CN103348507A - 圆筒形二次电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种圆筒形二次电池,其包括:隔着隔膜卷绕有正极电极和负极电极的电极组;集电部件,被正极电极和负极电极中的至少一方的导电引线卷绕,并且导电引线重叠而接合于该集电部件;和电池容器,其收纳电极组和集电部件,并被注入电解液。导电引线从根部到前端部形成为前部逐渐变细的形状,在令导电引线的线距的公差为Δp,导电引线的根部与前端部的宽度尺寸的差为Δw时,设定导电引线的线距,使得将导电引线卷绕在集电部件时的导电引线的重叠条数的标准差除以导电引线的重叠条数的标准差的平均值所得的数值的变动幅度为规定值以下的适当区域内,适当区域的范围大于Δp与Δw的和。
Description
技术领域
本发明涉及圆筒形二次电池,更详细地说,涉及正极和负极中的至少一方与集电部件接合的圆筒形二次电池。
背景技术
以锂二次电池为代表的圆筒形二次电池构成为,在电池容器内,收纳正极电极和负极电极隔着隔膜卷绕在轴芯的周围的电极组,并被注入电解液。正/负极的电极分别具有涂敷在正/负极金属箔的两面上的正/负极的活性物质。正/负极的金属箔分别具有沿着长边方向的一侧边缘以规定线距排列的多个导电引线。
正/负极的金属箔的导电引线分别卷绕在薄圆筒形的集电板的外周,在多条导电引线彼此重叠的状态下通过超声波焊接等接合于电极集电部件。
在正/负极的金属箔形成的导电引线,通常以数十mm左右的等间隔排列。金属箔的长度有数千mm长,因此导电引线在电极集电部件的外周卷绕数十圈。卷绕的导电引线由于在每圈上位置发生偏移,因此重叠的条数根据电极集电部件的位置而不同。即,导电引线重叠的条数产生偏差。
如上所述,导电引线被焊接于电极集电部件。在导电引线的重叠条数较多的位置,接合时需要较大的能量,反之,在导电引线的重叠条数较少的位置,接合时需要较小的能量即可。接合时的能量固定,因此,当导电引线的重叠条数的偏差变大时,接合力等接合状态的偏差也变大。
随之,导电引线和电极集电部件的内阻等的偏差也变大,电池性能降低。
作为其应对方法,已知有如下结构:使在卷绕于电极集电部件的金属箔上形成的导电引线的线距,以与金属箔的长边方向的距离成比例地依次增大的方式变化,在卷绕在电极集电部件的状态下,导电引线仅在规定角度的位置重叠(参考专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平11-111259号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是,如专利文献1所记载的那样,使在金属箔上形成的导电引线的线距,以与金属箔的长边方向的距离成比列地依次增大的方式变化而形成的话,制造方法复杂化,生产率降低。此外,由于导电引线卷绕时也会发生力矩的偏差,因此可以预想到生产率的降低。
用于解决问题的方法
本发明的第一方面的圆筒形二次电池包括:电极组,其隔着隔膜卷绕有正极电极和负极电极,其中,正极电极在沿着长边方向的一侧边缘以规定线距形成有多个导电引线的正极金属箔的两面上形成有正极混合剂,负极电极在沿着与形成有正极电极的导电引线的一侧边缘相对的另一侧边缘以规定线距形成有多个导电引线的负极金属箔的两面上形成有负极混合剂;集电部件,其被正极电极和负极电极中的至少一方的导电引线卷绕,并且导电引线重叠而接合于该集电部件;电池容器,其收纳电极组和集电部件,并被注入电解液,导电引线从根部到前端部形成为前部逐渐变细的形状,在令导电引线的线距的公差为Δp,导电引线的根部与前端部的宽度尺寸的差为Δw时,设定导电引线的线距,使得将导电引线卷绕在集电部件时的导电引线的重叠条数的标准差除以导电引线的重叠条数的标准差的平均值所得的数值的变动幅度为规定值以下的适当区域内,适当区域的范围大于Δp与Δw的和。
本发明的第二方面是,在第一方面的圆筒形二次电池中,导电引线的线距设定在范围为2mm以上、数值的变动幅度为0.2以下的适当区域内。
本发明的第三方面是,在第一方面的圆筒形二次电池中,导电引线的线距设定在范围为2mm以上、数值的变动幅度为0.1以下的适当区域内。
本发明的第四方面是,在第一方面到第三方面中的任一方面的圆筒形二次电池中,隔膜包括第一隔膜和第二隔膜,在令导电引线的线距为p mm,与接合于集电部件的导电引线对应的正极电极或负极电极的长度为x mm,作为正极电极、负极电极和第一隔膜、第二隔膜的厚度的总合的电极重复厚度为y mm时,满足下式:
3.4341+0.00266972x+37.6812y<p<-1.75694+0.0032418x+63.7681y。
本发明的第五方面是,在第一方面到第三方面中的任一方面的圆筒形二次电池中,隔膜包括第一隔膜和第二隔膜,在令导电引线的线距为p mm,与接合于集电部件的导电引线对应的正极电极或负极电极的长度为x mm,作为正极电极、负极电极和第一隔膜、第二隔膜的厚度的总合的电极重复厚度为y mm时,满足下式:
2.76142+0.0032418x+55.0725y<p<2.30873+0.00411899x+68.1159y。
