JP5417579B1 - 積層電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】正極および負極を筒状の外装体の軸方向に積層して、正極もしくは負極の一方電極と外装体の間に金属箔を介在させて、正極もしくは負極の他方の電極と集電体との間に金属箔を介在させることにより、電池内部の温度上昇を抑え、サイクル寿命の優れた電池とする。
【選択図】 図1
Description
特許文献8には、シート状のヒートシンクを正極と負極に配して、セパレータと共に捲回してなる円筒型捲回電池が開示されている。
第1および第2金属箔は、電極を組み上げた状態で、それぞれ電極の側面および穴に接触するように取り付けられる。
この構成によれば、これら金属箔は、その表面に突出するように形成された多数の突起を有するよう三次元加工が施されている。二次電池の充放電に伴ない、電極に体積変化が生じるが、金属箔に設けた突起は、第1電極と外装体間、および第2電極と集電体間の接触が悪くなるのを防ぐことを可能にする。電池のサイクル寿命特性を改善することができる。
この構成によれば、金属箔の表面には凹凸を設けることにより、突起を形成することが可能である。この場合、金属箔の両面に突起が形成させることになる。金属箔の凹凸の凸部に着目すれば、その形状は錐台状となる。具体的には、多角錐台もしくは円錐台である。突起の突き出ている方(頂部)の面積は、突起の底部の面積より小さく、その縦断面は台形状となっている。電極は錐台状の突起に食い込み、第1電極と外装体間および第2電極と集電体間の接触を良好に保つのに有効に働く。底部の面積が頂部の面積より大きいので、電極が安定的に金属箔の突起に食い込む。
この構成によれば、金属箔は、突起の先端部が突起と反対方向に折り曲げられた「カエシ」を有している。このカエシは、電極に喰い込み引っかかりを生じることで、充放電に伴う電極の膨張・収縮に関わらず第1電極と外装体間および第2電極と集電体間の接触を確実にする。
この構成によれば、突起の先端部もしくは頂部にカエシを容易に設けることが可能となる。
第1電極と第2電極が積み重ねられた状態において、第1電極の外縁部に第1金属箔を取り付ける際に、セパレータは障害とならない。また、集電体が貫通するセパレータの穴の周縁部は第2電極により覆われているので、第2金属箔を第2電極の穴の周縁部に取り付けるのに、セパレータは障害とならない。
電極が円盤状である場合は、第1電極の外径はセパレータの外径より大きく、セパレータの外径は第2電極の外径より大きい。また、集電体が丸棒である場合は、第1電極の穴径はセパレータの穴径より大きく、セパレータの穴径は第2電極の穴径より大きい。この構成によれば、正極と負極とが組立時に誤って短絡することがない。電極の変形による電極間で短絡を起こすことがない。
この構成において、集電体の側部の一部もしくは全部がパイプで覆われているので、集電体と電極との結合が緩んだ折に、集電体のパイプ部分に、パイプの内径より少し大きめの杭を打ち込むことで、集電体の外径を広げることが可能となる。これにより、集電体と電極との結合を強固にすることができる。
この構成によれば、集電体のパイプ部分に、パイプの内径よりも少し大きめの杭を打ち込むと、スリットが広がる。これにより、小さな抵抗で集電体の外径を広げ、集電体と電極との結合を締め付けることができる。集電体のパイプ部分にスリットがないと、集電体の肉厚が大きいと、集電体に杭を打ち込む際、集電体の外径が広がりにくい。肉厚が薄いと、集電体の導電性が悪くなる。
この構成によれば、集電体の側面には凸凹形状を有する。そして、第2電極に設けた集電体が貫通する穴の径は集電体の凹の径と第2金属箔の厚さの和より小さい。これにより、充放電に伴い電極の体積が変化しても、凸凹の形状によるアンカー効果によって、第2電極と集電体の接触を十分確保することが可能になる。凸凹形状を設ける手法としては、エッチング加工、ローレット加工、ナール加工、エンボス加工、ネジ加工、レーザー加工など既存のものが挙げられる。
この構成によれば、集電体の側面に設けられた溝は、ネジ溝であることが好ましい。溝の谷とは、集電体のもっとも細い部分をいう。そして、第2電極が第2金属箔を介して、ネジ溝に密着している。溝の山とは、集電体のもっとも太い部分をいう。そして、第1電極は集電体に接触していない。
H+ +e- → 1/2H2 (1)
負極 1/2H2 → H+ + e-
正極 NiOOH+e-+H+ → Ni(OH)2 (2)
