特許 7717048 密閉電池

(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】2025-07-24

(45)【発行日】2025-08-01

(54)【発明の名称】密閉電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/533 20210101AFI20250725BHJP

   H01M 50/107 20210101ALI20250725BHJP

   H01M 50/152 20210101ALI20250725BHJP

   H01M 50/536 20210101ALI20250725BHJP

   H01M 10/04 20060101ALI20250725BHJP

   H01M 10/0587 20100101ALI20250725BHJP

【ＦＩ】

H01M50/533

H01M50/107

H01M50/152

H01M50/536

H01M10/04 W

H01M10/0587

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2022508307

(86)(22)【出願日】2021-03-12

(86)【国際出願番号】 JP2021009989

(87)【国際公開番号】W WO2021187349

(87)【国際公開日】2021-09-23

【審査請求日】2024-01-26

(31)【優先権主張番号】P 2020048656

(32)【優先日】2020-03-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】322003798

【氏名又は名称】パナソニックエナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】奥谷 仰

【審査官】山田 倍司

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－１５１５２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３４０００５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０２３９７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２３４２７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０５４２０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１９９９３８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ １０／００－１０／３９

５０／００－５０／１９８

５０／５０－５０／５９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電極リードを有する電極体と、前記電極体を収容する有底筒状の外装缶と、前記外装缶の開口部を塞ぐ封口体とを備え、前記封口体および前記外装缶の少なくとも一方の内面に前記電極リードがエネルギー線溶接された密閉電池であって、
前記電極リードは、前記封口体または前記外装缶の内面に接する第１主面と、前記第１主面と反対側の第２主面とを含み、幅方向断面において、前記第１主面と前記第２主面が非平行に形成され、
前記第１主面と前記内面とを接合する溶接部を含む溶融痕が、前記第１主面の垂直方向に対して傾斜するように形成されている、密閉電池。

【請求項2】

前記電極リードの幅方向断面において、前記第１主面に沿った仮想線αと、前記第２主面に沿った仮想線βとがなす角度θが１～４５°である、請求項１に記載の密閉電池。

【請求項3】

前記電極リードの最小厚みＴ１に対する最大厚みＴ２の比率（Ｔ２／Ｔ１）は、０＜Ｔ２／Ｔ１≦１００である、請求項１または２に記載の密閉電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、密閉電池に関し、特に封口体および外装缶の少なくとも一方の内面に電極リードが溶接された密閉電池に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、電極リードを有する電極体と、電極体を収容する有底筒状の外装缶と、外装缶の開口部を塞ぐ封口体とを備えた密閉電池が広く知られている。電極リードには、正極に接続された正極リード、および負極に接続された負極リードが含まれ、例えば、円筒形電池では、正極リードが封口体の内面に、負極リードが外装缶の内面にそれぞれ接合されている。特許文献１には、電極リードが封口体の内面にレーザ溶接された密閉電池が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００７－２３４２７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、封口体等に対する電極リードの接合部分は、振動や衝撃で電極リードが外れないように強く接合していることが好ましい。また、接合力だけでなく抵抗発熱を抑制するためにも、ある程度の接合面積を確保する必要がある。

【0005】

封口体等に対する電極リードの接合面積を確保するためには、リードの幅を大きくすればよいが、この場合、電池のエネルギー密度が低下するという問題がある。また、電極リードは剛性が高く変形し難いので、リードを拡幅すると、特に巻回型の電極体を備えた円筒形電池において、電極体にゆがみやずれが発生し易くなり、電池性能が低下する場合がある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様である密閉電池は、電極リードを有する電極体と、前記電極体を収容する有底筒状の外装缶と、前記外装缶の開口部を塞ぐ封口体とを備え、前記封口体および前記外装缶の少なくとも一方の内面に前記電極リードがエネルギー線溶接された密閉電池であって、前記電極リードは、前記封口体または前記外装缶の内面に接する第１主面と、前記第１主面と反対側の第２主面とを含み、前記第１主面と前記第２主面が非平行に形成されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本開示の一態様によれば、幅広の電極リードを用いることなく、封口体等に対する電極リードの接合面積を拡大することが可能な密閉電池を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施形態の一例である密閉電池の断面図である。

