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JP6582489B2 - 角形二次電池及びそれを用いた組電池 - Google Patents

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Description

本発明は角形二次電池及びそれを用いた組電池に関する。
電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ、ＰＨＥＶ）等の駆動用電源において、アルカリ二次電池や非水電解質二次電池等の二次電池が使用されている。これらの用途では、高容量ないし高出力特性が要求されるので、多数の角形二次電池が直列ないし並列に接続された組電池として使用される。
これらの角形二次電池では、開口部を有する有底筒状の角形外装体と、その開口部を封口する封口板により電池ケースが形成される。電池ケース内には、正極板、負極板及びセパレータからなる電極体が電解液と共に収納される。封口板には正極端子及び負極端子が固定される。正極端子は正極集電体を介して正極板に電気的に接続され、負極端子は負極集電体を介して負極板に電気的に接続される。
正極板は、金属製の正極芯体と、正極芯体表面に形成された正極活物質層を含む。正極芯体の一部には正極活物質層が形成されない正極芯体露出部が形成される。そして、この正極芯体露出部に正極集電体が接続される。また、負極板は金属製の負極芯体と、負極芯体表面に形成された負極活物質層を含む。負極芯体の一部には負極活物質層が形成されない負極芯体露出部が形成される。そして、この負極芯体露出部に負極集電体が接続される。
例えば特許文献１においては、一方の端部に巻回された正極芯体露出部を有し、他方の端部に巻回された負極芯体露出部を有する巻回電極体を用いた角形二次電池が提案されている。また、特許文献２においては、一方の端部に正極芯体露出部及び負極芯体露出部が設けられた巻回電極体を用いた角形二次電池が提案されている。
特開２００９−０３２６４０号公報 特開２００８−２２６６２５号公報
車載用二次電池、特にＥＶやＰＨＥＶ等に用いられる二次電池に関しては、より体積エネルギー密度が高く電池容量の大きな二次電池の開発が求められる。上記特許文献１に開示されている角形二次電池の場合、電池ケース内には、巻回された正極芯体露出部及び巻回された負極芯体露出部が配置される左右のスペース、及び封口板と巻回電極体の間の上部のスペースが必要であり、二次電池の体積エネルギー密度を増加させることが困難である原因となっている。
これに対し、上記特許文献２に開示されている角形二次電池のように、一方の端部に正極芯体露出部及び負極芯体露出部が設けられた巻回電極体を用いること、体積エネルギー密度の高い角形二次電池が得られ易くなる。
しかしながら、上記特許文献２に開示されている角形二次電池では、特許文献１に開示されている角形二次電池よりも、集電部の構造が複雑になり易い。
本発明は、高い体積エネルギー密度を有する高容量の角形二次電池及びそれを用いた組電池を提供することを目的とする。
本発明の一つの形態に係る角形二次電池は、
正極板と負極板とをセパレータを介して巻回した扁平状の巻回電極体と、
開口部を有し、前記巻回電極体を収納する角形外装体と、
前記開口部を封口する封口板と、
前記正極板に電気的に接続され前記封口板に取り付けられた正極端子と、
前記正極板と前記正極端子を電気的に接続する正極集電体と、
前記負極板に電気的に接続され前記封口板に取り付けられた負極端子と、
前記負極板と前記負極端子を電気的に接続する負極集電体と、
を備えた角形二次電池であって、
前記巻回電極体は、前記巻回電極体の巻回軸が延びる方向における一方の端部に、正極タブ部及び負極タブ部を有し、
少なくとも２つの前記巻回電極体が、それぞれの前記巻回軸が前記封口板に対して垂直な方向に配置され、前記正極タブ部及び前記負極タブ部が前記封口板側に位置するように、前記角形外装体内に収納されている。
このような構成によると、巻回軸が延びる方向における一方端部側に正極タブ部及び負極タブ部が形成された扁平状の巻回電極体を用い、正極タブ部及び負極タブ部を封口板側に配置することにより、電池ケース内において発電に関与しないスペースを削減することができる。したがって、より体積エネルギー密度の高く電池容量の大きな角形二次電池が得られる。
更に、角形外装体に収納される扁平状の巻回電極体を、複数個とすることにより、正極タブ部と正極集電体との接続部及び負極タブ部と負極集電体の接続部をより簡単な構成とすることが可能となる。
なお、正極集電体と正極端子を一つの部品とすることも可能である。負極集電体と負極端子を一つの部品とすることも可能である。また、正極集電体と正極端子とが、他の導電部材を介して電気的に接続されていてもよい。負極集電体と正極端子とが、他の導電部材を介して電気的に接続されていてもよい。
前記角形外装体は、底部と、一対の大面積側壁と、一対の小面積側壁と、を有し、
前記小面積側壁の面積は前記大面積側壁の面積よりも小さく、
前記底部の面積は前記小面積側壁の面積よりも小さいことが好ましい。
このような構成によると、角形外装体と封口板により形成される電池ケースの６つの外面のうち、底部と封口板の面が他の４つの面よりも面積が小さくなる。よって、巻回電極体と封口板の間に形成され、正極タブ部、負極タブ部、正極電体及び負極集電体等が配置されるスペースを小さくすることが可能となる。したがって、より体積エネルギー密度の高い角形二次電池となる。
前記正極板は、正極芯体と、前記正極芯体上に形成された正極活物質層を有し、
前記正極芯体は前記正極活物質層が形成されていない正極芯体露出部を有し、
前記負極板は、負極芯体と、前記負極芯体上に形成された負極活物質層を有し、
前記負極芯体は前記負極活物質層が形成されていない負極芯体露出部を有し、
