JP6638564B2 - 円筒形積層電池 - Google Patents

Description

この発明は、円筒形積層電池に関する。

従来の円筒形積層電池に関して、たとえば、特許第５３６９３４２号公報には、電池内部の温度上昇を抑制すること、および、電極同士の短絡を防止することを目的とした、積層電池が開示されている（特許文献１）。

特許文献１に開示された積層電池は、有底の円筒缶を有する外装体と、円筒缶の軸方向に積層して外装体の内部に収納され、正極、負極およびセパレータとから構成される電極体と、円筒缶の軸方向に延びて、電極体の中央を貫通する集電体とを備える。正極の外縁部は、円筒缶と接触しており、正極および円筒缶は、電気的に接続されている。負極は、集電体と接触しており、負極および集電体は、電気的に接続されている。

特許第５３６９３４２号公報

上述の特許文献１に開示されるように、円筒筐体内に、正極および負極（電極）を円筒筐体の軸方向に積層して収容するとともに、これら電極と、円筒筐体および集電体とを電気的に接続した円筒形積層電池が知られている。このような円筒形積層電池においては、電極と、円筒筐体および集電体との間で接触面圧が確保されない可能性がある。また、円筒形積層電池の製造工程において円筒筐体内に電極を挿入する必要があるが、その際、電極相互の位置に周方向のずれが生じると、電極に過大な負荷が加わる場合がある。この場合、電池性能が低下してしまう。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、電極と、円筒筐体および集電体との間で接触面圧を確保するとともに、電池性能の低下を抑制する円筒形積層電池を提供することである。

この発明に従った円筒形積層電池は、円筒筐体と、円筒筐体内に収容される複数の正極と、円筒筐体内に収容される複数の負極とを備える。正極および負極は、円筒筐体の軸方向において交互に積層される。円筒形積層電池は、円筒筐体の軸方向に延び、複数の正極および複数の負極を貫通する集電体をさらに備える。正極および負極のいずれか一方の電極である第１電極は、円筒筐体と電気的に接続される。正極および負極のいずれか他方の電極である第２電極は、集電体と電気的に接続される。第１電極の外周縁には、第１切り欠き部が設けられる。第２電極の内周縁には、第２切り欠き部が設けられる。円筒形積層電池は、複数の第１電極に渡って第１切り欠き部に嵌合され、円筒筐体を、その径方向外側に押圧するように設けられる第１嵌合体と、複数の第２電極に渡って第２切り欠き部に嵌合され、集電体を、円筒筐体の径方向内側に押圧するように設けられる第２嵌合体とをさらに備える。

このように構成された円筒形積層電池によれば、第１嵌合体が円筒筐体をその径方向外側に押圧し、第２嵌合体が集電体を円筒筐体の径方向内側に押圧することにより、円筒筐体および第１電極間の接触面圧、ならびに、集電体および第２電極間の接触面圧を局所的に増大させることができる。これにより、電極と、円筒筐体および集電体との間で接触面圧を確保することができる。また、第１嵌合体が、複数の第１電極に渡って第１切り欠き部に嵌合され、第２嵌合体が、複数の第２電極に渡って第２切り欠き部に嵌合されることによって、円筒筐体内に電極を挿入する際に電極相互の位置に周方向のずれが生じることを抑制できる。これにより、電極の損傷に起因して電池性能が低下することを抑制できる。

以上に説明したように、この発明に従えば、電極と、円筒筐体および集電体との間で接触面圧を確保するとともに、電池性能の低下を抑制する円筒形積層電池を提供することができる。

この発明の実施の形態における円筒形積層電池を示す断面図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線上に沿った円筒形積層電池を示す断面図である。 図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線上に沿った円筒形積層電池を示す断面図である。 図１中の円筒形積層電池の組み立て第１工程を示す断面図である。 図１中の円筒形積層電池の組み立て第２工程を示す断面図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、この発明の実施の形態における円筒形積層電池を示す断面図である。図１を参照して、本実施の形態における円筒形積層電池１００は、ニッケル水素電池である。円筒形積層電池１００は、たとえば、車載用である。

円筒形積層電池１００は、円筒筐体１０と、蓋体２０と、正極３０と、負極４０とを有する。

円筒筐体１０は、有底の円筒形状を有する。円筒筐体１０は、たとえば、ニッケルメッキが施された鉄缶等でよい。円筒筐体１０は、その軸方向（中心軸１０１の軸方向）の端部で開口する開口端を有する。蓋体２０は、円筒筐体１０の開口端に設けられている。

正極３０および負極４０は、円筒筐体１０内に収容されている。正極３０および負極４０は、円筒筐体１０の軸方向に積層されている。積層数は、特に限定されるべきではない。積層数は、互いに隣接する正極３０および負極４０が一組とされたとき、その組の総数を示す。積層数は、たとえば、２〜３０程度でよい。

