JP5715155B2 - 円筒形二次電池 - Google Patents

Description

この発明は、円筒形二次電池に関する。

リチウム二次電池等に代表される円筒形二次電池においては、正極電極と負極電極とをセパレータを介して中空円筒状の軸芯の周囲に捲回して発電要素としての電極群を形成する。電極群は電池缶に収容され、正極電極と負極電極のうちの一方が、正・負極の一方の外部端子となる電池缶の缶底に溶接され、他方が逆極性の外部端子となる蓋部材に溶接される。蓋部材に溶接する前に電解液が電池缶内に注入され、蓋部材に電極群を溶接した後、蓋部材と電池缶とがかしめにより外部から密封される。

正・負極の電極を電池缶または蓋部材に溶接するには、多数の導電リードを用いる構造と、１〜２本の少ない数の導電リードを用いる構造とがある。少ない数の導電リードを用いる構造は、主に、充放電電流の小さい小型の円筒形二次電池に用いられている。
円筒形二次電池は、充放電時に生じる電極群の伸縮と揺れや軸方向への変位に伴って、導電リードと電池缶および蓋部材との溶接部に捩じりが作用するので、長期間の使用により溶接部分に破断が生じやすい。
このため、溶接部の破断を防ぐ構造が種々検討されており、一例として、導電リードに、中央部のガス抜き穴を塞がないような螺旋形状部を設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。上記特許文献には、缶底側の溶接部の構造は記載されていない。

特開２００１−２３６０８号公報

上記特許文献では、導電リードは、中央部のガス抜き穴を塞がないような螺旋形状に形成されており、溶接用端部は軸芯の中央部から外れた位置で蓋部材に溶接されている。導電リードを電池缶の缶底に溶接する方法の一例として、軸芯の中空部に電極棒を挿入し、電極棒の先端で電極リードの溶接用端部を電池缶の缶底に押圧した状態で、例えば、抵抗溶接等により溶接する方法が知られている。上記特許文献の如く、導電リードの溶接用端部が中央部からズレた位置にある構造では、上記方法が適用できない。このため、例えば、導電リードを予め電極板に溶接しておき、電極板を電極群と共に電池缶に収容するような作業効率の低い方法を採用しなければならない。

本発明の第１の態様による円筒形二次電池は、正極電極と負極電極とがセパレータを介して、中空部を有する軸芯の周囲に捲回された電極群が電池缶内に収容され、負極電極に溶接された本体部を有する導電リードと正極電極に溶接された本体部を有する導電リードのうち、一方の導電リードが電池缶の開口部を覆う蓋部材に接続され、他方が電池缶の缶底に溶接された円筒形二次電池であって、少なくとも電池缶の缶底に溶接された導電リードは、軸芯の中空部の中央部に対応する位置に延出された溶接用端部および軸芯の軸方向および半径方向に変形可能に引き回された引回し部を有し、溶接用端部が電池缶の缶底に溶接されている。
本発明の第２の態様による円筒形二次電池は、請求項１に記載の円筒形二次電池において、導電リードの引回し部は、溶接用端部から平面的に重ならないように溶接用端部の周囲に引回されている。
本発明の第３の態様による円筒形二次電池は、請求項１または２に記載の円筒形二次電池において、導電リードは、本体部と引回し部との間に、少なくとも１箇所、引回し部を軸芯側から電極群の外周側に向けて折曲する折曲部を有する。
本発明の第４の態様による円筒形二次電池は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の円筒形二次電池において、導電リードの引回し部は渦巻形状である。
本発明の第５の態様による円筒形二次電池は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の円筒形二次電池において、電池缶の缶底に溶接された導電リードは、正極電極または負極電極の軸芯の巻始め側側縁において正極電極または負極電極に溶接されている。
本発明の第６の態様による円筒形二次電池は、請求項５に記載の円筒形二次電池において、さらに、導電リードと電池缶の缶底との間に配置された絶縁シートを有し、絶縁シートは、軸芯の中空部に対応する開口部と軸芯の導電リードを挿通するためのスリットを有する。
本発明の第７態様による円筒形二次電池は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の円筒形二次電池において、電池缶の缶底に溶接された溶接用端部を有する導電リードは、正極電極または負極電極における長さ方向の中間部において正極電極または負極電極に溶接されている。
本発明の第８の態様による円筒形二次電池は、請求項７に記載の円筒形二次電池において、さらに、導電リードと電池缶の缶底との間に配置された絶縁シートを有し、絶縁シートは、軸芯の中空部に対応する位置に設けられた第１の開口部と、導電リードが正極電極または負極電極に溶接された導電リードの根元に対応する位置に設けられた第２の開口部と、第２の開口部から外部に導出された、導電リードを挿通するためのスリットを有する。
本発明の第９の態様による円筒形二次電池は、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の円筒形二次電池において、溶接用端部と電池缶の缶底との溶接部は、半径が１〜５ｍｍの大きさである。

導電リードは、軸芯の軸方向および軸方向と直角方向に変形可能なため、溶接部の破断を防止することができる。また、溶接用端部が軸芯の中空部の中央部に対応する位置に延出されているので、軸芯の中空部に電極棒を挿通して、溶接部用端部を、直接、電池缶の缶底に溶接することが可能である。

この発明の円筒形二次電池の一実施形態の断面図。 図１に図示された円筒形二次電池の分解斜視図。 図２に図示された電極群の導電リードを折曲する前の状態を示す斜視図。 図３に図示された電極群の一部を展開した状態の斜視図。 正極電極と導電リードの接続状態を示す平面図。 負極電極と導電リードの接続状態を示す平面図。 電極群に絶縁シートを取り付ける方法を説明するための斜視図。 電極群の導電リードの構造を説明するための斜視図。 導電リードを折曲した状態の詳細構造を説明するための図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面図。 導電リードを電池缶に溶接する方法を説明するための断面図。 捩じり試験の結果を示す図。 振動試験の結果を示す図。 本発明の円筒形二次電池の実施形態２の断面図。 図１３に示された電極群に絶縁シートを取り付ける方法を説明するための斜視図。 図１４に図示された正極電極と導電リードの接続状態を示す平面図。 図１４に図示された負極電極と導電リードの接続状態を示す平面図。

