JP3613407B2 - 捲回型電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、集電体箔に正極活物質が被着された正極板と、集電体箔に負極活物質が被着された負極板と、セパレータとを捲回により積層してコイル状の電極板積層体を形成し、これを電池缶に収納した捲回型電池に関し、特に、積層方向で押しつぶされた場合でも、安全に内部放電することができるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
非水系の電解液を用いるリチウムイオン二次電池は、高電圧、高容量、高出力でありながら重量が軽いため、携帯型電子機器の電源として採用されつつある。このようなリチウムイオン二次電池においては、一般に、正極の集電体としてアルミニウム箔を用い、これに正極活物質であるリチウム複合酸化物（ＬｉＣｏＯ２ 等）を含む材料を塗布して正極板を形成するとともに、負極の集電体として銅箔を用い、これに負極活物質である炭素を含む材料を塗布して負極板を形成し、両者の間にセパレータとして孔径が微細な多孔質ポリエチレン膜を介在させて渦巻き状に捲いた電極板積層体を、負極となる円筒形の金属電池缶に収納している。
【０００３】
現在流通しているリチウムイオン二次電池における電極板積層体の構造としては、アルミニウム箔の両面に活物質被膜がある一枚の正極板と、銅箔の両面に活物質被膜がある一枚の負極板と、二枚のセパレータとを、負極板、セパレータ、正極板、セパレータの順に重ね、且つ負極板が外側になるようにして渦巻き状に巻いたものがある。また、アルミニウム箔の片面に活物質被膜がある二枚の正極板と、銅箔の両面に活物質被膜がある一枚の負極板と、二枚のセパレータとを、負極板、セパレータ、二枚の正極板（アルミニウム箔側同士を合わせて活物質被膜側を外側に向けて配置）、セパレータの順に重ね、且つ負極板が外側になるようにして渦巻き状に巻いたものもある。
【０００４】
すなわち、一枚の集電体箔の両面に活物質被膜があるか、片面に活物質被膜のある集電体箔を二枚重ねるかの違いはあるが、いずれにしても、その電極板積層体は、正極活物質、正極側集電体箔、正極活物質、セパレータ、負極活物質、負極側集電体箔、負極活物質、セパレータ、正極活物質の順に積層されたものとなっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなリチウムイオン二次電池には、回路の異常や誤った使い方などによって、正極と負極とが短絡して電池内部の温度が上昇した場合の安全性を確保するために、従来より、安全弁、温度ヒューズ、ＰＴＣ素子等が備えてあるが、様々な使用環境や不慮の事故に備えて、より一層の安全対策が求められている。
【０００６】
例えば、電池に導電体である釘等が刺し入れられると、この釘の先端は、負極である電池缶を貫通して負極となった状態で内部の正極板に接触するため、この釘を介した短絡が生じる。また、電池が外部から異常加熱されると、有機材料であるセパレータが先ず溶融するため、このセパレータによって絶縁されていた正極板と負極板とが接触して短絡が生じる。さらに、電池が電極板積層体の積層方向で押しつぶされると、電極板積層体の内周側に大きなストレスがかかってセパレータが破断し、正極板と負極板とが接触して短絡が生じる。
【０００７】
このような短絡時には、電極板積層体を構成する部材の中でリチウム複合酸化物（正極活物質）の抵抗値が比較的高いため、短絡電流の通過によってリチウム複合酸化物の温度は上昇しやすい。そして、この昇温によって生じた熱で電池内部の有機溶媒が分解反応を起こしやすくなる。また、このような短絡が充電状態の電池に生じると、充電状態におけるリチウム複合酸化物は、リチウムがイオンとしてある程度抜け出ている不安定な状態にあるため、温度上昇によって分解されて活性な酸素を発生しやすく、この酸素によって、リチウム複合酸化物を被着させているアルミニウム箔や有機溶媒に反応が生じやすくなる。
【０００８】
このようなことから、充電状態の電池に正極活物質と負極との短絡が生じることに伴う正極活物質の昇温によって、電池内部に大きなエネルギー（化学エネルギー）が生じやすくなり、電池の安全性が確保でき難くなる。
したがって、様々な使用環境や不慮の事故に対応した安全対策としては、特に、充電状態で正極活物質と負極との短絡を生じさせないことと、前記短絡が生じた場合には正極活物質の昇温を抑えることが重要となるが、前記従来の構造ではそのための対策は施されていない。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の問題点に着目してなされたものであり、正負極板およびセパレータが捲回により積層されたコイル状の電極板積層体を有する捲回型電池において、積層方向での押しつぶしにより短絡が生じた場合に、正極活物質の昇温を抑えて安全性を確保できるものを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、集電体箔に正極活物質が被着された正極板と、集電体箔に負極活物質が被着された負極板と、セパレータとが捲回により積層された電極板積層体を電池缶内に備えた捲回型電池において、前記電極板積層体の捲回中心に、棒材の周面にその周方向に連続する凹部を有するセンターピンを設けたことを特徴とする捲回型電池を提供するものである。
