JP2001143759A

JP2001143759A - 円筒形リチウムイオン電池

Info

Publication number: JP2001143759A
Application number: JP32357799A
Authority: JP
Inventors: Kenji Nakai; 賢治中井; Toshiaki Konuki; 利明小貫; Kensuke Hironaka; 健介弘中
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 1999-11-15
Filing date: 1999-11-15
Publication date: 2001-05-25
Anticipated expiration: 2019-11-15
Also published as: JP4055307B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高容量、高出力でありながらも、安全性及び
信頼性の高い円筒形リチウムイオン二次電池を提供す
る。【解決手段】正極活物質にマンガン酸リチウムを用
い、負極活物質に非晶質炭素を用いて捲回群６を作製
し、幅４５ｍｍ、長さＢ１６５ｍｍ、厚さ１．４ｍｍの
ＥＰＤＭゴム製のシート１２を１枚、絶縁被覆８が施さ
れた捲回群６の両端部に、隙間Ｋを設けて捲回群６を巻
くように円弧状に絶縁被覆８に貼り付けた。捲回群６内
部から発生するガス圧により捲回群６が直径方向に膨張
することが許容される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は円筒形リチウムイオ
ン電池に係り、特に、正極集電体に充放電によりリチウ
ムを放出・収容可能な正極活物質を塗着した帯状の正極
と、負極集電体に充放電によりリチウムを収容・放出可
能な負極活物質を塗着した帯状の負極とが、リチウムイ
オンが通過可能な帯状のセパレータを介して捲回された
電極捲回群を有し、電極捲回群は円筒形電池容器に内蔵
され、電池容器の両端面を封口する蓋板の少なくとも一
方に該電池容器の内圧の上昇に応じてガスを放出する内
圧低減機構を有する放電容量３０Ａｈ以上の円筒形リチ
ウムイオン電池であって、電極捲回群の直径をＡ、電池
容器内直径をＢとしたときに、Ａ／Ｂの値が０．９８以
下である円筒形リチウムイオン電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】リチウムイオン二次電池は、高出力、高
エネルギー密度である点から、ＥＶ（電気自動車）用電
源として注目されている。リチウムイオン二次電池はそ
の形状で、円筒形と角形とに分類することができる。通
常、円筒形電池の内部は、電極が正極、負極共に活物質
が金属箔に塗着された帯状であり、正極、負極が直接接
触しないようにセパレータを挟んで円筒状の軸芯の回り
に断面が渦巻状に捲回され、電極捲回群が形成された捲
回式構造が採られている。そして、電池容器となる円筒
形の缶又は容器に電極捲回群が収納され、電解液注液
後、封口し、初充電することで電池としての機能が付与
される。

【０００３】エネルギー密度の向上のためには、より多
くの活物質を電池容器内に充填することが好ましく、電
極捲回群は、比較的密に電池容器内に挿入されている。
しかしながら、正極活物質にコバルト酸リチウムを、負
極に黒鉛質の炭素材料を用いたリチウムイオン二次電池
では、初充電時に正極、負極ともに活物質が体積膨張を
起こし、これが原因で電極には種々の不都合な状況が発
生し、容量低下や寿命低下を引き起こすことがあった。
その対策として、現在ノートパソコンや携帯電話等に搭
載される概ね容量２Ａｈ以下の民生用リチウムイオン二
次電池では、著しい容量低下、エネルギー密度の低下を
抑えられる範囲で、電極捲回群と電池容器間に若干の空
間を設けた構造となっている。また、工業的に連続自動
生産する場合においても、電極捲回群の電池容器への挿
入性が向上するので、上記空間を設けることが望まし
い。

【０００４】一方、ＥＶ用電源用途に適した概ね容量３
０Ａｈ以上のリチウムイオン二次電池においては、当然
出力が高く、過充電状態に陥ったり、圧壊される等とい
った異常発生時の電池の破裂、発火を完全になくすこと
が必然となる。

【０００５】また、高容量、高出力のリチウムイオン二
次電池は、電池長さ、電池径ともに大きくなる。上述し
たように、活物質が金属箔に塗着された帯状の電極は、
活物質の塗着量を増やして電極を厚くすると、活物質層
が剥離、脱落して電極形状を維持できなくなる。このた
め、帯状の電極の捲回回数を多くすることで電極捲回群
の径を大きくしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電極捲
回群が長く、多数回捲回された電極捲回群を有する高放
電容量電池においては、例えば、過充電やＥＶに搭載さ
れた場合の車両衝突等の異常時に電解液の分解等で発生
したガスが電極捲回群内部に滞留しやすく、スムーズに
安全弁等の内圧低減機構から排出できず、異常発熱と電
池容器の著しい変形を伴う、という問題があった。本発
明者らは懸命かつ精力的に調査改善活動に取り組んだ結
果、高容量、高出力の円筒形リチウムイオン電池におけ
る安全性確保のためには、電極捲回群と電池容器との間
には、空間が必要なことが分かった。すなわち、この空
間は、比較的容量の小さい民生用リチウムイオン二次電
池において設けられている空間とは異なった安全性確保
の目的で設けられなければならない。

【０００７】電池は、ＥＶに搭載し実走行すると振動を
受ける。したがってＥＶ用電池は電気的特性だけでな
く、耐振動性等の信頼性をも兼ね備えなければならな
い。前述のように、長く、大きな径の電極捲回群と電池
容器との間に空間を設けると、振動が加わった場合に、
大きな電極捲回群の自重による慣性モーメントのため
に、電極捲回群が電池容器内で移動し、電池内構成部品
の損傷や電極捲回群自体の損傷が発生し、引き続いて内
部短絡が起こって電池機能の喪失に至る、という問題を
生ずる。

