JP2007335104A - 電池およびキャップ - Google Patents

Abstract

【課題】外力に押し潰された場合の安全性を向上させることができる電池を提供する。
【解決手段】正極と負極とをセパレータを介して積層し、渦巻き状に巻くことにより作製された電池素子を有する。電池素子２０の端面２０Ａにはキャップ３０が設けられている。キャップ３０は中空円筒状であり、電池素子２０の側面２０Ｂの一部を覆う側面部３１と、この側面部３１の一端に連続し電池素子２０の端面２０Ａを覆う頂部３２とを有している。外部からの力で押し潰されると、キャップ３０の側面部３１の縁３１Ａが電池素子２０の側面２０Ｂに食い込み、正極２１と負極２２とを短絡させる。側面部３１に切欠部を設けてもよい。
【選択図】図４

Description

本発明は、正極および負極を有する電池素子を備えた電池、およびこの電池に用いられるキャップに関する。

近年、モバイル機器の高性能化および多機能化に伴い、それらの電源である二次電池の高容量化が要求されている。この要求に応える二次電池としてはリチウムイオン二次電池があるが、現在実用化されているものは負極に黒鉛を用いているので、電池容量は飽和状態にあり、大幅な高容量化は難しい。そこで、負極にスズ（Ｓｎ）やケイ素（Ｓｉ）などを用いることが検討されている。
特開２００１−２２９９０５号公報

しかしながら、このように負極にスズやケイ素などを用いた電池はエネルギー密度が大きくなるので、外力により押し潰された場合に備えて高い安全性を確保するための有効な手段が望まれていた。

なお、特許文献１では、電池缶の閉鎖端面と電池素子の底面との間にステンレス鋼などの金属よりなる有孔板を配置し、この有孔板の中心および外周にガス通過孔を設けることによりガスを安全弁側に導くことが記載されている。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、外力に押し潰された場合の安全性を向上させることのできる電池、およびこの電池に用いられるキャップを提供することにある。

本発明による電池は、帯状の正極と帯状の負極とをセパレータを間にして積層し、巻回した構成を有すると共に、正極および負極の幅方向両側の端面、並びに端面の間の側面を有する電池素子と、電池素子の端面の少なくとも一方に設けられ、側面の一部および端面の少なくとも一部を覆うキャップとを備えたものである。

本発明によるキャップは、本発明の電池に用いられるものであって、電池素子の端面の少なくとも一方に設けられ、側面の一部および端面の少なくとも一部を覆うものである。

本発明による電池、または本発明によるキャップでは、外部から電池に力がかかった場合には、電池素子が押し潰されて変形するのに伴い、キャップも押し潰されて変形し、キャップの縁が電池素子の側面に食い込み、セパレータを貫通することにより、正極と負極とが確実に短絡する。

本発明の電池、または本発明のキャップによれば、電池素子の端面の少なくとも一方にキャップを設け、このキャップにより電池素子の側面の一部および端面の少なくとも一部を覆うようにしたので、外部からの力で押し潰された場合において正極と負極とを確実に短絡させることができ、安全性が向上する。

特に、負極が、スズ（Ｓｎ）およびケイ素（Ｓｉ）のうちの少なくとも一方を構成元素として含む負極活物質を含有する場合には、電池のエネルギー密度が大きく、より高い安全性が求められるので、より高い効果を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図において各構成要素は本発明が理解できる程度の形状、大きさおよび配置関係を概略的に示したものであり、実寸とは異なっている。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る二次電池の構成を表すものである。この二次電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶１１の内部に、電池素子２０を有している。電池缶１１は、例えばニッケル（Ｎｉ）のめっきがされた鉄（Ｆｅ）により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶１１の内部には、電池素子２０を挟むように側面に対して垂直に一対の絶縁板１２，１３がそれぞれ配置されている。

電池缶１１の開放端部には、電池蓋１４と、この電池蓋１４の内側に設けられた安全弁機構１５および熱感抵抗素子（Positive Temperature Coefficient；ＰＴＣ素子）１６とが、ガスケット１７を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶１１の内部は密閉されている。電池蓋１４は、例えば、電池缶１１と同様の材料により構成されている。安全弁機構１５は、熱感抵抗素子１６を介して電池蓋１４と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板１５Ａが反転して電池蓋１４と電池素子２０との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子１６は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものである。ガスケット１７は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。

図２は、図１に示した電池素子２０のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面構造を表すものである。電池素子２０は、帯状の正極２１と帯状の負極２２とをセパレータ２３を間にして積層し円筒状に巻回したものであり、中心にはセンターピン２４が挿入されている。なお、図２においてセパレータ２３は省略している。正極２１にはアルミニウム（Ａｌ）などよりなる正極リード２５が接続されており、負極２２にはニッケルなどよりなる負極リード２６が接続されている。正極リード２５は、安全弁機構１５に取り付けられることにより電池蓋１４と電気的に接続されており、負極リード２６は電池缶１１に取り付けられ電気的に接続されている。

