WO2013168260A1

WO2013168260A1 - 二次電池

Info

Publication number: WO2013168260A1
Application number: PCT/JP2012/062012
Authority: WO
Inventors: 青田　欣也; 佐々木　孝
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2013-11-14
Anticipated expiration: 2014-11-10
Also published as: JPWO2013168260A1

Abstract

　二次電池は、正極活物質が塗布された正極箔と、負極活物質が塗布された負極箔とが、セパレータを介して扁平形状に捲回された捲回電極群が収納された電池容器と、電池容器を封止する電池蓋と、電池蓋に設けられた正極外部端子および負極外部端子と、捲回電極群の正極箔および正極外部端子に電気的に接続されるとともに、電池蓋によって支持された正極集電板と、捲回電極群の負極箔および負極外部端子に電気的に接続されるとともに、電池蓋によって支持された負極集電板とを備える。正極集電板は、電池蓋に支持された固定部から電池容器底面に向けて二股形状で、かつ、電池容器内面に沿ってそれぞれ延在する正極第一集電板と正極第二集電板とを有する。少なくとも正極第一集電板には薄肉部が形成され、正極第一集電板の薄肉部と正極第二集電板との間に正極箔を挟み込んで正極集電板を正極箔に電気的に接続する。

Description

二次電池

　本発明は、二次電池に関する。

　近年、ハイブリッド自動車や電気自動車等の動力源として大容量（Ｗｈ）の二次電池が開発されており、その中でもエネルギー密度（Ｗｈ／ｋｇ）の高い角形のリチウムイオン二次電池が注目されている。

　角形のリチウムイオン二次電池においては、正極活物質が塗布された正極箔と、負極活物質が塗布された負極箔とが、セパレータを介して扁平形状に捲回された捲回電極群と、捲回電極群が収納された容器と、容器を封止する蓋と、蓋に設けられた正極端子および負極端子と、捲回電極群の正極箔および正極端子に電気的に接続されるとともに、蓋によって支持された正極集電板と、捲回電極群の負極箔および負極端子に電気的に接続されるとともに、蓋によって支持された負極集電板とを備えている。

　正極集電板を捲回電極群の正極活物質未塗工部の正極箔の扁平外周面と缶との間に配置し、負極集電板を捲回電極群の負極活物質未塗工部の負極箔の扁平外周面と缶とのあいだに配置することが知られている（特許文献１参照）。

特開２００９－３２６７０号公報

　二次電池の高容量化により、集電板の電気抵抗を低減することが要求されている。そのためには集電板の幅広化が考えられるが、幅を広くすると捲回電極群の未塗工幅を広くしなければならないので、捲回電極群の塗工部の幅が狭くなり、電極活物質の塗工量が低下して電池の容量が低下する。また、集電板を厚くして電気抵抗を低減することも考えられるが、集電板を厚くする分、捲回電極群と缶とのすきまを広くする必要がある。そのため、塗工厚さを薄くして捲回電極群を薄くしなければならず、電池容量が低下する。

　本発明の第１の態様による二次電池は、正極活物質が塗布された正極箔と、負極活物質が塗布された負極箔とが、セパレータを介して扁平形状に捲回された捲回電極群と；捲回電極群が収納された電池容器と；電池容器を封止する電池蓋と；電池蓋に設けられた正極外部端子および負極外部端子と；捲回電極群の正極箔および正極外部端子に電気的に接続されるとともに、電池蓋によって支持された正極集電板と；捲回電極群の負極箔および負極外部端子に電気的に接続されるとともに、電池蓋によって支持された負極集電板とを備える。正極集電板は、電池蓋に支持された固定部から電池容器底面に向けて二股形状で、かつ、電池容器内面に沿ってそれぞれ延在する正極第一集電板と正極第二集電板とを有し、少なくとも正極第一集電板には薄肉部が形成され、正極第一集電板の薄肉部と正極第二集電板との間に正極箔を挟み込んで正極集電板と正極箔が電気的に接続されている。

　本発明によれば、電池の容量を低下させることなく、充放電電流による二次電池の電気抵抗を低減できる。

図１は、第１の実施の形態による二次電池（電池）の外観図。図２は、二次電池の内部構造を示す図。図３は、正極端子の構成を示す分解図。図４は、正極集電板を負極電極側から見た図。図５は、電池蓋に固定された正極端子の斜視図。図６は、図５のＡＢ断面図。図７は、電池蓋に正極端子および負極端子を取り付けた蓋組立体の斜視図。図８は、捲回電極群の構成図。図９は、捲回電極群と集電板との接続について説明する斜視図。図１０は、捲回電極群の正極側未塗工部と集電板との超音波接合中の断面を示す図。図１１は、捲回電極群の正極側未塗工部と集電板との接合部の断面を示す図。図１２は、第２の実施の形態の正極集電板の斜視図。図１３は、正極集電板を負極電極側から見た図。図１４は、第３の実施の形態による蓋組立体の斜視図。図１５は、第４の実施の形態による蓋組立体の斜視図。

