(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極板及び複数の正極リードが接続された正極板がセパレータを介して巻回された電極体と、前記電極体上に配置された上部絶縁板と、前記上部絶縁板上に配置された集電板と、封口体と、外装缶と、を備える円筒形電池であって、
前記上部絶縁板は少なくとも一つの貫通孔を有し、
前記複数の正極リードは、前記上部絶縁板の内周側に配置された少なくとも１つの第１正極リードと、前記上部絶縁板の外周側に配置された少なくとも１つの第２正極リードからなり、
前記第１正極リードは前記上部絶縁板の前記貫通孔を通り前記上部絶縁板と前記集電板の間を経由して前記集電板の外周部から前記集電板上に折り曲げられ、
前記第２正極リードは前記上部絶縁板の外周部の外側を通り前記集電板の外周部から前記集電板上に折り曲げられており、
前記第１正極リード及び前記第２正極リードが前記集電板に接続され、
前記集電板は前記封口体と電気的に接続されている円筒形電池。
【請求項２】
前記上部絶縁板の外周部に切り欠き部が設けられている請求項１記載の円筒形電池。
【請求項３】
前記集電板の下部に、縁部の少なくとも一部に凸部を有する絶縁部材が配置されている請求項１又は２に記載の円筒形電池。
【請求項４】
前記複数の正極リードは前記集電板の上面にレーザー溶接されている請求項１から３のいずれかに記載の円筒形電池。
【請求項５】
前記正極リードはアルミニウム又はアルミニウム合金からなる請求項１から４のいずれかに記載の円筒形電池。
【請求項６】
前記第１正極リード及び前記第２正極リードの数はそれぞれ１本である請求項１から５のいずれかに記載の円筒形電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数の正極リードが接続された正極板を有する円筒形電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動工具、電動アシスト自転車やハイブリッド電気自動車といった高出力用途の駆動電源として高エネルギー密度を有する非水電解質二次電池が広く用いられている。非水電解質二次電池は、外形や外装体によって円筒形電池、角形電池及びパウチ型電池に大別される。円筒形電池は外部からの衝撃に強く、多数の電池を用いて組電池に加工することが容易であることから、上記の用途には好適である。【０００３】
円筒形電池は、セパレータを介して負極板と正極板が巻回された電極体を外装缶へ挿入し、その開口部を封口体で封止して作製される。一般的な円筒形電池では封口体が正極外部端子として機能するため、正極板と封口体を電気的に接続する必要がある。そのための手段として、非水電解質二次電池では正極板に接続されたリードを封口体に接続する方法が主に採用されている。【０００４】
ところが、上記の方法によれば正極板の集電部が正極リードの接続部に限定される。そのため、正極板を長尺化しても十分な出力特性が得られない場合がある。そこで、正極板に複数のリードを接続することにより非水電解質二次電池の集電構造の適正化が図られている。複数のリードが接続された正極板を有する電池に関する先行技術文献として特許文献１〜３が挙げられる。【０００５】
特許文献１は電極体から導出する複数のリードを１点で重ね合わせて、その重なり部を封口体に接続した二次電池を開示している。【０００６】
特許文献２は電極体から導出する複数のリードを、電極体上に配置された導電部材で集電した電極巻回型電池を開示している。導電部材はナットとフランジ部を有するボルトから構成されており、電極体から導出するリードをボルトのフランジ部上に折り曲げてリードをボルトとナットで挟持して固定している。【０００７】
特許文献３は渦巻状電極群から導出する複数の極板タブが集電板としての中継板に接続されたニッケルカドミウム電池を開示している。電極群と中継板の間には絶縁板が配置されており、中継板と絶縁板には極板タブを挿入するための多数の円弧状の開口が設けられている。円弧状の開口に挿入された極板タブは中継板上に折り曲げて接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−３３５２３２号公報
【特許文献２】特開平１１−３１２５０９号公報
【特許文献３】実公昭５７−１４０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