【００１１】
前記形状のセンターピンとしては、例えばネジ軸のように、棒材の周面に所定幅の凹部が螺旋状に形成されているものや、螺旋状ではなく棒材の断面円に沿った周溝が長さ方向に多数形成されているもの等が挙げられる。また、前記棒材は中実であっも中空であってもよいが、中空であると、内部圧力が上昇した場合に電池缶内のガスがその中空部から安全弁の方向へ導かれるため好ましい。なお、棒材が中空の場合の前記凹部は、棒材の外周面から内周面側に向けて内周面を貫通しない深さで形成されたものに限定される。
【００１２】
請求項２の発明は、集電体箔に正極活物質が被着された正極板と、集電体箔に負極活物質が被着された負極板と、セパレータとが捲回により積層された電極板積層体を電池缶内に備えた捲回型電池において、前記電極板積層体の捲回中心に当該電極板積層体の最内周と隣接するように設けるセンターピンを、コイルバネのみで構成したことを特徴とする捲回型電池を提供する。
【００１３】
前記コイルバネとしては、ピッチが線材直径より大きくて、無負荷時に隣合う線材間に隙間を有するものが好ましい。前記線材の断面形状は特に限定されず、円でも菱形等の多角形でもよい。
【００１４】
【作用】
請求項１に係る電池によれば、当該電池が電極板積層体の積層方向（軸に交差する方向）で押しつぶされると、電極板積層体の内周側に大きなストレスがかかってセパレータが破断し、正極板と負極板とが接触して短絡が生じるが、その際に、電極板積層体の内周側部分は、センターピンの前記凹部に食い込んで広範囲に破断される。
【００１５】
これにより、センターピンにこのような凹部がないか、センターピン自体を備えない構造の捲回型電池と比べて前記短絡が広範囲に生じるため、正極活物質の抵抗値が集電体箔の抵抗値より高い場合であっても、当該正極活物質の単位体積当たりに流れる電流が少なくなって当該正極活物質の昇温が抑えられる。
請求項２に係る電池によれば、前述の押しつぶしに伴う短絡の際に、センターピンをなすコイルバネの周面に電極板積層体の内周側部分が押し当たり、コイルバネが無負荷時で前記隙間を有する場合には、コイルバネはその隙間に前記部分が食い込んだ状態で潰されながら軸方向に延び、電極板積層体内で傾く（コイルバネの中心軸が捲回中心からずれる）ため、電極板積層体を内側から広範囲に破断する。なお、コイルバネのピッチが線材直径に等しく無負荷時には前記隙間がない場合でも、押しつぶしによって線材間に隙間が生じればそこに電極板積層体の内側が食い込むため、前記と同種の作用が得られる。
【００１６】
これにより、センターピンがこのようなコイルバネでない構造の捲回型電池と比べて前記短絡が広範囲に生じるため、正極活物質の抵抗値が集電体箔の抵抗値より高い場合であっても、当該正極活物質の単位体積当たりに流れる電流が少なくなって当該正極活物質の昇温が抑えられる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第一実施例に相当する円筒状の捲回型電池の内側部分を示す横断面図であり、図２は、この実施例におけるセンターピンを示す正面図である。
【００１８】
この電池は、渦巻き状に捲回された電極板積層体１を、円筒形の電池缶に収納した非水系リチウムイオン二次電池である。なお、図１には、電極板積層体１の内周部側のみが示され、外周部側と電池缶は省略されている。
電極板積層体１は、アルミニウムからなる集電体箔１１ａの両面に、ＬｉＣｏＯ２ を含む材料が正極活物質１１ｂとして塗布された一枚の正極板１１Ｃと、銅からなる集電体箔１２ａの両面に、炭素粒子を含む材料が負極活物質１２ｂとして塗布された一枚の負極板１２と、正極活物質１１ｂと負極活物質１２ｂとの間に配置されたポリエチレン微多孔膜（膜厚３５μｍ）からなる二枚のセパレータ１３Ａ，１３Ｂと、内周側でセパレータ１３Ａ，１３Ｂにそれぞれ連結されたイオン伝導性のないポリエチレン樹脂膜（膜厚１２μｍ）からなる絶縁膜１４Ａ，１４Ｂとで構成されている。
【００１９】
この電極板積層体１の層構造は、内周部を除いて、セパレータ１３Ｂ、負極活物質１２ｂ、負極側集電体箔１２ａ、負極活物質１２ｂ、セパレータ１３Ａ、正極活物質１１ｂ、正極側集電体箔１１ａ、正極活物質１１ｂ、セパレータ１３Ｂ・・・の順になっている。
内周部については、正極板１１Ｃに集電体露呈部分１５が形成され、これより内側で対向する負極板１２にも集電体露呈部分１６が形成されている。正極側の集電体露呈部分１５は、正極板１１Ｃの両面の正極活物質１１ｂを当該部分について被着しないことにより形成されている。同様に、負極側の集電体露呈部分１６も、負極板１２の両面の負極活物質１２ｂを当該部分について被着しないことにより形成されている。
【００２０】
そして、正負極の集電体箔露呈部分１５，１６に隣接する部分には、境界位置で各セパレータ１３Ａ，１３Ｂに連結された絶縁膜１４Ａ，１４Ｂ（イオン電導性のないポリエチレン樹脂膜）が配置されている。これにより、正負極の集電体箔露呈部分１５，１６に隣接するセパレータ（すなわち、絶縁膜１４Ａ，１４Ｂ）は、両極の活物質間に介在するセパレータ１３Ａ，１３Ｂより膜厚の薄いものとなっている。
