(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極活物質層を両面に有する帯状の正極板および負極板とが、帯状のセパレータを介して巻回扁平形状に形成された扁平形状巻回型電極体と、
該扁平形状巻回型電極体の該正極板および該負極板に接続される軸部を有する正極端子および負極端子と、
を有し、
該正極板および該負極板は、該扁平形状巻回型電極体の軸方向にそって互いに反対方向に該セパレータから突出した該電極活物質が塗布されていない各辺縁部と、該セパレータと当接する該電極活物質が塗布された電極部と、を有し、各該辺縁部が積層した状態で該扁平形状巻回型電極体の厚さ方向に少なくとも一部が互いに接合され、該電極部の積層した該扁平形状巻回型電極体の厚さより薄い各突出端部を形成し、
該正極端子および該負極端子は、該軸部が各該突出端部の突出する方向と交差する方向に延在した状態で該扁平形状巻回型電極体の各該突出端部の積層面上に一体的に接合されているとともに、該扁平形状巻回型電極体の軸心部から各該軸部の該突出端部との当接面と背向する該軸部の最外面までの径方向距離が、該扁平形状巻回型電極体の該電極部の軸心部から該電極部の外周面までの径方向距離より短いことを特徴とする扁平形状巻回型電極電池。
【請求項２】
前記正極端子および前記負極端子は、前記扁平形状巻回型電極体の巻回軸と交差する方向に突出する他端部を有し、該正極端子および該負極端子の各該他端部が同一方向に突出している請求項１記載の扁平形状巻回型電極電池。
【請求項３】
前記各突出端部は、前記積層した各辺縁部が厚さ方向に圧縮された状態で一体的に接合されている請求項１記載の扁平形状巻回型電極電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シート状の正極板および負極板がセパレータを介して扁平形状に巻回した扁平形状巻回型電極体を有する電池に関し、特に、電気自動車等への応用に好適な扁平形状巻回型電極電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題への関心の高まりとともに、電気自動車が社会の注目を集めてきている。この電気自動車用の電池としては車両を駆動するための高出力供給、すなわち大電流での放電を行える能力が要求されている。
【０００３】
また、従来の携帯機器の電源として用いられている電池では、シート状の正極板および負極板がセパレータを介して巻回した状態にある巻回型電極体を用いることで電池の性能を向上させている。なお、この巻回型電極体は、渦巻円筒状に巻回された円筒状巻回型電極体や、渦巻円筒状が巻回軸と直交する方向に扁平化された扁平形状巻回型電極体がある。
【０００４】
このような巻回型電極体を有する電池は、一般的には、巻回型電極体がケースの内部に電解液とともに封止された構造を有し、この巻回型電極体からの電力の取り出しは、正極板および負極板に電極端子を接続することで行われている。また、この電力の取り出しとしては、たとえば、それぞれの電極板にタブをもうけ、このタブを電極端子に接合することで電流の取り出しを行っている。
【０００５】
このようなタブを用いて電極体から電力を取り出す電池は、電気自動車に適用するには、困難がともなっていた。すなわち、電気自動車用の電池は、大電流が求められているが、このような電池においては、大電流が流れることによるタブの接合部での過熱焼損の恐れがあった。
【０００６】
従来、大電流を取り出す構造を有する電池として、たとえば、特開２０００−４０５０１号公報に開示されている。この電池は、電極活物質をそれぞれ有する帯状の正極板および負極板とを、帯状のセパレータを介して巻回扁平形状に形成された扁平形状巻回型電極体を有し、また、扁平形状巻回型電極体の正極板および負極板に軸部が接続された正極端子および負極端子を有している。正極板および負極板は、扁平形状巻回型電極体の軸方向に沿って互いに反対方向にセパレータから突出し電極活物質が塗布されていない各辺縁部を有しており、各辺縁部の少なくとも一部が圧縮され積層した状態で扁平形状巻回型電極体の厚さ方向に互いに接合されて扁平形状巻回型電極体の厚さに比べて薄くされた各突出端部を形成しており、かつ正極端子および負極端子は、その軸部が各突出端部の突出する方向と交差する方向に延在した状態で突出端部に接合されている。
【０００７】
