JP6094807B2 - 渦巻状電極群を備える電池 - Google Patents

Description

本発明は、渦巻状電極群を備える電池に関するものである。

従来、正極板と負極板とをセパレータを介して巻回した渦巻状電極群において、特許文献１に示すように、正極板の巻き始め端部の径方向外側に、強化用のセパレータを設けたものがある。このように正極板の巻き始め端部の径方向外側のセパレータを補強して、正極板の巻き始め端部の角部やバリ等によって生じる短絡を防止している。

また、民生用のニッケル水素電池等では、正極の充放電容量を最大限に生かし，高エネルギー密度を達成するために，正極板の径方向外周だけでなく、巻き始め端部の径方向内周にも負極板を配置した構成のものがある。このような構成の電池では、正極板の巻き始め端部の径方向外側だけでなく、径方向内側で角部やバリ等によって短絡が生じてしまい，短絡の発生がより顕著になるという問題がある。

このため、図６に示すように、展開状態におけるセパレータの中央部に１つの強化用のセパレータを設けて（図６の下図参照）、渦巻状に巻回した状態で、正極板の巻き始め端部の径方向内側及び径方向外側の両方に強化用のセパレータが位置するように構成している（図６の上図参照）。

しかしながら、このように構成すると、渦巻状電極群の中心空間内に強化用のセパレータが位置することになり、この部分は短絡防止に寄与しない無駄な部分となってしまう。すなわち，多量の強化用のセパレータをもちいなければ，短絡防止ができないという問題があった。

特開２００１−３１９６７８号公報

そこで本発明は、より少ない強化部で、効率的に短絡を防止することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る電池は、正極板と、負極板とがセパレータを介して渦巻状に巻回された渦巻状電極群を備える電池であって、前記正極板の内周および外周に前記負極板が対向しており、前記対向している面で構成されたセパレータ領域の一部を強化させたことを特徴とする。

このようなものであれば、正極板の内周及び外周に負極板が配置されているので、正極板において充放電に関与しない部分が形成されることを防止し、正極の充放電容量を最大限に生かし，高エネルギー密度の電池を作製することができる。
また、前記正極板の内周および外周に前記負極板が対向しており、前記正極板と前記負極板とが対向しているセパレータ領域の一部、特に、短絡が発生しやすい部分のみのセパレータ領域の強度を強化させることで、前記正極板と前記負極板とが対向している面で構成されたセパレータ領域において，セパレータが損傷することを防止し、効率的に短絡を防止することができる。

前記強化された強化部が、少なくとも前記電極群の内周に位置する前記正極板の端部に配されていることが望ましい。
このように構成すれば、前記正極の巻き始め端部の内外２つの角部において，セパレータが損傷することを防ぐことができ，短絡防止の効果を顕著にすることができる。

前記強化された強化部が、前記正極板の巻き始め端部と当該巻き始め端部の径方向外側に位置する負極板との間に形成された第１強化部と、前記正極板の巻き始め端部と当該巻き始め端部の径方向内側に位置する負極板との間に形成された第２強化部とを備えることが望ましい。
このように構成すれば、セパレータにおける各強化部よりも巻き始め側の部分が、渦巻状電極群の中心空間内に位置しており、この部分に強化部を有さないので、強化部の設置部分が減少し、より効率的に短絡防止の効果を奏することができる。

前記強化された強化部が、少なくとも一周巻回されていることが望ましい。
このように構成すれば、製造時における強化部と正極板の巻き始め端部の位置ずれを許容することができる。また、強化部の面積を大きくすることができるので、短絡をより一層防止することができる。

また，前記正極板が、ニッケル酸化物を含む活物質を有し、前記負極板が、水素吸蔵合金を含む活物質を有したニッケル水素電池である。

このように構成した本発明によれば、前記正極板と前記負極板とが対向している面で構成されたセパレータ領域の一部、特に、短絡が発生しやすい部分のみのセパレータ領域の強度を強化させた強化部が配されているので、短絡防止に寄与する部分のみを強化することによって、無駄な強化部を削減することができ、効率的に短絡を防止することができる。

