特許 7524063 二次電池

(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】2024-07-19

(45)【発行日】2024-07-29

(54)【発明の名称】二次電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/536 20210101AFI20240722BHJP

   B23K 20/10 20060101ALI20240722BHJP

【ＦＩ】

H01M50/536

B23K20/10

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020548043

(86)(22)【出願日】2019-07-22

(86)【国際出願番号】 JP2019028607

(87)【国際公開番号】W WO2020066240

(87)【国際公開日】2020-04-02

【審査請求日】2022-05-16

(31)【優先権主張番号】P 2018180107

(32)【優先日】2018-09-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000005821

【氏名又は名称】パナソニックホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】播磨 幸男

【審査官】富永 泰規

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１６／１５９０９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－１７９４３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１０５３６１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－１３９９５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０７０９１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１４３２３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２３１４０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ５０／５０ － ５０／５９８

Ｂ２３Ｋ ２０／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

開口を有する電池ケースと、正極板と負極板とを有し前記電池ケースに挿入されている電極体と、前記開口を封口する封口板と、封口板に取り付けられた外部端子とを備え、
前記正極板及び前記負極板のそれぞれ前記封口板側の一端には金属箔からなる複数の集電タブが設けられており、
複数の前記集電タブは束ねられて、前記電極体と前記封口板との間に配置された集電端子部材を介して前記外部端子と電気的に接続されており、
束ねられた複数の前記集電タブと前記集電端子部材とは超音波によって接合されており、
前記集電タブと前記集電端子部材との接合領域において、前記超音波による接合により、前記集電タブの接合部分は凹形状となっており、
前記電極体側の端部の接合部分の前記凹形状の深さは、それ以外の接合部分の前記凹形状の深さよりも小さく、
前記それ以外の接合部分は前記電極体側の端部から遠ざかる方向に沿って複数設けられている、二次電池。

【請求項2】

前記電極体側の端部の接合部分の前記凹形状の深さは、前記それ以外の接合部分の前記凹形状の深さの５０％以上８０％以下である、請求項１に記載の二次電池。

【請求項3】

前記集電タブは複数存しているとともに金属箔よりなっている、請求項１又は２に記載の二次電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、二次電池に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、リチウムイオン二次電池は、車両搭載用電源、あるいはパソコンおよび携帯端末の電源として好ましく用いられている。この種のリチウムイオン二次電池の一つとして、正負の電極がセパレータを介して交互に積層された電極体を備える電池構造が知られている。例えば、特許文献１には、複数の正極及び負極と、セパレータとを交互に積層した電極体を角形ケースに収納したリチウムイオン二次電池が開示されている。同公報では、正極および負極にはそれぞれの基材層（金属箔）からなる突出部（タブ）が複数積層されてタブ部が形成され、そのタブ部が正極集電体及び負極集電体に超音波接合によって接合されている。そして、正極集電体及び負極集電体が、角形ケースの蓋体の外方に設けられた正極端子及び負極端子にそれぞれ電気的に接続されている。

【0003】

特許文献２には、ラミネート形リチウムイオン二次電池の耳部（タブ）とリードタブとが超音波溶接されている。そして、この電池は運搬時や使用時の振動によってリードタブが破れるという問題が生じるが、その原因は超音波溶接による溶接部の四角錐台形状を埋め込んだ形状となる凹部形状であることが開示されている。この問題を解決するため、凹形状の鋭利な四隅の形状を解消するように、溶接痕に面取り輪郭線を備えるようにすることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－１３９１９１号公報

【文献】特開２０１３－１６５０５４号公報

【発明の概要】

【0005】

特許文献１のように構成されたリチウムイオン二次電池においては、組み立て工程において角形ケースに電極体を収納し、その後に蓋体によって角形ケースの開口を閉じる、という順で組み立てが行われる。このときに、タブ部と正極集電体及び負極集電体とを接合してから蓋体により角形ケースに蓋をするという順番で組み立てを行うが、この蓋をする際にタブ部と正極集電体及び負極集電体とに応力がかかってしまう。すなわち、タブ部と正極集電体及び負極集電体とを超音波接合する際には、両者に応力がかからない状態で接合を行うのであるが、組み立ての際には金属箔からなるタブ部を折り曲げた状態、すなわちタブ部に応力がかかった状態で蓋をすることになる。

