JP7021564B2 - 二次電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
金属製の第1芯体上に第1活物質層が形成された第1電極板と、
積層された前記第1芯体に接合された金属製の第1集電体と、を備えた二次電池であって、
積層された前記第1芯体は、前記第1集電体に接合された接合部を有し、
前記第1集電体に接合されていない部分の1枚の前記第1芯体の厚みと前記接合部における前記第1芯体の積層数との積をT1としたとき、
前記接合部は、前記第1芯体の積層方向において、T1よりも厚みの小さい第1領域と、T1よりも厚みの大きい第2領域を有する。
金属製の第1芯体上に第1活物質層が形成された第1電極板と、
積層された前記第1芯体に接合された金属製の第1集電体と、を備えた二次電池の製造方法であって、
積層された前記第1芯体の外面に前記第1集電体を配置する第1工程と、
前記積層された第1芯体と前記第1集電体を、アンビル及びホーンで挟み超音波振動を加えることにより、前記積層された第1芯体と前記第1集電体を接合することにより、前
記積層された第1芯体に前記第1集電体と接合された接合部を形成する第2工程と有し、
接合される前の状態における前記第1芯体の1枚の厚みと、前記接合部における前記第1芯体の積層数との積をT1としたとき、
前記第2工程により、前記接合部には、前記第1芯体の積層方向において、T1よりも厚みの小さい第1領域と、T1よりも厚みの大きい第2領域が形成される。
巻回電極体3は巻回軸が延びる方向の他方端側に負極活物質層が形成されていない負極芯体5aが積層された状態で配置されている。負極芯体5aは巻回されることにより積層された状態となっている。積層された負極芯体5aには負極集電体8が接続されている。なお、負極集電体8は銅又は銅合金製であることが好ましい。
次に、巻回電極体3の作製方法について説明する。
正極活物質としてのリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、導電剤、結着剤及び分散媒を含む正極合剤スラリーを作製する。次に、正極芯体4aとしての厚さ15μmの帯状のアルミニウム箔の両面に、正極合剤スラリーを塗布する。その後、正極合剤スラリーを乾燥させ、分散媒を除去する。これにより、正極芯体4aの両面に正極活物質層4bを形成する。そして、正極活物質層4bを所定の充填密度に圧縮し、正極板4とする。図3(a)は正極板4の平面図である。正極板4は、短辺方向の一方側の端部に正極活物質層4bが形成されていない所定幅の正極芯体露出部を有する。
次に、正極集電体6、正極端子7、負極集電体8及び負極端子9の封口板2への取り付け方法を、正極側を例に説明する。なお、負極側についても正極側と同様の方法で取り付けを行うことができる。
次に、巻回電極体3への正極集電体6及び負極集電体8の取り付け方法について説明する。
厚さ15μmのアルミニウム製の正極芯体4aが60枚積層された部分の一方の外面に厚さ0.8mmのアルミニウム製の正極集電体6を配置する。
次に、図4に示すように、積層された正極芯体4aと正極集電体6を超音波接合装置のホーン90とアンビル91で挟み込む。このとき、ホーン90は積層された正極芯体4aの外面と接するように配置する。アンビル91は正極集電体6において正極芯体4aと接する面とは反対側の面に接するように配置する。
そして、ホーン90を振動させることにより積層された正極芯体4a同士、及び正極芯体4aと正極集電体6を接合する。超音波接合の条件は特に限定されないが、ホーン荷重1000N~2500N(100kgf~250kgf)、周波数19kHz~30kHz、接合時間200ms~500msで超音波接合を行うことが好ましい。なお、周波数20kHzの場合、ホーン振幅を50%~90%とすることが好ましい。
積層された正極芯体4a及び正極集電体6に超音波振動が加えられることにより、摩擦により正極芯体4a及び正極集電体6の表面の酸化膜が取り除かれ、正極芯体4a同士の間、正極芯体4aと正極集電体6の間が固相接合し、強固に接合される。
また、アンビル91において正極集電体6と接する面には複数のアンビル突起91aが形成されており、アンビル突起91aが正極集電体6に食い込んだ状態で超音波接合される。
正極集電体6と接合されていない部分の正極芯体4a(例えば、正極芯体4aにおいて正極集電体6と対応する部分であって、正極集電体6と接合されていない部分)の1枚の厚みと接合部80における正極芯体4aの積層数の積をTp1とする。積層された正極芯体4aの接合部80は、Tp1よりも厚みの小さい第1領域80aと、Tp1よりも厚みの大きい第2領域80bを有する。このような構成を有することにより、正極芯体4aに損傷・破断が生じることを抑制でき、且つ正極芯体4aと正極集電体6を強固に接合できる。
