(57)【要約】【課題】安全性、放電特性、及び生産性に優れた筒形リチウム電池を提供する。【解決手段】リチウム電池は、一端が開口する有底筒状の電池缶と、電池缶に収納される、中空筒状の正極合剤、セパレータ、負極、及び電解液と、電池缶の開口を封口する封口体と、負極端子板に立設固定される棒状の負極集電体と、を含み、負極は、リチウム金属またはリチウム合金を成形した板状の部材からなり、正極合剤の内方に、負極集電体の周囲に巻回された状態で配置される。板状の部材は負極集電体の周囲にスパイラル状に巻回され、板状の部材の少なくとも最外周端部の内周面は、板状の部材の最外周端部の直下の内層の外周面と接触している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が開口する有底筒状の電池缶と、
前記電池缶に収納される、中空筒状の正極合剤、セパレータ、負極、及び電解液と、
前記電池缶の開口を封口する封口体と、
前記封口体に立設固定された棒状の負極集電体と、
を含み、
前記負極は、リチウム金属またはリチウム合金を成形した板状の部材からなり、前記正極合剤の内方に、前記負極集電体の周囲に巻回された状態で配置される
ことを特徴とするリチウム電池。
【請求項２】
前記板状の部材は前記負極集電体の周囲にスパイラル状に巻回されており、
前記板状の部材の少なくとも最外周端部の内周面は、前記板状の部材の前記最外周端部の直下の内層の外周面と接触している
ことを特徴とする請求項１に記載のリチウム電池。
【請求項３】
前記電池缶、前記封口体、及び前記負極集電体の少なくともいずれかが、筒形アルカリ電池の部材を用いて構成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のリチウム電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負極にリチウム金属あるいはリチウム合金を用いたリチウム電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、負極にリチウム金属あるいはリチウム合金を用いたボビン形リチウム一次電池に関して記載されている。ボビン形リチウム一次電池は、開口が負極端子板を兼ねる封口体によって封止されてなる中空筒状の電池缶内に中空筒状の負極リチウムを中空筒状の正極合剤の内方にセパレータを介して配置されて電解液とともに収納され、負極リチウムには、内面に接触する集電領域の上縁辺から上方に向かって帯状に延長する負極リード部が一体的に形成された金属製薄板からなる負極集電体が取り付けられ、負極リード部は、先端側が封口体の下面に接続されているともに、延長途上に機械加工によって他の領域より強度が低い強度低下部が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１４７０６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
強制放電（過放電含む）や異常充電モードに対する安全性を高めるために、リチウム電池には負極及び正極の表面積に対する負極集電体の面積占有率を高くすることが求められる。また特許文献１に記載のボビン形リチウム一次電池のように薄板状の負極集電体を用いる場合は負極の内径を負極集電体の外径に合わせて大きくする必要があるが、この形状は放電末期まで維持されるためデンドライト（樹枝状の金属リチウム）のセパレータ貫通リスクを低減するには極間距離を大きくする必要があり放電性能に影響が生じる。また負極材料の切断に伴う内部着火の発現リスクを防ぐために負極集電体の全体に亘って集電効率を確保する必要もある。
【０００５】
本発明はこうした背景に鑑みてなされたものであり、安全性、放電特性、及び生産性に優れた筒形リチウム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】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明は、リチウム電池であって、一端が開口する有底筒状の電池缶と、前記電池缶に収納される、中空筒状の正極合剤、セパレータ、負極、及び電解液と、前記電池缶の開口を封口する封口体と、前記封口体に立設固定された棒状の負極集電体と、を含み、前記負極は、リチウム金属またはリチウム合金を成形した板状の部材からなり、前記正極合剤の内方に、前記負極集電体の周囲に巻回された状態で配置される。