【００２１】
一方、電極板積層体１の捲回中心には、図２に示すような、ステンレス製のセンターピン３が挿入してある。このセンターピン３は、直径が約４ｍｍでピッチが０．７ｍｍの中実のネジ軸であり、周面に螺旋状の凹部３１を有している。この凹部３１の深さ（（「外径」−「谷径」）／２）は約０．５ｍｍである。
また、センターピン３に近接した正極側集電体１１ａの外面に、タブ５が固定してある。
【００２２】
したがって、電池が積層方向で押しつぶされた場合には、一般に、センターピン３に隣接する最内周の絶縁膜１４Ａ，１４Ｂが受けるストレスが最も大きいことから、ここから順次外周方向へ絶縁膜１４Ａ，１４Ｂの破断が生じるが、最内周である正負極の集電体箔露呈部分１５，１６部分では正負極の集電体箔１１ａ，１２ａ同士の短絡のみが生じて、正負極の各物質１１ｂ，１２ｂの短絡は生じない。
【００２３】
また、この時に、電極板積層体１の内周側部分は、センターピン３の前記凹部に食い込んで広範囲に破断される。
これにより、前記押しつぶしに関しては、短絡部分でも電流のほとんどが集電体箔１１ａ，１２ａに流れ、またセンターピン３にも短絡電流が流れる可能性があるため、ＬｉＣｏＯ２ からなる正極活物質１１ｂに流れる電流は少なくなって、ＬｉＣｏＯ２ の昇温が抑えられる。そのため、充電状態の短絡であっても、ＬｉＣｏＯ２ の昇温に伴う酸素の発生およびこの酸素によるアルミニウム（正極側集電体箔）や有機溶媒（電解質溶媒）の反応が抑えられるため、電池内部に大きなエネルギーが生じることが防止されて、電池の安全性が確保される。
【００２４】
なお、この実施例では、正負極の集電体箔露呈部分１５，１６の少なくとも外側に隣接するセパレータ（すなわち、絶縁膜１４Ａ，１４Ｂ）の膜厚が、両極活物質間に介在するセパレータ１３Ａ，１３Ｂより薄いものであるため、セパレータ１３Ａ，１３Ｂをそのまま正負極の集電体箔露呈部分１５，１６の外側に延長した場合と比べて、同じ大きさの電池缶に積層できる単位積層体の合計長さを長くすることができる。これによって、前述のように電池の安全性を確保しながら電気容量も大きくすることができる。
【００２５】
図３は、本発明の第二実施例に相当する円筒状の捲回型電池を示す横断面図であり、図４は、この実施例におけるセンターピンを示す斜視図である。
この電池は、前記第一実施例と同様に非水系リチウムイオン二次電池であり、その電極板積層体１Ａは、図３に示すように、アルミニウムからなる集電体箔１１ａの片面のみに、ＬｉＣｏＯ２ を含む材料が正極活物質１１ｂとして塗布された正極板１１と、銅からなる集電体箔１２ａの片面のみに、炭素粒子を含む材料が負極活物質１２ｂとして塗布された負極板１２と、正極活物質１１ｂと負極活物質１２ｂとの間に配置されたポリエチレン微多孔膜からなるセパレータ１３と、正極側集電体箔１１ａと負極側集電体箔１２ａとの間に配置された前記セパレータ１３と同じ膜からなる絶縁膜１４とで構成されている。
【００２６】
この電極板積層体１Ａは、正極側集電体箔１１ａ、正極活物質１１ｂ、セパレータ１３、負極活物質１２ｂ、負極側集電体箔１２ａ、絶縁膜１４の順に層を重ねて絶縁膜１４を内側にして（すなわち正極側集電体箔１１ａを外側にして）、捲回機により渦巻き状に捲き、最外周にさらに絶縁膜１４を捲くことにより作製されている。これにより、電極板積層体１Ａの層構造は、電池缶２側から内側に向けて、絶縁膜１４、正極側集電体箔１１ａ、正極活物質１１ｂ、セパレータ１３、負極活物質１２ｂ、負極側集電体箔１２ａ、絶縁膜１４、正極側集電体箔１１ａ・・・の順になっている。
【００２７】
また、この電極板積層体１Ａにおいては、正極活物質１１ｂと負極活物質１２ｂとが対向配置された正極１１および負極１２と、その間に配置されたセパレータ１３とで形成される単位電池層４内では電池作用が生じるが、絶縁膜１４が介在された単位電池層４同士の間（すなわち、正負の集電体箔１１ａ，１２ａの間）では電池作用が生じない。
【００２８】
この電極板積層体１Ａの捲回中心に挿入されているセンターピン３ａは、図４に示すような、断面が円形の線材からなるステンレス製のコイルバネであり、線材の直径が０．６ｍｍで、ピッチが１．６ｍｍである。そのため、無負荷時に隣合う線材間に１．０ｍｍの隙間がある。
したがって、この電池が積層方向で押しつぶされた場合には、一般に、センターピン３ａに隣接する最内周のセパレータ１３および絶縁膜１４が受けるストレスが最も大きいことから、ここから順次外周方向へセパレータ１３および絶縁膜１４の破断が生じ、正極活物質１１ｂと負極活物質１２ｂとの短絡が生じるが、これとほぼ同時に正負の集電体箔１１ａ，１２ａ同士の短絡も生じる。
【００２９】
また、この時に、コイルバネ３ａの周面に電極板積層体１Ａの内周側部分が押し当たり、コイルバネ３ａは、この部分が隣合う線材間の隙間に食い込んだ状態で潰されながら軸方向に延び、電極板積層体１Ａ内で傾く（コイルバネ３ａの中心軸が捲回中心からずれる）ため、電極板積層体１Ａを内側から広範囲に破断する。
【００３０】
