【手続補正書】
【提出日】平成17年5月17日(2005.5.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【発明の名称】電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】電極基体に活物質を保持させた帯状の正負極板をパレータを介して長円筒状に巻回してなる複数の発電要素と前記発電要素を収納する電池容器とを備えた電池において、
前記複数の発電要素は、長円筒状の長円側面を隣り合わせて並列接続されるとともに、巻回軸を水平方向にして前記電池容器に収納され、かつ、前記複数の発電要素は、前記セパレータの幅よりも狭い幅の絶縁材で個々に巻回されるか、複数個づつ巻回されるか、または全部が一まとめにして巻回されたことを特徴とする電池。
【請求項２】発電要素の端面から突出した電極基体に、端子に接続された金属製集電接続体の接続部を重ね合わせ、金属製挟持板の間に前記電極基体と接続部とを挟み込んで溶着又は圧着したことを特徴とする請求項１記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、巻回型の発電要素を備えた電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】電気自動車等に用いられる大型のリチウムイオン二次電池の構成例を図４に示す。このリチウムイオン二次電池は、長円筒形の発電要素１を４個密着して並べ並列接続したものである。各発電要素１は、図５に示すように、正極１ａと負極１ｂをセパレータ１ｃを介して長円筒形に巻回したものである。正極１ａは、電極基体となる帯状のアルミニウム箔１ｄの表面に正極活物質を担持させ、負極１ｂは、電極基体となる帯状の銅箔１ｅの表面に負極活物質を担持させている。ただし、これらの正極１ａと負極１ｂは、それぞれ帯状の片方の側端部に活物質を塗布しない未塗工部を設けておき、この未塗工部でアルミニウム箔１ｄと銅箔１ｅが露出するようにしている。そして、これらの正極１ａと負極１ｂは、発電要素１の巻回の際に、巻回軸に沿って互いに反対方向にずらすことにより、長円筒形の一方の端面には正極１ａの側端部のアルミニウム箔１ｄのみがはみ出し、他方の端面には負極１ｂの側端部の銅箔１ｅのみがはみ出すようにしている。
【０００３】上記４個の発電要素１は、図４に示すように、長円筒形の平坦な側面同士が隣接するようにして並べられる。そして、これらの発電要素１の両端面部にそれぞれ配置された波板状の集電接続体２に、各発電要素１からはみ出した正極１ａのアルミニウム箔や負極１ｂの銅箔を接続するようになっている。集電接続体２は、金属の平板を波板状の凹凸に成形し、これを２枚端部で合わせると共に、この合わせ部の上端に端子３を接続固定したものである。そして、正極端子３の側の集電接続体２は、波板状の各凹部に発電要素１の一方の端面からはみ出した正極１ａのアルミニウム箔を挟み込んで超音波溶接により接続固定し、負極端子３の側の集電接続体２は、波板状の各凹部に発電要素１の他方の端面からはみ出した負極１ｂの銅箔を挿入して超音波溶接により接続固定している。
【０００４】上記４個の発電要素１は、図示しない金属製の電池容器に収納される。この際、正極端子３と負極端子３の上端部は、絶縁封止材を介してこの電池容器を貫通し外部に突出するようになっている。そして、この電池容器の内部に電解液が充填されることによりリチウムイオン二次電池となる。尚、電池容器と発電要素の外周部とが直接接触するのを防止するため、巻回された発電要素の外周部には絶縁材が巻回されているとともに、集電接続体２と図示しない電池容器内面との間には絶縁板が配されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来は巻回された発電要素の外周に巻回された絶縁材の幅はセパレータの幅よりも広かったため、過充電などにおいて発電要素で発生する熱が放散されにくく、寿命性能等に悪影響がでるといった問題があった。
