JP7469093B2 - リチウムイオン二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。
従来、高エネルギー密度を有する二次電池として、リチウムイオン二次電池が幅広く普及している。リチウムイオン二次電池は、正極と負極との間に固体電解質(セパレータ)を存在させ、液体の電解質(電解液)が充填された構造を有する。
リチウムイオン二次電池の電解液は、通常、可燃性の有機溶媒であるため、特に、熱に対する安全性が問題となる場合があった。そこで、有機系の液体の電解質に代えて、無機系の固体の電解質を用いた固体電池も提案されている(特許文献1参照)。固体電解質による固体電池は、電解液を用いる電池と比較して、熱の問題を解消するとともに、積層により高容量化や高電圧化の要請に対応することができる。また、コンパクト化にも寄与することができる。
液体電解質、固体電解質のいずれを用いたリチウムイオン二次電池においても、正極集電体を含む正極と、固体電解質と、負極集電体を含む負極とが繰り返し積層されており、ここから、正極、負極のそれぞれにおいて、複数の集電体タブを同一方向から引き出し、その後に複数の集電体タブを結束し、その後にリード端子と接続することで、外装体との一体化が行われる。
図7は、従来のリチウムイオン二次電池本体とリード端子との接合状態を示す図である。図7(a)に示すように、リチウムイオン二次電池本体100のから引き出される複数の集電体タブ12a、12b、12c、12dは、結束されて、その後に接合部600にて、リード端子200と共に溶接にて接合される。このとき、それぞれの集電体タブは箔で薄い一方、リード端子は板状で厚いので、リード端子との接合強度を優先させて溶接条件を強くすると、集電体タブが割れやすく、切れやすくなり、電気的接続が確保できなくなる。逆に、集電体タブ同士との接合強度を優先させて溶接条件を弱くすると、リード端子と集電体タブとの接合強度が弱くなってしまい物理的強度が確保できない。このように、溶接条件の微妙な調整が必要であり、リード端子と集電体タブとの電気的接続と、物理的接続の確保の双方を担保することが困難であった。
このことは、特に、図7(b)に示すように、リード端子200の位置が中央より下方にずれた場合には顕著である。この場合、最上部の集電体タブ12aに最も強い張力が掛かるので、集電体タブ12aの割れや切れが特に発生しやすくなる。
特開2000-106154号公報
本発明は上記の背景技術に鑑みてなされたものであり、その目的は、リチウムイオン二次電池の集電体タブを結束してリード端子と接合する際に、集電体タブの割れや切れを防止でき、集電体タブとリード端子との電気的接続、物理的接続の確保の双方を担保することができるリチウムイオン二次電池を提供することにある。
本発明者らは、上記課題のすべてを同時に解決するにあたり、リチウムイオン二次電池における、集電体タブとリード端子との接続方法を鋭意検討した結果、複数の集電体タブの結束後にリード端子と接合される接合箇所を、2ヶ所以上に分散することで、上記の課題を解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。具体的には、以下のものを提供する。
(1)正極集電体を備える正極と、電解質と、負極集電体を備える負極と、が繰り返し配置されている積層体において、両極の少なくとも一方の集電体が、前記積層体の端面からそれぞれ同一方向に引き出されて、複数の集電体タブを構成しているリチウムイオン二次電池本体と、
前記複数の集電体タブが結束後に接続されているリード端子と、を備え、
前記結束後の第1位置で、少なくとも前記集電体タブ同士が接合される第1接合部と、
前記第1接合部とは異なる第2位置で、前記結束後の前記集電体タブと前記リード端子とが接合される第2接合部と、を備えるリチウムイオン二次電池。
(2)正極集電体を備える正極と、電解質と、負極集電体を備える負極と、が繰り返し配置されている積層体において、両極の少なくとも一方の集電体が、前記積層体の端面からそれぞれ同一方向に引き出されて、複数の集電体タブを構成しているリチウムイオン二次電池本体と、
前記複数の集電体タブが結束後に接続されているリード端子と、を備え、
前記結束後の第1位置で、前記集電体タブ同士と、接続部材の一端側と、が接合される第1接合部と、
