JP5663172B2 - 円筒型電池およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は円筒型リチウムイオン二次電池等の円筒型電池に関する。

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アフラムを備え、さらにダイア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の発明による円筒型電池は、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、一端部に開口部を有し、前記電極捲回群を収納する円筒状の電池容器と、前記開口部にかしめ固定されて前記開口部を塞ぐとともに、電池の正極端子を有する封口体と、前記封口体と前記軸芯との間に挟持されて前記軸芯を軸方向に付勢する弾性付勢板を有し、前記正極電極に電気的に接続される正極集電部品と、前記正極集電部品と前記封口体とを電気的に接続する正極リードとを備え、前記封口体は、正極端子となるキャップと、前記キャップにかしめ固定されたダイアフラムと、前記ダイアフラムの裏面に電気的に接続された正極接続板と、前記ダイアフラムの裏面と前記正極接続板の外周表面との間に挟持された絶縁リングとを備え、前記正極集電部品は、前記軸芯に嵌合する中央部環状凸部と、前記封口体の前記絶縁リングと接する周辺部環状凸部と、前記中央部環状凸部と前記周辺部環状凸部とを接続する前記弾性付勢板とを備え、前記正極集電部品は、前記弾性付勢板を前記軸芯から前記封口体に向かって凸に変形した状態で、前記中央部環状凸部を前記軸芯に嵌合させて前記電池容器内の前記電極捲回群と前記封口体との間に収納され、前記弾性付勢板の反力により前記軸芯を前電池容器の底部に向けて付勢すると共に、前記絶縁リングに圧縮方向の弾性変形を生じさせ、前記封口体は、前記弾性付勢板が弾性力を発生するように設定された位置で前記開口部にかしめ固定されていることを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の円筒型電池において、前記ダイアフラムは、前記電池容器内の圧力上昇に伴って電池容器外方に膨出して前記正極接続板と電気的接続が断たれるように構成され、前記ダイアフラムの周縁が前記正極集電部品の前記周辺部環状凸部に載置されていることを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項２記載の円筒型電池において、前記正極集電部品は、前記絶縁リングを介して前記軸芯と前記ダイアフラムとの間で挟持され、前記絶縁リングの弾性反発力により、前記絶縁リングと前記ダイアフラムとの接触面、および前記絶縁リングと前記正極集電部品の周辺部環状凸部との接触面に摩擦力を生じさせることを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項１記載の円筒型電池を製造する方法であって、前記電極捲回群を前記電池容器に収容する第１工程と、前記正極リードにより前記封口体と前記正極集電部品とを電気的に接続する第２工程と、前記電池容器内に電解液を注入する第３工程と、前記封口体を前記正極集電部品の上端に載置して軸方向に負荷を加えて前記弾性付勢板を前記軸芯から前記封口体に向かって凸に変形させる第４工程と、前記弾性付勢板を前記変形させた状態で前記電池容器の開口部に前記封口体をかしめ固定する第５工程とを備えることを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、請求項４に記載の円筒型電池の製造方法において、前記ダイアフラムは、前記電池容器内の圧力上昇に伴って電池容器外方に膨出して前記正極接続板と電気的接続が断たれるように構成され、前記第４工程において、前記ダイアフラムの周縁が前記正極集電部品の前記周辺部環状凸部に載置されていることを特徴とする。
（６）請求項６の発明は、請求項５記載の円筒型電池の製造方法において、前記第４工程において、前記正極集電部品は、前記絶縁リングを介して前記軸芯と前記ダイアフラムとの間で挟持され、前記絶縁リングの弾性反発力により、前記絶縁リングと前記ダイアフラムとの接触面、および前記絶縁リングと前記正極集電部品の周辺部環状凸部との接触面に摩擦力を生じさせることを特徴とする。

本発明によれば、電池容器に対して電極捲回群を安定に保持することができる。

本発明による円筒型リチウムイオン二次電池の実施の形態を示す分解斜視図。 二次電池の縦断面図。 電極捲回群に正極集電部品を装着した組立体を説明する縦断面図。 封口体を示す縦断面図。 電極捲回群を電池容器に収納した状態を示す縦断面図。

