JP5641390B2 - 電池およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、正極板および負極板を巻回した発電要素を備える電池、より詳しくは、正極板または負極板のいずれかの集電体が発電要素の端面に露出しており、露出した集電体と集電端子とを接合する電池およびその製造方法に関するものである。
帯状の正極集電体の一端部を除いて正極活物質が塗工された正極板と、帯状の負極集電体の一端部を除いて負極活物質が塗工された負極板との間にセパレータを介在して、正極活物質の未塗工部と負極活物質の未塗工部とがそれぞれ巻回軸方向の両端に配置されるように巻回して形成される発電要素を備えた二次電池において、発電要素の巻回軸方向の一方の端面に正極集電体の露出部を有し、他方の端面には負極集電体の露出部を有し、それぞれの露出部に集電端子を接合したものを外装ケースに収納するものが広く知られている。
例えば特許文献１や特許文献２には、発電要素の巻回中心部に集電端子を挿設して、集電体の露出部を径外方向から寄せ集めて集電端子の外側面に接合する集電構造が記載されている。また、特許文献３には、発電要素の中心部から外周部までに亘る集電体を束ねて、束ねた集電体をスリットに挿通させて集電端子と接合する集電構造が記載されている。
また、特許文献４には、集電端子としての集電板を一対の集電片で構成し、一方の集電片に形成された櫛歯状の集電突起が他方の集電片に形成された櫛歯状の集電体の突起間に入り込むようにして各集電片を電極群のはみ出し部に差し込んでレーザ溶接で接合する集電構造が記載されている。
特許文献１、２に示されたような、集電体の露出部を径内方向に寄せ集めて巻回中心部に配置される集電端子の外側面に接合する集電構造や、特許文献３に示されたような、集電体を束ねて集電端子のスリットに挿通させて接合する集電構造では、集電体を束ねるために集電体の露出部を大きく取る必要があり、エネルギー密度が低いという問題がある。また、特許文献４に示されたような、それぞれ櫛歯状の集電突起を有する一対の集電片を集電体の露出部に差し込んで接合する集電構造は、集電片の組み付けや固定が複雑となるため生産性が低くなるという問題がある。
そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、正極板および負極板を巻回した発電要素を用いた場合であっても高エネルギー密度を有しており、併せて、発電要素と集電端子とを簡易な方法で確実に接合することができる電池およびその製造方法を提供することを課題とする。
本発明に係る電池は、帯状の正極集電体を備えた正極板と帯状の負極集電体を備えた負極板との間にセパレータを介在して巻回した発電要素を備え、前記発電要素の一方の端面には、前記正極集電体または前記負極集電体のいずれか一方の集電体の巻回軸方向の端部が露出しており、露出している前記集電体が集電端子と接合される電池において、前記集電端子は、前記集電体が露出している前記発電要素の端面に沿って配置される板状部を備えており、前記板状部は、前記発電要素側の面が該発電要素に向けて突出すると共に前記発電要素と反対側の面が該発電要素に向けて凹んだ少なくとも１つの溝部であって、前記発電要素の内周部から外周部の方向に延びる少なくとも１つの溝部と、前記溝部の両側に接続される平坦部と、を有し、前記溝部では、該溝部を横断する複数のスリットが該溝部の延びる方向に間隔を空けて並ぶことにより、前記発電要素の端面に挿入される挿入片が前記スリット間のそれぞれに形成され、前記スリットの延びる方向における前記挿入片の断面形状が、略Ｖ字状又は略Ｗ字状であり、前記発電要素の端面に前記挿入片が挿入されると共に前記発電要素の端面に露出している前記集電体が前記複数のスリットを挿通し、前記複数のスリットを挿通した前記集電体と前記集電端子とが接合されていることを特徴とする。
上記の構成によれば、発電要素の内周部から外周部までの領域で露出している集電体の複数の端部を、集電端子の溝部に設けられた複数のスリットに分散して挿入することができる。その結果、集電体を束ねるための集電体の露出部を大きくする必要がなく、電池の充放電に関与しない集電体の占有部を小さくすることができるので、電池のエネルギー密度を高くすることができる。ここで、前記正極集電体または前記負極集電体の巻回軸方向の端部が露出する構成は、正極集電体を備えた正極板と負極集電体を備えた負極板との間にセパレータを介して巻回して形成された発電要素において、帯状の正極集電体の一端部または帯状の負極集電体の一端部が発電要素の巻回軸方向の端面に、つまり、図１において発電要素の上部端面または下部端面に露出している構成である。