--実施形態１--
以下、この発明の円筒形二次電池を、リチウムイオン円筒形二次電池を一実施形態として図面と共に説明する。
（二次電池の全体構成）
図１は、この発明の円筒形二次電池の断面図であり、図２は、図１に示された円筒形二次電池の分解斜視図である。但し、図２においては、図１に図示された電池缶は図示を省略されている。
円筒形二次電池１は、例えば、外形１４〜２６ｍｍφ程度、高さ４３〜６５ｍｍ程度の寸法を有する。
この円筒形二次電池１は、有底円筒形の電池缶２とハット型の蓋体３とを、通常、ガスケットと言われるシール部材４３を介在してかしめ加工を行い、外部から密封された構造の電池容器４を有する。有底円筒形の電池缶２は、鉄、アルミニウム、ステンレス等の金属板をプレス加工して形成され、鉄製の場合は腐食防止のため外側および内側の表面全体にニッケル等のめっき膜が形成されている。電池缶２は、その開放側である上端部側に開口部２０２を有する。電池缶２の開口部２０２側には、電池缶２の内側に突き出した溝２０１が形成されている。電池缶２の内部には、以下に説明する発電用の各構成部材が収容されている。

１０は、電極群であり、中央部に軸芯１５を有し、軸芯１５の周囲に正極電極および負極電極が捲回されている。軸芯１５は中央に中空部１５ａを有する中空円筒形状を有する。
図３は、図２に図示された電極群の導電リードを折曲する前の状態を示す斜視図であり、図４は、図３に図示された電極群の一部を展開した斜視図である。但し、図４では、図３における絶縁シート（詳細は後述）は、図示を省略されている。
電極群１０は、軸芯１５の周囲に、図４に図示されるように、正極電極１１、負極電極１２、および第１、第２のセパレータ１３、１４が捲回された構造を有する。
軸芯１５は、中空円筒状を有し、軸芯１５には、負極電極１２、第１のセパレータ１３、正極電極１１および第２のセパレータ１４が、この順に積層され、捲回されている。最内周の負極電極１２の内側には第１のセパレータ１３および第２のセパレータ１４が数周捲回されている。また、最外周は負極電極１２およびその外周に捲回された第２のセパレータ１４となっている。最外周の第２のセパレータ１４が、例えば、カプトン（登録商標）テープ等の接着テープ１９で留められる（図２、図３参照）。

正極電極１１には、正極側の導電リード２１が溶接され、負極電極１２には、負極側の導電リード２２が溶接されている。
図５は、正極電極１１と正極側の導電リード２１の接続状態を示す平面図であり、図６は、負極電極１２と負極側の導電リード２２の接続状態を示す平面図である。

図５に図示されるように、正極電極１１は、アルミニウム箔により形成され長尺な形状の正極シート１１ａを有し、この正極シート１１ａの両面に正極合剤１１ｂが塗布されて形成されている（図５では、正極シート１１ａの片面のみが図示されている）。正極シート１１ａの軸芯１５（図５では二点鎖線により記載されている）の巻始め側の軸方向側縁は、正極合剤１１ｂが塗布されずアルミニウム箔が表出した正極合剤未処理部１１ｃとなっている。正極合剤１１ｂは、正極合剤未処理部１１ｃを除く正極シート１１ａの全面に塗布され、正極シート１１ａの幅と正極合剤１１ｂの幅とは同一である。正極合剤未処理部１１ｃには、軸芯１５と平行に上方に突き出すアルミニウム箔により形成された正極側の導電リード２１が溶接されている。正極シート１１ａと正極側の導電リード２１との溶接は、例えば、抵抗溶接によるものである。

正極電極１１の形成方法の一例を下記に示す。
正極活物質としてＬｉＮｉ_0.33Ｍｎ_0.33Ｃｏ_0.33Ｏ₂、導電剤として粉末状炭素、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を８５：１０：５の重量比で測りとり、これに溶媒として適量のＮ-メチル-ピロリドン（ＮＭＰ）を加えて、これらを、混練機を用い３０分間混練し正極スラリを得る。正極スラリを正極シート１１ａに塗布する方法の例として、ロール塗工法、スリットダイ塗工法、などが挙げられる。この正極スラリをアルミニウム箔（厚さ２０μｍ、幅５６ｍｍ)からなる正極シート１１ａに両面塗工する。正極スラリの塗布厚さの一例としては片側約４０μｍである。その後、プレス機を用いて１３ｔ〜１４ｔの加重で正極シート１１ａを圧延成型し、その後１２０℃で３時間真空乾燥する。

図６に図示されるように、負極電極１２は、銅箔により形成され長尺な形状の負極シート１２ａを有し、この負極シート１２ａの両面に負極合剤１２ｂが塗布されて形成されている（図６では、負極シート１２ａの片面のみが図示されている）。負極シート１２ａの軸芯１５（図６では二点鎖線により記載されている）の巻始め側の軸方向側縁は、負極合剤１２ｂが塗布されず銅箔が表出した負極合剤未処理部１２ｃとなっている。負極合剤１２ｂは、負極合剤未処理部１２ｃを除く負極シート１２ａの全面に塗布され、負極シート１２ａの幅と負極合剤１２ｂの幅とは同一である。負極合剤未処理部１２ｃには、軸芯１５と平行に上方に突き出すニッケル箔により形成された負極側の導電リード２２が溶接されている。負極シート１２ａと負極側の導電リード２２との溶接は、例えば、抵抗溶接によるものである。