【0006】

特に、近年、単位体積あたりの電池容量を高くすることが強く求められているため、電池ケース内の正極及び負極が占める体積割合をできるだけ大きくする工夫が必要になる。そのため、正極及び負極以外の部材が電池ケース内で占めることのできるスペースがどんどんと少なくなってきている。このような事情により、上述の組み立て工程において、タブ部と正極集電体及び負極集電体とは非常に小さなスペースに収納されることになり、その結果タブ部と正極集電体及び負極集電体との接合部に大きな応力をかけて収納を行うことになる。

【0007】

タブ部は金属箔からなっているため応力がかかると屈曲するが、正極集電体及び負極集電体は金属板からなっているので、組み立て時の応力程度では屈曲することはない。この場合は、応力がかかるとタブ部は屈曲し、正極集電体及び負極集電体は屈曲しないから、屈曲による応力は、タブ部と正極集電体及び負極集電体との接合部に集中することになるため、接合部の端部においてタブ部が破断してしまう可能性がある。ここで、特許文献２に開示された技術を応用しても、屈曲には対応しきれずやはり破断のおそれがあることが判明した。

【0008】

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、組み立て工程において集電タブの破断を防止できる構造を有した二次電池を提供することにある。

【0009】

本発明の二次電池は、開口を有する電池ケースと、正極板と負極板とを有し前記電池ケースに挿入されている電極体と、前記開口を封口する封口板と、封口板に取り付けられた外部端子とを備え、前記正極板及び前記負極板のそれぞれ前記封口板側の一端には集電タブが設けられており、前記集電タブは、前記電極体と前記封口板との間に配置された集電端子部材を介して前記外部端子と電気的に接続されており、前記集電タブと前記集電端子部材とは超音波によって接合されており、前記集電タブと前記集電端子部材との接合領域において、前記超音波による接合により、前記集電タブの接合部分は凹形状となっており、前記電極体側の端部の接合部分の前記凹形状の深さは、それ以外の接合部分の前記凹形状の深さよりも小さい構成を有している。

【0010】

前記電極体側の端部の接合部分の前記凹形状の深さは、前記それ以外の接合部分の前記凹形状の深さの５０％以上８０％以下であることが好ましい。

【0011】

前記集電タブは複数存しているとともに金属箔よりなっていてもよい。

【0012】

本発明によれば、二次電池を組み立てる際に集電タブの破断を確実に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施形態に係る二次電池を模式的に示す断面図である。

【図2】電極体の構成を示す模式的な図である。

【図3】正極板と負極板とセパレータを積層した状態を模式的に示した図である。

【図4】正極集電タブを積層させて正極側集電端子部材に載せた模式的な斜視図である。

【図5】正極集電タブと正極側集電端子部材とを超音波接合している模式的な斜視図である。

【図6】正極集電タブと正極側集電端子部材とを超音波接合した部分を拡大して示す模式的な平面図である。

【図7】正極集電タブと正極側集電端子部材とを超音波接合した状態を示す模式的な斜視図である。

【図8】正極側集電端子部材を封口板の上に載せた状態を示す模式的な斜視図である。

【図9】正極側集電端子部材と正極側端子接続部材とを溶接した状態を示す模式的な斜視図である。

【図10】電極体を封口板とともに電池ケースに挿入していく状態を示す模式的な断面図である。

【図11】電極体を挿入した電池ケースを封口板で封口した状態を示す模式的な断面図である。

【図12】参考形態に係る電極体を挿入した電池ケースを封口板で封口した状態を示す模式的な断面図である。

【図13】参考形態に係る超音波接合部分の拡大模式図である。

【図14】実施形態に係る超音波接合部分の拡大模式図である。

【図15】参考形態に用いられる超音波接合装置の部分的な拡大模式図である。

【図16】実施形態に用いられる超音波接合装置の部分的な拡大模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。また、以下の図面は模式的に表しているため、例えば断面に付すべきハッチングを省略したり、一部部材を省略したり、部分部分によって寸法の縮尺比率を変更したりしている。

