JPH1173984A - 筒形二次電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電池使用時の発熱を効率よく放熱でき、内圧
の上昇による気密漏れ等の問題が生じにくく、安定して
機能を発揮できる二次電池を提供することを課題とす
る。 【解決手段】 本発明の二次電池は容器と、該容器中に
配置された正極、負極、および該正極および該負極との
間に配置されて両者を隔離するセパレータとからなる筒
状にまかれたロール電極と、からなる二次電池であり、
該ロール電極は巻き始めと巻き終わりにセパレータを数
回余計に巻くことで該容器と電気的に絶縁され、該容器
は該ロール電極の軸芯側に位置する筒状の内筒と、該ロ
ール電極の遠心側に位置する筒状の外筒と、該内筒と該
外筒の両端を閉じるリング状の端面板とからなり、該端
面板は電気絶縁状態で挿通された端子を有し、該端面板
を溶接で接合した筒形二次電池である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、電池の発熱時に効
率よく放熱を行い、内圧上昇による気密漏れ等の問題が
生じにくく、安定して機能を発揮する二次電池に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】Ｌｉイオン電池等の二次電池では、電極
活物質から効率よく電力を取り出すため、正極および負
極は金属シートに活物質を薄く塗布したシート状電極が
用いられ、これをセパレータを挟んで対向させる構造を
採る。さらに電気自動車等に用いられる大型電池すなわ
ち高容量電池では、正、負極の面積を大きくとり、これ
をコンパクトに電池容器に収納する必要がある。なかで
も円筒形と呼ばれる電池では、まず電極シートを長尺と
し、巻き芯を用いて渦巻き状に巻き取って円柱状の電極
成形体を作製し、次いで円筒状の容器に収納し、最後に
容器の端部が気密に接合される。

【０００３】これらの二次電池では充、放電の過程にお
いて、その内部抵抗により発熱が生じ、特に大電流が通
過する大型電池においては発熱量が大きく、それに伴う
内圧上昇の抑制および容器の耐圧確保が必要である。特
に円筒形電池においては発熱量が大きく、外部への放熱
は円筒の外周部および両端の円板部に限られるため、電
極成形体の巻芯部近傍では放熱が不十分となり、内圧の
上昇によって両端の円板部にたわみが生じたり、円筒と
円板の接合部分で気密漏れ等の不具合が発生する場合が
あった。

【０００４】これら大型電池の温度上昇防止策として、
特開平６−３４９４６０号公報では、円柱形電池の中心
軸にそって中空とし、これを冷却筒とすることが提案さ
れている。この技術では、金属導体製の内筒を正極もし
くは負極の外部端子として使用しており、そのために、
容器端部の円板の少なくとも片方は、絶縁ガスケットあ
るいはパッキンを介して、内筒及び外筒と気密にかしめ
接合、あるいはねじ固定されていた。

