JP2005302719A - 電極組立体とこれを備えた二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 集電効率を高めて出力性能を向上させると同時に、電極群の各部位から発生した電流を実質的に均一に引き出すことができる二次電池用電極組立体を提供する。
【解決手段】 各々周縁部に沿って活物質が塗布されていない無地部を形成した正極と負極、及び前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータを含む電極群と、前記電極群の外部領域に配置される部位を有して、前記正極無地部の先端を覆いながらこの正極の無地部に電気的に連結される正極用集電板と、前記電極群の外部領域に配置される部位を有して、前記負極無地部の先端を覆いながらこの負極の無地部に電気的に連結される負極用集電板と、を含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は二次電池に関し、より詳しくは二次電池の電極組立体における電極と集電板の結合構造に関する。

一般に二次電池は充電が不可能な一次電池とは異なって充電と放電が可能な電池であって、電池パック形態で製作されて携帯電話、ノートブックコンピュータ及びカムコーダのような携帯用電子機器の電源として広く使用されている。

また、最近ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などに装着されるモータ駆動用として二次電池を利用した高出力電池が開発されている。

前記二次電池が実質的な電池形態をなす時には主に円筒形や四角形で製作される。このうち四角形の二次電池はセパレータを間に置いて帯状の正極と負極を積層した状態でこれらを巻いて四角形の電極群（またはジェリーロール）を形成したり、セパレータを間に置いて正極と負極を複数個積層して電極群を形成した後、これを四角形のケース内部に挿入して構成される。

前記正極と負極を巻いて構成された電極群の場合、正極と負極には電池が動作する時に正極と負極で発生した電流を集電するための各々のリードが取り付けられ、このリードが外部端子と連結されて正極と負極で発生した電流を外部端子に誘導する。

しかし、このような構造は電池容量の小さい小型電池では特に問題なく集電効果を発揮することができるが、電池が大型で高出力を出さなければならないような、いわゆるＨＥＶ用のようなモータ駆動用電池においては正極と負極の面積が電池の大きさに比例して大きくなり、それに伴う抵抗などを考慮すれば前記リードによる集電方式はその効率が落ちるだけでなく、電極群の各部位で発生した電流を均一に引出すのに難しさがある。

このような問題点を防止するために特許文献１では帯状の正極及び負極集電体の一方の側の端部に活物質が塗布されていないリード付着部を形成し、正極、負極及びセパレータを巻いて電極群として形成する時、前記リード付着部をセパレータより高く突出されるように配置し、ここに複数の正極リード及び負極リードを各々付着して構成した二次電池を開示している。

前記二次電池はリード付着部に複数のリードを固定することができるので電池の内部抵抗を減らしながら、正極及び負極から集電可能であるので集電効率を高めることができるという効果がある。

しかし、この電池構造では正極及び負極のリード付着部に複数のリードを付着して電池を構成するために製造時に作業性が不便な問題点があり、電池内部で活物質を保有しないため実質的な電池反応に寄与できない部分、つまり、前記リード付着部と複数のリードが占める部分の容量が大きくなって、そのために電池の大容量化と高出力化を難しくする問題点がある。

一方、セパレータを間に置いて正極と負極が複数個積層されて電極群を構成する電池の場合には、通常正極及び負極の各々に複数のリードが付着されて正極に付着されたリードが互いに縛られて外部端子と連結され、負極に付着されたリードが互いに縛られて外部端子と連結される構造をなす。しかし、このような構造の二次電池もまた複数のリードを正極及び負極に付着させるために製造時に工程数が増加して作業性が低下する問題点がある。
特開平６−２６７５２８号公報

したがって、本発明は前記問題点を解消するためのものであって本発明が解決しようとする課題は、集電効率を高めて出力性能を向上させると同時に電極群の各部位から発生した電流を実質的に均一に引き出すことができる電極組立体及びこれを備えた二次電池を提供することにある。

本発明の他の目的は、電池内部で活物質を保有しないために実質的な電池反応に寄与できない部分の容量を最少化して電池の大容量化と高出力化を達成することができる電極組立体及びこれを備えた二次電池を提供することにある。

