專利名稱：電化學元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及將扁平卷繞著正負極板的極板組與電解液一起收容在容器內、并將外形形狀成形為矩形的電池和雙電層電容器等電化學元件，特別涉及具有可以與高輸出功率相適應的集電結構的電化學元件。
背景技術：
在電池、雙電層電容器等電化學元件中，為增加每單位面積的反應面積，廣泛使用的是使用了如下極板組的元件，其中該極板組具有卷繞通過隔膜分隔的正極板和負極板的卷繞結構。將該極板組與電解質一起收容在金屬容器內進行密封，并將正極板和負極板分別連接在成為正極外部接線端子和負極外部接線端子的部位上，便形成了可以進行外部連接的電化學元件。
正極板和負極板是在采用箔狀或網狀的金屬薄板形成的集電體上涂覆活性物質而形成的，所以，如果將正、負各集電體分別用導線連接在成為正極外部接線端子和負極外部接線端子的部位上，則可以形成電流通路。此時，如果從集電體的1個地點連接到成為外部接線端子的部位上，則卷繞的帶狀集電體來自于離開連接地點的部位的電流通路變長，因而在以比較大的電流進行充放電的情況下，就會存在發(fā)生損耗和使溫度升高的問題。特別地，為了有效地利用像雙電層電容器那樣可以在短時間內進行能量充放電的特性，進一步提高了降低電流通路內阻的必要性。
為解決涉及上述極板組與正極、負極的各外部接線端子部位之間的連接的課題，在將通過隔膜分隔的正極板和負極板卷繞為圓筒形而形成極板組時，為人所知的電池結構(參照特開2000-294222號公報)是構成正極板或負極板的集電體的一部分形成為從極板組的一端突出出來的結構，在從端部突出出來的集電體上從圓筒軸心方向施加平面擠壓力使突出出來的集電體向內側彎曲，從而形成平坦部，然后將集電板焊接在該平坦部上，由此謀求集電效率的提高。
另外，為人所知的電池結構(參照特開2000-040501號公報)還有將從帶狀的寬度方向的端邊使集電體露出來的正極板和負極板向安裝有作為正極端子和負極端子的金屬板材的扁平卷繞軸心的周圍卷繞，再將正極板的集電體露出部焊接在正極端子上，將負極板的集電體露出部焊接在負極端子上，從而形成扁平卷繞電極，然后將上述正極端子和負極端子的端部引向電池容器的外部，這樣的結構適于構成電動汽車等高輸出功率的電池組。
上述2個例子都屬于電池的情況，但在卷繞著正負極板的雙電層電容器中，為人所知的結構(參照特開平10-050556號公報)是形成極板組使多個集電接頭(tab)在半徑方向的同一直線上從卷繞的正極板和負極板的集電體突出出來，然后將半徑方向的多個集電接頭捆扎起來并在用同一材料的端子構件夾持的狀態(tài)下進行焊接，從而形成引出端子部。
但是，將從端部突出出來的集電體折彎而形成平坦面，然后在其上與集電板進行焊接，這種特開2000-294222號公報所示的結構在圖謀高容量化并減薄極板集電體的情況下，其焊接條件是不穩(wěn)定的，由耐熱性差的隔膜的熔融所引起的不良的短路現象頻頻發(fā)生。在將薄的箔狀金屬用作集電體的鋰離子電池中，這種現象尤其顯著，因而存在生產成品率低下的課題。
另外，特開2000-040501號公報所公開的在卷繞軸心的周圍扁平卷繞正負極板的結構，雖然在適用電動汽車等設置空間比較大的裝置方面是有效的，但因為需要卷繞軸心，所以難于減少作為扁平矩形電池的厚度，由此存在的課題是在適用要求小型化的裝置時以及在構成將多個電池組合成一體的電池組時，阻礙電池的小型化。
另外，在卷繞成圓筒形的正極板和負極板的半徑方向形成多個集電接頭的特開平10-050556號公報所示的結構，因為處于多個集電接頭在切成帶狀的極板上突出出來的狀態(tài)，所以極板形成的材料裁取性能差，由此存在的課題是缺乏生產效率。

發(fā)明內容
于是，本發(fā)明是鑒于上述現有技術的課題而創(chuàng)造出來的，其目的在于提供一種電化學元件，其中該元件具有能夠提高源于極板組的集電效率的連接結構。
