JP3738140B2

JP3738140B2 - 円筒型二次電池

Info

Publication number: JP3738140B2
Application number: JP31146898A
Authority: JP
Inventors: 丈志前田; 敦志柳井; 勝功柳田; 淳浩船橋; 俊之能間; 育郎米津; 晃治西尾
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2006-01-25
Anticipated expiration: 2018-10-30
Also published as: JP2000138054A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円筒状の電池缶の内部に巻き取り電極体が収容されて、電池缶に取り付けられた電極端子機構から巻き取り電極体の発生電力を取り出すことが可能な円筒型二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯型電子機器、電気自動車等の電源として、エネルギー密度が高く、然もカドミウムや鉛の如き有害物質を含まないリチウム二次電池が注目されている。
例えば電気自動車に用いられる比較的大きな容量の円筒型リチウム二次電池は、図７に示す様に、筒体(11)の両開口部にそれぞれ蓋体(12)を溶接固定してなる円筒状の電池缶(１)の内部に、巻き取り電極体(２)を収容して構成されている。各蓋体(12)には、電極端子機構(９)が取り付けられており、巻き取り電極体(２)と各電極端子機構(９)とがそれぞれ、複数本の集電タブ(３)により互いに接続されて、巻き取り電極体(２)が発生する電力を一対の電極端子機構(９)(９)から外部に取り出すことが可能となっている。又、蓋体(12)には安全弁(13)が取り付けられている。
【０００３】
巻き取り電極体(２)は、リチウム複合酸化物を含む正極(21)と炭素材料を含む負極(23)の間に、非水電解液が含浸されたセパレータ(22)を介在させて、これらを渦巻き状に巻回して構成されている。巻き取り電極体(２)の正極(21)及び負極(23)からは夫々複数本の集電タブ(３)が引き出され、極性が同じ複数本の集電タブ(３)の先端部(31)が１つの電極端子機構(９)に接続されている。
尚、図７は、一部の集電タブの先端部が電極端子機構(９)に接続されている状態を示し、他の集電タブについては、電極端子機構(９)との接続部を図示省略している。
【０００４】
電極端子機構(９)は、電池缶(１)の蓋体(12)を貫通して取り付けられたネジ部材(91)を具え、該ネジ部材(91)の基端部にはフランジ部(92)が形成されている。蓋体(12)の貫通孔には、絶縁パッキン(93)が装着され、蓋体(12)と締結部材(91)の間の電気的絶縁性とシール性が保たれている。ネジ部材(91)には、筒体(11)の外側からワッシャ(94)が嵌められると共に、ナット(95)が螺合している。該ナット(95)を締め付けて、ネジ部材(91)のフランジ部(92)とワッシャ(94)によって絶縁パッキン(93)を挟圧することにより、シール性を保っている。
前記複数本の集電タブ(３)の先端部(31)は、ネジ部材(91)のフランジ部(92)に、スポット溶接或いは超音波溶接によって連結されている。
【０００５】
ところで、円筒型二次電池においては、充放電時に巻き取り電極体(２)が発熱して、電池缶(１)の内部の温度が上昇することが知られており、温度が過度に上昇すると、巻き取り電極体(２)の電極材料が劣化して、所期の充放電特性が得られないこととなる。従って、充放電時の温度上昇を如何に抑制するかが、二次電池の性能を大きく左右することになる。
