(57)【要約】【課題】集電体と電極リードが高い溶接強度で接合することが可能な電気化学素子用電極板を提供すること。【解決手段】集電体１ａの主面に活物質層１ｂを形成した電極板本体１と、電極板本体１の主面上に配置した電極リード２と、電極板本体１の端面と電極リード２の端面をそれぞれ溶融することにより形成した溶融部３とを備えた電気化学素子用電極板において、溶融部３の電極板本体１の厚み方向の大きさを、電極板本体１と電極リード２の厚さの和以上になるように形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状の金属体からなる集電体の主面に活物質層を形成した電極板本体と、前記電極板本体の主面上に配置した電極リードと、前記電極板本体の端面と前記電極リードの端面をそれぞれ溶融することにより形成した溶融部とを備えた電気化学素子用電極板において、上記溶融部の前記電極板本体の厚み方向の大きさを、前記電極板本体と前記電極リードの厚さの和以上になるように形成した電気化学素子用電極板。
【請求項２】
前記溶融部の前記電極板本体の厚み方向の大きさは、電極板本体の厚さと電極リードの厚さとセパレータの厚さの和以下になるように形成された請求項１に記載の電気化学素子用電極板。
【請求項３】
前記溶融部を、電極体本体と電極リードの積層体の端面に少なくとも２つ以上設けた請求項１に記載の電気化学素子用電極板。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の電気化学素子用電極板を正極板または／および負極板として用い、前記正極板と前記負極板とをセパレータに介して巻回または積層してなる電極群を電解液とともに外装体に封入してなる電気化学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極板本体の端部と電極リードの端部を溶融接合した電気化学素子用電極板および電気化学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯用電子機器の小型化、軽量化が進み、それらの電子機器の電源として小型軽量で高出力な二次電池は、電気化学素子の中で特に需要が高まっている。その中でも、リチウムイオン二次電池やニッケル水素蓄電池は、高いエネルギー密度を有し、耐振動性や耐衝撃性も高いことから、開発が盛んに進んでいる。
【０００３】
電気化学素子用電極板の一例として二次電池の電極板を用いた場合は、金属箔からなる集電体の両主面に活物質が塗布されており、適当な間隔を隔てて活物質の未塗工部分も設けられている。そして、集電体の両主面の活物質の未塗工部分には、短冊状の金属片からなる電極リードが接続されており、電極リードにより集電体は封口板等の外部端子と接続される。
【０００４】
これは、活物質層を介して集電体主面と電極リードとを接続した場合には十分な導通を確保できないためである。ここで、活物質の未塗工部分は、活物質を塗布しないようにしたり、塗工された活物質を取り除くことによって形成される（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００５】
また、電気化学素子用電極板本体の端面と、電極リードの端面を接続するようにプラズマ溶接等を行い、電極板本体と電極リードとを接続する手法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１３０６４号公報
【特許文献２】特開平１−２６５４５２号公報
【特許文献３】特開２０１０−１５７４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のように、集電体の主面と電極リードとを活物質層を介さずに接続するためには、電極リードの幅よりも広い幅の未塗工部分を集電体の主面に形成する必要がある。そのため、集電体の主面の比較的広い面積に、活物質層の未塗工部分が形成されるため、高容量化を図る上での障害となっている。
【０００８】
さらに、近年、活物質層の形成を従来の塗工法によるのではなく、ケイ素やゲルマニウムあるいはスズを含む活物質を集電体に蒸着して活物質層を形成する方法が注目を集めている。活物質を集電体に蒸着することにより、活物質層に含ませるバインダを低減または排除することが可能となる。また、活物質層と集電体が一体的に形成されるため、活物質層と集電体の導電性も高まり、活物質層に含ませる導電材も低減または排除することができる。このため、電極の厚みを小さくしながら高容量化を図ることができる。
【０００９】
