(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池缶(１)の内部に巻き取り電極体(２)が収容され、該巻き取り電極体(２)は、正極(21)と負極(23)の間にセパレータ(22)を介在させてこれらを渦巻き状に巻き取って構成され、電池缶(１)には２つの電極端子機構(99)(99)が取り付けられ、巻き取り電極体(２)の正極(21)と負極(23)にそれぞれ取り付けられた複数本の集電リード(３)の先端部が各電極端子機構(99)に連結されている非水電解液二次電池において、前記電極端子機構(99)は、電池缶(１)の内部にて巻き取り電極体(２)と対向するリード接合面(90)と、該リード接合面(90)に巻き取り電極体(２)へ向けて突設された一対のアーム片(97)(97)とを具え、各アーム片(97)は０.３ｍｍ以上、１.０ｍｍ以下の厚さを有し、前記複数本の集電リード(３)は、巻き取り電極体(２)の半径線上に一列に配置される様に互いに間隔が調整されており、これら複数本の集電リード(３)の先端部は互いに重ね合わされてリード束(30)を形成し、該リード束(30)は、前記一対のアーム片(97)(97)間にリード接合面(90)に沿って設置されると共に、両アーム片(97)(97)の先端部を内側に折り曲げて塑性変形させることにより、該先端部の押圧力によってリード接合面(90)に圧接されていることを特徴とする非水電解液二次電池。
【請求項２】
電極端子機構(99)のリード接合面(90)には、一対のアーム片(97)(97)間の領域に、リード束(30)に食い込む凹凸面(98)が形成されている請求項１に記載の非水電解液二次電池。
【請求項３】
電極端子機構(99)のリード接合面(90)に圧接されたリード束(30)を覆って、金属製の補助板(４)が重ねられ、前記一対のアーム片(97)(97)の先端部が補助板(４)をリード束(30)側へ押圧している請求項１又は請求項２に記載の非水電解液二次電池。
【請求項４】
補助板(４)には、リード束(30)との接触面に、リード束(30)に食い込む凹凸面(41)が形成されている請求項３に記載の非水電解液二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム二次電池等の非水電解液二次電池に関し、特に、電池缶の内部に巻き取り電極体が収容されて、電池缶に取り付けられた電極端子機構から巻き取り電極体の発生電力を取り出すことが可能な大型の非水電解液二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯型電子機器、電気自動車、ロードレベリング等の電源として、エネルギー密度の高いリチウム二次電池が注目されている。
特に、電気自動車に用いられる比較的大きな容量の円筒型リチウム二次電池においては、高出力を得るために、電池の内部抵抗が出来るだけ低いことが必要であり、そのためには、電気抵抗の低い集電構造を採用することが必要である。又、その集電構造は生産性に優れていることが必要である。
そこで、従来、種々の集電構造を具えた円筒型リチウム二次電池が提案されている
【０００３】
例えば、図８及び図９に示す円筒型リチウム二次電池においては、筒体(11)の両端部に蓋体(12)(12)を溶接固定してなる円筒状の電池缶(１)の内部に、巻き取り電極体(２)を収容して構成されている。両蓋体(12)(12)には、正負一対の電極端子機構(９)(９)が取り付けられており、巻き取り電極体(２)と両電極端子機構(９)(９)とが、それぞれ複数本の集電リード(３)により互いに連結されて、巻き取り電極体(２)が発生する電力を一対の電極端子機構(９)(９)から外部に取り出すことが可能となっている。又、蓋体(12)にはガス排出弁(13)が取り付けられている。
【０００４】
