JP5747082B2 - 円筒形二次電池 - Google Patents

Description

この発明は、円筒形二次電池に関し、より詳細には、正・負極電極の一方に接続された集電部材と電池缶とが溶接等により接合された円筒形二次電池に関する。

リチウム二次電池等に代表される円筒形二次電池は、円筒形の電池缶内に、正極電極と負極電極とがセパレータを介して軸芯の周囲に捲回された電極群が収容され、電解液が注入されて構成される。正・負極の電極は、それぞれ、正・負極の金属箔の両面に塗工された、正・負極の活物質を有する。正・負極の金属箔は、それぞれ、長手方向の片側縁に沿って所定のピッチで配列された多数の正・負極タブ（以下、「電極タブ」という）を有する。

正・負極の電極タブは、それぞれ、ほぼリング形状の正・負極の集電部材の外周に捲回され、電極タブが重ね合わされた状態で、各集電部材に超音波溶接等により接合される。
正・負極の集電部材の一方は、電池缶の上部に配置された電池蓋に接合され、他方は電池缶の缶底に、例えば、抵抗溶接により接合される。
電池缶が鉄により形成され、集電部材が銅により形成されている場合、溶接による接合力が不足するため、通常、電池缶と集電部材との間にニッケルにより形成された接続リードを介在させることにより、十分な接合力が得られるようにしている。

このような構造として、集電部材の中央に、軸芯が挿通される開口部を設け、集電部材の底面側に、この開口部を塞いで開口部の両側に延出された接続リードを接合する円筒形二次電池が知られている。このような円筒形二次電池では、接続リードの軸芯の開口部に対応する部分を、抵抗溶接用の電極棒により電池缶の缶底に圧接して溶接する（例えば、特許文献１参照）。

日本国特開２００９−２８９７１４号公報

特許文献１に記載された発明では、集電部材の中央に開口部が形成され、この開口部を塞いで延出された接続リードの両端部が集電部材の周縁部に接合される。この場合、特許文献１には、明確に記載されていないが、通常、接続リードと集電部材とは、スポット溶接により接合される。従って、接続リードと集電部材との接合面積はかなり小さくなっている。このため、接続リードと集電部材との接合部の抵抗値が大きくなり、電池内部の抵抗値が増大する。抵抗値を小さくするためには、接続リードの厚さを厚くする必要があるが、ニッケル等で構成される接続リードは、銅等により構成される集電部材よりも高価である。したがって、接続部材の厚さが厚い分だけコスト高となっていた。

本発明の第１の態様によると、円筒形二次電池は、円筒状の軸芯の周囲に、正極電極と負極電極とをセパレータを介して捲回した電極群と、上部側に開口部を有し、電極群が収容されると共に電解液が注入された電池缶と、電池缶の上部側に配置された電池蓋と、電池缶の缶底と軸芯の下端部との間に配置され、負極電極の負極タブが接続されると共に電池缶に接合された負極集電部材とを備え、負極集電部材は、負極電極が接続される第１の金属と、第１の金属に拡散融合され、電池缶の缶底に接合された第２の金属とが一体化したクラッド材により形成され、第１の金属は、銅または銅合金で形成され、第２の金属はニッケルで形成され、負極集電部材は、中央部に形成された軸芯の先端部側が挿入される筒状凹部と、筒状凹部の底部からほぼ垂直に立ち上がるリング状の内周側壁と、内周側壁からほぼ垂直に屈曲された平坦な円盤状部とを備え、第２の金属は、筒状凹部を形成する第１の金属の底部の外面側において、凹状筒部の中心を含む一部の領域に、凹状筒部の幅よりも小さい幅で、円盤状部の一端から第１の金属の底部を経由して円盤状部の他端まで直線状に形成され、筒状凹部において、第２の金属は電池缶の缶底に接合され、負極タブは円盤状部の第１の金属に超音波溶接により接合され、負極集電部材の筒状凹部には、軸芯の外周に接触する複数の突出部が形成され、筒状凹部の突出部間には、軸芯の外周から離間する空隙部が形成されると共に、筒状凹部の突出部間には、筒状凹部の内側から外側に貫通する開口が形成されている。
本発明の第２の態様によると、第１の態様の円筒形二次電池において、第２の金属は、０．２〜０．７ｍｍ程度の厚さを有することが好ましい。
本発明の第３の態様によると、第１または２の態様の円筒形二次電池において、筒状凹部の底面に電池缶の缶底側に向かって突き出す突起が形成され、第２の金属は、突起の缶底側に対面する表面に形成されていることが好ましい。

この発明の円筒形二次電池によれば、集電部材は、第１の金属と、第１の金属に拡散融合された第２の金属とが一体化したクラッド材により形成されており、第１の金属と第２の金属との接触面積を大きくすることができる。従って、第１、第２の金属の接合部の接抵抗値を低減することができる。これにより、高価な第２の金属の厚さを薄くすることができ、コストを低減することができる。

