(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極集電体基部よりも熱伝導性の低い領域が少なくとも一端に設けられた負極集電体を用いて負極電極体を構成し、該負極電極体のうち上記一端が位置する側の端面の負極集電体基部に集電端子が加熱接合されている電池であって、上記負極集電体基部が銅であることを特徴とする電池。
【請求項２】
上記熱伝導性の低い領域は、上記負極集電体の活物質未形成部に設けられた帯状の領域である請求項１記載の電池。
【請求項３】
上記熱伝導性の低い領域は、上記負極集電体基部に、該負極集電体基部を構成する材料よりも熱伝導性の低い材料をクラッドしてなる領域たるクラッド部である請求項１または２記載の電池。
【請求項４】
上記集電端子は、上記熱伝導性の低い領域を構成する材料と同じ材料からなる請求項１、２または３記載の電池。
【請求項５】
上記負極電極体は、上記負極集電体を巻回してなる巻回型の負極電極体である請求項１から４のいずれか一項記載の電池。
【請求項６】
上記クラッド部が形成された部分の負極集電体全体の厚さを１００％として、上記クラッド部の厚さは２０〜８０％の範囲である請求項３記載の電池。
【請求項７】
上記クラッド部の幅は、０．５〜１００ｍｍである請求項６記載の電池。
【請求項８】
負極集電体基部よりも熱伝導性の低い領域が少なくとも一端に設けられた負極集電体を用いて負極電極体を構成し、該負極電極体のうち上記一端が位置する側の端面の負極集電体基部に集電端子を加熱接合する電池の製造方法であって、上記負極集電体基部が銅であることを特徴とする電池の製造方法。
【請求項９】
上記集電端子の加熱接合を抵抗溶接により行う請求項８記載の電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、簡単な構成により効率よく集電構造を形成することのできる電池、およびその製造方法に関する。
なお、本明細書中において「電池」とは、ニッケル水素電池、リチウム電池などの電池の意味で使用する。
【０００２】
【従来の技術】
長尺状の正極側電極シートおよび負極側電極シートと、両電極シートの間に配されるセパレータとを巻回してなる巻回型の電極体を備えた電池が知られている。このような電池における集電構造としては、図９に示すように、正極集電箔９１１の端部に正極活物質層９１２の形成されない領域（活物質未形成部）９１１１を設け、その部分に正極集電箔９１１とは別体の多数のリードタブ９１１ａを例えば一定の間隔で超音波溶接等の手段により接合した正極側電極シート９１を用いる構成が一般的である。すなわち、この正極側電極シート９１を、同様に多数のリードタブ９２１ａが接合された負極側電極シート９２と、両電極シート間を隔てる二枚のセパレータ９３とともに巻回して電極体を作製し、この電極体の両端から延びる多数のリードタブ９１１ａ、９２１ａを正極負極それぞれの集電端子に接合して集電構造が形成される。
また、複数枚の正極側電極シート、負極側電極シートおよびセパレータを積層してなる積層型の電極体を備えた電池においても、各電極シートを構成する集電箔の活物質未形成部、あるいはこの部分に接合されたリードタブを集電端子に接合する集電構造が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記集電構造を備える電池において、集電箔およびリードタブの材質としては、電気導電性が良いことから、一般にアルミニウム、銅等の材料が多く用いられている。しかし、これらアルミニウム、銅等の材料は熱伝導性も高いため抵抗溶接等の熱溶接には不向きなことから、リードタブと集電端子との接合方法に制約がある。さらに、リードタブを用いる集電構造においては、集電箔に多数のリードタブを接合する工程を要するため電極体の製造効率を向上させることが困難であり、また集電構造が複雑であるのでリードタブまたは集電箔の破れ等により歩留りが低下しやすい。
一方、また、リードタブを介することなく、集電箔の活物質未形成部に、例えば巻回された電極体の側方から集電端子を直接接合する集電構造も知られている。しかし、上述のように通常の集電箔は熱伝導性の高い材料からなるため、この集電箔と集電端子とを熱溶接等の手段により接合することは困難であった。
【０００４】
本発明の目的は、簡素な構成の集電構造を備え、かつ集電端子の接合が容易な電池、およびその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の電池は、少なくとも一端に負極集電体基部よりも熱伝導性の低い領域が設けられた負極集電体を用いて負極電極体を構成し、該負極電極体のうち上記一端が位置する側の端面の負極集電体基部に集電端子が加熱接合されている電池であって、上記負極集電体基部が銅であることを特徴とする。