【0015】

（実施形態１）
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池においては、図１に示すように開口を有する電池ケース６０に電極体１０が収納され、電池ケース６０の開口を封口板６２が封口している。電極体１０は、図２に示すように、正極板１と負極板２とが、間にセパレータ３を介して複数枚積層されており、正極板１の一端（上側端部）には正極集電タブ２０が、負極板２の一端には負極集電タブ２２が設けられている。正極集電タブ２０及び負極集電タブ２２は金属箔からなっている。

【0016】

電極体１０においては、複数の正極集電タブ２０が束ねられて正極側集電端子部材３０に接合されており、複数の負極集電タブ２２が束ねられて負極側集電端子部材３２に接合されている。２４は、束ねられた正極集電タブ２０が正極側集電端子部材３０に載せられている部分であり、２６は、束ねられた負極集電タブ２２が負極側集電端子部材３２に載せられている部分である。正極側集電端子部材３０及び負極側集電端子部材３２は金属板からなっている。

【0017】

正極側集電端子部材３０は正極側端子接続部材３４を介して封口板６２の外面側に取り付けられた正極端子（正極側の外部端子）５０に電気的に接続されており、負極側集電端子部材３２は負極側端子接続部材３６を介して封口板６２の外面側に取り付けられた負極端子（負極側の外部端子）５２に電気的に接続されている。正極側端子接続部材３４及び負極側端子接続部材３６は金属板からなっている。なお、正極側集電端子部材３０及び正極側端子接続部材３４と封口板６２との間には正極側絶縁部材９０が配置されており、負極側集電端子部材３２及び負極側端子接続部材３６と封口板６２との間には負極側絶縁部材９２が配置されている。

【0018】

次に、正極集電タブ２０と正極側集電端子部材３０との接合について図３から図７を用いて説明をする。なお、負極集電タブ２２と負極側集電端子部材３２との接合も正極側と同様にしてなされる。

【0019】

図３は、図２に示す正極板１と負極板２とセパレータ３とを積層させて電極体１０を形成した状態を、正極集電タブ２０が突き出している側だけ示した図である。これらの複数の正極集電タブ２０を束ねて積層させて正極側集電端子部材３０の上に載せる（図４）。

【0020】

そして、図５に示すように、超音波接合装置１００を用いて正極集電タブ２０と正極側集電端子部材３０とを接合させる。超音波接合装置１００は、接合に用いる複数のナール（突起部）４０が設けられたホーン４２とアンビル４５とで接合する部材を挟み込んで超音波接合を行う。正極側集電端子部材３０の正極集電タブ２０を載せた面とは反対の面をアンビル４５に載せて、正極集電タブ２０の上面からナール４０を押し当てて、ホーン４２を超音波により振動させながら下降させていく。するとナール４０が正極集電タブ２０を圧縮し凹ませるとともに、正極集電タブ２０と正極側集電端子部材３０とが超音波振動による摩擦熱で加熱されて接合される。なお、ナール４０は四角錐台形状の突起であるので、接合部分７１はナール４０の形状に応じた凹形状となる。

【0021】

接合させた正極集電タブ２０と正極側集電端子部材３０とを上から見た状態を図６に示す。また斜め上から見た状態を図７に示す。接合領域７０には、凹形状の接合部分７１が正極集電タブ２０の長手方向（正極本体から延びていく方向）に対して垂直な方向に複数隣接して並んで列を構成し、その列が正極集電タブ２０の長手方向に複数隣接して並んでいる。このように複数の接合部分７１が密に形成されることにより、接合強度を向上させている。接合部分７１が並んだ列は、電極体１０側の端部に並んだ接合部分７１からなる端部側の列７２と端部以外の列７３に分類される。これについては後述する。