本発明による円筒型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を封口体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、管状の樹脂製軸芯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いる。正極電極１４は、アルミ等の金属薄箔の両面に正極合剤１６を塗布して構成されている。正極電極１４の開口部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、銅等の金属薄箔の両面に負極合剤１７を塗布して構成されている。負極電極１５の電池容器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は、中央部において電池容器１の底部方向に突出して軸芯７に嵌入する環状凸部５１と、周辺部において封口体２２に向かって突出する環状凸部５２と、環状凸部５１および５２を接続する円環平板の中間環状板５３とによって構成されている。このように構成された正極集電部品５は、環状凸部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の中間環状板５３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は封口体２２の裏面に設けた正極接続板３０（図４参照）に溶接されている。このようにして、正極電極１４が封口体２２に電気的に接続される。封口体２２は後述する。

正極集電部品５は、封口体２２を電池容器１にかしめ固定後は、図２に示すように、環状凸部５１と５２が相互に接近するように中間環状板５３が上に凸に変形量δだけ変形する。その結果、中間環状板５３の弾性反発力により電極捲回群８が正極側でも電池容器１に拘束される。

（負極集電部品）
図２および図３に示すように、負極集電部品６は、電池容器１の底部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が容器１と電気的に接続されるとともに、軸芯７を電池容器１で固定する。その結果、電極捲回群８が負極側で拘束され。

（封口体）
図４に示すように、封口体２２は、排気口３ａ（図１参照）を有するキャップ３と、キャップ３に装着され開裂溝（不図示）を有する上蓋ケース（ダイアフラム）４と、上蓋ケース４の中央部裏面にスポット溶接された正極接続板３０と、正極接続板３０の周縁上面と上蓋ケース４の裏面４ａとの間に挟持される絶縁リング３１とを備えている。

キャップ３は、中央部に電池容器1の上方に突出する凸部３ａを備え、ハット状を呈している。凸部３ａは電池の正電極端子となる。上蓋ケース４は、キャップ３の周縁部にかしめ加工によって固着される。キャップ３は鉄（ＳＰＣＣ）にニッケルメッキを施して作製され、上蓋ケース４および正極接続板３０はアルミニウムを素材として作製されており、上蓋ケース４とキャップ３と正極接続板３０は電気的に接続される。

上述したとおり、正極接続板３０の裏面には正極リード９が接続され、キャップ３は上蓋ケース４、正極接続板３０，正極リード９、正極集電部品５を介して、正極電極１４に電気的に接続される。

封口体２２は、その周縁部を絶縁ガスケット２を介してかしめ加工することによって電池容器１に固着されるので、キャップ３の周縁部にかしめられた上蓋ケース４の周縁部の外径は、電池容器１の内周面の内径とほぼ等しい。

封口体２２は防爆機構を構成している。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、開裂溝において上蓋ケース４に亀裂が発生し、内部のガスがキャップ３の排気口３ａから排出されて電池容器１内の圧力が低減される。また、電池容器１の内圧によりダイアフラムと呼ばれる上蓋ケース４が容器外方に膨出して正極接続板３０との電気的接続が断たれ、過電流を抑制する。

（電池組立手順）
以上説明した各構成要素の組み立て方法について説明する。
電池容器１内に電極捲回群８を収容し、負極リード１０を電池容器１の底部内面１ａに溶接して固着する。正極集電部品５の中間環状板５３に溶接されている正極リード９の他端９ａを封口体２２の正極接続板３０の裏面に溶接する。電池容器１内に電解液を注入し、封口体２２を電池容器１の上端部にかしめ加工によって固着して電池容器１の開口部２０を封止する。

（電極捲回群８の正極側での拘束について）
図４および図５も参照して説明する。電池容器１のかしめ加工に際しては、開口部２０の近傍の全周を絞り治具１９により容器中心方向に絞り込み、容器１の上部にくびれ部１ｂを形成する。封口体２２を正極集電部品５の上に載置し、軸方向に所定の負荷Ｆ１を加える。正極集電部品５の下面中央の環状凸部５１は軸芯７に嵌合しているから、正極集電部品５の中間環状板５３は図２に示すように変形量δだけ上に凸に変形する。この中間環状板５３の変形により正極集電部品５は軸芯７を容器底部に向けて負荷Ｆ１で付勢する。したがって、中間環状板５３は、軸芯７を軸方向に付勢する付勢力を発生する弾性付勢板として機能する。