巻き取り電極体(２)は、図１０に示す様に、リチウム複合酸化物を含む正極(21)と、非水電解液が含浸されたセパレータ(22)と、炭素材料を含む負極(23)とを重ね合わせ、これらを渦巻き状に巻回して構成されている。正極(21)及び負極(23)からは夫々複数本の集電リード(３)が引き出され、図７に示す如く、極性が同じ複数本の集電リード(３)の先端部(31)が１つの電極端子機構(９)に接続されている。尚、図７においては、便宜上、一部の集電リードの先端部が電極端子機構(９)に接続されている状態のみを示し、他の集電リードについては、先端部が電極端子機構(９)に接続されている状態の図示を省略している。
【０００５】
電極端子機構(９)は、電池缶(１)の蓋体(12)を貫通して取り付けられた電極端子(91)を具え、該電極端子(91)の基端部には鍔部(92)が形成されている。蓋体(12)の貫通孔には絶縁パッキング(93)が装着され、蓋体(12)と締結部材(91)の間の電気的絶縁性とシール性が保たれている。電極端子(91)には、筒体(11)の外側からワッシャ(94)が嵌められると共に、第１ナット(95)及び第２ナット(96)が螺合しており、第１ナット(95)を締め付けて、電極端子(91)の鍔部(92)とワッシャ(94)によって絶縁パッキング(93)を挟圧することにより、シール性を高めている。前記複数本の集電リード(３)の先端部(31)は、電極端子(91)の鍔部(92)に、スポット溶接によって固定されている。
【０００６】
特開平９−２９８０５５号公報にも、複数本の集電リードの先端部を電極端子の裏面にスポット溶接した同様の集電構造が提案されている。
又、特開平１０−３４０７３８号公報には、電極端子と極板との間に中間集電体を設け、極板から引き出されたリードを束ねて、中間集電体の側面に溶接した集電構造が提案されている。
更に、特許第２８０６２１１号公報には、図１１に示す様に、複数本の集電リード(３)の先端部(31)と、電極端子(91)の裏面に予め接続された複数本の補助リード(32)とを、金属リング(５)に挿通し、該金属リング(５)を圧漬することによって、集電リード(３)と補助リード(32)とを互いに連結した集電構造が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７に示す集電構造(特開平９−２９８０５５号)においては、集電リード(３)の先端部(31)を電極端子(91)の裏面にスポット溶接する作業が困難であるばかりでなく、集電リード(３)と電極端子(91)の間の溶接面積が小さいために、電気抵抗が大きくなる問題がある。
又、中間集電体の側面に集電リードの束を溶接する集電構造(特開平１０−３４０７３８号)においては、出力特性を向上させるために集電リードの厚さを増大させた場合、溶接が困難となる問題がある。
更に、図１１に示す集電構造(特許第２８０６２１１号)においては、集電リード(３)の厚さが大きい場合にも電気抵抗を低く抑えることが出来るが、集電リード(３)と補助リード(32)とを接続する金属リング(５)が別途必要となり、接続作業が複雑である問題がある。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みて為されたものであって、部品点数が少なく、簡易な工程で集電リードと電極端子とを接続することが出来、然も、電気抵抗の低い集電構造を具えた非水電解液二次電池を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る非水電解液二次電池においては、電池缶(１)の内部に巻き取り電極体(２)が収容され、該巻き取り電極体(２)は、正極(21)と負極(23)の間にセパレータ(22)を介在させてこれらを渦巻き状に巻き取って構成される。電池缶(１)には２つの電極端子機構(99)(99)が取り付けられ、巻き取り電極体(２)の正極(21)と負極(23)にそれぞれ取り付けられた複数本の集電リード(３)の先端部が各電極端子機構(99)に連結されている。
