JP2012169063A - 円筒形二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】円筒形二次電池において、正極電極とセパレータとの隙間から異物が入り込み内部短絡が発生するのを防止する。
【解決手段】軸芯１５の周囲に、正極電極１１、負極電極１２および第１、第２のセパレータ１３、１４が捲回された電極群１０を電池缶２内に収容する。軸芯１５の中空部１５ｄの上部側から非水電解液５を注入する。非水電解液５は、Ｌ１〜Ｌ４方向に順次流動するが、この際、非水電解液５中に混在している導電性の異物は、絶縁テープ５１Ａ、５１Ｂにより流動を遮断され、電池缶２の底部側に封鎖される。
【選択図】図４

Description

この発明は、円筒形二次電池に関する。

リチウム二次電池等に代表される円筒形二次電池においては、正極合剤が形成された正極電極と負極合剤が形成された負極電極とをセパレータを介して軸芯の周囲に捲回して電極群を構成する。正極合剤は正極金属箔の両面に塗工され、正極金属箔の長手方向の一側縁部は正極合剤が形成されない正極合剤未処理部とされる。また、負極合剤は負極金属箔の両面に塗工され、負極金属箔の長手方向の他側縁部は負極合剤が形成されない負極合剤未処理部とされる。

正極電極を正極集電部材に溶接するため、ロールカッタ等により正極金属箔の正極合剤未処理部を切断して、正極金属箔の長手方向に沿う片側の一側縁部に、通常、タブと言われる所定のピッチで配列される多数の正極リードを形成する。負極電極側においても同様で、ロールカッタ等により負極金属箔の負極合剤未処理部を切断して、正極金属箔の長手方向に沿う片側の他側縁部に、所定のピッチで配列される多数の負極リードを形成する。正極リードと負極リードとは、互いに反対側の側縁部に、相対向して形成される。

正極リードおよび負極リードを形成する工程等において、導電性の金属異物が生成される。電池容器内に電極群を収容し、電解液を注入すると、金属異物は電解液内に混入する。電解液に混入した金属異物は、正極電極と負極電極との間に入り込み、正極電極に接触してプラスにイオン化し、セパレータを透過して負極電極で析出する。負極電極に析出した析出物が堆積し、正極側の部材に接触すると内部短絡を生じる。このように正極電極と負極電極とがスポット的に短絡すると、必要な電圧が得られない等、電池性能が低下する。

この対応として、例えば、角形の二次電池において、電極群が収容された有底無頭型の密閉容器（電池缶）の内面全体に、電極群とは離間して絶縁性の多孔質体を配置し、多孔質体が有する細孔に電解液に混在する金属異物を捕集するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−８７８１２号公報

しかし、上記特許文献１に記載された角形の二次電池では、電極群と多孔質体とが大きく離間しているため、金属異物が、一旦、多孔質体の細孔に捕集されたとしても、二次電池に振動や衝撃が与えられた場合、捕集状態を維持することの信頼性に乏しい。

本発明の円筒形二次電池は、底部を有し、上部が開口された電池缶と、電池缶内に収容され、中空部を有する軸芯の周囲に、正極電極および負極電極がセパレータを介在して捲回された電極群とを具備し、電解液が電池缶の開口側における軸芯の中空部から電池缶の底部側に注入される円筒形二次電池であって、少なくとも電極群における電池缶の底部側の側端面に対応する外周に絶縁テープが巻き付けられていることを特徴とする。

この発明の円筒形二次電池によれば、電池缶の缶底側に溜まった導電性の異物は、絶縁テープにより電池缶の上部側に流動するのを遮断されるため、円筒形二次電池に振動や衝撃が与えられた場合においても高い信頼性を有する。

本発明に係る円筒形二次電池の一実施形態の断面図。 図１に示された円筒形二次電池の分解斜視図。 図１の電極群の詳細を示し、一部を切断した状態の斜視図。 図１における円筒形二次電池の底部側の拡大断面図。 図１における円筒形二次電池の上部側の拡大断面図。 本発明に係る二次電池の実施形態２の要部拡大断面図。 本発明に係る二次電池の実施形態３の要部拡大断面図。 本発明に係る二次電池の実施形態４の要部拡大断面図。

（実施形態１）
−二次電池の構造−
以下、この発明の円筒形二次電池を図面と共に説明する。
図１は、この発明の円筒形二次電池の一実施の形態を示す拡大断面図であり、図２は、図１に示された円筒形二次電池の分解斜視図である。
円筒形二次電池１は、例えば、リチウムイオン二次電池であり、外形４０ｍｍφ、高さ１００ｍｍの寸法を有する。この円筒形二次電池１は、底部を有し、上部が開口された有底無頭の円筒形の電池缶２および電池缶２の上部を封口するハット型の電池蓋３で構成される電池容器４の内部に、以下に説明する発電用の各構成部材が収容され、非水電解液５が注入されている。

有底無頭の円筒形の電池缶２には、上端側の設けられた開口部２ｂ側に電池缶２の内側に突き出した溝２ａが形成されている。
電池缶２の中央部には、電極群１０が配置されている。電極群１０は、軸方向に沿う中空部１５ｄを有する細長い円筒形の軸芯１５と、軸芯１５の周囲に捲回された正極電極および負極電極とを備える。図３は、電極群１０の構造の詳細を示し、一部を切断した状態の斜視図である。図３に図示されるように、電極群１０は、軸芯１５の周囲に、正極電極１１、負極電極１２、および第１、第２のセパレータ１３、１４が捲回された構成を有する。

軸芯１５は、軸に沿って形成された中空部１５ｄを有する中空円筒状を有し、電池缶２の底部側に中空部１５ｄから注入された非水電解液５を軸芯１５の外部に流出するための複数の貫通孔１５ｃが形成されている。軸芯１５には、負極電極１２、第１のセパレータ１３、正極電極１１および第２のセパレータ１４が、この順に積層され、捲回されている。最内周の負極電極１２の内側には第１のセパレータ１３および第２のセパレータ１４が数周（図３では、１周）捲回されている。第１のセパレータ１３および第２のセパレータ１４は、絶縁性の多孔質体で形成されている。また、最外周側は負極電極１２およびその外周に捲回された第２のセパレータ１４となっている。最外周の第２のセパレータ１４が接着テープ１９で止められる（図２参照）。

