JP7316520B2 - 電池 - Google Patents
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Description
本発明は、電極体と、当該電極体に接合される集電端子とを備えた電池に関する。
近年、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池その他の二次電池は、車両搭載用電源、或いはパソコンおよび携帯端末の電源として重要性が高まっている。特に、リチウムイオン二次電池は、軽量で高エネルギー密度が得られるため、車両搭載用の高出力電源として好ましく用いられている。
この種の電池の電極体の一例として、正極および負極の電極シートが捲回された捲回電極体が挙げられる。この捲回電極体の電極シートは、箔状の集電体と、当該集電体の表面に塗工される活物質層とを備えている。そして、電極シートの幅方向の一方の側縁部には、活物質層が形成されておらず、集電体が露出した未塗工部が形成されている。このような電極シートが捲回された捲回電極体では、上記未塗工部（露出した集電体）が複数層巻き重ねられた集電体束が幅方向の両側縁部に形成される。
図４に示すように、上述した捲回電極体１２０の集電体束１２４には、集電端子１３０が接合される。具体的には、集電体束１２４の幅方向Ｘの外側の端部に、複数層の集電体１６２（未塗工部１６６）が押し潰された平坦な領域（接合部１２４ａ）が形成され、この接合部１２４ａに集電端子１３０の接合面１３０ａが接合される。また、集電体束１２４には、上記接合部１２４ａに向かって表面が傾斜するように複数層の未塗工部１６６が収束した収束部１２４ｂが形成される。以下、この収束部１２４ｂの斜面同士がなす角度を「集箔角度θ」と称する。
上記構成の集電体束１２４に集電端子１３０を接合する際、集電体束１２４を構成する集電体１６２が破損することがある。この場合、集電体束１２４における導通抵抗が増加し、充放電中の発熱によってセル寿命が短くなるおそれがある。この集電体１６２の破損を防止するための技術が従来から種々提案されている。
例えば、特許文献１には、集電体に接合される接合面を含む平坦部と、当該平坦部から曲がった第１の曲部とを有した集電端子（平板端子）が開示されている。このように集電端子に曲げ加工を施すことによって集電端子の剛性を向上させることができるため、接合時の押圧力による集電端子の変形で集電体が損傷することを防止できる。また、この特許文献１には、曲部と平坦部との接続部分（曲げ加工部分）の外面が滑らかに連続するように湾曲形成することが開示されている。
ところで、近年、上述した構造の電池に対して高容量化への要求が高まっており、充放電に寄与しない未塗工部の幅を狭くし、活物質層の塗工面積を広くすることが試みられている。しかしながら、本発明者の検討によれば、電極シートの未塗工部の幅を狭くした場合、上記特許文献１に記載の技術をもってしても、集電体の損傷を防止することが困難になる。この原因について本発明者が鋭意検討を重ねたところ、図４に示す構成において、未塗工部１６６の幅が狭い電極シートを使用すると、収束部１２４ｂの幅ａ１が狭くなり、集電体束１２４の集箔角度θが大きくなるため、収束部１２４ｂの斜面と集電端子１３０の端部１３２との干渉による集電体１６２の損傷が生じやすくなることが判明した。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、未塗工部の幅が狭い電極シートを使用した電池において集電体の破損を好適に防止できる技術を提供することを目的とする。
ここに開示される電池は、箔状の集電体の表面に活物質層が塗工された正負極の電極シートが複数層重ねられた電極体と、電極シートの集電体に接合される集電端子と、を備えている。この電池の電極シートの幅方向の一方の側縁部には、活物質層が塗工されておらず集電体が露出した未塗工部が形成されており、電極体の幅方向の両側縁部に、未塗工部が他方の電極シートからはみ出して複数層重ねられた集電体束が形成されている。また、集電体束の幅方向の外側の端部に、複数層の未塗工部が押し潰された接合部が形成されており、集電体束の幅方向の内側に、接合部に向かって表面が傾斜するように複数層の未塗工部が収束する収束部が形成されている。一方、この電池の集電端子は、集電体束の接合部と接合される平坦な接合面を有している。そして、ここに開示される電池では、以下の式（１）により算出される集電体束の集箔角度θが式（２）の関係を満たしており、集電端子の接合面の収束部側の端部に曲率半径が０．３ｍｍ以上のＲ部が形成されている。なお、以下の式（１）中のｔは集電体束の幅方向の内側の端部における厚み（ｍｍ）であり、ａ１は収束部の幅（ｍｍ）である。
θ＝２ｔａｎ－１（０．５ｔ／ａ１） （１）
１２０°≦θ≦１６０° （２）
θ＝２ｔａｎ－１（０．５ｔ／ａ１） （１）
１２０°≦θ≦１６０° （２）
