(57)【要約】【課題】エネルギー密度の高い電池を提供する。【解決手段】帯状の正極板と負極板とをその間に帯状のセパレータを介在させて渦巻き状に捲回してなる略円柱状の極板群を有底円筒形のケースに封入し、さらに負極リードおよび正極リードのうちの少なくとも一方のリード９の一端側部分１２が、負極板および正極板のうちの対応する極板の、極板群における最外周面からリード厚みの２倍までの範囲内の位置にある周面上において接続され、他端側部分１３が対応する負極端子であるケースの底面部または封口板に設けた正極端子に接続された電池であって、リード９は、その折り曲げ部分に切欠き部１４を有し、かつそれより極板群側となる部分１２が極板群の周側面に沿うようにその幅方向断面の形状が半円弧状となるよう湾曲させた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状の正極集電体上に正極活物質を含む正極合剤を保持させた正極板と、帯状の負極集電体上に負極活物質を含む負極合剤を保持させた負極板との間に、帯状のセパレータを介在させて渦巻き状に捲回してなるほぼ円柱状の極板群を有底円筒形のケースに封入し、さらに負極リードおよび正極リードのうちの少なくとも一方のリードの一端側が、前記負極板および前記正極板のうちの対応する極板に接続され、前記リードの他端側が対応する電極端子である前記ケースの底面部または封口板に設けられた端子に接続された円筒形電池であって、
前記リードはその折り曲げ部分に切欠き部を有し、かつ前記切欠き部より前記極板群側の部分が前記極板群の周側面に沿うようその幅方向断面の形状を半円弧状に湾曲させた円筒形電池。
【請求項２】
前記一方のリードの一端側と接続された極板が、その最外周側に正極合剤または負極合剤を保持していない集電体の露出部を有し、その露出部に前記リードの一端側が位置する請求項１に記載の円筒形電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒形電池、特にエネルギー密度を向上させた円筒形の非水電解液電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
円筒形の電池では、一般に、正極板、負極板、および両極板間に介在させたセパレータをスパイラル状に捲回して構成した極板群、または非捲回型の電極群を有底円筒形の電池ケースに挿入し、電池ケースの開口部側を封口体で密閉する構造がとられる。これらの電池では、一般に、電池ケースを負極の外部端子として、また封口体の中央に配置した端子を正極の外部端子として機能させる。
【０００３】
正極および負極の各活物質層から外部端子までの集電方法は様々であり、捲回型極板群を備える電池では、活物質層から金属箔等の集電体、さらにこの集電体から金属板のリードを通して外部端子まで通電させるのが一般的である。
【０００４】
このとき、電池ケースと接続する電極の一方のリードを、極板群の最外周部分で極板と接続し、電池ケースの内壁面から底部内面上までケース壁面に沿わせて配置し、底部内面の中央部分でケースと接続する構造が広く採用されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】実開昭６３−１８７７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような円筒形の電池では、図４（Ａ）に示すように、ほぼ円柱状の極板群４１の電極最外周部分に、形状が短冊状のリード４２の、長手方向の一方の端部側部分４３をスポット溶接などの方法で接合し、他方の端部側の部分４４を極板群４１の端面に沿うようほぼ直角に折り曲げる。これにより、リード４２は、その端部４３では極板群４１の周面に沿ってカールするものの、折り曲げ箇所で長手方向と直交する方向に湾曲する。このため、極板群４１とリード４２とを備えた発電要素は、図４（Ｂ）に示すような、径方向へ突出する部分４５が極板群４１の端面周縁の一部に形成された形状となり、真円柱形とはならない。このため、円筒状のケース４６に収納したときに、ケース内壁面と極板群４１との間に空間が発生してしまう。このような空間部分がケース４６内に形成されるため、発電要素である極板群４１の、ケース内空間に占める割合が小さくなり、エネルギー密度が小さくなるという問題がある。
【０００６】
