(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状の正極集電体の両面に正極活物質層が形成された正極板と、帯状の負極集電体の両面に負極活物質層が形成された負極板とが、帯状のセパレータを介して渦巻き状に巻回される渦巻き電極体を備えた円筒型二次電池において、
前記渦巻き電極体は、正極板と負極板が、それぞれその長手方向に折り曲げられ、セパレータを介して互いに噛み合い状態に組合わされ、この組合わされた状態で巻回された構造とされていることを特徴とする円筒型二次電池。
【請求項２】
前記渦巻き電極体の高さ方向一端部側においては、正極板及びセパレータが、負極板より突出形成され、渦巻き電極体の高さ方向他端部側においては、負極板及びセパレータが、正極板より突出形成され、さらに、前記高さ方向一端部側において集電タブが設けられており、この集電タブは、負極板を介して対向する正極板の内側周回部分と外側周回部分の各端部間に架け渡された架橋部と、一端が架橋部に連なり他端が外部端子に接続されている連結部とを有することを特徴とする請求項１に記載の円筒型二次電池。
【請求項３】
前記集電タブは正・負極板の巻き取り前に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の円筒型二次電池。
【請求項４】
前記渦巻き電極体は、巻き始めが正極で、巻き終わりが負極となるように巻回されていることを特徴とする請求項１乃至３に記載の円筒型二次電池。
【請求項５】
前記渦巻き電極体の最外周が負極板であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の円筒型二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円筒型二次電池に関し、詳しくは円筒型二次電池の電極構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、大出力を要する電気自動車の駆動電源や電力貯蔵用の媒体としての利用を図るため、電池の大型化が図られつつある。そのため、電極面積が大きくなり、それに応じて円筒型二次電池にあっては、渦巻き電極体の製造工程において、正・負極板の巻回回数が大きくなり、正・負極板の巻き取り時間の増大が問題とされている。
【０００３】
ところで、この種の円筒型二次電池の典型的な渦巻き電極体は、特公昭和５９−１０５３６号公報に示すように、一枚の正極板と一枚の負極板を、セパレータを介して重ね合わせて巻回した構造である。このような構造の電池では、大出力の大型の円筒型二次電池に適用すると、正・負極板の巻回回数が大きくなり、巻き取りの高速化を図れない。
【０００４】
そこで、かかる課題を解決するため、特公昭和６１−３１５９４号公報に示す円筒型二次電池が提案されている。この特公昭和６１−３１５９４号公報に示す円筒型二次電池では、各一枚の正・負極板を幅方向にＵ字状に折り曲げ、これら正・負極板を相互にかみ合い状態に組み合わせ、この状態で渦巻き状に巻回して渦巻き電極体の製造を行っている。従って、特公昭和５９−１０５３６号公報に示すような、一枚の正極板と一枚の負極板を重ね合わせて巻回した場合に比べて、巻回回数が半分になり、正・負極板の巻き取りの高速化が図れる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の円筒型二次電池では、Ｕ字状に折り曲げた正・負極板を巻き取る構造のため、例えば電池径が２ｃｍ以上となると、正・負極板を巻き取る際に正・負極板に引っ張り応力が発生して巻きずれが生じ、精度良く巻き取ることが困難となる。また、無理に力をかけて巻き取ると、正・負極板に部分的な歪みが生じ、その部分で活物質が剥離してしまう。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電池径が小さいものから大きいものまで広範囲の電池径の電池において、正・負極板を、巻きずれがなく精度良く巻き取ることができ、しかも巻回回数の低減による正・負極板の巻き取りの高速化を図ることができる円筒型二次電池を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の円筒型二次電池は、帯状の正極集電体の両面に正極活物質層が形成された正極板と、帯状の負極集電体の両面に負極活物質層が形成された負極板とが、帯状のセパレータを介して渦巻き状に巻回される渦巻き電極体を備えた円筒型二次電池において、前記渦巻き電極体は、各複数枚の正極板と負極板を、セパレータを介して正極板と負極板が交互になるように重ね合わせて巻回された構造とされていることを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、複数枚の正極板と負極板を重ね合わせて巻回しているので、巻回回数が低減され、正・負極板の巻き取りの高速化が図れる。