JP2017111879A - 捲回電池 - Google Patents

Abstract

【課題】しわや撓みが生じにくい捲回電池の提供。【解決手段】帯状の正極４０と帯状の負極６０とが、帯状のセパレータ５０を介在させて重ね合わされ、複数回巻回された態様で保持され、断面に湾曲部３０を有する電極体１２と、電極体１２に囲繞され、湾曲部３０に内側から当接して電極体１２を押圧する押圧機構２０と，を有する捲回電池１００。【選択図】図２

Description

本発明は、捲回電池に関する。

巻芯に帯状の正極、負極、セパレータを層状に巻きつけ、楕円型や菱形、円形など様々な形状に巻きつけた電極体を備える捲回電池が知られている（特許文献１、２参照）。
捲回電池において、筐体の形状に合わせて、長方形に近い形状になるように電極体の一部をきつく湾曲させる方法が知られている。

特開２０１３−２０８２１号公報 特開２００１−４３８８９号公報

しかしながら、電極体の曲率が大きい部分においては、充放電の繰り返し時などに、シワや撓みが生じてしまい、抵抗増加やＬｉ析出などを引き起こす懸念がある。

本発明は以上のような課題に基づきなされたものであり、しわや撓みが生じにくい捲回電池の提供を目的とする。

本願発明にかかる捲回電池は、帯状の正極と帯状の負極とが、帯状のセパレータを介在させて重ね合わされ、複数回巻回された態様で保持され、断面に湾曲部を有する電極体と、前記電極体に囲繞され、前記湾曲部に内側から当接して前記電極体を押圧する押圧機構と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、しわや撓みが生じにくい捲回電池を提供することができる。

本発明の第１の実施形態としての捲回電池の構成の一例を示す断面図である。 図１に示した捲回電池の一例を示す拡大断面図である。 本発明の捲回電池の構成の効果の一例を示す断面写真である。 本発明の第２の実施形態における捲回電池の構成の一例を示す図である。 捲回電池の従来例の構成を示す図である。 図５に示した従来例における使用時の問題を示す図である。

以下、本発明の第１の実施形態として、図１に示すように、捲回電池１００について説明する。なお、図１における紙面垂直方向をＸ方向、上下方向をＺ方向とし、Ｘ方向及びＺ方向に平行な方向をＹ方向とする。
捲回電池１００は、外装たる筐体１０と、筐体１０の内部に充填された電解質１１と、筐体１０の内部に納められた電極体１２と、を有している。
捲回電池１００は、電極体１２に囲繞される態様で配置され、電極体１２を外周側に向けて、言い換えると断面の楕円形状における長径での外径方向たる±Ｙ方向へ向けて押圧する押圧機構２０を有している。

電極体１２は、図１におけるＡ部分を図２として拡大して示すように、帯状の正極４０と、帯状の負極６０と、帯状のセパレータ５０と、が層状に重ね合わされ、複数回捲回された態様で保持された、断面が楕円形状の捲回体である。なお、図２は模式図であり、実際には層構造は数十層、数百層で形成されている。
電極体１２は、Ｙ方向の両端部分すなわち電極体１２断面の楕円形状のうち、長径に平行な方向の両端部分に、他の部分よりも曲率が大きい、言い換えると曲率半径ｒの小さい部分である湾曲部３０を有している。

押圧機構２０は、電極体１２を±Ｙ方向へと付勢するための付勢部材たる弾性体としてのバネ２１と、バネ２１の両端部に取り付けられて、湾曲部３０の内壁面３０ａの曲率に沿って当接するように形成された一対の当接部２２と、を有している。

バネ２１は、本実施形態では、鉄製のつるまきバネにＮｉメッキを施したものであり、±Ｙ方向に、すなわち拡がる方向に付勢している。
なお、バネ２１は鉄などの他、ＳＵＳなどの金属材料であってもよく、特に材質は限定されない。また、形状記憶合金などを用いても良い。
かかるバネ２１の材質は、電解質１１と化学反応しない物質であればよい。

