JPH0992250A - 二次電池 - Google Patents
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- JPH0992250A JPH0992250A JP7249933A JP24993395A JPH0992250A JP H0992250 A JPH0992250 A JP H0992250A JP 7249933 A JP7249933 A JP 7249933A JP 24993395 A JP24993395 A JP 24993395A JP H0992250 A JPH0992250 A JP H0992250A
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- Gas Exhaust Devices For Batteries (AREA)
Abstract
に開放弁の入口まで誘導することができる二次電池を提
供する。 【解決手段】 本発明はリチウムイオン二次電池に関す
るものである。ここで、電極渦巻体35は、正極電極1
3、負極電極14、およびセパレータを巻き芯31に巻
回したものである。また、短冊状リード11は、正極電
極13および負極電極14のそれぞれの未塗布部からそ
の全長にわたり形成されたものである。極柱10の円板
状部分20の外周部の全周にわたり、短冊状リード11
が溶接されている。絶縁カラー12は、巻き芯31と円
板状部分20を絶縁している。円板状部分20および絶
縁カラー12の双方には連続するガス抜き孔23および
24が設けられている。
Description
用電源のように電気容量の大きな大型の電池に適用して
好適な二次電池に関する。
電解液二次電池は、例えば電極のショートなどにより電
池に異常が起きた時は、発生したジュール熱によって電
解液が気化しガスが発生する。電極をロール状に巻いて
作る円筒型電池ではその時、ガスの抜け道としては、主
に図5Aの矢印の方向にガスが抜ける事になる。ここ
で、スパイラル方向は距離が長すぎて流動抵抗が高いか
らである。
は、リードに流れる電流も小さいのでリードの数や断面
積も小さくてすむ。しかし、電池が大型になるにつれ
て、リード線に流れる定格電流も多くなり、リード線か
らのジュール熱も電流の2乗に比例して発生する為、発
熱量(電流の2乗)に合わせてリードの数や断面積を大
きくしなければならない。
電池においては、20Ah以上の電池の場合集電体箔そ
のものが薄い(例えば10〜40μm) 為、リードの数
を増やさなければならなかった。そのためリードの電流
を外部に伝える極柱は回りをリード箔に囲まれ、ガスの
出口が無くなるという問題があった。
ものであり、電池内部で発生したガスを迅速かつスムー
ズに開放弁の入口まで誘導することができる二次電池を
提供することを目的とする。
極電極、負極電極、およびセパレータを巻き芯に巻回す
る電極渦巻体と、正極電極および負極電極のそれぞれの
未塗布部からその全長にわたり形成された短冊状リード
と、その円板状部分の外周部の全周にわたり、短冊状リ
ードが溶接された極柱と、巻き芯と円板状部分を絶縁す
る絶縁カラーとを有する二次電池において、円板状部分
および絶縁カラーの双方に連続するガス抜き孔を設けた
ものである。
次電池である上述構成の二次電池である。
ン二次電池である上述構成の二次電池である。
0〜500Ahの大型電池である上述構成の二次電池で
ある。
よび絶縁カラーの双方に連続するガス抜き孔を設けたの
で、発生したガスを迅速かつスムーズに開放弁の入口ま
で誘導することができる。
について図1〜図6を参照しながら説明する。図1およ
び図2は、それぞれ本例のリチウムイオン二次電池の要
部の断面図および側面図を示すものである。また、図5
は、本例のリチウムイオン二次電池の全体の構成を概略
示すものである。
状の電池容器17に電極渦巻体35を収納してある。こ
の電極渦巻体35は、図1に示すように、帯状の負極電
極14と帯状の正極電極13とをセパレータ30を介し
て、巻き芯31に巻回したものである。ここで、負極電
極14の作製方法について説明する。負極電極14の活
