(57)【要約】【課題】心材の温度分布の偏りや、電極群全体の温度上昇の進行を原因とした、安定した電力の供給の阻害を防ぐことができる電池を提供する。【解決手段】電池１００は、心材１７と、心材１７に捲回される正極シートと、心材１７に捲回され正極シートとは電気的に絶縁される負極シートとを備え、心材１７は、正極シート及び負極シートによって捲回されていない露出部を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
心材と、
前記心材に捲回される第１の電極シートと、
前記心材に捲回され前記第１の電極シートとは電気的に絶縁される第２の電極シートとを備え、
前記心材は、前記第１の電極シート及び前記第２の電極シートによって捲回されていない露出部を有することを特徴とする電池。
【請求項２】
前記心材は、平板状の形状をしていることを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記心材は、筒状の形状をしていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池。
【請求項４】
前記第１の電極シート又は前記第２の電極シートは、前記心材と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれかの項に記載の電池。
【請求項５】
前記心材の一部は、電池容器に接していることを特徴とする請求項１から４までのいずれかの項に記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池、特にリチウムイオン電池などの電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高エネルギ密度の二次電池として、リチウムイオン電池が知られている。近年では、容量が１００Ａｈ以上の電池が作製されている。例えば、自動車用電池であり、この用途に使用される電池は、正極シートと負極シートとからなる極板群を、セパレータを介して巻き付ける構造をしている。この電池としては、極板群を円筒状に捲回しているものが知られており、この円筒の両端にリード線などの集電体を取り付けることにより電池を構成している（特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、特許文献１に記載されているような円筒形の形状をした電池の場合、多数の電池を収納するときに、各電池間に隙間が生じ、電池を設置する領域を有効利用することができない。
【０００４】
このようなことから、直方体状の形状の電池が使用されている。この場合、極板群を直方体状の電池容器に合うように扁平にして捲回する必要がある。このため、電極シートに伸張力を与えつつ捲回した極板群の密着性を確保するため、ポリプロピレン製やステンレス製の心材を使用してこれらの心材に捲回している。
また、特許文献２には、六角形状であって筒状の心材に極板群を捲回し、捲回後に心材を押し潰す方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１５８０２９号公報
【特許文献２】特開２００２−２８００５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２の電池では、心材部に集まった熱が電池の外部へ逃げにくく、心材の温度の分布に偏りが生じたり、電極群全体の温度上昇が進行し安定した電力を供給することができないことがあるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、心材の温度分布の偏りや、電極群全体の温度上昇の進行を原因とした、安定した電力の供給の阻害を防ぐことができる電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、心材と、前記心材に捲回される第１の電極シートと、前記心材に捲回され前記第１の電極シートとは電気的に絶縁される第２の電極シートとを備え、前記心材は、前記第１の電極シート及び前記第２の電極シートによって捲回されていない露出部を有することを特徴とする電池である。
本発明では、心材の少なくとも一部が、第１の電極シート及び第２の電極シートによって捲回されていない露出部を設けるようにしたため、第１の電極シート及び第２の電極シートによって露出部から心材の熱が逃げやすくなり、心材の温度分布の偏りや、電極群全体の温度上昇の進行を原因とした、安定した電力供給の阻害を防ぐことができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、前記心材が、平板状の形状をしていることを特徴とする請求項１に記載の電池である。
