JP2003528436A - リチウム電池 - Google Patents

リチウム電池

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Abstract

(57)【要約】 巻回電極組立体を備える一次リチウム電池である。電極組立体は、リチウムを含んで成る陽極（４０）、二酸化マンガンを含んで成る陰極（６０）、およびそれらの極間にある電解液浸透性のセパレータ（５０）を有している。電極組立体は、陰極（６２）、陽極シート（４０）、およびそれらの間にある電解液浸透性のセパレータシート（５０）を有する。これらのシートは、螺旋状のロールに巻回される。セパレータシートの各巻回部分の露出している縁部は、例えば加熱されたプラテンをそこに押し当てることにより熱処理されて、連続したセパレータ膜へとモールド成形される。そのように成形された連続しているセパレータ膜は、陰極シートの隣接した巻回部分の縁部を覆って密封し、それらのための電気的な絶縁をもたらす。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムを含んで成る陽極、二酸化マンガンを含んで成る陰極、お
よびそれらの極どうしの間のセパレータを有して螺旋状に巻回されたリチウム電
池に関する。
【０００２】 リチウムを含んで成る陽極を有した一次の（非充電式の）電気化学的電池は公
知であり、かつ広範囲にわたって商業的に使用されている。陽極は、本質的にリ
チウム金属を含んで成る。そのような電池は典型的に、二酸化マンガンを含んで
成る陰極と、リチウムトリフルオロメタンスルホン酸塩（ＬｉＣＦ３ＳＯ３）の
ようなリチウム塩を非水溶媒内に溶解させた電解液とを有している。この電池は
、従来技術においては一次リチウム電池（一次リチウム／二酸化マンガン電池）
として参照されるとともに、再充電可能な電池としては意図されていない。
【０００３】 陽極はリチウム金属であるが陰極が異なっているその他の一次リチウム電池も
また公知である。そのような電池は、例えば黄鉄鉱（ＦｅＳ２）を含んで成る陰
極を有している。これらの電池は一般的にボタン電池、若しくは通常のＡＡサイ
ズのアルカリ電池の約２／３の高さを有した円筒状電池である。（本願明細書に
おいて参照するアルカリ電池は、亜鉛を含んで成る陽極、二酸化マンガンを含ん
で成る陰極、および水酸化カリウムを含んで成る電解液を有した通常の市販アル
カリ電池であると理解されるべきである）。
【０００４】 リチウム／二酸化マンガン電池は、通常の亜鉛／二酸化マンガンアルカリ電池
の電圧の２倍である約３．０ボルトの電圧を有するとともに、アルカリ電池より
も高いエネルギ密度（ワット時間／電池容積１立方センチメートル）を有する。
一次リチウム電池は、個々のアルカリ電池によって供給されるよりも高い電圧お
よび高い電力における作動が求められる、多くの一般的な光学フラッシュ付きカ
メラの電力源として広く用いられている。
【０００５】 一次リチウム電池（ボタン電池以外）は従来、リチウムシートから成形された
陽極と、導電性の金属基質（陰極基材）上に二酸化マンガンを含んで成る陰極活
性物質をコーティングした陰極、およびそれらの間の電解液浸透性のセパレータ
材料とを有した電極複合体から成形されている。セパレータシートは典型的にリ
チウム負極シートの反対側に配置され、かつ陰極シートは１つのセパレータシー
トに対向して配置され、それによって陽極および陰極シートを分離している。
【０００６】 電極複合体は、例えば米国特許第４，７０７，４２１号に示されているように
、螺旋状に巻回されて電池ケーシング内に挿入される。陰極基材は、典型的にス
テンレス鋼製のエキスパンデッドメタル箔である。陽極シートの一部は典型的に
、電池のマイナス電極を形成する電池ケーシングと電気的に接続される。電池は
、ケーシングから絶縁されたエンドキャップにより閉じられている。陰極シート
は、電池のプラス電極を形成するエンドキャップに電気的に接続することができ
る。ケーシングは典型的にエンドキャップの周辺縁部上にかしめられてケーシン
グの開口端を密封する。
【０００７】 一次リチウム電池には、典型的に、エンドキャップの下方に配置されるととも
に陰極とエンドキャップとの間に直列に接続された、ＰＴＣ（正熱膨張係数：po
sitive thermal coefficient）装置が設けられている。そのような装置は、予め
定められたレベルよりも高い電流取り出しにおける放電から電池を保護する。し
たがって、電池から異常に高い、例えば約２アンペアを超える電流が取り出され
ると、ＰＴＣ装置は膨張し熱くなってその抵抗を劇的に増加させ、異常に高い電
流の取り出しを遮断する。
【０００８】 一次リチウム電池は、非水性の電池である。陰極活性物質を成形するために用
いる二酸化マンガンの粉末は、米国特許第４，１３３，８５６号（Ｉｋｅｄａ）
が教示するように、通常通りに真空下において約２００乃至３５０℃の温度で熱
処理することができる。非結晶水を排除するために二酸化マンガンを加熱する、
例えば電解質二酸化マンガン(ＥＭＤ)を２つの段階において最初は２５０℃を超
える温度で加熱すると、この段階の間にガンマ二酸化マンガンがガンマベータ構
造に徐々に転換する。
【０００９】 加熱された二酸化マンガンは、電池内へ挿入する前に、米国特許第４，１３３
，８５６号に記載されているように２５０乃至３５０℃の間のより高い温度で加
