JP2006173102A - テーパ状電極及び衝撃吸収領域を有する耐衝撃性電気化学セル - Google Patents

Abstract

【課題】金属缶内の変形に関する衝撃により生じる短絡を抑止することのできる金属缶電池アセンブリを提供することにある。
【解決手段】テーパ形状を有するアセンブリ９００は、両端部のうち少なくとも一方にテーパを有し、中央高さ９０７は、外周高さ９０８よりも高く、断面形状及び外形形状にそれぞれテーパを有する第１の端部９０６を備えている。テーパ部は、金属缶のコーナー部と電極アセンブリとの間に空洞が存在することを許容する。この「衝撃吸収領域」によって、缶への外部からの衝撃により内部にある電極アセンブリが損傷を受けることが抑止され,同セルの信頼性を向上させることができる。
【選択図】図９

Description

本発明は、充電式電気化学電池のセルに係り、詳しくは、そのようなセルの耐衝撃設計に関する。

携帯式、電池駆動式の電子デバイスがあらゆる場所で見られる。携帯式ゲームから、コンパクトディスクプレーヤー、個人用携帯情報端末（ＰＤＡ）、電話、ポケベルに至るまで、常時、携帯電子機器を一つも携行しない人はほとんど見かけなくなっている。人々は、そのような装置を、娯楽、組織的目的、他人との繋がりを維持する目的で携行している。これらの装置が共有する共通の特徴として、いずれの装置も携帯を可能にするため電池を利用している。

電池は、２つの正反対の電極を物理的に分離させ、それらを積み重ねて一体化することにより製造される。そのような電池の電気化学セルを製造する一般的な方法として、「ゼリーロール」という方法が知られており、セルの内部が巻回されてアルミニウム製の缶の内側に配置されることから古風なゼリーロールのように見える。アルミニウムは、軽量で、かつ優れた熱特性を有しているため、好適に使用されている。ゼリーロール法を理解するため、以下に示す例を考える。

セルは、正電極（カソード）と、負電極（アノード）とからなる。セパレータは、電子の通過を許容するが、これら２つの電極を接触させないようにしている。図１には、一般的な電極層アセンブリの断面図が示されている。電極１０は、頂部１４及び底部１６を有するセパレータ１２を備えている。セパレータ１２の頂部には、電気化学活性物質からなる第１の層１８が設けられている。例えば、ニッケル水素電池において、第１の層１８は、技術的に知られる金属水素電荷貯蔵物質からなる層であってもよい。それとは別に、リチウム電池では、第１の層１８が、リチウム、又は、リチウム層間物質であってもよい。

第１の層１８の頂部には集電層２０が設けられている。この集電層は、技術的に知られるあらゆる種類の金属により製造される。そのような金属としては、例えば、ニッケル、銅、ステンレス鋼、銀、及びチタニウム等が挙げられる。集電層２０の頂部には、電気化学活性物質からなる第２の層２２が設けられている。

図２及び図３には、充電式電池を製造するためにゼリーロール状に組み付けられる図１のような電極の積み重ねが示されている。図２及び図３において、２つの電極４０，６０が上述したように提供されている。電極４０は、例えば、負の活性電気化学物質からなる２つの層により形成され、一方、電極６０は、正の電極材料からなる２つの層により形成される。各電極４０，６０は、集電領域２０をそれぞれ備えている。集電領域２０は、集電板上に設けられ、電極と、図２に示す電極を積み重ねた積層体が挿入されるセル缶の外側にある端子との電気的な接続を可能にする。本実施形態において、集電領域２０は、ゼリーロールの頂部と底部とに設けられるが、また、ゼリーロールの先端と後端とで等しく配置されることに注意すべきである。

電極４０，６０は、前記積層体の対向する縁部に設けられる集電領域２０と共に積層した状態で設けられている。そして、前記積層体が巻回されてロール体７０に成形された後、電気化学セルの缶の中に挿入される。通常の缶は、蓋と開口とをそれぞれ一つずつ備え、缶の断面形状は、楕円、長方形、円形である。これは、一般的なゴミ箱とよく似ている。