【０００７】
本発明の他の一つは、上記リチウム電池であって、前記板状の部材は前記負極集電体の周囲にスパイラル状に巻回され、前記板状の部材の少なくとも最外周端部の内周面は、前記板状の部材の前記最外周端部の直下の内層の外周面と接触している。
【０００８】
本発明の他の一つは、上記リチウム電池であって、前記電池缶、前記封口体、及び前記負極集電体の少なくともいずれかが、筒形アルカリ電池の部材を用いて構成されている。
【０００９】
その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、安全性、放電特性、及び生産性に優れた筒形リチウム電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】リチウム電池の円筒軸の延出する方向を上下（縦）方向とした場合における縦断面図である。
【図２】リチウム電池の負極の構成並びに製造方法を説明する図である。（ａ）は板状の部材を巻回する前の板状の部材と負極集電体を示す図であり、（ｂ）は板状の部材を負極集電体の棒状部に巻回している途中の様子を示す図であり、（ｃ）は板状の部材を負極集電体の棒状部に巻回し終えた後の板状の部材と負極集電体の状態を示す図である。
【図３】図２（ｃ）の負極集電体と負極の構成を図２（ｃ）のＡ−Ａ’線で切断して得られる断面図である。
【図４】従来のリチウム電池の負極と負極集電体の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。尚、以下の説明において、同一の又は類似する部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。
【００１３】
図１に一実施形態として示すボビン形リチウム一次電池（以下、リチウム電池１と称する。）の構成を示している。同図はリチウム電池１の円筒軸５０の延出する方向を上下（縦）方向とした場合における縦断面図である。同図に示すリチウム電池１は、金属等の導体を素材とする有底円筒状の電池缶２内に発電要素を収納するとともに電池缶２の開口を金属等の導体からなる負極端子板７で封口することにより製造される。
【００１４】
同図に示すように、リチウム電池１は、電池缶２、二酸化マンガン等の正極活物質を黒鉛（カーボンブラック）等の導電助剤とともに中空円筒状に成形してなる正極合剤３、金属リチウム又はリチウム合金からなる負極４、有底円筒状のセパレータ５、金属（真鍮等）の導電体からなる負極集電体６、負極端子板７、ナイロンやポリオレフィン等の樹脂からなる封口ガスケット１０を含む。
【００１５】
電池缶２は、電池ケース及び正極集電体として機能する。電池缶２には正極端子８が下方に突出して形成されている。電池缶２には、正極合剤３、セパレータ５、及び負極４が収納されるとともに、図示しない電解液が充填されている。同図に示すように、負極４は、正極合剤３の内方にセパレータ５を介して配置される。後述するように、負極４は、板状の部材４１からなり、この板状の部材４１は負極集電体６の周囲にスパイラル状（螺旋状）に巻回された状態で電池缶２に収納される。尚、同図では負極４の構成を簡略化して描いている。
【００１６】
同図に示すように、負極端子板７は、円形の平板状部７１と、当該平板状部７１の周囲に形成されたフランジ部７２とを有する。負極端子板７は、封口ガスケット１０とともに電池缶２の缶口を封口する封口体２０を構成する。負極集電体６は、少なくとも電池缶２の長手方向の長さの半分以上の長さを有する円柱状の棒状部６１と、棒状部６１の上端に形成された円盤状部６２とを有する。
【００１７】
同図に示すように、円盤状部６２の上面は溶接等により負極端子板７の下面に電気的に接続されており、それにより棒状部６１は負極端子板７の平板状部７１の中央から電池缶２の長手方向に立設固定されている。
【００１８】
図２は、本実施形態のリチウム電池１の負極４の構成並びに製造方法を説明する図である。図２（ａ）に示すように、本実施形態のリチウム電池１は、負極４の材料として、金属リチウムやリチウム合金等を圧延して得られる平面矩形状の板状の部材４１を用いる。そして図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、この板状の部材４１を負極集電体６の棒状部６１にスパイラル状（螺旋状）に巻回することにより負極４が構成されている。