負極電極１２の形成方法の一例を下記に示す。
負極活物質として天然黒鉛、導電剤として粉末状炭素、結着剤としてＰＶＤＦを負極活物質：導電剤：結着剤＝９０：５：５の重量比で測りとり、これに溶媒として適量のＮ-メチル-ピロリドン（ＮＭＰ）を加えて、これらを、混練機を用い３０分間混練し負極スラリを得る。得られた負極スラリを厚さ１０μｍの銅箔（厚さ１０μｍ、幅５７ｍｍ)からなる負極シート１２ａに両面塗工する。負極スラリを負極シート１２ａに塗布する方法の例として、負極スラリの構成物質の分散溶液を負極シート１２ａ上に塗布する方法が挙げられる。塗布方法の例として、ロール塗工法、スリットダイ塗工法などが挙げられる。その後、プレス機を用いて１３ｔ〜１４ｔの加重でシートを圧延成型し、その後１２０℃で３時間真空乾燥する。負極スラリの塗布厚さの一例としては片側約４０μｍである。

図４に図示されるように、負極シート１２ａに形成される負極合剤１２ｂの幅ＷCは、正極シート１１ａに形成される正極合剤１１ｂの幅ＷAより大きく形成される。また、第１のセパレータ１３および第２のセパレータ１４の幅ＷSは、負極シート１２ａに形成される負極合剤１２ｂの幅ＷCより大きく形成される。
つまり、ＷA＜ＷC＜ＷSの関係となっている。
負極合剤１２ｂの幅ＷCが正極合剤１１ｂの幅ＷAよりも大きいことにより、異物の析出による内部短絡を防止する。これは、リチウムイオン二次電池の場合、正極活物質であるリチウムがイオン化してセパレータを浸透するが、負極側に負極活物質が形成されておらず負極シート１２ａが露出していると負極シート１２ａにリチウムが析出し、内部短絡を発生する原因となるからである。

第１、第２のセパレータ１３、１４は、例えば、厚さ４０μｍのポリエチレン製多孔膜である。

正極側の導電リード２１は、第１、第２のセパレータ１３、１４の巻始め側側縁を介して軸芯１５の外周に接面するように配され、電極群１０の上方側に突き出している。負極側の導電リード２２は、第１、第２のセパレータ１３、１４の巻始め側側縁を介して軸芯１５の外周に接面するように配され、電極群１０の下方側に突き出している。正極側の導電リード２１は、正極シート１１ａに溶接された本体部２１ａから折曲された渦巻形状部（引回し部）２１ｂを有する。負極側の導電リード２２は、負極シート１２ａに溶接された本体部２２ａから折曲された渦巻形状部（引回し部）２２ｂを有する。各渦巻形状部２１ｂ、２２ｂの詳細は後述するが、その先端部は、それぞれ、軸芯１５の中空部１５ａに対応する位置に延出された溶接用端部２１ｃ、２２ｃとなっている。

電極群１０の上面側および下面側には、軸芯１５に対応する位置に、軸芯１５の外周より少し大きい直径の開口部２５ａを有する絶縁シート２５（図２参照）が配置されている。絶縁シート２５には外周から開口部２５ａに達するスリット２５ｂが形成されている。
図７は、各絶縁シート２５を電極群１０に取り付ける前の状態を示す斜視図である。
絶縁シート２５を取り付けるには、スリット２５ｂを、正・負極側の各導電リード２１または２２の本体部２１ａまたは２２ａに位置合わせする。そして、図７において、絶縁シート２５を水平方向に移動して、開口部２５ａ内に導電リード２１または２２の本体部２１ａまたは２２ａを収める。絶縁シート２５の開口部２５ａの半径は、軸芯１５の中心から、導電リード２１または２２の本体部２１ａまたは２２ａの位置までの半径より少し大きく形成されている。このため、絶縁シート２５の開口部２５ａ内に各導電リード２１または２２の本体部２１ａまたは２２ａが配置された状態で、絶縁シート２５は軸芯１５と同軸となる。この状態で、絶縁シート２５の外周は、電極群１０の外周とほぼ同一面もしくは電極群１０の外周より少し内側となるサイズとされている。

正極側の導電リード２１の上方には、蓋ユニット５（図２参照）が配置されている。蓋ユニット５は、集電板２７、絶縁板３４、接続板３５、ダイアフラム３７および蓋体３により構成されている。
集電板２７は、例えば、アルミニウムにより形成され、中央側が電極群１０側に向かって突き出す皿形状を有する。集電板２７の下面には、正極側の導電リード２１の溶接用端部２１ｃが超音波溶接またはスポット溶接により接合される。導電リード２１と集電板２７とは、軸芯１５の中空部１５ａの径方向外側の位置で溶接される（図１参照）。しかし、導電リード２１と集電板２７との溶接部は、後述するように、軸芯１５の中空部１５ａに対応する位置であっても差し支えはない。集電板２７には、電池内部に発生するガスを放出するための複数の開口部２７ａ（図２参照）が形成されている。

集電板２７は、電解液によって酸化されるので、アルミニウムで形成することにより信頼性を向上することができる。アルミニウムは、なんらかの加工により表面が表出すると、直ちに、表面に酸化アルミウム皮膜が形成され、この酸化アルミニウム皮膜により、電解液による酸化を防止することができる。

絶縁板３４は、絶縁性樹脂材料で形成されたリング形状を有する。絶縁板３４は、開口部３４ａ（図２参照）と下方に突出す側部３４ｂを有している。絶縁材３４の開口部３４ａ内には、集電板２７と接続板３５とが周縁部を接触させ、電気的に接続された状態で嵌合されている。