しかし、正極端子および負極端子の各軸部の最外面が扁平形状巻回型電極体の厚み方向において、扁平形状巻回型電極体の厚みを超える範囲まで存在することになるため、電池の体格が大きくなるという難点があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、体格を小型化できる扁平形状巻回型電極電池を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明者等は、扁平形状巻回型電極体の各突出端部において、電極体の厚さの範囲内に正極板および負極板の軸部の接続部を納めることで上記課題を解決できることを見出した。
【００１０】
すなわち、本発明の扁平形状巻回型電極電池は、電極活物質層を両面に有する帯状の正極板および負極板とが、帯状のセパレータを介して巻回扁平形状に形成された扁平形状巻回型電極体と、扁平形状巻回型電極体の正極板および負極板に接続される軸部を有する正極端子および負極端子と、を有し、正極板および負極板は、扁平形状巻回型電極体の軸方向にそって互いに反対方向にセパレータから突出した電極活物質が塗布されていない各辺縁部と、セパレータと当接する電極活物質が塗布された電極部と、を有し、各辺縁部が積層した状態で扁平形状巻回型電極体の厚さ方向に少なくとも一部が互いに接合され、電極部の積層した扁平形状巻回型電極体の厚さより薄い各突出端部を形成し、正極端子および負極端子は、軸部が各突出端部の突出する方向と交差する方向に延在した状態で扁平形状巻回型電極体の各突出端部の積層面上に一体的に接合されているとともに、扁平形状巻回型電極体の軸心部から各軸部の突出端部との当接面と背向する軸部の最外面までの径方向距離が、扁平形状巻回型電極体の電極部の軸心部から電極部の外周面までの径方向距離より短いことを特徴とする。
【００１１】
本発明の扁平形状巻回型電極電池は、正極端子および負極端子が、軸部が各突出端部の突出する方向に延在した状態で各辺縁部の圧縮された面側であって、扁平形状巻回型電極体の厚さに比べて薄くされた各突出端部の積層面上に接合されており、これにより各軸部の最外面が扁平形状巻回型電極体の最外面を超えないように設定されていることから、本発明の電池は、電極の軸部の接続部が電極体の厚さの範囲内におさまるため、電池の体格が大きくなることを回避することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の扁平形状巻回型電極電池は、扁平形状巻回型電極体と、正極端子および負極端子と、を有する。
【００１３】
扁平形状巻回型電極体は、電極活物質層を両面に有する帯状の正極板および負極板とが、帯状のセパレータを介して巻回扁平形状に形成された電極体である。ここで、この扁平形状巻回型電極体は、正極板と負極板とセパレータとからなる電極板が巻回しているとともに、巻回軸の径方向に広がる扁平形状に保持されている電極体を示す。すなわち、扁平形状巻回型電極体は、正極板および負極板とをセパレータを介して扁平形状に巻回させた電極体であっても、正極板および負極板とをセパレータを介して巻回させた後に扁平形状に変形させた電極体であってもよい。
【００１４】
また、正極板、負極板およびセパレータは、通常の巻回型電極電池に用いられるものを用いることができる。たとえば、正極板および負極板としては、アルミニウムや銅等の導電性金属箔よりなる集電体の両面に電極活物質層を形成した電極板をあげることができる。また、セパレータとしては、ポリエチレンやポリプロピレンにより形成されたシート状部材をあげることができる。
【００１５】
正極端子および負極端子は、扁平形状巻回型電極体の正極板および負極板に接続される軸部を有する部材である。この正極端子および負極端子は、軸部で正極板および負極板に接続されることで各極板に生じた電力を取り出す。
【００１６】
正極端子および負極端子は、軸部が形成された棒状部材よりなることが好ましい。すなわち、正極端子および負極端子が棒状部材よりなることで、正極端子および負極端子が剛性をもつこととなり、電池に組み込まれたときに、電池容器内で扁平形状巻回型電極体を保持することができる。
【００１７】
正極板および負極板は、扁平形状巻回型電極体の軸方向にそって互いに反対方向にセパレータから突出した電極活物質が塗布されていない各辺縁部と、セパレータと当接する電極活物質が塗布された電極部と、を有し、各辺縁部が積層した状態で扁平形状巻回型電極体の厚さ方向に少なくとも一部が互いに接合され、電極部の積層した扁平形状巻回型電極体の厚さより薄い各突出端部を形成し、正極端子および負極端子は、軸部が各突出端部の突出する方向と交差する方向に延在した状態で扁平形状巻回型電極体の各突出端部の積層面上に一体的に接合されているとともに、扁平形状巻回型電極体の軸心部から各軸部の突出端部との当接面と背向する軸部の最外面までの径方向距離が、扁平形状巻回型電極体の電極部の巻回軸から電極部の外周面までの径方向距離より短いように形成されている。
