JP5554086B2

JP5554086B2 - 円筒型二次電池

Info

Publication number: JP5554086B2
Application number: JP2010038527A
Authority: JP
Inventors: 洋松本; 栄一磯野
Original assignee: Hitachi Vehicle Energy Ltd
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2030-02-24
Also published as: JP2011175833A

Description

本発明は円筒型リチウムイオン二次電池等の円筒型二次電池に関する。

電動工具やハイブリッド車等には、大電流充放電が可能であり、かつ高エネルギ密度の円筒型リチウムイオン二次電池が好適である。

円筒型リチウムイオン二次電池は、例えば、電極をセパレータを介して捲回して電極捲回群を構成し、電極捲回群を電池容器内に収納し、封止して構成される。
リチウムイオン二次電池は過充電による電解液の分解によって内部圧力が高まる可能性があり、また、電動工具やハイブリッド車等では、急激な外力による変形で、内部圧力が急激に高まる可能性がある。

そこで特許文献１の円筒型リチウム二次電池は、急激な圧力上昇によって作動するダイヤフラムを備え、さらにダイヤフラムに設けた開裂溝の変形によって抜圧し、安全性を確保している。

特開２００７−４２５２７

特許文献１の円筒型リチウム二次電池では、電極捲回群は、電池容器内で、負極側が接合、固定されているが、正極側は、各構成部品を積層し電流経路を形成しており、積極的に電極捲回群を固定する構成ではなかった。

（１）請求項１の発明は、正極電極と負極電極とをセパレータを介して軸芯の周囲に捲回した電極捲回群と、前記電極捲回群を収納する円筒状の容器であって、一端に開口部を有し他端の底面が前記負極電極と接続されて負極外部端子となる電池容器と、前記開口部に固定されて前記電池容器の前記開口部を塞ぐとともに、前記正極電極と接続されて正極外部端子となる上蓋集合体と、前記上蓋集合体と前記軸芯との間に挟持され、前記正極電極を前記上蓋集合体に電気的に接続するための正極集電部品とを備え、前記正極集電部品は、組み込み時に前記上蓋集合体と前記軸芯との間に挟圧されて弾性変形され、その弾性力で前記軸芯を軸方向に付勢し、前記上蓋集合体と前記電池容器の底面との間で前記軸芯を弾性支持する円筒型二次電池に適用される。
そして、以下の特徴を有する。
前記正極集電部品は、前記軸芯に嵌合する小径円筒部と、前記小径円筒部とは反対側の上蓋集合体の裏面側に配置される大径円筒部と、前記小径円筒部と前記大径円筒部とを接続する中間円板部とによって漏斗状に形成される。前記中間円板部は、前記上蓋集合体と前記軸芯とによって前記正極集電部品を挟持したときに、前記軸芯を前記電池容器の底面方向に付勢するよう、前記小径円筒部と大径円筒部が互いに軸方向に接近して弾性変形し、前記電池容器の半径方向に沿う平面形状となっている。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の円筒型二次電池において、前記正極集電部品の前記中間円板部は、組み込み前の単体では、前記大径円筒部から前記小径円筒部に向けて第１傾斜角度の下がり勾配で傾斜しており、組み付け後は前記中間円板部が前記軸芯と直交する方向に広がる面内に延在することを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載の円筒型二次電池において、前記電極捲回群の正極タブは前記大径円筒部の周壁に溶接され、前記中間円板部は、その裏面と前記電極捲回群の正極タブとの間に所定の空隙が設けられるように弾性変形されていることを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の円筒型二次電池において、前記正極集電部品は、前記中間円板部と上蓋集合体を接続する正極リードをさらに有し、また、前記上蓋集合体の裏面は平面部を有し、前記大径円筒部の上端面は前記平面部と絶縁体を介して所定面圧で接することを特徴とする。

本発明によれば、本質的に必須な構成部品である正極集電部品の弾性変形力を利用して電池容器内で電極捲回群を安定保持するようにしたので、最小限のコスト増で信頼性の高い二次電池を提供できる。

本発明による円筒型リチウムイオン二次電池の第１の実施の形態を示す分解斜視図。第１の実施の形態を示す縦断面図。第１の実施の形態における上蓋集合体周辺の部分断面図。第１の実施の形態における正極集電部品の縦断面図。本発明による円筒型リチウムイオン二次電池の第２の実施の形態を示す上蓋集合体周辺の部分断面図。