前記正極タブ部は前記正極芯体露出部であり、
前記負極タブ部は前記負極芯体露出部であることが好ましい。
正極タブ部は正極芯体から構成されることが好ましい。また、負タブ部は負芯体から構成されることが好ましい。なお、正極タブ部及び負極タブ部はそれぞれ、正極芯体ないし負極芯体に接続された芯体と別の部品とすることもできる。例えば、タブ部としてアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、ニッケル、あるいはニッケル合金等などからなる金属板を用いることが可能である。
前記正極タブ部は直線部と曲線部を有し、
前記負極タブ部は直線部と曲線部を有することが好ましい。
前記正極板の幅方向における一方の端部には、略同じ幅を有する前記正極タブ部が、略等間隔となるように形成されていることが好ましい。
なお、正極タブ部の幅とは、正極板を展開した状態において、正極板の長手方向に沿った正極タブ部の幅を意味する。また、正極タブ部間の間隔とは、正極板を展開した状態において、正極板の長手方向に沿った正極タブ部間の距離を意味する。略同じ幅とは、各正極タブ部の幅がプラスマイナス１０％の範囲内にあればよい。各正極タブ部の幅がプラスマイナス５％の範囲内にあることが好ましい。また、略等間隔とは、各正極タブ部間の間隔がプラスマイナス１０％の範囲内にあればよい。各正極タブ部間の間隔が各正極タブ部の幅がプラスマイナス５％の範囲内にあることが好ましい。
このような構成によると、正極板内での充放電反応がより均一となる。また、容易に正極板を作製することができる。
前記正極タブ部の幅は、前記巻回電極体の幅の１／４以上且つ１／２以下であることが好ましい。
ここで、巻回電極体の幅とは、巻回軸に対して垂直であり、且つ巻回電極体の厚み方向に対して垂直な方向の幅である。
前記正極タブ部はずれた状態で積層されることにより、各前記正極タブ部の端部により形成される正極段状部が形成され、
前記正極段状部に正極集電体が接続されていることが好ましい。
前記負極板の幅方向における一方の端部には、略同じ幅を有する前記負極タブ部が、略等間隔となるように形成されていることが好ましい。
なお、負極タブ部の幅とは、負極板を展開した状態において、負極板の長手方向に沿った負極タブ部の幅を意味する。また、負極タブ部間の間隔とは、負極板を展開した状態において、負極板の長手方向に沿った負極タブ部間の距離を意味する。略同じ幅とは、各負極タブ部の幅がプラスマイナス１０％の範囲内にあればよい。各負極タブ部の幅がプラスマイナス５％の範囲内にあることが好ましい。また、略等間隔とは、各負極タブ部間の間隔がプラスマイナス１０％の範囲内にあればよい。各負極タブ部間の間隔が各負極タブ部の幅がプラスマイナス５％の範囲内にあることが好ましい。
このような構成によると、負極板内での充放電反応がより均一となる。また、容易に負極板を作製することができる。
前記負極タブ部の幅は、前記巻回電極体の幅の１／４以上且つ１／２以下であることが
好ましい。
前記負極タブ部はずれた状態で積層されることにより、各前記負極タブ部の端部により形成される負極段状部が形成され、
前記負極段状部に負極集電体が接続されていることが好ましい。
本発明の一つの形態に係る組電池は、
複数の前記角形二次電池と、
一対のエンドプレートと、
前記一対のエンドプレートを連結するバインドバーと、を有し、
前記複数の角形二次電池は、前記一対のエンドプレートの間に、それぞれの大面積側壁が平行になる向きで積層され、
一方の側面に、各前記角形二次電池の前記正極端子及び前記負極端子が配置され、
他方の側面に、各前記角形二次電池の各前記角形外装体の底面が配置されている。
本発明によると、高い体積エネルギー密度を有する高容量の角形二次電池及びそれを用いた組電池を提供できる。
実施形態に係る角形二次電池の斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 図１のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 実施形態に係る正極板の平面図である。 実施形態に係る負極板の平面図である。 実施形態に係る巻回電極体を巻回軸が延びる方向に沿って見た図である。 集電体の斜視図である。 タブ部と集電体の接続工程を示す図である。 タブ部と集電体の接続部を示す図である。 参考例に係る角形二次電池に用いる巻回電極体の図である。 実施形態に係る角形二次電池に用いる巻回電極体の図である。 変形例の集電体の斜視図である。 変形例の集電体の斜視図である。 変形例の集電体の斜視図である。 変形例の集電体の斜視図である。 変形例の角形二次電池におけるタブ部と集電体の接続工程を示す図である。 変形例の角形二次電池におけるタブ部と集電体の接続工程を示す図である。 変形例に係る正極板及び負極板の平面図である。 変形例に係る巻回電極体を示す図である。 変形例に係る角形二次電池の電流遮断機構の断面図である。 電流遮断機構に用いる集電体の斜視図である。 実施の形態に係る組電池の斜視図である。
実施形態に係る角形二次電池２０の構成を以下に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されない。