正極電極１１は、アルミニウム箔により形成され長尺な形状を有し、正極金属箔１１ａと、この正極金属箔１１ａの両面に正極合剤１１ｂが塗布された正極処理部を有する。正極金属箔１１ａの長手方向に延在する上方側の側縁は、正極合剤１１ｂが塗布されずアルミニウム箔が露出した正極合剤未処理部１１ｃとなっている。この正極合剤未処理部１１ｃには、軸芯１５の軸に沿って上方に突き出す多数の正極リード１６が等間隔に一体的に形成されている。

正極合剤１１ｂは正極活物質と、正極導電材と、正極バインダとからなる。正極活物質はリチウム酸化物が好ましい。例として、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、リチウム複合酸化物（コバルト、ニッケル、マンガンから選ばれる２種類以上を含むリチウム酸化物）等が挙げられる。正極導電材は、正極合剤中におけるリチウムの吸蔵放出反応で生じた電子の正極電極への伝達を補助できるものであれば制限は無い。しかし中でも上述の材料である、コバルト酸リチウムとマンガン酸リチウムとニッケル酸リチウムとからなるリチウム複合酸化物を使用することにより良好な特性が得られる。

正極バインダは、正極活物質と正極導電材を結着させ、また正極合剤と正極集電体を結着させることが可能であり、非水電解液５との接触により、大幅に劣化しなければ特に制限はない。正極バインダの例としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）やフッ素ゴムなどが挙げられる。正極合剤層の形成方法は、正極電極上に正極合剤が形成される方法であれば制限はない。正極合剤１１ｂの形成方法の例として、正極合剤１１ｂの構成物質の分散溶液を正極金属箔１１ａ上に塗布する方法が挙げられる。このような方法で製造することにより特性の優れた正極合剤が得られる。

正極合剤１１ｂを正極金属箔１１ａに塗布する方法の例として、ロール塗工法、スリットダイ塗工法、等が挙げられる。正極合剤１１ｂに分散溶液の溶媒例として、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）や水等を添加し、混練したスラリを、厚さ２０μｍのアルミニウム箔の両面に均一に塗布し、乾燥させた後、プレスし、裁断する。正極合剤１１ｂの塗布厚さの一例としては片側約４０μｍである。正極金属箔１１ａをプレスにより裁断する際、正極リード１６を一体的に形成する。すべての正極リード１６の長さは、ほぼ同じである。

負極電極１２は、銅箔により形成され長尺な形状を有し、負極金属箔１２ａと、この負極金属箔１２ａの両面に負極合剤１２ｂが塗布された負極処理部を有する。負極金属箔１２ａの長手方向に延在する下方側の側縁は、負極合剤１２ｂが塗布されず銅箔が露出した負極合剤未処理部１２ｃとなっている。この負極合剤未処理部１２ｃには、軸芯１５の軸に沿って正極リード１６とは反対方向に延出された、多数の負極リード１７が等間隔に一体的に形成されている。

負極合剤１２ｂは、負極活物質と、負極バインダと、増粘剤とからなる。負極合剤１２ｂは、アセチレンブラックなどの負極導電材を有しても良い。負極活物質としては、黒鉛炭素を用いること、特に人造黒鉛を使用することが好ましい。黒鉛炭素を用いることにより、大容量が要求されるプラグインハイブリッド自動車や電気自動車向けのリチウムイオン二次電池が作製できる。負極合剤１２ｂの形成方法は、負極金属箔１２ａ上に負極合剤１２ｂが形成される方法であれば制限はない。しかしその中でも次に記載する方法により優れた特性の負極合剤が得られる。負極合剤１２ｂを負極金属箔１２ａに塗布する方法の例として、負極合剤１２ｂの構成物質の分散溶液を負極金属箔１２ａ上に塗布する方法が挙げられる。塗布方法の例として、ロール塗工法、スリットダイ塗工法等が挙げられる。

負極合剤１２ｂを負極金属箔１２ａに塗布する方法の例として、負極合剤１２ｂに分散溶媒としてＮ−メチル−２−ピロリドンや水を添加し、混練したスラリを、厚さ１０μｍの圧延銅箔の両面に均一に塗布し、乾燥させた後、プレスし、裁断する。負極合剤１２ｂの塗布厚さの一例としては片側約４０μｍである。負極金属箔１２ａをプレスにより裁断する際、負極リード１７を一体的に形成する。すべての負極リード１７の長さは、ほぼ同じである。

第１のセパレータ１３および第２のセパレータ１４の幅をＷ_S、負極金属箔１２ａに形成される負極合剤１２ｂの幅をＷ_C、正極金属箔１１ａに形成される正極合剤１１ｂの幅をＷ_Aとした場合、下記の式を満足するように形成される。
Ｗ_S＞Ｗ_C＞Ｗ_A（図３参照）
すなわち、正極合剤１１ｂの幅Ｗ_Aよりも、常に、負極合剤１２ｂの幅Ｗ_Cが大きい。これは、リチウムイオン二次電池の場合、正極活物質であるリチウムがイオン化してセパレータを浸透するが、負極側に負極活物質が形成されておらず負極金属箔１２ａが表出していると負極金属箔１２ａにリチウムが析出し、内部短絡を発生する原因となるからである。

