JP6214758B2 - 角形二次電池 - Google Patents

Description

本発明は、例えば車載用途等に使用される角形二次電池に関する。

特許文献１には、一つの電池容器の中に複数の捲回電極群を収容し、各捲回電極群の間に平板状の集電板を配置した二次電池の構造が示されている（特許文献１を参照）。

特開第2013-134994号公報

しかしながら、特許文献１に示されている従来技術では、捲回電極群の間に集電板を配置しているので、その分のスペースが必要になり、電池の容量が減少してしまうことになり、電池を高容量化できないという問題点があった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、より高容量な角形二次電池を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本発明は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、捲回軸方向両側に箔露出部が積層された箔積層部を有する扁平状の捲回電極群と、該捲回電極群が複数並列に収容される電池缶と、該電池缶内で前記箔積層部に接合される集電板と、該集電板に接続されて前記電池缶の外部に露出される外部端子と、を有する角形二次電池であって、少なくとも二つの捲回電極群は、前記箔積層部を厚さ方向に二つに分割した接合側積層部と非接合側積層部を有しており、前記接合側積層部が束ねられて前記集電板に接合されていることを特徴としている。

本発明によれば、高容量な角形二次電池を提供することができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

角形二次電池の外観斜視図。 角形二次電池の分解斜視図。 捲回電極群の一部を展開した状態を示す分解斜視図。 第１実施形態における図１に示すA−A線に沿う捲回電極群と集電板を示す断面図。 第１実施形態における捲回電極群と集電板の配置関係を示す図。 集電板を捲回電極群に接合した状態を示す図。 第１実施形態における集電板を示す斜視図。 集電板が接合されない箔露出部を束ねた状態を示す図。 第２実施形態における図１に示すA−A線に沿う捲回電極群と集電板を示す断面図。 第２実施形態における捲回電極群と集電板の配置関係を示す図。 第２実施形態における集電板を示す斜視図。 第３実施形態における捲回電極群と集電板の配置関係を示す図。 第４実施形態における図１に示すA−A線に沿う捲回電極群と集電板を示す断面図。 第４実施形態における集電板を示す斜視図。 第５実施形態における捲回電極群と集電板の配置関係を示す図。 第５実施形態における集電板を示す斜視図。 第６実施形態における捲回電極群と集電板の配置関係を示す図。 第６実施形態における集電板を示す斜視図。 二つの捲回電極群の配置を示した図。 二つの捲回電極群を組み合わせた状態を模式的に示す図。

以下、本発明による角形二次電池の実施の形態について、図面を参照して説明する。

第１実施形態

図１は、角形二次電池の第１実施形態としての外観斜視図である。
図１に示すように、角形二次電池１００は、電池缶１と電池蓋６とからなる電池容器を備えている。電池缶１および電池蓋６の材質は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などである。電池缶１は、深絞り加工を施すことによって、一端が開口された扁平な矩形箱状に形成されている。電池缶１は、矩形平板状の底面１ｄと、底面１ｄの一対の長辺部のそれぞれに設けられる一対の幅広側面１ｂと、底面１ｄの一対の短辺部のそれぞれに設けられる一対の幅狭側面１ｃとを有している。

電池蓋６は、矩形平板状であって、電池缶１の開口を塞ぐようにレーザ溶接されている。つまり、電池蓋６は、電池缶１の開口を封止している。電池蓋６には、捲回電極群３の正極電極３４及び負極電極３２（図３参照）と電気的に接続された正極外部端子１４及び負極外部端子１２が配置されている。なお、正極外部端子１４と電池蓋６の間、及び負極外部端子１２と電池蓋６の間にはそれぞれ短絡を防止する為の正極側外部絶縁体２４、負極側外部絶縁体２２が配置されている。

正極外部端子１４には平板状のバスバー溶接部１４２が、負極外部端子１２には平板状のバスバー溶接部１５２がそれぞれ設けられている。組電池を作成する際にはバスバー溶接部１４２、１５２にバスバーを当接させて溶接することにより、バスバーと正極外部端子１４、バスバーと負極外部端子１２がそれぞれ接続される。

また、電池蓋６にはガス排出弁１０が設けられている。ガス排出弁１０は、プレス加工によって電池蓋６を部分的に薄肉化することで形成されている。なお、薄膜部材を電池蓋６の開口にレーザ溶接等により取り付けて、薄肉部分をガス排出弁としてもよい。ガス排出弁１０は、角形二次電池１００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。

図２に示すように、電池缶１には蓋組立体１０７に保持された捲回電極群３（図３参照）が湾曲部３６を缶底側にして収容されている。捲回電極群３の正極電極３４（図３参照）に接合される正極集電板２００および捲回電極群３の負極電極３２（図３参照）に接合される負極集電板２１０ならびに捲回電極群３は、絶縁ケース１０８に覆われた状態で電池缶１に収容されている。絶縁ケース１０８の材質は、ポリプロピレン等の絶縁性を有する樹脂であり、電池缶１と、捲回電極群３とは電気的に絶縁されている。なお、ここで言う蓋組立体１０７は、捲回電極群３、正極集電板２００、正極外部端子１４、負極集電板２１０、負極外部端子１２及び電池蓋６を一体に組み立てたものである。

正極外部端子１４は正極集電板２００を介して捲回電極群３の正極電極３４（図３参照）に電気的に接続され、負極外部端子１２は負極集電板２１０を介して捲回電極群３の負極電極３２（図３参照）に電気的に接続されている。このため、正極外部端子１４および負極外部端子１２を介して外部機器に電力が供給され、あるいは、正極外部端子１４および負極外部端子１２を介して外部発電電力が捲回電極群３に供給されて充電される。

また図２に示すように、電池蓋６には、電池容器内に電解液を注入するための注液孔９が穿設されている。注液孔９は、電解液注入後に注液栓１１によって封止される。電解液としては、たとえば、エチレンカーボネート等の炭酸エステル系の有機溶媒に６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）等のリチウム塩が溶解された非水電解液を用いることができる。

