JP2011198562A - 二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】軸芯15の缶底側に溶接時の電極棒が殆ど、がたがなく差し込まれる直径を有する缶底側中空部61を形成する。また、軸芯15の缶頂側に、円弧状中空部52と矩形状中空部53との組合せからなる複合形状の缶頂側中空部51を設ける。缶頂側中空部51における断面形状の最小の幅を缶底側中空部61の直径より大きくし、駆動軸の回転被駆動部とする。
【選択図】図4
Description
一方、電極集電部材を電池缶に溶接する電極棒の直径は、小さい方が効率的である。このため、軸芯の中空部と電極棒とには、従来において、かなり大きながたつきがあり、溶接部の位置がずれたり、電極棒が傾いて片当りになったりすることにより溶接不良が生じていた。
本発明の目的は、正極集電部あるいは負極集電部と出力端との電気的な接続の不良を低減できる二次電池を提供することである。
1.以下の実施の形態では、円筒形の電池缶2を容器として使用しており、電池缶2に収納される、軸芯15に捲回された電極群10の外周を円筒形状とすることができる。このような構造により、電極群10は捲回構造の内側から外側に向かって徐々に曲率が変わる形状となり、応力集中を低減できる。特にリチウムイオン二次電池では、充電および放電状態において電極群の厚みが変わる現象が生じるが、この現象に対する応力集中などを少なくでき、信頼性の向上につながる。
2.電極群10を捲回するための軸芯15を中空とし、中空形状の軸に沿った方向における一方側の断面を他方側の断面より大きい形状としている。このため、一方側の中空部を、電極群10を捲回するための軸芯15への回転トルクの伝達のために利用できる。これにより電極群10を捲回するための軸芯15の回転トルクの制御が容易となり、電極群10の張力を適切に制御できる。これによりリチウムイオン二次電池の信頼性が向上する。さらに特性の改善にもつながる。
3.軸芯15の断面の小さい他方側の中空部を、溶接のための電極棒73のガイドとして利用でき、溶接部の信頼性を向上できる。これによりリチウムイオン二次電池の信頼性が向上する。
4.上述の2および3の課題解決を組み合わせることにより、信頼性のみならずリチウムイオン二次電池の生産性を向上することができる。
5.以下の実施の形態では、正極あるいは負極の一方の集電部材を軸芯15の大きい断面形状の中空部を利用して保持している。この構造により、集電部材の保持機構が簡素化され、結果として小型化が可能となる。すなわちリチウムイオン二次電池の体積に対する保持電力の割合が増大する。
6.上記5に記載の構造では、捲回された電極群10と集電部材との距離を短くすることに役立ち、正極リード16あるいは負極リード17を小さくできる効果がある。この構造により小型化の効果に加えリチウムイオン二次電池の特性においても改善につながる。また上記構造は信頼性の向上においても望ましい構造である。
7.以下の実施の形態では、正極あるいは負極の他方の集電部材を軸芯15の中空部を小さい断面形状の外周を利用して保持している。中空部の断面形状が小さいので軸芯15の他端部の厚さが増大し、軸芯15の外周を加工することが可能となる。このように外周を利用して集電部材を保持する構造とすることにより、軸芯15の他端部の集電部材の取付構造を簡単な構造とすることができ、リチウムイオン二次電池の小型化につながる効果がある。
8.上記7に記載の構造は、捲回された電極群10と集電部材との距離を短くすることに役立ち、正極リード16あるいは負極リード17を小さくできる効果がある。この構造により小型化の効果に加えリチウムイオン二次電池の特性においても改善につながる。また上記構造は信頼性の向上においても望ましい構造である。
以下、この発明に係る二次電池の実施の形態として、リチウムイオン二次電池を一実施形態として、図面を用いて説明する。
−リチウムイオン二次電池の構造−
図1は、本発明に係るリチウムイオン二次電池の一実施形態を示す拡大断面図であり、図2は、図1に示されたリチウムイオン二次電池の分解斜視図である。