本発明では、心材が平板状の形状をしており、心材の内部の熱が心材の表面に到達しやすくなるため、放熱を促進することができ、心材の温度分布の偏りや、電極群全体の温度上昇の進行を原因とした、安定した電力供給の阻害を防ぐことができる。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明は、前記心材が、筒状の形状をしていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池である。
本発明では、心材が筒状の形状をしており、心材の内部の空洞から熱が逃げやすくなるため、放熱を促進することができ、心材の温度分布の偏りや、電極群全体の温度上昇の進行を原因とした、安定した電力供給の阻害を防ぐことができる。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明は、前記第１の電極シート又は前記第２の電極シートが、前記心材と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれかの項に記載の電池である。
本発明では、第１の電極シート又は第２の電極シートが、心材と電気的に接続されており、電流の流れる経路が増えるため、電極シート内での熱の蓄積を抑えることができ、心材の温度分布の偏りや、電極群全体の温度上昇の進行を原因とした、安定した電力供給の阻害を防ぐことができる。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明は、前記心材の一部が、電池容器に接していることを特徴とする請求項１から４までのいずれかの項に記載の電池である。
本発明では、心材の一部が、電池容器に接しており、心材の熱が熱伝導により電池容器に伝わるため、電池内部で発生した熱が電池容器外部に逃げやすくなり、電池内部の温度が上昇し過ぎて安定した電力の供給ができなくなることを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、心材の温度分布の偏りや、電極群全体の温度上昇の進行を原因とした、安定した電力供給の阻害を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００（電池）の斜視図である。リチウムイオン電池１００の電池容器５０は、容器本体２０と上蓋１０とから構成されている。上蓋１０の中央部には、安全弁３０が設けられている。
また、上蓋１０には、リチウムコバルタイト（ＬｉＣｏＯ２）からなる正極４０と、炭素（Ｃ）からなる負極４１とが取り付けられている。
【００１４】
図２は、本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００の分解斜視図である。図２は、図１のリチウムイオン電池１００の容器本体２０から上蓋１０を取り外した状態を示している。
電池容器５０は直方体状の形状をしており、内部に直方体状の空間が設けられている。電池容器５０内には、極板群１１、集電体１２（１２ａ、１２ｂ）、心材１７などが収納される。電池容器５０内には、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＰＦ６等のリチウム（Ｌｉ）イオンを含んだ電解液が充填される。
【００１５】
極板群１１は、後述するように、正極シート、負極シート、セパレータなどからなる。正極シートは、集電体１２ａを介して、正極４０に電気的に接続されている。また、負極シートは、集電体１２ｂを介して、負極４１に電気的に接続されている。集電体１２ａ、１２ｂとしては、リード線などが用いられる。
【００１６】
図３は、本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００の上蓋１０等の構造を示す断面図である。上蓋１０の中央部には、安全弁３０が設けられている。
上蓋１０の両端には、凸部１３ａ、１３ｂが形成されている。上蓋１０の材質としては、樹脂を用いている。樹脂としては、ＡＢＳ（Acrylonitrile Butadiene Styrene）樹脂やＰＰ（Polypropylene）樹脂などを用いることができる。上蓋１０のうち、樹脂で形成された樹脂部１６には、２つの貫通口１９ａ、１９ｂが形成されており、貫通口１９ａに正極４０が取り付けられ、貫通口１９ｂに負極４１が取り付けられる。
【００１７】
図４は、本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００の上蓋１０の一部の構造を示す断面図である。図４は、図３において、上蓋１０の正極４０、凸部１３ａを含む領域を示している。
上蓋１０の貫通口に正極４０を取り付ける際に、上蓋１０と正極４０との間に隙間ができないように、本実施形態では、上蓋１０と正極４０との間に樹脂１４を埋め込んでいる。これにより、リチウムイオン電池１００の電池容器５０内を気密に封止することができる。樹脂１４としては、例えば、エポキシ樹脂などを用いることができる。
