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JP2009038004A - 積層型電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】電池の体積エネルギ密度の低下を招くことなく、電池容量に優れた積層型電池を提供する。
【解決手段】本発明に係る積層型電池１は、多層構造集電体の両面に、活物質層を設けた電極１０を発電要素として有している。多層構造集電体は、絶縁層１５を２つの導電層１６Ａ，１６Ｂで挟んだ多層構造部８と、前記２つの導電層１６Ａ，１６Ｂに接続するとともに前記絶縁層１５が設けられる部位の側端よりも側方へ延在する導電材料からなり、電池の外部に電流を取り出すための電極端子１４と電気的に接続する導電部１３と、を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層型電池に関し、特に、電池容量および耐久性を向上させるための改良に関する。
近年、自動車業界では、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）用の大型のリチウムイオン二次電池の開発が盛んに行われており、電池の高エネルギ密度化および高出力化が図られている。エネルギ密度を向上させるためには、電池を構成する部材である集電体を薄くすることが有効であり、金属よりも比重の軽い樹脂層の両面に電子導電体の層を配置し、金属のみの集電体よりも薄く形成された集電体が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１０２７１１号公報 特開２００１−２９７７９５号公報
しかしながら、樹脂層の両面に電子導電体の層を配置すると、電池の外部に電流を取り出すための電極端子に集電体を接続する際に、電子導電体の層同士の十分な接触が確保できず、接触抵抗が増加して電池容量が低下する虞がある。
そこで本発明は、電池の体積エネルギ密度の低下を招くことなく、電池容量に優れた積層型電池を提供することを目的とする。
上記目的を達成する本発明に係る積層型電池は、絶縁層を２つの導電層で挟んだ多層構造部と、電池の外部に電流を取り出すための電極端子と電気的に接続する導電部とを備えた多層構造集電体の両面に、活物質層を設けた電極を発電要素として含んでいる。導電部は、多層構造部の２つの導電層に接続するとともに、絶縁層が設けられる部位の側端よりも側方へ延在する導電材料により形成されている。
本発明によれば、軽量な導電層を有する多層構造集電体が適用されるために電池の体積エネルギ密度の低下を招くことがなく、かつ２つの導電層と接続した導電部が電極端子と電気的に接続されているために十分な接触を確保でき、接触抵抗を低減させて優れた電池容量を構築できる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電池要素を示す概略断面図、図２は、第１実施形態に係るリチウムイオン二次電池を構成する、互いに接合される負極および電子導電板の１つを示し、（Ａ）は接合前の斜視図、（Ｂ）は接合後の斜視図である。
図１に示すように、第１実施形態の積層型電池は、例えばリチウムイオン二次電池１であり、実際に充放電反応が進行する電池要素２が、外装であるアルミラミネートシート３の内部に封入されてなる構造を有する。電池要素２は、正極集電体４の表面に正極活物質を含む正極活物質層５が形成されてなる正極６（電極）、電解質を含む電解質層７、および負極集電体８の表面に負極活物質を含む負極活物質層９が形成されてなる負極１０（電極）がこの順に積層されてなる単電池１１を含む。また、電解質層７は、電解液を保持するためのセパレータに電解液が保持されてなる構成を有する。そして、電池要素２の正極集電体４は、電流を外部に取り出すための正極端子１２（電極端子）に電気的に接続され、負極集電体８は、板形状の電子導電板１３（導電部）を介して、電流を外部に取り出すための負極端子１４（電極端子）に電気的に接続されている。正極端子１２および負極端子１４は、それぞれ正極集電体４および電子導電板１３に対して、超音波接合される。なお、図１に示す形態において、電池要素２は４個の単電池１１から構成されている。また、本形態では電池要素２の両最外層に負極１０が配置されていることから、負極集電体８は３枚存在し、正極集電体４は２枚存在する。なお、図１の形態は、３層の負極集電体８と２層の正極集電体４が積層されているが、これは図示および説明の便宜のためであり、本実施形態は、実際には７層の負極集電体８と７層の正極集電体４が積層されている。電池サイズは、２１０ｍｍ×９５ｍｍ×５ｍｍの扁平な矩形形状となっている。ただし、電池要素２を構成する単電池１１の個数は特に制限されず、所望の電池容量および電池出力などを考慮して適宜決定されうる。
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１の負極集電体８（多層構造部）は、絶縁材料からなる絶縁層１５の両面を、導電材料からなる第１導電層１６Ａおよび第２導電層１６Ｂで挟んだ多層構造で形成される。負極集電体８には、電子導電板１３と接する側端に、表裏が反転するように隙間を有して折り返された集電体折り返し部１７が形成されている。また、電子導電板１３においても、負極集電体８と接する側端に、表裏が反転するように隙間を有して折り返された導電体折り返し部１８が形成されている。集電体折り返し部１７および導電体折り返し部１８は、折り返されて形成されるそれぞれの隙間に、互いに挟まるようにして表面が接する。これにより、電子導電板１３の表面が、負極集電体８の第１導電層１６Ａおよび第２導電層１６Ｂの両面と面接触し、第１導電層１６Ａと第２導電層１６Ｂが電子導電板１３を介して電気的に導通することとなる。さらに、この面接触する部位において、電子導電板１３および負極集電体８を超音波接合することにより、接合部１９が形成される。本実施形態では、電子導電板１３（導電部）および負極集電体８（多層構造部）を接合することで、１つの多層構造集電体が構成される。
