(57)【要約】【課題】  電極が偏平捲回されてなる発電要素を備えた電池の電極間距離を均一化し、もって出力特性の安定した電池を提供することを目的とする。【解決手段】  柱状の電槽容器に、正極板、負極板及びセパレータを偏平に捲回してなる発電要素が収納されてなる電池において、前記発電要素は、偏平方向の幅をａ、円弧部分の半径をｒとしたとき、６ｒ≦ａの関係を満たし、前記電槽容器は、前記発電要素の偏平面に対応する側面に、該側面の幅の中心線上にかかるように幅ｗを伴った凹部が前記発電要素の捲回軸方向に沿って形成され、前記凹部の幅ｗがａ／３以下であることを特徴とする電池。【選択図】    図１
2008091252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱状の電槽容器に、正極板、負極板及びセパレータを偏平に捲回してなる発電要素が収納されてなる電池において、前記発電要素は、偏平方向の幅をａ、円弧部分の半径をｒとしたとき、６ｒ≦ａの関係を満たし、前記電槽容器は、前記発電要素の偏平面に対応する側面に、該側面の幅の中心線上にかかるように幅ｗを伴った凹部が前記発電要素の捲回軸方向に沿って形成され、前記凹部の幅ｗがａ／３以下であることを特徴とする電池。
【請求項２】
前記凹部は、前記電槽容器の偏平面に対応する両側面に形成されている請求項１記載の電池。
【請求項３】
前記凹部は、前記発電要素の捲回軸方向の両端部に対応する部分を除いて形成されている請求項１又は２記載の電池。
【請求項４】
前記凹部は、前記発電要素の捲回軸方向に直交する断面形状が、前記電槽容器の内壁側において円弧状を呈している請求項１〜３のいずれかに記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極が偏平捲回されてなる発電要素を備えた電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
正極板、負極板及びセパレータを偏平状に捲回してなる発電要素を備えた電池は、外形を偏平形状とすることができるため、真円状に捲回した発電要素を備えた円筒電池に比べ、電池を機器に装着した場合や電池同士を集合した場合に余剰空間が生じにくいので、エネルギー効率の点で優れる。
【０００３】
重ね合わせた正極板、負極板及びセパレータ（以下「極群」ともいう）を捲回軸の周囲に偏平状に捲回する場合、両端の円弧部分においては極群が緊密に捲回できるものの、偏平部分においては少なくとも捲回軸の体積に相当する空間が生じる。
【０００４】
リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質電池は、従来、主に小型民生機器用途市場において大量生産されてきたが、近年、非水電解質電池をＨＥＶ用途や電力貯蔵用途等の産業分野に応用する研究が盛んである。非水電解質電池は、水溶液系電池に比べて電解質（電解液）を含む電極の抵抗が大きいことから、電池に要求される出力特性を満足させるため、水溶液系電池に比べて薄い電極（正極、負極）が用いられる。従って、極群が偏平捲回された発電要素を備えた電池の中でも、特に非水電解質電池においては、電極の厚さが比較的薄く電極自体が柔らかいことから、偏平部分においてたわみやすく、積層している電極同士が緊密でない状態となりやすいことから、電極間の距離が不均一となりやすい。加えて、非水電解質電池では電解質の抵抗が水系電解質に比べて大きいことから、電極間の距離が不均一であると電池の出力性能が充分に得られない原因や出力特性が電池間でばらつく原因となる。
【０００５】
特許文献１には、「帯状の正負の電極を帯状のセパレータを介してほぼ長円筒形に巻回した巻回型の発電要素を、ほぼ長円筒形の電池ケース内に収納した電池において、電池ケースの側面における半円筒部を除いた平面部の内壁面と、この電池ケース内に収納された発電要素の外側面との間に、この発電要素の巻回軸方向に直交する断面が中央部ほど内側に突出したスペーサをそれぞれ挿入したことを特徴とする電池」（請求項１参照）が記載されている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の方法では、部品点数が多くなり製造工程が煩雑となるといった問題点があった。また、重量エネルギー効率が悪化し、特に非水電解質電池の場合には、非水電解質電池の特長である高エネルギー密度の利点が損なわれるといった問題点があった。