第１のセパレータ１３および第２のセパレータ１４は、それぞれ、例えば、厚さ４０μｍのポリエチレン製多孔膜で形成されている。
図１および図３において、中空な円筒形状の軸芯１５は軸方向（図面の上下方向）の上端部の内面に中空部１５ｄよりも径大の溝１５ａが形成され、この溝１５ａに正極集電部材２７が圧入されている。正極集電部材２７は、例えば、アルミニウムにより形成され、円盤状の基部２７ａ、この基部２７ａの内周部において軸芯１５側に向かって突出し、軸芯１５の内面に圧入される下部筒部２７ｂ、および外周縁において電池蓋３側に突き出す上部筒部２７ｃを有する。正極集電部材２７の基部２７ａには、電池内部で発生するガスを放出するための開口部２７ｄ（図２参照）が形成されている。

正極金属箔１１ａの正極リード１６は、すべて、正極集電部材２７の上部筒部２７ｃに溶接される。この場合、図２に図示されるように、正極リード１６は、正極集電部材２７の上部筒部２７ｃ上に重なり合って接合される。各正極リード１６は大変薄いため、１つでは大電流を取りだすことができない。このため、軸芯１５への巻き始めから巻き終わりまでの全長に亘り、多数の正極リード１６が所定間隔に形成されている。

正極集電部材２７は、電解液によって酸化されるので、アルミニウムで形成することにより信頼性を向上することができる。アルミニウムは、なんらかの加工により表面が露出すると、直ちに、表面に酸化アルミウム皮膜が形成され、この酸化アルミニウム皮膜により、電解液による酸化を防止することができる。
また、正極集電部材２７をアルミニウムで形成することにより、正極金属箔１１ａの正極リード１６を超音波溶接またはスポット溶接等により溶接することが可能となる。

正極集電部材２７の上部筒部２７ｃの外周には、正極金属箔１１ａの正極リード１６および押え部材２８が溶接されている。多数の正極リード１６は、正極集電部材２７の上部筒部２７ｃの外周に密着させておき、正極リード１６の外周に押え部材２８をリング状に巻き付けて仮固定し、この状態で溶接される。

軸芯１５の下端部の外周には、外径が径小とされた段部１５ｂが形成され、この段部１５ｂに負極集電部材２１が圧入されて固定されている。負極集電部材２１は、例えば、銅により形成され、円盤状の基部２１ａに軸芯１５の段部１５ｂに圧入される開口部２１ｂが形成され、外周縁に、電池缶２の底部側に向かって突き出す外周筒部２１ｃが形成されている。
負極金属箔１２ａの負極リード１７は、すべて、負極集電部材２１の外周筒部２１ｃに超音波溶接等により溶接される。各負極リード１７は大変薄いため、大電流を取りだすために、軸芯１５への巻き始めから巻き終わりまで全長にわたり、所定間隔で多数形成されている。

負極集電部材２１の外周筒部２１ｃの外周には、負極金属箔１２ａの負極リード１７および押え部材２２が溶接されている。多数の負極リード１７を、負極集電部材２１の外周筒部２１ｃの外周に密着させておき、負極リード１７の外周に押え部材２２をリング状に巻き付けて仮固定し、この状態で溶接される。
負極集電部材２１の下面には、ニッケルからなる負極通電リード２３が溶接されている。
負極通電リード２３は、鉄製の電池缶２の底部において、電池缶２に溶接されている。

ここで、正極集電部材２７に形成された開口部２７ｅは、負極通電リード２３を電池缶２に溶接するための電極棒（図示せず）を挿通するためのものである。電極棒を正極集電部材２７に形成された開口部２７ｅから軸芯１５の中空部に差し込み、その先端部で負極通電リード２３を電池缶２の底部内面に押し付けて抵抗溶接を行う。負極集電部材２１に接続されている電池缶２は一方の出力端として作用し、電極群１０に蓄電された電力を電池缶２から取り出すことができる。

電極群１０の最外周、すなわち、捲回された第２のセパレータ１４の最外周の側面には、上部側に、幅方向における先端側が電池缶２の底部側に突き出すように絶縁テープ５１Ａが巻き付けられ、また下部側に、幅方向における前端側が電池缶２の溝２ａ側に突き出すように絶縁テープ５１Ｂが巻き付けられている。
絶縁テープ５１Ａおよび５１Ｂは、非水電解液５中に混在する金属等の導電性の異物の流動を遮断するためのものである。絶縁テープ５１Ａおよび５１Ｂの詳細については、後述する。

多数の正極リード１６が正極集電部材２７に溶接され、多数の負極リード１７が負極集電部材２１に溶接されることにより、正極集電部材２７、負極集電部材２１および電極群１０が一体的にユニット化された発電ユニット２０が構成される（図２参照）。発電ユニット２０は、上述した、電極群１０の外周に巻き付けられた絶縁テープ５１Ａおよび５１Ｂを含んでいる。但し、図２においては、図示の都合上、負極集電部材２１、押え部材２２および負極通電リード２３は発電ユニット２０から分離して図示されている。

正極集電部材２７の基部２７ａの上面には、複数のアルミニウム箔が積層されて構成されたフレキシブルな接続部材３３が、その一端部を溶接されて接合されている。接続部材３３は、複数枚のアルミニウム箔を積層して一体化することにより、大電流を流すことが可能とされ、且つ、フレキシブル性を付与されている。つまり、大電流を流すには接続部材３３の厚さを大きくする必要があるが、１枚の金属板で形成すると剛性が大きくなり、フレキシブル性が損なわれる。そこで、板厚の小さな多数のアルミニウム箔を積層してフレキシブル性を持たせている。接続部材３３の厚さは、例えば、０．５ｍｍ程度であり、厚さ０．１ｍｍのアルミニウム箔を５枚積層して形成される。

正極集電部材２７の上部筒部２７ｃ上には、電池蓋ユニット３０が配置されている。電池蓋ユニット３０は、リング形状をした絶縁板３４、絶縁板３４に設けられた開口部３４ａに嵌入された接続板３５、接続板３５に溶接されたダイアフラム３７およびダイアフラム３７に、かしめにより固定された電池蓋３により構成される。
絶縁板３４は、円形の開口部３４ａを有する絶縁性樹脂材料からなるリング形状を有し、正極集電部材２７の上部筒部２７ｃ上に載置されている。

