JP4159301B2 - 密閉電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、密閉電池に関し、特に、電極体の内部における中空部分にセンターピンが挿設された構造を有する密閉電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の急速な携帯用電子機器の普及に伴い、これらの機器に用いられる密閉電池には、小型・軽量・高エネルギー化が求められている。
密閉電池の中でも、充放電が可能な二次電池が普及してきており、その中でも特にリチウムイオン電池などの非水二次電池が、軽量・高エネルギー密度であるという点で近年普及してきている。
【０００３】
以下では、密閉電池の構造について、円筒形リチウムイオン電池を一例に説明する。
円筒形リチウムイオン電池は、正極板と負極板とをセパレータを介して巻回して形成された渦巻き状電極体が外装缶に収納され、電解液が注入され、封口蓋で封口された構造を有する。
【０００４】
外装缶に収納された渦巻き状電極体には、その中央部に中空部分が形成されている。この中空部分は、正極板と負極板とをセパレータを介して巻回する際に用いた巻回用軸芯を抜き取った跡である。
リチウムイオン電池の中には、この中空部分に円筒状のセンターピンが挿設されているものがある。リチウムイオン電池において、センターピンは、以下の二つの理由から挿設されている。
【０００５】
先ず一つ目は、リチウムイオン電池が充放電の繰り返しによる渦巻き状電極体における極板の変形を抑制するためである。つまり、充放電の繰り返しによって、渦巻き状電極体は、膨張しようとするが、外装缶により拘束されている外側には膨張することができないので、中空部分に向かって集中的に膨張する。この際、渦巻き状電極体では、中空部分の近傍における極板に変形を生じ、その変形を生じた部分で短絡を生じることがある。センターピンは、この極板の変形を抑制する目的で挿設されている。
【０００６】
センターピンが挿設されているもう一つの理由は、リチウムイオン電池が誤って火中などに投下されて、内部の温度が２００℃以上の高温となった際にも、ガス排気通路である渦巻き状電極体の中空部分を確保するためである。通常、リチウムイオン電池には、ポリエチレン製などの微多孔膜からなるセパレータが用いられているが、このセパレータは、２００℃以上の高温になると溶融し、中空部分を塞いでしまうことがある。センターピンは、このようにセパレータが溶融した際にも、ガス排気通路を確保するために挿設されている。
【０００７】
以上のような理由により挿設されているセンターピンは、コストおよびガス排出効率などの面から、通常、金属製の薄板を筒状に丸めて形成されるが、周方向における端部どうしを接合しないので、これら両端部間にスリットが残った構造となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなリチウムイオン電池を高いところから落としたり、逆にリチウムイオン電池の上に物を落としたりした場合には、外装缶に変形を生じる。このように外装缶が変形するような外力を受けたリチウムイオン電池では、内部に挿設されたセンターピンも変形してしまう場合があり、変形が大きいときには、渦巻き状電極体のセパレータが破損してしまう場合もある。
【０００９】
このようにセパレータが破損した場合には、リチウムイオン電池の内部で短絡を生じるものの、その発生面積が比較的大きくなるので、短絡電流密度が小さくなり、電池が高温（約１３０℃以上）となることが無い。
しかし、上記のようにセパレータの破損が生じず、センターピンが変形して、スリットを望む端部が渦巻き状電極体に突き刺ささったときには、渦巻き状電極体における内部短絡の発生面積が小さく、局所的に短絡を生じるために短絡電流密度が大きくなり、電池が高温（約１３０℃以上）となる傾向にある。
【００１０】
本発明は、上記問題に対してなされたものであって、外から力が加わり変形を生じた場合にも、内部短絡による異常発熱を生じ難い密閉電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、セパレータを介して配置された正極板と負極板とが内部空間を有す形状に形成されてなる電極体と、電極体の内部空間に挿設される筒状のセンターピンとを有する密閉電池において、センターピンは、その側壁に筒軸方向に延びるスリットを有しており、側壁におけるスリットを臨む両端部の少なくとも一部領域が、互いの近傍領域の外周面同士が筒内方に向かって開く状態に曲折されることにより、電極体と接触しないように、前記センターピンの仮想外周より内方に配置されていることを特徴とする。
【００１２】
上述のように、縁部の処理が行われていないセンターピンを有する従来の密閉電池では、外力によってセンターピンが変形し、スリットに臨む端部が電極体に向かって変形した場合には、電極体がダメージを受けることがあり、内部短絡を生じ易く、それによる異常発熱を生じ易い。
それに対して、上記本発明の密閉電池では、スリットを臨む両端部の少なくとも一部領域が、互いの近傍領域の外周面同士が筒内方に向かって開く状態に曲折されることにより、電極体と接触しないように、前記センターピンの仮想外周より内方に配置されているので、外力によってセンターピンが変形した場合にあっても、両端部における上記内方に配置された一部領域が電極体にダメージを与え難くなり、内部短絡を生じ難い。よって、本発明の密閉電池では、外力によりセンターピンに変形を生じた場合にも、内部短絡による異常発熱を生じ難い。
なお、本発明に係る密閉電池では、上記スリットを臨む両端部がセンターピンの内周面に接触している、という構成を採用することができる。
【００１３】
なお、センターピンの仮想外周とは、例えば筒状体の一部領域に凹状の溝が形成されているような場合に、その凹状の溝部分を補間した外周を示すものである。
センターピンには、種々の形状のものがあるが、断面方向に角が生じない点や、加工性などの点から、長手方向にスリットを有する円筒状体である事が望ましい。ここでいう円筒状体も、上述と同様、完全な円形断面を有する筒体ではなく、スリット部分を補間した仮想外周が円形の筒体を示すものである。
【００１５】
なお、外周面どうしがなす角度は、０°（外周面どうしが平行の状態）が下限値ではなく、両端部がセンターピンの端部近傍領域における内周面に接触するような状態の際の角度が下限値となる。
【００１６】
また、本発明は、セパレータを介して配置された正極板と負極板とが内部空間を有す形状に形成されてなる電極体と、電極体の内部空間に挿設される筒状のセンターピンとを有する密閉電池において、センターピンの側壁に端部を有しており、この端部の少なくとも一部領域が、電極体と接触しないように、センターピンの仮想外周より内方に配置されており、センターピンの側壁に、その内外を連通するように窓部を設けられていることを特徴とする。このような構成を採用する本発明に係る密閉電池では、上記と同様の効果を得ることができるのに加えて、軽量化されるとともに、電極体の高さ方向における中ほどにおいてもセンターピンの内外での電解液を流通させることが出来、電池性能という面から望ましい。窓部の形成は、センターピンの側壁全体にわたる部分に行うことが望ましい。
上記本発明に係る密閉電池では、センターピンの側壁に筒軸方向に延びるスリットを有し、スリットを臨む両端部が、センターピンの内周面側に曲折されている、という構成を採用することができる。
また、上記本発明に係る密閉電池では、スリットを臨む両端部の近傍の外周面同士がなす角度が、センターピンの外方に向けて１２０°以下である、という構成を採用することができる。
【００１７】
また、センターピンは、種々の材料から形成されるが、加工性およびコスト面から金属材料から形成されることが望ましい。
さらに、本発明は、電極体とセンターピンとを備えるような密閉電池に対して効果を奏するが、特に、高エネルギー密度の非水二次電池に適用する場合に効果的である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係るリチウムイオン電池について、図１および２を用いて説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係るリチウムイオン電池１の構造を示す斜視図（一部断面図）であって、図２は、中に備えるセンターピンを示す斜視図である。
【００１９】
図１に示すように、リチウムイオン電池１は、渦巻き状電極体１０が有底円筒形の外装缶３０に収納され、その開口部に封口蓋４０を配置して、かしめ固定を施し封口された構造を有する。
