JPWO2009031442A1

JPWO2009031442A1 - 積層型電池

Info

Publication number: JPWO2009031442A1
Application number: JP2009531195A
Authority: JP
Inventors: 英雄森
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2010-12-09
Also published as: TW200919807A; WO2009031442A1

Abstract

体積エネルギー密度が高く、信頼性に優れた電極板積層型電池を提供する。集電タブが取り付けられた正極板及び負極板を、正負電極板の間にセパレータを介在させて、同一極性の集電タブが同一方向に突出するようにして交互に積層したスタック電極体と、集電タブを介して正負電極板に電気接続された外部電極端子と、を備えた積層型電池において、スタック電極体の側面より突出した同一極性の集電タブ群を複数の束(７・８）に分割して、分割した束ごとで、異なる接続点（１１・１２）に接続する。

Description

本発明は、複数の電極板を積層した積層型電池に関し、より詳しくは積層型電池の集電構造に関する。

近年、携帯電話やノートパソコン等の移動情報端末の益々の高機能化に加え、電池を自動車の駆動源として利用する技術の進展により、一層の高容量・高出力化、軽量化と共に安全性に優れた電池が要求されている。

積層型電池は、電極板を多層に積層する点で高容量化し易いという特徴を有する。一般に、電池は電極本体で発生させた電力を集め外部端子にまで導く集電経路を備えるが、積層型電池では各電極板で発生した電力を外部端子にまで導く方法として、電極本体を構成する電極芯体（集電板）と連続した集電タブを用いることが多い。電極芯体に連続した集電タブは、電極芯体との間に継ぎ目がないので、集電効率に優れるという利点がある。

しかしながら、電極の積層数が増えると、集電タブの数も増えるため、集電タブ群自体の体積や集電タブ群を溶接した部分の厚みが大きくなり、これが電池の小型化の障害となると共に、集電タブの剥離原因となる。

積層型電池に関する技術としては、例えば特許文献１，２に記載の技術がある。特許文献１は、各電極に電極リードを有する積層式の角型電池に関する。この特許文献１では、突片を積層している電極リードの外側に回して複数の電極リードを結束させる集電構造が開示されている。この文献１の集電タブは、折り曲げずに電池内部に収納されている。

特許文献２は、正極および負極の間にあるセパレータ同士を固定する形態の電池に関する。特許文献２は、セパレータを固定することにより、電極のずれ等を抑えることが目的としており、集電部分の空間体積を小さくしようとするものではない。

特許文献３は、各集電タブを集電コームにより、集電する技術に関する。この技術では、集電コーム部の収納空間が必要となり、この分、電池容量に寄与しない部分の体積が増える。また集電コームの重量が、電池全体の重量を増加させることになる。

特許文献４は、電極の端部に活物質層の未形成部を設け、この部分を集電タブと同様の作用を有するものとし、その活物質層未形成部の間に導通部を設け、これにより集電する集電構造を提案している。この集電構造は、正極の集電と負極の集電を電池の上部と下部とに分離するものとなっている。この文献には、両極の集電を電池の上部または下部の一方にのみで行う構造についての記載はない。

特開平8-167408号公報特開平10-64506号公報特開平11-25951号公報特開2000-100414号公報

本発明は、発電に関与しないデッドスペースを少なくし、体積エネルギー密度が高く、信頼性に優れた積層型電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明構成１は、集電タブを備える正極電極板及び負極電極板を、正負電極板の間にセパレータを介在させて、同一極性の集電タブが同一方向に突出するようにして交互に積層したスタック電極体と、前記集電タブを介して前記正負電極板に電気接続された外部電極端子と、を備えた積層型電池において、前記スタック電極体の側面より突出した同一極性の集電タブ群が複数の束に分割され、当該分割された複数の分割集電タブ群が、それぞれ異なる接続点に接続されていることを特徴とする積層型電池である。

上記本発明構成１の積層型電池では、スタック電極体の側面より突出した同一極性の集電タブ群が複数の束に分割され、当該分割された複数の分割集電タブ群がそれぞれ異なる接続点に接続することを特徴とするが、これによると集電タブ群に占有されるデッドスペースを少なくすることができ、その分、電池の体積エネルギー密度を増加させることができる。このことを更に説明する。

