JP2005339930A - 捲回型電池およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極捲回体が角型のハードケースに封入された捲回型電池の電極捲回体にかかる加圧力を均一とし，高い電池性能を有し，寿命の長い電池を得られる捲回型電池およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明の電池１は，電極シートおよびセパレータシートを捲回してなる電極体２０と，電極体２０を収納する角形ハードケース（ケース１０と蓋１１）とを有する捲回型の電池１であって，電極体２０は，２箇所の折り返し部Ｒと，それらの間の平坦部Ｐとを有する巻き方のものであり，電極体２０の２箇所の折り返し部Ｒの両頭頂部および平坦部Ｐの両外面が角形ハードケースの内面に密着しており，電極シートおよびセパレータシートが，折り返し部Ｒの外周のうち頭頂部以外の箇所で巻き止めされているものである。
【選択図】 図３

Description

本発明は，正負極板およびセパレータシートの捲回によって形成される電極捲回体を有する捲回型電池およびその製造方法に関する。さらに詳細には，電極捲回体が角形のハードケースに収納された捲回型電池およびその製造方法に関するものである。

従来より，正極板と負極板とをセパレータシートを挟んで捲回した電極体を有する電池が使用されている。このような捲回型の電極体を製造する際には，捲回機の巻き芯に正極板，負極板，セパレータシートの端部を固定し，所定のテンションを掛けつつ巻き芯を回転させる。そして，所定の長さまで巻き付けられたら，各シートを切断する。さらに，その端部をテープ等によって固定することにより，巻き戻りやゆるみを防止している。

また，このような捲回型の電極体を，電極体に比較して非常に剛性の高い缶ケース等に封入した電池も多く製造されている。この場合，電池の充放電によって，ケース内で電極体が膨張・収縮を繰り返すため，ケースと電極体との圧接状態に変化が生じる。これに対し，ケースと電極体との間に加圧板を設けて，圧力が集中しないようにした電池が考案されている（例えば，特許文献１参照。）。

また，例えばボタン電池のように，扁平型の金属製ケースに捲回型の電極体が封入され，金属製ケースの扁平面が電極を兼ねる扁平型電池もある。このような電池では，電極体の端部を電極体側面の湾曲部において絶縁テープや接着剤によって固定して，巻きズレやゆるみを防止するとともに良好な電池特性を得られるようにした電池が考案されている（例えば，特許文献２参照。）。
特開２０００−３５７５３５号公報（第２図） 特開２００２−２８９２５７号公報（第１図）

しかしながら，上記の各文献に記載の電池は，電極体とケースとの間に多少スペースの余裕があるものについての考案である。特許文献１の電池では，加圧板を挿入してケースと電極体との間に隙間が設けられている。特許文献２の電池では，電極体の平面部は金属製ケースにほぼ密接されているが，その側面部には多少の余裕がある。ところが近年では，電池の高容量化に伴い内部に封入される電極体の長さが増加し，その一方で省スペースの観点からケース自体はあまり大きくされることはない。そのため，電極体とケースとの間には，平面部と側面部のいずれにおいてもほとんど余裕が無いものがある。このように形成された電池では，これらの考案をそのまま使用することはできなかった。

このような電池では，充放電による電極体の膨張時には，電極体はその平面部と側面部とがともに缶ケースに圧接された状態となってしまうからである。その状態では，加圧板や絶縁テープと電極体とが接している部分においては，電極体により大きな圧力がかかってしまう。特に，それらの端部による段差部分では，圧力が集中するおそれがある。その結果，その部分で電極体が変形し，その箇所の活物質が剥がれたり，デンドライトが発生するおそれがあった。そのような場合には，電圧低下による不良が発生したり寿命が短くなったりするといった問題点があった。

本発明は，前記した従来の捲回型電池およびその製造方法が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，電極捲回体が角型のハードケースに封入された捲回型電池の電極捲回体にかかる加圧力を均一とし，高い電池性能を有し，寿命の長い電池を得られる捲回型電池およびその製造方法を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の捲回型電池は，電極シートおよびセパレータシートを捲回してなる電極捲回体と，電極捲回体を収納する角形ハードケースとを有する捲回型電池であって，電極捲回体は，２箇所の折り返し部と，それらの間の平坦部とを有する巻き方のものであり，電極捲回体の２箇所の折り返し部の両頭頂部および平坦部の両外面が角形ハードケースの内面に密着しており，電極シートおよびセパレータシートが，折り返し部の外周のうち頭頂部以外の箇所で巻き止めされているものである。

