JP6436097B2 - キャパシタ - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオンキャパシタ等のキャパシタに関するものである。
リチウムイオンキャパシタ等のキャパシタは、エネルギー密度が高く、かつ自己放電が少なくてサイクル性能が良いという利点がある。そのため近年では、キャパシタを大型または大容量化することにより、ハイブリッド自動車や電気自動車等の自動車の電源として使用することが期待されている。自動車の電源として使用されるキャパシタの中には、有底筒状の容器内に、軸芯を中心に正負極板がセパレータを介して捲回された捲回極板群を電解液とともに収容した捲回タイプのキャパシタがある。
従来のこの種のキャパシタでは、管状の軸芯の内部に形成された管路を利用して電解液を容器内に注入し、捲回極板群に浸潤させている。また、容器の底部側に位置する集電部材に、軸芯の一端が嵌合される膨出部が形成されている（特許文献１）。
また、このような構造のキャパシタでは、蓋部材と電気的に接続される集電部材には、蓋部材と電気的に接続される帯状のタブが一体に設けられている（特許文献２）。
しかしながら、特許文献１に示された構造では、軸芯の端部と集電部材が密着しているため、電解液を注入しても、捲回極板群内に電解液を浸潤させるのに時間がかかるという問題がある。
また、特許文献２に示された構造では、タブを根本から折り曲げるため、溶接作業をする際に、複数回にわたって曲げ操作をすると、集電部材の溶接部とタブとの境界部に亀裂が入り、タブの抵抗値が大きくなるという問題が生じる。
本発明の目的は、電解液を注入する際に、捲回極板群内に電解液が浸潤しやすいキャパシタを提供することにある。
また、本発明の目的は、集電部材の溶接部とタブとの境界部に亀裂が入り難いキャパシタを提供することにある。
本発明は、幅方向の一端側に第１の被溶接部を残すように帯状の集電板に活物質層が形成されてなる一方の極性の極板と、セパレータと、幅方向の他端側に第２の被溶接部を残すように帯状の集電板に活物質層が形成されてなる他方の極性の極板とを積層してなる積層体が管状の軸芯の周りに捲回されて構成された捲回極板群と、軸芯の一端に支持されて捲回極板群の一方の極性の極板の第１の被溶接部に溶接された第１の集電部材と、軸芯の他端に支持されて捲回極板群の他方の極性の極板の第２の被溶接部に溶接された第２の集電部材とからなる極板群ユニットと、一方の端部に開口部を有して内部に極板群ユニットが収納される有底筒状の導電性を有する容器と、容器と電気的に絶縁された状態で、容器の開口部を塞ぐ導電性を有する蓋部材とを備え、第１の集電部材が容器と電気的に接続され、第２の集電部材が蓋部材と電気的に接続されてなるキャパシタを改良の対象とする。本発明では、第１の集電部材は、軸芯から離れる方向に膨出して軸芯の一端が嵌合される膨出部と、軸芯の径方向外側に延びるように膨出部の外側に位置して一方の極性の極板の第１の被溶接部に溶接される第１の溶接部と、膨出部と第１の溶接部とに跨がって延び且つ膨出部及び第１の溶接部を厚み方向に貫通する少なくとも１本のスリットを備えている。このようなスリットを設けると、電解液を注入した際に、このスリットから電解液が容器内に広がるため、捲回極板群内にも従来よりも速く電解液が浸潤する。
スリットは、膨出部を完全に横切り且つその両端が第１の溶接部まで延びる形状としてもよい。このようにスリットを形成することにより、容器の底部側から満たされていく電解液が、第１の溶接部まで延びたスリットの部分を通り、直接的に捲回極板群内に浸潤する。スリットの本数は任意であるが、膨出部の強度を考慮すると、膨出部の中心を通り、膨出部を完全に横切って且つその両端が第１の溶接部まで延びている１本のスリットを設けるだけも十分である。
さらに、軸芯の一端には、軸芯の径方向に貫通し且つ膨出部に向かって開口し、径方向に対向する一対の凹部を設けることができる。そして軸芯の一端が膨出部に嵌合された状態で、一対の凹部がスリットと整合しているのが好ましい。このようにすると、軸芯を通る電解液の流れがスムーズになる。
第１の集電部材の第１の溶接部には、捲回極板群側に突出し且つ容器の底部側に開口し且つ膨出部を中心として周方向に間隔をあけて形成された複数の第１の溶接用突条部を設けてもよい。複数の第１の溶接用突条部は、膨出部と溶接部の外周部との間にそれぞれ形成するのが好ましい。見方を変えると、第１の溶接用突条部は最外周部の手前で終端しているのが好ましい。このようにすると溶接ビードが、第１の溶接部の最外周部を越えて飛び出すことがなく、飛び出した溶接ビードによる無用な短絡を防止することができる。なお、複数の第１の溶接用突条部はレーザ溶接により捲回極板群の第１の被溶接部に溶接することができる。
また、複数の第１の溶接用突条部は膨出部付近から外周部付近に向かう方向と直交する幅方向の寸法が一定でもよいが、複数の第１の溶接用突条部は、膨出部付近の幅寸法よりも、外周部付近の幅寸法の方が大きい形状としてもよい。このような形状にすると複数の第１の溶接用突条部に沿って、集電部材の中心側から外側に向かってレーザ溶接をする際に、複数の第１の溶接用突条部の終端側で熱を分散させることができるため、集電部を外周部付近で溶断してしまうような問題が発生することを防止することができる。
さらに、複数の第１の溶接用突条部は、周方向に等間隔を開けて形成されており、スリットの延長線上に２つの第１の溶接用突条部を備え、該２つの第１の溶接用突条部の長さは、残りの複数の第１の溶接用突条部の長さよりも短くなっている。この構造により、スリットの長さを長くすることができる。
