(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極または負極のいずれか一方の外部端子を兼ねる有底の筒型電池缶と、
それぞれの金属箔集電体とその表面に形成されたそれぞれの電極合材層とからなる帯状の正極シートおよび負極シートの２つの電極シートをロール状に捲回して形成され、捲回中心軸が前記電池缶の底部の内壁面に対して概直角になるように該電池缶内部に挿設された電極体と、
前記２つの電極シートのうちの一方の電極シートから集電しかつ前記電池缶に通電させる集電端子とを備えてなる筒型電池であって、
前記集電端子に集電される前記一方の電極シートは、幅方向の一端部に全長にわたる電極合材層未形成部を有し、
前記電極体は、前記一方の電極シートの前記電極合材層未形成部を他方の電極シートから突出させるように前記２つの電極シートを捲回しかつ捲回中心に中空部を有するように形成され、かつ、該一方の電極シートの電極合材層未形成部が前記電池缶の底部側に位置するように該電池缶に挿設されており、
前記集電端子は、前記電極体の中空部の前記一方の電極シートの電極合材層未形成部に対向する位置にその１の端面が前記電池缶の底部内壁面に接するように挿設されており、
前記一方の電極シートの電極合材層未形成部は、その少なくとも一部が前記集電端子の外側面に重ね合わさるように接合され、かつ、前記集電端子の前記１の端面は、前記電池缶の底部内壁面に接合されていることを特徴とする筒型電池。
【請求項２】
前記２つの電極シートが捲回される捲回芯を有する請求項１に記載の筒型電池であって、
前記捲回芯は、一端部が前記集電端子となるように形成されている筒型電池。
【請求項３】
前記他方の電極シートから集電するもう１つの集電端子を備えてなる請求項１に記載の筒型電池であって、
前記他方の電極シートは、前記一方の電極シートの前記電極合材層未形成部に背向する幅方向の一端部に全長にわたる電極合材層未形成部を有し、
前記電極体は、前記他方の電極シートの前記電極合材層未形成部を前記一方の電極シートから突出させるように前記２つの電極シートを捲回して形成されており、
前記もう１つの集電端子は、前記電極体の中空部の前記他方の電極シートの電極合材層未形成部に対向する位置に挿設されており、
前記他方の電極シートの電極合材層未形成部は、その少なくとも一部が前記もう１つの集電端子の外側面に重ね合わさるように接合されている筒型電池。
【請求項４】
前記２つの電極シートが捲回される捲回芯を有する請求項３に記載の筒型電池であって、
前記捲回芯は、一端部が前記集電端子となりかつ他端部が前記もう一つの集電端子となるように形成されている筒型電池。
【請求項５】
前記集電端子と前記もう一つの集電端子との少なくともいずれか一方はその外側面の少なくとも一部が平面部となっており、該平面部に前記電極シートの電極合材層未形成部が接合されている請求項１ないし４のいずれかに記載の筒型電池。
【請求項６】
前記集電端子と前記一方の電極シートの電極合材層未形成部との接合と、前記もう１つの集電端子と前記他方の電極シートの電極合材層未形成部との接合の少なくともいずれか一方は、超音波接合によってなされている請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の筒型電池。
【請求項７】
前記集電端子と前記電池缶の底部内壁面との接合は、抵抗溶接によってなされている請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の筒型電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シート状の電極が捲回された電極体を筒型の電池缶に挿設して構成される筒型電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パソコン、携帯電話等の小型化等に伴い、高エネルギー密度の電池が要求され、情報関連機器、通信機器等の分野では、リチウムイオン二次電池が既に実用化され広く普及するに至っている。リチウムイオン二次電池のような二次電池は、一般に、起電反応の素となる活物質を金属箔製の集電体表面に塗工した電極を捲回して電極体を形成させ、この電極体を電解液とともに筒型（一般には円筒型）の電池缶内に収納して構成されている。そして、このような電極を捲回した筒型電池において、電極体から電池外部への集電方法としては、集電体の一部に短冊状のリードを設け、このリードの一端を外部へ通ずる端子に接合することによって行われている。
【０００３】
近年、環境問題、資源問題から、電気自動車の開発が急がれる中、高性能なリチウムイオン二次電池を電気自動車用の電源に使用するといった試みもなされ、二次電池の大容量化は一層進展するものと考えられる。上記のような電極を捲回してなる筒型電池の場合、大容量化させるためには電極面積を増大化させることが必要となる。ところが、電極面積を増大化させた場合、電極の隅々から効率よく集電するためには、上記集電用リードを１つの電極に数多く付設する必要があり、集電のための機構を複雑化、煩雑化させることにつながる。また、電池内に集電のためのスペースを多く必要とし、電池の出力体積密度、エネルギ体積密度を小さくするものとなっていた。
