JP6183393B2 - 蓄電装置の製造方法及び蓄電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電装置の製造方法及び蓄電装置に関する。
特許文献1(特開2005−302719号公報)には、集電端子が電極の無地部にレーザ溶接によって固定されることが記載されている。この特許文献には、電極の無地部は、集電体において活物質が塗布されていない部位であることが記載されている。
特開2005−302719号公報
近年、自動車用電源、工場用電源又は家庭用電源などに使用される蓄電装置の開発が盛んであり、このような蓄電装置にはハイレート充放電時においても性能が確保されることが要求されている。このような要求を満足させるために、例えば、外部端子に接続される集電端子を電極体の端面に溶接すること(端面集電)が提案されている。
以下では、蓄電装置の一例として巻回電極体を備えた非水電解質二次電池を例に挙げて端面集電を具体的に説明する。まず、巻回電極体を作製する。具体的には、正極合剤層が正極集電体に設けられることなく構成された正極露出部を幅方向一端に有する正極と、負極合剤層が負極集電体に設けられることなく構成された負極露出部を幅方向一端に有する負極とを準備する。正極露出部と負極露出部とがセパレータから互いに逆向きに突出するように正極と負極とセパレータとを配置し、正極の幅方向および負極の幅方向に対して平行となるように巻回軸を配置する。この巻回軸を用いて正極、負極及びセパレータを巻回する。このようにして巻回電極体が得られる。
次に、正極露出部の端面に正極集電端子を対向させ、正極集電端子に対して巻回電極体とは反対側からレーザ光をその正極集電端子へ照射する。正極集電端子では、レーザ光が照射された部分において溶融が起こる。溶融した正極集電端子(正極集電端子の溶融部)が正極露出部に接触すると、正極露出部のうち正極集電端子の溶融部が接触した箇所において溶融が起こる。正極集電端子の溶融部と溶融した正極露出部(正極露出部の溶融部)とが互いに接触した状態で凝固することによって、正極集電端子と正極露出部とが接続される(端面集電)。同様の方法にしたがって負極集電端子と負極露出部とが接続される。
しかし、今般、上記方法にしたがって端面集電を行うと、露出部において細り(図10)又は千切れ(図11)が発生する場合があることが分かった。露出部において細りが発生すると、集電抵抗が増大するので、蓄電装置の性能低下を引き起こす。それだけでなく、露出部の引張強度が低下するので、蓄電装置の製造中又は使用中などにおいて露出部の千切れを引き起こす。露出部において千切れが発生すると、集電が不可能となり、よって、蓄電装置として機能させることが不可能となる。以上より、ハイレート充放電時においても性能を確保するために端面集電を行うと、蓄電装置の信頼性が低下する場合があることが、今般、分かった。本発明では、ハイレート充放電時においても性能且つ信頼性が確保された蓄電装置を製造する方法を提供する。
集電端子の溶融部と露出部の溶融部とが凝固するとき、これらの溶融部は収縮すると考えられる。ここで、集電端子の溶融部と露出部の溶融部とは互いに接触した状態で凝固する。そのため、露出部の溶融部の一部が集電端子側に取り込まれた状態で露出部の溶融部が凝固すると、露出部において細り又は千切れが発生し易くなる、と考えられる。かかる知見に基づいて本発明が完成された。
具体的には、本発明の蓄電装置の製造方法は、電極の幅方向一端に設けられ且つ合剤層が集電体に設けられることなく構成された露出部と露出部よりも電極の幅方向外側に設けられた集電端子とを接続する接続工程を備える。接続工程では、集電端子を構成する第1金属よりも融点が高い第2金属からなる金属層を露出部と集電端子とで挟んだ状態で、集電端子のうち少なくとも金属層との接触箇所へエネルギーを照射する。
本発明の蓄電装置の製造方法では、露出部と露出部よりも電極の幅方向外側に設けられた集電端子とを接続するので(端面集電)、ハイレート充放電時においても性能が確保された蓄電装置を提供できる。
また、本発明の蓄電装置の製造方法では、金属層を露出部と集電端子とで挟んだ状態で集電端子のうち少なくとも金属層との接触箇所へエネルギーを照射するので、このエネルギーの照射によって溶融した集電端子(集電端子の溶融部)は金属層に接触することとなる。これにより、金属層のうち集電端子の溶融部が接触した箇所では溶融が起こり、溶融した金属層(金属層の溶融部)と集電端子の溶融部とが互いに接触した状態で凝固する。このようにして露出部と集電端子とが接続される。
金属層を構成する第2金属の融点は、集電端子を構成する第1金属の融点よりも高い。そのため、集電端子の溶融部が有する熱エネルギーの多くは金属層の溶融に消費される。よって、集電端子のうち少なくとも金属層との接触箇所へエネルギーを照射しても、露出部が溶融することを防止できる。したがって、溶融した露出部が集電端子側に取り込まれることを防止できるので、露出部における細り又は千切りの発生を防止できる。
好ましくは、本発明の蓄電装置の製造方法は、露出部と電極の幅方向に延びる露出部の面に設けられた金属層とを有する電極を準備する工程と、接続工程よりも前に行われ、金属層の少なくとも一部が露出部よりも電極の幅方向外側に位置するように金属層が設けられた露出部を折り曲げる工程とをさらに備えることが好ましい。これにより、金属層が露出部と集電端子とで挟まれる状態を実現し易くなる。
