KR100754705B1

KR100754705B1 - 비수 전해액 이차 전지

Info

Publication number: KR100754705B1
Application number: KR1020060114290A
Authority: KR
Inventors: 나오야 나까니시; 고오이찌 사또; 도시유끼 노오마; 이꾸오 요네즈
Original assignee: 산요덴키가부시키가이샤
Priority date: 1999-08-10
Filing date: 2006-11-20
Publication date: 2007-09-03
Also published as: KR20060126416A; US20020142211A1; US6899973B2; CN1277330C; KR20010021245A; CN1172400C; US20040247998A1; EP1076371B1; US20040131930A1; KR100675700B1; US6692863B1; CN1283879A; US6730438B2; US6995333B2; US20040128826A1; EP1076371A1; CN1534819A

Abstract

전지통(1) 내에, 양극(23)과 음극(21) 사이에 분리기(22)를 개재시켜 이루어지는 권취 전극체(2)가 수용되고, 권취 전극체(2)의 양단부에는 음극 집전판(3) 및 양극 집전판(30)이 접합되어 있는 비수 전해액 이차 전지에 있어서, 권취 전극체(2)의 양단부 중, 한 쪽 단부에는 음극(21)의 단부 엣지가 돌출하고, 상기 단부 엣지에 음극 집전판(3)이 접합되어 있다. 상기 음극 집전판(3)은 구리 또는 구리를 주체로 하는 합금으로 이루어지는 구리층부(31)와 니켈 또는 니켈을 주체로 하는 합금으로 이루어지는 니켈층부(32)의 2층 구조를 갖고, 구리층부(31)를 음극(21)의 단부 엣지에 접촉시켜 레이저 용접되어 있다. 이로써, 권취 전극체(2)에 대한 음극 집전판(3)의 용접성이 개선되어, 높은 집전 효율을 얻을 수 있다.

전지통, 권취 전극체, 분리기, 음극 집전판, 비수 전해액 이차 전지

Description

비수 전해액 이차 전지{Non-water electrolyte secondary battery}

도1은 본 발명에 관한 원통형 리튬 이온 이차 전지의 단면도.

도2는 음극 집전판의 사시도.

도3은 권취 전극체에 음극 집전판을 레이저 용접하는 공정을 나타내는 단면도.

도4는 권취 전극체의 일부 전개 사시도.

도5는 다른 구조를 갖는 음극 집전판의 사시도.

도6은 또 다른 구조를 갖는 음극 집전판의 사시도.

도7은 종래의 원통형 리튬 이온 이차 전지의 단면도.

도8은 본 발명에 관한 리튬 이온 이차 전지의 요부를 도시한 일부 파단 정면도.

도9는 권취 전극체 및 집전판의 분해 사시도.

도10은 집전판의 평면도.

도11은 도9의 A-A선을 따른 확대 단면도.

도12는 권취 전극체에 집전판을 압박하는 공정을 도시한 사시도.

도13은 코어 부재 단부 엣지에 집전판의 원호형 볼록부가 식입된 상태를 도시한 단면도.

도14는 코어 부재 단부 엣지에 집전판의 V자형 볼록부가 식입된 상태를 도시한 단면도.

도15는 코어 부재 단부 엣지에 집전판의 사다리꼴형 볼록부가 식입된 상태를 도시한 단면도.

도16은 다른 구조를 갖는 음극 집전판의 사시도.

도17은 상기 음극 집전판의 평면도.

도18은 음극 집전판에 대한 레이저 스폿의 위치를 설명하는 평면도.

도19는 도18의 E-E선을 따른 단면도.

도20은 종래의 원통형 리튬 이온 이차 전지의 외관을 도시한 사시도.

도21은 집전판과 권취 전극체의 분해 사시도.

도22는 종래의 리튬 이온 이차 전지에 사용되고 있는 권취 전극체의 일부 전개 사시도.

도23은 종래의 리튬 이온 이차 전지의 요부를 도시한 일부 파단 정면도.

도24는 종래의 집전판과 권취 전극체의 분해 사시도.

도25는 종래의 집전 부재와 권취 전극체의 분해 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 전지통

2 : 권취 전극체

3 : 음극 집전판

4 : 음극 단자 기구

15 : 통

16 : 덮개

21 : 음극

22 : 분리기

23 : 양극

30 : 양극 집전판

31 : 구리층부

32 : 니켈층부

33, 34 : 연결띠

40 : 양극 단자 기구

본 발명은 원통형 리튬 이온 이차 전지와 같이, 밀폐 용기 내에 발전 요소가 되는 전극체가 수용되고, 상기 전극체가 발생하는 전력을 양극 단자부 및 음극 단자부로부터 외부로 취출하는 것이 가능한 비수 전해액 이차 전지, 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

이러한 종류의 비수 전해액 이차 전지에 있어서는, 각각 띠 형상의 양극과 음극이 분리기를 거쳐서 서로 중합되고, 이것을 나선형으로 감아서 권취 전극체가 구성되며, 상기 권취 전극체는 밀폐 용기 내에 수용되어 있다.

권취 전극체가 발생하는 전력을 외부로 취출하는 방법으로서는, 권취 전극체를 구성하는 양극 및 음극에 각각 복수개의 도전성 탭의 기초 단부를 연결하고, 양극으로부터 인출된 복수개의 양극 집전 탭의 선단부는 양극 단자부에 연결하는 동시에, 음극으로부터 인출된 복수개의 음극 집전 탭의 선단부는 음극 단자부에 연결하는 방법이 널리 채용되고 있다.

그러나, 복수개의 집전 탭을 사용한 집전 구조에 있어서는, 비교적 전류값이 낮은 소형의 비수 전해액 이차 전지의 경우는 충분한 집전 효과가 얻어지지만, 전류값이 큰 대형의 비수 전해액 이차 전지에서는 전극 면적이 커지므로, 충분한 집전 효과를 얻지 못하는 문제가 있었다.

또한, 복수개의 집전 탭을 전극 단자부에 연결하는 구조 및 공정이 복잡하여, 작업성과 생산성이 좋지 않은 문제가 있었다.

그래서, 도7에 도시한 바와 같이, 음극 집전판(36) 및 양극 집전판(30)에 의한 집전 구조를 갖춘 원통형 비수 전해액 이차 전지가 제안되어 있다. 상기 비수 전해액 이차 전지에 있어서는, 통(15)의 양단 개구부에 덮개(16, 16)를 고정하여 전지통(1)이 구성되고, 상기 전지통(1)의 내부에 권취 전극체(2)가 수용되어 있다. 권취 전극체(2)의 양단부에는 음극 집전판(36) 및 양극 집전판(30)이 설치되고, 권취 전극체(2)에 레이저 용접되어 있다. 또한, 음극 집전판(36) 및 양극 집전판(30)은 연결띠(37, 34)를 거쳐서, 덮개(16, 16)에 부착된 음극 단자 기구(4) 및 양극 단자 기구(40)에 연결되어 있다.

권취 전극체(2)는 각각 띠 형상의 양극(23), 분리기(22), 및 음극(21)으로 구성된다. 양극(23)은 알루미늄박으로 이루어지는 코어 부재의 표면에 양극 활물질(活物質)을 도포하여 구성되고, 음극(21)은 구리박으로 이루어지는 코어 부재의 표면에 음극 활물질을 도포하여 구성되어 있다.

양극(23) 및 음극(21)은 각각 분리기(22) 상에 폭방향으로 어긋나게 하여 중합되고, 나선형으로 권취되어 있다. 이로 인해서, 권취 전극체(2)의 감김 축방향의 양단부 중, 한 쪽 단부에서는 분리기(22)의 단부 엣지보다도 외측으로 양극(23)의 단부 엣지가 돌출하는 동시에, 다른 쪽 단부에서는 분리기(22)의 단부 엣지보다도 외측으로 음극(21)의 단부 엣지가 돌출하고 있다. 또, 양극 집전판(30)은 알루미늄제이고, 음극 집전판(36)은 구리제이다.

상술한 바와 같이, 권취 전극체(2)의 단부에 집전판(36, 30)을 레이저 용접하는 집전 구조에 따르면, 용접을 행할 때 집전판에 압력을 가하지 않고 비접촉으로 용접을 행할 수 있으므로, 작업성, 생산성이 향상된다.

그러나, 도7에 도시한 비수 전해액 이차 전지의 제조 공정에 있어서, 권취 전극체(2)의 음극(21)의 단부 엣지에 음극 집전판(36)을 설치하고 레이저 용접을 실시할 때, 음극 집전판(36)의 재질인 구리는 레이저 비임에 대한 반사율이 높으므로, 용접부에 충분한 에너지를 부여하지 못하여 용접이 불완전해지고, 권취 전극체(2)와 음극 집전판(36) 사이의 전기 저항의 증대에 의해 집전 효율이 저하하는 문제가 있었다. 또, 음극 집전판(36)을 니켈로 만들면, 권취 전극체(2)에 대한 음 극 집전판(36)의 용접성은 개선하는 것이 가능하지만, 니켈제 음극 집전판(36)은 구리제 음극 집전판(36)에 비해 전기 저항이 크므로, 집전 효율이 저하하게 된다.

한편, 도20 및 도23에 도시한 종래의 비수 전해액 이차 전지에 있어서는, 통(15)의 양단부에 덮개(16, 16)를 용접 고정하여 이루어지는 원통형의 전지통(1)의 내부에 권취 전극체(5)를 수용하여 구성되어 있다. 양 덮개(16, 16)에는 양음 한 쌍의 전극 단자 기구(110, 110)가 부착되어 있고, 권취 전극체(5)와 양 전극 단자 기구(110, 110)가 복수개의 전극 탭(6)에 의해 서로 접속되고, 권취 전극체(5)가 발생하는 전력을 한 쌍의 전극 단자 기구(110, 110)로부터 외부로 취출하는 것이 가능하게 되어 있다. 또한, 각 덮개(16)에는 압력 개폐식의 가스 배출 밸브(13)가 부착되어 있다.

권취 전극체(5)는 도22에 도시한 바와 같이, 각각 띠 형상의 양극(51)과 음극(53) 사이에 띠 형상의 분리기(52)를 개재시키고, 이들을 나선형으로 권취하여 구성되어 있다. 양극(51)은 알루미늄박으로 이루어지는 띠형 코어 부재(55)의 양면에 리튬 복합 산화물로 이루어지는 양극 활물질(54)을 도포하여 구성되고, 음극(53)은 구리박으로 이루어지는 띠형 코어 부재(57)의 양면에 탄소 재료를 함유하는 음극 활물질(56)을 도포하여 구성되어 있다. 분리기(52)에는 비수 전해액이 함침되어 있다.

또한, 양극(51)에는 양극 활물질(54)이 도포되어 있지 않은 비도공부가 형성되고, 상기 비도공부에 복수개의 전극 탭(6)의 기초 단부가 접합되어 있다. 마찬가지로 음극(53)에는 음극 활물질(56)이 도포되어 있지 않은 비도공부가 형성되고, 상기 비도공부에 복수개의 전극 탭(6)의 기초 단부가 접합되어 있다.

그리고, 도23에 도시한 바와 같이, 극성이 같은 복수개의 전극 탭(6)의 선단부(61)가 하나의 전극 단자 기구(110)에 접속되어 있다. 또, 도23에 있어서는 편의상, 일부의 전극 탭의 선단부가 전극 단자 기구(110)에 접속되어 있는 상태만을 도시하고, 다른 전극 탭에 대해서는 선단부가 전극 단자 기구(110)에 접속되어 있는 상태의 도시를 생략하고 있다.

