WO2018159197A1 - 二次電池 - Google Patents

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WO2018159197A1
WO2018159197A1 PCT/JP2018/003097 JP2018003097W WO2018159197A1 WO 2018159197 A1 WO2018159197 A1 WO 2018159197A1 JP 2018003097 W JP2018003097 W JP 2018003097W WO 2018159197 A1 WO2018159197 A1 WO 2018159197A1
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WO
WIPO (PCT)
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negative electrode
secondary battery
convex
foil
current collector
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/003097
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
直子 月森
稔之 有賀
磯野 栄一
八木 陽心
Original Assignee
日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日立オートモティブシステムズ株式会社 filed Critical 日立オートモティブシステムズ株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/531Electrode connections inside a battery casing
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a lithium secondary battery capable of suppressing cracks, tearing, and breakage while maintaining high bonding strength, and improving product reliability and safety.
  • a lithium secondary battery that is lightweight and has a high energy density is formed by stacking or winding positive and negative electrodes together with a separator to form an electrode body, and taking out electric energy from the electrode body. Welded or joined.
  • One means for forming this connection structure is an ultrasonic welding method.
  • An ultrasonic welding apparatus that performs ultrasonic welding sandwiches, for example, two metal plates that are overlapped by a joining tool called an anvil and a horn, and applies a predetermined pressure (gripping force) to the horn by ultrasonic vibration. Join by reciprocating linear motion.
  • the joining surface of the horn and the anvil of this ultrasonic welding apparatus generally has an uneven shape so as to securely hold the metal plate, and the uneven portion pressurizes and vibrates the metal plate at the time of joining. Bite into the board. For this reason, the thickness of the metal plate around the convex portion is reduced, and in particular, the metal plate in contact with the top surface of the convex portion provided on the joint surface of the horn may be torn or damaged. Such a problem causes problems such as product reliability and safety.
  • Patent Document 1 is given as background art in this technical field. This Patent Document 1 is characterized in that one or a plurality of concave portions existing between a convex portion or a plurality of convex portions of a joining surface of a horn of an ultrasonic welding apparatus are formed of a surface having no corner portion. Are listed.
  • the grip region of the metal plate sandwiched between the anvil and the horn is vibrated by the horn, while the non-grip region of the metal plate not sandwiched between the anvil and the horn.
  • the phenomenon of staying at that position occurs due to inertia.
  • the upper layer foil with which the horn abuts is most expanded, and the lower layer foil side on the anvil side is pushed and contracted by plastic flow. For this reason, cracks are likely to occur in the upper foil.
  • the present invention pays attention to the breakage generated from the fluidity of such laminated foils, and suppresses cracks, breaks, and breaks of the upper foil with which the horn contacts, while maintaining the bonding strength during ultrasonic welding. It is an object of the present invention to provide a secondary battery in which the generation of foreign matter is suppressed.
  • the present application includes a plurality of means for solving the above-mentioned problems.
  • an electrode having a metal foil exposed part at one end and a separator laminated on each other, the metal foil exposed part, and an ultrasonic wave
  • a joining mark of the ultrasonic weld has a shape having a plurality of convex portions, and the convex portions are inclined portions.
  • A is the sum of the half length of the sloped portion from the lower end portion of the convex portion and the upper surface portion of the convex portion, and the lower end of the convex portion when the inclined portion and the upper surface portion are projected in the direction of the current collector plate.
  • Equation 1 is satisfied, where B is a length from the portion to the half length of the upper surface portion.
  • the joining strength is formed. It is possible to suppress cracks, tears, and breaks while maintaining the above, and to improve the reliability and safety of the product.
  • FIG. 1 is an external perspective view of a flat wound secondary battery.
  • the flat wound secondary battery 100 includes a battery can 1 and a lid (battery lid) 6.
  • the battery can 1 has a side surface and a bottom surface 1d having a pair of opposed wide side surfaces 1b having a relatively large area and a pair of opposed narrow side surfaces 1c having a relatively small area, and an opening 1a above the side surface 1d.
  • the wound group 3 is accommodated in the battery can 1, and the opening 1 a of the battery can 1 is sealed by the battery lid 6.
  • the battery lid 6 has a substantially rectangular flat plate shape and is welded so as to close the upper opening 1 a of the battery can 1 to seal the battery can 1.
  • the battery lid 6 is provided with a positive external terminal 14 and a negative external terminal 12.
  • the wound group 3 is charged through the positive external terminal 14 and the negative external terminal 12, and power is supplied to the external load.
  • the battery cover 6 is integrally provided with a gas discharge valve 10, and when the pressure in the battery container rises, the gas discharge valve 10 opens to discharge gas from the inside, and the pressure in the battery container is reduced. Thereby, the safety of the flat wound secondary battery 100 is ensured.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the prismatic secondary battery.
  • the battery can 1 of the flat wound secondary battery 100 includes a rectangular bottom surface 1d, square cylindrical side surfaces 1b and 1c rising from the bottom surface 1d, and an opening opened upward at the upper ends of the side surfaces 1b and 1c. 1a.
  • a wound group 3 is accommodated in the battery can 1 via an insulating protective film 2.
  • the wound group 3 Since the wound group 3 is wound in a flat shape, the pair of curved portions 3a and 3b having a semicircular cross section and facing each other and continuously formed between the pair of curved portions 3a and 3b. And a plane portion 3c.
  • the winding group 3 is inserted into the battery can 1 from one curved portion side 3b so that the winding axis direction is along the lateral width direction of the battery can 1, and the other curved portion 3a side is disposed on the upper opening side. .
  • a positive electrode current collector plate (current collector terminal) 44 and a positive electrode protection metal plate 45 are sandwiched between the positive electrode foil exposed portions 34c of the wound group 3 and joined by ultrasonic welding.
  • the positive electrode protection metal plate 45 protects the positive electrode foil exposed portion 34c when bonded.
  • the negative electrode foil exposed portion 32c of the wound group 3 is sandwiched between the negative electrode current collector plate (current collector terminal) 24 and the negative electrode protection metal plate 25 and joined by ultrasonic welding.
  • the negative electrode protection metal plate 25 protects the negative electrode foil exposed portion 32c when bonded.
  • the positive electrode protecting metal plate 45 is made of aluminum or an aluminum alloy
  • the negative electrode protecting metal plate 25 is made of copper or a copper alloy.
  • the positive electrode foil exposed portion 34 c of the winding group 3 is electrically connected to the positive external terminal 14 provided on the battery lid 6 via the positive current collector plate (current collector terminal) 44.
  • the negative electrode foil exposed portion 32 c of the wound group 3 is electrically connected to the negative external terminal 12 provided on the battery lid 6 via a negative current collector (current collector terminal) 24.
  • a gasket 5 and an insulating plate 7 are provided on the battery lid 6. It has been. Moreover, after injecting electrolyte solution into the battery can 1 from the injection hole 9, the injection stopper 11 is welded to the battery lid 6 by laser welding to seal the injection hole 9, and the flat wound secondary battery 100 is sealed.
