(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極活物質としてリチウム含有遷移金属酸化物、負極活物質としてリチウムイオンを吸蔵、放出可能な材料をそれぞれ金属箔に塗着した正負極板が捲回された電極群を備え、前記金属箔から直接導出され所定幅を有する複数の集電リードが集電部材に接合されたリチウム二次電池において、前記集電リードは、全てが、前記金属箔からの導出基部と前記集電部材に接合された端部との間に両側側縁が緩やかな弧状の幅細部を有しており、該幅細部を基点として屈曲しているとともに、前記幅細部が前記集電リードの最大幅に対して０．７倍以上の幅を有することを特徴とするリチウム二次電池。
【請求項２】
前記幅細部は、前記導出基部寄りの位置に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリチウム二次電池に係り、特に、正極活物質としてリチウム含有遷移金属酸化物、負極活物質としてリチウムイオンを吸蔵、放出可能な材料をそれぞれ金属箔に塗着した正負極板が捲回された電極群を備え、金属箔から直接導出され所定幅を有する複数の集電リードが集電部材に接合されたリチウム二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
非水電解液二次電池は、高エネルギ密度を有するため、様々な用途に用いられている。近年では、大型非水電解液二次電池も開発されており、例えば、動力源にモータを使用する電気自動車用やモータと内燃機関とを併用するハイブリッド電気自動車用の電源としても用いられている。このような用途においては、電池に高入出力特性が求められており、この要求に適応した電池としてリチウム二次電池が注目されている。
【０００３】
通常、リチウム二次電池では、以下のような捲回式の内部構造を有している。すなわち、金属箔に活物質をそれぞれ塗着した正負極板が帯状に形成され、正負極板がセパレータを介して直接接触しないように断面渦巻状に捲回された電極群が形成されている。正負極板の捲回時には、捲きズレを防止するため、テンションをかけながら捲回される。この電極群が電池容器に収容され、非水電解液注液後、電池容器が電池蓋で封口されている。
【０００４】
電気自動車用電源等の高入出力特性を要求されるリチウム二次電池では、内部抵抗を低減するために、正負極板の金属箔からそれぞれ多数の集電リードが直接導出されている。集電リードとしては、電池の高出力化を図るため、例えば、正負極集電体である金属箔の一部に活物質を塗着せずに残しておき、矩形状に加工することで直接集電リードが導出される。導出された集電リードの端部は、電極群の両側にそれぞれ配置された円盤状の集電部材の周縁に接合されている。このとき、集電リードと集電部材とを確実に接合するために、例えば、円盤状の集電部材の外周面と金属製リングの内周面とで集電リードの端部を挟んで溶接する技術も開示されている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１１８５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、捲回式のリチウム二次電池では、電池使用中の振動、温度変化や充放電の繰返しに伴う活物質の膨張収縮等が生じるため、捲回時にかけられたテンションにより電極群の外周部で不安定な捲き戻りが起こる。一方、集電リードが接合された集電部材が電極群より小さい直径を有していることが一般的なため、電極群の外周側の集電リードは電極群の内側に引っ張られることとなる。電極群の捲き戻りが起こると集電リードに過大な張力がかかり、集電リードが破損（切断）しやすくなるため、内部抵抗の上昇を引き起こし出力等の電池性能の低下を招きやすくなる。また、破損した集電リードがセパレータを圧迫、貫通して正負極板間の短絡を起こすこともある。
【０００７】
本発明は上記事案に鑑み、集電リードの破損を抑制し電池性能を確保することができるリチウム二次電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、正極活物質としてリチウム含有遷移金属酸化物、負極活物質としてリチウムイオンを吸蔵、放出可能な材料をそれぞれ金属箔に塗着した正負極板が捲回された電極群を備え、前記金属箔から直接導出され所定幅を有する複数の集電リードが集電部材に接合されたリチウム二次電池において、前記集電リードは、全てが、前記金属箔からの導出基部と前記集電部材に接合された端部との間に両側側縁が緩やかな弧状の幅細部を有しており、該幅細部を基点として屈曲しているとともに、前記幅細部が前記集電リードの最大幅に対して０．