JP2008244253A - 筒型蓄電素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】巻回電極体を用いた筒型蓄電素子において、その生産適性を阻害することなく、その巻回電極体の変形を確実に防止し、耐振動等の機械的安定性にすぐれた筒型蓄電素子とする。
【解決手段】正極２２、負極２３、セパレータ２４からなる帯状の電極シート２１が巻回された巻回電極体２０が、電解液とともに筒状の素子缶１１内に密閉収容された筒型蓄電素子において、上記巻回電極体２０は両端に絶縁フランジ５４，５７を有する巻軸５１に巻回されて形成され、上記巻軸５１は上記電極シート２０の巻回開始端部を、少なくとも電極シート２０の巻回時に固定するための固定手段５２／５３を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒型蓄電素子およびその製造方法に関し、とくに巻回電極体を用いたものに適用して有効なものに関する。

最近、蓄電素子として、電解液アニオンの吸脱着あるいは吸蔵・放出が可能な正極、リチウム塩を含んだ非水電解液、Ｌｉイオンの吸蔵・放出が可能な負極を用いて充放電の可逆プロセスを行うリチウムイオン型蓄電素子が提供されている。

この蓄電素子は、リチウム複合酸化物を用いた従来のリチウムイオン二次電池に対し、充放電サイクル特性にすぐれている、充電時間が短いなど、二次電池とキャパシタのそれぞれの利点を兼ね備えた蓄電素子として注目されている。

このような蓄電素子を、巻回電極体を用いて作製する場合、まず、シート状の正極、負極、セパレータからなる電極シートを巻き取り芯に巻回する。次に、その巻き取り芯を除去して巻回電極体を作製する。このようにして作製された巻回電極体を筒状素子缶に電解液ととともに密閉収容する。素子缶は金属製であって一方極の端子（負極端子）を兼ねる。この素子缶の開口部は、他方極の端子（正極端子）を備えた封口体を用いて封口される（たとえば特許文献１，２参照）。

上記のように作製された巻回電極体は巻き取り芯を除去した後の中心に空洞部が残っているが、このような巻回電極体を用いた蓄電素子では、充放電にともなう電極の膨張収縮による電極体の変形が起きる。

近年、蓄電素子に対する高容量化および高出力化に対する要求が高くなっている。これに対応するため、巻回電極体は薄くて長い電極を多く巻いて作製されるようになってきたが、これにより電極の膨張収縮がさらに大きくなって、電極体の変形が顕著に現れるようになった。この変形を防止するため、図５あるいは図６に示すように、巻回電極体２０の中心空洞部２０ａにセンターピン６０あるいは７０を挿入することが提案されている。

図５は、巻回電極体２０を用いた従来の蓄電素子（リチウムイオン二次電池）の第１の構成例を示す（特許文献１参照）。この蓄電素子では、正極、負極、セパレータからなる帯状の電極シートが巻回された巻回電極体２０が、電解液とともに筒状の素子缶１１内に密閉収容されている。素子缶１１は金属製であって、その外底面が負極端子部１２を形成するとともに、その開口部が、正極端子板１３を含む封口体で密閉封口されている。

電極体２０の負極は素子缶１１に導電接続され、正極は導電リード２５を介して正極端子板１３に導電接続されている。巻回電極体２０は、その中心空洞部２０ａに直線棒状のセンターピン６０が挿入されることにより変形が防止されている。

しかし、この構成例では、蓄電素子の内圧が何らかの異常で上昇したときなどに、センターピン６０が中心空洞部２０ａから飛び出してしまうことがあった。このセンタ−ピン６０は振動によっても移動し、飛び出しや位置ずれが起きやすいといった問題が生じる。

図６は、巻回電極体２０を用いた従来の蓄電素子（リチウムイオン二次電池）の第２の構成例を示す（特許文献２参照）。上記第１構成例との相違に着目すると、この第２構成例では、上端にフランジ７１を有するセンターピン７０が巻回電極体２０の中心空洞部２０ａに挿入されている。この構成例では、フランジ７１が素子缶１１内で移動範囲を規制されることにより、センターピン７０の飛び出しを抑制することができる。
特開平４−３３２４８１号公報 特開２０００−１１９８１号公報

しかしながら、上述した従来の技術では、製造工程において巻回電極体２０の中心空洞部２０ａにセンターピン６０あるいは７０を挿入する際に、電極体２０を変形あるいは傷つけてしまうといった挿入不良が生じやすい。つまり、従来のセンターピン６０または７０による巻回電極体２０の変形防止は、生産適性が阻害されるという問題があった。