【０００４】
従来、電極を捲回させた大型の筒型電池の集電機構として、特開平９−９２３３５号公報、特開平９−９２３３８号公報等に示すものがあった。これらに示す集電処理の方式は、以下のようなものである。まず、帯状の集電体の表面に幅方向の一端部に未塗工部を残すようにして電極合材を塗工し、この未塗工部を切り欠くことにより集電用リードを形成させたシート状の電極を作成する（図１４参照）。次に、これらの電極を、互いの集電用リードが背向するように位置させ、セパレータを挟装させて、これらを捲回し、電極体を形成させる（図１５、図１６参照）。そして、円盤状のフランジ部とネジを形成した外部端子部とからなる集電体を用い、電極体の捲回端面に突出した集電用リードを、電極体の捲回端面に配置させた集電端子のフランジ部の外周に集め、これをリングを用いて押さえつけてレーザ溶接する（図１７参照）、あるいは、集めた集電用リードをフランジ部外周に押さえつけるように数箇所の超音波接合を行う（図１８参照）。正極および負極とも上記集電端子に集電した後、電極体を円筒型の電池缶に挿設し、電池缶の缶底および電池缶蓋に設けられた端子孔から集電端子の外部端子部を外部に突出させ、端子孔と集電端子との間および電池缶と電池缶蓋との間を内部に注入する電解液が漏れないようにシールして、電池を密閉するという方法である。
【０００５】
なお、集電用リードの形成については、上記の切り欠きによるものの他、未塗工部に短冊状の金属箔を超音波接合、抵抗溶接等の手段を用いて接合することにより形成する方法でも行われていた（図１９参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の方法は、以下の欠点があった。
（１）電極合材塗工後、未塗工部を短冊状にカットして、あるいは未塗工部に短冊状の金属箔を接合することにより、集電用リードを複数形成させなければならず、この工程に多くの工数を必要とし、電池の製造コストが上昇する。
【０００７】
（２）リングを用いてレーザ溶接する場合は、リングにより押さえつける工程を必要とし、またレーザ溶接を行うためにリングおよびフランジ部からはみ出た集電用リードを切りそろえる工程をも必要とし、やはり製造コストの増加につながる。さらにレーザ溶接はスパッタが発生し、このスパッタが電極体に入り込むことによって電極間の短絡の原因となる可能性がある。
【０００８】
（３）超音波接合する場合は、リング等の押え金具を用いないため、複数のバラバラに集まってくる集電用リードがスプリングバックにより元に戻ろうとするため、これをうまく捌いて超音波接合を行うのは非常に作業性が悪く、やはり多くの工数を必要とし製造コストが増加してしまう。
（４）レーザ溶接、超音波接合のいずれの方法であっても、大きなフランジ部を有する円盤状の集電端子を必要とするため、集電端子の重量が大きく、電池自体の重量も増加し、電池の重要な特性である出力重量密度、エネルギ重量密度が減少してしまうことになる。
【０００９】
（５）集電端子自体はある程度小型とすることができ、電池内部に集電処理のためのスペースは比較的小さくできるものの、正極側、負極側とも外部端子が電池缶および電池缶蓋から長く突出する構造のため、組電池として使用する場合には、電池ユニット自体の出力体積密度、エネルギ体積密度をも減少させる。
（６）正極側、負極側の集電端子のいずれもが、電池缶底あるいは電池缶蓋に設けられた端子孔から外部端子部が突出する構造となっていることから、電解液の漏洩の危険性のある箇所が多い構造となっている。したがって、電池の密閉性を保つために、集電端子と電池缶および電池缶蓋との間にもシール材等を必要とし、部品点数の増大、電池密閉に対する作業工数の増大につながるものとなる。
【００１０】
（７）集電端子の外部端子部がネジ構造となっているため、回り止めのための機構をも必要とし、さらなる部品点数の増大、集電端子の電池缶および電池缶蓋への付設作業工数の増大等が発生するものとなる。
本発明は、電極を捲回して構成される筒型電池において、従来の集電処理機構が抱える上記実情に鑑みてなされたものであり、電解液漏洩の危険性のある箇所を減少させ、集電処理に多くの工数を必要とせず、また大きな重量および体積の端子部品を必要としない集電処理方法を開発することを課題とし、密閉性に優れ、集電処理のためのコストが安く、かつ出力密度、エネルギ密度の高い筒型電池を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の筒型電池は、正極または負極のいずれか一方の外部端子を兼ねる有底の筒型電池缶と、それぞれの金属箔集電体とその表面に形成されたそれぞれの電極合材層とからなる帯状の正極シートおよび負極シートの２つの電極シートをロール状に捲回して形成され、捲回中心軸が前記電池缶の底部の内壁面に対して概直角になるように該電池缶内部に挿設された電極体と、前記２つの電極シートのうちの一方の電極シートから集電しかつ前記電池缶に通電させる集電端子とを備えてなる筒型電池であって、前記集電端子に集電される前記一方の電極シートは、幅方向の一端部に全長にわたる電極合材層未形成部を有し、前記電極体は、前記一方の電極シートの前記電極合材層未形成部を他方の電極シートから突出させるように前記２つの電極シートを捲回しかつ捲回中心に中空部を有するように形成され、かつ、該一方の電極シートの電極合材層未形成部が前記電池缶の底部側に位置するように該電池缶に挿設されており、前記集電端子は、前記電極体の中空部の前記一方の電極シートの電極合材層未形成部に対向する位置にその１の端面が前記電池缶の底部内壁面に接するように挿設されており、前記一方の電極シートの電極合材層未形成部は、その少なくとも一部が前記集電端子の外側面に重ね合わさるように接合され、かつ、前記集電端子の前記１の端面は、前記電池缶の底部内壁面に接合されていることを特徴とする。
