JP3629171B2 - 電極捲回型電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極および負極を捲回した電極体を有する電極捲回型電池であって、特に、集電構造に特徴を持つ電極捲回型電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ノートパソコン、携帯電話等の小型化に伴い、情報関連機器、通信関連機器の分野では、リチウムイオン二次電池等の高性能電池が開発され、既に実用化に至っている。リチウムイオン二次電池等の電池は、正極および負極をセパレータを介して捲回した電極体を備える電極捲回型の電池が一般的な形態となっている。一方、環境問題、資源問題から自動車の分野においても、電気自動車、ハイブリッド電気自動車の開発が進み、これら電気車両の駆動用電源として、リチウムイオン二次電池等の高性能電池を採用することが検討されている。
【０００３】
電気車両駆動用電源等に用いる電池は、大容量であるため電池が大型化し、上記の電極捲回型電池の形態を採用する場合、大きな面積のシート状の電極を必要とする。ところが、高出力であるという特性をも満足するためには、広い面積の電極から効率よく端子まで集電するためにシート状の電極から複数の集電用のリードが設ける必要があった。
【０００４】
このリードは、帯状の電極の幅方向の一端部を電極合材未形成部とし、この未形成部に短冊状のリードを切欠きによってあるいは接合することによって設けられる。
【０００５】
このリードが形成された電極を捲回してなる電極体は、その電極体の捲回中心軸方向の端面（捲回端面）から複数のリードが不規則に形成されたものとなる（図１４ａ参照）。
【０００６】
これらのリードは、種々の方法で、集電用部材に接合・集電され、電池の外部端子に電気的に接続されるが、上述のようにこれらのリードは、不規則に形成されているため、それらをまとめて集電することは容易ではない。
【０００７】
従来の集電用部材、リードの処理方式としては例えば、
（１）特開平９−９２３３５号公報では、円筒状の集電用部材が電極体の捲回端面に設けられ、その集電用部材の円筒側面にリードが接合されているリード集電方式が開示されている（図１５参照）。
【０００８】
（２）また、特開平１０−６４５８８公報では、正極と負極を捲回するときに電極体捲回端面から突出する捲回芯が用いられ、この捲回芯の突出部分を集電用部材としている。リードはこの捲回芯の突出部分に寄せ集めるように接合するリード集電方式が開示されている（図１４ｂ参照）。この捲回芯は、正極側と、負極側が電気的に絶縁されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の従来技術は、以下の欠点があった。
【００１０】
上記（１）の別個の円筒状の集電用部材を用いる方法は、この集電用部材の円筒側面にリードを接合する面積が必要であり、それだけ円筒状の集電用部材の高さが必要となるため、電池内部で集電用部材の占める体積が大きくなり、電池の体積エネルギー密度が低くなる欠点がある。
【００１１】
上記（２）の電極等を捲回した捲回芯にリードを接合する方式は、捲回芯は、必須部材であり、捲回芯の重量だけ電池全体の重量エネルギー密度が低くなると同時にリードを接合するための突出部分の重量のため電池のエネルギー重量密度も低くなること、また捲回芯は電極体からリードを接合するためにある程度突出させる必要があるため、この部分がデッドスペースとなるので体積エネルギー密度が低くなる欠点がある。
【００１２】
本発明は、比較的大型の電池に採用される複数の集電用のリードを集電用の集電用部材に接合する際の上記欠点を解決するためになされたものであり、複数のリードからの集電方式をエネルギー重量密度、エネルギー体積密度に優れた方式とする電極捲回型電池を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の電極捲回型電池は、帯状の正極と負極とを重ね合わせ捲回してなる電極体と、該正極または該負極の少なくとも一方の電極の、幅方向の一端部に形成された複数の短冊状の集電用のリードとを有する電極捲回型電池において、前記電極体のリードが形成されている少なくとも一方の捲回端面に概ね平行に配設され且つ穴が形成されている一以上のリード集電板を有し、前記リードは、該電極体の径方向に屈曲することで捲回中心に集束させて前記リード集電板の穴を通るとともに、それぞれ該リードの一部に、前記リード集電板表面と平行で放射状に外方向へ屈曲させた平行部を有し、該平行部の少なくとも一部が該リード集電板の前記電極体と反対側の表面に接合していることを特徴とする。
【００１４】
つまり本発明の電極捲回型電池は、集電用部材としての比較的厚さの薄いリード集電板を有し、そのリード集電板は、穴を有し且つ電極体の捲回端面に概ね平行に配設され、リード集電板と平行に屈曲させた平行部を有するリードの少なくとも一部がそのリード集電板に接合されている。このようなリード集電板は比較的厚さが薄いものでも十分集電用部材としての機能を発揮するため、複数のリードを接合しても余分な空間を必要としない。また、リードは、一旦径方向に屈曲させて捲回中心に集束させてリード集電板の穴に通した後、放射状に外側に屈曲させた平行部にて、リード集電板の電極体と反対側の表面に少なくとも一部が接合されているので、リードとリード集電板との間に隙間を設けなくても容易に接合できる。従って従来、多数のリードの集電処理に際して集電用部材に要していた電池内の容積を減少することができ電池の体積エネルギー密度が高くなると同時に、集電用のリードをより多数設けることが可能となる。また、集電のために捲回芯も必須でないので、捲回芯をなくすことも可能であり、それだけ重量が減少でき、電池のエネルギー重量密度も高くすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の電極捲回型電池について、実施形態に基づいて説明する。なお本発明の電極捲回型電池は、以下の実施形態に限定するものでない。またこれからは便宜的にリチウムイオン二次電池を例にとって本電池を説明するが、本発明の電池は、帯状の正極および負極を渦巻状に捲回してなる電極体を有する電極捲回型電池であれば、いずれの種類の電池であるかは問わない。
【００１６】
また本発明の電極捲回型電池の特徴とする集電部材構造は、活性炭を活物質として含む電極合材を集電体の表面に層状に形成させた電極を有する電気二重層キャパシタに対しても適用可能であるため、本明細書において「電池」とは「キャパシタ」の意味をも含むものとする。
【００１７】
なお、図面については、要部のみを模式的に表したものであるため、細部の形状、縮尺等についてまで正確に表現したものとなっていない。
【００１８】
（参考実施形態）
図１に、本発明の電極捲回型電池理解の参考となる一実施形態である円筒型リチウムイオン二次電池の全体図を、図２に本実施形態の電極捲回型電池の断面図を示す。図１は本電池のケースの一部を欠いた状態のものを示しており、また、外部端子とケース蓋、ケース蓋とケース本体は固定されていない状態を示した図である。
【００１９】
なお本実施形態の電極捲回型電池では、正極、負極の双方の電極に本発明の電極捲回型電池の特徴である集電方式を適用したが、正極、負極のいずれか一方のみに本発明の電極捲回型電池の集電方式を用いて他方には、公知の集電方式を適用しても良い。ただし、双方の電極に適用することにより、より優れたエネルギー密度を有する電池とすることができる。
【００２０】
本実施形態の電極捲回型電池は、正極３３および負極３４を、セパレータ３５を介し、捲回した電極体３０を有し、この電極体３０を円筒型のケース１０に挿設するようにして構成されている。本実施形態の電極捲回型電池の電極体３０の形状は、円筒形であり、直径５０ｍｍ、長さ６５ｍｍである。ここで電極体３０とは、正極３３と負極３４とを捲回して形成した電池内容物である電池の発電（蓄電）要素をいう。
【００２１】
なお、本発明の電池の電極体または電池ケースは、円筒型に限定されるものでなく、断面が楕円形あるいは多角形を有する筒型の電池であってもよい。
【００２２】
本実施形態の電極捲回型電池では、電極体３０の正極３３および負極３４が捲回されて層状構造をなしている部分の端面（捲回端面３０ａ）から集電用のリード３１、３２が複数形成されている。正極、負極側の双方の集電用のリードを形成する場合は、リードの処理が煩雑となるので、それぞれ異なる捲回端面３０ａに位置するように電極に形成する。そしてリード集電板２１、２２が、捲回端面３０ａと平行に配設されていることが好ましい。リード集電板の配設位置を捲回端面に対して平行とするとデッドスペースが少なくなるからである。ただし他の原因、例えば、加工上の問題や、その他、電池の機能上の問題等から必要である場合は、多少は平行からずれるものであってもよい。
【００２３】
