JP4420373B2 - 2次電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は,2次電池に関し,特に,正極,セパレータ及び負極が共に巻かれた電極ゼリーロールを有する2次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
2次電池(充電式電池)は,再充電が可能で小型化かつ大容量化が可能な電池である。この2次電池の代表例としては,例えば,ニッケル水素(Ni−MH)電池,リチウム(Li)電池,リチウムイオン(Li−ion)電池,リチウムポリマー(PLI)電池などがある。また,このような2次電池は,外観上,例えば,円筒形電池,角形電池,電極ゼリーロールをパウチに収納するパウチ(pouch)タイプ電池などに区分される。
【0003】
これら2次電池は,円形または楕円形に巻かれた電極ゼリーロール(electrode jelly−roll)を備える。この電極ゼリーロールは,基材に活物質(活性剤)を塗布してこれを乾燥させた後,ロールプレス及び切断して正極及び負極を形成し,さらに,この正極と負極間にセパレータを配置して巻き込むことによって形成される。円筒形電池は,上記電極ゼリーロールをその断面が略渦巻き状になるように巻いた上で,円筒形の缶(収容器)に収納し,電解液を注入した後でこの缶を密封して形成される。また,角形電池は,上記電極ゼリーロールを圧迫して平らにした後,角形の缶に収納して形成される。
【0004】
図7は,このような2次電池のうち円筒形2次電池の電極ゼリーロールの構造を示す横断面図である。
【0005】
正極及び負極といった電極は電池の種類によって異なる方法で製造される。図7に示すように,一般的に,正極3および負極4は,各々の基材3a,4aの両面に,正極活物質3bおよび負極活物質4bを含むスラリーをそれぞれ塗布し,これを乾燥及びロールプレスした後,所定の大きさに切断することによって製造される。さらに,このように製造された正極3及び負極4の間にセパレータ5を挿入して,互いに通電しないようにした後,ロール状に巻き付けられる。
【0006】
この電極ゼリーロール2を缶1の内部に収納して,缶1の上部に電極ゼリーロール2の正極3と接続されるキャップアセンブリ(図示せず。)を設置した後,缶1に電解液を注入した後で密封して,円筒形電池が製造される。
【0007】
一般に,このような円筒形電池において,電極ゼリーロール2の外周部で負極基材4aが電池の缶1内部壁に接続されたり,或いはこの負極基材4aに溶接された負極タップ(図示せず。)が,缶1の底面に接続されたりする。また,電極ゼリーロール2中心部で正極基材3aに接続されたタップが,キャップアセンブリに接続される。また電極ゼリーロール2の上部と下部には,絶縁板が配されて,キャップアセンブリと缶1との短絡が防止される。
【0008】
このような構造の円筒形電池では,薄くて長い電極をよりタイトに巻くことによって,より多量の活物質を電池内に収納可能にするなどして,電池の大容量化を達成しようとする努力が進められている。
【0009】
しかし,このような電池の大容量の追求と共に必ず考慮すべきこととしては,電池の安定性問題がある。電池における安定性の問題は,大別して機械的安定性の問題と熱的安定性の問題とがある。
【0010】
熱的安定性の問題とは,電池内部での発熱反応による熱を外部に効果的に発散できないことに起因する問題である。即ち,電池の電極をタイトに巻取った場合には,充放電時に内部で発生した熱を外部に効果的に発散できなくなる。この結果,電池の温度が上昇し続けて熱暴走現象を誘発し,電池の安定性を損なうこととなる。
【0011】
機械的安定性の問題は,電池に対する物理的な衝撃など外部環境が原因で,電極に傷が生じた場合に,電池の安定性が低下することをいう。
【0012】
このような電池の安定性問題のうち,熱的安定性の低下を防止するべく,電池の熱発散構造を改善しようとする努力がなされている。そのうち,例えば,正極はアルミニウムAlで形成された内部チューブに溶接し,負極は電極ゼリーロールの外周部のニッケルNiフォイル(箔)に溶接する構造の「非水電解2次電池(non−aqueous electrolyte secondary cell)」が提案されている(例えば特許文献1参照。)。
【0013】
しかし,上記のような構成を有する2次電池を製造するためには,内部チューブが缶を貫通して形成し,この内部チューブに電極を溶接し,電極ゼリーロールの外側部に別途の部材を溶接する必要がある。このように,上記構造の2次電池は,製造が複雑で作業工数が多いという問題がある。さらに,かかる構造の2次電池は,既存の円筒形電池の構造とは異なる構造であるため,一般に2次電池の製造に用いられている設備を交換しなればならない。加えて,かかる構造の2次電池は,内部に比較的大きい体積のチューブを挿入するので,電極を高密度で巻くことができず,電池の大容量小型化を十分に図ることができないという問題もある。