　以下、本発明を角形の二次電池に適用した実施の形態を、図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］
　図１は、第１の実施の形態による二次電池の外観を示す図である。図１に示すように、角形の二次電池１００は、電池缶５２と電池蓋６とから構成される電池容器を備えている。電池缶５２および電池蓋６の材質は、アルミニウムまたはアルミニウム合金などである。図２は、電池１００の内部構造を示す図である。電池缶５２には捲回電極群３０が収容されている。電池缶５２は、一対の幅広面５２ａと一対の幅狭面５２ｂと底面５２ｃとを有し、上面が開口された矩形箱状に形成されている。捲回電極群３０は不図示の絶縁ケースに覆われた状態で電池缶５２に収容されている。すなわち、電池缶５２は、捲回電極群３０を収容する容器である。絶縁ケースの材質は、ポリプロピレン等の絶縁性を有する樹脂である。これにより、電池缶５２の内面と、捲回電極群３０とは電気的に絶縁されている。

　電池蓋６は、矩形平板状であって、電池缶５２の開口を塞ぐように溶接され、電池缶５２を封止している。電池蓋６には、捲回電極群３０の正極電極３６および負極電極３７のそれぞれに正極集電板８および負極集電板２０を介して電気的に接続された正極外部端子１Ｐおよび負極外部端子１Ｎが配設されている。また、電池蓋６には、電解液を注液するための注液孔２５と、電池容器内の圧力が上昇して所定圧力に達したときに開裂するガス排出弁２６とが設けられている。電池缶５２内に電解液が注液された後、注液孔２５は注液栓５３によって封止される（図１）。

　図３は、正極外部端子１Ｐと正極集電板８の構成を示す分解斜視図である。正極外部端子１Ｐと正極集電板８はガスケット５、絶縁スペーサー７により、後述するように電池蓋６に固定される。正極外部端子１Ｐはボルト部２、フランジ部３および軸部４から構成される。負極外部端子１Ｎと負極集電板２０も同様に電池蓋６に固着されているが、負極集電板２０の構造は正極集電板８とは異なる。

　図４は、正極集電板８を負極電極３７側から見た図である。正極集電板８は、電池蓋６の底面に沿うように延在する固定部９と、固定部９の電池缶厚み方向の両側端からそれぞれ電池缶下方に二股に分岐する正極第一集電板１０および正極第二集電板１１とを備えている。正極第一集電板１０および正極第二集電板１１のそれぞれは、固定部９の両側端から電池缶底面に向かって折り曲げられて電池缶内面と平行に延在する上部平行部ＵＰと、上部平行部ＵＰの下端から電池缶内部に向かって斜めに折り曲げられた傾斜部ＩＣと、傾斜部ＩＣの下端から電池缶底面に向けて折り曲げられて電池缶内面と平行に延在する下部平行部ＬＰとを有する。

　正極第一集電板１０の下部平行部ＬＰは、正極電極３６に溶接される個所であり、この下部平行部ＬＰは上部平行部ＵＰよりも薄肉に形成されている。以下、正極第一集電板１０の下部平行部ＬＰを正極第一集電板薄肉部１２と呼ぶ。

　図５は電池蓋６に固定された正極外部端子１Ｐと正極集電板８の組み立て斜視図、図６は図５のＡＢ断面図であり、電池蓋６に固定された正極外部端子１Ｐの断面を示している。

　正極外部端子１Ｐの軸部４は、ガスケット５、電池蓋６、絶縁スペーサー７および固定部９のそれぞれの貫通孔に挿通されている。各部の貫通孔に挿通されている軸部４の先端がかしめられるとかしめ部１３が形成される。かしめ部１３により、正極外部端子１Ｐ、ガスケット５、絶縁スペーサー７および正極集電板８が電池蓋６に固定される。正極集電板８と正極外部端子１Ｐの材質はアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、ガスケット５および絶縁スペーサー７の材質は樹脂である。そのため、正極外部端子１Ｐと正極集電板８と電池蓋６とは絶縁される。