前記第1接合部とは異なる第2位置で、前記接続部材の他端側と前記リード端子とが接合される第2接合部と、を備えるリチウムイオン二次電池。
(3)前記接続部材が溶接チップである、(2)に記載のリチウムイオン二次電池。
(4)前記接続部材が略中央部に段差を有する板状部材である、(2)又は(3)に記載のリチウムイオン二次電池。
(5)前記接続部材が可撓性を有する板状部材である、(2)又は(3)に記載のリチウムイオン二次電池。
(6)前記接続部材の前記一端側の厚さが、前記他端側より薄い、(2)から(5)のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
(7)前記積層体の前記端面に対向するように、前記リード端子の一端側の接合面が配置されており、
前記接合面上には前記第2位置が複数形成されており、それぞれの前記集電体タブは、直接又は前記接続部材を介して、最寄りの前記第2位置へ接続されるように分配されている、(2)から(6)のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
(8)前記リード端子の一端側が複数に分岐しており、複数の分岐先において、前記第2位置が複数形成されている、(7)に記載のリチウムイオン二次電池。
本発明によれば、リチウムイオン二次電池の集電体タブを結束してリード端子と接合する際に、集電体タブの割れと、リード端子との電気的接続、物理的接続の確保の双方を担保することができる。
本発明の第1実施形態に係るリチウムイオン二次電池本体とリード端子との接合状態を示す概略側断面図である。 本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池本体の側断面図である。 本発明の第2実施形態に係るリチウムイオン二次電池本体とリード端子との接合状態を示す概略側断面図である。 本発明の第3実施形態に係るリチウムイオン二次電池本体とリード端子との接合状態を示す概略側断面図である。 本発明の第4実施形態に係るリチウムイオン二次電池本体とリード端子との接合状態を示す(a)概略側断面図、(b)概略斜視図である。 本発明の第5実施形態に係るリチウムイオン二次電池本体とリード端子との接合状態を示す(a)概略側断面図、(b)概略斜視図である。 従来のリチウムイオン二次電池本体とリード端子との接合状態を示す(a)リード端子が中央部の場合の概略側断面図、(b)リード端子が下方にずれた場合の概略側断面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。たたし、以下に示す実施形態は、本発明を例示するものであって、本発明は下記に限定されるものではない。なお、以下の実施形態の説明は、リチウムイオン固体電池を例に行うが、本発明はこれに限らず、電解質が液体の場合のリチウムイオン電池も含むものである。
<リチウムイオン二次電池の全体構成>
まず、図1及び図2を用いて、本発明のリチウムイオン二次電池の全体構成を説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池本体100とリード端子200との接合状態を示す概略側断面図であり、図2は、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池本体の側断面図である。そして、図1に示すように、リチウムイオン二次電池100は、リチウムイオン二次電池本体100と、リード端子200とで構成されており、リチウムイオン二次電池本体100の複数の集電体タブ(図2における負極集電体タブ12a、12b、12c、12d)が結束されて、第1接合部300と、第2接合部400の2箇所の接合箇所で溶接されている。
図2に示すように、リチウムイオン二次電池本体100は、負極10と、正極20と、その間に配置される固体電解質層30と、が繰り返し積層された構造を有する積層体である。本実施形態は、負極10と固体電解質層30と正極20の積層単位が、更に計4回繰り返し積層されている例である。
それぞれの負極10は、負極集電体12の両面に、負極活物質層11が積層されており、それぞれの正極20は、正極集電体22の両面に、正極活物質層21が積層されている。これらは別層でもよく、集電体と活物質層とが一体となっていてもよい。
[負極活物質層]