【0014】
【特許文献1】
米国特許第5,571,632号公報
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり,本発明の目的は,簡単な構造であっても,電池の熱的安定性および機械的安定性を確保して,電池の大容量化を図ることが可能な,新規かつ改良された2次電池を提供することである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため,本発明の第1の観点によれば,収容器と;相異なる二つの電極及び上記電極間に介在するセパレータが共に略ロール状に巻回されて形成され,上記収容器に収納される電極ゼリーロールと;を備えた2次電池であって:上記巻かれたセパレータのうち外側に位置するセパレータが,上記電極ゼリーロールの外周面を包み、前記電極ゼリーロールの中心部は,前記セパレータだけが巻かれて形成されており,前記中心部は電池内部で発生した熱を吸収することによって硬化して棒状の安定性部材を形成することを特徴とする,2次電池が提供される。電極は,例えば,正極,負極などである。かかる構成により,構造的及び熱的安定性を強化させることができる。
【0016】
また,上記巻かれた二つの電極のうち外側に位置する電極の基材が,上記収容器の内周面に接するように,上記電極ゼリーロールの外周面をさらに覆い包んでいるように構成してもよい。上記電極の活物質が塗布されていない基材が,上記電極ゼリーロールの外周面を包むようにしてもよい。
【0017】
また,上記電極ゼリーロールの中心部は,上記セパレータだけが巻かれて形成されており,上記中心部は電池内部で発生した熱を吸収することによって硬化するように構成してもよい。
【0018】
さらに,上記電極ゼリーロールの中心部を形成するセパレータは,上記電極間に介在するセパレータから延長形成されているように構成してもよい。
【0019】
また,上記電極ゼリーロールの外周面に沿ってポリオレフィン系薄膜がさらに設けられるように構成してもよい。
【0020】
また,上記課題を解決するため,本発明の別の観点によれば,収容器と;相異なる二つの電極及び上記電極間に介在するセパレータが共に略ロール状に巻回されて形成され,上記収容器に収納される電極ゼリーロールと;を備えた2次電池であって:上記電極ゼリーロールの中心部は,上記セパレータだけが巻かれて形成されており,前記中心部は電池内部で発生した熱を吸収することによって硬化して棒状の安定性部材を形成することを特徴とする,2次電池が提供される。
【0021】
さらに,上記電極ゼリーロールの中心部を形成するセパレータは,上記電極間に介在するセパレータから延長形成されているように構成してもよい。
【0022】
また,上記巻かれた二つの電極のうち最外側に位置する電極の基材が,上記収容器の内周面に接するように,上記電極ゼリーロールの外周面をさらに覆い包んでいるように構成してもよい。
【0023】
また,上記電極ゼリーロールの外周面に沿ってポリオレフィン系薄膜がさらに設けられるように構成してもよい。
【0024】
また,上記課題を解決するため,本発明の別の観点によれば,缶と,相異なる二つの電極及び上記各電極間に介在されたセパレータが共に巻取られて上記缶に収納される電極ゼリーロールとして,上記巻取られたセパレータのうち最外側のセパレータが上記電極ゼリーロールの最外側部分を包む電極ゼリーロールを具備した2次電池が提供される。
【0025】
また,上記電極ゼリーロールの中心部はセパレータだけで巻取られたものであり,上記中心部は電池内部で発生した熱を吸収することによって硬化されて棒状の安定性部材を形成させ,この時,上記セパレータだけで巻取られた中心部は上記電極ゼリーロールの最内側セパレータから延びたものにしてもよい。
【0026】
また,上記セパレータを中心に内外側に配置されて巻取られた電極のうち外側に配置された電極の活物質が塗布されていない基材が上記電極ゼリーロールの最外側をさらに覆い包んで上記缶の内周面に接するように構成され,上記電極ゼリーロールの最外側面に沿ってポリオレフィン系薄膜がさらに設置されているようにしてもよい。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照しながら,本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお,本明細書及び図面において,実質的に同一の機能構成を有する構成要素については,同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【0028】