為達成上述目的，本發(fā)明的第1發(fā)明提供一種電化學元件，其將極板組與電解液一起收容在容器內，其中極板組是將在形成為帶狀的正極集電體上涂覆有正極活性物質的正極板和在形成為帶狀的負極集電體上涂覆有負極活性物質的負極板隔著隔膜卷繞而成的，并且將與正極板接合的正極導線連接在成為正極外部接線端子的部位上，將與負極板接合的負極導線連接在成為負極外部接線端子的部位上，所述電化學元件的特征在于所述正極板至少在寬度方向的一端側形成沒有涂覆正極活性物質的集電體露出部，所述負極板至少在寬度方向的另一端側形成沒有涂覆負極活性物質的集電體露出部；正極板和負極板使隔膜介于兩極板之間而被形成為卷繞的極板組，其中隔膜的寬度尺寸比正極板和負極板的寬度方向尺寸為小，卷繞后的極板組的斷面形狀為橢圓形；極板組形成之后，較之于隔膜從一端向外突出出來的正極板的集電體露出部在橢圓形斷面的短軸方向受到夾壓并被焊接接合在一起，較之于隔膜從另一端向外突出出來的負極板的集電體露出部在橢圓形斷面的短軸方向受到夾壓并被焊接接合在一起。
根據上述的結構，形成為帶狀的正極板和負極板扁平卷繞而形成極板組后，在極板組的一端，較之于隔膜向外側突出出來的正極板的正極集電體露出部以夾壓且相互壓焊的狀態(tài)進行焊接，在極板組的另一端，較之于隔膜向外側突出出來的負極板的負極集電體露出部以夾壓且相互壓焊的狀態(tài)進行焊接，所以正極板處于在多個地點與正極導線相連接的狀態(tài)，同樣，負極板也處于在多個地點與負極導線相連接的狀態(tài)。因此，正極板和負極板取得了可以從帶狀的多個地點進行集電的狀態(tài)，因而可以構成內阻小且集電效率高的電化學元件，特別是進行大的充放電時，可以抑制損耗和溫度上升。
另外，本發(fā)明的第2發(fā)明提供一種電化學元件，其將極板組與電解液一起收容在容器內，其中極板組是將在形成為帶狀的正極集電體上涂覆有正極活性物質的正極板和在形成為帶狀的負極集電體上涂覆有負極活性物質的負極板隔著隔膜卷繞而成的，并且將與正極板接合的正極導線連接在成為正極外部接線端子的部位上，將與負極板接合的負極導線連接在成為負極外部接線端子的部位上，所述電化學元件的特征在于所述正極板或負極板至少在寬度方向的一端側形成沒有涂覆活性物質的集電體露出部；正極板和負極板使隔膜介于兩極板之間而被形成為卷繞的極板組，其中隔膜的寬度尺寸比正極板和負極板的寬度方向尺寸為小，卷繞后的極板組的斷面形狀為橢圓形；極板組形成之后，較之于隔膜從正極板或負極板的一端向外突出出來的集電體露出部在橢圓形斷面的短軸方向受到夾壓并被焊接接合在一起。
根據上述的結構，正極板或負極板被扁平卷繞而形成極板組后，形成有集電體露出部的一端側受到夾壓并被焊接在一起，所以正極板或負極板處于在多個地點被連接的狀態(tài)，可以構成內阻小且集電效率高的電化學元件。
在上述各結構中，通過調整隔膜的寬度尺寸以及在正極板和負極板之間的分隔位置，使隔膜較之于其端邊受到夾壓而焊接在一起的集電體露出部位于內側，而較之于沒有夾壓焊接在一起的極板的端邊位于外側，則可以防止集電體露出部受到夾壓時因極板的變形而導致正極板和負極板之間發(fā)生短路。
另外，正極導線與正極板的連接以及負極導線與負極板的連接可以按如下方式構成，即正極導線接合在正極板的長度方向一端側形成的集電體露出部上，而負極導線接合在負極板的長度方向的另一端側形成的集電體露出部上。再者，正極導線或負極導線也可以接合在受到夾壓而焊接在一起的集電體露出部上，這樣可以使正極板和負極板的結構變得簡單。
本發(fā)明的上述及其以外的目的和特色參照以下的詳細說明和附圖可以變得更加明了。


圖1是表示實施方案的鋰離子二次電池的結構的剖面圖。
圖2A是上述電池的正極板的結構的平面圖；圖2B是表示上述電池的負極板的結構的平面圖。
圖3A～圖3B是用剖面表示使用了上述極板的極板組的結構的示意圖。