本発明は、外観が角形の二次電池にもまた外観が円筒形の二次電池にも適用可能である。特に外観が円筒形のリチウムイオン二次電池に適用するのに本発明はより適している。従って、以下、外観が円筒形のリチウムイオン二次電池を例として説明する。
円筒形二次電池1は、例えば、外形40mmφ、高さ100mmの寸法を有する。この円筒形二次電池1は、上部が開口された有底円筒形の電池缶2および電池缶2の上部を封口するハット形の蓋3で構成される電池容器4の内部に、以下に説明する発電用の各構成部材が収容されている。
電極群10は、中央部に軸芯15を有し、軸芯15の周囲に正極電極および負極電極が捲回されている。図3は電極群10の構造の詳細を示し、一部を切断した状態の斜視図である。図3に図示されるように、電極群10は、軸芯15の外周に、負極電極12、正極電極11および第1、第2のセパレータ13、14が捲回された構造を有する。
WS>WC>WA(図3参照)
すなわち、正極合剤11bの幅WAよりも、常に、負極合剤12bの幅WCが大きい。これは、リチウムイオン二次電池の場合、正極活物質であるリチウムがイオン化してセパレータを浸透するが、負極側に負極活物質が形成されておらず負極シート12bが表出していると負極シート12aにリチウムが析出し、内部短絡を発生する原因となるからである。
軸芯15は、図1および図3に図示されるように、軸方向に貫通する中空部を有し、外形が円筒形状を有する。軸芯15の構造は、本発明に係る二次電池の特徴の内の1つであり、詳細は後述することとし、ここでは、概要のみを記載する。
また、正極集電部材27をアルミニウムで形成することにより、正極シート11aの正極リード16を超音波溶接またはスポット溶接等により溶接することが可能となる。
負極シート12aの負極リード17は、すべて、負極集電部材21の外周筒部21cに超音波溶接等により溶接される。各負極リード17は大変薄いため、大電流を取りだすために、軸芯15への巻き始めから巻き終わりまで全長にわたり、所定間隔で多数形成されている。この構造により電流を略均等に分散して流すことができ、リチウムイオン二次電池の信頼性の向上に繋がっている。
絶縁板34は、円形の開口部34aを有する絶縁性樹脂材料からなるリング形状を有し、正極集電部材27の上部筒部27c上に載置されている。
なお、蓋3が鉄で形成されている場合には、別の円筒形二次電池と直列に接合する際、鉄で形成された別の円筒形二次電池とスポット溶接により接合することが可能である。
軸芯15の缶頂側中空部51には、捲回装置(図示せず)の駆動軸71が嵌合される。駆動軸71は、前述した如く、缶頂側中空部51の矩形状中空部53にほぼ緊密に嵌合される。矩形状中空部53内部に嵌合される駆動軸71の長さは、中間中空部65の上端縁の付近まで達するものであってもよいし、矩形状中空部53の上部一端部に対応する程度の短い長さであってもよい。
図9および図10は、電池缶2内に蓄電ユニット20を収容し、負極通電リード23を電池缶2の底部内面2bに抵抗溶接を行う状態を示す拡大断面図である。
抵抗溶接を行うには、図9および図10に図示される如く、軸芯15の中空部に電極棒73を挿通して、電極棒73の先端部を負極通電リード23に当接し、負極通電リード23の下面を電池缶2の底部内面2bに接触させた状態で電極棒に電流を流す。
次に、上記構成の円筒形二次電池の製造方法の一例を説明する。
〔電極群の作製〕
先ず、電極群10を作製する。
正極シート11aの両面に、正極合剤11bおよび正極合剤未処理部11cが形成され、また、多数の正極リード16が正極シート11aに一体に形成された正極電極11を作製する。また、負極シート12aの両面に負極合剤12bおよび負極処理部12cが形成され、多数の負極リード17が負極シート12aに一体に形成された負極電極12を作製する。
最外周の第1のセパレータ13の外周にテープ19を接着して電極群10が作製される。
次に、作製された電極群10を用いて蓄電ユニット20を作製する。
