JP2011071109A - 電池 - Google Patents

Abstract

【課題】偏平型電極群を外装缶の中により多く収納しエネルギー密度を高めること、正負極リードの接合部等の抵抗を抑え効率よく集電できる構造を兼ね備えた電池を提供する。
【解決手段】偏平型電極群２の両端面から渦巻状に突出した正負極集電タブ８ａ，９ａと、前記正極集電タブを前記電極群の厚さ方向に積層された二つの束に分け、それぞれの束を挟持する第１、第２の挟持部１２ａ，１２ｂを有する正極挟持部材１２と、前記負極集電タブを前記電極群の厚さ方向に積層された二つの束に分け、それぞれの束を挟持する第１、第２の挟持部１１ａ，１１ｂを有する負極挟持部材１１と、正極端子６と電気的に接続される接続部から二股に分岐して前記正極挟持部材を挟む集電部３ｃ、３ｄを有する正極リード３と、負極端子７と電気的に接続される接続部から二股に分岐して前記負極挟持部材を挟む集電部４ｃ、４ｄを有する負極リード４とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電池に関し、特に、偏平形状に捲回された偏平型電極群と、前記電極群からの電気エネルギーを集電するリードと、挟持板とを有する密閉型の角型二次電池に関する。

近年、携帯電話やパーソナルコンピュータなどの電子機器の進歩に伴い、これら機器に使用される二次電池は、小型化、軽量化が求められてきた。それに応え得るエネルギー密度の高い二次電池として、リチウムイオン二次電池が挙げられる。一方、電気自動車、ハイブリッド自動車、電動バイク、フォークリフトなどに代表される大型、大容量電源として、鉛蓄電池、ニッケル水素電池等の二次電池が使われているが、最近ではエネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池の採用に向けての開発が盛んになっている。それに応え得るリチウムイオン二次電池の開発は、高寿命、安全性などを配慮しながら、大型化、大容量化の開発が行われている。

密閉型二次電池の形状として、円筒形や角形などが一般的であるが、特に角形の密閉型二次電池は、機器に搭載するに際してスペース効率が優れている点で注目されている。

密閉型二次電池では、例えば、電極活物質層を金属箔の両面に形成した帯状の正極および負極が、帯状のセパレータを介して偏平形状に捲回された偏平型電極群を用いる。偏平型電極群が発生する電気エネルギーを外部へ取り出すには、偏平型電極群の電極活物質層が形成されていない金属箔を正極及び負極ともに形成し、その部分にリード等を接合して電気エネルギーを取り出すことが知られている。更に集電効率を高める為、各金属箔は積層して束ねた状態で接合されリード等の溶接を行うことが、例えば特許文献１，２に開示されている。

ところで、電池のエネルギー密度を高める為に、偏平型電極群を外装缶の中により多く収納する必要がある。また、電気エネルギーを集電するリードや接合部には大電流が流れることにより発熱が生じやすく、最悪は過熱焼損の恐れもある。

しかしながら、特許文献１，２に記載の電池は、これらの要求を十分に満たしていない。

特許第４１３４５２１号公報 特開２００３−１９７１７４号公報

本発明の実施形態は、偏平型電極群を外装缶の中により多く収納しエネルギー密度を高めること、正負極リードの接合部等の抵抗を抑え効率よく集電できる構造を兼ね備えた電池を提供するものである。

本発明の実施形態の電池は、正極集電体を含む正極と、負極集電体を含む負極が、セパレータを介して偏平形状に捲回された偏平型電極群と、
前記電極群の一方の端面から渦巻状に突出した前記正極集電体からなる正極集電タブと、
前記電極群の他方の端面から渦巻状に突出した前記負極集電体からなる負極集電タブと、
前記正極集電タブを前記電極群の厚さ方向に積層された二つの束に分け、それぞれの束を挟持する第１、第２の挟持部と、前記第１の挟持部と前記第２の挟持部を電気的に接続する連結部とを有する導電性の正極挟持部材と、
前記負極集電タブを前記電極群の厚さ方向に積層された二つの束に分け、それぞれの束を挟持する第１、第２の挟持部と、前記第１の挟持部と前記第２の挟持部を電気的に接続する連結部とを有する導電性の負極挟持部材と、
前記電極群が収納される外装缶と、
前記外装缶の開口部に取り付けられ、正極端子及び負極端子を有する蓋と、
前記正極端子と電気的に接続される接続部と、前記接続部から二股に分岐して前記正極挟持部材を挟み、一方が前記正極挟持部材の前記第１の挟持部の外側の面に接合され、かつ他方が前記第２の挟持部の外側の面に接合される集電部とを有する正極リードと、
前記負極端子と電気的に接続される接続部と、前記接続部から二股に分岐して前記負極挟持部材を挟み、一方が前記負極挟持部材の前記第１の挟持部の外側の面に接合され、かつ他方が前記第２の挟持部の外側の面に接合される集電部とを有する負極リードと
を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、偏平型電極群を外装缶の中により多く収納しエネルギー密度を高めること、正負極リードの接合部等の抵抗を抑え効率よく集電できる構造を兼ね備えた電池を提供することができる。

第１の実施形態の角型二次電池を示す展開斜視図。 図１の電池の外観を示す斜視図。 図１の電池に用いられる電極群の展開斜視図。 図１のIV−IV線に沿う断面を矢印方向から見た拡大断面図。 電極群における正負極集電タブの積層状態を示す模式図。 図１の電池における超音波溶接を従来の電池と比較するための模式図。 第２の実施形態の電池の部分分解斜視図。 パルス充放電試験のプログラムを示す概念図。 ＳＴＥＰ４のパルス充放電における恒温槽、正極端子、負極端子、外装缶中央部の温度の経時変化を示すグラフ。 ＳＴＥＰ４のパルス充放電におけるセルの電流及び電圧の経時変化を示すグラフ。 ＳＴＥＰ５のパルス充放電における恒温槽、正極端子、負極端子、外装缶中央部の温度の経時変化を示すグラフ。 ＳＴＥＰ５のパルス充放電におけるセルの電流及び電圧の経時変化を示すグラフ。