準備する電極では、合剤層側に位置する金属層の端面は金属層側に位置する合剤層の端面から離隔していることが好ましい。これにより、金属層の溶融部が金属層側に位置する合剤層の端面に接触することを防止できる。
第2金属の融点は、第1金属の融点よりも100℃以上高いことが好ましい。これにより、露出部と集電端子との接続工程における露出部の溶融をさらに防止できる。第1金属が銅である場合、第2金属は、ニッケル、チタン、クロム及び鉄のうちの少なくとも1つであることが好ましい。
金属層の厚さは、0.5μm以上10μm以下であることが好ましい。これにより、露出部と集電端子との接続工程では、露出部の細り又は千切りの発生をさらに防止でき、また、金属層を均一に溶融させることができる。
本発明の蓄電装置は、合剤層が集電体に設けられることなく構成された露出部を幅方向一端に有する電極と、露出部よりも電極の幅方向外側に設けられ、露出部に接続される集電端子とを備える。露出部と集電端子とを接続する接続部は、集電端子を構成する第1金属と第1金属よりも融点が高い第2金属との合金を含む。
なお、本明細書では、本発明の蓄電装置が非水電解質二次電池などの二次電池である場合、「電極」は、正極及び負極のうちの少なくとも一方を意味する。本発明の蓄電装置がコンデンサである場合、「電極」は、陽極及び陰極のうちの少なくとも一方を意味する。
「電極の幅方向」とは、電極が電極体を形成していない状態における電極の長手方向に対して垂直な方向であって集電体のうちの合剤層が形成される面に対して平行な方向を意味する。「電極体」とは、正極と、負極と、正極と負極との間に設けられたセパレータとを備えた構造体、又は、陽極と、陰極と、陽極と陰極との間に設けられたセパレータとを備えた構造体を意味する。
「集電端子」とは、電極と外部端子とを接続するための端子を意味する。蓄電装置が非水電解質二次電池などの二次電池である場合、「集電端子」には、正極と正極外部端子とを接続するための正極集電端子と、負極と負極外部端子とを接続するための負極集電端子とが含まれる。蓄電装置がコンデンサである場合、「集電端子」には、陽極と陽極外部端子とを接続するための陽極集電端子と、陰極と陰極外部端子とを接続するための陰極集電端子とが含まれる。「集電端子」は、集電板と称されることもある。
本発明では、露出部と集電端子とを接続するときに露出部において細り又は千切りが発生することを防止できるので、ハイレート充放電時においても性能且つ信頼性が確保された蓄電装置を製造できる。
本発明の一実施形態の非水電解質二次電池の製造方法の一工程を示す要部断面図である。 本発明の一実施形態の非水電解質二次電池の製造方法の一工程を示す要部断面図である。 本発明の一実施形態の非水電解質二次電池の製造方法の一工程を示す要部断面図である。 本発明の一実施形態の非水電解質二次電池の製造方法の一工程を示す要部断面図である。 本発明の一実施形態の非水電解質二次電池の製造方法の一工程を示す要部断面図である。 本発明の一実施形態の非水電解質二次電池の製造方法の一工程を示す要部断面図である。 本発明の一実施形態の非水電解質二次電池の製造方法の一工程を示す要部断面図である。 本発明の一実施形態の非水電解質二次電池の断面図である。 本発明の一実施形態の接続部の断面画像である。 露出部において細りが発生したときの様子を示す側面画像である。 露出部において千切りが発生したときの様子を示す側面画像である。
以下、本発明について図面を用いて説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さ等の寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
以下では、蓄電装置の一例として非水電解質二次電池を例に挙げて本発明を説明するが、本発明は、非水電解質二次電池に限定されず、非水電解質二次電池以外の二次電池又はコンデンサ等にも適用可能である。
[非水電解質二次電池の製造方法]
図1〜図7は、本発明の一実施形態の非水電解質二次電池を製造する工程の一部を示す断面図である。図8は、製造された非水電解質二次電池の断面図である。図9は、露出部と集電端子とを接続する接続部の断面画像である。
本実施形態の非水電解質二次電池の製造方法は、負極17の幅方向一端に設けられ且つ負極合剤層73が負極集電体71に設けられることなく構成された負極露出部75と負極露出部75よりも負極17の幅方向外側に設けられた負極集電端子87とを接続する接続工程(図6)を備える。この接続工程では、負極集電端子87を構成する第1金属よりも融点が高い第2金属からなる金属層77を負極露出部75と負極集電端子87とで挟んだ状態で、負極集電端子87のうち少なくとも金属層77との接触箇所へエネルギーを照射する(図6)。これにより、負極露出部75において細り又は千切りが発生することなく負極露出部75と負極集電端子87とを接続できるので、ハイレート充放電時においても性能且つ信頼性が確保された非水電解質二次電池を製造できる。
