JP7320162B2 - 円筒形電池 - Google Patents

Description

本開示は、巻回型の電極体を備える円筒形電池に関する。

円筒形の非水電解質二次電池等の電池は、正極と負極とがセパレータを介して渦巻き状に巻回されてなる巻回型の電極体を備え、電極体が外装体に収容されることにより構成される。電極体を構成する正極板及び負極板には、集電リードが接続され、正極板及び負極板は、それぞれ集電リードを介して封口体や、外装缶などに接続されている。

一方、集電リードを用いる場合には、極板との接続経路が少なくなり電池の内部抵抗が高くなる可能性がある。電池の内部抵抗を低くするために、特許文献１に記載された構成のように、電極体の端面における極板の端辺に集電板を接合することが考えられる。この構成では、ニッケル－カドミウム電池において、正極板の芯体部分の端辺が電極体の他の部分より外装体の開口側に突き出して、その端辺に正極集電板が抵抗溶接によって接合されている。正極集電板は、外装体の開口を塞ぐ封口体に接続される。

特開２００６－３２２９８号公報

特許文献１に記載された構成は、ニッケル－カドミウム電池のように、厚く剛性の高い芯体を用いる場合には有効と考えられるが、非水電解質二次電池のように薄く剛性の低い芯体を用いる場合には集電板と芯体とを良好に接合できない可能性がある。このため、正極板の芯体が薄く剛性の低い構成において、正極側での内部抵抗を低くすることが望まれる。また、負極板の芯体が薄く剛性の低い構成において、負極側での内部抵抗を低くすることも望まれる。

本開示は、円筒形電池において、正極板及び負極板の一方の極板である第１極板の芯体が薄く剛性の低い構成における内部抵抗を低減することを目的とする。

本開示に係る円筒形電池は、少なくとも１つの第１極板と少なくとも１つの第２極板とがセパレータを介して巻回された巻回型の電極体と、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ように開口部に第１絶縁部材を介して取り付けられた第１極端子と、を備え、第１極板は、導電材料により形成された第１芯体と、第１芯体上に形成された第１活物質層とを有し、第１芯体の第１極端子側の一辺部が第１活物質層の第１極端子側の一辺より導出されることで第１導出部が形成され、第１導出部は、電極体の内周側または外周側に曲げられた第１曲げ部を含み、第１曲げ部の第１極端子側面に第１極集電板の第１面が接触しており、第１極集電板の第２面に直接、または導電部材を介して第１極端子が接続される、円筒形電池である。

本開示に係る円筒形電池によれば、第１極板の芯体が薄く剛性の低い構成における内部抵抗を低減できる。

実施形態の一例の円筒形電池の断面図である。 図１のＡ部拡大図である。 図１から正極板を取り出して展開状態で示している図である。 実施形態の別例の円筒形電池の断面図である。 実施形態の別例の円筒形電池の断面図である。

以下に、本開示に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。以下の説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本開示の理解を容易にするための例示であって、電池の仕様に合わせて適宜変更することができる。また、以下において「略」なる用語は、例えば、完全に同じである場合に加えて、実質的に同じとみなせる場合を含む意味で用いられる。さらに、以下において複数の実施形態、変形例が含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

また、以下では、電池が円筒形の非水電解質二次電池である場合を説明するが、電池はこれに限定するものではなく、他の二次電池、または一次電池であってもよい。

図１は、実施形態の一例の円筒形電池１０の断面図である。図２は、図１のＡ部拡大図である。図３は、図１から正極板１２を取り出して展開状態で示している図である。

図１～図３に例示するように、円筒形電池１０は、巻回型の電極体１１及び非水電解質（図示せず）を含む発電要素と、外装缶５１とを備える。以下では、円筒形電池１０は、電池１０と記載する場合がある。巻回型の電極体１１は、少なくとも１つの正極板１２と、少なくとも１つの負極板１７と、セパレータ２５とを有し、正極板１２と負極板１７がセパレータ２５を介して渦巻状に巻回されている。以下では、電極体１１の軸方向一方側を「上」、軸方向他方側を「下」という場合がある。非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解したリチウム塩等の電解質塩とを含む。非水電解質は、液体電解質に限定されず、ゲル状ポリマー等を用いた固体電解質であってもよい。正極板１２は、第１極板に相当し、負極板１７は、第２極板に相当する。

正極板１２は、導電材料により形成された帯状の正極芯体１３を有し、正極芯体１３が正極集電板３０を介して正極端子３１に接続される。このために、正極板１２は、正極芯体１３上に形成された正極活物質層１４を有する。正極芯体１３の正極端子３１側の一辺部（図１、図２の上辺部）が正極活物質層１４の正極端子３１側の一辺より上方に導出されることで第１導出部１５が形成されている。正極端子３１は、第１極端子に相当し、正極芯体１３は第１芯体に相当し、正極活物質層１４は第１活物質層に相当する。

