JP2015115222A - 蓄電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を増やすことなく、熱による軸芯の膨張を許容することが可能な軸芯を有する蓄電素子を提供する。
【解決手段】正極集電部材１３及び負極集電部材１５の嵌合部の基部には、集電部に向かうにしたがって外形寸法が大きくなるテーパ部が形成されている。軸芯９の両端部９Ａ，９Ｂの外側面部には、軸芯９の径方向に対向する一対の対向面が形成されている。また、開口部９ａ，９ｂに隣接する内周面部分には、開口部９ａ，９ｂの輪郭形状が、短軸が一対の対向面が形成されている方向に延び、長軸が一対の対向面が形成されている方向と直交する方向に延びる楕円形状になるように形状が定められた内側テーパ部が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、セパレータを介して正極板と負極板とを積層してなる積層体を両端部に開口部を有する筒状の樹脂製軸芯に捲回してなる捲回極板群を有する蓄電素子に関するものである。

極板群が軸芯に捲回されて形成された捲回極板群を有するリチウムイオン電池等の蓄電素子は、軸芯の一方の端部に正極集電部材が配置され、他方の端部に負極集電部材が配置されて構成されている。各集電部材は、容器の外に露出される端子構成部と、軸芯の開口部に嵌合される嵌合部と、嵌合部の基部を中心にして嵌合部が延びる方向と交差する方向に延びる集電部とからなる。各集電部材の嵌合部は、軸芯の開口部に嵌合されており、軸芯の端部が各集電部材の集電部に対して当接して、相互に固定された状態になっている。軸芯は正極集電部材及び負極集電部材により挟持された状態で容器内に封入されている。

蓄電素子は、充電時及び放電時に熱が発生し、この熱により軸芯が膨張することがある。軸芯は正極集電部材及び負極集電部材により挟持されているため、軸芯が膨張すると、軸芯が撓み、軸芯に捲回されている積層体に対して、軸芯の軸線方向と直交する方向に力が加わってしまう。そのため、正極板や負極板の極板間距離が変化して蓄電素子内の電流密度に偏りが生じて蓄電素子の特性が変化し、蓄電素子の劣化の原因になる。

そこで、特開平１１−３５４１４６号公報（特許文献１）に開示されている技術では、軸芯の端部に塑性変形する固定部材を設けたり（［００１４］及び［００１５］段落、並びに、図１及び図２）、軸芯全体を柔軟にして軸芯自体が固定部材を兼ねるように構成して（［００１６］段落及び図３）、熱による軸芯の膨張を許容するようにしている。

特開平１１−３５４１４６号公報

しかしながら、軸芯の端部に固定部材を設けると、部品点数が増加し、また、組立工程が増加するため、コストの増加につながる。また、軸芯全体を柔軟にして軸芯自体が固定部材を兼ねるように構成しても、軸芯の端部だけでなく、軸芯全体が撓む可能性は残されている。

本発明の目的は、部品点数を増やすことなく、熱による軸芯の膨張を許容することが可能な軸芯を有する蓄電素子を提供することにある。

本発明は、セパレータを介して正極板と負極板とを積層してなる積層体を両端部に開口部を有する筒状の樹脂製軸芯に捲回してなる捲回極板群と、捲回極板群の一方の端部側において正極板と接続された正極集電部材と、捲回極板群の他方の端部側において負極板と接続された負極集電部材と、捲回極板群、正極集電部材及び負極集電部材を収納する容器とを備えた蓄電素子を対象としている。

正極集電部材と負極集電部材とは、基本構造は同じであり、容器の外に露出される端子構成部と、軸芯の開口部に嵌合される嵌合部と、嵌合部の基部を中心にして嵌合部が延びる方向と交差する方向に延びる集電部とからなる。正極集電部材の嵌合部は、軸芯の一方の開口部と嵌合され、集電部は、正極板と電気的に接続される。負極集電部材の嵌合部は、軸芯の他方の開口部と嵌合され、集電部は、負極板と電気的に接続される。