図３を参照して、捲回電極群３について説明する。図３は捲回電極群３を示す斜視図であり、捲回電極群３の巻き終り側を展開した状態を示している。発電要素である捲回電極群３は、帯状の正極電極３４および負極電極３２を、間にセパレータ３３、３５を介在させて捲回中心軸Ｗ周りに扁平形状に捲回することで積層構造とされている。

正極電極３４は、正極集電体である正極箔の両面に正極活物質合剤を塗布した正極合剤層３４ａを有し、正極箔の幅方向一方側の端部には、正極活物質合剤を塗布しない正極箔露出部３４ｂが設けられている。負極電極３２は、負極集電体である負極箔の両面に負極活物質合剤を塗布した負極合剤層３２ａを有し、負極箔の幅方向他方側の端部には、負極活物質合剤を塗布しない負極箔露出部３２ｂが設けられている。正極箔露出部３４ｂと負極箔露出部３２ｂは、電極箔の金属面が露出した領域であり、捲回中心軸Ｗ方向（図３の幅方向）の一方側と他方側の位置に分かれて配置されるように捲回される。

負極電極３２に関しては、負極活物質として非晶質炭素粉末１００重量部に対して、結着剤として１０重量部のポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦという。）を添加し、これに分散溶媒としてＮ−メチルピロリドン（以下、ＮＭＰという。）を添加、混練した負極合剤を作製した。この負極合剤を厚さ１０μｍの銅箔（負極箔）の両面に溶接部（負極箔露出部３２ｂ）を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断工程を経て、銅箔を含まない負極活物質塗布部厚さ７０μｍの負極電極３２を得た。

尚、本実施形態では、負極活物質に非晶質炭素を用いる場合について例示したが、これに限定されるものではなく、リチウムイオンを挿入、脱離可能な天然黒鉛や、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料やＳｉやＳｎなどの化合物（例えば、ＳｉＯ、ＴｉＳｉ_２等）、またはそれの複合材料でもよく、その粒子形状においても、鱗片状、球状、繊維状、塊状等、特に制限されるものではない。

正極電極３４に関しては、正極活物質としてマンガン酸リチウム（化学式ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）１００重量部に対し、導電材として１０重量部の鱗片状黒鉛と結着剤として１０重量部のＰＶＤＦとを添加し、これに分散溶媒としてＮＭＰを添加、混練した正極合剤を作製した。この正極合剤を厚さ２０μｍのアルミニウム箔（正極箔）の両面に溶接部（正極箔露出部３４ｂ）を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断工程を経て、アルミニウム箔を含まない正極活物質塗布部厚さ９０μｍの正極電極３４を得た。

また、本実施形態では、正極活物質にマンガン酸リチウムを用いる場合について例示したが、スピネル結晶構造を有する他のマンガン酸リチウムや一部を金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン複合酸化物や層状結晶構造を有すコバルト酸リチウムやチタン酸リチウムやこれらの一部を金属元素で置換またはドープしたリチウム−金属複合酸化物を用いるようにしてもよい。

また、本実施形態では、正極電極３４、負極電極３２における合剤層塗布部の結着材としてＰＶＤＦを用いる場合について例示したが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン、アクリル系樹脂などの重合体およびこれらの混合体などを用いることができる。

捲回電極群３の幅方向、すなわち捲回方向に直交する捲回中心軸Ｗの方向の両端部は、一方が正極電極３４の箔積層部とされ、他方が負極電極３２の箔積層部とされている。一端に設けられる正極電極３４の箔積層部は、正極合剤層３４ａが形成されていない正極箔露出部３４ｂが積層されたものである。他端に設けられる負極電極３２の箔積層部は、負極合剤層３２aが形成されていない負極箔露出部３２ｂが積層されたものである。正極箔露出部３４ｂの箔積層部および負極箔露出部３２ｂの箔積層部は、それぞれ厚さ方向に予め押し潰されて束ねられ、それぞれ蓋組立体１０７の正極集電体２００および負極集電体２１０に超音波接合により接続され、電極群組立体が形成される。

図４から図７を用いて本実施の形態を詳しく説明する。
図４は図１におけるA-A断面の捲回群と集電板を示した図である。また、図５は捲回電極群の箔露出部と箔露出部に接合される集電板の位置関係を示した図、図６は二つの捲回電極群と二つの捲回電極群の間に配置される正極集電板の関係を示した図、図７は正極集電板の斜視図である。

捲回電極群３は、一つの電池容器の中に二つ収容されている。二つの捲回電極群３は最外層のセパレータが向かい合わされる。すなわち、互いの扁平面が対向し、かつ互いの同極が対向するように、複数を厚さ方向に重ねて並列に配置して並列接続される。各捲回電極群３の正極箔露出部３４ｂの箔積層部は、厚さ方向に二つに分割されて、正極集電板２００が接合される接合側積層部３４ｂ−１と、正極集電板２００が接合されない非接合側積層部３４ｂ-２とされる。同様に、負極箔露出部３２ｂの箔積層部も、厚さ方向に二つに分割されて、負極集電板２１０が接合される接合側積層部３２ｂ−１と、負極集電板２１０が接合されない非接合側積層部３４ｂ−２とされる。この分割は捲回電極群３の捲き初めのセパレータを中心としてなされる。すなわち、正極箔露出部３４ｂの箔積層部と負極箔露出部３２ｂの箔積層部は、それぞれ捲回電極群３の厚さ方向中央位置から厚さ方向に互いに離反する方向に二つに分割される。

これら二つの捲回電極群３は、厚さ方向に互いに接近する位置にそれぞれの接合側積層部３４ｂ−１、３２ｂ−１が配置されて対をなし、厚さ方向に互いに離反する位置にそれぞれの非接合側積層部３４ｂ−２、３２ｂ−２が配置されて対をなすように重ねて配置される。