絶縁板３４は、開口部３４ａ（図２参照）および下方に突出する側部３４ｂを有している。絶縁板３４の開口部３４ａ内には接続板３５が嵌合されている。接続板３５の下面には、接続部材３３の他端部が溶接されて接合されている。この場合、接続部材３３は他端部側において湾曲状に折り返されて、正極集電部材２７に溶接された面と同じ面が接続板３５に溶接されている。

接続板３５は、アルミニウム合金で形成され、中央部を除くほぼ全体が均一でかつ、中央側が少々低い位置に撓んだ、ほぼ皿形状を有している。接続板３５の厚さは、例えば、１ｍｍ程度である。接続板３５の中心には、薄肉でドーム形状に形成された突起部３５ａが形成されており、突起部３５ａの周囲には、複数の開口部３５ｂ（図２参照）が形成されている。開口部３５ｂは、電池内部に発生するガスを放出する機能を有している。

接続板３５の突起部３５ａはダイアフラム３７の中央部の底面に抵抗溶接または摩擦拡散接合により接合されている。ダイアフラム３７はアルミニウム合金で形成され、ダイアフラム３７の中心部を中心とする円形の切込み３７ａを有する。切込み３７ａはプレスにより上面側をＶ字形状に押し潰して、残部を薄肉にしたものである。ダイアフラム３７は、電池の安全性確保のために設けられており、電池の内圧が上昇すると、第１段階として、上方に反り、接続板３５の突起部３５ａとの接合を剥離して接続板３５から離間し、接続板３５との導通を絶つ。第２段階として、それでも内圧が上昇する場合は切込み３７ａにおいて開裂し、内部のガスを放出する機能を有する。

ダイアフラム３７は周縁部において電池蓋３の周縁部を固定している。ダイアフラム３７は図２に図示されるように、当初、周縁部に電池蓋３側に向かって垂直に起立する側壁３７ｂを有している。この側壁３７ｂ内に電池蓋３を収容し、かしめ加工により、側壁３７ｂを電池蓋３の上面側に屈曲して固定する。

電池蓋３は、炭素鋼等の鉄で形成してニッケルめっきが施されており、ダイアフラム３７に接触する円盤状の周縁部３ａと、この周縁部３ａから上方に突出す有頭無底の筒部３ｂを有するハット型を有する。筒部３ｂには開口部３ｃが形成されている。この開口部３ｃは、電池内部に発生するガス圧によりダイアフラム３７が開裂した際、ガスを電池外部に放出するためのものである。電池蓋３は一方の電力出力端として作用し、電池蓋３から蓄電された電力を取り出すことができる。
なお、電池蓋３が鉄で形成されている場合には、別の円筒形二次電池と直列に接合する際、鉄で形成された別の円筒形二次電池とスポット溶接により接合することが可能である。

ダイアフラム３７の側壁３７ｂと周縁部を覆ってガスケット４３が設けられている。ガスケット４３は、ゴムで形成されており、限定する意図ではないが、１つの好ましい材料の例として、フッ素系樹脂をあげることができる。
ガスケット４３は、当初、図２に図示されるように、リング状の基部４３ａの周側縁に、上部方向に向けてほぼ垂直に起立して形成された外周壁部４３ｂを有する形状を有している。

そして、プレス等により、電池缶２と共にガスケット４３の外周壁部４３ｂを屈曲して基部４３ａと外周壁部４３ｂにより、ダイアフラム３７と電池蓋３を軸方向に圧接するようにかしめ加工される。これにより、電池蓋３、ダイアフラム３７、絶縁板３４および接続板３５が一体に形成された電池蓋ユニット３０がガスケット４３を介して電池缶２に固定される。

電池缶２の内部には、非水電解液５が所定量注入されている。非水電解液５の一例としては、リチウム塩がカーボネート系溶媒に溶解した溶液を用いることが好ましい。リチウム塩の例として、フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）、フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ_６）、等が挙げられる。また、カーボネート系溶媒の例として、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、或いは上記溶媒の１種類以上から選ばれる溶媒を混合したもの、が挙げられる。

しかして、上述した如く、正極電極１１に形成された多数の正極リード１６は、すべて、正極集電部材２７の上部筒部２７ｃの外周に超音波溶接等により溶接される。この場合、正極集電部材２７の上部筒部２７ｃの外周の全周囲に亘り、正極リード１６をほぼ均等に配分して密着し、正極リード１６の外周に押え部材２８を巻き付ける。そして、超音波溶接等により、正極集電部材２７に正極リード１６および押え部材２８を溶接する、という方法を用いている。

この方法による場合、正極集電部材２７に溶接される各正極リード１６が、正極集電部材２７側に引っ張られる。このため、各正極リード１６の基部に対応する正極金属箔１１ａの正極合剤未処理部１１ｃの部位が各正極リード１６と共に正極集電部材２７側に寄せられる。これにより、正極合剤未処理部１１ｃの各正極リード１６に対応する部分と、その外側に隣接する第２のセパレータ１４との間に隙間が生じる。

ところで、電池缶２の内部に注入された非水電解液５中には、多数の微小な導電性の異物が混在している。このような異物は、正極電極１１および負極電極１２の作製工程、電池缶２の加工工程、正極リード１６の正極集電部材２７への溶接工程等において発生し、非水電解液５中に混入する。そして、上記の如く、正極リード１６と、その外側に隣接する第２のセパレータ１４との間に隙間が生じると、この隙間から、上記各工程で発生し、非水電解液５中に混入した異物が正極電極１１と第２のセパレータ１４との間に入り込みやすい。また、正極電極１１と第１のセパレータ１３、または正極電極１１と第２のセパレータ１４との間に生じる他の隙間から、上記各工程等で発生し、非水電解液５中に混入した異物が入り込む場合もある。

