(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極板及び負極板がセパレータを介して捲回又は積層された内部電極体と、電流を集電するか又は外部に取り出すための電流取り出し端子と、一端が前記正極板又は負極板にかつ他端が前記電流取り出し端子に電気的に接続された複数の短冊状集電タブとを備えたリチウム二次電池であって、
前記複数の短冊状集電タブの他端の前記電流取り出し端子への接続が、それぞれが厚み方向に積層された状態でかつ前記電流取り出し端子によって挟持された状態で、積層方向に圧着されることによるものであると共に、前記複数の短冊状集電タブの少なくとも長辺部分のそれぞれの側面上に溶接が施されてなることを特徴とするリチウム二次電池。
【請求項２】
前記複数の短冊状集電タブの少なくとも長辺部分のそれぞれの側面上への溶接が、抵抗溶接によるものであることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
【請求項３】
前記抵抗溶接が、３００Ｗ・ｓ〜２０００Ｗ・ｓ又は５０００Ａ〜３００００Ａの容量により、１回〜１００回の範囲で行われるものであることを特徴とする請求項２に記載のリチウム二次電池。
【請求項４】
前記複数の短冊状集電タブの１枚の厚みが５μｍ以上１００μｍ以下であり、かつ、接続された枚数が少なくとも２０枚であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
【請求項５】
電池容量が２Ａｈ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
【請求項６】
電気自動車用又はハイブリッド電気自動車用として用いられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
【請求項７】
正極板及び負極板がセパレータを介して捲回又は積層された内部電極体と、電流を集電するか又は外部に取り出すための電流取り出し端子と、一端が前記正極板又は負極板にかつ他端が前記電流取り出し端子に電気的に接続された複数の短冊状集電タブとを備えたリチウム二次電池を製造する方法であって、
前記複数の短冊状集電タブのそれぞれを厚み方向に積層した状態でかつ前記電流取り出し端子によって挟持させた状態で、積層方向に圧着して、前記複数の短冊状集電タブの他端を前記電流取り出し端子に接続すると共に、前記複数の短冊状集電タブの少なくとも長辺部分のそれぞれの側面上に溶接を施すことを特徴とするリチウム二次電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部電極体からの集電抵抗を低減することにより安定な大電流放電を可能ならしめたリチウム二次電池及び生産性に優れたリチウム二次電池の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境保護運動の高まりを背景として、二酸化炭素等の排出規制が望まれる中、自動車業界ではガソリン車等の化石燃料を使用する自動車に替えて、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の導入を促進する動きが活発になっている。
【０００３】
ＥＶ、ＨＥＶ用電池には、電池容量が大きいことのみならず、自動車の加速性能や登坂性能に大きな影響を及ぼす電池出力が大きいことも求められる。このような要求特性から、現在、実用化されている電池の中では、リチウム二次電池が最も適した電池と考えられている。
【０００４】
一般的に、リチウム二次電池の内部電極体は、正極板と負極板とを多孔性ポリマーフィルムからなるセパレータを介して正極板と負極板とが直接に接触しないように捲回又は積層して構成されている。例えば、図１に示すように、捲回型の内部電極体１は、正極板２と負極板３とをセパレータ４を介して捲回して作製され、正極板２及び負極板３（以下、「電極板２・３」という。）のそれぞれに正極用の集電タブ５Ａ及び負極用の集電タブ５Ｂ（以下、「タブ５Ａ・５Ｂ」と記す。）が配設される。
【０００５】
そして、タブ５Ａ・５Ｂの、電極板２・３と接続された反対側の端部は、外部端子１１又は外部端子１１に導通する内部端子部材１２等の電流取出端子１３に取り付けられる。即ち、タブ５Ａ・５Ｂは、電極板２・３からの集電を行うと共に、電流取出端子１３と導通するリード線としての役割を担っている。
