(57)【要約】【課題】電池に大きな振動を伴う外部衝撃が加わった場合であっても、センターピンが電池内で移動することを防止して、安全性を向上させることができる円筒形電池を提供する。【解決手段】帯状の正極板と帯状の負極板とを、セパレータを介して捲回した電極群と、前記電極群を収容する有底ケースと、前記電極群の中心の中空部に挿入されるセンターピンと、前記有底ケースの開口部を封止する封口板と、前記電極群と前記有底ケースの底との間に位置する下部絶縁板とを備えており、前記センターピンの一方の先端部が前記中心の中空部の直径より大きい外径となっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状の正極板と帯状の負極板とを、セパレータを介して捲回した電極群と、前記電極群を収容する有底ケースと、前記電極群の中心の中空部に挿入されるセンターピンと、前記有底ケースの開口部を封止する封口板と、前記電極群と前記有底ケースの底との間に位置する下部絶縁板とを備えており、前記センターピンの一方の先端部が前記中心の中空部の直径より大きい外径となっている末広がり形状のフランジ部であることを特徴とする円筒形リチウムイオン二次電池。
【請求項２】
前記センターピンは、一方の先端部が前記中心の中空部の直径より大きい外径となっており、他方の先端部は、先細形状の先細部であることを特徴とする請求項１記載の円筒形リチウムイオン二次電池。
【請求項３】
前記末広がり形状のフランジ部の外径は、前記中心の中空部の直径の１．０５倍以上であることを特徴とする請求項１記載の円筒形リチウムイオン二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン二次電池に関し、特に円筒形電池の極板群に挿入されるセンターピンの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
円筒形電池は、一般に、有底円筒形の金属製の電池ケースに発電要素を収納し、その開口部を金属製の封口板により封口して構成される。封口板は、電池の安全性を確保するための弁機構を有する。電池に異常が発生し、電池ケースの内部の圧力が所定値以上にまで上昇すると弁機構が開き、電池ケースの内部のガスが放出される。これにより、電池ケースの亀裂等の事故が防止される。
【０００３】
発電要素は、電極群および電解質により構成される。電極群は、正極および負極を、その間にセパレータを挟んで渦巻き状に巻回して構成される。セパレータは、正極と負極との間を絶縁するとともに、電解質を保持する機能を有している。
【０００４】
巻回構造の電極群を有するリチウムイオン二次電池には、以下に示す二つの理由から、電極群の中空部に筒状のセンターピンが挿設されているものがある。
【０００５】
先ず一つ目の理由は、充放電の繰り返しによる極板の変形を抑制するためである。詳細には、リチウムイオン二次電池において充放電を繰り返すと、電極群は膨張しようとする。このとき、電極群は、外装缶内に収容されているので外側に向かって膨張できないが、電極群の中空部にセンターピンが挿設されていなければ内側に向かって膨張することができる。すなわち、電極群は、中空部を狭くするように膨張する。電極群がこのように膨張すると、電極群のうち中空部の近傍では極板が変形し、その変形が生じた部分で短絡が生じることがある。しかし、電極群の中空部にセンターピンを挿設すると、電極群のこのような膨張を抑制することができるので中空部の近傍における極板の変形を抑制でき、その結果、短絡の発生を抑えることができる。
【０００６】
センターピンが挿設されているもう一つの理由は、ガス排気通路を確保するためである。詳細には、リチウムイオン二次電池が異常状態に陥ると、電解質が分解してガスが発生し、その結果、電池内の気圧が上昇してリチウムイオン二次電池がさらに危険な状態に陥る虞がある。そのため、リチウムイオン二次電池では、発生したガスを電池の外へ放出する機構が設けられていることが好ましく、具体的には、発生したガスを、電極群の中空部内を通して通気口から排出させることが好ましい。このように、電極群の中空部は、ガス排気通路として機能する。ところで、このようなリチウムイオン二次電池の電池内の温度が、例えば、誤ってリチウムイオン二次電池を火中などに投下した場合などのように、２００℃以上の高温となると、ポリエチレン製のセパレータが溶融する。電極群の中空部にセンターピンを挿設させていなければ、溶融したセパレータが中空部を塞ぐ虞があり、ガス排気通路を確保できない場合がある。しかし、電極群の中空部にセンターピンを挿設すると、セパレータが溶融しても溶融したセパレータが中空部を塞ぐことを抑制できるので、ガス排気通路を確保することができる。
