JP2016091653A - 組電池および二次電池セル - Google Patents

Abstract

【課題】横向きに配置される二次電池において、軸芯の内周側の電解液の減少・枯渇を抑制する構造を提供する。【解決手段】横向きに配置された二次電池セルは、捲回軸２５を有する捲回群２０が収容され、電解液１５が注入された電池容器と、電池容器に固定され、少なくとも一部が電解液１５に浸漬された液面上昇用部材７１とを備え、液面上昇用部材７１は、電池容器の底面と捲回群２０の軸方向の一端面との間、および電池容器の電池蓋と捲回群２０の軸方向の他端面との間の少なくとも一方に、捲回軸２０の中心軸Ｏを通る水平面ｈ−ｈより下方側の領域に配置されている。【選択図】図８

Description

この発明は、組電池および二次電池セルに関する。

リチウムイオン二次電池セル等に代表される円筒形二次電池セルにおいては、正極合剤が形成された正極電極と負極合剤が形成された負極電極とをセパレータを介して軸芯の周囲に捲回して電極群を構成する。電極群は、電池缶および電池蓋により構成される電池容器内に、電極群の軸方向の一端面および他端面が、それぞれ、電池缶の底面または電池蓋に対向するように電池缶内に収容される。電池缶内に、電解液が注入され、電池蓋を電池缶にかしめることにより円筒形二次電池セルが形成される。リチウムイオンは、充電時には負極に、放電時には正極に移動する。電解液は、コスト面から少量とすることが望しく、通常、電池缶の容積の半分未満の量とされている。

組電池は、正・負極外部端子がバスバーにより相互に接続された複数の円筒形二次電池セルを備える。組電池には、電極群の軸方向が水平に配置した、換言すれば、すべての円筒形二次電池セルを横向きに配置した構成のものがある。
一方、円筒形二次電池セルは、電池缶を絞り加工により作製するため、底面のコーナ曲面部において、ピンホール等のめっき不良が発生し、この部分から腐食が生じ易い。このため、電極群の軸方向を垂直にして配置する、所謂、縦型の二次電池セルにおいて、電池缶のコーナ曲面部内面を樹脂の塗膜で覆う構造とすることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２３６９３０号公報

円筒形二次電池セルが横向きに配列された組電池では、各円筒形二次電池セルの電解液の深さは、水平に配置された電池缶の半分未満となる。このため、充電時に電極群の膨張により電極群から押し出された電解液が、放電時に十分に電極群内部に浸透し難くなり、充放電サイクルを繰り返すと電極群内部において、電解液の減少や枯渇が生じる恐れがある。これにより、電池容量の低下等の電池特性の劣化が発生する。
特許文献１には、円筒形二次電池セルを横向きに配列する組電池に適用することは記載されていない。しかし、仮に、円筒形二次電池セルを横向きに配列する組電池に適用したとしても、このような電解液の減少、枯渇に起因する電池容量の低下等の電池特性の劣化を抑制することはできない。

本発明の組電池は、正・負極外部端子が導電性接続部材により電気的に接続され、軸方向を横向きにして配置された複数の二次電池セルを備え、二次電池セルのそれぞれは、捲回軸の周囲に正極と負極がセパレータを介して捲回された捲回群を有する捲回構造体と、底面と、底面の周囲に、底面にほぼ直交して設けられた周側部と、底面に対向する面に配置された電池蓋とを有し、捲回群の捲回軸が、周側部とほぼ平行に収容され、電解液が注入された電池容器と、電池容器の周側部の内面に固定され、少なくとも一部が電池容器内に注入された電解液に浸漬された液面上昇用部材と、を備え、液面上昇用部材は、電池容器の底面と捲回群の軸方向の一端面との間、および電池容器の電池蓋と捲回群の軸方向の他端面との間の少なくとも一方に、捲回軸の中心軸を通る水平面より下方側の領域に配置されている。
また、本発明の二次電池セルは、捲回軸の周囲に正極と負極がセパレータを介して捲回された捲回群を有する捲回構造体と、底面と、底面の周囲に、底面にほぼ直交して設けられた周側部と、底面に対向する面に配置された電池蓋とを有し、捲回群の捲回軸が、周側部とほぼ平行に収容され、電解液が注入された電池容器と、電池容器の周側部の内面に固定され、少なくとも一部が電池容器内に注入された電解液に浸漬された液面上昇用部材と、電池容器に設けられた、液面上昇用部材の位置を示すためのマークと、を備え、液面上昇用部材は、電池容器の底面と捲回群の軸方向の一端面との間、および電池容器の電池蓋と捲回群の軸方向の他端面との間の少なくとも一方に、捲回軸の中心軸を通る平面により分割された領域の一方側にのみ配置されている。

この発明によれば、電極群内部における電解液の低減、枯渇を抑制することができる。

この発明の組電池の一実施形態を示す外観斜視図。 図１に示された組電池の分解斜視図。 円筒形二次電池セルの断面図。 図３に示された円筒形二次電池セルの分解斜視図。 図３の捲回電極群の詳細を示すための一部を切断した状態の斜視図。 円筒形二次電池セルの底面側の拡大断面図。 円筒形二次電池セルの電池蓋側の拡大断面図。 （ａ）〜（ｄ）は、いすれも、液面上昇用部材の形状を示す図。 円筒形二次電池セルの外観を示す斜視図。 円筒形二次電池セルを縦向きに配置して非水電解液を注入した状態の断面図。

−組電池の構造−
以下、この発明の組電池および二次電池セルの一実施の形態を図面と共に説明する。
図１は、この発明の組電池の一実施の形態を示す外観斜視図であり、図２は、図１に示された組電池の分解斜視図である。
図１および２に示すように、組電池１は複数の円筒形二次電池セル８を有する。以下では、円筒形二次電池セル８として、リチウムイオン二次電池セルを一実施の形態として説明する。各円筒形二次電池セル８は、一対の片面支持枠２、４と冷却支持枠３とによって保持されている。片面支持枠２、４、冷却支持枠３は、円筒形二次電池セル８の列（単電池列８Ｒという。）に沿った方向を長手方向とする長方形状の平面形状を有する。片面支持枠４の下面４ｅおよび片面支持枠２の上面２ｅは、ほぼ水平に配置され、冷却支持枠３は、片面支持枠２と片面支持枠４との間に配置される。