封口蓋４０には、ラプチャディスク４１とガス排出孔４２とを備える。ラプチャディスク４１とガス排出孔４２は、リチウムイオン電池１の内部でガスが発生し、それにより電池内部における圧力が一定値を超えた場合にガスをリチウムイオン電池１の外部に排出するために設けられたものである。つまり、リチウムイオン電池１において、電池が火中に投下されるなどして電池内部で生じたガスは、電池の内部圧力が一定値を超えた時点でラプチャディスク４１を破ることで隙間を作り、そこからガス排出孔４２を通って電池外部へと排出される。
【００２０】
渦巻き状電極体１０は、セパレータ１３を介して正極板１１と負極板１２とを対向配置し、巻回用軸芯を用いて渦巻き状に巻回されたものである。具体的には、以下のようにして作製される。
先ず、正極活物質としてのＬｉＣｏＯ2と、導電剤としてのカーボンブラックと、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンと、溶剤としてのＮ−メチル−２−ピロリドン（以下、「ＮＭＰ」という）溶液とを混合してスラリーを調製した後、正極集電タブの溶接部位を除き、上記スラリーを正極集電体としてのアルミニウム箔（厚み：２０μｍ）の両面に塗付する。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで所定の厚みまで圧縮した後に、所定の幅および長さになるように裁断し、さらにアルミニウム製の正極集電タブを溶接して正極板１１を作製する。
【００２１】
また、これと並行して、負極活物質としての黒鉛粉末と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンと、溶剤としてのＮＭＰ溶液とを混合してスラリーを調製した後、負極集電タブの溶接部位を除き、上記スラリーを負極集電体としての銅箔（厚み：１６μｍ）の両面に塗付する。その後、溶剤を乾燥し、ニッケル製の負極集電タブを溶接して負極板１２を作製する。
【００２２】
次に、上記正極板１１と負極板１２とをポリエチレン製の微多孔膜からなるセパレータ１３（厚み：２５μｍ）を介して巻回加工して渦巻き状電極体１０を作製する。
渦巻き状電極体１０の中央部には、巻回用軸芯を抜いた跡である中空部分が残っており、そこに円筒状のセンターピン２０が挿設されている。
【００２３】
センターピン２０は、上述したようにリチウムイオン電池が異常状態（誤って火中の投下されるなど）となった場合におけるガスの排出通路の確保、および、充放電を繰り返した際の中空部分の近傍での渦巻き状電極体１０の正極板１１および負極板１２の変形を抑制するという二つの目的から備えられている。
センターピン２０の構造について、図２を用いて説明する。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、センターピン２０は、円筒状の形状を有しており、長手方向にスリット２１を有している。センターピン２０は、所定の大きさで矩形状に裁断された金属製の薄板を用いて形成されたものであって、工数面、コスト面からの制約およびガス排出効率などの面から、断面における両端部を接合せず、これら両端部の間にスリット２１が残った構造となっている。
【００２５】
センターピン２０に用いられる薄板は、耐熱性および電解液に対する耐腐食性を有し、加工性およびコスト面で許容されるものであればよく、例えば板厚０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ程度のステンレス板などが最適である。
また、センターピン２０の上下端部分には、テーパー部２０ｔがそれぞれ形成されている。このテーパー部２０ｔは、渦巻き状電極体１０の中空部分への挿入を容易にするため、および、挿入時にセパレータ１３を傷つけないようにするために形成されているものである。このようなテーパー部２０ｔは、上記巻回加工後に絞り加工あるいはプレス加工などを施すことによって形成される。
【００２６】
センターピン２０の形状について、図２（ｂ）を用いて説明する。図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
センターピン２０は、図２（ｂ）に示すような略円形状の断面を有する略円筒である。ただし、その一部、すなわちスリット２１を臨む端部２２ａ、２２ｂの近傍領域２３ａ、２３ｂは、その外周面どうしが、互いに一定の角度θを有するように、筒の内側方向に向かって丸みを帯びて曲折された形状となっている。これにより、端部２２ａ、２２ｂは、センターピン２０のスリット２１を補間した仮想外周より内方に配置されるとともに、曲折部分も鋭利でないことになる。
【００２７】
ここで、上記近傍領域２３ａ、２３ｂの外周面どうしが成す角度θは、当該外周面どうしがセンターピン２０の外方に開くものをプラスとしたとき、１４０°以下に設定することが望ましく、さらに１２０°以下とすることがより望ましい。
このようなセンターピン２０は、例えば、所定形状の金型を備えるマルチフォーミング機を用いる丸曲げ加工により加工される。
【００２８】
また、センターピン２０は、上記方法以外に、従来のように矩形の板材を巻回して円筒状体を作製し、円筒形を保持した状態でスリット２１の部分に上記一定の角度θをその先端部分に有する楔状の工具を侵入させることによっても形成できるが、その方法は上記方法に限定されるものではない。
以上のような構造のセンターピン２０は、リチウムイオン電池１の外側から加わった力により変形した場合でも、渦巻き状電極体１０にダメージを与え難く、内部短絡による異常発熱を生じ難い。これは、次のような理由によるものである。
【００２９】
上記従来の電池では、例えば、センターピンのスリットの開口方向より９０°回転した方向から外力を受けると、センターピンのスリットを臨む端部が渦巻き状電極体の方向に変形して、渦巻き状電極体にダメージを与え、渦巻き状電極体の内部で短絡を生じる。
これに対して、上記センターピン２０を備える実施の形態１に係るリチウムイオン電池１では、端部２２ａ、２２ｂをセンターピン２０の外周面より内方に配置しているので、外力が加わってセンターピン２０が変形した場合にも、端部２２ａ、２２ｂがセパレータ１３に接触し難く、渦巻き状電極体１０にダメージを与え難くなる。
【００３０】
従って、上記リチウムイオン電池１では、外力を受けて変形を生じた場合にあっても、内部に収納された渦巻き状電極体１０における内部短絡を生じ難くなり、それによる異常発熱も発生し難いので、信頼性の高い電池である。
なお、上記図２では、角度θが約８０°程度のセンターピン２０を図示したが、近傍領域２３ａ、２３ｂを内側に折り返していくほどこの角度θは、小さくなる。つまり、角度θは、近傍領域２３ａ、２３ｂどうしが互いに平行となる程度（角度θ＝０°）となるまで深く折り曲げても良いし、さらに後述する変形例のように角度θがマイナスとなるまで深く折り返しても良い。
（実施の形態２）
実施の形態２に係るリチウムイオン電池が内蔵するセンターピン２５について、図３を用いて説明する。図３は、センターピン２５の断面を示す断面図である。
【００３１】
なお、電池の基本的な構造は、上記リチウムイオン電池１と同様である。相違点は、センターピン２５の断面形状にある。
図３に示すように、本変形例に係るセンターピン２５は、上記センターピン２０と同様に、金属（例えば、ステンレス）製の薄板を用いて成型して得られた円筒であり、断面における端部２７ａ、２７ｂどうしの間にスリット２６を備えている。
【００３２】
センターピン２５が上記センターピン２０と異なるのは、端部２７ａ、２７ｂの近傍領域２８ａ、２８ｂにおける外周面を上述の図２（ｂ）におけるセンターピン２０よりもさらに内側まで折り返して、端部２７ａ、２７ｂがセンターピン２５の内周面に近接する位置に配置されている点である。つまり、近傍領域２８ａ、２８ｂは、センターピン２５の外方に向かって開いているのではなく、内方に向かって開いているので、上述の図２（ｂ）における角度θは、０°よりも小さくなっている。
【００３３】
このような構造を有するセンターピン２５は、基本的に上述のセンターピン２０と同様に、マルチフォーミング機を用いた丸曲げ加工によって成型できる。
このセンターピン２５は、上記センターピン２０と比べて、外力が加わって変形した場合に端部２７ａ、２７ｂがセパレータ１３に接触する可能性がさらに低い。
【００３４】
従って、センターピン２５を備えるリチウムイオン電池は、外力によって変形を受けた場合に、上記実施の形態のリチウムイオン電池１よりも、端部２７ａ、２７ｂがセパレータ１３にダメージを与え難い。
従って、センターピン２５を内部に備えるリチウムイオン電池は、外力が加わって電池が変形し、内部のセンターピン２５が変形した場合にあっても、センターピン２５が渦巻き状電極体１０へダメージを与え難く、渦巻き状電極体１０における内部短絡による異常発熱を生じ難い。
