JP7047978B2 - 二次電池、電池パック、電子機器、電動工具及び電動車両 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池、電池パック、電子機器、電動工具及び電動車両に関する。

リチウムイオン電池は自動車や機械などに使用が拡大され、高出力の電池が必要とされてきている。この高出力を生み出す方法の一つとして、ハイレート放電が提案されている。ハイレート放電は比較的大きな電流を流す放電であり、その際、電池の内部抵抗の大きさが問題となる。電池の内部抵抗として、例えば、正極箔と負極箔と電流取り出し用の集電板との接触抵抗が挙げられる。

例えば、特許文献１には、集電体の接続部と電極板の箔露出部とを場所によらず均一な接合強度でレーザー溶接でき、キーホールが集電体を貫通するのを防止できる電池の製造方法が開示されている。また、特許文献２には、集電端子板と電極群とを溶接接合する際に集電端子板に欠損穴あきの発生がなく、溶接時の高温ガスなどの流入を防止し、セパレータを溶解させることなく内部短絡などを抑制した省スペースな上高容量で安価な二次電池の製造方法が開示されている。

特開２０１７－１０７７０９号公報 特開２０１０－８００８１号公報

しかしながら、特許文献１は、集電板に凹溝を設けることで、溶融金属を少量化し毛細管現象の均一化を図りスパッタの飛散及びレーザー光の貫通防止の効果があるとされているが、集電板に凹溝やキーホールを設けないと安定した溶接が行えないとしている。特許文献２に記載の構成は、集電端子板の外側周縁部ないし内側に溶接をしない領域を設けることで集電端子板の穴あき抑制、高温ガス流入による内部短絡の防止の効果があるとされているが、セルを低抵抗化するためにはより多くの溶接面積を確保する必要が生じる。また、集電板の裏面に垂直に集電板と接触する集電体又は折れ曲がった集電体が存在し、レーザー照射による接合時に集電板をレーザー光が貫通するおそれが高く、溶接が難しいという問題があった。

従って、本発明は、電池の集電板のレーザー溶接を良好に行なうことができる二次電池、電池パック、電子機器、電動工具、電動式航空機及び電動車両を提供することを目的の一つとする。

本発明は、セパレータを介して帯状の正極と帯状の負極とが積層され、巻回された構造を有する電極巻回体と、正極集電板及び負極集電板が、外装缶に収容された二次電池において、正極は、帯状の正極箔上に、正極活物質層によって被覆された被覆部と、正極活物質非被覆部を有し、負極は、帯状の負極箔上に、負極活物質層によって被覆された被覆部と、負極活物質非被覆部を有し、正極活物質非被覆部は、電極巻回体の一方の端面において、正極集電板と接合され、負極活物質非被覆部は、電極巻回体の他方の端面において、負極集電板と接合され、正極集電板と負極集電板の何れか一方又は両方が、帯状部と、開口部が形成された板状部を有し、板状部は、電極巻回体の端面に対向する対向面と非対向面とを有し、正極活物質非被覆部の一部、及び／又は、負極活物質非被覆部の一部は、開口部を貫通すると共に、板状部の非対向面と接合されている、二次電池である。

また、本発明は、上述した二次電池と、二次電池を制御する制御部と、二次電池を内包する外装体とを有する電池パックである。
本発明は、上述した二次電池又は上述した電池パックを有する電子機器である。
本発明は、上述した電池パックを有し、電池パックを電源として使用する電動工具である。
本発明は、上述した二次電池を有し、二次電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置を有する電動車両である。

本発明の少なくとも実施の形態によれば、集電板と活物質非被覆部との接合を確実に行うことができるとともに、電池の使用状態における内部抵抗上昇の少ない、信頼性の高い電池を実現することができる。なお、本明細書で例示された効果により本発明の内容が限定して解釈されるものではない。

図１は、一実施の形態に係る電池の概略断面図である。 図２は、電極巻回体における正極、負極とセパレータの配置関係の一例を説明する図である。 図３Ａから図３Ｆは、一実施の形態に係る電池の組み立て工程を説明する図である。 図４Ａから図４Ｄは、一実施の形態に係る電池の正極側端面の平面図である。 図５は、活物質非被覆部の突出部を拡大して示す断面図である。 図６は、正極集電板の表面上に折り曲げられた活物質非被覆部を示す平面図である。 図７は、正極集電板の表面上に折り曲げられた活物質非被覆部を示す断面図である。 図８は、正極集電板の表面上に折り曲げられた活物質非被覆部の溶接位置を示す平面図である。 図９は、正極集電板の裏面に接している活物質非被覆部を示す断面図である。 図１０Ａから図１０Ｄは、本発明の他の実施形態に係る電池の正極側端面の平面図である。 図１１Ａから図１１Ｄは、本発明のさらに他の実施形態に係る電池の正極側端面の平面図である。 図１２は、本発明の応用例としての電池パックの説明に使用する接続図である。 図１３は、本発明の応用例としての電動工具の説明に使用する接続図である。 図１４は、本発明の応用例としての無人航空機の説明に使用する接続図である。 図１５は、本発明の応用例としての電動車両の説明に使用する接続図である。

以下、本発明の実施の形態等について図面を参照しながら説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
＜１．一実施の形態＞
＜２．変形例＞
＜３．応用例＞
以下に説明する実施の形態等は本発明の好適な具体例であり、本発明の内容がこれらの実施の形態等に限定されるものではない。

本発明の実施の形態では、二次電池として、円筒形状のリチウムイオン電池を例にして説明する。勿論、リチウムイオン電池以外の他の電池や円筒形状以外の電池が用いられても良い。

＜１．一実施の形態＞
まず、リチウムイオン電池の全体構成に関して説明する。図１は、リチウムイオン電池１の概略断面図である。リチウムイオン電池１は、例えば、図１に示すように、外装缶１１の内部に電極巻回体２０が収納されている円筒型のリチウムイオン電池１である。