ここに開示される電池では、未塗工部の幅を狭くした電極シートが用いられている。このような電極シートを使用した場合、集電体束の収束部の幅ａ１が狭くなるため、従来は８０°程度であった集電体束の集箔角度θが１２０°≦θ≦１６０°となる。この場合、収束部と集電端子との干渉による集電体の損傷が発生しやすくなる。これに対し、ここに開示される電池では、集電端子の接合面の収束部側の端部に曲率半径が０．３ｍｍ以上のＲ部が形成されている。本発明者は、上述した集電体の損傷の原因を考慮し、集電体束の集箔角度θが１２０°を超える場合でも収束部と干渉しないような集電端子の形状について種々の実験と検討を行った結果、０．３ｍｍ以上の曲率半径を有するＲ部が形成された集電端子に想到した。かかる曲率半径のＲ部が形成された集電端子を使用することにより、未塗工部の幅が狭い電極シートを使用した場合でも、集電体の破損を防止することができる。
また、ここに開示される電池の好適な一態様では、Ｒ部の曲率半径が集電端子の厚み以下である。
これによって、Ｒ部を形成する加工を容易に行うことができ、かつ、加工後の集電端子の強度を十分に確保することができる。
これによって、Ｒ部を形成する加工を容易に行うことができ、かつ、加工後の集電端子の強度を十分に確保することができる。
また、ここに開示される電池の好適な一態様では、集電体が、銅および銅を主体とした合金の少なくとも一方を含むことを特徴とする。
銅および銅を主体とした合金は、良好な導電性を有する安価な材料であり、かつ、充放電における電位によって融解し難いという利点を有しているため、負極側の集電体に好ましく用いられる。しかし、この銅系の材料を含む集電体は、外部からの圧力が掛かった際に伸びにくく破損しやすいという問題を有している。これに対して、ここに開示される技術によると、収束部と集電端子とが干渉して集電体に圧力が掛かることを防止できるため、銅系の材料を含む集電体を用いた場合でも、集電体束の破損を好適に防止できる。
銅および銅を主体とした合金は、良好な導電性を有する安価な材料であり、かつ、充放電における電位によって融解し難いという利点を有しているため、負極側の集電体に好ましく用いられる。しかし、この銅系の材料を含む集電体は、外部からの圧力が掛かった際に伸びにくく破損しやすいという問題を有している。これに対して、ここに開示される技術によると、収束部と集電端子とが干渉して集電体に圧力が掛かることを防止できるため、銅系の材料を含む集電体を用いた場合でも、集電体束の破損を好適に防止できる。
また、上述した集電体が銅系の材料を含む態様では、集電端子が、銅および銅を主体とした合金の少なくとも一方を含むと好ましい。
集電体と集電端子の両方に銅系の材料を用いた場合、当該集電体と集電端子との接合に抵抗溶接が用いられる。この抵抗溶接は、他の溶接方法よりも強い圧力が掛かるため、収束部と集電端子とが干渉した際に集電体が破損しやすくなる。しかし、ここに開示される技術によると、収束部と集電端子との干渉を防止できるため、集電体と集電端子とに銅系の材料を用いた場合でも、集電体の破損を好適に防止できる。
集電体と集電端子の両方に銅系の材料を用いた場合、当該集電体と集電端子との接合に抵抗溶接が用いられる。この抵抗溶接は、他の溶接方法よりも強い圧力が掛かるため、収束部と集電端子とが干渉した際に集電体が破損しやすくなる。しかし、ここに開示される技術によると、収束部と集電端子との干渉を防止できるため、集電体と集電端子とに銅系の材料を用いた場合でも、集電体の破損を好適に防止できる。
以下、本発明の一実施形態に係る電池の一例としてリチウムイオン二次電池を説明する。なお、ここで開示される電池は、リチウムイオン二次電池に限定されず、種々の二次電池であってもよい。すなわち、ここに開示される技術は、電極体の集電体束に集電端子が接合された構造を有する種々の電池に適用することができ、例えば、ニッケル水素電池等に適用することもできる。
また、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。なお、各図における寸法関係（長さ、幅、厚みなど）は実際の寸法関係を反映するものではない。また、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（例えば、電解液の組成および製法など）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。
１．本実施形態に係るリチウムイオン二次電池
図１は本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の内部構造を模式的に示す正面図である。図２は本実施形態における電極体を模式的に示す斜視図である。また、図３は図１に示すリチウムイオン二次電池のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面構造を示す模式図である。なお、本明細書の各図における符号Ｘは「幅方向」を示し、符号Ｚは「高さ方向」を示す。
図１は本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の内部構造を模式的に示す正面図である。図２は本実施形態における電極体を模式的に示す斜視図である。また、図３は図１に示すリチウムイオン二次電池のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面構造を示す模式図である。なお、本明細書の各図における符号Ｘは「幅方向」を示し、符号Ｚは「高さ方向」を示す。
