JP2019153438A - 二次電池及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】芯体と集電体の接合部の信頼性が高い二次電池を提供する。【解決手段】正極芯体上に正極活物質層が形成された正極板と、正極芯体に接合された正極集電体６を備えた二次電池であって、積層された正極芯体は正極集電体６に接合された接合部８０を有し、正極芯体において正極集電体６に接合されていない部分の１枚の厚みと、接合部８０における正極芯体の積層数との積をＴｐ１としたとき、接合部８０は、正極芯体の積層方向においてＴｐ１よりも厚みの小さい第１領域８０ａと、Ｔｐ１よりも厚みの大きい第２領域８０ｂを有する。【選択図】図６

Description

本発明は、二次電池及びその製造方法に関する。
非水電解質二次電池等の二次電池は、ハイブリッド電気自動車、電気自動車、大型蓄電システム等に利用される。
これらの二次電池は、金属製の正極芯体上に正極活物質層を有する正極板と金属製の負極芯体上に負極活物質層を有する負極板がセパレータを介して積層ないし巻回された電極体を備える。そして正極端子に電気的に接続された正極集電体が積層された正極芯体に接続され、負極端子に電気的に接続された負極集電体が積層された負極芯体に接続される。
正極集電体と正極芯体の接続方法、及び負極集電体と負極芯体の接続方法としては、超音波接合、抵抗溶接、レーザー溶接等が用いられている（下記特許文献１、下記特許文献２）。
特許第５４７２６８７号公報 特開２００９−０４７６０９号公報
本発明の一つの目的は、集電体と積層された芯体の接合部の信頼性の高い二次電池を提供することである。
本発明の一つの形態の二次電池は、
金属製の第１芯体上に第１活物質層が形成された第１電極板と、
積層された前記第１芯体に接合された金属製の第１集電体と、を備えた二次電池であって、
積層された前記第１芯体は、前記第１集電体に接合された接合部を有し、
前記第１集電体に接合されていない部分の１枚の前記第１芯体の厚みと前記接合部における前記第１芯体の積層数との積をＴ１としたとき、
前記接合部は、前記第１芯体の積層方向において、Ｔ１よりも厚みの小さい第１領域と、Ｔ１よりも厚みの大きい第２領域を有する。
本発明の一つの形態の二次電池の構成であると、集電体と積層された芯体の接合部の信頼性の高い二次電池となる。
本発明の一つの形態の二次電池の製造方法は、
金属製の第１芯体上に第１活物質層が形成された第１電極板と、
積層された前記第１芯体に接合された金属製の第１集電体と、を備えた二次電池の製造方法であって、
積層された前記第１芯体の外面に前記第１集電体を配置する第１工程と、
前記積層された第１芯体と前記第１集電体を、アンビル及びホーンで挟み超音波振動を加えることにより、前記積層された第１芯体と前記第１集電体を接合することにより、前
記積層された第１芯体に前記第１集電体と接合された接合部を形成する第２工程と有し、
接合される前の状態における前記第１芯体の１枚の厚みと、前記接合部における前記第１芯体の積層数との積をＴ１としたとき、
前記第２工程により、前記接合部には、前記第１芯体の積層方向において、Ｔ１よりも厚みの小さい第１領域と、Ｔ１よりも厚みの大きい第２領域が形成される。
本発明の一つの形態の二次電池の製造方法によると、集電体と積層された芯体の接合部の信頼性の高い二次電池を提供できる。
集電体と積層された芯体の接合部の信頼性の高い二次電池を提供できる。
実施形態に係る二次電池の電池ケース正面部分と絶縁シート正面部分とを取り除いた電池内部を示す正面図である。 実施形態に係る二次電池の上面図である。 （ａ）は実施形態に係る正極板の平面図である。（ｂ）は実施例に係る負極板の平面図である。 積層された芯体と集電体をホーンとアンビルで挟み込む状態を示す図である。 正極集電体と積層された正極芯体の接続部近傍の図であり、（ａ）は正極芯体側の面を示す図であり、（ｂ）は正極集電体側の面を示す図である。 図５（ａ）におけるＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。 負極集電体と積層された負極芯体の接合部近傍の図であり、（ａ）は負極芯体側の面を示す図であり、（ｂ）は負極集電体側の面を示す図である。 図７（ａ）におけるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面図である。
以下に本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は以下の形態に限定されない。まず、図１及び図２を用いて実施形態に係る角形二次電池１００の構成を説明する。