本実施形態の非水電解質二次電池の製造方法は、電極の準備工程(負極17の準備工程と正極13の準備工程とを含む)、電極体11の作製工程、露出部(好ましくは負極露出部75)の折り曲げ工程、電極体の収容工程、および、非水電解質の注入工程をさらに備えることが好ましい。以下、工程順に示す。
<電極の準備>
(負極の準備)
負極17の準備工程では、負極露出部75と金属層77とを有する負極17を準備し、好ましくは負極合剤層73をさらに有する負極17を準備する。
具体的には、まず、負極集電体71の幅方向一端側(負極露出部75となる部分)において負極集電体71の表面に金属層77を形成する(図1)。負極集電体71としては、厚さが5μm以上50μm以下の銅箔を用いることができる。なお、負極集電体71の幅方向は、負極17の幅方向に対して平行である。
負極集電体71の表面(負極露出部75となる部分の表面)のうち後述の接続工程において負極集電端子87と対向する部分が予め分かっている場合には、その部分のみに金属層77を形成すれば良い。しかし、本実施形態の非水電解質二次電池の量産を考慮すれば、負極集電体71の幅方向一端側において負極集電体71の幅方向に延びる負極集電体71の面(負極集電体71の幅方向に延びる負極露出部75の面75a(図2)となる部分)に金属層77を形成することが好ましい。これにより、負極集電体71の表面のうち後述の接続工程において負極集電端子87と対向する部分の位置が何らかの理由で設計時からずれた場合であっても、後述の接続工程において金属層77が負極露出部75と負極集電端子87とで挟まれる状態を実現できる。
金属層77は、負極集電体71の幅方向一端側に位置する負極集電体71の端面(負極露出部75の第1先端面75dとなる部分)に対して面一であることが好ましいが(図1)、負極集電体71のかかる端面にも設けられていても良い。
金属層77の形成方法は、特に限定されないが、例えばめっき法又は蒸着法などであることが好ましい。金属層77を構成する金属の材料に応じて金属層77の形成方法又は金属層77の形成条件を適宜選択することが好ましい。
金属層77を構成する金属の融点は、負極集電端子87を構成する金属の融点よりも高く、好ましくは負極集電端子87を構成する金属の融点よりも100℃以上高く、より好ましくは負極集電端子87を構成する金属の融点よりも200℃以上高く、さらに好ましくは負極集電端子87を構成する金属の融点よりも400℃以上高い。金属層77を構成する金属の融点と負極集電端子87を構成する金属の融点との差が大きければ大きいほど、負極露出部75と負極集電端子87との接続工程における負極露出部75の溶融をより一層防止できる。ここで、負極集電端子87を構成する金属の一例としては、銅が挙げられる。また、金属層77を構成する金属は、非水電解質二次電池の充放電によって溶出しないことが好ましい。以上より、金属層77を構成する金属はニッケル、チタン、クロム及び鉄のうちの少なくとも1つであることが好ましい。金属層77は、ニッケル、チタン、クロム及び鉄のうちの2つ以上の金属を含む合金からなっても良い。
金属層77の幅(負極17の幅方向における金属層77の大きさ)W17は、0.5mm以上3mm以下であることが好ましく、1mm以上であることがより好ましい。金属層77の幅W17が1mm以上であれば、金属層77が設けられた負極露出部75の折り曲げによって金属層77の少なくとも一部が負極露出部75よりも負極17の幅方向外側に位置し易くなる(図6)。つまり、金属層77の少なくとも一部が負極露出部75と負極集電端子87とで挟まれる状態を実現し易くなる。これにより、負極露出部75と負極集電端子87との接続工程における負極露出部75の細り又は千切りの発生をさらに防止できる。負極17の断面のSEM(scanning electron microscope)画像の観察によって金属層77の幅W17を求めることができる。
金属層77の厚さ(負極17の幅方向に延びる負極露出部75の面75aに対して垂直な方向における金属層77の大きさ)t7は、負極集電体71の厚さ以下であることが好ましい。これにより、負極露出部75と負極集電端子87との接続工程において、負極集電体71を構成する金属と金属層77を構成する金属とが合金を形成することを防止できる。よって、負極露出部75と負極集電端子87との接続強度を確保できる。
より好ましくは、金属層77の厚さt7は0.5μm以上10μm以下である。金属層77の厚さt7が0.5μm以上であれば、負極露出部75と負極集電端子87との接続工程における負極露出部75の溶融をさらに防止できる。これにより、この接続工程において、負極露出部75における細り又は千切りの発生をさらに防止できる。金属層77の厚さt7が10μm以下であれば、負極露出部75と負極集電端子87との接続工程において金属層77を均一に溶融させることができる。より好ましくは、金属層77の厚さt7は2μm以上5μm以下である。負極17の断面のSEM画像の観察によって金属層77の厚さt7を求めることができる。
次に、負極集電体71のうち金属層77が形成された領域を除く部分において負極合剤層73を負極集電体71の両面に形成する(図2)。
好ましくは、負極合剤層73側に位置する金属層77の端面77cが金属層77側に位置する負極合剤層73の端面73dから離隔している。「金属層77の端面77cが負極合剤層73の端面73dから離隔している」とは、負極17の幅方向における金属層77の端面77cと負極合剤層73の端面73dとの間の距離W27が0.5mm以上であることを意味する。