  • the forming material of the positive electrode external terminal 14 and the positive electrode current collector plate 44 includes, for example, an aluminum alloy
  • the forming material of the negative electrode external terminal 12 and the negative electrode current collector plate 24 includes, for example, a copper alloy.
  • the material for forming the insulating plate 7 and the gasket 5 include resin materials having insulating properties such as polybutylene terephthalate, polyphenylene sulfide, and perfluoroalkoxy fluororesin.
  • the battery lid 6 is provided with a liquid injection hole 9 for injecting an electrolytic solution into the battery container.
  • the liquid injection hole 9 is an injection stopper after the electrolytic solution is injected into the battery container. 11 is sealed.
  • a non-aqueous electrolytic solution in which a lithium salt such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is dissolved in a carbonic acid ester-based organic solvent such as ethylene carbonate is used. Can be applied.
  • the positive external terminal 14 and the negative external terminal 12 have welds that are welded to a bus bar or the like.
  • the weld joint has a rectangular parallelepiped block shape protruding upward from the battery lid 6, and has a configuration in which the lower surface faces the surface of the battery lid 6 and the upper surface is parallel to the battery lid 6 at a predetermined height position. Have.
  • the positive electrode connecting portion 14 a and the negative electrode connecting portion 12 a have a cylindrical shape that protrudes from the lower surface of the positive electrode external terminal 14 and the negative electrode external terminal 12 and can be inserted into the positive electrode side through hole 46 and the negative electrode side through hole 26 of the battery lid 6. Have.
  • the positive electrode connecting portion 14 a and the negative electrode connecting portion 12 a penetrate the battery lid 6 and are more inside the battery can 1 than the positive electrode current collector plate 44, the positive electrode current collector plate base 41 of the negative electrode current collector plate 24, and the negative electrode current collector plate base 21.
  • the positive electrode external terminal 14, the negative electrode external terminal 12, the positive electrode current collector plate 44, and the negative electrode current collector plate 24 are integrally fixed to the battery lid 6.
  • a gasket 5 is interposed between the positive electrode external terminal 14 and the negative electrode external terminal 12 and the battery cover 6, and an insulating plate is interposed between the positive electrode current collector plate 44, the negative electrode current collector plate 24 and the battery cover 6. 7 is interposed.
  • the positive electrode current collector plate 44 and the negative electrode current collector plate 24 are a rectangular plate-shaped positive electrode current collector plate base 41, a negative electrode current collector plate base 21, and a positive electrode current collector plate base 41 that are arranged to face the lower surface of the battery lid 6.
  • the negative electrode current collector plate 21 is bent at the side end and extends toward the bottom surface along the wide surface of the battery can 1 to form the positive electrode foil exposed portion 34c and the negative electrode foil exposed portion 32c of the wound group 3. It has a positive electrode side connection end portion 42 and a negative electrode side connection end portion 22 which are connected in a state of being opposed to each other.
  • the positive electrode current collector plate base 41 and the negative electrode current collector plate base 21 are respectively formed with a positive electrode side opening hole 43 and a negative electrode side opening hole 23 through which the positive electrode connection part 14a and the negative electrode connection part 12a are inserted.
  • the insulating protective film 2 is wound around the winding group 3 with the direction along the flat plane of the winding group 3 and the direction orthogonal to the winding axis direction of the winding group 3 as the central axis direction.
  • the insulating protective film 2 is made of a single sheet or a plurality of film members made of synthetic resin such as PP (polypropylene), for example, and is a direction parallel to the flat surface of the wound group 3 and perpendicular to the winding axis direction. Has a length that can be wound around the winding center.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view showing a state in which a part of the wound electrode group is developed.
  • the winding group 3 is configured by winding the negative electrode 32 and the positive electrode 34 in a flat shape with separators 33 and 35 interposed therebetween.
  • the outermost electrode is the negative electrode 32, and the separators 33 and 35 are wound outside thereof.
  • the separators 33 and 35 have a role of insulating between the positive electrode 34 and the negative electrode 32.
  • the portion where the negative electrode mixture layer 32b of the negative electrode 32 is applied is larger in the width direction than the portion of the positive electrode 34 where the positive electrode mixture layer 34b is applied, so that the portion where the positive electrode mixture layer 34b is applied is
  • the negative electrode mixture layer 32b is always sandwiched between the coated portions.
  • the positive foil exposed portion 34c and the negative foil exposed portion 32c are bundled at a plane portion and connected by welding or the like.
  • the separators 33 and 35 are wider than the portion where the negative electrode mixture layer 32b is applied in the width direction, but are wound at positions where the metal foil surface at the end is exposed at the positive electrode foil exposed portion 34c and the negative electrode foil exposed portion 32c. Therefore, it does not hinder bundle welding.
  • the positive electrode 34 has a positive electrode active material mixture on both sides of a positive electrode foil that is a positive electrode current collector, and a positive electrode foil in which the positive electrode active material mixture is not applied to one end in the width direction of the positive electrode foil An exposed portion 34c is provided.
  • the negative electrode 32 has a negative electrode active material mixture on both sides of a negative electrode foil that is a negative electrode current collector, and the negative electrode foil in which the negative electrode active material mixture is not applied to the other end in the width direction of the positive electrode foil An exposed portion 32c is provided.
  • the positive electrode foil exposed portion 34c and the negative electrode foil exposed portion 32c are regions where the metal surface of the electrode foil is exposed, and are wound so as to be disposed on one side and the other side in the winding axis direction.
  • negative electrode 32 10 parts by weight of polyvinylidene fluoride (hereinafter referred to as PVDF) is added as a binder to 100 parts by weight of amorphous carbon powder as a negative electrode active material, and N as a dispersion solvent.
  • NMP kneading methylpyrrolidone
  • amorphous carbon is used as the negative electrode active material, but the present invention is not limited to this.
  • Natural graphite capable of inserting and removing lithium ions and various artificial graphite materials Carbonaceous materials such as coke, compounds such as Si and Sn (for example, SiO, TiSi2 etc.), or composite materials thereof may be used, and the particle shape is particularly limited, such as scaly, spherical, fibrous, or massive Is not to be done.
  • the positive electrode 34 10 parts by weight of flaky graphite as a conductive material and 10 parts by weight of PVDF as a binder are added to 100 parts by weight of lithium manganate (chemical formula LiMn 2 O 4) as a positive electrode active material.
  • lithium manganate is used as the positive electrode active material
  • other lithium manganate having a spinel crystal structure or a lithium manganese composite oxide or layered in which a part is substituted or doped with a metal element A lithium cobalt oxide or lithium titanate having a crystal structure, or a lithium-metal composite oxide obtained by substituting or doping a part thereof with a metal element may be used.
  • PVDF polytetrafluoroethylene
  • polyethylene polyethylene
  • polystyrene polybutadiene
  • butyl rubber nitrile rubber
  • styrene Use polymers such as butadiene rubber, polysulfide rubber, nitrocellulose, cyanoethyl cellulose, various latexes, acrylonitrile, vinyl fluoride, vinylidene fluoride, propylene fluoride, chloroprene fluoride, acrylic resins, and mixtures thereof.