本発明による電極組立体は、各々周縁部に沿って活物質が塗布されていない無地部を形成した正極と負極、及び前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータを含む電極群と、前記電極群の外部領域に配置される部位を有して、前記正極無地部の先端を覆いながらこの正極の無地部に電気的に連結される正極用集電板と、前記電極群の外部領域に配置される部位を有して、前記負極無地部の先端を覆いながらこの負極の無地部に電気的に連結される負極用集電板と、を含む。

前記正極の無地部と前記負極の無地部は複数重ねて対向配置され、前記正極用集電板と前記負極用集電板が各々前記正極無地部の先端と前記負極無地部の先端の全面に密着固定する。

また、前記正極の無地部と前記負極の無地部は複数重ねて対向配置され、前記正極用集電板と前記負極用集電板が各々前記正極無地部の先端と前記負極無地部の先端の一部を露出させながら各々の先端に密着固定できる。

前記セパレータの外側に配置される前記正極の無地部及び前記負極の無地部の長さをａ、前記正極用集電板及び前記負極用集電板の最大幅をｂとする時、次の条件を満足する。

ａ ≦ ｂ

前記正極用集電板及び前記負極用集電板が各々前記正極の無地部及び前記負極の無地部に溶接によって固定され、この時、溶接はレーザー溶接で行うことができる。

前記正極の無地部と前記負極の無地部が複数重ねて配置され、この無地部がその中心に配置される無地部を基準に対称な形で折り曲げ形成できる。

また、本発明による二次電池は、各々周縁部に沿って活物質が塗布されていない無地部を形成した正極と負極、及び前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータを含む電極群と、前記電極群の外部領域に配置される部位を有して、前記正極無地部の先端を覆いながらこの正極の無地部に電気的に連結される正極用集電板と、前記電極群の外部領域に配置される部位を有して、前記負極無地部の先端を覆いながらこの負極の無地部に電気的に連結される負極用集電板と、を含む二次電池の電極組立体と、前記電極組立体が収容される空間を有するケースと、前記ケースの開口部に結合されて前記ケースを密閉し、前記正極用集電板と前記電極集電板と各々電気的に連結される端子が備えられるキャップ組立体を含み、前記電極群はその幅方向が前記ケースの高さ方向と任意の角度を有して前記空間内に配置される。

前記電極群の幅方向と前記ケースの高さ方向は垂直状態で配置され、前記正極用集電板と前記負極用集電板が前記ケースの高さ方向に沿って配置される。

前記二次電池は四角形であっても良い。

前記二次電池はモータ駆動型であっても良い。

本発明の二次電池によれば、内部抵抗を最少化しながら正極及び負極板の集電効率を高め、電極群の各部位から生成された電流をより均一に引出すことができるので高出力化に有利な効果がある。

以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施形態をより詳細に説明する。

図１は本発明による二次電池を示した断面図である。

図１に示すように、二次電池は帯状の正極２、セパレータ４及び負極６が積層された状態で、これらを巻いて形成した電極群８の両側端部に正極用集電板１０と負極用集電板１２を設置して構成される電極組立体１４と、一端が開放された開口部１６ａと共に、その内部に電極組立体を１４収容する空間を有するケース１６と、開口部１６ａに結合されてケース１６を密閉して正極端子１８と負極端子１８、２０を備えるキャップ組立体２２を含む。

ケース１６はアルミニウム、アルミニウム合金またはニッケルがメッキされたスチールのような導電性金属で製作され、電極組立体１４が位置する空間を有する六面体またはそれ以外の形状で形成される。図面では一例として六面体形状を有する四角形ケースに四角形で巻かれた電極群が位置する場合を示している。

キャップ組立体２２は開口部１６ａに溶接によって固定されてケース１６を密閉するベースプレート２４と、ベースプレート２４を貫通して固定され、電極組立体１６の正極集電板１０及び負極集電板１２と各々電気的に連結される正極端子１８と負極端子２０を含む。両端子１８、２０がベースプレート２４に設置される時、この各端子１８、２０の設置部位には絶縁部材２６が位置でき、電池の内圧上昇時に破断してガスを排出する安全装置として安全ベント２８がベースプレート２４中央に設置できる。