正極箔露出部３４ｂの接合側積層部３４ｂ−１は、正極集電板２００に接続するために厚さ方向に圧縮されて束ねられている。そして、負極箔露出部３２ｂの接合側積層部３２ｂ−１は、負極集電板２１０に接続するために厚さ方向に圧縮されて束ねられている。

正極箔露出部３４ｂ及び負極箔露出部３２ｂは、厚さ方向に束ねた際に、正極集電板２００の接合部２０３及び負極集電板２１０の接合部２１３とそれぞれ対向するようにその幅が設定されており、厚さが小さくなるに応じて必要な幅も小さくすることができる。接合側積層部３４ｂ−１を束ねる場合の厚さ方向の距離は、正極箔露出部３４ｂの箔積層部全部を束ねる場合の厚さ方向の距離の半分である。したがって、正極箔露出部３４ｂの箔積層部全部を一つに束ねる場合よりも、その半分の厚さの接合側積層部３４ｂ−１を束ねる場合の方が、正極箔露出部３４ｂの必要な幅を小さくすることができる。負極も同様に、負極箔露出部３２ｂの箔積層部全部を一つに束ねる場合よりも、その半分の厚さの接合側積層部３２ｂ−１を束ねる場合の方が、負極箔露出部３２ｂの必要な幅を小さくすることができる。従って、その分だけ正極電極における正極活物質層の面積と、負極電極における負極活物質層の面積を大きくすることができ、電池の高容量化を図ることができる。

正極集電板２００は、図７に示すように、電池蓋６に平行に配置される座面部２０１と電池缶１の短側面１ｃと平行な平坦部２０２および捲回電極群３の正極箔露出部の接合側積層部３４ｂ−１に接合される接合部２０３および接合部２０３と平坦部２０２を接続する折り曲げ部２０４を有している。同様に、負極集電板も正極集電板と同じ構成であるので、図７を用いて説明する。負極集電板２１０も電池蓋６に平行に配置される座面部２１１と電池缶１の短側面１ｃと平行な平坦部２１２および捲回電極群３の負極箔露出部３２ｂの接合側積層部３２ｂ−１に接合される接合部２１３および接合部２１３と平坦部２１２を接続する折り曲げ部２１４を有している。正極集電板２００と負極集電板２１０は、板材から曲げ加工により製作されることができる。

正極集電板２００の接合部２０３は、二つの捲回電極群３によって対をなす接合側積層部３４ｂ−１、３４ｂ−１の間に配置されて接合側積層部３４ｂ−１、３４ｂ−１に接続される。負極集電板２１０の接合部２１３は、二つの捲回電極群３によって対をなす接合側積層部３２ｂ−１、３２ｂ−１の間に配置されて接合側積層部３２ｂ−１、３２ｂ−１に接続される。

図４に示すように、二つの捲回電極群３を並列に配置し、各捲回電極群３の正極箔露出部３４ｂを捲回電極群３の捲き始めのセパレータからそれぞれ捲回電極群の厚さ方向に開いて、接合側積層部３４ｂ−１と非接合側積層部３４ｂ−２に分割する。

そして、二つの捲回電極群３の正極箔露出部の接合側積層部３４ｂ−１、３４ｂ−１の間に正極集電板の接合部２０３を配置して、正極箔露出部３４ｂの接合側積層部３４ｂ−１でかつ捲回電極群３の最外周に位置する箔露出部表面に、正極集電板２００の接合部２０３を対向させる。そして、接合側積層部３４ｂ−１と正極集電板２００の接合部２０３を超音波溶接法等により接合する。

このようにして正極箔露出部３４ｂの接合側積層部３４ｂ−１と正極集電板２００の接合部２０３が接合される。同様にして、負極箔露出部３２ｂの接合側積層部３２ｂ−１と負極集電板２１０の接合部２１３が接合される。なお、箔露出部と集電板の接合方法としては超音波溶接の他に抵抗溶接法やレーザ溶接法も用いることができる。

捲回電極群３の箔露出部３４ｂ−１、３４ｂ−２、３２ｂ−１、３２ｂ−２は電極活物質が塗布されていなく、金属箔だけが積層されているので、活物質が塗布されている部分より厚さは薄くなっている。そして、正極集電板２００の接合部２０３を捲回電極群３の厚さ方向から箔露出部表面の金属箔に接するように配置している。したがって、正極集電板２０３を正極箔露出部３４ｂの接合側積層部３４ｂ−１に接合しても、正極箔露出部３４ｂの接合側積層部３４ｂ−１の金属箔と正極集電板２００の接合部２０３を足した厚さは、活物質層が積層されている捲回電極群３の中央部分の厚さ、すなわち、捲回電極群３の最大厚さよりは厚くならない。負極側も同様である。このように、正極集電板２００を箔露出部３４ｂの接合側積層部３４ｂ−１、３４ｂ−１の間に配置し、負極集電板２１０を箔露出部３２ｂの接合側積層部３２ｂ−１、３２ｂ−１の間に配置することにより、正極集電板２００及び負極集電板２１０のための余分なスペースが必要なくなり、電池を高容量化できる。

正負極箔露出部の接合側積層部３４ｂ−１、３２ｂ−１を間に介して正負極集電板の接合部２０３、２１３と反対側の接合側積層部３４ｂ−１、３２ｂ−１の金属箔表面に、薄い金属板のリボン３００、３１０を配置してもよい。リボン３００、３１０の配置によって、リボン３００、３１０と正負極集電板の接合部２０３、２１３との間に正負極箔露出部の接合側積層部３４ｂ−１、３２ｂ−１を挟み込み、超音波溶接法で箔露出部の金属箔に振動を与えたときに、箔が損傷するのを防止することができる。

このようにして一つの電池容器１の中に二つの捲回電極群３を収容し、各捲回電極群３の正負極箔露出部を厚さ方向で二つに分割し、分割した各捲回電極群３の対向する箔露出部の間に集電板２００、２１０の接合部２０３、２１３を配置して捲回電極群３の厚さ方向から集電板２００、２１０を接合することができる。このように厚さ方向に二つに分割した捲回電極群３の箔露出部３４ｂ、３２ｂのうちの一方だけ、すなわち、接合側積層部３４ｂ−１、３２ｂ−１のみに集電板２００、２１０を接合することで、集電板２００、２１０の構造が簡単になり、量産に適した構造になる。

