JP4530333B2 - 密閉型電池 - Google Patents

Description

本発明は、電池径が小さい円筒形のリチウムイオン二次電池などに好適な密閉型電池に関する。

特許文献１には、深絞り加工をした有底の電池ケース内に、正極と負極とを円柱状に巻回した電極巻回体を収容し、電池ケースの内底面に負極の導電タブを溶接し、電池ケースの開口上面を塞ぐ蓋側に正極の導電タブを溶接した縦長円筒形の密閉型電池が開示されている。

かかる密閉型電池は、パソコンの手書き入力用のデジタルペンや、ＩＰ電話用のハンドセットなどの小型電子機器に使用されており、デジタルペンやハンドセットなどのスリム化が進むに伴なって、電池径を小さくすることが求められている。

特開２００１−１９６０４３号公報（段落番号０００４−０００７、図４）

電池ケースの内底面に導電タブを溶接する際には、抵抗溶接用の電極棒や、レーザー溶接用のレーザー光を電池ケース内に導き入れる必要がある。これに応じて電極巻回体には、中心部に上下に貫通する空間があいている。このため、該当空間の存在分だけ電池容量が少なくなるところに問題があった。

そこで本発明の目的は、電池ケース内での正極および負極の収容スペースを十分に確保しながらも、電池径を小さくできるようにすることにある。

本発明の密閉型電池は、次のように構成したことを特徴とする。すなわち、図１および図２に示すごとく、帯状の正極１２と負極１３とにそれぞれ導電タブ１８・１９の一端が接続された状態で、正極１２と負極１３とを円柱状に巻回した電極巻回体４と、上下面が開口していて電極巻回体４を収容する円筒形の電池ケース１と、電池ケース１の上側開口に内嵌する上蓋２と、絶縁パッキング５を介して上蓋２の中央に貫通状に配した出力端子６と、電池ケース１の下側開口に内嵌する底蓋３とを備えている。電極巻回体４の内周側から導出した一方の導電タブ１９の導出端は、出力端子６の内側に接続されており、電極巻回体４の外周側から導出した他方の導電タブ１８の導出端は、底蓋３の内面に接続されている。そのうえで、電池ケース１の上側開口の内周面に上蓋２の外周縁がレーザー溶接あるいは接着剤で密封状に固定されており、電池ケース１の下側開口の内周面に底蓋３の外周縁がレーザー溶接あるいは接着剤で密封状に固定されている。電極巻回体４は、図４ないし図６に示すごとく、前記正極１２と前記負極１３とがセパレータ１４を介して、平坦面２２を有する巻回芯１６に巻かれて円柱状に形成されており、電極巻回体４の内周側から導出される前記導電タブ１９が、巻回芯１６の平坦面２２に対するように配されたものにする。ここでは、一方の導電タブ１９を正極１２に接続し、他方の導電タブ１８を負極１３に接続してある場合と、他方の導電タブ１８を正極１２に接続し、一方の導電タブ１９を負極１３に接続してある場合とがある。

具体的には、アルミニウム製の電池ケース１に、それぞれがアルミニウム製の上蓋２と底蓋３とをレーザー溶接する。底蓋３は、電解液注入用の注入孔８と、注入孔８を塞ぐ栓１０とを備えている。

電極巻回体４の内周側から導出される導電タブ１９は、ニッケル製とし、その厚さ寸法は４０〜８０μｍが好ましい。この厚さ寸法が８０μｍ以下で好ましいのは、該当の導電タブ１９が曲げやすくなるからである。一方、導電タブ１９の厚さ寸法が４０μｍ以上で好ましいのは、衝撃などで破損しにくくなるからである。

そのうえで、電極巻回体４の内周側から導出される導電タブ１９の横幅寸法は、電極巻回体４における内周の円周長寸法の２０〜５０％である。このように、５０％以下が好ましいのは、該当の導電タブ１９が曲げやすくなるからであり、２０％以上が好ましいのは、該当の導電タブ１９の接続スペースが適正に確保されて、容易に剥がれない接続強度を得ることができるからである。

（作用） 電極巻回体４には、内周側に一方の導電タブ１９が、外周側に他方の導電タブ１８がそれぞれ接続された状態下にある。そのうえで、上蓋２の中央に絶縁パッキング５を介して一体化した出力端子６に、一方の導電タブ１９の導出端がかしめや溶接などで接続され、底蓋３の内面に他方の導電タブ１８の導出端が溶接などで接続される。