本発明に係る円筒形二次電池の一実施の形態の断面図。 図１に示された円筒形二次電池の分解斜視図。 図１に図示された負極集電部材周辺部の拡大断面図。 （Ａ）は、図３に図示された負極集電部材の断面図であり、（Ｂ）は、その底面図。 負極集電部材を電池缶の缶底に溶接する方法を説明するための断面図。 ニッケル材の板厚と電池缶の接合力との関係を示す特性図。 ニッケル材の厚さに対する抵抗値を示す特性図。 図７を１次微分した図であり、ニッケル材の厚さに対する抵抗値の変化率を示す特性図。 本発明の円筒形二次電池の実施形態２の要部の断面図。 （Ａ）は、図９に図示された負極集電部材の断面図であり、（Ｂ）は、その底面図。 本発明の円筒形二次電池の実施形態３の要部の断面図。 （Ａ）は、図１１に図示された負極集電部材の断面図であり、（Ｂ）は、その底面図。 本発明の円筒形二次電池の実施形態４の要部の断面図。 （Ａ）は、図１３に図示された負極集電部材の断面図であり、（Ｂ）は、その底面図。 本発明の円筒形二次電池の実施形態５を示し、（Ａ）は、負極集電部材周辺部の拡大断面図であり、（Ｂ）は、負極集電部材の材料の平面図と断面図。 図１５に図示された負極集電部材を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は底面図。

（実施形態１）
--円筒形二次電池の構造--
以下、この発明の円筒形二次電池の一実施の形態を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の形態を示す拡大断面図である。
円筒形二次電池１は、例えば、リチウムイオン二次電池である。この円筒形二次電池１は、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電池蓋３で構成される電池容器内に、以下に説明する発電用の各構成部材が収容され、非水電解液５が注入されて構成されている。

円筒形の電池缶２は、例えば、鉄（ＳＰＣＣ）製であり、内外両面にはニッケルめっきが施されている。電池缶２には、上端側に設けられた開口部２ｂ側に電池缶２の内側に突き出した溝２ａが形成されている。
電池缶２の内部には、電極群１０が配置されている。電極群１０は、軸方向に沿う中空部を有する円筒形の軸芯１５と、軸芯１５の周囲にセパレータを介して捲回された正極電極および負極電極とを備えている。

図２は、図１に示された円筒形二次電池１の分解斜視図である。
図２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、およびセパレータ１３が捲回された構造を有する。電極群１０の最外周が、負極電極１２およびその外周のセパレータ１３となるように捲回されている。最外周のセパレータ１３の側縁は接着テープ１９により、内周側のセパレータ１３に止められる。

正極電極１１は、アルミニウム箔により形成され長尺な形状を有する正極金属箔と、この正極金属箔の両面に正極合剤が塗布された正極合剤処理部１１ａを有する。正極金属箔の長手方向に延在する上方側の側縁は、正極合剤が塗布されずアルミニウム箔が露出した正極合剤未処理部となっている。この正極合剤未処理部には、軸芯１５の軸方向と平行に突き出す多数の正極タブ１６が等間隔に一体的に形成されている。

正極合剤は正極活物質と、正極導電材と、正極バインダとからなる。正極活物質はリチウム酸化物が好ましい。例として、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、リチウム複合酸化物（コバルト、ニッケル、マンガンから選ばれる２種類以上を含むリチウム酸化物）等が挙げられる。

正極バインダは、正極活物質と正極導電材を結着させ、また正極合剤と正極集電体を結着させることが可能であり、非水電解液５との接触により、大幅に劣化しなければ特に制限はない。正極バインダの例としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）やフッ素ゴムなどが挙げられる。
正極合剤の塗布厚さの一例としては片側約４０μｍである。

負極電極１２は、銅箔により形成され長尺な形状を有する負極金属箔と、この負極金属箔の両面に負極合剤が塗布された負極合剤処理部１２ａを有する。負極金属箔の長手方向に延在する下方側の側縁は、負極合剤が塗布されず銅箔が露出した負極合剤未処理部となっている。この負極合剤未処理部には、軸芯１５の軸方向と平行に、かつ、正極タブ１６とは反対方向に延出された、多数の負極タブ１７が等間隔に一体的に形成されている。

負極合剤は、負極活物質と、負極バインダと、増粘剤とからなる。負極合剤は、アセチレンブラックなどの負極導電材を有しても良い。負極活物質としては、黒鉛炭素を用いること、特に人造黒鉛を使用することが好ましい。
負極合剤の塗布厚さの一例としては片側約４０μｍである。