本実施形態の電池の横断面図。 同実施形態の正極板の巻き始め端部を主として示す部分拡大横断面図。 同実施形態の展開状態におけるセパレータの平面図及び側面図。 同実施形態の渦巻状電極群の製造方法を示す模式図。 変形実施形態の電池の横断面図。 従来の渦巻状電極群を有する電池の横断面図及びセパレータの展開図。

以下に、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態の電池１００は、図１に示すように、帯状をなす正極板２と帯状をなす負極板３とを帯状をなすセパレータ４を介して渦巻状に巻回した渦巻状電極群５を、円筒状の電池ケース６に収容した円筒形電池である。

具体的に正極板２は、例えば発泡式ニッケル多孔体等の正極基材に水酸化ニッケルを含む正極活物質を保持させて構成されたものである。また、負極板３は、例えば穿孔鋼板からなる負極基材に水素吸蔵合金を含む負極活物質を塗工して構成されたものである。つまり本実施形態の電池１００は、正極板２の放電容量が電池容量を規定するニッケル水素電池である。

そして、本実施形態の渦巻状電極群５は、２つに折り畳まれたセパレータ４の間に負極板３を挟んで積層し、セパレータ４の一方の外面に正極板２を積層した積層体を、渦巻状に巻回して構成される。

そして、この電池１００は、図１及び図２に示すように、正極板２の巻き始め端部２Ｘの径方向外側及び径方向内側に負極板３が配置された構成である。つまり、渦巻状電極群５において、正極板２の巻き始め端部２Ｘは、径方向外側及び径方向内側から負極板３により挟まれるように構成されている。なお、渦巻状電極群５の最内径側に位置する電極板は負極板３である。

この構成において、図１及び図２に示すように、前記セパレータ４は、正極板２の巻き始め端部２Ｘと当該巻き始め端部２Ｘの径方向外側に位置する負極板３との間に形成された第１強化部４１と、前記正極板２の巻き始め端部２Ｘと当該巻き始め端部２Ｘの径方向内側に位置する負極板３との間に形成された第２強化部４２とを有している。これら第１強化部４１及び第２強化部４２は、特に図２に示すように、少なくとも一周巻回されている。

また、図１及び図２に示すように、セパレータ４における第１強化部４１及び第２強化部４２よりも巻き始め側の部分が、渦巻状電極群５の中心空間５Ｓ内に位置している。そして、セパレータ４の前記中心空間５Ｓ内にある部分が、強化部が形成されていない非強化部４３を有している。この非強化部４３は、前記渦巻状電極群５の中心空間５Ｓ内に位置するセパレータ４の略全体に形成されていることが望ましい。

第１強化部４１は、正極板２の巻き始め端部２Ｘの径方向外側の角部を形成する外側面の略全体に接触するものであり、第２強化部４２は、正極板２の巻き始め端部２Ｘの径方向内側の角部を形成する内側面の略全体に接触するものである。また、これら第１強化部４１及び第２強化部４２は、セパレータ４の厚みを大きくすることにより構成されている。具体的には、第１強化部４１及び第２強化部４２は、図３に示すように、帯状をなすセパレータ本体４０１に矩形状をなす補強セパレータ４０２を例えば溶着等を用いて重ね合わせることによって構成されている。また、セパレータ本体４０１において２つの補強セパレータ４０２の間の部分が非強化部４３となる。

本実施形態のセパレータ本体４０１及び補強セパレータ４０２は、例えばポリオレフィン等の不織布等の同一材料から形成されるものである。なお、セパレータ本体４０１及び補強セパレータ４０２を互いに異なる材料から形成したものであっても良い。また、セパレータ本体４０１の中心軸方向に沿った幅方向寸法と、補強セパレータ４０２の中心軸方向に沿った幅方向寸法とは略同一である。