なお、図４では、上蓋１０の正極４０が取り付けられる領域の構造を示したが、上蓋１０の負極４１が取り付けられる領域の構造についても図４と同様であるので、その説明を省略する。
【００１８】
図５は、本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００の上蓋１０と容器本体２０とを接合する方法について説明するための図である。
上蓋１０の両端には、それぞれ凸部１３（１３ａ、１３ｂ）が形成されている。
また、容器本体２０の縁の部分には凹部１５（１５ａ、１５ｂ）が形成されている。
リチウムイオン電池１００の電池容器５０の内部に、極板群１１（図２参照）、集電体１２、心材１７などを収納した後に、上蓋１０の凸部１３ａと容器本体２０の凹部１５ａとを嵌合させる。これにより、図１に示すような形状の電池容器５０が完成する。なお、上蓋１０の凸部１３と容器本体２０の凹部１５との間には、接着剤を塗布することにより、上蓋１０と容器本体２０とが一体化される。
【００１９】
図６（ａ）は、本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００の極板群１１の構造を示す正面図である。また、図６（ｂ）は、本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００の極板群１１の構造を示す断面図である。なお、図６（ｂ）は、図６（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。
【００２０】
平板状の心材１７の周りには、極板群１１が捲回されている。極板群１１は、正極シート２１ａ（第１の電極シート）や負極シート２１ｂ（第２の電極シート）などにより構成される。本実施形態では、正極シート２１ａが心材１７と電気的に接続されており、負極シート２１ｂが心材１７と電気的に絶縁されている。なお、負極シート２１ｂを心材１７と電気的に接続し、正極シート２１ａを心材１７と電気的に絶縁するようにしてもよい。
心材１７には、集電体１２ａが接続されており、この集電体１２ａは正極４０（図２参照）に接続されている。また、負極シート２１ｂには、集電体１２ｂが接続されており、この集電体１２ｂは負極４１（図２参照）に接続されている。
【００２１】
図７（ａ）は、本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００の心材１７の構造を示す斜視図である。また、図７（ｂ）は、本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００の心材１７の構造を示す断面図である。
心材１７は、平板状であって筒状の形をしている。つまり、心材１７は、長手方向Ｄ１の長さがａ１１であり、長手方向Ｄ１と垂直な方向の断面（図７（ｂ）参照）における長方形の各辺の長さがａ１２、ａ１３である。また、心材１７の内部には長手方向Ｄ１に、長さがａ２１であり、長手方向と垂直な方向の断面（図７（ｂ）参照）における長方形の各辺の長さがａ２２、ａ２３の空間が設けられている。ただし、ａ１１＝ａ２１、ａ１２＞ａ２２、ａ１３＞ａ２３である。
【００２２】
図８は、本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００の極板群１１について説明するための図である。極板群１１は、正極シート２１ａ、負極シート２１ｂ、セパレータ２２ａ、２２ｂからなる。なお、正極活物質塗布部２３ａ、負極活物質塗布部２３ｂが、おのおの正極シート２１ａ、負極シート２１ｂ上に塗布して形成される。各シートはいずれも長方形状の形をしている。
本実施形態では、正極シート２１ａの材質としてアルミニウム（Ａｌ）を用いており、負極シート２１ｂの材質として銅（Ｃｕ）を用いている。本実施形態では、心材１７と正極シート２１ａとを電気的に接続するため、心材１７の材質として正極シート２１ａの材質と同じアルミニウムを用いている。なお、正極シート２１ａではなく負極シート２１ｂに心材１７を電気的に接続する場合には、心材１７の材質として銅を用いる。しかし、電池反応に有害な影響を及ぼさず、本願の目的とする、放熱性の向上や捲回作業性の改善に効果のある材料であればこれらの金属以外でも良い。
セパレータ２２ａ、２２ｂは、電気的に絶縁性を有する物質により形成されている。正極活物質塗布部２３ａと負極活物質塗布部２３ｂは、それぞれ電池反応に有効な物質により形成されている。
【００２３】
本実施形態では、正極シート２１ａ、セパレータ２２ａ、負極シート２１ｂ、セパレータ２２ｂの順に重ね合わせ、これらの各シートを、セパレータ２２ｂを内側にして心材１７に捲回している。
正極シート２１ａ、セパレータ２２ｂ、セパレータ２２ａ、負極シート２１ｂ、正極活物質塗布部２３ａ、負極活物質塗布部２３ｂは、心材１７の一端から長手方向Ｄ１にそれぞれａ５１、ａ５２、ａ５３、ａ５４、ａ５５、ａ５６だけ離れた位置で心材１７に捲回されるように、それぞれ重ね合わされている。なお、ａ５１＜ａ５４＝ａ５３＜ａ５２＜ａ５５＜ａ５６である。
