JPH11273661A - 電池用シート電極及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 集電体シート面に電極活物質の未塗工部分の
ない電池用シート電極及びその製造法を提供することに
ある。 【解決手段】 集電用金属シート面に集電用タブを接続
しておいて、その後に集電用タブの上から集電用金属シ
ート面に電極活物質を塗工形成することにより電池用シ
ート電極を作製する。得られた電極は、未塗工部部分が
少ないことから、負荷特性・パワー特性に優れているば
かりでなく、厚さが均一なことから、加圧プレスに対し
て変形の少ないものとなるので、この電極を用いた電池
の作製は非常に効率的なものとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電池用シート電極
に関し、更に詳しくは、リチウム二次電池用等に好適な
電池用シート電極およびその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来一般に、リチウム二次電池は、図４
にその概略構成を示すように、非水系電解液が充填され
る電池ケース５０内に、正極シート５２と負極シート５
４とがセパレータ５６を介して渦巻き状に配設され、そ
の電池ケース５０の上面開口部には電池内圧が上昇した
場合に変形する安全弁（防爆弁）５８と、過剰に電流が
流れたときにその電流の流れを遮断するポリスイッチ板
（ＰＴＣ素子）６０と、封口キャップ（蓋体）６２とが
絶縁性ガスケット６４を介して装着された構成とされて
いる。

【０００３】そしてリチウム二次電池の電池用シート電
極の形態としては、いろいろ知られているが、例えば集
電体シートの両面に予め電極活物質を塗工し、しかる後
その集電体シート上に集電用タブやリード板等のリード
部材を接続するために、その電極シート面の電極活物質
を部分的に除去したものがよく採られている。

【０００４】例えば、特開平１−２５１５５５号公報に
開示されているものは、集電体シートの両面に積層した
電極活物質を、超音波ホーンを集電体シート表面に押し
つけて超音波振動により粉砕除去し、その露出部分にリ
ード板を溶接されたものである。

【０００５】また、特開平８−１６７４１０号公報に
は、集電体シートに塗着した電極活物質を部分的に除去
するのにマスクシートを当て、その開口部に水等の流体
を高圧で噴射して、その部分の電極活物質を粉砕除去
し、そこに集電タブやリード板等のリード部材を接続さ
れたものが開示されている。

【０００６】一方、電気自動車等の大型電池用のシート
電極は長さが５ｍ以上になり、集電用タブ等のリード部
材の接続本数が５０本以上にも及ぶ場合がある。そのた
め大型電池用シート電極においては、塗工後に集電用の
リード部材を接続するために電極活物質を除去したもの
ではなく、リード部材を溶接するためにシート電極の一
端に幅５〜１０ｍｍの集電体シートが露出した部分（未
塗工部分）を残したものを採用している。

【０００７】このような形態をとる電池用シート電極の
製造工程としては、まず図５（ａ）に示すように、所定
幅のストリップ状（帯板状）の金属材料による集電体シ
ート１０を順次繰り出しながら、その表面（実際には両
面）に、電極活物質を溶媒に溶かしたペーストを連続的
に塗工する。このとき集電体シート１０の幅方向の両端
縁には、後で切り落とす未塗工部３ａ、３ｂが設けられ
ているが、集電用タブ２を溶接する側の未塗工部３ａは
大きめの幅としている。

【０００８】そして電極活物質の塗工後に、一方の未塗
工部３ｂは切り落とし、他方の未塗工部３ａは集電用タ
ブの接続部分を残し切断する。図５において点線部は、
切断線を示している。切断後、この電極活物質が塗工さ
れた集電体シート１０を加圧プレスして、塗工部３ｃが
所定の厚さあるいは密度になるように加圧成形し、その
後に図５（ｂ）に示すように集電体シート１０の未塗工
部３ａ側端縁に集電用タブ２を接続するものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来から知られている電池用シート電極には、様々な
問題点がある。まず、特開平１−２５１５５５号公報に
開示されている超音波ホーンで電極活物質を粉砕除去し
て製造されたものでは、その製造工程において電極シー
ト面に超音波振動を与えたときに、電極活物質を除去す
るだけでなく、その電極シートにまでダメージをうけて
しまい、電極シートに亀裂を生じてしまうという問題点
がある。