【００１２】
つまり本発明の筒型電池では、正極シートまたは負極シートのいずれか一方の電極シートを、電極合材層が形成されていない電極合材層未形成部に、切り欠くことによって若しくは短冊状のものを接合することによって集電用リードを形成させるといった特別な手段を施すことなく、この電極合材層未形成部を集電端子に、単に、重ね合わせるように接合することにより、集電処理に必要となる工数を大幅に削減することが可能となる。また、従来のような比較的大型でかつ重量のある集電端子部品を必要とせず、集電処理のためのスペースおよび電池重量の減少を図ることができる。さらに本発明の筒型電池では、この比較的小型の集電端子の端部を、正極または負極の外部端子を兼ねる電池缶の缶底部に、直接接合させることで、電解液の漏洩の危険性のある箇所を減少させて密閉性を高めるとともに、集電端子と外部端子（この場合は電池缶）との導通処理のための作業工数を大幅に減少させることを可能にしている。さらにまた、底部に外部端子が突出しないため組電池として使用した場合でも、出力体積密度、エネルギ体積密度の高い組電池を構成することができる。
【００１３】
また、本発明の筒型電池では、他方の極の集電方式についても、以下の方式を採用することができる。つまり本発明の筒型電池は、前記他方の電極シートから集電するもう１つの集電端子を備え、前記他方の電極シートは、前記一方の電極シートの前記電極合材層未形成部に背向する幅方向の一端部に全長にわたる電極合材層未形成部を有し、前記電極体は、前記他方の電極シートの前記電極合材層未形成部を前記一方の電極シートから突出させるように前記２つの電極シートを捲回して形成されており、前記もう１つの集電端子は、前記電極体の中空部の前記他方の電極シートの電極合材層未形成部に対向する位置に挿設されており、前記他方の電極シートの電極合材層未形成部は、その少なくとも一部が前記もう１つの集電端子の外側面に重ね合わさるように接合されているように構成することができる。
【００１４】
このように、他方の極にも比較的小型の集電端子を採用し、前記一方の極と同様に、電極合材層未形成部を集電端子に重ね合わせるように接合することにより、集電処理工数のさらなる削減と、集電処理のためのスペースおよび電池重量のさらなる減少を図ることができる。また、前記もう一つの集電端子から、電池缶を密閉する電池缶蓋の内壁面までリードにて導通させる手段を併合させれば、さらに密閉性に優れ、出力密度、エネルギ密度の高い筒型電池を構成することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、円筒型リチウムイオン二次電池を例にとって、図面をも参照しつつ、本発明の筒型電池の実施形態を詳しく説明する。ただし、本発明の筒型電池は、結して以下の実施形態に限定されるものではない。例えば、円筒型に限定されるものではなく、横断面が楕円形、偏平楕円形、方形あるいは多角形をなす筒型の電池にも適用できる。また、リチウムイオン二次電池に限られず、金属箔製集電体の表面に活物質を含む電極合材を層状に形成した電極シートを捲回する形式の電池（二次電池に限られない）であればよく、例えばニッケル水素電池等にも適用できる。なお、電気二重層キャパシタにも適用できるため、本明細書中、電池とは広義に解釈するものとする。
【００１６】
〈円筒型リチウムイオン二次電池の構成概要〉
図１に、本発明の筒型電池の代表的な実施形態である円筒型リチウムイオン二次電池の内部構造を示す。
本円筒型リチウムイオン二次電池は負極の外部端子を兼ねる有底の円筒型電池缶６０と、それぞれの金属箔集電体とその表面に形成されたそれぞれの電極合材層とをもつ帯状の正極シート１０および負極シート２０をセパレータ３０を介してロール状に捲回して形成され、捲回中心軸が電池缶６０の底部６１の内壁面に対して直角になるように電池缶６０内部に挿設された電極体４０と、負極シート２０から集電しかつ電池缶６０に通電させる集電端子（以下、「底部集電端子」という）５０と、正極シート１０から集電するもう１つの集電端子（以下、「頂部集電端子」という）５５とを主要構成要素としている。そしてその他に、外部端子となる突出部６６を有し、電池缶６０を密閉する電池缶蓋６５と、正負極間の絶縁および電池の密閉を担保するためのガスケット７１と、電池缶蓋６５と頂部集電端子５５とを導通させるための頂部集電用リード７２と、電池内部に注入された非水電解液とを構成要素としている。
【００１７】