【００１８】
すなわち、扁平形状巻回型電極体は、電極活物質が塗布されていない辺縁部が積層して圧縮された突出端部を有する。この突出端部の厚さは、電極部の積層した部分の厚さより薄く形成されている。このため、この突出端部と電極部との厚さには差が生じる。本発明の扁平形状巻回型電極電池は、この厚さの差により生じたスペースに、正極端子および負極端子の各軸部が納められるため、体格を小型化できる。
【００１９】
また、本発明の扁平形状巻回型電極電池は、各突出端部を有することで、正極板および負極板の内部で電流の流れる距離が短縮される。すなわち、突出端部自身が電極端子と接合されるため、従来のタブを有する形態においては、電極板のタブとタブとの間の活物質層で得られた電力は、タブまでの距離が長くなっていた。さらに、タブ自身が屈曲させられることでタブ自身の長さも長くなっていたため、電流の流れる距離が長くなっていた。このため、突出端部に正極端子あるいは負極端子が接合されることで、電極板から電極端子までの電流の流れる距離が短縮される。電流の流れる距離が短縮されると、電極板および電極端子における内部抵抗の影響が減少し、電力効率が向上する。さらに、各突出端部に電極端子が直接接合されることで、それぞれの接続部における接続抵抗も低減される。この結果、大電流に耐えられる巻回電極電池を形成することができる。
【００２０】
さらに、正極端子および負極端子が軸部で各突出端部に一体的に接合されていることから、接合部の強度が高くなっている。すなわち、タブを用いた接合時には、タブに屈曲性をもたせることでタブ自身に電極体を保持する強度を付与できなくなっていたため、芯体等の部材が必要となっていたが、直接接合したことで、巻回型電極体を保持するためのこれらの部材が必要なくなり、電池のコストを低下させることができる。さらに、正極端子および負極端子の軸部が各突出端部の突出する方向と交差する方向に延在しているため、扁平形状巻回型電極体の軸方向に対する保持強度が高くなっている。
【００２１】
正極端子および負極端子は、扁平形状巻回型電極体の巻回軸と交差する方向から突出する他端部を有し、正極端子および負極端子の各他端部が同一方向に突出していることが好ましい。すなわち、電極端子が他端部をもつことで、巻回型電極体の軸方向と交差する方向から正極端子および負極端子の各他端部が突出するため、組電池を構成するときの作業性が向上する。詳しくは、電池の正極および負極を同一方向に配することができ、組電池を構成するときの作業性が向上する。
【００２２】
正極端子および負極端子は、扁平形状巻回型電極体の扁平形状の広がる方向と平行な方向に延在した状態で各突出端部に接合されることが好ましい。すなわち、扁平形状の広がりの方向と平行な方向に正極端子および負極端子をもうけることで、電池の厚さを薄くすることができる。
【００２３】
各突出端部は、積層した各辺縁部が厚さ方向に圧縮された状態で一体的に接合されていることが好ましい。厚さ方向に一体的に接合されたとは、巻回電極体の径方向で接合しているだけでなく、電極板の最内周面の扁平形状巻回型電極体の厚さ方向の対向する部分が接合された状態を示す。各突出端部が圧縮されることで、扁平形状巻回型電極体の軸方向の中央部、すなわち、電極活物質層がもうけられている部分の厚さより、突出端部の厚さを薄くすることができ、この厚さの差により生じる空間を、正極端子および負極端子の各軸部を収納する収納スペースとすることができる。軸部の収納スペースを有することで、本発明の電池の厚さを、薄くすることができ、電池の体積効率が増大する。
【００２４】
このとき、各突出端部は、電極板の最外周面から径方向内方に向かって積層した扁平形状巻回型電極体の厚み方向の中央部付近で圧縮されることが好ましい。すなわち、厚さ方向の中央部付近で圧縮することでセパレータから突出する辺縁部の長さを最小限におさえることができる。この結果、電極板に要するコストの上昇を抑えられるだけでなく、電極板内を移動する電荷の移動距離が減少するため、内部抵抗の増加が抑えられるとともに、電池の体積効率が向上する。
【００２５】
正極端子および負極端子は、それぞれが接続される正極板あるいは負極板の集電体と、同一の材質で構成されていることが好ましい。正極端子および負極端子が集電体と同一の材質で形成されることで、電極端子の接合が容易となる。
【００２６】
