JP6631626B2 - 円筒形電池、並びにそれに用いる集電部材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は電極体から導出する複数の正極リードを集電する集電部材を備えた円筒形電池、並びにそれに用いる集電部材及びその製造方法に関する。

近年、電動工具、電動アシスト自転車やハイブリッド電気自動車といった高出力用途の駆動電源として高エネルギー密度を有する非水電解質二次電池が広く用いられている。非水電解質二次電池は、外形や外装体によって円筒形電池、角形電池及びパウチ型電池に大別される。円筒形電池は外部からの衝撃に強く、多数の電池を用いて組電池に加工することが容易であることから、上記の用途には好適である。

円筒形電池は、セパレータを介して負極板と正極板が巻回された電極体を外装缶へ挿入し、その開口部を封口体で封止して作製される。一般的な円筒形電池では封口体を正極外部端子として利用するため、電極体中の正極板と封口体とを電気的に接続する必要がある。そのための手段として、非水電解質二次電池では正極板に接続されたリードを封口体に接続する方法が主に採用されている。

ところが、上記の方法によれば正極板の集電部が正極リードの接続部に限定される。そのため、正極板を長尺化しても十分な出力特性が得られない場合がある。そこで、正極板に複数のリードを接続することで非水電解質二次電池の集電構造の適正化が図られている。複数のリードが接続された正極板を有する電池に関する先行技術文献として特許文献１〜３が挙げられる。

特許文献１は電極体から導出する複数のリードを１点で重ね合わせて、その重なり部を封口体に接続した二次電池を開示している。

特許文献２は電極体から導出する複数のリードを、電極体上に配置された導電部材で集電した電極巻回型電池を開示している。導電部材はナットとフランジ部を有するボルトから構成されており、電極体から導出するリードをボルトのフランジ部上に折り曲げて、リードをボルトとナットで挟持して固定している。

特許文献３は渦巻状電極群から導出する複数の極板タブが集電板としての中継板に接続されたニッケルカドミウム電池を開示している。電極群と中継板の間には絶縁板が配置されており、中継板と絶縁板には極板タブを挿入するための多数の円弧状の開口が設けられている。円弧状の開口に挿入された極板タブは中継板上に折り曲げて接続されている。

特開２００７−３３５２３２号公報 特開平１１−３１２５０９号公報 実公昭５７−１４０２号公報

１本のリードを封口体に接続する場合に比べて、特許文献１に記載されているように複数のリードを封口体に接続することは容易ではない。また、極板の厚みバラツキなどによって、電極体上のリードの位置にバラツキが発生した場合には、同一条件で複数のリードを封口体に接続する工程を継続して行うことが困難となり、生産性が低下するという課題がある。

特許文献２においては複数のリードを挟持するボルトとナットを外部端子として用いているため、リードを封口体に接続する工程が省略される。しかし、特許文献２に記載された技術によれば、充放電に寄与しないボルトやナットが電池内部で多くのスペースを占めることになるため、電池容量が低下する。特に、小型の電池に特許文献２に記載された技術を適用する場合にそのような課題が顕著になる。

特許文献３のように複数の極板タブを中継板上に接続し、中継板と封口体とをリードによって電気的に接続する構成であれば、封口体には複数のリードを接続する必要がない。しかしながら、中継板と絶縁板を重ねる際にそれぞれの開口位置を合わせて、円弧状の開口に複数のリードを挿入する必要があるため生産性の課題がある。また、リードの挿入を容易にするために中継板の開口面積を増やせば、中継板の電気抵抗が増加してしまう。

上記課題を解決するために本発明の一態様に係る円筒形電池は、
負極板と複数の正極リードが接続された正極板がセパレータを介して巻回された電極体と、電解液と、電極体と電解液を収容する有底筒状の外装缶と、外装缶の開口部を封止する封口体と、を備え、
正極リードが、電極体上に配置された集電部材の外周部を経由して集電部材の電池外方側の面に接続され、集電部材が前記正極リードに接続される集電板と前記集電板の電池内方側の面上に取り付けられている第１絶縁板を有することを特徴としている。