全体 NiOOH+1/2H2 → Ni(OH)2
この組立方法によれば、有底の円筒缶からなる外装体に電極集合体を圧入して、電解液を注入後に円筒缶を蓋部材で封印して、電池の密閉化を図る。
本発明の各実施形態について説明するのに先立ち、全ての実施形態に共通する電極の作り方について説明を行う。
<電極の製造について>
図1に本発明の第一実施形態に係る円筒型積層電池の軸方向の概略断面図を示す。図1に示す円筒型積層電池11(以下、単に積層電池という)は、外装体15と集電体17と外装体内部に収納される電極体13を主な構成要素として備えている。積層電池11は、公称径500mmの円筒缶を用いて製作されている。外装体15は、有底の円筒缶12と、円筒缶12の開口部12cに取付けられた円盤状の蓋部材16とから構成されている。円筒缶12と蓋部材16は鉄にニッケルめっきを施したものでできているが、他の金属であってもよい。蓋部材16の外径は円筒缶の開口部12cの内径より少し大きく、蓋部材16は電極体13を円筒缶12に収納後に円筒缶開口部12cにおいて絞まり嵌めされている。第一実施形態では円筒缶を用いたが、角型缶を用いてもよい。角型缶を用いれば、角型電池となる。
セパレータ13cの外径は正極13a(第1電極)の外径より小さく、かつ、負極13b(第2電極)の外径より大きい。このため、正極13aと負極13bとは、外装体15の内周面近傍においてセパレータ13cにより完全に隔離されている。このため、電極が変形しても、電極は互いに接触することがない。また、負極13bは、セパレータ13cによっても、外装体15と隔離されている。更に、セパレータ13cの中央に設けられた穴の径は、正極13aの穴の径より小さく、負極13bの穴の径より大きい。このため、正極13aと負極13bとは、集電体17の外周面近傍においてセパレータ13cにより完全に隔離されており、電極が変形しても、電極は互いに接触することがない。また、正極13aは、セパレータ13cによって、集電体17と隔離されている。
金属箔10a,10bは、その表面に突出するように形成された、多数の突起を有している。突起の形状は、特に限定されないが、例えば、図3に示すようなものが考えられる。図3において、(a)は金属箔Kの片面に突起41を有しており、(b)は金属箔Kの両面に突起51を有している。(c)は金属箔Kに針等で穴62を開けて突起61を形成したものであり、比較的加工が容易である。また、(d)は突起にカエシが設けられたものである。すなわち、金属箔Kに針等で穴72を開けて突起71を形成する。針等の貫通により、突起71の先端部が外側に開き、開口部73は突起71の先端に向かって広がる。金属箔を(d)のような形状とすることにより、金属箔10a、10bは、電極13a,13bに喰い込み、電極13a,13bとの接合性が向上する。
(1)正極13a、負極13b及びセパレータ13cを所定の寸法にパンチで打ち抜く。そして、正極の外径より内径が少し大きい筒91の中心に負極の穴径よりも直径が少し小さい丸棒90を突き立てる。
(2)負極13b、セパレータ13c、正極13a、セパレータ13cを、順次丸棒90に通して、電極群を組立てる。
(3)次に、筒91から電極群を丸棒90と一緒に取り出し、電極群の側面に第1金属箔10aを貼り付け、軸方向に隣り合う正極同士を電気的に接続する。
(4)電極群から、丸棒90を抜きとり、負極13bの穴の内周面に第2金属箔を貼り付ける。
(5)金属箔10a,bを貼り付けた電極群を、円筒缶12に圧入する。
(6)次いで、集電体17を電極群の穴に圧入して、蓋部材(図示せず)を円筒缶12の開口部に嵌合する。そして、外装体内部の空気抜きを行ない、電解液を加えて密閉することで本発明の積層電池を製作する。
第一実施形態の一部を変更した、第二実施形態について、変更部分を中心に説明する。第二実施形態は、図4(a)に示すように、集電体27の側面にはネジ溝加工がされていてネジ部27cを構成している。すなわち、集電体27の側面は、谷の径がdであり、山の径がDであるネジ構造を有している(d<D)。ネジの仕様はJISにいうMネジであるがISO仕様であってもよい。
<冷却構造について>
正極13aは金属箔10aを介して円筒缶の内面12aに強く押し当てられ、正極13aと外装体15は、密に接触している。正極13aで発生した熱は直接外装体15に伝えられる。また、負極13bで発生した熱はセパレータ13cを介して正極13aに伝えられる。セパレータ13cは熱を伝えにくいが、薄く、1枚のみであるので、熱の伝導に大きな妨げとならない。以上のようにして、正極13aと負極13bで発生した熱は小さな温度勾配で外装体15に伝えられ、積層電池内部の温度上昇を抑制することを可能にしている。