また、前記電池は、帯状の正極集電体を備えた正極板と帯状の負極集電体を備えた負極板との間にセパレータを介在して巻回した発電要素を備え、前記発電要素の一方の端面には、前記正極集電体または前記負極集電体のいずれか一方の集電体の巻回軸方向の端部が露出しており、露出している前記集電体が集電端子と接合される電池において、前記集電端子は、前記集電体が露出している前記発電要素の端面に沿って配置される板状部を備えており、前記板状部は、前記発電要素側の面が該発電要素に向けて突出すると共に前記発電要素と反対側の面が該発電要素に向けて凹んだ少なくとも１つの溝部であって、前記発電要素の内周部から外周部の方向に延びる少なくとも１つの溝部と、前記溝部の両側に接続される平坦部と、を有し、前記溝部では、該溝部を横断する複数のスリットが該溝部の延びる方向に間隔を空けて並ぶことにより、前記発電要素の端面に挿入される挿入片が前記スリット間のそれぞれに形成され、前記挿入片における前記発電要素の端面に挿入される方向の先端部の幅が、該挿入片の前記平坦部と隣接する部位の幅より大きく、前記発電要素の端面に前記挿入片が挿入されると共に前記発電要素の端面に露出している前記集電体が前記複数のスリットを挿通し、前記複数のスリットを挿通した前記集電体と前記集電端子とが接合されていてもよい。
また、前記電池は、帯状の正極集電体を備えた正極板と帯状の負極集電体を備えた負極板との間にセパレータを介在して巻回した発電要素を備え、前記発電要素の一方の端面には、前記正極集電体または前記負極集電体のいずれか一方の集電体の巻回軸方向の端部が露出しており、露出している前記集電体が集電端子と接合される電池において、前記集電端子は、前記集電体が露出している前記発電要素の端面に沿って配置される板状部を備えており、前記板状部は、前記発電要素側の面が該発電要素に向けて突出すると共に前記発電要素と反対側の面が該発電要素に向けて凹んだ少なくとも１つの溝部であって、前記発電要素の内周部から外周部の方向に延びる少なくとも１つの溝部と、前記溝部の両側に接続される平坦部と、を有し、前記溝部では、該溝部を横断する複数のスリットが該溝部の延びる方向に間隔を空けて並ぶことにより、前記発電要素の端面に挿入される挿入片が前記スリット間のそれぞれに形成され、前記挿入片における前記発電要素の端面に挿入される方向の先端部の幅が、該挿入片の前記平坦部と隣接する部位の幅より大きく、前記発電要素の端面に前記挿入片が挿入されると共に前記発電要素の端面に露出している前記集電体が前記複数のスリットを挿通し、前記複数のスリットを挿通した前記集電体と前記集電端子とが接合されていてもよい。
本発明に係る電池の製造方法は、帯状の正極集電体を備えた正極板と帯状の負極集電体を備えた負極板との間にセパレータを介在して巻回した発電要素を備え、前記発電要素の一方の端面には、前記正極集電体または前記負極集電体のいずれか一方の集電体の巻回軸方向の端部が露出しており、露出している前記集電体が集電端子と接合される電池の製造方法において、前記集電端子は、前記集電体が露出している前記発電要素の端面に沿って配置される板状部を備えており、前記板状部は、前記発電要素側の面が該発電要素に向けて突出すると共に前記発電要素と反対側の面が該発電要素に向けて凹んだ少なくとも１つの溝部であって、前記発電要素の内周部から外周部の方向に延びる少なくとも１つの溝部と、前記溝部の両側に接続される平坦部と、を有し、前記溝部では、該溝部を横断する複数のスリットが該溝部の延びる方向に間隔を空けて並ぶことにより、前記発電要素の端面に挿入される挿入片が前記スリット間のそれぞれに形成され、前記スリットの延びる方向における前記挿入片の断面形状が、略Ｖ字状又は略Ｗ字状であり、前記集電体が露出している前記発電要素の端面に、前記板状部の片面に突起した前記溝部を構成する複数の前記挿入片を挿入するとともに、前記発電要素の端面に露出している前記集電体を前記複数のスリットに挿通させて、前記複数のスリットを挿通した前記集電体と前記集電端子とを接合することを特徴とする。