図３には、図２の積層構造の断面が図示されている。ここで、電極４０，６０は、積層方向に見られる。電極４０は、基材４２、負の活性物質４４からなる第１の層、集電層４６、及び、活性物質４８からなる第２の層とを備えている。層４８の直上には、電極６０のセパレータ６２が設けられている。前記セパレータ６２上には、活性物質６４からなる第１の層が、その上に配置される集電層６６と、集電層６６上に配置され、かつ活性物質６８からなる第２の層と共に設けられている。

その構造体が巻回されてロール体７０になると、活性物質６８からなる電極６０の第２の層と接触するように電極４０が巻回されて、電極４０の膜基材層４２と接触するように外部被膜層が巻回される。この方法では、膜基材層が、正電極と負電極とを互いに絶縁するようなセパレータとして機能する。更に、その膜が多孔性を有していると、膜には、技術的に知られる液体電解質が満たされる。従って、その膜は、極めて薄い電極層及び集電層の積層を可能とする一方、電解質の貯蔵及び分離の両方の機能を備えている。その結果、非常に高い容量を有する超薄型の電極を得ることができる。

最終的なゼリーロールの形状にされると、それが、図４に示される金属製の缶１２２の内側に挿入される。金属缶１２２は、カソードとして機能し得る第１金属コネクタ２４、及び、アノードとして機能し得る第２金属コネクタ２６を備えている。ゼリーロールに目を向けると、セパレータ３４、第１の層３４、及び第２の層２６等、種々の層を確認することができる。その構造を利用することによって、要求があれば、電子又は電流の集電部又は格子といったものをデバイス構造を加えてもよい。通常、集電板３８は、例えば、コバルト、銅、金、鉄、マンガン、ニッケル、白金、銀、タンタル、チタニウム、又は、亜鉛等の金属により形成されている。

従来より、そうした金属缶の電池は、保護回路、充電回路、燃料検量回路等の回路を備える樹脂製の電池用ハウジングの内側に挿入されている。樹脂製電池用ハウジングは、コンピュータのホスト装置に使用されている。しかしながら、電子デバイスが益々小型化するのに伴い、製造者は、関連する電池回路をホスト装置内に設置するようになっている。従って、製造者は、保護用の樹脂製ハウジングを使用せずに、ホスト装置内において金属缶の電池のみを使用している。

このことが、通常の金属缶はアルミニウム等の軟らかい金属からなる上述した点から、一つの問題を発生させる。金属缶の電池を落下したとき、缶は、凹み、曲げられ、及び変形する虞がある。電池構造において、セパレータや膜層を介してカソードとアノードとの離間が維持されることが重要であることを思い起こしてみよう。缶が凹み曲げられると、これにより、カソード及びアノードが缶の内面に接触するか、或いは互いに接触する可能性があり、そのため、缶内に短絡回路を発生させてしまう虞がある。短絡回路により、高温を発生させる高電流が引き起こされて、電池の信頼性を大幅に低下させてしまう虞がある。

こうしたことから、金属缶内の変形に関する衝撃により生じる短絡を抑止することのできる金属缶電池アセンブリが求められている。

本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。図を参照すれば、各図を通じて、同じ部材には、同じ部材番号が付されている。本明細書の説明及び請求の範囲で用いられるように、下記に示す用語は、文脈中で別の意味を明確に示さない限りは、本明細書に明確に関連付けられる意味と解釈される。

図５は、ＯＥＭ品質及び認定実務でよく見られる硬い表面に繰り返し落下させられた従来の金属缶電池の断面図を示している。例えば、認定試験では、電池を１５２．４ｃｍ（４フィート）の高さからコンクリート表面に３０回落下させることに対する耐久性が要求されている。試験室では、一般的なリチウムイオン金属缶セルについての試験が実施された。上記試験により、５００個中、平均で７個の不良品が生じるという結果が得られ、初回から１８回目の落下までの間に、平均で４個の不良品が生じるという結果が得られた。ほんの数回落下しただけで２００ドルの支出が手帳に記帳されると共に、仕事を止めなければならないことほど、消費者にとって、いらいらさせられることはない。図５に示すように、前記不具合は、内部のゼリーロール５０１に損傷５０３を生じさせる金属缶５００の変形５０２によって引き起こされる。