【００１０】一方、特開平８−１６７４１０号公報に開
示された、流体を高圧で噴射し、電極活物質を粉砕除去
して製造されたものでは、その製造段階で電極シートに
うけるダメージは少なくなるものの、リード部材を溶接
する箇所の電極活物質が完全に除去されていないので、
溶接不良を起こしてしまうという問題点がある。特にサ
イクル特性の向上を図るために作製された電極では、電
極活物質の密着力が高いので、その影響は非常に大きな
ものとなって現れる。

【００１１】またこのシート電極を製造するためには、
目的箇所以外に流体が飛散するのを防がねばならず、そ
のための装置は大変複雑なものとなってしまう。また目
的箇所の近傍においては、流体が直接あたることがなく
ても、電極活物質の密着力が低下してしまうので、電極
特性が低下してしまうという問題がおこる。更に、流体
の噴射を終えた後に流体を乾燥させる必要があるので、
連続的にシートを供給することはできず、生産性という
点においても劣っていると言わざるを得ない。

【００１２】次に、集電体シート面にリード部材を溶接
するための未塗工部分を残しておく従来のシート電極で
は、特開平１−２５１５５５号公報や特開平８−１６７
４１０号公報の持つ問題点、つまり電極シートを破損さ
せてしまったり、溶接不良を起こしたり、連続作製がで
きない等の問題点はないものの、以下の理由から完全な
ものとは言えない。

【００１３】この従来の未塗工部分を残したシート電極
は、その未塗工部分のうち、電極反応にも寄与せず、か
つリード部材の溶接にも使用されていない部分が大きく
なっているので、電池性能が損なわれるという問題点が
ある。また、このシート電極では電極の一端のみで集電
を行っているので集電効率が悪く、電池の負荷特性・パ
ワー特性が低くなっている。

【００１４】更にこの電極は、塗工部分と未塗工部分の
厚さが異なるので、加圧プレスされたときに厚い塗工部
分のみが圧縮されてしまい、電極シートが大きく湾曲し
てしまう。湾曲してしまった電極シートを用いて電池を
作製すると、図５に示したような電極シートを渦巻き状
に配設する際の巻回工程で、電極シートに均一な張力を
かけられないことから、巻ずれや電極シートの破損を招
いてしまうという問題もあった。

【００１５】本発明が解決しようとする課題は、電池と
しての体積エネルギー密度、放電容量、並びにパワー密
度の向上が図れ、しかもロール状に巻回したときに均一
な張力が得られることで品質が安定した電池用シート電
極及びその製造方法を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明に係る電池用シート電極は、集電用金属シー
ト面の幅方向に集電用タブが接続され、かつ該集電用タ
ブの上から前記集電用金属シート面に電極活物質層が塗
工形成されていることを要旨とするものである。

【００１７】そしてまた、本発明に係る電池用シート電
極の製造方法は、集電用金属シート面に予め集電用タブ
を接続するタブ接続工程と、該タブ接続工程により集電
用タブが接合された集電用金属シート面に電極活物質を
塗工形成する電極活物質層塗工工程と、該電極活物質層
塗工工程により電極活物質層が塗工形成された集電用金
属シート面の未塗工端縁領域を切り落とす未塗工領域切
除工程とからなることを要旨とするものである。

【００１８】この場合に、集電用金属シートとしては、
アルミニウム、ニッケル、ステンレス等の導電性金属箔
が適用される。

【００１９】集電用タブは、通常金属箔の長手方向に１
本あるいは２本以上の複数本が所定間隔をおいて取り付
けられるが、特に電気自動車等に用いる大型電池では５
０本以上の多本数にも及ぶことがある。

【００２０】電極活物質としては、リチウム二次電池の
場合、正極にはコバルト酸リチウム、マンガン酸リチウ
ム等をカーボンブラック、グラファイ等の導電性物質及
びポリフッ化ビニリデン等のバインダ樹脂と配合したも
のが好適な物として用いられ、負極には負極活物質とし
てのメソカーボンマイクロビーズ等にバインダ樹脂を配
合したものが用いられる。

【００２１】また集電用タブの接合箇所は、集電用金属
シートの幅方向の片側端縁部に接続すればよいが、好ま
しくは集電用金属シートの幅方向の全幅にわたって接合
するとよい。そうすれば集電用タブと集電用金属シート
との接合面積の増大により集電効率が良くなり、負荷特
性やパワー密度が向上する。その接合方法としては、例
えば超音波溶接等が好適な接合方法として挙げられる。

【００２２】電極活物質層の塗工方法としては、はけ塗
り、ロールコーティング等が挙げられる。その際には、
集電体金属シートを一定方向に搬送しながら、連続的に
塗工を行うことによって、生産性を上げることができ
る。

