JPWO2020071049A1 - 二次電池 - Google Patents

Abstract

二次電池は、電極体を収納した電池ケースと、電池ケースの開口部を封口する封口板と、正極板及び負極板にそれぞれ設けられた集電タブと、封口板の内側に設けられ、集電タブを介して正極板及び負極板にそれぞれ接続された集電端子と、封口板の外側に設けられ、集電端子に接続された外部端子とを備え、電極体は、集電タブが封口板の内側空間において屈曲した状態で、電池ケースに収容されており、集電タブは、集電端子と超音波接合された接合部と、接合部から離間し、かつ、電極体側の位置に設けられた、集電タブが屈曲する起点となる屈曲部とを有している。

Description

本発明は、二次電池の集電構造に関する。

近年、リチウムイオン二次電池は、車両搭載用電源、あるいはパソコンおよび携帯端末の電源として好ましく用いられている。この種のリチウムイオン二次電池の一つとして、正負の電極がセパレータを介して交互に積層された電極体を備える電池構造が知られている。

例えば、特許文献１には、複数の正極及び負極と、セパレータとを交互に積層した電極体を、角形ケースに収納したリチウムイオン二次電池が開示されている。同公報では、正極および負極には、それぞれの基材層（金属箔）からなる突出部（タブ）が複数積層されてタブ部が形成され、そのタブ部が、正極集電体及び負極集電体に超音波接合によって接合されている。そして、正極集電体及び負極集電体が、角形ケースの蓋体の外方に設けられた正極端子及び負極端子にそれぞれ電気的に接続されている。

特開２０１８−１３９１９１号公報

特許文献１に開示されたリチウムイオン二次電池では、組み立て工程において、角形ケースに電極体を収納し、その後、蓋体によって角形ケースの開口部を封口する、という順で組み立てが行われる。このときに、タブ部と、正極集電体及び負極集電体とを超音波接合してから、蓋体により角形ケースの蓋をするという順番で組み立てを行うが、この蓋をする際に、タブ部と、正極集電体及び負極集電体とに応力がかかってしまう。すなわち、タブ部と、正極集電体及び負極集電体とを超音波接合する際には、両者に応力がかからない状態で接合を行うのであるが、組み立ての際には、金属箔からなるタブ部を折り曲げた状態、すなわち、タブ部に応力がかかった状態で蓋をすることになる。

特に、近年、単位体積あたりの電池容量を高くすることが強く求められているため、電池ケース内の正極及び負極が占める体積割合をできるだけ大きくする工夫が必要になる。そのため、正極及び負極以外の部材が、電池ケース内で占めることのできるスペースがどんどんと少なくなってきている。このような事情により、上述の組み立て工程において、タブ部と、正極集電体及び負極集電体とは、非常に小さなスペースに収納されることになる。その結果、タブ部と、正極集電体及び負極集電体との接合部に、大きな応力をかけて収納を行うことになる。

タブ部は、金属箔からなっているため、応力がかかると屈曲するが、正極集電体及び負極集電体は、金属板からなっているため、組み立て時の応力程度では屈曲することはない。すなわち、屈曲による応力は、タブ部と正極集電体及び負極集電体との接合部に集中することになる。その結果、接合部の端部において、タブ部が破断してしまう畏れがある。

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、組み立て工程において、集電タブの破断を防止できる構造を有した二次電池を提供することにある。

本発明に係る二次電池は、正極板及び負極板を備えた電極体と、開口部を有し、電極体を収納した電池ケースと、開口部を封口する封口板と、正極板及び負極板にそれぞれ設けられた集電タブと、封口板の内側に設けられ、集電タブを介して、正極板及び負極板にそれぞれ接続された集電端子と、封口板の外側に設けられ、集電端子に接続された外部端子とを備え、電極体は、集電タブが、封口板の内側空間において屈曲した状態で、電池ケースに収容されており、集電タブは、集電端子との接合部と、接合部から離間し、かつ、電極体側の位置に設けられた、集電タブが屈曲する起点となる屈曲部とを有している。

本発明によれば、二次電池を組み立てる際に、集電タブが破断するのを防止することができる。

本発明の一実施形態における二次電池の構成を模式的に示した断面図である。 電極体の構成を模式的に示した斜視図である。 図２に示した電極体を正極集電タブが突き出している側だけ示した斜視図である。 正極集電タブを積層させて正極集電端子に載せた状態を示した斜視図である。 正極集電タブと正極集電端子とを超音波接合させる方法を示した図である。 接合させた正極集電タブと正極集電端子とを、上から見た状態を示した平面図である。 接合させた正極集電タブと正極集電端子とを、斜め上から見た状態を示した斜視図である。 二次電池の組み立て工程を示した斜視図である。 二次電池の組み立て工程を示した斜視図である。 二次電池の組み立て工程を示した斜視図である。 二次電池の組み立て工程を示した斜視図である。 本実施形態の変形例における、正極集電タブと正極集電端子との接合部を拡大して示した平面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

