JP5598988B2

JP5598988B2 - 捲回式電池

Info

Publication number: JP5598988B2
Application number: JP2011011144A
Authority: JP
Inventors: 陽心八木; 匡内藤; 英毅篠原; 孝佐々木
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2031-01-21
Also published as: JP2012155852A

Description

本発明は、車両等に搭載される捲回式二次電池に係り、特に、円筒形の捲回式電池の構造に関する。

捲回式電池では、高容量や高出力を達成する目的で電極面積の増大を図るため、正極と負極とがセパレータを介して捲回された電極群を有している。電池使用時の振動等による電極群の捲き崩れを抑制するために、電極群の形成時に、一般に正極、負極及びセパレータを張力下で捲回することから、得られた電極群には捲回圧がかかった状態となる。

ところで、正極、負極には活物質を含む合剤がそれぞれ集電体に塗着されているので、捲き始め部分を小さく捲いて形成することが難しく、そのため電極群の中心部分を中空状に形成する。しかし、中空状の中心部分では捲回圧により電極群が変形することがあり、このような変形を回避するため、電極群の捲回中心に軸芯を配置している。

例えば、特許文献１の図４は、高出力を目的とした捲回式電池である大型リチウム二次電池を示しているが、その負極の集電構造は、大電流放電に耐え得る銅又は銅合金製のリング状の負極集電体を用いて、その中央部を軸芯の下端部に固定し、そのフランジ部の周縁を電池容器の底面側に折り曲げて周縁部を形成し、その周縁部に、負極電極板の基材箔（銅箔）から導出したリード片を束ねて超音波溶接等で溶接している。

また、負極集電体は、ニッケル製で断面逆ハット状の負極リード板のフランジ部に接合されており、負極リード板の逆ハット状中央下端に形成したプロジェクションを電池容器の底面に抵抗溶接等で接合することにより、負極リード板を電池容器に固定すると共に、負極集電体と電池容器との導通を確保している。

一般に捲回式電池では、電池の変形や異物による内部短絡等の異常が起り、電池容器内のガスが高圧となったとき、ガスを正極側の電池蓋に設けられた安全弁から電池外に排出する構造となっている。ハイブリッド自動車用の電池では、使用される充電状態（SOC; State Of Chargeの頭文字）が５０％付近にあり、この状態で電池に異常が起こっても、内圧の上昇は穏やかに進むことから、上記の構造により安全性を確保している。

特許第３６２７６４５号公報

しかしながら、今後、更なる高出力型のハイブリッド自動車用電池や、使用SOCが高くなるプラグインハイブリッド自動車用や電気自動車用に適用される電池では、異常が発生したときの電池容器内の圧力上昇が急激となることが予想されるところ、電池容器内の捲回電極群の下部は、囲まれた空間となって、高圧となったガスが分散しにくい構造となっているので、内部短絡等の異常から電池容器内のガス圧力が急激に上昇した際の安全性の確保が課題となっていた。

本発明は、電池容器内の捲回電極群の下部で高圧となったガスが、上方に確実に通り抜けできる構造を備えた安全性の高い捲回式電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る捲回式電池は、正極と負極とがセパレータを介して軸芯に捲回された電極群を収納した円筒形の捲回式電池であって、前記軸芯は、長さ方向に貫通する中央孔を備え、前記電極群の両端面に、前記軸心に接するように配設された上側又は下側の集電リングを備え、前記下側集電リングは、リード板を介して電池缶に電気的に導通されている円筒形の捲回式電池において、前記リード板には、ｎ個の立ち上がり部を備え、前記軸芯の下端には、ｍ個の切り欠きを備え、ｍがｎと異なる数であり
、少なくとも一つの前記切り欠きは、少なくとも一部が前記軸心の径方向において前記立ち上がり部と対向しないことを特徴としている。そのため、前記リード板と前記軸芯がどのような角度で組み合わされても、前記リード板の立ち上がり部が、前記軸芯の下端の切り欠きの前面を塞ぐことのないようにして、ガスの流路を確実に形成するようにしていることを特徴とする。

また、前記切り欠きを前記軸芯の下端の円周上の均等な位置に設けたこと、更に、前記切り欠きの弧の合計長が、前記軸芯の下端の円周の５０％であることを特徴とする。

本発明によれば、過充電等の異常により、電池容器内のガスが高圧となった時に、電池容器内の底部、捲回電極群の下部の囲まれた空間内の高圧ガスを、確実に分散することができるので、捲回式電池の安全性を高めることができる。

また、リード板の立ち上がり部の数と、軸芯の下端の切り欠きの数を、異なる数としたので、リード板と軸芯をどのような角度で組み合わせても、ガスの流路を確実に形成するところから、組立時に両者の角度関係を規定する必要がなく、製造効率を向上する。