また、リード４２の、極板群４１と接続される部分４３を、極板群４１の周面に沿わせて密着するように幅方向断面形状を半円弧状に湾曲させても、さらにケース４６の底面に沿うよう折り曲げることから、依然として発電要素を真円柱形とすることができない。
【０００７】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、極板群に接続するリードを新規な構造として上述したような空間部分を縮小させ、ケース内に占める発電要素の容積比率を高めることによって、エネルギー密度の高い円筒形電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するために、本発明の円筒形電池は、帯状の正極集電体上に正極活物質を含む正極合剤を保持させた正極板と、帯状の負極集電体上に負極活物質を含む負極合剤を保持させた負極板との間に、帯状のセパレータを介在させて渦巻き状に捲回してなるほぼ円柱状の極板群を有底円筒形のケースに封入し、さらに負極リードおよび正極リードのうちの少なくとも一方のリードの一端側が対応する極板に接続され、リードの他端側が対応する電極端子であるケースの底面部または封口板に設けられた端子に接続された電池であって、リードがその折り曲げ部分に切欠き部を有し、かつ切欠き部より極板群側の部分が極板群の周側面に沿うようその幅方向断面の形状を半円弧状に湾曲させたことを特徴とする。
【０００９】
さらに、上述の電池において、前記一方のリードの一端側と接続された極板が、その最外周側に正極合剤または負極合剤を保持していない集電体の露出部を有し、その露出部に前記リードの一端側が位置するのがより好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、リードが折れ曲がる部分に切欠き部を設けたことによって、この折り曲げ部分のリード幅方向の大きさがいちじるしく縮小され、極板群およびリードからなる発電要素の形状をより真円柱に近い形状とすることができる。このため、発電要素である極板群がケース内で占める容積比率が増大し、エネルギー密度が高められる。そして、リードの切欠き部形成箇所以外の部分では幅広であって、幅方向断面が湾曲していることから、集電体やケースとの接触面積を増大させることができ、内部抵抗の低減が可能となる。
【００１１】
さらに、一方のリードの極板に対する接続位置を極板群における最外周側の合剤を保持していない集電体の露出部の位置とすることで、発電要素がより一層真円柱状に近い形状となり、エネルギー密度の向上が図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
この円筒形電池は、図１に示すように、電池の外装体であり、負極端子を兼ねる導電性有底円筒状のケース１と、このケース１に挿入されたほぼ円柱状の極板群２と、ケース１の開口部を封止する絶縁性の封口板３とを備え、さらにケース１内には非水電解液が充填されている。封口板３は中央に正極端子４を有する。
【００１３】
極板群２は、帯状の正極板５および負極板６を、それらの間に帯状のセパレータ７を介在させて渦巻き状に、さらに最外周がセパレータ７で覆われるよう、捲回することによって円柱状に構成されている。正極板５と正極端子４とは正極リード８で接続され、また、負極板６とケース１とは後述する構造の負極リード９で接続されている。この極板群２は、その両端側にそれを挟み込むように絶縁板１０、１１が配置され、それらとともにケース１に挿入される。次にケース１の開口端側の外周に溝入れ加工することにより、内方へ突出する段部を形成する。極板群２はこの段部により絶縁板１０、１１とともにケース１内に保持される。
【００１４】
正極板５は、帯状の正極集電体と、その両面上に形成された正極活物質を含む正極合剤層とで構成されている。また、負極板６は、集電体と、その両面上に形成された負極活物質を含む負極合剤層とで構成されている。
【００１５】
図示した構造の電池では、負極リード９の一方の端部１２が極板群２の中心軸と平行になるよう配置され、極板群２の最外周側において集電体の負極合剤を形成していない露出部の範囲内の位置で、超音波溶接、抵抗溶接またはレーザ溶接などの方法で負極板６の集電体に接続されている。そして、このリード９は、その端部１２が極板群２の接続箇所での周面に沿ってカールし、さらにケース１の内壁面から底面へとそれに沿うようほぼ直角に曲げられて、他方の端部１３でケース１の底面部分に上述と同様の方法で接続されている。
【００１６】