電池の組み付けに際しては、図３に示すごとく上下面が開口する電池ケース１に、上蓋２および底蓋３付きの電極巻回体４を入れ、電池ケース１の下側開口に底蓋３を内嵌して固定し、電池ケース１の下側開口を底蓋３で密封する。このとき、電池ケース１に対して底蓋３は、外側下方からレーザー溶接で固定でき、電極巻回体４の中心に上方からレーザー光を通すための大きな空間を要さず、この点が注目されるべきである。電池ケース１もアルミニウム押し出しパイプを定尺切断することにより安価に得られるようにすることができる。

つぎに、電池ケース１の上側開口に上蓋２を内嵌して固定し、電池ケース１の上側開口を上蓋２で密封することになる。電池ケース１に対しては、上蓋２ついで底蓋３の順で固定してもよい。

本発明によれば、電極巻回体４の外周側から導出した導電タブ１８は底蓋３に予め接続しておき、上下面が開口する電池ケース１に電極巻回体４を収容したのち、電池ケース１の下側開口に底蓋３を内嵌して固定する形式を採る。これによれば、導電タブ１８を底蓋３に接続するために、電極巻回体４の中心部に上下貫通状の空間を大きく設けなくても済み、この分だけ電池ケース１内での正極１２および負極１３の収容スペースを大きく採れる。したがって、必要な電池容量を確保しながら電池ケース１の外径寸法を小さくできる。

底蓋３に電解液の注入孔８が設けられていると、出力端子６を配した上蓋２には注入孔８の設置スペースを配しなくても済み、上蓋２および底蓋３の径小化にもよく対応できる。

電極巻回体４の内周側から導出されるニッケル製の導電タブ１９は、厚さ寸法が４０〜８０μｍとすることにより、必要最小限の強度を維持しながら曲げやすくなるので、導電タブ１９の導出端を曲げて出力端子６に接続する作業が容易確実に行える。また、巻回芯１６に正極１２および負極１３を巻き付けて電極巻回体４をつくる際にも、導電タブ１９を巻回芯１６にこれに添うよう小さな曲率半径でも曲げることができる。

また、電極巻回体４の内周側から導出されるニッケル製の前記導電タブ１９が、前記厚み寸法であり、かつ、その横幅寸法が電極巻回体４における内周の円周長寸法の２０〜５０％であれば、横幅が狭すぎて接続が困難になることもないし、曲げ易さも更に確保されたものとなる。

電極巻回体４は、前記正極１２と前記負極１３とがセパレータ１４を介して、平坦面２２を有する巻回芯１６に巻かれて円柱状に形成されており、電極巻回体４の内周側から導出される導電タブ１９が、巻回芯１６の平坦面２２に対するように配されていると、導電タブ１９の厚さ寸法や横幅寸法に関係なく、巻回芯１６に正極１２および負極１３を支障なく巻回できるし、該導電タブ１９を容易に折り曲げることができる。

図１ないし図３は、本発明の適用対象となるリチウムイオン二次電池を示しており、図１に示すごとく、上下面がそれぞれ開口する縦長円筒形の電池ケース１と、電池ケース１の上側開口を塞ぐ円盤形状の上蓋２と、電池ケース１の下側開口を塞ぐ円盤形状の底蓋３と、電池ケース１内に収容される電極巻回体４および非水電解液とを有する。電池ケース１はアルミニウム製パイプを定尺切断してなる。この電池ケース１にレーザー溶接できるよう上下の蓋２・３もそれぞれアルミニウム製である。電池ケース１は、直径寸法を１０mm、上下高さ寸法を３５mmとした。

上蓋２の中央には、絶縁パッキング５および負極端子（出力端子）６が通る端子取付孔７を貫通状に設けてある。電池ケース１の上側開口に上蓋２を内嵌し、電池ケース１の上端の開口内周面に上蓋２の外周縁をレーザー溶接することにより、電池ケース１の上側開口を上蓋２で密封している。負極端子６は、絶縁パッキング５を介して前記端子取付孔７にかしめ固定される。

底蓋３には、これの中央に電解液注入用の注入孔８を設け、外周寄りの適所に防爆用の開裂ベント９を設けてある。このうち、注入孔８は、段付きの丸孔形状に形成されており、電解液を注入したのち、注入孔８にこれの外側からアルミニウム製の円形の栓１０を嵌合してレーザー溶接することにより、注入孔８が該栓１０で密封状に塞がれる。底蓋３の下面には、ニッケルとアルミニウムとからなる長方形状のクラッド板１１が配される。