（実施の形態３）
実施の形態３に係るリチウムイオン電池について、図５を用いて説明する。図５は、実施の形態３に係るリチウムイオン電池に収納されているセンターピン２９の外観を示す斜視図である。
【００３５】
センターピン２９以外の電池の構成については、上記実施の形態１、２と同様であるので、その説明を省略する。
図５（ａ）に示すように、センターピン２９が上記センターピン２０と異なるのは、大きく２点ある。
一点目は、その側面に円形の窓部２９ｈが複数形成されているところにある。この窓部２９ｈは、センターピン２９の壁面全域にわたって、ほぼ均一な分布状態で、センターピン２９の側壁を厚み方向に貫通するように設けられている。
【００３６】
また、センターピン２９が上記センターピン２０と異なるもう一つの点は、側壁の外面側に絶縁性の膜が形成されている点にある。これについて、図５（ｂ）を用いて説明する。図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＢ−Ｂの断面図である。図５（ｂ）に示すように、窓部２９ｈを有するセンターピン２９は、マルチフォーミング機などを用いて丸曲げ加工されてなる金属板部２９１の外側壁面に絶縁膜２９２が形成されている。この絶縁膜２９２は、例えば膜厚１〜２０μｍのシリコーン樹脂からなる層であって、丸曲げ加工前の金属製の板材に塗布されたものである。
【００３７】
このようなセンターピン２９を内部に備えるリチウムイオン電池は、上記実施の形態１、２に係るリチウムイオン電池よりも、窓部２９ｈの分だけ重量が軽い。これは、０．１ｇ単位で軽量化が求められている電池において、非常に大きな効果といえる。例えば、ステンレス（ＳＵＳ３０４）からなる板厚：０．２５ｍｍ、外径：φ３．０ｍｍ、高さ：５９．５ｍｍのセンターピンに開孔率５０％で窓部２９ｈを設けた場合には、絶縁膜２９２を形成した分を算入しても、窓部を設けない場合に比べて約０．４ｇ軽い。
【００３８】
また、センターピン２９の窓部２９ｈは、電池内部における電解液の流通を良くするという働きもする。つまり、このリチウムイオン電池では、電解液が窓部２９ｈを通してセンターピン２９の内外を流通出来るので、電池内部で電解液の流通性が優れる。よって、上記リチウムイオン電池は、電池内部におけるイオン交換が円滑に行われ、電池性能が高いものとなる。
【００３９】
さらに、センターピン２９を内蔵するリチウムイオン電池では、電池に外力が加わってセンターピン２９が変形を受けるような事態に陥った場合にも、上記実施の形態１、２のリチウムイオン電池よりも渦巻き状電極体にダメージを与える確率が小さい。これは、次の二つの理由によるものである。
一つ目の理由は、センターピン２９の側壁に窓部２９ｈが形成されていることによって、センターピン２９が外力を受けた場合にも、窓部２９ｈが設けられた部分が先に変形することにより外力を吸収するので、スリットを臨む端部が変形し難いというものである。
【００４０】
二つ目の理由は、センターピン２９の外周面に絶縁膜２９２が形成されているために、金属面が剥き出しの状態で内蔵されている場合に比べて、渦巻き状電極体の方に向けて変形しても短絡を生じ難く出来るというものである。
従って、センターピン２９を内蔵するリチウムイオン電池は、軽量であって、且つ高い電池性能を有し、電池外部から外力を受けた場合にも安全性が確保される。
【００４１】
なお、上記では、センターピン２９に設ける窓部２９ｈの形状を円形としたが、形状はこれに限定されるものではない。例えば、窓部２９ｈの形状は、三角形や四角形あるいは、それ以上の多角形であっても良い。ただし、開孔率は、強度などの面から３０〜５０％程度が望ましい。
また、絶縁膜２９２は、絶縁性を有するものであれば、シリコーン樹脂以外の樹脂やセラミックなどの材料から形成しても良く、形成場所も外側壁面だけでなく内側壁面や端面に形成しても良い。
（その他の事項）
上記実施の形態および変形例では、集電体に金属箔を用い、それに活物質を塗布した極板を用いた円筒形リチウムイオン電池を一例に本発明の説明を行ったが、電極体の中空部分にセンターピンが挿設された密閉電池であれば、種類、形状などは、これに限定されるものではない。例えば、本発明は、ニッケル水素電池やニッケルカドミニウム電池などに適用しても有効であるし、スタック構造を有する電極体を備える電池などに適用した場合にも有効である。
【００４２】
また、中に挿設されるセンターピンの形状は、簡易に形成可能であるという点で上述のように円筒とすることが望ましいが、これに限定されるものではない。例えば、巻回された電極体を有する偏平角型電池などの場合には、電極体の中央部における中空部分に断面形状が長円形の中空状センターピンを用いることも可能であるが、そのようなセンターピンにも本発明を適用することができる。
【００４３】
センターピンの材料は、上記ではステンレスを用いたが、これに限定されるものではない。例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、スチールおよびこれらの合金などでもよい。
さらに、上記実施の形態および変形例では、スリットを臨む端部の近傍全体について内側に向けて曲折加工を施したが、曲折加工を施す領域は、端部の一部領域だけであってもよい。例えば、曲折加工を施す領域は、センターピンにおいて外力によって変形を受けやすい箇所（センターピンの軸方向における中央部付近など）だけであってもよい。ただし、このように端部の一部に曲折加工を施す場合には、曲折加工を施す領域と施さない領域との境界部分に角などが残らないように滑らかに加工しておくことが望ましい。
【００４４】
上記実施の形態においては、センターピンを臨む端部の近傍領域に曲折加工を施したが、何れか一方の近傍だけを曲折加工した場合にあっても、曲折加工を施した側における端部は電極体にダメージを与え難いので、その分効果を奏することができる。
また、センターピンは、渦巻き状に成型したものであってもよい。その場合には、外側に露出する端部のみをセンターピンの内方に逃がすように曲折加工すれば、同様にセンターピンが変形した場合にあっても電極体にダメージを与え難くなり、密閉電池における内部短絡による異常発熱を生じ難くなる。
【００４５】
さらに、断面において、３箇所以上端部を有するような形状のセンターピンであっても、その端部を仮想外周より内方に位置するように成型すれば、上記と同様の効果が得られる。
（確認実験）
以上のような本発明の効果について、以下の実験１、２を行い確認した。
（実験１）
先ず、実験１では、上述の実施の形態の内、実施の形態１の効果を確認するための実験を行った。実験には、以下に示す５種類の実施例と１種類の比較例のリチウムイオン電池を製作して用いた。
【００４６】
実験に用いた電池は、次のようなものである。
（１）実施例１
センターピンにおいて、スリットを臨む端部の近傍領域における外周面どうしが外方に向けて角度６０°をなすように曲折加工する。
（２）実施例２
センターピンにおいて、スリットを臨む端部の近傍領域における外周面どうしが外方に向けて角度８０°をなすように曲折加工する。
（３）実施例３
センターピンにおいて、スリットを臨む端部の近傍領域における外周面どうしが外方に向けて角度１００°をなすように曲折加工する。
（４）実施例４
センターピンにおいて、スリットを臨む端部の近傍領域における外周面どうしが外方に向けて角度１２０°をなすように曲折加工する。
（５）実施例５
センターピンにおいて、スリットを臨む端部の近傍領域における外周面どうしが外方に向けて角度１４０°をなすように曲折加工する。
（６）比較例
センターピンにおいて、スリットを臨む端部の近傍領域における外周面どうしが外方に向けて角度１８０°、つまり外周面に曲折加工を施さなかった（従来品）。
【００４７】
以上の（１）〜（６）のリチウムイオン電池を各５０個作製して、図４に示すような衝撃試験を行った。
図４に示すように、衝撃試験は、各リチウムイオン電池１００を台２００の上に置き、その上に外径φ１６ｍｍの鉄棒３００を載せて、リチウムイオン電池１００の上方より重さ９．１ｋｇの錘４００を５水準の高さより落下させる。錘を落下させる高さは、リチウムイオン電池１００の上面から１０ｃｍ、２０ｃｍ、３０ｃｍ、４０ｃｍ、５０ｃｍとした。各水準につき１０個のリチウムイオン電池１００に対して衝撃試験を行った。
【００４８】
なお、図示はしていないが、鉄棒３００の両端は、落下してきた錘４００が当る時点で支持が解除されるような支持体で保持されている。そして、リチウムイオン電池１００には、熱電対を取り付けておき、電池の温度を測定した。