図１〜５に示すように、角形二次電池２０は、開口部を有する角形外装体１と、当該開口部を封口する封口板２を備える。角形外装体１及び封口板２により電池ケースが構成される。角形外装体１及び封口板２は、それぞれ金属製であることが好ましく、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金製とすることができる。角形外装体１は、底部１ａ、一対の大面積側壁１ｂ及び一対の小面積側壁１ｃを有する。角形外装体１は、底部と対向する位置に開口部を有する角形の有底筒状の外装体である。角形外装体１内には、正極板と負極板とがセパレータ（いずれも図示省略）を介して巻回された扁平状の巻回電極体３が電解質と共に収容される。正極板は、金属製の正極芯体上に正極活物質を含む正極活物質層が形成されている。正極板の幅方向の端部には、正極芯体が露出する正極芯体露出部４ｂが形成されている。なお、正極芯体としてはアルミニウム箔又はアルミニウム合金箔を用いることが好ましい。負極板は、金属製の負極芯体上に負極活物質を含む負極活物質層が形成されている。負極板の幅方向の端部には、負極芯体が露出する負極芯体露出部５ｂが形成されている。なお、負極芯体としては銅箔又は銅合金箔を用いることが好ましい。角形二次電池２０では、正極芯体露出部４ｂが正極タブ部４ｃを構成し、負極芯体露出部５ｂが負極タブ部５ｃを構成している。
図２〜４に示すように、角形外装体１には、２つの扁平状の巻回電極体３が、その巻回軸が延びる方向が、封口板２に対して垂直になるように配置されている。そして、各巻回電極体３の正極芯体露出部４ｂ及び負極芯体露出部５ｂが封口板２側に位置している。また、各巻回電極体３の正極芯体露出部４ｂ同士が同じ側（図２において上側）に位置し、各巻回電極体３の負極芯体露出部同士５ｂが同じ側（図２において下側）に位置している。
巻回電極体３において巻回軸が延びる方向の一方端側には、積層された正極芯体露出部４ｂ及び積層された負極芯体露出部５ｂが設けられている。積層された正極芯体露出部４ｂに正極集電体６が溶接されて溶接部３０が形成されている。そして、この正極集電体６に正極端子７が電気的に接続されている。積層された負極芯体露出部５ｂに負極集電体８が溶接されて溶接部３０が形成されている。そして、この負極集電体８に負極端子９が電気的に接続されている。
正極端子７及び正極集電体６はそれぞれ絶縁部材１０、ガスケット１１を介して封口板２に固定される。負極端子９及び負極集電体８はそれぞれ絶縁部材１２、ガスケット１３を介して封口板２に固定される。ガスケット１１、１３は、封口板２と各端子７、９の間にそれぞれ配置されている。絶縁部材１０、１２は、封口板２と各集電体６、８の間にそれぞれ配置されている。なお、ガスケット及び絶縁部材はそれぞれ、絶縁性の樹脂部材からなることが好ましい。巻回電極体３は箱状に折り曲げられた絶縁シート１４に覆われた状態で角形外装体１内に収容される。絶縁シート１４は、巻回電極体３を覆い巻回電極体３と角形外装体１の間に配置されている。封口板２は角形外装体１の開口縁部にレーザ溶接等により溶接接続される。封口板２は電解液注液孔１５を有し、この電解液注液孔１５は注液後、封止栓１６により封止される。封口板２には電池内部の圧力が高くなった場合にガスを排出するためのガス排出弁１７が形成されている。
角形二次電池２０の大きさは、例えば、幅（封口板２に対して垂直な方向の長さ。図１において左右方向の長さ。）が１８ｃｍ、厚さ（図１において前後方向の長さ）が３ｃｍ、高さ（封口板２に対して平行で且つ角形二次電池２０の厚み方向に対して垂直な方向の長さ。図１において上下方向の長さ。）が９ｃｍとすることができる。
なお、本発明は、角形二次電池の高さに対する幅の割合が、２以上のときに特に効果的である。本発明は、角形二次電池の高さが１０ｃｍ以下であり、角形二次電池の幅が１７ｃｍ以上の場合特に有効である。また、本発明は、電池容量が３０Ａｈ以上の場合特に有
効である。なお、電池容量の値は、設計容量即ち電池の製造業者が規定する公称容量の値とすることができる。
次の角形二次電池２０の製造方法について説明する。
［正極板の作製］
正極活物質としてのコバルト酸リチウム、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、導電材としての炭素材料、及びＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を含む正極スラリーを作製する。この正極スラリーを、正極芯体である厚さ１５μｍの矩形状のアルミニウム箔の両面に塗布する。そして、これを乾燥させることにより、正極スラリー中のＮ−メチルピロリドンを取り除き、正極芯体上に正極活物質層を形成する。その後、正極活物質層を所定厚みになるように圧縮処理を行う。このようにして得られた正極板を、幅方向の一方の端部に所定幅の正極芯体露出部が、所定の間隔で形成されるように裁断する。
図６に示すように、このようにして得られた正極板４は、正極芯体上に正極活物質層４ａが形成されている。そして、幅方向の一方の端部に所定幅の正極芯体露出部４ｂが所定間隔をおいて形成されている。なお、この正極芯体露出部４ｂが正極タブ部４ｃを構成している。
ここで、各正極タブ部４ｃの幅Ｗ１はいずれも４０ｍｍとしている。また、各正極タブ部４ｃ間の間隔Ｗ２はいずれも１２０ｍｍとしている。なお、正極タブ部４ｃの幅Ｗ１とは、正極板の長手方向における幅である。
［負極板の作製］
負極活物質としての黒鉛、結着剤としてのスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、及び水を含む負極スラリーを作製する。この負極スラリーを、負極芯体である厚さ８μｍの矩形状の銅箔の両面に塗布する。そして、これを乾燥させることにより、負極スラリー中の水を取り除き、負芯体上に負極活物質層を形成する。その後、負極活物質層を所定厚みになるように圧縮処理を行う。このようにして得られた負極板を、幅方向の一方の端部に所定幅の負極芯体露出部が、所定の間隔で形成されるように裁断する。
図７に示すように、このようにして得られた負極板５は、負極芯体上に負極活物質層５ａが形成されている。そして、幅方向の一方の端部に所定幅の負極芯体露出部５ｂが所定間隔をおいて形成されている。なお、この負極芯体露出部５ｂが負極タブ部５ｃを構成している。なお、負極板５においては、幅方向の他方の端部にも負極芯体露出部５ｂが形成されている。