（１）全体構成
図１に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００は、電極体２０と電解液（図示せず）とをケース１０内に収容することによって構成されている。この電極体２０の幅方向の両側縁部には、集電体束２４、２６が形成されている。具体的には、電極体２０の幅方向Ｘの一方の側縁部に、負極側の電極シート（負極シート）の未塗工部（負極集電体）がはみ出して複数層重ねられた負極集電体束２４が形成されており、他方の側縁部に、正極側の電極シート（正極シート）の未塗工部（正極集電体）がはみ出して複数層重ねられた正極集電体束２６が形成されている。そして、負極集電体束２４には、負極側の集電端子（負極集電端子）３０が接合されており、正極集電体束２６には、正極側の集電端子（正極集電端子）４０が接合されている。以下、本実施形態における電極体２０と集電端子３０、４０の具体的な構造を説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００は、電極体２０と電解液（図示せず）とをケース１０内に収容することによって構成されている。この電極体２０の幅方向の両側縁部には、集電体束２４、２６が形成されている。具体的には、電極体２０の幅方向Ｘの一方の側縁部に、負極側の電極シート（負極シート）の未塗工部（負極集電体）がはみ出して複数層重ねられた負極集電体束２４が形成されており、他方の側縁部に、正極側の電極シート（正極シート）の未塗工部（正極集電体）がはみ出して複数層重ねられた正極集電体束２６が形成されている。そして、負極集電体束２４には、負極側の集電端子（負極集電端子）３０が接合されており、正極集電体束２６には、正極側の集電端子（正極集電端子）４０が接合されている。以下、本実施形態における電極体２０と集電端子３０、４０の具体的な構造を説明する。
（２）電極体
図２に示すように、電極体２０は、正極シート５０と、負極シート６０と、セパレータ７０とを備えている。本実施形態において用いられる電極体２０は、セパレータ７０を介して正極シート５０と負極シート６０とを積層させた積層体を捲回することによって形成される捲回電極体である。この電極体２０の幅方向Ｘの中央部には、後述の正極活物質層５４と負極活物質層６４とが巻き重ねられたコア部２２が形成されている。以下、電極体２０を構成する各部材について具体的に説明する。
図２に示すように、電極体２０は、正極シート５０と、負極シート６０と、セパレータ７０とを備えている。本実施形態において用いられる電極体２０は、セパレータ７０を介して正極シート５０と負極シート６０とを積層させた積層体を捲回することによって形成される捲回電極体である。この電極体２０の幅方向Ｘの中央部には、後述の正極活物質層５４と負極活物質層６４とが巻き重ねられたコア部２２が形成されている。以下、電極体２０を構成する各部材について具体的に説明する。
（ａ）正極シート
正極シート５０は、箔状の正極集電体５２と、当該正極集電体５２の表面に塗工された正極活物質層５４とを備えている。そして、幅方向Ｘにおける正極シート５０の一方の側縁部には、正極活物質層５４が塗工されておらず、正極集電体５２が露出した正極未塗工部５６が形成されている。本実施形態では、この正極未塗工部５６が他方の電極シート（負極シート６０）からはみ出すように積層させ捲回することによって、正極未塗工部５６（露出した正極集電体５２）が巻き重ねられた正極集電体束２６が形成される。
正極シート５０は、箔状の正極集電体５２と、当該正極集電体５２の表面に塗工された正極活物質層５４とを備えている。そして、幅方向Ｘにおける正極シート５０の一方の側縁部には、正極活物質層５４が塗工されておらず、正極集電体５２が露出した正極未塗工部５６が形成されている。本実施形態では、この正極未塗工部５６が他方の電極シート（負極シート６０）からはみ出すように積層させ捲回することによって、正極未塗工部５６（露出した正極集電体５２）が巻き重ねられた正極集電体束２６が形成される。
正極集電体５２には、この種の電池の正極集電体に用いられる材料を特に制限なく使用できる。典型的には、正極集電体５２は、良好な導電性を有する金属、例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等の金属、またはこれらの金属を含む合金等から構成されていることが好ましい。これらのなかでも、アルミニウムまたはアルミニウム合金を使用することがより好ましい。
