(57)【要約】【課題】  角型電池の内部抵抗を低減するとともに、優れた電池容量と電池特性を有する電池形状を提供する。【解決手段】  芯材上に合剤層を有し、かつ、上下端面のいずれか一方に芯材露呈部からなる導電端縁を有する正極板および負極板とが、セパレータを介して捲回されている電極群であって、前記正極板の導電端縁と負極板の導電端縁とが電極群の上下別々の方向に突出し、前記それぞれの導電端縁に集電素子が溶接された、断面が角形の電極群を、角形のケースに、前記ケースの最大面積面の長辺（Ｈ）と前記電極群の上下方向が一致するように収納してなり、前記ケースの最大面積面の長辺（Ｈ）と短辺（Ｗ）の比Ｈ／Ｗが下記の（式１）を満足することを特徴とする角形電池。  １．９４≦Ｈ／Ｗ≦３．４９    ・・・・・・（式１）【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
芯材上に合剤層を有し、かつ、上下端面のいずれか一方に芯材露呈部からなる導電端縁を有する正極板および負極板とが、セパレータを介して捲回されている電極群であって、
前記正極板の導電端縁と負極板の導電端縁とが電極群の上下別々の方向に突出し、前記それぞれの導電端縁に集電素子が溶接された、断面が角形の電極群を、角形のケースに、前記ケースの最大面積面の長辺（Ｈ）と前記電極群の上下方向が一致するように収納してなり、前記ケースの最大面積面の長辺（Ｈ）と短辺（Ｗ）の比Ｈ／Ｗが下記の（式１）を満足することを特徴とする角形電池。
１．９４≦Ｈ／Ｗ≦３．４９    ・・・・・・（式１）
【請求項２】
前記正極板の合剤塗布幅（ｘ、単位はｍｍ）と上記ケース長辺（Ｈ、単位はｍｍ）が下記の（式２）を満足することを特徴とする請求項１記載の角形電池。
１５≦Ｈ―ｘ    ・・・・・・・・・（式２）
【請求項３】
角型電池はリチウムイオン二次電池である請求項１または２のいづれか１項に記載の角形電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は角形電池、特にそのケース形状に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＡＶ機器あるいはパソコン等の電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでいる。これらの駆動用電源として、角形電池が円筒形電池に比べて体積効率の点で有利なことから、主流となっている。この場合の角形電池には、断面が略長方形のものと略正方形のものがある。
【０００３】
また、駆動用電源への新たな要望として電動工具などに用いるための高出力化がある。この要望に応えるためには電池の内部抵抗を低減することが重要であるが、その１つの方法として、特許文献１では円筒型リチウムイオン二次電池において、高出力を取り出すことを目的としたいわゆるタブレス集電を提案している。
【０００４】
タブレス構造とは、正負極板の上下端部に設けられた芯材露呈部からなる導電端縁を群から露出させ、それぞれの導電端縁と集電板を溶接して集電を取る構造である。この集電方法はリード集電を用いる場合よりも低抵抗化が可能となる。
【０００５】
また特許文献２では角型リチウムイオン二次電池電池においてタブレス集電を可能にする集電方法について提案している。
【特許文献１】特開平１１−３２９３９８号公報
