特許 7245811 電池およびその製造方法

(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】

(24)【登録日】2023-03-15

(45)【発行日】2023-03-24

(54)【発明の名称】電池およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/533 20210101AFI20230316BHJP

   H01M 50/536 20210101ALI20230316BHJP

【ＦＩ】

H01M50/533

H01M50/536

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2020185730

(22)【出願日】2020-11-06

(65)【公開番号】P2022075142

(43)【公開日】2022-05-18

【審査請求日】2021-12-01

(73)【特許権者】

【識別番号】520184767

【氏名又は名称】プライムプラネットエナジー＆ソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】今堀 利生

(72)【発明者】

【氏名】梅村 幸司

(72)【発明者】

【氏名】谷本 晃一

【審査官】松嶋 秀忠

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－２１３９４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１７８２３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２１３３６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１８１６３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ５０／５０－５９８

Ｈ０１Ｍ １０／０４－３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電極芯体と、前記電極芯体上に形成された電極活物質層とを有する電極板を含む電極体を備え、
前記電極芯体が積層されて積層部が形成され、
前記積層部は、互いに対向する第１の外面および第２の外面を有し、
前記積層部の前記第１の外面は板状の集電体に接続され、
前記積層部の前記第２の外面には第１凹凸領域が形成され、
前記積層部とは反対側に位置する前記集電体の外面には第２凹凸領域が形成され、前記第２凹凸領域の幅は前記第１凹凸領域の幅の１．３倍以上２．０倍以下であり、
前記積層部と前記集電体とが接続される部分に湾曲部が形成され、
前記集電体の幅方向の両端が前記積層部に近づく方向に前記積層部および前記集電体が湾曲し、
前記積層部および前記集電体の湾曲量は０．２ｍｍ以上である、電池。

【請求項2】

前記集電体の前記第２凹凸領域は、第１領域と、前記第１領域とは異なる第２領域とを含み、
前記第１領域と前記第２領域とで前記第２凹凸領域の凹凸パターンが互いに異なる形状を有する、請求項１に記載の電池。

【請求項3】

前記集電体の幅方向において、前記第１領域は前記第２凹凸領域の中央部に位置し、前記第２領域は前記第１領域の両側に位置し、
前記第１領域における前記第２凹凸領域の凹部の深さは、前記第２領域における前記第２凹凸領域の凹部の深さよりも深い、請求項２に記載の電池。

【請求項4】

前記集電体の幅方向において、前記第２凹凸領域の中心は前記集電体の中心からずれた位置に形成されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電池。

【請求項5】

前記集電体の幅方向において、前記第２凹凸領域は前記集電体の端部に達するように形成されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電池。

【請求項6】

前記第２凹凸領域の凹部の最大深さは０．２ｍｍ以上である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電池。

【請求項7】

前記積層部および前記集電体の湾曲量は、前記集電体の幅の３％以上である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電池。

【請求項8】

電極芯体と、前記電極芯体上に形成された電極活物質層とを有する電極板を含む電極体を準備する工程と、
前記電極芯体を積層し、互いに対向する第１の外面および第２の外面を有する積層部を形成する工程と、
前記積層部の前記第１の外面と集電体とを超音波接合する工程とを備え、
前記超音波接合する工程は、第１の幅を有するホーンを前記積層部側に配置するとともに、前記第１の幅の１．３倍以上２．０倍以下の第２の幅を有するアンビルを前記集電体側に配置することと、前記ホーンを前記アンビルに向けて押圧することにより、前記積層部と前記集電体とを湾曲させることとを含み、
前記集電体の幅方向の両端が前記積層部に近づく方向に前記積層部および前記集電体を湾曲させ、
前記積層部および前記集電体の湾曲量は０．２ｍｍ以上である、電池の製造方法。

【請求項9】

前記集電体は、第１領域と、前記第１領域とは異なる第２領域とを含み、
前記第１領域と前記第２領域とで前記超音波接合する工程における前記アンビルの表面の凹凸への食い込み量が互いに異なる、請求項８に記載の電池の製造方法。

