JPH11339838A - 電気化学セル - Google Patents

電気化学セル

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JPH11339838A
JPH11339838A JP3884699A JP3884699A JPH11339838A JP H11339838 A JPH11339838 A JP H11339838A JP 3884699 A JP3884699 A JP 3884699A JP 3884699 A JP3884699 A JP 3884699A JP H11339838 A JPH11339838 A JP H11339838A
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cell
electrode
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エル．ロメロ アントニオ
Salah Oweis
オウェイス サラ
Guy Chagnon
チャンノン ガイ
Robert Staniewicz
スタニエウィックス ロバート
Douglas Briscoe
ブリスコ ダグラス
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気化学セルにおいて、電解液の充填、内部
圧力の開放及び電気化学セルを構成する中空コアの端部
間機械的支持を良好なものとすること。 【解決手段】 中空コアの回りに螺旋状の巻き線を有
し、コアの外周面に長手方向に延びる溝が形成されてい
る。この溝により電解液の充填が容易になり、内部の過
圧状態を解消することができる。中空コアを用いること
で、セルの中心に沿って発生した熱の消費を改善するこ
とができ、中空コアとしたためにコアの半径を大きくす
ることができ、コアの回りにゼリーロール状に巻き付け
るラミネート状電極の半径を大きくとることができる。
また、中空コアを用いることでコアの端部間機械的支持
を改善することができる。セルのそれぞれの端部に一対
のワッシャを用いて電流コレクションタブを挟み込むよ
うにしたために、機械的一体性を確保しながら電気的及
び熱的導通を良好なものとすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電気化学セル（素電
池）に関し、特に円筒状コアの回りに電極と電解液が巻
き付けられた構造の螺旋状巻き付け型セルに関する。本
発明はまた、そのようなセルの改良したコア構造に関す
るものであり、特に螺旋状に巻き付けられた二次セルに
適用可能なものである。
【０００２】
【従来の技術】通常の螺旋状巻き付け型セルにおいて
は、アノード、カソード及びセパレータをゼリーロール
状にしたものが中実のコアの回りに巻き付けられてい
る。アノード電極は巻き線の一端から延び、カソード電
極は巻き線の他方から延び、アノード電極とカソード電
極はコアの軸方向にずれて取り付けられている。巻き付
けを完了すると、セルはバッテリの外側カバーを構成す
る容器内部に収容される。次いで、多孔性のセパレータ
が占める空間を含む管内部に電解液を注入して充填す
る。その後容器を封止することで使用準備か完了する。
【０００３】このような型のバッテリ構造では、多くの
場合中実コアが使われており、セルが動作中に発する
熱、特に過充電期間中に発する熱がセルの内側部分から
うまく放出されないという欠点がある。故障したバッテ
リを分解すると、セルのコア領域に熱の痕跡や焦げた痕
それに電極破壊を見ることができる。また、通常円筒状
のコアの直径は比較的小さいため、電極の巻き付けを開
始するのが難しいという欠点もある。このことは太い電
極を使いたい場合に特に顕著となる。
【０００４】従来の再充電可能なバッテリ、特にリチウ
ム・イオンバッテリは、過充電中過剰な圧力が蓄積する
という問題があり、この問題に対処するため、ある所定
圧力で開放するように設計された圧力開放孔が一般に用
いられている。しかしながら、セルの容器が機械的安定
性を欠くため、圧力開放孔近傍の容器部分が圧力で変形
する可能性があり、圧力開放孔を開放する圧力が予測不
能となる。したがって、セルのケースの機械的安定度を
増すようにするのが好ましい。
【０００５】米国特許３，４９０，９４９号公報には、
リング形状のバッテリについての開示があり、比較的直
径が小さい中実状コアに代えて、中空のコアで直径が大
きいものを用いた構造が示されている。中空状のコアを
用いることにより、熱の消費が活発となり、同時にコア
の直径が大きいと巻き付けが容易になる。
【０００６】欧州特許公開公報０６２０６１０Ａ１に
は、中空コアを用いたバッテリ構造の他の例が開示され
ている。同公報では、中空コア内を軸方向に延びるフィ
ン若しくはバッテリの蓋の上に設けた放射状熱消費フィ
ンの双方若しくはいずれか一方を用いて熱消費の更なる