熱することができる。この処理は、電池のより高い性能およびより高い容量に帰
結する。２回目の加熱は電解液の漏れ防止を助ける。処理された二酸化マンガン
は、適切なバインダ、例えばテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））
バインダ、および導電性薬剤、例えばカーボンブラックおよびグラファイトと混
合される。陰極混合物は、ステンレス鋼製のエキスパンデッドメタル箔のような
金属素地上にコーティングすることができる。
【００１０】 陽極は、銅のような金属素地上にリチウム層をコーティングすることによって
成形することができる。しかしながら陽極は、いかなる基材も用いることなくリ
チウムのシートから成形することが好ましい。
【００１１】 一次リチウム電池に用いる電解液は、有機溶剤内に溶解させたリチウム塩から
製造する。典型的に、この塩は過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）若しくはリチ
ウムトリフルオロメタンスルホン酸塩（ＬｉＣＦ３ＳＯ３）である。従来用いら
れているその他の塩には、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、六フッ化砒
酸リチウム（ＬｉＡｓＦ６）およびリチウムトリフルオロメタン炭酸塩（ＬｉＣ
Ｆ３ＣＯ２）および四フッ化硼酸リチウム（ＬｉＢＦ４）が含まれる。有機溶剤
は、典型的に炭酸エチレン／炭酸プロピレン（ＥＣ／ＰＣ）ジメトキシエタン（
ＤＭＥ）、ジオキソラン、γ―ブチロラクトン、およびダイグライムを含むこと
ができる。
【００１２】 最近、ディジタルカメラのような電子的な装置、光学フラッシュ付きカメラ、
いくつかの高電力玩具、およびコンピュータゲームが商用マーケットに現れて来
た。これらの装置は約２．５乃至３ボルトレベルのサステンド負荷電圧を必要と
するとともに高い電力を必要とするが、これらは一次リチウム電池を用いること
によって満たすことができる。これらの装置の多くに電力を供給するために現存
している市販の一次リチウム電池を用いることができるが、そのような用途にお
いてリチウム電池を魅力的なものとするために可能な範囲において電池の容量を
増加させることが望ましい。
【００１３】 電池の出力に重要な犠牲が伴わないとするならば、技術的および経済的に実行
可能な範囲において、所与の電池サイズにおけるリチウム電池の容量（ミリアン
ペア−時間）を増加させることが望ましい。
【００１４】 本発明は、基本的な電池の化学作用およびその内部の螺旋状の巻回電極組立体
を構成する各シートの厚さを変えることなしに、あらゆる所与の寸法および形状
の電池において電気化学的な容量（ミリアンペア時間）を増加させるための、螺
旋状に巻回された一次リチウム電池の改善に向けられている。電池ケーシング内
の螺旋状の巻回電極組立体は、リチウムの陽極シート、二酸化マンガンを含んで
成る陰極シートおよびそれらの間の電解液透過物質のセパレータを有した電極複
合体を螺旋状に巻くことによって成形される。
【００１５】 二酸化マンガンには、例えば二酸化マンガン、熱処理された電解質二酸化マン
ガン（ＥＭＤ）およびリチウム化二酸化マンガンのような、一次リチウム電池の
陰極活性物質として有用な、あらゆる形態の二酸化マンガンが含まれる。電池の
ケーシングは典型的に円筒状の金属ケーシングであり、開口端および閉成端を有
する。電極複合体は、螺旋状に巻回された後、ケーシングの閉成端に当接するよ
うに金属ケーシングの開口端から挿入される。それから電解液を加えることがで
きる。
【００１６】 本発明の主要な態様は、一次リチウム電池の螺旋状の電極組立体の周囲に改善
された絶縁を形成することに向けられている。改善された絶縁は、熱成形によっ
てセパレータ層の縁部を再成形するとともに、セパレータ層の再成形された部分
を特にケーシングの閉成端における陽陰極シートと電池ケーシングとの間で連続
した絶縁層として機能させるために用いることによって達成される。
【００１７】 本発明の態様には、巻回されたセパレータシートの底縁が巻回された陽極およ
び陰極シートの底縁を越えて延びるようにし、それによって巻回されたセパレー
タシートの底縁が露出するように、螺旋状の巻回電極組立体を最初に成形するこ
とが含まれる。この成形段階においては、セパレータシートの底縁は陰極シート
の底縁に対して平行に位置合わせされており、したがって各巻回部分（１巻き分
の部分）のセパレータシートの底縁と陰極シートの底縁との間には隙間がある。
（本願明細書において用いられる「底縁」という用語は、螺旋状の電極組立体が
ケーシング内に挿入されたときにケーシングの閉成端に当接する螺旋状の電極組
立体の縁部として定義される。） 本発明の主要な態様によると、熱源、好ましくは加熱されたプラテンを、螺旋
状の巻回電極組立体の底部から延びているセパレータシートの露出した底縁に押
し当てることができる。セパレータシートは電解液浸透性であるとともに熱変形
可能であり、好ましくは熱可塑性材料から製造される。そのような特性を有する
望ましい電解液浸透性のシートは、微孔性のポリプロピレンである。あるいは、
セパレータは微孔性のポリエチレン若しくはポリエチレンとポリプロピレンとの
ラミネートとすることができる。セパレータの露出している底縁は、熱源に接触
すると軟化ないしは溶解し、それによって底縁を再成形する。熱源が取り除かれ