電極群10の軸芯15の下部に負極集電部材21を取り付ける。負極集電部材21の取り付けは、負極集電部材21の開口部21bを軸芯15の下端部に設けられた段部69に嵌入して行う。次に、負極集電部材21の外周筒部21cの外周の全周囲に亘り、負極リード17をほぼ均等に配分して密着し、負極リード17の外周に押え部材22を巻き付ける。そして、超音波溶接等により、負極集電部材21に負極リード17および押え部材22を溶接する。次に、軸芯15の下端面と負極集電部材21とに跨る負極通電リード23を負極集電部材21に溶接する。
次に、蓄電ユニット20を電池缶2に収容する。
蓄電ユニット20を収容可能なサイズを有する金属製の有底円筒部材に、上述の工程を経て作製された蓄電ユニット20を収容する。有底円筒部材は、電池缶2となるものである。以下において、説明を簡素にして明瞭にするために、この有底円筒部材を電池缶2として説明する。
次に、蓄電ユニット20の負極側を電池缶2に溶接する。
電池缶2内に収納した蓄電ユニット20の負極通電リード23を、電池缶2の底部内面2bに抵抗溶接等により溶接する。図9に図示されるように、正極集電部材27の開口部27dおよび軸芯15の缶頂側中空部51に電極棒73を差し込む。このとき、缶頂側中空部51は、円弧状中空部52の幅WNおよび矩形状中空部53の幅WMのいずれも缶底側中空部61の直径Dよりも大きい。このため、電極棒73の缶頂側中空部51への差込みは容易であり能率よく行うことができる。
電池缶2の溝2aは、蓄電ユニット20の上端部、換言すれば、正極集電部材27の上端部近傍に位置するように形成する。なお、この工程において形成する溝2aは、後述する如く、最終的な形状またはサイズではなく、仮の形状またはサイズのものである。
次に、電池缶2の内部に、正極集電部材27の開口部27eから非水電解液を所定量注入する。
非水電解液の一例としては、前述した通りである。
一方、発電ユットの作製および電池缶2への収容とは別に、蓋ユニット30を作製しておく。
蓋ユニット30は、前述した如く、絶縁板34、絶縁板34に設けられた開口部34aに嵌入された接続板35、接続板35に溶接されたダイアフラム37およびダイアフラム37にかしめにより固定された蓋3により構成されている。
次に、蓄電ユニット20と蓋ユニット30とを電気的に接続する。
正極集電部材27の基部27aに接続部材45の一端部を、例えば、超音波溶接等により溶接する。そして、蓋3、ダイアフラム37、接続板35および絶縁板34が一体化された蓋ユニット30を、接続部材45の他端部に近接して配置する。次に、接続部材45の他端部を接続板35の下面に、レーザ溶接により溶接する。この溶接は、接続部材45の他端部における接続板35との接合面が、正極集電部材27に溶接された接続部材45の一端部の接合面と同じ面となるようにして行う。
次に、電池缶2に収容された蓄電ユニット20の正極集電部材27に電気的に接続された蓋ユニット30を電池缶2に固定することにより電池缶2を封口する。
電池缶2の溝2aの上にガスケット43を収容する。この状態におけるガスケット43は、図2に図示するように、リング状の基部43aの上方に、基部43aに対して垂直な外周壁部43bを有する構造となっている。この構造で、ガスケット43は、電池缶2の溝2a上部の内側に留まっている。ガスケット43は、ゴムで形成されており、限定する意図ではないが、1つの好ましい材料の例として、エチレンプロピレン共重合体(EPDM)をあげることができる。また、例えば、電池缶2が厚さ0.5mmの炭素鋼製で、外径が40mmΦの場合、ガスケット43の厚さは10mm程度とされる。
これにより、ダイアフラム37、蓋3、接続板35および絶縁板34が一体化された蓋ユニット30が、ガスケット43を介して電池缶2に固定され、また、正極集電部材27と蓋3が接続部材45、接続板35およびダイアフラム37を介して導電接続され、図1に図示された円筒形二次電池1が作製される。
しかも、缶頂側中空部51と缶底側中空部61との間には、缶頂側中空部51と缶底側中空部61に向かって漸次平面サイズが小さくなる傾斜面を有する中間中空部65を有する構成を備えている。これにより、電極棒73と缶底側中空部61との公差が小さいにも拘わらず、電極棒73の中間中空部65への差込みが容易であるという効果を奏する。