【００２３】そして集電用金属シートの未塗工端縁領域
の切断を行う際には、集電用タブを残し、集電用金属シ
ートの未塗工部分のみを切り落とす。このとき集電用タ
ブが邪魔になる場合には、その集電用タブを折り曲げて
おくとよい。切断方法としてはスリッター等が用いられ
る。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る実施の形態を
図面を用いて詳細に説明する。初めに図１は本発明の一
実施例であるシート電極の平面図を示し、図２はその断
面図を示したものである。このシート電極３は集電用金
属シート１面の長手方向所定間隔をおいて短冊状の集電
用タブ２が溶接部２ａで超音波溶接により接続され、こ
の集電用タブ２の上から前記集電用金属シート１の全面
にわたって電極活物質層４が塗工形成されている。

【００２５】集電用金属シート１は、アルミニウム箔、
ニッケル箔、ステンレス箔等が用いられる。この実施例
では厚さ１５μｍのアルミニウム箔が用いられ、その幅
寸法は５０ｍｍとされている。

【００２６】また集電用タブ２は、厚さ３０μｍ、幅寸
法１０ｍｍのものが前記集電用金属シート１面のほぼ全
幅にわたって接続されている。さらに電極活物質として
は、この実施例ではマンガン酸リチウム、カーボンブラ
ック、ポリフッ化ビニリデンが重量比率で９０：５：５
で配合されたものを用いている。

【００２７】次に図３（ａ）〜（ｃ）にこの実施例のシ
ート電極の製造工程を示し、順に説明する。まず初めに
図３（ａ）の工程では、ロール状の集電用金属シート１
を巻解き、その集電用金属シート１の長手方向に所定の
間隔をおいて集電用タブが超音波溶接により接合され
る。この実施例では集電用金属シート１として厚さ１５
μｍ×幅寸法６０ｍｍのアルミニウム箔が用いられ、集
電用タブはその集電用金属シート１の長手方向１００ｍ
ｍの間隔をおいて接合されている。

【００２８】この場合に、この集電用タブ２の厚さは３
０μｍ、幅寸法１０ｍｍで、溶接部２ａの長さが４５ｍ
ｍになるように接合される。超音波溶接とは溶接接合部
に超音波ホーンを押しつけ、このホーンを横振動させる
ことによって、摩擦熱を発生させ溶接するものである。
本実施例で超音波溶接を用いたのは、溶接困難な金属の
接合にも利用でき、また微小構造や微細線の溶接に適し
ているからである。

【００２９】次に、タブ接続工程により集電用タブ２が
接合された集電用金属シート１面に電極活物質を塗工形
成する電極活物質層塗工工程を図３（ｂ）を用いて説明
する。まず、電極活物質を有機溶媒等に溶かしたペース
トを用意しておく。このペーストの組成物としては、正
極として用いる電極シートには正極活物質としてマンガ
ン酸リチウム、導電性物質としてカーボンブラック、バ
インダ樹脂としてポリフッ化ビニリデン、及び溶剤とし
てｎ−メチル−２−ピロリドンを用いている。

【００３０】そして、上述の集電用金属シート１の両端
縁に３ｍｍの幅を有する未塗工部分３ａを残すようにし
て、予め用意しておいた電極活物質を溶かしたペースト
を、塗工厚が７０μｍになるように塗着させ、塗工部分
３ｃを形成する。この塗工工程において、溶接工程で溶
接した集電用タブ２の厚さは、塗工厚より薄いので、電
極活物質を溶媒に溶かしたペーストを所定のクリアラン
スを通して集電用金属シート１上に連続塗工する方法を
用いた。この塗工工程を終了した段階で、それまであっ
た集電用タブ２と集電用金属シート１との間の段差はな
くなり、集電用タブ２が溶接された集電用金属シート１
は均一な厚さとなる。

【００３１】次に電極活物質層塗工工程により電極活物
質層が塗工形成された集電用金属シート１の未塗工端縁
領域を切り落とす未塗工領域切除工程を、図３（ｃ）を
用いて説明する。まず最初に、集電用タブ２が切り落と
されないようにするために集電用タブ２を溶接部分と非
溶接部分の境界線で折り曲げる。図３（ｃ）において点
線は、スリッターによる切断線を示しているが、本実施
例において、この切断線の具体的位置としては、集電用
金属シート１の両端縁を５ｍｍずつ切り落とされるよう
にした。本実施例の切断線は未塗工部分３ａが完全にな
くなるように選ばれている。そして、切断方法としては
所定の切断線に沿ってスリッターを用いて集電用金属シ
ートの両端の未塗工部分３ａを切り落とすというもので
ある。