正極３０および負極４０は、円筒筐体１０の軸方向において、交互に積層されている。正極３０と負極４０との間には、セパレータ５０が配置されている。セパレータ５０は、袋状であってもよい。すなわち、袋状のセパレータ５０に、正極３０および負極４０が挿入されていてもよい。セパレータ５０は、たとえば、ポリオレフィン製の不織布等でよい。セパレータ５０の表面には、親水化処理等が施されていてもよい。

図示されていないが、円筒筐体１０内には、電解液が収容されている。電解液は、たとえば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液である。水溶液の濃度は、たとえば、１〜１０ｍоｌ／ｌでよい。

なお、図中では、各構成を明示するため、正極３０および負極４０が円筒筐体１０の軸方向において離れて示されているが、実際には、正極３０および負極４０は、セパレータ５０を介して当接している。

図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線上に沿った円筒形積層電池を示す断面図である。図３は、図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線上に沿った円筒形積層電池を示す断面図である。

図１から図３を参照して、正極３０は、円板形状を有する。正極３０の中心部には、正極３０をその厚み方向（円筒筐体１０の軸方向）に貫通する貫通孔３１が設けられている。正極３０は、正極活物質として、水酸化ニッケルおよびオキシ水酸化ニッケルの少なくとも一方を含有する。正極３０は、従来公知の焼結式ニッケル正極であってもよい。正極３０は、従来公知の非焼結式ニッケル正極であってもよい。正極活物質を担持する基材は、たとえば、発泡ニッケル等でよい。

負極４０は、円板形状を有する。負極４０の直径は、正極３０の直径よりも大きい。負極４０の中心部には、負極４０をその厚み方向（円筒筐体１０の軸方向）に貫通する貫通孔４１が設けられている。負極４０の貫通孔４１の直径は、正極３０の貫通孔３１の直径より大きい。負極４０は、負極活物質として水素吸蔵合金を含有する。負極４０は、たとえば、水素吸蔵合金の成形体であってもよい。負極４０は、たとえば、粒子状の水素吸蔵合金、導電材およびバインダが、パンチングメタル等の基材に担持されたものであってもよい。

円筒形積層電池１００は、集電体６０および絶縁板６１をさらに有する。集電体６０は、棒状部材である。集電体６０は、円筒筐体１０の軸方向に延びている。集電体６０は、円筒筐体１０の中心軸に沿って延びている。集電体６０は、円筒筐体１０の軸方向に直交する平面により切断された場合に円形の断面を有する。集電体６０は、たとえば、ニッケルメッキが施された銅棒、またはニッケル棒等であってもよい。集電体６０は、正極３０の貫通孔３１および負極４０の貫通孔４１に挿通されている。集電体６０は、円筒筐体１０の軸方向において、正極３０および負極４０を貫通している。

負極４０は、円筒筐体１０に電気的に接続されている。正極３０は、集電体６０に電気的に接続されている。すなわち、円筒筐体１０は、負極集電体として機能し、集電体６０は、正極集電体として機能している。

負極４０は、外周縁４０ａと、貫通孔４１を規定する内周縁４０ｂとを有する。負極４０は、円筒筐体１０と接触するように設けられている。負極４０の外周縁４０ａと、円筒筐体１０の内周面１０ｂとが、接触している。負極４０は、集電体６０と非接触となるように設けられている。負極４０の内周縁４０ｂと、集電体６０との間には、隙間が設けられている。

正極３０は、外周縁３０ａと、貫通孔３１を規定する内周縁３０ｂとを有する。正極３０は、集電体６０と接触するように設けられている。正極３０の内周縁３０ｂと、集電体６０の外周面６０ａとが、接触している。正極３０は、円筒筐体１０と非接触となるように設けられている。正極３０の外周縁３０ａと、円筒筐体１０の内周面１０ｂとの間には、隙間が設けられている。

集電体６０は、円筒筐体１０の軸方向において、絶縁板６１に突き当てられている。絶縁板６１は、円筒筐体１０の軸方向において、正極３０および負極４０の積層体と、円筒筐体１０（の底部）との間に介挿されている。集電体６０は、絶縁板６１によって、円筒筐体１０と電気的に絶縁されている。絶縁板６１は、たとえば、樹脂製の板でよい。

蓋体２０は、集電体６０と電気的に接続されている。蓋体２０は、集電体６０と溶接されていてもよい。蓋体２０は、ねじ止めにより、集電体６０と接合されていてもよい。蓋体２０と集電体６０とは、一体物であってもよい。

