JPH10106536A

JPH10106536A - 非水電解質二次電池

Info

Publication number: JPH10106536A
Application number: JP8277051A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Yoshida; 吉田　　浩明
Original assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Current assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Priority date: 1996-09-26
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 1998-04-24
Anticipated expiration: 2016-09-26
Also published as: JP3702308B2

Abstract

(57)【要約】【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なり生産性が低くなる
という課題があった。【解決手段】帯状の正負極板の少なくとも一方の極板の
端縁部を他方の極板の端縁部より突出させ、セパレータ
を介して巻回あるいは積層してなる発電素子の突出した
端縁部と集電体とをレーザー溶接する。

Description

【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】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、
電極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、電極の基体１には５〜５０μｍ程度の金属箔を
使用し、電極ペーストを塗布している。発電素子は、薄
い帯状の正極５および負極６をセパレータ７を介して巻
回して組み立てられている。

【０００３】従来、上記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電極の基体１が露出した
部分（未塗布部４）に端子２を取り出していた。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、従来アルカリ電池で用いられていた一括集
電方式（図２）を検討した。しかし、金属箔が５〜５０
μｍと薄いことと、材質が銅あるいはアルミニウムであ
るため、アルカリ電池で用いられている抵抗溶接では接
合することができなかった。このため、図３に示すよう
に連続した電極の未塗布部４に多数の端子２を溶接し、
集電をおこなう方法（多端子集電方式）を用いていた。

【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
くなり生産性が低くなるという問題があった。１００〜
４００Ｗｈ級の電池では、多端子集電方式では端子数が
１０〜５０本となり、特に生産性に問題があった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、溶接方法、集
電体の形状および発電素子の端縁部の形状を検討した結
果、帯状の正負極板の少なくとも一方の極板の端縁部を
他方の極板の端縁部より突出させ、セパレータを介して
巻回あるいは積層してなる発電素子の突出した端縁部と
集電体とをレーザー溶接することにより、生産性を向上
させることができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る非水電解液
二次電池のいくつかの実施例を図面を参照しながら説明
する。

【０００７】

【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モルを混合して、９００℃で空気中にて焼成してＬ
ｉＣｏＯ₂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％と結着剤としてポリ
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。電極の
基体１として厚さ２０μｍの帯状アルミニウム箔を用
い、この基体１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調整して帯
状の正極５を作製した。この電極の長辺の一方の端縁部
には、１０ｍｍの幅の未塗布部４を設けた。

【０００８】負極６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。電極の基体１として厚さ２０μｍの帯
状銅箔を用い、この基体１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
調整して帯状の負極６を作製した。この電極の一方の端
縁部にも正極５と同様に、１０ｍｍの幅の未塗布部４を
設けた。

【０００９】このようにして作製した正極５と負極６を
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
ポリイミド製のパイプからなる巻芯８を中心として渦巻
き状に巻回して発電素子を得た。このとき図４に示され
るように極板の端縁部（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して巻回した。

【００１０】次に、円筒形の発電素子の外周部をテープ
９で固定し、押し潰すことにより長円形の断面を有する
図５に示すような発電素子に成形した。この発電素子の
上下端縁部の直線部を治具を用いて、図６に示すように
電極の端縁部を５ヶ所に分けて収束するようなくせをつ
けた。この部位に電極の基体１と同じ材質で厚さが５ｍ
ｍ（溶接部（薄肉部）は５００μｍ）の集電体１０（図
７（ａ））を図８及び図９に示すように装着し、集電体
１０の溶接部（薄肉部）に沿ってレーザー溶接を用いて
電極の端縁部と集電体１０とを溶接した。

【００１１】レーザー溶接には、スラブ型ＹＡＧパルス
レーザーを用いておこなった。レーザー溶接は正極５の
基体（アルミニウム箔）と集電体１０ａ（アルミニウ
ム）では出力：２５０Ｗ，パルス周波数：２０ｐｐｓ，
パルス幅：４．０ｍｓで、負極６の基体（銅箔）と集電
体１０ｂ（銅）では出力：５００Ｗ，パルス周波数：１
５ｐｐｓ，パルス幅：６．０ｍｓの条件でおこなった。
１パルスのレーザー出力波形（電流変化）を、それぞれ
図１０及び図１１に示した。