上記した構成によれば、各捲回電極群３の正負極箔露出部は、接合側積層部３４ｂ−１、３２ｂ−１のうちの正負極集電板２００、２１０の接合部２０３、２１３に対向する部分のみが束ねられており、それ以外の部分や非接合側積層部３４ｂ−２、３２ｂ−２及び湾曲部については束ねられておらず、巻回軸Ｗ方向外側に向かって開放されている。

このように各捲回電極群３の正負極箔露出部３４ｂ、３２ｂは、束ねられている部分よりも巻回軸Ｗ方向外側に向かって開放されている部分の方が多いので、かかる開放部分から捲回電極群３の内部に電解液が染み込みやすく、捲回電極群３に電解液を十分に染み込ませることができ、例えば使用中に活物質層への電解液の供給が不十分となるのを防ぐことができる。

図８は集電板に接合されない各捲回電極群３の箔露出部の非接合側積層部３４ｂ−２、３２ｂ−２を厚さ方向に圧縮して束ねた状態を示す図である。

正負極箔露出部３４ｂ、３２ｂの非接合側積層部３４ｂ−２、３２ｂ−２は、接合側積層部３４ｂ−１、３２ｂ−１と同様に厚さ方向に圧縮して束ねてもよい。例えば金属箔の表面側から超音波溶接を行い、箔露出部の金属箔同士を一体化することができる。このように非接合側積層部３４ｂ−２、３２ｂ−２をそれぞれ厚さ方向に圧縮して一体化しておくことで、扱いが容易となり、また、金属箔同士のすき間から金属異物等の捲回電極群３内への侵入を低減して捲回電極群３の内部短絡の可能性を少なくすることができる。

非接合側積層部３４ｂ−２、３２ｂ−２をそれぞれ厚さ方向に圧縮して一体化する範囲は、非接合側積層部３４ｂ−２、３２ｂ−２がバラバラにならない程度に留められていればよいので、接合側積層部３４ｂ−１、３２ｂ−１を集電板の接合部２０３、２１３に接合する範囲よりも小さくすることができる。
したがって、各捲回電極群３の正負極箔露出部は、束ねられている部分よりも巻回軸Ｗ方向外側に向かって開放されている部分の方が多く、かかる開放部分から捲回電極群３の内部に電解液が染み込みやすく、捲回電極群３に電解液を十分に染み込ませることができ、例えば使用中に活物質層への電解液の供給が不十分となるのを防ぐことができる。

次に、二つの捲回電極群３の配置について説明する。
図１９は、二つの捲回電極群の配置を示した図である。上述のように、発電要素である捲回電極群３は、帯状の正極電極３４および負極電極３２を、間にセパレータ３３、３５を介在させて捲回中心軸Ｗ周りに扁平形状に捲回することによって構成されており、積層構造を有している。捲回電極群３の最外層はセパレータ３３、３５である。

互いに隣り合う二つの捲回電極群３は、図２０に示すように、捲回方向が互いに同じ向きに配置されており、本実施の形態では、反時計回りに捲回されている。そして、互いに対向する扁平面にセパレータ３３、３５の捲き終わり端部Ｅがそれぞれ配置されている。二つの捲回電極群３は、セパレータ３３、３５の捲き終わり端部Ｅ同士が間に所定の間隔を有して離間する位置に配置されている。

本実施の形態では、図１９に示すように、捲回電極群３の湾曲部からセパレータ３３、３５の捲き終わりまでの距離Ｌ１は、捲回電極群３の高さＬ２の半分以下になるように調整されている。捲回電極群３は、最外層のセパレータのＬ１の長さの部分だけ厚さが厚くなっている。また、捲回電極群３を捲回後、捲き終わりのセパレータ３３、３５は、粘着テープ４００で固定される。

このように捲回された２個の捲回電極群３Ｒ、３Ｌを図１９に示すように互いに向かい合わせて配置する。一方の捲回電極群３Ｌは、セパレータ３３、３５の捲き終わり端部Ｅが図１９及び図２０に示すように下側の湾曲部から上方に向かって突出して捲回電極群３Ｌの下部に配置される。これに対して、他方の捲回電極群３Ｒは、セパレータ３３、３５の捲き終わり端部Ｅが上側の湾曲部から下方に向かって突出して捲回電極群３Ｒの上部に配置される。

そして、捲回電極群３Ｒ、３Ｌの各セパレータ３３、３５の捲き終わり端部Ｅがお互いに対向するように捲回電極群３Ｒ、３Ｌを向かい合わせて並列に配置する。このとき、一方の捲回電極群３Ｌの粘着テープ４００は、一方の捲回電極群３Ｌの幅方向の中央部分に位置し、その上端は他方の捲回電極群３Ｒの捲き終わり端部Ｅよりも下方に位置する。これに対して、他方の捲回電極群３Ｒは、他方の捲回電極群３Ｒの幅方向を３分割した位置にそれぞれ粘着テープ４００が１枚ずつの合計２枚が貼着されて、セパレータ３３、３５の捲き終わり端部を固定している。他方の捲回電極群３Ｒの粘着テープ４００は、その下端が一方の捲回電極群３Ｌの捲き終わり端部Ｅよりも上方に位置する。

このようにして二つの捲回電極群３Ｒ、３Ｌを粘着テープ４００同士を向かい合わせて配置すると、互いのセパレータ３３、３５の捲き終わり端部Ｅ同士が間に所定の間隔を有して離間する位置に配置される。したがって、二つの捲回電極群３Ｒ、３Ｌの間で互いのセパレータ３３、３５の捲き終わり端部Ｅ同士、及び粘着テープ４００同士が互いに重ならず、局所的に厚さが不均一になることを防止することができる。