そこで、複数本の二次電池を筐体の内部に収容して構成される組電池においては、筐体の内部へ冷却用の空気を供給して、各二次電池を強制冷却することが行なわれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、発熱体を冷却する必要が生じた場合、強制冷却のための構造を検討すると共に、発熱体自体の放熱性を改善する必要があるが、従来の円筒型二次電池においては、強制冷却の方法や構造については種々の検討が為されているにも拘わらず、二次電池自体の放熱性の改善については、これまでに十分に研究が為されていない。
そこで本発明者らは、円筒型二次電池自体の放熱性を改善するべく鋭意研究を重ねた結果、次のような現象を確認した。
即ち、大容量(１００Ｗｈ以上)の円筒型二次電池においては、巻き取り電極体(２)から発生する電流が複数本の集電タブ(３)を経て集中的に電極端子機構(９)へ流れることにより、電極端子機構(９)がジュール熱によって５０℃を越える高温に達し、この電極端子機構(９)から電池缶(１)の内部へ熱が流れて、巻き取り電極体(２)を加熱しているのである。
本発明者らは、この様な現象から、電極端子機構の放熱性を改善することが巻き取り電極体の過熱防止に極めて有効であることを見出し、本発明の完成に至った。
【０００７】
【課題を解決する為の手段】
電極端子機構の放熱性を改善する方法としては、放熱フィンを突設して放熱面積を拡大する周知の方法を採ることが可能であるが、放熱フィンの突設によって電極端子機構が大形化する問題がある。
そこで、本発明においては、電極端子機構を構成しているナットに複数の小穴を開設した新規な構造を採用することによって、放熱面積を拡大し、円筒型二次電池自体の放熱性を改善した。
即ち、本発明に係る円筒型二次電池において、電極端子機構(４)は、蓋体(12)を貫通して配置された端子部材(５)を具え、該端子部材(５)には、蓋体(12)の外側へ突出するねじ軸部(53)と、蓋体(12)の内側に位置するフランジ部(51)とが形成され、端子部材(５)のねじ軸部(53)にはナット(８)が螺合し、該ナット(８)の露出表面には、放熱用の複数の小穴(83)が凹設され、端子部材(５)のフランジ部(51)に、巻取り電極体(２)から伸びる複数本の集電タブ(３)の先端部が連結されている。
【０００８】
上記本発明の円筒型二次電池によれば、電極端子機構(４)を構成しているナット(８)に放熱用の小穴(83)が凹設されているので、放熱フィンなどを突設することなく、従来と同一の部品構成を維持したまま、放熱面積を十分に拡大することが出来る。
又、電極端子機構(４)は、ジュール熱の発生によって、例えば電池缶(１)の表面よりも温度が高くなっており、この高温部分の放熱面積を拡大することによって、大きな放熱量が得られ、巻き取り電極体(２)の過熱を有効に抑制することが出来る。
【０００９】
尚、ナット(８)に複数の小穴(83)を形成することによって、ナット(８)の露出表面積は、小穴(83)の形成されていない同一寸法のナットよりも増大することになるが、露出表面積の増大率が３０％未満では、放熱性の改善が不十分で、大きな効果は得られず、露出表面積の増大率を３０％以上に設定することが特に効果的であることを実験的に確認した。
【００１０】
ナット(８)の小穴(83)は、ナット(８)を軸方向に貫通するものや、ナット(８)の外周面に半径方向へ凹設したもの、或いはこれらを組み合わせたもの等を採用することが出来る。
又、ナット(８)の小穴(83)はねじ孔で形成することも可能である。これによって、同一の内径を有する円筒穴よりも露出表面積を拡大することが出来る。
【００１１】
【発明の効果】