軸方向に所定の負荷Ｆ１を加えたまま、開口部２０に絶縁ガスケット２を配置させた状態で、開口部２０を内側に折り込んで封口体２２を締め付け、開口部２０を封口する。このようなかしめ加工により、封口体２２が絶縁ガスケット２を介して電池容器１に固着される。絶縁ガスケット２は、封口体２２と電池容器１とを電気的に絶縁するとともに、封口体２２の周囲を封水する。

なお、絶縁ガスケット２は、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）によって作製することができる。

中間環状板５３による弾性力Ｆ１により軸芯７には弾性支持力Ｆ２が発生する。電極捲回群８は、弾性支持力Ｆ２によって弾性支持され、軸方向の変位が拘束されるとともに、衝撃力等の外力が正極集電部品５によって吸収され、正極接続板３０と正極リード９の接合部である電気接続部ＥＣ１、正極集電部品５と正極リード９の接合部である電気接続部ＥＣ２、負極リード１０と電池容器１の接合部である電気接続部ＥＣ３や、その他の構成要素の損傷を防止することができる。

さらに、負荷Ｆ１によって、絶縁リング３１にも圧縮方向の弾性変形が生じ、この弾性変形にともなう弾性支持力Ｆ３が発生する。弾性支持力Ｆ３は、上蓋ケース４と絶縁リング３１との接触面、および絶縁リング３１と正極集電部品５との接触面（界面ＰＣ１として示す）において弾性摩擦力を生じさせ、電極捲回群８の周方向の回転変位Ｒを拘束する。その結果、正極集電部品５と正極タブ１２の接合部である電気接続部ＥＣ４、負極集電部品６と負極タブ１３の接合部である電気接続部ＥＣ５や、その他の構成要素の損傷を防止することができる。

さらに、弾性支持力Ｆ２、および弾性支持力Ｆ３による弾性摩擦力によって、電極捲回群８の揺動Ｓ０が抑制され、負極集電部品６と負極リード１０の接合部である電気接続部ＥＣ６の損傷やその他の構成要素の損傷を防止することができる。

なお、正極集電部品は特許文献１の円筒型リチウムイオン二次電池にも設けられているが、主に電極捲回群と封口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、一実施の形態の二次電池では、従来から使用されていた封口体２２を電池容器１にかしめ固定する軸方向の位置を、従来よりも電池底部１ａ側としただけで、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。

以上説明した円筒型電池の製造方法は、電極捲回群８を電池容器１に収容する第１工程と、正極リード９により正極集電部品５を封口体２２に電気的に接続する第２工程と、電池容器１内に電解液を注入する第３工程と、封口体２２を正極集電部品５の上端に載置して軸方向に負荷を加えて中間板である弾性付勢板５３を上に凸に変形させる第４工程と、弾性付勢板５３を変形させた状態で電池容器１の開口部２０に封口体２０をかしめ固定する第５工程とを備える。

上記円筒型電池の製造方法の第４工程では、弾性付勢板５３は上に凸に変形して付勢力を発生させる。また、第４工程では、ダイアフラム４の周縁が正極集電部品５の周辺部環状凸部５２に載置される。さらに、第４工程において、正極集電部品５は、絶縁リング３１を介して軸芯７とダイアフラム４の周縁との間で挟持され、絶縁リング３１の弾性反発力により、絶縁リング３１とダイアフラム４との接触面、および絶縁リング３１と正極集電部品５の周辺部環状凸部５２との接触面に摩擦力を生じさせる。

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電池に適用することができる。

１：電池容器 １ｂ：くびれ部
２：ガスケット ３：キャップ
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 １１：円筒型電池
１４：正極電極 １５：負極電極
１８：セパレータ ２２：封口体
３０：正極接続板 ３１：絶縁リング
５１：中央部環状凸部 ５２：周辺部環状凸部
５３：中間環状板５３

