WO2009153914A1 - 電池およびその製造方法 - Google Patents

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WO2009153914A1
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current collector
collector plate
core material
electrode core
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細川尚士
岡田行広
神月きよみ
藤田秀明
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パナソニック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a battery suitable as a power source for driving various devices, and more particularly to a battery having a current collecting structure suitable for high-current discharge with low resistance and a method for manufacturing the same.
  • Secondary batteries such as non-aqueous electrolyte secondary batteries, nickel hydride secondary batteries, and nickel cadmium secondary batteries are used as power sources for driving various devices. Applications of secondary batteries vary from consumer devices such as mobile phones to electric vehicles and power tools. Among these, non-aqueous electrolyte secondary batteries are attracting attention because they are small, light and have high energy density. In recent years, the development of secondary batteries for higher energy density and higher output has been activated.
  • Secondary batteries used in consumer devices such as non-aqueous electrolyte secondary batteries, generally include a bottomed metal battery case that houses an electrode group and an electrolyte, and a sealing plate that closes the opening of the battery case.
  • the sealing plate has a metal filter that serves as an internal terminal and a metal cap that serves as an external terminal.
  • a safety valve and a PTC element are interposed therebetween.
  • a safety valve consists of a metal thin film and an explosion-proof valve body, for example.
  • a sealing plate is configured by caulking the periphery of the metal filter on the peripheral portion of the metal cap, the PTC element, and the safety valve via a resin inner gasket.
  • the metal thin film constituting the safety valve and the explosion-proof valve body are welded at the respective central portions and are electrically connected.
  • the metal thin film breaks and the current path is interrupted. At that time, the gas inside the battery is released to the outside.
  • it is necessary to efficiently output a large current while ensuring such a safety function and suppressing fluctuations in internal resistance against changes with time and temperature.
  • Patent Document 1 discloses that an end portion (end portion) of a metal material (core material) constituting an electrode is sandwiched between conductors, and the end portion And a conductor are welded to form a current collector.
  • Patent Document 2 proposes a battery in which an end portion of an electrode core member protrudes from an electrode group, and the protruding portion is joined to a current collector plate.
  • the current collector plate has a notched groove, and the current collector plate and the tip of the protrusion are joined at the peripheral edge of the groove. According to this proposal, it seems that the joint region between the current collector plate and the protruding portion can be set small and the strength of the joint portion can be improved.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 show an arc welding method, a laser welding method, and an electron beam welding method as means for welding an electrode group and a current collecting member (conductor or current collecting plate).
  • the jig for fixing the current collecting member is displaced from a predetermined position, or an energy source such as an arc does not fly in the intended direction. In such a case, there is a possibility that the electrode core member and the current collecting member are welded at a point deviated from the intended welded portion.
  • An object of the present invention is to reliably weld a current collector plate and an electrode group at an intended connection portion.
  • the present invention comprises an electrode group formed by winding or laminating a first electrode and a second electrode via a separator, and a first current collector plate having electrical connection with the first electrode,
  • the 1 electrode includes a first electrode core material and a first electrode mixture layer formed on the first electrode core material, and the second electrode is a second electrode formed on the second electrode core material and the second electrode core material.
  • the electrode mixture layer is included, and one end of the first electrode protrudes from the end of the second electrode and the end of the separator on one end surface of the electrode group, and the end of the protruding first electrode Has an exposed portion of the first electrode core material, and the exposed portion of the first electrode core material is welded to a connection portion on one surface of the first current collector plate, and the other of the first current collector plate
  • the present invention relates to a battery in which an insulating layer is formed in a region excluding the back surface portion of the connection portion.
  • the present invention also includes an electrode group formed by winding or stacking a first electrode and a second electrode with a separator interposed therebetween, a first current collector plate having electrical connection with the first electrode, A second current collector plate having electrical connection with the electrode, wherein the first electrode includes a first electrode core material and a first electrode mixture layer formed on the first electrode core material; The second electrode core material and the second electrode mixture layer formed on the second electrode core material, wherein one end portion of the first electrode is at one end surface of the electrode group and the end portion of the second electrode and the separator The end of the protruding first electrode has an exposed portion of the first electrode core material, and the one end of the second electrode is the second end surface of the electrode group.
  • the end of one electrode protrudes from the end of the separator and the end of the separator, and the end of the protruding second electrode is an exposed portion of the second electrode core
  • the exposed portion of the first electrode core member is welded to a connection portion (first connection portion) on one surface of the first current collector plate, and on the other surface of the first current collector plate
  • An insulating layer is formed in a region excluding the back surface portion of the first connection portion, and the exposed portion of the second electrode core member is connected to a connection portion (second connection portion) on one surface of the second current collector plate.
  • the present invention relates to a battery which is welded and has an insulating layer formed on the other surface of the second current collector plate in a region excluding the back surface portion of the second connection portion.
  • the present invention includes (i) a step of obtaining a first electrode having an exposed portion of the first electrode core material at one end by forming a first electrode mixture layer on the first electrode core material; A step of obtaining a second electrode by forming a second electrode mixture layer on the electrode core; (iii) winding or laminating the first electrode and the second electrode with a separator interposed therebetween; A step of forming an electrode group in which the exposed portion of the first electrode core member protrudes from the end portion of the second electrode and the end portion of the separator at the end surface; (iv) having a connection scheduled portion on one surface; A step of preparing a first current collector plate having an insulating layer formed in a region other than a back surface portion of the planned connection portion on the other surface; (v) an arc from the other surface of the first current collector plate; Radiating and welding the exposed portion of the first electrode core to the connection scheduled portion of the first current collector plate. Law on.
  • the present invention also includes (i) a step of obtaining a first electrode having an exposed portion of the first electrode core material at one end by forming a first electrode mixture layer on the first electrode core material, (ii) Forming a second electrode mixture layer on the second electrode core material to obtain a second electrode having an exposed portion of the second electrode core material at one end; (iii) a first electrode and a second electrode; The exposed portion of the first electrode core member protrudes from the end portion of the second electrode and the end portion of the separator at one end face by winding or stacking through the separator, and at the other end face, A step of forming an electrode group in which the exposed portion of the second electrode core member protrudes from the end portion of one electrode and the end portion of the separator; (iv) a connection planned portion (first connection planned portion) on one surface; And a first assembly in which an insulating layer is formed on a region other than a back surface portion of the first connection planned portion on the other surface.
  • a second current collector having a plate and a connection scheduled portion (second connection planned portion) on one surface and an insulating layer formed on the other surface excluding the back surface portion of the second connection planned portion (V) radiating an arc from the other surface of the first current collector plate and welding the exposed portion of the first electrode core material to the first connection planned portion of the first current collector plate. And radiating an arc from the other surface of the second current collector plate and welding the exposed portion of the second electrode core member to the second connection scheduled portion of the second current collector plate. It relates to a manufacturing method.
  • an insulating layer may be formed on a part of the back surface portion of the connection portion (part to be connected). In addition, a certain effect can be obtained as long as an insulating layer is formed in at least a part of the region excluding the back surface of the connection portion (planned connection portion).
  • the insulating layer is preferably also formed on the side surface of the peripheral portion of the current collector plate. The insulating layer on the side surface of the peripheral portion not only prevents arc scattering but also has a role of preventing electrical connection between the battery case and the current collector plate.
  • the present invention includes (i) a step of obtaining a first electrode having an exposed portion of the first electrode core material at one end by forming a first electrode mixture layer on the first electrode core material; A step of obtaining a second electrode by forming a second electrode mixture layer on the electrode core; (iii) winding or laminating the first electrode and the second electrode with a separator interposed therebetween; A step of forming an electrode group in which the exposed portion of the first electrode core member protrudes from the end portion of the second electrode and the end portion of the separator on the end surface; (iv) a first portion having a connection scheduled portion on one surface; A step of preparing a current collector plate, (v) a step of disposing an insulating mask having an opening facing the planned connection portion on the other surface of the first current collector plate, and (vi) the first current collector plate.
  • step (vi) An arc is radiated from the other surface, and the exposed portion of the first electrode core material is welded to the scheduled connection portion of the first current collector plate. Degree, a method of manufacturing a battery having. After step (vi), the insulating mask is removed from the other surface of the first current collector.
  • the present invention also includes (i) a step of obtaining a first electrode having an exposed portion of the first electrode core material at one end by forming a first electrode mixture layer on the first electrode core material, (ii) Forming a second electrode mixture layer on the second electrode core material to obtain a second electrode having an exposed portion of the second electrode core material at one end; (iii) a first electrode and a second electrode; The exposed portion of the first electrode core member protrudes from the end portion of the second electrode and the end portion of the separator at one end face by winding or stacking through the separator, and at the other end face, A step of forming an electrode group in which the exposed portion of the second electrode core member protrudes from the end portion of one electrode and the end portion of the separator; (iv) a connection planned portion (first connection planned portion) on one surface; A first current collector plate having a second current collector plate having a connection planned portion (second connection planned portion) on one surface is prepared.