電極群８はその幅方向Ｄ１が、ケース１６の開口部１６ａから空間に向かった電極組立体１４の進入方向Ｄ２、つまり、ケース１６の高さ方向と一致せず、これと任意の角度を有しながら位置するが、好ましくは電極群８はその幅方向Ｄ１が前記進入方向Ｄ２と垂直状態を維持しながらケース１６内部に位置する。

その結果、正極集電板１０と負極集電板１２は前記進入方向Ｄ２と平行に配置された状態で各々正極端子１８と負極端子２０に向かう一端が正極端子１８と負極端子２０に固定されてこれと電気的に連結される。

ここで、正極集電板１０と負極集電板１２の、正極端子１８と負極端子２０に連結される部位は、正極集電板１０と負極集電板１２が電極群８に固定される時、この電極群８の外部に配置されるように延長形成されるリード部１０ａ、１２ａからなる。

上述した構成の二次電池において電極組立体１４の構成をより詳細に説明する。

図２と図３は各々図１に示した電極組立体の斜視図と平面図であり、図４は図２に示した電極組立体の左側面図であり、図５は図２に示した電極組立体の部分断面図である。そして、図６は本発明による電極群を説明するために示した分解斜視図である。

図面に示すように、電極組立体１４は各々帯状を有する正極２、セパレータ４及び負極６を積層して、これらの長さ方向（図６に示したＤ３方向）に沿って巻いた後、プッレシングして形成したジェリーロールタイプの電極群８を含む。

電極群８が形成される時、正極２及び負極６の無地部２ａ、６ａは対向配置される。ここで無地部２ａ、６ａは、正極２の集電体２ｂと負極６の集電体６ｂにおいて、これら集電体２ｂ、６ｂに各々正極活物質２ｃと負極活物質６ｃが塗布される時、これら集電体２ｂ、６ｂの長さ方向Ｄ３と平行な一方の側の周縁に沿って活物質が塗布されていない部位であって、電極群８を形成する時、これら無地部２ａ、６ａは正極２及び負極６の間に配置されるセパレータ４より高く突出して位置する。

ここでセパレータ４は、正極２及び負極６の間で生じ得る短絡を予防するために正極２、負極６より長く形成されて、正極２と負極６との間に配置される時、その両端部で正極２及び負極６と重ならない程度の余裕分４ａを有するのが良い。

このような電極群８に、正極用集電板１０と負極用集電板１２が各々正極無地部２ａと負極無地部６ａの先端を覆いながらこれらに電気的に連結される。

ここで、集電板１０、１２が無地部２ａ、６ａと接触する時、この無地部２ａ、６ａは図５に示したように折り曲げずに平坦な状態を維持しても良く、図７に示したようにある方向に沿って規則的に折り曲げ形成されても良い。このように無地部２ａ、６ａが折り曲げ形成されれば、この無地部２ａ、６ａに接触される集電板１０、１２は無地部２ａ、６ａとの接触面積を増やすことができるので集電効率に利点がある。図７では無地部２ａ、６ａが電極群の中心に配置される無地部を基準にして、この無地部に向かって折り曲げられた場合を示している。

本実施形態で正極用集電板１０と負極用集電板１２は、各々対応する無地部２ａ、６ａを全体的に覆う部位１０ｂ、１２ｂと、この部位１０ｂ、１２ｂから延長形成されて前記端子１８、２０に連結されるリード部１０ａ、１２ａを含む形状で形成されているが、これは本発明の一つの例に過ぎず、これらの形状が必ずその場合に限られるわけではない。

ここで、リード部１０ａ、１２ａは図４に示したように前記部位１０ｂ、１２ｂと一体で形成しても良く、図８に示したように前記部位１０ｂ、１２ｂと別個で形成されてこの部位１０ｂ、１２ｂに固定されても良い。