本发明的第六方面是,在第一方面到第三方面中的任一方面的圆筒形二次电池中,隔膜包括第一隔膜和第二隔膜,在令导电引线的线距为p mm,与接合于集电部件的导电引线对应的正极电极或负极电极的长度为x mm,作为正极电极、负极电极和第一隔膜、第二隔膜的厚度的总合的电极重复厚度为y mm时,满足下式:
3.65859+0.00495805x+62.3188y<p<-11.1444+0.00781846x+143.478y。
本发明的第七方面是,在第一方面到第六方面中的任一方面的圆筒形二次电池中,导电引线为正极电极的导电引线和负极电极的导电引线。
发明效果
根据本发明的圆筒形二次电池,能够使导电引线的重叠条数的偏差变得足够小,减小接合状态的偏差。
附图说明
图1是本发明的圆筒形二次电池的一实施方式的截面图。
图2是图1所示的圆筒形二次电池的分解立体图。
图3是表示图1的电极组的细节,将一部分截断的状态的立体图。
图4是将图3所示的电极组的正/负极电极、隔膜部分地展开的状态的俯视图。
图5是图1的圆筒形二次电池的正极引线周围的放大截面图。
图6是表示重叠在集电部件的外周的导电引线的相对于圆周角度的重叠条数的图形。
图7是表示导电引线的重叠条数的分布的曲线图。
图8是表示相对于导电引线的线距的、导电引线的重叠条数的偏差的曲线图。
图9是关于图8所示的各适当区域的导电引线线距的范围和重叠条数的表。
图10是表示对于图8所示的区域A、B、C,导电引线的宽度与导电引线的线距的关系的图形。
图11是表示对于图8所示的区域A、B、C,集电部件的外径与导电引线的线距的关系的图形。
图12是表示对于图8所示的区域A、B、C,电极长度与导电引线的线距的关系的图形。
图13是表示对于图8所示的区域A、B、C,电极重复厚度与导电引线的线距的关系的图形。
图14是表示对于图8所示的区域A、B、C,电极长度、电极重复厚度与导电引线的线距的关系的图形。
具体实施方式
以下与附图一起说明本发明的圆筒形二次电池。
图1是本发明的圆筒形二次电池的一实施方式的放大截面图,图2是图1所示的圆筒形二次电池的分解立体图。
圆筒形二次电池1例如为锂离子二次电池,具有外径40mmφ、高度100mm的尺寸。该圆筒形二次电池1具有电池容器4,该电池容器4包括:具有底部、上部开口的有底无盖的圆筒形的电池罐2;和将电池罐2的上部封口的帽型电池盖3。在电池容器4的内部收纳以下说明的发电用的各构成部件,并注入非水电解液5。
有底无盖的圆筒形的电池罐2中,在设置于上端侧的开口部2b侧形成有向电池罐2的内侧突出的槽2a。
在电池罐2的中央部配置有电极组10。电极组10包括:具有沿着轴向的中空部的细长圆筒形的轴芯15;卷绕在轴芯15的周围的正极电极和负极电极。图3是表示电极组10的结构的细节,将一部分截断的状态的立体图。此外,图4是将图3所示的电极组的正/负极电极、隔膜部分展开的状态的俯视图。
如图3所示,电极组10具有在轴芯15的周围卷绕有正极电极11、负极电极12和第一隔膜13、第二隔膜14的结构。
轴芯15形成为具有沿着轴形成的中空部的中空圆筒状。负极电极12、第一隔膜13、正极电极11和第二隔膜14按该顺序叠层卷绕在轴芯15上。在最内周的负极电极12的内侧卷绕有数圈(图3中是1圈)第一隔膜13和第二隔膜14。第一隔膜13和第二隔膜14由绝缘性的多孔质体形成。此外,最外周侧为负极电极12和卷绕在其外周的第一隔膜13。最外周的第一隔膜13由粘接带19固定(参考图2)。
正极电极11具有由铝箔形成的长条形状,具有正极金属箔11a和在该正极金属箔11a的两面涂敷有正极混合剂的正极处理部11b。沿正极金属箔11a的长边方向延伸的图3上侧的侧缘,成为没有涂敷正极混合剂而露出铝箔的正极混合剂未处理部11c。在该正极混合剂未处理部11c,等间隔地一体形成有沿着轴芯15的轴向上方突出的多个正极引线16。
正极混合剂具有正极活性物质、正极导电材料、正极粘合剂。正极活性物质优选为锂金属氧化物或锂过渡金属氧化物。作为例子,能够列举钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、锂复合金属氧化物(包括含有从钴、镍、锰中选出的两种以上元素的锂的过渡金属氧化物)等。正极导电材料只要能够辅助正极混合剂中的锂的吸持放出反应中产生的电子向正极电极的传递即可,并无限制。另外,包含过渡金属的上述锂复合金属氧化物具有导电性,因此可将其自身作为正极导电材料。但通过使用上述的材料中包括钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂的锂复合氧化物,能够获得更良好的特性。
正极粘合剂能够粘合正极活性物质和正极导电材料,或者粘合正极混合剂和正极集电体。正极粘合剂只要不会由于与非水电解液5的接触而大幅劣化即可,并无特别限制。作为正极粘合剂的例子能够举出聚偏氟乙烯(PVDF)或氟化橡胶等。利用正极混合剂的正极处理部11b的形成方法只要是在正极金属箔11a上形成正极混合剂的方法即可,并无限制。作为利用正极混合剂的正极处理部11b的形成方法的例子,能够举出在正极金属箔11a上涂敷正极混合剂的构成物质的分散溶液的方法。