片面支持枠２の上面２ｅは平坦面とされ、上面２ｅに対向する面側には、複数の円筒形二次電池セル８を収容する半円筒状の収納溝２ｄが形成されている。片面支持枠４は、片面支持枠２と対称な構造を有する。つまり、片面支持枠４の下面４ｅは平坦面とされ、下面４ｅに対向する面側には、複数の円筒形二次電池セル８を収容する半円筒状の収納溝４ｄが形成されている。冷却支持枠３には、片面支持枠２、４に対向する上下各面に、半円筒状の収納溝２ｄ、４ｄと同様な半円筒状の収納溝３ｄが形成されている。

各円筒形二次電池セル８は、冷却支持枠３の下面側の半円筒状の収納溝３ｄと片面支持枠４の半円筒状の収納溝４ｄとの間、および冷却支持枠３の上面側の半円筒状の収納溝３ｄと片面支持枠２の半円筒状の収納溝２ｄとの間に、それぞれ、複数（例えば６個）配列されている。この状態で、各円筒形二次電池セル８は、ほぼ水平状態に保持される。つまり、各円筒形二次電池セル８は、冷却支持枠３と一対の片面支持枠２、４との間に、各円筒形二次電池セル８の軸方向が円筒形二次電池セル８の配列方向に直交し、かつ、ほぼ水平状態に配置されるように配列されている。

上側片面支持枠２と冷却支持枠３の長手方向の両端部および中央部には、その幅方向の端部にボルト９が挿通され、ボルト９は下側片面支持枠４に螺合されている。これによって、片面支持枠２、４は冷却支持枠３に連結され、円筒形二次電池セル８は、収納溝２ｄ、３ｄによって形成される収納空間内、および収納溝４ｄ、３ｄによって形成される収納空間内に収納され、外周面が支持枠２、３、４の収納溝２ｄ、３ｄ、４ｄによって保持されている。換言すると、互いに階層的に配置された第１および第２の単電池列８Ｒは、冷却支持枠３および一対の支持枠２、４により挟持されている。

片面支持枠２、４および冷却支持枠３の幅方向両側面には、ボルト６ｃによって、サイドプレート６ａ、７ａが装着され、円筒形二次電池セル８の軸方向両端部はサイドプレート６ａ、７ａによって支持されている。
サイドプレート６ａには、片面支持枠２、４および冷却支持枠３への組み付け前に、あらかじめ、円筒形二次電池セル８の正負極に接続される端子バスバー６ｂが装着されて、サイドプレート組立体６として構成される。サイドプレート７ａには、片面支持枠２、４および冷却支持枠３への組み付け前に、あらかじめ、円筒形二次電池セル８の正負極に接続される端子バスバー７ｂが装着されて、サイドプレート組立体７として構成される。サイドプレート６ａ、７ａには、サイドプレート６ａ、７ａが相対向する面側に、それぞれ、円筒形二次電池セル８の軸方向両端部が嵌入される凹部６ｄおよび不図示の凹部７ｄが形成され、端子バスバー６ｂ、７ｂに対して円筒形二次電池セル８の正負極接続位置が設定される。なお、円筒形二次電池セル８は、隣接する正負極が、交互に反転した状態、換言すれば、軸方向の端部が１８０度異なる姿勢で配列され、隣接する正極と負極とが端子バスバー６ｂ、７ｂにより電気的に接続されている。

片面支持枠２、４および冷却支持枠３は、伝熱性の良い材料、例えばアルミニウム、伝熱性の高い樹脂よりなり、ダイカストやモールド成形によって形成される。サイドプレート６ａ、７ａは絶縁材、例えば樹脂よりなり、モールド成形される。
円筒形二次電池セル８の円筒外周面は樹脂シート８ａによって被覆され、樹脂シート８ａは収納溝２ｄ、３ｄ、４ｄに密着している。樹脂シート８ａは、熱伝導性および絶縁性が良好な樹脂によって形成され、円筒形二次電池セル８は片面支持枠２、４および冷却支持枠３に対して絶縁されており、円筒形二次電池セル８の熱は、樹脂シート８ａを介して片面支持枠２、４および冷却支持枠３に伝達される。したがって、樹脂シート８ａは熱伝導性の高い材料を採用するのが好ましい。

上側片面支持枠２には、長手方向両端部と中央部に、冷却支持枠３に接触する接触面２ａ、２ｂ、２ｃが形成され、下側片面支持枠４には、長手方向両端部と中央部に、冷却支持枠３に接触する接触面４ａ、４ｂ、４ｃが形成されている。冷却支持枠３には、接触面２ａ、４ａ、接触面２ｂ、４ｂ、接触面２ｃ、４ｃにそれぞれ接触する接触面３ａ、３ｂ、３ｃが形成されている。接触面２ａ〜２ｃ、３ａ〜３ｃの相互接触、接触面２ａ〜２ｃ、４ａ〜４ｃの相互接触によって、円筒形二次電池セル８から片面支持枠２、４に伝達された熱は、すみやかに冷却支持枠３に伝達される。

図２に示すように、冷却支持枠３には、幅方向中央であって、厚さ方向中央の位置で、長手方向（円筒形二次電池セル８配列方向）に、貫通する冷却パイプ５によって冷媒通路が設けられている。冷却パイプ５には、冷却水が冷媒として一方向もしくは双方向に流される。これによって、冷却支持枠３が冷却されるとともに、冷却支持枠３を介して、片面支持枠２、４が冷却される。
冷却パイプ５はステンレス鋼等の耐腐食性材料によって、冷却支持枠３と別体で製作され、冷却支持枠３の鋳造時にインサートされ、あるいは、鋳造後に圧入されて固定される。冷却パイプ５は冷却支持枠３に密着し、冷却支持枠３を良好な冷却効率で冷却する。

