JP7290102B2

JP7290102B2 - 二次電池

Info

Publication number: JP7290102B2
Application number: JP2019205713A
Authority: JP
Inventors: 慎吾山根; 文彦石黒
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-11-13
Filing date: 2019-11-13
Publication date: 2023-06-13
Anticipated expiration: 2039-11-13
Also published as: JP2021077597A

Description

本発明は、二次電池に関し、詳しくは、正負極を構成する電極体と対応する正負極いずれかの集電端子とが超音波溶接により接合された二次電池に関する。

リチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン二次電池、ニッケル水素電池等の二次電池
は、近年、パソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源用途のみならず、車両駆動用電源として好ましく用いられている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、電気自動車（ＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）等の車両の駆動用高出力電源として好ましく、今後も需要が拡大するものと期待されている。

この種の二次電池の一形態としては、シート状の正極（以下、「正極シート」という。）および負極（以下、「負極シート」という。）が、セパレータとして機能する材料（以下、「セパレータ材」という。）を介在させつつ相互に複数重なり合った正負極積層構造を有する電極体（以下、「積層構造電極体」という。）を備えるものが挙げられる。
そして、かかる積層構造電極体では、所定の一の幅方向において、該電極体の本体部分（即ち、正負極において、対応する極の活物質層が積層された部分をいう。）の一方の端部に、正極集電体の正極活物質層非形成部分（即ち、正極集電体露出部分）が積層方向に複数重なり合うようにして正極集電体積層部が構成されており、同様に、該本体部分の上記幅方向における他方の端部に、負極集電体の負極活物質層非形成部分（即ち、負極集電体露出部分）が積層方向に複数重なり合うようにして負極集電体積層部が構成されている。さらに、当該正負極集電体積層部に、それぞれ、対応する極の集電端子の一部を配置し、該集電体積層部と該集電端子とを超音波溶接等の溶接手段により接合することで正負極の集電構造がそれぞれ形成されている。例えば、特許文献１～３には、この種の集電構造を備えた二次電池や蓄電装置、ならびに、それらの製造方法について記載されている。

特開２０１４－２１２０１２号公報特開２０１４－２０３６５９号公報特開２０１９－１３９９５４号公報

ところで、集電体積層部と集電端子との超音波溶接においては、集電体積層部における集電端子接合予定部位に、対応する極の集電端子を配置し、振動体である複数の凸部を有するホーンとそれに協働するアンビルとを備えた超音波溶接装置を用いて、該接合予定部位が該ホーン側となるように該接合予定部位と当該部位に配置された集電端子とを該ホーンと該アンビルで挟み込み、当該ホーンから当該アンビル方向に押し込み荷重をかけながら溶接を行う。また、かかる溶接に際しては、集電端子の上記幅方向における中心とホーンの該幅方向における中心とを合わせて溶接することが一般的であるとされる。

しかしながら、例えば、二次電池の大容量化を想定して所定の体積の電池ケース内部空間に収容される電極体の本体部分の容積を目一杯増大させる場合、言い換えれば、集電箔積層部の遊びの部分が相対的に非常に小さくなる場合には、集電端子の上記幅方向の中心とホーンの該幅方向の中心とを合わせて溶接を行うと、該幅方向において該集電端子の電極体側の端部が障壁となることで積層された集電体のうち最外部にある集電体が不足し得るため、該ホーンの凸部の先端が該集電体を踏み外し、所望の溶接強度が得られなくなる虞があり、好ましくない。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、所定の体積の電池ケース内部空間において電極体の本体部分を大きくすることで相対的に遊びの部分が小さくなった集電体積層部においても、超音波溶接により集電端子との接合が安定的に実現された二次電池を提供することである。

上記目的を実現するべく、本発明は、正極シートと負極シートとがセパレータ材を介在させつつ相互に複数重なり合った積層構造を有する電極体と、該電極体に接合された正負極それぞれに対応する集電端子とを備える二次電池を提供する。ここで開示される二次電池においては、上記電極体における所定の一の幅方向の両端部のうちの一方の端部が、上記正極活物質層の形成されていない正極集電体露出部分が負極からはみ出た状態で積層された正極集電体積層部から構成されており、且つ、該両端部のうちの他方の端部は、上記負極活物質層の形成されていない負極集電体露出部分が正極からはみ出た状態で積層された負極集電体積層部から構成されており、上記正負極それぞれの集電体積層部のうち少なくとも一方の極の集電体積層部は、超音波溶接により対応する極側の集電端子と接合されており、上記超音波溶接により形成された溶接痕は、上記幅方向において、該集電端子の中心から上記電極体側にずれた位置に形成され、上記幅方向の長さをＬ１とし、該幅方向における該集電端子の上記電極体側の端部から上記溶接痕までの長さをＬ２としたとき、Ｌ２／Ｌ１＜０．１６の範囲を満たすことを特徴とする。