전극 단자 기구(110)는 전지통(1)의 덮개(16)를 관통하여 부착된 전극 단자(111)를 구비하고, 상기 전극 단자(111)의 기초 단부에는 플랜지부(112)가 형성되어 있다. 덮개(16)의 관통 구멍에는 절연 패킹(113)이 장착되어, 덮개(16)와 체결 부재 사이의 전기적 절연성과 밀봉성이 유지되어 있다. 전극 단자(111)에는 덮개(16)의 외측으로부터 와셔(114)가 끼워 넣어지는 동시에, 제1 너트(115) 및 제2 너트(116)가 나사 결합되어 있다. 그리고, 제1 너트(115)를 체결하고, 전극 단자(111)의 플랜지부(112)와 와셔(114)에 의해서 절연 패킹(113)을 협지함으로써 밀봉성을 높이고 있다. 상기 복수개의 전극 탭(6)의 선단부(61)는 전극 단자(111)의 플랜지부(112)에 스폿 용접 또는 초음파 용접에 의해서 고정되어 있다.

그런데, 리튬 이온 이차 전지에 있어서는 전지의 대형화에 수반하여 양극 및 음극의 길이가 커지므로, 전극 탭에 의한 집전 구조에서는 집전성이 낮고, 내부 저항에 편차가 발생하거나 방전 용량이 저하하는 등의 문제가 발생한다.

그래서, 양극 및 음극의 전체 길이에 걸쳐서 균일한 집전성을 얻기 위해, 도21에 도시한 바와 같은 집전 구조가 제안되어 있다. 상기 집전 구조에 있어서, 권 취 전극체(7)는 마찬가지로 코어 부재(75)의 표면에 양극 활물질(74)을 도포하여 이루어지는 양극(71)과, 코어 부재(77)의 표면에 음극 활물질(76)을 도포하여 이루어지는 음극(73)과, 비수 전해액이 함침된 분리기(72)로 구성되는데, 양극(71) 및 음극(73)은 각각 분리기(72) 상에 폭방향으로 어긋나게 하여 중합되고, 나선형으로 권취되어 있다. 이로 인해, 권취 전극체(7)의 감김 축방향의 양단부 중, 한 쪽 단부에서는 분리기(72)의 단부 엣지보다도 외측으로 양극(71)의 코어 부재(75)의 단부 엣지(78)가 돌출하는 동시에, 다른 쪽 단부에서는 분리기(72)의 단부 엣지보다도 외측으로 음극(73)의 코어 부재(77)의 단부 엣지(78)가 돌출하고 있다.

그리고, 권취 전극체(7)의 양단부에는 각각 원판형의 집전판(62)이 저항 용접되고, 상기 집전판(62)이 리드 부재(63)를 거쳐서 상기 전극 단자 기구(110)에 접속된다.

그러나, 도21에 도시한 집전 구조를 갖는 비수 전해액 이차 전지에 있어서는, 권취 전극체(7)의 양극(71) 및 음극(73)을 구성하는 코어 부재(75, 77)의 단부 엣지(78, 78)의 면적이 작으므로, 코어 부재 단부 엣지와 집전판(62) 사이의 접촉 면적이 작으며, 이로 인해서 전지의 내부 저항이 커지는 문제가 있었다.

특히, 전기 자동차용의 전원 등으로서 사용하는 리튬 이온 이차 전지에 있어서는, 고용량인 동시에 고출력을 얻기 위해서 가능한 한 내부 저항을 저감시키는 것이 필요해진다. 또, 제조 비용의 삭감을 위해서는 생산성이 우수한 집전 구조가 필요해진다.

그래서, 생산성이 우수한 낮은 저항의 전지로서, 집전판의 전체면에 균일 분 산 상태로 작은 직경의 팽창 돌출부를 형성하고, 상기 팽창 돌출부를 코어 부재 단부 엣지에 접촉시켜 저항 용접을 실시함으로써, 상기 팽창 돌출부에 전류를 집중시켜 용접 강도를 향상시킨 것이 제안되어 있다(예를 들어, 일본국 실용신안 공개공보 소55-156365호 참조).

또한, 도24에 도시한 바와 같이 평판형 본체(93)에 복수의 절곡부(94)를 형성한 집전판(92)을 사용하고, 상기 집전판(92)을 권취 전극체(7)의 코어 부재 단부 엣지(78)에 압박한 상태에서, 상기 절곡부(94)를 코어 부재 단부 엣지(78)에 저항 용접하는 집전 구조가 제안되어 있다(예를 들어, 일본국 특허 공개공보 평11-31497호 참조).

또한, 집전판을 2분할 구조로 함으로써, 집전판을 저항 용접할 때의 무효 전류를 억제하여 용접 효율을 개선하려고 하는 것(일본국 특허 공개공보 평7-29564호)과, 집전판의 저항 용접부에 단면 V자형의 돌기를 형성하고, 저항 용접시의 전류를 돌기부에 집중시켜 용접 강도를 개선하려고 하는 것(일본국 특허 공개공보 평2-8417호)이 공지되어 있다.

또한, 원판형의 집전판 대신에 도25에 도시한 바와 같이 복수의 슬릿(96)이 오목하게 형성된 집전 부재(95)를 권취 전극체(7)의 단부에 설치하고, 상기 집전 부재(95)의 슬릿(96)에 코어 부재 단부 엣지(78)를 끼워 넣은 상태에서, 집전 부재(95)의 표면에 레이저 비임을 조사하여 레이저 용접을 실시하는 집전 구조가 제안되어 있다(일본국 특허 공개공보 평10-261441호).

또한, 원판형의 집전판에 선단각이 90 °이하인 단면 V자형의 복수의 돌기부 를 형성하고, 상기 집전판을 코어 부재 단부 엣지에 압박한 상태에서, 상기 돌기부에 레이저 비임을 조사함으로써 집전판을 극판군에 용접하는 구조가 제안되어 있다(일본국 특허 공개공보 평2-4102호).

그러나, 집전판의 전체면에 균일 분산 상태로 작은 직경의 팽창 돌출부를 형성한 상술한 집전 구조(일본국 실용신안 공개공보 소55-156365호)에서는 집전판과 코어 부재 사이의 접촉 상태가 불안정하고, 접촉 상태에 따라서는 전류가 흐르지 않아 용접 불량이 발생하는 문제가 있었다.

또한, 집전판에 단면 V자형의 돌기와 절곡부를 형성하고, 상기 집전판을 저항 용접하는 집전 구조(일본국 특허 공개공보 평11-31497호, 특허 공개공보 평7-29564호, 특허 공개공보 평2-8417호)에 있어서는, 리튬 이온 이차 전지와 같이 코어 부재의 두께가 매우 작은 경우에는 용접 강도가 낮은 문제가 있었다.

또한, 복수의 슬릿이 오목하게 형성된 집전 부재를 코어 부재 단부 엣지에 레이저 용접하는 집전 구조(일본국 특허 공개공보 평10-261441호)에서는 복잡한 형상을 갖는 집전 부재가 필요해질 뿐만 아니라, 코어 부재 단부 엣지를 집전 부재의 각 슬릿에 삽입하는 작업이 매우 번잡한 문제가 있었다.

그리고, 원판형의 집전판에 단면 V자형의 돌기부를 형성하고, 상기 집전판을 극판군에 레이저 용접하는 구조(일본국 특허 공개공보 평2-4102호)에서는 돌기부의 단면 형상이 예각의 V자형이므로, 돌기부와 코어 부재 단부 엣지 사이의 접촉 면적이 작고, 이로 인해서 접촉 저항이 커지는 문제점이 있었다. 또한, 레이저 비임을 조사해야 하는 V자형 돌기부와 코어 부재 단부 엣지 사이의 접합면이, 비임 조사 방향에 대하여 예각을 이루므로, 레이저 비임이 접합면의 용접에 유효하게 작용하지 못하여 용접 불량이 발생할 우려가 있었다.

본 발명의 제1 목적은, 전극체의 단부에 음극 집전판을 용접 고정하는 집전 구조의 비수 전해액 이차 전지에 있어서, 전극체에 대한 음극 집전판의 용접성을 개선하여 높은 집전 효율을 얻을 수 있는 비수 전해액 이차 전지의 구조와 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제2 목적은, 전극체를 구성하는 코어 부재가 매우 얇은 경우에도 코어 부재 단부 엣지와 집전판을 큰 접촉 면적으로 접합시키는 것이 가능하고, 게다가 생산성이 우수한 집전 구조를 갖는 비수 전해액 이차 전지, 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

<제1 목적을 달성하기 위한 구성>

본 발명에 관한 비수 전해액 이차 전지에 있어서는, 전극체(2)의 감김 축방향의 양단부 중, 한 쪽 단부에는 음극(21)의 단부 엣지가 돌출하고, 상기 단부 엣지에 음극 집전판(3)이 접합되며, 상기 음극 집전판(3)은 음극 단자부에 전기 접속되어 있다. 여기서, 음극 집전판(3)은 구리 또는 구리를 주체로 하는 합금으로 이루어지는 구리층부(31)와, 리튬과 금속간 화합물을 형성하지 않는 금속이면서 또한 구리보다도 레이저광 반사율이 낮은 금속 또는 상기 금속을 주체로 하는 합금으로 이루어지는 금속층부를 갖는 복수층부로 구성되고, 구리층부(31) 및 금속층부가 양 측의 표면층을 형성하며, 구리층부(31)가 음극(21)의 단부 엣지에 용접되어 있다. 구체적으로는, 음극 집전판(3)의 금속층부를 형성하는 금속은 니켈, 스테인레스 강, 티탄, 크롬, 몰리브덴 등이다.

상기 본 발명의 비수 전해액 이차 전지에 따르면, 그 제조 공정에 있어서, 음극 집전판(3)을 전극체(2)의 음극(21)의 단부 엣지에 레이저 용접할 때, 음극 집전판(3)의 레이저 비임 수광측에는 레이저광 반사율이 낮은 금속층부가 형성되어 있으므로, 레이저 비임의 에너지가 충분히 흡수되어 완전한 용접이 행해진다.

또한, 음극 집전판(3)의 금속층부는 리튬과 금속간 화합물을 형성하지 않는 금속 또는 상기 금속을 주체로 하는 합금으로 이루어지므로, 비수 전해액 속의 리튬 이온을 소비하여 합금을 형성하지 않으며, 이로써 비수 전해액 속의 리튬 이온 농도의 저하가 방지된다.

또한, 음극 집전판(3)은 구리층부(31)와 금속층부를 갖는 복수층 구조를 갖고 있으므로, 구리층부의 우수한 도전성에 의해서 금속층부만으로 이루어지는 것보다도 전기 저항이 낮아져서 높은 전기 도전성을 발휘한다.

그리고, 전극체(2)의 음극(21)의 단부 엣지는 전체 길이에 걸쳐서 음극 집전판(3)의 구리층부(31)와 접합되어 있으므로, 전지가 대형화되고 전극이 길어진 경우라도 전극체(2)의 전체에서 균일하게 집전을 행하는 것이 가능하다. 이 결과, 음극(21)의 길이 방향의 전위 구배가 작아지며, 전류 분포는 편중이 없는 균일한 것으로 된다. 이로써, 높은 집전 효율이 달성된다.

구체적으로는, 음극 집전판(3)의 두께는 0.10 mm 내지 5.00 mm 범위내이다. 음극 집전판(3)의 두께가 0.10 mm 보다도 작아지면, 음극 집전판(3) 자체의 전기 저항이 커져서 집전 효율이 저하할 뿐만 아니라, 레이저 용접에 의해서 음극 집전판(3)이 과도하게 용융하여 용접부에 함몰이 발생한다. 이에 대하여, 음극 집전판(3)의 두께가 5.00 mm를 초과하면, 음극 집전판(3)의 용접에 큰 파워가 필요해지고, 두께 수십 미크론의 음극(21)의 단부 엣지에 음극 집전판(3)을 용접하는 것이 곤란해진다.