  • a shaft core what was comprised by winding the resin sheet whose bending rigidity is higher than any of the positive electrode foil 31a, the negative electrode foil 32a, and the separator 33 can be used, for example.
  • FIG. 4 is a schematic diagram during ultrasonic welding.
  • the negative electrode side will be described as a representative example, but the present invention can be applied even if it is the positive electrode side.
  • FIG. 6A shows a state before ultrasonic welding
  • FIG. 6B shows a state after ultrasonic welding.
  • the figure before ultrasonic welding will be described with reference to (a).
  • the negative electrode foil exposed portion 32 c is disposed between the negative electrode current collector plate 24 and the negative electrode protection metal plate 25.
  • the horn 160a is disposed on the negative electrode protection metal plate 25 side
  • the anvil 161a is disposed on the negative electrode current collector plate 24 side.
  • the current collector plate 24 is placed on the anvil 161a, and the horn 160a is pressed from the negative electrode protecting metal plate 25 side. Then, the horn 160a is vibrated to ultrasonically weld the negative electrode protection metal plate 25, the negative electrode foil exposed portion 32c, and the negative electrode current collector plate 24 to each other. And as shown to (b), the joining area
  • FIG. 5 shows an enlarged view of the joining region 140 of FIG.
  • the directions shown in FIG. 5 indicate the arrangement relationship in the secondary battery.
  • the right side of FIG. 5 is the lid side
  • the left side is the can bottom side
  • the upper side is the mixture layer side
  • the lower side is the battery can side. is there.
  • an ultrasonic welding apparatus including an anvil 161a and a horn 160a having a plurality of concavo-convex portions
  • the negative electrode protection metal plate 25 and the negative electrode foil exposed portion 32c are interposed between the anvil 161a and the horn 160a.
  • the negative electrode current collector plate 24 is disposed, a plurality of concave and convex portions of the horn 160a are pressed against the negative electrode protection metal plate 25, and the horn 160a is vibrated, whereby the negative electrode protection metal plate 25, the negative electrode electrode foil exposed portion 32c,
  • the negative electrode current collector plate 24 is joined, and in the joined region 140 where it is joined, a joint mark 141 having a convex portion on the contact surface with the concave and convex portion of the horn 160a on the negative electrode protection metal plate 25 is formed.
  • the feature of the present invention is to control cracks, tears, and breakage of the upper foil with which the horn contacts by controlling the shape of the joining mark 141.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the bonding mark 141 and the principle of the present invention, which are features of the present invention, and is a cross-sectional view of the bonding mark 141 formed by ultrasonic welding. Specifically, it is taken along the AA cross section of FIG.
  • the joint mark 141 in the joint region 140 on the negative electrode protection metal plate 25 is mainly classified into two, a joint mark convex part 141a and a joint mark concave part 141b.
  • the joint trace convex part 141a formed by joining is composed of an inclined part 150 and an upper surface part 151, and the sum of the half lengths of the inclined part 150 and the convex part upper surface part 151 from the lower end part 152 of the convex part.
  • A is the length from the lower end portion 152 of the convex portion to half of the upper surface portion 151 when the inclined portion 150 and the upper surface portion 151 are projected in the direction of the current collector plate, the following (Equation 1) is satisfied. In this way, the joint mark 141 is formed.
  • a ⁇ B ⁇ C (Equation 1) A: Sum of half lengths of inclined portion 150 and convex upper surface portion 151 of joint trace B: convex lower end portion 152 when projected inclined portion 150 and convex upper surface portion 151 of joint trace are projected in the current collector direction To half length of the upper surface portion 151 of the convex portion C: Elongation rate of the metal foil at room temperature (25 ° C.) Note that the values of A and B looked at the cut surface cut at the central region of the joint trace convex portion 141a. Is. By taking the lengths A and B at the cut surface in this central region, the length of the region where the force is most exerted on the foil (substantially the central portion of the flat portion 141a in FIG. 6) can be considered. It is possible to suppress cracks in the metal foil with high accuracy.
  • the metal foil in the gripping region of the negative electrode foil exposed portion 32c sandwiched between the anvil 161a and the horn 160a is exposed to the negative electrode foil exposed portion that is not sandwiched between the anvil 161a and the horn 160a due to the plastic flow of ultrasonic welding. Since the amount of the metal foil in the gripping region is reduced because it flows in the direction of the non-grip region 32c, the height from the upper surface portion of the convex portion of the joint mark 141 to the lower end portion is maintained in order to maintain the joint strength and prevent the metal foil from being separated.
  • the length 153 in the vertical direction is preferably smaller than the total thickness of the foils overlaid at the negative electrode foil exposed portion 32c.
  • the values of A and B may be different as long as the bonding marks 141 satisfy (Equation 1).
  • the shape of the joining trace of the present embodiment thus obtained is that the slope 150 and the convex upper surface 151 from the lower end 152 of the convex portion of the metal plate for negative electrode protection that becomes the upper layer foil with which the horn 160a abuts. Since the sum A of the half length is not extended more than the elongation rate of the metal plate, cracks, tears, and breakage can be suppressed, and the effect of improving the reliability and safety of the product can be expected.
  • the secondary battery according to the present invention includes an electrode (32, 34) in which an electrode (32, 34) having a metal foil exposed portion (32c, 34c) at one end and a separator (33, 35) are stacked on each other, A metal foil exposed portion (32c, 34c) and a current collector plate (24, 44) having an ultrasonic welded portion (140) connected by ultrasonic welding, and there are a plurality of joining traces of the ultrasonic welded portion (140).
  • the convex part (141a) is composed of an inclined part (150) and an upper surface part (151), and the inclined part (152) from the lower end part (152) of the convex part (141a) ( 150) and the sum of the half lengths of the upper surface portion (151) of the convex portion, and the lower end of the convex portion when the inclined portion (150) and the upper surface portion (151) are projected in the direction of the current collector plate (24, 44).
  • the length from the part (152) to the half length of the upper surface part (151) is B And satisfies the following equation (1).
  • a ⁇ B ⁇ C (C is the elongation percentage of the metal foil) (Equation 1)
  • Equation 1 a very small crack that cannot be visually recognized is generated when the uppermost metal foil is stretched more than the elongation rate of the metal foil, which contributes to the generation of metal foreign matter.
  • the molten metal would not reveal the smallest piece of foil, and a small piece of foil that could not be found by looking at the joining mark only occurred. It is very difficult to distinguish and classify whether or not it is.
  • a ⁇ B ⁇ C (Equation 1) A: Sum of half lengths of inclined portion 150 and convex upper surface portion 151 of joint trace B: convex lower end portion 152 when projected inclined portion 150 and convex upper surface portion 151 of joint trace are projected in the current collector direction To the half length of the upper surface portion 151 of the convex portion C: By making the elongation rate of the metal foil at room temperature (25 ° C.), the secondary foil suppresses the minimum foil breakage even during welding, and hardly generates metal foreign matter. A battery can be provided. In addition, this embodiment is realizable by controlling the pressing force at the time of ultrasonic welding besides devising the shape of a horn.
