JP2011054378A

JP2011054378A - 非水電解液二次電池

Info

Publication number: JP2011054378A
Application number: JP2009201435A
Authority: JP
Inventors: Naoko Tsukimori; 直子月森; Akira Kojima; 亮小島
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2009-09-01
Publication date: 2011-03-17

Abstract

【課題】集電タブの破断を防ぐことができ、生産性かつ集電性能に優れ、軽量な構造の非水電解液二次電池を提供する。
【解決手段】正極及び負極からなる電極群がセパレータを介して捲回されて形成された扁平捲回群５と、扁平捲回群５の軸方向一端面から導出される正極集電タブ９と、扁平捲回群５の軸方向他端面から導出される負極集電タブ７と、正極集電タブ９と溶接される正極集電板１３と、負極集電タブ７と溶接される負極集電板１２とを備える。正極集電板１３及び負極集電板１２は、正極集電タブ９及び負極集電タブ７に対する溶接面１５、１４が扁平捲回群５の軸方向一端面及び他端面にそれぞれ対面するように配置される。正極集電板１３及び負極集電板１２の溶接面１５、１４は、扁平捲回群５の扁平をなす面１６と直交している。正極集電タブ９及び負極集電タブ７は、扁平捲回群５の厚さＴの半分よりも長い。
【選択図】図３

Description

本発明は非水電解液二次電池に係わり、特に、正極と負極からなる電極群によって形成された扁平捲回群を有する非水電解液二次電池に関する。

現在、非水電解液二次電池は、高エネルギ密度を有することから、家電製品等の電源として小型民生用に広く用いられている。また、電気自動車等の電源として、大型の非水電解液二次電池も実用化されている。これらの用途では、単独の非水電解液二次電池が使用される場合や、複数の非水電解液二次電池が組み込まれた電池システム等として使用される場合がある。

通常、非水電解液二次電池は、帯状の金属箔にそれぞれ正極活物質と負極活物質が薄膜塗工された正極板と負極板を有し、正極板と負極板とが直接接触しないように多孔質セパレータを介して断面渦巻状に捲回された捲回式の内部構造を有している。捲回された電極群は、非水電解液に浸潤されて電池容器に収容されている。また、正極板と負極板とから複数の集電タブを導出する場合には、導出された集電タブを電池の外部端子に接続するために、何らかの方法で集結させる必要がある。例えば、特許文献１には、集電タブを集合させてリング状の集電部材の周縁部に超音波溶接により接合し、この集電部材からリードを導出して外部端子に接続する技術が開示されている。また、特許文献２には、集電タブと集電部材とを溶接する技術も開示されている。

特開平１１−３１２５３２号公報特開平７−２２０７１５号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、集電部材と外部端子とをリード等で接続するため、電池内にリード等を配置するための空間が必要となり全体構造が大きくなり、重量が増加することがある。また、特許文献２の技術では、集電タブと集電板との溶接時において、溶接時の振動等の外力で集電タブを破断する可能性がある。

本発明は、上記の事案に鑑み、集電タブの破断を防ぐことができ、生産性かつ集電性能に優れ、軽量な構造の非水電解液二次電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明による非水電解液二次電池は、基本的には次のような特徴を有する。

本発明による非水電解液二次電池は、正極及び負極からなる電極群がセパレータを介して捲回されて形成された扁平捲回群と、前記扁平捲回群の軸方向一端面から導出される正極集電タブ群と、前記扁平捲回群の軸方向他端面から導出される負極集電タブ群と、前記正極集電タブ群と溶接される正極集電板と、前記負極集電タブ群と溶接される負極集電板とを備える。前記正極集電板及び負極集電板は、前記正極集電タブ群及び負極集電タブ群に対する溶接面が前記扁平捲回群の前記軸方向一端面及び他端面にそれぞれ対面するように配置され、前記正極集電板及び負極集電板の溶接面は、前記扁平捲回群の扁平をなす面と直交している。

また、前記正極集電タブ群及び負極集電タブ群の長さは、前記扁平捲回群の厚さの半分よりも長い。

また、前記正極集電タブ群及び負極集電タブ群は、前記扁平捲回群の厚みの中心線に対向する位置で前記正極集電板及び負極集電板にそれぞれ溶接されている。

また、前記扁平捲回群は、前記電極群が軸芯の周りに捲回されて形成されており、前記正極集電板及び負極集電板は、前記軸芯の一端及び他端にそれぞれ嵌合されている。

また、前記正極集電タブ群及び負極集電タブ群は、前記扁平捲回群の軸方向端面のうち、前記軸方向端面の直線端縁と前記扁平捲回群の厚みの中心線との間の領域から導出されている。

