(57)【要約】【課題】  高出力な蓄電素子を高い歩留で提供することを目的とする。【解決手段】  帯状の正極板および負極板とセパレータとを捲回して構成される電極群を有底缶に挿入し、開口部を封口板にて封口してなる蓄電素子について、正極板あるいは負極板の少なくともいずれか一方の電極板の長尺方向に極板材料が付着されていない集電体露出部を連続的に設け、この集電体露出部と集電端子板とを集合溶接し、この集電端子板を有底缶の底側に配置し、集電用リードによりこの集電端子板と端子を有する封口板とを電気的に接続した。これにより有底缶に電極群を挿入する前に各端子と集電用リードとの溶接が行えるので、溶接不良を目視確認し適切なメンテナンスを施すことができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極集電体に正極材料を付着させた帯状の正極板と、負極集電体に負極材料を付着させた帯状の負極板と、セパレータとを捲回して構成される電極群を、有底缶に挿入し、開口部を封口板にて封口してなる蓄電素子であって、
（ｉ）前記正極板あるいは前記負極板のいずれか一方の電極板は、長尺方向に極板材料が付着されていない集電体露出部が連続的に設けられており、
（ｉｉ）前記集電体露出部は、集電端子板と集合溶接されており、
（ｉｉｉ）前記集電端子板は、前記有底缶の底側に配置されており、
（ｉｖ）前記集電端子板は、集電用リードを介して端子を有する前記封口板と電気的に接続されていることを特徴とする蓄電素子。
【請求項２】
前記集電端子板と接続された集電用リードが、前記電極群の外縁に沿って配置されている請求項１記載の蓄電素子。
【請求項３】
前記集電端子板と接続された集電用リードが、前記電極群の捲回中心部に存在する空間に沿って配置されている請求項１記載の蓄電素子。
【請求項４】
正極集電体に正極材料を付着させた帯状の正極板と、負極集電体に負極材料を付着させた帯状の負極板と、セパレータとを捲回して構成される電極群を、有底缶に挿入し、開口部を封口板にて封口してなる蓄電素子であって、
（ｉ）前記正極板および前記負極板は、長尺方向に極板材料が付着されていない集電体露出部が連続的に設けられており、
（ｉｉ）前記集電体露出部は、集電端子板と集合溶接されており、
（ｉｉｉ）前記有底缶の底部に配置された側の前記集電端子板は、集電用リードを介して端子を有する前記封口板と電気的に接続されており、
（ｉｖ）前記封口板と接続された集電用リードが、前記電極群の外縁に沿って配置されていることを特徴とする蓄電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力に好適な蓄電素子に関するものであり、より詳しくは内部抵抗を低減しつつ工程不良の判別が容易な集電構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄電素子、とりわけリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池は、携帯電話を始めとする各種コードレス機器の主電源として用いられている。しかし近年、電気自動車や電動工具などの駆動用電源としての実用化検討が活発化する中、高エネルギー密度に加え軽量なリチウムイオン電池が注目されている。コードレス機器の主電源に用いられる二次電池は、一般的に図１のような構造を有する。すなわち、正極集電体に正極材料を塗着し、その長尺方向の一端に集電用リード１ａを溶接した帯状の正極板１と、負極集電体に負極合剤を塗着し、その長尺方向の一端に集電用リード２ａを溶接した帯状の負極板２とを、セパレータ３を介して渦巻状に捲回して極板群とした後、この電極群を有底缶に挿入し、正極集電用リード１ａを、開口部側に配置された封口板の端子に溶接し、負極集電用リード２ａを、端子を兼ねた有底缶の底部に溶接した後、封口するというものである(例えば特許文献１)。この方法は簡便であり、製造コストを低減できるという利点を有している一方、正負極とも集電用リードのみで電子伝導性を確保するため集電効率が低く、内部抵抗が高くなるという課題を有する。
【０００３】
そこで電動工具用などの高出力を必要とする二次電池は、集電効率を高めるため、図４のような構造に改良されている。すなわち、正極集電体に正極材料を塗着し、その長尺方向に極板材料が付着されていない集電体露出部１ｂを連続的に設けた帯状の正極板１と、負極集電体に負極合剤を塗着し、その長尺方向に極板材料が付着されていない集電体露出部２ｂを連続的に設けた帯状の負極板２とを、セパレータ３を介して渦巻状に捲回し、一方から正極板１の集電体露出部１ｂを、他方から負極板２の集電体露出部２ｂを突出させて極板群とした後、集電体露出部１ｂおよび２ｂと集電端子板４とを集合溶接し、この極板群を有底缶に挿入した。底部側の集電端子板４と一体化された負極集電用リード２ａを、端子を兼ねた有底缶の底部に溶接し、開口部側の集電端子板４と一体化された正極集電用リード１ａを、封口板の端子に溶接した後、封口するというものである（例えば特許文献２）。この集電構造は電極の各部位から電子を取り出せるため、図１の構造と比べて集電効率が向上しており、高出力用途に適している。