ところが、蒸着により集電体上に活物質層を形成する場合には、集電体の主面上に露出部を形成することは困難となる。塗工法であれば、例えば長尺帯状の集電体を長手方向に
送りながらダイコーダを使用して活物質を含む塗料を塗布するときに、間欠的に塗料を塗布することにより集電体の主面に露出部を形成することができる。また、形成された活物質層を部分的に取り除いて、集電体の主面に露出部を形成することも比較的容易である。
【００１０】
これに対し、蒸着により活物質を形成する場合には、部分的に活物質層を形成しないようにしたり、形成された活物質層を部分的に取り除いたりすることは、非常に手間がかかる作業であるため、実質的には不可能である。
【００１１】
このため、これらの不都合を解決する手段として上記特許文献３に示されているような電極板本体の端面と電極リードの端面を接続することが考えられる。
【００１２】
しかしながら、特許文献３に示されているような、電極板本体と電極リードの厚さの和よりも小さい溶融部を形成した場合には、溶融部の大きさが小さいため、溶接強度が小さなものとなる。このため、溶接後に溶融部の破断が発生しやすくなるという課題を有していた。
【００１３】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、帯状の金属体からなる集電体の主面に活物質層を形成した電極板本体と、前記電極板本体の主面上に配置した電極リードと、前記電極板本体の端面と前記電極リードの端面をそれぞれ溶融することにより形成した溶融部とを備えた電気化学素子用電極板において、上記溶融部の前記電極板本体の厚み方向の大きさを、前記電極板本体と前記電極リードの厚さの和以上になるように形成することで、電極板本体の破断強度以上の高い溶接強度を確保する電気化学素子用電極板および電気化学素子を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために本発明の電気化学素子用電極板は、帯状の金属体からなる集電体の主面に活物質層を形成した電極板本体と、前記電極板本体の主面上に配置した電極リードと、前記電極板本体の端面と前記電極リードの端面をそれぞれ溶融することにより形成した溶融部とを備えた電気化学素子用電極板において、上記溶融部の前記電極板本体の厚み方向の大きさを、前記電極板本体と前記電極リードの厚さの和以上になるように形成したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の電気化学素子用電極板および電気化学素子では、電極リードと電極板本体の厚さの和以上の大きさの溶融部を形成することで、電極板本体の破断強度以上の高い溶接強度を確保することが可能となる。また、溶融部を大きく形成することにより、エネルギー線の照射の数を減らしても、高い溶接強度を確保でき、低エネルギー消費量で高い溶接強度を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態における電気化学素子用電極板の斜視図
【図２】本発明の他の実施形態における電気化学素子用電極板の斜視図
【図３】本発明の第２の実施形態における電気化学素子用電極板の斜視図
【図４】本発明の第３の実施形態における電気化学素子用電極板の斜視図
【図５】本発明の第４の実施形態における電気化学素子の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の第１の発明においては、帯状の金属体からなる集電体の主面に活物質層を形成した電極板本体と、前記電極板本体の主面上に配置した電極リードと、前記電極板本体の端面と前記電極リードの端面をそれぞれ溶融することにより形成した溶融部とを備えた電
気化学素子用電極板において、上記溶融部の前記電極板本体の厚み方向の大きさを、前記電極板本体と前記電極リードの厚さの和以上になるように形成した電気化学素子用電極板であって、溶融部の形成は、例えば溶加材を使用したプラズマ溶接により行われる。溶融部の電極板本体の厚み方向の大きさを電極板本体と電極リードの厚さの和以上とすることにより、高い溶接強度を確保でき、電極板本体の破断強度以上の溶接強度を有することが可能となる。また、溶融部を大きく形成することで、エネルギー線の照射の数を減らしても、高い溶接強度を確保でき、低エネルギー消費量で高い溶接強度を確保することが可能となる。
【００１８】
本発明の第２の発明においては、前記溶融部の前記電極板本体の厚み方向の大きさを、電極板本体の厚さと電極リードの厚さとセパレータの厚さの和以下になるように形成することにより、溶接部がセパレータから突出することはなく、電気化学素子用電極板の巻回時におけるセパレータの破断や変形を抑制することが可能となる。