【００１９】
板状の部材４１の平面形状、板状の部材４１の厚さ、及び板状の部材４１を負極集電体６の棒状部６１への巻き付け回数は、リチウム電池１の安全性、放電特性、及び生産性等の観点、リチウム電池１の大きさ、正極合剤３の形状や大きさ、負極集電体６の直径等に基づき設定される。
【００２０】
負極集電体６の棒状部６１の直径は、上記板状の部材４１の巻き付けが可能な程度の寸法範囲とし、負極端子板７への溶接の容易性、強度確保等の観点を考慮して設定される。例えば、単三サイズのリチウム電池１であれば、上記直径は例えば1mm程度となる。
【００２１】
強制放電（過放電含む）や異常充電モードに対する安全性を向上する観点からすれば、負極４は、少なくとも負極集電体６の棒状部６１の正極合剤３と対向する部分の全体を覆うように負極集電体６に巻回することが好ましい。また内部着火等を引き起こす要因となる過放電時の負極４の切断を防ぐ観点からすれば、負極４は、負極集電体６の棒状部６１の正極合剤３と対向する部分の全体を丁度覆う程度に負極集電体６に巻回することが好ましい。また負極集電体６の棒状部６１を長くすることで、負極及び正極の表面積に対する負極集電体６の面積占有率を高めることができ、強制放電（過放電含む）や異常充電モードに対する安全性を高めることができる。
【００２２】
図３は、図２（ｃ）の負極集電体６と負極４の構成を同図のＡ−Ａ’線で切断して得られる断面図である。同図に示すように、この例では板状の部材４１を負極集電体６の周囲に２周程巻き付けている。同図に示すように、負極集電体６に巻回された板状の部材４１（負極４）の層間に隙間Ｓが存在するが、この隙間Ｓは負極４と電解液との間の接触面積の増大に寄与する。
【００２３】
同図に示すように、板状の部材４１の少なくとも最外周端部４２の内周面は、板状の部材４１の直下の内層の外周面と接触（電気的に接続）していることが好ましい。そのようにすることで、例えば、過放電等により板状の部材４１が途中で切断した場合でも、切断後の板状の部材４１の一部が負極集電体６と電気的に切断されてしまうのを防ぐことができ、負極４の切断によって生じる内部着火のリスクを低減することができる。
【００２４】
以上に示した本実施形態のリチウム電池１は、その構成部材（電池缶２、正極合剤３、セパレータ５、負極集電体６、封口体２０（負極端子板７、封口ガスケット１０））として、筒形アルカリ電池の製造に用いられている部材（部品）を用いる（利用する）ことができる。そのため、材料コストの低減や製造工程の簡素化を図ることができ、安価なリチウム電池１を提供することができる。
【００２５】
図４は、比較例として示す、特許文献１に記載されている従来のリチウム電池の負極４’と負極集電体６’の構成図である。同図から理解されるように、従来のリチウム電池の場合、負極４’の内径を負極集電体６’の外径に合わせる必要があり、この形状は放電末期まで維持されデンドライト（樹枝状の金属リチウム）のセパレータ貫通リスクを低減するために極間距離を大きくする必要があり放電性能に影響が生じる。また従来のリチウム電池の場合、負極４’と負極集電体６’との間の圧着強度を確保するために圧着面を工夫する必要もあり、工程が複雑化して集電不良が生じる可能性がある。
【００２６】
これに対し図３に示した構成からなる本実施形態のリチウム電池１の場合、負極４（板状の部材４１）の減少とともに負極４とセパレータ５及び正極合剤３との間の距離（間隔）が広がっていく。そのため、残存容量が異なる電池同士を接続したときの転極過放電や誤使用による充電により生じるセパレータの貫通リスクは低減される方向となる。また構造上、極間距離の確保が容易であり、高負荷パルス特性を確保し易い。また負極４に負極集電体６を巻き付ける際に負極４と負極集電体６との間の圧着強度を確保し易く集電不良も生じにくい。
【００２７】
尚、本実施形態のように負極集電体６の周囲に負極４（板状の部材４１）を巻回するのではなく、負極材料（金属リチウムやリチウム合金）に負極集電体６を差し込む（突き刺す）ようにすることも考えられるが、負極材料の抗力に逆らって負極集電体６を差し込む際に強度的なリスクが伴い、とくに電池が高背である場合は製造が困難となる。また差し込み方式の場合は負極材料と電解液との間の接触面積の確保が難しく、その結果、極間距離を広げる必要があり、高負荷パルス特性に影響が生じる。
【００２８】
＝性能検証＝