図１及び図２に示すように、角形二次電池１００は、上方に開口を有する角形外装体１と、当該開口を封口する封口板２を備える。角形外装体１及び封口板２により電池ケース２００が構成される。角形外装体１及び封口板２は、それぞれ金属製であり、アルミニウム又はアルミニウム合金製であることが好ましい。角形外装体１内には、正極板と負極板とがセパレータ（いずれも図示省略）を介して巻回された扁平状の巻回電極体３が非水電解質と共に収容される。正極板は、金属製の正極芯体上に正極活物質を含む正極活物質層が形成され、長手方向に沿って正極芯体が露出する正極芯体露出部が形成されたものである。また負極板は、金属製の負極芯体上に負極活物質を含む負極活物質層が形成され、長手方向に沿って負極芯体が露出する負極芯体露出部が形成されたものである。なお、正極芯体はアルミニウム又はアルミニウム合金製であり、負極芯体は銅又は銅合金製であることが好ましい。
巻回電極体３は巻回軸が延びる方向の一方端側に正極活物質層が形成されていない正極芯体４ａが積層された状態で配置されている。正極芯体４ａは巻回されることにより積層された状態となっている。積層された正極芯体４ａには正極集電体６が接続されている。なお、正極集電体６はアルミニウム又はアルミニウム合金製であることが好ましい。
巻回電極体３は巻回軸が延びる方向の他方端側に負極活物質層が形成されていない負極芯体５ａが積層された状態で配置されている。負極芯体５ａは巻回されることにより積層された状態となっている。積層された負極芯体５ａには負極集電体８が接続されている。なお、負極集電体８は銅又は銅合金製であることが好ましい。
正極端子７は、封口板２の電池外部側に配置される鍔部７ａと、封口板２に設けられた貫通穴に挿入される挿入部を有する。正極端子７は金属製であり、アルミニウム又はアルミニウム合金製であることが好ましい。また、負極端子９は、封口板２の電池外部側に配置される鍔部９ａと、封口板２に設けられた貫通穴に挿入される挿入部を有する。負極端子９は金属製であり、銅又は銅合金製であることが好ましい。なお、負極端子９が、アルミニウム又はアルミニウム合金製の部分と、銅又は銅合金製の部分とを有していてもよい。この場合、アルミニウム又はアルミニウム合金製の部分が封口板２よりも外側に突出し、銅又は銅合金製の部分が負極集電体８に接続されることが好ましい。
正極端子７及び正極集電体６はそれぞれ樹脂製の内部側絶縁部材１０、樹脂製の外部側絶縁部材１１を介して封口板２に固定される。負極端子９及び負極集電体８はそれぞれ樹脂製の内部側絶縁部材１２、樹脂製の外部側絶縁部材１３を介して封口板２に固定される。内部側絶縁部材１０は封口板２と正極集電体６の間に配置され、外部側絶縁部材１１は封口板２と正極端子７の間に配置される。内部側絶縁部材１２は封口板２と負極集電体８の間に配置され、外部側絶縁部材１３は封口板２と負極端子９の間に配置される。巻回電極体３は絶縁シート１４に覆われた状態で角形外装体１内に収容される。封口板２は角形外装体１の開口縁部にレーザー溶接等により溶接接続される。封口板２は電解液注液孔１６を有し、この電解液注液孔１６は電解液を注液した後、封止栓１７により封止される。封口板２には電池内部の圧力が所定値以上となった場合にガスを排出するためのガス排出弁１５が形成されている。
＜電極体の作製＞
次に、巻回電極体３の作製方法について説明する。
正極活物質としてのリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、導電剤、結着剤及び分散媒を含む正極合剤スラリーを作製する。次に、正極芯体４ａとしての厚さ１５μｍの帯状のアルミニウム箔の両面に、正極合剤スラリーを塗布する。その後、正極合剤スラリーを乾燥させ、分散媒を除去する。これにより、正極芯体４ａの両面に正極活物質層４ｂを形成する。そして、正極活物質層４ｂを所定の充填密度に圧縮し、正極板４とする。図３（ａ）は正極板４の平面図である。正極板４は、短辺方向の一方側の端部に正極活物質層４ｂが形成されていない所定幅の正極芯体露出部を有する。
負極活物質としての黒鉛粉末、結着剤、及び分散媒含む負極合剤スラリーを作製する。次に、負極芯体５ａとしての厚さ８μｍの帯状の銅箔の両面に、負極合剤スラリーを塗布する。その後、負極合剤スラリーを乾燥させ、分散媒を除去する。これにより、負極芯体５ａの両面に負極活物質層５ｂを形成する。そして、負極活物質層５ｂを所定の充填密度に圧縮し、負極板５とする。図３（ｂ）は負極板５の平面図である。負極板５は、短辺方向の一方側の端部に負極活物質層５ｂが形成されていない所定幅の負極芯体露出部を有する。
上述の方法で得られた正極板４の正極芯体露出部と負極板５の負極芯体露出部とがそれぞれ対向する電極の活物質層と重ならないようにずらして、ポリエチレン製の多孔質セパレータを間に介在させて巻回し、扁平状に成形する。これにより、一方の端部において正極芯体４ａが積層され、他方の端部において負極芯体５ａが積層された扁平状の巻回電極体３とする。
＜封口板への部品取り付け＞
次に、正極集電体６、正極端子７、負極集電体８及び負極端子９の封口板２への取り付け方法を、正極側を例に説明する。なお、負極側についても正極側と同様の方法で取り付けを行うことができる。