捲回電極群３は充電すると膨張するため、二つの捲回電極群３Ｒ、３Ｌを向かい合わせた状態で配置するときに捲回電極群の厚さが局所的に不均一になっていると、その部分だけ面圧が高くなり電極の劣化が進むことになる。

本実施形態では、粘着テープ４００の貼着位置を調整して、一方の捲回電極群３では捲回電極群３の幅方向中央とし、他方の捲回電極群３では捲回電極群３の幅方向を３分割した位置の２箇所にすることで、２個の捲回電極群３Ｒ、３Ｌを向かい合わせて配置したときに各捲回電極群３の粘着テープ４００同士が重ならないようにしたので、局所的に厚さが不均一になることを防止することができる。なお、必ずしもこのように粘着テープを配置する必要はなく、２個の捲回電極群を重ねたときに粘着テープ４００が重ならないように配置すればよい。

本実施形態によれば、二つの捲回電極群３Ｒ、３Ｌは、正極箔露出部３４ｂの二つの箔積層部の一方が接合側積層部３４ｂ−１であり、他方が非接合側積層部３４ｂ−２であり、負極箔露出部３２ｂの二つの箔積層部の一方が接合側積層部３２ｂ−１であり、他方が非接合側積層部３２ｂ−２である。従って、非接合側積層部３４ｂ−２、３２ｂ−２には、正極集電体２００と負極集電体２１０を接続する必要がなく、正極集電体２００と負極集電体２１０を小型化でき、角形二次電池１００全体の軽量化を図ることができる。

従来、再充電可能な二次電池の分野では、鉛電池、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池等の水溶液系電池が主流であっが、電気機器の小型化、軽量化が進むにつれ、高エネルギー密度を有するリチウム二次電池が着目され、その研究、開発及び商品化が急速に進められた。一方、地球温暖化や枯渇燃料の問題から電気自動車（ＥＶ）や駆動の一部を電気モーターで補助するハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）が各自動車メーカーで開発され、その電源として高容量で高出力な二次電池が求められるようになってきた。このような要求に合致する電源として、高電圧を有する非水溶液系のリチウム二次電池が注目されている。特に角形リチウム二次電池はパック化した際の体積効率が優れているため、HEV用あるいはEV用として角形リチウム二次電池の開発への期待が高まっている。

しかし、HEV用あるいはEV用などの用途では、単位体積当たりの容量が高い電池が求められるようになっている。そのような要求に対応するためには、捲回状の電極体中の活物質が電池容器に占める割合を増加させる必要がある。そのためには、捲回電極群の両端にある集電板を接合する活物質が塗布されていない金属箔が露出している箔露出部の体積を減少させる必要がある。

捲回電極群は、活物質を塗布した金属箔を偏平状に捲回し、この捲回電極群の両端に積層された金属箔に集電板を超音波溶接法等により接合する。金属箔の枚数が多くなると集電板に超音波溶接法で接合することが難しくなるため、箔露出部の体積を小さくするためには積層する金属箔の枚数を少なくする必要がある。

本発明の角形二次電池は、一つの電池容器の中に収容する捲回電極群３の数を複数個とし、少なくとも両側に配置される捲回電極群３の箔露出部を厚さ方向に分割して接合側積層部と非接合側積層部とすることで、接合側積層部の積層枚数を少なくし、箔露出部の幅を狭くすることができる。したがって、正極活物質層と負極活物質の面積を大きくすることができ、電池の高容量化を図ることができる。

第２実施形態

次に、本発明の第２実施形態について図９から図１１を用いて説明する。
図９は第２実施形態における図１におけるA-A断面の捲回群と集電板を示した図、図１０は、二つの捲回電極群と正極集電板の関係を示した図、図１１は、正極集電板の斜視図である。

本実施形態において特徴的なことは、集電板の平坦部が接合される捲回電極群の二つに分割された箔露出部の接合側積層部を、各捲回電極群の電池缶の長側面に近い側の箔露出部としたことである。すなわち、第１実施形態では、捲回電極群３の箔露出部の二つに分割した箔積層部のうち、二つの捲回電極群３が厚さ方向に互いに接近する側である電池缶の厚さ方向中央側を接合側積層部とし、二つの捲回電極群３が厚さ方向に互いに離反する側である電池缶の厚さ方向外側を非接合側積層部とした構成を有していたが、本実施形態では、接合側積層部と非接合側積層部を入れ替えて、二つの捲回電極群３が厚さ方向に互いに接近する側である電池缶の厚さ方向中央側を非接合側積層部とし、二つの捲回電極群３が厚さ方向に互いに離反する側である電池缶の厚さ方向外側を接合側積層部とした構成を有している。

第１実施形態と同様に、捲回電極群３の正極箔露出部３４ｂの箔積層部は、捲き始めのセパレータ３３、３５から捲回電極群３の厚さ方向に正極集電板２２１の接合部２３３が接合される接合側積層部３４ｂ−１と、正極集電板２２１の接合部２３３が接合されない非接合側積層部３４ｂ−２の二つに分割される。同様に、負極箔露出部３２ｂの箔積層部も、負極集電板２３１の接合部２３３が接合される接合側積層部３２ｂ−１と、負極集電板２３１の接合部２３３が接合されない非接合側積層部３２ｂ−２の二つに分割される。そして、図２に示すように、正極箔露出部３４ｂの非接合側積層部３４ｂ−２同士が対向し、接合側積層部３４ｂ−１同士が離反し、負極箔露出部３２ｂの非接合側積層部３２ｂ−２同士が対向し、接合側積層部３２ｂ−１同士が離反するように、二つの捲回電極群３が向かい合わせで配置される。

正極集電板２２０は、図１１に示すように電池蓋６に平行に配置される座面部２２１と電池缶の長側面１ｂと平行な接合部２２３および座面部２２１と接合部２２３を接続する接続部２２２を有している。