以下では,本発明の実施形態にかかる電池として,電極ゼリーロールを具備した円筒形電池の例を挙げて説明するが,本発明は,かかる円筒形電池の例に限定されるものではなく,電池の形態は,電極ゼリーロールを具備しうるいかなる形態であってもよい。
【0029】
(第1の実施の形態)
まず,図1〜図3に基づいて,本発明の第1の実施形態に係る電極ゼリーロール20について説明する。なお,図1および図2は,本実施形態に係る電極ゼリーロールを具備した円筒形電池の横断面図および縦断面図である。また,図3は,本実施形態に係る電極ゼリーロールの中心部にある安定性部材の形状を示す部分切開斜視図である。
【0030】
図1および図2に示すように,収容器である例えば略円筒状の缶10の内部には,例えば,正極30,負極40及びセパレータ50を共に巻回して形成された電極ゼリーロール20が収納されている。この電極ゼリーロール20は,セパレータ50,負極40あるいは正極30,セパレータ50,正極30あるいは負極40を順番に積層した後,略ロール状に巻き取った(断面が渦巻き状になるように略ロール状に丸めた)ものである。
【0031】
正極30と負極40は,例えば,基材32,42のいずれか一面あるいは両面に,リチウム金属酸化物,炭素あるいは炭素複合体などからなる活物質34,44が塗布されて形成される。正極30の基材32は,巻かれた電極ゼリーロール20の中心部に配され,基材32に溶接された正極タップ16を介してキャップアセンブリ12に接続される。電極ゼリーロール20の上部と下部には,絶縁板14が設けられており,これにより,キャップアセンブリ12と缶10とが短絡することを防止できる。
【0032】
本実施形態は,このような構造を有する電池の電極ゼリーロール20において,電極30,40と共に巻かれるセパレータ50を利用して,電池内部の放熱効果及び構造的安定性を図るものである。
【0033】
詳細には,電極ゼリーロール20の最外部,即ち,電極ゼリーロール20の外周面を包むセパレータ50を,例えば,さらにもう一巻きして,この結果,最外側セパレータ52を形成する。即ち,最外側セパレータ52は,例えば,電極30,40より長いセパレータ50のはみ出した部分が,電極ゼリーロール20の外周面を覆い包んでさらに例えば一巻きされたものである。
【0034】
また,電極ゼリーロール20の中心部では,電極ゼリーロール20の最内部,即ち,電極ゼリーロール20の内側端部側にセパレータ50を例えばさらに複数回巻き込んで,最内側セパレータ54を付加的に形成する。即ち,最内側セパレータ54は,例えば,電極30,40より長いセパレータ50のはみ出した部分が,電極ゼリーロール20の内周面に沿って覆い包みながらさらに巻込まれたものである。この時,電極ゼリーロール20の中心部での最内側セパレータ54の追加巻き込みは,タイトに(隙間無く,きつく)行うことが望ましい。
【0035】
このように本実施形態では,電極ゼリーロール20中心部,および,電極ゼリーロール20と缶(収容器)10との間に,セパレータ50の余分な(付加的な)巻き(即ち,最外側セパレータ52および最内側セパレータ54)を形成することによって,電池の熱的安定性と共に電池の機械的安定性を図ろうとするものである。
【0036】
セパレータ50を構成する材料としては,例えば,ポリエチレン(PE),ポリプロピレン(PP)などを用いることができるが,PP/PE/PPの複合体を用いてもよい。このような材料からなるセパレータ50は,加熱されると,容易に熱を吸収して熱硬化する性質があるが,本実施形態ではこのような性質を利用している。
【0037】
詳細には,電池内部の温度が上昇すると,電極ゼリーロール20の外周面および中心部において余分に巻かれた最外側セパレータ52および最内側セパレータ54が,熱を吸収して,結果として,熱放散する効果を生み出す。よって,例えば,電池内部の放熱効率が維持される。同時に,この最外側セパレータ52および最内側セパレータ54が,熱を吸収することにより硬化し,この結果,電極ゼリーロール20を内部と外部を自動的に保護することができる。
【0038】
特に,電極ゼリーロール20の中心部の最内側セパレータ54は,電池内部の熱を吸収しながら硬化して,図3に示すように,中心に空間部56aを有する略棒状の安定性部材56を形成する。この安定性部材56は,一般的に電極ゼリーロールの中心部に形成される別途の部材であるマンドレル(心棒)の代用として機能し,例えば,電池の強度を保つ上では,このマンドレルと同等以上の効果を得ることができる。
【0039】
電池は,内部で発生する熱に対する熱発散効率を向上させて,熱的安定性を期することも重要であるが,同等に,外部からの衝撃に対しても好適な物理的安定性を有することも重要である。即ち,外部からの衝撃によって電極が破損してしまうと,電池の安定性に大きな影響を及ぼす。電池の充電量が多くなるにつれて,電極の体積膨脹が激しくなってエッジカレントが流れる。この結果,電流が集中することによって,局部発熱の可能性も大きくなる。また,充電により電極が厚くなるにつれて,コーティングされた電極の端部が切断する可能性も大きくなる。
