JP7371701B2

JP7371701B2 - 二次電池、電子機器及び電動工具

Info

Publication number: JP7371701B2
Application number: JP2021573086A
Authority: JP
Inventors: 泰明原
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2021-01-13
Publication date: 2023-10-31
Anticipated expiration: 2041-01-13
Also published as: JPWO2021149555A1; CN114868304A; US20220336862A1; WO2021149555A1

Description

本発明は、二次電池、電子機器及び電動工具に関する。

リチウムイオン電池は自動車や電動工具などに用途が拡大され、高出力の特性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。電池の内部抵抗の主な要因として、例えば、正極箔や負極箔と集電板との間の抵抗が挙げられる。

例えば、特許文献１は、それぞれの端面から突出した集電体を巻回軸方向に押圧して平坦面とした渦巻電極体に、突条部のある集電板をレーザー溶接にて接合させたリチウムイオン電池の構造と製造方法とについて開示している。

特開２０００－２９４２２２号公報

ハイレート放電用として、抵抗値を下げるために集電板の厚みを大きくする必要があるが、この場合、レーザー溶接の熱でセパレータへのダメージや正極箔または負極箔に穴があいて溶接不良になるという問題があった。また、突状部の存在のせいで、レーザー溶接が複雑で不安定となる問題もあった。

従って、本発明は、内部抵抗が低く、安定して溶接ができる構造の集電板を備えた電池を提供することを目的とする。

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、電池缶に収容された二次電池であって、
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、
電極巻回体は、正極活物質非被覆部と負極活物質非被覆部が、それぞれ巻回された構造の中心軸に向かって曲折し、重なり合うことによって形成された平坦面と、平坦面に形成された溝を有し、
正極集電板と負極集電板は、それぞれ帯状部と、板状部を有し、
板状部は、それぞれ電極巻回体の端部に対向する第１の面と、凹部を有する第２の面を有し、
正極活物質非被覆部は、電極巻回体の端部の一方において、正極集電板の板状部の第１の面と凹部の位置で接合され、
負極活物質非被覆部は、電極巻回体の端部の他方において、負極集電板の板状部の第１の面と凹部の位置で接合され、
凹部は、電極巻回体の前記中心軸方向から見たときに、平坦面に形成された溝と重ならないことを特徴とする二次電池である。

本発明の少なくとも実施の形態によれば、電池の内部抵抗を低下させることができ、又は、高出力の電池を実現することができる。また、このような電池の安定した生産を実現できる。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は、正極集電板の斜視図であり、図３Ｂは図３Ａの丸印部分の拡大図である。図４Ａから図４Ｆ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５Ａは、レーザー溶接する部分を説明するために電極巻回体の一部を切り欠いた斜視図であり、図５Ｂは、図５Ａの丸印部分の拡大図である。図６Ａは、正極集電板又は負極集電板の斜視図であり、図６Ｂは、図６ＡのＡＡ’線に沿って切り、矢印方向から見た断面図である。図７Ａから図７Ｅは、変形例を示す図であり、図７Ｆと図７Ｇは比較例を示す図である。図８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９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１０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、電池缶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、例えば、円筒状の電池缶１１の内部に、一対の絶縁板１２，１３と、電極巻回体２０とを備えている。ただし、リチウムイオン電池１は、例えば、さらに、電池缶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。

［電池缶］
電池缶１１は、主に、電極巻回体２０を収納する部材である。この電池缶１１は、例えば、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、電池缶１１は、開放された一端部（開放端部１１Ｎ）を有している。この電池缶１１は、例えば、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、電池缶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。

［絶縁板］
絶縁板１２，１３のそれぞれは、例えば、電極巻回体２０の巻回軸に対して垂直な面、すなわち図１中のＺ軸に垂直な面を有する皿状の板である。また、絶縁板１２，１３は、例えば、互いに電極巻回体２０を挟むように配置されている。

