(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正負極がセパレータを介して合成樹脂製で中空円筒状の捲芯に捲回された電極捲回群を電池容器内に収容したリチウム二次電池において、前記負極から導出されたリード片が周縁部に接合され、該接合面の背面が前記電池容器の底面に接合された平板状の負極集電板を備え、前記負極集電板は、前記接合面にプレスによる切り曲げ加工で形成され前記捲芯の中空部に挿入された舌状突起が立設され、前記背面に凸設され前記電池容器の底面に溶接されたプロジェクションを有しており、該負極集電板には前記捲芯の外径の周りに前記電極捲回群の下端及び前記電池容器の底面間で画定される空間と前記軸芯の中空部とを連通する連通穴が形成されたことを特徴とするリチウム二次電池。
【請求項２】
前記負極集電板は、銅又は銅合金と、ニッケル又はニッケル合金と、のクラッド材であり、該銅又は銅合金側が前記リード片に溶接され、ニッケル又はニッケル合金側が前記電池容器の底面に抵抗溶接されてい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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウム二次電池に係り、特に、正負極がセパレータを介して合成樹脂製で中空円筒状の捲芯に捲回された電極捲回群を電池容器内に収容したリチウム二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、小型リチウム二次電池の負極集電構造では、例えば、図３に示すように、負極電極板１５の基材箔（銅箔）の部分に、ニッケル製で短冊状の負極リード板１１’が超音波溶接等で接合されており、この負極リード板１１’の電池容器４の底面側下端部が正極電極板１４及び負極電極板１５をセパレータ１３を介して捲回した電極捲回群１８の中心部方向へ直角に折り曲げられ電池容器４の底面に抵抗溶接等で接合されていた。
【０００３】
しかしながら、近年、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド自動車（ＨＥＶ）等の大容量二次電池の用途に対応すべく、大型リチウム二次電池の開発が進められている。大型リチウム二次電池では、小型リチウム二次電池の負極集電構造用の負極リード板１１’を採用しても、負極リード板１１’に流れる許容電流量が制限されているので、大電流の充放電に耐えることはできない。
【０００４】
この問題を解決するために、大型リチウム二次電池では、例えば、図４に示すように、中央部が捲芯５の下端部に固定されフランジの周縁が電池容器４の底面側に折り曲げられたリング状で大電流放電に耐え得る銅又は銅合金製の負極集電体１０の周縁部に、負極電極板の基材箔（銅箔）から導出されたリード片（銅箔）８が束ねられて超音波溶接等で溶接されている。また、負極集電体１０はニッケル製で断面逆ハット状の負極リード板１１のフランジ部に接合されており、負極リード板１１の逆ハット先端部中央に形成されたプロジェクションを電池容器４の底面に抵抗溶接することにより、負極リード板１１を電池容器４に固定すると共に、負極電極板と電池容器４との導通を確保していた。従って、従来の大型リチウム二次電池では、捲芯５の下端と断面逆ハット状の負極リード板１１のハット部との間に空間１２が形成されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の大型リチウム二次電池の負極集電構造では、負極集電体１０と負極リード板１１とを別々の板材からプレス加工により作製し、かつ、両者を予め超音波溶接や抵抗溶接等によって接合する工程が必要なため、リチウム二次電池のコスト高を招く、という問題点があった。
【０００６】
また、この構造では、過充電等によって電池容器４内のガスが高圧となったときに、ガスを捲芯５の中空部を介して正極側の電池蓋１６に収容された安全弁１７から電池外に排出するために、捲芯５の下端と負極リード板１１との間に空間１２を形成することが必須であり、電池の小型化の上からも望ましくはなかった。
【０００７】