또한, 구체적으로는 음극 집전판(3)의 두께에 대한 금속층부의 두께의 비율은 5 % 이상, 45 % 이하의 범위이다. 이에 의해서, 금속층부가 레이저광 반사율을 저하시키는 기능을 충분히 발휘하는 동시에, 구리층부(31)가 전기 저항을 저하시키는 기능을 충분히 발휘한다. 즉, 금속층부의 두께의 비율이 5 % 보다도 작을 때는 음극 집전판(3)의 용접 개시 직후에 금속층부가 용융하여 소실되어, 레이저광 반사율이 높은 표면이 드러나므로 용접성이 저하된다. 이에 대하여, 금속층부의 두께의 비율이 45 %를 초과하면, 음극 집전판(3)의 전기 저항에 관하여 금속층부가 지배적으로 되어, 음극 집전판(3) 전체의 전기 저항이 증대한다.

또한, 본 발명에 관한 비수 전해액 이차 전지의 제조 방법은,

한 쪽 단부에 양극(23)의 단부 엣지가 돌출하는 동시에, 다른 쪽 단부에 음극(21)의 단부 엣지가 돌출하도록 분리기(22)를 사이에 개재하여 양극(23)과 음극(21)을 중합하고, 이것을 나선형으로 권취함으로써 전극체(2)를 제조하는 공정과,

알루미늄 또는 알루미늄을 주체로 하는 합금으로 이루어지는 양극 집전 판(30)을 제조하는 공정과,

구리 또는 구리를 주체로 하는 합금으로 이루어지는 구리층부(31)와, 리튬과 금속간 화합물을 형성하지 않는 금속이면서 또한 구리보다도 레이저광 반사율이 낮은 금속 또는 상기 금속을 주체로 하는 합금으로 이루어지는 금속층부를 갖는 복수층부로 구성되고, 구리층부(31) 및 금속층부가 양측의 표면층을 형성하는 음극 집전판(3)을 제조하는 공정과,

양극(23)의 단부 엣지가 돌출한 전극체(2)의 단부에 양극 집전판(30)을 설치하고, 상기 양극 집전판(30)의 표면에 레이저 비임을 조사하여, 양극(23)의 단부 엣지에 양극 집전판(30)을 용접하는 공정과,

음극(21)의 단부 엣지가 돌출한 전극체(2)의 단부에, 구리층부(31)가 음극(21)의 단부 엣지에 접촉하도록 음극 집전판(3)을 설치하고, 상기 음극 집전판(3)의 금속층부의 표면에 레이저 비임을 조사하여, 음극(21)의 단부 엣지에 음극 집전판(3)을 용접하는 공정과,

전극체(2)에 용접된 양극 집전판(30) 및 음극 집전판(3)을 각각 양극 단자부 및 음극 단자부에 전기 접속하여 이차 전지를 조립하는 공정을 갖고 있다.

상기 본 발명의 제조 방법에 따르면, 전극체(2)의 음극(21)의 단부 엣지에 음극 집전판(3)을 레이저 용접하는 공정에 있어서, 레이저광은 반사율이 낮은 금속층부의 표면에 조사되므로, 레이저 비임의 에너지가 충분히 음극 집전판(3)과 음극(21) 단부 엣지의 접합부에 제공되며, 이 결과 음극 집전판(3)과 음극(21) 단부 엣지는 서로 완전히 용착된다.

또한, 전극체(2)의 양극(23)의 단부 엣지에 양극 집전판(30)을 레이저 용접하는 공정에서는 양극 집전판(30)의 재질인 알루미늄은 레이저광의 반사율이 낮으므로, 레이저 비임의 에너지가 충분히 양극 집전판(30)과 양극(23) 단부 엣지의 접합부에 제공되며, 이 결과 양극 집전판(30)과 양극(23) 단부 엣지는 서로 완전히 용착된다.

그 후, 조립 공정에 있어서는 양극 집전판(30) 및 음극 집전판(3)을 각각 양극 단자부 및 음극 단자부에 전기 접속한다.

이로써, 전극체(2)로부터 양 단자부까지의 전기 저항은 충분히 낮아져서 높은 집전 효율이 달성된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 관한 비수 전해액 이차 전지 및 그 제조 방법에 따르면, 전극체에 대한 음극 집전판의 용접성이 향상되어 높은 집전 효율을 얻을 수 있다.

<제2 목적을 달성하기 위한 구성>

본 발명에 관한 비수 전해액 이차 전지에 있어서는, 전지통(1)의 내부에, 양극(71)과 음극(73) 사이에 비수 전해액을 함유한 분리기(72)를 개재시켜 이들을 적층한 전극체(7)가 수납되고, 양극(71) 및 음극(73)은 각각 띠형 코어 부재의 표면에 활물질을 도포하여 구성되며, 상기 전극체(7)가 발생하는 전력을 한 쌍의 전극 단자로부터 외부로 취출하는 것이 가능하다.

여기서, 전극체(7)의 적어도 어느 한 쪽 단부에는 양극(71) 또는 음극(73)을 구성하는 띠형 코어 부재의 단부 엣지(78)가 돌출하고, 상기 단부 엣지(78)에는 집 전판(8)이 접합되며, 집전판(8)에는 코어 부재 단부 엣지(78)와의 대향면에 단면 형상이 원호형 또는 4각 이상의 다각 형상(예를 들어 사다리꼴형)으로 돌출하는 복수개의 볼록부(82)가 형성되고, 각 볼록부(82)가 코어 부재 단부 엣지(78)에 식입된 상태에서, 집전판(8)이 코어 부재 단부 엣지(78)에 용접되는 동시에 한 쪽 전극 단자와 연결되어 있다.

양극(71) 및 음극(73)을 각각 분리기(72) 상에 폭방향으로 어긋나게 하여 중합하고, 이들을 나선형으로 권취하며, 양극(71) 및 음극(73)의 각 코어 부재의 단부 엣지(78)가 분리기(72)의 단부 엣지보다도 외측으로 돌출한 전극체(7)를 제조하는 공정과,

도전성을 갖는 평판형 본체(81)에, 단면 형상이 원호형 또는 4각 이상의 다각 형상으로 돌출하는 복수개의 볼록부(82)를 형성하여 집전판(8)을 제조하는 공정과,

전극체(7)의 각 단부로 돌출하는 코어 부재 단부 엣지(78)에 집전판(8)을 씌워 압박하여, 집전판(8)의 볼록부(82)를 코어 부재 단부 엣지(78)에 식입시킨 상태에서, 상기 볼록부(82)에 레이저 비임 또는 전자 비임을 조사하여 코어 부재 단부 엣지(78)에 집전판(8)을 용접하는 공정과,

전지통(1)의 내부에 집전판(8, 8)이 용접된 전극체(7)를 수용하고, 각 집전판(8)을 각 전극 단자에 연결하는 공정을 갖고 있다.

상기 본 발명의 비수 전해액 이차 전지 및 그 제조 방법에 있어서는, 전극 체(7)의 코어 부재 단부 엣지(78)에 집전판(8)을 압박함으로써, 상기 집전판(8)의 각 볼록부(82)가 코어 부재 단부 엣지(78)에 식입되고, 코어 부재 단부 엣지(78)에는 볼록부(82)의 표면 형상에 따른 접합면, 예를 들어 원통면으로 이루어지는 접합면이 형성된다. 상기 접합면은 볼록부(82)를 단면 V자형으로 형성한 경우보다도 큰 면적으로 된다.

따라서, 각 볼록부(82)와 코어 부재 단부 엣지(78)의 접합부에 레이저 비임 또는 전자 비임을 조사하여, 코어 부재 단부 엣지(78)에 집전판(8)을 용접함으로써, 집전판(8)은 큰 접촉 면적으로 코어 부재 단부 엣지(78)에 접합되게 되며, 그 결과 접촉 저항이 작아져서 높은 집전성을 얻을 수 있다.

또한, 집전판(8)의 볼록부(82)와 코어 부재 단부 엣지(78)의 접합면은 그 중앙부에서 비임 조사 방향에 대하여 90 °또는 그와 근사한 각도를 이루게 되므로, 레이저 비임 또는 전자 비임이 접합면의 용접에 유효하게 작용하고, 그 결과 큰 접합 면적에 따른 높은 용접 강도를 얻을 수 있게 된다.

구체적 구성에 있어서, 집전판(8)은 평판형 본체(81)에 상기 복수의 볼록부(82)를 형성하는 동시에, 하나 또는 복수의 액체 주입 구멍(83)을 개설하여 구성되며, 이들 액체 주입 구멍(83)에 의한 개구 면적은 평판형 본체(81)의 평면 형상이 갖는 면적의 15 % 이상으로 설정되어 있다. 상기 구체적 구성에 따르면, 전지의 조립 공정에 있어서 전지통(1)의 내부에 전해액을 주입했을 때, 상기 전해액은 집전판(8)의 액체 주입 구멍(83)을 통과하여 전극체(7)에 공급되므로, 분리기(72), 양극(71) 및 음극(73)에 전해액을 함침시키는 시간이 단축된다. 또, 집전판(8)의 액체 주입 구멍(83)에 의한 개구율이 15 %를 밑돌면, 집전판(8)에 의해서 전해액의 통과가 곤란해지므로, 전해액의 함침에 긴 시간이 필요해진다. 단, 액체 주입 구멍(83)에 의한 개구율이 90 %를 초과하면, 전류의 유로가 상당히 좁아지므로, 집전판(8)의 전기 저항이 증대하여 집전성이 저하하게 된다. 따라서, 집전판(8)의 액체 주입 구멍(83)에 의한 개구율로서는 15 % 내지 90 % 범위가 바람직하다고 할 수 있다.

다른 구체적 구성에 있어서, 집전판(8)은 평판형 본체(81)에 상기 복수의 볼록부(82)를 형성하는 동시에, 직사각형 형상의 리드부(85)를 일체로 형성하여 구성되며, 상기 리드부(85)의 선단이 전극 단자와 연결되어 있다. 상기 구체적 구성에 따르면, 리드부(85)를 전극 단자에 연결하는 작업이 용이해지는 동시에, 전극체(7)와 전극 단자 사이의 전기 저항을 작게 억제할 수 있다.

또 다른 구체적 구성에 있어서, 집전판(100)의 평판형 본체(101)의 외주부에는 볼록부(102)의 근처 위치에, 상기 위치의 코어 부재(77)의 선단부를 전극체(7)의 내측을 향해서 압박하는 코어 부재 압박부(106)가 형성되어 있다. 상기 구체적 구성에 있어서는, 상기 코어 부재(77)의 선단부가 코어 부재 압박부(106)에 의해서 압박되어 전극체(7)의 내측으로 변위되어 있고, 이에 수반하여 집전판의 볼록부(102)와의 접촉 위치도 전극체(7)의 내측으로 변위되어 있다. 따라서, 집전판의 볼록부를 코어 부재(77)의 선단부에 용접할 때, 레이저 비임 또는 전자 비임을 집전판의 볼록부의 외주측 단부까지 조사할 필요는 없으며, 상기 단부보다도 약간 내측, 즉 코어 부재(77)의 상기 변위 부위가 접촉하고 있는 위치까지 조사하면 된다. 그 결과, 비임이 집전판(100)의 외주 엣지보다도 외측으로 조사되지 않게 되며, 따라서 코어 부재(77)와 분리기(72)가 직접 비임의 조사를 받아서 용융되는 것이 방지된다.

또한, 상기 코어 부재 압박부(106)의 코어 부재(77)에 대한 압박면과 집전판(100)의 평판형 본체(101)의 표면이 이루는 각도는 30 °이상, 45 °이하의 범위이다. 상기 각도를 이 범위내로 설정함으로써, 상기 코어 부재(77)의 선단부를 전극체(7)의 내측으로 변위시키는 효과를 충분히 얻을 수 있다.