電子導電板１３と負極集電体８を接合する際には、図２（Ａ）に示すように、負極集電体８および電子導電板１３に集電体折り返し部１７および導電体折り返し部１８を形成した後、集電体折り返し部１７および導電体折り返し部１８のそれぞれの隙間に、互いに挟まるようにして重ね合わせる。この後、互いに重なり合う部位に面方向から超音波ホーンを当接させて、加圧しつつ超音波振動を付与して超音波接合し、図２（Ｂ）のように接合部１９を形成する。接合部１９は、本実施形態では３つに分けて形成されているが、数に限定はなく、接合幅ｄ、接合長さＬを有して形成される。なお、接合方法は超音波接合に限定されず、レーザ溶接や抵抗溶接等により接合してもよい。面接触する部位、すなわち本実施形態における電子導電板１３と負極集電体８の面接触する部位間の抵抗値は、低いほど電池容量に優れた電池を構築でき、望ましくは０．５ｍΩ以下である。
正極集電体４には、厚さ１５μｍのアルミニウム箔が用いられ、負極集電体８の第１導電層１６Ａおよび第２導電層１６Ｂには、厚さ３μｍの銅箔が用いられている。また、負極集電体８を構成する第１導電層１６Ａ、絶縁層１５および第２導電層１６Ｂの３層構造の全体の厚さは、本実施形態では３１μｍとなっている。なお、集電体（４，８）の導電材料は特に限定さえず、アルミニウム箔、銅箔、ステンレス（ＳＵＳ）箔など、導電性の材料を用いることができる。第１導電層１６Ａおよび第２導電層１６Ｂが薄いほど、電池容量に優れた電池を構築でき、第１導電層１６Ａおよび第２導電層１６Ｂの厚さは、好ましくは０．１〜５μｍである。
負極集電体８の絶縁層１５としては、厚さ２５μｍのポリイミドが用いられている。なお、絶縁層１５としては耐熱性に優れるポリイミドが好ましいが、他の樹脂等の絶縁材料を用いてもよい。絶縁層１５が厚いほど、耐久性、耐震性に優れた電池を構築できるため、絶縁層１５の厚さは、好ましくは５μｍ以上であることが好ましい。
電子導電板１３には、銅箔が用いられているが、アルミニウム箔、ステンレス（ＳＵＳ）箔など、他の導電性の材料を用いることもできる。
以下、本実施形態のリチウムイオン二次電池１を構成する他の部材について簡単に説明するが、下記の形態のみに制限されることはなく、従来公知の形態が同様に採用されうる。
［活物質層］
活物質層は活物質を含み、必要に応じてその他の添加剤をさらに含む。
正極活物質層５は、正極活物質を含む。正極活物質としては、ＬｉＭｎ２Ｏ４が７０μｍの厚さで設けられている。なお、正極活物質の材料はＬｉＭｎ２Ｏ４に限定されず、例えば、ＬｉＮｉＯ２等のリチウム−遷移金属酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物、リチウム−遷移金属硫酸化合物などが適用できる。場合によっては、２種以上の正極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。
負極活物質層９は、負極活物質を含む。負極活物質としては、グラファイトが１２μｍの厚さで設けられている。なお、負極活物質の材料はグラファイトに限定されず、例えば、グラファイト、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料、上述したようなリチウム−遷移金属化合物、金属材料、リチウム−金属合金材料などが適用できる。場合によっては、２種以上の負極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。
各活物質層（５、９）に含まれるそれぞれの活物質の平均粒子径は特に制限されないが、通常は０．１〜１００μｍ程度であり、好ましくは１〜２０μｍである。ただし、この範囲を外れる形態が採用されても、勿論よい。
正極活物質層５および負極活物質層９に含まれうる添加剤としては、例えば、バインダ、導電助剤、電解質塩（リチウム塩）等が挙げられる。
バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、合成ゴム系バインダ等が挙げられる。
導電助剤とは、正極活物質層５または負極活物質層９の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤としては、グラファイト、気相成長炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。
電解質塩（リチウム塩）としては、Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ）、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３等が挙げられる。
イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）系およびポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）系のポリマーが挙げられる。
正極活物質層５および負極活物質層９中に含まれる成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、非水電解質二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。
［電解質層］
本実施形態のリチウムイオン二次電池１において、電解質層７は、上述したように、セパレータと、前記セパレータ中に注入された電解質とから構成されている。