作为在正极金属箔11a上涂敷正极混合剂的方法的例子,能够列举辊涂法、狭缝式涂敷法等。对正极混合剂添加作为分散溶液的溶剂例的N-甲基吡咯烷酮(NMP)、水等,将混炼后的浆料均匀地涂敷在厚度20μm的铝箔的两面上,在使其干燥后进行加压、截断。作为正极混合剂的涂敷厚度的一个例子是,单侧为约40μm。在通过加压截断正极金属箔11a时,一体地形成正极引线16。所有的正极引线16的长度大致相同。
负极电极12具有由铜箔形成的长条形状,具有负极金属箔12a和在该负极金属箔12a的两面涂敷有负极混合剂的负极处理部12b。沿负极金属箔12a的长边方向延伸的图3下侧的侧缘为未涂敷负极混合剂而露出铜箔的负极混合剂未处理部12c。沿着轴芯15的轴向与正极引线16相反的方向延伸的多个负极引线17等间隔地一体形成于该负极混合剂未处理部12c。
负极混合剂包括负极活性物质、负极粘合剂和增稠剂。负极混合剂也可以具有乙炔黑等负极导电材料。作为负极活性物质,优选使用石墨碳,特别优选使用人造石墨。通过使用石墨碳,能够制造要求大容量的面向插电式混合动力汽车、电力汽车的锂离子二次电池。利用负极混合剂的负极处理部12b的形成方法,只要是在负极金属箔12a上形成负极混合剂的方法即可,并无限制。作为在负极金属箔12a上涂敷负极混合剂的方法的例子,能够举出在负极金属箔12a上涂敷负极混合剂的构成物质的分散溶液的方法。作为涂敷方法的例子,能够列举辊涂法、狭缝式涂敷法等。
作为在负极金属箔12a上涂敷负极混合剂的方法的例子,对负极混合剂添加N-甲基-2-吡咯烷酮、水作为分散溶剂,将混炼后的浆料均匀地涂敷在厚度10μm的压延铜箔的两面上,在使其干燥后进行加压、截断。作为负极混合剂的涂敷厚度的一个例子是,单侧为约40μm。在通过加压截断负极金属箔12a时,一体地形成负极引线17。所有的负极引线17的长度大致相同。
令第一隔膜13和第二隔膜14的宽度为WS、在负极金属箔12a形成的负极处理部12b的宽度为WC、在正极金属箔11a形成的正极处理部11b的宽度为WA时,第一隔膜13、第二隔膜14、负极处理部12b和正极处理部11b以满足下述式子的方式形成。
WS>WC>WA(参考图3)
即,负极处理部12b的宽度WC通常比正极处理部11b的宽度WA大。这是因为在锂离子二次电池的情况下,作为正极活性物质的锂离子化并渗透隔膜,如果在负极金属箔12a侧没有形成负极混合剂,负极金属箔12a相对于正极处理部11b显露出,则锂析出于负极金属箔12a,导致发生内部短路。
在正极金属箔11a的正极混合剂未处理部11c形成的正极引线(导电引线)16和在负极金属箔12a的负极混合剂未处理部12c形成的负极引线(导电引线)17,例如利用滚切机如图4所示地以规定的线距p等间隔地形成。
正极引线16和负极引线17具有根部宽度w1较大、前端部的宽度w2较小的尖头(前部逐渐变细)的形状。举出一例,根部宽度w1为5mm左右,前端部宽度w2为4mm左右,根部宽度w1与前端部宽度w2的差Δw为1mm左右。
正极引线16和负极引线17的根部宽度w1和前端部宽度w2可以相同,也可以不同。如后面所述,正极引线16和负极引线17的宽度对导电引线的重叠条数的偏差并无大的影响。
第一隔膜13和第二隔膜14分别例如由厚度40μm的聚乙烯制多孔膜形成。
在图1和图3中,中空圆筒形状的轴芯15在轴向(图的上下方向)的上端部的内面形成有直径比中空部更大的槽(台阶部)15a,在该台阶部15a中压入大致薄圆筒状的正极集电部件27。正极集电部件27例如由铝形成,具有:圆盘状的基部27a;在该基部27a的内周部向轴芯15侧突出,被压入轴芯15的台阶部15a的内面的下部筒部27b;和在外周缘向电池盖3侧突出的上部筒部27c。在正极集电部件27的基部27a形成有用于排出在电池内部产生的气体的开口部27d(参考图2)。
正极金属箔11a的正极引线16全部焊接于正极集电部件27的上部筒部27c。如图2所示,正极引线16重合在正极集电部件27的上部筒部27c上并与其接合。各正极引线16非常薄,一个无法引出大电流。因此,遍及正极金属箔11a的从开始向轴芯15卷绕到卷绕结束的全长,以规定间隔形成有多个正极引线16。
正极集电部件27会被电解液氧化,因此通过由铝形成能够提高可靠性。当铝由于某种加工使得表面露出时,会在表面上立刻形成氧化铝薄膜,利用该氧化铝薄膜能够防止电解液造成的氧化。
此外,通过由铝形成正极集电部件27,能够利用超声波焊接或者点焊将正极金属箔11a的正极引线16焊接于正极集电部件27。
正极金属箔11a的正极引线16和按压部件28焊接在正极集电部件27的上部筒部27c的外周。多个正极引线16与正极集电部件27的上部筒部27c的外周紧密接触,在正极引线16的外周环状地卷绕按压部件28并临时固定,在该状态下进行焊接。
在轴芯15的下端部的外周形成有其外径比轴芯15的外径更小的台阶部15b,在该台阶部15b中压入并固定负极集电部件21。负极集电部件21例如由铜形成,在圆盘状的基部21a形成有被压入轴芯15的台阶部15b的开口部21b,在外周缘形成有向电池罐2的底部侧突出的外周筒部21c。
负极金属箔12a的负极引线17全部通过超声波焊接等焊接于负极集电部件21的外周筒部21c。各负极引线17非常薄,因此无法引出大电流,于是遍及负极金属箔12a的从开始向轴芯15卷绕到卷绕结束的全长,以规定间隔形成有多个负极引线17。