セパレータ１３は、例えば、厚さ４０μｍのポリプロピレン（ＰＰ）とポリエチレン（ＰＥ）の複合材料からなる多孔膜で形成されている。

中空な円筒形状の軸芯１５の上端部の内周側に、ほぼリング状の正極集電部材３１が圧入されている。正極集電部材３１は、例えば、アルミニウムにより形成されている。
正極電極１１の正極タブ１６は、すべて、正極集電部材３１のリング状の周側面に超音波溶接等により接合されている。正極タブ１６を正極集電部材３１に超音波溶接する場合、正極集電部材３１のリング状の周側面に正極タブ１６を配置し、この正極タブ１６上にリボン４１を巻き付けた状態でリボン４１上から溶接する。

軸芯１５の下端部には、ほぼリング形状の負極集電部材２０が圧入されて取り付けられている。負極集電部材２０は、例えば、銅により形成されている。
負極電極１２の負極タブ１７は、すべて、負極集電部材２０のリング状の周側面に超音波溶接等により接合されている。負極タブ１７を負極集電部材２０に超音波溶接する場合、負極集電部材２０のリング状の周側面に負極タブ１７を配置し、この負極タブ１７上にリボン４２を巻き付けた状態でリボン４２上から溶接する。

負極集電部材２０は、その下面が電池缶２の缶底２ｃに接合されている。負極集電部材２０の構造および電池缶２の缶底２ｃとの接合方法については、その詳細を後述する。

正極集電部材３１の上面には、複数のアルミニウム箔が積層されて構成されたフレキシブルな正極導電リード３２が、その一端部を超音波溶接等により接合されている。正極導電リード３２は、複数枚のアルミニウム箔を積層して一体化することにより、大電流を流すことが可能とされ、且つ、フレキシブル性を付与されている。

正極集電部材３１の上部には、導電接続板３３が配置されている。導電接続板３３の周縁部には電池蓋３が、かしめにより固定されている。
導電接続板３３は、アルミニウムまたはアルミニウム合金により形成され、ほぼ円盤形状を有している。図示はしないが、導電接続板３３のほぼ中央部には、過充電等の場合に、円筒形二次電池１内部に発生するガスを放出するほぼ円形形状の安全弁が形成されている。安全弁は、プレスによりほぼＶ字形状の溝ができるように押し潰して薄肉部とされた部分で形成される。導電接続板３３の下面には、一端部が正極集電部材３１に接合された正極導電リード３２の他端部がレーザ溶接等により接合されている。

導電接続板３３の周縁部を覆ってガスケット３４が設けられている。ガスケット３４は、例えば、プルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）等により形成されている。
導電接続板３３の周縁部にかしめられた電池蓋３は、ガスケット３４と共に電池缶２にかしめにより固定されている。
ガスケット３４の開口部内に、電池蓋３がかしめられた導電接続板３３を収容し、プレスにより、電池缶２の開口部２ｂの周縁部と共にガスケット３４を圧着すると、図１に図示されたような、電池蓋３、導電接続板３３、ガスケット３４、電池蓋３がかしめにより一体化された電池容器が作製される。

電池缶２の内部には、非水電解液５が所定量注入されている。非水電解液５の一例としては、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（ＬｉＰＦ_６）、フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ_６）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。

軸芯１５の下端部には、非水電解液５を注入した際に、非水電解液を軸芯１５の中空部から軸芯１５の外側に流出するための複数の開口部１５ａが形成されている。
軸芯１５の下端部に負極集電部材２０が圧入され、軸芯１５の上端部に正極集電部材３１が圧入された電極群１０を電池缶２内に収容し、負極集電部材２０を電池缶２の缶底２ｃに接合し、非水電解液５を電池缶２内に注入する。
次に、正極導電リード３２により正極集電部材３１と電池蓋３がかしめられた導電接続板３３を接続する。そして、ガスケット３４を介して導電接続板３３と電池蓋３とを電池缶２の上部側の開口部２ｂの周縁部にかしめることにより、図１に図示される円筒形二次電池１が作製される。

図３は、図１に図示された負極集電部材２０と電池缶２の缶底２ｃ周辺部の拡大断面図である。また、図４（Ａ）は、図３に図示された負極集電部材２０の断面図であり、図４（Ｂ）は、その底面図である。
負極集電部材２０は、外周側と内周側にリング状の周壁を有する、全体としてほぼ筒型形状に形成されている。つまり、中央部に、リング状の内周側壁２０ａを有する筒状凹部２９が形成され、外周側に、リング状の外周側壁２０ｂを有する構造を有する。内周側壁２０ａと外周側壁２０ｂとの間には、ほぼ円盤形状の中間平坦部２０ｃが形成されている。内周側壁２０ａは筒状凹部２９の底部２９ａから中間平坦部２０ｃに向けてほぼ垂直に立ち上げて形成され、外周側壁２０ｂは、中間平坦部２０ｃの外周縁において、ほぼ垂直に立ち下げて形成されている。
また、負極集電部材２０の筒状凹部２９の中央には、缶底２ｃ側に向かって突き出す突起２０ｄが形成されている。