かかる構成の二次電池においては、集電体積層部における溶接痕が上記Ｌ２／Ｌ１＜０．１６の範囲に形成されるように、即ち、該溶接痕の上記幅方向における中心が集電端子の該幅方向における中心から電極体側にずれた位置に形成されるように、超音波溶接が施される。これにより、集電体積層部の遊びの部分が小さい場合においても、ホーンの凸部の先端が積層された集電体のうち最外部にある集電体を踏み外す可能性が低減され得るため、所望の溶接強度を得ることが可能になる。したがって、かかる二次電池においては、集電体積層部と集電端子との接合強度が十分に確保され得る。

一実施形態に係る二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。図１におけるＩＩ－ＩＩ線断面図である。捲回電極体の構成を模式的に示す斜視図である。本発明との比較例に相当する超音波溶接の態様を示す模式図である。図４に示す超音波溶接により形成される溶接痕を模式的に示す平面図である。一実施形態に係る超音波溶接の態様を示す模式図である。図６に示す超音波溶接により形成される溶接痕を模式的に示す平面図である。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。また、本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。

本発明に係る二次電池は、正極シート、負極シートおよびセパレータ材から構成される電極体と、該電極体（典型的には、後述する集電体積層部）に接合される集電端子とを備える構成の二次電池に好適に適応され得る。このような二次電池としては、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池等の蓄電池や、電気二重層キャパシタ等の蓄電池素子を包含する電池が挙げられる。

また、以下の実施形態においては、二次電池として捲回電極体を備えるリチウムイオン二次電池を例にして詳細に説明するが、本発明をかかる実施形態に限定することを意図したものではない。例えば、正極シートと負極シートとがセパレータ材を介在させつつ相互に複数重なり合った積層構造を有する積層構造電極体も好ましく適用される。また、正負極の電極活物質、電解質、電池ケース等の構成は特に限定されない。例えば、電池ケースは直方体状、扁平形状等の形状であり得、電解質の構成材料は、用途（典型的には車載等）により適切に変更することができる。
なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材または部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化することがある。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

図１は、本実施形態に係る角型形状のリチウムイオン二次電池の外形を模式的に示す斜視図であり、図２は、図１中のＩＩ－ＩＩ線断面図である。また、図３は、本実施形態に係る捲回電極体の構成を模式的に示す斜視図である。なお、これ以降に記載の「幅方向」とは、特に断りのない限り、捲回電極体の捲回軸方向Ｒを示すものとする。
図１および図２に示されるように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池１００は、直方体形状の角型の電池ケース１０と、該ケース１０の開口部１２を塞ぐ蓋体１４とを備える。また、電池ケース１０の内部には、上記開口部１２より収容された扁平形状の捲回電極体２０および電解質が配置されている。そして、上記蓋体１４には、外部接続用の外部正極端子３８と外部負極端子４８とが設けられており、外部端子３８、４８の一部はケース内部で正極集電端子３７または負極集電端子４７にそれぞれ接続されている。

次に、図２および図３を参照しながら、本実施形態に係る捲回電極体２０について説明する。図２に示されるように、捲回電極体２０は、長尺状の正極集電体３２の表面に正極活物質層３４を有する正極シート３０、長尺シート状のセパレータ材５０、長尺状の負極集電体４２の表面に負極活物質層４４を有する負極シート４０から構成される。そして、図３に示されるように、捲回軸方向Ｒの方向での断面視において、正極シート３０及び負極シート４０は２枚のセパレータ材５０を介して積層されており、正極シート３０、セパレータ材５０、負極シート４０、セパレータ材５０の順に積層されている。かかる積層物は、軸芯（図示しない）の周囲に筒状に捲回され、得られた捲回電極体２０を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって扁平形状に成形されている。

