特許 5692592 電気化学装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5692592

(24)【登録日】2015年2月13日

(45)【発行日】2015年4月1日

(54)【発明の名称】電気化学装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 2/26 20060101AFI20150312BHJP

【ＦＩ】

   H01M2/26 A

【請求項の数】1

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2011-105506(P2011-105506)

(22)【出願日】2011年5月10日

(65)【公開番号】特開2012-238428(P2012-238428A)

(43)【公開日】2012年12月6日

【審査請求日】2014年4月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】507151526

【氏名又は名称】株式会社ＧＳユアサ

(74)【代理人】

【識別番号】110001036

【氏名又は名称】特許業務法人暁合同特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】坂東 寿則

(72)【発明者】

【氏名】大谷 佳克

(72)【発明者】

【氏名】十河 保宏

(72)【発明者】

【氏名】岡部 一弥

【審査官】 山下 裕久

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０８−１２４５４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３４６７７０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ２／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属箔表面の一部に活物質層が形成された極板を備え、前記極板の活物質層が形成されていない未形成部が積層するように発電要素が形成された電気化学装置であって、
前記未形成部の金属箔には、開口径が０．３ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の複数の貫通孔が１５％〜５０％の開口率で設けられており、前記貫通孔が設けられた未形成部の積層部分と集電接続体とが抵抗溶接されていることを特徴とする電気化学装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気化学装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電池、電気二重層キャパシタ等の電気化学装置では、金属箔表面の一部に活物質層が形成された電極が用いられる。一般的に、電極には活物質層が形成されていない部分、つまり、金属箔が露出した部分が設けられ、この活物質層が形成されていない部分と外部端子に接続された集電端子とが接続されることで、電極と外部端子とが電気的に接続されている。

【0003】

特許文献１に、発電要素の両端部に集電接続体が接続された非水電解質二次電池が開示されている。この非水電解質二次電池では、帯状の電極が長円筒形状に巻回されて発電要素が形成され、この発電要素が電気容器の内部に収容されている。帯状の電極の長辺側縁部は活物質層が形成されていないため、電極を巻回して発電要素を形成することで、発電要素の両端部には活物質層が形成されていない金属箔の積層部分が形成される。一方、外部端子と接続された集電接続体は、発電要素の両端部にそれぞれ配されている。そして、断面視略Ｕ字状の挟持板によって集電接続体と金属箔の積層部分とが挟持されて溶接されることで集電接続体と電極とが接続され、外部端子と電極とが電気的に接続される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００９−１０５０７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、金属箔の積層部と集電接続体とを接合するために抵抗溶接すると、溶接電流は金属箔の積層部および集電接続体厚み方向に流れる。一般に、抵抗溶接による接合を適切に行うためには、接合面が溶解する程度のジュール熱を発生させる必要がある。しかしながら、抵抗値が小さい金属箔を用いた場合、ジュール熱の発生が小さくなり、接合が不十分になるという問題があった。

【0006】

本発明は、上記の課題に鑑みて創作されたものである。本発明は、電極と集電接続体との抵抗溶接を適切に行うことができる電気化学装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の電気化学装置は、金属箔表面の一部に活物質層が形成された極板を備え、前記極板の活物質層が形成されていない未形成部が積層するように発電要素が形成された電気化学装置であって、前記未形成部の金属箔には、開口径が０．３ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の複数の貫通孔が１５％〜５０％の開口率で設けられており、前記貫通孔が設けられた未形成部の積層部分と集電接続体とが抵抗溶接されていることを特徴とする。

【0008】

活物質層が形成されていない未形成部の積層部分が、貫通孔が設けられた金属箔が積層して形成されていることにより、未形成部の積層部分の内部に貫通孔が含まれることになる。未形成部の積層部分と集電接合体とを抵抗溶接で接合する際に、溶接電流は貫通孔を避けて積層部分の積層方向に流れることから、未形成部の積層部分の実質的な抵抗値は高くなる。貫通孔を設けて未形成部の積層部分の積層方向の抵抗値を高くすることで、抵抗溶接の際にジュール熱を発生させて、未形成部の積層部分と集電接続体とを適切に接合することができる。

【発明の効果】

【0009】

本明細書で開示される技術によれば、未形成部の積層部分の抵抗値を高くすることができるから、抵抗溶接による電極と集電接続体との接合を適切に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係る非水電解質二次電池ＲＢの分解斜視図を示す。

