(57)【要約】【課題】本発明は、長時間振動を加え続けても破断することを抑制することができる電池用集電体を提供する。【解決手段】本発明の電池用集電体は、板状の基部と、前記基部から延びる足部とを有し、前記足部は、正極または負極を接続する接続部と、前記基部と前記接続部との間に設けられた屈曲部とからなり、前記基部と前記屈曲部との間に緩衝部が設けられていることを特徴とする。【選択図】図９
2014007064.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の基部と、前記基部から延びる足部とを有し、
前記足部は、正極または負極を接続する接続部と、前記基部と前記接続部との間に設けられた屈曲部とからなり、
前記基部と前記屈曲部との間に緩衝部が設けられていることを特徴とする電池用集電体。
【請求項２】
前記緩衝部は、前記屈曲部に隣接して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電池用集電体。
【請求項３】
前記緩衝部は、前記基部に隣接して設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の電池用集電体。
【請求項４】
前記基部、前記足部および前記緩衝部は、金属板を加工することにより一体に形成された請求項１〜３のいずれか１つに記載の電池用集電体。
【請求項５】
前記緩衝部は、前記基部に切欠き部を設けることにより形成され、
前記切欠き部は、前記基部における前記足部の付け根の少なくとも一方の側部に接し、前記基部の蓋部材側の面に平行な方向に切欠いた部分である請求項１〜４のいずれか１つに記載の電池用集電体。
【請求項６】
前記屈曲部は、４５度以上１１０度以下の角度で屈曲した部分である請求項１〜５のいずれか１つに記載の電池用集電体。
【請求項７】
前記屈曲部は、Ｒを有しており、前記Ｒの円弧半径（内側の面）は、０．０１ｍｍ以上５ｍｍ以下である請求項１〜６のいずれか１つに記載の電池用集電体。
【請求項８】
前記緩衝部は、前記接続部が振動した際、前記屈曲部にかかる振動応力を緩衝部へ分散するように設けられた請求項１〜７のいずれか１つに記載の電池用集電体。
【請求項９】
前記接続部は、コの字形の断面またはＮ字形の断面を有する請求項１〜８のいずれか１つに記載の電池用集電体。
【請求項１０】
正極と負極とをセパレータを挟んで積層または巻回した構造を有する発電要素と、前記正極に接続された正極集電体と、前記負極に接続された負極集電体と、非水電解液と、前記発電要素と前記正極集電体と前記負極集電体と前記非水電解液とを収容する電池ケースとを備え、
前記正極集電体または前記負極集電体は、請求項１〜９のいずれか１つに記載の電池用集電体であることを特徴とするリチウムイオン電池。
【請求項１１】
前記発電要素は、正極と負極が対向する異なる端部においてそれぞれ集電されており、一端部で前記正極集電体の前記接続部と、他端部で前記負極集電体の前記接続部と接続されている請求項１０に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１２】
熱収縮させたシュリンクチューブをさらに備え、
前記シュリンクチューブは、前記正極集電体と前記負極集電体と前記発電要素とを一体に束ねる請求項１０または１１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項１３】
前記セパレータは、つづら折りされた形状を有し、
前記正極および前記負極は、前記セパレータの各谷溝に配置され、かつ、前記セパレータを介して交互に配置される請求項１０〜１２のいずれか１つに記載のリチウムイオン電池。
【請求項１４】
前記電池ケースは、開口を有する容器と前記開口を塞ぐ蓋部材とを備え、
前記正極集電体および前記負極集電体は、前記蓋部材に固定された請求項１０〜１３のいずれか１つに記載のリチウムイオン電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池用集電体およびリチウムイオン電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池は、エネルギー密度の高さから注目され開発研究が活発になされている。また、ノートパソコンや携帯電話などの小型用途での普及が進んでいる。近年、電気自動車やスマートハウスなどの登場により、大型の蓄電池が市場から求められるようになっており、電池容量の大きい大型のリチウムイオン電池の研究・開発が進んでいる。
【０００３】
リチウムイオン電池は電解液に有機溶媒を用いるため、輸送時のストレスで電池の故障による発火事故が起こりうる危険性がある。このため、国連や各国では、リチウムイオン電池の輸送規制（国連輸送勧告等）を設け、電池が輸送に耐えられるのかを判断するため、電池に様々な検査を要求している。このため、リチウムイオン電池の耐衝撃性や耐振動性を向上させる研究がなされている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４１７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
大型のリチウムイオン電池は、一般的に剛性材料からなる電池ケースに固定した集電体に発電要素を接続した構造を有する。このような電池に振動が加わると、発電要素は電池ケースと異なる振動周波数または振動幅で振動する場合がある。このような場合、集電体の電池ケースに固定した部分は電池ケースと同じ振動周波数または振動幅で振動すると考えられるが、集電体の発電要素と接続した部分は電池ケースと異なる振動周波数または振動幅で振動すると考えられる。このため、集電体の電池ケースに固定された部分と、集電体の発電要素が接続した部分との間の部分に大きな振動応力が生じると考えられ、この部分で集電体が破断するおそれがある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、長時間振動を加え続けても破断することを抑制することができる電池用集電体、およびこの電池用集電体を備えた耐振動性が高いリチウムイオン電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、板状の基部と、前記基部から延びる足部とを有し、前記足部は、正極または負極を接続する接続部と、前記基部と前記接続部との間に設けられた屈曲部とからなり、前記基部と前記屈曲部との間に緩衝部が設けられていることを特徴とする電池用集電体を提供する。
