JP4297367B2 - 二次電池及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は，二次電池及びその製造方法にかかり，さらに詳しくは，集電タブと電池ケースとの溶接部分に特徴のある二次電池及びその製造方法に関する。
近年，携帯電話機，ノート型コンピュータ，カムコーダなどの小型化かつ軽量化された電子機器（電気装置または電子装置）の開発及び生産が盛んに行われている。このような携帯用電子機器は，例えばＡＣ電源などの別途の電源が備えられていない場所でも作動可能なように電池パックを内蔵している。かかる電池パックは，携帯用電子機器を一定の期間駆動させるために，所定レベルの電圧を出力できるよう，内部に少なくとも一つの電池を備える。
このような電池パックには一次電池と二次電池とがあるが，最近では充放電可能な二次電池がユーザにとって経済的であるため，二次電池を採用した携帯用電子機器が多くなっている。代表的な二次電池の例としては，ニッケル−カドミウム（Ｎｉ−ＣＤ）電池，ニッケル−水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池，リチウム電池などがある。リチウム二次電池は，負極にリチウム金属またはリチウム合金を使用した金属リチウム二次電池と，正極活物質（陽極活物質）に主にリチウム系酸化物を，負極活物質（陰極活物質）に炭素系材料を使用したリチウムイオン二次電池とに区別される。
上記のようなリチウム二次電池のうち，リチウムイオン二次電池は，単位セルあたりの作動電圧が約３．６Ｖであって，従来から携帯用電子機器の電源として広く使用されていたニッケル−カドミウム電池やニッケル−水素電池の１．２Ｖよりも約３倍も作動電圧が高いといった長所がある。更に，単位重量当たりのエネルギー密度もニッケル−カドミウム電池やニッケル−水素電池の約２〜３倍と高く，小型かつ軽量という点で，急速にその開発及び利用が拡大している。
上記リチウムイオン二次電池は，使用する電解液の種類によって更にリチウムイオン電池とリチウムポリマ電池に区分することができる。液体電解質を使用した二次電池を一般的にはリチウムイオン電池と言い，高分子電解質を使用した電池をリチウムポリマ電池という。
また，リチウム二次電池の外部形状は様々な形状に製造されているが，代表的な形状としては円筒型，角型及びパウチ型などが挙げられる。
一般に，円筒型のリチウム二次電池は，電極組立体と，上記電極組立体を収容する円筒型ケースと，電解液とを含んで構成される。上記電極組立体は，正極活物質（陽極活物質）がコーティングされた正極電極板（陽極電極板）と，負極活物質（陰極活物質）がコーティングされた負極電極板（陰極電極板）と，上記正極電極板と負極電極板との間に介在されたセパレータとが渦巻き状に巻き取られた構造を有する。上記セパレータは，正極活物質と負極活物質との接触による内部短絡（ショート）を防止する役割を果たす。また，セパレータはリチウムイオンのみを通して電子を通さないので，上記電極組立体が収容された円筒型ケース内に注入される電解液と共に，リチウムイオンが正極と負極間を移動するのを可能にする。
また，上記正極電極板及び上記負極電極板には，一般的には，上記正極電極板及び負極電極板からの電流を集電する正極タブ及び負極タブの一端がそれぞれ接続される。そして，上記正極タブ及び上記負極タブにより集電された電流を電池外部へ取り出すために，上記正極タブ及び負極タブの他端は，例えば円筒型ケースの内側面に接続されたり，円筒型ケースを封止するキャップの内側面に接続されたり，または別途設けられる集電板などに接続される。
上記のようなリチウム二次電池の一般的な製造方法について説明する。先ず，正極活物質がコーティングされて正極タブ（陽極タップ）が連結された正極電極板と，負極活物質がコーティングされて負極タブ（陰極タップ）が連結された陰極電極板とを，間にセパレータを介在させて積層した後，これらを巻き取って電極組立体を製造する。
次に，上記電極組立体を上記円筒型ケースに収容して上記電極組立体が離脱しないようにする。その後，上記円筒型ケース内に電解液を注入して，上記円筒型ケースをキャップなどで封止することによりリチウム二次電池が完成する。
上記のような円筒型リチウム二次電池は，電極組立体を円筒型ケースに収容する過程において，陽極タブまたは陰極タブのいずれか一方が円筒型ケースの下段に固定される。すなわち，円筒型ケースの開口部より電極組立体を挿入した場合，上記円筒型ケースの開口部とは反対側（底面）の内側面に，集電タブを固定接続させる。このとき，固定接続は，一般的には抵抗溶接方式により行われる。
かかる抵抗溶接方式（スポット溶接ともいう）は，溶接母材に大きい電流を流して，接合部の接触抵抗による発熱により溶接母材を加熱して溶融状態にし，機械的圧力を加えて溶接する方法である。
