JP2012160282A - 円筒形二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】導電リードが、薄い円筒形状を有する正極または負極の集電部材に捲回された状態で溶接されている円筒形二次電池において、導電リードのピッチの公差をΔp、導電リードの根元部と先端部の幅寸法の差をΔwとしたとき、導電リードのピッチが、導電リードの重なり枚数の標準偏差を導電リードの重なり枚数の標準偏差の平均値で除した数値の変動幅がΔpとΔwの和よりも大きい範囲に亘り0.2以下である領域A、B,Cのいずれかの領域内に定められている。
【選択図】図8
Description
正・負極の金属箔に形成された導電リードは、通常、数十mm程度の等間隔で配列されており、金属箔の長さは数千mmの長さを有するため、導電リードは、電極集電部材の外周に数十周捲回される。捲回された導電リードは、周回毎に位置がずれるため、重ね合わされる枚数は電極集電部材の位置により相違する。つまり、導電リードが重なる枚数にはばらつきが生じる。
これに伴って、導電リードと電極集電部材の内部抵抗等のばらつきが大きくなり電池性能が低下する。
図1は、この発明の円筒形二次電池の一実施の形態を示す拡大断面図であり、図2は、図1に示された円筒形二次電池の分解斜視図である。
円筒形二次電池1は、例えば、リチウムイオン二次電池であり、外形40mmφ、高さ100mmの寸法を有する。この円筒形二次電池1は、底部を有し、上部が開口された有底無頭の円筒形の電池缶2および電池缶2の上部を封口するハット型の電池蓋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、非水電解液5が注入されている。
電池缶2の中央部には、電極群10が配置されている。電極群10は、軸方向に沿う中空部を有する細長い円筒形の軸芯15と、軸芯15の周囲に捲回された正極電極および負極電極とを備える。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。また、図4は、図3に図示された電極群の正・負極電極、セパレータを一部展開した状態の平面図である。
図3に図示されるように、電極群10は、軸芯15の周囲に、正極電極11、負極電極12、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、正極処理部11bの幅WAよりも、常に、負極処理部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金属箔12aが表出していると負極金属箔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。
正極リード16および負極リード17は、根元部の幅w1が太く、先端部の幅w2が細い、先細形状を有する。一例を挙げれば、根元部の幅w1は5mm程度であり、先端部の幅w2が4mm程度、根元部の幅w1と先端部の幅w2の差Δwが1mm程度である。
正極リード16と負極リード17の根元部の幅w1と先端部の幅w2とは、同一であっても良いし、異なってもよい。後述する如く、正極リード16および負極リード17の幅は、導電リードの重ね枚数のばらつきに大きな影響がない。
図1および図3において、中空な円筒形状の軸芯15は軸方向(図面の上下方向)の上端部の内面に中空部よりも径大の溝15aが形成され、この溝15aに大略薄い円筒状の正極集電部材27が圧入されている。正極集電部材27は、例えば、アルミニウムにより形成され、円盤状の基部27a、この基部27aの内周部において軸芯15側に向かって突出し、軸芯15の内面に圧入される下部筒部27b、および外周縁において電池蓋3側に突き出す上部筒部27cを有する。正極集電部材27の基部27aには、電池内部で発生するガスを放出するための開口部27d(図2参照)が形成されている。
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、正極金属箔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。
負極金属箔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。
負極集電部材21の下面には、ニッケルからなる負極通電リード23が溶接されている。
負極通電リード23は、鉄製の電池缶2の底部において、電池缶2に溶接されている。
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、電池蓋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。