【００１２】この発電素子を長円形の電池容器（縦５０
ｍｍ×横１３０ｍｍ×高さ２１０ｍｍ）に挿入し封口し
た。このとき、正極集電体及び負極集電体は電池容器に
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、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１
ｍｏｌ／ｌ（リットル）の六フッ化燐酸リチウム（Ｌｉ
ＰＦ₆）を溶解した電解液を減圧注入した。この電池の
容量は１００Ａｈであった。

【００１３】実施例２実施例１において電極の端縁部にくせをつけた後、集電
体１０を装着するかわりに、図１２に示すような形状の
ポリプロピレン製のガイド１１と組み合わせた集電体１
０（図１３（ａ））を図１４に示すように装着した以外
は、実施例１と同様にして実施例２の電池を作製した。

【００１４】実施例３実施例２においてガイド１１と組み合わせた集電体１０
を装着するかわりに、図１５（ａ）に示すような形状の
ガイド部を有する集電体を装着した以外は、実施例２と
同様にして実施例３の電池を作製した。

【００１５】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。本発明の実施例と同様にして正極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（活物質
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を介しポリイミ
ド製のパイプからなる巻芯８を中心として渦巻状に巻回
しながら位置決めをし、端子２をそれぞれ５０本ずつ超
音波溶接を用いて取り付けて発電素子を得た。この発電
素子の外周部をテープ９で固定し、押し潰すことにより
長円形の断面を有する発電素子（図１６）に成形した。
この発電素子を本発明の実施例で用いたものと同じ長円
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。

【００１６】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素子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。

【００１７】

【表１】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である。

【００１８】なお、上記実施例では、発電素子を長円状
に巻回したものを用いたが、発電素子の形状はこれに限
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。すなわち、
円筒形状の集電にはその曲率にあわせた図７（ｂ），
（ｃ）のような形状を用いることができる。電極を積層
する場合には本発明の実施例と同様な形状のものを用い
ることができ、その場合の構成は図９又は図１４に示さ
れるものと同様である。

【００１９】また、ガイド１１の断面形状も特に限定さ
れるものではなく、図１７に示される形状でもよい。す
なわち、ガイド１１を用いることにより集電体１０のス
リットに電極の端縁部が収束されるような形状であれば
どのような形状であってもよい。円筒形状の場合には集
電体と組み合わせた図１３（ｂ）のような形状を用いる
ことができる。また、ガイド１１の材質として本発明の
実施例では、ポリプロピレンを用いたがポリエチレン，
ポリエチレンテレフタレート，フッ素樹脂またはステン
レス等のような電池内部で安定な材質あるいは集電体と
同様な材質であれば用いることができる。

【００２０】また、実施例３のようなガイド部を有する
集電体の断面形状も特に限定されるものではなく、図１
８に示される形状でもよい。すなわち、ガイド部により
集電体のスリットに電極の端縁部が収束されるような形
状であればどのような形状であってもよい。また、円筒
形状の集電にはその曲率にあわせた図１５（ｂ），
（ｃ）のような形状を用いることができる。

【００２１】また、電極の基体１の材質として、アルミ
ニウム及び銅を用いたが、アルミニウムのかわりに種々
の合金、例えばアルミニウム−マンガン合金，アルミニ
ウム−マグネシウム合金等が、銅のかわりに種々の合
金、例えば銅−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溶接は
容易であった。

【００２２】集電体の材質は、基本的には基体１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１と異なる合金等と組み合わせることも可能であ
る。

【００２３】アルミニウム製の基体１と集電体をレーザ
ー溶接する条件は、出力：２００〜３５０Ｗ、パルス周
波数：５〜３５ｐｐｓである。好ましくは出力：２５０
〜３００Ｗ、パルス周波数：１０〜３０ｐｐｓである。
銅製の基体１と集電体をレーザー溶接する条件は、出
力：３００〜５５０Ｗ、パルス周波数：５〜２５ｐｐｓ
である。好ましくは出力：４００〜５００Ｗ、パルス周
波数：１０〜２０ｐｐｓである。また、パルスの出力波
形も上記実施例のものに限定されるものではなく、基体
１及び集電体の材質や厚さを考慮し、段階的に出力を減
衰するような波形で溶接が可能な条件であればよい。出
力を段階的に減衰させることで溶接部にクラックの発生
が抑制でき、電気抵抗の増大及び溶接強度の低下を防止
することができる。パルス周波数を落とす（パルス幅を
広げる）ことによって、タクトは低下するが厚い集電体
（溶接部）の溶接も可能である。種々の溶接条件を検討
し、溶接部の強度，生産性等を考慮した結果、溶接部の
厚さは２０μｍ〜３ｍｍで良好な結果が得られた。２０
μｍ以下では充分な溶接強度が得られず、３ｍｍ以上で
は出力を上げなければならないために生産性が低下し
た。電極の基体１には任意の厚さのものを使用すること
ができるが、電極の強度や電池のエネルギー密度、さら
にレーザー溶接可能な厚さを考慮し検討した結果、５〜
５０μｍの範囲において好適な結果が得られた。