ると、セパレータシートの底縁は冷却し、陰極シートの露出した底縁を覆う連続
した（加熱成形された）セパレータ膜に固化する。したがって、電極組立体が電
池ケーシング内に挿入されると、連続した（加熱成形された）セパレータ膜は陰
極シートの底縁とケーシング閉成端の内側表面との間に連続的な絶縁層を形成す
る。
【００１８】 連続したセパレータ膜が陰極シートの底縁に対して同一平面となるので、螺旋
状の巻回電極組立体とケーシングの閉成端との間に一般的に存在する隙間スペー
スを無くすことができる。（本願明細書において用いる「隙間空間」という用語
は、電気化学的に活性な陽極若しくは陰極物質によって占められない空間を意味
することが意図される。）また、陰極シートの底縁を覆って電気的に絶縁する連
続したセパレータ膜の形成は、電極組立体の底縁とケーシング閉成端の内側表面
との間に一般に挿入される電気絶縁円板の排除を可能にする。そのような隙間容
積を排除することによって節約される空間は、電池内の陽極および陰極活性物質
の量を増加させることによって、例えば電極シートを幅広に作ることにより電池
容量を増加させるために使用することができる。
【００１９】 本発明は、図面を参照することによってより良く理解することができる。
【００２０】 リチウムを含んで成る陽極および二酸化マンガンを含んで成る陰極を具備した
一次（非充電式の）電池の特定の実施例が図に示されている。本発明の好適な実
施例は図２Ｃに示されている。本明細書において用いる「二酸化マンガン」とい
う用語は、例えば電解質の二酸化マンガン（ＥＭＤ）、熱処理された二酸化マン
ガンおよびリチウム化された二酸化マンガン等の、一次リチウム電池において陰
極活性物質として用いられる二酸化マンガンのあらゆる形態を含むことが意図さ
れている。電極は螺旋形である。この電池は好ましくは円筒形である。
【００２１】 本発明を円筒状電池に関して記載するが、それは非限定的な実施例であること
を意図しており、したがってその他の電池形状、例えばプリズム電池もまた可能
である。本発明はまた、電池寸法の限定も意図してはいない。例えば、本発明は
具体的に、螺旋状に巻回された一次リチウム電池に典型的に採用されている通常
の２／３Ａサイズ（高さがＡサイズ電池の２／３）の電池にも適用することがで
きる。しかしながら、本発明はまた、通常のＡＡＡＡ、ＡＡＡ、ＡＡ、Ｃおよび
Ｄサイズの電池にも適用することができる。
【００２２】 電池ケーシング（ハウジング）２０の好ましい形状は、図１に示すように円筒
状である。ケーシング２０は、好ましくはニッケルメッキした鋼から成形される
。電池ケーシング２０（図１）は、連続した円筒状表面２０を有している。陽極
４０と陰極複合体６２およびそれらの間のセパレータ５０とを備えている螺旋状
の巻回電極組立体７０（図３）は、平らな電極複合体１３を螺旋状に巻くことに
よって調製することができる。電極複合体１３（図４および図５）は、以下のよ
うに作ることができる。二酸化マンガンを含んで成る陰極混合物６０は、調製さ
れた後にステンレス製エキスパンデッドメタル箔の基材シート６５上にコーティ
ングされて陰極複合体シート６２（図４）を成形する。陰極コーティング６０は
、以下の望ましい処方を有するように調製することができる。
【００２３】 二酸化マンガン（電解質二酸化マンガンＥＭＤ）９０．９重量％、テトラフル
オロエチレン（テフロン（登録商標）ポリマー）３．０重量％、Ｓｈａｗｉｎｉ
ｇａｎ（登録商標）カーボンブラック４．１重量％、および微粒子グラファイト
２．０重量％。二酸化マンガンは、陰極皮膜６０を調製する前に、そこから非結
晶水を取り除くために通常の方法で熱処理されている。陰極混合物は、均質な混
合物が得られるまで室温において通常の電動混合機により混合することができる
。陰極混合物６０は、陰極複合体シート６２を成形するために陰極基材６５の一
方の側面上にコーティングすることができる。
【００２４】 陰極基材６５は、好ましくは、約０．０２４ｇ／平方センチメートルの基本重
量を有するステンレス鋼製エキスパンデッドメタル箔（Ｅｘｍｅｔ社のＥＸＭＥ
Ｔステンレス鋼箔）である。それは、多孔性の網目組織または網のように見える
。あるいは、陰極基材６５はステンレス鋼箔とすることができる。基材６５上の
陰極コーティング６０は、望ましくは約０．３８乃至０．４２ｍｍ、好ましくは
約０．４ｍｍの厚さを有する。ステンレス鋼製の基材６５は、陰極コーティング
６０を固定するとともに電池放電の間には陰極集電装置として機能する。複合体
シート６２は、望ましくは約０．４ｍｍの厚さを有する。陽極４０は、リチウム
金属のむくのシートから調製することができる。
【００２５】 陽極４０は、望ましくはリチウム金属（純度９９．８％）の連続的なシートか
ら成形される。あるいは、陽極４０はリチウムと合金金属との合金、例えばリチ
ウムとアルミニウムとの合金とすることができる。そのような場合、合金金属は
非常に小さな量であり、好ましくはリチウム合金の重量の１％未満である。電池
放電の際には、合金内のリチウムは電気化学的に純粋なリチウムとして機能する
。したがって、本願明細書および請求の範囲において用いる「リチウム若しくは
リチウム金属」という用語は、そのようなリチウム合金も含むことを意図してい
る。陽極４０を成形しているリチウムシートは、基材を必要としない。リチウム
陽極４０は、望ましくは約０．１５乃至０．２０ｍｍ、望ましく約０．１６乃至