【0022】

以下、図７に示された状態以降の組み立て工程を図８から図１１を用いて説明をする。

【0023】

図８に示すように、あらかじめ封口板６２と正極端子５０と正極側絶縁部材９０と正極側端子接続部材３４とを接続・固定して、これらが一体となった部材に、正極集電タブ２０が接合された正極側集電端子部材３０を載せる。正極側集電端子部材３０は、正極集電タブ２０との接合面とは反対側の面を上述の部材に載せている。また、正極側集電端子部材３０は正極側端子接続部材３４に隣接するように載せられている。

【0024】

それから図９に示すように、正極側集電端子部材３０と正極側端子接続部材３４との隣接部分を溶接して溶接部分７８を形成する。この溶接は例えばレーザ溶接により行う。

【0025】

図９に示す溶接をした後、封口板６２を矢印Ａの方向に回転させて、図１０に示すように電極体１０を電池ケース６０に挿入していく。このとき封口板６２を電池ケース６０に近づけていくと正極集電タブ２０が電池ケース６０の外側にはみ出すので、押し込み部材１２０を用いて電池ケース６０の内側に納まるように正極集電タブ２０を押し込む。図１０では、押し込み部材１２０を正極集電タブ２０に当接させて、左方向に移動させることにより正極集電タブ２０を押し込む。

【0026】

そして、図１１に示すように封口板６２により電池ケース６０を封口して、封口板６２と電池ケース６０とを溶接して固定・密封する。このようにして本実施形態に係るリチウムイオン二次電池が出来上がる。

【0027】

次に本実施形態の集電タブと集電端子部材との接合状態について、参考の形態と比較しながら説明を行う。

【0028】

図１２は参考形態に係るリチウムイオン二次電池の模式的な断面図である。参考形態においては電極体１０と封口板６２との間の距離が本実施形態に係る距離よりも大きい。そのため、参考形態では封口板６２により電池ケース６０を封口した状態でも正極集電タブ２０の屈曲度合が小さい。また、電極体１０を電池ケース６０に挿入していく過程において正極集電タブ２０が電池ケース６０の外側にはみ出してしまうことがなく、本実施形態の図１０に示したように、押し込み部材１２０で正極集電タブ２０を押し込む必要がない。そのため参考形態では本実施形態に比べて、押し込まれることによる正極集電タブ２０の屈曲も発生しない。

【0029】

正極集電タブ２０が屈曲すると、正極集電タブ２０と正極側集電端子部材３０との接合を引き離す応力がかかる。この応力は、正極集電タブ２０と接合領域７０との境界部分である、電極体１０側の端部の側に設けられた接合部分にまず集中する。参考形態では複数の接合部分７１は全て同じ深さの凹形状を有しているが、正極集電タブ２０の屈曲度合が小さいため、電極体１０側の端部の側に設けられた接合部分７１に応力が集中しても応力そのものが小さく、接合が剥がれたり、正極集電タブ２０が破れたりすることはない。

【0030】

一方、本実施形態では参考形態に比べて正極集電タブ２０の屈曲度合が大きい。特に電極体１０を電池ケース６０に挿入していく過程において押し込み部材１２０によって押し込む際に最も屈曲度合が大きくなり、正極集電タブ２０と正極側集電端子部材３０との接合を引き離す応力がかかる。このような状況であると、参考形態に係る接合部分では電極体１０側の端部の側に設けられた接合部分において正極集電タブ２０が破れてしまうことがあることが判明した。