特に、軸芯の負極側先端に設けた切り欠きの数が２つ、リード板の有する立ち上がり部の数が３つの組合せでは、より十分な隙間が確保できる。

また、切り欠きを軸芯の下端の円周上の均等な位置に設けたこと、更に、切り欠きの弧の合計長が、軸芯の下端の円周の５０％であることから、軸芯下端の必要な強度を確保することができるので、製品の信頼性を向上する。

本発明に係る捲回式電池の実施例１を示す。本発明に係る捲回式電池の実施例１の正極板又は負極板の構造を示す。本発明に係る捲回式電池の実施例１の負極リード板であり、３箇所の立ち上がり部を備えた構造を示す。本発明に係る捲回式電池の実施例１の軸芯を示し、２箇所の切り欠きを備えた構造を示す。実施例１の３箇所の立ち上がり部を備えた負極リード板と、２箇所の切り欠きを備えた軸芯とを組み合わせた際の平面を示す。本発明に係る捲回式電池の実施例２の負極リード板であり、２箇所の立ち上がり部を備えた構造を示す。本発明に係る捲回式電池の実施例２の軸芯を示し、３箇所の切り欠きを備えた構造を示す。実施例２の２箇所の立ち上がり部を備えた負極リード板と、３箇所の切り欠きを備えた軸芯とを組み合わせた際の平面を示す。本発明に係る捲回式電池の実施例３の負極リード板であり、４箇所の立ち上がり部を備えた構造を示す。実施例３の４箇所の立ち上がり部を備えた負極リード板と、３箇所の切り欠きを備えた軸芯とを組み合わせた際の平面を示す。実施例４の２箇所の立ち上がり部を備えた負極リード板と、４箇所の切り欠きを備えた軸芯とを組み合わせた際の平面を示す。

本発明が適用可能な捲回式電池の実施の形態について、以下、図面を参照して説明する。

［実施例１］
図１は、本発明に係る捲回式電池の実施例１としての円筒形非水電解液電池の縦断面を示すものであり、以下、この電池の構成を説明する。

円筒型非水電解液電池50は、円筒状でステンレス製の有底の電池容器10内に、正極板1と負極板2とを、リチウムイオンが通過可能な微小孔を多数有する厚さ２５μｍ程度のセパレータ3を介して、中空円筒状の軸芯4を捲回中心として、渦巻き状に捲回した捲回電極群（以下「電極群」という。）15を備えている。

図２に示すように、正極板1は、厚さ１５μｍ程度のアルミニウム箔の両面に所定幅でスラリを塗布し、これを乾燥、プレスして合剤層1Bを形成した後、アルミニウム箔の一部を切り欠いて、正極リード片1Aを形成したものである。ここで用いるスラリは、正極活物質のリチウム遷移金属複合酸化物に、導電剤及び結着剤を加えて混練し、これに有機分散溶媒を添加して混練したものである。

一方、負極板2は、厚さ１０μｍ程度の圧延銅箔の両面に所定幅でスラリを塗布し、乾燥、プレスして合剤層2Bを形成した後、銅箔の一部を切り欠いて、負極リード片2Aを形成する。ここで用いるスラリは、負極活物質の非晶質炭素に結着剤を加えて混練し、これに有機分散溶媒を添加して混練したものである。

図１に示すように、電極群15の上部には正極集電リング5が配置され、この正極集電リング5は、その周縁に、上部方向に曲がる円環状の立ち上がり部26を有する。立ち上がり部26の周縁外周には、正極板1から導出された正極リード片1Aが変形・集合されて、超音波溶接により接続・固定される。固定後、立ち上がり部26からはみ出した余剰分の正極リード片1Aは切断する。正極集電リング5は、そのスリーブが軸芯4の上端部内径に挿入されて、軸芯4に固定されている。

正極集電リング5には、予め複数枚のアルミニウム製のリボンを重ね合わせて構成した正極リード板8（正極集電部材の一部）の一端を溶接し、正極リード板8の他端は、電池容器10を封口するための封口電池蓋群20の下面に溶接される。

図１に示した円筒型非水電解液電池50は、電池容器10の上部開口に、絶縁性のガスケット12を介して、電池蓋としての封口電池蓋群20を備えて、これらに、かしめを施して封口した電池容器を構成している。そして、封口電池蓋群20は、正極集電リング5に対向する位置に配置されたアルミニウム合金製の上蓋ケース22と、その上部に配置されて外部出力端子として電池外部へ露出する上蓋キャップ21と、彫り込み等のある脆弱部を有する安全弁23と、上蓋ケース22にリング状に当接して安全弁23を下側から押さえる弁押さえ24とから、一体に構成されている。ここで、安全弁23は、電池内圧が所定圧となると、その脆弱部が開裂して内圧を外部に開放する。