封口板２の電池外部側に外部側絶縁部材１１を配置し、封口板２の電池内部側に内部側絶縁部材１０及び正極集電体６を配置する。そして、正極端子７の挿入部を電池外部側から、外部側絶縁部材１１、封口板２、内部側絶縁部材１０及び正極集電体６のそれぞれに設けられた貫通穴に挿入し、挿入部の先端側を正極集電体６上にカシメる。これにより、正極端子７、外部側絶縁部材１１、封口板２、内部側絶縁部材１０及び正極集電体６が一体的に固定される。なお、正極端子７の挿入部の先端のカシメられた部分を正極集電体６に溶接することが好ましい。
＜電極体への集電体の取り付け＞
次に、巻回電極体３への正極集電体６及び負極集電体８の取り付け方法について説明する。
［正極集電体と正極芯体の接続］
厚さ１５μｍのアルミニウム製の正極芯体４ａが６０枚積層された部分の一方の外面に厚さ０．８ｍｍのアルミニウム製の正極集電体６を配置する。
次に、図４に示すように、積層された正極芯体４ａと正極集電体６を超音波接合装置のホーン９０とアンビル９１で挟み込む。このとき、ホーン９０は積層された正極芯体４ａの外面と接するように配置する。アンビル９１は正極集電体６において正極芯体４ａと接する面とは反対側の面に接するように配置する。
そして、ホーン９０を振動させることにより積層された正極芯体４ａ同士、及び正極芯体４ａと正極集電体６を接合する。超音波接合の条件は特に限定されないが、ホーン荷重１０００Ｎ〜２５００Ｎ（１００ｋｇｆ〜２５０ｋｇｆ）、周波数１９ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ、接合時間２００ｍｓ〜５００ｍｓで超音波接合を行うことが好ましい。なお、周波数２０ｋＨｚの場合、ホーン振幅を５０％〜９０％とすることが好ましい。
積層された正極芯体４ａ及び正極集電体６に超音波振動が加えられることにより、摩擦により正極芯体４ａ及び正極集電体６の表面の酸化膜が取り除かれ、正極芯体４ａ同士の間、正極芯体４ａと正極集電体６の間が固相接合し、強固に接合される。
ホーン９０において正極芯体４ａと接する面には複数のホーン突起９０ａが形成されており、ホーン突起９０ａが積層された正極芯体４ａに食い込んだ状態で超音波接合される。
また、アンビル９１において正極集電体６と接する面には複数のアンビル突起９１ａが形成されており、アンビル突起９１ａが正極集電体６に食い込んだ状態で超音波接合される。
積層された正極芯体４ａと正極集電体６が超音波接合されることにより、積層された正極芯体４ａには正極集電体６と接合された接合部８０が形成される。接合部８０には複数の凹凸が形成される。また、正極集電体６において積層された正極芯体４ａが接合された領域であって、積層された正極芯体４ａが配置される側とは反対側の面に複数の集電体凹部６ｘが形成される。
図６は、図５（ａ）におけるＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。
正極集電体６と接合されていない部分の正極芯体４ａ（例えば、正極芯体４ａにおいて正極集電体６と対応する部分であって、正極集電体６と接合されていない部分）の１枚の厚みと接合部８０における正極芯体４ａの積層数の積をＴｐ１とする。積層された正極芯体４ａの接合部８０は、Ｔｐ１よりも厚みの小さい第１領域８０ａと、Ｔｐ１よりも厚みの大きい第２領域８０ｂを有する。このような構成を有することにより、正極芯体４ａに損傷・破断が生じることを抑制でき、且つ正極芯体４ａと正極集電体６を強固に接合できる。
第１領域８０ａにおいて、最も厚みの小さい部分の厚みをＴｐ２とする。第２領域８０ｂにおいて、最も厚みの大きい厚みをＴｐ３とする。厚みＴｐ２、厚みＴｐ３は、超音波接合部の適正な剥離強度、導通、外観を満足するために、超音波接合装置のホーン荷重、周波数、ホーン振幅、接合時間の設定で制御する。特にホーン振幅の設定によりコントロールすることが好ましい。
第１領域８０ａにおいては、各正極芯体４ａ同士が拡散接合されている。各正極芯体４ａ同士は固相接合であることが好ましい。第１領域８０ａにおいては、１枚の正極芯体４ａの厚み方向における中央部には、超音波接合の際に溶融・凝固していない領域が存在することが好ましい。これにより、第１領域８０ａにおいて最も厚みが小さい部分の厚みが過剰に小さくなることを効果的に抑制でき、正極芯体４ａが損傷・破断することをより効果的に防止できる。例えば、超音波接合前の正極芯体４ａの１枚の厚みをＴｐｘとする。そして、第１領域８０ａに関し、超音波接合後の正極芯体４ａの厚み方向において、一方の面側の拡散層と他方の面側の拡散層との間の距離をＴｐｙとする。このとき、Ｔｐｙ／Ｔｐｘが０．５以上であることが好ましく、０．６以上であることがより好ましく、０．８以上であることがさらに好ましい。
なお、第１領域８０ａに形成される芯体凹部８０ｘの数よりも、正極集電体６に形成される集電体凹部６ｘの数が多いことが好ましい。
第１領域８０ａにおける正極芯体４ａ同士の接合強度（剥離強度）は、第２領域８０ｂにおける正極芯体４ａ同士の接合強度（剥離強度）よりも大きいことが好ましい。これにより、積層された正極芯体４ａと正極集電体６を強固に接合しつつ、正極芯体４ａの損傷・破断をより効果的に抑制できる。
