JP5999088B2 - 二次電池用極板群ユニット及びその製造方法 - Google Patents

二次電池用極板群ユニット及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、リチウムイオン二次電池等の二次電池に用いる二次電池用極板群ユニット及びその製造方法に関するものである。
捲回極板群を有するリチウムイオン二次電池等の二次電池には、金属箔からなる極板（正極板・負極板）と集電部材（正極集電部材・負極集電部材）とを、極板と一体に形成された複数のタブを利用して接続するものがある。しかしながら、複数のタブを利用して極板と集電部材とを接続すると、タブは集電部材に固定されているのに対して、極板を含む捲回極板群が集電部材に対して固定されない状態となっている。そのため、二次電池に外部から強い振動が継続的に加えられた場合に、容器内の捲回極板群が振動し、タブが切断されてしまうおそれがある。また、複数のタブを集めて溶接することで溶接部分の電気抵抗が大きくなり、電力損失が大きくなる。そこで、タブを利用せずに極板に集電部材をレーザ溶接により直接接続することで振動に対する耐性を高め、また、極板と集電部材の電気抵抗を小さくした、タブレス構造を有する二次電池が開発されている［例えば、特許３７３８１７７号公報（特許文献１）］。
特許３７３８１７７号公報
しかしながら、タブを利用せずに極板と集電部材を直接接続するためには、レーザ溶接ができるように、集電部材の集電部の厚みを薄くしておく必要がある。集電部材が、端子を構成する端子構成部と、レーザ溶接される複数の溶接部分を備えた集電部とを有する場合、集電部で集電した電流が端子構成部と集電部とが繋がる部分に集中して流れることになる。集電する電流が大きくなると、厚みの薄い集電部と端子構成部との接続部における発熱量が増大し、集電部材が溶融・溶断する原因となっていた。図８は、従来の正極集電部材部分に形成される電流が流れる経路（電流経路）を模式的に示した図である。
本発明の目的は、極板と集電部材とを確実に固定し、且つ、従来よりも大きな電流を流すことが可能な二次電池用極板群ユニット及びその製造方法を提供することにある。
本発明の二次電池用極板群ユニットは、基本的に捲回極板群と、正極集電部材及び負極集電部材とから構成されている。捲回極板群は、第１の金属箔に正極活物質合剤が塗布されて形成された塗布層及び該塗布層に沿って残る第１の金属箔の未塗工部を有する正極板と、第２の金属箔に負極活物質合剤が塗布されて形成された塗布層及び該塗布層に沿って残る第２の金属箔の未塗工部を有する負極板とが、正極板の未塗工部と負極板の未塗工部がそれぞれ逆方向に突出するようにセパレータを介して積層した積層体を捲回してなる。正極集電部材は、捲回極板群の一方の端部においてセパレータを越えて突出する正極板の未塗工部に溶接されている。負極集電部材は、捲回極板群の他方の端部においてセパレータを越えて突出する負極板の未塗工部に溶接されている。そして、正極集電部材及び負極集電部材の少なくとも一方の集電部材が、端子を構成する端子構成部と、未塗工部と対向し且つ未塗工部の一部にレーザ溶接される複数の溶接部分を備えた集電部とを有している。集電部が、未塗工部にレーザ溶接可能な厚みを有しており、また、集電部から端子構成部への電流経路が１つに限られると、大電流が流れる場合に、端子構成部と集電部との接続部に全ての電流が集中してしまい、発熱の原因となる。そこで、本発明では、集電部と端子構成部とを通る電流経路の他に、集電部の一部から端子構成部に電流を流す別の電流経路を形成する導電部材が集電部及び端子構成部に機械的且つ電気的に接続されている。このように電流経路を形成することにより、集電部と端子構成部とを通る電流経路とそのバイパスとなる電流経路を形成することが可能となり、大電流が発生するリチウムイオン二次電池等でも、集電部の厚みを薄くしても、集電部の発熱を抑えることができる。
