JP4023213B2 - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウムイオン二次電池に関し、特に極板の集電構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、AV機器あるいはパソコン等の電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として小型、軽量で高エネルギー密度を有する二次電池への要求が高まっている。この中でリチウムを活物質とするリチウムイオン二次電池はとりわけ高電圧、高エネルギー密度を有する電池として主に使われている。
【0003】
現在のリチウムイオン二次電池の集電構造は、主にリード方式がとられている。これは、図2に示すように正極集電体に正極材料を付着させて製造した正極板または負極集電体に負極材料を付着させて製造した負極板の長手方向の一方の端に未塗工部1aを作り、そこに集電タブ2を溶接する。この集電タブ2を正極端子または負極端子に接続し、リードとするものである。この方法は、工法的にも簡単でコストも安く、極板と端子との接続が確実にできるという利点を有している。
【0004】
また、ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、リチウムイオン二次電池などの二次電池の中で電動工具用などの高出力を必要とするものは、従来から集電構造が工夫されていた。その中でも、一般的なものは、タブレス構造と呼ばれるもので、図3に示すように正極集電体に正極材料を付着させて製造した正極板または負極集電体に負極材料を付着させて製造した負極板の幅方向の一方の端に未塗工部1bを作る。正極板と負極板を互いに上下方向にずらしてセパレータを介して渦巻き状に捲回して極板群とした後、この渦巻き状極板群の正極板端縁の未塗工部1bからなる集電体突出部に平板状正極集電板を溶接し、負極板端縁の未塗工部1bからなる集電体突出部に平板状負極集電板を溶接して電極体とする。この電極体を金属製外装缶に挿入し、負極集電板を外装缶の底部にスポット溶接し、正極集電板を、正極タブにより、正極端子を兼ねた封口板に溶接した構造である。この構造にすることにより、使用時の正極板における電流分布および負極における電流分布が均一になり、高率放電特性が向上する。
【0005】
これらタブレス構造の中でも、特開2000−323117号公報には、正極あるいは負極集電板を金属製外装缶と接触しない程度の大きさにしても、あるいは集電板を用いなくても極板群すべての部位の極板から集電できるようにするため、集電体突出部を内周部から外周部にむけて、順次、直角に折り曲げて平坦部を作ることが記載されている。さらに、前記平坦部に集電板を溶接する構造が提案されている。また、特開2000−294222号公報に記載されているように、集電効率を高め、充放電時の温度上昇を小さくするために、集電体突出部を押圧して、突出部先端自身により平坦部を形成し、この平坦部に集電板を溶接する構造が提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
前述のリード方式を、高出力を必要とする用途に使うと集電効率が悪くて、放電特性が劣るという課題があった。また、前述のタブレス構造では、端子との接続のためには、未塗工部に集電板またはリードを溶接しなければならないが、この工程は、溶接強度を強くすると、セパレータに穴があくなどの極板群を損傷することになり、弱すぎると外れ易くなるなど、調整が難しく、コストが高くなるという課題があった。さらに、電池に落下等により衝撃が加わり、極板群と電池ケースにねじれる力が加わると、溶接はずれが起こりやすいという課題があった。
【0007】
本発明の目的は、上記の課題を解決し、安定した導電接続を簡便かつ安価に行なったリチウムイオン二次電池を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明のリチウムイオン二次電池は、電池缶と同じ極性を持つ極板は、長手方向の一方の端と幅手方向の一方の端に未塗工部があり、長手方向の未塗工部と前記電池缶の底部とはリードにより接続されており、かつ、前記極板群の前記底部側端部において幅手方向の未塗工部が突出して渦巻状の突出部を形成しており、捲回により対向している突出部内の未塗工部同士の一部または全部は電気的に接続されていることを特徴とするものである。
【0009】
この構成により、大電流放電に適し、かつ低コストであり、落下等の衝撃による溶接はずれの不良の少ないリチウムイオン二次電池が提供できる。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明のリチウムイオン二次電池は、正極集電体に正極材料を付着させて製造した正極板と負極集電体に負極材料を付着させて製造した負極板とをセパレータを介して捲回して作成した極板群を電解液とともに、電池缶および封口板よりなる電池容器内に収容したリチウムイオン二次電池において、電池缶と同じ極性を持つ極板は、長手方向の一方の端と幅手方向の一方の端に未塗工部があり、長手方向の未塗工部と前記電池缶の底部とはリードにより接続されており、かつ、前記極板群の前記底部側端部において幅手方向の未塗工部が突出して渦巻状の突出部を形成しており、捲回により対向している突出部内の未塗工部同士の一部または全部は電気的に接続されていることを特徴としたものである。