これにより、前記押しつぶしに関しては、短絡部分でも電流のほとんどが集電体箔１１ａ，１２ａに流れ、またセンターピン３にも短絡電流が流れる可能性があるため、ＬｉＣｏＯ２ からなる正極活物質１１ｂに流れる電流は少なくなって、ＬｉＣｏＯ２ の昇温が抑えられる。そのため、充電状態の短絡であっても、前記第一実施例と同様に、電池内部に大きなエネルギーが生じることが防止されて、電池の安全性が確保される。
【００３１】
なお、この実施例では、電極板積層体１Ａの構造により、鋭利な釘等の導電体が電池缶２を突き破って電池内部に進入した場合には、電池缶２を貫通する時点で負極となった導電体の先端は、絶縁膜１４、正極側の集電体箔１１ａ、正極活物質１１ｂ、セパレータ１３、負極活物質１２ｂ、負極側の集電体箔１２ａ、絶縁膜１４・・・の順に貫通しながら接触していく。このように、導電体を介して正極活物質１１ｂと負極活物質１２ｂとの短絡が生じるが、前述のように、これとほぼ同時に正負の集電体１１ａ，１２ａ同士の短絡も生じるため、短絡部分でも電流のほとんどは集電体１１ａ，１２ａに流れて安全に内部放電される。これにより、充電状態の釘刺し等による短絡の場合でも、前記と同様に、電池内部に大きなエネルギーが生じることが抑えられて、電池の安全性が確保される。
【００３２】
なお、前記実施例においては、リチウムイオン二次電池について説明したが、これ以外の非水系二次電池または非水系一次電池についても、正極活物質の抵抗値が比較的高いものの場合には、前記と同様の作用によって電池の安全性を確保することができる。
また、電極板積層体の構造も、前記実施例のような特殊な構造のものに限定されず従来の構造のものであっもよい。また、前記各実施例における電極板積層体とセンターピンとの組み合わせが異なるものであってもよいことは言うまでもない。
【００３３】
そして、従来の構造の電極板積層体では、電池が電極板積層体の積層方向（軸に交差する方向）で押しつぶされると、その内側で正極活物質と負極板との短絡が生じるが、センターピン３，３ａの前記作用によって電極板積層体を内周側から広範囲に破断することにより、センターピンが周面に凹部がない筒体からなるものであったりセンターピン自体を備えない構造の捲回型電池と比べて短絡が促進されて広範囲に生じる。
【００３４】
これにより、正極活物質の抵抗値が集電体箔の抵抗値より高い場合であっても、当該正極活物質の単位体積当たりに流れる電流が少なくなって当該正極活物質の昇温が抑えられるため、電池の安全性は確保される。
また、前記各実施例では、ステンレス鋼製のセンターピンを使用しているため、耐食性が高いとともに短絡電流がこれに流れる効果があるが、本発明におけるセンターピンの材質はこれに限定されず、プラスチックやバネ鋼等であってもよい。
【００３５】
また、センターピンとして使用可能なコイルバネは前述のものに限定されず、線材の断面が菱形であるスプリングのように、外周面に鋸の歯状の凹部が形成されたものであると、無負荷時に隣合う線材同士に隙間がないコイルバネであっても、前記押しつぶし時にこの凹部に電極板積層体の内周部分が食い込み易くなるため好ましい。
【００３６】
さらに、請求項１のセンターピンでは、凹部の深さによって電極板積層体の内周部の凹部への食い込み度合いが異なり、凹部が深いほど前記食い込み度合いが高くなるため好ましい。また、請求項２のセンターピンでは、前記食い込み度合いはコイルバネの隣合う線材間の隙間に応じて異なり、前記隙間が線材直径の２〜３倍であることが好ましい。
【００３７】
また、センターピン３，３ａの軸方向両端部が、端部側ほど径の小さいテーパ状の円筒体に形成されると、電極板積層体１，１Ａの捲回中心に挿入しやすくなる。
また、センターピンがコイルバネからなるものである場合には、電池重量を軽くできる効果もある。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１および２の捲回型電池によれば、センターピンの形状を工夫することで、電池の積層方向の押しつぶしによって正極活物質と負極との短絡が生じても、当該正極活物質の昇温が抑えられる。そのため、特に、当該電池がリチウムイオン二次電池である場合に充電状態で短絡が生じても、電池内部に大きなエネルギーの発生が抑えられて、電池の安全性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例の捲回型電池を示す概略横断面図である。
【図２】第一実施例におけるセンターピンを示す正面図である。
【図３】本発明の第二実施例の捲回型電池を示す概略横断面図である。
【図４】第二実施例におけるセンターピンを示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 電極板積層体
１Ａ 電極板積層体
２ 電池缶
３ センターピン
３ａ コイルバネ（センターピン）
３１ 凹部
１１ 正極板
１１Ｃ 正極板
１１ａ 正極側の集電体箔
１１ｂ 正極活物質
１２ 負極板
１２ａ 負極側の集電体箔
１２ｂ 負極活物質
１３ セパレータ
１３Ａ セパレータ
１３Ｂ セパレータ
【産業上の利用分野】
本発明は、集電体箔に正極活物質が被着された正極板と、集電体箔に負極活物質が被着された負極板と、セパレータとを捲回により積層してコイル状の電極板積層体を形成し、これを電池缶に収納した捲回型電池に関し、特に、積層方向で押しつぶされた場合でも、安全に内部放電することができるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