【特許文献１】実開昭６３−２６９７３号公報
【特許文献２】特開２０００−２９４２２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら特許文献２の構造では、上述したように、電極群を有底缶に挿入した後で底部側の集電端子板と有底缶の底部とを溶接せざるを得ない。このような場合、溶接時のスパークによるセパレータの溶融など、工程管理の不十分が原因で起こる不具合を目視で判別できないため、溶接工程の管理に気付かぬまま、後工程である短絡検査（電圧測定）にて相当量の不良電池を排出するという課題を有していた。
そこで本発明は、上述した課題を解決し、溶接工程での不良品を目視判別することにより生産歩留が向上でき、かつ高い集電効率を有する、高出力用蓄電素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記の課題を解決するために、本発明の請求項１は、帯状の正極板および負極板とセパレータとを捲回して構成される電極群を有底缶に挿入し、開口部を封口板にて封口してなる蓄電素子について、正極板あるいは負極板のいずれか一方の電極板の長尺方向に極板材料が付着されていない集電体露出部を連続的に設け、この集電体露出部と集電端子板とを集合溶接し、この集電端子板を有底缶の底側に配置し、集電用リードによりこの集電端子板と端子を有する封口板とを電気的に接続することを特徴とする。
また本発明の請求項４は、帯状の正極板および負極板とセパレータとを捲回して構成される電極群を有底缶に挿入し、開口部を封口板にて封口してなる蓄電素子について、正極板および負極板の長尺方向に極板材料が付着されていない集電体露出部を連続的に設け、この集電体露出部と集電端子板とを集合溶接し、有底缶の底部側の集電端子板を集電用リードにより端子を有する封口板と電気的に接続し、この封口板と接続された集電用リードを電極群の外縁に沿って配置したことを特徴とする。
有底缶に挿入する前に、集電体露出部と集電端子板とを集合溶接しうる構造を採ることにより、高出力を維持しつつ生産歩留の高い蓄電素子を提供することができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、高出力用途に適した蓄電素子を、高い生産歩留で提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
ここでは蓄電素子の一例として、リチウムイオン電池についての詳細な形態および構成手順を、図１および図２を用いて示す。
【０００８】
正極活物質には一般式ＬｉＭＯ2あるいはＬｉＭ2Ｏ4で表されるリチウム複合酸化物を用いることができる。上記一般式におけるＭにはコバルト、ニッケル、マンガンなどの遷移金属元素を、１種あるいは数種を複合して選択できる。また遷移金属元素の一部をアルミニウム、マグネシウムなどの典型金属元素に置換することもできる。
【０００９】
これら正極活物質を、導電剤（正極電位下で安定な黒鉛・カーボンブラック・金属粉末などが用いられる）および結着剤（正極電位下で安定なポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）・ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などが用いられる）と混練し、集電体（アルミニウムの箔・穿孔体などが用いられる）に塗着することにより帯状の正極板１が作製される。
【００１０】
負極活物質としては、天然黒鉛、人造黒鉛、アルミニウムやそれを主体とする種々の合金、酸化スズなどの金属酸化物、金属窒化物を用いることができる。これら負極活物質を、導電剤（負極電位下で安定な黒鉛・カーボンブラック・金属粉末などが用いられる）および結着剤（負極電位下で安定なスチレン−ブタジエン共重合体ゴム（ＳＢＲ）・カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）などが用いられる）と混練し、集電体（銅箔・銅穿孔体などが用いられる）に塗着することにより帯状の負極板２が作製される。
【００１１】
ここで帯状の正負極板１あるいは２の少なくとも一方は、本願の集電構造を成立させるため、長尺方向に極板材料が付着されていない集電体露出部１ｂあるいは２ｂが連続的に設けられている必要がある。この集電体露出部１ｂあるいは２ｂは、集電端子板４と集合溶接される。集合溶接の方法としては、接触抵抗低減の観点からレーザー溶接や抵抗溶接を用いることが好ましい。