また、本発明は、正極と負極とをセパレータを挟んで積層した構造を有する発電要素と、前記正極に接続された正極集電体と、前記負極に接続された負極集電体と、非水電解液と、前記発電要素と前記正極集電体と前記負極集電体と前記非水電解液とを収容する電池ケースとを備え、前記正極集電体または前記負極集電体は、前記電池ケースに固定された板状の基部と、前記基部から延びる板状の足部とを有し、前記足部は、正極または負極に接続されている接続部と、前記基部と前記接続部との間に設けられた屈曲部とを有し、前記基部と前記屈曲部との間に緩衝部が設けられていることを特徴とするリチウムイオン電池を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の電池用集電体によれば、足部は正極または負極に接続される接続部と、基部と前記接続部との間に設けられた屈曲部とを有し、前記基部と前記屈曲部との間に緩衝部が設けられているため、電池に振動が加えられた際に集電体の基部と足部との間に生じる大きな振動応力を、屈曲部から緩衝部に分散することができる。このことにより、大きな振動応力が一箇所に集中することを抑制することができ、集電体が破断することを抑制することができる。なお、このことは、本発明者が行った実験により実証された。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態のリチウムイオン電池の概略上面図である。
【図２】本発明の一実施形態のリチウムイオン電池の概略側面図である。
【図３】図１の点線Ａ−Ａにおけるリチウムイオン電池の概略断面図である。
【図４】図１の点線Ｂ−Ｂにおけるリチウムイオン電池の概略断面図である。
【図５】図２の一点鎖線Ｃ−Ｃにおけるリチウムイオン電池の概略断面図である。
【図６】本発明の一実施形態のリチウムイオン電池に含まれる発電要素の構成を説明する説明図である。
【図７】（ａ）は本発明の一実施形態のリチウムイオン電池に含まれる正極の概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）の点線Ｄ−Ｄにおける正極の概略断面図である。
【図８】（ａ）は本発明の一実施形態のリチウムイオン電池に含まれる負極の概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）の点線Ｅ−Ｅにおける負極の概略断面図である。
【図９】（ａ）は、本発明の一実施形態の電池用集電体の概略上面図であり、（ｂ）はその概略側面図であり、（ｃ）は（ａ）の一点鎖線Ｆ−Ｆにおける集電体の概略断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態の電池用集電体の概略斜視図である。
【図１１】（ａ）は本発明の一実施形態の電池用集電体の概略上面図であり、（ｂ）は電池用集電体に含まれる接続部の概略断面図である。
【図１２】（ａ）は本発明の一実施形態の電池用集電体の概略上面図であり、（ｂ）は電池用集電体に含まれる接続部の概略断面図である。
【図１３】（ａ）は本発明の一実施形態の電池用集電体の概略上面図であり、（ｂ）は電池用集電体に含まれる接続部の概略断面図である。
【図１４】（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ本発明の一実施形態の電池用集電体の一部の概略上面図である。
【図１５】従来のリチウムイオン電池に含まれる正極集電体または負極集電体の概略上面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の電池用集電体は、板状の基部と、前記基部から延びる足部とを有し、前記足部は、正極または負極を接続する接続部と、前記基部と前記接続部との間に設けられた屈曲部とからなり、前記基部と前記屈曲部との間に緩衝部が設けられていることを特徴とする。
また、本発明のリチウムイオン電池は、正極と負極とをセパレータを挟んで積層または巻回した構造を有する発電要素と、前記正極に接続された正極集電体と、前記負極に接続された負極集電体と、非水電解液と、前記発電要素と前記正極集電体と前記負極集電体と前記非水電解液とを収容する電池ケースとを備え、前記正極集電体または前記負極集電体は、前記電池ケースに固定された板状の基部と、前記基部から延びる足部とを有し、前記足部は、正極または負極に接続される接続部と、前記基部と前記接続部との間に設けられた屈曲部とを有し、前記基部と前記屈曲部との間に緩衝部が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
本発明のリチウムイオン電池において、前記正極集電体または前記負極集電体は、金属板を加工することにより一体に形成されたことが好ましい。
このような構成によれば、リチウムイオン電池の部品数を減らすことができ、製造コストを低減することができる。また、基部と足部との間に抵抗要因となりうる接続部分がないため、導電抵抗を低減することもできる。
本発明のリチウムイオン電池において、前記緩衝部は、基部または屈曲部に接して設けることが好ましい。
このような構成によれば、屈曲部にかかる振動応力を確実に緩衝部に分散することができる。
本発明のリチウムイオン電池において、前記緩衝部は、前記基部に切欠き部を設けることにより形成され、前記切欠き部は、前記基部の蓋部材側の面に平行な方向に設けることが好ましい。また、前記切欠き部は、基部（緩衝部なし）の足部の付け根の少なくとも一方の側部に接するように設けることが好ましい。
このような構成によれば、従来足部の屈曲部に集中していた振動応力を緩衝部に分散することができる。
【００１１】
本発明のリチウムイオン電池において、前記屈曲部は、４５度以上１１０度以下の角度で屈曲した部分であることが好ましい。
このような構成によれば、発電要素を集電体とつなぐ電極の電極接続部２３を発電要素の上部ではなく、側部に設けることが可能となる。