図１は、本発明の一実施形態における二次電池の構成を模式的に示した断面図である。

図１に示すように、本実施形態における二次電池は、正極板及び負極板を備えた電極体１０と、開口部を有し、電極体１０を収納した電池ケース６０と、開口部を封口する封口板６２とを有している。

図２は、本実施形態における電極体１０の構成を模式的に示した斜視図である。

図２に示すように、電極体１０は、正極板１と負極板２とが、間にセパレータ３を介して複数枚積層されており、正極板１の一端（上側端部）には、正極集電タブ２０が、負極板２の一端には、負極集電タブ２２が設けられている。正極集電タブ２０及び負極集電タブ２２は金属箔からなっている。

図１に示すように、電極体１０において、複数の正極集電タブ２０が束ねられて、正極集電端子３０Ａに接合されており、複数の負極集電タブ２２が束ねられて、負極集電端子３２Ａに接合されている。ここで、正極集電端子３０Ａ及び負極集電端子３２Ａは、金属板からなっている。

正極集電端子３０Ａは、接続部材３０Ｂを介して、封口板６２の外側に取り付けられた正極外部端子５０に接続されており、負極集電端子３２Ａは、接続部材３２Ｂを介して、封口板６２の外側に取り付けられた負極外部端子５２に接続されている。ここで、接続部材３０Ｂ、３２Ｂは金属板からなっている。

正極集電端子３０Ａ及び接続部材３０Ｂと封口板６２との間には、絶縁部材９０が配置されており、負極集電端子３２Ａ及び接続部材３２Ｂと封口板６２との間には、絶縁部材９２が配置されている。また、正極外部端子５０は、ガスケット９１を介して、封口板６２にかしめ加工により固定され、負極外部端子５２は、ガスケット９３を介して、封口板６２にかしめ加工により固定されている。

次に、図３〜図７を参照しながら、正極集電タブ２０と正極集電端子３０Ａとの接合について説明をする。なお、負極集電タブ２２と負極集電端子３２Ａとの接合も、正極側と同様にしてなされる。

図３は、図２に示した電極体１０を、正極集電タブ２０が突き出している側だけ示した斜視図である。これらの複数の正極集電タブ２０を束ねて積層させて、正極集電端子３０Ａの上に載せる（図４）。

そして、図５に示すように、超音波接合装置１００を用いて、正極集電タブ２０と正極集電端子３０Ａとを接合させる。超音波接合装置１００は、接合に用いる複数のナール（突起部）４０が設けられたホーン４２とアンビル４５とで、接合する部材を挟み込んで超音波接合を行う。具体的には、正極集電タブ２０を載せた正極集電端子３０Ａをアンビル４５に載せて、正極集電タブ２０の上面からナール４０を押し当てて、ホーン４２を超音波により振動させながら下降させていく。これにより、ナール４０が正極集電タブ２０を圧縮し凹ませるとともに、正極集電タブ２０と正極集電端子３０Ａとが、超音波振動による摩擦熱で加熱されて接合される。ナール４０は、例えば、四角錐台形状の突起からなり、正極集電タブ２０と正極集電端子３０Ａとの接合部７０は、ナール４０の形状に応じた凹形状となる。

図６は、接合させた正極集電タブ２０と正極集電端子３０Ａとを、上から見た状態を示した平面図である。

図６に示すように、正極集電タブ２０と正極集電端子３０Ａとの接合部７０は、正極集電タブ２０の幅方向（正極板１から延びていく方向と垂直な方向）に、複数隣接して並んで列をなし、その列が、正極集電タブ２０の長手方向（正極板１から延びていく方向）に複数隣接して並んでいる。このように、複数の接合部７０が密に形成されることにより、接合強度を向上させている。

また、正極集電タブ２０は、幅方向端部において、正極集電端子３０Ａとの接合部７０から離間し、かつ、電極体１０側の位置に、切り欠き部８０、８０を有している。この切り欠き部８０、８０は、後述する組み立て工程において、正極集電タブ２０が屈曲する起点となる屈曲部となる。

図７は、接合させた正極集電タブ２０と正極集電端子３０Ａとを、斜め上から見た状態を示した斜視図である。

以下、図７に示された状態以降の組み立て工程を、図８〜図１１を参照しながら説明する。

図８に示すように、あらかじめ、封口板６２、正極外部端子５０、絶縁部材９０、及び接続部材３０Ｂを接続・固定して、これらが一体となった部材に、正極集電タブ２０が接合された正極集電端子３０Ａを載せる。正極集電端子３０Ａは、正極集電タブ２０との接合面とは反対側の面を、上述の部材に載せている。また、正極集電端子３０Ａは、接続部材３０Ｂに隣接するように載せられている。

