JP4859377B2

JP4859377B2 - 円筒形電池

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Publication number: JP4859377B2
Application number: JP2005065850A
Authority: JP
Inventors: 和洋北岡; 光紀徳田; 友哉川畑; 正夫武江
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2025-03-09
Also published as: JP2006252879A

Description

本発明は円筒形電池に関する。

円筒形電池は、容器内に収容された渦巻き状の電極群を備え、電極群は、セパレータを介在させた状態で、それぞれ帯状をなす正極及び負極を巻回して形成されている。電極群の両端部には円板形状の集電板が配置され、各集電板は正極及び負極のうち一方に溶接される。この溶接のために、正極及び負極は幅方向に互いにずれた状態で巻回され、電極群の各端部では、正極及び負極のうち一方がセパレータからはみ出している。また、これに加えて、電極群の中央部では、巻始め側の正極の一端（内端）が、電極群の渦巻き方向でみて、同じく巻始め側の負極の一端（内端）を超えて延出していることから、負極内端の一方の角は、セパレータを介して正極の径方向内面に重ね合わされる。

この負極内端の一方の角が、電極群の巻回前に折れ曲ってしまった場合、組立てられた円筒形電池においては、負極内端に加わる拡径力や押圧力により、折れ曲った角がセパレータを突き破り、正極と負極が短絡してしまう。このような短絡を防止すべく、従来、負極内端に対してその角を除去する面取り処理が施されていた。
一方、正極の内端には、この内端がセパレータを突き破って正極と負極が短絡するのを防止すべく、端縁全体を包み込むように長方形の絶縁シートを貼り付けることが行われており、この絶縁シートによれば、正極の基板から正極活物質が脱落することも防止される。例えば、特許文献１は、この種の絶縁シートを負極に適用した円筒形電池を開示している。
特開2002-25604号公報

しかしながら、上述した従来技術の円筒形電池を製造する際、負極内端の面取り作業は煩雑であるのみならず、面取り作業により発生した切削屑が電池内に混入し、内部ショートを引き起こすおそれがあった。
そこで、面取り作業に代えて、より大きな長方形の絶縁シートを正極内端に貼り付け、絶縁シートの一部を負極内端と正極との間に介在させた場合、正極及び負極において電池反応に寄与する領域の面積（対向面積）が減少し、電池の放電特性が低下するという問題があった。

一方、正極及び負極に厚みのばらつきや反りがあると、得られる渦巻き状電極群において、正極及び負極の位置が電極群の軸線方向にずれることがある。このような巻ずれが発生した場合、電極群の同一の端部で正極及び負極がセパレータからはみ出すことがあり、正極と負極が直接接触して内部ショートが生じる。また、この場合、集電板の溶接時にスパッタが発生することによっても、内部ショートが引き起こされる。

このため、正極及び負極を巻回する場合、巻ずれが発生しないように、正極及び負極の厚みのばらつきや反り等に応じて、正極及び負極における表裏の選択や巻始めに位置させる端部の選択を適宜行うことができるのが望ましい。
本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、高い生産性を維持しつつ製造可能であり、内部ショートの発生が防止され、且つ、良好な放電特性を有する円筒形電池の提供にある。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、容器内に渦巻き状の電極群が収容され、前記電極群が、それぞれ幅方向及び長さ方向を有した帯状をなす第１電極及び第２電極を、これら電極間に挟まれたセパレータとともに巻回して形成され、前記第２電極の前記長さ方向の一端部における２つの角のうち一つの角が、前記第１電極の面上に位置付けられている円筒形電池において、前記第１電極の前記長さ方向の一端部に保護部材が設けられ、前記保護部材は、前記セパレータを介して前記一つの角を含む前記第２電極の領域に対向する対向部を含み、前記対向部の面積重心は、前記第１電極の前記幅方向の中心から前記一つの角側に偏って位置していることを特徴とする円筒形電池が提供される（請求項１）。

好適な態様として、前記保護部材は、前記対向部に連なり、且つ、前記第１電極の前記一端部における端縁を包み込む折曲部を更に有し、前記第１電極の前記面に重なり合う前記保護部材の領域は台形状をなす（請求項２）。
好適な態様として、前記保護部材は、前記対向部に連なり、且つ、前記第１電極の前記一端部における端縁を包み込む折曲部を更に有し、前記第１電極の前記面に重なり合う前記保護部材の領域はＬ字状をなす（請求項３）。
好適な態様として、前記保護部材は、展開図でみて点対称な外郭形状を有する（請求項４）。

