JPH11339758A - 電極巻回型電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 集電処理作業を容易に行うことができ、かつ
集電処理のためのスペースの小さい電極巻回型電池を得
る。 【解決手段】 帯状の正極および負極と、該正極と負極
との間に挟装されるセパレータとを渦巻状に巻回してな
る電極体５０を有する電極巻回型電池を、前記正極また
は負極の少なくとも一方は電極体の巻回端面５１となる
一端部から電極体５０の巻回中心軸方向に延びるように
形成された複数の短冊状の集電リード１４，２４を有
し、複数の集電リード１４，２４は電極体の巻回端面５
１の径方向に延びる線Ａ、Ｂ上に位置するとともに一体
的に接続されているように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電極をセパレータ
を介して巻回する電極巻回型電池であって、特に集電処
理作業の容易化および省スペース化が図れる電極巻回型
電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】広く一般に普及している円筒型電池、例
えばリチウムイオン二次電池等では、通常、銅、アルミ
ニウム等の金属箔製集電体の表面に炭素物質、リチウム
複合酸化物等からなる電極活物質層を形成させたものを
帯状の電極とし、この電極をセパレータを介して渦巻状
に巻回することにより電極体を構成させ、この電極体を
円筒型のケースに電解液とともに密閉して形成されてい
る。この様な電極巻回型電池において、電極体から外部
端子への集電は、集電体に設けた短冊状の集電リードに
よって行われるのが一般的である。

【０００３】放電容量の小さい小型の電池では、図９に
示すように正極および負極の巻始めまたは巻終わりに短
冊状の集電リードを１本設け、これらの電極をセパレー
タを介して渦巻状に巻回し、図１０に示すような形状の
電極体としている。１Ａｈ級の小型の電池では、電極の
長さは高々数十ｃｍ程度であるため、内部抵抗は小さ
く、正極および負極それぞれ１本ずつのリードで充分な
集電機能を果たしていた。

【０００４】しかし、放電容量が大きい電池、例えば数
十〜数百Ａｈ級の大型電池では、電極の長さは数ｍ以上
にもなるため、１本のリードで構成した場合、内部抵抗
が過大となり電池の出力特性、負荷特性に悪影響を及ぼ
すだけでなく、電極内部での電流分布が不均一となるた
め活物質利用率の面でも満足できないものとなる。そこ
で大容量の電池では集電リードを１つの電極あたり複数
設けて集電処理を行う必要が生じてくる。

【０００５】従来、大型電池の電極は、図１１に示すよ
うに、正極および負極とも、帯状の電極の幅方向の一端
部に一定間隔おきに複数の集電リードを設けていた。そ
して互いのリードが異なる巻回端面にくるように、正極
および負極をセパレータを介して巻回していた。巻回後
の電極体は、図１２に示すように、正極および負極の集
電リードがそれそれ電極体の反対側の巻回端面に形成さ
れ、しかも巻回端面の全域にわたってランダムな位置に
形成されるものとなっていた。

【０００６】このように構成された電極体の集電リード
を外部に通じる１箇所の端子まで一体的に接続する場
合、リードは複雑なリボン状に絡み合うため、作業自体
が煩雑化し作業効率が悪いばかりでなく、電極体の巻回
端面からかなり離れた位置に端子を配設しなければなら
なかった。このことは、集電処理に要するスペース、い
わゆる起電に寄与しないデッドスペースを増加させるこ
とになり、しかも電極体の両方の巻回端面側にそのデッ
ドスペースを必要とするため、電池のエネルギー体積密
度を悪化させる一因となっていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、複数の集電
リードを有する大型電池が抱える上記集電処理の問題を
解決することを目的としている。つまり、本発明は、集
電処理作業の容易化および電池のエネルギー体積密度の
向上を図るべく、電極に設けられる集電リードの位置
を、集電処理が煩雑にならずかつ集電処理のためのデッ
ドスペースが小さくなる位置とすることを課題としてい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、集電リード
を電極体の巻回端面において整列させることにより上記
集電処理に伴う問題が解決できることに想到し、以下の
発明に至った。つまり本発明は、帯状の正極および負極
と、該正極と負極との間に挟装されるセパレータとを渦
巻状に巻回してなる電極体を有する電極巻回型電池を、
前記正極または負極の少なくとも一方は前記電極体の巻
回端面となる一端部から該電極体の巻回中心軸方向に延
びるように形成された複数の短冊状の集電リードを有
し、複数の該集電リードは該電極体の巻回端面の径方向
に延びる線上に位置するとともに一体的に接続されてい
るように構成するものである。このように集電リードを
整列させ、その一端を集めるように端子に接続させるこ
とにより、集電処理作業の容易化が可能となり、また電
極体の巻回端面から外部に通じる端子までの距離を短い
ものとすることができる。

