JP5355929B2 - 密閉型電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
(1)レーザ溶接法(下記特許文献1参照)
(2)超音波溶接法(下記特許文献2参照)
(3)抵抗溶接法(下記特許文献3参照)
一方の端部に積層された正極芯体の露出部を有し、他方の端部に積層された負極芯体の露出部を有する偏平状の電極体を備え、
前記積層された正極芯体の露出部及び前記積層された負極芯体の露出部の少なくとも一方の積層された芯体の露出部において、前記芯体の積層方向における一方の最外面に集電体が取り付けられ、他方の最外面に集電体受け部品が取り付けられた密閉型電池であって、
前記集電体と前記集電体受け部品とが取り付けられている前記積層された芯体、前記集電体及び前記集電体受け部品は、正極側及び負極側の少なくとも一方が、それぞれ銅又は銅合金製、あるいはアルミニウム又はアルミニウム合金製であり、
前記集電体及び集電体受け部品はそれぞれ、前記少なくとも一方の積層された芯体の露出部の積層方向における最外面の外側に配置されると共に前記少なくとも一方の積層された芯体の露出部の積層方向における最外面に抵抗溶接された部分を含む平坦部と、前記平坦部から延びており、前記少なくとも一方の積層された芯体の根本側に前記少なくとも一方の積層された芯体から離間する方向に折り曲げられた第1の折り曲げ部を備えていることを特徴とする。
(1)一方の端部にアルミニウム又はアルミニウム合金製の積層された正極芯体の露出部を有し、他方の端部に銅又は銅合金製の積層された負極芯体の露出部を有する偏平状の電極体を形成する工程、
(2)前記積層された正極芯体の露出部及び前記積層された負極芯体の露出部の少なくとも一方の積層された芯体の露出部において、
芯体の積層方向における一方の最外面に、平坦部と、前記平坦部から延びており、前記少なくとも一方の積層された芯体の露出部の根本側に前記少なくとも一方の積層された芯体の露出部から離間する方向に折り曲げられた第1の折り曲げ部を備えた銅又は銅合金製、あるいはアルミニウム又はアルミニウム合金製の集電体を当接し、
他方の最外面に、平坦部と、前記平坦部から延びており、前記少なくとも一方の積層された芯体の露出部の根本側に前記少なくとも一方の積層された芯体の露出部から離間する方向に折り曲げられた第1の折り曲げ部を備えた銅又は銅合金製、あるいはアルミニウム又はアルミニウム合金製の集電体受け部品を当接する工程、
(3)前記集電体及び集電体受け部品を、抵抗溶接用電極棒で互いに押圧した状態で、前記抵抗溶接用電極棒間に電流を流して抵抗溶接する工程。
前記(3)の工程において、電流密度100A/mm2以上の電流を流して抵抗溶接することすることが好ましい。
[正極板の作製]
正極板は次のようにして作製した。まず、正極活物質としてのコバルト酸リチウム(LiCoO2)粉末94質量%と、導電剤としてのアセチレンブラックあるいはグラファイト等の炭素系粉末3質量%と、ポリビニリデンフルオライド(PVdF)よりなる結着剤3質量%とを混合し、得られた混合物にN−メチル−2−ピロリドン(NMP)からなる有機溶剤を加えて混練して正極活物質合剤スラリーを調製した。次いで、アルミニウム箔(例えば、厚さが20μmのもの)からなる正極芯体を用意し、上述のようにして作製した正極活物質合剤スラリーを正極芯体の両面に、均一に塗布して正極活物質合剤層を塗布した。この際、正極活物質合剤層の一方側には、正極活物質合剤スラリーの塗布されていない所定幅(ここでは12mmとした)の非塗布部(正極芯体露出部)が正極芯体の端縁に沿って形成されるように塗布した。この後、正極活物質合剤層を形成した正極芯体を乾燥機中を通過させて、スラリー作製時に必要であったNMPを除去して乾燥させた。乾燥後に、ロールプレス機により厚みが0.06mmとなるまで圧延して正極板を作製した。このようにして作製した正極板を幅が100mmとなる短冊状に切り出し、幅が10mmの帯状のアルミニウムからなる正極芯体露出部を設けた正極板を得た。