このように構成したセパレータ４は、図３に示すように、一枚の帯状をなすものであり、展開状態において非強化部４３の両側に矩形状の第１強化部４１及び矩形状の第２強化部４２が形成されている。詳細には、セパレータ４が、展開状態において非強化部４３が折り畳み線４Ｌを含んでおり、非強化部４３の両側に第１強化部４１及び第２強化部４２が形成されている。また、第１強化部４１及び第２強化部４２は、渦巻状に巻回したときに、少なくとも１周巻回されるように形成されている。なお、第１強化部４１の曲率半径の方が、第２強化部４２の曲率半径よりも大きいため、本実施形態では、第１強化部４１の形成領域の方が長手方向に沿って長く形成されている。このように、第１強化部４１及び第２強化部４２の長手方向の寸法は、互いに異なるものであっても良いし、互いに同一としても良い。

次に、このように構成した渦巻状電極５の製造方法について、図４を参照して説明する。
まず、セパレータ４に前記第１強化部４１及び第２強化部４２を形成すべく、セパレータ本体４０１に補強セパレータ４０２を例えば熱溶着等によって重ね合わせる。この補強セパレータ４０２が重ね合わされた部分が、第１強化部４１及び第２強化部４２となる。

次に、第１強化部４１及び第２強化部４２の間に形成された非強化部４３を２つに折り畳むとともに、２つに折り畳まれたセパレータ４の間に負極板３を挟み込む。また、セパレータ４の一方の外面（上面）に正極板２を積層する。なお、図４においては、２つの強化部４１、４２が内側に配置されるように折り畳んでいるが、外側に配置されるように折り畳んでも良い。

そして、巻芯７を用いて積層体を巻回する。本実施形態の巻回方向は、図４に示すように、巻芯７が正極板２側に向かって積層体の上側を回転する方向（図４において時計回り方向）である。具体的な巻回方法は、巻芯７にセパレータ４のみを少なくとも一周程度巻回した後に、負極板３のみをセパレータ４とともに少なくとも一周程度巻回する。その後、負極板３及び正極板２をセパレータ４とともに、巻芯７に巻き付けながら渦巻状に巻回する。このように負極板３のみをセパレータ４とともに少なくとも１周巻回することで、正極板２の巻き始め端部２Ｘの径方向内側に負極板２が位置するようにしている。そして、巻回後に、巻芯７を抜き外すことによって、渦巻状電極群５が形成される。

なお、前記巻芯７による巻回方向が逆向きの場合、つまり、巻芯が正極板２とは反対側に向かって積層体の下側を回転する方向（反時計回り方向）に回転する場合には、必ずしも負極板３を１周巻回する必要はない。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る電池１００によれば、正極板２の巻き始め端部２Ｘの径方向外側及び径方向内側に負極板３が配置されているので、正極板２において充放電に関与しない部分が形成されることを防止し、電池容量を十分に確保することができる。特に本実施形態では、正極板２の放電容量が電池容量を規定するニッケル水素電池であり、本実施形態の効果が一層顕著となる。

また、正極板２の巻き始め端部２Ｘの径方向内側の角部と負極板３との間に第１強化部４１が位置し、正極板２の巻き始め端部２Ｘの径方向外側の角部と負極板３との間に第２強化部４２が位置しているので、正極板２の巻き始め端部２Ｘの内外２つの角部によりセパレータ４が破れることを防止し、短絡を防止することができる。

さらに、セパレータ４における各強化部４１、４２よりも巻き始め側の部分が、渦巻状電極群５の中心空間５Ｓ内に位置しており、この部分に強化部が形成されていない非強化部４３を有しているので、渦巻状電極群５の中心空間５Ｓに占めるセパレータ４の体積を小さくすることができ、電池１００内の残存空間を増加させることができ、その分電解液の容量を多くすることができる。

その上、セパレータ４が、展開状態において非強化部４３が折り畳み線４Ｌを含んでおり、非強化部４３の両側に第１強化部４１及び第２強化部４２が形成されているので、１枚のセパレータ４により渦巻状電極群５を構成することができ、部品点数を削減して巻回作業を容易にすることができる。特に、折り畳み線４Ｌが非強化部４３に含まれているので、セパレータ４を２つに折り畳み易くすることができる。