第２の集電部材には、軸芯の他端が嵌合される貫通孔と、軸芯の径方向外側に延びるように貫通孔の外側に位置して他方の極性の極板の第２の被溶接部に溶接される第２の溶接部と、一端が第２の溶接部と一体に設けられ他端が蓋部材に電気的に接続されるタブとを備え、タブの一端の近傍にはタブの幅方向に延び、捲回極板群側に突出し且つ蓋部材側に開口する１本以上の突条部が形成されているのが好ましい。このような突条部を設けると、タブを蓋部材側に折り曲げた際に、突条部に沿ってタブを簡単に曲げることができる。その結果、第２の集電部材の第２の溶接部とタブの境界部の機械的強度の低下を防いで、境界部に亀裂が入ることを防止することができる。
第２の集電部材の第２の溶接部には、その最外周部から貫通孔に向かって延び且つ厚み方向に貫通する凹部を備えており、タブの一端は、凹部の底部と一体に形成する構成としてもよい。このように構成することにより、タブの長さを長くすることができるので、蓋部材とタブとの間の溶接作業が容易になる。
第２の集電部材の第２の溶接部にも、第１の集電部材の第１の溶接部と同様に、捲回極板群側に突出し且つ蓋部材側に開口し且つ貫通孔を中心として周方向に間隔をあけて形成された複数の第２の溶接用突条部を設けることができる。この場合も第２の溶接用突条部は、貫通孔と複数の第２の溶接部の外周部との間にそれぞれ形成されているのが好ましい。見方を変えると、複数の第２の溶接用突条部は最外周部の手前で終端しているのが好ましい。なお、複数の第２の溶接用突条部もレーザ溶接により捲回極板群の第２の被溶接部に溶接することができる。
さらに、第２の集電部材の第２の溶接部に形成する貫通孔は、一対の平行縁部と該一対の平行縁部の両端をそれぞれつなぐ一対の円弧状縁部とによって囲まれた形状を有しているのが好ましい。このように貫通孔を形成すると、軸芯の他端の位置決めに一対の平行縁部を利用することができる。その結果、貫通孔に軸芯を挿入する際の位置決めが容易になる。
第２の集電部材においても、複数の第２の溶接用突条部は、貫通孔付近の幅寸法よりも、外周部付近の幅寸法の方が大きくしてもよいのは勿論である。
また、第１の集電部材が負極集電部材であり、第２の集電部材が正極集電部材であり、第１の集電部材の第１の溶接部は、第２の集電部材の第２の溶接部よりも大きくすることが好ましい。このように構成すると、第１の集電部材の溶接点が第２の集電部材の溶接点よりも多くなり、負極集電部材の抵抗値が下がることになるため、キャパシタの容量を高めることができる。
以下、図面を参照して、本発明をキャパシタの一種である円筒状リチウムイオンキャパシタに適用した実施の形態について説明する。
（実施の形態の構成）
＜全体構成＞
図１は正極端子Ｔを上にした状態の本発明の実施の形態の円筒状リチウムイオンキャパシタ１（以下、キャパシタ１と略称する。）の半部を断面にして模式的に示す半部断面図である。図２はキャパシタ１の正極側の部分を拡大した断面図である。なお図２には、捲回極板群５の断面形状は図示を省略してある。また蓋部材３１の内部構造の図示を省略してある。キャパシタ１は、ニッケルメッキが施されたスチール製の有底円筒状の容器３を有している。容器３は周壁３Ａと底壁３Ｂとを備えており、正極集電部材（第２の集電部材）７よりも蓋部材３１側に位置する周壁３Ａの周壁部分には後述する軸芯１１の径方向内側に向かって凸となるように変形されて形成された環状凸部１５を有している。容器３内には、捲回極板群５と正極集電部材７及び負極集電部材（第１の集電部材）９の組み合わせからなる極板群ユニット２が収納されている。捲回極板群５は、中空円筒状のＰＰＳ（ポリ・フェニレン・サルファイド）製の軸芯１１に帯状の正極板および負極板がセパレータを介して捲回されて構成されている。
＜全体構成＞
図１は正極端子Ｔを上にした状態の本発明の実施の形態の円筒状リチウムイオンキャパシタ１（以下、キャパシタ１と略称する。）の半部を断面にして模式的に示す半部断面図である。図２はキャパシタ１の正極側の部分を拡大した断面図である。なお図２には、捲回極板群５の断面形状は図示を省略してある。また蓋部材３１の内部構造の図示を省略してある。キャパシタ１は、ニッケルメッキが施されたスチール製の有底円筒状の容器３を有している。容器３は周壁３Ａと底壁３Ｂとを備えており、正極集電部材（第２の集電部材）７よりも蓋部材３１側に位置する周壁３Ａの周壁部分には後述する軸芯１１の径方向内側に向かって凸となるように変形されて形成された環状凸部１５を有している。容器３内には、捲回極板群５と正極集電部材７及び負極集電部材（第１の集電部材）９の組み合わせからなる極板群ユニット２が収納されている。捲回極板群５は、中空円筒状のＰＰＳ（ポリ・フェニレン・サルファイド）製の軸芯１１に帯状の正極板および負極板がセパレータを介して捲回されて構成されている。
捲回極板群５中の正極板は、幅方向の一端側に被溶接部を残すように帯状の集電板に正極活物質層が形成されて構成されている。同様に、負極板は、幅方向の一端側に被溶接部を残すように帯状の集電板に負極活物質層が形成されて構成されている。そして正極板の被溶接部４（第２の被溶接部）［図２参照］と負極板の被溶接部６（第１の被溶接部）［図１参照］が捲回極板群５の両端部に位置するように、正極板と負極板とをセパレータを介して積層してなる積層体を軸芯１１の周りに捲回して、捲回極板群５が構成されている。セパレータとしては、クラフト紙等の多孔質基材を用いることができる。
また、図２に示すように、正極集電部材７の外周部分１３は、環状凸部１５の頂部１５ａを越える位置まで延びる形状寸法を有している。正極集電部材７と環状凸部１５及び該環状凸部に連続する周壁３Ａの環状壁部分１７の間には、後に詳しく説明する絶縁リング部材１９の板状部１９ｂが圧縮状態で配置されている。本実施の形態では、正極集電部材７及び絶縁リング部材１９により固定手段が構成されている。
また、図１に示すように、容器３の底壁３Ｂは、容器３の強度を高めるために、環状底壁部分２１と膨出部２３とを備えている。そして負極集電部材９は、環状底壁部分２１の内縁部よりも容器３の周壁３Ａ側に外周部分２５が位置する形状寸法を有している。