【００１９】
本発明の第３の発明においては、前記溶融部を、電極板本体と電極リードの積層体の端面に２つ以上形成することにより、溶接強度をさらに大きくすることが可能となる。
【００２０】
本発明の第４の発明においては、第１の発明から第３の発明のいずれか１つに記載の電気化学素子用電極板を正極板または／および負極板として用い、前記正極板と前記負極板とをセパレータに介して巻回または積層してなる電極群を備えた電気化学素子とすることにより、高い溶接強度を確保でき、電極板本体の破断強度以上の溶接強度を有することが可能となる。以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態における電気化学素子用電極板の斜視図である。
【００２１】
図示例の電気化学素子用電極板は、リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池に使用されるものであり、金属箔からなる集電体１ａの両主面に全面的に活物質層１ｂを形成して構成された電極板本体１と、電極板本体１の主面上に配置した非水電解質二次電池の外部端子と接続するための電極リード２を含んでいる。電極板本体１は、集電体１ａの両主面に活物質層１ｂが形成されているが、集電体１ａの端面には活物質層１ｂは形成されておらず、集電体１ａが露出されている。
【００２２】
次に、集電体１ａおよび活物質層１ｂについて説明する。
【００２３】
正極については、例えば、正極集電体には、厚み５〜５０μｍのアルミニウムまたはアルミニウム合金製の箔を用いることができる。正極活物質層は、正極集電体の表面に正極合材塗料を塗布し、乾燥した後、圧延して形成される。正極合剤塗料は、正極活物質、導電材および結着材を分散媒中にプラネタリーミキサ等の分散機により混合分散させることにより調製される。
【００２４】
正極活物質としては、コバルト酸リチウムおよびその変性体、ニッケル酸リチウムおよびその変性体、並びにマンガン酸リチウムおよびその変性体などの複合酸化物を挙げることができる。
【００２５】
また、負極については、例えば、厚み５〜５０μｍの銅箔等を負極集電体として用いることができる。負極活物質層は、負極集電体の表面に負極合材塗料を塗布し、乾燥した後、圧延して形成される。負極合剤塗料は、負極活物質、導電材および結着材を分散媒中にプラネタリーミキサ等の分散機により混合分散させることにより調製される。
負極活物質としては、黒鉛などの炭素材料、合金系材料などを挙げることができ、合金材
料としては、ケイ素酸化物、ケイ素、ケイ素合金、スズ酸化物、スズ、スズ合金などを用いることができる。
【００２６】
以上のような塗布法の他に、集電体の表面に活物質の薄膜を形成することにより、活物質層を形成してもよい。この薄膜を形成する手法として、蒸着法、スパッタリング法、およびＣＶＤ法などを使用することができる。
これらの手法により形成される活物質の厚みは、概ね５〜３０μｍの範囲が好ましい。
【００２７】
溶融部３は、電極板本体１の長手方向端面と電極リード２の端面をそれぞれ溶融して形成する。溶融部３の電極板本体１の厚み方向の大きさは、電極板本体１と電極リード２の厚さの和以上になるように設定している。
【００２８】
以上のように構成された電気化学素子用電極板は、溶融部の電極板本体の厚み方向の大きさを電極板本体と電極リードの厚さの和以上とすることにより、高い溶接強度を確保でき、電極板本体の破断強度以上の溶接強度を有することが可能となる。
【００２９】
なお、本実施の形態では溶融部３を、電極板本体１の長手方向端面に形成したが、図２で示すように電極板本体１の短手方向端面に形成してもよい。
（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施形態における電気化学素子用電極板の斜視図である。実施の形態１と同様の構成については、説明を割愛する。
【００３０】
図３に示すように、電極板本体１の主面上に電極リード２が配置され、電極リード２の上にセパレータ４が配置される。
【００３１】
セパレータ４は、樹脂からなる微多孔膜フイルムであってもよく、金属酸化物などのフィラーからなるセパレータであってもよく、微多孔膜フイルムとセパレータとの積層体であってもよい。また、セパレータの厚みは、概ね５〜５０μｍの範囲が好ましい。
【００３２】
溶融部３は、電極板本体１の長手方向端面と電極リード２の端面とをそれぞれ溶融して形成する。