従来、同一極性の電極板から導出した集電タブは一つに纏めて集電リード板や電極外部端子の下端部に溶接されていたが、この方法では、積層枚数が増えると、集電タブの束（以下、集電タブ群という）が厚くなる。このため、この厚みに対応するだけの空間高さが必要になり、それだけ集電タブ群の周囲に無用なデッドスペースが形成される。上記構成１では、集電タブ群を複数の分割集電タブ群に分割する。個々の分割集電タブ群は、全集電タブを１つの束にしたに全厚集電タブ群に比較し厚みが薄いので、厚みの厚い全厚集電タブ群を収容するよりも、収容空間を効率よく利用できる。これにより無用なデッドスペースを減らすことができ、その結果として電池の体積エネルギー密度を高めることができる。

また、上記構成１では、厚みの薄い分割集電タブ群ごとに異なる接続点に接続するが、厚みが薄い分割集電タブ群は、厚みの厚い全厚集電タブ群に比較し溶着等がし易く、それゆえ溶着後の剥がれが生じ難い。よって、それだけ電池の信頼性が高まることになる。

ここで、上記「異なる接続点」とは、分割集電タブ群が接続される場所が異なることをいう。例えば、同一部材における異なる場所（例えば１枚の集電リード板の異なる場所）や、複数の部材（例えば、複数の集電リード板、複数の電極外部端子の下端部など）のそれぞれを意味しており、接続先が１箇所に重ならないことを意味している。

上記本発明構成（１）において、前記同一極性の集電タブ群の各々が、平面視において前記スタック電極体の同じ位置から導出されている構成（２）とすることができる。

「平面視において前記スタック電極体の同じ位置から導出され」とは、当該スタック電極体を平面に投影した場合において、同一極性の集電タブ群を構成する各々の集電タブが重なり合って一つに見えることを意味する。このような状態に配列された集電タブの集団は束にし易く、また束にしたとき捩れ等が生じないので好ましい。なお、「平面視」とは、電極板の積層方向から見た平面形状を意味する。

上記本発明構成（１）又は（２）において、前記正極電極板および負極電極体は、芯材を有し、前記芯材と前記集電タブとの間に継ぎ目がない構成（３）とすることができる。

電極板の構成部材である芯材を延設した、継ぎ目のない集電タブであると、集電効率が良いと共に、柔らかさが均一であるので金属疲労等が生じにくい点で好ましい。

上記本発明構成（１）において、前記積層型電池は前記外部電極端子と前記集電タブ群との間に集電リード板を備え、前記複数の分割集電タブ群の各々が異なる集電リード板に接続されている構成（４）とすることができる。

この構成では、分割集電タブ群の各々が異なる集電リード板に接続されているので、各々の分割集電タブ群を、集電タブ等を収納する収容空間（発電要素と電池蓋との間の空間）に効率よく収まるように分配することができる。これにより、より狭い収容空間内に集電タブ群を収容することができ、その結果として体積エネルギー密度が高まる。

また、上記構成（４）において、前記集電タブ群は、同一極性の集電タブ群が突出した前記スタック電極体の側面において電極板積層方向に対し互いに逆向き方向に２分割され、その各々が前記異なる集電リード板に接続された構成（５）とすることができる。

この構成では、全ての集電タブを束ねた集電タブ群を、積層方向に対し互いに逆向き方向に２分割し、２分割した分割集電タブをそれぞれ異なる集電リード板に接続する。この方式であると、接続部位における厚みが概ね１／２になるので、より小さい収容空間内に集電系要素を収容することができる。なお、集電系要素とは、集電タブ、集電リード板、これらの溶接部分などをいう。

また、上記構成（１）において、前記スタック電極体の正負電極板群の少なくとも一方は、集電タブを備える位置の異なる複数種類の集電タブ付き電極板が用いられており、集電タブの位置が同じ集電タブ同士で電極板積層方向に重なり合った１つの集電タブ群が構成され、このようにして形成された複数の集電タブ群の隣り合う同士が、互いに離隔している構成（６）とすることができる。