［円筒形二次電池セルの構造］
図３は、本実施の形態に係わる円筒形二次電池セル８の断面図である。図３において、円筒形二次電池８は、横向きに配置されているが、以下の説明では、上・下方向を図３に図示の方向として説明する。
円筒形二次電池セル８は、底部（底面）１２ｃを有し、上部に開口部１２ｂが開口された円筒形の電池缶１２と、電池缶１２の開口部１２ｂを封口するハット型の電池蓋１３とにより構成される電池容器１４を有する。電池容器１４の内部には、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１５が注入されている。
円筒形の電池缶１２には、上端側に設けられた開口部１２ｂ側に電池缶１２の内側に突き出した溝１２ａが形成されている。

電池缶１２の内部には、捲回電極群（捲回群）２０が配置されている。捲回電極群２０は、軸方向に沿う中空部２５ｃを有する細長い円筒形の軸芯（捲回軸）２５と、軸芯２５の周囲に捲回された正極電極２１（図５参照）および負極電極２２（図５参照）とを備える。円筒形状の軸芯２５は、軸方向（図３、４における左右方向）の両端部の断面形状が異なる。軸芯２５の右端部には、内周面に環状の溝２５ａ（図５参照）が形成されている。軸芯２５の左端部には、外周面に環状の段部２５ｂ（図５参照）が形成されている。段部２５ｂの先端側には、軸芯２５の中空部２５ｃと軸芯２５の外部とを連通するための開口部２５ｄ（図５も参照）が、軸芯２５の径方向に貫通して形成されている。軸芯２５の右端部の内周面の環状の溝２５ａに円筒状の正極集電リング３７が圧入されている。

正極集電リング３７は、円盤状の基部３７ａと、この基部３７ａの内周部において軸芯２５側に向かって突出し、軸芯２５の内面に圧入される下部筒部３７ｂと、外周縁において電池蓋１３側に突き出す上部筒部３７ｃとを有する。正極集電リング３７はこの下部筒部３７ｂにより軸芯２５の上端部に固定、支持されている。
正極電極２１の正極タブ２６は、正極集電リング３７の上部筒部３７ｃに溶接されている。正極集電リング３７は例えばアルミニウム系金属により形成され、上部筒部３７ｃの外周には、正極電極２１の正極タブ２６および押え部材３８が溶接されている。多数の正極タブ２６を、正極集電リング３７の上部筒部３７ｃの外周に密着させておき、正極タブ２６の外周に押え部材３８をリング状に巻き付けて仮固定し、この状態で超音波溶接により接合される。

軸芯２５の左側部の外周面に形成された環状の段部２５ｂには、負極集電リング３１が圧入されて固定されている。負極集電リング３１は、例えば、銅系金属により形成され、円盤状の基部３１ａに軸芯２５の段部２５ｂに圧入される開口部３１ｂが形成され、外周縁に、電池缶１２の底部側に向かって突き出す外周筒部３１ｃが形成されている。負極集電リング３１の基部３１ａには、軸芯２５の中空部２５ｃに注入された非水電解液１５を捲回電極群２０に浸透させるための開口部３１ｄ（図４参照）が形成されている。
負極電極２２の負極タブ２７は、負極集電リング３１の外周筒部３１ｃに接合される。
負極集電リング３１の外周筒部３１ｃの外周には、負極電極２２の負極タブ２７および押え部材３２が溶接されている。多数の負極タブ２７を、負極集電リング３１の外周筒部３１ｃの外周に密着させておき、負極タブ２７の外周に押え部材３２をリング状に巻き付けて仮固定し、この状態で溶接される。負極集電リング３１の基部３１ａには、接続リード板６０が、抵抗溶接、或いはレーザ溶接等により接合されている。

多数の正極タブ２６は、正極集電リング３７に溶接され、多数の負極タブ２７が負極集電リング３１に溶接されることにより、正極集電リング３７、負極集電リング３１および捲回電極群２０が一体的にユニット化された捲回構造体３０が構成される。電池缶１２の内部には、非水電解液１５が所定量注入されている。非水電解液１５の一例として、リチウム塩がカーボネート系溶媒に溶解した溶液が挙げられる。

図４は、図３に示された円筒形二次電池セルの分解斜視図である。
円筒形状の軸芯２５の溝２５ａに圧入された正極集電リング３７は、例えば、アルミニウム系金属により形成されている。正極集電リング３７の基部３７ａには、電池内部で発生するガスを放出するための開口部３７ｄが形成されている。正極集電リング３７に形成された開口部３７ｅは、接続リード板６０を電池缶１２に溶接するための電極棒（図示せず）を挿通するためのものである。電極棒を正極集電リング３７に形成された開口部３７ｅから軸芯２５の中空部２５ｃに差し込み、その先端部で接続リード板６０を電池缶１２の底部１２ｃの内面に押し付けて抵抗溶接を行う。これにより捲回構造体３０は電池缶１２の底部１２ｃに固定される。また、負極集電リング３１に接続されている電池缶１２の底面は一方の出力端子として作用し、捲回電極群２０に蓄電された電力を電池缶１２から取り出すことができる。正極集電リング３７の基部３７ａの上面には、複数のアルミニウム箔が積層されて構成されたフレキシブルな接続部材４３が、その一端部を溶接されて接合されている。

［電池蓋ユニット］
正極集電リング３７の上部筒部３７ｃ上には、電池蓋ユニット４０が配置されている。
電池蓋ユニット４０は、リング形状をした絶縁板４４、絶縁板４４に設けられた開口部４４ａに嵌入された接続板４５、接続板４５に溶接されたダイアフラム４７およびダイアフラム４７に、かしめと溶接により固定された電池蓋１３により構成される。
絶縁板４４は、円形の開口部４４ａを有する絶縁性樹脂材料からなるリング形状を有し、正極集電リング３７の上部筒部３７ｃ上に載置されている。