非水系の電解液を用いるリチウムイオン二次電池は、高電圧、高容量、高出力でありながら重量が軽いため、携帯型電子機器の電源として採用されつつある。このようなリチウムイオン二次電池においては、一般に、正極の集電体としてアルミニウム箔を用い、これに正極活物質であるリチウム複合酸化物（ＬｉＣｏＯ２ 等）を含む材料を塗布して正極板を形成するとともに、負極の集電体として銅箔を用い、これに負極活物質である炭素を含む材料を塗布して負極板を形成し、両者の間にセパレータとして孔径が微細な多孔質ポリエチレン膜を介在させて渦巻き状に捲いた電極板積層体を、負極となる円筒形の金属電池缶に収納している。
【０００３】
現在流通しているリチウムイオン二次電池における電極板積層体の構造としては、アルミニウム箔の両面に活物質被膜がある一枚の正極板と、銅箔の両面に活物質被膜がある一枚の負極板と、二枚のセパレータとを、負極板、セパレータ、正極板、セパレータの順に重ね、且つ負極板が外側になるようにして渦巻き状に巻いたものがある。また、アルミニウム箔の片面に活物質被膜がある二枚の正極板と、銅箔の両面に活物質被膜がある一枚の負極板と、二枚のセパレータとを、負極板、セパレータ、二枚の正極板（アルミニウム箔側同士を合わせて活物質被膜側を外側に向けて配置）、セパレータの順に重ね、且つ負極板が外側になるようにして渦巻き状に巻いたものもある。
【０００４】
すなわち、一枚の集電体箔の両面に活物質被膜があるか、片面に活物質被膜のある集電体箔を二枚重ねるかの違いはあるが、いずれにしても、その電極板積層体は、正極活物質、正極側集電体箔、正極活物質、セパレータ、負極活物質、負極側集電体箔、負極活物質、セパレータ、正極活物質の順に積層されたものとなっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなリチウムイオン二次電池には、回路の異常や誤った使い方などによって、正極と負極とが短絡して電池内部の温度が上昇した場合の安全性を確保するために、従来より、安全弁、温度ヒューズ、ＰＴＣ素子等が備えてあるが、様々な使用環境や不慮の事故に備えて、より一層の安全対策が求められている。
【０００６】
例えば、電池に導電体である釘等が刺し入れられると、この釘の先端は、負極である電池缶を貫通して負極となった状態で内部の正極板に接触するため、この釘を介した短絡が生じる。また、電池が外部から異常加熱されると、有機材料であるセパレータが先ず溶融するため、このセパレータによって絶縁されていた正極板と負極板とが接触して短絡が生じる。さらに、電池が電極板積層体の積層方向で押しつぶされると、電極板積層体の内周側に大きなストレスがかかってセパレータが破断し、正極板と負極板とが接触して短絡が生じる。
【０００７】
このような短絡時には、電極板積層体を構成する部材の中でリチウム複合酸化物（正極活物質）の抵抗値が比較的高いため、短絡電流の通過によってリチウム複合酸化物の温度は上昇しやすい。そして、この昇温によって生じた熱で電池内部の有機溶媒が分解反応を起こしやすくなる。また、このような短絡が充電状態の電池に生じると、充電状態におけるリチウム複合酸化物は、リチウムがイオンとしてある程度抜け出ている不安定な状態にあるため、温度上昇によって分解されて活性な酸素を発生しやすく、この酸素によって、リチウム複合酸化物を被着させているアルミニウム箔や有機溶媒に反応が生じやすくなる。
【０００８】
このようなことから、充電状態の電池に正極活物質と負極との短絡が生じることに伴う正極活物質の昇温によって、電池内部に大きなエネルギー（化学エネルギー）が生じやすくなり、電池の安全性が確保でき難くなる。
したがって、様々な使用環境や不慮の事故に対応した安全対策としては、特に、充電状態で正極活物質と負極との短絡を生じさせないことと、前記短絡が生じた場合には正極活物質の昇温を抑えることが重要となるが、前記従来の構造ではそのための対策は施されていない。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の問題点に着目してなされたものであり、正負極板およびセパレータが捲回により積層されたコイル状の電極板積層体を有する捲回型電池において、積層方向での押しつぶしにより短絡が生じた場合に、正極活物質の昇温を抑えて安全性を確保できるものを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、集電体箔に正極活物質が被着された正極板と、集電体箔に負極活物質が被着された負極板と、セパレータとが捲回により積層された電極板積層体を電池缶内に備えた捲回型電池において、前記電極板積層体の捲回中心に、棒材の周面にその周方向に連続する凹部を有するセンターピンを設けたことを特徴とする捲回型電池を提供するものである。
【００１１】
前記形状のセンターピンとしては、例えばネジ軸のように、棒材の周面に所定幅の凹部が螺旋状に形成されているものや、螺旋状ではなく棒材の断面円に沿った周溝が長さ方向に多数形成されているもの等が挙げられる。また、前記棒材は中実であっも中空であってもよいが、中空であると、内部圧力が上昇した場合に電池缶内のガスがその中空部から安全弁の方向へ導かれるため好ましい。なお、棒材が中空の場合の前記凹部は、棒材の外周面から内周面側に向けて内周面を貫通しない深さで形成されたものに限定される。