【０００８】本発明は上記事案に鑑み、高容量、高出力
でありながらも、安全性及び信頼性の高い円筒形リチウ
ムイオン電池を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、正極集電体に充放電によりリチウムを放
出・収容可能な正極活物質を塗着した帯状の正極と、負
極集電体に充放電によりリチウムを収容・放出可能な負
極活物質を塗着した帯状の負極とが、リチウムイオンが
通過可能な帯状のセパレータを介して捲回された電極捲
回群を備え、前記電極捲回群は円筒形電池容器に内蔵さ
れ、前記電池容器の両端面を封口する蓋板の少なくとも
一方に該電池容器の内圧の上昇に応じてガスを放出する
内圧低減機構を有する放電容量３０Ａｈ以上の円筒形リ
チウムイオン電池であって、前記電極捲回群の直径を
Ａ、前記電池容器内直径をＢとしたときに、Ａ／Ｂの値
が０．９８以下である円筒形リチウムイオン電池におい
て、電気的絶縁性を有する樹脂製で、前記電池容器と前
記電極捲回群との間かつ前記電極捲回群の両端部近傍に
配置され、前記電極捲回群の外周を、該電極捲回群内部
で発生するガス圧により該電極捲回群が電極捲回群直径
方向に膨張することを許容する所定間隔の隙間を形成し
て、円弧状に取り巻くスペーサを備えている。

【００１０】本発明では、スペーサを、電池容器と電極
捲回群との間かつ電極捲回群の両端部近傍に配置したの
で、電池容器とスペーサが配置されていない電極捲回群
中央部との間にはスペース（空間）が形成され、このス
ペースにより異常時に電極捲回群内部でガス圧が発生し
ても電極捲回群中央部は直径方向に膨張が可能となる。
また、スペーサを、電極捲回群の外周を、該電極捲回群
内部で発生するガス圧により該電極捲回群が電極捲回群
直径方向に膨張することを許容する所定間隔の隙間を形
成して、円弧状に取り巻くようにしたので、異常時に電
極捲回群内部でガス圧が発生すると、発生したガスは電
極捲回群両端部を電極捲回群直径方向に膨張させ電極捲
回群両端部からスムーズに外部へ排出される。この電極
捲回群両端部から排出されたガスは、電池容器の内圧が
所定圧となると、内圧低減機構から放出される。従っ
て、電極捲回群内部にガスが滞留せず、電池容器内での
異常発熱や電池容器の著しい変形を引き起こさないの
で、電池の安全性を確保することができる。更に、スペ
ーサを、電気的絶縁性を有する樹脂製で、電極捲回群の
外周を円弧状に取り巻くようにしたので、電極捲回群と
スペーサとは密着し電極捲回群はスペーサを介して電池
容器に固定された状態となり、電極捲回群の長手方向へ
の移動を抑制する。従って、耐振動性が向上し、振動に
よる電極捲回群の損傷や内部短絡を引き起こさないの
で、電池の信頼性を高めることができる。

【００１１】この場合において、電極捲回群内部からガ
スを穏やかに発生させ安全性を高めるために、正極活物
質をリチウム・マンガン複酸化物とするのが好ましく、
また、負極活物質を非晶質炭素とすることが好ましい。
また、異常時の安全性を確保するために、スペーサをポ
リオレフィン系樹脂で形成することが望ましく、連続気
泡型ポリオレフィン系樹脂発泡体で形成することが更に
望ましい。更に、スペーサの電極捲回群長手方向幅を、
電極捲回群の長手方向長さの５％以上、２５％以下とす
れば、異常時に電極捲回群内部で発生するガスを電極捲
回群外部へよりスムーズに案内することができるので、
電池の安全性をより高めることができる。このとき、ス
ペーサの電極捲回群円周方向長さを、電極捲回群の円周
長さの７５％以上、９５％以下とすれば、異常時に電極
捲回群が電極捲回群直径方向にスムーズに膨張すること
ができるので、電池の安全性を更に高めることができ
る。そして、スペーサを、少なくとも２片以上に分離
し、互いに接触することなく間隙が形成され、スペーサ
の電極捲回群円周方向の長さの和を、間隙の長さの和よ
りも大きく、間隙の各長さを、電極捲回群の円周長さの
２５％未満とすれば、スペーサ間の間隙を電極捲回群の
周囲に分散させることが可能となるので、更に高い安全
性及び信頼性を確保することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、図面を参
照して本発明をＥＶ搭載用円筒形リチウムイオン電池に
適用した第１の実施の形態について説明する。

【００１３】＜電池製造方法＞ [正極板の作製]充放電によりリチウムを放出・収容可能
な活物質であるコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）粉
末やマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）粉末と、導
電剤として鱗片状黒鉛（平均粒径：２０μｍ）と、結着
剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）と、を後述
する所定配合比で混合し、これに分散溶媒のＮ−メチル
−２−ピロリドン（ＭＮＰ）を添加、混練したスラリ
を、厚さ２０μｍのアルミニウム箔（正極集電体）の両
面に塗布した。このとき、正極板長寸方向の一方の側縁
に幅５０ｍｍの未塗布部を残した。その後乾燥、プレ
ス、裁断して幅３００ｍｍ、後述する所定長さ及び正極
活物質合剤塗布部所定厚さの帯状の正極板を得た。正極
活物質合剤層の空隙率はいずれも３５＋−１．５％とし
た。正極板のスラリ未塗布部に切り欠きを入れ、切り欠
き残部をリード片とした。また、隣り合うリード片を２
０ｍｍ間隔とし、リード片の幅は１０ｍｍとした。

【００１４】[負極板の作製]充放電によりリチウムを収
容・放出可能な黒鉛質炭素である大阪ガスケミカル株式
会社（以下、大阪ガスケミカルという。）製のＭＣＭＢ
粉末や、非晶質炭素である呉羽化学工業株式会社（以
下、呉羽化学という。）製カーボトロンＰ粉末９２重量
部に結着剤として８重量部のポリフッ化ビニリデンを添
加し、これに分散溶媒のＮ−メチル−２−ピロリドンを
添加、混練したスラリを、厚さ１０μｍの圧延銅箔（負
極集電体）の両面に塗布した。このとき、負極板長寸方
向の一方の側縁に幅５０ｍｍの未塗布部を残した。その
後乾燥、プレス、裁断して幅３０５ｍｍ、後述する所定
長さ及び負極活物質塗布部所定厚さの帯状の負極板を得
た。負極活物質層の空隙率はいずれも３５＋−１．５％
とした。負極板のスラリ未塗布部に正極板と同様に切り
欠きを入れ、切り欠き残部をリード片とした。また、隣
り合うリード片を２０ｍｍ間隔とし、リード片の幅を１
０ｍｍとした。