負極リード９は短冊状の良導電性薄板からなり、上述した折り曲げ部分となる箇所両側には図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、切欠き部１４が対をなすようそれぞれに設けられて、局部的に幅狭となる部分が形成されている。
【００１７】
切欠き部１４の形状は、たとえば図２（Ａ）に示すような一辺が直線的で他辺が曲線をなす比較的鋭い形状の切り込みや、同図（Ｂ）に示すような二等辺三角形状、あるいは、同図（Ｃ）に示すように図（Ａ）の例よりも大きな角度の頂角を持つ三角形状とすることができる。無論、切欠き部の形状は例示したような三角形状に限られるものでなく、半円形状、半楕円形状、または方形状であってもよい。さらに、切欠き部を図に示したように対をなすよう向かい合わせで形成する以外に、たとえば片方のみとしてもよい。
【００１８】
なお、正極リード８についても、それを大きく折り曲げる構造の場合には、その折り曲げ部分にあらかじめ同様の切欠き部を設けておくことが望ましい。
【００１９】
そして、リード８、９の少なくとも一方を、極板群２の最外周側に位置するよう集電体に接続しておく。
【００２０】
図示した構造の電池では、負極リード９を極板群２の最外周部分に配置した例である。この構造の電池において、極板群２の外周部分に配置されたリード９の端部１２側を、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、極板群２の周側面に沿うよう幅方向断面の形状が半円弧状に湾曲させてカールさせることにより、極板群２のリード接続部分側を含めた発電要素全体の形状を、図３（Ｂ）に示すように真円柱に近づけることができる。さらに、極板群２の上端あるいは下端の部分においてケース内壁面に沿って折り曲げる箇所に、切欠き部１４を設けることにより、端部１２側をカールさせたことによって折り曲げることを困難なものとするという作用を軽減することができる。また、発電要素全体の形状も従来品に比べていちじるしく真円柱に近づけることが可能となり、同じケースの内径でも発電要素である極板群の占める割合を高めることができ、エネルギー密度の高い円筒形電池が得られる。
【００２１】
ところで、リードの折り曲げとカールとが相互にその成形をむずかしくするという作用を軽減するには、切欠きを入れる以外にも、幅の狭いリードを使用することも考えられる。しかし、全体にわたって幅を狭くした場合には、リードと極板やケースとの電気的な接続部分を含む電気的な接続構造体としての電気抵抗が高くなって、充放電特性が低下するという問題と、リードが幅狭であるために、リードとケースとの間の接合や、リードと集電体との間の接合での不良の発生率が高くなるという問題がある。
【００２２】
したがって、リードの極板群やケースとの接続部分は一定の幅以上であることが好ましく、折り曲げ部分のリード幅については本発明のように充放電特性に支障を生じない程度の幅となるよう切欠き部を設けることによって、上述の問題が容易に解消される。特に、極板群の径の小さい電池の場合においては、切欠き部を設ける利点がより大きくなる。
【００２３】
そして、極板群へのリード接続位置を、その最外周側の位置、すなわち極板の捲回径がもっとも大きい箇所とすることによって、切欠き部を入れた折り曲げ部分のリード幅方向の形状が極板群周縁から突出する現象を抑制することが可能となる。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００２５】
（Ａ）正極板の作製
正極活物質であるＬｉＣｏＯ2１００重量部と、導電剤であるカーボンブラック３．５重量部と、結着剤であるポリテトラフルオロエチレンの水性ディスパージョン（固形分６０重量％）７重量部と、増粘剤であるカルボキシメチルセルロースの水溶液（固形分１重量％）８０重量部とを混練し、固形分を均一に分散させて、ペースト状の正極合剤を得た。この正極合剤を、厚さ２０μｍのアルミニウム箔からなる集電体の両面に塗布し、乾燥させた後、圧延し、さらにドライエアー中において温度２００℃で５時間乾燥させた後、所定の寸法に切断して正極板５を得た。そして、この正極板５の長手方向の端部において、正極集電体の正極合剤を形成していない露出部に、幅４ｍｍ、厚さ１００μｍのアルミニウム製の正極リード８を正極板５の幅方向に、かつ端部がその外側に突出するように超音波溶接法で接続した。
【００２６】
（Ｂ）負極板の作製
