(57)【要約】  本発明は、円筒型リチウムイオン二次電池である。本発明のリチウムイオン電池は、電池異常時に発生するガスの排気通路を確保するため、帯状電極の長辺方向である捲回方向に断続的に形成された短冊状リード片が溶接された極柱と電池缶内壁までの距離をＡ、同じく極柱と電極捲回群間での距離をＢ、とした場合に、Ｂ／Ａの値が最適化された構造を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に負極活物質層を形成した正極電極と、電解質を保持するセパレータと、表面に正極活物質層を形成した負極電極と、を軸心に捲回して形成した電極捲回群と、
前記電極捲回群と電池端子との間に配置され、前記電極捲回群と前記電池端子との電気的な接続に寄与する極柱と、
前記正極電極及び前記負極電極の一辺に設けられた活物質未塗布部分に、短冊状に形成され、前記極柱に電気的に接続されたリード片と、
を電池缶に収容してなるリチウムイオン電池であって、
前記電池缶の内壁から前記極柱までの距離をＡとし、前記電極捲回群から前記極柱までの距離をＢとしたときに、Ｂ／Ａの値が１．４〜２．６であることを特徴とするリチウムイオン電池。
【請求項２】
前記Ｂ／Ａの値が１．６〜２．０であることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項３】
前記電極捲回群と前記極柱との間に間隙を有することを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【請求項４】
前記軸心と前記極柱との接合部に、スペーサを配置したことを特徴とする請求項３に記載のリチウムイオン電池。
【請求項５】
前記極柱が円柱状であることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン電池の構造に係り、特に電池の極柱周辺の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題を背景にして、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）、フォークリフト、ショベルカー等の移動体のみならず、ＵＰＳ（無停電電源装置）、太陽光発電の電力貯蔵などの産業用用途にも、リチウムイオン電池を代表とする二次電池の適用が図られている。このような二次電池の用途拡大に伴い大容量化、高エネルギー密度化が求められている。また、これら高性能化に加え、安全性も重要な課題となっている。二次電池としては、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等がある。ニッケルカドミウム電池はカドミウムが有毒であることなどから、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池への転換が進んでいる。現存する二次電池の中でも特にリチウムイオン二次電池は高エネルギー密度化に適しており、現在でもその開発が盛んに進められている。【０００３】
このニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池の主要な構成は、表面に負極活物質層を形成した金属集電体（負極）と、電解質を保持するセパレータと、表面に正極活物質層を形成した他の金属集電体（正極）とからなっている。ニッケル水素電池は、正極にニッケル酸化物、負極に水素吸蔵合金からなっている。また、リチウムイオン二次電池は、正極にリチウム金属酸化物、負極に黒鉛などのカーボン材料からなっている。【０００４】
電池構造としては、帯状の負極、セパレータ、正極を渦巻き状に巻いた捲回型構造と、短冊状の負極、セパレータ、正極を交互に配置した積層型構造とに大別される。捲回型構造を有する捲回密閉式電池の場合、電池缶の中に発生したガスを迅速かつスムースにガス排気弁付近へと誘導しなければならないという一方で、帯状の負極・正極群と、電池端子につながる極柱とを電気的に接続するリード片をどのように配置するかが、ガスの通り道を決める要因ともなる。【０００５】
捲回密閉式電池のガス排出機構としては、特許文献１に開示された発明がある。特許文献１では、多数枚のリード片が、極板捲回群の端面とそれと対向する位置にあるガス排気弁を有する電池蓋との間に、重なり合うようにして存在した場合、ガスの通路を塞ぐ不具合を、極板捲回時に極板上でリード片の配置を等間隔とせずに予め位相をずらして、故意に隙間を作ってガスの通り道を形成することを開示している。さらに、ガス排気通路上に設置された極柱に孔を設けて、ガスの通り道を設ける場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３６３３０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１にも記載されている通り、極板の厚みむらにより捲回工程前のリード片の位置制御が不可能な場合があり、ガスの通路を確保することが困難となる。本発明が解決しようとする課題は、極板群の捲回工程前に、リード片の位置を制御することなく、電池内部で発生したガスのガス抜け効果を改善することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の捲回密閉式電池の一例であるリチウムイオン電池では、電池内部でガスが発生した場合に、ガスにより電池缶内が所定圧力を超えると、開裂してガスを缶外に放出する開裂弁が備えられている。しかし、電池内部のガスの流路を考慮しなければ、電池の内圧が電池缶強度の限界に達してしまい、電池の膨れや破裂を招く結果となることがある。