  • the thickness of the insulating layer is preferably 5 ⁇ m or more.
  • the insulating layer can include ceramic particles.
  • the first current collector plate and the second current collector plate preferably have corrugated irregularities in the thickness direction. In this case, it is preferable to set the connection part of the 1st current collecting plate and the 2nd current collecting plate to the concave surface of the said unevenness
  • the current collector plate and the electrode group can be reliably welded at the intended connection portion. That is, the exposed portion of the first electrode core member and the connecting portion of the first current collector plate can be reliably connected, and a highly reliable battery can be obtained.
  • FIGS. 1A to 1C are schematic views of the structure of an electrode group according to this embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic vertical cross-sectional view of the battery according to the present embodiment.
  • the battery according to the present embodiment has a so-called tabless structure, and includes a cylindrical electrode group 4, a disk-shaped first current collector plate 10, and a disk-shaped second current collector plate 20.
  • the first electrode 1 and the second electrode 2 are connected to the first current collector plate 10 and the second current collector plate 20 without using a tab, respectively.
  • the electrode group 4 is configured by winding a strip-shaped first electrode 1 and a strip-shaped second electrode 2 via a strip-shaped separator 3.
  • the first electrode 1 includes a sheet-like first electrode core material and first electrode mixture layers 1b formed on both surfaces thereof.
  • An exposed portion 1 a of the first electrode core material is formed at one end portion along the longitudinal direction of the first electrode 1.
  • the 2nd electrode 2 contains the 2nd electrode core material and the 2nd electrode mixture layer 2b formed in the both surfaces.
  • An exposed portion 2 a of the second electrode core material is formed at one end portion along the longitudinal direction of the second electrode 2.
  • the exposed part of each electrode core is a part for welding to the connection part of the current collector plate.
  • the exposed portion 1a of the first electrode core material and the exposed portion 2a of the second electrode core material are arranged on opposite sides, and the first electrode and the second electrode are separated by a separator. Laminate and wind.
  • the exposed portion 1a of the first electrode core material is disposed on one end surface of the columnar electrode group 4, that is, one bottom surface, and the exposed portion 2a of the second electrode core material is disposed on the other bottom surface.
  • the exposed portion 1a of the first electrode core member projects outward from the end portion of the second electrode 2 and the end portion of the separator 3 on one bottom surface of the electrode group 4.
  • the exposed portion 2 a of the second electrode core member protrudes outward from the end portion of the first electrode 1 and the end portion of the separator 3.
  • the end of the separator 3 is located on the bottom surface of the electrode group on which the exposed portion 1a of the first electrode core material is disposed. It is desirable to protrude outward from the end of the. Similarly, it is desirable that the end of the separator 3 protrudes more outward than the end of the first electrode 1 on the bottom surface of the electrode group on which the exposed portion 2 a of the second electrode core is disposed.
  • the exposed portion 1 a of the first electrode core material is welded to the connecting portion 10 a on one surface of the first current collector plate 10.
  • An insulating layer 14 is formed on the other surface of the first current collector plate 10.
  • the exposed portion 2 a of the second electrode core member is connected to the connection portion 20 a on one surface of the second current collector plate 20.
  • An insulating layer 24 is formed on the other surface of the second current collector plate 20.
  • the first current collector plate 10 and the second current collector plate 20 are each made of metal and have a disk shape.
  • the current collector connected to the positive electrode is preferably made of a metal such as aluminum
  • the current collector connected to the negative electrode is preferably made of a metal such as copper or iron.
  • the shape of the current collector plate is not particularly limited, but a shape that completely covers the end face of the electrode group that comes into contact is preferable. Therefore, the shape of the current collector plate differs depending on the shape of the end face of the electrode group.
  • the thickness of the current collector plate is not particularly limited, but is, for example, 0.5 to 2 mm. One or more through holes may be formed in the current collector plate.
  • FIG. 3 shows an enlarged view of the first current collector plate 10.
  • a through hole 10b is formed in the center of the first current collector plate.
  • the through hole 10b has an action of promoting gas discharge or promoting impregnation of the electrolyte solution by the electrode group.
  • the gas accumulated at the bottom of the battery passes through the hollow portion of the electrode group and escapes from the through hole of the current collector plate to the outside of the electrode group.
  • One surface of the first current collector plate (contact surface with the electrode group 4) has a connecting portion 10a with the exposed portion 1a of the first electrode core member, and the other surface of the first current collector plate has The insulating layer 14 is formed except for the back surface portion 15 of the connection portion 10a.
  • the first current collector plate is disposed on one bottom surface of the electrode group 4 so that the through hole 10 b communicates with the hollow portion of the electrode group 4. It is preferable that the bottom surface of the electrode group 4 is completely covered when viewed from the first current collector plate side. Welding is performed in this state. That is, the exposed portion 1a of the first electrode core member is brought into contact with the connecting portion 10a of the first current collector plate, and energy is radiated from the side where the insulating layer 14 is formed by arc discharge or the like. At this time, the arc is not radiated to the portion where the insulating layer 14 is formed.
  • connection portion 10a that is, the metal surface of the first current collector plate on which the insulating layer 14 is not disposed.
  • the second current collector plate 20 has substantially the same structure as the first current collector plate 10, and is in a region excluding the connection portion 20 a with the exposed portion 2 a of the second electrode core and the back surface portion 25 of the connection portion 20 a. And an insulating layer 24 formed.
  • the second current collector plate 20 does not have a through-hole in the center and has a central weld 20b serving as a connection portion with the bottom of the battery case 5, but the structure of the second current collector plate is not particularly limited.
  • the second current collector plate 20 may have a through hole and may not have the central weld 20b.
  • the connecting portion 10a of the first current collector plate and the connecting portion 20a of the second current collector plate can be arbitrarily controlled by the formation pattern of the insulating layer.
  • a welding method such as arc welding, laser welding, or electron beam welding can be employed.
  • arc welding it is preferable to employ arc welding from the viewpoint of efficiently irradiating the energy for welding to the back surface portion of the planned connection portion not covered with the insulating layer 14.
  • arc welding include TIG (tungsten inert gas) welding, MIG welding, mag welding, carbon dioxide arc welding, and the like, and TIG welding is particularly preferable.
  • TIG welding is particularly effective when the current collector plate is made of copper, aluminum, or the like.
  • the thickness of the electrode core material is, for example, about 10 to 30 ⁇ m. Therefore, TIG welding is also preferable from the viewpoint of suppressing defects such as a short circuit due to buckling of the electrode core material.
  • the thickness of the insulating layer formed on the surface of the current collector plate is preferably 5 ⁇ m or more, more preferably 10 to 100 ⁇ m. When the thickness of the insulating layer is less than 5 ⁇ m, the arc may not be efficiently irradiated onto the metal surface while avoiding the insulating layer during arc welding.
  • the insulating layer preferably contains ceramic particles. Ceramics have good insulating properties, high melting points, and low reactivity, and thus are suitable as materials for insulating layers. For ceramics, oxides, carbides, nitrides, borides, and the like can be used. Specifically, alumina, magnesia, or the like can be used, but is not particularly limited. The average particle size of the ceramic particles is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 2 ⁇ m, for example.
  • a first electrode is produced.
  • the first electrode 1 as shown in FIG. 1A can be obtained, for example, by forming the first electrode mixture layer 1b on the first electrode core material, leaving the exposed portion 1a.
  • a second electrode is produced.
  • the second electrode 2 as shown in FIG. 1B can be obtained, for example, by forming the second electrode mixture layer 2b on the second electrode core material leaving the exposed portion 2a. However, it is not essential to leave the exposed portion 2a of the second electrode core material.
  • the electrode core material is made of metal, and in the case of the positive electrode, aluminum, nickel, magnesium or the like is used, and in the case of the negative electrode, copper, iron, nickel or the like is used.
  • the form of an electrode core material is not specifically limited, For example, it has forms, such as strip
  • the foil or sheet may be made of a porous material.
  • the first electrode core material is exposed at one end face rather than the end of the second electrode and the end of the separator.
  • the electrode group which the part protruded is comprised.
  • the exposed portion 1 a of the first electrode core material and the exposed portion 2 a of the second electrode core material are arranged in directions opposite to each other and protrude from the end portion of the separator 3. In this way, the first electrode 1, the second electrode 2 and the separator 3 are arranged and formed in a spiral shape.
  • the separator 3 may be a resin microporous film or a porous insulating film containing a filler such as a metal oxide and a binder, and the resin microporous film and the porous film may be porous.
  • a laminated body with a porous insulating film may be used.
  • Examples of the method for forming the insulating layers 14 and 24 include application of an insulating material, spraying, and sputtering.
  • an insulating material for example, ceramic particles, a binder, and a liquid component are mixed to prepare an insulating paste, and the insulating paste is applied to a predetermined surface of a current collector plate and dried.
  • the method is not limited to these as long as the insulating layer can be uniformly formed.