  • the length in the height direction from the convex upper surface portion (141a) to the lower end portion (152) of the joint mark (141) is overlapped with the exposed metal foil portion. It is smaller than the total thickness.
  • the convex upper surface portion 141a has a flat or R portion.
  • Embodiment 2 will be described.
  • the final foil joining mark is controlled to suppress the minimum foil breakage, but in this embodiment, the foil breakage is suppressed using a horn having a specific shape.
  • (a) of the secondary battery used in Embodiment 1 shows the horn 180a of this invention
  • (b) shows the horn 180a of (a). It is the figure cut
  • the horn 180a includes a horn convex portion 181a and a horn concave portion 181b.
  • the horn convex portion 181 a is formed from the upper surface portion 171 and the inclined portion 170, and the horn concave portion is formed from the inclined portion 170 and the bottom surface portion 172.
  • the basic concept is the same as that of the first embodiment, but it is intended to correspond to the structure on the horn side.
  • the sum of the half lengths of the inclined portion 170 and the convex upper surface portion 171 from the lower end portion 172 of the concave portion is D, and the lower end portion 172 to the upper surface portion 171 when the inclined portion 170 and the upper surface portion 171 are projected on the anvil side.
  • the horn 180a satisfies the following (Equation 2), where E is a length up to half of the length.
  • the horn shape can be made in advance, a secondary battery in which metal foreign matter is less likely to be generated more efficiently than adjusting the pressing force of the horn in consideration of the size of the joint mark having a non-constant shape, respectively.
  • the values of D and E are obtained by looking at the cut surface cut at the central region of the horn convex portion 181a. By taking the lengths D and E at the cut surface in the central region, it is possible to consider the length of the region where the force is most applied to the foil (in FIG. 7B, the substantially central portion of the flat portion 181a). And cracking of the metal foil can be suppressed with higher accuracy.
  • Embodiment 3 ⁇ Embodiment 3
  • the first embodiment has a structure satisfying (Equation 1) over the entire area of the joining trace, but in this embodiment, a part of the outer peripheral region where the foil breakage is most likely to occur. Or it is the point made into the structure which satisfy
  • the bonding trace 241a2 on the mixture layer laminated portion side does not satisfy (Equation 1), and there is a bonding trace on the outside of the wound group 3 (the narrow side surface 1C side of the battery can 1). It has the joint trace 241a1 which satisfy
  • the generation of metal foreign objects can be suppressed as compared with the conventional structure.
  • it is only necessary for some of the joining marks to satisfy (Equation 1) there is a good point that production management becomes easy and productivity is improved.
  • FIG. 9A shows a joining mark 241a1 that satisfies (Equation 1) at both ends on the lid side and the bottom of the can, and a joining mark that does not satisfy (Equation 1) so as to be sandwiched between the joining marks 241a1 at both ends. 241a2.
  • Equation 1 the joining mark 241a1 of the portion where the tensile force of the foil is easily applied satisfies (Equation 1), it is possible to further suppress the generation of metal foreign matters due to the foil being cut.
  • FIG. 1 shows a joining mark 241a1 that satisfies (Equation 1) at both ends on the lid side and the bottom of the can, and a joining mark that does not satisfy (Equation 1) so as to be sandwiched between the joining marks 241a1 at both ends. 241a2.
  • FIG. 10 shows a structure in which there are two or more rows of bonding marks.
  • a bonding mark 241a1 satisfying (Equation 1) is arranged on the outer periphery of the bonding mark 241a2 that does not satisfy (Equation 1).