【０００７】
ところで、このようなセンターピンを備えたリチウムイオン二次電池を高いところから落としたり、大きな振動を伴う外部衝撃が加わったりする場合には、センターピンが電池内部を移動し、封口板の弁機構を破壊してしまう虞がある。
【０００８】
このようなセンターピンの移動を防止するために、センターピンの外側に突起を設け、
電極群の中心部内壁面に接触させるなど、センターピンの形状を工夫し、センターピンの移動を防止することが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００９】
別の例としては、上部絶縁板の中心部にセンターピン離脱防止部を有する構成が提案されている。例えば特許文献２参照）。
【００１０】
また、上部絶縁板の中心部に突起部を設け、センターピンを圧入する構成が提案されている（例えば特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−２０４１４０号公報
【特許文献２】特開２００７−１８４２３３号公報
【特許文献３】特開２００３−３１７８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、リチウムイオン二次電池には、大容量化且つ小型化が求められている。リチウムイオン二次電池を大容量化させるためには、活物質の量を増加させることが考えられ、活物質の量を増加させると電極群が嵩張る。しかし、リチウムイオン二次電池には小型化が要求されているので、電極群が嵩張っても外装缶を大型化することができない。よって、リチウムイオン二次電池の大容量化を図れば、外装缶内における電極群の占有率が増加する。
【００１３】
外装缶内における電極群の占有率が増加すると、電極群の中空部の体積が減少し、言い換えると、センターピンを収容するための空間が狭くなる。そのため、上記特許文献１のようにセンターピンの外側に突起を設けることは困難であった。そのうえ、上記特許文献１では電極群が膨張する際、その突起によって電極群を損傷させる虞があった。
【００１４】
また、上記特許文献２に開示されたセンターピンでは、ガスの排気効率を向上させることが難しい。具体的には、上記特許文献２に開示されたセンターピンでは、上部絶縁板の中心部にセンターピン離脱防止部を有しているので、センターピンの中空部の面積に比べ上部絶縁板の中心開口部の面積は狭くなっている。よって、リチウムイオン二次電池が異常状態となりその結果電池内においてガスが発生した場合、そのガスは、上部絶縁板の中心部で圧力損失が生じ、ガスを充分かつ迅速に排気することができず、リチウムイオン二次電池内における内圧が上昇し、リチウムイオン二次電池がさらに危険な状態に陥る場合がある。
【００１５】
また、上記特許文献３では上部絶縁板にセンターピンを圧入する作業は非常に作業性が悪く煩雑であった。また、圧入させるために上部絶縁板の材質をゴムや天然パルプなどの弾性力の有る絶縁物を使うことは、ガス発生によりケース内圧が上昇した際に上部絶縁板が変形し、弁機構を破壊してしまう虞があった。
【００１６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、大容量となった場合であっても、センターピンの移動を抑制でき、かつ、ガスの排気効率を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明は、帯状の正極板および負極板をセパレータを介して捲回した電極群と、上記電極群を収容する有底ケースと、上記電極群の中心中空部に挿入
されるセンターピンと、上記電極群の上端開口部を封止する封口板と、上記電極群と上記有底ケースの底との間に位置する下部絶縁板とを備えており、上記センターピンの一方の先端部が電極群の中心中空部の直径より大きい外径となっている末広がり形状である。さらには、上記電極群の中心中空部に挿入させやすくするため、他方の先端部は、先細形状になっている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、電池を高いところから落としたり、大きな振動を伴う外部衝撃が加わったりした場合であっても、センターピンが電池内部を移動することを防止でき、封口板の弁機構を破壊することがない。
【００１９】