【０００５】一方、電気自動車等の用途では、３００Ｖ
程度の出力電圧を得るため、上記単電池を１００個程度
直列に接続することが必須であり、さらにそれをコンパ
クトに集合させる必要がある。その際、電池容器が外部
端子をかねた従来構造の電池では、各単電池の容器が接
触すると、電極間ショートをおこすため、容器外側に絶
縁体のカバーを付ける必要があり、このカバーによって
放熱が損なわれる問題があった。また、電池中心部から
の放熱は内筒内面からの直接放熱のみならず、発熱を両
端面板へ伝達し、端面板表面から放熱させることも必要
であるが、上記従来技術では、内筒と端面板は絶縁材を
介したり、ねじで固定されているために端面板への熱伝
達が阻害され、放熱が不十分となる問題があった。さら
に、端面板と外筒及び内筒との接合が、かしめ等である
ため、接合強度が低く、内圧上昇時の気密確保に問題が
あった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記実状に鑑
みてなされたものであり、電池使用時の発熱を効率よく
放熱でき、内圧の上昇による気密漏れ等の問題が生じに
くく、安定して機能を発揮できる二次電池を提供するこ
とを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の二次電池は容器
と、該容器中に配置された正極、負極、および該正極お
よび該負極との間に配置されて両者を隔離するセパレー
タとからなる渦巻き状にまかれたロール電極と、からな
る二次電池であり、該ロール電極は巻き始めと巻き終わ
りにセパレータを数回余計に巻くことで該容器と電気的
に絶縁され、該容器は該ロール電極の軸芯側に位置する
筒状の内筒と、該ロール電極の遠心側に位置する筒状の
外筒と、該内筒と該外筒の両端を閉じるリング状の端面
板とからなり、該端面板は電気絶縁状態で挿通された端
子を有し、該端面板を溶接で接合した円筒形二次電池で
ある。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の筒形二次電池は、容器
と、該容器中に配置され正極および負極の間に配置され
て両者を隔離するセパレータとからなる渦巻き状に巻か
れたロール電極と、からなる。前記容器は、内筒、外
筒、端面板とからなり、該内筒が該外筒の軸心部を通る
ように配置され、両端がリング状の端面板で閉じられた
筒形の容器である。なお、筒型としてはその断面が真円
または楕円等の円筒形、四角または三角等の角筒形を採
用できる。

【０００９】内筒および外筒は径の異なる円筒状のパイ
プであり、内筒および外筒の長さは、外筒はロール電極
を収められる長さであり、内筒は外筒と同等かあるいは
それ以上である。また、内筒の外径は外筒の内径より小
さく、外筒内に内筒を配置できる径とする。さらに、内
筒は、電池内に発生する熱の放熱性のほかに、電極シー
トの巻き取り性、容器との溶接性、端面板の補強性等を
勘案する必要があり、一概には決まらないが、内筒の外
径はロール電極の外径の５０％以内が好ましく、より好
ましくは１０〜２０％、内筒のパイプの肉厚は０．２〜
２ｍｍ程度とするのが好ましく、さらに０．８〜１．５
ｍｍとするのがよい。

【００１０】外筒は、その内径がロール電極の外径の
０．２〜２．０ｍｍ以上であることが好ましく、さらに
好ましくはロール電極の外径より０．５〜１．５ｍｍ以
上である。また、外筒のパイプの肉厚は０．２〜２．０
ｍｍとするのが好ましく、さらに好ましくは０．５〜
１．５ｍｍである。端面板は外部端子および内部端子と
からなる電極端子と中心部に内筒を挿通できる貫通孔と
を有するリング状の円板であり、リングの外径は外筒の
外径と等しいか、もしくは外筒の外径と内径の間にあ
り、リングの内径は内筒の外径と等しいか、もしくは内
筒の内径と外径の間にある。ここで、外部端子および内
部端子は端面板を貫通して固定され、かつ端面板と電気
的に絶縁されている。また、内部端子は、ロール電極の
電極タブと接続されている。

【００１１】ここで、内筒、外筒、端面板とからなる容
器は、熱伝導性、溶接性、耐蝕性に優れた材料が用いら
れる。具体的には、ステンレス鋼、Ｎｉメッキ鋼、銅及
び銅合金、アルミニウムおよぴアルミニウム合金が好適
である。ロール電極は帯状の正極、負極、セパレータを
該正極および該負極を該セパレータにより隔離した状態
で、渦巻き状に巻かれた形状であり、該正極、該負極、
該セパレータは特に限定されるものでなく、通常の二次
電池に用いられるものを使用できる。

【００１２】なお、ロール電極は、帯状電極の巻き始
め、巻き終わりにおいて、セパレータを数回余計に巻く
ことで、ロール電極の内筒および外筒への電気絶縁を行
う。さらに、ロール電極の巻き芯として内筒を用いるこ
ともできる。また、ロール電極からの電力の取り出し
は、ロール電極の軸方向の両端に電極タブを設けてお
き、この電極タブを電極端子の内部端子に接続して行わ
れる。この接続方法は、ねじ止め、かしめ、スポット溶
接、超音波溶接等のいかなる方法を用いてもよい。