第１領域８０ａに形成される芯体凹部８０ｘの底部には平坦部８０ｘ１が形成されることが好ましい。このような構成であると、超音波接合される際、第１領域８０ａとなる部分に摩擦挙動が促進されて、各正極芯体４ａ間、正極芯体４ａと正極集電体６の間がより強固に接合される。
正極芯体４ａの積層方向に沿って見たとき、一つの平坦部８０ｘ１の面積は、０．０１０ｍｍ２〜０．６０ｍｍ２であることが好ましく、０．０１ｍｍ２〜０．２５ｍｍ２であることがより好ましく、０．０１ｍｍ２〜０．１６ｍｍ２であることがさらに好ましい。
また、正極集電体６に形成される集電体凹部６ｘの底部に平端部が形成されないことが好ましい。あるいは、正極集電体６に形成される集電体凹部６ｘの底部に形成される一つの平坦部の面積は、一つの平坦部８０ｘ１の面積よりも小さいことが好ましい。
第２領域８０ｂは、正極集電体６から離れるにつれ先細りする形状を有することが好ましい。これにより、超音波接合の際、第１領域８０ａとなる部分を構成する金属が伸びて、第２領域８０ｂとなる部分がこの伸びた第１領域８０ａとなる部分を構成する金属を受け入れやすくなる。よって、正極芯体４ａが損傷・破断することをより効果的に抑制できる。なお、第１領域８０ａに形成された一つの芯体凹部８０ｘと他の芯体凹部８０ｘの間に形成される突出部の頂部を含む部分が第２領域８０ｂとなることが好ましい。
なお、第２領域８０ｂでは、正極集電体６から離れるにつれて、正極芯体４ａ同士の接合強度が低くなる構成とすることができる。このような構成であると、正極芯体４ａの損傷・破断をより効果的に抑制できる。例えば、第２領域８０ｂでは、正極芯体４ａの積層方向における外面近傍において、正極芯体４ａ同士の間に隙間が形成されていてもよい。
正極芯体４ａがアルミニウム又はアルミニウム合金製の場合、第１領域８０ａにおいて最も厚みの小さい部分の厚みをＴｐ２とし、第２領域８０ｂにおいて最も厚みの大きい部分の厚みをＴｐ３としたとき、Ｔｐ２／Ｔｐ１が０．７０〜０．９５であり、Ｔｐ３／Ｔｐ１が１．０２〜１．５３であることが好ましい。これにより、より確実に正極芯体４ａの損傷・破損を抑制でき、且つ正極芯体４ａと正極集電体６をより強固に接合できる。なお、Ｔｐ３／Ｔｐ１は１．０５〜１．２３であることがより好ましい。
また、第２領域８０ｂにおいて最も厚みの大きい部分の厚みＴｐ３と、第１領域８０ａにおいて最も厚みの小さい部分の厚みＴｐ２との差（Ｔｐ３−Ｔｐ２）は、０．８ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであることがより好ましく、０．２ｍｍ〜０．４ｍｍであることがさらに好ましい。
なお、第１領域８０ａにおいて、積層された正極芯体４ａのうち最も正極集電体６から遠い正極芯体４ａについて、超音波接合による伸び率Ｘが２０％以下となるように超音波接合を行うことが好ましい。これにより、より確実に正極芯体４ａの損傷・破損を抑制できる。なお、伸び率Ｘは、（超音波接合後の正極芯体４ａの長さ−超音波接合前の正極芯体４ａの長さ）／（超音波接合前の正極芯体４ａの長さ）×１００で算出される。
また、第２領域８０ｂにおいて、積層された正極芯体４ａのうち最も正極集電体６から遠い正極芯体４ａについて、超音波接合による伸び率Ｙが伸び率Ｘよりも小さくなるように超音波接合を行うことが好ましい。これにより、より確実に正極芯体４ａの損傷・破損を抑制できる。第２領域８０ｂにおいて、積層された正極芯体４ａのうち最も正極集電体６から遠い正極芯体４ａについて、超音波接合による伸び率Ｙが５％以下となるように超音波接合を行うことが好ましい。
第１領域８０ａにおいて最も厚みの部分の厚みＴｐ２は、正極集電体６において正極芯体４ａと接合された部分のうち、最も厚みの小さい部分の厚みＴｐ４よりも大きいことが好ましい。
正極集電体６と接合されていない部分の正極芯体４ａの１枚の厚みと接合部８０における正極芯体４ａの積層数の積をＴｐ１とする。
第１領域８０ａにおいて最も厚みの小さい部分の厚みをＴｐ２とする。
正極集電体６において正極芯体４ａが接合された部分のうち最も厚みの小さい部分の厚みをＴｐ４とする。
正極集電体６において正極芯体４ａが接合された部分のうち最も厚みの大きい部分の厚みをＴｐ５とする。
このとき、（Ｔｐ５−Ｔｐ４）は、（Ｔｐ１−Ｔｐ２）よりも大きいことが好ましい。
正極芯体４ａがアルミニウム又はアルミニウム合金製の場合、正極芯体４ａの厚みは５μｍ〜３０μｍであることが好ましく、８μｍ〜２５μｍであることより好ましく、１０μｍ〜２０μｍであることがさらに好ましい。
また、正極芯体４ａがアルミニウム又はアルミニウム合金製の場合、正極芯体４ａの積層数は、２０層〜１００層であることが好ましく、３０層〜９０層であることがより好ましく、４０層〜８０層であることがさらに好ましい。
正極集電体６がアルミニウム又はアルミニウム合金製の場合、正極集電体６の厚みは０．３ｍｍ〜２ｍｍであることが好ましく、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍであることより好ましく、０．８ｍｍ〜１．５ｍｍであることがさらに好ましい。