セパレータは、正負の活物質層を分離し、これらの間の短絡を防止する機能を有する。セパレータは、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンから構成される微多孔膜からなる。場合によっては、同様の材料から構成される不織布や粒子によって、セパレータを形成してもよい。
セパレータの厚さについて特に制限はなく、所望の電池性能等を考慮して適宜設定されうる。具体的には、セパレータの厚さは、好ましくは２０μｍ以下であり、より好ましくは１０μｍ以下であり、さらに好ましくは５μｍ以下である。一方、セパレータの厚さの下限についても特に制限はないが、正負の活物質層間の短絡を有効に防止するという観点から、セパレータの厚さは、好ましくは０．１μｍ以上であり、より好ましくは０．５μｍ以上であり、さらに好ましくは１μｍ以上である。ただし、場合によっては、これらの範囲を外れる厚さのセパレータが用いられてもよい。
さらに、セパレータは、電解質を保持する機能も有する。本発明のリチウムイオン二次電池１において、セパレータ中に保持される電解質としては、液体電解質およびゲル電解質が挙げられる。
液体電解質は、可塑剤である非水系溶媒（有機溶媒）に支持塩であるリチウム塩が溶解した形態を有する。非水系溶媒およびリチウム塩としては、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）やプロピレンカーボネート（ＰＣ）等のカーボネート類、および、ＬｉＢＦ４などの、電極の活物質層に添加されうる化合物が同様に用いられうる。
ゲル電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマーに、上記の液体電解質が注入されてなる構成を有する。マトリックスポリマーとして用いられるイオン伝導性ポリマーとしても同様に、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）やポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）などの、電極の活物質層に添加されうるポリマーが用いられうる。
なお、ゲル電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用い、当該重合開始剤の作用要因に応じて、マトリックスポリマー（例えば、ＰＥＯやＰＰＯ）に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。
以上、セパレータに電解質が保持されてなる電解質層について詳細に説明したが、本発明のリチウムイオン二次電池１の電池要素２の電解質層７を構成する電解質は、ポリマー電解質であってもよい。ポリマー電解質はセパレータを必要とせず、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマーに、電解質塩であるリチウム塩が溶解してなる構成を有する。ポリマー電解質を構成するマトリックスポリマーおよびリチウム塩の具体的な形態については、上述した形態が同様に採用されうるため、ここでは説明を省略する。
［電極端子］
リチウムイオン二次電池１においては、電池外部に電流を取り出す目的で、電極端子（正極端子１２および負極端子１４）がラミネートシート３の外部に取り出される。
電極端子（正極端子１２および負極端子１４）を構成する材料は特に制限されず、電池用の電極端子として従来用いられている公知の材料が用いられうる。電極端子の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、これらの合金等が例示される。なお、正極端子１２と負極端子１４とでは、同一の材質が用いられてもよいし、異なる材質が用いられてもよい。
［外装］
リチウムイオン二次電池１においては、使用時の外部からの衝撃や環境劣化を防止するために、電池要素２は、ラミネートシートなどの外装内に収容されることが好ましい。外装としては特に制限されず、従来公知の外装が用いられうる。自動車の熱源から効率よく熱を伝え、電池内部を迅速に電池動作温度まで加熱しうる点で、好ましくは、熱伝導性に優れた高分子−金属複合ラミネートシート等が用いられうる。
以上、図面を参照しながら本発明のリチウムイオン二次電池１の好ましい実施形態について詳細に説明したが、本発明の技術的範囲は上述した形態のみに限定されることはない。
第１実施形態に係るリチウムイオン二次電池１によれば、電子導電板１３が、負極集電体８の第１導電層１６Ａおよび第２導電層１６Ｂの両方と面接触する。このため、電子導電板１３と第１導電層１６Ａの間の接触面積が十分に確保されるとともに、電子導電板１３と第２導電層１６Ｂの間の接触面積も十分に確保される。したがって、第１導電層１６Ａと第２導電層１６Ｂの間の電気的導通を広い接触面積で十分に確保しつつ多層構造の薄型集電体を実現できるため、電池の体積エネルギ密度の低下を招くことなしに、接触抵抗を低減させて優れた電池容量を構築できる。
また、面接触する折り返し部（１７，１８）に接合部１９が設けられるため、面接触をより確実に確保することができる。
また、負極端子１４と負極集電体８の間に、他の部材である電子導電板１３が設けられるため、負極端子１４から負極集電体８へ伝わる振動を吸収でき、耐久性、耐震性を向上させることができる。特に、本実施形態では、集電体折り返し部１７および導電体折り返し部１８が、それぞれの隙間に互いに挟まるようにして重なっているため、強度的信頼性に優れている。
また、本実施形態では、負極集電体を、絶縁材料からなる絶縁層の両面を導電材料からなる第１導電層および第２導電層で挟んだ多層構造としているが、正極集電体を同様な構造としてもよい。
＜第２実施形態＞
図３は、第２実施形態に係るリチウムイオン二次電池を構成する、互いに接合される負極および電子導電板の１つを示し、（Ａ）は接合前の斜視図、（Ｂ）は接合後の斜視図である。