接続板３５は、アルミニウム合金で形成され、中央部を除くほぼ全体が均一で、かつ、中央側が少々低い位置に撓んだ、ほぼ皿形状を有している。接続板３５の厚さは、例えば、１ｍｍ程度である。接続板３５の中心には、薄肉でドーム形状に形成された突起部３５ａが形成されており、突起部３５ａの周囲には、複数の開口部３５ｂ（図２参照））が形成されている。開口部３５ｂは、電池内部に発生するガスを放出するためのものである。

接続板３５の突起部３５ａはダイアフラム３７の中央部の底面に抵抗溶接または摩擦拡散接合により接合されている。ダイアフラム３７はアルミニウム合金で形成され、ダイアフラム３７の中心部を中心とする円形の切込み３７ａを有する。切込み３７ａはプレスにより上面側をＶ字形状に押し潰して、残部を薄肉にしたものである。

ダイアフラム３７は、電池の安全性確保のために設けられており、電池の内圧が上昇すると、第１段階として、上方に反り、接続板３５の突起部３５ａとの接合を剥離して接続板３５から離間し、接続板３５との電気的導通を絶つ。第２段階として、それでも内圧が上昇する場合は切込み３７ａにおいて開裂し、内部のガスを放出する機能を有する。

ダイアフラム３７は周縁部において蓋体３の周縁部３ａを固定している。ダイアフラム３７は図２に図示されるように、当初、周縁部に蓋体３側に向かって垂直に起立する側部３７ｂを有している。この側部３７ｂ内に蓋体３を収容し、かしめ加工により、側部３７ｂを蓋体３の上面側に屈曲して固定する。
蓋体３は、炭素鋼等の鉄で形成され、外側および内側の表面全体にニッケル等のめっき膜が施されている。蓋体３は、ダイアフラム３７に接触する円盤状の周縁部３ａとこの周縁部３ａから上方に突出す有頭無底の筒部３ｂを有するハット型を有する。筒部３ｂには開口部３ｃが形成されている。この開口部３ｃは、電池内部に発生するガス圧によりダイアフラム３７が開裂した際、ガスを電池外部に放出するためのものである。
なお、蓋体３が鉄で形成されている場合には、別の円筒形二次電池と直列に接合する際、鉄で形成された別の円筒形二次電池とスポット溶接により接合することが可能である。

蓋体３、ダイアフラム３７、絶縁板３４、接続板３５および集電板２７は、一体化され蓋ユニット５を構成する。蓋ユニット５を組立てる方法を下記に示す。
まず、ダイアフラム３７に蓋体３を固定しておく。ダイアフラム３７と蓋体３との固定は、かしめ等により行う。図２に図示された如く、当初、ダイアフラム３７の側壁３７ｂは基部３７ａに垂直に形成されているので、蓋体３の周縁部３ａをダイアフラム３７の側壁３７ｂ内に配置する。そして、ダイアフラム３７の側壁３７ｂをプレス等により変形させて、蓋体３の周縁部の上面および下面および外周側面を覆って圧接する。

一方、接続板３５を絶縁板３４の開口部３４ａに嵌合して取り付けておく。次に、絶縁板３４を間に挟持した状態で、接続板３５の突起部３５ａを、蓋体３が固定されたダイアフラム３７の底面に溶接する。この場合の溶接方法は、抵抗溶接または摩擦拡散接合を用いることができる。次に、集電板２７を絶縁板３４の開口部３４ａに嵌合し、周縁部を接続板３５に接触させた状態で絶縁板３４により保持する。必要に応じ、集電板２７と接続板３５を溶接してもよい。このように、蓋体３にダイアフラム３７がかしめられ、ダイアフラム３７に接続板３５が溶接され、接続板３５に絶縁板３４が保持され、絶縁板３４に集電板２７が保持されて、蓋ユニット５が構成される。

上述したように、蓋ユニット５の蓋体３は正極側の導電リード２１、集電板２７、接続板３５およびダイアフラム３７を介して正極電極１１に接続されている。このように、正極電極１１と接続されている蓋体３は一方の外部端子として作用する。

ダイアフラム３７の側部３７ｂの周縁部を覆って、通常、ガスケットと言われるシール部材４３が設けられている。シール部材４３は、ゴムで形成されており、限定する意図ではないが、１つの好ましい材料の例として、エチレンプロピレン共重合体（ＥＰＤＭ）をあげることができる。シール部材４３の厚さは１．０ｍｍ程度とされる。

シール部材４３は、当初、図２に図示されるように、リング状の基部４３ａの周側縁に、上部方向に向けてほぼ垂直に起立して形成された外周壁部４３ｂと、内周側に、基部４３ａから下方に向けてほぼ垂直に垂下して形成された筒部４３ｃとを有する形状を有している。

そして、プレス等により、電池缶２と共にシール部材４３の外周壁部４３ｂを屈曲して基部４３ａと外周壁部４３ｂにより、ダイアフラム３７と蓋体３を軸方向に圧接するようにかしめ加工される。これにより、蓋体３、ダイアフラム３７、絶縁板３４、接続板３５および集電板２７が一体に形成された蓋ユニット５がシール部材４３を介して電池缶２に固定される。

負極側の導電リード２２は、軸芯１５の中空部１５ａの中央部に延出された溶接用端部２２ｃを有する。図１に図示されるように、溶接用端部２２ｃは、電池缶２の缶底２０３に抵抗溶接等により溶接されている（図１参照）。
負極側の導電リード２２により負極電極１２に接続された電池缶２は他方の外部端子として作用する。一方の極性の外部端子として機能する蓋体３と他方の極性の外部端子として機能する電池缶２により、電極群１０に蓄えられた電力を放電し、また電極群１０に充電をすることが可能となる。

