二次電池の製造方法および二次電池
【課題】二次電池の製造方法を改善する。
【解決手段】正極、負極およびセパレータを巻回して電極群６を形成する工程と、電極群６を円筒状容器１に収納する工程と、電極群６に非水電解液を含浸させる工程と、突起部７ａおよび突起部８ａが貫通孔１３の中で封止体３に保持されるように正極リード端子７および負極リード端子８を封止体３の各貫通孔１３に挿し込み、封止体３を円筒状容器１の開口部に装着する工程と、円筒状容器１の高さ方向に関して封止体３の上面３ｐと封止体３の下面３ｑとの間において封止体３に加わる径方向の圧縮荷重を増加させるように、円筒状容器１の側部１０をかしめる工程と、を含む。
【解決手段】正極、負極およびセパレータを巻回して電極群６を形成する工程と、電極群６を円筒状容器１に収納する工程と、電極群６に非水電解液を含浸させる工程と、突起部７ａおよび突起部８ａが貫通孔１３の中で封止体３に保持されるように正極リード端子７および負極リード端子８を封止体３の各貫通孔１３に挿し込み、封止体３を円筒状容器１の開口部に装着する工程と、円筒状容器１の高さ方向に関して封止体３の上面３ｐと封止体３の下面３ｑとの間において封止体３に加わる径方向の圧縮荷重を増加させるように、円筒状容器１の側部１０をかしめる工程と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池の製造方法および二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池は、ノート型パソコンを始めとした様々なポータブル機器に使用されている。ポータブル機器の長時間駆動および携帯性の向上といった要望を受け、二次電池には更なる軽量化、エネルギー密度の向上および信頼性の向上が求められている。近年は、地球環境保全の目的で、二次電池を使用したシステムの提案が活発になされている。例えば、車両分野では、モータと内燃機関とを備えたハイブリッド車両、および、モータのみを備えた電動車両が普及しつつある。電力貯蔵の分野では、太陽光等の自然エネルギーを有効活用するために、二次電池を用いた比較的大容量の蓄電システムが提案されている。
【０００３】
ポータブル機器向けのリチウムイオン二次電池では、極板群を収納するための容器として、ラミネート加工されたアルミニウム箔製の容器、および、金属製の扁平な角型容器が広く使用されている。他方、使用期間の長さ、使用環境の厳しさ、蓄電容量の大きさ等を考慮すると、エネルギー分野向けの二次電池では、極板群を収納するための容器として、金属製の円筒状容器が有力である。
【０００４】
金属製の円筒状容器は、例えば、特許文献１および非特許文献１に開示された構造を有する。すなわち、有底の容器本体と、容器本体の開口部を閉じるための封口板とで、円筒状容器が構成されている。極板群に接続された２つのリード端子は、容器本体および封口板にそれぞれ溶接される。封口板は、安全装置の役割も担っており、比較的複雑な構造を有する。
【０００５】
具体的に、非特許文献１は、絶縁リング、ガスケット、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子、ラプチャー等の部品で構成された封口板を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−８６８６８号公報
【非特許文献１】芳尾真幸、小沢昭弥編、「リチウムイオン二次電池−材料と応用」、第２版、日刊工業新聞社、２００１年１月２７日、ｐ．１７５−１７６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１および非特許文献１からも理解できるように、金属製の円筒状容器の部品点数は比較的多い。このことは、二次電池のコストの低減および生産性の向上の妨げとなっている。
【０００８】
また、金属製の円筒状容器を用いた二次電池には、次のような問題も存在する。リード端子を容器本体または封口板に溶接するために、レーザ溶接、抵抗溶接、スポット溶接、または超音波溶接等の各種方法が採用される。何れの溶接方法を採用する場合においても、溶接条件の安定領域が比較的狭いことに起因して、溶接部位毎に溶接条件や電極設定を精密に管理する必要がある。このような精密な管理を行ったとしても、例えば溶接電流が過多となった場合には、リード端子等の溶接部位に孔があいたり、溶接時に融けた金属がスパッタリングの火花により金属ヒュームとなって飛散したりする。飛散した金属（金属粉）は、容器内に異物として混入し、電池の内部短絡を引き起こす原因となりうる。このように、従来の二次電池の製造工程には溶接工程が含まれており、溶接工程においては、溶接条件を精密に管理する必要がある。このことは、二次電池のコストの低減の妨げとなっている。
【０００９】
上記事情に鑑み、本発明は、二次電池の改善された製造方法と、その方法により製造された二次電池と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】
【００１０】
すなわち、本発明は、
開放端側に突起部を有する正極リード端子が固定された正極と、開放端側に突起部を有する負極リード端子が固定された負極と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータとを巻回して電極群を形成する工程と、
前記電極群を金属製の円筒状容器に収納する工程と、
前記電極群に非水電解液を含浸させる工程と、
２つの貫通孔を備えた弾性力を有する封止体の各貫通孔に、前記正極リード端子の前記突起部および前記負極リード端子の前記突起部が各貫通孔の中で前記封止体に保持されるように前記正極リード端子および前記負極リード端子を挿し込み、前記封止体を前記円筒状容器の開口部に装着する工程と、
前記円筒状容器の高さ方向に関して前記封止体の上面と前記封止体の下面との間において前記封止体に加わる径方向の圧縮荷重を増加させるように、前記円筒状容器の側部をかしめる工程と、
を含む、二次電池の製造方法を提供する。
【００１１】
他の側面において、本発明は、
金属製の円筒状容器と、
正極、負極および前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータを有し、前記円筒状容器に収納された、巻回された電極群と、
前記円筒状容器の開口部に固定された封止体と、を備え、
前記電極群は、前記正極に接続された正極リード端子と、前記負極に接続された負極リード端子とをさらに有し、
前記封止体は、２つの貫通孔を有するとともに、弾性材料で構成されており、
前記正極リード端子および前記負極リード端子は、それぞれ、開放端側に突起部を有し、かつ前記突起部が各貫通孔の中で前記封止体に保持されるように前記封止体の各貫通孔に挿し込まれており、
前記円筒状容器の側部には、前記円筒状容器の高さ方向に関して前記封止体の上面と前記封止体の下面との間において、前記電極群の中心軸に向かう方向に突出しているかしめ部が設けられている、二次電池を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、金属製の円筒状容器の開口部を閉じるための部材として、弾性材料でできた封止体が使用されている。正極リード端子および負極リード端子は、封止体に形成された２つの貫通孔を通じて、円筒状容器の外部まで延びている。このような構造によれば、二次電池の製造工程を簡素化しやすい。具体的には、リード端子を円筒状容器または封止体に溶接する必要がない。溶接工程を省略できるので、金属粉が円筒状容器内に残留することに基づく二次電池の信頼性の低下、作業環境の悪化等の諸問題も起こりにくい。
【００１３】
本発明によれば、正極リード端子および負極リード端子は、それぞれ、開放端側に突起部を有している。かしめ加工時に封止体に作用する押圧力により、正極リード端子および負極リード端子が貫通孔の中で封止体にそれぞれ食い込み、各リード端子が封止体に接合される。これにより、正極リード端子、負極リード端子および封止体を介して電極群を円筒状容器に対して固定することができる。また、正極リード端子および負極リード端子に設けられた突起部は、貫通孔の中で封止体から弾性力を受け、封止体に保持される。言い換えれば、突起部によって貫通孔が塞がれている。これにより、外部から円筒状容器内への水分の透過を防止でき、二次電池の信頼性を高めることができる。また、正極リード端子および負極リード端子に設けられた突起部が貫通孔の中で封止体にそれぞれ食い込むので、正極リード端子、負極リード端子および封止体を介して電極群を円筒状容器に対して固定する効果を強めることができる。
【００１４】
また、電極群の重量に基づいて各リード端子に荷重が加えられたとしても、貫通孔の中で突起部がしっかりと保持されているので、各リード端子に対する機械的ストレスを抑制できる。従って、封止体に対するリード端子の位置ずれを防止でき、それにより、リード端子の位置ずれに基づく円筒状容器の内部への水分透過、すなわち、貫通孔とリード端子との間の微小な隙間を通じた円筒状容器の内部への水分透過を防止できる。
【００１５】