第２実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、第１実施形態と異なり、電子導電板２１が全体に亘って２層になるように導電体折り返し部２２が形成される。すなわち、図３（Ａ）に示すように、電子導電板２１の素材となる箔を中央部で折り返し、折り返されて表裏が反転した２側端を、負極集電体８と接する側において隙間を有して対向させる。負極集電体８は、その側端部が、図３（Ｂ）に示すように、対向する導電体折り返し部２２の隙間に挟まるようにして接する。これにより、電子導電板２１の対向する表面が、負極集電体８の第１導電層１６Ａおよび第２導電層１６Ｂの両面と面接触し、第１導電層１６Ａと第２導電層１６Ｂが、電子導電板２１を介して電気的に導通することとなる。さらに、この面接触する導電体折り返し部２２において、電子導電板２１および負極集電体８を面方向から第１実施形態と同様に超音波接合することにより、接合部２３が形成される。本実施形態では、電子導電板２１（導電部）および負極集電体８（多層構造部）を接合することで、１つの多層構造集電体が構成される。
なお、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の他の構造は、第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
第２実施形態に係るリチウムイオン二次電池によっても、第１実施形態と同様に、電池の体積エネルギ密度の低下を招くことなしに接触抵抗を低減させて優れた電池容量を構築できるとともに、電子導電板２１によって負極端子１４から伝わる振動を吸収でき、耐久性、耐震性を向上させることができる。
また、面接触する導電体折り返し部２２に接合部２３が設けられるため、面接触をより確実に確保することができる。
＜第３実施形態＞
図４は、第３実施形態に係るリチウムイオン二次電池を構成する、互いに接合される負極および電子導電板の１つを示し、（Ａ）は接合前の斜視図、（Ｂ）は接合後の斜視図である。
第３実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、第２実施形態と略同様であるが、図４（Ａ）に示すように、負極集電体８に開口部３２が設けられる点で異なる。開口部３２は接合部３３に対応して形成され、したがって、接合部３３は、折り返されて対向する電子導電板３１同士が接合して形成される。本実施形態では、電子導電板３１（導電部）および負極集電体８（多層構造部）を接合することで、１つの多層構造集電体が構成される。このような構造であっても、電子導電板３１の表面が、導電体折り返し部３４において第１導電層１６Ａおよび第２導電層１６Ｂの両方と面接触し、第１導電層１６Ａと第２導電層１６Ｂが、電子導電板３１を介して電気的に導通することとなる。
なお、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の他の構造は、第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
第３実施形態に係るリチウムイオン二次電池によっても、第１実施形態と同様に、電池の体積エネルギ密度の低下を招くことなしに接触抵抗を低減させて優れた電池容量を構築できるとともに、電子導電板３１によって負極端子１４から伝わる振動を吸収でき、耐久性、耐震性を向上させることができる。
また、面接触する導電体折り返し部３４に接合部３３が設けられるため、面接触をより確実に確保することができる。
＜第４実施形態＞
図５は、第４実施形態に係るリチウムイオン二次電池を構成する、互いに接合される負極および電子導電板の１つを示し、（Ａ）は接合前の斜視図、（Ｂ）は接合後の斜視図である。
第４実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、負極集電体８の側端に、折り返されて対向する面同士が接触する集電体折り返し部４２が形成される。また、電子導電板４１には、第１実施形態のような導電体折り返し部は形成されず、その一方面（図５中の下面）が、負極集電体８の集電体折り返し部４２が形成される面に接する。さらに、電子導電板４１は、集電体折り返し部４２のみでなく、集電体折り返し部４２よりも活物質層９が設けられる側の内側接触面４３とも接する。これにより、電子導電板４１の一方面が、負極集電体８の第１導電層１６Ａおよび第２導電層１６Ｂの両面と面接触し、第１導電層１６Ａと第２導電層１６Ｂが、電子導電板４１を介して電気的に導通することとなる。さらに、集電体折り返し部４２において、電子導電板４１および負極集電体８を超音波接合することにより、第１接合部４４が形成される。また、内側接触面４３において、電子導電板４１および負極集電体８を超音波接合することにより、第２接合部４５が形成される。本実施形態では、電子導電板４１（導電部）および負極集電体８（多層構造部）を接合することで、１つの多層構造集電体が構成される。
なお、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の他の構造は、第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
第４実施形態に係るリチウムイオン二次電池によっても、第１実施形態と同様に、電池の体積エネルギ密度の低下を招くことなしに接触抵抗を低減させて優れた電池容量を構築できるとともに、電子導電板４１によって負極端子１４から伝わる振動を吸収でき、耐久性、耐震性を向上させることができる。
また、面接触する集電体折り返し部４２および内側接触面４３に接合部（４４，４５）が設けられるため、面接触をより確実に確保することができる。
＜第５実施形態＞