  • the first current collector plate 10 is disposed on one end face of the electrode group 4 with the insulating layer 14 on the outside. Subsequently, the first current collector plate 10 and the exposed portion 1a of the first electrode core material are joined to each other by arc welding. Specifically, an electrode for welding is arranged at a position away from the back surface portion 15 of the connection portion 10a of the first current collector plate, and an arc is emitted to melt the connection portion 10a of the first current collector plate. . When arc welding such as TIG welding is used, the arc is reliably irradiated onto the metal surface on which the insulating layer 14 is not formed, and the connecting portion 10a can be melted. Thereby, the 1st current collecting plate 10 and the electrode group 4 can be joined.
  • arc welding such as TIG welding
  • the second current collector plate 20 is disposed on the other end face of the electrode group 4 with the insulating layer 24 on the outside. Then, the second current collector plate 20 and the electrode group 4 are joined by the same operation as in the case of the first current collector plate.
  • the battery case 5 has an inwardly recessed groove near the opening, and an insulating member 17 is provided in the groove to ensure insulation from the first current collector plate 10.
  • an insulating layer is formed on the first current collector plate 10 and the second current collector plate 20 except for the back surface portion of the connection portion with the electrode group. Therefore, when the current collector plate is welded to the electrode group, the arc is irradiated only on the metal surface on which the insulating layer is not formed. In this case, the arc is reliably applied to the metal surface of the current collector plate. Therefore, as long as the relative positional relationship between the electrode group and the current collector plate is fixed, the current collector plate and the electrode group are joined at the desired joint even if the installation position of the welding electrode is slightly shifted. can do. As a result, it is possible to greatly reduce the bonding failure between the electrode group and the current collector plate, and to avoid a decrease in yield.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of an insulating mask used in the battery manufacturing method according to this embodiment.
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view of a battery manufactured by the manufacturing method according to the present embodiment.
  • the structure of at least one of the first current collector plate and the second current collector plate is different from that in the first embodiment, and the welding method between the current collector plate and the electrode group is also different.
  • the battery shown in FIG. 5 has the same structure as that of the first embodiment except that no insulating layer is formed on the first current collector plate 10 and the second current collector plate 20.
  • the contact surface of the current collector plate with the electrode group 4 An insulative mask 27 is disposed on the back surface.
  • the insulating mask 27 has one or more openings 28 at positions corresponding to the connection scheduled portions of the current collector plate.
  • each current collector plate is brought into contact with the end surface of the electrode group, and an arc is radiated from the other surface through an insulating mask, so that the exposed portion of the electrode core member is connected to the current collector plate connection portion. Weld to.
  • arc welding such as TIG welding
  • the arc is irradiated concentrated on the opening 28 of the insulating mask. Therefore, the current collector plate and the electrode group can be joined at a desired joint. As a result, it is possible to greatly reduce the bonding failure between the electrode group and the current collector plate, and to avoid a decrease in yield.
  • the insulating mask 27 is removed from the other surface of the current collector plate.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of an example of the current collector plate according to the present embodiment.
  • the current collector plate 30 has corrugated irregularities in the thickness direction.
  • the electrode group is cylindrical and the current collector plate is disk-shaped, it is preferable that concavities and convexities are formed concentrically as viewed from one surface or the other surface of the current collector plate.
  • the shape of the unevenness seen from one surface or the other surface of the current collector plate is not particularly limited as long as it is a shape that follows the shape of the exposed portion of the electrode core member protruding from the end surface of the electrode group.
  • the shape of the wave in the cross section is not particularly limited, and for example, the tip of the convex portion and the end of the concave portion may be sharply pointed or curved.
  • An insulating layer 34 is formed on one surface of the current collector plate 30 except for the vicinity of the tip 33 of the convex surface 30b.
  • the exposed portion of the electrode core member protruding from the end face of the electrode group is accommodated in the concave surface 30a on the other surface of the current collector plate, and the exposed portion of the electrode core member and the concave surface of the current collector plate are fitted together. Therefore, not only the alignment of the exposed portion of the electrode core member and the connecting portion of the current collector plate is facilitated, but also the welding strength is increased and the current collection efficiency is improved.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of an example of the current collector plate according to the present embodiment.
  • the current collector plate 50 has corrugated irregularities in the thickness direction. The exposed portion of the electrode core member protruding from the end face of the electrode group is accommodated in the concave surface 50a on the other surface of the current collector plate, so that the exposed portion of the electrode core member and the concave surface of the current collector plate are fitted together.
  • the current collector plate is irradiated with an arc through an insulating mask having an opening corresponding to the convex end 53, that is, the connection portion 55.
  • the arc is not irradiated onto the insulating mask, but is concentratedly irradiated near the tip 53 of the convex surface exposed from the opening. Therefore, reliable welding is possible at the intended connection portion 55.
  • Example 1 Production of positive electrode 85 parts by weight of lithium cobaltate powder as a positive electrode active material, 10 parts by weight of carbon powder as a conductive agent, 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder, and an appropriate amount of N -Methyl-2-pyrrolidone (NMP) was mixed to prepare a positive electrode mixture paste.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • NMP N -Methyl-2-pyrrolidone
  • the positive electrode mixture paste was applied to both surfaces of a positive electrode core material made of an aluminum foil having a thickness of 15 ⁇ m and a width of 56 mm. However, the exposed portion of the positive electrode core material having a width of 6 mm was left at one end portion along the longitudinal direction of the positive electrode core material, and the width of the coating film of the positive electrode mixture paste was 50 mm. Thereafter, the coating film was dried and rolled to obtain a positive electrode having a thickness of 150 ⁇ m.
  • the negative electrode mixture paste was applied to both surfaces of a negative electrode core material made of a copper foil having a thickness of 10 ⁇ m and a width of 57 mm. However, the exposed portion of the negative electrode core material having a width of 5 mm was left at one end portion along the longitudinal direction of the negative electrode core material, and the width of the coating film of the negative electrode mixture paste was 52 mm. Thereafter, the coating film was dried and rolled to obtain a negative electrode having a thickness of 160 ⁇ m.
  • Electrode Group A microporous membrane made of polypropylene resin having a width of 53 mm and a thickness of 25 ⁇ m was interposed as a separator between the positive electrode and the negative electrode, and these were wound in a spiral shape to produce an electrode group.
  • the exposed portion of the positive electrode core material and the exposed portion of the negative electrode core material are arranged on opposite sides, and the exposed portion of the positive electrode core material is arranged from one bottom surface to the end surface of the negative electrode core material. Projected from the other bottom surface.
  • the end of the separator was projected outward from the end of the negative electrode.
  • the end portion of the separator 3 was projected outward from the end portion of the positive electrode.
  • connection planned portion having a diameter of 2 mm ⁇ was assumed on one surface of each of the positive electrode current collector plate and the negative electrode current collector plate, and an insulating layer was formed in a predetermined region on the other surface.
  • the connection scheduled portions 42 are provided in a cross shape at three points in the radial direction of the current collector plate 40.
  • the positive electrode current collector plate was formed with an insulating layer in a region excluding the back surface portion of the connection planned portion and the lead welding planned portion.
  • an insulating layer was formed on the negative electrode current collector plate in a region excluding the portion to be welded to the back surface portion of the connection planned portion and the battery case bottom portion.
  • the insulating layer was formed using an insulating paste.
  • alumina having an average particle size of 0.5 ⁇ m as ceramic particles and 4 parts by weight of a binder made of polyacrylonitrile-modified rubber were mixed with about 40 parts by weight of NMP to prepare an insulating paste.
  • the obtained insulating paste was applied to a predetermined surface of the current collector plate with a thickness of 80 ⁇ m, and then the coating film was dried to form an insulating layer.
  • the positive electrode current collector plate is brought into contact with the end face of the electrode group from which the exposed portion of the positive electrode core member protrudes, and the exposed portion of the positive electrode core member is connected to the positive electrode current collector plate by TIG welding. Welded to.
  • the TIG welding conditions were a current value of 100 A and a welding time of 100 ms.
  • the negative electrode current collector plate was brought into contact with the end face of the electrode group from which the exposed portion of the negative electrode core member protruded, and the exposed portion of the negative electrode core member was welded to the connection scheduled portion of the negative electrode current collector plate by TIG welding.
  • the TIG welding conditions were a current value of 130 A and a welding time of 50 ms.
  • a battery as shown in FIG. 2 was produced in the following manner.
  • the electrode group having the current collecting structure as described above was inserted into a cylindrical bottomed battery case having an open top.
  • the negative electrode current collector plate was disposed on the bottom side of the battery case.
  • the negative electrode current collector plate was resistance welded to the bottom of the battery case.
  • the positive electrode current collector plate was connected to the sealing plate via an aluminum positive electrode lead.
  • An insulating member for preventing a short circuit was disposed between the positive electrode current collector plate and the sealing plate.
  • a non-aqueous electrolyte was prepared by dissolving lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) at a concentration of 1 mol / L in a mixed solvent of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate in a volume ratio of 1: 1. After heating and drying the battery case, a non-aqueous electrolyte was injected into the battery case, and the electrode group was sufficiently impregnated with the non-aqueous electrolyte.
