JP5482756B2 - 二次電池及び二次電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、正極と負極との間を絶縁してこれらを巻回、又は積層してなる電極体を備えた二次電池及びその製造方法に関する。

一般に、帯状の正極と帯状の負極との間に帯状のセパレータを介在させて、これらを渦巻き状に巻回して構成される電極体を備えた二次電池が知られている。正極及び負極には、活物質が塗布されている塗工部と、活物質が塗られていない未塗工部とが形成されている。正極及び負極は、セパレータを介して幅方向にずらして積層されるとともに、正極及び負極の未塗工部を、セパレータの両端縁からそれぞれ外側へ突出させた状態で渦巻き状に巻回される。そして、正極、負極及びセパレータが渦巻き状に巻回された後、正極、負極及びセパレータを径方向両側から圧縮することにより扁平状の電極体が形成される。電極体は、長径方向両端に位置する弧状に湾曲するように折り曲げられた両折り曲げ部と、長径方向に延びて両折り曲げ部同士を繋ぐ連結部とから形成されている。連結部を形成する正極及び負極の未塗工部の一部には集電端子が接合されている。そして、各集電端子が接合された電極体を、内部に電解液が注入されたケースに収容することで二次電池が構成されている（例えば特許文献１参照）。

特開平１０−２６１４４１号公報

ところで、このような二次電池の電極体において、連結部の一部には集電端子が接合されているため、連結部を形成する正極又は負極の層同士の間では電位差が生じ難くなっており、連結部での電極反応は均一に行われるようになっている。しかしながら、各折り曲げ部を形成する正極又は負極の層同士の間は離れているため、折り曲げ部を形成する正極又は負極の層同士の間で電位差が生じてしまうため、折り曲げ部での電極反応が不均一になってしまい、電極体全体として発生される電力の出力密度が低下してしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、電極体全体において正極又は負極の層同士の間で電位差が生じてしまう部位を極力減らして、電極体全体として電極反応を均一化させることができる二次電池及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、正極と負極との間を絶縁してこれらを巻回、又は積層してなる電極体を備え、前記正極及び前記負極それぞれに集電端子が設けられた二次電池であって、前記電極体には、前記電極体を形成する前記正極及び前記負極が折り曲げられる折り曲げ部が少なくとも一つ形成されており、前記折り曲げ部には、前記正極又は前記負極の層を少なくとも二つ以上跨ぐように接触する接触部を少なくとも一つ有する金属部材が設けられ、前記接触部は、前記金属部材における前記電極体側の面に形成され、且つ前記電極体側の面から離れるほど先細りするとともにその先端が尖っており、当該接触部が前記正極又は前記負極の層に接合されていることを要旨とする。

この発明によれば、金属部材の接触部が、折り曲げ部を形成する正極又は負極の層を少なくとも二つ以上跨ぐように接触しているため、折り曲げ部を形成する正極又は負極の層同士を接触部を介して電気的に接続することができる。よって、折り曲げ部に金属部材を設けない場合に比べると、折り曲げ部を形成する正極又は負極の層同士の間で電位差が生じてしまうことを抑制することができ、折り曲げ部での電極反応を均一にすることができる。その結果として、電極体全体において正極又は負極の層同士の間で電位差が生じてしまう部位を極力減らすことができ、電極体全体として電極反応を均一化させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記接触部は複数設けられていることを要旨とする。
この発明によれば、接触部が単数の場合に比べると、折り曲げ部を形成する正極又は負極の層を跨ぐように接触する部位を増やすことができる。よって、折り曲げ部を形成する正極又は負極の層同士を、各接触部を介して電気的に接続することができ、折り曲げ部を形成する正極又は負極の層の間で電位差が生じてしまうことをさらに防止し易くすることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記接触部は放射状に配置されていることを要旨とする。
この発明によれば、各接触部が放射状に配置されているため、折り曲げ部を形成する正極又は負極の各層と各接触部とを交差させ易くすることができ、折り曲げ部を形成する正極又は負極の各層と各接触部とを接触させ易くすることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載の発明において、前記金属部材には、その厚み方向を貫通する空隙が形成されるとともに、各接触部は、前記空隙を挟んだ両側に複数配置されていることを要旨とする。