このように、負極集電体の一端（集電端子との被接合部に相当する）に熱伝導性の低い領域を設けることにより、熱伝導性の良い材料のみからなる従来の負極集電体に比べてこの被接合部を高温に加熱しやすくなり、熱溶接（例えば抵抗溶接）等による接合が容易となる。したがって、負極電極体と集電端子とが直接かつ良好に接合された電池とすることができる。
【０００６】
上記熱伝導性の低い領域は、上記集電体の一端に不連続に（例えば一定の間隔で）設けられてもよいが、連続して設けられることが好ましい。また、良好な集電効率を得るために、上記熱伝導性の低い領域上には活物質層が形成されていないことが好ましい。したがって、請求項２記載のように、上記熱伝導性の低い領域は、上記負極集電体の該活物質未形成部に設けられた帯状の領域であることが好ましい。
【０００７】
上記熱伝導性の低い領域は、請求項３記載のように、上記負極集電体基部に、該負極集電体基部を構成する材料よりも熱伝導性の低い材料をクラッドにより形成してなる領域であることが好ましい。以下、集電体基部にクラッドされる材料を「クラッド用材料」、集電体のうちこのクラッド用材料から構成される部分（熱伝導性の低い領域）を「クラッド部」ともいう。
【０００８】
上記クラッド部の形状につき、図面を用いて説明する。
集電体基部７１に設けられたクラッド部７２は、図７（ａ）のように集電体７の側端面７ａに露出されていることが好ましい。
また、集電体基部７１を構成する材料に比べて、クラッド部７２に用いられる材料は一般に電気伝導性が低いので、集電効率の点からクラッド部７２の上には活物質層７３を形成しないことが好ましい。したがって、図７（ａ）および図７（ｂ）のように活物質層７３が集電体７の両面に設けられる場合には、この活物質層７３が形成された部分よりも側端面７ａ側の範囲（活物質未形成部）にクラッド部７２を形成することが好ましい。一方、図７（ｃ）に示すように、活物質層７３が集電体７の一方の面（表面）にのみ設けらており、この集電体７の他方の面（裏面）の全体が活物質未形成部となっている場合には、集電体７の裏面に、表面に活物質層７３が形成された範囲にまで及ぶクラッド部７２を形成してもよく、さらには裏面の全体にクラッド部が形成されていてもよい。
【０００９】
図８（ａ）に示すように、クラッド部７２が形成された部分の集電体７の厚さａは、クラッド部７２が形成されていない部分の集電体７の厚さｂとほぼ同じ厚さであることが好ましい。この場合には、集電体７の各部の厚さがほぼ均一となるので、例えば活物質層７３の形成時（例えば活物質ペーストの塗布・乾燥等）において、集電体７の巻き出しやロール送り等の際にシワや巻きムラ等が発生しにくく、作業性が良好である。
また、クラッド部７２の形成された部分の厚さａは、クラッド部７２の形成されていない部分の厚さｂよりも大きくてもよい。ただし、図８（ｂ）に示すように、電極体構成時において隣接する集電体７間に位置する部材および層（例えば、集電体７上に設けられる活物質層７３、対極の電極シート７４、およびセパレータ７５）の合計厚さＤよりも、集電体７各部の厚さの差（ａ−ｂ）を小さくすることが好ましい。特に巻回型の電極体においては、緊密に巻回された電極体を構成しやすいことから、（ａ−ｂ）＜Ｄとすることが好ましい。
なお、上記クラッド部を有する集電体は、従来公知のクラッド材の製造方法等により作製することができる。
【００１０】
上記クラッド部を構成するクラッド用材料としては、電池の種類に応じて、集電体基部よりも熱伝導性の低い材質のなかから、電気的安定性等を考慮して適当な材料を選択して用いることができる。本発明のように、負極集電体基部が銅であり、電解液が非水電解液である場合（リチウム二次電池等）には、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０６）等の鉄系合金、ニッケル等が好ましく用いられる。このように集電体基部よりも熱伝導性の低い材料からなるクラッド部は、抵抗溶接等の際において集電体基部に比べて容易に高温に加熱することができる。そして、このクラッド部のもつ熱によって、クラッド部に近接する集電体基部を溶接に十分な程度にまで加熱することが可能となる。これにより、クラッド部が設けられた側の集電体の側端面（電極体の一端面に位置することとなる）と集電端子とを抵抗溶接、レーザ溶接等の加熱接合により容易に接合することができる。
【００１１】
また、上記熱伝導性の低い領域が「ろう材」のクラッドにより形成された集電体を用い、抵抗溶接等の熱溶接時における加熱によりこの「ろう材」を融解させて、集電体と集電部材とを接合してもよい。ろう材としては、はんだ、銅系ろう等を用いることができる。この構成においては、集電体基部自体は溶接温度まで加熱されなくても、ろう材によって集電体基部と集電端子とを接合することができる。なお、集電体基部を十分に加熱することができれば、ろう材とともに集電体基部も溶接されてもよい。