この結果、生産性が向上する。特に、巻回回数の大きい大型電池において、この効果は顕著である。また、電池径が大きい場合でも、従来の円筒型二次電池（特公昭和６１−３１５９４号公報記載の電池）のように巻きずれの発生や、活物質が剥離してしまうという問題も解消され、正・負極板を巻きずれがなく精度良く巻き取ることができる。尚、集電体の厚みの薄い例えばリチウムイオン電池等のような径の小さい電池に本発明を適用しても、巻回回数が低減され、さらに巻きずれがなく精度良く巻き取ることができることは勿論である。
【０００９】
本発明の第２の態様は、上記本発明円筒型二次電池において、渦巻き電極体を構成する各複数枚の正極板と負極板のうちの少なくとも一方の極板が、巻き初め端部で固定されていることを特徴とする。
【００１０】
このように巻き初め端部で固定されていれば、正・負極板の巻き取りを、さらに円滑に行うことができる。また、巻き初め端部で、一方の極が他方の極に包み込まれた状態となるため、その部分において対極面積が増大し、電極の利用効率が向上する。
【００１１】
本発明の第３の態様は、帯状の正極集電体の両面に正極活物質層が形成された正極板と、帯状の負極集電体の両面に負極活物質層が形成された負極板とが、帯状のセパレータを介して渦巻き状に巻回される渦巻き電極体を備えた円筒型二次電池において、前記渦巻き電極体は、正極板と負極板が、それぞれその長手方向に折り曲げられ、セパレータを介して互いに噛み合い状態に組合わされ、この組合わされた状態で巻回された構造とされていることを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、上記第２の態様にかかる発明の作用効果に加えて、渦巻き電極体の巻き終わり部分においても、一方の極板が他方の極板に包み込まれた状態となるため、対極面積がそれだけ増加し、電極の利用効率を大きくすることができる。
【００１３】
本発明の第４の態様は、上記第１乃至第３の態様のいずれかの円筒型二次電池において、前記渦巻き電極体の高さ方向一端部側においては、正極板及びセパレータが、負極板より突出形成され、渦巻き電極体の高さ方向他端部側においては、負極板及びセパレータが、正極板より突出形成され、さらに、前記高さ方向一端部側において集電タブが設けられており、この集電タブは、負極板を介して対向する正極板の内側周回部分と外側周回部分の各端部間に架け渡された架橋部と、一端が架橋部に連なり他端が外部端子に接続されている連結部とを有することを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、１個の集電タブにより正極板の２ヵ所から集電を行うことが可能となり、集電効果が向上する。また、渦巻き電極体の高さ方向一端部側においては、正極板及びセパレータが負極板より突出形成されているので、集電タブと負極板とが短絡することが防がれる。
【００１５】
本発明の第５の態様は、上記第４の態様の円筒型二次電池において、前記集電タブは正・負極板の巻き取り前に設けられていることを特徴とする。
【００１６】
上記構成によれば、正・負極板の巻き取りの際に、極板間の巻きずれがなく、正・負極板の巻き取りを円滑に行うことができ、その結果、作業性を改善することができる。
【００１７】
本発明の第６の態様は、上記第２乃至第５の態様のいずれかの円筒型二次電池において、前記渦巻き電極体は、巻き始めが正極で、巻き終わりが負極となるように巻回されていることを特徴とする。
【００１８】
巻き始めが正極で巻き終わりが負極の構成に加えて、上記第２又は第３の態様にかかる構成を組み合わせることにより、正極支配の電池において、巻き始め端部と巻き終り端部における正極の利用効率が向上する。
【００１９】