１本のリードを封口体に接続する場合に比べて、特許文献１に記載されているように複数のリードを封口体に接続することは容易ではない。また、極板の厚みバラツキなどによって、電極体上のリードの位置にバラツキが発生した場合には、同一条件で複数のリードを封口体に接続する工程を継続して行うことが困難となり、生産性が低下するという課題が生じる。【００１０】
特許文献２においては複数のリードを挟持するボルトとナットを外部端子として用いているため、リードを封口体に接続する工程が省略される。しかし、特許文献２に記載された技術によれば、充放電に寄与しないボルトやナットが電池内部で多くのスペースを占めることになるため、電池容量が低下する。特に、小型の電池に特許文献２に記載された技術を適用する場合にそのような課題が顕著になる。【００１１】
特許文献３のように複数の極板タブを中継板上に接続し、中継板と封口体とをリードによって電気的に接続する構成であれば、封口体に複数のリードを接続する必要がない。しかしながら、中継板と絶縁板のそれぞれの開口に複数のリードを挿入する必要があるため生産性が低下する。また、集電板としての中継板に開口を設けると中継板の電気抵抗が増加してしまう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために本発明に係る円筒形電池は、負極板及び複数の正極リードが接続された正極板がセパレータを介して巻回された電極体と、電極体上に配置された上部絶縁板と、上部絶縁板上に配置された集電板と、封口体と、外装缶とを備える。上部絶縁板は少なくとも一つの貫通孔を有し、複数の正極リードは、上部絶縁板の内周側に配置された少なくとも１つの第１正極リードと、上部絶縁板の外周側に配置された少なくとも１つの第２正極リードからなる。第１正極リードは上部絶縁板の貫通孔を通り上部絶縁板と集電板の間を経由して集電板の外周部から集電板上に折り曲げられ、第２正極リードは上部絶縁板の外周部の外側を通り集電板の外周部から集電板上に折り曲げられている。第１正極リード及び第２正極リードは集電板に接続され、集電板は封口体と電気的に接続されている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば複数の正極リードが接続された正極板を有しながらも生産性に優れた円筒形電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は実施形態に係る円筒形非水電解質二次電池の断面図である。
【図２】図２（ａ）は実施形態に係る負極板の平面図であり、図２（ｂ）は実施形態に係る正極板の平面図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｆ）は実施形態に係る電極体から導出する正極リードの集電板への接続方法を工程順に示す斜視図である。
【図４】図４（ａ）は電極体上に配置された実施形態に係る上部絶縁板を示す平面図であり、図４（ｂ）電極体上に配置された実施形態の変形例に係る上部絶縁板を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態について図１に示す円筒形非水電解質二次電池１０を用いて説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を理解するために例示するものであって、本発明はこの実施形態に限定されない。
【００１６】
本実施形態に係る円筒形非水電解質二次電池１０は、図１に示すように有底円筒状の外装缶２４と、外装缶２４に挿入された電極体１６と、外装缶２４の開口部を封止する封口体２３を有している。電池内部には、非水溶媒に電解質塩を溶解した非水電解質が含まれる。
【００１７】
封口体２３は外部端子キャップ２３ａ、防爆弁２３ｂ及び端子板２３ｄを含んでおり、外装缶２４の開口部にガスケット２２を介してかしめ固定されている。外部端子キャップ２３ａはフランジ部を有し、そのフランジ部が防爆弁２３ｂに電気的に接続されている。防爆弁２３ｂと端子板２３ｄは環状の絶縁板２３ｃを介して互いの中央部で接続されている。その接続部は電池内部の圧力が上昇して所定値に達すると破断して、電池内部の電流経路を遮断する。さらに電池内部の圧力が上昇すると、防爆弁２３ｂが破断して電池内部のガスを放出する。
【００１８】