本発明に係る円筒型二次電池によれば、従来と同一の部品構成で放熱性を大幅に改善することが出来、これによって、巻き取り電極体の過熱による劣化が抑制される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係る円筒型二次電池は、図１に示す如く、円筒状の筒体(11)の両開口部にそれぞれ円板状の蓋体(12)を溶接固定してなるアルミニウム製の電池缶(１)を具え、該電池缶(１)の内部に、巻き取り電極体(２)が収容されている。
尚、電池缶(１)は、外径６４ｍｍ、長さ２９４ｍｍに形成されている。又、電池容量は２５０Ｗｈである。
【００１３】
巻き取り電極体(２)は、正極集電体となるアルミニウム箔の表面にリチウム複合酸化物を含む正極層を形成してなる正極と、負極集電体となる銅箔の表面に炭素粉末を含む負極層を形成してなる負極との間に、非水電解液が含浸されたセパレータを介在させて、これらを渦巻き状に巻回したものであって、正極からは１２本のアルミニウム製の集電タブが引き出されている。又、負極からは１２本のニッケル製の集電タブが引き出されている。
各蓋体(12)には、電極端子機構(４)が取り付けられており、巻き取り電極体(２)と各電極端子機構(４)とがそれぞれ、前記１２本の集電タブ(３)により互いに接続されて、巻き取り電極体(２)が発生する電力を一対の電極端子機構(４)(４)から外部に取り出すことが可能となっている。
尚、集電タブ(３)は、厚さ０.１ｍｍに形成されている。
【００１４】
又、蓋体(12)には、図２に示す如く、電極端子機構(４)が貫通すべき中央孔(18)が開設され、中央孔(18)の両側には、組立時に電解液注入のために用いるねじ孔(17)と、ガス排出用の安全弁(14)を取り付けるための圧力逃し孔(15)が開設されている。尚、電解液の注入後、ねじ孔(17)にはねじ栓(16)がねじ込まれる。又、安全弁(14)は、蓋体(12)の圧力逃し孔(15)の開口縁にて溶接固定される。
【００１５】
電極端子機構(４)は、蓋体(12)を貫通して取り付けられる端子部材(５)を具えている。端子部材(５)は、蓋体(12)の中央孔(18)を貫通する円柱部(52)と、円柱部(52)に上向きに突設されたねじ軸部(53)と、円柱部(52)の下端部に形成されたフランジ部(51)とから構成され、フランジ部(51)の上面には、Ｏリング(72)が嵌まるリング溝(54)が凹設されている。
【００１６】
又、電極端子機構(４)は、蓋体(12)と端子部材(５)のフランジ部(51)との間に介在する円板状パッキン部材(６)を具えている。パッキン部材(６)は、蓋体(12)と端子部材(５)のフランジ部(51)によって挟圧される円板部(61)と、該円板部(61)の中央部に突設されて蓋体(12)の中央孔(18)を貫通すべき円筒部(62)とから構成され、円筒部(62)には、端子部材(５)の円柱部(52)が貫通すべき中央孔(63)が開設されている。又、パッキン部材(６)の円板部(61)には、蓋体(12)との対向面に、Ｏリング(73)が嵌まるリング溝(64)が凹設されている。
尚、パッキン部材(６)の端子部材(５)との対向面や、蓋体(12)の内面にも、それぞれ前記Ｏリング(72)(73)が嵌まるリング溝(図示省略)が凹設されている。
蓋体(12)の中央孔(18)から突出する端子部材(５)のねじ軸部(53)には、絶縁リング(71)及びワッシャ(81)が嵌められ、更にその上部に、アルミニウム製の８角形のナット(８)が螺合され、締め付けられる。
【００１７】
図３及び図４に示す如く、ナット(８)には、その上面に、８個の小穴(83)が凹設され、ナット(８)を軸方向に貫通している。尚、ナット(８)の高さＨは４ｍｍ、互いに平行な２側面間の距離Ｄは１９ｍｍ、ねじ孔(82)の内径は１２ｍｍ、小穴(83)の内径は２ｍｍである。
【００１８】