＜正極集電部材＞
図３（Ａ）は正極集電部材７の平面図である。図３（Ｂ）は正極集電部材７の正面図であり、図３（Ｃ）は図３（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。正極集電部材７は、軸芯１１の端部１１Ａ［図２参照］が嵌合される貫通孔２７と、軸芯１１の径方向外側に延びるように貫通孔２７の外側に位置して正極板の被溶接部４（第２の被溶接部）［図２参照］に溶接される第２の溶接部を構成する正極集電部材本体３７と、一端が正極集電部材本体３７と一体に設けられ他端が蓋部材３１に電気的に接続されるタブ３３とを備えている。正極集電部材７は、アルミニウム（アルミニウム合金を含む）板をプレス加工して形成されており、図３に示す通り、中心部分に貫通孔２７が形成されたリング形状の正極集電部材本体３７を有している。図３（Ａ）に示すように、貫通孔２７は、正極集電部材７が捲回極板群５の中心からずれないようにするために、軸芯１１の端部１１Ａに嵌る形状を有している。また、貫通孔２７の輪郭形状は、一対の平行な直線状の縁部２７ａ，２７ｂと直線状の縁部２７ａ，２７ｂの両端をそれぞれつなぐ一対の円弧状縁部２７ｃ，２７ｄとによって囲まれた形状をしている。軸芯１１の端部１１Ａに形成された段部１１Ｂの輪郭形状は、貫通孔２７の形状と相似形になっている。また軸芯１１の端部１１Ａには、一対の円弧状縁部２７ｃ，２７ｄと対向する位置に一対の凹部１１Ｃが形成されている。貫通孔２７及び軸芯１１の端部１１Ａをこのような形状にすることにより、貫通孔２７に軸芯１１の端部１１Ａを挿入する際の位置決めが容易になる。
図３（Ａ）は正極集電部材７の平面図である。図３（Ｂ）は正極集電部材７の正面図であり、図３（Ｃ）は図３（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。正極集電部材７は、軸芯１１の端部１１Ａ［図２参照］が嵌合される貫通孔２７と、軸芯１１の径方向外側に延びるように貫通孔２７の外側に位置して正極板の被溶接部４（第２の被溶接部）［図２参照］に溶接される第２の溶接部を構成する正極集電部材本体３７と、一端が正極集電部材本体３７と一体に設けられ他端が蓋部材３１に電気的に接続されるタブ３３とを備えている。正極集電部材７は、アルミニウム（アルミニウム合金を含む）板をプレス加工して形成されており、図３に示す通り、中心部分に貫通孔２７が形成されたリング形状の正極集電部材本体３７を有している。図３（Ａ）に示すように、貫通孔２７は、正極集電部材７が捲回極板群５の中心からずれないようにするために、軸芯１１の端部１１Ａに嵌る形状を有している。また、貫通孔２７の輪郭形状は、一対の平行な直線状の縁部２７ａ，２７ｂと直線状の縁部２７ａ，２７ｂの両端をそれぞれつなぐ一対の円弧状縁部２７ｃ，２７ｄとによって囲まれた形状をしている。軸芯１１の端部１１Ａに形成された段部１１Ｂの輪郭形状は、貫通孔２７の形状と相似形になっている。また軸芯１１の端部１１Ａには、一対の円弧状縁部２７ｃ，２７ｄと対向する位置に一対の凹部１１Ｃが形成されている。貫通孔２７及び軸芯１１の端部１１Ａをこのような形状にすることにより、貫通孔２７に軸芯１１の端部１１Ａを挿入する際の位置決めが容易になる。
正極集電部材７は、捲回極板群５に含まれる正極板の幅方向の一端側の被溶接部４に溶接される。そこで、捲回極板群５の正極板の被溶接部４が位置する側から正極集電部材７を捲回極板群５に向かって近付け、正極板の被溶接部４の上に、正極集電部材７を載せる。そして後述するレーザ溶接により、正極板の被溶接部４と正極集電部材７とを溶接する。レーザ溶接のために、正極集電部材７には、捲回極板群５と接する方向に向かって突出し、捲回極板群５から離れる方向に向かって開くように形成された溝２９ａ〜２９ｇが７本設けられている。本実施の形態では、これらの溝２９ａ〜２９ｇが、第２の溶接用突条部を構成する。７本の溝２９ａ〜２９ｇは、貫通孔２７を中心として周方向に間隔をあけて放射状に形成されている。また、これらの溝２９ａ〜２９ｇの長さは等しい。本実施例では、貫通孔２７を間にしてタブ３３と対向する位置に形成された溝２９ｃを中心にして、隣り合う２つの溝２９との間が周方向に等間隔を開けるように形成されている。
また、溝２９ａ〜２９ｇは、貫通孔２７と貫通孔２７の外側に位置して正極板の被溶接部４に溶接される正極集電部材本体（第２の溶接部）３７の外周部４５との間にそれぞれ形成されている。本実施の形態では、溝２９ａ〜２９ｇは正極集電部材本体３７の最外周部の手前で終端している。このようにすると溶接ビードが、正極集電部材本体３７の最外周部を越えて飛び出すことがなく、飛び出した溶接ビードによる無用な短絡を防止することができる。
蓋部材３１と電気的に接続されるタブ３３の一端３５は正極集電部材本体３７と一体に設けられている。そして、タブ３３の一端３５の近傍には、タブ３３の幅方向に延び、捲回極板群５側に突出し且つ蓋部材３１側に開口する１本の突条部３９が形成されている。さらに、正極集電部材本体３７には、その最外周部から貫通孔２７に向かって延び且つ厚み方向に貫通する２つの凹部４１を備えており、タブ３３の一端３５は、凹部４１の底部４３と一体に形成されている。このような突条部３９を設けることにより、図６（Ｂ）に示すように、タブ３３を蓋部材３１側に折り曲げた際に、突条部３９に沿ってタブ３３を簡単に曲げることができる。その結果、正極集電部材本体３７とタブ３３の境界部の機械的強度の低下を防いで、境界部に亀裂が入ることを防止することができる。また、タブ３３の両側に２つの凹部４１を設けることにより、タブ３３の長さを長くすることができるので、蓋部材３１とタブ３３との間の溶接作業が容易になる。
