JP2006004792A - 非水二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】充放電のサイクルによる電極巻回体の変形を抑制し、かつ外部から大きな力を受けた場合にも端面エッジで電極巻回体を傷付けることなく、強度の高いセンターピンを有する非水二次電池を得る。
【解決手段】電池ケース内に、帯状の正極および負極が帯状のセパレータを挟んで円柱状に巻回された電極巻回体と、電極巻回体の中心空隙部に配された中空円筒状のセンターピン１９とを収容してある。センターピン１９は、１枚の板部材を縦長円筒状に曲げ形成したものである。板部材は、左右の両端部がそれぞれ上下幅方向にわたって矩形波状に凹凸形成されている。そのうえで、各端部の凸部２１は、対向する各端部の凹部２２を介してセンターピンの内側に嵌まり込んでおり、板部材の両端部が凹凸状に噛合している。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に電池ケース内に円柱状の電極巻回体を収容するリチウムイオン二次電池などの非水二次電池に関する。

前記電極巻回体では、巻取芯に帯状の正極および負極をセパレータを挟んだ状態で巻回したのち、巻取芯を抜き取るので、電極巻回体の中心部には前記巻取芯を抜き取った後の空隙部が生じ残る。このため、充放電の繰り返しなどで電極の体積が増加した場合には、その電極の一部が前記空隙部に入り込んで電極が変形し、電池容量の低下などを引き起こす不都合がある。また、前記電極の変形によって前記空隙部が潰れた場合には、内部短絡などによって電池ケースの底部で発生したガスが、電池ケースの開口上面を塞ぐ封口板に設けたガス抜き用のベントから排気されにくくなる。

この防止対策として特許文献１〜３では、中空円筒状に加工したセンターピンを電極巻回体の中心空隙部に嵌め込んで、電極の変形を抑えている。ところが、特許文献１のセンターピンでは、電池に大きな外力が加わって電極巻回体とセンターピンとが押し潰されると、センターピンの端面エッジがセパレータを突き破り、内部短絡を引き起こすおそれがある。このため、特許文献２では、センターピンを形成する金属材の突き合わせ端部をピン内部に折り曲げて、金属材の両端面もしくはその近傍に角落とし部を設けてある。

特開平０４−３３２４８１号公報（段落番号００１４、図４） 特開２００３−９２１４８号公報（段落番号００４６、図２） 特開平１１−２０４１３０号公報（段落番号０００４・０００７−０００８、図２−１２）

しかし、特許文献２では、角落とし部を設けたことによってセンターピンの両端部近傍の周壁が凹んでセンターピンの真円度が低下し、センターピンの強度が低下する。また、充放電の繰り返しで電極に変形が発生した場合に、角落とし部の凹みに電極が入り込んで電極の変形が集中し、電池容量の低下や短絡などを引き起こすおそれがある。

さらに、センターピンが押し潰されるほどの大きな外力が加わった場合には、センターピンの内部空間が閉塞され、電池ケースの底部で発生したガスが、前記封口板のガス抜き用のベントから排気されにくくなる。

そこで本発明の目的は、センターピンの形状に工夫を凝らすことで、センターピンの端面エッジで電極巻回体が傷付くことを抑えながら、センターピンの真円度を高くしてセンターピンの強度を高くし、電極巻回体の変形を抑えることができる非水二次電池を提供することにある。

本発明は、図４に示すごとく、電池ケース１内に、帯状の正極１０および負極１１が帯状のセパレータ１２を挟んで円柱状に巻回された電極巻回体７と、電極巻回体７の中心空隙部に配された中空円筒状のセンターピン１９とを収容した非水二次電池において、図１ないし図３に示すごとく、センターピン１９が、１枚の板部材２０を縦長円筒状に曲げて形成されており、板部材２０の左右端部に、凸部２１と凹部２２とがそれぞれ上下間にわたって交互に形成されており、板部材２０の各端部の凸部２１が、対向する端部の凹部２２を介してピン内部に嵌まり込むことで、前記両端部の凸部２１と凹部２２どうしが噛合していることを特徴とする。