この問題を解決するため、本発明は図２に示す捲回密閉式電池の電池缶内壁から極柱までの距離Ａに対して、電極捲回群から極柱までの距離Ｂの大きさを最適化することによって、電池内部で発生したガスの流れ、すなわちガスを排気するに当たって、より迅速にスムースにガスの流れをコントロールし、缶外にガスを排気する構造とした。【０００９】
具体的には、以下の構成とすることにより、課題を解決できると考える。
表面に負極活物質層を形成した正極電極と、電解質を保持するセパレータと、表面に正極活物質層を形成した負極電極と、を軸心に捲回して形成した電極捲回群と、電極捲回群と電池端子との間に配置され、電極捲回群と電池端子との電気的な接続に寄与する極柱と、正極電極及び負極電極の一辺に設けられた活物質未塗布部分に、短冊状に形成され、極柱に電気的に接続されたリード片と、を電池缶に収容してなるリチウムイオン電池であって、電池缶内壁から極柱までの距離をＡとし、電極捲回群から極柱までの距離をＢとしたときに、Ｂ／Ａの値が１．４〜２．６になるように構成したリチウムイオン電池とする。【００１０】
そのとき、Ｂ／Ａの値が１．６〜２．０であると好ましい。【００１１】
あるいは、電極捲回群と極柱との間に間隙を有する構成も好ましい。【００１２】
もしくは、軸心と極柱との接合部に、スペーサを配置した構成も好ましい。【００１３】
または、極柱が円柱状である構成も好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、極板群の捲回工程前にリード片の位置を制御することなく、電池内部で発生したガスのガス抜け効果を改善することができ、より安全性の高い捲回密閉式電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施例を説明する捲回電極群の構成図である。
【図２】本発明の一実施例を説明する電池要部の断面図である。
【図３】本発明の一実施例を説明する電極部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
電池の安全性を確保するため、電池には、安全弁などの安全機構部が付与されている。エネルギー密度が高い大容量のリチウムイオン二次電池は、過充電等の誤使用や異物の混入などによる短絡等によって、従来のリチウムイオン二次電池に比べて、破裂、発火等が生じた場合の被害規模が大きくなる。このため、エネルギー密度が高い大容量リチウムイオン二次電池は、熱暴走など異常時の際には、破裂、発火が生じないように、内在するエネルギーを電池外部に開放する必要がある。この機能を担うのが安全弁であり、またガス抜けの通路を最適化することも重要である。
【００１７】
以下、本発明に適用した実施形態であるリチウムイオン電池について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に適用可能な電極捲回群展開図を示し、図２は本発明のリチウムイオン電池の要部の断面図を示し、図３は本発明を適用可能な電極の拡大図を示すものである。
【００１８】
本実施形態は、円筒状電池容器１０に電極捲回群８を収納した、円筒型電池である。
電極捲回群８は図１に示すとおり帯状の負極電極３と帯状の正極電極１とをセパレータ２を介して軸芯４に捲回したものである。以下、正極電極１及び負極電極３の製造方法について説明する。
【００１９】
正極電極１の作製として、以下の方法を採用した。活物質であるマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）粉末に、導電材として燐片状黒鉛、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを添加する。さらに、これに分散溶媒としてＮ−メチルピロリドンを添加、混練したスラリを作製する。そして、このスラリをアルミニウム箔の両面に塗布して、極板を作製する。この時、極板の長寸方向の一方の側縁に幅約２０ｍｍの未塗布部を残した。その後、乾燥、プレス、裁断して正極板を得た。この未塗布部に図３に示す切り欠きを入れた。切り欠いた後に残った部分はリード片９となる。上述の工程によって最終的に得られたものが、正極電極１である。
【００２０】
負極電極３の作製として、以下の方法を採用した。活物質としての非晶質炭素材に、導電剤としてアセチレンブラック、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを添加する。これに分散溶媒としてＮ−メチルピロリドンを添加、混練したスラリを作製する。このスラリを圧延銅箔の両面に塗布して、極板を作製する。この時、極板の長寸方向の一方の側縁に未塗布部を残した。その後、乾燥、プレス、裁断して負極板を得た。この未塗布部に正極電極１と同様の切り込みを入れ、リード片９´とした。上述の工程によって最終的に得られたものが、負極電極３である。
【００２１】
電池の製造方法として、以下に示す方法を採用した。前述の方法で作成した正極電極１と負極電極３とをポリエチレン製セパレータ２とともに捲回する。正極電極１のリード片９と負極電極３のリード片９´とは、それぞれ電極捲回群８の互いに反対側の両端に位置するように捲回されている。でき上がった電極捲回群８は、その両端面からリード片９，９´がほぼ全面に渡って突き出している状態にある。
【００２２】