  • the joining marks on the outer peripheral portion have a large foil pulling force, so that a minute foil breakage is likely to occur. Therefore, by using such a structure, it is possible to effectively obtain the effects of the first embodiment while improving productivity.
  • Embodiment 4 is different from the first embodiment in that the metal elongation rate at the heat generation temperature during ultrasonic welding is used as the value of C in (Equation 1).
  • the joint mark 141 of the present embodiment has a structure satisfying the following (Equation 3).
  • a ⁇ B ⁇ C t (Equation 3) A: Sum of half lengths of inclined portion 150 and convex upper surface portion 151 of joint trace B: convex lower end portion 152 when projected inclined portion 150 and convex upper surface portion 151 of joint trace are projected in the current collector direction To the half length of the upper surface portion 151 of the convex portion C t : elongation rate of the metal foil at the heat generation temperature during ultrasonic welding.
  • the joint portion generates heat due to frictional heat due to vibration of the horn 160a during ultrasonic welding. Therefore, the elongation of the metal foil is used in consideration of the heat generation temperature.
  • the bonding area can be further reduced while satisfying (Equation 1), and the negative electrode protection metal plate 25 and the negative electrode electrode foil exposed portion 32c; The area of the negative electrode current collector plate 24 can be reduced.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various designs can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. It can be changed.
  • the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to one having all the configurations described.
  • a part of the configuration of an embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of an embodiment.

Abstract

接合強度を保ちつつ、製品としての信頼性及び安全性を向上させること一端に金属箔露出部を有する電極とセパレータとを互いに積層させた電極と、前記金属箔露出部と超音波溶接により接続される超音波溶接部を有する集電板と、を備えた二次電池において、前記超音波溶接部の接合痕は複数の凸部を有する形状となっており、 前記凸部は傾斜部と上面部からなり、当該傾斜部と凸部上面部の半分の長さの和をA、当該傾斜部及び上面部を集電板方向に投影した場合の、凸部の下端部から上面部の半分までの長さをBとしたときに、 下記(1)式を満たすことを特徴とする。 A≦B×C(Cは前記金属箔の伸び率)・・・(1)

Description

二次電池
 本発明は、高い接合強度を保ちつつ、亀裂や破れ、破断を抑制し、製品の信頼性および安全性を向上させることができるリチウム二次電池に関する。
 軽量で高エネルギー密度が得られるリチウム二次電池は、正負の電極をセパレータと共に積層または捲回して電極体を構成し、前記電極体から電気エネルギーを外部へ取り出すため、電極体と集電体を溶接または接合している。この接続構造を形成する手段の一つとして、超音波溶接方法が挙げられる。
 超音波溶接を行う超音波溶接装置は、重ね合わせられた例えば2枚の金属板をアンビルおよびホーンと呼ばれる接合工具で挟み、所定の加圧力(把持力)を与えながら、ホーンを超音波振動により往復直線運動させて接合する。この超音波溶接装置のホーン及びアンビルの接合面は、金属板を確実に挟持するため、一般的に凹凸形状を有し、接合時において凹凸部は金属板を加圧し、加振するため、金属板に食い込まれる。そのため、凸部周辺の金属板の板厚が薄くなってしまい、特に、ホーンの接合面に設けられた凸部の頂面に接する金属板で破れや破損が生じる場合がある。このような問題は、製品の信頼性及び安全性等の問題を生じる。
 本技術分野の背景技術として、特許文献1が挙げられる。この特許文献1には、超音波溶接装置のホーンの接合面の凸部または複数の凸部の間に存在する1つまたは複数の凹部が角部を持たない面からなることを特徴としていると記載されている。
特開2015-199095号公報
 しかしながら、凸部に角部を持たない超音波溶接装置のホーン形状の場合、接合時において凸部は接合面との接触面積が小さくなるため、接合強度が弱くなる。従来の接合強度を保つためには、加圧力や加振、時間等の接合条件をより高く長くする必要があり、応力が集中しやすい部分でさらに破れや破損が起こりやすくなる。
 また、超音波溶接の接合時において、アンビルおよびホーンによってはさまれている金属板の把持領域は、ホーンによって振動させられ、一方で、アンビルおよびホーンによってはさまれていない金属板の非把持領域は、慣性によってその位置にとどまる現象が起きる。このため、把持領域と非把持領域との境界において、ホーンが当接する上層箔が最も伸び、アンビル側の下層箔側は塑性流動により押し込まれ縮むことになる。このため、上層箔に亀裂が発生しやすい。本発明は、このような積層された箔の流動性から発生する破れについて着目し、超音波溶接時の接合強度を保ちつつ、ホーンが当接する上層箔の亀裂や破れ、破断を抑制し、金属異物の発生を抑制した二次電池を提供することを課題とする。
 上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
 本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、一端に金属箔露出部を有する電極とセパレータとを互いに積層させた電極と、前記金属箔露出部と超音波溶接により接続される超音波溶接部を有する集電板とを備えた二次電池において、前記超音波溶接部の接合痕は複数の凸部を有する形状となっており、当該凸部は傾斜部と上面部からなり、凸部の下端部からの傾斜部と凸部上面部の半分の長さの和をA、当該傾斜部及び上面部を集電板方向に投影した場合の凸部の下端部から上面部の半分長さまでをBとしたときに、下記(数1)を満たすことを特徴とする。
 A≦B×C・・・(数1)
 本発明によれば,凸部の下端部からの傾斜部と凸部上面部の半分の長さの和をAが金属箔の伸び率以上に伸びないように接合痕を形成するため、接合強度を保ちつつ、亀裂や破れ、破断を抑制し、製品の信頼性および安全性が向上させることができる。