【０００６】
なお、外部端子は電流を電池外部に取り出す為の電極端子を指し、内部端子部材は電池内部において一時的に電流を集電する部材を指すものであり、電流取出端子とはこれらを総称したものである。従って、外部端子と内部端子部材とを一体化して、電流取出端子を構成することも可能である。
【０００７】
電極板２・３は、正極板２についてはアルミニウム等、負極板３については銅等の金属箔等を集電基板として用い、それぞれに電極活物質を塗布して形成されており、タブ５Ａ・５Ｂは、このような集電基板の少なくとも一辺に配設される。そこで、タブ５Ａ・５Ｂとして短冊状のものを用いると、電極板２・３を捲回する際に、タブ５Ａ・５Ｂの部分で部分的に外周に向けて膨らむといった形状むらが発生し難く、また、集電基板と集電タブとの接触抵抗を低減することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＥＶ又はＨＥＶ用のリチウム二次電池では、電池１本当たりに、頻繁に１００Ａ、２００Ａといった大電流を流す必要のある場面が想定される。このような大電流が流れた場合に電池の出力ロスが小さくなるように、電池全体の内部抵抗をできるだけ小さくする必要がある。
【０００９】
そこで、発明者らは先に特願平１１−１３５２０号において、生産性が高い集電タブの接続方法を提案し、集電タブの接続が関与する部分の抵抗及び抵抗分布幅を低減したリチウム二次電池を開示している。
【００１０】
しかしながら、特願平１１−１３５２０号に開示した発明中、電池の生産性に優れた「かしめ加工」のみを用いて集電タブを内部電極端子に接続した構造を有する電池を用いて、更に大きな電流による放電、例えば、２００Ａ超の電流による放電を行った場合には、一部の電池に、その後の充放電曲線が所定の特性曲線から外れる挙動を示すものが現れることが明らかとなってきた。
【００１１】
つまり、特願平１１−１３５２０号に開示されたかしめ加工のみによる集電タブの接続という方法を用いた場合には、勿論、電池の組立作業性が良好であり、また所定の抵抗ばらつきの範囲内に集電タブの抵抗が納められる為に、高い生産性と信頼性が得られるが、より過酷な大電流放電を行った場合であっても電池特性が維持されるという、更に高い信頼性を確保することを目的とした場合には、結果的に不良品の発生率が高くなって、生産歩留りが低下するおそれがある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した大電流放電による一部の電池の特性劣化と生産歩留りの低下という新たに生じた問題に対処すべくなされたものである。
即ち、本発明によれば、正極板及び負極板がセパレータを介して捲回又は積層された内部電極体と、電流を集電するか又は外部に取り出すための電流取り出し端子と、一端が前記正極板又は負極板にかつ他端が前記電流取り出し端子に電気的に接続された複数の短冊状集電タブとを備えたリチウム二次電池であって、前記複数の短冊状集電タブの他端の前記電流取り出し端子への接続が、それぞれが厚み方向に積層された状態でかつ前記電流取り出し端子によって挟持された状態で、積層方向に圧着されることによるものであるとともに、前記複数の短冊状集電タブの少なくとも長辺部分のそれぞれの側面上に溶接が施されてなることを特徴とするリチウム二次電池、が提供される。また、本発明においては、正極板及び負極板がセパレータを介して捲回又は積層された内部電極体と、電流を集電するか又は外部に取り出すための電流取り出し端子と、一端が前記正極板又は負極板にかつ他端が前記電流取り出し端子に電気的に接続された複数の短冊状集電タブとを備えたリチウム二次電池を製造する方法であって、前記複数の短冊状集電タブのそれぞれを厚み方向に積層した状態でかつ前記電流取り出し端子によって挟持させた状態で、積層方向に圧着して、前記複数の短冊状集電タブの他端を前記電流取り出し端子に接続するとともに、前記複数の短冊状集電タブの少なくとも長辺部分のそれぞれの側面上に溶接を施すことを特徴とするリチウム二次電池の製造方法が提供される。
【００１３】
ここで、複数の短冊状集電タブの少なくとも長辺部分のそれぞれの側面上への溶接は、抵抗溶接により行うことが好ましく、抵抗スポット溶接を用いることが更に好ましい。このような抵抗溶接においては、３００Ｗ・ｓ〜２０００Ｗ・ｓ又は５０００Ａ〜３００００Ａの容量により、１回〜１００回の範囲で行うことが、溶接によって生ずる熱から集電タブや内部電極体を保護する観点、及び作業性の観点から好ましい。なお、この抵抗溶接は、５００Ｗ・ｓ〜１０００Ｗ・ｓ又は７０００Ａ〜２００００Ａの容量により、２回〜１０回の範囲で行うと、生産性が高まり、更に好ましい。