ここで、各負極タブ部５ｃの幅Ｗ３はいずれも４０ｍｍとしている。また、各負極タブ部５ｃ間の間隔Ｗ４はいずれも１２０ｍｍとしている。なお、負極タブ部の幅Ｗ３とは、負極板５の長手方向における幅である。
なお、正極タブ部４ｃの幅Ｗ１、正極タブ部４ｃ間の間隔Ｗ２、巻回電極体３の直線部の長さＬ、巻回電極体３の曲線部の半径Ｒの関係は、Ｗ１＋Ｗ２＞２Ｌとすることが好ましい。また、Ｗ１＋２πＲ＜Ｌとし、正極板の巻き始めの位置を０°としたとき、負極板の巻き始めの位置が１８０〜２７０°とすることが好ましい。
また、負極タブ部５ｃの幅Ｗ２、負極タブ部５ｃ間の間隔Ｗ４、巻回電極体３の直線部の長さＬ、巻回電極体３の曲線部の半径Ｒの関係は、Ｗ３＋Ｗ４＞２Ｌとすることが好ましい。
［巻回電極体］
上述の方法で得られた正極板４と負極板５を、正極タブ部４ｃと負極タブ部５ｃが重ならないようにずらして、ポリエチレン製の多孔質セパレータを間に介在させて積層、巻回し、プレスすることにより扁平状の巻回電極体３とする。
図８は巻回電極体３において正極タブ４ｃ及び負極タブ５ｃが形成される側の面を示す図である。図８に示すように、巻回電極体３において、巻回軸が延びる方向の一方の端部側に、正極タブ部４ｃと負極タブ部５ｃが配置される。そして、幅方向（巻回電極体３の巻回軸が延びる方向に対して垂直で、且つ巻回電極体３の厚み方向に対して垂直な方向）の一方側に正極タブ４ｃが積層され、他方側に負極タブ部５ｃが積層された状態となる。
正極タブ部４ｃ及び負極タブ部５ｃはそれぞれ巻回電極体３の直線部（平端部）に配置される直線部３１と、巻回電極体３の曲線部（湾曲部）に配置される曲線部３２を有する。また、各正極タブ部４ｃは巻き始めから巻き終りにかけて少しずつずれるようにして配置され、積層されている。また、各負極タブ部５ｃも巻き始めから巻き終りにかけて少しずつずれるようにして配置され、積層されている。そのため、積層された正極タブ部４ｃには、各正極タブ部４ｃの端部により形成される段状部３３が形成されている。また、積層された負極タブ部５ｃには、各負極タブ部５ｃの端部により形成される段状部３３が形成されている。
このようにして作製された巻回電極体３を２つ用意し、それぞれの正極タブ部４ｃと負極タブ部５ｃが同じ側に配置されるようにして、絶縁テープにより２つの巻回電極体３を一纏まりに固定する。なお、巻回電極体３は少なくとも２つ用いればよく、その数は特に限定されない。また、複数個の巻回電極体３は必ずしも固定する必要はないが、一纏まりに固定されることが好ましい。固定方法は特に限定されず、絶縁テープにより固定しても良いし、袋状ないし箱状に成形された絶縁シート内に配置することにより一纏まりにしてもよい。
［封口板、集電体及び端子の組み立て］
図１及び図２に示すように、封口板２の長手方向における一方端側において、封口板２の電池外部側にガスケット１１が、封口板２の電池内部側に絶縁部材１０が配置される。正極端子７はフランジ部７ａ及び挿入部７ｂを有する。正極端子７はガスケット１１上に配置され、正極集電体６は絶縁部材１０の下面上に配置される。ガスケット１１、封口板２、絶縁部材１０及び正極集電体６にはそれぞれ貫通穴が形成されており、これらの貫通穴に電池外部側から正極端子７を挿入し、正極端子７の先端を加締めることにより、正極端子７、ガスケット１１、封口板２、絶縁部材１０及び正極集電体６が一体的に固定される。なお、正極端子７において加締められた部分と正極集電体６をレーザ溶接等により溶接することが好ましい。
封口板２の長手方向における他方端側において、封口板２の電池外部側にガスケット１３が、封口板２の電池内部側に絶縁部材１２が配置される。負極端子９はフランジ部９ａ及び挿入部９ｂを有する。そして、負極端子９はガスケット１３上に配置され、負極集電体８は絶縁部材１２の下面上に配置されている。ガスケット１３、封口板２、絶縁部材１２及び負極集電体８にはそれぞれ貫通穴が形成されており、これらの貫通穴に電池外部側から負極端子９を挿入し、負極端子９の先端を加締めることにより、負極端子９、ガスケット１３、封口板２、絶縁部材１２及び負極集電体８が一体的に固定される。なお、負極端子９において加締められた部分と負極集電体８をレーザ溶接等により溶接することが好ましい。
図９に示す正極集電体６及び負極集電体８を用いる。正極集電体６を例に説明する。正極集電体６は、正極端子７が接続されるベース部６ａと、ベース部６ａの端部から巻回電極体３の方向に延びる接続部６ｂを有する。ベース部６ａには、貫通穴６ｃが形成されている。正極端子７がこの貫通穴６ｃに挿入され、正極端子７の先端部がベース部６ａ上に加締められることにより、正極端子７と正極集電体６が接続される。接続部６ｂは、ベース部６ａにおいて電池の厚み方向（図９中では手前側端部及び奥側端部）の両端部に設けられている。接続部６ｂには突起３４が形成されている。また、接続部６ｂにはスリット３５が形成されている。負極集電体８についても正極集電体６と同様の形状とすることができる。なお、正極集電体６及び負極集電体８は板状の金属部材を折り曲げ加工して形成することが好ましい。
［集電体と巻回電極体の接続］
図１０は、タブ部と集電体の接続工程を示す図であり、図２及び図３に対応する断面図である。図１０に示すように、一方面側と他方面側のそれぞれにおいて正極集電体６の接続部６ｂに形成された突起３４に積層された正極タブ部４ｃを配置する。そして、一対の抵抗溶接電極４０で、積層された正極タブ部４ｃ及び正極集電体６を挟み込んだ状態で、抵抗溶接電流を流し、抵抗溶接を行う。これにより、積層された正極タブ部４ｃと正極集電体６が溶接接続される。負極側についても同様の方法で負極タブ部５ｃと負極集電体８を溶接接続する。