なお、正極集電部材本体３７には、溝２９に挟まれた位置に円形のガス抜き孔６１が形成されている。
＜負極集電部材＞
図４（Ａ）は負極集電部材９の平面図であり、図４（Ｂ）は負極集電部材９の側面図であり、図４（Ｃ）は軸芯１１と負極集電部材９との嵌合状態を示すための断面図である。これらの図において、負極集電部材９は、ニッケルまたは銅にニッケルメッキを施した金属材料のいずれかで形成されている。本実施の形態では、銅にニッケルメッキを施した金属材料で負極集電部材９を形成した。図４に示す通り、負極集電部材９は、中心部分に軸芯１１から離れる方向に膨出して軸芯１１の他方の端部４７が嵌合される膨出部４９と、この膨出部４９の外側に位置して負極板の被溶接部６（第１の被溶接部）に溶接される負極集電部材本体５３とを備えた円盤形状を有している。本実施の形態では、負極集電部材本体５３が第１の溶接部を構成している。
図４（Ａ）は負極集電部材９の平面図であり、図４（Ｂ）は負極集電部材９の側面図であり、図４（Ｃ）は軸芯１１と負極集電部材９との嵌合状態を示すための断面図である。これらの図において、負極集電部材９は、ニッケルまたは銅にニッケルメッキを施した金属材料のいずれかで形成されている。本実施の形態では、銅にニッケルメッキを施した金属材料で負極集電部材９を形成した。図４に示す通り、負極集電部材９は、中心部分に軸芯１１から離れる方向に膨出して軸芯１１の他方の端部４７が嵌合される膨出部４９と、この膨出部４９の外側に位置して負極板の被溶接部６（第１の被溶接部）に溶接される負極集電部材本体５３とを備えた円盤形状を有している。本実施の形態では、負極集電部材本体５３が第１の溶接部を構成している。
負極集電部材９は、捲回極板群５に含まれる負極板の幅方向の一端側の被溶接部６（図１参照）に溶接される。そこで、捲回極板群５の負極板の被溶接部６が位置する側から負極集電部材９を捲回極板群５に向かって近付け、負極板の被溶接部６の上に、負極集電部材９を載せる。そして後述するレーザ溶接により、負極板の被溶接部６と負極集電部材９とを溶接する。レーザ溶接のために、負極集電部材９には、捲回極板群５と接する方向に向かって突出し、捲回極板群５から離れる方向に向かって開く溝５１ａ〜５１ｈが８本設けられている。本実施の形態では、これらの溝５１ａ〜５１ｈが第１の溶接用突条部を構成している。溝５１ａ〜５１ｈは、プレス加工によって形成されており、負極集電部材９の膨出部４９を中心として、放射状に直線的に延びている。また、溝５１ａ〜５１ｈは、負極集電部材本体５３の外周部５５との間にそれぞれ形成され、溝５１ａ〜５１ｈは負極集電部材本体５３の最外周部の手前で終端している。このようにすると溶接ビードが、負極集電部材本体５３の最外周部を越えて飛び出すことがなく、飛び出した溶接ビードによる無用な短絡を防止することができる。
８本の溝５１ａ〜５１ｈは、膨出部４９を中心として周方向に間隔をあけて形成されている。本実施の形態では、スリット５７の延長線上に位置する溝５１ａ，５１ｅの長さは、他の溝５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５１ｆ，５１ｇ，５１ｈの長さよりも短い。この構造により、スリット５７の長さを長くすることが可能になっている。
負極集電部材９は、膨出部４９と負極集電部材本体（第１の溶接部）５３とに跨がって延び且つ膨出部４９及び負極集電部材本体５３を厚み方向に貫通する１本のスリット５７を備えている。スリット５７は、膨出部４９の中心を通り、膨出部４９を完全に横切って且つその両端が負極集電部材本体５３まで延びている。軸芯１１を通して電解液を注入する際に、このスリット５７から電解液が容器内に広がるため、捲回極板群５内に従来よりも速く電解液が浸潤する。本実施の形態では、スリット５７が負極集電部材本体５３まで延びているため、容器の底部側から満たされていく電解液が、負極集電部材本体５３まで延びたスリット５７の部分を通り、直接的に捲回極板群５内に浸潤する。
なお、スリット５７の本数は任意であるが、膨出部４９の強度を考慮すると、本実施例のように、膨出部４９の中心を通り、膨出部４９を完全に横切って且つその両端が負極集電部材本体５３まで延びている１本のスリットを設けるだけでも十分である。
また、本実施の形態では、軸芯１１の端部４７に、軸芯１１の径方向に貫通し且つ膨出部４９に向かって開口し、径方向に対向する一対の凹部６３を設けている。そして軸芯１１の端部４７が膨出部４９に嵌合された状態で、一対の凹部６３がスリット５７と整合するようになっている。このようにすると、軸芯１１を通る電解液の流れがスムーズになる。また負極集電部材本体５３には、溝５１に挟まれた位置に円形のガス抜き孔５９が形成されている。
なお、本実施の形態では、負極集電部材本体５３は正極集電部材本体３７よりも大きく構成されている。これにより、負極板の被溶接部と負極集電部材９の溶接点が、正極板の被溶接部と正極集電部材７の溶接点よりも多くなり、負極集電部材９の抵抗値が下がることになるため、蓄電デバイスの容量を高めることができる。
＜絶縁リング部材＞