しかし，上記のように集電タブを円筒型ケースの底面に抵抗溶接方式により固定させる場合，電極の交換が頻繁になり，二次電池の大量生産時に生産時間が増加するという問題があった。例えば，一般的な抵抗溶接においては，溶接する部分に電極を接触させて電流を流し，電極が接触している部分が溶解温度になった時に加圧して溶接する方法をとっているが，このように溶接箇所に電極を取り付ける作業が頻繁になることが問題となっていた。特に，電極組立体が巻回型である場合，巻回された電極組立体の軸心に溶接機の一方の電極を挿入し，電池ケースの外側面に他方の電極を接触させて溶接を行う場合が多く，このような工程は生産性を低下させていた。
また，抵抗溶接は，溶接機の電極が接触された表面を基点として，被溶接物に次第に溶接エネルギーを伝達する方式である。従って，溶接速度が遅く，徐々に熱が周囲に伝達される際に被溶接物に熱的変形が生じ，また，溶接強度のバラツキも大きいといった問題がある。更に，巻回された電極組立体の軸心に溶接機の電極を挿入する際に不純物が混入する恐れがあり，また，溶接時に火花が発生して電極組立体に損傷を与える恐れがあるといった問題もある。
そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，集電タブを電池ケースの内側面に固定接続させる際の不純物の混入，電極組立体の損傷，及び電池ケースの熱による変形を防止し，更に生産性を向上させることのできる二次電池及びその製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，正極電極板（陽極電極板）または負極電極板（陰極電極板）の少なくともいずれかに集電タブ（正極タブまたは負極タブ）の一端が接続され，上記正極電極板と上記負極電極板との間にセパレータが介在し，中央部に所定の空間が形成された電極組立体と；一端に密閉された底面を有し他端に開口された開口部を有して，上記電極組立体を収容可能なケースと；上記ケースの開口部に結合されるキャップ組立体と；上記電極組立体の中央部の空間に挿入されるセンターピンとを含み；上記集電タブの他端は，上記センターピンにより上記ケース底面に押圧された状態でレーザ溶接により上記ケース底面の内側面の中央部に接合固定されたこと，を特徴とする二次電池が提供される。
ここで，上記電極組立体は，例えば，上記正極電極板と上記セパレータと上記負極電極板とを巻回する（渦巻き状に巻き取る）ことにより形成することができる。そしてこのとき，中央部に所定の空間が形成されるように巻き取りを行えば，上記センターピンを挿入する空間を上記電極組立体の中央部に形成することができる。また，上記キャップ組立体は，上記ケースの開口部に結合されて上記ケース内に収容された上記電極組立体を密閉することができる。更に，上記キャップ組立体は，上記ケース内に密閉された上記電極組立体と電気的に接続可能な端子部を備えることができる。また，上記電極組立体を上記ケースに挿入する際には，上記ケース底面の内側面と対向する上記電極組立体の一端部から，上記正極電極板に一端が接続された正極タブ（陽極タップ）または上記負極電極板に一端が接続された負極タブ（陰極タップ）のいずれかが延長されるような方向に上記電極組立体を挿入するのがよい。そして，上記正極タブまたは上記負極タブの延長された他端は，上記電極組立体の中央部の空間に挿入されるセンターピンによって上記ケース底面の内側面の中央部に接触されて，レーザ溶接により上記ケース底面の内側面の中央部に接合固定される。このとき，正極タブが上記ケースに接続される場合，上記ケースは二次電池の正極としての役割を果たし，負極タブが上記ケースに接続される場合，上記ケースは二次電池の負極としての役割りを果たすことができる。ここで，上記ケースは例えば円筒型や角型であることができるが，特に円筒型であるのがよい。また，上記二次電池は，例えばリチウムイオン二次電池，リチウムポリマー二次電池，ニッケル水素二次電池であることができるが，特にリチウムイオン二次電池であるのがよい。
このような本発明にかかる二次電池によれば，集電タブ（正極タブまたは負極タブ）を電池ケース底面の内側に接合固定する際にレーザにより溶接を行うことにより，電池ケースの外側からのみ溶接エネルギーが加えられるので，電極組立体内への不純物の混入を防止することができる。また，レーザ溶接法を適用することにより，溶接箇所を正確に位置決めし，対象箇所に溶接エネルギーをその強度を制御しながら材料の厚さ方向に高速に伝達することができるので，溶接を確実に行いつつ，熱による電池ケースの変形を防止することができる。更に，従来の方法のように溶接時に火花が発生することもないので，電極組立体の損傷を防止することができる。
このとき，上記センターピンは，上記ケース底面の内側面と対向する一端部の底面において，その外周部のみを介して上記集電タブ（正極タブまたは負極タブ）と接触するように構成されるのがよい。センターピンをかかる構成として集電タブとの接触面積を最小限にすることにより，電極組立体の中心部にセンターピンを挿入して集電タブを電池ケース底面に押し付けながらレーザ溶接を行う際に，センターピンが集電タブに溶接されてしまうのを防止することができる。