図９に示した正極集電体６ないし負極集電体８を用いる場合、まず、図９の左側の手前及び奥側の突起３４が形成された部分について図１０に記載の方法で溶接接続を行う。その後、図９の右側の手前及び奥側の突起３４が形成された部分について図１０に記載の方法で溶接接続を行う。このとき、図９に示すように、接続部６ｂにはスリット３５が形成されているため、２箇所目の抵抗溶接の際に、既に抵抗溶接されている１箇所目の溶接部を経由する無効電流（抵抗溶接に関与しない電流）が生じることを抑制できる。なお、抵抗溶接の順番は、図９における左側、右側のいずれが先であってもよいし、同時に行ってもよい。負極側についても同様の方法とすることができる。
また、図１１に示すように、正極集電体６は正極タブ部４ｃの段状部３３に溶接接続することができる。これにより、巻回電極体３の最外周に位置する正極タブ部４ｃのみでなく、巻回電極体３の内周側に位置する正極タブ部４ｃを正極集電体６により強固に接続できる。また、巻回電極体３の最外周に位置する正極タブ部４ｃのみでなく、巻回電極体３の内周側に位置する正極タブ部４ｃが正極集電体６に近い位置で溶接される。したがって、より均質に集電をすることができる。負極側についても同様の方法とすることができる。
次に、正極集電体６及び負極集電体８に接続された巻回電極体３を、箱状に折り曲げられた絶縁シート１４内に配置した状態で、角形外装体１に挿入する。そして、封口板２と角形外装体１の接合部をレーザ溶接により溶接し、角形外装体１の開口部を封口する。その後、封口板２に設けられた電解液注液孔１５から非水電解液を注液し、封止栓１６により電解液注液孔１５を封止し、角形二次電池２０を作製する。
角形二次電池２０においては、巻回電極体３において、正極タブ部４ｃ及び負極タブ部５ｃがそれぞれ封口板２側に配置される構成となっている。したがって、角形外装体１内において、発電に関与しない部材が配置されるスペースを削減でき、体積エネルギー密度が高い角形二次電池となる。更に、角形二次電池２０では、角形外装体１及び封口板２により構成される電池ケースの６面のうち最も小さい面積の面に封口板２を配置している。即ち、封口板２及び角形外装体１の底部１ａの面積が、角形外装体１の４つの側壁（一対の大面積側壁１ｂ及び一対の小面積側壁１ｃ））よりも小さくなっている。これにより、
発電に関与しない部材が配置されるスペースを最小とすることができ、より体積エネルギー密度の高い電池となる。
更に、角形二次電池２０では、角形外装体１に収納される電極体を複数の扁平状の巻回電極体３としている。
大容量（例えば、電池容量が３０Ａｈ以上）の角形二次電池を作製するとき、角形外装体１に収納される電極体が一つの巻回電極体である場合、巻回電極体は図１２に示すように巻回数が大きく厚みの大きな巻回電極体となる。このような巻回電極体では、各正極タブ部４ｃ同士、及び各負極タブ部５ｃ同士の位置合わせが難しく、また、各正極タブ部４ｃ及び各負極タブ部５ｃの幅を大きくすることも困難である。また、正極タブ部４ｃと負極タブ部５ｃが接触し易くなる虞がある。また、正極タブ部４ｃと正極集電体６の接続、負極タブ部５ｃと負極集電体８の接続が困難となる。
これに対し、角形外装体１に収納される電極体を複数の扁平状の巻回電極体３とすることにより、各正極タブ部４ｃ同士、各負極タブ部５ｃ同士の位置あわせが行い易くなる。また、各正極タブ部４ｃ及び各負極タブ部５ｃの幅を大きくしても、正極タブ部４ｃと負極タブ部５ｃの接触を容易に防止できる（図１３参照）。よって、角形二次電池２０のように、角形外装体１に収納される電極体を複数個に分割することにより、正極タブ部４ｃと負極タブ部５ｃの接触を防止しながらも、正極タブ部４ｃ及び負極タブ部５ｃの幅を大きくすることにより集電効率が向上し、更に、振動等により正極タブ部４ｃないし負極タブ部５ｃが損傷・破損することを防止できる。よって、集電効率に優れ且つ信頼性の高い角形二次電池が得られる。
＜変形例１＞
図１４に変形例１に係る集電体を示す。正極集電体６（負極集電体８）において、接続部６ｂ（８ｂ）に設けられた突起３４は、横方向に延びる線状の突起とすることができる。このような構成であると、溶接の際に突起３４に対する抵抗溶接電極４０の位置ずれを許容することが可能となる。したがって、より生産性と溶接品質に優れた集電構造となる。
＜変形例２＞
図１５に変形例２に係る集電体を示す。正極集電体６（負極集電体８）において、溶接部が形成される部分が手前側及び奥側にそれぞれ一箇所となるようにすることもできる。また、突起３４を点状（正方形、円形、半球状 等）とすることもできる。また、ベース部６ａ（８ａ）が、角形二次電池２０の厚み方向の幅が大きい幅広部６ａ１（８ａ１）と、角形二次電池２０の厚み方向の幅が幅広部６ａ１（８ａ１）よりも小さい幅狭部６ａ２（８ａ２）を有する。そして、正極端子７（負極端子９）は、幅広部６ａ１（８ａ１）に接続されている。また、接続部６ｂ（８ｂ）は幅狭部６ａ２（８ａ２）の端部に形成されている。このような構成であると、ベース部６ａ（８ａ）において、正極端子７（負極端子９）が接続される部分を広くすることができるため、ベース部６ａ（８ａ）に正極端子７（負極端子９）を接続する際の作業性が向上する。また、ベース部６ａ（８ａ）において、一対の接続部６ｂ（８ｂ）が両端に形成された領域を小さくできるため、抵抗溶接の際、一対の抵抗溶接電極で正極集電体６（負極集電体８）を挟み込んだときに、ベース部６ａ（８ａ）が変形することを抑制できる。
＜変形例３＞
図１６に変形例３に係る集電体を示す。このように、幅広部６ａ１（８ａ１）の両側に幅狭部６ａ２（８ａ２）を設けることができる。また、一方の幅狭部６ａ２（８ａ２）の両端にそれぞれ接続部６ｂ（８ｂ）を設け、他方の幅狭部６ａ２（８ａ２）の両端にそれ
ぞれ接続部６ｂ（８ｂ）を設けることができる。
＜変形例４＞
図１７に変形例４に係る集電体を示す。正極端子７（負極端子９）がベース部６ａ（８ａ）に予め溶接等により接続されていてもよい。このような集電体を用いる場合、正極端子７（負極端子９）を電池内部側から封口板２の貫通穴に挿入し、電池外部側に配置された外部導電部材上に正極端子７（負極端子９）をカシメ固定するようにする。
