JP5779859B2

JP5779859B2 - 電池

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Publication number: JP5779859B2
Application number: JP2010222383A
Authority: JP
Inventors: 明彦宮崎; 澄男森; 森　　澄男; 稔手嶋; 手嶋　　稔
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: JP2012079501A

Description

本発明は、箔状正極板と箔状負極板とをセパレータを挟んで配置した発電要素が備えられた電池に関する。

かかる電池は、箔状正極板及び箔状負極板の夫々に活物質層を形成したものを、セパレータを挟んで対向配置させて発電要素を構成した電池であり、更に具体的な発電要素の構成形態としては、例えば、下記特許文献１や下記特許文献２にも記載のように、夫々長尺帯状に形成された箔状正極板と箔状負極板とをセパレータを挟んだ状態で巻回して発電要素を構成する形態等が良く知られている。
上述のように構成した発電要素では、大面積の箔状正極板等を容積の小さい筐体に収めることで高いエネルギー密度を実現している。
上記のような発電要素を備える電池では、発電要素において正極側と負極側との間での電気的な短絡（内部短絡）によって発生する熱（ジュール熱）が大きくなる可能性がある。
このような内部短絡の発生時における安全性向上策として例えば、箔状正極板に適宜に絶縁コーティングを施す等の対策が考えられている。

特開平１１−３３９８３９号公報特開２００９−２４５６８３号公報

しかしながら、上述のような対策だけでは、内部短絡に対する対処として必ずしも十分ではないことがわかってきた。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、発電要素の内部短絡に対して、より有効に対処できるようにする点にある。

本出願の第１の発明は、箔状正極板と箔状負極板とをセパレータを挟んで配置した発電要素が備えられた電池において、前記発電要素は、前記箔状正極板と前記箔状負極板とを前記セパレータを挟んだ状態で巻回して構成され、前記箔状正極板又は前記箔状負極板は、前記巻回の最外周における角部の輪郭が、その角部を形成する２辺の直線を延長して交差させた仮想的な輪郭よりも内側に位置するように構成され、前記輪郭が、前記角部を形成する２辺の直線と鈍角で交差する直線として形成されている。

すなわち、箔状負極板等は、例えば長尺帯状等の矩形形状として、角部を有する形状とする場合が多い。
内部短絡の発生要因としては、電池の筐体内に異物が混入し、その異物が発電要素に付着して押圧する場合や、極端なケースでは、筐体外部から釘等が打ち込まれる場合等もある。
このように、異物等に箔状負極板等が押圧されたとき、箔状負極板等における異物等との接触箇所は、異物からの押圧力に抗する形で周囲部分から引き上げられる力が作用する。この引き上げられる力が周囲から対称に作用する場合は、異物からの押圧力で箔状負極板等が破断したとしても、単に箔状負極板等が裂けるだけの状態となる傾向が強い。
これに対して、箔状負極板等の端部では、上記の周囲から引き上げられる力は対称ではなくなるため問題となる。

例えば、図１０（ａ）において、黒丸Ａにて示す位置で異物等により押圧されたとすると、同図中で概略的に矢印にて示すような形で、上記の周囲から引き上げられる力が作用する。図１０（ａ）に示すような位置では、全体としての対称性はないものの、端縁１０１の沿った方向では、黒丸Ａの位置の両側から力が作用するため、異物からの押圧力で箔状負極板等が破断したとしても、単に箔状負極板等が裂けるだけの状態となる傾向が強くなる。
ところが、図１０（ｂ）に示すように、角部の先端（図１０（ｂ）において、黒丸Ｂにて示す）に上記のような異物等による押圧力が作用した場合、矢印で示す作用する力の対称性が大きく崩れているので、異物等の押圧力によって上記角部の先端が異物等と共に押し込まれる、あるいは、異物等に引き込まれる状態となり、内部短絡の度合いが大きくなってしまう。これは、単に箔状負極板等が裂けるだけの状態に比較して、内部短絡の程度が格段に大きくなることを意味している。
そこで、例えば図１０（ｃ）に例示するように、角部における輪郭が、その角部を形成する２辺の直線を延長して交差させた仮想的な輪郭（図１０（ｃ）において２点鎖線１０２にて示す）よりも内側に位置するようにして、角部に上記のような先端が存在しない形状としている。
このようにすることで、図１０（ｃ）において黒丸Ｃ矢印で示す位置で異物等の押圧力が作用したときに、同図中において矢印で示すような力が周囲から作用することになる。
この周囲からの力の作用状態は、図１０（ａ）に近いものであり、図１０（ｂ）で示すものよりも、異物からの押圧力で箔状負極板等が破断したとしても、単に箔状負極板等が裂けるだけの状態となる傾向が強いものとなる。
尚、図１０での説明から明らかなように、図１０（ｃ）のような角部を切り欠いた形状とするについて、その切り欠きの大きさの程度は、想定する異物等の大きさに応じて設定することになる。
更に、巻回型電池における特異な事情として、ｉ）最外周に異物からの応力により変形しやすい端部部分が存在すること、ii）その端部がセパレータを介して接する内側の電極及びその内側の電極には同様の形状はなく、異物からの押圧力により単に箔状負極板等が裂けるだけの状態となる傾向が強いこと、が挙げられる。ｉ）の端部形状がii）の形状に隣接した状態にて押圧力が加わる事でもぐりこみが助長されやすくなっている。そこで、上述のように角部の輪郭形状を設定して、もぐりこみを抑制することが非常に有効となる。
更に又、角部の輪郭形状を、角部を形成する２辺の直線と鈍角で交差する直線として形成することで、異物等による押圧力が作用した場合に、周囲から引き上げられる力が確保され、内部短絡の度合いを小さくできる。