具体的には、リチウムイオン電池１は、円筒状の外装缶１１の内部に、一対の絶縁体１２，１３と、電極巻回体２０とを備えている。リチウムイオン電池１は、さらに、外装缶１１の内部に、熱感抵抗（ＰＴＣ）素子及び補強部材などのうちのいずれか１種類又は２種類以上を備えていてもよい。

［外装缶］
外装缶１１は、主に、電極巻回体２０を収納する部材である。この外装缶１１は、一端部が開放されると共に他端部が閉塞された円筒状の容器である。すなわち、外装缶１１は、開放された一端部（開放端部１１Ｎ）を有している。この外装缶１１は、鉄、アルミニウム及びそれらの合金などの金属材料のうちのいずれか１種類又は２種類以上を含んでいる。ただし、外装缶１１の表面には、例えば、ニッケルなどの金属材料のうちのいずれか１種類又は２種類以上が鍍金されていてもよい。

［絶縁体］
絶縁体１２，１３は、電極巻回体２０の巻回軸方向（図１の鉛直方向）に対して略垂直な面を有するシート状の部材である。絶縁体１２，１３は、互いに電極巻回体２０を挟むように配置されている。絶縁体１２，１３の材質としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ベークライトなどが用いられる。ベークライトには、フェノール樹脂を紙又は布に塗布した後に加熱して作製される、紙ベークライトや布ベークライトがある。

［かしめ構造］
外装缶１１の開放端部１１Ｎには、電池蓋１４及び安全弁機構３０がガスケット１５を介して、かしめられており、かしめ構造１１Ｒ（クリンプ構造）が形成されている。これにより、外装缶１１の内部に電極巻回体２０などが収納された状態において、その外装缶１１は密閉されている。

［電池蓋］
電池蓋１４は、主に、外装缶１１の内部に電極巻回体２０などが収納された状態において、その外装缶１１の開放端部１１Ｎを閉塞する部材である。この電池蓋１４は、例えば、外装缶１１の形成材料と同様の材料を含んでいる。電池蓋１４のうちの中央領域は、例えば、＋Ｚ方向に突出している。これにより、電池蓋１４のうちの中央領域以外の領域（周辺領域）は、例えば、安全弁機構３０に接触している。

［ガスケット］
ガスケット１５は、主に、外装缶１１の折り曲げ部１１Ｐ（クリンプ部とも称される。）と電池蓋１４との間に介在することにより、その折り曲げ部１１Ｐと電池蓋１４との間の隙間を封止する部材である。ガスケット１５の表面には、例えば、アスファルトなどが塗布されていてもよい。

ガスケット１５は、絶縁性材料を含んでいる。絶縁性材料の種類は特に限定されないが、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）及びポリプ口ピレン（ＰＰ）などの高分子材料である。外装缶１１と電池蓋１４とを互いに電気的に分離しながら、折り曲げ部１１Ｐと電池蓋１４との間の隙間が十分に封止されるからである。

［安全弁機構］
安全弁機構３０は、主に、外装缶１１の内部の圧力（内圧）が上昇した際に、必要に応じて外装缶１１の密閉状態を解除することにより、その内圧を開放する。外装缶１１の内圧が上昇する原因は、充放電時において電解液の分解反応に起因して発生するガスなどである。

［電極巻回体］
円筒形状のリチウムイオン電池では、帯状の正極２１と帯状の負極２２がセパレータ２３を挟んで渦巻き状に巻回されて、電解液に含浸された状態で、外装缶１１に収まっている。正極２１は正極箔２１Ａの片面又は両面に正極活物質層２１Ｂを形成したものであり、正極箔２１Ａの材料は例えば、アルミニウムやアルミニウム合金でできた金属箔である。負極２２は負極箔２２Ａの片面又は両面に負極活物質層２２Ｂを形成したものであり、負極箔２２Ａの材料は例えば、ニッケル、ニッケル合金、銅や銅合金でできた金属箔である。セパレータ２３は多孔質で絶縁性のあるフィルムであり、正極２１と負極２２とを電気的に絶縁しながら、イオンや電解液等の物質の移動を可能にしている。

正極活物質層２１Ｂと負極活物質層２２Ｂはそれぞれ、正極箔２１Ａと負極箔２２Ａとの多くの部分を覆うが、どちらも帯の短軸方向にある片方の端周辺を意図的に被覆していない。この活物質層２１Ｂ，２２Ｂが被覆されていない部分を、以下、適宜、活物質非被覆部と称する。円筒形状の電池では、電極巻回体２０は正極の活物質非被覆部２１Ｃと負極の活物質非被覆部２２Ｃが逆方向を向くようにしてセパレータ２３を介して重ねられて巻回されている。

図２に正極２１、負極２２とセパレータ２３を積層した巻回前の構造の一例を示す。正極の活物質非被覆部２１Ｃ（図２の上側の斜線部分）の幅はＡであり、負極の活物質非被覆部２２Ｃ（図２の下側の斜線部分）の幅はＢである。一実施の形態ではＡ＞Ｂであることが好ましく、例えばＡ＝７（ｍｍ）、Ｂ＝４（ｍｍ）である。正極の活物質非被覆部２１Ｃがセパレータ２３の幅方向の一端から突出した部分の長さはＣであり、負極の活物質非被覆部２２Ｃがセパレータ２３の幅方向の他端から突出した部分の長さはＤである。一実施の形態ではＣ＞Ｄであることが好ましく、例えば、Ｃ＝４．５（ｍｍ）、Ｄ＝３（ｍｍ）である。ここで、活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃの幅は、後述するような貫通孔２６に向かって曲折がされていない状態の幅をいう。セパレータ２３から突出した長さについても同様である。本発明に係る二次電池の完成品（活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃが曲折されている状態）から、上記幅や突出長さを測定するためには、後述する集電板を剥がし、曲折された活物質非被覆部をほぐすことによって測定することが可能である。