負極活物質層11を構成する負極活物質としては、特に限定されるものではなく、固体電池の負極活物質として公知の物質を適用することができる。その組成についても特に制限はなく、固体電解質、導電助剤や結着剤等を含んでいてもよい。負極活物質としては、例えば、リチウム金属、Li-Al合金やLi-In合金等のリチウム合金、LiTi12等のチタン酸リチウム、炭素繊維や黒鉛等の炭素材料等が挙げられる。
[負極集電体]
負極集電体12は、特に限定されるものではなく、固体電池の負極に用いうる公知の集電体を適用することができる。例えば、ステンレス(SUS)箔、銅(Cu)箔等の金属箔が挙げられる。
[正極活物質層]
正極活物質層21を構成する正極活物質としては、特に限定されるものではなく、固体電池の正極活物質として公知の物質を適用することができる。その組成についても特に制限はなく、固体電解質、導電助剤や結着剤等を含んでいてもよい。正極活物質としては、例えば、二硫化チタン、二硫化モリブデン、セレン化ニオブ、等の遷移金属カルコゲナイド、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、マンガン酸リチウム(LiMnO、LiMn)、コバルト酸リチウム(LiCoO)等の遷移金属酸化物等が挙げられる。
[正極集電体]
正極集電体22は、特に限定されるものではなく、固体電池の正極に用いうる公知の集電体を適用することができる。例えば、ステンレス(SUS)箔、アルミ(Al)箔等の金属箔が挙げられる。
[集電体タブ]
複数の負極集電体タブ12a、12b、12c、12dは、積層体の一端面から同一方向に、略平行に面状に引き出されている。この実施形態では、それぞれの負極集電体12から延出されて負極集電体タブを構成している。
複数の正極集電体タブ22a、22b、22c、22dも、積層体の他端面から同一方向に、略平行に面状に引き出されている。この実施形態では、それぞれの正極集電体22から延出されて正極集電体タブを構成している。
なお、本発明においては、集電体タブは結果としてそれぞれの集電体から引き出されていればよく、必ずしも延出には限定されず、負極集電体12とは異なる部材であってもよい。
集電体タブの幅は、合材の幅を最大として、使用目的により集電タブ部の抵抗が小さくなるように適宜設定されるが、好ましくは1mm~1000mm、より好ましくは2mmから300mmである。厚さは5~50μm程度、引き出し長さは5~50mm程度が一般的である。
[リード端子]
リード端子200は、その一端側がリチウムイオン二次電池本体100側の集電体タブと、溶接などによって電気的に接続されると共に、他端側は、図示しない、ラミネートフィルムなどの外装体から延出されて、リチウムイオン二次電池の外装体の電極部を構成する。
リード端子200は、特に限定されるものではなく、好ましくは、アルミ(Al)、銅(Cu)、などの可撓性を有する線状の板状部材である。一般に、リード端子200の厚さは0.05~5mm程度であり、集電体タブの厚さより厚い。
<リチウムイオン二次電池本体とリード端子との接続構造>
<<第1実施形態>>
図1に示すように、リチウムイオン二次電池は、リチウムイオン二次電池本体100と、リード端子200とで構成されており、リチウムイオン二次電池本体100の複数の集電体タブ(図2における負極集電体タブ12a、12b、12c、12d)が結束されて、第1接合部300と、第2接合部400の2箇所の接合箇所で溶接されている。なお、図1では正極側の接続構造は省略しているが、正極側でも同様の接続構造が可能であり、本発明においては、正極側、負極側のいずれかまたは両方に下記の接続構造を適用できる。
図1の負極集電体タブ12a、12b、12c、12dは、上記のように、積層体の一端面から同一方向に、互いに略平行の状態で面状に引き出されている。負極集電体タブの数は、上記の積層単位の繰り返しの積層数に応じて適宜設定される。その後、結束板や結束ロールなど、従来公知の結束手段(図示せず)によって、複数の負極集電体タブ12a、12b、12c、12dは、結束される。なお、結束とは、図1の側面視における結束(又は収束)を意味し、実際には、面状の負極集電体タブ12a、12b、12c、12dが重なって積層されることを意味する。
[第1接合部]