【特許文献２】特開２００３−１２３８４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の技術において、タブレス集電にすることでリード集電を用いる場合よりも低抵抗化が可能である。しかしながら、このタブレス集電では、極板の上下端部に芯材露呈部を設けるが、その部分は充放電容量を有さないため、体積あたりのエネルギー密度がリード集電に比べて小さくなるという課題が生じていた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の角形電池は芯材上に合剤層を有し、かつ、上下端面のいずれか一方に芯材露呈部からなる導電端縁を有する正極板および負極板とが、セパレータを介して捲回されている電極群であって、前記正極板の導電端縁と負極板の導電端縁とが電極群の上下別々の方向に突出し、前記それぞれの導電端縁に集電素子が溶接された、断面が角形の電極群を、角形のケースに収納してなり、上記ケースの側面形状の長辺（Ｈ）と短辺（Ｗ）の比Ｈ／Ｗが下記の（式１）を満足することを特徴とする角形電池
１．９４≦Ｈ／Ｗ≦３．４９    ・・・・・・（式１）
というものである。
【０００８】
本発明のケース形状および電極群の構造を有することによって、体積ロスが少ないタブレス構造の角形電池を得ることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、高エネルギー密度で、かつ高出力な角形電池を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は上記のように、タブレス構造を有する角形電池のケース形状を下式
１．９４≦Ｈ／Ｗ≦３．４９  ・・・・・・（式１）
を満足するものにすることで、体積ロスが少ないタブレス構造の角形電池となることを見出したものである。ここでＨ、Ｗは図１で示した角型ケースの最大面積面の長辺Ｈと短辺Ｗである。なおＴはケースの厚みである。
【００１１】
ここで、上記したタブレス構造に固有の従来の課題に対し、極板中の芯材露呈部の占める体積比率を小さくするという方法が考えられる。言いかえれば、極板の幅を大きくすることによって極板の全幅に対する芯材露呈部の幅の比率を相対的に小さくし、同時にケース高さも大きくすれば、体積効率が改善できると考えられる。
【００１２】
しかし、ケース高さを大きくしていくと、あるところから逆にエネルギー密度が低くその理由は、なる。電極群をケースに挿入するためには、ケースの厚み方向（Ｔ）と幅方向（Ｗ）にそれぞれある程度の隙間を設ける必要がある。また上記のように、タブレス集電に必要な高さ方向（Ｈ）の長さが相対的に小さくなるようにＨを大きくすることが望ましい。しかし高さが大きくなるにしたがって、ケースに電極群を挿入することが困難になるため、幅方向の隙間を大きく確保する必要が発生する。これらを考慮すると、ケース断面の面積よりも電極群の断面積が当然小さい必要があるが、その面積の差とケース高さとをかけ合わせて算出される体積ロスが、ケース高さが大きくなるにつれて大きくなり、結果としてエネルギー密度を低くしてしまうためである。
【００１３】
そこで上記（式１）を満足する場合に最も効率が良く、エネルギー密度が大きくなることを見出した。
【００１４】
もので、上記Ｈ／Ｗが１．９４より小さいと、高さ方向に対する露呈部の占める割合が大きいためにエネルギー密度が小さくなる。一方Ｈ／Ｗが３．４９よりも大きいと、幅方向の隙間が相対的に大きくなるためケース断面積と極板群の断面積の差とケース高さをかけ合わせて算出される体積ロスが大きくなるためにエネルギー密度が低くなる。
【００１５】
捲回型の電極群を作製するためには、正極の塗工幅（ｘ）よりも負極の塗工幅は大きい必要があり、負極塗工幅よりもセパレータ幅は大きい必要がある。加えて電池容量に関与しない部分として、タブレス集電を行うためには電極の導電端縁には溶接を行う溶接シロが必要である。つまり高さ方向（Ｈ）の中にこれらが含まれることとなる。高さ方向（Ｈ）にはさらに封口板および、これとの溶接シロも必要となる。これらの最小化を試みた結果、Ｈ−ｘが１５ｍｍ以上の領域でのみ、安定した集電部を設けることができる。
したがって、上記正極板の合剤塗布幅（ｘ、単位はｍｍ）と上記ケース長辺（Ｈ、単位はｍｍ）が下記の（式２）を満足するのが好ましい。