物質は、出発原料として石油ピッチを用い、これを酸素
を含む官能基を10〜20%導入(いわゆる酸素架橋)
した後、不活性ガス気流中1000℃で熱処理して、ガ
ラス状炭素に近い性質を持った炭素材料を得、この炭素
材料を粉砕した平均粒径20μmの炭素材料粉末を使用
する。
としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)10重量とを
混合し、この混合物を溶剤N−メチルピロリドンに分散
してスラリー状とし、このスラリー状の負極活物質を厚
さ10μmの帯状銅箔よりなる負極集電体の両面に均一
に塗布して、厚さ180μmの負極電極原板を作製し、
側部に負極電極のリード部となる未塗布部を残して、帯
状にカットして形成する。負極電極14の形状は、幅が
383mmであり、このうち塗布部分が348mmで、
未塗布部分が35mmである。また、長さは6940m
mである。
すなわち、平均粒径15μmのLiCoO2 の粉末を9
1重量部と、導電剤としてグラファイトを6重量部と、
結着材としてフッ化ビニリデンを3重量部とを混合し、
この混合物を溶剤N−メチルピロリドンに分散してスラ
リー状とし、このスラリー状の正極活物質を厚さ20μ
mの帯状アルミ箔よりなる正極集電体の両面に均一に塗
布して、厚さ150μmの正極電極原板を作製し、側部
に正極電極のリード部となる未塗布部を残して、帯状に
カットして形成する。正極電極の形状は、幅が379m
mであり、このうち塗布部分が344mで、未塗布部分
が35mmである。また、長さは7150mmである。
負極電極14のそれぞれの未塗布部は、巻き取り前に幅
10mm、長さ30mmで、ピッチ15mmおきに短冊
状にカットし短冊状リードとする。ここで、正極電極1
3および負極電極14の未塗布部は、上述の寸法で全長
にわたりカットされる。
端から、極柱10までの距離より長くなければならな
い。また、短冊状リード11の幅は、この短冊状リード
11の総断面積が最大通電電流値を満足させるよう設定
される。また、短冊状リード11の折れ曲がりを考える
と幅は10mm以下であることが望ましい。
極14、およびセパレータ30は、正極電極13・セパ
レータ30・負極電極14・セパレータ30の順に重
ね、巻き芯31に巻回され、電極渦巻体35を形成す
る。このとき、この電極渦巻体35の一側は正極電極1
3の短冊状リード11、他側は負極電極14の短冊状リ
ード11として各々リードが集まるように短冊状リード
11の位置は反対側になるように巻いていく。なお、セ
パレータ30は、厚さ38μmで、353×7600m
mの幅にカットされた、微少な孔が形成されているポリ
エチレンのシートである。また、巻き芯31の形状は、
たとえば外径が17mm、内径が14mm、長さが35
4mmの純アルミの円筒である。
31の両側に短冊状リード11を取り出しているので、
電極集電体で得られた電流を速やかに外部に取り出すこ
とができる。また、この短冊状リード11は、細長い短
冊の形状に形成されているため、その変形が容易であ
り、極柱10の円板状部分の外周部に沿って溶接するこ
とができる。
レータ30を巻き芯31に巻き取った後、図1に示すよ
うに、短冊状リード部11は、極柱10の円板状部分の
外周部の全周にわたって略均等に押さえ金具33により
押さえつけられる。なお、極柱10の材質は、正極電極
は純アルミ(A1050)であり、負極は純銅(C11
00)である。また、押さえ金具33の材質は、正極側
は純アルミ(A1050)であり、負極側は純銅(C1
100)である。
部分の外周部へ押さえ金具33により押さえつけた後、
短冊状リード11を極柱10の円板状部分の上部端面に
てカットする。この後、極柱10の円板状部分の上面よ
りレーザーを照射し、円板状部分の全周にわたり溶接を
行う。
状リード11と極柱10とは、溶接により、しかも広い
面積で接合されているために、内部抵抗は低く、またば
らつきも小さい。しかも大面積という点から、特に大電
流放電特性に優れた電池が得られる。
は、バックアップリング51、シール8、セラミック突
き当て6、キャップ(天板)1、リング50、およびセ
ラミックワッシャ5を組み込み、ナット7で締め込まれ