또한, 상기 본 발명의 비수 전해액 이차 전지의 제조 방법에 있어서, 집전판(8)의 볼록부(82)의 폭은 레이저 비임 또는 전자 비임의 스폿 직경의 0.8배 이상으로 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 집전판(8)의 볼록부(82)의 단면 형상이 반원형인 경우, 상기 반원의 직경이 레이저 비임 또는 전자 비임의 스폿 직경의 0.8배 이상인 것이 바람직하다. 또한, 집전판(8)의 볼록부(82)의 단면 형상이 사다리꼴형인 경우, 상기 사다리꼴의 상변(짧은 변)의 폭이 레이저 비임 또는 전자 비임의 스폿 직경의 0.8배 이상인 것이 바람직하다. 이로써, 집전판(8)의 볼록부(82)와 코어 부재 단부 엣지(78)의 접합부에 레이저 비임 또는 전자 비임의 에너지가 집중적으로 제공되므로, 접합부가 충분히 용융되어 큰 접합 면적과 높은 용접 강도를 얻을 수 있다.

또, 집전판(8)의 볼록부(82)의 돌출 거리는 0.5 mm 이상, 3 mm 이하인 것이 바람직하다. 볼록부(82)의 돌출 거리가 0.5 mm 보다도 작아지면, 전극체(7)의 코어 부재 단부 엣지(78)가 일평면으로 가지런하게 되어 있지 않은 경우에 있어서, 볼록부(82)를 모든 코어 부재 단부 엣지(78)에 대하여 충분히 식입시킬 수 없으며, 그 결과 충분한 용접 강도를 얻을 수 없다. 또한, 볼록부(82)의 돌출 거리가 3 mm 보다도 커지면, 용접 강도 향상의 효과가 포화되는 한편, 전지통(1) 내의 무효 공간이 증대하여 체적 에너지 밀도가 저하하게 된다.

또한, 집전판(8)의 두께는 0.1 mm 이상, 2 mm 이하인 것이 바람직하다. 집전판(8)의 두께가 0.1 mm 보다도 작아지면, 집전판(8)의 전기 저항이 증대하여 집전성이 저하된다. 또한, 집전판(8)의 두께가 2 mm 보다도 커지면, 집전성 향상의 효과가 포화되는 한편, 리드부(85)를 일체로 성형한 경우의 리드부(85)의 가공성에 문제가 발생한다.

또한, 집전판(8)의 볼록부(82)의 판두께는 평판형 본체(81)의 판두께보다도 작은 것이 바람직하다. 상기 구성에 있어서는, 평판 부분의 두께가 크기 때문에 집전성이 저하하지 않고, 게다가 비임 조사부의 두께가 작으므로, 낮은 에너지로 용접을 행할 수 있다.

집전판(8)의 재질로서는 Cu, Al, Ni, SUS, Ti 또는 이들 금속의 합금을 채용할 수 있다. 이로써, 비수 전해액에 대한 내부식성과 도전성이 우수한 전지를 제공할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 관한 비수 전해액 이차 전지 및 그 제조 방법에 따르면, 전극체를 구성하는 코어 부재가 매우 얇은 경우에도 코어 부재 단부 엣지와 집전판을 큰 접촉 면적으로 접합시키는 것이 가능하며, 생산성도 양호해진다.

이하, 본 발명을 원통형 리튬 이온 이차 전지에 실시한 형태에 대하여 도면 을 참조하여 구체적으로 설명한다.

<제1 실시예>

본 실시예의 원통형 리튬 이온 이차 전지는 도1에 도시한 바와 같이, 통(15)의 양단 개구부에 덮개(16, 16)를 고정하여 전지통(1)이 구성되고, 상기 전지통(1)의 내부에 권취 전극체(2)가 수용되어 있다. 권취 전극체(2)의 양단부에는 구리층부(31)와 리튬과 금속간 화합물을 형성하지 않는 금속이면서 또한 구리보다도 레이저광 반사율이 낮은 금속 또는 상기 금속을 주체로 하는 합금으로 이루어지는 금속층부의 2층으로 구성되는 음극 집전판(3) 및 양극 집전판(30)이 설치되고, 권취 전극체(2)의 양단부에 레이저 용접되어 있다. 또한, 음극 집전판(3) 및 양극 집전판(30)은 각각 연결띠(33, 34)를 거쳐서, 덮개(16, 16)에 부착된 음극 단자 기구(4) 및 양극 단자 기구(40)에 연결되어 있다.

권취 전극체(2)는 도4에 도시한 바와 같이, 각각 띠 형상의 양극(23), 분리기(22), 및 음극(21)으로 구성된다. 양극(23)은 알루미늄박으로 만들어지는 코어 부재의 표면에 LiCo0₂로 이루어지는 양극 활물질(26)을 도포하여 구성되고, 음극(21)은 구리박으로 만들어지는 코어 부재의 표면에 천연 흑연으로 이루어지는 음극 활물질(24)을 도포하여 구성되어 있다.

양극(23) 및 음극(21)은 각각 분리기(22) 상에 폭방향으로 어긋나게 하여 중합되고, 나선형으로 권취되어 있다. 이로 인해, 권취 전극체(2)의 축방향의 양단부 중, 한 쪽 단부에서는 나선형으로 권취된 음극(21)의 단부 엣지[비도공부(25)] 가 분리기(22)의 단부 엣지보다도 외측으로 돌출하는 동시에, 다른 쪽 단부에서는 나선형으로 권취된 양극(23)의 단부 엣지[비도공부(27)]가 분리기(22)의 단부 엣지보다도 외측으로 돌출하게 된다.

예를 들어, 각 전극의 활물질 도공부(24, 26)의 폭(A)은 수십 mm, 비도공부(25, 27)의 폭(B)은 10 mm 정도, 분리기(22)로부터의 돌출 거리(S)는 1 내지 3 mm 정도로 형성할 수 있다.

음극 집전판(13)은 도1 및 도2에 도시한 바와 같이 원반형을 이루고, 두께 2.40 mm의 구리층부(31)와, 리튬과 금속간 화합물을 형성하지 않는 금속이면서 또한 구리보다도 레이저광 반사율이 낮은 금속인 니켈로 이루어지는 두께 0.60 mm의 니켈층부(32)로 구성되는 2층 구조를 갖고 있다. 상기 음극 집전판(3)의 단부에는 구리로 된 연결띠(33)가 돌출 형성되어 있다. 또한, 음극 집전판(3)으로서는 도5에 도시한 바와 같이, 니켈층부(32) 대신에 스테인레스강층부(35)를 형성한 것을 채용하는 것이 가능하다. 그리고, 음극 집전판(3)으로서는 도6에 도시한 바와 같이 구리층부(31)와 니켈층부(32)가 양측의 표면층을 형성하고, 양 표면층의 사이에 스테인레스강층부(39)가 개재되어 있는 3층 구조로 형성하는 것도 가능하다. 또, 리튬과 금속간 화합물을 형성하지 않는 금속이면서 또한 구리보다도 레이저광 반사율이 낮은 금속을 사용한 것이면, 니켈층부(32)와 스테인레스강층부(35) 대신에 티탄층부, 크롬층부, 또는 몰리브덴층부를 채용하는 것도 가능하다.

한편, 양극 집전판(30)도 마찬가지로 원반형을 이루고, 두께 1.00 mm의 알루미늄판으로 형성되며, 그 단부에는 도1과 같이 알루미늄으로 된 연결띠(34)가 돌출 형성되어 있다.

음극 집전판(3)은 도3에 도시한 바와 같이, 구리층부(31)가 권취 전극체(2)의 음극(21)의 단부 엣지[비도공부(25)]에 접촉하도록 권취 전극체(2)의 단부에 설치되고, 니켈층부(32)의 표면에 레이저 비임을 조사함으로써 음극(21)의 단부 엣지에 용접되어 있다.

또한, 양극 집전판(30)도 마찬가지로 권취 진극체(2)의 단부에 설치되고, 그 표면에 레이저광을 조사함으로써 양극(23)의 단부 엣지에 용접되어 있다.

도1에 도시한 바와 같이, 음극 단자 기구(4)는 나사축부(42)의 하단부에 플랜지부(43)를 돌출 형성하여 이루어지는 단자 부재(41)를 구비하고 있다. 단자 부재(41)의 나사축부(42)는 덮개(16)를 관통하고, 단자 부재(41)의 주위에는 제1 절연 부재(45) 및 제2 절연 부재(46)가 장착되어, 덮개(16)와 단자 부재(41) 사이의 전기적 절연과 기밀성이 유지되어 있다. 또한, 단자 부재(41)의 선단부에는 와셔(47)가 끼워 넣어지는 동시에 너트(48)가 나사 결합되어 있다. 양극 단자 기구(40)도 같은 구조를 갖고 있다.

음극 집전판(3)으로부터 연신하는 연결띠(33)의 선단부는 음극 단자 기구(4)의 단자 부재(41)의 플랜지부(43)에 용접되는 동시에, 양극 집전판(30)으로부터 연신하는 연결띠(34)의 선단부는 양극 단자 기구(40)의 단자 부재(41)의 플랜지부(43)에 용접되어 있다. 이로써, 음극 단자 기구(4)와 양극 단자 기구(40)로부터 권취 전극체(2)의 발생 전력을 취출할 수 있다.

다음에, 상기 본 발명의 리튬 이온 이차 전지의 제조 공정에 대하여 설명한 다.

<권취 전극체(2)의 제조>

LiCoO₂로 이루어지는 양극 활물질과, 탄소로 이루어지는 도전 보조제와, 폴리불화비닐리덴(PVdF)으로 이루어지는 바인더를 혼합하여 양극 합제를 조제하고, 상기 양극 합제를 도4에 도시한 바와 같이 알루미늄박으로 만들어진 띠 형상의 양극 코어 부재의 양면에 도포하여 양극(23)을 제조한다. 또, 양극 코어 부재의 한 쪽 단부에는 양극 활물질이 도포되지 않은 폭 10 mm의 비도공부(27)를 형성한다.

천연 흑연으로 이루어지는 음극 활물질과, 폴리불화비닐리덴(PVdF)으로 이루어지는 바인더를 혼합하여 음극 합제를 조제하고, 상기 음극 합제를 구리박으로 만들어지는 띠 형상의 음극 코어 부재의 양면에 도포하여 음극(21)을 제조한다. 또, 음극 코어 부재의 한 쪽 단부에는 음극 활물질이 도포되지 않은 폭 10 mm의 비도공부(25)를 형성한다.

또한, 양극 활물질 도공부 및 음극 활물질 도공부의 폭(A)보다 약간 큰 폭을 갖는 분리기(22)를 준비한다. 또, 분리기(22)는 다공성의 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌으로 형성된다.

그 후, 도4와 같이 양극(23), 분리기(22) 및 음극(21)을 중합하고, 이들을 나선형으로 권취하여 권취 전극체(2)를 제조한다. 이 때, 양극(23)의 활물질 비도공부(27)와 음극(21)의 활물질 비도공부(25)의 단부 엣지가 분리기(22)의 단부 엣지로부터 외측으로 돌출하도록 중합시킨다.

<양극 집전판(30) 및 음극 집전판(3)의 제조>

도2와 같이 두께 2.40 mm의 구리층부(32)와 두께 0.60 mm의 니켈층부(32)로 이루어지는 2층 구조의 음극 집전판(3), 도5와 같이 스테인레스강층부(35)로 이루어지는 2층 구조의 음극 집전판(3), 또는 도6과 같이 두께 2.40 mm의 구리층부(31)와 두께 0.30 mm의 니켈층부(32) 사이에 두께 0.30 mm의 스테인레스강층부(39)가 형성된 3층 구조의 음극 집전판(3)을 제조하고, 음극 집전판(3)의 단부에 구리로 된 연결띠(33)의 기초 단부를 연결한다. 또한, 두께 1.00 mm의 알루미늄판으로 이루어지는 양극 집전판(30)을 제조하고, 상기 양극 집전판(30)의 단부에 알루미늄으로 된 연결띠(34)의 기초 단부를 연결한다.