図６は、第５実施形態に係るリチウムイオン二次電池を構成する、互いに接合される負極および電子導電板の１つを示し、（Ａ）は接合前の斜視図、（Ｂ）は接合後の斜視図である。
第５実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、図６（Ａ）に示すように、電子導電板５１の負極集電体８と接する側端に、側端側から切り込まれた導電体切り込み部５２が形成される。また、電子導電板５１には、折り返しや切り込みは形成されない。電子導電板５１は、図６（Ｂ）に示すように、導電体切り込み部５２が設けられる側端において導電体切り込み部５２を挟んで一方側（図６中の手前側）が、負極集電体８の一方面（図６中の上面）と面接触し、他方側（図６中の奥側）が、負極集電体８の他方面（図６中の下面）と面接触する。これにより、負極集電体８と電子導電板５１が重なる重畳部５３が設けられる。したがって、電子導電板５１が、負極集電体８の第１導電層１６Ａおよび第２導電層１６Ｂの両面と面接触し、第１導電層１６Ａと第２導電層１６Ｂが、電子導電板５１を介して電気的に導通することとなる。さらに、この面接触する重畳部５３において、電子導電板５１および負極集電体８を面方向から第１実施形態と同様に超音波接合することにより、接合部５４が形成される。本実施形態では、電子導電板５１（導電部）および負極集電体８（多層構造部）を接合することで、１つの多層構造集電体が構成される。
なお、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の他の構造は、第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
第５実施形態に係るリチウムイオン二次電池によっても、第１実施形態と同様に、電池の体積エネルギ密度の低下を招くことなしに接触抵抗を低減させて優れた電池容量を構築できるとともに、電子導電板５１によって負極端子１４から伝わる振動を吸収でき、耐久性、耐震性を向上させることができる。
また、負極端子１４と負極集電体８の間に、他の部材である電子導電板５１が設けられるため、負極端子１４から伝わる振動を吸収でき、耐久性、耐震性を向上させることができる。
＜第６実施形態＞
図７は、第６実施形態に係るリチウムイオン二次電池を構成する、互いに接合される負極および電子導電板の１つを示し、（Ａ）は接合前の斜視図、（Ｂ）は接合後の斜視図である。
第６実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、図７（Ａ）に示すように、負極集電体８の電子導電板６１と接する側端に、側端側から切り込まれた集電体切り込み部６２が形成される。また、電子導電板６１には、折り返しや切り込みは形成されない。負極集電体８は、図７（Ｂ）に示すように、集電体切り込み部６２が設けられる側端において集電体切り込み部６２を挟んで一方側（図７中の手前側）が、電子導電板６１の一方面（図７中の上面）と面接触し、他方側（図７中の奥側）が、電子導電板６１の他方面（図７中の下面）と面接触する。これにより、負極集電体８と電子導電板６１が重なる重畳部６３が設けられる。したがって、電子導電板６１が、負極集電体８の第１導電層１６Ａおよび第２導電層１６Ｂの両面と面接触し、第１導電層１６Ａと第２導電層１６Ｂが、電子導電板６１を介して電気的に導通することとなる。さらに、この面接触する重畳部６３において、電子導電板６１および負極集電体８を面方向から第１実施形態と同様に超音波接合することにより、接合部６４が形成される。本実施形態では、電子導電板６１（導電部）および負極集電体８（多層構造部）を接合することで、１つの多層構造集電体が構成される。
なお、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の他の構造は、第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
第６実施形態に係るリチウムイオン二次電池によっても、第１実施形態と同様に、電池の体積エネルギ密度の低下を招くことなしに接触抵抗を低減させて優れた電池容量を構築できるとともに、電子導電板６１によって負極端子１４から伝わる振動を吸収でき、耐久性、耐震性を向上させることができる。
また、面接触する重畳部６３に接合部６４が設けられるため、面接触をより確実に確保することができる。
＜第７実施形態＞
図８は、第７実施形態に係るリチウムイオン二次電池を構成する、互いに接合される負極および電子導電板の１つを示し、（Ａ）は接合前の斜視図、（Ｂ）は接合後の斜視図である。
第７実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、図８（Ａ）に示すように、電子導電板７１の負極集電体８と接する側端に、側端側から切り込まれた２つの導電体切り込み部７２が形成される。これにより、２つの導電体切り込み部７２の間には、側端に向かって延びる導電体挿入片７３が設けられ、その両側には、導電体側端片７４が設けられる。また、負極集電体８には、電子導電板７１と接する側端に、側辺に沿って延びる切り込み孔である集電体挿入孔７５が設けられる。導電体挿入片７３は、図８（Ｂ）に示すように、集電体挿入孔７５に一方面（図８中の上面）側から挿入される。これにより、導電体側端片７４は負極集電体８の一方面（図８中の上面）と面接触し、導電体挿入片７３は負極集電体８の他方面（図８中の下面）と面接触する。これにより、負極集電体８と電子導電板７１が重なる重畳部７６が設けられる。したがって、電子導電板７１が、負極集電体８の第１導電層１６Ａおよび第２導電層１６Ｂの両面と面接触し、第１導電層１６Ａと第２導電層１６Ｂが、電子導電板７１を介して電気的に導通することとなる。さらに、この面接触する重畳部７６において、電子導電板７１および負極集電体８を面方向から第１実施形態と同様に超音波接合することにより、接合部７７が形成される。本実施形態では、電子導電板７１（導電部）および負極集電体８（多層構造部）を接合することで、１つの多層構造集電体が構成される。