上記構成の電池の製造方法によれば、電池の充放電に関与しない集電体の占有部を小さくすることによって電池のエネルギー密度を高くすることができる上に、集電体が露出している発電要素の端面に、集電端子の板状部の片面に突起した溝部を挿入することによって、溝部に設けられたスリットに集電体を挿通させ、スリットを挿通した集電体を発電要素と集電端子との接合部として用いることができる。つまり、発電要素における集電体が露出している端面に集電端子の溝部を挿入するのみで、発電要素と集電端子との接合部を確保することができる。その結果、露出している集電体を束ねる工程を省くことができ、かつ、挿通した集電体と集電端子とを溶接等で接合するといった簡単な作業で、発電要素と集電端子とを確実に接続することができる。
また、前記電池の製造方法は、帯状の正極集電体を備えた正極板と帯状の負極集電体を備えた負極板との間にセパレータを介在して巻回した発電要素を備え、前記発電要素の一方の端面には、前記正極集電体または前記負極集電体のいずれか一方の集電体の巻回軸方向の端部が露出しており、露出している前記集電体が集電端子と接合される電池の製造方法において、前記集電端子は、前記集電体が露出している前記発電要素の端面に沿って配置される板状部を備えており、前記板状部は、前記発電要素側の面が該発電要素に向けて突出すると共に前記発電要素と反対側の面が該発電要素に向けて凹んだ少なくとも１つの溝部であって、前記発電要素の内周部から外周部の方向に延びる少なくとも１つの溝部と、前記溝部の両側に接続される平坦部と、を有し、前記溝部では、該溝部を横断する複数のスリットが該溝部の延びる方向に間隔を空けて並ぶことにより、前記発電要素の端面に挿入される挿入片が前記スリット間のそれぞれに形成され、前記挿入片における前記発電要素の端面に挿入される方向の先端部の幅が、該挿入片の前記平坦部と隣接する部位の幅より大きく、前記集電体が露出している前記発電要素の端面に、前記板状部の片面に突起した前記溝部を構成する複数の前記挿入片を挿入するとともに、前記発電要素の端面に露出している前記集電体を前記複数のスリットに挿通させて、前記複数のスリットを挿通した前記集電体と前記集電端子とを接合してもよい。
また、前記電池の製造方法は、帯状の正極集電体を備えた正極板と帯状の負極集電体を備えた負極板との間にセパレータを介在して巻回した発電要素を備え、前記発電要素の一方の端面には、前記正極集電体または前記負極集電体のいずれか一方の集電体の巻回軸方向の端部が露出しており、露出している前記集電体が集電端子と接合される電池の製造方法において、前記集電端子は、前記集電体が露出している前記発電要素の端面に沿って配置される板状部を備えており、前記板状部は、前記発電要素側の面が該発電要素に向けて突出すると共に前記発電要素と反対側の面が該発電要素に向けて凹んだ少なくとも１つの溝部であって、前記発電要素の内周部から外周部の方向に延びる少なくとも１つの溝部と、前記溝部の両側に接続される平坦部と、を有し、前記溝部では、該溝部を横断する複数のスリットが該溝部の延びる方向に間隔を空けて並ぶことにより、前記発電要素の端面に挿入される挿入片が前記スリット間のそれぞれに形成され、前記挿入片における前記発電要素の端面に挿入される方向の先端部の幅が、該挿入片の前記平坦部と隣接する部位の幅より大きく、前記集電体が露出している前記発電要素の端面に、前記板状部の片面に突起した前記溝部を構成する複数の前記挿入片を挿入するとともに、前記発電要素の端面に露出している前記集電体を前記複数のスリットに挿通させて、前記複数のスリットを挿通した前記集電体と前記集電端子とを接合してもよい。
また、本発明に係る電池において、前記集電端子の前記板状部は、３つ以上の前記溝部を有していることが好ましい。かかる構成によれば、集電体と集電端子との接合点を増やすことができるため、高い接合強度が得られ、かつ、接合点を増やすことによって発電要素と集電体と間の抵抗が低減するので、大電流での充電および放電をおこなうことができる。
また、本発明に係る電池の製造方法において、前記溝部を構成する挿入片が前記発電要素の端面に挿入される方向における該挿入片の先端は、テーパ状に形成されていることが好ましい。かかる構成によれば、溝部を発電要素の端面に挿入する際に、溝部の先端部のテーパによって集電体の端部をスリットに誘導し、スリットを挿通する集電体の端部を増やすことができるので、集電体と集電端子との接合強度を高くすることができる。
以下、本発明に係る電池の一実施形態として、例えば自動車等の車両に搭載され電源として使用され得るリチウムイオン二次電池、より詳しくは、巻回して形成された発電要素と電解液とを外装ケースに収容したリチウムイオン二次電池について、図面を参酌しつつ説明する。