電極体１６は負極板１１、正極板１３及びセパレータ１５から構成されており、負極板１１と正極板１３をセパレータ１５を介して巻回して作製される。負極板１１及び正極板１３には、図２に示すようにそれぞれ２本の負極リード１２及び２本の正極リード１４が接続されている。電池内部では負極リード１２は外装缶２４の底面に平行になるように折り曲げられている。２本の負極リード１２のうち、電極体１６の外周側の負極リードは外装缶２４の底部に接続され、その接続部上に電極体１６の内周側の負極リードが接続されている。２本の正極リード１４は集電板１８に接続されており、集電板１８は集電リード部１８ａを介して封口体２３の端子板２３ｄに電気的に接続されている。電極体１６の上部及び下部にはそれぞれ上部絶縁板１７及び下部絶縁板２１が配置されている。集電板１８上にはさらにリング状絶縁板２０が配置されている。
【００１９】
正極リード１４と集電板１８との接続方法について図３を参照しながら詳細に説明する。作製直後の電極体１６から、第１正極リード１４ａと第２正極リード１４ｂが導出している（図３（ａ））。まず、第１正極リード１４ａを貫通孔１７ａに挿入して、上部絶縁板１７を電極体１６上に配置する（図３（ｂ））。次に、第１正極リード１４ａ及び第２正極リード１４ｂを電極体１６の外側に折り曲げて（図３（ｃ））、下部に絶縁部材１９を設けた集電板１８を上部絶縁板１７上に配置する（図３（ｄ））。第１正極リード１４ａ及び第２正極リード１４ｂを電極体１６の外周側方向に折り曲げることによって、集電板１８を配置するスペースを確保することができる。そして、第１正極リード１４ａ及び第２正極リード１４ｂを集電板１８上に折り曲げて、集電板１８に接続する（図３（ｅ））。接続方法としては、レーザー溶接を用いることができる。最後に、電極体１６を外装缶２４へ挿入するために、集電板１８の集電リード部１８ａを９０°の角度で折り曲げる（図３（ｆ））。
【００２０】
上記の説明からわかるとおり本発明によれば、集電板に正極リードを挿入するための貫通孔を設ける必要がないため、集電板の電気抵抗の増加を防止することができる。また、正極リードが集電板の集電リード部と重ならない限り、正極リードを集電板に接続することができる。そのため、正極リードの集電体上の位置バラツキの許容範囲を拡大することができる。
【００２１】
本実施形態において、図４（ａ）に示す平面形状を有する上部絶縁板１７を用いたが、図４（ｂ）に示すように外周部の少なくとも一部に第２正極リード１４ｂを通すための切り欠き部２７ｂを設けた上部絶縁板２７を用いることもできる。この切り欠き部２７ｂを上部絶縁板２７の位置決めの基準とすれば、貫通孔２７ａを位置決めの基準とする必要が無くなるため、貫通孔２７ａの面積を大きくすることができる。これにより、とりうる上部絶縁板の平面形状の自由度が増すため、正極リードの本数を増やすことが容易になる。上部絶縁板の材料としてはポリエチレンなど電気絶縁性を有する材料であれば電池特性に影響を与えない限り制限なく用いることができる。
【００２２】
本実施形態において、集電板１８の下部に絶縁部材１９が設けられている。この絶縁部材１９の縁部には凸部が形成されており、絶縁部材１９上での集電板１８の位置ズレを防止することができる。さらに、凸部で囲まれる領域を集電板形状とあわせることで、集電板１８と絶縁部材１９を一体化した部材として構成することもできる。ここで絶縁部材１９の縁部とは、絶縁部材１９の外周側の縁部だけでなく絶縁部材１９の開口の縁部も含まれる。凸部は絶縁部材１９の縁部の全てに形成する必要はなく、絶縁部材１９上で集電板１８の移動を防止できる範囲で凸部が形成されていればよい。本発明において、絶縁部材は必須の部材ではないが、正極リードと集電部材との接続の際に発生するスパッタなどの電極体への影響をより効果的に防止することができるため、絶縁部材を用いることが好ましい。絶縁部材の材料にはポリエチレンなど電気絶縁性を有する材料であれば、電池特性に影響を与えない限り制限なく用いることができる。
【００２３】
本実施形態においてはリング状絶縁板２０が集電板１８上に配置されている。本発明において、集電板上にリング状絶縁板を配置することは必ずしも必須ではないが、正極リードの外装缶との接触を防止することができるため、集電板上にリング状絶縁板を配置することが好ましい。リング状絶縁板の断面形状は、その外周側が電極体側へ突出するＬ字状とすることもできる。リング状絶縁板の平面形状の外周部及び内周部はいずれも円形、及び円に内接する多角形を使用することができるが、少なくとも外周部が円形であることが好ましい。