第１導出部１５は、電極体１１の内周側に曲げられた第１曲げ部１６を含んでいる。具体的には、第１曲げ部１６は、正極芯体１３の巻き方向の全長にわたって断面Ｌ字形に曲げられることで、上端に渦巻き状に形成された上端板部１６ａを有する。このため、電極体１１を上方から見た場合に、電極体１１の正極芯体１３以外の部分は、渦巻き状の上端板部１６ａによってほぼ覆われている。後述のように、正極集電板３０には正極端子３１が接触され、正極端子３１には上端板部１６ａが接触される。これにより、電池１０の内部抵抗を低くできる。

負極板１７は、導電材料により形成された帯状の負極芯体１８を有し、負極芯体１８が外装缶５１の底部５２に接続される。このために、負極板１７は、負極芯体１８上に形成された負極活物質層１９を有する。負極芯体１８の後述の外装缶５１の底部５２側の一辺部（図１の下辺部）が負極活物質層１９の底部５２側の一辺より下方に導出されることで第２導出部２０が形成されている。負極芯体１８は第２芯体に相当し、負極活物質層１９は第２活物質層に相当する。後述のように第２導出部２０は、負極端子となる外装缶５１の底部５２に接触される。

外装缶５１の開口部５３ａを塞ぐように、開口部５３ａに絶縁材料製のガスケット３４を介して正極端子３１が取り付けられる。これらの外装缶５１及び正極端子３１によって、発電要素を収容する金属製の電池ケースが構成されている。ガスケット３４は、第１絶縁部材に相当する。

外装缶５１は、底部５２を有し、発電要素を収容する有底円筒状の金属製容器である。外装缶５１と正極端子３１との間には上記のガスケット３４が配置され、電池ケース内の密封性が確保されるとともに、外装缶５１と正極端子３１との絶縁を確保している。外装缶５１は、開口部５３ａ側部分に内周側に張り出すように形成された張り出し部５４を有する。例えば、張り出し部５４は、外装缶５１の側面部を外側からプレスすることにより形成される。張り出し部５４は、外装缶５１の周方向に沿って環状に形成されることが好ましく、その上面でガスケット３４を介して正極端子３１を支持する。発電要素は、外装缶５１において張り出し部５４より下側に収容される。正極端子３１は、円板部の上下両面のそれぞれの中心部に形成された２つの略円形の突部３２，３３を有する。２つの突部３２，３３のうち、下側の突部３３の下面が正極集電板３０の第２面である上面に接触する。

外装缶５１は、金属材料を有底円筒状に加工して形成される。外装缶５１の構成材料は、例えば銅、ニッケル、鉄、又はこれらの合金等であり、好ましくは鉄又は鉄合金である。

正極集電板３０の上面の外周側には、リング状の絶縁部材３５が配置される。絶縁部材３５は、第２絶縁部材に相当する。

正極板１２の正極活物質層１４は、例えば正極芯体１３の両面に形成されている。正極芯体１３には、例えばアルミニウムなどの正極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が用いられる。好適な正極芯体１３は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を主成分とする金属などの正極の電位範囲で安定な金属の箔である。

正極活物質層１４は、正極活物質、導電剤、及び結着剤を含むことが好ましい。正極板１２は、例えば正極活物質、導電剤、結着剤、及びＮ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）等の溶剤を含む正極合剤スラリーを正極芯体１３の両面に塗布した後、乾燥及び圧延することにより作製される。

正極活物質としては、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｎｉ等の遷移金属元素を含有するリチウム含有複合酸化物が例示できる。例えば、リチウム含有複合酸化物としては、Ｌｉ_xＣｏＯ₂、Ｌｉ_xＮｉＯ₂、Ｌｉ_xＭｎＯ₂、Ｌｉ_xＣｏ_yＮｉ_1-yＯ₂、Ｌｉ_xＣｏ_yＭ_1-yＯ_z、Ｌｉ_xＮｉ_1-yＭ_yＯ_z、Ｌｉ_xＭｎ₂Ｏ₄、Ｌｉ_xＭｎ_2-yＭ_yＯ₄、ＬｉＭＰＯ₄、Ｌｉ₂ＭＰＯ₄Ｆ｛０＜ｘ≦１．２、０＜ｙ≦０．９、２．０≦ｚ≦２．３、Ｍは、Ｎａ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｙ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂのうち少なくとも１種｝等が例示できる。