【0040】
従って,電池内部の熱を効果的に発散させると共に,外部の衝撃から電極を保護することも必要である。本実施形態では,電極ゼリーロール20の外周面および中心部に付加的に巻かれて熱硬化する最外側セパレータ52,最内側セパレータ54によってこのような要求の双方を同時に満たしうる。
【0041】
図1及び図2に示したような電極ゼリーロール20の場合には,負極40の基材42が缶10と直接的には接続される構造ではないので,図2のように負極40から別途のタップ17を延ばして,電池缶10の下部内面に形成された突起18に接続させるように構成してもよい。また,図1および図2面における正極30と負極40を互いに逆に配置してもよい。
【0042】
(第2の実施の形態)
次に,図4及び図5に基づいて,本発明の第2の実施形態に係る電極ゼリーロール20について説明する。なお,図4および図5は,第2の実施形態に係る電極ゼリーロール20を具備した円筒形電池の横断面図および縦断面図である。
【0043】
図4および図5に示すように,上記のような電極ゼリーロール20の外周部に余分の最外側セパレータ52を巻き,中心部にも余分の最内側セパレータ54をさらに巻く。前述したように,このような最外側セパレータ52および最内側セパレータ54が硬化すると,電池の安定性を強化する機能を有することができる。特に,電極ゼリーロール20の中心部に追加で巻かれた最内側セパレータ54は,図3に示したように,硬化して略棒状の安定性部材56になる。
【0044】
このような電極ゼリーロール20の外周において,例えば,最外側セパレータ52は,セパレータ50を介して共に巻かれた正極30よりも外側にある負極40の基材42とともに,さらにもう一巻き巻かれている。即ち,電極ゼリーロール20の最外部を覆い包む最外側セパレータ52の外側を,さらに,負極40の基材42がもう一回覆い包むようにする。巻取られるセパレータ50は,例えば,共に巻取られる正極30および負極40より長いため,硬化した最外側セパレータ52は,その内側の電極ゼリーロール20を十分に保護することができる。さらに,負極40の基材42が,この最外側セパレータ52を覆い包むために,放熱効果もさらに高まる。
【0045】
またこのような構造においては,負極40の基材40の一部であって,電極ゼリーロール20の外側を覆い包む部分(即ち,外側基材46)が缶10の内壁と接触できるので,図1及び図2に示した実施形態の場合のような別途のタップを必要としない。また,このような実施形態においても,例えば,負極40と正極30との位置を逆にしてもよい。
【0046】
(第3の実施の形態)
次に,図6に基づいて,本発明の第3の実施形態に係る電極ゼリーロール20について説明する。なお,図6は,第3の実施形態に係る電極ゼリーロール20を具備した円筒形電池の横断面図である。
【0047】
図6に示すように,本実施形態では,電極ゼリーロール20の中心部には最内側セパレータ54が余分に巻き込まれて,電池から発散される熱により硬化するように構成される。これにより,図3に示したように略棒状の安定性部材56が形成される。さらに,電極ゼリーロール20の外側,すなわち,電極ゼリーロール20と缶10の内壁との間には,例えば,別途のポリオレフィン系などの薄膜60をさらに形成する。この薄膜60の内側に,上記のようにセパレータ50を介して共に巻かれた正極30よりも外側にある負極40の基材42を,電極ゼリーロール20の外周に,例えばさらにもう一回巻いて外側基材46を形成できる。
【0048】
このように電極ゼリーロール20の外側を包むように配される例えばポリオレフィン系の薄膜60は,例えば,セパレータ50のようにポリプロピレン(PP),ポリエチレン(PE)またはPP/PE/PPの複合体などで形成されてもよい。また,例えばポリオレフィン系の薄膜60の代わりに,例えば,粘着性のフィルムを,完成した電極ゼリーロール20の外側に設けてもよい。
【0049】
このような薄膜60は,上記図2及び図4を参照して説明したような最外側セパレータ52として機能し,例えば,加熱により硬化するようにしてもよい。
【0050】
本実施形態においても,負極40は別途のタップを介して缶10に接触できるようにしてもよい。また,例えば,負極40と正極30との位置を逆にしてもよい。
【0051】
以上,添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが,本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば,特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり,それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように,本発明によれば,第1に,電池の電極ゼリーロールの中心部および外周部にセパレータを余分に巻くことにより,保護構造を形成することができる。このため,電池内部の電極を外部の衝撃から保護して,機械的安定性を向上させることができる。