開裂ベント９は、底蓋３の該当部位を薄肉にプレス加工して形成してあり、電池の内圧が一定値を越えると破断して電池内のガスを放出する。底蓋３は、電池ケース１の下側開口に内嵌され、電池ケース１の外側下方からこれの下端の開口内周縁に底蓋３の外周縁をレーザー溶接することにより、電池ケース１の下側開口を底蓋３で密封している。

電極巻回体４は、図２に示すごとく、表裏に正極活物質層を有する帯状の正極１２と、表裏に負極活物質層を有する帯状の負極１３と、微孔性ポリエチレンフィルムからなる帯状のセパレータ１４とを円形の巻回芯１６に円柱状に巻回してある。電極巻回体４において正極１２の最外周側には、アルミニウム製の導電タブ１８（図１）の一端が溶接されて接続してあり、負極１３の最内周側には、ニッケル製の導電タブ１９の一端が溶接されて接続されている。巻回芯１６は、断面半円形状の一対の巻回芯片１６ａ・１６ｂからなる。

つまり、電極巻回体４は、巻回芯片１６ａ・１６ｂ間に上下２枚のセパレータ１４・１４の先端部を挟み、セパレータ１４・１４間に負極１３を挟み込むとともに上側のセパレータ１４の上面側に正極１２を配した状態で、巻回芯１６を回転させることにより、正極１２と負極１３とがセパレータ１４を挟んで巻回されている。電極巻回体４の最外周面は、セパレータ１４を介して電池ケース１の内周面に接する。

正極１２の導電タブ１８は、上下方向に長い長方形状になっており、導出端が正極１２の下方に突出して底蓋３に接続される。負極１３の導電タブ１９も、上下方向に長い長方形状になっており、導出端が負極１３の上方に突出している。負極１３の導電タブ１９は、上端部にパンチ穴を設けてあり、蓋絶縁板１５と押さえ板１７とに挟まれる構造で負極端子６でかしめられて、負極端子６に接続される。

正極１２の導電タブ１８の厚さ寸法は８０μｍ、負極１３の導電タブ１９の厚さ寸法は５０μｍとした。巻回芯１６の直径寸法は３mmとした。なお、正極１２の導電タブ１８を底蓋３に接続するについては、レーザー溶接、抵抗溶接あるいは超音波溶接などを使用することができる。負極１３の導電タブ１９は、レーザー溶接あるいは抵抗溶接などで負極端子６に接続しても良いし、図７に示すごとく、レーザー溶接あるいは抵抗溶接などで押さえ板１７に接続しても良い。

上蓋２および底蓋３の径寸法が小さくなると、負極端子６と注入孔８とを同一面に配置しにくくなるため、前述のように負極端子６を上蓋２に配し、注入孔８を底蓋３に配して、負極端子６と注入孔８とを上下の蓋２・３に分けて、部品配置位置を確保している。

電池の組み立てに際しては、図３（ａ）に示すごとく、予め電極巻回体４の最外周側から導出した正極用導電タブ１８の導出端を底蓋３の内面に溶接してあり、この電極巻回体４をインシュレータ２０と共に電池ケース１内に差し入れ、図３（ｂ）に示すごとく電池ケース１の下側開口に底蓋３を内嵌して、電池ケース１の下側開口の内周面に底蓋３の外周縁をレーザー溶接する。電池ケース１の下側開口に底蓋３を内嵌したとき、導電タブ１８は導出基端側が直角状に折り曲げられる。

インシュレータ２１を上側から電池ケース１内に装着したのち、上蓋２側に、予め電極巻回体４の最内周側から導出した負極用導電タブ１９の導出端が負極端子６の内側に絶縁パッキング５、蓋絶縁板１５および押さえ板１７と共にかしめられる。

次いで、図３（ｃ）に示すごとく、電池ケース１の上側開口に上蓋２を内嵌し、電池ケース１の上側開口の内周面に上蓋２の外周縁をレーザー溶接する。電池ケース１の上側開口に上蓋２を内嵌したとき、導電タブ１９は導出基端側が直角状に折り曲げられる。最後に、注入孔８から電池ケース１内へ非水電解液を注入し、注入孔８に栓１０を嵌合してレーザー溶接することになる。この後、底蓋３の下面にクラッド板１１が取り付けられる。