なお、上記本発明の製造方法に含まれた各工程は、上記の順番で実施されてもよいし、一の工程と他の工程との順番が入れ替わって実施されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る二次電池の断面図
【図２】図１に示す二次電池の電極群の分解斜視図
【図３】変形例に係る二次電池の部分断面図
【図４】図１に示す二次電池の製造工程図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。ただし、本発明はこれらに限定されない。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態の二次電池１００は、金属製の円筒状容器１、円筒状容器１に収納された電極群６、および円筒状容器１の開口部に固定された封止体３を備えている。二次電池１００は、典型的には、リチウムイオン二次電池である。
【００１９】
図２に示すように、電極群６は、正極２０、正極リード端子７、負極２５、負極リード端子８および２つのセパレータ２４で構成されている。セパレータ２４は、それぞれ、正極２０と負極２５との間に配置されている。正極リード端子７および負極リード端子８は、それぞれ、正極２０および負極２５に接続されている。正極２０、負極２５およびセパレータ２４は、巻き芯２９に巻きつけられている。これにより、電極群６は全体として円筒の形を有している。
【００２０】
図１に示すように、封止体３には、２つの貫通孔１３が形成されている。貫通孔１３は、正極リード端子７（または負極リード端子８）の直径よりも小さい直径を有する。正極リード端子７は、２つの貫通孔１３の一方の中で突起部７ａが封止体３に保持されるように封止体３の貫通孔１３に挿し込まれている。同様に、負極リード端子８は、２つの貫通孔１３の他方の中で突起部８ａが封止体３に保持されるように封止体３の貫通孔１３に挿し込まれている。つまり、正極リード端子７および負極リード端子８は、それぞれ、貫通孔１３を通って円筒状容器１の外部まで延びている。本実施形態では、円筒状容器１の高さ方向に関して、正極リード端子７の長さが、負極リード端子８の長さに一致している。また、高さ方向に関して、突起部７ａの位置が突起部８ａの位置に一致している。
【００２１】
円筒状容器１の側部１ａには、円筒状容器１の高さ方向に関して封止体３の上面３ｐと封止体３の下面３ｑとの間において、電極群６の中心軸に向かう方向に突出しているかしめ部１０が設けられている。かしめ部１０は、円環の形状を有するように円筒状容器１の周方向に沿って形成されている。この構成によれば、封止体３に対して、周方向に均一な圧縮荷重を付与できる。
【００２２】
本実施形態において、かしめ部１０は、高さ方向に関して、突起部７ａ（および８ａ）の下端と封止体３の下面３ｑとの間に設けられている。つまり、かしめの効果を最も多く得ることができる位置よりも円筒状容器１の開口部に近い位置に突起部７ａ（および８ａ）が位置している。このような構成によれば、高さ方向に関して、かしめ部１０と突起部７ａとの２箇所で正極リード端子７を封止体３に対して固定することが可能になる。同様に、かしめ部１０と突起部８ａとの２箇所で負極リード端子８を封止体３に対して固定することが可能となる。その結果、電極群６を支持する効果が一層強化される。また、水分透過の防止効果を高めることができる。
【００２３】
本実施形態では、かしめ部１０の最も窪んだ位置Ｈ１が、高さ方向に関して、突起部７ａおよび８ａの下端と封止体３の下面３ｑとの間に位置している。従って、突起部７ａおよび８ａよりも少し下の位置で、封止体３に最大の圧縮荷重が付与される。本実施形態では、高さ方向に関して、かしめ部１０の一部が突起部７ａおよび８ａに重なっている。ただし、高さ方向に関して、かしめ部１０が突起部７ａおよび８ａに重ならないように、かしめ部１０および突起部７ａおよび８ａの位置を規定することも可能である。
【００２４】
円筒状容器１の開口端部１２は、Ｕ字状に曲げられている。Ｕ字状に曲げられた開口端部１２は、封止体３の上面３ｐに接しており、これにより、円筒状容器１の中に押し込む方向の荷重を封止体３に付与している。円筒状容器１の内側には、円筒状容器１の高さ方向に関して封止体３の下面３ｑと円筒状容器１の底面（内部の底面）との間において、円筒状容器１の内周面と電極群６の外周面との間の隙間を狭めている凸部１７が設けられている。本実施形態では、電極群６を変形させない程度に凸部１７が電極群６に僅かに接触している。凸部１７は、電極群６を周方向に包囲する円環の形状を有する。
【００２５】
二次電池は、通常の使用は勿論のこと、真夏の車中等の高温条件下で使用されることも多い。この場合、二次電池の内圧が上昇する可能性がある。また、非水電解質二次電池は、正極材料および負極材料の結晶中に非水電解質イオンを出し入れすることで充放電を行う。その際、結晶の膨張および収縮を伴う場合があるため、電極群は変形する。電極群が変形すると電極合剤に含まれた粉体の状態が変形し、内部抵抗が上昇したり、正極と負極との間の距離が拡大したりする場合があるため、二次電池の特性が劣化する。本実施形態のように凸部１７を設けると、電極群６を円筒状容器１に固定できるだけでなく、電極群６の変形も抑制できる。従って、長期に渡って二次電池１００の特性が良好に維持される。
【００２６】
また、凸部１７が円環状に形成されていると、周方向に関して電極群６に均一な保持力が作用しうる。これにより、電極群６の変形を抑制する効果が更に高まる。電極群６の中心軸を円筒状容器１の中心軸に一致させることができるので、リード端子７および８に機械的ストレスもかかりにくい。さらに、内圧の上昇および外圧に対する円筒状容器１の耐久性も向上する。
【００２７】
本実施形態では、正極リード端子７と封止体３との接触界面のうち、突起部７ａが保持されている位置を基準として円筒状容器１の開口部に近い部分に封止剤１５が充填されている。同様に、負極リード端子８と封止体３の接触界面のうち、突起部８ａが保持されている位置を基準として円筒状容器１の開口部に近い部分に封止剤１５が充填されている。封止剤１５は、外部への電解液の漏液および蒸発を防止する役割と、外部から円筒状容器１の内部への水分の侵入を防止する役割とを担う。封止剤１５によれば、リード端子７および８が電極群６を支える機能を一層高めることもできる。
【００２８】
なお、円筒状容器１の底部の空間、すなわち、円筒状容器１の底部と電極群６との間に絶縁シート等の他の部材が設けられていてもよい。同様に、封止体３の下面３ｑと電極群６との間に絶縁シート等の他の部材が設けられていてもよい。
【００２９】
次に、各部品について詳細に説明する。
【００３０】
<<円筒状容器>>
円筒状容器１は、底部と開口部とを有する金属製容器である。円筒状容器１の材料としては、軽量性および加工性の観点から、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属を好適に使用できる。かしめ強度を比較的容易に高めることができるという理由から、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｓｉ等の元素を微量添加したアルミニウム合金が好ましい。
【００３１】
<<封止体>>
封止体３は、弾性材料で構成されている。詳細には、封止体３は、ゴム弾性を有する材料（エラストマー）でできており、円柱の形状を有する。封止体３の直径は、円筒状容器１の開口部の直径よりも少し大きい。封止体３の材料としては、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、イソブチレンイソプレンゴム（ＩＩＲ）、ブタジエンスチレンゴム（ＳＢＲ）等を使用できる。
【００３２】
<<正極>>
図２に示すように、正極２０は、正極集電体２１と、正極集電体２１の片面または両面に設けられた正極活物質層２２とを有する。正極活物質層２２は、例えば、正極活物質、結着剤および導電助剤で構成されている。
【００３３】
正極集電体２１は、導電性を有するシート状の部材であり、典型的には金属箔で構成されている。金属箔に代えて、多数の孔を有する部材（金属メッシュ、パンチングメタル、エキスパンドメタル）も使用できる。正極集電体２１の材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属を好適に使用できる。
【００３４】
正極活物質としては、二酸化マンガン（ＭｎＯ2）、リチウムマンガン複合酸化物（例えばＬｉxＭｎ2Ｏ4またはＬｉxＭｎＯ2）、リチウムニッケル複合酸化物（例えばＬｉxＮｉＯ2）、リチウムコバルト複合酸化物（例えばＬｉxＣｏＯ2）、リチウムニッケルコバルト複合酸化物（例えばＬｉＮｉ1-yＣｏyＯ2）、リチウムマンガンコバルト複合酸化物（例えばＬｉxＭｎyＣｏ1-yＯ2）、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物（ＬｉxＭｎ2-yＮｉyＯ4）、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物（ＬｉxＦｅＰＯ4）等の酸化物を使用できる。上記化学式の「ｘ」および「ｙ」は、それぞれ、０〜１の範囲の値でありうる。