上記挿入不良を少なくするためには、中心空洞２０ａの内径に対してセンターピン６０，７０の外径を細くすることが考えられるが、この場合は、巻回電極体２０とセンターピン６０，７０との間に間隙ができるため、変形防止の効果が十分に達成されなくなるという問題が生じる。また、端部をテーパー状に細径化するなどして挿入しやすくしたセンターピン６０，７０は、挿入後に移動しやすいという背反があった。センターピン６０，７０の移動は巻回電極体２０の変形や損傷の原因となる。

本発明は以上のような問題を克服するものであって、その目的は、巻回電極体を用いた筒型蓄電素子において、その生産適性を阻害することなく、その巻回電極体の変形を確実に防止し、耐振動等の機械的安定性にすぐれた筒型蓄電素子を提供することにある。

本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。

本発明は次のような解決手段を提供する。
（１）正極、負極、セパレータからなる帯状の電極シートが巻回された巻回電極体が、電解液とともに筒状の素子缶内に密閉収容された筒型蓄電素子において、上記巻回電極体は両端に絶縁フランジを有する巻軸に巻回されて形成され、上記巻軸は上記電極シートの巻回開始端部を少なくとも電極シートの巻回時に固定するための固定手段を備えていることを特徴とする筒型蓄電素子。

（２）上記手段（１）において、上記巻軸とフランジが金属以外の絶縁体で構成されていることを特徴とする筒型蓄電素子。
（３）上記手段（１）または（２）において、上記巻軸は中空管状に形成されるとともに、上記固定手段として、その中空管壁に上記電極シートの巻回開始端部を真空吸引吸着するための微細孔が設けられていることを特徴とする筒型蓄電素子。
（４）上記手段（１）または（２）において、上記巻軸は、上記固定手段として、上記電極シートの巻回開始端部を差し込んで係止固定するスリットを備えていることを特徴とする筒型蓄電素子。

（５）上記手段（１）〜（４）に記載の筒型蓄電素子の製造方法において、上記電極シートを両端に絶縁フランジを有する巻軸に巻回して筒状の巻回電極体を形成する第１の工程と、この巻回電極体を上記巻軸に巻回された状態で筒状の素子缶内に装填する第２の工程とを行うことを特徴とする筒型蓄電素子の製造方法。

巻回電極体を用いた筒型蓄電素子において、その生産適性を阻害することなく、その巻回電極体の変形を確実に防止し、耐振動等の機械的安定性にすぐれた筒型蓄電素子を提供することができる。

上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。

図１は本発明の第１実施形態をなす筒型蓄電素子の断面図およびその要部をなす部品の斜視図を示す。また、図２の（ａ）〜（ｄ）は巻回電極体２０部分の構成をその工程段階別に示す。

図１および図２に示す第１実施形態の筒型蓄電素子は、電解液イオンの吸脱着あるいは吸蔵・放出が可能な正極２２、リチウム塩を含んだ非水電解液、Ｌｉイオンの吸蔵・放出が可能な負極２３を用いて充放電の可逆プロセスを行わせるようにしたリチウムイオン型蓄電素子であって、正極２２と負極２３はそれぞれ、金属箔からなる集電体の両面に電極材料を塗布等により層状に付着させたシート状に形成されている。

このシート状の正極２２と負極２３がセパレータ２４を介して重ね合わせられて帯状の電極シート２１が形成され、この電極シート２１が巻回されて巻回電極体２０が形成されている（図２の（ｃ）（ｄ））。

巻回電極体２０は電解液とともに筒状の素子缶１１内に密閉収容されている。素子缶１１は金属製であって、その外底面が負極端子部１２を形成するとともに、その開口部が、正極端子板１３を含む封口体で密閉封口されている。電極体２０の負極は素子缶１１に導電接続され、正極は導電リード２５を介して正極端子板１３に導電接続されている（図１）。

巻回電極体２０は、両端に絶縁フランジ５４，５７を有する巻軸５１に巻回されて形成されている。巻軸５１とフランジ５４，５７は金属以外の絶縁体、たとえば合成樹脂の成型品で構成されている。

巻軸５１は中空管状に形成されているとともに、電極シート２１の巻回開始端部を少なくとも電極シート２１の巻回時に固定するための固定手段が設けられている。この固定手段として、この第１実施形態では、巻軸５１の中空管壁に電極シート２１の巻回開始端部を真空吸引吸着するための微細孔５２を設けている（図２の（ａ）〜（ｃ））。