負極板は次のようにして作製した。まず、負極活物質としての天然黒鉛粉末98質量%と、結着剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)及びスチレン−ブタジエンゴム(SBR)をそれぞれ1質量%ずつ混合し、水を加えて混練して負極活物質合剤スラリーを調製した。次いで、銅箔(例えば、厚みが12μmのもの)からなる負極芯体を用意し、上述のようにして作製した負極活物質合剤スラリーを負極芯体の両面に均一に塗布して、負極活物質合剤層を形成した。この場合、負極活物質合剤層の一方の側には、負極活物質合剤スラリーの塗布されていない所定幅(ここでは10mmとした)の非塗布部(負極芯体露出部)が負極芯体の端縁に沿って形成されるように塗布した。この後、負極活物質合剤層を形成した負極芯体を乾燥機中を通過させて乾燥させた。乾燥後に、ロールプレス機により厚みが0.05mmとなるまで圧延して負極板を作製した。このようにして作製した負極板を幅が110mmとなる短冊状に切り出し、幅が8mmの帯状の負極芯体露出部を設けた負極板を得た。
上述のようにして得られた正極板の正極芯体露出部と負極板の負極芯体露出部とがそれぞれ対向する電極の活物質合剤層と重ならないようにずらして、ポリエチレン製の多孔質セパレータ(厚みが0.022mmで、幅が100mmのもの)を介して巻回し、両側にそれぞれ複数のアルミニウム箔からなる正極芯体露出部14と、銅箔からなる負極芯体露出部15が形成された実施例及び比較例で使用する偏平状の巻き取り電極体11を作製した。この正極芯体露出部14及び負極芯体露出部15におけるそれぞれの芯体数は、巻き取り電極体11の設計容量によって変化するが、一般的には数十枚〜数百枚積層された状態となっている。
このようにして作製された偏平状の巻き取り電極体11の負極芯体露出部15には銅製の負極集電体181及び負極集電体受け部品182を抵抗溶接によって取り付けるが、実施例1、実施例2及び比較例1のそれぞれにおいて銅製の負極集電体181及び負極集電体受け部品182の形状を種々変更して抵抗溶接を行った。なお、負極集電体181と負極集電体受け部品182とは実施例1、実施例2及び比較例1ごとに互いに同一形状かつ同一寸法のものを用いているので、以下においては負極集電体181の場合に代表させてその具体的構成を説明することとする。
実施例1で使用した銅製の負極集電体181は、図2に示したように、負極芯体露出部15と接している平坦部18aと、この平坦部18aから延びており、負極芯体露出部15の根本側(巻き取り電極体11側)に負極芯体露出部15から上方に離間する方向に折り曲げられた第1の折り曲げ部18bと、負極芯体露出部15の先端側に上方に折り曲げられた第2の折り曲げ部18cとを備えている。この負極集電体181は、断面が実質的に拡幅U字状となっており、平坦部18aと第1の折り曲げ部18bとの外面及び平坦部18aと第2の折り曲げ部18cとの境界部の外面はRが付いた状態(曲線状態)となっている。ここで使用した負極集電体181の厚さは1.2mmであり、また、負極集電体181の平坦部18aの中央部には負極集電体受け部品182側に向かって高さ0.2mmの突起(プロジェクション)18dが形成されている。
実施例2としては、図6に示したように、負極集電体181'及び負極集電体受け部品182'として実施例1で使用した負極集電体181及び負極集電体受け部品182において第2の折り曲げ部18cを取り去ったものを使用し、その他の条件は実施例1の場合と同様にして抵抗溶接を行った。この場合、第2の折り曲げ部18cが存在しないためにこの部分での放熱が不十分となり、負極集電体181'(及び負極集電体受け部品182')のエッジ部Xが溶解すると共に、負極集電体181'と抵抗溶接棒31aとが融接してしまった。このようにエッジ部Xが溶解してしまうと、その部分が変色するだけでなく、融解した金属やスパークによって発生した導電性の金属粒子が巻き取り電極体11の内部に浸入して内部短絡を起こす可能性が生じる。