【００１５】[電池の作製]上記作製した帯状の正極板と
負極板とを、これら両極板が直接接触しないように厚さ
４０μｍ、幅３１０ｍｍのポリエチレン製セパレータと
共に、直径１４ｍｍ、内径８ｍｍのポリプロピレン製中
空管で捲回中心となる軸芯１１の回りに、４０回以上捲
回した。このとき、正極板及び負極板のリード片（図１
の符号９参照）が、それぞれ捲回群（電極捲回群）の互
いに反対側の両端面に位置するようにした。捲回群径φ
は、正極板、負極板及びセパレータの長さを調整し、直
径６３＋−０．１ｍｍとした。従って、捲回群周囲長さ
Ｐは、２π×（捲回群径φ）／２＝１９７．９２ｍｍと
なる。

【００１６】図１に示すように、正極板から導出されて
いるリード片９を変形させ、その全てを、軸芯１１のほ
ぼ延長線上にある極柱（正極外部端子１）周囲から一体
に張り出している鍔部７周面付近に集合、接触させた
後、リード片９と鍔部７周面とを超音波溶接してリード
片９を鍔部７周面に接続し固定した。また、負極外部端
子１’と負極板から導出されているリード片９との接続
操作も、正極外部端子１と正極板から導出されているリ
ード片９との接続操作と同様に行った。

【００１７】その後、正極外部端子１及び負極外部端子
１’の鍔部７周面全周に絶縁被覆８を施した。この絶縁
被覆８は、捲回群６外周面全周にも及ぼした。絶縁被覆
８には、基材がポリプロピレンで、その片面にヘキサメ
タアクリレートからなる粘着剤を塗布した粘着テープを
用いた。この粘着テープを鍔部７周面から捲回群６外周
面に亘って少なくとも１周以上巻いて絶縁被覆８とし
た。

【００１８】そして、図２及び図３に示すように、後述
する所定幅Ａ（捲回群６長手方向の長さ、図２参照）、
所定長さＢ（図３参照）、厚さ１．４ｍｍで電気的絶縁
性をする所定材質のスペーサとしてのシート１２を１
枚、絶縁被覆８が施された捲回群６の両端部に、一部隙
間Ｋ（図３参照）設けて捲回群６を巻くように円弧状に
絶縁被覆８に貼り付けた。なお、本実施形態では、積水
化学工業株式会社製の両面テープ＃５７５を用いてシー
ト１２を捲回群６円周方向にほぼ平行となるように貼り
付けた。

【００１９】次に、捲回群６を外径６７ｍｍ、内径６６
ｍｍのステンレス製電池容器５内に挿入した後、アルミ
ナ製で円盤状電池蓋４（蓋板）裏面と当接する部分の厚
さ２ｍｍ、内径１６ｍｍ、外径２５ｍｍの第２のセラミ
ックワッシャ３’を、図１に示すように、先端が正極外
部端子１を構成する極柱、先端が負極外部端子１’を構
成する極柱にそれぞれ嵌め込んだ。また、アルミナ製で
厚さ２ｍｍ、内径１６ｍｍ、外径２８ｍｍの平板状の第
１のセラミックワッシャ３を電池蓋４に載置し、正極外
部端子１、負極外部端子１’をそれぞれ第１のセラミッ
クワッシャ３に通した。その後、電池蓋４周端面を電池
容器５開口部に嵌合し、双方の接触部全域をレーザ溶接
した。このとき、正極外部端子１、負極外部端子１’
は、電池蓋４の中心に形成された穴を貫通して電池蓋４
外部に突出している。そして、図１に示すように、第１
のセラミックワッシャ３、金属製ナット２底面よりも平
滑な金属ワッシャ１４を、この順に正極外部端子１、負
極外部端子１’にそれぞれ嵌め込んだ。なお、電池蓋４
には電池の内圧上昇に応じて開裂する開裂弁１０（内圧
低減機構）が設けられている。開裂弁１０の開裂圧は、
１．３×１０^６〜１．８×１０^６Ｐａ（１３０〜１８０
Ｎ／ｃｍ^２）とした。

【００２０】次いで、ナット２を正極外部端子１、負極
外部端子１’にそれぞれ螺着し、第２のセラミックワッ
シャ３’、第１のセラミックワッシャ３、金属ワッシャ
１４を介して電池蓋４を鍔部７とナット２の間で締め付
けにより固定した。このときの締め付けトルク値は７Ｎ
・ｍとした。なお、締め付け作業が終了するまで金属ワ
ッシャ１４は回転しなかった。この状態で、電池蓋４裏
面と鍔部７の間に介在させたゴム（ＥＰＤＭ）製Ｏリン
グ１６の圧縮により電池容器５内部の発電要素は外気か
ら遮断される。

【００２１】その後、電池蓋４に設けた注液口１５から
電解液を所定量電池容器５内に注入し、その後注液口１
５を封止することにより円筒形リチウムイオン電池２１
を完成させた。

【００２２】電解液には、エチレンカーボネートとジメ
チルカーボネートとジエチルカーボネートの体積比１：
１：１の混合溶液中へ６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰ
Ｆ_６）を１モル／リットル溶解したものを用いた。な
お、円筒形リチウムイオン電池２１には、電池容器５の
内圧の上昇に応じて電流を遮断する電流遮断機構は設け
られていない。また、上述したように、捲回群６の直径
は６３ｍｍであり、電池容器５の内（直）径は６６ｍｍ
であるので、（捲回群６の直径）／（電池容器５の内直
径）の値は０．９５である。