正極活物質層５４は、正極活物質を含有する層である。正極活物質には、この種の電池で従来から用いられている種々の化合物を使用できるため詳細な説明は省略する。かかる正極活物質の好適例としては、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＮｉｘＣｏｙＭｎ（１－ｘ－ｙ）Ｏ２（ここで０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）等に代表される層状構造の複合酸化物が挙げられる。あるいは、Ｌｉ２ＮｉＭｎ３Ｏ８、ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ１＋ｘＭｎ２－ｙＭｙＯ４（ここでＭは存在しないか若しくはＡｌ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎから選ばれる一種以上の金属元素、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜２）で表されるようなスピネル構造の複合酸化物、ＬｉＦｅＰＯ４等のオリビン構造の複合化合物、等が挙げられる。
また、正極活物質層５４には、正極活物質の他の任意成分を必要に応じて含ませることができる。かかる任意成分としては、例えば、導電材やバインダ等が挙げられる。導電材としては、アセチレンブラック等のカーボンブラックやその他（グラファイト、カーボンナノチューブ等）の炭素材料を好適に使用し得る。バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系バインダや、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等のゴム系バインダ等を使用することができる。
（ｂ）負極シート
負極シート６０は、箔状の負極集電体６２と、当該負極集電体６２の表面に塗工された負極活物質層６４とを備えている。そして、負極シート６０の幅方向Ｘの一方の側縁部には、負極活物質層６４が塗工されておらず、負極集電体６２が露出した負極未塗工部６６が形成されている。本実施形態では、この負極未塗工部６６が他方の電極シート（正極シート５０）からはみ出すように積層させ捲回することによって、負極未塗工部６６（露出した負極集電体６２）が巻き重ねられた負極集電体束２４が形成される。
負極シート６０は、箔状の負極集電体６２と、当該負極集電体６２の表面に塗工された負極活物質層６４とを備えている。そして、負極シート６０の幅方向Ｘの一方の側縁部には、負極活物質層６４が塗工されておらず、負極集電体６２が露出した負極未塗工部６６が形成されている。本実施形態では、この負極未塗工部６６が他方の電極シート（正極シート５０）からはみ出すように積層させ捲回することによって、負極未塗工部６６（露出した負極集電体６２）が巻き重ねられた負極集電体束２４が形成される。
負極集電体６２は、この種の電池の負極集電体に用いられる材料を特に制限なく使用することができ、例えば、銅や銅を主体とする合金が用いられる。これらの銅系の材料は、良好な導電性を有する安価な材料であり、かつ、充放電における電位によって融解し難いという利点を有している。しかし、この銅系の材料を含む負極集電体６２は、外部からの圧力が掛かった際に伸びにくく破損しやすいという問題を有している。詳しくは後述するが、本実施形態によると、負極集電体３０（図１参照）との接合時に、当該負極集電端子３０の干渉により負極集電体６２に大きな圧力が掛かることを防止できるため、銅系の材料を用いた場合でも負極集電体６２の破損を好適に防止できる。
負極活物質層６４は、負極活物質を含有する層である。負極活物質には、この種の電池で従来から用いられている種々の化合物を使用することができるため詳細な説明は省略する。かかる負極活物質の好適例としては、グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、カーボンブラック（アセチレンブラック、ケッチェンブラック等）のような炭素材料が挙げられる。
なお、負極活物質層６４には、負極活物質以外の任意成分を含ませることができる。例えば、負極活物質層６４は、正極活物質層５４と同様に、バインダ等を含み得る。バインダとしては、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ等のフッ素系バインダや、ＳＢＲ等のゴム系バインダを好適に使用することができる。
（ｃ）セパレータ
セパレータ７０は、正極シート５０と負極シート６０との間に介在するように配置される絶縁性のシートである。このセパレータ７０には、電荷担体（例えばリチウムイオン）を透過させる微小な孔が複数形成された絶縁性シートが用いられる。このセパレータ７０の材料は、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられるものと同様のものを特に制限なく用いることができる。かかるセパレータ７０の材料の一例として、多孔質ポリオレフィン系樹脂等が挙げられる。
セパレータ７０は、正極シート５０と負極シート６０との間に介在するように配置される絶縁性のシートである。このセパレータ７０には、電荷担体（例えばリチウムイオン）を透過させる微小な孔が複数形成された絶縁性シートが用いられる。このセパレータ７０の材料は、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられるものと同様のものを特に制限なく用いることができる。かかるセパレータ７０の材料の一例として、多孔質ポリオレフィン系樹脂等が挙げられる。