図３に示されるように、本実施形態に係る捲回電極体２０は、その捲回軸方向Ｒの中心部に、正極集電体３２の表面上に形成された正極活物質層３４と、負極集電体４２の表面上に形成された負極活物質層４４とが重なり合って密に積層された部分を有する。また、上記捲回軸方向Ｒの一方の端部においては、正極活物質層３４が形成されずに正極集電体３２が露出した部分（正極活物質層非形成部３６）がセパレータ材５０および負極シート４０（あるいは、正極活物質層３４と負極活物質４４との密な積層部分）からはみ出た状態で積層されている。即ち、上記電極体２０の端部には、正極活物質層非形成部３６が積層することで形成される正極集電体積層部３５が存在する。また、電極体２０の他方の端部も同様に、負極活物質層非形成部４６が積層することで形成される負極集電体積層部４５が存在する。なお、ここで開示される技術が好適に適用され得る対象となる電極体としては、厚みが９～１２ｍｍ、集電体露出部分を集める（束ねる）際に生じる電極体側の屈曲点から集電体の最端部までの幅方向の長さが１０～１２ｍｍであるものが好ましい。
なお、本実施形態におけるセパレータ材５０は、正極活物質層３４および負極活物質層４４の積層部分の幅よりも大きく、且つ、電極体２０の幅よりも小さい幅を備えることを特徴としている。また、上記セパレータ材５０は、正極集電体３２と負極集電体４２とが互いに接触して内部短絡が生じることがないように、正極活物質層３４および負極活物質層４４の積層部分に挟まれて配置されている。ただし、セパレータ材５０の幅は特に限定されるものではなく、該電極体２０と同じもしくはそれよりも大きくても良い。また、正極活物質層非形成部３６および負極活物質層非形成部４６からはみ出た状態でセパレータ材５０が配置された構成でもよい。

かかる捲回電極体２０を構成する材料及び部材自体は、従来のリチウムイオン二次電池に備えられる電極体と同様でよく、特に制限はない。
例えば、正極集電体３２としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材が好ましく用いられる。具体的には、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウムを主成分とする合金、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）等の金属からなる箔材（好ましくは、アルミニウム箔）が挙げられる。そして、本実施形態では、アルミニウム箔が用いられている。
また、正極活物質としては、従来のリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種又は二種以上を特に限定なく用いることができる。例えば、層状構造の酸化物系正極活物質や、スピネル構造の酸化物系正極活物質等が好ましく用いられる。具体的には、リチウムニッケル系複合酸化物、リチウムコバルト系複合酸化物、リチウムマンガン系複合酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物が挙げられる。なお、一般式がＬｉＭＰＯ_４（ＭはＣｏ、Ｎｉ、ＭｎおよびＦｅのうちの少なくとも一種以上の元素；例えばＬｉＦｅＰＯ_４、ＬｉＭｎＰＯ_４）で表記されるオリビン型のリチウム含有リン酸化合物でもよい。

負極集電体４２としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材が好ましく用いられる。具体的には、銅（Ｃｕ）等の金属からなる箔材（好ましくは、銅箔）が挙げられる。そして、本実施形態では、銅箔が用いられている。
また、負極活物質としては、従来のリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種又は二種以上を特に限定なく用いることができる。例えば、カーボン粒子が好ましく用いられる。さらに、少なくとも一部にグラファイト構造（層状構造）を含む粒子状の炭素材料（カーボン粒子）、いわゆる黒鉛質のもの（グラファイト）、難黒鉛化炭素質のもの（ハードカーボン）、易黒鉛化炭素質のもの（ソフトカーボン）、これらを組み合わせた構造を有するもののいずれの炭素材料も好ましく用いられ得る。

正極シート３０および負極シート４０間に使用される長尺シート状のセパレータ材５０としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン等の多孔質ポリオレフィン系樹脂を好ましく用いられる。なお、電解質として固体電解質もしくはゲル状電解質を使用する場合には、一般的に用いられている上記樹脂製のセパレータが不要な場合（即ち、この場合には電解質自体がセパレータとして働く）があり得る。

正極集電端子３７および負極集電端子４７の材質は従来の電池で使用されるものと同じであればよく、接合対象となる集電体３２、４２の材質と同じものを適宜使用することができる。例えば、正極集電体３２および正極集電端子３７の材質としてアルミニウムが、また、負極集電体４２および負極集電端子４７の材質として銅が、それぞれ好ましく用いられる。