本実施形態の電極捲回型電池のリード３１、３２は、リード集電板２１、２２の表面と平行となる平行部を有するように、電極体３０の捲回端面３０ａの径方向に外に向かうように屈曲しており、それぞれ正極、負極用それぞれのリード集電板２１、２２の電極体側の面に電気的に接続するように接合される。このリード集電板２１、２２に対するリード３１、３２の平行部の接合は平行部の少なくとも一部が接合されていればよい。リード３１、３２と平行部のリード集電板２１、２２との接合部分は、面積が大きい方が接着強度の増加、内部抵抗の減少の観点から好ましい。そして、発明の電池のリードを屈曲させる方向は、電極体の捲回端面の捲回中心軸と垂直方向である径方向であれば、捲回端面の中心方向もしくは外方向のどちらでもよく、またその屈曲させる回数も何回でもよい。
【００２４】
本実施形態の電極捲回型電池のリード集電板２１、２２は、それぞれ外部端子４１、４２に電気的に接続している。
【００２５】
本実施形態の電極捲回型電池のケース１０は、電池内容物を外部と隔離密閉している。ケース１０は、電極体に合わせた形状をしており、ケース蓋１１、１２とケース本体１３から構成されている。そして、外部端子４１、４２は、それぞれケース蓋１１、１２に電気的に絶縁されて固定されている。
【００２６】
以下、それぞれの構成要素ごとに、その製造方法も含めて説明する。
【００２７】
本実施形態の電極捲回型電池の電極体３０の外観を図３に示す。
【００２８】
電極体は正極、負極等を捲回してなる。正極、負極等を捲回し、電極体を形成する方法について説明する。本実施形態では、図４に示すように正極３３、負極３４およびセパレータ３５を捲回芯３６を中心にして捲回し、その後捲回芯３６をはずして電極体３０とする。なお捲回芯３６は、電極等を捲回して電極体を形成した後に取り外すことが電池のエネルギー重量密度の点で好ましい。ただし軽量の捲回芯を用いることにより、捲回芯を電極体に残してもよい。この場合は電極体の捲回端面から捲回芯が突出しない方がエネルギー体積密度の点で好ましい。また、電極体の形成時に捲回芯が必要なければ、最初から用いないことも可能である。
【００２９】
本実施形態の電極捲回型電池で用いる正極３３および負極３４の各電極の形状は、図４に示すように、金属箔製の正極集電体および負極集電体の表面に、活物質を含む正極合材および負極合材をそれぞれ層状に形成した正極合材層３３ａおよび負極合材層３４ａを有する帯状のものである。その電極の長さ、幅、電極面積は、必要な電池容量および形状により決定される。なお電池形状、電池容量のいずれかを優先する場合は、その電池容量もしくは形状のいずれか優先される条件にあわせて電極の長さ等を決定する。
【００３０】
正極３３、負極３４の作製方法は特に限定されるものではないが、リチウムイオン二次電池の場合、一般的に、正極３３は、正極集電体の両面に正極合材を層状に塗布し、乾燥した後、所定の大きさ形状に裁断し、さらに必要に応じ、この正極合材層３３ａの密度を高めるべくプレスにて圧縮して作製される。同様に、負極３４は、負極集電体の両面に負極合材を層状に塗布し、乾燥した後、所定の大きさ形状に裁断し、さらに必要に応じ、この負極合材層３４ａの密度を高めるべくプレスにて圧縮して作製される。
【００３１】
正極集電体は、リチウムイオン二次電池の場合、電気化学的要請からアルミニウム箔等を用いることが好ましく、負極集電体には、銅箔等を用いることが好ましい。また、集電体の厚さは、およそ５〜３０μｍ程度とするのがよい。
【００３２】
正極合材は、例えば、リチウムイオン二次電池では正極活物質にＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４等のリチウム遷移金属複合酸化物粉末を用い、この正極活物質に、導電材としてのカーボンブラック等の炭素材料粉末と結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等とを混合し、分散媒としてＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等を適量添加してペースト状のものとすることによって調製することができる。負極合材は、例えば、負極活物質に黒鉛、コークス等の炭素物質の粉末を用い、この負極活物質に、結着剤としてＰＶＤＦ等とを混合し、正極と同様に、分散媒としてＮＭＰ等を適量添加してペースト状のものとすることによって調製することができる。正極合材層、負極合材層の形成手段、つまり塗工方法は、特に限定するものではなく公知の方法が使用できる。また電極合材層は、効率を考え、集電体の両面に形成されるものが好ましい。そして、集電体表面の電極合材層の厚さは、およそ片面あたり３０〜１５０μｍ程度とするのがよい。
【００３３】
図４に示すように、本実施形態の電極捲回型電池では、正極３３および負極３４は、それぞれ、幅方向の一端部に正極合材層３３ａおよび負極合材層３４ａが形成されていない正極合材層未形成部３３ｂおよび負極合材層未形成部３４ｂが設けられており、この正極合材層未形成部３３ｂおよび負極合材層未形成部３４ｂには、集電用のリード３１、３２がそれぞれ接合されている。正極合材層未形成部３３ｂと負極合材未形成部３４ｂは、幅方向の一端部に設けられている。なおこの正極合材層未形成部、負極合材層未形成部の形状は、図４に示すものに限定されるわけでなく、リードを接合できるものであればいかなる形状であってもよい。
【００３４】
本実施形態の電極捲回型電池のリード３１、３２は、長さ５０ｍｍ、幅１０ｍｍであって、全部で電極体３０の捲回端面３０ａの片面あたり８０本とした。リードの長さは、電極体から突出している部分と電極体内で電極に接合されている部分の長さの合計である。リードの突出する部分は、リードを屈曲させた後にリード集電板に接合させるのに十分な長さが必要である。また電極に接合されている部分は、電極に接合するのに十分な長さが必要である。なおリードの長さをこれらの長さの合計より長くすると、余分のリードの長さだけリード集電板を電極体の捲回端面から離すことが可能となり、その隙間によってリードとリード集電板の接合後の加工性が向上する利点がある。そしてリードの幅は、電池の内部抵抗軽減の観点からは、広いことが好ましく、リードを屈曲、接合するときの加工性の点からは、ある程度狭いことが好ましい。本発明の電池はリードを多数設けることができるので、リード幅が、リードの加工性の観点からある一定幅以上にできない場合は、電池の内部抵抗を軽減するにはリードの数を増加して対応することができる。
【００３５】
リード３１、３２は、それぞれ正極合材層未形成部３３ｂおよび負極合材層未形成部３４ｂに接合されるため、それぞれ正極集電体および負極集電体と接合性がよく、かつ電気化学的に安定な材料であることが望ましい。本実施形態では、リチウムイオン二次電池であるので、一般的に正極集電体にはアルミニウムが用いられるため、接合の相手となる正極側のリード３１はアルミニウム系の材料等から形成するのが好ましく、また、一般的に負極集電体には銅が用いられるため、負極側のリード３２は銅系等の材料から形成するのが好ましい。リードの形状は短冊状である。そして、リードの電極の幅方向の一端部への形成は、リードの長手方向の一部または全部が、電極体から突出するように電極に接合させるか、または電極を切り欠いて形成する。
【００３６】
リード集電板２１、２２の形状は、本実施形態では、電極体３０の捲回端面３０ａと、ほぼ同じ直径の円盤で、リードが接合される周辺部を残して円盤の中心部を切り欠いた円環状とした（直径４０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）。リード集電板の形状は、リードを接合するのに十分な面積を有するものであることが必要である。ただし電極捲回型電池の重量および体積を減少させるために、面積はできるだけ小さいことが好ましい。また、リード集電板の厚さも加工上および使用上必要な強度が保てる程度の最小限の厚さとするのが好ましい。なお、本実施形態の電極捲回型電池のリード集電板の形状は、上述のように電極体３０の捲回端面３０ａの形状とリードの接合方式から円環形としたが、これは電極体３０の捲回端面３０ａの形状により変化するリード配置形状にあわせて決定される。例えば電極体が四角柱である場合はリード集電板も電極体にあわせて四角形、または中を切り欠いた四角形とすることが好ましい。
【００３７】
そして、リード集電板の材質は、電気伝導性を有することはいうまでもなく、さらに電解液に接触する部分については電気化学的に安定な材質が望ましい。そして、リードとの接合性にも考慮する必要がある。本実施形態は、前述のように正極側のリード３１はアルミニウム系の材料が用いられるため接合の相手となる正極側のリード集電板２１にはアルミニウム系の材料から形成するのが好ましく、また、負極側のリード２２には前述のように銅が用いられるため負極側のリード集電板２２は銅系の材料やＮｉメッキもしくはＣｕメッキを施した鉄系等から形成するのが好ましい。