集電部の中央部に端子構成部が一体に設けられている場合には、導電部材は、中央部に端子構成部が貫通する貫通孔を備えた構造とするのが好ましい。端子構成部と集電部とがそれぞれ独立した部材であって、集電部の中央部に端子構成部が貫通する貫通孔を備えており、集電部の貫通孔に端子構成部が嵌合され集電部に端子構成部が接触した状態で、集電部と端子構成部とを相互に溶接している場合も同様である。貫通孔に端子構成部が嵌合され集電部に導電部材が接触した導電部材と端子構成部とを相互に溶接し、且つ、集電部と導電部材とを複数の溶接部分以外の部分で相互に溶接するようにする。このようにすれば、端子構成部及び集電部に対して導電部材を固定することができ、確実に電流経路を複数形成することができて、電流の集中を防止することができる。
なお、集電部材の複数の溶接部分は、それぞれ集電部の一部が未塗工部に向かって凸となるように変形されて構成され、且つ端子構成部を中心にして放射状に配置されていることが好ましい。このように複数の溶接部分を構成し、レーザ溶接を行うと、集電部材と未塗工部との接触面積が広がり、電気抵抗をより低くすることができる。また、溶接箇所が明確になり、溶接作業を容易にすることが可能になる。
集電部の輪郭及び導電部材の輪郭を、共に円形にした場合、導電部材の輪郭の半径は、集電部の輪郭の半径よりも小さくすることが好ましい。このようにすることにより、集電部の各部から導電部材を通る別の電流経路を確実に形成することができる。また、導電部材の輪郭の半径は、集電部の輪郭の半径の１／２倍以上あるようにすることが好ましい。導電部材の輪郭の半径を集電部の輪郭の半径の半分よりも小さくしてしまうと、集電部を通る電流経路と導電部材を通る電流経路が近すぎて、導電部材を用いて電流経路を形成しても、発熱を抑える効果が十分に得られないためである。
上述の二次電池用極板群ユニットを製造する場合には、集電部の複数の溶接部分を未塗工部にレーザ溶接した後、集電部と端子構成部とを通る電流経路の他に、集電部の一部から端子構成部に電流を流す別の電流経路を形成する導電部材を集電部及び端子構成部に溶接するようにすればよい。このように、別部材の導電部材を用いることで、集電部材の溶接を容易にし、且つ、端子構成部に向かう電流経路を複数形成し、発熱を防止することができる。また、別部材を用いているため、流れる電流量に応じて導電部材の厚みや材料を変更することで容易に電気抵抗を変更することができるという利点がある。
以上のようにして製造した二次電池用極板群ユニットは、二次電池に適用が可能である。二次電池としては、捲回型の極板群を用いるものであればよく、例として、リチウムイオン二次電池が挙げられる。本発明による二次電池用極板群ユニットを二次電池に用いることで、極板と集電部材とを確実に固定することが可能となる。また、電流路の電気抵抗が小さいため、リチウムイオン二次電池のような大電流が発生する二次電池においても、発熱を抑えることが可能である。
（Ａ）は、本発明をリチウムイオン二次電池に適用した実施の形態の平面図であり、（Ｂ）は、図１（Ａ）のＩＢ−ＩＢ線断面図であり、（Ｃ）は、本発明をリチウムイオン二次電池に適用した実施の形態の底面図である。 （Ａ）は、本発明の集電部材の例の平面図であり、（Ｂ）は、本発明の集電部材の例の正面図である。 （Ａ）は、本発明の集電部材に導電部材を取り付けた状態を示す例の平面図であり、（Ｂ）は、本発明の集電部材に導電部材を取り付けた状態を示す例の正面図である。 本発明の正極集電部材に形成される電流経路を模式的に示す図である。 第２の実施の形態の集電部材の端子構成部の正面図である。 第２の実施の形態の集電部材の集電部の図であり、（Ａ）は、集電部の例の平面図であり、（Ｂ）は、集電部の例の正面図である。 第２の実施の形態の集電部材（集電部及び端子構成部）を示す図である。 従来の正極集電部材に形成される電流経路を模式的に示す図である。