【０００７】
特許文献２には、「表面に凹状パターンを設けることにより、電池缶内の発電要素を加圧状態で密着させて、電極間の反応効率の向上を図った」（「説明」欄参照）電池が記載されている。
【０００８】
しかしながら、特許文献２記載の電池形状を、電極が偏平捲回されてなる発電要素を備えた電池に適用することについては記載がないばかりではなく、特許文献２の正面図及び背面図に記載された形状を電極が偏平捲回されてなる発電要素を備えた電池に対して適用した場合には、特許文献２において矩形状に表現された凹部の横幅が広すぎるため、二つの円弧中心を結ぶ線分の中点付近のみならず両端の円弧状部分に近い部分まで同時に押さえられるため、結果として二つの円弧中心を結ぶ線分の中点付近については加圧されないこととなり本願の課題が解決できないばかりではなく、両端の円弧状部分に近い部分においては無理な力がかかるため、電池の繰り返し充放電に伴う電極の膨張収縮に追随できず、電池の内部短絡を引き起こし電池性能を悪化させる原因となる。
【０００９】
特許文献３には、「巻回してなる電極体が収納される電池ケースを備えてなる二次電池において、対向する電池ケース側壁には、凹部が電極体巻軸に対して平行に設けられており、前記凹部は、横幅をａ及び縦幅をｂとし、かつ前記凹部の設けられた側壁の横幅をｃ及び縦幅をｄとすると、ｃ≧ａ≧ｃ／２かつｄ≧ｂ≧ｄ／２なる関係を満足してなることを特徴とする二次電池」（請求項１参照）が記載されている。
【００１０】
特許文献３記載の発明は、「正極シートと負極シートとをセパレーターを介して巻き回してなる電極群が、角丸四角形状の横断面を有する電池ケースに収納してなる有機電解質二次電池が提案されたが、充放電サイクルの進行や高温下での貯蔵により著しい電池の膨れと、放電容量の低下が生じるという問題」（段落０００４参照）を解決することを課題とし、「ケースの板厚を大きくする方法を検討したが、重量および容量当たりのエネルギー密度が低下するという問題が生じた。」（段落０００５参照）という経過を経て、「発電要素を収納する電池ケース横断面形状の直線部に断面弧状の凹部を設けた角丸四角形状とすることで、内圧の上昇に対してケース強度が飛躍的に増してケースの膨れが解決できること」（段落００１３参照）を見出し発明に至ったものである。そして、「凹部の横幅が角丸四角形状の直線部の長さの１／２よりも小さいと、満足な強度が得られず」（段落００１４参照）、「凹部の横幅ｃをａ（ａ＝ｃ）とし又は／及び縦幅が少なくとも電極幅と同じ長さであって、かつ電極と対向するケース側壁部分であって、ケース底面から電極群上端部に形成することにより、より好ましい結果が得られた。」（段落００１５参照）との知見が記載されている。
【００１１】
しかしながら、特許文献３記載の電池もまた、凹部の横幅がケースの横幅の１／２以上であるため、凹部の横幅が広すぎ、両端の円弧状部分に近い部分において無理な力がかかるため、電池の繰り返し充放電に伴う電極の膨張収縮に追随できず、電池の内部短絡を引き起こし電池性能を悪化させる原因となる。また、同文献記載の曲率半径を設けると、２つの円弧中心間の中点付近、即ち、偏平部分の幅方向の中心付近が充分に押さえられず、電極間距離を均一化するという本願の課題を解決できない。
【特許文献１】特開２００１−６８１６６号公報
【特許文献２】意匠登録第９２８０７５号公報
【特許文献３】特開平１０−１９９４９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであって、電極が偏平捲回されてなる発電要素を備えた電池の電極間距離を均一化し、もって出力特性の安定した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】
【００１３】
（１）柱状の電槽容器に、正極板、負極板及びセパレータを偏平に捲回してなる発電要素が収納されてなる電池において、前記発電要素は、偏平方向の幅をａ、円弧部分の半径をｒとしたとき、６ｒ≦ａの関係を満たし、前記電槽容器は、前記発電要素の偏平面に対応する側面に、該側面の幅の中心線上にかかるように幅ｗを伴った凹部が前記発電要素の捲回軸方向に沿って形成され、前記凹部の幅ｗがａ／３以下であることを特徴とする電池。
（２）前記凹部は、前記電槽容器の偏平面に対応する両側面に形成されている（１）項記載の電池。
（３）前記凹部は、前記発電要素の捲回軸方向の両端部に対応する部分を除いて形成されている（１）項又は（２）項記載の電池。