【０００９】また上記手段に加え、正極および負極の両
方に形成される集電リードを、電極体の同一巻回端面で
あって異なる線上に位置させることにより、正極および
負極リードを、両者が接することなく、電極体の同一端
面方向に設けられた正極および負極端子に接続させるこ
とが可能となる。このことにより、集電処理のために必
要となるデッドスペースを電極体の両側に設ける必要が
なくなる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下本発明の一実施形態を図面に
基づいて説明する。なお便宜上リチウムイオン二次電池
の実施形態について説明を行うが、本発明はリチウムイ
オン二次電池に限定されるものではない。本実施形態の
電極巻回型電池は、帯状の正極および負極と、該正極と
負極との間に挟装されるセパレータとを渦巻状に巻回し
てなる電極体を有する。図１に正極および負極を、図２
に電極をセパレータを介して巻回される状態を、そして
図３に巻回して構成された電極体を示す。

【００１１】正極１０は、図１に示すように、帯状の金
属箔製の正極集電体１１と、その表面に形成されている
正極活物質層１２と、集電体の幅方向の一端部に形成さ
れた集電用の正極リード１４とから構成されている。正
極集電体１１は、アルミニウム等の金属箔でその厚みは
通常１０〜３０μｍ程度であり、幅および長さは電池の
容量に応じて任意のものとすることができるが、放電容
量の大きいものでは長さが１０ｍを超える場合もある。
正極活物質層１２は、リチウム複合酸化物粉末に導電
材、結着剤を混合し適量の溶媒を加えてペースト状にし
たものを、正極集電体１１の表面に塗布しその後乾燥し
て形成される。活物質層は通常集電体の両面に片面あた
り４０〜２００μｍ形成されることから正極１０の厚さ
は９０〜４３０μｍ程度となる。

【００１２】正極リード１４は、通常、正極集電体１１
と同種のアルミニウム等の金属箔を用い、その厚さは１
０〜５０μｍ程度、幅は数ｍｍ〜１０ｍｍ程度、長さは
集電処理の状態に応じて任意のものとされる。また正極
リード１４の本数は電池の放電容量、正極１０の面積、
正極活物質層１２の体積等により変化するが、放電容量
の大きいものでは、数十〜１００本程度設けられる場合
もある。電極全体に均一な充放電を起こさせるため、あ
る程度の間隔で正極１０の長さ方向にまんべんなく形成
されるのが望ましい。なお本実施形態では、正極リード
１４は、図１に示すように正極集電体１１の幅方向の一
端部に正極活物質未塗工部１３を設け、この未塗工部１
３に超音波接合、抵抗溶接等の手段を用いて接合されて
いるが、幅の広い正極集電体を用い、活物質未塗工部１
３の幅を広くとり、この未塗工部１３をプレス、レーザ
ー切断等の手段を用いて切り欠くことにより、正極集電
体１１と一体に形成されるものであってもよい。

【００１３】負極２０は、正極１０と同様、図１に示す
ように、負極集電体２１と、負極活物質層２２と、負極
リード２４とから構成されている。負極集電体２１およ
び負極リード２４の材質が銅等である点、負極活物質層
２２が炭素物質等に結着剤および溶媒を混合したペース
トを塗布乾燥して形成されている点を除けば、正極１０
と、形状等の面で同じ構成をなしている。また負極リー
ド２４の形状、数量等も正極リード１４のそれらと同様
である。

【００１４】このように形成された正極１０および負極
２０は、図２に示すように、正極１０および負極２０が
直接接触しないように２枚のセパレータ３０をその間に
挟装させて、巻芯４０を中心にして巻回される。セパレ
ータ３０は、ポリエチレン等の微多孔質の薄膜で、通常
その厚さが１０〜４０μｍ程度のものを用いる。また、
巻芯４０は、アルミニウム等の金属、樹脂等様々な材質
のものを使用でき、その外径、長さ等も電池の設計に応
じ任意のものとすることができる。

