(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に導電性炭素材が結着された集電体に活物質層を接合して形成された正極板と、同じく表面に導電性炭素材が結着された集電体に活物質層を接合して形成された負極板とが、セパレータを介して積層された素電池が、外装ケース内に任意数収容され、正極板及び負極板それぞれの集電体のリード接続部に接続されたリードの一端が外装ケース外に引き出された電池における電池電極の接続方法であって、
各素電池の正極板及び負極板それぞれについて、集電体のリード接続部を束ねると共にこれらにリードを重ねた状態で、集電体のリード接続部間及び集電体のリード接続部とリードとの間を、超音波溶接により同時に接続することを特徴とする電池電極の接続方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、活物質を担持して積層され、素電池の正負電極として機能する集電体を、リードとの間あるいは集電体間で接続する電池電極の接続方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電池の発電要素を構成する正極及び負極の活物質はそれぞれ集電体に担持され、電池の正極板及び負極板としてセパレータを介して積層されて外装ケース内に収容される。積層された正極板、負極板それぞれの集電体には、集電体間を接続し、電極を外部に引き出すためのリードが接続される。集電体間あるいは集電体とリードとの間の接続方法として抵抗溶接が一般的に採用され、最も効率よく安価に金属間の接合を行うことができる。
【０００３】
例えば、リチウムイオン電池では、極板を圧延して活物質層を集電体に機械的に強固に接着するため活物質層と集電体との間の接触抵抗は小さくできるので、集電体に導電性を向上させるための導電性カーボン等を塗布する必要はなく、集電体とリードとの接続は抵抗溶接やレーザー溶接を用いることができる。一方、リチウムポリマ電池では、極板を強固に圧延することはできないので、そのままでは活物質層と集電体との間の接触抵抗を小さくすることができない。そこで、集電体の表面に導電性カーボンを結着させて接触抵抗の低減を図っている。また、リチウムポリマ電池の場合では複数の素電池を積層する構造を採用することが多く、その場合には各素電池の集電体間を接合してリードと接続する必要がある。この接合には、集電体上の導電性カーボンを除去した後に抵抗溶接を用いてリードとの接続がなされる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、導電性カーボンが結着した集電体の集電体間あるいは集電体とリードとの間を抵抗溶接するとき、導電性カーボンの除去が不完全で集電体上に導電性カーボンが残っていると、抵抗溶接によってスパークが発生し、溶接部分に穴が開き、最悪の場合では集電体あるいはリードが破断することがあり、電池製造の工程上の大きな障害となる問題点があった。
【０００５】
本発明が目的とするところは、導電性カーボンが結着された集電体の集電体間及び集電体とリードとの間の接合を確実に行い得る電池電極の接続方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、表面に導電性炭素材が結着された集電体に活物質層を接合して形成された正極板と、同じく表面に導電性炭素材が結着された集電体に活物質層を接合して形成された負極板とが、セパレータを介して積層された素電池が、外装ケース内に任意数収容され、正極板及び負極板それぞれの集電体のリード接続部に接続されたリードの一端が外装ケース外に引き出された電池における電池電極の接続方法であって、各素電池の正極板及び負極板それぞれについて、集電体のリード接続部を束ねると共にこれらにリードを重ねた状態で、集電体のリード接続部間及び集電体のリード接続部とリードとの間を、超音波溶接により同時に接続することを特徴とする。
【０００７】
この接続方法によれば、導電性炭素材が表面に結着された集電体のリード接続部間および集電体のリード接続部とリードとの間を超音波溶接により同時に接続することができる。そして抵抗溶接の場合のように導電性炭素材によるスパークの発生はなく、超音波振動により溶接点の導電性炭素材は除去されて集電体の芯材間および芯材とリードとの間の金属間で接合される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明し、本発明の理解に供する。本実施形態は、本発明をリチウムポリマー二次電池に適用した形態を示すもので、以下に図１〜図４を参照して説明する。
【０００９】
本実施形態に係るリチウムポリマー二次電池は、図１の平面図に示すように、積層電極４の正極側リード接続部１ｃに正極リード８、負極側リード接続部２ｃに負極リード９を接続して、１枚のラミネートシートを２つ折りにして図示するように３方の辺Ｐ1 、Ｐ2 、Ｐ3 をシールして形成された外装ケース７内に封入し、前記正極リード８及び負極リード９を外装ケース７の外に引き出したラミネートシートを外装ケース７とする電池として構成されている。
【００１０】
前記積層電極４は、図２に図１のＡ−Ａ線矢視断面として示すように、正極板１と負極板２とをセパレータ３を介して積層して構成されている。２組の各正極板１は、それぞれ正極活物質層１ｂと正極集電体１ａとを積層して構成されている。また、前記負極板２は、負極集電体２ａの両面に負極活物質層２ｂを積層して構成されている。これらは正極板１と負極板２との間にポリマー電解質を含浸させたセパレータ３を配して熱融着法やキャスト法により一体化して構成される。
【００１１】
前記正極集電体１ａは、アルミニウムまたは導電性材料にアルミニウムをコーティングしたパンチングメタルまたはラスメタルからなり、その表面に導電性炭素材であるアセチレンブラック、ケッチェンブラック（登録商標）または炭素繊維と、結着材であるポリフッ化ビニリデンとの混合物を結着させたものである。また、負極集電体２ａは銅、ニッケルまたは導電性材料に銅あるいはニッケルをコーティングしたパンチングメタルまたはラスメタルからなり、その表面に正極集電体１ａと同様の導電性炭素材を結着させている。また、正極活物質層１ｂ及び負極活物質層２ｂは、活物質、導電材及びポリマー溶液からなるペーストをガラス板上に塗工した後、ポリマー溶液を乾燥除去して作成する。