以上の構成からなるリチウム電池１の性能を検証すべく、図３に示す断面構造の本実施形態のボビン形リチウム一次電池（以下、「実施例」と称する。）、及び図４に示す断面構造のボビン形リチウム一次電池（以下、「比較例」と称する。）を作成して試験を行った。試作したボビン形リチウム一次電池はいずれも単三サイズ（直径14.5mm，高さ50.0mm）とした。
【００２９】
＜安全性試験＞
安全性について試験を行った結果を表１に示す。また表１に示した各モードＡ〜Ｄの詳細を表２に示す。尚、試験数（サンプル数）は、実施例及び比較例のいずれについても５つとした。
【表１】
2019145349.tif 000003
【表２】
2019145349.tif 000004
表１に示すように、比較例についてはモードＤにおいて異常を示すものが存在するが、実施例の場合はモードＡ〜Ｄの全てについて異常を示すものは存在しなかった。
【００３０】
＜放電性能試験＞
放電性能について行った試験の結果を表３に示す。連続放電特性（23℃、1kΩ負荷での連続放電）、パルス放電特定（23℃、１秒毎オン（オン時電流40mA））の夫々について試験を行った。尚、表中の数値は比較例の放電特性を１００としたときの相対値である。
【表３】
2019145349.tif 000005
表３に示すように、実施例について比較例と同等の放電性能が得られることがわかった。
【００３１】
尚、上記の比較例に加え、さらに負極材料に負極集電体６を差し込んだ（突き刺した）構造（他の構造は実施例と同様）の比較例のボビン形リチウム一次電池を試作して放電性能を検証した。表４にその結果を示す。表中の数値は比較例の放電特性を１００としたときの相対値である。
【表４】
2019145349.tif 000006
表４に示すように、実施例は比較例よりも良好なパルス特性が得られた。これは実施例のほうが負極と電解液との間の接触面積が大きく、パルス負荷時の閉路電圧降下が小さくなるからであると考えられる。
【００３２】
＜高温保存特性（耐漏液性）試験＞
高温保存特性（耐漏液性）について試験を行った結果を表５に示す。尚、試験数（サンプル数）は、実施例及び比較例のいずれについても５つとした。
【表５】
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表５に示すように、実施例はいずれのサンプルについても比較例と同等の高温保存特性（耐漏液性）であった。
【００３３】
＝効果＝
以上のように、本実施形態のリチウム電池１によれば、負極４及び正極（電池缶２）の表面積に対する負極集電体６の面積占有率を確保することができる。また本実施形態のリチウム電池１によれば、負極４の減少に伴い負極４とセパレータ５及び正極合剤３との間の距離が広がるため、残存容量が異なる電池同士を接続したときの転極過放電や誤使用による充電により生じるセパレータの貫通リスクを低減することができる。
【００３４】
また本実施形態のリチウム電池１は極間距離を確保しやすく、負極集電体６に巻回された板状の部材４１（負極４）の層間に存在する隙間Ｓにより負極４と電解液との間の接触面積を確保することができ、高負荷パルス特性が損なわれることもない。
【００３５】
また本実施形態のリチウム電池１は負極集電体６に負極４に巻回する方式であるため、負極４と負極集電体６との間の圧着強度を確保しやすく、集電不良が生じにくい。
【００３６】
また本実施形態のリチウム電池１は、その構成部材として、筒形アルカリ電池の製造に用いられる部材（部品）を用いる（利用する）ことができる。そのため、材料コストの低減や製造工程の簡素化を図ることができ、安価なリチウム電池１を提供することができる。
【００３７】
尚、以上の説明は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。
【符号の説明】
【００３８】
１  リチウム電池、２  電池缶、３  正極合剤、４  負極、４１  板状の部材、４２  最外周端部、５  セパレータ、６  負極集電体、６１  棒状部、６２  円盤状部、７  負極端子板、７１  平板状部、７２  フランジ部、１０  封口ガスケット、２０  封口体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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