図３は図１に示した正極２１および負極２２の巻回前の構成を表すものである。正極２１は、帯状の正極集電体２１Ａの両面に正極活物質層２１Ｂを設けたものである。具体的には、正極集電体２１Ａの外周面側および内周面側に正極活物質層２１Ｂが存在する正極被覆領域２１Ｃを有している。加えて、この正極２１では、巻回中心側および巻回外周側の端部が正極露出領域２１Ｄ、すなわち、正極集電体２１Ａの両面とも正極活物質層２１Ｂが存在せずに露出している領域となっている。正極リード２５は、巻回中心側の端部の正極露出領域２１Ｄに取り付けられている。

正極集電体２１Ａは、例えば、厚みが５μｍ〜５０μｍ程度であり、アルミニウム箔，ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。

正極活物質層２１Ｂは、例えば、正極活物質として、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出可能な正極材料のいずれか１種または２種以上を含んでおり、必要に応じて炭素材料などの導電材およびポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んでいてもよい。リチウムを吸蔵および放出可能な正極材料としては、例えば、硫化チタン（ＴｉＳ₂ ），硫化モリブデン（ＭｏＳ₂ ），セレン化ニオブ（ＮｂＳｅ₂ ）あるいは酸化バナジウム（Ｖ₂ Ｏ₅ ）などのリチウムを含有しない金属硫化物，金属セレン化物あるいは金属酸化物など、またはリチウムを含有するリチウム含有化合物が挙げられる。

中でも、リチウム含有化合物は、高電圧および高エネルギー密度を得ることができるものがあるので好ましい。このようなリチウム含有化合物としては、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物、またはリチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物が挙げられ、特にコバルト（Ｃｏ），ニッケルおよびマンガン（Ｍｎ）のうちの少なくとも１種を含むものが好ましい。より高い電圧を得ることができるからである。その化学式は、例えば、Ｌｉ_x ＭＩＯ₂ あるいはＬｉ_y ＭIIＰＯ₄ で表される。式中、ＭＩおよびＭIIは１種類以上の遷移金属元素を表す。ｘおよびｙの値は電池の充放電状態によって異なり、通常、０．０５≦ｘ≦１．１０、０．０５≦ｙ≦１．１０である。

リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物の具体例としては、層状岩塩型構造を有するリチウムコバルト複合酸化物（Ｌｉ_x ＣｏＯ₂ ）、リチウムニッケル複合酸化物（Ｌｉ_x ＮｉＯ₂ ）、リチウムニッケルコバルト複合酸化物（Ｌｉ_x Ｎｉ_1-z Ｃｏ_z Ｏ₂ （ｚ＜１））、あるいはスピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物（ＬｉＭｎ₂ Ｏ₄ ）などが挙げられる。中でも、ニッケルを含む複合酸化物が好ましい。高い容量を得ることができると共に、優れたサイクル特性も得ることができるからである。リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物の具体例としては、例えばオリビン型構造を有するリチウム鉄リン酸化合物（ＬｉＦｅＰＯ₄ ）あるいはリチウム鉄マンガンリン酸化合物（ＬｉＦｅ_1-v Ｍｎ_v ＰＯ₄ （ｖ＜１））が挙げられる。

負極２２は、帯状の負極集電体２２Ａの両面に負極活物質層２２Ｂを設けたものである。具体的には、負極集電体２２Ａの外周面側および内周面側に負極活物質層２２Ｂが存在する負極被覆領域２２Ｃと、巻回中心側および巻回外周側の端部に、負極集電体２２Ａの両面とも負極活物質層２２Ｂが存在せずに露出している負極露出領域２２Ｄとを有している。負極リード２６は、巻回外周側の端部の負極露出領域２２Ｄに取り付けられている。

負極集電体２２Ａは、例えば、銅箔，ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。この負極集電体２２Ａの厚みは、例えば５μｍ〜５０μｍである。

負極活物質層２２Ｂは、例えば、負極活物質として、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出可能な負極材料のいずれか１種または２種以上を含んでおり、必要に応じて導電材および結着材などを含んでいてもよい。リチウムを吸蔵および放出可能な負極材料としては、例えば、天然黒鉛，人造黒鉛，難黒鉛化炭素あるいは易黒鉛化炭素などの炭素材料、または、リチウムと合金を形成可能な金属元素および半金属元素のうちの少なくとも１種を構成元素として含むものも挙げられる。