絶縁板４４は、開口部４４ａおよび下方に突出する側部４４ｂを有している。絶縁板４４の開口部４４ａ内には接続板４５が嵌合されている。接続板４５の下面には、接続部材４３の他端部が溶接されて接合されている。

接続板４５は、アルミニウム系金属で形成され、中央部を除くほぼ全体が均一な厚さでかつ、中央側が少々低い位置に撓んだ、ほぼ皿形状を有している。接続板４５の中心には、薄肉でドーム形状に形成された突起部４５ａが形成されており、突起部４５ａの周囲には、複数の開口部４５ｂが形成されている。開口部４５ｂは、電池内部に発生するガスを放出する機能を有している。接続板４５の突起部４５ａはダイアフラム４７の中央部の底面に抵抗溶接または摩擦攪拌接合により接合されている。

ダイアフラム４７はアルミニウム系金属で形成され、ダイアフラム４７の中心部を中心とする円形の切込み４７ａを有する。切込み４７ａはプレスにより上面側をＶ字形状に押し潰して、残部を薄肉にしたものである。ダイアフラム４７は、電池の安全性確保のために設けられており、電池の内圧が上昇すると、切込み４７ａにおいて開裂し、内部のガスを放出する機能を有する。

ダイアフラム４７は周縁部において電池蓋１３の周縁部を固定している。ダイアフラム４７は図４に図示されるように、当初、周縁部に電池蓋１３側に向かって起立する側壁４７ｂを有している。この側壁４７ｂ内に電池蓋１３を収容し、かしめ加工により、側壁４７ｂを電池蓋１３の上面側に屈曲して固定する。

電池蓋１３は、炭素鋼等の鉄で形成され、表裏両面にニッケルめっきが施されており、ダイアフラム４７に接触する円盤状の周縁部１３ａと、この周縁部１３ａから突出する筒部１３ｂを有するハット型を有する。筒部１３ｂには開口部１３ｃが形成されている。この開口部１３ｃは、電池内部に発生するガス圧によりダイアフラム４７が開裂した際、ガスを電池外部に放出するためのものである。電池蓋１３は一方の電力出力端として作用し、電池蓋１３から蓄電された電力を取り出すことができる。

ダイアフラム４７と電池蓋１３とのかしめ部を覆う絶縁部材からなるガスケット５３が設けられている。ガスケット５３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、フッ素系樹脂を挙げることができる。
ガスケット５３は、リング状の基部５３ａ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５３ｂを有する形状を有している。

プレス等により、電池缶１２と共にガスケット５３の外周壁部５３ｂを屈曲して基部５３ａと外周壁部５３ｂにより、ダイアフラム４７と電池蓋１３を圧接するようにかしめ加工される。これにより、電池蓋１３、ダイアフラム４７、絶縁板４４および接続板４５が一体に形成された電池蓋ユニット４０がガスケット５３を介して電池缶１２に固定されると共に、絶縁板４４が捲回構造体３０の正極集電リング３７に当接し、捲回構造体３０を電池缶１２の缶底側に押しつけている。

［捲回電極群］
図５は、捲回電極群２０の構造の詳細を示すための分解断面斜視図である。
捲回電極群２０は、軸芯２５の周囲に、正極電極２１、負極電極２２、および第１、第２のセパレータ２３、２４が捲回された構造を有する。
軸芯２５は、例えば、ＰＰ（ポリプロピレン）のような絶縁材により形成され、中空円筒形状を有する。軸芯２５には、第１のセパレータ２３、負極電極２２、第２のセパレータ２４および正極電極２１が、順に積層され、捲回されている。最内周の負極電極２２の内側には第１のセパレータ２３および第２のセパレータ２４が数周（図５では、１周）捲回されている。第１のセパレータ２３および第２のセパレータ２４は、絶縁性の多孔質体で形成されている。

最内周（軸芯２５側）では、負極電極２２の捲き始めが正極電極２１の捲き始めよりも周方向に延出している。また、最外周（電池缶側）では負極電極２２が正極電極２１よりも外周側に捲回されており、負極電極２２の捲き終わりが正極電極２１の捲き終わりよりも周方向に延出されている。最外周の負極電極２２の外周に第２のセパレータ２４が捲回されている。最外周の第２のセパレータ２４終端が接着テープ２９で止められる（図４参照）。尚、最外周で第１のセパレータ２３および第２のセパレータ２４が数回、捲回された後、接着テープ２９で止められることもある。

正極電極２１は、アルミニウム箔により形成され長尺な形状を有し、正極金属箔２１ａと、この正極金属箔２１ａの両面に正極合剤が塗布された正極合剤層２１ｂを有する。正極金属箔２１ａの長手方向に延在する上方側の側縁は、正極合剤が塗布されず正極金属箔２１ａが露出した正極箔露出部２１ｃとなっている。この正極箔露出部２１ｃには、軸芯２５の軸に沿って上方に突き出す多数の正極タブ２６が等間隔に一体的に形成されている。
正極合剤は正極活物質と、正極導電材と、正極バインダとからなる。正極活物質として、コバルト、マンガン、ニッケル等のリチウム酸化物が挙げられる。正極バインダとして、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）やフッ素ゴムなどが挙げられる。
正極合剤を正極金属箔２１ａに塗布する方法の例として、ロール塗工法、スリットダイ塗工法、等が挙げられる。正極合剤に分散溶液を混練したスラリを、厚さ２０μｍのアルミニウム箔の両面に均一に塗布し、乾燥させた後、プレスし、裁断する。正極合剤の塗布厚さの一例としては片側約４０μｍである。正極金属箔２１ａを裁断する際、正極タブ２６を一体的に形成する。すべての正極タブ２６の長さは、ほぼ同じである。