本実施形態でこの集電板１０、１２は当該無地部２ａ、６ａにレーザー溶接によって固定されるので、各集電板１０、１２にはレーザー溶接による溶接部４０が形成される。ここで、この溶接部４０は図８に示したように前記部位１０ｂ、１２ｂを横切るライン形態で形成することもできる。

このような集電板１０、１２はその厚さｔを０．２〜０．３mmに維持し、その材質としては正極用としてはアルミニウム、負極用としては銅が適用されている。

このように形成される本発明の二次電池によれば、電極組立体１４における正極２及び負極６から発生する電流集電のための正極集電板１０と負極集電板１２とが各々正極無地部２ａと負極無地部６ａの先端に固定されるので、セパレータ４の外部に露出される正極無地部２ａと負極無地部６ａの長さを（従来のようにこの無地部に別途のリードを付着するために要求される長さだけ）長くしなくても、電流集電に対する効率の低下なく、これら集電板１０、１２の固定を容易にすることができる。

したがって、本発明の二次電池は、電極組立体１４がケース１６内部に挿入された状態で、活物質を保有しないために実質的な電池反応に寄与しない部分、つまり、ケース１６の内部で正極及び負極無地部２ａ、６ａと正極及び負極集電板１０、１２が占める部分の容量を従来より縮少することができる。

言い換えると、本発明の二次電池は従来のような大きさの電極組立体に比べて正極及び負極集電体２ｂ、６ｂに分布される活物質塗布部位を増やすことができるので、二次電池の大容量化及び高出力化に有利な長所を有する。

一方、集電体上に塗布される活物質領域を従来のままにして、無地部領域を従来より狭くしても、このような集電板の固定構造によって電流集電には影響を与えないので、減らした無地部の領域だけ電池のサイズを小さくして、同一容量に対比してサイズを小さくした電池として消費者に提供できる。

さらに、本発明の二次電池は、正極及び負極用集電板１０、１２が当該無地部２ａ、６ａの先端を覆いながら、これと連結されることによってその接触面積を広くすることができるので、この接触部位に対する内部抵抗を最少化することができる。

したがって、本発明の二次電池は、集電板の各部位から電流集電を均一に行うことができ、これによりその集電効率を向上させることができる。

さらに、本発明の二次電池は、正極及び負極集電板の一部分（前記リード部）を直接正極端子１８と負極端子２０に連結するので、電極組立体と正極及び負極端子の電気的な連結構造を単純化することができる。

以下では本発明の他の実施形態について説明する。

図９は本発明の第２実施形態による電極組立体の側面図であって、正極側に対する側面図である。

図９に示すように、この第２実施形態の正極集電板３０は互いに任意の間隔をおいて位置する複数の第１集電板３０ａと、この第１集電板３０ａとは別途で形成されて、この第１集電板３０ａに固定されてこれらと電気的に連結される第２集電板３０ｂを含む。

このような正極集電板３０は正極無地部２ａの先端に密着されてレーザー溶接によって固定される。

ここで、第２集電板３０ｂの一端は電極群８の外側に配置されて二次電池の端子と連結されるリード部３０ｃを形成する。このような第２集電板３０ｂは、図１に示した電極組立体１４の進入方向Ｄ２と平行な状態で配置されながら、第１集電板３０ａと結合する。

この第２実施形態による正極集電板３０は、第１実施形態のように電極無地部の先端を全体的に覆わらず、その少なくとも一部分を露出させながら、この無地部に結合されている。このような構造によれば、電極組立体がケース内部に収容された後、ケース内部に電解液が注入される時、露出された無地部部位を通じて電解液を電極群８に容易に含浸させられる利点を有する。

この第２実施形態において、負極用集電板は、説明した正極用集電板と同様な状で形成されるので、その詳細な説明を省略する。

図１０は本発明の第２実施形態の変形例による電極組立体の側面図であって、これもまた図９のように正極側示している。

この変形例による正極用集電板３２はその全体的な形状を第２実施形態の正極用集電板と同様にしているが、第１集電板３２ａと第２集電板３２ｂが互いに異なる本体でない一体形で備えられている。

