(57)【要約】【課題】皺や破れが発生することなく、十分な強度で集電タブと芯体とを溶接する。【解決手段】正極と、負極芯体に負極活物質層が形成された負極と、を有する電極体と、非水電解質と、を備える非水電解質二次電池において、前記負極の前記負極活物質層が形成されていない芯体露出部に帯状の負極集電タブが重ね合わされ、前記負極集電タブが前記負極芯体に複数スポットの超音波溶接により取り付けられており、当該超音波溶接スポットは、全ての隣り合う２つのスポット相互間距離が全て等しく配置されていることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と、負極芯体に負極活物質層が形成された負極と、を有する電極体と、非水電解質と、を備える非水電解質二次電池において、
前記負極の前記負極活物質層が形成されていない芯体露出部に帯状の負極集電タブが重ね合わされ、前記負極集電タブが前記負極芯体に複数スポットの超音波溶接により取り付けられており、
当該超音波溶接スポットは、全ての隣り合う２つのスポット相互間距離が全て等しく配置されている、
ことを特徴とする非水電解質二次電池。
【請求項２】
請求項１に記載の非水電解質二次電池において、
前記超音波溶接スポットは、前記負極集電タブの長手方向に平行に複数列配列され、且つ隣り合う列同士の前記超音波溶接スポットが互い違いに配列されている、
ことを特徴とする非水電解質二次電池。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の非水電解質二次電池において、
前記超音波溶接スポットの合計面積が、前記負極芯体と前記負極集電タブとが重なる領域の面積の６．１〜８．７％である、
ことを特徴とする非水電解質二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非水電解質二次電池に関し、より詳しくは、負極集電タブを負極芯体に取り付ける方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話、ノートパソコン等の移動情報端末の高機能化・小型化および軽量化が急速に進展しており、その駆動電源として、高いエネルギー密度を有し、高容量である非水電解質二次電池が広く利用されている。
【０００３】
特に、正負電極芯体に活物質層を形成してなる正負電極を渦巻状に巻回してなる渦巻電極体を用いた電池は、正負電極の対向面積を大きくできるので、電池の高出力化を図り易い。このため、渦巻電極体を用いた電池は、電動工具や電動車両など高負荷で使用されることを想定した用途にも、その使用範囲を広げている。
【０００４】
このような渦巻電極体を用いてなる電池では、電流を安定して取り出すために、正負電極板の芯体露出部分に正負電極集電タブを重ね合わせて溶接し、この集電タブを外部端子に接続して、電流を外部に取り出す構造が採用されている。また、芯体と集電タブとの溶接においては、溶接面積が大きいほど安定して電流が取り出しやすい。
【０００５】
しかし、薄い箔状の芯体は溶接時に破れやすいので、一回の溶接で加えるエネルギーを大きくできず、溶接面積を大きくし難い。このため、小さいエネルギーで溶接できるスポット溶接を複数行って、溶接合計面積を大きくしている。
【０００６】
また、溶接の効率を高めるために、図６に示すように、超音波溶接スポット１０を局所集中的に配置した溶接スポット集合群１１を、間隔をあけて複数箇所配置する方法が採用されている。しかし、この方法では、溶接スポット集合群１１相互間の非溶接領域がたわんで皺が発生しやすい。他方、皺の発生を回避するために溶接エネルギーを小さくすると、十分な強度での溶接を行い難く、不十分な強度の溶接であると、両部材間の導通が不安定になるという問題がある。ここで、皺が発生した電極板をセパレータとともに巻回すると、巻きズレを起こしやすいので、歩留まりが低下する。
【０００７】
芯体と集電タブとの溶接に関する技術としては、下記特許文献１〜３が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９−３３０７０６号公報
【特許文献２】特開平１１−２２１６８２号公報
【特許文献３】特開平６−１５５０５１号公報
【０００９】
特許文献１は、所定間隔離間して設けられた幅広な第１溶接部と、各第１溶接部同士を連結して一体的に設けられた第２溶接部とを形成する技術である。この技術によると、集電タブのしわの発生を抑制できるとされる。
【００１０】
