JP5594901B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池などの二次電池に関する。

正極板と負極板とをセパレータを介して捲回した捲回電極群と、電解液とを容器内に収容し、正負極板とそれぞれ接合された外部端子を設けたリチウムイオン二次電池が車両駆動用電池として広く知られている。

正極板および負極板のそれぞれの端部には、活物質合剤が塗工されない未塗工部に該当する集電箔が露出している。集電箔は超音波接合や抵抗溶接により集電接続体に接合及び溶接され、集電接続体は電池の蓋に装着された外部端子に接続される。

従来、集電箔に集電接続体を溶接する際に、正極および負極集電箔を傷つけないように、集電接続体の長辺端部分に湾曲部を設けた二次電池が提案されている（特許文献１）。

特許４４９１７４７号公報

特許文献１に記載の二次電池は、集電接続体の長辺端部分に湾曲部が設けられているため、集電接続体の湾曲部が接する部分における集電箔の損傷を防止することができる。しかしながら、集電接続体の短辺端部分は角部（エッジ）となっているため、接合や溶接の際に集電接続体の短辺端部分が接する部分における集電箔が損傷する可能性がある。

本発明による二次電池は、正極板を構成する集電箔および負極板を構成する集電箔をセパレータを介在させて積層して構成される電極群と、電極群の幅方向の一方の端部にある正極集電箔の一方の面もしくは両面に接合されている集電接続体と、電極群の幅方向の他方の端部にある負極集電箔の一方の面もしくは両面に接合されている集電接続体とを備え、集電接続体は、集電箔に接合される接合面を含む平坦部を有し、平坦部には、接合面から湾曲して電極群の厚み方向に立ち上がる少なくとも３辺一体の絞り湾曲部が形成され、３辺一体の絞り湾曲部は、平坦部から電極群の幅方向の内側に向かって連続した湾曲状に形成された第１の辺縁部と、平坦部から電極群の高さ方向の両外側に向かってそれぞれ連続した湾曲状に形成された第２および第３の辺縁部とを有していることを特徴とする。

本発明によれば、接合及び溶接の際に集電接続体が接する部分における正極集電箔および負極集電箔の損傷を防止することができる。

本発明の実施の形態に係る二次電池の外観を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る二次電池の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る二次電池の電極群組立体を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る二次電池の捲回電極群と集電接続体を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態に係る二次電池の捲回電極群を示す斜視図である。 （ａ）は図３のＣ部を拡大した図であり、（ｂ）は集電接続体の接合面側を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る二次電池の集電接続体と捲回電極群を示す平面断面図（図３のＡ−Ａ断面図）である。 本発明の実施の形態に係る二次電池の集電接続体と捲回電極群を示す側面図である。 本発明の変形例に係る二次電池の集電接続体と捲回電極群を示す平面断面図である。 本発明の変形例に係る二次電池の集電接続体と捲回電極群を示す平面模式図である。 （ａ）は本発明の変形例に係る二次電池の集電接続体と捲回電極群との接合部を示す部分拡大斜視図であり、（ｂ）は本発明の変形例に係る二次電池の集電接続体の接合面側を示す斜視図である。 本発明の変形例に係る二次電池の集電接続体と捲回電極群を示す平面断面図である。

以下、本発明による二次電池を角形リチウムイオン電池に適用した実施の形態を図面を参照して説明する。
［二次電池の構成］
図１〜図５を参照して、本発明の実施の形態に係る二次電池１の構成を説明する。図１は、二次電池１の外観斜視図である。図２は、二次電池１の構成を示す斜視図である。図３は、二次電池１の電極群組立体１２を示す斜視図である。図４は、捲回電極群８と集電接続体３を示す分解斜視図である。図５は、捲回電極群８の斜視図である。

［缶体および電極群組立体］
二次電池１は、図１に示すように、缶体１４と蓋９とからなる電池容器を備える。缶体１４は、図２に示すように、電極群組立体１２を収容するものであり、一端が開口とされた矩形箱状に形成されている。電極群組立体１２は、蓋９と捲回電極群８と集電接続体３とを含んで構成される。この電極群組立体１２は、袋状の絶縁シート１３で覆われた状態で缶体１４に収容されており、絶縁シート１３により缶体１４の底面および側面と電極群組立体１２とは電気的に絶縁されている。蓋９は、矩形平板状であって、缶体１４の開口を塞ぐように溶接されている。缶体１４および蓋９は、いずれもアルミニウム合金により形成されている。