负极金属箔12a的负极引线17和按压部件22焊接于负极集电部件21的外周筒部21c的外周。使多个负极引线17与负极集电部件21的外周筒部21c的外周紧密接触,在负极引线17的外周环状地卷绕按压部件22并将其临时固定,在该状态下进行焊接。
具有镍的负极通电引线23焊接于负极集电部件21的下表面。
负极通电引线23在铁制的电池罐2的底部被焊接于电池罐2。
此处,在正极集电部件27形成的开口部27e使电极棒(图中未示出)插入通过,该电极棒用于将负极通电引线23焊接于电池罐2。将电极棒从形成于正极集电部件27的开口部27e插入轴芯15的中空部,由其前端部将负极通电引线23按压在电池罐2的底部内面,进行电阻焊接。与负极集电部件21连接的电池罐2的底面作为圆筒形二次电池1的一个输出端子起作用,能够从电池罐2引出蓄积在电极组10中的电力。
通过将多个正极引线16焊接于正极集电部件27,将多个负极引线17焊接于负极集电部件21,能够构成正极集电部件27、负极集电部件21和电极组10一体地单元化后的发电单元20(参考图2)。但在图2中,为了图示方便,将负极集电部件21、按压部件22和负极通电引线23从发电单元20分离而图示。
多个铝箔叠层构成的柔性连接部件33通过将其一端部焊接于正极集电部件27的基部27a的上表面而与该正极集电部件27的基部27a的上表面接合。连接部件33通过将多个铝箔叠层一体化,能够流过大电流,并且赋予了柔性。即,为了流过大电流,需要增加连接部件33的厚度,但如果由一张金属板形成,则刚性变大,柔性受损。于是,叠层板厚较小的多个铝箔,使其具有柔性。连接部件33的厚度例如为0.5mm左右,叠层5个厚度0.1mm的铝箔而形成。
在正极集电部件27的上部筒部27c上配置有电池盖单元30。电池盖单元30包括:形成为环状的绝缘板34;嵌入在绝缘板34设置的开口部34a中的连接板35;焊接于连接板35的隔片(diaphragm)37;和通过敛缝固定于隔片37的电池盖3。
绝缘板34具有由具有圆形的开口部34a的绝缘性树脂材料形成的环状,载置在正极集电部件27的上部筒部27c上。
绝缘板34具有开口部34a(参考图2)和向下方突出的侧部34b。连接板35嵌合在绝缘板34的开口部34a内。连接部件33的另一端部焊接接合在连接板35的下表面。此时,连接部件33在另一端部侧回折成弯曲状,与焊接于正极集电部件27的面相同的面被焊接于连接板35。
连接板35由铝合金形成,具有除中央部之外整体大致均匀、且中央侧稍微向较低的位置挠曲的大致盘状。连接板35的厚度例如为1mm左右。在连接板35的中心形成有薄的、形成为圆顶状的突起部35a,在突起部35a的周围形成有多个开口部35b(参考图2)。开口部35b具有排出在电池内部产生的气体的功能。
连接板35的突起部35a通过电阻焊接或摩擦焊接接合与隔片37的中央部的底面接合。隔片37由铝合金形成,具有以隔片37的中心部为中心的圆形的切口37a。切口37a是通过加压将上表面侧挤压成V字状,使剩余部分变薄所得的。隔片37是为了确保电池的安全性而设置的,当电池的内压上升时,作为第一阶段,隔片37向上方弯曲,剥离与连接板35的突起部35a的接合,从连接板35分离,切断与连接板35的导通。作为第二阶段,在内压仍然上升的情况下,具有在切口37a处裂开,排出内部的气体的功能。
隔片37在周缘部固定着电池盖3的周缘部3a。如图2所示,隔片37最初在周缘部具有向电池盖3侧垂直立起的侧壁37b。在该侧壁37b内收纳电池盖3,通过敛缝加工,将侧壁37b向电池盖3的上面侧弯曲而固定。
电池盖3由碳素钢等铁形成,被施以镀镍,具有包括与隔片37接触的圆盘状的周缘部3a和从该周缘部3a向上方突出的有顶无底的筒部3b的帽型。在筒部3b形成有开口部3c。该开口部3c用于在隔片37由于在电池内部产生的气体压力裂开时将气体向电池外部排出。电池盖3作为圆筒形二次电池1的另一电力输出端子起作用,能够从电池盖3引出蓄积的电力。
此外,在电池盖3由铁形成的情况下,在与其它圆筒形二次电池串联接合时,能够通过点焊与由铁形成的其它圆筒形二次电池接合。
以覆盖隔片37的侧壁37b的周缘部的方式设置有垫圈(密封部件)43。垫圈43由橡胶形成,作为优选材料的例子能够举出氟类树脂,但并非限定。
如图2所示,垫圈43最初具有在环状的基部43a的周侧缘具有向上部方向大致垂直立起地形成的外周壁部43b的形状。
然后,通过加压等使垫圈43的外周壁部43b与电池罐2一起弯曲,以利用基部43a和外周壁部43b将隔片37和电池盖3在轴向上压接的方式进行敛缝加工。由此,电池盖3、隔片37、绝缘板34和连接板35一体形成的电池盖单元30经由垫圈43固定于电池罐2。
在电池罐2的内部以规定量注入非水电解液5。作为非水电解液5的一个例子,优选使用在碳酸酯类溶剂中溶解有锂盐的溶液。作为锂盐的例子,能够列举六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF6)等。此外,作为碳酸酯类溶剂的例子,能够列举碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸甲乙酯(MEC)、或者从上述溶剂选出的两种以上溶剂的混合液。