従来技術にかかるスタック電極体は、集電タブの取り付け位置が同じ電極板を積層した構造であるので、電極板積層方向からみて、１つに重なりあった集電タブ群が形成されるが、上記構成では、集電タブの取り付け位置が異なる複数種類の集電タブ付き電極板を積層して、電極板積層方向からみて、互いに離隔した同一極性の集電タブ群を複数形成する。この構成であると、集電タブ群自体の厚みを薄くすることができ、更に複数の集電タブ群を分割することができるので、一層小さい収容空間内に集電タブ系要素を収容することができる。

また、上記構成（６）において、前記外部電極端子と前記集電タブ群との間に集電リード板を備え、前記互いに離隔した同一極性の集電タブ群の隣りあう同士が、電極板の積層方向に対して、互いに逆方向に導かれて異なる集電リード板に接続されている構成（７）とすることができる。

この構成では、互いに離隔した同一極性の集電タブ群の隣りあう同士が、電極板の積層方向に対して、互いに逆方向に導かれて異なる集電リード板に接続されているが、これによると集電タブ群をより小さい空間に合理的に収納することができる。

また、上記構成（６）において、前記外部電極端子と前記集電タブ群との間に集電リード板を備え、前記互いに離隔した同一極性の集電タブ群のそれぞれが２つに分割され、当該分割された細分割集電タブ群が、電極板の積層方向に対して互いに逆方向に導かれて、異なる集電リード板に接続されている構成（８）とすることができる。

この構成では、複数の集電タブ群の各々を、電極板積層方向に対し互いに逆向き方向に２分割するので、一層小さい収容空間内に合理的に集電タブ系要素を収容することができる。なお、この構成における集電タブ群の数をｎ（２≦ｎ）とすると、細分割集電タブ群の先端（接続端）の平均厚みを、全集電タブ群の厚みの１／２ｎすることができる。

以上に説明したとおり、本発明によると、集電タブ系要素をより小さい体積の収容空間内に収納することができ、この結果として積層型電池の体積エネルギー密度を高めることができる。また、本発明によると、集電タブの接合不良が発生しにくいので、その分、電池信頼性が高まる。

実施例１にかかる集電タブ付き正極板の模式図である。実施例１にかかるスタック電極体側面の集電タブの突出状態を示す模式図である。集電タブ同士を束ねる過程を示す図である。実施例１の正極集電タブ群を束ね集電リード板に接合した状態を示す模式図である。実施例２にかかる２種類の集電タブ付き正極板を示す模式図である。実施例２にかかる２種類の集電タブ付き負極板を示す模式図である。実施例２にかかるスタック電極体側面の集電タブの突出状態を示す模式図である。実施例２の積層型電池の組み立てを説明する図である。実施例１〜４で作製した電池の外観図である。実施例３にかかるスタック電極体の集電タブの突出状態を示す模式図である。実施例４にかかるスタック電極体の集電タブの突出状態を示す模式図である。比較例１の正極集電タブ群の束ね状態を示す模式図である。

符号の説明

１正極板
２活物質層
３正極集電タブ（活物質剥離部分）
４負極板
５負極集電タブ（活物質剥離部分）
６セパレータ
７・８２分割された分割集電タブ群
９スタック電極体本体
１０スタック電極体
１１・１２正極集電リード板
１３スタック電極体
１４封口板
１５正極外部端子下端部
１６負極外部端子下端部
１７正極外部端子
１８負極外部端子
１９電池缶

本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明する。なお、本発明は、下記の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することができる。

（実施例１）
１枚の電極板に集電タブを１つ備える正負電極板を作製し、これを交互に積層した実施例１にかかる積層型角型リチウムイオン電池（厚さ：１８ｍｍ、幅：６５ｍｍ、高さ：８５ｍｍ）を作製した。この電池の作製方法を順じ説明する。

〔電極板の作製〕
芯材（集電板）として厚み20μmのアルミニウム箔を使用し、リチウム金属酸化物材料（LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂：LiMn₂O₄＝６：４）を、アルミニウム箔の両面に塗布し、乾燥した後、圧縮して厚さ２３４μｍの長方形状の正極板を形成した。