図２に示すように、リチウムイオン二次電池１は、何れも帯状の正極板４及び負極板６を円筒状に巻回した発電要素３と、発電要素３を収容し得る形状の外装ケース２と、発電要素３の巻回軸方向の一端部及び他端部において正極板４および負極板６にそれぞれ接続された正極集電端子５及び負極集電端子７とを備える。
正極板４については、ＬｉxＭＯy（Ｍは、少なくとも一種の遷移金属を表す）で表されるリチウム遷移金属複合酸化物あるいはＬｉＭｅＰＯ4（Ｍｅは、例えばＦｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｒ）で表されるオリビン構造の化合物と、カーボンブラック等の導電性物質と、ポリフッ化ビニリデン等の結着剤とを、Ｎ−メチル−２−ピロリドン等の溶剤で分散混練した正極合剤を、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔、ニッケル箔等から選択される正極集電体４０の帯状の一端部を除いて塗布して、正極合剤を乾燥させることにより、帯状の一端部に正極合剤が塗工されていない合剤非形成部が設けられた正極板４が得られる。
負極板６については、コークス類、難黒鉛化炭素、および人造黒鉛や天然黒鉛を含むグラファイト類などの炭素材料と、ポリフッ化ビニリデン等の結着剤とを、Ｎ−メチル−２−ピロリドン等の溶剤とで分散混練した負極合剤を、銅箔等からなる負極集電体６０の帯状の一端部を除いて塗布し、負極合剤を乾燥させることにより、帯状の一端部に負極合剤が塗工されていない合剤非形成部が設けられた負極板６が得られる。
セパレータ８は、正極板４及び負極板６を物理的に隔離し、電解液を保持する役割を果たすもので、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂の微多孔質膜が用いられる。尚、電解質として固体電解質若しくはゲル状電解質を使用する場合には、セパレータが不要な場合があり得る。そして、この場合、電解質自体がセパレータとして機能する。
正極板４の合剤非形成部と負極板６の合剤非形成部とが互いに巻回軸方向の反対側に突出するようにして、正極板４と負極板６との間にセパレータ８を介して巻回することにより、図１に示されるような、巻回軸方向の一方の端面には正極集電体４０が露出し、他方の端面には負極集電体６０が露出した発電要素３が形成される。
正極集電端子５は、図４および図５に示すように、発電要素３の巻回軸方向の端面と同じ大きさ又はこれよりも少し小さい形状の板状部５０に、孔５３から放射状に形成された溝部５１が設けられ、溝部５１は、図６に示すように、複数の挿入片５１０と複数のスリット５１１とから構成される。正極集電端子５は、アルミニウム、ニッケル、チタン等の金属からなる板材を用いて構成され、好ましくはアルミニウム製である。
正極集電端子５と発電要素３とを接合する際には、図７に示すように、正極集電体５の板状部５０の片面に突起した溝部５１を正極集電体の露出部３１に対向させて、正極集電端子５を正極集電体の露出部３１に押し当てることにより、突起した溝部５１を正極集電体の露出部３１に挿入させる。すなわち、溝部５１に形成された挿入片５１０を正極集電体の露出部３１に対向させて、挿入片５１０を発電要素３の一端面に露出した正極集電体４０の端部どうしの間に挿入させる。挿入片５１０が正極集電体４０の端部どうしの間に挿入されると同時に、隣接する２つの挿入片５１０の間に介在する正極集電体４０の端部は、溝部５１に形成されたスリット５１１を挿通する。溝部５１には複数のスリット５１１が設けられていることから、発電要素３の内周部から外周部に亘って露出した正極集電体４０の複数の端部は、複数のスリット５１１に分散して挿通される（図３および図８参照）。スリット５１１を挿通した正極集電体４０と正極集電端子５とを溶接、より詳しくは、スリット５１１を挿通した正極集電体４０と挿入片５１０とを溶接することで、正極集電端子５と発電要素３とを接合する。
正極集電端子５と発電要素３０との接合方法と同様の接合方法で、正極集電端子５を同じ形態の溝部を備えた負極集電端子７を、発電要素３の負極集電体の露出部３２に接合することで、発電要素３０と負極集電体７を接続する。このようにして、正極集電端子５、負極集電端子７および発電要素３が一体化される。
正極集電体４０と挿入片５１０との接合の方法は、レーザ溶接、抵抗溶接、ティグ溶接やミグ溶接などのアーク溶接、超音波溶接等の手段によって行うことができる。但し、正極合剤や負極合剤への熱影響、接合部における通電抵抗、作業性、生産性等を総合的に考慮すれば、レーザ溶接またはティグ溶接によって行うのが望ましい。