当接部２２は、樹脂製の半径ｒ’の円筒状部材である。なお、当接部２２の半径ｒ’は、湾曲部３０を押圧するときに離間しない程度に湾曲部３０の内壁面３０ａの曲率半径ｒの近傍の値であることが望ましいが、異なっていても良いし、その大きさは特に限定されない。当接部２２は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリイミドなどの樹脂材料であっても良い。
かかる当接部２２の材質についても、バネ２１と同様、電解質１１と化学反応しない物質であればよい。
当接部２２が円筒状であるので、バネ２１が伸長するときにも、内壁面３０ａの一部のみが押圧されてしまうことなく、Ｘ方向に沿って一様に押圧するから、電極体１２がＸ方向に均等に±Ｙ方向へと押圧される。

このような捲回電池１００の組立て方法について説明する。
まず、セパレータ５０を巻きつけた巻芯が回転するのに従って、セパレータ５０の一方の面側に正極４０が、他方の面側に負極６０が、層状に巻きつくように、巻芯を所定の回数回転させる。かかる工程により帯状の正極４０と帯状の負極６０とが、帯状のセパレータ５０を介在させて層状に重ね合わされた態様で略楕円形状に保持される。

次に、巻芯をセパレータ５０から取り外して、巻芯を抜いた状態の電極体１２を筐体１０へと挿入する。
電極体１２が筐体１０内部へ安置されると、電極体１２の中心部たる空洞部に押圧機構２０が挿入される。
押圧機構２０は、バネ２１が自然長よりも短い状態で電極体１２の内側に挿入されるので、電極体１２を筐体１０側に向かって付勢する。
最後に筐体１０内部には電解質１１が充填される。

ところで、従来の捲回電池では、一般に組立て時には巻芯が抜かれた後には捲回体の中央部分には何も入らない。このような従来例として、図５に示すような捲回電池５００を示す。なお、以下の説明においては、押圧機構２０以外の、本実施形態と重複する構成については、既に説明した各構成の符号に記号「’」を付記した上で説明を適宜省略する。かかる従来の捲回電池５００では、組立て直後には、しわやたわみ等が無く、綺麗な状態であったとしても、充放電を繰り返すうちに図６（ａ）、（ｂ）に示すように、正極４０’と、セパレータ５０’と、負極６０’と、の間に空隙６が生じる。
かかる空隙６が生じることによって、正極４０’と、負極６０’と、の間の抵抗増加や、Ｌｉ析出の原因となることが多い。
また、かかる空隙６は、一般的には最も曲率のきつい場所に生じるため、特に湾曲部３０’の内壁側に生じやすいという問題があった。

そこで、本実施形態では、湾曲部３０の内壁面３０ａを、外径方向たる±Ｙ方向へと押圧する押圧機構２０を有している。かかる構成により、経時的にも、図３に示すように、しわや撓みの発生が抑制される。

また、バネ２１の端部で押す場合のように、局所的に負荷がかかってしまうと、正極４０、セパレータ５０、負極６０などの破損や、変形を生じさせてしまう懸念もある。
そこで、押圧機構２０は、±Ｙ方向の両端に、湾曲部３０の内壁面３０ａに沿って湾曲して当接する当接部２２を有している。
かかる構成により、湾曲部３０の内壁面３０ａに沿って、当接部２２が面接触するので、押圧機構２０が電極体１２を押圧する際にも、局所的な負荷が生じることを抑えるとともに、しわや撓みの発生が抑制される。

押圧機構２０は、電極体１２の幅方向、すなわちＸ方向に次に説明する第２の実施形態のように複数配置されていても良い。その場合には、押圧機構２０は、電極体１２のＸ方向の中心に対して対称に配置されることが望ましい。

次に、本発明の第２の実施形態として捲回電池２００について説明する。なお、第２の実施形態において、既に説明した第１の実施形態と同様の構成の部分については、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
第２の実施形態において、捲回電池２００は、図４（ａ）に示すように、電極体１２の幅方向たるＸ方向に３つ設けられた押圧機構２３を有している。

それぞれの押圧機構２３は、図４（ｂ）に示すように、形状記憶部材たる形状記憶バネ２４と、形状記憶バネ２４の両端に設けられた当接部２５と、を有している。
なお、特に区別する必要のあるときには、Ｘ方向に複数配置された押圧機構２３のうち、電極体１２のＸ方向の中心に近い位置に配置された形状記憶バネ２４を形状記憶バネ２４ａとして、形状記憶バネ２４ａよりも遠い位置に配置される形状記憶バネ２４ｂとする。

形状記憶バネ２４は、所定の記憶回復温度Ｔ℃以上になることによって伸長する形状記憶部材である。すなわち形状記憶バネ２４は、電極体１２の内部における温度上昇を検知して湾曲部３０の内壁面３０ａを押圧する。