本発明では、前述した課題を解決する為に、電極群の一方の端面から正極集電タブを渦巻状に突出させ、かつ他方の端面から負極集電タブを渦巻状に突出させ、さらに正負極の集電タブそれぞれを電極群の厚さ方向に積層された二つの束に分け、一方の束を挟持部材の第１の挟持部で挟持すると共に、他方の束を挟持部材の第２の挟持部で挟持する。正負極集電タブには、活物質層が形成されていない集電体部分を使用するが、上記構成により、正負極集電タブのセパレータから突出させる幅方向の長さを短く抑えることができる。

蓋に設ける正負極端子と電気的に接続される正負極リードは、正負極端子との接続部と、接続部から二股に分岐し、その間に挟持部材を挟む集電部とを有する。集電部の一方が挟持部材の第１の挟持部の外側の面に接合され、かつ他方が第２の挟持部の外側の面に接合される。このような構造の正負極リードは、偏平型電極群の厚さの範囲以内に配置することができる。

以上のことから外装缶内部のスペースを効率よく使用することができ、偏平型電極群の正極及び負極の活物質層が塗布された電極部の塗布幅を外装缶内部で、より幅広く確保することができる。これにより、角型二次電池のエネルギー密度を向上することができる。

また、挟持部材の第１の挟持部と第２の挟持部が連結部によって電気的に接続されていると共に、第１，第２の挟持部それぞれに正負極リードが接合されているため、偏平型電極群に対し厚さ方向に均等な位置にリードとの接合部を2箇所設けられることで集電バランスのよい状態を形成できる。

さらに、挟持部材の第１の挟持部と第２の挟持部が連結部によって連結されていることで、第１の挟持部と第２の挟持部の間に空間を確保することができ、正負極リードと挟持部材と正負極集電タブとを超音波溶接する際にも、超音波溶接ホーンもしくはアンビルを確実に第１の挟持部と第２の挟持部の間の空間に挿入し配置することができ、超音波溶接を容易に行うことができる。尚、当該空間には、溶接条件により超音波溶接ホーンもしくはアンビルどちらが配置されてもよい。

（第１の実施形態）
以下、本発明の実施形態に係わる電池を図面を参照して説明する。なお、本発明は、これら実施形態に限られるものではない。

図１及び図２に示す電池２０は、密閉型の角型非水電解質二次電池である。電池２０は、外装缶１と、外装缶１内に収容される偏平型電極群２と、外装缶１内に位置する正負極リード３，４と、外装缶１の開口部に取り付けられた蓋５と、蓋５に設けられた正負極端子６，７とを有する。

外装缶１は、有底角筒形状をなし、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄あるいはステンレスなどの金属から形成される。電解液（図示しない）は、外装缶１内に収容され、偏平型電極群２に含浸されている。

図３に示すように、偏平型電極群２は、正極８と負極９がその間にセパレータ１０を介して偏平形状に捲回されたものである。正極８は、例えば金属箔からなる帯状の正極集電体と、正極集電体の長辺に平行な一端部からなる正極集電タブ８ａと、少なくとも正極集電タブ８ａの部分を除いて正極集電体に形成された正極活物質層８ｂとを含む。一方、負極９は、例えば金属箔からなる帯状の負極集電体と、負極集電体の長辺に平行な一端部からなる負極集電タブ９ａと、少なくとも負極集電タブ９ａの部分を除いて負極集電体に形成された負極活物質層９ｂとを含む。

このような正極８、セパレータ１０及び負極９は、正極集電タブ８ａが電極群の捲回軸方向にセパレータ１０から突出し、かつ負極集電タブ９ａがこれとは反対方向にセパレータ１０から突出するよう、正極８及び負極９の位置をずらして捲回されている。このような捲回により、電極群２は、図１に示すように、一方の端面から渦巻状に捲回された正極集電タブ８ａが突出し、かつ他方の端面から渦巻状に捲回された負極集電タブ９ａが突出している。

図４に示すように、負極集電タブ９ａは、電極群の厚さ方向Ｔに積層された二つの束に分けられている。具体的には、電極群２の中心付近の捲き芯空間を境にし、片側半分ずつを厚さ方向に積層し、負極集電タブ９ａの束を二つ形成する。導電性の負極挟持部材１１は、略コの字状をした第１，第２の挟持部１１ａ，１１ｂと、第１の挟持部１１ａと第２の挟持部１１ｂとを電気的に接続する連結部１１ｃとを有する。連結部１１ｃは、第１の挟持部１１ａと第２の挟持部１１ｂの間に位置し、第１の挟持部１１ａと第２の挟持部１１ｂが電極群２の厚さ方向に連なるように第１の挟持部１１ａと第２の挟持部１１ｂとを連結する。

負極集電タブ９ａの一方の束は、第１の挟持部１１ａに挟まれ、第１の挟持部１１ａによって保持される。負極集電タブ９ａの他方の束は、第２の挟持部１１ｂに挟まれ、第２の挟持部１１ｂによって保持される。負極集電タブ９ａと第１，第２の挟持部１１ａ，１１ｂとの接合方法は、特に限定されるものではないが、例えば超音波溶接が挙げられる。

一方、正極集電タブ８ａは、負極集電タブ９ａの場合と同様な方法で、電極群の厚さ方向Ｔに積層された二つの束に分けられている。導電性の正極挟持部材１２は、図１に示すように、略コの字状をした第１，第２の挟持部１２ａ，１２ｂ（１２ａは図示せず）と、第１の挟持部１２ａと第２の挟持部１２ｂとを電気的に接続する連結部（図示しない）とを有する。連結部は、第１の挟持部１２ａと第２の挟持部１２ｂの間に位置し、第１の挟持部１２ａと第２の挟持部１２ｂが電極群２の厚さ方向に連なるように第１の挟持部１２ａと第２の挟持部１２ｂとを連結する。