角形二次電池の外観斜視図 角形二次電池の分解斜視図 捲回電極群の分解斜視図 (a)超音波溶接前の図、(b)超音波溶接後の図 超音波溶接によって形成された接合領域の拡大図 超音波溶接によって形成された接合痕の断面図 (a)実施形態2のホーン及び、(b)ホーン断面図。 (a)実施形態3の接合痕の1つめのバリエーションを示す図、(b)実施形態3の接合痕の2つめのバリエーションを示す図。 (a)実施形態3の接合痕の3つめのバリエーションを示す図、(b)実施形態3の接合痕の4つめのバリエーションを示す図。 実施形態3の接合痕の5つめのバリエーションを示す図。
 以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。
 ≪実施形態1≫
 図1は、扁平捲回形二次電池の外観斜視図である。
 扁平捲回形二次電池100は、電池缶1および蓋(電池蓋)6を備える。電池缶1は、相対的に面積の大きい一対の対向する幅広側面1bと相対的に面積の小さい一対の対向する幅狭側面1cとを有する側面と底面1dを有し、その上方に開口部1aを有する。
 電池缶1内には、捲回群3が収納され、電池缶1の開口部1aが電池蓋6によって封止されている。電池蓋6は略矩形平板状であって、電池缶1の上方開口部1aを塞ぐように溶接されて電池缶1が封止されている。電池蓋6には、正極外部端子14と、負極外部端子12が設けられている。正極外部端子14と負極外部端子12を介して捲回群3に充電され、また外部負荷に電力が供給される。電池蓋6には、ガス排出弁10が一体的に設けられ、電池容器内の圧力が上昇すると、ガス排出弁10が開いて内部からガスが排出され、電池容器内の圧力が低減される。これによって、扁平捲回形二次電池100の安全性が確保される。
 図2は、角形二次電池の分解斜視図である。
 扁平捲回形二次電池100の電池缶1は、矩形の底面1dと、底面1dから立ち上がる角筒状の側面1b、1cと、側面1b、1cの上端で上方に向かって開放された開口部1aとを有している。電池缶1内には、絶縁保護フィルム2を介して捲回群3が収容されている。
 捲回群3は、扁平形状に捲回されているため、断面半円形状の互いに対向する一対の湾曲部3a、3bと、これら一対の湾曲部3a、3bの間に連続して形成される平面部3cとを有している。捲回群3は、捲回軸方向が電池缶1の横幅方向に沿うように、一方の湾曲部側3bから電池缶1内に挿入され、他方の湾曲部3a側が上部開口側に配置される。
 正極集電板(集電端子)44と正極保護用金属板45で捲回群3の正極電極箔露出部34cを挟み、超音波溶接により接合する。正極保護用金属板45は、接合する際に、正極電極箔露出部34cを保護するものである。また、負極集電板(集電端子)24と負極保護用金属板25で捲回群3の負極電極箔露出部32cを挟み、超音波溶接により接合する。負極保護用金属板25は、接合する際に、負極電極箔露出部32cを保護するものである。尚、正極保護用金属板45の材質はアルミニウムやアルミニウム合金で、負極保護用金属板25の材質は銅や銅合金を用いる。
 これにより、捲回群3の正極電極箔露出部34cは、正極集電板(集電端子)44を介して電池蓋6に設けられた正極外部端子14と電気的に接続されている。また、捲回群3の負極電極箔露出部32cは、負極集電板(集電端子)24を介して電池蓋6に設けられた負極外部端子12と電気的に接続されている。
 正極集電板44と負極集電板24、及び、正極外部端子14と負極外部端子12を、それぞれ電池蓋6から電気的に絶縁するために、ガスケット5および絶縁板7が電池蓋6に設けられている。また、注液口9から電池缶1内に電解液を注入した後、電池蓋6に注液栓11をレーザ溶接により溶接して注液口9を封止し、扁平捲回形二次電池100を密閉する。
 ここで、正極外部端子14および正極集電板44の形成素材としては、例えばアルミニウム合金が挙げられ、負極外部端子12および負極集電板24の形成素材としては、例えば銅合金が挙げられる。また、絶縁板7およびガスケット5の形成素材としては、例えばポリブチレンテレフタレートやポリフェニレンサルファイド、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂等の絶縁性を有する樹脂材が挙げられる。
 また、電池蓋6には、電池容器内に電解液を注入するための注液孔9が穿設されており、この注液孔9は、電解液を電池容器内に注入した後に注液栓11によって封止される。ここで、電池容器内に注入される電解液としては、例えばエチレンカーボネート等の炭酸エステル系の有機溶媒に6フッ化リン酸リチウム(LiPF)等のリチウム塩が溶解された非水電解液を適用することができる。
 正極外部端子14、負極外部端子12は、バスバー等に溶接される溶接部を有している。溶接接合部は、電池蓋6から上方に突出する直方体のブロック形状を有しており、下面が電池蓋6の表面に対向し、上面が所定高さ位置で電池蓋6と平行になる構成を有している。
 正極接続部14a、負極接続部12aは、正極外部端子14、負極外部端子12の下面からそれぞれ突出して先端が電池蓋6の正極側貫通孔46、負極側貫通孔26に挿入可能な円柱形状を有している。正極接続部14a、負極接続部12aは、電池蓋6を貫通して正極集電板44、負極集電板24の正極集電板基部41、負極集電板基部21よりも電池缶1の内部側に突出しており、先端がかしめられて、正極外部端子14、負極外部端子12と、正極集電板44、負極集電板24を電池蓋6に一体に固定している。正極外部端子14、負極外部端子12と電池蓋6との間には、ガスケット5が介在されており、正極集電板44、負極集電板24と電池蓋6との間には、絶縁板7が介在されている。
 正極集電板44、負極集電板24は、電池蓋6の下面に対向して配置される矩形板状の正極集電板基部41、負極集電板基部21と、正極集電板基部41、負極集電板基部21の側端で折曲されて、電池缶1の幅広面に沿って底面側に向かって延出し、捲回群3の正極箔露出部34c、負極箔露出部32cに対向して重ね合わされた状態で接続される正極側接続端部42、負極側接続端部22を有している。正極集電板基部41、負極集電板基部21には、正極接続部14a、負極接続部12aが挿通される正極側開口穴43、負極側開口穴23がそれぞれ形成されている。
 捲回群3の扁平面に沿う方向でかつ捲回群3の捲回軸方向に直交する方向を中心軸方向として前記捲回群3の周囲には絶縁保護フィルム2が巻き付けられている。絶縁保護フィルム2は、例えばPP(ポリプロピレン)などの合成樹脂製の一枚のシートまたは複数のフィルム部材からなり、捲回群3の扁平面と平行な方向でかつ捲回軸方向に直交する方向を巻き付け中心として巻き付けることができる長さを有している。
 図3は、捲回電極群の一部を展開した状態を示す分解斜視図である。
 捲回群3は、負極電極32と正極電極34を間にセパレータ33、35を介して扁平状に捲回することによって構成されている。捲回群3は、最外周の電極が負極電極32であり、さらにその外側にセパレータ33、35が捲回される。セパレータ33、35は、正極電極34と負極電極32との間を絶縁する役割を有している。
 負極電極32の負極合剤層32bが塗布された部分は、正極電極34の正極合剤層34bが塗布された部分よりも幅方向に大きく、これにより正極合剤層34bが塗布された部分は、必ず負極合剤層32bが塗布された部分に挟まれるように構成されている。正極箔露出部34c、負極箔露出部32cは、平面部分で束ねられて溶接等により接続される。尚、セパレータ33、35は幅方向で負極合剤層32bが塗布された部分よりも広いが、正極箔露出部34c、負極箔露出部32cで端部の金属箔面が露出する位置に捲回されるため、束ねて溶接する場合の支障にはならない。
 正極電極34は、正極集電体である正極電極箔の両面に正極活物質合剤を有し、正極電極箔の幅方向一方側の端部には、正極活物質合剤を塗布しない正極箔露出部34cが設けられている。
 負極電極32は、負極集電体である負極電極箔の両面に負極活物質合剤を有し、正極電極箔の幅方向他方側の端部には、負極活物質合剤を塗布しない負極箔露出部32cが設けられている。正極箔露出部34cと負極箔露出部32cは、電極箔の金属面が露出した領域であり、捲回軸方向の一方側と他方側の位置に配置されるように捲回される。
 負極電極32に関しては、負極活物質として非晶質炭素粉末100重量部に対して、結着剤として10重量部のポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFという。)を添加し、これに分散溶媒としてN-メチルピロリドン(以下、NMPという。)を添加、混練した負極合剤を作製した。この負極合剤を厚さ10μmの銅箔(負極電極箔)の両面に溶接部(負極未塗工部)を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断工程を経て、銅箔を含まない負極活物質塗布部厚さ70μmの負極電極32を得た。
 尚、本実施形態では、負極活物質に非晶質炭素を用いる場合について例示したが、これに限定されるものではなく、リチウムイオンを挿入、脱離可能な天然黒鉛や、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料やSiやSnなどの化合物(例えば、SiO、TiSi2等)、またはそれの複合材料でもよく、その粒子形状においても、鱗片状、球状、繊維状、塊状等、特に制限されるものではない。