  • LiPF 6 lithium hexafluorophosphate
  • sample 1 a cylindrical lithium ion secondary battery (sample 1) having a diameter of 26 mm and a height of 65 mm was completed.
  • the battery capacity of sample 1 was 2600 mAh.
  • Example 2 A cylindrical lithium ion secondary battery (sample 2) similar to that of Example 1 was produced except for the following points.
  • the step of forming an insulating layer on the positive electrode current collector plate and the negative electrode current collector plate was omitted. However, at the time of TIG welding, one surface having the connection scheduled portion was brought into contact with the end surface of the electrode group, and an insulating mask made of silicon nitride having a thickness of 1 mm was disposed on the other surface.
  • the insulating mask had a structure that completely covered the other surface of the current collector plate except for the back surface portion of the planned connection portion having a diameter of 2 mm ⁇ . After welding, the insulating mask was removed from the current collector.
  • Example 3 A cylindrical lithium ion secondary battery (sample 3) was produced in the same manner as in Example 1 except that the structure of the current collector plate was changed.
  • the current collector plate was prepared as follows. When the positive electrode current collector plate was punched from an aluminum plate having a thickness of 0.8 mm, the press mold was changed to form corrugated irregularities having a V-shaped cross section. The amplitude (height) of the unevenness was 1 mm, and the angle between the tip of the convex part and the terminal of the concave part was 120 °. The shape of the unevenness was concentric when viewed from one surface of the current collector plate, and the interval between the concave portions or the convex portions adjacent to each other in the radial direction of the disk was 2 mm.
  • the press mold was changed to form corrugated irregularities similar to those of the positive electrode current collector plate.
  • the region for forming the insulating layer was the same as in Example 1.
  • Example 4 A positive electrode current collector plate and a negative electrode current collector plate similar to Example 3 were produced except that the insulating layer was not formed, and a cylindrical lithium ion secondary battery was formed using an insulating mask as in Example 2. (Sample 4) was produced.
  • Comparative Example 1 A cylindrical lithium ion secondary battery (sample 5) was produced in the same manner as in Example 2 except that the insulating mask was not used.
  • Comparative Example 2 A cylindrical lithium ion secondary battery (sample 6) was produced in the same manner as in Example 4 except that the insulating mask was not used.
  • the internal resistance of the batteries of Samples 1 to 6 was measured. Specifically, after charging to 4.2 V with a constant current of 1250 mA for each battery, a charge / discharge cycle of discharging to 3.0 V with a constant current of 1250 mA was repeated three times. Thereafter, an alternating current of 1 kHz was applied to the battery, the internal resistance of the battery was measured, and the connection state was evaluated. The results are shown in the “Internal resistance” column of Table 1. In samples 1 and 2, the average value of the internal resistance was 5 m ⁇ , and in samples 3 and 4, the average value of the internal resistance was 4 m ⁇ , and the variation was about 5%. On the other hand, in sample 5, the average value of the internal resistance was 10 m ⁇ , and the variation was 30% or more. In Sample 6, the average value of the internal resistance was 5 m ⁇ , and the variation was 10% or more.
  • the battery to which the present invention is applied can discharge a large current and can stably produce a high-performance battery.
  • the present invention can be applied to sealed storage batteries such as lithium ion secondary batteries and nickel hydride battery secondary batteries.
  • the present invention can be applied not only to a wound type but also to a battery having a flat type or a stacked type electrode group, and further, an electrochemical element having a current collecting structure similar to that of a secondary battery (for example, a dry battery or a capacitor) ).