負極集電部材２０は、上記の如く、内周側壁２０ａ、外周側壁２０ｂおよび中間平坦部２０ｃを有する第１の金属層２１と、この第１の金属層２１に金属拡散融合された第２の金属層２２とが一体化されたクラッド材により形成されている。
第２の金属層２２は、第１の金属層２１の一面に、第１の金属層２１の全面に亘り形成されている。
第１の金属層２１は、例えば、銅または銅合金の銅系金属により形成されており、第２の金属層は、例えば、ニッケルにより形成されている。ニッケルは、抵抗値は銅よりも大きいが、電池缶２の材料である鉄との抵抗溶接による接合力は、銅の場合よりも大きい。

そこで、電池缶２の缶底２ｃの内面側に第２の金属層２２を配置して、電池缶２の缶底２ｃに抵抗溶接する。
第２の金属層２２は、第１の金属層２１の筒状凹部２９の底部２９ａの外面側に形成されており、負極集電部材２０の筒状凹部２９内に軸芯１５の下端部を挿入した状態で、第２の金属層２２が電池缶２の缶底２ｃの内面に対面する。

図４（Ｂ）に図示されるように、内周側壁２０ａには、筒状凹部２９の半径方向の内面側に突き出す複数の突出部２５が形成されている。突出部２５の先端部により円形の空間が形成され、この円形の空間に、軸芯１５の外周面が圧入により嵌合される。
従って、内周側壁２０ａの隣接する突出部２５の間には、軸芯１５との間に空隙部２６が形成される。図４（Ｂ）において、筒状凹部２９内に嵌合された軸芯１５を二点鎖線により図示している。
内周側壁２０ａの内面側に凹凸部が形成されていない構造では、筒状凹部２９に軸芯１５を嵌合すると、嵌合部分が袋状となって非水電解液５の流動性が遮断される。上記のように、内周側壁２０ａに複数の突出部２５を設け、各突出部２５間に空隙部２６が形成される構造とすることにより、非水電解液５の流動性を確保することができる。

内周側壁２０ａには、各空隙部２６に対応して、負極集電部材２０の筒状凹部２９の内側から外側に貫通する開口２７が形成されている。また、負極集電部材２０の中間平坦部２０ｃには８個の円形の開口２８が形成されている。開口２７および２８は、非水電解液５の流動性の確保および過充電等の際に電池内部に発生するガスのガス抜きを図るためのものである。特に、開口２７を設けることにより、非水電解液５および電池内部に発生するガスは、負極タブ１７側を流動せずとも、軸芯１５の内側と電極群１０側を流動することができるように配慮されている。なお、負極集電部材２０の内周側壁２０ａに形成する開口２７は、各空隙部２６に対応して１つ形成された構造として例示されているが、これに限らず、各空隙部２６に対応して開口２７を複数個ずつ形成したり、あるいは、所定間隔で開口２７を形成しない部分を設けたりしてもよい。

負極集電部材２０全体の厚さは、１．０ｍｍ程度である。第２の金属層２２であるニッケル材の厚さは、０．２〜０．７ｍｍ程度とすることが推奨される。
以下、分析データと共に、ニッケル材の厚さの変化に対する機械的および電気的特性について述べる。

図６は、ニッケル材の板厚と電池缶２の接合力との関係を示す特性図である。
図６においては、電池缶２の缶底２ｃと負極集電部材２０との接合に必要とされる接合力を１としている。ニッケル材の板厚が０．１ｍｍの場合では、必要とされる接合力が得られず、平均で２５％程度不足していた。ニッケル材の板厚が０．３ｍｍの場合では、必要とされる接合力を超える接合力が得られ、その平均値は１５０％程度であった。
上記実験結果より、ニッケル材の板厚が０．２ｍｍであれば、必要とされる接合力の１１０％以上となり、十分な接合力を得ることができる。

図７は、ニッケル材の厚さに対する抵抗値を示す特性図である。
図７において、ニッケル材の厚さが０．２ｍｍの場合の抵抗値を１として、厚さ１ｍｍまでの抵抗値特性が図示されている。
図８は、図７を１次微分した図であり、ニッケル材の厚さに対する抵抗値の変化率を示す特性図である。
図８において、ニッケル材の厚さが０．７ｍｍ付近に変化点があることを明確に確認することができる。すなわち、ニッケル材の厚さが０．７ｍｍ程度を超えて厚くなると、抵抗値が急激に増大する。このことは、電池の内部抵抗が急に上昇して、電池出力の低下が大きいことを意味する。
以上のことから、ニッケル材の厚さは、０．２〜０．７ｍｍ程度とすることが推奨される。