t= 0.5mm , t+ = t- = ts = 10μm , k = k+= k- = 40Wm-2 deg-1
h0= 100 Wm-2 deg-1 , h1 = 1 Wm-2 deg-1, ks = 1 Wm-2 deg-1 , n = 9/0.03 = 300
となり、これらの値を数1に代入して、U1 = 0.0011 Wm-2 deg-1を得る。
h0= 100 Wm-2 deg-1 , t = 0.5mm , k = 40Wm-2 deg-1
h1= 10000 Wm-2 deg-1 , t* = 0.009m , k*= 40Wm-2 deg-1
であるので、これらの値を数2に代入して、U2 = 100 Wm-2 deg-1を得る。
両者を比較すると、本発明に係る冷却構造は、従来の捲回電池比べて10万倍近く熱伝達に優れているといえる。
<活物質の量について>
本発明の実施形態に係る積層電池において、活物質の量については2つのタイプがある。一つは従来どおりの正極規制であり、もう一つは負極容量が正極容量よりも小さい負極規制である。本発明の実施例についていえば、正極規制のタイプの場合は、負極容量が正極容量の1.7倍となっている。一方、負極規制のタイプの場合は、負極容量が正極容量の80%となっている。正極容量はいずれの場合も1000mAhである。
本発明において、主要パラメータとなる金属箔および集電体の諸元について検討を行った。そして、電池としての性能評価試験を行ったので、これについて、以下に説明する。
<金属箔の検討>
性能評価試験に用いた金属箔の諸元を表1に示す。
金属箔1は、25μmの厚みのニッケル箔である。
金属箔2は、金属箔1に千鳥状の切れ目を入れ、引き伸ばしてひし形模様の網目状に加工したもので、加工後の金属箔の全体厚みは50μmである。
金属箔3は、金属箔1にローレット加工を施し、多数の突起を設けたものである。図6(a)に金属箔3の断面図を示し、図6(b)に金属箔3の平面図をそれぞれ示す。金属箔3は、図6(a)、(b)に示すように、突出するように形成された多数の突起21を有する。ここでは、25μmの厚み(h1)を有するニッケル箔を用いた。このニッケル箔は、構造上部L1および構造下部L2からなる四角錐台状の突起21が形成されている。突起21は、構造上部L1(突出部)の面積が、構造下部L2の面積よりも狭い四角錐台状に形成されている。構造下部L2の縦横長さ(図6のX、Y方向)はいずれも1mm、構造上部L1の縦横長さはいずれも0.3mmである。突起21を含む金属箔3の厚み(h2)は300μmである。
金属箔5は、金属箔4と同じ構造を有していて、材料がニッケルめっきを施した鋼材である。
性能評価試験に用いた集電体の諸元を表2に示す。
集電体1〜5の材質は、パイプ部分を除き、いずれも、ニッケルめっきを施した鋼材である。
集電体1は、直径15.2mmの丸棒である。
集電体2は、外径15.2mm、内径14mmのパイプ(図8(a)参照)に、直径14.1mmのSUS製の杭を打ち込み、外径15.2mmの集電体としたものである(図8(b)参照)。
集電体3〜5は、側部にスリットを設けた内径10mmのパイプ(図9(a)参照)に、直径14.1mmの金属製の杭を打ち込み外径15.2mmの集電体としたものである(図9(b)参照)。
ここに、集電体3は、金属製の杭として銅を用いたものである。
集電体4は、銅製の杭を用いて、側面をローレット加工したものである。ローレット加工は、山と谷の角度を90°とし、山と谷のコーナーをそれぞれ半径0.06mmの円弧から繋がる形状になるよう加工を施した。
集電体5は、銅製の杭を用いて、側面をネジ加工したものである。ネジ加工は、M16(ISO基準寸法)であり、ネジピッチは2mm、外径は16.0mm、内径は14.9mmとした。
本発明の積層電池の温度上昇試験を行う前に、電池としての性能を調べた。試験に採用した金属箔と集電体の組合わせを表3に示す。なお、電池は第二実施形態の積層電池であって、外装体には公称径500mmの円筒缶を用いた。
表4に、実施例1〜10および参考例1、2の電池について、各充電レートにおける充電効率をまとめた。