また，上記センターピンは，回転体の形状であるのがよい。このとき，上記センターピンは，上記電極組立体に挿入されたときに上記電極組立体の軸心と同方向の軸を有する回転体であるのがよい。また，上記センターピン底面の中央部は中空であるのがよく，かかる中空部の形状は回転体であるのがよい。このとき，上記中空部は，上記センターピンの軸心と同軸に形成される回転体であるのがよい。また，上記センターピンは，上記回転体の軸方向に貫通されるように構成されることもできる。
また，上記ケースの外側面には，第１腐食防止層が更に形成されるようにするのがよい。かかる第１腐食防止層は，ニッケルからなることができる。
そして，上記ケース底面の外側面の中央部には，第２腐食防止層が更に形成されるようにすることができる。かかる第２腐食防止層を設けることにより，レーザ溶接により上記第１腐食防止層が除去されてしまった領域の腐食を防止することができる。上記第２腐食防止層は，防錆剤からなることができる。
上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，正極電極板（陽極電極板）または負極電極板（陰極電極板）の少なくともいずれかに集電タブ（正極タブまたは負極タブ）の一端が接続され，上記正極電極板と上記負極電極板との間にセパレータが介在し，中央部に所定の空間が形成された電極組立体を形成する電極組立体形成段階と；上記電極組立体を収容可能なケースに上記電極組立体を収容する電極組立体収容段階と；上記電極組立体の中心部の空間にセンターピンを挿入するセンターピン挿入段階と；上記センターピンを上記ケース底面方向に押圧して上記集電タブに圧力を加えながら，レーザ溶接により上記集電タブを上記ケース底面の内側面に接合固定するレーザ溶接段階と；を含むことを特徴とする二次電池の製造方法が提供される。
ここで，上記電極組立体は，上記正極電極板と上記セパレータと上記負極電極板とを巻回する（渦巻き状に巻き取る）ことにより形成することができる。そしてこのとき，中央部に所定の空間が形成されるように巻き取りを行えば，上記センターピンを挿入する空間を上記電極組立体の中央部に形成することができる。また，上記ケースは，上記電極組立体を収容可能なように，一端に密閉された底面を有し他端に開口された開口部を有するように構成されるのがよい。また，上記電極組立体を上記ケースに収容する際には，上記電極組立体の上記集電タブが接続された一端部が上記ケース底面の内側面と対向する方向に上記電極組立体が挿入されるのがよい。このとき，正極タブが上記ケースに接続される場合，上記ケースは二次電池の正極としての役割を果たし，負極タブが上記ケースに接続される場合，上記ケースは二次電池の負極としての役割りを果たすことができる。ここで，上記ケースは例えば円筒型や角型であることができるが，特に円筒型であるのがよい。また，上記二次電池は，例えばリチウムイオン二次電池，リチウムポリマー二次電池，ニッケル水素二次電池であることができるが，特にリチウムイオン二次電池であるのがよい。
このような本発明にかかる二次電池の製造方法によれば，集電タブ（正極タブまたは負極タブ）を電池ケース底面の内側に接合固定する際にレーザにより溶接を行うことにより，電池ケースの外側からのみ溶接エネルギーを加えればよいので製造工程を短縮することができ，製造時における生産性を向上させることができる。また，レーザ溶接法を適用することにより，溶接箇所を正確に位置決めし，対象箇所に溶接エネルギーをその強度を制御しながら材料の厚さ方向に高速に伝達することができるので，溶接を確実に行いつつ，熱による電池ケースの変形を防止することができる。更に，電池ケースの外側からのみ溶接エネルギーが加えられるので，電極組立体内への不純物の混入を防止することができる。また，従来の方法のように溶接時に火花が発生することもないので，電極組立体の損傷を防止することができる。
このとき，上記センターピン挿入段階は，上記集電タブ（正極タブまたは負極タブ）の他端に上記センターピンの一端部を接触及び押圧させて，上記集電タブの他端を上記ケース底面の内側面に接触させる段階を更に含むことができる。このとき，上記電極組立体のケース底面側の一端部から延長された集電タブの端部が，上記ケース底面の内側面に接触することになる。このように，センターピンを用いて集電タブを上記ケース底面の内側面に接触させることにより，集電タブを確実に接合固定することができる。
また，上記センターピンは，上記センターピンの一端部の外周部のみを介して上記集電タブ（正極タブまたは負極タブ）と接触するように構成されるのがよい。かかる構成とすることにより，センターピンと集電タブとの接触面積を最小限にすることができ，電極組立体の中心部にセンターピンを挿入して集電タブを電池ケース底面に押し付けながらレーザ溶接を行う際に，センターピンが集電タブに溶接されてしまうのを防止することができる。
また，上記ケース底面の外側面の中央部に第２腐食防止層を形成する段階を更に含むことができる。かかる第２腐食防止層を設けることにより，レーザ溶接により上記第１腐食防止層が除去されてしまった領域の腐食を防止することができる。
本発明によれば，集電タブ（正極タブまたは負極タブ）を電池ケース底面の内側に接合固定する際に，電極組立体の中心部にセンターピンを挿入して集電タブを電池ケース底面に押し付けながら電池ケース外側からレーザを照射してレーザ溶接を行うことにより，電極組立体内への不純物の混入，電極組立体の損傷，及び熱による電池ケースの変形を防止し，製造時における生産性の向上を図ることができる二次電池及びその製造方法を提供できるものである。