上記導電剤の例としては、カーボンブラック（ＣＢ）、アセチレンブラック（ＡＢ）、ケッチェンブラック、黒鉛等の炭素材料などが挙げられる。上記結着剤の例としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等のフッ素系樹脂、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、アクリル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂などが挙げられる。また、これらの樹脂と、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）またはその塩、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）等が併用されてもよい。これらは、１種類を単独で用いてもよく、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。

図３に示すように、正極芯体１３の一辺部（図３の上辺部）には、正極活物質層１４の一辺（図３の上辺）より上方に延出された第１導出部１５が形成される。この第１導出部１５は、正極芯体１３のみで形成され、厚みが小さくかつ剛性が低いので容易に曲げられる。第１導出部１５を厚み方向に曲げることにより第１曲げ部１６（図２）が形成される。

図１に戻って、負極板１７の負極活物質層１９は、例えば負極芯体１８の両面に形成されている。負極芯体１８には、例えば銅などの負極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が用いられる。

負極活物質層１９は、負極活物質及び結着剤を含むことが好ましい。負極活物質層１９は、必要により導電剤を含んでいてもよい。負極板１７は、例えば負極活物質、結着剤、及び水等を含む負極合剤スラリーを負極芯体１８の両面に塗布した後、乾燥及び圧延することにより作製される。

負極活物質としては、リチウムイオンを可逆的に吸蔵、放出できるものであれば特に限定されず、例えば天然黒鉛、人造黒鉛、リチウム、珪素、炭素、錫、ゲルマニウム、アルミニウム、鉛、インジウム、ガリウム、リチウム合金、予めリチウムを吸蔵させた炭素や珪素、これらの合金や混合物などを用いることができる。負極活物質層１９に含まれる結着剤には、例えば正極板１２の場合と同様の樹脂が用いられる。水系溶媒で負極合剤スラリーを調製する場合は、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ＣＭＣまたはその塩、ポリアクリル酸またはその塩、ポリビニルアルコール等を用いることができる。これらは、１種類を単独で用いてもよく、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。

負極芯体１８の一辺部（図１の下辺部）には、負極活物質層１９の一辺（図１の下辺）より下方に延出された第２導出部２０が形成される。この第２導出部２０は、負極芯体１８のみで形成され、厚みが小さくかつ剛性が低いので容易に曲げられる。第２導出部２０を厚み方向に曲げることにより第２曲げ部２１が形成される。第２曲げ部２１は、外装缶５１の底部５２の内面に接触している。これにより、電池１０の内部抵抗を低くできる。第２導出部２０は、後で詳しく説明する。

セパレータ２５には、イオン透過性及び絶縁性を有する多孔性シートが用いられる。多孔性シートの具体例としては、微多孔薄膜、織布、不織布などが挙げられる。セパレータ２５の材質としては、セルロース、またはポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン樹脂が好ましい。セパレータ２５は、セルロース繊維層及びオレフィン系樹脂等の熱可塑性樹脂繊維層を有する積層体であってもよい。

電解質の非水溶媒には、例えばエステル類、エーテル類、アセトニトリル等のニトリル類、ジメチルホルムアミド等のアミド類、及びこれらの２種以上の混合溶媒等を用いることができる。非水溶媒は、これら溶媒の水素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。

本実施形態では、正極板１２の第１曲げ部１６（図２）の正極端子３１側面である上面には、正極集電板３０の第１面である下面が接触している。このとき、第１曲げ部１６と正極集電板３０とは、溶接しない構成としてもよい。正極集電板３０は、導電材料である鋼板または銅板等の金属板により円板状に形成される。正極集電板３０は、少なくとも１つの位置に、正極集電板３０の開口部５３ａ側から電解液を電極体１１側の空間に注入するための注液孔が形成されてもよい。そして、正極集電板３０の上面に正極端子３１の下側の突部３３の下面が接触することにより、正極集電板３０に正極端子３１が直接接触される。正極端子３１の上端の外周部には、ガスケット３４を介して外装缶５１の開口部５３ａ側端部が、内周側にかしめ付けられている。これにより、正極端子３１は、外装缶５１の開口部５３ａに固定される。

さらに、正極板１２の第１曲げ部１６と張り出し部５４とで、絶縁部材３５及び正極集電板３０が挟まれている。正極端子３１は、絶縁部材３５の上下に貫通する貫通穴３６の内側を通じて、正極集電板３０に接続されている。