【００１２】
ここで図１のように一方の電極板（ここでは負極板２）のみに集電体露出部２ｂを設ける場合、集電端子板４は有底缶の底側に配置され、この集電端子板４と一体化された負極集電用リード２ａが、電極群の外縁または電極群の捲回中心部に存在する空間に沿って開口部に向かうよう配置される。正極板１からは、集電用リード１ａのみが開口部に向かうよう配置される。これら集電用リード１ａおよび２ａは各々封口板に設けられた端子と溶接された後、有底缶に挿入され、封口されることにより本願の蓄電素子となる。
仮に集電端子板４を正極板１の集電体露出部１ｂと集合溶接し、有底缶の開口部側に配置した場合、図５のように負極板２の集電用リード２ａを、封口板の端子と溶接させるために長くする必要がある。負極板２は集電端子板４を用いていないため正極板１よりも集電効率が低い上に、集電用リード２ａが延長されることにより、さらに集電効率が低下するので好ましくない。
【００１３】
また図２のように両方の電極板に集電体露出部１ｂおよび２ｂを設ける場合、有底缶の底側に配置された方の集電端子板４と一体化された負極集電用リード２ａは、電極群の外縁に沿って開口部に向かうよう配置され、集電端子板４と一体化された正極集電用リード１ａともども、封口板に設けられた端子と溶接された後、有底缶に挿入され、封口されることにより本願の蓄電素子となる。
【００１４】
上述した極板群に含浸させる非水電解液は、溶質と非水溶媒とからなる。溶質として、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ4）などのリチウム塩が挙げられる。非水溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどの環状カーボネート類や、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートおよびエチルメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート類などが好ましいが、これらに限定されない。非水溶媒は、１種を単独で用いてもよいが、２種以上を組み合わせてもよい。また、添加剤としては、ビニレンカーボネート、シクロヘキシルベンゼン、ジフェニルエーテルなどが挙げられる。
【００１５】
なお上述したのはリチウムイオン電池の形態および構成手順であったが、ニッケル水素蓄電池やニッケルカドミウム蓄電池などの二次電池や、電気二重層キャパシタなどを構成する場合も、一般的に用いられる材料を駆使することにより、上述内容と同様に本発明の効果を活用することができる。さらに図１〜２では負極板の方を有底缶の底部になるよう配置したが、正極板と負極板の配置を逆転させても、同様の効果が得られる。
【００１６】
以下に、本発明の実施例を具体的に示す。
《実施例１》
（正極板の作製）
コバルト酸リチウム粉末８５重量部、導電剤として炭素粉末１０重量部、結着剤としてＰＶＤＦ５重量部を、溶媒としてＮ−メチル−２−ピロリドン（以下ＮＭＰと記す）を用いて混合した。この混合物を厚み１５μｍのアルミニウム箔集電体に塗布、乾燥した後、厚みが１００μｍとなるよう圧延し、長尺方向の一端に集電用リード１ａを溶接して帯状の正極板１を作製した。
（負極板の作製）
人造黒鉛粉末９５重量部、結着剤としてＰＶＤＦ５重量部を、ＮＭＰを用いて混合した。この混合物を厚み１０μｍの銅箔集電体に塗布、乾燥した後、厚みが１１０μｍとなるよう圧延し、長尺方向の一方に極板材料が付着されていない集電体露出部２ｂを連続的に設けて帯状の負極板２を作製した。
（電池の作製）
セパレータ３として厚み２５μｍのポリプロピレン樹脂製微多孔フィルムを用い、図１に示す電極群を構成した。集電用リード１ａおよび２ａを封口板の端子にそれぞれ溶接した後、この電極群を有底缶に挿入した。この有底缶に、非水電解液としてエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを体積比１：１で混合した非水溶媒に、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）が１ｍｏｌ／Ｌになるように溶解させたものを注入し、封口板を有底缶の開口部に嵌め込むことにより、直径２６ｍｍ、高さ９５ｍｍ、理論容量３０００ｍＡｈの円筒形リチウムイオン電池を作製した。これを実施例１の電池とする。
《実施例２》
正極板１の長尺方向の一方に極板材料が付着されていない集電体露出部１ｂを連続的に設けて、図２に示す構造とした以外は、実施例１と同様の電池を作製した。これを実施例２の電池とする。