る。
外周を電池容器17の中に圧入するとともにレーザー溶
接する。すなわち、キャップ1の上面よりその円周上に
レーザーを照射し、溶接して密閉する。このように、電
池容器17のキャップ1をレーザーによって溶接を行う
ことにより、完全密閉構造の電池を得ることができる。
鋼(SUS304)であり、その肉厚は0.3〜0.5
mmの範囲である。また、キャップ1の材質は、同じく
ステンレス鋼(SUS304)であり、その肉厚3mm
である。
先端部の外側には、M14のおねじ(おねじ部15)が
切られている。このおねじ部15には、ナット7が配置
されている。このナット7を締め付けることにより、セ
ラミックワッシャ5およびセラミック突き当て6の間に
キャップ1を挟みつけて、極柱10自身がキャップ1に
固定される。また、極柱10の円板状部分とキャップ1
の間にシール8を挟みつけて内部の電解液が漏れないよ
うに密閉される。
めねじ(めねじ部16)が切られている。このめねじ部
16は、外部との結線を行うときに使用するものであ
る。すなわち、このめねじ部16に、ボルト19を螺入
することにより、極柱の先端部の端面とボルト19の頭
部との間にブスバーまたは導線を挟みつけて接続固定す
る。
柱10との間は、ポリプロピレン(PP)製の絶縁カラ
ー12によって絶縁される。
ワッシャ5は、その中心に円形の孔を持つ円板の形状を
しており、ナット7とキャップ1との間に挟み込まれて
いる。このセラミックワッシャ5の材質はアルミナ(A
l2 O3 )である。
10とキャップ1とを絶縁することにあるが、その材質
が上述の通りアルミナであるので、絶縁性を確保するこ
とができる。
ことによりキャップ1に固定されているので、セラミッ
クワッシャ5は、この締結力、すなわち圧縮力に十分耐
える剛性がなければならない。この点においても、セラ
ミックワッシャ5の材質がアルミナであるので、ナット
7による圧縮力に十分耐えることができる。さらに、材
質がアルミナであることから、締結後長期間経過しても
その形状が変化しないので、強い締結力を維持すること
ができる。また、アルミナは、温度変化に対してもその
剛性が変化しないので、広い範囲で温度が変化してもそ
の締結力を維持することができる。
ので、ナット7をより強く締め付けることができる。そ
の結果、大きな締結力を得ることができ、車載運用で発
生する振動にも経時的にナット7がゆるんだりせず、十
分なシールが得られるので、非水電解液が漏れたりする
ことを防止できる密閉性を保持できる。
て6との間で、かつ、キャップ1の内側と極柱10の外
側の間には、リング50が配置されている。このリング
50は、その断面形状が長方形のリングであり、PPな
どの高分子材料からなっている。このリング50は、ナ
ット7を締め付けることにより極柱10をキャップ1に
固定するときに、極柱10の中心軸を電池の長手方向の
中心軸に保持させるために用いるものである。
部分の間には、セラミック突き当て6が挟みつけられて
いる。このセラミック突き当て6は、セラミックワッシ
ャ5と同様に、その中心に円形の孔を持つ円板の形状を
しており、その材質はアルミナ(Al2 O3 )である。
ワッシャ5と同様に、極柱10とキャップ1との絶縁性
を確保している。また、セラミック突き当て6はナット
7による圧縮力に十分耐えることができる。さらに、締
結後長期間経過しても強い締結力を維持することができ
る。また、セラミック突き当て6は、広い範囲で温度が
変化してもその締結力を維持することができる。またさ
らに、セラミック突き当て6は、大きな締結力を得るこ
とができ、車載運用で発生する振動にも経時的にナット
7がゆるんだりせず、十分なシールが得られるので、非
水電解液が漏れたりするのを防止できる。
外周の寸法をシール8の弾性変形がある程度以上起こら
ない位置に設定することにより、シール8の大きな弾性
変形を阻止し、その結果として、シール8の極柱10の
軸方向の反発力を増大させることができる。このように
して、セラミック突き当て6を配置することにより、シ
ール8のシール力を十分な大きさまで増大させることが
できる。
置にバックアップリング51が配置されている。このバ