電池内部で発生したガスを外部に排出するために、安全弁23の脆弱部の中央部の直下となる上蓋ケース22の中央部には大きな中央開口を、正極集電リング5には複数のリング開口を、上蓋キャップ21には複数のキャップ開口を、それぞれ形成する。

一方、電極群15の下部では、電池容器10の底部方向へ曲がる立ち下がり部27を周縁に有する円環状の負極集電リング6を配置し、この立ち下がり部27の周縁外周に、負極板2から導出された負極リード片2Aを変形・集合して、超音波溶接により接続・固定する。固定後、立ち下り部27からはみ出した余剰分の負極リード片2Aは切断する。軸芯4の下端部には、２箇所の切り欠き4Aを設けた爪状部4Bが設けられており、この爪状部4Bを負極集電リング6の内径に挿入して、負極集電リング6を軸芯4の下部に固定している。

負極集電リング6は、断面逆ハット状の負極リード板9のフランジ部（円周状平面部）に溶接されており、負極リード板9の逆ハット状の下側の先端部は電池容器10の底部に溶接されている。負極リード板9は、図３に示すように、３箇所の立ち上がり部9Aを備えており、これを、図４に示す２箇所の切り欠き4Aを備えた軸芯4の爪状部4Bと組み合わせると、図５に示すように、ガスが立ち上がり部9Aの間から切り欠き4Aを通り抜けることが可能となる十分な隙間が形成される。この隙間は、軸芯4と負極リード板9の組み合わせる角度が変わっても、すべての切り欠き4Aが塞がれることはなく、ガスが通り抜ける通路を確実に形成することができる。

円筒型非水電解液電池50の容器10内には、図示しない非水電解液が注液されており、電極群15を浸潤している。非水電解液には、例えば、エチレンカーボネート（EC）とジメチルカーボネート（DEC）との混合有機溶媒中に６フッ化リン酸リチウム（LiPF₆）を１モル／リットルの割合で溶解したものを用いる。

次に、図１に示した円筒型非水電解液電池50の組立手順について説明する。

まず、セパレータ3の捲回開始端部を軸芯4に接着剤で固定し、正極板1と負極板2とを、これらが直接接触しないようにセパレータ3を介して、渦巻き状に捲回して電極群15を作製する。このとき、正極リード片1A及び負極リード片2Aは、電極群15の両端面に互いに反対の向きとなるように配置する。その後、正極集電リング5及び負極集電リング6を、それぞれ軸芯4の両端部に固定し、正極リード片1A及び負極リード片2Aを変形させて、正極集電リングの立ち上がり部26又は負極集電リングの立ち下がり部27の周縁外周に集合して、ここに超音波溶接により固定する。

次に、電極群15と電池容器10とが直接接触しないように、例えば、基材がポリイミドでその片面にヘキサメタアクリレートからなる粘着剤を塗布した図示しない粘着テープを用いて、電極群15の外周を少なくとも１周以上に亘って巻いた後、正極及び集電リングを付けた電極群15を、負極集電リング6が底部側となるように電池容器10に挿入し、予め負極集電リング6に溶接しておいた負極リード板9を電池容器10に溶接する。その際、負極集電リング6と電池容器10の底面との間に負極集電リングスペーサ11を配置する。

次いで、非水電解液を電池容器10内に所定量注液した後、ガスケット12を介して封口電池蓋群20と電池容器10とに、かしめを施して固定することによって、円筒型非水電解液電池50を組み立てる。そして、円筒型非水電解液電池50に、初充電を行い、電池としての機能を付与することによって、円筒型非水電解液電池50の製造が完成する。

［実施例２］
次に、本発明に係る捲回式電池の実施例２について説明する。実施例２は、実施例１と同様に、円筒形非水電解液電池であるが、図６に示すように負極リード板9が２箇所の立ち上がり部9Aを備えるので、図７に示すように軸芯4の下端部に３箇所設けた切り欠き4Aと組み合わせることにより、図８に示すようにガスの通り抜けの可能な隙間を形成する。この隙間は、軸芯4と負極リード板9の組み合わせる角度が変わっても、全ての切り欠き4Aが負極リード板9の立ち上がり部9Aにより塞がれることはなく、ガスの通り抜ける通路を確実に形成することができる。