（４）前記凹部は、前記発電要素の捲回軸方向に直交する断面形状が、前記電槽容器の内壁側において円弧状を呈している（１）項〜（３）項のいずれかに記載の電池。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本願明細書に添付した図面はいずれも以下の説明の補助を目的とした模式図であり、前記目的のため、寸法関係を一部無視し、あるいは強調して描画してある。
【００１５】
図３は、極群が偏平捲回されてなる発電要素１の端部模式図である。図３において手前から奥にかけての方向Ｙが捲回軸方向である。ａは発電要素１の偏平方向の幅であり、円弧部分の半径をｒとしたとき、発電要素１の厚さは２ｒに相当する。発電要素１の捲回軸方向Ｙに直交する断面の中心部に、捲回時に用いた捲回軸を抜き去った後に生じる空間を描いたが、実際には、該空間は発電要素の厚さ方向に分散される結果、該発電要素の偏平部における電極間距離が不均一なものとなる原因になる。
【００１６】
図１は、凹部を設けた電槽容器２の一例を示した模式図である。電槽容器２へ収納する発電要素１の向きは任意であるが、例えば、図１に示した電槽容器２に、図３に示した発電要素１の捲回軸方向Yが、図１上Ｙ’の方向に沿うように発電要素１を収納した場合、図１のＹ’方向が発電要素１の捲回軸方向Ｙと一致する。図１において、電槽容器２は、発電要素１の偏平面に対応する側面に、該側面の幅ｂの中心線ｍ上にかかるように幅ｗを伴った凹部３が前記発電要素の捲回軸方向Ｙに沿って形成されている。
【００１７】
偏平部分における上述したたわみの問題は、理論的にａ＞２ｒの場合に生じうるが、実質的にはａ≧４ｒの場合に生じやすく、ａ≧６ｒの場合にこの問題が顕著となる。
【００１８】
図３に示すように、捲回軸に相当する部分に生じる空間は２つの円弧中心にまで至りうると考えられるが、例えば、電槽容器に設ける凹部を発電要素における２つの円弧中心にまで至るように、即ち凹部の幅ｗをｍ−２ｒとなるように形成すると、二つの円弧中心を結ぶ線分の中点付近のみならず両端の円弧状部分に近い部分まで同時に押さえられるため、結果として二つの円弧中心を結ぶ線分の中点付近については加圧されないこととなり効果を奏ないばかりではなく、両端の円弧状部分に近い部分においては無理な力がかかるため、電池の繰り返し充放電に伴う電極の膨張収縮に追随できず、電池の内部短絡を引き起こし電池性能を悪化させる原因となる。
【００１９】
発電要素に無理な力が加わることに起因する上述の問題を避け、且つ、電極が偏平捲回されてなる発電要素の偏平部分における電極間距離を均一化するという目的を解決するためには、凹部の幅を上記した先行技術文献記載の態様よりも狭くしなければならない。特に、凹部の幅ｗをａ／３以下とすることで、本願の課題が確実に奏される。凹部の幅ｗは、狭すぎると凹部形状が鋭利となり発電要素を傷つける虞があるため、ｒ／１０以上が好ましい。
【００２０】
最適な凹部の幅については、捲回時に用いた捲回軸の形状、厚さあるいは断面積によって大きく左右される。例えば、断面菱形形状で短い方の対角線の長さが１ｍｍの薄い捲回軸を用いた場合は、前記捲回軸を抜き去った後の空間は小さいため、ｗ＝０．３〜０．８ｍｍとごく狭いスリット形状の凹部を設けることで充分な効果が発揮できる。但し、断面菱形形状で短い方の対角線の長さが薄い場合であっても幅広の捲回軸を用いた場合など、捲回軸の断面積が大きい場合には、前記捲回軸を抜き去った後の空間は大きくなるため、最適な凹部の幅ｗはａ／３に近づくこととなる。
【００２１】
発電要素の偏平部分を押さえる場所については、発電要素の幅ａの端部ではなく、両円弧間の中心付近を押さえることが必要であるため、電槽容器１に設ける凹部３は、発電要素１の偏平面に対応する電槽容器２の側面に、該側面の幅ｂの中心線ｍ上にかかるように形成する。なかでも、前記凹部３は、該側面の幅ｂの実質中心部に設けることが好ましい。
【００２２】
前記凹部３は、前記電槽容器２の偏平面に対応する片方の側面のみに設けてもよいが、発電要素の両方の偏平面から押さえる方が本発明の効果をより確実に発揮できることから、前記電槽容器２の偏平面に対応する両側面に形成されていることが好ましい。
【００２３】
