(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池缶(１)の内部に、それぞれ帯状の正極(41)と負極(43)の間にセパレータ(42)を介在させてこれらを積層した電極体(４)が収容され、正極(41)及び負極(43)はそれぞれ、帯状芯体の表面に活物質を塗布して構成され、電極体(４)が発生する電力を一対の電極端子部から外部へ取り出すことが出来る二次電池において、電極体(４)の正極側及び負極側の端部の内、少なくとも何れか一方の端部には、正極(41)或いは負極(43)を構成する帯状芯体の端縁(48)が突出し、該端縁(48)を覆って集電板(50)が設置され、該集電板(50)は、電極体(４)の芯体端縁(48)にレーザ溶接によって接合されると共に、一方の電極端子部と連結されている二次電池において、前記集電板(50)の電極体(４)に対する接合面とは反対側の表面は、少なくともレーザビームの受光面が粗面化されていることを特徴とする二次電池。
【請求項２】
前記集電板(50)には、電極体(４)の芯体端縁(48)に向かって断面円弧状に突出する複数条の円弧状凸部(52)が形成されると共に、芯体端縁(48)に向かって切り起こした複数条の切り起し片(53)が形成され、これらの円弧状凸部(52)及び切起し片(53)が芯体端縁(48)に食い込んだ状態で、円弧状凸部(52)が芯体端縁(48)に溶接されており、該円弧状凸部(52)の表面が粗面化されている請求項１に記載の二次電池。
【請求項３】
集電板(50)の全表面の内、レーザビームの受光面は、他の領域よりも粗い粗面となっている請求項１又は請求項２に記載の二次電池。
【請求項４】
集電板(50)の全表面の内、レーザビームの受光面には、サンドペーパ、研磨剤、ブラスト処理、若しくは化学エッチングを用いた粗面化が施されている請求項１乃至請求項３の何れかに記載の二次電池。
【請求項５】
集電板(50)は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、ＳＵＳ、又はＣｕ、或いはこれらの合金から形成されている請求項１乃至請求項４の何れかに記載の二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池缶の内部に二次電池要素となる電極体が収容され、電池缶に設けた一対の電極端子部から電極体の発生電力を取り出すことが出来る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、電気自動車等の電源として、エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池が注目されている。例えば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イオン二次電池は、図３及び図４に示す様に、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(４)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(４)の両極と両電極端子機構(９)(９)とが互いに接続されて、巻き取り電極体(４)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、各蓋体(12)には圧力開閉式のガス排出弁(13)が取り付けられている。
【０００３】
巻き取り電極体(４)は、図５に示す様に、それぞれ帯状の正極(41)と負極(43)の間に帯状のセパレータ(42)を介在させて、これらを渦巻き状に巻回して構成されている。正極(41)は、アルミニウム箔からなる帯状芯体(45)の両面にリチウム複合酸化物からなる正極活物質(44)を塗布して構成され、負極(43)は、銅箔からなる帯状芯体(47)の両面に炭素材料を含む負極活物質(46)を塗布して構成されている。セパレータ(42)には、非水電解液が含浸されている。
【０００４】
ここで、正極(41)及び負極(43)はそれぞれセパレータ(42)上に幅方向へずらして重ね合わされ、渦巻き状に巻き取られている。これによって、巻き取り電極体(４)の巻き軸方向の両端部の内、一方の端部では、セパレータ(42)の端縁よりも外方へ正極(41)の芯体(45)の端縁(48)が突出すると共に、他方の端部では、セパレータ(42)の端縁よりも外方へ負極(43)の芯体(47)の端縁(48)が突出している。
そして、巻き取り電極体(４)の両端部にはそれぞれ円板状の集電板(５)が接合され、該集電板(５)の平板状本体(51)に突設した短冊状のリード部(55)が図４に示す電極端子機構(９)の基端部に接続される。
【０００５】
電極端子機構(９)は、図４に示す如く、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)の基端部にはフランジ(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、蓋体(12)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)が螺合している。そして、第１ナット(95)を締め付けて、電極端子(91)のフランジ(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。