【図2】図２は、実施形態の一例である封口体および電極リードの斜視図である。

【図3】図３は、図２中のＡＡ線断面の一部を示す図である。

【図4】図４は、実施形態の他の一例である電極リードの幅方向断面図である。

【図5】図５は、実施形態の他の一例である電極リードの幅方向断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本開示の実施形態の一例について詳細に説明する。以下では、本開示に係る密閉電池の実施形態の一例として、巻回型の電極体１４が有底円筒形状の外装缶１６に収容された円筒形電池を例示するが、電池は角形の外装缶を備えた角形電池であってもよい。また、電極体は、複数の正極と複数の負極がセパレータを介して交互に積層されてなる積層型であってもよい。本明細書では、説明の便宜上、封口体１７側を「上」、外装缶１６の底部側を「下」として説明する。

【0010】

図１は、実施形態の一例である密閉電池１０の断面図である。図１に示すように、密閉電池１０は、電極体１４と、電極体１４を収容する有底筒状の外装缶１６と、外装缶１６の開口部を塞ぐ封口体１７とを備える。また、外装缶１６には電解質が収容されている。電極体１４は、正極１１と、負極１２と、正極１１および負極１２の間に介在するセパレータ１３とを含み、電極リードとして正極リード２０および負極リード２１を有する。電極リードは、一般的に、電極の芯体より厚みのある短冊状の金属板で構成される。また、電極体１４は、正極１１と負極１２がセパレータ１３を介して巻回されてなる巻回構造を有する。

【0011】

電解質は、水系電解質、非水電解質のいずれであってもよい。好適な密閉電池１０の一例は、リチウムイオン電池等の非水電解質を含む非水電解質二次電池である。非水電解質は、例えば非水溶媒と、非水溶媒に溶解した電解質塩とを含む。非水溶媒には、エステル類、エーテル類、ニトリル類、アミド類、およびこれらの２種以上の混合溶媒等が用いられる。非水溶媒は、これら溶媒の水素の少なくとも一部をフッ素等のハロゲン原子で置換したハロゲン置換体を含有していてもよい。なお、非水電解質は液体電解質に限定されず、固体電解質であってもよい。電解質塩には、例えば、ＬｉＰＦ₆等のリチウム塩が使用される。

【0012】

電極体１４は、長尺状の正極１１と、長尺状の負極１２と、長尺状の２枚のセパレータ１３と、正極１１に接続された正極リード２０と、負極１２に接続された負極リード２１とを有する。負極１２は、リチウムの析出を抑制するために、正極１１よりも一回り大きな寸法で形成される。即ち、負極１２は、正極１１より長手方向および短手方向（上下方向）に長く形成される。２枚のセパレータ１３は、少なくとも正極１１よりも一回り大きな寸法で形成され、例えば正極１１を挟むように配置される。

【0013】

正極１１は、正極芯体と、正極芯体の両面に設けられた正極合剤層とを有する。正極芯体には、アルミニウム、アルミニウム合金など正極１１の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。正極合剤層は、正極活物質、アセチレンブラック等の導電剤、およびポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等の結着剤を含む。正極１１は、正極芯体上に正極活物質、導電剤、および結着剤等を含む正極合剤スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧縮して正極合剤層を正極芯体の両面に形成することにより作製できる。

【0014】

正極活物質には、例えば、リチウム遷移金属複合酸化物が用いられる。リチウム遷移金属複合酸化物に含有される金属元素としては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｂ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｗ等が挙げられる。好適なリチウム遷移金属複合酸化物の一例は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎの少なくとも１種を含有するリチウム金属複合酸化物である。具体例としては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎを含有する複合酸化物、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌを含有する複合酸化物が挙げられる。

【0015】

負極１２は、負極芯体と、負極芯体の両面に設けられた負極合剤層とを有する。負極芯体には、銅、銅合金など負極１２の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。負極合剤層は、負極活物質、およびスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等の結着剤を含む。負極１２は、負極芯体上に負極活物質、および結着剤等を含む負極合剤スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧縮して負極合剤層を負極芯体の両面に形成することにより作製できる。

【0016】

負極活物質には、例えば鱗片状黒鉛、塊状黒鉛、土状黒鉛等の天然黒鉛、塊状人造黒鉛、黒鉛化メソフェーズカーボンマイクロビーズ等の人造黒鉛などの炭素系活物質が用いられる。負極活物質には、Ｓｉ、Ｓｎ等のリチウムと合金化する金属、当該金属を含有する合金、当該金属を含有する化合物等が用いられてもよく、これらが炭素系活物質と併用されてもよい。