本発明のリチウムイオン電池において、前記接続部は、コの字形の断面またはＮ字形の断面を有することが好ましい。
このような構成によれば、発電要素に無理な変形を強いることなく、多数の電極を集電体につなぐことができ、リチウムイオン電池に含まれる正極および負極の数を多くすることができる。このことにより、リチウムイオン電池のエネルギー容量を大きくすることができる。
【００１２】
本発明のリチウムイオン電池において、前記発電要素は、正極と負極が対向する異なる端部においてそれぞれ集電されており、一端部で前記正極集電体の前記接続部と、他端部で前記負極集電体の前記接続部と接続されることが好ましい。
このような構成によれば、正負極の集電体に短絡電流が流れることを抑制することができる。
【００１３】
本発明のリチウムイオン電池において、前記緩衝部は、前記接続部が振動した際、前記屈曲部にかかる振動応力を緩衝部に分散できるように設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、リチウムイオン電池に振動が加えられた際に足部が破断することを抑制することができる。
本発明のリチウムイオン電池において、熱収縮させたシュリンクチューブをさらに備え、前記シュリンクチューブは、前記正極集電体と前記負極集電体と前記発電要素とを一体に束ねることが好ましい。
このような構成によれば、発電要素の膨らみやズレを抑えることができ、発電要素に含まれる正極や負極がばらばらになることを防止することができる。
【００１４】
本発明のリチウムイオン電池において、前記セパレータは、つづら折りされた形状を有し、前記正極および前記負極は、前記セパレータの各谷溝に配置され、かつ、前記セパレータを介して交互に配置されることが好ましい。
このような構成によれば、短絡電流が流れることを防止することができる。また、リチウムイオン電池が複数の正極と複数の負極を有することができ、リチウムイオン電池のエネルギー容量を大きくすることができる。
本発明のリチウムイオン電池において、前記電池ケースは、開口を有する容器と前記開口を塞ぐ蓋部材とを備え、前記正極集電体および前記負極集電体は、前記蓋部材に固定されたことが好ましい。
このような構成によれば、正極集電体、負極集電体および発電要素を蓋部材に固定した状態で容器内に挿入することができ、製造コストを低減することができる。
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
【００１５】
リチウムイオン電池の構成
図１は本実施形態のリチウムイオン電池の概略上面図であり、図２は本実施形態のリチウムイオン電池の概略側面図であり、図３は図１の点線Ａ−Ａにおけるリチウムイオン電池の概略断面図である。また、図４は図１の点線Ｂ−Ｂにおけるリチウムイオン電池の概略断面図であり、図５は図２の一点鎖線Ｃ−Ｃにおけるリチウムイオン電池の概略断面図である。
図６は、本実施形態のリチウムイオン電池に含まれる発電要素の構成を説明する説明図であり、図７（ａ）は本実施形態のリチウムイオン電池に含まれる正極の概略平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）の点線Ｄ−Ｄにおける正極の概略断面図である。図８（ａ）は本実施形態のリチウムイオン電池に含まれる負極の概略平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）の点線Ｅ−Ｅにおける負極の概略断面図である。
図９（ａ）は、本実施形態のリチウムイオン電池に含まれる正極集電体または負極集電体の概略上面図であり、図９（ｂ）はその概略側面図であり、図９（ｃ）は図９（ａ）の一点鎖線Ｆ−Ｆにおける集電体の概略断面図である。なお、図９は、集電体７を蓋部材２に固定する前の状態の図であり、図９に示した集電体７に含まれる突起部３１は、蓋部材２に固定される際のかしめ加工により変形する。
図１０は、本実施形態のリチウムイオン電池に含まれる正極集電体または負極集電体の概略斜視図である。
【００１６】
本実施形態のリチウムイオン電池２０は、正極２１と負極２２とをセパレータ２４を挟んで積層した構造を有する発電要素１２と、正極２１に接続された正極集電体３と、負極２２に接続された負極集電体４と、非水電解液５と、発電要素１２と正極集電体３と負極集電体４と非水電解液５とを収容する電池ケース１７とを備え、正極集電体３または負極集電体４は、電池ケース１７に固定された板状の基部３２と、基部３２から延びる足部３３とを有し、足部３３は、正極２１または負極２２に接続されている接続部３７と、基部３２に隣接して設けられる緩衝部３５と、緩衝部３５と接続部３７との間に設けられた屈曲部３６とを有することを特徴とする。
以下、本実施形態のリチウムイオン電池２０について説明する。
【００１７】
１．電池ケース
電池ケース１７は、発電要素１２を収容するための容器１を備える。また、電池ケース１７は、蓋部材２を備えてもよい。
容器１は、内部に発電要素１２、正極集電体３（集電体７）、負極集電体４（集電体７）および非水電解液５を収容することができ、蓋部材２と接合することができる。
容器１の材料は、内部に発電要素１２、正極集電体３、負極集電体４および非水電解液５を収容しても大きく変形しない材料であれば特に限定されないが、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金、ステンレス等の金属材料、該金属材料にニッケル、スズ、クロム、亜鉛等をメッキしたものや、硬質プラスチックなどである。
容器１の形状は、角型でも円筒形でも良い。
容器１は、発電要素１２を容器１の内部に挿入するための開口を有する。また、この開口は、蓋部材２により塞がれる。このことにより、容器１の内部に発電要素１２を収容することができる。
【００１８】