上記円筒型二次電池の組立工程においては、蓋体(12)に電極端子機構(４)を取り付ける一方、筒体(11)の内部に巻き取り電極体(２)を装入した状態で、巻き取り電極体(２)から伸びる複数本の集電タブ(３)の先端部を電極端子機構(４)のフランジ部(51)の背面に溶接し、その後、蓋体(12)を筒体(11)の開口部に被せて、両者を互いに溶接固定する。
そして、蓋体(12)のねじ孔(17)から電池缶(１)内に電解液を注入した後、ねじ孔(17)にねじ栓(16)をねじ込み、更にナット(８)を増し締めして、組立を完了する。
これによって、図１に示す円筒型二次電池が完成する。
【００１９】
【実施例】
上述の本発明に係る円筒型二次電池(発明電池)と、ナットに小穴が開設されていない点を除いて同一構成を有する従来の円筒型二次電池(従来電池)とを作製して、本発明の効果を確認した。
先ず、各電池に共通の工程について説明する。
【００２０】
正極の作製
リチウムの水酸化物、コバルトの水酸化物、及びニッケルの水酸化物を混合して、正極活物質としてのＬiＮi_0.7Ｃo_0.3Ｏ₂を得て、該正極活物質と、導電剤としての人工黒鉛及び高密度ポリエチレンとを重量比９０：５で混合し、正極合剤を作製した。次に、結着剤であるポリフッ化ビニリデンをＮ−メチル−２−ピロリドン(ＮＭＰ)に溶解させて、ＮＭＰ溶液を調製した。そして、正極合剤とポリフッ化ビニリデンの重量比が９５：５となる様に正極合剤とＮＭＰ溶液を混合して、スラリーを調製し、このスラリーを正極集電体としてのアルミニウム箔の両面にドクターブレード法により塗布し、１５０℃で２時間の真空乾燥を施して正極を作製した。
【００２１】
負極の作製
炭素塊(ｄ００２＝３.３５６Å；Ｌc＞１０００Å)に空気流を噴射して粉砕し、ふるいにかけて、平均粒子径１８μｍの黒鉛粉末を得た。次に、コークス塊に空気流を噴射して粉砕し、ふるいにかけて、平均粒子径１８μｍのコークス粉末を得た。又、結着剤であるポリフッ化ビニリデンをＮＭＰに溶解させてＮＭＰ溶液を調製し、黒鉛粉末とコークス粉末とポリフッ化ビニリデンの重量比が７２：１８：１０となる様に混練してスラリーを調製した。このスラリーを負極集電体としての銅箔の両面にドクターブレード法によって塗布し、１５０℃で２時間の真空乾燥を施して負極を作製した。
【００２２】
電解液の調製
エチレンカーボネートとジエルチルカーボネートを体積比１：１で混合した溶媒に、ＬiＰＦ₆を１mol／lの割合で溶解し、電解液を調製した。
【００２３】
電池の組立
上述の正極と負極の間にセパレータを挟んで渦巻き状に巻回し、巻き取り電極体を構成した。尚、セパレータとしては、イオン透過性のポリエチレン製の微多孔性膜を用いた。
この巻き取り電極体を電池缶となる筒体の内部に装填し、該巻き取り電極体から伸びる正側及び負側の集電タブを夫々、蓋体に取り付けられた電極端子機構に接続した後、該蓋体を筒体に溶接固定して、円筒型二次電池を組み立てた。
尚、発明電池においては、前述の如く８個の小穴を有するナットを用いて電極端子機構を固定し、比較電池においては、小穴を有しない通常のナットを用いて電極端子機構を固定した。
【００２４】
この様にして得られた発明電池と比較電池を用いて、２５℃の恒温槽中で充放電試験を行ない、正極端子部と負極端子部の最高温度を測定した。尚、充電は、８.８Ａの定電流で４.２Ｖまで行ない、放電は、７０Ａで２.７Ｖまで行なった。温度測定結果を下記表１に示す。
【００２５】
【表１】

【００２６】
この結果から明らかな様に、本発明に係る円筒型二次電池によれば、電極端子部の温度を従来の円筒型二次電池よりも５℃以上、低く抑えることが出来る。
【００２７】
又、図１に示す本発明の円筒型二次電池において、小穴(83)の内径を１.０ｍｍ、１.５ｍｍ、２.０ｍｍ及び２.５ｍｍの４種類に変更して、各電池の電極端子部の温度を測定したところ、下記表２及び図６に示す結果が得られた。
【００２８】
【表２】