その後、極柱５と電極捲回群８の端面との接触を防ぐために、ポリプロピレン製の中空円柱状のスペーサ６が、電極捲回群８の中心軸である軸芯４のほぼ延長線上に配置される。中空円柱状のスペーサ６は、円柱形状の極柱５から突出した突起部と接続する。また、正極電極１から導出されているリード片９は、円柱形状の極柱５の外周部の全周に渡って接触させるように、変形させる（図２）。円柱形状の極柱５を用いることでリード片９を接触させる際の変形を容易にすることができ、リード片９の変形による切断を防ぐことができる。接触させた後でリード片９と極柱５の円柱形状外周部とを超音波溶接して電気的導通を得て、余分な部分をカットした。ここで、スペーサ６の高さを様々に変えることで、距離Ｂを２．９ｍｍから８．７ｍｍまで１０段階に変化させ、距離Ｂの異なる計１０種類の電池を製造した。一方、負極電極３から導出されているリード片９´と、負極の円柱形状の極柱５´との接続操作も前述の操作と同様に行った。
【００２３】
その後、電極捲回群８を円筒状電池缶１０に挿入し、電解液注液口１１、内部で発生したガスを排気するための開裂弁７を有する電池蓋１２で電池容器１０の両側開放部分を封口する。この際、電池容器１０の長手方向両端部の位置に外部接続用の電池端子１３が配置される。これにより、極柱５，５´は、電極捲回群８と電池端子１３との間に配置されて、電極捲回群８と電池端子１３との電気的な接続に寄与することになる。そして、電池蓋１２にある電解液注液口１１より電解液を所定量電池容器内に注入し、電解液注液口１１を封止することにより円筒型リチウムイオン電池を製造する。電解液にはエチレンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボネートの混合溶媒に６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を溶解したものを用いた。（実施例）
【００２４】
前述した方法により製造したリチウムイオン電池の過充電試験を行った。以下、本発明の実施例について、図表を用いて説明する。図２は本発明を適用した二次電池の要部の断面図である。
【００２５】
本発明では図中に示す円筒状電池缶１０の内壁から極柱５，５´までの距離をＡとし、電極捲回群８のエッジ面から極柱５，５´までの距離をＢとした。それぞれの電池について、試験を行った結果を表１に示す。表中の結果は円筒状電池缶１０の概観を○、△、×で判定し、それぞれ以下のように定義する。○：過充電試験前と同じ概観、△：電池缶に膨れが見られるが問題なし、×：電池缶に穴が開く。また、複合要素としてリード片９、９´の折れ曲がりの有無についても示した。表中の結果について、本試験では○、△について安全であると判定し、中でも○と評価した電池はより安全であると判定した。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表１に示す通り、リード片９、９´の折れ曲がりはＢ／Ａ＝１．０〜１．４で有、１．６〜３．０で無となり、有の領域では安全性はＢ／Ａ＝１．０〜１．２で×、Ｂ／Ａ＝１．４で△を示した。
【００２８】
Ｂ／Ａ＝１．０〜１．４の領域では図２中のＢの距離が短く、リード片９、９´の折れ曲がりが発生していた。リード片９、９´は折れ曲がりが発生した場合、その部分の強度が弱くなるため、過充電時に切れやすくなる。また、リード片９、９´は図３に示す通り、電極の一方の辺にほぼ等間隔に配置しており、この電極を捲回すると、電極捲回群８の中心部にリード片９、９´が密集するため、過充電時のガス排出が追いつかず、リード片９、９´が切れ、短絡を招く危険性が増すことになる。以上の結果より、Ｂ／Ａ＝１．０〜１．２における安全性の結果については×という結果になったと考えられる。また、Ｂ／Ａ＝１．４とした電池についてはＢの距離が電極捲回群８の中心部からのガス放出に効果があったと考えられ、安全性の結果は△となった。これは距離Ｂがガス排出に効果を現し、リード片９、９´切れによる短絡箇所の減少に寄与したためであると考えられる。
【００２９】
また、リード片９、９´の折れ曲がりが無であるＢ／Ａ＝１．６〜３．０の領域において、Ｂ／Ａ＝１．６〜２．０で過充電試験を行った。しかし、Ｂ／Ａ＝２．２〜３．０では安全性は×又は△となった。この領域の安全性悪化のトリガーはリード片９、９´の折れ曲がりや、電極捲回群８の中心部からのガス排出ではなく、電池に仕込まれる電解液量と考えられる。前述の通り、距離Ｂは図２記載のスペーサ６の厚みを変えて調整しており、それに伴い円筒状電池缶１０の長さが変化する。そのため、電解液量も設計上変化することになる。リチウムイオン電池は過充電時、電解液由来のガスを大量に発生する。発生したガスは図２のＡを通り、開裂弁７に達し、外部へ排出される。この際、発生したガスは円筒状電池缶１０の内壁との摩擦熱を生じながら排出されるため、ガスの流路となるＡ部内壁の温度は上昇し、変形しやすくなる。
【００３０】
実験の結果、Ｂ／Ａ＝２．２〜２．６では電池に仕込まれた電解液から発生したガスに対し、Ａ部付近で電池缶の膨れが生じたため、安全性は△であった。しかし、Ｂ／Ａ＝２．８〜３．０の領域では、Ａ部付近に穴が開き、安全性は×という結果となった。
以上の結果より、Ｂ／Ａ＝１．４〜２．６ｍｍの範囲で安全性が確認できた。また、特にＢ／Ａ＝１．６〜２．０ｍｍの範囲ではより良好な安全性が確認できた。
【符号の説明】
【００３１】
１…正極電極、２…セパレータ、３…負極電極、４…軸心、５，５´…極柱、６…スペーサ、７…開裂弁、８…電極捲回群、９，９´…リード片、１０…円筒状電池缶、１１…電解液注液口、１２…電池蓋、１３…電池端子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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