本発明の請求項１の円筒形電池では、保護部材の対向部が第２電極の一端における一方の角を含む領域に対向していることで、第２電極の一方の角と第１電極との直接接触に起因した内部ショート発生が防止される。
また、この円筒形電池では、対向部の面積の重心を第１電極の幅方向中心から第２電極の内端における一方の角に偏って位置させたことで、第２電極の一方の角との対向配置を維持しながら、対向部の面積を縮小可能である。この結果、第１電極と第２電極との間での対向部の介在による第１電極及び第２電極の対向面積の減少が抑制され、この円筒形電池では、良好な放電特性が確保される。

請求項２及び３の円筒形電池では、保護部材が第１電極の一端部における端縁を包み込む折曲部を更に有し、第１電極の面に重なり合う保護部材の領域が台形状若しくはＬ字状をなすことで、第１電極及び第２電極の対向面積の減少を抑制しながら、内部ショートの発生が一層防止される。
請求項４の円筒形電池では、保護部材が点対称な外郭形状を有するので、第１及び第２電極を巻回する際、第１電極の形状が、保護部材を設けた状態で表裏を入れ替えても殆ど変化しない。このため、得られる電極群にて巻ずれが発生しないよう、第１及び第２電極の厚みのばらつきや反り等に応じて、第１電極の表裏を適宜選択することができる。この結果として、この円筒形電池では、電極群における巻ずれ発生の防止が容易であり、電極群の巻ずれに起因する内部ショートが防止されるとともに生産性が向上する。

以下、本発明の円筒形電池の一実施形態に係るニッケル水素二次電池について説明する。
ニッケル水素二次電池は、有底円筒状の外装缶２を備え、外装缶２の開口端内には、環状の絶縁部材４を介して封口板６が固定されている。封口板６は中央にガス抜き孔８を有し、封口板６の外面には、ガス抜き孔８を閉塞する弁体１０が配置され、更に、弁体１０を覆うフランジ付きの円筒状の正極端子１２が取り付けられている。

外装缶２内にはアルカリ電解液とともに、略円柱状の電極群１４が収容されている。より具体的には、この電極群１４は、渦巻き状の正極１８及び負極２０を含んだ渦巻き状電極群であり、セパレータ１６を介してそれぞれ帯状の正極１８及び負極２０を巻回して形成される。従って、電極群１４においては、セパレータ１６を介して正極１８及び負極２０が対向している。ただし、電極群１４の両端においては、正極１８及び負極２０がセパレータ１６からはみ出しており、電極群１４は、負極２０がはみ出している側の一端部を内底面側にして外装缶２内に収容されている。

電極群１４の一端部と外装缶２の内底面との間には金属製の円板形状の負極集電板２２が配置され、負極集電板２２は、セパレータ１６からはみ出した負極２０の部分に溶接されている。従って、負極２０は、負極集電板２２を介して外装缶２に電気的に接続されている。なお、負極２０は、例えばパンチングメタルからなる導電性の負極基板２０ａを有し、負極基板２０ａの両面には負極活物質層２０ｂが形成されている。負極活物質層２０ｂは、主成分としての水素吸蔵合金粉末と結着剤とを含む。

一方、外装缶２の開口端側に位置する電極群１４の他端部と封口板６との間には金属製の正極集電部材２４が配置され、正極集電部材２４は、セパレータ１６からはみ出した正極１８の部分に溶接される円板部２４ａを有する。円板部２４ａの外縁からは、折曲されたリード部２４ｂが一体に延び、リード部２４ｂの先端は封口板６の内面に溶接されている。従って、封口板６及び正極集電部材２４を介して、正極１８は正極端子１２に電気的に接続されている。

なお、負極集電板２２及び正極集電部材２４の円板部２４ａには、抵抗溶接の際の溶接性を向上すべく、開口縁からばりが突出した開孔（バーリング）が分布されている。
正極１８は、例えば、鉄にニッケルめっきを施したパンチングメタルからなる導電性の正極基板１８ａと、正極基板１８ａの両面に設けられた正極活物質層１８ｂとを有する。正極活物質層１８ｂは、正極基板１８ａの両面にＮｉ焼結体層を焼成した後、このＮｉ焼結体層に水酸化ニッケルを含浸して形成される。

図２（ａ）は、電極群１４のセパレータ１６、正極１８及び負極２０を展開して模式的に示しており、図２（ａ）中の左右が電極群１４の巻回方向（渦巻き方向）に一致し、これらセパレータ１６、正極１８及び負極２０の右端が巻始めに位置する。そして、図２（ｂ）は、正極１８及び負極２０の巻始め側の一端近傍を、セパレータ１６を省略した状態で示している。