距離W27が0.5mm以上であれば、負極露出部75と負極集電端子87との接続工程において溶融した金属層77(金属層77の溶融部)と溶融した負極集電端子87(負極集電端子87の溶融部)とが負極合剤層73の端面73dに接触することを防止できる。より好ましくは、距離W27が5mm以下である。距離W27が5mm以下であれば、負極露出部75の幅が大きくなり過ぎることを防止できるので、非水電解質二次電池の単位体積当たりのエネルギー密度を高く維持できる。さらに好ましくは、距離W27が1mm以上3mm以下である。
負極合剤層73の形成方法は特に限定されない。例えば、負極活物質と結着剤とを含む負極合剤ペーストを調製し、負極集電体71のうち金属層77が形成された領域を除く部分であって負極集電体71の両面に負極合剤ペーストを塗布する。このようにして負極合剤層73を形成できる。
負極活物質と結着剤とを含む湿潤造粒粒子を調製し、負極集電体71のうち金属層77が形成された領域を除く部分であって負極集電体71の両面に湿潤造粒粒子を圧着する。このようにして負極合剤層73を形成しても良い。
負極合剤ペーストを用いて負極合剤層73を形成した場合には、負極集電体71のうち負極合剤ペーストが塗布されなかった領域が負極露出部75となる。また、湿潤造粒粒子を用いて負極合剤層73を形成した場合には、負極集電体71のうち湿潤造粒粒子が圧着されなかった領域が負極露出部75となる。つまり、作製された負極17は、負極17の幅方向一端に負極露出部75を有し、負極17の幅方向に延びる負極露出部75の面75aに金属層77を有する(図2)。負極露出部75の幅は、電極体11の大きさなどに依存するため一概に言えないが、好ましくは1mm以上10mm以下であり、より好ましくは3mm以上7mm以下である。
負極合剤層73は、負極活物質を80質量%以上99質量%以下含むことが好ましく、結着剤を0.3質量%以上20質量%以下含むことが好ましい。負極活物質は、黒鉛からなっても良いし、シリコン系合金などの合金材料からなっても良い。結着剤は、例えばSBR(styrene-butadiene rubber)などからなることが好ましい。
なお、負極合剤層73と金属層77との形成順序は特に限定されない。負極合剤層73を形成した後に金属層77を形成しても良い。
また、電極体11の作製後に金属層77を形成しても良いが、電極体11の作製前に金属層77を形成することが好ましい。これにより、金属層77を形成し易くなる。
(正極の準備)
正極集電体31の幅方向一端側(正極露出部35となる部分)を除く部分において正極合剤層33を正極集電体31の両面に形成する(図3)。正極集電体31としては、厚さが5μm以上50μm以下のアルミニウム箔又はアルミニウム合金箔を用いることができる。なお、正極集電体31の幅方向は、正極13の幅方向に対して平行である。
正極合剤層33の形成方法は特に限定されない。例えば、正極活物質と導電剤と結着剤とを含む正極合剤ペーストを調製し、正極集電体31のうち幅方向一端側(正極露出部35となる部分)であって正極集電体31の両面に正極合剤ペーストを塗布する。このようにして正極合剤層33を形成できる。
正極活物質と導電剤と結着剤とを含む湿潤造粒粒子を調製し、正極集電体31のうち幅方向一端側であって正極集電体31の両面に湿潤造粒粒子を圧着する。このようにして正極合剤層33を形成しても良い。
正極合剤層33は、正極活物質と導電剤と結着剤とを含むことが好ましい。正極活物質は、ニッケル、コバルト及びマンガンのうちの少なくとも1つを含むリチウム複合酸化物からなっても良いし、オリビン型の結晶構造を有するリチウム複合酸化物(例えばLiFePO4)からなっても良いし、2種以上のリチウム複合酸化物が混合されたものであっても良い。導電剤は例えばアセチレンブラックなどの炭素材料からなることが好ましく、結着剤は例えばPVdF(PolyVinylidene DiFluoride)などからなることが好ましい。
正極合剤層33は、正極活物質を、好ましくは80質量%以上95質量%以下含み、より好ましくは85質量%以上95質量%以下含み、さらに好ましくは90質量%以上95質量%以下含む。正極合剤層33は、導電剤を、好ましくは1質量%以上10質量%以下含み、より好ましくは3質量%以上10質量%以下含む。正極合剤層33は、結着剤を、好ましくは2質量%以上5質量%以下含む。
<電極体の作製>
負極露出部75と負極集電端子87との接続工程の前に電極体11を作製することが好ましい。
電極体11の作製方法は特に限定されない。例えば、セパレータ15を挟んで正極13と負極17とを巻回すれば、巻回電極体を作製できる。具体的には、まず、正極13と負極17との間にセパレータ15を配置する。このとき、正極露出部35と負極露出部75とがセパレータ15から互いに逆向きに突出するように、正極13と負極17とセパレータ15とを配置する。次に、正極13の幅方向及び負極17の幅方向に対して平行となるように巻回軸を配置し、その巻回軸を用いて正極13、セパレータ15及び負極17を巻回させる。このようにして電極体11(図4)が得られる。巻回によって得られた電極体に対して互いに逆向きの圧力を与えても良い。なお、図4では、金属層77の図示を省略している。