電池缶２の内部には、非水電解液が所定量注入されている。非水電解液の一例としては、リチウム塩がカーボネート系溶媒に溶解した溶液を用いることが好ましい。リチウム塩の例として、フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）、フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ_４）、などが挙げられる。また、カーボネート系溶媒の例として、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、或いは上記溶媒の１種類以上から選ばれる溶媒を混合したもの、が挙げられる。

（導電リードの構造）
次に、正極側および負極側の導電リード２１および２２の詳細構造を説明する。
正極側の導電リード２１と負極側の導電リード２２とは、溶接用端部２１ｃと２２ｃの位置が相違する以外は同一である。
そこで、負極側の導電リード２２について説明し、その後、正極側の導電リード２１における負極側の導電リード２２との相違点について説明する。
導電リード２２は、当初、図６に図示されるように、ニッケル箔をプレスして、本体部２２ａの一端側（図６では下端側）に渦巻形状部２２ｂを有する形状に形成される。本明細書において、渦巻形状とは、中心部から裾側に向けて渦巻状に拡大して引回される形状を有し、かつ、平面視で、互いに重合する部分を有していない形状と定義する。このような渦巻形状を有する渦巻形状部２２ｂは、平面視で、互いに重合する部分を有していない形状であるので、プレスにより効率的に形成することができる。

渦巻形状部２２ｂの先端部は、本体部２２ａの中心軸上に位置する溶接用端部２２ｃを有する。導電リード２２の本体部２２ａを負極シート１２の負極合剤未処理部１２ｃに溶接した後、負極シート１２ａを軸芯１５の外周に捲回する。そして、電極群１０を形成後、本体部２２ａと渦巻形状部２２ｂとの間で折曲する。
図８は、図１に図示された電極群の導電リードの構造を説明するための斜視図であり、図９（Ａ）は、導電リードを折曲した状態の詳細構造を説明するための斜視図であり、図９（Ｂ）は、側面図である。

導電リード２２は、軸芯１５の外周近傍に位置する本体部２２ａの、負極シート１２ａから突き出した近傍において、電極群１０の外側に向けて折曲される（図１も参照）。そして、渦巻形状部２２ｂの外周部が電極群１０の外周部と一致する位置で、電極群１０の中心側に向けて折曲される。これにより、導電リード２２の先端側の溶接用端部２２ｃが電極群１０の軸芯１５とほぼ同軸となる。そして、導電リード２２の先端側を電極群１０から離間する方向に引っ張ることにより、図１にも示されるように、渦巻形状部２２ｂ全体がほぼ同じ角度に傾斜するように変形させる。

一例として、導電リード２２は、図８において、電極群１０の下端面から溶接用端部２２ｃまでの長さＬが２５〜３５ｍｍ程度となるようにする。
図１０は、負極側の導電リード２２を電池缶２の缶底２０３に溶接する状態を示す断面図である。
電極群１０を電池缶２内に収容し、電極棒６１を軸芯１５の中空部１５ａ内に挿通する。
この状態では、正極側の導電リード２１の先端側の溶接用端部２１ｃは、軸芯１５の中空部１５ａより外側に位置している。電極群１０を電池缶２内に収容すると、負極側の導電リード２２の溶接用端部２２ｃは、軸芯１５の中空部１５ａに対応する位置に配置される。そこで、電極棒６１の先端部で導電リード２２の溶接用端部２２ｃを電池缶２の缶底２０３の内面に押付け、この状態で缶底２０３に溶接することができる。

このように、本実施形態によれば、電極群１０を電池缶２内に収容しただけで、電極棒６１により、直接、導電リード２２を電池缶２に溶接をすることができる。このため、作業性を大幅に向上することができる。

円筒形二次電池は、充放電時に電極群１０が半径方向に伸縮する。また、揺れ等により、電極群１０が軸方向に変位する。このため、導電リード２２と電池缶２の缶底２０３が溶接された溶接部に捩りが作用し、長期間の使用により溶接部分に破断が生じやすい。
しかし、本実施形態によれば、電極群１０の軸方向の変位に対しては、導電リード２２が軸方向に伸縮する。また、電極群１０の円周方向の回転に伴う捩じれに対しては、導電リード２２が半径方向に伸縮する。これにより、導電リード２２の溶接用端部２２ｃと電池缶２の缶底２０３との溶接部に作用する外力を低減し、溶接部の破断を防止することができる。

正極側の導電リード２１は、先端側の溶接用端部２１ｃが、電極群１０の軸心上に位置しておらず、図１に図示されるように、軸芯１５の中空部１５ａの径方向外側において、蓋ユニット５の集電板２７に溶接される。しかし、導電リード２１は、容易に変形をすることが可能である。そこで、図１０に示すように、一時的に軸芯１５の中空部１５ａの外側に変形させて、電極棒６１を軸芯１５の中空部１５ａ内に挿入することができるので、上述した如く、正極側の導電リード２１の溶接用端部２１ｃを軸芯１５の中空部１５ａの軸心上に配置するようにしてもよい。
いずれにしても、正極側の導電リード２１も、電極群１０の軸方向の変位に対しては、軸方向に伸縮し、また、電極群１０の円周方向の回転に伴う捩じれに対しては半径方向に伸縮するので、負極側の導電リード２２と同様、溶接部の破断を防止する作用を有する。

（円筒形二次電池の製造方法）
以下、本発明の実施形態として示す円筒形二次電池の製造方法について説明する。
〔電極群作製〕
先ず、電極群１０を作製する。正極シート１１ａの両面に、正極合剤未処理部１１ｃを除いて、正極合剤１１ｂが塗工された正極電極１１を作製する。また、負極シート１２ａの両面に、負極合剤未処理部１２ｃを除いて、負極合剤１２ｂが塗工された正極電極１１を作製する。