［第１の実施の形態］
次に、本発明による円筒型二次電池を円筒型リチウムイオン二次電池に適用した実施の形態を、図面を参照して説明する。

（全体構成）
図１、図２に示すように、円筒型リチウムイオン二次電池１１は、一端に開口部２０が設けられた電池容器１の内部に電極捲回群８を収納し、電池容器１の内部に電解液を注入するとともに、開口部２０を上蓋集合体２２によって塞いで構成されている。

（電極捲回群）
電極捲回群８は、正極電極１４と負極電極１５とを、管状で樹脂製の軸芯７の周囲に、セパレータ１８を介して、捲回することによって構成される。セパレータ１８は絶縁性を有する多孔質材料で形成されている。セパレータ１８の最外周の端部は粘着テープ１８ａによって固定されて構成されている。正極電極１４は、アルミ等の金属薄膜の両面に正極合剤１６が塗布されて構成されており、開口部２０側の長辺部には正極タブ１２が複数設けられている。負極電極１５は、銅等の金属薄膜の両面に負極合剤１７が塗布されて構成されており、電池容器１の底部側の長辺部には負極タブ１３が複数設けられている。

軸芯７の両端には正極集電部品５と負極集電部品６が嵌め合いにより固定されている。

（正極集電部品）
図２および図３に示すように、正極集電部品５の外周面には正極タブ１２が、例えば、超音波溶接法により溶接されている。正極集電部品５は、中央部において電池容器１の底面１a方向に突出して軸芯７に嵌入する小径円筒部５１と、周辺部において上蓋集合体２２に向かって突出する大径円筒部５２と、小径円筒部５１および大径円筒部５２を接続する円環状の部材であって、大径円筒部５２から小径円筒部５１に所定傾斜角度の下り勾配で傾斜する中間円板部５３とを有し、全体として漏斗状に形成されている。このように構成された正極集電部品５は、小径円筒部５１を軸芯７の上端内周に嵌合することにより電極捲回群８と一体化されている。

正極集電部品５の中間円板部５３の開口部２０側の上面には、矩形帯状の正極リード９の一端部が溶接されている。正極リード９の他端９ａは上蓋集合体２２の上蓋ケース４の裏面に溶接されている。このようにして、正極電極１４が上蓋集合体２２に電気的に接続される。

正極集電部品５は、図４に示すように、組み付け前は漏斗状であるが、上蓋集合体２２を電池容器１にかしめ固定後は、図３に示すように、小径円筒部５１と大径円筒部５２が相互に軸方向に接近するように中間円板部５３が変形する。その結果、電極捲回群８が正極側でも積極的に電池容器１に拘束される。

（上蓋集合体）
図３に示すように、上蓋集合体２２は、排気口３ａを有する上蓋３と、開裂溝４ａを有し、上蓋３に装着された上蓋ケース４とを備える。上蓋ケース４は、上蓋３の周縁部にかしめ加工によって固着され、これにより、上蓋集合体２２を形成している。上蓋集合体２２は、その周縁部をガスケット２を介してかしめ加工することによって電池容器１に固着されている。ガスケット２を介して電池容器１に固着されているから、上蓋集合体２２は電池容器１と電気的に絶縁されている。

（負極集電部品）
図２に示すように、負極集電部品６は、電池容器１の底面１ａに向かって開口する薄型円筒状に形成され、中央部に軸芯７が嵌入されている。負極集電部品６の外周面には負極タブ１３が例えば超音波溶接法により溶接されている。負極集電部品６の底面にはハット断面形状を呈する負極リード１０が溶接されている。負極リード１０の中央の凹部１０ａには軸芯７の下端が収容されている。負極リード１０の底面が電池容器１の底面１ａに溶接され、負極集電部品６が電池容器１と電気的に接続される。

正極集電部品５の弾性力により電極捲回群８を正極側で拘束する動作について詳細に説明する。

図４に示すように、正極集電部品５は、円筒型リチウムイオン二次電池１１を組み立てる前の部品単体の状態では、中間円板部５３はその外周から内周に向かって所定の傾斜角度で電池容器1の底面１a方向に傾斜している。上蓋集合体２２を電池容器１の開口部２０にかしめ固定する際、正極集電部品５は、上蓋集合体２２と軸芯７との間で圧縮力を受け、中間円板部５３が弾性変形することによって、すなわち、中間円板部５３の傾斜角度が小さくなるように弾性変形して小径円筒部５１、大径円筒部５２が相互に軸方向に近接する方向に変形する。その結果、正極集電部品５の中間円板部５３の傾斜角度は、部品組み込み前の単体の時の傾斜角度に比べて小さくなる。