後に詳しく説明するが、正極シート１０および負極シート２０は、幅方向の一端部に全長にわたる正極合材層未形成部１３および負極合材層未形成部２３を有している。そして、電極体４０は、正極合材層未形成部１３および負極合材層未形成部２３を他方の電極シートから突出させるようにして、正極シート１０および負極シート２０をセパレータ３０を介して捲回しかつ捲回中心に中空部４１を有するように形成されている。なお、本実施形態の筒型電池の場合、電極体４０の電池缶６０への挿設は、負極シート２０の負極合材層未形成部２３が電池缶６０の底部側に位置するようになされている。
【００１８】
底部集電端子５０は、中空部５２を有する丸パイプ形状をしており、下端部が閉塞されていることで下端面５３を有するものとなっている。底部集電端子５０は、電極体４０の中空部４１であって負極シート２０の負極合材層未形成部２３に対向する位置に、下端面５３が電池缶６０の底部６１の内壁面に接するように挿設されている。そして負極合材層未形成部２３は、底部集電端子５０の外側面５１であって円周状の２等分の位置に、超音波接合により、重ね合わさるように接合されている。また、底部集電端子５０の下端面５３は、電池缶６０の底部６１の内壁面に、抵抗溶接によって接合されている。
【００１９】
また、頂部集電端子５５も、底部集電端子５０と同様、中空部５７を有する丸パイプ形状をしている。頂部集電端子５５は、電極体４０の中空部４１であって正極シート１０の正極合材層未形成部１３に対向する位置に挿設されている。そして正極合材層未形成部１３は、負極合材層未形成部２３と同様、頂部集電端子５５の外側面５６であって円周状の２等分の位置に、超音波接合により、重ね合わさるように接合されている。なお、頂部集電端子５５と正極外部端子となる電池缶蓋６５との通電は、１つの頂部集電用リード７２を用い、この頂部集電用リード７２の両端を頂部集電端子５５と電池缶蓋６５にそれぞれ超音波接合することによってなされている。
【００２０】
以下に、それそれの構成要素について、本発明の筒型電池の製造方法および変形実施形態を交えながら、さらに詳しく説明する。
〈電極シート〉
図２に、本実施形態の筒型電池を構成する正極シートおよび負極シートの平面図を表す。正極シート１０は、帯状金属箔製の正極集電体１１とその表面に形成された正極合材層１２とからなり、負極シート２０は帯状金属箔製の負極集電体２１とその表面に形成された負極合材層２２とからなる。正極シート１０および負極シート２０の長さおよび幅については、作成しようとする電池の容量等に応じて任意のものとすることができる。
【００２１】
正極シート１０、負極シート２０とも、幅方向の一端部に所定幅で全長にわたって正極合材層未形成部１３および負極合材層未形成部２３がそれぞれ設けられている。本発明の筒型電池では、この電極合材層未形成部１３、２３に何ら特別な加工を必要としないこに特徴がある。つまり、従来技術（図１４、図１９参照）とは異なり、電極シート１０、２０に複数の集電用リードを設けることを必要としない。したがって、集電処理作業の迅速化が図れることとなる。
【００２２】
電極合材層未形成部１３、２３の幅は、底部集電端子５０および頂部集電端子５５への接合のことを考慮して決定する。つまり、集電体４０の捲回厚み（電極体４０の捲回外径と捲回内径との差の半分）が大きくなれば、捲回外周部にある電極合材層未形成部１３、２３を捲回中心部にある集電端子５０、５５に接合させるために、電極合材層未形成部１３、２３の幅をより広くするのが望ましい。
【００２３】
上記の実施形態の場合は、電極シート１０、２０の幅は一定であり、かつ電極合材層未形成部１３、２３の幅も一定である。この実施形態に代えて、電極シート１０、２０の幅を捲回外周部に位置させる部分になる程広くすることもできる。つまり、集電体の１１、２１の一辺を斜辺状にし、一定幅の電極合材層１２、２２を形成させることで、電極合材未形成部１３、２３を徐々に広くするのである。このような実施形態を採れば、電極体４０の捲回外周部に位置する電極シート１０、２０程、電極合材層未形成部１３、２３が幅広くなる。したがって、電極体４０の捲回厚みが大きい場合であっても、電極合材層未形成部１３、２３を重ね合わせて接合する集電端子５０、５５を短くすることができ、つまり、電極合材層１２、２２のみが捲回されている部分よりの突出代を小さくすることができ、電池の出力体積密度、エネルギ体積密度をより小さくすることもできる。
【００２４】
電極合材層１２、２２は、集電体１１、２１の片面に形成するものでもよく、また集電体１１、２１の両面に形成するものであってもよい。ただし、電池の出力密度、エネルギ密度等を考慮すれば両面に形成するのが望ましく、その場合は両面に電極合材層未形成部１３、２３を設け、両面の電極合材層未形成部１３、２３がそれぞれ幅方向の同じ一端部に位置するようにすればよい。
【００２５】
正極シート１０、負極シート２０に電極合材層未形成部１３、２３を形成させる工程、つまり、電極合材層未形成部１３、２３を設けるように、集電体１１、２１の表面に電極合材層１２、２２を形成する工程は、特に限定されるものでなく、種々の方法によって行うことができる。リチウムイオン二次電池の場合、この電極合材層１２、２２の形成は、連続的に塗布、乾燥が行えるコータと呼ばれる塗工機を用いて、塗工という方法によって行うのが一般的であり、この方法に従えばよい。