以下、図面を参照して、本発明を円筒状リチウムイオン二次電池に適用した実施の形態について説明する。図１（Ａ）は、本発明をリチウムイオン二次電池に適用した実施の形態の平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＩＢ−ＩＢ線断面図であり、図１（Ｃ）は、底面図である。図２（Ａ）（Ｂ）は、本発明の集電部材の例であり、図３（Ａ）（Ｂ）は、本発明の集電部材に導電部材を取り付けた状態を示す例である。図１（Ｂ）においては、捲回極板群９の断面の図示を省略してある。
＜全体構成＞
本実施の形態の円筒状リチウムイオン二次電池１は、電池容器本体３と、正極側電池蓋５と、負極側電池蓋７と、軸芯８と、電解液に浸潤された捲回極板群９と、正極集電部材１１と、負極集電部材１３とを備えている。なお電池容器本体３と、正極側電池蓋５と、負極側電池蓋７とにより、電池容器２が構成されている。電池容器本体３は、ニッケルメッキが施されたスチール材料により両端が開口した円筒形状を有している。電池容器本体３の両端の開口部は、正極側電池蓋５及び負極側電池蓋７によりそれぞれ塞がれている。正極側電池蓋５及び負極側電池蓋７の中央部には、端子貫通孔５ａ及び７ａが形成されている。端子貫通孔５ａ及び７ａには、正極集電部材１１の端子構成部１５及び負極集電部材１３の端子構成部１７が絶縁リング１９、Ｏリング２１及びバックアップリング２２を介して挿入されている。端子構成部１５及び１７の外周部には、ネジ部が形成されており、このネジ部にはナット部材２５がそれぞれ螺合されている。なおナット部材２５と絶縁リング１９との間には絶縁ワッシャ２３が配置されている。
正極側電池蓋５には、電解液を入れるための電解液注入口２７が設けられている。この電解液注入口２７はネジ２８により封止されている。また、電池内部の圧力上昇を防止するために、発生したガスによって内圧が上昇すると、発生したガスを排出する安全弁４３を備えたガス排出口４５が正極側電池蓋５に設けられている。
＜捲回極板群＞
図１に示すように、捲回極板群９は、帯状の正極板２９と帯状の負極板３１とを、帯状のセパレータ３３を介して軸芯８を中心として捲回することにより構成されている。捲回極板群９の軸芯と直交する方向に切断した断面は、渦巻き状になっている。本実施の形態の正極板２９は、正極集電板としてのアルミニウム箔の両面に、リチウム遷移金属複酸化物であるマンガン酸リチウムを含む正極合剤を略均質に塗布した構成となっている。アルミニウム箔の長手方向の一方の辺側には、正極合剤が塗装されていない未塗着部３０が形成されており、アルミニウム製の正極集電部材１１が溶接される。負極板３１は、負極集電板としての圧延銅箔の両面に、負極活物質としてリチウムイオンを吸蔵・放出可能な炭素粉末を含む負極合剤を略均質に塗布した構成となっている。銅箔の長手方向の一方の辺側には、負極合剤が塗装されていない未塗着部３２が形成されており、銅製の負極集電部材１３が溶接される。なお、捲回極板群９と、正極集電部材１１と、負極集電部材１３とにより、二次電池用極板群ユニット１４が構成されている。
＜集電部材＞