本発明は、電極アセンブリに接触させないで、変形する虞のある缶やハウジング内に「衝撃吸収領域」を設けた電極アセンブリを採用することによって、ゼリーロールの形状が変形することを抑止することにある。本発明の電極アセンブリは、外周長さよりも長い中央長さを有している。換言すれば、電極アセンブリの少なくとも一端部についてその中央から外周にかけてテーパが形成されている。電極アセンブリが缶内に挿入された場合、前記テーパ形状によって、電極アセンブリと缶との間に空洞や空隙が残存した状態になる。こうした空洞により衝撃吸収領域が付与され、落下したとしても、セルの機能を維持させることを可能にする。

同一出願人による「衝撃吸収領域を有する耐衝撃性充電式電池」という表題の米国特許第６，５７４，１１１号明細書によれば、スペーサの活用が衝撃吸収領域を形成することを示唆している。上記文献に記載の構成は実際によく利用されるが、本発明によれば、スペーサが不要になるため、コストの削減と、（セル内の活性物質の総量の増大によって）セル内に貯蔵できるエネルギーの総量の増大との両方が達成される。

本発明は、種々の方法を通じて製造することができる。一実施形態において、電極アセンブリは従来のゼリーロール法のように巻回される。巻回されていない状態の電極は、前記アセンブリが巻回されている場合に電極の高さがより低くなるような形状を有している。別の表現で言えば、ゼリーロールの断面についてその端部が丸みを帯びているか、或いはテーパ形状をなしている。

図６には、本発明の電極アセンブリの一例が示されている。図６の実施形態は、電極をゼリーロール構造に巻回することにより形成されている。図１１の説明からわかるように、本発明は、電極材料からなる層を互いに重ね合わせて形成してもよい。

電極アセンブリ６０１は、細長い電極を巻回することにより成形されている。そのような電極層は、図１に記載される物質からなる層を構成要素として含む。細長い電極層は、第１の端部６０２と、第２の端部６０３とを有している。層は、第２の端部６０３よりも第１の端部６０２を幅広とするように成形されている。そうすれば、第１の端部６０２を起点として層を巻回した結果、中央（即ち、中央高さ）の方が外縁（即ち、外周高さ）よりも高さの高い電極アセンブリが得られる。こうした特徴の電極形状を採用すれば、その結果、従来のゼリーロール（側面から垂直方向に広がる平坦部を有する形状）よりも、シナモンバン（テーパ状の頂部を通する形状）に外観上よく似た電極アセンブリ６０１が得られる。そのテーパは、横方向に延びて、全体形状を構成する巻線と直交する。

図７Ａ〜Ｃには、本発明のシナモンバン形状を有する電極アセンブリの製造に使用される電極について種々の形態が示されている。各電極の形状は、第１の長手方向端部７０１及び第２の長手方向端部７０２間の所定の長さにより定義されている。同様に、各電極の高さは、上部側面７０３と下部側面７０４とにより定義されている。図７Ａ〜Ｃの平面図は２次元であるが、また、実際の電極は有限の幅を有しており、その幅は、第１の側面７０５と第２の側面７０６とにより定義されている。

上部側面７０３及び下部側面７０４のうち少なくとも一方にはテーパが含まれている。図７Ａ〜Ｃにおいて、説明を目的として、下部側面７０４がテーパが含むように図示されている。図７Ａに示すテーパは曲線を有している。図７Ｂに示すテーパは角度を有している。図７Ｃに示すテーパは区分的に線形をなしている。図７Ａ〜Ｃの各図において、上部側面７０３と下部側面７０４との間に設定される高さが、一方の長手方向端部７０１と他方の長手方向端部７０２とでは異なる。図７Ａ〜Ｃの実施形態において、長手方向端部７０２は長手方向端部７０１よりも短い。一方の長手方向端部７０２が他方の長手方向端部７０１よりも少なくとも２％短い場合に最も効果的であるという実験結果が得られた。