［かしめ構造］
電池缶１１の開放端部１１Ｎには、例えば、電池蓋１４及び安全弁機構３０がガスケット１５を介して、かしめられている。電池蓋１４は、本発明の一実施形態の「蓋部材」であると共に、ガスケット１５は、本発明の一実施形態の「封止部材」である。これにより、電池缶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、その電池缶１１は密閉されている。このため、電池缶１１の開放端部１１Ｎに、電池蓋１４及び安全弁機構３０がガスケット１５を介して、かしめられた構造（かしめ構造１１Ｒ）が形成されている。すなわち、折り曲げ部１１Ｐは、いわゆるクリンプ部であると共に、かしめ構造１１Ｒは、いわゆるクリンプ構造である。

［電池蓋］
電池蓋１４は、主に、電池缶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、その電池缶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、電池缶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、電池缶１１（折り曲げ部１１Ｐ）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。ただし、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。

このガスケット１５は、例えば、絶縁性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。絶縁性材料の種類は、特に限定されないが、例えば、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）及びポリプロピレン（ＰＰ）などの高分子材料である。中でも、絶縁性材料は、ポリブチレンテレフタレートであることが好ましい。電池缶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、電池缶１１の内部の圧力（内圧）が上昇した際に、必要に応じて電池缶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。電池缶１１の内圧が上昇する原因は、例えば、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、電池缶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し、活物質層２１Ｂ，２２Ｂが被覆されている部分を、以下、適宜、活物質被覆部と称する。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の上側のドット部分）の幅はＡであり、負極の活物質非被覆部２２Ｃ（図２の下側のドット部分）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。

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。このとき、折り曲げられて活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃが適度に重なり合うので、活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃと集電板２４，２５とのレーザー溶接による接合を容易に行うことができる。一実施の形態における接合とは、レーザー溶接により繋ぎ合わされていることを意味するが、接合方法はレーザー溶接に限定されない。

正極２１は、活物質非被覆部２１Ｃと活物質被覆部２１Ｂとの境界を含む幅３ｍｍの区間が絶縁層１０１（図２の灰色の領域部分）で被覆されている。そして、セパレータを介して負極の活物質被覆部２２Ｂに対向する正極の活物質非被覆部２１Ｃの全ての領域が絶縁層１０１で覆われている。絶縁層１０１は、負極の活物質被覆部２２Ｂと正極の活物質非被覆部２１Ｃとの間に異物が侵入したときに、電池１の内部短絡を確実に防ぐ効果がある。また、絶縁層１０１は、電池１に衝撃が加わったときに、その衝撃を吸収し、正極の活物質非被覆部２１Ｃが折れ曲がりや、負極２２との短絡を確実に防ぐ効果がある。

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２０の端部の一方（端部４１）には、正極の活物質非被覆部２１Ｃが集まり、電極巻回体２０の端部の他方（端部４２）には、負極の活物質非被覆部２２Ｃが集まる。電流を取り出すための集電板２４，２５との接触を良くするために、活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃは曲折されて、端部４１，４２が平坦面となっている。曲折する方向は端部４１，４２の外縁部２７，２８から貫通孔２６に向かう方向であり、巻回された状態で隣接する周の活物質非被覆部同士が重なって曲折している。なお、本明細書において「平坦面」とは、完全に平坦な面のみならず、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。

活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃがそれぞれ重なるようにして曲折することで、一見、端部４１，４２を平坦面にすることが可能に思われるが、曲折する前に何らの加工もないと、曲折するときに端部４１，４２にシワやボイド（空隙、空間）が発生して、端部４１，４２が平坦面とならない。ここで、「シワ」や「ボイド」とは曲折した活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃに偏りが生じ、端部４１，４２が平坦面とはならない部分である。このシワやボイドの発生を防止するために、貫通孔２６から放射方向に溝４３（例えば図４Ｂを参照）が形成されている。溝４３は端部４１，４２の外縁部２７，２８から中心軸のある貫通孔２６まで延在する溝である。貫通孔２６の付近にある、正極２１と負極２２との巻き始めの活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃには切欠きがある。これは貫通孔２６に向かって曲折したとき貫通孔２６を塞がないようにするためである。溝４３は、活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃを曲折した後も平坦面内に残っており、溝４３の無い部分が、正極集電板２４又は負極集電板２５と接合（溶接等）されている。なお、平坦面のみならず、溝４３が集電板２４，２５の一部と接合されていてもよい。
電極巻回体２０の詳細な構成、すなわち正極２１、負極２２、セパレータ２３及び電解液のそれぞれの詳細な構成に関しては、後述する。