特許文献２は、金属箔の厚さ以下の表面荒さに設定されたアンビルの平滑加工面上に、金属箔と金属板を重ねて載置し、一定ピッチで凹凸面が形成された超音波ホーンの加工面で、金属箔側からアンビル上の金属板と金属箔の重ね合わせ部位を加圧しながら超音波溶接する技術である。この技術によると、金属箔の破損を抑制できるとされる。
【００１１】
特許文献３は、金属箔をサンドブラスト処理された粗面のアンビルの加工面に配して金属板と重ね、金属板の金属箔と接しない面側から、超音波ホーンの一定のピッチで加工された凹凸の加工面を押し当てて接合する技術である。この技術によると、金属箔の破れを抑制できるとされる。
【００１２】
しかしながら、これらの技術では、特殊な構造の溶接装置を必要とするため、コスト高に繋がる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記に鑑みなされたものであって、芯体や集電タブに皺が発生することなく、十分な強度で芯体と集電タブとを溶接する方法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】
【００１４】
上記課題を解決するための本発明は、正極と、負極芯体に負極活物質層が形成された負極と、を有する電極体と、非水電解質と、を備える非水電解質二次電池において、前記負極の前記負極活物質層が形成されていない芯体露出部に帯状の負極集電タブが重ね合わされ、前記負極集電タブが前記負極芯体に複数スポットの超音波溶接により取り付けられており、当該超音波溶接スポットは、全ての隣り合う２つのスポット相互間距離が全て等しく配置されていることを特徴とする。
【００１５】
この構成では、図２に示すように、負極芯体露出部４ｄに負極集電タブ４ａ，４ｂが重ね合わされ、負極芯体に負極集電タブ４ａ，４ｂが複数スポットの超音波溶接により取り付けられている。また、図４に示すように、複数の超音波溶接スポット１０が、全ての隣り合う２つのスポット相互間距離Ｌ５が全て等しく（等間隔に）なるように配置されている。図６に示すような従来のスポット配置では、溶接スポット集合群１１相互間が離れており、この間に大きな非溶接領域ができる。上記構成では、隣り合う２つのスポット相互間距離Ｌ５が均等であり、非溶接領域も均等であるので、たわみにくく、皺が発生し難い。よって、十分な強度で集電タブと芯体とを固定することが容易となる。これにより、両部材間の導通が安定するとともに、この負極を用いてなる巻回電極体の巻きズレを防止できる。
【００１６】
上記構成において、前記超音波溶接スポットは、前記負極集電タブの長手方向に平行に複数列配列され、且つ隣り合う列同士の前記超音波溶接スポットが互い違いに配列されている構成とすることができる。
【００１７】
図５に示すように、超音波溶接スポット１０を、帯状の負極集電タブ４ａの長手方向及び短手方向に平行に配置することもできるが、上記構成では、図４に示すように、超音波溶接スポット１０を、負極集電タブ４ａの長手方向に平行に複数列（図４では４列）、隣り合う列同士では互い違いに配列する。このようにすると、超音波溶接スポット１０を密に配置し易い。よって、非溶接領域がよりたわみにくくなるとともに、超音波溶接スポットの合計面積を大きくし易いので、電流を取り出し易くできる。
【００１８】
上記構成において、溶接工程における公差を大きくできることから、前記超音波溶接スポットの合計面積が、前記負極芯体と前記負極集電タブとが重なる領域の面積の６．１〜８．７％であるとすることが好ましい。
【００１９】
通常、集電タブの幅は２〜４ｍｍ程度に設定されるため、この場合列数は２とすることが好ましい。なお、これよりも幅広の集電タブを用いる場合には、図４に示すように列数を３以上としてもよい。また、列間隔（スポット最外部間隔）Ｌ３、同じ列で隣り合う２つの超音波溶接部相互間距離（スポット中心部間隔）Ｌ４、隣り合う２つのスポット相互間距離（スポット中心部間隔）Ｌ５は、前記負極芯体と前記負極集電タブとが重なる領域の面積に対する超音波溶接スポットの合計面積の割合、集電タブの幅、スポットの列数を考慮して決めることができる。それぞれのスポットの間隔が広すぎると溶接時に負極芯体に皺が発生しやすくなる。他方、間隔が狭すぎると１つのスポット面積が小さくなるので、溶接を行うための治具の加工が難しくなる。
【発明の効果】
【００２０】
以上に説明したように、上記本発明によると、皺や破れの発生することなく、芯体と集電タブとを十分な強度で溶接できる。これにより、巻回電極体の巻きズレや電池内部抵抗の不安定化を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明にかかる電池の断面部分解体斜視図である。