然而,如上所述,在正极电极11形成的多个正极引线16全部通过超声波焊接等焊接于正极集电部件27的上部筒部27c的外周。此时,遍及正极集电部件27的上部筒部27c的外周的全周围,大致均等地分布正极引线16并使其与上部筒部27c的外周紧密接触,在正极引线16的外周卷绕按压部件28。更准确地说,将按压部件28保持为平坦状,使卷绕有正极引线16的正极集电部件27在与正极引线16紧密接触的状态下旋转,同时利用超声波焊接等,将正极引线16与按压部件28焊接于正极集电部件27。
将负极引线17焊接到负极集电部件21的方法与正极侧同样地进行。图5是正极引线16周围的圆筒形二次电池1的放大截面图。
正极引线16例如以20~60mm的线距等间隔地形成。正极金属箔11a例如在长边方向上具有3000~5000mm的长度,正极引线16在正极集电部件27的上部筒部27c的外表面上卷绕有数十圈。
正极电极11卷绕在轴芯15的外周,电极组的厚度逐圈增大。即,正极电极11、负极电极12、第一隔膜13和第二隔膜14总计的厚度(电极重复厚度)逐圈增大。
由此,以一定线距p排列的正极引线16在每一周在不同的圆周角度位置上与正极集电部件27的上部筒部27c接合。源于此,与正极集电部件27接合的正极引线16的重叠条数在圆周角度上产生偏差。这在负极侧也相同,负极引线17以根据圆周角度的位置的不同而各异的重叠条数与负极集电部件21的外部筒部21c接合。
以下,作为正极引线16和负极引线17的代表,对正极引线16(以下称为导电引线16)的重叠条数的偏差进行说明。
(导电引线重叠的原因)
图6是表示卷绕在正极集电部件27的上部筒部27c的外周的、形成于正极金属箔11a的导电引线16的重叠条数的图形。在图6中,导电引线16的重叠条数显示为,以正极集电部件27的上部筒部27c的外周面27g为第0条,与半径方向的距离成比例地增大的图。该图中,从正极集电部件27的上部筒部27c的外周面27g中的导电引线16的卷绕起始位置S开始,以圆周角度0.5°的间隔表示导电引线16的重叠条数。
在图6中,导电引线16的重叠条数最少为大致5条,导电引线16的重叠条数最多为大致15条。在最少和最多的重叠条数之间,每隔圆周角度0.5°表示导电引线16的重叠条数。
图7是按照每种重叠条数的发生比例(发生位置比例)的分布来表示图6所示的每个圆周角度位置的重叠条数的曲线图。
图7的数据能够在求取导电引线16的重叠条数的标准差时使用。
图8是使线距p在10~100mm的范围内每次变化0.1mm所形成的导电引线16的重叠条数的标准差的变动的图形化。在令导电引线16的宽度为5mm,正极集电部件27的上部筒部27c的外径为30mm,电极的重复厚度y(参考图3)即正极电极11、负极电极12、第一隔膜13、第二隔膜14的厚度的总计为0.25mm,正极电极11的长度为4000mm时,通过运算求得重叠条数。图8的横轴为导电引线16的线距p,纵轴为将导电引线16的重叠条数的标准差除以导电引线16的重叠条数的标准差的平均值而得的数值。对于卷绕以一定线距p形成的导电引线16时的导电引线16的重叠条数,根据图7所示的每个圆周角度位置的重叠条数的发生位置比例的分布,求取导电引线16的重叠条数的标准差。使线距p在10~100mm的范围内每次变化0.1mm,对于每个线距p,计算导电引线16的重叠条数的标准差。导电引线16的重叠条数的标准差的平均值是,以不同线距p形成的导电引线16的重叠条数的标准差即线距p不同的多个标准差的平均值。以下,为了说明的简化,将纵轴的定义“导电引线的重叠条数的标准差除以导电引线的重叠条数的标准差的平均值而得的数值”简化为“导电引线的重叠条数的偏差的相对值”。
在图8中,纵轴即导电引线16的重叠条数的偏差的相对值较小意味着超声波焊接等的焊接时所需的能量的大小接近一定值,因此,与导电引线16的重叠条数的偏差的相对值较大的情况相比更为优选。在图8中,有导电引线16的线距越大则导电引线的重叠条数的偏差的相对值越小的趋势。认为其中一个重要原因是,导电引线16的线距越大,卷绕在集电部件上的导电引线16的条数越少。
但是,最重要的是,导电引线的重叠条数的偏差的相对值的变动幅度在导电引线16的线距的宽广范围中较小,即变动幅度较小的线距的区域大。以下对此进行说明。
制造上影响导电引线16的重叠条数的主要原因有两个。
第一个主要原因是导电引线16的线距p的公差。在制造时导电引线16的位置与导电引线16的线距p的公差相应地产生偏差,因此影响导电引线16的重叠条数。
第二个主要原因是导电引线16的形状。如上所述,导电引线16具有根部宽度w1较大、前端部宽度w2较小的尖头形状。导电引线16卷绕在轴芯15上,从内周侧向外周侧去,导电引线16的根部至正极集电部件27或负极集电部件21的距离发生变化。因此,对于正极集电部件27或负极集电部件21,有在导电引线16的根部侧接合的情况和在导电引线16的前端部侧接合的情况,焊接部中的导电引线16的宽度在各个情况下有所变化。由此,导电引线16的重叠条数随之发生变动。
在令导电引线16的线距p的公差为Δp、导电引线16的根部的宽度w1与前端部的宽度w2的差为Δw=(w1-w2)时,导电引线16的位置存在(Δp+Δw)的偏差。