正極集電タブ８ａの一方の束は、第１の挟持部１２ａに挟まれ、第１の挟持部１２ａによって保持される。正極集電タブ８ａの他方の束は、第２の挟持部１２ｂに挟まれ、第２の挟持部１２ｂによって保持される。負極集電タブ９ａと第１，第２の挟持部１２ａ，１２ｂとの接合方法は、特に限定されるものではないが、例えば超音波溶接が挙げられる。

負極リード４は、図１に示すように、負極端子７と電気的に接続するための接続プレート４ａと、接続プレート４ａに開口された貫通孔４ｂと、接続プレート４ａから二股に分岐し、下方に延出した短冊状の集電部４ｃ、４ｄとを有する。一方、正極リード３は、正極端子６と電気的に接続するための接続プレート３ａと、接続プレート３ａに開口された貫通孔３ｂと、接続プレート３ａから二股に分岐し、下方に延出した短冊状の集電部３ｃ、３ｄとを有する。

負極リード４は、図１及び図４に示すように、集電部４ｃ、４ｄの間に負極挟持部材１１を挟んでいる。集電部４ｃは、負極挟持部材１１の第１の挟持部１１ａの外側の面に配置されている。一方、集電部４ｄは、第２の挟持部１１ｂの外側の面に配置される。ここで、第１，第２の挟持部１１ａ，１１ｂの外側の面は、負極集電タブ９ａの束の最外周側の面である。第１の挟持部１１ａに挟持された負極集電タブ９ａ間、負極集電タブ９ａの束と第１の挟持部１１ａ、第１の挟持部１１ａと集電部４ｃとは、例えば超音波溶接によって接合される。一方、第２の挟持部１１ｂに挟持された負極集電タブ９ａ間、負極集電タブ９ａの束と第２の挟持部１１ｂ、第２の挟持部１１ｂと集電部４ｄとは、例えば超音波溶接によって接合される。これにより、電極群２の負極９と負極リード４が負極集電タブ９ａを介して電気的に接続される。

正極リード３は、負極リード４の場合と同様に、集電部３ｃ、３ｄの間に正極挟持部材１２を挟んでいる。集電部３ｃは、正極挟持部材１２の第１の挟持部１２ａの外側の面に配置されている。集電部３ｄは、第２の挟持部１２ｂの外側の面に配置されている。ここで、第１，第２の挟持部１２ａ，１２ｂの外側の面は、正極集電タブ８ａの束の最外周側の面である。第１の挟持部１２ａに挟持された正極集電タブ８ａ間、正極集電タブ８ａの束と第１の挟持部１２ａ、第１の挟持部１２ａと集電部３ｃとは、例えば超音波溶接によって接合される。一方、第２の挟持部１２ｂに挟持された正極集電タブ８ａ間、正極集電タブ８ａの束と第２の挟持部１２ｂ、第２の挟持部１２ｂと集電部３ｄとは、例えば超音波溶接によって接合される。これにより、電極群２の正極８と正極リード３が正極集電タブ８ａを介して電気的に接続される。

正負極挟持部材１１，１２は、例えば金属などの導電性材料から形成することができる。

正極挟持部材１２の第１、第２の挟持部１２ａ，１２ｂの厚さは正極リード３の厚さよりも薄く、かつ負極挟持部材１１の第１、第２の挟持部１１ａ，１１ｂの厚さは負極リード４の厚さよりも薄いことが望ましい。これにより、第１、第２の挟持部によって集電タブの束を挟持しやすく、また溶接しやすくなるため、第１、第２の挟持部と集電タブとの接合部の抵抗を低くすることができる。

ところで、図１に示すように、負極端子７は、絶縁ガスケット１３を介して蓋５に例えばかしめ固定によって取り付けられている。負極端子７は、負極リード４の貫通孔４ｂにもかしめ固定によって電気的に接続されている。これにより、負極端子７は、負極リード４を介して電極群２の負極９と電気的に接続される。一方、正極端子６は、絶縁ガスケット１４を介して蓋５に例えばかしめ固定によって取り付けられている。正極端子６は、正極リード３の貫通孔３ｂにもかしめ固定によって電気的に接続されている。これにより、正極端子６は、正極リード３を介して電極群２の正極８と電気的に接続される。

蓋５は、図２に示すように、外装缶１の開口部に例えばレーザーでシーム溶接によって取り付けられている。蓋５は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄あるいはステンレスなどの金属から形成される。蓋５と外装缶１は、同じ種類の金属から形成されることが望ましい。

図５に示すように、金属箔からなる集電タブ８ａ（９ａ）を複数枚を束ねた積層面Ａに集電用の正負極リード等を接合する場合、束ねた集電タブの積層面Ａは、平面部分Ａ２のみが形成されることが理想ではあるものの、束ねて積層することで最外周の集電タブ８ａ（９ａ）と最内周の集電タブ８ａ（９ａ）同士のずれＡ１が発生する。例えば、偏平型電極群２の集電タブ８ａ（９ａ）の全てを一度に束ねた状態で集電用リード等を接合しようとする場合、集電タブ同士のずれＡ１は、集電タブ８ａ（９ａ）の長さＢより偏平型電極群２の厚みＣが大きいほど、集電タブ同士のずれＡ１の割合が大きくなり、束ねた集電タブの積層端部は段差状になってしまうことで平面部分Ａ２がほとんどできず、良好な積層面Ａが形成できない。それを回避するには、例えば集電タブ８ａ（９ａ）の長さＢを長くすることで平面部分Ａ２の割合を多く形成させることは可能だが、集電タブ８ａ（９ａ）の長さＢが長くなれば、外装缶１の内部でその分が占めるスペースを確保しなくてはならず、偏平型電極群２の占める割合が減ることとなりスペース効率が悪くエネルギー密度としては低下する方向となる。