【００１５】巻回された正極１０、負極２０およびセパ
レータ３０は、図３に示すような電極体５０を構成す
る。正極１０および負極２０に形成された正極リード１
４および負極リード２４は、正極１０および負極２０が
巻回されることにより、電極体５０の巻回中心軸方向に
延びるような格好のものとなる。本実施形態の電極体５
０は、正極リード１４および負極リード２４が電極体５
０の同一巻回端面５１に位置し、さらに負極リード２４
が巻回端面５１の径方向に延びる線（以下径方向線とい
う）Ａ上に、そして正極リード１４が径方向線Ａと所定
の角度αをなす径方向線Ｂ上に位置するように整列され
ていることを特徴としている。したがって、この様な電
極体５０を構成しようとする場合に、巻回される前にあ
らかじめ、正極リード１４および負極リード２４を正極
１０および負極２０の所定の位置に形成させておく必要
がある。そこで以下に、この正極リード１４および負極
リード２４の、正極１０および負極２０上に形成する場
合の、それぞれの間隔を求める計算方法について説明す
る。

【００１６】実際の電池では、巻芯４０の周りに正極１
０、負極２０およびセパレータ３０を渦巻状に巻回した
構造となっているが、以下の計算では、便宜的にこれを
図４に示すようなリング状の構造と考える。渦巻状とリ
ング状ではリード間隔を計算する上で若干の誤差を生じ
るが、本実施例が問題にする放電容量の大きい電極巻回
型電池では、巻回径に対して正極１０、負極２０および
セパレータ３０の厚さが小さく、実用上問題とはならな
い。図４には、巻芯４０と、電極との絶縁を図るため、
最初にセパレータ３０だけを２枚重ねて１回だけ巻回
し、その後負極２０、セパレータ３０、正極１０、セパ
レータ３０の順で１回巻回した状態を示してある。な
お、わかり易くするために、正極１０、負極２０および
セパレータ３０の厚さを巻芯４０の径に対して拡大して
示してある。以下の計算においては、正極１０の厚さを
ｔ_p、負極２０の厚さをｔ_n、セパレータ３０の厚さをｔ
_sとし、巻芯４０の直径をｄとする。

【００１７】正極１０、負極２０およびセパレータ３０
を径方向線Ａ上の位置から、時計回りに巻いたとき、１
巻目の負極２０が再び径方向線Ａ上の位置にくるまでの
負極２０の長さをＬ_n1とすれば、このＬ_n1は、 Ｌ_n1＝π（ｄ＋４ｔ_s＋ｔ_n） となる。同様に１巻目の正極１０が再び径方向線Ａ上の
位置にくるまでの正極１０の長さをＬ_p1とすれば、Ｌ_p1
は、 Ｌ_p1＝π（ｄ＋４ｔ_s＋２ｔ_n＋２ｔ_s＋ｔ_p） となる。２巻目以降も同様に計算すると、正極１０がお
よび負極２０が径方向線Ａ上の位置にくるときの電極長
さＬ_p2、Ｌ_p3・・・およびＬ_n2、Ｌ_n3・・・を求めることがで
きる。

【００１８】次に、本実施形態では正極リード１４が負
極リード２４と異なる径方向線上に位置することから、
正極１０が径方向線Ａに対してαの角度をなす径方向線
Ｂ上の位置にくるまでの正極１０の長さを求める。１巻
目の正極１０の長さをＬ_p1αとすれば、Ｌ_p1αは、 Ｌ_p1α＝Ｌ_p1×（α／３６０） となり、２巻目に正極１０が径方向線Ｂ上の位置にくる
ときの正極１０の長さをＬ_p2αとすれば、Ｌ_p2αは、 Ｌ_p2α＝Ｌ_p1× （３６０−α）／３６０｝＋Ｌ_p2×
（α／３６０） となる。３巻目以降も同様の計算を行えば、正極１０が
径方向線Ｂ上の位置にくるときの正極１０の長さＬ
_p3α、Ｌ_p4α・・・を求めることができる。

【００１９】このようにして求めた正極１０および負極
２０の長さが正極リード１４および負極リード２４の間
隔となることから、図１に示すように、正極１０および
負極２０に、あらかじめ正極リード１４を正極１０の巻
始端からＬ_p1α、Ｌ_p2α、Ｌ _p3α・・・の間隔で、また負
極リード２４を負極２０の巻始端からＬ_n1、Ｌ_n2、Ｌ_{n 3}
・・・の間隔で形成し、これらをセパレータ３０を介して
巻回することにより、図３に示すような正極リード１４
および負極リード２４が巻回端面５１の異なる径方向線
上に位置する電極体５０を構成させることができる。