【００３８】
リード集電板と、電極体３０の捲回端面３０ａとは、できるだけ接近させることが好ましい。接近させることによりそれだけデッドスペースが少なくなり、完成した電極捲回型電池のエネルギー体積密度が高くなるからである。
【００３９】
電極体３０の捲回端面３０ａから延びるリード３１、３２は、電極体３０の捲回端面３０ａに概ね平行に配設されたリード集電板２１、２２に接合されている（図１、図２）。リードとリード集電板の接合は、超音波接合や、抵抗溶接、およびレーザ溶接等の溶接やロウ付け、導電性接着剤による接着等により行われる。この中でもリードとリード集電板の接合を超音波接合により行うと、接合の際の電極体、リード、リード集電板への熱等の悪影響が少ないことや、リードとリード集電板との間の接着強度が十分確保できることから好ましい。
【００４０】
リードとリード集電板の接合方式について一例を以下に説明する。本実施形態のようにリードをリード集電板の電極体側の面に接合させると比較的容易にリードをリード集電板に接合させることができる。
【００４１】
まずリード３１を電極体３０の捲回中心付近に集束させた後に、その集束したリード３１を、集束させた電極体３０の捲回中心から放射状に外方向へ屈曲させ、リード３１を電極体３０の捲回端面３０ａと平行にした平行部を設けた後、リード集電板２１をリード３１の平行部と平行に設置した後、リード３１の平行部とリード集電板２１を接合させる。
【００４２】
具体的には、まず図５に示すように、電極体３０の捲回中心にリード集束治具７０を設置する（図５ａ）。そしてリード接合用アンビル８０によりリード３１、３２はリード集束治具７０の周囲に束ねられる（図５ｂ）。
【００４３】
リード接合用アンビル８０は、図６に示すように、中央にリード集束治具７０の直径にリード３１、３２の厚さを加えた程度の大きさの穴を有する板状体を、数個に分割した形状をしている。これらのリード接合用アンビル８０は、電極体３０の捲回端面３０ａの周辺部からリード集束治具７０に向けてリード３１を押しつけるようにして挿入していき、リード３１をリード集束治具７０に沿うように集束する。
【００４４】
リード接合用アンビル８０の厚さは、できるだけ薄いものが好ましいが、後にこのリード接合用アンビル８０を受け台として、リード３１と、リード集電板２１を超音波接合するため、ある程度の強度を有するものが好ましい。なお、リード３１、３２の長さは、リードがリード集束治具７０の周囲に集束させられた際にその高さが揃うように、その位置が外周にあるほど長くすることもできる（図５ｃ）。収束したときのリードの高さをそろえることにより、リードをリード集電板に接合するときの位置のばらつきが少なくなり、接合強度に優れ、良好に接合できる利点がある。
【００４５】
リードを集束させた後、リード集束治具７０は、電極体３０からはずされ、代わりにリード屈曲治具７１がリード集束治具７０のあった位置に電極体３０の捲回中心軸に沿って押し込まれる（図７ａ、ｂ）。リード屈曲治具７１は、リード集束治具７０より直径が大きく、電極体３０に押し込まれる側がなめらかに細くなっている。リード屈曲治具７１により、リード３１、３２は電極体の中心から放射方向に屈曲される。ある程度リードが屈曲したら、リード屈曲治具７１をはずし、図８に示したようにリードがリード接合用アンビル８０に密着するように何らかの方法、例えば本実施形態では集電板２１などによりリード３１を押しつけ、リード３１の平行部を形成する。その後、図９に示したようにリード接合用アンビル８０を受け台として、超音波ホーン９０を加圧しつつリード集電板の電極体の反対側の表面に沿って移動させることでリード３１の平行部とリード集電板２１が超音波接合される。
【００４６】
また、超音波接合もリード集電板の電極体の反対側の面からリード集電板表面に超音波ホーンを接触させてリードとリード集電板を接合する場合だけでなく、リード集電板の電極体側の面からリード表面に超音波ホーンを接触させて接合させても良い。この場合は、リード集電板と電極体の捲回端面の間に、超音波ホーンが入るだけの隙間ができるようにリードの長さを長くし、超音波接合を行った後、リード集電板を電極体の捲回端面に接近させる。このようにリードの表面に超音波ホーンを接触させてリードとリード集電板を接合すると、より強固な接合となる。これは超音波接合によって、薄い部材（リード）と厚い部材（リード集電板）を接合する場合には、超音波ホーンを薄い部材から接触させる方がより強固に接合できるからである。
【００４７】
本実施形態の電極捲回型電池におけるリード集電板と外部端子の接合は、あらかじめリード集電板２１、２２の中心部の穴に外部端子４１、４２をはめ込んだり、または、外部端子をリード集電板の穴にはめ込み、もしくは接触させた後、レーザー溶接、抵抗溶接等の溶接やロウ付け等で接合することができる。また、リード集電板の一部にケース外部に突出する部分をプレス等で作成して、その部分を外部端子として用いてもよい。すなわち外部端子は、公知の形状、構成であればよく特に限定するものではない。なお、図８、図９では便宜上リード集電板に外部端子を接合した図となっていない。
【００４８】
本実施形態の電極捲回型電池のケース１０には、ケース蓋１１、１２とケース本体１３から構成されている。ケース１０の形状は、本実施形態では電極体に合わせて円筒状となっており、その大きさは、電極体３０が挿設可能でありかつ余分な空間のない大きさである。ケース蓋１１、１２の形状は、本実施形態ではそれぞれ正極側、負極側の外部端子が挿通できる穴を有する円盤形であり、ケース本体１３の形状は、円筒の管形である。
【００４９】
そしてケースの材質は、特に限定するものではないが、ケース蓋、ケース本体双方とも、内部で電解液に接触する部分は、電解液に対して化学的に安定であること、また電池の実際の使用形態で十分な強度を有するものである必要がある。例えば本実施形態の電極捲回型電池のようにステンレス等を用いることができる。
【００５０】
ケース蓋１１、１２と正極側の外部端子４１および負極側外部端子４２とは、それぞれガスケット５１、５２により電気的に絶縁されかつ密閉されている。そして外部端子のケースへの固定方法は、特に限定しないが、本実施形態ではネジ等により行っている。また本実施形態の電極捲回型電池のケース蓋１１、１２のケース本体１３への固定は、溶接により行っているが、この固定方法は、特に限定するものではなくカシメや、溶接、接着など電池ケースの密閉性を担保できる方法であればよい。
【００５１】
なお、電池を完全に密閉する前に、電解液をケース１０に注入し、電極体に含浸させる。リチウムイオン二次電池の場合、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート等の有機溶媒に、ＬｉＢＦ4、ＬｉＰＦ6等のリチウム塩を電解質として溶解させた非水電解液が用いられる。また、図示していないが、リチウムイオン二次電池の場合、過充電等の場合のガス発生による内部圧の異常上昇を考慮し、電池ケースの一部（一般には平面を有することでケース蓋）にガス抜きのための安全弁を設けるのが一般的な態様であり、本電池においてもこれら安全弁を設けることが好ましい。
〈本発明に係る実施形態〉
以下に、本発明に係る実施形態について説明する。
【００５２】
本発明実施形態の電極捲回型電池のリードとリード集電板の接合方式は、リード３１、３２はリード集電板２１、２２の電極体側の面に接合したが、本実施形態では、リード３１、３２をリード集電板２１、２２の電極体の反対側の面に接合する。
【００５３】
図１０に本発明実施形態の電極捲回型電池のリード３１、３２のリード集電板２１、２２への種々の接合方式を示す。
【００５４】
前述した参考実施形態のリード３１、３２とリード集電板２１、２２との接合方式はリード３１、３２を電極体３０の捲回端面３０ａの捲回中心から放射状に屈曲させ、リード集電板２１、２２の電極体側の面に接合する方式（ａ）である。
【００５５】
このようにリードをリード集電板の電極体側の面に接合する場合は、リード集電板と電極体の捲回端面の間にあるリードの表面に超音波ホーン等を接触させてリードの側からリードやリード集電板を加工を要する場合に、リード集電板と電極体の捲回端面との間の隙間が狭いとリード接合用の工具や治具等が挿入できず接合をすることができない。
【００５６】
したがってそのような場合にリードとリード集電板を接合するには、リードをあらかじめ長くして隙間を確保する必要がある。しかしながら、そうすると後にリード集電板と電極体の捲回端面との隙間を縮めるときに、リードが円滑に折り畳まれずリード集電板と電極体の捲回端面の間の隙間を容易に縮められないおそれがある。
【００５７】