本発明は上記事案に鑑み、安全性を有しつつ高容量化及び低コストのリチウム二次電池を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、正負極がセパレータを介して合成樹脂製で中空円筒状の捲芯に捲回された電極捲回群を電池容器内に収容したリチウム二次電池において、前記負極から導出されたリード片が周縁部に接合され、該接合面の背面が前記電池容器の底面に接合された平板状の負極集電板を備え、前記負極集電板は、前記接合面にプレスによる切り曲げ加工で形成され前記捲芯の中空部に挿入された舌状突起が立設され、前記背面に凸設され前記電池容器の底面に溶接されたプロジェクションを有しており、該負極集電板には前記捲芯の外径の周りに前記電極捲回群の下端及び前記電池容器の底面間で画定される空間と前記軸芯の中空部とを連通する連通穴が形成されたことを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、平板状の負極集電板の周縁部に負極から導出されたリード片が接合されており、該接合面の背面が電池容器の底面に接合されているので、大電流放電時にも使用に耐えることができると共に、負極から導出されたリード片が負極集電板の平板状の接合面に接合されており、周縁が電池容器の底面側にリング状に折り曲げられていないので、負極集電板の高さ（厚さ）方向のサイズを小さくすることができる。また、負極集電板に、プレスによる切り曲げ加工で形成され捲芯の中空部に挿入された舌状突起が立設されているので、大電流放電時の放熱効果を高めることができると共に、負極集電板の背面に凸設されたプロジェクションを有しているので、電池容器の底面との溶接を容易に行うことができる。更に、捲芯の外径の周りに電極捲回群の下端及び電池容器の底面間で画定される空間と軸芯の中空部とを連通する連通穴が形成されているので、空間内のガスが高圧となったときに、切り曲げ加工で同時に形成された連通穴からこの高圧ガスを捲芯の中空部へ誘導することができ、上述した空間１２を形成したり、負極リード板１１を設ける必要がない。従って、負極集電板を高さ方向にサイズの小さい単一部品で構成することができるので、リチウム二次電池の高容量化（小型化）を図ることができると共に、部品点数を削減することができる。
【００１０】
この場合において、負極集電板を、銅又は銅合金と、ニッケル又はニッケル合金と、のクラッド材とし、該銅又は銅合金側の面を負極から導出されたリード片に溶接し、ニッケル又はニッケル合金側の面を電池容器の底面に抵抗溶接するようにすれば、リード片との溶接信頼性を確保しつつ、電池容器の底面との抵抗溶接時の発熱量が増加して溶接部に形成されるナゲット径を大きくすることができるので、大電流放電時に溶接部での発熱量を小さくすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明が適用可能なリチウム二次電池の実施の形態について説明する。
【００１２】
図２に示すように、本実施形態のリチウム二次電池としてのリチウムイオン電池２０は、中空円筒状でポリプロピレン製の捲芯５を捲回中心として正極板と負極板とをポリエチレン製セパレータを介して断面渦巻状に捲回した電極捲回群６を備えている。電極捲回群６は、リチウムイオン電池２０の容器となる導電性の有底電池容器４内に収容されている。電池容器４は、厚さ０．５ｍｍのＳＰＣＣを用い、深絞り加工で成形された後、内面を含めてニッケルの電気メッキが施されている。
【００１３】
正極板は、正極活物質としてのマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、導電助剤の黒鉛、結着剤のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を使用して正極活物質合剤とし、正極活物質合剤を正極集電体としてのアルミニウム箔の両表面に正極集電端子となる正極リード片９の部分を除いて実質的に均等に塗布することにより作製されている。一方、負極板は、負極活物質としての非晶質炭素、結着剤のポリフッ化ビニリデンを使用して負極活物質合剤とし、負極活物質合剤を負極集電体としての銅箔の両表面に負極集電端子となる負極リード片８の部分を除いて実質的に均等に塗布することにより作製されている。
【００１４】