負極電極２２は、銅箔により形成され長尺な形状を有する負極金属箔２２ａと、この負極金属箔２２ａの両面に負極合剤が塗布された負極合剤層２２ｂとを有する。負極金属箔２２ａの長手方向に延在する下方側の側縁は、負極合剤が塗布されず銅箔が露出した負極箔露出部２２ｃとなっている。この負極箔露出部２２ｃには、軸芯２５の軸に沿って正極タブ２６とは反対方向に延出された、多数の負極タブ２７が等間隔に一体的に形成されている。
負極合剤は、負極活物質と、負極バインダと、増粘剤とからなる。負極活物質としては、黒鉛炭素が挙げられる。負極合剤を負極金属箔２２ａに塗布する方法の例として、ロール塗工法、スリットダイ塗工法等が挙げられる。
負極合剤に分散溶媒を混練したスラリを、厚さ１０μｍの圧延銅箔の両面に均一に塗布し、乾燥させた後、裁断する。負極合剤の塗布厚さの一例としては片側約４０μｍである。負極金属箔２２ａをプレスにより裁断する際、負極タブ２７を一体的に形成する。すべての負極タブ２７の長さは、ほぼ同じである。

第１、第２のセパレータ２３、２４の幅は、負極電極２２の負極合剤層２２ｂの幅よりも大きい。負極電極２２の負極合剤層２２ｂの幅は、正極電極２１の正極合剤層２１ｂの幅よりも大きい。負極合剤層２２ｂの幅および長さを正極合剤層２１ｂの幅および長さよりも大きくして、正極合剤層２１ｂの全領域を負極合剤層２２ｂで覆う構造とされている。
第１のセパレータ２３および第２のセパレータ２４は、それぞれ、例えば、厚さ４０μｍのポリエチレン製多孔膜で形成されている。

非水電解液１５は、ほぼ水平状態に配置された円筒形二次電池セル８の内部に注入され、その液面は、ほぼ水平となっている。図１０は、円筒形二次電池セル８に非水電解液１５を注入した直後の状態を示す断面図である。
非水電解液１５の注入は、円筒形二次電池セル８を、横向きに対して直交する方向、換言すれば、縦向きにした状態で行う。電池缶１２に電池蓋ユニット４０をかしめる前に、軸芯２５の上端側から軸芯２５の中空部２５ｃ内に非水電解液１５を注入する。非水電解液１５の注入量は、電池缶１２内に捲回構造体３０が収容された状態で、電池缶１２の高さの半分未満とする。非水電解液１５は、図１０に図示されるように軸芯２５の下部端部に設けられた開口部２５ｄから、図示の矢印に示すように、軸芯２５の外側に流動し、電池缶１２の内部の下半分側に貯留される。この後、電池蓋ユニット４０を電池缶１２にかしめて、円筒形二次電池セル８を横向きにすると図３に図示された状態となる。

電池缶１２の底部１２ｃ側の内部には、底部１２ｃ側の液面上昇用部材７１が固定され（図６参照）、電池缶１２の電池蓋ユニット４０側の内部には、電池蓋１３側の液面上昇用部材７２が固定されている（図７参照）。液面上昇用部材７１、７２は、非水電解液１５の液面を上昇させるための部材である。以下、底部１２ｃ側および電池蓋ユニット４０側の液面上昇用部材７１、７２について説明する。

［液面上昇用部材］
図６は、円筒形二次電池セルの底面側の拡大断面図であり、図７は、円筒形二次電池セルの電池蓋側の拡大断面図である。
底部１２ｃ側の液面上昇用部材７１は、負極集電リング３１に接合された負極タブ２７および押え部材３２の外周側に配置されている。液面上昇用部材７１は、接着剤７５により電池缶１２の円筒状の周側部１２ｄの内面に接着されている。液面上昇用部材７１の内面７１ａは、押え部材３２から離間しており、液面上昇用部材７１と押え部材３２との間には隙間が形成されている。また、液面上昇用部材７１の捲回電極群２０に対面する側の側面７１ｂは、負極タブ２７から離間しており、液面上昇用部材７１と負極タブ２７との間には隙間が形成されている。
非水電解液１５は、液面上昇用部材７１の内面７１ａと押え部材３２との隙間、および液面上昇用部材７１の側面７１ｂと負極タブ２７との隙間を通って流動する。

図８（ａ）〜（ｄ）は、いずれも、液面上昇用部材７１の形状を示す図である。
図８（ａ）は、液面上昇用部材７１が、円弧状のリング構造を有する一例を示す。液面上昇用部材７１は、電池缶１２の周側部１２ｄの内面から、押え部材３２に対して所定の隙間が形成される位置まで軸芯２５側に延在された幅（半径方向の長さ）を有する。液面上昇用部材７１は、円筒形二次電池セル８をほぼ水平にしたとき、その円周方向の両端部端部ｅ_１、ｅ_２が非水電解液１５の上面１５ａから少し突き出す長さとされている。つまり、液面上昇用部材７１は、両端部ｅ_１、ｅ_２を除くほぼ全体が非水電解液１５中に浸漬している。また、液面上昇用部材７１の両側の端部ｅ_１、ｅ_２は、軸芯２５の中心軸Ｏを通る水平面ｈ−ｈより下方に位置している。すなわち、液面上昇用部材７１は、軸芯２５の中心軸Ｏを通る水平面ｈ−ｈにより２分割される上下の領域のうち、非水電解液１５が貯留されている下側の領域内に配置されている。

図８（ｂ）に図示された液面上昇用部材７１は、円筒形二次電池セル８をほぼ水平にしたとき、その円周方向の両端部ｅ_１、ｅ_２が非水電解液１５の上面１５ａより下方に位置する長さとされている。つまり、液面上昇用部材７１は、その全体が非水電解液１５中に浸漬している。他の構造は、図８（ａ）に図示された液面上昇用部材７１と同様である。