では、集電タブ８ａ（９ａ）の長さＢを極力短くした状態で同様の状態を形成させるには、集電タブ８ａ（９ａ）のすべてを一度に束ねずに、例えば、図４に示すように集電タブ８ａ（９ａ）を複数枚ずつに分けて束ねることで、集電タブ同士のずれＡ１を抑え且つ、平面部分Ａ２の割合を多く形成することで接合面としては良好な状態を形成できる。それは、束ねる箇所増やせば増やすほど束ねた集電タブ同士のずれＡ１は少なくなるが、束ねる箇所を数箇所も設けてしまった場合、実際にはその部分に集電用リード等を接合させることが困難になってしまうケースが多い。部品点数も増え、接合方法も複雑化し組み立て性に欠けるものとなり、またその分スペースを確保することにも繋がりスペース効率的にも有用ではなくなってしまうほか、コストアップ要因にもなってしまう。

これらのことを鑑みると、偏平型電極群２の集電タブ８ａ（９ａ）を束ねる箇所は、正極及負極それぞれ２箇所ずつ設けることが集電の効率や組立て性、部品形状の簡素化等から、最も簡便で良好な状態を形成すると言える。

正負極集電タブ８ａ，９ａそれぞれを、偏平型電極群２の厚さ方向の片側半分ずつに束ね、正負極それぞれについて２つずつ束を形成する。これらの束を正負極挟持部材の第１，第２の挟持部により挟み込み保持することで、偏平型電極群２の厚さの範囲内にスペースを確保できる。このスペースを有効的に利用し、正極リード３及び負極リード４を、束ねられた集電タブに沿うように電極群２の厚さ方向に配置することで、別に集電用リードを引き回す為のスペースを確保しなくてもよく、結果、偏平型電極群２の外装缶１の内部で占める体積割合を大きくすることができる。例えば、集電用リード等を偏平型電極群の幅方向の側面に配置した構造の二次電池もあるが、当然その場合は偏平型電極群の両端に、集電用リード等を引き回す為のスペース確保が必要となる。それらに比べても、本発明による正負極リード３，４の配置は、スペース的にも有効であることが明らかである。

尚、正負極リード３，４の幅及び厚み寸法は、偏平型電極群２の厚さの範囲内に確保したスペースに収納できる寸法であれば、電気的にも機械的にも十分機能を果たすことができる。

また、正負極集電タブ８ａ，９ａを偏平型電極群２の厚さ方向の片側半分ずつに分けて束ねた状態にすることで、電極群２の両端面のセパレータ１０から突出した正負極集電タブ８ａ，９ａの長さＢは、前述の理由から正負極集電タブ８ａ，９ａ全てを一度に束ねた状態よりも短く抑えることができる。正負極リード３，４等の接合に必要な正負極集電タブ８ａ，９ａの長さＢを最小限に抑えることでその分、偏平型電極群２の正極８及び負極９の電極活物質層が塗布された電極部の幅方向を広げることができる。

さらに、正極リード３の集電部３ｃ、３ｄは、正極挟持部材１２の第１，第２の挟持部１２ａ，１２ｂにおける正極集電タブ８ａの積層面の外側に位置する面に配置され、かつ負極リード４の集電部４ｃ、４ｄは、負極挟持部材１１の第１，第２の挟持部１１ａ，１１ｂにおける負極集電タブ９ａの積層面の外側に位置する面に配置される。この配置により、正負極リード３，４を偏平型電極群２の厚さの範囲以内に配置することができる。また、このような構造の正負極リード３，４は、偏平型電極群２の厚さ方向に対して1箇所だけでなく2箇所の挟持部材との接合部を持つことで、捲回状態にある偏平型電極群２の正負極の電極部（活物質が保持されている部分）に対し、半周ずつ均等な位置に接合部を持つことまたその分集電距離も短くなることで集電バランスのよい状態となる。

また、リードの集電部が正負極それぞれについて2本に分岐され２箇所に分散して挟持部材に接合されることで、大電流を流した場合の発熱に対しても、各接合部及びリード自身に熱が集中しにくい構造となり、電気的特性としても良好な状態が維持できる。また、正負極リード３，４の形状は、二股に分岐している部分も含めて一体型の形状となっており、正極端子６あるいは負極端子７との接合部から挟持部材１１，１２との接合部の間には、ほかに接合部を設けていないことから電気的、機械的にも信頼性のある構造と言える。

さらに、正負極挟持部材１１，１２における第１の挟持部材１１ａ，１２ａと第２の挟持部材１１ｂ，１２ｂとが連結部により略コの字状に連結されていることで、第１の挟持部材１１ａ，１２ａと第２の挟持部材１１ｂ，１２ｂとの間に空間を確保することができ、正負極リード３，４と超音波溶接する際にも、超音波溶接ホーンもしくはアンビルを確実に当該空間に挿入し配置するができるので、超音波溶接も容易に行うことができる。また、複数枚の集電タブを第１，第２の挟持部により挟み込んで超音波溶接することで、超音波の振幅エネルギーを集電タブが直接受けて溶融した集電タブがちぎれ飛散するようなこともなく良好な接合部を形成することができる。

ここで、超音波溶接とは、材料同士の接合界面を加圧し酸化皮膜を除去し原子間距離まで接合界面を近づけて、ホーンからの振動エネルギーを的確伝え溶接することである。よって、互いの材料がホーン又はアンビルとの接触面で滑らずに且つずれずに、接合界面に振動エネルギーが的確に伝わることが重要となり、ホーンやアンビルの接触面の形状は、滑り防止や把持力維持のために山形状の凹凸を設けることが一般的である。

図６の（ａ）は、図１の電池における正負極リード３，４の集電部３ｃ（４ｃ）と第１の挟持部１１ａ，１２ａとの超音波溶接の一実施形態を示す。ホーンとアンビルの配置関係は内外どちらでもよいが、図６の（ａ）では、内側にホーン２１、外側にアンビル２２が配置されている。一方、図６（ｂ）は、特許文献２のように、リード２３と、発電要素２４の端面から突出した複数枚の集電金属箔２５とを重ね合わせたものを、挟持板２６における板面が向かい合った対向部間に挟みこんだ場合を示す。