次に、図１に図示された円筒形二次電池１の製造方法の一実施の形態を説明する。
--円筒形二次電池の製造方法--
〔電極群作製〕
先ず、電極群１０を作製する。
正極金属箔の両面に、正極合剤処理部１１ａが形成され、また、正極金属箔の長手方向の一側縁に沿って多数の正極タブ１６が形成された正極電極１１を作製する。また、負極金属箔の両面に負極合剤処理部１２ａが形成され、負極金属箔の長手方向の他側縁に沿って多数の負極タブ１７が形成された負極電極１２を作製する。
そして、軸芯１５に、セパレータ１３、正極電極１１、セパレータ１３および負極電極１２を捲回して電極群１０を作製する。この場合、正極電極１１の正極タブ１６と負極電極１２の負極タブ１７とは、相対向する側に位置するように積層する。電極群１０の最外周のセパレータ１３を接着テープ１９により接着する。

［負極集電部材の作製］
次に、負極集電部材２０を作製する。
上述した如く、第１の金属層２１と、第１の金属層２１に拡散融合された第２の金属層２２とが一体化されたクラッド材からなる負極集電部材２０を作製する。クラッド材は、第１の金属層２１に形成される第１の金属薄板と、第２の金属層２２に形成される第２の金属薄板とを熱間圧延し、第１、第２の金属薄板を接合領域で金属拡散結合させることに作製する。このクラッド材をプレス加工して、内周側壁２０ａ、外周側壁２０ｂ、中間平坦部２０ｃおよび突起２０ｄを有する、図４（Ａ）、４（Ｂ）に図示された負極集電部材２０を形成する。

〔発電ユニット作製〕
負極集電部材２０の筒状凹部２９に軸芯１５の下端部を圧入し、軸芯１５の下端面を筒状凹部２９の底面に当接させる。この場合、軸芯１５の下端面を負極集電部材２０の筒状凹部２９の底面に当接することにより、負極集電部材２０の上下方向、換言すれば、軸方向の位置が定まる。
次に、負極集電部材２０の外周側壁２０ｂの外周面に、負極タブ１７をほぼ均等に配分して密着し、負極集電部材２０に負極タブ１７を超音波溶接により接合する。この場合、上述した如く、負極集電部材２０の外周側壁２０ｂの外周面に負極タブ１７を密着させた状態で、負極タブ１７上にリボン４２を巻き付け、リボン４２上から溶接する。

次に、軸芯１５の上端部の内側に正極集電部材３１の下部を圧入する。そして、正極電極１１の正極タブ１６を正極集電部材３１の周側壁の外面に密着させ、超音波溶接により正極タブ１６を溶接する。この場合、上述した如く、正極集電部材３１のリング状の周側面に正極タブ１６を密着させた状態で、正極タブ１６上にリボン４１を巻き付け、リボン４１上から溶接する。
そして、正極導電リード３２の一端を正極集電部材３１の一面に超音波溶接等により接合する。但し、この段階では、正極導電リード３２は、非水電解液５の注入の障害とならないように、軸芯１５の中空部に対応する位置から外しておく。このようにして、発電ユニットが構成される。

〔電池缶への収容〕
一方、発電ユニットが収容可能な円筒状の電池缶２を絞り加工等により形成しておく。
そして、上述の如く作製した発電ユニットを電池缶２内に収容する。

〔負極溶接〕
電池缶２に収容された負極集電部材２０の突起２０ｄ周辺に対応する電池缶２の缶底２ｃを溶接用治具９１により支持する。次に、軸芯１５の中空部に電極棒９２を挿入する。この状態の断面図を図５に示す。
電極棒９２の下端面を負極集電部材２０の筒状凹部２９の底部２９ａ上面、すなわち、第１の金属層２１の上面に押し付ける。これにより、負極集電部材２０の第２の金属層２２が電池缶２の缶底２ｃの内面に接触する。この状態で、電極棒９２および溶接用治具９１に通電し、負極集電部材２０を電池缶２の缶底２ｃに抵抗溶接等により接合する。抵抗溶接により、負極集電部材２０の突起２０ｄは溶融し、平坦となる。これに伴い、負極集電部材２０の筒状凹部２９の底部２９ａ全体、すなわち第２の金属層２２の底部が、電池缶２の缶底２ｃに接合される。

上述した如く、第２の金属層２２は、第１の金属層２１の一面側の全面に亘り形成されており、接触面積が大きい。このため、第１の金属層２１と第２の金属層２２との接触抵抗を小さくすることができる。また、負極集電部材２０には、軸芯１５の中空部に対応する筒状凹部２９が形成されており、筒状凹部２９は、第１の金属層２１と、第２の金属層２２とが積層され、金属拡散結合されて形成されている。従って、ニッケル材からなる接続リードのみで電池缶２の缶底に接合されている従来の構造に比し、抵抗値を大幅に低減することができる。

［グルービング］
次に、電池缶２の上端部側の一部をグルービングにより絞り内方に突出し、外面にほぼＵ字状の溝２ａを形成する。
〔電解液注入〕
次に、電池缶２の内部に、非水電解液５を所定量注入する。
非水電解液５は、軸芯１５の中空部の上部から注入される。軸芯１５の中空部の上部から注入された非水電解液５は、上述したように、軸芯１５の中空部を上部側から下部側に向けて流動し、軸芯１５の開口部１５ａ、負極集電部材２０の空隙部２６、開口２７の経路で軸芯１５内側から外側に流出する。電池缶２内への非水電解液５の注入が完了したら、正極導電リード３２を図５に点線で示すように折り返しておく。

