JP2006302736A - 円筒形電池 - Google Patents

Abstract

【課題】落下や振動等の衝撃に対して電池内部抵抗の上昇のない高い信頼性を有する電池を提供する。
【解決手段】帯状の正極集電体に正極活物質を含む正極合剤からなる正極板と、帯状の負極集電体に負極活物質を含む負極合剤からなる負極板との間に、帯状のセパレータを介して渦巻き状に捲回した略円柱状の極板群を電池外装ケースに封入した円筒形電池であって、
前記負極板に接続した負極リードと電池外装ケースとを電気的に接続し、前記正極板に接続した正極リードと封口体とを電気的に接続しており、
前記略円柱状の極板群の上端には上部絶縁板が配置し、前記極板群の下端には下部絶縁板が配置する円筒形電池において、
前記下部絶縁板の下部に配置する前記負極リードが、前記負極板との接続点と前記ケースとの接続点の間で、少なくとも１回折り返されている円筒形電池。
【選択図】図１

Description

本発明は、円筒形電池の構造、特にリードの接続構造に関する。

円筒形電池の構造は、正極板と負極板とセパレータをスパイラル状に捲回した極板群を外装ケースに挿入し、封口体により密閉する構造と、捲回せずに正極、負極、セパレータを挿入し封口体で密閉する構造に大別される。これらの構造では、外装ケースと封口体を絶縁性樹脂を介して封口し、それぞれをプラス極およびマイナス極の外部端子として機能させる。

正負極の活物質から外部端子までの集電方法は様々であり、前者の構造の場合、活物質から金属箔等の集電体、集電体と外部端子を繋ぐ金属板のリードを通して外部端子まで通電させることが一般的である。

このとき外装ケースと接続する極のリードは、極板の最外周で極板と接続し、ケースの側面から底面まで内壁に沿って取り回し、底面中央部でケースと接続する構造が広く採用されている。（例えば、特許文献１参照）
実開昭６３−１８７７２号公報

しかしながら、従来の前記構造の円筒形電池は、落下や振動により電池に衝撃が加わった時、極板群がケースに対して動こうとするため極板群とケースの間で大きな力が働く。

特に、ケースと接続する極側で、ケースとリードの接続点、リードと集電体との接続点に加わる力のため、接続力が足りない場合は接続外れが、リードや集電体が薄い場合はリードや集電体の破れが生じ、電気抵抗が増大し充放電特性低下や、充放電不可が生じるという課題がある。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、落下や振動等で電池に加わる衝撃によって電池内部抵抗が上昇しない高い信頼性を有する円筒形電池を提供するものである。

前記の課題を解決するために、本発明の円筒形電池は、
帯状の正極集電体に正極活物質を含む正極合剤からなる正極板と、帯状の負極集電体に負極活物質を含む負極合剤からなる負極板との間に、帯状のセパレータを介して渦巻き状に捲回した略円柱状の極板群を電池外装ケースに封入した円筒形電池であって、
前記負極板に接続した負極リードと電池外装ケースとを電気的に接続し、前記正極板に接続した正極リードと封口体とを電気的に接続しており、
前記略円柱状の極板群の上端には上部絶縁板が配置し、前記極板群の下端には下部絶縁板が配置する円筒形電池において、
前記下部絶縁板の下部に配置する前記負極リードが、前記電池外装ケースに接続するまでの間で、少なくとも１回折り返されている。

負極リードを折り返すことでリード部にバネ性を持たすことができるため、電池を落下させたときに、ケースと負極リードの接続点、負極リードと負極集電体の接続点に大きな
力が働かないので、接続外れやリード破れ、集電体破れによる電池内部抵抗の上昇が起こらない。

本発明によると、落下や振動により電池に衝撃が加わった場合も電池内部抵抗の上昇のない、落下や振動に強い電池を得ることができる。

本発明の円筒形電池は、
帯状の正極集電体に正極活物質を含む正極合剤からなる正極板と、帯状の負極集電体に負極活物質を含む負極合剤からなる負極板との間に、帯状のセパレータを介して渦巻き状に捲回した略円柱状の極板群を電池外装ケースに封入した円筒形電池であって、
前記負極板に接続した負極リードと電池外装ケースとを電気的に接続し、前記正極板に接続した正極リードと封口体とを電気的に接続しており、
前記略円柱状の極板群の上端には上部絶縁板が配置し、前記極板群の下端には下部絶縁板が配置する円筒形電池において、
前記下部絶縁板の下部に配置する前記負極リードが、前記電池外装ケースに接続するまでの間で、少なくとも１回折り返されている。

負極リードを折り返すことの効果は、負極リードにバネ性を持たせることができるため、電池に落下や振動により衝撃が加わった時に電池外装ケースと負極リードの接続点、負極リードと負極集電体の接続点にかかる衝撃を大幅に緩和することができ、接続外れやリード破れ、集電体破れによる電池内部抵抗の上昇の起こらない、高い信頼性を有する電池を得ることである。