正極集電板２２０は、接合部２２３として、一方の捲回電極群３の接合側積層部３４ｂ−１よりも厚さ方向外側の位置に配置されて接合側積層部３４ｂ−１に接合される一方の接合部２２３と、他方の捲回電極群３の接合側積層部３４ｂ−１よりも厚さ方向外側に配置されて接合側積層部３４ｂ−１に接合される他方の接合部２２３とを有する。

同様に、負極集電板２３０も正極集電板２２０と同じ構成であるので、図１１を用いて説明する。負極集電板２３０は、電池蓋６に平行に配置される座面部２３１と電池缶１の長側面１ｂと平行な接合部２３３および座面部２３１と接合部２３３を接続する接続部２３２を有している。

負極集電板２３０は、接合部２３３として、一方の捲回電極群３の接合側積層部３４ｂ−１よりも厚さ方向外側の位置に配置されて接合側積層部３４ｂ−１に接合される一方の接合部２３３と、他方の捲回電極群３の接合側積層部３４ｂ−１よりも厚さ方向外側に配置されて接合側積層部３４ｂ−１に接合される他方の接合部２３３とを有する。

そして、図１０に示すように、電池蓋６側から正極集電板２２１の接合部２２３が捲回電極群３の正極箔露出部３４ｂの接合側積層部３４ｂ−１の所定の位置になるように配置される。すなわち、正極集電板２２１の一対の接合部２２３、２２３は、互いに離反する位置に配置された接合側積層部３４ｂ−１よりも厚さ方向外側の位置に配置されて接合側積層部３４ｂ−１に接面した状態で配置される。そして、正極集電板２２０の接合部２２３、２２３と２つの捲回電極群３が有する正極箔露出部３４の接合側積層部３４ｂ−１、３４ｂ−１とが超音波溶接法等により接合される。同様にして、負極集電板２３０の接合部２３３、２３３と２つの捲回電極群３が有する負極箔露出部３２の接合側積層部３２ｂ−１、３２ｂ−１とが超音波溶接法等により接合される。

このとき、第１実施形態と同じように、正極集電板２２１の接合部２２３が正極箔露出部３４ｂに接合される面と反対側の金属箔表面にリボン３００を設置してもよく、負極集電板２３１の接合部２３３が負極箔露出部３２ｂに接合される面と反対側の金属箔表面にリボンを設置してもよい。

さらに、正極箔露出部３４ｂは、非接合側積層部３４ｂ−２も第１実施形態と同じように束ねてもよい。また、二つの捲回電極群３の箔露出部の非接合側積層部３４ｂ−２、３４ｂ−２をそれぞれ別個独立して束ねるのではなく、向かい合っている二つの非接合側積層部３４ｂ−２、３４ｂ−２を一つに束ねてもよい。負極箔露出部３２ｂも、正極箔露出部３４ｂと同様に、非接合側積層部３２ｂ−２を束ねてもよく、向かい合っている二つの非接合側積層部３２ｂ−２、３２ｂ−２を一つに束ねてもよい。

このように向かい合っている正極箔露出部３４ｂの二つの非接合側積層部３４ｂ−２、３４ｂ−２を一つに束ね、負極箔露出部３２ｂの二つの非接合側積層部３２ｂ−２、３２ｂ−２を一つに束ねることで、二つの捲回電極群３が非接合側で一体になり振動等の外力に対する強度が高くなるという作用効果を有する。
また、本実施形態によれば、正極集電板２２０と負極集電板２３０は、接続部２２２、２３２が第１実施形態の正極集電板２００と負極集電板２１０の平坦部２０２、２１２のように捲回電極群３よりも捲回軸方向に突出していないので、角形二次電池１００の小型化を図ることができる。

第３実施形態

次に、本発明の第３実施形態について図１２を用いて説明する。
図１２は、第３実施形態における捲回電極群と集電板の配置関係を示す図である。

本実施形態では、正極集電板２００は、第１実施形態のように、二つの捲回電極群３の間に接合部２０３が配置され、負極集電板２３０は、第２実施形態のように、二つの捲回電極群３の外側に接合部２３３が配置されている。すなわち、二つの捲回電極群３は、厚さ方向に互いに接近する位置に正極箔露出部３４ｂの接合側積層部３４ｂ−１を有し、厚さ方向に互いに離反する位置に負極箔露出部３２ｂの接合側積層部３２ｂ−１を有している。

このように、正負極両方の集電板が同じ側に設けられている必要はなく、正極と負極で異なる集電板を使用することができる。また、本実施形態では、正極に第１実施形態の正極集電板２００、負極に第２実施形態の負極集電板２３０を使用したが、正極と負極の集電板を逆にして、正極に第２実施形態の正極集電板２２０、負極に第１実施形態の負極集電板２１０を使用してもよい。

第４実施形態

次に、本発明の第４実施形態について図１３と図１４を用いて説明する。

図１３は、第４実施形態における図１のA-A断面における捲回電極群と集電板を示した図、図１４は、正極集電板の構成を説明する斜視図である。

第１から第３実施形態では、一つの電池容器１に収容する捲回電極群３が二つの場合を例に説明したが、本実施形態では、一つの電池容器１に収容する捲回電極群３が三つの場合である。

三つの捲回電極群３は、互いに隣り合う捲回電極群３の扁平面同士が対向し、かつ、正極同士、及び、負極同士が近傍に位置するように配置される。第１実施形態と同じように、正極集電板２４０の接合部２４３、２４４は、互いに隣り合う捲回電極群３同士がそれぞれ有する接合側積層部３４ｂ−１の間に配置され、負極集電板２５１の接合部２５３、２５４は、互いに隣り合う捲回電極群３同士がそれぞれ有する接合側積層部３２ｂ−１の間に配置される。

