JPH1031996A - 電 池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電池の正極の集電部の強度を上げて信頼性を
高めることができる電池を提供すること。 【解決手段】 正極２０の集電部がアルミニウムで作ら
れている電池１において、正極２０の集電部は、アルミ
ニウムにアルミナ繊維を加えて形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、正極の集電部がア
ルミニウムで作られている電池の改良に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】電池、例えばリチウムイオン２次電池
は、例えば携帯型パーソナルコンピュータの駆動用に用
いられたり、大型のリチウムイオン２次電池は電気自動
車のモータ駆動用に用いられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、大型の２次
電池の場合には、作動させる機器に対して供給する電流
量が大きいために、大型のリチウムイオン２次電池と作
動させる機器との間に接続される結線（ブスバーとい
う）も自ずと大きくなる。しかもこの結線とリチウムイ
オン２次電池の端子間の接触面積を十分確保しないと、
作動させる機器に対する電流量が大きいために思わぬ発
熱を引き起こす恐れもある。そのために、結線を大型の
リチウムイオン２次電池の端子に締結する場合には、ネ
ジ接合を用いる事例が出ている。

【０００４】従来の大型のリチウムイオン２次電池は、
正極の集電部（端子部）の材質としてはアルミニウムを
使用している。このような正極の集電部に対して結線を
強力に信頼性をもってネジ締結するためには、集電部に
締結されるリチウムイオン２次電池の端子をアルミニウ
ムの合金にすることが考えられる。この集電体に接合さ
れる電池端子をアルミニウム合金で作るにしても、その
アルミニウム合金が電解液中に溶出しないようにする必
要があり、高剛性のものを選択したいのであるがアルミ
ニウム合金の場合には使用の制約がある。また強度の点
の他にも、大電流量を流すのに対応するために、導電性
の良い合金の種類を選択しないと、発熱抵抗を下げるた
めに集電部の断面積を大きくする必要がある等の問題が
生じ、体積エネルギー密度や重量エネルギー密度を考え
ると、剛性が高くかつ導電性の良い材質により正極の集
電部を作ることが望まれている。そこで本発明は上記課
題を解消し、電池の正極集電部の強度を上げて信頼性を
高めることができる電池を提供することを目的としてい
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明にあ
っては、正極の集電部がアルミニウムで作られている電
池において、正極の集電部は、アルミニウムにアルミナ
繊維を加えて形成されている電池により、達成される。
電池の正極の集電部がアルミニウムで作られる場合に、
正極の集電部はアルミニウムにアルミナ繊維を加えて形
成されている。このようにすることで、純正のアルミニ
ウムにより作られた正極の集電部に比べて、アルミニウ
ムにアルミナ繊維を加えて作られた正極の集電部はその
強度や剛性が大きいために、この集電部に対して結線を
する場合でもしっかりと結線を固定することができる。

【０００６】正極の集電部がネジ部を備え、電気を伝え
るための結線が正極の集電部に接続される際に、ボルト
とナットの少なくともいずれか一方を用いる場合であっ
ても、アルミニウムにアルミナ繊維を加えて作った正極
の集電部は、純粋なアルミニウムで作った正極の集電部
に比べて剛性が大きいために、ネジ部のヘタリや座面の
潰れ等が少ない。このためスクリープを少なくすること
ができ、温度変動の大きい場所であっても電池の正極の
集電部における信頼性の高い締結状態が保持できる。正
極の集電部が高剛性なので、振動が与えられていたとし
てもネジ部におけるボルトやナットの緩みを防止するこ
とができ、結線の締結状態を高い信頼性をもって保持す
ることができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述
べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、
技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明
の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨
の記載がない限り、これらの形態に限られるものではな
い。

【０００８】図１は、本発明の電池であるリチウムイオ
ン２次電池の好ましい実施の形態を示しており、図２は
図１のリチウムイオン２次電池の側面図である。また図
３は図１のリチウムイオン２次電池の正極２０の部分を
含む領域を拡大して示している。