図５（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように、絶縁リング部材１９は、捲回極板群５の正極集電部材７側の端部の外周部を囲む筒部１９ａとこの筒部１９ａと一体に形成されて筒部１９ａから径方向内側に向かって延びて正極集電部材７と接触する板状部１９ｂを備えている。また、板状部１９ｂの環状凸部１５と対向する面には、環状凸部１５と接触する８つの突起部１９ｃが、軸芯１１の周方向に一定の間隔をあけて一体に設けられている。これら突起部１９ｃは、軸芯１１の径方向に延びる形状を有しており、環状凸部１５と接触した状態で、環状凸部１５の頂部１５ａよりも軸芯１１の径方向内側に突出する長さを有している。このような突起部１９ｃを周方向に一定の間隔をあけて設けると、容器３に絞り加工を施して環状凸部１５を形成する際に、複数の突起部１９ｃに重点的に圧力が加わる。そのため、絶縁リング部材１９には一定の間隔あけて設けた複数の突起部１９ｃからほぼ等しい押し付け力が加わることになる。その結果、ほぼ均等な押し付け力が極板群ユニット２に加わることにより、捲回極板群５の偏った変形を防止して、キャパシタ１に対して軸芯１１の軸線方向に加わる振動に対する耐性を高めることができる。突起部１９ｃを、環状凸部１５の頂部１５ａよりも軸芯１１の径方向内側に突出する長さにすることにより、個々の突起部１９ｃが環状凸部１５と接触する面の面積が常にほぼ等しくなる。その結果、各突起部１９ｃを介して極板群ユニット２に加わる押し付け力のバラツキを最小にすることができる。
図５（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように、絶縁リング部材１９は、捲回極板群５の正極集電部材７側の端部の外周部を囲む筒部１９ａとこの筒部１９ａと一体に形成されて筒部１９ａから径方向内側に向かって延びて正極集電部材７と接触する板状部１９ｂを備えている。また、板状部１９ｂの環状凸部１５と対向する面には、環状凸部１５と接触する８つの突起部１９ｃが、軸芯１１の周方向に一定の間隔をあけて一体に設けられている。これら突起部１９ｃは、軸芯１１の径方向に延びる形状を有しており、環状凸部１５と接触した状態で、環状凸部１５の頂部１５ａよりも軸芯１１の径方向内側に突出する長さを有している。このような突起部１９ｃを周方向に一定の間隔をあけて設けると、容器３に絞り加工を施して環状凸部１５を形成する際に、複数の突起部１９ｃに重点的に圧力が加わる。そのため、絶縁リング部材１９には一定の間隔あけて設けた複数の突起部１９ｃからほぼ等しい押し付け力が加わることになる。その結果、ほぼ均等な押し付け力が極板群ユニット２に加わることにより、捲回極板群５の偏った変形を防止して、キャパシタ１に対して軸芯１１の軸線方向に加わる振動に対する耐性を高めることができる。突起部１９ｃを、環状凸部１５の頂部１５ａよりも軸芯１１の径方向内側に突出する長さにすることにより、個々の突起部１９ｃが環状凸部１５と接触する面の面積が常にほぼ等しくなる。その結果、各突起部１９ｃを介して極板群ユニット２に加わる押し付け力のバラツキを最小にすることができる。
図６（Ａ）及び（Ｂ）は、正極集電部材７に絶縁リング部材１９を装着させた状態を示す平面図及び部分断面図である。なお、図６（Ａ）では、タブ３３は垂直に立っているものとして示してある。図６（Ａ）に示すように、ガス抜きの機能を最大限発揮させるためには、板状部１９ｂの大きさは、正極集電部材７のガス抜き孔６１を塞がない大きさにするのが好ましい。
＜捲回極板群と集電部材の溶接＞
捲回極板群５の被溶接部と集電部材（正極集電部材７及び負極集電部材９）の溶接には、レーザ光を用いる。本実施の形態では、レーザ溶接装置として、レーザ光を連続的に発生する直接集光型半導体レーザ装置（ＤＬＬ・図示せず）を用いた。正極集電部材７を溶接する場合を例にして説明すると、直接集光型半導体レーザ装置を用いて、レーザ光を正極集電部材７の溝２９に沿って正極集電部材７の中心部から外周側に向かって連続照射して正極集電部材７を局部的に溶融し、溶融金属により正極板の被溶接部４と正極集電部材７とを溶接する。本実施の形態のように、直接集光型半導体レーザ装置を用いてレーザ溶接を行うと、正極集電部材を効率的に溶融させることができて、確実に溶接を行うことが可能になり、溶接部の抵抗が大きくなることを確実に防止できる。なお、直接集光型半導体レーザ装置の代わりに、ファイバ導光型半導体レーザ装置等を用いても同様に良好な溶接結果を得ることができる。
捲回極板群５の被溶接部と集電部材（正極集電部材７及び負極集電部材９）の溶接には、レーザ光を用いる。本実施の形態では、レーザ溶接装置として、レーザ光を連続的に発生する直接集光型半導体レーザ装置（ＤＬＬ・図示せず）を用いた。正極集電部材７を溶接する場合を例にして説明すると、直接集光型半導体レーザ装置を用いて、レーザ光を正極集電部材７の溝２９に沿って正極集電部材７の中心部から外周側に向かって連続照射して正極集電部材７を局部的に溶融し、溶融金属により正極板の被溶接部４と正極集電部材７とを溶接する。本実施の形態のように、直接集光型半導体レーザ装置を用いてレーザ溶接を行うと、正極集電部材を効率的に溶融させることができて、確実に溶接を行うことが可能になり、溶接部の抵抗が大きくなることを確実に防止できる。なお、直接集光型半導体レーザ装置の代わりに、ファイバ導光型半導体レーザ装置等を用いても同様に良好な溶接結果を得ることができる。
負極集電部材９と負極板の被溶接部６の溶接も同様に行われる。すなわち、負極集電部材９が溶融し、溶融金属により負極板の被溶接部と負極集電部材９とが溶接される。
＜捲回極板群の容器への収納＞
図１に示すように集電部材７及び９を溶接した捲回極板群５からなる極板群ユニット２は、容器３へ収納される。極板群ユニット２を収納した状態で、負極集電部材９の膨出部４９と、容器の底部（膨出部２３）は軸芯１１の内部に挿入された溶接用電極を用いてスポット溶接により溶接され、電気的に接続されている。
図１に示すように集電部材７及び９を溶接した捲回極板群５からなる極板群ユニット２は、容器３へ収納される。極板群ユニット２を収納した状態で、負極集電部材９の膨出部４９と、容器の底部（膨出部２３）は軸芯１１の内部に挿入された溶接用電極を用いてスポット溶接により溶接され、電気的に接続されている。
正極集電部材７の外周縁部には、正極集電部材７と容器３とを電気的に絶縁するための絶縁リング部材１９が取り付けられている。容器３には、開口部近傍において、環状凸部１５を形成するために絞り加工が施され、図１に示すように、極板群ユニット２は容器３内で固定される。