【００３５】
好ましい正極活物質として、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物、リチウムマンガンコバルト複合酸化物、リチウムリン酸鉄が挙げられる。これらは、金属リチウムの電位に対して例えば３．０Ｖ以上５．０Ｖ以下の充放電電位を有する。
【００３６】
導電剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等の炭素材料を使用できる。結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、フッ素ゴム、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等の樹脂材料を使用できる。
【００３７】
<<負極>>
負極２５は、負極集電体２６と、負極集電体２６の片面または両面に設けられた負極活物質層２７とを有する。負極活物質層２７は、例えば、負極活物質、結着剤および導電助剤で構成されている。
【００３８】
負極集電体２６も導電性を有するシート状の部材であり、典型的には金属箔で構成されている。金属箔に代えて、多数の孔を有する部材（金属メッシュ、パンチングメタル、エキスパンドメタル）も使用できる。負極集電体２６の材料としては、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属を好適に使用できる。
【００３９】
負極活物質としては、金属リチウム、リチウム合金、リチウムチタン複合酸化物（例えばＬｉ4Ｔｉ5Ｏ12）、リチウムイオンを吸蔵および放出できる炭素材料、リチウムと合金を形成しうる材料（いわゆる合金系活物質）等を使用できる。炭素材料としては、グラファイトが代表的である。合金系活物質としては、スズ、スズ合金、シリコンおよびシリコン合金が挙げられる。充放電効率およびサイクル寿命の観点から、炭素材料またはリチウムチタン複合酸化物を好適に使用できる。
【００４０】
結着剤および導電助剤としては、正極２０と同じものを使用できる。
【００４１】
負極２５（詳細には負極活物質層２７）が、金属リチウムの電位に対して１．０Ｖ以上貴な電位を有する負極活物質を含む場合、負極集電体２６は、好ましくはアルミニウムまたはアルミニウム合金でできている。この構成によれば、アルミニウム製の円筒状容器１に負極２５が触れた場合であっても、円筒状容器１の溶出を防止できる。言い換えれば、上記構成によれば、アルミニウム製の円筒状容器１の使用が許される。アルミニウム製の円筒状容器１は、二次電池１００の軽量化に寄与する。
【００４２】
金属リチウムの電位に対して１．０Ｖ以上貴な電位を有する負極活物質として、リチウムとチタンとを含む複合酸化物が挙げられる。具体的には、化学式Ｌｉ4+xＴｉ5Ｏ12（０≦ｘ≦３）で表され、スピネル型構造を有するチタン酸リチウムが挙げられる。
【００４３】
<<セパレータ>>
セパレータ２４としては、多孔質フィルム、不織布等を使用できる。多孔質フィルムとしては、ポリエチレンまたはポリプロピレンでできたものを例示できる。不織布としては、セルロースまたはポリビニルアルコール（ＰＶＡ）でできたものを例示できる。
【００４４】
<<非水電解質>>
正極２０、負極２５およびセパレータ２４には、非水電解質が含浸されている。非水電解質としては、電解質と有機溶媒とを含む液状の非水電解質が挙げられる。有機溶媒としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）等の環状カーボネートを使用できる。ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）等の鎖状カーボネート、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２メチルテトラヒドロフラン（２ＭｅＴＨＦ）等の環状エーテル、ジメトキシエタン（ＤＭＥ）等の鎖状エーテル、アセトニトリル（ＡＮ）、スルホラン（ＳＬ）等も使用できる。これらの有機溶媒は、単独または２種以上の混合物の形態で使用できる。
【００４５】
電解質としては、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ4）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ4）等のリチウム塩が挙げられる。化学的安定性と高誘電率化の観点から、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）を主たる電解質として用いることが好ましい。「主たる電解質」とは、モル比にて最も多く含まれた電解質を意味する。電解質は、有機溶媒に対して、例えば０．５〜２．０ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解している。
【００４６】
<<リード端子>>
正極リード端子７は、正極集電体２１に固定された第一部分と、封止体３の貫通孔１３の中を通って円筒状容器１の外部に延びている第二部分と、第二部分に設けられた突起部７ａとで構成されている。つまり、正極リード端子７は、開放端側に突起部７ａを有している。第一部分は、正極集電体２１に溶接等により固定しうるように板状に成形された部分である。第二部分は、一定の直径を有する棒状の部分である。「リード端子の直径」は、この第二部分の直径を表す。突起部７ａは、第二部分から径方向の外側に向かって突出している部分である。つまり、突起部７ａは、第二部分の直径よりも大きい直径を有する。
【００４７】
本実施形態において、円筒状容器１の高さ方向に垂直な方向から見たとき、突起部７ａは、矩形の形状を有する。正極リード端子７の軸方向から見たとき、突起部７ａは、円の形状を有する。これらの構造は、負極リード端子８にも採用されている。本実施形態では、リード端子７および８は、それぞれ、突起部７ａおよび８ａを１つのみ有する。ただし、１つのリード端子に複数の突起部が設けられていてもよい。第二部分の直径は、例えば、０．５〜５ｍｍの範囲にある。突起部７ａおよび８ａの各直径は、例えば、０．６〜７ｍｍの範囲にある。封止体３の貫通孔１３の内径は、例えば、０．２〜４．９ｍｍの範囲にある。
【００４８】
図３に示す変形例において、正極リード端子７の突起部７ｂおよび負極リード端子８の突起部８ｂは、それぞれ、円筒状容器１の高さ方向に垂直な方向から見たとき、円筒状容器１の開口部側に位置している短辺と、円筒状容器１の底面側に位置している長辺とを含む台形の形状を有する。このような形状の突起部７ｂおよび８ｂが設けられていると、封止体３の貫通孔１３にリード端子７および８を比較的スムーズに挿入できるので、二次電池１００の組み立て時の作業性が向上する。また、電極群６を支える機能の向上も期待できる。
【００４９】
リード端子７および８の材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、ステンレス等の金属を使用できる。
【００５０】
<<封止剤>>
封止剤１５としては、アスファルト、コールタール等のピッチ、ピッチと他の材料（鉱物油、シリコンゴム等）との混合物、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム等のエラストマーを主成分として含む材料等を使用できる。なお、「主成分」とは、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。なお、図３の変形例に示すように、封止剤１５は、突起部７ａおよび８ｂの下側に充填されていてもよい。すなわち、正極リード端子７と封止体３との接触界面のうち、突起部７ｂ（または７ａ）が保持されている位置を基準として電極群６に近い部分に封止剤１５が充填されていてもよい。同様に、負極リード端子８と封止体３の接触界面のうち、突起部８ｂ（または８ａ）が保持されている位置を基準として電極群６に近い部分に封止剤１５が充填されていてもよい。このような構成によれば、円筒状容器１の内部への水分透過をより確実に防止できる。
【００５１】
次に、図１に示す二次電池の製造方法について説明する。
【００５２】
図４に示すように、まず、正極２０および負極２５を作製する。正極２０および負極２５は、公知の方法に従って作製できる。具体的には、活物質、導電助剤、結着剤および溶媒を含む合剤を長尺の集電体に塗布し、合剤層が形成されるように塗布された合剤を乾燥させる。その後、合剤層と集電体とをプレスすれば、帯状の電極（正極２０および負極２５）が得られる（ＳＴＥＰ１）。正極２０および負極２５には、それぞれ、正極リード端子７および負極リード端子８が溶接等により固定される。
【００５３】
次に、正極２０と、負極２５と、セパレータ２４とを巻回して電極群６を形成する（ＳＴＥＰ２）。次に、電極群６を円筒状容器１に収納する（ＳＴＥＰ３）。次に、電極群６に非水電解液を含浸させる（ＳＴＥＰ４）。電極群６に非水電解液を含浸させる工程は、円筒状容器１に封止体３を装着する前であれば、どの段階で行ってもよい。