７倍以上の幅を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明では、集電リードの全てが金属箔からの導出基部と集電部材に接合された端部との間に両側側縁が緩やかな弧状の幅細部を有しているので、その幅細部を基点として屈曲させることで、電極群作製時の集電リードの破損を抑制することができ、電極群の捲き戻りが生じても集電リードにかかる張力が緩和されることから、集電リードの破損を抑制することができ、幅細部が集電リードの最大幅に対して０．７倍以上の幅を有するので、集電リードの抵抗増大が抑制されることから、電池性能を確保することができる。
【００１０】
この場合において、幅細部を導出基部寄りの位置に形成することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、集電リードの全てが金属箔からの導出基部と集電部材に接合された端部との間に両側側縁が緩やかな弧状の幅細部を有しており、その幅細部を基点として屈曲しているので、集電リードの破損を抑制することができ、幅細部が集電リードの最大幅に対して０．７倍以上の幅を有するので、電池性能を確保することができる、という効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明を適用した密閉円筒型リチウムイオン二次電池の実施の形態について説明する。
【００１３】
（構成）
図１に示すように、本実施形態の密閉円筒型リチウムイオン二次電池２０は、帯状の正負極板が直接接触しないようにポリエチレン製微多孔薄膜のセパレータを介して中空状でガラス含有樹脂製の軸芯１の周りに断面渦巻状に捲回された電極群６を備えている。電極群６は、有底円筒状の電池缶７に収容されている。
【００１４】
電極群６の上側には、軸芯１のほぼ延長線上に正極板から電位を集電するための正極集電リング（集電部材）４が配置されている。正極集電リング４は、軸芯１の上端部に固定されている。正極集電リング４の周囲から一体に張り出している鍔部周縁には、正極板から導出された正極タブ（集電リード）２の端部が超音波溶接で接合されている。正極集電リング４の上方には、正極外部端子となる円盤状の上蓋１４が配置されている。
【００１５】
上蓋１４は、鉄製でニッケルメッキが施された円盤状の上蓋キャップを有している。上蓋キャップの中央部には上方に向けて突出した円筒状の突起が形成されており、突起の上面には電池内部で発生したガスを排出するための開口部１５が形成されている。上蓋キャップの周縁部はダイヤフラム１２の周縁部でかしめられている。ダイヤフラム１２は、アルミニウム合金製で下方（電極群６側）に突出した反転部を有する皿状に形成されている。ダイヤフラム１２の反転部は正極集電リング４に形成された開口内に収容されている。皿状の底部は平面状でありダイヤフラム１２の中央部を形成している。ダイヤフラム１２の中央部と周縁部との間には、薄肉化されており電池内圧が上昇したときに開裂する開裂溝が形成されている。
【００１６】
正極集電リング４の中央部上面には、接続板９が摩擦攪拌溶接で接合されている。正極集電リング４の鍔部上面には、円環状で絶縁性のポリプロピレン製ブッシュ１７が配置されている。接続板９の上面には、ダイヤフラム１２の中央部底面が摩擦攪拌溶接で接合されている。この接合により、ブッシュ１７は、正極集電リング４とダイヤフラム１２とで挟持される。ダイヤフラム１２と接続板９との接合強度は、リチウムイオン二次電池２０の内圧が上昇したときにダイヤフラム１２が作動（反転部が上蓋キャップ側に反転）するように、摩擦攪拌溶接で調整されている。
【００１７】
上蓋１４の周縁部は、絶縁性及び耐熱性のＥＰＤＭ樹脂製ガスケット１０を介して電池缶７にかしめられており、リチウムイオン二次電池２０が密閉されている。また、電池缶７内には、図示を省略した非水電解液が注液されている。非水電解液には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの体積比１：１の混合溶媒中にリチウム塩として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１モル／リットル溶解したものが用いられている。
【００１８】
一方、電極群６の下側には負極板から電位を集電するための負極集電リング（集電部材）５が配置されている。負極集電リング５の内周面には軸芯１の下端部外周面が固定されている。負極集電リング５の外周縁には、負極板から導出された負極タブ（集電リード）３の端部が超音波溶接で接合されている。負極集電リング５の下部には電気的導通のための銅製の負極リード板８が固定されており、負極リード板８は、正極集電リング４と軸芯１との中央部分に電極棒を挿入することで、電池缶７の内底面に抵抗溶接で接合されており、電池缶７と負極板とが電気的に接続されている。