正極の活物質非被覆部２１Ｃは例えばアルミニウムなどからなり、負極の活物質非被覆部２２Ｃは例えば銅などからなるので、一般的に正極の活物質非被覆部２１Ｃの方が負極の活物質非被覆部２２Ｃよりも柔らかい（ヤング率が低い）。このため、一実施の形態では、Ａ＞ＢかつＣ＞Ｄがより好ましく、この場合、両極側から同時に同じ圧力で正極の活物質非被覆部２１Ｃと負極の活物質非被覆部２２Ｃとが折り曲げられるとき、折り曲げられた部分のセパレータ２３の先端から測った高さは正極２１と負極２２とで同じくらいになることがある。

正極の活物質非被覆部２１Ｃのうち、セパレータ２３を挟んで負極２２に対向する部分に、例えば、正極活物質層２１Ｂの先端から３ｍｍの長さの区間に亘り、絶縁層１０１（図２の灰色の部分）が被覆されている。リチウムイオン電池１は、図２のように、正極活物質層２１Ｂの幅は負極活物質層２２Ｂの幅よりも小さく設計されている。したがって、絶縁層１０１が無い場合は、充放電時に正極の活物質非被覆部２１Ｃのうち負極活物質層２２Ｂに対向する部分にＬｉ金属等が析出する可能性や、電池１に衝撃が加わったとき、その衝撃が何ら吸収されず、正極の活物質非被覆部２１Ｃが折れ曲がり、負極２２に接触してショートする可能性がある。絶縁層１０１はこれらのことを避けるために配置されている。

電極巻回体２０の中心軸には、貫通孔２６が空いている。貫通孔２６は電極巻回体２０の組み立て用の巻き芯と溶接用の電極棒を差し込むための孔である。電極巻回体２０は、正極の活物質非被覆部２１Ｃと負極の活物質非被覆部２２Ｃが逆方向を向くように重ねて巻回してあるので、電極巻回体の端面の一方（端面４１）には、正極の活物質非被覆部２１Ｃの集合が露出し、電極巻回体２０の端面の他方（端面４２）には、負極の活物質非被覆部２２Ｃの集合が露出する。

［集電板］
通常のリチウムイオン電池では例えば、正極と負極の一か所ずつに電流取出し用のリードが溶接されているが、これでは電池の内部抵抗が大きく、放電時にリチウムイオン電池が発熱し高温になるため、ハイレート放電には適さない。そこで、一実施の形態のリチウムイオン電池では、端面４１，４２に正極集電板２４と負極集電板２５とを配置し、端面４１，４２に存在する正極や負極の活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃと多点で接合例えばレーザー溶接することで、電池の内部抵抗を低く抑えている。なお、正極集電板２４と負極集電板２５と正極及び負極の活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃの接合の詳細については、後述する。

［正極］
正極活物質層２１Ｂは、リチウムを吸蔵及び放出することが可能である正極材料（正極活物質）を少なくとも含み、さらに、正極結着剤及び正極導電剤などを含んでいてもよい。正極材料は、リチウム含有化合物（例えば、リチウム含有複合酸化物及びリチウム含有リン酸化合物）が好ましい。

リチウム含有複合酸化物は、例えば、層状岩塩型又はスピネル型の結晶構造を有している。リチウム含有リン酸化合物は、例えば、オリビン型の結晶構造を有している。

正極結着剤は、合成ゴム又は高分子化合物を含んでいる。合成ゴムは、スチレンブタジエン系ゴム、フッ素系ゴム及びエチレンプロピレンジエンなどである。高分子化合物は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）及びポリイミドなどである。

正極導電剤は、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック又はケッチェンブラックなどの炭素材料である。ただし、正極導電剤は、金属材料及び導電性高分子でもよい。

［負極］
負極箔２２Ａの表面は、粗面化されていることが好ましい。いわゆるアンカー効果により、負極箔２２Ａに対する負極活物質層２２Ｂの密着性が向上するからである。粗面化の方法は、例えば、電解法を利用して微粒子を形成し、負極箔２２Ａの表面に凹凸を設ける手法がある。電解法により作製された銅箔は、一般的に電解銅箔と呼ばれている。

負極活物質層２２Ｂは、リチウムを吸蔵及び放出することが可能である負極材料（負極活物質）を少なくとも含み、さらに、負極結着剤及び負極導電剤などを含んでいてもよい。

負極材料は、例えば、炭素材料を含む。リチウムの吸蔵放出時における結晶構造の変化が非常に少ないため、高いエネルギー密度が安定して得られるからである。また、炭素材料は負極導電剤としても機能するため、負極活物質層２２Ｂの導電性が向上する

炭素材料は、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素、黒鉛、低結晶性炭素、又は非晶質炭素である。炭素材料の形状は、繊維状、球状、粒状又は鱗片状を有している。

また、負極材料は、例えば金属系材料を含む。金属系材料の例としては、Ｌｉ（リチウム）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｓｎ（スズ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｚｒ（亜鉛）、Ｔｉ（チタン）が挙げられる。金属系元素は、他の元素と化合物、混合物又は合金を形成しており、その例としては、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ（０＜ｘ≦２））、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は炭素とケイ素の合金、チタン酸リチウム（ＬＴＯ）が挙げられる。

リチウムイオン電池１では、完全充電時の開回路電圧(すなわち電池電圧)が４．２５Ｖ以上であると、その完全充電時の開回路電圧が低い場合と比較して、同じ正極活物質を用いても単位質量当たりのリチウムの放出量が多くなる。これにより、高いエネルギー密度が得られる。

［セパレータ］
セパレータ２３は、樹脂を含む多孔質膜であり、２種類以上の多孔質膜の積層膜でもよい。樹脂は、ポリプロピレン及びポリエチレンなどである。

セパレータ２３は、多孔質膜を基材層として、その片面又は両面に樹脂層を含んでいてもよい。正極２１及び負極２２のそれぞれに対するセパレータ２３の密着性が向上するため、電極巻回体２０の歪みが抑制されるからである。