第１絶縁板を集電板に取り付ける方法は特に限定されないが、例えば次のような方法が挙げられる。第１絶縁板と集電板を重ね合わせたとき集電板の周縁部から突出する突起を第１絶縁板の外周部に設ける。そして、突起に囲まれる領域内に集電板が配置されるように集電板と第１絶縁板を重ね合わせて、突起が集電板の少なくとも一部を覆うように突起をホットプレスする方法が挙げられる。集電板に開口が設けられる場合は、その開口に突起を挿入し、開口から突出する突起が集電板の少なくとも一部を覆うように突起をホットプレスする方法が挙げられる。

上記の方法の他、第１絶縁板と集電板の間に粘着性を有する粘着剤を配置することもできる。これにより、第１絶縁板を集電板により確実に取り付けることができる。粘着剤は第１絶縁板及び集電板の少なくとも一方の表面に塗布することができる。また、不織布などの基材の両面に粘着剤を塗布した両面テープを第１絶縁板又は集電板の間に貼り付けることもできる。

第１絶縁板を集電板に取り付ける方法としては、ホットプレスを用いる方法と粘着剤を用いる方法を組み合わせることもできる。

本発明によれば複数の正極リードが接続された正極板を有しながらも生産性と品質に優れた円筒形電池を提供することができる。

図１は一実施形態に係る円筒形非水電解質二次電池の断面図である。 図２（ａ）は一実施形態に係る負極板の平面図である。図２（ｂ）は実施形態に係る正極板の平面図である。 図３は一実施形態に係る集電部材に用いられる集電板の平面図である。 図４（ａ）は一実施形態に係る第１絶縁板の平面図であり、図４（ｂ）はＡ−Ａ線の断面図である。 図５は一実施形態に係る第１絶縁板を集電板に取り付ける様子を表した断面模式図である。 図６（ａ）は一実施形態に係る集電部材の平面図であり、図６（ｂ）はＢ−Ｂ線の断面図である。 図７（ａ）〜（ｆ）は一実施形態に係る電極体から導出する正極リードの集電板への接続方法を工程順に示す斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態について図１に示す円筒形非水電解質二次電池１０を用いて説明する。ただし、以下に示す実施形態は本発明の技術思想を理解するために例示するものであって、本発明はこの実施形態に限定されない。

本実施形態に係る円筒形非水電解質二次電池１０は、図１に示すように有底筒状の外装缶２５と、外装缶２５に挿入された電極体１６と、外装缶２５の開口部を封止する封口体２４を有している。電池内部には、非水溶媒中に電解質塩を溶解した非水電解質が含まれる。

封口体２４は外部端子キャップ２４ａ、防爆弁２４ｂ及び端子板２４ｄを含んでおり、外装缶２５の開口部にガスケット２３を介してかしめ固定されている。外部端子キャップ２４ａはフランジ部を有し、そのフランジ部が防爆弁２４ｂと電気的に接続されている。防爆弁２４ｂと端子板２４ｄとは絶縁板２４ｃを介してそれぞれの中央部が接続されている。その接続部は電池内部の圧力が上昇して所定値に達すると破断して、電池内部の電流経路を遮断する。さらに電池内部の圧力が上昇すると、防爆弁２４ｂが破断して電池内部のガスが排出される。

電極体１６は負極板１１、正極板１３及びセパレータ１５から構成されており、負極板１１と正極板１３をセパレータ１５を介して巻回して作製される。負極板１１及び正極板１３には、図２に示すように負極リード１２ａ、１２ｂ及び正極リード１４ａ、１４ｂが接続されている。電池内部では負極リード１２ａ、１２ｂが外装缶２５の底面に平行になるように折り曲げられている。電極体１６の外周側の負極リード１２ｂは外装缶２５の底部に接続され、その接続部上に内周側の負極リード１２ａが接続されている。正極リード１４ａ、１４ｂは集電部材１７に接続されている。

集電部材１７は、集電板１８に第１絶縁板１９が取り付けられて構成されている。集電板１８は図３に示すように、平板部１８ａとリード部１８ｂを有している。正極リード１４ａ、１４ｂは平板部１８ａ上に接続され、リード部１８ｂが封口体２４の端子板２４ｄに接続されている。これにより、正極板が外部端子キャップ２４ａに電気的に接続される。電極体１６と集電部材１７の間には、第２絶縁板２０が配置されている。第２絶縁板２０は必ずしも必須ではないが、正極リード１４ａ、１４ｂの集電部材１７への接続時の発熱が電極体１６に与える影響を低減することができるため、第２絶縁板２０を用いることが好ましい。集電部材１７が接続された電極体１６の上部及び下部にはそれぞれ上部絶縁板２１及び下部絶縁板２２が配置されている。