三つの捲回電極群３のうち、中央の捲回電極群３は、正極箔露出部３４ｂ側の箔積層部を二つに分割した一対の接合側積層部３４ｂ−１、３４ｂ−１を有し、負極箔露出部３２ｂ側の箔積層部を二つに分割した一対の接合側積層部３２ｂ−１、３２ｂ−１を有しており、いずれも非接合側積層部は有していない。すなわち、中央の捲回電極群３は、両側の捲回電極群３と同じように正極箔露出部３４ｂの箔積層部が捲回電極群３の厚さ方向中央位置から厚さ方向に離反する方向に二つに分割されているが、これら二つの箔積層部はいずれも接合側積層部３４ｂ−１とされ、非接合側積層部３４ｂ−２は有していない。同様に、負極箔露出部３２ｂの箔積層部が捲回電極群３の厚さ方向中央位置から厚さ方向に離反する方向に二つに分割されるが、これら二つの箔積層部はいずれも接合側積層部３２ｂ−１とされ、非接合側積層部３２ｂ−２は有していない。

一方、三つの捲回電極群３のうち、両側の捲回電極群３は、正極箔露出部３４ｂに接合側積層部３４ｂ−１と非接合側積層部３４ｂ−２を有し、負極箔露出部３２ｂに接合側積層部３２ｂ−１と非接合側積層部３２ｂ−２を有している。接合側積層部３４ｂ−１は、中央の捲回電極群３に接近する側に配置され、非接合側積層部３４ｂ−２は、中央の捲回電極群３から離反する側に配置される。

正極集電板２４０の形状について図１４を用いて説明する。正極集電板２４０は、電池蓋６に平行に配置される端子接続部２４１、捲回中心軸方向に配置される平坦部２４３、端子接続部２４１と平坦部２４３との間を接続する接続部２４２、および平坦部２４３に接続されたＵ字形状に折り曲げられた接合部２４４を有している。接合部２４４は、捲回電極群の正極箔露出部３４ｂの接合側積層部３４ｂ−１に接合される。この二つのＵ字形状の接合部２４４が、互いに隣り合う二つの捲回電極群３の正極箔露出部３４ｂの接合側積層部３４ｂ−１間に挿入される。そして、このＵ字形状の接合部２４４が捲回電極群３の正極箔露出部３４ｂの接合側積層部３４ｂ−１に超音波溶接法等により接合される。

負極集電板２５０と捲回電極群３の負極箔露出部３２ｂの構成も正極集電板２４０と捲回電極群３の正極箔露出部３４ｂと同じ構成になっており、超音波溶接法等により、負極集電板２５０のＵ字形状の接合部２５４と負極箔露出部３２ｂの接合側積層部３２ｂ−１を接合することができる。

本実施形態は、三つの捲回電極群３のうち、両側二つの捲回電極群３は、正極箔露出部３４ｂの二つの箔積層部の一方が接合側積層部３４ｂ−１であり、他方が非接合側積層部３４ｂ−２である。同様に、負極箔露出部３２ｂの二つの箔積層部の一方が接合側積層部３２ｂ−１であり、他方が非接合側積層部３２ｂ−２である。従って、非接合側積層部３４ｂ−２、３２ｂ−２には、正極集電体２４０と負極集電体２５０を接続する必要がなく、正極集電体２４０と負極集電体２５０を小型化でき、二次電池全体の軽量化を図ることができる。

また、本実施形態によれば、正極集電板２２０と負極集電板２３０は、接続部２４３、２５３が中央の捲回電極群３と、隣り合う両側の捲回電極群３との間に配置されており、第１実施形態の正極集電板２００と負極集電板２１０の平坦部２０２、２１２のように捲回電極群３よりも捲回軸方向に突出していないので、角形二次電池１００の小型化を図ることができる。

第５実施形態

第５実施形態を図１５と図１６を用いて説明する。図１５は二つの捲回電極群と二つの捲回電極群の間に配置される正極集電板の関係を示した図、図１６は正極集電板の斜視図である。本実施形態では、二つの捲回電極群３の間に配置される集電板が図１６に示すように階段状になっている構成を有している。正極集電板２６０は、電池蓋６に平行に配置される端子接続部２６１と端子接続部２６１から電池缶１の缶底１ｄ方向に延びる平坦部２６２と正極箔露出部に接合される二つの接合部２６３、２６４を有している。二つの接合部２６３、２６４は、一方の捲回電極群３の正極箔露出部３４ｂの接合側積層部３４ｂ−１に接合部２６３を超音波溶接法等で接合後、他方の捲回電極群３の正極箔露出部３４ｂの接合側積層部３４ｂ−１に接合部２６４を接合できるように階段状になっている。

同様に、負極集電板２７０も正極集電板２６０と同じ構成であるので、図１６を用いて説明する。負極集電板２７０は、電池蓋６に平行に配置される端子接続部２７１と端子接続部２７１から電池缶１の缶底１ｄ方向に延びる平坦部２７２と箔露出部に接合される二つの接合部２７３、２７４を有している。二つの接合部２７３、２７４は、一方の捲回電極群３の負極箔露出部の接合側積層部３２ｂ−１に接合部２７３を超音波溶接法等で接合後、他方の捲回電極群３の負極箔露出部の接合側積層部３４ｂ−１に接合部２７４を接合できるように階段状になっている。

本実施形態によれば、正極集電板２６０及び負極集電板２７０をそれぞれ一枚の板からプレス成型で簡単に製作することができる。

第６実施形態

次に、本発明の第６実施形態について図１７と図１８を用いて説明する。

図１７は二つの捲回電極群と二つの捲回電極群の間に配置される正極集電板の関係を示した図、図１８は正極集電板の斜視図である。

上述の第５実施形態では、階段状の集電板が一つの捲回電極群と接合されているのは一つの面だけであったが、本実施形態では階段状の集電板が一つの捲回電極群と接合されている面が複数の場合である。

正極集電板２８０は、電池蓋６に平行に配置される端子接続部２８１と端子接続部２８１から電池缶１の缶底１ｄの方向に延びる平坦部２８２と正極箔露出部の接合側積層部３４ｂ−１に接合される複数の接合部２８３〜２８８を有している。