【００１２】
請求項２の発明は、集電体箔に正極活物質が被着された正極板と、集電体箔に負極活物質が被着された負極板と、セパレータとが捲回により積層された電極板積層体を電池缶内に備えた捲回型電池において、前記電極板積層体の捲回中心に当該電極板積層体の最内周と隣接するように設けるセンターピンを、コイルバネのみで構成したことを特徴とする捲回型電池を提供する。
【００１３】
前記コイルバネとしては、ピッチが線材直径より大きくて、無負荷時に隣合う線材間に隙間を有するものが好ましい。前記線材の断面形状は特に限定されず、円でも菱形等の多角形でもよい。
【００１４】
【作用】
請求項１に係る電池によれば、当該電池が電極板積層体の積層方向（軸に交差する方向）で押しつぶされると、電極板積層体の内周側に大きなストレスがかかってセパレータが破断し、正極板と負極板とが接触して短絡が生じるが、その際に、電極板積層体の内周側部分は、センターピンの前記凹部に食い込んで広範囲に破断される。
【００１５】
これにより、センターピンにこのような凹部がないか、センターピン自体を備えない構造の捲回型電池と比べて前記短絡が広範囲に生じるため、正極活物質の抵抗値が集電体箔の抵抗値より高い場合であっても、当該正極活物質の単位体積当たりに流れる電流が少なくなって当該正極活物質の昇温が抑えられる。
請求項２に係る電池によれば、前述の押しつぶしに伴う短絡の際に、センターピンをなすコイルバネの周面に電極板積層体の内周側部分が押し当たり、コイルバネが無負荷時で前記隙間を有する場合には、コイルバネはその隙間に前記部分が食い込んだ状態で潰されながら軸方向に延び、電極板積層体内で傾く（コイルバネの中心軸が捲回中心からずれる）ため、電極板積層体を内側から広範囲に破断する。なお、コイルバネのピッチが線材直径に等しく無負荷時には前記隙間がない場合でも、押しつぶしによって線材間に隙間が生じればそこに電極板積層体の内側が食い込むため、前記と同種の作用が得られる。
【００１６】
これにより、センターピンがこのようなコイルバネでない構造の捲回型電池と比べて前記短絡が広範囲に生じるため、正極活物質の抵抗値が集電体箔の抵抗値より高い場合であっても、当該正極活物質の単位体積当たりに流れる電流が少なくなって当該正極活物質の昇温が抑えられる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第一実施例に相当する円筒状の捲回型電池の内側部分を示す横断面図であり、図２は、この実施例におけるセンターピンを示す正面図である。
【００１８】
この電池は、渦巻き状に捲回された電極板積層体１を、円筒形の電池缶に収納した非水系リチウムイオン二次電池である。なお、図１には、電極板積層体１の内周部側のみが示され、外周部側と電池缶は省略されている。
電極板積層体１は、アルミニウムからなる集電体箔１１ａの両面に、ＬｉＣｏＯ２ を含む材料が正極活物質１１ｂとして塗布された一枚の正極板１１Ｃと、銅からなる集電体箔１２ａの両面に、炭素粒子を含む材料が負極活物質１２ｂとして塗布された一枚の負極板１２と、正極活物質１１ｂと負極活物質１２ｂとの間に配置されたポリエチレン微多孔膜（膜厚３５μｍ）からなる二枚のセパレータ１３Ａ，１３Ｂと、内周側でセパレータ１３Ａ，１３Ｂにそれぞれ連結されたイオン伝導性のないポリエチレン樹脂膜（膜厚１２μｍ）からなる絶縁膜１４Ａ，１４Ｂとで構成されている。
【００１９】
この電極板積層体１の層構造は、内周部を除いて、セパレータ１３Ｂ、負極活物質１２ｂ、負極側集電体箔１２ａ、負極活物質１２ｂ、セパレータ１３Ａ、正極活物質１１ｂ、正極側集電体箔１１ａ、正極活物質１１ｂ、セパレータ１３Ｂ・・・の順になっている。
内周部については、正極板１１Ｃに集電体露呈部分１５が形成され、これより内側で対向する負極板１２にも集電体露呈部分１６が形成されている。正極側の集電体露呈部分１５は、正極板１１Ｃの両面の正極活物質１１ｂを当該部分について被着しないことにより形成されている。同様に、負極側の集電体露呈部分１６も、負極板１２の両面の負極活物質１２ｂを当該部分について被着しないことにより形成されている。
【００２０】
そして、正負極の集電体箔露呈部分１５，１６に隣接する部分には、境界位置で各セパレータ１３Ａ，１３Ｂに連結された絶縁膜１４Ａ，１４Ｂ（イオン電導性のないポリエチレン樹脂膜）が配置されている。これにより、正負極の集電体箔露呈部分１５，１６に隣接するセパレータ（すなわち、絶縁膜１４Ａ，１４Ｂ）は、両極の活物質間に介在するセパレータ１３Ａ，１３Ｂより膜厚の薄いものとなっている。
【００２１】
一方、電極板積層体１の捲回中心には、図２に示すような、ステンレス製のセンターピン３が挿入してある。このセンターピン３は、直径が約４ｍｍでピッチが０．７ｍｍの中実のネジ軸であり、周面に螺旋状の凹部３１を有している。この凹部３１の深さ（（「外径」−「谷径」）／２）は約０．５ｍｍである。
また、センターピン３に近接した正極側集電体１１ａの外面に、タブ５が固定してある。
【００２２】