【００２４】
本実施形態において集電板１８は、集電板１８の一部として一体成型された集電リード部１８ａを有している。本発明においては、金属板に別部品のリードを接続して集電板を作製することもできる。このような作製方法によれば、集電体の金属板部分の厚みを集電リード部の厚みよりも大きくできるなど、集電板の設計自由度を高めることができる。集電板の材料は正極リードと同じであることが好ましく、正極リード及び集電板の材料の例としてはアルミニウム及びアルミニウム合金が挙げられる。集電板の集電リード部と封口体との接続は、１本の正極リードが接続された正極板を有する従来の円筒形電池と同じ条件を用いることができる。そのため、本実施形態よれば複数の正極リードが接続された正極板を有しながらも生産性に優れた円筒形電池を提供することが可能である。
【００２５】
次に、本実施形態に係る円筒形非水電解質二次電池１０に用いることができる負極板１１、正極板１３、セパレータ１５及び非水電解質の作製方法や構成材料について説明する。
【００２６】
負極板１１は負極集電体と、負極集電体の両面に形成された負極合剤層１１ａを有している。本実施形態において、負極板１１の両端に設けられた負極集電体露出部１１ｂのそれぞれに負極リード１２が接続されているが、いずれか一方にのみ負極リード１２を接続してもよい。負極集電体としては銅箔を用いることが好ましい。負極合剤層１１ａは負極活物質を含む負極合剤スラリーを負極集電体上に塗布、乾燥して形成することができる。負極合剤スラリーには負極活物質の他に結着剤や導電剤などを添加することができる。形成された負極合剤層１１ａをローラーで圧縮し、所定寸法に切断して負極板１１が得られる。
【００２７】
負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵、放出することができる炭素材料や金属酸化物、リチウムと合金化することができる金属材料を用いることができる。炭素材料としては、天然黒鉛及び人造黒鉛などの黒鉛が例示される。金属酸化物及び金属材料としては、ケイ素及びスズ並びにこれらの酸化物が挙げられる。炭素材料、金属酸化物及び金属材料は単独で、又は２種以上を混合して用いることができ、黒鉛と酸化ケイ素を混合して用いることもできる。
【００２８】
正極板１３は正極集電体と、正極集電体の両面に形成された正極合剤層１３ａを有している。本実施形態において、正極板１３に設けられた２つの正極集電体露出部１３ｂのそれぞれに第１正極リード１４ａ及び第２正極リード１４ｂが接続されているが、正極リードの本数は本実施形態に限定されず、３本以上の正極リードを用いることもできる。本発明において３本以上の正極リードを用いる場合、上部絶縁板の内周側に配置される正極リードが第１正極リードに、上部絶縁板の外周側に配置される正極リードが第２正極リードに分類される。
【００２９】
正極集電体としてはアルミニウム箔を用いることが好ましい。正極合剤層１３ａは正極活物質を含む正極合剤スラリーを正極集電体上に塗布、乾燥して形成することができる。正極合剤スラリーには正極活物質の他に結着剤や導電剤などを添加することができる。形成された正極合剤層１３ａをローラーで圧縮し、所定寸法に切断して正極板１３が得られる。
【００３０】
正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵、放出することができるリチウム遷移金属複合酸化物を用いることができる。リチウム遷移金属複合酸化物としては、一般式ＬｉＭＯ２（ＭはＣｏ、Ｎｉ、及びＭｎの少なくとも１つ）、ＬｉＭｎ２Ｏ４及びＬｉＦｅＰＯ４が挙げられる。これらは単独で、又は２種以上を混合して用いることができる。Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、及びＺｒからなる群から選ばれる少なくとも１つをこれらに添加し、又はこれらの遷移金属元素と置換することができる。
【００３１】