負極活物質である人造黒鉛１００重量部と、結着剤であるスチレンブタジエンゴムの水性ディスパージョン（固形分４８重量％）５重量部と、増粘剤であるカルボキシメチルセルロースの水溶液（固形分１重量％）１４０重量部とを混練し、固形分を均一に分散させて、ペースト状の負極合剤を得た。この負極合剤を、厚さ１４μｍの銅箔からなる集電体の両面に塗布し、乾燥させた後、圧延し、さらにドライエアー中において温度１１０℃で５時間乾燥させた後、所定の寸法に切断して負極板６を得た。それから、この負極板６の長手方向の端部において、負極集電体の負極合剤を形成していない露出部に、幅４ｍｍ、厚さ１００μｍのニッケル製の負極リード９を、負極板６の幅方向に、かつ端部がその外側へ突出するように抵抗溶接法により接続した。ここで負極リード９として、図２（Ａ）の形状の切欠き部を有するリードを使用した。
【００２７】
（Ｃ）非水電解液の調製
エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとの体積比１：３の混合溶媒に、ＬｉＰＦ6を１モル／リットルの割合で溶解させて、非水電解液を得た。
【００２８】
次に、ニッケル製の負極リード８の加工、および電池の作製について述べる。
【００２９】
《実施例１》
図２に示すように、帯状の負極リード９に切欠き部１４を設けた後、負極板６の銅箔に接続した。その後、切欠き部１４より銅箔側の負極リード９の一端側部分１２を、銅箔ととともに、幅方向断面形状が半円弧状になるよう湾曲加工した。この湾曲部分の曲率は、極板群２の形態にしたときのその最外周の曲率に合うようにした。
【００３０】
正極板５および負極板６の長手方向の長さを、極板群２の最大群径が１７．５ｍｍとなるように調整した。これらの極板５、６を、負極リード９が極板群２の外周側に、また正極リード８が極板群２の内周側に位置するように、ポリエチレン製のセパレータ７とともに捲回して、極板群２を作製した。極板群２の下端側、すなわちケース１の底部側にはガラスフェノール製の絶縁板１１を配置した。負極リード９を絶縁板１１に沿うように切欠き部１４を設けた箇所で折り曲げ、ニッケルめっきを施した鉄製の電池外装体であるケース１内に挿入した。負極リード９の他端側の部分１３とケース１とを溶接し、極板群２のケース開口側に絶縁板１０を配置した。そして、ケース１の絶縁板１０よりも開口側の部分を溝加工し、正極リード８に封口板３の正極端子４を接続し、電解液を注入してから、封口板３をケース開口部分に配置し、ケース開口部分をかしめて封口し、径１８ｍｍ、高さ５０ｍｍの円筒形電池を作製した。
【００３１】
《比較例１》
短冊状の負極リードを切欠き加工をしないこと、負極リードのカール加工をしないこと、正極板および負極板の長さを最大群径が実施例１と同じく１７．５ｍｍになるように調整したこと以外は、実施例１と同じ条件で、径１８ｍｍ、高さ５０ｍｍの円筒形電池を作製した。
【００３２】
《実施例２》
正極板５および負極板６の長さを、極板群２の最大径が１３．５ｍｍとなるように調整したこと以外は、実施例１と同じ条件で、径１４ｍｍ、高さ５０ｍｍの円筒形電池を作製した。
【００３３】
《比較例２》
短冊状の負極リードを切欠き加工をしないこと、負極リードのカール加工をしないこと、正極板および負極板の長さを最大群径が実施例２と同じく１３．５ｍｍになるように調整したこと以外は、実施例２と同じ条件で、径１４ｍｍ、高さ５０ｍｍの円筒形電池を作製した。
【００３４】
《実施例３》
正極板５、負極板６の長さを、最大群径が９．５ｍｍとなるように調整したこと以外は、実施例１と同様にして、径１０ｍｍ、高さ５０ｍｍの円筒形電池を作製した。
【００３５】
《比較例３》
短冊状の負極リードを切り欠き加工をしないこと、銅箔と負極リードのカール加工をしないこと、正極板、負極板の長さを最大群径が実施例２と同じく９．５ｍｍになるように調整したこと以外は、実施例３と同様にして、径９ｍｍ、高さ５０ｍｍの円筒形電池を作製した。
【００３６】
各実施例および比較例で作製した円筒形リチウムイオン二次電池について、各１０セルの放電容量を測定した。
【００３７】
充電は、定電流定電圧方式で温度２５℃の雰囲気中で行った。定電流領域での電流を、実施例１と比較例１については１６５０ｍＡとし、実施例２と比較例２とについては９２０ｍＡ、実施例３と比較例３については３６０ｍＡとし、いずれも電池電圧が４．２Ｖに達した後、同電圧で充電を行った。また、定電圧充電の終止電流は、実施例１と比較例１については８５ｍＡ、実施例２と比較例２については４６ｍＡ、実施例３と比較例３については１８ｍＡとした。