【００２３】（第２実施形態）次に、本発明に係る円筒
形リチウムイオン電池の第２の実施の形態について説明
する。本実施形態は、第１実施形態の一箇所の隙間Ｋに
代えて隙間を２箇所とし、シート１２を２枚使用したも
のである。なお、本実施形態以下の実施形態において、
第１実施形態と同一部材は同一の符号を付しその説明を
省略し、異なる箇所のみ説明する。

【００２４】図４に示すように、本実施形態では、後述
するように電気的絶縁性をする所定材質で、後述する所
定幅Ａ（図２参照）及びそれぞれ所定長さＢ１、Ｂ２、
厚さ１．４ｍｍのシート１２を２枚、絶縁被覆８が施さ
れた捲回群６の両端部に、２箇所の隙間Ｋ１、Ｋ２を設
けて捲回群６を巻くように円弧状に絶縁被覆８に貼り付
けて、円筒形リチウムイオン電池２１を作製した。

【００２５】（第３実施形態）次に、本発明に係る円筒
形リチウムイオン電池の第３の実施の形態について説明
する。本実施形態は、第１実施形態の一箇所の隙間Ｋに
代えて隙間を３箇所とし、シート１２を３枚使用したも
のである。

【００２６】図５に示すように、本実施形態では、後述
するように電気的絶縁性をする所定材質で、後述する所
定幅Ａ（図２参照）及びそれぞれ所定長さＢ１、Ｂ２、
Ｂ３、厚さ１．４ｍｍのシート１２を３枚、絶縁被覆８
が施された捲回群６の両端部に、３箇所の隙間Ｋ１、Ｋ
２、Ｋ３設けて捲回群６を巻くように円弧状に絶縁被覆
８に貼り付けて、円筒形リチウムイオン電池２１を作製
した。

【００２７】（実施例）次に、以上の実施形態に従って
作製した円筒形リチウムイオン電池２１の実施例につい
て説明する。まず、正極板及び負極板を次のように作製
した。

【００２８】＜正極板＞ [正極板Ｃ−１] 正極活物質に日本化学工業株式会社
（以下、日本化学という。）製セルシードＣ−１０を用
いたコバルト酸リチウムとし、コバルト酸リチウムと鱗
片状黒鉛とＰＶｄＦとの配合比を重量％で６０：２９：
１１とし、正極集電体を含んだ電極厚さ２４８μｍ、長
さ６３６ｃｍの正極板を作製した（以下、この正極板を
正極板Ｃ−１という。）。このときの正極活物質合剤層
のかさ密度は２．１ｇ／ｃｍ^３とした。 [正極板Ｃ−２] 正極活物質に日本化学製セルシードＣ
−１０を用いたコバルト酸リチウムとし、コバルト酸リ
チウムと鱗片状黒鉛とＰＶｄＦとの配合比を重量％で６
５：２４：１１とし、正極集電体を含んだ電極厚さ２７
６μｍ、長さ５６７ｃｍの正極板を作製した（以下、こ
の正極板を正極板Ｃ−２という。）。このときの正極活
物質合剤層のかさ密度は２．１５ｇ／ｃｍ^３とした。 [正極板Ｍ−１] 正極活物質に三井金属株式会社（以
下、三井金属という。）製のマンガン酸リチウムを用
い、マンガン酸リチウムと鱗片状黒鉛とＰＶｄＦとの配
合比を重量％で７８：１２：１０とし、正極集電体を含
んだ電極厚さ２５８μｍ、長さ６２０ｃｍの正極板を作
製した（以下、この正極板を正極板Ｍ−１という。）。
このときの正極活物質合剤層のかさ密度は２．３５ｇ／
ｃｍ^３とした。 [正極板Ｍ−２] 正極活物質に三井金属製のマンガン酸
リチウムを用い、マンガン酸リチウムと鱗片状黒鉛とＰ
ＶｄＦとの配合比を重量％で８５：１０：５とし、正極
集電体を含んだ電極厚さ２４７μｍ、長さ６１８ｃｍの
正極板を作製した（以下、この正極板を正極板Ｍ−２と
いう。）。このときの正極活物質合剤層のかさ密度は
２．５５ｇ／ｃｍ^３とした。

【００２９】＜負極板＞ [負極板Ｂ−１] 黒鉛質炭素として、大阪ガスケミカル
製のＭＣＭＢを用い、負極集電体を含んだ電極厚さ１２
１μｍ、長さ６５４ｃｍの負極板を作製した（以下、こ
の負極板を負極板Ｂ−１という。）。このときの負極活
物質合剤層のかさ密度は１．３５ｇ／ｃｍ^３とした。 [負極板Ｂ−２] 黒鉛質炭素として、大阪ガスケミカル
製のＭＣＭＢを用い、負極集電体を含んだ電極厚さ１２
４μｍ、長さ６３８ｃｍの負極板を作製した（以下、こ
の負極板を負極板Ｂ−２という。）。このときの負極活
物質合剤層のかさ密度は１．３５ｇ／ｃｍ^３とした。 [負極板Ｐ−１] 非晶質炭素として、呉羽化学製カーボ
トロンＰを用い、負極集電体を含んだ電極厚さ１４７μ
ｍ、長さ５８５ｃｍの負極板を作製した（以下、この負
極板を負極板Ｐ−１という。）。このときの負極活物質
合剤層のかさ密度は０．９８ｇ／ｃｍ^３とした。 [負極板Ｐ−２] 非晶質炭素として、呉羽化学製カーボ
トロンＰを用い、負極集電体を含んだ電極厚さ１３６μ
ｍ、長さ６３６ｃｍの負極板を作製した（以下、この負
極板を負極板Ｐ−２という。）。このときの負極活物質
合剤層のかさ密度は０．９８ｇ／ｃｍ^３とした。

【００３０】＜構成＞（実施例１）下表１及び図２、３に示すように、正極板
Ｃ−１と負極板Ｂ−１とを組み合わせた捲回群６を作製
し、捲回群６の両端部に、ＥＰＤＭゴム製で幅Ａ４５ｍ
ｍ、長さＢ１６５ｍｍのシート１２を１枚貼り付けて電
池２１を作製した。なお、表１において、「長さ割合」
は捲回群６長手方向長さＬに対するシート１２の幅Ａの
割合を示し（図２参照）、「Ｂ割合」は捲回群６周囲長
さＰに対するシート１２の長さＢの割合を示している。