<전지의 조립>

권취 전극체(2)의 음극(21)의 단부 엣지에 구리층부(31)가 접촉하도록 음극 집전판(3)을 설치하고, 상기 음극 집전판(3)의 니켈층부(32)의 표면에 레이저 비임을 조사하여, 음극(21)의 단부 엣지에 음극 집전판(3)을 용접한다. 또한, 권취 전극체(2)의 양극(23)의 단부 엣지에 양극 집전판(30)을 설치하고, 상기 양극 집전판(30)의 표면에 레이저 비임을 조사하여, 양극(23)의 단부 엣지에 양극 집전판(30)을 용접한다.

그 후, 음극 집전판(3)으로부터 연신하는 연결띠(33)의 선단부를 음극 단자 기구(4)의 단자 부재(41)의 플랜지부(43)에 초음파 용접하는 동시에, 양극 집전판(30)으로부터 연신하는 연결띠(34)의 선단부를 양극 단자 기구(40)의 단자 부재(41)의 플랜지부(43)에 초음파 용접한다. 또한, 양 덮개(16)에는 음극 단자 기 구(4) 및 양극 단자 기구(40)를 조립한다.

그리고, 통(15)의 내부에 권취 전극체(2)를 삽입하고, 통(15)의 양 개구부에 덮개(16)를 용접 고정한 후, 도시 생략한 전해액 주입구로부터 전해액을 주입한다. 또, 전해액은 에틸렌카아보네이트와 디에틸카아보네이트를 체적비 1 : 1로 혼합하고, 이 혼합 용매에 LiPF₆을 1 M/L의 비율로 용해시킨 것이다. 마지막으로, 전해액 주입구를 밀봉한다. 이로써, 도1에 도시한 원통형 리튬 이온 이차 전지가 완성된다.

그리고, 양극 활물질로서는 상술한 LiCoO₂로 한정하는 것이 아니라, LiNiO₂, LiMn₂O₄등을 채용할 수 있고, 또 음극 활물질로서는 상술한 천연 흑연으로 한정하는 것이 아니라, 인조 흑연, 코크스 등의 다른 탄소 재료와 리튬을 흡장(吸藏) 방출 가능한 재료를 채용할 수 있다. 또한, 전해액으로서는 상술한 것으로 한정하는 것이 아니라, 비닐렌카아보네이트, 프로필렌카아보네이트 등의 유기 용매나, 이들과 디메틸카아보네이트, 디에틸카아보네이트, 1, 2-디메톡시에탄, 에톡시메톡시에탄 등의 저비점 용매와의 혼합 용매에 LiClO₄, LiCF₃SO₄ 등의 용질을 0.7 내지 1.5 mol/ℓ의 비율로 용해시킨 용액 등을 채용할 수 있다.

<실험>

상기 본 발명의 원통형 리튬 이온 이차 전지에 있어서, 도2에 도시한 바와 같이 음극 집전판(3)이 2층으로 이루어지고, 니켈층부(32)의 두께와 구리층부(31)의 두께를 다양하게 변화시킨 발명 전지 1 내지 11을 제조했다. 또한, 도5에 도시 한 바와 같이 음극 집전판(3)이 2층으로 이루어지고, 스테인레스강층부(35)의 두께와 구리층부(31)의 두께를 다양하게 변화시킨 발명 전지 12 내지 22를 제조했다. 그리고, 도6에 도시한 바와 같이 음극 집전판(3)이 니켈층부(32), 스테인레스강층부(35) 및 구리층부(31)의 3층 구조로 이루어지는 발명 전지 23을 제조했다. 한편, 도7에 도시한 바와 같이 니켈판 또는 구리판으로 이루어지는 1층 구조의 음극 집전판을 구비하고 있는 것 이외는 본 발명 전지와 마찬가지로, 비교 전지 1 및 2를 제조했다. 그리고, 각 전지의 출력 밀도를 구했다. 또, 상기 스테인레스강으로서는 오스테나이트계 스테인레스강을 사용했다.

각 전지의 구성을 표1 내지 표6에 나타낸다.

각 전지에 대하여, 방전 심도 50 %로 다른 전류값으로 10초 동안의 방전을 행하고, 그 10초후의 전지 전압과 그 때의 전류값의 관계로부터 각 전지의 출력 밀도를 구했다. 그 결과를 표7 내지 표9에 나타낸다.

표7 및 표8로부터 명확해지는 바와 같이, 발명 전지 1 내지 11 및 12 내지 22에 있어서는 비교 전지 1 및 2보다도 높은 출력 밀도가 얻어지고 있다. 이것은, 발명 전지에서는 구리층부(31)와 니켈층부(32) 또는 스테인레스강층부(35)로 이루어지는 2층 구조의 음극 집전판(3)을 장착 구비함으로써, 음극 집전판(9)을 권취 전극체(2)에 레이저 용접할 때의 레이저광의 반사가 억제되어, 음극 집전판(3)이 음극(21)의 단부 엣지에 확실하게 용접되므로, 집전 효율이 향상된 것이다.

이에 대하여, 비교 전지 1에 있어서는 구리로 된 음극 집전판의 표면에서 레이저광이 반사되어 용접이 불충분해지고 집전 효율이 저하된 것이며, 비교 전지 2에 있어서는 니켈로 된 음극 집전판의 전기 저항이 크므로 집전 효율이 저하된 것이다.

또한, 음극 집전판(3)의 전체 두께가 0.10 mm 내지 5.00 mm 범위인 발명 전지 2 내지 5 및 13 내지 16에 있어서, 이 범위밖의 발명 전지 1 및 6, 12 및 17보다도 출력 밀도가 증대하고 있다. 이것은 음극 집전판(3)의 두께가 0.10 mm 보다도 작아지면, 음극 집전판(3) 자체의 전기 저항이 커져서 집전 효율이 저하하기 때문이며, 또한 음극 집전판(3)의 두께가 5.00 mm를 초과하면, 용접이 불충분해져서 집전 효율이 저하하기 때문이다.

그리고, 음극 집전판(3)의 두께에 대한 니켈층부(32)의 두께의 비율이 5 % 내지 45 % 범위인 발명 전지 4 및 8 내지 10에 있어서, 이 범위밖의 발명 전지 7 및 11보다도 출력 밀도가 증대하고 있다. 마찬가지로, 음극 집전판(3)의 두께에 대한 스테인레스강층부(35)의 두께의 비율이 5 % 내지 45 % 범위인 발명 전지 15 및 19 내지 21에 있어서, 이 범위밖의 발명 전지 18 및 22보다도 출력 밀도가 증대하고 있다. 이것은 니켈층부(32) 또는 스테인레스강층부(35)의 두께의 비율이 5 % 보다도 작을 때는 음극 집전판(3)의 용접 개시 직후에 구리층부(31)의 표면이 드러나며, 레이저광 반사율이 증대하여 용접이 불충분해져서 집전 효율이 저하하기 때문이고, 또한 니켈층부(32) 또는 스테인레스강층부(35)의 두께의 비율이 45 %를 초과하면, 음극 집전판(3)의 전기 저항이 증대하여 집전 효율이 저하하기 때문이다.

그리고, 표9로부터 명확해지는 바와 같이, 발명 전지 23에 있어서는 비교 전지 1 및 2보다도 높은 출력 밀도가 얻어지고 있다. 이것은 니켈층부(32)와 구리층부(31) 사이에 스테인레스강층부(35)가 형성된 3층 구조의 음극 집전판(3)을 사용한 경우도 동일한 효과가 얻어짐을 나타내고 있다.

이상의 결과로부터, 구리층부(31)와 니켈층부(32) 또는 스테인레스강층부(35)를 갖는 음극 집전판(3)을 장착 구비함으로써, 집전 효율의 향상, 더 나아가서는 출력 밀도의 증대가 가능함을 알 수 있다. 또한, 음극 집전판(3)의 두께는 0.10 mm 내지 5.00 mm 범위가 바람직하고, 음극 집전판(3) 전체의 두께에 대한 니켈층부(32) 또는 스테인레스강층부(35)의 두께의 비율은 5 % 내지 45 %가 바람직하다고 할 수 있다. 또한, 상기 범위내이면 음극 집전판(3)은 2층 이상의 구성이 가능함을 알 수 있다.

<제2 실시예>

*본 실시예의 원통형 리튬 이온 이차 전지는 도8에 도시한 바와 같이, 통(15)의 양단부에 덮개(16, 16)를 용접 고정하여 이루어지는 원통형의 전지통(1)의 내부에, 권취 전극체(7)를 수용하여 구성되어 있다. 양 덮개(16, 16)에는 양음 한 쌍의 전극 단자 기구(110, 110)가 부착되어 있다. 또, 전극 단자 기구(110)는 종래와 동일한 구성을 갖추고 있다. 또한, 각 덮개(16)에는 압력 개폐식의 가스 배출 밸브(13)가 부착되어 있다.

권취 전극체(7)의 양단부에는 각각 집전판(8)이 설치되고, 코어 부재 단부 엣지(78)에 레이저 용접되어 있다. 상기 집전판(8)의 단부에 돌출 형성된 리드부(85)의 선단은 전극 단자 기구(110)를 구성하는 전극 단자(111)의 플랜지부(112)에 스폿 용접, 초음파 용접 또는 레이저 용접에 의해서 접합되어 있다.

<권취 전극체(7)>

권취 전극체(7)는 도9에 도시한 바와 같이, 각각 띠 형상의 양극(71)과 음극(73) 사이에 띠 형상의 분리기(72)를 개재시키고, 이들을 나선형으로 권취하여 구성되어 있다. 양극(71)은 알루미늄박으로 이루어지는 띠형 코어 부재(75)의 양면에 리튬 복합 산화물로 이루어지는 양극 활물질(74)을 도포하여 구성되고, 음극(73)은 구리박으로 이루어지는 띠형 코어 부재(77)의 양면에 탄소 재료를 함유하는 음극 활물질(76)을 도포하여 구성되어 있다. 분리기(72)에는 비수 전해액이 함침되어 있다.

양극(71)에는 양극 활물질(74)이 도포되어 있는 도공부와, 양극 활물질이 도포되어 있지 않은 비도공부가 형성되어 있다. 또한, 음극(73)에도 음극 활물질(76)이 도포되어 있는 도공부와, 음극 활물질이 도포되어 있지 않은 비도공부가 형성되어 있다.

양극(71) 및 음극(73)은 각각 분리기(72) 상에 폭방향으로 어긋나게 하여 중합하고, 양극(71) 및 음극(73)의 상기 비도공부를 분리기(72)의 양단부 엣지로부터 각각 외측으로 돌출시킨다. 그리고, 이들을 나선형으로 권취함으로써 권취 전극체(7)가 구성된다. 상기 권취 전극체(7)에 있어서는 감김 축방향의 양단부 중, 한 쪽 단부에서는 양극(71)의 비도공부의 코어 부재 단부 엣지(78)가 분리기(72)의 한 쪽 단부 엣지보다도 외측으로 돌출하고, 다른 쪽 단부에서는 음극(73)의 비도공부의 코어 부재 단부 엣지(78)가 분리기(72)의 다른 쪽 단부 엣지보다도 외측으로 돌출하고 있다.

<집전 구조>

집전판(8)은 도9 및 도10에 도시한 바와 같이, 원형의 평판형 본체(81)를 구비하고, 상기 평판형 본체(81)에는 방사상으로 연신하는 복수개의 원호형 볼록부(82)가 일체 성형되며, 권취 전극체(7)측으로 돌출되어 있다. 또한, 평판형 본체(81)에는 중앙 구멍(84)이 개설되는 동시에, 상기 중앙 구멍(84)의 주위에 복수의 액체 주입 구멍(83)이 개설되어 있다. 그리고, 평판형 본체(81)의 단부에는 직사각형 형상의 리드부(85)가 일체로 형성되어 있다.