【００１４】
本発明においては、複数の短冊状集電タブの１枚の厚みが５μｍ以上１００μｍ以下であり、かつ接続された枚数が少なくとも２０枚であることが好ましい。本発明は、電池容量が２Ａｈ以上といった電極板１枚当たり複数の集電タブを設けることが好ましい電池に好適に適用される。また、大電流の放電を頻繁に行う電気自動車用又はハイブリッド電気自動車用として、好適に用いられる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。
本発明におけるリチウム二次電池（以下、「電池」という。）の内部電極体は、正極板と負極板とを多孔性ポリマーフィルムからなるセパレータを介して正極板と負極板とが直接に接触しないように捲回又は積層して構成されている。具体的には、捲回型の内部電極体１は、先に図１に示したように、正極板２と負極板３とをセパレータ４を介して捲回して形成され、電極板２・３にそれぞれ集電タブ５Ａ・５Ｂが接続される。
【００１６】
一方、積層型の内部電極体７は、図２に示すように、正極板８と負極板９とをセパレータ１０を介しながら交互に積層し、正負各電極板８・９（以下、「電極板８・９」という。）のそれぞれに正極用の集電タブ６Ａ及び負極用の集電タブ６Ｂが接続されて構成される。
【００１７】
正極板２・８及び負極板３・９は、共に集電基板にそれぞれの電極活物質を塗布して薄板状に形成される。集電基板の形態としては、箔、メッシュ等が挙げられ、本発明においては、正極板２・８用の集電基板としてアルミニウム箔が、負極板３・９用の集電基板としては銅箔が、それぞれ好適に用いられる。
【００１８】
そして、上記いずれの構造を有する電池であっても、一般的に、正極活物質としては、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2）やニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ2）或いはマンガン酸リチウムスピネル（ＬｉＭｎ2Ｏ4）等のリチウム遷移金属複合酸化物が用いられる。なお、これら正極活物質の導電性を向上させる為に、アセチレンブラックやグラファイト粉末等のカーボン粉末を電極活物質に混合することも好ましい。一方、負極活物質としては、ソフトカーボンやハードカーボンといったアモルファス系炭素質材料や天然黒鉛、人造黒鉛等の炭素質粉末が用いられる。
【００１９】
セパレータ４・１０としては、マイクロポアを有するリチウムイオン透過性のポリエチレンフィルムを、多孔性のリチウムイオン透過性のポリプロピレンフィルムで挟んだ三層構造としたものが好適に用いられる。これは、内部電極体の温度が上昇した場合に、ポリエチレンフィルムが約１３０℃で軟化してマイクロポアが潰れてリチウムイオンの移動、即ち電池反応を抑制する安全機構を兼ねたものである。そして、このポリエチレンフィルムを、より軟化温度の高いポリプロピレンフィルムで挟持することによって、電極板２・３間、電極板８・９間の接触・溶着を防止することができる。
【００２０】
次に、図１に示した捲回型内部電極体１の場合を例に、集電タブ５Ａの接続方法、接続形態について説明するが、図１における負極側の集電タブ５Ｂについても、また、図２に示した集電タブ６Ａ・６Ｂについても、同様である。
【００２１】
前述したように、集電タブ５Ａとしては短冊状のものが用いられるが、ここで、集電タブ５Ａは、正極板２等を捲回する際に超音波溶接等の方法を用いて正極板２に取り付けられて電気的に接続される。つまり、電流取出端子に集電タブ５Ａを接続する際には、集電タブ５Ａの一端は既に内部電極体１と接続された状態にある。
【００２２】
短冊状の集電タブ５Ａは、それぞれを厚み方向に積層して束ねた状態として、内部電極体１と接続されていない一端（他端）を電流取出端子と接続することが好ましい。図３（ａ）の側面図及び（ｂ）の正面図は、電流取出端子１３としてリベットを用い、リベットにおける圧着を行う部分に、集電タブ５Ａを束ねて挿入した圧着前の状態を示すものである。こうして、圧着作業が容易となり、また、集電タブ５Ａの電池ケース内への収納も容易となる。なお、集電タブ５Ａの接続を図３に示した形態で行う為には、集電タブ５Ａは、内部電極体１が作製された時点で、内部電極体１の径方向にほぼ直線上に並ぶように、正極板２との接続位置を定めることが好ましい。