［負極集電体と負極芯体の接続］
厚さ８μｍの銅製の負極芯体５ａが６２枚積層された部分の一方の外面に厚さ０．８ｍ
ｍの銅製の負極集電体８を配置する。
次に、図４に示すように、積層された負極芯体５ａと負極集電体８を超音波接合装置のホーン９０とアンビル９１で挟み込む。このとき、ホーン９０は積層された負極芯体５ａの外面と接するように配置する。アンビル９１は負極集電体８において負極芯体５ａと接する面とは反対側の面に接するように配置する。
そして、ホーン９０を振動させることにより積層された負極芯体５ａ同士、及び負極芯体５ａと負極集電体８を接合する。超音波接合の条件は特に限定されないが、ホーン荷重１０００Ｎ〜２５００Ｎ（１００ｋｇｆ〜２５０ｋｇｆ）、周波数１９ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ、接合時間３００ｍｓ〜８００ｍｓで超音波接合を行うことが好ましい。なお、周波数２０ｋＨｚの場合、ホーン振幅を６０％〜９５％とすることが好ましい。
積層された負極芯体５ａ及び負極集電体８に超音波振動が加えられることにより、摩擦により負極芯体５ａ及び負極集電体８の表面の酸化膜が取り除かれ、負極芯体５ａ同士の間、負極芯体５ａと負極集電体８の間が固相接合し、強固に接合される。
ホーン９０において負極芯体５ａと接する面には複数のホーン突起９０ａが形成されており、ホーン突起９０ａが積層された負極芯体５ａに食い込んだ状態で超音波接合される。
また、アンビル９１において負極集電体８と接する面には複数のアンビル突起９１ａが形成されており、アンビル突起９１ａが負極集電体８に食い込んだ状態で超音波接合される。
積層された負極芯体５ａと負極集電体８が超音波接合されることにより、積層された負極芯体５ａには負極集電体８と接合された接合部８１が形成される。接合部８１には複数の凹凸が形成される。また、負極集電体８において積層された負極芯体５ａが接合された領域であって、積層された負極芯体５ａが配置される側とは反対側の面に複数の集電体凹部８ｘが形成される。
図８は、図７（ａ）におけるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面図である。
負極集電体８と接合されていない部分の負極芯体５ａ（例えば、負極芯体５ａにおいて負極集電体８と対応する部分であって、負極集電体８と接合されていない部分）の１枚の厚みと接合部８１における負極芯体５ａの積層数の積をＴｎ１とする。積層された負極芯体５ａの接合部８１は、Ｔｎ１よりも厚みの小さい第１領域８１ａと、Ｔｎ１よりも厚みの大きい第２領域８０ｂを有する。このような構成を有することにより、負極芯体５ａに損傷・破断が生じることを抑制でき、且つ負極芯体５ａと負極集電体８を強固に接合できる。
第１領域８１ａにおいて、最も厚みの小さい部分の厚みをＴｎ２とする。第２領域８１ｂにおいて、最も厚みの大きい厚みをＴｎ３とする。厚みＴｎ２、厚みＴｎ３は、超音波接合部の適正な剥離強度、導通、外観を満足するために、超音波接合装置のホーン荷重、周波数、ホーン振幅、接合時間の設定で制御する。特にホーン振幅の設定によりコントロールすることが好ましい。
第１領域８１ａにおいては、各負極芯体５ａ同士が拡散接合されている。各負極芯体５ａ同士は固相接合であることが好ましい。第１領域８１ａにおいては、１枚の負極芯体５ａの厚み方向における中央部には、超音波接合の際に溶融・凝固していない領域が存在することが好ましい。これにより、第１領域８１ａにおいて最も厚みが小さい部分の厚みが過剰に小さくなることを効果的に抑制でき、負極芯体５ａが損傷・破断することをより効果的に防止できる。例えば、超音波接合前の負極芯体５ａの１枚の厚みをＴｎｘとする。そして、第１領域８１ａに関し、超音波接合後の負極芯体５ａの厚み方向において、一方の面側の拡散層と他方の面側の拡散層との間の距離をＴｎｙとする。このとき、Ｔｎｙ／
Ｔｎｘが０．５以上であることが好ましく、０．６以上であることがより好ましく、０．８以上であることがさらに好ましい。
なお、第１領域８１ａに形成される芯体凹部８１ｘの数よりも、負極集電体８に形成される集電体凹部８ｘの数が多いことが好ましい。
第１領域８１ａにおける負極芯体５ａ同士の接合強度（剥離強度）は、第２領域８１ｂにおける負極芯体５ａ同士の接合強度（剥離強度）よりも大きいことが好ましい。これにより、積層された負極芯体５ａと負極集電体８を強固に接合しつつ、負極芯体５ａの損傷・破断をより効果的に抑制できる。
第１領域８１ａに形成される芯体凹部８１ｘの底部には平坦部８１ｘ１が形成されることが好ましい。このような構成であると、超音波接合される際、第１領域８１ａとなる部分に摩擦挙動が促進されて、各負極芯体５ａ間、負極芯体５ａと負極集電体８の間がより強固に接合される。
負極芯体５ａの積層方向に沿って見たとき、一つの平坦部８１ｘ１の面積は、０．０１ｍｍ２〜０．６０ｍｍ２であることが好ましく、０．０１ｍｍ２〜０．２５ｍｍ２であることがより好ましく、０．０１ｍｍ２〜０．１６ｍｍ２であることがさらに好ましい。