Claims (6)

1. 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、
   一端部に開口部を有し、前記電極捲回群を収納する円筒状の電池容器と、
   前記開口部にかしめ固定されて前記開口部を塞ぐとともに、電池の正極端子を有する封口体と、
   前記封口体と前記軸芯との間に挟持されて前記軸芯を軸方向に付勢する弾性付勢板を有し、前記正極電極に電気的に接続される正極集電部品と、
   前記正極集電部品と前記封口体とを電気的に接続する正極リードとを備え、
   前記封口体は、正極端子となるキャップと、前記キャップにかしめ固定されたダイアフラムと、前記ダイアフラムの裏面に電気的に接続された正極接続板と、前記ダイアフラムの裏面と前記正極接続板の外周表面との間に挟持された絶縁リングとを備え、
   前記正極集電部品は、前記軸芯に嵌合する中央部環状凸部と、前記封口体の前記絶縁リングと接する周辺部環状凸部と、前記中央部環状凸部と前記周辺部環状凸部とを接続する前記弾性付勢板とを備え、
   前記正極集電部品は、前記弾性付勢板を前記軸芯から前記封口体に向かって凸に変形した状態で、前記中央部環状凸部を前記軸芯に嵌合させて前記電池容器内の前記電極捲回群と前記封口体との間に収納され、前記弾性付勢板の反力により前記軸芯を前電池容器の底部に向けて付勢すると共に、前記絶縁リングに圧縮方向の弾性変形を生じさせ、
   前記封口体は、前記弾性付勢板が弾性力を発生するように設定された位置で前記開口部にかしめ固定されていることを特徴とする円筒型電池。
2. 請求項１に記載の円筒型電池において、前記ダイアフラムは、前記電池容器内の圧力上昇に伴って電池容器外方に膨出して前記正極接続板と電気的接続が断たれるように構成され、
   前記ダイアフラムの周縁が前記正極集電部品の前記周辺部環状凸部に載置されていることを特徴とする円筒型電池。
3. 請求項２記載の円筒型電池において、
   前記正極集電部品は、前記絶縁リングを介して前記軸芯と前記ダイアフラムとの間で挟持され、
   前記絶縁リングの弾性反発力により、前記絶縁リングと前記ダイアフラムとの接触面、および前記絶縁リングと前記正極集電部品の周辺部環状凸部との接触面に摩擦力を生じさせることを特徴とする円筒型電池。
4. 請求項１記載の円筒型電池を製造する方法において、
   前記電極捲回群を前記電池容器に収容する第１工程と、
   前記正極リードにより前記封口体と前記正極集電部品とを電気的に接続する第２工程と、
   前記電池容器内に電解液を注入する第３工程と、
   前記封口体を前記正極集電部品の上端に載置して軸方向に負荷を加えて前記弾性付勢板を前記軸芯から前記封口体に向かって凸に変形させる第４工程と、
   前記弾性付勢板を前記変形させた状態で前記電池容器の開口部に前記封口体をかしめ固定する第５工程とを備えることを特徴とする円筒型電池の製造方法。
5. 請求項４に記載の円筒型電池の製造方法において、
   前記ダイアフラムは、前記電池容器内の圧力上昇に伴って電池容器外方に膨出して前記正極接続板と電気的接続が断たれるように構成され、
   前記第４工程において、前記ダイアフラムの周縁が前記正極集電部品の前記周辺部環状凸部に載置されていることを特徴とする円筒型電池の製造方法。
6. 請求項５記載の円筒型電池の製造方法において、
   前記第４工程において、前記正極集電部品は、前記絶縁リングを介して前記軸芯と前記ダイアフラムとの間で挟持され、
   前記絶縁リングの弾性反発力により、前記絶縁リングと前記ダイアフラムとの接触面、および前記絶縁リングと前記正極集電部品の周辺部環状凸部との接触面に摩擦力を生じさせることを特徴とする円筒型電池の製造方法。

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