【図２】図２は、本発明に用いる負極を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態に係る電池の超音波溶接スポットの配置を示す図であり、図３（ａ）は全体図、図３（ｂ）は、部分拡大図である。
【図４】図４は、超音波溶接スポットの配置の変形例を示す図であり、図４（ａ）は全体図、図４（ｂ）は、部分拡大図である。
【図５】図５は、超音波溶接スポットの配置のさらなる変形例を示す図である。
【図６】図６は、比較例に係る電池の超音波溶接スポットの配置を示す図であって、図６（ａ）は全体図、図６（ｂ）は、溶接スポット集合群１１を示す部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明を実施するための最良の形態を、図面を用いて詳細に説明する。なお、本発明は下記の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
【００２３】
（実施の形態）
図１を参照にして、実施の形態にかかる電池を説明する。図１は、本発明にかかる電池の断面部分解体斜視図であり、図２は、負極集電タブが取り付けられた負極を示す図であり、図３は、超音波溶接スポットの配置を示す図である。
【００２４】
図１に示すように、本発明にかかる電池は、正極３と負極４とセパレータ５とを備える電極体２が、円筒形の外装缶１内に挿入されている。外装缶１の開口部は封口板６により封口されている。また、負極４は負極集電タブ４ａ，４ｂを介して外装缶１と電気的に接続されており、正極３は正極集電タブ３ａを介して封口板６と電気的に接続されている。また、外装缶１内には、電解液が注液されている。
【００２５】
図２に示すように、負極４は、負極芯体に負極活物質層４ｃが形成されている。そして、巻回する際に巻き始め、巻き終わりとなる両端部にはそれぞれ、負極活物質層４ｃが形成されていない芯体露出部４ｄが設けられている。そして、それぞれの芯体露出部４ｄには、負極集電タブ４ａ，４ｂが超音波溶接されている。
【００２６】
また、図３（ａ）に示すように、正方形状の超音波溶接スポット１０が、負極集電タブ４ａの長手方向に平行に２列、且つ隣り合う列同士が互い違いとなるように配列されている。また、図３（ｂ）に示すように、隣り合う２つの超音波溶接スポット１０の相互間距離Ｌ５は、全て等しくなっている。もう一方の負極集電タブ４ｂもまた、負極集電タブ４ａと同様に超音波溶接されている。
【００２７】
次に、本実施の形態に係る電池の製造方法について説明する。
【００２８】
〈負極の作製〉
負極活物質としての天然黒鉛粉末９８質量部と、結着剤としてのスチレンブタジエンゴム１質量部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース１質量部と、水と、を混合して負極活物質スラリーを調製する。
【００２９】
このスラリーを、ドクターブレード法により、負極集電タブとしての銅箔（厚み：１２μｍ）の両面に塗布し、負極活物質層を形成する。この後、乾燥し、その後圧縮ローラーで圧縮し、所定のサイズに裁断して、負極板を作製する。この後、負極芯体露出部の巻き始め及び巻き終わりとなる位置に、負極集電タブをそれぞれ１本ずつ超音波溶接して、負極を作製する。この際、図３に示すように、超音波溶接スポットを２列、列方向に等間隔に、且つこの２列においては互い違いに配置させる。また、負極集電タブは、厚み０．１５ｍｍのＮｉＣｕ積層材料を用い、このＣｕ層を負極芯体に当接させて溶接する。
【００３０】
〈正極の作製〉
正極活物質としてのコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2）９４質量部と、導電剤としてのアセチレンブラック３質量部と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン３質量部と、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）と、を混合して正極活物質スラリーを調製する。
【００３１】
このスラリーを、ドクターブレード法により、正極芯体としてのアルミニウム箔（厚み：２０μｍ）の両面に塗布し、正極活物質層を形成する。この後、乾燥し、その後圧縮ローラーで圧縮し、所定のサイズに裁断する。この後、正極芯体露出部に、アルミニウム製の正極集電タブを超音波溶接して、正極を作製する。