図２（Ａ）及び（Ｂ）には、本実施の形態で使用する集電部材（正極集電部材１１または負極集電部材１３）の例を示してある。正極集電部材１１及び負極集電部材１３は素材以外は同じ構成をしているため、カッコ内に負極集電部材１３の符号を記載してある。正極集電部材１１を例に説明すると、正極集電部材１１は、端子構成部１５と集電部１６を一体に有している。捲回極板群９の正極板の未塗工部３０が位置する側の上方から正極集電部材１１を捲回極板群９に近づけ、未塗工部３０の上に正極集電部材１１を載せ、レーザ溶接により、未塗工部３０と正極集電部材１１とを溶接する。レーザ溶接のために、正極集電部材１１の集電部１６には、捲回極板群９と接する方向に向かって凸となり、捲回極板群９から離れる方向に向かって開くような溶接用凹部を構成する溝３３が８本設けられている。これらの溝３３は、プレス加工によって集電部１６に形成されており、正極集電部材１１の仮想中心点を中心として、放射状に直線的に延びている。
負極集電部材１３は、捲回極板群９の負極板の未塗工部３２に溶接する点、及び、素材以外は正極集電部材１１と構成が同じであるため、説明は省略する。
＜導電部材＞
本実施の形態では、中心部分に円形の貫通孔３７が形成されたリング状のアルミニウム製の導電部材３５を正極集電部材１１に溶接してある。また、中心部分に円形の貫通孔３８が形成されたリング状の銅製の導電部材３６を負極集電部材１３に溶接してある。図３（Ａ）及び（Ｂ）は、導電部材を溶接した集電部材のみを図示してあり、その他は省略してある。また、正極側及び負極側は素材以外は同じ構成をしているため、カッコ内に負極側の符号を記載してある。正極側を例に説明すると、導電部材３５は、捲回極板群９に正極集電部材１１を溶接した後に溶接を行う。導電部材３５に形成された貫通孔３７に端子構成部１５を通し、端子構成部１５及び集電部１６に導電部材３５が接触している状態で、導電部材３５と端子構成部１５及び集電部１６との溶接を行っている。溶接は、端子構成部１５と導電部材３５を並びに集電部１６と導電部材３５を機械的及び電気的に接続する目的で行う。そのため、導電部材３５の貫通孔３７の周辺部（溶接部３９）と端子構成部１５との間及び導電部材３５の外周部（溶接部４１）と集電部との間を溶接している。この溶接は例えば半導体レーザ溶接により行う。負極側も同様に溶接を行っている。
＜電流経路＞
図４は、正極集電部材１１に導電部材３５を取り付けることによって形成される電流経路を模式的に示した図である。電流経路のイメージを明確にするため、捲回極板群９、正極集電部材１１及び導電部材３５以外の部材の図示を省略し、簡略化した断面図である。正極集電部材１１の集電部１６から端子構成部１５への電流経路の他に、導電部材３５を取り付けることにより、集電部１６→溶接部分４１→導電部材３５→溶接部分３９→端子構成部１５へと流れる電流経路が形成される。このように電流経路を形成することにより、集電部１６と端子構成部１５とを通る電流経路とそのバイパスとなる電流経路を形成することが可能となり、大電流を発生するリチウムイオン二次電池において、集電部１６の厚みを薄くしながら、集電部１６と端子構成部１５との接続部の発熱を抑えることができる。なお、導電部材３５によるバイパスの効果を高めるために、導電部材３５の輪郭の半径は、集電部１６の半径よりも小さく、また、集電部１６の輪郭の半径の１／２倍以上の大きさになるように決定している。負極側も同様に電流経路が形成され、集電部１８の発熱を抑えることができる。
［第２の実施の形態］
図５乃至図７は、第２の実施の形態のリチウムイオン二次電池に用いる集電部材を示す図である。図５乃至図７には、図１乃至図４に示した実施の形態と同じ部材には、図１乃至図４に付した符号の数に１００の数を加えた数の符号を付して説明を省略する。
正極集電部材１１１を例に説明すると、第２の実施の形態では、正極集電部材１１１は、独立した別々の端子構成部１１５（図５）と集電部１１６（図６（Ａ）及び（Ｂ））とから構成されている。