集電板１８は、１枚の金属板から一体成型して作製することができる。平板部１８ａの中心には注液時に電解液が電極体内部に速やかに浸透するように開口を設けることが好ましい。集電板はリード部を必ずしも有する必要はなく、平板部のみからなる集電板にリード板を接続してもよい。集電板は、電解液中で正極の電位に曝されても安定に存在することができる金属を用いることができる。例えば、非水電解液を用いる場合にはアルミニウム及びアルミニウム合金を用いることができる。

第１絶縁板１９は絶縁性の樹脂を成型して作製される。絶縁性の樹脂として、例えばポリプロピレン樹脂を用いることができる。第１絶縁板１９は、図４に示すように開口が設けられている。集電板が開口を有する場合は、第１絶縁板にも開口を設けることで電解液が電極体内部に速やかに浸透することができる。第１絶縁板１９の外周部と内周部には突起が設けられている。外周部に突起を設けることで、集電板１８と外装缶２５との内部短絡が防止される。本実施形態では、第１絶縁板１９の外周部のうち集電板１８のリード部１８ｂが配置される部分には突起が設けられていない。突起は第１絶縁板の外周部の全てに設ける必要はなく、集電板が通れない程度の範囲内であれば突起がない領域があっても上記の効果が発揮される。

本実施形態では、内周部の突起は集電板１８の開口に挿入できるように成型されている。これにより、第１絶縁板１９を集電板１８に取り付けるために内周部の突起を利用することができる。第１絶縁板１９の集電板１８への取り付け方法は次の通りである。まず、図５に示すように集電板１８の開口に第１絶縁板の内周部の突起を挿入し、集電板１８に第１絶縁板１９を嵌め合わせる。そして、プレス治具２６のピンを第１絶縁板１９の開口内へ挿入し、内周部の突起をホットプレスする。このときのプレス治具の表面温度は１２０〜１８０℃とすることが好ましい。このようにホットプレスすることで、第１絶縁板の内周部の突起が集電板１８の表面を覆うように成型される。図６に、ホットプレスにより得られた集電部材１７を示す。

第１絶縁板は、予め絶縁性の樹脂を図６に示された形状に射出成型して作製することもできる。絶縁性の樹脂としてポリプロピレン樹脂のように弾性を有する樹脂を用いた場合には第１絶縁板が弾性を有する。そのため、集電板の開口の内径より大きな外径を有する第１絶縁板の突起を集電板の開口へ圧入することが可能である。

本実施形態では、第１絶縁板の内周部の突起を利用して第１絶縁板を集電板に取り付けたが、第１絶縁板の外周部に設けられた突起を利用することもできる。ホットプレスを用いる場合には、外周部の突起の先端部が集電板を覆うように内周部側へ折り曲げることで集電板に第１絶縁板を取り付けることができる。外周部の突起の先端部が内周部側へ折り曲げられた形状に絶縁性の樹脂を射出成型して予め第１絶縁板を作製することもできる。

集電板に第１絶縁板を取り付ける手段として粘着剤を用いることもできる。例えば、集電板と第１絶縁板のいずれか一方の表面に粘着剤を塗布する方法が挙げられる。粘着剤を塗布することで、プレス時における第１絶縁板上の集電板の位置ズレを防止することができる。粘着剤を用いる場合は、ホットプレスと組み合わせて用いることが好ましいが、集電板に第１絶縁板を取り付ける手段として粘着剤のみを用いることもできる。粘着剤として、ゴム系粘着剤、アクリル樹脂、ビニル樹脂、フッ素樹脂、及びポリアミド樹脂などの熱可塑性樹脂を用いることができる。また、アミノ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、及びエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を用いることもできる。集電板と第１絶縁板の間に粘着剤を配置する方法として、上記のように粘着剤を塗布する方法の他、不織布などの基材の両面に粘着剤を塗布した両面テープを用いることができる。