即,在图8中,例如导电引线16的线距p为60mm左右时的导电引线16的重叠条数的偏差的相对值f1为0.7左右,为较小值。然而,导电引线16的线距p为61mm左右时的导电引线的重叠条数的偏差的相对值f2急剧地增大到0.9左右。
像这样,导电引线16的线距p发生微小地变化时导电引线的重叠条数的偏差的相对值大幅变动的线距p的区域,意味着导电引线16的重叠条数会由于制造时的偏差而大幅变动。
即,在将导电引线16焊接到正极集电部件27或负极集电部件21时,为了使导电引线16的重叠条数的变动幅度变小,使接合力均匀,将导电引线16的线距p设定于导电引线16的重叠条数的偏差的相对值的变动幅度较小的状态在导电引线16的线距p的较大范围中连续存在的区域内是重要的。
在应用实际的制造条件时,作为第一个主要原因的形成导电引线16时制造上的公差Δp为1mm(±0.5mm)。作为第二个主要原因的导电引线16的根部的宽度w1与前端部的宽度w2的差Δw如上所述为1mm左右。
由此,在实际的制造中,导电引线16的位置可能偏移(Δp+Δw)=2mm左右。
在图8中,区域A、B、C中的任一个中,导电引线16的线距p的范围,即该区域中的线距的下限值与上限值之间的范围,都在2mm以上,该区域中的导电引线的重叠条数的偏差的相对值的变动幅度在0.2之下。这些区域与导电引线16的线距p的范围在2mm以上的其它区域相比,导电引线的重叠条数的偏差的相对值的变动幅度更小。
这样,导电引线16的线距p在区域A、B、C的范围内时,即使制造时导电引线16的位置发生偏移,导电引线16的重叠条数也不会发生大的变动。因此,如果将导电引线16的线距p定在区域A、B、C的范围内,则能够使导电引线16的重叠条数的变动幅度变小。结果是,能够实现导电引线16与正极集电部件27或负极集电部件21的均匀性高的接合。通过均匀性高的接合,能够制造内阻的偏差等较小、电池性能优异的圆筒形二次电池1。
此外,在图8中,区域A与B之间的区域中,导电引线16的线距p的范围在2mm以上,导电引线的重叠条数的偏差的相对值的变动幅度在0.2以下,因此也可从该区域的范围内决定导电引线16的线距p。但是,该区域与区域A、B、C相比,导电引线16的线距p的范围较窄,并且导电引线的重叠条数的偏差的相对值的变动幅度较大,因此优选从区域A、B、C的范围内决定导电引线16的线距p。以下,将区域A、B、C作为适当区域。
图9中用表格表示对于图8所示的各适当区域A、B、C,导电引线16的线距的下限值、上限值和(导电引线的重叠条数的标准差/导电引线的重叠条数的标准差的平均值)的幅度的值。
在适当区域A、B、C的范围内,都能够获得导电引线16的重叠条数的变动幅度小、良好的圆筒形二次电池1。但是,如果导电引线16的线距p变大,则接合于正极集电部件27或负极集电部件21的导电引线16的数目减少,内阻增大。考虑到该情况,比起定在适当区域C的区域内,导电引线16的线距p更优选定在适当区域A或B的区域内。
在后面亦有说明,此时导电引线16的根部的宽度w1对导电引线16的重叠条数的变动没有影响,因此在增大导电引线16的线距p的情况下,也可以增大导电引线16的根部的宽度w1。
但是,增大导电引线16的宽度意味着导电引线16的与圆筒形状的正极集电部件27或负极集电部件21的接合部变宽。导电引线16的接合部沿着圆筒形状的正极集电部件27或负极集电部件21的外周成为圆弧状,因此,当导电引线16的接合部的宽度变大时,相对于导电引线16的根部侧未接合的部分大幅变形,因此导电引线16容易破损。由此,考虑到该情况,需要规定导电引线16的宽度尺寸。
(导电引线的重叠条数的参数)
下面,对影响导电引线16的重叠条数的参数进行说明。
作为影响导电引线16的重叠条数的参数,在导电引线16的线距p之外,有下述四项。
(i)导电引线的宽度
(ii)集电部件的外径(正极引线的情况下为正极集电部件的外径,负极引线的情况下为负极集电部件的外径)
(iii)电极长度(正极引线的情况下为正极电极的长度,负极引线的情况下为负极电极的长度)
(iv)电极重复厚度
以下,对各参数与导电引线16的重叠条数的关联依次进行说明。
(导电引线的宽度)
图10是表示对于图8所示的适当区域A、B、C,导电引线的宽度与导电引线的线距的关系的图形。
与图8的情况相同,对导电引线16的宽度为3.0mm~7.0mm的范围,通过运算求取使导电引线16的线距p每次变化0.1mm时的导电引线的重叠条数的标准差如何变化。即,对于导电引线16的宽度为3.0mm、4.0mm、5.0mm、6.0mm、7.00mm的情况,分别制作图8的图形,在各图中绘制成为图8所示的区域A、B、C的范围的导电引线16的线距p。导电引线16的宽度之外的各参数是,令正/负极的集电部件27、21的外径为30mm、电极长度(图中未示出)为4000mm、电极重复厚度y为0.25mm。
在图10中,重叠条数的偏差的变动幅度较小的适当区域A、B、C中几乎看不到由于导电引线16的宽度的变动所带来的差异。即,可知导电引线16的宽度对导电引线16的重叠条数的偏差的变动没有影响。
(集电部件的外径)
图11是表示对于图8所示的适当区域A、B、C,正/负极的集电部件27、21的外径与导电引线的线距的关系的图形。