本実験では、上記落下試験の後に、内部短絡を生じた電池個数と、内部短絡を生じたリチウムイオン電池１００において、電池の温度が１３０℃以上となった電池個数をカウントした。その結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
表中における数値は、（内部短絡を生じ、且つ１３０℃以上となった電池個数）／（内部短絡を生じた電池個数）を示す。
表１に示すように、錘の高さを４０ｃｍ以上とした場合には、試験を実施したリチウムイオン電池１００の全数においてセパレータ破損による内部短絡を生じたので、上述のように短絡電流密度が小さく、電池温度が１３０℃以上となるような電池はなかった。
【００５１】
そして、比較例のリチウムイオン電池では、錘４００の高さ１０ｃｍ〜３０ｃｍの３水準において、内部短絡を生じるとともに、電池温度が１３０℃以上となっていた。つまり、比較例のリチウムイオン電池１００は、小さな外力が加わった場合でもセンターピンにおけるスリットを臨む端部が渦巻き状電極体にダメージを与え、内部短絡を発生し、電池温度が１３０℃以上となったことが分かる。
【００５２】
これに対して、実施例１〜実施例４のリチウムイオン電池では、錘の高さが１０ｃｍ〜３０ｃｍとしたときの衝撃試験後における内部短絡を生じた電池はなく、変形に対して優れたものであることが分かる。
また、実施例５のリチウムイオン電池では、衝撃試験において、錘４００を高さ３０ｃｍから落とした際に、試験を行った１０個の内１個で内部短絡を生じた。実施例５のリチウムイオン電池は、上述のとおりセンターピンにおけるスリットを臨む端部の近傍領域の外周面どうしがなす角度が１４０°である。つまり、実施例５のリチウムイオン電池では、センターピンの端部が、上記角度が大きいために、変形前の状態においても渦巻き状電極体のセパレータの近くに位置するので、外力によりセンターピンが変形した場合に実施例１〜４の電池に比べると内部短絡が発生し易い。ただし、実施例５のリチウムイオン電池でも、比較例のものと比較すると格段に内部短絡の発生が抑制されている。
【００５３】
以上の結果より、センターピンのスリットを臨む端部の近傍領域における外周面がなす角度は、１２０°以下とすることが最適であることが分かる。
また、実験は行わなかったが、上記実施の形態２に係るセンターピン２５は、上記実験１における実施例１〜実施例４の電池で用いたセンターピンよりも、電池に外力が加わった際の内部短絡の発生抑制効果が大きいと考えられる。これは、センターピン２５が、外力によって変形した場合にも、そのスリットを臨む端部が電極体に接触し難いためである。
（実験２）
次に、実験２では、上述の実施の形態の内、実施の形態３の効果を確認するための実験を行った。実験に用いた電池は、次のようなものである。
（１）実施例１
上記実験１における実施例１と同じ仕様のリチウムイオン電池であって、内蔵するセンターピンには、窓部および絶縁膜が形成されていないものである。
（２）実施例６
このリチウムイオン電池が内蔵するセンターピンには、上記実施例１のものに窓部のみが形成されているが、絶縁膜が形成されていない。窓部の形状は、円形であり、開孔率が５０％となるように設定されている。
（３）実施例７
このリチウムイオン電池が内蔵するセンターピンは、上記実施例６のセンターピンの外側壁面にシリコーン樹脂がコーティングされたものである。
【００５４】
以上（１）〜（３）のリチウムイオン電池を各４０個作製し、次の３つの試験により評価した。
（評価１） 上記図４と同様の試験装置を用いて、３水準（２０ｃｍ、４０ｃｍ、６０ｃｍ）の錘の高さで衝撃試験を行った。試験に用いる電池数は、各水準で１０個ずつとした。
【００５５】
評価方法は、上記実験１とは異なり、試験直後の電池温度が４０℃以上となっている電池の個数をカウントしたものである。
（評価２） 各１０個の電池を外部加熱試験し、破裂電池の個数をカウントした。具体的には、満充電した各電池を２５０℃のホットプレート上に載せて放置し、外装缶から電極体が飛び出した電池数をカウントした。
【００５６】
これらの結果と、各電池に用いたセンターピンの質量測定結果とを表２に示す。
【００５７】
【表２】
【００５８】
表２に示すように、センターピンの質量は、実施例１のものが１．０ｇで一番重いのに対して、実施例６および実施例７のものは、それぞれ０．５ｇ、０．６ｇと軽量であることが分かる。実施例６と実施例７との間の質量の差は、絶縁膜の質量に相当する。
また、衝撃試験においては、実施例１が錘の高さが２０ｃｍの場合にも１０個中５個の電池で４０℃以上となっており、５０％の確率で内部短絡が発生していることが分かる。これに対して、実施例６、７の電池では、錘の高さが２０ｃｍの場合、４０℃以上となった電池はなく、外力を受けても内部短絡を生じ難いことが分かる。特に、実施例７の電池では、錘の高さを４０ｃｍとした場合にあっても、試験後に４０℃以上となった電池はなく、内部短絡を生じ難い。
【００５９】
外部加熱試験については、全ての電池（実施例１、実施例６、実施例７）で破裂は生じなかった。つまり、センターピンは、２５０℃の熱が電池に加えられても確実にガス排出経路を確保している。
従って、窓部を有するセンターピンを内蔵する電池では、窓部の分だけ重量が軽減され、且つ電池が外力を受けてもセンターピンが電極体にダメージを与え難く、耐衝撃性に優れる。
【００６０】
また、窓部を有し、且つ外壁面に絶縁膜が形成されたセンターピンを電池に内蔵した場合には、重量的に絶縁膜の分だけ重くなるものの、耐衝撃性という面から優れた効果を奏する。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明のように、本発明は、セパレータを介して配置された正極板と負極板とが内部空間とを有する形状に形成されてなる電極体と、電極体の内部空間に挿設される筒状のセンターピンとを有する密閉電池において、センターピンが側壁に端部を有しており、このスリットを臨む端部の少なくとも一部領域が、電極体と接触しないように、センターピンの仮想外周より内方に配置されていることを特徴とする。
【００６２】
このような特徴を有する本発明の密閉電池では、センターピンにおけるスリットを臨む端部の少なくとも一部領域がセンターピンの仮想外周より内方に配置されており、外力によってセンターピンが変形した場合にあっても、少なくとも内方に配置された端部が電極体にダメージを与え難くなり、内部短絡による異常発熱を生じ難い。
【００６３】
特に、本発明の密閉電池では、上記スリットを臨む端部の近傍領域の外周面どうしがなす角度を、センターピンの外方に向けて１２０°以下に設定する場合に、センターピン変形時における電極体が受けるダメージを非常に少なくすることができる。よって、センターピンを上記構成とした場合に、本発明は特に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１に係るリチウムイオン電池の外観斜視図（一部断面図）である。
【図２】 図１におけるセンターピンの詳細図である。
【図３】 実施の形態２に係るセンターピンの断面図である。
【図４】 衝撃試験の装置および方法の説明図である。
【図５】 実施の形態３に係るリチウムイオン電池に備えられているセンターピンの外観を示す斜視図である。
【符号の説明】
１．リチウムイオン電池
１０． 渦巻き状電極体
１１． 正極板
１２． 負極板
１３． セパレータ
２０、２５、２９． センターピン
２１． スリット
２２ａ、２２ｂ、２７ａ、２７ｂ． 端部
２３ａ、２３ｂ、２８ａ、２８ｂ． 端部近傍領域
３０． 外装缶
４０． 封口蓋
【発明の属する技術分野】
本発明は、密閉電池に関し、特に、電極体の内部における中空部分にセンターピンが挿設された構造を有する密閉電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の急速な携帯用電子機器の普及に伴い、これらの機器に用いられる密閉電池には、小型・軽量・高エネルギー化が求められている。
密閉電池の中でも、充放電が可能な二次電池が普及してきており、その中でも特にリチウムイオン電池などの非水二次電池が、軽量・高エネルギー密度であるという点で近年普及してきている。
【０００３】
以下では、密閉電池の構造について、円筒形リチウムイオン電池を一例に説明する。
円筒形リチウムイオン電池は、正極板と負極板とをセパレータを介して巻回して形成された渦巻き状電極体が外装缶に収納され、電解液が注入され、封口蓋で封口された構造を有する。
【０００４】
外装缶に収納された渦巻き状電極体には、その中央部に中空部分が形成されている。この中空部分は、正極板と負極板とをセパレータを介して巻回する際に用いた巻回用軸芯を抜き取った跡である。