【請求項10】

前記集電体の幅方向中央部は、前記超音波接合する工程において、前記集電体の幅方向端部よりも前記アンビルの表面の凹凸に深く食い込む、請求項９に記載の電池の製造方法。

【請求項11】

前記超音波接合する工程において、前記アンビルは前記集電体の幅方向の中心からずれた位置に設けられる、請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の電池の製造方法。

【請求項12】

前記超音波接合する工程において、前記アンビルは前記集電体の幅方向の端部に達するように設けられる、請求項８から請求項１１のいずれか１項に記載の電池の製造方法。

【請求項13】

前記アンビルの凹部の深さは０．２ｍｍ以上である、請求項８から請求項１２のいずれか１項に記載の電池の製造方法。

【請求項14】

前記アンビルの凹部の深さは、前記集電体の幅の３％以上である、請求項８から請求項１３のいずれか１項に記載の電池の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本技術は、電池およびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

角形二次電池において、金属箔の積層部からなる電極体の未塗工部と集電体とを溶接接合することが従来から行われている。このような構成は、たとえば特開２０１６－１４３６１８号公報（特許文献１）に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－１４３６１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

集電体が曲げ変形した場合に、電極体と集電体との接合部において剥離が生じ得る。この剥離を抑制するために、簡易な構造で積層部および集電体の曲げ変形が生じにくい構造とすることが求められる。従来の構造は、このような観点から必ずしも十分なものであるとはいえない。

【0005】

本技術の目的は、電極体と集電体との接合部における剥離を抑制し得る電池およびその製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本技術に係る電池は、電極芯体と、電極芯体上に形成された電極活物質層とを有する電極板を含む電極体を備える。電極芯体が積層されて積層部が形成される。積層部は、互いに対向する第１の外面および第２の外面を有する。積層部の第１の外面は板状の集電体に接続される。積層部の第２の外面には第１凹凸領域が形成される。積層部とは反対側に位置する集電体の外面には第２凹凸領域が形成される。第２凹凸領域の幅は第１凹凸領域の幅の１．３倍以上２．０倍以下である。積層部と集電体とが接続される部分に湾曲部が形成されている。

【0007】

本技術に係る電池の製造方法は、電極芯体と、電極芯体上に形成された電極活物質層とを有する電極板を含む電極体を準備する工程と、記電極芯体を積層し、互いに対向する第１の外面および第２の外面を有する積層部を形成する工程と、積層部の第１の外面と集電体とを超音波接合する工程とを備える。超音波接合する工程は、第１の幅を有するホーンを積層部側に配置するとともに、第１の幅の１．３倍以上２．０倍以下の第２の幅を有するアンビルを集電体側に配置することと、ホーンをアンビルに向けて押圧することにより、積層部と集電体とを湾曲させることとを含む。

【発明の効果】

【0008】

本技術によれば、電極体と集電体との接合部における剥離を抑制し得る電池およびその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】電池の分解斜視図である。

【図2】電極体の構成を示す図である。

【図3】集電体と電極体との接続部の示す図である。

【図4】図３に示す接続部をＹ軸方向からみた図である。

【図5】集電体と電極体とを超音波接合する工程を示す図である。

【図6】集電体の曲げ強度の測定方法を示すための図である。

【図7】アンビル幅／ホーン幅と集電体の曲げ強度との関係を示す図である。

【図8】アンビル幅／ホーン幅と積層部および集電体の湾曲量との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、本技術の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

【0011】

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本技術の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本技術にとって必ずしも必須のものではない。

【0012】

なお、本明細書において、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「有する（ｈａｖｅ）」の記載は、オープンエンド形式である。すなわち、ある構成を含むが、当該構成以外の他の校正を含むことを除外しない。

【0013】

図１は、電池の分解斜視図である。図１に示すように、本実施の形態に係る電池は、角形外装体１００と、電極体２００と、蓋部材３００とを含む。

【0014】

角形外装体１００は、上方に向けて開口する開口部１１０を有する。角形外装体１００の内部には、電極体２００とともに図示しない電解液が収容される。電極体２００は、Ｘ軸方向に並ぶように正極２１０および負極２２０を有する。