図８（ｃ）に図示された液面上昇用部材７１は、その内面７１ａが、非水電解液１５の上面１５ａとほぼ平行な平面とされた、断面がほぼドーム型形状とされた構造を有する。

図８（ｄ）に図示された例では、電池缶１２内に複数（実施形態では２つ）の液面上昇用部材７１が装着されている。図８（ｄ）では、複数の液面上昇用部材７１は、円周方向に離間して配置された状態で図示されている。しかし、複数の液面上昇用部材７１は、円周方向に離間せず、相互に端部が接触した連続状に配置してもよい。また、図８（ｄ）では、各液面上昇用部材７１は、その全体が非水電解液１５中に浸漬されているが、各液面上昇用部材７１の外側の端部ｅ_１、ｅ_２が非水電解液１５から突き出すようにしてもよい。

図７に図示されるように、電池蓋ユニット４０側の液面上昇用部材７２は、正極集電リング３７に接合された正極タブ２６および押え部材３８の外周側に配置されている。電池蓋ユニット４０側の液面上昇用部材７２も、接着剤７６により電池缶１２の円筒状の周側部１２ｄの内面に接着される。電池蓋ユニット４０側の液面上昇用部材７２の構造および取付構造は、底部１２ｃ側の液面上昇用部材７１と同様な構造を採用することができる。
但し、正極集電リング３７側では、正極集電リング３７と液面上昇用部材７２との間に非水電解液１５を流動させる必要はないので、図７に図示されるように、電池蓋ユニット４０側の液面上昇用部材７２は押え部材３８に接触させてもよい。この場合、非水電解液１５が電池缶１２の底部１２ｃ側から上昇する際、正極集電リング３７の外側に空気を抜く必要があるが、多数の正極タブ２６相互の間には隙間が形成されている。このため、正極タブ２６は押え部材３８で覆われているが、正極タブ２６相互間において空気抜きがなされる。

底部１２ｃ側および電池蓋ユニット４０側の液面上昇用部材７１、７２は、例えば、ポリエチレン、ポリプロプレン等の樹脂、またはゴム等の絶縁性材料により形成することができる。また、負極タブ２７、正極タブ２６、押え部材３２、３８等に対して絶縁された状態の構造とすれば、金属材料等の導電性材料を用いることもできる。
次に、液面上昇用部材７１、７２の機能について説明する。

円筒形二次電池セル８は、充電時に捲回電極群２０が膨張して非水電解液１５が捲回電極群２０から押し出され、放電時に、負極電極２２からリチウムイオンが非水電解液１５中に抜け出し正極電極２１に挿入される。円筒形二次電池セル８に注入される非水電解液１５は、コスト低減のために極力、少量とされ、非水電解液１５が横向きに配置される円筒形二次電池セル８では、非水電解液１５の上面１５ａが軸芯２５の中心軸Ｏを通る水平面ｈ−ｈより低い位置となる（図８参照）。このため、充放電サイクルが繰り返されると、捲回電極群２０の内周側、換言すれば、軸芯２５近傍側において、非水電解液１５の減少や枯渇が生じるおそれがある。これに伴い、リチウムイオンによる充放電反応に支障がでる。つまり、円筒形二次電池セル８の電池容量の低下等の電池特性の劣化が発生する。

本発明の実施形態によれば、非水電解液１５中に、液面上昇用部材７１、７２の少なくとも一部が浸漬されるので、非水電解液１５中に浸漬された液面上昇用部材７１、７２の体積分、非水電解液１５の上面１５ａが上昇する。非水電解液１５の上面１５ａが上昇することにより、非水電解液１５を、捲回電極群２０の内周側に浸透させ、かつ、拡散を促進することができる。すなわち、捲回電極群２０の内周側における非水電解液１５の減少、枯渇を抑制し、以て、円筒形二次電池セル８の電池容量の低下等の電池特性の劣化を抑制することができる。

円筒形二次電池セル８に注入される非水電解液１５の量は、円筒形二次電池セル８が、軸芯２５の中心軸Ｏがほぼ水平にされた状態において、その上面１５ａが、軸芯２５の下面（軸芯２５の中心軸Ｏを通る鉛直面（水平面ｈ−ｈに直交する面））と軸芯２５の外周面とが交差する面に接する位置（図８において二点鎖線で示す上面１５ａ_１の位置）よりも低くてもよい。液面上昇用部材７１、７２の体積を大きくすれば、非水電解液１５の上面１５ａが高くなるので、その幅（軸方向の長さ）を、例えば、１ｍｍ以上と、大きくすることが好ましい。円筒形二次電池セル８の軸芯２５の中心軸Ｏを通る水平面ｈ−ｈの上方側の領域には、非水電解液１５が貯留されていないので、この領域には、液面上昇用部材７１、７を設ける必要はない。本実施形態では、電池缶１２内における、軸芯２５の中心軸Ｏを通る水平面ｈ−ｈの下方側の領域内のみに液面上昇用部材７１、７２設けている。このため、コストおよび重量の低減を図ることができる。

図９は、円筒形二次電池の外観を示す斜視図である。
図９に図示されるように、電池缶１２の底部１２ｃの周縁部および電池缶１２の電池蓋ユニット４０側の周縁部には、液面上昇用部材７１、７２の位置を示す位置マーク８１、８２が設けられている。
位置マーク８１、８２は、それぞれ、電池缶１２の底部１２ｃ側および電池蓋ユニット４０側の液面上昇用部材７１、７２の中央位置に対応して設けられている。すなわち、位置マーク８１、８２は、電池缶１２の外周面と、軸芯２５の中心軸Ｏを通る鉛直面（水平面ｈ−ｈに直交する面）とが交差する面に設けられている。
このため、円筒形二次電池セル８を、冷却支持枠３の収納溝３ｄと一対の片面支持枠２、４の収納溝２ｄ、４ｄそれぞれの間に収容する際、位置マーク８１、８２を冷却支持枠３の収納溝３ｄまたは片面支持枠４の収納溝４ｄの底部中心に合わせることにより、確実に、液面上昇用部材７１、７２を非水電解液１５中に浸漬することができる。