本発明では、軸芯の開口部に隣接する内周面部分には、集電部に向かうにしたがって内径寸法が大きくなる内側テーパ部が形成されている。また、嵌合部の基部には、集電部に向かうにしたがって外形寸法が大きくなるテーパ部が形成されている。そして、軸芯の両端部の形状及び内側テーパ部の形状並びに嵌合部のテーパ部の形状は、嵌合部が開口部に挿入される過程で、軸芯の内周面部分を軸芯の径方向外側に傾けるように定められている。このように軸芯の両端部の形状及び内側テーパ部の形状並びに嵌合部のテーパ部の形状を定めることで、軸芯の両端部の厚みは、中央部分の厚みよりも肉薄になるように形成されているため、軸芯の両端部が変形しやすくなっている。そのため、軸芯が熱により膨張して集電部材の方向に伸びた場合に、嵌合部のテーパ部に沿って嵌合部が軸芯の開口部により深く挿入され、その過程で、軸芯の内周面部分がより軸芯の径方向外側に傾けられるようになる。したがって、軸芯の両端部と集電部材の嵌合部を加工するだけで、軸芯の両端部に別部材を設けることなく、熱による軸芯の膨張を許容することが可能になる。

軸芯の両端部を変形しやすくするために、両端部の外周面部に集電部に向かうに従って外形寸法が大きくなる外側テーパ部を形成してもよい。

また、軸芯の両端部の外側面部に、径方向に対向する一対の対向面を形成し、内側テーパ部の形状を、短軸が前記一対の対向面が形成されている方向に延び、長軸が前記一対の対向面が形成されている方向と直交する方向に延びる楕円形状になるように定めてもよい。このようにすれば、軸芯の両端部を変形しやすくし、且つ、加工を容易にすることができる。

本発明は、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ等の各種の蓄電素子に提供することができる。特にリチウムイオン二次電池のように、温度が高くなる蓄電素子に好適である。

（Ａ）は、本発明をリチウムイオン二次電池に適用した実施の形態の平面図であり、（Ｂ）は、図１（Ａ）のＩＢ−ＩＢ線断面図であり、（Ｃ）は、底面図である。 （Ａ）は、本発明の蓄電素子に用いる集電部材の例の平面図であり、（Ｂ）は、図２（Ａ）のＩＩＢ−ＩＩＢ線断面図である。 （Ａ）は、本発明の蓄電素子に用いる軸芯の例の平面図であり、（Ｂ）は、図３（Ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線断面図である。 （Ａ）は、本発明の蓄電素子に用いる軸芯の第２の実施例の平面図であり、（Ｂ）は、図４（Ａ）のＩＶＢ−ＩＶＢ線断面図である。 （Ａ）は、本発明の蓄電素子に用いる軸芯の第３の実施例の平面図であり、（Ｂ）は、図５（Ａ）のＶＢ−ＶＢ線断面図である。

以下、図面を参照して、本発明を円筒状リチウムイオン二次電池に適用した実施の形態について説明する。図１（Ａ）は、本発明をリチウムイオン二次電池に適用した実施の形態の平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＩＢ−ＩＢ線断面図であり、図１（Ｃ）は、底面図である。図２（Ａ）及び（Ｂ）は、集電部材の例であり、図３（Ａ）及び（Ｂ）は、軸芯の例である。

＜全体構成＞
本実施の形態の円筒状リチウムイオン二次電池１は、電池容器本体３と、正極側電池蓋５と、負極側電池蓋７と、両端部に開口部を有する軸芯９と、電解液に浸潤された捲回極板群１１と、正極集電部材１３と、負極集電部材１５とを備えている。電池容器本体３と、正極側電池蓋５と、負極側電池蓋７とにより、電池容器２が構成されている。電池容器本体３は、ニッケルメッキが施されたスチール材料により両端が開口した円筒形状を有している。電池容器本体３の両端の開口部は、正極側電池蓋５及び負極側電池蓋７によりそれぞれ塞がれている。正極側電池蓋５及び負極側電池蓋７の中央部には、端子貫通孔５ａ及び７ａが形成されている。端子貫通孔５ａ及び７ａには、正極集電部材１３の端子構成部１７及び負極集電部材１５の端子構成部１９が、絶縁リング２１、Ｏリング２３及びバックアップリング２５を介して挿入されている。端子構成部１７及び１９の外周部には、ネジ部が形成されており、このネジ部にはナット部材２７がそれぞれ螺合されている。ナット部材２７と絶縁リング２１との間には絶縁ワッシャ２９が配置されている。