【０００６】本発明は、かかる事情に対処するためになされたものであり、発電要素で発生した熱が放散しやすく、寿命性能等がよい、発電要素の巻回軸を水平方向にして電池容器に収納した電池を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】請求項１の電池は、電極基体に活物質を保持させた帯状の正負極板をパレータを介して長円筒状に巻回してなる複数の発電要素と前記発電要素を収納する電池容器とを備えた電池において、前記複数の発電要素は、長円筒状の長円側面を隣り合わせて並列接続されるとともに、巻回軸を水平方向にして前記電池容器に収納され、かつ、前記複数の発電要素は、前記セパレータの幅よりも狭い幅の絶縁材で個々に巻回されるか、複数個づつ巻回されるか、または全部が一まとめにして巻回されたことを特徴とする。
【０００８】請求項１の発明によれば、電極基体に活物質を保持させた帯状の正負極板をパレータを介して長円筒状に巻回した複数の発電要素をセパレータの幅よりも狭い幅の絶縁材で巻回したので、発電要素で発生した熱が放散しやすく、寿命性能等がよい電池が得られる。尚、個々の発電要素の周囲に絶縁材を巻回してもよいし、２個の発電要素を一まとめにして絶縁材を巻回してもよいし、全部の発電要素を一まとめにして絶縁材を巻回してもよい。なお、発電要素の最外周にはセパレータが少なくとも一周巻回されるので、発電要素と電池容器とが短絡することはない。
【０００９】請求項２の電池は、発電要素の端面から突出した電極基体に、端子に接続された金属製集電接続体の接続部を重ね合わせ、金属製挟持板の間に前記電極基体と接続部とを挟み込んで溶着又は圧着したことを特徴とする特徴とする。
【００１０】請求項２の発明によれば、発電要素の電極の電極基体に集電接続体の接続部を重ね合わせて、これを挟持板の間に挟みこんで溶着等を行なうので、電流は主に集電接続体の接続部を通ることになり、この接続部の断面積を大きくして十分な電流が流れるようにすることができると共に、挟持板には溶着や圧着に適した厚さの金属板を用いることができるようになる。このため、超音波溶接等に最適な薄い板厚の挟持板を用いて、電極基体を十分確実に集電接続体の接続部に溶着させて接続固定することができるようになり、これらの電極基体が破断するようなおそれもなくなる。また、逆に挟持板の板厚を十分に厚くすれば、この挟持板の外側から強い力で圧迫することにより、電極基体と集電接続体の接続部を確実に圧着させて接続固定することもできるようになる。さらに、電極基体は、集電接続体の接続部ごとに挟持板で挟み込んで行けばよいので、組み立て作業も容易となる。
【００１１】長円筒状に巻回された発電要素の場合、円筒形に巻回された場合にくらべて容積エネルギー密度の高い電池が提供される。また、電極基体の直線状に突出する部分に接続部や挟持板を容易に溶着や圧着できるようになる。
【００１２】さらに複数の前記巻回体が、長円状の側面を隣り合わせて並列接続されていることにより、円筒形に巻回された場合にくらべて容積エネルギー密度が高いとともに、高容量の電池が提供される。また、電極基体の直線状に突出する部分に接続部や挟持板を容易に溶着や圧着できるようになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１４】図１〜図３は本発明の一実施形態を示すものであって、図１はリチウムイオン二次電池の発電要素と端子との接続構造を示す組み立て斜視図、図２は挟持板の間に挟み込んだ集電接続体の接続部と発電要素の正極や負極の金属箔とを示す横断面図、図３はリチウムイオン二次電池の端子に、蓋板に取り付けた端子台を接続固定した状態を示す斜視図である。なお、図４〜図５に示した従来例と同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記する。
【００１５】本実施形態は、従来例と同様に、電気自動車等に用いられる大型のリチウムイオン二次電池について説明する。このリチウムイオン二次電池は、図１に示すように、長円筒形の発電要素１を４個密着して並べ並列接続したものである。各発電要素１は、従来例と同じ構成であり、長円筒形の一方の端面からは正極１ａの側端部のアルミニウム箔がはみ出すと共に、他方の端面からは負極１ｂの側端部の銅箔がはみ出すようになっている。