又、本出願の第２の発明は、上記第１の発明の構成に加えて、前記箔状正極板及び前記箔状負極板は、夫々、活物質層を形成した活物質層形成部と、活物質層を形成していない未塗工部とが備えられ、前記箔状正極板の前記未塗工部と前記箔状負極板の前記未塗工部とは、互いに異なる側の端部に位置して、異なる方向に突出する状態で配置されると共に、前記箔状正極板と前記箔状負極板とで、厚さ方向視での活物質層の形成位置が位置ずれし、一方の前記活物質層形成部の角部と他方の前記未塗工部とが厚さ方向視で重なる状態で配置され、厚さ方向視で前記未塗工部と重なる前記活物質層形成部の角部の輪郭が、その角部を形成する２辺の直線を延長して交差させた仮想的な輪郭よりも内側に位置するように構成されている。
すなわち、発電要素から電力を取り出す電気配線のために、箔状正極板及び箔状負極板に活物質層を形成していない未塗工部を形成し、その未塗工部から配線を引き出す構成とする場合が多い。
このような場合の、上述の異物等による内部短絡の発生態様として、正負の極板うちの一方の極板の活物質層と他方の極板の未塗工部とが接触してしまう場合があり得るが、このような内部短絡では発生するジュール熱が大きくなることが知られている。
そこで、上述のように角部の輪郭形状を設定して、内部短絡の度合いを抑制することがより有効となる。

上記第１の発明によれば、箔状正極板又は箔状負極板の角部の輪郭形状を適切に設定することで内部短絡の度合いを抑制でき、発電要素の内部短絡に対して、より有効に対処できるものとなった。
更に、異物からの押圧力によるもぐりこみを抑制して、非常に有効に内部短絡の度合いを小さくできる。
更に又、角部の輪郭形状を、角部を形成する２辺の直線と鈍角で交差する直線として形成することで、内部短絡の度合いを小さくでき、発電要素の内部短絡に対して、より有効に対処できるものとなった。
又、上記第２の発明によれば、活物質層と未塗工部との接触による内部短絡の度合いを小さくすることができ、有効に内部短絡に対処できる。

本発明の実施の形態にかかる電池の外観斜視図本発明の実施の形態にかかる電池の内部を示す斜視図本発明の実施の形態にかかる電池の内部を示す正面図本発明の実施の形態にかかる箔状負極板等を示す図本発明の実施の形態にかかる発電要素の巻回工程を示す斜視図本発明の実施の形態にかかる発電要素の模式図本発明の実施の形態にかかる発電要素の正面図本発明の別実施形態にかかる箔状負極板等を示す図本発明の別実施形態にかかる発電要素の正面図本発明を説明するための模式図

以下、本発明の二次電池の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本実施の形態では、電池として非水電解液二次電池（より具体的にはリチウムイオン電池）を例示して説明する。

〔非水電解液二次電池ＲＢの構成〕
図１及び図２の斜視図並びに図３の正面図に示すように、本実施の形態の非水電解液二次電池ＲＢは、有底筒状（より具体的には有底矩形筒状）の缶体１の開放面に略平板状の蓋部２を被せて溶接して構成した筐体ＢＣを有している。蓋部２は短冊状の長方形に形成されており、筐体ＢＣは全体として扁平な直方体形状を有している。尚、図２は、完成した二次電池ＲＢ（図１に示すもの）から缶体１を除いて筐体ＢＣ内部の構成を図示している。又、図３は、缶体１及び後述の発電要素３を２点鎖線で示して、筐体ＢＣの内部を透視した形態で示している。