또, 집전판(8)의 원호형 볼록부(82)는 도11에 도시한 바와 같이 평판형 본체(81)의 반직경선에 직교하는 단면 형상이 반원의 원호를 이루고 있다.

<다른 집전 구조>

도16 및 도17은 다른 구조를 갖는 집전판(100)을 도시하고 있다. 상기 집전판(100)은 원형의 평판형 본체(101)를 구비하고, 상기 평판형 본체(101)에는 방사상으로 연신하는 복수개의 사다리꼴형 볼록부(102)가 일체 성형되며, 권취 전극체(7)측으로 돌출되어 있다. 또한, 평판형 본체(101)에는 중앙 구멍(104)이 개설되어 있는 동시에, 상기 중앙 구멍(104)의 주위에 복수의 액체 주입 구멍(103)이 개설되어 있다. 또한, 평판형 본체(101)의 단부에는 직사각형 형상의 리드부(105)가 일체로 형성되어 있다.

그리고, 평판형 본체(101)의 외주부에는 각 볼록부(102)의 양측 부근 위치에, 상기 권취 전극체(7)의 코어 부재(77)의 선단부를 권취 전극체(7)의 내측을 향해서 압박하는 코어 부재 압박부(106)가 하측을 향해 돌출 형성되어 있다. 코어 부재 압박부(106)는 평판형 본체(101)의 외주부에 절단 및 절곡 가공을 실시함으로써, 도17에 도시한 폭(X)이 2 mm, 길이(Y)가 5 mm의 직사각형 형상으로 형성되어 있다.

<제조 방법>

도8에 도시한 전지통(1), 전극 단자 기구(110), 도9에 도시한 권취 전극체(7), 및 집전판(8)을 각각 제조한 후, 도12에 도시한 바와 같이 권취 전극체(7)의 각 단부에 형성되어 있는 코어 부재 단부 엣지(78)에 집전판(8)을 압박한다.

이로써, 집전판(8)의 원호형 볼록부(82)는 도13에 도시한 바와 같이 권취 전극체(7)의 코어 부재 단부 엣지(78)에 식입되고, 원호형 볼록부(82)와 코어 부재 단부 엣지(78) 사이에는 원통면으로 이루어지는 접합면이 형성된다.

이 상태에서, 도면중에 화살표로 도시한 바와 같이, 집전판(8)의 원호형 볼록부(82)의 내주면을 향해서 레이저 비임을 조사하여 레이저 용접을 실시한다. 그 결과, 집전판(8)의 원호형 볼록부(82)와 권취 전극체(7)의 코어 부재 단부 엣지(78)가 큰 접촉 면적으로 서로 접합되게 된다.

또한, 도18 및 도19에 도시한 집전판(100)을 사용한 경우, 집전판(100)을 권취 전극체(7)의 단부에 압박함으로써, 코어 부재(77)의 선단부가 코어 부재 압박부(106)에 의해서 압박되어 권취 전극체(7)의 내측으로 변위하고, 이에 수반하여 상기 선단부와 집전판(100)의 볼록부(102)의 접촉 위치도 권취 전극체(7)의 내측으로 변위하게 된다. 한편, 집전판(100)을 권취 전극체(7)의 단부에 레이저 용접할 때, 레이저 비임은 도18중에 이점 쇄선으로 그 스폿(107)의 궤적을 도시한 바와 같이, 집전판(100)의 볼록부(102)를 따라서 예를 들어 집전판(100)의 내주측으로부터 외주측을 향해서 이동시키는데, 가장 외주측의 스폿(107a)의 위치는 상술한 코어 부재(77) 선단부의 변위에 수반하여, 집전판(100)의 볼록부(102)의 외주측 단부(102a) 보다도 약간 내측에 머무르게 하는 것이 가능해진다. 가령, 가장 외주측의 스폿(107a)의 위치를 집전판(100)의 볼록부(102)의 외주측 단부(102a)까지 진행시킨다고 하면, 그 레이저 비임의 일부가 집전판(100)의 외주 엣지보다도 외측으로 조사되어, 권취 전극체(7)의 가장 외주부에 위치하는 코어 부재(77)와 분리기(72)를 용융시킬 우려가 있다. 이에 대하여, 도18 및 도19에 도시한 구조에 있어서는, 가장 외주측의 스폿(107a)이 집전판(100)의 외주 엣지로부터 외측으로 돌출하지 않으므로, 코어 부재(77)와 분리기(72)가 레이저 비임의 조사에 의해서 용융될 우려는 없다. 따라서, 권취 전극체(7)의 가장 외주부에 위치하는 코어 부재(77)에 대해서도, 집전판(100)과의 용접이 확실하게 행해지며, 그 결과 권취 전극체(7)와 집전판(100) 사이의 접합 면적이 증대하여 집전 효율이 향상된다.

<전지의 조립>

다음과 같이 하여, 본 발명 전지 A, B, C, D, E 및 비교 전지 F, G, H, I를 제조했다.

본 발명 전지 A에 대해서는 도9에 도시한 바와 같이, 두께 20 ㎛의 알루미늄으로 된 코어 부재(75)에 코발트산 리튬으로 이루어지는 양극 활물질(74)을 도포하여 이루어지는 양극(71)과, 두께 20 ㎛의 구리로 된 코어 부재(77)에 흑연으로 이루어지는 음극 활물질(76)을 도포하여 이루어지는 음극(73)과, 이온 투과성의 폴리프로필렌으로 된 미소한 다공막으로 이루어지는 분리기(72)를 중합하고, 이들을 나선형으로 권취하여 권취 전극체(7)를 제조했다. 또, 양극(71) 및 음극(73)의 폭방향의 단부에는 일정폭의 비도공부가 형성되어 있다.

또한, 두께가 1 mm인 평판형 본체(81)에 복수개의 원호형 볼록부(82)가 방사상으로 형성되는 동시에, 복수의 액체 주입 구멍(83)이 50 %의 개구율로 개설된 알루미늄으로 된 집전판(8)을 제조하고, 상기 집전판(8)을 권취 전극체(7)의 양극측의 코어 부재 단부 엣지(78)에 씌우고 상부로부터 지그에 의해 압박했다. 또, 집전판(8)의 원호형 볼록부(82)의 두께(T)는 1 mm이고, 내경(R)은 1.2 mm로 했다.

이 상태에서 집전판(8)의 원호형 볼록부(82)의 내주면을 향해서 도13과 같이 레이저 비임을 조사하여, 집전판(8)의 원호형 볼록부(82)의 외주면을 코어 부재 단부 엣지(78)에 용접했다. 그 후, 두께 1 mm의 알루미늄으로 된 리드 부재의 기초 단부를 집전판(8)의 표면에, 그리고 선단부를 알루미늄으로 만든 전극 단자의 이면에 레이저 용접하여, 양극측의 집전 구조를 구성했다. 또한, 전극 단자, 집전판, 및 리드 부재가 니켈로 만들어진 것 이외는 양극측의 집전 구조와 마찬가지로 음극측의 집전 구조를 구성했다.

그 후, 통(15)의 내부에 권취 전극체(7)를 수용하고, 통(15)의 양 개구부에 각각 전극 단자 기구(110)가 조립된 덮개(16)를 용접 고정한 후, 지지 전해질로서 6불화 인산 리튬을 1 M/L로 함유하는 에스테르계 유기 전해액을 주입하고, 소전지(素電池)인 전력 용량 180 Wh급의 전지를 조립했다.

본 발명 전지 B에 대해서는 도15에 도시한 바와 같이, 단면이 사다리꼴 형상인 볼록부(121)를 형성한 집전판(120)을 사용한 것 이외는 본 발명 전지 A와 마찬가지로 하여 전지의 조립을 행하였다. 단, 본 발명 전지 B로서는 액체 주입 구멍에 의한 개구율을 10 %, 15 %, 30 %, 50 %, 70 %, 90 %, 및 93 %로 한 7종류의 본 발명 전지 B1 내지 B7을 제조했다. 사다리꼴형 볼록부(120)를 형성하는 홈의 깊이(H)는 1.2 mm이고, 홈 바닥면의 홈폭(B)은 1.6 mm이다.

본 발명 전지 C에 대해서는 평판형 본체에 같은 판두께의 리드부가 일체 성형되어 있는 것 이외는 본 발명 전지 B와 마찬가지로 하여 전지의 조립을 행하였다. 복수의 액체 주입 구멍에 의한 개구율은 50 %로 했다. 또한, 리드부의 선단은 전극 단자의 이면에 레이저 용접했다.

본 발명 전지 D에 대해서는, 구체적으로는 본 발명 전지 C와 마찬가지로 전지의 조립을 행하였는데, 하기와 같이 사다리꼴형 볼록부를 형성하는 홈의 형상 치수가 다른 23종류의 본 발명 전지 D1 내지 D23을 제조했다. 개구부의 면적은 전체 면적의 50 %로 했다.

즉, 본 발명 전지 D1 내지 D5는 홈 바닥면의 홈폭(B)을 각각 레이저 스폿 직경의 0.6배, 0.8배, 1.0배, 1.2배, 1.6배로 한 것이다. 본 발명 전지 D6 내지 D14는 홈 깊이(H)를 각각 0.3 mm, 0.5 mm, 0.8 mm, 1.2 mm, 1.6 mm, 2.0 mm, 2.5 mm, 3.0 mm, 3.5 mm로 한 것이다. 또한, 본 발명 전지 D15 내지 D23은 집전판의 두께(T)를 각각 0.05 mm, 0.10 mm, 0.20 mm, 0.50 mm, 1.00 mm, 1.50 mm, 2.00 mm, 2.50 mm, 3.00 mm로 한 것이다.

단, 본 발명 전지 D1 내지 D5에 대해서는 집전판의 두께(T)를 1 mm, 볼록부의 홈 깊이(H)를 1.2 mm, 볼록부의 판두께(S)를 1 mm로 하고, 본 발명 전지 D6 내지 D14에 대해서는 집전판의 두께(T)를 1 mm, 볼록부의 홈폭(B)을 1.6 mm, 볼록부의 판두께(S)를 1 mm로 하고, 본 발명 전지 D15 내지 D23에 대해서는 볼록부의 판두께(S)는 집전판의 두께(T)와 같게 하고, 볼록부의 홈폭(B)은 1.6 mm, 볼록부의 홈 깊이(H)는 1.2 mm로 했다.

본 발명 전지 E에 대해서는 도15에 도시한 집전판(120)의 두께(T)를 1 mm, 사다리꼴형 볼록부(121)의 판두께(S)를 0.5 mm로 한 것 이외는 본 발명 전지 D와 마찬가지로 하여 전지의 조립을 행하였다. 액체 주입 구멍에 의한 개구율은 50 %로 했다. 또한, 볼록부의 홈 깊이(H)는 1.2 mm, 볼록부의 홈 바닥면에 있어서의 홈폭(B)은 1.6 mm로 했다.

한편, 비교 전지 F에 대해서는 도24에 도시한 바와 같이 두께 1 mm의 평판형 본체(93)에 4개의 절곡부(94)를 형성한 집전판(92)을 제조하고, 상기 집전판(92)을 권취 전극체(7)의 코어 부재 단부 엣지(78)에 설치하고, 2개의 전극봉에 의한 스폿 용접을 실시했다. 그 후, 집전판(92) 및 전극 단자에 리드의 양단부를 스폿 용접하여 집전 구조를 구성하고, 상기 전지와 같은 방법으로 전지를 조립했다.

비교 전지 G에 대해서는 도25에 도시한 바와 같이 복수의 슬릿(96)을 갖는 집전 부재(95)를 제조하고, 상기 집전 부재(95)의 슬릿(96)에 권취 전극체(7)의 코어 부재 단부 엣지(78)를 꽂아 넣고, 상기 집전 부재(95)를 코어 부재 단부 엣지(78)에 레이저 용접했다. 그 후, 집전 부재(95) 및 전극 단자에 리드의 양단부를 레이저 용접하여 집전 구조를 구성하고, 상기 전지와 같은 방법으로 전지를 조립했다.