例えば、金属部材と折り曲げ部を形成する正極又は負極の層とをインダイレクト溶接することで接合することが考えられる。この場合、インダイレクト溶接をする際に用いられる一方の溶接継手部を、空隙を挟んだ一方側に位置する一方の接触部と重合する金属部材の部位に当接させるとともに、他方の溶接継手部を、空隙を挟んだ他方側に位置する他方の接触部と重合する金属部材の部位に当接させ、各溶接継手部間に電流を流す。このとき、金属部材に空隙が形成されているため、一方の溶接継手部から流れた電流が金属部材を介して他方の溶接継手部に向けて流れ難くすることができ、一方の溶接継手部から流れた電流を、金属部材、一方の接触部、正極又は負極、他方の接触部、金属部材及び他方の溶接継手部の順に流すことができる。その結果、インダイレクト溶接により金属部材と折り曲げ部を形成する正極又は負極の層とを接合することが可能となる。

この発明によれば、電極体全体において正極又は負極の層同士の間で電位差が生じてしまう部位を極力減らして、電極体全体として電極反応を均一化させることができる。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記金属部材は、前記電極体から前記集電端子までの通電経路上には設けられていないことを要旨とする。
上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、正極と負極との間を絶縁してこれらを巻回、又は積層してなる電極体を備え、前記正極及び前記負極それぞれに集電端子が設けられた二次電池の製造方法であって、前記電極体に、前記正極及び前記負極が折り曲げられた折り曲げ部を少なくとも一つ形成し、金属部材に形成された接触部が前記正極又は前記負極の層を少なくとも二つ以上跨ぐように、前記金属部材を前記折り曲げ部に配置し、前記金属部材と前記電極体とを、前記金属部材側からインダイレクト溶接で溶接することにより、前記金属部材の接触部を前記正極又は前記負極の層に接合することを要旨とする。
請求項７に記載の発明は、前記金属部材にはその厚み方向を貫通する空隙が形成されているとともに、前記接触部は前記空隙を挟んだ両側に配置されており、前記接触部のうち前記空隙を挟んだ両側の前記接触部と重合する前記金属部材の部位に、第１溶接継手部と第２溶接継手部とを当接させるとともに、前記第１溶接継手部及び前記第２溶接継手部の間において電流を流すことで前記インダイレクト溶接をすることを要旨とする。

実施形態における二次電池の縦断面図。 電極体の一部を展開して示す斜視図。 金属部材の平面図。 図３におけるＡ−Ａ線断面図。 金属部材を電極体に取り付けた状態を模式的に示す斜視図。 接触部と電極体との関係を模式的に示す図。 集電端子及び電極体の一部を示す斜視図。 別の実施形態における金属部材を示す平面図。 図８におけるＢ−Ｂ線断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図７にしたがって説明する。
図１に示すように、二次電池１０は、電極体１１と、電極体１１を収容するケースＣと、ケースＣの蓋Ｆとから構成されている。ケースＣは一面が開口する有底矩形箱状をなすとともに、内部に電解液が注入されている。蓋Ｆには、正極端子Ｆ１及び負極端子Ｆ２が取り付けられている。

図２に示すように、電極体１１は、帯状の正極１２と帯状の負極１３との間に帯状のセパレータ１４を介在させて、これらを巻回軸Ｌ周りに渦巻き状に巻回して構成されている。正極１２はアルミニウムから形成されるとともに、負極１３は銅から形成されている。正極１２及び負極１３には、活物質が塗布されている塗工部１２ａ，１３ａと、活物質が塗布されていない未塗工部１２ｂ，１３ｂとが形成されている。

