WO2024161920A1 - 円筒形電池 - Google Patents

Abstract

円筒形電池（１０）は、正極（１１）と負極（１２）がセパレータ（１３）を介して巻回されると共に、最外周面の周方向の少なくとも一部が負極（１２）の負極芯体で構成される電極体（１４）と、電極体（１４）を収容する有底筒状の外装缶（１６）と、外装缶（１６）の開口部を塞ぐ封口体（１７）と、上記最外周面に位置する負極芯体と外装缶（１６）の内周面の両方に接合された集電板（４０）を備える。

Description

円筒形電池

　本開示は、円筒形電池に関する。

　従来、円筒形電池としては、特許文献１に記載されているものがある。この円筒形電池は、電極体、電極体を収容する有底筒状の外装缶、外装缶の開口部を塞ぐ封口体、及び外装缶と封口体とで挟持されるガスケットを備える。電極体は、正極と負極がセパレータを介して巻回された構造を有する。正極と封口体が正極リードを介して電気的に接続され、負極と外装缶の底部が、負極リードを介して電気的に接続されている。

特開平０９－２７４９２３号公報

　円筒形電池は電池パックとして用いられる場合がある。電池パックでは、図４又は図５に示すように複数の円筒形電池３１０が互いに接続される。いずれの接続構造においても、封口体３１７が正極端子として用いられている。図４に示す接続構造では、外装缶の底部３３１が負極端子として用いられ、複数の円筒形電池３１０が正極端子と負極端子の向きを交互に変えるように配置されている。隣接する正極端子と負極端子にバスバー３８０が接続されている。正極端子と負極端子はいずれも外部端子として機能している。一方、図５に示す接続構造では、外装缶の肩部３２９が負極端子として用いられ、複数の円筒形電池３１０がいずれも同じ向きに配置されている。そのため、隣接する正極端子と負極端子を接続するバスバー３８５は軸方向の同じ側に配置される。

　特許文献１の円筒形電池の外装缶の肩部を外部端子とした場合、外装缶の底部を外部端子とした場合に比べて、負極リードから外部端子までの電流経路に外装缶の底部から肩部までの電流経路が追加されることになる。このように負極リードから外部端子までの電流経路が増加するため、円筒形電池の電気抵抗が増加して高出力化が阻害される。そこで、本開示の目的は、外装缶の肩部を外部端子とした場合の電気抵抗を低減できる円筒形電池を提供することにある。

　上記課題を解決するため、本開示に係る円筒形電池は、第１電極と第２電極がセパレータを介して巻回されると共に、最外周面の周方向の少なくとも一部が第１電極の芯体で構成される電極体と、電極体を収容する有底筒状の外装缶と、外装缶の開口部を塞ぐ封口体と、最外周面に位置する芯体と外装缶の内周面の両方に接合された集電板と、を備える。

　本開示に係る円筒形電池によれば、外装缶の肩部を外部端子とした場合に、抵抗を低減できる。

本開示の一実施形態に係る円筒形電池の軸方向の断面図である。 図１のＡ－Ａ線断面図である。 変形例の円筒形電池の軸方向の断面図である。 電池パック内で外装缶の底部を負極端子として互いに接続された複数の円筒形電池の接続構造を説明する図である。 電池パック内で外装缶の肩部を負極端子として互いに接続された円筒形電池の接続構造を説明する図である。

　以下、図面を参照しながら、本開示に係る円筒形電池の実施形態について詳細に説明する。なお、本開示の円筒形電池は、一次電池でもよく、二次電池でもよい。また、水系電解質を用いた電池でもよく、非水系電解質を用いた電池でもよい。以下では、一実施形態である円筒形電池１０として、非水電解質を用いた非水電解質二次電池（リチウムイオン電池）を例示するが、本開示の円筒形電池はこれに限定されず、電解質は、水系電解質でもよい。

　以下で説明する実施形態や変形例の特徴部分を適宜に組み合わせて新たな実施形態を構築することは当初から想定されている。以下の実施形態では、図面において同一構成に同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、複数の図面には、模式図が含まれ、異なる図間において、各部材における、縦、横、高さ等の寸法比は、必ずしも一致しない。本明細書では、円筒形電池１０の軸方向（高さ方向）の封口体１７側を「上」とし、軸方向の外装缶１６の底部３１側を「下」とする。また、以下で説明される構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素であり、必須の構成要素ではない。

　図１は、本開示の一実施形態に係る円筒形電池１０の軸方向の断面図である。図１に示すように、円筒形電池１０は、電極体１４と、電極体１４を収容する有底筒状の外装缶１６と、外装缶１６の開口部を塞ぐ封口体１７と、電極体１４の最外周面と外装缶１６の内周面との間に配置される集電板４０を備える。外装缶１６には、電極体１４と共に非水電解質が収容されている。