そのような場合に、リードをリード集電板の電極体の反対側の面に接合することによってリード集電板の電極体側の面に接合する場合に比べて接合のための工程はいくらか煩雑となるが、リード加工における上述のような制限がなくなる。例えばリードとリード集電板との接合を超音波接合で行い接着強度が必要であってリード集電板側に超音波ホーンを接触させてもリードとの接合がうまくいかない材料である等の場合は、超音波ホーンをリードに直接接触させる必要がある。
【００５８】
本発明実施形態では、リード３１、３２を電極体３０の捲回端面３０ａの捲回中心に集束させ、リード集電板２１、２２の中心の穴にリード３１、３２を通した後、リード３１、３２を電極体３０の捲回中心から外方向に屈曲させ、リード集電板２１、２２の電極体の反対側の面に接合する方式（ｂ）がある。この方式のリード３１とリード集電板の接合工程は、リードを電極体の捲回中心付近に集束させた後に、円環形のリード集電板２１の中心の穴にリードを通した後、集束させたリード３１を電極体３０の捲回中心から放射状に外方向へ屈曲させ、リード３１をリード集電板２１と平行にして、リード３１をリード集電板２１へ接合させている。
【００５９】
（参考実施形態２）
そして本発明の理解に資する参考実施形態２として、リード３１を電極体３０の捲回端面３０ａの捲回中心に集束させ、リード３１をいったん捲回中心から外方向に屈曲させた後、リード集電板２１を配置し、リード３１をリード集電板２１の外周部を巻き込むように、リード集電板の電極体の反対側の面で電極体３０の捲回端面３０ａの捲回中心に向けて屈曲させ、リード３１をリード集電板２１の電極体の反対側の面に接合する方式（ｃ）がある。この方式の場合のリード３１とリード集電板２１の接合は、リード集電板２１の電極体の反対側の面に限られず、リード集電板２１の電極体側の面でも接合しても良い。この方式のリード３１とリード集電板２１の接合工程は、リード３１を電極体３０の捲回中心付近に集束させた後に、その集束したリード３１を、集束させた電極体３０の捲回中心から放射状に外方向へ屈曲させ、リード３１を捲回端面３０ａと平行にして、リード集電板２１をリード３１と平行に設置し、リード３１をリード集電板２１の外周部を巻き込むように電極体３０の捲回中心方向へ屈曲させ、その後、リード集電板２１の電極体の反対側の面で、リード３１とリード集電板２１を接合させる。
〈変形態様１〉
図１１に本変形態様１の電極捲回型電池の断面図を示す。
【００６０】
本変形態様１の電極捲回型電池のケース１０は、ケース蓋１１、１２とケース本体１３により構成される。ケース蓋１１、１２は、本実施形態ではそれぞれ正極側、負極側の外部端子を兼ねている。そしてケース蓋１１、１２はそれぞれ対応するリード集電板２１、２２と電気的に接続されている。
【００６１】
このようにケース蓋に外部端子の機能を持たせると、ケース蓋の重量、体積は殆ど増加せずに別部品としての外部端子が必要なくなる。したがって、電池重量、体積が、外部端子の重量、体積に相当する量だけ軽減可能である。
【００６２】
また、ケース蓋１１、１２の一方を別部品とせず、ケース本体１３と最初から一体化させ、有底の円筒形とし、その底部分にリード集電板を接合することもできる。そして、ケース蓋を正極、負極双方の電極の外部端子とする形態ばかりでなく、両電極のどちらか一方のみのケース蓋を外部端子とすることもできる。一方のみとした場合は、他の電極の外部端子は先述の実施形態のものを採用すればよい。さらにケース蓋をさらにリード集電板の機能を持たせればよりいっそうの軽量化を図ることができる。
【００６３】
ケース蓋１１、１２とリード集電板２１、２２の接合は、レーザー溶接、抵抗溶接等の溶接やロウ付け等の公知の方法により行うことが可能である。
【００６４】
ケース蓋１１、１２の材質は、さらにケース蓋１１、１２が外部端子の機能を備えるので、電解液に接触する部分に電気化学的に安定な物質、例えばリチウムイオン二次電池では、正極側ではアルミニウム系の材料、負極側では銅系、またはＮｉメッキもしくはＣｕメッキを施した鉄系等の材料を用いることが好ましい。そして正極、負極の外部端子であるケース蓋１１、１２の間を絶縁、密閉する必要があるため、例えば、ケース本体１３を高分子材料等の絶縁材料としたり、または、ケース本体１３は絶縁材料とせずにケース蓋１１、１２の絶縁状態を保つため、シール材等によりケース蓋１１、１２を絶縁状態で密閉（例えば絶縁材料のシール材を介したカシメ等）することが好ましい。
【００６５】
また、リードをリード集電板の電極体の反対側の面に接合するには、リード集電板は、図１２に示すようなリード集電板２１、２２とすることが好ましい。このリード集電板は、接合されるリード３１、３２の重なった厚さに相当する厚さだけリード集電板のリードが接合される部分の厚みを薄くした薄肉部２１ａ、２２ａを設けている（図１２ａ）。この薄肉部２１ａ、２２ａを設けることにより、リード集電板２１、２２とケース蓋１１、１２の接触面積が増加し、リード集電板２１、２２とケース蓋１１、１２の接合が容易となり、また接合の強度を確保しやすくなり、そしてこの接合面に起因する電池内部抵抗を接合面積を大きくできることで減少することができる。
〈参考変形態様２〉
図１３に、本発明の理解に資する参考として示す変形態様２の電極捲回型電池の断面図を示す。
【００６６】
本参考変形態様２の電極捲回型電池では、安全弁の機能をリード集電板に備えている。つまり、リード集電板２１ａは、外部端子となるパイプ状の部材が接続された形態となっており、このパイプの電池内部側は、封口部材６１で封口されている。この封口部材は、例えば薄膜状で弱体部となっており電池の内部圧力が上昇すると破裂し内部のガスを放出する。
【００６７】
このリード集電板を用いることにより、特別な部品を用いずに殆ど重量、体積の増加もなく安全弁の機能をリード集電板に持たせることが可能となり、電池のエネルギー重量・体積密度が上昇しかつ安全性の高い電池を提供できる。
【００６８】
リード集電板２１ａは、リードを接合する部分と、ケース蓋から外部へ突出し、外部端子としての役割を有する部分との２つの部分から構成されている。外部端子としての役割を有する部分は、その外周に雄ねじを形成させてケース蓋への固定に用いることが好ましい。リード集電板２１ａは、板状体からプレスや切削加工等により一体として形成しても良いし、２以上の部分に分けて製作し、後に結合させて一体としても良い。
【００６９】
リード集電板２１ａは、リードを接合した後、ケース蓋１１の穴にはめ込まれ、その後、ボルト等でケース蓋に固定される。リード集電板２１ａとケース蓋との絶縁は、ガスケット５１を狭持させること等で担保する。
【００７０】
【発明の効果】
上記のようにして完成させられる本実施形態の電極捲回型電池は、集電部品に集電用リードを束ねるように集電処理する従来の電極捲回型電池において必要としていた電池内部の大きなデッドスペースが排除されている。このことから、本実施形態の電極捲回型電池は。エネルギー体積密度の高い電池となる。また内部のデッドスペースが小さいことから注入する電解液の量を少なくでき、この点でもコストの安い電池となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考実施形態の電極捲回型電池の斜視図である。
【図２】参考実施形態の電極捲回型電池の断面図である。
【図３】参考実施形態の電極捲回型電池の電極体の斜視図である。
【図４】参考実施形態の電極捲回型電池の電極体の展開図である。
【図５】参考実施形態の電極捲回型電池のリードとリード集電板との接合方式の一例のなかのリード集束工程を示した図である。
【図６】参考実施形態のリード接合用アンビルの外観図である。
【図７】参考実施形態の電極捲回型電池のリードとリード集電板との接合方式の一例のなかのリード屈曲工程を示した図である。
【図８】参考実施形態の電極捲回型電池のリードとリード集電板との接合方式の一例のなかのリードのリード集電板への接合工程を示した図である。
【図９】参考実施形態の電極捲回型電池のリードとリード集電板との超音波接合の方法の１形態を示した図である。
【図１０】本発明実施形態の電極捲回型電池のリードとリード集電板との種々の接合方式を示す図である。
【図１１】変形態様１の電極捲回型電池の断面図である。
【図１２】変形態様１の電極捲回型電池の薄肉部を有するリード集電板とリードとケース蓋が接合されたリード集電板の断面図である。
【図１３】参考変形態様２の電極捲回型電池の断面図である。
【図１４】従来技術を示す図である