【００３１】

【表１】

【００３２】（実施例２）表１及び図２、３に示すよう
に、正極板Ｃ−２と負極板Ｐ−１とを組み合わせた捲回
群６を作製し、捲回群６の両端部に、ＥＰＤＭゴム製
で、幅Ａ４５ｍｍ、長さＢ１６５ｍｍのシート１２を１
枚貼り付けて電池２１を作製した。（実施例３）表１及び図２、３に示すように、正極板Ｍ
−１と負極板Ｂ−２とを組み合わせた捲回群６を作製
し、捲回群６の両端部に、ＥＰＤＭゴム製で、幅Ａ４５
ｍｍ、長さＢ１６５ｍｍのシート１２を１枚貼り付けて
電池２１を作製した。（実施例４））表１及び図２、３に示すように、正極板
Ｍ−２と負極板Ｐ−２とを組み合わせた捲回群６を作製
し、捲回群６の両端部に、ＥＰＤＭゴム製で、幅Ａ４５
ｍｍ、長さＢ１６５ｍｍのシート１２を１枚貼り付けて
電池２１を作製した。（実施例５）表１及び図２、３に示すように、正極板Ｍ
−２と負極板Ｐ−２とを組み合わせた捲回群６を作製
し、捲回群６の両端部に、ＥＰＤＭゴム製で、幅Ａ１３
ｍｍ、長さＢ１６５ｍｍのシート１２を１枚貼り付けて
電池２１を作製した。

【００３３】（実施例６）表１及び図２、３に示すよう
に、正極板Ｍ−２と負極板Ｐ−２とを組み合わせた捲回
群６を作製し、捲回群６の両端部に、ＥＰＤＭゴム製
で、幅Ａ１６ｍｍ、長さＢ１６５ｍｍのシート１２を１
枚貼り付けて電池２１を作製した。（実施例７）表１及び図２、３に示すように、正極板Ｍ
−２と負極板Ｐ−２とを組み合わせた捲回群６を作製
し、捲回群６の両端部に、ＥＰＤＭゴム製で、幅Ａ７５
ｍｍ、長さＢ１６５ｍｍのシート１２を１枚貼り付けて
電池２１を作製した。（実施例８）表１及び図２、３に示すように、正極板Ｍ
−２と負極板Ｐ−２とを組み合わせた捲回群６を作製
し、捲回群６の両端部に、ＥＰＤＭゴム製で、幅Ａ８０
ｍｍ、長さＢ１６５ｍｍのシート１２を１枚貼り付けて
電池２１を作製した。（実施例９）表１及び図２、３に示すように、正極板Ｍ
−２と負極板Ｐ−２とを組み合わせた捲回群６を作製
し、捲回群６の両端部に、ＥＰＤＭゴム製で、幅Ａ４５
ｍｍ、長さＢ１４０ｍｍのシート１２を１枚貼り付けて
電池２１を作製した。（実施例１０）表１及び図２、３に示すように、正極板
Ｍ−２と負極板Ｐ−２とを組み合わせた捲回群６を作製
し、捲回群６の両端部に、ＥＰＤＭゴム製で、幅Ａ４５
ｍｍ、長さＢ１５０ｍｍのシート１２を１枚貼り付けて
電池２１を作製した。（実施例１１）表１及び図２、３に示すように、正極板
Ｍ−２と負極板Ｐ−２とを組み合わせた捲回群６を作製
し、捲回群６の両端部に、ＥＰＤＭゴム製で、幅Ａ４５
ｍｍ、長さＢ１８５ｍｍのシート１２を１枚貼り付けて
電池２１を作製した。（実施例１２）表１及び図２、３に示すように、正極板
Ｍ−２と負極板Ｐ−２とを組み合わせた捲回群６を作製
し、捲回群６の両端部に、ＥＰＤＭゴム製で、幅Ａ４５
ｍｍ、長さＢ１９０ｍｍのシート１２を１枚貼り付けて
電池２１を作製した。

【００３４】（実施例１３）下表２及び図２、４に示す
ように、正極板Ｍ−２と負極板Ｐ−２とを組み合わせた
捲回群６を作製し、捲回群６の両端部に、ＥＰＤＭゴム
製で、幅Ａ４５ｍｍ、長さＢ１、Ｂ２とも８０ｍｍのシ
ート１２を２枚、各々１９ｍｍの間隙Ｋ１、Ｋ２を設け
て貼り付けて電池２１を作製した。なお、表２におい
て、「長さ割合」は表１に示した場合と同じく捲回群６
長手方向長さＬに対するシート１２の幅Ａの割合を示し
（図２参照）、「Ｋ１割合」、「Ｋ２割合」及び「Ｋ３
割合」はそれぞれ捲回群６周囲長さＰに対する間隙Ｋ
１、Ｋ２、Ｋ３の割合を示し、「ΣＢ割合」は捲回群６
周囲長さＰに対する（長さＢ１＋長さＢ２＋長さＢ３）
の割合を示している。

【００３５】

【表２】

【００３６】（実施例１４）表２及び図２、４に示すよ
うに、正極板Ｍ−２と負極板Ｐ−２とを組み合わせた捲
回群６を作製し、捲回群６の両端部に、ＥＰＤＭゴム製
で、幅Ａ４５ｍｍ、長さＢ１が５０ｍｍ、長さＢ２が１
００ｍｍのシート１２を２枚、間隙Ｋ１が２０ｍｍ、間
隙Ｋ２が２８ｍｍの間隙を設けて貼り付けて電池２１を
作製した。（実施例１５）表２及び図２、４に示すように、正極板
Ｍ−２と負極板Ｐ−２とを組み合わせた捲回群６を作製
し、捲回群６の両端部に、ＥＰＤＭゴム製で、幅Ａ４５
ｍｍ、長さＢ１、Ｂ２とも７０ｍｍのシート１２を２
枚、間隙Ｋ１が５ｍｍ、間隙Ｋ２が５３ｍｍの間隙を設
けて貼り付けて電池２１を作製した。