本発明の好ましい実施に形態における円筒形電池は、
前記負極リードは、前記負極板の幅方向に対して傾いた状態で電気的に接続され、
前記下部絶縁板の下部に配置する前記負極リードが、前記電池外装ケースに接続するまでの間でとの間で、少なくとも１回折り返されている。

負極板の幅方向に対して傾けた状態で負極リードを接続することの利点を説明する。

負極リードは極板群の状態で最外周に位置するよう負極板に接続することが一般的である。これは、下部絶縁板の形状を単純にできる利点等があるためである。

最外周に負極リードを負極板の幅方向に接続した場合、負極リードと負極板の接続点と負極リードとケースの接続点の間で折り返すには、少なくとも２回負極リードを折り返す必要がある。なぜなら、負極リードとケースの接続は、極板群中央の中空部に溶接棒を挿入し、ケース底部外面側からの溶接電極との間に負極リードとケースを挟み込み溶接することが一般的であり、１回の折り返しではケース底面中央部で溶接することと負極リードの折り返し部を設けることの両立ができないからである。

しかし、負極リードを負極板の幅方向から傾けた状態で接続すると、折り返し回数が１回でもケース底面中央部で溶接することと負極リードの折り返し部を設けることを両立できる。

折り返し回数を少なくすることは、電池内での活物質充填に使用できる有効体積を増やすことができる利点と、製造工程で工程数を減らす利点がある。

傾ける角度の最低値は、群径と負極リード幅で決まり、群径が小さいほど角度は大きく
なり、負極リード幅が大きいほど角度は大きくなる。傾ける角度の最大値の制約は特にないが、角度が大きすぎると底部中央部にリードを到達させることが困難になる。

折り返し回数は１回以上であれば効果を得ることができ、回数が多くてももちろんよい。

必要折り返し回数と折り返し長さは、バネ伸張時の長さ変化量が電池外装ケース内での極板群の移動可能量よりも大きくなるようにすればよい。

また、負極リードを負極板の幅方向に対して傾けた状態で接続する場合、集電体上での負極リード長さが長いと極板群の為のスペースが少なくなるため電池容量が若干低下するため、この長さは必要最小限であることが好ましい。

正極リードを電池外装ケースに接続し、負極リードを封口体に接続する電池においても、電池外装ケースと接続する正極リードを前記と同様に折り返すことで同様の効果を得ることができる。

以下に、実施例について詳細に述べる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の円筒形電池の一実施形態として円筒形リチウムイオン二次電池の概略縦断面図である。

集電体としてアルミニウム箔（図示せず）に正極活物質を含む正極合剤からなる正極板１と、集電体として銅箔に負極活物質を含む負極合剤からなる負極板２との間に、ポリエチレン製のセパレータ３を介して渦巻き状に捲回することにより円柱状の極板群４が作製されている。負極板２にはニッケル製負極リード５が抵抗溶接により接続され、正極板１にはアルミニウム製正極リード６が超音波溶接により接続されている。極板群４の上端にはガラスフェノール製の上部絶縁板７が配置され、極板群４の下端にはガラスフェノール製の下部絶縁板８が配置されている。下部絶縁板８の下部とニッケルメッキを施した鉄製の外装電池ケース９の底との間に、負極板２に溶接されていないニッケル製負極リード５の端部が位置している。このニッケル製負極リード５の端部が電池外装ケース９に抵抗溶接により接続されている。アルミニウム製正極リード６は正極端子を兼ねた封口板１０にレーザー溶接により接続されている。電池外装ケース９の開口部と、封口板１０とを、ポリプロピレン製の絶縁ガスケット１１を介してかしめにより封口されている。このようにして、直径１７ｍｍ、高さ５０ｍｍ、いわゆるＡサイズの円筒形リチウムイオン二次電池を作製した。

次に、正極板１と負極板２の作成方法、および非水電解液の調整方法について順に述べる。

（Ａ）正極板の作製
正極活物質であるＬｉＣｏＯ₂を１００重量部と、導電剤であるカーボンブラックを３．５重量部と、結着剤であるポリテトラフルオロエチレンのディスパージョン（固形分６０重量％）を７重量部と、増粘剤であるカルボキシメチルセルロースの水溶液（固形分１重量％）を８０重量部とを混練分散して、ペースト状の正極合剤を得た。この正極合剤を、厚さ２０μｍのアルミニウム箔（図示せず）からなる集電体の両面に塗布し、圧延し、ドライエアー中２００℃で５時間乾燥後、所定の寸法に切断して正極板１を得た。正極板
１の長手方向の端部には、厚さ１００μｍ、幅３ｍｍのアルミニウム製正極リード６を正極板の幅方向に超音波溶接により接続した。