本発明の捲回型電池では，その電極捲回体は，電極シートおよびセパレータシートを２箇所の折り返し部とそれらの間の平坦部を有するように捲回した扁平型のものである。特に，この電極捲回体が角形ハードケースに収納されると，２箇所の折り返し部の両頭頂部および平坦部の両外面が角形ハードケースの内面に密着する程度の量の電極捲回体を有しているものである。各シートの折り返し部は，一般にシートに折り目を付けないように湾曲した形状とされ，角形ハードケースは角部を有しているので，これらの間には頭頂部以外の箇所で隙間ができる。ここで，本発明では，各シートが折り返し部の外周のうち頭頂部以外の箇所で巻き止めされているので，その巻き止め箇所は電極捲回体と角形ハードケースとの間の隙間となる。従って，電極捲回体が充放電によって膨張した場合でも，各シートの端部や巻き止め部分が電極捲回体に圧接されることはない。これにより，電極捲回体が角型のハードケースに封入された捲回型電池の電極捲回体にかかる加圧力を均一とし，高い電池性能を有し，寿命の長い電池を得られる捲回型電池となっている。

さらに本発明では，電極シートおよびセパレータシートの巻き止め端を覆う巻き止め部材を有し，巻き止め部材は，電極捲回体の折り返し部の外周のうち頭頂部以外の部分と，角形ハードケースの内面とにより区画されるスペース内に位置することが望ましい。
このようにすれば，巻き止め部材によって巻き止め端が覆われて，各シートは巻き止めされる。さらに，この巻き止め部材が電極捲回体の折り返し部の外周のうち頭頂部以外の部分と，角形ハードケースの内面とにより区画されるスペース内に位置するので，電極捲回体が充放電によって膨張した場合でも，巻き止め部材の端部が電極捲回体に圧接されることはない。

さらに本発明では，電極捲回体における電極シートおよびセパレータシートの巻き始め端が，一方の折り返し部の内周に位置することが望ましい。
このようにすれば，電極捲回体が充放電によって膨張した場合でも，各シートの巻き始め端が電極捲回体に圧接されることはない。

また，本発明の捲回型電池の製造方法は，電極シートおよびセパレータシートを捲回してなる電極捲回体と，電極捲回体を収納する角形ハードケースとを有する捲回型電池の製造方法であって，電極捲回体を，電極シートおよびセパレータシートの巻き始め端を第１の折り返し部に配置し，電極シートおよびセパレータシートを第１および第２の折り返し部で折り返しつつ捲回し，第１または第２の折り返し部の外周のうち頭頂部以外の位置にて巻き止めすることにより作成し，作成された電極捲回体を角形ハードケースに挿入して，２箇所の折り返し部の両頭頂部およびそれらの間の平坦部の両外面が角形ハードケースの内面に密着する状態とするものである。

本発明の捲回型電池の製造方法によれば，各シートの巻き始め端が一方の折り返し部の内周に，各シートの巻き止め部が折り返し部の外周のうち頭頂部以外の部分に，それぞれ配置された捲回型電池が容易に製造される。

本発明の捲回型電池とその製造方法によれば，電極捲回体が角型のハードケースに封入された捲回型電池の電極捲回体にかかる加圧力を均一とし，高い電池性能を有し，寿命の長い電池が得られる捲回型電池とその製造方法となっている。

以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，角型の缶ケースに封入された捲回型の電極体を有する電池に本発明を適用したものである。

本形態の電池１は，図１に示すように，金属製のケース１０に金属製の蓋１１が固定されて密封されたものである。ケース１０は扁平な略四角柱形状であり，その扁平面以外の一つの面に，蓋１１が設けられている。蓋１１からは，２つの端子１２，１２が突出して固定されている。また，ケース１０の内部には，図２に示すような，扁平捲回型の電極体２０が封入されている。

電極体２０は，正極板と負極板とをセパレータシートを挟んで，扁平型に捲回したものである。ケース１０のうち図２で手前面として表されている面の大きさは，電極体２０の捲回断面の大きさにほぼ等しい。すなわち，ケース１０に電極体２０を挿入して，蓋１１を固定すると，図３に示すように，電極体２０はケース１０と蓋１１との両方の内面に当接される。すなわち，平坦部Ｐの両側面はいずれもケース１０の内面に当接され，図中上下の折り返し部Ｒの頭頂部はケース１０の底部と蓋１１の内面にそれぞれ当接される。ここで，図３は，図１のＡ−Ａ断面図である。この図では，分かりやすさのために，正極板，負極板，セパレータシートを区別せずに全体で１枚のシートとして表している。

