(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極板と負極板とが対向しない部分を設け、かつ一方の極板の端縁部が他方の極板の端縁部より突出するよう、隔離体を介して巻回あるいは積層された発電要素と、前記極板の端縁部に接続された集電体とを備えた非水電解質二次電池において、前記集電体は板材の面を成形した溝部を有し、前記極板の端縁部が前記集電体の溝部に差し込まれ、前記極板の端縁部の面と前記集電体の溝部の面とが接合されたことを特徴とする非水電解質二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子機器の駆動用電源もしくは電気自動車用電池として、高率放電性能が要求される非水電解質二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
モータ駆動機器、携帯電子機器、電気自動車等の高率放電性能が要求される非水電解質二次電池は、電解質の抵抗が水溶液系と比較して著しく大きいために、極板面積を大きくして対向面積を増やす必要がある。このため、極板の基体には厚さ５〜５０μｍ程度の金属箔を使用し、正・負極活物質を塗布している。発電素子は、薄い帯状の正極および負極をセパレータを介して巻回、または積層して組み立てられている。
【０００３】
従来、発電素子の集電は図１に示すように、活物質を塗布していない極板の基体１が露出した部分４（未塗布部４）に集電端子２を接続して行っていた。しかし電気自動車用電池等では高率放電性能が要求されるため、内部抵抗の低減や電流分布の均一化が必要となった。そこで、図２に示すように、極板の長さ方向の端縁の未塗布部４に多数の端子２を接続し、集電をおこなう方法（多端子集電方式）を用いられていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
高率放電性能が要求される非水電解質二次電池では、集電に必要な端子数が多く、たとえば１００〜４００Ｗｈ級の電池の場合、多端子集電方式とすると端子数が１０〜５０本となり、生産性の低下が顕著な問題となった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明になる非水電解質二次電池は、正極板と負極板とが対向しない部分を設け、かつ一方の極板の端縁部が他方の極板の端縁部より突出するよう、隔離体を介して巻回あるいは積層された発電要素と、前記極板の端縁部に接続された集電体とを備え、前記集電体は板材の面を成形した溝部を有し、前記極板の端縁部が前記集電体の溝部に差し込まれ、前記極板の端縁部の面と前記集電体の溝部の面とが接合されたことを特徴とする。
【０００７】
本発明の非水電解質二次電池において、前記集電体は、前記極板の端縁部が前記溝部に導入されるためのガイド部を有することが好ましい。
【０００８】
前記集電体と前記極板の端縁部との接合方法は、超音波溶接法、電気抵抗溶接法、アーク溶接法もしくはプラズマアーク溶接法による溶接、又はリベット、ピン、はとめを用いた機械的接合もしくは前記集電体を加圧変形させて圧着する機械的接合、又は溶接と機械的接合の両者を用いることができる。
【０００９】
なお、本発明における隔離体とは、セパレータ、有機固体電解質（ＰＡＮ、ＰＥＯ等）、無機固体電解質などを意味する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を実施例に基づいて図面を参照しながら説明する。
【００１１】
【実施例】
［実施例１］
正極活物質として炭酸リチウム０．５モルと炭酸コバルト１モルとを混合して、９００℃で空気中にて焼成してＬｉＣｏＯ2 を得た。このＬｉＣｏＯ2 を９１重量％と、導電剤としてグラファイトを６重量％、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）３重量％を混合し正極合剤とした。この正極合剤にＮ−メチル２ピロリドンを溶剤として添加し、混合分散してスラリー状にした。
【００１２】
極板の基体として厚さ２０μｍの帯状アルミニウム箔を用い、この基体に正極合剤スラリーを均一に塗布し、乾燥させた後にロールプレス機を用いて厚さを２３０μｍに調整し、長さ９９６５ｍｍ、幅１７１ｍｍ帯状の正極板を作製した。
【００１３】
なお、この極板の長手方向と平行な一側端の端縁部には、１０ｍｍの幅の活物質又はリチウムイオン吸蔵放出可能なホスト物質の未塗布部４を設けた。
【００１４】
