JP5887967B2

JP5887967B2 - 電極板

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Publication number: JP5887967B2
Application number: JP2012019534A
Authority: JP
Inventors: 殿西　雅光; 雅光殿西; 山田　一徳; 一徳山田; 広和上林
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2032-02-01
Also published as: JP2013161517A

Description

本発明は、金属箔に活物質を塗工した電極板に関するものである。

例えばリチウムイオン電池では、アルミニウム箔に正極活物質を塗工するとともに、その幅方向端部に正極活物質を塗工しない未塗工部を形成した正極板と、銅箔に負極活物質を塗工するとともに、その幅方向端部に負極活物質を塗工しない未塗工部を形成した負極板とを有する発電要素を用いている。具体的にこの発電要素は、正極板の未塗工部が一方側、負極板の未塗工部が他方側に位置するようにセパレータを介して積層して巻回することにより形成されている。

そして、上記構成の発電要素は、その一方側にある正極板の未塗工部が束ねられて外部正極端子に電気的に接続された正極集電体が溶接され、その他方側にある負極板の未塗工部が束ねられて外部負極端子に電気的に接続された負極集電体が溶接される。なお、正極集電体及び負極集電体が溶接された発電要素は、電池筐体内に収容されて、注液及び化成など工程を経て電池となる。

上記電池においては、電池の容量を向上させるために、電池筐体内にどれだけ多くの活物質を収納できるかが重要となる。そのため、正極板のアルミニウム箔及び負極板の銅箔を薄くするという方法がある。この方法によれば、従来よりも正極板及び負極板の１枚の厚みを薄くすることができるため、電池筐体内に収容される発電要素の巻回数を増やしてより多くの活物質を収納することができ、電池の容量を向上させることができる。

しかしながら、アルミニウム箔及び銅箔を薄くすると、発電要素と正極集電体及び負極集電体との溶接部分である未塗工部の機械的強度が弱くなる傾向がある。そのため、例えば、製造工程においては各集電体の溶接時、また、電池完成後においては外部からの振動や衝撃などが加えられた時に、未塗工部が破れて電池の抵抗が増大したり、完全に通電が断絶されてしまうといった問題がある。

ここで、特許文献１に示すように、正極板及び負極板の未塗工部を折り曲げることによって未塗工部の機械的強度を高めるように構成したものがあるが、折り曲げただけでは、元の形状に戻ってしまう可能性があり、また、折り曲げられた部分が不安定でずれてしまう等により、その後の集電体の溶接作業が煩雑になるという問題がある。この問題は、特に金属箔を用いて構成される正極板及び負極板において顕著となる。

特開２００７−１４１６５０号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決すべくなされたものであって、金属箔に形成された未塗工部を折り畳むことで金属箔を補強し、当該金属箔の補強を維持することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る電極板は、金属箔に活物質を塗工した電極板であって、前記金属箔の幅方向端部に活物質が塗工されていない未塗工部を備え、前記未塗工部が前記未塗工部の長手方向に沿って折り畳まれており、未塗工部が重ね合わされた未塗工部又は活物質が塗工された塗工部と接合されていることを特徴とする。

また、重ね合わされた未塗工部同士における塗工部側端部が接合されていることが望ましい。

さらに、重ね合わされた未塗工部同士における塗工部側とは反対側の反塗工部側端部が接合されていることが望ましい。

ここで、未塗工部を２つ折りに折り畳む構成とすることが望ましい。

また本発明に係る電極板は、金属箔に活物質を塗工した電極板であって、前記金属箔の幅方向端部に活物質が塗工されていない未塗工部を有し、前記未塗工部が前記未塗工部の長手方向に沿って重ね合わされており、重ね合わされた未塗工部の塗工部側端部から当該塗工部に亘って活物質が塗工されていることを特徴とする。

前記未塗工部が前記未塗工部の長手方向に沿って折り畳まれて重ね合わされていることが望ましい。

前記未塗工部が２つ折りに折り畳まれて重ね合わされており、前記未塗工部の折り返し部における塗工部側端部がジグザグ状又は波状とされていることが望ましい。

重ね合わされた未塗工部の間に活物質が塗工されていることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、金属箔に形成された未塗工部を折り畳むことで金属箔を補強し、未塗工部を重ね合わされた未塗工部又は活物質が塗工された塗工部と接合しているので前記金属箔の補強を維持することができる。

本実施形態における電池の構成を模式的に示す断面図。同実施形態における正極板及び負極板の平面図。同実施形態における正極板の断面図。同実施形態の未塗工部の接合部位の一例を示す部分拡大平面図。同実施形態における正極板の製造方法を示す図。変形実施形態における正極板の部分拡大平面図及び展開図。変形実施形態における正極板の断面図。