圖4是表示極板組的結構的立體圖。
圖5是表示作為實施方案的比較例適用現有技術的極板結構的原理圖。
圖6是表示作為實施方案的其它比較例適用現有技術的極板結構的原理圖。
具體實施例方式
本實施方案表示的是將本發(fā)明的連接結構適用于作為電化學元件一個例子的鋰離子二次電池。如圖1所示，本實施方案的鋰離子二次電池的外形形狀形成為扁平的矩形，該電池將極板組4收容在電池殼體12內，其中極板組4是用通過隔膜分隔的正極板和負極板卷繞而成的，卷繞后的極板組的斷面形狀為橢圓形，并且將從正極板引出的正極導線9連接在正極外部接線端子21上，其中所述正極外部接線端子21以電絕緣的方式設置在用于對電池殼體12的開口部進行封口的封口板14上，而從負極板引出的負極導線10則連接在封口板14上。
如圖2A所示，上述極板組4的正極板1是這樣形成的，即在形成為所要長度和寬度的帶狀的正極集電體1a上，于其寬度方向的一端及長度方向的一端留出正極集電體露出部1c而在兩面涂覆有正極活性物質1b，然后將正極導線9焊接在長度方向的一端形成的正極集電體露出部1c上。更具體地說，正極活性物質1b使用的是如下所述的液體按Li/Mn＝1/2的比例混合電解二氧化錳(MnO2)和碳酸鋰(Li2CO3)，于800℃燒成20小時而得到LiMn2O4，然后分別將該LiMn2O4、作為導電劑的乙炔黑和作為粘結劑的聚偏氟乙烯以重量比計按92∶3∶5的比例進行混合，為了將其混煉成漿料狀，上述混合物在作為聚偏氟乙烯溶劑的n-甲基吡咯烷酮(NMP)中進行了溶解。在用15μm厚的鋁箔制成的正極集電體1a上，以其寬度方向的一端側和長度方向的一端側留出預定寬度的正極集電體露出部1c的狀態(tài)將該正極活性物質1b的漿料涂覆在兩面并進行干燥，從而形成正極活性物質1b的層，干燥后兩面膜厚的總和為280μm，然后對正極活性物質1b進行壓縮成形，以便使其厚度為200μm。
另外，如圖2B所示，負極板2是這樣形成的，即在形成為所要長度和寬度的帶狀的負極集電體2a上，于其寬度方向的一端及長度方向的一端留出負極集電體露出部2c而在兩面涂覆有負極活性物質2b，然后將負極導線10焊接在長度方向的一端形成的負極集電體露出部2c上。更具體地說，負極活性物質2b是將人造石墨和作為粘結劑的丁苯橡膠(SBR)以重量比為97∶3的比例進行混合而成的，為了將負極活性物質2b混煉成漿料狀，丁苯橡膠使用水溶性分散液。另外，上述混合比例是作為固體成分的比例。在用14μm厚的銅箔制成的負極集電體2a上，以其寬度方向的另一端側和長度方向的另一端側留出預定寬度的集電體露出部的狀態(tài)將該負極活性物質2b的漿料涂覆在兩面并進行干燥，然后進行壓縮成形使其厚度為170μm。
成為上述結構的正極板1和負極板2使采用微多孔性聚乙烯薄膜的隔膜3介于其間而被重疊在一起，并卷繞成螺旋形而形成為斷面形狀呈橢圓形的極板組4。此時，正如圖3A所示的那樣，可以按如下方式調整正極板1及負極板2的重疊位置和隔膜3的寬度尺寸，即在形成有正極板1寬度方向的正極集電體露出部1c的一端側，使正極集電體露出部1c較之于隔膜3的一端邊位于外側，使負極板2的一端邊較之于隔膜3的一端邊位于內側，而在形成有負極板2寬度方向的負極集電體露出部2c的另一端側，使負極集電體露出部2c較之于隔膜3的另一端邊位于外側，使正極板1的另一端邊較之于隔膜3的另一端邊位于內側。
其次，如圖3B及圖4所示，在卷繞的極板組4的短邊方向夾壓正極集電體露出部1c，通過負極板2和隔膜3的分隔而使相互毗鄰的多個正極板1的正極集電體露出部1c壓焊在一起，并在焊接點S進行焊接接合。同樣地，在負極板2中，在卷繞的極板組4的短邊方向夾壓負極集電體露出部2c，通過正極板1和隔膜3的分隔而使相互毗鄰的多個負極板2的負極集電體露出部2c壓焊在一起，并在焊接點S進行焊接接合。該焊接點S可以是1個，但優(yōu)選在多個地點進行焊接。