【０００９】図１と図２において、リチウムイオン２次
電池１は電池ケース（電池容器）１７、電極ロール体
（電極素子）３５、正極２０、負極２１を備えている。
正極２０は円筒型の電池ケース１７の一端側に配置され
ており、負極２１は円筒型の電池ケース１７の他端に配
置されている。電池ケース１７は例えばステンレス製
（ＳＵＳ３０４）の円筒管であり、その内部には電極ロ
ール体３５が収容されている。まずこの電極ロール体３
５について説明する。電極ロール体３５は、図４の巻芯
３１を用いてロール状（渦巻状）に形成されたものであ
る。電極ロール体３５は図５に示すように、正極シート
１３、負極シート１４、セパレータ３０，３０を備えて
おり、正極シート１３、セパレータ３０、負極シート１
４、セパレータ３０を順に重ねて、かつ巻芯３１により
巻いていくことにより図１のようなロール体になってい
る。

【００１０】この図４の巻芯３１が電極ロール体３５を
形成していく場合には、図４のように巻芯３１の一端の
溝２３には動力軸２５の回転ストッパ２４がはめ込まれ
る。巻芯３１の他端の中空部２６には押し当て部材２２
がはめ込まれる。そしてモータＭが作動することにより
巻芯３１がＲ方向に回転して電極ロール体３５を形成し
ている。巻芯３１は、内芯ともいい、たとえばその外径
が１７ｍｍで、内径が１４ｍｍで軸方向の長さが３５４
ｍｍである。

【００１１】正極シート１３には活物質１３ａが塗布さ
れており、負極シート１４にも活物質１４ａが塗布され
ている。活物質１３ａが塗布されていない正極シート１
３の部分は短冊型にカットされてリード１１となってい
る。同様にして活物質１４ａが形成されていない負極シ
ート１４の未塗布部は短冊型に切断されてリード１１と
なっている。正極シート１３のリード１１は正極リード
であり、負極シート１４のリード１１は負極リードであ
る。正極シート１３のリード１１と負極シート１４のリ
ード１１は、反対方向に導かされており、電極ロール体
３５を形成する場合に正極シート１３のリード１１がそ
れぞれ集まり、負極シート１４のリード１１がそれぞれ
集まるようになっている。

【００１２】次に図５の正極シート１３、負極シート１
４及びセパレータ３０の材質について説明する。負極シ
ート１４は、不活性ガス気流中で焼成した後、粉砕して
得られた平均粒径２０μｍの炭素を９０重量部とし、結
着材としてフッ化ビニリデン樹脂を１０重量部とし、こ
れらをＮ−メチルピロリドンに分散したスラリーを、厚
さ１０μｍの銅箔の集電体の両面に塗布する事により、
厚さ１８０μｍの電極原板を作製し、この電極原板の一
部に負極のリード部となる未塗布部を残して、たとえば
（３４８ｍｍ＋未塗布部３５ｍｍ）ｘ６９４０ｍｍにカ
ットして形成されている。

【００１３】正極シート１３は、平均粒径１５μｍのＬ
ｉＣｏＯ２粉末を９１重量部とし、導電材としてグラフ
ァイトを６重量部とし、結着材としてフッ化ビニリデン
樹脂を３重量部とし、これらをＮ−メチルピロリドンに
分散したスラリーを、アルミ箔の集電体の両面に塗布す
ることにより、厚さ１５０μｍの電極原板を作製しこの
電極原板の一部に正極のリード部となる未塗布部を残し
て、（３４４ｍｍ＋未塗布部３５ｍｍ）ｘ７１５０ｍｍ
にカットして形成されている。セパレータ３０は、厚さ
３８μｍで、３５３ｍｍｘ７６００ｍｍの幅にカットさ
れ形成されて微小な孔が形成されているポリエチレンの
シートである。