正極側電池蓋５には、電解液を入れるための電解液注入口３１が設けられている。この電解液注入口３１はネジ３３により封止されている。また、電池内部の圧力上昇を防止するために、発生したガスによって内圧が上昇すると、発生したガスを排出する安全弁３５を備えたガス排出口３７が正極側電池蓋５に設けられている。

＜捲回極板群＞
図１に示すように、捲回極板群１１は、帯状の正極板３９と帯状の負極板４１とを、図示しない帯状のセパレータを介して軸芯９を中心として捲回することにより構成されている。捲回極板群１１の軸芯と直交する方向に切断した断面は、渦巻き状になっている。本実施の形態の正極板３９は、正極集電板としてのアルミニウム箔の両面に、リチウム遷移金属複酸化物であるマンガン酸リチウムを含む正極合剤を略均質に塗布した構成となっている。アルミニウム箔の長手方向の一方の辺側には、正極合剤が塗装されていない未塗工部４０が形成されている。未塗工部４０には、複数のタブが一体に形成されており、これらのタブが正極集電体１７に溶接されている。負極板４１は、負極集電板としての圧延銅箔の両面に、負極活物質としてリチウムイオンを吸蔵・放出可能な炭素粉末を含む負極合剤を略均質に塗布した構成となっている。銅箔の長手方向の一方の辺側には、負極合剤が塗装されていない未塗工部４２が形成されている。未塗工部４２には、複数のタブが一体に形成されており、これらのタブが負極集電体１５に溶接されている。

＜集電部材＞
図２（Ａ）及び（Ｂ）には、本実施の形態で使用する集電部材（正極集電部材１３または負極集電部材１５）の例を示してある。正極集電部材１３及び負極集電部材１５は素材以外は同じ構成をしているため、カッコ内に負極集電部材１５の符号を記載してある。正極集電部材１３を例に説明すると、正極集電部材１３は、アルミニウムまたはアルミニウム合金製であり、端子構成部１７と嵌合部４３と集電部４５とを一体に有している。嵌合部４３は、軸芯９の一方の開口部９ａに嵌合される部分である。集電部４５は、嵌合部４３の基部４７を中心にして嵌合部４３が延びる方向と交差する方向に延びて正極板３９と電気的に接続される部分である。嵌合部４３の基部４７には、集電部４５に向かうにしたがって外形寸法が大きくなるテーパ部４９が形成されている。

負極集電部材１５は、嵌合部４４が軸芯９の他方の開口部９ｂに嵌合される部分であること、集電部４６が負極板４１と電気的に接続される部分であること、及び、素材が銅または銅合金であること以外は正極集電部材１３と構成が同じである。

＜軸芯＞
図３（Ａ）及び（Ｂ）には、本実施の形態で使用する軸芯９の例を示してある。軸芯９の両端部９Ａ，９Ｂには、それぞれ開口部９ａ，９ｂが設けられており、一方の開口部９ａには、正極集電部材１３が嵌合され、他方の開口部９ｂには、負極集電部材１５が嵌合される。端部９Ａ及び９Ｂの構成は共通であるため、共通の符号を付して、端部９Ａの構成のみ説明する。

端部９Ａの外側面部には、軸芯９の径方向に対向する一対の対向面５１，５１が形成されている。また、開口部９ａに隣接する内周面部分には、開口部９ａの輪郭形状が、短軸が一対の対向面５１，５１が形成されている方向に延び、長軸が一対の対向面５１，５１が形成されている方向と直交する方向に延びる楕円形状になるように形状が定められた内側テーパ部５３が形成されている。内側テーパ部５３は、嵌合される集電部材の集電部４５に向かうにしたがって内径寸法が大きくなるようになっている。したがって、軸芯９の両端部の厚みは、中央部分の厚みよりも肉薄になるように形成されている。なお、本実施の形態の軸芯は、外周面部を円周状に加工する必要がないことから、後述の第３の実施の形態の軸芯よりも加工が容易であるという利点がある。

図示しない捲回機を用いて、軸芯９の周囲に正極板３９、負極板４１及び図示しないセパレータを捲回して捲回極板群１１を構成する際には、捲回機の図示しない治具で軸芯９の両端部９ａ，９ｂの一対の対向面５１，５１を狭持して軸芯９を回転軸に対して固定し、図示しない捲回機により軸芯９を回転させる。すなわち、一対の対向面５１，５１は治具を用いて軸芯９を固定するための被狭持部も兼ねている。