以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
先ず，本発明の実施の形態にかかる二次電池の構造について説明する。図１ａは，本発明の実施の形態にかかる二次電池を示す斜視図である。また，図１ｂは，図１ａに示す二次電池の１ａ−１ａ線における断面図である。
図１ａ及び図１ｂに示した本発明の実施の形態にかかる二次電池は，円筒型のリチウムイオン二次電池である。また，電池ケースの内側の底面に接続される集電タブは，負極電極板に連接された負極タブである。
図１ａ及び図１ｂに示すように，本実施形態にかかる円筒型リチウム二次電池１００は，電極組立体２００と，電極組立体２００を収容する円筒型ケース３００と，円筒型ケース３００の上部に結合されるキャップ組立体４００と，円筒型ケース３００に注入される電解液５００と，センターピン６００とを含んで構成される。電極組立体２００は，充放電時に電圧差を発生させて電力を蓄積または供給する。円筒型ケース３００は，一端に密閉された底面を有し，他端に開口された開口部を有する。キャップ組立体４００は，円筒型ケース３００の開口部に取り付けられて，電極組立体２００が円筒型ケース３００から離脱されないようにすると同時に，円筒型ケース３００の開口部を密閉する。電解液５００は，電極組立体２００が収容された円筒型ケース３００に注入されて，電極組立体２００内でのリチウムイオンの移動を可能にする役割りを果たす。センターピン６００は，電極組立体２００の集電タブ（電極タップ）が溶接時に円筒型ケースに接触されるように圧力を加える手段として使用され，また，巻取り型電極組立体（巻回型電極組立体）が弛んで解けることを防止する。
電極組立体２００は，正極活物質（陽極活物質）がコーティングされた正極電極板（陽極電極板）２１０と，負極活物質（陰極活物質）がコーティングされた負極電極板（陰極電極板）２２０と，正極電極板２１０と負極電極板２２０との間に位置するセパレータ２３０とからなる。セパレータ２３０は，正極電極板２１０と負極電極板２２０とが接触することにり発生する短絡（ショート：ｓｈｏｒｔ）を防止する。また，セパレータ２３０は，リチウムイオンは通して電子は通さない性質を有するので，電極間でのリチウムイオンの移動のみを可能にする。上記のように積層された正極電極板２１０，セパレータ２３０，及び負極電極板２２０を略円筒形に巻き取ることにより，巻回型の電極組立体２００が形成される。また，本実施形態においては，正極電極板２１０，セパレータ２３０，及び負極電極板２２０を巻き取る際に，中心部に所定の空間が形成されるように巻き取りを行う。
正極電極板２１０の一辺には，所定の長さの正極タブ（陽極タップ）２１５の一端が接合され，負極電極板２２０の一辺には，所定の長さの負極タブ（陰極タップ）２２５の一端が接合される。このとき，正極タブ２１５及び負極タブ２２５は，渦巻き状に巻き取られた電極組立体２００の相対する端部となる一辺にそれぞれ接続されるのがよい。すなわち，図１ｂにおいては，負極電極板２２０の電極組立体２００の底面となる一辺に負極タブ２２５の一端が接続され，正極電極板２１０の電極組立体２００の上面となる一辺に正極タブ２１５の一端が接続される。正極タブ２１５及び負極タブ２２５は，正極電極板２１０及び負極電極板２１５からそれぞれ電流を集電する役割りを果たす。また，このような正極タブ２１５及び負極タブ２２５は，それぞれ少なくとも１つ以上を各電極板に接続することができる。
正極電極板２１０は，一般的にアルミニウム（Ａｌ）材質からなる。また，負極電極板２２０は，一般的にニッケル（Ｎｉ）材質からなる。また，正極タブ２１５及び負極タブ２２５の材質は，一般的には当該集電タブが取り付けられる電極板と同一の材質からなる場合が多いが，かかる材質に限定されるものではない。
また，電極組立体２００の底面及び上面のそれぞれには，上部絶縁プレート２４１及び下部絶縁プレート２４５が更に取り付けられる。上部絶縁プレート２４１及び下部絶縁プレート２４５は，電極組立体２００がキャップ組立体４００または円筒型ケース３００と直接接触するのを防止するために配設される。
円筒型ケース３００は，円筒型に巻き取られた電極組立体２００を収容することができるように内部に所定の空間を有する。すなわち，円筒型ケース３００は，所定の直径を有する円筒を形成する側面３１０を有し，側面３１０の両端部における略円形の断面のうち一方の断面は底面（下面）３２０により塞がれており，他方の断面は電極組立体２００を挿入するために開口されている。