【００２０】なお、実際に巻回する際には、多少の巻隙
間が存在する等の理由から、リードの整列が不揃いとな
る場合があるが、集電処理に影響を与えるほどのもので
はない。このことから考え、上記径方向に延びる線上の
位置とは、厳密な意味での径方向線ではなくある程度の
幅を持たせることのできる位置であることを意味する。
また、上記計算で求めた間隔は、正極１０および負極２
０ともに、１巻毎に正極リード１４および負極リード２
４を１つ設ける場合のリード間隔であるが、巻始めから
巻終わりにかけてリード間隔が徐々に大きくなる。そこ
で、巻始めの部分では正極リード１４および負極リード
２４を間引いて設け、巻回の進行とともに間引く数を徐
々に少なくしていくことにより、リード間隔を電極の全
体にわたってある程度均等なものとすることができる。

【００２１】上記のように電極体５０を構成した後、正
極リード１４および負極リード２４の先端部を外部端子
に集めるように一体的に接続し、そして電池ケースに収
納し、電解液を注入して密閉する。外部端子への接続方
法は、超音波接合、かしめ、ボルト締め等様々な方法に
よって行うことができる。電解液は、エチレンカーボネ
ート等の溶媒にＬｉＢＦ₄、ＬｉＰＦ₆等を溶解したもの
を用いる。このようにして本実施形態の電極巻回型電池
は完成する。

【００２２】本実施形態の電極巻回型電池は、正極リー
ドおよび負極リードが整列した状態となっていることか
ら、リードの先端部を外部端子に接続する集電処理作業
を非常に容易に行うことができるものとなっている。ま
たリードの長さも比較的短いものとすることができ、集
電処理のためのスペースも小さいものとすることができ
る。さらに正極リードおよび負極リードをともに電極体
の片側の巻回端面に設けていることから、集電処理のた
めのスペースも電極体の片側にだけ存在させればよいも
のとなっている。

【００２３】なお上記実施形態は電極１巻あたり１本以
下のリードを形成させることを前提としたものである
が、巻回数が増えて電極１巻あたり複数のリードを形成
させなければならない場合もある。この場合正極リード
および負極リードをそれそれ複数の径方向線上の位置に
整列させるといった実施形態を採用することもできる。
また上記実施形態のほかに、正極リードおよび負極リー
ドがそれぞれ電極体の異なる巻回端面に位置するように
電極体を構成する実施形態を採ることもでき、さらに正
極リードまたは負極リードのいずれか一方のみを巻回端
面の径方向線上の位置に整列させる実施態様をも採用す
ることができる。

【００２４】

【実施例】以下、上記実施形態に基づいて作成した電極
巻回型電池のリードの整列具合を評価し、そしてさらに
従来の電極巻回型電池との集電処理スペースの比較を行
った。 〈実施例１〉上記実施形態に基づいて、厚さ３００μ
ｍ、長さ７２０ｃｍの正極と、厚さ２５０μｍ、長さ７
４０ｃｍの負極とを、厚さ２５μｍのポリエチレンセパ
レータを介して、直径１４ｍｍのアルミニウム製巻芯に
巻回して電極体を構成した。正極リードおよび負極リー
ドは、それぞれ３０本づつ形成されており、正極リード
が位置する径方向線と負極リードが位置する径方向線の
なす角度を１８０°に設定した。また正極および負極と
の間にできる巻隙間を見込んで、セパレータの計算上の
厚さを経験的に３０μｍとした。巻回された電極体の巻
回端面に位置するリードの様子を図５に示す。

【００２５】リードの整列具合は、理論上の径方向線上
に直線的に整列するものではなく、リードのずれは開き
角度（β）にして２０°あったが、正極リードと負極リ
ードのなす相対的な角度（α）は１８０°と理論値どお
りであった。リードの整列が直線的にならなかったの
は、正極および負極の厚みが長さ方向に若干変動したた
めと考えられ、その厚さ変動をさらに小さくすれば、こ
のリードのずれは殆どなくなるものと考えられれる。い
ずれにしてもこの程度の整列具合であれば、外部端子へ
の接続作業には何の支障もきたさない。なおリードが整
列していることによって、電極体を電池ケースに収め電
解液を注入する際に、これまでのようにリードが障害と
なるようなことはなかった。

【００２６】本実施例の場合、リードが整列しているこ
とから、これまでのようにリードが複雑に絡み合うこと
なく、外部端子へのリードの接続作業は非常に容易なも
のであり、またリードの長さも従来のものと比較して短
くすることができた。リードを外部端子に接続し、電極
体を電池ケースに収納した様子を図６に示す。集電処理
のために必要なスペース（Ｃ₁）は、電極体の片側に約
１５ｍｍであった。