＜集電部材と軸芯の組み合わせ＞
本実施の形態の集電部材１３，１５及び軸芯９は、上記の通り構成されている。そのため、正極集電部材１３の嵌合部４３が開口部９ａに挿入される過程で、また、負極集電部材１５の嵌合部４４が開口部９ｂに挿入される過程で、軸芯９の内周面部分を軸芯９の径方向外側に傾けられることになる。そして、図１に示すように、それぞれが嵌合された状態で電池容器２内に収納されている。このように構成することで、軸芯９が熱により膨張した場合には、嵌合部４３，４４が開口部９ａ，９ｂに、より深く挿入され、両端部９Ａ，９Ｂが軸芯の径方向外側に向かって広がるように変形し、熱による軸芯９の膨張を許容することが可能になる。

［第２の実施の形態］
図４（Ａ）及び（Ｂ）は、第２の実施の形態のリチウムイオン二次電池に用いる軸芯を示す図である。図４（Ａ）及び（Ｂ）には、図１乃至図３に示した実施の形態と同じ部材には、図１乃至図３に付した符号の数に１００の数を加えた数の符号を付して説明を省略する。

軸芯１０９は、端部１０９Ａの開口部１０９ａに隣接する内周面部分に、内周面部分に沿って円周状に、嵌合される集電部材の集電部１４５に向かうにしたがって内径寸法が大きくなる内側テーパ部１５３が形成されている。端部１０９Ｂの開口部１０９ｂも同様に加工されて内側テーパ部１５３が形成されている。なお、軸芯１０９の端部１０９Ａ，１０９Ｂの外側面部は加工されていない。そのため、軸芯１０９の中央部分と両端部１０９Ａ，１０９Ｂの強度の差が小さく、本実施の形態の軸芯は、軸芯全体の強度が弱い場合に適している。

本実施の形態では、軸芯１０９の内周面に、端部１０９ａから端部１０９ｂまで、径方向に対向して配置された一対の突出部１５５，１５５が形成されている。図示しない捲回機を用いて軸芯１０９の周囲に正極板１３９、負極板１４１及び図示しないセパレータを捲回して捲回極板群１１１を構成する際には、図示しない治具を一対の突出部１５５，１５５に係合させて軸芯１０９を回転軸に対して固定し、図示しない捲回機により軸芯１０９を回転させる。

［第３の実施の形態］
図５（Ａ）及び（Ｂ）は、第３の実施の形態のリチウムイオン二次電池に用いる軸芯を示す図である。図５（Ａ）及び（Ｂ）には、図１乃至図３に示した実施の形態と同じ部材には、図１乃至図３に付した符号の数に２００の数を加えた数の符号を付して説明を省略する。

軸芯２０９は、第２の実施の形態と同様、端部２０９Ａの開口部２０９ａに隣接する内周面部分に、内周面部分に沿って円周状に、嵌合される集電部材の集電部２４５に向かうにしたがって内径寸法が大きくなる内側テーパ部２５３が形成されている。これに加えて、軸芯２０９は、端部２０９Ａの外側面部に、嵌合される集電部材の集電部２４５に向かうに従って外形寸法が大きくなる外側テーパ部２５７が形成されている。端部２０９Ｂの開口部２０９ｂも同様に加工されて、内側テーパ部２５３及び外側テーパ部２５７が形成されている。

本実施の形態では、第２の実施の形態と同様に、軸芯１０９内周面に、端部２０９ａから端部２０９ｂまで、径方向に対向して配置された一対の突出部２５５，２５５が形成されている。図示しない捲回機を用いて軸芯２０９の周囲に正極板２３９、負極板２４１及び図示しないセパレータを捲回して捲回極板群２１１を構成する際には、図示しない治具を一対の突出部２５５，２５５に係合させて軸芯２０９を回転軸に対して固定し、図示しない捲回機により軸芯２０９を回転させる。