正極集電部品５の変形に伴う弾性力は、正極集電部品５が嵌合している軸芯７を電池容器1の底面１a方向に押圧する。その結果、上蓋集合体２２を電池容器１にかしめ固定した組み込み状態では、電極捲回群８の軸芯７は常に軸方向に弾性支持される。また、大径円筒部５２の上端面が上蓋集合体２２の上蓋ケース４の裏面と面接触するときの面圧によっても拘束される。そのため、円筒型リチウムイオン二次電池１１に振動や衝撃が加わったときに、正極集電部品５によって負荷を吸収するとともに、電極捲回群８を所定位置に安定に保持することができる。

正極集電部品５は、上蓋集合体２２と軸芯７との間で挟持されて保持されるので、円筒型リチウムイオン二次電池１１に加えられた外力は、正極タブ１２や、正極電極１４、負極電極１５、セパレータ１８等、電気化学反応に関わる部分に応力を生じさせることはない。これによって、円筒型リチウムイオン二次電池１１の信頼性を高めることができる。

電池容器１のかしめ加工に際しては、予め正極タブ１２が正極集電部品５に超音波溶接された電極捲回群８を電池容器１に挿入した後、電池容器１内に電解液を注入する。正極リード９の端部９ａを上蓋集合体２２の上蓋ケース４の裏面に溶接する。その後、上蓋集合体２２を正極集電部品５の上に載置し、開口部２０の下方の全周を図示しない絞り治具により電池容器1の中心方向に絞り込み、電池容器１の上部にくびれ部１ｂを形成する。さらに、開口部２０の周縁を内側に折り込んで、ガスケット２を介在させた状態で上蓋集合体２２を締め付け、開口部２０を封止する。このようなかしめ加工により、上蓋集合体２２がガスケット２を介して電池容器１に固着される。ガスケット２は、上蓋集合体２２と電池容器１とを電気的に絶縁するとともに、上蓋集合体２２の周囲を封止する。

電池容器１の内部に発生したガスにより、内部圧力が異常に高まったときには、開裂溝4aにおいて、上蓋ケース４に亀裂が発生し、内部のガスが排出口3aから排出される。

なお、正極集電部品５は、特許文献１の円筒型リチウムイオン二次電池にも設けられていたが、主に電極捲回群と上蓋集合体とを電気的に接続することを目的としており、弾性支持機能は備えていなかった。すなわち、第１の実施の形態の二次電池では、従来から使用されていた正極集電部品の形状を漏斗状に若干改良するだけで、弾性支持機能を併せ持つこととしたので、部品点数の増加を伴うことがない。したがって、改良のためのコスト増はわずかである。
［第２の実施の形態］

次に、本発明による円筒型リチウムイオン二次電池の第２の実施の形態を図５を参照して説明する。軸芯なお、図中、第１の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し説明を省略する。

第1の実施の形態と第２の実施の形態とが相違する点は、上蓋集合体２２を電池容器１にかしめ固定する際の正極集電部品５の変形量を大きくし、軸芯７の弾性保持力を大きくするようにした点である。図５に示すように、正極集電部品５は、組み込み後、その中間円板部５３が電池容器１の半径方向に添う平面となるまで、弾性変形している。これは、上蓋集合体２２を電池容器１にかしめ固定する際の正極集電部品５の変形量を大きくすることで実現できる。

第２の実施の形態の二次電池では、第１の実施の形態の二次電池に比べて軸芯７の弾性保持力を大きくすることができる。また、第１の実施の形態の二次電池との比較の上では、組み込み時に中間円板部５３の傾斜角度が小さくなることによって、円筒型リチウムイオン二次電池１１の軸方向寸法を短縮することができる。

なお、中間円板部５３が平面状となったときにも、正極集電部品５は、上蓋集合体２２と軸芯７で挟持されるので、中間円板部５３の裏面と電極捲回群8との間に空隙が設けられる。したがって、正極タブ１２や、正極電極１４、負極電極１５、セパレータ１８等に負荷が加わる恐れはない。
また、第１および第２の実施形態の円筒型二次電池において、図示は省略しているが、上蓋集合体２２の裏面と大径円筒部５２の上端面との間に絶縁体を挟持してもよい。