前記電極端子機構(99)は、電池缶(１)の内部にて巻き取り電極体(２)と対向するリード接合面(90)と、該リード接合面(90)に巻き取り電極体(２)へ向けて突設された一対のアーム片(97)(97)とを具え、各アーム片(97)は０.３ｍｍ以上、１.０ｍｍ以下の厚さを有し、前記複数本の集電リード(３)は、巻き取り電極体(２)の半径線上に一列に配置される様に互いに間隔が調整されており、これら複数本の集電リード(３)の先端部は互いに重ね合わされてリード束(30)を形成し、該リード束(30)は、前記一対のアーム片(97)(97)間にリード接合面(90)に沿って設置されると共に、両アーム片(97)(97)の先端部を内側に折り曲げて塑性変形させることにより、該先端部の押圧力によってリード接合面(90)に圧接されている。
【００１０】
上記本発明の非水電解液二次電池において、複数本の集電リード(３)の先端部を電極端子機構(99)に連結する工程は、複数本の集電リード(３)の先端部を互いに重ね合わせてリード束(30)を形成し、該リード束(30)を、一対のアーム片(97)(97)間へリード接合面(90)に沿って挿入し、この状態で、両アーム片(97)(97)の先端部を内側に折り曲げる簡易な作業によって行なわれる。この結果、リード束(30)は、両アーム片(97)(97)の先端部に押圧されて、リード接合面(90)に圧接されることになる。従って、複数本の集電リード(３)の先端部を電極端子機構(99)に溶接する作業は不要である。
【００１１】
具体的構成において、電極端子機構(99)のリード接合面(90)には、一対のアーム片(97)(97)間の領域に、リード束(30)に食い込む凹凸面(98)が形成されている。
これによって、リード束(30)とリード接合面(90)の間の接触性が向上し、良好な電気的接続状態を得ることが出来る。
【００１２】
又、他の具体的構成において、電極端子機構(99)のリード接合面(90)に圧接されたリード束(30)を覆って、金属製の補助板(４)が重ねられ、前記一対のアーム片(97)(97)の先端部が補助板(４)をリード束(30)側へ押圧している。
該具体的構成によれば、リード束(30)が電極端子機構(99)のリード接合面(90)と補助板(４)によって両側から挟圧されて、リード束(30)とリード接合面(90)の間に十分に大きな接触面積が得られると共に、リード束(30)と補助板(４)の間にも十分に大きな接触面積が得られて、電気抵抗の低減が図られる。
【００１３】
尚、上記補助板(４)には、リード束(30)との接触面に、リード束(30)に食い込む凹凸面(41)を形成することが有効である。これによって、リード束(30)と補助板(４)の間の接触性が向上し、更に良好な電気的接続状態を得ることが出来る。
【００１４】
【発明の効果】
本発明に係る非水電解液二次電池によれば、複数本の集電リードの先端部を電極端子機構に連結するために従来の金属リングの如き特別な部品は不要であり、部品点数の削減が可能である。又、複数本の集電リードの先端部を電極端子機構に接続するために溶接は不要であり、単に一対のアーム片を折り曲げるだけの簡易な工程で接続を行なうことが出来る。然も、リード束とリード接合面とが十分に大きな面積で接触するので、電気抵抗を低く抑えることが出来る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係る円筒型リチウム二次電池は、図１に示す如く、電池缶(１)の内部に巻き取り電極体(２)を収容して構成され、電池缶(１)の各蓋体(12)には電極端子機構(99)が取り付けられており、巻き取り電極体(２)と各電極端子機構(99)とが、複数本の集電リード(３)により互いに連結されている。又、蓋体(12)にはガス排出弁(13)が取り付けられている。
【００１６】
巻き取り電極体(２)は、図１０に示す従来の構造と同様に、リチウム複合酸化物を含む正極(21)と、非水電解液が含浸されたセパレータ(22)と、炭素材料を含む負極(23)とを重ね合わせ、これらを渦巻き状に巻回して構成されている。正極(21)及び負極(23)からは夫々複数本の集電リード(３)が引き出されている。