図８には電極８００が図示されており、図７Ａ〜Ｃに図示した任意の電極についてシナモンバンを成形するように巻回される。幅広な端部８０１を起点として、電極８００は、電極アセンブリの頂部となる縁部を均一にしつつ、適当な速度で巻回される。そのロールが幅狭の端部８０３にまで到達したとき、テーパ面８０２により、外周高さが幅広な端部８０１の位置の中央高さよりも低くなる。ロールは、電極８００の外形全長により定義される周長さを有した渦巻状に効率良く巻回され、電極８００の長手方向両端部のうちの一方を起点とし、その外形形状の一側面と他側面とを渦巻の隣接する層と層とでほぼ接触させるようにして巻回される。

図９には、本発明のセルが図示されている。カソード９０１及びアノード９０２を備えたシナモンバン形状をなす電極アセンブリ９００が提供されている。シナモンバン９００は、金属缶（図示せず）内に挿入される。そのアセンブリは、外部カソードとして機能する第１金属コネクタ９０３と、第１金属コネクタ９０３をカソード９０１に接続するための蓋９０４とを備えている。任意的な絶縁体９０５が、アノード９０２から第１金属コネクタ９０３を絶縁するように設けられている。シナモンバン９００の一端に設けられ、平坦で、頂部を有する絶縁体は、ザイヤットに付与された米国特許第６３１７３５５号公報に引用されるように技術的に周知である。

本発明によれば、シナモンバン形状の電極アセンブリ９００は、少なくとも一つの端部にテーパを有している。通常、電極アセンブリ９００は、実質的には平面であり、缶に対してはその底部を横断し得るように接触している。電極アセンブリ９００は、中央高さ９０７と外周高さ９０８とを有している。電極アセンブリ９００の中央高さ９０７は、好ましくは、外周高さ９０８よりも少なくとも２％高くなっている。

電極アセンブリ９００がハウジングや缶（いずれも図示せず）内に挿入されている場合、デバイスに割り込む電流を考慮し、蓋９０４、絶縁体９０５、及び他の構成部材に要するスペースを無視すれば、電極アセンブリ９００の中央高さは、缶の内側外周高さと概ね同じである。電極アセンブリ９００の外周高さ９０８は、ハウジングの内側有効高さと比較して少なくとも２％低くなっている。

図９の電極アセンブリ９００は、第１の端部９０６を有している。第１の端部９０６は、テーパを含む断面形状又は外形形状を有している。図７Ａ〜Ｃの説明で述べたように、前記テーパは、指数関数曲線や放物曲線等の曲線であってもよい。また、テーパは、角度を有するか、或いは区分的に線形をなしていてもよい。シナモンバン構造のためにテーパは横方向に延び、電極アセンブリの巻線と直交している。電極アセンブリ９００が缶内に挿入された場合、テーパによって、第１の端部９０６と、ハウジングのコーナー部との間に少なくとも一つの空隙が設けられる。

図１０には、従来のセル１０００と本発明のセル１００１とについてそれらの断面が比較して図示されている。従来のセル１０００では、ゼリーロールが、金属缶１００３と同じ高さとなるように設置されている。一方、本発明のセル１００１では、テーパ部１００４が、シナモンバン１００５と金属缶１００６との間に空洞を残存させている。この空洞により、缶１００６を角に落下した場合、缶が変形するか、或いは「くしゃくしゃになる」ことを許容する一方、シナモンバン１００５を無傷のままにする。コンクリートに３０回落下させる試験を実施した結果、テーパ部１００４を有するものについては２５０個中、不良品が０個であった。