正極電極１１と負極電極１２間には、所定の電位、例えば４．１Ｖがかかっているため、正極電極１１と第１のセパレータ１３との間に入り込んだ異物、または正極電極１１と第２のセパレータ１４との間に入り込んだ異物はイオン化され、セパレータを浸透して負極電極１２側に流れる。そして、負極電極１２で成長して析出し、堆積されていく。この堆積物により、正極と負極が短絡する現象が生じる。

そこで、本発明の円筒形二次電池では、非水電解液５中に混在する導電性の異物が、正極電極１１および負極電極１２間に入り込むのを防止することができるような構造とした。
以下、このことについて説明する。
図４は、図１における円筒形二次電池の底部側の拡大断面図であり、図５は、図１における円筒形二次電池の上部側の拡大断面図である。
絶縁テープ５１Ａおよび５１Ｂは、それぞれ、ベースフィルム５２と、ベースフィルム５２上に形成された粘着層５３により構成されている。ベースフィルム５２は、耐溶剤性に優れた、例えば、ポリプロプレン等により形成されたフィルムである。また、粘着層５３は、常温接着型で、例えば、アクリル系粘着剤で形成されており、非水電解液５中においても、粘着力を保持している。ベースフィルム５２と粘着層５３の厚さは、一例を挙げれば、ベースフィルム５２が２０μｍ程度、粘着層５３が５μｍ程度である。

絶縁テープ５１Ａ、５１Ｂは、電極群１０を電池缶２内に収容する前に、電極群１０の最外周、換言すれば、第２のセパレータ１４の最外周の外周面に接着する。絶縁テープ５１Ａは、粘着層５３を電極群１０側に向け、絶縁テープ５１Ａの幅方向における一部を電極群１０の底面（側端面）１０ａから突き出した状態で、電極群１０の第２のセパレータ１４の最外周の外周面にほぼ１周巻き付けて接着する。絶縁テープ５１Ａの先端部は、電池缶２の底部の内面に接触している。

絶縁テープ５１Ｂは、粘着層５３を電極群１０側に向け、絶縁テープ５１Ｂの幅方向における一部を電極群１０の上面から突き出した状態で、電極群１０の第２のセパレータ１４の最外周の外周面にほぼ１周巻き付けて接着する。絶縁テープ５１Ｂの先端部は、電池缶２の溝２ａの内面に接触している。

軸芯１５の中空部１５ｄの上部側から非水電解液５を注入すると、非水電解液５は、軸芯１５の中空部１５ｄを上部側から下部側に向けて、図４に図示するようにＬ１方向に流動する。そして、軸芯１５の貫通孔１５ｃからＬ２方向に流動して軸芯１５の外部における電池缶２の底部側に流出する。電池缶２の底部側に流出した非水電解液５は、電極群１０の外周と電池缶２の円筒部における内面との間隙に設けられた絶縁テープ５１Ａを通過し、電極群１０の外周と電池缶２の円筒部における内面との間隙を、下部側から上部側に向かうＬ３方向に上昇する。電極群１０の外周と電池缶２の円筒部における内面との間隙上昇した非水電解液５は、電極群１０の上部側に配置された絶縁テープ５１Ｂを通過して（図５参照）、電極群１０の上部側においてＬ４方向に流動し、電極群１０の上部側における電池缶２内に流出する。そして、電極群１０の第１、第２のセパレータ１３、１４を浸透して、図１に図示されるように、電池缶２内において所定の深さに貯留される。

非水電解液５は、上記のようにＬ１→Ｌ２→Ｌ３→Ｌ４方向に流動するが、その際、非水電解液５中に混在する導電性の異物は、電池缶２の底部側に配置された絶縁テープ５１Ａにより、流動するのを遮断され、電池缶２の底部内面と電極群１０の底面１０ａとの間に封鎖される。導電性の異物は、５〜１０μｍ程度のサイズのものが多いが、特に、図４に点線で示すように、電極群１０の底部内面における外周部の領域Ａには、導電性の異物の９０％以上が停留されている状態が目視により確認される。

また、電極群１０の上部側に設けられた絶縁テープ５１Ｂは、絶縁テープ５１Ａを通過した非水電解液５中に混在されている導電性の異物を遮断する。
このため、非水電解液５中に混在する導電性の異物が、電極群１０の正極電極１１と負極電極１２との間の第１、第２のセパレータ１３、１４に入り込みことが防止され、内部短絡を防止することができる。
導電性の異物は、一旦、絶縁テープ５１Ａあるいは５１Ｂにより流動を遮断されると、その後は、電極群１０の正極電極１１と負極電極１２との間に入り込むようなことはなく、導電性の異物の封鎖は電解液の注入完了と共に終了する。このため、実質的にタクト時間が増大するようなことはなく、生産性は良好である。また、流動が遮断された導電性の異物は、絶縁テープ５１Ａおよび５１Ｂにより封鎖され、電極群１０の上部側に流動するのを遮断されるため、円筒形二次電池に振動や衝撃が与えられた場合においても高い信頼性を有する。

ベースフィルム５２は、多孔質体とすることができる。ベースフィルム５２が通常の絶縁材である場合には、導電性の異物が領域Ａに停留されている以外に、領域Ａの周囲に小さな導電性の異物が散在している様子が目視により確認された。しかし、ベースフィルム５２が多孔質体の場合には、領域Ａの周囲散在する小さな導電性の異物は目視のより確認されなかった。
円筒形二次電池１の電気的性能は、ベースフィルム５２が多孔質体の場合と、通常の絶縁材の場合とで差異はなかったが、小さな導電性の異物が内部短絡の原因となる可能性はあることから、ベースフィルム５２は多孔質体であることが望ましい。
次に、上記構成の円筒形二次電池の製造方法の一例を説明する。