中でも、このような金属元素または半金属元素を構成元素として含む負極材料を用いるようにすれば、容量を向上させることができるので好ましい。この負極材料は金属元素あるいは半金属元素の単体でも合金でも化合物でもよく、またこれらの１種または２種以上の相を少なくとも一部に有するようなものでもよい。なお、本発明において、合金には２種以上の金属元素からなるものに加えて、１種以上の金属元素と１種以上の半金属元素とを含むものも含める。また、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には固溶体，共晶（共融混合物），金属間化合物あるいはそれらのうちの２種以上が共存するものがある。

この負極材料を構成する金属元素あるいは半金属元素としては、マグネシウム（Ｍｇ），ホウ素（Ｂ），アルミニウム，ガリウム（Ｇａ），インジウム（Ｉｎ），ケイ素（Ｓｉ），ゲルマニウム（Ｇｅ），スズ（Ｓｎ），鉛（Ｐｂ），ビスマス（Ｂｉ），カドミウム（Ｃｄ），銀（Ａｇ），亜鉛（Ｚｎ），ハフニウム（Ｈｆ），ジルコニウム（Ｚｒ），イットリウム（Ｙ），パラジウム（Ｐｄ）あるいは白金（Ｐｔ）などが挙げられ、中でも、ケイ素またはスズが好ましい。

特に、この負極材料としては、スズと、コバルトと、炭素（Ｃ）とを構成元素として含むＣｏＳｎＣ含有材料、または、スズと、鉄と、炭素とを構成元素として含むＦｅＳｎＣ含有材料が好ましい。高いエネルギー密度を得ることができると共に、優れたサイクル特性を得ることができるからである。ＣｏＳｎＣ含有材料における炭素の含有量は１６．８質量％以上２４．８質量％以下であり、スズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合は３０質量％以上４５質量％以下であることが好ましい。ＦｅＳｎＣ含有材料における炭素の含有量は１１．９質量％以上２９．７質量％以下であり、スズと鉄との合計に対する鉄の割合は２６．４質量％以上４８．５質量％以下であることが好ましい。この範囲内においてより高い特性を得ることができるからである。

また、これらＣｏＳｎＣ含有材料およびＦｅＳｎＣ含有材料は、必要に応じて更に他の構成元素を含んでいてもよい。ＣｏＳｎＣ含有材料であれば、例えば、ケイ素，鉄，ニッケル，クロム（Ｃｒ），インジウム，ニオブ（Ｎｂ），ゲルマニウム，チタン（Ｔｉ），モリブデン（Ｍｏ），アルミニウム，リン（Ｐ），ガリウムまたはビスマスが好ましく、２種以上を含んでいてもよい。ＦｅＳｎＣ含有材料であれば、例えば、アルミニウム，チタン，バナジウム（Ｖ），クロム, ニオブおよびタンタル（Ｔａ）からなる群のうちの少なくとも１種と、コバルト，ニッケル，銅，亜鉛，ガリウムおよびインジウムからなる群のうちの少なくとも１種とが好ましく、また、銀も好ましい。

なお、このＣｏＳｎＣ含有材料はスズとコバルトと炭素とを含む相を有し、この相は結晶性の低いまたは非晶質な構造を有していることが好ましい。同様に、ＦｅＳｎＣ含有材料はスズと鉄と炭素とを含む相を有し、この相は結晶性の低いまたは非晶質な構造を有していることが好ましい。また、ＣｏＳｎＣ含有材料およびＦｅＳｎＣ含有材料において、構成元素である炭素の少なくとも一部は、他の構成元素である金属元素または半金属元素と結合していることが好ましい。サイクル特性の低下はスズなどが凝集あるいは結晶化することによるものであると考えられるが、炭素が他の元素と結合することにより、そのような凝集あるいは結晶化を抑制することができるからである。

負極活物質としては、また、天然黒鉛，人造黒鉛，難黒鉛化炭素あるいは易黒鉛化炭素などの炭素材料を用いてもよい。炭素材料を用いれば優れたサイクル特性を得ることができるので好ましい。また、負極活物質としては、リチウム金属も挙げられる。負極活物質はこれらの１種を単独で用いてもよいが、２種以上を混合して用いてもよい。

図１に示したセパレータ２３は、正極２１と負極２２とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータ２３は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどよりなる合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミック製の多孔質膜により構成されており、これらの２種以上の多孔質膜を積層した構造や、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどを２種以上混合、溶融した構造とされていてもよい。

セパレータ２３には、液状の電解質である電解液が含浸されている。この電解液は、例えば、溶媒と、電解質塩であるリチウム塩とを含んで構成されている。溶媒は、電解質塩を溶解し解離させるものである。溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、１, ２−ジメトキシエタン、１, ２−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１, ３−ジオキソラン、４メチル１, ３ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、アニソール、酢酸エステル、酪酸エステルあるいはプロピオン酸エステルなどが挙げられ、これらのいずれか１種または２種以上を混合して用いてもよい。