電極シート２１は、上記巻軸５１の長さと同幅に裁断された正極２２と負極２３をその間にセパレータ２４を挟みながら巻軸５１に巻回して形成される。その巻回は、巻軸５１の中空管内部を真空吸引することにより電極シート２１の端部を巻軸５１に吸着・固定し、巻軸５１を所定トルクで回転させることにより行うことができる（図２の（ｃ）（ｄ））。

このようにして巻回された巻回電極体２０が巻軸５１とともに筒状の素子缶１１内に収容されている。巻軸５１の両端にはフランジ５４，５７が設けられているが、これにより巻軸５１の移動や飛び出しが確実に阻止されるようになっている。

フランジ５４，５７はポリプロピレン製であって、少なくともその使用段階では巻軸５１と一体に構成されている。このフランジ５４，５７は、電極体２０の巻回を円滑かつ精度良く行わせるガイドとしての機能に加えて、次のような機能を併せ持つ。

すなわち、上側フランジ５４は巻回電極体２０上端面を素子缶１１内の所定位置に位置決めする押さえ板としての機能をなし、下側フランジ５７は電極体２０と素子缶１１内底面との間に介在する絶縁セパレータとしての機能をなす。上側フランジ５４には、巻回電極体２０からの導電リード２５を取り出すための扇状の切欠部５５と、電解液の流通を円滑にするための透孔５６が設けられている。

両端にフランジ５４，５７を有する巻軸５１は、巻回電極体２０を素子缶１１内に安定に収容および位置決めさせるとともに、巻回電極体２０の中心空洞部２０ａ内に密に介在してその電極体２０の変形を確実に防止することができる。さらに、その巻軸５１は電極体２０の巻回に使用したものがそのまま、電極体２０とともに素子缶１１内に収容されている。

このため、巻回電極体２０の変形防止のためにセンターピンを挿入する工程は不要であり、センターピンの挿入不良という問題はその原因から解消されている。さらに、上記巻軸５１は後工程で挿入されるセンターピンと違って、巻回電極体２０の巻回時からその中心空洞部２０ａに存在するため、後で挿入されるセンターピンと違って、その中心空洞部２０ａ内に密に介在させて電極体２０の変形を確実に防止させることができる。

以上のようにして、生産適性を阻害することなく、巻回電極体２０の変形を確実に防止し、耐振動等の機械的安定性にすぐれた筒型蓄電素子を得ることができる。

図３は本発明の第２実施形態をなす筒型蓄電素子の断面図およびその要部をなす部品の斜視図を示す。また、図４の（ａ）〜（ｄ）は巻回電極体２０部分の構成をその工程段階別に示す。

上記第１実施形態との相違点に着目すると、この第２実施形態では、上記固定手段として、電極シート２１の巻回開始端部を差し込んで係止固定するスリット５３が巻軸５１に設けられている。この場合、電極体２０の巻回は、電極シート２１の端部を巻軸５１のスリット５３に差し込んで係止固定し、巻軸５１を所定トルクで回転させることにより行うことができる（図２の（ｃ）（ｄ））。

このようにして巻回された電極体２０を巻軸５１とともに素子缶１１に収容することにより、挿入不良が生じやすいセンターピンの挿入工程を不要にすることができる。これにより、この第２実施形態でも、その生産適性を阻害することなく、その巻回電極体２０の変形を確実に防止し、耐振動等の機械的安定性にすぐれた筒型蓄電素子を得ることができる。

以下、本発明の実施例を比較例とともに示す。

＜＜実施例１＞＞
第１実施形態の巻軸５１（図１、図２）を用い、直径１８ｍｍ、高さ５０．０ｍｍの電極体を巻回し、この巻回電極体を巻軸とともに素子缶に収容してリチウムイオン型の蓄電素子を作製した。巻軸５１はポリプロピレン製で両端にフランジを有する。

＜＜実施例２＞＞
第２実施形態の巻軸５１（図３、図４）を用い、実施例１と同様、直径１８ｍｍ、高さ５０．０ｍｍの電極体を巻回し、この巻回電極体を巻軸とともに素子缶に収容してリチウムイオン型の蓄電素子を作製した。巻軸５１はポリプロピレン製で両端にフランジを有する。