（ｄ）電極体の寸法
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００では、未塗工部５６、６６の幅が従来よりも狭い電極シート５０、６０が用いられている。このような電極シート５０、６０を用いて電極体２０を作製すると、コア部２２の幅が広くなり、集電体束２４、２６の幅ｗ１が狭くなる。具体的には、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００では、電極体２０の幅Ｌ（図１参照）に対する集電体束２４、２６の幅ｗ１の割合（ｗ１／Ｌ）が０．０７～０．０９の範囲内になる。なお、一般的なリチウムイオン二次電池では、ｗ１／Ｌが０．１１～０．１２の範囲内になる。このように、未塗工部５６、６６の幅が狭い電極シート５０、６０を使用し、コア部２２の面積（活物質層５４、６４の塗工面積）を広くすることによって、電池容量等の電池性能を向上させることができる。
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００では、未塗工部５６、６６の幅が従来よりも狭い電極シート５０、６０が用いられている。このような電極シート５０、６０を用いて電極体２０を作製すると、コア部２２の幅が広くなり、集電体束２４、２６の幅ｗ１が狭くなる。具体的には、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００では、電極体２０の幅Ｌ（図１参照）に対する集電体束２４、２６の幅ｗ１の割合（ｗ１／Ｌ）が０．０７～０．０９の範囲内になる。なお、一般的なリチウムイオン二次電池では、ｗ１／Ｌが０．１１～０．１２の範囲内になる。このように、未塗工部５６、６６の幅が狭い電極シート５０、６０を使用し、コア部２２の面積（活物質層５４、６４の塗工面積）を広くすることによって、電池容量等の電池性能を向上させることができる。
（３）集電端子
図１に示すように、正極集電端子４０および負極集電端子３０は、何れも、高さ方向Ｚに沿って延びる導電部材である。
本実施形態では、正極集電端子４０と正極集電体束２６とが超音波溶接によって接合されている。一方、正極集電端子４０の上端部４２は、ケース１０外部に露出し、外部接続部材４４を介して接続ボルト４６に電気的に接続されている。かかる正極集電端子４０は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウムを含む合金によって構成されていると好ましい。
図１に示すように、正極集電端子４０および負極集電端子３０は、何れも、高さ方向Ｚに沿って延びる導電部材である。
本実施形態では、正極集電端子４０と正極集電体束２６とが超音波溶接によって接合されている。一方、正極集電端子４０の上端部４２は、ケース１０外部に露出し、外部接続部材４４を介して接続ボルト４６に電気的に接続されている。かかる正極集電端子４０は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウムを含む合金によって構成されていると好ましい。
本実施形態では、負極集電端子３０と負極集電体束２４とが抵抗溶接によって接合されている。この抵抗溶接は、他の溶接方法よりも強い圧力が掛かるため、負極集電体６２の破損が生じやすくなる。詳しくは後述するが、本実施形態によると、収束部２４ｂと負極集電端子３０との干渉を防止し、収束部２４ｂに強い圧力が掛かることを防止できるため、抵抗溶接を実施した場合でも負極集電体６２の破損を好適に防止できる。また、正極集電端子４０と同様に、負極集電端子３０の上端部３２は、ケース１０外部に露出し、外部接続部材３４を介して接続ボルト３６に電気的に接続されている。かかる負極集電端子３０は、例えば、銅または銅を含む合金によって構成されていると好ましい。
（４）集電体束と集電端子との接合
次に、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００における集電体束と集電端子との接合部分の構造について説明する。なお、以下では、負極側の接合部分、すなわち、負極集電体束２４と負極集電端子３０との接合部分について説明する。
次に、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００における集電体束と集電端子との接合部分の構造について説明する。なお、以下では、負極側の接合部分、すなわち、負極集電体束２４と負極集電端子３０との接合部分について説明する。
図３に示すように、負極集電端子３０は、板状に成形されており、平坦な接合面３０ａを有している。この負極集電端子３０の接合面３０ａを負極集電体束２４の幅方向Ｘの外側の端部に接触させ、当該負極集電端子３０と負極集電体束２４の外側の端部とを挟み込むように押圧しながら抵抗溶接を行うことによって、負極集電体束２４と負極集電端子３０とが接合される。これによって、負極集電体束２４の外側の端部に、複数層の負極未塗工部６６（負極集電体６２）が押し潰された平坦な領域である接合部２４ａが形成される。本実施形態では、この負極集電体束２４の接合部２４ａと、負極集電端子３０の接合面３０ａとが面接触した状態で接合されている。