また、正極集電体6に形成される集電体凹部6xの底部に平端部が形成されないことが好ましい。あるいは、正極集電体6に形成される集電体凹部6xの底部に形成される一つの平坦部の面積は、一つの平坦部80x1の面積よりも小さいことが好ましい。
また、第2領域80bにおいて、積層された正極芯体4aのうち最も正極集電体6から遠い正極芯体4aについて、超音波接合による伸び率Yが伸び率Xよりも小さくなるように超音波接合を行うことが好ましい。これにより、より確実に正極芯体4aの損傷・破損を抑制できる。第2領域80bにおいて、積層された正極芯体4aのうち最も正極集電体6から遠い正極芯体4aについて、超音波接合による伸び率Yが5%以下となるように超音波接合を行うことが好ましい。
第1領域80aにおいて最も厚みの小さい部分の厚みをTp2とする。
正極集電体6において正極芯体4aが接合された部分のうち最も厚みの小さい部分の厚みをTp4とする。
正極集電体6において正極芯体4aが接合された部分のうち最も厚みの大きい部分の厚みをTp5とする。
このとき、(Tp5-Tp4)は、(Tp1-Tp2)よりも大きいことが好ましい。
また、正極芯体4aがアルミニウム又はアルミニウム合金製の場合、正極芯体4aの積層数は、20層~100層であることが好ましく、30層~90層であることがより好ましく、40層~80層であることがさらに好ましい。
厚さ8μmの銅製の負極芯体5aが62枚積層された部分の一方の外面に厚さ0.8m
mの銅製の負極集電体8を配置する。
次に、図4に示すように、積層された負極芯体5aと負極集電体8を超音波接合装置のホーン90とアンビル91で挟み込む。このとき、ホーン90は積層された負極芯体5aの外面と接するように配置する。アンビル91は負極集電体8において負極芯体5aと接する面とは反対側の面に接するように配置する。
そして、ホーン90を振動させることにより積層された負極芯体5a同士、及び負極芯体5aと負極集電体8を接合する。超音波接合の条件は特に限定されないが、ホーン荷重1000N~2500N(100kgf~250kgf)、周波数19kHz~30kHz、接合時間300ms~800msで超音波接合を行うことが好ましい。なお、周波数20kHzの場合、ホーン振幅を60%~95%とすることが好ましい。
積層された負極芯体5a及び負極集電体8に超音波振動が加えられることにより、摩擦により負極芯体5a及び負極集電体8の表面の酸化膜が取り除かれ、負極芯体5a同士の間、負極芯体5aと負極集電体8の間が固相接合し、強固に接合される。
また、アンビル91において負極集電体8と接する面には複数のアンビル突起91aが形成されており、アンビル突起91aが負極集電体8に食い込んだ状態で超音波接合される。
負極集電体8と接合されていない部分の負極芯体5a(例えば、負極芯体5aにおいて負極集電体8と対応する部分であって、負極集電体8と接合されていない部分)の1枚の厚みと接合部81における負極芯体5aの積層数の積をTn1とする。積層された負極芯体5aの接合部81は、Tn1よりも厚みの小さい第1領域81aと、Tn1よりも厚みの大きい第2領域80bを有する。このような構成を有することにより、負極芯体5aに損傷・破断が生じることを抑制でき、且つ負極芯体5aと負極集電体8を強固に接合できる。
Tnxが0.5以上であることが好ましく、0.6以上であることがより好ましく、0.8以上であることがさらに好ましい。
また、負極集電体8に形成される集電体凹部8xの底部に平端部が形成されないことが好ましい。あるいは、負極集電体8に形成される集電体凹部8xの底部に形成される一つの平坦部の面積は、一つの平坦部81x1の面積よりも小さいことが好ましい。
きる。なお、伸び率Yは、(超音波接合後の負極芯体5aの長さ-超音波接合前の負極芯体5aの長さ)/(超音波接合前の負極芯体5aの長さ)×100で算出される。
また、第2領域81bにおいて、積層された負極芯体5aのうち最も負極集電体8から遠い負極芯体5aについて、超音波接合による伸び率Yが伸び率Xよりも小さくなるように超音波接合を行うことが好ましい。これにより、より確実に負極芯体5aの損傷・破損を抑制できる。第2領域81bにおいて、積層された負極芯体5aのうち最も負極集電体8から遠い負極芯体5aについて、超音波接合による伸び率Yが5%以下となるように超音波接合を行うことが好ましい。
第1領域81aにおいて最も厚みの小さい部分の厚みをTn2とする。