【００２４】また、実施例では未塗布部４の幅を１０ｍ
ｍとしたが、レーザー溶接時の熱によってセパレータ７
及び活物質の合剤が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４の幅を大きくするほど熱の影
響を受けにくくなるが、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１ｍｍ〜５ｃｍ，好ま
しくは３ｍｍ〜３ｃｍである。

【００２５】さらに、正極活物質として上記実施例の他
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，二硫化チタン等を
用いることができる。また、負極６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。

【００２６】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
属箔から集電する非水電解質二次電池にも適用すること
ができる。

【００２７】

【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素子の端縁
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】従来の非水電解質二次電池における電極板を示
す平面図である。

【図２】アルカリ電池における一括集電方式を示す斜視
図である。

【図３】従来の非水電解質二次電池における多端子集電
方式を用いた電極板を示す平面図である。

【図４】本発明の一実施例における非水電解質二次電池
の発電素子の分解斜視図である。

【図５】本発明の一実施例における非水電解質二次電池
の発電素子の斜視図である。

【図６】本発明の一実施例における非水電解質二次電池
の発電素子の要部拡大縦断面図である。（電極の端縁部
を治具を用いてくせをつけた後の発電素子）

【図７】本発明の一実施例における集電体の斜視図であ
る。

【図８】本発明の一実施例における非水電解質二次電池
で集電体を装着した発電素子の斜視図である。

【図９】本発明の一実施例における非水電解質二次電池
で集電体を装着した発電素子の要部拡大縦断面図であ
る。

【図１０】本発明の一実施例におけるアルミ製の基体と
集電体とをレーザー溶接したときの出力波形を示す図で
ある。

【図１１】本発明の一実施例における銅製の基体と集電
体とをレーザー溶接したときの出力波形を示す図であ
る。

【図１２】本発明の一実施例におけるガイドの斜視図で
ある。

【図１３】本発明の一実施例におけるガイドと集電体と
を組み合わせたものの斜視図である。

【図１４】本発明の一実施例における非水電解質二次電
池でガイドと集電体とを組み合わせたものを装着した発
電素子の要部拡大縦断面図である。

【図１５】本発明の一実施例におけるガイド部を有する
集電体の斜視図である。

【図１６】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素子の斜視図である。

【図１７】本発明の一実施例におけるガイド形状を示す
断面図である。

【図１８】本発明の一実施例におけるガイド部を有する
集電体の断面図である。

【符号の説明】

１基体２端子３合材層４未塗布部５正極６負極７セパレータ８巻芯９テープ１０集電体１０ａ正極集電体１０ｂ負極集電体１１ガイド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正負極板の少なくとも一方の極板の端縁部
を他方の極板の端縁部より突出させ、セパレータを介し
て巻回あるいは積層してなる発電素子を有する非水電解
質二次電池において、少なくとも該発電素子の突出した
極板の端縁部の一方に設けられた１ｍｍ以上５ｃｍ以下
の幅の活物質未塗布部が集電体とレーザー溶接されてい
ることを特徴とする非水電解質二次電池。
【請求項２】帯状の正極板及び負極板の基体の少なくと
も一方が、厚み５μｍ以上５０μｍ以下の金属箔であ
り、かつ集電体の溶接部の厚みが２０μｍ以上３ｍｍ以
下であることを特徴とする請求項１記載の非水電解質二
次電池。
【請求項３】該集電体の溶接部に電極の端縁部が収束さ
れたことを特徴とする請求項１又は２記載の非水電解質
二次電池。
【請求項４】該集電体の溶接部に電極の端縁部を収束す
る断面形状を有するガイドと該集電体とを組み合わせて
用いたことを特徴とする請求項１，２又は３記載の非水
電解質二次電池。
【請求項５】該集電体の断面が、該集電体を装着するこ
とにより電極の端縁部が溶接部に収束されるようなガイ
ド部を有する形状であることを特徴とする請求項１又は
２記載の非水電解質二次電池。
【請求項６】該レーザー溶接のパルス出力波形を段階的
に減衰させることによって溶接することを特徴とする請
求項１，２，３，４又は５記載の非水電解質二次電池。