　外装缶１６は、上側端部に径方向の内方側に折り曲げられて該内方側に延在する環状の肩部２９を有する。また、外装缶１６は側壁に形成された環状の溝入部２２を有し、封口体１７は溝入部２２に支持されて外装缶１６の開口部を塞いでいる。

　円筒形電池１０は、外装缶１６と封口体１７の間に介在するガスケット２８を更に備える。ガスケット２８は、封口体１７の外周部に取り付けられるリング状の樹脂製部材であって、封口体１７を外装缶１６に対して絶縁する。また、ガスケット２８は、外装缶１６と封口体１７の隙間を塞いで、電池内部を密閉している。ガスケット２８は、例えば、ポリオレフィンで構成されている。

　非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解した電解質塩とを含む。非水溶媒には、例えばエステル類、エーテル類、ニトリル類、アミド類、およびこれらの２種以上の混合溶媒等が用いられる。非水溶媒は、これら溶媒の水素の少なくとも一部をフッ素等のハロゲン原子で置換したハロゲン置換体を含有していてもよい。非水溶媒の一例としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、およびこれらの混合溶媒等が挙げられる。電解質塩には、例えば、ＬｉＰＦ_６等のリチウム塩が使用される。なお、非水電解質は液体電解質に限定されず、固体電解質であってもよい。

　電極体１４は、正極１１、負極１２、およびセパレータ１３を有し、正極１１と負極１２がセパレータ１３を介して渦巻き状に巻回された巻回構造を有する。正極１１、負極１２、およびセパレータ１３は、いずれも帯状の長尺体であって、渦巻状に巻回されることで電極体１４の径方向に交互に積層されている。負極１２は、リチウムの析出を防止するために、正極１１よりも一回り大きな寸法で形成される。即ち、負極１２は、正極１１よりも長手方向および幅方向に長く形成される。セパレータ１３は、少なくとも正極１１よりも一回り大きな寸法で形成され、例えば、正極１１を挟むように２枚配置される。

　正極１１は、長尺状の正極芯体と、当該正極芯体の少なくとも一方の面に形成された正極合剤層とを有する。正極芯体には、アルミニウム、アルミニウム合金など、正極１１の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。正極合剤層は、正極活物質、アセチレンブラック等の導電剤、およびポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等の結着剤を含み、正極芯体の両面に形成されることが好ましい。正極活物質には、例えば、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ等を含有するリチウム遷移金属複合酸化物が用いられる。

　負極１２は、長尺状の負極芯体と、当該負極芯体の少なくとも一方の面に形成された負極合剤層とを有する。負極芯体には、銅、銅合金など、負極１２の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルムなどを用いることができる。負極合剤層は、負極活物質、およびスチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ＰＶｄＦ等の結着剤を含み、負極芯体の両面に形成されることが好ましい。負極活物質には、例えば黒鉛、シリコン含有化合物などが用いられる。

　電極体１４には、正極リード２０が接続されている。正極リード２０は、正極１１と封口体１７とを電気的に接続する。正極リード２０は、超音波溶着等により正極芯体に接合される。図１に示す例では、正極リード２０が正極１１から絶縁板１８の開口部を通って封口体１７側に延びている。正極リード２０の一端部は、超音波溶着等により正極芯体に接合され、正極リード２０の他端部は、溶接又は超音波溶着等で封口体１７の下面に接合されている。

　円筒形電池１０は電極体１４と底部３１の間に配置される絶縁板１９を備え、電極体１４が底部３１に対して絶縁されている。負極芯体は、電極体１４の最外周面における周方向の少なくとも一部を構成する最外周面配置部３５を含む。集電板４０は、金属製の板部材であり、最外周面配置部３５の径方向外方側の面と、外装缶１６の内周面との間に配置される。図２は、図１におけるＡ－Ａ線断面図である。図２に示すように、集電板４０の径方向外方側の外面は断面略円弧形状であり、集電板４０の径方向内方側の内面も断面略円弧形状である。集電板４０は、超音波溶着等により最外周面配置部３５の径方向外方側の面に接合され、レーザ溶接等により外装缶１６の内周面に接合されている。負極１２と外装缶１６の筒状部３９は、集電板４０を介して電気的に接続されている。

　外装缶１６は、一般的に、鉄を主成分とする金属で構成されるが、アルミニウム等を主成分とする金属で構成されていてもよい。図１に示すように、外装缶１６は、筒状部３９と底部３１を有し、筒状部３９は、環状の溝入部２２と、環状の肩部２９を含む。溝入部２２は、筒状部３９の一部を、全周に亘ってスピニング加工して径方向内方側に窪ませることで形成される。肩部２９は、筒状部３９の上端部を径方向内側に折り曲げて封口体１７の周縁部３３にかしめる際に形成され、径方向内側に突出する。