［外部端子および集電接続体］
図１および図２に示すように、蓋９には、正極外部端子７ａおよび負極外部端子７ｂが設けられている。正極外部端子７ａおよび負極外部端子７ｂは、それぞれ缶体１４内に配設される正極集電接続体３ａおよび負極集電接続体３ｂに接続されている。なお、正極外部端子７ａ、正極集電接続体３ａ、負極外部端子７ｂおよび負極集電接続体３ｂは、それぞれ図示しない絶縁材によって蓋９と電気的に絶縁されている。正極外部端子７ａおよび正極集電接続体３ａは、いずれもアルミニウム合金により形成され、負極外部端子７ｂおよび負極集電接続体３ｂは、いずれも銅合金により形成されている。

図３および図４に示すように、正極集電接続体３ａは捲回電極群８の一方の端部にある正極板２ａの活物質未塗工部に該当する正極集電箔３５ａの一方の面に接合され、負極集電接続体３ｂは捲回電極群８の他方の端部にある負極板２ｂの活物質未塗工部に該当する負極集電箔３５ｂの一方の面に接合されている。正極集電接続体３ａおよび負極集電接続体３ｂは超音波接合により正極および負極集電箔３５ａ，３５ｂに接続されて、正極集電接続体３ａおよび負極集電接続体３ｂの平坦部４ａ１には接合部６が形成されている。なお、正極集電接続体３ａおよび負極集電接続体３ｂは、超音波接合に先立って正極及び負極集電箔３５ａ，３５ｂを押しつぶすことによって形成される接続片２０ａ（図４参照）に圧接した状態で接合される。集電接続体３の構造、ならびに、集電接続体３と捲回電極群８との接合については後述する。

このように、正極および負極外部端子７ａ，７ｂが正極および負極集電接続体３ａ，３ｂを介して捲回電極群８に電気的に接続されているため、正極および負極外部端子７ａ，７ｂを介して外部負荷に電力が供給され、あるいは、正極および負極外部端子７ａ，７ｂを介して外部発電電力が捲回電極群８に供給されて充電される。

正極外部端子７ａおよび負極外部端子７ｂにおいて電池容器の外に露出している部分には、それぞれおねじが形成されている。複数の二次電池１が並置されて、隣接する二次電池１の正極外部端子７ａと負極外部端子７ｂとが金属製の板材からなるバスバーによって電気的に接続されることで、複数の二次電池１からなる組電池が形成される。なお、バスバーは、ナットによって正極外部端子７ａおよび負極外部端子７ｂに締結される。

［注液部およびガス排出弁］
図１に示すように、蓋９には、注液部１１が設けられている。注液部１１には、電池容器内に電解液を注入するための注液孔が穿設されている。注液孔は、電解液注入後に注液栓によって封止される。蓋９には、ガス排出弁１０も設けられている。ガス排出弁１０は、プレス加工によって蓋９を部分的に薄肉化することで形成されている。ガス排出弁１０は、二次電池１が過充電等の異常により発熱してガスが発生し、電池容器内の圧力が上昇して所定圧力に達したときに開裂して、内部からガスを排出することで電池容器内の圧力を低減させる。

［捲回電極群］
捲回電極群８は、図５に示すように、正極板２ａおよび負極板２ｂをセパレータ１５を介在させて扁平状に捲回することで積層して構成されている。正極集電箔３５ａおよび負極集電箔３５ｂのそれぞれの両面には、正極および負極活物質合剤２１ａ，２１ｂが塗工されている。正極集電箔３５ａは、厚さ２０μｍ程度のアルミニウム箔もしくはアルミニウム合金箔であり、負極集電箔３５ｂは、厚さ１５μｍ程度の銅箔もしくは銅合金箔である。セパレータ１５の素材は多孔質のポリエチレン樹脂である。

捲回電極群８の幅方向（捲回方向に直交する方向）の両端部は、一方が正極活物質合剤２１ａが塗布されていない正極集電箔３５ａ、すなわち未塗工部とされ、他方が負極活物質合剤２１ｂが塗布されていない負極集電箔３５ｂ、すなわち未塗工部とされている。未塗工部は、図４に示すように、金属箔が露出する部分であって、正極および負極集電接続体３ａ，３ｂと超音波接合により接合される。

なお、捲回電極群８は、超音波接合に先立って、幅方向の両端部の中央部分が押しつぶされて、接続片２０ａ（図４参照）が形成されている。接続片２０ａの一方の面には、集電接続体３と接続される領域である接合領域６ａが含まれている。

［集電接続体の構造］
集電接続体３の構造について説明する。正極集電接続体３ａと負極集電接続体３ｂは、同様の構造であるため、以下、正極側についてのみ説明する。なお、正極集電接続体３ａは、上記したように、正極外部端子７ａに接続されている（図３参照）。