【0011】
本実施例において、極板はリードにより電池缶の底部と強固に電気的かつ機械的に接続されている。また、幅手方向の幅手方向の未塗工部が突出して渦巻状の突出部を形成しており、捲回により対向している突出部内の未塗工部同士の一部または全部は電気的に接続されているため、極板の集電が効率的に行なえる。この際、突出部の電気的な接続は、少なくとも極板群の端面において巻芯に垂直な方向、つまり巻芯から放射状に伸びる方向に行なわれていると、総集電経路が統計的に短くなるため好ましい。
【0012】
また、本実施例において前記電池缶と同じ極性を持つ極板は、負極であると、電池缶として強度のあるスチール缶などが使えるため好ましい。
【0013】
さらに、電気的に接続する方法には、突出部にバーリングを溶接する方法や、集電板を使う方法、導電ペーストを未塗工部間に充填する方法、金属を端面に溶射する方法などが使用できるが、前記捲回により対向している突出部内の未塗工部同士の一部または全部を折り曲げて圧接することにより電気的に接続されていると、集電板や導電ペーストなどの部品とその取り付け工程が不要になり、低コストになるため好ましい。
【0014】
図1に本実施の形態における電池缶と同じ極性を持つ極板の構造図を示す。図1において、長手方向の一方の端にある未塗工部1aに予め取りつけられた集電タブ2があり、幅手方向の一方の端にも未塗工部1bがある。
【0015】
さらに、図4に本実施の形態におけるリチウムイオン二次電池の縦断面図を示す。図4において 3は正極板、4は負極板で、微多孔ポリエチレンフィルムから成るセパレータ5を介して互いに対向された状態で渦巻き状に巻回されて極板群6が構成され、この極板群6が電解液とともに電池容器7内に収納配置されている。電池容器7は負極端子となる円筒容器状の電池缶8と正極端子となる電池蓋9にて構成され、電池缶8の上端開口部内周と電池蓋9の外周との間に介装された絶縁パッキン10にて相互に絶縁されるとともに電池容器7が密閉されている。なお、極板群6と電池缶8の内周との間にもセパレータ5は介装されている。
【0016】
正極板3は、正極集電体の両面に正極材料を塗工して構成され、図2に示した構成のとおり極板の長手方向の端部の未塗工部1aに予め取りつけられた集電タブ2が、図4における正極リード2aとなって正極板3と電池蓋9を接続している。正極板3においては、正極リード2aは、巻初めの巻芯部13にあり上部絶縁板11aの中央の穴から引き出されている。
【0017】
また、負極板4は、負極集電体の両面に負極材料を塗工して構成され、図1に示した構成のとおり極板の長手方向の端部の未塗工部1aに予め取りつけられた集電タブ2と幅手方向の未塗工部1bがあり、集電タブ2は、図4における負極リード2bとなって負極板4と電池蓋9を接続している。負極板4においては、負極リード2bは、巻終わりの最外周部にあり、下部絶縁板11bの周辺から巻芯部13に向かって伸ばされ、巻芯部13で溶接棒により電池缶8に底部溶接されている。さらに、未塗工部1bは、極板群6より突出して突出部12を形成し、突出部12は、折り曲げられて圧接することにより突出部12内のそれぞれの未塗工部同士の全部が電気的に接続している。セパレータ5は正極板3及び負極板4の塗工部の両側縁よりも外側に突出されている。
【0018】
以上のような電池においては、リード方式の極板より放電特性が良くなる。この理由を、以下に模式的に説明する。
【0019】
例えば、図1の導電タブ2より最も遠い地点であるA点における活物質がリチウムの吸蔵放出にともない、放出した電子は、最短の伝導経路により外部端子へ流れる時は、集電体より未塗工部1bに最短経路を伝わって流れ、その後は、未塗工部間の電気的接続が、ショートパスとなり、導電タブ2から外部端子に流れる。これに対し、図2のようなリード方式では、導電タブ2より最も遠い地点であるA点における活物質がリチウムの吸蔵放出にともない、放出した電子は、集電体内を捲回された極板の長手方向にそって導電タブ2まで流れるため、伝導経路が長くなり、その電気抵抗も大きいものとなる。したがって、突出部12は、集電的にはすべての部位で、最短経路が取れるよう未塗工部同士の全部が電気的に接続しているのが好ましいが、折り曲げられて圧接する場合などは、加工に手間がかかるため、一部でも構わない。この時、図5のように折り曲げ部14が、巻芯部13から放射状に伸びる方向に行なわれていると(図5では、対称的に4方向)、総集電経路が統計的に短くなるため好ましい。
【0020】
本実施例とタブレス方式では、集電に関してはタブレス方式のほうが優れているが、導電タブ2により極板が電池缶の底部と強固に電気的かつ機械的に接続され、かつ、その加工も捲回前の極板への導電タブ2の溶接と捲回後の溶接棒による底部溶接で行なえるので、簡便かつ低コストである。
【0021】
【実施例】
以下、本発明の二次電池の一実施例のリチウムイオン二次電池について添付図面を参照して具体的に説明する。
【0022】
図1において、本電池のサイズは、直径18mm、電池高65mmであり、電池容量は容量1200mAhである。電池缶2は、内側がニッケルメッキされたスチール缶で厚みは側面が0.2mm、底面が0.5mmである。
【0023】