なお、本実施の形態では、負極４０および正極３０が、それぞれ、円筒筐体１０および集電体６０に電気的に接続される場合について説明したが、負極４０および正極３０が、それぞれ、集電体６０および円筒筐体１０に電気的に接続される構成としてもよい。

負極４０の外周縁４０ａには、第１切り欠き部４２が設けられている。第１切り欠き部４２は、負極４０の外周縁４０ａから半径方向内側に向けて凹み、負極４０をその厚み方向に貫通する切り欠き形状を有する。第１切り欠き部４２は、円筒筐体１０の軸方向から見て、矩形形状を有する。第１切り欠き部４２は、複数の負極４０の全てに設けられている。各負極４０に設けられた第１切り欠き部４２は、同じ切り欠き形状を有する。複数の負極４０は、円筒筐体１０の軸方向から見て、各負極４０に設けられた第１切り欠き部４２が重なり合うように位置決めされている。

正極３０の内周縁３０ｂには、第２切り欠き部３２が設けられている。第２切り欠き部３２は、正極３０の内周縁３０ｂから半径方向外側に向けて凹み、正極３０をその厚み方向に貫通する切り欠き形状を有する。第２切り欠き部３２は、円筒筐体１０の軸方向から見て、矩形形状を有する。第２切り欠き部３２は、複数の正極３０の全てに設けられている。各正極３０に設けられた第２切り欠き部３２は、同じ切り欠き形状を有する。複数の正極３０は、円筒筐体１０の軸方向から見て、各正極３０に設けられた第２切り欠き部３２が重なり合うように位置決めされている。

なお、第１切り欠き部４２および第２切り欠き部３２の切り欠き形状は、特に限定されず、たとえば、半円形状であってもよい。

円筒形積層電池１００は、第１嵌合体７０および第２嵌合体８０をさらに有する。第１嵌合体７０は、複数の負極４０に渡って第１切り欠き部４２に嵌合されている。第１嵌合体７０は、円筒筐体１０の軸方向に直線状に延びている。第１嵌合体７０は、円筒筐体１０の軸方向に直交する平面により切断された場合に、第１切り欠き部４２の切り欠き形状（本実施の形態では、矩形形状）に対応する断面形状を有する。第１嵌合体７０が複数の負極４０に渡って第１切り欠き部４２に嵌合される位相決め構造により、複数の負極４０の周方向における位置が相互に固定されている。

第２嵌合体８０は、複数の正極３０に渡って第２切り欠き部３２に嵌合されている。第２嵌合体８０は、円筒筐体１０の軸方向に直線状に延びている。第２嵌合体８０は、円筒筐体１０の軸方向に直交する平面により切断された場合に、第２切り欠き部３２の切り欠き形状（本実施の形態では、矩形形状）に対応する断面形状を有する。第２嵌合体８０が複数の正極３０に渡って第２切り欠き部３２に嵌合される位相決め構造により、複数の正極３０の周方向における位置が相互に固定されている。

第１嵌合体７０は、円筒筐体１０を、その径方向外側に押圧するように設けられている。第１嵌合体７０は、円筒筐体１０の内周面１０ｂに圧接している。第２嵌合体８０は、集電体６０を、円筒筐体１０の径方向内側に押圧するように設けられている。第２嵌合体８０は、集電体６０の外周面６０ａに圧接している。

円筒筐体１０および負極４０の接触が不確かであることに起因して、円筒筐体１０および負極４０の間の接触面圧が確保されない場合がある。これに対して、本実施の形態では、第１嵌合体７０が円筒筐体１０をその径方向外側に押圧することにより、円筒筐体１０の中心軸（図３中の中心軸１０１）を挟んで第１嵌合体７０の反対側において、円筒筐体１０の内周面１０ｂと、負極４０の外周縁４０ａとを確実に面接触させることができる。結果として、円筒筐体１０および負極４０の間の接触面圧を確保することができる。

同様に、集電体６０および正極３０の接触が不確かであることに起因して、集電体６０および正極３０の間の接触面圧が確保されない場合がある。これに対して、本実施の形態では、第２嵌合体８０が集電体６０をその径方向内側に押圧することにより、円筒筐体１０の中心軸（図２中の中心軸１０１）を挟んで第２嵌合体８０の反対側において、集電体６０の外周面６０ａと、正極３０の内周縁３０ｂとを確実に面接触させることができる。結果として、集電体６０および正極３０の間の接触面圧を確保することができる。

なお、集電体６０と接触する正極３０の部分に、リング形状の補強部材が設けられる場合がある。この場合、その補強部材に第２切り欠き部が設けられてもよい。円筒筐体１０の軸方向から見た場合の第１切り欠き部４２および第２切り欠き部３２の各切り欠き面積は、円筒筐体１０の軸方向から見た場合の各電極の面積の０．５％以上５％以下であることが好ましい。