【図１５】従来技術を示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極および負極を捲回した電極体を有する電極捲回型電池であって、特に、集電構造に特徴を持つ電極捲回型電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ノートパソコン、携帯電話等の小型化に伴い、情報関連機器、通信関連機器の分野では、リチウムイオン二次電池等の高性能電池が開発され、既に実用化に至っている。リチウムイオン二次電池等の電池は、正極および負極をセパレータを介して捲回した電極体を備える電極捲回型の電池が一般的な形態となっている。一方、環境問題、資源問題から自動車の分野においても、電気自動車、ハイブリッド電気自動車の開発が進み、これら電気車両の駆動用電源として、リチウムイオン二次電池等の高性能電池を採用することが検討されている。
【０００３】
電気車両駆動用電源等に用いる電池は、大容量であるため電池が大型化し、上記の電極捲回型電池の形態を採用する場合、大きな面積のシート状の電極を必要とする。ところが、高出力であるという特性をも満足するためには、広い面積の電極から効率よく端子まで集電するためにシート状の電極から複数の集電用のリードが設ける必要があった。
【０００４】
このリードは、帯状の電極の幅方向の一端部を電極合材未形成部とし、この未形成部に短冊状のリードを切欠きによってあるいは接合することによって設けられる。
【０００５】
このリードが形成された電極を捲回してなる電極体は、その電極体の捲回中心軸方向の端面（捲回端面）から複数のリードが不規則に形成されたものとなる（図１４ａ参照）。
【０００６】
これらのリードは、種々の方法で、集電用部材に接合・集電され、電池の外部端子に電気的に接続されるが、上述のようにこれらのリードは、不規則に形成されているため、それらをまとめて集電することは容易ではない。
【０００７】
従来の集電用部材、リードの処理方式としては例えば、
（１）特開平９−９２３３５号公報では、円筒状の集電用部材が電極体の捲回端面に設けられ、その集電用部材の円筒側面にリードが接合されているリード集電方式が開示されている（図１５参照）。
【０００８】
（２）また、特開平１０−６４５８８公報では、正極と負極を捲回するときに電極体捲回端面から突出する捲回芯が用いられ、この捲回芯の突出部分を集電用部材としている。リードはこの捲回芯の突出部分に寄せ集めるように接合するリード集電方式が開示されている（図１４ｂ参照）。この捲回芯は、正極側と、負極側が電気的に絶縁されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の従来技術は、以下の欠点があった。
【００１０】
上記（１）の別個の円筒状の集電用部材を用いる方法は、この集電用部材の円筒側面にリードを接合する面積が必要であり、それだけ円筒状の集電用部材の高さが必要となるため、電池内部で集電用部材の占める体積が大きくなり、電池の体積エネルギー密度が低くなる欠点がある。
【００１１】
上記（２）の電極等を捲回した捲回芯にリードを接合する方式は、捲回芯は、必須部材であり、捲回芯の重量だけ電池全体の重量エネルギー密度が低くなると同時にリードを接合するための突出部分の重量のため電池のエネルギー重量密度も低くなること、また捲回芯は電極体からリードを接合するためにある程度突出させる必要があるため、この部分がデッドスペースとなるので体積エネルギー密度が低くなる欠点がある。
【００１２】
本発明は、比較的大型の電池に採用される複数の集電用のリードを集電用の集電用部材に接合する際の上記欠点を解決するためになされたものであり、複数のリードからの集電方式をエネルギー重量密度、エネルギー体積密度に優れた方式とする電極捲回型電池を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の電極捲回型電池は、帯状の正極と負極とを重ね合わせ捲回してなる電極体と、該正極または該負極の少なくとも一方の電極の、幅方向の一端部に形成された複数の短冊状の集電用のリードとを有する電極捲回型電池において、前記電極体のリードが形成されている少なくとも一方の捲回端面に概ね平行に配設され且つ穴が形成されている一以上のリード集電板を有し、前記リードは、該電極体の径方向に屈曲することで捲回中心に集束させて前記リード集電板の穴を通るとともに、それぞれ該リードの一部に、前記リード集電板表面と平行で放射状に外方向へ屈曲させた平行部を有し、該平行部の少なくとも一部が該リード集電板の前記電極体と反対側の表面に接合していることを特徴とする。
【００１４】
つまり本発明の電極捲回型電池は、集電用部材としての比較的厚さの薄いリード集電板を有し、そのリード集電板は、穴を有し且つ電極体の捲回端面に概ね平行に配設され、リード集電板と平行に屈曲させた平行部を有するリードの少なくとも一部がそのリード集電板に接合されている。このようなリード集電板は比較的厚さが薄いものでも十分集電用部材としての機能を発揮するため、複数のリードを接合しても余分な空間を必要としない。また、リードは、一旦径方向に屈曲させて捲回中心に集束させてリード集電板の穴に通した後、放射状に外側に屈曲させた平行部にて、リード集電板の電極体と反対側の表面に少なくとも一部が接合されているので、リードとリード集電板との間に隙間を設けなくても容易に接合できる。従って従来、多数のリードの集電処理に際して集電用部材に要していた電池内の容積を減少することができ電池の体積エネルギー密度が高くなると同時に、集電用のリードをより多数設けることが可能となる。また、集電のために捲回芯も必須でないので、捲回芯をなくすことも可能であり、それだけ重量が減少でき、電池のエネルギー重量密度も高くすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の電極捲回型電池について、実施形態に基づいて説明する。なお本発明の電極捲回型電池は、以下の実施形態に限定するものでない。またこれからは便宜的にリチウムイオン二次電池を例にとって本電池を説明するが、本発明の電池は、帯状の正極および負極を渦巻状に捲回してなる電極体を有する電極捲回型電池であれば、いずれの種類の電池であるかは問わない。
【００１６】
また本発明の電極捲回型電池の特徴とする集電部材構造は、活性炭を活物質として含む電極合材を集電体の表面に層状に形成させた電極を有する電気二重層キャパシタに対しても適用可能であるため、本明細書において「電池」とは「キャパシタ」の意味をも含むものとする。
【００１７】
なお、図面については、要部のみを模式的に表したものであるため、細部の形状、縮尺等についてまで正確に表現したものとなっていない。
【００１８】
（参考実施形態）
図１に、本発明の電極捲回型電池理解の参考となる一実施形態である円筒型リチウムイオン二次電池の全体図を、図２に本実施形態の電極捲回型電池の断面図を示す。図１は本電池のケースの一部を欠いた状態のものを示しており、また、外部端子とケース蓋、ケース蓋とケース本体は固定されていない状態を示した図である。
【００１９】
なお本実施形態の電極捲回型電池では、正極、負極の双方の電極に本発明の電極捲回型電池の特徴である集電方式を適用したが、正極、負極のいずれか一方のみに本発明の電極捲回型電池の集電方式を用いて他方には、公知の集電方式を適用しても良い。ただし、双方の電極に適用することにより、より優れたエネルギー密度を有する電池とすることができる。
【００２０】
本実施形態の電極捲回型電池は、正極３３および負極３４を、セパレータ３５を介し、捲回した電極体３０を有し、この電極体３０を円筒型のケース１０に挿設するようにして構成されている。本実施形態の電極捲回型電池の電極体３０の形状は、円筒形であり、直径５０ｍｍ、長さ６５ｍｍである。ここで電極体３０とは、正極３３と負極３４とを捲回して形成した電池内容物である電池の発電（蓄電）要素をいう。
【００２１】
なお、本発明の電池の電極体または電池ケースは、円筒型に限定されるものでなく、断面が楕円形あるいは多角形を有する筒型の電池であってもよい。
【００２２】
本実施形態の電極捲回型電池では、電極体３０の正極３３および負極３４が捲回されて層状構造をなしている部分の端面（捲回端面３０ａ）から集電用のリード３１、３２が複数形成されている。正極、負極側の双方の集電用のリードを形成する場合は、リードの処理が煩雑となるので、それぞれ異なる捲回端面３０ａに位置するように電極に形成する。そしてリード集電板２１、２２が、捲回端面３０ａと平行に配設されていることが好ましい。リード集電板の配設位置を捲回端面に対して平行とするとデッドスペースが少なくなるからである。ただし他の原因、例えば、加工上の問題や、その他、電池の機能上の問題等から必要である場合は、多少は平行からずれるものであってもよい。
【００２３】
本実施形態の電極捲回型電池のリード３１、３２は、リード集電板２１、２２の表面と平行となる平行部を有するように、電極体３０の捲回端面３０ａの径方向に外に向かうように屈曲しており、それぞれ正極、負極用それぞれのリード集電板２１、２２の電極体側の面に電気的に接続するように接合される。このリード集電板２１、２２に対するリード３１、３２の平行部の接合は平行部の少なくとも一部が接合されていればよい。リード３１、３２と平行部のリード集電板２１、２２との接合部分は、面積が大きい方が接着強度の増加、内部抵抗の減少の観点から好ましい。そして、発明の電池のリードを屈曲させる方向は、電極体の捲回端面の捲回中心軸と垂直方向である径方向であれば、捲回端面の中心方向もしくは外方向のどちらでもよく、またその屈曲させる回数も何回でもよい。