リチウムイオン電池の中には、この中空部分に円筒状のセンターピンが挿設されているものがある。リチウムイオン電池において、センターピンは、以下の二つの理由から挿設されている。
【０００５】
先ず一つ目は、リチウムイオン電池が充放電の繰り返しによる渦巻き状電極体における極板の変形を抑制するためである。つまり、充放電の繰り返しによって、渦巻き状電極体は、膨張しようとするが、外装缶により拘束されている外側には膨張することができないので、中空部分に向かって集中的に膨張する。この際、渦巻き状電極体では、中空部分の近傍における極板に変形を生じ、その変形を生じた部分で短絡を生じることがある。センターピンは、この極板の変形を抑制する目的で挿設されている。
【０００６】
センターピンが挿設されているもう一つの理由は、リチウムイオン電池が誤って火中などに投下されて、内部の温度が２００℃以上の高温となった際にも、ガス排気通路である渦巻き状電極体の中空部分を確保するためである。通常、リチウムイオン電池には、ポリエチレン製などの微多孔膜からなるセパレータが用いられているが、このセパレータは、２００℃以上の高温になると溶融し、中空部分を塞いでしまうことがある。センターピンは、このようにセパレータが溶融した際にも、ガス排気通路を確保するために挿設されている。
【０００７】
以上のような理由により挿設されているセンターピンは、コストおよびガス排出効率などの面から、通常、金属製の薄板を筒状に丸めて形成されるが、周方向における端部どうしを接合しないので、これら両端部間にスリットが残った構造となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなリチウムイオン電池を高いところから落としたり、逆にリチウムイオン電池の上に物を落としたりした場合には、外装缶に変形を生じる。このように外装缶が変形するような外力を受けたリチウムイオン電池では、内部に挿設されたセンターピンも変形してしまう場合があり、変形が大きいときには、渦巻き状電極体のセパレータが破損してしまう場合もある。
【０００９】
このようにセパレータが破損した場合には、リチウムイオン電池の内部で短絡を生じるものの、その発生面積が比較的大きくなるので、短絡電流密度が小さくなり、電池が高温（約１３０℃以上）となることが無い。
しかし、上記のようにセパレータの破損が生じず、センターピンが変形して、スリットを望む端部が渦巻き状電極体に突き刺ささったときには、渦巻き状電極体における内部短絡の発生面積が小さく、局所的に短絡を生じるために短絡電流密度が大きくなり、電池が高温（約１３０℃以上）となる傾向にある。
【００１０】
本発明は、上記問題に対してなされたものであって、外から力が加わり変形を生じた場合にも、内部短絡による異常発熱を生じ難い密閉電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、セパレータを介して配置された正極板と負極板とが内部空間を有す形状に形成されてなる電極体と、電極体の内部空間に挿設される筒状のセンターピンとを有する密閉電池において、センターピンは、その側壁に筒軸方向に延びるスリットを有しており、側壁におけるスリットを臨む両端部の少なくとも一部領域が、互いの近傍領域の外周面同士が筒内方に向かって開く状態に曲折されることにより、電極体と接触しないように、前記センターピンの仮想外周より内方に配置されていることを特徴とする。
【００１２】
上述のように、縁部の処理が行われていないセンターピンを有する従来の密閉電池では、外力によってセンターピンが変形し、スリットに臨む端部が電極体に向かって変形した場合には、電極体がダメージを受けることがあり、内部短絡を生じ易く、それによる異常発熱を生じ易い。
それに対して、上記本発明の密閉電池では、スリットを臨む両端部の少なくとも一部領域が、互いの近傍領域の外周面同士が筒内方に向かって開く状態に曲折されることにより、電極体と接触しないように、前記センターピンの仮想外周より内方に配置されているので、外力によってセンターピンが変形した場合にあっても、両端部における上記内方に配置された一部領域が電極体にダメージを与え難くなり、内部短絡を生じ難い。よって、本発明の密閉電池では、外力によりセンターピンに変形を生じた場合にも、内部短絡による異常発熱を生じ難い。
なお、本発明に係る密閉電池では、上記スリットを臨む両端部がセンターピンの内周面に接触している、という構成を採用することができる。
【００１３】
なお、センターピンの仮想外周とは、例えば筒状体の一部領域に凹状の溝が形成されているような場合に、その凹状の溝部分を補間した外周を示すものである。
センターピンには、種々の形状のものがあるが、断面方向に角が生じない点や、加工性などの点から、長手方向にスリットを有する円筒状体である事が望ましい。ここでいう円筒状体も、上述と同様、完全な円形断面を有する筒体ではなく、スリット部分を補間した仮想外周が円形の筒体を示すものである。
【００１５】
なお、外周面どうしがなす角度は、０°（外周面どうしが平行の状態）が下限値ではなく、両端部がセンターピンの端部近傍領域における内周面に接触するような状態の際の角度が下限値となる。
【００１６】
また、本発明は、セパレータを介して配置された正極板と負極板とが内部空間を有す形状に形成されてなる電極体と、電極体の内部空間に挿設される筒状のセンターピンとを有する密閉電池において、センターピンの側壁に端部を有しており、この端部の少なくとも一部領域が、電極体と接触しないように、センターピンの仮想外周より内方に配置されており、センターピンの側壁に、その内外を連通するように窓部を設けられていることを特徴とする。このような構成を採用する本発明に係る密閉電池では、上記と同様の効果を得ることができるのに加えて、軽量化されるとともに、電極体の高さ方向における中ほどにおいてもセンターピンの内外での電解液を流通させることが出来、電池性能という面から望ましい。窓部の形成は、センターピンの側壁全体にわたる部分に行うことが望ましい。
上記本発明に係る密閉電池では、センターピンの側壁に筒軸方向に延びるスリットを有し、スリットを臨む両端部が、センターピンの内周面側に曲折されている、という構成を採用することができる。
また、上記本発明に係る密閉電池では、スリットを臨む両端部の近傍の外周面同士がなす角度が、センターピンの外方に向けて１２０°以下である、という構成を採用することができる。
【００１７】
また、センターピンは、種々の材料から形成されるが、加工性およびコスト面から金属材料から形成されることが望ましい。
さらに、本発明は、電極体とセンターピンとを備えるような密閉電池に対して効果を奏するが、特に、高エネルギー密度の非水二次電池に適用する場合に効果的である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係るリチウムイオン電池について、図１および２を用いて説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係るリチウムイオン電池１の構造を示す斜視図（一部断面図）であって、図２は、中に備えるセンターピンを示す斜視図である。
【００１９】
図１に示すように、リチウムイオン電池１は、渦巻き状電極体１０が有底円筒形の外装缶３０に収納され、その開口部に封口蓋４０を配置して、かしめ固定を施し封口された構造を有する。
封口蓋４０には、ラプチャディスク４１とガス排出孔４２とを備える。ラプチャディスク４１とガス排出孔４２は、リチウムイオン電池１の内部でガスが発生し、それにより電池内部における圧力が一定値を超えた場合にガスをリチウムイオン電池１の外部に排出するために設けられたものである。つまり、リチウムイオン電池１において、電池が火中に投下されるなどして電池内部で生じたガスは、電池の内部圧力が一定値を超えた時点でラプチャディスク４１を破ることで隙間を作り、そこからガス排出孔４２を通って電池外部へと排出される。
【００２０】
渦巻き状電極体１０は、セパレータ１３を介して正極板１１と負極板１２とを対向配置し、巻回用軸芯を用いて渦巻き状に巻回されたものである。具体的には、以下のようにして作製される。
先ず、正極活物質としてのＬｉＣｏＯ2と、導電剤としてのカーボンブラックと、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンと、溶剤としてのＮ−メチル−２−ピロリドン（以下、「ＮＭＰ」という）溶液とを混合してスラリーを調製した後、正極集電タブの溶接部位を除き、上記スラリーを正極集電体としてのアルミニウム箔（厚み：２０μｍ）の両面に塗付する。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで所定の厚みまで圧縮した後に、所定の幅および長さになるように裁断し、さらにアルミニウム製の正極集電タブを溶接して正極板１１を作製する。