リチウム塩としては、例えば、ＬｉＣｌＯ₄ ，ＬｉＡｓＦ₆ ，ＬｉＰＦ₆ ，ＬｉＢＦ₄ ，ＬｉＢ（Ｃ₆ Ｈ₅ ）₄ ，ＣＨ₃ ＳＯ₃ Ｌｉ，ＣＦ₃ ＳＯ₃ Ｌｉ，ＬｉＣｌあるいはＬｉＢｒが挙げられ、これらのいずれか１種または２種以上を混合して用いてもよい。

電池素子２０の正極２１および負極２２の幅方向両側の端面２０Ａと絶縁板１２，１３との間には、図１および図４に示したように、キャップ３０がそれぞれ設けられている。キャップ３０は、中空円筒状であり、電池素子２０の側面２０Ｂの一部を覆う側面部３１と、この側面部３１の一端に連続し電池素子２０の端面２０Ａを覆う頂部３２とを有している。これにより、この二次電池では、外部からの力で押し潰された場合において正極２１と負極２２とを確実に短絡させることができ、安全性を向上させることができるようになっている。

キャップ３０は、例えば、厚みが０．０１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、幅が１ｃｍ以上１００ｃｍ以下であり、ステンレス鋼などの導電性材料により構成されている。側面部３１の長さは、電池素子２０の長さ（高さ）によって異なるが、例えば１．０ｃｍ以上１００．０ｃｍ以下であることが好ましい。キャップ３０の強度は、例えば、通常時は所定の強度を保持し、一方、外力により電池が押し潰された場合にはそれと共に潰れ、側面部３１の縁３１Ａが電池素子２０の側面２０Ｂに食い込みセパレータ２３を貫通する程度であることが好ましい。

キャップ３０の頂部３２には、正極リード２５または負極リード２６を電池素子２０の外部に導出するための導出孔３３が設けられている。なお、導出孔３３の大きさは、正極リード２５および負極リード２６を通すことができれば特に限定されない。また、頂部３２の端面２０Ａに対する被覆率も特に限定されない。

この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。

まず、正極集電体２１Ａに正極活物質層２１Ｂを形成し正極２１を作製する。正極活物質層２１Ｂは、例えば、正極活物質と導電材と結着材とを混合して分散媒に分散させ、正極集電体２１Ａに塗布して乾燥させたのち、圧縮成型することにより形成する。また、正極２１と同様にして、負極集電体２２Ａに負極活物質層２２Ｂを形成し負極２２を作製する。次いで、正極集電体２１Ａに正極リード２５を溶接などにより取り付けると共に、負極集電体２２Ａに負極リード２６を溶接などにより取り付ける。

続いて、正極２１と負極２２とをセパレータ２３を間にして積層し、渦巻き状に巻回して電池素子２０を形成し、中心にセンターピン２４を挿入する。そののち、例えば、ステンレス鋼などの導電性材料よりなる薄板を所定のサイズにカットし、プレス金型を用いて所定条件（成形圧力、時間など）のもとにプレス成形を行い、成形、打ち抜きを行うことにより、上述した円筒状の側面部３１の一端に円形の頂部３２を設けたキャップ３０を形成する。その際、必要に応じてバリ取り、洗浄を行ってもよい。このキャップ３０を電池素子２０の一対の端面２０Ａに被せ、頂部３２の導出孔３３に正極リード２５および負極リード２６を通す。

キャップ３０を電池素子２０の端面２０Ａに取り付けたのち、正極リード２５の先端部を安全弁機構１５に溶接すると共に、負極リード２６の先端部を電池缶１１に溶接して、電池素子２０を一対の絶縁板１２，１３で挟み電池缶１１の内部に収納する。次いで、電解液を電池缶１１の内部に注入し、セパレータ２３に含浸させる。そののち、電池缶１１の開口端部に電池蓋１４，安全弁機構１５および熱感抵抗素子１６をガスケット１７を介してかしめることにより固定する。これにより、図１，２に示した二次電池が完成する。

この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極２１からリチウムイオンが放出され、セパレータ２３に含浸された電解液を介して負極２２に吸蔵される。放電を行うと、例えば、負極２２からリチウムイオンが放出され、セパレータ２３に含浸された電解液を介して正極２１に吸蔵される。そして、この二次電池では、電池素子２０の端面２０Ａにキャップ３０が設けられているので、外部からの力で押し潰された場合、キャップ３０も押し潰されて変形し、側面部３１の縁３１Ａが電池素子２０の側面２０Ｂに食い込み、セパレータ２３を貫通することにより、正極２１と負極２２とが確実に短絡する。