セパレータ15は、非水電解質二次電池のセパレータの構成として従来公知の構成からなることが好ましく、例えば、PE(polyethylene)又はPP(polypropylene)などからなる微多孔膜であっても良いし、耐熱層をさらに有していても良い。
なお、本実施形態では、電極体11として巻回電極体を用いる場合について示すが、巻回電極体の代わりに積層型電極体を用いても良い。積層型電極体の作製方法としては、例えば、正極13と負極17とでセパレータ15を挟むようにして正極13とセパレータ15と負極17とを積層することが好ましい。このとき、正極露出部35と負極露出部75とがセパレータ15から互いに逆向きに突出するように正極13とセパレータ15と負極17とを配置することが好ましい。
<露出部の折り曲げ>
(負極露出部の折り曲げ)
まず、負極集電端子87を負極露出部75の第1先端面75dに対向させる(図5)。負極集電端子87は、負極外部端子7に接続される第1接続部187と、負極17に接続される第2接続部287とを有する(図8参照)。そのため、第2接続部287を負極露出部75の第1先端面75dに対向させることが好ましい。「負極露出部75の第1先端面75d」とは、負極露出部75が電極体11の軸方向に対して平行に延びている状態において電極体11の軸方向端部に位置する負極露出部75の面を意味する。
集電抵抗を低く抑えるという観点から、負極集電端子87は、負極露出部75と同一の材料からなることが好ましく、よって、銅からなることが好ましい。
次に、負極集電端子87及び電極体11のうちの少なくとも一方を移動させて、負極集電端子87の第2接続部287を負極露出部75の第1先端面75dに押し当てる。これにより、金属層77が設けられた負極露出部75が折れ曲がる。
金属層77が設けられた負極露出部75が折れ曲がると、金属層77の少なくとも一部が負極露出部75よりも電極体11の軸方向外側に位置する。よって、金属層77の少なくとも一部が負極露出部75(具体的には負極露出部75の第2先端面75e)と負極集電端子87の第2接続部287とで挟まれることとなる(図6)。「負極露出部75の第2先端面75e」とは、金属層77が設けられた負極露出部75を折り曲げたことによって電極体11の軸方向端部に位置することとなった負極露出部75の面を意味する。
なお、本実施形態では、負極集電端子87とは異なる部材を用いて金属層77が設けられた負極露出部75を折り曲げた後、負極集電端子87を負極露出部75の第2先端面75eに対向させても良い。
また、金属層77が設けられた負極露出部75の折り曲げ後の形状は図6に示す形状に限定されない。金属層77の少なくとも一部が負極露出部75よりも電極体11の軸方向外側(負極17の幅方向外側)に位置するように、金属層77が設けられた負極露出部75が折り曲げられていれば良い。
<露出部と集電端子との接続>
(負極露出部と負極集電端子との接続)
金属層77の少なくとも一部が負極露出部75と負極集電端子87の第2接続部287とで挟まれた状態で、負極集電端子87の第2接続部287のうち少なくとも金属層77との接触箇所へエネルギーを照射する(図6)。これにより、負極集電端子87の第2接続部287では、エネルギーが照射された部分において溶融が起こる。ここで、エネルギーは、負極集電端子87の第2接続部287に対して電極体11とは反対側(図6の上側)から、負極集電端子87のうち少なくとも金属層77との接触箇所へ照射される。そのため、溶融した負極集電端子87(負極集電端子87の溶融部)は、自重によって、電極体11側へ移動する。
金属層77の少なくとも一部が負極露出部75と負極集電端子87の第2接続部287とで挟まれた状態で負極集電端子87の第2接続部287のうち少なくとも金属層77との接触箇所へエネルギーを照射するので、負極集電端子87の溶融部は、負極露出部75ではなく金属層77に接触することとなる。そのため、金属層77では負極集電端子87の溶融部が接触した部分において溶融が起こり、負極集電端子87の溶融部と溶融した金属層77(金属層77の溶融部)とが互いに接触した状態で凝固する。このようにして負極露出部75と負極集電端子87とが接続される(図7)。したがって、金属層77を構成する金属と負極集電端子87(具体的には負極集電端子87の第2接続部287)を構成する金属との合金を含む接続部67によって、負極露出部75と負極集電端子87とが接続される。
本実施形態では、金属層77を構成する金属の融点は負極集電端子87を構成する金属の融点よりも高いので、負極集電端子87の溶融部が有する熱エネルギーの多くは金属層77の溶融に消費される。これにより、負極集電端子87の溶融部が金属層77に接触しても負極露出部75(負極露出部75は金属層77に対して負極集電端子87の溶融部とは反対側に位置している)の溶融を防止できる。よって、溶融した負極露出部75が負極集電端子87側に取り込まれることを防止できるので、負極集電端子87の溶融部と金属層77の溶融部とが凝固しても負極露出部75における細り又は千切れの発生を防止できる。