【００１３】内筒および外筒と端面板とは、直接接合さ
れる。これは、容器の一部が電極をかねていた従来の電
池では正極と負極とを電気絶縁するためにパッキン等が
用いられていたが、本発明では電池容器が電極端子と絶
縁されているため、パッキン等の絶縁部が必要なく、容
器の接合部を直接接合できる。直接接合することで二次
電池内部で発生した熱が内筒から端面板および外筒に伝
導して放熱される。ここで、内筒および外筒と端面板の
接合方法としては、はんだ付け、ろう付け、アーク溶
接、レーザ溶接等のいかなる金属的接合方法を用いても
よいが、ロール電極への熱影響、特にセパレータへの溶
損を回避する必要があり、溶接箇所のみの局部発熱が可
能なレーザ溶接が好ましい。

【００１４】

【実施例】

（実施例の二次電池の作製） （実施例１）実施例１として図１〜４に示されるように
内筒２をロール電極１の巻き芯として用い、この断面図
を図５に示したＬｉ二次電池を作製した。

【００１５】内筒２、外筒４、端面板５はいずれもＡ３
００４アルミニウム合金製であり、内筒２は長さ４２０
ｍｍ、外径１２ｍｍ、内径８ｍｍのパイプであり、外筒
４は長さ４１６ｍｍ、外径８０ｍｍ、内径７７ｍｍのパ
イプである。さらに、端面板５は、外径８０ｍｍ、厚さ
２ｍｍの円板を用い、中央に、内筒２が挿入できるよう
に直径１２ｍｍの穴があいている。

【００１６】正極はマンガン酸リチウム、負極は黒鉛、
セパレータはポリエチレン多孔膜を用い、それぞれは幅
が３９０ｍｍの帯状の電極体である。また、電解液はＬ
ｉＢＦ₄を支持電解質とする有機溶液を用いた。正極、
セパレータ、負極の順に積層することで、セパレータに
より正極と負極を隔離した帯状電極を作製し、この帯状
電極を内筒２に巻き付け、ロール電極１を作製した。こ
の時、ロール電極１のロール径が７６ｍｍになるまでシ
ート状電極を巻き付けた。また、ロール電極１からの内
筒２の突き出し長さは両端とも１５ｍｍである。さら
に、ロール電極１の巻き始めと巻き終わりにおいて、セ
パレータを数回余分に巻き付けることで、ロール電極１
と内筒２および外筒４とを電気的に絶縁させる。くわし
くは、巻き始めと巻き終わりに２回ずつ余分に巻かれ
た。

【００１７】作製したロール電極１を外筒４に収め、両
端を端面板５で塞ぎ、端面板５と内筒２および外筒４と
の接合部を接合し、図５にその断面を示す円筒形二次電
池を作製した。この時、ロール電極１の電極タブ３と端
面板５の内部端子７とを超音波溶接で接合し、円筒形二
次電池の電極端子とした。なお、内部端子７および外部
端子６は端面板５と電気絶縁されている。また、外筒／
端面板接触部９および内筒／端面板挿入部１０を図４に
示されるようにレーザ溶接で接合した後、予め設けてお
いた電解液注入孔（図示せず）から、二次電池の電解液
を注入した後、注入孔を封止し、円筒形の大型Ｌｉ二次
電池を作製した。