また，円筒型ケース３００の開口された端部には，一方向に屈曲された屈曲部（クリッピング部）３３０が形成される。屈曲部３３０は，キャップ組立体４００によって円筒型ケース３００の開口部が塞がれた際に，キャップ組立体４００が離脱されないように押さえる（クリッピングする：ｃｌｉｐｐｉｎｇ）役割りを果たす。そして，屈曲部３３０は，更にキャップ組立体４００の外側から（上部から）圧力を加えて円筒型ケース３００を密閉することができる。また，円筒型ケース３００の開口端から所定の距離だけ離隔された位置には，円筒型ケース３００の円周に沿って，例えばビード加工（ｂｅａｄｉｎｇ）などの方法により形成される円筒ケース３００の外側から内側に窪んだ支持部（ビーディング部）３４０が更に形成される。支持部３４０は，円筒型ケース３００に挿入されたキャップ組立体４００を支持し，また，キャップ組立体４００に，円筒型ケース３００の底面３２０から開口端へ向かって圧力を加えることができる。
上記のような円筒型ケース３００は，底面３２０の中央部に電極組立体２００の負極タブ２２５が接合されることにより，円筒型ケース３００自体が電池の負極（陰極）としての役割を果たす。また，円筒型ケース３００は，一般的にアルミニウム（Ａｌ），鉄（Ｆｅ），アルミニウム合金，鉄合金，またはこれらの等価物からなる。
そして，円筒型ケース３００の外側面には，腐食を防止するための第１腐食防止層３５０が形成される。第１腐食防止層３５０は，耐腐食性のある物質により形成される薄膜層（メッキ層または鍍金層）である。第１腐食防止層３５０には，一般的にはニッケル（Ｎｉ）メッキ層を使用するが，本発明においてその物質の種類を限定するものではない。
また，負極タブ２２５を溶接する際に，円筒型ケース３００の底面３２０の外側面の中央部の第１腐食防止層３５０が除去されてしまうので，第１腐食防止層３５０が除去された領域及びその周りの領域に第２腐食防止層３６０が形成される。このとき，第２腐食防止層３６０は，防錆剤（ｒｕｓｔ ｉｎｈｉｂｉｔｏｒ）からなるのがよいが，それに限定されるものではない。
キャップ組立体４００は，安全弁膜（導電性安全ベント）４１０と，印刷回路基板（ＰＣＢ：Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）４２０と，正温度特性素子（陽性温度素子）４３０と，正極キャップ（導電性陽極キャップ）４４０と，絶縁ガスケット４５０とを含んで構成される。キャップ組立体４００は電池の正極としての役割りを果たし，正極タブ２１５により集電された電流は，安全弁膜４１０に溶接された正極タブ２１５の他端を通じて，正極キャップ４４０まで電気的に導通している。
安全弁膜（導電性安全ベント）４１０には，正極タブ２１５が溶接される。そして，安全弁膜４１０は，電池の誤動作により過充電または異常発熱などが発生して電池内圧が上昇した場合に，その形態が反転されるように構成される。
印刷回路基板４２０は，安全弁膜４１０と電気的及び機械的に連結されるように，安全弁膜４１０の上部に配設される。そして，安全弁膜４１０の形態が電池内圧の上昇により反転されると，安全弁膜４１０との電気的導通が途絶える回路構成を有する。
正温度特性素子（陽性温度素子またはＰＴＣ素子）４３０は，印刷回路基板４２０と電気的及び機械的に連結されるように，印刷回路基板４２０の上部に配設される。そして，例えば短絡などにより過大電流が流れて正温度特性素子４３０の温度が所定の温度以上になると，正温度特性素子４３０はその抵抗値を増大させて電流を遮断し，印刷回路基板４２０との電気的導通が途絶えるように構成される。
正極キャプ（導電性陽極キャップ）は，正温度特性素子４３０の上部に電気的及び機械的に連結され，電池の正極入出力端子としての役割りを果たし，電流を外部に印加することができる。絶縁ガスケット４５０は，安全弁膜４１０，印刷回路基板４２０，正温度特性度素子４３０，及び正極キャップ４４０の側周部を覆うように設けられて，上記キャップ組立体４００の構成要素と円筒型ケース３００を絶縁させる。
電解液５００は，充放電時において電池内部の正極及び負極で電気化学的反応によって生成されるリチウムイオンの移動媒体としての役割を果たす。電解液５００は，リチウム塩と高純度有機溶媒類の混合物である非水系有機電解液から成ることができる。一方，電解液５００は，高分子電解質を用いたポリマから成ることもできる。しかし，本発明においては，電解液物質の種類を限定するものではない。
センターピン６００は，巻回型の電極組立体２００の中央部の所定の空間に挿入されて，電極組立体２００の負極タブ２２５を円筒型ケース３００の底面３２０の中央部に溶接する際に，負極タブ２２５に圧力を加えて負極タブ２２５が円筒型ケース３００の底面３２０に接触させる役割を果たす。また，センターピン６００は，巻回型の電極組立体２００の中央部の空間に挿入されて，巻き取られた電極組立体２００が弛んで解けることを防止する役割も果たす。
次に，本発明の実施の形態にかかる円筒型二次電池の製造方法について説明する。図２は，本実施形態にかかる二次電池の集電タブと電池ケース内側面との接合部分を示す断面図である。以下に，図２に基づいて，電極組立体２００の負極タブ２１５を円筒型ケース３００の底面３２０に接合固定させる製造工程について説明する。