したがって、本発明によれば、電池の安全性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明にかかる円筒形リチウムイオン二次電池の縦断面図
【図２】本発明の実施の形態におけるセンターピンの概略図
【図３】本発明の実施の形態におけるセンターピン挿設部の概略図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されない。
【００２２】
（実施の形態）
実施の形態では、円筒形リチウムイオン二次電池を例に挙げ、その構成を示す。
【００２３】
本実施の形態にかかる円筒形リチウムイオン二次電池は、図１に示すように、例えばステンレス鋼製の外装缶１と、外装缶１内に収容された電極群９とを備えている。
【００２４】
外装缶１の上面には開口が形成されている。開口にはガスケット３を介して封口板２がかしめつけられており、封口板２をかしめつけることにより開口は封じられている。
【００２５】
封口板２には、開口弁２ａとガス排出口２ｂとが設けられている。開口弁２ａは、リチウムイオン二次電池内における圧力が所定値を上回ったときに破壊するように構成されており、開口弁２ａとガス排出口２ｂとは、リチウムイオン二次電池の内部でガスが発生しガスの発生に起因してリチウムイオン二次電池内部における圧力が一定値を超えた場合に、そのガスをリチウムイオン二次電池の外に排出するために設けられたものである。つまり、リチウムイオン二次電池が高温になる、例えば、リチウムイオン二次電池を誤って火中に入れるなどをすると、電解質などが分解してガスが発生する。ガスが発生するとリチウムイオン二次電池内における圧力が上昇し、リチウムイオン二次電池内における圧力が所定値を上回ると開口弁２ａが破れる。これにより、電池内部で生じたガスは、センターピン４の内部空間を通過して、開口弁２ａの破壊により生じた隙間を通って、ガス排出口２ｂからリチウムイオン二次電池の外へ排出される。
【００２６】
電極群９は、正極５と、負極６と、多孔質絶縁層７とを有しており、正極５と負極６とが多孔質絶縁層７を介して巻回されて形成されている。このような電極群９は、まず巻回用の軸に正極５と負極６と多孔質絶縁層７とを巻回させ、次に電極群９から巻回用の軸を抜き取ることにより、作製される。そのため、電極群９では、巻回用の軸が設けられていた部分が隙間として存在し、言い換えると、中空部９ａが軸方向に延びるように存在している。この中空部９ａには、筒状のセンターピン４が挿設されている。
【００２７】
センターピン４を電極群９の中空部９ａに設ける目的としては、上述したようにリチウムイオン二次電池が異常状態となった場合に発生するガスを排出するための通路を確保するため、および、充放電を繰り返した際の正極５および負極６の変形を抑制するためという二つを挙げることができる。
【００２８】
ここで、センターピン４を作製するために用いる薄板の材料としては、耐熱性および電解液に対する耐腐食性を有し、容易に加工でき且つコストを低廉に抑えることができるものであればよく、例えばステンレス鋼、アルミニウム、チタン、ニッケル、銅あるいは鉄などの金属材料、有機材料または有機材料と金属材料との混合材料などを用いることができる。
【００２９】
また、図２に示すように、センターピン４の一方の先端部は、電極群の中心中空部の直径より大きい外径になっている末広がり形状のフランジ部４ａを有し、他方の先端部は、電極群の中心中空部に挿入させやすくするため、先細形状の先細部４ｂを有している。
電極群９の上端面の上には、ガラスフェノール製の上部絶縁板８ａが配置されており、電極群９の下端面の下には、ポリプロピレン製の下部絶縁板８ｂが配置されている。
【００３０】
正極５にはアルミニウム製の正極リード５ａの一端がとりつけられており、その正極リード５ａの他端は正極端子を兼ねる封口板２に接続されている。負極６にはニッケル製の負極リード６ａの一端が取り付けられており、その負極リード６ａの他端は負極端子を兼ねる外装缶１に接続されている。
【００３１】
正極５では、正極集電体５ｂの両表面または片方の表面に正極合剤層５ｃが設けられており、正極合剤層には、活物質、導電剤および結着剤などが含まれている。同様に、負極６では、負極集電体６ｂの両表面または片方の表面に負極合剤層６ｃが設けられており、負極合剤層には、活物質および結着剤などが含まれている。正極５および負極６の集電体、正極５および負極６の活物質などの材質は、特に限定されることなく公知の材質を用いることができる。これらの材質の具体例を以下に示す。
【００３２】
まず、正極５について示す。
【００３３】