【００１８】また、実施例１と同様の材料を用いて比較
例１、２の二次電池を作製した。このとき、用いられた
内筒、外筒および端面板の大きさは実施例１と若干異な
るが、用いられた材質（たとえば、Ａ３００４アルミニ
ウム合金）は実施例１と同様であった。さらに、ロール
電極にも実施例１と同様のものが用いられた。 （比較例１）比較例１は、図６の断面図に示される円筒
形二次電池であり、内筒２１および外筒４１と端面板５
１との間に絶縁体１３を介することでこれらの間の熱伝
導が抑えられている電池である。すなわち、比較例１の
二次電池は内筒２１と端面板５１との接合部９１および
外筒４１と端面板５１との接合部１０１がポリプロピレ
ン樹脂よりなるリング状の絶縁体１３を介してかしめら
れている電池である。

【００１９】内筒２１は、長さ４３０ｍｍ、外径１２ｍ
ｍ、内径８ｍｍのパイプであり、外筒４１は、長さ４３
０ｍｍ、外径８０ｍｍ、内径７７ｍｍのパイプであり、
端面板５１は、外径７３ｍｍ、厚さ２ｍｍの円板を用
い、中央に、内筒２が挿入できるように直径１６ｍｍの
穴があいている。比較例１の二次電池は、実施例１のロ
ール電極１の作製と同様の方法で内筒２１に巻き付けら
れたロール電極１１０を外筒４１に収め、この外筒４１
内に絶縁体１３を配した後に、リング状の端面板５１を
絶縁体１３上に配置し、端面板５１と内筒２１との接合
部および外筒４との接合部を絶縁体をはさんでかしめる
ことで接合した円筒形二次電池である。なお、端面板５
１にもうけられた内部端子とロール電極１１０との接合
や電解液の注入といったその他の条件は実施例１と同様
に行われた。

【００２０】（比較例２）比較例２は、図７の断面図に
示される円柱形二次電池であり、内筒２２内の中空部が
ふさがれるとともに内筒２２と端面板５２の間に樹脂製
緩衝体１４が配置され、この樹脂製緩衝体１４により内
筒２２と端面板５２が直接接合されない二次電池であ
り、電池内部のロール電極１２０や内筒２２から端面板
５２への熱の伝導が抑えられている電池である。このと
き、内筒２２の中心部は電解液も注入されていない中空
構造となっている。樹脂製緩衝体１４は、ポリプロピレ
ンにより形成されている。

【００２１】内筒２２は、長さ４１２ｍｍ、外径１２ｍ
ｍ、内径８ｍｍのパイプであり、外筒４２は、長さ４１
６ｍｍ、外径８０ｍｍ、内径７７ｍｍのパイプであり、
端面板５２は、外径８０ｍｍ、厚さ２ｍｍの円板が用い
られた。比較例２の二次電池は、実施例のロール電極１
の作製と同様の方法で内筒２２に巻き付けられたロール
電極１２０を外筒４２に収め、内筒２２の端部に樹脂製
緩衝体１４を配した後に端面板５２でふさぎ、端面板５
２と外筒４２との接合部をレーザ溶接により接合して作
製された。なお、端面板５１にもうけられた内部端子と
ロール電極１１０との接合や電解液の注入といったその
他の条件は実施例１と同様に行われた。ここで、外筒４
２と端面板５２との接合部はレーザ溶接により接合され
たが、内筒２２と端面板５２とは樹脂製緩衝体１４を介
して接触しているだけであり、接合はされていない。

【００２２】（評価）本発明の実施例１および比較例
１、２の電池を用いて放電試験を行い、放熱性の評価を
行った。 （単電池の放電試験）放電試験は、実施例１および比較
例１、２の電池を容量いっぱいに充電した後に放電を行
い、放電時間による電池容器表面の温度変化を調べるこ
とで行われた。ここで、実施例１および比較例１、２の
二次電池はいずれも容量が１００Ａｈであり、放電は２
００Ａで行われた。なお、この放電試験は室温の自然空
冷下で行われた。また、電池容器表面の温度変化の測定
は、図５、６、７のそれぞれの断面図の三角の印のある
二次電池の外筒の表面中央部に取り付けられた熱電対に
よりなされた。この放電試験における二次電池容器の表
面の温度の測定結果を図８に示した。