比較例1としては、図9に示したように、負極集電体181"及び負極集電体受け部品182"として、実施例1で使用した負極集電体181及び負極集電体受け部品182において第1及び第2の折り曲げ部18b、18cを取り去ったものを使用し、その他の条件は実施例1の場合と同様にして抵抗溶接を行った。この場合、第1及び第2の折り曲げ部18b、18cが存在しないためにこの部分での放熱が不十分となり、負極集電体181"のエッジ部Xが溶解するだけでなく、負極集電体181"の巻き取り電極体11側のエッジ部Y側も溶解してしまい、更に、負極集電体181'と抵抗溶接棒31aとが融接してしまった。特に負極集電体181"の巻き取り電極体11側のエッジ部Y側が溶解してしまうと、負極芯体露出部15の根本側が溶解して穴が開いてしまうし、融解した金属やスパークによって発生した導電性の金属粒子が巻き取り電極体11の内部に浸入して内部短絡を起こす可能性がより大きくなってしまう。
実施例3として、アルミニウム製の正極芯体露出部14に接続するアルミニウム製の正極集電体16及び正極集電体受け部品についても、平坦部16a、第1の折り曲げ部16b及び第2の折り曲げ部16cを有する実施例1と同様の形状のものを用いて実験を行った。実施例3の効果を再確認するため、有限要素法を用いて溶接時の温度分布をシミュレーションにより計算した結果を図10及び図11に示す。図10及び図11においては、白色の部分が最も温度が高く、黒色の部分が最も温度が低いことを示している。この図10及び図11に示した結果から、正極集電体16のエッジ部Xでの高温化が防止できており、第1の折り曲げ部16b及び第2の折り曲げ部16cの熱バランスも均等化されていることが確認できる。このように、アルミニウム製の正極集電体についても、実施例1と同様の効果が得られることが分かる。
実施例4として、正極芯体露出部14に接続するアルミニウム製の正極集電体16'及び正極集電体受け部品についても、実施例2と同様の形状で実験を行った。実施例4の効果を再確認するため、有限要素法を用いて溶接時の温度分布をシミュレーションにより計算した結果を図12及び図13に示す。この図12及び図13に示した結果から、正極集電体16'の第1の折り曲げ部16b側では放熱効果が良好なため、温度上昇が抑えられているが、エッジ部X側では抵抗溶接部と同レベルの高温になっており、これにより正極集電体16'のエッジ部Xと正極芯体露出部14の先端部との間で融接が発生し、また正極集電体16'が必要以上に高温になるため、抵抗溶接用電極棒31aと正極集電体16'との融接も発生することが確認できた。ただし、上述の比較例1と比べると、第1の折り曲げ部16b側の溶解が防げるため、比較例1の場合よりは有利な効果が得られる。
14:正極芯体露出部 15:負極芯体露出部 16、16':正極集電体 16a:平坦部 16b:第1の折り曲げ部 16c:第2の折り曲げ部 17:正極端子 181、181'、181":負極集電体 182、182'、182":負極集電体受け部品 18a:平坦部 18b:第1の折り曲げ部 18c:第2の折り曲げ部 18d:突起(プロジェクション) 19:負極端子 31a、31b:抵抗溶接用電極棒
Claims (10)
- 一方の端部に積層された正極芯体の露出部を有し、他方の端部に積層された負極芯体の露出部を有する偏平状の電極体を備え、
前記積層された正極芯体の露出部及び前記積層された負極芯体の露出部の少なくとも一方の積層された芯体の露出部において、前記芯体の積層方向における一方の最外面に集電体が取り付けられ、他方の最外面に集電体受け部品が取り付けられた密閉型電池であって、
前記集電体と前記集電体受け部品とが取り付けられている前記積層された芯体、前記集電体及び前記集電体受け部品は、正極側及び負極側の少なくとも一方が、それぞれ銅又は銅合金製、あるいはアルミニウム又はアルミニウム合金製であり、
前記集電体及び集電体受け部品はそれぞれ、前記少なくとも一方の積層された芯体の露出部の積層方向における最外面の外側に配置されると共に前記少なくとも一方の積層された芯体の露出部の積層方向における最外面に抵抗溶接された部分を含む平坦部と、前記平坦部から延びており、前記少なくとも一方の積層された芯体の根本側に前記少なくとも一方の積層された芯体から離間する方向に折り曲げられた第1の折り曲げ部を備えていることを特徴とする密閉型電池。 - 前記偏平状の電極体は、巻回電極体であり、