以下に本発明に係る電池の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る電池１００は、例えばハイブリッド電気自動車といった電気自動車等に搭載されるものであり、例えばリチウムイオン電池等の非水電解液二次電池である。

具体的にこの電池は、図１に示すように、全体として扁平な概略直方体形状の電池筐体２と、前記電池筐体２に収容される発電要素３と、当該発電要素３の幅方向両端部に接続される正極集電体４及び負極集電体５と、正極集電体４及び負極集電体５それぞれに電気的に接続された外部正極端子６及び外部負極端子７とを有する。

発電要素３は、正極活物質を塗布した長尺シート状の箔状正極板３１と負極活物質を塗布した長尺シート状の箔状負極板３２とをセパレータを介して、断面概略長円形状となるように巻回して構成されている。

箔状正極板３１は、図２に示すように、長尺シート状をなすアルミニウム箔の両面に正極活物質を塗工した活物質塗工部３１ｘと、アルミニウム箔の幅方向一端部に正極活物質を塗工していない帯状の未塗工部３１ｙとを有する。

箔状負極板３２は、図２に示すように、長尺シート状をなす銅箔の両面に負極活物質を塗工した活物質塗工部３２ｘと、銅箔の幅方向他端部に負極活物質を塗工していない帯状の未塗工部３２ｙとを有する。

このように構成された箔状正極板３１及び箔状負極板３２は、それらの活物質塗工部３１ｘ、３２ｘが互いに対向するとともに、箔状正極板３１の未塗工部３１ｙが一方側、箔状負極板３２の未塗工部３２ｙが他方側に位置するようにセパレータを介して積層される。そして、その積層体を断面概略長円形状となるように巻回することで発電要素３が形成される。

このように形成された発電要素３は、幅方向一方側に正極板３１の未塗工部３１ｙが延出し、幅方向他端側に負極板３２の未塗工部３２ｙが延出する構成となる（図１参照）。そして、幅方向一方側に延出する正極板３１の未塗工部３１ｙが束ねられて正極集電体４が溶接され、幅方向他端側に延出する負極板３２の未塗工部３２ｙが束ねられて負極集電体５が溶接される。

しかして本実施形態の箔状正極板３１の未塗工部３１ｙ及び箔状負極板３２の未塗工部３２ｙは、当該未塗工部３１ｙ、３２ｙの長手方向に沿って折り畳まれて重ね合わされており、重ね合わされた未塗工部３１ｙ、３２ｙ同士が接合されている。なお、箔状正極板３１及び箔状負極板３２は実質的に対称であるため、以下においては正極板３１の構成を説明する。

本実施形態の正極板３１の未塗工部３１ｙは、図３に示すように、２つ折りに折り畳まれて２枚重ねに重ね合わされている。具体的に未塗工部３１ｙは、未塗工部３１ｙの長手方向に沿って未塗工部３１ｙの幅方向中央から外側部分が内側に折り畳まれている。なお、未塗工部３１ｙにおける幅方向中央から外側部分が折り返し部３１ｙ１となる。つまり、折り返し部３１ｙ１の自由端部は、折り畳まれた状態で、活物質塗工部３１ｙの未塗工部側端部と、幅方向において略同一位置となる。折り曲げ位置としては、幅方向中央に限られず、幅方向中央からずれた位置であっても良い。

また、重ね合わされた未塗工部３１ｙ同士の接合手段としては、プレスによる圧接、超音波溶接、レーザ溶接又はろう接などの各種接合方法の何れか１つ又はそれらの組み合わせを用いることが考えられる。その他、接着剤を用いて接着しても良い。

さらに、重ね合わされた未塗工部３１ｙ同士は、図４に示すように、塗工部側端部Ｙ１が長手方向に沿って直線状に連続的又は間欠的に接合されるとともに、塗工部側とは反対側の反塗工部側端部Ｙ２が長手方向に沿って直線状に連続的又は間欠的に接合される。このように、塗工部側端部Ｙ１を接合することで、接合部分を少なくしつつも確実に折り畳まれた状態を保つことができ、反塗工部側端部Ｙ２を接合することで、折り曲げ部である反塗工部側端部ｙ２の膨らみを防止して、その後の各集電体４、５の溶接作業を容易にすることができる。