【００１２】
なお、上記熱伝導性の低い領域を形成するクラッド以外の方法としては、集電体本体の一端にこの集電体本体よりも熱伝導性の低い材料をめっきする方法等が挙げられる。
上記集電端子としては、請求項４記載のように、上記熱伝導性の低い領域を構成する材料と同じ材料からなるものを用いることができる。例えば、集電体基部を構成する材料またはクラッド部を構成する材料のいずれか一方と同じ材料からなる集電端子を用いることが好ましい。この場合には、電極体と集電端子とを抵抗溶接等により接合する際の接合性が良いという利点がある。
【００１３】
本発明の電池の他部は、従来公知の材料等により構成することができる。
本発明では、負極用集電体基部を構成する材料として銅を用いる。また、セパレータとしては多孔質ポリエチレン等を用いることができる。
【００１４】
正極活物質としてはリチウム含有酸化物等が好ましく用いられ、具体例としてはＬｉＭｎ2Ｏ4等のリチウムマンガン酸化物、ＬｉＮｉＯ2等のリチウムニッケル酸化物、ＬｉＣｏＯ2等のリチウムコバルト酸化物、ＬｉＦｅＯ2等のリチウム鉄酸化物等の、従来のリチウム二次電池の正極活物質に用いられている化合物等が挙げられる。また、負極活物質としてはアモルファスカーボン、グラファイト等の炭素材料あるいはＳｉ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属とＬｉとの合金または酸化物等を用いることができる。あるいは、負極として金属リチウムを用いてもよい。正極活物質層または負極活物質層を形成するためのバインダとしては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）等を、正極活物質層を形成するための導電化材としてはカーボンブラック、黒鉛、ピッチコークス等を用いることができる。
【００１５】
このリチウム二次電池の電解液としては、従来のリチウム二次電池に用いられる各種非プロトン性溶媒から選択される一種または二種以上、例えばエチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、γ−ブチロラクトン、１，２−ジメチルエタン、テトラヒドロフラン、１，３−ジオキサン、酢酸メチル、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）等を用いることができる。また電解質としては、従来のリチウム二次電池に用いられる各種リチウム塩、例えばＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣＦ3ＳＯ3、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＳｂＦ6、ＬｉＣ4Ｆ9ＳＯ3、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）2、ＳｉＣ（ＣＦ3ＳＯ2）3等を用いることができ、これらのうちＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4が好ましい。電解液中における電解質濃度は通常０．０５〜１０ｍｏｌ／Ｌ程度であり、好ましくは０．１〜５ｍｏｌ／Ｌ程度である。
【００１６】
上記負極電極体は、請求項５記載のように、上記負極集電体を巻回してなる巻回型の負極電極体であることが好ましい。本発明は積層型の電極体を備えた電池にも適用可能であるが、巻回型の電極体を備えた電池においては、本発明の集電構造とすることによる効果が特に有効に発揮されるためである。
【００１７】
請求項８および９は、上記電池を製造する方法に関する。すなわち、請求項８記載の電池の製造方法は、少なくとも一端に負極集電体基部よりも熱伝導性の低い領域が設けられた負極集電体を用いて負極電極体を構成し、該負極電極体のうち上記一端が位置する側の端面の負極集電体基部に集電端子を加熱接合する電池の製造方法であって、上記負極集電体基部が銅であることを特徴とする。上記集電端子の加熱接合は、請求項９記載のように、抵抗溶接により行うことが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施態様を具体的に説明する。
（実施例１）
本発明を適用した巻回型のリチウム二次電池を図２に示す。この電池は、正極側電極シート（以下、「正極シート」ともいう。）１１、セパレータ１３、負極側電極シート（以下、「負極シート」ともいう。）１２およびセパレータ１３をこの順に積層し、巻回してなる電極体１と、この電極体１の図２における上端面に接合された正極集電端子２と、電極体１の下端面に接合された有底円筒状の電池容器３と、を備える。なお、電池容器３は負極集電端子としても機能する。また、正極集電端子２は、図示しないリード線等により、外部との導通が可能な部材と電気的に接続されている。