先ず，正極電極板２１０と負極電極板２２０との間にセパレータ２３０を介在させて渦巻き状に巻いた巻回型の電極組立体２００を形成する電極組立体形成段階を実行する。このとき，巻取り型の電極組立体２００の中心部に所定の空間が形成されるように巻き取りを行う。また，正極電極板２１０は，少なくともその一面に，活物質が例えば塗布などの方法により形成された正極集電体（陽極集電体）から成る。同様に，負極電極板２２０も，少なくともその一面に，活物質が例えば塗布などの方法により形成された負極集電体（陰極集電体）から成る。そして，正極電極板２１０の一辺には正極タブ２１５が，負極電極板２２０の一辺には負極タブ２２５が取り付けられている。正極タブ２１５及び負極タブ２２５は，巻き取りを行う前に，正極電極板２１０及び負極電極板２２０にそれぞれ取り付けられる。また，正極タブ２１５及び負極タブ２２５は，渦巻き状に巻き取られた電極組立体２００の両端部のうち，一方からは正極タブ２１５，他方からは負極タブ２２５の端部がそれぞれ延長されるように，正極電極板２１０及び負極電極板２２０に取り付けられるのがよい。
次に，巻取り型の電極組立体２００を円筒型ケース３００に挿入して収容する電極組立体収容段階を実行する。このとき，負極タブ２２５が接続された電極組立体２００の一端部が円筒型ケース３００の底面３２０と対向する向きに電極組立体２００を円筒型ケース３００に挿入して収容する。
上記のように電極組立体２００を円筒型ケース３００に挿入した後，電極組立体２００の中央部の所定の空間にセンターピン６００を挿入するセンターピン挿入段階を実行する。このとき，センターピン６００に，円筒型ケース３００の底面３２０の方向に向かって圧力を加えることにより，負極タブ２２５が円筒型ケース３００の底面３２０の内側面（内部面）の中央部に接触するようにする。
ここで，後述するレーザ溶接工程で加えられる熱によってセンターピン６００が負極タブ２２５に接合されてしまわないように，センターピン６００の形状は，その外周部のみが負極タブ２２５と接触する形状であるのがよい。すなわち，センターピン６００の円筒型ケース３００の底面３２０側の端部における底面は，その外周部のみが負極タブ２２５と接触する。
また，電極組立体２００から延長された負極タブ２２５は，円筒型ケース３００に挿入されてセンターピン６００と接触できるように，円筒型ケース３００に挿入される前に，予め渦巻きの軸心（中心部）に向けて屈曲されるのがよい。
このようにしてセンターピン６００を介して負極タブ２２５が円筒型ケース３００の底面３２０の内側面の中央部に接触されるようにした後，当該接触箇所に円筒型ケース３００の外側面からレーザを照射して，負極タブ２２５と底面３２０とを接合固定させるレーザ溶接段階を実行する。かかるレーザ溶接においては，レーザの高エネルギーによりレーザが照射される円筒型ケース３００の底面３２０の中央部と負極タブ２２５の一部とが瞬時に熔融されることにより，接合固定が行われる。
レーザ溶接法は，投入される溶接エネルギーが非常に高いので，溶接速度が速く，材料の厚さ方向に溶接エネルギーを伝達できる点に特徴がある。従って，溶接を行う箇所を基点として全ての方向に溶接エネルギーを徐々に伝達する従来の抵抗溶接法と比較すると，熱を材料の厚さ方向に高速に伝達することができるので，材料の熱的変形が少ないといった長所がある。また，レーザ溶接法は，溶接箇所を精密に制御することができるので，正確な位置決めが可能であり，更に上に述べたように熱が四方八方に伝達されないので，対象箇所にのみ熱を加えることができる。また，レーザ溶接では溶接エネルギーの強度を制御することも可能であるため，溶接エネルギーを，負極タブ２２５と底面３２０は溶接されるが，センターピン６００と負極タブ２２５とは溶接されないような強度に調節することができる。更に，レーザ溶接においては，溶接箇所を位置決めするのが容易であるため，製造工程を短縮することができる。また，円筒型ケース３００の外側のみから溶接エネルギーを加えるため，不純物が電極組立体２００内に混入することもない。更に，抵抗溶接のように火花が発生して電極組立体２００が損傷されることもない。また，レーザ溶接法は，溶接環境の影響を受けにくいので，生産の柔軟性が高い。
一方，上記のようなレーザ溶接工程においては，円筒型ケース３００の外側面に形成された第１腐食防止層３５０が，レーザの高エネルギーにより除去されてしまう。すなわち，円筒型ケース３００の底面３２０の中央部の外部からレーザが照射されるので，当該箇所の第１腐食防止層３５０が除去される。従って，負極タブ２２５をレーザ溶接法により円筒型ケース３００の底面３２０の中央部の内側面に接合固定した後に，レーザの照射により第１腐食防止層３５０が除去された領域及びその周辺に，腐食を防止するための第２腐食防止層３６０を形成する。第２腐食防止層３６０は，防錆剤を塗布して形成されるのがよい。かかる第２腐食防止層３６０は，第１腐食防止層３５０が除去された領域の腐食を防止する役割りを果たす。
以上に述べた製造工程以降に続く円筒型リチウム二次電池１００の製造工程は，一般的な円筒型リチウム二次電池１００の製造工程と同様なので，詳細な説明を省略する。
次に，本実施形態にかかる二次電池のセンターピン６００の形状について詳細に説明する。図３ａ〜図３ｇは，本実施形態にかかる二次電池のセンターピン６００の形状を示す斜視図である。