また、前記正極集電タブ群及び負極集電タブ群は、前記扁平捲回群の厚みの中心線を基準として、反対側に配置されている。

本発明によれば、電極群から導出された集電タブの破断を防ぐことができ、集電性能に優れた非水電解液二次電池を提供することができる。また、集電板の幅を小さくすることができるので、非水電解液二次電池の軽量化が可能となる。さらに、集電タブの溶接時の作業性を向上することができ、非水電解液二次電池の生産性を上げることができる。

本発明の実施形態による非水電解液二次電池の外観図である。本発明の実施形態による非水電解液二次電池の扁平捲回群（電極群）の斜視図である。本発明の実施形態による非水電解液二次電池の扁平捲回群（電極群）の側面図である。本発明の実施形態による非水電解液二次電池の扁平捲回群（電極群）の正面斜視図である。本発明の実施形態による非水電解液二次電池の側面断面図である。本発明の実施形態による非水電解液二次電池の扁平捲回群（電極群）の上面図である。

以下、図面を参照して、本発明をハイブリッド電気自動車用の非水電解液二次電池に適用した実施の形態の例について説明する。

本実施形態の非水電解液二次電池の外観図を図１に示す。非水電解液二次電池２０は、正極と負極からなる電極群によって形成された扁平捲回群が扁平形の電池缶１に収納されている。電池缶１は、外部と接続するための負極端子２及び正極端子３と、電解液を注入するための注液口４とを備える。

図２に扁平捲回群（電極群）の斜視図を示す。図２では、構造を分かりやすくするため、電極群の一部を開いて示している。電極群は、帯状の正極８と負極６とがセパレータ１０を介して平板状の軸芯１１の周りに捲回されているものである。扁平捲回群５は、電極群がこのように捲回されて形成される。なお、図２では、正極８と負極６とがセパレータ１０を挟んでいるが、セパレータ１０の一部をカットし、セパレータ１０に隠れる負極６の一部を正極８とともに見える状態で図示している。

以下、正極、負極、及び電池の作製について説明する。

（正極の作製）
正極活物質には、リチウム遷移金属酸化物として、マンガン酸リチウムが用いられている。マンガン酸リチウムを含む正極合剤は、集電体である帯状で厚み２０μｍのアルミニウム箔の両面に略均等に塗着されている。ただし、アルミニウム箔の短手方向（図２に示す扁平捲回群５の軸方向）の一端（図２では下端）には、正極合剤を塗着しない帯状部が形成されている（なお、図２では、この帯状部は、集電タブ群形成のために切り欠きが形成された状態で示されているが、ここでは集電タブ群の形成前の状態をいう）。すなわち、アルミニウム箔の下部には、正極合剤が塗着されない帯状部が長手方向（図２に示す扁平捲回群５の捲回方向）に連続して存在する。この正極合剤が塗着されない部分は、後述するように、集電タブ群（正極タブ９）に加工される。

正極合剤には、例えば、マンガン酸リチウムの１００重量部に対して、導電材として鱗片状黒鉛の１０重量部、及びバインダ（結着材）としてポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦと略記する）の５重量部が配合されている。この正極合剤は、集電体であるアルミニウム箔に塗着するときに、分散溶媒のＮ−メチルピロリドン（以下、ＮＭＰと略記する）で粘度調整される。

正極合剤が塗着されたアルミニウム箔を乾燥、プレス加工して、正極８が作製される。その後、正極８に対し、アルミニウム箔の長手方向に連続して形成した正極合剤が塗着されていない帯状部を数ミリメートル幅で残すように切り欠き、矩形状の正極タブ９を作製した。図２に示すように、正極タブ９は、アルミニウム箔の長手方向に複数形成され、集電タブ群となる。なお、正極タブ９の長さＬ_Ｃは、扁平捲回群５の厚さＴの半分よりも長くした。