０．１７ｍｍ、好ましくは０．１６５ｍｍの厚みを有したリチウム金属の押出成
形シートから有利に成形することができる。
【００２６】 電解液浸透性のセパレータ材料５０、好ましくは約０．０２５ｍｍの厚さを有
した微孔性ポリプロピレンの各シートは、リチウム陽極シート４０（図４および
図５）の各側面上に挿入される。第１の（上側の）セパレータシート５０（図４
）は外側セパレータシートと呼ぶことができるとともに、第２のシート（図４）
は内側セパレータシートと呼ぶことができる。導電性基材６５上の陰極コーティ
ング６０を含んで成る陰極複合体シート６２は、内側セパレータシート５０に対
向するように配置され、図４に示されている平坦な電極複合体１３を成形する。
平坦な複合体１３（図４）は、螺旋状に巻回された電極組立体７０（図３）を成
形する。巻回は、電極複合体１３の延長されたセパレータ縁部５０ｂを握持する
べくマンドリルを用いるとともに、電極組立体７０を成形するべく複合体１３を
螺旋状に巻くことによって達成することができる。
【００２７】 巻回が完了すると、セパレータ部分５０ｂは巻回電極組立体７０（図２Ａおよ
び図２Ｂ）の中心部９８の内側にある。図３から判るように、電極螺旋７０は陽
極シート４０と陰極複合体６２との間にセパレータ材料５０を有している。螺旋
状の巻回電極組立体７０は、ケーシング本体の形状に一致する形状（図３）を有
している。螺旋状の巻回電極組立体７０は、ケーシング２０の開口端３０から挿
入される。巻回されているので、電極螺旋７０の外側の層は図示されているよう
にセパレータ材料５０から成っている。追加の絶縁層７２、例えばポリエステル
テープのような樹脂フィルムを、電極複合体１３を巻回する前に望ましくは外側
セパレータ層５０上に配置することができる。
【００２８】 そのような場合には、螺旋状の巻回電極７０は、巻回電極複合体をケーシング
内に挿入したときにケーシング２０（図２Ａおよび図２Ｂ）の内側表面に接触す
る絶縁層７２を有する。あるいは、巻いた電極螺旋７０をケーシング内に挿入す
る前に、ケーシング２０の内側表面を電気的絶縁材料７２でコーティングするこ
とができる。また、ケーシングの底部（閉成端３５）を裏打ちするために、巻い
た電極螺旋７０をケーシング内に挿入する前に、例えば絶縁円板７４の形の電気
絶縁材料７４（図２Ｂ）をケーシング２０内に挿入することができる。絶縁体７
４は、陰極物質がケーシング底部３５と不注意に接触することを防止し、それに
よって電池が短絡しないことの追加の保証をもたらすために使用することができ
る。
【００２９】 巻回電極螺旋７０を電池ケーシング２０内に挿入した後に、それに電解液を添
加することができる。電解液は、望ましく以下の組成を有する。リチウムトリフ
ルオロメタンスルホン酸塩（ＬｉＣＦ３ＳＯ３）のリチウム塩 ９．３重量％、
硝酸リチウム ５００ｐｐｍ、溶剤 炭酸エチレン／炭酸プロピレン（ＥＣ／Ｐ
Ｃ） ３４．５重量％、ジメトキシエタン（ＤＭＥ） ５６．２重量％。
【００３０】 電池の陽極を形成するエンドキャップ１８は、その一方の側面をエンドキャッ
プ１８の内側表面に溶接することができる金属タブ２５（陰極タブ）を有してい
る。金属タブ２５は、好ましくはステンレス鋼製である。陰極基材６５の一部は
、図２Ａおよび図５に示されているように、その上側縁部に沿ってラッパ状に広
げられて巻回された螺旋の上部から延びる延長部分６４を形成している。ラッパ
状に広げられた陰極基材の部分６４は、電池の開口端３０を閉じるためにケーシ
ングの周辺縁部２２をエンドキャップ１８の周りにかしめる前に、金属タブ２５
の露出側に溶接することができる。
【００３１】 あるいは、エンドキャップ１８は、その周辺縁部に沿ってケーシング周辺縁部
２２の内側表面に溶接することができる。そのような場合には、電極１７は望ま
しくはエンドキャップ１８と一体な部分となる。あるいは、電極１７は、エンド
キャップ１８の表面開口内に組立体を挿入してそこに溶接する、米国特許第５，
８７９，８３２号に記載されているタイプのエンドキャップ組立体の上部として
成形することができる。
【００３２】 好ましくはニッケル製の金属タブ４４（陽極タブ）は、リチウム金属陽極４０
の一部分に圧着することができる。陽極タブ４４は、螺旋の任意の箇所、例えば
図２Ｂに示されているように螺旋の最も外側の層においてリチウム金属に圧着す
ることができる。陽極タブ４４には、リチウムに圧着されるべき側面上に、複数
の持ち上げられた部分を形成するエンボス加工を施すことができる。タブ４４の
反対側の側面は、図２Ｂに示されているように、ケーシングの内面あるいはケー
シング側壁２４の内面のどちらにも溶接することができる。ケーシング２０の閉
成端３５の内面に陽極タブ４４を溶接することがより好ましい。ケーシング閉成
端３５の内面に陽極タブ４４を溶接することが好ましい。電気スポット溶接のプ
ローブ（抵抗溶接用の細長い電極）を電池の中心部９８に挿入することにより、
容易に達成できるからである。
【００３３】 絶縁円板７４をケーシング２０の底部に用いるときには、そのような絶縁体に
中央開口７５（図２Ｂ）を設けることができる。陽極タブ４４は、開口７５の下
側となるように配置することができる。したがって、スポット溶接のプローブ（
図示せず）を中心部９８内に挿入すると、その先端は開口７５を通過してその下
方にある陽極タブ４４の一部に接触する。次いで、スポット溶接のプローブが活