【0017】

電極体１４の上下には、絶縁板１８，１９がそれぞれ配置される。図１に示す例では、正極１１に取り付けられた正極リード２０が絶縁板１８の貫通孔を通って封口体１７側に延び、負極１２に取り付けられた負極リード２１が絶縁板１９の外側を通って外装缶１６の底部側に延びている。正極リード２０は、封口体１７の電池の内側を向いた内面に溶接され、封口体１７が正極外部端子となる。負極リード２１は、外装缶１６の底部内面に溶接され、外装缶１６が負極外部端子となる。なお、負極リード２１が封口体１７の内面に接続されてもよく、この場合、封口体１７が負極外部端子となる。

【0018】

外装缶１６は、例えば、有底円筒形状の金属製容器である。外装缶１６と封口体１７との間には、樹脂製のガスケット２８が設けられる。ガスケット２８によって外装缶１６と封口体１７の隙間が塞がれ、電池内部が密閉されている。また、外装缶１６は、例えば、側面部の外側からのスピニング加工により側面部に形成された、封口体１７を支持する溝入部２２を有する。溝入部２２は、外装缶１６の周方向に沿って環状に形成されることが好ましく、その上面で封口体１７を支持する。外装缶１６の上端部は、缶の内側に折り曲げられ封口体１７の周縁部に加締められている。

【0019】

封口体１７は、電極体１４側から順に、内部端子板２３、下弁体２４、絶縁部材２５、上弁体２６、及びキャップ２７が積層された構造を有する。封口体１７を構成する各部材は、例えば円板形状又はリング形状を有し、絶縁部材２５を除く各部材は互いに電気的に接続されている。下弁体２４と上弁体２６は各々の中央部で接続され、各々の周縁部の間には絶縁部材２５が介在している。異常発熱で電池の内圧が上昇すると、下弁体２４が上弁体２６をキャップ２７側に押し上げるように変形して破断することにより、下弁体２４と上弁体２６の間の電流経路が遮断される。さらに内圧が上昇すると、上弁体２６が破断し、キャップ２７の開口部２７ａからガスが排出される。

【0020】

本実施形態では、負極１２と対応する部分に形成された正極１１の芯体露出部に正極リード２０が溶接され、電極体１４の内部に正極リード２０が挿入されているが、正極芯体の一部を上方に突出させて正極タブを形成し、この正極タブに正極リード２０を溶接してもよい。

【0021】

以下、図２および図３を参照しながら、正極リード２０の構成および封口体１７に対する正極リード２０の接合形態について詳説する。図２は封口体１７および正極リード２０の斜視図、図３は図２中のＡＡ線断面の一部を示す図である。さらに、図３では、封口体１７の下面２３ｂの底面視における溶接部４０を示す。

【0022】

図２および図３に示すように、正極リード２０は、封口体１７の構成部材のうち最も電池の内側に位置する内部端子板２３の下面２３ｂに溶接されている。正極リード２０は、内部端子板２３の下面２３ｂに接する第１主面３０と、第１主面３０と反対側の第２主面３１と、リードの厚み方向に沿った側面３２，３３とを含む。そして、第１主面３０と下面２３ｂが接する部分の少なくとも一部に、第１主面３０と下面２３ｂを接合する溶接部４０が形成されている。なお、内部端子板２３には複数の開口２３ａが形成されている。このため、溶接部４０は開口２３ａにかからないように形成される。

【0023】

正極リード２０は、帯状の金属製部材で構成される。正極リード２０を構成する金属は特に限定されないが、一例としてはアルミニウムが挙げられる。正極リード２０は、例えば、全長にわたって一定の幅を有し、正極１１の上端から延出した先端部分が内部端子板２３の下面２３ｂに沿うように曲げられている（図１参照）。また、内部端子板２３は、開口２３ａが形成された円板状の金属板で構成される。内部端子板２３を構成する金属は、特に限定されないが、一例としてはアルミニウムが挙げられる。下面２３ｂの正極リード２０が溶接される部分は平坦である。