【００３３】
溶融部３の電極板本体１の厚み方向の大きさは、電極板本体１と電極リード２の厚さの和以上でかつ、電極板本体１の厚さと電極リード２の厚さとセパレータ４の厚さの和以下になるように設定している。
【００３４】
以上のように構成された電気化学素子用電極板は、溶融部３の電極板本体１の厚み方向の大きさを、電極板本体１と電極リード２の厚さの和以上でかつ、電極板本体１の厚さと電極リード２の厚さとセパレータ４の厚さの和以下になるようにすることにより、高い溶接強度を確保でき、電極板本体の破断強度以上の溶接強度を有することが可能となる。
【００３５】
また、溶融部３がセパレータ４から突出することはなく、電気化学素子用電極板の巻回時におけるセパレータ４の破断や変形を抑制することが可能となる
（実施の形態３）
図４は、本発明の第３の実施形態における電気化学素子用電極板の斜視図である。実施の形態１と同様の構成については、説明を割愛する。
【００３６】
本実施の形態は、電極板本体１の端面と電極リード２の端面をそれぞれ溶融して形成した溶融部３を２つ形成したものである。ここで、溶融部３は、電極板本体１の厚み方向の大きさは、電極板本体１と電極リード２の厚さの和以上になるように設定している。
以上のように構成された電気化学素子用電極板は、溶融部３を２つ設け、溶接強度をさらに大きくすることが可能となる。また、本実施の形態では溶融部３を２つとしたが、２つ以上でもよい。
（実施の形態４）
図５は、本発明の第４の実施形態における電気化学素子である二次電池１０の断面図である。これは、実施の形態１から実施の形態３に記載の電気化学素子用電極板を正極板または／および負極板として用い、前記正極板と前記負極板とをセパレータに介して巻回または積層してなる電極群を備えた二次電池１０である。
【００３７】
二次電池１０は、実施の形態１から実施の形態３に記載の電気化学素子用電極板を正極板１１または／および負極板１２に用い、正極板１１と負極板１２とをセパレータ４を間に介在させて、渦巻状に巻回した電極群１４を含んでいる。電極群１４は、上下に絶縁板１５ａおよび１５ｂを配置した状態で、外装体である有底円筒形の電池ケース１６の内部に収納される。電極群１４の上部より導出した正極リード１１ａは、電池ケース１６の開口部を封口する封口体１８に接続される。一方、電極群１４の下部より導出した負極リード１２ａは、電池ケース１６の底部に接続される。また、電池ケース１６には、所定量の非水電解液が注液される。電解液は、電極群１４を電池ケース１６に収納した後に注液される。電解液の注液が終了すると、電池ケース１６の開口部に、封口ガスケット１７を周縁に取り付けた封口体１８を挿入し、電池ケース１６の開口部を内方向に折り曲げるようにかしめ封口して、二次電池１０が構成される。
【００３８】
本発明は、二次電池に適用でき、以下の具体的な実施例に記載のリチウムイオン二次電池に適用してもよく、ニッケル水素蓄電池などに適用してもよい。また、本発明は、二次電池と同様の集電構造を有するコンデンサなどの電気化学素子に適用してもよい。
【００３９】
以下、本発明をリチウムイオン二次電池用電極板に適応した具体的実施例を説明する。本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
【００４０】
また、正極板１１と負極板１２とをセパレータ４に介して巻回した場合を記載したが、正極板１１と負極板１２とをセパレータ４に介して積層してもよい。
（実施例１）
以下のようにして、図１示したのと同じ構造のリチウムイオン二次電池用電極板を作製した。
【００４１】
厚さ４０μｍの銅箔からなる集電体１ａの両主面に、厚み２０μｍで珪素の酸化物からなる活物質層１ｂを真空蒸着した。活物質層１ｂが両主面に蒸着された集電体１ａを、長さ３０ｍｍ、幅１０ｍｍの帯状に裁断して、厚み８０μｍの電極板本体１を作製した。そして、厚みが０．１ｍｍ、長さ４０ｍｍ、幅３ｍｍの銅からなる電極リード２を、電極板本体１の長手方向に直行するように活物質層１ｂを介して配置した。
【００４２】
次に、電極板本体１の長手方向端部と電極リード２の端部に電極板本体１と電極リード２の厚さの和以上の溶融部３を形成した。
（実施例２）
以下のようにして、図３に示したのと同じ構造のリチウムイオン二次電池用電極板を作製した。電極板本体１および電極リード２は、実施例１と同じである。
電極板本体１の主面上に電極リード２が配置され、電極リード２の上にセパレータ４が配置される。
【００４３】
溶融部３は、電極板本体１の長手方向端面と電極リード２の端面とをそれぞれ溶融して形成する。溶融部３は、電極板本体１の厚さ（８０μｍ）と電極リード２の厚さ（１００