なお、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の他の構造は、第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
第７実施形態に係るリチウムイオン二次電池によっても、第１実施形態と同様に、電池の体積エネルギ密度の低下を招くことなしに接触抵抗を低減させて優れた電池容量を構築できるとともに、電子導電板７１によって負極端子１４から伝わる振動を吸収でき、耐久性、耐震性を向上させることができる。
また、面接触する重畳部７６に接合部７７が設けられるため、面接触をより確実に確保することができる。
＜第８実施形態＞
図９は、第８実施形態に係るリチウムイオン二次電池を構成する、互いに接合される負極および電子導電板の１つを示し、（Ａ）は接合前の斜視図、（Ｂ）は接合後の斜視図である。
第８実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、図９（Ａ）に示すように、負極集電体８の電子導電板８１と接する側端に、側端側から切り込まれた２つの集電体切り込み部８２が形成される。２つの集電体切り込み部８２の間には、側端に向かって延びる集電体挿入片８３が設けられ、その両側には、集電体側端片８４が設けられる。また、電子導電板８１には、負極集電体８と接する側端に、側辺に沿って延びる切り込み孔である導電体挿入孔８５が設けられる。集電体挿入片８３は、図９（Ｂ）に示すように、電子導電板８１の導電体挿入孔８５に一方面（図９中の上面）側から挿入される。これにより、電子導電板８１は、集電体側端片８４の一方面（図９中の上面）と面接触するとともに、集電体挿入片８３の他方面（図９中の下面）と面接触する。これにより、負極集電体８と電子導電板８１が重なる重畳部８６が設けられる。したがって、電子導電板８１が、負極集電体８の第１導電層１６Ａおよび第２導電層１６Ｂの両面と面接触し、第１導電層１６Ａと第２導電層１６Ｂが、電子導電板８１を介して電気的に導通することとなる。さらに、この面接触する重畳部８６において、電子導電板８１および負極集電体８を面方向から第１実施形態と同様に超音波接合することにより、接合部８７が形成される。本実施形態では、電子導電板８１（導電部）および負極集電体８（多層構造部）を接合することで、１つの多層構造集電体が構成される。
なお、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の他の構造は、第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
第８実施形態に係るリチウムイオン二次電池によっても、第１実施形態と同様に、電池の体積エネルギ密度の低下を招くことなしに接触抵抗を低減させて優れた電池容量を構築できるとともに、電子導電板８１によって負極端子１４から伝わる振動を吸収でき、耐久性、耐震性を向上させることができる。
また、面接触する重畳部８６に接合部８７が設けられるため、面接触をより確実に確保することができる。
＜第９実施形態＞
図１０は、第９実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電池要素を示す概略断面図である。
第９実施形態に係るリチウムイオン二次電池１０１は、図１０に示すように、負極集電体１０２が、第１導電層１０３Ａ、絶縁層１０４および第２導電層１０３Ｂの３層構造で形成される積層構造部１０５と、導電部１０６とを有している。導電部１０６は、負極集電体１０２の側端において、絶縁層１０４の側端よりも側方へ設けられ、第１導電層１０３Ａおよび第２導電層１０３Ｂと一体的に形成された導電材料のみにより形成される。すなわち、本実施形態では、第１〜第８実施形態と異なり、別部材としての電子導電板（導電部）が設けられずに、導電部１０６が負極集電体１０２の一部に形成されている。したがって、第１〜第８実施形態では、別部材である負極集電体８および電子導電板を接合することで、１つの多層構造集電体を構成しているが、第９実施形態では、負極集電体１０２に積層構造部１０５および導電部１０６を一体的に形成することで、負極集電体１０２自体が多層構造集電体となっている。
負極集電体１０２の少なくとも１つには、負極端子１４に接続するために、側端において屈曲部１０７が形成されている。絶縁層１０４は、屈曲部１０７よりも内側（電池要素を構成する側）に設けられている。それぞれの導電部１０６は、互いに積層されて、負極端子１４に接続される。または、導電部１０６の各々が、積層されることなく個別に負極端子１４に接続されてもよい。
なお、導電部１０６は、第１導電層１０３Ａおよび第２導電層１０３Ｂの両方と一体的に形成されるのではなく、例えば、第１導電層１０３Ａと一体的に形成される部位と、第２導電層１０３Ｂと一体的に形成される部位とが、互いに面接触する２層構造であってもよい。
第９実施形態に係るリチウムイオン二次電池１０１によれば、絶縁層１０４が設けられない導電部１０６が、第１導電層１０３Ａおよび第２導電層１０３Ｂと一体的に形成されているため、実施形態１〜８の様な電子導電板との接続が不要であるので接触抵抗の増加がなく、第１導電層１０３Ａと第２導電層１０３Ｂの間の導通を十分に確保しつつ、負極端子１４と接続できる。さらに、多層構造の薄型の集電体を実現でき、電池の体積エネルギ密度の低下を招くことなしに、接触抵抗を低減させて優れた電池容量を構築できる。
＜第１０実施形態＞
図１１は、第１０実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電池要素を示す概略断面図である。