【0015】

蓋部材３００は、角形外装体１００の開口部１１０を封口する。蓋部材３００の上面には、正極外部端子３１０Ａと、負極外部端子３２０ＡとがＸ軸方向に間隔をあけて設けられている。蓋部材３００の下面には、正極側の集電体３１０および負極側の集電体３２０が設けられる。正極側の集電体３１０は、正極外部端子３１０Ａに電気的に接続される。負極側の集電体３２０は、負極外部端子３２０Ａに電気的に接続される。

【0016】

さらに、集電体３１０は電極体２００の正極２１０に接続され、集電体３２０は電極体２００の負極２２０に接続される。これにより、電極体２００の正極２１０および負極２２０と、蓋部材３００の正極外部端子３１０Ａおよび負極外部端子３２０Ａとが電気的に接続される。

【0017】

図２は、電極体２００の構成を示す図である。図２に示すように、電極体２００は、正極２１０を構成する正極板２１１と、負極２２０を構成する負極板２２１と、セパレータ２３０，２４０とを含む。

【0018】

正極板２１１は、アルミニウム箔からなる正極芯体（第１電極芯体）の両面に正極活物質（たとえばリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物等）、結着材（ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等）、および導電材（たとえば炭素材料等）を含む正極活物質合剤層（第１活物質層）が形成された第１領域２１１Ａと、活物質層が形成されず正極芯体が露出した第２領域２１１Ｂとを有する。

【0019】

なお、第２領域２１１Ｂの一部（第１領域２１１Ａに隣接する部分）にアルミナ粒子、結着材、および導電材を含む保護層（図示せず）が設けられてもよい。

【0020】

負極板２２１は、銅箔からなる負極芯体（第２電極芯体）の両面に負極活物質層（第２活物質層）が形成された第１領域２２１Ａと、活物質層が形成されず負極芯体が露出した第２領域２２１Ｂとを有する。

【0021】

正極板２１１および負極板２２１は、セパレータ２３０，２４０を介してＸ軸（巻回軸）まわりに扁平状に巻回される。これにより、Ｘ軸方向（第１方向）に沿って一方の端部（第１端部）側に位置する正極２１０と、他方の端部（第２端部）側に位置する負極２２０とを有する電極体２００が構成される。

【0022】

図３は、集電体３１０と電極体２００との接続部の示す図である。また、図４は、図３に示す接続部をＹ軸方向からみた図である。なお、以下の例では、正極２１０側の構造について説明するが、負極２２０側においても同様の構造を適用可能である。

【0023】

図３，図４に示すように、電極体２００の正極２１０側の端部に位置する正極板２１１の第２領域２１１Ｂが集箔され、積層部２１０Ａが形成される。積層部２１０Ａに集電体３１０が超音波接合される。これにより、電極体２００の正極２１０と蓋部材３００の正極外部端子３１０Ａとが電気的に接続される。

【0024】

超音波接合時には、図４に示すように、電極体２００の積層部２１０Ａ上に第１凹凸領域１０が形成され、集電体３１０上に第２凹凸領域２０が形成される。第１凹凸領域１０および第２凹凸領域２０の形状等については、後述する。

【0025】

図５は、集電体３１０と電極体２００とを超音波接合する工程を示す図である。図５に示すように、ホーン１０Ａおよびアンビル２０Ａを用いて、積層部２１０Ａと集電体３１０とが超音波接合される。

【0026】

このとき、ホーン１０Ａが積層部２１０Ａ側に配置され、アンビル２０Ａが集電体３１０側に配置される。アンビル２０ＡのＸ軸方向の幅（第２の幅）は、ホーン１０ＡのＸ軸方向の幅（第１の幅）よりも大きい。より具体的には、アンビル２０ＡのＸ軸方向の幅は、ホーン１０ＡのＸ軸方向の幅の１．３倍以上２．０倍以下程度である。