【００１６】
１５≦Ｈ―ｘ  ・・・・・・（式２）
また、電池の種類としては特にリチウムイオン二次電池に適用するのが好ましい。
【実施例１】
【００１７】
以下、本発明の実施例および比較例を図面を用いて説明する。
（比較例）  リード集電タイプの偏平形リチウムイオン電池を作製した。
正極板は活物質ＬｉＣｏＯ2が１００重量部に対して、導電材のアセチレンブラックを３重量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を４重量部混合し、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を溶媒として均一分散してペーストとした。これをアルミニウム（Ａｌ）の箔に塗布し、活物質のみの密度が３．１ｇ／ｃｃ、厚さ９０μｍとなるように圧延した。これを極板幅４５ｍｍ、長さ２１７３ｍｍに裁断して正極板を作製した。正極板
の内周側は、負極と対向しない部分に剥離部を設け、Ａｌ製リードを溶接した。
【００１８】
負極板はグラファイト１００重量部と、結着剤としてスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）３重量部と増粘剤カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）１重量部を水溶媒として混合し、ペーストを作製した。これを銅（Ｃｕ）箔に塗布し、密度１．３ｇ／ｃｃ、厚さ１１６μｍとなるように圧延した後、幅４７ｍｍ、長さ２１０４ｍｍに裁断した。負極板の外周側は、５ｍｍの剥離部を設け、ニッケル（Ｎｉ）製リードを溶接した。
【００１９】
これら正極板と負極板を２７μｍのセパレータを介して、負極板の塗工端部から各１ｍｍずつ内側に正極塗工部が配置するように、扁平状に捲回した。このようにして作製した群を、片開口の鉄にＮｉをメッキした、幅６２ｍｍ、高さ６９ｍｍ、厚さ１２ｍｍ（いずれも外寸）の電池ケースに挿入し、正負極と封口板を溶接したのち、封口板とケースも溶接した。
【００２０】
図２は封口板を示したものでＡｌ製リード１の先端２ｍｍを残し、絶縁用のポリプロピレン（ＰＰ）製テープ２を貼付した。封口板には負極リード４が溶接され、絶縁板５を介して配置された正極内部端子６には、極板群７より具備される正極リード１が溶接される。
【００２１】
注液は封口板にあらかじめ設けておいた注液口３から行い、６００ｍＡの定電流で、４．１Ｖまで充電後２．５Ｖまで放電するサイクルを３回繰り返した電池Ａを作製した。
【００２２】
電池Ａにおいて、最大電流３Ａで、４．２Ｖまで定電圧充電し、１．５時間で充電を終了した。またその後６００ｍＡの定電流放電を、電池電圧が２．５Ｖになるまで行った。この時の容量は２．９５Ａｈであった。また１ｋＨｚの交流法による内部抵抗は２２ｍΩであった。さらに同様の方法で定電圧充電し、３０Ａの定電流で、電池電圧が２．５Ｖになるまで高レート放電を行うと、平均維持電圧は、３．１１Ｖであった。
【００２３】
次に本発明者らが試みて好ましい結果を得ることができた実施例について説明する。
（実施例１）
図３は本発明を具現化するための集電構造を判りやすく模式的に図示したものである。図３において負極板８は極板群を構成する負極板で、集電用の芯材露呈部９を備える。正極板１０は極板群を構成する正極板で、集電用の芯材露呈部１１を備える。
【００２４】
正極板は活物質ＬｉＣｏＯ2が１００重量部に対して、導電材のアセチレンブラックを３重量部、結着剤としてＰＶｄＦを４重量部混合し、ＮＭＰを溶媒として均一分散してペーストとした。これをＡｌの箔に塗布し、塗工端部のＡｌ箔のみを２５０℃で熱処理した。その後、活物質のみの密度が３．１ｇ／ｃｃ、厚さ９０μｍとなるように圧延した。前述熱処理部分のうち幅７ｍｍを芯材露呈部１１として用い、極板幅５２ｍｍ、長さ２１７３ｍｍに裁断して正極板１０を作製した。