＜変形例５＞
図１８に変形例５に係る角形二次電池における正極集電体６と正極タブ部４ｃの接続工程を示す。図１８に示すように、積層された正極タブ部４ｃにおいて、正極集電体６の接続部６ｂが配置される側とは反対側の外面に集電体受け部品４１を配置することができる。集電体受け部品４１は、正極タブ部４ｃに沿って配置される第１領域４１ａと、この第１領域４１ａにおいて巻回電極体３側の端部に形成された折り曲げ部４１ｂを有する。折り曲げ部４１ｂが形成されていると、抵抗溶接時にスパッタが生じたとしても、スパッタが巻回電極体３の発電部（正極板４と負極板５が積層された部分）側に飛散し、発電部が損傷することを防止できる。
＜変形例６＞
図１９に変形例６に係る角形二次電池における正極集電体６と正極タブ部４ｃの接続工程を示す。正極集電体６において一方側の接続部６ｂと他方側の接続部６ｂの間に、スペーサ４２を配置することができる。これにより、一対の抵抗溶接電極４０で、積層された正極タブ部４ｃ及び正極集電体６の接続部６ｂを挟み込んだ際、正極集電体６が変形することを抑制できる。なお、スペーサ４２は金属部材ないし樹脂部材とすることができる。スペーサ４２は絶縁性の樹脂部材とすることが好ましい。また、スペーサ４２は板状、ブロック状、柱状とすることができる。
上述の実施形態及び変形例に記載の内容は、正極側及び負極側のいずれにも適用できる。
上述の実施形態及び変形例では、正極タブ部と正極集電体の接続、負極タブ部と負極集電体の接続を抵抗溶接により行う例を示したが、他の方法により行うことも可能である。例えば、抵抗溶接の代わりに超音波溶接やレーザ等の高エネルギー線による溶接等を用いることができる。
＜変形例７＞
変形例に係る巻回電極体として以下の構成が考えられる。図２０は正極板５４（負極板５５）の平面図である。正極板５４（負極板５５）は正極芯体（負極芯体）上の正極活物質層５４ａ(５５ａ)が形成されている。長手方向の両端には正極芯体露出部５４ｂ（負極芯体露出部５５ｂ）が形成されている。そして、正極芯体露出部５４ｂ（負極芯体露出部５５ｂ）にはそれぞれに正極タブ５６（負極タブ５７）が溶接等により接続されている。正極タブ５６（負極タブ５７）は、正極芯体（負極芯体）よりも厚みの厚い金属板であることが好ましい。
このような正極板５４及び負極板５５をセパレータを介して巻回し、扁平状の巻回軸方向の一方の端部から正極タブ５６及び負極タブ５７がそれぞれ突出した扁平状の巻回電極体６０とする（図２１）。そして、このような扁平状の巻回電極体６０を複数個用いて、角形二次電池を作製することができる。例えば、扁平状の巻回電極体６０を図２１の向きで、複数個積層して用いる。なお、このような場合、扁平状の巻回電極体６０を４つ以上用いることが好ましい。このような扁平状の巻回電極体６０を４つ以上用いることにより
、集電性の低下を抑制しながらも、体積エネルギー密度の高い角形二次電池とすることができる。
なお、正極タブ５６及び負極タブ５７の幅Ｘ２及びＸ３はそれぞれ、扁平状の巻回電極体６０の幅Ｘ１に対して１／４以上とすることが好ましい。これにより、内部抵抗を低減できるとともに、耐振動性の向上した角形二次電池とすることができる。また、耐振動性がより向上した角形二次電池とするためには、図２０に示すように、正極タブ５６（負極タブ５７）が正極板５４（負極板５５）の幅方向において、一方の端部Ｅ１から中央線Ｃを越えて他方の端部Ｅ２側までは配置されていることが好ましい。これにより巻回電極体６０が各正極タブ５６及び各負極タブ５７を介して封口板にしっかりと接続される。
＜電流遮断機構＞
正極板と正極端子の間の導電経路、及び負極板と負極端子の間の導電経路のいずれかに、電池内圧の上昇に伴い作動し、正極板と正極端子の間の導電経路又は負極板と負極端子の間の導電経路を切断し電流を遮断する電流遮断機構を設けることができる。この場合、ガス排出弁の作動圧は、電流遮断機構の作動圧よりも大きい値とすることが好ましい。
電流遮断機構としては、電池内圧の上昇に伴い変形する変形板と、変形板の変形に伴い破断する破断部を含む構成とすることが好ましい。そして、この破断部は正極集電体に形成することが好ましい。この場合、例えば、正極集電体を図１５に記載の正極集電体６とすることができる。正極集電体６において、貫通穴６ｃの周囲に破断部として薄肉部やノッチ部を形成する。正極集電体６のベース部６ａの上方に変形板を配置する。そして、貫通穴６ｃの周囲を変形板の下面にレーザ溶接等により溶接接続する。これにより、変形板が電池内圧の上昇に伴い上方へ変形したとき、ベース部６ａに設けた薄肉部ないしノッチ部が破断し、導電経路が切断される。このような場合、正極タブ部４ｃと正極集電体６の接続は抵抗溶接により行うことが好ましい。これにより、正極タブ部４ｃと正極集電体６を超音波溶接する場合と比較し、振動等が破断部に悪影響を与えることを抑制できる。また、正極タブ部４ｃと正極集電体６をレーザ溶接する場合と比較し、スパッタ等が破断部に悪影響を与えることを抑制できる。また、幅広部６ａ１（８ａ１）が形成されていることにより、破断部が容易に形成できる。また、変形板とベース部６ａの間に絶縁部材を配置し、この絶縁部材とベース部６ａを固定する場合、幅広部６ａ１（８ａ１）において容易に固定することができる。その方法としては、例えば、幅広部６ａ１（８ａ１）に貫通穴や切欠き部を設け、絶縁部材に形成された突起を貫通穴や切欠き部に嵌合することが考えられる。また、ベース部において接続部６ｂが形成される部分が幅狭部６ａ２となっており、正極タブ部４ｃを接続部６ｂに接続する際、ベース部６ａの変形が抑制されるため、破断部が損傷することを抑制できる。