但し、これら複数本の集電リード(３)は、図２に示す如く巻き取り電極体(２)の半径線上に一列に配置される様、互いの間隔が調整されている。
【００１７】
そして、極性が同じ複数本の集電リード(３)の先端部が図１の如く１つの電極端子機構(99)に接続されている。尚、図１においては、便宜上、一部の集電リードの先端部が電極端子機構(99)に接続されている状態のみを示し、他の集電リードについては、先端部が電極端子機構(99)に接続されている状態の図示を省略している。
【００１８】
電極端子機構(99)は、電池缶(１)の蓋体(12)を貫通して取り付けられた電極端子(91)を具え、該電極端子(91)の先端部にはネジが形成されると共に、基端部には、図３に示す如く円板状の鍔部(92)が形成され、該鍔部(92)には、一対のアーム片(97)(97)が下向きに突設されている。
尚、本実施例において、一対のアーム片(97)(97)は鍔部(92)と一体に成型されているが、別体に作製して、鍔部(92)の裏面に抵抗溶接やレーザ溶接によって連結することも可能である。
【００１９】
図１の如く、蓋体(12)の貫通孔には絶縁パッキング(93)が装着され、蓋体(12)と締結部材(91)の間の電気的絶縁性とシール性が保たれている。電極端子(91)には、筒体(11)の外側からワッシャ(94)が嵌められると共に、第１ナット(95)及び第２ナット(96)が螺合しており、第１ナット(95)を締め付けて、電極端子(91)の鍔部(92)とワッシャ(94)によって絶縁パッキング(93)を挟圧することにより、シール性を高めている。
【００２０】
巻き取り電極体(２)から伸びる複数本の集電リード(３)の先端部は、図３に示す如く互いに重ね合わされてリード束(30)を形成しており、該リード束(30)は、一対のアーム片(97)(97)間へ挿入され、この状態で、図４に示す如く、両アーム片(97)(97)の先端部を内側に折り曲げて塑性変形させることによって、鍔部(92)の裏面に形成されたリード接合面(90)に圧接されている。
ここで、一対のアーム片(97)(97)の先端部を内側へ折り曲げる作業は、適当な工具を用いて容易に行なうことが出来る。
【００２１】
図５は、本発明の集電構造の他の構成例を表わしており、電極端子(91)の鍔部(92)の裏面に凹凸面(98)が形成され、一対のアーム片(97)(97)を内側に折り曲げることによって、リード束(30)が凹凸面(98)に圧接されている。
【００２２】
図６は、本発明の集電構造の更に他の構成例を表わしており、電極端子(91)の鍔部(92)の裏面に凹凸面(98)が形成されると共に、リード束(30)には補助板(４)が被せられ、一対のアーム片(97)(97)を内側に折り曲げることによって、補助板(４)がリード束(30)に押圧されている。該補助板(４)には、リード束(30)に対する押圧面に、凹凸面(41)が形成されている。
【００２３】
本発明電池Ａ、Ｂ、Ｃ及び比較電池Ｄ、Ｅの作製
正極活物質としてコバルト酸リチウムを用いた正極と、負極活物質として黒鉛を用いた負極の間に、イオン透過性のポリプロピレン製の微多孔膜からなるセパレータを挟み、これらを渦巻き状に巻き取って、巻き取り電極体を作製した。そして、電池缶の内部に、該巻き取り電極体を収容すると共に、支持電解質として６弗化燐酸リチウムを１Ｍ／Ｌの濃度で含むエステル系有機電解液を注入して、電力容量１８０Ｗｈの円筒型リチウム二次電池(本発明電池Ａ、Ｂ、Ｃ及び比較電池Ｄ、Ｅ)を作製した。
【００２４】
但し、本発明電池Ａにおいて、巻き取り電極体の正極には、幅１０ｍｍ、厚さ１００μｍのアルミニウム製の集電リードを１４枚接合し、負極には、幅１０ｍｍ、厚さ１００μｍの銅製の集電リードを１４枚接合した。又、正極側の電極端子機構のアーム片は、アルミニウム製であって、厚さ０.７ｍｍ、突出長さ５ｍｍ、幅１０ｍｍに形成し、負極側の電極端子機構のアーム片は、ニッケル製であって、厚さ０.７ｍｍ、突出長さ５ｍｍ、幅１０ｍｍに形成した。