なお、接合方法によって接合部分を異ならせても良い。例えば圧接により接合する場合は、重ね合わされた未塗工部３１ｙ同士全体を接合させるようにしても良いし、超音波溶接やレーザ溶接により接合する場合は、前記の通り、塗工部側端部Ｙ１及び反塗工部側端部Ｙ２を長手方向に沿って接合させるようにしても良い。また、長手方向に沿って接合する他、重ね合わされた未塗工部３１ｙ同士を局所的に接合するようにしても良い。

次にこのように構成した電極板３１の製造方法の一例について簡単に説明する。なお、負極板３２の製造方法も同様である。

まず長尺状の金属箔を搬送して、その金属箔の両面に、幅方向一端部に未塗工部３１ｙが形成されるように、活物質を塗布する。その後、活物質をプレスして活物質層を形成する。なお、複数枚分の金属箔を含む母材に活物質塗工領域及び活物質未塗工領域を形成して、当該母材をプレスした後に、各正極板３１毎に切断するようにしても良い。また母材から各正極板３１を切断した後にプレスしても良い。

次に、正極板３１の未塗工部３１ｙを長手方向に沿って２つに折り畳む。本実施形態では、図５に示すように、電極板３１を長手方向に沿って搬送して、搬送されるに連れて搬送方向先端側から未塗工部３１ｙが２つに折り畳むように構成している。その後、２つに折り畳まれた未塗工部３１ｙをプレスして重ね合わされた未塗工部３１ｙ同士を圧接する。また、上述した通り、圧接後に溶接しても良い。なお、接合方法は上述した通り種々の方法を用いることができる。このように構成された正極板３１及び負極板３２をセパレータを介して積層し巻回することで発電要素３が構成される。

このように構成した本実施形態に係る電池１００によれば、未塗工部３１ｙ、３２ｙを折り畳んで重ね合わせて、その重ね合わされた未塗工部３１ｙ、３２ｙ同士を接合しているので、金属箔の厚みを薄くしたことに伴う未塗工部３１ｙ、３２ｙの機械的強度を低下を抑制して金属箔を補強することができる。このため、金属箔を薄くして電池筐体２に収納される発電要素３の巻回数を増やすことにより電池筐体２に収納される活物質量を増大することができ、電池１００の容量を向上させることができる。また、製造工程における集電体４、５の溶接時等、また、電池完成後において外部からの振動や衝撃等で、未塗工部３１ｙ、３２ｙが破損して、電池１００の抵抗が増大したり、通電が断絶されてしまうことを防止することができる。さらに、重ね合わされた未塗工部３１ｙ、３２ｙ同士を接合して一体化しているので、折り畳まれた未塗工部３１ｙ、３２ｙが元の形状に戻ることが無く、金属箔の補強を維持することができ、その後の集電体４、５の溶接作業が煩雑になることもない。

また、未塗工部３１ｙ、３２ｙを２つ折りに折り畳む構成としているので、電極板３１、３２の構成を簡単化しつつも上記効果を奏することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、前記実施形態の電池は、電池筐体２に収容される発電要素３が正極板３１及び負極板３２をセパレータを介して積層したものを巻回して構成されるものであったが、その他、概略矩形状をなす正極板３１及び負極板３２をセパレータを介して積層した積層型電極群であっても良い。この場合であっても、正極板３１の未塗工部３１ｙが一方側、負極板３２の未塗工部３２ｙが他方側に位置するように積層して、正極板３１の未塗工部３１ｙを束ねて正極集電体４を接続し、負極板３２の未塗工部３２ｙを束ねて負極集電体５を接続する。

また、前記実施形態では、重ね合わされた未塗工部３１ｙ、３２ｙ同士を接合していたが、図６に示すように、重ね合わされた未塗工部３１ｙ、３２ｙの塗工部側端部Ｙ１から当該塗工部側端部の内側に隣接する領域に亘って活物質を塗工して当該活物質により、重ね合わされた未塗工部３１ｙ、３２ｙを接着するように構成しても良い。なお、図６には正極板３１を示している。

具体的には、図６に示すように、未塗工部３１ｙが２つ折りに折り畳まれて重ね合わされており、未塗工部３１ｙの折り返し部３１ｙ１における自由端部（塗工部側端部Ｙ１）及び当該自由端部から内側に隣接する領域（活物質塗工部３１ｘの上面）に亘って活物質を塗工する。このとき、未塗工部３１ｙの折り返し部３１ｙ１における自由端部をジグザグ状又は波状とすることにより、接着面積を増大させることができ、接着強度を向上させることができる。なお、この場合においても圧接又は溶接等の接合法を用いて接合させても良い。