　封口体１７は、かしめによって肩部２９と溝入部２２にガスケット２８を介して挟持されて外装缶１６に固定される。溝入部２２は、外装缶１６の上端から所定長さ離れた位置に形成されている。所定長さは、例えば、外装缶１６の軸方向長さの１～２０％に相当する長さである。ガスケット２８は、肩部２９により強く圧縮され、一部が肩部２９と封口体１７の間から径方向内方側に延出する。

　封口体１７は、電極体１４側から順に、端子板２３、下弁体２４、絶縁板２５、上弁体２６、および封口板２７がこの順で積層された構造を有する。封口体１７を構成する各部材は、例えば、円板形状ないしリング形状を有し、絶縁板２５を除く各部材は互いに電気的に接続されている。封口板２７は、径方向中央部が外側に突出した凸形状を有する。封口板２７の凸部２７ａは、環状に形成された斜面部と、斜面部に囲まれた平坦な天面部とを含む。天面部には、１以上の通気孔２７ｂが形成されている。

　下弁体２４、絶縁板２５、および上弁体２６は、電流遮断機構を構成する。下弁体２４と上弁体２６は各々の中央部で接続され、各々の周縁部の間には絶縁板２５が介在している。この場合、電池に異常が発生して内圧が上昇すると、下弁体２４が上弁体２６を封口板２７側に押し上げるように変形して破断することにより、下弁体２４と上弁体２６の間の電流経路が遮断される。さらに内圧が上昇すると、上弁体２６が破断し、封口板２７の通気孔２７ｂからガスが排出される。

　正極リード２０が端子板２３の下面に接続され、端子板２３と電気的に接続された封口体１７の天板である封口板２７が正極端子となる。円筒形電池１０では、負極１２に集電板４０を介して電気的に接続された筒状部３９の肩部２９を負極端子として使用することが想定されている。

　円筒形電池１０は、例えば、次の手順で作製できる。先ず、最外周面の周方向の少なくとも一部が負極芯体で構成され、正極リード２０が超音波溶着で正極芯体に接合された電極体１４を用意する。次に、負極芯体のうち電極体１４の最外周面の周方向の少なくとも一部を構成する最外周面配置部３５に超音波溶着で集電板４０を接合する。負極１１を正極１２及びセパレータ１３とともに巻回する前に、負極芯体のうち最外周面配置部３５となる位置に集電板４０を接合してもよい。

　その後、有底円筒形状の外装缶１６に電極体１４を挿入した後、外装缶１６を絞り加工することで縮径するか、又は電極体１４の中空部に棒を差し込んで集電板４０を外装缶１６の内周面に押圧する。そして、集電板４０が外装缶１６の内周面に当接した状態で外装缶１６の外部からレーザ光を照射して集電板４０と外装缶１６の内周面を接合する。

　続いて、溝入部２２を形成した後、正極リード２０を封口体１７の下面に溶接又は超音波溶着で接合する。最後に、かしめを行って、封口体１７で外装缶１６の開口部を封止すると、円筒形電池１０を作製できる。

　以下、図１及び図２を更に参照しながら、上述の集電板４０について詳細を説明する。

　図１に示すように、集電板４０が、電極体１４の最外周面に位置する負極芯体の最外周面配置部３５と外装缶１６の内周面の両方に接合されている。したがって、肩部２９を負極端子として使用した場合に、集電板４０から肩部２９までの電流経路が、外装缶の底部に接続された負極リードから肩部までの電流経路に比べて短縮される。よって、外装缶１６の肩部２９を負極端子とした場合の円筒形電池１０の電気抵抗を低減できる。

　電極体１４の軸方向において、集電板４０の少なくとも一部が、電極体１４の中心位置Ｐ１よりも上側（軸方向の封口体１７側）で最外周面配置部３５及び外装缶１６の内周面に接合されることが好ましい。これにより、肩部２９を負極端子として使用した場合の円筒形電池１０の電気抵抗を顕著に低減できる。

　電極体１４の軸方向において、集電板４０が、封口体１７側の上端１４ａから電極体１４の長さの１／３の位置Ｐ２よりも上側で最外周面配置部３５及び外装缶１６の内周面に接合されることが更に好ましい。これにより、肩部２９を負極端子として使用した場合の円筒形電池１０の電気抵抗をより顕著に低減できる。