図２（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、正極１８及び負極２０は、セパレータ１６を介して重ね合わされるが、幅方向でみて互いにずれている。また、電極群の中央部に位置する巻始め側の正極１８の一端（内端）は、長手方向（巻回方向）でみて、負極２０の一端（内端）を超えて延出し、負極２０の内端における一方の角２０ａは、正極１８の両面のうち、電極群１４において径方向内側に位置付けられる面（径方向内面）上に位置している。

一方、正極１８の両端には保護部材２６がそれぞれ別々に設けられている。より詳しくは、保護部材２６は、電気絶縁性を有した粘着性テープからなり、図３に展開して示したように、その外郭形状が点対称な平行四辺形である。保護部材２６は、正極１８の側縁に沿わされる一組の辺（側縁２６ａ）と、正極１８の各面を幅方向に横断する一組の辺（端縁２６ｂ）と、側縁２６ａに対して垂直に延び且つ中心点を通る折込み線２８とを有する。正極１８に保護部材２６を付着させる際には、折込み線２８が正極１８の各端縁全体に重ね合わされ、折込み線２８により区分された保護部材２６の二つの領域が正極１８の各面を覆う。従って、折込み線２８を中心とした保護部材２６の部分（折曲部）により、正極１８の各端縁は包み込まれている。

保護部材２６における二つの領域の各形状は、互いに同一ではあるものの長方形ではなく、両側縁２６ａが折込み線２８により不等分に折込まれることから、台形をなす。すなわち、台形の短辺及び長辺は、保護部材２６の両側縁２６ａの一部によりそれぞれ形成され、保護部材２６の端縁２６ｂは正極１８の各面を斜めに横断している。
従って、保護部材２６の二つの台形領域の各々には、正極１８の長手方向でみて、その長辺側に短辺側よりも突出した突出部が、折曲部に連なって形成されている。そして、正極１８の径方向内面側では、保護部材２６の台形領域の長辺が負極２０の角２０ａ側に位置付けられ、保護部材２６の突出部の一部には、角２０ａを含む負極２０の領域にセパレータ１６を介して対向する対向部２６ｃが含まれている。

図２から明らかなように、対向部２６ｃは三角形をなし、負極２０の幅方向でみて負極２０の内端に均等に対向するのではなく、負極２０の角２０ａ及びその近傍に偏って重ね合わされている。つまり、対向部２６ｃの面積の重心は、正極１８の幅方向中心から負極２０の角２０ａ側に偏って位置している。
なお、上述した保護部材２６を両端に設けた正極１８は、以下のようにして得ることができる。まず、正極１８及び保護部材２６をそれぞれ用意してから（図３（ａ））、保護部材２６の一方の領域を正極１８の一方の面に貼り付け（図３（ｂ））、この後、保護部材２６を折込み線２８で折込み、保護部材２６の他方の面を正極１８の他方の面に貼り付ければよい（図３（ｃ））。

上述した保護部材２６を備えたニッケル水素二次電池では、保護部材２６の対向部２６ｃにより、負極２０の角２０ａが正極１８に直接接触するのが防止される。
また、この電池では、対向部２６ｃの面積の重心が正極１８の幅方向中心から負極２０の角２０ａ側に偏って位置していることで、保護部材の２つの領域がそれぞれ長方形である場合に比べて、セパレータ１６を介して保護部材２６に対向する負極２０の領域を削減することができるとともに、保護部材２６により被覆される正極１８の領域を削減することができる。

この結果として、このニッケル水素二次電池は、負極２０の角２０ａと正極１８の直接接触に起因した内部ショートの発生が防止されるとともに、正極１８及び負極２０の電池反応に寄与する領域の面積（対向面積）が保護部材２６により減少するのが抑制され、良好な放電特性を有する。
また、上述したニッケル水素二次電池では、好適な態様として、正極１８の両端に保護部材２６がそれぞれ設けられ、各保護部材２６が点対称な外郭形状を有するので、正極１８の形状は、保護部材２６を設けた状態で表裏や両端を入れ替えても殆ど変化しない。このため、この正極１８及び負極２０を巻回する際、得られる電極群１４にて巻ずれが発生しないよう、正極１８及び負極２０の厚みのばらつきや反り等に応じて、正極１８の表裏の選択や巻始めに位置させる端部を適宜選択することができる。この結果として、保護部材２６を両端に設けた正極１８を用いて電極群１４を作製した場合、巻ずれの発生を防止しながら生産性向上を図ることができ、もって、この電極群１４を備えたニッケル水素二次電池では、電極群１４の巻ずれに起因する内部ショートが防止されるとともに生産性が向上する。