上記実施の形態では、タブを集電部材に溶接しているが、タブを用いずに極板の活物質未塗布部に集電部材をレーザ溶接等で直接溶接する場合にも、当然にして適用できる。

上記実施の形態は、一例として記載したものであり、その要旨を逸脱しない限り、本実施例に限定されるものではない。例えば、上記実施の形態では、蓄電素子としてリチウムイオン二次電池を例にしたが、これに限られるものではなく他のタイプの二次電池や大容量キャパシタにも応用することが可能である。また、軸芯の端部の形状や、捲回機の治具と係合する突出部の個数や配置位置等も、上記実施の形態の例に限られるものではない。

本発明によれば、軸芯の両端部の厚みは、中央部分の厚みよりも肉薄になるように形成されているため、軸芯が熱により膨張して集電部材の方向に伸びた場合に、嵌合部のテーパ部に沿って嵌合部が軸芯の開口部により深く挿入され、その過程で、軸芯の内周面部分がより軸芯の径方向外側に傾けられるようになる。したがって、軸芯の両端部と集電部材の嵌合部を加工するだけで、軸芯の両端部に別部材を設けることなく、熱による軸芯の膨張を許容することが可能になる。

１ 円筒状リチウムイオン二次電池
２ 電池容器
３ 電池容器本体
５ 正極側電池蓋
５ａ 端子貫通孔
７ 負極側電池蓋
７ａ 端子貫通孔
９ 軸芯
１１ 捲回極板群
１３ 正極集電部材
１５ 負極集電部材
１７，１９ 端子構成部
２１ 絶縁リング
２３ Ｏリング
２５ バックアップリング
２７ ナット部材
２９ 絶縁ワッシャ
３１ 電解液注入口
３３ ネジ
３５ 安全弁
３７ ガス排出口
３９ 正極板
４０ 未塗着部
４１ 負極板
４２ 未塗着部
４３，４４ 嵌合部
４５，４６ 集電部
４７，４８ 基部
４９，５０ テーパ部
５１，５１ 一対の対向面
５３ 内側テーパ面

Claims (4)

1. セパレータを介して正極板と負極板とを積層してなる積層体を両端部に開口部を有する筒状の樹脂製軸芯に捲回してなる捲回極板群と、
   前記捲回極板群の一方の端部側において前記正極板と接続された正極集電部材と、
   前記捲回極板群の他方の端部側において前記負極板と接続された負極集電部材と、
   前記捲回極板群、前記正極集電部材及び前記負極集電部材を収納する容器とを備え、
   前記正極集電部材が、前記容器の外に露出される端子構成部と、前記軸芯の一方の前記開口部に嵌合される嵌合部と、前記嵌合部の基部を中心にして前記嵌合部が延びる方向と交差する方向に延びて前記正極板と電気的に接続される集電部とからなり、
   前記負極集電部材が、前記容器の外に露出される端子構成部と、前記軸芯の他方の前記開口部に嵌合される嵌合部と、前記嵌合部の基部を中心にして前記嵌合部が延びる方向と交差する方向に延びて前記負極板と電気的に接続される集電部とからなる蓄電素子であって、
   前記軸芯の前記開口部に隣接する内周面部分には、前記集電部に向かうにしたがって内径寸法が大きくなる内側テーパ部が形成されており、
   前記嵌合部の前記基部には、前記集電部に向かうにしたがって外形寸法が大きくなるテーパ部が形成されており、
   前記軸芯の前記両端部の形状及び前記内側テーパ部の形状並びに前記嵌合部の前記テーパ部の形状は、前記嵌合部が前記開口部に挿入される過程で、前記軸芯の前記内周面部分を前記軸芯の径方向外側に傾けるように定められていることを特徴とする蓄電素子。
2. 前記軸芯の前記両端部の外周面部には、前記集電部に向かうに従って外形寸法が大きくなる外側テーパ部が形成されている請求項１に記載の蓄電素子。
3. 前記軸芯の前記両端部の外側面部には、前記径方向に対向する一対の対向面が形成されており、
   前記内側テーパ部は、前記開口部の輪郭形状が、短軸が前記一対の対向面が形成されている方向に延び、長軸が前記一対の対向面が形成されている方向と直交する方向に延びる楕円形状になるように形状が定められている請求項１に記載の蓄電素子。
4. 請求個１乃至３に記載の蓄電素子からなるリチウムイオン二次電池。

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