【００１４】図５のようにして作られた電極ロール体３
５は、図１の正極２０の極柱１０と負極２１の極柱１０
の間に図１と図３の押さえ金具３３を用いてレーザ溶接
される。この時押さえ金具３３はリード１１を極柱１０
に挟み込む。溶接された電極ロール体３５及び極柱１
０，１０は、キャップ１，１、シール８、セラミックス
ペーサ６等と組込んで、ナット７でセラミックワッシャ
５を介して締め込んだ後に、キャップ１，１は電池ケー
ス１７の端部にレーザ溶接される。電池ケース１７に注
入される電解液は、プロピレンカーボネートとジエチル
カーボネートの混合溶媒の中にＬｉＰＦ６を１モル／１
の割合で溶解して形成する。電解液は弁４の注入口３２
を開放して注入する。

【００１５】次に図１と図３を参照して正極２０の極柱
１０とその周辺の構造についてより詳しく説明する。な
お正極２０の構造と負極２１の構造は同じであるので負
極２１の構造の説明は省略する。但し正極の極柱１０は
純アルミニウムとアルミナ繊維で作られているのに対し
極柱１０は純銅で作られている。図１と図３において、
キャップ１には栓４、メタルシール２、開放弁９、メタ
ルシール３等を備えている。栓４は、これを開けること
により電池ケース１７内に電解液を注入することができ
る。電解液を注入後はこの栓４を閉めておく。

【００１６】極柱１０は断面で見てほぼＴ型をしてお
り、この極柱１０はキャップ１に対してシール８を介し
て密着して取付けられている。シール８はバックアップ
リング５１とセラミックスペーサ６の間に配置されてい
る。極柱１０は、キャップ１に対してナット７とセラミ
ックワッシャ５により固定されている。このナット７は
セラミックワッシャ５を介してキャップ１の外面に密着
している。ナット７は極柱１０の母材７０の先端部１５
ａに形成されたオネジ１５に噛み合っている。極柱１０
の母材７０の中央には、その軸方向に沿ってボルト１９
が着脱可能に取付けられている。このボルト１９は、電
池１の正極２０を、作動させる機器（図示せず、たとえ
ば電気自動車のモータ）に対して接続する結線ＣＮを固
定するためのものである。

【００１７】ボルト１９は、母材７０の内部に形成され
たメネジ１６に対して噛み合っており、このメネジ１６
はＪＩＳ（日本工業規格）の表記方法に基づくＭ６（締
結ネジのネジサイズ）のメネジである。母材７０の外周
囲に設けられているオネジ１５はナット７に噛み合って
いるが、ナット７はセラミックワッシャ５とリング５０
等を介してしっかりと極柱１０に対して固定されてい
る。これにより、電池ケース１７内の電解液がキャップ
１から外部に漏れないようにしている。

【００１８】母材７０、特に母材７０のメネジ１６は、
結線ＣＮの締結に大きく寄与し、その締結力は強いもの
でなければならない。なぜならば、例えば図３の電池１
は１００Ａｈ級の電力量の供給能力があり、１Ｃ放電率
で電流を取り出すにしても、結線ＣＮの母材７０に対す
る取付けが不完全であると、接触不良を起して危険であ
る。特に電池１が電気自動車（ＥＶ）用に車載されるも
のであれば、振動に対しても強くなければならず、ボル
ト１９とメネジ１６による結線ＣＮの極柱１０に対する
締結力は強いものでなければならない。

【００１９】また、電気自動車に搭載する電源としてこ
の電池１を使う場合に、電池１の連続使用での許容電流
は３Ｃ放電率程度はあり得るために、１００Ａｈ級の電
池の場合に、３００Ａまで対応可能としなければならな
い。これだけの大電流が連続で極柱１０に流れても発熱
が大きくならない（例えば８０℃以下）ためには、極柱
１０が純アルミニウムで作られていても５０ｍｍ² 以上
の断面積が必要となる。もしくはそれ以下だと放熱を良
くする放熱板との接合が必要となる。