性化されると、ケーシングの閉成端３５の内面にタブ７４をしっかりと固着する
ことができる。あるいは、陽極タブ４４をケーシング側壁２４の内面にスポット
溶接することができる。
【００３４】 実際には、中心部９８が電気溶接プローブの容易な挿入をもたらすので、ケー
シングの閉成端３５の内側に陽極タブ４４を溶接する方がより便利であることが
確認されている。しかしながら、溶接プローブを電池の中央通路９８内に挿入す
るときに遭遇する１つの問題点は、図２Ｂに示したように、通常はセパレータ５
０の一部分５０ｂが中心部９８の内部に配置されて中心部９８と垂直方向に同軸
線であるということである。これは、電極螺旋７０が、電極複合体１３を巻くた
めに（上述したように）セパレータ５０の露出している開始端５０ｂを握持する
ラッピングマンドレルを使用することによって典型的に形成されるからである。
【００３５】 電極螺旋７０が成形されてマンドレルが螺旋から取り外されると、開始端５０
ｂが残されて中心部９８の中心軸線に現れる。これにより、中心部９８内に挿入
されたスポット溶接のプローブの挿入と干渉する。したがって、ケーシングの閉
成端３５の内面にタブ４４を所望するように溶接するときに、セパレータの開始
端５０ｂは障害物となる。
【００３６】 電極螺旋７０は、陰極の底縁６０ａが陽極の底縁４０ａを越えて延びるように
形成することができる。そのような構造は、電池が放電する間に陽極活性材料の
全てを本質的に使い果せるようにする。このことを達成するために、陰極活性物
質は過剰に設けられる。このことは、陰極の端部６０ａが陽極縁部４０ａの下方
に延びるように陰極シート６０を形成することによって便利に達成される。図２
Ｂに示されている螺旋状の巻回電極組立体７０の実施例においては、セパレータ
シート５０の各巻回部分の底縁５０ａが陰極シート６０の底縁６０ａを越えて延
びている。このことは、陰極シート（陽）の底縁６０ａとケーシング２０（負）
との間に絶縁手段をもたらす。
【００３７】 また、図２Ｂに示されている実施例においては、陰極シート６０の任意の部分
がケーシング２０と接触し得るという可能性に対する付加的な保護をもたらすた
めに、ケーシングの閉成端３５の内面に別個の電気的に絶縁性の円板７４を設け
ることが望ましいと確認されている。特に電気絶縁円板７４は、閉成端３５のケ
ーシング内側角部２３におけるそのような接触の可能性を防止する。
【００３８】 セパレータシートの底縁５０ａの延長部分が陰極シートの底縁６０ａを越えて
延びていることおよび絶縁体円板７４の介在は、したがってケーシング閉成端３
５の領域において起こりうる電池の電気的な短絡を防止する。しかしながら、そ
のような設計は無効な空間を作りだしてしまう、すなわち電池内における陽極お
よび陰極の活性物質の総量を増加させるために使用することができる空間を消費
してしまうというと点において不利である。
【００３９】 本発明によると、基本的な電池の化学作用および電極厚さを変えることなしに
螺旋状に巻回された一次リチウム電池の電池容量を増加させる方法が見い出され
た。具体的には、セパレータの底縁５０ａの改善された構造設計が必要な絶縁を
もたらすとともに電池容量の増加に帰結することが確かめられている。電極複合
体１３は上述したように製造することができるとともに、螺旋状の電極組立体７
０を形成するために上述した方法で螺旋状に巻くことができる。しかしながら、
螺旋状の電極組立体７０をケーシング２０内に挿入する前に、陰極シートの底縁
６０ａを覆いつつそれと同一平面上にある平らで連続した膜５５に底縁５０ａを
加熱成形し成若しくはモールド成形（熱成形）するために、加熱されたプラテン
をセパレータ５０の露出している底縁５０ａに接触させることができる。
【００４０】 そのような熱成形においては、図２Ｃに示されるように、セパレータ本体５０
ｃに対して９０度をなす連続した膜５５を形成するようにセパレータ５０の各巻
回部分底縁５０ａが再成形される。すなわちこの熱成形は、図２Ｃに最も良く示
されているように、セパレータシート５０の底縁５０ａを、陰極の底縁６０ａを
覆うとともにケーシングの閉成端３５に対して平行に位置合わせされた連続した
平らな膜５５に作り直す。膜５５は、所望であるならば１つ若しくは複数の開口
を形成することができるが、開口のない連続した膜が好ましい。
【００４１】 加熱成形（熱成形）は、螺旋電極組立体７０を成形した後に、加熱源、好まし
くは加熱されたプラテン若しくは型１１０（図６）をセパレータ５０の各巻回部
分底縁５０ａに押し当てることにより達成することができる。プラテン１１０は
金属、例えば鋼、若しくは所望の温度レベルに加熱することのできる他の熱伝導
材料から製造することができる。プラテン１１０は、好ましくは環状領域１１５
、望ましくは細長い部材（センタピン）１２０を取り囲む形の空洞を有している
。細長い部材１２０は、プラテン１１０（図６）の本体から垂直に上方に延びる
とともに、望ましくはテーパの付いた若しくは尖った末端１２２に終端する。そ
の他の形態の熱処理もまた、加熱されたプラテンの代わりに用いることができる
。例えば、セパレータの底縁５０ａは、加熱空気若しくは赤外線ライトを用いて
熱成形することができる。
【００４２】 本発明の熱成形プロセスを達成する際には、まず最初に電極螺旋７０が図２Ｂ
に示される構造を有するように成形される。しかしながら、電極螺旋７０をケー
シング２０内に直接挿入することに代えて、加熱されたプラテン１１０の環状領