【００３２】以上の工程を経ることで、図１に示すよう
な集電用金属シート１全面に電極活物質が塗工された幅
５０ｍｍのシート電極３が得られる。そして最後に、こ
のシート電極３を所定の厚さあるいは密度になるよう
に、一対の加圧ロールに加圧状態で通過させ、電極活物
質を集電用金属シート１に加圧プレスすることにより、
本実施例のシート電極が得られるものである。

【００３３】次に上記した実施例品について評価試験を
行った。具体的には、集電タブの溶接接合面積、電池缶
の長さ、体積エネルギー密度、放電容量及びパワー密度
を測定し、表１にまとめた。この実験に用いた電池缶
は、前述の図４に示した形態のもので、その非水系電解
液としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチレ
ンカーボネート （ＤＥＣ）の等容量混合溶媒にリンフ
ッ化リチウム （ＬｉＰＦ₆）の電解質を１ｍｏｌ／ｌの
割合で溶解したものを用いた。

【００３４】

【表１】

【００３５】上記電池缶の負極シートとしては、負極活
物質としてメソカーボンマイクロビーズ、及びバインダ
樹脂としてポリフッ化ビニリデンが重量比率９０：１０
で配合し、ｎ−メチル−２−ピロリドンに溶かした物を
用い、集電用金属シートには銅箔を用いた。

【００３６】比較品には、前述の従来技術として説明し
た図５により製造されたものを用いた。ちなみに、この
比較品は７０ｍｍ幅の集電用金属シートの両端１０ｍｍ
ずつを残して５０ｍｍ幅にわたって電極活物質を塗工
し、集電用タブが接合されない方の端縁は未塗工部分３
ｂを全部（１０ｍｍ幅）切り落とし、集電用タブが接合
される方の端縁は未塗工部分３ａを５ｍｍ幅だけ切り落
として、タブ接続用に５ｍｍ幅残したものである。そし
てこの５ｍｍ幅の未塗工部分に３０μｍ厚、１０ｍｍ幅
の集電用タブを金属シートの幅方向５ｍｍ長さにわたっ
て超音波により溶接したものである。また、この比較品
の断面図を図６に示した。

【００３７】実施例を比較例に対して評価する。まず溶
接接合部分について、実施例及び比較例とも、いったん
塗工した電極活物質を除去してタブを溶接したシート電
極において問題となっていた溶接の阻害となる残留物は
ないが、実施例のタブ接合面積４５０ｍｍ²は比較例の
タブ接合面積５０ｍｍ²に対して、その溶接接合面積が
９倍になっている。そのため長期間の使用に耐えうる一
層強固な溶接となり、高負荷（９Ｃ）での放電容量が２
０％、パワー密度が３０％それぞれ上昇し、電池の負荷
特性・パワー特性の向上の一端を担う溶接部が形成でき
ていることが分かる。

【００３８】次に電池缶の長さを比べてみる。本実施例
はそのシート電極に未塗工部分がないので、シート電極
の幅は５０ｍｍになっており、比較品は未塗工部分があ
るのでシート電極の幅は５５ｍｍになっている。そのた
め、本実施例の電池缶の長さ８５ｍｍは、比較例の電池
缶の長さ９５ｍｍに対して、１０ｍｍ短縮できた。ま
た、本実施例の電極シートは、比較例と等しい電極活物
質の塗工面積を有しつつ、そのシート幅が短くなってい
るので、その結果、電池の体積エネルギー密度は比較品
に対して１１％も上昇した。

【００３９】更に、加圧プレスを行った後について、比
較品は図６から分かるように塗工部と未塗工部の厚さの
均一が図れていないので、塗工部のみが圧縮され湾曲し
てしまう。それに対して実施例では図２から分かるよう
に、その厚さの均一が図れているので、全面を均一的に
圧縮することができ変形の少ないものとなることが確認
された。

【００４０】つまり、電池作製の後工程で巻回等を行う
際に変形の多い比較品を用いた場合は、シート電極にか
かる張力が不均一になってしまうことを避けられず、局
所的応力集中によるシート電極の破損や巻ずれが生じ、
電池作製の歩留まりが低下してしまうが、この変形の少
ない実施例を用いた場合には、巻回等で均一的に張力を
かけられるため、局所的な張力の集中による電極の破損
や巻きずれがなくなり、電池作製工程の効率が向上する
こととなる。