このような正極用集電板３２は、第２実施形態のように電解液含浸に対する利点と共に、正極無地部２ａに正極集電板３２を固定させる時、その作業性を良くする効果も有し得る。

この変形例においても、負極用集電板は説明した正極用集電板と同様な状で形成されるので、その詳細な説明を省略する。

次に、上述した集電板１０、１２、３０、３２を備えた二次電池において、電極群８が有する活物質容量を増やしながら正極及び負極用集電板の付着を容易にする電極組立体１４の形状条件について説明する。

まず、上述した集電板１０、１２、３０、３２は幅方向ｘと長さ方向ｙを定義することができる大略長方形で形成される。この時、セパレータ４の外側に露出される正極及び負極の無地部２ａ、６ａ長さをａ（図２参照）とし、集電板１０、１２、３０、３２の幅方向に沿って測定される最大幅をｂ（図４、図８、図９、図１０参照）とすれば、電極組立体１４はａ≦ｂの条件を満足するように設定される。

これはａがｂより大きく設定された電極組立体１４ではセパレータ４の外側に露出された正極及び負極の無地部２ａ、６ａ長さが過剰に長くなったり、集電板１０、１２、３０、３２の最大幅が過剰に狭くなって、電極群８が有する活物質容量を増やすことが難しいだけでなく、集電板１０、１２、３０、３２が正極及び負極の無地部２ａ、６ａ先端と接触する面積が減少して優れた集電効率を高めることが難しいためである。

この時、長さａはほぼ１〜８mmに維持されるのが好ましい。これはこの長さａが１mmより短ければ電極群８に集電板１０、１２、３０、３２を溶接で固定する時にその作業性が低下し、８mmより長ければ電極群８活物質の塗布部位が減少して体積当りエネルギー密度が減少することがあるためである。

以上で説明した二次電池は、ハイブリッド電気自動車ＨＥＶ、電気自動車ＥＶ、無線掃除機、伝動自転車、伝動スクーターなどのようにモータを使用して作動する機器において、当該機器のモータを駆動するためのエネルギー源として使用することができる。

前記では本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することができ、これもまた本発明の範囲に属する。

本発明による二次電池の断面図である。 本発明の第１実施形態による電極組立体の斜視図である。 本発明の第１実施形態による電極組立体の平面図である。 本発明の第１実施形態による電極組立体の側面図である。 本発明の第１実施形態による電極組立体において、無地部と集電板の結合状態を説明するために示した図面である。 本発明による電極群の斜視図である。 本発明の第１実施形態による電極組立体において、変形された無地部と集電板の結合状態を説明するために示した図面である。 本発明の第１実施形態の変形例による集電板を示した図面である。 本発明の第２実施形態による集電板を説明するために示した図面である。 本発明の第２実施形態の変形例による集電板を説明するために示した図面である。

符号の説明

２ 正極
２ａ、６ａ 無地部
２ｂ、６ｂ 集電体
４ セパレータ
６ 負極
６ｃ 負極活物質
８ 電極群
１０、３２ 正極用集電板
１０ａ、１２ａ、３０ｃ リード部
１０ｂ、１２ｂ 無地部を全体的に覆う部位
１２ 負極用集電板
１４ 電極組立体
１６ ケース
１６ａ 開口部
１８ 正極端子
２０ 負極端子
２２ キャップ組立体
２４ ベースプレート
２６ 絶縁部材
２８ 安全ベント
３０ａ 第１集電板
３０ｂ 第２集電板
４０ 溶接部
Ｄ１ 幅方向
Ｄ２ 進入方向

Claims (18)