エネルギーの照射条件は、特に限定されず、端面集電を行う場合のエネルギーの照射条件として従来公知の条件であることが好ましい。例えば、負極集電端子87を溶融可能なエネルギーを有するレーザ光を負極集電端子87のうち少なくとも金属層77との接触箇所へ照射することが好ましい。
なお、接続部67の断面のSEM画像から、負極露出部75の溶融の有無を確認することができる。また、本発明者らは、接続部67の断面のSEM画像から、接続部67が金属層77を構成する金属と負極集電端子87(具体的には負極集電端子87の第2接続部287)を構成する金属との合金(図9に「合金」と記載)を含むことを確認している。
また、接続部67の形状は図7に示す形状に限定されない。また、負極露出部75および金属層77の各溶融状態は図7に示す溶融状態に限定されない。
また、蓋体4に設けられた負極外部端子7と負極集電端子87の第1接続部187とを接続した後に、負極露出部75と負極集電端子87の第2接続部287とを接続しても良い。
(正極露出部と正極集電端子との接続)
まず、正極集電端子83を正極露出部35の先端面に対向させる。正極集電端子83は、負極集電端子87と同じく、正極外部端子3に接続される第1接続部183と、正極13に接続される第2接続部283とを有する(図8参照)。そのため、第2接続部283を正極露出部35の先端面に対向させることが好ましい。集電抵抗を低く抑えるという観点から、正極集電端子83は、正極露出部35と同一の材料からなることが好ましく、よって、アルミニウムからなることが好ましい。
次に、正極集電端子83及び電極体11のうちの少なくとも一方を移動させて、正極集電端子83の第2接続部283を正極露出部35の先端面に押し当てる。その後、正極集電端子83の第2接続部283のうち少なくとも正極露出部35との接触箇所へエネルギーを照射する。これにより、正極露出部35と正極集電端子83の第2接続部283とが接続される。
なお、本実施形態では、正極露出部35と正極集電端子83との接続工程の後で負極露出部75と負極集電端子87との接続工程を行っても良いし、負極露出部75と負極集電端子87との接続工程の後で正極露出部35と正極集電端子83との接続工程を行っても良い。
また、蓋体4に設けられた正極外部端子3と正極集電端子83の第1接続部183とを接続した後に、正極露出部35と正極集電端子83の第2接続部283とを接続しても良い。
<電極体の収容>
まず、電池ケース1を準備する。電池ケース1は、ケース本体2とケース本体2の開口を封止する蓋体4とを有し、例えばアルミニウムからなることが好ましい。蓋体4に設けられた正極外部端子3と正極集電端子83の第1接続部183とを接続し、蓋体4に設けられた負極外部端子7と負極集電端子87の第1接続部187とを接続する。このとき、絶縁部材91によって正極外部端子3及び負極外部端子7と蓋体4とを絶縁し、絶縁部材93によって正極集電端子83及び負極集電端子87と蓋体4とを絶縁する。このようにして蓋体4が電極体11に接続される。
次に、蓋体4が接続された電極体11をケース本体2の凹部に入れ、蓋体4でケース本体2の開口を封止する。その後、蓋体4をケース本体2の開口周縁に溶接する。
<非水電解質の注入>
まず、非水電解質を調製する。非水電解質は、非水電解質二次電池の非水電解質として従来公知の構成からなることが好ましく、例えば1種以上の有機溶媒と1種以上のリチウム塩(例えばLiPF6)とを含むことが好ましく、より好ましくは過充電抑制剤(例えばシクロヘキシルベンゼン又はビフェニルなど)をさらに含む。
次に、ケース本体2又は蓋体4に形成されている注液用孔から非水電解質を注入する。必要に応じてケース本体2内を減圧にした後、注液用孔を封止する。このようにして図8に示す非水電解質二次電池を製造できる。
以上、本実施形態の非水電解質二次電池の製造方法を示したが、本実施形態の非水電解質二次電池の製造方法は次に示す構成を有していても良い。
金属層を正極13の幅方向に延びる正極露出部35の面に形成しても良い。この場合には、金属層を構成する金属の融点は、正極集電端子83を構成する金属の融点よりも高く、好ましくは正極集電端子83を構成する金属の融点よりも100℃以上高く、より好ましくは正極集電端子83を構成する金属の融点よりも200℃以上高く、さらに好ましくは負極集電端子87を構成する金属の融点よりも400℃以上高い。ここで、正極集電端子83を構成する金属の一例としては、アルミニウムが挙げられる。また、正極露出部35に形成される金属層を構成する金属は、非水電解質二次電池の充放電によって溶出しないことが好ましい。これらをふまえて、正極露出部35に形成される金属層を構成する金属を決定することが好ましい。金属層を正極13の幅方向に延びる正極露出部35の面と負極17の幅方向に延びる負極露出部75の面との両方に形成しても良い。
また、金属層77を形成することなく負極17を準備しても良い。この場合には、負極露出部75の折り曲げ工程の後に負極露出部75の第2先端面75eと負極集電端子87の第2接続部287との間に金属層77を配置し、その後、負極集電端子87の第2接続部287のうちの少なくとも金属層77との接触箇所へエネルギーを照射する。これにより、本実施形態に記載の効果が得られる。しかし、非水電解質二次電池の量産を考慮すれば、本実施形態の非水電解質二次電池の製造方法にしたがって非水電解質二次電池を製造することが好ましい。