蓋部材２は、容器１の発電要素１２を挿入するための開口を塞ぐ。また、容器１と蓋部材２は、例えばレーザ溶接、抵抗溶接、超音波溶接、接着剤などにより接合され、容器１を密閉する。蓋部材２には、正極集電体３および負極集電体４を固定することができる。また、正極集電体３および負極集電体４には、発電要素１２を接続することができる。このことにより、蓋部材２と正極集電体３と負極集電体４と発電要素１２とを一体化することができる。この一体化された正極集電体３と負極集電体４と発電要素１２を容器１中に挿入し、容器１の開口を蓋部材２で塞ぐことにより、正極集電体３および負極集電体４に接続された発電要素１２を電池ケース１７中に収容することができる。なお、非水電解液５は、容器１の開口を蓋部材２で塞いだ後に電池ケース１７内に注入することができる。
【００１９】
２．発電要素、非水電解液
発電要素１２は、電池ケース１７内部に充填された非水電解液５と共に電池反応をする。この電池反応によりリチウムイオン電池２０は、放電、充電をすることができる。発電要素１２は、セパレータ２４と、セパレータ２４を介して配置された正極２１および負極２２を備える。発電要素１２は、例えば、図６のように、つづら折りされたセパレータ２４と、セパレータ２４の各谷溝に配置され、かつ、セパレータ２４を介して交互に配置された正極２１および負極２２とを備えることができる。ここでは、上記構造を示したが、通常使われているセパレータ２４と、セパレータ２４を介して配置された正極２１および負極２２を巻いた巻回タイプや、セパレータ２４を介して配置された正極２１および負極２２を重ね合わせた積層タイプでもよい。
なお、１つの発電要素１２に含まれる正極２１または負極２２の積層数は、例えば、７層以上２０層以下である。
【００２０】
セパレータ２４は、シート状であり、正極２１と負極２２との間に配置される。セパレータ２４は、正極２１と負極２２との間に短絡電流が流れることを防止することができ、電解質が透過可能なものであれば特に限定されないが、例えばポリオレフィンの微多孔性フィルムとすることができる。
【００２１】
正極２１は、正極集電シート２７と正極集電シート２７の両面上にそれぞれ設けられた正極活物質層２５と備える。正極２１は、例えば、図７（ａ）（ｂ）のように形成することができ、方形の正極集電シート２７の両面に正極活物質層２５を形成することにより形成することができる。そして、正極２１は、正極集電体３に接続するための電極接続部２３を有することができ、図７（ａ）の電極接続部２３は、正極２１の端部の正極集電シート２７の両面上に正極活物質層２５を形成しないことで設けることができる。また、図面においては、正極２１の幅方向（点線Ｄ−Ｄと平行な方向）の両端部に集電体に接続するための接続部以外の正極活物質層の未形成部（集電シート２７が見えている部分）が表されているが、この未形成部は設けなくてもよい。さらに、正極集電シート２７の１つの端部に、例えば、この端部から外部へ突出した凸状の耳部を形成し、該耳部に正極活物質層２５を形成しないことで電極接続部２３を設けることもできる。
【００２２】
正極集電シート２７は、電気伝導性を有し、表面上に正極活物質層２５を備えることができれば、特に限定されないが、例えば、金属箔である。好ましくはアルミニウム箔である。
正極活物質層２５は、正極活物質に導電剤、結着剤などを添加し、塗布法などにより正極集電シート２７の上に形成することができる。正極活物質は、例えば、リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出することが可能なリチウム遷移金属複合酸化物、すなわち、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉＮｉxＣｏ1-xＯ2（ｘ＝０．０１〜０．９９）、ＬｉＭｎＯ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4、ＬｉＣｏxＭｎyＮｉzＯ2（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）又はオリビン型のＬｉＦｅＰＯ4やＬｉxＦｅ1-yＭyＰＯ4（但し、０．０５≦ｘ≦１．２、０≦ｙ≦０．８であり、ＭはＭｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｍｇ、Ｂ、Ｎｂのうち少なくとも１種以上である）などが一種単独もしくは複数種を混合して使用することができる。
【００２３】
負極２２は、負極集電シート２８と負極集電シート２８の両面上にそれぞれ設けられた負極活物質層２６と備える。負極２２は、例えば、図８（ａ）（ｂ）のように形成することができ、方形の負極集電シート２８の両面に負極活物質層２６を形成することにより形成することができる。そして、負極２２は、負極集電体４に接続するための電極接続部２３を有することができ、図８（ａ）の電極接続部２３は、負極２２の端部の負極集電シート２７の両面上に負極活物質層２６を形成しないことで設けることができる。また、負極集電シート２８の１つの端部に前述の正極２１と同様な耳部を形成し、該耳部に負極活物質層２６を形成しないことで電極接続部２３を設けることもできる。また、前述の正極２１と同様に、幅方向の両端部の負極活物質層２６の未形成部（集電シート２８が見えている部分）もなくてもよい。
【００２４】
負極集電シート２８は、電気伝導性を有し、表面上に負極活物質層２６を備えることができれば、特に限定されないが、例えば、金属箔である。好ましくは銅箔である。
負極活物質層２６は、負極活物質に導電剤、結着剤などを添加し、塗布法などにより負極集電シート２８の上に形成することができる。負極活物質は、例えば、リチウム二次電池の場合、グラファイト、部分黒鉛化した炭素、ＬｉＴｉＯ4、Ｓｎ合金等が一種単独もしくは複数種を混合して使用することができる。
【００２５】
非水電解液は、溶媒としてカーボネート類、ラクトン類、エーテル類、エステル類などを使用することができ、これら溶媒の２種類以上を混合して用いることもできる。これらの中では特に環状カーボネートと鎖状カーボネートを混合して用いることが好ましい。非水電解液は、例えば、電解質としてのＬｉＣＦ3ＳＯ3、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＢＦ4、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＯＢ、ＬｉＮ(ＣＦ3ＳＯ2)2、ＬｉＮ(Ｃ2Ｆ5ＳＯ2)等のリチウム塩溶質を有機溶媒に溶解した溶液である。また、必要に応じてＶＣ（ビニレンカーボネート）、ＰＳ（プロパンスルトン）、ＶＥＣ（ビニルエチルカーボネート）、ＰＲＳ（プロペンスルトン）、難燃剤等の添加剤を単独または複数種を混合して配合してもよい。