【００３７】（実施例１６）表２及び図２、５に示すよ
うに、正極板Ｍ−２と負極板Ｐ−２とを組み合わせた捲
回群６を作製し、捲回群６の両端部に、ＥＰＤＭゴム製
で、幅Ａ４５ｍｍ、長さＢ１、Ｂ２及びＢ３とも５０ｍ
ｍのシート１２を３枚、各々１６ｍｍの間隙Ｋ１、Ｋ
２、Ｋ３を設けて貼り付けて電池２１を作製した。（実施例１７）表２及び図２、５に示すように、正極板
Ｍ−２と負極板Ｐ−２とを組み合わせた捲回群６を作製
し、捲回群６の両端部に、ポリエチレン（ＰＥ）製で、
幅Ａ４５ｍｍ、長さＢ１、Ｂ２及びＢ３とも５０ｍｍの
シート１２を３枚、各々１６ｍｍの間隙Ｋ１、Ｋ２、Ｋ
３を設けて貼り付けて電池２１を作製した。なお、本実
施例のシート１２の厚さも以上の実施例と同様に１．４
ｍｍとした。（実施例１８）表２及び図２、４に示すように、正極板
Ｍ−２と負極板Ｐ−２とを組み合わせた捲回群６を作製
し、捲回群６の両端部に、ポリエチレン（ＰＥ）製連続
気泡発泡体で、幅Ａ４５ｍｍ、長さＢ１、Ｂ２、Ｂ３と
も５０ｍｍのシート１２を３枚、各々１６ｍｍの間隙Ｋ
１、Ｋ２、Ｋ３を設けて貼り付けて電池２１を作製し
た。なお、本実施例のシート１２の厚さも以上の実施例
と同様に１．４ｍｍとした。

【００３８】＜比較例の構成＞また、以上の実施例と比
較するために、同時に比較例１及び比較例２の円筒形リ
チウムイオン電池を作製した。（比較例１）表２及び図２、４に示すように、正極板Ｍ
−２と負極板Ｐ−２とを組み合わせた捲回群６を作製
し、捲回群６の両端部に、ポリエチレン製で、幅Ａ１５
５ｍｍ、長さＢ１、Ｂ２とも９５ｍｍのシート１２を２
枚、各々５ｍｍ、８ｍｍの間隙Ｋ１、Ｋ２を設けて貼り
付けて電池を作製した。（比較例２）表２に示すように、正極板Ｍ−２と負極板
Ｐ−２とを組み合わせた捲回群６を作製し、捲回群６の
両端部には、シート１２を貼り付けないで電池を作製し
た。

【００３９】＜試験・評価＞ [試験]次に、以上のように作製した実施例及び比較例の
各電池について、２５＋−３°Ｃにて、４．２Ｖ定電
圧、電流制限（上限）３０Ａ、４時間の充電の後、３０
Ａ定電流、終止電圧２．５Ｖの条件で放電し、放電容量
を計測した。

【００４０】その後、２５＋−３°Ｃにて、電池の直径
方向（長さ方向とは垂直な方向）に、振幅１ｍｍ、振動
数１０Ｈｚで６時間、５０Ｈｚで６時間、１００Ｈｚで
６時間、振動を加える、振動試験を行った。この振動試
験の後、実施例及び比較例の各電池の電圧を測り、加振
前後の電圧変化を調べ、更に電池を解体し、軸芯１１の
損傷の程度を目視にて観察した。

【００４１】また、電池が異常事態に陥った場合を想定
し、３０Ａ定電流で、外観から何がしかの現象が確認さ
れるまで連続充電をする、いわゆる過充電試験を行っ
た。過充電時の電池は、電圧の異常上昇による電解液の
分解、ガス化で電池内部圧力が上昇し、開裂弁１０が開
裂、ガス噴出する現象がみられる。ガスの噴出の仕方が
スムーズでない場合には、電池の内容物を伴って噴出す
るので、現象後の電池重量は軽くなる。従って、現象前
後の電池重量の変化（現象前に対する現象後の電池重量
の割合）から、電池の挙動の優劣を判断することができ
る。

【００４２】[試験結果]放電容量測定結果、振動試験結
果及び過充電試験結果を下表３に示す。

【００４３】

【表３】

【００４４】比較例１の電池では、捲回群６の周囲の殆
どにシート１２を貼り付けているので、捲回群６が広が
るための余地空間が殆ど設けられていないために、過充
電時のガス噴出が激しくなり、電池容器５は膨らみ、そ
の一部は開口していた。また、比較例２の電池では、振
動試験によって、軸芯１１が捲回群６を支持固定するこ
とが不可能となる軸芯１１の破損が見られ、これが加振
後の電池電圧の低下につながったと思われる。

【００４５】一方、各実施例の電池においては、電圧低
下につながるような規模の軸芯１１の破損は認められて
いない。また、実施例１〜実施例４の電池の過充電試験
後の電池重量残存割合を比較すると、正極活物質にリチ
ウム・マンガン酸複酸化物のマンガン酸リチウムを、負
極活物質に非晶質炭素を、用いた電池がよりスムーズな
ガス噴出となっていた。

【００４６】実施例４、６、７の電池では、シート１２
の幅Ａの長さ割合（捲回群６長手方向長さＬに対するシ
ート１２の幅Ａの割合）を２５％以下としたので、長さ
割合が２５％を超える実施例８の電池に比べて過充電試
験後の電池重量残存割合が大きく、よりスムーズ（穏や
か）なガス噴出となっていた。逆に、長さ割合が５％未
満である実施例５の電池では、振動試験後の軸芯１１が
やや変形していたことから、捲回群６の支持固定能力が
やや劣ることとなることが分かる。