【００２５】
負極板８はグラファイト１００重量部と、結着剤としてＳＢＲ３重量部と増粘剤ＣＭＣ１重量部を水溶媒として混合し、ペーストを作製した。これをＣｕ箔に塗布し、密度１．３ｇ／ｃｃ、厚さ１１６μｍとなるように圧延した後、幅５３ｍｍ、長さ２１０４ｍｍに裁断した。極板の幅方向には６ｍｍの芯材露呈部９を剥離することで設け極板を作成した。
【００２６】
これら正極板１０と負極板８を、図３のように２７μｍのセパレータ１２を介して、負極板の塗工端部から各１ｍｍずつ内側に正極塗工部が配置するように、扁平状に捲回した。この極板群を固定し、セパレータ１２から突出する負極芯材露呈部９と正極芯材露呈部
１１を正負極ともに２ｍｍとなるように加圧成形した。
【００２７】
図４において負極側にケース底部を兼ねるＮｉ製負極集電板１３を溶接し、正極側にはＡｌ製リード１５を溶接したＡｌ製正極集電板１４を溶接して極板群を作成した。さらに正極芯材露呈部ならびに正極集電板１４が、ケースと接触しないようにＰＰ製絶縁テープ（図示せず）を貼付した。このようにして作製した群を、両開口の鉄にＮｉをメッキした、幅６２ｍｍ、高さ６９ｍｍ、厚さ１２ｍｍの電池ケースに挿入し、ケースと負極集電板、および正極集電板と封口板を溶接したのち、封口板とケースも溶接した。注液は封口板にあらかじめ設けておいた注液口から行い、６００ｍＡの定電流で、４．１Ｖまで充電後２．５Ｖまで放電するサイクルを３回繰り返した電池Ｂを作製した。
【００２８】
電池Ｂにおいて、最大電流３Ａで、４．２Ｖまで定電圧充電し、１．５時間で充電を終了した。またその後６００ｍＡの定電流放電を、電池電圧が２．５Ｖになるまで行った。この時の電池容量は３．０１Ａｈであった。また１ｋＨｚの交流法で測定した電池の内部抵抗は８ｍΩであった。さらに３０Ａの定電流で、電池電圧が２．５Ｖになるまで高レート放電を行うと、平均維持電圧は、３．３１Ｖであった。これは比較例の電池Ａより高く、電池抵抗の減少に伴う分極の低減によるもので、リード集電よりもタブレス集電が優れていることがわかる。
【実施例２】
【００２９】
ケース形状の検討を行った。すなわちケースの厚みは１２ｍｍ、体積が５１．４ｃｃで一定とし、ケースの幅Ｗと高さＨの比率を変化させ、極板の寸法を変更した以外は実施例１と同様にして電池１〜電池７を作製した。それぞれの電池の極板寸法は表１に記す。Ｈ／Ｗと電池容量の関係を図５に示す。
【００３０】
【表１】
2006079967.tif 000003
【００３１】
タブレス集電を含む方向、つまり極板群の捲回軸に平行な方向は、電池の高さＨ方向と同一にした。それぞれのケースの大きさと６００ｍＡの定電流放電時の容量と３０Ａ放電時の維持電圧を表１に示す。ほぼ正方形に近い電池１からＨを大きくすることで電池容量が大きくなる。これは集電部分の必要高さが、電池ケースの高さに対して相対的に小さくなることで容量効率が上がるためである。しかし、電池５を極大として電池容量が低下する。前述のとおり、高さＨが大きくなるにつれて、群挿入が困難になる。これを防止するために、幅方向にも隙間を設ければよい。ただし、幅方向においてもケース幅Ｗと群幅と群挿入のための隙間に高さ方向と同様の関係がある。電池容量に極大が存在するのは、電池ケースの空隙の影響が、高さ方向よりも大きくなったことが考えられる。加えて電解液は群の高さが大きいと、群の中心部に浸透しにくくなり、この浸透度合いも影響しているものと考えられる。これらが最適となるのは電池５のＨ／Ｗ＝２．９付近であり、高レート特性にも優れるのは電池３〜７の１．９４≦Ｈ／Ｗ≦３．４９である。
【実施例３】
【００３２】
さらに電池体積の値を４９．０ｃｃ、ケースの厚みは１２ｍｍで一定とし、実施例１と同様にケースの幅Ｗと高さＨの比率を変化させた電池８〜電池１４を作製した。