更に、この二次電池では、正極２１の巻回外周側にも両面とも正極活物質層２１Ｂの存在しない正極露出領域２１Ｄが設けられていると共に、負極２２の巻回外周側にも両面とも負極活物質層２２Ｂの存在しない負極露出領域２２Ｄが設けられているので、キャップ３０の側面部３１の縁３１Ａが電池素子２０の側面２０Ｂに食い込み、セパレータ２３を貫通すると比較的抵抗値の低い正極集電体２１Ａと負極集電体２２Ａとの間が直接短絡する。すなわち、本実施の形態では、正極２１の正極露出領域２１Ｄと負極２２の負極露出領域２２Ｄとの間がキャップ３０により短絡し、抵抗値の高い正極活物質層２１Ｂを介して短絡することがなくなり、正極活物質層２１Ｂでの昇温が抑制される。

このように本実施の形態によれば、電池素子２０の端面２０Ａにキャップ３０を設け、電池素子２０の側面２０Ｂの一部および端面２０Ａを覆うようにしたので、外部からの力で押し潰された場合において正極２１と負極２２とを確実に短絡させることができ、安全性を向上させることができる。

特に、負極２２が、スズ（Ｓｎ）またはケイ素（Ｓｉ）のうちの少なくとも一方を構成元素として含む負極活物質を含有する場合には、電池のエネルギー密度が大きく、より高い安全性が求められるので、より高い効果を得ることができる。

（第２の実施の形態）

図５および図６は本発明の第２の実施の形態に係る二次電池の断面構造を表すものである。この二次電池は、いわゆる角型といわれるものであり、ほぼ中空直方体形状の電池缶４１の内部に、偏平な電池素子５０を有している。

電池缶４１は、例えばニッケル（Ｎｉ）のめっきがされた鉄（Ｆｅ），アルミニウム（Ａｌ）またはステンレススチール（ＳＵＳ）の何れかにより構成されており、負極端子としての機能も有している。この電池缶４１は、一端部が閉鎖され他端部が開放されており、開放端部に絶縁板４２および電池蓋４３が取り付けられることにより電池缶４１の内部が密閉されている。絶縁板４２は、ポリプロピレンなどにより構成され、電池素子５０の上に側面に対して垂直に配置されている。電池蓋４３は、例えば、電池缶４１と同様の材料により構成され、電池缶４１と共に負極端子としての機能も有している。電池蓋４３の外側には、正極端子となる端子板４４が配置されている。また、電池蓋４３の中央付近には貫通孔が設けられ、この貫通孔に、端子板４４に電気的に接続された正極ピン４５が挿入されている。端子板４４と電池蓋４３との間は絶縁ケース４６により電気的に絶縁され、正極ピン４５と電池蓋４３との間はガスケット４７により電気的に絶縁されている。絶縁ケース４６は、例えばポリブチレンテレフタレートにより構成されている。ガスケット４７は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。

電池蓋４３の周縁付近には開裂弁４８および電解液注入孔４９が設けられている。開裂弁４８は、電池蓋４３と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合に開裂して内圧の上昇を抑えるようになっている。電解液注入孔４９は、例えばステンレス鋼球よりなる封止部材４９Ａにより塞がれている。

電池素子５０は、電池缶４１の形状に合わせて偏平な形状に成形されていることを除いては、第１の実施の形態の電池素子２０と同様に構成されている。電池素子５０の正極２１には正極リード２５が取り付けられており、負極２２には負極リード２６が取り付けられている。正極リード２５は正極ピン４５の下端に溶接されることにより端子板４４と電気的に接続されており、負極リード２６は電池缶４１に溶接され電気的に接続されている。

電池素子５０の上方の端面５０Ａと絶縁板４２との間、および下方の端面５０Ａと電池缶４１の底面との間には、図５および図７に示したように、側面部６１および頂部６２よりなるキャップ６０がそれぞれ設けられている。キャップ６０は、頂部６２が長方形または楕円形など電池素子５０の形状に合わせた形状を有することを除いては、第１の実施の形態のキャップ３０と同様に構成されている。これにより、この二次電池では、第１の実施の形態と同様に、外部からの力で押し潰された場合において正極２１と負極２２とを確実に短絡させることができ、安全性を向上させることができるようになっている。

この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。

まず、例えば、第１の実施の形態と同様にして正極２１および負極２２を作製する。
次いで、正極集電体２１Ａに正極リード２５を溶接などにより取り付けると共に、負極集電体２２Ａに負極リード２６を溶接などにより取り付ける。

続いて、正極２１と負極２２とをセパレータ２３を間にして積層し、渦巻き状に巻回したのち偏平な形状に成形し、偏平な電池素子５０を作製する。そののち、第１の実施の形態のキャップ３０と同様にして上述したキャップ６０を形成し、このキャップ６０を、図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示したように電池素子５０の端面５０Ａに被せ、頂部６２の導出孔６３に正極リード２５および負極リード２６を通す。