【００４１】本発明は、上記した実施例に何等限定され
るものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々
の改変が可能である。例えば、集電用金属シートとして
は、アルミニウムの他、ニッケル、ステンレス等の導電
性金属箔が挙げられる。

【００４２】また、電極活物質も各種のものが適用さ
れ、さらには集電タブの本数、接合間隔、集電用電極シ
ートの幅方向の接合の長さ等は任意に選択できる。そし
て、本発明の電池用シート電極はリチウム二次電池の正
極シートを主たる対象物として説明したが、これ以外に
も集電用タブシートが接合されるものであれば、その用
途が何等限定されるものではない。

【００４３】また製造方法においては、集電タブと集電
用電極シートの接合方法として超音波溶接に限らず、い
ろいろな接合方法が考えられる。電極活物質層の塗工方
法としては、はけ塗り、ロールコーティング等が挙げら
れ、その際には、集電体金属シートを一定方向に搬送し
ながら、連続的に塗工を行うことによって生産性を上げ
ることも考えられる。

【００４４】

【発明の効果】本発明に係る電池用シート電極は、集電
用金属シート面の幅方向に集電用タブが接続され、かつ
該集電用タブの上から前記集電用金属シート面に電極活
物質層が塗工形成された集電用金属シート面の未塗工端
縁領域を切り落とすことにより製造されるものであるか
ら、集電用タブと集電用金属シートとの接合面積を大き
く取れ、その結果高負荷での放電容量が高く、パワー密
度が高いものとなる。また集電用金属シート面から電極
活物質の未塗工部分を極力除去できるものであるから、
電池の体積エネルギー密度が向上し、電池缶の長さが小
さくでき、高性能・コンパクトな電池を提供できる。

【００４５】更に電極活物質の未塗工領域がほとんどな
いため、ロール状に巻回した際に電極シートの変形が回
避され、張力の均一化により電極の破損や巻ずれ等がな
くなる。よって、本発明に係る電池用シート電極は、極
めて優れた負荷特性およびパワー特性を有し、産業上有
益なものであるといえる。

【００４６】また、本発明に係る電池用シート電極の製
造方法によれば、集電用金属シート面に予め集電用タブ
を接続し、その集電用タブが接合された集電用金属シー
ト面に電極活物質を塗工形成した後、集電用金属シート
面の未塗工端縁領域を切り落とすことにより製造するも
のであるから、上述したように性能の良い電池用シート
電極が得られることはもとより、そのシート電極を効率
良く生産することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電池用シート電極の平面図であ
る。

【図２】本発明に係る電池用シート電極の断面図であ
る。

【図３】（ａ）は本発明に係る電池用シート電極の製造
方法のうちタブの溶接工程を示した図、（ｂ）は本発明
に係る電池用シート電極の製造方法のうち電極活物質の
塗工工程を示した図、（ｃ）は本発明に係る電池用シー
ト電極の製造方法のうち未塗工部分の切断工程を示した
図である。

【図４】従来一般に知られているリチウム二次電池の概
略構成を示した図である。

【図５】（ａ）は従来一般に知られている電池用シート
電極の製造方法における電極活物質の塗工工程および未
塗工部分の切断工程を示した図、（ｂ）は図５（ａ）に
示した製造方法におけるタブの溶接工程を示した図であ
る。

【図６】図５に示した製造方法により製造した電池用シ
ート電極の断面図である。

【符号の説明】

１ 集電用金属シート ２ 集電用タブ ２ａ 溶接部 ３ シート電極 ３ａ 未塗工部分 ３ｃ 塗工部分 ４ 電極活物質層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 集電用金属シート面の幅方向に集電用タ
   ブが接続され、かつ該集電用タブの上から前記集電用金
   属シート面に電極活物質層が塗工形成されていることを
   特徴とする電池用シート電極。
2. 【請求項２】 集電用金属シート面に予め集電用タブを
   接続するタブ接続工程と、該タブ接続工程により集電用
   タブが接合された集電用金属シート面に電極活物質を塗
   工形成する電極活物質層塗工工程と、該電極活物質層塗
   工工程により電極活物質層が塗工形成された集電用金属
   シート面の未塗工端縁領域を切り落とす未塗工領域切除
   工程とからなることを特徴とする電池用シート電極の製
   造方法。