実質的に円柱状に丸めた電極巻回体４において、最内周側に位置する負極１３の曲率半径は小さくなるので、負極１３の該当部位に接続すべき導電タブ１９の横幅寸法が、該負極１３の内周の円周長寸法の５０％を越えると、電池ケース１に上蓋２を溶接するに先立って上方に突出する導電タブ１９を水平状に折り曲げる作業が困難になる。巻回芯１６にも巻き付け難くなる。かといって、導電タブ１９の横幅寸法が負極１３の円周長寸法の２０％を下回ると、導電タブ１９の横幅が不足してこれまた負極端子６への溶接が困難になる。そのため、負極用導電タブ１９の横幅寸法は、電極巻回体４の最内周側の負極１３の円周長寸法の２０〜５０％とした。具体的には、負極用導電タブ１９の横幅寸法は３mmとした。因みに、電極巻回体４の最外周側に位置する正極用導電タブ１８の横幅寸法は３mmとした。

更に、負極１３の導電タブ１９は、曲げ性の点からできるだけ薄くすることが望まれるが、薄過ぎると強度が低下して衝撃などで破損しやすくなるため、この導電タブ１９の厚さ寸法は４０〜８０μｍが好ましい。具体的には導電タブ１９の厚さ寸法は５０μｍとした。

巻回芯１６は、図４の正方形、図５の正三角形、最も好ましくは図６の正六角形など平坦面２２を有する断面多角形にすることができる。この場合、負極用導電タブ１９の横幅寸法は、平坦面２２の巻回方向の幅寸法以下にした。

かかる正多角形の巻回芯１６を用いて、正極１２と負極１３とをセパレータ１４を介して巻回する際には、負極用導電タブ１９が平坦面２２に対するようにすれば、負極用導電タブ１９が巻回時に横断平面視で湾曲状になることがない。したがって、巻回芯１６への正極１２および負極１３の巻回が容易に行え、該当の導電タブ１９が分厚くて広幅でも曲げ易くなる。

上蓋２および底蓋３は、レーザー溶接に代えて、ポリプロピレン系のホットメルト樹脂などの接着剤で、電池ケース１の上下の開口内周面にそれぞれ固定してもよい。負極１３の導電タブ１９は、銅製であってもよく、あるいはニッケルと銅との複合材などであってもよい。

全体の縦断正面図 電極巻回体の製造例を説明する平面図 密閉型電池の組み立て要領を説明する縦断面図 本発明の密閉型電池（リチウムイオン二次電池）に採用される巻回芯の一例を示す平面図 巻回芯の他の実施例を示す平面図 巻回芯の更に他の実施例を示す平面図 負極の導電タブの接続手段の別実施例を示す縦断正面図

符号の説明

１ 電池ケース
２ 上蓋
３ 底蓋
４ 電極巻回体
５ 絶縁パッキング
６ 負極端子
８ 注入孔
１０ 栓
１２ 正極
１３ 負極
１６ 巻回芯
１８ 正極の導電タブ
１９ 負極の導電タブ
２２ 平坦面

Claims (1)

1. 帯状の正極と負極とにそれぞれ導電タブの一端が接続された状態で、前記正極と前記負極とが円柱状に巻かれた電極巻回体と、上下面が開口していて前記電極巻回体を収容する円筒形の電池ケースと、前記電池ケースの上側開口に内嵌する上蓋と、絶縁パッキングを介して前記上蓋の中央に貫通状に配した出力端子と、前記電池ケースの下側開口に内嵌する底蓋とを備えており、
   前記電極巻回体の内周側から導出した一方の前記導電タブの導出端が、前記出力端子の内側に接続されており、
   前記電極巻回体の外周側から導出した他方の前記導電タブの導出端が、前記底蓋の内面に接続されており、
   前記電池ケースの上側開口の内周面に、前記上蓋の外周縁がレーザー溶接あるいは接着剤で密封状に固定されており、
   前記電池ケースの下側開口の内周面に、前記底蓋の外周縁がレーザー溶接あるいは接着剤で密封状に固定されており、
   前記電極巻回体は、前記正極と前記負極とがセパレータを介して、平坦面を有する巻回芯に巻かれて円柱状に形成されており、
   前記電極巻回体の内周側から導出される前記導電タブが、前記巻回芯の前記平坦面に対するように配されていることを特徴とする密閉型電池。

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