また、正極シート２１ａ、負極シート２１ｂ、セパレータ２２ａ、２２ｂ、正極活物質塗布部２３ａ、負極活物質塗布部２３ｂの幅は、それぞれａ６１、ａ６２、ａ６３、ａ６４、ａ６５、ａ６６である。なお、ａ６１＝ａ６２、ａ６３＝ａ６４、ａ６５＝ａ６６である。
【００２４】
本実施形態では図８で説明したように、各シート２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂを重ね合わせて、心材１７に捲回する際に、心材１７の少なくとも一部（心材１７の一端から長さａ５１までの部分）は、正極シート２１ａ及び負シート２１ｂによって捲回されない。これにより、正極シート２１ａ及び負極シート２１ｂ等などの極板群１１によって捲回されていない露出部（心材１７の一端から長さａ５１までの部分）から心材１７の熱が逃げやすくなり、心材１７の温度分布の偏りや電極群全体の温度上昇を原因として、正極４０及び負極４１から安定した電力の供給ができなくなることを防ぐことができる。
【００２５】
次に、本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００の極板群１１の製造方法について説明する。
図９（ａ）及び図９（ａ）は、本発明の実施形態による極板群１１を製造する方法を説明するための図である。図９（ａ）に示すように、固定部６０ａは、直方体状の形状をしており、一方の面に、開口部の幅がａ３２、ａ３３であって深さがａ３１（図示省略）の直方体状の空間６２ａが設けられている。ここで、ａ３２はａ１２（図７参照）よりも若干大きく、長さａ３３はａ１３（図７参照）よりも若干大きい。例えば、ａ３２＝ａ１２×１．０１であり、ａ３３＝ａ１３×１．０１である。また、ａ３１＝ａ１１×０．１である。
固定部６０ａの空間６２ａが形成されている面と反対側の面には、回転部６１ａが取り付けられている。
【００２６】
また、固定部６０ｂは、直方体状の形状をしており、一方の面に、平板状の凸部６２ｂが形成されている。凸部６２ｂは、各辺の長さがａ４１、ａ４２、ａ４３の平板状の形状をしている。ここで、ａ４２はａ２２（図７参照）よりも若干小さく、長さａ４３はａ２３よりも若干小さい。例えば、ａ４２＝ａ２２×０．９９であり、ａ４３＝ａ２３×０．９９である。また、ａ４１＝ａ２１×０．１である。
固定部６０ｂの凸部６２ｂが形成されている面と反対側の面には、回転部６１ｂが取り付けられている。
【００２７】
図９（ｂ）に示すように、固定部６０ａに設けられた空間６２ａには心材１７の一端が内挿される。また、固定部６０ｂに設けられた凸部６２ｂは、心材１７の他端に設けられた開口部に内挿される。
一方、図８で説明したように、重ね合わされた極板群１１（正極シート２１ａ、負極シート２１ｂ、セパレータ２２ａ、２２ｂ、正極活物質塗布部２３ａ、負極活物質塗布部２３ｂ）の一端が、心材１７に接着剤等によって接着される。極板群１１は、心材１７の一端からａ５１の距離だけ離れた位置から、ａ５８の距離だけ離れた位置に亘って捲回される。ａ５８の後端の距離ａ５７の部分には、心材１７が入っていない状態となる。
【００２８】
そして、回転部６１ａと回転部６１ｂとを、同一の回転方向に同じ速度で回転させることにより、各シートを心材１７の側面に捲回させる。
各シート２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂからなる極板群１１を全て心材１７に捲回させた後、正極シート２１ａの一端と、負極シート２１ｂの一端とを挟み込む。これにより、極板群１１の両端が、図６（ｂ）に示すように絞られた形状になる。
本実施形態では、固定部６０ａ、６０ｂと心材１７とが一体となった状態で、心材１７に極板群１１が捲回され、極板群１１への圧迫力が捲回の作業中、同じ状態で維持される。本実施形態では、極板群１１が金属で形成され強度が高く、捲回の工程を行なうことは容易である。
【００２９】
なお、上述した実施形態では、図３で説明したように、極板群１１と正極４０とをリード線などの集電体１２ａで電気的に接続するようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、図１０に示すように、極板群１１と正極４０とを、棒状の金属により構成された集電体１２ｃにより電気的に接続するようにしてもよい。
このように、集電体１２ｃを用いることにより、極板群１１と正極４０とをリード線で接続するよりも熱伝導性を上げることができるので、極板群１１に覆われていない心材１７に伝わった熱を、集電体１２ｃを介して正極４０から電池５０の外部に放出することが可能となり、電池５０の内部の温度が上昇し過ぎて正極４０及び負極４１から安定した電力の供給ができなくなることをより効率的に防ぐことができる。
【００３０】