【００２１】
また、これと並行して、負極活物質としての黒鉛粉末と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンと、溶剤としてのＮＭＰ溶液とを混合してスラリーを調製した後、負極集電タブの溶接部位を除き、上記スラリーを負極集電体としての銅箔（厚み：１６μｍ）の両面に塗付する。その後、溶剤を乾燥し、ニッケル製の負極集電タブを溶接して負極板１２を作製する。
【００２２】
次に、上記正極板１１と負極板１２とをポリエチレン製の微多孔膜からなるセパレータ１３（厚み：２５μｍ）を介して巻回加工して渦巻き状電極体１０を作製する。
渦巻き状電極体１０の中央部には、巻回用軸芯を抜いた跡である中空部分が残っており、そこに円筒状のセンターピン２０が挿設されている。
【００２３】
センターピン２０は、上述したようにリチウムイオン電池が異常状態（誤って火中の投下されるなど）となった場合におけるガスの排出通路の確保、および、充放電を繰り返した際の中空部分の近傍での渦巻き状電極体１０の正極板１１および負極板１２の変形を抑制するという二つの目的から備えられている。
センターピン２０の構造について、図２を用いて説明する。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、センターピン２０は、円筒状の形状を有しており、長手方向にスリット２１を有している。センターピン２０は、所定の大きさで矩形状に裁断された金属製の薄板を用いて形成されたものであって、工数面、コスト面からの制約およびガス排出効率などの面から、断面における両端部を接合せず、これら両端部の間にスリット２１が残った構造となっている。
【００２５】
センターピン２０に用いられる薄板は、耐熱性および電解液に対する耐腐食性を有し、加工性およびコスト面で許容されるものであればよく、例えば板厚０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ程度のステンレス板などが最適である。
また、センターピン２０の上下端部分には、テーパー部２０ｔがそれぞれ形成されている。このテーパー部２０ｔは、渦巻き状電極体１０の中空部分への挿入を容易にするため、および、挿入時にセパレータ１３を傷つけないようにするために形成されているものである。このようなテーパー部２０ｔは、上記巻回加工後に絞り加工あるいはプレス加工などを施すことによって形成される。
【００２６】
センターピン２０の形状について、図２（ｂ）を用いて説明する。図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
センターピン２０は、図２（ｂ）に示すような略円形状の断面を有する略円筒である。ただし、その一部、すなわちスリット２１を臨む端部２２ａ、２２ｂの近傍領域２３ａ、２３ｂは、その外周面どうしが、互いに一定の角度θを有するように、筒の内側方向に向かって丸みを帯びて曲折された形状となっている。これにより、端部２２ａ、２２ｂは、センターピン２０のスリット２１を補間した仮想外周より内方に配置されるとともに、曲折部分も鋭利でないことになる。
【００２７】
ここで、上記近傍領域２３ａ、２３ｂの外周面どうしが成す角度θは、当該外周面どうしがセンターピン２０の外方に開くものをプラスとしたとき、１４０°以下に設定することが望ましく、さらに１２０°以下とすることがより望ましい。
このようなセンターピン２０は、例えば、所定形状の金型を備えるマルチフォーミング機を用いる丸曲げ加工により加工される。
【００２８】
また、センターピン２０は、上記方法以外に、従来のように矩形の板材を巻回して円筒状体を作製し、円筒形を保持した状態でスリット２１の部分に上記一定の角度θをその先端部分に有する楔状の工具を侵入させることによっても形成できるが、その方法は上記方法に限定されるものではない。
以上のような構造のセンターピン２０は、リチウムイオン電池１の外側から加わった力により変形した場合でも、渦巻き状電極体１０にダメージを与え難く、内部短絡による異常発熱を生じ難い。これは、次のような理由によるものである。
【００２９】
上記従来の電池では、例えば、センターピンのスリットの開口方向より９０°回転した方向から外力を受けると、センターピンのスリットを臨む端部が渦巻き状電極体の方向に変形して、渦巻き状電極体にダメージを与え、渦巻き状電極体の内部で短絡を生じる。
これに対して、上記センターピン２０を備える実施の形態１に係るリチウムイオン電池１では、端部２２ａ、２２ｂをセンターピン２０の外周面より内方に配置しているので、外力が加わってセンターピン２０が変形した場合にも、端部２２ａ、２２ｂがセパレータ１３に接触し難く、渦巻き状電極体１０にダメージを与え難くなる。
【００３０】
従って、上記リチウムイオン電池１では、外力を受けて変形を生じた場合にあっても、内部に収納された渦巻き状電極体１０における内部短絡を生じ難くなり、それによる異常発熱も発生し難いので、信頼性の高い電池である。
なお、上記図２では、角度θが約８０°程度のセンターピン２０を図示したが、近傍領域２３ａ、２３ｂを内側に折り返していくほどこの角度θは、小さくなる。つまり、角度θは、近傍領域２３ａ、２３ｂどうしが互いに平行となる程度（角度θ＝０°）となるまで深く折り曲げても良いし、さらに後述する変形例のように角度θがマイナスとなるまで深く折り返しても良い。
（実施の形態２）
実施の形態２に係るリチウムイオン電池が内蔵するセンターピン２５について、図３を用いて説明する。図３は、センターピン２５の断面を示す断面図である。
【００３１】
なお、電池の基本的な構造は、上記リチウムイオン電池１と同様である。相違点は、センターピン２５の断面形状にある。
図３に示すように、本変形例に係るセンターピン２５は、上記センターピン２０と同様に、金属（例えば、ステンレス）製の薄板を用いて成型して得られた円筒であり、断面における端部２７ａ、２７ｂどうしの間にスリット２６を備えている。
【００３２】
センターピン２５が上記センターピン２０と異なるのは、端部２７ａ、２７ｂの近傍領域２８ａ、２８ｂにおける外周面を上述の図２（ｂ）におけるセンターピン２０よりもさらに内側まで折り返して、端部２７ａ、２７ｂがセンターピン２５の内周面に近接する位置に配置されている点である。つまり、近傍領域２８ａ、２８ｂは、センターピン２５の外方に向かって開いているのではなく、内方に向かって開いているので、上述の図２（ｂ）における角度θは、０°よりも小さくなっている。
【００３３】
このような構造を有するセンターピン２５は、基本的に上述のセンターピン２０と同様に、マルチフォーミング機を用いた丸曲げ加工によって成型できる。
このセンターピン２５は、上記センターピン２０と比べて、外力が加わって変形した場合に端部２７ａ、２７ｂがセパレータ１３に接触する可能性がさらに低い。
【００３４】
従って、センターピン２５を備えるリチウムイオン電池は、外力によって変形を受けた場合に、上記実施の形態のリチウムイオン電池１よりも、端部２７ａ、２７ｂがセパレータ１３にダメージを与え難い。
従って、センターピン２５を内部に備えるリチウムイオン電池は、外力が加わって電池が変形し、内部のセンターピン２５が変形した場合にあっても、センターピン２５が渦巻き状電極体１０へダメージを与え難く、渦巻き状電極体１０における内部短絡による異常発熱を生じ難い。
（実施の形態３）
実施の形態３に係るリチウムイオン電池について、図５を用いて説明する。図５は、実施の形態３に係るリチウムイオン電池に収納されているセンターピン２９の外観を示す斜視図である。
【００３５】
センターピン２９以外の電池の構成については、上記実施の形態１、２と同様であるので、その説明を省略する。
図５（ａ）に示すように、センターピン２９が上記センターピン２０と異なるのは、大きく２点ある。
一点目は、その側面に円形の窓部２９ｈが複数形成されているところにある。この窓部２９ｈは、センターピン２９の壁面全域にわたって、ほぼ均一な分布状態で、センターピン２９の側壁を厚み方向に貫通するように設けられている。
【００３６】
また、センターピン２９が上記センターピン２０と異なるもう一つの点は、側壁の外面側に絶縁性の膜が形成されている点にある。これについて、図５（ｂ）を用いて説明する。図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＢ−Ｂの断面図である。図５（ｂ）に示すように、窓部２９ｈを有するセンターピン２９は、マルチフォーミング機などを用いて丸曲げ加工されてなる金属板部２９１の外側壁面に絶縁膜２９２が形成されている。この絶縁膜２９２は、例えば膜厚１〜２０μｍのシリコーン樹脂からなる層であって、丸曲げ加工前の金属製の板材に塗布されたものである。
