(57)【要約】【課題】正極板または負極板の集電体端部と集電端子板とを確実に、安定的にかつ効率よく接続して二次電池用電極群を製造し、この電極群を用いて、大電流充放電に適した二次電池を得る。【解決手段】電極板として正極板１１および負極板１５を含む電極構成体１０において、一端に配置される正極板１１の集電体露出部１２および／または他端に配置される負極板１５の集電体露出部１６ａの先端部分に集電端子板を当接させ、集電端子板の少なくとも集電体露出部１２ａ，１６ａへの当接部分を溶融させると共に、溶融部分を電極板側に引き込んで、電極板と集電端子板とを接続する。【選択図】図１
2009277596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極板の集電体露出部が一方の端部に配置されかつ負極板の集電体露出部が他方の端部に配置されている電極構成体を作製する電極構成体作製工程と、
正極板および負極板から選ばれる少なくとも１つの電極板の集電体露出部に集電端子板を当接させ、集電端子板の少なくとも集電体露出部への当接部分を溶融させると共に、溶融部分を電極板側に引き込んで、電極板と集電端子板とを接続する電極接続工程とを含む二次電池用電極群の製造方法。
【請求項２】
アーク溶接により、集電端子板の少なくとも集電体露出部への当接部分を溶融させる請
求項１に記載の二次電池用電極群の製造方法。
【請求項３】
電極構成体の内部を減圧状態にすることにより、集電端子板の溶融部分を電極板側に引き込む請求項１または２に記載の二次電池用電極群の製造方法。
【請求項４】
集電端子板に、厚み方向の貫通孔が形成されている請求項１〜３のいずれか１つに記載の二次電池用電極群の製造方法。
【請求項５】
正極用の集電端子板は、比重が銅と同等かまたは銅よりも小さい金属からなる請求項１〜３のいずれか１つに記載の二次電池用電極群の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つの二次電池用電極群の製造方法により製造される二次電池用電極群を含む二次電池。
【請求項７】
リチウムイオン二次電池またはニッケル水素蓄電池である請求項６に記載の二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池用電極群の製造方法および二次電池に関する。より詳しくは、本発明は主に、集電体端子板を電極板に取り付ける方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近において、駆動用電源などに用いられる二次電池は重要なキーデバイスとしてその開発が進められている。中でもニッケル水素蓄電池やリチウムイオン二次電池は小型かつ軽量で、高エネルギー密度を有することから携帯電話を始めとする民生用機器のみならず、電気自動車や電動工具にまで広く使用されている。特にリチウムイオン二次電池が駆動用電源として注目され、さらなる高容量化、さらなる高出力化に向けた開発が活発に行われている。駆動用電源として用いられる二次電池には、大電流放電が要求される。このため、二次電池の構造、特に、集電構造に工夫を加えた二次電池が提案されている。
【０００３】
たとえば、タブレス集電構造が知られている。タブレス集電構造とは、正極板、負極板およびセパレータを含む電極群において、電極群の一方の端部に正極板の集電体露出部が配置され、他方の端部に負極板の集電体露出部が配置され、それぞれの集電体露出部にタブを介することなく集電端子板が接続された構造である。タブレス集電構造では、その両端部のほぼ全面に集電体露出部を配置しているので、両端部全面に集電端子板を接続でき、電気抵抗を小さくできる。したがって、タブレス集電構造は大電流放電に適している。タブレス集電構造を効率良く機能させるためには、正極板および負極板の集電体露出部の端部を集電端子板にそれぞれ確実に接続する必要がある。
【０００４】
タブレス集電構造を有する電極群については、種々の提案がなされている。たとえば、正極板および負極板の集電体露出部が一方および他方の端部に配置された積層型電極群と、２つの集電端子板とを含み、集電体露出部と集電端子板との接続部分において、集電体露出部の端部の周囲には、集電端子板に含有される金属からなるフィレットが形成される電池が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この電池は、集電端子板の集電体露出部との接続面に凹部を形成し、この凹部に集電体露出部の端部を挿入し、電子ビームまたはレーザ照射により溶接することにより製造される。特許文献１の技術によれば、集電体と集電端子板とを確実に接続できる。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の電池の製造方法では、正極板または負極板の厚みや、セパレータの厚みによって集電体間の距離が変わるため、それに応じて、集電端子板の凹部を形成する必要がある。また、タブレス集電構造を有する電極群では、両端部に正極板および負極板の集電体露出部の端部が複数配置されているため、これらの端部を集電端子板に形成された凹部に挿入するためには、精密な位置合せが必要になる。したがって、製造工程が複雑になり、部分的な接続不良、不良品率の上昇、製造コストの高騰などの問題が発生するおそれがある。