1. 各々周縁部に沿って活物質が塗布されていない無地部を形成した正極と負極、及び前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータを含む電極群と、
   前記電極群の外部領域に配置される部位を有して、前記正極の無地部の先端を覆いながらこの正極の無地部に電気的に連結される正極用集電板と、
   前記電極群の外部領域に配置される部位を有して、前記負極の無地部の先端を覆いながらこの負極の無地部に電気的に連結される負極用集電板と、を含む二次電池の電極組立体。
2. 前記正極の無地部と前記負極の無地部とが複数重ねて対向配置され、前記正極用集電板と前記負極用集電板とが各々前記正極無地部の先端と前記負極無地部の先端の全面に密着固定する、請求項１に記載の二次電池の電極組立体。
3. 前記正極の無地部と前記負極の無地部とが複数重ねて対向配置され、前記正極用集電板と前記負極用集電板とが各々前記正極無地部の先端と前記負極無地部の先端の一部を露出させながら各々の先端に密着固定する、請求項１に記載の二次電池の電極組立体。
4. 前記セパレータの外側に配置される前記正極の無地部及び前記負極の無地部の長さをａ、前記正極用集電板及び前記負極用集電板の最大幅をｂとする時、次の条件を満足する、請求項１に記載の二次電池の電極組立体。
   ａ ≦ ｂ
5. 前記セパレータの外側に配置される前記正極無地部の長さ及び前記負極無地部の長さは１〜８mmである、請求項１に記載の二次電池の電極組立体。
6. 前記正極用集電板及び前記負極用集電板が各々前記正極の無地部及び前記負極の無地部に溶接によって固定される、請求項１に記載の二次電池の電極組立体。
7. 前記溶接はレーザー溶接である、請求項６に記載の二次電池の電極組立体。
8. 前記正極用集電板と前記負極用集電板の厚さは０．２〜０．３mmである、請求項１に記載の二次電池の電極組立体。
9. 前記正極の無地部と前記負極の無地部が複数重ねて配置され、この無地部がその中心に配置される無地部を基準に対称な形で折り曲げ形成される、請求項１に記載の二次電池の電極組立体。
10. 各々周縁部に沿って活物質が塗布されていない無地部を形成した正極と負極、及び前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータを含む電極群と、
    前記電極群の外部領域に配置される部位を有して、前記正極無地部の先端を覆いながらこの正極の無地部に電気的に連結される正極用集電板と、
    前記電極群の外部領域に配置される部位を有して前記負極の無地部の先端を覆いながら、この負極の無地部に電気的に連結される負極用集電板と、を含む二次電池の電極組立体と、
    前記電極組立体が収容される空間を有するケースと、
    前記ケースの開口部に結合されて前記ケースを密閉し、前記正極用集電板及び前記負極用集電板と各々電気的に連結される端子が備えられるキャップ組立体とを含み、
    前記電極群はその幅方向が前記ケースの高さ方向と任意の角度を有して前記空間内に配置される二次電池。
11. 前記電極群の幅方向と前記ケースの高さ方向が垂直状態で配置され、前記正極用集電板と前記負極用集電板が前記ケースの高さ方向に沿って配置される、請求項１０に記載の二次電池。
12. 前記正極の無地部と前記負極の無地部とが複数重ねて対向配置され、前記正極用集電板と前記負極用集電板とが各々前記正極無地部の先端と前記負極無地部の先端の全面に密着固定する、請求項１０に記載の二次電池。
13. 前記正極の無地部と前記負極の無地部とが複数重ねて対向配置され、前記正極用集電板と前記負極用集電板とが各々前記正極無地部の先端と前記負極無地部の先端の一部を露出させながら各々の先端に密着固定する、請求項１０に記載の二次電池。
14. 前記セパレータの外側に配置される前記正極の無地部及び前記負極の無地部の長さをａ、前記正極用集電板及び前記負極用集電板の最大幅をｂとする時、次の条件を満足する、請求項１０に記載の二次電池。
    ａ ≦ ｂ
15. 前記正極用集電板及び前記負極用集電板が各々前記正極の無地部及び前記負極の無地部に溶接によって固定される、請求項１０に記載の二次電池。
16. 前記溶接はレーザー溶接である、請求項１５に記載の二次電池。
17. 前記二次電池は四角形である、請求項１０に記載の二次電池。
18. 前記二次電池はモータ駆動用である、請求項１０に記載の二次電池。
    

Images