（負極の作製）
負極活物質には、非晶質炭素粉末が用いられている。非晶質炭素粉末を含む負極合剤は、集電体である帯状で厚み１０μｍの圧延銅箔の両面に略均等に塗着されている。ただし、圧延銅箔の短手方向（図２に示す扁平捲回群５の軸方向）の一端（図２では上端）には、負極合剤を塗着しない帯状部が形成されている（なお、図２では、正極と同様に、この帯状部は、集電タブ群形成のために切り欠きが形成された状態で示されているが、ここでは集電タブ群の形成前の状態をいう）。すなわち、圧延銅箔の上部には、負極合剤が塗着されない帯状部が長手方向（図２に示す扁平捲回群５の捲回方向）に連続して存在する。この負極合剤が塗着されない部分は、後述するように、集電タブ群（負極タブ７）に加工される。

負極合剤には、例えば、非晶質炭素粉末の９０重量部に対して、バインダのＰＶＤＦの１０重量部が配合されている。この負極合剤は、集電体である圧延銅箔に塗着するときに、分散溶媒のＮＭＰで粘度調整される。

負極合剤が塗着された圧延銅箔を乾燥し、正極板と同様にプレス加工して、負極６が作製される。その後、負極６に対し、圧延銅箔の長手方向に連続して形成した負極合剤が塗着されていない帯状部を数ミリメートル幅で残すように切り欠き、矩形状の負極タブ７を作製した。図２に示すように、負極タブ７は、圧延銅箔の長手方向に複数形成され、集電タブ群となる。なお、負極タブ７の長さＬ_Ａは、扁平捲回群５の厚さＴの半分よりも長くした。

負極の厚さは、負極の放電容量と正極の放電容量の比（−／＋容量比）が１．０で一定となるように調整されている。

（電池の作製）
上記のように作製した正極８と負極６とを、図２に示すように、これら両極が直接接触しないようにポリエチレン製のセパレータ１０を介して軸芯１１の周りに捲回させて、電極群から形成された扁平捲回群５を作製した。軸芯１１には、後述するように、負極集電板と正極集電板とを嵌合するための凹部が、下端と上端にそれぞれ設けられている。

正極タブ９と負極タブ７は、それぞれ扁平捲回群５の下部と上部に位置し、扁平捲回群５の軸方向について反対方向を向くようにした。すなわち、正極タブ９は、図２に示す扁平捲回群５の下部に位置して下方向を向き、負極タブ７は、上部に位置して上方向を向くようにして、それぞれ扁平捲回群５から導出される。

図６は、扁平捲回群５の上面図であり、扁平捲回群５の軸方向の端面形状を表す。図６に示すように、扁平捲回群５の軸方向の端面形状は、２つの対向する直線端縁１８とこれらをつなぐ２つの曲線部分１９とから構成される。なお、扁平捲回群５の正極タブ９が存在する側の直線端縁１８と負極タブ７が存在する側の直線端縁１８とを結ぶ平面を、扁平捲回群５の扁平をなす面１６と称する（図２参照）。

集電タブである正極タブ９と負極タブ７は、正極８と負極６の捲回直後は、扁平捲回群５の軸方向の両端の端面全領域（図６のＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）から導出されている。このうち、軸芯１１と一方の直線端縁１８’との間の領域Ｓ１から導出される集電タブを残して、残りの領域Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４から導出される集電タブを除去する。すなわち、集電タブは、扁平捲回群５の軸方向の端面のうち、扁平捲回群５の厚みの中心線（軸芯１１のある位置）を基準として一方の領域から導出されている。

また、正極タブ９と負極タブ７は、軸芯１１を挟んで対向するように、扁平捲回群５の厚みの中心線を基準として、反対側に配置されるようにした。すなわち、図２に示すように、正極タブ９は軸芯１１に対して手前側を残し、負極タブ７は軸芯１１に対して奥側を残し、正極タブ９と負極タブ７とが軸芯１１を挟んで反対側から導出されるようにした。

図３に扁平捲回群５の側面図を、図４に扁平捲回群５の正面斜視図を示す。図４では、負極タブ７は、負極集電板１２の背後に隠れているため、図示していない。図３と図４に示すように、正極タブ９と負極タブ７とは、軸芯１１に対して反対側から導出されている。

正極タブ９は、図３に示すように、それぞれの先端を扁平捲回群５の厚さＴ方向の中心部に集合させ、そこで正極集電板１３と溶接した。負極タブ７も、正極タブ９と同様に、それぞれの先端を扁平捲回群５の厚さＴ方向の中心部に集合させ、そこで負極集電板１２と溶接した。図３と図４に示すように、正極集電板１３の上面は、正極タブ９と溶接される溶接面１５となり、負極集電板１２の下面は、負極タブ７と溶接される溶接面１４となる。