【００２４】
本実施形態の電極捲回型電池のリード集電板２１、２２は、それぞれ外部端子４１、４２に電気的に接続している。
【００２５】
本実施形態の電極捲回型電池のケース１０は、電池内容物を外部と隔離密閉している。ケース１０は、電極体に合わせた形状をしており、ケース蓋１１、１２とケース本体１３から構成されている。そして、外部端子４１、４２は、それぞれケース蓋１１、１２に電気的に絶縁されて固定されている。
【００２６】
以下、それぞれの構成要素ごとに、その製造方法も含めて説明する。
【００２７】
本実施形態の電極捲回型電池の電極体３０の外観を図３に示す。
【００２８】
電極体は正極、負極等を捲回してなる。正極、負極等を捲回し、電極体を形成する方法について説明する。本実施形態では、図４に示すように正極３３、負極３４およびセパレータ３５を捲回芯３６を中心にして捲回し、その後捲回芯３６をはずして電極体３０とする。なお捲回芯３６は、電極等を捲回して電極体を形成した後に取り外すことが電池のエネルギー重量密度の点で好ましい。ただし軽量の捲回芯を用いることにより、捲回芯を電極体に残してもよい。この場合は電極体の捲回端面から捲回芯が突出しない方がエネルギー体積密度の点で好ましい。また、電極体の形成時に捲回芯が必要なければ、最初から用いないことも可能である。
【００２９】
本実施形態の電極捲回型電池で用いる正極３３および負極３４の各電極の形状は、図４に示すように、金属箔製の正極集電体および負極集電体の表面に、活物質を含む正極合材および負極合材をそれぞれ層状に形成した正極合材層３３ａおよび負極合材層３４ａを有する帯状のものである。その電極の長さ、幅、電極面積は、必要な電池容量および形状により決定される。なお電池形状、電池容量のいずれかを優先する場合は、その電池容量もしくは形状のいずれか優先される条件にあわせて電極の長さ等を決定する。
【００３０】
正極３３、負極３４の作製方法は特に限定されるものではないが、リチウムイオン二次電池の場合、一般的に、正極３３は、正極集電体の両面に正極合材を層状に塗布し、乾燥した後、所定の大きさ形状に裁断し、さらに必要に応じ、この正極合材層３３ａの密度を高めるべくプレスにて圧縮して作製される。同様に、負極３４は、負極集電体の両面に負極合材を層状に塗布し、乾燥した後、所定の大きさ形状に裁断し、さらに必要に応じ、この負極合材層３４ａの密度を高めるべくプレスにて圧縮して作製される。
【００３１】
正極集電体は、リチウムイオン二次電池の場合、電気化学的要請からアルミニウム箔等を用いることが好ましく、負極集電体には、銅箔等を用いることが好ましい。また、集電体の厚さは、およそ５〜３０μｍ程度とするのがよい。
【００３２】
正極合材は、例えば、リチウムイオン二次電池では正極活物質にＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４等のリチウム遷移金属複合酸化物粉末を用い、この正極活物質に、導電材としてのカーボンブラック等の炭素材料粉末と結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等とを混合し、分散媒としてＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等を適量添加してペースト状のものとすることによって調製することができる。負極合材は、例えば、負極活物質に黒鉛、コークス等の炭素物質の粉末を用い、この負極活物質に、結着剤としてＰＶＤＦ等とを混合し、正極と同様に、分散媒としてＮＭＰ等を適量添加してペースト状のものとすることによって調製することができる。正極合材層、負極合材層の形成手段、つまり塗工方法は、特に限定するものではなく公知の方法が使用できる。また電極合材層は、効率を考え、集電体の両面に形成されるものが好ましい。そして、集電体表面の電極合材層の厚さは、およそ片面あたり３０〜１５０μｍ程度とするのがよい。
【００３３】
図４に示すように、本実施形態の電極捲回型電池では、正極３３および負極３４は、それぞれ、幅方向の一端部に正極合材層３３ａおよび負極合材層３４ａが形成されていない正極合材層未形成部３３ｂおよび負極合材層未形成部３４ｂが設けられており、この正極合材層未形成部３３ｂおよび負極合材層未形成部３４ｂには、集電用のリード３１、３２がそれぞれ接合されている。正極合材層未形成部３３ｂと負極合材未形成部３４ｂは、幅方向の一端部に設けられている。なおこの正極合材層未形成部、負極合材層未形成部の形状は、図４に示すものに限定されるわけでなく、リードを接合できるものであればいかなる形状であってもよい。
【００３４】
本実施形態の電極捲回型電池のリード３１、３２は、長さ５０ｍｍ、幅１０ｍｍであって、全部で電極体３０の捲回端面３０ａの片面あたり８０本とした。リードの長さは、電極体から突出している部分と電極体内で電極に接合されている部分の長さの合計である。リードの突出する部分は、リードを屈曲させた後にリード集電板に接合させるのに十分な長さが必要である。また電極に接合されている部分は、電極に接合するのに十分な長さが必要である。なおリードの長さをこれらの長さの合計より長くすると、余分のリードの長さだけリード集電板を電極体の捲回端面から離すことが可能となり、その隙間によってリードとリード集電板の接合後の加工性が向上する利点がある。そしてリードの幅は、電池の内部抵抗軽減の観点からは、広いことが好ましく、リードを屈曲、接合するときの加工性の点からは、ある程度狭いことが好ましい。本発明の電池はリードを多数設けることができるので、リード幅が、リードの加工性の観点からある一定幅以上にできない場合は、電池の内部抵抗を軽減するにはリードの数を増加して対応することができる。
【００３５】
リード３１、３２は、それぞれ正極合材層未形成部３３ｂおよび負極合材層未形成部３４ｂに接合されるため、それぞれ正極集電体および負極集電体と接合性がよく、かつ電気化学的に安定な材料であることが望ましい。本実施形態では、リチウムイオン二次電池であるので、一般的に正極集電体にはアルミニウムが用いられるため、接合の相手となる正極側のリード３１はアルミニウム系の材料等から形成するのが好ましく、また、一般的に負極集電体には銅が用いられるため、負極側のリード３２は銅系等の材料から形成するのが好ましい。リードの形状は短冊状である。そして、リードの電極の幅方向の一端部への形成は、リードの長手方向の一部または全部が、電極体から突出するように電極に接合させるか、または電極を切り欠いて形成する。
【００３６】
リード集電板２１、２２の形状は、本実施形態では、電極体３０の捲回端面３０ａと、ほぼ同じ直径の円盤で、リードが接合される周辺部を残して円盤の中心部を切り欠いた円環状とした（直径４０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）。リード集電板の形状は、リードを接合するのに十分な面積を有するものであることが必要である。ただし電極捲回型電池の重量および体積を減少させるために、面積はできるだけ小さいことが好ましい。また、リード集電板の厚さも加工上および使用上必要な強度が保てる程度の最小限の厚さとするのが好ましい。なお、本実施形態の電極捲回型電池のリード集電板の形状は、上述のように電極体３０の捲回端面３０ａの形状とリードの接合方式から円環形としたが、これは電極体３０の捲回端面３０ａの形状により変化するリード配置形状にあわせて決定される。例えば電極体が四角柱である場合はリード集電板も電極体にあわせて四角形、または中を切り欠いた四角形とすることが好ましい。
【００３７】
そして、リード集電板の材質は、電気伝導性を有することはいうまでもなく、さらに電解液に接触する部分については電気化学的に安定な材質が望ましい。そして、リードとの接合性にも考慮する必要がある。本実施形態は、前述のように正極側のリード３１はアルミニウム系の材料が用いられるため接合の相手となる正極側のリード集電板２１にはアルミニウム系の材料から形成するのが好ましく、また、負極側のリード２２には前述のように銅が用いられるため負極側のリード集電板２２は銅系の材料やＮｉメッキもしくはＣｕメッキを施した鉄系等から形成するのが好ましい。
【００３８】
リード集電板と、電極体３０の捲回端面３０ａとは、できるだけ接近させることが好ましい。接近させることによりそれだけデッドスペースが少なくなり、完成した電極捲回型電池のエネルギー体積密度が高くなるからである。
【００３９】