なお、本発明は、リチウムイオン二次電池に限定されるものではなく、軸芯を有する電極捲回群を電池容器に内蔵した任意の円筒型二次電池に適用し得る。したがって、本発明による二次電池は次のような構成を備えていればよい。

すなわち、二次電池は、正極電極１４と負極電極１５とをセパレータ１８を介して軸芯７の周囲に捲回した電極捲回群８と、この電極捲回群８を収納する円筒状の電池容器1を有する。電池容器１は、一端に開口部２０を有し他端の底面１aが負極電極と接続されて負極外部端子となる。電池容器1の開口部２０を塞ぐように開口部２０に上蓋集合体２２が固定される。上蓋集合体２２は、正極電極１４と接続されて正極外部端子となる。上蓋集合体２２と軸芯７との間に正極集電部品５が挟持される。正極集電部品５は、正極電極１４を上蓋集合体２２に電気的に接続するための部材である。正極集電部品５は、組み込み時に上蓋集合体２２と軸芯７との間に挟圧されて弾性変形され、その弾性力で軸芯７を軸方向に付勢し、上蓋集合体２２と電池容器１の底面１aとの間で軸芯７を弾性支持する。

１：電池容器２：ガスケット
３：上蓋４：上蓋ケース
５：正極集電部品６：負極集電部品
７：軸芯８：電極捲回群
９：正極リード１０：負極リード
１１：円筒型二次電池１２：正極タブ
１３：負極タブ１４：正極電極
１５：負極電極１６：正極合剤
１７：負極合剤１８：セパレータ
２０：開口部２２：上蓋集合体
５１：小径円筒部５２：大径円筒部
５３：中間円板部１a：底面
１b：くびれ部３a：開裂弁
４a：排出口９a：他端
１０a：凹部１８a：粘着テープ

Claims

正極電極と負極電極とをセパレータを介して軸芯の周囲に捲回した電極捲回群と、
前記電極捲回群を収納する円筒状の容器であって、一端に開口部を有し他端の底面が前記負極電極と接続されて負極外部端子となる電池容器と、
前記開口部に固定されて前記電池容器の前記開口部を塞ぐとともに、前記正極電極と接続されて正極外部端子となる上蓋集合体と、
前記上蓋集合体と前記軸芯との間に挟持され、前記正極電極を前記上蓋集合体に電気的に接続するための正極集電部品とを備え、
前記正極集電部品は、組み込み時に前記上蓋集合体と前記軸芯との間に挟圧されて弾性変形され、その弾性力で前記軸芯を軸方向に付勢し、前記上蓋集合体と前記電池容器の底面との間で前記軸芯を弾性支持する円筒型二次電池において、
前記正極集電部品は、前記軸芯に嵌合する小径円筒部と、前記小径円筒部とは反対側の上蓋集合体の裏面側に配置される大径円筒部と、前記小径円筒部と前記大径円筒部とを接続する中間円板部とによって漏斗状に形成され、
前記中間円板部は、前記上蓋集合体と前記軸芯とによって前記正極集電部品を挟持したときに、前記軸芯を前記電池容器の底面方向に付勢するよう、前記小径円筒部と大径円筒部が互いに軸方向に接近して弾性変形し、前記電池容器の半径方向に沿う平面形状となっていることを特徴とする円筒型二次電池。
請求項１に記載の円筒型二次電池において、
前記正極集電部品の前記中間円板部は、組み込み前の単体では、前記大径円筒部から前記小径円筒部に向けて第１傾斜角度の下がり勾配で傾斜しており、組み付け後は前記中間円板部が前記軸芯と直交する方向に広がる面内に延在することを特徴とする円筒型二次電池。
請求項１または２に記載の円筒型二次電池において、
前記電極捲回群の正極タブは前記大径円筒部の周壁に溶接され、
前記中間円板部は、その裏面と前記電極捲回群の正極タブとの間に所定の空隙が設けられるように弾性変形されていることを特徴とする円筒型二次電池。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の円筒型二次電池において、
前記正極集電部品は、前記中間円板部と上蓋集合体を接続する正極リードをさらに有し、また、前記上蓋集合体の裏面は平面部を有し、前記大径円筒部の上端面は前記平面部と絶縁体を介して所定面圧で接することを特徴とする円筒型二次電池。