上述のように接合部２４ａが形成された負極集電体束２４では、幅方向Ｘの内側に収束部２４ｂが形成される。この収束部２４ｂは、接合部２４ａに向かって表面が傾斜するように複数層の負極未塗工部６６（負極集電体６２）が収束した領域である。上述したように、本明細書では、この収束部２４ｂの斜面同士がなす角度を「集箔角度θ」と称する。この「集箔角度θ」は、負極集電体束２４の幅方向Ｘの内側の端部における厚みをｔ（ｍｍ）とし、収束部２４ｂの幅をａ１（ｍｍ）としたとき、下記の式（１）によって算出される。
θ＝２ｔａｎ－１（０．５ｔ／ａ１） （１）
θ＝２ｔａｎ－１（０．５ｔ／ａ１） （１）
上述したように、本実施形態では、上記ｗ１／Ｌが０．０７～０．０９になるような未塗工部の幅が狭い電極シートが用いられている。このような場合、負極集電体束２４の幅ｗ１に対する収束部２４ｂの幅ａ１の割合（ａ１／ｗ１）が小さくなる。具体的には、負極未塗工部６６の幅が狭い負極シート６０を使用すると、負極集電体束２４の幅ｗ１が狭くなる。しかし、負極集電端子３０を適切に接合させるためには、接合部２４ａの幅を一定以上確保する必要がある。このため、負極未塗工部６６の幅を狭くすると、その分、収束部２４ｂの幅ａ１が狭くなって、上記ａ１／ｗ１が小さくなる。例えば、一般的なリチウムイオン二次電池では、上記ａ１／ｗ１が０．３４～０．４８の範囲内になる。一方で、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００では、ａ１／ｗ１が０．１５以上０．３４未満になる。
そして、このように収束部２４ｂの幅ａ１が狭くなると、負極集電体束２４の集箔角度θが大きくなる。例えば、一般的なリチウムイオン二次電池では、上記式（１）に基づいた集電体束の集箔角度θが８０°程度になる。一方で、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００では、集電体束の集箔角度θが１２０°≦θ≦１６０°の範囲内になる。このように、負極集電体束２４の集箔角度θが１２０°以上になると、収束部２４ｂ表面の傾斜が大きくなるため、負極集電端子３０を負極集電体束２４に接合する際に、負極集電端子３０の接合面３０ａの幅方向Ｘの内側の端部が、負極集電体束２４の収束部２４ｂの表面に干渉するおそれがある。
そして、このように収束部２４ｂの幅ａ１が狭くなると、負極集電体束２４の集箔角度θが大きくなる。例えば、一般的なリチウムイオン二次電池では、上記式（１）に基づいた集電体束の集箔角度θが８０°程度になる。一方で、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００では、集電体束の集箔角度θが１２０°≦θ≦１６０°の範囲内になる。このように、負極集電体束２４の集箔角度θが１２０°以上になると、収束部２４ｂ表面の傾斜が大きくなるため、負極集電端子３０を負極集電体束２４に接合する際に、負極集電端子３０の接合面３０ａの幅方向Ｘの内側の端部が、負極集電体束２４の収束部２４ｂの表面に干渉するおそれがある。
しかし、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００では、負極集電端子３０の接合面３０ａの収束部２４ｂ側の端部に、曲率半径が０．３ｍｍ以上のＲ部３０ｂが形成されている。このような曲率半径を有するＲ部３０ｂを形成することによって、負極集電体束２４の集箔角度θが１２０°以上になった場合でも、負極集電端子３０と収束部２４ｂとが干渉することを適切に防止できることが、本発明者が実施した実験により確認されている。このため、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００によると、未塗工部の幅が狭い電極シートを使用した場合でも、負極集電端子３０と収束部２４ｂとの干渉による負極集電体６２の破損を好適に防止することができる
なお、上記Ｒ部３０ｂの曲率半径は、０．３ｍｍ以上であれば特に限定されず、０．４ｍｍ以上であってもよいし、０．５ｍｍ以上であってもよい。但し、負極集電端子３０の強度や加工の容易さ等を考慮すると、Ｒ部３０ｂの曲率半径は、集電端子３０の厚みｔ２以下にすることが好ましい。なお、Ｒ部の曲率半径は、様々な手法により求めることができ、例えば、集電端子の断面形状の観察やレーザ測定器等により求めることができる。
また、負極集電端子３０にＲ部３０ｂを形成する方法は、特に制限されず、この種の金属部材のＲ加工に使用され得る種々の手段を採用することができる。例えば、負極集電端子成形用の金型の形状を変更し、上記Ｒ部３０ｂを有した負極集電端子３０が作製されるようにすると好ましい。また、Ｒ部３０ｂを形成する他の手段として切削加工等が挙げられる。但し、製造効率やバリの発生防止などの観点から、成形金型の形状を変更する方が好ましい。
２．他の実施形態