【０００６】
また、タブレス集電構造を有する捲回型電極群において、該電極群の両端部に配置される正極および負極の集電体露出部の端部を、該電極群の捲回軸方向から押圧して平坦部を形成し、この平坦部と集電端子板とを溶接した二次電池が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。特許文献２では、特許文献１のような電極群の集電体露出部と集電端子板との位置合せは不要になり、簡単な方法で集電端子板を集電体の端部に接続できる。
【０００７】
しかしながら、現状では、二次電池の大容量化、小型化などを図る上で、正極板および負極板に含まれる集電体をさらに薄肉化することが必須になっている。薄肉化された集電体は十分な機械的強度を有していないため、これを捲回軸方向から押圧すると、折れ曲がり方が不均一になり、平坦部を形成することが困難になる。特にリチウムイオン二次電池では、集電体には厚み２０μｍ程度のアルミニウム箔や銅箔が用いられるため、押圧によって平坦部を形成することはきわめて困難である。平坦部が形成されない場合は、集電体と集電端子板との接続が不十分になるおそれがある。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１７２７８０号公報
【特許文献２】特開２０００−２９４２２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、正極板または負極板の集電体端部と集電端子板とを確実にかつ効率よく接続できる二次電池用電極群の製造方法、および該製造方法により作製される電極群を含み、大電流放電に適した二次電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、正極板の集電体露出部が一方の端部に配置されかつ負極板の集電体露出部が他方の端部に配置されている電極構成体を作製する電極構成体作製工程と、
正極板および負極板から選ばれる少なくとも１つの電極板の集電体露出部に集電端子板を当接させ、集電端子板の少なくとも集電体露出部への当接部分を溶融させると共に、溶融部分を電極板側に引き込んで、電極板と集電端子板とを接続する電極接続工程とを含む二次電池用電極群の製造方法に係る。
【００１１】
電極接続工程においては、アーク溶接により、集電端子板の少なくとも集電体露出部への当接部分を溶融させることが好ましい。
電極接続工程においては、電極構成体の内部を減圧状態にすることにより、集電端子板の溶融部分を電極板側に引き込むことが好ましい。
集電端子板に、それぞれ厚み方向の貫通孔が形成されていることが好ましい。
正極用の集電端子板は、比重が銅と同等かまたは銅よりも小さい金属からなることが好ましい。
【００１２】
また、本発明は、本発明の二次電池用電極群の製造方法により製造された二次電池用電極群を含む二次電池に係る。
本発明の二次電池は、リチウムイオン二次電池またはニッケル水素蓄電池であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電極群の端部に配置される集電体の露出部と集電体端子板とを、簡易な方法で確実にかつ安定的に接続でき、二次電池用電極群を少ない工程で効率的に製造できる。また、集電体露出部と集電端子板との接続面積を大きくすることが可能である。したがって、本発明の製造方法により製造された二次電池用電極群を含む二次電池は、低抵抗で安定した出力特性を持ち、特に大電流放電に適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の二次電池用電極群の製造方法は、電極構成体作製工程および電極接続工程を含む。
［電極構成体作製工程］
本工程では、電極構成体１０を作製する。図１は、電極構成体１０の構成を簡略化して示す図面である。図１（ａ）は、電極構成体１０に含まれる正極板１１の平面図である。図１（ｂ）は、電極構成体１０に含まれる負極板１５の平面図である。図１（ｃ）は電極構成体１０の外観を示す斜視図である。
【００１５】
電極構成体１０は、正極板１１、負極板１５および図示しないセパレータを含む捲回型電極群である。電極構成体１０の捲回軸（軸心）が延びる方向において、電極構成体１０の一方の端部に正極板１１の集電体露出部１２ａが配置され、他方の端部に負極板１５の集電体露出部１６ａが配置されている。正極板１１の集電体露出部１２ａは、電極構成体１０の一方の端部全面において、渦巻状に配置されている。負極板１５の集電体露出部１６ａも、電極構成体１０の他方の端部全面において、渦巻状に配置されている。
【００１６】
また、電極構成体１０は、その捲回軸に沿って延びる中空部１０ａを有している。中空部１０ａは、電極構成体１０の捲回軸が延びる方向において、電極構成体１０を貫通している。なお、電極構成体１０の捲回軸が延びる方向は、電極構成体１０の長手方向と同じである。
【００１７】
正極板１１は、集電体１２および正極活物質層１３を含む。集電体１２は、長手方向と短手方向とを有する長尺状の金属シートである。金属シートとは、具体的には、金属箔、金属フィルムなどである。正極活物質層１３は、集電体１２の厚み方向の両面に形成される。但し、正極板１１の短手方向の一端には、正極活物質層１３が形成されない集電体露出部１２ａが存在する。集電体露出部１２ａは、正極板１１の短手方向の一端において、正極板１１の長手方向に帯状に延びる部分である。