【００３８】
放電は、定電流方式で温度２５℃の雰囲気中で行った。放電電流を、実施例１と比較例１については１６５０ｍＡ、実施例２と比較例２については９２０ｍＡ、実施例３と比較例３については３６０ｍＡとし、放電終止電圧は３．０Ｖとした。各実施例および比較例の放電容量の平均値を表１に示す。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
表１に示すように、同じ電池寸法の実施例１と比較例１、実施例２と比較例２、実施例３と比較例３とをそれぞれ比較すると、いずれの実施例も比較例に対して放電容量の大きい電池を得ることができた。これは、負極リード９の折り曲げ部分に切欠き部１２を設けたこと、および、負極リード９を負極板６との接続部分側を極板群２の円柱側面に沿うようカール加工したことによって、電池内の空間内で発電要素が占める割合を高くすることができたためである。また、電池の径の小さい実施例ほど、同寸法の比較例の放電容量に対する放電容量の比率が高い。これは、極板群の曲率が小さくなるほど、負極リードの切欠き加工と負極リードのカール加工をしなかった場合には、電池内の空間を発電要素の占める割合が小さくなるためであり、本発明の構造とすることによる効果はより一層顕著となる。
【００４１】
なお、リードに切欠き設けることによる形成される狭窄部分の幅（ｗ）を、残余の部分の幅（Ｗ）に対して、ｗ／Ｗ＝８０〜１０％の範囲内とするのが望ましい。その比率が大きくなると、切欠き部を設けたことによる極板群の形状改善効果が小さくなる。またその値が小さくなると、リードが損傷を受けやすくなって、衝撃や振動が加えられると破損しやすくなる。このようなことから、実使用上、上述の寸法比率の範囲内とすることが推奨される。
【００４２】
また、前述した実施例では負極リードを極板群外周側に配置した電池について説明したが、正極リードを外周側に配置した電池についても同様の効果が得られるものである。
【００４３】
なお、外部短絡が起こった場合にリードに大電流が流れて発熱しリード近傍においてセパレータが熱影響を受けるおそれがある。本発明では、リード部を幅方向断面の形状が半円弧状となるよう湾曲加工して電極板と面接触させたので、従来のような点接触状態の構造の電池に比べてリード接続部分近傍での発熱のおそれがいちじるしく軽減される。また、ケースとの接触部分を幅広とすることができることから、リードからケースへの熱伝導が改善され、熱放散性が高められるため、電池の安全性を向上させることができるという効果も得ることができる。さらに、リードと電極板とが広い面積で接触することから、接続箇所の抵抗が低減され、結果として電極板と端子との間を低抵抗とすることができる。
【００４４】
さらに、上述の実施例におけるように、リードの湾曲部分の曲率を、あらかじめ極板群２の形態にしたときの正極または負極の接続部分での曲率半径に成形しておくことで、極板群２を円柱状に成形することが容易となる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の円筒形電池は、長寿命の直流電源として使用される。特に、電子機器用の電源として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の円筒形電池の実施の形態の縦断面図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は本発明におけるリードの形状の代表例を示す平面図である。
【図３】（Ａ）は本発明の円筒形電池の主要部の構造を説明するための斜視図、（Ｂ）はその底面図である。
【図４】（Ａ）は従来の円筒形電池の主要部の構造を説明するための斜視図、（Ｂ）はその底面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１    ケース
２    極板群
３    封口板
４    正極端子
５    正極板
６    負極板
７    セパレータ
８    正極リード
９    負極リード
１０、１１    絶縁板
１４    切欠き部
【図１】
2010010096.tif 000004
【図２】
2010010096.tif 000005
【図３】
2010010096.tif 000006
【図４】
2010010096.tif 000007