以上、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池を説明した。なお、上記した実施形態は、本発明を限定することを意図したものではなく、種々の構成を変更することができる。
以上、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池を説明した。なお、上記した実施形態は、本発明を限定することを意図したものではなく、種々の構成を変更することができる。
例えば、上述の実施形態では、負極集電端子３０の接合面３０ａの端部に曲率半径が０．３ｍｍ以上のＲ部３０ｂが形成されている。しかし、かかるＲ部は、正極集電端子に形成されていてもよい。これによって、正極集電端子と正極集電体束との接合の際に、収束部と正極集電端子との干渉による正極集電体の破損が生じることを防止できる。なお、上述したように、一般的なリチウムイオン二次電池では、負極側の方が集電体の破損が生じる要因（銅系材料の使用、抵抗溶接など）が多くなる傾向があるため、負極集電端子と正極集電端子の何れか一方のみにＲ部を形成する場合には、上述した実施形態のように、負極集電端子にＲ部を形成した方が好ましい。
また、ここに開示される電池に使用される電極体の構造は、上述した実施形態において用いられた捲回型電極体２０に限定されない。電極体の他の例としては、セパレータを介して正極シートと負極シートとを複数積層させた積層電極体などが挙げられる。このような積層電極体でも、電極体の両側縁部に未塗工部が複数層重ねられた集電体束が形成される。そして、この積層電極体の集電体束にも接合部と収束部とが形成される。このため、未塗工部の幅が狭い電極シートを使用すると、当該集電体束の集箔角度θが大きくなり、集電端子と収束部とが干渉しやすくなる。このため、積層電極体を使用した場合でも、ここに開示される技術を好適に適用することができる。
［試験例］
以下、本発明に関係する試験を説明するが、以下の説明は本発明を限定することを意図したものではない。
以下、本発明に関係する試験を説明するが、以下の説明は本発明を限定することを意図したものではない。
１．サンプルの作製
本試験例では、正極シートとして、正極活物質（ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２）と、導電材（アセチレンブラック）と、バインダ（ポリフッ化ビニリデン）とが、質量比で９４：３：３の割合で混合された正極活物質層が、アルミニウム製の正極集電体の両面に形成された電極シートを作製した。一方、負極シートとして、負極活物質（カーボンブラック）と、増粘剤（カルボキシメチルセルロース）と、バインダ（スチレンブタジエンゴム）とが、質量比で９８：１：１の割合で混合された負極活物質層が、銅製の負極集電体の両面に形成された電極シートを作製した。そして、ポリエチレン製のセパレータを介して正極シートと負極シートとを積層させた積層体を形成し、当該積層体を捲回することによって捲回電極体を作製した。なお、本試験例では、各々の電極シートの未塗工部の幅を狭くし、捲回電極体の幅Ｌに対する集電体束の幅ｗ１の割合（ｗ１／Ｌ）が０．０８の電極体を作製した。
本試験例では、正極シートとして、正極活物質（ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２）と、導電材（アセチレンブラック）と、バインダ（ポリフッ化ビニリデン）とが、質量比で９４：３：３の割合で混合された正極活物質層が、アルミニウム製の正極集電体の両面に形成された電極シートを作製した。一方、負極シートとして、負極活物質（カーボンブラック）と、増粘剤（カルボキシメチルセルロース）と、バインダ（スチレンブタジエンゴム）とが、質量比で９８：１：１の割合で混合された負極活物質層が、銅製の負極集電体の両面に形成された電極シートを作製した。そして、ポリエチレン製のセパレータを介して正極シートと負極シートとを積層させた積層体を形成し、当該積層体を捲回することによって捲回電極体を作製した。なお、本試験例では、各々の電極シートの未塗工部の幅を狭くし、捲回電極体の幅Ｌに対する集電体束の幅ｗ１の割合（ｗ１／Ｌ）が０．０８の電極体を作製した。
次に、本試験例では、捲回電極体の正極集電体束にアルミニウム製の正極集電端子を超音波溶接によって接合すると共に、負極集電体束に銅製の負極集電端子を抵抗溶接によって接合した。なお、本試験例では、負極集電端子の接合面の一方の端部にＲ部を形成し、当該Ｒ部が収束部側に配置されるように集電体束との接合を行った。このとき、Ｒ部の曲率半径をサンプル１～６の各々で異ならせた。各サンプルのＲ部の曲率半径を表１に示す。
２．評価試験
負極集電端子の接合を行った後に、各サンプルの集電体束を目視で観察した。そして、集電体束を構成する集電体に破損が生じていたサンプルを「不可」と評価し、破損が確認されなかったサンプルを「可」と評価した。なお、本試験例では、サンプル１～６の各々に対して、上記式（１）に基づく集箔角度θが１２０°、１３０°、１６０°の３種類の場合における評価を行った。評価結果を表１に示す。