筐体ＢＣの内部には、図２及び図３に示す発電要素３と集電体４，６とが電解液に浸される状態で収納配置されている。従って、筐体ＢＣが発電要素３を収納する容器となっている。
発電要素３は、箔状正極板と箔状負極板とをセパレータを挟んで配置したもので、詳しくは後述するが、箔状正極板と箔状負極板とからなる一対の電極板の夫々に活物質を塗布し、セパレータを挟んで巻回して構成されている。
発電要素３は、箔状正極板の活物質未塗工部分が側方に延出して集電体４に溶接され、箔状負極板の活物質未塗工部分がそれと反対側の側方に延出して集電体６に溶接されている。

金属製の蓋部２には、正極側の集電体４及びその集電体４に接続されている正極の電極端子である端子ボルト５と、負極側の集電体６及びその集電体６に接続されている負極の電極端子である端子ボルト７とが取り付けられ、集電体４，６は、これらの筐体ＢＣ外方側に配置される電極端子と発電要素３とを電気的に接続している。
端子ボルト５の蓋部２への取付固定は、蓋部２を挟む状態で配置される一対のパッキン９，１０を端子ボルト５の頭部と集電体４とで挟んで、端子ボルト５の頭部に形成されているリベット５ａをかしめることで行う。
負極側についても同様の構造であり、蓋部２を挟む状態で配置される一対のパッキン１１，１２を端子ボルト７の頭部と集電体６とで挟んで、端子ボルト７の頭部に形成されているリベット７ａをかしめることで、端子ボルト７を蓋部に固定する（図３参照）。
端子ボルト５，７や集電体４，６を含む負極側の電極構造と正極側の電極構造とは同一構造のものが対称に配置されている関係にあり、金属部材の材料のみが異なる。
正極側の金属部材はアルミニウムにて構成し、負極側の金属部材は銅にて構成している。

〔二次電池ＲＢの製造工程〕
次に、二次電池ＲＢの製造工程について概略的に説明する。
先ず、発電要素３の組み立てについて説明する。
発電要素３は、図４に概略的に示すように、長尺帯状のアルミ箔の表裏両面に正極用の活物質を塗布して活物質層を形成した箔状正極板２２と、銅箔の表裏両面に負極用の活物質を塗布して活物質層を形成した箔状負極板２３とを、セパレータを挟んで、巻芯に巻回することによって製作する。巻回の向きは、箔状正極板等の長手側の辺を巻芯周りに巻く向きとしている。
図４では、箔状正極板２２等の幅方向を矢印Ｄで示しており、矢印Ｄと垂直な方向（紙面の縦方向）が長手方向となる。図４における幅方向（矢印Ｄ方向）での箔状正極板２２と箔状負極板２３との位置関係は、これらを巻芯に巻く際の位置関係と一致させて表示している。又、図４における上方側の端部が巻芯に巻き始める始端側を示しており、下方側の端部が巻回の終端を示している。
箔状正極板２２及び箔状負極板２３は、何れも、幅方向端部において活物質層を形成していない未塗工部２２ａ，２３ａを有しており、箔状正極板２２及び箔状負極板２３の夫々において斜線を付して示す未塗工部２２ａ，２３ａ以外の部分が、活物質層を形成した活物質層形成部２２ｂ，２３ｂである。

図４に示すように、箔状正極板２２の未塗工部２２ａ箔状負極板２３の未塗工部２３ａとは、幅方向において互いに異なる側の端部に位置しており、夫々が位置する端部において他の部分及び部材よりも突出しており、夫々異なる方向に突出する配置姿勢となっている。
又、図４において「ΔＷ」として示すように、箔状負極板２３の活物質層形成部２３ｂは、箔状正極板２２の活物質層形成部２２ｂよりも幅方向での長さが長く、巻回して両者を重ね合わせた状態では、厚さ方向視での活物質層の形成位置が位置ずれし、負極側の活物質層形成部２３ｂが正極側の活物質層形成部２２ｂからはみ出す状態となる。
このように、箔状負極板２３は箔状正極板２２よりも、厚さ方向視での活物質層の形成エリアが大となるように設定されて、正極側の活物質層形成部２２ｂの端縁を負極側の活物質層形成部２３ｂで覆う位置関係としているので、負極側のＬｉイオン受け入れ性不足によるＬｉの析出を防止しており、正極活物質を有効活用することにもなっている。
更に、箔状負極板２３については、図４における下端、すなわち、巻回の終端部２３ｃにおいて、箔状負極板２３のうちの活物質層形成部２３ｂの角部２３ｄが外方側に凸の円弧状となるように切り欠かれており、上記角部２３ｄの輪郭が、その角部を形成する２辺（図４における活物質層形成部２３ｂの左辺と下辺）の直線を延長して交差させた仮想的な輪郭（直角をなす２点鎖線Ｆで示す輪郭）よりも内側に位置するように構成している。