正極集電端子５および負極集電端子７が接合された発電要素３は、図２に示すように、外装ケース２に収容される。外装ケース２は、軸方向の一端に開口部を有する有底円筒状のケース本体２０と、ケース本体２０の開口部に取り付けられて開口部を塞ぐ蓋体２１とを備える。外装ケース２は、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼等の金属で形成される。
発電要素３を外装ケース２に収容した後は、負極集電端子７のリード部７２をケース本体２０の底部に例えば抵抗溶接で接合し、正極集電端子５のリード部７２に蓋体２１を例えばレーザ溶接で接合し、ケース本体２０内に電解液を注液した後、蓋体２１の縁部とケース本体２０の内面との間に絶縁性のシール材（パッキン）２２を介在させるようにして蓋体２１をケース本体２０の開口部に装着し、最後に、ケース本体２０の開口部を例えばカシメして封着し、これらの工程によって、リチウムイオン二次電池１が完成する。
正極集電端子５の溝部５１に形成された挿入片５１０は、図６（ａ）のＣ−Ｃ断面図である図６（ｃ）に示すように、中央が谷折り状に屈曲され、略Ｖ字状を呈していることが好ましい。このように略Ｖ字状にすることで挿入片５１０を正極集電体の露出部３０に容易に挿入することができる。また、挿入片５１０の断面（図６（ａ）のＣ−Ｃ断面）が図９（ｃ）で示すように、略Ｗ字状を呈していることで、挿入片５１０が正極集電体の露出部３０に挿入された際に、略Ｗ字状の先端部５１０ｂ’が避雷針ガイドとなるため、アーク溶接であれば、アークのスポットを打つときの方向を定めることができ、目的とする箇所を適切に溶接することができる。
挿入片５１０は、図６（ａ）のＢ−Ｂ断面図である図６（ｂ）に示すように、先端部５１０ｂがテーパ状に形成されることが好ましい。図３および図８に示すように、正極集電端子５を正極集電体の露出部３０の端面に押し当てた際、正極集電体４０をスリット５１１に誘導することができるので、多くの正極集電体４０の端部をスリット５１１に挿通させて、正極集電体４０と正極集電端子５との接合強度を高くすることができる。尚、テーパ形状はＶ字状乃至略Ｖ字状のほか、円弧状であっても構わない。
図６（ａ）のＣ−Ｃ断面図である図６（ｃ）に示すように、挿入片５１０が、挿入片５１０の両端部２点で板状部５０の平坦部に支持される構成では、挿入片５１０を正極集電体の露出部に挿入する際に生じる正極集電体から挿入片への圧力を挿入片の両端部２点に分散することができるので、挿入片が著しく変形するのを防ぐことができる。また、挿入片の強度を確保するという観点から、挿入片５１０のアーム部５１０ａの幅は０．３ｍｍ以上であることが好ましく、先端部５１０ｂの幅は０．５ｍｍ以上であることが好ましい。
スリット５１１を挿通した正極集電体４０と挿入片５１０との間に生じる隙間を介して、溶接時のスパッタ等が発電要素３に飛散しないようにするために、スリット５１１の幅は０．５ｍｍ以下、よりこの好ましくは０．３ｍｍ以下とすることが好ましい。溶接時のスパッタ等が発電要素３のセパレータ８に飛散しないようにすることで、セパレータ８が溶融して正極板４と負極板６とが短絡することを防ぐことができる。
スリット５１１を挿通した正極集電体４０と挿入片５１０とを抵抗溶接を用いて接合する際には、丸形または角形の溶接面を有する溶接電極の一方の極を正極集電端子５の溝部５１に嵌まるようにして、他方の極を板状部５０の平坦部に配置して、スリット５１１を挿通した正極集電体４０を押圧しつつ電流を流すことにより、正極集電体４０と正極集電端子５とを接合することができる。また、レーザ溶接やティグ溶接を用いて接合する際には、スリット５１１を挿通した正極集電体４０を押圧して、押圧変形した正極集電体４０と挿入片との接触面積を大きくしてから、レーザ溶接やティグ溶接をおこなうことが好ましい。溶接する前に正極集電体４０を押圧することによって、溶接部の面積を大きくすることができるため、溶接強度を高くすることができ、かつ、押圧した正極集電体４０でスリット５１１を塞ぐことで、レーザが発電要素３に抜け難くすることができる。
なお、正極集電体５をスリット５１１に挿通させた際、挿入片５１０の先端部内側５１０ｃから挿通した正極集電体４０の端縁までの長さを０．５ｍｍ以上とすることで、正極集電体４０と挿入片５１０との溶接不良を少なくすることができる。また、挿入片５１０の先端部５１０ｂの内面から挿通した正極集電体４０の端縁までの長さを２．０ｍｍ以下とすることで、スリット５１１を挿通した正極集電体４０の押圧変形の作業を容易にすることができる。