【００５４】
電極群６を簡単に収納できるようにするために、二次電池１００の組立前において、円筒状容器１の開口部における直径は、円筒状容器１の底部の直径を上回る。つまり、円筒状容器１の側部１ａには緩やかなテーパが付与されている。この場合、電極群６の収納後、円筒状容器１の側部１ａの絞り加工（縮径加工）を行うことが望ましい。これにより、円筒状容器１の寸法を所望の寸法へと調節できる。
【００５５】
次に、円筒状容器１の側部１ａをかしめる（ＳＴＥＰ５）。これにより、円筒状容器１に封止体３を装着したときに、円筒状容器１の高さ方向に関して封止体３の上面３ｐと封止体３の下面３ｑとの間において封止体３に加わる径方向の圧縮荷重を増加させるかしめ部１０が形成される。
【００５６】
また、電極群６を円筒状容器１に収納した後、円筒状容器１の内周面と電極群６の外周面との間の隙間を狭めるように、円筒状容器１の外周面に溝を形成して円筒状容器１の内側に凸部１７を設ける。凸部１７は電極群６に接触してもよいが、充放電反応の均一性の観点から凸部１７が電極群６を圧迫しないこと、凸部１７が電極群６を変形させないことが望ましい。
【００５７】
リード端子７および８に過剰な力が加わることを回避するために、円筒状容器１の中で電極群６が動くことを防ぐための構造が担うべき役割は大きい。本実施形態では、そのような構造として、リード端子７および８の突起部７ａおよび８ａ、かしめ部１０、および凸部１７が採用されている。特に、電極群６には、コバルト、マンガン等の金属が使用されていることが多く、電極群６が重くなりがちである。この場合、上記構造によってもたらされる利益は一層大きいものとなる。
【００５８】
なお、かしめ部１０と同じように、凸部１７もかしめ加工によって形成できる。また、凸部１７が円環の形状を有するように円筒状容器１の周方向に沿って溝を形成することが好ましい。これにより、電極群６の周方向に均一な保持力を作用させることが可能となる。
【００５９】
次に、封止体３を円筒状容器１の開口部に装着する（ＳＴＥＰ６）。突起部７ａおよび突起部８ａが各貫通孔１３の中で封止体３に保持されるように正極リード端子７および負極リード端子８を封止体３の各貫通孔１３に挿し込む。リード端子７および８が挿し込まれた封止体３を円筒状容器１の開口部に装着する。
【００６０】
封止体３の装着後、正極リード端子７と封止体３との接触界面（微小隙間）のうち、突起部７ａが保持されている位置を基準として円筒状容器１の開口部に近い部分に封止剤１５を充填する。封止剤１５の充填には、例えば細い先端を有するディスペンサを使用できる。同様に、負極リード端子８と封止体３の接触界面のうち、突起部８ａが保持されている位置を基準として円筒状容器１の開口部に近い部分に封止剤１５を充填する。これにより、リード端子７および８と貫通孔１３との間の隙間を確実に封じることができる。
【００６１】
最後に、封止体３の上面３ｐに圧縮荷重が加わるように、開口端部１２をＵ字状に曲げる（ＳＴＥＰ７）。開口端部１２の曲げは、かしめ加工により行うことができる。以上の各工程を行うことにより、図１に示す二次電池１００が得られる。なお、円筒状容器１の開口部に封止体３を装着した後で、かしめ部１０を形成してもよい。この場合、開口端部１２を曲げる工程と、かしめ部１０を形成する工程とを同時または連続して行えるので、生産性の向上を期待できる。同様に、円筒状容器１の開口部に封止体３を装着した後で、凸部１７を形成してもよい。
【００６２】
以上に説明した方法は、リード端子７および８を円筒状容器１等に溶接する工程を含んでいない。従って、溶接工程で金属粉が発生し、その金属粉が容器内に残留することに基づく二次電池の信頼性の低下、作業環境の悪化等の諸問題が起こりにくい。また、本実施形態の方法には、加熱を要する加工が含まれていないので、加熱によるひずみ等の不具合が電極群６に起こりにくい。
【００６３】
また、本実施形態で説明した方法によって製造されたリチウム二次電池は、リード端子への機械的ストレス、容器内への水分の透過が抑制されているので、高い信頼性を有する。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、エネルギー分野向けの二次電池、例えば、一般家庭用の二次電池に有利に適用できる。
【符号の説明】
【００６５】
１ 円筒状容器
３ 封止体
６ 電極群
７ 正極リード端子
８ 負極リード端子
７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ 突起部
１０ かしめ部
１３ 貫通孔
１５ 封止剤
１７ 凸部
２０ 正極
２４ セパレータ
２５ 負極
１００ 二次電池
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池の製造方法および二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池は、ノート型パソコンを始めとした様々なポータブル機器に使用されている。ポータブル機器の長時間駆動および携帯性の向上といった要望を受け、二次電池には更なる軽量化、エネルギー密度の向上および信頼性の向上が求められている。近年は、地球環境保全の目的で、二次電池を使用したシステムの提案が活発になされている。例えば、車両分野では、モータと内燃機関とを備えたハイブリッド車両、および、モータのみを備えた電動車両が普及しつつある。電力貯蔵の分野では、太陽光等の自然エネルギーを有効活用するために、二次電池を用いた比較的大容量の蓄電システムが提案されている。
【０００３】
ポータブル機器向けのリチウムイオン二次電池では、極板群を収納するための容器として、ラミネート加工されたアルミニウム箔製の容器、および、金属製の扁平な角型容器が広く使用されている。他方、使用期間の長さ、使用環境の厳しさ、蓄電容量の大きさ等を考慮すると、エネルギー分野向けの二次電池では、極板群を収納するための容器として、金属製の円筒状容器が有力である。
【０００４】
金属製の円筒状容器は、例えば、特許文献１および非特許文献１に開示された構造を有する。すなわち、有底の容器本体と、容器本体の開口部を閉じるための封口板とで、円筒状容器が構成されている。極板群に接続された２つのリード端子は、容器本体および封口板にそれぞれ溶接される。封口板は、安全装置の役割も担っており、比較的複雑な構造を有する。
【０００５】
具体的に、非特許文献１は、絶縁リング、ガスケット、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子、ラプチャー等の部品で構成された封口板を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−８６８６８号公報
【非特許文献１】芳尾真幸、小沢昭弥編、「リチウムイオン二次電池−材料と応用」、第２版、日刊工業新聞社、２００１年１月２７日、ｐ．１７５−１７６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１および非特許文献１からも理解できるように、金属製の円筒状容器の部品点数は比較的多い。このことは、二次電池のコストの低減および生産性の向上の妨げとなっている。
【０００８】
また、金属製の円筒状容器を用いた二次電池には、次のような問題も存在する。リード端子を容器本体または封口板に溶接するために、レーザ溶接、抵抗溶接、スポット溶接、または超音波溶接等の各種方法が採用される。何れの溶接方法を採用する場合においても、溶接条件の安定領域が比較的狭いことに起因して、溶接部位毎に溶接条件や電極設定を精密に管理する必要がある。このような精密な管理を行ったとしても、例えば溶接電流が過多となった場合には、リード端子等の溶接部位に孔があいたり、溶接時に融けた金属がスパッタリングの火花により金属ヒュームとなって飛散したりする。飛散した金属（金属粉）は、容器内に異物として混入し、電池の内部短絡を引き起こす原因となりうる。このように、従来の二次電池の製造工程には溶接工程が含まれており、溶接工程においては、溶接条件を精密に管理する必要がある。このことは、二次電池のコストの低減の妨げとなっている。
【０００９】
上記事情に鑑み、本発明は、二次電池の改善された製造方法と、その方法により製造された二次電池と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】
【００１０】
すなわち、本発明は、
開放端側に突起部を有する正極リード端子が固定された正極と、開放端側に突起部を有する負極リード端子が固定された負極と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータとを巻回して電極群を形成する工程と、
前記電極群を金属製の円筒状容器に収納する工程と、
前記電極群に非水電解液を含浸させる工程と、
２つの貫通孔を備えた弾性力を有する封止体の各貫通孔に、前記正極リード端子の前記突起部および前記負極リード端子の前記突起部が各貫通孔の中で前記封止体に保持されるように前記正極リード端子および前記負極リード端子を挿し込み、前記封止体を前記円筒状容器の開口部に装着する工程と、