また、負極集電体８に形成される集電体凹部８ｘの底部に平端部が形成されないことが好ましい。あるいは、負極集電体８に形成される集電体凹部８ｘの底部に形成される一つの平坦部の面積は、一つの平坦部８１ｘ１の面積よりも小さいことが好ましい。
第２領域８１ｂは、負極集電体８から離れるにつれ先細りする形状を有することが好ましい。これにより、超音波接合の際、第１領域８１ａとなる部分を構成する金属が伸びて、第２領域８１ｂとなる部分がこの伸びた第１領域８１ａとなる部分を構成する金属を受け入れやすくなる。よって、負極芯体５ａが損傷・破断することをより効果的に抑制できる。なお、第１領域８１ａに形成された一つの芯体凹部８１ｘと他の芯体凹部８１ｘの間に形成される突出部の頂部を含む部分が第２領域８１ｂとなることが好ましい。
なお、第２領域８１ｂでは、負極集電体８から離れるにつれて、負極芯体５ａ同士の接合強度が低くなる構成とすることができる。このような構成であると、負極芯体５ａの損傷・破断をより効果的に抑制できる。例えば、第２領域８１ｂでは、負極芯体５ａの積層方向における外面近傍において、負極芯体５ａ同士の間に隙間が形成されていてもよい。
負極芯体５ａが銅は銅合金製の場合、第１領域８１ａにおいて最も厚みの小さい部分の厚みをＴｎ２とし、第２領域８１ｂにおいて最も厚みの大きい部分の厚みをＴｎ３としたとき、Ｔｎ２／Ｔｎ１が０．７０〜０．９５であり、Ｔｎ３／Ｔｎ１が１．１０〜１．９８であることが好ましい。これにより、より確実に負極芯体５ａの損傷・破損を抑制でき、且つ負極芯体５ａと負極集電体８をより強固に接合できる。なお、Ｔｎ３／Ｔｎ１は１．２７〜１．４２であることがより好ましい。
また、第２領域８１ｂにおいて最も厚みの大きい部分の厚みＴｎ３と、第１領域８１ａにおいて最も厚みの小さい部分の厚みＴｎ２との差（Ｔｎ３−Ｔｎ２）は、０．８ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであることがより好ましく、０．２ｍｍ〜０．４ｍｍであることがさらに好ましい。
なお、第１領域８１ａにおいて、積層された負極芯体５ａのうち最も負極集電体８から遠い負極芯体５ａについて、超音波接合による伸び率Ｙが２０％以下となるように超音波接合を行うことが好ましい。これにより、より確実に負極芯体５ａの損傷・破損を抑制で
きる。なお、伸び率Ｙは、（超音波接合後の負極芯体５ａの長さ−超音波接合前の負極芯体５ａの長さ）／（超音波接合前の負極芯体５ａの長さ）×１００で算出される。
また、第２領域８１ｂにおいて、積層された負極芯体５ａのうち最も負極集電体８から遠い負極芯体５ａについて、超音波接合による伸び率Ｙが伸び率Ｘよりも小さくなるように超音波接合を行うことが好ましい。これにより、より確実に負極芯体５ａの損傷・破損を抑制できる。第２領域８１ｂにおいて、積層された負極芯体５ａのうち最も負極集電体８から遠い負極芯体５ａについて、超音波接合による伸び率Ｙが５％以下となるように超音波接合を行うことが好ましい。
第１領域８１ａにおいて最も厚みの部分の厚みＴｎ２は、負極集電体８において負極芯体５ａと接合された部分のうち、最も厚みの小さい部分の厚みＴｎ４よりも大きいことが好ましい。
負極集電体８と接合されていない部分の負極芯体５ａの１枚の厚みと接合部８１における負極芯体５ａの積層数の積をＴｎ１とする。
第１領域８１ａにおいて最も厚みの小さい部分の厚みをＴｎ２とする。
負極集電体８において負極芯体５ａが接合された部分のうち最も厚みの小さい部分の厚みをＴｎ４とする。
負極集電体８において負極芯体５ａが接合された部分のうち最も厚みの大きい部分の厚みをＴｎ５とする。
このとき、（Ｔｎ５−Ｔｎ４）は、（Ｔｎ１−Ｔｎ２）よりも大きいことが好ましい。
負極芯体５ａが銅又は銅合金製の場合、負極芯体５ａの厚みは５μｍ〜３０μｍであることが好ましく、５μｍ〜２０μｍであることより好ましく、６μｍ〜１５μｍであることがさらに好ましい。
また、負極芯体５ａが銅又は銅合金製の場合、負極芯体５ａの積層数は、２０層〜１００層であることが好ましく、３０層〜９０層であることがより好ましく、４０層〜８０層であることがさらに好ましい。
負極集電体８が銅又は銅合金製の場合、負極集電体８の厚みは０．３ｍｍ〜２ｍｍであることが好ましく、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍであることより好ましく、０．８ｍｍ〜１．０ｍｍであることがさらに好ましい。
［実施例１〜５］
厚さ１５μｍのアルミニウム製の正極芯体４ａを６０枚積層し、厚さ０．８ｍｍのアルミニウム製の正極集電体６と、それぞれ異なる条件で超音波接合し、実施例１〜５とした。実施例１〜５における条件及び結果を表１に示す。
なお、表１において、「ホーン荷重（Ｎ）」、「ホーン振幅（％）」「接合時間（ｍｓ）」はそれぞれ超音波接合の条件を示す。なお、周波数はいずれも２０ｋＨｚである。
実施例１〜５において、ホーン９０のホーン突起９０ａの高さは０．２６ｍｍであり、アンビル９１のアンビル突起９１ａ高さは０．３６ｍｍのものを用いた。