尚、前記集電板(５)は、平板状本体(51)が巻き取り電極体(４)の芯体端縁(48)にレーザ溶接によって接合され、リード部(55)の先端部は、電極端子(91)のフランジ(92)にスポット溶接或いは超音波溶接によって固定されている。
【０００６】
ところで、特に電気自動車用の電源等として用いるリチウムイオン二次電池においては、高容量であると共に、高出力を得るために出来るだけ内部抵抗を低減させることが必要となる。
そこで、二次電池の内部抵抗の低減を図るべく、図５に示す集電構造においては、図６及び図７に示す如く、集電板(５)の平板状本体(51)に、中央孔(54)を中心として放射状に伸びる複数条の円弧状凸部(52)が一体成型され、巻き取り電極体(４)側に突出している。又、平板状本体(51)には、隣接する円弧状凸部(52)(52)の間にそれぞれ、複数条の切り起し片(53)が形成され、巻き取り電極体(４)側に突出している。
【０００７】
上記集電構造を有する二次電池の製造工程においては、図８及び図１０に示す如く、巻き取り電極体(４)の端部に形成されている芯体端縁(48)に集電板(５)を押し付ける。これによって、集電板(５)の円弧状凸部(52)は、図９に示す如く巻き取り電極体(４)の芯体端縁(48)に食い込み、円弧状凸部(52)と芯体端縁(48)の間には、円筒面からなる接合面が形成される。又、集電板(５)の切り起し片(53)は、図１１に示す如く巻き取り電極体(４)の芯体端縁(48)に深く食い込み、芯体端縁(48)と圧着することになる。
【０００８】
この状態で、図９中に矢印で示す様に、集電板(５)の円弧状凸部(52)の表面(内周面)に向けてレーザビームを照射し、レーザ溶接を施す。この結果、集電板(５)の円弧状凸部(52)と巻き取り電極体(４)の芯体端縁(48)とが、大きな接触面積で互いに接合されると共に、図１１に示す切り起し片(53)と芯体端縁(48)の間の圧着状態が維持されることになる。
【０００９】
従って、集電板(５)は、各円弧状凸部(52)と芯体端縁(48)の溶接部にて大きな接触面積で芯体端縁(48)に接合されると共に、該溶接部以外の領域では、各切り起し片(53)が芯体端縁(48)に食い込んで、良好な接触状態が得られるため、集電板(５)と巻き取り電極体(４)の間の接触抵抗が小さくなる。然も、集電板(５)に形成された複数条の切り起し片(53)によって、芯体端縁(48)の全域から集電が行なわれるので、高い集電性能が得られる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９に示す如く、集電板(５)の円弧状凸部(52)の表面にレーザビームを照射して、集電板(５)を巻き取り電極体(４)の芯体端縁(48)にレーザ溶接する工程においては、集電板(５)の表面におけるレーザ反射率が高いため、集電板(５)と巻き取り電極体(４)の芯体端縁(48)との接合部に十分な熱エネルギーを与えるためには、大きなレーザパワーが必要であった。
特に、従来使用されているＮｉ製の集電板に代えて、低抵抗のＣｕ製の集電板を採用した場合、ＣｕはＮｉに比べてレーザ反射率が非常に高いため、レーザ溶接が困難であったり、必要な溶接強度が得られなかったり、或いは強度にぱらつきが発生して信頼性が低下する問題があった。
【００１１】
この問題に対して、レーザ受光面に反射率の低い皮膜を形成することによって、レーザ反射率を低下させる方法が提案されているが(特開昭６２−２８３５５４号)、この方法では、レーザ溶接後にも前記皮膜が残存し、電池缶内の電解液に晒されることになるため、これによって皮膜の成分がミストとなり、電池特性に悪影響を及ぼす問題がある。
【００１２】
そこで本発明の目的は、集電板を電極体の端部にレーザ溶接する際のレーザ反射率を低下させることが可能であり、然も電池特性を良好に維持することが可能な二次電池を提供することである。
【００１３】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る二次電池においては、電池缶(１)の内部に、それぞれ帯状の正極(41)と負極(43)の間にセパレータ(42)を介在させてこれらを積層した電極体(４)が収容され、正極(41)及び負極(43)はそれぞれ、帯状芯体の表面に活物質を塗布して構成され、電極体(４)が発生する電力を一対の電極端子部から外部へ取り出すことが可能である。
電極体(４)の正極側及び負極側の端部の内、少なくとも何れか一方の端部には、正極(41)或いは負極(43)を構成する帯状芯体の端縁(48)が突出し、該端縁(48)を覆って集電板(50)が設置され、該集電板(50)は、電極体(４)の芯体端縁(48)にレーザ溶接によって接合されると共に、一方の電極端子部と連結されている。ここで、集電板(50)の電極体(４)に対する接合面とは反対側の表面は、少なくともレーザビームの受光面が粗面化されている。
【００１４】
具体的構成において、集電板(50)に、電極体(４)の芯体端縁(48)に向かって断面円弧状に突出する複数条の円弧状凸部(52)が形成されると共に、芯体端縁(48)に向かって切り起こした複数条の切り起し片(53)が形成され、これらの円弧状凸部(52)及び切起し片(53)が芯体端縁(48)に食い込んだ状態で、円弧状凸部(52)が芯体端縁(48)に溶接されている二次電池においては、該円弧状凸部(52)の表面が粗面化されている。
【００１５】