【００２３】図８より、実施例１の二次電池は、放電直
後の温度上昇が急となっているがその後の温度上昇は極
めて穏やかで最大温度は約３８℃（室温の２５℃から約
１３℃の上昇）にとどまった。これは、溶接により接合
された筒形容器のため、電池内で発生した熱が容器全体
に転移していることを示している。また、比較例１では
温度上昇はやや緩やかであるが、放電末期には最大温度
が約４７℃（約２２℃の上昇）と高くなった。さらに、
比較例２は最も温度上昇が大きく放電末期には表面温度
がおよそ５３℃（約２８℃の上昇）と最大になった。

【００２４】（積み重ね試験）実施例１の二次電池１０
本を容器同士が接触する状態で５列２段積みにし、電池
を直列に接続して電池モジュールとした。この電池モジ
ュールについて、強制空冷下で充、放電試験を行った。
充、放電試験において電池モジュールを構成する電池の
発熱は認められたが電池の内圧の上昇はほとんどみられ
ず、良好な放熱性を示すことが確認された。ここで、強
制空冷について、送風される風が筒型電池の内筒２の中
空部分を通過しない方向、つまり内筒２部での強制空冷
がなされない状態であっても、電池内部で発生した熱は
充分に放熱されている。

【００２５】（耐圧性の評価）実施例１の電池容器の耐
圧性の評価は、２０気圧の空気を容器内に吹き込み、電
池容器の状態を目視により判断する試験によりなされ
た。目視の結果、両端の端面板５にはほとんどたわみが
みられず、端面板５に接合された内筒２が補強材として
有効に作用していることが確認された。

【００２６】また、本発明の電池容器の耐圧性をさらに
高めることは、内筒２と端面板５の接合部１０、外筒４
と端面板５の接合部９を補強することで可能となる。こ
れは、接合部の変形がおさえられ破壊圧力が増加し、耐
圧性を高めることができるからである。ここで、外筒４
と端面板５の接合部９の補強については接合方法をかし
め等に変更することもでき、内筒２と端面板５の接合部
１０の補強については端面板の外側への変形をおさえる
金具を取り付けることで可能である。この金具等の取り
付けには、内筒の中空部分を電池の放熱性を損なわない
範囲で利用することができる。たとえば、貫通ボルトや
アンカーボルトを取り付けて、変形をおさえるためのふ
ちがついたナット等でナット締めすることができる。

【００２７】実施例１の筒形電池に前記金具を取り付け
た例を実施例２および３として図９および１０に示す。 （実施例２）本実施例は、図９に示されるように、電池
容器の長さより長く、ねじ山が切ってある棒１５を内筒
２内の中空部分に挿入し、この挿入されたねじ山が切っ
てある棒１５の両端に端面板５の変形をおさえるための
ふちが付いたナット１６を締めた例である。本実施例
は、直接内筒２と端面板５の接合部１０周辺をおさえる
ことで、端面板５の変形を防ぎ、電池容器の耐圧性を高
めている。ここで、棒１５およびナット１６は、金属
製、樹脂製のどちらでもかまわない。

【００２８】（実施例３）本実施例は、図１０に示され
るように、内側にねじ１８が切ってある内筒２を用い、
変形をおさえるためのふちがついたボルト１７を直接内
筒２にボルト締めした例である。ここで、図１０には実
施例３の電池容器の一端側を示した。本実施例は、ボル
ト１７を直接内筒２にボルト締めすることで、内筒２と
端面板５の接合部１０周辺をおさえることで、端面板５
の変形を防ぎ、電池容器の耐圧性を高めている。このと
き、内筒２に切られたねじ１８部について、内筒２の内
側に直接ねじ１８を切ることは内筒２の端部の厚さが薄
くなり強度が弱くなることをまねくため、ねじ１８を設
けるところは予め内筒２の厚さを厚くしておき、ねじ１
８を切るようにするのが好ましい。