μｍ）とセパレータ４の厚さ（３０μｍ）の和以下になるように形成した。
（実施例３）
以下のようにして、図４に示したのと同じ構造のリチウムイオン二次電池用電極板を作製した。電極板本体１および電極リード２は、実施例１と同じである。
そして、電極リード２を電極板本体１の長手方向に直行するように活物質層１ｂを介して配置した。
【００４４】
次に、電極板本体１の端面の長手方向端部と電極リード２の端部に、電極板本体１と電極リード２の厚さの和以上の溶融部３を２個形成した。
（比較例１）
実施例１と同様に電極板本体１および電極リード２を作成した。そして、電極リード２を電極板本体１の長手方向に直行するように活物質層１ｂを介して配置した。
【００４５】
次に、電極板本体１の長手方向端部と電極リード２の端部に、電極板本体１と電極リード２の和よりも小さい溶融部３を形成した。
【００４６】
以下、リチウムイオン二次電池用電極板、および電極板本体の評価方法と結果について述べる。
【００４７】
上述のように作製した実施例１〜３および比較例１のリチウムイオン二次電池用電極板を各５０個準備し、電極板本体と電極リードとの接続部についての評価を行った。
【００４８】
作製した各実施例および比較例から５個ずつ抜き取り、溶接部における引張強度を測定した。具体的には、引っ張り試験機の一方に電極板本体を保持させ、引っ張り試験機の他方に電極リードを保持させた状態で、一定の速度で引っ張り試験機の軸方向、詳細には電極板本体と電極リードとが互いに離れる方向に引っ張り、接続部が破壊したときの荷重を引張強度とした。
【００４９】
さらに、引張試験後、視認により各実施例および比較例の溶融部、破壊部を観察した。また、実施例１〜３および比較例１の電極板本体を巻回し、溶融部の近傍におけるセパレータの破断や変形の有無を観察した。
【００５０】
上記の評価結果を（表１）に示す。
【００５１】
【表１】
2014170614.tif 000003
【００５２】
表１の引張強度の測定結果について、実施例１〜３のいずれにおいても引張強度は０．５Ｎであった。一方、比較例１では、０．２Ｎ以下で破壊した。
【００５３】
次に、引張試験後の破壊部分を観察した結果について、実施例１〜３のいずれにおいても破壊部分は溶融部ではなく、集電体部分で破壊していたことが観察できた。一方、比較例１においては、集電体は破壊されておらず、溶融部で破壊されていることが観察できた。つまり、実施例１〜３の引張強度は、電極板本体自体の引張強度に依存しており、溶融部の引張強度は、電極板本体自体の引張強度よりも高い溶接強度を有していると推察できる。また、実施例２における溶融部の大きさは、実施例１の溶融部の大きさと比較して５０％程度の大きさであり、さらに、溶融部の数も１個であったが、引張強度は実施例１、および実施例３と同等の値であった。
【００５４】
次に、巻回後におけるセパレータの状態を観察した結果について、実施例１のいずれにおいても、溶融部近傍においてセパレータが破断、変形していることが観察できた。一方、実施例２〜３、および比較例１においては、セパレータの破断、変形は確認できなかった。
【００５５】
以上のことから、本発明の実施例１〜３に関して、従来例と比較して溶接強度の改善効果を確認することができた。特に、実施例２〜３に関しては、高い溶接強度を有するとともに、セパレータの破断も確認できなかったことから、短絡抑制効果も高いと推察できる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の構成は、大電流放電に適した集電構造を有する電気化学素子に有用で、例えば、高出力を必要とする電動工具や電気自動車などの駆動用電源、大容量のバックアップ用電源、蓄電用電源等に有用である。
【符号の説明】
【００５７】
１  電極板本体
１ａ  集電体
１ｂ  活物質層
２  電極リード
３  溶融部
４  セパレータ
１０  二次電池
１１  正極板
１１ａ  正極リード
１２  負極板
１２ａ  負極リード
１４  電極群
１５ａ、１５ｂ  絶縁板
１６  電池ケース
１７  封口ガスケット
１８  封口体
【図１】
2014170614.tif 000004
【図２】
2014170614.tif 000005
【図３】
2014170614.tif 000006
【図４】
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【図５】
2014170614.tif 000008