〔正極溶接〕
一方、上記工程とは別に、電池蓋３を導電接続板３３の周縁部にかしめて一体化しておく。
電池缶２の溝２ａの上部にガスケット３４を収容する。このガスケット３４の上方に電池蓋３が固定された導電接続板３３を配置する。
導電接続板３３を傾斜させ、一端が正極集電部材３１に溶接された正極導電リード３２の他端部をレーザ溶接等により導電接続板３３に接合する。

〔封口〕
正極導電リード３２を導電接続板３３に接合した後は、電池蓋３が固定された導電接続板３３を水平にして、ガスケット３４上に配置する。
この状態で、電池缶２の溝２ａと上端面の間の部分をプレスにより圧着するかしめ加工を行い、ガスケット３４と共に電池蓋３および導電接続板３３を電池缶２の開口部２ｂの周縁部に固定する。
これにより、図１に図示された円筒形二次電池１が作製される。

（実施形態２）
図９は、本発明の円筒形二次電池の実施形態２を示す断面図であり、図１０（Ａ）は、図９に図示された負極集電部材の断面図であり、図１０（Ｂ）は、その底面図である。
実施形態２が実施形態１と相違する点は、負極集電部材２０Ａが、リング状の外周側壁２０ｂ（図４（Ａ）参照）を有していない点である。
すなわち、負極集電部材２０Ａは、筒状凹部２９の底部２９ａからほぼ垂直に立ち上がるリング状の内周側壁２０ａと、この内周側壁２０ａからほぼ垂直に屈曲された平坦な円盤状部２０ｃ1を有する形状に形成されている。負極集電部材２０Ａが、第１の金属層２１と、この第１の金属層に拡散融合された第２の金属層２２とが一体化されたクラッド材により形成されている構成は、実施形態１と同じである。

実施形態２における負極集電部材２０Ａは、平坦な円盤状部２０ｃ1の下面全体に第２の金属層２２が形成された構造となっている。このため、負極電極１２の負極タブ１７は、負極集電部材２０Ａの円盤状部２０ｃ1の周縁部で第２の金属層２２に接合することになる。しかし、負極タブ１７の材料である銅系金属と、負極集電部材２０Ａの第２の金属層２２の材料であるニッケルとは、超音波溶接による接合が困難である。このため、実施形態２においては、負極タブ１７と負極集電部材２０Ａの第２の金属層２２との接合は、レーザ溶接による接合が推奨される。

実施形態２においては、実施形態１に対して、外周側壁２０ｂを無くす分だけ面積を小さくすることができ、重量の軽減及びコスト低減を図ることができる。
実施形態２における他の構成は実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付してその説明を省略する。

（実施形態３）
図１１は、本発明の円筒形二次電池の実施形態３を示す断面図であり、図１２（Ａ）は、図１１に図示された負極集電部材の断面図であり、図１２（Ｂ）は、その底面図である。
実施形態３が実施形態１と相違する点は、負極集電部材２０Ｂにおいて、第２の金属層２２が第１の金属層２１の一部の領域にのみ形成されている点である。
すなわち、図１２（Ａ）、１２（Ｂ）に図示されるように、実施形態３における負極集電部材２０Ｂでは、第２の金属層２２は、筒状凹部２９の底部２９ａの直径より小さい幅で、負極集電部材２０Ｂの中心を通る直線状に、第１の金属層２１の一面側に形成されている。

この負極集電部材２０Ｂを作製するには、第１の金属層２１に形成される第１の金属薄板に、予め、第２の金属層２２に形成される第２の金属薄板を嵌合する溝を形成しておく。そして、第２の金属薄板を第１の金属薄板の溝に嵌合した状態で第１の金属薄板と、第２の金属薄板とを熱間圧延し、第１、第２の金属薄板を接合領域で金属拡散結合させ、クラッド材を作製する。この後は、実施形態１と同様に、クラッド材をプレス加工することにより、負極集電部材２０Ｂを形成する。

実施形態３によれば、実施形態１よりも第２の金属層２２の面積を小さくすることができるので、コスト低減を図ることができる。
実施形態３における他の構成は実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付してその説明を省略する。

（実施形態４）
図１３は、本発明の円筒形二次電池の実施形態４を示す断面図であり、図１４（Ａ）は、図１３に図示された負極集電部材の断面図であり、図１４（Ｂ）は、その底面図である。
実施形態４が実施形態３と相違する点は、負極集電部材２０Ｃが、リング状の外周側壁２０ｂ（図１２（Ａ）参照）を有していない点である。
すなわち、負極集電部材２０Ｃは、筒状凹部２９の底部２９ａからほぼ垂直に立ち上がるリング状の内周側壁２０ａと、この内周側壁２０ａからほぼ垂直に屈曲された平坦な円盤状部２０ｃ2とを有する形状に形成されている。負極集電部材２０Ｃの第２の金属層２２が、筒状凹部２９の底部２９ａの直径より小さい幅で、負極集電部材２０Ｃの中心を通る直線状に、第１の金属層２１の一面側に形成されている点は実施形態３と同様である。