図６（ａ）のように挟持部材１１，１２を正負極リード３，４の内側に配置する場合、超音波溶接による接合界面は、正負極リード３，４の集電部３ｃ（４ｃ）と挟持部材１１，１２との接触面そして挟持部材１１，１２により挟み込まれた正負極集電タブ８ａ，９ａ同士および挟持部材１１，１２との接触面となる。これに対し、図６（ｂ）の場合、超音波溶接による接合界面は、リード２３と集電金属箔２５との接触面と、積層された集電金属箔２５同士及び挟持板２６との接触面となる。ホーンもしくはアンビルは、接合界面を持たせたい材料の接合界面とは反対側の面に、直接接触させ把持させることが最も適切な配置である。図６（ｂ）のように挟持板２６をリード２３の外側に配置した場合は、ホーンもしくはアンビルがリード２３を直接接触し把持することができなくなることで、リード２３自身が内側でずれる可能性がでてくることで接合界面への適切なエネルギー伝達ができるとは言えない。図６（ａ）のように挟持部材１１，１２を正負極リード３，４の内側に配置する場合に比べて接合強度の信頼性は乏しくなる。

また、挟持板２６をリード２３の外側に配置した場合は、一工程の中で集電金属箔２５を束ねながらのリード２３との位置合わせ作業をしなければならず作業の困難度が増し、集電金属箔２５の位置ずれの可能性が高まる。また、超音波溶接作業も同一工程内で実施しなければならず、工程の作業時間がかかる。前後工程との作業時間の差が大きくなりラインバランスも悪くなる。

図６（ａ）のように挟持部材１１，１２を正負極リード３，４の内側に配置する場合、正負極集電タブ８ａ，９ａの束ね作業と位置合わせと超音波溶接作業とを分割して行うことができるのでラインバランスもよく、組み立て性を考慮した合理的な形状と言える。

ここで、代表的な正負極端子材料の説明をする。負極活物質に炭素系材料を使用するリチウムイオン二次電池の場合、正極端子は一般的に、アルミニウムあるいはアルミニウム合金が使用され、負極端子は、銅、ニッケル、ニッケルメッキされた鉄などの金属が使用される。また、負極活物質にチタン酸リチウムを使用する場合は、上記に加え、負極端子にアルミニウムあるいはアルミニウム合金を使用してもかまわない。正負極端子にアルミニウムあるいはアルミニウム合金を使用する場合、正負極集電タブ、正負極挟持部材及び正負極リードは、アルミニウムあるいはアルミニウム合金から形成することが望ましい。

以下、前述した図１の角型非水電解質二次電池で用いた正極、負極、セパレータ及び電解液について説明する。

正極は、例えば、正極活物質を含むスラリーをアルミニウム箔もしくはアルミニウム合金箔からなる集電体に塗着することにより作製される。正極活物質としては、特に限定されるものではないが、リチウムを吸蔵放出できる酸化物や硫化物、ポリマーなどが使用できる。好ましい活物質としては、高い正極電位が得られるリチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウム燐酸鉄等が挙げられる。また、負極は、負極活物質を含むスラリーをアルミニウム箔もしくはアルミニウム合金箔からなる集電体に塗着することにより作製される。負極活物質としては、特に限定されるものではないが、リチウムを吸蔵放出できる金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、合金等が使用でき、好ましくは、リチウムイオンの吸蔵放出電位が金属リチウム電位に対して０．４Ｖ以上貴となる物質である。このようなリチウムイオン吸蔵放出電位を有する負極活物質は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金とリチウムとの合金反応を抑えられることから、負極集電体および負極関連構成部材へのアルミニウムもしくはアルミニウム合金の使用を可能とする。たとえば、チタン酸化物、チタン酸リチウムのようなリチウムチタン複合酸化物、タングステン酸化物、アモルファススズ酸化物、スズ珪素酸化物、酸化珪素などがあり、中でもリチウムチタン複合酸化物が好ましい。セパレータとしては、微多孔性の膜、織布、不織布、これらのうち同一材または異種材の積層物等を用いることができる。セパレータを形成する材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合ポリマー、エチレン−ブテン共重合ポリマー等を挙げることができる。

電解液は、非水溶媒に電解質（例えば、リチウム塩）を溶解させることにより調製された非水電解液が用いられる。非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、γ−ブチロラクトン（γ−ＢＬ）、スルホラン、アセトニトリル、１，２−ジメトキシエタン、１，３−ジメトキシプロパン、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２−メチルテトラヒドロフラン等を挙げることができる。非水溶媒は、単独で使用しても、２種以上混合して使用してもよい。電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ₄）、六フッ過リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ₄）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ₆）、トリフルオロメタスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃）等のリチウム塩を挙げることができる。電解質は単独で使用しても、２種以上混合して使用してもよい。電解質の非水溶媒に対する溶解量は、０．２ｍｏｌ／Ｌ〜３ｍｏｌ／Ｌとすることが望ましい。

以上説明したように、本発明によれば、正負極リードを二股に分岐した形状とし、それらを外装缶の内部においてスペース効率のよい配置をすることで、偏平型電極群を外装缶の中により多く収納しエネルギー密度を高めることができ、正負極リードを分岐し偏平型電極群への接合箇所を2箇所に分散することで、大電流を流した場合の発熱に対しても熱が集中しにくい構造であり、且つ偏平型電極群の電極部に対し均等な位置に接合部を持つことで集電バランスのよい構造を兼ね備えることができる。さらに、偏平型電極群の正負極集電タブを挟持部材により挟み込むことで良好な接合部を形成でき、その接合方法である超音波溶接も容易に行うことができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る電池の一形態を図７に示す。なお、図１〜図６に記載したのと同様な部材については、同符号を付して重複する説明を省略する。

図７に示す電池５０は、密閉型の角型非水電解質二次電池である。電池５０は、外装缶１と、外装缶１内に収容される偏平型電極群２と、外装缶１内に位置する正負極リード３，４と、電極群２の最外周を被覆する絶縁テープ３５と、第１の絶縁カバー３６と、第２の絶縁カバー３７と、絶縁カバー固定テープ３８と、外装缶１の開口部に取り付けられた蓋５と、蓋５に設けられた正負極端子６，７とを有する。電解液（図示しない）は、電極群２に含浸されている。