負極には、リチウムのドープ・脱ドープが可能な炭素材料（グラファイト）粉末を用いた。グラファイト粉末を９０重量％、結着剤としてのＰＶＤＦを１０重量％を混合して負極合剤とした。この負極合剤にＮ−メチル２ピロリドンを溶剤として添加し、混練してスラリー状にした。極板の基体として厚さ２０μｍの帯状銅箔を用い、この基体に負極合剤スラリーを均一に塗布し、乾燥させた後にロールプレス機を用いて厚さを２００μｍに調整し、長さ９９００ｍｍ、幅１７２ｍｍ帯状の負極板を作製した。なお、この極板の一方の端縁部にも正極板と同様に、１０ｍｍの幅の未塗布部を設けた。
【００１５】
このようにして作製した正、負極板を図３に示されるように、ポリエチレン製の微多孔膜よりなるセパレータ７を介し、ポリエチレンテレフタレート製のパイプからなる巻芯８を中心として極板の端縁部（未塗布部４）を他方の極板の端縁部より突出させるように渦巻き状に巻回して円筒形の発電要素を得た。同図において５は正極板、６は負極板である。
【００１６】
次に、円筒形の発電素子の外周部をテープで固定し、押し圧を加えて長円形の断面を有する図４に示すような発電要素に成形した。９は固定用テープである。この発電要素の上下端縁部の直線部分３０，３０’を治具を用いて、図５に示すように極板の端縁部を所定数ごとに区分けして収束するよう、くせをつけた。
【００１７】
この部位に図６に示す極板の基体と同じ材質であって、厚さが１．５ｍｍの集電体１０ａ、１０ｂを図７に示すように発電要素の端縁部を該集電体の逆Ｕ字状溝部３１に差込み、図８に示すように装着して該集電体と極板との積層部を２ｍｍ×２５ｍｍのサイズで超音波溶接した。１１は溶接治具である。
【００１８】
超音波溶接には、AMTECH社製の19000型超音波溶接機を用いて行った。超音波溶接は正極の基体（アルミニウム箔）と集電体（アルミニウム）では、出力：２５００Ｗ，加重：３００ｋｇ，周波数：２０ｋＨｚ、発振時間１秒とし、負極の基体（銅箔）と集電体（銅）では、出力：３０００Ｗ，周波数：２０ｋＨｚ、発振時間２秒として行った。
【００１９】
この発電要素を長円筒形の電池容器（縦５０ｍｍ×横１３０ｍｍ×高さ２１０ｍｍ）に挿入し封口した。電池の外観を図１１に示す。２１は電池容器、２２は電池蓋で、２３は電池蓋に設けられた注液口である。このとき、正極集電体１０ａ及び負極集電体１０ｂは電池蓋２２に設けられた正極端子２０ａ及び負極端子２０ｂにそれぞれ容器内部で接続した。（図示せず）
次に、この電池容器内に、エチレンカーボネート及びジメチルカーボネートの１：１（体積比）の混合溶液に１ｍｏｌ／ｌ（リットル）の六フッ化燐酸リチウム（ＬｉＰＦ6 ）を溶解した電解液を注液口２３より減圧注入した。この電池の容量は１００Ａｈであった。
【００２０】
［比較例］
比較例として、従来の方法による電池を次のようにして作製した。
【００２１】
本発明の実施例１と同様にして正極５及び負極６を作製した。この正極５及び負極６の端縁部（未塗布部４）が反対に位置するように配置し、ポリエチレン製の微多孔膜よりなるセパレータ７を介してポリエチレンテレフタレート製のパイプからなる巻芯８を中心として渦巻状に巻回する。このとき位置決めをして端子２を正負極それぞれ５０本ずつ超音波溶接により取り付けした。ここでは、数回巻きとるごとに巻き芯の回転を停止させ、端子２を溶接して次の端子位置まで再度回転を行い、それぞれの端子５０本取り付けて外周部をテープ９で固定した。そして押し潰すことにより長円形の断面を有する発電要素（図９）に成形した。
【００２２】
この発電要素を本発明の実施例で用いたものと同じ長円筒形の電池容器に挿入し封口した。正極及び負極の端子２は、電池容器に設けられた正極端子及び負極端子にそれぞれ接続した。次に、本発明の電池と同様に電池容器内に電解液を注入した。比較例の電池の容量も１００Ａｈであった。
【００２３】
［比較検討］
上記電池をそれぞれ１００個作製した。このとき、電極の状態から発電要素を電池容器に挿入するまでに要した時間（電池１個当たりの平均値）を比較した結果を表１に示す。
【００２４】
【表１】
0003743781.tif 000002
以上の結果から、本発明の集電構造を有する非水電解質二次電池は製造タクトを短縮することができ、生産性を向上させることが明らかとなった。
【００２５】
なお、実施例では、発電要素を長円筒状に巻回したものを用いたが、発電要素の形状はこれに限定されず、円筒状であってもよい。また、集電体１０の形状も実施例のものに限定されるものではなく、電極の端縁部に適した形状を用いることができる。たとえば、発電要素の形状が円筒形状の場合はその曲率にあわせた形状を用いることができる。電極を積層する場合には、本実施例１と同様の形状のものを用いることができる。
【００２６】
図１０の（ａ）に実施例１で使用した集電体１０の平面図とその断面図を示した。（ｂ）は発電素子の形状が円筒形の場合の集電体１０’の平面図とその断面図である。
【００２７】