結束後、この実施形態においては、負極集電体タブ12a、12b、12c、12dのみが接合される第1接合部300を有する。この第1接合部300においては、リード端子200は接合されていない。つまり、本発明において、第1接合部300においては、集電体タブは負極の場合の一例である銅箔や、正極の場合の一例であるアルミ箔などの箔のみで構成されている。このため、溶接条件において、リード端子200の接合強度を考慮する必要がない。このため、弱い溶接条件にて、負極集電体タブ同士の電気的接合を重視した溶接により接合することができる結果、集電体タブの割れや切れを防止することが可能となる。
第1接合部300が形成される第1位置は、リード端子200と接合されていなければ、必ずしも結束直後である必要はなく、結束部の任意の位置でもよいが、後述する第2接合部より手前側(リチウムイオン二次電池本体側)である必要があり、好ましくは結束直後である。
本発明においては、第1接合部である第1位置にリード端子200が位置していてもよい。その場合、溶接を結束後の集電体タブ側から(図1の上側から)行うことで、集電体タブの溶接が確実に行われる。
[第2接合部]
第1接合部300において接合された複数の集電体タブは、更にリード端子200側に結束状態又は略結束状態で延出されている。そして、延出先のリード端子200の一端側(リチウムイオン二次電池本体側)と重なる第2位置において、第2接合部400が形成されている。つまり、第2接合部400においては、結束された複数の負極集電体タブ12a、12b、12c、12dと、リード端子200とが溶接により接合されている。
この第2接合部400においては、既に第1接合部にて負極集電体タブ同士の電気的接合が図られているため、集電体タブとリード端子200とを強固に接合して物理的強度を維持すればよく、上記の従来技術の接合部600に比べて、より強い溶接条件を適用することができる。なお、既に第1接合部にて負極集電体タブ同士の電気的接合が図られているため、第2接合部400においては、複数の集電体タブのうちの一部の集電体タブのみがリード端子200と接合されていてもよい。
また、第2接合部においては、溶接をリード端子側から(図1の下側から)行うことで、リード端子と集電体タブとの溶接が確実に行われる。
この実施形態においては、第1接合部と第2接合部を別個に設けた結果、第1接合部と第2接合部との間に、結束された集電体タブのみで構成される干渉部が形成されている。これにより、リード端子の他端側が、図1における上下方向に変位した場合であっても、干渉部が撓んで第1接合部300に負荷が掛かることを防止できる。
本発明においては、第1接合部と第2接合部との間に、更に第3接合部などの他の接合部を設けてもよい。これにより、集電体タブの結束状態又は略結束状態を維持することができる。
本発明における接合とは、溶接を含む広義の接合を意味し、溶接とは、2以上の部材の接合部に、熱又は圧力もしくはその両者を加え、必要があれば適当な溶加材を加えて、接合部が連続性を持つ一体化された1つの部材とする接合方法であり、融接、圧接、ろう付けを含む。
<<第2実施形態>>
図3に示すように、この実施形態においては、接続部材500を介して、集電体タブとリード端子とが接合されている点が、上記の第1実施形態と異なっている。以下実施形態の説明においては、図1と同様の構成については、図1と同様の図番を付してその説明を省略する。
図3においては、結束後の複数の負極集電体タブ12a、12b、12c、12dと、接続部材500の一端側とが重なる第1位置で、第1接合部310が形成されている。そして、接続部材500の他端側と、リード端子200とが重なる第2位置で、第2接合部410が形成されている。
接続部材500は、全体として所定の幅を有し、平面視で略矩形形状であり、略中央部に段差を有する板状部材である。集電体タブ側の第1接合部310が形成される第1平面部510と、リード端子200側の第2接合部410が形成される第2平面部520と、第1平面部510の一側辺から垂直下方に延出されて第2平面部520の一側辺に至る垂直の第3平面部530とからなる。
この実施形態においては、第1接合部310が形成される第1位置は、第1平面部510上であり、結束後の集電体タブは、第1平面部510の裏面側(図3における下方側)で接合されている。第2接合部410が形成される第2位置は、第2平面部520上であり、リード端子200は、第2平面部520の裏面側(図3における下方側)で接合されている。
接続部材500は、溶接チップであることが好ましく、上記の溶加材であってもよい。