  • the present invention is particularly useful in a sealed secondary battery having a current collecting structure suitable for large current discharge, and a power source for driving an electric tool or an electric vehicle that requires high output, a large-capacity backup power source, It can be applied to a power source for power storage.

Abstract

　第１電極の一端部は、電極群の一端面において、第２電極の端部およびセパレータの端部よりも突出しており、突出する第１電極の端部は、第１電極芯材の露出部を有し、第１電極芯材の露出部は、第１集電板の一方の面の接続部と溶接されており、第１集電板の他方の面には、接続部の裏面部を除く領域に、絶縁層が形成されている電池とすることで、電極群の一端面から突出した電極芯材の露出部を、集電板の所望の接続部と確実に溶接することができる。

Description

電池およびその製造方法
　本発明は、様々な機器の駆動用電源として好適な電池に関し、特に低抵抗で大電流放電に適した集電構造を有する電池およびその製造方法に関する。
　非水電解質二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池等の二次電池は、様々な機器の駆動用電源として用いられている。二次電池の用途は、携帯電話を始めとする民生用機器から電気自動車や電動工具など、様々である。なかでも非水電解質二次電池は、小型、軽量で高エネルギー密度を有するため注目を集めている。近年、二次電池の更なる高エネルギー密度化および高出力化に向けての開発が活発化している。
　民生用機器に使用されている二次電池、例えば非水電解質二次電池は、一般に、電極群および電解質を収容する有底の金属製電池ケースと、電池ケースの開口を塞ぐ封口板とを具備する。封口板は、内部端子となる金属製フィルタと、外部端子となる金属製キャップとを有し、これらの間には、通常、安全弁とＰＴＣ素子が介在している。安全弁は、例えば金属薄膜と防爆弁体からなる。金属製キャップとＰＴＣ素子と安全弁の周縁部に、樹脂製インナーガスケットを介して、金属製フィルタの周囲をかしめることにより、封口板が構成されている。
　安全弁を構成する金属薄膜と防爆弁体とは、それぞれの中央部で溶接され、電気的に導通している。電池が誤って過充電され、電池内圧が異常に上昇した際には、金属薄膜が破断して、電流経路が遮断される。その際、電池内部のガスは外部へ放出される。大電流放電を必要とする高出力用途では、このような安全機能を確保しつつ、経時変化や温度変化に対する内部抵抗の変動を抑制し、大電流を効率的に出力させる必要がある。
　大型リチウムイオン二次電池において大電流を効率的に出力させる技術として、特許文献１は、電極を構成する金属材料（芯材）の耳の部分（端部）を導電体で挟み、該端部と導電体とを溶接して集電部を形成することを提案している。
　一方、特許文献２は、電極芯材の端部を電極群から突出させ、該突出部を集電板と接合した電池を提案している。集電板は切り欠いた溝部を有し、溝部の周縁部で集電板と突出部の先端とが接合される。この提案によれば、集電板と突出部との接合領域を小さく設定するとともに、接合部の強度を向上させることができるようである。
特開平７－２６３０２９号公報 特開２００３－３６８３４号公報
　特許文献１および特許文献２では、電極群と集電部材（導電体もしくは集電板）とを溶接する手段として、アーク溶接法、レーザ溶接法および電子ビーム溶接法を示している。しかし、溶接の際には、集電部材を固定する治具が所定位置からずれたり、アークなどのエネルギー源が意図した方向に飛ばなかったりする。このような場合、意図した溶接部から外れた点で電極芯材と集電部材とが溶接される可能性がある。
　また、アークが散乱もしくは乱反射すると、熱エネルギーにより集電板に穴が開き、集電板の下にある電極芯材を損傷する可能性もある。その結果、電極群と集電板との溶接部の信頼性が低下する。アークのエネルギー強度を制御し、散乱もしくは乱反射を防止することは容易ではない。
　以上の理由から、特許文献１および特許文献２の方法で電池を量産すると、製造歩留まりの低下を招くことになる。
　本発明は、集電板と電極群とを、意図した接続部で確実に溶接することを目的の一つとする。
　本発明は、第１電極と第２電極とを、セパレータを介して、捲回もしくは積層してなる電極群と、第１電極と電気的接続を有する第１集電板とを具備し、第１電極は、第１電極芯材および第１電極芯材に形成された第１電極合剤層を含み、第２電極は、第２電極芯材および第２電極芯材に形成された第２電極合剤層を含み、第１電極の一端部は、前記電極群の一端面において、第２電極の端部および前記セパレータの端部よりも突出しており、前記突出する第１電極の端部は、第１電極芯材の露出部を有し、第１電極芯材の前記露出部は、第１集電板の一方の面の接続部と溶接されており、第１集電板の他方の面には、接続部の裏面部を除く領域に、絶縁層が形成されている電池に関する。
　本発明は、また、第１電極と第２電極とを、セパレータを介して、捲回もしくは積層してなる電極群と、第１電極と電気的接続を有する第１集電板と、第２電極と電気的接続を有する第２集電板とを具備し、第１電極は、第１電極芯材および第１電極芯材に形成された第１電極合剤層を含み、第２電極は、第２電極芯材および第２電極芯材に形成された第２電極合剤層を含み、第１電極の一端部は、前記電極群の一端面において、第２電極の端部および前記セパレータの端部よりも突出しており、前記突出する第１電極の端部は、第１電極芯材の露出部を有し、第２電極の一端部は、前記電極群の別の端面において、第１電極の端部および前記セパレータの端部よりも突出しており、前記突出する第２電極の端部は、第２電極芯材の露出部を有し、第１電極芯材の前記露出部は、第１集電板の一方の面の接続部（第１接続部）と溶接されており、第１集電板の他方の面には、第１接続部の裏面部を除く領域に、絶縁層が形成されており、第２電極芯材の前記露出部は、第２集電板の一方の面の接続部（第２接続部）と溶接されており、第２集電板の他方の面には、第２接続部の裏面部を除く領域に、絶縁層が形成されている電池に関する。
　本発明は、（i）第１電極芯材に第１電極合剤層を形成することにより、一端部に第１電極芯材の露出部を有する第１電極を得る工程、（ii）第２電極芯材に第２電極合剤層を形成することにより、第２電極を得る工程、（iii）第１電極と第２電極とを、セパレータを介して、捲回もしくは積層することにより、一端面において、第２電極の端部および前記セパレータの端部よりも第１電極芯材の前記露出部が突出した電極群を構成する工程、（iv）一方の面に接続予定部を有し、他方の面に、前記接続予定部の裏面部を除く領域に、絶縁層が形成されている第１集電板を準備する工程、（v）第１集電板の前記他方の面からアークを放射して、第１電極芯材の前記露出部を、第１集電板の前記接続予定部と溶接する工程、を有する電池の製造方法に関する。
　本発明は、また、（i）第１電極芯材に第１電極合剤層を形成することにより、一端部に第１電極芯材の露出部を有する第１電極を得る工程、（ii）第２電極芯材に第２電極合剤層を形成することにより、一端部に第２電極芯材の露出部を有する第２電極を得る工程、（iii）第１電極と第２電極とを、セパレータを介して、捲回もしくは積層することにより、一端面において、第２電極の端部および前記セパレータの端部よりも第１電極芯材の前記露出部が突出し、別の端面において、第１電極の端部および前記セパレータの端部よりも第２電極芯材の前記露出部が突出した電極群を構成する工程、（iv）一方の面に接続予定部（第１接続予定部）を有し、他方の面に、第１接続予定部の裏面部を除く領域に、絶縁層が形成されている第１集電板と、一方の面に接続予定部（第２接続予定部）を有し、他方の面に、第２接続予定部の裏面部を除く領域に、絶縁層が形成されている第２集電板を準備する工程、（v）第１集電板の前記他方の面からアークを放射して、第１電極芯材の前記露出部を、第１集電板の第１接続予定部と溶接し、第２集電板の前記他方の面からアークを放射して、第２電極芯材の前記露出部を、第２集電板の第２接続予定部と溶接する工程、を有する電池の製造方法に関する。
　上記構成において、接続部（接続予定部）の裏面部の一部にも絶縁層が形成されていてもよい。また、接続部（接続予定部）の裏面部を除く領域の少なくとも一部に絶縁層が形成されていれば、一定の効果が得られる。
　絶縁層は、集電板の周縁部側面にも形成されていることが好ましい。周縁部側面の絶縁層は、アークの散乱を防止するだけでなく、電池ケースと集電板との電気的接続を防止する役割を有する。
　本発明は、（i）第１電極芯材に第１電極合剤層を形成することにより、一端部に第１電極芯材の露出部を有する第１電極を得る工程、（ii）第２電極芯材に第２電極合剤層を形成することにより、第２電極を得る工程、（iii）第１電極と第２電極とを、セパレータを介して、捲回もしくは積層することにより、一端面において、第２電極の端部および前記セパレータの端部よりも第１電極芯材の前記露出部が突出した電極群を構成する工程、（iv）一方の面に接続予定部を有する第１集電板を準備する工程、（v）第１集電板の他方の面に、前記接続予定部と対向する開口を有する絶縁性マスクを配置する工程、（vi）第１集電板の前記他方の面からアークを放射して、第１電極芯材の前記露出部を、第１集電板の前記接続予定部と溶接する工程、を有する電池の製造方法に関する。工程（vi）の後、絶縁性マスクは、第１集電板の前記他方の面から撤去する。