本発明の第７の態様は、上記第１乃至第６の態様のいずれかの円筒型二次電池において、前記渦巻き電極体の最外周が負極であることを特徴とする。
【００２０】
上記構成によれば、渦巻き型電極体の最外周が負極であるので、電池缶の側面から負極側の集電が可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を、図１〜図８に基づいて、以下に説明する。尚、図２、図３、図４及び図８においては、理解の容易のため、セパレータを破線で示している。
図１は本発明に係る円筒型二次電池の主要部分の構造を示す分解斜視図である。この図１においては、理解の容易のため、セパレータは省略されている。渦巻き電極体１は、正極板２と負極板３とがセパレータ４（図２、図３を参照）を介して渦巻き状に巻回された構造とされている。正極板２は、図５に明らかに示すように、帯状の正極集電体２ａの両面に正極活物質層２ｂが形成された構成とされ、負極板３は、帯状の負極集電体３ａの両面に負極活物質層３ｂが形成された構成とされている。尚、電極体１は、図面上は２回程度巻回されたものが示されているが、これは理解の容易のためであり、巻回回数は特に限定されるものではない。
【００２２】
渦巻き電極体１の高さ方向上端部側には、正極集電タブ５が設けられており、渦巻き電極体１の高さ方向下端部側には、負極集電タブ６が設けられている。正極集電タブ５は、図２及び図４にも示すように、負極板３及びセパレータ４を介して対向する正極板２の外側周回部分と内側周回部分間に架け渡された架橋部５ａと、架橋部５ａに一体的に形成されている連結部５ｂとから成る。負極集電タブ６も、正極集電タブ５と同様に正極板２及びセパレータ４を介して対向する負極板３の外側周回部分と内側周回部分間に架け渡された架橋部６ａと、架橋部６ａに一体的に形成されている連結部６ｂとから成る。架橋部５ａ，６ａと正・負極板２，３の各端部とは、スポット溶接により溶着されている。また、正極集電タブ５においては、連結部５ｂの先端が電池缶蓋１０にスポット溶接により溶着されており、負極集電タブ６においては、連結部６ｂの先端が電池缶の底面１１にスポット溶接により溶着されている。この集電タブ５，６は、正・負極板２，３の巻き取り前に正・負極板２，３に溶着されている。従って、後述するように、正・負極板２，３の巻き取りを円滑に行うことができる。更に、このように集電タブを設けることにより、各極板の外側周回部分と内側周回部の２カ所から集電可能となる。
【００２３】
また、渦巻き電極体１の高さ方向上端部側においては、図４に示すように、正極板２及びセパレータ４の各上端部が、負極板３の上端部より上方に突出形成され、渦巻き電極体１の高さ方向下端部側においては、負極板３びセパレータ４の各下端部が、正極板２の下端部より下方に突出形成されている。更に、正極集電タブ５に対向する負極板の上面、及び負極集電タブ６に対向する正極板の下面には、それぞれ絶縁層７が形成されている。このような正・負極板の段差構造及び正・負極板端面の絶縁構造により、正極集電タブ５と負極板３の短絡、並びに負極集電タブ６と正極板２の短絡がそれぞれ防止されている。
【００２４】
尚、負極集電タブの架橋部６ａと正極板２の下端面との間隔、並びに、正極集電タブの架橋部５ａと負極板３の上端面との間隔が小さい場合は、上記の正・負極板端面の絶縁構造は必要であるが、間隔が大きい場合は、省略するようにしてもよい。また、正・負極板の端面の絶縁構造に代えて、正極集電タブの架橋部５ａの下面及び負極集電タブの架橋部６ａの上面を部分的に絶縁するようにしてもよい。
【００２５】
前記渦巻き型電極体１の構造を、図３を参照して詳細に説明すると、この渦巻き型電極体１の巻き初め端部では、負極板３が正極板２に包み込まれた状態とされ、巻き終り端部では、正極板２が負極板３に包み込まれた状態とされている。そのため、巻き初め端部及び巻き終り端部において支配極の正極に対向する面積が大きくなり、正極の利用効率がよい。
また、渦巻き型電極体１の最外周は負極板とされている。そのため、ニッケル・水素蓄電池のような電池缶の側面が導電性を有するタイプの電池の場合は、電池缶の側面から負極側の集電を行うことが可能なため、負極集電タブ６を省略してもよい。
【００２６】