【図2】発電要素１を展開した分解斜視図を示す。

【図3】正極１４の一部を拡大した平面図を示す。

【図4】正極１４の未塗布部１４ａに対して接続板部２ｂと挟持板４とを抵抗溶接するときの溶接箇所近傍の拡大断面図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図面を参照して実施形態１を説明する。図１は、実施形態１に係る非水電解質二次電池ＲＢの発電要素１と端子３との接続構造を表す分解斜視図を示している。また、図２は、発電要素１を展開した分解斜視図を示している。この非水電解質二次電池ＲＢは、図１に示すように、２個の長円筒形をなす発電要素１，１を並べて並列接続したものである。各発電要素１，１は、長円筒形の平坦な側面同士が直立して重なり合うように縦置きに並べられる。そして、これら２個の発電要素１，１は、図示しない角形の電池容器に収納され、この電池容器の上端開口部が蓋部（図示せず）によって塞がれる。このとき、端子３，３の上端部は、絶縁封止材を介してこの蓋板を貫通し外部に突出するようになっている。そして、この電池容器と蓋板とからなる電池外装体の内部に電解液が充填されることにより、非水電解質二次電池ＲＢとなる。

【0012】

各発電要素１，１は、正極１４と負極１６とセパレータ１８とを渦巻き状に巻回して構成され、図２に示すように、巻き解いた状態ではそれぞれ長尺な帯状をなしている。正極１４は、集電用の金属箔として例えば厚さ２０μｍのアルミニウム箔を使用しており、その長辺側の一方の側縁部が、正極活物質層１５が形成されない未形成部１４ａとされてアルミニウム箔が露出しており、その他の部分が、正極活物質層１５が形成された形成部１４ｂとされている。正極活物質層１５の主成分は正極活物質であり、それ以外に結着剤および導電助剤などが含まれる。正極活物質、結着剤および導電助剤を含むスラリーをアルミニウム箔の表面に塗布もしくは噴霧した後に乾燥させることで正極活物質層１５がアルミニウム箔の表面に形成される。

【0013】

負極１６は、集電用の金属箔として例えば厚さ１０μｍの銅箔を使用しており、その長辺側の一方（前記正極１４の未形成部１４ａとは反対側）の側縁部が、負極活物質層１７が形成されない未形成部１６ａとされ、その他の部分が、負極活物質層１７が形成された形成部１６ｂとされている。負極活物質層１７の主成分は負極活物質であり、それ以外に結着剤、必要に応じて導電助剤などが含まれる。負極活物質および結着剤を含むスラリーを銅箔の表面に塗布もしくは噴霧した後に乾燥させることで負極活物質層１７が銅箔の表面に形成される。

【0014】

そして、税曲１４の未形成部１４ａと負極１６の未形成部１６ａとが互いに反対方向を向くようにして、間にセパレータ１８を挟んで正極１４と負極１６を重ね合わせた後、長円筒形状に巻回されることで、正極１４及び負極１６がセパレータ１８を挟んで多数層の積層状態となった発電要素１とされる。

【0015】

なお、２個の発電要素１，１の両端部には、それぞれ集電接続板２，２が配される構成となっている。集電接続板２，２は、それぞれ大きな電流容量が得られるように十分な厚さの金属板が使用され、発電要素１の一方の端部である正極１４側に配されるものはアルミニウム合金板からなっており、他方の端部である負極１６側に配されるものは銅板合金板からなっている。

【0016】

各集電接続板２，２は、略台形状の水平に配された本体部２ａと、この本体部２ａの台形状の底辺部から下方に向けて櫛歯状に延出された４本の細長い接続板部２ｂと、からなっている。各発電要素１の端面から突出する正極１４や負極１６の金属箔の積層部分は、長円筒形状に巻回された状態で、その湾曲部の間の直線部で垂直となって重なり合った部分が、巻回軸を中心にして左右に二等分されている。そして、対となる２本の接続板部２ｂは、これら左右に分かれた金属箔の積層部分の外側にそれぞれ配され、これら金属箔の積層部分を接続板部２ｂと共に挟持板４によって挟持して溶接することでこれら接続板部２ｂと正極１４や負極１６の金属箔とが電気的に接続される。

【0017】

さて、本実施形態では、前述した正極１４及び負極１６を構成するアルミニウム箔及び銅箔に多数の貫通孔を形成してあり、これらについて詳しく説明する。図３は、正極１４の一部を拡大した平面図である。正極１４及び負極１６には、図２及び図３に示すように、その未形成部１４ａ、１６ａの全域に、多数の貫通孔２４、２６が形成されている。一方、正極１４及び負極１６の塗布部１４ｂ、１６ｂには、貫通孔は形成されていない。未形成部１４ａ、１６ａに形成された貫通孔２４、２６は、具体的には、その開口径が０．３ｍｍ以上１．３ｍｍ以下の範囲が好ましく、アルミニウム箔の単位面積に対して貫通孔２４による開口面積が占める割合（開口率）は、未形成部２４ａにおいては２８％〜５０％の範囲が好ましい。

