JP2001068163A

JP2001068163A - 捲回式二次電池

Info

Publication number: JP2001068163A
Application number: JP23926099A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Yamada; 和博山田
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 1999-08-26
Filing date: 1999-08-26
Publication date: 2001-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】耐振性が向上し、集電用タブを容器から絶縁
することができる捲回式二次電池を提供する。【解決手段】絶縁部材１４の大径部の外周部は円筒容
器３８の内周、周縁は蓋３２にそれぞれ当接しており、
中径部の周縁は捲芯１６の端面に当接しており、小径部
の外周は捲芯１６の端部内周に挿入されている。絶縁部
材１４の小径部及び中径部の内周にはマイナス端子２２
のＯリング２８を圧接している側とは反対側の鍔部から
突出した円柱状の突出部が挿入されており、この鍔部は
絶縁部材１４の大径部裏面の一部に当接している。捲芯
１６は、その端部が蓋３２に固定されたマイナス端子３
２と絶縁部材１４とにより固定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、捲回式二次電池に
係り、特に中心部に捲芯を有し正極板及び負極板をセパ
レータを介して捲回した捲回群を電池容器に収容した捲
回式二次電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、携帯機器等に使用される二次電池
はエネルギー容量が小さかったので、捲回群の重量も小
さく、また、大きな衝撃にさらされることも少なかっ
た。従って、例えば、実公昭第５８−１４５２５号公報
に開示されているように、二次電池内部の捲回群は、捲
回群から取り出した集電用タブを蓋や容器に溶接して固
定する構造が用いられている。

【０００３】ところで、自動車産業界においては環境問
題に対応すべく、動力源を完全に電池のみとした電気自
動車や内燃機関エンジンと電池との両方を動力源とする
ハイブリッド自動車の開発が急速に進められており、電
気自動車の電源となる二次電池には、従来の携帯機器用
電源に比べてエネルギー容量にして１０〜７０倍の高エ
ネルギーが要求されている。

【０００４】このような電気自動車用電源では、高エネ
ルギー容量を確保するために正極及び負極の活物質重量
が増加するので、捲回群全体の重量が増加する。また、
電気自動車に車載する場合には、二次電池に常に振動が
加えられ、加速、減速時には２〜３Ｇの重力加速度が捲
回群に加えられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って、実公昭第５８
−１４５２５号公報の技術のように、捲回群から取り出
した集電用タブを蓋や容器に溶接する構造では、重量の
増加した捲回群から取り出した集電用タブを容器と絶縁
することができない、という問題がある。また、振動に
より、捲回群から延出された集電タブが容器と接触する
ことにより内部短絡が発生する、という問題が発生す
る。

【０００６】本発明は、上記欠点を改善するもので、耐
振性が向上し、集電用タブを容器から絶縁することがで
きる捲回式二次電池を提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、中心部に捲芯を有し正極板及び負極板を
セパレータを介して捲回した捲回群を電池容器に収容し
た捲回式二次電池において、前記捲回群を前記電池容器
で支持するように前記捲芯の両端を固定したことを特徴
とする。本発明では、捲回群を電池容器で支持するよう
に捲芯の両端を固定したので、端子のみで捲回群を支持
する場合よりも捲芯のたわみを小さくすることができ、
捲回群が電池容器に衝突することによって生じる内部短
絡を減少させることができる。

【０００８】この場合において、捲芯の両端を、該捲芯
の内周に一側が挿入され捲回群を電池容器から電気的に
絶縁する絶縁部材と、一端が電池容器に固定され他端が
絶縁部材の内周に挿入された端子と、で電池容器に支持
するようにすれば、絶縁部材により捲回群が電池容器か
ら電気的に絶縁されると共に、捲芯には絶縁部材が挿入
されて固定され、更に、端子により絶縁部材が支持され
るので、捲芯の両端を確実に固定することができる。こ
のとき、絶縁部材の他側を、電池容器の内壁に当接して
固定すれば、電池容器に加わる力を分散させることがで
きるので、電池容器の一部に荷重が集中することもなく
電池容器を薄肉化することが可能となる。更に、絶縁部
材を、電池容器の内壁に当接して固定される第１の周部
と、端面が捲芯の端面に当接し第１の周部より縮径され
た第２の周部と、捲芯の内周に挿入され第２の周部より
縮径された第３の周部と、を有した部材とすれば、捲回
群と絶縁部材及び絶縁端子と端子とによる嵌合により振
動によるガタツキを排除することができる。そして、絶
縁部材に捲回群から延出されたリードを端子に案内する
リード案内穴を形成すれば、捲回群と電池容器とで絶縁
状態を保持しつつリードを端子に案内することができ
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明に
係る捲回式二次電池を車載用リチウムイオン二次電池に
適用した実施の形態について説明する。