溶接チップとは、集束された複数枚のタブを溶接する際、タブ切れやしわ等を防止するものであり、具体的には、リード端子と同材の線状および板状部材が例示できる。なお、本発明においては、接続部材は可撓性を有していることが好ましい。
溶接時に溶融する接続部材500を介して第1接合部310及び第2接合部410を形成することで、上記の第1実施形態と同様の効果を奏することができる。特に、接続部材500として溶接チップを用いることで、第1接合部310及び第2接合部410における溶着条件選定の幅が更に広がることになり、溶接をより確実に行うことができる。特に、この実施形態では第2接合部410まで結束後の集電体タブを延出する必要がなくなるので、特に第2接合部410での溶接における集電体タブの切れなどを心配する必要がない。
また、接続部材500が段差を有することで、図3における第1接合部310と第2接合部410との高さを調整できると共に、リード端子200の他端側が、図3における上下方向に変位した場合であっても、段差部が撓んで第1接合部310に接続される集電体タブに負荷が掛かることを防止できる。
<<第3実施形態>>
図4に示すように、この実施形態においては、接続部材500aの厚さが、第1平面部510aと第2平面部520aで異なっており、具体的には、第1平面部510aが第2平面部520aより薄くなっている点が、上記の第2実施形態と異なっている。
このように、接続部材500aの一端側の厚さ(第1接合部320が形成される第1平面部510aの厚さ)を、接合する集電体タブと同じ程度の薄さ、具体的には0.01から5mmとすることで、第1接合部320の溶接条件を弱くすることができる。また、接続部材500aの他端側の厚さ(第2接合部420が形成される第2平面部520aの厚さ)を、接合するリード端子200と同じ程度の薄さ、具体的には0.01から5mmとすることで、第2接合部420の溶接条件を強くすることができる。
<<第4実施形態>>
図5は、本発明の第4実施形態に係るリチウムイオン二次電池本体とリード端子との接合状態を示す(a)概略側断面図、(b)概略斜視図である。この実施形態においては、リード端子250の形状が異なる。
図5におけるリード端子250は、図5(a)の側面視においてT字状をなしている。より具体的には、図5(a)(b)に示すように、集電体タブと平行に延出されるリード端子の基部251の辺251aから上下に90度折曲がって分岐し、上方リード端子251bと下方リード端子251cとを構成する。上方リード端子251bと下方リード端子251cとは、一平面をなして、リチウムイオン二次電池本体100の端面に対向するように配置されている。リード端子の基部251の延出箇所(すなわち辺251aの位置である)は、図5(a)に示すように必ずしも積層体端面の中央に位置する必要はなく、任意の位置から延出することができる。
上方リード端子251bの表面には第2接合部400bが形成され、集電体タブ12aと集電体タブ12bとは、結束された後に第1接合部300bにて接合され、その後90度上方に折り返されて、第2接合部400bにて接合される。同様に、下方リード端子251cの表面には第2接合部400cが形成され、集電体タブ12cと集電体タブ12dとは、結束された後に第1接合部300cにて接合され、その後90度下方に折り返されて、第2接合部400cにて接合される。このように、それぞれの集電体タブは、最寄りの第2位置へ接続されるように分配されるので、それぞれの集電体タブに掛かる張力をより均一化でき、集電体タブの割れや切れを防止できる。また、それぞれの集電体タブの長さを略揃えることができるので、集電ロスによるセル毎のエネルギー密度のばらつきを低減できる。なお、最寄りの第2位置とは、必ずしも最短距離でなくてもよい。
<<第5実施形態>>
図6は、本発明の第5実施形態に係るリチウムイオン二次電池本体とリード端子との接合状態を示す(a)概略側断面図、(b)概略斜視図である。この実施形態においても、リード端子260の形状が異なる。
図6におけるリード端子260も、図6(b)示すように、全体として平面のT字状をなしており、かつ、リチウムイオン二次電池本体100の端面に対向するように配置されている。より具体的には、図6(a)(b)における紙面の手前側に延出されるリード端子の基部261は、図6(b)の点線で示す仮想の辺261aから、上方リード端子261bと下方リード端子261cとに分岐しており、上方リード端子261bと下方リード端子261cとリード端子基部261とは、一平面をなして、リチウムイオン二次電池本体の端面に対向するように配置されている。リード端子の基部261の延出方向は、図6(a)(b)に示す方向には限定されず、リチウムイオン二次電池本体の端面に対向する平面内から任意の方向に延出することができるという利点がある。