集電板(50)を粗面化する方法としては、例えば、集電板(50)の全表面の内、少なくともレーザビームの受光面に、サンドペーパ、研磨剤、ブラスト処理、若しくは化学エッチングを用いた粗面化を施す方法が可能であり、これによってレーザビームの受光面は他の領域よりも粗い粗面となる。
【００１６】
上記本発明の二次電池においては、電極体(４)の芯体端縁(48)に集電板(50)をレーザ溶接する工程で、集電板(50)のレーザビーム受光面は粗面化されているので、該受光面でのレーザビームの反射率は低くなり、レーザビームのエネルギーの大部分が、集電板(50)と巻き取り電極体(４)の芯体端縁(48)との接合部に与えられる。この結果、集電板(50)は巻き取り電極体(４)の芯体端縁(48)に対して十分なエネルギーで良好にレーザ溶接されることになる。
【００１７】
集電板(50)の材料としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、ＳＵＳ、Ｃｕ、或いはこれらの合金を採用することが可能であり、例えばＣｕを用いて集電板(50)を形成した場合にも、集電板(50)のレーザビーム受光面を粗面化することによって、レーザ反射率を十分に低く抑えることが出来る。
【００１８】
【発明の効果】
本発明に係る二次電池によれば、集電板のレーザ受光面を粗面化する処理によって、集電板を巻き取り電極体にレーザ溶接する際のレーザ受光面でのレーザ反射率を低下させることが可能である。又、該粗面化処理によれば、レーザ受光面に従来の皮膜の如き残存物が発生することがないので、電池特性に悪影響がなく、電池特性を良好に維持することが出来る。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をリチウムイオン二次電池に実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
全体構成
本発明に係るリチウムイオン二次電池は、図１及び図３に示す如く、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(４)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)が取り付けられている。各蓋体(12)には圧力開閉式のガス排出弁(13)が取り付けられている。
巻き取り電極体(４)の両端部にはそれぞれ集電板(50)が設置されて、後述の如くレーザ溶接されると共に、該集電板(50)に突設されたリード部(55)の先端部が、電極端子機構(９)を構成する電極端子(91)のフランジ(92)にスポット溶接若しくは抵抗溶接されている。
【００２０】
巻き取り電極体(４)
巻き取り電極体(４)は、図５に示す様に、それぞれ帯状の正極(41)と負極(43)の間に帯状のセパレータ(42)を介在させて、これらを渦巻き状に巻回して構成されている。正極(41)は、アルミニウム箔からなる帯状芯体(45)の両面にリチウム複合酸化物からなる正極活物質(44)を塗布して構成され、負極(43)は、銅箔からなる帯状芯体(47)の両面に炭素材料を含む負極活物質(46)を塗布して構成されている。セパレータ(42)には、非水電解液が含浸されている。
【００２１】
正極(41)には、正極活物質(44)の塗布されている塗工部と、正極活物質の塗布されていない非塗工部とが形成されている。又、負極(43)にも、負極活物質(46)の塗布されている塗工部と、負極活物質の塗布されていない非塗工部とが形成されている。
正極(41)及び負極(43)は、それぞれセパレータ(42)上に幅方向へずらして重ね合わせ、正極(41)及び負極(43)の前記非塗工部をセパレータ(42)の両端縁からそれぞれ外側へ突出させる。そして、これらを渦巻き状に巻き取ることによって巻き取り電極体(４)が構成される。該巻き取り電極体(４)においては、巻き軸方向の両端部の内、一方の端部では、正極(41)の非塗工部の芯体端縁(48)が、セパレータ(42)の一方の端縁よりも外方へ突出し、他方の端部では、負極(43)の非塗工部の芯体端縁(48)が、セパレータ(42)の他方の端縁よりも外方へ突出している。
【００２２】
電極端子機構(９)
電極端子機構(９)は、図１に示す如く、電池缶(１)の蓋体(12)を貫通して取り付けられたボルト部材からなる電極端子(91)を具えている。該電極端子(91)の基端部には、円板状のフランジ(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、蓋体(12)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)が螺合している。そして、第１ナット(95)を締め付けて、電極端子(91)のフランジ(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。
【００２３】
集電構造
正極側及び負極側の集電板(50)は、図２に示す如く円板状本体(51)を具え、該円板状本体(51)は直径４０ｍｍ、厚さ０.５ｍｍに形成されている。
平板状本体(51)には、中央孔(54)が開設されると共に、該中央孔(54)を中心として放射状に伸びる複数条(実施例では４条)の円弧状凸部(52)が一体成型され、巻き取り電極体(４)側に突出している。又、円板状本体(51)には、隣接する円弧状凸部(52)(52)の間にそれぞれ、複数条(実施例では２条)の切り起し片(53)が形成され、巻き取り電極体(４)側に突出している。又、平板状本体(51)の端部には、短冊状のリード部(55)が突設されている。