［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、端部４１，４２に正極集電板２４と負極集電板２５とを配置し、端部４１，４２に存在する正極や負極の活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃと多点で溶接することで、電池の内部抵抗を低く抑えている。端部４１，４２が曲折して平坦面となっていることも低抵抗化に寄与している。

図３Ａ及び図３Ｂに、集電板の一例を示す。図３Ａは正極集電板２４の斜視図であり、図３Ｂは図３Ａの丸印部分の拡大図である。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ある。図３Ａに示されるように、正極集電板２４は平坦な扇形をした板状部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に対応している。

正極集電板２４は板状部３１の孔３５から外縁部まで放射状に延在する薄肉部５１を有している。薄肉部５１は溝状に設けられている。板状部３１は、電極巻回体の端部に対向する対向面と、薄肉部を有する非対向面とを有している。薄肉部は、非対向面に形成された凹部である。薄肉部５１は例えば４５°の等角間隔で存在している。図３Ｂに示されるように、薄肉部５１の幅は例えば、１～１．５ｍｍである。薄肉部５１は溶接箇所となるために作られている。板状部３１の対向面と電極巻回体の正極側の端部４１とが対向し密着した状態で薄肉部５１に沿って、例えば、放射状にレーザー溶接を行い、正極集電板２４が端部４１に接合される。このとき、電極巻回体２０の中心軸方向から見たときに、正極集電板２４は、薄肉部５１が電極巻回体２０の端部４１にある溝４３と重ならない位置となるように配置される。

負極集電板２５（不図示）も正極集電板２４と同様に薄肉部５１を有している。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ある。正極集電板２４と同様に、負極集電板２５の板状部の対向面と電極巻回体の負極側の端部４２とが対向し密着した状態で薄肉部５１に沿って、例えば、放射状にレーザー溶接を行い、負極集電板２５が端部４２に接合される。このとき、同様に、電極巻回体２０の中心軸方向から見たときに、負極集電板２４は、薄肉部５１が電極巻回体２０の端部４２にある溝４３と重ならない位置となるように配置される。

［正極］
正極活物質層は、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、リチウム含有複合酸化物又は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］
負極箔の表面は、負極活物質層との密着性向上のために粗面化されていることが好ましい。負極活物質層は、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。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（ＳｉＯ_ｘ（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。

［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４Ａから図４Ｆ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。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とした。このとき、正極２１と負極２２との短手方向の一端には正極活物質と負極活物質とが塗着されていない活物質非被覆部２１Ｃ，２２Ｃを作製し、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４Ａのような電極巻回体２０を作製した。

次に、図４Ｂのように、薄い平板（例えば厚さ０．５ｍｍ）などの端を端部４１，４２に対して垂直に押し付けることで、端部４１，４２を局所的に折り曲げて溝４３を作製した。この方法で貫通孔２６から放射方向に、中心軸に向かって延びる溝４３を作製した。図４Ｂに示される、溝４３の数や配置はあくまでも一例である。そして、図４Ｃのように、両極側から同時に同じ圧力を端部４１，４２に対して略垂直方向に加え、正極の活物質非被覆部２１Ｃと負極の活物質非被覆部２２Ｃを折り曲げて、端部４１，４２が平坦面となるように形成した。このとき、端部４１，４２にある活物質非被覆部が、貫通孔２６側に向かって重なって曲折するように圧力を加えた。