したがって、電池が積層方向で押しつぶされた場合には、一般に、センターピン３に隣接する最内周の絶縁膜１４Ａ，１４Ｂが受けるストレスが最も大きいことから、ここから順次外周方向へ絶縁膜１４Ａ，１４Ｂの破断が生じるが、最内周である正負極の集電体箔露呈部分１５，１６部分では正負極の集電体箔１１ａ，１２ａ同士の短絡のみが生じて、正負極の各物質１１ｂ，１２ｂの短絡は生じない。
【００２３】
また、この時に、電極板積層体１の内周側部分は、センターピン３の前記凹部に食い込んで広範囲に破断される。
これにより、前記押しつぶしに関しては、短絡部分でも電流のほとんどが集電体箔１１ａ，１２ａに流れ、またセンターピン３にも短絡電流が流れる可能性があるため、ＬｉＣｏＯ２ からなる正極活物質１１ｂに流れる電流は少なくなって、ＬｉＣｏＯ２ の昇温が抑えられる。そのため、充電状態の短絡であっても、ＬｉＣｏＯ２ の昇温に伴う酸素の発生およびこの酸素によるアルミニウム（正極側集電体箔）や有機溶媒（電解質溶媒）の反応が抑えられるため、電池内部に大きなエネルギーが生じることが防止されて、電池の安全性が確保される。
【００２４】
なお、この実施例では、正負極の集電体箔露呈部分１５，１６の少なくとも外側に隣接するセパレータ（すなわち、絶縁膜１４Ａ，１４Ｂ）の膜厚が、両極活物質間に介在するセパレータ１３Ａ，１３Ｂより薄いものであるため、セパレータ１３Ａ，１３Ｂをそのまま正負極の集電体箔露呈部分１５，１６の外側に延長した場合と比べて、同じ大きさの電池缶に積層できる単位積層体の合計長さを長くすることができる。これによって、前述のように電池の安全性を確保しながら電気容量も大きくすることができる。
【００２５】
図３は、本発明の第二実施例に相当する円筒状の捲回型電池を示す横断面図であり、図４は、この実施例におけるセンターピンを示す斜視図である。
この電池は、前記第一実施例と同様に非水系リチウムイオン二次電池であり、その電極板積層体１Ａは、図３に示すように、アルミニウムからなる集電体箔１１ａの片面のみに、ＬｉＣｏＯ２ を含む材料が正極活物質１１ｂとして塗布された正極板１１と、銅からなる集電体箔１２ａの片面のみに、炭素粒子を含む材料が負極活物質１２ｂとして塗布された負極板１２と、正極活物質１１ｂと負極活物質１２ｂとの間に配置されたポリエチレン微多孔膜からなるセパレータ１３と、正極側集電体箔１１ａと負極側集電体箔１２ａとの間に配置された前記セパレータ１３と同じ膜からなる絶縁膜１４とで構成されている。
【００２６】
この電極板積層体１Ａは、正極側集電体箔１１ａ、正極活物質１１ｂ、セパレータ１３、負極活物質１２ｂ、負極側集電体箔１２ａ、絶縁膜１４の順に層を重ねて絶縁膜１４を内側にして（すなわち正極側集電体箔１１ａを外側にして）、捲回機により渦巻き状に捲き、最外周にさらに絶縁膜１４を捲くことにより作製されている。これにより、電極板積層体１Ａの層構造は、電池缶２側から内側に向けて、絶縁膜１４、正極側集電体箔１１ａ、正極活物質１１ｂ、セパレータ１３、負極活物質１２ｂ、負極側集電体箔１２ａ、絶縁膜１４、正極側集電体箔１１ａ・・・の順になっている。
【００２７】
また、この電極板積層体１Ａにおいては、正極活物質１１ｂと負極活物質１２ｂとが対向配置された正極１１および負極１２と、その間に配置されたセパレータ１３とで形成される単位電池層４内では電池作用が生じるが、絶縁膜１４が介在された単位電池層４同士の間（すなわち、正負の集電体箔１１ａ，１２ａの間）では電池作用が生じない。
【００２８】
この電極板積層体１Ａの捲回中心に挿入されているセンターピン３ａは、図４に示すような、断面が円形の線材からなるステンレス製のコイルバネであり、線材の直径が０．６ｍｍで、ピッチが１．６ｍｍである。そのため、無負荷時に隣合う線材間に１．０ｍｍの隙間がある。
したがって、この電池が積層方向で押しつぶされた場合には、一般に、センターピン３ａに隣接する最内周のセパレータ１３および絶縁膜１４が受けるストレスが最も大きいことから、ここから順次外周方向へセパレータ１３および絶縁膜１４の破断が生じ、正極活物質１１ｂと負極活物質１２ｂとの短絡が生じるが、これとほぼ同時に正負の集電体箔１１ａ，１２ａ同士の短絡も生じる。
【００２９】
また、この時に、コイルバネ３ａの周面に電極板積層体１Ａの内周側部分が押し当たり、コイルバネ３ａは、この部分が隣合う線材間の隙間に食い込んだ状態で潰されながら軸方向に延び、電極板積層体１Ａ内で傾く（コイルバネ３ａの中心軸が捲回中心からずれる）ため、電極板積層体１Ａを内側から広範囲に破断する。
【００３０】
これにより、前記押しつぶしに関しては、短絡部分でも電流のほとんどが集電体箔１１ａ，１２ａに流れ、またセンターピン３にも短絡電流が流れる可能性があるため、ＬｉＣｏＯ２ からなる正極活物質１１ｂに流れる電流は少なくなって、ＬｉＣｏＯ２ の昇温が抑えられる。そのため、充電状態の短絡であっても、前記第一実施例と同様に、電池内部に大きなエネルギーが生じることが防止されて、電池の安全性が確保される。
【００３１】