[非水電解質二次電池の構成]
本実施形態の非水電解質二次電池は、本実施形態の非水電解質二次電池の製造方法にしたがって製造されたものである。つまり、負極露出部75と負極集電端子87とを接続する接続部67は、負極集電端子87を構成する金属(第1金属)と金属層77を構成する金属(第1金属よりも融点が高い第2金属)との合金を含む。
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下に限定されない。
[実施例1]
<リチウムイオン二次電池の製造>
(正極の準備)
正極活物質として、Liと3種の遷移金属元素(Ni、Co及びMn)とを含む複合酸化物を準備した。質量比で90:8:2となるように正極活物質とアセチレンブラック(導電剤)とPVdF(結着剤)とを入れて混合した後、NMP(N-methylpyrrolidone)で希釈した。このようにして正極合剤ペーストを得た。
正極合剤ペーストを、Al箔(正極集電体、厚さが15μm)の幅方向一端から幅5mmの領域を除いてAl箔の両面に塗布した後、乾燥させた。得られた極板を圧延して正極を得た。正極の幅方向一端には、正極露出部(幅が5mm)が形成されていた。正極の幅方向一端を除く領域においては、Al箔の両面に正極合剤層が形成されていた。
(負極の準備)
負極集電体として、厚さが10μmである電解銅箔を準備した。無電解めっき法により、電解銅箔の幅方向一端(以下では「電解銅箔の第1端」と記す)から幅2mmの領域における電解銅箔の両面にニッケル層(厚さが3μm)を形成した。
負極活物質として、天然黒鉛を準備した。質量比で98:1:1となるように負極活物質とCMC(carboxymethylcellulose)(増粘剤)とSBR(結着剤)とを混ぜ、水で希釈した。このようにして、負極合剤ペーストを得た。
負極合剤ペーストを、電解銅箔の第1端から幅5mmの領域を除いて電解銅箔の両面に塗布した後、乾燥させた。得られた極板を圧延して負極を得た。負極の幅方向一端には、負極露出部(幅が5mm)が形成されていた。負極露出部の互いに対向する両面(負極の幅方向に延びる負極露出部の面)には、ニッケル層(幅が2mm、厚さが3μm)が形成されていた。負極の幅方向一端を除く領域においては、電解銅箔の両面に負極合剤層が形成されていた。
(電極体の作製)
PE(polyethylene)からなるセパレータを準備した。正極露出部と負極露出部とがセパレータから互いに逆向きに突出するように、正極と負極とセパレータとを配置した。その後、Al箔の幅方向及びCu箔の幅方向に対して平行となるように巻回軸を配置し、その巻回軸を用いて正極、セパレータ及び負極を巻回させた。このようにして得られた電極体(円筒型電極体)に対して互いに逆向きの圧力を与え、扁平な電極体を得た。
(正極露出部と正極集電端子との接続)
第1接続部と第2接続部(長さ:50mm)とを有する正極集電端子(材料:アルミニウム、厚さ:0.6mm、幅:12mm)を準備し、正極集電端子の第2接続部を正極露出部に溶接させた。このようにして正極露出部と正極集電端子とが接続された。
(負極露出部の折り曲げ)
第1接続部と第2接続部(長さ:50mm)とを有する負極集電端子(材料:銅、厚さ:0.6mm、幅:12mm)を準備した。負極集電端子の第2接続部を負極露出部の第1先端面に対向させた後、負極集電端子を移動させて負極集電端子の第2接続部を負極露出部の第1先端面に押し当てた。これにより、ニッケル層が設けられた負極露出部が折れ曲がり、よって、ニッケル層の一部が負極露出部と負極集電端子の第2接続部とで挟まれた。
(負極露出部と負極集電端子との接続)
レーザ光を、負極集電端子の第2接続部に対して電極体とは反対側から、負極集電端子のうちニッケル層との接触箇所へ照射した。このようにして負極露出部と負極集電端子とが接続された。
(電極体の収容)
ケース本体と蓋体とを有する電池ケースを準備した。蓋体には、絶縁部材を挟んで正極外部端子を固定し、別の絶縁部材を挟んで正極集電端子の第1接続部を固定した。また、蓋体には、絶縁部材を挟んで負極外部端子を固定し、別の絶縁部材を挟んで負極集電端子の第1接続部を固定した。このようにして蓋体が電極体に接続された。その後、電極体をケース本体の凹部に入れ、蓋体でケース本体の開口を封止した。
(非水電解液の調製、注入)
体積比で3:4:3となるように、EC(ethylene carbonate)とDMC(ethyl methyl carbonate)とEMC(dimethyl carbonate)とを混合した。このようにして得られた混合溶媒にLiPF6を添加して、非水電解液を得た。得られた非水電解液では、LiPF6の濃度が1.0mol/Lであった。
得られた非水電解液を、蓋体に形成された注液用孔からケース本体の凹部へ注入した。電池ケース内を減圧した後、注液用孔を封止した。このようにして本実施例のリチウムイオン二次電池(電池容量が4Ah)が得られた。上述の方法にしたがって、本実施例のリチウムイオン二次電池を30個、作製した。
<ハイレート試験>
30個のリチウムイオン二次電池に対し、25℃において、ハイレート試験を行った。ハイレート試験では、30Cの電流で10秒間、充電を行い、10分間、休止し、5Cの電流で1分間、放電を行い、10分間、休止した。これを1サイクルとして10000サイクル行った。