なお、上述した実施形態では、心材１７の形状が図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、平板状であって、かつ、筒状である場合について説明したが、このような構成に限定されるものではない。例えば、心材１７として、多角形（四角形や六角形など）の柱状又は筒状のものを用いてもよい。
なお、心材１７の長手方向Ｄ１に対して垂直な断面の形状は、正方形とするよりも、長方形や丸みを帯びた長方形とすることが好ましい。つまり、心材１７の長手方向に対して垂直な断面の最大幅と最小幅との比Ｐ（＝最小幅／最大幅）を、図１１（ａ）に示すようにＰ（＝ｒ１／ｒ１＝１）とするよりも、図１１（ｂ）に示すようにＰ（＝ｒ２／ｒ３）が０より大きく１よりも小さくすることが望ましい。
図１１（ｂ）に示したような構造にすることにより、心材１７の内部の熱が、心材１７の側面に到達しやすくなるため、熱が逃げやすくすることができる。
【００３１】
また、上述した実施形態において、心材１７の少なくとも一部が、電池容器５０に接するようにしてもよい。このような構成にすることにより、心材１７の熱が熱伝導により電池容器５０に伝わるため、電池１００の内部で発生した熱が電池容器５０の外部に逃げやすくなり、電池１００の内部の温度が上昇し過ぎて、正極４０及び負極４１から安定した電力の供給ができなくなることを防ぐことができる。
【００３２】
なお、上述した実施形態では、電池容器５０の材料として射出成型用の樹脂を用いている。この樹脂としては、難燃性の樹脂を用いることもできる。難燃性の樹脂の難燃度としては、ＵＬ規格のＶ０を利用することができる。この規格を満足する樹脂としては、難燃性ポリプロピレン、難燃性ＡＢＳ、難燃性ポリカーボネート樹脂がある。難燃性ＡＢＳ樹脂としては、例えば、ユーエムジー・エービーエス社のサイコラックを用いることができる。
【００３３】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００の斜視図である。
【図２】本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００の分解斜視図である。
【図３】本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００の上蓋１０等の構造を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００の上蓋１０の一部の構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００の上蓋１０と容器本体２０とを接合する方法について説明するための図である。
【図６】本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００の極板群１１の構造を示す正面図及び断面図である。
【図７】本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００の心材１７の構造を示す斜視図及び断面図である。
【図８】本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００の極板群１１について説明するための図である。
【図９】本発明の実施形態による極板群１１を製造する方法を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００の上蓋１０等の他の構造を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施形態によるリチウムイオン電池１００の心材１７の他の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０・・・上蓋、１１・・・極板群、１２（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）・・・集電体、１３（１３ａ、１３ｂ）・・・凸部、１４・・・樹脂、１５（１５ａ、１５ｂ）・・・凹部、１６・・・樹脂部、１７・・・心材、１９ａ、１９ｂ・・・貫通口、２０・・・容器本体、２１ａ・・・正極シート、２１ｂ・・・負極シート、２２ａ、２２ｂ・・・セパレータ、２３ａ・・・正極活物質塗布部、２３ｂ・・・負極活物質塗布部、３０・・・安全弁、４０・・・正極、４１・・・負極、５０・・・電池容器、６０ａ、６０ｂ・・・固定部、６１ａ、６１ｂ・・・回転部、６２ａ・・・空間、６２ｂ・・・凸部、１００・・・リチウムイオン電池
【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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【図１１】
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