正極１２及び負極１３は、セパレータ１４を介して幅方向にずらして積層されるとともに、正極１２及び負極１３の未塗工部１２ｂ，１３ｂを、セパレータ１４の両端縁１４ａ，１４ｂからそれぞれ外側へ突出させた状態で巻回軸Ｌ周りに渦巻き状に巻回される。そして、正極１２、負極１３及びセパレータ１４が渦巻き状に巻回された後、正極１２、負極１３及びセパレータ１４を径方向両側から圧縮することにより扁平状の電極体１１が形成される。電極体１１は、長径方向（図２に示す矢印Ｙ１の方向）両端に位置する弧状に湾曲するように折り曲げられる両折り曲げ部２１，２２と、長径方向に延びて両折り曲げ部２１，２２同士を繋ぐ連結部２３とから形成されている。ここで、折り曲げ部２１，２２は、電極体１１において、他の部分よりも曲率が大きくなっている部分をいう。

図１に示すように、電極体１１の巻回軸Ｌ方向両端において、両折り曲げ部２１，２２を形成する正極１２の未塗工部１２ｂには金属部材４０ａが接合されている。また、両折り曲げ部２１，２２を形成する負極１３の未塗工部１３ｂには金属部材４０ｂが接合されている。正極１２の未塗工部１２ｂに接合される金属部材４０ａはアルミニウムから形成されるとともに、負極１３の未塗工部１３ｂに接合される金属部材４０ｂは銅から形成されている。

以下、正極１２の未塗工部１２ｂに接合される金属部材４０ａについて詳しく説明する。なお、負極１３の未塗工部１３ｂに接合される金属部材４０ｂは、正極１２の未塗工部１２ｂに接合される金属部材４０ａと同じ構成であるため、その詳細な説明を省略する。

図３に示すように、各金属部材４０ａは、円板状をなす金属板４１と、金属板４１における正極１２の未塗工部１２ｂ側の裏面４１ａに各金属板４１の中心から放射状に配置された複数（本実施形態では１２個）の接触部４２とから構成されている。図４に示すように、各接触部４２は、金属板４１の裏面４１ａから離れるほど先細りするとともにその先端４２ａが尖っている。

図３に示すように、金属板４１にはその厚み方向を貫通する空隙としてのスリット４３が二つ形成されている。各スリット４３は、金属板４１の中心を通過する直線Ｌ１上に並んで径方向に沿って延びるように形成されている。そして、各接触部４２は、各スリット４３を挟んだ両側に複数個ずつ（本実施形態では６個ずつ）配置されている。

図５に示すように、金属部材４０ａは、各折り曲げ部２１，２２を形成する正極１２の未塗工部１２ｂの端縁１２１ｂと、接触部４２の先端４２ａとが接触する部位をインダイレクト溶接することで接合されている。具体的には、例えば、各接触部４２のうち、スリット４３を挟んだ両側の接触部４２１，４２２と重合する金属板４１の部位に、溶接継手部Ｔ１，Ｔ２を当接させるとともに、溶接継手部Ｔ１，Ｔ２間において電流を流す。

このとき、金属板４１にはスリット４３が形成されているため、溶接継手部Ｔ１から流れた電流が金属板４１を介して溶接継手部Ｔ２に向けて流れ難くなっている。よって、溶接継手部Ｔ１から流れた電流は、金属板４１、接触部４２１、正極１２の未塗工部１２ｂ、接触部４２２、金属板４１及び溶接継手部Ｔ２の順に流れる。すると、未塗工部１２ｂの端縁１２１ｂと接触部４２の先端４２ａとが接触する部位に抵抗熱が発生する。そして、この抵抗熱によって、未塗工部１２ｂの端縁１２１ｂにおける接触部４２の先端４２ａとの接触部位と、接触部４２の先端４２ａにおける未塗工部１２ｂの端縁１２１ｂとの接触部位とが加熱されて溶融する。さらに、未塗工部１２ｂの端縁１２１ｂの溶融した部位、及び接触部４２の先端４２ａの溶融した部位がそれぞれ冷却されることで、未塗工部１２ｂの端縁１２１ｂと接触部４２の先端４２ａとが互いに接合されるようになっている。