また、接合部抵抗値は、以下の方法で測定した。
正極芯体４ａにおいてホーン９０のホーン突起９０ａと接触した部分と、正極集電体６においてアンビル９１のアンビル突起９１ａと接触した部分の間の交流抵抗値を測定した。
Figure 2019153438
表１に示すように、Ｔｐ２／Ｔｐ１が０．７０〜０．９５であり、Ｔｐ３／Ｔｐ１が１．０５〜１．２３の場合、正極芯体４ａに破断が生じることなく、正極芯体４ａ同士及び正極芯体４ａと正極集電体６が強固に接合されることを確認できた。
［実施例６〜８］
厚さ８μｍの銅製の負極芯体５ａを６２枚積層し、厚さ０．８ｍｍの銅製の負極集電体８と、それぞれ異なる条件で超音波接合し、実施例６〜８とした。実施例６〜８における条件及び結果を表２に示す。
なお、表２において、「ホーン荷重（Ｎ）」、「ホーン振幅（％）」「接合時間（ｍｓ）」はそれぞれ超音波接合の条件を示す。なお、周波数はいずれも２０ｋＨｚである。
なお、実施例６〜８において、ホーン９０のホーン突起９０ａの高さは０．２６ｍｍであり、アンビル９１のアンビル突起９１ａ高さは０．３６ｍｍのものを用いた。
また、接合部抵抗値は、以下の方法で測定した。
負極芯体５ａにおいてホーン９０のホーン突起９０ａと接触した部分と、負極集電体８においてアンビル９１のアンビル突起９１ａと接触した部分の間の交流抵抗値を測定した。
Figure 2019153438
表２に示すように、Ｔｎ２／Ｔｎ１が０．７５〜０．９０であり、Ｔｎ３／Ｔｎ１が１．２７〜１．４２の場合、負極芯体５ａに破断が生じることなく、負極芯体５ａ同士及び負極芯体５ａと負極集電体８が強固に接合されることを確認できた。
≪その他≫
電極体は、複数枚の正極板と複数の負極板が積層された積層型電極体であってもよいし、帯状の正極板と帯状の負極板が巻回された巻回型電極体であってもよい。
上述の実施形態においては、帯状の芯体露出部が巻回されることにより、芯体が積層される例を示したが、これに限定されない。帯状の極板に複数の芯体露出部が形成され、この複数の芯体露出部が積層されることにより、芯体が積層された状態となっていてもよい。あるいは、複数枚の正極板と複数枚の負極板を含む積層型電極体において、それぞれの極板の芯体が積層されていてもよい。
ホーン突起９０ａ及びアンビル突起９１ａの形状は特に限定されない。ホーン突起９０
ａ及びアンビル突起９１ａの形状としては、円錐、先端部が切り落とされた円錐、多角錐、先端部が切り落とされた多角錐、円筒、球形等が考えられる。なお、ホーン突起９０ａの形状と、アンビル突起９１ａの形状は同じであっても良いし、異なっていても良い。また、ホーン突起９０ａの数、及びアンビル突起９１ａの数は適宜調整できる。
１００・・・角形二次電池
２００・・・電池ケース
１・・・角形外装体
２・・・封口板
３・・・巻回電極体
４・・・正極板
４ａ・・・正極芯体
４ｂ・・・正極活物質層
５・・・負極板
５ａ・・・負極芯体
５ｂ・・・負極活物質層
６・・・正極集電体
６ｘ・・・集電体凹部
７・・・正極端子
７ａ・・・鍔部
８・・・負極集電体
８ｘ・・・集電体凹部
９・・・負極端子
９ａ・・・鍔部
１０・・・内部側絶縁部材
１１・・・外部側絶縁部材
１２・・・内部側絶縁部材
１３・・・外部側絶縁部材
１４・・・絶縁シート
１５・・・ガス排出弁
１６・・・電解液注液孔
１７・・・封止栓

８０、８１・・・接合部
８０ａ、８１ａ・・・第１領域
８０ｂ、８１ｂ・・・第２領域
８０ｘ、８１ｘ・・・芯体凹部
８０ｘ１、８１ｘ１・・・平坦部

９０・・・ホーン
９０ａ・・・ホーン突起
９１・・・アンビル
９１ａ・・・アンビル突起

Claims (20)

  1. 金属製の第１芯体上に第１活物質層が形成された第１電極板と、
    積層された前記第１芯体に接合された金属製の第１集電体と、を備えた二次電池であって、
    積層された前記第１芯体は、前記第１集電体に接合された接合部を有し、
    前記第１集電体に接合されていない部分の１枚の前記第１芯体の厚みと、前記接合部における前記第１芯体の積層数との積をＴ１としたとき、
    前記接合部は、前記第１芯体の積層方向において、Ｔ１よりも厚みの小さい第１領域と、Ｔ１よりも厚みの大きい第２領域を有する二次電池。
  2. 前記第１領域には凹部が形成され、
    前記凹部の底部には平坦部が形成された請求項１に記載の二次電池。
  3. 前記第２領域は、前記第１集電体から離れるにつれ先細りする形状を有する請求項１又は２に記載の二次電池。
  4. 前記第１芯体は、アルミニウム又はアルミニウム合金製であり、
    前記第１領域において最も厚みの小さい部分の厚みをＴ２とし、
    前記第２領域において最も厚みの大きい部分の厚みをＴ３としたとき、
    Ｔ２／Ｔ１が０．７０〜０．９５であり、
    Ｔ３／Ｔ１が１．０２〜１．５３である請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池。
  5. 前記第１芯体は、銅又は銅合金製であり、