なお、本発明は上記した一実施形態に限定されることはなく、種々変形が可能であって、例えば、円筒形電池は、ニッケルカドミウム二次電池、リチウムイオン二次電池等であってもよく、また一次電池であってもよい。
一実施形態では、展開図でみて、正極１８の内端が負極２０の内端を超えて延出していたけれども、負極２０の内端が正極１８の内端を超えて延出していてもよく、その場合、負極２０の両端に保護部材２６を設ければよい。

一実施形態では、正極１８は、焼結式のニッケル電極であったけれども、非焼結式のニッケル電極であってもよい。その場合、正極基板としては、Ｎｉ多孔体等を用いることができる。
一実施形態では、保護部材２６は粘着性テープであったけれども、絶縁性を有する接着テープや熱溶着テープであってもよい。具体的には、保護部材２６としては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリイミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等からなるテープを用いることができる。

一実施形態では、正極１８に２つの台形領域を有した保護部材２６を設けたけれども、保護部材２６に代えて、図４に示した変形例の保護部材３０を用いてもよい。折込み線２８により区分された保護部材３０の各領域はＬ字状をなし、各領域は、側縁３０ａの一方に沿って突出した矩形形状の突出部を有し、突出部の一部が角２０ａを含む負極２０の領域と対向する対向部３０ｃを形成する。

一実施形態では、正極１８の両端に保護部材２６を設けたけれども、保護部材２６を正極１８の内端のみに設けてもよい。この場合でも、巻回に際し、保護部材２６を設けた状態で正極１８の表裏を選択することは可能である。
また、正極１８の内端にのみ保護部材を設ける場合には、図６に示した他の変形例の保護部材３２を用いてもよく、保護部材３２は突出部が一方の領域にのみ形成されている。

つまり、保護部材の形状は特に限定されず、対向部の面積の重心が正極１８の幅方向中心から負極２０の角２０ａ側に偏って位置していればよく、更には、保護部材は折曲部を含んでいなくてもよい。ただし、一実施形態の保護部材２６のように折曲部を含んでいれば、保護部材２６により正極１８の端縁と負極２０との直接接触が防止され、内部ショートの発生を一層防止することができる。
なお、正極１８の内端にのみ保護部材２６を設ける場合には、負極２０の外端に保護部材を設け、この保護部材により、正極１８の外端における一方の角と負極との直接接触を防止してもよい。

１．電池の作製
実施例１
（１）正極の作製及び保護部材の取り付け
幅５０mm、長さ１００mm、厚み８０μmで、φ１.５mmの孔を均等間隔で開孔した帯状のパンチング鋼板の両面に、各側縁から１mmの領域を除き、幅４８mmのニッケル焼結体層を全体厚みが０．８mmになるよう焼成した。この後、ニッケル焼結体層に活物質としての水酸化ニッケルを含浸し、正極１８としての焼結式ニッケル電極を作製した。作製した正極１８の両端に、保護部材２６として、平行四辺形状のＰＰ製の粘着絶縁テープをそれぞれ貼り付けた。なお、粘着絶縁テープは、両側縁２６ａの長さが７mmで、側縁２６ａと端縁２６ｂとの間の角度が８７°であり、折込み線２８の長さは正極１８の幅に等しく、正極１８の各面を覆う粘着絶縁テープの各領域の形状は、短辺２mm、長辺５mmの台形であった。

（２）負極の作製
幅５０mm、長さ１４０mm、厚み８０μmで、φ１.５mmの孔を均等間隔で開孔した帯状のパンチング鋼板の両面に、各側縁から１mmの領域を除き、水素吸蔵合金粉末及び糊剤を含むペーストを幅４８mmの層状に塗布してからこのペーストを乾燥させ、負極２０として、厚み０.７mmの水素吸蔵合金電極を作製した。
（３）円筒形電池の組立て
保護部材２６を設けた正極１８及び負極２０を、親水性を付与したポリプロピレン製不織布（幅５０mm、目付８０g/m²）からなるセパレータ１６を介して巻回し、渦巻き状電極群１４を作製した。なお、巻回の際、正極１８及び負極２０は、幅方向に互いに１.５mmずらされ、且つ、巻始めに位置する正極１８の一端が負極の一端を長手方向に４mm超えて延出するよう配置された。

得られた渦巻き状電極群１４の両端に正極集電部材２４及び負極集電板２２を抵抗溶接した後、電極群１４を有底円筒形状の外装缶２内に挿入し、負極集電板２２を外装缶２の底部にスポット溶接するとともに正極集電部材２４のリード部２４ｂを封口板６に溶接した。この後、外装缶内に、７.０Ｎの水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液からなるアルカリ電解液を注入した。
そして、外装缶２の開口端内に絶縁部材４を介して封口板６を配置した状態にて開口縁を加締めて、公称容量２０００mAhの実施例１の円筒形ニッケル水素二次電池を３００個組立てた。