上記実施形態によれば下記の効果を奏する。
（１）円筒形二次電池セル８の電池容器１４における電池缶１２の底部１２ｃ側および電池蓋ユニット４０側に非水電解液１５の液面を上昇するための液面上昇用部材７１、７２を設けた。このため、円筒形二次電池セル８を横向きに配置した状態において、非水電解液１５の上面１５ａが、非水電解液１５中に浸漬する液面上昇用部材７１、７２の体積分、上昇する。これにより、捲回電極群２０の内周側に生じやすい非水電解液１５の減少や枯渇を抑制し、以て、円筒形二次電池セル８の電池容量の低下等の電池特性の劣化を抑制することができる。

（２）液面上昇用部材７１、７２は、それぞれ、電池缶１２の周側部１２ｄと負極集電リング３１に接合された負極タブ２７および押え部材３２との間、および電池缶１２の周側部１２ｄと正極集電リング３７に接合された正極タブ２６および押え部材３８との間に配置される。この領域は、通常、如何なる部材も配置されないデッドスペースとなっている。従って、液面上昇用部材７１、７２の装着に伴う、円筒形二次電池セル８のサイズの増大を無くすことができる。

（３）液面上昇用部材７１、７２は、それぞれ、軸芯２５の中心軸Ｏを通る水平面ｈ−ｈの下方側の領域内に配置される大きさとした。このため、非水電解液１５の液面上昇に関与しない、軸芯２５の中心軸Ｏを通る水平面ｈ−ｈの上方側に配置される液面上昇用部材７１、７２の部分を削減することができ、コストおよび重量の低減を図ることができる。

（４）底部側の液面上昇用部材７１は、押え部材３２および負極タブ２７との間に隙間が形成されるように設けられている。このため、非水電解液１５の、電池缶１２内における軸方向の流動が速やかになる。

（５）円筒形二次電池セル８の電池缶１２の底部１２ｃの周縁部および電池缶１２の底部１２ｃに対向する面側の開口部１２ｂに、底部１２ｃ側および電池蓋ユニット４０側の液面上昇用部材７１、７２の位置を示す位置マーク８１、８２が設けられている。このため、円筒形二次電池セル８の内部に設けられた液面上昇用部材７１、７２の位置を、円筒形二次電池セル８の外部から確認することが可能となり、円筒形二次電池セル８を、冷却支持枠３および片面支持枠２、４それぞれとの間に収容する作業の効率化を図ることができる。

なお、上記実施形態においては、液面上昇用部材７１、７２は、電池缶１２における底部１２ｃ側および電池蓋ユニット４０側の２か所に設けた構造として例示した。しかし、液面上昇用部材７１、７２は、電池缶１２における底部１２ｃ側と電池蓋ユニット４０側とのいずれか一方に設けるようにしてもよい。

上記実施形態においては、負極タブ２７の外周に押え部材３２が接合され、正極タブ２６の外周に押え部材３８が接合された構造として例示した。しかし、押え部材３２、３８を無くし、負極タブ２７または正極タブ２６が、非水電解液１５に、直接、接する構造としてもよい。

上記実施形態においては、位置マーク８１、８２は、それぞれ、内部に設けられた液面上昇用部材７１、７２の中央部と対応する位置に設けられている構造として例示した。しかし、位置マーク８１、８２は、液面上昇用部材７１、７２とは反対側、換言すれば、液面上昇用部材７１、７２の中央部とは１８０度異なる位置に設けてもよい。また、位置マーク８１、８２は、液面上昇用部材７１、７２の中央部に対応する位置ではなく、液面上昇用部材７１、７２の円周方向における両側の端部ｅ_１、ｅ_２に対応して設けてもよい。位置マーク８１、８２は、電池缶１２の底部１２ｃ側および電池蓋ユニット４０側の両側に設ける必要はなく、一方側のみに設けてもよい。但し、上記実施形態のように、円筒形二次電池セル８の正負極が、交互に反転して配列される構造の組電池の場合には、位置マーク８１、８２を、電池缶１２の底部１２ｃおよび電池蓋ユニット４０の両側に設けると、円筒形二次電池セル８の挿入作業の効率化を図ることができる。

上記実施形態では、電池缶１２の底部１２ｃが、捲回電極群２０の負極電極２２に接続され、電池蓋ユニット４０が捲回電極群２０の正極電極２１に接続された構造の円筒形二次電池セル８として例示した。しかし、本発明は、電池缶が、捲回電極群の正極電極に接続され、電池蓋ユニットが捲回電極群の負極電極に接続された構造の円筒形二次電池セルに適用することができる。

上記実施形態では、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水素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。さらに、円筒形電池に限らず、正極電極および負極電極がセパレータを介して捲回された角形または平形電池にも適用が可能である。

その他、本発明の組電池は、発明の趣旨の範囲内において、種々、変形して構成することが可能であり、要は、横向きに配置された複数の二次電池セルを備える組電池であって、各二次電池セルは、捲回軸を有する捲回群が収容され、電解液が注入された電池容器と、電池容器に固定され、少なくとも一部が電解液に浸漬された液面上昇用部材とを備え、液面上昇用部材は、電池容器の底面と捲回群の軸方向の一端面との間、および電池容器の電池蓋と捲回群の軸方向の他端面との間の少なくとも一方に、捲回軸の中心軸を通る水平面より下方側の領域に配置されているものであればよい。
また、本発明の二次電池セルは、要するに、捲回軸を有する捲回群が収容され、電解液が注入された電池容器と、電池容器に固定され、少なくとも一部が電解液に浸漬された液面上昇用部材とを備え、液面上昇用部材は、電池容器の底面と捲回群の軸方向の一端面との間、および電池容器の電池蓋と捲回群の軸方向の他端面との間の少なくとも一方に、捲回軸の中心軸を通る平面によりに分割された領域の一方側にのみ配置されているものであればよい。