【００１９】
図２に示すように、電極群６を構成する正極板１８は、正極集電体となる厚さ２０μｍのアルミニウム箔（金属箔）１９を有している。アルミニウム箔１９の両面には、正極活物質合剤が略均一に塗着されている。正極活物質合剤には、正極活物質としてのマンガン酸リチウム等のリチウムマンガン複合酸化物（ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４）の粉末、導電材の炭素材料、結着剤のポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦと略記する。）が配合されている。これらを粘度調整溶媒のｎ−メチルピロリドン（以下、ＮＭＰと略記する。）に混合して、略均一となるようにコーネルデスパで分散、混練されてペーストが作製される。このペーストがアルミニウム箔１９に塗布され、乾燥後に厚さ９０μｍになるようにプレスされて正極板１８が形成される。なお、アルミニウム箔１９の長手方向一側の端部には、幅３０ｍｍの正極活物質合剤の未塗着部が形成されている。
【００２０】
正極活物質合剤の未塗着部は櫛状（矩形状）に切り欠かれており、切り欠き残部で正極タブ２が形成されている。換言すれば、正極タブ（切り欠き残部）２は、アルミニウム箔１９の長手方向と交差する方向に導出されている。また、各正極タブ２は、導出基部と端部との間の１箇所に幅細部２ａを有している。幅細部２ａは、両側縁がほぼ同じ緩やかな弧状を呈している。また、幅細部２ａは、正極タブ２の幅Ｗに対する最小幅Ｗａの比Ｗａ／Ｗが０．７以上（最小幅Ｗａが幅Ｗの０．７倍以上）に設定されている。すなわち、幅細部２ａは、幅細部２ａ以外の部分と比べて幅細に形成されている。なお、本例では、正極タブ２の幅Ｗは５ｍｍに設定されており、隣り合う正極タブ２の間隔が５０ｍｍ、正極タブ２の導出基部から端部までの長さは２５ｍｍに設定されている。
【００２１】
一方、負極板は、負極集電体となる厚さ１０μｍの圧延銅箔（金属箔）を有している。圧延銅箔の両面には、負極活物質合剤が略均一に塗着されている。負極活物質合剤には、負極活物質としての黒鉛、結着剤のＰＶＤＦが配合されている。これらを粘度調整溶媒のＮＭＰに混合して、略均一となるようにコーネルデスパで分散、混練されてペーストが作製される。このペーストが圧延銅箔に塗布され、乾燥後に厚さ７０μｍになるようにプレスされて負極板が形成される。圧延銅箔の長手方向端部には、正極板１８と同様に幅細部を有した負極タブ３が形成される。
【００２２】
（電池組み立て）
リチウムイオン二次電池２０は、以下の手順で組み立てられる。すなわち、正極タブ２および負極タブ３を電極群６の互いに反対側の両端面に位置するように配置して、捲きズレを防止するためにテンションを掛けながら捲回して電極群６を作製する。正極集電リング４、負極集電リング５に正負極タブをそれぞれ幅細部で屈曲させて接合した後、電極群６を電池缶７に収容する。負極リード板８を電池缶７の内底面に抵抗溶接で接合した後、正極集電リング４の中央部上面に接続板９を摩擦攪拌溶接で接合する。電池缶７の電極群６より上側に上蓋１４を載せるための段付け部を形成する段付け加工を施し、非水電解液を注液した後、段付け部に上蓋１４を載せ、電池缶７と上蓋１４とをガスケット１０を介してかしめる。その後、上蓋キャップに形成された開口部１５から溶接用の回転ツール（溶接治具）を差込み、ダイヤフラム１２の上面に回転ツールを圧接しながら回転させることでダイヤフラム１２と接続板９とを摩擦攪拌溶接で接合し、リチウムイオン二次電池２０の組み立てを完成させる。
【００２３】
（作用等）
次に、本実施形態のリチウムイオン二次電池２０の作用等について、幅細部２ａの作用を中心に説明する。なお、幅細部は、正負極タブ両方に形成されているが、いずれも同様の作用を示すため、以下、正極側の幅細部２ａのみについて説明する。
【００２４】
図３に示すように、集電リードに幅細部を持たない従来の捲回式リチウムイオン二次電池では、電池使用中の振動、温度変化や充放電の繰返しに伴う活物質の膨張収縮等が生じると、捲回時にかけられたテンションにより電極群の外周部で不安定な捲き戻りが起こる。この捲き戻りは、電極群の捲回方向に沿って生じるため、電極群の外周側ほど捲き戻り量が大きくなる。このため、電極群の外周側の集電リードに過大な張力がかかり、破損ないし切断することがある。また、集電リードを集電部材に接合するときに、集電リードに張力がかかり、破損ないし切断することもある。集電リードが破損ないし切断した場合、内部抵抗の上昇を引き起こし出力等の電池性能の低下を招きやすくなる。また、破損した集電リードがセパレータを圧迫、貫通して正負極板間の短絡を起こすこともある。本実施形態は、これらの問題を解決することができるリチウムイオン二次電池である。