正極リード３は、正極端子６と電気的に接続するための接続プレート３ａと、接続プレート３ａに開口された貫通孔３ｂと、接続プレート３ａから二股に分岐し、下方に延出した短冊状の集電部３ｃ、３ｄとを有する。また、負極リード４は、負極端子７と電気的に接続するための接続プレート４ａと、接続プレート４ａに開口された貫通孔４ｂと、接続プレート４ａから二股に分岐し、下方に延出した短冊状の集電部４ｃ、４ｄとを有する。

正極集電タブ８ａは、電極群２の厚さ方向に積層された二つの束に分けられている。導電性の正極挟持部材１２は、正極集電タブ８ａの束それぞれを挟んで保持する。負極集電タブ９ａは、電極群２の厚さ方向に積層された二つの束に分けられている。導電性の負極挟持部材１１は、負極集電タブ９ａの束それぞれを挟んで保持する。

正極リード３は、集電部３ｃ、３ｄの間に正極挟持部材１２を挟んでいる。集電部３ｃは、正極挟持部材１２の第１の挟持部１２ａの外側の面に配置されている。集電部３ｄは、第２の挟持部１２ｂの外側の面に配置されている。第１，第２の挟持部１２ａ，１２ｂ、正極集電タブ８ａ、及び、集電部３ｃ，３ｄは、例えば超音波溶接によって接合されている。これにより、電極群２の正極８と正極リード３が正極集電タブ８ａを介して電気的に接続される。

負極リード４は、集電部４ｃ、４ｄの間に負極挟持部材１１を挟んでいる。集電部４ｃは、負極挟持部材１１の第１の挟持部１１ａの外側の面に配置されている。一方、集電部４ｄは、第２の挟持部１１ｂの外側の面に配置される。第１，第２の挟持部１１ａ，１１ｂ、負極集電タブ９ａ、集電部４ｃ，４ｄは、例えば超音波溶接によって接合されている。これにより、電極群２の負極９と負極リード４が負極集電タブ９ａを介して電気的に接続される。

粘着性の絶縁テープ３５は、電極群２の最外周を外装缶１から絶縁する。図７では、絶縁テープ３５は、電極群２の最外周に密着して最外周１周を被覆している。これは、捲回された電極群２の巻止機能と、電極群２と外装缶１との絶縁機能を兼ねている。また、部品点数の削減によるコストダウンに寄与する。さらに、絶縁カバー以外の新たな絶縁材料を必要とせず、外装缶１への挿入が容易となり、外装缶１の内寸法まで電極群寸法を確保でき、体積効率の向上にも寄与する。また、電極群２の両端部の正負極集電タブ８ａ，９ａは、絶縁テープ３５で被覆されていないため、絶縁テープ３５が電解液の含浸の妨げにならない。絶縁テープ３５の巻き数は１周以上にすることができる。なお、実施形態では、電極群２を偏平形状に捲回しているが、積層状の電極群にも適用できる。

絶縁テープ３５の基材に使用可能な樹脂の種類は、例えば、ポリエステル（ＰＥＴ）、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン等を挙げることができる。

第１の絶縁カバー３６は、正極リード３、正極挟持部材１２及び正極集電タブ８ａにおける外装缶１の内面と対向する部分を覆う形状の樹脂成型品からなる。具体的には、第１の絶縁カバー３６は、蓋５の内面と対向する開口部３６ａと、正極集電タブ８ａの端面を覆う側板３６ｂと、正極集電タブ８ａの最外周を覆うようにＵ字状に湾曲した側板３６ｃとを有する。

第２の絶縁カバー３７は、負極リード４、負極挟持部材１１及び負極集電タブ９ａにおける外装缶１の内面と対向する部分を覆う形状の樹脂成型品からなる。具体的には、第２の絶縁カバー３７は、蓋５の内面と対向する開口部３７ａと、負極集電タブ９ａの端面を覆う側板３７ｂと、負極集電タブ９ａの最外周を覆うようにＵ字状に湾曲した側板３７ｃとを有する。

第１の絶縁カバー３６は、正極リード３と正極挟持部材１２と正極集電タブ８ａとの超音波溶接部を、振動、衝撃から保護する機能と、正極リード３、正極挟持部材１２並びに正極集電タブ８ａを外装缶から絶縁する機能を兼ねることができ、部品点数の削減によるコストダウンに寄与する。また、第２の絶縁カバー３７は、負極リード４と負極挟持部材１１と負極集電タブ９ａとの超音波溶接部を、振動、衝撃から保護する機能と、負極リード４、負極挟持部材１１並びに負極集電タブ９ａを外装缶１から絶縁する機能を兼ねることができ、部品点数の削減によるコストダウンに寄与する。また、第１，第２の絶縁カバー３６，３７で超音波溶接部を保護することにより、電極群２の外装缶１への挿入性も向上する。

第１の絶縁カバー３６は、電極群２の正極集電タブ８ａが突出している端面に挿入され、Ｕ字状の側板３６ｃが絶縁テープ３５上に重ねられ、絶縁カバー固定テープ３８で絶縁テープ３５上に固定される。また、第２の絶縁カバー３７は、電極群２の負極集電タブ９ａが突出している端面に挿入され、Ｕ字状の側板３７ｃが絶縁テープ３５上に重ねられ、絶縁カバー固定テープ３８で絶縁テープ３５上に固定される。この構成により、電極群２、正負極集電タブ８ａ，９ａ、正負極挟持部材１１，１２及び正負極リード３，４を外装缶１から完全に絶縁できる。なお、絶縁テープ３５と第１、第２の絶縁カバー３６，３７を重ね合せ、絶縁カバー固定テープ３８を使用しなくても良い。

第１，第２の絶縁カバー３６，３７に使用可能な樹脂の種類は、例えば、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエステル（ＰＥＴ）等を挙げることができる。中でも、耐熱性、絶縁性とコストの観点から、ポリプロピレンが望ましい。