　本発明は、また、（i）第１電極芯材に第１電極合剤層を形成することにより、一端部に第１電極芯材の露出部を有する第１電極を得る工程、（ii）第２電極芯材に第２電極合剤層を形成することにより、一端部に第２電極芯材の露出部を有する第２電極を得る工程、（iii）第１電極と第２電極とを、セパレータを介して、捲回もしくは積層することにより、一端面において、第２電極の端部および前記セパレータの端部よりも第１電極芯材の前記露出部が突出し、別の端面において、第１電極の端部および前記セパレータの端部よりも第２電極芯材の前記露出部が突出した電極群を構成する工程、（iv）一方の面に接続予定部（第１接続予定部）を有する第１集電板と、一方の面に接続予定部（第２接続予定部）を有する第２集電板を準備する工程、（v）第１集電板の他方の面に、第１接続予定部と対向する開口を有する絶縁性マスクを配置する工程、（vi）第１集電板の前記他方の面からアークを放射して、第１電極芯材の前記露出部を、第１集電板の第１接続予定部と溶接する工程、（vii）第２集電板の他方の面に、第２接続予定部と対向する開口を有する絶縁性マスクを配置する工程、（viii）第２集電板の前記他方の面からアークを放射して、第２電極芯材の前記露出部を、第２集電板の第２接続予定部と溶接する工程、を有する電池の製造方法に関する。工程（vi）および工程（viii）の後、絶縁性マスクは、第１集電板および第２集電板の前記他方の面から撤去する。
　絶縁層の厚さは、５μｍ以上が好適である。
　絶縁層は、セラミックス粒子を含むことができる。
　第１集電板および第２集電板は、波形の凹凸を厚み方向に有することが好ましい。この場合、第１集電板および第２集電板の接続部は、前記凹凸の凹面に設定することが好ましい。
　本発明によれば、集電板と電極群とを、意図した接続部で確実に溶接することができる。すなわち、第１電極芯材の露出部と、第１集電板の接続部との接続を、確実に行うことができ、信頼性の高い電池を得ることができる。
第１電極の構成を示す図である。 第２電極の構成を示す図である。 捲回型の電極群の一例を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る電池の縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る集電板の断面図である。 本発明の一実施形態に係る絶縁性マスクの断面図である。 本発明の別の一実施形態に係る電池の縦断面図である。 本発明の別の一実施形態に係る集電板の断面図である。 本発明の更に別の一実施形態に係る集電板の断面図である。 集電板に設ける接続予定部のパターンを示す図である。
　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が、本発明は以下の実施形態に限定されない。
第１実施形態
　図１Ａ～図１Ｃは、本実施形態に係る電極群の構造模式図である。図２は、本実施形態に係る電池の縦断面模式図である。
　本実施形態にかかる電池は、いわゆるタブレス構造を有し、円筒状の電極群４と、円盤状の第１集電板１０と、円盤状の第２集電板２０とを備える。第１電極１および第２電極２は、それぞれタブを介することなく、第１集電板１０および第２集電板２０に接続されている。
　電極群４は、帯状の第１電極１と、帯状の第２電極２とを、帯状のセパレータ３を介して、捲回することにより構成されている。
　第１電極１は、シート状の第１電極芯材と、その両面に形成された第１電極合剤層１ｂとを含む。第１電極１の長手方向に沿う一端部には、第１電極芯材の露出部１ａが形成されている。同様に、第２電極２は、第２電極芯材と、その両面に形成された第２電極合剤層２ｂとを含む。第２電極２の長手方向に沿う一端部には、第２電極芯材の露出部２ａが形成されている。
　各電極芯材の露出部は、集電板の接続部に溶接するための部位である。電極群を構成する際には、第１電極芯材の露出部１ａと第２電極芯材の露出部２ａとを、互いに反対側に配置して、第１電極と第２電極とをセパレータを介して積層し、捲回する。その結果、柱状の電極群４の一端面、すなわち一方の底面には、第１電極芯材の露出部１ａが配置され、他方の底面には、第２電極芯材の露出部２ａが配置される。
　溶接を容易化する観点から、電極群４の一方の底面において、第１電極芯材の露出部１ａは、第２電極２の端部およびセパレータ３の端部よりも外側に突出している。同様に、電極群４の他方の底面において、第２電極芯材の露出部２ａは、第１電極１の端部およびセパレータ３の端部よりも外側に突出している。
　更に、第１電極と第２電極との短絡を確実に防止する観点から、第１電極芯材の露出部１ａが配された電極群の底面において、セパレータ３の端部は、第２電極２の端部よりも外側に突出していることが望ましい。同様に、第２電極芯材の露出部２ａが配された電極群の底面では、セパレータ３の端部は、第１電極１の端部よりも外側に突出していることが望ましい。
　第１電極芯材の露出部１ａは、第１集電板１０の一方の面において、接続部１０ａに溶接されている。第１集電板１０の他方の面には、絶縁層１４が形成されている。同様に、第２電極芯材の露出部２ａは、第２集電板２０の一方の面において、接続部２０ａに接続されている。第２集電板２０の他方の面には、絶縁層２４が形成されている。
　第１集電板１０および第２集電板２０は、それぞれ金属製であり、円盤状の形状を有する。正極と接続される集電板は、アルミニウムなどの金属からなり、負極と接続される集電板は、銅、鉄などの金属からなることが好ましい。集電板の形状は、特に限定されないが、当接することとなる電極群の端面を完全に覆う形状が好ましい。よって、集電板の形状は、電極群の端面の形状により相違する。集電板の厚さは、特に限定されないが、例えば０．５～２ｍｍである。集電板には、１つ以上の貫通孔が形成されていてもよい。
　図３に第１集電板１０の拡大図を示す。第１集電板の中央には、貫通孔１０ｂが形成されている。貫通孔１０ｂは、ガスの排出を促進したり、電極群による電解液の含浸を促進したりする作用を有する。例えば、電池の底部に溜まったガスは、電極群の中空部分を通り、集電板の貫通孔から電極群の外部に抜ける。
　第１集電板の一方の面（電極群４との当接面）は、第１電極芯材の露出部１ａとの接続部１０ａを有し、第１集電板の他方の面には、接続部１０ａの裏面部１５を除いて、絶縁層１４が形成されている。
　第１集電板は、貫通孔１０ｂが電極群４の中空部分に連通するように、電極群４の一方の底面に配置されている。電極群４の底面は、第１集電板側から見て完全に覆われることが好ましい。この状態で溶接が行われる。すなわち、第１集電板の接続部１０ａに、第１電極芯材の露出部１ａを接触させ、絶縁層１４が形成された方からアーク放電などによりエネルギーを放射する。その際、アークは絶縁層１４が形成された部分には放射されない。アークは接続部１０ａの裏面部１５、すなわち絶縁層１４が配置されていない第１集電板の金属面に集中して照射される。その結果、接続部１０ａを意図した部分に限定することが可能となり、効率良く溶接が完了する。
　第２集電板２０は、第１集電板１０とほぼ同様の構造を有し、第２電極芯材の露出部２ａとの接続部２０ａと、接続部２０ａの裏面部２５を除く領域に形成された絶縁層２４とを有する。第２集電板２０は、中央に貫通孔を有さず、電池ケース５の底部との接続部となる中央溶接部２０ｂを有するが、第２集電板の構造は特に限定されない。第２集電板２０は、貫通孔を有しても良く、中央溶接部２０ｂが無くてもよい。
　第１集電板の接続部１０ａおよび第２集電板の接続部２０ａは、絶縁層の形成パターンによって、任意に制御することができる。
　電極芯材の露出部と集電板の接続予定部とを溶接する手法としては、アーク溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接等の溶接法を採用することができる。ただし、溶接のためのエネルギーを、絶縁層１４で被覆されていない接続予定部の裏面部に効率良く照射する観点からは、アーク溶接を採用することが好ましい。アーク溶接としては、ＴＩＧ（タングステンイナートガス）溶接、ミグ溶接、マグ溶接、炭酸ガスアーク溶接などが挙げられるが、ＴＩＧ溶接が特に好ましい。ＴＩＧ溶接は、集電板が銅、アルミニウムなどで構成されている場合に特に有効である。また、ＴＩＧ溶接の場合、集電板だけを溶融させることができるため、電極芯材を損傷せず、信頼性の高い溶接を容易に行うことができると考えられる。リチウムイオン二次電池などの場合、電極芯材の厚みは、例えば１０～３０μｍ程度である。よって、電極芯材の座屈による短絡等の不良を抑制する観点からも、ＴＩＧ溶接が好ましい。
　集電板の表面に形成する絶縁層の厚さは、５μｍ以上であることが好ましく、１０～１００μｍであることが更に好ましい。絶縁層の厚さが５μｍ未満である場合、アーク溶接の際に、アークが絶縁層を避けて金属面に効率良く照射されない場合がある。
　絶縁層は、セラミックス粒子を含むことが好ましい。セラミックスは絶縁性が良好であり、融点が高く、反応性が低いため、絶縁層の材料として好適である。セラミックスには、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物等を用いることができる。具体的には、アルミナ、マグネシアなどを用いることができるが、特に限定されない。セラミックス粒子の平均粒径は、特に限定されないが、例えば０．１～２μｍであることが好ましい。
　 以下、本実施形態に係る電池の製造方法について順を追って説明する。
（i）第１電極を作製する。図１Ａに示すような第１電極１は、例えば、第１電極芯材に、露出部１ａを残して、第１電極合剤層１ｂを形成することにより得ることができる。
（ii）第２電極を作製する。図１Ｂに示すような第２電極２は、例えば、第２電極芯材に、露出部２ａを残して、第２電極合剤層２ｂを形成することにより得ることができる。ただし、第２電極芯材の露出部２ａを残すことは必須ではない。
　電極芯材は、金属製であり、正極の場合、アルミニウム、ニッケル、マグネシウムなどが用いられ、負極の場合、銅、鉄、ニッケルなどが用いられる。電極芯材の形態は、特に限定されないが、例えば帯状の箔、シートなどの形態を有する。この場合、第１電極芯材の露出部は、帯状電極の長手方向に沿う一端部に形成される。箔やシートは、多孔質材料で構成されていてもよい。
（iii）第１電極と第２電極とを、セパレータを介して、捲回もしくは積層することにより、一端面において、第２電極の端部およびセパレータの端部よりも第１電極芯材の露出部が突出した電極群を構成する。図１Ｃに示すような電極群４は、第１電極芯材の露出部１ａおよび第２電極芯材の露出部２ａが、互いに反対方向に配置され、かつ、セパレータ３の端部よりも突出するように、第１電極１、第２電極２およびセパレータ３を配置し、渦巻き状に捲回して形成する。