加えて、第１強化部４１及び第２強化部４２が、少なくとも一周巻回されているので、製造時における各強化部４１、４２と正極板２の巻き始め端部２Ｘの位置ずれを許容することができる。また、各強化部４１、４２の面積を大きくすることができるので、短絡をより一層防止することができる。

＜その他の実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では、１枚のセパレータを２つ折りにして渦巻状電極群を構成したものであったが、２枚のセパレータの間に負極板を挟んで渦巻状に巻回した渦巻状電極群であっても良い。この場合、各セパレータにおいて、正極板の巻き始め端部の径方向内側及び径方向外側に対応する部分に強化部を形成し、各セパレータの巻き始め端部が、非強化部を有していれば良い。

また、第１強化部４１及び第２強化部４２は、セパレータ本体４０１に補強セパレータ４０２を重ね合わせて構成する他に、セパレータ本体自体の厚みを部分的に大きくすることによって、前記第１強化部及び前記第２強化部を構成しても良いし、セパレータ本体が不織布の場合には、その密度を部分的に大きくすることによって、前記第１強化部及び前記第２強化部を構成しても良い。

さらに、図５に示すように、セパレータが、第１強化部４１及び第２強化部４２の他に、正極板２の巻き終わり端部２Ｙと当該巻き終わり端部２Ｙの径方向外側に位置する負極板３との間に形成された第３強化部４４と、正極板２の巻き終わり端部２Ｙと当該巻き終わり端部２Ｙの径方向内側に位置する負極板３との間に形成された第４強化部４５とを有するものであっても良い。これら第３強化部４４及び第４強化部４５の構成は、前記第１強化部４１及び第２強化部４２と同様である。

その上、前記実施形態では、渦巻状電極群を円筒状の電池ケースに収容した円筒形電池について適用したが、その他、渦巻状電極群を扁平形状として、角形状の電池ケースに収容した角形電池に適用することもできる。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・電池
２ ・・・正極板（第１電極板）
２Ｘ ・・・巻き始め端部
３ ・・・負極板（第２電極板）
４ ・・・セパレータ
５ ・・・渦巻状電極群
４１ ・・・第１強化部
４２ ・・・第２強化部
４３ ・・・非強化部
４Ｌ ・・・折り畳み線

Claims (7)

1. 正極板と、負極板とがセパレータを介して渦巻状に巻回された渦巻状電極群を備える電池であって、
   前記正極板の内周および外周に前記負極板が対向しており、
   前記対向している面で構成されたセパレータ領域の一部の厚みを大きくすることにより強化させた強化部を有し、
   前記セパレータにおける強化部よりも巻き始め側の部分が、前記渦巻状電極群の中心空間内に位置しており、前記セパレータの前記中心空間内にある部分が、前記強化部が形成されていない非強化部を有していることを特徴とする電池。
2. 前記強化させた強化部が、前記正極板の巻き始め端部と当該巻き始め端部の径方向外側に位置する負極板との間に形成された第１強化部と、前記正極板の巻き始め端部と当該巻き始め端部の径方向内側に位置する負極板との間に形成された第２強化部とを備え、
   前記セパレータにおける第１強化部及び第２強化部よりも巻き始め側の部分が、前記渦巻状電極群の中心空間内に位置しており、前記セパレータの前記中心空間内にある部分が、前記第１及び第２強化部が形成されていない非強化部を有していることを特徴とする請求項１記載の電池。
3. 前記セパレータが展開状態において前記非強化部が折り畳み線を含んでおり、非強化部の両側に前記第１強化部及び前記第２強化部が形成されていることを特徴とする請求項２記載の電池。
4. 前記強化させた強化部が、少なくとも前記電極群の内周に位置する前記正極板の端部に配されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の電池。
5. 前記強化させた強化部が、少なくとも一周巻回されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の電池。
6. 前記強化させた強化部が、前記セパレータに補強セパレータを重ね合わせることによって構成されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の電池。
7. 前記正極板が、ニッケル酸化物を含む活物質を有し、
   前記負極板が、水素吸蔵合金を含む活物質を有することを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の電池。