【００２０】ここで１Ｃ放電率と３Ｃ放電率を説明す
る。電池の電流を取り出す場合の放電率を示すもので、
一般に電池が満充電の状態から、３時間連続で使用して
使用限度までの状態に至るまでに取り出せる電力量をそ
の電池の容量とするが、その容量に対し定電流で１時間
で使い切る電流設定で放電していく放電率を１Ｃ放電
率、１／３時間で使い切る電流設定で放電率を３Ｃ放電
率と呼ぶ。一般に１／３Ｃ放電であれば、容量どおりの
電力量を電池から取り出せるが、１Ｃや３Ｃのように重
負荷になると実際の容量よりは少ない電力しか取り出せ
ないのが一般的である。今回の場合電池容量が１００Ａ
ｈであるから、３Ｃ定電流放電率の場合は３０００Ａの
電流を放電する事になる。

【００２１】本発明の実施の形態では、結線ＣＮの締結
力を大きいものにするために、極柱１０を構成している
母材７０のメネジ１６を含む部分（図３の斜線で示す）
は、正極２０の極柱１０の場合にはアルミナ繊維を純ア
ルミニウムに対して５％混入させて溶融鍛造して作製し
たものであり、その弾性限度は純アルミニウムのみで作
られた極柱の母材に比べて、非常に高いものである。具
体的には、極柱１０の場合に比べて、純アルミニウムに
アルミナ繊維を配合した極柱１０を用いている。このア
ルミナ繊維の配合率は上述したように５％程度であるの
で、電気抵抗率は純アルミニウムの９５％程度の導電率
で済むことから、必要断面積は、５０／０．９５＝５
２．６ｍｍ² の面積で達成することができる。

【００２２】本発明のアルミナ繊維の入った純アルミニ
ウムとの極柱１０と、従来のアルミニウム合金につい
て、剛性（耐力すなわち弾性限度）と電導率を比較した
のが図６である。本発明の実施の形態におけるアルミナ
繊維入りの純アルミニウムの材質は、他の代表的な合金
アルミ（例えばＡ５０５２）に比べて、耐力が同等な割
には電極素子材として必要な導電率が良く、大型電池の
ようにネジ部が必要な電池の集電部（端子）に適してい
るといえる。

【００２３】このような本発明の実施の形態におけるア
ルミナ繊維入り純アルミニウム製の極柱１０の効果的な
作り方としては、図７と図８に示すような２段階の成型
法が提案できる。

【００２４】この２段階の成型法について以下に説明す
る。まず図７は図３に対応する極柱１０を示している
が、この極柱１０は、破線で示した母材７０とその残部
９０から構成されている。まず母材７０は、メネジ１６
や図３の結線ＣＮを締結する時に圧縮や引っ張り力等の
力を受けやすい部分のみを作るために型を用意し、この
母材７０を作る型を用いて、予めアルミナのみをその型
で焼固める。つまり図８のようにアルミナのみでコア７
０Ａを作る。

【００２５】このアルミナコア７０Ａは、図８の溶湯鍛
造用の本型１００に配置する。この本型１００は上型１
０１と下型１０２を有しており、その上型１０１と下型
１０２の間にアルミナコア７０Ａが配置される。そして
下型１０２の入口１０３から純アルミニウム溶湯が注入
されて、この純アルミニウムがアルミナコア７０Ａに浸
透させて図７のような極柱１０を作る。この際に、アル
ミナコア７０Ａの空孔率が９０％であれば、作成された
極柱１０の母材（コア部ともいう）７０のアルミナ配合
率は１０％となり、空孔率９５％であればアルミナ配合
率は５％とすることができる。その後に、母材７０にメ
ネジ１６やオネジ１５が機械加工される。このような製
造方法を用いることにより、アルミナ繊維の使用量を節
約することができる。すなわち、極柱全体をアルミナ繊
維を含んだ材料にするよりは、部分的にアルミナ繊維を
含ませることにより、必然的にアルミナ繊維量を節約で
きる。