その後、図５Ａ及び図５Ｂに示されるように、端部４１の上に正極集電板２４の板状部３１を薄肉部５１が形成されていない面が端部４１に対向するように載せた。薄肉部５１の位置でレーザー溶接を行うことで、端部４１に正極集電板２４の板状部３１を接合した。図５Ａと図５Ｂの黒色に塗りつぶされた部分はレーザー溶接が行われた箇所を示している。正極集電板２４と同様にして、端部４２に負極集電板２５の板状部をレーザー溶接により接合した。

その後、図４Ｄのように、集電板２４，２５の帯状部を折り曲げた後、正極集電板２４と負極集電板２５の上に絶縁板１２，１３をそれぞれ載置した。図４Ｅに示される電池缶１１内に上記のように組立てを行った電極巻回体２０を挿入した。負極集電板の帯状部２５を電池缶１１の底の溶接を行った。正極集電板の帯状部２４を安全弁機構３０に溶接し接続した。電解液を電池缶１１内に注入後、図４Ｆのように、ガスケット１５及び電池蓋１４にて密封した。

以下、上記のようにして作製したリチウムイオン電池１を用いた実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。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の材質をアルミニウム合金とし、負極集電板２５の材質を銅合金とした。電池のサイズを２１７００（直径２１ｍｍ、長さ７０ｍｍ）とした。実施例１～６では、正極集電板２４と負極集電板２５との薄肉部５１の断面形状を四角とし、比較例１～６では、正極集電板２４と負極集電板２５とで薄肉部５１を作製しなかった（薄肉部無しとした）。

図１、図６Ａ及び図６Ｂに示されるように、正極集電板２４の厚さ（薄肉部５１以外の板状部３１の厚さ）をＴ１とし、正極箔の活物質非被覆部２１Ｃの厚さをＴ２とし、正極集電板２４の薄肉部５１の厚さをＴ３とし、負極集電板２５の厚さ（薄肉部５１以外の板状部の厚さ）をＴ４とし、負極の活物質非被覆部２２Ｃの厚さをＴ５とし、負極集電板２５の薄肉部５１の厚さをＴ６とした。