図３および図４に示すように、正極集電接続体３ａは、電池蓋９の内面に沿う取付部３２と、取付部３２から略直角に曲がって、缶体１４の幅広面に沿いながら缶体底面に向かい捲回電極群８の折り返し端部の未塗工部を覆うように延在する表面部３３と、表面部３３の下端に設けた傾斜部３４により接続される平坦部４ａ１とを備える。

図４に示すように、平坦部４ａ１は、捲回電極群８の接続片２０ａの一方の面に当接される部分である。つまり、平坦部４ａ１は、接続片２０ａに超音波接合される部分であって、図６（ｂ）に示すように、集電箔との接合面４ａ２を含んでいる。

図４および図６（ａ）に示すように、平坦部４ａ１の周囲には、３辺一体の絞り湾曲部５ａがプレスによる絞り加工によって形成されている。絞り湾曲部５ａは、捲回電極群８の幅方向の内側に形成される内側辺縁部５ａ１と、捲回電極群８の高さ方向の両外側に形成される上部外側辺縁部５ａ２および下部外側辺縁部５ａ３とを有する。内側辺縁部５ａ１、上部外側辺縁部５ａ２および下部外側辺縁部５ａ３は、接合面４ａ２から湾曲して捲回電極群８の厚み方向に立ち上がるように形成されている。

捲回電極群８と接合される側における内側辺縁部５ａ１の表面は、平坦部４ａ１から捲回電極群８の幅方向の内側に向かって滑らかに連続した湾曲面とされている。同様に、捲回電極群８と接合される側における上部外側辺縁部５ａ２および下部外側辺縁部５ａ３の表面は、平坦部４ａ１から捲回電極群８の高さ方向の両外側に向かってそれぞれ滑らかに連続した湾曲面とされている。

さらに、内側辺縁部５ａ１と上部外側辺縁部５ａ２とが交わる部分、および、内側辺縁部５ａ１と下部外側辺縁部５ａ３とが交わる部分を曲面５ａｒとしている。これにより、捲回電極群８と接合される側における平坦部４ａ１の面上において、内側辺縁部５ａ１と外側辺縁部５ａ２，５ａ３とが交差する部分が角部（エッジ）ではなく、湾曲部として形成される。

［接合］
次に、集電接続体３と捲回電極群８との超音波接合について説明する。正極集電接続体３ａと負極集電接続体３ｂは、捲回電極群８の接続片２０ａに対して同様に接合されるため、以下、正極側についてのみ説明する。図４および図６に示すように、正極集電接続体３ａと捲回電極群８は、正極集電接続体３ａの平坦部４ａ１の接合面４ａ２が接続片２０ａの接合領域６ａ（図４参照）に圧接した状態で超音波接合により接合される。

なお、図４に示すように、超音波接合に先立って、捲回電極群８の幅方向端部にある正極集電箔３５ａにおける捲回電極群８の高さ方向中央部の集電箔積層体を押しつぶすことで、捲回電極群８には平坦状に押しつぶされた矩形領域が接続片２０ａとして形成され、その他の部分である接続片２０ａの高さ方向外方と接続片２０ａの幅方向内方のそれぞれには厚肉部２０ｂ，２０ｄが形成されている。

［圧接］
図７は、図３のＡ−Ａ断面図である。図７に示すように、超音波接合の際、捲回電極群８の接続片２０ａは、アンビル３０に載置された正極集電接続体３ａの平坦部４ａ１に保持され、正極集電接続体３ａが当接される面と反対側の面に対して、超音波振動子であるホーン３１が押し当てられる。つまり、捲回電極群８の接続片２０ａは正極集電接続体３ａとホーン３１によって両側から圧接される。正極集電接続体３ａの平坦部４ａ１によって接続片２０ａが圧接されると、正極集電接続体３ａの内側辺縁部５ａ１が厚肉部２０ｄに押し当てられて、内側辺縁部５ａ１に対応する部分に集電箔湾曲部２０ｅが形成される。

同様に、図８に示すように、正極集電接続体３ａの平坦部４ａ１が接続片２０ａに圧接されると、正極集電接続体３ａの上部外側辺縁部５ａ２および下部外側辺縁部５ａ３が厚肉部２０ｂに押し当てられて、上部外側辺縁部５ａ２および下部外側辺縁部５ａ３に対応する部分に集電箔湾曲部２０ｃが形成される。なお、内側辺縁部５ａ１、上部外側辺縁部５ａ２および下部外側辺縁部５ａ３の厚肉部２０ｄ，２０ｂに対する当接面は、滑らかな湾曲面とされているため、平坦部４ａ１を接続片２０ａに押し当てる際に厚肉部２０ｂ，２０ｄの集電箔が損傷することはない。