前記円筒状容器の高さ方向に関して前記封止体の上面と前記封止体の下面との間において前記封止体に加わる径方向の圧縮荷重を増加させるように、前記円筒状容器の側部をかしめる工程と、
を含む、二次電池の製造方法を提供する。
【００１１】
他の側面において、本発明は、
金属製の円筒状容器と、
正極、負極および前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータを有し、前記円筒状容器に収納された、巻回された電極群と、
前記円筒状容器の開口部に固定された封止体と、を備え、
前記電極群は、前記正極に接続された正極リード端子と、前記負極に接続された負極リード端子とをさらに有し、
前記封止体は、２つの貫通孔を有するとともに、弾性材料で構成されており、
前記正極リード端子および前記負極リード端子は、それぞれ、開放端側に突起部を有し、かつ前記突起部が各貫通孔の中で前記封止体に保持されるように前記封止体の各貫通孔に挿し込まれており、
前記円筒状容器の側部には、前記円筒状容器の高さ方向に関して前記封止体の上面と前記封止体の下面との間において、前記電極群の中心軸に向かう方向に突出しているかしめ部が設けられている、二次電池を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、金属製の円筒状容器の開口部を閉じるための部材として、弾性材料でできた封止体が使用されている。正極リード端子および負極リード端子は、封止体に形成された２つの貫通孔を通じて、円筒状容器の外部まで延びている。このような構造によれば、二次電池の製造工程を簡素化しやすい。具体的には、リード端子を円筒状容器または封止体に溶接する必要がない。溶接工程を省略できるので、金属粉が円筒状容器内に残留することに基づく二次電池の信頼性の低下、作業環境の悪化等の諸問題も起こりにくい。
【００１３】
本発明によれば、正極リード端子および負極リード端子は、それぞれ、開放端側に突起部を有している。かしめ加工時に封止体に作用する押圧力により、正極リード端子および負極リード端子が貫通孔の中で封止体にそれぞれ食い込み、各リード端子が封止体に接合される。これにより、正極リード端子、負極リード端子および封止体を介して電極群を円筒状容器に対して固定することができる。また、正極リード端子および負極リード端子に設けられた突起部は、貫通孔の中で封止体から弾性力を受け、封止体に保持される。言い換えれば、突起部によって貫通孔が塞がれている。これにより、外部から円筒状容器内への水分の透過を防止でき、二次電池の信頼性を高めることができる。また、正極リード端子および負極リード端子に設けられた突起部が貫通孔の中で封止体にそれぞれ食い込むので、正極リード端子、負極リード端子および封止体を介して電極群を円筒状容器に対して固定する効果を強めることができる。
【００１４】
また、電極群の重量に基づいて各リード端子に荷重が加えられたとしても、貫通孔の中で突起部がしっかりと保持されているので、各リード端子に対する機械的ストレスを抑制できる。従って、封止体に対するリード端子の位置ずれを防止でき、それにより、リード端子の位置ずれに基づく円筒状容器の内部への水分透過、すなわち、貫通孔とリード端子との間の微小な隙間を通じた円筒状容器の内部への水分透過を防止できる。
【００１５】
なお、上記本発明の製造方法に含まれた各工程は、上記の順番で実施されてもよいし、一の工程と他の工程との順番が入れ替わって実施されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る二次電池の断面図
【図２】図１に示す二次電池の電極群の分解斜視図
【図３】変形例に係る二次電池の部分断面図
【図４】図１に示す二次電池の製造工程図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。ただし、本発明はこれらに限定されない。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態の二次電池１００は、金属製の円筒状容器１、円筒状容器１に収納された電極群６、および円筒状容器１の開口部に固定された封止体３を備えている。二次電池１００は、典型的には、リチウムイオン二次電池である。
【００１９】
図２に示すように、電極群６は、正極２０、正極リード端子７、負極２５、負極リード端子８および２つのセパレータ２４で構成されている。セパレータ２４は、それぞれ、正極２０と負極２５との間に配置されている。正極リード端子７および負極リード端子８は、それぞれ、正極２０および負極２５に接続されている。正極２０、負極２５およびセパレータ２４は、巻き芯２９に巻きつけられている。これにより、電極群６は全体として円筒の形を有している。
【００２０】
図１に示すように、封止体３には、２つの貫通孔１３が形成されている。貫通孔１３は、正極リード端子７（または負極リード端子８）の直径よりも小さい直径を有する。正極リード端子７は、２つの貫通孔１３の一方の中で突起部７ａが封止体３に保持されるように封止体３の貫通孔１３に挿し込まれている。同様に、負極リード端子８は、２つの貫通孔１３の他方の中で突起部８ａが封止体３に保持されるように封止体３の貫通孔１３に挿し込まれている。つまり、正極リード端子７および負極リード端子８は、それぞれ、貫通孔１３を通って円筒状容器１の外部まで延びている。本実施形態では、円筒状容器１の高さ方向に関して、正極リード端子７の長さが、負極リード端子８の長さに一致している。また、高さ方向に関して、突起部７ａの位置が突起部８ａの位置に一致している。
【００２１】
円筒状容器１の側部１ａには、円筒状容器１の高さ方向に関して封止体３の上面３ｐと封止体３の下面３ｑとの間において、電極群６の中心軸に向かう方向に突出しているかしめ部１０が設けられている。かしめ部１０は、円環の形状を有するように円筒状容器１の周方向に沿って形成されている。この構成によれば、封止体３に対して、周方向に均一な圧縮荷重を付与できる。
【００２２】
本実施形態において、かしめ部１０は、高さ方向に関して、突起部７ａ（および８ａ）の下端と封止体３の下面３ｑとの間に設けられている。つまり、かしめの効果を最も多く得ることができる位置よりも円筒状容器１の開口部に近い位置に突起部７ａ（および８ａ）が位置している。このような構成によれば、高さ方向に関して、かしめ部１０と突起部７ａとの２箇所で正極リード端子７を封止体３に対して固定することが可能になる。同様に、かしめ部１０と突起部８ａとの２箇所で負極リード端子８を封止体３に対して固定することが可能となる。その結果、電極群６を支持する効果が一層強化される。また、水分透過の防止効果を高めることができる。
【００２３】
本実施形態では、かしめ部１０の最も窪んだ位置Ｈ１が、高さ方向に関して、突起部７ａおよび８ａの下端と封止体３の下面３ｑとの間に位置している。従って、突起部７ａおよび８ａよりも少し下の位置で、封止体３に最大の圧縮荷重が付与される。本実施形態では、高さ方向に関して、かしめ部１０の一部が突起部７ａおよび８ａに重なっている。ただし、高さ方向に関して、かしめ部１０が突起部７ａおよび８ａに重ならないように、かしめ部１０および突起部７ａおよび８ａの位置を規定することも可能である。
【００２４】
円筒状容器１の開口端部１２は、Ｕ字状に曲げられている。Ｕ字状に曲げられた開口端部１２は、封止体３の上面３ｐに接しており、これにより、円筒状容器１の中に押し込む方向の荷重を封止体３に付与している。円筒状容器１の内側には、円筒状容器１の高さ方向に関して封止体３の下面３ｑと円筒状容器１の底面（内部の底面）との間において、円筒状容器１の内周面と電極群６の外周面との間の隙間を狭めている凸部１７が設けられている。本実施形態では、電極群６を変形させない程度に凸部１７が電極群６に僅かに接触している。凸部１７は、電極群６を周方向に包囲する円環の形状を有する。
【００２５】
二次電池は、通常の使用は勿論のこと、真夏の車中等の高温条件下で使用されることも多い。この場合、二次電池の内圧が上昇する可能性がある。また、非水電解質二次電池は、正極材料および負極材料の結晶中に非水電解質イオンを出し入れすることで充放電を行う。その際、結晶の膨張および収縮を伴う場合があるため、電極群は変形する。電極群が変形すると電極合剤に含まれた粉体の状態が変形し、内部抵抗が上昇したり、正極と負極との間の距離が拡大したりする場合があるため、二次電池の特性が劣化する。本実施形態のように凸部１７を設けると、電極群６を円筒状容器１に固定できるだけでなく、電極群６の変形も抑制できる。従って、長期に渡って二次電池１００の特性が良好に維持される。
【００２６】
また、凸部１７が円環状に形成されていると、周方向に関して電極群６に均一な保持力が作用しうる。これにより、電極群６の変形を抑制する効果が更に高まる。電極群６の中心軸を円筒状容器１の中心軸に一致させることができるので、リード端子７および８に機械的ストレスもかかりにくい。さらに、内圧の上昇および外圧に対する円筒状容器１の耐久性も向上する。
【００２７】