正極合剤未処理部１１ｃに正極側の導電リード２１の本体部２１ａを溶接し、図５に図示される如く、導電リード２１が接合された正極電極１１を作製する。また、負極合剤未処理部１２ｃに負極側の導電リード２２の本体部２２ａを溶接し、図６に図示される如く、導電リード２２が接合された負極電極１２を作製する。

次に、第１のセパレータ１３および第２のセパレータ１４の最も内側の側縁部を軸芯１５に溶接する。次に、第１のセパレータ１３と第２のセパレータ１４を軸芯１５に１〜数周捲回し、第２のセパレータ１４と第１のセパレータ１３との間に負極電極１２を挟み込み、所定角度、軸芯１５を捲回する。次に、第１のセパレータ１３と第２のセパレータ１４との間に正極電極１１を挟み込む。そして、この状態で、所定の巻数分、捲回して電極群１０を作製する。

次に、図７に図示されるように、絶縁シート２５のスリット２５ｂを、電極群１０の上面および下面から突き出された導電リード２１、２２の本体部２１ａ、２２ａの根元部分に差し込み、絶縁シート２５を電極群１０とほぼ同軸上に配置する。
これにより、導電リード２１の本体部２１ａおよび導電リード２２の本体部２２ａは、それぞれ、絶縁シート２５の開口部２５ａ内に配置され、電極群１０の上面および下面は、開口部２５ａに対応する領域を除いて、ほぼ全体が絶縁シート２５によって覆われる。

次に、図９に図示されるように、導電リード２１と導電リード２２とを、それぞれ、本体部２１ａ、２２ａの根元部で、それぞれ、電極群１０の外周側に向けて折曲する。また、さらに、渦巻形状部２１ｂ、２２ｂの外周部近傍で、電極群１０の軸心側に向けて折曲する。これにより、導電リード２２の溶接用端部２２ｃを電極群１０の軸芯１５と同軸上に配置する。また、導電リード２１の溶接用端部２１ｃを電極群１０の軸芯１５の中空部１５ａの径方向外側に配置する。このようにして、図２に図示されたように、渦巻形状部２１ｂ、２２ｂがそれぞれ、上面側および下面側から突き出した導電リード２１、２２を有し、上面側および下面側が絶縁シート２５により覆われた電極群１０が作製される。

〔電池缶作製〕
一方、図１に図示されるように、開口部２０２を有する無頭有底状の電池缶２を作製する。電池缶２には、外側および内側の表面全体にめっきが施されている。

〔電池容器への収容〕
次に、電極群１０を電池缶２内に収容する。

〔負極接合〕
そして、図１０の図示されるように、軸芯１５の中空部１５ａに電極棒６１を挿通し、導電リード２２の溶接用端部２２ｃを電池缶２の缶底２０３に溶接する。電極棒６１は、通常、半径が１〜５ｍｍであり、溶接用端部２２ｃの面積は、電極棒６１より大きい面積を有することが望ましい。これより、導電リード２２の溶接用端部２２ｃと電池缶２の缶底２０３の溶接部の大きさは半径１〜５ｍｍ程度となる。この場合、溶接部の大きさは半径３〜５ｍｍ程度とすることがより好ましい。

次に、電池缶２の上端部側の一部を絞り加工して内方に突出し、外面にほぼＵ字状の溝２０１を形成する。

〔電解液注入〕
次に、電極群１０が収容された電池缶２の内部に非水電解液を所定量注入する。非水電解液は、軸芯１５の上端の中空部１５ａから注入する。非水電解液は、上述した如く、例えば、リチウム塩がカーボネート系溶媒に溶解した溶液を用いる。

〔蓋ユニット作製〕
一方、上記組立プロセスとは別に、蓋ユニット５を作製しておく。
蓋ユニット５は、前述した如く、絶縁板３４、絶縁板３４の開口部３４ａに嵌入された集電板２７、および接続板３５、接続板３５に溶接されたダイアフラム３７およびダイアフラム３７に、かしめにより固定された蓋体３により構成されている。蓋ユニット５の作製方法は上述した通りである。

〔正極接合〕
電極群１０と蓋ユニット５とを電気的に接続する。先ず、電池缶２の溝２０１の上にシール部材４３を載置しておく。この状態におけるシール部材４３は、図２に図示するように、リング状の基部４３ａの上方に、基部４３ａに対して垂直な外周壁部４３ｂを有する構造となっている。
次に、シール材４３の基部４３ａ上に、蓋ユニット５を傾斜した姿勢で載置する。これには、蓋ユニット５をほぼ垂直にした状態で、外周の一部をシール材４３の基部４３ａ上に載せ、蓋ユニット５の外周の反対側を電池缶２側に適宜な角度に倒せばよい。この状態で、蓋ユニット５の集電板２７の下面に導電リード２１の溶接用端部２１ｃを溶接する。

〔封口〕
集電板２７と導電リード２１との溶接が完了したら、蓋ユニット５をほぼ水平に倒してダイアフラム２７の周縁部の下面全周をシール材４３の基部４３ａに接面させる。この状態で、電池缶２と電池ユニット５とをかしめ加工することにより封口して外部から密封する。このようにして、図１に図示される円筒形二次電池１が得られる。

(効果の確認)
本発明の効果を確認するために、本発明の円筒形二次電池と比較例の円筒形二次電池を用いて、捩じり試験と振動試験を実施した。
捩じり試験および振動試験には、円筒形二次電池１を作製後に所定のエージング工程を経たものを使用した。
捩じり試験は、円筒形二次電池１のＳＯＣ０％からＳＯＣ１００％（２．８Ｖから４．２Ｖ）の範囲で３Ｃレートの充放電を１００回繰り返し、電極群１０に活物質の体積増減に由来する力が加えられるようにして行った。
振動試験は、円筒形二次電池１を円筒缶の軸方向へ振幅１０ｍｍ、周波数１００Ｈｚで２４時間繰り返し振動させ、電極群１０に軸方向の力が加えられるようにして行った。