上記の正極集電タブ５は、１個設けられていたが、図６に示すように電極体１の周方向に複数個設けるようにしてもよく、また、図７に示すように電極体１の径方向に延びる架橋部５ａにより、正極板の３以上の周回部分から集電するように構成してもよい。このようにすれば、さらに集電効果を高めることができる。但し、図６の構成では、集電タブを正・負極板の巻き取り前に固着させると巻き取りが困難となることから、この場合は巻き取り後に集電タブを固着させるようにするのが望ましい。尚、図６及び図７においては、理解の容易のため、負極板及びセパレータは省略されている。
【００２７】
一方、負極集電タブ６の場合は、基本的には１個のみ設けられている。これは、負極集電タブを電池缶の底面にスポット溶接する際の作業の困難性によるものである。
【００２８】
ここで、正極集電体２ａとしては鉄、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム等を用いることができ、負極集電体３ａとしては鉄、ステンレス鋼、ニッケル、銅等を用いることができる。
また、正極活物質としては、アルカリ電池とした場合水酸化ニッケルを用い、リチウム電池とした場合はＬｉＣｏＯ2 、ＬｉＮｉＯ2 、ＬｉＭｎ2 Ｏ4 等を用いることができ、また負極活物質としては、アルカリ電池とした場合水素吸蔵合金、水酸化カドミウムを、リチウム電池とした場合は天然黒鉛、その他の炭素材料を用いることができる。
また、正極集電タブ５としては鉄、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム等を用いることができ、負極集電タブ６としては鉄、ステンレス鋼、ニッケル、銅等を用いることができる。
また、セパレータ４としては、多孔性のポリエチレン又はポリプロピレン等を用いることができる。
【００２９】
次に上記構造の円筒型二次電池に製造方法について説明する。
先ず、図８に示すように、一枚の正極板２と一枚の負極板３を、予めその長手方向に折り曲げておく。尚、正・負極板２，３が巻回された状態における曲率を考慮して、巻回状態において外側となる部分が長く、内側となる部分が短くなるように、正極板と負極板を折り曲げておく。次に、上記の折り曲げられた正極板２と折り曲げられた負極板３をセパレータ４を介して互いに噛み合い状態に組合わし、この組合わされた状態で、正極集電タブ５を正極板２の上端面に遊びをもたせてスポット溶接し、負極集電タブ６を負極板３の下端面に遊びをもたせてスポット溶接する。このように巻き取り前に集電タブ５，６を設けることにより、正・負極板がばらけることがなく、従って、巻きずれなく巻き取りを行うことができ、作業性が向上する。
【００３０】
次に、巻芯１３を正極板２の曲成部の内側近傍に挿入し、電極体１の最外周が負極板３となる巻回方向１５に正極板及び負極板を巻回する。このように巻き初め端部を正極とすることにより、正極支配の電池にあっては、正極の利用効率を高めることができる。
こうして極板を巻き取り、渦巻き電極体１を製造した後、電池缶に渦巻き電極体１を収納し、負極集電タブ６を電池缶の底面１１にスポット溶接し、正極集電タブ５を電池缶蓋１０にスポット溶接して、円筒型二次電池が製造される。
【００３１】
上述の前記渦巻き電極体は、一枚の正極板と一枚の負極板が、それぞれその長手方向に折り曲げられて巻回された構造であったけれども、複数枚の正・負極板がそれぞれその長手方向に折り曲げられて巻回された構造であってもよい。尚、この場合、巻き初め端部と巻き終り端部の少なくとも一方を予め固着しておいてもよく、このようにすれば更に円滑に巻き取りが可能となる。巻き初め端部と巻き終り端部のいずれか一方を固着する場合には、巻き初め端部を固着するのが望ましい。
【００３２】
（第２実施形態）
本発明の円筒型二次電池の第２実施形態としては、図９に示すように、各複数枚の正極板２と負極板３を、セパレータ４を介して正極板２と負極板３が交互になるように重ね合わせて巻回して渦巻き電極体を製造するようにしてもよい。
【００３３】
（第３実施形態）
本発明の円筒型二次電池の第３実施形態としては、図１０に示すように、各複数枚の正極板２の一方の端部を予めスポット溶接して固着し、各複数枚の負極板３の一方の端部を予めスポット溶接して固着し、これら各複数枚の正極板２と負極板３をかみ合い状態に組み合わせ、この状態で巻回して渦巻き電極体１を製造するようにしてもよい。更に、各複数枚の正極板２の端部のみ固着し、各複数枚の負極板３の端部は固着しない状態で巻回して渦巻き電極体を製造するようにしてもよい。