なお、この実施例では、電極板積層体１Ａの構造により、鋭利な釘等の導電体が電池缶２を突き破って電池内部に進入した場合には、電池缶２を貫通する時点で負極となった導電体の先端は、絶縁膜１４、正極側の集電体箔１１ａ、正極活物質１１ｂ、セパレータ１３、負極活物質１２ｂ、負極側の集電体箔１２ａ、絶縁膜１４・・・の順に貫通しながら接触していく。このように、導電体を介して正極活物質１１ｂと負極活物質１２ｂとの短絡が生じるが、前述のように、これとほぼ同時に正負の集電体１１ａ，１２ａ同士の短絡も生じるため、短絡部分でも電流のほとんどは集電体１１ａ，１２ａに流れて安全に内部放電される。これにより、充電状態の釘刺し等による短絡の場合でも、前記と同様に、電池内部に大きなエネルギーが生じることが抑えられて、電池の安全性が確保される。
【００３２】
なお、前記実施例においては、リチウムイオン二次電池について説明したが、これ以外の非水系二次電池または非水系一次電池についても、正極活物質の抵抗値が比較的高いものの場合には、前記と同様の作用によって電池の安全性を確保することができる。
また、電極板積層体の構造も、前記実施例のような特殊な構造のものに限定されず従来の構造のものであっもよい。また、前記各実施例における電極板積層体とセンターピンとの組み合わせが異なるものであってもよいことは言うまでもない。
【００３３】
そして、従来の構造の電極板積層体では、電池が電極板積層体の積層方向（軸に交差する方向）で押しつぶされると、その内側で正極活物質と負極板との短絡が生じるが、センターピン３，３ａの前記作用によって電極板積層体を内周側から広範囲に破断することにより、センターピンが周面に凹部がない筒体からなるものであったりセンターピン自体を備えない構造の捲回型電池と比べて短絡が促進されて広範囲に生じる。
【００３４】
これにより、正極活物質の抵抗値が集電体箔の抵抗値より高い場合であっても、当該正極活物質の単位体積当たりに流れる電流が少なくなって当該正極活物質の昇温が抑えられるため、電池の安全性は確保される。
また、前記各実施例では、ステンレス鋼製のセンターピンを使用しているため、耐食性が高いとともに短絡電流がこれに流れる効果があるが、本発明におけるセンターピンの材質はこれに限定されず、プラスチックやバネ鋼等であってもよい。
【００３５】
また、センターピンとして使用可能なコイルバネは前述のものに限定されず、線材の断面が菱形であるスプリングのように、外周面に鋸の歯状の凹部が形成されたものであると、無負荷時に隣合う線材同士に隙間がないコイルバネであっても、前記押しつぶし時にこの凹部に電極板積層体の内周部分が食い込み易くなるため好ましい。
【００３６】
さらに、請求項１のセンターピンでは、凹部の深さによって電極板積層体の内周部の凹部への食い込み度合いが異なり、凹部が深いほど前記食い込み度合いが高くなるため好ましい。また、請求項２のセンターピンでは、前記食い込み度合いはコイルバネの隣合う線材間の隙間に応じて異なり、前記隙間が線材直径の２〜３倍であることが好ましい。
【００３７】
また、センターピン３，３ａの軸方向両端部が、端部側ほど径の小さいテーパ状の円筒体に形成されると、電極板積層体１，１Ａの捲回中心に挿入しやすくなる。
また、センターピンがコイルバネからなるものである場合には、電池重量を軽くできる効果もある。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１および２の捲回型電池によれば、センターピンの形状を工夫することで、電池の積層方向の押しつぶしによって正極活物質と負極との短絡が生じても、当該正極活物質の昇温が抑えられる。そのため、特に、当該電池がリチウムイオン二次電池である場合に充電状態で短絡が生じても、電池内部に大きなエネルギーの発生が抑えられて、電池の安全性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例の捲回型電池を示す概略横断面図である。
【図２】第一実施例におけるセンターピンを示す正面図である。
【図３】本発明の第二実施例の捲回型電池を示す概略横断面図である。
【図４】第二実施例におけるセンターピンを示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 電極板積層体
１Ａ 電極板積層体
２ 電池缶
３ センターピン
３ａ コイルバネ（センターピン）
３１ 凹部
１１ 正極板
１１Ｃ 正極板
１１ａ 正極側の集電体箔
１１ｂ 正極活物質
１２ 負極板
１２ａ 負極側の集電体箔
１２ｂ 負極活物質
１３ セパレータ
１３Ａ セパレータ
１３Ｂ セパレータ
Claims (2)
- 集電体箔に正極活物質が被着された正極板と、集電体箔に負極活物質が被着された負極板と、セパレータとが捲回により積層された電極板積層体を電池缶内に備えた捲回型電池において、
前記電極板積層体の捲回中心に、棒材の周面にその周方向に連続する凹部を有するセンターピンを設けたことを特徴とする捲回型電池。 - 集電体箔に正極活物質が被着された正極板と、集電体箔に負極活物質が被着された負極板と、セパレータとが捲回により積層された電極板積層体を電池缶内に備えた捲回型電池において、
前記電極板積層体の捲回中心に当該電極板積層体の最内周と隣接するように設けるセンターピンを、コイルバネのみで構成したことを特徴とする捲回型電池。
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