他方、芯材として厚み８μmの銅箔を使用し、黒鉛を銅箔の両面に塗布し、乾燥した後、圧縮して厚さ３２５μｍの長方形状の負極板を形成した。

〔集電タブ付き電極板の作製〕
この後、上記で作製した正極板および負極板ともに、電極板本体の短辺側（幅側）より集電タブ１つが突出する形状に裁断した。この後、集電タブ両面の活物質を取り除いた。このようにして、図１に示す芯材と集電タブとの間に継ぎ目がない集電タブ付きの正極板１を作製した。また、同様にして芯材と集電タブとの間に継ぎ目がない集電タブ付きの負極板を作製した（図１と同様）。

図１において、符号２は正極活物質層であり、３は正極集電タブである。この集電タブ付き正極板の正極本体部の大きさは、５７ｍｍ（幅）×７１ｍｍ（長さ）であり、集電タブの大きさは２０ｍｍ（幅）×３０ｍｍ（突出長さ）であった。また、上記した集電タブ付き負極板の負極本体部の大きさは、６０ｍｍ（幅）×７３．５ｍｍ（長さ）であり、集電タブの大きさは２０ｍｍ（幅）×３０ｍｍ（突出長さ）とした。

〔積層型電池の組み立て〕
先ず、集電タブ付き正極板の正極本体部を、厚さ２２μｍ、幅６０ｍｍ×長さ７３．５ｍｍのポリエチレン製のセパレータで挟み、周辺を熱溶着して、正極本体部がセパレータで包み込まれた集電タブ付き正極板を作製した。次に、厚さ０．３ｍｍのポリプロピレン製の絶縁性ケースを用意し、この中に、上記セパレータで包み込まれた集電タブ付き正極板２３枚と、上記集電タブ付き負極板２４枚とを、積層方向から見て正負集電タブが積層体の同一辺の両隅に位置するように、交互に積層した。以下、このように正負電極板を交互に積層したものをスタック電極体と称する。

図２に上記で作製したスタック電極体１０の模式図を示す。図２の符号１が正極板、３が正極集電タブ、４が負極板、５が負極集電板、６がセパレータである。

スタック電極体本体の側面から突出した正極集電タブ（２３枚）を１２枚と１１枚に分けて、図３に示すように束ね、このようにして分けた２つの分割集電タブ群７・８を、図４に示すように電極板積層方向に逆方向に曲げて、それぞれの先端を厚さ０．１５ｍｍの２枚のアルミニウム製の集電リード板１１・１２にそれぞれ溶着した。なお、図４は、図２の矢印Ａ方向からスタック電極体の側面（正極集電タブ）を見た模式図であり、符号９はスタック電極体本体を示している。

負極集電タブについては、厚さ０．１５ｍｍのニッケル製の集電リード板を用い、正極集電タブの場合と同様に溶着した。

この後、スタック電極体の入った絶縁ケースをアルミニウム製の電池缶（１９）に収納し、正負集電リード板を正負電極外部端子の下端部に溶着した。なお、正負電極外部端子は、封口板に取り付けられている。この後、封口板を電池缶開口に嵌合し、嵌合部分をレーザー溶接し、封口板の電解液注入孔から電解液を電池缶内に注液した。電解液の注液後、注入孔にアルミニウムの栓をして電池を完全に密閉し、理論容量１０Ａｈの実施例１の積層型リチウムイオン電池（外形を図９に示す）を完成させた。

上記電解液としては、エチレンカーボネート／プロピレンカーボネート／ジメチルカーボネート＝３５／５／６０（２５℃での体積比）溶液にＬｉＰＦ₆を１．０Ｍ濃度に溶解した非水電解液を用いた。この電池の電極体本体上面と封口板下面との間の距離は５ｍｍであった。この高さ５ｍｍの空間が集電系要素を収容する収容空間となる。