前記凹部３は、前記発電要素２の捲回軸方向Ｙに相当する前記電槽容器２のＹ’方向の両端部に至って形成してもよいが、前記凹部３は、前記Ｙ’方向の両端部に対応する部分を除いて形成することで、電槽容器２の成形が極めて容易となる。さらに、Ｙ’方向端部に蓋を溶接して電池を封口する場合には、蓋部の形状が複雑なものとなることが避けられる。従って、本発明の電池をより安価に提供できるため、好ましい。
【００２４】
図２は、電槽容器２に設けた凹部３の、Ｙ’方向に直交する断面形状の一例を示した模式図である。但し、ハッチングにより断面であることを示すべきところハッチングを省略して描いてある。図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、前記凹部３の端部が電槽容器の内壁側において円弧状を呈している（図中○印部）ものとすることで、発電要素に損傷を与える虞を低減できるため、好ましい。ここで、電槽容器の外壁側においては、図２（ｂ）のように内壁側と同様に円弧状（図中○印部）であってもよいが、図２（ａ）のように円弧状でなくてもよい。さらに、図２（ｃ）に示すように、電槽容器の内壁側を凹部全体にわたって円弧状とすることにより、発電要素の偏平部分のうち、発電要素の幅ａの中心付近を最も深く、押さえることができるため、電極間の距離を均一にする作用が無理なく発揮される結果となり、好ましい。
【００２５】
発電要素の幅ａと厚さ２ｒの関係は任意であるが、あまりに偏平度が大きいと、捲回軸部分に相当する空間体積が大きくなるため好ましくなく、電池設計上１２ｒ≧ａとすることが好ましい。
【００２６】
凹部３の深さは、基本的に捲回軸相当部の空間の大きさに応じて適宜決定することができる。捲回軸相当部の空間の大きさは、捲回時に用いる捲回軸の断面積の他、電極の厚さや捲回回数等、種々の条件によっても変化するが、６ｒ≦ａ≦１２ｒの場合には、凹部３の最大深さは１ｍｍ以上ｒ／５以下が好ましい。
【実施例】
【００２７】
正極板は、厚さ２０μｍのアルミ箔集電体の両面に、正極活物質であるＬｉＣｏＯ２を含む正極合剤層を配置してなる厚さ８０μｍの帯状正極を用いた。負極板は、厚さ１０μｍの電解銅箔集電体の両面に、負極活物質である非晶質炭素を含む負極合剤層を配置してなる厚さ９０μｍの帯状負極を用いた。セパレータには厚さ２２μｍのポリエチレン製帯状微多孔膜を用いた。捲回軸として、断面が偏平菱形形状で捲回軸方向Ｙに直交する断面積が１ｃｍ２のものを用いた。前記帯状正極、帯状負極及び帯状セパレータを積層した帯状の極群（幅１００ｍｍ）をテンションをかけながら前記捲回軸の周囲に４０回捲回した。ここで、帯状セパレータの長さを正極及び負極の長さより長くすることにより、捲回終端部はセパレータのみを２周捲回した。捲回最終端を粘着テープで固定した後、前記捲回軸を抜き去った。このようにして、捲回断面における厚さ２ｒが１９ｍｍであり、幅ａが８５ｍｍである発電要素を作製した。
【００２８】
前記発電要素が無理なくすっぽり挿入できるステンレス鋼製電槽容器２を準備した。前記電槽容器２の両側の側面中央部に、それぞれ幅ｗが２５ｍｍ、深さが１ｍｍの凹部３を上端部及び下端部それぞれ１５ｍｍを除いて形成した。
【００２９】
前記電槽容器２に前記発電要素１を捲回軸方向Ｙの向きに挿入した。挿入後の発電要素１の端部の様子を観察し、前記凹部３を設けない電槽容器に挿入した場合と比較した。その結果、前記凹部３を設けない電槽容器に挿入した場合には極群が偏平部分において大きく乱れていたが、前記凹部３を設けた電槽容器２に挿入した場合には極群が偏平部分において整然と層をなしている様子が観察された。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る電槽容器の一例を示した模式図である。
【図２】本発明に係る電槽容器の凹部断面形状の一例を示した模式図である。
【図３】一般的な偏平捲回電極の形状を示した模式図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  発電要素
２  電槽容器
３  凹部
ａ  偏平方向の幅（発電要素）
ｒ  円弧部分の半径
ｗ  凹部の幅
【図１】
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【図２】
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【図３】
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