センターピン１９は、図５に示すごとく、１枚の板部材２０をＳ字状に曲げて縦長円筒状に曲げ形成し、直径方向に延びる中央壁２１と、中央壁２１の両端からそれぞれ逆向きに折り曲げて形成された断面半円状の一対の周壁２６・２６とを有しており、各周壁２６の連出端部２６ａがそれぞれ内向きに折り返されて、中央壁２１で受け止められる形態にしてもよい。ここでは、各周壁２６の連出端部２６ａと中央壁２１とが接している場合と、各周壁２６の連出端部２６ａと中央壁２１との間に若干の隙間を有する場合とが含まれる。

具体的には、センターピン１９は金属材料からなる。

請求項１の本発明によれば、センターピン１９が１枚の板部材２０で曲げ形成されるため、複数の板部材を溶接などで接合して製造する場合に比べて容易に製造できる。板部材２０の凸部２１は、大きく折り曲げなくてもセンターピン１９の内側に嵌まり込むので、センターピン１９の周壁に生じる凹みを小さくできて、センターピン１９の全体をほぼ真円の筒形状にできる。したがって、センターピン１９の強度が高くなって、充放電時における電極の変形を抑制できる。

しかも、板部材２０の両端部が凹凸状に噛合して確りと結合されるので、この点でもセンターピン１９の強度がアップし、外圧が加わってもセンターピン１９が押し潰され難くなる。凸部２１がセンターピン１９の内側に嵌まり込む分だけ、凸部２１の端面エッジで電極巻回体７が傷付けられることもない。

請求項２の本発明では、センターピン１９の内部に中央壁２１が形成され、各周壁２６の連出端部２６ａが中央壁２１でそれぞれ受け止められるので、センターピン１９の強度が向上する。しかも、センターピン１９がほぼ円筒形状になるうえ、各周壁２６の連出端部２６ａがそれぞれ内向きに折り返されているので、連出端部２６ａの端面エッジで電極巻回体７が傷付けられることがなく、どの角度から外力が加わってセンターピンが潰れた場合でも、電池が内部短絡を引き起こしにくいことになる。

（実施例１） 図１ないし図４は本発明が対象とする非水二次電池の実施例を示す。電池は、外径寸法が１7.８mm、高さ寸法が６5.０mmであり、0.２Ｃ（５時間放電率）における放電容量が２２００ｍＡｈの円筒形状の電池である。

電池は、図４に示すごとく、上面が開口する有底円筒形状の電池ケース１と、電池ケース１の開口上面を塞ぐアルミニウム製の封口板２と、封口板２の上側に配した合成樹脂製の絶縁パッキング３と、絶縁パッキング３の上側に配したアルミニウム製の防爆弁５と、防爆弁５の外側上面に配した端子板６と、電池ケース１内に収容される電極巻回体７および非水電解液とを有する。電池ケース１の開口部の内周面側には、シール用の合成樹脂製の環状ガスケット９が装着されている。電池ケース１は圧延鋼鈑からなる。

電極巻回体７は、正極活物質を塗布した帯状の正極１０と、負極活物質を塗布した帯状の負極１１とを合成樹脂製フィルムからなる帯状のセパレータ１２を挟んで積層し、これを円柱状に巻回してある。正極１０と封口板２とは第１の導電タブ１５で接続し、負極１１と電池ケース１の底面とは第２の導電タブ１６で接続する。電極巻回体７の上部には、合成樹脂製の絶縁体１７が配されている。

封口板２の中央の薄肉部の上面には、防爆弁５の中央部を溶接してあり、前記薄肉部の周囲に、電池内圧を防爆弁５に導くための圧力導出孔を有する。防爆弁５の中央部の周囲には薄肉部が設けられている。

端子板６は、表面にニッケルメッキが施された圧延鋼鈑で帽子状に形成されており、ガス排出口を有する。絶縁パッキング３は、封口板２と防爆弁５との周縁部どうしを絶縁するとともに、電解液が漏れないように封止する。正極１０と端子板６とは、導電タブ１５と封口板２と防爆弁５とを介して導通している。