正極端子および負極端子と各突出端部との接合は、溶接で接合されることが好ましい。すなわち、正極端子および負極端子と各突出端部との接合を溶接とすることで、電極端子と突出端部との接合が確実にかつ容易に行うことができる。このため、電極端子と突出端部との接合部での接続抵抗が抑制され、電池の内部抵抗が低減されるため、発熱が抑制されるので、より一層大電流に耐えることができるようになる。この電極端子と突出端部との接合方法としては、スポット溶接およびシーム溶接等の電気溶接や、超音波溶接等の溶接方法をあげることができる。
【００２７】
正極端子および負極端子と各突出端部との溶接は、１カ所以上で行われることが好ましい。溶接箇所を複数個とすることで、正極端子および負極端子と各突出端部との接合がより強固になり、電池の耐震性が向上する。
【００２８】
本発明の扁平形状巻回型電極電池は、扁平形状巻回型電極体の突出端部が正極端子および負極端子に一体的に接合されていることから、扁平形状巻回型電極体の保持を電極端子で行うことができ、電極体の保持部材を必要としなくなるため生産性に優れる。また、突出端部のスペースをそのまま正負両極端子の設置スペースとして利用することができるため扁平形状巻回型電極電池の体積効率が高くなっている。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明を説明する。
【００３０】
本発明の実施例として、扁平形状巻回型電極体を有する電池を作製した。
【００３１】
（実施例）
本発明の実施例の電池は、図１にその構成が示された電池である。
【００３２】
実施例の電池は、帯状の正極板４１および負極板４２と両極板間に介在するセパレ−タ４３とが巻回された状態で扁平形状に形成された偏平巻回型電極体４と、偏平巻回型電極体４に接合された正極端子１および負極端子２と、偏平巻回型電極体４を内部に保持するケース３と、電解液と、を有する。
【００３３】
正極板４１は、幅１００ｍｍ、長さ４ｍの帯状のアルミニウムシートからなる正極集電体４１３の両面に正極活物質層４１２が形成されるとともに、正極集電体４１３の幅方向の一方の端部側に正極活物質層４１２が形成されていない辺縁部４１４を有する。この辺縁部４１４は、端部側から幅が１６ｍｍで形成されていた。また、正極活物質はリチウムマンガン酸化物が用いられた。
【００３４】
負極板４２は、幅１０２ｍｍ、長さ４．２ｍの帯状の銅のシートからなる負極集電体４２３の両面に負極活物質層４２２が形成されるとともに、負極集電体４２３の幅方向の一方の端部側に負極活物質層４２２が形成されていない辺縁部４２４を有する。この辺縁部４２４は、端部側から幅が１４ｍｍで形成されていた。また、負極活物質には、カーボンが用いられた。
【００３５】
セパレ−タ４３は、幅９０ｍｍ、長さ４．４ｍの帯状に形成されたポリエチレンまたはポリプロピレンにより形成されている。すなわち、両極板４１、４２の電極活物質層４１２、４２２が形成された領域よりも帯の幅が長く、かつ長さも両極板４１、４２よりも長く形成されている。
【００３６】
偏平巻回型電極体４は、正極板４１および負極板４２の辺縁部４１４、４２４が互いに軸方向の反対方向にセパレータ４３から突出し、突出端部４１１、４２１を形成している。各突出端部４１１、４２１は、各辺縁部４１４、４２４が積層した状態で互いに接合されて形成されている。
【００３７】
偏平巻回型電極体４は、その外周形状が幅方向に広がった扁平形状を有している。また、偏平巻回型電極体４は、電極板の最内周面に区画された扁平形状の中空部を有している。
【００３８】
正極端子１および負極端子２は、偏平巻回型電極体４の突出端部４１１、４２１に接合される軸部１１、２１と、電池のケース３と当接するフランジ部１２、２２と、組電池化の際の連結に用いることができるとともに正極端子１および負極端子２をケース３に固定することができるネジが形成された他端部１３、２３と、を有している。また、正極端子１はアルミニウムで、負極端子２は銅合金により形成されている。
【００３９】
突出端部４１１、４２１に接合された正極端子１および負極端子２は、偏平巻回型電極体４の突出端部４１１、４２１の突出する方向と直交する方向に延在した状態で、それぞれの軸部１１、２１で接合される。また、正極端子１および負極端子２ののびる方向は、偏平巻回型電極体４の扁平形状の広がる方向と平行な方向であった。さらに、他端部１３、２３は、ともに同一方向に配置されている。この正極端子１および負極端子２が偏平巻回型電極体４の突出端部４１１、４２１の接合された様子を図４に示した。
【００４０】