負極集電体8において負極芯体5aが接合された部分のうち最も厚みの小さい部分の厚みをTn4とする。
負極集電体8において負極芯体5aが接合された部分のうち最も厚みの大きい部分の厚みをTn5とする。
このとき、(Tn5-Tn4)は、(Tn1-Tn2)よりも大きいことが好ましい。
また、負極芯体5aが銅又は銅合金製の場合、負極芯体5aの積層数は、20層~100層であることが好ましく、30層~90層であることがより好ましく、40層~80層であることがさらに好ましい。
厚さ15μmのアルミニウム製の正極芯体4aを60枚積層し、厚さ0.8mmのアルミニウム製の正極集電体6と、それぞれ異なる条件で超音波接合し、実施例1~5とした。実施例1~5における条件及び結果を表1に示す。
なお、表1において、「ホーン荷重(N)」、「ホーン振幅(%)」「接合時間(ms)」はそれぞれ超音波接合の条件を示す。なお、周波数はいずれも20kHzである。
実施例1~5において、ホーン90のホーン突起90aの高さは0.26mmであり、アンビル91のアンビル突起91a高さは0.36mmのものを用いた。
正極芯体4aにおいてホーン90のホーン突起90aと接触した部分と、正極集電体6においてアンビル91のアンビル突起91aと接触した部分の間の交流抵抗値を測定した。
厚さ8μmの銅製の負極芯体5aを62枚積層し、厚さ0.8mmの銅製の負極集電体8と、それぞれ異なる条件で超音波接合し、実施例6~8とした。実施例6~8における条件及び結果を表2に示す。
なお、表2において、「ホーン荷重(N)」、「ホーン振幅(%)」「接合時間(ms)」はそれぞれ超音波接合の条件を示す。なお、周波数はいずれも20kHzである。
なお、実施例6~8において、ホーン90のホーン突起90aの高さは0.26mmであり、アンビル91のアンビル突起91a高さは0.36mmのものを用いた。
負極芯体5aにおいてホーン90のホーン突起90aと接触した部分と、負極集電体8においてアンビル91のアンビル突起91aと接触した部分の間の交流抵抗値を測定した。
電極体は、複数枚の正極板と複数の負極板が積層された積層型電極体であってもよいし、帯状の正極板と帯状の負極板が巻回された巻回型電極体であってもよい。
a及びアンビル突起91aの形状としては、円錐、先端部が切り落とされた円錐、多角錐、先端部が切り落とされた多角錐、円筒、球形等が考えられる。なお、ホーン突起90aの形状と、アンビル突起91aの形状は同じであっても良いし、異なっていても良い。また、ホーン突起90aの数、及びアンビル突起91aの数は適宜調整できる。
200・・・電池ケース
1・・・角形外装体
2・・・封口板
3・・・巻回電極体
4・・・正極板
4a・・・正極芯体
4b・・・正極活物質層
5・・・負極板
5a・・・負極芯体
5b・・・負極活物質層
6・・・正極集電体
6x・・・集電体凹部
7・・・正極端子
7a・・・鍔部
8・・・負極集電体
8x・・・集電体凹部
9・・・負極端子
9a・・・鍔部
10・・・内部側絶縁部材
11・・・外部側絶縁部材
12・・・内部側絶縁部材
13・・・外部側絶縁部材
14・・・絶縁シート
15・・・ガス排出弁
16・・・電解液注液孔
17・・・封止栓
80、81・・・接合部
80a、81a・・・第1領域
80b、81b・・・第2領域
80x、81x・・・芯体凹部
80x1、81x1・・・平坦部
90・・・ホーン
90a・・・ホーン突起
91・・・アンビル
91a・・・アンビル突起
Claims (20)
- 金属製の第1芯体上に第1活物質層が形成された第1電極板と、
積層された前記第1芯体に接合された金属製の第1集電体と、を備えた二次電池であって、
積層された前記第1芯体は、前記第1集電体に接合された接合部を有し、
前記第1集電体に接合されていない部分の1枚の前記第1芯体の厚みと、前記接合部における前記第1芯体の積層数との積をT1としたとき、
前記接合部は、前記第1芯体の積層方向において、T1よりも厚みの小さい第1領域と、T1よりも厚みの大きい第2領域を有する二次電池。 - 前記第1領域には凹部が形成され、
前記凹部の底部には平坦部が形成された請求項1に記載の二次電池。 - 前記第2領域は、前記第1集電体から離れるにつれ先細りする形状を有する請求項1又は2に記載の二次電池。
- 前記第1芯体は、アルミニウム又はアルミニウム合金製であり、
前記第1領域において最も厚みの小さい部分の厚みをT2とし、
前記第2領域において最も厚みの大きい部分の厚みをT3としたとき、
T2/T1が0.70~0.95であり、
T3/T1が1.02~1.53である請求項1~3のいずれかに記載の二次電池。 - 前記第1芯体は、銅又は銅合金製であり、