【００１９】
図１は、図２における電極体１の上端面と正極集電端子２との接合部付近を拡大した断面図である。
正極シート１１は、長尺状の正極集電体１１１と、その両面に形成された正極活物質層１１２とからなる。ここで、正極集電体１１１の長手方向に沿った一端は、正極活物質層１１２の形成されない活物質未形成部１１１１となっている。また、この活物質未形成部１１１１には、正極集電体基部１１１ａを構成する材料よりも熱伝導性の低い材料がクラッドされた帯状のクラッド部１１１ｂが、正極集電体１１１の側端面に露出されるように形成されている。図２に示す電極体１の上端面は、クラッド部１１１ｂが設けられた側の正極集電体１１１の側端面から構成され、この部分に正極集電端子２が抵抗溶接により接合されている。
【００２０】
また、負極シート１２も同様に、長尺状の負極集電体１２１と、その両面に形成された負極活物質層１２２とからなる。負極集電体１２１の長手方向に沿った一端は活物質未形成部とされており、ここに負極集電体基部を構成する材料よりも熱伝導性の低い材料がクラッドされた帯状のクラッド部１２１ｂが、負極集電体１２１の側端面に露出されるように形成されている。図２に示す電極体１の下端面は、クラッド部１２１ｂが設けられた側の負極集電体１２１の側端面から構成され、この部分に電極容器３の内側底面が抵抗溶接により接合されている。
なお、図２では正極活物質層１１２および負極活物質層１２２を省略して示している。
【００２１】
以下、このリチウム二次電池の製造方法を説明する。
図３および図４に示すように、全体形状が幅１６０ｍｍ×厚さ１０μｍの金属箔であって、その基部１２１ａは銅からなり、一方の表面には幅方向の中央部に幅６ｍｍ×厚さ５μｍのステンレス材（銅よりも熱伝導性の低い材料）からなる帯状のクラッド部１２１ｂが設けられた銅−ＳＵＳクラッド箔１２３を用意した。このクラッド箔１２３の両面に、クラッド箔１２３の長手方向の両側端に２ｍｍ、またクラッド箔１２３の中央部に１０ｍｍの活物質未形成部１２１１を残して、長手方向に二条の負極活物質層１２２を形成した。この負極活物質層１２２は、例えば負極活物質、バインダおよび溶媒を混合してなる負極活物質ペーストを塗布し、乾燥させることにより形成することができる。その後、クラッド箔１２３を幅方向の中央部に設定された切断線１２３ａに沿って切断することにより、二枚の負極シート１２を作製した。
【００２２】
また、全体形状が幅１６０ｍｍ×厚さ１５μｍの金属箔であって、その基部１１１ａはアルミニウムからなり、一方の表面には幅方向の中央部に幅６ｍｍ×厚さ７．５μｍのステンレス材（アルミニウムよりも熱伝導性の低い材料）からなる帯状のクラッド部１１１ｂが設けられたＡｌ−ＳＵＳクラッド箔を用いて、負極活物質層１２２と同様に正極活物質層１１２を形成した後、このクラッド箔を中央部で切断して二枚の正極シート１１を作製した。
【００２３】
その後、図５に示すように、正極シート１１、セパレータ１３、負極シート１２およびセパレータ１３をこの順に、正極活物質層１１２および負極活物質層１２２の形成された位置とセパレータ１３の位置とを重ね合わせ、かつクラッド部１１１ｂとクラッド部１２１ｂとがセパレータ１３の反対側からはみ出すように積層した。
これを巻回してなる電極体１の上端面は正極集電体１１１により構成される。この部分の正極集電体１１１は、図１に示すように、ＳＵＳ製のクラッド部１１１ｂがその厚みの半分を占め、残りの半分はＡｌ製の集電体基部１１１ａからなる。この上端面を正極集電端子２に抵抗溶接する際には、集電体基部１１１ａに比べて熱伝導性の低い材料（ＳＵＳ）からなるクラッド部１１１ｂを容易に高温に加熱することができ、このクラッド部１１１ｂのもつ熱によって近接する集電体基部１１１ａを溶接に十分な程度にまで加熱することが可能となる。したがって、電極体１の上端面（正極集電体１１１の側端面）と正極集電端子２との間に、抵抗溶接によって良好な接合部２ａを形成することができる。
【００２４】
また、電極体１の下端面においても同様に、この下端面を構成する負極集電体１２１の厚みの半分がＳＵＳ製のクラッド部１２１ｂからなることにより、抵抗溶接においてクラッド部１２１ｂを高温に加熱し、このクラッド部１２１ｂのもつ熱によって銅製の集電体基部１２１ａを溶接に十分な程度にまで加熱することができ、電極体１の下端面と電極容器３の内側底面との間に良好な接合部を形成することができる。
電極体１と、集電端子２および電極容器３とを接合した状態を図６に示す。図中、符号２ａは正極集電体１１１と正極集電端子２との接合部を、符号３ａは負極集電体１２１と電池容器３との接合部を示す。この図６は、図２のVI方向矢視図に相当する。
【００２５】