【0027】

ホーン１０Ａをアンビル２０Ａに向けて押圧（一例として、加圧力は８００Ｎ程度）しながら矢印ＤＲ１０Ａ方向に振動させることにより、積層部２１０Ａと集電体３１０とが超音波接合される。このとき、ホーン１０Ａの振幅は１０μｍ以上５０μｍ以下程度である。

【0028】

ここで、ホーン１０Ａの幅よりもアンビル２０Ａの幅の方が大きい（１．３倍以上程度）ため、ホーン１０Ａをアンビル２０Ａに向けて押圧しながら超音波接合するとき、図５に示すとおり、積層部２１０Ａと集電体３１０とは湾曲する。より具体的には、集電体３１０の幅方向の両端が積層部２１０Ａに近づく方向に積層部２１０Ａおよび集電体３１０が湾曲する。

【0029】

上記のように積層部２１０Ａおよび集電体３１０が湾曲することにより、湾曲部においてアーチ構造が形成され、集電体３１０に対してＹ軸方向の力が作用したときの曲げ強度（集電体３１０の変形しにくさ）を向上させることができる。この結果、積層部２１０Ａと集電体３１０との接合強度が向上し、集電体３１０にＹ軸方向の力が作用した場合でも、集電体３１０からの積層部２１０Ａの剥離を抑制することが可能となる。

【0030】

電池の製造工程における引張検査工程、角形外装体１００への挿入工程、および電池の活性化工程などにおいて、集電体３１０にはＹ軸方向の力が作用し得る。このとき、集電体３１０からの積層部２１０Ａの剥離を抑制することが求められる。

【0031】

図５に示す積層部２１０Ａの下面（第１の外面）は、板状の集電体３１０に接続される。積層部２１０Ａの上面（第２の外面）には、ホーン１０Ａの凹凸に対応する第１凹凸領域１０が形成される。積層部２１０Ａとは反対側に位置する集電体３１０の外面には、アンビル２０Ａの凹凸に対応する第２凹凸領域２０が形成される。アンビル２０Ａ幅がホーン１０Ａの幅の１．３倍以上２．０倍以下程度であるため、第２凹凸領域２０の幅は第１凹凸領域１０の幅の１．３倍以上２．０倍以下程度となる。

【0032】

第２凹凸領域２０において、第１凹凸領域１０と重なる領域（第１領域）と、それ以外の領域（第２領域）とで凹凸パターンが互いに異なる形状を有する。

【0033】

より具体的には、集電体３１０の幅方向（Ｘ軸方向）において、第２凹凸領域２０の中央部（第１領域）は第１凹凸領域１０と重なり、集電体３１０の幅方向（Ｘ軸方向）の端部（第２領域）よりもアンビル２０Ａの表面の凹凸に深く食い込む。この結果、集電体３１０の幅方向中央部において第２凹凸領域２０の凹部の深さが相対的に深くなる。

【0034】

なお、積層部２１０Ａおよび集電体３１０の湾曲は、集電体３１０の高さ方向（Ｚ軸方向）において、ホーン１０Ａが位置する領域、すなわち第１凹凸領域１０が形成される領域においてのみ形成することが好ましい。また、超音波接合を行う前に予め集電体３１０を図５に示す方向に湾曲させてもよい。

【0035】

再び図４を参照して、集電体３１０の幅方向（Ｘ軸方向）において、第２凹凸領域２０の中心は、集電体３１０の中心からずれた位置に形成されている。ただし、第２凹凸領域２０の中心は、集電体３１０の中心と一致してもよい。

【0036】

同じく図４の例では、集電体３１０の幅方向（Ｘ軸方向）において、第２凹凸領域２０は集電体３１０の端部に達するように形成されている。ただし、第２凹凸領域２０は、必ずしも集電体３１０の幅方向端部に達しなくてもよい。