ックアップリング51はPPからなるものである。この
バックアップリング51により、シール8が電池内に存
在する非水電解液に触れ、膨潤して変形したときに、そ
の変形を阻止してシール8の極柱10の軸方向の反発力
が低下するのを防止することができる。
には円板状部分20が一体に形成されている。この円板
状部分20の径は54mmであり、また厚さは3.5m
mである。
には、円板状部分20の厚さ方向を貫通するガス抜き孔
23が形成されている。このガス抜き孔23は径が6m
mであり、円板状部分20の中心から径44mmの円周
上に設けられている。また、このガス抜き孔23は全部
で8個設けられており、その位置は円板状部分20の中
心軸を中心にして等角度の線上に設けられている(図3
参照)。
の絶縁カラー12がある。この絶縁カラー12にも円板
状部分20のガス抜き孔23と同じ位置に同じ径のガス
抜き孔24を開けて、絶縁カラー12と電極渦巻体35
との間に存在するガスを通過させる。すなわち、このガ
ス抜き孔24の径は6mmであり、絶縁カラー12の中
心から径44mmの円周上に設けられている。また、こ
のガス抜き孔24は全部で8個設けられており、その位
置は絶縁カラー12の中心軸を中心にして等角度の線上
に設けられている(図3参照)。なお、上述した円板状
部分20のガス抜き孔23と絶縁カラー12のガス抜き
孔24の位置はそれぞれが互いの接触面で一致するよう
に配置する。
ガス抜け孔23および24を経由して、いかに電池の外
部に放出されるかを説明する。上述したように、非水電
解液二次電池においては、例えば電極のショートなどに
より電池に異常が発生した時は、発生したジュール熱に
よって非水電解液が気化しガスが発生する。電極をロー
ル状に巻いて作る円筒型電池ではその時、ガスの抜け道
としては、主に図5Aの矢印の方向にガスが抜ける事に
なる。電極渦巻体35のスパイラル方向は距離が長すぎ
て流動抵抗が高いからである。
したガスは、矢印で示すガス抜け方向に流れる。この
後、図1に示すように、電極間を通ったガスは電池の円
筒方向に抜けていき、電極渦巻体35の端部まで流れて
くる。
を短冊状に切り極柱10の円板状部分20に押さえ金具
33とともにレーザー溶接されている。ここで、集電体
箔の厚さは、正極集電体では20μm、負極集電体では
10μmである。この短冊状リード11は大電流に対応
させるため、その幅を10mmとするとともに、この短
冊状リード11を全部で50本以上極柱10の円板状部
分20に巻きつけている。ここで、短冊状リード11自
身が薄いため柔軟性をもつので、ガスの発生により内圧
が高くなっても短冊状リード11がしなり、極柱10の
円板状部分20の脇からガスが出ていく通り道を塞いで
しまう。
20の外周に溶接する際、短冊状リード11の脇からガ
スを抜けさせるためには、たとえば図4に示すように、
各短冊状リード11の位相を合わせてガス抜きスペース
25を設ける必要がある。しかし、これでは短冊状リー
ド11の位相を電極渦巻体35における個々の電極の位
置する径に応じて設定しなければならない。また、電極
厚みのむらにより影響され、管理が困難になるという問
題がある。
縁カラー12の双方に同じ位置に同じ径の孔を開け、ガ
スの通り道を設けることにしたのである。
端部から放出されたガスは、電極渦巻体35と絶縁カラ
ー12の間に形成された空間に達する。この空間に達し
たガスは、絶縁カラー12に設けられた8個のガス抜き
孔24を通じてほぼ均一に流れることができる。
ガスは、このガス抜き孔24に直結された円板状部分2
0に設けられたガス抜き孔23を通る。
されたガスは、円板状部分20とキャップ1に挟まれた
空間に放出される。この円板状部分20とキャップ1に
挟まれた空間、並びに、この空間に連続している、押さ
え金具33と電池容器17の内面に挟まれた空間は、円
筒状の空間を形成しているので、放出されたガスはこれ
らの円筒状の空間を自由に通過することができる。した
がって、図1に示すように、開放弁9の入口が図面上キ
ャップ1の下の方1カ所に設けてあるが、ガスは上述し
た円筒状の空間を経由して、開放弁の入口に達すること
ができる。
の中心から外れた位置に開放弁9が設置してある。この