電極体３０の捲回端面３０ａから延びるリード３１、３２は、電極体３０の捲回端面３０ａに概ね平行に配設されたリード集電板２１、２２に接合されている（図１、図２）。リードとリード集電板の接合は、超音波接合や、抵抗溶接、およびレーザ溶接等の溶接やロウ付け、導電性接着剤による接着等により行われる。この中でもリードとリード集電板の接合を超音波接合により行うと、接合の際の電極体、リード、リード集電板への熱等の悪影響が少ないことや、リードとリード集電板との間の接着強度が十分確保できることから好ましい。
【００４０】
リードとリード集電板の接合方式について一例を以下に説明する。本実施形態のようにリードをリード集電板の電極体側の面に接合させると比較的容易にリードをリード集電板に接合させることができる。
【００４１】
まずリード３１を電極体３０の捲回中心付近に集束させた後に、その集束したリード３１を、集束させた電極体３０の捲回中心から放射状に外方向へ屈曲させ、リード３１を電極体３０の捲回端面３０ａと平行にした平行部を設けた後、リード集電板２１をリード３１の平行部と平行に設置した後、リード３１の平行部とリード集電板２１を接合させる。
【００４２】
具体的には、まず図５に示すように、電極体３０の捲回中心にリード集束治具７０を設置する（図５ａ）。そしてリード接合用アンビル８０によりリード３１、３２はリード集束治具７０の周囲に束ねられる（図５ｂ）。
【００４３】
リード接合用アンビル８０は、図６に示すように、中央にリード集束治具７０の直径にリード３１、３２の厚さを加えた程度の大きさの穴を有する板状体を、数個に分割した形状をしている。これらのリード接合用アンビル８０は、電極体３０の捲回端面３０ａの周辺部からリード集束治具７０に向けてリード３１を押しつけるようにして挿入していき、リード３１をリード集束治具７０に沿うように集束する。
【００４４】
リード接合用アンビル８０の厚さは、できるだけ薄いものが好ましいが、後にこのリード接合用アンビル８０を受け台として、リード３１と、リード集電板２１を超音波接合するため、ある程度の強度を有するものが好ましい。なお、リード３１、３２の長さは、リードがリード集束治具７０の周囲に集束させられた際にその高さが揃うように、その位置が外周にあるほど長くすることもできる（図５ｃ）。収束したときのリードの高さをそろえることにより、リードをリード集電板に接合するときの位置のばらつきが少なくなり、接合強度に優れ、良好に接合できる利点がある。
【００４５】
リードを集束させた後、リード集束治具７０は、電極体３０からはずされ、代わりにリード屈曲治具７１がリード集束治具７０のあった位置に電極体３０の捲回中心軸に沿って押し込まれる（図７ａ、ｂ）。リード屈曲治具７１は、リード集束治具７０より直径が大きく、電極体３０に押し込まれる側がなめらかに細くなっている。リード屈曲治具７１により、リード３１、３２は電極体の中心から放射方向に屈曲される。ある程度リードが屈曲したら、リード屈曲治具７１をはずし、図８に示したようにリードがリード接合用アンビル８０に密着するように何らかの方法、例えば本実施形態では集電板２１などによりリード３１を押しつけ、リード３１の平行部を形成する。その後、図９に示したようにリード接合用アンビル８０を受け台として、超音波ホーン９０を加圧しつつリード集電板の電極体の反対側の表面に沿って移動させることでリード３１の平行部とリード集電板２１が超音波接合される。
【００４６】
また、超音波接合もリード集電板の電極体の反対側の面からリード集電板表面に超音波ホーンを接触させてリードとリード集電板を接合する場合だけでなく、リード集電板の電極体側の面からリード表面に超音波ホーンを接触させて接合させても良い。この場合は、リード集電板と電極体の捲回端面の間に、超音波ホーンが入るだけの隙間ができるようにリードの長さを長くし、超音波接合を行った後、リード集電板を電極体の捲回端面に接近させる。このようにリードの表面に超音波ホーンを接触させてリードとリード集電板を接合すると、より強固な接合となる。これは超音波接合によって、薄い部材（リード）と厚い部材（リード集電板）を接合する場合には、超音波ホーンを薄い部材から接触させる方がより強固に接合できるからである。
【００４７】
本実施形態の電極捲回型電池におけるリード集電板と外部端子の接合は、あらかじめリード集電板２１、２２の中心部の穴に外部端子４１、４２をはめ込んだり、または、外部端子をリード集電板の穴にはめ込み、もしくは接触させた後、レーザー溶接、抵抗溶接等の溶接やロウ付け等で接合することができる。また、リード集電板の一部にケース外部に突出する部分をプレス等で作成して、その部分を外部端子として用いてもよい。すなわち外部端子は、公知の形状、構成であればよく特に限定するものではない。なお、図８、図９では便宜上リード集電板に外部端子を接合した図となっていない。
【００４８】
本実施形態の電極捲回型電池のケース１０には、ケース蓋１１、１２とケース本体１３から構成されている。ケース１０の形状は、本実施形態では電極体に合わせて円筒状となっており、その大きさは、電極体３０が挿設可能でありかつ余分な空間のない大きさである。ケース蓋１１、１２の形状は、本実施形態ではそれぞれ正極側、負極側の外部端子が挿通できる穴を有する円盤形であり、ケース本体１３の形状は、円筒の管形である。
【００４９】
そしてケースの材質は、特に限定するものではないが、ケース蓋、ケース本体双方とも、内部で電解液に接触する部分は、電解液に対して化学的に安定であること、また電池の実際の使用形態で十分な強度を有するものである必要がある。例えば本実施形態の電極捲回型電池のようにステンレス等を用いることができる。
【００５０】
ケース蓋１１、１２と正極側の外部端子４１および負極側外部端子４２とは、それぞれガスケット５１、５２により電気的に絶縁されかつ密閉されている。そして外部端子のケースへの固定方法は、特に限定しないが、本実施形態ではネジ等により行っている。また本実施形態の電極捲回型電池のケース蓋１１、１２のケース本体１３への固定は、溶接により行っているが、この固定方法は、特に限定するものではなくカシメや、溶接、接着など電池ケースの密閉性を担保できる方法であればよい。
【００５１】
なお、電池を完全に密閉する前に、電解液をケース１０に注入し、電極体に含浸させる。リチウムイオン二次電池の場合、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート等の有機溶媒に、ＬｉＢＦ4、ＬｉＰＦ6等のリチウム塩を電解質として溶解させた非水電解液が用いられる。また、図示していないが、リチウムイオン二次電池の場合、過充電等の場合のガス発生による内部圧の異常上昇を考慮し、電池ケースの一部（一般には平面を有することでケース蓋）にガス抜きのための安全弁を設けるのが一般的な態様であり、本電池においてもこれら安全弁を設けることが好ましい。
〈本発明に係る実施形態〉
以下に、本発明に係る実施形態について説明する。
【００５２】
本発明実施形態の電極捲回型電池のリードとリード集電板の接合方式は、リード３１、３２はリード集電板２１、２２の電極体側の面に接合したが、本実施形態では、リード３１、３２をリード集電板２１、２２の電極体の反対側の面に接合する。
【００５３】
図１０に本発明実施形態の電極捲回型電池のリード３１、３２のリード集電板２１、２２への種々の接合方式を示す。
【００５４】
前述した参考実施形態のリード３１、３２とリード集電板２１、２２との接合方式はリード３１、３２を電極体３０の捲回端面３０ａの捲回中心から放射状に屈曲させ、リード集電板２１、２２の電極体側の面に接合する方式（ａ）である。
【００５５】
このようにリードをリード集電板の電極体側の面に接合する場合は、リード集電板と電極体の捲回端面の間にあるリードの表面に超音波ホーン等を接触させてリードの側からリードやリード集電板を加工を要する場合に、リード集電板と電極体の捲回端面との間の隙間が狭いとリード接合用の工具や治具等が挿入できず接合をすることができない。
【００５６】
したがってそのような場合にリードとリード集電板を接合するには、リードをあらかじめ長くして隙間を確保する必要がある。しかしながら、そうすると後にリード集電板と電極体の捲回端面との隙間を縮めるときに、リードが円滑に折り畳まれずリード集電板と電極体の捲回端面の間の隙間を容易に縮められないおそれがある。
【００５７】
そのような場合に、リードをリード集電板の電極体の反対側の面に接合することによってリード集電板の電極体側の面に接合する場合に比べて接合のための工程はいくらか煩雑となるが、リード加工における上述のような制限がなくなる。例えばリードとリード集電板との接合を超音波接合で行い接着強度が必要であってリード集電板側に超音波ホーンを接触させてもリードとの接合がうまくいかない材料である等の場合は、超音波ホーンをリードに直接接触させる必要がある。
【００５８】