【００１８】
負極板１５は、集電体１６および負極活物質層１７を含む。集電体１６は、長手方向と短手方向とを有する長尺状の金属シートである。金属シートとは、具体的には、金属箔、金属フィルムなどである。負極活物質層１７は、集電体１６の厚み方向の両面に形成される。但し、負極板１５の短手方向の一端には、負極活物質層１７が形成されない集電体露出部１６ａが存在する。集電体露出部１６ａは、負極板１５の短手方向の一端において、負極板１５の長手方向に帯状に延びる部分である。
【００１９】
セパレータには、たとえば、多孔質フィルム、多孔質絶縁膜、多孔質フィルムと多孔質絶縁膜との積層体などを使用できる。多孔質フィルムは、たとえば、合成樹脂からなる微多孔フィルムである。合成樹脂には、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィンを使用できる。多孔質絶縁膜は、金属酸化物などの無機フィラーと合成樹脂などの結着材とから形成される。結着材として用いられる合成樹脂は、活物質層を形成するための結着材と同様のものを使用できる。
【００２０】
電極構成体１０は、たとえば、正極板１１と負極板１５とをセパレータを介して重ね合わせ、これを捲回することにより作製できる。このとき、正極活物質層１３と負極活物質層１７とがセパレータを介して対向し、集電体露出部１２ａ、１６ａが重ね合わせ物の短手方向においてそれぞれ一方および他方の端部に位置するように、正極板１１と負極板１５とを重ね合わせる。これにより、電極構成体１０の捲回軸が延びる方向の両端部において、集電体露出部１２ａ、１６ａが、セパレータとセパレータとの間から渦巻状に突出する。
【００２１】
本実施の形態では、電極構成体１０はほぼ円形の捲回型電極群として形成されるが、それに限定されず、平板状または扁平状の捲回型電極群として形成してもよい。また、捲回型電極群に限定されず、電極構成体１０を積層型電極群として形成してもよい。積層型電極群は、正極板１１と負極板１５とをセパレータを介して積層することにより作製される。たとえば、積層型電極群の形状が長方形である場合、集電体露出部１２ａは長方形の一辺に相当する端部に配置され、集電体露出部１６ａは前記長方形の一辺に対向する辺に相当する端部に配置される。
【００２２】
［電極接続工程］
本工程では、電極構成体１０の捲回軸が延びる方向の両端部にそれぞれ配置される集電体露出部１２ａ、１６ａの先端部分に、集電端子板を接続する。電極接続工程は、正極板および負極板のいずれか一方に対して実施しても良く、両方に実施しても良い。両方に実施するのが好ましい。また、いずれか一方に実施する場合は、正極板に対して実施するのが好ましい。
【００２３】
正極と正極集電端子板とは、たとえば、当接工程と、溶融工程と、接合工程とを含む方法により接続できる。当接工程では、集電体露出部１２ａの先端部分に図示しない正極集電端子板の一方の表面を当接させ。溶融工程では、正極集電端子板を部分的に溶融させる。接合工程では、正極集電端子板の溶融部分を正極板１１側に引き込んで、集電体露出部１２ａと正極集電端子板とを接合する。これにより、正極板１１と正極集電端子板とが安定的にかつ強固に接続される。
【００２４】
負極と負極集電端子板との接続も、集電体露出部１６ａの先端部分に図示しない負極集電端子板の一方の表面を当接させ（当接工程）、以下正極接続工程と同様に溶融工程および接合工程を実施し、負極板１５と負極集電端子板とを接合する。正極の接続および負極の接続は、どちらを先に実施してもよい。
【００２５】
図２は、電極接続工程の一例を示す斜視図である。図２（ａ）〜図２（ｃ）では、当接工程が実施される。図２（ｄ）では、溶融工程および接合工程が実施される。本実施の形態では、図２は、正極接続工程を示している。
【００２６】
図２（ａ）に示す工程では、電極構成体１０を減圧器２０に収容する。減圧器２０は、収容容器２１、第１配管２２、第２配管２３、三方コック２４およびＯリング２５を含む。収容容器２１は円筒状容器であり、電極構成体１０の捲回軸が延びる方向と鉛直方向とが一致するように、電極構成体１０を収容する。このとき、電極構成体１０の上端部（集電体露出部１２ａまたは集電体露出部１６ａ先端部分）が、収容容器２１の上端部よりも５ｍｍ程度上方に位置するように、電極構成体１０を収容するのが好ましい。本実施の形態では、集電体露出部１２ａを上にして電極構成体１０を収容容器２１内に収容している。
【００２７】
第１配管２２は、一端が収容容器２１に接続され、他端が図示しない真空ポンプに連結されている。第１配管２２の内部空間と収容容器２１の内部空間とが連通している。真空ポンプにより吸引を行うと、収容容器２１の内部空間は、気流が鉛直方向下方に向かう減圧状態になる。これにより、収容容器２１の内部に収容された電極構成体１０の内部も、減圧状態になる。
【００２８】