【００１０】（構成）図１に示すように、車載用リチウ
ムイオン二次電池（以下、リチウム電池という。）１０
は、ステンレス製で外径が６７ｍｍ、厚さが０．５ｍｍ
のリチウム電池１０の容器となり電池容器の一部として
の円筒容器３８を備えている。円筒容器３８の中心部に
は、外径１４ｍｍ、厚さ１ｍｍ、長さ２９０ｍｍのステ
ンレス製の円筒状捲芯１６が配置されている。この捲芯
１６の周囲には、帯状の正極板及び負極板がセパレータ
を介して断面渦巻状に捲回された捲回群１２が配置され
ている。

【００１１】正極板は、厚さ２０μｍ、寸法２００ｍｍ
×５０００ｍｍのアルミニウム箔等の金属箔よりなる正
極集電体と、この正極集電体に塗布された正極活物質層
と、で構成されている。正極活物質層は、平均粒径１５
μｍのコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）粉末を９０
重量部、導電剤としてグラファイト７重量部、結着剤と
してフッ化ビニリデン樹脂３重量部をＮ−メチルピロリ
ドンに分散して得られたスラリーを、正極集電体の両面
に１８０ｍｍ×４９００ｍｍに亘って、この厚さが１０
０μｍとなるように塗布したものである。一方、負極板
は、厚さ２０μｍ、寸法２００ｍｍ×５０００ｍｍの銅
箔等の金属箔よりなる負極集電体と、この負極集電体に
塗布された負極活物質層と、で構成されている。負極活
物質層は、平均粒径２０μｍの炭素９０重量部と結着剤
としてフッ化ビニリデン樹脂１０重量部とをＮ−メチル
ピロリドンに分散して得られたスラリーを、正極集電体
と同様、負極集電体の両面に１８０ｍｍ×４９００ｍｍ
に亘って、厚さが１００μｍとなるように塗布したもの
である。また、セパレータは、厚さ２０μｍの微多孔性
のポリエチレンフィルムからなり、正極板及び負極板の
接触を避けるために、寸法が両極板より大きい２０５ｍ
ｍ×５１００ｍｍとされている。

【００１２】円筒容器３８の両端部は、外径が６７ｍ
ｍ、厚さが３ｍｍのステンレス製円盤状で電池容器の一
部としての蓋３２によりそれぞれ封口されている。蓋３
２には、後述する電解液を注液するための円筒状の注液
口が蓋３２の中心部より円筒容器３８寄りの位置にネジ
穴を螺設することにより形成されている。注液口が形成
された蓋３８の裏面（内壁）側にはこの注液口と連通し
て捲回群１２方向に向かって電解液を案内する電解液案
内管４０が配置されている。注液口には注液栓１８が螺
着され、更に、メタルシール２０により電解液がリチウ
ム電池１０の外部に漏出しないように密閉されている。

【００１３】蓋３２の中心部には、中央部が拡径され鍔
部が形成されたマイナス端子２２が、図示しない金属ワ
ッシャ及びセラミックワッシャ４２を介して鍔部とナッ
ト２４間で締め付けられて蓋３２に固定されている。鍔
部と蓋３２の裏面との間には、セラミック製の絶縁リン
グ２６とゴム（ＥＰＤＭ）製で弾性を有するＯリング２
８が介在している。このＯリング２８が鍔部と蓋３８の
裏面とに圧接されることにより、電池容器３８内部の発
電要素は外気から遮断されると共に、Ｏリング２８と絶
縁リング２６の介在により、マイナス端子２２と蓋３２
とは電気的に絶縁されている。マイナス端子２２にはネ
ジ孔２２Ａが形成されており、図示しないブスバ固定ネ
ジが螺着できるようになっている。更に、蓋３２のマイ
ナス端子２２を跨いだ注液栓１８の反対側には、円盤状
でステンレス箔からなる蓋３２より薄肉の開裂弁３０が
蓋３２に形成された穴を塞ぐように溶着されている。

【００１４】図１及び図２に示すように、捲芯１６の両
端部内周には、ポリプロピレン樹脂製の絶縁部材１４の
外周１４Ｃａが挿入されている。絶縁部材１４は、筒状
で外径が順次縮径された第１の周部としての大径部１４
Ａ、第２の周部としての中径部１４Ｂ及び第３の周部と
しての小径部１４Ｃが一体に成形されている。大径部１
４Ａの外周１４Ａａは円筒容器３８の内周（内壁）に、
大径部１４Ａの周縁１４Ａｂは蓋３２の裏面（内壁）
に、それぞれ当接している。