キャップ６０を電池素子５０の端面５０Ａに取り付けたのち、この電池素子５０を電池缶４１の内部に収容し、電池素子５０の上に絶縁板４２を配置し、負極リード２６を電池缶４１に溶接すると共に、正極リード２５を正極ピン４５の下端に溶接して、電池缶４１の開放端部に電池蓋４３をレーザ溶接により固定する。そののち、電解液を電解液注入孔４９から電池缶４１の内部に注入し、セパレータ２３に含浸させたのち、電解液注入孔４９を封止部材４９Ａで塞ぐ。これにより、図５および図６に示した二次電池が完成する。

この二次電池は、第１の実施の形態と同様に作用し、同様の効果を奏する。

（第３の実施の形態）
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る二次電池について説明する。第３の実施の形態に係る二次電池は、キャップ３０，６０に切欠部７１が設けられていることを除き、他は第１の実施の形態または第２の実施の形態と同様の構成・作用および効果を有しており、同様にして製造することができる。よって、図１ないし図７を参照し、対応する構成要素には同一の符号を付して説明する。

切欠部７１は、例えば、側面部３１，６１の縁３１Ａ，６１Ａに交差していてもよいし、側面部３１，６１の縁３１Ａ，６１Ａから離れた位置に設けられていてもよい。切欠部７１が側面部３１，６１の縁３１Ａ，６１Ａに交差している場合、切欠部７１と側面部３１，６１の縁３１Ａ，６１Ａとは直角でもよいし、斜めに交差していてもよい。切欠部７１の寸法や配置密度は、キャップ３０，６０の生産性や強度に応じて定めることができるが、側面部３１，６１の全体にわたり均等に配置されていることが望ましい。切欠部７１の幅または長さは、例えば０．１ｍｍ以上が好ましい。

切欠部７１の形状は、図８に示したような直線でもよいし、屈曲した形状でもよい。屈曲した形状としては、例えば図９に示したように、三本の直線部分７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃにより構成され、直線部分７１Ｂは直線部分７１Ａの端部から直線部分７１Ａとは異なる方向に延び、直線部分７１Ｃは直線部分７１Ｂの端部から直線部分７１Ｂとは異なる方向に延びている形状（以下、「Ｚ型」という。）が挙げられる。直線部分７１Ａ〜７１Ｃのなす角は、例えば直角が好ましい。生産性を高めることができるからである。

また、例えば図１０に示したように、二本の直線部分７１Ａ，７１Ｂにより構成され、直線部分７１Ｂが直線部分７１Ａの端部から直線部分７１Ａとは異なる方向に延びている形状（以下、「Ｌ型」という。）としてもよい。更に、例えば図１１に示したように、切欠部７１を、多数の直線部分により構成され、それらの直線部分のうちの一本は他の一本の端部からそれとは異なる方向に延びている形状（以下、「波型」という。）としてもよい。このような波型の切欠部７１は、直線またはＬ型やＺ型のものに比べて電極間の短絡を容易に発生させることができ、好ましい。

このような切欠部７１の形状は、側面部３１，６１の縁３１Ａ，６１Ａに交差しているか側面部３１，６１の縁３１Ａ，６１Ａから離れた位置に設けられているかによって限定されない。また、切欠部７１または直線部分７１Ａ〜７１Ｃは、側面部３１，６１の縁３１Ａ，６１Ａに対して垂直または平行でもよいし、斜めになっていてもよい。

なお、図１１に示したように、切欠部７１を構成する直線部分が、側面部３１，６１の縁３１Ａ，６１Ａに対して斜めになっている場合、切欠部７１の一端と他端とを結ぶ直線は側面部３１，６１の縁３１Ａ，６１Ａに対して平行または垂直であることが望ましい。

この二次電池は、キャップ３０，６０の側面部３１，６１に例えばワイヤカットにより切欠部７１を設けることを除いては、第１の実施の形態と同様にして製造することができる。

この二次電池では、キャップ３０，６０に切欠部７１が設けられているので、外部からの力で押し潰された場合、キャップ３０，６０も押し潰されて変形し、切欠部７１の角部７２が突出してセパレータ２３を貫通することにより、正極２１と負極２２とが確実に短絡する。

このように本実施の形態では、キャップ３０，６０に切欠部７１を設けたので、外部からの力で押し潰された場合において正極２１と負極２２との間を確実に短絡させることができる。とりわけ発熱量の大きい大型電池の場合に好適であり、高い安全性を得ることができる。