この実施例１電池では、正負集電タブ群を２分割し、１１枚または１２枚の分割集電タブ群を形成し、これを集電リード板に溶接したが、分割集電タブ群とすることにより溶接部分における必要高さ（図４のｔ）を同一極性の集電タブを一つに束ねた場合における高さの１／２程度にできた。これにより、高さ５ｍｍの収納空間に余裕をもって集電系要素を収容できることが確認できた。また、分割集電タブ群とすることにより、集電リード板への溶接がより強固になることが確認できた。

なお、この実施例１では、集電タブ群を２分割したが、分割は２分割に限られない。例えば、４分割しその各々を集電リード板に溶接してもよい。何分割するかは、例えば積層枚数の多さからする必要性と、分割数が増えることによる溶接作業労力の増大などを比較考量して決めればよい。

（実施例２）
実施例２では、集電タブ幅を１０ｍｍとし、図５、図６に示す集電タブの突出位置が異なる２種類の集電タブ付き正極板Ａ・Ｂ、および負極板Ｃ・Ｄを作製した。そして、実施例１と同様にして絶縁性ケース内に、セパレータで包まれた正極板Ａと負極板Ｄとを交互に１２対まで積層し、その後セパレータで包まれた正極板Ｂと負極板Ｃとを交互に積み上げて、正極板２３枚と負極板２４枚とが交互に積層されたスタック電極体１３（図７参照）を作製した。

上記スタック電極体の一部見取り図（全積層の一部分）を図７に示す。図７では作図の都合上、集電タブの突出長さを短く画いてある。図７において、正極集電タブ群Ａ及びＢ群（各々１２枚と１１枚）については、連続する６枚または５枚ごとを１つに束ねて分割集電タブ群Ａ−１、Ａ−２、及びＢ−１、Ｂ−２とした。また、負極集電タブ群Ｃ及びＤ群（各々１２枚づつ）については、連続する６枚を１つに束ねて分割集電タブ群Ｃ−１、Ｃ−２、及びＤ−１、Ｄ−２とした。これらの先端をそれぞれ対応する集電リード板Ａ−１〜Ｄ−２に溶着した。

このスタック電極体を電池缶１９に入れた。このときの状態を図８に示す。この後、各集電リード板Ａ−１〜Ｄ−２を外部端子１７・１８の下端部１５・１６に溶着し、しかる後に電池缶１９の開口に封口板１４を嵌合した。この後、封口板１４の注液孔から電解液を注液し、これ以外の事項については、実施例１と同様にして、図９に示す実施例２の積層型電池を作製した。

この実施例電池では、正極板、負極板のそれぞれの集電タブの全数が最終的に４分割されることになる。よって、各々の分割集電タブ群の厚みは、非分割型に比較し約１／４と薄くなるので、一層余裕をもって集電系要素の収納空間に集電系要素を収納することができるとともに、集電リード板への溶接をより一層強固にできる。これにより収納空間の縮小が可能となるので、電池の体積エネルギー密度を高めることができることになる。

（実施例３）
実施例３では、集電タブ幅を５ｍｍとし、集電タブの突出位置が異なる４通りの集電タブ付き電極板を作製した。その他の事項については、概ね上記実施例２と同様にして、図１０に示すスタック電極体を作製した。なお、図１０は、積層部分の中央付近を中心にして電極体の一部分を画いた模式図である。

次に各集電タブ群を実施例２と同様にして２分割して、同一極性の電極板において全８つの分割集電タブ群に分け、各々対応する集電リード板に接合した。その他の事項については実施例２と同様にして、実施例３の積層型電池を作製した。

この実施例電池においても余裕をもって収納空間に集電系要素を収納することができること、及び集電リード板への溶接がより一層強固になることが確認された。

（実施例４）
実施例４は、図１１に示すように、幅１０ｍｍの集電タブを用い正負電極板ともに異なる位置に２列の集電タブ群（３・３、５・５）が形成されるようにした。このものを実施例１の場合と同様に各列とも概ね中央で２つに分割し、同一極性の電極板で全４つの分割集電タブ群を形成した。この分割集電タブ群の各々を対応する集電リード板に溶着した。その他については実施例１と同様にして、実施例４の積層型電池を作製した。なお、各々の分割集電タブ群の集電リード板への接続状態は、図４と同様である。