電極体２０は，各シートを重ねて平板形状あるいは楕円形状の巻き芯に巻き付けられることにより形成される。捲回された電極体２０の捲回断面形状は，図３に示すように，平坦部Ｐとその両側（図中上下）に折り返し部Ｒを有する形状となる。巻き始め端２０ａは，電極体２０の折り返し部Ｒと平坦部Ｐとの境目に配置される。このようにすれば，巻き始め端２０ａによる段差部分が電極体２０の各シートの平面部分に圧接されることはないので，巻き始め端２０ａによる圧力の集中箇所は生じない。

また，巻き終わり端２０ｂは，折り返し部Ｒの図中上下方向の中央付近に配置される。そして，巻き終わり端２０ｂは前周のシートである最外周面２１に絶縁テープ２２によって固定され，巻き止めされている。この電池１では，電極体２０の最外周面２１は，１周以上においてセパレータシートによって構成され，ケース１０との間は絶縁されている。また，端子１２，１２はそれぞれ，電極体２０の正極板または負極板のいずれかと電気的に接続され，それ以外の部分とは絶縁されている。例えば，端子１２，１２と蓋１１との間には，所定の絶縁体が配置されている。

ここで，ケース１０と蓋１１とで形成される電池１の内部が直方体形状であり，電極体２０の折り返し部Ｒの断面が略半円形状であるため，四隅には電極体２０の存在しないスペースＳが残る。そして，絶縁テープ２２は，この四隅のスペースＳの中央部に設けられる。図３では，絶縁テープ２２は図中右上のスペースＳに配置されているが，四隅のどのスペースＳに配置されても良い。すなわち，絶縁テープ２２は，巻き終わり端２０ｂと最外周面２１とを接着固定しているとともに，ケース１０にも蓋１１にも接触していない。なお，図２では，絶縁テープ２２は電極体２０の幅方向においても，中央部付近に小さく設けられているが，最外周面２１の端部に沿って長く設けられても良い。

この電池１を充放電を繰り返すと，電極体２０が膨張収縮を繰り返す。そのため，図４の（ａ：収縮状態）と（ｂ：膨張状態）とに示すように，ケース１０の内部で電極体２０が変形する。これに伴い，スペースＳの大きさも変化する。絶縁テープ２２はスペースＳの中央部に設けられているので，（ａ）と（ｂ）とのいずれの状態においてもケース１０や蓋１１に当接しない。従って，絶縁テープ２２の端部や巻き終わり端２０ｂによる段差部分が電極体２０の各シートに圧接されることはないので，圧力の集中箇所は生じない。

次に，この電池１の製造方法について説明する。まず，両極板のベースとなるシートにそれぞれ異なる活物質を塗布して，正極板および負極板をそれぞれ製造する。製造された両極板と，それらの間と外側の２箇所にセパレートシートを挟んだものを捲回機にかける。このとき，両極板とセパレートシートとの端部が重ね合わされた部分が巻き始め端２０ａであり，この巻き始め端２０ａが捲回機の巻き芯の端部に来るようにセットする。

次に，巻き芯を所定の速度で所定回数だけ回転させ，所定長さの電極板を捲回する。そして，両極板を切断し，セパレータシートのみをさらに１周以上捲回する。両極板の端部は，セパレータシートによって押さえられるので，接着固定等を行う必要はない。この両極板の端部も，それぞれスペースＳのいずれかに配置されるようにする。そして，セパレータシートを，折り返し部ＲのスペースＳの中央部に相当する位置で切断し，絶縁テープ２２によって接着固定する。これで，電極体２０の完成である。

次に，電極体２０の所定の箇所に，端子１２，１２を接続する。そして，電極体２０をケース１０内に挿入し，蓋１１から端子１２，１２を突出させるように配置して，蓋１１をケース１０に固定する。最後に，ケース１０の内部に電解液を注入して密封すれば，電池１の完成である。

本発明者は，本形態の電池１を実際に製造し，その電池性能や寿命を比較例と比較した。本形態の電池１として，上記の製造方法によって，電極送り速度１００ｍｍ／ｍｉｎで５０回転捲回した後，セパレータシートのみさらに３回転させて電極体２０を製造し，これを缶ケースに封入した電池１を５例製造した。同様に，巻き始め端２０ａと巻き終わり端２０ｂとを平坦部Ｐに配置させた比較例の電池を５例製造した。