如圖1所示，成為上述結構的極板組4被插入形成為扁平有底方筒的電池殼體12內，一端接合在構成極板組4的正極板1之長度方向的正極集電體露出部1c上的正極導線9的另一端，與通過絕緣構件15進行絕緣且安裝在封口板14上的正極外部接線端子21焊接接合在一起，一端接合在負極板2之長度方向的負極集電體露出部2c上的負極導線10的另一端焊接接合在封口板14上。接合有正極導線9和負極導線10的封口板14裝配在電池殼體12的開口部，其周邊部分采用激光焊接方法焊接在電池殼體12上，由此使電池殼體12被封口。往電池殼體12內從封口板14上形成的注液口18注入電解液，對極板組4進行過浸漬處理后，將封栓19焊接接合在上述注液口18上，從而使電池殼體12內得以密封。從而完成了扁平方形的鋰離子二次電池。此外，所使用的電解液是在以體積比為1∶1的配比混合有碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合溶劑中，以1mol/dm3的濃度溶解作為溶質的六氟磷酸鋰(LiPF6)。
成為上述結構的鋰離子二次電池，其外形形狀形成為方形，且具有也可以與大的充放電電流相適應的集電結構，所以即使構成組合多個電池的電池組，其空間效率也高，從而適于用作電動工具和電動車輛的電池電源。
為了驗證以上說明的極板結構的效果，采用實施例的結構以及現有技術的結構制作了寬為50mm、高為95mm、厚為10mm、設計容量為3000mAh的矩形鋰離子二次電池，并就兩者進行了比較驗證。
實施例1為適用作為實施方案說明的集電結構的電池；實施例2為只在負極板上適用實施方案的集電結構的電池；比較例1為如下的現有技術結構，如圖5所示，該結構分別將集電板焊接在從極板組的一端突出出來的正極板的集電體露出部和從另一端突出出來的負極板的集電體露出部上，其中極板組是將在寬度方向的一端形成有集電體露出部的正極板和負極板進行扁平卷繞而成的。比較例2為下述的現有技術結構，如圖6所示，該結構的形成方法是分別將正極導線或負極導線焊接在于長度方向的一端形成的集電體露出部上，然后將這樣的正極板和負極板進行扁平卷繞。各實施例和比較例分別對100個電池進行絕緣情況檢查，再對檢查合格的25個進行內阻檢查。
(絕緣情況檢查)采用各自的結構形成極板組后，將絕緣電阻計連接在正極板和負極板的各導線上以測定直流電阻值，將電阻值低于1MΩ的極板組判定為不良，結果得到了表1所示的結果。從表1可知雖然實施例1、2以及比較例2的電池沒有產生絕緣不良的情況，但比較例1的電池的絕緣不良情況是20/100個，這一般認為是在焊接工序中產生的。觀察抽出的絕緣不良品，由于焊接時的熱影響作用，在正極集電端子周邊的隔膜上有穿孔，從而使負極板和正極板產生接觸。由此可以判定在像鋰離子電池那樣使用薄的極板集電體的情況下，焊接端面的結構是不適當的。
表1 (內阻檢查)使用絕緣情況檢查合格的極板組構成電池，之后進行活化，即以1500mA的恒電流充電至4.2V，再以1500mA的恒電流放電至3.0V，將這樣的循環(huán)進行3次。然后用測定頻率為1kHz的交流電測定內阻，其結果如表2所示。
表2

從表2的結果可知實施例1、2以及比較例1的電池的內阻較小，平均為4.5～9.0mΩ左右，與此相對照，比較例2的電池表現出較大的值，平均為15.5mΩ左右。一般認為比較例2的電池從導線集電體相反一側的極板部位難以進行電傳導，與此相對照，其它電池則形成為可以縮短到導線集電體的距離的結構，因而可以降低電阻。另外，從實施例2的結果可以明確本發(fā)明的集電結構的效果也可以隨著電池反應平衡的改變而改變，但即使只在正負極的任一電極中展開，也可以在某種程度上發(fā)揮效果。
以上說明的實施方案所表現的例子是將具有本發(fā)明特征的集電結構適用于鋰離子二次電池，但它可以同樣適用于鎳氫蓄電池等其它具有卷繞結構極板組的電池和雙電層電容器。