このように、正極集電板１３の溶接面１５と負極集電板１２の溶接面１４は、扁平捲回群５の軸方向一端面と他端面にそれぞれ対面するように配置され、扁平捲回群５の扁平をなす面１６と直交している。また、正極タブ９と負極タブ７は、扁平捲回群５の厚みの中心線（厚さＴ方向の中心部）に対向する位置で、正極集電板１３と負極集電板１２にそれぞれ溶接されている。

正極集電板１３と負極集電板１２には、それぞれ電気を取り出す端子、すなわち正極端子３と負極端子２が溶接されている。

図５は、非水電解液二次電池２０の側面断面図である。電池缶１の中に扁平捲回群５が納められている。図５では、構造を分かりやすくするため、正極タブ９と負極タブ７の図示を省略している。図５に示すように、正極集電板１３と負極集電板１２には位置決めをするための突起１７が設けられており、この突起１７を軸芯１１の下端と上端に設けられた凹部にそれぞれ嵌合して、正極集電板１３と負極集電板１２を固定した。このとき、上述したように、正極集電板１３の溶接面１５と負極集電板１２の溶接面１４は、扁平捲回群５の扁平をなす面１６と直交するように固定した。

その後、扁平捲回群５の周囲の全面に絶縁被覆を施した。

扁平捲回群５を、図１や図５に示すように、アルミニウム製の電池缶１に納め、電池缶１を溶接することで封口した。最後に、電池蓋に設けた注液口４から電解液を注入し、注液口４を塞いで密封した。電解液には、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）を体積比１：１：１の割合で混合した後、ＬｉＰＦ_６を１ｍｏｌ／ｌ溶解した有機電解液（非水電解液）を用いた。

次に、本実施形態の非水電解液二次電池の作用、効果等について説明する。

本実施形態の非水電解液二次電池では、正極タブ９は、図２に示すように扁平をなす面１６と平行な向きで扁平捲回群５から導出されている。この正極タブ９は、図３に示すように、先端を扁平捲回群５の厚さＴ方向の中心部に集合させ、扁平捲回群５の厚みの中心線に対向する位置で、正極集電板１３の溶接面１５に溶接されている。溶接面１５は、扁平をなす面１６と直交している。従って、正極タブ９は、滑らかに曲げて溶接することになり、特に溶接面１５に接する部分では溶接面１５と平行に近い向きにまで曲げる必要がある。このように、正極タブ９をゆるやかに曲げてたわみを持たせるような構造にすることで、溶接時の振動等の外力で正極タブ９が破断するのを防ぐことができる。負極タブ７についても、正極タブ９と同様に、破断を防ぐことができる。

また、本実施形態では、正極タブ９の長さＬ_Ｃと負極タブ７の長さＬ_Ａは、扁平捲回群５の厚さＴの半分よりも長いため、正極タブ９と負極タブ７は、それぞれ正極集電板１３と負極集電板１２に溶接してもたわみを持たせることができ、上述のように破断することがないので、集電効率の低下を抑制することができる。さらに、溶接するのに十分な長さがあるため、正極タブ９と負極タブ７の溶接時の作業性が向上し、非水電解液二次電池の生産性を上げることができる。

正極集電板１３と負極集電板１２は、扁平捲回群５の厚みの中心線（厚さＴ方向の中心部）に対向する位置で、それぞれ正極タブ９と負極タブ７とが溶接される。このため、正極集電板１３と負極集電板１２の幅を小さくすることができる。従って、正極集電板１３と負極集電板１２の軽量化が可能になり、軽量な構造の非水電解液二次電池を実現することができる。

正極集電板１３と負極集電板１２は、軸芯１１に嵌合されて固定されているので、溶接時に振動等の外力が加わっても、溶接されている正極タブ９と負極タブ７の破断を防止することができる。

また、正極タブ９と負極タブ７は、扁平捲回群５の一方の扁平をなす面１６部から導出されているので、正極タブ９と負極タブ７の溶接時の作業性を向上することができ、非水電解液二次電池の生産性を上げることができる。

本実施形態では、正極タブ９と負極タブ７は、扁平捲回群５の軸方向の端面のうち、扁平捲回群５の厚みの中心線（軸芯１１のある位置）を基準として一方の領域（図６のＳ１またはＳ２）から導出させて正極集電板１３と負極集電板１２とそれぞれ溶接したが、両方の領域（図６のＳ１及びＳ２）から導出させてもよい。