図１に示すように、正極集電部材７の上方には、正極端子を構成する蓋部材３１が配置される。蓋部材３１は、アルミニウムにより形成された蓋本体３１Ａと、容器３と同様にニッケルメッキが施されたスチールにより形成された蓋キャップ３１Ｂとから構成されている。図２に示すように、蓋本体３１Ａには、細長い板状のタブ３２の一端が溶接されており、このタブの３２の他端には折り返し部３２Ａが形成されている。折り返し部３２Ａには、正極集電部材７のタブ３３の自由端部が溶接されている。これにより、蓋部材３１は、捲回極板群５の正極集電部材７と電気的に接続される。
蓋部材３１は、容器３に形成された環状凸部１５の上に蓋部材３１と容器３とを電気的に絶縁するための電気絶縁部材６５を介して配置される。電気絶縁部材６５は、例えばゴム等の弾性絶縁材料からなり、蓋部材３１の蓋本体３１Ａの外周部を全体に囲む形状を有している。環状凸部１５よりも容器３の開口部側に位置する環状壁部分６７は、蓋部材３１に近づくようにカーリング加工（かしめ加工）されている。その結果、カーリング加工された環状壁部分６７と環状凸部１５との間に、蓋部材３１が電気絶縁部材６５を介して挟まれた状態で固定される。これにより、キャパシタ１の内部は密封される。
容器３内には、極板群ユニット２全体を浸潤可能な量の非水電解液（不図示）が注液されている。非水電解液には、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）の溶媒中にリチウム塩として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を溶解した溶液を用いることができる。
図７は、本発明の他の実施の形態の円筒状リチウムイオンキャパシタ１０１（以下、キャパシタ１０１と略称する。）の正極集電部材１０７の平面図である。なお図７には、図３（Ａ）に示した実施の形態と同様の部分に、図３（Ａ）に付した符号に１００の数を加えた数の符号を付して詳細な説明を省略する。本実施の形態のキャパシタ１０１では、タブ１３３の一端１３５の近傍には、タブ１３３の幅方向に延び、捲回極板群１０５側に突出し且つ蓋部材１３１側に開口する３本の突条部１３９が形成されている。このような３本の突条部１３９を設けることにより、３本の突条部１３９のいずれの位置からもタブ１３３を簡単に曲げることができるので、曲げ直しの際に同じ突条部を繰り返し曲げることにより発生するタブの切れを防止できる。
また第１の集電部材及び第２の集電部材に設ける複数の第１または第２の溶接用突条部（２９ａ〜２９ｇ，５１ａ〜５１ｈ）は、図８〜図１５に示す溶接用突条部２００のように、集電部材の中心部寄りの部分の幅寸法よりも、集電部材の外周部付近の幅寸法の方が大きい形状としてもよい。図８〜図１５の例では、溶接用突条部２００の外周側部側の端部が扇状またはラッパ状に広がっている。このような形状にすると溶接用突条部に沿って、集電部材の中心側から外側に向かってレーザ溶接をする際に、溶接用突条部の終端側で熱を分散させることができるため、集電部を外周部付近で溶断してしまうような問題が発生することを防止することができる。
上記各実施の形態においては、蓋部材に正極集電部材を電気的に接続し、容器の底部に負極集電部材を電気的に接続した例について説明したが、蓋部材に負極集電部材を電気的に接続し、容器の底部に正極集電部材を電気的に接続してもよいのは勿論である。
本発明によれば、電解液を注入する際に、捲回極板群内に電解液が浸潤しやすいキャパシタを提供することができる。また、本発明によれば、集電部材の溶接部とタブとの境界部に亀裂が入り難いキャパシタを提供することができる。
１ キャパシタ
２ 極板群ユニット
３ 容器
５ 捲回極板群
７ 正極集電部材
９ 負極集電部材
１１ 軸芯
１３ 外周部分
１５ 環状凸部
１７ 環状壁部分
１９ 絶縁リング部材
１９ａ 筒部
１９ｂ 板状部
１９ｃ 突起部
２１ 環状底壁部分
２３ 膨出部
２５ 外周部分
２７ 貫通孔
２９ 溝
３１ 蓋部材
３３ タブ
３７ 正極集電部材本体
３９ 突条部
４１ 凹部
４９ 膨出部
５１ 溝
５３ 負極集電部材本体
５５ 外周部
５７ スリット
５９，６１ ガス抜き孔
６３ 凹部
６５ 電気絶縁部材
６７ 環状壁部分
２ 極板群ユニット
３ 容器
５ 捲回極板群
７ 正極集電部材
９ 負極集電部材
１１ 軸芯
１３ 外周部分
１５ 環状凸部
１７ 環状壁部分
１９ 絶縁リング部材
１９ａ 筒部
１９ｂ 板状部
１９ｃ 突起部
２１ 環状底壁部分
２３ 膨出部
２５ 外周部分
２７ 貫通孔
２９ 溝
３１ 蓋部材
３３ タブ
３７ 正極集電部材本体
３９ 突条部
４１ 凹部
４９ 膨出部
５１ 溝
５３ 負極集電部材本体
５５ 外周部
５７ スリット
５９，６１ ガス抜き孔
６３ 凹部
６５ 電気絶縁部材
６７ 環状壁部分
Claims (18)
- 幅方向の一端側に第１の被溶接部を残すように帯状の集電板に活物質層が形成されてなる一方の極性の極板と、セパレータと、幅方向の他端側に第２の被溶接部を残すように帯状の集電板に活物質層が形成されてなる他方の極性の極板とを積層してなる積層体が管状の軸芯の周りに捲回されて構成された捲回極板群と、前記軸芯の一端に支持されて前記捲回極板群の前記一方の極性の極板の前記第１の被溶接部に溶接された第１の集電部材と、前記軸芯の他端に支持されて前記捲回極板群の前記他方の極性の極板の前記第２の被溶接部に溶接された第２の集電部材とからなる極板群ユニットと、
一方の端部に開口部を有して内部に前記極板群ユニットが収納される有底筒状の導電性を有する容器と、
前記容器と電気的に絶縁された状態で、前記容器の前記開口部を塞ぐ導電性を有する蓋部材とを備え、
前記第１の集電部材が前記容器と電気的に接続され、