改良を図っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記従来のセル構造で
は、電解液の充填の問題、過充電期間中における場合等
のセル内の圧力開放の問題、あるいは中空コアがセル構
造に与える機械的支持の問題についての対処がされてい
ない。
【０００８】そこで、本発明は、電解液の充填、圧力開
放、及び中空コアの端部間機械的支持を改良した電気化
学セルの構造を提供することを目的とする。また、中空
コアバッテリを特徴付ける熱消費特性を維持しつつ、他
の特性向上を図ったセル構造を提供することを目的とす
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の電気化学セルは、中心コアを有し、その中
心コアは外側面に形成された軸方向に延びる少なくとも
１つの溝を有しており、中心コアとその外側面に設けた
螺旋状の巻き線電極とからなるアセンブリを備えてい
る。
【００１０】溝は、巻き線電極が巻き付けられた中心コ
アの部分のほぼ全体長に亘って延びているのが好まし
く、また、中心コアの外側面には複数の溝が形成されて
いるのが好ましい。また、前記電気化学セルは、アセン
ブリを収容する容器と、当該容器の一端部に設けられた
排出部とを更に備え、中心コアを当該容器の前記一端部
に取り付けて構造的に一体化し、前記一端部の下方圧力
による変形を防止するようにするのが好ましい。
【００１１】巻き線電極の一端に設けられた絶縁部材
と、当該絶縁部材上に配置された第１のワッシャと、一
方の極性の電極に接続され、絶縁部材と第１のワッシャ
に形成されている中心孔の中に延設されて第１のワッシ
ャ上で折り曲げられて半径方向外方に延びる電流コレク
ションタブと、第１のワッシャ上に配置された第２のワ
ッシャとを更に備え、第１のワッシャと第２のワッシャ
の間に電流コレクションタブを挟み込み、第２のワッシ
ャを第１のワッシャに固定するようにするのが好まし
い。第２のワッシャは溶接により第１のワッシャに固定
するのが好ましい。
【００１２】また、本発明による電気化学セルは、中心
コアと、当該中心コアの外側面に設けた螺旋状の巻き線
電極と、当該巻き線電極の一端に設けられた絶縁部材
と、当該絶縁部材上に配置された第１のワッシャと、一
方の極性の電極に接続され前記絶縁部材と前記第１のワ
ッシャに形成されている中心孔の中に延設されて前記第
１のワッシャ上で折り曲げられて半径方向外方に延びる
電流コレクションタブと、前記第１のワッシャ上に配置
された第２のワッシャとを更に備え、前記第１のワッシ
ャと前記第２のワッシャの間に前記電流コレクションタ
ブを挟み込み、前記第２のワッシャを前記第１のワッシ
ャに固定している。この場合も、第２のワッシャを第１
のワッシャに溶接することにより固定するのが好まし
い。
【００１３】本発明のセルは、中心コア外側面の長手方
向に少なくとも１つの、好ましくは複数の溝が形成され
ている。電解液の充填過程では、電解液は多孔性セパレ
ータよりは溝を移動しやすく、よって溝を設けたことに
よりセルの充填を急速に行うことができる。加えて、容
器の内部から追い出されたガスが溝に沿って移動するの
で、少ない背圧下での電解液の充填が可能となる。ま
た、過圧状況下では、電解液が溝から圧力を受けて、セ
ルの一端に設けられた圧力開放口から排出されるので、
圧力の開放が可能であり、電解液の逃げ道がない場合と
比べると、はるかに高いレベルで爆発の危険を回避する
ことができる。
【００１４】中空コアの構造を改良したことにより、セ
ルの中心に沿って発生した熱の消費を改善することがで
き、セルの内部における熱分布を良好なものとする一方
で、より速く、より効率的にセルの中心部を冷却するこ
とが可能となる。また、中空コアの構造を改良したこと
により、セルのコアの半径を大きくすることができ、ゼ
リーロール状の巻き付けを大きい半径で開始することが
でき、もって巻き付け動作の開始時において、電極ラミ
ネートに要求される折り曲げ量を減少して最初の巻き付
けを容易にすることができる。中空コアにより端部間の
機械的支持を強固なもとのすることができる。
【００１５】一対のワッシャをセル巻き線アセンブリに
それぞれの端部で用いることで電流コレクションタブを
取り付けることができ、これにより、熱消費を向上させ
ながら電流コレクションを向上し構造上の一体性を得る
ことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態に係わる中空コ
アセル構造について添付図面を参照しながら説明する。
以下、ハイパワーのリチウムイオンセルを例にとって説
明するが、本発明は他の電気化学セルに対しても同様に
適用可能であることは言うまでもない。
【００１７】図１は中空コアセル構造を示したものであ
る。コア１００は薄肉状の中空円筒形状をなし、中空円
筒の内部の穴１１０は長手方向中心軸に対して同軸状に
形成されている。セパレータ１１２は正電極１１４の内