図２２に電流遮断機構を備えた角形二次電池の断面図を示す。なお、この断面図は、図２の正極端子周辺の拡大図に対応する。絶縁部材１０の下面に筒状部を有するカップ状の導電部材６０が配置される。導電部材６０は絶縁部材１０側に貫通穴を有し、この貫通穴に正極端子７が挿入され正極端子７と接続されている。導電部材６０は電池内部側に開口する。そしてこの開口を塞ぐように変形板６１が配置されている。変形板６１の周縁が導電部材６０に溶接接続され、開口が変形板６１により封止されている。変形板６１の電池内部側の面には正極集電体６が接続されている。正極集電体６は貫通穴６３を有し、この貫通穴６３の縁部が変形板６１と溶接接続されている。そして、この溶接接続された部分の周囲には薄肉部６４が形成されている。また、薄肉部６４には環状の溝部６５が形成されている。電池内部の圧力が上昇すると、変形板６１の中央部が封口板２側に浮き上がるように変形する。これに伴い、変形板６１と正極集電体６の接続部が封口板２側に引っ張られ、環状の溝部６５が破断する。これにより、正極板と正極端子７の導電経路が切断され、充電電流が遮断される。これにより過充電の更なる進行を防止できる。
なお、変形板６１と正極集電体６の間には樹脂製の絶縁板６２が配置されている。絶縁板６２は絶縁板１０とラッチ固定されている（図示省略）。絶縁板６２は固定用突起部６７を有し、この突起部６７が正極集電体６に形成された固定用貫通穴６６に挿入され、先端部が拡径されている。これにより、絶縁板６２と正極集電体６のベース部６ａが接続固定されている。
図２３は、電流遮断機構に用いられる正極集電体６の斜視図である。なお、図２２は図２３のＺ−Ｚ線に沿った断面図に対応する。正極集電体６はベース部６ａと、ベース部６ａから電極体に向かって延びる接続部６ｂを有する。ベース部６ａは、角形二次電池の厚み方向（封口板の短辺方向）の幅が大きい幅広部６ａ１と、角形二次電池の厚み方向の幅が幅広部６ａ１よりも小さい幅狭部６ａ２を有する。そして、幅広部６ａ１において、ベース部６ａは変形板６１と接続されている。また、幅広部６ａ１において、ベース部６ａは絶縁板６２と固定されている。接続部６ｂは幅狭部６ａ２に設けられている。
このような電流遮断機構であると、正極集電体６の接続部６ｂに正極タブ部４ｃを溶接接続する際に、ベース部６ａに設けられた脆弱部（破断予定部）や変形板６１とベース部６ａの接続部に悪影響が及ぶことを抑制できる。例えば、接続部６ｂと正極タブ部４ｃの溶接時に発生するスパッタが脆弱部や接続部に飛散することを抑制できる。あるいは、接続部６ｂと正極タブ部４ｃを溶接する際の応力により、ベース部６ａにおいて脆弱部や接続部の周辺が変形することが抑制される。なお、幅広部６ａ１の幅Ｗ１と幅狭部６ａ２の幅Ｗ２の関係はＷ１／Ｗ２≧３／２以上とすることが好ましい。
なお、このような構成の電流遮断機構は、角形外装体に収納される電極体が一つの巻回電極体である場合も効果的である。また、このような構成の電流遮断機構は、角形外装体に収納される電極体が積層型電極体の場合でも効果的である。
角形二次電池２０を複数個用いた組電池としては、以下の構成とすることができる。
図２４に示すように、組電池５０では、一対のエンドプレート５１の間に複数個の角形二次電池２０が、それぞれの大面積側壁が平行になる向きで積層される。一対のエンドプレート５１はバインドバー５２により連結されている。なお、エンドプレートとバスバーはボルトやリベット等と用いて、あるいは溶接等により接続される。各角形二次電池２０の間には絶縁性のセパレータ５３が配置されている、セパレータ５３は樹脂製であることが好ましい。そして、組電池５０において、一方の側面（図２４では手前側の側面）に、各角形二次電池２０の正極端子７及び負極端子９が配置されるようにする。隣接する角形二次電池２０同士の端子間はバスバー５４により接続されている。そして他方の側面（図２４では奥側の側面）に、各角形二次電池２０の底部が配置されるようにする。そして、組電池５０の上面と下面に、各角形二次電池２０の小面積側壁が配置されるようにする。このような構成とすることにより、高さが低く、且つ体積エネルギー密度の非常に高い組電池となる。そして、このような組電池５０を、図２４に記載の向きで車両に登載することにより、車内の居住性が大幅に改善された車両となる。
なお、組電池５０の底面には、内部に冷却媒体が流れる冷却板５５が配置されており、この冷却板により各角形二次電池２０が冷却されるようにすることが好ましい。なお、冷却媒体は、気体であってもよいし、液体であってもよい。
１・・・角形外装体 １ａ・・・底部 １ｂ・・・大面積側壁 １ｃ・・・小面積側壁
２・・・封口板
３・・・巻回電極体
４・・・正極板
４ａ・・・正極活物質層 ４ｂ・・・正極芯体露出部 ４ｃ・・・正極タブ部
５・・・負板
５ａ・・・負極活物質層 ５ｂ・・・負極芯体露出部 ５ｃ・・・負極タブ部
６・・・正極集電体
６ａ・・・ベース部 ６ｂ・・・接続部 ６ｃ・・・貫通穴
７・・・正極端子
７ａ・・・フランジ部 ７ｂ・・・挿入部
８・・・負極集電体
８ａ・・・ベース部 ８ｂ・・・接続部 ８ｃ・・・貫通穴
９・・・負極端子
９ａ・・・フランジ部 ９ｂ・・・挿入部
１０、１２・・・絶縁部材
１１、１３・・・ガスケット
１４・・・絶縁シート
１５・・・電解液注液孔
１６・・・封止栓
１７・・・ガス排出弁
２０・・・角形二次電池
３０・・・溶接部
３１・・・直線部
３２・・・曲線部
３３・・・段状部
３４・・・突起
３５・・・スリット
４０・・・抵抗溶接電極
４１・・・集電体受け部品
４２・・・スペーサ
５０・・・組電池
５１・・・エンドプレート
５２・・・バインドバー
５３・・・セパレータ
５４・・・バスバー
５５・・・冷却板
６０・・・導電部材
６１・・・変形板
６２・・・絶縁板
６３・・・貫通穴
６４・・・薄肉部
６５・・・溝部
６６・・・固定用貫通穴
６７・・・固定用突起

Claims (17)