実施形態４における負極集電部材２０Ｃは、平坦な円盤状部２０ｃ2の下面の一部に第２の金属層２２が形成された構造となっている。つまり、平坦な円盤状部２０ｃ2は、一部を除き、第１の金属層２１のみにより形成されている。このため、負極電極１２の負極タブ１７を、第２の金属層２２が形成されている部分を避け、第１の金属層２１が露出している領域上に寄せて配置することにより、負極タブ１７と負極集電部材２０Ｃとを、超音波溶接により接合することが可能となる。

実施形態４では、実施形態１に対して、外周側壁２０ｂを有しておらず、また、第２の金属層２２は第１の金属層２１の一部にしか形成されていない。従って、第２の金属層２２の面積を、実施形態２や３の場合よりも、さらに、小さいものとすることができる。
実施形態４における他の構成は実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付してその説明を省略する。

（実施形態５）
図１５、１６は本発明の円筒形二次電池の実施形態５を説明するための図であり、図１５（Ａ）は、円筒形二次電池の負極集電部材周辺部の断面図であり、図１６（Ａ）は、図１５（Ａ）に図示された負極集電部材の断面図であり、図１６（Ｂ）は、その底面図である。
実施形態５は、実施形態３の場合と同様、負極集電部材２０Ｄにおいて、第２の金属層２２が第１の金属層２１の一部の領域に形成されている。しかし、実施形態５が実施形態３と相違する点は、第２の金属層２２が負極集電部材２０Ｄの中央領域のみでなく、中央領域を含む負極集電部材２０Ｄの半分以上の領域にわたり形成されている点である。
すなわち、図１６（Ａ）、１６（Ｂ）に図示されるように、実施形態５における負極集電部材２０Ｄでは、第２の金属層２２は、負極集電部材２０Ｄにおける筒状凹部２９の中心から所定幅だけ食い込んだ位置に第１の金属層２１との境界部を有する。第２の金属層２２は、この境界部から、筒状凹部２９の中央に形成された突起２０ｄの領域を含め、負極集電部材２０Ｄの外周側壁２０ｂの端部までの全領域に亘り、第１の金属層２１の一面に形成されている。

図１５（Ｂ）は負極集電部材２０Ｄ用の材料の平面図と断面図である。この材料を作製するには、第１の金属層２１に形成される第１の金属薄板に、予め、第２の金属層２２に形成される第２の金属薄板を嵌合する薄肉部を形成しておく。そして、第２の金属薄板を第１の金属薄板の薄肉部に嵌合した状態で第１の金属薄板と、第２の金属薄板とを熱間圧延し、第１、第２の金属薄板を接合領域で金属拡散結合させ、クラッド材を作製する。
この後は、実施形態３と同様に、クラッド材をプレス加工することにより、負極集電部材２０Ｄを形成する。

材料成形時、実施形態３では第２の金属薄板２２を第１の金属薄板２１の薄肉部に嵌合する際、両端が規制される為、嵌合幅の寸法公差を厳しくする必要が有る。これに対し、実施形態５の場合には、片側が規制されるのみである為、金属薄板２２の幅寸法公差が実質的に必要とされないものとなり、実施形態３に対し材料の製造工程を容易にすることができる。
実施形態５における他の構成は実施形態３と同様であり、対応する部材に同一の符号を付してその説明を省略する。

以上説明した通り、本発明の各実施形態においては、負極集電部材２０、２０Ａ〜２０Ｃを、正・負極のタブ１６、１７の一方が接続される第１の金属層２１と、第１の金属層２１に拡散融合され、電池缶２の缶底２ｃに接合される第２の金属層２２とが一体化したクラッド材により形成した。このため、第１の金属層２１と、第２の金属層２２の接触領域が全面接触となり、第１、第２の金属層２１、２２の接触抵抗を低減することができる。第１、第２の金属の接触抵抗が低減するので、高価な第２の金属の厚さを薄くすることができ、コストを低減することができる。

実施形態２および４のように、外周側壁２０ｂを無くし、平坦にすれば、高価な第２の金属層２２の面積をより小さくすることができる。

実施形態３および４のように、第２の金属層２２を第１の金属層２１の面積より小さくすれば、高価な第２の金属層２２の面積をより小さくすることができる。

実施形態５のように、第２の金属層２２を、負極集電部材２０Ｄの中心を含んで負極集電部材２０Ｄの外周側部２０ｂの端部まで、平面視で円形状の第２の金属層２２の半分以上の領域に形成するようにすれば、材料費の低減と共に生産性の向上を図ることができる。