図６に示すように、正極１２の層のうち、最も内側の層よりも内側の領域に重合するように配置されている二つの接触部４２を除く全ての接触部４２の先端４２ａは、各折り曲げ部２１，２２を形成する正極１２の層を少なくとも二つ以上跨ぐように接触している。そして、各折り曲げ部２１，２２を形成する正極１２の層は、各接触部４２の少なくとも一つに接触している。なお、図６では、説明の便宜上、各接触部４２は、その先端４２ａのみを破線で図示している。

図１に示すように、電極体１１の巻回軸Ｌ方向両端において、連結部２３を形成する正極１２の未塗工部１２ｂには集電端子３１が接合されている。図７に示すように、集電端子３１は金属板を屈曲することで形成されている。集電端子３１は、その一端に形成されるとともに正極１２の未塗工部１２ｂに接続される接続部３２と、他端に形成されるとともに正極端子Ｆ１に接続される端子接続部３３と、接続部３２と端子接続部３３とを繋ぐ連繋部３４とから構成されている。

接続部３２及び連繋部３４は、電極体１１の長径方向に沿って延びるとともに、接続部３２と連繋部３４との間には電極体１１の巻回軸Ｌ方向に沿って延びる段差部３５が形成されている。接続部３２の両側縁には一対の接続代３２ａが電極体１１の巻回軸Ｌ方向に沿って立設されている。端子接続部３３は、連繋部３４に連なるとともに電極体１１の巻回軸Ｌ方向に沿って延びている。

接続部３２は、連結部２３を形成する正極１２の層の最も内側の層よりも内側に埋没されるとともに、接続代３２ａの外面と正極１２の未塗工部１２ｂの内周面とが対向するように配置される。そして、電極体１１を、圧縮方向の両側から加圧し、接続代３２ａの外面と正極１２の未塗工部１２ｂの内周面とを密着させた状態で、超音波溶接により接合する。これにより、連結部２３を形成する正極１２の各層に亘って集電端子３１が接続される。

図１に示すように、連繋部３４は、正極１２の端部よりも巻回軸Ｌ方向外側に位置するとともに、金属部材４０ａよりも巻回軸Ｌ方向外側を通過しながら折り曲げ部２１よりも長径方向外側まで延びている。端子接続部３３は正極端子Ｆ１に接続される。なお、負極１３側の説明は、前述の説明中の正極１２側の説明と同じであるため、その詳細な説明を省略する。このため、負極１３側の説明は、前述の説明中における「正極１２」を「負極１３」に、「未塗工部１２ｂ」を「未塗工部１３ｂ」に、「端縁１２１ｂ」を「端縁１３１ｂ」に、「金属部材４０ａ」を「金属部材４０ｂ」に、「正極端子Ｆ１」を「負極端子Ｆ２」に夫々読み替えることで説明される。

そして、各集電端子３１を介して正極１２又は負極１３と正極端子Ｆ１又は負極端子Ｆ２とが接続された電極体１１をケースＣに収容し、蓋ＦによりケースＣの開口を塞いで密閉することで二次電池１０が構成される。

次に、本実施形態の作用について説明する。
金属部材４０ａの各接触部４２は、各折り曲げ部２１，２２を形成する正極１２の層を少なくとも二つ以上跨ぐように接触しているため、各折り曲げ部２１，２２を形成する正極１２の層同士が各接触部４２を介して電気的に接続されている。よって、折り曲げ部２１，２２を形成する正極１２の各層を流れる電流が、各接触部４２を介して各折り曲げ部２１，２２を形成する正極１２の各層の間を均一に流れるようになっている。さらに、連結部２３を形成する正極１２の各層に亘って集電端子３１が接続されている。よって、連結部２３を形成する正極１２の各層を流れる電流が、集電端子３１を介して連結部２３を形成する正極１２の各層の間を均一に流れるようになっている。よって、電極体１１全体として、正極１２の層同士の間で電位差が生じてしまう部位が極力無くなっている。なお、負極１３側についても上記作用と同様な作用を得ることができるため、その詳細な説明を省略する。