上記の構成を除いて、実施例２の円筒形非水電解液電池の構成と組立手順は、実施例１と同じである。実施例２においても、実施例１と同様の効果を得ることができる。

［実施例３］
さらに、本発明に係る捲回式電池の実施例３について説明する。実施例３は、実施例１及び２と同様に、円筒形非水電解液電池であるが、図９に示すように負極リード板9が４箇所の立ち上がり部9Aを備えるので、軸芯4の下端部に３箇所設けた切り欠き4Aと組み合わせることにより、図１０に示すようにガスの通り抜けの可能な隙間を形成する。この隙間は、軸芯4と負極リード板9の組み合わせる角度が変わっても、全ての切り欠き4Aが負極リード板9の立ち上がり部9Aにより塞がれることはなく、ガスの通り抜ける通路を確実に形成することができる。

上記の構成を除いて、実施例３の円筒形非水電解液電池の構成と組立手順は、実施例１又は２と同じである。実施例３においても、実施例１又は２と同様の効果を得ることができる。

［実施例４］
さらに、本発明に係る捲回式電池の実施例４について説明する。実施例４は、実施例１、２及び３と同様に、円筒形非水電解液電池であるが、負極リード板9が、実施例２と同様に２箇所の立ち上がり部9Aを備え、軸芯4は、その下端部に４箇所の切り欠き4Aを有している。それゆえ、これらを組み合わせることにより、図１１に示すようにガスの通り抜けの可能な隙間を形成する。この隙間は、軸芯4と負極リード板9の組み合わせる角度が変わっても、全ての切り欠き4Aが負極リード板9の立ち上がり部9Aにより塞がれることはなく、ガスの通り抜ける通路を確実に形成することができる。

上記の構成を除いて、実施例４の円筒形非水電解液電池の構成と組立手順は、実施例１、２又は３と同じである。実施例４においても、実施例１、２又は３と同様の効果を得ることができる。

以上のとおり、軸芯4の下端部に設けた切欠きの数は、４が上限とされることはなく、５以上としてもよいが、負極集電リングと嵌め合わせる上で十分な強度を有するように、切欠き4Aを円周上に均等な位置に配置し、各切欠き4Aと各爪状部4Bの弧の長さを同じとして、全周の５０％が開口部となるように設計することが好ましい。

また、上記の実施例では、いずれも電池群の上側に正極集電リングを、下側に負極としたが、正極と負極の位置を反対にしてもよい。

本発明は、電池容器内のガスが過充電等に起因して高圧となったときでも、これを確実に電池外に放出するので、安全性の高い捲回式電池を一般市場に提供するものであるから、産業上の利用可能性を有する。

1：正極板、1A：正極リード片、1B：正極合剤層、2：負極板、2A：負極リード片、2B：負極合剤層、3：セパレータ、4：軸芯、4A：負極側切り欠き、4B：負極側爪状部、5：正極集電リング、6：負極集電リング、8：正極リード板、9：負極リード板、9A：立ち上がり部、
10：電池容器、11：負極集電リングスペーサ、12：ガスケット、15：捲回電極群、
20：封口、21：上蓋キャップ、22：上蓋ケース、23：安全弁、24：弁押さえ、50：円筒型非水電解液電池

Claims

正極と負極とがセパレータを介して軸芯に捲回された電極群を収納した円筒形の捲回式電池であって、
前記軸芯は、長さ方向に貫通する中央孔を備え、
前記電極群の両端面に、前記軸芯に接するように配設された上側又は下側の集電リングを備え、
前記下側集電リングは、リード板を介して電池缶に電気的に導通されている円筒形の捲回式電池において、
前記リード板には、ｎ個の立ち上がり部を備え、
前記軸芯の下端には、ｍ個の切り欠きを備え、
ｍがｎと異なる数であり、
少なくとも一つの前記切り欠きは、少なくとも一部が前記軸芯の径方向において前記立ち上がり部と対向しないことを特徴とする捲回式電池。
請求項１に記載された捲回式電池であって、
前記下側集電リングは、前記電池缶の底部との間に前記リード板が配置された下部空間を形成すると共に該下部空間と前記電極群が収納された前記電池缶の内部空間とを連通する孔を備え、
前記軸芯の前記下端が前記下部空間に挿入され、前記切り欠きが前記下部空間に連通していることを特徴とする捲回式電池。
請求項１または請求項２に記載された捲回式電池であって、
前記ｎが２又は３であることを特徴とする捲回式電池。
請求項３に記載された捲回式電池であって、
前記ｍが２以上であることを特徴とする捲回式電池。
請求項４に記載された捲回式電池であって、
前記軸芯は円筒形であって、前記切り欠きを前記軸芯の下端の円周上の均等な位置に設けたことを特徴とする捲回式電池。
請求項５に記載された捲回式電池であって、
前記軸芯の下端の円周上において、前記切り欠きの弧の合計長さが、該円周の５０％であることを特徴とする捲回式電池。