セパレータとしては、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）のようなポリオレフィンを主成分とする微多孔膜を用いることができる。微多孔膜は単層で、又は２層以上を積層して用いることができる。２層以上の積層セパレータにおいては、融点が低いポリエチレン（ＰＥ）を主成分とする層を中間層に、対酸化性に優れたポリプロピレン（ＰＰ）を表面層とすることが好ましい。さらに、セパレータには酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）及び酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のような無機粒子を添加することができる。このような無機粒子はセパレータ中に担持させることができ、セパレータ表面に結着剤とともに塗布することもできる。
【００３２】
非水電解質としては、溶媒としての非水溶媒中に電解質塩としてのリチウム塩を溶解させたものを用いることができる。また、非水溶媒に代えてゲル状のポリマーを用いた非水電解質を用いることもできる。
【００３３】
非水溶媒としては、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状カルボン酸エステルを用いることができ、これらは２種以上を混合して用いることが好ましい。環状炭酸エステルとしては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）及びブチレンカーボネート（ＢＣ）が例示される。また、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）のように、水素の一部をフッ素で置換した環状炭酸エステルを用いることもできる。鎖状炭酸エステルとしては、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）及びメチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）などが例示される。環状カルボン酸エステルとしてはγ−ブチロラクトン（γ−ＢＬ）及びγ−バレロラクトン（γ−ＶＬ）が例示され、鎖状カルボン酸エステルとしてはピバリン酸メチル、ピバリン酸エチル、メチルイソブチレート及びメチルプロピオネートが例示される。
【００３４】
リチウム塩としては、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ４Ｆ９ＳＯ２）、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３、ＬｉＣ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）３、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣｌＯ４、Ｌｉ２Ｂ１０Ｃｌ１０及びＬｉ２Ｂ１２Ｃｌ１２が例示される。これらの中でもＬｉＰＦ６が特に好ましく、非水電解質中の濃度は０．５〜２．０ｍｏｌ／Ｌであることが好ましい。ＬｉＰＦ６にＬｉＢＦ４など他のリチウム塩を混合することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によれば、複数の正極リードが接続された正極板を有しながら、生産性に優れた円筒形電池を提供することができる。複数の正極リードが接続された正極板を有する円筒形電池は負荷特性などの電気化学特性に優れる。また、本発明によれば集電体に正極リードを挿入するための貫通孔を形成する必要がないため、電気抵抗が低い集電板を提供することができる。すなわち、本発明は電動工具、アシスト自転車及びハイブリッド電気自動車など高出力が求められる用途の駆動電源としての円筒形電池の生産性の向上に寄与することができるため、産業上の利用可能性は大きい。
【符号の説明】
【００３６】
１０      円筒形非水電解質二次電池
１１      負極板
１２      負極リード
１３      正極板
１４      正極リード
１４ａ    第１正極リード
１４ｂ    第２正極リード
１５      セパレータ
１６      電極体
１７      上部絶縁板
１７ａ    貫通孔
１８      集電板
１９      絶縁部材
２０      リング状絶縁板
２１      下部絶縁板
２２      ガスケット
２３      封口体
２４      外装缶
【図１】
0006593344.tif 000002
【図２】
0006593344.tif 000003
【図３】
0006593344.tif 000004
【図４】
0006593344.tif 000005