上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）金属部材４０ａ，４０ｂの各接触部４２を、各折り曲げ部２１，２２を形成する正極１２又は負極１３の層を少なくとも二つ以上跨ぐように接触させた。よって、各折り曲げ部２１，２２を形成する正極１２又は負極１３の層同士の間で電位差が生じてしまうことを防止することができ、各折り曲げ部での電極反応を均一にすることができる。その結果として、金属部材４０ａ，４０ｂを各折り曲げ部２１，２２に設けない場合に比べると、電極体１１全体において正極１２又は負極１３の層同士の間で電位差が生じてしまう部位を極力減らすことができ、電極体１１全体として電極反応を均一化させることができる。

（２）接触部４２を複数設けた。よって、接触部４２が単数の場合に比べると、各折り曲げ部２１，２２を形成する正極１２又は負極１３の層を跨ぐように接触する部位を増やすことができ、各折り曲げ部２１，２２を形成する正極１２又は負極１３の層同士の間で電位差が生じてしまうことをさらに防止し易くすることができる。

（３）各接触部４２を放射状に配置した。よって、各折り曲げ部２１，２２を形成する正極１２又は負極１３の各層と各接触部４２とを交差させ易くすることができ、各折り曲げ部２１，２２を形成する正極１２又は負極１３の各層と各接触部４２とを接触させ易くすることができる。

（４）金属部材４０ａ，４０ｂの金属板４１に、その厚み方向を貫通するスリット４３を形成し、各接触部４２を、スリット４３を挟んだ両側に複数配置した。よって、インダイレクト溶接をする際に、溶接継手部Ｔ１から流れた電流が金属板４１を介して溶接継手部Ｔ２に向けて流れ難くすることができる。したがって、溶接継手部Ｔ１から流れた電流を、金属板４１、接触部４２１、正極１２又は負極１３の未塗工部１２ｂ，１３ｂ、接触部４２２、金属板４１及び溶接継手部Ｔ２の順に流すことができる。その結果として、インダイレクト溶接により金属部材４０ａ，４０ｂと折り曲げ部２１，２２を形成する正極１２又は負極１３の層とを接合することが可能となる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態において、金属部材４０ａ，４０ｂの構成を変更してもよい。例えば、図８に示すように、金属部材６０は、平板状の金属板６１と、金属板６１における正極１２又は負極１３の未塗工部１２ｂ，１３ｂ側の裏面６１ａに直線状に延びるように形成された複数（本実施形態では８個）の接触部６２とから構成されている。各接触部６２はそれぞれ平行に延びている。図９に示すように、各接触部６２は、金属板６１の裏面６１ａから離れるほど先細りするとともにその先端６２ａが尖っている。図８に示すように、金属板６１にはその厚み方向を貫通する空隙としてのスリット６３が二つ形成されている。そして、各接触部６２は、各スリット６３を挟んだ両側に複数個ずつ（本実施形態では４個ずつ）配置されている。

○ 実施形態では、金属板４１に空隙としてスリット４３を形成したが、これに限らず、例えば、金属板４１の厚み方向を貫通するとともに金属板４１の中心を通過する直線Ｌ１上に並んで配置される複数の孔を空隙として形成してもよい。

○ 実施形態において、例えば、金属板４１にスリット４３を形成せずに、金属板４１の中心を通過する直線Ｌ１上に延びるように絶縁部材を埋設してもよい。この場合においても、インダイレクト溶接をする際に、絶縁部材によって、溶接継手部Ｔ１から流れた電流が金属板４１を介して溶接継手部Ｔ２に向けて流れ難くすることができる。

○ 実施形態において、例えば、未塗工部１２ｂ，１３ｂの端縁１２１ｂ，１３１ｂと接触部４２の先端４２ａとを半田により接合してもよいし、導電性接着剤により接合してもよい。