【００１６】上記４個の発電要素１は、長円筒形の平坦な側面同士が接するようにして密着して並べられ、これらの発電要素１の両端面部にそれぞれ集電接続体２の接続部２ａが配置される。集電接続体２は、発電要素１の一方の端面側に配置するものはアルミニウム合金板からなり、他方の端面側に配置するものは銅合金板からなる。また、これらの集電接続体２は、高率放電時の大きな電流も十分に流せるようにある程度板厚の厚い金属板が用いられる。これらの集電接続体２は、ほぼ二等辺三角形状の水平に配置された金属板であり、この三角形状の底辺部から下方に向けて８本の細長い接続部２ａが突設されている。これらの接続部２ａは、集電接続体２の金属板をプレス加工によって細長い金属板状に抜き加工したものであり、下方に向けて屈曲させると共に、９０°のひねりを加えている。また、これらの接続部２ａには、図２に示すように、金属板の一方の表面側に突出する複数の凸部２ｂが形成されている。
【００１７】上記集電接続体２は、４個の発電要素１の両端部の上方にそれぞれ配置され、接続部２ａがこれらの発電要素１の端面部に配置されるようにする。即ち、発電要素１の正極１ａのアルミニウム箔がはみ出す側の端面部には、アルミニウム合金板からなる集電接続体２が配置され、負極１ｂの銅箔がはみ出す側の端面部には、銅合金板からなる集電接続体２が配置される。また、接続部２ａは、各発電要素１の端面に２本ずつ配置される。ここで、各発電要素１の端面には、正極１ａのアルミニウム箔か負極１ｂの銅箔が巻回された状態で長円筒形にはみ出しているので、これらの金属箔が直線状に束となった部分は、巻回軸を中心にして左右に分かれている。そして、各発電要素１ごとに配置された２本の接続部２ａは、これら左右に分かれた金属箔の束の外側にそれぞれ配置される。また、これら２本の接続部２ａは、図２に示すように、凸部２ｂの突出する側の面が内側、つまり金属箔の束側を向くように、互いに逆方向に９０°のひねりが加えられている。
【００１８】このようにして集電接続体２の接続部２ａが配置されると、挟持板４によって、各接続部２ａと共に、正極１ａや負極１ｂの金属箔の束を挟み込む。挟持板４は、短冊状の金属板を長手方向に沿って二つ折りにしたものであり、正極１ａ側の接続部２ａの場合にはアルミニウム合金板が用いられ、負極１ｂ側の接続部２ａの場合には銅合金板が用いられる。そして、これらの挟持板４の両側から超音波溶接を行なうことにより、それぞれの挟持板４の間に挟み込んだ集電接続体２の接続部２ａと正極１ａや負極１ｂの金属箔の束とを溶着させる。この際、挟持板４は、接続部２ａと金属箔の束とを溶着して接続固定するためだけに用いられるので、最適な超音波溶接が可能となるようなある程度薄い金属板を用いることができる。また、接続部２ａには、正極１ａや負極１ｂの金属箔の束と重なり合う面に凸部２ｂが形成されているので、これらの金属箔の束が凸部２ｂで集中的に超音波のエネルギーを受けて確実に溶着するようになる。
【００１９】発電要素１の両端部の上方に配置された正負の集電接続体２のほぼ二等辺三角形状の部分は、図３に示すように、絶縁封止材５を介して矩形の封口板６の下面の両側に取り付けられる。封口板６は、ステンレス鋼版からなり、上面の両側には、正負の端子３が別の絶縁封止材７を介して配置される。これらの端子３は、下端部が封口板６を貫通してそれぞれの集電接続体２のほぼ二等辺三角形状の頂点部付近にかしめによって接続固定される。また、これらの端子３の上端部は、絶縁封止材７上に配置された端子ボルト９を係止する端子台８にかしめによって接続固定される。これらの端子３は、アルミニウム合金板からなる集電接続体２にはアルミニウム合金製のものが用いられ、銅合金板からなる集電接続体２には銅合金製のものが用いられる。しかし、端子台８や端子ボルト９は、電解液に触れることがないので、これらアルミニウム合金や銅合金等よりも強度が高い鋼や鉄の合金等が用いられる。絶縁封止材５，７は、封口板６の上下に配置されて、集電接続体２や端子３、端子台８、端子ボルト９と封口板６との間を絶縁封止する樹脂成形板である。
【００２０】上記４個の発電要素１は、図示しないステンレス鋼板製の筐体の電池容器に収納され、封口板６がこの電池容器の上端開口部に嵌め込まれ溶接によって固着される。そして、この電池容器の内部に非水電解液が充填されることによりリチウムイオン二次電池となる。