第１０実施形態に係るリチウムイオン二次電池１１１は、上述した第９実施形態と略同様の構造を有しているが、絶縁層１１２が、屈曲部１１３よりも側端側に至るまで形成されている点でのみ、第９実施形態と異なる。
第１０実施形態に係るリチウムイオン二次電池１１１によれば、第９実施形態と同様の効果を奏するとともに、さらに、絶縁層１１２が屈曲部１１３においても形成されているため、屈曲部１１３における強度が向上し、耐久性、耐震性を向上させることができる。
＜参考形態＞
図１２は、参考形態に係るリチウムイオン二次電池の負極の１つを示す斜視図である。
参考形態に係るリチウムイオン二次電池は、図１２に示すように、負極集電体８の側端に、同一回転方向へ２回折り返されて３重に重なる集電体折り返し部９１が形成される。これにより、負極集電体８の第１導電層１６Ａおよび第２導電層１６Ｂが直接的に面接触する。すなわち、集電体折り返し部９１における第１導電層１６Ａおよび第２導電層１６Ｂ自体が導電部として機能し、第１導電層１６Ａと第２導電層１６Ｂが電気的に導通することとなる。さらに、この面接触する集電体折り返し部９１において、負極集電体８を面方向から第１実施形態と同様に超音波接合することにより、接合部９２が形成される。
参考形態に係るリチウムイオン二次電池によれば、負極集電体８の第１導電層１６Ａおよび第２導電層１６Ｂが直接的に面接触し、第１導電層１６Ａと第２導電層１６Ｂの間の接触面積が十分に確保される。したがって、第１導電層１６Ａと第２導電層１６Ｂの間の導通を広い接触面積で十分に確保しつつ、多層構造の薄型の集電体を実現できるため、電池の体積エネルギ密度の低下を招くことなしに、接触抵抗を低減させて優れた電池容量を構築できる。
また、面接触する集電体折り返し部９１に接合部９２が設けられるため、面接触をより確実に確保することができる。
また、負極端子１４と負極集電体８の間に、集電体折り返し部９１が設けられるため、負極端子１４から伝わる振動を吸収でき、耐久性、耐震性を向上させることができる。
＜試験例＞
上述した第１実施形態〜第８実施形態および参考形態に対応して試験体１〜９を作成し、引張り試験および減衰比測定試験を実施した。試験体１〜８は、図２（Ｂ）〜図９（Ｂ）に示すように、第１実施形態〜第８実施形態に係るリチウムイオン二次電池を構成する、互いに接合される負極および電子導電板の１つを取り出した構造を有しており、試験体９は、図１２に示すように、側端を３重に折り返して接合した負極の１つを取り出した構造を有している。試験体１〜９のいずれも、負極集電体８は、絶縁層１５にポリイミドを用い、第１導電層１６Ａ，第２導電層１６Ｂに銅箔を用いた多層構造集電箔（多層構造集電体）であり、試験体１〜８の電子導電板（１３，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１）は、銅箔である。超音波接合では、いずれも超音波ホーンを１３〜１５ｐｓｉの加圧力で圧接し、周波数２０ｋＨｚ、出力７０〜８０Ｊの超音波を０．５〜０．７秒間印加して、接合幅ｄ＝４ｍｍ、接合長さＬ＝４０ｍｍの接合部（１９，２３，３３，４４，４５，５４，６４，７７，８７，９２）を形成した。
引張り試験では、試験体１〜８では電子導電板（１３，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１）を、試験体９では負極１０の集電体折り返し部９１が設けられる端部を、負極１０から引き離す方向（図２〜１０中の左方向）へ引張り速度１０ｍｍ／分で引張り、ストロークに対する加重を計測した。結果を、表１に示す。
Figure 2009038004
減衰比測定試験では、負極１０に、負極１０の面に垂直方向の加速度を計測できるように加速度センサを設置し、試験体１〜８では電子導電板（１３，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１）を、試験体９では負極１０の集電体折り返し部９１が設けられる端部を、インパルスハンマにより面に垂直な方向に加振した。このときの加振信号と応答信号をインパルスハンマおよび加速度センサから取得し、２つの信号をＦＦＴアナライザに入力することにより、周波数応答関数を算出した。さらに、周波数応答関数から減衰比を算出した。結果を、表２に示す。
Figure 2009038004
表１に示す引張り試験の結果より、いずれの試験体においても、十分に高い接合強度が得られることが確認できた。また、表２に示す減衰比測定試験の結果より、いずれの試験体においても十分に高い減衰比が得られ、高い耐久性、耐震性を有することが確認できた。また、これらの中でも、特に、第１実施形態〜第３実施形態に対応する試験体１〜３において高い接合強度、耐久性および耐震性を実現できることが確認できた。
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、多層構造集電体を正極集電体４に適用してもよい。また、第９実施形態では、集電体折り返し部９１が同一回転方向へ２回以上折り返されていればよく、例えば４層以上に重なって形成されてもよい。また、積層型電池は、リチウムイオン二次電池に限定されない。