次に、図９に示すように、正極集電端子３０Ａと接続部材３０Ｂとの隣接部分を溶接して、溶接部分７８を形成する。この溶接は、例えばレーザ溶接により行う。

次に、図９に示すように、封口板６２を矢印Ａの方向に回転させて、図１０に示すように、電極体１０を電池ケース６０に挿入していく。このとき、封口板６２を電池ケース６０に近づけていくと、正極集電タブ２０が電池ケース６０の外側にはみ出すため、押し込み部材１２０を用いて、電池ケース６０の内側に納まるように、正極集電タブ２０を押し込む。

最後に、図１１に示すように、封口板６２で電池ケース６０の開口部を封口して、封口板６２と電池ケース６０とを溶接して固定・密封することにより、本実施形態における二次電池が組み立てられる。このとき、電極体１０は、正極集電タブ２０が、封口板６２の内側空間において屈曲した状態で、電池ケース６０に収容されている。

ところで、正極集電タブ２０と正極集電端子３０Ａとの接合部７０は、図５に示したように、正極集電タブ２０が薄肉化しているため、正極集電タブ２０の機械的強度が弱くなっている。そのため、電極体１０を電池ケース６０に収容する際、正極集電タブ２０と正極集電端子３０Ａとの接合部７０において、電極体１０側の端部にある列の接合部７１が、正極集電タブ２０が屈曲する起点になりやすい。正極集電タブ２０が、接合部７１に沿って屈曲すると、当該部分に応力が集中するため、薄肉化した正極集電タブ２０が破れる畏れがある。

そのため、本実施形態では、図６に示したように、正極集電端子３０Ａは、幅方向端部において、正極集電端子３０Ａとの接合部７０から離間し、かつ、電極体１０側の位置に、切り欠き部８０、８０を有している。正極集電端子３０Ａは、この切り欠き部８０、８０において機械的強度が弱くなっているため、電極体１０を電池ケース６０に収容する際、切り欠き部８０、８０を、正極集電タブ２０が屈曲する起点とすることができる。すなわち、切り欠き部８０、８０で規定された線Ｐに沿って、正極集電タブ２０を屈曲させることができる。その結果、図１０及び図１１に示したように、正極集電タブ２０を、封口板６２の内側空間において、切り欠き部８０、８０を起点として屈曲した状態で、電極体１０を電池ケース６０に収容することができる。

本実施形態において、電極体１０を電池ケース６０に収容する際、正極集電タブ２０を、切り欠き部８０において優先的に屈曲させるためには、切り欠き部８０における正極集電タブ２０の機械的強度を、正極集電タブ２０と正極集電端子３０Ａとの接合部７０における機械的強度よりも弱くなるように、切り欠き部８０を形成することが好ましい。なお、切り欠き部８０における正極集電タブ２０の機械的強度は、切り欠き部８０、８０の形状や大きさ等を適宜変えることによって、調整することができる。

また、切り欠き部８０は、必ずしも、正極集電タブ２０の幅方向両端部に設けなくてもよく、一方の端部にのみ設けておいてもよい。また、切り欠き部８０は、積層された全ての正極集電タブ２０に設けなくてもよく、一部の正極集電タブ２０にのみ設けておいてもよい。

なお、切り欠き部８０における正極集電タブ２０の機械的強度を、必ずしも、正極集電タブ２０と正極集電端子３０Ａとの接合部７０における機械的強度よりも弱くする必要はない。この場合、電極体１０を電池ケース６０に収容する際、例えば、図１０に示したような押し込み部材１２０を、正極集電タブ２０の切り欠き部８０を設けた部位に押し当てながら、正極集電タブ２０を電池ケース６０に押し込むことによって、切り欠き部８０を設けた部位を、優先的に屈曲させることができる。なお、一旦、切り欠き部８０において屈曲が生じれば、その後は、押し込み部材１２０を押し当てなくても、切り欠き部８０が屈曲を維持したまま、封口板６２で電池ケース６０の開口部を封口することができる。その結果、正極集電タブ２０と正極集電端子３０Ａとの接合部７０が、正極集電タブ２０の屈曲部になることを避けることができる。

本実施形態によれば、正極集電タブ２０と正極集電端子３０Ａとの接合部７０が、正極集電タブ２０の屈曲部にならないため、電池の組み立ての際、あるいは電池を使用する際の振動・衝撃により、正極集電タブ２０及び負極集電タブ２２が大きく屈曲しても、正極集電タブ２０及び負極集電タブ２２が破断するのを防止することができる。