【００２５】
又、本発明電池Ｂにおいては、図５に示す如く、電極端子(91)の鍔部(92)の裏面をヤスリで研磨して、粗さが０.１ｍｍ〜０.２ｍｍの凹凸面(98)を形成し、一対のアーム片(97)(97)を折り曲げることによってリード束(30)を凹凸面(98)に圧接した。これ以外の構成は本発明電池Ａと同一である。
【００２６】
更に、本発明電池Ｃにおいては、図６に示す如く、電極端子(91)の鍔部(92)の裏面に凹凸面(98)を形成すると共に、リード束(30)に補助板(４)を被せ、一対のアーム片(97)(97)を折り曲げることによって補助板(４)をリード束(30)に押圧した。該補助板(４)には、リード束(30)に対する押圧面に、ヤスリを用いた研磨によって、粗さが０.１ｍｍ〜０.２ｍｍの凹凸面(41)が形成されている。これ以外の構成は本発明電池Ａと同一である。
【００２７】
一方、比較例電池Ｄにおいては、図７に示す様に、正極から引き出されたアルミニウム製の集電リード(３)の先端部(31)を、アルミニウム製の電極端子(91)の鍔部(92)の裏面にスポット溶接した。又、負極から引き出された銅製の集電リード(３)の先端部(31)を、ニッケル製の電極端子(91)の鍔部(92)にスポット溶接した。
【００２８】
又、比較例電池Ｅにおいては、図１１に示す様に、正極から引き出されたアルミニウム製の集電リード(３)の先端部(31)と、アルミニウム製の鍔部(92)に予め接続されたアルミニウム製の補助リード(32)とを、アルミニウム製の金属リング(５)に挿通して、該金属リング(５)を圧漬した。又、負極から引き出された銅製の集電リード(３)の先端部(31)と、ニッケル製の鍔部(92)に予め接続された銅製の補助リード(32)とを、銅製の金属リング(５)に挿通して、該金属リング(５)を圧漬した。
【００２９】
この様にして作製した本発明電池Ａ、Ｂ、Ｃ及び比較電池Ｄ、Ｅを対象として、以下の検討を行なった。
【００３０】
本発明電池Ａと比較例電池Ｅのデッドスペースの比較
本発明電池Ａと比較例電池Ｅにおいて、巻き取り電極体の両端面と両蓋体の間に形成されるデッドスペースを電池缶の全容積で除算して、デッドスペースの割合を算出した。その結果を表1に示す。
【００３１】
【表１】
0003806585.tif 000002
【００３２】
表１から明らかな様に、本発明電池Ａは、比較例電池Ｅよりもデッドスペースが小さくなっており、電池缶の全長も短くなっている。これは、比較例電池Ｅでは、集電リードと電極端子の間に補助リードと金属リングを設けた構造を有しているため、電池缶内でのリードの取り回しに大きなスペースが必要となるからである。これに対して、本発明電池Ａでは、集電リードを直接に電極端子に接続するので、余分なスペースが必要なく、最小限のデッドスペースで済むのである。従って、本発明電池によれば、高い体積エネルギー密度と高い重量エネルギー密度を得ることが出来る。
【００３３】
本発明電池Ａと比較例電池Ｄの出力特性の比較
本発明電池電池Ａと比較例電池Ｄについて、０.１２５Ｃで４.１Ｖまで充電を行なった後、０.５Ｃで５０％の放電深度まで放電を行なった。そして、電流値：０〜４Ｃ、放電時間：１０秒間の条件で出力特性試験を行なった。その結果を表２に示す。尚、出力密度は、上記条件での電圧−電流特性を基づいて出力値を算出し、その結果を電池の重量で除することによって得た。
【００３４】
【表２】
0003806585.tif 000003
【００３５】
表２から明らかな様に、本発明電池Ａでは、比較例電池Ｄに比べて優れた出力特性が得られている。これは、比較例電池Ｄでは、集電リードの先端部が電極端子の鍔部の裏面にスポット溶接されているので、溶接面積が小さく、これによって電気抵抗が増大したためである。これに対し、本発明電池Ａでは、リード束が十分に大きな接触面積で電極端子に接合されているため、優れた出力特性が得られるのである。