一方の捲回電極群３の正極箔露出部３４ｂの接合側積層部３４ｂ−１に接合される正極集電板２８０の接合部２８３、２８５、２８７が捲回電極群３の高さ方向に間隔をおいて配置される。また、同様に他方の捲回電極群３の正極箔露出部３４ｂの接合側積層部３４ｂ−１に接合される正極集電板２８０の接合部２８４、２８６、２８８が捲回電極群３の高さ方向に間隔をおいて配置される。

そして、正極集電板２８０の接合部２８４、２８６、２８８を一方の捲回電極群３の正極箔露出部３４ｂの接合側積層部３４ｂ−１に対向配置して接面させると共に、正極集電板２８０の接合部２８３、２８５、２８７を他方の捲回電極群３の正極箔露出部３４ｂの接合側積層部３４ｂ−１に対向配置して接面させる。そして、接面している箇所を超音波溶接法等により接合する。

同様に、負極集電板も正極集電板と同じ構成であるので、図１８を用いて説明する。負極集電板２９０は、電池蓋６に平行に配置される端子接続部２９１と端子接続部２９１から電池缶１の缶底１ｄの方向に延びる平坦部２９２と負極箔露出部の接合側積層部３２ｂ−１に接合される複数の接合部２９３〜２９８を有している。

一方の捲回電極群３の負極箔露出部３２ｂの接合側積層部３２ｂ−１に接合される負極集電板２９０の接合部２９３、２９５、２９７が捲回電極群の高さ方向に間隔をおいて配置される。また、同様に他方の捲回電極群３の負極箔露出部３２ｂの接合側接合部３２ｂ−１に接合される負極集電板２９０の接合部２９４、２９６、２９８が捲回電極群３の高さ方向に間隔をおいて配置される。また、同様に他方の捲回電極群３の負極箔露出部３２ｂの接合側積層部３２ｂ−１に接合される負極集電板２９０の接合部２９４、２９６、２９８が捲回電極群３の高さ方向に間隔をおいて配置される。

そして、負極集電板２９０の接合部２９４、２９６、２９８を一方の捲回電極群３の負極箔露出部３２ｂの接合側積層部３２ｂ−１に対向配置して接面させると共に、負極集電板２９０の接合部２９３、２９５、２９７を他方の捲回電極群３の負極箔露出部３２ｂの接合側積層部３２ｂ−１に対向配置して接面させる。そして、接面している箇所を超音波溶接法等により接合する。

上記のように、一つの捲回電極群３の箔露出部の接合側に正負極集電板２８０、２９０の接合部２８３〜２８８、２９３〜２９８が間隔をおいて複数個配置されることで、捲回電極群３が振動等の外力を受けたときに変形を抑えることができる。

また、本実施形態では一つの捲回電極群３の正負極箔露出部の接合側積層部に接合される正負極集電板の接合部は３箇所であったが、３箇所に限定されるわけではなく、２箇所でも４箇所以上でもよい。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 電池缶
１ｂ 幅広側面
１ｃ 幅狭側面
１ｄ 電池缶の底面
３ 捲回電極群
６ 電池蓋
１２ 負極外部端子
１４ 正極外部端子
３２ 負極電極
３２ｂ 負極箔露出部
３２ｂ−１ 接合側積層部
３２ｂ−２ 非接合側積層部
３４ 正極電極
３４ｂ 正極箔露出部
３４ｂ−１ 接合側積層部
３４ｂ−２ 非接合側積層部
３３、３５ セパレータ
３６ 湾曲部
２００、２２０、２４０、２６０、２８０ 正極集電板
２１０、２３０、２５０、２７０、２９０ 負極集電板
４００ 粘着テープ

Claims (8)

1. 捲回軸方向端部に箔露出部が積層された箔積層部を有する扁平状の捲回電極群と、該捲回電極群を複数厚さ方向に重ねて並列に収容する電池缶と、該電池缶内で前記箔積層部に接合される集電板と、該集電板に接続されて前記電池缶の外部に露出される外部端子と、を有する角形二次電池であって、
   前記複数の捲回電極群のうちの少なくとも二つは、前記箔積層部を厚さ方向に二つに分割した接合側積層部と非接合側積層部を有しており、前記接合側積層部が束ねられて前記集電板に接合されており、
   前記集電板は、前記接合側積層部に接合される複数の接合部を有するように階段状に形成されていることを特徴とする角形二次電池。
2. 前記複数の捲回電極群のうち、厚さ方向両側に配置される一対の捲回電極群が前記接合側積層部と前記非接合側積層部を有していることを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池。
3. 前記捲回電極群は、前記電池缶内に二つ収容されていることを特徴とする請求項２に記載の角形二次電池。
4. 前記二つの捲回電極群は、厚さ方向に互いに接近する位置にそれぞれの前記接合側積層部が配置されており、
   前記集電板は、前記二つの捲回電極群の前記接合側積層部の間に配置されて、それぞれの前記接合側積層部に前記複数の接合部が接合されることを特徴とする請求項３に記載の角形二次電池。
5. 前記捲回電極群は、前記電池缶内に三つ収容されていることを特徴とする請求項２に記載の角形二次電池。
6. 前記三つの捲回電極群のうち、中央の捲回電極群は、前記箔積層部を厚さ方向に二つに分割した一対の接合側積層部を有し、両側の捲回電極群は、前記中央の捲回電極群に接近する側に前記接合側積層部が配置され、前記中央の捲回電極群から離反する側に前記非接合側積層部が配置され、
   前記集電板は、前記中央の捲回電極群の接合側積層部と、前記両側の捲回電極群の接合側積層部との間に配置されて、各接合側積層部に前記複数の接合部が接合されることを特徴とする請求項５に記載の角形二次電池。
7. 前記捲回電極群は、最外層にセパレータを有しており、
   互いに隣り合う二つの捲回電極群は、捲回方向が互いに同じ向きに配置され、互いに対向する扁平面に前記セパレータの捲き終わり端部がそれぞれ配置されており、互いの前記セパレータの捲き終わり端部同士が間に所定の間隔を有して離間する位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の角形二次電池。
8. 前記非接合側積層部が束ねられていることを特徴とする請求項１に記載の角形二次電池。

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