樹脂層は、ＰＶｄＦなどの樹脂を含んでいる。この樹脂層を形成する場合には、有機溶剤に樹脂が溶解された溶液を基材層に塗布したのち、その基材層を乾燥させる。なお、溶液中に基材層を浸漬させたのち、その基材層を乾燥させてもよい。樹脂層には、無機粒子又は有機粒子を含んでいることが、耐熱性、電池の安全性向上の観点で好ましい。無機粒子の種類は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、ベーマイト、タルク、シリカ、雲母などである。また、樹脂層に代えて、スパッタ法、ＡＬＤ（原子層堆積）法などで形成された、無機粒子を主成分とする表面層を用いてもよい。

［電解液］
電解液は、溶媒及び電解質塩を含み、必要に応じてさらに添加剤などを含んでいてもよい。溶媒は、有機溶媒などの非水溶媒、又は水である。非水溶媒を含む電解液を非水電解液という。非水溶媒は、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、ラクトン、鎖状カルボン酸エステル又はニトリル(モノニトリル)などである。

電解質塩の代表例はリチウム塩であるが、リチウム塩以外の塩を含んでいてもよい。リチウム塩は、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ₄）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ₄）、メタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＨ₃ＳＯ₃）、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃）、六フッ化ケイ酸二リチウム（Ｌｉ₂ＳＦ₆）などである。これらの塩を混合して用いることもでき、中でも、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄を混合して用いることが、電池特性向上の観点で好ましい。電解質塩の含有量は特に限定されないが、溶媒に対して０.３ｍｏｌ/ｋｇから３ｍｏｌ/ｋｇであることが好ましい。

［リチウムイオン電池の作製方法］
図３Ａから図３Ｆ並びに図４Ａから図４Ｄを参照して、一実施の形態のリチウムイオン電池１の作製方法について述べる。図４Ａから図４Ｄは、例えば正極側の端面４１の平面図である。

まず、正極活物質を、帯状の正極箔２１Ａの表面に塗着させ、これを正極２１の被覆部とし、負極活物質を、帯状の負極箔２２Ａの表面に塗着させ、これを負極２２の被覆部とした。このとき、正極２１の短手方向の一端と負極２２の短手方向の一端に、正極活物質と負極活物質とが塗着されていない正極活物質非被覆部２１Ｃ及び負極活物質非被覆部２２Ｃを作製した。活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃの一部であって、巻回するときの巻き始めに当たる部分に、切欠きを作製した。正極２１と負極２２とには乾燥等の工程を行った。そして、正極の活物質非被覆部２１Ｃと負極の活物質非被覆部２２Ｃが逆方向となるようにセパレータ２３を介して重ね、中心軸に貫通孔２６ができるように、且つ、作製した切欠きが中心軸付近に配置されるように、渦巻き状に巻回して、図３Ａのような電極巻回体２０を作製した。

図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ並びに図４Ａ及び図４Ｂにおいて、端面４１に露出している正極の活物質非被覆部２１Ｃに関しては、折り曲げ（潰し）で形成された部分（第１平坦部５０）と、折り曲げられていない（潰されていない）部分（突出部）３８Ａの両者が存在する。負極側の端面においても同様である。突出部分を黒色で表している。なお、本明細書において「平坦部」とは、表面が完全に平坦な部分のみならず、活物質非被覆部と集電板が接合可能な程度において、多少の凹凸や表面粗さを有する表面も含む用語として使用している。

次に、図３Ｂ及び図４Ｂに示すように、活物質非被覆部２１Ｃの露出している端面４１を正極集電板２４の板状部の開口部と嵌合する形状を持つように、平坦部と突出部を形成する。この形成のために前記開口部に対応した凹凸形状を有する治具が使用される。平坦部と突出部の境界部分において、活物質非被覆部２１Ｃにあらかじめ切れ目（スリット）を入れることで、箔の破れを防ぐことができ、突出部の変形を防ぐことができる。このようにして、活物質非被覆部２１Ｃの露出している端面４１に、活物質非被覆部の一部が加圧され折れ曲がった部分と、突出した部分とが形成される。また、正極集電板２４を端面４１の露出している活物質非被覆部２１Ｃに押し当てて加圧し、活物質非被覆部２１Ｃの折り曲げと、活物質非被覆部２１Ｃ及び正極集電板２４との嵌合を一度に行うようにしてもよい。なお、ここでは負極側の端面４２の説明を省略したが、正極側の端面４１と同様の加工を行う。

図４Ｃは、正極集電板２４の一例を示す。正極集電板２４の材料は例えば、アルミニウムやアルミニウム合金の単体若しくは複合材でできた金属板である。負極集電板２５も正極集電板２４と同様の形状を有する。負極集電板２５の材料は例えば、ニッケル、ニッケル合金、銅や銅合金の単体若しくは複合材でできた金属板である。正極集電板２４の形状は、端面４１とほほ同様の形状を有する平坦な円形をした板状部３１に、矩形の帯状部３２が付いた形状になっている。板状部３１の中央付近に孔３５があいていて、孔３５の位置は貫通孔２６に対応する位置である。板状部３１の厚みと帯状部３２の厚みは同じである。

正極集電板２４には、同心円状に複数の開口部３９Ａが形成されている。同心円の各円には、９０度の角間隔で開口部の形成されていない連結領域が存在する。端面４１に対して正極集電板２４を重ね合わせた時に、その開口部３９Ａ内に突出部３８Ａが入り込み貫通するように、端面４１に露出している活物質非被覆部２１Ｃを加工する。