本発明実施形態では、リード３１、３２を電極体３０の捲回端面３０ａの捲回中心に集束させ、リード集電板２１、２２の中心の穴にリード３１、３２を通した後、リード３１、３２を電極体３０の捲回中心から外方向に屈曲させ、リード集電板２１、２２の電極体の反対側の面に接合する方式（ｂ）がある。この方式のリード３１とリード集電板の接合工程は、リードを電極体の捲回中心付近に集束させた後に、円環形のリード集電板２１の中心の穴にリードを通した後、集束させたリード３１を電極体３０の捲回中心から放射状に外方向へ屈曲させ、リード３１をリード集電板２１と平行にして、リード３１をリード集電板２１へ接合させている。
【００５９】
（参考実施形態２）
そして本発明の理解に資する参考実施形態２として、リード３１を電極体３０の捲回端面３０ａの捲回中心に集束させ、リード３１をいったん捲回中心から外方向に屈曲させた後、リード集電板２１を配置し、リード３１をリード集電板２１の外周部を巻き込むように、リード集電板の電極体の反対側の面で電極体３０の捲回端面３０ａの捲回中心に向けて屈曲させ、リード３１をリード集電板２１の電極体の反対側の面に接合する方式（ｃ）がある。この方式の場合のリード３１とリード集電板２１の接合は、リード集電板２１の電極体の反対側の面に限られず、リード集電板２１の電極体側の面でも接合しても良い。この方式のリード３１とリード集電板２１の接合工程は、リード３１を電極体３０の捲回中心付近に集束させた後に、その集束したリード３１を、集束させた電極体３０の捲回中心から放射状に外方向へ屈曲させ、リード３１を捲回端面３０ａと平行にして、リード集電板２１をリード３１と平行に設置し、リード３１をリード集電板２１の外周部を巻き込むように電極体３０の捲回中心方向へ屈曲させ、その後、リード集電板２１の電極体の反対側の面で、リード３１とリード集電板２１を接合させる。
〈変形態様１〉
図１１に本変形態様１の電極捲回型電池の断面図を示す。
【００６０】
本変形態様１の電極捲回型電池のケース１０は、ケース蓋１１、１２とケース本体１３により構成される。ケース蓋１１、１２は、本実施形態ではそれぞれ正極側、負極側の外部端子を兼ねている。そしてケース蓋１１、１２はそれぞれ対応するリード集電板２１、２２と電気的に接続されている。
【００６１】
このようにケース蓋に外部端子の機能を持たせると、ケース蓋の重量、体積は殆ど増加せずに別部品としての外部端子が必要なくなる。したがって、電池重量、体積が、外部端子の重量、体積に相当する量だけ軽減可能である。
【００６２】
また、ケース蓋１１、１２の一方を別部品とせず、ケース本体１３と最初から一体化させ、有底の円筒形とし、その底部分にリード集電板を接合することもできる。そして、ケース蓋を正極、負極双方の電極の外部端子とする形態ばかりでなく、両電極のどちらか一方のみのケース蓋を外部端子とすることもできる。一方のみとした場合は、他の電極の外部端子は先述の実施形態のものを採用すればよい。さらにケース蓋をさらにリード集電板の機能を持たせればよりいっそうの軽量化を図ることができる。
【００６３】
ケース蓋１１、１２とリード集電板２１、２２の接合は、レーザー溶接、抵抗溶接等の溶接やロウ付け等の公知の方法により行うことが可能である。
【００６４】
ケース蓋１１、１２の材質は、さらにケース蓋１１、１２が外部端子の機能を備えるので、電解液に接触する部分に電気化学的に安定な物質、例えばリチウムイオン二次電池では、正極側ではアルミニウム系の材料、負極側では銅系、またはＮｉメッキもしくはＣｕメッキを施した鉄系等の材料を用いることが好ましい。そして正極、負極の外部端子であるケース蓋１１、１２の間を絶縁、密閉する必要があるため、例えば、ケース本体１３を高分子材料等の絶縁材料としたり、または、ケース本体１３は絶縁材料とせずにケース蓋１１、１２の絶縁状態を保つため、シール材等によりケース蓋１１、１２を絶縁状態で密閉（例えば絶縁材料のシール材を介したカシメ等）することが好ましい。
【００６５】
また、リードをリード集電板の電極体の反対側の面に接合するには、リード集電板は、図１２に示すようなリード集電板２１、２２とすることが好ましい。このリード集電板は、接合されるリード３１、３２の重なった厚さに相当する厚さだけリード集電板のリードが接合される部分の厚みを薄くした薄肉部２１ａ、２２ａを設けている（図１２ａ）。この薄肉部２１ａ、２２ａを設けることにより、リード集電板２１、２２とケース蓋１１、１２の接触面積が増加し、リード集電板２１、２２とケース蓋１１、１２の接合が容易となり、また接合の強度を確保しやすくなり、そしてこの接合面に起因する電池内部抵抗を接合面積を大きくできることで減少することができる。
〈参考変形態様２〉
図１３に、本発明の理解に資する参考として示す変形態様２の電極捲回型電池の断面図を示す。
【００６６】
本参考変形態様２の電極捲回型電池では、安全弁の機能をリード集電板に備えている。つまり、リード集電板２１ａは、外部端子となるパイプ状の部材が接続された形態となっており、このパイプの電池内部側は、封口部材６１で封口されている。この封口部材は、例えば薄膜状で弱体部となっており電池の内部圧力が上昇すると破裂し内部のガスを放出する。
【００６７】
このリード集電板を用いることにより、特別な部品を用いずに殆ど重量、体積の増加もなく安全弁の機能をリード集電板に持たせることが可能となり、電池のエネルギー重量・体積密度が上昇しかつ安全性の高い電池を提供できる。
【００６８】
リード集電板２１ａは、リードを接合する部分と、ケース蓋から外部へ突出し、外部端子としての役割を有する部分との２つの部分から構成されている。外部端子としての役割を有する部分は、その外周に雄ねじを形成させてケース蓋への固定に用いることが好ましい。リード集電板２１ａは、板状体からプレスや切削加工等により一体として形成しても良いし、２以上の部分に分けて製作し、後に結合させて一体としても良い。
【００６９】
リード集電板２１ａは、リードを接合した後、ケース蓋１１の穴にはめ込まれ、その後、ボルト等でケース蓋に固定される。リード集電板２１ａとケース蓋との絶縁は、ガスケット５１を狭持させること等で担保する。
【００７０】
【発明の効果】
上記のようにして完成させられる本実施形態の電極捲回型電池は、集電部品に集電用リードを束ねるように集電処理する従来の電極捲回型電池において必要としていた電池内部の大きなデッドスペースが排除されている。このことから、本実施形態の電極捲回型電池は。エネルギー体積密度の高い電池となる。また内部のデッドスペースが小さいことから注入する電解液の量を少なくでき、この点でもコストの安い電池となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考実施形態の電極捲回型電池の斜視図である。
【図２】参考実施形態の電極捲回型電池の断面図である。
【図３】参考実施形態の電極捲回型電池の電極体の斜視図である。
【図４】参考実施形態の電極捲回型電池の電極体の展開図である。
【図５】参考実施形態の電極捲回型電池のリードとリード集電板との接合方式の一例のなかのリード集束工程を示した図である。
【図６】参考実施形態のリード接合用アンビルの外観図である。
【図７】参考実施形態の電極捲回型電池のリードとリード集電板との接合方式の一例のなかのリード屈曲工程を示した図である。
【図８】参考実施形態の電極捲回型電池のリードとリード集電板との接合方式の一例のなかのリードのリード集電板への接合工程を示した図である。
【図９】参考実施形態の電極捲回型電池のリードとリード集電板との超音波接合の方法の１形態を示した図である。
【図１０】本発明実施形態の電極捲回型電池のリードとリード集電板との種々の接合方式を示す図である。
【図１１】変形態様１の電極捲回型電池の断面図である。
【図１２】変形態様１の電極捲回型電池の薄肉部を有するリード集電板とリードとケース蓋が接合されたリード集電板の断面図である。
【図１３】参考変形態様２の電極捲回型電池の断面図である。
【図１４】従来技術を示す図である
【図１５】従来技術を示す図である。
Claims (1)
- 帯状の正極と負極とを重ね合わせ捲回してなる電極体と、
該正極または該負極の少なくとも一方の電極の、幅方向の一端部に形成された複数の短冊状の集電用のリードと、
を有する電極捲回型電池であって、
前記電極体のリードが形成されている少なくとも一方の捲回端面に概ね平行に配設され且つ穴が形成されている一以上のリード集電板を有し、
前記リードは、該電極体の径方向に屈曲することで捲回中心に集束させて前記リード集電板の穴を通るとともに、それぞれ該リードの一部に、前記リード集電板表面と平行で放射状に外方向へ屈曲させた平行部を有し、該平行部の少なくとも一部が該リード集電板の前記電極体と反対側の表面に接合していることを特徴とする電極捲回型電池。
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