前記第1領域において最も厚みの小さい部分の厚みをT2とし、
前記第2領域において最も厚みの大きい部分の厚みをT3としたとき、
T2/T1が0.75~0.90であり、
T3/T1が1.10~1.98である請求項1~3のいずれかに記載の二次電池。 - 前記第1領域において、互いに接する前記第1芯体同士は拡散接合された請求項1~5のいずれかに記載の二次電池。
- 前記第1領域において、前記第1芯体は、前記第1芯体の厚み方向における中央部に、
前記第1芯体が前記第1集電体に接合される際に溶融していない部分を有する請求項1~6のいずれかに記載の二次電池。 - 前記第1領域における前記第1芯体間の接合強度は、前記第2領域における前記第1芯体間の接合強度よりも大きい請求項1~7のいずれかに記載の二次電池。
- 前記第1領域において最も厚みの小さい部分の厚みT2は、
前記第1集電体において前記第1芯体に接合された部分のうち最も厚みの小さい部分の厚みT4よりも大きい請求項1~8のいずれかに記載の二次電池。 - 前記第1領域において最も厚みの小さい部分の厚みをT2とし、
前記第1集電体において前記第1芯体に接合された部分のうち最も厚みの小さい部分の厚みをT4とし、
前記第1集電体において前記第1芯体に接合された部分のうち最も厚みの大きい部分の厚みをT5としたとき、
(T5-T4)は、(T1-T2)よりも大きい請求項1~9のいずれかに記載の二次電池。 - 金属製の第1芯体上に第1活物質層が形成された第1電極板と、
積層された前記第1芯体に接合された金属製の第1集電体と、を備えた二次電池の製造方法であって、
積層された前記第1芯体の外面に前記第1集電体を配置する第1工程と、
前記積層された第1芯体と前記第1集電体を、アンビル及びホーンで挟み超音波振動を加えることにより、前記積層された第1芯体と前記第1集電体を接合することにより、前記積層された第1芯体に前記第1集電体と接合された接合部を形成する第2工程と有し、
接合される前の状態における前記第1芯体の1枚の厚みと、前記接合部における前記第1芯体の積層数との積をT1としたとき、
前記第2工程により、前記接合部には、前記第1芯体の積層方向において、T1よりも厚みの小さい第1領域と、T1よりも厚みの大きい第2領域が形成される二次電池の製造方法。 - 前記第2工程において、前記第1領域となる部分を構成する金属の一部が、前記第2領域となる部分に移動する請求項11に記載の二次電池の製造方法。
- 前記第2工程において、前記第1領域における前記第1芯体は厚み方向の中央部が溶融せず、前記第1芯体の表面同士が拡散結合により接合する請求項11又は12に記載の二次電池の製造方法。
- 前記第1領域には凹部が形成され、
前記凹部の底部には平坦部が形成された請求項11~13のいずれかに記載の二次電池の製造方法。 - 前記第2領域は、前記第1集電体から離れるにつれ先細りする形状を有する請求項11~14のいずれかに記載の二次電池の製造方法。
- 前記第1芯体は、アルミニウム又はアルミニウム合金製であり、
前記第1領域において最も厚みの小さい部分の厚みをT2とし、
前記第2領域において最も厚みの大きい部分の厚みをT3としたとき、
T2/T1が0.70~0.95であり、
T3/T1が1.02~1.53である請求項11~15のいずれかに記載の二次電池の製造方法。 - 前記第1芯体は、銅又は銅合金製であり、
前記第1領域において最も厚みの小さい部分の厚みをT2とし、
前記第2領域において最も厚みの大きい部分の厚みをT3としたとき、
T2/T1が0.75~0.90であり、
T3/T1が1.10~1.98である請求項11~15のいずれかに記載の二次電池の製造方法。 - 前記第1領域における前記第1芯体間の接合強度は、前記第2領域における前記第1芯体間の接合強度よりも大きい請求項11~17のいずれかに記載の二次電池の製造方法。
- 前記第1領域において最も厚みの小さい部分の厚みT2は、
前記第1集電体において前記第1芯体に接合された部分のうち最も厚みの小さい部分の厚みT4よりも大きい請求項11~18のいずれかに記載の二次電池の製造方法。 - 前記第1領域において最も厚みの小さい部分の厚みをT2とし、
前記第1集電体において前記第1芯体に接合された部分のうち最も厚みの小さい部分の厚みをT4とし、
前記第1集電体において前記第1芯体に接合された部分のうち最も厚みの大きい部分の厚みをT5としたとき、
(T5-T4)は、(T1-T2)よりも大きい請求項11~19のいずれかに記載の二次電池の製造方法。
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