開放弁9は、キャップ1に設けられた孔にねじ込み式で
固定されている。この開放弁9は、電池容器の内部の圧
力が上昇したときに内部のガスを外部に放出するための
ものである。開放弁9の中に配置された弁は、バネによ
り電池の内側に押しつけられ、電池内部の液密を図って
いる。
上昇すると、開放弁9の中の弁が電池の外側に押しつけ
られる。この結果電池内部のガスは、弁の移動により生
じた隙間を通じて、図1に示すように、開放弁9の側面
に設けられた孔を通して外部に放出される。この開放弁
9の設置により電池内部の圧力が上昇しても、ある一定
以上の圧力になることを防止することができる。
抜き孔23のうち、1個のガス抜き孔23には、キャッ
プ1に固定された回転止めピン21がはめ込まれてい
る。
すなわちナット7を回すときに、極柱10がキャップ1
に対して自由に回転できる状態になっていると、ナット
7の締め込みにつれて極柱10が回転することになる。
極柱10が回転すると、これにつれてセラミックワッシ
ャ5、リング50、セラミック突き当て6、およびバッ
クアップリング51が回転する。
が回転すると、シール8はキャップ1の内側と円板状部
分20の上面からそれぞれ反対方向の摩擦力を受けるこ
とになる。したがって、この両者の摩擦力により、シー
ル8の双方の接触面が磨耗し、本来の目的であるシール
性を損なうおそれがある。
が回転すると、短冊状リード11にも負荷がかかり、短
冊状リード11にねじれが生じてくる。これにより最終
的に短冊状リード11が破損するおそれもでてくる。
することにより、極柱の先端部の端面とボルト19の頭
部との間にブスバーまたは導線を挟みつけて、ボルト1
9を締め付けたとき、ナット7の締めが不十分な場合
は、極柱10がわずかながらでも回転することになる。
極柱10が回転すれば、上述したような障害がここでも
発生することになる。
介して、極柱10の円板状部分20設けられてガス抜き
孔23の1個にはめ込むこととした。
締め付けにより、極柱10にトルクがかかっても、回転
止めピン21が極柱10の円板状部分20の回転を阻止
するので、この円板状部分の一体になっている極柱10
は回らないことになる。
の周辺の部品の組立の工程を図3に基づいて説明する。
まず、絶縁カラー12の表面に設けられた穴に、極柱1
0の裏側に設けられて凸部をはめ込んで、絶縁カラー1
2を極柱10に固定する。このとき極柱10の円板状部
分に設けたガス抜き孔23と絶縁カラー12に設けたガ
ス抜き孔24のそれぞれの位置を一致させる。次に、バ
ックアップリング51を極柱10の円板状部分20の表
面に設けられた溝26にはめ込む。次に、シール8をバ
ックアップリング51の内側に入れるとともに極柱10
の円板状部分20の表面に接触させる。次に、セラミッ
ク突き当て6をシール8の内側に入れるとともに極柱1
0の円板状部分20の表面に接触させる。
ピン固定用孔に回転止めピン21をはめ込み溶接で固定
する。さらに、この回転止めピン21に絶縁カラー22
をはめ込んでおく。
2をつけたキャップ1を、上述したバックアップリング
51、シール8、およびセラミック突き当て6をつけた
円板状部分の上に置くと同時に、絶縁カラー22の付い
た回転止めピン21を極柱10の円板状部分20に設け
られた一個のガス抜き孔23の中にはめ込む。
じ部15の間にリング50を入れる。さらにその上に、
セラミックワッシャ5を置き、最後にナット7を極柱1
0のおねじ部10にはめ込み締め込む。
体の中で発生したガスを迅速かつスムーズに開放弁の入
口まで誘導することができる。また、短冊状リードを極
柱の円板状部分の外周に溶接する際、短冊状リードの脇
からガスを抜けさせるためには各短冊状リードの位相を
合わせてガス抜きスペースを設ける必要があるが、本発
明では、短冊状リードの位相をランダムにすることがで
きるので、電極厚みむらの管理が容易になり、生産性を
向上させることができる。また、極柱の円板状部分に孔
を開ける事で円板状部分の体積を減少させることができ
るので、電池全体の軽量化を図ることができる。また、
電解液を電池内部に注入する時にも電極渦巻体までの電
解液の通り道を兼ねることができる。