なお、軸芯5は、実施形態1に説明した構造に限られるものではなく、種々の形態をとり得る。以下、他の実施形態について説明する。
図11〜図14は、本発明に係る二次電池の軸芯の実施形態2を示す。図11は、一部を軸方向に沿って切断した状態の軸芯の拡大断面図である。図12、図13、図14は、それぞれ、図11におけるXII−XII線、XIII−XIII線およびXIV−XIV線に沿って切断した拡大断面図である。
実施形態2の軸芯15も実施形態1と同様に、缶頂側中空部54、缶底側中空部61および中間中空部66を備えている。缶底側中空部61は、実施形態1と同一であり、電極棒73が殆ど、がた分が無く挿通される直径を有する溶接部材案内部となっている。
図15〜図18は、本発明に係る二次電池の軸芯の実施形態3を示す。図15は、一部を軸方向に沿って切断した状態の軸芯の拡大断面図である。図16、図17、図18は、それぞれ、図15におけるXVI−XVI線、XVII−XVII線およびXVIII−XVIII線に沿って切断した拡大断面図である。
実施形態3の軸芯15も実施形態1と同様に、缶頂側中空部55、缶底側中空部61および中間中空部67を備えている。缶底側中空部61は、実施形態1と同一であり、電極棒73が、殆どがた分が無く挿通する直径を有する溶接部材案内部となっている。
図19は、本発明に係る二次電池の軸芯の実施形態4を示す。実施形態1〜3においては、缶頂側中空部の上面および断面形状は、幅および長さのいずれかのサイズが他方より大きいものであった。
実施形態4に示す軸芯15は、缶頂側中空部56の上面および断面における幅および長さのサイズが同一である点に特徴を有する。
すなわち、図19に図示された軸芯15の缶頂側中空部56における上面形状は、円に内接する正八角形形状を有する。缶頂側中空部56は、缶底側中空部61と同軸上に形成される。そして、缶頂側中空部56の断面形状である正八角形に内接する円の直径は缶底側中空部61の直径よりも大きい。
実施形態4における軸芯15に対しては、捲回装置の駆動軸71は、缶頂側中空部56の上面形状と同じ正八角形形状の断面を有するものとするか、あるいは、対角線上にある一対の辺間に嵌合される矩形形状の断面を有するものとすればよい。
実施形態4では、缶頂側中空部56の断面が正八角形形状とされた場合を例示したが、缶頂側中空部56の断面形状はこれに限られるものではなく、正四角形状、正六角形状あるいは正八角形状よりも多角の多角形状としてもよい。
実施形態1〜4に示された軸芯15はいずれも、溶接部材である電極棒73を挿通する案内用中空部の下端面が、軸芯15の下面に達する構造であった。
図20に実施形態5として例示された軸芯15は、溶接部材案内用中空部は軸芯の軸方向の中間部に配置されている点に第1の特徴を有する。
また、実施形態3の場合と同様に、電極棒73を案内するために缶底側中空部62を有している。しかし、実施形態5に例示された軸芯15において、缶底側中空部62の下端面は、軸芯15の下面15aに達するものではない。軸芯15の下面15aから所定の高さの径大部63が形成されている。この径大部63は、図示の如く、缶底側中空部62よりも大きい直径を有している。この径大部63は、図示はしないが、負極集電部材21の内側に設けられた小筒部を嵌合するためのものである。
また、実施形態5においては、缶頂側中空部55の形状を実施形態3の場合を一例として示したが、缶頂側中空部の形状は他の実施形態に示されたものを自由に採用することができる。
図21は、円筒形二次電池の軸芯の実施形態6を示す一部を軸方向に沿って切断した拡大断面図であり、図22は、図21の上面図である。
この実施形態では、軸芯15の中空部81は、缶頂側から缶底側に向けて断面が楕円形の錐台形状をしている。
すなわち、図22に図示されるように、中空部81の上面および下面は、軸芯15の中心軸と同軸の楕円形をしている。上面側の楕円部81aは下面側の楕円部81bより大きいサイズである。