センターピン６００は，レーザ溶接工程にて発生する熱によってセンターピン６００が負極タブ２２５に接合されないようにするために，その下部面（底面）の外周部のみが負極タブ２２５と接触する形状を有する。センターピン６００の下部面とは，センターピン６００が電極組立体２００に挿入された際に，円筒型ケース３００の底面３２０の内側面と対向する面である。
センターピン６００の外部形状は，例えば，円筒型，円錐台，円筒型の上に円錐台が重ねられた形状などの，多様な形状の回転体であることができる。上記回転体の軸は，センターピン６００が電極組立体２００の中心部に挿入されたとき，電極組立体２００の巻回軸と同一方向となる。上記回転体が円筒型である場合の例としては，図３ａまたは図３ｄに示すようなセンターピン６００がある。また，円錐台である場合の例としては，図３ｃまたは図３ｅに示すようなセンターピン６００がある。そして，円筒型の上に円錐台が重ねられた形状の例としては，図３ｂに示すようなセンターピン６００がある。
また，センターピン６００の下部面には，センターピン６００の外周部のみが負極タブ２２５と接触するように，その中央部に回転体の形状をした空いた空間からなる凹部が形成される。すなわち，センターピン６００の底面の中央部は中空であり，上記中空部の形状は回転体である。上記中空部の回転体形状としては，例えば，円筒型，円錐台，円錐形，半球形，または球形の一部分などを挙げることができる。上記中空部が円筒型である場合の例としては，図３ａまたは図３ｂに示すような中空部がある。また，円錐台である場合の例としては図３ｃに示すような中空部が，円錐形である場合の例としては図３ｅに示すような中空部が，半球形である場合の例としては図３ｄに示すような中空部がある。
また，センターピン６００は，下部面（底面）だけではなく，上部面も開口された回転体の形状からなることもできる。例えば，図３f及び図３ｇに示すように，上部面も開口されたセンターピン６００においては，負極タブ２２５を円筒型ケース３００の底面３２０の内側面にレーザ溶接する際に，別途のプッシャー（ｐｕｓｈｅｒ）６１０を用いてセンターピン６００に底面３２０方向への圧力を加えることができる。このように圧力を加えることにより，負極タブ２２５を，円筒型ケース３００の底面３２０の内側面により確実に接触させることができる。このとき，センターピン６００の底面の中空部と，上記上部面の開口部は連通していて，センターピン６００を貫通するように形成されることもできる。
上記のような，本実施形態にかかる二次電池の製造方法によれば，レーザ溶接法を用いて負極タブを円筒型ケースの下面に接合固定させることにより，負極タブと円筒型ケースとを均一の溶接強度にて結合することができる。また，溶接箇所以外の部分に溶接エネルギーが伝達されにくにので，円筒ケースなどの熱的変形を防止することができる。また，円筒型ケース３００の外側面からレーザを照射して溶接を行うので，電極組立体２００内に不純物が混入する恐れもない。更に，抵抗溶接のように火花が発生して電極組立体２００が損傷されることもない。
上記のように，本発明の実施の形態においては，負極の役割りを果たす円筒型ケース３００と負極電極板２２０とが負極タブ２２５により導通され，正極の役割りを果たすキャップ組立体４００と正極電極板２１０とが正極タブ２１５により導通される円筒型のリチウムイオン二次電池について説明した。しかし，本発明はかかる構成に限定されるものではない。
例えば，キャップ組立体４００と正極電極板２１０とは正極タブ２１５以外の部材または手段を用いて導通される場合もある。また，円筒型ケース３００が正極の役割りを果たし，キャップ組立体４００が負極の役割りを果たす二次電池である場合もある。この場合，電極組立体２００が円筒型ケース３００に挿入される方向は本実施形態において説明したのとは逆の方向になり，円筒型ケース３００の底面３２０には正極電極板２１０から延長される正極タブ２１５が接続される。
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば，二次電池の外部形状は本発明の実施の形態においては円筒型であったが，本発明は角型の二次電池にも適用することができる。この場合，電極組立体は本実施形態と同様に巻回型となるが，略角型の形状に巻き取られる。
また，本発明の実施の形態の二次電池はリチウムイオン二次電池であったが，本発明は電極組立体の電極板（集電板）と電池ケースとが集電タブにより接続される他の二次電池にも適用することができる。例えば，リチウムポリマ二次電池などの他のリチウム二次電池に適用することもできる。また，リチウム二次電池以外の，例えばニッケル水素二次電池などにも適用することができる。
本発明は，電極組立体の電極板（集電板）と電池ケースとが集電タブにより接続される二次電池及びその製造方法に適用可能であり，特に電極組立体の電極板（集電板）と電池ケースとが集電タブにより接続される円筒型リチウムイオン二次電池及びその製造方法に適用可能である。