また、負極板１７の第２導出部２０は、電極体１１の内周側に曲げられた第２曲げ部２１を含んでいる。具体的には、第２曲げ部２１は、負極芯体１８の巻き方向の全長にわたって断面Ｌ字形に曲げられることで、下端に渦巻き状に形成された下端板部２２を有する。このため、電極体１１を下方から見た場合に、電極体１１の負極芯体１８以外の部分が、渦巻き状の下端板部２２によってほぼ覆われている。下端板部２２の外装缶５１の底部５２側面である下面は、底部５２の内面に接触している。これにより、負極板１７と、負極端子となる外装缶５１との接続面積が大きくなる。例えば、負極芯体１８の巻き方向全長にわたって形成された第２曲げ部２１と外装缶５１の底部５２の内面とを広い範囲で面接触させることができる。これにより、電池１０の内部抵抗を低くできる。

上記の電池１０によれば、正極板１２の正極芯体１３が薄く剛性の低い構成において、正極芯体１３の第１曲げ部１６を、正極集電板３０を介して正極端子３１に接続できる。このとき、第１曲げ部１６と正極集電板３０、及び正極集電板３０と正極端子３１の接触面積を大きくできる。例えば、正極芯体１３の巻き方向全長にわたって形成された第１曲げ部１６と正極集電板３０とを広い範囲で面接触させることができる。これにより、電池１０の内部抵抗を低くできる。また、正極芯体１３の正極端子３１側の一辺部に形成した第１曲げ部１６の上面に正極集電板３０の下面を接触させればよく、厚く剛性の高い正極芯体を用いる必要がない。なお、正極芯体１３の第１曲げ部１６と正極集電板３０とは抵抗溶接や超音波溶接、レーザ溶接等により溶接してもよい。

また、負極板１７の第２曲げ部２１の下面が外装缶５１の底部５２の内面に広い範囲で接触しているので、正極側及び負極側の両方でバランスよく内部抵抗を低くできる。

図４は、実施形態の別例の電池１０ａの断面図である。本例の電池１０ａでは、図１～図３の構成と異なり、正極端子３１ａの下面には、下側の突部が形成されず、正極端子３１ａの下面は、全体的に平坦面となっている。

正極端子３１ａの下面と、正極集電板３０の上面との間には、導電部材としての板ばね３８が配置される。板ばね３８は、金属材料により形成され、上から見た形状が円形であり、中心部が下側に窪んだ皿状である。

外装缶５１ａには内周側に大きく張り出す張り出し部は形成されていない。外装缶５１ａの筒部５３の開口部５３ａ側端部にガスケット３４を介して正極端子３１ａが配置された状態で、外装缶５１ａの開口部５３ａ側部分が外周側から内周側にかしめられている。また、正極端子３１ａの上端の外周部には、ガスケット３４を介して外装缶５１ａの開口部５３ａ側端部が、内周側にかしめ付けられている。これにより、正極端子３１ａは、外装缶５１ａの開口部５３ａに固定される。この状態で、板ばね３８の上面の外周部には正極端子３１ａの下面の外周部が押し付けられ、板ばね３８の下面の中心部には正極集電板３０の上面の中心部が押し付けられる。これにより、板ばね３８が上下方向両側から圧縮された状態となり、板ばね３８のバネ力が正極集電板３０と正極端子３１ａとに加わっている。このため、正極芯体１３の第１曲げ部１６の上面に正極集電板３０の下面が接触しており、正極集電板３０の上面には、板ばね３８を介して正極端子３１ａが電気接続される。このように、外装缶５１ａの開口部５３ａ側部分が外周側から内周側にかしめられることにより開口部５３ａに正極端子３１ａが取り付けられる場合には、いわゆる横かしめで外装缶５１ａが変形している。この場合、外装缶５１ａのみによっては正極集電板３０には、電極体１１に押し付ける方向の力が加わらない。一方、上記のように正極端子３１ａと正極集電板３０との間に板ばね３８を配置することにより、正極端子３１ａと板ばね３８とによって、正極集電板３０に対し電極体１１に押し付ける方向の力を加えることができる。本例において、その他の構成及び作用は、図１～図３の構成と同様である。

図５は、実施形態の別例の電池１０ｂの断面図である。本例の電池１０ｂでは、図１～図３の構成と異なり、負極芯体１８の外装缶５１の底部５２側の一辺部（図５の下辺部）は、負極活物質層１９の底部５２側の一辺（図５の下辺）より下方に導出していない。一方、電極体１１の最外周面には負極芯体１８が露出している。このために、負極板１７は、電極体１１の最外周面となる第１面の巻き終わり側端部には、負極活物質層を形成しない芯体露出部１１ａが配置される。そして、電極体１１の最外周面の負極芯体１８が露出した部分である芯体露出部１１ａが、外装缶５１の筒部５３の内面に接触している。これによって、負極芯体１８と負極端子となる外装缶５１とを広い範囲で面接触させることができるので、電池１０の内部抵抗を低くできる。また、正極側で内部抵抗を低くできることとあいまって、正極側及び負極側の両方でバランスよく内部抵抗を低くできる。芯体露出部１１ａは、電極体１１の最外周面の略全周に形成することが、内部抵抗を低くする面からより好ましい。本例において、その他の構成及び作用は、図１～図３の構成と同様である。