【００２６】
３．電池用集電体（正極集電体、負極集電体）
正極集電体３は、発電要素１２に含まれる正極２１と外部接続端子８ａとを電気的に接続する部材である。
負極集電体４は、発電要素１２に含まれる負極２２と外部接続端子８ｂとを電気的に接続する部材である。
集電体７（正極集電体３または負極集電体４）は、電池ケース１７に固定された板状の基部３２（図９（ａ）、図１１、図１２、図１３の点線で囲まれた部分）と、基部３２から延びる板状の足部３３と、基部３２と足部３３との間に設けられた緩衝部３５とを有する。また、集電体７は、基部３２から突出し蓋部材２に設けられた開口を貫通する突出部３１を有することもできる。足部３３は、基部３２の端が延長するように基部３２から突出していてもよい。また、足部３３は、棒状であっても、板状であってもよい。
ここで、足部３３とは、基部３２から突出した部分であり、屈曲部３６と屈曲部３６を介して基部３２から延出している部分である。また、板状とは、比較的薄い厚さを有する形状であり、加工により曲げられたり穴が形成されたりしもよい。
【００２７】
図１１（ａ）、図１２（ａ）、図１３（ａ）は、それぞれ本実施形態のリチウムイオン電池２０に含まれる集電体７の概略上面図であり、図９（ａ）の概略上面図に対応する。また、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示した集電体７が有する接続部３７の概略断面図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示した集電体７が有する接続部３７の概略断面図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に示した集電体７が有する接続部３７の概略断面図である。
集電体７は、例えば、図９〜１３のような形状を有することができる。
集電体７が有する基部３２は、電池ケース１７に固定される部分である。基部３２は、板状であり、蓋部材２側の上面とその裏面である下面とを有する。基部３２の上面から突出部３１が突出している。突出部３１は、例えば金属板を絞り加工することにより形成することができる。突出部３１は後述のように蓋部材２の開口などを貫通させた後、端部がかしめ工具により加工される。
【００２８】
正極集電体３、負極集電体４の材料は特に限定されないが、例えば、正極集電体３は、例えばアルミニウムとすることができ、負極集電体４は、例えば銅とすることができる。
正極集電体３、負極集電体４の製造方法は、特に限定されないが、例えば、金属板をプレス加工することにより製造することができる。金属板は、例えば１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下の厚さを有するものを使用することができる。
【００２９】
正極集電体３の基部３２および負極集電体４の基部３２は、蓋部材２に固定することができる。集電体基部３２を蓋部材２に固定する方法は、正極集電体３または負極集電体４を外部配線に接続することができるように固定できれば特に限定されないが、例えば、図３の断面図のように固定することができる。図３に示したリチウムイオン電池２０では、図９に示したような集電体７の突起部３１を蓋部材２の開口および外部接続端子８の開口に挿入し、突起部３１をかしめ加工することにより集電体７と蓋部材２と外部接続端子８とを一体化させている。リチウムイオン電池２０がこのような構成を有することにより、集電体７が外部接続端子８に電気的に接続した状態で集電体７を蓋部材２に固定することができる。このことのより、外部接続端子８ａ、８ｂを介して、リチウムイオン電池２０の充放電を行うことができる。
【００３０】
また、図３に示したリチウムイオン電池２０では、蓋部材２の内側と集電体７との間に内部絶縁部材１１を設け、蓋部材２の外側と外部接続端子８との間に外部絶縁部材１０を設けている。また、蓋部材２の開口と突起部３１との間にはパッキン１３を設けている。リチウムイオン電池２０がこのような構成を有することにより、蓋部材２にリーク電流が流れることを防止することができる。また、蓋部材２の開口から電解液５が漏れ出すことを防止することができる。
【００３１】
また、図３に示したリチウムイオン電池２０では、内部絶縁部材１１、外部絶縁部材１０、パッキン１３も、集電体７と蓋部材２と外部接続端子８と共に一体化されている。
なお、集電体７は、内部絶縁部材１１と咬合する形状を有しており、内部絶縁部材１１は蓋部材２と咬合する形状を有しており、蓋部材２は外部絶縁部材１０と咬合する形状を有しており、外部絶縁部材１０は外部接続端子８と咬合する形状を有している。このため、ねじ部６ａ、６ｂや外部接続端子８に力が加わったとしても、集電体７、内部絶縁部材１１、外部絶縁部材１０、外部接続端子８は、突起部３１を軸として蓋部材２に対して回転することを防止できる。
【００３２】
咬合する方法は、特に限定されないが、例えば、図９のように集電体７が凸部５１を有し、凸部５１が内部絶縁部材１１の凹部と咬合することができる。また、図９のように集電体７が開口４５を有し、開口４５に内部絶縁部材１１の凸部が挿入されることにより交合することができる。このように集電体７と内部絶縁部材１１は咬合することができる。内部絶縁部材１１と蓋部材２も、蓋部材２と外部絶縁部材１０も、外部絶縁部材１０と外部接続端子８も、同様に凸部、凹部、開口などを有することにより咬合することができる。
【００３３】
基部３２は、突出部３１と、内部絶縁部材１１に咬合する凸部５１、開口４５、凹部などとにより蓋部材２に固定される。このため、基部３２が板状であることにより、電池ケース内で集電体７が占める領域を小さくすることができ、発電要素１２を大きくすることができる。このことにより、リチウムイオン電池２０のエネルギー容量を大きくすることができる。
また、基部３２の上面は、蓋部材２の内面の１０％以上４０％以下の面積を有することができる。このことにより、集電体７を蓋部材２にしっかり固定することができる。
【００３４】