本実施形態では、正極リード端子７と封止体３との接触界面のうち、突起部７ａが保持されている位置を基準として円筒状容器１の開口部に近い部分に封止剤１５が充填されている。同様に、負極リード端子８と封止体３の接触界面のうち、突起部８ａが保持されている位置を基準として円筒状容器１の開口部に近い部分に封止剤１５が充填されている。封止剤１５は、外部への電解液の漏液および蒸発を防止する役割と、外部から円筒状容器１の内部への水分の侵入を防止する役割とを担う。封止剤１５によれば、リード端子７および８が電極群６を支える機能を一層高めることもできる。
【００２８】
なお、円筒状容器１の底部の空間、すなわち、円筒状容器１の底部と電極群６との間に絶縁シート等の他の部材が設けられていてもよい。同様に、封止体３の下面３ｑと電極群６との間に絶縁シート等の他の部材が設けられていてもよい。
【００２９】
次に、各部品について詳細に説明する。
【００３０】
<<円筒状容器>>
円筒状容器１は、底部と開口部とを有する金属製容器である。円筒状容器１の材料としては、軽量性および加工性の観点から、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属を好適に使用できる。かしめ強度を比較的容易に高めることができるという理由から、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｓｉ等の元素を微量添加したアルミニウム合金が好ましい。
【００３１】
<<封止体>>
封止体３は、弾性材料で構成されている。詳細には、封止体３は、ゴム弾性を有する材料（エラストマー）でできており、円柱の形状を有する。封止体３の直径は、円筒状容器１の開口部の直径よりも少し大きい。封止体３の材料としては、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、イソブチレンイソプレンゴム（ＩＩＲ）、ブタジエンスチレンゴム（ＳＢＲ）等を使用できる。
【００３２】
<<正極>>
図２に示すように、正極２０は、正極集電体２１と、正極集電体２１の片面または両面に設けられた正極活物質層２２とを有する。正極活物質層２２は、例えば、正極活物質、結着剤および導電助剤で構成されている。
【００３３】
正極集電体２１は、導電性を有するシート状の部材であり、典型的には金属箔で構成されている。金属箔に代えて、多数の孔を有する部材（金属メッシュ、パンチングメタル、エキスパンドメタル）も使用できる。正極集電体２１の材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属を好適に使用できる。
【００３４】
正極活物質としては、二酸化マンガン（ＭｎＯ2）、リチウムマンガン複合酸化物（例えばＬｉxＭｎ2Ｏ4またはＬｉxＭｎＯ2）、リチウムニッケル複合酸化物（例えばＬｉxＮｉＯ2）、リチウムコバルト複合酸化物（例えばＬｉxＣｏＯ2）、リチウムニッケルコバルト複合酸化物（例えばＬｉＮｉ1-yＣｏyＯ2）、リチウムマンガンコバルト複合酸化物（例えばＬｉxＭｎyＣｏ1-yＯ2）、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物（ＬｉxＭｎ2-yＮｉyＯ4）、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物（ＬｉxＦｅＰＯ4）等の酸化物を使用できる。上記化学式の「ｘ」および「ｙ」は、それぞれ、０〜１の範囲の値でありうる。
【００３５】
好ましい正極活物質として、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物、リチウムマンガンコバルト複合酸化物、リチウムリン酸鉄が挙げられる。これらは、金属リチウムの電位に対して例えば３．０Ｖ以上５．０Ｖ以下の充放電電位を有する。
【００３６】
導電剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等の炭素材料を使用できる。結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、フッ素ゴム、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等の樹脂材料を使用できる。
【００３７】
<<負極>>
負極２５は、負極集電体２６と、負極集電体２６の片面または両面に設けられた負極活物質層２７とを有する。負極活物質層２７は、例えば、負極活物質、結着剤および導電助剤で構成されている。
【００３８】
負極集電体２６も導電性を有するシート状の部材であり、典型的には金属箔で構成されている。金属箔に代えて、多数の孔を有する部材（金属メッシュ、パンチングメタル、エキスパンドメタル）も使用できる。負極集電体２６の材料としては、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属を好適に使用できる。
【００３９】
負極活物質としては、金属リチウム、リチウム合金、リチウムチタン複合酸化物（例えばＬｉ4Ｔｉ5Ｏ12）、リチウムイオンを吸蔵および放出できる炭素材料、リチウムと合金を形成しうる材料（いわゆる合金系活物質）等を使用できる。炭素材料としては、グラファイトが代表的である。合金系活物質としては、スズ、スズ合金、シリコンおよびシリコン合金が挙げられる。充放電効率およびサイクル寿命の観点から、炭素材料またはリチウムチタン複合酸化物を好適に使用できる。
【００４０】
結着剤および導電助剤としては、正極２０と同じものを使用できる。
【００４１】
負極２５（詳細には負極活物質層２７）が、金属リチウムの電位に対して１．０Ｖ以上貴な電位を有する負極活物質を含む場合、負極集電体２６は、好ましくはアルミニウムまたはアルミニウム合金でできている。この構成によれば、アルミニウム製の円筒状容器１に負極２５が触れた場合であっても、円筒状容器１の溶出を防止できる。言い換えれば、上記構成によれば、アルミニウム製の円筒状容器１の使用が許される。アルミニウム製の円筒状容器１は、二次電池１００の軽量化に寄与する。
【００４２】
金属リチウムの電位に対して１．０Ｖ以上貴な電位を有する負極活物質として、リチウムとチタンとを含む複合酸化物が挙げられる。具体的には、化学式Ｌｉ4+xＴｉ5Ｏ12（０≦ｘ≦３）で表され、スピネル型構造を有するチタン酸リチウムが挙げられる。
【００４３】
<<セパレータ>>
セパレータ２４としては、多孔質フィルム、不織布等を使用できる。多孔質フィルムとしては、ポリエチレンまたはポリプロピレンでできたものを例示できる。不織布としては、セルロースまたはポリビニルアルコール（ＰＶＡ）でできたものを例示できる。
【００４４】
<<非水電解質>>
正極２０、負極２５およびセパレータ２４には、非水電解質が含浸されている。非水電解質としては、電解質と有機溶媒とを含む液状の非水電解質が挙げられる。有機溶媒としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）等の環状カーボネートを使用できる。ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）等の鎖状カーボネート、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２メチルテトラヒドロフラン（２ＭｅＴＨＦ）等の環状エーテル、ジメトキシエタン（ＤＭＥ）等の鎖状エーテル、アセトニトリル（ＡＮ）、スルホラン（ＳＬ）等も使用できる。これらの有機溶媒は、単独または２種以上の混合物の形態で使用できる。
【００４５】
電解質としては、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ4）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ4）等のリチウム塩が挙げられる。化学的安定性と高誘電率化の観点から、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）を主たる電解質として用いることが好ましい。「主たる電解質」とは、モル比にて最も多く含まれた電解質を意味する。電解質は、有機溶媒に対して、例えば０．５〜２．０ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解している。
【００４６】
<<リード端子>>
正極リード端子７は、正極集電体２１に固定された第一部分と、封止体３の貫通孔１３の中を通って円筒状容器１の外部に延びている第二部分と、第二部分に設けられた突起部７ａとで構成されている。つまり、正極リード端子７は、開放端側に突起部７ａを有している。第一部分は、正極集電体２１に溶接等により固定しうるように板状に成形された部分である。第二部分は、一定の直径を有する棒状の部分である。「リード端子の直径」は、この第二部分の直径を表す。突起部７ａは、第二部分から径方向の外側に向かって突出している部分である。つまり、突起部７ａは、第二部分の直径よりも大きい直径を有する。
【００４７】