上方リード端子261bの表面には第2接合部400bが形成され、集電体タブ12aと集電体タブ12bとは、結束された後に第1接合部300bにて接合され、その後90度上方に折り返されて、第2接合部400bにて接合される。同様に、下方リード端子261cの表面には第2接合部400cが形成され、集電体タブ12cと集電体タブ12dとは、結束された後に第1接合部300cにて接合され、その後90度下方に折り返されて、第2接合部400cにて接合される。第1接合部から第2接合部に至る折り返し方向は任意である。この実施形態においても、それぞれの集電体タブは、最寄りの第2位置へ接続されるように分配されるので、それぞれの集電体タブに掛かる張力をより均一化でき、集電体タブの割れや切れを防止できる。また、それぞれの集電体タブの長さを略揃えることができるので、集電体タブの長さ違いによる集電ロスによるセル毎のエネルギー密度のばらつきを低減できる。なお、この実施形態においても、最寄りの第2位置とは、必ずしも最短距離でなくてもよい。
なお、上記の第4実施形態や第5実施形態においては、集電体タブがリード端子に直接接合する例を示したが、本発明はこれに限らず、集電体タブとリード端子が、上記の接続部材を介して接合されていてもよい。この場合、接続部材は可撓性を有していることが好ましい。
10 負極
11 負極活物質層
12 負極集電体
12a、12b、12c、12d 負極集電体タブ
20 正極
21 正極活物質層
22 正極集電体
22a、22b、22c、22d 正極集電体タブ
30 固体電解質層
100 リチウムイオン二次電池本体
200 リード端子
250、260 リード端子
251、261 基部
251a、261a 辺
251b、261b 上方リード端子
251c、261c 下方リード端子
300、310、300b、300c 第1接合部
400、410、400b、400c 第2接合部
500、500a 接続部材
510、510a 第1平面部
520、520a 第2平面部
530、530a 第3平面部

Claims (6)

  1. 正極集電体を備える正極と、電解質と、負極集電体を備える負極と、が繰り返し配置されている積層体において、両極の少なくとも一方の集電体が、前記積層体の端面からそれぞれ同一方向に引き出されて、複数の集電体タブを構成しているリチウムイオン二次電池本体と、
    前記複数の集電体タブが結束後に接続されているリード端子と、を備え、
    前記結束後の第1位置で、前記集電体タブ同士と、接続部材の一端側と、が接合される第1接合部と、
    前記第1接合部とは異なる第2位置で、前記接続部材の他端側と前記リード端子とが接合される第2接合部と、を備え、前記接続部材が溶接チップである、リチウムイオン二次電池。
  2. 前記接続部材が略中央部に段差を有する板状部材である、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。
  3. 前記接続部材が可撓性を有する板状部材である、請求項に記載のリチウムイオン二次電池。
  4. 前記接続部材の前記一端側の厚さが、前記他端側より薄い、請求項1から3のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
  5. 前記積層体の前記端面に対向するように、前記リード端子の一端側の接合面が配置されており、
    前記接合面上には前記第2位置が複数形成されており、それぞれの前記集電体タブは、直接又は前記接続部材を介して、最寄りの前記第2位置へ接続されるように分配されている、請求項1から4のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
  6. 前記リード端子の一端側が複数に分岐しており、複数の分岐先において、前記第2位置が複数形成されている、請求項5に記載のリチウムイオン二次電池。
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