正如上面所說明的那樣，適用本發(fā)明的極板結構，則能夠以高的成品率構成內阻小且輸出功率高的電化學元件，因而可以提供一種適用于特別要求以大電流進行充放電的、電動汽車和電動車輛等的驅動電源的電化學元件。
以上說明的本發(fā)明的具體的實施方案意在明確本發(fā)明的技術內容，并非是對技術范圍進行的限定，可以在以下權利要求書所敘述的范圍內，變換各種形式加以實施。
權利要求
1.一種電化學元件，其將極板組與電解液一起收容在容器內，其中極板組是將在形成為帶狀的正極集電體上涂覆有正極活性物質的正極板和在形成為帶狀的負極集電體上涂覆有負極活性物質的負極板隔著隔膜卷繞而成的，并且將與正極板接合的正極導線連接在成為正極外部接線端子的部位上，將與負極板接合的負極導線連接在成為負極外部接線端子的部位上，所述電化學元件的特征在于所述正極板至少在寬度方向的一端側以預定的寬度形成沒有涂覆正極活性物質的集電體露出部，所述負極板至少在寬度方向的另一端側以預定的寬度形成沒有涂覆負極活性物質的集電體露出部；正極板和負極板使隔膜介于兩極板之間而被形成為卷繞的極板組，其中隔膜的寬度尺寸比正極板和負極板的寬度方向尺寸為小，卷繞后的極板組的斷面形狀為橢圓形；極板組形成之后，較之于隔膜從一端向外突出出來的正極板的集電體露出部在橢圓形斷面的短軸方向受到夾壓并被焊接接合在一起，較之于隔膜從另一端向外突出出來的負極板的集電體露出部在橢圓形斷面的短軸方向受到夾壓并被焊接接合在一起。
2.一種電化學元件，其將極板組與電解液一起收容在容器內，其中極板組是將在形成為帶狀的正極集電體上涂覆有正極活性物質的正極板和在形成為帶狀的負極集電體上涂覆有負極活性物質的負極板隔著隔膜卷繞而成的，并且將與正極板接合的正極導線連接在成為正極外部接線端子的部位上，將與負極板接合的負極導線連接在成為負極外部接線端子的部位上，所述電化學元件的特征在于所述正極板或負極板至少在寬度方向的一端側形成沒有涂覆活性物質的集電體露出部；正極板和負極板使隔膜介于兩極板之間而被形成為卷繞的極板組，其中隔膜的寬度尺寸比正極板和負極板的寬度方向尺寸為小，卷繞后的極板組的斷面形狀為橢圓形；極板組形成之后，較之于隔膜從正極板或負極板的一端向外突出出來的集電體露出部在橢圓形斷面的短軸方向受到夾壓并被焊接接合在一起。
3.根據權利要求1或2所述的電化學元件，其中，通過調整隔膜的寬度尺寸以及在正極板和負極板之間的分隔位置，使隔膜較之于其端邊受到夾壓而焊接在一起的集電體露出部位于內側，而較之于沒有夾壓焊接在一起的極板的端邊位于外側。
4.根據權利要求1或2所述的電化學元件，其中，正極導線接合在正極板的長度方向一端側形成的集電體露出部上，而負極導線接合在負極板的長度方向的另一端側形成的集電體露出部上。
5.根據權利要求1或2所述的電化學元件，其中，正極導線或負極導線接合在受到夾壓而焊接在一起的集電體露出部上。
全文摘要
本發(fā)明將極板組(4)收容在電池殼體內而構成電池等電化學元件，其中極板組(4)是將在形成為帶狀的正極集電體(1a)寬度方向的一端側形成有沒有涂覆活性物質的正極集電體露出部(1c)且安裝有正極導線(9)的正極板(1)和在負極集電體(2a)寬度方向的另一端側形成有沒有涂覆活性物質的負極集電體露出部(2c)且安裝有負極導線(10)的負極板(2)隔著隔膜(3)卷繞而成的，并且一端側的正極集電體露出部(1c)受到夾壓而被焊接接合在一起，另一端側的負極集電體露出部(2c)也受到夾壓而被焊接接合在一起。由此提供一種可以簡便地進行穩(wěn)定且高品質的導電連接的集電結構，這種集電結構適用于需要高輸出功率的電化學元件。
文檔編號H01G9/008GK1716658SQ20051007633
公開日2006年1月4日 申請日期2005年6月14日 優(yōu)先權日2004年6月14日
發(fā)明者神月清美 申請人:松下電器產業(yè)株式會社