正極板3は、電解二酸化マンガン(EMD:MnO2)と炭酸リチウム(Li2CO3)とをLi/Mn=1/2となるように混合し、800℃で20時間大気中で焼成して製造した正極活物質のLiMn2O4と、導電剤のアセチレンブラックと、結着剤のポリフッ化ビニリデンとを、それぞれ重量比で92:3:5の割合で混合したものを正極材料とした。
【0024】
なお、正極材料をペースト状に混練するために結着剤としてのポリフッ化ビニリデンはNメチルピロリドンディスパージョン液を用いた。上記混合比率は固形分としての割合である。この正極材料ペーストを、厚み15μmのアルミ箔から成る正極集電体の両面に塗工し、正極材料層を形成した。正極材料層の両膜厚は同じで、塗工、乾燥後の両膜厚の和は150μmで、正極板の厚さを165μmとした。その後、正極板の厚みが100μmになるように直径300mmのプレスロールにより圧縮成形した。このとき、正極材料密度は2.8g/cm3であった。正極板の一方の端を掻きとって未塗工部1aを作り、正極リード2aを超音波溶接で取りつけた。
【0025】
負極板4は、人造黒鉛と結着剤のスチレンブタジエンゴム(SBR)とを重量比97:3の割合で混合したものを負極材料とした。なお、負極材料をペースト状に混練するために結着剤としてのスチレンブタジエンゴムは水溶性のディスパージョン液を用いた。上記混合比率は固形分としての割合である。この負極合剤ペーストを厚み14μmの銅箔から成る負極集電体の両面に一側縁部に幅4mmの未塗工部1bを残した状態で塗工し、負極材料層を形成した。その後、負極板の厚みが110μmになるように直径300mmのプレスロールにより圧縮成形した。このとき、負極材料密度は1.3g/cm3であった。さらに、負極板の一方の端を掻きとって未塗工部1aを作り、負極リード2bを超音波溶接で取りつけた。
【0026】
電解液は、エチレンカーボネイト(EC)とジエチレンカーボネイト(DEC)を体積比1:1の配合比で混合した混合溶媒に、溶質として6フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1mol/dm3の濃度に溶解したものを用いた。
【0027】
上記のようにして作製した正極板と負極板をセパレータを介して対向させた状態で負極の集電体の未塗工部1bを突出させた状態で渦巻き状に捲回して極板群6を形成した。突出部12の長さは2mmとした。
【0028】
さらに、突出部12の集電体の一部を折り曲げて圧接し、折り曲げ部14を作成した。
【0029】
そして、この極板群6を下部絶縁板11bとともに電池缶8内に収容し、直径約3.5mmの巻芯部に溶接棒を差し込み、負極リード2bを電池缶8に底部溶接した。
【0030】
そして、PP製で厚さ0.5mmの上部絶縁板11aに正極リード2aを通し、極板群6の上に配置した。
【0031】
その後、かしめ封口のための溝いれ加工を電池缶8に行ない、正極リード2aを電池蓋9に溶接し、前述の電解液を注液した。最後に、電池蓋9を絶縁パッキン10とともにかしめ封口を行い電池を密閉した。
【0032】
以上述べたとおり、本実施例において集電構造の加工は、簡便にかつ低コストにできた。
【0033】
数回の充放電で電池を活性化した後、内部抵抗を測定してみると、15mΩであり、タブレス方式と同等のもので、リード方式の約半分の値であった。また、耐久試験として試験用ドラム内で2時間回転(60rpm)させても、リードはずれは無かった。
【0034】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明のリチウムイオン二次電池によれば、極板の集電構造が優れているため、高出力を必要とする電池において安定した導電接続を簡便かつ安価に行うリチウムイオン二次電池を提供することが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態における極板の構造図
【図2】従来のリード方式の極板の構造図
【図3】従来のタブレス方式の極板の構造図
【図4】本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池の縦断面図
【図5】本発明の一実施形態における突出部の正面図
【符号の説明】
1a,1b 未塗工部
2 集電タブ
2a 正極リード
2b 負極リード
3 正極板
4 負極板
5 セパレータ
6 極板群
7 電池容器
8 電池缶
9 電池蓋
10 絶縁パッキン
11a 上部絶縁板
11b 下部絶縁板
12 突出部
13 巻芯部
14 折り曲げ部
Claims (2)
- 正極集電体に正極材料を付着させて製造した正極板と負極集電体に負極材料を付着させて製造した負極板とをセパレータを介して渦巻き状に捲回して作成した極板群を電解液とともに、電池缶および封口板よりなる電池容器内に収容した円筒型リチウムイオン二次電池において、
電池缶と同じ極性を持つ極板は、長手方向の一方の端と幅手方向の一方の端に未塗工部があり、長手方向の未塗工部と前記電池缶の底部とは集電タブにより前記極板群の巻芯部の直下で接続されており、かつ、前記極板群の前記底部側端部において幅手方向の未塗工部が突出して渦巻状の突出部を形成しており、捲回により対向している突出部内の未塗工部同士の一部または全部を折り曲げて圧接することにより電気的に接続されているリチウムイオン二次電池。 - 前記電池缶と同じ極性を持つ極板は、負極である請求項1記載のリチウムイオン二次電池。
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