【００３２】
〈電極体の作製〉
上記正極及び負極を、ポリプロピレン製微多孔膜からなるセパレータを介して巻回し、渦巻状の電極体を作製する。
【００３３】
〈非水電解質の調整〉
エチレンカーボネート（ＥＣ）と、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）と、を体積比３０：７０（２５℃、１気圧）で混合した混合溶媒に、ＬｉＰＦ6を１モル／リットルとなるように溶かして、非水電解質となす。
【００３４】
〈電池の組み立て〉
上記電極体及び有底円筒状の外装缶内に収容し、外装缶の缶底と負極集電タブとを溶接する。この後、上記非水電解質を注液し、封口板と正極集電タブとを溶接する。この後、外装缶の開口部を封口板により封口して、直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍである本実施の形態に係る非水電解質二次電池を作製する。
【００３５】
（実験）
上記実施の形態１と同様の条件で、負極板を４８個作製した。この後、負極芯体と負極集電タブとの超音波溶接スポットのサイズ、間隔（図３に示すＬ１〜Ｌ５）、溶接時の負極芯体と負極集電タブとの間の接触圧力、溶接エネルギーを、下記表１〜４に示すように変更したこと以外は、上記実施の形態と同様にして、負極芯体と負極集電タブとを超音波溶接した。なお、負極集電タブと負極芯体との重なる領域の大きさは、幅３ｍｍ×長さ５５ｍｍである。よって、超音波溶接スポットの合計面積が、負極芯体と負極集電タブとが重なる領域の面積に占める割合（溶接部面積比率）は、次の式により算出される。
溶接部面積比率（％）＝〔Ｌ２×Ｌ２×スポット数（４０）／（３×５５）〕×１００
【００３６】
比較として、上記実施の形態１と同様の条件で負極板を１２個作製し、図６に示すスポットの配置で、溶接時の負極芯体と負極集電タブとの間の接触圧力、溶接エネルギーを、下記表５に示すように変更して、上記実施の形態と同様に負極芯体と負極集電タブとを超音波溶接した。
【００３７】
この後、負極集電タブの溶接状態を目視にて確認した。目視にて皺や破れの発生がないものに関しては、負極集電タブを負極芯体から剥がし、溶接スポットにおける負極芯体の付着状態を確認した。これらによって、負極集電タブと負極芯体との溶接状態を次のように判定した。
【００３８】
皺発生  負極集電タブと負極芯体との超音波溶接スポットの間の領域で負極芯体に皺が発生している状態。
箔破れ発生  負極集電タブと負極芯体との超音波溶接スポットにおいて、負極芯体が破れている状態。
溶接良好  負極集電タブを負極芯体から剥がしたとき、超音波溶接スポットの痕全てに負極芯体が付着している状態。
溶接弱  負極集電タブを負極芯体から剥がしたとき、超音波溶接スポットの痕全てには負極芯体が付着していない状態。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
【表２】
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【００４１】
【表３】
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【００４２】
【表４】
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【００４３】
【表５】
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【００４４】
上記表５から、図６に示すような従来の超音波溶接スポットの配置（比較例）では、低いエネルギーでは、十分な強度の溶接を行うことができず、エネルギーを強めると、皺や破れが発生し易くなることがわかる。また、溶接圧力を強めると、低いエネルギーで溶接できるが、皺や箔破れが発生し易くなることがわかる。このスポット配置では、溶接良好となる圧力とエネルギーの組み合わせが、０．３ＭＰａ且つ２．０Ｊ及び０．１ＭＰａ且つ３．０Ｊであり、極めて狭い。
【００４５】
また、上記表１〜４から、図３に示すように、複数の超音波溶接スポットが、全ての隣り合う２つのスポット相互間距離が全て等しくなるように配置されている場合では、１つ１つのスポットの面積が小さいほど、低い溶接エネルギーで良好に溶接でき、１つ１つの溶接部の面積が大きいほど、必要なエネルギーが高くなる傾向にあることがわかる。
【００４６】