--二次電池の製造方法--
〔電極群作製〕
先ず、電極群１０を作製する。
正極金属箔１１ａの両面に、正極合剤１１ｂおよび正極合剤未処理部１１ｃが形成され、また、多数の正極リード１６が正極金属箔１１ａに一体に形成された正極電極１１を作製する。また、負極金属箔１２ａの両面に負極合剤１２ｂおよび負極合剤未処理部１２ｃが形成され、多数の負極リード１７が負極金属箔１２ａに一体に形成された負極電極１２を作製する。

そして、図３に図示するように、軸芯１５に、第１のセパレータ１３、正極電極１１、第２のセパレータ１４、負極電極１２を、この順に捲回して電極群１０を作製する。この場合、第１のセパレータ１３、正極電極１１、第２のセパレータ１４、負極電極１２は最も内側の側縁部を軸芯１５に溶接しておくと、捲回時に加える荷重に抗して捲回することが容易となる。電極群１０の最外周のセパレータは接着テープ１９により接着する（図２参照）。

〔発電ユニット作製〕
次に、絶縁テープ５１Ａおよび５１Ｂが取り付けられた電極群１０を用いて、発電ユニット２０を作製する。
電極群１０の軸芯１５の下部に負極集電部材２１を取り付ける。負極集電部材２１の取り付けは、負極集電部材２１の開口部２１ｂを軸芯１５の下端部に設けられた段部１５ｂに嵌入して行う。次に、負極集電部材２１の外周筒部２１ｃの外周の全周囲に亘り、負極リード１７をほぼ均等に配分して密着し、負極リード１７の外周に押え部材２２を巻き付ける。そして、超音波溶接等により、負極集電部材２１に負極リード１７および押え部材２２を溶接する。次に、軸芯１５の下端面と負極集電部材２１とに跨る負極通電リード２３を負極集電部材２１に溶接する。

次に、軸芯１５の正極集電部材２７の下部筒部２７ｂを軸芯１５の上端側に設けられた溝１５ａに嵌合する。そして、正極電極１１の正極リード１６を正極集電部材２７の上部筒部２７ｃの外面に密着させる。そして、正極リード１６の外周に押え部材２８を巻き付け、超音波溶接等により、正極集電部材２７の上部筒部２７ｃに正極リード１６および押え部材２８を溶接する。このようにして、発電ユニット２０が構成される。

［絶縁テープの取付］
次に、電極群１０の下部側に絶縁テープ５１Ａを、上部側に絶縁テープ５１Ｂを、それぞれ、先端側を電極群１０の底面１０ａまたは上面より突き出した状態で、電極群１０の外周にほぼ１周巻き付けて接着する。この場合、絶縁テープ５１Ａおよび５１Ｂは、電極群１０の第２のセパレータ１４の終端端部の巻き止めとしても兼用されている。

〔電池缶への収容〕
次に、発電ユニット２０を電池缶２に収容する。
発電ユニット２０を収容可能なサイズを有する金属製の有底円筒部材に、上述の工程を経て作製された発電ユニット２０を収容する。有底円筒部材は、電池缶２となるものである。以下において、説明を簡素にして明瞭にするために、この有底円筒部材を電池缶２として説明する。

〔負極溶接〕
次に、発電ユニット２０の負極側を電池缶２に溶接する。
電池缶２内に収納した発電ユニット２０の負極通電リード２３を、電池缶２の底部内面に抵抗溶接等により溶接する。この場合、図示はしないが、電池缶２の外部から、軸芯１５の中空部１５ｄに電極棒を挿通し、電極棒により負極通電リード２３を電池缶２の底部の内面に押し付けて溶接する。

次に、電池缶２の上端部側の一部を絞り加工して内方に突出し、外面にほぼＵ字状の溝２ａを形成する。
電池缶２の溝２ａは、発電ユニット２０の上端部、換言すれば、正極集電部材２７の上端部近傍に位置するように形成する。なお、この工程において形成する溝２ａは、後述する如く、最終的な形状またはサイズではなく、仮の形状またはサイズのものである。

〔電解液注入〕
次に、電池缶２の内部に、非水電解液５を所定量注入する。
非水電解液５の一例としては、前述した如く、リチウム塩がカーボネート系溶媒に溶解した溶液を用いることが好ましい。リチウム塩の例として、フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）、フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ_６）、等が挙げられる。また、カーボネート系溶媒の例として、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）、或いは上記溶媒の１種類以上から選ばれる溶媒を混合したもの、が挙げられる。
非水電解液５は、軸芯１５の中空部１５ｄの上部から注入される。軸芯１５の中空部１５ｄの上部から注入された非水電解液５は、上述したように、軸芯１５の中空部１５ｄを上部側から下部側に向けてＬ１方向に流動し、軸芯１５の貫通孔１５ｃからＬ２方向に流動して電池缶２の底部側に流出する。そして、絶縁テープ５１Ａを通過し、電極群１０の外周と電池缶２の円筒部における内面との間隙を、下部側から上部側に向かうＬ３方向に上昇し、絶縁テープ５１Ｂを通過して、電極群１０の上部側においてＬ４方向に流動し、電極群１０の上部側における電池缶２内に流出する。その後、電極群１０の第１、第２のセパレータ１３、１４を浸透して、図１に図示されるように、電池缶２内において所定の深さに貯留される。

非水電解液５中に混在する導電性の異物は、電池缶２の底部側に配置された絶縁テープ５１Ａにより、流動するのを遮断され、電池缶２の底部内面と電極群１０の底面１０ａとの間に封鎖される。また、電極群１０の上部側に設けられた絶縁テープ５１Ｂにより、絶縁テープ５１Ａを通過した非水電解液５中に混在されている導電性の異物の流動が遮断される。
このため、非水電解液５中に混在する導電性の異物が、電極群１０の正極電極１１と負極電極１２との間の第１、第２のセパレータ１３、１４に入り込みことが防止され、内部短絡を防止することができる。