軸芯１５が嵌合される負極集電部材２０、２０Ａ〜２０Ｃの筒状凹部２９に、軸芯１５の外周に接触する複数の突出部２５を設け、各突出部２５の間に、空隙部２６が形成されるようにしたので、非水電解液５の流動性を確保することができる。

負極集電部材２０、２０Ａ〜２０Ｃの内周側壁２０ａの各空隙部２６に対応する位置に、開口２７を設けたので、非水電解液５の流動性が確保され、かつ、過充電等により発生するガスのガス抜きを良好にすることができる。

上記実施形態では、第２の金属層２２をニッケルで形成する場合、その板厚を０．２ｍｍ〜０．７ｍｍ程度としたので、電池缶２との接合力を満足し、かつ、抵抗値が小さい特性部分が効率的に活用され、特性の良好な円筒形二次電池１を形成することができる。

なお、上記各実施形態では、第１の金属層２１を銅または銅合金とし、第２の金属層２２をニッケルとした場合で例示した。しかし、第１の金属層２１、第２の金属層２２は、これに限られるものではない。電池缶２がステンレスで形成されている場合には、第２の金属層２２をステンレスとし、電池缶２がアルミニウムで形成されている場合には、第２の金属層２２をアルミニウムまたはアルミニウム合金とすることができる。要は、第２の金属層２２を構成する金属材料として、第１の金属層２１よりも電池缶２との接合力が大きいものを用いればよい。

上記実施形態では、リチウムイオン円筒形二次電池の場合で説明した。しかし、本発明は、ニッケル水素電池またはニッケル・カドミウム電池、鉛蓄電池のように水溶性電解液を用いる円筒形二次電池にも適用が可能である。

上記実施形態では、負極集電部材２０を電池缶２に接合する電池缶側が負極の場合で例示した。しかし、本発明は、正極集電部材３１を電池缶２に接合する電池缶側が正極の場合にも、電池缶と集電部材との接続構造は同じであるため適用することができる。

その他、本発明の円筒形二次電池は、発明の趣旨の範囲内において、種々、変形して適用することが可能であり、要は、負極集電部材２０、２０Ａ〜２０Ｃを、正・負極のタブ（電極タブ）１６、１７の一方が接続される第１の金属層２１と、第１の金属層２１に拡散融合され、電池缶２の缶底２ｃに接合される第２の金属層２２とが一体化したクラッド材により形成するようにしたものであればよい。

次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
ＰＣＴ／ＪＰ２０１１／０６８６９１（２０１１年８月１８日出願）

Claims (3)

1. 円筒状の軸芯の周囲に、正極電極と負極電極とをセパレータを介して捲回した電極群と、
   上部側に開口部を有し、前記電極群が収容されると共に電解液が注入された電池缶と、
   前記電池缶の上部側に配置された電池蓋と、
   前記電池缶の缶底と前記軸芯の下端部との間に配置され、前記負極電極の負極タブが接続されると共に前記電池缶に接合された負極集電部材とを備え、
   前記負極集電部材は、前記負極電極が接続される第１の金属と、前記第１の金属に拡散融合され、前記電池缶の缶底に接合された第２の金属とが一体化したクラッド材により形成され、
   前記第１の金属は、銅または銅合金で形成され、
   前記第２の金属はニッケルで形成され、
   前記負極集電部材は、中央部に形成された前記軸芯の先端部側が挿入される筒状凹部と、前記筒状凹部の底部からほぼ垂直に立ち上がるリング状の内周側壁と、前記内周側壁からほぼ垂直に屈曲された平坦な円盤状部とを備え、
   前記第２の金属は、前記筒状凹部を形成する前記第１の金属の底部の外面側において、前記凹状筒部の中心を含む一部の領域に、前記凹状筒部の幅よりも小さい幅で、前記円盤状部の一端から前記第１の金属の底部を経由して前記円盤状部の他端まで直線状に形成され、
   前記筒状凹部において、前記第２の金属は前記電池缶の缶底に接合され、
   前記負極タブは前記円盤状部の前記第１の金属に超音波溶接により接合され、
   前記負極集電部材の前記筒状凹部には、前記軸芯の外周に接触する複数の突出部が形成され、
   前記筒状凹部の前記突出部間には、前記軸芯の外周から離間する空隙部が形成されると共に、前記筒状凹部の突出部間には、前記筒状凹部の内側から外側に貫通する開口が形成されている円筒形二次電池。
2. 請求項１に記載の円筒形二次電池において、
   前記第２の金属は、０．２〜０．７ｍｍ程度の厚さを有する円筒形二次電池。
3. 請求項１または２に記載の円筒形二次電池において、前記筒状凹部の底面に前記電池缶の缶底側に向かって突き出す突起が形成され、前記第２の金属は、前記突起の前記缶底側に対面する表面に形成されている円筒形二次電池。

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