［励振］
ホーン３１を接続片２０ａに押し当てた状態で励振すると、接続片２０ａにおける集電箔同士と正極集電接続体３ａとが接合して、図３に示したように、接合部６が形成される。これにより、捲回電極群８の正極集電箔２ａが、正極集電接続体３ａを介して正極外部端子７ａと電気的に接続される。

なお、図７に示すように、正極集電接続体３ａの内側辺縁部５ａ１は、接続片２０ａと厚肉部２０ｄとの境界近傍（集電箔湾曲部２０ｅ）と当接した状態で超音波接合がなされることになる。しかし、内側辺縁部５ａ１の当接面は平坦部４ａ１から連続する滑らかな湾曲状に形成されているため、超音波接合時の高周波振動が加わっても捲回電極群８を損傷させることはない。

同様に、図８に示すように、正極集電接続体３ａの上部外側辺縁部５ａ２および下部外側辺縁部５ａ３が接続片２０ａと厚肉部２０ｂとの境界近傍（集電箔湾曲部２０ｃ）と当接した状態で超音波接合がなされることになる。しかし、上部外側辺縁部５ａ２および下部外側辺縁部５ａ３の当接面は平坦部４ａ１から連続する滑らかな湾曲状に形成されているため、超音波接合時の高周波振動が加わっても捲回電極群８を損傷させることはない。

上述した本実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
（１）正極集電接続体３ａおよび負極集電接続体３ｂの平坦部４ａ１から捲回電極群８の幅方向の内側および捲回電極群８の高さ方向の両外側に向かって湾曲して立ち上がる内側辺縁部５ａ１と、上部外側辺縁部５ａ２および下部外側辺縁部５ａ３とを形成した。これにより、捲回電極群８を損傷させることなく、正極集電接続体３ａおよび負極集電接続体３ｂと、捲回電極群８とを超音波接合により接合することができる。

（２）この結果、接合強度の低下が防止され、電池容量や電池出力の低下を抑制できる二次電池１を提供することができる。
（３）さらに、集電箔の損傷を起因とした異物の発生による短絡を防止することができる。
（４）内側辺縁部５ａ１、上部外側辺縁部５ａ２および下部外側辺縁部５ａ３を絞り加工によって３辺一体の湾曲形状に形成したため、剛性も向上し、接合時の正極集電接続体３ａおよび負極集電接続体３ｂの変形も防止できる。

（５）内側辺縁部５ａ１と上部外側辺縁部５ａ２とが交わる部分、および、内側辺縁部５ａ１と下部外側辺縁部５ａ３とが交わる部分を曲面５ａｒとして形成した。これにより、内側辺縁部５ａ１と外側辺縁部５ａ２，５ａ３とが交差する部分が当接する集電箔の損傷も防止することができる。

なお、上記した実施の形態は、以下のように変形することもできる。
［変形例］
（１）超音波接合によって接続片２０ａと集電接続体３とを接続する場合に限定されない。抵抗溶接によって接続片２０ａと集電接続体３を接続してもよい。抵抗溶接により正極集電接続体３ａおよび負極集電接続体３ｂと捲回電極群８との接続を行う際、従来のように平坦部周辺が角部とされている場合、角部で電流が流れることがあった。本実施の形態によれば、正極集電接続体３ａの内側辺縁部５ａ１、上部外側辺縁部５ａ２および下部外側辺縁部５ａ３が湾曲状に形成されているため、溶接時の無効電流（分流）を防止できる。したがって、効率のよい溶接が可能となる。

（２）上記した実施の形態では、正極集電接続体３ａおよび負極集電接続体３ｂを捲回電極群８の正極集電箔３５ａおよび負極集電箔３５ｂの片面に接続する場合について説明したが、接続する面は片側に限定されない。図９に示すように、捲回電極群８の接続片２０ａの両面に集電接続体３の平坦部４ａ１を両側から挟み、上電極３６と下電極３７で加圧し抵抗溶接してもよい。両面から圧接される集電接続体３の平坦部４ａ１には、内側辺縁部５ａ１、上部および下部外側辺縁部５ａ２，５ａ３が湾曲状に形成され、内側辺縁部５ａ１と上部外側辺縁部５ａ２とが交わる部分、および、内側辺縁部５ａ１と下部外側辺縁部５ａ３とが交わる部分が曲面５ａｒとして形成されているため、抵抗溶接時の無効電流（分流）を防止し、接続片２０ａの両面に集電接続体３を抵抗溶接しても捲回電極群８の損傷を防止できる。