正極集電端子５の板状部５０に設けられる溝部５１において、図４に示すように、放射状に形成される溝部５１を２つとすることで、溝部５１が１つしか形成されていない場合と比較して、正極集電体４０と正極集電端子５との接合点を増やすことができ、接合強度を高くすることができる。さらに、図１０および図１１に示すように、放射状に形成される溝部５１を３つまたは４つとすることで、接合強度を高めることができる上に、発電要素３と正極集電体５と間の抵抗を低減することができるので、大電流での充電および放電をおこなうことができる。したがって、高率の充放電特性の観点から、正極集電端子５の板状部５０に形成される溝部５１は３つ以上であることが好ましい。
上記では、正極集電体４０と正極集電端子５との接合について説明したが、正極集電体４０と正極集電端子５との接合と同様の形態にて、負極集電体６０と負極集電端子７との接合をおこなうことができる。
正極活物質であるＬｉＭｎ2Ｏ4と、導電助剤であるアセチレンブラックと、結着剤であるポリフッ化ビニリデンとを重量比８５：１０：５の割合で混合し、溶剤としてＮ−メチルピロリドンを加えて混練分散して正極合剤を作製し、この正極合剤を正極集電体４０である厚さ２０μｍのアルミニウム箔の両面に塗布した。塗布工程では、正極集電体の幅５２ｍｍに対して、正極合剤の塗布幅を４８ｍｍとし、正極集電体の幅の一端部に正極合剤の非形成部を設けた。塗布後に、ロールプレスにより極板の厚さを１５２μｍに調整して、３．２３５ｍＡｈ／ｃｍ2の容量を有する正極板４を作製した。次に、負極活物質である人造黒鉛９０重量％と結着剤であるポリフッ化ビニリデン１０重量％とに、溶剤としてＮ−メチルピロリドンを加えて混練分散して負極合剤を作製し、この負極合剤を負極集電体である厚さ１０μｍの銅箔の両面に塗布した。塗布工程では、負極集電体６０の幅５３ｍｍに対して、負極合剤の塗布幅を５０ｍｍとし、負極集電体６０の幅の一端部に負極合剤の非形成部を設けた。塗布後に、ロールプレスにより極板の厚さを１０２μｍに調整して、３．５２ｍＡｈ／ｃｍ2の容量を有する負極板６を作製した。
そして、正極板４の合剤非形成部と負極板６の合剤非形成部とがそれぞれ巻回軸方向で反対側に配置されるようにして、正極板４と負極板６との間にポリエチレン製微多孔膜からなる厚み２５μｍ、幅５２ｍｍのセパレータを介在させて巻回することにより、発電要素３の巻回軸方向の一端面には、正極集電体４０がセパレータから２ｍｍはみ出た正極集電体の露出部３１が形成され、発電要素３の巻回軸方向の他方の端面には、負極集電体６０がセパレータから２ｍｍはみ出た負極集電体の露出部３２が形成された発電要素３を作製した。
正極集電端子５において、厚み０．３ｍｍのアルミニウム板から形状を打ち抜いて、プレス加工することによって、図４および図５に示すように、リード部５２、孔５３および２つの溝部５１とが形成され、溝部５１には巻回の接線方向に複数の挿入片５１０と複数のスリット５１１とが形成された正極集電端子５を作製した。一方、負極集電端子７において、厚み０．３ｍｍの銅板から形状を打ち抜いて、プレス加工することによって、図１２〜図１４に示すように、リード部７２および２つの溝部７１とが形成され、溝部７１には巻回の接線方向に挿入片７１０とスリット７１１が形成された負極集電端子７を作製した。正極集電端子５および負極集電端子７ともに、挿入片の幅は０．３１６ｍｍ、スリットの幅は０．１２０ｍｍとした。
正極集電端子５の孔５３を発電要素３の巻回軸３０に配置させて、挿入片５１０を正極集電体の露出部３１に挿入して、正極集電体４０の複数の端部を複数のスリット５１１に分散して挿通させた。一方、負極集電端子７のリード部７２を発電要素３の巻回軸３０に配置させて、挿入片７１０を負極集電体の露出部３２に挿入して、負極集電体６０の複数の端部を複数のスリット７１１に分散して挿通させた。
次に、正極集電端子５および負極集電端子７ともに、溝部５１，７１のスリット５１１，７１１から突き出た集電体４０，６０を押圧変形して、押圧変形された集電体４０，６０にレーザ焦点を合わせて、光軸を１５°傾けて、集電体と集電端子とをレーザ溶接した。