外れた位置に、電解液注入口32が設けてある。この電
解液注入口32は電池構造体の組立後に、電解液を電池
内部に注入するのに用いられる。
ップ1の中心より外れた電解液注入口の位置に、メクラ
栓4が配置してある。このメクラ栓4は、電解液注入口
32にメタルシール2を介してねじ込み式で締められ、
電池容器を密閉する。
面との間には、メタルシール2が挟みつけられている。
このメタルシール2はその断面形状が長方形のリングで
あり、その材質は純アルミよりなるものである。
電池のキャップ1とメクラ栓4の頭部であり、これらは
ステンレス鋼(SUS304)で作製してある。
金属を接触させて、本例の電池の非水電解液に触れさせ
ても、純アルミの腐食は進まないことが確認されてい
る。
ルを用いることにより、たとえばゴム材などの高分子材
料からなるシールに比べ、外部とのガスや水分の透過性
・通過性を低く抑えることができ、電池の寿命を長くす
ることができる。また、純アルミは高分子材料に比べ寿
命が長いので、純アルミからなるメタルシールをメクラ
栓のシールに使用すれば半永久的に使用することがで
き、シールの交換の必要がなくなる。また、図1に示す
ように、上述した開放弁9のシールにも純アルミからな
るメタルシールを使用することができる。
注入方法について説明する。まず、注入アタッチメント
を電解液注入口32にねじ込んで固定する。これによ
り、電解液(EL)タンク内に貯蔵してある非水電解液
と電池容器とがパイプを通して連結される。この電解液
タンク内の非水電解液の液面より高い空間の部分は、切
り替えバルブを介して、真空ポンプと連結されている。
ンカーボネートとジエチルカーボネートの混合溶媒の中
にLiPF6 を1モル/lの割合で溶解して形成したも
のである。
プが作動すると、電池内部の空気が電池容器の外に放出
され、電池容器の内部が大気圧に比べて負圧になる。
ある切り替えバルブを切り替えて、電解液タンクの液面
を大気に開放する。すると、タンク内の圧力が電池容器
内より高くなるので、タンク内の非水電解液が押し出さ
れて電池容器内に浸入する。
り、電池容器内に所定の非水電解液を注入することがで
きる。
液が電池外部に出ていかないようにシールする必要があ
る。そのため、電解液注入口32にメタルシール2を介
してメクラ栓4をねじ込み式で締め、電池容器を密閉す
る。
明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得
ることはもちろんである。
電極渦巻体の中で発生したガスを迅速かつスムーズに開
放弁の入口まで誘導することができる。また、短冊状リ
ードの位相をランダムにすることができるので、電極厚
みむらの管理が容易になり、生産性を向上させることが
できる。また、極柱の円板状部分に孔を開ける事で円板
状部分の体積を減少させることができるので、電池全体
の軽量化を図ることができる。また、電解液を電池内部
に注入する時にも電極渦巻体までの電解液の通り道を兼
ねることができる。
図である。
図である。
ある。
である。
図である。
法を示す斜視図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 正極電極、負極電極、およびセパレータ
を巻き芯に巻回する電極渦巻体と、 上記正極電極および上記負極電極のそれぞれの未塗布部
からその全長にわたり形成された短冊状リードと、 その円板状部分の外周部の全周にわたり、上記短冊状リ
ードが溶接された極柱と、 上記巻き芯と上記円板状部分を絶縁する絶縁カラーとを
有する二次電池において、 上記円板状部分および上記絶縁カラーの双方に連続する
ガス抜き孔を設けたことを特徴とする二次電池。 - 【請求項2】 非水電解液二次電池であることを特徴と
する請求項1記載の二次電池。 - 【請求項3】 リチウムイオン二次電池であることを特
徴とする請求項1記載の二次電池。 - 【請求項4】 電気容量が10〜500Ahの大型電池
であることを特徴とする請求項1記載の二次電池。
Priority Applications (7)
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