また、軸芯15の缶底側中空部の断面形状を円形や楕円形でなく、多角形形状とすることもできる。さらに、電極棒73が断面円形の場合のみでなく、断面が楕円形状の場合や多角形状の場合にも適用することができる。
また、二次電池として、非水電解液を用いた円筒形のリチウムイオン電池の場合で説明した。しかし、本発明は、ニッケル水素電池またはニッケル・カドミウム電池のように水溶性電解液を用いる二次電池にも適用が可能である。
上述の各実施の形態では、電極群は正極電極と負極電極とセパレータとが重ねられた状態で軸芯に捲回された構造に成している。軸芯に電極群を捲回する製造工程では、軸芯の外形寸法が小さいと応力が集中するなどの状態が生じ、耐久性などの点で好ましくない。
2 電池缶
3 蓋
4 電池容器
10 電極群
11 正極電極
12 負極電極
13 第1のセパレータ
14 第2のセパレータ
15 軸芯
16 正極リード
17 負極リード
20 蓄電ユニット
21 負極集電部材
27 正極集電部材
30 蓋ユニット
34 絶縁板
35 接続板
37 ダイアフラム
43 ガスケット
45 接続部材
51、54、55、56 缶頂側中空部
61 缶底側中空部
65、66、67、68 中間中空部
71 駆動軸
73 電極棒
81 中空部
Claims (6)
- 中央部に軸方向に貫通する中空部を有する軸芯と前記軸芯の周囲に捲回された正極電極および負極電極を有し、電解液を有する蓄電ユニットと、
前記蓄電ユニットが収容された電池容器と、を備え、
前記軸芯の中空部は、前記軸芯の中空部の軸に沿った方向における一方側が他方側より、前記軸をよぎる断面が大きい形状を成すことを特徴とする二次電池。 - 中央部に軸方向に貫通する中空部を有する軸芯と、前記軸芯の周囲に捲回された正極電極と負極電極と前記正極電極および負極電極の間に設けられたセパレータと、前記軸芯の軸方向の一端側および他端側にそれぞれ設けられ前記正極電極あるいは前記負極電極にそれぞれ接続された第1および第2の電極集電部材とを有する蓄電ユニットと、前記蓄電ユニットが収容された電池容器と、を備え、
前記第1の電極集電部材が直接または他の部材を介して前記電池容器に溶接にて電気的に接続されており、
前記軸芯の中空部は、前記電池容器の前記溶接されている側の前記軸を横切る断面に対して、前記溶接されている側の反対側の前記軸を横切る断面が大きい形状を成していることを特徴とする二次電池。 - 請求項1または2のいずれかに記載の二次電池において、
前記軸芯の中空部の前記軸を横切る断面は、前記軸方向の一方側が他方側より大きい形状を成し、
前記中空部の一方側と他方側がそのつながり部分で連続した状態でつながっていることを特徴とする二次電池。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の二次電池において、
前記軸芯の一方側の中空部は、軸方向に直交する断面が、少なくとも一部に直線部分を含む形状を成していることを特徴とする二次電池。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の二次電池において、
前記電池容器は一方側が開口する有底円筒形状を成し、
前記蓄電ユニットは円筒形状をなし、
前記蓄電ユニットは前記電池容器の開口側に設けられた正極リードと、前記電池容器の底側に設けられた負極リードとを有しており、
前記軸芯の開口側の中空部の軸をよぎる断面積が、前記軸芯の底側の中空部の軸をよぎる断面積より大きい形状を成し、
前記軸芯の開口側と底側とにそれぞれ前記集電部材が設けられ、
前記開口側の集電部材は固定部を有し、前記固定部が前記軸芯の開口側の中空部内部に挿入されて前記開口側の集電部材が固定されている、ことを特徴とする二次電池。 - 請求項5に記載の二次電池において、
前記低側に設けられた集電部材は固定部を有し、前記固定部が前記軸芯における前記電池容器の底部側の端部外周に嵌合することにより前記底部側の集電部材が固定されていることを特徴とする二次電池。
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