【００３３】
タブレス集電を含む方向、つまり極板群の捲回軸に平行な方向は、電池の高さＨ方向と同一にした。それぞれのケースの大きさと６００ｍＡの定電流放電時の容量と３０Ａ放電時の維持電圧を表２に示す。Ｈ／Ｗと電池容量の関係を図５に示す。
【００３４】
【表２】
2006079967.tif 000004
【００３５】
電池８〜１４においても実施例２と同様の関係が得られた。すなわち、電池１２のＨ／Ｗ＝２．７付近で電池容量ならびに３０Ａ放電時の維持電圧が極大となる。また電池１０〜１４の１．８５≦Ｈ／Ｗ≦３．５３において優れた高レート特性を示した。つまり、電池の体積によらず電池容量ならびに３０Ａ放電時維持電圧を最適にするＨ／Ｗ値が存在し、それは１．８５≦Ｈ／Ｗ≦３．５３の範囲である。
【実施例４】
【００３６】
さらに電池体積を５１．４ｃｃとして、電池厚みを６ｍｍで一定として電池１５〜１９を作製し、実施例１と同様の試験を行った。表３に電池容量と３０Ａ放電時の維持電圧を示す。Ｈ／Ｗと電池容量の関係を図５に示す。
【００３７】
【表３】
2006079967.tif 000005
【００３８】
電池厚みが１２ｍｍの場合と比較して電池特性に対する優位性は顕著ではないが、厚みを６ｍｍとても電池１７のＨ／Ｗ＝２．８３付近で電池容量および３０Ａ放電時の維持電圧において極大値が得られた。したがって、電池厚みが１２ｍｍ以下においてはＨ／Ｗ値によって、電池特性が優れる極大値が存在し、１．７５≦Ｈ／Ｗ≦４．２３ではすべて優れた特性を示した。
【００３９】
実施例２から実施例４よりＨ／Ｗ値を１．９４≦Ｈ／Ｗ≦３．４９とすることで、レート特性に優れる電池を作製することが可能となる。
【実施例５】
【００４０】
電池５と同等の厚さ１２ｍｍ、幅３８ｍｍ、高さ１１２ｍｍのケースを用いて、ケース高さと正極塗工幅の差の検討を行った。正極塗工幅を９５ｍｍ、負極塗工幅を９７ｍｍ、セパレータ幅を９９ｍｍ、集電部合計８ｍｍ、封口板を３ｍｍとして電池を作製することが可能であった。特に集電の部分は正負極の導電端縁をそれぞれ３ｍｍ、集電板とケースならびに封口板を溶接するのに１ｍｍを要した。各部位において、さらなる縮小化を試みたが正極と負極の差においては巻ズレ、負極とセパレータの幅差においても巻ズレ、集電部においては導電端縁と集電板の溶接強度不充分の要因から電池を作製することが困難であった。このことから正極塗工幅をｘｍｍとした場合、負極塗工幅、セパレータ幅、集電部、封口板がそれぞれｘ＋２ｍｍ、ｘ＋４ｍｍ、８ｍｍ、３ｍｍ以上必要である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の角型電池は電動工具用などの高出力な駆動用電源として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施の形態に係るケース形状と極板群の関係を示す図
【図２】従来例に係る封口板および集電部の構造を示す図
【図３】本発明の一実施の形態に係る電池の構造を示す図
【図４】本発明の一実施の形態に係る電極群の構造を示す図
【図５】ケース形状と電池容量の関係を示す図
【符号の説明】
【００４３】
１    Ａｌ製リード
２    ＰＰ製テープ
３    注液口
４    負極リード
５    絶縁板
６    正極内部端子
７    電極群
８    負極板
９    負極芯材露呈部
１０  正極板
１１  正極芯材露呈部
１２  セパレータ
１３  負極集電板
１４  正極集電板
１５  正極リード
【図１】
2006079967.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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