第２配管２３は、一端が第１配管２２に接続され、他端が開放されている。三方コック２４は、第１配管２２と第２配管２３との接続部分に装着されている。三方コック２４の向きを適宜調整することにより、収容容器２１の内部空間の減圧度を調節し、または、内部空間の減圧状態を解消する。本実施の形態では、収容容器２１の内部空間の減圧度を、８００ｈＰａ〜５００ｈＰａ程度の範囲で調節する。Ｏリング２５は収容容器２１の上端部に沿って配置され、図２（ｃ）に示す工程で、収容容器２１の上端部と溶接用台座２６の水平台２７とを当接させる際に、収容容器２１と水平台２７との密着性を向上させる。
【００２９】
図２（ｂ）に示す工程では、電極構成体１０を収容した減圧器２０を昇降手段２９の上に載置した状態で、溶接用台座２６の下に配置する。溶接用台座２６は、水平台２７および支持部材２８を含む。水平台２７は本実施の形態ではほぼ方形の板状部材であり、その中央部分に穴２７ａが形成されている。穴２７ａには、電極構成体１０の集電体露出部１２ａが挿通される。したがって、穴２７ａは、集電体露出部１２ａの断面形状に対応する形状を有することが好ましい。
【００３０】
４つの支持部材２８は、水平台２７の四隅の下面に取り付けられ、水平台２７を水平方向に支持する。昇降手段２９は、減圧器２０を鉛直方向に上下動させる。昇降手段２９には、たとえば、油圧プレスなどが用いられる。なお、減圧器２０を上昇させた時に、電極構成体１０の集電体露出部１２ａを水平台２７の穴２７ａに挿通可能にするように、溶接用台座２６の下に配置される。
【００３１】
図２（ｃ）に示す工程では、まず、昇降手段２９により減圧器２０を上昇させ、電極構成体１０の集電体露出部１２ａを水平台２７の穴２７ａに挿通させる。このとき、集電体露出部１２ａの少なくとも先端部分が水平台２７の上面よりも上に位置するように減圧器２０を上昇させる。また、減圧器２０の収容容器２１の上端部に配置されているＯリング２５と水平台２７の下面とが密着している。これにより、収容容器２１内部の減圧状態が効率良く保持される。
【００３２】
次に、集電体露出部１２ａの先端部分に正極集電端子板３０を載せ、押え板３１により、集電体露出部１２ａの先端部分と正極集電端子板３０の一方の表面とが当接した状態で、正極集電端子板３０を固定する。さらに、真空ポンプを稼動させ、収容容器２１の内部を減圧状態にする。本実施の形態では、収容容器２１内部を、好ましくは８００ｈＰａ〜５００ｈＰａ程度の減圧状態にする。
【００３３】
図３は、正極集電端子板３０の構成を示す斜視図である。正極集電端子板３０は、集電体露出部１２ａの断面形状に対応する形状を有する金属製板状部材である。本実施の形態では、正極集電端子板３０は、ほぼ円形である。また、正極集電端子板３０には、該端子板３０を集電体露出部１２ａの先端部分に載せたときに、電極構成体１０の中空部１０ａに連通するように、貫通孔３０ａが形成されている。これにより、正極集電端子板３０を接続した後でも、電極構成体１０の中空部１０ａの通気性が保持される。その結果、後の負極接続工程において、電極構成体１０内の減圧度の調整が容易になり、負極接続工程を容易に実施できる。また、正極集電端子板３０には、予め、正極リード３３が接続されている。なお、図２においては、正極リード３３の図示を省略する。
【００３４】
正極集電端子板３０の材質は金属であれば特に制限されないが、比重が銅と同等かまたは銅より低い金属が好ましく、比重が銅よりも低い金属がさらに好ましい。正極集電端子板３０が銅や鉄程度の比重を有する金属で構成されている場合は、それ自体の重みにより、正極板１１側への垂れ込み（引き込み）量が多くなる。また、引き込まれた溶融部分は集電体露出部１２ａ表面で弾かれることなく拡がっていく。したがって、減圧度を小さくしても、十分な接合面積が得られる。
【００３５】
一方、比重が銅と同程度かまたは銅よりも比重の小さい金属であれば、溶融部分が正極集電端子板３０の表面に拡がり、正極板１１側に引き込まれる量が少なくなる。また、引き込まれた溶融部分が集電体露出部１２ａ表面で弾かれ易い。したがって、減圧度を大きくし、正極板１１側に引き込まれる量を多くすることにより、十分な接合面積を確保できる。このようにして、正極板１１と正極集電端子板３０とが安定的にかつ確実に接続される。
【００３６】
なお、銅よりも比重の大きい金属を用いても、正極板１１と正極集電端子板３０との接続は可能である。しかしながら、そのような金属は溶融すると自重が重いために、溶融した部分が脱落して、内部短絡の原因となりやすいという不具合を生じるおそれがある。
【００３７】
本実施の形態では、正極集電端子板３０はアルミニウムで構成されている。正極集電端子板３０がアルミニウムのような表面張力の小さい金属からなる場合は、溶融金属は鉛直方向よりも水平方向に流動しやすいので、集電体露出部１２ａの先端部分と正極集電端子板３０との接合が不十分になるおそれがある。しかしながら、本発明では、電極構成体１０の内部を、気流が鉛直方向下方に向かうような減圧状態にすることにより、溶融金属が鉛直方向に押され、正極板１１側に引き込まれる。したがって、表面張力に関係なく、十分量の溶融金属が集電体露出部１２ａの先端部分周辺に付着し、固化する。その結果、集電体露出部１２ａと正極集電端子板３０とが安定的にかつ確実に接合される。
【００３８】