これらの電池に対し，６０℃で２０Ａの定電流充放電サイクルを実施したところ，本形態の電池１では約２０００サイクルの寿命が得られた。これに対し，比較例では約１５００サイクルで寿命になった。また，４トンの加圧試験を行った結果，本形態の電池１では５個中５個とも加圧試験後の電圧変化に異常は見られなかった。これに対し，比較例では５個中１個に電圧変化の増加が見られた。これらのことから，本形態の電池１は，寿命が長く，加圧に対する安全性が高いことが確認された。

以上詳細に説明したように，本形態の電池１は，角型のケース１０に扁平捲回型の電極体２０が挿入されたものである。電極体２０として巻かれているシートの巻き始め端２０ａは，折り返し部Ｒと平坦部Ｐとの境目に設けられるので，巻き始め端２０ａによってシートの一部に集中して圧力が加わることはない。また，巻き終わり端２０ｂと絶縁テープ２２がスペースＳ内に配置されるので，巻き終わり端２０ｂや絶縁テープ２２がケース１０や蓋１１によって電極体２０に圧接されることはない。特に，巻き終わり端２０ｂや絶縁テープ２２をスペースＳの中央部に配置することにより，電極体２２が膨張収縮した場合でも圧接されることはなく，巻き終わり端２０ｂや絶縁テープ２２の端部によってシートの一部に集中して圧力が加わることはない。従って，捲回型の電極体が角型のケース１０に封入された電池１の電極体２０にかかる加圧力を均一とし，高い電池性能を有し，寿命の長い電池１が得られる。

なお，本形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
例えば，上記の形態では，絶縁テープ２２で巻き止めするとしたが，接着剤による接着や両面テープで巻き止めすることもできる。その場合も，接着剤の塗布範囲や両面テープの張り付け位置はスペースＳの中央部とすればよい。

本形態の電池の概略構成を示す概略斜視図である。 電池の電極体を示す概略斜視図である。 ケースに封入された電極体を示す断面図である。 ケースに封入された電極体の変化を示す説明図である。

符号の説明

１ 電池（捲回型電池）
１０ ケース（角形ハードケース）
２０ 電極体（電極捲回体）
２２ 絶縁テープ（巻き止め部材）
Ｐ 平坦部
Ｒ 折り返し部
Ｓ スペース

Claims (4)

1. 電極シートおよびセパレータシートを捲回してなる電極捲回体と，前記電極捲回体を収納する角形ハードケースとを有する捲回型電池において，
   前記電極捲回体は，２箇所の折り返し部と，それらの間の平坦部とを有する巻き方のものであり，
   前記電極捲回体の前記２箇所の折り返し部の両頭頂部および前記平坦部の両外面が前記角形ハードケースの内面に密着しており，
   電極シートおよびセパレータシートが，前記折り返し部の外周のうち頭頂部以外の箇所で巻き止めされていることを特徴とする捲回型電池。
2. 請求項１に記載の捲回型電池において，
   電極シートおよびセパレータシートの巻き止め端を覆う巻き止め部材を有し，
   前記巻き止め部材は，前記電極捲回体の前記折り返し部の外周のうち頭頂部以外の部分と，前記角形ハードケースの内面とにより区画されるスペース内に位置することを特徴とする捲回型電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の捲回型電池において，
   前記電極捲回体における電極シートおよびセパレータシートの巻き始め端が，一方の折り返し部の内周に位置することを特徴とする捲回型電池。
4. 電極シートおよびセパレータシートを捲回してなる電極捲回体と，前記電極捲回体を収納する角形ハードケースとを有する捲回型電池の製造方法において，
   電極捲回体を，
   電極シートおよびセパレータシートの巻き始め端を第１の折り返し部に配置し，
   電極シートおよびセパレータシートを第１および第２の折り返し部で折り返しつつ捲回し，
   第１または第２の折り返し部の外周のうち頭頂部以外の位置にて巻き止めすることにより作成し，
   作成された電極捲回体を角形ハードケースに挿入して，２箇所の折り返し部の両頭頂部およびそれらの間の平坦部の両外面が角形ハードケースの内面に密着する状態とすることを特徴とする捲回型電池の製造方法。

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