또한, 비교 전지 H에 대해서는 도14에 도시한 바와 같이 선단각 45 °의 단면 V자형 볼록부(91)를 구비한 두께 1 mm의 알루미늄으로 된 집전판(9)을, 두께 20 ㎛의 알루미늄으로 된 코어 부재를 구비한 권취 전극체의 양극측 코어 부재 단부 엣지(78)에 압박하고, 이 상태에서 V자형 볼록부(91)에 레이저 비임을 조사하여 레이저 용접을 실시했다. 그 후, 집전판(9) 및 전극 단자에 두께 1 mm의 알루미늄으로 된 리드의 양단부를 레이저 용접하여, 양극측의 집전 구조를 구성했다.

또한, 전극 단자, 리드 및 집전판이 니켈로 만들어진 것 이외는 양극측의 집전 구조와 마찬가지로 하여 음극측의 집전 구조를 구성했다.

본 발명 전지 I에 대해서는 도16 및 도17에 도시한 바와 같이, 단면이 사다리꼴 형상인 볼록부(102)를 형성한 집전판(100)을 사용하고, 집전판(100)의 두께(T)를 1 mm, 볼록부의 홈 깊이(H)를 1.2 mm, 볼록부의 판두께(S)를 0.5 mm, 볼록부의 홈폭(B)을 1.6 mm, 액체 주입 구멍(103)에 의한 개구율을 50 %, 코어 부재 압박부(106)의 폭(X)을 2 mm, 길이(Y)를 5 mm로 하고, 본 발명 전지 D와 마찬가지로 하여 전지의 조립을 행하였다. 또, 본 발명 전지 I로서는 도19에 도시한 바와 같이, 코어 부재 압박부(106)의 코어 부재(77)에 대한 압박면과 집전판(100)의 평판형 본체(101)의 표면이 이루는 각도(θ)를 15 °, 30 °, 40 °, 45 °, 60 °, 및 80 °로 한 6종류의 본 발명 전지 I1 내지 I6을 제조했다.

<시험>

다음에, 상술한 복수의 전지를 사용하여 이하의 성능 확인 시험을 행하고, 출력 특성의 비교를 행하였다.

각 전지의 구성 및 출력의 측정 결과를 표10 내지 표12에 정리하여 나타낸다.

<본 발명 전지 A와 비교 전지 F, G, H의 출력 특성의 비교>

본 발명 전지 A와 비교 전지 F, G, H에 대하여, 0.125 C로 4.1 V까지 충전을 행한 후, 0.5 C로 40 %의 방전 심도까지 전지를 방전시키고, 그 후 전류값 : 4 C, 방전 시간 : 10초 동안의 조건으로 출력 특성 시험을 행하였다. 그 결과를 표13에 나타낸다. 출력 밀도의 산출을 행할 때는 상기 조건에서의 전압·전류 특성을 기초로 출력값을 산출하고, 그 결과를 전지의 중량으로 나누어 출력 밀도로 했다.

또, 본 발명 전지 A에 있어서의 레이저 용접의 조건은 레이저 출력 : 400 W, 펄스 주파수 : 15 Hz, 레이저 비임의 스폿 직경(D) : 1 mm이다.

표13의 결과로부터, 본 발명 전지 A는 비교 전지 F에 비해 출력 특성이 높음을 알 수 있다. 이것은 비교 전지 F의 코어 부재가 20 ㎛로 상당히 얇으므로, 스폿 용접에 의한 용접 면적이 작고, 그 결과 내부 저항이 증대했기 때문이라고 생각된다.

비교 전지 G에서는 출력이 비교 전지 F보다도 향상되어 있지만, 본 발명 전지 A의 출력에는 미치지 못한다. 이것은, 본 발명 전지 A는 방사상으로 연신하는 4개의 원호형 볼록부(82)에 의해서 집전을 행하고 있으므로, 방전시의 전위 분포가 적은 점에 비해, 비교 전지 G에서는 코어 부재와 집전 부재의 접촉 면적은 본 발명 전지 A보다도 큼에도 불구하고 원주 방향의 일부로부터 집전을 행하는 구조를 채용하고 있으므로, 본 발명 전지 A보다도 높은 효율의 방전을 행할 때의 전위 분포가 커지기 때문이라고 생각된다.

또한, 비교 전지 G에서는 집전 부재의 슬릿에 복수의 코어 부재를 삽입하는 작업이 필요하여 공정이 복잡해지지만, 본 발명 전지 A에서는 집전판을 코어 부재 단부 엣지에 압박하는 것만으로 용접이 가능하여 공정이 간략화된다.

비교 전지 H에서는 출력이 비교 전지 G보다도 향상되어 있지만, 본 발명 전지 A의 출력에는 미치지 못한다. 이것은, 비교 전지 H에서는 본 발명 전지 A와 마찬가지로 권취 전극체의 코어 부재의 전체에서 집전을 행하고 있지만, 도14와 같이 볼록부(91)의 단면 형상이 V자형으로 되어 있으므로, 상기 볼록부(91)와 코어 부재 단부 엣지(78)의 접합면의 폭(W)이, 같은 깊이 및 폭을 갖는 원호형 볼록부(82)와 코어 부재 단부 엣지(78)의 접합면의 폭(W)보다도 작아져서 접촉 면적이 좁아지기 때문이라고 생각된다.

<본 발명 전지 A와 본 발명 전지 B4의 출력 특성의 비교>

본 발명 전지 A와 본 발명 전지 B4에 대하여, 레이저 출력 : 400 W, 펄스 주파수 : 15 Hz의 동일 조건으로 집전판을 용접한 경우의 출력 특성의 비교를 행하였다. 그 결과를 표14에 나타낸다. 출력 특성의 시험 방법으로서는, 0.125 C로 4.1 V까지 충전을 행한 후, 0.5 C로 40 %의 방전 심도까지 전지를 방전시키고, 그 후 전류값 : 4 C, 방전 시간 : 10초 동안의 조건으로 출력을 측정했다.

표14의 결과로부터, 본 발명 전지 A보다도 본 발명 전지 B4 쪽이 출력 특성이 우수함을 알 수 있다. 그 이유로서는, 본 발명 전지 A의 원호형 볼록부(82)보다도 본 발명 전지 B4의 사다리꼴형 볼록부(102) 쪽이 코어 부재 단부 엣지(78)와의 접촉 면적이 커지는 점과, 본 발명 전지 B4 쪽이 레이저 비임의 조사부가 넓은 범위로 평탄하게 되어 있으므로, 레이저 비임의 에너지가 유효하게 작용하여 충분한 접합 면적에 의한 용접이 행해진 점을 고려할 수 있다.

<본 발명 전지 B1 내지 B7의 전해액 함침 시간의 비교>

다음에, 본 발명 전지 B1 내지 B7에 대하여, 다음의 전해액 함침 시험을 행하고, 권취 전극체에 전해액을 함침시키는 데 필요한 시간의 측정을 행하였다.

본 발명 전지 B1 내지 B7에 대하여, 집전판을 부착한 권취 전극체의 중량을 측정한 후, 아르곤 가스 분위기의 드라이 박스 내에서 권취 전극체를 SUS로 된 용기에 수용하고, 상기 용기 내에 전해액을 채우고 5 kg/㎠로 가압했다. 그리고, 10분마다 용기로부터 권취 전극체를 취출하여 중량을 측정하고, 소정량의 전해액이 함침되기까지의 시간을 측정했다. 그 결과를 표15에 나타낸다.

표15의 결과로부터, 개구부의 면적이 15 %보다 작아지면 전해액을 완전하게 함침시키는 데 필요한 시간이 대폭 증대함을 알 수 있다.

다음에, 이들 권취 전극체와 동일 사양을 갖는 다른 권취 전극체를 사용하여 전지를 제조하고, 출력 특성의 비교를 행하였다. 그 결과를 표16에 나타낸다. 출력 특성의 시험 방법으로서는, 0.125 C로 4.1 V까지 충전을 행한 후, 0.5 C로 40 %의 방전 심도까지 전지를 방전시키고, 전류값 : 4 C, 방전 시간 : 10초 동안의 조건으로 출력을 측정했다.

표16의 결과로부터, 집전판의 액체 주입 구멍에 의한 개구율이 90 % 보다도 커지면, 출력 특성의 저하가 커짐을 알 수 있다. 이것은 집전판의 볼록부 영역을 제외한 대부분의 영역이 개구부로 되어 집전성이 저하하기 때문이라고 생각된다.

이상의 결과로부터, 집전판의 액체 주입 구멍에 의한 개구율은 15 % 내지 90 % 범위가 바람직하다고 할 수 있다.

<본 발명 전지 B4와 본 발명 전지 C의 출력 특성의 비교>

본 발명 전지 B4와 본 발명 전지 C에 대하여, 0.125 C로 4.1 V까지 충전을 행한 후, 0.5 C로 40 %의 방전 심도까지 전지를 방전시키고, 전류값 : 4 C, 방전 시간 : 10초 동안의 조건으로 출력을 측정했다. 그 결과를 표17에 나타낸다.

표17의 결과로부터, 본 발명 전지 B4보다도 본 발명 전지 C 쪽이 출력 특성이 우수함을 알 수 있다. 그 이유로서는, 본 발명 전지 C에서는 집전판의 리드가 일체 성형되어 있는 데 비해, 본 발명 전지 B4에서는 리드가 집전판에 용접되어 있으므로, 접촉 저항이 증대하여 출력 특성에 차이가 발생한 것이라고 생각된다.

<본 발명 전지 D1 내지 D5의 출력 특성의 비교>

본 발명 전지 D1 내지 D5에 대하여, 레이저 출력 : 400 W, 펄스 주파수 : 15 Hz의 동일 조건으로 집전판을 용접한 경우의 출력 특성의 비교를 행하였다. 그 결과를 표18에 나타낸다. 또, 레이저 비임의 스폿 직경(D)은 1 mm이다. 출력 특성의 시험 방법으로서는, 0.125 C로 4.1 V까지 충전을 행한 후, 0.5 C로 40 %의 방전 심도까지 전지를 방전시키고, 전류값 : 4 C, 방전 시간 : 10초 동안의 조건으로 출력 특성을 측정했다.

표18의 결과로부터, 집전판의 볼록부를 형성하고 있는 홈의 바닥면에서의 홈폭이 레이저 비임의 스폿 직경(D)의 0.8배보다도 작아지면, 출력의 저하가 커짐을 알 수 있다. 그 이유로서는, 볼록부의 홈폭이 레이저 비임의 스폿 직경(D)의 0.8배보다도 작아지면 볼록부의 양단부, 즉 코어 부재 단부 엣지에 용접되지 않은 영역에까지 레이저 비임이 조사되게 되어, 용접을 위해 유효하게 이용되는 레이저 비임의 에너지가 감소하여 피용접부의 용융이 불충분해지고, 그 결과 집전판과 코어 부재 단부 엣지 사이의 접촉 면적이 감소하여 집전성이 저하하기 때문이라고 생각된다.

따라서, 집전판의 볼록부의 홈폭은 레이저 비임의 스폿 직경(D)의 0.8배 이상으로 형성하는 것이 바람직하다.

<본 발명 전지 D6 내지 D14의 출력 특성의 비교>

본 발명 전지 D6 내지 D14에 대하여, 레이저 출력 : 400 W, 펄스 주파수 : 15 Hz의 동일 조건으로 집전판을 용접한 경우의 출력 특성의 비교를 행하였다. 그 결과를 표19에 나타낸다. 또, 레이저 비임의 스폿 직경(D)은 1 mm이다. 출력 특성의 시험 방법으로서는, 0.125 C로 4.1 V까지 충전을 행한 후, 0.5 C로 40 %의 방전 심도까지 전지를 방전시키고, 전류값 : 4 C, 방전 시간 : 10초 동안의 조건으로 출력을 측정했다.