本実施形態において、円筒状容器１の高さ方向に垂直な方向から見たとき、突起部７ａは、矩形の形状を有する。正極リード端子７の軸方向から見たとき、突起部７ａは、円の形状を有する。これらの構造は、負極リード端子８にも採用されている。本実施形態では、リード端子７および８は、それぞれ、突起部７ａおよび８ａを１つのみ有する。ただし、１つのリード端子に複数の突起部が設けられていてもよい。第二部分の直径は、例えば、０．５〜５ｍｍの範囲にある。突起部７ａおよび８ａの各直径は、例えば、０．６〜７ｍｍの範囲にある。封止体３の貫通孔１３の内径は、例えば、０．２〜４．９ｍｍの範囲にある。
【００４８】
図３に示す変形例において、正極リード端子７の突起部７ｂおよび負極リード端子８の突起部８ｂは、それぞれ、円筒状容器１の高さ方向に垂直な方向から見たとき、円筒状容器１の開口部側に位置している短辺と、円筒状容器１の底面側に位置している長辺とを含む台形の形状を有する。このような形状の突起部７ｂおよび８ｂが設けられていると、封止体３の貫通孔１３にリード端子７および８を比較的スムーズに挿入できるので、二次電池１００の組み立て時の作業性が向上する。また、電極群６を支える機能の向上も期待できる。
【００４９】
リード端子７および８の材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、ステンレス等の金属を使用できる。
【００５０】
<<封止剤>>
封止剤１５としては、アスファルト、コールタール等のピッチ、ピッチと他の材料（鉱物油、シリコンゴム等）との混合物、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム等のエラストマーを主成分として含む材料等を使用できる。なお、「主成分」とは、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。なお、図３の変形例に示すように、封止剤１５は、突起部７ａおよび８ｂの下側に充填されていてもよい。すなわち、正極リード端子７と封止体３との接触界面のうち、突起部７ｂ（または７ａ）が保持されている位置を基準として電極群６に近い部分に封止剤１５が充填されていてもよい。同様に、負極リード端子８と封止体３の接触界面のうち、突起部８ｂ（または８ａ）が保持されている位置を基準として電極群６に近い部分に封止剤１５が充填されていてもよい。このような構成によれば、円筒状容器１の内部への水分透過をより確実に防止できる。
【００５１】
次に、図１に示す二次電池の製造方法について説明する。
【００５２】
図４に示すように、まず、正極２０および負極２５を作製する。正極２０および負極２５は、公知の方法に従って作製できる。具体的には、活物質、導電助剤、結着剤および溶媒を含む合剤を長尺の集電体に塗布し、合剤層が形成されるように塗布された合剤を乾燥させる。その後、合剤層と集電体とをプレスすれば、帯状の電極（正極２０および負極２５）が得られる（ＳＴＥＰ１）。正極２０および負極２５には、それぞれ、正極リード端子７および負極リード端子８が溶接等により固定される。
【００５３】
次に、正極２０と、負極２５と、セパレータ２４とを巻回して電極群６を形成する（ＳＴＥＰ２）。次に、電極群６を円筒状容器１に収納する（ＳＴＥＰ３）。次に、電極群６に非水電解液を含浸させる（ＳＴＥＰ４）。電極群６に非水電解液を含浸させる工程は、円筒状容器１に封止体３を装着する前であれば、どの段階で行ってもよい。
【００５４】
電極群６を簡単に収納できるようにするために、二次電池１００の組立前において、円筒状容器１の開口部における直径は、円筒状容器１の底部の直径を上回る。つまり、円筒状容器１の側部１ａには緩やかなテーパが付与されている。この場合、電極群６の収納後、円筒状容器１の側部１ａの絞り加工（縮径加工）を行うことが望ましい。これにより、円筒状容器１の寸法を所望の寸法へと調節できる。
【００５５】
次に、円筒状容器１の側部１ａをかしめる（ＳＴＥＰ５）。これにより、円筒状容器１に封止体３を装着したときに、円筒状容器１の高さ方向に関して封止体３の上面３ｐと封止体３の下面３ｑとの間において封止体３に加わる径方向の圧縮荷重を増加させるかしめ部１０が形成される。
【００５６】
また、電極群６を円筒状容器１に収納した後、円筒状容器１の内周面と電極群６の外周面との間の隙間を狭めるように、円筒状容器１の外周面に溝を形成して円筒状容器１の内側に凸部１７を設ける。凸部１７は電極群６に接触してもよいが、充放電反応の均一性の観点から凸部１７が電極群６を圧迫しないこと、凸部１７が電極群６を変形させないことが望ましい。
【００５７】
リード端子７および８に過剰な力が加わることを回避するために、円筒状容器１の中で電極群６が動くことを防ぐための構造が担うべき役割は大きい。本実施形態では、そのような構造として、リード端子７および８の突起部７ａおよび８ａ、かしめ部１０、および凸部１７が採用されている。特に、電極群６には、コバルト、マンガン等の金属が使用されていることが多く、電極群６が重くなりがちである。この場合、上記構造によってもたらされる利益は一層大きいものとなる。
【００５８】
なお、かしめ部１０と同じように、凸部１７もかしめ加工によって形成できる。また、凸部１７が円環の形状を有するように円筒状容器１の周方向に沿って溝を形成することが好ましい。これにより、電極群６の周方向に均一な保持力を作用させることが可能となる。
【００５９】
次に、封止体３を円筒状容器１の開口部に装着する（ＳＴＥＰ６）。突起部７ａおよび突起部８ａが各貫通孔１３の中で封止体３に保持されるように正極リード端子７および負極リード端子８を封止体３の各貫通孔１３に挿し込む。リード端子７および８が挿し込まれた封止体３を円筒状容器１の開口部に装着する。
【００６０】
封止体３の装着後、正極リード端子７と封止体３との接触界面（微小隙間）のうち、突起部７ａが保持されている位置を基準として円筒状容器１の開口部に近い部分に封止剤１５を充填する。封止剤１５の充填には、例えば細い先端を有するディスペンサを使用できる。同様に、負極リード端子８と封止体３の接触界面のうち、突起部８ａが保持されている位置を基準として円筒状容器１の開口部に近い部分に封止剤１５を充填する。これにより、リード端子７および８と貫通孔１３との間の隙間を確実に封じることができる。
【００６１】
最後に、封止体３の上面３ｐに圧縮荷重が加わるように、開口端部１２をＵ字状に曲げる（ＳＴＥＰ７）。開口端部１２の曲げは、かしめ加工により行うことができる。以上の各工程を行うことにより、図１に示す二次電池１００が得られる。なお、円筒状容器１の開口部に封止体３を装着した後で、かしめ部１０を形成してもよい。この場合、開口端部１２を曲げる工程と、かしめ部１０を形成する工程とを同時または連続して行えるので、生産性の向上を期待できる。同様に、円筒状容器１の開口部に封止体３を装着した後で、凸部１７を形成してもよい。
【００６２】
以上に説明した方法は、リード端子７および８を円筒状容器１等に溶接する工程を含んでいない。従って、溶接工程で金属粉が発生し、その金属粉が容器内に残留することに基づく二次電池の信頼性の低下、作業環境の悪化等の諸問題が起こりにくい。また、本実施形態の方法には、加熱を要する加工が含まれていないので、加熱によるひずみ等の不具合が電極群６に起こりにくい。
【００６３】
また、本実施形態で説明した方法によって製造されたリチウム二次電池は、リード端子への機械的ストレス、容器内への水分の透過が抑制されているので、高い信頼性を有する。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、エネルギー分野向けの二次電池、例えば、一般家庭用の二次電池に有利に適用できる。
【符号の説明】
【００６５】
１ 円筒状容器
３ 封止体
６ 電極群
７ 正極リード端子
８ 負極リード端子
７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ 突起部
１０ かしめ部
１３ 貫通孔
１５ 封止剤
１７ 凸部
２０ 正極
２４ セパレータ
２５ 負極
１００ 二次電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開放端側に突起部を有する正極リード端子が固定された正極と、開放端側に突起部を有する負極リード端子が固定された負極と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータとを巻回して電極群を形成する工程と、
前記電極群を金属製の円筒状容器に収納する工程と、
前記電極群に非水電解液を含浸させる工程と、
２つの貫通孔を備えた弾性力を有する封止体の各貫通孔に、前記正極リード端子の前記突起部および前記負極リード端子の前記突起部が各貫通孔の中で前記封止体に保持されるように前記正極リード端子および前記負極リード端子を挿し込み、前記封止体を前記円筒状容器の開口部に装着する工程と、
前記円筒状容器の高さ方向に関して前記封止体の上面と前記封止体の下面との間において前記封止体に加わる径方向の圧縮荷重を増加させるように、前記円筒状容器の側部をかしめる工程と、
を含む、二次電池の製造方法。