【００２６】
リチウムイオン二次電池の場合、正極集電体１１には、アルミニウム等の金属箔でその厚みは１０〜２０μｍ程度のものを使用することができる。この正極集電体１１に塗工される正極合材は、例えば、リチウム複合酸化物粉末等からなる活物質に黒鉛等の導電材、ポリフッ化ビニリデン等の結着剤を混合し、ｎ−メチルピロリドン等の溶剤を適量加えたもので、ペースト状となっているものを用いればよい。負極集電体２１には、銅等の金属箔でその厚みは５〜２０μｍ程度のものを使用することができる。この負極集電体２１に塗工される負極合材は、例えば、黒鉛等の炭素材料粉末からなる活物質に、ポリフッ化ビニリデン等の結着剤を混合し、ｎ−メチルピロリドン等の溶剤を適量加えたもので、正極合材同様、ペースト状となっているものを用いればよい。なお電極合材層の厚みは、片面あたり、５０〜２５０μｍとするのが望ましく、またリチウムイオン二次電池の場合は、デンドライトの析出等を考慮して負極合材層２２の幅を正極合材１２の幅よりも若干量広く形成させるのが望ましい。
【００２７】
〈電極体の形成〉
リチウムイオン二次電池についての実施形態である本筒型電池の場合、電極合材層１２、２２が形成された正極シート１０および負極シート２０は、その間にセパレータ３０を挟装させられて捲回芯を中心にロール状に捲回され、電極体４０が形成される。セパレータ３０は、正極シート１０および負極シート２０を物理的に隔離し、電解液を保持する役割を果たすものであり、厚さ２０〜４０μｍ程度のポリエチレン等の微多孔質膜を用いるのがよい。なお、セパレータの幅は、絶縁を担保するため、正極合材層および負極合材層の塗工幅より若干広くするのが望ましい。
【００２８】
捲回芯４５を中心にして、正極シート１０および負極シート２０を、セパレータ３０を介して捲回する様子を図３に示す。この図が示すように、セパレータ３０、負極シート２０、セパレータ３０、正極シート１０の４枚を層状に重ねて捲回する。この際、正極シート１０の正極合材層未形成部１３と負極シート２０の負極合材層未形成部２３が、幅方向で互いに背向し、正極合材層未形成部１３がセパレータ３０および負極シート２０より突出し、負極合材層未形成部２３がセパレータ３０および正極シート１０より突出するように重ね合わせる。
【００２９】
捲回は捲回機を用い、正極シート１０、負極シート２０、２枚のセパレータ３０のそれぞれに対して、長手方向にテンションをかけ、それぞれが弛まないように行う。捲き始めは、セパレータ３０、負極シート２０、セパレータ３０、正極シート１０、セパレータ３０・・・・の順となるようにし、捲き終わりは、・・・・セパレータ３０、正極シート１０、セパレータ３０、負極シート２０、セパレータ３０の順となるようにする。
【００３０】
このように捲回された後、捲回芯４５を抜き取り、捲回中心に中空部４１を有する円筒ロール状（渦巻状）の電極体４０が完成される。形成された電極体を図４に示す。この図が示すように、電極体４０は、正極合材層未形成部１３および負極合材層未形成部２３が、正極合材層および負極合材層が重ね合わされて捲回されている部分より捲回軸方向の両側に突出した格好になっている。
【００３１】
〈集電端子〉
次に、形成した電極体４０の中空部４１に、底部集電端子５０と頂部集電端子５５との２つの集電端子を挿設する。本実施形態の筒型電池に用いる底部集電端子５０、頂部集電端子５５は、図５に示す縦断面形状を有する円筒形のものを使用する。なお、集電端子の形状は、電極体４０の中空部に挿設することができ、かつ、外側面に電極シート１０、２０の電極合材層未形成部が１３、２３が重ね合わせるように接合できるものであればいかなる形状であっても構わない。つまり、集電端子５０、５５の長さ、横断面形状等は、電極体の形状、構造等に応じて任意に選択できる。
【００３２】
本実施形態において、中空部５２、５７を有するような形状を採用したのは、後に詳しく説明する底部集電端子５０と電池缶６０の底部６１の内壁面との接合を、抵抗溶接にて行うためである。また、底部集電端子５０の下端部５４を外側面５１より突出させて太く形成し、頂部集電端子５５の上端部５８を外側面５６より太く形成している。これは、電極体４０の中空部４１に集電端子５０、５５を挿設し電極合材層未形成部を重ね合わせて接合する際に、捲回軸方向における集電端子の位置ずれを防ぎ、セッティングを容易にするためである。したがって、中空部５２、５７の有無や、突出端部５４、５８を設けることについても、電池の製造方法、電極体の形状等に応じて任意に採用できるものとなる。
【００３３】
本発明の筒型電池では、底部集電端子は電池缶の底部内壁面に接合される。したがって、底部集電端子は、電池缶の底部内壁面に接する面を有する必要があることから、本実施形態の場合は、有底の円筒形状を有する底部集電端子５０を採用し、下端面５３が接合面となる。接合面となる部分の形状もこの形状に限られるわけではなく、例えば、図６に示すように、円筒状のパイプの外側面の一部を延出させ、この延出させた部分を折り曲げることにより、接合面となる下端面を形成させた形状のものであってもよい。この形状のものは、上記本実施形態の底部集電端子５０と比べて、部品製作が容易でかつ軽量であるという利点を有する。