【0024】

正極リード２０は、内部端子板２３の下面２３ｂにエネルギー線溶接されている。ここで、エネルギー線溶接とは、正極リード２０を内部端子板２３の下面２３ｂ上に配置した状態で、正極リード２０の第２主面３１側からエネルギー線を照射することにより、正極リード２０および内部端子板２３を溶融させて接合する溶接法である。このため、正極リード２０および内部端子板２３には、金属が溶融した後、再び固まった溶融痕４１が存在する。なお、溶接部４０は、第１主面３０と下面２３ｂが接合している部分であって、溶融痕４１の一部である。

【0025】

溶接部４０を形成するエネルギー線としては、レーザ、電子ビーム等が挙げられる。中でも、レーザを用いることが好ましい。レーザの種類は、正極リード２０を溶接できるものであれば特に限定されないが、例えばＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ、ＹＶＯ_４レーザ、半導体（ＬＤ）レーザ等が挙げられる。レーザ光は、正極リード２０の第２主面３１に対して略垂直に照射する必要がある。なお、レーザ光が第２主面３１に対して斜めに入射すると、第２主面３１で反射するレーザ光が増えてエネルギーロスが多くなり、溶接部４０を形成することが困難になる。以下、エネルギー線としてレーザを例に挙げて説明する。

【0026】

正極リード２０では、第１主面３０と第２主面３１が非平行に形成されている。図３に示す正極リード２０の幅方向断面の形状は、三角形状に近い四角形状であって、側面３３の長さが側面３２の長さと比べて大幅に短くなっている。なお、側面３２，３３は互いに平行に形成され、第１主面３０と直交し、内部端子板２３の下面２３ｂに対して垂直に配置されている。

【0027】

正極リード２０の幅方向断面において、第１主面３０に沿った仮想線をα、第２主面３１に沿った仮想線をβとすると、仮想線α，βは非平行であり、短い方の側面３３の先で交わる。図３に示す例では、第２主面３１の全体が、第１主面３０に対して非平行である。そして、第２主面３１の全体が、第１主面３０が接する内部端子板２３の下面２３ｂに対して傾斜している。

【0028】

正極リード２０は、上記のように、内部端子板２３の下面２３ｂにレーザ溶接されるが、この際、レーザ光を第２主面３１に対して略垂直に照射してレーザ光の反射を抑制する必要がある。正極リード２０によれば、第１主面３０と第２主面３１が非平行であるから、第２主面３１に対して垂直にレーザ光を照射すると、第１主面３０と下面２３ｂが接する部分に対してはレーザ光が斜めに入射することになる。この斜めに入射するレーザ光により、第１主面と第２主面が平行な従来の電極リードを用いた場合と比べて、溶接部４０の面積を拡大することが可能となる。

【0029】

本実施形態では、内部端子板２３の下面２３ｂに形成された溶融痕４１（即ち、溶接部４０）の仮想線αに沿った長さＬ１が、正極リード２０の第２主面３１に形成された溶融痕４１の仮想線βに沿った長さＬ２より長くなっている。なお、従来の電極リードを用いた場合は、長さＬ１，Ｌ２は略等しくなる。つまり、本実施形態では、第１主面３０と下面２３ｂが接する部分に対して斜めに入射するレーザ光によって、従来の電極リードを用いた場合と比べて溶接部４０が拡大する。

【0030】

正極リード２０の第２主面３１に対するレーザ光の照射スポットの形状（溶融痕４１の形状）は、特に限定されず、略真円状（図２参照）であってもよく、正極リード２０の幅方法に長い線状であってもよい。例えば、レーザ光を正極リード２０の幅方向に沿って走査することにより、幅方向に長い溶接部４０を形成できる。一般的には、レーザ光の照射面積が大きくなるほど、溶接部４０の面積は大きくなる。第２主面３１に対するレーザ光の照射面積が同じである場合、正極リード２０を用いることにより、従来の電極リードを用いた場合と比べて溶接部４０を大きくすることができる。

【0031】

正極リード２０の幅方向断面において、第１主面３０に沿った仮想線αと、第２主面３１に沿った仮想線βとがなす角度θ１、即ち内部端子板２３の下面２３ｂに対する第２主面３１の傾斜角度は特に限定されないが、好ましくは５°以上であり、より好ましくは１０°以上である。角度θ１を大きくするほど、上記の長さＬ２に対する長さＬ１の拡大倍率が大きくなる。