図１１には、本発明に係る電極アセンブリの別の構造が図示されている。この実施形態では、電極の層１１０１，１１０２が積み重ねられて電極アセンブリ１１０３が形成される。こうして積層する方法では、各層（例えば１１０１）の少なくとも一つの端部にテーパ部１１０４が設けられるか、或いは丸みを帯びた形状に形成される。このような特徴を有するテーパ部１１０４は、曲線、角度、或いは区分的に線形を有し、第１の側面を起点として電極の中心から外方に広がっている。テーパ部１１０４は、電極の一方の端部の中央近傍で所定の長さをもって延びており、対向する側面に戻るようなテーパ形状を有している。これらの層１１０１，１１０２は、積層された電極アセンブリ１１０３を形成するため、バインダー、ゲル、高分子化合物、又は電解質により一体に接着されている。

本発明の好ましい実施形態が図示され、説明されてきたが、本発明がこれに限定されるものではないことは明白である。多くの改良、変形、変更、代用、及び同等のものが、下記に示す請求の範囲によって定義される本発明の精神や技術的範囲から逸脱しない限り、当業者にとって思いつくであろう。例えば、本明細書で説明された電極アセンブリの好ましい一実施形態は、同アセンブリの一端部にテーパを有しているが、電極アセンブリは両端部又は側面にテーパを有してもよい。

従来の一般的な電極層アセンブリの断面図。 充電式セルの製造のためゼリーロール形状に組み付けられる従来の電極の積層体。 図２に示される積層構造の断面図。 金属缶内に挿入された従来のゼリーロールの断面図。 ＯＥＭ品質及び認定実務でよく見られる硬い表面に繰り返し落下させられた従来の金属缶電池の断面図。 本発明の電極アセンブリの好ましい一実施形態の斜視図。 （Ａ）〜（Ｃ）は本発明による使用可能な種々の電極の断面を比較して示す図。 本発明の電極を巻回してシナモンバン形状に成形する様子を示す図。 本発明の電池アセンブリを示す図。 本発明のセルと従来のセルとを比較して示す図。 本発明の電池アセンブリの別の実施形態を示す図。

Claims (9)

1. 電池用セルであって、
   前記セルは、ハウジングと、電極アセンブリとを備え、
   前記電極アセンブリは、アノード及びカソードを備え、
   前記電極アセンブリは、中央高さ及び外周高さを有し、
   前記電極アセンブリの中央高さは、前記外周高さよりも少なくとも２％高く設定されている電池用セル。
2. 請求項１記載の電池用セルにおいて、
   前記ハウジングは内側高さを有し、
   前記電極アセンブリの外周高さは、前記ハウジングの内側高さよりも少なくとも２％低く設定されている電池用セル。
3. 請求項１記載の電池用セルにおいて、
   前記電極アセンブリは第１の端部を有し、前記第１の端部はテーパを含む外形形状を有している電池用セル。
4. 請求項３記載の電池用セルにおいて、
   前記テーパは横方向に延び、前記電極アセンブリの巻線に対して直交する電池用セル。
5. 請求項３記載の電池用セルにおいて、
   前記テーパは、曲線、角度、或いは区分的に線形を有している電池用セル。
6. 請求項３記載の電池用セルにおいて、
   前記電極アセンブリの挿入によって前記第１の端部と前記ハウジングのコーナー部との間に少なくとも一つの空洞が付与される電池用セル。
7. 請求項３記載の電池用セルにおいて、
   前記電極アセンブリは第２の端部を有し、前記第２の端部はテーパを含む外形形状を有している電池用セル。
8. 請求項３記載の電池用セルにおいて、
   前記電極アセンブリは、積み重ねること、及び巻回することからなる群より選ばれた方法によって形成されている電池用セル。
9. 電極アセンブリの形状であって、
   第１の長手方向端部及び第２の長手方向端部間の所定の長さにより定義される外形形状と、
   第１の側面及び第２の側面間の幅と、
   上部側面及び下部側面間の高さと、
   前記外形形状の長手方向両端部の一方と他方とで、前記上部側面及び前記下部側面間の高さが異なる電極アセンブリの形状。

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