【0018】

なお、図３では正極１４の一部のみ図示しているが、負極１６についても、その未形成部１６ａと形成部１６ｂとの間における貫通孔２６の開口率、開口径の関係については、正極１４の構成と同様である。また、アルミニウム箔及び銅箔に上記の貫通孔を形成するには、例えば金属箔をロールトゥロール方式により一方のロールから他方のロールへと巻き取りながら、ロール間において金属箔の表面をピンやパンチ等で穿孔する方法が利用できる。

【0019】

続いて、発電要素３の製造工程において、正極１４の未形成部１４ａに対して接続板部２ｂと挟持板４とを抵抗溶接するときの、電流が流れる態様について説明する。ここで、図４に、正極１４の未形成部１４ａに対して接続板部２ｂと挟持板４とを抵抗溶接するときの溶接箇所近傍の拡大断面図を示す。

【0020】

前述のように対となる２本の接続板部２ｂを、左右に分かれたアルミニウム箔の積層部分の外側にそれぞれ配し、これらアルミニウム箔の重なりを接続板部２ｂと共に挟持板４によって挟持させると、図４に示すように、接続板部２ｂの内側の面２ｂ１に一方の最外部に配されたアルミニウム箔１４ｃの片面が密着し、接続板部２ｂの外側の面２ｂ２に挟持板４の内側の面の一部４ａが密着し、さらに、挟持板４の内側の面の他の一部４ｂに他方の最外部に配されたアルミニウム箔の片面１４ｄが密着した状態となる。この状態で、挟持板４の挟持方向に沿って挟持板４の外面に対して二方向から一対の電極３０ａ、３０ｂを当て、両電極３０ａ、３０ｂの間に電流を流す。このとき、溶接電流は、挟持板４に挟持された正極１４の未形成部１４ａのうち、貫通孔２４を避けて流れることとなる。このため、挟持板４に挟持された正極１４の未形成部２４ａを溶接電流が直線状に流れる場合、即ち、当該未形成部２４ａに貫通孔が形成されていない場合よりも抵抗値が高くなる。アルミニウム箔の積層部の抵抗値が高くなることによって接合に必要なジュール熱が発生し、アルミニウム箔の積層部分と接続板部との間、積層されたアルミニウム箔同士の間の接合を適切に行うことができる

【0021】

なお、正極１４及び負極１６の未塗布部１４ａ、１６ａでは、正極１４及び負極１６が巻回されて積層された状態で、図４に示すように、貫通孔２４同士が正極１４の積層方向（図４の上下方向）に完全に一致した状態では重畳しないものとなっている（図４では正極１４のみ図示しているが、負極１６の抵抗溶接時においても同様である）。このため、正極１４及び負極１６の未形成部１４ａ、１６ａをその積層方向に流れる溶接電流は、蛇行状に流れる構成となっている。

【0022】

以上のように本実施形態に係る非水電解質二次電池ＲＢでは、アルミニウム箔及び銅箔の未形成部１４ａ、１６ａのうち接続板部２ｂが抵抗溶接される積層部分に対応する領域に貫通孔２４、２６を形成してあるので、そのアルミニウム箔及び銅箔を含む正極１４及び負極１６を積層状態にしたときに、アルミニウム箔及び銅箔の積層部分の内部に貫通孔２４、２６が含まれることになる。未形成部１４ａ、１６ａの積層部分と接続板部２ｂとを抵抗溶接で接合する際に、溶接電流は貫通孔２４、２６を避けて積層部分の積層方向に流れることから、未形成部１４ａ、１６ａの積層部分の実質的な抵抗値は高くなる。貫通孔２４、２６を設けて未形成部１４ａ、１６ａの積層部分と集電接続体とを適切に接合することができる。特に、抵抗値の低い金属箔、例えば、アルミニウム箔（アルミニウム合金含む）や銅箔（銅合金含む）を用いた場合に、本発明の技術を採用することにより接合を適切に行うことができる。