【００１２】
前記正極集電体１ａと正極活物質層１ｂ、負極集電体２ａと負極活物質層２ｂは、それぞれ熱ローラで熱融着させて正極板１及び負極板２を作成する。これらは図２に示すように、負極板２の一方側の負極活物質２ｂにセパレータ３を介して一方側の正極板１の正極活物質１ｂを対向配置し、他方側の負極活物質２ｂにセパレータ３を介して他方側の正極板１の正極活物質１ｂを対向配置して、この積層状態を熱接合により一体化して積層電極４が構成される。
【００１３】
この積層電極４を構成する正極板１の２枚の正極集電体１ａのそれぞれには、図１に示すように、一方側に偏位（図示上下方向）した位置に正極リード８に接続するための正極側リード接続部１ｃが延出形成され、負極板２の負極集電体２ａにも他方側に偏位した位置に負極リード９に接続するための負極側リード接続部２ｃが延出形成されている。正極側リード接続部１ｃはアルミニウム薄板で形成された正極リード８に、負極側リード接続部２ｃは銅薄板で形成された負極リード９に、それぞれ溶接点Ｓで溶接により接合される。この実施構成の場合では、正極板１は２組設けられているのでそれぞれの正極側リード接続部１ｃは、１本の正極リード８に溶接点Ｓで同時に接合される。
【００１４】
このように構成される積層電極４は、これを素電池として複数個を積層して積層電池を構成する場合には、図３に示すように各正極集電体１ａのリード接続部１ｃを束ねて正極リード８に溶接される。負極集電体２ａにおいても同様に負極リード９に溶接される。このように積層数に対応して正極側リード接続部１ｃ、負極側リード接続部２ｃの多数を接合することになる。
【００１５】
正極集電体１ａ及び負極集電体２ａは、それぞれの活物質層１ｂ、２ｂとの間の接触抵抗を少なくし導電性を得るため、前述したようにその表面に導電性炭素材が結着されている。また、正極及び負極の各集電体１ａ、２ａは、それぞれの活物質の担持性をよくするために、多数の開口部が形成されたパンチングメタルあるいはラスメタルで形成され、その開口部を含む表面には、図４に部分断面として示すように導電性炭素材１１が結着される。この導電性炭素材１１を正極集電体１ａまたは負極集電体２ａに結着させる方法として、例えばアセチレンブラックをポリフッ化ビニリデンのＮ−メチルピロリドン溶液中に分散させたものを正極集電体１ａまたは負極集電体２ａとする芯材に塗布した後、溶剤のＮ−メチルピロリドンを乾燥除去することによって行うことができる。
【００１６】
このように導電性カーボン１１が結着された集電体１ａ、２ａを集電体間あるいは正極または負極の各リード８、９に接続するとき、一般的な接合方法である抵抗溶接を用いると、溶接電流によりスパークが発生して溶接点に穴開きが生じて正常に溶接がなされない。集電体１ａ、２ａは前述したように多数の開口部が形成された板材なのでスパークにより集電体１ａ、２ａに破断が生じる場合もある。抵抗溶接を用いるには表面の導電性炭素材を除去する必要があるが、その除去は容易でなく、少しでも残っていると同様にスパークの発生による穴開きあるいは破断が生じる。
【００１７】
そこで、本実施形態では、集電体１ａ、２ａのリード接続部１ｃ、２ｃを集電体のリード接続部間および正極または負極の各リード８、９に接続する接続方法として超音波溶接を採用している。超音波溶接は周知の通り超音波振動により当接材料間を接合するので、集電体１ａ、２ａの表面に導電性炭素材が結着していても、溶接点の導電性炭素材は超音波振動により除去されて芯材間および芯材とリード８、９との間が金属間で接合される。また、接合強度においても十分な強度が得られている。
【００１８】
この超音波溶接と従来の抵抗溶接とを用いて接合した電池を比較検証してみたところ、抵抗溶接を用いた場合では全てのサンプル数について穴開きや破断が生じていることが判明した。これに対して超音波溶接を用いた場合では、全てのサンプル数について穴開きや破断の発生はなく、超音波溶接による接続方法が非常に有効であることが証明された。また、接合強度についても溶接部分の剥離強度をテストしたところ、超音波溶接では溶接点が剥離する以前に他の部位に破断が生じ、超音波溶接による接合強度が強固になされていることが判明した。因みに、アルミニウムを用いた集電体の破断強度は約０．５ｋｇｆ／ｍｍであり、銅を用いた集電体の破断強度は１．６ｋｇｆ／ｍｍ2 である。従って、超音波溶接の剥離強度は、この破断強度より勝っていることになる。これに比して抵抗溶接の場合では、すべてのサンプル数について１回の溶接ではその剥離強度は０．０５ｋｇｆ以下であり、複数回の溶接によっても０．１ｋｇｆ前後に改善されたに過ぎなかった。
【００１９】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明によれば、同一電極側の集電体のリード接続部間および集電体のリード接続部とリードとの間の接続を同時に行うことができるとともに、集電体のリード接続部の表面に導電性炭素材が結着しているにもかかわらず確実な接続がなされる。従って、導電性炭素材が結着された集電体が用いられた電池における電極接続が良好になされ品質のよい電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る電池の構成を示す平面構成図。
【図２】積層電極の構成例を示す断面図。
【図３】集電体間及びリードとの接続例を示す模式図。
【図４】集電体の構成を示す部分断面図。
【符号の説明】
１  正極板
１ａ  正極集電体
２  負極板
２ａ  負極集電体
３  セパレータ
４  積層電極（素電池）
７  外装ケース
８、９  リード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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