（比較例１）
比較例１では、上記実施例１で作製したと同様な図２に示すスタック電極体を用い、図１２に示すように、同一極性の集電タブ群を全く分割せずに１つに纏め、これを集電リード板に溶接した。これ以外の事項については、上記実施例１と同様にして比較例１の積層型電池の作製を試みた。

その結果、高さ５ｍｍの収納空間内に集電系を収納することが困難であり、電池缶開口に封口板を嵌合することができなかった。

〔付記事項〕
上記実施例では、積層型リチウムイオン電池（二次電池）を例として説明したが、本発明の適用はリチウムイオン電池に限られない。本発明は積層型の各種電池に適用でき、一次電池にも適用できる。

また、上記実施例では、正負集電タブともスタック電極体の同一側面に突出させたが、正負集電タブを異なる側面より突出させることもできる。この場合には、集電タブ群を分割して接合する方式を何れか一方の集電タブ群に対してのみ採用した場合であっても、何れか一方の収納空間の縮小が図れる。

また、上記実施例では、分割集電タブ群のそれぞれに１：１の関係で集電リード板を用意したが、分割集電タブ群のそれぞれを一枚の集電リード板の異なる接合点に接合してもよい。

本発明によると、集電系要素を収容するために電池内に設けられた収容空間の体積を減らすことができる。これにより電池の体積エネルギー密度の向上が図れる。よって、その産業上の利用可能性は高い。

Claims

集電タブを備える正極電極板及び負極電極板を、正負電極板の間にセパレータを介在させて、同一極性の集電タブが同一方向に突出するようにして交互に積層したスタック電極体と、
前記集電タブを介して前記正負電極板に電気接続された外部電極端子と、
を備えた積層型電池において、
前記スタック電極体の側面より突出した同一極性の集電タブ群が複数の束に分割され、当該分割された複数の分割集電タブ群が、それぞれ異なる接続点に接続されている、
ことを特徴とする積層型電池。
請求項１に記載の積層型電池において、
前記同一極性の集電タブ群の各々は、平面視において前記スタック電極体の同じ位置から導出されている、
ことを特徴とする積層型電池。
請求項１または２に記載の積層型電池において、
前記正極電極板および負極電極体は、芯材を有し、前記芯材と前記集電タブとの間に継ぎ目がない、
ことを特徴とする積層型電池。
請求項１に記載の積層型電池において、
前記積層型電池は、前記外部電極端子と前記集電タブ群との間に集電リード板を備え、
前記複数の分割集電タブ群の各々が異なる集電リード板に接続されている、
ことを特徴とする積層型電池。
請求項４に記載の積層型電池において、
前記集電タブ群は、同一極性の集電タブ群が突出した前記スタック電極体の側面において電極板積層方向に対し互いに逆向き方向に２分割され、その各々が前記異なる集電リード板に接続されている、ことを特徴とする積層型電池。
請求項１に記載の積層型電池において、
前記スタック電極体の正負電極板群の少なくとも一方は、集電タブを備える位置が異なる複数種類の集電タブ付き電極板が用いられており、集電タブの位置が同じ集電タブ同士で電極板積層方向に重なり合った１つの集電タブ群が構成され、このようにして形成された複数の集電タブ群の隣り合う同士が、互いに離隔している、
ことを特徴とする積層型電池。
請求項６に記載の積層型電池において、
前記外部電極端子と前記集電タブ群との間に集電リード板を備え、
前記互いに離隔した同一極性の集電タブ群の隣りあう同士が、電極板の積層方向に対して、互いに逆方向に導かれて異なる集電リード板に接続されている、
ことを特徴とする積層型電池。
請求項６に記載の積層型電池において、
前記外部電極端子と前記集電タブ群との間に集電リード板を備え、
平面視において互いに離隔した同一極性の集電タブ群の各々が２つに分割され、当該分割された細分割集電タブ群が、電極板の積層方向に対して互いに逆方向に導かれて異なる集電リード板に接続されている、
ことを特徴とする積層型電池。