次に、図２を参照しながら、本実施形態および本発明の比較例に相当する実施形態に係る捲回電極体２０における正極シート３０の端部の構成について説明する。図２に示されるように、上記捲回電極体２０の正極シート３０の端部は、正極集電体３２における正極活物層質層非形成部３６が積層することで形成された正極集電体積層部３５が露出した状態を構成している。そして、該正極集電体積層部３５の一部に正極集電端子３７が超音波溶接により接合されており、捲回電極体２０の正極シート３０と電気的に接続されている。超音波溶接の方法については後述するが、超音波溶接は、超音波溶接装置の振動体であるホーンとそれに協働するアンビルとで接合する部材を挟み込み、該ホーンおよび該アンビルに設けられた凸部を高加圧で接合部材に押し当てながら該ホーンの振動を与えることにより接合し得る溶接方法である。

なお、捲回電極体２０の負極側の接続構造は特に限定するものではないが、本実施形態および本発明の比較例に相当する実施形態に係る負極集電体４２および負極集電端子４７は、構成材料として銅が用いられているため、負極集電体積層部４５と負極集電端子４７との接合に際しては抵抗溶接が行われる。負極側に使用される銅は、アルミニウムの熱伝導率に比べて大きいため、抵抗溶接で接合することにより良好な接合状態が形成される。上記内容を踏まえ、これ以降に記載の本実施形態および本発明の比較例に相当する実施形態の説明においては、正極集電積層部と正極集電端子とを接合する場合について説明する。

続いて、本発明の比較例に相当する超音波溶接の様態について、図４および図５を参照しながら説明する。なお、ここでは、前述したとおり、正極集電積層部と正極集電端子とを接合する場合について説明する。
図４は、超音波溶接に際して正極集電体積層部６４と正極集電端子６２とを挟み込ませるようにして配置されるホーン６０およびアンビル６３を示す模式図である。図４に示されるように、超音波溶接により正極集電体積層部６４と正極集電端子６２とを接合する際には、正極集電体積層部６４の接合予定部位に正極集電端子６２を配置し、該接合予定部位が該ホーン６０側になるように該接合予定部位および当該部位に配置された集電端子部分とを該ホーン６０と該アンビル６３とで挟み込むことにより、溶接を行う。なお、超音波溶接においては一般的に、図４に示されるように、集電端子６２の幅方向における中心とホーン６０の該幅方向における中心とを合わせた状態で溶接が行われる。そして、図５は、図４に示される超音波溶接に際して形成される正極集電体積層部６４における溶接痕の位置を示す平面図である。正極集電端子７２の幅方向の中心とホーン６０の該幅方向の中心とを合わせた状態で溶接を行うため、幅方向において溶接痕７０の中心Ｍと正極集電端子７２の中心とが一致している。また、正極集電端子７２の幅方向の長さをＬ１、該幅方向における該集電端子７２の電極体側の端部から該溶接痕７０までの長さをＬ２とすると、Ｌ２／Ｌ１＝０．１６２（＞０．１６）となる。この場合、対応する図４に示されるように、積層された集電体のうち最外部にある集電体の幅方向の長さが、ホーンの凸部６１のうち電極体側から最も離れた凸部の先端に対して大きく不足する。