集電体７の足部３３は、基部３２の端が延長するように基部３２から突出した形状であり、棒状であっても、板状であってもよい。足部３３は、一枚の金属板を加工して集電体７と同時に設けてもよく、基部３２に別の金属板を接合することにより形成してもよい。
足部３３は、１つの基部３２に対して少なくとも１つ形成されていればよく、複数形成されてもよい。また、足部３３は、途中で分岐してもよい。
足部３３は、電極（正極２１または負極２２）が接続する接続部３７と、基部３２と接続部３７との間に設けられた屈曲部３６とを有する。また、基部３２と屈曲部３６との間に緩衝部３５が設けられる。
【００３５】
正極集電体３が有する接続部３７には正極２１の電極接続部２３が接続され、負極集電体４が有する接続部３７には負極２２の電極接続部２３が接続される。接続部３７を有することにより、正極集電体３と正極２１または負極集電体４と負極２２の接触面積を広くすることができ、導電抵抗を小さくすることができる。
また、接続部３７を有することで、発電要素の極板を曲げることなく集電体７に接続でき、発電要素に無理な力が加わることを防ぐことができる。
さらに、正極集電体３が有する接続部３７および負極集電体４が有する接続部３７は、発電要素１２の両側端に発電要素１２を挟むように設けることができる。発電要素１２の１つの端部で正極集電体３の接続部３７と正極２１の電極接続部２３とが接続することができ、発電要素１２の前記端部の反対側の端部で負極集電体４の接続部３７と負極２２の電極接続部２３とが接続することができる。このような構成より、正負極の集電体に短絡電流が流れることを抑制することができる。
【００３６】
また、接続部３７に電極接続部２３を接続する方法は、例えば、超音波溶接、スポット溶接、レーザ溶接などにより接続することができる。
また、正極集電体３が有する接続部３７に複数の正極２１の電極接続部２３を接続し、負極集電体４が有する接続部３７に複数の負極２２の電極接続部２３を接続することができる。この場合、複数の電極接続部２３を重ねて集電体７の電極接続部２３に接続することができる。
【００３７】
集電体７の接続部３７は、図５、１１、１３のようにコの字形の断面を有することができる。また、集電体７の接続部３７は、図１２のようにＮ字形の断面を有することができる。このことにより、図５のように接続部３７の両側の面にそれぞれ発電要素１２（電極の電極接続部２３）を接続することができる。このことにより、多くの電極（正極２１または負極２２）を集電体７に接続することができる。発電要素１２は図６のように正極２１とセパレータ２４と負極２２とが積層されており活物質層の積層部分と電極接続部２３を重ねた部分では厚さが異なる。このため、集電体７の１つの面に重ねて接続することができる電極接続部２３の数にはある程度限界がある。
【００３８】
接続部３７がコの字形の断面またはＮの字形の断面を有することにより、電極接続部２３が接続する面をある程度距離をおいて２つ設けることができる。このことにより、発電要素に無理な変形を強いることなく、多数の電極を集電体につなぐことができる。図５に示したリチウムイオン電池では、正極集電体３が２つの足部３３を有し、この２つの足部３３はそれぞれコの字形の断面を有する接続部３７を有するため、接続部３７の４つの面にそれぞれ異なる発電要素１２に含まれる正極２１の電極接続部２３を接続することができる。また、負極集電体４が２つの足部３３を有し、この２つの足部３３はそれぞれコの字形の断面を有する接続部３７を有するため、接続部３７の４つの面にそれぞれ異なる発電要素１２に含まれる負極２２の電極接続部２３を接続することができる。リチウムイオン電池２０がこのような構成を有することにより、積層された正極２１および負極２２を集電体７に多く接続することができ、リチウムイオン電池のエネルギー容量を多くすることができる。
【００３９】
屈曲部３６は、足部３３が屈曲された部分であり、基部３２と接続部３７との間に設けられる。集電体１２が屈曲部３６を有することにより、発電要素１２を集電体７とつなぐ電極の電極接続部２３を発電要素の上部ではなく、側部に設けることが可能となる。そうすることで、発電要素１２の上側に集電体７の基部３２および外部接続端子８ａ、８ｂを配置することができ、リチウムイオン電池の上面に外部接続端子８ａ、８ｂが配置されリチウムイオン電池の充放電のために外部配線との接続が容易になる。
屈曲部３６の角度は、例えば、４５度以上１１０度以下とすることができる。また、屈曲部３６にはＲを持たせることが好ましく、その際の屈曲部３６に設けるＲの円弧半径（内側の面）は、０．０１ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることができる。
【００４０】
緩衝部３５は、基部３２と屈曲部３６との間に設けられる。基部３２と隣接して設けることができる。また、緩衝部３５は、足部３３の付け根（基部と足部の境界部であって、基部と足部の間の点線部分）から屈曲部３６までの部分である。
緩衝部３５は、図１５に示した緩衝部３５が設けられていない集電体１０７に含まれる基部１３２の足部１３３の付け根の少なくとも一方の側部に接するように切欠き部４０を設けることにより形成されてもよい。切欠き部４０は、基部１３２の蓋部材側の面に平行な方向に切欠いた部分であってもよい。緩衝部３５を設けることにより、振動応力を前記屈曲部から分散することができる。
【００４１】
切欠き部４０は、例えば、図１４の（ａ）〜（ｆ）のように足部３３の付け根の一方の側部に接するように設けることができる。図１４（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ集電体７の一部の概略上面図である。切欠き部４０は、図１４（ａ）のように基部３２の角部を切欠くように設けてもよく、図１４（ｂ）〜（ｆ）のように基部３２に様々な形で切込みを入れるように設けてもよい。
【００４２】
また、緩衝部３５は、足部３３の第１の側面における屈曲部３６の緩衝部３５側の端から足部３３の付け根までの長さが、足部３３の第２の側面よりも２倍以上長くなるように設けられてもよい。緩衝部を大きく形成することができ、振動応力を分散することができる。