【００３４】
本発明における円筒型二次電池は、アルカリ電池、リチウムイオン電池、その他種々のタイプの電池にも適用することができる。る。
【００３５】
【実施例】
〔実施例〕
実施例としては、上記第１実施形態に示した構造を有するニッケル・水素蓄電池を用いた。電池径、正極板、負極板、水素吸蔵合金電極、セパレータは、以下の寸法のものを用いた。
電池径：  ３４ｍｍ
正極板：  厚み０．６０ｍｍ、縦長５０ｍｍ、横長４６０ｍｍ
負極板：  厚み０．４２ｍｍ、縦長５０ｍｍ、横長６００ｍｍ
セパレータ：  厚み０．１５ｍｍ、縦長及び横長は正・負極板より若干大きい
尚、電池径２６ｍｍ、３０ｍｍ、４３ｍｍの各電池の正極板、負極板、セパレータの寸法は上記径が３０ｍｍの電池に準じた寸法のものを用いた。
このような構造の電池を、以下本発明電池Ａと称する。
【００３６】
〔比較例〕
比較例としては、電極体が特公昭和５９−１０５３６号公報に示すような、一枚の正極板と一枚の負極板をセパレータを介して重ね合わせて巻回した構造であることの他は実施例と同様の電池を用いた。このような構造の電池を、以下比較電池Ｘと称する。
【００３７】
〔実験１〕
上記本発明電池Ａと比較電池Ｘとにおける、電池径とエネルギー密度との関係を調べので、その結果を表１に示す。尚、本実験は、表２に示す電池条件の下、０．１Ｃの電流で１６時間充電した後、電池電圧が１．０Ｖになるまで放電したときの放電容量で比較した。
【００３８】
【表１】
0003649876.tif 000002
【００３９】
【表２】
0003649876.tif 000003
【００４０】
表１から明らかなように、径が３０ｍｍ未満の電池では、本発明電池Ａの方が比較電池Ｘより出力密度が小さくなっていることが認められる。これは、本発明電池Ａでは、正・負極板を真円に近い状態で巻き取ることが困難なため、比較電池Ｘに比べてエネルギー密度が損なわれたもと考えられる。
一方、径が３０ｍｍ以上の電池では、本発明電池Ａの方が比較電池Ｘより出力密度が大きくなっていることが認められる。これは、本発明電池Ａでは、巻き始めと巻き終り部分で極が包み込まれた状態となっているため、正極の対向面積が大きくなり、上記真円でないことに起因したエネルギー密度の損失よりも、正極の利用効率の効果の方が強く現れるためであると考えられる。
【００４１】
尚、この実験結果によれば、本発明を径が３０ｍｍ未満の電池に適用することは、適切でないとも考えられる。しかしながら、径が３０ｍｍ未満の電池であっても、電池の種類、極板の厚み、極板の長さ等により、正極の利用効率の効果の方が強く現れるという効果が発揮される場合もあり、また、正・負極板を真円に近い状態で巻き取ることも可能である。従って、本発明は、電池の種類、極板の厚み、極板の長さ等を考慮すれば、小さい径の電池から大きい径の電池まで広範囲に適用することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上で説明したように本発明によれば、正・負極板の巻回回数が減少するので、正・負極板の巻き取りが高速化され、その結果、生産性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る円筒型二次電池の第１実施形態の主要部分の構造を示す分解斜視図である。
【図２】正極集電タブ付近の視図である。
【図３】渦巻き電極体を上方から見た図である。
【図４】渦巻き電極体の縦断面図である。
【図５】渦巻き電極体の一部拡大縦断面図である。
【図６】正極集電タブの他の実施形態を示す図である。
【図７】正極集電タブの他の実施形態を示す図である。
【図８】正・負極板の巻き取り前の状態を上方から見た図である。
【図９】本発明の第２実施形態の正・負極板の巻き取り前の状態を模式化した図である。
【図１０】本発明の第３実施形態の正・負極板の巻き取り前の状態を模式化した図である。
【符号の説明】
１：渦巻き電極体
２：正極板
２ａ：正極集電体
２ｂ：正極活物質層
３：負極板
３ａ：正極集電体
３ｂ：正極活物質層
４：セパレータ
５：正極集電タブ
５ａ：架橋部
５ｂ：連結部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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