［実施例１］
Ｔ１を２００μｍとし、Ｔ２を１０μｍとし、Ｔ３を１５０μｍとし、Ｔ４を１５０μｍとし、Ｔ５を１０μｍとし、Ｔ６を１３０μｍとした。

［実施例２］
Ｔ１を１５０μｍとし、Ｔ２を１０μｍとし、Ｔ３を１００μｍとし、Ｔ４を１００μｍとし、Ｔ５を１０μｍとし、Ｔ６を８０μｍとした。

［実施例３］
Ｔ１を１００μｍとし、Ｔ２を１０μｍとし、Ｔ３を７０μｍとし、Ｔ４を８０μｍとし、Ｔ５を１０μｍとし、Ｔ６を６０μｍとした。

［実施例４］
Ｔ１を２００μｍとし、Ｔ２を１３μｍとし、Ｔ３を１５０μｍとし、Ｔ４を１５０μｍとし、Ｔ５を８μｍとし、Ｔ６を１３０μｍとした。

［実施例５］
Ｔ１を１５０μｍとし、Ｔ２を１３μｍとし、Ｔ３を１００μｍとし、Ｔ４を１００μｍとし、Ｔ５を８μｍとし、Ｔ６を８０μｍとした。

［実施例６］
Ｔ１を１００μｍとし、Ｔ２を１３μｍとし、Ｔ３を７０μｍとし、Ｔ４を８０μｍとし、Ｔ５を８μｍとし、Ｔ６を６０μｍとした。

［比較例１］
Ｔ１を２００μｍとし、Ｔ２を１０μｍとし、Ｔ３を２００μｍとし、Ｔ４を１５０μｍとし、Ｔ５を１０μｍとし、Ｔ６を１５０μｍとした。

［比較例２］
Ｔ１を１５０μｍとし、Ｔ２を１０μｍとし、Ｔ３を１５０μｍとし、Ｔ４を１００μｍとし、Ｔ５を１０μｍとし、Ｔ６を１００μｍとした。

［比較例３］
Ｔ１を１００μｍとし、Ｔ２を１０μｍとし、Ｔ３を１００μｍとし、Ｔ４を８０μｍとし、Ｔ５を１０μｍとし、Ｔ６を８０μｍとした。

［比較例４］
Ｔ１を２００μｍとし、Ｔ２を１３μｍとし、Ｔ３を２００μｍとし、Ｔ４を１５０μｍとし、Ｔ５を８μｍとし、Ｔ６を１５０μｍとした。

［比較例５］
Ｔ１を１５０μｍとし、Ｔ２を１３μｍとし、Ｔ３を１５０μｍとし、Ｔ４を１００μｍとし、Ｔ５を８μｍとし、Ｔ６を１００μｍとした。

［比較例６］
Ｔ１を１００μｍとし、Ｔ２を１３μｍとし、Ｔ３を１００μｍとし、Ｔ４を８０μｍとし、Ｔ５を８μｍとし、Ｔ６を８０μｍとした。

［評価］
電池の評価を行った結果を表１に示す。電池の評価は、正極の溶接条件範囲、負極の溶接条件範囲と電池の内部抵抗（ＤＣＲ）により行った。内部抵抗（ＤＣＲ）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。溶接条件範囲とは、正極集電板２４と正極の活物質非被覆部２１Ｃのレーザー溶接が成功する溶接の出力範囲のことであり、又は、負極集電板２５と負極の活物質非被覆部２２Ｃのレーザー溶接が成功する溶接の出力範囲のことである。電池の量産工程でレーザー溶接機の出力の変動による不良を発生させないためには、溶接条件範囲は１ｋｗ以上の範囲があることが望ましい。更に、ハイレート放電用の電池としては電池の内部抵抗が低いものが望ましい。そこで、正極の溶接条件範囲及び負極の溶接条件範囲が両方とも１ｋｗ以上の範囲があり、且つ、電池の内部抵抗が１０．５ｍΩ以下の例を総合判定がＯＫであるとし、そうでない例を総合判定がＮＧであるとした。

実施例１～６では、溶接条件範囲が１ｋｗ以上の範囲であり、且つ、電池１の内部抵抗が１０．５ｍΩ以下であり、総合判定がＯＫであったのに対し、比較例１～６では、溶接条件範囲が１ｋｗ未満の範囲であるか、電池の内部抵抗が１０．５ｍΩより大きいため、総合判定がＮＧであった。実施例１から６では溶接される部位に薄肉部を設けたので、レーザー溶接工程で溶接部に入力されるエネルギーが効率よく溶接部に伝わったものと推測できる。その結果、溶接に必要なエネルギーの範囲が広がるとともに、溶接部の溶け込み深さがより大きくなって、低抵抗になったものと推測できる。したがって、表１から、正極集電板２４と負極集電板２５とに薄肉部５１がある場合であって、Ｔ２＜Ｔ３であり、Ｔ５＜Ｔ６であるとき、電池１の正極集電板２４と負極集電板２５は、内部抵抗が低く、安定して溶接ができる構造であると判断できる。

＜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７Ａ～図７Ｅは、図６ＡのＡＡ’線に沿って切り、矢印方向から見た断面図の変形例である。ここで図示された板状部の断面形状の下面が電極巻回体２０の端部４１、４２にそれぞれ対向する面であり、上面が非対向面である。板状部の凹部は非対向面にのみ形成されている。板状部の対向面は凹部が無いので電極巻回体２０の端部４１、４２に密着した状態になりやすい。図７Ａ～図７Ｅに示されるように、正極集電板２４と負極集電板２５との薄肉部５１の断面形状を三角形又は円弧の形状、若しくは、四角形、三角形又は円弧の形状の角部に丸みのある形状であってもよい。正極集電板２４と負極集電板２５との薄肉部５１の断面形状は三角形、四角形以外の多角形であってもよい。
図７Ｆと図７Ｇは他の比較例である。ここで図示された板状部の断面形状の下面が電極巻回体２０の端部４１、４２にそれぞれ対向する面であり、上面が非対向面である。図７ＦとＧは板状部の対向面に凹部を有するため、電極巻回体２０の端部４１、４２に対向したときに隙間を有する状態になる。そのため、レーザー溶接時の不良が発生しやすい。