（Ｂ）負極板の作製
負極活物質である人造黒鉛を１００重量部と、結着剤であるスチレンブタジエンゴムのディスパージョン（固形分４８重量％）を５重量部と、増粘剤であるカルボキシメチルセルロースの水溶液（固形分１重量％）１４０重量部とを混練分散して、負極合剤を得た。この負極合剤を、厚さ１４μｍの銅箔からなる集電体の両面に塗布し、圧延し、ドライエアー中１１０℃で５時間乾燥後、所定の寸法に切断して負極板２を得た。負極板２の長手方向の端部には、厚さ１００μｍ、幅３ｍｍのニッケル製負極リード５を抵抗溶接により接続した。

（Ｃ）非水電解液の調製
エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとの体積比１：３の混合溶媒に、ＬｉＰＦ₆を１モル／リットルの割合で溶解し、非水電解質を得た。

次に、ニッケル製負極リード５の溶接方向と折り曲げ方について述べる。

《実施例１》
図１（ａ）に示すように銅箔１２にニッケル製負極リード５を負極板２の幅方向に接続し、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すように電池外装ケース９と極板群４の間で１８０°折り返しを２回、９０°折り曲げを１回行った。この時、図１（ｂ）のｘ点は、極板群４中央部の中空部を通って電池外装ケース９とニッケル製負極リード５の溶接点ｚ点に到達する溶接棒と接触しないように極板群４中央部の中空部にはみ出さない位置とした。

《実施例２》
図２（ａ）に示すように銅箔１２とニッケル製負極リード５を負極板２の幅方向から角度を２０°傾けた方向に接続し、図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように電池外装ケース９と極板群４の間で１８０°折り返しを１回、９０°折り曲げを１回行った。この時、銅箔１２から最後の折り返し点ｙ点までの間のニッケル製負極リード５が、極板群４中央部の中空部を通って電池外装ケース９とニッケル製負極リード５の溶接点ｚ点に到達する溶接棒と接触しないように極板群４中央部の中空部にはみ出さない位置とした。

《実施例３》
図３（ａ）に示すように銅箔１２とニッケル製負極リード５を負極板２の幅方向から角度を４０°傾けた方向に接続し、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように電池外装ケース９と極板群４の間で１８０°折り返しを１回、９０°折り曲げを１回行った。この時、銅箔１２から最後の折り返し点ｙ点までの間のニッケル製負極リード５が、極板群４中央部の中空部を通って電池外装ケース９とニッケル製負極リード５の溶接点ｚ点に到達する溶接棒と接触しないように極板群４中央部の中空部にはみ出さない位置とした。

《実施例４》
図４（ａ）に示すように銅箔１２とニッケル製負極リード５を負極板２の幅方向から角度を６０°傾けた方向に接続し、図４（ｂ）および図４（ｃ）に示すように電池外装ケース９と極板群４の間で１８０°折り返しを１回、９０°折り曲げを１回行った。この時、銅箔１から最後の折り返し点ｙ点までの間のニッケル製負極リード５が、極板群４中央部の中空部を通って電池外装ケース９とニッケル製負極リード５の溶接点ｚ点に到達する溶接棒と接触しないように極板群４中央部の中空部にはみ出さない位置とした。

《比較例１》
図５（ａ）に示すように、銅箔１２とニッケル製負極リード５を負極板２の幅方向に接続し、図５（ｂ）および図５（ｃ）に示すように９０°折り曲げを1回行った。

実施例１〜４、および比較例１で作製した円筒形リチウムイオン二次電池をｎ＝５０セルずつ落下試験を行った。落下試験の方法について以下に示す。

落下試験前、電池の内部抵抗（Ｉ₁）を測定した。

落下方向 ： ３方向（円筒形電池の上下方向および側面方向、図６参照）
落下高さ ： １ｍ
落下場所 ： コンクリート上に落下
落下回数 ： ３方向各１回落下を１セットとして１００セット
落下試験後、電池の内部抵抗（Ｉ₂）を測定した。

内部抵抗の変化（Ｘ）をＸ＝Ｉ₂−Ｉ₁により求めた。変化が１０ｍΩより大きい電池の数を表１に示す。また、１０ｍΩよりも大きい電池については、分解解析を行い、抵抗上昇原因を調べた。その結果を表１に示す。

表１は落下試験により電池内部抵抗が上昇した電池の数と、内部抵抗が上昇した電池の解析結果を示しているが、比較例１では電池内部抵抗の上昇がり、その原因は電池外装ケースと負極リードとの溶接点の外れ、負極リードと集電体との溶接点の外れ、集電体の破れであった。実施例１〜４のいずれも電池内部抵抗上昇は起こっていない。これは負極リードがバネ性を有するように折り曲げられているため、落下による衝撃により群がケースに対して動こうとする力がリード部のバネ性により大幅に緩和され、リード溶接部およびその近傍の集電体に加わらず、溶接外れや集電体破れよる内部抵抗上昇が起こらなかったためと考えられる。