〔極板巻回工程〕
箔状正極板２２，箔状負極板２３及びセパレータ２４の巻き付け工程は、図５に概略的に示すようにして行う。
図５では、巻芯２１の中空部に巻回用ローラ２６を通すと共に、巻回用ローラ２６と、その巻回用ローラ２６の外周面に圧着される圧着ローラ２７との間に箔状正極板２２，箔状負極板２３及びセパレータ２４を送り込んで巻回して行く様子を概略的に示している。巻芯２１への巻回は、内周側から、箔状負極板２３，セパレータ２４，箔状正極板２２及びセパレータ２４の順に重ね合わせて巻いて行く。このうち、２つのセパレータ２４は、それらの長手方向端部（巻き始め側の端部）を巻芯２１の外周にテープ止めあるいは熱溶着等によって固定している。
図５で示す巻き始め位置では、箔状負極板２３は、巻芯２１とセパレータ２４との間に挟み込むように、又、箔状正極板２２は、２つのセパレータ２４間に挟み込むようにして巻き始める。
巻芯２１へ箔状正極板２２等を巻く際の軸芯方向での位置関係は図４に示す通りであり、箔状正極板２２等の幅方向が巻回軸芯方向となっている。

〔押圧工程〕
上記のようにして所定の長さの箔状正極板２２等を巻回した後に、巻回用ローラ２６から取り外し、更に、外周面の法線方向（巻回軸芯方向と直交する方向）で押圧して扁平形状に成形して、扁平形状の発電要素３とする。
図６は、扁平形状とした状態で、巻芯２１に箔状正極板２２等を巻回した様子を、巻回軸芯方向視で模式的に示している。
箔状正極板２２等の長さは、図６に示すように、箔状正極板２２と箔状負極板２３とでは、箔状負極板２３が箔状正極板２２よりも外周側に位置する長さに設定され、セパレータ２４は、その箔状負極板２３よりも更に外周側に位置する長さに設定されている。

図７に、上記のように押圧した発電要素３を、セパレータ２４を除いた状態で、正面視で示す。
図７では、最も外周側の箔状負極板２３が現れており、又、箔状正極板２２の活物質層形成部２２ｂの幅方向での端部位置を左右一対の破線Ｅにて示している。
図７に示すように、箔状負極板２３の終端部２３ｃでは、箔状負極板２３の活物質層形成部２３ｂの角部２３ｄと箔状正極板２２の未塗工部２２ａとが厚さ方向視で重なる位置関係となっている。
この角部２３ｄの輪郭は、上述のように、その角部２３ｄを形成する２辺（図４における活物質層形成部２３ｂの左辺と下辺）の直線を延長して交差させた仮想的な輪郭（直角をなす輪郭）よりも内側に位置するように構成しており、このような輪郭形状とすることで、この部分に異物等の押圧力が作用しても、箔状負極板２３の巻き込みが可及的に抑制される。尚、角部２３ｄの輪郭を、外方側に凸の円弧状に形成する場合の角丸め寸法は、大きくなるに従って本発明の効果が大きくなるが、２ｍｍ以上とすることで確実に効果が得られる。

〔筐体組み立て工程〕
次に、蓋部２の組み立てについて説明する。
蓋部２は、端子ボルト５，７を取り付ける電極取付孔等を形成した金属製の板材に、集電体４，６と端子ボルト５，７とを、パッキン９，１０，１１，１２を挟んだ状態でリベット５ａ，７ａをかしめて固定する。
次に、上記のように蓋部２に固定された集電体４，６に発電要素３の上記未塗工部２２ａ，２３ａを溶接して接続することで、蓋部２と発電要素３とを一体化する。
集電体４，６は、図３に示すように、全体として略Ｌ字状に形成されており、発電要素３との接続部４ａ，６ａは、各部を組み立てた状態において、筐体ＢＣや発電要素３の扁平面と略並行姿勢となるように屈曲している。
上記のようにして蓋部２側の部材と発電要素３とを組み付けた後、更に、発電要素３を缶体１に収納して、蓋部２と缶体１とを溶接する。
これによって、二次電池ＲＢの筐体ＢＣの組み立てが完了する。
筐体ＢＣの組み立てが完了すると、次に、図示を省略する注液口から電解液を筐体ＢＣ内に注入し、電解液の注入が完了すると所定の充電条件で二次電池ＲＢの初期充電（予備充電）を行い、更にエージング等を行うことで二次電池ＲＢとして完成する。