次に、本実施形態に係る超音波溶接の様態について、図６および図７を参照しながら説明する。なお、ここでは、前述したとおり、正極集電積層部と正極集電端子とを接合する場合について説明する。
図６は、超音波溶接に際して正極集電体積層部８４と正極集電端子８２とを挟み込ませるようにして配置されるホーン８０およびアンビル８３を示す模式図である。図６に示されるように、超音波溶接により正極集電体積層部８４と正極集電端子８２とを接合する際には、正極集電体積層部８４の接合予定部位に正極集電端子８２を配置し、該接合予定部位が該ホーン８０側になるように該接合予定部位および当該部位に配置された集電端子部分とを該ホーン８０と該アンビル８３とで挟み込むことにより、溶接を行う。なお、本実施形態においては、図６に示されるように、幅方向においてホーン８０の中心を集電端子８２の中心から電極体側にずらした位置に合わせた状態で溶接が行われる。ここで、ホーン８０の中心の位置を上記のとおりに調整する方法としては、集電端子８２の幅方向の長さを小さくする、あるいは、集電端子８２を幅方向において電極体側とは反対の方向に移動させる等が思料される。また、図７は、図６に示される超音波溶接に際して形成される正極集電体積層部８４における溶接痕の位置を示す平面図である。この場合、幅方向においてホーンの中心を集電端子の中心から電極体側にずらした位置に合わせた状態で溶接を行うため、溶接痕９０の中心Ｍが幅方向において電極体側にずれた位置に存在する。また、正極集電端子９２の幅方向の長さをＬ１、該幅方向における該集電端子９２の電極体側の端部から該溶接痕９０までの長さをＬ２とすると、Ｌ２／Ｌ１＝０.０９２（＜０．１６）となる。この場合、対応する図６に示されるように積層された集電体のうち最外部にある集電体の幅方向の長さは、ホーンの凸部８１のうち電極体側から最も離れた凸部の先端に対してほぼ一致する。即ち、本実施形態においては、図４に示される従来の超音波溶接と比較して、ホーンの凸部の先端に対する積層された集電体のうち最外部にある集電体の幅方向の長さの不足具合が大幅に緩和される。

したがって、上記内容を踏まえると、Ｌ２／Ｌ１の値を調整する（本発明では、Ｌ２／Ｌ１＜０．１６の範囲を満たすように調整する）ことにより、ホーンの凸部の先端に対する積層された集電体のうち最外部にある集電体の幅方向の長さの不足具合を緩和し得る。これにより、正極集電体積層部の遊びの部分が小さい場合においても、ホーン凸部の先端が集電体を踏み外すことで所望の溶接強度が得られなくなる可能性が低減され得るため、集電体積層部と集電端子との接合強度が十分に確保された二次電池を安定的に得ることができる。

なお、ここで開示される二次電池においては、所定の体積の電池ケース内部空間において電極体の本体部分を大きくすることで集電体積層部の大きさが相対的に小さくなる場合においても、超音波溶接により該種電体積層部と集電端子との接合が安定的に実現され得る。したがって、車両の駆動用高出力電源として使用される高容量な二次電池を好適に得ることができる。

１０電池ケース
１２開口部
１４蓋体
２０捲回電極体
３０正極シート
３２正極集電体
３４正極活物質層
３５, ６４, ８４正極集電体積層部
３６正極活物質層非形成部
３７, ６２, ７２, ８２, ９２正極集電端子
３８外部正極集電端子
４０負極シート
４２負極集電体
４４負極活物質層
４５負極集電体積層部
４６負極活物質層非形成部
４７負極集電端子
４８外部負極集電端子
５０セパレータ材
６０, ８０ホーン
６１, ８１ホーンの凸部
６３, ８３アンビル
７０, ９０溶接痕
１００リチウムイオン二次電池
Ｒ捲回軸方向

Claims

シート状の正極集電体の表面に正極活物質層が形成された正極と、シート状の負極集電体の表面に負極活物質層が形成された負極とが、セパレータとして機能する材料を介在させつつ相互に複数重なり合った積層構造を有する電極体と、
該電極体に接合された正負極それぞれに対応する集電端子と
を備える二次電池であって、
前記電極体における所定の一の幅方向の両端部のうちの一方の端部は、前記正極活物質層の形成されていない正極集電体露出部分が負極からはみ出た状態で積層された正極集電体積層部を構成しており、且つ、該両端部のうちの他方の端部は前記負極活物質層の形成されていない負極集電体露出部分が正極からはみ出た状態で積層された負極集電体積層部を構成しており、
前記正負極それぞれの集電体積層部のうち少なくとも一方の極の集電体積層部は、超音波溶接により対応する極側の前記集電端子と接合されており、
前記超音波溶接により形成された溶接痕は、前記幅方向において、該集電端子の中心から前記電極体側にずれた位置に形成され、かつ、
前記溶接痕は、前記一方の極の集電体積層部の、前記幅方向における前記一方の極の活物質層側の端部から他の端部に至るまでの間に存在しており、
前記集電端子の前記幅方向の長さをＬ１とし、該幅方向における該集電端子の前記電極体側の端部から前記溶接痕までの長さをＬ２としたとき、Ｌ２／Ｌ１＜０．１６の範囲を満たすことを特徴とする二次電池。