図１及び図２に示すように、電極捲回群６の負極板からは銅製の負極リード片８が電池容器４の底側へ導出されており、平板円盤状の負極集電板１の平板部１ｂの周縁にレーザ溶接で接合されている。負極集電板１は、後述する所定厚、銅若しくは銅合金、又は、これとニッケル若しくはニッケル合金とのクラッド材からプレスによる切り曲げ加工で、一対の舌状突起１ａが対向するように上方に立設されており、舌状突起１ａがプレスにより抜かれた箇所に連通穴としての貫通穴１ｄが形成されている。また、負極集電板１の中心で舌状突起１ａの間には、舌状突起１ａが立設された面の背面側、すなわち、負極リード片８が周囲に接合された接合面の背面側に凸設した抵抗溶接用のプロジェクション１ｃが形成されている。更に、舌状突起１ａは捲芯５の中空部２２に挿入されており、プロジェクション１ｃは電池容器４の底面に抵抗溶接で接合されている。
【００１５】
また、捲芯５の下端は、負極集電板１の平板部１ｂの接合面側に、貫通穴１ｄを跨ぐように当接固定されている。従って、捲芯５の外径の周りに電極捲回群６の下端と電池容器４の底面との間に形成された空間２１は、負極集電板１の貫通穴１ｄにより、捲芯５の中空部２２に連通されている。
一方、電極捲回群６の正極板からはアルミニウム合金製の正極リード片９が電池容器４の上側へ導出されている。この導出された正極リード片９は、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金Ａ３００３からプレスによる深絞り加工でスリーブが中央下方向に形成された円盤状の正極集電板のフランジ部に抵抗溶接で接合されている。正極集電板７は、スリーブが捲芯５の上端部内径に挿入されており、捲芯５に固定されている。
【００１６】
正極集電板７は正極リード板１９の一端に接合されており、正極リード板１９の他端は封口電池蓋群１６の内側に配置された皿状の上蓋ケース下面に接合されている。封口電池蓋群１６は、この上蓋ケース、電池内圧が所定圧となると開裂して内圧を外部に開放する安全弁１７、安全弁１７を挟んで周縁部を上蓋ケースの周縁部でカシメられ正極外部端子として電池外部へ露出される導電性の上蓋キャップ及び上蓋ケースの皿底部外面周縁に配置され安全弁１７を押さえるリング状の弁押さえで一体に構成されている。なお、上蓋キャップの凸部（正極外部端子）が立設された側面には、電池内圧を外部に開放するための数個の開放孔が形成されている。
【００１７】
封口電池蓋群１６は、電気的絶縁性及び耐熱性を有する絶縁部材を介して電池容器４の上部でカシメられて密封されている。また、リチウムイオン電池２０には、電池容器４内に図示しないエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート及ジエチルカーボネートの混合溶媒に６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を加えた図示しない非水電解液が所定量注入されており、電極捲回群６はこの図示しない非水電解液に浸潤されている。
【００１８】
【実施例】
次に、上記実施形態に従って、上述した負極集電板１の厚さ、材質や電極捲回群６及び電池容器４の外径等を変更することにより容量を変更して作製したリチウムイオン電池の実施例について説明する。なお、以下の実施例では、リチウム電池の長さを電池容器４の外径の４倍に設定した。
【００１９】
（実施例１）
下表１に示すように、実施例１では、負極集電板１に厚さ０．５ｍｍの無酸素銅Ｃ１０２０を使用し、電池容器４の外径４０ｍｍ、電極捲回群６の外径３８ｍｍ、設計容量４Ａｈのリチウムイオン電池２０を作製した。
【表１】
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【００２０】
（実施例２）
表１に示すように、実施例２では、負極集電板１に厚さ０．５ｍｍの無酸素銅Ｃ１０２０を使用し、電池容器４の外径６７ｍｍ、電極捲回群６の外径６５ｍｍ、設計容量２０Ａｈのリチウムイオン電池２０を作製した。
【００２１】
（実施例３）
表１に示すように、実施例３では、負極集電板１に厚さ０．３ｍｍの無酸素銅Ｃ１０２０と厚さ０．３ｍｍのニッケルＮＬＣＰとのクラッド材を使用し銅側に負極リード片８を溶接し、ニッケル側を電池容器４の底面に抵抗溶接して電池容器４の外径６７ｍｍ、電極捲回群６の外径６５ｍｍ、設計容量２０Ａｈのリチウムイオン電池２０を作製した。
【００２２】
（試験・評価）
以上のように作製した各実施例の電池について各種の充放電試験に供した。この充放電試験の結果、各実施例の電池は１０Ｃまでの充放電に耐え得ることが判明したが、実施例２の電池の１０Ｃ（２００Ａ）放電では、負極集電板１のプロジェクション溶接部の温度が３００°Ｃに達した。一方、実施例３の電池の１０Ｃ放電では、負極集電板１のプロジェクション溶接部の温度は２００°Ｃ未満であった。