上記の各例では、正極芯体１３の第１導出部１６が電極体１１の内周側に曲げられる場合を説明し、上記の各例の一部の構成では、負極芯体１８の第２導出部２０が電極体１１の内周側に曲げられる場合を説明した。一方、正極芯体１３の第１導出部と、負極芯体１８の第２導出部との一方または両方が電極体１１の外周側に曲げられる構成としてもよい。

上記の各例では、第１極板を正極板とし、第２極板を負極板としたが、第１極板を負極板とし、第２極板を正極板とすることもできる。例えば、図１～図３の構成において、外装缶５１の開口部５３ａに負極端子が取り付けられ、正極板１２における正極芯体１３のうち、正極活物質層の第１辺である下辺から延出した部分が外装缶の底部の内面に接続された構成にも、本開示の構成を適用できる。

１０,１０ａ 円筒形電池（電池）、１１ 電極体、１２ 正極板、１３ 正極芯体、１４ 正極活物質層、１５ 第１導出部、１６ 第１曲げ部、１６ａ 上端板部、１７ 負極板、１８ 負極芯体、１９ 負極活物質層、２０ 第２導出部、２１ 第２曲げ部、２２ 下端板部、２５ セパレータ、３０ 正極集電板、３１,３１ａ 正極端子、３２，３３ 突部、３４ ガスケット、３５ 絶縁部材、３６ 貫通孔、３８ 板ばね、５１,５１ａ 外装缶、５２ 底部、５３ 筒部、５３ａ 開口部、５４ 張り出し部。

Claims (5)

1. 少なくとも１つの第１極板と少なくとも１つの第２極板とがセパレータを介して巻回された巻回型の電極体と、
   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ように前記開口部に第１絶縁部材を介して取り付けられた第１極端子と、を備え、
   前記第１極板は、導電材料により形成された第１芯体と、前記第１芯体上に形成された第１活物質層とを有し、前記第１芯体の前記第１極端子側の一辺部が前記第１活物質層の前記第１極端子側の一辺より導出されることで第１導出部が形成され、
   前記第１導出部は、前記電極体の内周側または外周側に曲げられた第１曲げ部を含み、
   前記第１曲げ部の前記第１極端子側面に第１極集電板の第１面が接触しており、前記第１極集電板の第２面に直接、または導電部材を介して前記第１極端子が接続され、
   前記外装缶は、前記開口部側部分に、内周側に張り出すように形成された張り出し部を含み、
   前記第１極集電板の前記第２面の外周側にリング状の第２絶縁部材が配置され、
   前記第１曲げ部と前記張り出し部とで、前記第２絶縁部材及び前記第１極集電板が挟まれており、前記第１極端子は、前記第２絶縁部材の貫通穴の内側を通じて、前記第１極集電板に接続されている、
   円筒形電池。
2. 請求項１に記載の円筒形電池において、
   前記第１極端子は、前記外装缶の前記開口部側部分が外周側から内周側にかしめられることにより、前記開口部に前記第１絶縁部材を介して取り付けられている、
   円筒形電池。
3. 請求項２に記載の円筒形電池において、
   前記第１極端子と、前記第１極集電板の間に前記導電部材として板ばねが配置されている、
   円筒形電池。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の円筒形電池において、
   前記第２極板は、導電材料により形成された第２芯体と、前記第２芯体上に形成された第２活物質層とを有し、前記第２芯体の前記外装缶の底部側の一辺部が前記第２活物質層の前記底部側の一辺より導出されることで第２導出部が形成され、
   前記第２導出部は、前記電極体の内周側または外周側に曲げられた第２曲げ部を含み、
   前記第２曲げ部が前記底部の内面に接触している、
   円筒形電池。
5. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の円筒形電池において、
   前記第２極板は、導電材料により形成された第２芯体と、前記第２芯体上に形成された第２活物質層とを有し、前記電極体の最外周面に前記第２芯体が露出しており、
   前記電極体の最外周面の前記第２芯体が露出した部分が前記外装缶の筒部の内面に接触している、
   円筒形電池。
   

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