 正極電極34に関しては、正極活物質としてマンガン酸リチウム(化学式LiMn2O4)100重量部に対し、導電材として10重量部の鱗片状黒鉛と結着剤として10重量部のPVDFとを添加し、これに分散溶媒としてNMPを添加、混練した正極合剤を作製した。この正極合剤を厚さ20μmのアルミニウム箔(正極電極箔)の両面に溶接部(正極未塗工部)を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断工程を経て、アルミニウム箔を含まない正極活物質塗布部厚さ90μmの正極電極31を得た。
 また、本実施形態では、正極活物質にマンガン酸リチウムを用いる場合について例示したが、スピネル結晶構造を有する他のマンガン酸リチウムや一部を金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン複合酸化物や層状結晶構造を有すコバルト酸リチウムやチタン酸リチウムやこれらの一部を金属元素で置換またはドープしたリチウム-金属複合酸化物を用いるようにしてもよい。
 また、本実施形態では、正極電極、負極電極における塗工部の結着材としてPVDFを用いる場合について例示したが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン、アクリル系樹脂などの重合体およびこれらの混合体などを用いることができる
 また、軸芯としては例えば、正極箔31a、負極箔32a、セパレータ33のいずれよりも曲げ剛性の高い樹脂シートを捲回して構成したものを用いることができる。
 以下、捲回群3における接続端部と集電板の超音波溶接から形成される接合領域の接合痕について詳細に記載するが、正極側も負極側も同様な構成であるため、負極側に限定して説明する。
 図4は、超音波溶接時の模式図である。なお、本実施形態では代表して負極側で説明するが、当然正極側であったとしても本発明を適用することは可能である。図6(a)は超音波溶接前、(b)は超音波溶接後を示す図である。まず(a)を用いて超音波溶接前の図について説明する。まず負極集電板24と負極保護用金属板25との間に負極箔露出部32cが配置される。その後、負極保護用金属板25側にホーン160aを、負極集電板24側にアンビル161aを配置する。そしてアンビル161aの上に集電板24を載置し、負極保護用金属板25側からホーン160aを押圧する。そしてその後ホーン160aを振動させて負極保護用金属板25、負極箔露出部32c、負極集電板24を互いに超音波溶接する。そして(b)に示すように、負極保護用金属板25上に接合領域140が設けられることとなる。
 続いて、図4(b)の接合領域140を拡大した図を図5に示す。なお、図5中記載の方向は二次電池内での配置関係を示すものであり、図5右側は蓋側、左側は缶底側、上側は合剤層側、下側は電池缶側である。本実施形態では、アンビル161aと複数の凹凸部を有するホーン160aとを備える超音波溶接装置を用いて、アンビル161aとホーン160aとの間に負極保護用金属板25と負極電極箔露出部32cと負極集電板24を配置し、ホーン160aが有する複数の凹凸部を負極保護用金属板25に押し当て、ホーン160aを振動させることにより、負極保護用金属板25と負極電極箔露出部32cと負極集電板24とが接合され、その接合された接合領域140において、負極保護用金属板25上のホーン160aの凹凸部との接触面に凸部のある接合痕141が形成される。本発明の特徴はこの接合痕141の形状を制御することによって、ホーンが当接する上層箔の亀裂や破れ、破断を抑制しようとするものである。
 図6は、本発明の特徴となる接合痕141及び本発明の原理について説明する図であり、超音波溶接によって形成された接合痕141の断面図である。具体的には図5のA-A断面をとったものである。
 負極保護用金属板25上の接合領域140における接合痕141は、主に接合痕凸部141aと、接合痕凹部141bとの2つに分類される。接合により形成された接合痕凸部141aは、その凸部が傾斜部150と上面部151からなり、凸部の下端部152からの傾斜部150と凸部上面部151の半分の長さの和をA、傾斜部150及び上面部151を集電板方向に投影した場合の凸部の下端部152から上面部151の半分までの長さをBとしたときに、下記(数1)を満たすように接合痕141を形成する。
    A≦B×C       (数1)
  A:接合痕の傾斜部150及び凸部上面部151の半分の長さの和
  B:接合痕の傾斜部150及び凸部上面部151を集電板方向に投影した場合の
    凸部下端部152から凸部上面部151の半分長さ
  C:室温(25℃)における金属箔の伸び率
 なお、このA、Bの値はそれぞれ、接合痕凸部141aの中央領域で切断した切断面を見たものである。この中央領域での切断面で長さA及びBをとることによって、もっとも箔に力がかかる領域(図6で言うと平坦部141aの略中央部)の長さを考慮することができ、より高精度に金属箔の亀裂を抑制することが可能となる。
 本発明は溶接されているので、見た目ではわからない極小の亀裂が、金属箔の伸び率以上に最上面の金属箔が伸ばされた場合に発生し、それが金属異物の発生に寄与していることを見出した。なお、凸部上面部151なかったとしても十分に効果があるが、凸部上面部151がが長ければ長いほど、金属箔の伸びを吸収できる金属箔領域が増えるため、目に見えない亀裂の発生を抑制することができる。そのため、異物の発生をより抑制することができる。
 一方で、凸部上面部151が長くなれば長くなるほど、隣り合う凸部との間隔が大きくなる。そのため、限られた接合領域において十分な接合面積を確保するには、凸部上面151の長さは小さくなることが好ましい。また、本実施形態では凸部上面部は平坦である例を示したが、凸部上面部は湾曲形状や、R部を有してもよい。
 なお、アンビル161aおよびホーン160aによってはさまれている負極電極箔露出部32cの把持領域の金属箔は超音波溶接の塑性流動により、アンビル161aおよびホーン160aによってはさまれていない負極電極箔露出部32cの非把持領域方向に流れるため、把持領域の金属箔の量が少なくなることから、接合強度の保持および金属箔の分離防止のため、接合痕141の凸部上面部から下端部までの高さ方向の長さ153は、負極電極箔露出部32cにおける重ね合わされた箔の総厚みより小さくなることが好ましい。
 また、接合痕141が2つ以上形成される場合は、接合痕141が(数1)を満たしていれば、各々のAとBの値は異なってもよい。
 このようにして得られた本実施形態の接合痕の形状は、ホーン160aが当接する上層箔となる負極保護用金属板の凸部の下端部152からの傾斜部150と凸部上面部151の半分の長さの和Aが金属板の伸び率以上に伸ばされないため、亀裂や破れ、破断を抑制することができ、製品の信頼性及び安全性の向上の効果が期待できる。
 以上、本発明について簡単にまとめる。本発明に記載の二次電池は、一端に金属箔露出部(32c、34c)を有する電極(32、34)とセパレータ(33、35)とを互いに積層させた電極(32、34)と、金属箔露出部(32c、34c)と超音波溶接により接続される超音波溶接部(140)を有する集電板(24、44)とを備え、超音波溶接部(140)の接合痕は複数の凸部(141a)を有する形状となっており、凸部(141a)は傾斜部(150)と上面部(151)からなり、凸部(141a)の下端部(152)からの傾斜部(150)と凸部上面部(151)の半分の長さの和をA、傾斜部(150)及び上面部(151)を集電板(24、44)方向に投影した場合の凸部の下端部(152)から上面部(151)の半分長さまでをBとしたときに、下記(数1)を満たすことを特徴とする。
 A≦B×C(Cは前記金属箔の伸び率)・・・(数1)
   本発明は、見た目ではわからない極小の亀裂が見た目ではわからない極小の亀裂が、金属箔の伸び率以上に最上面の金属箔が伸ばされた場合に発生し、それが金属異物の発生に寄与していることを見出した点に大きな意義がある。特に接合痕を見た場合には、溶接時に極小の箔切れが発生していたとしても溶融金属によって極小の箔切れがわからなくなり、接合痕を見ただけではわからないような極小の箔切れについて発生しているか否か見分けて分類するのは非常に困難である。そのため、本発明では、
    A≦B×C       (数1)
  A:接合痕の傾斜部150及び凸部上面部151の半分の長さの和
  B:接合痕の傾斜部150及び凸部上面部151を集電板方向に投影した場合の
    凸部下端部152から凸部上面部151の半分長さ
  C:室温(25℃)における金属箔の伸び率
とすることによって、溶接時であっても極小の箔切れを抑制し、金属異物の発生しにくい二次電池を提供することが可能となる。なお、本実施形態はホーンの形状を工夫する以外に、超音波溶接時の押圧力をコントロールすることによっても実現できる。
 また、本発明に記載の二次電池(100)は、接合痕(141)の凸部上面部(141a)から下端部(152)までの高さ方向の長さは、金属箔露出部が重ね合わされた総厚みより小さくなっている。