【００２７】〈実施例２〉上記実施例１と同じ正極、負
極およびセパレータを用いたが、正極リードおよび負極
リードをそれぞれ電極体の異なる巻回端面に形成させて
電極体を構成させた。集電処理を済ませ電池ケースに収
納した様子を図７に示す。この場合上記実施例１と異な
り、電極体の両端面に集電処理のために必要なスペース
（Ｃ₁）を約１５ｍｍずつ必要とした。

【００２８】〈比較例〉上記実施例と同じ正極、負極お
よびセパレータを用いたが、図１２に示すように、正極
および負極のリードがそれそれ電極体の反対側の巻回端
面に形成され、しかも巻回端面の全域にわたってランダ
ムな位置に形成された従来の電極体を用いて電池を作成
した。電池ケースに電極体を収納した様子を図８に示
す。なおこの図では一方の極側しか示していないが、他
極側もこれと同様のものとなっている。リードはリボン
状に複雑に絡み合っており、外部端子への接続作業が困
難なことに加え、集電処理に必要なスペース（Ｃ₂）
は、片側あたり３０ｍｍにもなった。

【００２９】これら３例の電池を比較すると、実施例１
の電池が、集電処理スペースの最も小さい電池であるこ
とが実証された。なお実施例２のものは、リードが電極
体の両巻回端面に形成されているため、実施例１の電池
に比べると集電処理スペースが２倍となるものの、それ
でも比較例のものと比べるとはるかに集電処理スペース
が減少していることが分かる。

【００３０】

【発明の効果】本発明は、正極および負極をセパレータ
を介して巻回する電極巻回型電池において、集電リード
を電極体巻回端面の径方向に延びる線上の位置に整列さ
せたことにより、集電リードを外部端子に接続する集電
処理作業を非常に容易なものとすることができるととも
に、集電処理に必要なスペースを小さくすることができ
るという効果を有する。そしてまた、正極リードおよび
負極リードを電極体の同一巻回端面に設けることによっ
て集電処理スペースをさらに半分にできるという効果を
も有する。このことは、放電容量の大きい大型電池にお
いて、起電に寄与しないデッドスペースを減少させるこ
とになり、エネルギー体積密度の良好な電池を作成する
ことを可能にしている。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態の電極巻回型電池に用いる
電極を示す図

【図２】 本発明の実施形態において電極を巻回する状
態を示す図

【図３】 本発明の実施形態の電極巻回型電池に用いる
電極体を示す斜視図

【図４】 本発明の実施形態において巻回した電極を示
す模式図

【図５】 実施例１において整列されたリード位置を示
す図

【図６】 実施例１の電極巻回型電池の断面を示す図

【図７】 実施例２の電極巻回型電池の断面を示す図

【図８】 比較例である従来方式の電極巻回型電池の断
面を示す図

【図９】 従来の小型の電極巻回型電池に使用される電
極を示す図

【図１０】 従来の小型の電極巻回型電池に用いられる
電極体を示す斜視図

【図１１】 従来の大型の電極巻回型電池に使用される
電極を示す図

【図１２】 従来の大型の電極巻回型電池に用いられる
電極体を示す斜視図

【符号の説明】

１０：正極 １１：正極集電体 １２：正極活物質 １３：正極
活物質未塗工部 １４：正極リード ２０：負極 ２１：負極集電体 ２２：負極活物質 ２３：負極
活物質未塗工部 ２４：負極リード ３０：セパレータ ４０：巻芯 ５０：電極体 ５１：巻回端面 Ａ、Ｂ：径方向に延びる線（径方向
線） α：２本の径方向線がなす角度 β：リードのずれ角
度 ６０：外部端子 ７０：電池ケース Ｃ₁、Ｃ₂：集電処理スペース

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 帯状の正極および負極と、該正極と負極
   との間に挟装されるセパレータとを渦巻状に巻回してな
   る電極体を有する電極巻回型電池であって、 前記正極または負極の少なくとも一方は前記電極体の巻
   回端面となる一端部から該電極体の巻回中心軸方向に延
   びるように形成された複数の短冊状の集電リードを有
   し、複数の該集電リードは該電極体の巻回端面の径方向
   に延びる一線上に位置するとともに一体的に接続されて
   いることを特徴とする電極巻回型電池。
2. 【請求項２】 前記集電リードは前記正極および負極の
   両方に形成され、該正極および負極の集電リードは前記
   電極体の同一巻回端面であって異なる線上に位置してい
   る請求項１に記載の電極巻回型電池。