図４は、集電体露出部１２ａの先端部分と正極集電端子板３０との当接状態を示す断面図である。図４に示すように、集電体露出部１２ａの先端部分の全てが、正極集電端子板３０の表面に当接している。これにより、正極板１１と正極集電端子板３０との接続部分の抵抗が低くなり、大電流放電が可能な二次電池用電極群が得られる。
【００３９】
図２の説明に戻る。図２（ｄ）に示す工程では、集電体露出部１２ａの先端部分と正極集電端子板３０とを接合し、正極板１１と正極集電端子板３０とを接続する。これは、たとえば、アーク溶接法、好ましくはＴＩＧ（Tungsten  Inert  Gas）溶接法で常用される溶接用電極を用いて行われる。
【００４０】
具体的には、図２（ｄ）に示すように、正極集電端子板３０の集電体露出部１２ａへの当接面とは反対側の表面（以下「反対面」とする）に、溶接用電極３２からエネルギーを照射する。このとき、反対面の全面にエネルギーを照射する必要はなく、たとえば、集電体露出部１２ａの間隔などに応じて、部分的にエネルギーを照射しても良い。たとえば、反対面における、集電体露出部１２ａへの当接部分に対応する部分にエネルギーを照射すればよい。これにより、正極集電端子板３０が厚み方向に溶融し、少なくとも、集電体露出部１２ａの先端部分との当接部分が溶融する。
【００４１】
このとき、電極構成体１０の内部は気流が鉛直方向下方に向かう減圧状態になっているので、正極集電端子板３０の溶融部分は正極板１１側に引き込まれ、集電体露出部１２ａの先端部分周辺に付着して固化する。電極構成体１０の内部を前記のような減圧状態にすることにより、正極集電端子板３０の溶融部分が正極板１１側に引き込まれる量が多くなり、集電体露出部１２ａと正極集電端子板３０との接合面積を大きくすることが可能になる。これにより、集電体露出部１２ａの先端部分と正極集電端子板３０とが確実にかつ安定的に接合される。
【００４２】
図５は、集電体露出部１２ａの先端部分と正極集電端子板３０との接合状態を示す断面図である。図５によれば、正極集電端子板３０を溶融させることにより、その溶融部分が集電体露出部１２ａ（正極板１１）側に引き込まれ、集電体露出部１２ａの先端部分周辺に付着し、集電体露出部１２ａの先端部分と正極集電端子板３０とが接合されている。
これにより、正極接続工程が終了し、電極構成体１０と正極集電端子板３０との接合体（以下「正極接合体」とする）が得られる。
【００４３】
負極接続工程は、正極接続工程と同様にして実施できる。すなわち、図２（ａ）に示すように、集電体露出部１６ａが鉛直方向上方に位置するように、正極接合体を再度減圧器２０に収容する。次に、図２（ｂ）に示すように、正極接合体を収容した減圧器２０を昇降手段２９の上に載置した状態で、溶接用台座２６の下に配置する。さらに、図２（ｃ）に示すように、集電体露出部１６ａの先端部分に図６に示す負極集電端子板３５を載置し、押え板３１により負極集電端子板３５を固定する。このとき、集電体露出部１６ａの先端部分と負極集電端子板３５の一方の表面との当接状態は、図４に示すのと同様である。
【００４４】
図６は、負極集電端子板３５の構成を示す斜視図である。負極集電端子板３５は、集電体露出部１６ａの断面形状に対応する形状を有する金属製板状部材である。本実施の形態では、負極集電端子板３５の形状はほぼ円形である。また、負極集電端子板３５には、貫通孔３５ａが形成されている。貫通孔３５ａはＵ字状の形状を有し、Ｕ字の両端にある２本の直線の間隔が、電極構成体１０の中空部１０ａの最大径よりも僅かに大きくなるように形成するのが好ましい。これにより、電極構成体１０内部において、気流の方向が鉛直方向下方である減圧状態を作り易くなる。
【００４５】
本実施の形態では、貫通孔３５ａはＵ字状の形状を有しているが、それに限定されず、任意の形状にすることができる。また、負極集電端子板３５を正極集電端子板３０よりも先に接合する場合には、負極集電端子板３５に、正極集電端子板３０の貫通孔３０ａと同様の貫通孔を形成し、正極集電端子板３０に、負極集電端子板３５の貫通孔３５ａを形成すればよい。また、本実施の形態では、負極集電端子板３５には、銅からなるものを用いている。
【００４６】
引き続き、図２（ｄ）に示すように、負極集電端子板３５を溶融させ、集電体露出部１６ａと負極集電端子板３５とを接合する。接合状態は、図５に示すのと同様である。溶融および接合時において、電極構成体１０内部は、９００ｈＰa〜７００ｈＰa程度の減圧状態にするのが好ましい。
【００４７】
これにより、負極集電端子板３５が電極構成体１０に接続され、負極板１５と負極集電端子板３５とが接続され、タブレス集電構造を有する本発明の二次電池用電極群が得られる。本発明の二次電池用電極群は、二次電池に用いるのが好ましい。また、本発明の二次電池用電極群は、二次電池と同様の集電構造を有する電気化学素子に用いてもよい。このような電気化学素子としては、たとえば、コンデンサなどが挙げられる。
【００４８】
図７は、本発明の実施形態の１つである二次電池１の構成を簡略化して示す縦断面図である。二次電池１は、本発明の二次電池用電極群の製造方法により製造されるタブレス集電構造の二次電池用電極群２を含むことを特徴とする。
二次電池１は、電極群２、封口板３、ガスケット４および電池缶５を含む。
【００４９】