比較例１
従来技術の保護部材３４として長方形（５０mm×１０mm）の粘着絶縁テープを用い、図６に示したように、正極１８の両端に対し、保護部材の各領域が長方形（５０mm×５mm）になるよう折込んで貼り付けた以外は実施例１と同様にして、比較例１の円筒形ニッケル水素二次電池を３００個組立てた。なお、この場合、対向部３４ｃは長方形をなす。
比較例２
正極に保護部材を貼り付けなかった以外は実施例１と同様にして、比較例１の円筒形ニッケル水素二次電池を３００個組立てた。

２．電池の評価
（１）組立て直後における内部ショートの確認
組立て直後の実施例１及び比較例１,２の各電池の端子間電圧を測定し、内部ショートの発生した電池数を数え、この結果を３００個中の発生率として表１に示した。
表１からわかるように、保護部材を使用していない比較例２の電池では、組立て直後に内部ショートが６個発生していた。

（２）容量測定
内部ショートが発生していなかった各電池について、２００mAの電流で１６時間の充電後、１時間の休止を経てから、２００００mAの大放電電流にて終止電圧１Vまで放電させ、このときの放電容量を測定した。この結果を平均値として表１に示す。
表１からわかるように、容量の大きさは、比較例２＞実施例１＞比較例１の順であった。

（３）落下試験
容量測定の済んだ各電池を、高さ１ｍからコンクリート上に５回落下させてから、端子間電圧を測定し、内部ショートの発生した電池数を数え、この結果を発生率として表１に示した。
表１から、比較例２は、落下後での内部ショート発生率が顕著に高く、耐内部ショート性に劣ることがわかる。

本発明の一実施形態に係る、ニッケル水素二次電池の部分断面図である。（ａ）は、保護部材を設けた図１の正極をセパレータ及び負極とともに模式的に示す展開図であり、（ｂ）は、（ａ）の巻始め側近傍の領域を、セパレータを除いて示した展開図である。正極の一端に保護部材を貼り付ける方法を説明する図であり、（ａ）は正極及び保護部材の準備工程、（ｂ）は正極に対し折込み線により区分された保護部材の一方の領域を貼り付ける工程、（ｃ）は正極に対し保護部材の他方の領域を貼り付ける工程を示している。正極の一端に変形例の保護部材を貼り付ける方法を説明する図であり、（ａ）は正極及び保護部材の準備工程、（ｂ）は正極に対し折込み線により区分された保護部材の一方の領域を貼り付ける工程、（ｃ）は正極に対し保護部材の他方の領域を貼り付ける工程を示している。他の変形例に係る保護部材の展開図である。従来技術の保護部材を設けた正極の内端を、負極とともに模式的に示した展開図である。

符号の説明

１４電極群
１６セパレータ
１８正極
２０負極
２０ａ負極内端の一方の角
２６保護部材
２６ａ側縁
２６ｂ端縁
２６ｃ対向部
２８折込み線

Claims

容器内に渦巻き状の電極群が収容され、前記電極群が、それぞれ幅方向及び長さ方向を有した帯状をなす第１電極及び第２電極を、これら電極間に挟まれたセパレータとともに巻回して形成され、前記第２電極の前記長さ方向の一端部における２つの角のうち一つの角が、前記第１電極の面上に位置付けられている円筒形電池において、
前記第１電極の前記長さ方向の一端部に保護部材が設けられ、
前記保護部材は、前記セパレータを介して前記一つの角を含む前記第２電極の領域に対向する対向部を含み、
前記対向部の面積重心は、前記第１電極の前記幅方向の中心から前記一つの角側に偏って位置している
ことを特徴とする円筒形電池。
前記保護部材は、前記対向部に連なり、且つ、前記第１電極の前記一端部における端縁を包み込む折曲部を更に有し、
前記第１電極の前記面に重なり合う前記保護部材の領域は台形状をなす
ことを特徴とする請求項１記載の円筒形電池。
前記保護部材は、前記対向部に連なり、且つ、前記第１電極の前記一端部における端縁を包み込む折曲部を更に有し、
前記第１電極の前記面に重なり合う前記保護部材の領域はＬ字状をなす
ことを特徴とする請求項１記載の円筒形電池。
前記保護部材は、展開図でみて点対称な外郭形状を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の円筒形電池。