（変形例）
図１２は、本実施形態の変形例における、正極集電タブ２０と正極集電端子３０Ａとの接合部７０を拡大して示した平面図である。

上記実施形態では、正極集電タブ２０の幅方向端部に設けて切り欠き部８０、８０を、正極集電タブ２０が屈曲する起点となる屈曲部としたが、本変形例では、正極集電タブ２０の幅方向に沿って、正極集電端子３０Ａと超音波接合された接合点８１、８１を設け、当該部位を、正極集電タブ２０が屈曲する起点となる屈曲部としたものである。これにより、接合点８１、８１で規定された線Ｐに沿って、正極集電タブ２０を屈曲させることができる。その結果、正極集電タブ２０を、封口板６２の内側空間において、接合点８１、８１を起点として屈曲した状態で、電極体１０を電池ケース６０に収容することができる。

なお、接合点８１、８１は、図５に示した超音波接合装置１００を用いて、上記実施形態における接合部７０の形成と同様の方法で形成することができる。

本変形例において、電極体１０を電池ケース６０に収容する際、正極集電タブ２０を、接合点８１において優先的に屈曲させるためには、接合点８１における正極集電タブ２０の機械的強度を、正極集電タブ２０と正極集電端子３０Ａとの接合部７０における機械的強度よりも弱くなるように、接合点８１を形成することが好ましい。なお、接合点８１における正極集電タブ２０の機械的強度は、接合点８１の大きさ、形状、深さ、個数等を適宜変えることによって、調整することができる。

なお、接合点８１における正極集電タブ２０の機械的強度を、必ずしも、正極集電タブ２０と正極集電端子３０Ａとの接合部７０における機械的強度よりも弱くする必要はない。この場合、上記実施形態において、切り欠き部８０を屈曲部にしたときと同様に、電極体１０を電池ケース６０に収容する際、例えば、図１０に示したような押し込み部材１２０を、正極集電タブ２０の接合点８１を設けた部位に押し当てながら、正極集電タブ２０を電池ケース６０に押し込むことによって、接合点８１を設けた部位を、優先的に屈曲させることができる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態において、正極集電タブ２０の幅方向端部において設けられた切り欠き部８０を屈曲部にしたが、切り欠き部８０の代わりに、例えば、正極集電タブ２０の幅方向に沿って、複数の貫通孔を設け、当該部位を屈曲部としてもよい。

また、上記実施形態では、正極集電端子３０Ａと接続部材３０Ｂとを別部材で構成したが、これらを一体部材として構成し、正極集電端子としてもよい。

また、本発明における二次電池は、その種類は、特に限定されず、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池等に適用することができる。また、電極体１０も、その構造は特に限定されない。また、正極、負極、セパレータ、電解液等については公知の材料を使用できる。

１ 正極板
２ 負極板
３ セパレータ
１０ 電極体
２０ 正極集電タブ
２２ 負極集電タブ
３０Ａ 正極集電端子
３０Ｂ 接続部材
３２Ａ 負極集電端子
３２Ｂ 接続部材
５０ 正極外部端子
５２ 負極外部端子
６０ 電池ケース
６２ 封口板
７０ 接合部
７１ 電極体側端部にある列の接合部
８０ 切り欠き部（屈曲部）
８１ 接合点（屈曲部）
９０、９２ 絶縁部材
９１、９３ ガスケット
１００ 超音波接合装置

Claims (3)

1. 正極板及び負極板を備えた電極体と、
   開口部を有し、前記電極体を収納した電池ケースと、
   前記開口部を封口する封口板と、
   前記正極板及び前記負極板にそれぞれ設けられた集電タブと、
   前記封口板の内側に設けられ、前記集電タブを介して、前記正極板及び前記負極板にそれぞれ接続された集電端子と、
   前記封口板の外側に設けられ、前記集電端子に接続された外部端子と
   を備えた二次電池であって、
   前記電極体は、前記集電タブが、前記封口板の内側空間において屈曲した状態で、前記電池ケースに収容されており、
   前記集電タブは、
   前記集電端子との接合部と、
   前記接合部から離間し、かつ、前記電極体側の位置に設けられた、前記集電タブが屈曲する起点となる屈曲部と、
   を有している、二次電池。
2. 前記屈曲部は、前記集電タブの幅方向端部において設けられた切り欠き部からなる、請求項１に記載の二次電池。
3. 前記屈曲部は、前記集電タブの幅方向に沿って設けられた、前記集電端子との接合点からなる、請求項１に記載の二次電池。

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