緩衝部３５は例えば、図９（ａ）、図１０、図１１（ａ）、図１２（ａ）、図１３（ａ）に示したような斜線部分である。基部３２にこのような緩衝部３５を設けることにより、リチウムイオン電池２０に振動が加えられた際に集電体７が破断することを抑制することができる。以下にこのことを説明する。
【００４３】
リチウムイオン電池２０に振動を加え続けると、電池ケース１７と発電要素１２との間で振動周期にズレが生じてくると考えられる。そして、集電体７の基部３２は電池ケース１７に固定されているため、電池ケース１７と実質的に振動周期が一致して振動するが、集電体７の足部３３には発電要素１２が固定されているため、発電要素１２と実質的に振動周期が一致して振動すると考えられる。このため、集電体７の基部３２と接続部３７との間に周期のズレにより引き起こされる基部３２に対する足部３３の振動が起こり、この振動により大きな応力が生じると考えられる。そして、集電体７は、基部３２と足部３３との間に屈曲部３６を有しており、振動周期のズレにより生じた応力は、屈曲部３６に集中することとなる。そうすると、屈曲部３６で集電体７が破断してしまうと考えられる。
【００４４】
本発明の集電体７は、足部３３の付け根部分と屈曲部３６との間に緩衝部３５が設けられている。屈曲部３６に集中していた振動応力が、緩衝部３５を設けることにより、緩衝部３５も振動の際に動くことが可能であるため、基部３２と接続部３７との間の振動応力を屈曲部３６から緩衝部３５に分散することができると考えられる。このため、大きな振動応力が一箇所に集中することを抑制することができ、集電体７が破断することを抑制することができる。
【００４５】
４．シュリンクチューブ
リチウムイオン電池２０は、発電要素１２、正極集電体３および負極集電体４を一体に束ねるシュリンクチューブ１５を備えることができる。
シュリンクチューブ１５は、管状の樹脂フィルムであり、発電要素１２と正極集電体３と負極集電体４を一体に束ねて熱収縮させている。また、シュリンクチューブ１５は発電要素１２と正極集電体３と負極集電体４を覆っている。
また、シュリンクチューブ１５は、熱融着させた継ぎ目を有してもよく、継ぎ目を有していないシームレスチューブであってもよい。シュリンクチューブ１５を設けることにより、発電要素１２の膨らみやズレを抑えることができ、発電要素１２に含まれる正極２１や負極２２がばらばらになることを防止することができる。特に発電要素１２が積層構造である場合、シュリンクチューブ１５は、正極２１及び負極２２を固定する部品となる、つまり、シュリンクチューブ１５は、発電要素１２の形状維持部材としても機能している。
【００４６】
シュリンクチューブ１５は、正極集電体３と負極集電体４と発電要素１２とを包囲することができる。このことにより、シュリンクチューブ１５により正極集電体３と負極集電体４と発電要素１２を一体化することができ、電池に振動が加えられた際に、正極集電体３と負極集電体４と発電要素１２が別々に振動することを抑制することができる。
また、シュリンクチューブ１５は、発電要素１２、正極集電体３および負極集電体４に密着することができる。このことにより、正極集電体３と負極集電体４と発電要素１２を一体化することができ、電池の耐振動性を向上させることができる。
【００４７】
シュリンクチューブ１５の材料は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリオレフィン、塩化ビニル（PVC）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、フッ素系樹脂（FEPやPTFEなど）などの熱収縮可能な樹脂である。シュリンクチューブ１５を熱収縮させることで、包み込んだ正極集電体３と負極集電体４と発電要素１２とを一体に束ねて密着性を高めることができるので、リチウムイオン電池に与えられる振動による発電要素１２と各集電体との接続部分への影響を抑制することができる。また、シュリンクチューブ１５をシームレスとすることで熱収縮した際の融着部分とそれ以外の部分の収縮率の差による応力が無くなるため、シュリンクチューブ１５が継ぎ目から裂けることを抑制することができる。このため、歩留まりも向上させることができる。なお、弾性ゴムを薄い筒状に形成したもので、正極集電体３と負極集電体４と発電要素１２とを一体に束ねることも考えられるが、包囲される正極集電体３と負極集電体４と発電要素１２への締めつけ力をバランスよく安定にするには熱収縮させたシュリンクチューブ１５の方が望ましい。
シュリンクチューブ１５を構成するフィルムの厚さは、３０μｍ以上２００μｍ以下とすることができる。シュリンクチューブ１５の厚さを３０μｍ以上とすることにより、シュリンクチューブ１５が十分な強度を有することができ、電池を振動させてもシュリンクチューブ１５が裂けることを防止することができる。また、シュリンクチューブ１５の厚さを２００μｍ以下とすることにより、シュリンクチューブ１５を熱収縮させる時間を短くすることまたは熱収縮させる際の温度を低くすることができ、熱収縮させる際に加える熱が発電要素１２に影響を与えることを抑制することができる。
シュリンクチューブ１５を構成するフィルムの厚さは、さらに好ましくは５０μｍ以上１５０μｍ以下である。このことにより、シュリンクチューブが十分な強度を有することができ、熱収縮させる際の発電要素への影響をさらに小さくすることができる。
【００４８】
振動試験
図６に示したような発電要素を有する図１〜５に示したようなリチウムイオン電池であって、正極集電体および負極集電体の形態を変えた３種類のリチウムイオン電池（実施例１〜３）をそれぞれ５個ずつ作製し、振動実験を行った。また、比較例として、図６に示したような発電要素を有する図１〜５に示したようなリチウムイオン電池であって、集電体に緩衝部を設けていない２種類のリチウムイオン電池（比較例１、２）をそれぞれ５個ずつ作製し、振動実験を行った。
シュリンクチューブの材質は、ポリエチレンとした。また、正極集電体および負極集電体の接続部の長さは８ｃｍとした。また、正極集電体は厚さ１．５ｍｍのアルミニウムの金属板を加工することにより作製し、負極集電体は厚さ１．５ｍｍの銅の金属板を加工することにより作製した。
【００４９】
１．振動試験の試験方法