捩じり試験および振動試験の評価は、試験後、円筒形二次電池１を解体して、溶接部の破断の有無を目視で確認することにより行った。
なお、ＳＯＣ（State of Charge）は、充電深度を示し、ＳＯＣ０％は完全放電の状態であり、ＳＯＣ１００％は満充電の状態である。また、Ｃとは充放電電流の単位であり、１Ｃは電池容量を１時間で充電または放電可能な電流を示す。

図１１に捩じり試験の結果を、図１２に振動試験の結果を示す。
各試験において、テープ状の導電箔をジグザグ状に折曲して、正極シート１１ａと蓋ユニット５および負極シート１２ａと電池缶２の缶底２０３を溶接したものを比較例とした。
図１１に示された捩じり試験の結果では、比較例では試験体２０本に対して破断有りが１２本あったのに対し、上記実施形態の導電リード２１、２２では破断有りの発生は皆無であった。
また、図１２に示された振動試験の結果では、比較例では試験体２０本に対して破断有りが１４本あったのに対し、上記実施形態の導電リード２１、２２では破断有りの発生は皆無であった。
このように、捩じり試験および振動試験のいずれにおいても、上記実施形態の効果が認められた。

--実施形態２--
図１３は、本発明の円筒形二次電池の実施形態２の断面図である。
実施形態２の円筒形二次電池１Ａが、実施形態１の円筒形二次電池１と相違する点は、電極群１０Ａの正極側および負極側の導電リード２１’および２２’の各本体部２１ａおよび２２ａが、電極群１０Ａの半径方向のほぼ中央に位置している点である。

図１４は、電極群１０Ａの斜視図である。
図１４に図示されているように、正極側の導電リード２１’は、本体部２１ａが電極群１０Ａの半径方向の中間部から上面側に突き出している。また、負極側の導電リード２２’は、本体部２２ａが電極群１０Ａの半径方向の中間部から下面側に突き出している。
絶縁シート２５’は、軸芯１５に対応する開口部２５ａと、導電リード２１または２２の本体部２１ａまたは２２ａが配置される開口部２５ｃを有する。開口部２５ｃからは、導電リード２１または２２の本体部２１ａまたは２２ａを開口部２５ｃ内に挿入するためのスリット２５ｂ’が外周まで延出して設けられている。

図１５は、正極電極１１’と導電リード２１’との接合状態を示す平面図であり、図１６は、負極電極１２’と導電リード２２’との接合状態を示す平面図である。
正極電極１１’は、正極合剤１１ｂが塗工されていない正極合剤未処理部１１ｃが長尺の正極シート１１ａの長手方向の中間部に設けられている。導電リード２１’は、この位置の正極合剤未処理部１１ｃに溶接されている。
また、負極電極１２’は、負極合剤１２ｂが塗工されていない負極合剤未処理部１２ｃが長尺の負極シート１２ａの長手方向の中間部に設けられている。導電リード２２’は、この位置の負極合剤未処理部１２ｃに溶接されている。

導電リード２１’または２２’が溶接された正極電極１１’および負極電極１２’は、実施形態１の場合と同様に、それぞれ、第１、第２のセパレータ１３、１４を介して、先端側側縁から軸芯１５の外周に捲回される。
実施形態２のその他の構成は、実施形態１と同様であるので、対応する部材に同一の参照番号を付してその説明を省略する。
このような、実施形態２に示す円筒形二次電池１Ａにおいても、実施形態１の場合と同様な効果を奏する。

上記実施形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）負極側の導電リード２２、２２’は、渦巻形状部２２ｂの先端に軸芯１５の中空部１５ａに対応する位置に延出された溶接用端部２２ｃを有する。このため、電極群１０、１０Ａを電池缶２内に収容した状態で、電極棒６１を軸芯１５の中空部１５ａから挿入して、溶接用端部２２ｃを電池缶２の缶底２０３に溶接することが可能となり、組み付け作業性が向上する。

（２）正極側および負極側の導電リード２１、２１’、２２、２２’は渦巻形状部２１ｂ、２２ｂを有する。渦巻形状部２１ｂ、２２ｂは、軸心方向および半径方向に変形するので、電極群１０の捩れや軸方向の移動に伴って溶接部に加えられる外力を軽減する。これにより、溶接部の破断を防止することができる。

（３）正極側および負極側の導電リード２１、２１’、２２、２２’は、平面視で、重なる部分を有していない渦巻形状とされている。このため、導電リード２１、２１’、２２、２２’をプレスにより形成することができ、能率的に加工を行うことができる。

（４）正極側および負極側の導電リード２１、２１’、２２、２２’は、電極群１０の外径とほぼ同じ外径の渦巻形状部２１ｂ、２２ｂを有する。テープ状の導電リードを撓ませて、蓋ユニット５または電池缶２の缶底２０３に溶接した場合には、撓ませた部分が電池缶２の内面に接触して内部短絡が生じるが、本実施形態によれば、このような導電リード２１、２１’、２２、２２’が電池缶２の内面に接触して内部短絡が生じるのを防止することができる。

なお、上記実施形態では、導電リード２１、２１’、２２、２２’の渦巻形状を、平面視で矩形形状としたが、円形または楕円形とすることができる。
また、上記実施形態では、導電リード２１、２１’、２２、２２’の渦巻形状部２１ｂ、２２ｂの巻数をほぼ１周としているが、巻数をさらに増大してもよい。