표19의 결과로부터, 볼록부의 홈 깊이가 0.5 mm 보다도 작아지면, 출력 저하가 커짐을 알 수 있다. 이것은 볼록부의 홈 깊이가 0.5 mm 보다 작아지면, 권취 전극체의 코어 부재 단부 엣지가 일평면으로 가지런하게 되어 있지 않은 경우에 있어서, 볼록부가 모든 코어 부재에 대하여 충분히 식입되지 못하고, 그 결과 접촉 면적이 감소하여 집전성이 저하하기 때문이라고 생각된다.

또한, 볼록부의 홈 깊이가 3 mm 보다도 커져도 출력 특성에 변화가 없는 것은, 권취 전극체의 코어 부재 단부 엣지의 어긋남은 통상 2 mm 이하이므로, 홈 깊이를 3 mm보다 크게 해도 접촉 면적 증대의 효과는 변화하지 않기 때문이라고 생각된다. 단, 집전판의 볼록부의 홈 깊이가 과대해지면, 전지통 내에서 집전판이 차지하는 용접이 증대하고, 전지의 체적 에너지 밀도가 감소하게 된다.

따라서, 집전판의 볼록부의 홈 깊이로서 0.5 mm 내지 3 mm 범위가 바람직하다고 할 수 있다.

<본 발명 전지 D15 내지 D23의 출력 특성의 비교>

본 발명 전지 D15 내지 D23에 대하여, 레이저 출력 : 400 W, 펄스 주파수 : 15 Hz의 동일 조건으로 집전판을 용접한 경우의 출력 특성을 측정했다. 그 결과를 표20에 나타낸다. 출력 특성의 시험 방법으로서는, 0.125 C로 4.1 V까지 충전을 행한 후, 0.5 C로 40 %의 방전 심도까지 전지를 방전시키고, 전류값 : 4 C, 방전 시간 : 10초 동안의 조건으로 출력을 측정했다.

표20의 결과로부터, 집전판의 두께가 0.1 mm 보다도 작아지면, 출력 저하가 커짐을 알 수 있다. 이것은 집전판의 두께가 0.1 mm 보다도 작아지면, 집전판의 전기 저항이 증대하여 집전성이 저하하기 때문이라고 생각된다.

단, 집전판의 두께를 2 mm 보다도 크게 해도 집전성 향상의 효과가 포화되는 한편, 집전판에 돌출 형성한 리드부의 절곡 등의 가공성이 악화된다.

따라서, 집전판의 두께로서는 0.1 mm 내지 2 mm 범위가 바람직하다고 할 수 있다.

<본 발명 전지 D5와 본 발명 전지 E의 출력 특성의 비교>

본 발명 전지 D5와 본 발명 전지 E에 대하여, 레이저 출력 : 350 W, 펄스 주파수 : 15 Hz의 동일 조건으로 집전판을 용접한 경우의 출력 특성을 측정했다. 그 결과를 표21에 나타낸다. 출력 특성의 시험 방법으로서는, 0.125 C로 4.1 V까지 충전을 행한 후, 0.5 C로 40 %의 방전 심도까지 전지를 방전시키고, 전류값 : 4 C, 방전 시간 : 10초 동안의 조건으로 출력 특성을 측정했다.

표21의 결과로부터, 본 발명 전지 D5보다도 본 발명 전지 E 쪽이 출력 특성이 우수함을 알 수 있다. 그 이유로서는, 본 발명 전지 E는 본 발명 전지 D5와 집전판의 두께가 동일하므로 집전판 자체의 전기 저항에 차이는 없지만, 레이저 비임이 조사되는 볼록부의 판두께가 얇기 때문에, 보다 작은 레이저 에너지로 피용접부를 용융시킬 수 있으며, 그 결과 큰 접촉 면적에 의한 용접이 실현되어 집전성이 높아지기 때문이라고 생각된다.

<본 발명 전지 A에 있어서의 원호형 볼록부의 반경(R)에 대한 검토>

또, 본 발명 전지 A에 있어서, 집전판(8)의 원호형 볼록부(82)의 내주면에서의 반경(R)을 0.2 mm, 0.4 mm, 0.6 mm, 1.0 mm, 1.2 mm, 1.6 mm로 한 6종류의 전지를 제조하여 출력 특성 시험을 행하였다. 단, 각 전지의 집전판(8)의 평판형 본체(81)의 두께는 1 mm, 원호형 볼록부(82)의 판두께는 1 mm, 원호형 볼록부(82)의 홈 깊이는 1.2 mm로 했다. 또한, 어떠한 전지도 집전판(8)의 레이저 용접의 조건은 레이저 출력 : 400 W, 펄스 주파수 : 15 Hz로 했다. 출력 특성의 시험 방법으로서는, 0.125 C로 4.1 V까지 충전을 행한 후, 0.5 C로 40 %의 방전 심도까지 전지를 방전시키고, 전류값 : 4 C, 방전 시간 : 10초 동안의 조건으로 출력 특성을 측정했다. 그 결과를 표22에 나타낸다.

표22의 결과로부터, 집전판(8)의 원호형 볼록부(82)의 반경(R)이 레이저 비임의 스폿 직경(D)의 0.4배 이상인 경우에 우수한 출력 특성이 얻어짐을 알 수 있다. 그 이유로서는, 원호형 볼록부(82)의 반경(R)이 레이저 비임의 스폿 직경(D)의 0.4배 보다도 작아지면 원호형 볼록부(82)의 양단부, 즉 코어 부재 단부 엣지(78)와 용접되지 않는 영역에까지 레이저 비임이 조사되게 되어, 용접을 위해서 유효하게 이용되는 레이저 비임의 에너지가 감소하여 피용접부의 용융이 불충분해지고, 그 결과 집전판과 코어 부재 단부 엣지 사이의 접촉 면적이 감소하여 집전성이 저하하기 때문이라고 생각된다.

따라서, 집전판(8)의 원호형 볼록부(82)의 반경(R)은 레이저 비임의 스폿 직경(D)의 0.4배 이상으로 형성하는 것이 바람직하다.

<본 발명 전지 I에 있어서의 코어 부재 압박면과 집전판 본체 표면이 이루는 각도(θ)의 검토>

본 발명 전지 I1 내지 I6과 본 발명 전지 E[상기 각도(θ)가 0 °인 경우]에 대하여, 출력 특성 시험을 행하였다. 어떠한 전지도 집전판(100)의 레이저 용접의 조건은 레이저 출력 : 400 W, 펄스 주파수 15 Hz로 했다. 출력 특성의 시험 방법으로서는, 0.125 C로 4.1 V까지 충전을 행한 후, 0.5 C로 40 %의 방전 심도까지 전지를 방전시키고, 전류값 : 4 C, 방전 시간 : 10초 동안의 조건으로 출력 특성을 측정했다. 그 결과를 표23에 나타낸다.

표23의 결과로부터, 코어 부재 압박부(106)가 형성된 발명 전지 I1 내지 I6은 모두 발명 전지 E[상기 각도(θ)가 0 °]에 비해 출력 밀도가 증가함을 알 수 있다. 그 이유로서는, 코어 부재 압박부(106)에 의해서 코어 부재(77)의 선단부가 압박되어 권취 전극체(7)의 내측으로 변위함으로써, 집전판의 볼록부(102)와의 접촉 위치도 내측으로 변위하고, 그 결과 권취 전극체(7)의 외주부에 위치하는 코어 부재도 용접되므로, 넓은 접합 면적이 얻어져서 집전 효율이 향상되었기 때문이라고 생각된다.

그리고, 상기 각도(θ)가 30 °이상, 45 °이하인 경우에 보다 우수한 출력 특성이 얻어짐을 알 수 있다. 그 이유로서는, 상기 각도(θ)가 30 °보다도 작으면 권취 전극체(7)의 코어 부재(77)의 선단부가 충분히 내측으로 변위하지 못하고, 한편 상기 각도(θ)가 45 °보다 커지면 코어 부재 압박부(106)가 권취 전극체(7)의 단부에 식입되어 코어 부재(77)의 선단부가 충분히 내측으로 변위하지 못하게 되고, 어떠한 경우에 있어서도 권취 전극체(7)의 코어 부재(77)의 선단부와 집전판의 볼록부(102)의 접촉 위치의 내측으로의 변위가 작으므로, 충분히 큰 접합 면적이 얻어지지 못하기 때문이라고 생각된다. 따라서, 코어 부재 압박부(106)의 코어 부재(77)에 대한 압박면과 집전판(100)의 평판형 본체(101)의 표면이 이루는 각도(θ)는 30 °이상, 45 °이하로 형성하는 것이 바람직하다.

또, 본 발명의 각부 구성은 상기 실시 형태로 한정하지 않고, 특허청구범위에 기재한 기술적 범위내에서 각종 변형이 가능하다. 예를 들어, 음극 집전판(3)의 금속층부의 재질로서는 펠라이트계 스테인레스강, 또는 마르텐사이트계 스테인레스강을 사용할 수도 있다. 또한, 상기의 실시예에서는 집전판의 용접에 레이저 비임을 이용했지만, 이에 한정하지 않고 전자 비임에 의한 용접을 채용하는 것도 가능하다. 또한, 본 발명은 리튬 이온 이차 전지에 한정하지 않고, 폭넓게 비수 전해액 이차 전지에 실시가 가능하다.

본 발명에 따르면, 전극체의 단부에 음극 집전판을 용접 고정하는 집전 구조의 비수 전해액 이차 전지에 있어서, 전극체에 대한 음극 집전판의 용접성을 개선하여 높은 집전 효율을 얻을 수 있다.

또한, 전극체를 구성하는 코어 부재가 매우 얇은 경우에도 코어 부재 단부 엣지와 집전판을 큰 접촉 면적으로 접합시키는 것이 가능하고, 게다가 생산성이 우수한 집전 구조를 갖는 비수 전해액 이차 전지, 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

Claims

밀폐 용기 내에 각각 띠 형상의 양극(23)과 음극(21) 사이에 분리기(22)를 개재시켜 이루어지는 전극체(2)가 수용되고, 상기 전극체(2)가 발생하는 전력을 밀폐 용기에 설치된 양극 단자부 및 음극 단자부로부터 외부로 취출하는 것이 가능한 비수 전해액 이차 전지로서, 전극체(2)의 감김 축방향의 양단부 중, 한 쪽 단부에는 음극(21)의 단부 엣지가 돌출하고, 상기 단부 엣지에 음극 집전판(3)이 접합되며, 상기 음극 집전판(3)은 음극 단자부에 전기 접속되어 있는 비수 전해액 이차 전지에 있어서, 음극 집전판(3)은 구리 또는 구리를 주체로 하는 합금으로 이루어지는 구리층부(31)와, 리튬과 금속간 화합물을 형성하지 않는 금속이면서 또한 구리보다도 레이저광 반사율이 낮은 금속 또는 상기 금속을 주체로 하는 합금으로 이루어지는 금속층부를 갖는 복수층부로 구성되고, 구리층부(31) 및 금속층부가 양측의 표면층을 형성하고, 상기 금속층부의 표면으로 레이저 빔을 조사하는 것에 의해 상기 구리층부(31)가 음극(21)의 단부 엣지에 레이저 용접되어 있는 것을 특징으로 하는 비수 전해액 이차 전지.
제1항에 있어서, 음극 집전판(3)의 금속층부를 형성하고 있는 금속은 니켈인 것을 특징으로 하는 비수 전해액 이차 전지.
제1항에 있어서, 음극 집전판(3)의 금속층부를 형성하고 있는 금속은 스테인레스강인 것을 특징으로 하는 비수 전해액 이차 전지.
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