端子構成部１１５は、集電部１１６の貫通孔１４７に通す円柱状の嵌合部１４９と、円柱状の端子部１５１とから構成されている。集電部１１６に形成されている貫通孔１４７の径は、嵌合部１４９がちょうど通る径寸法になっており、また、端子部１５１の径寸法は、嵌合部１４９の径よりも大きくなるように定められている。そのため、図７に示すように、貫通孔１４７に端子構成部１１５の嵌合部１４９を通すと、端子部１５１の当接部１５３が貫通孔１４７の周縁の被当接部１５５と接触するようになっている。本実施の形態では、この状態で、集電部１１６の未塗工部と対向する面の側から（図７の紙面の下方向から）、端子構成部１１５の嵌合部１４９と集電部１１６の貫通孔１４７の周辺部との間に跨がるように溶接部を形成して、正極集電部材１１１を得る。なお本実施の形態の正極集電体１１１と同様にして、負極集電体１１３も構成することができる。図５乃至図７には、負極集電体１１３を構成する場合の部材の符号も合わせて示してある。また本実施の形態の正極集電体１１１及び負極集電体１１３にも、図４に示す導電部材３５を溶接により取り付けてもよいのは勿論である。なおその場合には、導電部材３５の貫通孔３７に端子構成部１１５の嵌合部１４９が嵌合され集電部１１６に導電部材３５が接触した状態で、端子構成部１１５の端子部１５１と導電部材３５とは相互に溶接される。そして集電部１１６と導電部材３５とは複数の溶接部分以外の部分で相互に溶接される。
［その他］
なお、導電部材の素材は例示したものに限られるものではなく、集電部材に溶接可能で導電性のある素材であれば、適宜選択することが可能であることはもちろんである。
本発明によれば、タブレス構造を採用したために集電部材の集電部の厚みが薄くなったとしても、導電部材により、集電部と端子構成部とを通る電流経路の他に電流経路を形成することができる。そのため、電流が局所的に流れることを防ぎ、発熱を防止することができる。
１ 円筒状リチウムイオン二次電池
２ 電池容器
３ 電池容器本体
５ 正極側電池蓋
５ａ 端子貫通孔
７ 負極側電池蓋
７ａ 端子貫通孔
８ 軸芯
９ 捲回極板群
１１ 正極集電部材
１３ 負極集電部材
１４ 二次電池用極板群ユニット
１５ 端子構成部
１６ 集電部
１７ 端子構成部
１８ 集電部
１９ 絶縁リング
２１ Ｏリング
２２ バックアップリング
２３ 絶縁ワッシャ
２５ ナット部材
２７ 電解液注入口
２８ ネジ
２９ 正極板
３０ 未塗着部
３１ 負極板
３２ 未塗着部
３３（３４） 溝
３５（３６） 導電部材
３７（３８） 貫通孔
３９（４０） 溶接部
４１（４２） 溶接部
４３ 安全弁
４５ ガス排出口

Claims (8)

  1. 第１の金属箔に正極活物質合剤が塗布されて形成された塗布層及び該塗布層に沿って残る前記第１の金属箔の未塗工部を有する正極板と、第２の金属箔に負極活物質合剤が塗布されて形成された塗布層及び該塗布層に沿って残る前記第２の金属箔の未塗工部を有する負極板とが、前記正極板の前記未塗工部と前記負極板の前記未塗工部がそれぞれ逆方向に突出するようにセパレータを介して積層した積層体を捲回してなる捲回極板群と、
    前記捲回極板群の一方の端部において前記セパレータを越えて突出する前記正極板の前記未塗工部に溶接された正極集電部材と、前記捲回極板群の他方の端部において前記セパレータを越えて突出する前記負極板の前記未塗工部に溶接された負極集電部材とを具備し、
    前記正極集電部材及び前記負極集電部材の少なくとも一方の集電部材が、端子を構成する端子構成部と、前記未塗工部と対向し且つ前記未塗工部の一部にレーザ溶接される複数の溶接部分を備えた集電部とを有する二次電池用極板群ユニットであって、
    前記集電部と前記端子構成部とを通る電流経路の他に、前記集電部の一部から前記端子構成部に電流を流す別の電流経路を形成する導電部材が前記集電部及び前記端子構成部に溶接により接続されていることを特徴とする二次電池用極板群ユニット。