　図２において、矢印Ａは電極体１４の巻き方向を示す。集電板４０の該巻き方向の長さが３ｍｍ以上であると、レーザ光を周方向における集電板４０の配置範囲に照射し易くなってレーザ溶接を容易かつ確実に行うことができる。また、集電板４０の軸方向長さが３ｍｍ以上であると、レーザ光を軸方向における集電板４０の配置範囲に照射し易くなってレーザ溶接を容易かつ確実に行うことができる。また、集電板４０の該巻き方向の長さが電極体１４の最外周面の周長の１／３以下の長さであると、電極体１４を外装缶１６に円滑に挿入することができる。

　集電板４０の厚さが、３０μｍ以上２００μｍ以下であると、電極体１４を外装缶１６に円滑に挿入することができ、集電板４０と外装缶１６との溶接を円滑に行うことができる。集電板４０の厚さは、５０μｍ以上１５０μｍ以下であることがより好ましい。

　なお、本開示は、上記実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびその均等な範囲において種々の改良や変更が可能である。

　例えば、上記実施形態では、集電板４０が、電極体１４の最外周面に位置する負極芯体部分（最外周面配置部３５）と外装缶１６の筒状部３９の内周面の両方のみに接合される場合について説明した。しかし、図３、すなわち、変形例の円筒形電池１１０の軸方向の断面図に示すように、集電板１４０は、電極体１４の最外周面に位置する負極芯体部分（最外周面配置部３５）と外装缶１６の内周面の間を軸方向に延在する第１延在部１４１と、第１延在部１４１の下側端部から径方向内方側に延びて缶底内面に沿って延びる第２延在部１４２を有してもよい。

　そして、第１延在部１４１の最外周面配置部３５と筒状部３９の内周面への接合に加えて、第２延在部１４２を抵抗溶接やレーザ溶接等で外装缶１６の底部３１に接合してもよい。このようにすれば、電池パックの接続構造に関わらず、円筒形電池１１０の電気抵抗を低減できる。したがって、高出力で汎用性も高い円筒形電池を実現できる。なお、この場合、電極体１４の中心よりも上側位置と電極体の中心よりも下側位置を含む複数位置で、集電板４０が最外周面配置部３５及び外装缶１６の内周面に接合されると好ましい。

　上記実施形態では、外装缶１６の肩部２９を、負極端子として用いると高出力を実現できる円筒形電池１０について説明した。肩部２９にバスバーなどの外部リードを直接接合してもよいが、肩部２９と外部リードとの間の中間部材としての金属部材を肩部２９に接合してもよい。また、外装缶１６の肩部２９を正極端子として用いることもできる。すなわち、外装缶１６の肩部２９は、負極及び正極のいずれの外部端子としても用いることができる。

　１０,１１０　円筒形電池、　１１　正極、　１２　負極、　１３　セパレータ、　１４　電極体、　１４ａ　電極体の上端、　１６　外装缶、　１７　封口体、　１８,１９,２５　絶縁板、　２０　正極リード、　２２　溝入部、　２３　端子板、　２４　下弁体、　２６　上弁体、　２７　封口板、　２７ａ　凸部、　２７ｂ　通気孔、　２８　ガスケット、　２９　肩部、　３１　底部、　３１ａ　底部の下面、　３３　周縁部、　３５　負極芯体の最外周面配置部、　３９　筒状部、　４０,１４０　集電板、　１４１　第１延在部、　１４２　第２延在部。
 

Claims (7)

1. 　第１電極と第２電極がセパレータを介して巻回されると共に、最外周面の周方向の少なくとも一部が前記第１電極の芯体で構成される電極体と、
   　前記電極体を収容する有底筒状の外装缶と、
   　前記外装缶の開口部を塞ぐ封口体と、
   　前記最外周面に位置する前記芯体と前記外装缶の内周面の両方に接合された集電板と、を備える円筒形電池。
2. 　前記集電板の厚さが、３０μｍ以上２００μｍである、請求項１に記載の円筒形電池。
3. 　前記電極体の巻き方向における前記集電板の長さが３ｍｍ以上である、請求項１又は２に記載の円筒形電池。
4. 　前記電極体の巻き方向における前記集電板の長さが、前記最外周面の周長の１／３以下の長さである、請求項１又は２に記載の円筒形電池。
5. 　前記電極体の軸方向において、前記集電板の少なくとも一部が、前記電極体の中心位置よりも前記封口体側で前記芯体及び前記外装缶の内周面の両方に接合されている、請求項１又は２に記載の円筒形電池。
6. 　前記電極体の軸方向において、前記集電板の少なくとも一部が、前記電極体における前記封口体側の端から前記電極体の長さの１／３の位置よりも前記封口体側で前記芯体及び前記外装缶の内周面に接合されている、請求項５に記載の円筒形電池。
7. 　前記集電板が、前記電極体の軸方向に延在する第１延在部と、前記外装缶の底部の内面に沿って延在する第２延在部を含み、
   　前記第２延在部と前記内面が、接合されている、請求項１に記載の円筒形電池。
    

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