【００１５】大径部１４Ａの鍔部１４Ａｃと捲回群１２
との間（図１参照）には、捲回群１２の負極板から延出
された図示しない集電タブ及びこの集電タブから３群の
リード群に分けて取り出した図示しない負極リードが収
納されている。鍔部１４Ａｃには、図示しない負極リー
ドをマイナス端子２２へ案内するためのリード案内穴１
４Ｄが３箇所形成されている。この３群の負極リードは
それぞれ幅１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍとされており、リ
ード案内穴１４Ｄを挿通して、その先端部が蓋３２と絶
縁部材１４との間でマイナス端子２２の拡径部に超音波
溶接により溶着されている。また、鍔部１４Ａｃには、
注液口から注液された電解液を電解液案内管４０を経て
捲回群１２側へ導く電解液案内穴１４Ｅが形成されてい
る。端面としての中径部１４Ｂの周縁１４Ｂｂは捲芯１
６の端面に当接してしている。そして、上述したよう
に、中径部１４Ｂから更に縮径された小径部１４Ｃの外
周部１４Ｃａが捲芯１６の端部内周に挿入されている。

【００１６】図１に示すように、絶縁部材１４の小径部
１４Ｃ及び中径部１４Ｂの内周には、マイナス端子２２
のＯリング２８を圧接している側と反対側の鍔部から突
出形成された円柱状の突出部が挿入されており、このマ
イナス端子２２のＯリング２８を圧接している側とは反
対側の鍔部全面が絶縁部材１４の鍔部１４Ａｃの裏面
（蓋３８側）の一部に当接している。

【００１７】従って、捲芯１６の端部は、大径部１４Ａ
が円筒容器３８及び蓋３２に当接固定され外周１４Ｃａ
が捲芯１６に挿入された絶縁部材１４と、この絶縁部材
１４の中央部を、拡径部の鍔部と突出部とにより絶縁部
材１４の裏面側から蓋３２に固定するマイナス端子２２
と、により支持・固定されている。なお、プラス端子３
４側も上述したマイナス端子側と同様に構成されてい
る。

【００１８】（作製方法）まず、正極板及び負極板を両
者が接触しないようにセパレータを介して捲芯１６の周
囲に渦巻状に捲回して電極板の捲回体を形成し、この捲
回体を両極板を痛めないようにするためにインシュレー
タを被せて捲回群１２を作製して円筒容器３８内に挿入
し、捲回群１２から負極リードをそれぞれ３群のリード
群に分けて取り出しリード貫通穴１４Ｄにそれぞれ挿通
した後、絶縁部材１４の外周１４Ｃａを捲芯１６の内周
に挿入する。

【００１９】次に、マイナス端子２２の突出部をマイナ
ス端子２２のＯリング２８を圧接している側とは反対側
の鍔部が絶縁部材１４の外周１４Ａｃの裏面に当接する
まで絶縁部材１４の小径部１４Ｃ及び中径部１４Ｂの内
周に挿入した後、前記３群の負極リードをマイナス端子
２２の拡径部に溶着し、マイナス端子２２をナット２４
により蓋３２に固定する。なお、本実施形態では、マイ
ナス端子２２の突出部の挿入作業終了後に、突出部の先
端面と小径部１４Ｃの周縁端面とが同一面となるように
各寸法が定められている。その後、円筒容器３８と蓋３
２との境界部をレーザ溶接により溶着する。プラス端子
３４側も同様である。

【００２０】更に、注液口からエチレンカーボネート、
ジエチルカーボネートの混合溶液中に６フッ化リン酸リ
チウム（ＬｉＰＦ_６）を１モル／リットルの割合で溶解
した非水電解液（有機電解液）を注液して正極活物質及
び負極活物質間に充填し、注液栓１８及びメタルシール
２０で注液口を封口する。そして、所定時間、所定定電
圧・定電流で充電してリチウム電池１０を完成させる。