域１１５を螺旋電極組立体７０の底部に押し当てることにより（陰極の底縁６０
ａの下方に延びている）セパレータの底縁５０ａを熱処理する。プラテンは、セ
パレータの底縁５０ａに軟化若しくは十分な溶解を生じさせて連続した平らなシ
ート５５に再成形するために十分な温度にまで予熱される。
【００４３】 本発明の熱成形プロセスは、加熱により再成形することができる熱可塑性の特
性を有した、従来の任意のセパレータに適用することができる。好ましいセパレ
ータ材料は微孔性のポリプロピレンシートである。セパレータ５０は、望ましく
は約１３．５乃至１６．５ｇ／平方メートルの基本重量および約０．０２５ｍｍ
の厚みを有した微孔性のポリプロピレン膜のシートから形成される。セパレータ
５０が微孔性のポリプロピレンである場合には、プロピレンの軟化温度を上回る
温度、望ましく約１３０乃至１６０℃の温度にプラテン１１０を加熱することが
できる。
【００４４】 加熱されたプラテン１１０の環状領域１１５は、セパレータの底縁５０ａに対
して圧力を加えつつ押し当てられる。加熱されたプラテン１１０は、セパレータ
の底縁５０ａに再成形可能な軟化若しくは溶融を生じさせるのに十分に長い期間
、例えば、約１乃至４秒の間押し当てられる。再成形された縁部５０ａは、セパ
レータの本体５０ｃに依然として取り付けられて一体な、連続した平らな膜を形
成する。プラテン１１０が取り除かれると再成形された縁部５０ａは迅速に冷却
し、図２Ｃに最もよく示されるように陰極シート６０の底縁６０ａを完全に覆う
連続した膜５５に固化する。
【００４５】 セパレータの底縁５０ａを連続した膜５５に再成形した後、連続した膜５５が
ケーシングの閉成端３５と対向するように（図２Ｃ）電極組立体７０をケーシン
グ２０内に挿入することができる。絶縁体円板７４を選択的に、閉成端３５の内
面と対向するようにケーシング２０内に最初に挿入することができる。次いで、
再成形されたセパレータの底縁５０ａ、すなわち膜５５が絶縁体円板７４の上面
と同一平面となるように電極組立体７０をケーシング２０内に挿入することがで
きる。
【００４６】 ケーシング２０の閉成端に電気的な絶縁の付加された手段をもたらすために絶
縁体円板７４を用いることができるけれども、セパレータの底縁５０ａが上述し
たように熱成形によって再成形されたときには絶縁体円板７４を除外できること
が分かっている。したがって、好ましい実施例（図２Ｃ）においては、セパレー
タ５０の底縁５０ａを上述したように再成形した後に、図２Ｃに示されるように
、再成形されたセパレータの縁部５０ａ（今では膜５５）がケーシングの閉成端
３５の内面と同一平面となるように、螺旋電極組立体７０をケーシング２０内に
挿入する。そのような好ましい実施例においては、膜５５が螺旋電極組立体７０
の陰極底縁６０ａを覆って同一平面となる。セパレータ膜５５は、ケーシングの
閉成端末端３５の領域において陰極６０とケーシング２０との間に電気的絶縁の
連続したシートをもたらす。
【００４７】 また、上述したように、プラテン本体から垂直に延びる細長い部材１２０を有
するように加熱されるプラテン１１０を設計することが有利であると分かってい
る。そのような実施例においては、加熱されたプラテン１１０をセパレータの底
縁５０ａに押し当てると、細長い部材１２０が螺旋電極組立体７０の中心部９８
に挿入される。細長い部材１２０の幅は、細長い部材１２０が中心部９８に挿入
されたときに、中心部９８の内側にだらりとした状態にあるセパレータ片５０ｂ
の本体を押すように、中心部分９８の直径とほぼ同じである。（セパレータ片５
０ｂは、巻回プロセスの間に掴み縁部として用いられるので、中心部９８の内側
に存在している。） 加熱された細長い部材１２０は、セパレータ片５０ｂを軟化させるとともに中
心部９８の壁を画成している巻回の第１層の表面に押圧し、それによって図２Ｃ
に最も良く示されているようにセパレータ片５０ｂを第１の層に加熱成形（固着
）させる。このことはセパレータ片５０ｂの中心部９８の中央からの取り除きに
帰結するので、陽極タブ４４を電池ケーシング２０の閉成端３５に溶接するため
の（図２Ｃ）、スポット溶接プローブの中心部９８への挿入をより容易にする。
【００４８】 要するに、本発明の加熱成形方法によってセパレータの底縁５０ａを平らな膜
に熱成形する再成形は、陰極６０とケーシング２０の閉成端３５との間の無効な
空間を排除する。再成形されたセパレータの底縁５０ａ、すなわち、同一平面上
の連続したセパレータ膜５５は、巻回された陰極シート（図２Ｃ）の底縁６０ａ
を覆うとともに同一平面となる。
【００４９】 セパレータ膜５５は、陰極底縁６０ａの各巻回部分を密封し、陰極シート６０
とケーシングの閉成端３５との間に必要な電気的絶縁をもたらす。このことはま
た、ケーシングの閉成端３５に別個の絶縁円板７４を使用する必要性をなくす。
セパレータ底縁５０ａの再成形および絶縁体円板７４の排除は、したがって電池
内における無効な空間の総量を減少させる。節約したスペースは、例えばより広
い電極シートを使用することによって、陽極および陰極活性物質の量の増加に用
いることができる。このことは、翻って所与の電池サイズにおける電池の容量を
増加させる。
【００５０】 螺旋電極組立体７０をケーシング２０内に挿入するとともに陽極タブ４４を閉
成端３５に溶接した後、合成樹脂製の絶縁円板８０をケーシング２０の開口端３