そして、図３Ｃに示す正極集電板２４を図３Ｂに示す端面４１に嵌合させる。活物質非被覆部２１Ｃの突出部３８Ａを正極集電板２４の開口部３９Ａに貫通させて正極集電板２４の非対向面の側に突出させる。そして、平坦な面を有する治具を使用して正極集電板２４の非対向面の表面に重なるように突出部３８Ａを加圧して折り曲げる。図４Ｄは、突出部３８Ａが電極巻回体の中心軸の方向に向けて折れ曲がり重なった状態を示している。
なお、集電板の板状部の対向面とは、正極の集電板が正極の電極巻回体の活物質非被覆部に向かい合っている面を指し、負極の集電板が負極の電極巻回体の活物質非被覆部に向かい合っている面を指す。集電板の板状部の対向面の反対側の面を非対向面と呼ぶこととする。集電板に設けられる開口部の形状は、孔であっても切欠き（ノッチ）であっても良く、それらの組み合わせであっても良い。

図５は、正極集電板２４の板状部にある開口部３９Ａ内に突出部３８Ａが貫通した状態の一部を示している。正極集電板２４の表面（非対向面）からの活物質非被覆部２１Ｃの突出量は、例えば４（ｍｍ）である。活物質非被覆部２１Ｃの開口部３９Ａに入り込まない第１平坦部５０は、正極集電板２４の対向面と接触している。

図６は、図４Ｄと同様に、正極集電板２４の開口部３９Ａ内に貫通した活物質非被覆部２１Ｃの突出部３８Ａを孔３５の方向（中心軸に向かう方向）に折り曲げて扇状の第２平坦部５５を形成した状態を示している。図６の一部（Ａ－Ａ線）の断面図を図７に示す。正極活物質非被覆部の一部が、前記巻回された構造の中心軸の方向に折れ曲がり、重なり合って第２平坦部を形成している。第２平坦部５５の一部が正極集電板２４の板状部の非対向面と接している。第２平坦部５５の側から正極集電板２４に向かってレーザー光を照射し溶接を行い、第２平坦部５５の活物質非被覆部２１Ｃと正極集電板２４の板状部を機械的且つ電気的に接続する。図８において、黒の太線は、溶接箇所４０を示す。一つの溶接箇所４０では、５点程度のレーザー溶接がなされる。レーザー溶接としては、ＹＡＧレーザー、ファイバーレーザーなどが使用される。
突出部を折り曲げる方向は、電極巻回体の中心軸に向かう方向でなくても良いが、電池内部のスペースを効率的に利用できる点で、前記方向にすることが好ましい。

上述した正極集電板２４と同様に、負極側の端面４２において、負極集電板２５に形成されている開口部を貫通する突出部と、開口部を貫通しない第１平坦部５０を有するように、負極活物質非被覆部２２Ｃが形成される。負極集電板２５の板状部の非対向面からの活物質非被覆部２２Ｃの突出量は、例えば３（ｍｍ）である。そして、活物質非被覆部２２Ｃに対して負極集電板２５が嵌合され、負極集電板２５の開口部より貫通した突出部を折り曲げて第２平坦部５６を形成し、第２平坦部５６の側からレーザー溶接を行って、活物質非被覆部２２Ｃと負極集電板２５の板状部を機械的且つ電気的に接続する。なお、正極側及び負極側の一方に対して本発明を適用するようにしてもよい。

その後、図４Ｄのように、集電板２４，２５の帯状部３２，３４を折り曲げ、正極集電板２４と負極集電板２５に絶縁体１２，１３を貼り付け、図３Ｅに示される外装缶１１内に上記のように組立てを行った電極巻回体２０を挿入し、外装缶１１の底との溶接を行った。電解液を外装缶１１内に注入後、図３Ｆのように、ガスケット１５及び電池蓋１４で密封した。なお、上下の絶縁体１２、１３は、缶底の溶接組立て時に挿入してもよい。

以下、上記のようにして作製したリチウムイオン電池１を用いた実施例の内部抵抗と比較例の内部抵抗とを表１に示す。なお、本発明は、以下に説明する実施例に限定されるものではない。正極集電板２４の材質をＡｌ合金とし、負極集電板２５の材質をＣｕ合金とした。電池のサイズを２１７００（直径２１（ｍｍ）、長さ７０（ｍｍ））とした。実際にレーザー溶接を行なった１００本の中の溶接不良本数を確認した。電池の内部抵抗（直流抵抗）を計測し、１１（ｍΩ）以下を良好と判定した。直流抵抗は、放電電流を５秒間で０（Ａ）から１００（Ａ）まで上昇させたときの電圧の傾きを算出することで得られる。表１に、その結果を示す。

［実施例１］
上述した一実施形態のように作成した電池であって、正極集電板２４の厚みを０．１（ｍｍ）とし、正極活物質非被覆部２１Ｃの厚みを０．０１（ｍｍ）とし、負極集電板２５の厚みを０．０８（ｍｍ）とし、負極活物質非被覆部２２Ｃの厚みを０．０１（ｍｍ）とした。実施例１は、溶接不良が発生せず、電池の内部抵抗も１０．２１（ｍΩ）であった。

［実施例２］
上述した一実施形態のように作成した電池であって、正極集電板２４の厚みを０．２（ｍｍ）とし、正極活物質非被覆部２１Ｃの厚みを０．０１（ｍｍ）とし、負極集電板２５の厚みを０．０８（ｍｍ）とし、負極活物質非被覆部２２Ｃの厚みを０．０１（ｍｍ）とした。実施例２は、溶接不良が発生せず、電池の内部抵抗も１０．１８（ｍΩ）であった。

比較例は、図９に示すように、正極集電板２４が開口部を有さず、正極活物質非被覆部２１Ｃの全体を中心側に向かって折り畳んで全面を平坦部とした構成としたものである。活物質非被覆部２１Ｃの平坦部の表面と正極集電板２４の裏面を密着させ、正極集電板２４の表面からレーザー溶接を行なった。負極側も同様に、全面を平坦部として活物質非被覆部２２Ｃと負極集電板２５をレーザー溶接した。

［比較例１］
正極集電板２４の厚みを０．１（ｍｍ）とし、正極活物質非被覆部２１Ｃの厚みを０．０１ （ｍｍ）とし、負極集電板２５の厚みを０．０８（ｍｍ）とし、負極活物質非被覆部２２Ｃの厚みを０．０１（ｍｍ）とした。比較例１は、作製した電池１００本中２本の電池に溶接不良が発生した。完成した９８本の電池の内部抵抗（直流抵抗）の平均値が１４．８９（ｍΩ）であった。２本の溶接不良の電池では溶接個所の一部で集電板に穴あきが発生していた。