【００３７】
このようなセンターピン２９を内部に備えるリチウムイオン電池は、上記実施の形態１、２に係るリチウムイオン電池よりも、窓部２９ｈの分だけ重量が軽い。これは、０．１ｇ単位で軽量化が求められている電池において、非常に大きな効果といえる。例えば、ステンレス（ＳＵＳ３０４）からなる板厚：０．２５ｍｍ、外径：φ３．０ｍｍ、高さ：５９．５ｍｍのセンターピンに開孔率５０％で窓部２９ｈを設けた場合には、絶縁膜２９２を形成した分を算入しても、窓部を設けない場合に比べて約０．４ｇ軽い。
【００３８】
また、センターピン２９の窓部２９ｈは、電池内部における電解液の流通を良くするという働きもする。つまり、このリチウムイオン電池では、電解液が窓部２９ｈを通してセンターピン２９の内外を流通出来るので、電池内部で電解液の流通性が優れる。よって、上記リチウムイオン電池は、電池内部におけるイオン交換が円滑に行われ、電池性能が高いものとなる。
【００３９】
さらに、センターピン２９を内蔵するリチウムイオン電池では、電池に外力が加わってセンターピン２９が変形を受けるような事態に陥った場合にも、上記実施の形態１、２のリチウムイオン電池よりも渦巻き状電極体にダメージを与える確率が小さい。これは、次の二つの理由によるものである。
一つ目の理由は、センターピン２９の側壁に窓部２９ｈが形成されていることによって、センターピン２９が外力を受けた場合にも、窓部２９ｈが設けられた部分が先に変形することにより外力を吸収するので、スリットを臨む端部が変形し難いというものである。
【００４０】
二つ目の理由は、センターピン２９の外周面に絶縁膜２９２が形成されているために、金属面が剥き出しの状態で内蔵されている場合に比べて、渦巻き状電極体の方に向けて変形しても短絡を生じ難く出来るというものである。
従って、センターピン２９を内蔵するリチウムイオン電池は、軽量であって、且つ高い電池性能を有し、電池外部から外力を受けた場合にも安全性が確保される。
【００４１】
なお、上記では、センターピン２９に設ける窓部２９ｈの形状を円形としたが、形状はこれに限定されるものではない。例えば、窓部２９ｈの形状は、三角形や四角形あるいは、それ以上の多角形であっても良い。ただし、開孔率は、強度などの面から３０〜５０％程度が望ましい。
また、絶縁膜２９２は、絶縁性を有するものであれば、シリコーン樹脂以外の樹脂やセラミックなどの材料から形成しても良く、形成場所も外側壁面だけでなく内側壁面や端面に形成しても良い。
（その他の事項）
上記実施の形態および変形例では、集電体に金属箔を用い、それに活物質を塗布した極板を用いた円筒形リチウムイオン電池を一例に本発明の説明を行ったが、電極体の中空部分にセンターピンが挿設された密閉電池であれば、種類、形状などは、これに限定されるものではない。例えば、本発明は、ニッケル水素電池やニッケルカドミニウム電池などに適用しても有効であるし、スタック構造を有する電極体を備える電池などに適用した場合にも有効である。
【００４２】
また、中に挿設されるセンターピンの形状は、簡易に形成可能であるという点で上述のように円筒とすることが望ましいが、これに限定されるものではない。例えば、巻回された電極体を有する偏平角型電池などの場合には、電極体の中央部における中空部分に断面形状が長円形の中空状センターピンを用いることも可能であるが、そのようなセンターピンにも本発明を適用することができる。
【００４３】
センターピンの材料は、上記ではステンレスを用いたが、これに限定されるものではない。例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、スチールおよびこれらの合金などでもよい。
さらに、上記実施の形態および変形例では、スリットを臨む端部の近傍全体について内側に向けて曲折加工を施したが、曲折加工を施す領域は、端部の一部領域だけであってもよい。例えば、曲折加工を施す領域は、センターピンにおいて外力によって変形を受けやすい箇所（センターピンの軸方向における中央部付近など）だけであってもよい。ただし、このように端部の一部に曲折加工を施す場合には、曲折加工を施す領域と施さない領域との境界部分に角などが残らないように滑らかに加工しておくことが望ましい。
【００４４】
上記実施の形態においては、センターピンを臨む端部の近傍領域に曲折加工を施したが、何れか一方の近傍だけを曲折加工した場合にあっても、曲折加工を施した側における端部は電極体にダメージを与え難いので、その分効果を奏することができる。
また、センターピンは、渦巻き状に成型したものであってもよい。その場合には、外側に露出する端部のみをセンターピンの内方に逃がすように曲折加工すれば、同様にセンターピンが変形した場合にあっても電極体にダメージを与え難くなり、密閉電池における内部短絡による異常発熱を生じ難くなる。
【００４５】
さらに、断面において、３箇所以上端部を有するような形状のセンターピンであっても、その端部を仮想外周より内方に位置するように成型すれば、上記と同様の効果が得られる。
（確認実験）
以上のような本発明の効果について、以下の実験１、２を行い確認した。
（実験１）
先ず、実験１では、上述の実施の形態の内、実施の形態１の効果を確認するための実験を行った。実験には、以下に示す５種類の実施例と１種類の比較例のリチウムイオン電池を製作して用いた。
【００４６】
実験に用いた電池は、次のようなものである。
センターピンにおいて、スリットを臨む端部の近傍領域における外周面どうしが外方に向けて角度６０°をなすように曲折加工する。
（２）実施例２
センターピンにおいて、スリットを臨む端部の近傍領域における外周面どうしが外方に向けて角度８０°をなすように曲折加工する。
（３）実施例３
センターピンにおいて、スリットを臨む端部の近傍領域における外周面どうしが外方に向けて角度１００°をなすように曲折加工する。
（４）実施例４
センターピンにおいて、スリットを臨む端部の近傍領域における外周面どうしが外方に向けて角度１２０°をなすように曲折加工する。
（５）実施例５
センターピンにおいて、スリットを臨む端部の近傍領域における外周面どうしが外方に向けて角度１４０°をなすように曲折加工する。
（６）比較例
センターピンにおいて、スリットを臨む端部の近傍領域における外周面どうしが外方に向けて角度１８０°、つまり外周面に曲折加工を施さなかった（従来品）。
【００４７】
以上の（１）〜（６）のリチウムイオン電池を各５０個作製して、図４に示すような衝撃試験を行った。
図４に示すように、衝撃試験は、各リチウムイオン電池１００を台２００の上に置き、その上に外径φ１６ｍｍの鉄棒３００を載せて、リチウムイオン電池１００の上方より重さ９．１ｋｇの錘４００を５水準の高さより落下させる。錘を落下させる高さは、リチウムイオン電池１００の上面から１０ｃｍ、２０ｃｍ、３０ｃｍ、４０ｃｍ、５０ｃｍとした。各水準につき１０個のリチウムイオン電池１００に対して衝撃試験を行った。
【００４８】
なお、図示はしていないが、鉄棒３００の両端は、落下してきた錘４００が当る時点で支持が解除されるような支持体で保持されている。そして、リチウムイオン電池１００には、熱電対を取り付けておき、電池の温度を測定した。
本実験では、上記落下試験の後に、内部短絡を生じた電池個数と、内部短絡を生じたリチウムイオン電池１００において、電池の温度が１３０℃以上となった電池個数をカウントした。その結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
表中における数値は、（内部短絡を生じ、且つ１３０℃以上となった電池個数）／（内部短絡を生じた電池個数）を示す。
表１に示すように、錘の高さを４０ｃｍ以上とした場合には、試験を実施したリチウムイオン電池１００の全数においてセパレータ破損による内部短絡を生じたので、上述のように短絡電流密度が小さく、電池温度が１３０℃以上となるような電池はなかった。
【００５１】
そして、比較例のリチウムイオン電池では、錘４００の高さ１０ｃｍ〜３０ｃｍの３水準において、内部短絡を生じるとともに、電池温度が１３０℃以上となっていた。つまり、比較例のリチウムイオン電池１００は、小さな外力が加わった場合でもセンターピンにおけるスリットを臨む端部が渦巻き状電極体にダメージを与え、内部短絡を発生し、電池温度が１３０℃以上となったことが分かる。
【００５２】
これに対して、実施例１〜実施例４のリチウムイオン電池では、錘の高さが１０ｃｍ〜３０ｃｍとしたときの衝撃試験後における内部短絡を生じた電池はなく、変形に対して優れたものであることが分かる。