【0032】

角度θ１の上限値は、例えば４５°である。巻回型の電極体１４の場合、角度θ１を大きくし過ぎると、電極体１４にゆがみやずれが発生する場合がある。なお、正極リード２０の正極１１に接続される部分は第１主面３０と第２主面３１を平行に形成し、内部端子板２３に溶接される先端部は第１主面３０と第２主面３１を非平行に形成してもよい。この場合、角度θ１を大きくしても上記のような問題は発生しない。正極リード２０に先端部だけに別の金属部材を設けて、第１主面３０と第２主面３１を非平行にしてもよい。

【0033】

角度θ１の好適な範囲の一例は、１～４５°であり、より好ましくは５～４５°、または５～３０°、または１０～３０°である。図３に示す例では、第１主面３０（仮想線α）と側面３２とがなす角度θ２が約９０°であり、正極リード２０の幅方向断面の形状は略直角三角形状である。角度θ２が直角である場合、第２主面３１（仮想線β）と側面３２とがなす角度θ３は、例えば４５～８９°であり、好ましくは４５～７５°、または５０～７５°、または５０～７０°である。

【0034】

正極リード２０の最小厚みＴ１に対する最大厚みＴ２の比率（Ｔ２／Ｔ１）は、０＜Ｔ２／Ｔ１≦１００であることが好ましい。図３に示す例では、側面３３の長さに対する側面３２の長さの比率がＴ２／Ｔ１と等しい。正極リード２０の最大厚みＴ２は、例えば１ｍｍであり、電池のエネルギー密度向上等の観点から、好ましくは０．７ｍｍ、より好ましくは０．５ｍｍである。また、正極リード２０の最小厚みＴ１は、例えば０．０１ｍｍであり、抵抗発熱の抑制、強度確保等の観点から、好ましくは０．０５ｍｍ以上、より好ましくは０．１ｍｍ以上である。

【0035】

図４および図５は、実施形態の他の一例である正極リード２０ｘ，２０ｙの幅方向断面図である。以下では、上記実施形態と同じ構成要素には同じ符号を用いて重複する説明を省略する。図３に示す正極リード２０では、第１主面３０と側面３２が直交し、角度θ２，θ３が異なっていたが、図４に示す正極リード２０ｘでは、第１主面３０と側面３２ｘが直交しておらず、角度θ２，θ３が略同一である。正極リード２０ｘは、第１主面３０と第２主面３１ｘが略交わるように形成されており、その幅方向断面の形状は、略二等辺三角形状である。この場合も、第１主面３０に沿った仮想線αと、第２主面３１ｘに沿った仮想線βとがなす角度θ１は、例えば１～４５°であり、より好ましくは５～４５°、または５～３０°、または１０～３０°である。

【0036】

また、図５に示すように、第２主面３１ｙには、第１主面３０と非平行な斜面と、第１主面３０と平行な平面とが含まれていてもよい。なお、斜面部分は平面部分よりも大面積に形成されることが好ましい。図５に示す正極リード２０ｙでは角度θ２，θ３が略同一であり、正極リード２０ｙの幅方向断面の形状は五角形状である。この場合も、第１主面３０に沿った仮想線αと、第２主面３１ｙの斜面部分に沿った仮想線βとがなす角度θ１は、例えば１～４５°であり、より好ましくは５～４５°、または５～３０°、または１０～３０°である。

【0037】

以上のように、上述の構成を備えた正極リード２０，２０ｘ，２０ｙを用いることにより、第１主面と第２主面が平行な従来の電極リードを用いた場合と比べて、内部端子板２３に対する正極リード２０の接合面積を大きくすることが可能である。

【0038】

なお、正極リード２０に加えて、または正極リード２０の代わりに、負極リード２１の第１主面と第２主面を非平行に形成し、負極リード２１に上述した正極リード２０の構成を適用してもよい。

【符号の説明】

【0039】

１０ 密閉電池、１１ 正極、１２ 負極、１３ セパレータ、１４ 電極体、１６ 外装缶、１７ 封口体、１８，１９ 絶縁板、２０ 正極リード、２１ 負極リード、２２ 溝入部、２３ 内部端子板、２３ａ，２７ａ 開口、２３ｂ 下面、２４ 下弁体、２５ 絶縁部材、２６ 上弁体、２７ キャップ、２８ ガスケット、３０ 第１主面、３１ 第２主面、３２，３３ 側面、４０ 溶接部、４１ 溶融痕、α，β 仮想線、θ１，θ２，θ３ 角度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】