［比較例２］
正極集電板２４の厚みを０．２（ｍｍ）とし、正極活物質非被覆部２１Ｃの厚みを０．０１ （ｍｍ）とし、負極集電板２５の厚みを０．０８（ｍｍ）とし、負極活物質非被覆部２２Ｃの厚みを０．０１（ｍｍ）とした。比較例２は、作製した電池１００本中３本の電池に溶接不良が発生した。完成した９７本の電池の内部抵抗（直流抵抗）が１５．３５（ｍΩ）であった。３本の溶接不良の電池では溶接個所の一部で集電板に穴あきが発生していた。

実施例１ではそれぞれ１００本ずつ電池を作製して溶接不良は発生しなかった。集電板の厚みを厚くした実施例２でも同様に溶接不良は発生しなかった。集電板の非対向面の側からレーザーを照射して溶接する構造では、集電板の板厚の影響を受けにくいことが分かった。一方、比較例１及び比較例２のように、溶接不良が発生する理由としては、活物質非被覆部よりも厚い集電板が上側にあるため、集電板を溶融させるのに高い熱量が必要とされ、溶融過多（穴あき、穴形状変形など）が発生するものと考えられる。比較例１及び比較例２のように電池の内部抵抗が増大する理由としては、物質未被覆部よりも厚い集電板が上側にあるため、比較的大きい出力条件でレーザー溶接を行うと溶接部の溶け込み深さのばらつきが大きく、安定した電気的な導通を得にくいと考えられる。このような問題を溶接時のレーザーのパワーの制御で解決するのは難しい。これに対して本発明では、集電板の上面（非対向面）に活物質非被覆部が重なっているので、活物質非被覆部を溶融させる熱量で集電板との接合ができるため、レーザー溶接時に溶融過多（穴あき、穴形状変形など）が発生することを防止することができる。また、集電板の板状部の対向面に活物質非被覆部が接触するとともに、集電板の板状部の非対向面に活物質非被覆部が溶接されているので、集電効率が高い。したがって、レーザー溶接による内部ダメージのない高出力（ハイレート特性）な電池を作ることができた。また、集電板の板状部の対向面に活物質非被覆部が接触するとともに、集電板の板状部の非対向面に活物質非被覆部が溶接されているので、板状部を両面から挟み込んで固定されている状態となっている。そのため、集電板と電極巻回体の端面が強固に接合されて、外部からの振動や衝撃に対して強い電池を作ることができた。

＜２．変形例＞
以上、本発明の一実施の形態について具体的に説明したが、本発明の内容は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

図１０Ａ～図１０Ｄは、一つの変形例を示す。図１０Ｃに示すように、矩形の各辺を構成するような開口部３９Ｂを形成し、開口部３９Ｂに入り込むような形状の突出部３８Ｂ（図１０Ｂ参照）を形成するようにしてもよい。図１０Ｄは、開口部３９Ｂに入り込んだ突出部３８Ｂを折り曲げて第２平坦部を形成し、第２平坦部５５を正極集電板２４の表面に形成した状態を示す。第２平坦部５５が矩形とされている。

図１１Ａ～図１１Ｄは、他の変形例を示す。図１１Ｃに示すように、矩形の各辺を構成するような開口部３９Ｃを形成し、開口部３９Ｃに入り込むような形状の突出部３８Ｃ（図１１Ｂ参照）を形成するようにしてもよい。図１１Ｄは、開口部３９Ｃに入り込んだ突出部３８Ｃを折り曲げて第２平坦部５５を形成し、第２平坦部５５を正極集電板２４の表面に形成した状態を示す。図１１の例では、開口部３９Ｃの短辺が円弧状とされており、突出部３８Ｃの短辺が直線状となっているのと相違する。すなわち、開口部３９Ｃが突出部３８Ｃよりやや大きな開口を有しているのであれば、突出部３８Ｃと開口部３９Ｃが全く同一の面形状を有する必要はない。なお、突出部及び開口部の形状としては、上述したもの以外に種々のものが可能である。例えば円形の開口部を集電板が有し、開口部内に入り込んだ突出部を潰して円形の第２平坦部５５を形成してもよい。さらに、正極集電板２４が一つの開口部を有し、その開口部に活物質非被覆部２１Ｃの一つの突出部が入り込んで折り曲げられる構成でもよい。

＜３．応用例＞
（１）電池パック
図１２は、本発明の実施の形態又は実施例に係る二次電池を電池パック３３０に適用した場合の回路構成例を示すブロック図である。電池パック３００は、組電池３０１、充電制御スイッチ３０２ａと、放電制御スイッチ３０３ａ、を備えるスイッチ部３０４、電流検出抵抗３０７、温度検出素子３０８、制御部３１０を備えている。制御部３１０は各デバイスの制御を行い、さらに異常発熱時に充放電制御を行ったり、電池パック３００の残容量の算出や補正を行ったりすることが可能である。

電池パック３００の充電時には正極端子３２１及び負極端子３２２がそれぞれ充電器の正極端子、負極端子に接続され、充電が行われる。また、電池パック３００に接続された電子機器の使用時には、正極端子３２１及び負極端子３２２がそれぞれ電子機器の正極端子、負極端子に接続され、放電が行われる。

組電池３０１は、複数の二次電池３０１ａを直列及び／又は並列に接続してなる。図１２では、６つの二次電池３０１ａが、２並列３直列（２Ｐ３Ｓ）に接続された場合が例として示されているが、どのような接続方法でもよい。