１ 組電池
２、４ 片面支持枠
２ａ〜２ｃ、３ａ〜３ｃ、４ａ〜４ｃ 接触面
２ｄ〜４ｄ 収納溝
２ｅ 上面
３ 冷却支持枠
４ｅ 下面
６、７ サイドプレート組立体
６ａ、７ａ サイドプレート
６ｂ、７ｂ 端子バスバー
８ 円筒形二次電池セル
８Ｒ 単電池列
１２ 電池缶
１２ｂ 開口部
１２ｃ 底部
１２ｄ 周側部
１３ 電池蓋
１４ 電池容器
１５ 非水電解液
１５ａ、１５ａ_１ 上面
２０ 捲回電極群（捲回群）
２１ 正極電極
２２ 負極電極
２５ 軸芯（捲回軸）
２５ｃ 中空部
２５ｄ 開口部
２６ 正極タブ
２７ 負極タブ
３０ 捲回構造体
３１ 負極集電リング
３２ 押え部材
３７ 正極集電リング
３８ 押え部材
４０ 電池蓋ユニット
７１ 液面上昇用部材
７１ａ 内面
７１ｂ 側面
７２ 液面上昇用部材
７５、７６ 接着剤
８１、８２ 位置マーク
ｅ_１、ｅ_２ 端部
ｈ−ｈ 軸芯２５の中心軸Ｏを通る水平面
Ｏ 中心軸

Claims (11)

1. 正・負極外部端子が導電性接続部材により電気的に接続され、軸方向を横向きにして配置された複数の二次電池セルを備え、
   前記二次電池セルのそれぞれは、
   捲回軸の周囲に正極と負極がセパレータを介して捲回された捲回群を有する捲回構造体と、
   底面と、前記底面の周囲に、前記底面にほぼ直交して設けられた周側部と、前記底面に対向する面に配置された電池蓋とを有し、前記捲回群の前記捲回軸が、前記周側部とほぼ平行に収容され、電解液が注入された電池容器と、
   前記電池容器の前記周側部の内面に固定され、少なくとも一部が前記電池容器内に注入された前記電解液に浸漬された液面上昇用部材と、を備え、
   前記液面上昇用部材は、前記電池容器の前記底面と前記捲回群の軸方向の一端面との間、および前記電池容器の前記電池蓋と前記捲回群の軸方向の他端面との間の少なくとも一方に、前記捲回軸の中心軸を通る水平面より下方側の領域に配置されている、組電池。
2. 請求項１に記載の組電池において、
   前記電池容器に、前記液面上昇用部材の位置を示すためのマークが設けられている、組電池。
3. 請求項１に記載の組電池において、
   前記液面上昇用部材は、接着剤により前記電池容器の前記周側部の内面に固定されている、組電池。
4. 請求項１に記載の組電池において、
   前記液面上昇用部材は、絶縁性樹脂により形成されている、組電池。
5. 請求項１に記載の組電池において、
   前記液面上昇用部材は、前記電池容器の前記底面と前記捲回群の軸方向の前記一端面との間、および前記電池容器の前記電池蓋と前記捲回群の軸方向の前記他端面との間の両側に設けられている、組電池。
6. 請求項１に記載の組電池において、
   前記液面上昇用部材は、前記電池容器の前記底面と前記捲回群の前記一端面との間に配置されており、
   前記捲回構造体は、前記電池容器の前記底面に対面する前記捲回群の前記一端面側に、前記捲回群の前記一端面から離間して設けられた集電部材と、前記集電部材と前記捲回群とを接続する複数の接続リードとをさらに備え、
   前記接続リードは、それぞれ、前記捲回群の前記一端面から前記集電部材側に延在された延在部と、前記集電部材に接続された接続端部とを有し、
   前記液面上昇用部材は、前記接続リードの前記延在部および前記接続リードの前記接続端部と間隙を存して固定されている、組電池。
7. 請求項６に記載の組電池において、
   前記集電部材に接合された前記接続リードの前記接続端部上に、押え部材が接合されており、
   前記液面上昇用部材は、前記押え部材と間隙を存して固定されている、組電池。
8. 請求項１に記載の組電池において、
   前記液面上昇用部材は、前記電池容器の前記電池蓋と前記捲回群の前記他端面との間に配置されており、
   前記捲回構造体は、前記電池容器の前記電池蓋に対面する前記捲回群の前記他端面側に、前記捲回群の前記他端面から離間して設けられた集電部材と、前記集電部材と前記捲回群とを接続する複数の接続リードとをさらに備え、
   前記接続リードは、それぞれ、前記捲回群の前記他端面から前記集電部材側に延在された延在部と、前記集電部材に接続された接続端部とを有し、
   前記液面上昇用部材は、前記接続リードの前記延在部と間隙を存して固定されている、組電池。
9. 請求項８に記載の組電池において、
   前記集電部材に接合された前記接続リードの前記接続端部上に、押え部材が接合されており、
   前記液面上昇用部材は、前記押え部材に接触した状態で固定されている、組電池。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の組電池に用いられる二次電池セル。
11. 捲回軸の周囲に正極と負極がセパレータを介して捲回された捲回群を有する捲回構造体と、
    底面と、前記底面の周囲に、前記底面にほぼ直交して設けられた周側部と、前記底面に対向する面に配置された電池蓋とを有し、前記捲回群の前記捲回軸が、前記周側部とほぼ平行に収容され、電解液が注入された電池容器と、
    前記電池容器の前記周側部の内面に固定され、少なくとも一部が前記電池容器内に注入された前記電解液に浸漬された液面上昇用部材と、
    前記電池容器に設けられた、前記液面上昇用部材の位置を示すためのマークと、を備え、
    前記液面上昇用部材は、前記電池容器の前記底面と前記捲回群の軸方向の一端面との間、および前記電池容器の前記電池蓋と前記捲回群の軸方向の他端面との間の少なくとも一方に、前記捲回軸の中心軸を通る平面により分割された領域の一方側にのみ配置されている、二次電池セル。
    
    

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