  2. 前記集電部の中央部には前記端子構成部が一体に設けられており、
    前記導電部材は中央部に前記端子構成部が貫通する貫通孔を備えており、
    前記貫通孔に前記端子構成部が嵌合され前記集電部に前記導電部材が接触した状態で、前記端子構成部と前記導電部材とは相互に溶接され且つ前記集電部と前記導電部材とは前記複数の溶接部分以外の部分で相互に溶接されていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池用極板群ユニット。
  3. 前記複数の溶接部分は、それぞれ前記集電部の一部が前記未塗工部に向かって凸となるように変形されて構成され、且つ前記端子構成部を中心にして放射状に配置されている請求項２に記載の二次電池用極板群ユニット。
  4. 前記集電部の輪郭及び前記導電部材の輪郭は、共に円形を呈しており、
    前記導電部材の前記輪郭の半径は、前記集電部の前記輪郭の半径よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の二次電池用極板群ユニット。
  5. 前記導電部材の前記輪郭の半径は、前記集電部の前記輪郭の半径の１／２倍以上あることを特徴とする請求項４に記載の二次電池用極板群ユニット。
  6. 前記端子構成部と前記集電部とは、それぞれ独立した部材であり、
    前記集電部は中央部に前記端子構成部が貫通する貫通孔を備えており、
    前記集電部の前記貫通孔に前記端子構成部が嵌合され前記集電部に前記端子構成部が接触した状態で、前記集電部と前記端子構成部とが相互に溶接されており、
    前記導電部材は中央部に前記端子構成部が貫通する貫通孔を備えており、
    前記貫通孔に前記端子構成部が嵌合され前記集電部に前記導電部材が接触した状態で、前記端子構成部と前記導電部材とは相互に溶接され且つ前記集電部と前記導電部材とは前記複数の溶接部分以外の部分で相互に溶接されていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池用極板群ユニット。
  7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の二次電池用極板群ユニットを備えた二次電池。
  8. 第１の金属箔に正極活物質合剤が塗布されて形成された塗布層及び該塗布層に沿って残る前記第１の金属箔の未塗工部を有する正極板と、第２の金属箔に負極活物質合剤が塗布されて形成された塗布層及び該塗布層に沿って残る前記第２の金属箔の未塗工部を有する負極板とが、前記正極板の前記未塗工部と前記負極板の前記未塗工部がそれぞれ逆方向に突出するようにセパレータを介して積層した積層体を捲回してなる捲回極板群と、
    前記捲回極板群の一方の端部において前記セパレータを越えて突出する前記正極板の前記未塗工部に溶接された正極集電部材と、前記捲回極板群の他方の端部において前記セパレータを越えて突出する前記負極板の前記未塗工部に溶接された負極集電部材とを具備し、
    前記正極集電部材及び前記負極集電部材の少なくとも一方の集電部材が、端子を構成する端子構成部と、前記未塗工部と対向し且つ前記未塗工部の一部にレーザ溶接される複数の溶接部分を備えた集電部とを有する二次電池用極板群ユニットの製造方法であって、
    前記集電部の前記複数の溶接部分を前記未塗工部にレーザ溶接した後、
    前記集電部と前記端子構成部とを通る電流経路の他に、前記集電部の一部から前記端子構成部に電流を流す別の電流経路を形成する導電部材を前記集電部及び前記端子構成部に溶接することを特徴とする二次電池用極板群ユニットの製造方法。
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