側か外側のいずれかの側に設けられており、このセパレ
ータ１１２と正電極１１４それに負電極１１６により構
成される複合体がコア１００の外側に巻き付けられてい
る。この巻き付けられた構造体が容器１１８の中に挿入
されて、コア１００の両端がセルの上部カバーと底部カ
バーに気密融着されている。正電極１１４は容器の一方
の端部に電気的に接続されており、容器の他方の端部と
は絶縁されている。負電極１１６は容器の該他方の端部
に電気的に接続されており、正電極１１４が接続されて
いる側の端部とは絶縁されている。容器の一方の端部に
は電解液を充填するための充填用ポート１２０が設けら
れている。容器の下側端部には排出口１２１が設けられ
ており、例えば、１８５ｐｓｉの圧力で開放するように
設計されている。上記各構成要素の寸法はセルの設計に
より変わる。
【００１８】図２Ａ乃至図２Ｃに示すように、コア１０
０は円筒形状をしており、その周面には複数の溝１５０
が形成されている。図２Ｂに示されているように、この
例では３つの溝１５０が形成されており、それぞれの溝
１５０はコア１００の横断面からみて１２０°の間隔を
隔てて形成されている。図２Ｃに示すように、それぞれ
の溝１５０は半円形状をしている。尚、図２Ａ乃至２Ｃ
に示したのは一例に過ぎず、溝の数、形状、サイズ及び
長さ、並びに中空円筒の内径及び外径はセルの巻き付け
状態、温度、機械的及び組立上の関係から決定する必要
がある。
【００１９】図３は、セル内の温度分布に関してコアの
内径を変化させた場合の効果を示したグラフである。固
定電極巻き付け長に対して（従って、セルの容量が一定
である場合について）、コアの外径が増加すると、それ
に応じて巻き線の外径が増加する。ただし、コアの外径
の増加に比べて、巻き線の外形の増加の方が小さい。巻
き線の温度は次のような理由から低くなる。第１に、巻
き線の内径及び外径部分における熱の消費領域が大きい
からであり、第２に、巻き線の内部で発生した熱を逃が
す中空コアの特性のためである。
【００２０】図４は、本発明により構成されたセルの容
器の一端部の構造を示した拡大図である。図２を参照し
ながら説明したように、容器の一端部には充填用ポート
１２０と排出口１２１が形成されている。通常、排出口
１２１はある所定の圧力で開放されるように設計されて
いる。しかしながら、もし容器の端面における領域１１
８ａ及び１１８ｂが圧力で変形するとなると、排気口１
２１には応力が加重的に加わり、その加重的に加わる応
力のために排気口１２１は設計上の押圧力とは異なる圧
力で開放されることになる。そこで、本実施形態では、
溶接若しくは他の適当な手段によりコア１００を容器１
１８の端面に取り付けてある。これにより、コア１００
は排気口１２１近傍における容器端面の変形防止部材と
しての役割を果たすことになる。
【００２１】図５は、本発明の他の実施形態に係わるセ
ル構造の一端部を示したものである。簡便のため図５に
は中空コア１１０は図示していない。全ての正のタブが
セルの上部に、全ての負のタブがセルの底部（図示せ
ず）になるようにセルが巻き付けられている。インシュ
レータ１３２を巻き線の端部に配設し、次いでバスワッ
シャ１３４をインシュレータ１３２の上に配設する。電
流コレクションタブ１３０はインシュレータ１３２とバ
スワッシャ１３４に形成されている孔を通り、バスワッ
シャ１３４上で屈曲されて半径方向外方に延びている。
電流コレクションタブ１３０はバスワッシャ１３４に溶
接されている。ヒートシンクワッシャ１３６は中央に穴
が形成されており、電流コレクションタブ１３０の上に
配設されてバスワッシャ１３４に溶接されている。巻き
線アセンブリは図示しない容器に収容される。ワッシャ
間にある電流コレクションタブ１３０のサンドイッチ構
造により、電流コレクション、ヒートシンク及び構造上
の一体性を同時に確保することができる。
【００２２】また、本発明により構成されたセルでは、
コアの中央部に穴を形成したため、セル内で発生した熱
の消費を促すことができ、コアの直径を大きくすること
で初期の巻き付けが容易となる。更に、ゼリーロールの
電極上にあるコーティングされた層の割れを減少するこ
とができ、巻き線アセンブリの厚さを減少し、もってセ
ルにおける熱の蓄積を減少することができる。
【００２３】本発明による中空セル構造は上述した実施
の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で
種々の変形や改良が可能である。
【００２４】
【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、コアの
外周面上に形成された長手方向に延びる溝は、電解液の
充填過程で、内部ガスの排気用に利用されると共に効率
よく電解液を充填することができる。また、溝を形成し
たことにより、ガスを排気部に導びく通路が提供され、
過充電の際の換気が容易になる。
【００２５】請求項２及び３に記載の発明では、請求項