ガスケット43は、当初、図2に図示されるように、リング状の基部43aの周側縁に、上部方向に向けてほぼ垂直に起立して形成された外周壁部43bを有する形状を有している。
正極リード16は、例えば、20〜60mmのピッチで等間隔に形成されており、正極金属箔11aは、例えば、3000〜5000mmの長さを有し、正極リード16は正極集電部材の27の上部筒部27cの外面に数十周捲回される。
従って、一定のピッチpで配列された正極リード16は、1周毎に、異なる円周角度の位置で正極集電部材27の上部筒部27cに接合される。これに起因して、正極集電部材27に接合される正極リード16の重なり枚数は、円周角度に関してばらつきが生じる。このことは、負極側においても同一であり、負極リード17は、円周角度の位置によって異なる重なり枚数で、負極集電部材21の外周筒部21cに接合される。
以下、正極リード16および負極リード17を代表して導電リード16の重なり枚数のばらつきについて説明する。
図6は、正極集電部材27の上部筒部27cの外周に捲回された正極金属箔11aに形成された導電リード16の重なり枚数を示すグラフである。図6では、導電リード16の重なり枚数は、正極集電部材27の上部筒部27cの外周面27gを0枚として、半径方向への距離に比例して増大する図として示されている。この図は、軸正極集電部材27の上部筒部27cの外周面27gの巻始め位置Sから、0.5°間隔で導電リード16の重なり枚数を示したものである。
図6において、導電リード16の重なり枚数の最低は、ほぼ5枚であり、導電リード16の重なり枚数の最大は、ほぼ15枚である。最低と最大の重なり枚数の間で、導電リード16の重なり枚数が0.5°毎に示されている。
図7のデータは、導電リード16の重なり枚数の標準偏差を求める際に用いることができる。
第1の要因は、導電リード16のピッチpの公差である。導電リード16の位置は、製造時において、導電リード16のピッチpの公差分ばらつくため、導電リード16の重なり枚数に影響する。
第2の要因は、導電リード16の形状である。上述した如く、導電リード16は、根元部の幅w1が大きく、先端部の幅w2が小さい先細形状を有する。導電リード16は、軸芯15に捲回されており、内周側から外周側に向けて導電リード16の根元部から正・負極の集電部材27、21までの距離が変化する。このため、導電リード16の根元部側で接合される場合と、導電リード16の先端部側で接合される場合とがあり、それぞれ、溶接部における導電リード16の幅が変化する。従って、これに伴って導電リード16の重なり枚数が変動する。
導電リード16のピッチpの公差をΔp、導電リード16の根元部の幅w1と先端部の幅w2との差Δw=(w1−w2)とするとき、導電リード16の位置は、(Δp+Δw)だけばらつくことになる。
このように、導電リード16のピッチpが僅かに変化したときに導電リードの重なり枚数の偏差の相対値が大きく変動する領域では、製造時のばらつきにより、導電リード16の重なり枚数が大きく変動することを意味する。
すなわち、導電リード16を正・負極の集電部材27、21に溶接する際に、導電リード16の重なり枚数の変動幅を小さくして接合力を均一にするには、導電リード16のピッチpを、導電リードの重なり枚数の偏差の相対値の変動幅の小さい範囲が導電リード16のピッチpの広い範囲に亘って連続する領域内に定めることが重要である。
従って、実際の製造において、導電リード16の位置は、(Δp+Δw)=2mm程度ずれる可能性がある。
このように、導電リード16のピッチpが領域A、B、Cの範囲内では、製造時に導電リード16の位置がずれたとしても、導電リード16の重なり枚数が大きく変動することはない。従って、領域A、B、Cの範囲内において、導電リード16のピッチpを定めれば、導電リード16の重なり枚数の変動幅を小さくすることができる。その結果、均一性が高い接合が実現できる。均一性の高い接合により、内部抵抗のばらつき等が小さい電池性能が優れた円筒形二次電池1を作製することが可能となる。
なお、図8において、領域AとBの間は、導電リード16のピッチpが2mm以上の範囲に亘り、導電リードの重なり枚数の偏差の相対値の変動幅が0.2以下であるので、導電リード16のピッチpを、この領域の範囲内から定めるようにしても良い。しかし、この領域は、領域A、B、Cに比較し、導電リード16のピッチpの範囲が狭く、かつ、導電リードの重なり枚数の偏差の相対値の変動幅が大きいので、領域A、B、Cの範囲内から定めるようにする方が望ましい。以下、領域A、B、Cを適正領域とする。
図9に、図8に図示された各適正領域A、B、Cに対する導電リード16のピッチの下限値と上限値および(導電リードの重なり枚数の標準偏差/導電リードの重なり枚数の標準偏差の平均値)の幅の値を表として示した。