〔別実施形態〕
以下、本発明の別実施形態を列記する。
（１）上記実施の形態では、箔状負極板２３における活物質層形成部２３ｂの角部２３ｄの輪郭形状を、その角部を形成する２辺の直線を延長して交差させた仮想的な輪郭よりも内側に位置する形状とするための具体例として、外方側に凸の円弧状に形成する場合を例示しているが、その具体形状は適宜に変更可能である。
例えば、図８に示すように、箔状負極板２３における活物質層形成部２３ｂの角部２３ｄの輪郭が、角部２３ｄを形成する２辺（活物質層形成部２３ｂの左辺と下辺）の直線と鈍角で交差する直線Ｇとして形成しても良い。図８は、上記実施の形態の図４に対応するもので、対応する部位等には同じ符号付して示している。
図８に示す例では、直線Ｇが、上記２辺と夫々１３５度をなす場合を例示している。
図８に示す箔状正極板２２等を用いて、上記実施の形態と同一の工程で発電要素３を作成したものを図９に示す。図９は、上記実施の形態における図７に対応するもので、ここでも、対応する部位等には同じ符号を付して示している。
図９に示すものにおいても、上記実施の形態において図７で説明したのと同様に、箔状負極板２３の終端部２３ｃでは、箔状負極板２３の活物質層形成部２３ｂの角部２３ｄと箔状正極板２２の未塗工部２２ａとが厚さ方向視で重なる位置関係となっている。
この角部２３ｄの輪郭を上記直線Ｇで切り欠いた形状として、その角部２３ｄを形成する２辺（図４における活物質層形成部２３ｂの左辺と下辺）の直線を延長して交差させた仮想的な輪郭（直角をなす輪郭）よりも内側に位置するように構成しており、このような輪郭形状とすることで、この部分に異物等の押圧力が作用しても、箔状負極板２３の巻き込みが可及的に抑制される。尚、この場合の角落とし寸法は、大きくなるにしたがって本発明の効果が大きくなるが、２ｍｍ以上とすること確実に効果が得られる。

（２）上記実施の形態では、箔状負極板２３の角部の輪郭を、外方側に凸の円弧状に形成して、その角部２３ｄを形成する２辺の直線を延長して交差させた仮想的な輪郭よりも内側に位置するように構成する場合を例示しているが、箔状正極板２２の角部の輪郭をこのような形状に形成しても良い。
（３）上記実施の形態では、箔状正極板２２と箔状負極板２３とを、セパレータを挟んだ状態で巻回することで発電要素３を構成する場合を例示しているが、夫々多数枚の箔状正極板と箔状負極板とを、セパレータを挟んで単純に積層する形態で発電要素を構成する場合にも本発明を適用できる。

３発電要素
２２箔状正極板
２３箔状負極板
２２ａ，２３ａ未塗工部
２２ｂ，２３ｂ活物質層形成部
２４セパレータ

Claims

箔状正極板と箔状負極板とをセパレータを挟んで配置した発電要素が備えられた電池であって、
前記発電要素は、前記箔状正極板と前記箔状負極板とを前記セパレータを挟んだ状態で巻回して構成され、
前記箔状正極板又は前記箔状負極板は、前記巻回の最外周における角部の輪郭が、その角部を形成する２辺の直線を延長して交差させた仮想的な輪郭よりも内側に位置するように構成され、
前記輪郭が、前記角部を形成する２辺の直線と鈍角で交差する直線として形成されている電池。
前記箔状正極板及び前記箔状負極板は、夫々、活物質層を形成した活物質層形成部と、活物質層を形成していない未塗工部とが備えられ、
前記箔状正極板の前記未塗工部と前記箔状負極板の前記未塗工部とは、互いに異なる側の端部に位置して、異なる方向に突出する状態で配置されると共に、
前記箔状正極板と前記箔状負極板とで、厚さ方向視での活物質層の形成位置が位置ずれし、一方の前記活物質層形成部の角部と他方の前記未塗工部とが厚さ方向視で重なる状態で配置され、
厚さ方向視で前記未塗工部と重なる前記活物質層形成部の角部の輪郭が、その角部を形成する２辺の直線を延長して交差させた仮想的な輪郭よりも内側に位置するように構成されている請求項１記載の電池。