【００２１】（作用等）このようにして完成させたリチ
ウム電池１０の捲回群１２は電解液で膨潤し、その重量
は３ｋｇｆ程度となる。今、捲回群１２の重量を３ｋｇ
ｆであると想定すると、この捲回群１２を、例えば、幅
１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの集電用タブを従来技術のよ
うに蓋や容器に溶接して固定するのは困難であり、車載
用の二次電池として使用するためには、振動による重力
加速度も考慮しなければならない。このため、本実施形
態では、この捲回群１２を支持するために、上述したよ
うに、ステンレス製で外径１４ｍｍ、厚さ１ｍｍ、長さ
２９０ｍｍの捲芯１６を支柱として使用した。また、こ
の捲芯１６を端子（マイナス端子２２、プラス端子３
４）のみで固定した場合には、捲回群１２に振動が加わ
ると、捲芯１６と端子との接続部分を支点として捲芯１
６が単純支持された状態でたわむことになる。そこで、
本実施形態では、絶縁部材１４と蓋３２に固定された端
子とで捲芯１６を固定することにより、捲芯１６の両側
で捲芯１６を固定し捲芯１６のたわみを小さくしてい
る。

【００２２】次に、本実施形態のたわみの程度を定量的
に把握するために、図３に示すように、捲芯１６の両端
を単純支持した場合と、図４に示すように、捲芯１６の
両端を固定した場合と、について比較解析する。捲芯１
６には等分布荷重Ｗが作用しており、捲芯１６の長さを
Ｌ、捲芯１６の縦弾性係数をＥ、断面二次モーメントを
Ｉ、支点からの最大たわみ箇所までの距離をＹとする
と、両端を単純支持した場合のたわみＶ_１及び両端を固
定した場合のたわみＶ_２は次式（１）及び式（２）で与
えられる。

【００２３】

【数１】

【００２４】ここで、支点からの最大たわみ箇所までの
距離Ｙは次式（３）で与えられる。

【００２５】

【数２】

【００２６】従って、たわみＶ_１及びＶ_２のそれぞれの
たわみの最大値Ｖ_１max及びＶ_２maxは、式（１）〜
（３）により次式（４）及び（５）で与えられる。

【００２７】

【数３】

【００２８】式（４）及び（５）から、たわみは捲芯１
６にかかる等分布荷重Ｗ及び捲芯１６の長さＬに比例す
ることが分かる。更に、式（４）、（５）を比較する
と、捲芯１６の両端を端子のみで単純支持するより、端
子と絶縁部材１４とにより捲芯１６の両端を固定する方
が捲芯１６のたわみを５分の１まで小さくすることがで
きることが分かる。

【００２９】（試験）次に、本実施形態に従って作製し
た実施例のリチウム電池と、捲芯１６を端子のみで単純
支持した構造の比較例のリチウム電池と、とをそれぞれ
５０個作製し、これらを表１に示す条件で振動試験を行
った。

【００３０】

【表１】

【００３１】振動試験の試験結果を表２に示す。なお、
表２において、振動試験の結果、内部短絡が発生したリ
チウム電池を不良とした。

【００３２】

【表２】

【００３３】振動試験の結果から明らかなように、実施
例のリチウム電池の不良率は比較例のリチウム電池に比
べて著しく低下している。従って、上述した解析結果及
び振動試験結果から、捲芯１６の両端を固定した方が単
純支持するより振動したときの捲芯１６のたわみが減
り、捲回群１２が円筒容器３８等に衝突することによっ
て生じる内部短絡を減少させることができることが判明
する。

【００３４】以上のように、本実施形態のリチウム電池
１０は、ポリプロピレン樹脂製の絶縁部材１４によっ
て、捲回群１２から延出された集電タブ及びリードと、
端子（マイナス端子２２、プラス端子３４）、円筒容器
３８及び蓋３２と、を絶縁したので、振動によって生じ
る内部短絡の可能性を未然に防止することができる。

【００３５】また、本実施形態では、捲芯１６の両端が
絶縁部材１４及び端子により固定されているので、リチ
ウム電池１０を車載し捲芯１６に振動が加わっても、解
析結果で示したように、たわみを小さく抑えることがで
きる。従って、試験結果で示したように、集電タブと円
筒容器３８等との内部短絡を低減させることができる。
更に、捲芯１６がたわむことによる集電タブに加わるテ
ンションも小さくなるので、車載した場合の集電タブの
疲労による切断も回避することができる。

【００３６】また、絶縁部材１４の外周１４Ａａを円筒
容器３８の内周（内壁）に、周縁１４Ａｂを蓋３２の裏
面（内壁）に当接して絶縁部材１４を固定したので、マ
イナス端子２２（プラス端子３４）を固定する蓋３２の
中心部に捲回群１２を支持する力が集中することなく分
散させることができるので、振動による重力加速度に耐
えて蓋３２の肉厚を薄くすることができる。

【００３７】また、捲芯１６の内周には絶縁部材１４の
外周１４Ａｃが挿入され、絶縁部材１４の小径部１４Ｃ
及び中径部１４Ｂの内周側にはマイナス端子２２の突出
部が挿入されると共に大径部１４Ａの裏面とマイナス端
子の突出部が当接し、更に、周部１４Ａｂが円筒容器３
８と蓋３２に当接しているので、捲芯１６の両端が完全
に固定され、芯材１６、絶縁部材１４及び端子間にはガ
タツキが生じない。