電極群２は、電極構成体１０、正極集電端子３０および負極集電端子３５を含む。電極構成体１０は、前記したように、正極板１１と負極板１５とをセパレータ３４を介して重ね合わせ、さらに捲回することにより作製される。電極構成体１０の捲回軸が延びる方向において、電極構成体１０の一方の端部には正極板１１の集電体露出部１２ａが配置され、他方には負極板１５の集電体露出部１６ａが配置されている。集電体露出部１２ａの先端部分は、タブを介することなく、正極集電端子板３０の表面に直接接合されている。集電体露出部１６ａの先端部分は、タブを介することなく、負極集電端子板３５の表面に直接接合されている。電極構成体１０には、二次電池１の電池種に応じて、適切な電解液が含浸される。
【００５０】
電極構成体１０に含まれるセパレータ３４には、合成樹脂製多孔質フィルム、金属酸化物および結着材を含有する多孔質絶縁膜、前記合成樹脂製多孔質フィルムと前記多孔質絶縁膜との積層体などを使用できる。
【００５１】
正極集電端子板３０は、円盤状の金属板であり、その中央部には電極群２の捲回軸に沿って延びる中空部１０ａに連通する貫通孔３０ａが形成されている。正極集電端子板３０には、正極リード３３の一端が接続されている。正極リード３３の他端は正極端子を有する封口板３に接続されている。本実施の形態では、正極集電端子板３０はアルミニウム製である。一方、負極集電端子板３５は円盤状の金属板であり、電池缶５の負極端子になる底部の内壁に直接接続されている。本実施の形態では、負極集電端子板３５は銅製である。
【００５２】
封口板３は、電池缶５の内部に電極群２を収納した後に、ガスケット４を介して電池缶５の開口に装着され、電池缶５を封口するとともに、その頂部に正極端子となる突起を有している。ガスケット４には、たとえば、合成樹脂製のものが用いられる。電池缶５は、有底円筒状の容器部材であり、その内部に電極群２および電解液を収容する。電池缶５の底面が負極端子になる。電池缶５には、たとえば、鉄製のものが用いられる。
【００５３】
二次電池１は、たとえば、次のようにして作製される。まず、電池缶５内に電極群２を収容する。このとき、負極集電端子板３５を電池缶５の下面内壁に接触させ、抵抗溶接によって負極集電端子板３５と電池缶５とを接合する。また、正極集電端子板３０に取り付けられた正極リード３３を介して正極集電端子板３０を封口板３に接続する。そして、非水電解質溶液を電池缶５内に注入した後、電池缶５の開口を、ガスケット４を介して封口板３で封口する。これにより、二次電池１を製造することができる。
本発明の二次電池は、特に制限はないが、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素蓄電池などに適用するのが好ましい。
【実施例】
【００５４】
以下に、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に説明する。
（実施例１）
（１）正極板の作製
コバルト酸リチウム粉末（正極活物質）８５重量部、炭素粉末（導電剤）１０重量部およびポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ、結着材）５重量部を適量のＮ−メチル−２−ピロリドンに溶解または分散させ、正極合剤スラリーを調製した。この正極合剤スラリーを、厚み１５μｍ、幅５６ｍｍのアルミニウム箔（正極集電体）の両面に短手方向の幅５０ｍｍで塗布し、正極合剤スラリーを乾燥して圧延し、正極板を作製した。正極板の短手方向の一端には、幅６ｍｍにわたって正極合剤スラリーを塗布せず、帯状の集電体露出部とした。正極板の正極活物質層が形成された部分の厚みは１００μｍであった。
【００５５】
（２）負極板の作製
人造黒鉛粉末（負極活物質）９５重量部およびＰＶＤＦ（結着材）５重量部を適量のＮ−メチル−２−ピロリドンに分散または溶解させ、負極合剤スラリーを調製した。この負極合剤スラリーを、厚み１０μｍ、幅５７ｍｍの銅箔（負極集電体）の両面に短手方向の幅５２ｍｍで塗布し、負極合剤を乾燥して圧延して、負極板を作製した。負極板の短手方向の一端には、幅５ｍｍにわたって負極合剤スラリーを塗布せず、帯状の集電体露出部とした。負極板の負極活物質層が形成された部分の厚みは１００μｍであった。
【００５６】
（３）電極構成体の作製
正極板と負極板とをセパレータを介して重ね合わせ、これを渦巻状に捲回して電極構成体を作製した。セパレータには、幅５３ｍｍ、厚み２５μｍのポリプロピレン樹脂製微多孔フィルムを用いた。セパレータは、正極板の正極活物質層と負極板の負極活物質層との間に配置した。電極構成体の捲回軸が延びる方向において、電極構成体の一端には正極板の集電体露出部が渦巻状に配置され、多端には負極板の集電体露出部が渦巻状に配置されていた。
【００５７】
（４）集電端子板の作製
アルミニウム板を、厚み１ｍｍ、直径２４ｍｍの円盤状に成型し、このアルミニウム板をプレスで打ち抜いて、円盤の中央に直径７ｍｍの貫通孔を形成した。
同様に、銅板を、厚み０．５ｍｍ、直径２４ｍｍの円盤状に成型し、この銅板をプレスで打ち抜いて、中央にＵ字形の貫通孔を形成した。この貫通孔にはＵ字の２つの先端を結ぶ直線の中点と曲線部分の先端とを結ぶ直線の中点が円盤状集電端子板の中心になるように加工した。またＵ字の２つの先端間距離は５ｍｍで、２つの先端を結ぶ直線の中点とＲ部先端までの距離は５ｍｍでＵ字形貫通口の幅は幅１ｍｍである。