集電部材へ正極リードを接続する方法について、図７を参照しながら説明する。巻回後の電極体１６から、２本の正極リードが導出している（図７（ａ））。まず、電極体の内周側の第１正極リード１４ａを貫通孔２０ａに挿入させながら、第２絶縁板２０を電極体１６上に配置する（図７（ｂ））。次に、正極リード１４ａ、１４ｂを電極体１６の外側に折り曲げて（図７（ｃ））、集電部材１７を配置する（図７（ｄ））。正極リード１４ａ、１４ｂを電極体１６の外周側方向に折り曲げることによって、集電部材１７を配置するスペースを確保することができる。さらに、正極リード１４ａ、１４ｂを集電部材１７上に折り曲げて、集電部材１７に接続する（図７（ｅ））。接続方法としては、レーザー溶接を用いることができる。最後に、電極体１６を外装缶２５へ挿入するために、リード部１８ｂを９０°の角度で折り曲げる（図７（ｆ））。

次に、本実施形態に係る円筒形非水電解質二次電池１０に用いることができる負極板１１、正極板１３、セパレータ１５及び非水電解質の作製方法や構成材料について説明する。

負極板１１は負極集電体と、負極集電体の両面に形成された負極合剤層１１ａを有している。本実施形態において、負極板１１の両端に設けられた負極集電体露出部１１ｂのそれぞれに負極リード１２ａ、１２ｂが接続されているが、いずれか一方にのみ負極リードを接続してもよい。負極リードの本数は特に限定されない。負極集電体としては銅箔を用いることが好ましい。負極合剤層１１ａは負極活物質を含む負極合剤スラリーを負極集電体上に塗布、乾燥して形成することができる。負極合剤スラリーには負極活物質の他に結着剤や導電剤などを添加することができる。形成された負極合剤層１１ａをローラーで圧縮し、その圧縮後の極板を所定寸法に切断して負極板１１が得られる。

負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵、放出することができる炭素材料や金属材料を用いることができる。炭素材料としては、天然黒鉛及び人造黒鉛などの黒鉛が例示される。金属材料としては、ケイ素及びスズ並びにこれらの酸化物が挙げられる。炭素材料及び金属材料は単独で、又は２種以上を混合して用いることができる。例えば、黒鉛と酸化ケイ素を混合して用いることができる。

正極板１３は正極集電体と、正極集電体の両面に形成された正極合剤層１３ａを有している。本実施形態において、正極板１３に設けられた２つの正極集電体露出部１３ｂのそれぞれに第１正極リード及び第２正極リード１４ｂが接続されているが、正極リードの本数は本実施形態に限定されず、３本以上の正極リードを用いることもできる。正極集電体としてはアルミニウム箔を用いることが好ましい。正極合剤層１３ａは正極活物質を含む正極合剤スラリーを正極集電体上に塗布、乾燥して形成することができる。正極合剤スラリーには正極活物質の他に結着剤や導電剤などを添加することができる。形成された正極合剤層１３ａをローラーで圧縮し、その圧縮後の極板を所定寸法に切断して正極板１３が得られる。

正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵、放出することができるリチウム遷移金属複合酸化物を用いることができる。リチウム遷移金属複合酸化物としては、一般式ＬｉＭＯ_２（ＭはＣｏ、Ｎｉ、及びＭｎの少なくとも１つ）、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４及びＬｉＦｅＰＯ_４が挙げられる。これらは単独で、又は２種以上を混合して用いることができ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、及びＺｒからなる群から選ばれる少なくとも１つを添加、又は遷移金属元素と置換することができる。

セパレータとしては、ポリエチレンやポリプロピレンのようなポリオレフィンを主成分とする微多孔膜を用いることができる。微多孔膜は１層単独で又は２層以上を積層して用いることができる。２層以上の積層セパレータにおいては、融点が低いポリエチレンを主成分とする層を中間層に、耐酸化性に優れたポリプロピレンを表面層とすることが好ましい。さらに、セパレータには酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）及び酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）のような無機粒子を添加することができる。このような無機粒子はセパレータ中に担持させることができ、セパレータ表面に結着剤とともに塗布することもできる。

非水電解質としては、溶媒としての非水溶媒中に電解質塩としてのリチウム塩を溶解させたものを用いることができる。また、非水溶媒に代えてゲル状のポリマーを用いた非水電解質を用いることもできる。