　図７は電池蓋６に正極外部端子１Ｐと正極集電板８、および負極外部端子1Ｎと負極集電板２０を取り付けた蓋組立体の斜視図である。負極外部端子１Ｎと負極集電板２０についても、正極外部端子１Ｐと同様に、負極外部端子１Ｎの不図示の軸部をかしめることにより、ガスケット５および絶縁スペーサー７を介して電池蓋６に絶縁状態で固定される。負極集電板２０および負極外部端子１Ｎの材質は銅または銅合金である。

　図８は捲回電極群３０の構成を示す図である。蓄電要素である捲回電極群３０は、長尺状の正極箔３４および負極箔３１を、セパレータ３３を介在させて扁平形状に捲回することで積層構造とされている。正極箔３４の両面には正極活物質に結着材（バインダ）を配合した正極活物質合剤が塗工された正極活物質合剤層３５が設けられている。負極箔３１の両面には負極活物質に結着材（バインダ）を配合した負極活物質合剤が塗工された負極活物質合剤層３２が設けられている。、正極活物質と負極活物質との間で、充放電が行われる。正極箔３４は、たとえば厚さ３０μｍのアルミニウム箔であり、負極箔３１は、たとえば厚さ２０μｍの銅箔である。セパレータ３３の素材は、たとえば多孔質のポリエチレン樹脂である。
　本明細書では、正極箔３４に正極活物質合剤層３５が塗布されたものを正極電極３６、負極箔３５に負極活物質合剤層３２が塗布されたものを負極電極３７と呼ぶ。

　捲回電極群３０の幅方向（捲回方向に直交する方向）の両端部は、一方が正極活物質合剤層３５が形成されていない正極側未塗工部３４ａ（正極箔３４の露出部）が積層された部分とされ、他方が負極活物質合剤層３２が形成されていない負極側未塗工部３１ａ（負極箔３５の露出部）が積層された部分とされている。正極側未塗工部３４ａの積層体および負極側未塗工部３１ａの積層体は、それぞれあらかじめ押し潰され、それぞれ正極集電板８および負極集電板２０が超音波接合により接続される。

　捲回電極群３０の正極電極３６と正極集電板８との接続、および、捲回電極群３０の負極電極３７と負極集電板２０との接続は、次のようにして行われる。
　図９に示すように、正極第二集電板１１と離間するように正極第一集電板１０を変形させて、正極第一集電板１０と正極第二集電板１１との間に捲回電極群３０の正極側未塗工部３４ａを挿入する。なお、このときの正極第一集電板１０の変形は、弾性変形領域内での変形であることが望ましい。負極側については、捲回電極群３０の負極集電板２０と負極側未塗工部３１ａとを対向させる。

　その後、変形させた正極第一集電板１０を元の形状に復元し、正極第一集電板１０と正極第二集電板１１との間に正極側未塗工部３４ａを挟み込み、薄肉部１２、捲回電極群３０の正極側未塗工部３４ａ、および正極第二集電板１１を一括して超音波接合する。また、負極集電板２０の下部平行部ＬＮと捲回電極群３０の負極側未塗工部３１ａとを超音波接合する。なお、図２は、正極第一および第二集電板１０，１１と捲回電極群３０の正極側未塗工部３４ａとを接続した後の状態を示す図である。

　図１０は、捲回電極群３０の正極側未塗工部３４ａと集電板１０（薄肉部１２），１１との超音波接合中の断面を示す図である。また、図１１は、捲回電極群３０の正極側未塗工部３４ａと集電板１０（薄肉部１２），１１との接合部の断面を示す図である。固定子５０と振動子５１の間に正極第一集電板１０の薄肉部１２、正極箔３４、および正極第二集電板１１を挟み、振動子５１を振動させることで超音波接合して、超音波接合部４０を形成する。超音波接合では固定子５０側より振動子５１側で摩擦が大きく発熱量も大きい。そのため、振動子５１が当接する正極第一集電板１０に薄肉部１２を形成することが望ましい。

　一方、固定子５０が当接する正極第二集電板１１は厚い方が望ましい。これは超音波接合時に振動子５１の振動によって動かないように正極第二集電板１１を固定子５０で固定するためである。すなわち、正極第一集電板薄肉部１２より正極第二集電板１１を厚くするのが好ましい。本実施の形態では、たとえば正極第一集電板１０の厚さは１．０ｍｍであり、たとえば正極第一集電板薄肉部１２の厚さは０．２ｍｍであり、たとえば正極第二集電板１１の厚さは１．０ｍｍである。したがって、正極第一集電板１０は正極第一集電板薄肉部１２において１．０ｍｍから０．２ｍｍに薄肉化されている。なお、たとえば正極第一集電板１０をプレス加工することで正極第一集電板薄肉部１２を得る。