【００５８】
（５）電極群の作製
電極構成体の一端に配置される正極板の集電板露出部の先端部分に正極集電端子板を当接させ、ＴＩＧ溶接により前記先端部分と正極集電端子板とを接合した。ＴＩＧ溶接は、電流値１５０Ａ、溶接時間１００ｍｓで行った。また、電極構成体内部を６００ｈＰａの減圧状態にしてＴＩＧ溶接を行った。
【００５９】
次に、電極構成体の多端に配置された負極板の集電露出部の先端部分に負極集電端子板を当接させ、ＴＩＧ溶接により前記先端部分と負極集電端子板とを接合した。ＴＩＧ溶接は、電流値２００Ａ、溶接時間５０ｍｓで行った。また、電極構成体内部を８００ｈＰａの減圧状態にしてＴＩＧ溶接を行った。
【００６０】
（６）円筒型リチウムイオン二次電池の作製
上記で得られた電極群を、長手方向の一端部が開口した円筒型電池缶に挿入した。その後、負極集電端子板を電池缶の底部内壁に抵抗溶接した。引き続き、正極集電端子板に取り付けられたアルミニウム製正極リードの他端を封口板にレーザ溶接した。このとき、正極集電端子板と負極集電端子板との間に５００Ｖの電圧を印加し、電極群の絶縁抵抗を測定し、５０ＭΩ以下の電極群は絶縁不良と判断した。
【００６１】
引き続き、電池缶を加熱して乾燥させ、電池缶内に非水電解質を注液した後、封口板の周縁部にガスケットを装着した状態で封口板を電池缶の開口に嵌めこみ、電池缶の開口端部をかしめ付けて電池缶を封口した。こうして、直径２６ｍｍ、高さ６５ｍｍの本発明の円筒型リチウムイオン二次電池を作製した。この電池は、設計容量が２６００ｍＡｈであった。
【００６２】
なお、非水電解質には、非水溶媒としてエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを体積比１：１で混合して調製し、この非水溶媒に六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6、溶質）を１．２モル／リットルの割合で溶解させたものを用いた。
【００６３】
（実施例２）
負極集電端子板を電極構成体に接合する際に、電極構成体内部を減圧状態にしない以外は実施例１と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製した。
（実施例３）
正極集電端子板を電極構成体に接合する際に、電極構成体内部を減圧状態にしない以外は実施例１と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製した。
（比較例１）
正極集電端子板および負極集電端子板を電極構成体に接合する際に、電極構成体内部を減圧状態にしない以外は実施例１と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製した。
【００６４】
（７）集電端子板の接合強度評価
実施例１〜３および比較例１で作製される電極群（電極構成体に正極集電端子板および負極集電端子板が接合されたもの）をそれぞれ１０個ずつ用い、正極集電端子板および負極集電端子板の接合強度を測定するため、引張り試験を実施した。試験には引張り試験機（商品名：オートグラフＡＧ−ＩＳ、（株）島津製作所製）を使用した。１ｍｍ／分の速度で電極群から集電端子板が完全に外れるまで引張り、その時の最大値をデータとした。
表１に正極（正極集電端子板）および負極（負極集電端子板）の引張り強度を示す。
【００６５】
【表１】
2009277596.tif 000003
【００６６】
表１から、実施例の電池は比較例の電池に比べて、集電端子板の接合強度が強く、強度のバラツキも小さいことがわかった。これは、ＴＩＧ溶接時に減圧処理を行ったことで電極板側への溶け込みが深くなり、集電体露出部と集電端子板とがより広い範囲で強固に接合したことを表すものと考えられる。全般に、正極よりも負極の引張り強度が高いのは、正極集電板にはアルミニウムを、負極集電板には銅を使用しており、この材料の強度の差が現れたものであると考えられる。
【００６７】
正極側の引張り強度が、実施例では比較例に比べて大きく改善されている。実施例３や比較例１では正極集電端子板の原料であるアルミニウムの比重が軽く、かつ減圧処理を行わないため、ＴＩＧ溶接によって集電端子板が溶融しても、集電体露出部側に垂れ込み難いものと考えられる。これに対し、実施例１、２のように減圧処理を行うと、比重の軽いアルミニウムであっても、垂れ込み量が多くなり、その結果、接合面積も大きくなるためであると考えられる。
【００６８】
負極側のＴＩＧ溶接時に減圧処理をする効果としては、溶接強度が増すことに加え、溶接強度のバラツキが減圧処理をしていない場合に比べ非常に小さく抑えられていることが挙げられる。銅は元々比重が大きいので、溶融すると垂れ込みが大きくなる金属ではある。しかしながら、集電体露出部が鉛直方向下方に位置するため、集電体露出部の先端部分によって弾かれることがあり、接合強度が安定しないものと考えられる。これに対し、本発明の方法によって溶融金属が強制的に集電体露出部側に垂れ込むことになり、接合強度が安定するものと考えられる。
【００６９】
（８）初期充放電
実施例１〜３および比較例１で得られた電池について、室温下で、下記（ａ）〜（ｄ）の初期充放電を３回繰り返して実施した。