【0023】

また、本実施形態に係る非水電解質二次電池ＲＢでは、正極１４及び負極１６において正極活物質層１５又は負極活物質層１７の形成部２４ｂ、２６ｂに貫通孔が設けられていないので、形成部２４ｂ、２６ｂに貫通孔が設けられている場合よりも形成部２４ｂ、２６ｂにおいて正極活物質層１５又は負極活物質層１７の形成を安定的に行うことができる。

【0024】

上記の実施形態の変形例（他の実施形態）を以下に列挙する。
（１）上記の実施形態では、発電要素が長円筒形に巻回された非水電解質二次電池を例示したが、これに限定されない。例えば、発電要素が円形に巻回された非水電解質二次電池であってもよいし、多数枚の正極及び負極がセパレータを挟んで交互に積層されることで発電要素が構成された積層型の非水電解質二次電池であってもよい。

【0025】

（２）上記の各実施形態では、非水電解質二次電池を例示したが、これに限定されない。例えば、他の電池であってもよいし、例えばリチウムイオンキャパシタのような電気化学現象を伴うキャパシタであってもよい。

【0026】

（３）また、金属箔の未形成部の開口率は正極と負極とで必ずしも同一とする必要はなく、各金属箔の厚さや強度等を考慮して、貫通孔の配置、形状、大きさ等を適宜変更することができる。

【0027】

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

【実施例】

【0028】

（ａ）貫通孔が形成されたアルミニウム箔の作製
厚み２０μｍのアルミニウム箔にロール方式で貫通孔を形成した。ロール方式とはロールの表面にパンチングのピンを配置して、ロールを回転させながら箔を送り込むことで箔に貫通孔を形成させる方法である。パンチングのピン径またはピンの配置数が異なるロールを用いることで、貫通孔の径および開口率の異なる実施例１〜７のアルミニウム箔を作製した。実施例１〜７および比較例１の貫通孔の径（ｍｍ）、開口率（％）および溶接強度（ｋｇｆ）を表１に示す。実施例４〜実施例７は貫通孔の径が異なるが、ピンの配置数を調整することで同一の開口率とした。

【0029】

（ｂ）溶接強度の評価
貫通孔が形成されたアルミニウム箔を一辺が３０ｍｍの正方形に切断し、その正方形のアルミニウム箔を７枚積層した積層体を作製した。この積層体の両面にアルミニウムのリード（幅６ｍｍ、厚み０．１ｍｍ）を配置させた。両面に配置されたアルミニウムのりーどの中央部に抵抗溶接の電極を当接して、アルミニウム箔の積層体およびアルミニウムのリードを抵抗溶接（スポット溶接）した。

【0030】

中央部が抵抗溶接されたアルミニウムのリードの両端部を立ち上げて、両端部を重ねた状態で引張試験機（島津製作所オートグラフAGX-10）のチャックに固定した。アルミニウム箔の積層体の両面に接合されたアルミニウムのリードをチャックに固定した状態で反対側に引っ張り、アルミニウム箔の積層体とアルミニウムのリードとの間が破断したときの強度を測定した。破断したときの強度を溶接強度として表１に示す。

【0031】

【表1】

【0032】

貫通孔が形成されていない比較例１では、アルミニウム箔の積層体とアルミニウムのリードとを接合することができなかった。一方、貫通孔が形成された実施例１〜７では、アルミニウム箔の積層体とアルミニウムのリードとを接合することができた。特に、開口率が２８％以上の実施例２〜７では１．０ｋｇｆより大きい溶接強度を示し、接合に十分な溶接強度を得ることができた。

【0033】

（ｃ）貫通孔が形成された銅箔の作製および溶接強度の評価
厚み１５μｍの銅箔にロール方式で貫通孔を形成した。貫通孔の径、開口率および溶接強度を表２に示す。溶接強度の評価方法は上記のアルミニウム箔の溶接強度の評価方法と同じである。貫通孔が形成されていない比較例２では抵抗溶接で銅箔どうしを接合することはできなかった。一方、貫通孔が形成された実施例８〜１２では銅箔どうしの接合が可能であり、十分な接合強度を得ることができた。アルミニウム箔および銅箔ともに開口率を高くすることによって溶接強度が強くなる傾向にあった。

【0034】

【表2】

【符号の説明】

【0035】

１…発電要素
２…集電接続板
２ａ…本体部
２ｂ…接続板部
３…端子
４…挟持板
１４…正極
１５…正極活物質層
１６…負極
１７…負極活物質層
１８…セパレータ
１４…正極
１４ａ、１６ａ…未形成部
１４ｂ、１６ｂ…形成部
２４、２６…貫通孔
３０ａ、３０ｂ…電極
ＲＢ…非水電解質二次電池

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】