矩形板状の蓋５は、外装缶１の開口部に例えばレーザでシーム溶接されている。電解液の注液口（図示しない）は、蓋５に開口され、電解液の注液後に封止蓋５１で封止される。蓋５の外面には、矩形状の凹部５ａが２つ設けられている。一方の凹部５ａに正極端子６が収容され、他方の凹部５ａに負極端子７が収容される。各凹部５ａには、貫通孔５ｂが１つずつ設けられている。安全弁５２は、蓋５の外面における凹部５ａ間に配置されている。安全弁５２は、矩形状の凹部と、凹部内に形成された溝とを有する。外装缶１内の圧力が基準値以上になると、その圧力で溝が破断し、破断した箇所からガスが外部に放出されることにより、電池の破裂が未然に防止される。

蓋５の裏面には、内部絶縁体５３が配置されている。内部絶縁体５３は、蓋５の貫通孔５ｂと対向する箇所に設けられた貫通孔５３ａと、安全弁５２と対向する箇所に設けられたガス抜き孔５３ｂと、注液口５３ｃとを有する。内部絶縁体５３の裏面、つまり電極群２と対向する面には、スペーサ５３ｄが設けられている。スペーサ５３ｄは、電極群２が蓋５に接近する方向に移動するのを阻止することができる。

正極絶縁ガスケット１４は、円筒状の筒部１４ａと、筒部１４ａの一方の開口端に鍔状に形成されたフランジ部１４ｂとを有する。また、負極絶縁ガスケット１３は、円筒状の筒部１３ａと、筒部１３ａの一方の開口端に鍔状に形成されたフランジ部１３ｂとを有する。筒部１３ａ，１４ａは、それぞれ、蓋５の凹部５ａ内の貫通孔５ｂに挿入され、それぞれの下部開口端が内部絶縁体５３の貫通孔５３ａに挿入されている。フランジ部１３ｂ，１４ｂは、それぞれ、蓋５の凹部５ａ内の貫通孔５ｂの周縁を覆っている。

正極端子６は、頭部６ａと、頭部６ａから下方に延出された軸部６ｂとを有する。正極端子６の頭部６ａは、絶縁ガスケット１４のフランジ部１４ｂ内に収容される。また、負極端子７は、頭部７ａと、頭部７ａから下方に延出された軸部７ｂとを有する。負極端子７の頭部７ａは、絶縁ガスケット１３のフランジ部１３ｂ内に収容される。

正極端子６の軸部６ｂは、絶縁ガスケット１４の筒部１４ａ内に挿入された状態で蓋５の貫通孔５ｂ並びに内部絶縁体５３の貫通孔５３ａに挿入され、先端が正極リード３の貫通孔３ｂに挿入されている。軸部６ｂは、かしめ加工で拡径変形し、蓋５、内部絶縁体５３及び正極リード３にかしめ固定されている。一方、負極端子７の軸部７ｂは、絶縁ガスケット１３の筒部１３ａ内に挿入された状態で蓋５の貫通孔５ｂ並びに内部絶縁体５３の貫通孔５３ａに挿入され、先端が負極リード４の貫通孔４ｂに挿入されている。軸部７ｂは、かしめ加工で拡径変形し、蓋５、内部絶縁体５３及び負極リード４にかしめ固定されている。これにより、正負極端子６，７と蓋５は、絶縁性と気密性が確保された状態で固定され、さらに正負極端子６，７と正負極リード３，４は、電気的接続が確保された状態で固定される。

絶縁カバー５４は、正負極端子６，７と対向する箇所に貫通孔５４ａを有する。絶縁カバー５４は、貫通孔５４ａから正負極端子６，７の頭部６ａ，７ａが突出するように、蓋５上に配置される。

図７に示す構造の非水電解質二次電池について、パルス充放電時の通電電流限界を確認したところ、以下の結果が得られた。なお、正極活物質にリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ₂）、負極活物質にリチウム金属の開回路電位に対して開回路電位０．４Ｖ以上のリチウム吸蔵電位を有する負極活物質を使用した。電解液には非水電解液を使用した。外装缶１、蓋５、正負極端子６，７、正負極集電タブ８ａ，９ａ、正負極リード３，４、および、正負極挟持部材１１，１２には、アルミニウム合金を使用した。第１、第２の絶縁カバー３６，３７にはポリプロピレンの成型品を使用し、絶縁テープ３５の基材にはポリエステルを使用した。

パルス電流にて充放電を繰り返し、そのときのセル温度を測定した。通電電流は１００Ａから開始し、セル温度が１００℃を超えるまで、もしくは設定電圧（１．５Ｖから２．９５Ｖ）を外れるまで、電流を段階的に上げていった。具体的な評価方法を以下に説明する。

図８に示すようにパルス充放電試験を行った。すなわち、電流値を段階的に上昇させながらパルス充放電を複数回行い、パルス充放電間に一定の休止期間を設ける試験方法である。ＳＯＣ５０％の初期条件にて１０秒毎にパルス充放電を行った。パルス充放電は、ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ５まで段階的に電流値を上昇させながら行った。ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ５の電流値を表１に示す。表１における各ＳＴＥＰの電流値は、Ａ単位で表示した値と、その値をＣレートに換算した値を括弧内に示した。また、各ＳＴＥＰのパルス充放電は、４０から６０分間のうちの一定時間とした。各ＳＴＥＰ間に休止時間を設けた。セル温度が１００℃に達したら、もしくは設定電圧（１．５Ｖから２．９５Ｖ）を外れたら充放電を中止し、その後セル温度が低下し、環境温度で落ち着いたら一段上の電流値にてパルス充放電を繰り返した。また、パルス充放電時に、電流、電圧、時間、温度４点（恒温槽、正極端子、負極端子、外装缶中央部）を測定した。ＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ５、すなわち、１００Ａから最大２５０Ａ通電時のパルス充放電試験を実施した際の試験結果を表２及び図９〜図１２に示す。図９は、ＳＴＥＰ４（２００Ａ）のパルス充放電における恒温槽、正極端子、負極端子、外装缶中央部の温度の経時変化を示す。図１０は、ＳＴＥＰ４（２００Ａ）のパルス充放電におけるセルの電流及び電圧の経時変化を示す。図１１は、ＳＴＥＰ５（２５０Ａ）のパルス充放電における恒温槽、正極端子、負極端子、外装缶中央部の温度の経時変化を示す。図１２は、ＳＴＥＰ５（２５０Ａ）のパルス充放電におけるセルの電流及び電圧の経時変化を示す。図９、図１１において、恒温槽の温度をＴ₁、正極端子の温度をＴ₂、負極端子の温度をＴ₃、外装缶中央部の温度をＴ₄で示す。また、図２に、正極端子の温度Ｔ₂、負極端子の温度Ｔ₃、外装缶中央部の温度Ｔ₄それぞれの測定点をα、β、γで示す。