《比較例１》
負極板２の長尺方向の一端に集電用リード２ａを溶接して、図３に示す構造とした以外は、実施例１と同様の電池を作製した。これを比較例１の電池とする。
《比較例２》
正極板１の長尺方向の一方に極板材料が付着されていない集電体露出部１ｂを連続的に設けて、図４に示す構造とした以外は、実施例１と同様の電池を作製した。これを比較例２の電池とする。
《比較例３》
正極板１の長尺方向の一方に極板材料が付着されていない集電体露出部１ｂを連続的に設け、かつ負極板２の長尺方向の一端に集電用リード２ａを溶接して、図５に示す構造とした以外は、実施例１と同様の電池を作製した。これを比較例３の電池とする。
【００１７】
以上の電池に対し、以下に示す評価を行った。結果を（表１）に示す。
（溶接検査）
溶接用の銅製電極の先端に、酸化銅の粉末を被覆することにより、溶接工程における不具合が故意に起こるようにした。この状態で正負極の集電用リード１ａおよび２ａを各々の端子に溶接した。溶接時のスパークによるセパレータの溶融を目視で確認できた場合、銅製電極の先端を研磨し、溶接を再開した。このようにして、各実施例・比較例当り１００個の電池を連続して作製し、目視確認できた不具合電池を排除した。
（短絡検査）
上述した溶接不良検査を通過した電池について、３００ｍＡで電圧が４．１Ｖに達するまで充電し、初期の開回路電圧Ｖ1を測定した。さらにこの電池を４５℃環境下で７日間放置し、放置後の開回路電圧Ｖ2を測定した。この開回路電圧差（Ｖ1−Ｖ2）が０．３Ｖを上回った電池を、短絡不良電池として排除した。
（放電特性）
上述した短絡検査を通過した電池から５個を抜き取り、一旦３００ｍＡで電圧が３Ｖに達するまで放電した。続いて３００ｍＡで電圧が４．２Ｖに達するまで充電した後、３００ｍＡで電圧が３Ｖに達するまで放電し、低電流放電容量Ａ1を得た。さらに３００ｍＡで電圧が４．２Ｖに達するまで充電した後、３０００ｍＡで電圧が３Ｖに達するまで放電し、高電流放電容量Ａ2を得た。こうして得られた低電流放電容量と高電流放電容量の比率（Ａ2／Ａ1）の平均値を求めた。
【００１８】
【表１】
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比較例１〜２は、溶接検査で不良として排出された電池がゼロであった。これは溶接不良が発生しなかったからではなく、有底缶内でスパークが起こったため目視できなかったためである。したがって適切なメンテナンスができないまま溶接を続行したため、その後の短絡検査において、セパレータの溶融に端を発する顕著な短絡（電圧降下）を起こす電池が多発した。
【００１９】
一方、本願の発明である実施例１〜２、および比較例３は、有底缶に挿入する前の、目視可能な状態で溶接検査が行えたため、溶接不良（溶接時のスパークによるセパレータの溶融）を排除し、さらに適切なメンテナンス（銅製電極の先端研磨）を行った後に溶接を再開することができた。よってその後の溶接不良を抑止できたため、短絡不良を発生させることなく、高い歩留を確保できた。
【００２０】
ただし比較例３については、集電端子板４を用いていない負極板２の集電用リード２ａが相当に長いため、集電効率の低下に伴う放電特性の劣化が認められた。よって本願発明の主幹である、溶接後に電極群を有底缶に挿入する構造を採るためには、底部から集電用リードを取り出す側の電極板は、集電端子板の活用とこれに応じた電極板構造の採用（集電体露出部の連続的な設置）が不可欠であることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
以上のように、本願発明の集電構造を活用することにより、高出力な蓄電素子を高い歩留で提供することができる。本発明による蓄電素子は、大電流充放電を要する電気自動車や電動工具などの駆動電源に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例１のリチウムイオン電池における電極群の概略図
【図２】本発明の実施例２のリチウムイオン電池における電極群の概略図
【図３】比較例１のリチウムイオン電池における電極群の概略図
【図４】比較例２のリチウムイオン電池における電極群の概略図
【図５】比較例３のリチウムイオン電池における電極群の概略図
【符号の説明】
【００２３】
１    正極板
１ａ  正極集電用リード
１ｂ  正極集電体露出部
２    負極板
２ａ  負集電用リード
２ｂ  負極集電体露出部
３    セパレータ
４    集電端子板
【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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