非水溶媒としては、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状カルボン酸エステルを用いることができ、これらは２種以上を混合して用いることが好ましい。環状炭酸エステルとしては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）及びブチレンカーボネート（ＢＣ）が例示される。また、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）のように、水素の一部をフッ素で置換した環状炭酸エステルを用いることもできる。鎖状炭酸エステルとしては、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）及びメチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）などが例示される。環状カルボン酸エステルとしてはγ−ブチロラクトン（γ−ＢＬ）及びγ−バレロラクトン（γ−ＶＬ）が例示され、鎖状カルボン酸エステルとしてはピバリン酸メチル、ピバリン酸エチル、メチルイソブチレート及びメチルプロピオネートが例示される。

リチウム塩としては、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２、ＬｉＮ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）（Ｃ_４Ｆ_９ＳＯ_２）、ＬｉＣ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_３、ＬｉＣ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_３、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、Ｌｉ_２Ｂ_１０Ｃｌ_１０及びＬｉ_２Ｂ_１２Ｃｌ_１２が例示される。これらの中でもＬｉＰＦ_６が特に好ましく、非水電解質中の濃度は０．５〜２．０ｍｏｌ／Ｌであることが好ましい。ＬｉＰＦ_６にＬｉＢＦ_４など他のリチウム塩を混合することもできる。

本発明によれば、複数の正極リードが接続された正極板を有しながら、生産性及び品質に優れた円筒形電池を提供することができる。本発明は電動工具、アシスト自転車及びハイブリッド電気自動車など高出力が求められる用途に適した円筒形電池を提供することができるため、産業上の利用可能性は大きい。

１０ 非水電解質二次電池
１１ 負極板
１２ａ、１２ｂ 負極リード
１３ 正極板
１４ａ、１４ｂ 正極リード
１５ セパレータ
１６ 電極体
１７ 集電部材
１８ 集電板
１８ａ 平板部
１８ｂ リード部
１９ 第１絶縁板
２０ 第２絶縁板
２４ 封口体
２５ 外装缶

Claims (10)

1. 負極板と複数の正極リードが接続された正極板がセパレータを介して巻回された電極体と、
   電解液と、
   前記電極体と前記電解液を収容する有底筒状の外装缶と、
   前記外装缶の開口部を封止する封口体と、を備え、
   前記正極リードが、前記電極体上に配置された集電部材の外周部を経由して前記集電部材の電池外方側の面に接続され、
   前記集電部材が前記正極リードに接続される集電板と前記集電板の電池内方側の面に取り付けられている第１絶縁板を有する、
   円筒形電池。
2. 前記集電板が、前記正極リードに接続される平板部と前記封口体に接続されるリード部を有し、前記平板部に開口が設けられている請求項１記載の円筒形電池。
3. 前記第１絶縁板の外周部に電池外方に向けて突出する突起が設けられ、前記集電板の平板部が前記突起に囲まれる領域内に配置されている請求項１又は２に記載の円筒形電池。
4. 前記第１絶縁板が前記集電板の開口に挿入される突起を有し、前記開口から突出する前記突起が前記集電板の平板部の少なくとも一部を覆っている請求項２又は３に記載の円筒形電池。
5. 前記集電板の平板部と前記第１絶縁板の間に粘着剤が配置されている請求項１から４のいずれかに記載の円筒形電池。
6. 前記正極リードのうち少なくとも１本を挿入する貫通孔を有している第２絶縁板が、前記第１絶縁板と前記電極体の間に配置されている請求項１から５のいずれかに記載の円筒形電池。
7. 前記集電板がアルミニウム及びアルミニウム合金のいずれか一方からなる請求項１から６のいずれかに記載の円筒形電池。
8. 開口を有する集電板に絶縁板が取り付けられた円筒形電池用集電部材であって、
   前記絶縁板が前記集電板の開口に挿入される突起を有し、前記開口から突出する前記突起が前記集電板の少なくとも一部を覆う、
   円筒形電池用集電部材。
9. 前記集電板がアルミニウム及びアルミニウム合金のいずれか一方からなる請求項８に記載の円筒形電池用集電部材。
10. 開口を有する集電板に絶縁板が取り付けられた円筒形電池用集電部材の製造方法であって、
    前記集電板の開口に前記絶縁板の突起を挿入し、前記集電板に前記絶縁板を嵌め合わせるステップと、
    前記開口から突出する前記突起が前記集電板の少なくとも一部を覆うように前記突起をホットプレスするステップと、
    を備える円筒形電池用集電部材の製造方法。

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