【００４７】実施例４、１０、１１の電池では、シート
１２のＢ割合（捲回群６周囲長さＰに対するシート１２
の長さＢの割合）を９５％以下とすることで、Ｂ割合が
９５％を超える実施例１２の電池に比べて過充電試験後
の電池重量残存割合が大きく、よりスムーズなガス噴出
となっていた。逆に、Ｂ割合が７５％未満である実施例
９の電池では、振動試験後の軸芯１１がやや変形してい
たことから、捲回群６の支持固定能力がやや劣ることと
なることが分かる。

【００４８】実施例１３、１４の電池では、シート１２
を２枚とし、互いに接触することなく間隙Ｋ１、Ｋ２を
設けて配置され、両シート１２の捲回群６円周方向の長
さの和（長さＢ１＋長さＢ２）は、間隙Ｋ１、Ｋ２の長
さの和（間隙Ｋ１＋間隙Ｋ２）よりも大きく、間隙Ｋ
１、Ｋ２の長さを捲回群周囲長さＰの２５％未満とした
ことで、２５％以上である実施例１５の電池に対して振
動試験後の軸芯１１の変形を完全に回避することができ
た。シート１２を２枚以上とすることでシート１２間の
間隙を捲回群６の周囲に分散させることが可能となるの
で、よりガス噴出がスムーズとなる。この効果は、シー
ト１２の枚数を３とした実施例１６の電池においても示
されている。

【００４９】実施例１７の電池では、シート１２の材質
をポリオレフィン系樹脂であるポリエチレンとしたこと
で、過充電試験後の電池重量残存割合が大きく、よりス
ムーズなガス噴出となった。実施例１８の電池では、シ
ート１２の材質をポリオレフィン系樹脂であるポリエチ
レンの連続気泡発泡体としたことで、過充電試験後の電
池重量残存割合が更に大きく、更にスムーズなガス噴出
となっていた。

【００５０】以上の実施形態の円筒形リチウムイオン電
池は、電池が異常な状態にさらされた場合の挙動が極め
て穏やかで、安全性に優れ、加振状態においても電池性
能を十分維持できる、信頼性に優れた電池であるといえ
る。このように、高容量、高出力で、極めて安全性、信
頼性の高い電池は、特に電気自動車の電源に適してい
る。

【００５１】なお、以上の実施形態では、図１にも示し
たように、シート１２を捲回群６端に揃えるように配置
したが、電池内構造を損ねない範囲で、多少はみだして
も、逆に、引っ込んでいてもよく、概ね捲回群６端に配
置されていればよい。

【００５２】また、以上の実施形態では、捲回群６と電
池容器５との間に発生した隙間を埋めるために１重のシ
ート１２を用いた例を示したが、より薄いシートを複数
重ねて用いても良く、更に、シート１２を配置していて
も、捲回群６と電池容器５との間に若干発生した隙間
は、絶縁テープ等を用いて埋めるようにしても良い。

【００５３】また、以上の実施形態では、電気自動車用
電源等に用いられる大形の二次電池について例示した
が、実質容量３０Ａｈ以上の電池であれば、電池の用途
や大きさには限定されないことはいうまでもない。ま
た、有底筒状容器（缶）に電池上蓋がカシメによって封
口されている構造の円筒形リチウムイオン電池にも本発
明の適用が可能である。

【００５４】更に、以上の実施形態では、電流遮断機構
を備えない円筒形リチウムイオン電池について例示した
が、本発明は電流遮断機構を備えた電池に適用するよう
にしてもよい。このようにすれば、車両衝突事故等の異
常時に電気系の電流遮断機構が作動しなくても機械系の
開裂弁１０等の内圧低減機構が作動するので、車載電池
のより高い安全性が確保される。

【００５５】また、以上の実施形態では、絶縁被覆８
に、基材がポリプロピレンで、その片面にヘキサメタア
クリレートからなる粘着剤を塗布した粘着テープを用い
たが、これに限定されるものではなく、例えば、基材が
ポリイミドやポリエチレン等のポリオレフィンで、その
片面又は両面にヘキサメタアクリレートやブチルアクリ
レート等のアクリル系粘着剤を塗布した粘着テープや、
粘着剤を塗布しないポリオレフィンやポリイミドからな
るテープ等を好適に使用することができる。

【００５６】更に、以上の実施形態では、リチウムイオ
ン電池用の正極にコバルト酸リチウムやマンガン酸リチ
ウム、負極に黒鉛質炭素や非晶質炭素、電解液にエチレ
ンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカー
ボネートの体積比１：１：１の混合液中へ６フッ化リン
酸リチウムを１モル／リットル溶解したものを用いた
が、本発明の電池の製造方法には特に制限はなく、また
結着剤、負極活物質、非水電解液も通常用いられている
いずれのものも使用可能である。ＥＶ用途向け高容量、
高出力の電池で、かつ安全性を確実に確保するために
は、正極活物質としてリチウム・コバルト複合酸化物や
リチウム・ニッケル複合酸化物を用いるよりも、リチウ
ムマンガン複酸化物であるマンガン酸リチウムを用いる
ことがより望ましい。

【００５７】また、以上の実施形態ではポリフッ化ビニ
リデンを結着剤として使用したが、リチウムイオン電池
用極板活物質結着剤としては、テフロン、ポリエチレ
ン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニト
リルゴム、スチレン／ブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニ
トロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテッ
クス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリ
デン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン等の重合
体及びこれらの混合体等を用いてもよい。

【００５８】更に、以上の実施形態に示した以外のリチ
ウム二次電池用正極活物質としては、リチウムを挿入・
脱離可能な材料であり、予め十分な量のリチウムを挿入
したリチウムマンガン複酸化物が好ましく、スピネル構
造を有したマンガン酸リチウムや、結晶中のマンガンや
リチウムの一部をそれら以外の元素で置換又はドープし
た材料を使用してもよい。また、リチウムとマンガンと
の原子比が化学量論比からずれた活物質を使用しても以
上の実施形態と同様の効果を得ることができる。

【００５９】また更に、以上の実施形態に示した以外の
リチウムイオン電池用負極活物質を使用しても本発明の
適用は制限されない。例えば、天然黒鉛や、人造の各種
黒鉛材、コークスなどの炭素質材料等を使用してもよ
く、その粒子形状においても、鱗片状、球状、繊維状、
塊状等、特に制限されるものではない。