温度検出部３１８は、温度検出素子３０８（例えばサーミスタ）と接続されており、組電池３０１又は電池パック３００の温度を測定して、測定温度を制御部３１０に供給する。電圧検出部３１１は、組電池３０１及びそれを構成する各二次電池３０１ａの電圧を測定し、この測定電圧をＡ／Ｄ変換して、制御部３１０に供給する。電流測定部３１３は、電流検出抵抗３０７を用いて電流を測定し、この測定電流を制御部３１０に供給する。

スイッチ制御部３１４は、電圧検出部３１１及び電流測定部３１３から入力された電圧及び電流をもとに、スイッチ部３０４の充電制御スイッチ３０２ａ及び放電制御スイッチ３０３ａを制御する。スイッチ制御部３１４は、二次電池３０１ａのいずれかの電圧が過充電検出電圧若しくは過放電検出電圧以下になったとき、また、大電流が急激に流れたときに、スイッチ部３０４にＯＦＦの制御信号を送ることにより、過充電及び過放電、過電流充放電を防止する。
ここで、二次電池がリチウムイオン二次電池の場合、過充電検出電圧は例えば４．２０Ｖ±０．０５Ｖと定められ、過放電検出電圧は例えば２．４Ｖ±０．１Ｖと定められる。

充電制御スイッチ３０２ａ又は放電制御スイッチ３０３ａがＯＦＦした後は、ダイオード３０２ｂ又はダイオード３０３ｂを介することによってのみ、充電又は放電が可能となる。これらの充放電スイッチは、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチを使用することができる。この場合、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードがダイオード３０２ｂ及び３０３ｂとして機能する。なお、図１２では＋側にスイッチ部３０４を設けているが、－側に設けても良い。

メモリ３１７は、ＲＡＭやＲＯＭからなり、例えば不揮発性メモリであるＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）などを含む。メモリ３１７には、制御部３１０で演算された数値や、製造工程の段階で測定された各二次電池３０１ａの初期状態における電池特性やなどが予め記憶され、また適宜、書き換えも可能である。また、二次電池３０１ａの満充電容量を記憶させておくことで、制御部３１０と協働して残容量を算出することができる。

（２）電子機器
上述した本発明の実施の形態又は実施例に係る二次電池は、電子機器や電動輸送機器、蓄電装置などの機器に搭載され、電力を供給するために使用することができる。

電子機器としては、例えばノート型パソコン、スマートフォン、タブレット端末、ＰＤＡ（携帯情報端末）、携帯電話、ウェアラブル端末、ビデオムービー、デジタルスチルカメラ、電子書籍、音楽プレイヤー、ヘッドホン、ゲーム機、ペースメーカー、補聴器、電動工具、テレビ、照明機器、玩具、医療機器、ロボットが挙げられる。また、後述する電動輸送機器、蓄電装置、電動工具、電動式無人航空機も、広義では電子機器に含まれ得る。

電動輸送機器としては電気自動車（ハイブリッド自動車を含む。）、電動バイク、電動アシスト自転車、電動バス、電動カート、無人搬送車（ＡＧＶ）、鉄道車両などが挙げられる。また、電動旅客航空機や輸送用の電動式無人航空機も含まれる。本発明に係る二次電池は、これらの駆動用電源のみならず、補助用電源、エネルギー回生用電源などとしても用いられる。

蓄電装置としては、商業用又は家庭用の蓄電モジュールや、住宅、ビル、オフィスなどの建築物用又は発電設備用の電力貯蔵用電源などが挙げられる。

（３）電動工具
図１３を参照して、本発明が適用可能な電動工具として電動ドライバの例について概略的に説明する。電動ドライバ４３１には、シャフト４３４に回転動力を伝達するモータ４３３と、ユーザが操作するトリガースイッチ４３２が設けられている。トリガースイッチ４３２の操作により、シャフト４３４によって被対象物にねじなどが打ち込まれる。

電動ドライバ４３１の把手の下部筐体内に、電池パック４３０及びモータ制御部４３５が収納されている。電池パック４３０としては、上述した電池パック３００を使用することができる。
電池パック４３０は、電動ドライバ４３１に対して内蔵されているか、又は着脱自在とされている。電池パック４３０は、電動ドライバ４３１に内蔵された状態、又は外された状態で、充電装置に装着可能である。

電池パック４３０及びモータ制御部４３５のそれぞれには、マイクロコンピュータが備えられている。電池パック４３０からモータ制御部４３５に対して電源が供給されると共に、両者のマイクロコンピュータ間で電池パック４３０の充放電情報が通信される。モータ制御部４３５は、モータ４３３の回転／停止、並びに回転方向を制御し、さらに、過放電時に負荷（モータ４３３など）への電源供給を遮断することができる。

（４）電動式無人航空機
本発明を電動式無人航空機４４０（以下、単に「ドローン４４０」という。）用の電源に適用した例について、図１４を参照して説明する。図１４のドローン４４０は、円筒状又は角筒状の胴体部４４１と、胴体部の上部に固定された支持軸４４２ａ～４４２ｆと、胴体部の下側に配置されたバッテリ部（図示せず）から機体が構成される。一例として、胴体部が６角筒状とされ、胴体部の中心から６本の支持軸４４２ａ～４４２ｆが等角間隔で放射状に延びている。

支持軸４４２ａ～４４２ｆの先端部には、回転翼４４４ａ～４４４ｆの動力源としてのモータ４４３ａ～４４３ｆがそれぞれ取り付けられている。各モータを制御する制御回路ユニット４４５は、胴体部４４１の上部に取り付けられている。バッテリ部としては、本発明に係る二次電池又は電池パック３００を使用することができる。二次電池や電池パックの数に制限はないが、対を構成する回転翼の数（図１４では３つ）と電池パックの数を等しくするのが好ましい。また、図示しないが、ドローン４４０にはカメラが搭載されていたり、少量の貨物を運搬可能な荷台が備えられていてもよい。

（５）電動車両用蓄電システム
本発明を電動車両用の蓄電システムに適用した例として、図１５に、シリーズハイブリッドシステムを採用したハイブリッド車両（ＨＶ）の構成例を概略的に示す。シリーズハイブリッドシステムはエンジンを動力とする発電機で発電された電力、あるいはそれをバッテリに一旦貯めておいた電力を用いて、電力駆動力変換装置で走行する車である。