しかし、導電リード16の幅を大きくすることは、円筒形状の正・負極の集電部材27、21との接合部が幅広くなることを意味する。導電リード16の接合部は、円筒形状の正・負極の集電部材27、21の外周に倣って円弧状となるため、導電リード16の接合部の幅が大きくなると、導電リード16の根元側の接合されない部分に対して大きく変形するため、導電リード16が破損し易くなる。従って、このことも考慮して、導電リード16の幅寸法を定める必要がある。
次に、導電リード16の重なり枚数に影響するパラメータに関して述べる。
導電リード16の重なり枚数に影響するパラメータとして、導電リード16のピッチp以外に、下記に示す4つがある。
(i)導電リードの幅
(ii)正・負極の集電部材の外径
(iii)正・負極の電極長さ
(iv)電極繰り返し厚さ
以下、各パラメータと導電リード16の重なり枚数との関連について、順次、説明する。
図10は、図8に図示された適正領域A、B、Cに対する導電リードの幅と導電リードのピッチの関係を示すグラフである。
図8の場合と同様に、導電リード16のピッチpを0.1mmずつ変化させたときの導電リードの重なり枚数の標準偏差がどのように変動するかを、導電リード16の幅が3.0mm〜7.0mmの範囲に対して演算により求めたものである。すなわち、導電リード16の幅が、3.0mm、4.0mm、5.0mm、6.0mm、7.0mmに対して、それぞれ、図8のグラフを作成し、各グラフにおいて、図8に示す領域A、B、Cの範囲となる導電リード16のピッチpをプロットしたものである。導電リード16の幅以外の各パラメータは、正・負極の集電部材27、21の外径を30mm、電極長さ(図示せず)を4000mm、電極繰り返し厚さyを0.25mmとした。
図11は、図8に図示された適正領域A、B、Cに対する正・負極の集電部材27、21の外径と導電リードのピッチの関係を示すグラフである。
図8の場合と同様に、導電リード16のピッチpを0.1mmずつ変化させたときの導電リードの重なり枚数の標準偏差がどのように変動するかを、正・負極の集電部材27、21が28.0mm〜32.0mmの範囲に対して演算により求めたものである。すなわち、集電部材27、21の外径が、28.0mm、29.0mm、30.0mm、31.0mm、32.0mm、33.0mmに対して、それぞれ、図8のグラフを作成し、各グラフにおいて、図8に示す領域A、B、Cの範囲となる導電リード16のピッチpをプロットしたものである。正・負極の集電部材27、21の外径以外の各パラメータは、導電リード16の幅を5mm、電極長さ(図示せず)を4000mm、電極繰り返し厚さyを0.25mmとした。
図12は、図8に図示された適正領域A、B、Cに対する電極長さ(図示せず)と導電リードのピッチの関係を示すグラフである。
図8の場合と同様に、導電リード16のピッチpを0.1mmずつ変化させたときの導電リードの重なり枚数の標準偏差がどのように変動するかを、電極長さが3000mm〜5000mmの範囲に対して演算により求めたものである。すなわち、電極長さが、3000mm、3500mm、4000mm、4500mm、5000mmに対して、それぞれ、図8のグラフを作成し、各グラフにおいて、図8に示す領域A、B、Cの範囲となる導電リード16のピッチpをプロットしたものである。電極長さ以外の各パラメータは、導電リード16の幅を5mm、正・負極の集電部材27、21の外径を30mm、電極繰り返し厚さyを0.25mmとした。
図13は、図8に図示された適正領域A、B、Cに対する電極繰り返し厚さyと導電リードのピッチの関係を示すグラフである。
上述した如く、電極繰り返し厚さy(図2参照)は、正極電極11、負極電極12、第1のセパレータ13および第2のセパレータ14の合計の厚さである。
図8の場合と同様に、導電リード16のピッチpを0.1mmずつ変化させたときの導電リードの重なり枚数の標準偏差がどのように変動するかを、電極繰り返し厚さyが0.23mm〜0.27mmの範囲に対して演算により求めたものである。すなわち、電極繰り返し厚さが、0.23mm、0.24mm、0.25mm、0.26mm、0.27mmに対して、それぞれ、図8のグラフを作成し、各グラフにおいて、図8に示す領域A、B、Cの範囲となる導電リード16のピッチpをプロットしたものである。電極繰り返し厚さy以外の各パラメータは、導電リード16の幅を5mm、正・負極の集電部材27、21の外径を30mm、電極長さを4000mmとした。
また、図12および図13により、適正領域A、B、Cの変動は、電極長さと電極繰返し厚さyの変化に直線近似できると考えられる。
導電リード16の重なり枚数の偏差の変動幅が小さい適正領域A、B、Cは、図14に示す如く、導電リード16のピッチp、電極長さ、電極繰返し厚さyの3つのパラメータによって構成される平面によって限定することができる。