【００２６】また図３に示すようにアルミナ繊維の露出
部が電池ケース１内の電解液に触れない所に限定できる
ために、アルミナ繊維に電解液と反応する不純物が入っ
ているかいないかの管理を厳密にする必要がないという
メリットもある。

【００２７】ところで本発明は上記実施の形態に限定さ
れない。例えば上述した実施の形態では電池としてリチ
ウムイオン２次電池を用いているが、これに限らず他の
種類の２次電池、例えばリチウムメタル電池、非水溶媒
電池、ポリマー電池に適用することもできる。また電池
は２次電池に限らず、他の種類の電池、例えばリチウム
系の１次コイン電池等とすることもできる。また、結線
を極柱に固定するのは、ボルトを用いるばかりでなくナ
ットを極柱にねじこむことで結線を極柱に固定してもよ
い。またそのナットやボルトの両方を用いて結線を極柱
に固定してもよい。極柱を電池ケースに固定する場合
に、ナットを用いるのに代えてボルトを用いてもよい。

【００２８】このような構造の電池を提案して、純アル
ミニウムで作られた極柱に比べて、アルミナ繊維入りの
アルミニウム極柱１０を用いることにより、図３の結線
ＣＮを締結する際に用いられるメネジ１６（ネジ部とも
いう）や、極柱１０自体をキャップ１に対してしっかり
と固定する際のオネジ（締結部ともいう）１５が補強で
きるので剛性が高まり、メネジ１６のヘタレやオネジ１
５の潰れを極力避けることができる。従って極柱１０の
クリープを少なくすることができ、温度変動の大きい場
所で使用しても、結線ＣＮの締結の信頼性及び極柱の固
定の信頼性を向上することができる。また極柱１０は高
剛性を有するので、振動が加わっていたとしても、メネ
ジ１６に噛み合っているボルト１９の緩みや、オネジ１
５に噛み合っているナット７の緩みを防止することがで
きる。このようなことから本発明の電池の実施の形態が
例えば電気自動車用のバッテリや車のスタータとして用
いられることが期待できる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電池の正極の集電部の強度を上げて信頼性を高めること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電池としてリチウムイオン２次電池を
示す断面図。

【図２】図１のリチウムイオン２次電池の側面図。

【図３】図１のリチウムイオン２次電池の正極の付近を
示す拡大図。

【図４】リチウムイオン２次電池の電極ロール体を形成
するための巻芯を示す斜視図。

【図５】図４の巻芯を巻くことにより形成される電極ロ
ール体を示す斜視図。

【図６】純アルミニウム製の極柱と、アルミナ繊維入り
のアルミニウム製の極柱の特性の比較例を示す図。

【図７】本発明の極柱の構造例を示す図。

【図８】図７の極柱の製造方法の一例を示す図。

【符号の説明】

１・・・リチウムイオン２次電池（電池）、１０・・・
極柱、１５・・・オネジ、１６・・・メネジ、１７・・
・電池ケース、２０・・・正極、２１・・・負極、３５
・・・ロール体、７０・・・母材、９０・・・残部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 正極の集電部がアルミニウムで作られて
   いる電池において、 正極の集電部は、アルミニウムにアルミナ繊維を加えて
   形成されていることを特徴とする電池。
2. 【請求項２】 リチウムイオン２次電池である請求項１
   に記載の電池。
3. 【請求項３】 正極の集電部はネジ部を備え、電気を伝
   えるための結線を正極の集電部に接続する際に、ボルト
   とナットの少なくともいずれか一方を用いる請求項１に
   記載の電池。
4. 【請求項４】 正極の集電部を電池ケースに保持するた
   めに、正極の集電部はボルトやナットを備える請求項１
   に記載の電池。