なお、上記実施態様では、集電体の厚さの約半分を占める厚さのクラッド部を形成したが、集電体の厚さに対するクラッド部の厚さの割合はこれに限定されるものではない。例えば、クラッド部が形成された部分の集電体全体の厚さを１００％として、クラッド部の厚さは２０〜８０％の範囲とすることが好ましく、より好ましくは３０〜７０％の範囲である。クラッド部の厚さが集電体の厚さの２０％未満では、集電体基部の厚さに対してクラッド部が薄すぎるため、抵抗溶接等を行う際に、集電体基部を十分に加熱できない場合がある。一方、クラッド部の厚さが集電体の厚さの８０％を超える場合には、この部分における集電体基部の厚さが小さくなるため電池の内部抵抗が上昇しやすい。
【００２６】
また、上記実施態様では集電体におけるクラッド部の幅を３ｍｍとしたが、このクラッド部の幅は特に限定されるものではない。ただし、クラッド部の幅が小さすぎると抵抗溶接等を行う際に集電体基部を十分に加熱できない場合があり、またクラッド材の製造も困難である。一方、クラッド部の幅が大きすぎると電池の内部抵抗が上昇する傾向にある。また、両面に活物質層を有する集電体において活物質未形成部にクラッド部を設ける場合には、幅の広いクラッド部を形成するためには活物質未形成部の幅を大きくとる必要があり、電池の大型化や重量の増大を招く。以上の観点から、クラッド部の幅は、例えば０．５〜１００ｍｍとすることができ、１〜１０ｍｍとすることが好ましい。
【００２７】
さらに、上記実施態様では正極集電体および負極集電体の双方に熱伝導性の低い領域を形成したが、負極集電体のみに熱伝導性の低い領域を形成してもよい。例えば、負極集電体としては上記のクラッド箔を用い、電極体の下端面と電極容器とを抵抗溶接により接合する一方、正極集電体の一端には従来と同様にリードタブを接合し、このリードタブと集電端子とを従来と同様の方法により接合する構成としてもよい。さらに、本実施例では抵抗溶接を用いたが、レーザ溶接等の他の加熱接合法を用いることも可能である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の電池は、負極集電体の一端に熱伝導性の低い領域を設け、この一端と集電端子とが加熱接合された集電構造を備える。これにより、負極集電体と集電端子とを抵抗溶接等により接合する際、熱伝導性のよい材料のみからなる従来の集電体に比べて、上記一端を溶接に必要な高温にまで容易に加熱することができる。したがって、負極電極体と集電端子とが良好に加熱接合された電池とすることができる。
【００２９】
本発明の電池では、集電体の端面に集電端子が直接接合されており、集電体と集電端子との間にリードタブ等の部材は介在しない。これにより、リードタブを用いた従来の電池に比べて、集電体にリードタブを接合する工程が不要となるので製造効率が向上し、部品点数が削減され、さらに電池の小型化および軽量化も可能となる。また、集電体と集電端子とが直接接合されているので、リードタブを介する場合に比べて電池の内部抵抗を低くすることができる。特に、熱伝導性の低い領域が集電体の一端に連続して設けられている場合には、集電体の端面全体を集電端子に接合して、この集電体の端面全体から集電することができるので集電効率が良好である。
本発明の電池は、本発明の製造方法等により好適に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した電池における、電極体と集電端子との接合部付近を示す拡大断面図である。
【図２】本発明を適用した電池を示す断面図である。
【図３】本発明を適用した電池の製造に使用される電極シートを示す平面図である。
【図４】図３のIV−IV線断面図である。
【図５】本発明を適用した電池における電極体の形成工程を示す平面図である。
【図６】本発明を適用した電池を示す側面図であって、図２のVI方向矢視図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、クラッド部を有する集電体の各種形状を示す断面図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、クラッド部を有する集電体の各種形状を示す断面図である。
【図９】従来の電池における電極体の形成工程を示す平面図である。
【符号の説明】
１；電極体、１１；正極シート、１１１；正極集電体、１１１ａ；正極集電体基部、１１１ｂ；クラッド部（熱伝導性の低い領域）、１１１１；活物質未形成部、１１２；正極活物質層、１２；負極シート、１２１；負極集電体、１２１ａ；負極集電体基部、１２１ｂ；クラッド部（熱伝導性の低い領域）、１２２；負極活物質層、１２１１；活物質未形成部、１３；セパレータ、２；正極集電端子、２ａ；接合部、３；電池容器（負極集電端子）、３ａ；接合部。
【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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