【００３６】
アーム片の厚さについての検討
本発明電池Ａにおいて、両アーム片の厚さをそれぞれ０.２ｍｍ、０.３ｍｍ、０.５ｍｍ、０.７ｍｍ、０.９ｍｍ、１.０ｍｍ、１.２ｍｍの７種類に変更し、各電池について上記同様の出力特性試験を行なった。その結果を表３に示す。
【００３７】
【表３】
0003806585.tif 000004
【００３８】
表３から明らかな様に、アーム片の厚さが０.３ｍｍ〜１.０ｍｍの範囲で大きな出力密度が得られており、この範囲外では、出力密度の低下が大きくなっている。これは、アーム片の厚さが過度に小さくなると、リード束に対する押圧力が弱くなり、逆にアーム片の厚さが過度に大きくなると、折り曲げ加工に大きな力が必要となって、十分な押圧力を得ることが困難となるためと考えられる。
従って、アーム片の厚さは、０.３ｍｍ〜１.０ｍｍの範囲が好ましいと言える。
【００３９】
本発明電池Ａ、Ｂ、Ｃの比較
本発明電池Ａ、Ｂ、Ｃについて、０.１２５Ｃで４.１Ｖまで充電を行なった後、０.５Ｃで５０％の放電深度まで放電を行なった。そして、電流値：０〜４Ｃ、放電時間：１０秒間の条件で出力特性試験を行なった。その結果を表４に示す。
【００４０】
【表４】
0003806585.tif 000005
【００４１】
表４から明らかな様に、本発明電池Ａよりも本発明電池Ｂが出力特性に優れ、更に本発明電池Ｂよりも本発明電池Ｃが出力特性に優れている。これは、本発明電池Ｂにおいては、電極端子のリード接合面に凹凸面が形成されており、これによって本発明電池Ａよりもリード束とリード接合面の間の接触性が向上して、良好な電気的接続状態が得られるためであり、更に本発明電池Ｃにおいては、リード束に補助板が押圧されて、リード束と補助板とが高い接触性で接合されており、これによって本発明電池Ｂよりも更に良好な電気的接続状態が得られるためである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る円筒型リチウム二次電池の要部を示す断面図である。
【図２】巻き取り電極体の一方の電極から引き出された集電リードを示す斜視図である。
【図３】電極端子に突設された一対のアーム片とリード束を示す斜視図である。
【図４】一対のアーム片によってリード束をリード接合面に圧接せしめる集電構造において、両アーム片を折り曲げる工程を表わす図である。
【図５】他の集電構造における同上の工程を表わす図である。
【図６】更に他の集電構造における同上の工程を表わす図である。
【図７】従来の円筒型リチウム二次電池の要部を示す断面図である。
【図８】該円筒型リチウム二次電池の外観を示す斜視図である。
【図９】該円筒型リチウム二次電池の分解斜視図である。
【図１０】巻き取り電極体の一部展開斜視図である。
【図１１】従来の集電構造における集電リードの接続工程を表わす図である。
【符号の説明】
(１)  電池缶
(11)  筒体
(12)  蓋体
(２)  巻き取り電極体
(３)  集電リード
(30)  リード束
(99)  電極端子機構
(91)  電極端子
(92)  鍔部
(97)  アーム片
【図１】
0003806585.tif 000006
【図２】
0003806585.tif 000007
【図３】
0003806585.tif 000008
【図４】
0003806585.tif 000009
【図５】
0003806585.tif 000010
【図６】
0003806585.tif 000011
【図７】
0003806585.tif 000012
【図８】
0003806585.tif 000013
【図９】
0003806585.tif 000014
【図１０】
0003806585.tif 000015
【図１１】
0003806585.tif 000016