（３）捲回電極群８の接続片２０ａは、幅方向の両端部に一つずつ形成される場合に限定されない。図１０に示すように、二股にわかれるように接続片２０ａを形成して、それぞれの接続片２０ａに集電接続体３を溶接してもよい。図１０は、二股に分かれた接続片２０ａの外側に集電接続体３を当て、内側にホーン３１を当てて接合する例を示す。なお、図１０には、内側辺縁部５ａ１のみ記載しているが、捲回電極群８の高さ方向の両端部にも上記実施の形態と同様に上部外側辺縁部５ａ２および下部外側辺縁部５ａ３が湾曲状に形成され、内側辺縁部５ａ１と上部外側辺縁部５ａ２とが交わる部分、および、内側辺縁部５ａ１と下部外側辺縁部５ａ３とが交わる部分が曲面５ａｒとして形成されている。

（４）絞り湾曲部５ａは、３辺一体とする場合に限定されない。平坦部４ａ１の周囲に湾曲状の壁面を有した４辺一体の絞り湾曲部５ａを形成してもよい。内側辺縁部５ａ１、上部および下部外側辺縁部５ａ２，５ａ３のみならず、図１１および図１２に示すように、内側辺縁部５ａ１と平行に形成される側部外側辺縁部５ａ４を設けることで、平坦部４ａ１の幅方向寸法が接続片２０ａの幅方向寸法に比べて短い場合において、側部外側辺縁部５ａ４が当接する部分における集電箔の損傷を防止することができる。

（５）電池容器の缶体１４に収容される電極群は、長尺状の正極板２ａと負極板２ｂとをセパレータ１５を介して捲回した捲回電極群８とする場合に限定されることなく、矩形状の複数枚の正極板２ａと負極板２ｂとをセパレータ１５を介して積層した積層電極群としてもよい。
（６）リチウムイオン二次電池を一例として説明したが、ニッケル水素電池などその他の二次電池にも本発明を適用できる。
（７）正極および負極接続体３ａ，３ｂの形状、構造は、捲回電極群８の接続片２０ａと接合される平坦部４ａ１を有する限り、種々の形状、構造の正負極接続体にも本発明を適用できる。

本発明は、上記した実施の形態に限定されるものでなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で自由に変更、改良が可能である。

１ 二次電池、２ａ 正極板、２ｂ 負極板、３ 集電接続体、３ａ 正極集電接続体、３ｂ 負極集電接続体、４ａ１ 平坦部、４ａ２ 接合面、５ａ 絞り湾曲部、５ａ１ 内側辺縁部、５ａ２ 上部外側辺縁部、５ａ３ 下部外側辺縁部、５ａ４ 側部外側辺縁部、５ａｒ 曲面、６ 接合部、６ａ 接合領域、７ａ 正極外部端子、７ｂ 負極外部端子、８ 捲回電極群、１５ セパレータ、、２０ａ 接続片、２０ｂ 厚肉部、２０ｃ 集電箔湾曲部、２０ｄ 厚肉部、２０ｅ 集電箔湾曲部、２１ａ 正極活物質合剤、２１ｂ 負極活物質合剤、３０ アンビル、３１ ホーン、３２ 取付部、３３ 表面部、３４ 傾斜部、３５ａ 正極集電箔、３５ｂ 負極集電箔

Claims (2)

1. 正極板を構成する集電箔および負極板を構成する集電箔をセパレータを介在させて積層して構成される電極群と、
   前記電極群の幅方向の一方の端部にある正極集電箔の一方の面もしくは両面に接合されている集電接続体と、
   前記電極群の幅方向の他方の端部にある負極集電箔の一方の面もしくは両面に接合されている集電接続体とを備え、
   前記集電接続体は、前記集電箔に接合される接合面を含む平坦部を有し、前記平坦部には、前記接合面から湾曲して前記電極群の厚み方向に立ち上がる少なくとも３辺一体の絞り湾曲部が形成され、
   前記３辺一体の絞り湾曲部は、前記平坦部から前記電極群の幅方向の内側に向かって連続した湾曲状に形成された第１の辺縁部と、前記平坦部から前記電極群の高さ方向の両外側に向かってそれぞれ連続した湾曲状に形成された第２および第３の辺縁部とを有していることを特徴とする二次電池。
2. 請求項１に記載の二次電池において、
   前記３辺一体の絞り湾曲部における前記第１の辺縁部と前記第２の辺縁部とが交わる部分、および前記第１の辺縁部と前記第３の辺縁部とが交わる部分が曲面とされていることを特徴とする二次電池。

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