【００３４】
底部集電端子５０、頂部集電端子５５の２つの集電端子は、いずれも電気伝導性のある材料からなる必要がある。例えば、リチウムイオン二次電池の場合、正極側の集電端子は、アルミニウム等により、負極側の集電端子は銅、ニッケル、ステンレス鋼等により形成させることができる。
上記本実施形態の場合、電極シート１０、２０の捲回後に、捲回芯４５を取り外して電極体４０を完成させている。この実施形態に代えて、捲回芯４５を残したまま電極体４０を完成させるものであってもよい。つまり、予め集電端子が挿設される部分を見込んで、長さの短い捲回芯を利用して、電極体を形成させるのである。このようにすれば、捲回芯の分だけ電池重量が大きくなるが、捲回して形成された電極体４０の、その後の工程における形崩れを防止する効果がある。また、絶縁性のある材料からなる中間部材を用い、その一端に底部集電端子と頂部集電端子のいずれかを接合し、あるいはその両端にそれぞれ底部集電端子と頂部集電端子を接合し、集電端子と一体化した捲回芯を用いることもできる。図７に、樹脂製の中間部材４６の両端に底部集電端子５０と頂部集電端子５５とを接合させた捲回芯を示す。このように集電端子と一体化させた捲回芯を用いれば、改めて集電端子を挿設させる作業が不要となり、なお一層の電池製作工数の削減となる。
【００３５】
〈電極合材層未形成部の集電体への接合〉
本発明の筒型電池では、電極シートの電極合材層未形成部の少なくとも一部を、重ね合わせるようにして、集電体の外側面に接合する。図８に、本実施形態の筒型電池の場合の接合であって、周の２等分の位置（接合箇所８９）において電極合材層未形成部１３、２３を集電端子５０、５５に接合した様子を示す。
【００３６】
本実施形態では、接合箇所８９を２箇所としたが、これに限定されるものではなく、１箇所で、３箇所以上で、あるいは全周にわたって連続的に接合するものであってもよい。接合箇所が多くなるほど、電池内部における通電抵抗が減少することから、電池の出力特性等を考慮した場合は、接合箇所をできるだけ多くするのが望ましい。リチウムイオン二次電池の場合、後工程で非水電解液を注入し電極体に含浸させることから、少なくとも１箇所以上の非接合箇所を設けるのが望ましい。また、電池が過充電された場合等、電解液の分解から電極体内部にガスが発生することも考えられる。このガス抜きという観点からも少なくとも１箇所以上の非接合部を設けることが望ましい。
【００３７】
本実施形態の場合、集電端子５０、５５が円筒状をなしていることから、接合箇所となる集電端子の外側面５１、５６は曲面で構成され、接合箇所８９の１箇所あたりの面積は比較的小さい。１箇所あたりの接合面積を広く採るために、本実施形態の集電端子５０、５５に代えて、例えば図９に示すように、外側面の一部が平面となるような集電端子を用いることもできる。この平面部５９に電極合材層未形成部１３、２３を重ね合わせることにより、接合面積を広く採ることができ、より内部抵抗の小さい、出力特性に優れた電池を構成させることができる。
【００３８】
本実施形態の場合、この電極合材層未形成部１３、２３と集電端子との接合は、超音波接合によって行われている。この接合手段も超音波接合に限定されるものではない。例えば、抵抗溶接、レーザ溶接、ろう付け等種々の手段によって行うことができる。この中でも、本実施形態が採用する超音波接合は、電極合材層未形成部１３、２３を構成する金属箔集電体１１、２１が非常に薄い場合等に効率よく接合でき、また、電極合材層１２、２２への熱影響も少ないことから、リチウムイオン二次電池の場合の接合方法として優れている。
【００３９】
超音波接合による接合の様子を、図１０に示す。超音波接合機は、受け台となるアンビル８２と、超音波振動を接合部に伝達させるホーン８１とからなる。本実施形態の底部側つまり負極側の場合、底部集電端子５０の下端部が閉塞されているため、図１０（ａ）のように、電極体４０を超音波接合機にセットし、ホーン８１を負極合材層未形成部２３の最外周にホーン８１を当接させ、底部集電端子５０に向かって付勢して、アンビル８２とホーン８１との間で負極合材層未形成部２３を底部集電端子５０の外側面に重ね合わせるように挟持する。次いでホーン８１から超音波振動を伝達させて接合を行えばよい。正極側の場合、図１０（ｂ）に示すように、頂部集電端子５５の中空部５７に挿入できるような棒状のアンビル８２を用い、このアンビル８２を中空部５７に挿入して電極体４０をセットし、正極合材層未形成部１３の最外周にホーン８１を当接させ、頂部集電端子５５に向かって付勢して、頂部集電端子５５の外側面とホーン８１との間で正極合材層未形成部１３を重ね合わせるように挟持し、ホーン８１から超音波振動を伝達させて接合させることもできる。
【００４０】
〈電池缶底部と底部集電端子との接合〉
本実施形態の筒型電池では、電池缶６０の底部６１の内壁面と、底部集電端子５０の下端面５３とを接合させている。