【００２３】
本発明においては、束ねられた集電タブ５Ａの一端（他端）と電流取出端子１３との接続は、圧着により行われる（以降、圧着が行われた部分を「圧着部」ということとする。）。ここでの圧着には、かしめ加工、はとめ加工といった種々の圧着方法を用いることができる。そして、図４（ａ）の断面図、（ｂ）の正面図に示すように、束ねられた集電タブ５Ａの積層方向に圧力が掛かるようにして圧着し、強固に電流取出端子１３と集電タブ５Ａとを接続し、圧着部１４を形成することが好ましい。
【００２４】
このような圧着を行った上で、更に、図５（ａ）の側面図及び（ｂ）の正面図に示すように、圧着された短冊状の集電タブ５Ａの少なくとも長辺部分の側面を溶接して一体化する（溶接が行われた部分を「溶接部」ということとする。）。溶接部１５は、束ねられた集電タブ５Ａの側面近傍が熔解し、互いに溶接された状態であれば十分であり、必ずしも集電タブ５Ａの圧着部１４域内にある一部分が、その内部まで熔解して溶接されていることを必要とするものではない。
【００２５】
なお、束ねられた集電タブ５Ａの側面のみならず、電流取出端子１３もまた集電タブ５Ａと同時に溶接されていると、圧着部１４の抵抗の低減が図られ、更に好ましい。こうして、圧着後に溶接を行うことにより、圧着のみを行った場合と比較して、接続に関する接触抵抗が低減され、かつ抵抗分布幅をも狭まる為に、大電流放電による電池特性の劣化を抑制することが可能となる。
【００２６】
溶接は電子ビーム溶接、抵抗溶接、超音波溶接、ＴＩＧ溶接等の種々の溶接方法を用いて行うことが可能である。ここで、溶接を行う際には、前述したように集電タブ５Ａの一端は、内部電極体１と接続された状態となっているので、内部電極体１の取り扱いの容易さ、集電タブ５Ａの溶断の危険性、内部電極体１への熱伝達による内部電極体１の損傷といった事項を含めて、溶接作業性を考慮することが好ましい。
【００２７】
表１は、各種の溶接方法を用いた場合の溶接の条件及び結果を示している。表１内に示した「抵抗」は、長さ５０ｍｍ、厚み５０μｍのアルミニウム（Ａｌ）製集電タブ５０枚をＡｌ製のリベットを用いて圧着した後、溶接を行った場合の集電タブの開放された一端からリベットまでの抵抗値を、また長さ５０ｍｍ、厚み５０μｍの銅（Ｃｕ）タブ５０枚をＣｕ製のリベットを用いて圧着した後溶接した場合の集電タブの開放された一端からリベットまでの抵抗値を示している。
【００２８】
【表１】
0003652550.tif 000002
【００２９】
また、表１中、溶接方向における「タブ平行」は、集電タブの主平面の幅方向に平行な方向、例えば、スポット溶接では、集電タブの側面間を挟み込むように圧力をかけた状態で電流を流して溶接を行った場合を指す。一方、「タブ直角」は、集電タブの積層方向に平行に、リベットにおいて圧着を行う部分の一部を含めて溶接を行った場合を示している。
【００３０】
電子ビーム溶接は、電流取出端子１３と束ねられた集電タブ５Ａの全体について、均一に金属を熔解させ、溶接することが可能であり、集電タブ５Ａと電流取出端子１３との接触抵抗を極めて小さくすることができると共に、発熱量も小さいという優れた特徴を有する。しかし、装置が高価であり、作業環境を高真空に保持する必要がある等、装置コストやランニングコストの面で必ずも好ましいものとは言えない。
【００３１】
超音波溶接では、圧着部１４の抵抗が十分に低減され、また溶接時の発生熱も内部電極体１へ悪影響が及ぶと考えられるほどは発生しないが、最適な溶接条件の設定が難しいとうい点で不便である。また、装置が一般的に高価であるという問題もある。
【００３２】
ＴＩＧ溶接は、装置が安価で作業も容易であるという利点はあるが、溶接の進行程度の制御が行い難く、また、供給熱量が多く、集電タブ５Ａの溶断が起こり易い問題ある。この為、生産歩留りが極めて低くなり、また、内部電極体１への熱伝導による悪影響が懸念されるという問題が内在する。
【００３３】
これらに対して、抵抗溶接は、作業が容易でしかも装置が安価であり、１回当たりの溶接の容量を制御して発熱量を制御することが容易であることから、本発明において最も好適に用いられる。抵抗溶接にも種々の方法があるが、最も好適に採用される方法はスポット溶接である。
【００３４】