【００２５】
本実施形態では、正極タブ２が幅細部２ａを有しており、正極タブ２は幅細部２ａを基点として屈曲している。すなわち、正極タブ２に余裕があるので、電極群作製時や電池使用時に正極タブ２にかかる張力が緩和されることから、正極タブ２の破損を抑制することができる。
【００２６】
また、幅細部で幅が急激に変化している（三角状や矩形状に形成した）場合や幅細部の幅が細すぎる場合には、幅細部が却って破損しやすくなり、また、正極タブの通電抵抗も高くなる。本実施形態では、幅細部２ａは、両側縁がほぼ同じ緩やかな弧状を呈しており、幅Ｗａが正極タブ２の幅Ｗの０．７倍以上に形成されている。このため、幅細部２ａを破損させることなく正極タブ２の抵抗増大が抑制されるので、電池性能を確保することができる。
【００２７】
なお、本実施形態では、全ての正極タブ２、負極タブ３が幅細部を有している例を示したが、本発明はこれに制限されるものではない。例えば、電極群６の外周側ほど捲き戻りが大きくなるため、外周側の集電リードのみが幅細部を有していてもよいが、電極群作製時の破損を考慮すれば、全ての集電リードが幅細部を有していることが好ましい。また、本実施形態では、各集電リードが幅細部を１箇所有している例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、１つの集電リードが複数の幅細部を有していてもよい。
【００２８】
また、幅細部の形成される位置は、金属箔からの導出基部と集電部材に接合された端部との間であれば制限されるものではない。導出基部（電極群６）側の方が端部側と比べて、破損（切断）しやすいことを考慮すれば、集電リードの中央部より基部側の近傍であることが好ましい。
【００２９】
更に、本実施形態では、アルミニウム箔１９の正極活物質合剤の未塗着部および圧延銅箔の負極活物質合剤の未塗着部をそれぞれ櫛状に切り欠くことにより正極タブ２および負極タブ３を導出する例を示したが、本発明はこれに制限されるものではなく、例えば、三角状等としてもよい。また、正極タブ２、負極タブ３の幅や間隔等にも制限のないことはもちろんである。更に、正極タブ２，負極タブ３のいずれか一方のみが幅細部を有するようにしてもよいが、電極群６の捲き戻りを考えれば、正極タブ２、負極タブ３の両方に幅細部を有するようにすることが好ましい。
【００３０】
また更に、本実施形態では、正極活物質にリチウムマンガン複合酸化物を例示したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、リチウム含有遷移金属酸化物であればよい。本実施形態以外で使用することができる正極活物質としては、例えば、化学式ＬｉＭｎ１−ｘＭｘＯ２、ＬｉＭｎ２−ｘＭｘＯ４（Ｍは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等から選ばれる１種以上の遷移金属）で表されるリチウムマンガン遷移金属複合酸化物を挙げることができる。また、結晶構造についても特に制限はなく、スピネル型、層状型、オリビン型のいずれの結晶構造を有していてもよい。また、本実施形態では、負極活物質に黒鉛を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、リチウム二次電池に使われるものであればよい。本実施形態以外で使用することができる負極活物質としては、例えば、非晶質炭素等の炭素材や金属リチウムを使用することができる。また、非水電解液、導電材および結着剤等についても特に制限はなく、通常、リチウム二次電池に使用される材料を用いてもよいことはもちろんである。
【００３１】
更にまた、本実施形態では、円筒型のリチウムイオン二次電池２０を例示したが、本発明は電池形状に制限されるものではなく、正負極板が捲回されたリチウム二次電池に適用することができる。円筒型以外の電池形状として、例えば、角型等の多角形状の電池に適用することもできる。また、電池容量、サイズ等についても特に制限されるものではない。
更に、本発明が適用可能な電池構造としては、本実施形態の有底円筒状容器（缶）に電池上蓋がかしめられた構造以外に、例えば、正負極外部端子がそれぞれ電池蓋を貫通し電池容器内で軸芯を介して押し合っている構造を挙げることができる。