　負極集電板２０は、たとえば正極第一集電板１０の厚さと同じ１．０ｍｍの板厚で形成される。

　このように構成される電池１００では、正極外部端子１Ｐと正極集電板８、および負極外部端子１Ｎと負極集電板２０とを介して充放電電流が流れる際の集電板８，２０の電気抵抗は、集電板８，２０の断面積を増やすことで低減できる。集電板８，２０の断面積を増やすために集電板８，２０の幅を増やした場合、正極側未塗工部３４ａおよび負極側未塗工部３１ａの幅を広くする必要がある。しかし、電池１００の幅が電池缶５２で規定されるため、活物質合剤層３５，３２の塗工幅を減らさなければならず、電池容量が低下する。

　また、集電板８，２０の断面積を増やすためには集電板８，２０を厚くすることが考えられる。しかし、集電板８，２０を厚くしすぎると捲回電極群３０と電池缶５２の内面との距離を確保するために活物質合剤層３５，３２の塗工厚さを減らして捲回電極群３０を薄くしなければならず、電池容量が低下する。したがって、集電板８，２０の断面積、断面形状には適正な範囲があることになる。また、上述したように、超音波接合では固定子５０側より振動子５１側で摩擦が大きく発熱量も大きい。接合部の温度を高くするため、振動子５１が当接する正極第一集電板１０において超音波接合部４０の近傍のみ薄くすることが望ましい。これにより接合強度を高くすることができる。一方、正極第二集電板11は超音波接合では固定子５０と接触する側なので厚いままでも接合温度には影響がない。

　本実施の形態のように正極集電板８の材質がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、負極集電板２０の材質が銅または銅合金である場合には、電気抵抗がより高い正極集電板８に正極第一集電板薄肉部１２を形成することが特に効果的である。

　以上説明した第１の実施形態の電池１００では、電池容量を低下させることなく、また、電池の大型化を招くことなく、充放電電流による二次電池１００の電気抵抗を低減しつつ、捲回電極群３０と正極集電板８とを良好に接続できる二次電池を提供できる。

［第２の実施の形態］
　本発明による二次電池の第２の実施の形態を、図１２，１３を参照して説明する。
　以下の説明では、第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１の実施の形態と同じである。本実施の形態の正極集電板６０では、主に、正極第一集電板６４だけでなく正極第二集電板６２にも、正極第一集電板薄肉部１２と同様の薄肉部６３を形成する点で、第１の実施の形態と異なる。

　図１２は第２の実施の形態の正極集電板６０の斜視図であり、図１３は正極集電板６０を負極電極３７側から見た図である。第２の実施の形態の正極集電板６０は、固定部６１と、固定部６１の両側端から二股に分岐する正極第一集電板６４と、正極第二集電板６２とを備えている。なお、正極第一集電板６４の正極電極３６と接触する部分には、正極第一集電板薄肉部６５が形成され、正極第二集電板６２の正極電極３６と接触する部分には、正極第二集電板薄肉部６３が形成されている。

　第２の実施形態の二次電池においても、図９に示したように、正極第一集電板６４を正極第二集電板６２に対して変形させて開き、正極第一集電板６４と正極第二集電板６２との間に正極側未塗工部３４ａを挟持し、正極電極３６に正極集電板６２，６４を超音波溶接する。

　したがって、第２の実施形態でも、充放電電流は二股に形成された正極第一および第二集電体６２，６４を流れるので、電池容量を低下させることなく、また、二次電池の大型化を招くことなく、充放電電流による二次電池１００の電気抵抗をさらに低減しつつ、捲回電極群３０と正極集電板６０とを良好に接続できる二次電池を提供できる。

［第３の実施の形態］
　本発明による二次電池の第３の実施の形態を、図１４を参照して説明する。
　以下の説明では、第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、正極集電板８だけでなく負極集電板２０にも、正極第一集電板薄肉部１２と同様の薄肉部を形成する点で、第１の実施の形態と異なる。

　図１４は、第３の実施の形態の電池蓋６に正極外部端子１Ｐおよび負極外部端子１Ｎを取り付けた蓋組立体の斜視図である。第３の実施の形態の負極集電板２０は、固定部２７と、固定部２７の両側端から二股に分岐する負極第一集電板２２と、負極第二集電板２３とを備えている。なお、負極第一集電板２２の負極電極３７と接触する部分には、負極第一集電板薄肉部２１が形成されている。

　したがって、第３の実施形態でも、充放電電流は、二股に形成された正極第一および第二の集電体１０，１１と、負極第一および第二集電板２２，２３を流れるので、電池容量を低下させることなく、また、二次電池の大型化を招くことなく、充放電電流による二次電池１００の電気抵抗をさらに低減しつつ、捲回電極群３０と正極集電板８と負極集電板２０とを良好に接続できる二次電池を提供できる。