０から挿入することができる。絶縁円板８０の周縁８５は、開口端３０にぴった
りと嵌合するとともにケーシング２０の周縁２２に対して押し付けられる。次い
で、絶縁円板８０の縁部８５がエンドキャップ１８をケーシング２０から電気的
に絶縁するように、陽極のエンドキャップ１８（カバー）は開口端３０に挿入さ
れる。あるいは、エンドキャップ１８および絶縁円板８０からエンドキャップ組
立体１５を形成するとともに、このエンドキャップ組立体１５を別個のユニット
としてケーシングの開口端３０に挿入することができる。
【００５１】 エンドキャップ１８は、望ましくは、電池内のガス圧力が予め定めたレベルを
上回ると破裂してガスを流出させるように設計された破壊可能な膜を収納するこ
とができる孔１９を有する。キャップ１８は、その下面（図２Ａ）の一部に溶接
された金属タブ２５（陰極タブ）を有している。このタブは、上述した通りに陰
極基材６５の延長部分６４に溶接できるように絶縁円板８０の開口を貫通してい
る。金属タブ２５を陰極基材６５の延長部分６４に溶接した後、図１に示したよ
うに開口端３０を永久的に閉じるとともにエンドキャップ１８を電池内に密封状
態に保持するために、ケーシングの周縁２２を絶縁円板８０の周縁８５の周りに
かしめることができる。
【００５２】 本発明を一次リチウム電池に関して記載したけれども、本発明は、螺旋状の巻
回電極を有しているその他の電池に適用することもできる。そのような電池には
、例えば、リチウムイオンおよびニッケル水素の再充電可能電池のような二次電
池（充電式の電池）が含まれる。本発明を１つ若しくは複数の特定の実施例に関
して記載したけれども、本発明の思想の範囲内において複数の変形例が可能であ
ることは理解されるべきである。したがって、本発明の範囲は特定の実施例によ
って限定されることは意図されず、むしろ請求の範囲およびその均等物により一
層反映される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による電池の一実施例を示す等角投影図。
【図２Ａ】 電池の上部および内側を示す、図１中の２−２線に沿った要部縦断面図。
【図２Ｂ】 セパレータの底縁が熱処理されていない螺旋状の巻回電極組立体を示す、図１
中の２−２線に沿った要部縦断面図。
【図２Ｃ】 セパレータの底縁が本発明による熱処理プロセスによって再成形された（熱成
形された）螺旋状に巻回されている電極組立体を示す、図１中の２−２線に沿っ
た要部縦断面図。
【図３】 螺旋電極組立体の（電池長手方向軸線に対して垂直な）断面図。
【図４】 電極組立体を構成している層の配置を示す概略図。
【図５】 下側の層を示すために各層を部分的に引き剥がした、図４の電極組立体の平面
図。
【図６】 螺旋状の巻回電極組立体内のセパレータシートの底縁を再成形（熱成形）する
ために用いる加熱されたプラテンを示す概略図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ， ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，Ｐ Ｔ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ， ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ウイリアム、ティー．マックヒュー アメリカ合衆国マサチューセッツ州、ウェ ストウッド、アルペナ、アベニュ、16 (72)発明者 ジェーン、エイ．ブラシ アメリカ合衆国コネチカット州、ダンバリ ー、レイク、プレイス、サウス、108 (72)発明者 アーネスト、フィゲイラ アメリカ合衆国マサチューセッツ州、ブラ イトン、ローズ、ガーデン、サークル、19 Ｆターム(参考） 5H011 AA03 EE04 GG02 5H021 BB04 BB11 EE04 5H024 AA03 AA12 BB01 CC12 DD02 DD04 DD09 DD12

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 巻回電極組立体を備えたリチウム電気化学電池であって、 前記電極組立体は、リチウムを含んで成る陽極シート、二酸化マンガンを含ん
    で成る陰極シート、およびそれらの間にある電解液浸透性のセパレーターシート
    を具備するとともに、各シートが２つの対向表面および少なくとも２つの対向縁
    部を有しており、 前記陽極シート、前記陰極シートおよび前記セパレータシートは少なくとも複
    数の巻回部分を有するように巻回されており、 前記セパレータシートの前記縁部のうちの１つは、前記陽極シート、前記陰極
    シートおよび前記セパレータが巻回された後に熱処理されており、 前記熱処理は、前記陰極シートの縁部の少なくとも１つを覆うセパレータ膜を
    成形する、ことを特徴とする電池。
  2. 【請求項２】 前記電極組立体は、前記陽極、前記陰極および前記セパレータの隣接する巻回
    部分どうしが互いに平行となるようにして螺旋状に巻回されている、ことを特徴
    とする請求項１に記載のリチウム電池。
  3. 【請求項３】 前記熱処理によって形成された前記セパレータ膜は、前記陽極シートの縁部の
    うちの少なくとも１つをも覆っている、ことを特徴とする請求項１に記載のリチ
    ウム電池。