集電体と電極の端縁部との接合には、実施例で述べた超音波溶接法の他に従来公知の各種接合法を使用することができる。電気抵抗溶接法を用いれば本実施例で述べた行程をほとんど変更なしで実施することができる。また、アーク溶接法、プラズマアーク溶接法もしくはレーザー溶接法を用いた場合、過度な温度上昇に注意する必要があるが、ヒートシンクの使用により本発明の接合法として適用可能である。電気的な接触が充分であれば、溶接以外に機械的な接合法も適用可能である。たとえば、リベットやピン、はとめ等を用いた機械的かしめ圧着法により接合部を機械的、電気的に接合することができる。または、前記集電体と集電可能な端縁部とを機械的に加圧して一体変形させる機械的かしめ圧着法により接合させてもよい。
【００２８】
本実施例では、集電体を厚み１．５ｍｍの板材をプレス加工により作製する場合を説明したが、特に限定されない。厚みが０．１ｍｍ〜２ｍｍの範囲にあれば実施例と同様の効果が得られる。板材をプレス加工により作製した集電体は、板材にスリット部の穴開け加工後、板材を波形に成形するだけで製作が可能であり、本発明において最適な集電体形状であるといえる。
【００２９】
さらに、製作に用いる板材の厚みが０．１ｍｍ以下の場合集電体の形状を保持する強度が小さいため、量産機にかかりにくいという問題が生じ、逆に板材の厚みが２ｍｍを越えると、集電体の強度が大きくなりすぎるため、接合が困難になるという問題が生じる。
【００３０】
また、極板の基体の材質として、アルミニウム及び銅を用いたが、アルミニウムの他にアルミニウム−マンガン合金，アルミニウム−マグネシウム合金等が、銅の他に銅−亜鉛合金，銅−ニッケル合金，銅−アルミニウム合金等も用いることが可能である。ただし、これらの合金よりも純アルミニウム及び純銅の方が接合は容易である。
【００３１】
集電体の材質は、基本的には基体と同じものを用いることが好ましいが、加工性等の理由により基体と異なる合金等と組み合わせることも可能である。
【００３２】
また、実施例では活物質の未塗布部の幅を１０ｍｍとしたが、各種接合法においてセパレータ及び活物質の合剤が悪影響を受けない範囲であれば特に限定はされない。未塗布部の幅を大きくするほど集電しやすくなるが、電池のエネルギー密度は低下する。よって、実用性を考慮すると２ｍｍ〜５０ｍｍ，好ましくは３ｍｍ〜３０ｍｍである。
【００３３】
さらに、正極活物質として実施例の他に、リチウムニッケル複合酸化物，スピネル型リチウムマンガン酸化物，五酸化バナジウム，二硫化チタン等、従来公知の活物質を用いることができる。また、負極には実施例のグラファイト粉末の他、低結晶性の炭素材料，アモルファスの炭素材料，金属酸化物等を用いることができる。
【００３４】
また、本発明は、リチウム二次電池に限らず同様な構成すなわち金属箔に活物質を塗布し、その金属箔から集電する構成の各種非水電解質二次電池にも適用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、溶接方法、集電体の形状および発電要素の端縁形状を検討することにより、信頼性が高く、製造容易な集電構造を有する非水電解質二次電池を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の極板を示す平面図である。
【図２】従来の多端子集電方式を用いた極板を示す平面図である。
【図３】本発明の一実施例における非水電解質二次電池の発電要素の分解斜視図である。
【図４】本発明の一実施例における非水電解質二次電池の発電要素の斜視図である。
【図５】本発明にかかる（電極の端縁部を治具を用いてくせをつけた後の発電要素）の要部拡大縦断面図である。
【図６】本発明の実施例１における集電体を装着した発電要素の斜視図である。
【図７】本発明の実施例１における集電体を装着した発電要素の要部拡大縦断面図である。
【図８】本発明の実施例１における集電体を装着した発電要素の溶接部の要部拡大縦断面図である。
【図９】従来の多端子集電方式を用いた非水電解質二次電池における発電要素の斜視図である。
【図１０】本発明の実施例１の集電体（ａ）および円筒形電池用集電体（ｂ）の平面図および断面図である。
【図１１】本発明にかかる非水電解質二次電池の外観図である。
【符号の説明】
１    基体
２    集電端子
３    合材層
４    未塗布部
５    正極板
６    負極板
７    セパレータ
８    巻芯
９    テープ
１０    集電体
２０    端子
２１    電池容器
【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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