過充電などで電池内圧が上昇すると、防爆弁５が上側に膨張して、封口板２の薄肉部が破断し、あるいは防爆弁５との溶接部分が剥離して電流を遮断し、次に防爆弁５の薄肉部が開裂して、端子板６のガス排出口からガスが排出される。

電極巻回体７の中心空隙部には、センターピン１９を挿入する。センターピン１９は、ステンレス鋼製の１枚の板部材２０（図２参照）を縦長円筒状に曲げることで形成されており、外径寸法が3.４mm、長さ寸法が５５mmの縦長の中空円筒である。板部材２０は、厚さ寸法が0.３mmである。センターピン１９の外周にはセパレータ１２を介在させることにより、正極１０および負極１１と、センターピン１９とが絶縁されている。

板部材２０の両端部には、それぞれ上下間にわたって、３つの角形の凸部２１と、４つの凹部２２とが交互に存在するよう矩形波状に凹凸形成されている。板部材２０を円筒状に丸く曲げたとき、図１および図３に示すごとく、板部材の各端部の各凸部２１が、対向する端部の各凹部２２を介してセンターピン１９の内側にそれぞれ曲げられて嵌まり込み、両端部が凹凸状に噛合する。

各凸部２１の湾曲度は、図３に示すごとく小さい。これに伴ない、センターピン１９の周壁において板部材２０の両端突き合わせ部に生じる凹みも小さくなり、センターピン１９は縦長の正しく円筒形状に近いものになる。

なお、電池内部で発生したガスの一部は、センターピン１９の内側空間を通って封口板２側へ排出される。前記凸部２１は完全な四角形である必要はなく、角部が丸く角落としされていてもよい。

（実施例２） 図５は本発明の実施例２を示しており、センターピン１９は、厚さ寸法が0.３mmのステンレス鋼製の１枚の板部材をＳ字状に曲げて縦長の円筒形状に形成されており、外径寸法が3.５mm、長さ寸法が５５mmである。つまり、センターピン１９は、直径方向に延びる縦向きの平坦な中央壁２５と、中央壁２５の両端でそれぞれ逆向きに折り曲げ形成された断面半円状の一対の周壁２６・２６とを有する。

各周壁２６の連出端部２６ａは、それぞれセンターピン１９の内側に折り返してあって、中央壁２５に添う。中央壁２５に加わる面方向の押し潰し力は、中央壁２５が直接受け止めるとともに、中央壁２５に対して直交方向に加わる押し潰し力は、各周壁２６の連出端部２６ａが中央壁２１に押し付けられて中央壁２５で受け止められる。その他の点は、実施例１と同じであるので説明を省略する。なお、各周壁２６の折り返し部には、ある程度のアールを設けてもよい。

（比較例１） 比較例１では、図６に示すごとくセンターピン１９は、厚さ寸法が0.３mmのステンレス鋼でテーパー付中空筒状体に形成してある。なお、比較例１のセンターピン１９は、外径寸法が3.４mm、長さ寸法が５５mm、板部材の両端間の隙間寸法が0.８mmである。その他の点は、実施例１と同じであるので説明を省略する。

（比較例２） 比較例２では、図７に示すごとくセンターピン１９は、厚さ寸法が0.３mmのステンレス鋼でテーパー付中空筒状体に形成してあるとともに、板部材の突き合わせ端部をピン内部に折り曲げて、角落とし部を設けてある。なお、比較例２のセンターピン１９は、外径寸法が3.５mm、長さ寸法が５５mmである。その他の点は、実施例１と同じであるので説明を省略する。