当接部２５は、ＹＺ断面が略放物線状になるように形成された、言い換えるとＵ字状の湾曲部材であり、先端部分２５ａの曲率が、内壁面３０ａの曲率Ｒに沿うように形成されている。

通常の捲回電池においては、内部温度が５０℃以上になると、熱膨張などの影響により、しわや撓みが生じるため、抵抗の増大や、その後の室温以下での充電によりＬｉ析出などの劣化が生じやすい傾向がある。
また、捲回電池２００の中央部分においては、熱が逃げ難く、温度が高い傾向にあると考えられる。
そこで、本実施形態では、Ｘ方向において中心付近に配置された形状記憶バネ２４の動作する記憶回復温度Ｔ＝５０℃に設定する。
かかる構成により、捲回電池の内部温度が十分に低いときには、電極体１２に押圧による負荷がかからず、かつ内部温度が上昇したときには、内壁面３０ａが押圧機構２３によって押圧されることで、しわや撓みの発生が抑制される。

また、Ｘ方向に複数配置された押圧機構２３のうち、Ｘ方向の中心に近い位置に配置された形状記憶バネ２４ａの記憶回復温度Ｔａは、形状記憶バネ２４ａよりも遠い位置に配置される形状記憶バネ２４ｂの記憶回復温度Ｔｂよりも高い。
かかる構成により、幅方向に温度の高低が生じてしまう場合にも、一様に内壁面３０ａを押圧するから、しわや撓みの発生がさらに抑制される。

なお、本実施形態では、Ｘ方向に３つ配置される場合についてのみ述べたが、３つに限定されるものではなく、複数の押圧機構２３が配置されるとしても良い。

また、第１の実施形態におけるバネ２１の代わりに形状記憶バネ２４を用いても良いし、第２の実施形態における形状記憶バネ２４の代わりにバネ２１を用いても良い。
あるいは、第１の実施形態において、当接部２２の形状を第２の実施形態における当接部２５と同様の形状としても良い。

以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、本実施形態においては楕円形状の捲回体についてのみ述べたが、菱形などの形状であっても良い。
また、１つの当接部に複数のバネが付いていてもよいし、当接部が捲回電池の幅方向全体を押すように、Ｘ方向に長い構成であっても良い。

さらに、第１、第２の実施形態においては、１対ではなく２対の当接部が、互いに直交する方向で交差したバネの端部に取り付けられているとしても良い。
また、弾性体の両端に当接部を取り付ける構成についてのみ述べたが、押圧機構の中心に不動部材を設け、不動部材と当接部との間を弾性体で連結する構成としても良い。

本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１２…電極体、 ２０、２３…押圧機構、２１…弾性体（バネ）、２２…当接部、２４…形状記憶部材（形状記憶バネ）、３０…湾曲部、３０ａ…内壁面、 ４０…正極、 ５０…セパレータ、６０…負極、１００、２００…捲回電池、
Ｘ…電極体の幅方向、Ｙ…外径方向

Claims (5)

1. 帯状の正極と帯状の負極とが、帯状のセパレータを介在させて重ね合わされ、複数回捲回された態様で保持され、断面に湾曲部を有する電極体と、
   前記電極体に囲繞され、前記湾曲部に内側から当接して前記電極体を押圧する押圧機構と、
   を有する捲回電池。
2. 請求項１に記載の捲回電池であって、
   前記押圧機構は、両端に前記湾曲部の内壁面に沿って湾曲して当接する当接部を有することを特徴とする捲回電池。
3. 請求項１または２に記載の捲回電池であって、
   前記押圧機構は、前記電極体の幅方向に複数、前記幅方向の中心に対して対称に配置されることを特徴とする捲回電池。
4. 請求項１乃至３の何れか１つに記載の捲回電池であって、
   前記押圧機構は、形状記憶部材あるいは弾性体であることを特徴とする捲回電池。
5. 請求項３に記載の捲回電池であって、
   前記押圧機構は、所定の温度以上になることによって伸長する形状記憶部材であり、
   前記複数の押圧機構のうち、前記幅方向の中心に近い位置に配置される形状記憶部材の前記温度は、当該形状記憶部材よりも遠い位置に配置される形状記憶部材の前記温度よりも高いことを特徴とする捲回電池。

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