電池缶６０は、本実施形態のリチウムイオン二次電池のように、負極側の外部端子を兼ねる場合、ニッケルめっき鋼板、ステンレス鋼板等の材料からなるものを使用するのが望ましい。また、正極側の外部端子を兼ねさせる場合には、アルミニウム板、アルミクラッド鋼板等の材料からなるものを使用するのが望ましい。また、電池缶６０は、電解液の漏洩等の危険性を小さくするという観点、および部品点数を少なくするといった観点から、単一部材であって継ぎ目のないもの、例えば深絞り加工によるもの等を用いるのが望ましい。
【００４１】
本実施形態の場合、底部集電端子５０と電池缶６０との接合は、抵抗溶接によって行われている。この接合手段についても、特に限定されるものではなく、種々の接合方法を採用することができる。例えば、電極体４０を挿設後、電池缶６０の底部６１の外壁面側から、底部集電端子５０とともにレーザ溶接を行う方法、また、電池缶６０の底部６１の内壁面と底部集電端子５０の下端面５３との間にろう材を配置し、電池缶６０の底部６１の外壁面から加熱することにより、ろう付けする方法等である。充分な接合強度が得られ、接合作業を行う時間が非常に短いという理由から、抵抗溶接が優れており、本実施形態の筒型電池では、抵抗溶接を採用している。
【００４２】
電池缶６０の底部６１の内壁面と底部集電端子５０の下端面５３とを抵抗溶接する様子を図１１に示す。この図が示すように、抵抗溶接は、頂部集電端子５５の中空部５７、電極体４０の中空部４１、底部集電端子５０の中空部５２を経て、底部集電端子５０の底部に当接する棒状の溶接電極９１と、電池缶６０の底部６１の外壁面に当接する溶接電極９２の２つの溶接電極とで、底部集電端子５０と電池缶６０の底部６１を挟み付けるように加圧しつつ、単相交流溶接機９３にて通電させることにより行うことができる。
【００４３】
なお、底部集電端子５０の接合面となる下端面５３は、通電時の発熱効率を高め、接合部の面積を増大させるために、プロジェクション形状とするのが望ましい。プロジェクション形状としては、例えば、図１２に示すように、（ａ）ドーム型、（ｂ）単一プロジェクション型、（ｃ）リングプロジェクション型、（ｄ）複数プロジェクション型等を採用できる。
【００４４】
実際に、抵抗溶接を行って、接合部面積および接合強度について評価した。電池缶６０は、厚さ０．５ｍｍのニッケルめっき鋼板であり、底部集電端子５０はニッケル製で、底部の厚さは１ｍｍとした。２つの溶接電極９１、９２はいずれもクロム銅製で、棒状溶接電極９１は６ｍｍφのものを使用した。溶接電流は５ｋＡ、溶接時間は１／６ｓｅｃ（１０サイクル）とした。この結果、接合部には３．５ｍｍφのナゲットが形成され、接合部は、約９．６ｍｍ2と充分な面積が得られた。また、引っ張り試験を行った結果、栓抜け母材破断を呈し、接合強度も充分なものであった。
【００４５】
〈頂部集電端子と電池缶蓋との接合および電池の完成〉
本実施形態の筒型電池の場合、正極側の外部端子を電池缶蓋６５が兼ねている。そこで、この電池缶蓋６５と頂部集電端子５５との間を通電させる必要がある。本電池では、帯状の頂部集電用リード７２を用いて、この頂部集電用リード７２のそれぞれの端部を、電池缶蓋６５の内壁面と頂部集電用端子５５の突出端部５８に接合させることによって通電させている。この接合は、超音波接合により行っているが、接合方法は、超音波接合に限定されるものではない。
【００４６】
電池缶蓋６５は、アルミニウム板、アルミクラッド鋼板等の材料から形成すればよく、また、頂部集電用リード７２は、同様に、アルミニウム等の材料から形成すればよい。なお電池缶蓋６５が負極側の外部端子を兼ねる場合には、電池缶蓋６５や頂部集電用リード７２は、頂部集電端子５５と接合可能な材料から形成すればよく、頂部集電端子５５がニッケル製の場合には、電池缶蓋６５をニッケルめっき鋼板、ステンレス鋼板等から、頂部集電用リード７２をニッケル、ステンレス鋼板、銅等から形成すればよい。
【００４７】
リチウムイオン二次電池の場合、電極体４０から正極側、負極側の集電処理が完了した後、電池缶６０の内部に非水電解液を注入し、電極体４０に含浸させる。非水電解液は、例えば、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート等の有機溶媒にＬｉＢＦ4、ＬｉＰＦ6等の電解質を溶解させたものを使用すればよい。含浸終了後、電池缶６０の開口部６２に電池缶蓋６５を被せ、ガスケット７１を介在させて開口部６２をカシメることにより電池缶６０を封緘して、本発明の筒型電池の実施形態である円筒型リチウムイオン二次電池が完成する。
【００４８】
〈その他の実施形態〉
冒頭に述べたように、本発明の筒型電池は、上記円筒型リチウムイオン二次電池の実施形態に限定されるものではない。上記説明の中で述べた各構成要素についてのさまざまな態様を取捨選択して組み合わせることによって、種々の筒型電池を構成させることができる。なお、さらに電池内部であって、特に電池の頂部に、ＰＴＣ素子、破裂弁等の電池の安全性を担保するための機構をも組み込む態様であってもよい。
【００４９】
また、電池の底部側にのみ、上述した集電方式を採用し、電池の頂部側に従来からある集電方式を採用するものであってもよい。このように電池の底部側にのみ採用する場合であっても、本発明が目的とする電池の出力密度、エネルギ密度の向上、密閉性の向上、集電処理コストの低減に対する効果が発揮されるものとなる。
【００５０】