ここで、集電端子と発電要素３との接合状態を確認するために、引張り試験によって溶接強度を調査し、さらに、正極集電端子５と負極集電端子７との間に１００Ｖを印加して、印加した際の抵抗値により短絡不良の判定をおこなった。上記のレーザ溶接にて接合した集電体と集電端子との溶接強度は、正極集電端子５および負極集電端子７ともに１０ｋｇｆ以上を有しており、短絡不良は発生しなかった。
次に、レーザ溶接に替えて抵抗溶接にて集電体と集電端子との溶接をおこなった。溝部５１，７１のスリット５１１，７１１から突き出た集電体４０，６０を押圧変形して、押圧変形された集電体に抵抗溶接機の溶接ヘッドを当てて、抵抗溶接をおこなった。溶接ヘッドは直径１ｍｍの銅製の棒状部を備えており、棒状部を溝部に嵌めて溶接することにより、複数のスリットから突き出た集電体を一度に溶接することができる。なお、印可電圧は第１パルスを７．５Ｖ、第２パルスを４．９０Ｖとし、通電時間は第１パルスを１００μ秒、第２パルスを４００μ秒とし、第１パルスと第２パルスをセットとして、正極集電体４０と正極集電端子５との溶接では５セットの通電設定とし、負極集電体６０と負極集電端子７との溶接では１５セットの通電設定とした。抵抗溶接にて接合した集電体と集電端子との溶接強度は、正極集電端子５および負極集電端子７ともに１０ｋｇｆ以上を有しており、短絡不良は発生しなかった。
次に、集電体と集電端子との溶接方法をティグ溶接とした。溝部５１，７１のスリット５１１，７１１から突き出た集電体４０，６０を押圧変形する工程はレーザ溶接および抵抗溶接と同じである。溶接ヘッドの極性をマイナスとして集電端子に接触させ、正極集電体４０と正極集電端子５との溶接時は、１００Ａで１０ｍｓｅｃの１パルスを通電し、負極集電体６０と負極集電端子７との溶接時は、１００Ａで３０ｍｓｅｃの１パルスを通電して溶接した。その結果、溶接強度は正極集電端子５および負極集電端子７ともに１０ｋｇｆ以上を確保でき、短絡不良も発生しなかった。尚、ティグ溶接の極性を逆転して接続しても溶接は可能であるが、溶接部の溶け代の深さが浅くなるため、好ましくは集電端子５，７への溶接電源の極性はプラスが好ましい。また、交流のティグ溶接機でも良好な溶接が可能である。ティグ溶接機としては、溶融するためのエネルギーを厳密に制御するため、少なくともアーク放電時間を１ｍｓｅｃ単位で制御することができる溶接機であることが好ましい。
正極集電端子５および負極集電端子７を接合した発電要素３は、負極集電端子７がケース本体２０の底部に配置されるようにケース本体２０に挿入し、ケース本体２０の底部と負極集電端子７のリード部７２を溶接した。抵抗溶接の棒状の溶接ヘッドを正極集電端子５の孔５３および発電要素３の巻回軸部３０を挿通させて、溶接ヘッドの先端部を負極集電端子７のリード部７２に当接させて、負極集電端子７とケース本体の底部２０との抵抗溶接をおこなった。
正極集電端子５のリード部５２と蓋体２１とはレーザ溶接に接合し、正極集電端子５のリード部５２を折り曲げることによって蓋体２１がケース本体２０の開口部に配置されるようにして、ケース本体２０の中に電解液を注液した後に、蓋体２１とケース本体２０との間にシール材を介在させて、蓋体２１をケース本体２０の開口部に嵌合することでリチウムイオン二次電池１を作製した。
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
また、上記実施形態においては、正極集電端子５、負極集電端子７の何れもが本発明の実施形態に係るものであるが、例えば、正極集電端子５にだけ、あるいは負極集電端子７にだけ、本発明を適用するようにしてもよい。また、上記実施形態においては、発電要素３の巻回軸方向の両端にそれぞれ正極集電体の露出部３１および負極集電体の露出部３２を形成させたが、一方の端面のみに集電体の露出を形成させて、本発明を適用するようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、円筒状（横断面形状が円形）の電極群３を備える円筒型電池を例として説明したが、横断面形状がやや偏平な形状（長円形、楕円形等）の電極群を備える各種の筒型電池も本発明が意図するところである。
また、電池の種類は上記実施形態のリチウムイオン電池に限られず、電極群構成材料や電解液の組成が異なる種々の電池、例えばリチウム金属やリチウム合金を負極とするリチウム二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、あるいは電気二重層キャパシタであってもよい。
１ リチウムイオン二次電池
２ 外装ケース
２０ ケース本体
２１ 蓋体
２２ シール材
３ 発電要素