本発明の実施の形態にかかる二次電池を示す斜視図である。 図１ａに示す二次電池の１ａ−１ａ線の断面図である。 本発明の実施の形態にかかる二次電池の集電タブと電池ケースとの接合部分を示す断面図である。 本発明の実施の形態にかかる二次電池のセンターピンの形状を示す斜視図である。 本発明の実施の形態にかかる二次電池のセンターピンの形状を示す斜視図である。 本発明の実施の形態にかかる二次電池のセンターピンの形状を示す斜視図である。 本発明の実施の形態にかかる二次電池のセンターピンの形状を示す斜視図である。 本発明の実施の形態にかかる二次電池のセンターピンの形状を示す斜視図である。 本発明の実施の形態にかかる二次電池のセンターピンの形状を示す斜視図である。 本発明の実施の形態にかかる二次電池のセンターピンの形状を示す斜視図である。
符号の説明
１００ 円筒型リチウム二次電池
２００ 電極組立体
２１０ 正極電極板（陽極電極板）
２１５ 正極タブ（陽極タップ）
２２０ 負極電極板（陰極電極板）
２２５ 負極タブ（陰極タップ）
２３０ セパレータ
２４１，２４５ 絶縁プレート
３００ 円筒型ケース
３１０ 側面
３２０ 底面（下面）
３３０ 屈曲部（クリッピング部）
３４０ 支持部（ビーディング部）
３５０ 第１腐食防止層
３６０ 第２腐食電池防止層
４００ キャップ組立体
４１０ 安全弁膜（導電性安全ベント）
４２０ 印刷回路基板
４３０ 正温度特性素子（陽性温度素子）
４４０ 正極キャップ（導電性陽極キャップ）
４５０ 絶縁ガスケット
５００ 電解液
６００ センターピン
６１０ プッシャー（ｐｕｓｈｅｒ）

Claims (14)

  1. 正極電極板または負極電極板の少なくともいずれかに集電タブの一端が接続され，前記正極電極板と前記負極電極板との間にセパレータが介在し，中央部に所定の空間が形成された電極組立体と，
    一端に密閉された底面を有し他端に開口された開口部を有して，前記電極組立体を収容可能なケースと，
    前記ケースの開口部に結合されるキャップ組立体と，
    前記電極組立体の中央部の空間に挿入されるセンターピンと，を含み，
    前記集電タブの他端は，前記センターピンにより前記ケース底面に押圧された状態でレーザ溶接により前記ケース底面の内側面の中央部に接合固定されたこと，
    を特徴とする二次電池。
  2. 前記センターピンは，前記ケース底面の内側面と対向する一端部の底面において，その外周部のみを介して前記集電タブと接触することを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
  3. 前記センターピンは，回転体の形状であることを特徴とする請求項２に記載の二次電池。
  4. 前記センターピン底面の中央部は中空であることを特徴とする請求項２又は３のいずれか１項に記載の二次電池。
  5. 前記センターピン底面の中空部の形状は，回転体であることを特徴とする請求項４に記載の二次電池。
  6. 前記センターピンは，その回転体形状の軸方向に貫通されていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の二次電池。
  7. 前記ケースの外側面には，第１腐食防止層が更に形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の二次電池。
  8. 前記第１腐食防止層は，ニッケルからなることを特徴とする請求項７に記載の二次電池。
  9. 前記ケース底面の外側面の中央部には，第２腐食防止層が更に形成されることを特徴とする請求項７又は８のいずれか１項に記載の二次電池。
  10. 前記第２腐食防止層は，防錆剤からなることを特徴とする請求項９に記載の二次電池。
  11. 正極電極板または負極電極板の少なくともいずれかに集電タブの一端が接続され，前記正極電極板と前記負極電極板との間にセパレータが介在し，中央部に所定の空間が形成された電極組立体を形成する電極組立体形成段階と，
    前記電極組立体を収容可能なケースに前記電極組立体を収容する電極組立体収容段階と，
    前記電極組立体の中心部の空間にセンターピンを挿入するセンターピン挿入段階と，
    前記センターピンを前記ケース底面方向に押圧して前記集電タブに圧力を加えながら，レーザ溶接により前記集電タブを前記ケース底面の内側面に接合固定するレーザ溶接段階と，
    を含むことを特徴とする二次電池の製造方法。
  12. 前記センターピン挿入段階は，
    前記集電タブの他端に前記センターピンの一端部を接触及び押圧させて，前記集電タブの他端を前記ケース底面の内側面に接触させる段階を更に含むことを特徴とする請求項１１に記載の二次電池の製造方法。
  13. 前記センターピンは，前記センターピンの一端部の外周部のみを介して前記集電タブと接触することを特徴とする請求項１２に記載の二次電池の製造方法。
  14. 前記ケース底面の外側面の中央部に第２腐食防止層を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の二次電池の製造方法。
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