〔蓋ユニット作製〕
一方、上記工程とは別に、電池蓋ユニット３０を作製しておく。
電池蓋ユニット３０は、前述した如く、絶縁板３４、絶縁板３４に設けられた開口部３４ａに嵌入された接続板３５、接続板３５に溶接されたダイアフラム３７およびダイアフラム３７にかしめにより固定された電池蓋３により構成されている。

電池蓋ユニット３０を作製するには、先ず、ダイアフラム３７に電池蓋３を固定する。ダイアフラム３７と電池蓋３との固定は、かしめ等により行う。図２に図示される如く、当初、ダイアフラム３７の側壁３７ｂは基部３７ａに垂直に形成されているので、電池蓋３の周縁部３ａをダイアフラム３７の側壁３７ｂ内に配置する。そして、ダイアフラム３７の側壁３７ｂをプレス等により変形させて、電池蓋３の周縁部の上面および下面、および外周側面を覆って圧接する。

また、接続板３５を絶縁板３４の開口部３４ａに嵌合して取り付けておく。そして、接続板３５の突起部３５ａを、電池蓋３が固定されたダイアフラム３７の底面に溶接する。この場合の溶接方法は、抵抗溶接または摩擦拡散接合を用いることができる。接続板３５とダイアフラム３７を溶接することにより、接続板３５が嵌合された絶縁板３４およびダイアフラム３７に固定された電池蓋３が一体化され、電池蓋ユニット３０が作製される。

〔正極溶接〕
次に、発電ユニット２０の正極側と電池蓋ユニット３０とを電気的に接続する。
正極集電部材２７の基部２７ａに接続部材３３の一端部を、例えば、超音波溶接等により溶接する。そして、電池蓋３、ダイアフラム３７、接続板３５および絶縁板３４が一体化された電池蓋ユニット３０を、接続部材３３の他端部に近接して配置する。次に、接続部材３３の他端部を接続板３５の下面に、レーザ溶接により溶接する。この溶接は、接続部材３３の他端部における接続板３５との接合面が、正極集電部材２７に溶接された接続部材３３の一端部の接合面と同じ面となるようにして行う。

〔封口〕
次に、電池缶２に収容された発電ユニット２０の正極集電部材２７に電気的に接続された電池蓋ユニット３０を電池缶２に固定することにより電池缶２を封口する。
電池缶２の溝２ａの上にガスケット４３を収容する。この状態におけるガスケット４３は、図２に図示するように、リング状の基部４３ａの上方に、基部４３ａに対して垂直な外周壁部４３ｂを有する構造となっている。この構造で、ガスケット４３は、電池缶２の溝２ａ上部の内側に留まっている。ガスケット４３は、ゴムで形成されており、限定する意図ではないが、一例として、エチレンプロピレン共重合体（ＥＰＤＭ）またはフッ素系樹脂をあげることができる。

次に、ガスケット４３の筒部４３ｃ上に、発電ユニット２０の正極集電部材２７に電気的に接続された電池蓋ユニット３０を配置する。詳細には、電池蓋ユニット３０のダイアフラム３７を、その周縁部をガスケット４３の筒部４３ｃ上に対応させて載置する。この場合、絶縁板３４の側部３４ｂの外周に正極集電部材２７の上部筒部２７ｃが嵌合されるようにする。

この状態で、電池缶２の溝２ａと上端面の間の部分をプレスにより圧縮する、いわゆる、かしめ加工により、ガスケット４３と共にダイアフラム３７を電池缶２に固定する。
これにより、ダイアフラム３７、電池蓋３、接続板３５および絶縁板３４が一体化された電池蓋ユニット３０が、ガスケット４３を介して電池缶２に固定され、また、正極集電部材２７と電池蓋３が接続部材３３、接続板３５およびダイアフラム３７を介して導電接続され、図１に図示された円筒形二次電池１が作製される。

上述した一実施の形態によれば、絶縁テープ５１Ａ、５１Ｂは、電極群１０の外周に部分的に巻き付ければよいので作業が容易であるうえ、絶縁テープ５１Ａおよび５１Ｂの面積が小さくて済むので安価になる。さらに、非水電解液５に混在する導電性の異物は、非水電解液５が電極群１０の外周と電池缶２の内面との間隙を上昇する際、絶縁テープ５１Ａにより流動するのを遮断されて電池缶の缶底側に封鎖されるので、導電性の異物の封鎖は非水電解液５の注入完了と共に終了する。このため、実質的にタクト時間を増大することがなく、生産性が向上する。また、電池缶２の缶底側に停留した導電性の異物は、絶縁テープ５１Ａ、５１Ｂにより電池缶２の上部側に流動するのを遮断されるため、円筒形二次電池１に振動や衝撃が与えられても正極電極１１と負極電極１２を内部短絡させる要因となることがなく高い信頼性を有する。

（実施形態２）
図６は、本発明の実施形態２を示し、円筒形二次電池１の底部側の拡大断面図である。
図６に図示された実施形態２が、図４に図示された実施形態１と相違する点は、絶縁テープ５１Ａの先端部の位置である。
すなわち、図４においては、絶縁テープ５１Ａは、先端部が電池缶２の底部の内面に接触した構造であった。
これに対し、図６に図示された絶縁テープ５１Ａは、先端部が電池缶２の底部の内面に接触するほどには延出されておらず、絶縁テープ５１Ａは電池缶２の円筒部において終端している。
実施形態２における他の構造は実施形態１と同様であり、同一部材に同一の参照番号を付して説明を省略する。

実施形態２においても、実施形態１と同様な効果を奏する。
また、実施形態２においては、絶縁テープ５１Ａの先端部を正確に位置決めする必要がないので、一層、生産性が向上する。