前記第２の集電部材が前記蓋部材と電気的に接続されてなるキャパシタであって、
前記第１の集電部材は、前記軸芯から離れる方向に膨出して前記軸芯の前記一端が嵌合される膨出部と、前記軸芯の径方向外側に延びるように前記膨出部の外側に位置して前記一方の極性の極板の前記第１の被溶接部に溶接される第１の溶接部と、前記膨出部と前記第１の溶接部とに跨がって延び且つ前記膨出部及び前記第１の溶接部を厚み方向に貫通する少なくとも１本のスリットを備えており、
１本の前記スリットが、前記膨出部の中心を通り、前記膨出部を完全に横切って且つその両端が前記第１の溶接部まで延びており、
前記第１の集電部材の前記第１の溶接部は、前記捲回極板群側に突出し且つ前記容器の底部側に開口し且つ前記膨出部を中心として周方向に間隔をあけて形成された複数の第１の溶接用突条部を備えており、
前記複数の第１の溶接用突条部は、前記膨出部と前記第１の溶接部の外周部との間にそれぞれ形成されており、
前記複数の第１の溶接用突条部は、前記周方向に等間隔を開けて形成されており、
前記スリットの延長線上に２つの前記第１の溶接用突条部を備え、前記２つの第１の溶接用突条部の長さは、残りの複数の前記第１の溶接用突条部の長さよりも短く、
前記複数の第１の溶接用突条部がレーザ溶接により前記第１の被溶接部に溶接されており、
前記軸芯の前記一端には、前記軸芯の径方向に貫通し且つ前記膨出部に向かって開口し、前記径方向に対向する一対の凹部を備えており、
前記軸芯の前記一端が前記膨出部に嵌合された状態で、前記一対の凹部が前記スリットと整合しており、
前記第２の集電部材は、前記軸芯の前記他端が嵌合される貫通孔と、前記軸芯の径方向外側に延びるように前記貫通孔の外側に位置して前記他方の極性の極板の前記第２の被溶接部に溶接される第２の溶接部と、一端が前記第２の溶接部と一体に設けられ他端が前記蓋部材に電気的に接続されるタブとを備え、
前記タブの前記一端の近傍には前記タブの幅方向に延び、前記捲回極板群側に突出し且つ前記蓋部材側に開口する１本以上の突条部が形成されており、
前記第２の集電部材の前記第２の溶接部には、その最外周部から前記貫通孔に向かって延び且つ厚み方向に貫通する凹部を備えており、
前記タブの前記一端は、前記凹部の底部と一体に設けられており、
前記第２の集電部材の前記第２の溶接部は、前記捲回極板群側に突出し且つ前記蓋部材側に開口し且つ前記貫通孔を中心として周方向に間隔をあけて形成された複数の第２の溶接用突条部を備えており、
前記複数の第２の溶接用突条部は、前記貫通孔と前記第２の溶接部の外周部との間にそれぞれ形成されており、
前記複数の第２の溶接用突条部は前記最外周部の手前で終端しており、
前記貫通孔は、一対の平行縁部と該一対の平行縁部の両端をそれぞれつなぐ一対の円弧状縁部とによって囲まれた形状を有しており、
前記複数の第２の溶接用突条部がレーザ溶接により前記第２の被溶接部に溶接されていることを特徴とするキャパシタ。 - 幅方向の一端側に第１の被溶接部を残すように帯状の集電板に活物質層が形成されてなる一方の極性の極板と、セパレータと、幅方向の他端側に第２の被溶接部を残すように帯状の集電板に活物質層が形成されてなる他方の極性の極板とを積層してなる積層体が管状の軸芯の周りに捲回されて構成された捲回極板群と、前記軸芯の一端に支持されて前記捲回極板群の前記一方の極性の極板の前記第１の被溶接部に溶接された第１の集電部材と、前記軸芯の他端に支持されて前記捲回極板群の前記他方の極性の極板の前記第２の被溶接部に溶接された第２の集電部材とからなる極板群ユニットと、
一方の端部に開口部を有して内部に前記極板群ユニットが収納される有底筒状の導電性を有する容器と、
前記容器と電気的に絶縁された状態で、前記容器の前記開口部を塞ぐ導電性を有する蓋部材とを備え、
前記第１の集電部材が前記容器と電気的に接続され、
前記第２の集電部材が前記蓋部材と電気的に接続されてなるキャパシタであって、
前記第１の集電部材は、前記軸芯から離れる方向に膨出して前記軸芯の前記一端が嵌合される膨出部と、前記軸芯の径方向外側に延びるように前記膨出部の外側に位置して前記一方の極性の極板の前記第１の被溶接部に溶接される第１の溶接部と、前記膨出部と前記第１の溶接部とに跨がって延び且つ前記膨出部及び前記第１の溶接部を厚み方向に貫通する少なくとも１本のスリットを備えており、
前記第２の集電部材は、前記軸芯の前記他端が嵌合される貫通孔と、前記軸芯の径方向外側に延びるように前記貫通孔の外側に位置して前記他方の極性の極板の前記第２の被溶接部に溶接される第２の溶接部と、一端が前記第２の溶接部と一体に設けられ他端が前記蓋部材に電気的に接続されるタブとを備え、
前記タブの前記一端の近傍には前記タブの幅方向に延び、前記捲回極板群側に突出し且つ前記蓋部材側に開口する１本以上の突条部が形成されていることを特徴とするキャパシタ。 - 前記第１の集電部材が負極集電部材であり、
前記第２の集電部材が正極集電部材であり、
前記第１の集電部材の前記第１の溶接部は、前記第２の集電部材の前記第２の溶接部よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載のキャパシタ。 - 幅方向の一端側に第１の被溶接部を残すように帯状の集電板に活物質層が形成されてなる一方の極性の極板と、セパレータと、幅方向の一端側に第２の被溶接部を残すように帯状の集電板に活物質層が形成されてなる他方の極性の極板とを積層してなる積層体が管状の軸芯の周りに捲回されて構成された捲回極板群と、前記軸芯の一端に支持されて前記捲回極板群の前記一方の極性の極板の前記第１の被溶接部に溶接された第１の集電部材と、前記軸芯の他端に支持されて前記捲回極板群の前記他方の極性の極板の前記第２の被溶接部に溶接された第２の集電部材とからなる極板群ユニットと、