【００２１】図６は巻回された発電要素がセパレータの幅よりも狭い幅の絶縁材で巻回された状態を示す図であり、（Ａ）は巻回された４つの発電要素１が各々、セパレータよりも幅の狭い絶縁材（この実施形態ではポリフェニレンサルファイド製のシート）１fで巻回された例を示す図であり、（Ｂ）は巻回された４つの発電要素１が２つづつセパレータよりも幅の狭い絶縁材１fで巻回された例を示す図であり、（Ｃ）は巻回された４つの発電要素１が４ついっぺんにセパレータよりも幅の狭い絶縁材１fで巻回された例を示す図である。これらの巻回された発電要素１は、アルミニウム箔１ｄと銅箔１eとセパレータ１cとが露出するよう、セパレータよりも幅が狭い絶縁材１fで巻回されている。
【００２２】上記構成のリチウムイオン二次電池によれば、電極基体に活物質を保持させた帯状の正負極板をパレータを介して巻回した発電要素がセパレータの幅よりも狭い幅を有する絶縁材で巻回されているので、発電要素で発生した熱が放散されやすく、寿命性能のよい電池となる。
【００２３】また、上記構成のリチウムイオン二次電池によれば、各発電要素１の正極１ａや負極１ｂと端子３との間の充放電電流は、もっぱら厚い金属板で構成される集電接続体２の接続部２ａを通して流れるので、十分に大きな充放電電流を流すことができるようになる。しかも、各発電要素１の正極１ａや負極１ｂの金属箔の束は、ある程度薄い金属板からなる挟持板４を介して接続部２ａに超音波溶接されるので、溶着が確実に行なわれ金属箔が剥がれ易くなるようなことがなくなる。
【００２４】また、この超音波溶接によるエネルギーを接続部２ａの凸部２ｂに集中させることができるので、金属箔の束をさらに確実強固に接続部２ａに溶着することができるようになる。さらに、各接続部２ａは、発電要素１の端面からはみ出した正極１ａや負極１ｂの金属箔の束の側部に配置され、これらの接続部２ａと金属箔の束を順に挟持板４の間に挟み込んで行けばよいので、従来のように、これらの金属箔の束を集電接続体２の波板状の各凹部に挿入する作業に比べて、容易に組み立て作業を行なうことができるようになる。
【００２５】また、上記リチウムイオン二次電池によれば、アルミニウム合金製や銅合金製の端子３が鋼や鉄の合金等からなる端子台８に接続固定され、外部回路との接続はこの端子台８に係止された端子ボルト９を介して行なうので、強度の弱いアルミニウム合金製や銅合金製の端子３に直接ねじ止めして接続を行なう必要がなくなり、このねじ止めの締め付けによって端子３が破損したり、この端子３が振動や衝撃を受けて変形するようなおそれもなくなる。
【００２６】なお、上記実施形態では、超音波溶接によって挟持板４の間に接続部２ａと正極１ａや負極１ｂの金属箔とを溶着する場合について説明したが、スポット溶接等の他の溶接により溶着を行なうこともできる。また、このような溶接に代えて、挟持板４の外側から強い力で圧迫することにより、接続部２ａと正極１ａや負極１ｂの金属箔とを圧着することもできる。この場合、挟持板４は、溶接の場合とは異なり、ある程度板厚の厚い金属板を用いて、この間に接続部２ａと金属箔とを確実に圧着保持できるようにする必要がある。さらに、上記実施形態では、接続部２ａに凸部２ｂを形成する場合について説明したが、同様の凸部を挟持板４に形成することもできる。もっとも、このような凸部２ｂを全く形成しない場合にも、金属箔を確実に溶着又は圧着することはできる。
【００２７】また、上記実施形態では、接続部２ａの片側にだけ正極１ａや負極１ｂの金属箔を配置する場合について説明したが、両側に金属箔を配置して、これを挟持板４の間に挟み込むようにすることもできる。さらに、上記実施形態では、各発電要素１の片方の端面に２本の接続部２ａを配置したが、この接続部２ａの配置本数も限定されない。例えば、各発電要素１の片方の端面に１本ずつの接続部２ａを配置してもよいし、この１本の接続部２ａに隣接する２個の発電要素１の端面からはみ出した金属箔を共通して溶着又は圧着することもできる。