［第４の実施の形態］
　本発明による二次電池の第４の実施の形態を、図１５を参照して説明する。
　以下の説明では、第１～第３の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１～第３の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、正極集電板６０の正極第一集電板６４および正極第二集電板６２と、後述する負極集電板９０の負極第一集電板９４および負極第二集電板９２とに薄肉部をそれぞれ形成する点で、第１～第３の実施の形態と異なる。

　図１５は第４の実施の形態の電池蓋６に正極外部端子１Ｐおよび負極外部端子１Ｎを取り付けた蓋組立体の斜視図である。第４の実施の形態の正極集電板６０は第２の実施の形態の正極集電板６０と同じである。第４の実施の形態の負極集電板９０は、固定部９１と、固定部９１の両側端から二股に分岐する負極第一集電板９４と、負極第二集電板９２とを備えている。なお、負極第一集電板９４の負極電極３７と接触する部分には、負極第一集電板薄肉部９５が形成され、負極第二集電板９２の負極電極３７と接触する部分には、負極第二集電板薄肉部９３が形成されている。

　したがって、第４の実施形態では、電池容量を低下させることなく、また、二次電池の大型化を招くことなく、充放電電流による二次電池１００の電気抵抗をさらに低減しつつ、捲回電極群３０と正極集電板６０および負極集電板９０とをさらに良好に接続できる二次電池を提供できる。

　以上の説明において、正極第一集電板１０の薄肉部１２は、正極第一集電板１０の下部平行部ＬＰの全体を薄肉化して形成したが、超音波溶接する領域、たとえば、図２のハッチングで示す領域のみを薄肉化してもよい。下部平行部ＬＰの全域ではなく、電池缶底面側の部分領域を薄肉化してもよい。この薄肉部の変形例は正極第二集電板１１に薄肉部を形成する場合も同様である。負極集電板２０，６０，９０に薄肉部を形成する場合も同様である。

　上記では、種々の実施の形態を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。上述した種々の実施の形態を適宜組み合わせてもよく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

Claims

　正極活物質が塗布された正極箔と、負極活物質が塗布された負極箔とが、セパレータを介して扁平形状に捲回された捲回電極群と、
　前記捲回電極群が収納された電池容器と、
　前記電池容器を封止する電池蓋と、
　前記電池蓋に設けられた正極外部端子および負極外部端子と、
　前記捲回電極群の前記正極箔および前記正極外部端子に電気的に接続されるとともに、前記電池蓋によって支持された正極集電板と、
　前記捲回電極群の前記負極箔および前記負極外部端子に電気的に接続されるとともに、前記電池蓋によって支持された負極集電板とを備え、
　前記正極集電板は、前記電池蓋に支持された固定部から電池容器底面に向けて二股形状で、かつ、電池容器内面に沿ってそれぞれ延在する正極第一集電板と正極第二集電板とを有し、
　少なくとも前記正極第一集電板には薄肉部が形成され、
　前記正極第一集電板の薄肉部と前記正極第二集電板との間に前記正極箔を挟み込んで正極集電板を正極箔に電気的に接続した二次電池。
　請求項１に記載の二次電池において、
　前記正極第二集電板にも薄肉部が設けられ、
　前記正極第一集電板の薄肉部と前記正極第二集電板の薄肉部との間に前記正極箔を挟み込んで正極集電板を正極箔に電気的に接続した二次電池。
　請求項１または請求項２に記載の二次電池において、
　前記負極集電板は、前記電池蓋に支持された固定部から電池容器底面に向けて二股形状で、かつ、電池容器内面に沿ってそれぞれ延在する負極第一集電板と負極第二集電板とを有し、
　前記第１負極集電板には薄肉部が設けられ、
　前記負極第一集電板の薄肉部と前記負極第二集電板との間に前記負極箔を挟み込んで負集電板を負極箔に電気的に接続した二次電池。
　請求項１または請求項２に記載の二次電池において、
　前記負極集電板は、前記電池蓋に支持された固定部から電池容器底面に向けて二股形状で、かつ、電池容器内面に沿ってそれぞれ延在する負極第一集電板と負極第二集電板とを有し、
　前記第１負極集電板と前記第２負極集電板のそれぞれには薄肉部が設けられ、
　前記第１負極集電板の薄肉部と前記第２負極集電板の薄肉部との間に前記負極箔を挟み込んで負極集電板を負極箔に電気的に接続した二次電池。