なお、前述した実施例では円筒形リチウムイオン二次電池について説明したが、同様の構造であればリチウムイオン二次電池以外の円筒形電池、例えば、リチウム一次電池、マグネシウム二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドニウム二次電池にも適用することができ、同様の効果を得ることができる。

また、前述した実施例では負極リードと電池外装ケースとを溶接により接続した場合について説明したが、正極リードと電池外装ケースとを溶接により接続した場合についても同様の効果が得られるものである。

本発明によれば、落下時にも内部抵抗上昇のない優れた電池を得ることができる。

（ａ）本発明の一実施の形態における円筒形電池の負極板概略図、（ｂ）本発明の一実施の形態における円筒形電池の概略縦断面図、（ｃ）本発明の一実施の形態における円筒形電池の負極リードの折り畳み概略図 （ａ）本発明の別の実施の形態における負極リードを２０°傾けた場合の円筒形電池の負極板概略図、（ｂ）本発明の別の実施の形態における負極リードを２０°傾けた場合の円筒形電池の概略縦断面図、（ｃ）本発明の別の実施の形態における負極リードを２０°傾けた場合の円筒形電池の負極リードの折り畳み概略図 （ａ）本発明の別の実施の形態における負極リードを４０°傾けた場合の円筒形電池の負極板概略図、（ｂ）本発明の別の実施の形態における負極リードを４０°傾けた場合の円筒形電池の概略縦断面図、（ｃ）本発明の別の実施の形態における負極リードを４０°傾けた場合の円筒形電池の負極リードの折り畳み概略図 （ａ）本発明の別の実施の形態における負極リードを６０°傾けた場合の円筒形電池の負極板概略図、（ｂ）本発明の別の実施の形態における負極リードを６０°傾けた場合の円筒形電池の概略縦断面図、（ｃ）本発明の別の実施の形態における負極リードを６０°傾けた場合の円筒形電池の負極リードの折り畳み概略図 （ａ）本発明の比較例における円筒形電池の負極板概略図、（ｂ）本発明の比較例における円筒形電池の概略縦断面図、（ｃ）本発明の比較例における円筒形電池の負極リードの折り畳み概略図 円筒形電池の落下試験の落下方向を示す概略図

符号の説明

１ 正極板
２ 負極板
３ セパレータ
４ 極板群
５ ニッケル製負極リード
６ アルミニウム製正極リード
７ 上部絶縁板
８ 下部絶縁板
９ 外装ケース
１０ 封口板
１１ 絶縁ガスケット
１２ 銅箔

Claims (4)

1. 帯状の正極集電体に正極活物質を含む正極合剤からなる正極板と、帯状の負極集電体に負極活物質を含む負極合剤からなる負極板との間に、帯状のセパレータを介して渦巻き状に捲回した略円柱状の極板群を電池外装ケースに封入した円筒形電池であって、
   前記負極板に接続した負極リードと電池外装ケースとを電気的に接続し、前記正極板に接続した正極リードと封口体とを電気的に接続しており、
   前記略円柱状の極板群の上端には上部絶縁板が配置し、前記極板群の下端には下部絶縁板が配置する円筒形電池において、
   前記下部絶縁板の下部に配置する前記負極リードが、前記電池外装ケースに接続するまでの間で、少なくとも１回折り返されている円筒形電池。
2. 前記負極リードは、前記負極板の幅方向に対して傾いた状態で電気的に接続され、
   前記下部絶縁板の下部に配置する前記負極リードが、前記電池外装ケースに接続するまでの間で、少なくとも１回折り返されている請求項１記載の円筒形電池。
3. 帯状の正極集電体に正極活物質を含む正極合剤からなる正極板と、帯状の負極集電体に負極活物質を含む負極合剤からなる負極板との間に、帯状のセパレータを介して渦巻き状に捲回した略円柱状の極板群を電池外装ケースに封入した円筒形電池であって、
   前記正極板に接続した正極リードと電池外装ケースとを電気的に接続し、前記負極板に接続した負極リードと封口体とを電気的に接続しており、
   前記略円柱状の極板群の上端には上部絶縁板が配置し、前記極板群の下端には下部絶縁板が配置する円筒形電池において、
   前記下部絶縁板の下部に配置する前記正極リードが、前記電池外装ケースに接続するまでの間で、少なくとも１回折り返されている円筒形電池。
4. 前記正極リードは、前記正極板の幅方向に対して傾いた状態で電気的に接続され、
   前記下部絶縁板の下部に配置する前記正極リードが、前記電池外装ケースに接続するまでの間でとの間で、少なくとも１回折り返されている請求項３記載の円筒形電池。