負極集電端子の接合を行った後に、各サンプルの集電体束を目視で観察した。そして、集電体束を構成する集電体に破損が生じていたサンプルを「不可」と評価し、破損が確認されなかったサンプルを「可」と評価した。なお、本試験例では、サンプル１～６の各々に対して、上記式（１）に基づく集箔角度θが１２０°、１３０°、１６０°の３種類の場合における評価を行った。評価結果を表１に示す。
表１に示されるように、サンプル１～２では、集箔角度θが１２０°～１６０°の範囲内の何れの場合においても、集電体の破損が確認された。この集電体の破損は、負極集電端子に隣接する収束部において確認された。このことから、負極集電端子と収束部との干渉によって集電体が破損したと推測される。一方、サンプル３～６では、集箔角度θが１２０°～１６０°の範囲内の何れの場合においても、集電体の破損が確認されなかった。これは、曲率半径が０．３ｍｍ以上のＲ部を負極集電端子の接合面の端部に形成することによって、集電端子の端部と収束部との干渉を防止できたためと解される。このことから、未塗工部の幅を狭くして集箔角度が１２０°以上１６０°以下の範囲になった場合でも、曲率半径が０．３ｍｍ以上のＲ部を集電端子の接合面の端部に形成することによって、集電端子と収束部との干渉による集電体の破損を防止できることが判明した。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
１０ ケース
２０、１２０ （捲回）電極体
２２ コア部
２４ （負極）集電体束
２４ａ、１２４ａ 接合部
２４ｂ、１２４ｂ 収束部
２６ （正極）集電体束
３０ （負極）集電端子
３０ａ、１３０ａ 接合面
３０ｂ Ｒ部
３２、４２ 上端部
３４、４４ 外部接続部材
３６、４６ 接続ボルト
４０ （正極）集電端子
５０ 電極シート（正極シート）
５２ 正極集電体
５４ 正極活物質層
５６ （正極）未塗工部
６０ 電極シート（負極シート）
６２ （負極）集電体
６４ 負極活物質層
６６ （負極）未塗工部
７０ セパレータ
１００ リチウムイオン二次電池
１２４ 集電体束
１３０ 集電端子
１３２ 集電端子の端部
１６６ 未塗工部
１６２ 集電体
Ｌ 電極体の幅
ａ１ 収束部の幅
ｔ 集電体束の幅方向の内側の端部における厚み
ｔ２ 集電端子の厚み
ｗ１ 集電体束の幅
Ｘ 幅方向
Ｚ 高さ方向
２０、１２０ （捲回）電極体
２２ コア部
２４ （負極）集電体束
２４ａ、１２４ａ 接合部
２４ｂ、１２４ｂ 収束部
２６ （正極）集電体束
３０ （負極）集電端子
３０ａ、１３０ａ 接合面
３０ｂ Ｒ部
３２、４２ 上端部
３４、４４ 外部接続部材
３６、４６ 接続ボルト
４０ （正極）集電端子
５０ 電極シート（正極シート）
５２ 正極集電体
５４ 正極活物質層
５６ （正極）未塗工部
６０ 電極シート（負極シート）
６２ （負極）集電体
６４ 負極活物質層
６６ （負極）未塗工部
７０ セパレータ
１００ リチウムイオン二次電池
１２４ 集電体束
１３０ 集電端子
１３２ 集電端子の端部
１６６ 未塗工部
１６２ 集電体
Ｌ 電極体の幅
ａ１ 収束部の幅
ｔ 集電体束の幅方向の内側の端部における厚み
ｔ２ 集電端子の厚み
ｗ１ 集電体束の幅
Ｘ 幅方向
Ｚ 高さ方向
Claims (3)
- 箔状の集電体の表面に活物質層が塗工された正負極の電極シートが複数層重ねられた電極体と、前記電極シートの集電体に接合される集電端子と、を備えた電池であって、
前記電極シートの幅方向の一方の側縁部に、前記活物質層が塗工されておらず前記集電体が露出した未塗工部が形成されており、
前記電極体の幅方向の両側縁部に、前記未塗工部が他方の前記電極シートからはみ出して複数層重ねられた集電体束が形成されており、
前記電極体の幅Ｌに対する前記集電体束の幅ｗ１の割合（ｗ１／Ｌ）が０．０７～０．０９の範囲内にあり、
前記集電体束の幅方向の外側の端部に、複数層の前記未塗工部が押し潰された平坦な領域である接合部が形成されており、
前記集電体束の幅方向の内側に、前記接合部に向かって表面が傾斜するように複数層の前記未塗工部が収束する収束部が形成されており、
前記集電体束の幅ｗ１に対する前記収束部の幅ａ１の割合（ａ１／ｗ１）が０．１５以上０．３４未満であり、
前記集電端子は、前記集電体束の前記接合部と接合される平坦な接合面を有し、
以下の式（１）により算出される前記集電体束の集箔角度θが式（２）の関係を満たしており、
前記集電端子の前記接合面の前記収束部側の端部に、曲率半径が０．３ｍｍ以上前記集電端子の厚み以下のＲ部が形成されており、
前記集電端子と前記集電体束の前記接合部との界面に熱による接合痕が形成されていることを特徴とする、電池。
θ＝２ｔａｎ－１（０．５ｔ／ａ１） （１）
１３０°≦θ≦１６０° （２）
なお、上記式（１）中のｔは前記集電体束の幅方向の内側の端部における厚み（ｍｍ）であり、ａ１は前記収束部の幅（ｍｍ）である。 - 前記集電体が、銅および銅を主体とした合金の少なくとも一方を含む、請求項１に記載の電池。
- 前記集電端子が、銅および銅を主体とした合金の少なくとも一方を含む、請求項２に記載の電池。
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