〈試験〉 実施例１・２および比較例１・２の各電池をそれぞれ１０個ずつ用意して、4.２Ｖまで充電したのち、ＵＬ規格１６４２に準拠した丸棒圧壊試験を行った。すなわち、直径寸法が7.９mmの金属製丸棒を電池の中央部に電池の高さ方向と直交する方向に置き、電池から６１cmの高さ位置から9.１kgのおもりを落下させた。この後、電池の高さ方向の両端面を取り除き、一方の端面側の中央空隙部にエアーパイプを挿入して、0.３〜0.５ＭＰａのガス圧の窒素ガス（Ｎ₂ ）を流入して、他方の端面側から窒素ガスが抜け出るかどうかを確認した。

また、電池にあらかじめ熱電対を貼り付けておき、前記丸棒圧壊試験時の電池の表面温度を測定し、１２０℃以上の高温となった個数を調べた。表１はその結果を示す。

表１に示すごとく、実施例１・２では、試験した全ての電池で窒素ガスが抜け出ており、試験後においてもセンターピン１９の内部空間が確保されていると考えられる。また、実施例１・２では、試験した全ての電池で表面温度が１２０℃未満となっている。これは試験によって潰れたセンターピン１９で電極巻回体７がほぼ傷付けられておらず、内部短絡をほとんど起こしていないためと考えられる。

これに対し、比較例１では、試験した電池の半数で窒素ガスが抜け出ておらず、比較例２では、１０個のうちの３個の電池で窒素ガスが抜け出ていない。これは試験によってセンターピン１９が潰れて、センターピン１９の内部空間が閉塞されたためと考えられる。また、比較例１では、１０個のうちの２個の電池で表面温度が１２０℃以上になっている。これは試験によって潰れたセンターピン１９の端面エッジで電極巻回体７が傷付けられて、内部短絡を引き起こしたためと考えられる。

実施例１において、センターピン１９の凸部２１および凹部２２の数は任意に設定できるが、多すぎるとセンターピン１９の製造が困難となるので、凸部２１および凹部２２の数は、２つから８つの範囲が好ましく、３つから６つの範囲がさらに好ましい。各実施例において、センターピン１９の上下方向の各先端部は、電極巻回体７の中心空隙部へのセンターピン１９の挿入を容易にするために、それぞれテーパー状に形成してもよい。

実施例１に係るセンターピンの正面図 センターピンの展開図 図１のＡ−Ａ線断面図 非水二次電池の縦断面図 実施例２のセンターピンの横断平面図 比較例１のセンターピンの斜視図 比較例２のセンターピンの斜視図

符号の説明

１ 電池ケース
６ 電極巻回体
１０ 正極
１１ 負極
１２ セパレータ
１９ センターピン
２０ 板部材
２１ 凸部
２２ 凹部
２５ 中央壁
２６ 周壁
２６ａ 周壁の連出端部

Claims (3)

1. 電池ケース内に、帯状の正極および負極が帯状のセパレータを挟んで円柱状に巻回された電極巻回体と、前記電極巻回体の中心空隙部に配された中空円筒状のセンターピンとを収容した非水二次電池であって、
   前記センターピンが、１枚の板部材を縦長円筒状に曲げて形成されており、
   前記板部材の左右端部に、凸部と凹部とがそれぞれ上下間にわたって交互に形成されており、
   前記板部材の各端部の凸部が、対向する各端部の凹部を介してピン内部に嵌まり込むことで、前記両端部の前記凸部と前記凹部どうしが噛合していることを特徴とする非水二次電池。
2. 電池ケース内に、帯状の正極および負極が帯状のセパレータを挟んで円柱状に巻回された電極巻回体と、前記電極巻回体の中心空隙部に配された中空円筒状のセンターピンとを収容した非水二次電池であって、
   前記センターピンが、１枚の板部材をＳ字状に曲げて縦長円筒状に曲げ形成されており、
   前記センターピンは、直径方向に延びる中央壁と、前記中央壁の両端からそれぞれ逆向き折り曲げて形成された断面半円状の一対の周壁とを有しており、
   前記各周壁の連出端部が、それぞれ内向きに折り返されて、前記中央壁で受け止められていることを特徴とする非水二次電池。
3. 前記センターピンが金属材料からなる請求項１又は２記載の非水二次電池。

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