【0037】

たとえば、集電体３１０の幅が６．８ｍｍ程度、厚みが０．８ｍｍ程度であるとき、積層部２１０Ａおよび集電体３１０の湾曲量（Ｈ）、及び第２凹凸領域２０の凹部の最大深さは、いずれも０．２ｍｍ以上程度であることが好ましい。すなわち、積層部２１０Ａおよび集電体３１０の湾曲量（Ｈ）、および第２凹凸領域２０の凹部の最大深さは、いずれも集電体３１０の幅の３％以上程度（０．２／６．８≒０．０２９４）であることが好ましい。また、積層部２１０Ａおよび集電体３１０の湾曲量（Ｈ）、および第２凹凸領域２０の凹部の最大深さは、いずれも集電体３１０の厚みの２５％以上程度（０．２／０．８＝０．２５）であることが好ましい。

【0038】

この程度の湾曲量を確保することにより、積層部２１０Ａと接合される集電体３１０の曲げ強度を高くして、集電体３１０からの積層部２１０Ａの剥離を抑制する効果を高めることができる。

【0039】

図６は、集電体３１０の曲げ強度の測定方法を示すための図である。図６に示すように、治具４００の先端に設けられた爪４００Ａを積層部２１０Ａと集電体３１０との間に挿入して矢印ＤＲ４００方向に引っ張り、その引張荷重を増大させ、集電体３１０が変形して積層部２１０Ａから剥離するときの荷重を測定して「曲げ強度［Ｎ］」とした。

【0040】

図７は、アンビル２０Ａの幅およびホーン１０Ａ幅の比（アンビル幅／ホーン幅）と集電体の曲げ強度との関係を示す図である。図７中の縦軸は、図６に示す治具４００を用いた方法により測定された「曲げ強度［Ｎ］」であり、図７中の横軸は、ホーン１０Ａおよびアンビル２０Ａの幅から求められる「アンビル幅／ホーン幅」の値である。ここで、ホーン１０Ａとしては、幅が４．８ｍｍ以下のものが用いられる、アンビル２０Ａとしては、幅が６ｍｍ以下のものが用いられる。集電体３１０の幅は６．８ｍｍとした。

【0041】

図７に示すように、アンビル幅／ホーン幅が１．３よりも大きい場合（アンビル幅／ホーン幅＝１．４，１．６，２）に、曲げ強度［Ｎ］が相対的に高くなることが示された。

【0042】

図８は、アンビル幅／ホーン幅と積層部および集電体の湾曲量との関係を示す図である。図８中の縦軸は、積層部２１０Ａおよび集電体３１０の湾曲量であり、図８中の横軸は、図７と同じく、ホーン１０Ａおよびアンビル２０Ａの幅から求められる「アンビル幅／ホーン幅」の値である。

【0043】

図８に示すように、アンビル幅／ホーン幅が１．３よりも大きい場合（アンビル幅／ホーン幅＝１．４，１．６，２）に、湾曲量［ｍｍ］が相対的に大きくなる（Ｈ≧０．２ｍｍ）ことが示された。

【0044】

図７，図８に示す結果から、アンビル幅／ホーン幅が１．３以上程度となるようにホーン１０Ａおよびアンビル２０Ａの幅を設定することにより、積層部２１０Ａと接合される集電体３１０の曲げ強度を高くして、集電体３１０からの積層部２１０Ａの剥離を抑制し得ることが示される。

【0045】

以上、本技術の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本技術の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0046】

１０ 第１凹凸領域、１０Ａ ホーン、２０ 第２凹凸領域、２０Ａ アンビル、１００ 角形外装体、１１０ 開口部、２００ 電極体、２１０ 正極、２１０Ａ 積層部、２１１ 正極板、２１１Ａ 第１領域、２１１Ｂ 第２領域、２２０ 負極、２２１ 負極板、２２１Ａ 第１領域、２２１Ｂ 第２領域、２３０，２４０ セパレータ、３００ 蓋部材、３１０，３２０ 集電体、３１０Ａ 正極外部端子、３２０Ａ 負極外部端子、４００ 治具、４００Ａ 爪。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】