図４および図５は、図１中の円筒形積層電池の組み立て工程を示す断面図である。図４および図５を参照して、集電体６０の外周上に正極３０および負極４０を交互に嵌め合わせる。この際、集電体６０の外周上に、集電体６０と平行に第１嵌合体７０および第２嵌合体８０を設ける。負極４０の第１切り欠き部４２を第１嵌合体７０に嵌め合わせながら、複数の負極４０を順次積層してゆき、正極３０の第２切り欠き部３２を第２嵌合体８０に嵌め合わせながら、複数の正極３０を順次積層してゆく。

集電体６０と、複数の正極３０および複数の負極４０と、第１嵌合体７０および第２嵌合体８０と、蓋体２０と、絶縁板６１とを有するサブアセンブリ９０を得る。

次に、円筒筐体１０内にサブアセンブリ９０を挿入する。この際、第１嵌合体７０および第２嵌合体８０による位相決め構造により、複数の負極４０の周方向における相互の位置および複数の正極３０の周方向における相互の位置が固定されている。これにより、電極の周方向における位置ずれによって電極の表面（負極活物質および正極活物質の塗布面）同士が擦れることを抑制できる。結果、電極の損傷に起因する電池性能の低下を抑制することができる。

円筒筐体１０および蓋体２０間を接続することによって、図１中の円筒形積層電池１００が完成する。

以上に説明した、この発明の実施の形態における円筒形積層電池１００の構造についてまとめて説明すると、本実施の形態における円筒形積層電池１００は、円筒筐体１０と、円筒筐体１０内に収容される複数の正極３０と、円筒筐体１０内に収容される複数の負極４０とを備える。正極３０および負極４０は、円筒筐体１０の軸方向において交互に積層される。円筒形積層電池１００は、円筒筐体１０の軸方向に延び、複数の正極３０および複数の負極４０を貫通する集電体６０をさらに備える。正極３０および負極４０のいずれか一方の電極である第１電極としての負極４０は、円筒筐体１０と電気的に接続される。正極３０および負極４０のいずれか他方の電極である第２電極としての正極３０は、集電体６０と電気的に接続される。負極４０の外周縁４０ａには、第１切り欠き部４２が設けられる。正極３０の内周縁３０ｂには、第２切り欠き部３２が設けられる。円筒形積層電池１００は、複数の負極４０に渡って第１切り欠き部４２に嵌合され、円筒筐体１０を、その径方向外側に押圧するように設けられる第１嵌合体７０と、複数の正極３０に渡って第２切り欠き部３２に嵌合され、集電体６０を、円筒筐体１０の径方向内側に押圧するように設けられる第２嵌合体８０とをさらに備える。

このように構成された、この発明の実施の形態における円筒形積層電池１００によれば、電極と、円筒筐体１０および集電体６０との間で接触面圧を確保するとともに、電池性能の低下を抑制することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、円筒筐体内に、正極および負極を円筒筐体の軸方向に積層して収容した円筒形積層電池に適用される。

１０ 円筒筐体、１０ｂ 内周面、２０ 蓋体、３０ 正極、３０ａ，４０ａ 外周縁、３０ｂ，４０ｂ 内周縁、３１，４１ 貫通孔、３２ 第２切り欠き部、４０ 負極、４２ 第１切り欠き部、５０ セパレータ、６０ 集電体、６０ａ 外周面、６１ 絶縁板、７０ 第１嵌合体、８０ 第２嵌合体、９０ サブアセンブリ、１００ 円筒形積層電池、１０１ 中心軸。

Claims (1)

1. 円筒筐体と、
   前記円筒筐体内に収容される複数の正極と、
   前記円筒筐体内に収容される複数の負極とを備え、
   前記正極および前記負極は、前記円筒筐体の軸方向において交互に積層され、さらに、
   前記円筒筐体の軸方向に延び、複数の前記正極および複数の前記負極を貫通する集電体を備え、
   前記正極および前記負極のいずれか一方の電極である第１電極は、前記円筒筐体と電気的に接続され、
   前記正極および前記負極のいずれか他方の電極である第２電極は、前記集電体と電気的に接続され、
   前記第１電極の外周縁には、第１切り欠き部が設けられ、
   前記第２電極の内周縁には、第２切り欠き部が設けられ、さらに、
   複数の前記第１電極に渡って前記第１切り欠き部に嵌合され、前記円筒筐体を、その径方向外側に押圧するように設けられる第１嵌合体と、
   複数の前記第２電極に渡って前記第２切り欠き部に嵌合され、前記集電体を、前記円筒筐体の径方向内側に押圧するように設けられる第２嵌合体とを備える、円筒形積層電池。

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