（ａ）６５０ｍＡの定電流で電池電圧が４．２Ｖに達するまでの充電
（ｂ）２０分間の無負荷状態
（ｃ）６５０ｍＡの定電流で電池電圧が３．０Ｖに達するまでの放電
（ｃ）２０分間の無負荷状態
【００７０】
（９）エージング
実施例１〜３および比較例１で得られた電池について、上記の初期充放電を行った後、上記の（ａ）の充電をもう一度行い、電池を充電状態にした。この電池を、温度４５℃の環境下で７日間放置するエージングした。
【００７１】
（１０）電池の評価
（初期容量）
エージングが終了した電池を２５℃の環境下で１０時間放置した後、下記（ｅ）〜（ｈ）を１サイクルとして充放電を行い、３サイクル目の放電容量を電池容量とした。
（ｅ）６５０ｍＡの定電流で電池電圧が３．０Ｖに達するまで放電
（ｆ）２０分間の無負荷状態
（ｇ）６５０ｍＡの定電流で電池電圧が４．２Ｖに達するまで充電
（ｈ）２０分間の無負荷状態
【００７２】
（ＤＣ−ＩＲ）
実施例１〜３および比較例１で得られた電池を、６５０ｍＡの定電流充電によって、その電池容量の６０％分だけ充電した。これを２５℃の環境下で１０時間放置した後、下記（ｉ）〜（ｔ）の手順で定電流充放電を行った。なお放電中に電池電圧が２．０Ｖを下回った場合、試験を終了してさらなる放電は行わないようにした。
【００７３】
（ｉ）１時間率（２．６Ａ）で１０秒間放電、その後３０秒間の無負荷状態
（ｊ）１時間率（２．６Ａ）で１０秒間充電、その後３０秒間の無負荷状態
（ｋ）１／２時間率（５．２Ａ）で１０秒間放電、その後３０秒間の無負荷状態
（ｌ）１／２時間率（５．２Ａ）で１０秒間充電、その後３０秒間の無負荷状態
（ｍ）１／５時間率（１３Ａ）で１０秒間放電、その後３０秒間の無負荷状態
（ｎ）１／５時間率（１３Ａ）で１０秒間充電、その後３０秒間の無負荷状態
（ｏ）１／１０時間率（２６Ａ）で１０秒間放電、その後６０秒間の無負荷状態
（ｐ）１／５時間率（１３Ａ）で２０秒間充電、その後６０秒間の無負荷状態
（ｑ）１／２０時間率（５２Ａ）で１０秒間放電、その後６０秒間の無負荷状態
（ｒ）１／５時間率（１３Ａ）で４０秒間充電、その後６０秒間の無負荷状態
（ｓ）１／３０時間率（７８Ａ）で１０秒間放電、その後６０秒間の無負荷状態
（ｔ）１／５時間率（１３Ａ）で６０秒間、その後６０秒間の無負荷状態
【００７４】
上述した条件での放電において、各電流値で電流が印加されてから１０秒後の電圧を読み取り、電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）図を作成した。このＩ−Ｖ特性図のグラフの傾きをＤＣ−ＩＲとした。おのおの１０セルの初期容量とＤＣ−ＩＲ値を表２に示す。
【００７５】
【表２】
2009277596.tif 000004
【００７６】
表２から、実施例１〜３の電池は、比較例１の電池に比べて、初期容量は同等であり差は見られないが、ＤＣ−ＩＲが削減されていることがわかった。これは、ＴＩＧ溶接時に減圧処理することによって、集電端子板と集電体露出部との接合面積が広くなり、界面での電気抵抗が小さく抑えられたことによる効果であると考えられる。実施例２および実施例３も比較例1に比べてＤＣ−ＩＲが低下していることから、正極または負極どちらか一方だけに、本発明の製造方法を適用しても、抵抗の低減に有効であることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の製造方法により得られる二次電池用電極群は、大電流充放電に適した集電構造を有している。したがって、この二次電池用電極群を含む二次電池は、たとえば、高出力を必要とする電動工具、電気自動車などの駆動用電源、大容量のバックアップ用電源、蓄電用電源などとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】電極構成体の構成を簡略化して示す図面である。図１（ａ）は正極板の平面図である。図１（ｂ）は負極板の平面図である。図１（ｃ）は電極構成体の斜視図である。
【図２】電極接続工程の一例を示す斜視図である。
【図３】正極集電端子板の構成を示す斜視図である。
【図４】集電体露出部の先端部分と正極集電端子板との当接状態を示す断面図である。
【図５】集電体露出部の先端部分と正極集電端子板との接合状態を示す断面図である。
【図６】負極集電端子板の構成を示す斜視図である。
【図７】本発明の実施形態の１つである二次電池の構成を簡略化して示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
１  二次電池
２  電極群
３  封口板
４  ガスケット
５  電池缶
１０  電極構成体
１１  正極板
１２ａ，１６ａ  集電体露出部
１５  負極板
２０  減圧器
２６  溶接用台座
２９  昇降手段
３０  正極集電端子板
３５  負極集電端子板
【図１】
2009277596.tif 000005
【図２】
2009277596.tif 000006
【図３】
2009277596.tif 000007
【図４】
2009277596.tif 000008
【図５】
2009277596.tif 000009
【図６】
2009277596.tif 000010
【図７】
2009277596.tif 000011