【００２８】上記実施形態では、リチウムイオン二次電池について説明したが、電池の種類は問わない。ちなみに、本発明にかかるリチウムイオン電池の基本構成としては下記のようにすることができる。まず、正極活物質には二硫化チタンをはじめとしてリチウムコバルト複合酸化物、スピネル型リチウムマンガン酸化物、五酸化バナジウムおよび三酸化モリブデンなどの種々のものが利用可能であるが、なかでも、リチウムコバルト複合酸化物（LixCoO2 ）およびスピネル型リチウムマンガン酸化物 (Lix Mn2 O4 ) は、４Ｖ(Li/Li+ ) 以上のきわめて貴な電位で充放電を行うため、正極として用いることで高い放電電圧を有する電池が実現できる。尚、正極は、集電体として１０〜３０μｍ厚のアルミニウム箔が公的であり、前記集体の両面に活物質層が塗着されるのが一般的であり、活物質層は、厚みが５０〜１５０μｍ（片面当り）、密度が１．８〜３．０ｇ／ｃｃ、多孔度が２５〜４５％のものが寿命性能及び充放電特性上好ましい。
【００２９】負極としては、金属リチウムをはじめとしてリチウムの吸蔵・放出が可能なＬｉ−Ａｌ合金や炭素材料など種々のものが適用可能であるが、なかでも炭素材料は、安全性が高くかつサイクル寿命の長い電池が得られるという利点がある。この場合、集電体としては１０〜２０μ厚の銅箔が好適であり、活物質層は、厚みが４５〜１２５μｍ（片面当り）、密度が１．１５〜２．５ｇ／ｃｃ、多孔度が２５〜４５％のものが寿命性能及び充放電特性上好ましい。
【００３０】また、電解液としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、７−ブチロラクトン、スルホランなどの高誘電率溶媒に１，２−ジメトキシエタン、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの低粘度溶媒を混合したものに、溶質としての過塩素酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、六フッ化燐酸リチウムなどが添加されたものである。これら液系のものではなく、全固体式の電解質やゲル状電解質あるいはこれらと液系電解質との併用といったものもある。
【００３１】電極は、例えば活物質と結着剤と溶剤とを混合して調製したスラリーを金属箔上に塗布して製造できる。結着剤として、ポリフッ化ビニリデンおよびポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂が耐酸化還元性、耐電解液性の点で優れているが、なかでも有機溶剤に可溶なポリフッ化ビニリデンは容易にスラリーを調製できるため現在最も広く用いられている。その量としては、正極の場合は２〜６重量％、負極の場合には６〜１０重量％とするのが好ましい。セパレータとしては、厚さ２０〜６０μｍの多孔性の樹脂フィルムが好適であるが、ポリマー電解質膜を用いることもできる。
【００３２】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明の電池は、電極基体に活物質を保持させた帯状の正負極板をパレータを介して巻回した発電要素がセパレータの幅よりも狭い幅を有する絶縁材で巻回されているので、過充電等に際に発電要素で発生した熱が放出されやすく、サイクル寿命性能等の改善が図れる。また、発電要素の電極と端子との間の電流は、主に集電接続体の接続部を通ることになるので、溶着や圧着に最適な薄い板厚の挟持板を用いて、電極基体を十分確実に集電接続体の接続部に接続固定することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すものであって、リチウムイオン二次電池の発電要素と端子との接続構造を示す組み立て斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態を示すものであって、挟持板の間に挟み込んだ集電接続体の接続部と発電要素の正極や負極の金属箔とを示す横断面図である。
【図３】本発明の一実施形態を示すものであって、リチウムイオン二次電池の端子に、蓋板に取り付けた端子台を接続固定した状態を示す斜視図である。
【図４】従来例を示すものであって、リチウムイオン二次電池の発電要素と端子との接続構造を示す分解斜視図である。
【図５】従来例を示すものであって、発電要素の構造を示す組み立て斜視図である。
【図６】巻回された発電要素がセパレータよりも幅の狭い絶縁材で巻回された例を示す図である。
【符号の説明】
１ 発電要素
１ｃ セパレータ
１ｄ アルミニウム箔
１ｅ 銅箔
１ｆ 絶縁材
２ 集電接続体
２ａ 接続部
２ｂ 凸部
３ 端子