また、実施例５のリチウムイオン電池では、衝撃試験において、錘４００を高さ３０ｃｍから落とした際に、試験を行った１０個の内１個で内部短絡を生じた。実施例５のリチウムイオン電池は、上述のとおりセンターピンにおけるスリットを臨む端部の近傍領域の外周面どうしがなす角度が１４０°である。つまり、実施例５のリチウムイオン電池では、センターピンの端部が、上記角度が大きいために、変形前の状態においても渦巻き状電極体のセパレータの近くに位置するので、外力によりセンターピンが変形した場合に実施例１〜４の電池に比べると内部短絡が発生し易い。ただし、実施例５のリチウムイオン電池でも、比較例のものと比較すると格段に内部短絡の発生が抑制されている。
【００５３】
以上の結果より、センターピンのスリットを臨む端部の近傍領域における外周面がなす角度は、１２０°以下とすることが最適であることが分かる。
また、実験は行わなかったが、上記実施の形態２に係るセンターピン２５は、上記実験１における実施例１〜実施例４の電池で用いたセンターピンよりも、電池に外力が加わった際の内部短絡の発生抑制効果が大きいと考えられる。これは、センターピン２５が、外力によって変形した場合にも、そのスリットを臨む端部が電極体に接触し難いためである。
（実験２）
次に、実験２では、上述の実施の形態の内、実施の形態３の効果を確認するための実験を行った。実験に用いた電池は、次のようなものである。
上記実験１における実施例１と同じ仕様のリチウムイオン電池であって、内蔵するセンターピンには、窓部および絶縁膜が形成されていないものである。
（２）実施例６
このリチウムイオン電池が内蔵するセンターピンには、上記実施例１のものに窓部のみが形成されているが、絶縁膜が形成されていない。窓部の形状は、円形であり、開孔率が５０％となるように設定されている。
（３）実施例７
このリチウムイオン電池が内蔵するセンターピンは、上記実施例６のセンターピンの外側壁面にシリコーン樹脂がコーティングされたものである。
【００５４】
以上（１）〜（３）のリチウムイオン電池を各４０個作製し、次の３つの試験により評価した。
（評価１） 上記図４と同様の試験装置を用いて、３水準（２０ｃｍ、４０ｃｍ、６０ｃｍ）の錘の高さで衝撃試験を行った。試験に用いる電池数は、各水準で１０個ずつとした。
【００５５】
評価方法は、上記実験１とは異なり、試験直後の電池温度が４０℃以上となっている電池の個数をカウントしたものである。
（評価２） 各１０個の電池を外部加熱試験し、破裂電池の個数をカウントした。具体的には、満充電した各電池を２５０℃のホットプレート上に載せて放置し、外装缶から電極体が飛び出した電池数をカウントした。
【００５６】
これらの結果と、各電池に用いたセンターピンの質量測定結果とを表２に示す。
【００５７】
【表２】
表２に示すように、センターピンの質量は、実施例１のものが１．０ｇで一番重いのに対して、実施例６および実施例７のものは、それぞれ０．５ｇ、０．６ｇと軽量であることが分かる。実施例６と実施例７との間の質量の差は、絶縁膜の質量に相当する。
また、衝撃試験においては、実施例１が錘の高さが２０ｃｍの場合にも１０個中５個の電池で４０℃以上となっており、５０％の確率で内部短絡が発生していることが分かる。これに対して、実施例６、７の電池では、錘の高さが２０ｃｍの場合、４０℃以上となった電池はなく、外力を受けても内部短絡を生じ難いことが分かる。特に、実施例７の電池では、錘の高さを４０ｃｍとした場合にあっても、試験後に４０℃以上となった電池はなく、内部短絡を生じ難い。
【００５９】
外部加熱試験については、全ての電池（実施例１、実施例６、実施例７）で破裂は生じなかった。つまり、センターピンは、２５０℃の熱が電池に加えられても確実にガス排出経路を確保している。
従って、窓部を有するセンターピンを内蔵する電池では、窓部の分だけ重量が軽減され、且つ電池が外力を受けてもセンターピンが電極体にダメージを与え難く、耐衝撃性に優れる。
【００６０】
また、窓部を有し、且つ外壁面に絶縁膜が形成されたセンターピンを電池に内蔵した場合には、重量的に絶縁膜の分だけ重くなるものの、耐衝撃性という面から優れた効果を奏する。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明のように、本発明は、セパレータを介して配置された正極板と負極板とが内部空間とを有する形状に形成されてなる電極体と、電極体の内部空間に挿設される筒状のセンターピンとを有する密閉電池において、センターピンが側壁に端部を有しており、このスリットを臨む端部の少なくとも一部領域が、電極体と接触しないように、センターピンの仮想外周より内方に配置されていることを特徴とする。
【００６２】
このような特徴を有する本発明の密閉電池では、センターピンにおけるスリットを臨む端部の少なくとも一部領域がセンターピンの仮想外周より内方に配置されており、外力によってセンターピンが変形した場合にあっても、少なくとも内方に配置された端部が電極体にダメージを与え難くなり、内部短絡による異常発熱を生じ難い。
【００６３】
特に、本発明の密閉電池では、上記スリットを臨む端部の近傍領域の外周面どうしがなす角度を、センターピンの外方に向けて１２０°以下に設定する場合に、センターピン変形時における電極体が受けるダメージを非常に少なくすることができる。よって、センターピンを上記構成とした場合に、本発明は特に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１に係るリチウムイオン電池の外観斜視図（一部断面図）である。
【図２】 図１におけるセンターピンの詳細図である。
【図３】 実施の形態２に係るセンターピンの断面図である。
【図４】 衝撃試験の装置および方法の説明図である。
【図５】 実施の形態３に係るリチウムイオン電池に備えられているセンターピンの外観を示す斜視図である。
【符号の説明】
１．リチウムイオン電池
１０． 渦巻き状電極体
１１． 正極板
１２． 負極板
１３． セパレータ
２０、２５、２９． センターピン
２１． スリット
２２ａ、２２ｂ、２７ａ、２７ｂ． 端部
２３ａ、２３ｂ、２８ａ、２８ｂ． 端部近傍領域
３０． 外装缶
４０． 封口蓋
Claims (9)
- セパレータを介して配置された正極板と負極板とが内部空間を有する形状に形成されてなる電極体と、前記電極体の内部空間に挿設される筒状のセンターピンとを有する密閉電池であって、
前記センターピンは、その側壁に筒軸方向に延びるスリットを有しており、
前記側壁における前記スリットを臨む両端部の少なくとも一部領域は、互いの近傍領域の外周面同士が前記筒内方に向かって開く状態に曲折されることにより、前記電極体と接触しないように、前記センターピンの仮想外周より内方に配置されている
ことを特徴とする密閉電池。 - 前記両端部は、前記センターピンの内周面に接触している
ことを特徴とする請求項１に記載の密閉電池。 - セパレータを介して配置された正極板と負極板とが内部空間を有する形状に形成されてなる電極体と、前記電極体の内部空間に挿設される筒状のセンターピンとを有する密閉電池であって、
前記センターピンは、側壁に端部を有しており、
前記端部における少なくとも一部領域は、前記電極体と接触しないように、前記センターピンの仮想外周より内方に配置されており、
前記センターピンの側壁には、前記センターピンの内外を連通する窓部が設けられている
ことを特徴とする密閉電池。 - 前記センターピンは、前記側壁に筒軸方向に延びるスリットを有しており、
前記側壁における前記スリットを臨む両端部は、前記センターピンの内周面側に曲折されている
ことを特徴とする請求項３に記載の密閉電池。 - 前記外周面同士がなす角度は、前記センターピンの外方に向けて１２０°以下である
ことを特徴とする請求項４に記載の密閉電池。 - 前記センターピンは、円筒状体である
ことを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の密閉電池。 - 前記センターピンは、金属材料からなる
ことを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の密閉電池。 - 前記電極体は、前記正極板と負極板とが巻回されてなり、渦巻き状の形状を有する
ことを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の密閉電池。 - 当該密閉電池は、非水二次電池である
ことを特徴とする請求項１から８の何れかに記載の密閉電池。
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