スポット溶接を行うに当たって、１回当たりの溶接の容量が小さい場合には、１回当たりの発熱量が小さく、集電タブ５Ａへ与える損傷は小さくなるが、溶接回数を多くする必要が生ずる点で、作業性、生産性がよいものとは言い難い。一方、１回の溶接に供する容量を大きくすると、溶接回数を低減することはできるが、発生熱が大きくなり、集電タブの変色（酸化）による劣化や溶断による生産歩留りの低下、更に内部電極体１の溶接熱による特性劣化が懸念される。
【００３５】
そこで、１回当たりのスポット溶接の容量は、コンデンサタイプの溶接機を用いる場合には３００Ｗ・ｓ〜２０００Ｗ・の範囲で行い、又はインバータタイプの場合には５０００Ａ〜３００００Ａの範囲で行うと、溶接回数が１回〜１００回の範囲で、十分に圧着部１４の抵抗を低減することができる。この程度の作業回数では、生産性を極端に低下させることはない。
【００３６】
なお、より好ましくは、コンデンサタイプの溶接機を用いる場合には５００Ｗ・ｓ〜１０００Ｗ・の範囲で行い、又はインバータタイプの場合には７０００Ａ〜２００００Ａの範囲で行うと、溶接回数を２回〜１０回の範囲とすることができ、生産性の向上が図られ、好ましい。この容量は、集電タブ５Ａの材質によって、適宜好適な値に設定することが好ましい。
【００３７】
ところで、スポット溶接は、電極を集電タブ５Ａに一定の圧力で押し当てた加圧状態で行われるが、その圧力としては５〜１００ｋｇｆの範囲で行うことが好ましく、２０〜６０ｋｇｆの範囲で行うことが更に好ましい。５ｋｇｆ未満の場合には熔解が進まないために、集電タブ５Ａどうしの熔解接続が十分に進まず、また１００ｋｇｆを超える場合には、圧着部の過剰変形等が発生することがあり、好ましくない。
【００３８】
なお、本発明を適用するに好ましい集電タブの厚みや枚数は前述した条件に限定されるものではないが、集電タブの１枚の厚みは、５μｍ以上１００μｍ以下のものを用いることが好ましく、かつ、少なくとも２０枚の集電タブを接続する場合に、本発明は顕著な効果を奏する。
【００３９】
上述のように、本発明は複数の集電タブを用いることが好ましい電池容量の比較的大きい電池に好適に用いられ、具体的には、２Ａｈｒ以上の容量を有するリチウム二次電池に好適に採用される。また、集電タブと電流取出端子との圧着部の抵抗が低減されることから、大電流の放電を安定して行うことが可能となる。このような特性を活かして、本発明は、ＥＶ或いはＨＥＶ用のバッテリーとして好適に用いられる。
【００４０】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、安定な大電流放電を可能ならしめたリチウム二次電池を提供することが可能となると共に、生産性を低下させることがない為、安定に大電流の放電を可能ならしめた電池を、歩留りよく生産することが可能となる。また、圧着部の抵抗が低減されることから、圧着部における各集電タブの抵抗分布のばらつきも低減され、電池のサイクル劣化の抑制にも効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  捲回型内部電極体の構造の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】  積層型内部電極体の構造の一実施形態を示す斜視図である。
【図３】  集電タブと電流取出端子の圧着前の状態を示す説明図であり、図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）は正面図である。
【図４】  集電タブと電流取出端子との圧着後の接続の一実施形態を示す説明図であり、図４（ａ）は側面図、図４（ｂ）は正面図である。
【図５】  集電タブと電流取出端子との圧着部に溶接を施した例を示す説明図であり、図５（ａ）は側面図、図５（ｂ）は正面図である。
【符号の説明】
１…内部電極体、２…正極板、３…負極板、４…セパレータ、５Ａ・６Ａ…正極用集電タブ、５Ｂ・６Ｂ…負極用集電タブ、７…内部電極体、８…正極板、９…負極板、１０…セパレータ、１１…外部端子、１２…内部端子部材、１３…電流取出端子、１４…圧着部、１５…溶接部。
【図１】
0003652550.tif 000003
【図２】
0003652550.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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