表２から明らかなように、パルス電流１００Ａでは、評価開始前の温度と最大温度との温度差は、外装缶中央部が最も大きく、１１．６℃であった。パルス電流１３０Ａでは、評価開始前の温度と最大温度との温度差は、外装缶中央部が最も大きく、１８．０℃であった。パルス電流１６０Ａでは、評価開始前の温度と最大温度との温度差は、外装缶中央部が最も大きく、２７．２℃であった。

図９及び図１０から明らかなように、第２の実施形態に係る電池は、パルス電流２００Ａにて６０分以上通電可能であった。表２に示すように、評価開始前の温度と最大温度との温度差は、外装缶中央部が最も大きく、４０．４℃であった。また、図１１及び図１２から明らかなように、２５０Ａ通電時においては、評価開始２５分後には設定した電圧終止条件の下限値の１．５Ｖを下回った。このため、この時点で評価は強制的に終了した。測定ポイントの温度上昇については、表２に示すように、評価開始前の温度と最大温度との温度差は、正極端子が最も大きく、６６．２℃であった。また、２５０Ａの大電流を電池に通電しても発熱の問題が生じなかった。さらに、設定電圧範囲内（１．５Ｖから２．９５Ｖ）においては、パルス電流２５０Ａにて２５分間通電が可能であった。

以上説明した第２の実施形態によれば、偏平型電極群を外装缶の中により多く収納しエネルギー密度を高めること、正負極リードの接合部等の抵抗を抑え効率よく集電できる構造を兼ね備えた電池を提供することができる。また、電極群および集電タブ並びにリードを外装缶から絶縁する構造の電池の体積効率を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…外装缶、２…電極群、３…正極リード、４…負極リード、３ａ，４ａ…接続部、３ｃ、３ｄ、４ｃ、４ｄ…集電部、５…蓋、６…正極端子、７…負極端子、８ａ…正極集電タブ、９ａ…負極集電タブ、１０…セパレータ、１１…負極挟持部材、１１ａ，１１ｂ…第１，第２の挟持部、１２…正極挟持部材、１２ａ，１２ｂ…第１，第２の挟持部、１３，１４…絶縁ガスケット、２０…電池、２１…ホーン、２２…アンビル、２３…リード、２４…発電要素、２５…集電金属箔、２６…挟持板、３５…絶縁テープ、３６，３７…第１，第２の絶縁カバー。

Claims (7)

1. 正極集電体を含む正極と、負極集電体を含む負極が、セパレータを介して偏平形状に捲回された偏平型電極群と、
   前記電極群の一方の端面から渦巻状に突出した前記正極集電体からなる正極集電タブと、
   前記電極群の他方の端面から渦巻状に突出した前記負極集電体からなる負極集電タブと、
   前記正極集電タブを前記電極群の厚さ方向に積層された二つの束に分け、それぞれの束を挟持する第１、第２の挟持部と、前記第１の挟持部と前記第２の挟持部を電気的に接続する連結部とを有する導電性の正極挟持部材と、
   前記負極集電タブを前記電極群の厚さ方向に積層された二つの束に分け、それぞれの束を挟持する第１、第２の挟持部と、前記第１の挟持部と前記第２の挟持部を電気的に接続する連結部とを有する導電性の負極挟持部材と、
   前記電極群が収納される外装缶と、
   前記外装缶の開口部に取り付けられ、正極端子及び負極端子を有する蓋と、
   前記正極端子と電気的に接続される接続部と、前記接続部から二股に分岐して前記正極挟持部材を挟み、一方が前記正極挟持部材の前記第１の挟持部の外側の面に接合され、かつ他方が前記第２の挟持部の外側の面に接合される集電部とを有する正極リードと、
   前記負極端子と電気的に接続される接続部と、前記接続部から二股に分岐して前記負極挟持部材を挟み、一方が前記負極挟持部材の前記第１の挟持部の外側の面に接合され、かつ他方が前記第２の挟持部の外側の面に接合される集電部とを有する負極リードと
   を備えることを特徴とする電池。
2. 前記正極集電タブと、前記正極挟持部材の前記第１、第２の挟持部と、前記正極リードの前記集電部とが超音波溶接により接合されており、かつ前記負極集電タブと、前記負極挟持部材の前記第１、第２の挟持部と、前記負極リードの前記集電部とが超音波溶接により接合されていることを特徴とする請求項１記載の電池。
3. 前記正極挟持部材の前記第１、第２の挟持部の厚さは前記正極リードの厚さよりも薄く、かつ前記負極挟持部材の前記第１、第２の挟持部の厚さは前記負極リードの厚さよりも薄いることを特徴とする請求項１または２記載の電池。
4. 前記正極リード、前記正極挟持部材及び前記正極集電タブにおける前記外装缶の内面と対向する部分か、前記負極リード、前記負極挟持部材及び前記負極集電タブにおける前記外装缶の内面と対向する部分を覆う形状の樹脂成型品からなる絶縁カバーをさらに備えることを特徴とする請求項１〜２いずれか１項記載の電池。
5. 前記絶縁カバーは、前記外装缶と前記電極群との流路となる穴を有する請求項４記載の電池。
6. 前記絶縁カバーは、前記正極集電タブまたは前記負極集電タブの端面と対向する側板に内方に突出した凸部を有することを特徴とする請求項４または５記載の電池。
7. 前記電極群の最外周を絶縁するための絶縁テープをさらに備えることを特徴とする請求項４〜６いずれか１項記載の電池。

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