  1. 正極板と負極板とをセパレータを介して巻回した扁平状の巻回電極体と、
    開口部を有し、前記巻回電極体を収納する角形外装体と、
    前記開口部を封口する封口板と、
    前記正極板に電気的に接続され前記封口板に取り付けられた正極端子と、
    前記正極板と前記正極端子を電気的に接続する正極集電体と、
    前記負極板に電気的に接続され前記封口板に取り付けられた負極端子と、
    前記負極板と前記負極端子を電気的に接続する負極集電体と、
    を備えた角形二次電池であって、
    前記巻回電極体は、前記巻回電極体の巻回軸が延びる方向における一方の端部に、正極タブ部及び負極タブ部を有し、
    少なくとも２つの前記巻回電極体が、それぞれの前記巻回軸が前記封口板に対して垂直な方向に配置され、前記正極タブ部及び前記負極タブ部が前記封口板側に位置するように、前記角形外装体内に収納され、
    前記巻回電極体ごとに前記正極板がそれぞれ独立しており、
    前記巻回電極体ごとに前記負極板がそれぞれ独立しており、
    前記正極タブ部は前記正極集電体に接続され、
    前記負極端子は前記封口板に設けられた貫通孔を貫通し、
    前記負極集電体は前記負極端子と溶接接続され、
    前記負極タブ部は前記負極集電体に接続された角形二次電池。
  2. 前記角形外装体内に収納される前記巻回電極体が２つである請求項１に記載の二次電池。
  3. ２つの前記巻回電極体のうちの一方の前記巻回電極体に設けられた複数の前記負極タブ部が束ねられた状態で前記負極集電体に接続され、
    ２つの前記巻回電極体のうちの他方の前記巻回電極体に設けられた複数の前記負極タブ部が束ねられた状態で前記負極集電体に接続された請求項２に記載の二次電池。
  4. 前記角形外装体は、底部と、一対の大面積側壁と、一対の小面積側壁と、を有し、
    前記小面積側壁の面積は前記大面積側壁の面積よりも小さく、
    前記底部の面積は前記小面積側壁の面積よりも小さい請求項１〜３のいずれかに記載の角形二次電池。
  5. 前記正極板は、正極芯体と、前記正極芯体上に形成された正極活物質層を有し、
    前記正極芯体は前記正極活物質層が形成されていない正極芯体露出部を有し、
    前記負極板は、負極芯体と、前記負極芯体上に形成された負極活物質層を有し、
    前記負極芯体は前記負極活物質層が形成されていない負極芯体露出部を有し、
    前記正極タブ部は前記正極芯体露出部であり、
    前記負極タブ部は前記負極芯体露出部である請求項１〜４のいずれかに記載の角形二次電池。
  6. 前記巻回軸が延びる方向に沿って見たとき、
    前記正極タブ部は、前記巻回電極体の直線部に配置される直線部と、前記巻回電極体の曲線部に配置される曲線部を有し、
    前記負極タブ部は、前記巻回電極体の直線部に配置される直線部と、前記巻回電極体の曲線部に配置される曲線部を有する請求項１〜５のいずれかに記載の角形二次電池。
  7. 前記正極板の幅方向における一方の端部には、略同じ幅を有する前記正極タブ部が、略等間隔となるように形成されている請求項１〜６のいずれかに記載の角形二次電池。
  8. 前記正極タブ部の幅は、前記巻回電極体の幅の１／４以上且つ１／２以下である請求項１〜７のいずれかに記載の角形二次電池。
  9. 前記正極タブ部はずれた状態で積層されることにより、各前記正極タブ部の端部により形成される正極段状部が形成され、
    前記正極段状部に正極集電体が接続された請求項１〜８のいずれかに記載の角形二次電池。
  10. 前記負極板の幅方向における一方の端部には、略同じ幅を有する前記負極タブ部が、略等間隔となるように形成されている請求項１〜９のいずれかに記載の角形二次電池。
  11. 前記負極タブ部の幅は、前記巻回電極体の幅の１／４以上且つ１／２以下である請求項１〜１０のいずれかに記載の角形二次電池。
  12. 前記負極タブ部はずれた状態で積層されることにより、各前記負極タブ部の端部により形成される負極段状部が形成され、
    前記負極段状部に負極集電体が接続された請求項１〜１１のいずれかに記載の角形二次電池。
  13. 前記巻回軸が延びる方向に沿って見たとき、
    前記巻回電極体において前記正極タブ部が設けられた位置は、前記巻回電極体の厚み方向に対して垂直であり前記巻回軸を通る面に対して、一方側と他方側で非対称であり、
    前記巻回電極体において前記負極タブ部が設けられた位置は、前記巻回電極体の厚み方向に対して垂直であり前記巻回軸を通る面に対して、一方側と他方側で非対称である、
    請求項１〜１２のいずれかに記載の二次電池。
  14. 前記正極タブ部が、前記正極集電体と集電体受け部品とで挟み込まれた請求項１〜１３のいずれかに記載の二次電池。
  15. 前記集電体受け部品の端部には折り曲げ部が形成された請求項１４に記載の二次電池。
  16. 前記負極集電体は、ベース部と、前記ベース部の端部から折り曲げられた接続部とを有し、
    前記ベース部に前記負極端子が溶接接続され、
    前記接続部に前記負極タブ部が接続された請求項１〜１５のいずれかに記載の二次電池。
  17. 請求項１〜１６のいずれかに記載の角形二次電池を複数備えた組電池であって、
    一対のエンドプレートと、
    前記一対のエンドプレートを連結するバインドバーと、を有し、
    複数の前記角形二次電池は、前記一対のエンドプレートの間に、それぞれの大面積側壁が平行になる向きで積層され、
    一方の側面に、各前記角形二次電池の前記正極端子及び前記負極端子が配置され、
    他方の側面に、各前記角形二次電池の各前記角形外装体の底部が配置されている組電池。
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