【００３８】更に、本実施形態では、絶縁部材１４にリ
ード案内穴１４Ｄを形成したので、絶縁を図りつつ極板
と端子との配線とが可能となる。また、幅１０ｍｍ、厚
さ０．１ｍｍの負極リードに対して十分大きいリード案
内穴１４Ｄを絶縁部材１４に３箇所形成したので、例え
ば、リチウム電池１４が充電器の故障等により過充電状
態となっても、リード案内穴１４Ｄを介して内圧が開裂
弁３０に掛かるので、開裂弁３０の機能を損なうことも
ない。更に、電解液案内管４０と連通する電解液案内穴
１４Ｄを絶縁部材１４に形成したので、電解液を捲回群
１２へ容易に注液することができる。

【００３９】なお、本実施形態では、電解液案内管４０
を絶縁部材１４と別部材として説明したが、これらを一
体とした一部材としてもよい。このようにすれば、部品
点数を少なくすることができるので、コストダウン及び
部品管理の点で好ましい。また、負極リードに対して更
に大きいリード案内穴を形成するようにすれば、電解液
はこの更に大きいリード案内穴により捲回群１２に案内
されるので、本実施形態のように電解液案内管４０や電
解液案内穴１４Ｅを設けなくてもよい。

【００４０】また、本実施形態では、各部材の寸法、材
質、形状及びリチウム電池１０の製造方法等の一実施形
態について説明したが、本発明はこれらに限定されるも
のではなく、上述した特許請求の範囲内において他の種
々の実施形態を採ることができることはいわゆる当業者
にとって明らかである。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
捲回群を電池容器で支持するように捲芯の両端を固定し
たので、端子のみで捲回群を支持する場合よりも捲芯の
たわみを小さくすることができ、捲回群が電池容器に衝
突することによって生じる内部短絡を減少させることが
できる、という効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る捲回式二次電池を適用した実施形
態のリチウム電池の断面図であり、（Ｂ）はリチウム電
池をマイナス端子側から見たときの側面図である。

【図２】絶縁部材の外観を示す外観斜視図である。

【図３】両端を単純支持した捲芯に等分布荷重を加えた
場合の捲芯のたわみを示す説明図である。

【図４】両端を固定した捲芯に等分布荷重を加えた場合
の捲芯のたわみを示す説明図である。

【符号の説明】

１０リチウム電池１２捲回群１４絶縁部材１６捲芯２２マイナス端子３２蓋（電池容器の一部）３４プラス端子３８円筒容器（電池容器の一部）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5H014 AA06 BB08 EE05 EE08 EE10 5H022 AA09 AA18 BB03 CC03 CC12 CC14 EE03 EE04 5H028 AA01 AA07 BB01 CC05 CC08 CC12 CC21 CC24 CC26 EE01 EE06 5H029 AJ11 AJ12 AK03 AL06 AM03 AM05 AM07 BJ02 BJ14 CJ05 CJ07 DJ02 DJ05 DJ14 EJ01 EJ12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中心部に捲芯を有し正極板及び負極板を
セパレータを介して捲回した捲回群を電池容器に収容し
た捲回式二次電池において、前記捲回群を前記電池容器
で支持するように前記捲芯の両端を固定したことを特徴
とする捲回式二次電池。
【請求項２】前記捲芯の両端は、該捲芯の内周に一側
が挿入され前記捲回群を前記電池容器から電気的に絶縁
する絶縁部材と、一端が前記電池容器に固定され他端が
前記絶縁部材の内周に挿入された端子と、で前記電池容
器に支持されたことを特徴とする請求項１に記載の捲回
式二次電池。
【請求項３】前記絶縁部材の他側は、前記電池容器の
内壁に当接して固定されたことを特徴とする請求項２に
記載の捲回式二次電池。
【請求項４】前記絶縁部材は、前記電池容器の内壁に
当接して固定される第１の周部と、端面が前記捲芯の端
面に当接し前記第１の周部より縮径された第２の周部
と、前記捲芯の内周に挿入され前記第２の周部より縮径
された第３の周部と、を有することを特徴とする請求項
２又は請求項３に記載の捲回式二次電池。
【請求項５】前記絶縁部材には、前記捲回群から延出
されたリードを前記端子に案内するリード案内穴が形成
されたことを特徴する請求項２乃至請求項４に記載の捲
回式二次電池。