与图8的情况相同,对正/负极的集电部件27、21为28.0mm~32.0mm的范围,通过运算求取使导电引线16的线距p每次变化0.1mm时的导电引线的重叠条数的标准差如何变化。即,对于集电部件27、21的外径为28.0mm、29.0mm、30.0mm、31.0mm、32.0mm的情况分别制作图8的图形,在各图中绘制成为图8所示的区域A、B、C的范围的导电引线16的线距p。正/负极的集电部件27、21的外径之外的各参数是,令导电引线16的宽度为5mm、电极长度(图中未示出)为4000mm、电极重复厚度y为0.25mm。
在图11中,即使正/负极的集电部件27、21的外径发生变动,重叠条数的偏差的变动幅度较小的适当区域A、B、C中也几乎未发现差异。即,可知正/负极的集电部件27、21的外径对导电引线16的重叠条数的偏差的变动没有影响。
(电极长度)
图12是表示对于图8所示的适当区域A、B、C,电极的长边方向的长度(图中未示出)与导电引线的线距的关系的图形。
与图8的情况相同,对电极长度为3000mm~5000mm的范围,通过运算求取导电引线16的线距p每次变化0.1mm时的导电引线的重叠条数的标准差如何变化。即,对于电极长度为3000mm、3500mm、4000mm、4500mm、5000mm的情况分别制作图8的图形,在各图中绘制成为图8所示的区域A、B、C的范围的导电引线16的线距p。电极长度之外的各参数是,令导电引线16的宽度为5mm、正/负极的集电部件27、21的外径为30mm、电极重复厚度y为0.25mm。
在图12中,由于电极长度的变化,重叠条数的偏差的变动幅度较小的适当区域A、B、C也发生变化。即,电极长度是影响导电引线16的重叠条数的偏差的变动的参数。
(电极重复厚度)
图13是表示对于图8所示的适当区域A、B、C,电极重复厚度与导电引线的线距的关系的图形。
如上所述,电极重复厚度y(参考图3)为正极电极11、负极电极12、第一隔膜13和第二隔膜14的合计厚度。
与图8的情况相同,对电极重复厚度y为0.23mm~0.27mm的范围,通过运算求取使导电引线16的线距p每次变化0.1mm时导电引线的重叠条数的标准差如何变化。即,对于电极重复厚度为0.23mm、0.24mm、0.25mm、0.26mm、0.27mm的情况分别制作图8的图形,并在各图中绘制成为图8所示的区域A、B、C的范围的导电引线16的线距p。电极重复厚度y之外的各参数是,令导电引线16的宽度为5mm、正/负极的集电部件27、21的外径为30mm、电极长度为4000mm。
在图13中,由于电极重复厚度的变化,重叠条数的偏差的变动幅度较小的适当区域A、B、C也发生变化。即,电极重复厚度y为影响导电引线16的重叠条数的偏差的变动的参数。
根据以上结果可知,导电引线16的重叠条数的偏差的变动幅度较小的适当区域A、B、C,不受导电引线16的宽度和正/负极的集电部件27、21的外径的变化的影响,但会随着电极长度和电极重复厚度y变动。
此外,根据图12和图13认为,适当区域A、B、C的变动能够线性近似于电极长度和电极重复厚度y的变化。
图14是表示对于图8所示的区域A、B、C,电极长度、电极重复厚度和导电引线的线距的关系的图形。
如图14所示,导电引线16的重叠条数的偏差的变动幅度较小的适当区域A、B、C,能够由导电引线16的线距p、电极长度、电极重复厚度y这三个参数所构成的平面限定。
在制作圆筒形二次电池1时,利用电极长度和电极重复厚度y的函数将导电引线16的线距p限定在导电引线16的重叠条数的偏差的变动幅度较小的适当区域A、B、C内。由此,能够抑制导电引线16的线距p的重叠条数的偏差的变动。
在令设置有作为对象的导电引线16的电极的长度为x mm、电极重复厚度为y mm、导电引线16的线距为p时,对各适当区域A、B、C来说,其函数如下。
(1)适当区域A:
3.4341+0.00266972x+37.6812y<p<-1.75694+0.0032418x+63.7681y
(2)适当区域B
2.76142+0.0032418x+55.0725y<p<2.30873+0.00411899x+68.1159y
(3)适当区域C
3.65859+0.00495805x+62.3188y<p<-11.1444+0.00781846x+143.478y
如以上说明的那样,在上述实施方式中,在令导电引线的线距的公差为Δp、导电引线的根部与前端部的宽度尺寸的差为Δw时,将导电引线的线距设定在导电引线的重叠条数的标准差除以导电引线的重叠条数的标准差的平均值所得的数值的变动幅度在规定值以下的范围内。该范围比Δp与Δw的和更大。通过采用这样的结构,能够使导电引线的重叠条数的偏差足够小。结果是,导电引线被均匀地焊接在集电部件的外周面上。因此,能够制造内阻的偏差等较小、电池性能优异的圆筒形二次电池1。此时,导电引线16的线距p为等间隔,因此正极电极11、负极电极12和电极组10的制造也是高效的。此外,如上所述,上述变动幅度的规定值例如为0.2。此外,也可令变动幅度的规定值为0.2以外的值,例如为0.1。
此外,在上述实施方式中,说明了将本发明适用于锂离子圆筒形二次电池的例子。但本发明也可适用于镍氢电池、镍镉电池或铅蓄电池等使用水溶性电解液的圆筒形二次电池。