　ここで、セパレータ３は、樹脂製の微多孔膜であってもよく、金属酸化物などのフィラーと結着剤とを含む多孔質絶縁膜であってもよく、樹脂製の微多孔膜と多孔質絶縁膜との積層体であってもよい。
（iv）一方の面に接続予定部を有し、他方の面に接続予定部と対向する部分を除いて絶縁層が形成されている集電板を準備し、（v）集電板の他方の面からアークを放射して、電極芯材の露出部と集電板の接続予定部とを溶接する。図１Ｃに示すような電極群４を用いる場合には、図２、図３に示すような第１集電板１０および第２集電板２０を用意する。第１集電板１０および第２集電板２０の電極群４との当接面の裏面には、部分的に金属面１５、２５を残して、絶縁層１４、２４がそれぞれ形成されている。
　絶縁層１４、２４を形成する手法としては、絶縁材料の塗布、噴霧、スパッタ等が挙げられる。例えば、セラミックス粒子と結着剤と液状成分とを混合して絶縁ペーストを調製し、絶縁ペーストを集電板の所定面に塗布し、乾燥させる。ただし、均一に絶縁層を形成できる手法であれば、これらには限定されない。
　次に、第１集電板１０を、電極群４の一端面に、絶縁層１４を外側にして配置する。続いて、第１集電板１０と第１電極芯材の露出部１ａとを、アーク溶接により、互いに接合する。具体的には、第１集電板の接続部１０ａの裏面部１５から離れた位置に、溶接用の電極を配置し、アークを放射して、第１集電板の接続部１０ａを溶融させる。ＴＩＧ溶接等のアーク溶接を用いると、アークは絶縁層１４が形成されていない金属面に確実に照射され、接続部１０ａを溶融させることができる。これにより、第１集電板１０と電極群４とを接合できる。
　その後、第２集電板２０を、電極群４の他方の端面に、絶縁層２４を外側にして配置する。そして、第１集電板の場合と同様の操作により、第２集電板２０と電極群４とを接合する。
　その後、両集電板が溶接された電極群４を、電池ケース５に収容する。このとき、第２集電板２０を電池ケース５の下面に接触させる。第１集電板１０は、リード６を介して、封口板７に接続する。そして、非水電解質を電池ケース５内に注入し、次いで、封口板７の周縁に配されたガスケット８に電池ケースの開口端をかしめることにより、電池を密封する。電池ケース５は、開口付近に、内側に凹んだ溝部を有し、溝部には、第１集電板１０との絶縁を確保するための絶縁部材１７が設けられている。
　以上のように、第１集電板１０および第２集電板２０には、電極群との接続部の裏面部を除いて、絶縁層が形成されている。よって、集電板を電極群に溶接する際、絶縁層が形成されていない金属面だけにアークが照射される。この場合、アークは確実に集電板の金属面に照射される。よって、電極群と集電板との相対的な位置関係さえ固定されていれば、溶接用の電極の設置位置が多少ずれていようとも、所望の接合部において集電板と電極群とを接合することができる。その結果、電極群と集電板との接合不具合を大幅に低減でき、歩留まりの低下を回避することが可能になる。
第２実施形態
　図４は、本実施形態に係る電池の製造方法で用いる絶縁性マスクの断面図を示している。図５は、本実施形態に係る製造方法で作製された電池の縦断面図である。
　本実施形態では、第１集電板および第２集電板の少なくとも一方の構造が、第１実施形態とは異なり、その集電板と電極群との溶接方法も異なる。図５に示す電池は、第１集電板１０および第２集電板２０に絶縁層が形成されていない点以外、第１実施形態と同様の構造を有する。
　本実施形態においては、第１集電板１０と電極群４との溶接、および、第２集電板２０と電極群４との溶接の際、集電板の電極群４との当接面の裏面に、絶縁性マスク２７を配置する。絶縁性マスク２７は、集電板の接続予定部に対応した位置に、１つ以上の開口２８を有する。
　各集電板の一方の面を、電極群の端面に当接し、他方の面から絶縁性マスクを介してアークを放射することにより、電極芯材の露出部を、集電板の接続予定部に溶接する。その際、ＴＩＧ溶接等のアーク溶接を用いると、絶縁性マスクの開口２８に集中してアークが照射される。よって、所望の接合部において集電板と電極群とを接合することができる。その結果、電極群と集電板との接合不具合を大幅に低減でき、歩留まりの低下を回避することが可能になる。溶接の終了後、絶縁性マスク２７を集電板の他方の面から撤去する。
第３実施形態
　本実施形態に係る集電板は、第１実施形態および第２実施形態とは形状が異なる。図６は、本実施形態に係る集電板の一例の断面図である。集電板３０は、波形の凹凸を厚み方向に有する。電極群が円筒状であり、集電板が円盤状である場合、集電板の一方の面または他方の面から見て、同心円状に凹凸が形成されている状態が好ましい。ただし、集電板の一方の面または他方の面から見た凹凸の形状は、特に限定されず、電極群の端面から突出する電極芯材の露出部の形状に沿った形状であれば良い。断面における波の形状も特に限定されず、例えば凸部の先端および凹部の末端は、鋭角状に尖っていてもよく、曲線でもよい。
　集電板３０の一方の面には、凸面３０ｂの先端３３付近を除いて、絶縁層３４が形成されている。電極群の端面から突出する電極芯材の露出部は、集電板の他方の面における凹面３０ａに収容され、電極芯材の露出部と集電板の凹面とが互いに勘合した状態となる。よって、電極芯材の露出部と集電板の接続部との位置合わせが容易となるだけでなく、溶接強度が高くなり、集電効率が向上する。このような集電板を用い、アーク溶接を行う場合、凸面３０ｂの先端３３付近に集中してアークが飛散するため、意図した接続部３５で確実な溶接が可能となる。
第４実施形態
　本実施形態に係る集電板は、絶縁層を有さない点以外、第３実施形態と同様の構造を有する。図７は、本実施形態に係る集電板の一例の断面図である。集電板５０は、波形の凹凸を厚み方向に有する。電極群の端面から突出する電極芯材の露出部は、集電板の他方の面における凹面５０ａに収容され、電極芯材の露出部と集電板の凹面とが互いに勘合した状態となる。
　溶接の際には、凸面の先端５３付近、すなわち接続部５５に対応した開口を有する絶縁性マスクを介して、アークを集電板に照射する。アークは、絶縁性マスクには照射されず、開口から露出する凸面の先端５３付近に集中して照射される。よって、意図した接続部５５で確実な溶接が可能となる。
　以下、本発明を円筒型リチウムイオン二次電池に適用した実施例について説明する。
《実施例１》
（１）正極の作製
　正極活性物質であるコバルト酸リチウム粉末８５重量部と、導電剤である炭素粉末１０重量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）５重量部と、適量のＮ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）とを混合し、正極合剤ペーストを調製した。
　正極合剤ペーストを、厚み１５μｍで、幅５６ｍｍのアルミニウム箔からなる正極芯材の両面に塗布した。ただし、正極芯材の長手方向に沿う一端部に幅６ｍｍの正極芯材の露出部を残し、正極合剤ペーストの塗膜の幅は５０ｍｍとした。その後、塗膜を乾燥させ、圧延し、厚み１５０μｍの正極を得た。
（２）負極の作製
　負極活性物質である人造黒鉛粉末９５重量部と、結着剤であるＰＶＤＦを５重量部と、適量のＮＭＰと混合して、負極合剤ペーストを調製した。
　負極合剤ペーストを、厚み１０μｍで、幅５７ｍｍの銅箔からなる負極芯材の両面に塗布した。ただし、負極芯材の長手方向に沿う一端部に幅５ｍｍの負極芯材の露出部を残し、負極合剤ペーストの塗膜の幅は５２ｍｍとした。その後、塗膜を乾燥させ、圧延し、厚み１６０μｍの負極を得た。
（３）電極群の作製
　正極と負極との間に、幅５３ｍｍで、厚み２５μｍのポリプロピレン樹脂製微多孔膜をセパレータとして介在させ、これらを渦巻き状に捲回して電極群を作製した。ただし、図１Ｃに示すように、正極芯材の露出部と負極芯材の露出部とを、互いに反対側に配置し、正極芯材の露出部を一方の底面から、負極芯材の端面を他方の底面から突出させた。
　正極と負極との短絡を防止する観点から、正極芯材の露出部が配された電極群の底面では、セパレータの端部を負極の端部よりも外側に突出させた。また、負極芯材の露出部が配された電極群の底面では、セパレータ３の端部を正極の端部よりも外側に突出させた。
（４）集電板の作製
　厚み０．８ｍｍのアルミニウム板から、プレス加工により、直径２４ｍｍの円盤状の正極集電板を打ち抜いた。正極集電板の中央には直径７ｍｍの貫通孔を形成した。
　同様に、厚み０．６ｍｍの銅板から、プレス加工により、直径２４ｍｍの円盤状の負極集電板を打ち抜いた。ただし、負極集電板には貫通孔は形成しなかった。
　正極集電板および負極集電板それぞれの一方の面に、直径２ｍｍφの接続予定部を想定し、他方の面の所定領域には絶縁層を形成した。図８に示すように、接続予定部４２は、集電板４０の径方向に３点ずつ、十字状に設けることとした。ここで、正極集電板には、絶縁層を、接続予定部の裏面部およびリード溶接予定部を除く領域に形成した。また、負極集電板には、絶縁層を、接続予定部の裏面部および電池ケース底部との溶接予定部を除く領域に形成した。
　絶縁層は、絶縁ペーストを用いて形成した。まず、セラミックス粒子である平均粒径０．５μｍのアルミナ４８重量部と、ポリアクリロニトリル変性ゴムからなる結着剤４重量部とを、約４０重量部のＮＭＰと混合して、絶縁ペーストを調製した。得られた絶縁ペーストを、集電板の所定面に８０μｍの厚さで塗布し、その後、塗膜を乾燥することにより、絶縁層を形成した。
（５）集電板の溶接
　正極芯材の露出部が突出した電極群の端面に、正極集電板を当接し、ＴＩＧ溶接により、正極芯材の露出部を正極集電板の接続予定部に溶接した。ＴＩＧ溶接の条件は、電流値を１００Ａとし、溶接時間を１００ｍｓとした。
　同様に、負極芯材の露出部が突出した電極群の端面に、負極集電板を当接し、ＴＩＧ溶接により、負極芯材の露出部を負極集電板の接続予定部に溶接した。ＴＩＧ溶接の条件は、電流値を１３０Ａとし、溶接時間を５０ｍｓとした。
（６）電池の作製
　図２に示すような電池を以下の要領で作製した。
　上記のように集電構造を形成した電極群を、上部が開口した円筒型の有底電池ケースに挿入した。その際、負極集電板を電池ケースの底部側に配した。その後、負極集電板を電池ケースの底部に抵抗溶接した。また、アルミニウム製の正極リードを介して、正極集電板を封口板に接続した。正極集電板と封口板との間には、短絡防止のための絶縁部材を配置した。
　エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとの体積比１：１の混合溶媒に、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）を１ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解させて、非水電解質を調製した。電池ケースを加熱して乾燥させた後、電池ケースに非水電解質を注入し、電極群に十分に非水電解質を含浸させた。
　その後、ガスケットを介して封口板に電池ケースの開口端をかしめ、電池ケースの開口を封口した。こうして直径２６ｍｍ、高さ６５ｍｍの円筒型リチウムイオン二次電池（サンプル１）を完成させた。サンプル１の電池容量は２６００ｍＡｈとした。
《実施例２》
　以下の点以外、実施例１と同様の円筒型リチウムイオン二次電池（サンプル２）を作製した。
　正極集電板および負極集電板に絶縁層を形成する工程をそれぞれ省略した。ただし、ＴＩＧ溶接の際、接続予定部を有する一方の面を電極群の端面に当接し、他方の面には、厚さ１ｍｍの窒化珪素からなる絶縁マスクを配置した。
　絶縁マスクは、直径２ｍｍφの接続予定部の裏面部を除いて、集電板の他方の面を完全に覆う構造とした。溶接後、絶縁性マスクは集電板から撤去した。
《実施例３》
　集電板の構造を変更した点以外、実施例１と同様の円筒型リチウムイオン二次電池（サンプル３）を作製した。集電板は以下の要領で作製した。
　厚み０．８ｍｍのアルミニウム板から正極集電板を打ち抜く際、プレス金型を変更し、断面Ｖ字状の波形の凹凸を形成した。凹凸の振幅（高さ）は１ｍｍとし、凸部の先端および凹部の末端の角度は１２０°とした。凹凸の形状は、集電板の一方の面から見て同心円状であり、円盤の径方向に隣接する凹部同士もしくは凸部同士の間隔は２ｍｍとした。
　同様に、厚み０．６ｍｍの銅板から負極集電板を打ち抜く際、プレス金型を変更し、正極集電板と同様の波形の凹凸を形成した。
　両集電板において、絶縁層を形成する領域は、実施例１と同様とした。
《実施例４》
　絶縁層を形成しなかった点以外、実施例３と同様の正極集電板および負極集電板を作製し、実施例２と同様に、絶縁性マスクを用いて、円筒型リチウムイオン二次電池（サンプル４）を作製した。
《比較例１》
　絶縁性マスクを用いなかった点以外、実施例２と同様に、円筒型リチウムイオン二次電池（サンプル５）を作製した。
《比較例２》
　絶縁性マスクを用いなかった点以外、実施例４と同様に、円筒型リチウムイオン二次電池（サンプル６）を作製した。
［評価方法］
　サンプル１～６のリチウムイオン二次電池を、各５０個準備し、以下のような評価を行った。
（極板群の端面と集電板との接合部の外観検査）
　集電板を溶接した直後に、接合部を視認により観察した。結果を表１の「接合部の状態」欄に示す。
　サンプル１～４では、接続部において、未接合不良（集電板からの溶融金属が電極群の端面に到達していない状態）および電極芯材の破損は観察されなかった。一方、サンプル５、６では、全ての電池において、接続部に未接合不良が観察された。
（引張強度の測定）
　サンプル１～６の電池を５個ずつ抜き取って、ＪＩＳ　Ｚ２２４１に基づいて、接続部の引張強度を測定した。具体的には、引張試験機の一方の治具に電極群を保持させ、引張試験機の他方の治具に集電板を保持させた状態で、一定の速度で、引張試験機の軸方向（電極群と集電板とが互いに離れる方向）に引張り、接続部が破壊したときの荷重を引張強度とした。測定結果を表１の「引張強度」欄に示す。
　サンプル１～４では、全ての電池で引張強度が５０Ｎまたは５５Ｎ以上であり、高い強度であった。一方、サンプル５では、５個のうちの１個において、引張強度が２０Ｎ以下のものがあった。また、サンプル６でも、５個のうちの１個において、引張強度が３０Ｎ以下のものがあった。
（電池の内部抵抗の測定）
　サンプル１～６の電池の内部抵抗を測定した。具体的には、各電池に対して、１２５０ｍＡの定電流で４．２Ｖまで充電した後、１２５０ｍＡの定電流で３．０Ｖまで放電する充放電サイクルを３回繰り返した。その後、１ｋＨｚの交流を電池に印加して、電池の内部抵抗を測定し、接続状態を評価した。結果を表１の「内部抵抗」欄に示す。
　サンプル１、２では、内部抵抗の平均値は５ｍΩ、サンプル３、４では内部抵抗の平均値は４ｍΩであり、そのばらつきはいずれも５％程度であった。一方、サンプル５では、内部抵抗の平均値は１０ｍΩであり、そのばらつきは３０％以上であった。また、サンプル６では、内部抵抗の平均値は５ｍΩであり、そのばらつきは１０％以上であった。
（出力電流の測定）
　サンプル１～６の電池の内部抵抗の測定値（Ｒ）から、平均出力電流（Ｉ）を計算した。電池を４．２Ｖまで充電した後、３Ｖまで放電した場合、Ｒ（抵抗）×Ｉ（電流）＝Δ１．２Ｖ（電圧）である。よって、Ｉ（電流）＝Δ１．２（電圧）／Ｒ（抵抗）となる。結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
　表１に示すように、本発明を適用した電池は、大電流放電が可能であり、高性能電池を安定して製造できることがわかる。
　本発明は、例えばリチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池二次電池等の密閉型蓄電池に適用できる。本発明は、捲回型のみならず、扁平型や積層型の電極群を有する電池にも適用でき、更には、二次電池と同様の集電構造を有する電気化学素子（例えば乾電池やコンデンサなど）に適用してもよい。
　本発明は、大電流放電に適した集電構造を有する密閉型二次電池において特に有用であり、高出力を必要とする電動工具や電気自動車などの駆動用電源、大容量のバックアップ用電源、蓄電用電源等に適用できる。
　　　１　　第１電極
　　　１ａ　第１電極芯材の露出部
　　　１ｂ　第１電極合剤層
　　　２　　第２電極
　　　２ａ　第２電極芯材の露出部
　　　２ｂ　第２電極合剤層
　　　３　　セパレータ
　　　４　　電極群
　　　５　　電池ケース
　　　６　　リード
　　　７　　封口板
　　　８　　ガスケット
　　１０　　第１集電板
　　１０ａ、２０ａ、３５、５５　接続部
　　１０ｂ　貫通孔
　　１４、２４、３４　　絶縁層
　　１５、２５　　裏面部（金属面）
　　１７　　絶縁部材
　　２０　　第２集電板
　　２０ｂ　中央溶接部
　　２７　　絶縁性マスク
　　２８　　開口
　　３０、５０　　集電板
　　３０ａ、５０ａ　凹面
　　３０ｂ、５０ｂ　凸面
　　３３、５３　　凸部の先端
　　４０　　集電板
　　４２　　接続予定部

Claims (10)

  1. 　第１電極と第２電極とを、セパレータを介して、捲回もしくは積層してなる電極群と、第１電極と電気的接続を有する第１集電板とを具備し、
    　第１電極は、第１電極芯材および第１電極芯材に形成された第１電極合剤層を含み、
    　第２電極は、第２電極芯材および第２電極芯材に形成された第２電極合剤層を含み、
    　第１電極の一端部は、前記電極群の一端面において、第２電極の端部および前記セパレータの端部よりも突出しており、前記突出する第１電極の端部は、第１電極芯材の露出部を有し、
    　第１電極芯材の前記露出部は、第１集電板の一方の面の接続部と溶接されており、
    　第１集電板の他方の面には、前記接続部の裏面部を除く領域に、絶縁層が形成されている、電池。
  2. 　第１電極芯材の前記露出部と、第１集電板の接続部とが、アーク溶接により接続されている、請求項１記載の電池。
  3. 　前記絶縁層の厚さが、５μｍ以上である、請求項１記載の電池。
  4. 　前記絶縁層が、セラミックス粒子を含む、請求項１記載の電池。
  5. 　前記第１集電板が波形の凹凸を厚み方向に有し、前記接続部が前記凹凸の凹面に位置する、請求項１記載の電池。
  6. 　（i）第１電極芯材に第１電極合剤層を形成することにより、一端部に第１電極芯材の露出部を有する第１電極を得る工程、
    　（ii）第２電極芯材に第２電極合剤層を形成することにより、第２電極を得る工程、
    　（iii）第１電極と第２電極とを、セパレータを介して、捲回もしくは積層することにより、一端面において、第２電極の端部および前記セパレータの端部よりも第１電極芯材の前記露出部が突出した電極群を構成する工程、
    　（iv）一方の面に接続予定部を有し、他方の面に、前記接続予定部の裏面部を除く領域に、絶縁層が形成されている第１集電板を準備する工程、および
    　（v）第１集電板の前記他方の面からアークを放射して、第１電極芯材の前記露出部を、第１集電板の前記接続予定部と溶接する工程、を有する電池の製造方法。
  7. 　（i）第１電極芯材に第１電極合剤層を形成することにより、一端部に第１電極芯材の露出部を有する第１電極を得る工程、
    　（ii）第２電極芯材に第２電極合剤層を形成することにより、第２電極を得る工程、
    　（iii）第１電極と第２電極とを、セパレータを介して、捲回もしくは積層することにより、一端面において、第２電極の端部および前記セパレータの端部よりも第１電極芯材の前記露出部が突出した電極群を構成する工程、
    　（iv）一方の面に接続予定部を有する第１集電板を準備する工程、
    　（v）第１集電板の他方の面に、前記接続予定部と対向する開口を有する絶縁性マスクを配置する工程、および
    　（vi）第１集電板の前記他方の面からアークを放射して、第１電極芯材の前記露出部を、第１集電板の前記接続予定部と溶接する工程、を有する電池の製造方法。
  8. 　工程（vi）の後、第１集電板の前記他方の面から、前記絶縁性マスクを撤去する工程を有する、請求項７記載の電池の製造方法。
  9. 　前記第１集電板が波形の凹凸を厚み方向に有し、前記接続予定部が前記凹凸の凹面に位置する、請求項６記載の電池の製造方法。
  10. 　前記第１集電板が波形の凹凸を厚み方向に有し、前記接続予定部が前記凹凸の凹面に位置する、請求項７記載の電池の製造方法。
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