本発明に係る積層電池の冷却能力を、試験により確かめたので、その結果を以下に説明する。試験は、最も充電効率特性が良好であった実施例5の電池(表4参照)を用いて行った。すなわち、0.5C〜8Cで充電を行い、満充電後に積層電池の内部温度と表面温度を調べた。温度計測は、電池内部温度については集電体に熱電対を取付けて計測し、表面温度については積層電池の外装体の表面に熱電対を取り付けて行った。なお、室温は15℃で、1m/sの送風状態で計測を行った。
この試験結果から、本発明に係る積層電池は、電池内の熱伝導度が大きく、例え充電により温度が上昇しても、短時間で電池内部の温度が低下することがわかった。
11 円筒型積層電池
12 円筒缶(a:円筒缶内径、b:円筒缶底部、c:開口部)
13 電極体(a:正極、aa:正極内径、ab:正極外径、
b:負極、ba:負極内径、bb:負極外径、
c:セパレータ)
14 絶縁板
15 外装体
16 蓋部材
17 集電体(a:棒状の軸部、b:止め部、c:ネジ部、d:正極端子)
18 軸受
20 金属箔3
21 突起部
25 第2金属箔
30 金属箔4(h1:金属箔厚み、h2:構造厚み、h3:、カエシ寸法、
L1:構造上部、L2:構造下部、P:構造ピッチ)
31 突起部
32 開口部
33 カエシ
41、51、61、71 突起
62、72 穴
73 開口部
Claims (14)
- 筒状の外装体の内部に、正極と、負極とが、セパレータを介して、前記外装体の軸方向に積層されている電池であって、
導電性の集電体が、前記正極と前記負極と前記セパレータとを前記外装体の軸方向に貫通しており、
前記正極もしくは前記負極のいずれか一方の電極が前記外装体に電気的に接続されている第1電極であり、他方の電極が前記外装体に電気的に接続されていない第2電極であり、かつ、
前記第2電極が第2金属箔を介して前記集電体に電気的に接続されていて、前記第1電極が前記集電体に電気的に接続されていない積層電池。 - 前記第2金属箔の少なくとも片面に、複数の突起を有している請求項1に記載の積層電池。
- 前記第2金属箔に設けた前記突起が、底部の面積が頂部の面積より大きい錐台状となっている請求項2に記載の積層電池。
- 前記第2金属箔に設けられた前記突起の先端部が突起と反対方向に折り曲げられている請求項2または3のいずれか一項に記載の積層電池。
- 前記第2金属箔に設けられた前記突起の先端部に穴が設けられていて、当該穴の周縁から外方に突出する外縁を有する請求項2または3のいずれか一項に記載の積層電池。
- 前記第1電極が第1金属箔を介して前記外装体に電気的に接続されている請求項1に記載の積層電池。
- 前記第1金属箔の少なくとも片面に、複数の突起を有している請求項6に記載の積層電池。
- 前記セパレータの外縁が前記第1電極により覆われており、前記第2電極の外縁が前記セパレータにより覆われており、前記第1電極の前記集電体が貫通する穴の周縁が前記セパレータにより覆われており、前記セパレータの前記集電体を貫通する穴の周縁が前記第2電極により覆われている請求項1または6のいずれか一項に記載の積層電池。
- 前記集電体がパイプ状の側部を有する請求項1に記載の積層電池。
- 前記集電体のパイプ状の側部の軸方向にスリットが設けられた請求項9に記載の積層電池。
- 前記集電体の側面が凸凹形状を有する請求項1に記載の積層電池。
- 前記集電体の側面に溝加工が施されていて、前記集電体の溝の谷の径と前記第2金属箔の厚さの和は前記第2電極に設けた前記集電体が貫通する穴の径より大きく、前記集電体の溝の山の径と前記第2金属箔の厚さの和は前記第1電極に設けた前記集電体が貫通する穴の径より小さい請求項1に記載の積層電池。
- 前記外装体の内部に、前記負極で発生する水素ガスを貯蔵する水素貯蔵室を備えている請求項1に記載の積層電池。
- 請求項6に記載の積層電池の組立て方法であって、
前記第1電極の外径より内径が少し大きい筒の中心に前記第2電極の内径よりも少し小さい丸棒を突き立てて、前記丸棒に前記第1電極と前記第2電極の間に前記セパレータが介在するように順次挿入して電極を積み重ねた後、前記筒から積み重ねた電極群と前記丸棒を一体に取り出し、前記第1電極の外周に第1金属箔を貼り付け、軸方向に隣り合う第1電極同士を電気的に接続し、前記電極群から、前記丸棒を抜き取り、前記第2電極の内周に第2金属箔を貼り付け、前記第1および第2金属箔を貼り付けた前記電極群を前記外装体に圧入し、前記第2電極の内径より大きい前記集電体を前記電極群に圧入して、空気抜きを行い、電解液を注入する積層電池の組立て方法。
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