＜＜比較例１＞＞
中心空洞部を有する巻回電極体を素子缶に収容した後、変形防止用のセンターピン６０（図５）を電極体の中心空洞部に挿入して、実施例１および２と同じタイプの蓄電素子を作製した。センターピン６０はＳＵＳ製で中空棒状に形成した。

＜＜比較例２＞＞
中心空洞部を有する巻回電極体を素子缶に収容した後、上端だけにフランジ７１を有するセンターピン７０（図６）を電極体の中心空洞部に挿入して、実施例１および２と同じタイプの蓄電素子を作製した。センターピン７０およびフランジ７１はポリプロピレン製で一体に形成した。

実施例１、２および比較例１、２の各素子をそれぞれ１００個ずつ組み立てたところ、比較例１では１００個中１０個で、比較例２では１００個中４３個で、それぞれ挿入不良が生じた。この場合、実施例１、２は挿入工程がないため、挿入不良は無関係である。

各蓄電素子について、正極端子側を上、負極端子側を下にして固定し、振幅１ｍｍ、周波数１０Ｈｚ−５０Ｈｚ−１０Ｈｚ、印加時間９０分（１Ｈｚ／分で変動）『ＮＤＳ Ｃ８５１０ｂ．４．５より』の条件で振動試験を行ったところ、比較例１では８個でセンターピンの飛び出しあるいは位置ずれが生じた。比較例２でも１個に位置ずれが生じた。一方、実施例１および２では飛び出しも位置ずれも皆無であった。

以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。本発明は上記リチウムイオン型蓄電素子に用いてとくに有効であるが、巻回型電極体を用いる蓄電素子あるいは電池であれば、たとえば電極にリチウム複合酸化物を用いたリチウムイオン二次電池、その他の非水電解液電池、あるいはアルカリ電池等にも適用可能である。

巻回電極体を用いた筒型蓄電素子において、その生産適性を阻害することなく、その巻回電極体の変形を確実に防止し、耐振動等の機械的安定性にすぐれた筒型蓄電素子を提供することができる。

本発明による筒型蓄電素子の第１実施形態を示す断面図および要部部品の斜視図である。 本発明の第１実施形態による蓄電素子をその組立工程段階別に示す図である。 本発明による筒型蓄電素子の第２実施形態を示す断面図および要部部品の斜視図である。 本発明の第２実施形態による蓄電素子をその組立工程段階別に示す図である。 従来の巻回電極体を用いた蓄電素子の第１構成例を示す図である。 従来の巻回電極体を用いた蓄電素子の第２構成例を示す図である。

符号の説明

１１ 素子缶、１２ 負極端子部、１３ 正極端子板、
２０ 巻回電極体、２０ａ 中心空洞部
２１ 電極シート、２２ 正極、２３ 負極、
２４ セパレータ、２５ 導電リード、
５１ 巻軸、５２ 微細孔（固定手段）、
５３ スリット（固定手段）、５４ 上側フランジ、
５５ 切欠部、５７ 下側フランジ、
５６ 透孔、６０，７０ センターピン、７１ フランジ

Claims (5)

1. 正極、負極、セパレータからなる帯状の電極シートが巻回された巻回電極体が、電解液とともに筒状の素子缶内に密閉収容された筒型蓄電素子において、上記巻回電極体は両端に絶縁フランジを有する巻軸に巻回されて形成され、上記巻軸は上記電極シートの巻回開始端部を少なくとも電極シートの巻回時に固定するための固定手段を備えていることを特徴とする筒型蓄電素子。
2. 請求項１において、上記巻軸とフランジが金属以外の絶縁体で構成されていることを特徴とする筒型蓄電素子。
3. 請求項１または２において、上記巻軸は中空管状に形成されるとともに、上記固定手段として、その中空管壁に上記電極シートの巻回開始端部を真空吸引吸着するための微細孔が設けられていることを特徴とする筒型蓄電素子。
4. 請求項１または２において、上記巻軸は、上記固定手段として、上記電極シートの巻回開始端部を差し込んで係止固定するスリットを備えていることを特徴とする筒型蓄電素子。
5. 請求項１〜４に記載の筒型蓄電素子の製造方法において、上記電極シートを両端に絶縁フランジを有する巻軸に巻回して筒状の巻回電極体を形成する第１の工程と、この巻回電極体を上記巻軸に巻回された状態で筒状の素子缶内に装填する第２の工程とを行うことを特徴とする筒型蓄電素子の製造方法。

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