尚、表中の露出表面積増加率は、小穴が形成されている上記４種類のナットの露出表面積(ねじ孔と小穴が開設された８角形の上面と８つの側面の総面積)を幾何学的に計算し、小穴が形成されていない同一寸法のナットの露出表面積を基準とする増加率を算出したものである。
【００２９】
表２及び図６から明らかな様に、露出表面積増加率が３０％未満では、小穴形成による温度低下は僅かであるが、露出表面積増加率が３０％以上では、端子部温度が急激に低下し、５０℃を下回っている。
このことから、小穴の形成による露出表面積増加率は３０％以上に設定することが好ましいと言える。但し、露出面積増加率を過度に増大させると、ナットの機械的強度が低下するので、３０％〜５０％の範囲が好適である。
【００３０】
尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。例えば、ナット(８)の小穴(83)は、図５に示す如く、ナット(８)の外周面(８つの側面)に半径方向に凹設することも可能である。又、小穴(83)をねじ孔とすることが可能であって、これによって放熱面積を更に拡大することが出来る。更に、小穴(83)は断面円形に限らず、種々の断面形状を有するものを採用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る円筒型二次電池の断面図である。
【図２】電極端子機構の分解斜視図である。
【図３】ナットの斜視図である。
【図４】ナットの平面図である。
【図５】他の実施例におけるナットの平面図である。
【図６】小穴の形成によるナットの露出表面積の増加率と端子部温度の関係を表わすグラフである。
【図７】従来の円筒型二次電池の断面図である。
【符号の説明】
(１) 電池缶
(11) 筒体
(12) 蓋体
(２) 巻き取り電極体
(３) 集電タブ
(４) 電極端子機構
(５) 端子部材
(53) ねじ軸部
(51) フランジ部
(８) ナット
(83) 小穴

Claims

筒体(11)の開口部に蓋体(12)を固定してなる電池缶(１)の内部に、二次電池要素となる巻き取り電極体(２)が収容され、電池缶(１)の蓋体(12)には電極端子機構(４)が取り付けられ、巻き取り電極体(２)と電極端子機構(４)とが、複数本の集電タブ(３)により互いに接続されて、巻き取り電極体(２)が発生する電力を電極端子機構(４)から外部に取り出すことが可能な円筒型二次電池において、電極端子機構(４)は、蓋体(12)を貫通して配置された端子部材(５)を具え、該端子部材(５)には、蓋体(12)の外側へ突出するねじ軸部(53)と、蓋体(12)の内側に位置するフランジ部(51)とが形成され、端子部材(５)のねじ軸部(53)にはナット(８)が螺合し、該ナット(８)の露出表面には、放熱用の複数の小穴(83)が凹設され、端子部材(５)のフランジ部(51)に、巻取り電極体(２)から伸びる前記複数本の集電タブ(３)の先端部が連結され、前記ナット ( ８ ) は、前記複数の小穴 (83) の形成によって、小穴 (83) の形成されていない同一寸法のナットに比べて、露出表面積が３０％以上に増大していることを特徴とする円筒型二次電池。
蓋体(12)の中央孔(18)の内周面と端子部材(５)の外周面との間、蓋体(12)の外面とナット(８)の背面との間、並びに蓋体(12)と端子部材(５)のフランジ部(51)との対向面間は、絶縁部材によって電気的に絶縁されている請求項１に記載の円筒型二次電池。
ナット(８)の小穴(83)は、ナット(８)を軸方向に貫通している請求項１又は請求項２に記載の円筒型二次電池。
ナット(８)の小穴(83)は、ナット(８)の外周面に半径方向へ凹設されている請求項１又は請求項２に記載の円筒型二次電池。
ナット(８)の小穴(83)は、ねじ孔である請求項１乃至請求項４の何れかに記載の円筒型二次電池。