を、その底部を下方にして静止状態に維持する工程を含むことを特徴とする二次電池の製造方法。
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