さらに、電池の頂部側の集電方式に、図１３に示すような方式をも採用することができる。図１３に示す方式は、板状の集電端子７３を用い、この板状集電端子７３を電極体４０の捲回厚みの中間部に位置させ、超音波接合等の手段によって、電極合材層未形成部１３、２３を板状集電端子７３の両面に重ねあわせるように接合するものである。そして、図には示していないが、板状集電端子７３から集電用リードを用いて電池缶蓋の内壁面にまで通電させるものである。このように、小型部品を用いて集電できることは、電池の重量を軽くすることを可能にする。また、捲回厚みの中間部分で集電すれば、電極合材層未形成部１３、２３の幅をより小さくすることができ、電池内部の集電処理のためのスペースをさらに小さくすることを可能にする。
【００５１】
【発明の効果】
本発明の筒型電池は、一方の極の集電処理方式を、電極合材層未形成部に何ら特別な加工をせず、重ねあわせるように電極体の捲回中心部に位置する集電端子に接合し、かつ、この集電端子を電池缶の底部内壁面に接合するように構成したものである。このような構成の集電処理方式の採用により、本発明の筒型電池は、密閉性に優れ、集電処理のためのコストが安く、かつ出力密度、エネルギ密度の高い筒型電池となる。さらに本発明の筒型電池では、他方の極の集電処理方式をも、電極合材層未形成部に何ら特別な加工をせず、重ねあわせるように電極体の捲回中心部に位置する集電端子に接合する構成とすることができる。このことにより、本発明の筒型電池は、より高性能低価格な筒型電池となる
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の筒型電池の代表的な実施形態である円筒型リチウムイオン二次電池の内部構造を示す。
【図２】  実施形態である円筒型リチウムイオン二次電池に用いる電極シートを示す。
【図３】  円筒型リチウムイオン二次電池の実施形態において、電極シートが捲回される様子を示す。
【図４】  実施形態である円筒型リチウムイオン二次電池に用いる電極シートを捲回して形成した電極体を示す。
【図５】  実施形態である円筒型リチウムイオン二次電池に用いる頂部集電端子および底部集電端子の断面を示す。
【図６】  実施形態の円筒型リチウムイオン二次電池に用いることのできる底部集電端子であって、下端面を屈曲させて形成した態様のものを示す。
【図７】  実施形態の円筒型リチウムイオン二次電池に用いることができる捲回芯であって、底部集電端子および頂部集電端子が一体化されたものを示す。
【図８】  円筒型リチウムイオン二次電池の実施形態において、電極合材層未形成部が集電端子の外側面に接合された様子を示す。
【図９】  実施形態の円筒型リチウムイオン二次電池に用いることができる底部集電端子であって、外側面に平面部を形成させた態様のものを示す。
【図１０】  円筒型リチウムイオン二次電池の実施形態において、電極合材層未形成部が超音波接合によって接合される様子を示す。
【図１１】  円筒型リチウムイオン二次電池の実施形態において、底部集電端子が抵抗溶接によって電池缶底部の内壁面に接合される様子を示す。
【図１２】  実施形態である円筒型リチウムイオン二次電池に用いる底部集電端子の下端面に施すことができるプロジェクション形状を示す。
【図１３】  本発明の筒型電池において、頂部側に採用できる別の集電方式を示す。
【図１４】  従来の筒型電池に用いる正極シートおよび負極シートであって、集電用リードが切り欠きによって形成されたものを示す。
【図１５】  従来の筒型電池において、正極シート、負極シートおよびセパレータを捲回する様子を示す。
【図１６】  従来の筒型電池において、正極シート、負極シートおよびセパレータを捲回して形成された電極体を示す。
【図１７】  従来の筒型電池において、レーザー溶接によって集電処理される様子を示す。
【図１８】  従来の筒型電池において、超音波接合によって集電処理される様子を示す。
【図１９】  従来の筒型電池に用いる正極シートおよび負極シートであって、集電用リードが超音波接合によって形成されたものを示す。
【符号の説明】
１０：正極シート
１１：正極集電体  １２：正極合材層
１３：正極合材層未形成部
２０：負極シート
２１：負極集電体  ２２：負極合材層
２３：負極合材層未形成部
３０：セパレータ
４０：電極体
４１：中空部  ４５：捲回芯
４６：捲回芯絶縁部
５０：底部集電端子
５１：外側面  ５２：中空部  ５３：下端面
５４：突出端部
５５：頂部集電端子
５６：外側面  ５７：中空部  ５８：突出端部
５９：平面部
６０：電池缶
６１：底部  ６２：開口部
６５：電池缶蓋
６６：突出部
７１：ガスケット  ７２：頂部集電用リード
７３：板状集電端子
８１：ホーン  ８２：アンビル  ８９：接合個所
９１：棒状溶接電極  ９２：溶接電極
９３：単相交流溶接機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0003707945.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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