○ 実施形態において、接触部４２の数は特に限定されるものではない。
○ 実施形態において、金属部材４０ａ，４０ｂを、例えば、一方の折り曲げ部２１のみに設けてもよい。

○ 実施形態では、帯状の正極１２及び負極１３の間に帯状のセパレータ１４を介在させて、これらを巻回軸Ｌ周りに渦巻き状に巻回して構成された電極体１１を用いたが、これに限らず、例えば、帯状の正極及び負極の間に帯状のセパレータを介在させて、これらを積層して構成された電極体を用いてもよい。そして、この積層して構成された電極体を折り曲げて折り曲げ部を形成し、この折り曲げ部に金属部材を配置してもよい。

○ 実施形態では、電極体１１を、長径方向を有する扁平状（楕円形状）に形成したが、これに限らず、例えば、円形状に形成してもよい。この場合、電極体の円周部分の曲率はほぼ一定となるため、折り曲げ部をいずれの部分としてもよい。好ましくは、円形状の電極体の中心を結ぶ円の中心線を挟んだ両側に、二つの折り曲げ部が対向配置されるようにするとよい。

○ 実施形態において、電極体１１を長方形状や正方形状に形成してもよい。この場合、長方形状や正方形状の一辺側に一方の折り曲げ部を形成するとともに、一辺と対向する辺側に他方の折り曲げ部を形成するとよい。

１０…二次電池、１１…電極体、１２…正極、１３…負極、２１，２２…折り曲げ部、３１…集電端子、４０ａ，４０ｂ，６０…金属部材、４２，４２１，４２２，６２…接触部、４３，６３…空隙としてのスリット。

Claims (7)

1. 正極と負極との間を絶縁してこれらを巻回、又は積層してなる電極体を備え、前記正極及び前記負極それぞれに集電端子が設けられた二次電池であって、
   前記電極体には、前記電極体を形成する前記正極及び前記負極が折り曲げられる折り曲げ部が少なくとも一つ形成されており、
   前記折り曲げ部には、前記正極又は前記負極の層を少なくとも二つ以上跨ぐように接触する接触部を少なくとも一つ有する金属部材が設けられ、
   前記接触部は、前記金属部材における前記電極体側の面に形成され、且つ前記電極体側の面から離れるほど先細りするとともにその先端が尖っており、当該接触部が前記正極又は前記負極の層に接合されていることを特徴とする二次電池。
2. 前記接触部は複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
3. 前記接触部は放射状に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の二次電池。
4. 前記金属部材には、その厚み方向を貫通する空隙が形成されるとともに、各接触部は、前記空隙を挟んだ両側に複数配置されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の二次電池。
5. 前記金属部材は、前記電極体から前記集電端子までの通電経路上には設けられていないことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の二次電池。
6. 正極と負極との間を絶縁してこれらを巻回、又は積層してなる電極体を備え、前記正極及び前記負極それぞれに集電端子が設けられた二次電池の製造方法であって、
   前記電極体に、前記正極及び前記負極が折り曲げられた折り曲げ部を少なくとも一つ形成し、
   金属部材に形成された接触部が前記正極又は前記負極の層を少なくとも二つ以上跨ぐように、前記金属部材を前記折り曲げ部に配置し、
   前記金属部材と前記電極体とを、前記金属部材側からインダイレクト溶接で溶接することにより、前記金属部材の接触部を前記正極又は前記負極の層に接合する
   ことを特徴とする二次電池の製造方法。
7. 前記金属部材にはその厚み方向を貫通する空隙が形成されているとともに、前記接触部は空隙を挟んだ両側に配置されており、
   前記接触部のうち前記空隙を挟んだ両側の前記接触部と重合する前記金属部材の部位に、第１溶接継手部と第２溶接継手部とを当接させるとともに、前記第１溶接継手部及び前記第２溶接継手部の間において電流を流すことで前記インダイレクト溶接をする
   ことを特徴とする請求項６に記載の二次電池の製造方法。

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