一方の端部に開口部を有して内部に前記極板群ユニットが収納される有底筒状の導電性を有する容器と、
前記容器と電気的に絶縁された状態で、前記容器の前記開口部を塞ぐ導電性を有する蓋部材とを備え、
前記第１の集電部材が前記容器と電気的に接続され、
前記第２の集電部材が前記蓋部材と電気的に接続されてなるキャパシタであって、
前記第１の集電部材は、前記軸芯から離れる方向に膨出して前記軸芯の前記一端が嵌合される膨出部と、前記軸芯の径方向外側に延びるように前記膨出部の外側に位置して前記一方の極性の極板の前記第１の被溶接部に溶接される第１の溶接部と、前記膨出部と前記第１の溶接部とに跨がって延び且つ前記膨出部及び前記第１の溶接部を厚み方向に貫通する少なくとも１本のスリットを備えていることを特徴とするキャパシタ。 - 前記少なくとも１本のスリットは、前記膨出部を完全に横切り且つその両端が前記第１の溶接部まで延びている請求項２または４に記載のキャパシタ。
- １本の前記スリットが、前記膨出部の中心を通り、前記膨出部を完全に横切って且つその両端が前記第１の溶接部まで延びている請求項２または４に記載のキャパシタ。
- 前記軸芯の前記一端には、前記軸芯の径方向に貫通し且つ前記膨出部に向かって開口し、前記径方向に対向する一対の凹部を備えており、
前記軸芯の前記一端が前記膨出部に嵌合された状態で、前記一対の凹部が前記スリットと整合している請求項２または４に記載のキャパシタ。 - 前記第１の集電部材の前記第１の溶接部は、前記捲回極板群側に突出し且つ前記容器の底部側に開口し且つ前記膨出部を中心として周方向に間隔をあけて形成された複数の第１の溶接用突条部を備えており、
前記複数の第１の溶接用突条部は、前記膨出部と前記第１の溶接部の外周部との間にそれぞれ形成されている請求項２または４に記載のキャパシタ。 - １本の前記スリットが、前記膨出部の中心を通り、前記膨出部を完全に横切って且つその両端が前記第１の溶接部まで延びており、
前記第１の集電部材の前記第１の溶接部は、前記捲回極板群側に突出し且つ前記容器の底部側に開口し且つ前記膨出部を中心として周方向に間隔をあけて形成された複数の第１の溶接用突条部を備えており、
前記複数の第１の溶接用突条部は、前記膨出部と前記第１の溶接部の外周部との間にそれぞれ形成されており、
前記複数の第１の溶接用突条部は、前記周方向に等間隔を開けて形成されており、
前記スリットの延長線上に２つの前記第１の溶接用突条部を備え、前記２つの第１の溶接用突条部の長さは、残りの複数の前記第１の溶接用突条部の長さよりも短いことを特徴とする請求項４に記載のキャパシタ。 - 前記複数の第１の溶接用突条部がレーザ溶接により前記第１の被溶接部に溶接されている請求項８または９に記載のキャパシタ。
- 前記複数の第１の溶接用突条部は、前記膨出部付近の幅寸法よりも、前記外周部付近の幅寸法の方が大きいことを特徴とする請求項１０に記載のキャパシタ。
- 幅方向の一端側に第１の被溶接部を残すように帯状の集電板に活物質層が形成されてなる一方の極性の極板と、セパレータと、幅方向の一端側に第２の被溶接部を残すように帯状の集電板に活物質層が形成されてなる他方の極性の極板とを積層してなる積層体が管状の軸芯の周りに捲回されて構成された捲回極板群と、前記軸芯の一端に支持されて前記捲回極板群の前記一方の極性の極板の前記第１の被溶接部に溶接された第１の集電部材と、前記軸芯の他端に支持されて前記捲回極板群の前記他方の極性の極板の前記第２の被溶接部に溶接された第２の集電部材とからなる極板群ユニットと、
一方の端部に開口部を有して内部に前記極板群ユニットが収納される有底筒状の導電性を有する容器と、
前記容器と電気的に絶縁された状態で、前記容器の前記開口部を塞ぐ導電性を有する蓋部材とを備え、
前記第１の集電部材が前記容器と電気的に接続され、
前記第２の集電部材が前記蓋部材と電気的に接続されてなるキャパシタであって、
前記第２の集電部材は、前記軸芯の前記他端が嵌合される貫通孔と、前記軸芯の径方向外側に延びるように前記貫通孔の外側に位置して前記他方の極性の極板の前記第２の被溶接部に溶接される第２の溶接部と、一端が前記第２の溶接部と一体に設けられ他端が前記蓋部材に電気的に接続されるタブとを備え、
前記タブの前記一端の近傍には前記タブの幅方向に延び、前記捲回極板群側に突出し且つ前記蓋部材側に開口する１本以上の突条部が形成されていることを特徴とするキャパシタ。 - 前記第２の集電部材の前記第２の溶接部には、その最外周部から前記貫通孔に向かって延び且つ厚み方向に貫通する凹部を備えており、
前記タブの前記一端は、前記凹部の底部と一体に設けられている請求項２または１２に記載のキャパシタ。 - 前記第２の集電部材の前記第２の溶接部は、前記捲回極板群側に突出し且つ前記蓋部材側に開口し且つ前記貫通孔を中心として周方向に間隔をあけて形成された複数の第２の溶接用突条部を備えており、
前記複数の第２の溶接用突条部は、前記貫通孔と前記第２の溶接部の外周部との間にそれぞれ形成されている請求項１３に記載のキャパシタ。 - 前記複数の第２の溶接用突条部は前記最外周部の手前で終端している請求項１４に記載のキャパシタ。
- 前記貫通孔は、一対の平行縁部と該一対の平行縁部の両端をそれぞれつなぐ一対の円弧状縁部とによって囲まれた形状を有している請求項１５に記載のキャパシタ。
- 前記複数の第２の溶接用突条部がレーザ溶接により前記第２の被溶接部に溶接されている請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載のキャパシタ。
- 前記第２の溶接用突条部は、前記貫通孔付近の幅寸法よりも、前記外周部付近の幅寸法の方が大きいことを特徴とする請求項１７に記載のキャパシタ。
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