ハイレート試験の終了後、リチウムイオン二次電池を分解し、露出部における細り又は千切れの発生の有無を確認した。結果を表1に示す。
[実施例2〜11及び比較例1]
金属層の構成を表1に示すように変更したことを除いては実施例1に記載の方法にしたがってリチウムイオン二次電池(30個)を製造した。つまり、比較例1では、実施例1における正極露出部と正極集電端子の第2接続部との接続方法と同様の方法で、負極露出部と負極集電端子の第2接続部とを接続した。その後、実施例1に記載の方法にしたがって、30個のリチウムイオン二次電池を評価した。結果を表1に示す。
表1における「不具合の発生率」には、(露出部において細り又は千切れの発生が確認されたリチウムイオン二次電池の個数)/(リチウムイオン二次電池の総数(30個))を記している。
[結果]
比較例1では、実施例1〜11に比べて、不具合の発生率が高かった。この結果から、ニッケル層の一部が負極露出部と負極集電端子の第2接続部とで挟まれた状態で負極集電端子のうちニッケル層との接触箇所へエネルギーを照射することが好ましいことが分かった。
実施例1〜5では、実施例6に比べて、不具合の発生率がさらに低かった。この結果から、ニッケル層の厚さは0.5μm以上であることが好ましいことが分かった。
実施例1〜5では、実施例7に比べて、不具合の発生率がさらに低かった。この結果から、ニッケル層の厚さは電解銅箔の厚さ(10μm)以下であることが好ましいことが分かった。ニッケル層の厚さが電解銅箔の厚さよりも大きければ、エネルギーの照射によって電解銅箔を構成する金属とニッケルとが合金を形成し易い。そのため、負極露出部と負極集電端子との接続強度が低下し、よって、実施例7では不具合の発生率が5/30となったと考えられる。
実施例1、8及び9では、不具合の発生率を低く抑えることができた。この結果から、ニッケル層の幅は2μm以上5μm以下であることが好ましいことが分かった。
実施例1、10及び11では、不具合の発生率を低く抑えることができた。この結果から、ニッケルの代わりにチタン又はクロムを用いて金属層を形成しても同様の効果が得られることが分かった。
今回開示された実施の形態及び実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 電池ケース、2 ケース本体、3 正極外部端子、4 蓋体、7 負極外部端子、11 電極体、13 正極、15 セパレータ、17 負極、31 正極集電体、33 正極合剤層、35 正極露出部、67 接続部、71 負極集電体、73 負極合剤層、73d,77c 端面、75 負極露出部、75a 負極の幅方向に延びる負極露出部の面、75d 第1先端面、75e 第2先端面、77 金属層、83 正極集電端子、87 負極集電端子、91,93 絶縁部材、183,187 第1接続部、283,287 第2接続部。

Claims (6)

  1. 電極の幅方向一端に設けられ且つ合剤層が集電体に設けられることなく構成された露出部と前記露出部よりも前記電極の幅方向外側に設けられた集電端子とを接続する接続工程を備え、
    前記接続工程では、前記集電端子を構成する第1金属よりも融点が高い第2金属からなる金属層を前記露出部と前記集電端子とで挟んだ状態で前記集電端子のうち少なくとも前記金属層との接触箇所へエネルギーを照射し、
    前記露出部と前記電極の幅方向に延びる前記露出部の面に設けられた前記金属層とを有する電極を準備する工程と、
    前記接続工程よりも前に行われ、前記金属層の少なくとも一部が前記露出部よりも前記電極の幅方向外側に位置するように前記金属層が設けられた前記露出部を折り曲げる工程とをさらに備える蓄電装置の製造方法。
  2. 準備する前記電極では、前記合剤層側に位置する金属層の端面は前記金属層側に位置する合剤層の端面から離隔している請求項1に記載の蓄電装置の製造方法。
  3. 前記第2金属の融点は、前記第1金属の融点よりも100℃以上高い請求項1または請求項2に記載の蓄電装置の製造方法。
  4. 前記第1金属は、銅であり、
    前記第2金属は、ニッケル、チタン、クロム及び鉄のうちの少なくとも1つである請求項3に記載の蓄電装置の製造方法。
  5. 前記金属層の厚さは、0.5μm以上10μm以下である請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の蓄電装置の製造方法。
  6. 合剤層が集電体に設けられることなく構成された露出部を幅方向一端に有する電極と、
    前記露出部よりも前記電極の幅方向外側に設けられ、前記露出部に接続される集電端子とを備え、
    前記露出部と前記集電端子とを接続する接続部は、前記集電端子を構成する第1金属と前記第1金属よりも融点が高い第2金属との合金を含み、
    前記電極は、前記電極の幅方向に延びる前記露出部の面に設けられた金属層をさらに有し、
    前記金属層は、前記第2金属からなり、
    前記金属層の少なくとも一部が前記露出部よりも前記電極の幅方向外側に位置するように前記金属層が設けられた前記露出部が折り曲げられている蓄電装置。
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