 また、本発明に記載の二次電池は、凸部上面部141aは平坦またはR部を有している。
 ≪実施形態2≫
 続いて実施形態2について説明する。実施形態1では最終的な箔の接合痕をコントロールして極小な箔切れを抑制したが、本実施形態では具体的な形状を規定したホーンを用いて箔切れを抑制した点である。なお、実施形態1と同様の構成については、実施形態1で用いた二次電池の
 図7の(a)は本発明のホーン180aを示すもので、(b)は(a)のホーン180aをB-B断面で切断した図である。
 ホーン180aはホーン凸部181a、ホーン凹部181bからなる。このホーン凸部181aは上面部171と傾斜部170から形成され、ホーン凹部は傾斜部170と底面部172から形成される。本実施形態では基本的な概念は実施形態1に従ったものであるが、それをホーン側の構造で対応しようというものである。
 凹部の下端部172からの傾斜部170と凸部上面部171の半分の長さの和をD、傾斜部170及び上面部171をアンビル側に投影した場合の凹部の下端部172から上面部171の半分までの長さをEとしたときに、ホーン180aは下記(数2)を満たす。
  D≦E×C       (数2)
  D:ホーン傾斜部170とホーン凸部上面部171の半分の長さの和
  B:ホーン傾斜部170及び凸部上面部171をアンビル方向に投影した場合の
    凸部下端部172から凸部上面部171の半分長さ
  C:室温(25℃)における金属箔の伸び率
 このような構造のホーン180aを用いることによっても実施形態1同様、溶接時であっても極小の箔切れを抑制し、金属異物の発生しにくい二次電池を提供することが可能となる。また、本実施形態の場合ホーン形状はあらかじめ作れるため、一定ではない形状の接合痕の大きさをそれぞれ考慮してホーンの押圧力を調整するよりも効率的に金属異物の発生しづらい二次電池を提供することができる。なお、本実施形態でも実施形態1と同様、このD、Eの値はそれぞれ、ホーン凸部181aの中央領域で切断した切断面を見たものである。この中央領域での切断面で長さD及びEをとることによって、もっとも箔に力がかかる領域(図7(b)で言うと平坦部181aの略中央部)の長さを考慮することができ、より高精度に金属箔の亀裂を抑制することが可能となる。
 ≪実施形態3≫
 続いて実施形態3について説明する。本実施形態が実施形態1と異なる点は、ま実施形態1では接合痕の全領域にわたって(数1)を満たす構造としたが、本実施形態では最も箔切れが発生しやすい外周領域の一部または全部の接合痕で(数1)を満たす構造とした点である。
 実施形態1に記載のように、すべての接合痕が(数1)を満たす構造が金属異物発生を抑制するには一番である。しかし、本発明の(数1)を満たす接合痕が一部であったとしても従来の二次電池よりは金属異物発生の抑制に対して効果がある。そのため本実施形態では、負極保護用金属板250に設けられた接合痕のうち、(数1)を満たす接合痕の配置バリエーションを記載する。図8から図10は接合痕のバリエーションを示す図である。図8(a)は合剤層積層部側の接合痕241a1が(数1)を満たし、捲回群3の外側(電池缶1の幅狭側面1C側)にある接合痕が(数1)を満たさない接合痕241a2を有する。このような構造では、より合剤層積層部側に近い側で接合痕が(数1)を満たすような構造となっているため、金属異物が合剤層積層部側に混入しづらい構造となっている。一方で、図8(b)は合剤層積層部側の接合痕241a2が(数1)を満たさず、捲回群3の外側(電池缶1の幅狭側面1C側)にある接合痕が(数1)を満たす接合痕241a1を有する。このような構造にすることによって、従来のものよりは金属異物の発生が抑えられる。また、一部の接合痕が(数1)を満たせばよいので、生産管理が容易になり、生産性が向上するという良い点がある。
 図9(a)は接合痕のうち、蓋側と缶底側の両端に(数1)を満たす接合痕241a1、その両端の接合痕241a1に挟まれるように(数1)を満たさない接合痕241a2がある。このような構造をとる場合には、箔の引っ張り力がかかりやすい部分の接合痕241a1が(数1)を満たすため、より箔切れによる金属異物の発生を抑制することができる。一方で図9(b)は接合痕のうち、蓋側と缶底側の両端に(数1)を満たさない接合痕241a2、その両端の接合痕241a2に挟まれるように(数1)を満たす接合痕241a1がある。このような構造にすることによって、従来のものよりは金属異物の発生が抑えられる。また、一部の接合痕が(数1)を満たせばよいので、生産管理が容易になり、生産性が向上するという良い点がある。
 最後に図10に示す接合痕のパターンについて説明する。図10は接合痕が2列以上ある構造を示すものであり、(数1)を満たす接合痕241a1が、(数1)をみたさない接合痕241a2の外周に配置されているものである。特に外周部の接合痕は箔の引っ張り力が大きいため、微小な箔切れが発生しやすい。そのため、このような構造にすることにより、生産性を向上させつつ、効果的に実施形態1の効果を得ることができる。
 ≪実施形態4≫
 続いて実施形態4について説明する。実施形態4が実施形態1と異なる点は、(数1)のCの値を超音波溶接時の発熱温度での金属伸び率を使用した点が異なる。
 本実施形態の接合痕141は下記(数3)を満たす構造となっている。
  A≦B×Ct       (数3)
  A:接合痕の傾斜部150及び凸部上面部151の半分の長さの和
  B:接合痕の傾斜部150及び凸部上面部151を集電板方向に投影した場合の
    凸部下端部152から凸部上面部151の半分長さ
  Ct:超音波溶接時の発熱温度での金属箔の伸び率
 本実施形態では、超音波溶接時、ホーン160aの振動による摩擦熱により接合部が発熱するため、その発熱温度を考慮した金属箔の伸び率を用いている。(数3)を満たすような接合痕141を設けるようにすることによって、(数1)を満たしながらさらに接合領域が小さくすることができ、負極保護用金属板25および負極電極箔露出部32cおよび負極集電板24の面積を小さくできる。
  以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
1      電池缶
1a      開口部
1b      幅広側面
1c      幅狭側面
1d      底面
2      絶縁保護フィルム
3      捲回群
5      ガスケット
6      電池蓋
7      絶縁板
9      注液口
10      ガス排出弁
11      注液栓
12      負極外部端子
12a      負極接続部
14      正極外部端子
14a      正極接続部
21      負極集電板基部
22      負極側接続端部
23      負極側開口穴
24      負極集電板
25      負極保護用金属板
26      負極側貫通孔
32      負極電極
32a      負極箔
32b      負極合剤層
32c      負極箔露出部
33      セパレータ
34      正極電極
34a      正極箔
34b      正極合剤層
34c      正極箔露出部
35      セパレータ
41      正極集電板基部
42      正極側接続端部
43      正極側開口穴
44      正極集電板
45      正極保護用金属板
46      正極側貫通孔
100      二次電池
140      接合領域
141      接合痕
150      凸部傾斜部
151      凸部上面部
152      凸部下端部
160a     ホーン
161a     アンビル

Claims (4)

  1.  一端に金属箔露出部を有する電極とセパレータとを互いに積層させた電極と、
    前記金属箔露出部と超音波溶接により接続される超音波溶接部を有する集電板と、
    を備えた二次電池において、
    前記超音波溶接部の接合痕は複数の凸部を有する形状となっており、
    前記凸部は傾斜部と上面部からなり、当該傾斜部と凸部上面部の半分の長さの和をA、
    当該傾斜部及び上面部を集電板方向に投影した場合の、凸部の下端部から上面部の半分までの長さをBとしたときに、
    下記(1)式を満たすことを特徴とする二次電池。
     A≦B×C(Cは前記金属箔の伸び率)・・・(1)
  2.  請求項1に記載の二次電池において、
     前記Cの値は超音波溶接時の温度伸び率であることを特徴とする二次電池。
  3.  請求項1または2に記載の二次電池において、
     前記接合痕の凸部上面部から下端部までの高さ方向の長さは、前記金属箔露出部が重ね合わされた総厚みより小さいことを特徴とする二次電池。
  4.  請求項1から3に記載の二次電池において、
     前記凸部上面部は平坦またはR部を有していることを特徴とする二次電池。
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