    前記第１領域において最も厚みの小さい部分の厚みをＴ２とし、
    前記第２領域において最も厚みの大きい部分の厚みをＴ３としたとき、
    Ｔ２／Ｔ１が０．７５〜０．９０であり、
    Ｔ３／Ｔ１が１．１０〜１．９８である請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池。
  6. 前記第１領域において、互いに接する前記第１芯体同士は拡散接合された請求項１〜５のいずれかに記載の二次電池。
  7. 前記第１領域において、前記第１芯体は、前記第１芯体の厚み方向における中央部に、
    前記第１芯体が前記第１集電体に接合される際に溶融していない部分を有する請求項１〜６のいずれかに記載の二次電池。
  8. 前記第１領域における前記第１芯体間の接合強度は、前記第２領域における前記第１芯体間の接合強度よりも大きい請求項１〜７のいずれかに記載の二次電池。
  9. 前記第１領域において最も厚みの小さい部分の厚みＴ２は、
    前記第１集電体において前記第１芯体に接合された部分のうち最も厚みの小さい部分の厚みＴ４よりも大きい請求項１〜８のいずれかに記載の二次電池。
  10. 前記第１領域において最も厚みの小さい部分の厚みをＴ２とし、
    前記第１集電体において前記第１芯体に接合された部分のうち最も厚みの小さい部分の厚みをＴ４とし、
    前記第１集電体において前記第１芯体に接合された部分のうち最も厚みの大きい部分の厚みをＴ５としたとき、
    （Ｔ５−Ｔ４）は、（Ｔ１−Ｔ２）よりも大きい請求項１〜９のいずれかに記載の二次電池。
  11. 金属製の第１芯体上に第１活物質層が形成された第１電極板と、
    積層された前記第１芯体に接合された金属製の第１集電体と、を備えた二次電池の製造方法であって、
    積層された前記第１芯体の外面に前記第１集電体を配置する第１工程と、
    前記積層された第１芯体と前記第１集電体を、アンビル及びホーンで挟み超音波振動を加えることにより、前記積層された第１芯体と前記第１集電体を接合することにより、前記積層された第１芯体に前記第１集電体と接合された接合部を形成する第２工程と有し、
    接合される前の状態における前記第１芯体の１枚の厚みと、前記接合部における前記第１芯体の積層数との積をＴ１としたとき、
    前記第２工程により、前記接合部には、前記第１芯体の積層方向において、Ｔ１よりも厚みの小さい第１領域と、Ｔ１よりも厚みの大きい第２領域が形成される二次電池の製造方法。
  12. 前記第２工程において、前記第１領域となる部分を構成する金属の一部が、前記第２領域となる部分に移動する請求項１１に記載の二次電池の製造方法。
  13. 前記第２工程において、前記第１領域における前記第１芯体は厚み方向の中央部が溶融せず、前記第１芯体の表面同士が拡散結合により接合する請求項１１又は１２に記載の二次電池の製造方法。
  14. 前記第１領域には凹部が形成され、
    前記凹部の底部には平坦部が形成された請求項１１〜１３のいずれかに記載の二次電池の製造方法。
  15. 前記第２領域は、前記第１集電体から離れるにつれ先細りする形状を有する請求項１１〜１４のいずれかに記載の二次電池の製造方法。
  16. 前記第１芯体は、アルミニウム又はアルミニウム合金製であり、
    前記第１領域において最も厚みの小さい部分の厚みをＴ２とし、
    前記第２領域において最も厚みの大きい部分の厚みをＴ３としたとき、
    Ｔ２／Ｔ１が０．７０〜０．９５であり、
    Ｔ３／Ｔ１が１．０２〜１．５３である請求項１１〜１５のいずれかに記載の二次電池の製造方法。
  17. 前記第１芯体は、銅又は銅合金製であり、
    前記第１領域において最も厚みの小さい部分の厚みをＴ２とし、
    前記第２領域において最も厚みの大きい部分の厚みをＴ３としたとき、
    Ｔ２／Ｔ１が０．７５〜０．９０であり、
    Ｔ３／Ｔ１が１．１０〜１．９８である請求項１１〜１５のいずれかに記載の二次電池の製造方法。
  18. 前記第１領域における前記第１芯体間の接合強度は、前記第２領域における前記第１芯体間の接合強度よりも大きい請求項１１〜１７のいずれかに記載の二次電池の製造方法。
  19. 前記第１領域において最も厚みの小さい部分の厚みＴ２は、
    前記第１集電体において前記第１芯体に接合された部分のうち最も厚みの小さい部分の厚みＴ４よりも大きい請求項１１〜１８のいずれかに記載の二次電池の製造方法。
  20. 前記第１領域において最も厚みの小さい部分の厚みをＴ２とし、
    前記第１集電体において前記第１芯体に接合された部分のうち最も厚みの小さい部分の厚みをＴ４とし、
    前記第１集電体において前記第１芯体に接合された部分のうち最も厚みの大きい部分の厚みをＴ５としたとき、
    （Ｔ５−Ｔ４）は、（Ｔ１−Ｔ２）よりも大きい請求項１１〜１９のいずれかに記載の二次電池の製造方法。
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