前記積層された正極芯体の露出部は、前記正極芯体の露出部が巻回されることにより積層されており、
前記積層された負極芯体の露出部は、前記負極芯体の露出部が巻回されることにより積層されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の密閉型電池。 - 前記集電体及び前記集電体受け部品は、前記少なくとも一方の積層された芯体の先端側に第2の折り曲げ部を備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の密閉型電池。
- 前記集電体と前記集電体受け部品とが取り付けられている前記積層された芯体、前記集電体及び前記集電体受け部品は、負極側であり、それぞれ銅又は銅合金製であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の密閉型電池。
- 前記集電体及び集電体受け部品の平坦部の抵抗溶接された部分は少なくとも2箇所であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の密閉型電池。
- 前記密閉型電池はリチウムイオン非水電解質二次電池であり、
開口部を有する電池外装缶と、
前記開口部を封止する封口板と、
前記正極芯体に電気的に接続され、前記封口板に絶縁部材を介して固定される正極端子と、
前記負極芯体に電気的に接続され、前記封口板に絶縁部材を介して固定される負極端子と、
を備え、
前記偏平状の電極体は、巻回電極体であり、
前記巻回電極体は、前記巻回電極体の巻回軸が前記封口板と平行になるように、前記電池外装缶に収納されている、
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の密閉型電池。 - 以下の(1)〜(3)の工程を含むことを特徴とする密閉型電池の製造方法。
(1)一方の端部にアルミニウム又はアルミニウム合金製の積層された正極芯体の露出部を有し、他方の端部に銅又は銅合金製の積層された負極芯体の露出部を有する偏平状の電極体を形成する工程、
(2)前記積層された正極芯体の露出部及び前記積層された負極芯体の露出部の少なくとも一方の積層された芯体の露出部において、
芯体の積層方向における一方の最外面に、平坦部と、前記平坦部から延びており、前記少なくとも一方の積層された芯体の露出部の根本側に前記少なくとも一方の積層された芯体の露出部から離間する方向に折り曲げられた第1の折り曲げ部を備えた銅又は銅合金製、あるいはアルミニウム又はアルミニウム合金製の集電体を当接し、
他方の最外面に、平坦部と、前記平坦部から延びており、前記少なくとも一方の積層された芯体の露出部の根本側に前記少なくとも一方の積層された芯体の露出部から離間する方向に折り曲げられた第1の折り曲げ部を備えた銅又は銅合金製、あるいはアルミニウム又はアルミニウム合金製の集電体受け部品を当接する工程、
(3)前記集電体及び集電体受け部品を、抵抗溶接用電極棒で互いに押圧した状態で、前記抵抗溶接用電極棒間に電流を流して抵抗溶接する工程。 - 前記(1)の工程において、前記偏平状の電極体は、巻回電極体であり、
前記積層された正極芯体の露出部は、正極芯体の露出部が巻回されることにより積層されており、
前記積層された負極芯体の露出部は、負極芯体の露出部が巻回されることにより積層されている、
ことを特徴とする請求項7に記載の密閉型電池の製造方法。 - 前記(2)の工程において、前記集電体及び集電体受け部品として前記少なくとも一方の積層された芯体の露出部の先端側に設けられた第2の折り曲げ部を備えているものを用いることを特徴とする請求項7又は8に記載の密閉型電池の製造方法。
- 前記(2)の工程において、前記集電体及び集電体受け部品の少なくとも一方側の平坦部には他方に向かって突出する突起が形成されたものを使用し、
前記(3)の工程において、電流密度100A/mm2以上の電流を流して抵抗溶接することを特徴とする請求項7〜9のいずれかに記載の密閉型電池の製造方法。
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