【0053】
第2に,上記機械的安定性の向上と共に,電池内部の熱を中心部および外周部のセパレータが吸収することにより,電池の熱発散能力を向上することができる。このため,電池の熱的安定性を向上させることができる。
【0054】
第3に,マンドレルなどのような別途の部材を使用しなくても,電池の強度面で同等以上の効果を得られると共に,その体積を減らして電極の高密度巻取りを可能にする。
【0055】
第4に,セパレータまたは基材の追加巻取りという簡単な構造により,機械的,熱的安定性を得られ,電池の安定性のために別途の部材を溶接したり,追加したりする必要がない。このため,経済性を向上できると同時に,作業工数を削減できるので,生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は,第1の実施形態に係る電極ゼリーロールを具備した円筒形電池の横断面図である。
【図2】図2は,第1の実施形態に係る電極ゼリーロールを具備した円筒形電池の縦断面図である。
【図3】図3は,本実施形態に係る電極ゼリーロールの中心部にある安定性部材の形状を示す部分切開斜視図である。
【図4】図4は,第2の実施形態に係る電極ゼリーロールを具備した円筒形電池の横断面図である。
【図5】図5は,第2の実施形態に係る電極ゼリーロールを具備した円筒形電池の縦断面図である。
【図6】図6は,第3の実施形態に係る電極ゼリーロールを具備した円筒形電池の横断面図である。
【図7】図7は,従来の2次電池の電極ゼリーロールの構造を示す横断面図である。
【符号の説明】
10 缶
20 電極ゼリーロール
30 正極
32,42 基材
34,44 活物質
40 負極
46 外側基材
50 セパレータ
52 最外側セパレータ
54 最内側セパレータ
56 安定性部材
Claims (9)
- 収容器と;
相異なる二つの電極及び前記電極間に介在するセパレータが共に略ロール状に巻回されて形成され,前記収容器に収納される電極ゼリーロールと;
を備えた2次電池であって:
前記巻かれたセパレータのうち最外側に位置するセパレータが,前記電極ゼリーロールの外周面を包み、
前記電極ゼリーロールの中心部は,前記セパレータだけが巻かれて形成されており,前記中心部は電池内部で発生した熱を吸収することによって硬化して棒状の安定性部材を形成することを特徴とする,2次電池。 - 前記巻かれた二つの電極のうち外側に位置する電極の基材が,前記収容器の内周面に接するように,前記電極ゼリーロールの外周面をさらに覆い包んでいることを特徴とする,請求項1に記載の2次電池。
- 前記電極ゼリーロールの中心部を形成するセパレータは,前記電極間に介在するセパレータから延長形成されていることを特徴とする,請求項1又は2に記載の2次電池。
- 前記電極ゼリーロールの外周面に沿ってポリオレフィン系薄膜がさらに設けられることを特徴とする,請求項1〜3のいずれかに記載の2次電池。
- 収容器と;
相異なる二つの電極及び前記電極間に介在するセパレータが共に略ロール状に巻回されて形成され,前記収容器に収納される電極ゼリーロールと;
を備えた2次電池であって:
前記電極ゼリーロールの中心部は,前記セパレータだけが巻かれて形成されており,前記中心部は電池内部で発生した熱を吸収することによって硬化して棒状の安定性部材を形成することを特徴とする,2次電池。 - 前記電極ゼリーロールの中心部を形成するセパレータは,前記電極間に介在するセパレータから延長形成されていることを特徴とする,請求項5に記載の2次電池。
- 前記巻かれた二つの電極のうち最外側に位置する電極の基材が,前記収容器の内周面に接するように,前記電極ゼリーロールの外周面をさらに覆い包んでいることを特徴とする,請求項5又は6に記載の2次電池。
- 前記電極ゼリーロールの外周面に沿ってポリオレフィン系薄膜がさらに設けられることを特徴とする,請求項5〜7のいずれかに記載の2次電池。
- 収容器と;
相異なる二つの電極及び前記電極間に介在するセパレータが共に略ロール状に巻回されて形成され,前記収容器に収納される電極ゼリーロールと;
を備えた2次電池であって:
前記電極ゼリーロールの中心部は,前記セパレータだけが巻かれて形成されており,前記中心部は電池内部で発生した熱を吸収することによって硬化して安定性部材を形成し、
前記電極ゼリーロールの外周面に沿ってポリオレフィン系薄膜がさらに設けられることを特徴とする,2次電池。
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