３０ 巻回軸
３１ 正極集電体の露出部
３２ 負極集電体の露出部
４ 正極
４０ 正極集電体
４１ 正極合剤
５ 正極集電端子
５０ 板状部
５１ 溝部
５１０ 挿入片
５１０ａ アーム部
５１０ｂ 先端部
５１０ｃ 先端部内側
５１１ スリット
５２ リード部
５３ 孔
６ 負極
６０ 負極集電体
６１ 負極合剤
７ 負極集電端子
７０ 板状部
７１ 溝部
７１０ 挿入片
７１０ａ アーム部
７１０ｂ 先端部
７１０ｃ 先端部内側
７１１ スリット
７２ リード部
８ セパレータ
２ 外装ケース
２０ ケース本体
２１ 蓋体
２２ シール材
３ 発電要素
３０ 巻回軸
３１ 正極集電体の露出部
３２ 負極集電体の露出部
４ 正極
４０ 正極集電体
４１ 正極合剤
５ 正極集電端子
５０ 板状部
５１ 溝部
５１０ 挿入片
５１０ａ アーム部
５１０ｂ 先端部
５１０ｃ 先端部内側
５１１ スリット
５２ リード部
５３ 孔
６ 負極
６０ 負極集電体
６１ 負極合剤
７ 負極集電端子
７０ 板状部
７１ 溝部
７１０ 挿入片
７１０ａ アーム部
７１０ｂ 先端部
７１０ｃ 先端部内側
７１１ スリット
７２ リード部
８ セパレータ
Claims (4)
- 帯状の正極集電体を備えた正極板と帯状の負極集電体を備えた負極板との間にセパレータを介在して巻回した発電要素を備え、前記発電要素の一方の端面には、前記正極集電体または前記負極集電体のいずれか一方の集電体の巻回軸方向の端部が露出しており、露出している前記集電体が集電端子と接合される電池において、
前記集電端子は、前記集電体が露出している前記発電要素の端面に沿って配置される板状部を備えており、
前記板状部は、
前記発電要素側の面が該発電要素に向けて突出すると共に前記発電要素と反対側の面が該発電要素に向けて凹んだ少なくとも１つの溝部であって、前記発電要素の内周部から外周部の方向に延びる少なくとも１つの溝部と、
前記溝部の両側に接続される平坦部と、を有し、
前記溝部では、該溝部を横断する複数のスリットが該溝部の延びる方向に間隔を空けて並ぶことにより、前記発電要素の端面に挿入される挿入片が前記スリット間のそれぞれに形成され、
前記挿入片における前記発電要素の端面に挿入される方向の先端部の幅が、該挿入片の前記平坦部と隣接する部位の幅より大きく、
前記発電要素の端面に前記挿入片が挿入されると共に前記発電要素の端面に露出している前記集電体が前記複数のスリットを挿通し、前記複数のスリットを挿通した前記集電体と前記集電端子とが接合されていることを特徴とする電池。 - 帯状の正極集電体を備えた正極板と帯状の負極集電体を備えた負極板との間にセパレータを介在して巻回した発電要素を備え、前記発電要素の一方の端面には、前記正極集電体または前記負極集電体のいずれか一方の集電体の巻回軸方向の端部が露出しており、露出している前記集電体が集電端子と接合される電池の製造方法において、
前記集電端子は、前記集電体が露出している前記発電要素の端面に沿って配置される板状部を備えており、
前記板状部は、
前記発電要素側の面が該発電要素に向けて突出すると共に前記発電要素と反対側の面が該発電要素に向けて凹んだ少なくとも１つの溝部であって、前記発電要素の内周部から外周部の方向に延びる少なくとも１つの溝部と、
前記溝部の両側に接続される平坦部と、を有し、
前記溝部では、該溝部を横断する複数のスリットが該溝部の延びる方向に間隔を空けて並ぶことにより、前記発電要素の端面に挿入される挿入片が前記スリット間のそれぞれに形成され、
前記挿入片における前記発電要素の端面に挿入される方向の先端部の幅が、該挿入片の前記平坦部と隣接する部位の幅より大きく、
前記集電体が露出している前記発電要素の端面に、前記板状部の片面に突起した前記溝部を構成する複数の前記挿入片を挿入するとともに、前記発電要素の端面に露出している前記集電体を前記複数のスリットに挿通させて、前記複数のスリットを挿通した前記集電体と前記集電端子とを接合することを特徴とする電池の製造方法。 - 前記集電端子の前記板状部は、３つ以上の前記溝部を有していることを特徴とする請求項１に記載の電池。
- 前記溝部を構成する挿入片が前記発電要素の端面に挿入される方向における該挿入片の先端は、テーパ状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電池の製造方法。
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