上記実施形態では、導電リード２１、２２の溶接位置を、共に、正極シート１１ａまたは負極シート１２ａの巻始め側側縁あるいは中間部の同じ位置としたものであった。しかし、正極側の導電リード２１を正極シート１１ａの巻始め側に溶接し、負極側の導電リード２２を負極シート１２ａの中間部に溶接する等、正極側と負極側とで、異なる位置で正極シート１１ａ、負極シート１２ａに溶接するようにしてもよい。この場合、中間部における各導電リード２１、２２の溶接位置は、正極シート１１ａまたは負極シート１２ａの巻始め側側縁から異なる距離としてもよい。この場合、導電リード２１、２２の溶接位置を、正極シート１１ａまたは負極シート１２ａの巻終わり側端部としてもよい。

上記実施形態では、正極側および負極側の導電リード２１、２２を、平面視で、重なり合う部分を有していない渦巻形状としたものであった。
しかし、これに限られるものではなく、平面視で、重なり合う部分を有する渦巻型形状、螺旋形状等としてもよく、要は、軸方向および半径方向に変形可能な形状であればよい。

上記実施形態では、正極電極１１が蓋ユニット５に溶接され、負極電極１２が電池缶２の缶底２０３に溶接されるものであった。しかし、本発明は、正極電極１１が電池缶２の缶底２０３に溶接され、負極電極１２が蓋ユニット５に溶接される円筒形二次電池にも適用が可能である。

上記実施形態においては、蓋体３、ダイアフラム３７、絶縁板３４、接続板３５および集電板２７により蓋ユニット５を構成したものであった。しかし、蓋ユニット５の構成は、一例であって、他の部材からなる構成としてもよい。また、蓋部材は、ユニット化されたものでなく、単体としてもよく、電極端子としての機能を有する電極端子部材であればよい。

上記実施形態では、電池として、リチウムイオン円筒形二次電池を例として説明したが、この発明は、リチウム電池に限られるものではなく、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池など、他の円筒形二次電池にも適用をすることができる。

その他、本発明の円筒形二次電池は、発明の趣旨の範囲内において、種々、変形して構成することが可能であり、要は、正極電極と負極電極とがセパレータを介して、中空部を有する軸芯の周囲に捲回された電極群が電池缶内に収容され、負極電極に溶接された本体部を有する導電リードと正極電極に溶接された本体部を有する導電リードのうち、一方の導電リードが電池缶の開口部を覆う蓋部材に接続され、他方が電池缶の缶底に溶接された円筒形二次電池であって、少なくとも電池缶の缶底に溶接された導電リードは、軸芯の中空部の中央部に対応する位置に延出された溶接用端部および軸芯の軸方向および半径方向に変形可能に引き回された引回し部を有し、溶接用端部が前記電池缶の缶底に溶接されているものであればよい。

１、１Ａ 円筒形二次電池
２ 電池缶
２０３ 缶底
３ 蓋体
５ 蓋ユニット
１０、１０Ａ 電極群
２１、２２ 導電リード
２１ｂ、２２ｂ 渦巻形状部（引回し部）

Claims (9)

1. 正極電極と負極電極とがセパレータを介して、中空部を有する軸芯の周囲に捲回された電極群が電池缶内に収容され、前記負極電極に溶接された本体部を有する導電リードと前記正極電極に溶接された本体部を有する導電リードのうち、一方の前記導電リードが前記電池缶の開口部を覆う蓋部材に接続され、他方が前記電池缶の缶底に溶接された円筒形二次電池であって、
   少なくとも前記電池缶の缶底に溶接された前記導電リードは、前記軸芯の中空部の中央部に対応する位置に延出された溶接用端部および前記軸芯の軸方向および半径方向に変形可能に引き回された引回し部を有し、前記溶接用端部が前記電池缶の缶底に溶接されている円筒形二次電池。
2. 請求項１に記載の円筒形二次電池において、前記導電リードの引回し部は、前記溶接用端部から平面的に重ならないように前記溶接用端部の周囲に引回されている円筒形二次電池。
3. 請求項１または２に記載の円筒形二次電池において、前記導電リードは、前記本体部と前記引回し部との間に、少なくとも１箇所、前記引回し部を前記軸芯側から前記電極群の外周側に向けて折曲する折曲部を有する円筒形二次電池。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の円筒形二次電池において、前記導電リードの前記引回し部は渦巻形状である円筒形二次電池。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の円筒形二次電池において、前記電池缶の缶底に溶接された前記導電リードは、前記正極電極または前記負極電極の前記軸芯の巻始め側側縁において前記正極電極または前記負極電極に溶接されている円筒形二次電池。
6. 請求項５に記載の円筒形二次電池において、さらに、前記導電リードと前記電池缶の缶底との間に配置された絶縁シートを有し、前記絶縁シートは、前記軸芯の前記中空部に対応する開口部と前記軸芯の前記導電リードを挿通するためのスリットを有する円筒形二次電池。
7. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の円筒形二次電池において、前記電池缶の缶底に溶接された前記溶接用端部を有する前記導電リードは、前記正極電極または前記負極電極における長さ方向の中間部において前記正極電極または前記負極電極に溶接されている円筒形二次電池。
8. 請求項７に記載の円筒形二次電池において、さらに、前記導電リードと前記電池缶の缶底との間に配置された絶縁シートを有し、前記絶縁シートは、前記軸芯の前記中空部に対応する位置に設けられた第１の開口部と、前記導電リードが前記正極電極または前記負極電極に溶接された前記導電リードの根元に対応する位置に設けられた第２の開口部と、前記第２の開口部から外部に導出された、前記導電リードを挿通するためのスリットを有する円筒形二次電池。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の円筒形二次電池において、前記溶接用端部と前記電池缶の缶底との溶接部は、半径が１〜５ｍｍの大きさである円筒形二次電池。

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