円筒形二次電池1を作製する際に、導電リード16ピッチpを、電極長さと電極繰返し厚さyの関数によって、導電リード16の重なり枚数の偏差の変動幅が小さい適正領域A、B、Cの範囲内とするように定める。このことにより、導電リード16のピッチpの重なり枚数の偏差の変動を抑制することが可能となる。
(1)適正領域A:
3.4341 + 0.00266972 x + 37.6812 y<p<-1.75694 + 0.0032418 x + 63.7681 y
(2)適正領域B:
2.76142 + 0.0032418 x + 55.0725 y<p<2.30873 + 0.00411899 x + 68.1159 y
(3)適正領域C:
3.65859 + 0.00495805 x + 62.3188 y<p<-11.1444 + 0.00781846 x + 143.478 y
2 電池缶
3 電池蓋
4 電池容器
5 非水電解液
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
16 正極リード(導電リード)
17 負極リード(導電リード)
21 負極集電部材
27 正極集電部材
30 電池蓋ユニット
A、B、C 適正領域
p 導電リードのピッチ
x 電極長さ
y 電極繰り返し厚さ
w1 導電リード根元部の幅
w2 導電リード先端部の幅
Claims (7)
- 長手方向の一側縁に沿って多数の導電リードが所定ピッチで形成された正極金属箔の両面に正極合剤が形成された正極電極と、前記正極電極の導電リードが形成された一側縁に対向する他側縁に沿って多数の導電リードが所定ピッチで形成された負極金属箔の両面に負極合剤が形成された負極電極とがセパレータを介して捲回された電極群と、
前記正極電極および負極電極の少なくとも一方の導電リードが捲回され重なって接合された集電部材と、
前記電極群および前記集電部材が収容され、電解液が注入された電池容器とを備えた円筒形二次電池において、
前記導電リードが根元部から先端部に向けて先細に形成され、前記導電リードのピッチの公差をΔp、前記導電リードの根元部と先端部の幅寸法の差をΔwとしたとき、前記導電リードのピッチが、導電リードの重なり枚数の標準偏差を導電リードの重なり枚数の標準偏差の平均値で除した数値の変動幅がΔpとΔwの和よりも大きい範囲に亘り所定以下である適正領域内に定められたことを特徴とする円筒形二次電池。 - 請求項1に記載の円筒形二次電池において、前記導電リードのピッチが、前記導電リードの重なり枚数の偏差の変動幅が2mm以上の範囲に亘り0.2以下である領域内に定められたことを特徴とする円筒形二次電池。
- 請求項1に記載の円筒形二次電池において、前記導電リードのピッチが、前記導電リードの重なり枚数の偏差の変動幅が2mm以上の範囲に亘り0.1以下である領域内に定められたことを特徴とする円筒形二次電池。
- 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の円筒形二次電池において、前記導電リードのピッチをpmm、電極の長さをxmm、前記正極電極、前記負極電極および前記第1、第2のセパレータの厚さの合計である電極繰り返し厚さをymmとするとき、下記の式を満足することを円筒形二次電池。
3.4341 + 0.00266972 x + 37.6812 y<p<-1.75694 + 0.0032418 x + 63.7681 y - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の円筒形二次電池において、前記導電リードのピッチをpmm、電極の長さをxmm、前記正極電極、前記負極電極および前記第1、第2のセパレータの厚さの合計である電極繰り返し厚さをymmとするとき、下記の式を満足することを円筒形二次電池。
2.76142 + 0.0032418 x + 55.0725 y<p<2.30873 + 0.00411899 x + 68.1159 y - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の円筒形二次電池において、前記導電リードのピッチをpmm、電極の長さをxmm、前記正極電極、前記負極電極および前記第1、第2のセパレータの厚さの合計である電極繰り返し厚さをymmとするとき、下記の式を満足することを円筒形二次電池。
3.65859 + 0.00495805 x + 62.3188 y<p<-11.1444 + 0.00781846 x + 143.478 y - 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の円筒形二次電池において、前記導電リードは正極電極の導電リードおよび前記負極電極の導電リードであることを特徴とする円筒形二次電池。
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