【００２９】

【発明の効果】筒形電池容器の中心軸部を中空とし、容
器両端との接合を溶接で行うことにより中心部から両端
部への熱伝達が円滑となり、電池中央部の熱が内筒から
両端部を通じて排出されやすくなる。さらに、内筒を含
む電池容器は正極、負極とは絶縁されているため、電気
自動車のように、多数個の電池を直列に接続して使用す
る際に、電池を積み重ねて、個々の電池容器が接触して
も何ら問題はない。このため、電池容器に用いられてき
た絶縁カバーが不要となる。絶縁カバーが不要となるこ
とで従来の電池での絶縁カバーによる放熱の阻害がなく
なり、電池内の熱が放出されやすくなる。

【００３０】電池の放熱は自然空冷あるいは送風空冷で
通常十分であるが、より厳しい発熱条件下で使用する場
合には、個々の電池の内筒を金属パイプで連結して冷却
水等の冷却液を直接に通過させても電気化学腐食等の問
題が生じない。このように、電池の発熱を効率よく放散
させ、内圧の上昇を最小限に抑制することができる。さ
らに、溶接による接合は強度が高いため、もし内圧が上
昇した際にも気密漏れ等の問題が生じず、安定して電池
の機能を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態の例であり、正極、負極
およびセパレータを内筒に巻き付けたロール電極の図で
ある。

【図２】 円筒形電池の外筒および端面板の図である。

【図３】 端面板を接合した円筒形二次電池の図であ
る。

【図４】 内筒および外筒と端面板との溶接による接合
の図である。

【図５】 実施例の二次電池の軸方向の断面図である。

【図６】 比較例１の二次電池の軸方向の断面図であ
る。

【図７】 比較例２の二次電池の軸方向の断面図であ
る。

【図８】 放電試験における放電時間と電池容器の表面
温度との関係を示した図である。

【図９】 実施例２の電池容器の内筒の中空部分に棒を
挿入し、その両端から変形をおさえるためのふちがつい
たナットで締めることで電池容器の耐圧性を高める方法
を示した図である。

【図１０】 実施例３の電池容器の内筒の内側にねじが
切ってあり、変形をおさえるためのふちがついたボルト
を内筒にボルト締めすることで、耐圧性を高める方法を
示した図である。

【符号の説明】

１、１１０、１２０…ロール電極 ２、２１、２
２…内筒 ３…電極タブ ４、４１、４
２…外筒 ５、５１、５２…端面板 ６…外部端子 ７…内部端子 ８…円筒形電
池 ９、９１、９２…外筒／端面板接合部 １０、１０１…内筒／端面板接合部 １１…内筒
端部 １２…レーザ溶接トーチ １３…絶縁
体 １４…樹脂製緩衝体 １５…両端
にねじが切ってある棒 １６…ふち付ナット １７…ふち
付ボルト １８…ねじ部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 容器と、該容器中に配置された正極、負
   極、および該正極および該負極との間に配置されて両者
   を隔離するセパレータとからなる渦巻き状にまかれたロ
   ール電極とを持つ二次電池において、 前記容器は前記ロール電極の軸芯に位置する筒状の内筒
   と、該ロール電極の遠心側に位置する筒状の外筒と、該
   内筒と該外筒の両端を閉じるリング状の端面板とからな
   り該端面板を溶接で接合し軸芯部が中空であり、前記ロ
   ール電極は前記容器に電気絶縁状態で収納されかつ前記
   ロール電極の端子は前記端面板を電気絶縁状態で挿通し
   ていることを特徴とする筒形二次電池。
2. 【請求項２】 前記ロール電極は、正極、負極およびセ
   パレータの巻き始めと巻き終わりにおいて、セパレータ
   を余分に巻き付けることで絶縁することを特徴とする請
   求項１記載の筒形二次電池。