【0031】

破れた部分を検討したところ、接合部分が薄くなっていて、この厚みでは応力に耐えることができずに破れてしまっていることがわかった。参考形態では、図１３に示すように、電極体１０側の端部の列における端部側接合部分７５の凹形状の深さ１１５は、それ以外の接合部分７１の凹形状の深さ１１２と同じである。これは図１５に示す超音波接合装置１０１を用いて超音波接合をしているためで、端部側接合部分７５を形成する端部側ナール４０ａの高さＬ１は、それ以外のナール４０の高さと同じであるためである。

【0032】

超音波接合においては、ナール４０が押しつけられ超音波による振動が与えられることによって、複数の正極集電タブ２０間の隙間がなくなり、かつナール４０の先端面に接触した部分はその周囲に押し広げられて正極集電タブ２０そのものの厚みが小さくなる。この厚みが小さいほど正極集電タブ２０と正極側集電端子部材３０との間の接合強度が上がり、接合部分の電気抵抗が低くなる。しかしながら正極集電タブ２０そのものは、厚みが小さくなるので応力に対しての機械的強度が小さくなる。

【0033】

正極集電タブ２０の厚みが小さくなっていても、正極側集電端子部材３０と強固に接合している部分であれば、正極集電タブ２０を屈曲させた際の応力がかかっても破れることはない。しかしながら、正極集電タブ２０において、十分に接合された部分と接合されていない部分の境界部分は、厚みが小さくなっていて且つ接合自体もほとんどないか不十分の状態であるため、前述の応力がかかった場合に破れてしまう場合がある。

【0034】

このような状況を回避するため、図１４に示すように、本実施形態では電極体１０側の端部の列７２における端部側接合部分７５と端部以外の列７３の接合部分７１において、端部側接合部分７５の凹形状の深さ１１１が端部以外の列７３の接合部分７１の凹形状の深さ１１２よりも小さくしている。このような接合を形成するために、図１６に示す超音波接合装置１００を用いている。端部側接合部分７５を形成する端部側ナール４０ｂの高さＬ２は、それ以外のナール４０の高さよりも小さい。

【0035】

ここで、端部側接合部分７５の凹形状の深さ１１１は、端部以外の列７３の接合部分７１の凹形状の深さ１１２の５０％以上８０％以下であることが好ましい。深さ１１１が深さ１１２の５０％未満であると接合強度が不十分となって、正極集電タブ２０が大きく屈曲した場合に端部側接合部分７５の接合が外れてしまうおそれがある。また、深さ１１１が深さ１１２の８０％よりも大きいと、正極集電タブ２０が大きく屈曲した場合に正極集電タブ２０の破断が生じるおそれがある。なお、接合領域７０に求められる接合強度と電気抵抗の低さは、端部以外の列７３の接合部分７１により担保される。

【0036】

本実施形態によれば、電池の組み立ての際に、あるいは電池の使用の際の振動・衝撃により、正極集電タブ２０及び負極集電タブ２２が大きく屈曲しても、正極集電タブ２０及び負極集電タブ２２が破断してしまうことを防ぐことができ、組み立て時の製品不良率を低くできるとともに耐振動・耐衝撃の能力が高い電池とすることができる。

【0037】

（その他の実施形態）
上述の実施形態は本願発明の例示であって、本願発明はこれらの例に限定されず、これらの例に周知技術や慣用技術、公知技術を組み合わせたり、一部置き換えたりしてもよい。また当業者であれば容易に思いつく改変発明も本願発明に含まれる。

【符号の説明】

【0038】

１ 正極板
２ 負極板
１０ 電極体
２０ 正極集電タブ
２２ 負極集電タブ
３０ 正極側集電端子部材
３２ 負極側集電端子部材
５０ 正極端子（外部端子）
５２ 負極端子（外部端子）
６０ 電池ケース
６２ 封口板
７０ 接合領域
７１ 接合部分
７２ 端部側の列（電極体側の端部の接合部分からなる列）
７３ 端部以外の列（電極体側の端部以外の接合部分からなる列）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】