電池サイズについて２１７００を例に挙げていたが、他のサイズであってもよい。

＜３．応用例＞
（１）電池パック
図８は、本発明の実施形態又は実施例にかかる二次電池を電池パック３００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の正極端子３２１及び負極端子３２２は、充電器や電子機器に接続され、充放電が行われる。

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８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。

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が過充電検出電圧（例えば４．２０Ｖ±０．０５Ｖ）以上若しくは過放電検出電圧（２．４Ｖ±０．１Ｖ）以下になったときに、スイッチ部３０４にＯＦＦの制御信号を送ることにより、過充電又は過放電を防止する。

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。なお、図８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、制御部３１０で演算された電池特性の値や、満充電容量、残容量などが記憶され、書き換えられる。

（２）電子機器
上述した本発明の実施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、デジタルスチルカメラ、電子書籍、音楽プレイヤー、ゲーム機、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９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。電動ドライバ４３１の把手の下部筐体内に、本発明に係る電池パック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（図示せず）が備えられており、電池パック４３０の充放電情報が相互に通信できるようにしてもよい。モータ制御部４３５は、モータ４３３の動作を制御すると共に、過放電などの異常時にモータ４３３への電源供給を遮断することができる。

（４）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１０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としては、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。

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によって産み出された回転力によって、発電機６０２で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。

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充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。

なお、本発明に係る二次電池を小型化された一次電池に応用して、車輪６０４、６０５に内蔵された空気圧センサシステム（TPMS: Tire Pressure Monitoring system）の電源として用いることも可能である。

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・・・絶縁板，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，２７，２８・・・外縁部，４１，４２・・・端部，４３・・・溝，５１・・・薄肉部

Claims

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、電池缶に収容された二次電池であって、
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、
前記電極巻回体は、前記正極活物質非被覆部と前記負極活物質非被覆部が、それぞれ前記巻回された構造の中心軸に向かって曲折し、重なり合うことによって形成された平坦面と、前記平坦面に形成された溝を有し、
前記正極集電板と前記負極集電板は、それぞれ帯状部と、板状部を有し、
前記板状部は、それぞれ前記電極巻回体の端部に対向する第１の面と、凹部を有する第２の面を有し、
前記正極活物質非被覆部は、前記電極巻回体の端部の一方において、前記正極集電板の板状部の第１の面と前記凹部の位置で接合され、
前記負極活物質非被覆部は、前記電極巻回体の端部の他方において、前記負極集電板の板状部の第１の面と前記凹部の位置で接合され、
前記凹部は、前記電極巻回体の前記中心軸方向から見たときに、前記平坦面に形成された溝と重ならないことを特徴とする二次電池。
前記凹部は、溝状に設けられている請求項１に記載の二次電池。
前記凹部は、放射状に設けられている請求項１又は２に記載の二次電池。
前記正極集電板の前記板状部の前記凹部の断面形状と、前記負極集電板の前記板状部の前記凹部の断面形状のうち、少なくとも一方が、多角形若しくは円弧の形状、又は、多角形若しくは円弧の形状の角部に丸みのある形状である請求項１から３までのいずれかに記載の二次電池。
前記正極活物質非被覆部の厚さをＴ２とし、前記正極集電板の前記板状部の前記凹部の厚さをＴ３とするとき、Ｔ２＜Ｔ３であり、
前記負極活物質非被覆部の厚さをＴ５とし、前記負極集電板の前記板状部の前記凹部の厚さをＴ６とするとき、Ｔ５＜Ｔ６である請求項１に記載の二次電池。
請求項１から５の何れかに記載の二次電池を有する電子機器。
請求項１から５の何れかに記載の二次電池を有する電動工具。