  4. 【請求項４】 前記電池は、開口端および閉成端を有したケーシングを備えており、 前記巻回電極組立体は、前記熱処理によって形成された前記セパレータ膜が前
    記ケーシングの前記開口端よりも前記閉成端に近くなるように、前記ケーシング
    内に挿入されている、ことを特徴とする請求項３に記載のリチウム電池。
  5. 【請求項５】 前記セパレータシートの各巻回部分の縁部のうち前記ケーシングの閉成端に最
    も近い縁部は、前記陰極シートの各巻回部分の縁部のうち前記閉成端に最も近い
    縁部を覆う連続したセパレータ膜を成形することで、前記連続したセパレータ膜
    が前記陰極シートの縁部と前記閉成端との間に電気的な絶縁をもたらするように
    熱処理されている、ことを特徴とする請求項４に記載のリチウム電池。
  6. 【請求項６】 前記ケーシングは、その前記閉成端の内表面に当接する電気的に絶縁性の絶縁
    円板を有しており、 前記絶縁円板は、前記ケーシングの閉成端と前記連続したセパレータ膜との間
    にある、ことを特徴とする請求項５に記載のリチウム電池。
  7. 【請求項７】 前記連続したセパレータ膜は、前記絶縁円板に当接している、ことを特徴とす
    る請求項６に記載のリチウム電池。
  8. 【請求項８】 前記連続したセパレータ膜は、前記ケーシングの閉成端に当接している、こと
    を特徴とする請求項５に記載のリチウム電池。
  9. 【請求項９】 前記セパレータシートは、ポリプロピレンを含んで成る、ことを特徴とする請
    求項１に記載の電池。
  10. 【請求項１０】 前記熱処理は、前記巻回されたセパレータシートの縁部に加熱されたプラテン
    を押し当てることにより、当該縁部を前記陰極シートの少なくとも１つの縁部を
    覆う連続したセパレータ膜へとモールド成形する段階を備える、ことを特徴とす
    る請求項１に記載の電池。
  11. 【請求項１１】 前記熱処理によって形成された前記セパレータ膜は、前記陰極シートに対して
    垂直である、ことを特徴とする請求項１に記載の電池。
  12. 【請求項１２】 当該電池は一次（非充電式）電池である、ことを特徴とする請求項１に記載の
    電池。
  13. 【請求項１３】 リチウム電池のための巻回電極組立体を形成する方法であって、 （ａ）リチウムを含んで成る陽極シートと二酸化マンガンを含んで成る陰極シー
    トとの間に電解液浸透性のセパレータシートを配置する段階と、 （ｂ）前記シートどうしを螺旋状のロールに巻く段階と、 （ｃ）前記セパレータシートの各巻回部分の露出した縁部に熱源を押し当てるこ
    とにより、前記縁部の溶解および前記陰極シートの各巻回部分の縁部を覆うセパ
    レータ膜への変形を生じさせる段階と、 を備える、ことを特徴とする方法。
  14. 【請求項１４】 前記段階（ｃ）において成形される前記セパレータ膜は、連続しており、かつ
    前記陰極および陽極シートの各巻回部分の縁部を覆う、ことを特徴とする請求項
    １３に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記段階（ｃ）において成形された前記セパレータ膜は、前記陰極シートに対
    して垂直に延びる、ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 前記熱源（段階（ｃ））は、前記セパレータシートの露出している縁部に押し
    当てられて、前記陰極シートの少なくとも１つの縁部を覆う連続したセパレータ
    膜への前記縁部のモールド成形を生じさせるような、加熱されたプラテンである
    、ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 （ｄ）前記連続したセパレータ膜が電池ケーシングの表面に当接して当該ケーシ
    ングと前記陰極シートとの間に電気的な絶縁をもたらすように、前記電極組立体
    を前記ケーシング内に挿入する段階、をさらに備える、ことを特徴とする請求項
    １６に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記螺旋状のロール（段階（ｂ））は、その長手方向中心軸線の周りに中心部
    領域を有し、 前記セパレータシートの可動部分が前記中心部領域内に配置され、 前記段階（ｃ）において、前記セパレータシートの露出している縁部に前記加
    熱されたプラテンを押し当てつつ、前記プラテンの一部を前記中心部に同時に挿
    入し、それによって前記中心部内の前記セパレータシートの前記部分が前記中心
    部の壁に成形されるようにする段階、をさらに備える、ことを特徴とする請求項
    １７に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 （ｅ）スポット溶接のプローブを前記螺旋状のロールの中心部に挿入して、前記
    陽極シートの一部を前記ケーシングに溶接する段階、をさらに備える、ことを特
    徴とする請求項１８に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記リチウム電池は一次（非充電式）電池である、ことを特徴とする請求項１
    ３に記載の方法。
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