このようなものであれば、未塗工部３１ｙ、３２ｙを折り畳んで重ね合わせて、その重ね合わされた未塗工部３１ｙ、３２ｙを活物質を用いて接着しているので、金属箔の厚みを薄くしたことに伴う未塗工部３１ｙ、３２ｙの機械的強度を低下を抑制することができる。このため、金属箔を薄くして電池筐体２に収納される発電要素３の巻回数を増やすことにより電池筐体２に収納される活物質量を増大することができ、電池１００の容量を向上させることができる。また、製造工程における集電体４、５の溶接時等、また、電池完成後において外部からの振動や衝撃等で、未塗工部３１ｙ、３２ｙが破損して、電池１００の抵抗が増大したり、通電が断絶されてしまうことを防止することができる。また、重ね合わされた未塗工部３１ｙ、３２ｙ同士を接着しているので、折り畳まれた未塗工部３１ｙ、３２ｙが元の形状に戻ることが無く、折り畳み状態を維持することができる。さらに重ね合わされた未塗工部３１ｙ、３２ｙ同士が接着されて一体化されているので、その後の集電体４、５の溶接作業が煩雑になることもない。その上、重ね合わされた未塗工部３１ｙ、３２ｙ同士を活物質を用いて接着しているので、電池筐体２に収納される活物質量を増やすこともできる。

さらに、前記実施形態では、重ね合わされた未塗工部３１ｙ、３２ｙ同士は直接接合されるものであったが、図７に示すように、重ね合わされた未塗工部３１ｙ、３２ｙの間に全体的又は部分的に活物質が塗工されているものであっても良い。具体的には、未塗工部３１ｙ、３２ｙの少なくとも自由端部が塗工部３１ｘ、３２ｘに重なるように折り畳むことで上記構成とすることができる。この場合、未塗工部３１ｙ、３２ｙ間に活物質が設けられているので、活物質が接着剤として機能して未塗工部３１ｙ、３２ｙの折り畳み状態を維持する。また、より多くの活物質を塗工させることになり、電池１００の容量を増すことができる。

その上、正極板３１及び負極板３２の製造方法としては、金属箔に活物質を塗工した後に未塗工部３１ｙ、３２ｙを折り畳んで未塗工部３１ｙ、３２ｙ同士を接合する他に、未塗工部３１ｙ、３２ｙとなる金属箔の幅方向一端部を折り畳んだ後に、その重ね合わされた部分以外に活物質を塗工するようにしても良い。このような製造方法であれば、活物質を塗工する領域を調整して、重ね合わされた部分の一部を含むように活物質を塗工することもでき、図６に示す構成を実現し易くなる。

また、未塗工部は２つ折りに限られず、３つ折り以上に折り畳むように構成しても良い。折り畳む回数を増やすに連れて未塗工部の機械的強度を向上させて金属箔の補強を強固にすることができる。

加えて、未塗工部は長手方向に沿って全体的に折り畳む構成の他、未塗工部の長手方向における一部を折り畳むことにより重ね合わせても良い。この場合、未塗工部を折り畳む部分は、集電体が溶接される部分であることが望ましい。これならば、補強が必要な部分のみ折り畳めば良いので、折り畳む作業を簡単にし、作業時間を短縮することができる。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・電池
３１・・・正極板
３２・・・負極板
３１ｙ・・・未塗工部
３２ｙ・・・未塗工部
Ｙ１・・・塗工部側端部
Ｙ２・・・反塗工部側端部

Claims

金属箔に活物質を塗工した電極板であって、
前記金属箔の幅方向端部に活物質が塗工されていない未塗工部を備え、
前記未塗工部が前記未塗工部の長手方向に沿って折り畳まれており、未塗工部が活物質が塗工された塗工部と接合されていることを特徴とする電極板。
重ね合わされた未塗工部同士における塗工部側端部が接合されていることを特徴とする請求項１記載の電極板。
重ね合わされた未塗工部同士における塗工部側とは反対側の反塗工部側端部が接合されていることを特徴とする請求項２記載の電極板。
金属箔に活物質を塗工した電極板であって、
前記金属箔の幅方向端部に活物質が塗工されていない未塗工部を有し、
前記未塗工部が前記未塗工部の長手方向に沿って重ね合わされており、重ね合わされた未塗工部の塗工部側端部から当該塗工部に亘って活物質が塗工されていることを特徴とする電極板。
前記未塗工部が前記未塗工部の長手方向に沿って折り畳まれて重ね合わされていることを特徴とする請求項４記載の電極板。
前記未塗工部が２つ折りに折り畳まれて重ね合わされており、前記未塗工部の折り返し部における塗工部側端部がジグザグ状又は波状とされている請求項４又は５記載の電極板。
重ね合わされた未塗工部の間に活物質が塗工されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の電極板。