【００６０】また、電解液としては、一般的なリチウム
塩を電解質とし、これを有機溶媒に溶解した電解液を使
用してもく、リチウム塩や有機溶媒にも特に制限される
ものではない。例えば、電解質としては、ＬｉＣｌ
Ｏ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢ
（Ｃ_６Ｈ_５）_４、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＣＦ_３ＳＯ_３Ｌｉ
等やこれらの混合物を用いることができる。

【００６１】そして、本実施形態以外の非水電解液有機
溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカー
ボネート、エチルメチルカーボネート、ビニレンカーボ
ネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキ
シエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、
１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソ
ラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラ
ン、アセトニトリル、プロピオニトリル等又はこれら２
種類以上の混合溶媒を用いることができ、更に、混合配
合比についても限定されるものではない。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
異常時に電極捲回群内部でガス圧が発生しても電極捲回
群中央部が直径方向へ膨張可能とし、ガスが電極捲回群
両端部を電極捲回群直径方向に膨張させ電極捲回群両端
部からスムーズに外部へ排出できるようにしたので、電
極捲回群内部にはガスが滞留せず、電池容器内での異常
発熱や電池容器の著しい変形を引き起こさないことか
ら、電池の安全性を確保することができると共に、電極
捲回群とスペーサとは密着し電極捲回群はスペーサを介
して電池容器に固定された状態となるようにしたので、
電極捲回群の長手方向への移動を抑制し振動による電極
捲回群の損傷や内部短絡を引き起こさないことから、電
池の信頼性を高めることができる、という効果を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用可能な第１実施形態のＥＶ搭載用
円筒形リチウムイオン電池の断面図である。

【図２】第１実施形態の円筒形リチウムイオン電池の捲
回群の概略側面図である。

【図３】第１実施形態の円筒形リチウムイオン電池の円
周方向断面を示す概略図である。

【図４】本発明の適用が可能な第２実施形態の円筒形リ
チウムイオン電池の円周方向断面を示す概略図である。

【図５】本発明の適用が可能な第３実施形態の円筒形リ
チウムイオン電池の円周方向断面を示す概略図である。

【符号の説明】

４電池蓋（蓋板）５電池容器６捲回群（電極捲回群）１０開裂弁（内圧低減機構）１２シート（スペーサ）２１円筒形リチウムイオン電池

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 10/04 Ｈ０１Ｍ 10/04 Ｗ５Ｈ０２９ (72)発明者弘中健介東京都中央区日本橋本町二丁目８番７号新神戸電機株式会社内Ｆターム(参考） 5H003 AA01 AA02 AA04 AA10 BB01 BB05 BC06 BD01 BD02 5H011 AA03 AA13 CC06 DD21 KK00 KK01 5H012 AA01 BB13 DD07 EE01 EE09 GG01 JJ10 5H014 AA07 BB08 CC01 CC07 EE05 EE08 EE10 HH01 5H028 AA01 AA08 BB03 BB07 CC12 CC26 EE06 HH05 HH09 5H029 AJ02 AJ03 AJ12 AK03 AL06 AM03 AM07 BJ02 BJ14 BJ27 CJ01 CJ07 CJ22 DJ02 DJ03 DJ04 DJ07 DJ13 DJ18 EJ12 HJ04 HJ15 HJ19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正極集電体に充放電によりリチウムを放
出・収容可能な正極活物質を塗着した帯状の正極と、負
極集電体に充放電によりリチウムを収容・放出可能な負
極活物質を塗着した帯状の負極とが、リチウムイオンが
通過可能な帯状のセパレータを介して捲回された電極捲
回群を備え、前記電極捲回群は円筒形電池容器に内蔵さ
れ、前記電池容器の両端面を封口する蓋板の少なくとも
一方に該電池容器の内圧の上昇に応じてガスを放出する
内圧低減機構を有する放電容量３０Ａｈ以上の円筒形リ
チウムイオン電池であって、前記電極捲回群の直径を
Ａ、前記電池容器内直径をＢとしたときに、Ａ／Ｂの値
が０．９８以下である円筒形リチウムイオン電池におい
て、電気的絶縁性を有する樹脂製で、前記電池容器と前
記電極捲回群との間かつ前記電極捲回群の両端部近傍に
配置され、前記電極捲回群の外周を、該電極捲回群内部
で発生するガス圧により該電極捲回群が電極捲回群直径
方向に膨張することを許容する所定間隔の隙間を形成し
て、円弧状に取り巻くスペーサを備えたことを特徴とす
る円筒形リチウムイオン電池。
【請求項２】前記正極活物質は、リチウム・マンガン
複酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の円筒
形リチウムイオン電池。
【請求項３】前記負極活物質は、非晶質炭素であるこ
とを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の円筒形リ
チウムイオン電池。
【請求項４】前記スペーサは、ポリオレフィン系樹脂
で形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の
いずれか１項に記載の円筒形リチウムイオン電池。
【請求項５】前記スペーサは、連続気泡型ポリオレフ
ィン系樹脂発泡体で形成されたことを特徴とする請求項
４に記載の円筒形リチウムイオン電池。
【請求項６】前記スペーサの電極捲回群長手方向幅
は、前記電極捲回群の長手方向長さの５％以上、２５％
以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のい
ずれか１項に記載の円筒形リチウムイオン電池。
【請求項７】前記スペーサの電極捲回群円周方向長さ
は、前記電極捲回群の円周長さの７５％以上、９５％以
下であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいず
れか１項に記載の円筒形リチウムイオン電池。
【請求項８】前記スペーサは、少なくとも２片以上に
分離しており、互いに接触することなく前記間隙が形成
され、該スペーサの電極捲回群円周方向の長さの和は、
前記間隙の長さの和よりも大きく、前記間隙の各長さ
は、前記電極捲回群の円周長さの２５％未満であること
を特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記
載の円筒形リチウムイオン電池。