１に記載の発明による効果を更に増進させることができ
る。
【００２６】請求項４に記載の発明では、コアを設けた
ことで、セルの端部間を機械的に支持することができる
という効果がある。
【００２７】請求項５乃至８に記載の発明では、セル端
部における２つのワッシャによる電流コレクションタブ
のサンドイッチ構造により、セルの構造、熱及び電気的
特性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による中空コアセル構造の断面図。
【図２】本発明によるコア構造を示したもので、（ａ）
は側面図、（ｂ）は端面を示した図、（ｃ）は拡大図。
【図３】本発明によるセル構造により得られる改良され
た温度分布を示したグラフ。
【図４】本発明により構成されたセルの一方の端部の拡
大図。
【図５】本発明により構成されたセル側面の断面図。
【符号の説明】
１００ コア １１０ 穴 １１２ セパレータ １１４ 正電極 １１６ 負電極 １１８ 容器 １２０ 充填用ポート １２１ 排出口 １３０ 電流コレクションタブ １３２ インシュレータ １３４ バスワッシャ １３６ ヒートシンクワッシャ １５０ 溝
フロントページの続き (72)発明者 サラ オウェイス アメリカ合衆国、メリーランド州 21042、 エリコット シティー、ハロード ストリ ーム 4705番地 (72)発明者 ガイ チャンノン アメリカ合衆国、メリーランド州 21044、 コロンビア、エーピーティー．725、リト ル プトゥツェント パークウェイ 11369番地 (72)発明者 ロバート スタニエウィックス アメリカ合衆国、メリーランド州 21030、 ハント バレー、アッシュランド ロード 245番地 (72)発明者 ダグラス ブリスコ アメリカ合衆国、メリーランド州 21157、 ウエストミンスター、ウィンチェスター ドライブ 948番地

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 中心コアはその外側面に形成された軸方
    向に延びる少なくとも１つの溝を有しており、中心コア
    とその外側面に設けた螺旋状の巻き線電極とからなるア
    センブリを備えたことを特徴とする電気化学セル。
  2. 【請求項２】 前記溝が、前記巻き線電極が巻き付けら
    れた前記中心コアの部分のほぼ全体長に亘って延びてい
    ることを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
  3. 【請求項３】 前記中心コアの外側面に複数の溝が形成
    されていることを特徴とする請求項１に記載の電気化学
    セル。
  4. 【請求項４】 前記アセンブリを収容する容器と、当該
    容器の一端部に設けられた排出部とを更に備え、前記中
    心コアを当該容器の前記一端部に取り付けて構造的に一
    体化し、前記一端部の下方圧力による変形を防止するよ
    うにしたことを特徴とする請求項１に記載の電気化学セ
    ル。
  5. 【請求項５】 前記巻き線電極の一端に設けられた絶縁
    部材と、当該絶縁部材上に配置された第１のワッシャ
    と、一方の極性の電極に接続され、前記絶縁部材と前記
    第１のワッシャに形成されている中心孔の中に延設され
    て前記第１のワッシャ上で折り曲げられて半径方向外方
    に延びる電流コレクションタブと、前記第１のワッシャ
    上に配置された第２のワッシャとを更に備え、前記第１
    のワッシャと前記第２のワッシャの間に前記電流コレク
    ションタブを挟み込み、前記第２のワッシャを前記第１
    のワッシャに固定したことを特徴とする請求項１記載の
    電気化学セル。
  6. 【請求項６】 前記第２のワッシャを前記第１のワッシ
    ャに溶接したことを特徴とする請求項５に記載の電気化
    学セル。
  7. 【請求項７】 中心コアと、当該中心コアの外側面に設
    けた螺旋状の巻き線電極と、当該巻き線電極の一端に設
    けられた絶縁部材と、当該絶縁部材上に配置された第１
    のワッシャと、一方の極性の電極に接続され前記絶縁部
    材と前記第１のワッシャに形成されている中心孔の中に
    延設されて前記第１のワッシャ上で折り曲げられて半径
    方向外方に延びる電流コレクションタブと、前記第１の
    ワッシャ上に配置された第２のワッシャとを更に備え、
    前記第１のワッシャと前記第２のワッシャの間に前記電
    流コレクションタブを挟み込み、前記第２のワッシャを
    前記第１のワッシャに固定したことを特徴とする電気化
    学セル。
  8. 【請求項８】 前記第２のワッシャを前記第１のワッシ
    ャに溶接したことを特徴とする請求項７に記載の電気化
    学セル。
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