【請求項２】
前記円筒状容器の高さ方向に関して前記突起部の下端と前記封止体の下面との間において前記円筒状容器の側部をかしめる、請求項１に記載の二次電池の製造方法。
【請求項３】
前記電極群を前記円筒状容器に収納した後、前記円筒状容器の内周面と前記電極群の外周面との間の隙間を狭めるように、前記円筒状容器の外周面に溝を形成して前記円筒状容器の内側に凸部を設ける工程をさらに含む、請求項１または２に記載の二次電池の製造方法。
【請求項４】
前記凸部が円環の形状を有するように前記円筒状容器の周方向に沿って前記溝を形成する、請求項３に記載の二次電池の製造方法。
【請求項５】
前記正極リード端子と前記封止体との接触界面、および、前記負極リード端子と前記封止体の接触界面のうち、前記突起部が保持されている位置を基準として前記円筒状容器の前記開口部に近い部分に封止剤を充填する工程をさらに含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の二次電池の製造方法。
【請求項６】
前記円筒状容器がアルミニウムまたはアルミニウム合金でできており、
前記負極は、金属リチウムの電位に対して１．０Ｖ以上貴な電位を有する負極活物質を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の二次電池の製造方法。
【請求項７】
金属製の円筒状容器と、
正極、負極および前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータを有し、前記円筒状容器に収納された、巻回された電極群と、
前記円筒状容器の開口部に固定された封止体と、を備え、
前記電極群は、前記正極に接続された正極リード端子と、前記負極に接続された負極リード端子とをさらに有し、
前記封止体は、２つの貫通孔を有するとともに、弾性材料で構成されており、
前記正極リード端子および前記負極リード端子は、それぞれ、開放端側に突起部を有し、かつ前記突起部が各貫通孔の中で前記封止体に保持されるように前記封止体の各貫通孔に挿し込まれており、
前記円筒状容器の側部には、前記円筒状容器の高さ方向に関して前記封止体の上面と前記封止体の下面との間において、前記電極群の中心軸に向かう方向に突出しているかしめ部が設けられている、二次電池。
【請求項８】
前記かしめ部が、前記高さ方向に関して前記突起部の下端と前記封止体の下面との間に設けられている、請求項７に記載の二次電池。
【請求項９】
前記円筒状容器の内側には、前記円筒状容器の高さ方向に関して前記封止体の下面と前記円筒状容器の底面との間において、前記円筒状容器の内周面と前記電極群の外周面との間の隙間を狭めている凸部が設けられている、請求項７または８に記載の二次電池。
【請求項１０】
前記凸部が、前記電極群を周方向に包囲する円環の形状を有する、請求項９に記載の二次電池。
【請求項１１】
前記正極リード端子と前記封止体との接触界面、および、前記負極リード端子と前記封止体の接触界面のうち、前記突起部が保持されている位置を基準として前記円筒状容器の前記開口部に近い部分に充填された封止剤をさらに備えた、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の二次電池。
【請求項１２】
前記正極リード端子の前記突起部および前記負極リード端子の前記突起部は、それぞれ、前記円筒状容器の高さ方向に垂直な方向から見たとき、前記円筒状容器の前記開口部側に位置している短辺と、前記円筒状容器の底面側に位置している長辺とを含む台形の形状を有する、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の二次電池。
【請求項１】
開放端側に突起部を有する正極リード端子が固定された正極と、開放端側に突起部を有する負極リード端子が固定された負極と、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータとを巻回して電極群を形成する工程と、
前記電極群を金属製の円筒状容器に収納する工程と、
前記電極群に非水電解液を含浸させる工程と、
２つの貫通孔を備えた弾性力を有する封止体の各貫通孔に、前記正極リード端子の前記突起部および前記負極リード端子の前記突起部が各貫通孔の中で前記封止体に保持されるように前記正極リード端子および前記負極リード端子を挿し込み、前記封止体を前記円筒状容器の開口部に装着する工程と、
前記円筒状容器の高さ方向に関して前記封止体の上面と前記封止体の下面との間において前記封止体に加わる径方向の圧縮荷重を増加させるように、前記円筒状容器の側部をかしめる工程と、
を含む、二次電池の製造方法。
【請求項２】
前記円筒状容器の高さ方向に関して前記突起部の下端と前記封止体の下面との間において前記円筒状容器の側部をかしめる、請求項１に記載の二次電池の製造方法。
【請求項３】
前記電極群を前記円筒状容器に収納した後、前記円筒状容器の内周面と前記電極群の外周面との間の隙間を狭めるように、前記円筒状容器の外周面に溝を形成して前記円筒状容器の内側に凸部を設ける工程をさらに含む、請求項１または２に記載の二次電池の製造方法。
【請求項４】
前記凸部が円環の形状を有するように前記円筒状容器の周方向に沿って前記溝を形成する、請求項３に記載の二次電池の製造方法。
【請求項５】
前記正極リード端子と前記封止体との接触界面、および、前記負極リード端子と前記封止体の接触界面のうち、前記突起部が保持されている位置を基準として前記円筒状容器の前記開口部に近い部分に封止剤を充填する工程をさらに含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の二次電池の製造方法。
【請求項６】
前記円筒状容器がアルミニウムまたはアルミニウム合金でできており、
前記負極は、金属リチウムの電位に対して１．０Ｖ以上貴な電位を有する負極活物質を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の二次電池の製造方法。
【請求項７】
金属製の円筒状容器と、
正極、負極および前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータを有し、前記円筒状容器に収納された、巻回された電極群と、
前記円筒状容器の開口部に固定された封止体と、を備え、
前記電極群は、前記正極に接続された正極リード端子と、前記負極に接続された負極リード端子とをさらに有し、
前記封止体は、２つの貫通孔を有するとともに、弾性材料で構成されており、
前記正極リード端子および前記負極リード端子は、それぞれ、開放端側に突起部を有し、かつ前記突起部が各貫通孔の中で前記封止体に保持されるように前記封止体の各貫通孔に挿し込まれており、
前記円筒状容器の側部には、前記円筒状容器の高さ方向に関して前記封止体の上面と前記封止体の下面との間において、前記電極群の中心軸に向かう方向に突出しているかしめ部が設けられている、二次電池。
【請求項８】
前記かしめ部が、前記高さ方向に関して前記突起部の下端と前記封止体の下面との間に設けられている、請求項７に記載の二次電池。
【請求項９】
前記円筒状容器の内側には、前記円筒状容器の高さ方向に関して前記封止体の下面と前記円筒状容器の底面との間において、前記円筒状容器の内周面と前記電極群の外周面との間の隙間を狭めている凸部が設けられている、請求項７または８に記載の二次電池。
【請求項１０】
前記凸部が、前記電極群を周方向に包囲する円環の形状を有する、請求項９に記載の二次電池。
【請求項１１】
前記正極リード端子と前記封止体との接触界面、および、前記負極リード端子と前記封止体の接触界面のうち、前記突起部が保持されている位置を基準として前記円筒状容器の前記開口部に近い部分に充填された封止剤をさらに備えた、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の二次電池。
【請求項１２】
前記正極リード端子の前記突起部および前記負極リード端子の前記突起部は、それぞれ、前記円筒状容器の高さ方向に垂直な方向から見たとき、前記円筒状容器の前記開口部側に位置している短辺と、前記円筒状容器の底面側に位置している長辺とを含む台形の形状を有する、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の二次電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２２９５５（Ｐ２０１２−２２９５５Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６１２９３（Ｐ２０１０−１６１２９３）
【出願日】平成２２年７月１６日（２０１０．７．１６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１６日（２０１０．７．１６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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