更に、集電板(50)の円弧状凸部(52)の表面(内周面)には、粗さ＃２４０のサンドペーパを用いた粗面化処理が施されている。
尚、正極側の集電板(50)はアルミニウム製であり、負極側の集電板(50)は銅製である。
【００２４】
製造工程
図１に示す電池缶(１)、電極端子機構(９)、巻き取り電極体(４)及び一対の集電板(50)(50)をそれぞれ作製した後、図８及び図１０に示す如く、巻き取り電極体(４)の各端部に形成されている芯体端縁(48)に集電板(50)を押し付ける。
これによって、集電板(50)の円弧状凸部(52)は、図９に示す如く巻き取り電極体(４)の芯体端縁(48)に食い込み、円弧状凸部(52)と芯体端縁(48)の間には、円筒面からなる接合面が形成される。又、集電板(50)の切り起し片(53)は、図１１に示す如く巻き取り電極体(４)の芯体端縁(48)に深く食い込み、芯体端縁(48)と圧着することになる。
【００２５】
この状態で、図９中に矢印で示す様に、集電板(50)の円弧状凸部(52)の内周面に向けてレーザビームを照射し、レーザ溶接を施す。ここで、円弧状凸部(52)の内周面には粗面化処理が施されているので、該内周面でのレーザビームの反射率は低くなり、レーザビームのエネルギーの大部分が、集電板(50)と巻き取り電極体(４)の芯体端縁(48)との接合部に与えられる。これによって、集電板(50)は巻き取り電極体(４)の芯体端縁(48)に対して良好にレーザ溶接されることになる。この結果、集電板(50)の円弧状凸部(52)と巻き取り電極体(４)の芯体端縁(48)とが、大きな接触面積で互いに接合されると共に、図１１に示す切り起し片(53)と芯体端縁(48)の間の圧着状態が維持される。
【００２６】
この様にして巻き取り電極体(４)の両端部に集電板(50)(50)を固定した後、各集電板(50)のリード部(55)の先端部を電極端子(91)のフランジ(92)に溶接し、該巻き取り電極体(４)を図１に示す筒体(11)の内部に収容する。そして、筒体(11)の各開口部に蓋体(12)を設置すると共に電極端子機構(９)を組み立てた後、蓋体(12)を筒体(11)に溶接固定する。
最後に、電池缶(１)内に電解液を注入した後、各蓋体(12)に安全弁(13)をねじ込んで、本発明のリチウムイオン二次電池を完成する。
【００２７】
上記リチウムオン二次電池においては、負極側の集電板(50)の材質として、従来のＮｉに代えてＣｕが採用されており、Ｎｉの比抵抗は６.８４×１０−６Ω・ｃｍであるのに対してＣｕの比抵抗は１.６７×１０−６Ω・ｃｍと小さいので、電池の内部抵抗は小さなものとなる。尚、Ｃｕは、レーザ反射率の高い材質であるが、前述の粗面化処理によってレーザ受光面のレーザ反射率が低減されているので、Ｃｕ製の集電板(50)を巻き取り電極体(４)にレーザ溶接することは容易でであり、十分な溶接強度を得ることが出来る。
【００２８】
又、正極側及び負極側の集電板(50)は、各円弧状凸部(52)と芯体端縁(48)の溶接部にて大きな接触面積で芯体端縁(48)に接合されると共に、該溶接部以外の領域では、各切り起し片(53)が芯体端縁(48)に食い込んで、良好な接触状態が得られるため、集電板(50)と巻き取り電極体(４)の間の接触抵抗が小さくなり、これによって電池の内部抵抗は更に小さなものとなる。
然も、集電板(50)に形成された複数条の切り起し片(53)によって、芯体端縁(48)の全域から集電が行なわれるので、高い集電性能が得られ、この結果、高出力の二次電池が実現されることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る二次電池の要部を示す断面図である。
【図２】集電板の平面図である。
【図３】二次電池の外観を示す斜視図である。
【図４】従来の二次電池の要部を示す断面図である。
【図５】巻き取り電極体の一部展開斜視図である。
【図６】従来の集電板の平面図である。
【図７】該集電板の要部の拡大断面図である。
【図８】集電板の円弧状凸部を巻き取り電極体の芯体端縁に押し付ける工程の斜視図である。
【図９】集電板の円弧状凸部を巻き取り電極体の芯体端縁に押し付けた状態の拡大断面図である。
【図１０】集電板の切り起し片を巻き取り電極体の芯体端縁に押し付ける工程の斜視図でである。
【図１１】集電板の切り起し片を巻き取り電極体の芯体端縁に押し付けた状態の拡大断面図である。
【符号の説明】
(１)  電池缶
(11)  筒体
(12)  蓋体
(４)  巻き取り電極体
(48)  芯体端縁
(50)  集電板
(51)  平板状本体
(52)  円弧状凸部
(53)  切り起し片
(54)  中央孔
(55)  リード部
【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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【図１０】
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【図１１】
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