このハイブリッド車両６００には、エンジン６０１、発電機６０２、電力駆動力変換装置６０３（直流モータ又は交流モータ。以下単に「モータ６０３」という。）、駆動輪６０４ａ、駆動輪６０４ｂ、車輪６０５ａ、車輪６０５ｂ、バッテリ６０８、車両制御装置６０９、各種センサ６１０、充電口６１１が搭載されている。バッテリ６０８に対して、上述した本発明の電池パック３００、又は本発明の二次電池を複数搭載した蓄電モジュールが適用され得る。二次電池の形状としては、円筒型、角型又はラミネート型である。

バッテリ６０８の電力によってモータ６０３が作動し、モータ６０３の回転力が駆動輪６０４ａ、６０４ｂに伝達される。エンジン６０１の回転力は発電機６０２に伝えられ、その回転力によって発電機６０２により生成された電力をバッテリ６０８に蓄積することが可能である。各種センサ６１０は、車両制御装置６０９を介してエンジン回転数を制御したり、図示しないスロットルバルブの開度を制御したりする。各種センサ６１０には、速度センサ、加速度センサ、エンジン回転数センサなどが含まれる。

図示しない制動機構によりハイブリッド車両６００が減速すると、その減速時の抵抗力がモータ６０３に回転力として加わり、この回転力によって生成された回生電力がバッテリ６０８に蓄積される。また、図示しないが、二次電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行なう情報処理装置（例えば、電池の残量表示装置）を備えていても良い。バッテリ６０８は、ハイブリッド車両６００の充電口６１１を介して外部の電源に接続されることで電力供給を受け、蓄電することが可能である。このようなＨＶ車両を、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ又はＰＨＥＶ）という。

以上では、シリーズハイブリッド車を例として説明したが、エンジンとモータを併用するパラレル方式、又は、シリーズ方式とパラレル方式を組み合わせたハイブリッド車に対しても本発明は適用可能である。さらに、エンジンを用いない駆動モータのみで走行する電気自動車（ＥＶ又はＢＥＶ）や、燃料電池車（ＦＣＶ）に対しても本発明は適用可能である。

１・・・リチウムイオン電池、１２・・・絶縁体、２１・・・正極、
２１Ａ・・・正極箔、２１Ｂ・・・正極活物質層、２１Ｃ・・・正極の活物質非被覆部、２２・・・負極、２２Ａ・・・負極箔、２２Ｂ・・・負極活物質層、
２２Ｃ・・・負極の活物質非被覆部、２３・・・セパレータ，２４・・・正極集電板、
２５・・・負極集電板、２６・・・貫通孔、３８Ａ、３８Ｂ，３８Ｃ・・・突出部、
３９Ａ、３９Ｂ，３９Ｃ・・・開口部、４１，４２・・・端面

Claims (11)

1. セパレータを介して帯状の正極と帯状の負極とが積層され、巻回された構造を有する電極巻回体と、正極集電板及び負極集電板が、外装缶に収容された二次電池において、
   前記正極は、帯状の正極箔上に、正極活物質層によって被覆された被覆部と、正極活物質非被覆部を有し、
   前記負極は、帯状の負極箔上に、負極活物質層によって被覆された被覆部と、負極活物質非被覆部を有し、
   前記正極活物質非被覆部は、前記電極巻回体の一方の端面において、前記正極集電板と接合され、
   前記負極活物質非被覆部は、前記電極巻回体の他方の端面において、前記負極集電板と接合され、
   前記正極集電板と前記負極集電板の何れか一方又は両方が、帯状部と、開口部が形成された板状部を有し、
   前記板状部は、前記電極巻回体の端面に対向する対向面と非対向面とを有し、 前記正極活物質非被覆部の一部、及び／又は、前記負極活物質非被覆部の一部は、前記開口部を貫通すると共に、前記板状部の前記非対向面と接合されている、二次電池。
2. 前記正極活物質非被覆部の他の部分、及び／又は、前記負極活物質非被覆部の他の部分は、折れ曲がって第１平坦部を形成し、
   前記第１平坦部の一部が、前記正極集電板及び／又は前記負極集電板の前記対向面と接触している、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記開口部を貫通した前記正極活物質非被覆部の一部、及び／又は、前記負極活物質非被覆部の一部は折れ曲がって第２平坦部を形成し、
   前記第２平坦部の一部が、前記正極集電板及び／又は前記負極集電板の前記非対向面に接触すると共に、前記第２平坦部の他の一部が、前記第２平坦部の表面側からの溶接によって、前記正極集電板及び／又は負極集電板の前記非対向面に接合されている、請求項１又は２に記載の二次電池。
4. 前記正極活物質非被覆部の一部、及び／又は、前記負極活物質非被覆部の一部は、前記巻回された構造の中心軸の方向に折れ曲がり、重なり合うことによって前記第２平坦部を形成している、請求項３に記載の二次電池。
5. 前記接合はレーザー溶接によって行われたものである、請求項１から４までのいずれかに記載の二次電池。
6. 前記正極集電板の材質はアルミニウム又はアルミニウム合金である、請求項１から５の何れかに記載の二次電池。
7. 前記負極集電板の材質はニッケル、ニッケル合金、銅若しくは銅合金の単体、又はそれらの複合材である、請求項１から６の何れかに記載の二次電池。
8. 請求項１から７の何れかに記載の二次電池と、
   前記二次電池を制御する制御部と、
   前記二次電池を内包する外装体と
   を有する電池パック。
9. 請求項１から７の何れかに記載の二次電池又は請求項８に記載の電池パックを有する電子機器。
10. 請求項８に記載の電池パックを有し、前記電池パックを電源として使用する電動工具。
11. 請求項１から７の何れかに記載の二次電池を有し、
    前記二次電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置を有する電動車両。

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