これに対し、従来の非水電解液二次電池では、集電タブ（正極タブと負極タブ）の長さにバラつきがある場合には、複数回の溶接作業で電池にかかる振動等の外力で集電タブが破断することもある。また、集電板の幅が大きくなるので、電池容器内に集電板を配置する空間が必要となり、電池重量が大きくなる。本実施形態の非水電解液二次電池は、これらの問題を解決することができる。

本実施形態では、扁平形の非水電解液二次電池について例示したが、本発明は電池の形状については限定されず、捲回した電極群を適用することのできる角形、その他の多角形の電池にも適用可能である。また、本発明の適用可能な電池封口構造としては、電池容器に電池蓋を溶接することで封口されている構造以外であっても構わない。

また、本実施形態では、正極活物質としてマンガン酸リチウムを例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。本実施形態以外で用いることのできる正極活物質としては、リチウムイオンを挿入・脱離可能な材料であり、予め十分な量のリチウムが挿入されたリチウム遷移金属酸化物であればよく、結晶中のリチウムや遷移金属の一部をそれら以外の元素で置換又はドープした材料を使用してもよい。

また、本実施形態では、負極活物質として非晶質炭素粉末を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。本実施形態以外で用いることのできる負極活物質としては、黒鉛、金属酸化物などの可逆にリチウムイオンを挿入・脱離可能な材料を用いてもよい。非晶質炭素及び黒鉛系の炭素材を混合して用いることもできるが、主として非晶質炭素を使用するのが好ましい。これは、黒鉛系の炭素材は、層状の結晶構造のために極低温環境下で結晶構造の収縮を引き起こすのに対して、非晶質炭素は、極低温環境下でも安定な構造を有するからである。

本発明は、集電タブ溶接の作業性を向上でき、振動時のタブ切れを抑制できる非水電解液二次電池を提供して、非水電解液二次電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

１…電池缶、２…負極端子、３…正極端子、４…注液口、５…扁平捲回群、６…負極、７…負極タブ、８…正極、９…正極タブ、１０…セパレータ、１１…軸芯、１２…負極集電板、１３…正極集電板、１４…負極集電板の溶接面、１５…正極集電板の溶接面、１６…扁平捲回群の扁平をなす面、１７…集電板の突起、１８…扁平捲回群の軸方向端面の直線端縁、１９…扁平捲回群の軸方向端面の曲線部分、２０…非水電解液二次電池、Ｔ…扁平捲回群の厚さ、Ｌ_Ｃ…正極タブの長さ、Ｌ_Ａ…負極タブの長さ。

Claims

正極及び負極からなる電極群がセパレータを介して捲回されて形成された扁平捲回群と、前記扁平捲回群の軸方向一端面から導出される正極集電タブ群と、前記扁平捲回群の軸方向他端面から導出される負極集電タブ群と、前記正極集電タブ群と溶接される正極集電板と、前記負極集電タブ群と溶接される負極集電板と、を備える非水電解液二次電池であって、
前記正極集電板及び負極集電板は、前記正極集電タブ群及び負極集電タブ群に対する溶接面が前記扁平捲回群の前記軸方向一端面及び他端面にそれぞれ対面するように配置され、
前記正極集電板及び負極集電板の溶接面は、前記扁平捲回群の扁平をなす面と直交していることを特徴とする非水電解液二次電池。
前記正極集電タブ群及び負極集電タブ群の長さは、前記扁平捲回群の厚さの半分よりも長い請求項１記載の非水電解液二次電池。
前記正極集電タブ群及び負極集電タブ群は、前記扁平捲回群の厚みの中心線に対向する位置で前記正極集電板及び負極集電板にそれぞれ溶接されている請求項１または２記載の非水電解液二次電池。
前記扁平捲回群は、前記電極群が軸芯の周りに捲回されて形成されており、
前記正極集電板及び負極集電板は、前記軸芯の一端及び他端にそれぞれ嵌合されている請求項１から３のいずれか１項記載の非水電解液二次電池。
前記正極集電タブ群及び負極集電タブ群は、前記扁平捲回群の軸方向端面のうち、前記軸方向端面の直線端縁と前記扁平捲回群の厚みの中心線との間の領域から導出されている請求項１〜４のいずれか１項記載の非水電解液二次電池。
前記正極集電タブ群及び負極集電タブ群は、前記扁平捲回群の厚みの中心線を基準として、反対側に配置されている請求項５記載の非水電解液二次電池。