作製したリチウムイオン電池を振動装置のプラットフォーム（振動台）にしっかりと固定し、プラットフォームを正弦波形で振動させリチウムイオン電池の振動試験を行った。振動試験は、電池のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に対してそれぞれ振動試験サイクルを１２回ずつ行った。１回の振動試験サイクルは、７Ｈｚ→２００Ｈｚ→７Ｈｚを１５分で対数掃引することにより周波数を変化させながら電池を振動させた。すなわち、各方向に３時間ずつ電池を振動させた。
振動試験サイクルでは、周波数７Ｈｚ〜１８Ｈｚにおいては、ピーク加速度を１Ｇに維持し、周波数１８Ｈｚ〜５０Ｈｚでは、振動幅を０．８ｍｍ（全振幅１．６ｍｍ）に保ち、ピーク加速度が８Ｇとなるまで加速度を増加させた。周波数５０Ｈｚ〜２００Ｈｚでは、ピーク加速度を８Ｇに維持した。
【００５０】
２．比較例１
比較例１では、図１５に示したような緩衝部を設けていない形状を有する正極集電体および負極集電体を用いてリチウムイオン電池を作製し、振動試験を行った。また、シュリンクチューブは、厚さ５０μｍのポリエチレンフィルムで発電要素、正極集電体および負極集電体を一重に巻き重なり合う部分を熱融着させ、このポリエチレンフィルムを熱収縮させることにより設けた。
振動試験後のリチウムイオン電池を分解すると、試験を行った電池すべてで、集電体の足部が屈曲部で破断したことが確認された。
比較例１で作製したリチウムイオン電池の集電体は、基部と屈曲部とが隣接しているため、振動により集電体の接続部に力が加わると接続部は、屈曲部を支点として振動すると考えられる。このため、屈曲部に振動応力が集中し金属疲労が生じたため、集電体の足部は破断したと考えられる。
【００５１】
３．比較例２
比較例２では、図１５に示したような緩衝部を設けていない形状を有する正極集電体および負極集電体を用いてリチウムイオン電池を作製し、振動試験を行った。また、シュリンクチューブは、厚さ５０μｍのポリエチレンフィルムで発電要素、正極集電体および負極集電体を一重に巻き重なり合う部分を熱融着させ、さらに、その上から厚さ５０μｍのポリエチレンフィルムで発電要素、正極集電体および負極集電体を一重に巻き重なり合う部分を熱融着させ、これらのポリエチレンフィルムを熱収縮させることにより設けた。
振動試験後のリチウムイオン電池を分解すると、試験を行った電池すべてで、集電体の足部が屈曲部で破断したことが確認された。
【００５２】
４．実施例１
実施例１では、図９に示したような緩衝部を設けた形状を有する正極集電体および負極集電体を用いてリチウムイオン電池を作製し、振動試験を行った。また、シュリンクチューブは、厚さ５０μｍのポリエチレンフィルムで発電要素、正極集電体および負極集電体を一重に巻き重なり合う部分を熱融着させ、このポリエチレンフィルムを熱収縮させることにより設けた。
振動試験後のリチウムイオン電池を分解すると、試験を行った電池すべてで、集電体の足部が破断することもなく、ひびも入らないことが確認された。
実施例１で作製したリチウムイオン電池の集電体は、基部と屈曲部との間に緩衝部を設けているため、基部と接続部との間に生じる振動応力が分散され、集電体の足部は破断しなかったものと考えられる。
【００５３】
５．実施例２
実施例２では、図１１に示したような緩衝部を設けた形状を有する正極集電体および負極集電体を用いてリチウムイオン電池を作製し、振動試験を行った。また、シュリンクチューブは、厚さ５０μｍのポリエチレンフィルムで発電要素、正極集電体および負極集電体を一重に巻き重なり合う部分を熱融着させ、このポリエチレンフィルムを熱収縮させることにより設けた。
振動試験後のリチウムイオン電池を分解すると、試験を行った電池すべてで、集電体の足部が破断することもなく、ひびも入らないことが確認された。
実施例２で作製したリチウムイオン電池の集電体は、基部と屈曲部との間に緩衝部を設けているため、基部と接続部との間に生じる振動応力が分散され、集電体の足部は破断しなかったものと考えられる。
【００５４】
６．実施例３
実施例３では、図１２に示したような緩衝部を設けた形状を有する正極集電体および負極集電体を用いてリチウムイオン電池を作製し、振動試験を行った。また、シュリンクチューブは、厚さ５０μｍのポリエチレンフィルムで発電要素、正極集電体および負極集電体を一重に巻き重なり合う部分を熱融着させ、このポリエチレンフィルムを熱収縮させることにより設けた。
振動試験後のリチウムイオン電池を分解すると、試験を行った電池すべてで、集電体の足部が破断することもなく、ひびも入らないことが確認された。
実施例３で作製したリチウムイオン電池の集電体は、基部と屈曲部との間に緩衝部を設けているため、基部と接続部との間に生じる振動応力が分散され、集電体の足部は破断しなかったものと考えられる。
【符号の説明】
【００５５】
１： 容器    ２：蓋部材    ３：正極集電体    ４：負極集電体    ５：非水電解液    ６ａ、６ｂ：ねじ部材    ７：集電体    ８ａ、８ｂ：外部接続端子    １０ａ、１０ｂ：外部絶縁部材    １１ａ、１１ｂ：内部絶縁部材    １２：発電要素    １３ａ、１３ｂ：パッキン    １５：シュリンクチューブ    １７：電池ケース    ２０：リチウムイオン電池    ２１：正極    ２２：負極    ２３：電極接続部    ２４：セパレータ    ２５：正極活物質層    ２６：負極活物質層    ２７：正極集電シート    ２８：負極集電シート    ２９：活物質未塗工部    ３１：突起部    ３２：基部    ３３：足部    ３５：緩衝部    ３６：屈曲部    ３７：接続部    ４０：切欠き部    ４５：開口    ５１：凸部
１０３：正極集電体    １０４：負極集電体    １０７：集電体    １３１：突起部    １３２：基部    １３３：足部    １３６：屈曲部    １３７：接続部    １４５：開口    １５１：凸部
【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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