また、各突出端部４１１、４２１の正極端子１あるいは負極端子２との接合部分は、各突出端部４１１、４２１を形成する各辺縁部４１４、４２４の積層体が圧縮された状態で接合されている。
【００４１】
正極端子１および負極端子２は、フランジ部１２、２２とケース３との間に絶縁体からなるガスケット６を介した状態で、ナット７を用いてケース３に固定されている。
【００４２】
ケースは、ステンレスにより形成され内部を封止することができる槽状容器であり、電解液には、エチレンカーボネートとジエチレンカーボネートが３：７の割合で混合した混合溶媒にＬｉＰＦ６を１ｍｏｌ添加した溶液が用いられた。
【００４３】
（電池の製造方法）
本実施例の電池は、正極板４１および負極板４２をセパレータを介して巻回させた偏平巻回型電極体４を形成した後に、この偏平巻回型電極体４の突出端部４１１、４２１に正極端子１および負極端子２を溶接した後に、ケース３内に電解液とともに封入することで製造することができる。
【００４４】
詳しくは、以下に説明する。
【００４５】
まず、正極集電体の両面に正極活物質層を形成した正極板を形成する。この正極板の形成は、正極活物質を有するペースト状の合剤を正極集電体の表面に塗布し、乾燥処理を施した後に、プレスを行って圧着させることでなされる。また、負極集電体の両面に負極活物質層を有する負極板の形成も、正極のときと同様の手段により行われる。
【００４６】
つづいて、正極板および負極板の幅方向の一方側の端部から活物質を除去して、正極集電体および負極集電体を露出させることで辺縁部を形成した。
【００４７】
その後、正極板４１、負極板４２をセパレータ４３を介して積層させる。正極板４１、負極板４２およびセパレータ４３の積層は、図２に示したように、正極板４１および負極板４２の辺縁部４１４、４２４が互いに反対方向となるとともに、かつセパレータ４３から突出するように積層された。
【００４８】
この積層体を扁平形状に巻回させて、両端に突出した突出端部４１１、４２１を有する扁平形状巻回型電極体４を形成した。この巻回の様子を図３に示した。詳しくは、断面形状が楕円形状に形成された芯体に積層体を巻回させた後に、芯体を巻回体から抜き出し、この巻回体をプレスして扁平形状に成形することで行われた。
【００４９】
その後、扁平巻回型電極体４の巻回軸の両端方向に配置された辺縁部４１４、４２４が積層した突出端部４１１、４２１に、所定の方向に配置された正極端部１および負極端子２の軸部１１、２１を接合した。この正極端子１および負極端子２の接合は、超音波接合で行われた。詳しくは、扁平形状巻回型電極体４の突出端部４１１、４２１に軸部１１、２１が接した状態の正極端子１あるいは負極端子２に、加圧力を付与しながら超音波振動を付与することで、突出端部４１１、４２１と軸部１１、２１とが接合された。このとき、突出端部４１１、４２１は、それぞれ積層した状態の正極集電体の辺縁部４１４あるいは負極集電体の辺縁部４２１同士も接合された。
【００５０】
この正極端子１および負極端子２が接合された扁平巻回型電極体４を図４に示した。
【００５１】
正極端子１および負極端子２が接合された扁平巻回型電極体４は、ケース３に納められ、正極端子１および負極端子２の他端部１３、２３にもうけられたねじ部をナット７で固定された。このとき、扁平巻回型電極体４は、ケース３の中で正極端子１および負極端子２により保持されている。
【００５２】
その後、ケース３内に電解液を注入し、ケース３を封止することで実施例の電池が製造された。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の電池の構成を示した図である。
【図２】実施例の電池に用いられる偏平巻回電極の構成を示した展開図である。
【図３】実施例の電池に用いられる偏平巻回電極を示した展開図である。
【図４】実施例の電池に用いられる偏平巻回電極と正負両極端子との関係を示した図である。
【符号の説明】
１…正極端子            ２…負極端子
１１、２１…軸部        １２、２２…フランジ部
１３、２３…他端部      ３…ケース
４…扁平巻回型電極体    ４１…正極板
４２…負極板            ４１１、４２１…突出端部
４１２…正極活物質層    ４１３…正極集電体    ４１４…辺縁部
４２２…負極活物質層    ４２３…負極集電体    ４２４…辺縁部
６…ガスケット          ７…ナット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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