【実施例】
【００３２】
次に、本実施形態に従い作製したリチウムイオン二次電池２０の実施例について説明する。なお、比較のために作製した比較例についても併記する。
【００３３】
（実施例１）
実施例１では、集電リードの幅Ｗを５ｍｍ、幅細部２ａの最小幅Ｗａを４ｍｍ、すなわち、比Ｗａ／Ｗを０．８に設定してリチウムイオン二次電池２０を作製した。なお、電池容量は６Ａｈに設定した。
【００３４】
（実施例２）
実施例２では、幅細部２ａの最小幅Ｗａを３．５ｍｍ、すなわち、比Ｗａ／Ｗを０．７に設定する以外は実施例１と同様にしてリチウムイオン二次電池２０を作製した。
【００３５】
（比較例１）
比較例１では、集電リードに幅細部を形成しないこと以外は実施例１と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。（図３参照）
【００３６】
（比較例２）
比較例２では、集電リードの幅Ｗを３ｍｍにする以外は比較例１と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
【００３７】
（試験評価）
各実施例及び比較例のリチウムイオン二次電池について、それぞれ４０個作製したときの集電リードの切断本数を測定し、平均値を算出した。その結果を下表１に示す。
【００３８】
また、各実施例及び比較例のリチウムイオン二次電池それぞれの集電リード４０本について、５０Ａ通電時の電圧変化から直流抵抗値を測定した。直流抵抗値の最小、最大および平均値を下表１にあわせて示す。
【００３９】
【表１】
0005334429.tif 000002
【００４０】
表１に示すように、比較例１、２のリチウムイオン二次電池は、集電リードの切断が多くみられた。また、集電リードに幅細部を形成させずに集電リードの幅全体を狭くした比較例２のリチウムイオン二次電池では、作製時の集電リードの切断を抑制することができないばかりか、幅を狭くした分で却って切断本数が増加した。これに対して、実施例１、２のリチウムイオン二次電池２０では、集電リードの切断がほとんど見られなかった。ここのことから、幅細部を形成したことにより、破損が抑制されていることが判った。更に、実施例１、２のリチウムイオン二次電池２０では、直流抵抗値の平均値も比較例１、２のリチウムイオン二次電池に比べて低いことから、高出力を得られることが判明した。一方、図4に示すように、リード切れの本数が少ない電池ほど、直流抵抗が低く、またその分布も小さいことが判った。そして、実施例１、２のリチウムイオン二次電池２０では、直流抵抗値の分布（表１における最大値と最小値との差）が比較例１、２のリチウムイオン二次電池に比べて小さいことから、電池性能が維持されることが判った。従って、集電リードに幅細部を形成したことにより、集電リードの破損を抑制し電池性能を確保できることが明らかとなった。
【００４１】
また、表１に示すように、比Ｗａ／Ｗを０．８に設定した実施例１では、比Ｗａ／Ｗを０．７に設定した実施例２より集電リードの切断本数が少なく、直流抵抗値の平均値も小さくなっていることが判った。従って、比Ｗａ／Ｗは０．７以上でも大きめに設定することが集電リードの破損や電池性能の確保には有効であることが判った。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は集電リードの破損を抑制し電池性能を確保することができるリチウム二次電池を提供するため、リチウム二次電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明を適用した実施形態の密閉円筒型リチウムイオン二次電池の断面図である。
【図２】実施形態のリチウムイオン二次電池を構成する正極板を模式的に示す平面図である。
【図３】従来のリチウムイオン二次電池を構成する正極板を模式的に示す平面図である。
【図４】実施例および比較例のリチウムイオン二次電池における直流抵抗値の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
２  正極タブ（集電リード）
２ａ  幅細部
３  負極タブ（集電リード）
４  正極集電リング（集電部材）
５  負極集電リング（集電部材）
６  電極群
１８  正極板
１９  アルミニウム箔（金属箔）
２０  密閉円筒型リチウムイオン二次電池（リチウム二次電池）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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