第１実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電池要素を示す概略断面図である。 第１実施形態に係るリチウムイオン二次電池を構成する、互いに接合される負極および電子導電板の１つを示し、（Ａ）は接合前の斜視図、（Ｂ）は接合後の斜視図である。 第２実施形態に係るリチウムイオン二次電池を構成する、互いに接合される負極および電子導電板の１つを示し、（Ａ）は接合前の斜視図、（Ｂ）は接合後の斜視図である。 第３実施形態に係るリチウムイオン二次電池を構成する、互いに接合される負極および電子導電板の１つを示し、（Ａ）は接合前の斜視図、（Ｂ）は接合後の斜視図である。 第４実施形態に係るリチウムイオン二次電池を構成する、互いに接合される負極および電子導電板の１つを示し、（Ａ）は接合前の斜視図、（Ｂ）は接合後の斜視図である。 第５実施形態に係るリチウムイオン二次電池を構成する、互いに接合される負極および電子導電板の１つを示し、（Ａ）は接合前の斜視図、（Ｂ）は接合後の斜視図である。 第６実施形態に係るリチウムイオン二次電池を構成する、互いに接合される負極および電子導電板の１つを示し、（Ａ）は接合前の斜視図、（Ｂ）は接合後の斜視図である。 第７実施形態に係るリチウムイオン二次電池を構成する、互いに接合される負極および電子導電板の１つを示し、（Ａ）は接合前の斜視図、（Ｂ）は接合後の斜視図である。 第８実施形態に係るリチウムイオン二次電池を構成する、互いに接合される負極および電子導電板の１つを示し、（Ａ）は接合前の斜視図、（Ｂ）は接合後の斜視図である。 第９実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電池要素を示す概略断面図である。 第１０実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電池要素を示す概略断面図である。 参考形態に係るリチウムイオン二次電池の負極の１つを示す斜視図である。
符号の説明
１，１０１，１１１ リチウムイオン二次電池、
４ 正極集電体、
５ 正極活物質層、
６ 正極、
８，１０２ 負極集電体（多層構造部）、
９ 負極活物質層、
１０ 負極、
１３，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１ 電子導電板（導電部）、
１５，１０４，１１２ 絶縁層、
１６Ａ，１６Ｂ，１０３Ａ，１０３Ｂ 導電層、
１７，４２ 集電体折り返し部、
１８，２２，３４ 導電体折り返し部、
１９，２３，３３，５４，６４，７７，８７，９２ 接合部、
３２ 開口部、
４３ 内側接触面、
４４ 第１接合部、
４５ 第２接合部、
５２ 導電体切り込み部、
７２ 導電体切り込み部、
５３，６３，７６，８６ 重畳部、
６２，８２ 集電体折り込み部、
７３ 導電体挿入片、
７５ 集電体挿入孔（切り込み孔）、
８３ 集電体挿入片、
８５ 導電体挿入孔（切り込み孔）、
９１ 集電体折り返し部、
１０５ 多層構造部、
１０６ 導電部、
１０７，１１３ 屈曲部、
ｄ 接合幅、
Ｌ 接合長さ。

Claims (15)

  1. 絶縁層を２つの導電層で挟んだ多層構造部と、
    前記２つの導電層に接続するとともに前記絶縁層が設けられる部位の側端よりも側方へ延在する導電材料からなり、電池の外部に電流を取り出すための電極端子と電気的に接続する導電部と、
    を備えた多層構造集電体の両面に、活物質層を設けた電極を発電要素として含む積層型電池。
  2. 前記導電部は前記多層構造部と別部材の電子導電板であり、
    前記電子導電板の一端が前記電極端子と電気的に接続し、
    前記電子導電板の他端が、前記２つの導電層の各表面と面接触しつつ接続した請求項１に記載の積層型電池。
  3. 前記電子導電板および多層構造部の互いに重なる部位に、前記電子導電板および導電層が接合される接合部が形成された請求項２に記載の積層型電池。
  4. 前記電子導電板および多層構造部の少なくとも一方に、表裏が反転して対向する折り返し部が形成され、当該折り返し部にて面接触する請求項２または３に記載の積層型電池。
  5. 前記電子導電板および多層構造部の両方に前記折り返し部が形成され、当該２つの折り返し部は、いずれも表裏が反転して対向する面に隙間を有し、当該２つの折り返し部が、互いの隙間に挟まって面接触する請求項４に記載の積層型電池。
  6. 前記電子導電板に前記折り返し部が形成され、当該折り返し部は、表裏が反転して対向する面に隙間を有し、当該折り返し部の隙間に、前記多層構造部が挟まって面接触する請求項４に記載の積層型電池。
  7. 前記多層構造部は、前記接合部に対応する位置に、開口部を有する請求項６に記載の積層型電池。
  8. 前記多層構造部に前記折り返し部が形成され、当該折り返し部は、対向する面が接するように折り返して形成され、前記電子導電板の一方面が、前記多層構造集電体の折り返し部および当該折り返し部と異なる部位の両方に面接触する請求項４に記載の積層型電池。
  9. 前記電子導電板および多層構造部の少なくとも一方に、側端から切り込まれた切り込み部が形成され、当該切り込み部に前記電子導電板または多層構造部が挟まるとともに電子導電板および多層構造部が面接触する請求項２または３に記載の積層型電池。
  10. 前記電子導電板および多層構造部の少なくとも一方に、切り込まれて貫通する切り込み孔が形成され、当該切り込み孔に、前記電子導電板および多層構造部の他方に形成される挿入片が挿入されるとともに、前記電子導電板および多層構造部が面接触する請求項２または３に記載の積層型電池。
  11. 前記挿入片は、前記電子導電板または多層構造部の側端を切り込んで形成される請求項１０に記載の積層型電池。
  12. 前記絶縁層は、前記多層構造集電体に形成される屈曲部に至るまで設けられる請求項１に記載の積層型電池。
  13. 前記正極の集電体の導電材料はアルミであり、前記負極の集電体の導電材料は銅である請求項１〜１２のいずれか１項に記載の積層型電池。
  14. 前記多層構造集電体の絶縁層は、ポリイミドからなる請求項１〜１３のいずれか１項に記載の積層型電池。
  15. 前記負極が前記多層構造集電体である請求項１〜１４のいずれか１項に記載の積層型電池。
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