更に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。

（実施例１）
第１の実施の形態で説明した二次電池を作製した。まず、正極活物質としてコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂ ）を用い、このコバルト酸リチウムと導電材であるグラファイトと結着材であるポリフッ化ビニリデンとを混合して分散媒に分散させ、アルミニウム箔よりなる正極集電体２１Ａの両面に塗布して乾燥させたのち、圧縮成型して正極活物質層２１Ｂを形成し、正極２１を作製した。次いで、正極集電体２１Ａの巻回中心側にアルミニウム製のリード２５を取り付けた。

また、負極活物質としてＣｏＳｎＣ含有材料を用い、このＣｏＳｎＣ含有材料と、導電材および負極活物質である人造黒鉛およびカーボンブラックと、結着材であるポリフッ化ビニリデンとを混合して分散媒に分散させ、銅箔よりなる負極集電体２２Ａの両面に塗布して乾燥させたのち、圧縮成型して負極活物質層２２Ｂを形成し、負極２２を作製した。次いで、負極集電体２２Ａの巻回外周側にニッケル製のリード２６を取り付けた。

なお、ＣｏＳｎＣ含有材料は、スズコバルト合金粉末と炭素粉末とを混合し、メカノケミカル反応を利用して合成した。合成したＣｏＳｎＣ含有材料について組成の分析を行ったところ、コバルトの含有量は２９．３質量％、スズの含有量は４９．９質量％、炭素の含有量は１９．８質量％であった。なお、炭素の含有量は、炭素・硫黄分析装置により測定し、コバルトおよびスズの含有量は、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）発光分析により測定した。また、このＣｏＳｎＣ含有材料についてＸ線回折を行ったところ、回折角２θ＝２０°〜５０°の間に、回折角２θが１．０°以上の広い半値幅を有する回折ピークが観察された。更に、このＣｏＳｎＣ含有材料についてＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy；Ｘ線光電子分光法）を行ったところ、ＣｏＳｎＣ含有材料中におけるＣ１ｓのピークが２８４．５ｅＶよりも低い領域に得られ、ＣｏＳｎＣ含有材料中の炭素が他の元素と結合していることが確認された。

続いて、微孔性ポリプロピレンフィルムよりなるセパレータ２３を用意し、正極２１，セパレータ２３，負極２２，セパレータ２３の順に積層したのち渦巻状に多数回巻回して、中心にセンターピン２４を挿入した。そののち、円筒状の側面部３１の一端に円形の頂部３２を有するキャップ３０を用意し、このキャップ３０を電池素子２０の一対の端面２０Ａに被せ、頂部３２の導出孔３３に正極リード２５および負極リード２６を通した。キャップ３０の寸法は、幅１３ｍｍ、厚み０．１ｍｍ、側面部３１の長さ１０ｍｍとした。

キャップ３０を電池素子２０の端面２０Ａに取り付けたのち、正極リード２５を安全弁機構１５に接合すると共に正極リード２６を電池缶１１に接合し、電池素子２０を絶縁板１２，１３で挟んで電池缶１１の内部に収納した。次いで、電池缶１１の内部に電解液を注入した。電解液には、炭酸エチレン５０体積％と炭酸ジエチル５０体積％とを混合した溶媒に、電解質塩としてＬｉＰＦ₆ を１ｍｏｌ／ｌの含有量で溶解させたものを用いた。続いて、電池缶１１の開放部に、安全弁機構１５、熱感抵抗素子１６および電池蓋１４をガスケット１７を介してかしめることにより固定した。これにより実施例１の二次電池を得た。

実施例１に対する比較例１として、キャップを設けないことを除き、他は実施例１と同様にして二次電池を作製した。

（実施例２）
第３の実施の形態で説明した電池を作製した。すなわち、キャップ３０の側面部３１にワイヤカットにより図９に示したような直線およびＺ型の切欠部７１を設けたことを除いては、実施例１と同様にして二次電池を作製した。その際、直線の切欠部７１は、幅０．４ｍｍ、長さ１．０ｍｍとし、Ｚ型の切欠部７１は、幅０．４ｍｍ、直線部分７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃの長さをそれぞれ２ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、全長３．６ｍｍとした。

このようにして得られた実施例１，２および比較例１の二次電池をそれぞれ５個（電池１〜電池５）作製し、圧壊試験を行って発火や破裂の有無を調べた。また、実施例１，２については、ショートスピード（短絡までにかかった時間）も調べた。ショートスピードは、５個の電池の各々について計測し、その平均をとることにより求めた。得られた結果を表１に示す。

表１からわかるように、電池素子２０の端面２０Ａにキャップ３０を設けた実施例１，２によれば破裂はまったく生じなかったのに対して、キャップが設けられていない比較例１では５個の二次電池のすべてで破裂が生じた。すなわち、電池素子２０の端面２０Ａにキャップ３０を設け、電池素子２０の側面２０Ｂの一部および端面２０Ａを覆うようにすれば、電池が押し潰されて短絡が発生した場合にも安全性を向上させることができることが分かった。