此外,在上述实施方式中,令导电引线16的公差Δp为1mm、导电引线16的根部的宽度w1与前端部的宽度w2的差Δw为1mm而进行说明,但本发明也能够适用于采用Δp和Δw的值各自不同的电极单元的二次电池。
在上述实施方式中,使电极组10为在正极电极11与负极电极12之间隔着第一隔膜13、第二隔膜14的构造,但也可以是以一片隔膜构成第一隔膜13、第二隔膜14间,利用一片隔膜分离正极电极11与负极电极12的结构。此外,可以对正极引线16和负极引线17这两者的线距p如上所述地进行设定,也可以对正极引线16和负极引线17中的任意一方如上所述地设定线距p。除此之外,本发明的圆筒形二次电池能够在发明的主旨的范围之内进行各种变形而使用。主要的是为如下圆筒形二次电池即可,该圆筒形二次电池包括:电极组,其隔着隔膜卷绕有正极电极和负极电极,其中,该正极电极在沿着长边方向的一侧边缘以规定线距形成有多个导电引线的正极金属箔的两面上形成有正极混合剂,该负极电极在沿着与形成有正极电极的导电引线的一侧边缘相对的另一侧边缘以规定线距形成有多个导电引线的负极金属箔的两面上形成有负极混合剂;集电部件,其被正极电极和负极电极中的至少一方的导电引线卷绕,并且导电引线重叠而接合于该集电部件;电池容器,其收纳电极组和集电部件,并被注入电解液,导电引线从根部到前端部形成为前部逐渐变细的形状,在令导电引线的线距的公差为Δp,导电引线的根部与前端部的宽度尺寸的差为Δw时,设定导电引线的线距,使得将导电引线卷绕在集电部件时的导电引线的重叠条数的标准差除以导电引线的重叠条数的标准差的平均值所得的数值的变动幅度为规定值以下的适当区域内,适当区域的范围大于Δp与Δw的和。
以上说明了各种实施方式和变形例,但本发明并不限定于这些内容。在本发明的技术思想范围内的其它方式也包含在本发明的范围内。
下面的优先权基础申请的公开内容作为引文包含于此。
日本专利申请2011年第017745号(2011年1月31日申请)。
Claims (7)
1.一种圆筒形二次电池,其特征在于,包括:
电极组,其隔着隔膜卷绕有正极电极和负极电极,其中,所述正极电极在沿着长边方向的一侧边缘以规定线距形成有多个导电引线的正极金属箔的两面上形成有正极混合剂,所述负极电极在沿着与形成有所述正极电极的导电引线的一侧边缘相对的另一侧边缘以规定线距形成有多个导电引线的负极金属箔的两面上形成有负极混合剂;
集电部件,其被所述正极电极和所述负极电极中的至少一方的导电引线卷绕,并且所述导电引线重叠而接合于该集电部件;
电池容器,其收纳所述电极组和所述集电部件,并被注入电解液,
所述导电引线从根部到前端部形成为前部逐渐变细的形状,在令所述导电引线的线距的公差为Δp,所述导电引线的根部与前端部的宽度尺寸的差为Δw时,设定所述导电引线的线距,使得将所述导电引线卷绕在所述集电部件时的导电引线的重叠条数的标准差除以导电引线的重叠条数的标准差的平均值所得的数值的变动幅度为规定值以下的适当区域内,所述适当区域的范围大于Δp与Δw的和。
2.如权利要求1所述的圆筒形二次电池,其特征在于:
所述导电引线的线距设定在所述范围为2mm以上、所述数值的变动幅度为0.2以下的所述适当区域内。
3.如权利要求1所述的圆筒形二次电池,其特征在于:
所述导电引线的线距设定在所述范围为2mm以上、所述数值的变动幅度为0.1以下的所述适当区域内。
4.如权利要求1至3中任一项所述的圆筒形二次电池,其特征在于:
所述隔膜包括第一隔膜和第二隔膜,
在令所述导电引线的线距为p mm,与接合于所述集电部件的所述导电引线对应的所述正极电极或所述负极电极的长度为x mm,作为所述正极电极、所述负极电极和所述第一隔膜、第二隔膜的厚度的总合的电极重复厚度为y mm时,满足下式:
3.4341+0.00266972x+37.6812y<p<-1.75694+0.0032418x+63.7681y。
5.如权利要求1至3中任一项所述的圆筒形二次电池,其特征在于:
所述隔膜包括第一隔膜和第二隔膜,
在令所述导电引线的线距为p mm,与接合于所述集电部件的所述导电引线对应的所述正极电极或所述负极电极的长度为x mm,作为所述正极电极、所述负极电极和所述第一隔膜、第二隔膜的厚度的总合的电极重复厚度为y mm时,满足下式:
2.76142+0.0032418x+55.0725y<p<2.30873+0.00411899x+68.1159y。
6.如权利要求1至3中任一项所述的圆筒形二次电池,其特征在于:
所述隔膜包括第一隔膜和第二隔膜,
在令所述导电引线的线距为p mm,与接合于所述集电部件的所述导电引线对应的所述正极电极或所述负极电极的长度为x mm,作为所述正极电极、所述负极电极和所述第一隔膜、第二隔膜的厚度的总合的电极重复厚度为y mm时,满足下式。
7.如权利要求1至6中任一项所述的圆筒形二次电池,其特征在于:
所述导电引线为所述正极电极的导电引线和所述负极电极的导电引线。
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Application publication date: 20131009 |