【００２３】
充放電試験の結果、実施例２の電池は、プロジェクション溶接部の温度が３００°Ｃに達するため、長期の使用における劣化が懸念されるが、実施例３の電池は、負極集電板１をクラッド材とし銅側に負極リード片８を溶接し、ニッケル側を電池容器４の底面に溶接したので、銅製の負極リード片８との溶接信頼性を確保しつつ、電池容器４の底面との抵抗溶接時の発熱（が多くなること）により、溶接部（プロジェクション）に形成されたナゲット径が実施例２の約１．３倍（面積で約１．７倍）となり、１０Ｃ放電でも長期耐用可能な温度にまで抑えることができた。
【００２４】
また、上記各実施例の電池を故意に過充電状態とし、それらの挙動を調べる過充電試験に供した。過充電試験の結果、いずれの電池も、空間２１に発生した高圧ガスは貫通穴１ｄを介して捲芯５の中空部２２へと導かれて安全弁１７からリチウムイオン電池２０の外部に放出され、電池容器４の破損に至らないことが確認された。
【００２５】
以上のように、本実施形態によれば、負極集電板１をプレス加工によって安価に作製でき、かつ、従来技術のように負極リード板１１を必要としない負極集電板１の単一部品で構成できるので、大型リチウムイオン電池を、より低コストで量産することができる。
【００２６】
また、本実施形態によれば、従来技術のように大型リチウム二次電池にガス排出のための空間１２を設ける必要がないので、例えば、上述した実施例１の電池の場合で、極板の幅を約６ｍｍ大きくすることができ、電池容量をおよそ５％増加させることができる。従って、リチウムイオン電池２０の高容量化、小型化を図ることができる。
【００２７】
なお、本実施形態では、舌状突起１ａの形状として、半円形の舌状突起の例を示したが、円形状、楕円形状、方形状などでも同様の効果を得ることができる。また、本実施形態では、一対の舌状突起１ａを設ける例を示したが、突起の数も２つに限定されるものではなく、単数個でも複数個でも良い。更に、本実施形態では、負極集電板１の中心部に一つのプロジェクション１ｃを凸設する例を示したが、このプロジェクション１ｃの位置及び数はこれに限定されるものではない。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、平板状の負極集電板の周縁部に負極から導出されたリード片が接合されており、該接合面の背面が電池容器の底面に接合されているので、大電流放電時にも使用に耐えることができ、負極から導出されたリード片が負極集電板の平板状の接合面に接合されており、周縁が電池容器の底面側にリング状に折り曲げられていないので、負極集電板の高さ方向のサイズを小さくすることができ、負極集電板に、プレスによる切り曲げ加工で形成され捲芯の中空部に挿入された舌状突起が立設されているので、大電流放電時の放熱効果を高めることができ、負極集電板の背面に凸設されたプロジェクションを有しているので、電池容器の底面との溶接を容易に行うことができ、捲芯の外径の周りに電極捲回群の下端及び電池容器の底面間で画定される空間と軸芯の中空部とを連通する連通穴が形成されているので、空間内のガスが高圧となったときに、切り曲げ加工で同時に形成された連通穴からこの高圧ガスを捲芯の中空部へ誘導することができ、安全性を確保しつつ負極集電板を単一部品で構成することができるため、リチウム二次電池の高容量化を図ることができると共に、部品点数を削減することができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な実施形態のリチウム二次電池の負極集電板の外観斜視図である。
【図２】本発明が適用可能な実施形態のリチウム二次電池の断面図である。
【図３】従来の小型リチウム二次電池の断面斜視図である。
【図４】従来の大型リチウム二次電池の断面図である。
【符号の説明】
１  負極集電板
１ａ  舌状突起
１ｂ  平板部
１ｃ  プロジェクション
１ｄ  貫通穴（連通穴）
４  電池容器
５  捲芯
６  電極捲回群
８  負極リード片（リード片）
２０  リチウムイオン電池
２１  空間
２２  中空部
【図１】
0003627645.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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