（実施形態３）
図７は、本発明の実施形態３を示し、円筒形二次電池１の底部側の拡大断面図である。
図７に図示された実施形態２が、図４に図示された実施形態１と相違する点は、絶縁テープ５１Ａの形状である。
すなわち、図４においては、絶縁テープ５１Ａは、電極群１０の外周に巻き付けられた、幅方向にストレートな形状を有するものであった。
これに対し、図７に図示された絶縁テープ５１Ａは、幅方向における中間部から内側に屈曲された形状を有する。絶縁テープ５１Ａの幅方向の先端部は、電池缶２の底部の内面には接触している。
実施形態３における他の構造は実施形態１と同様であり、同一部材に同一の参照番号を付して説明を省略する。

実施形態３においても、実施形態１と同様な効果を奏する。
また、実施形態３においては、絶縁テープ５１Ａを幅方向の中間部で内側に屈曲し、その先端部を電池缶２の底部内面に接触させた構造としているので、導電性の異物の遮断がより一層確実となり、信頼性を向上することができる。

上記実施形態１〜３において、電極群１０の上部側に設けた絶縁テープ５１Ｂは、省略する事も可能である。

（実施形態４）
図８は、本発明の実施形態４を示し、円筒形二次電池１の上部側の拡大断面図である。
図８に図示された実施形態４が、図５に図示された実施形態１と相違する点は、絶縁テープ５１Ｂの先端部の位置である。
すなわち、図５においては、絶縁テープ５１Ｂは、先端部が電池缶２の溝２ａの内面に接触した構造であった。
これに対し、図８に図示された絶縁テープ５１Ｂは、先端部が電池缶２の溝２ａの内面に接触するほどには延出されておらず、絶縁テープ５１Ｂは電池缶２の円筒部において終端している。
実施形態４における他の構造は実施形態１と同様であり、同一部材に同一の参照番号を付して説明を省略する。

実施形態４においても、実施形態１と同様な効果を奏する。
また、実施形態４においては、絶縁テープ５１Ｂの先端部を正確に位置決めする必要がないので、一層、生産性が向上する。

以上のように、本発明に係る円筒形二次電池は、電極群１０の外周に巻き付けた絶縁テープ５１Ａ、５１Ｂにより、非水電解液５中に混在する導電性の異物を電池缶２の底部側に停留させ、電極群１０の上部側に回り込まないようにした。これにより、電極群１０の正極電極１１と負極電極１２間に導電性の異物が入り込むことに起因する内部短絡発生の確率を大幅に低減することができる。
この場合、各実施形態においては、絶縁テープ５１Ａおよび５１Ｂは電極群１０の外周に部分的に巻き付ければよいので作業が容易であるうえ、絶縁テープ５１Ａおよび５１Ｂの面積が小さくて済むので安価になる。さらに、非水電解液５中に混在する導電性の異物は、非水電解液５が電極群１０の外周と電池缶２の内面との間隙を上昇する際、絶縁テープ５１Ａにより流動するのを遮断されて電池缶の缶底側に封鎖される。このため、導電性の異物の封鎖は非水電解液５の注入完了と共に終了することとなり、実質的にタクト時間を増大することがないので、生産性が向上する。また、電池缶２の缶底側に停留した導電性の異物は、絶縁テープ５１Ａ、５１Ｂにより電池缶２の上部側に流動するのを遮断されるため、円筒形二次電池１に振動や衝撃が与えられても正極電極１１と負極電極１２を内部短絡させる要因となることがなく高い信頼性を有する、という種々の効果を奏する。

なお、上記実施形態では、リチウムイオン円筒形二次電池の場合で説明した。しかし、本発明は、ニッケル水素電池またはニッケル・カドミウム電池、鉛蓄電池のように水溶性電解液を用いる円筒形二次電池にも適用が可能である。

また、実施形態１〜３に示す円筒形二次電池１における絶縁テープ５１Ａの構造と、実施形態１および４に示す円筒形二次電池１における絶縁テープ５１Ｂの構造とを、任意に組み合わせて適用してもよい。その他、本発明の円筒形二次電池は、発明の趣旨の範囲内において、種々、変形して適用することが可能であり、要は、底部を有し、上部が開口された電池缶と、電池缶内に収容され、中空部を有する軸芯の周囲に、正極電極および負極電極がセパレータを介在して捲回された電極群とを具備し、電解液が電池缶の開口側における軸芯の中空部から電池缶の底部側に注入される円筒形二次電池であって、少なくとも電極群における電池缶の底部側の側端面に対応する外周に絶縁テープが巻き付けられているものであればよい。

１ 円筒形二次電池
２ 電池缶
３ 電池蓋
４ 電池容器
５ 非水電解液
１０ 電極群
１１ 正極電極
１２ 負極電極
２０ 発電ユニット
２１ 負極集電部材
２７ 正極集電部材
３０ 電池蓋ユニット
５１Ａ、５１Ｂ 絶縁テープ
５２ ベースフィルム
５３ 粘着層

Claims (6)

1. 底部を有し、上部が開口された電池缶と、
   前記電池缶内に収容され、中空部を有する軸芯の周囲に、正極電極および負極電極がセパレータを介在して捲回された電極群とを具備し、
   前記電解液が前記電池缶の開口側における前記軸芯の中空部から前記電池缶の底部側に注入される円筒形二次電池であって、少なくとも前記電極群における前記電池缶の底部側の側端面に対応する外周に絶縁テープが巻き付けられていることを特徴とする円筒形二次電池。
2. 請求項１に記載の円筒形二次電池において、絶縁テープの一端は、前記電池缶の底部に接触していることを特徴とする円筒形二次電池。
3. 請求項１に記載の円筒形二次電池において、前記絶縁テープは前記電極群に接着されていることを特徴とする円筒形二次電池。
4. 請求項１に記載の円筒形二次電池において、前記絶縁テープは、電極群の前記電池缶の上部側における前記電極群の外周にも巻き付けられていることを特徴とする円筒形二次電池。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の円筒形二次電池において、前記絶縁テープは、多孔質体であることを特徴とする円筒形二次電池。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の円筒形二次電池において、前記絶縁テープは、前記電極群の最外周のセパレータの終端端部の巻き止めを兼用していることを特徴とする円筒形二次電池。

Images