ここで、溶接良好となる圧力とエネルギーの組み合わせは、表１ではでは１２条件中２つ、表２では１２条件中７つ、表３では１２条件中６つ、表４では１２条件中３つであった。溶接良好となる条件範囲が広いほど、公差を大きくできるので、超音波溶接スポットの合計面積が、芯体と集電タブの重なり面積に占める割合（溶接部面積比率）が６．１〜８．７％である（表２、表３）ことが好ましいことがわかった。
【００４７】
また、皺が発生した極板を用いて巻き取った電極体は、溶接良好である極板を用いた電極体に比べて、巻きズレが多く発生したことを確認した。さらに溶接弱や破れが発生した極板を用いた非水電解質二次電池においては、溶接良好である極板を用いた電池と比較して内部抵抗が高くなることを確認した。
【００４８】
（追加事項）
なお、上記実施の形態では、超音波溶接スポットの形状を正方形としたが、これに限定されるものではなく、円形、楕円形、三角形、長方形、その他多角形としてもよい。
【００４９】
また、正極側については、負極側と同様のスポット配置で溶接してもよく、従来の配置で溶接してもよい。
【００５０】
正極活物質としては、上記実施の形態で用いたコバルト酸リチウム以外にも、例えばニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ2）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ2Ｏ4）リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ4）、マンガンニッケルコバルト酸リチウム（ＬｉＭｎxＮｉyＣｏzＯ2、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）、またはこれらの酸化物に含まれる遷移金属の一部を他の元素で置換した酸化物等のリチウム含有遷移金属複合酸化物を単独で、あるいは二種以上を混合して用いることができる。
【００５１】
また、負極材料としては、例えば天然黒鉛、カーボンブラック、コークス、ガラス状炭素、炭素繊維、あるいはこれらの焼成体等の炭素質物、または前記炭素質物と、リチウム、リチウム合金、およびリチウムを吸蔵・放出できる金属酸化物からなる群から選ばれる１種以上との混合物を用いることができる。
【００５２】
また、非水溶媒としては、上記実施の形態での組み合わせに限定されるものではなく、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン等のリチウム塩の溶解度が高い高誘電率溶媒と、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、アニソール、１，４−ジオキサン、４−メチル−２−ペンタノン、シクロヘキサノン、アセトニトリル、プロピオニトリル、ジメチルホルムアミド、スルホラン、蟻酸メチル、蟻酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸エチル等の低粘性溶媒とを混合させて用いることができる。さらに、前記高誘電率溶媒や低粘性溶媒をそれぞれ二種以上の混合溶媒とすることもできる。
【００５３】
また、電解質塩としては、上記実施の形態で用いたＬｉＰＦ6以外にも、例えばＬｉＮ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）2、ＬｉＣｌＯ4またはＬｉＢＦ4等を単独で、あるいは２種以上混合して用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上に説明したように、本発明によれば、破れや皺の発生がなく、十分な強度で芯体と集電タブとを溶接することができる。これにより、電池内部抵抗を安定して低くでき、且つ電極体を巻き取る際の巻きズレを予防できるので、産業上の利用可能性は大きい。
【符号の説明】
【００５５】
１          外装缶
２          電極体
３          正極
４          負極
４ａ，４ｂ  負極集電タブ
４ｃ        負極活物質層
４ｄ        芯体露出部
５          セパレータ
６          封口板
１０        超音波溶接スポット
１１        溶接スポット集合群
【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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