また、実施例１と実施例２とを比較すると、切欠部７１を設けた実施例２では、切欠部７１を設けない実施例１よりも早い段階でショートが起こっていた。すなわち、キャップ３０に切欠部７１を設けるようにすれば、より迅速に正極２１と負極２２とを短絡させることができ、更に安全性を向上させることができることが分かった。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、電池素子２０の両方の端面２０Ａにキャップ３０を設けた場合について説明したが、キャップ３０は、電池素子２０の片方の端面２０Ａのみに設けるようにしてもよい。

また、例えば、上記第３の実施の形態および実施例では、切欠部７１が、キャップ３０，６０を厚さ方向に貫通する孔である場合について説明したが、貫通することなくキャップ３０，６０の厚さ方向の一部を周囲領域よりも薄くした、すなわち凹んだ状態の薄肉溝であってもよい。

更に、上記実施の形態および実施例では、巻回構造を有する円筒型および角型の二次電池について説明したが、本発明は、楕円型など他の巻回構造を有するものにも適用することができる。

加えて、上記実施の形態および実施例では、正極２１および負極２２を巻回するようにしたが、正極および負極を折り畳んだりあるいは積み重ねてもよい。

更にまた、例えば、上記実施の形態および実施例では、正極２１、負極２２および電解液などの材料について具体的に説明したが、本願発明は、他の材料を用いてもよく、また、二次電池に限らず、一次電池などの他の電池についても同様に適用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る二次電池の構成を表す断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図１に示した正極および負極の巻回前の構成を表す断面図である。 図１に示したキャップおよび電池素子を表す分解斜視図および斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る二次電池の構成を表す断面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。 図５に示したキャップおよび電池素子を表す分解斜視図および斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る二次電池のキャップを表す側面図である。 図８に示した切欠部を表す側面図である。 切欠部の他の構成例を表す側面図である。 切欠部の更に他の構成例を表す側面図である。

符号の説明

１１，４１…電池缶、１２，１３，４２…絶縁板、１４，４３…電池蓋、１５…安全弁機構、１６…熱感抵抗素子、１７，４７…ガスケット、２０，５０…電池素子、２０Ａ，５０Ａ…端面、２０Ｂ，５０Ｂ…側面、２１…正極、２１Ａ…正極集電体、２１Ｂ…正極活物質層、２１Ｃ…正極被覆領域、２１Ｄ…正極露出領域、２２…負極、２２Ａ…負極集電体、２２Ｂ…負極活物質層、２２Ｃ…負極被覆領域、２２Ｄ…負極露出領域、２３…セパレータ、２４…センターピン、２５…正極リード、２６…負極リード、３０，６０…キャップ、３１，６１…側面部、３１Ａ，６１Ａ…縁、３２，６２…頂部、３３，６３…導出孔、４３Ａ…貫通孔、４４…端子板、４５…正極ピン、４６…絶縁ケース、４８…開裂弁、４９…電解液注入孔、４９Ａ…封止部材、７１…切欠部、７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ…直線部分

Claims (6)

1. 帯状の正極と帯状の負極とをセパレータを間にして積層し、巻回した構成を有すると共に、前記正極および前記負極の幅方向両側の端面、並びに前記端面の間の側面を有する電池素子と、
   前記電池素子の端面の少なくとも一方に設けられ、前記側面の一部および前記端面の少なくとも一部を覆うキャップと
   を備えたことを特徴とする電池。
2. 前記キャップは、屈曲した形状の切欠部を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の電池。
3. 前記切欠部は、二本以上の直線部分により構成され、前記二本以上の直線部分のうちの一本は他の一本の端部から前記一本と異なる方向に延びている
   ことを特徴とする請求項２記載の電池。
4. 前記正極には正極リードが取り付けられると共に前記負極には負極リードが取り付けられており、
   前記キャップは、前記正極リードまたは前記負極リードを前記電池素子の外部に導出するための導出孔を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の電池。
5. 前記負極は、スズ（Ｓｎ）およびケイ素（Ｓｉ）のうちの少なくとも一方を構成元素として含む負極活物質を含有することを特徴とする請求項１記載の電池。
6. 帯状の正極と帯状の負極とをセパレータを間にして積層し、巻回した構成を有すると共に、前記正極および前記負極の幅方向両側の端面、並びに前記端面の間の側面を有する電池素子を備えた電池に用いられるキャップであって、
   前記電池素子の端面の少なくとも一方に設けられ、前記側面の一部および前記端面の少なくとも一部を覆う
   ことを特徴とするキャップ。
   

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