活物質としては、リチウム複合酸化物、具体的には、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウムもしくはマンガン酸リチウムなどがあり、またはリチウム複合酸化物の変性体などを用いることができる。リチウム複合酸化物の変性体としては、上述のリチウム複合酸化物にアルミニウムまたはマグネシウムなどの元素が混合されたものである。また、リチウム複合酸化物の変性体には、コバルト酸リチウムにニッケルもしくはマンガンが混合されたもの、ニッケル酸リチウムにコバルトもしくはマンガンが混合されたもの、または、マンガン酸リチウムにコバルトもしくはニッケルが混合されたものも含まれる。
【００３４】
導電剤としては、正極５の電位が印加されたときに分解または溶融などすることなく安定して存在できることが好ましく、例えば黒鉛、カーボンブラックまたは金属粉末などを用いることができる。
【００３５】
結着剤としては、正極５の電位が印加されたときに分解または溶融などすることなく安定して存在できることが好ましく、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ；ＰｏｌｙＶｉｎｙｌｉｄｉｎｅ  ＤｉＦｌｕｏｒｉｄｅ）またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ；ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）などを用いることができる。
【００３６】
正極集電体５ｂとしては、正極５の電位が印加されたときに分解または溶融などすることなく安定して存在できることが好ましく、例えばアルミニウム箔を用いることができ、
アルミニウム箔に孔が形成されていてもよい。
【００３７】
次に、負極６について示す。
【００３８】
活物質としては、天然黒鉛、人造黒鉛、アルミニウムもしくはアルミニウムを主体とする種々の合金、酸化スズなどの金属酸化物、または、金属窒化物を用いることができる。
【００３９】
導電剤としては、負極電位下で安定な黒鉛・カーボンブラック・金属粉末などが用いられる。
【００４０】
結着剤としては、負極６の電位が印加されたときに分解または溶融などすることなく安定して存在できることが好ましく、スチレン−ブタジエン共重合体ゴム（ＳＢＲｓｔｙｒｅｎｅ−ｂｕｔａｄｉｅｎｅ  ｒｕｂｂｅｒ）またはカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣｃａｒｂｏｘｙｍｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）などを用いることができる。
【００４１】
負極集電体６ｂとしては、負極６の電位が印加されたときに分解または溶融などすることなく安定して存在できることが好ましく、例えば銅箔を用いることができ、銅箔に孔が形成されていても良い。
【００４２】
多孔質絶縁層７としては、ポリオレフィンからなる微多孔膜または不織布などを用いても良く、複数の絶縁性粒子がバインダーなどを介して互いに接着されて形成された層を用いても良いが、耐熱性を向上させるためには後者を用いる方が好ましい。どちらの場合であっても、多孔質絶縁層７における空隙率は、３０〜８０％であることが好ましく、４０〜８０％でることが更に好ましく、更には５０〜８０％であることが好ましい。空隙率が３０％以上特に４０％以上である多孔質絶縁層７を用いた場合には、電池に大電流を流した際の充放電特性および低温環境下における充放電特性の低下を抑制できるので好ましい。しかし、空隙率が８０％を超えると、多孔質絶縁層７の機械的強度が弱くなってしまうので好ましくない。
【００４３】
絶縁性粒子としては、化学的に安定であることが好ましく、化学的に安定であるとは、例えば、非水電解質に接しても非水電解質に侵されないことであり、正極５および負極６に酸化還元電位が印加されても分解または反応しないことであり、さらには、電池特性に悪影響を及ぼすような副反応を起こさないことである。具体的には、絶縁性粒子として、アルミナ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、酸化亜鉛、または、シリカ等の酸化物を用いることが好ましく、その中でもアルミナ、特にはα−アルミナを用いることが好ましい。
【００４４】
正極５、負極６および多孔質絶縁層７には（特に多孔質絶縁層７には）、電解質が保持されている。
【００４５】
電解質としては、非水電解液、または、ポリマー材料に非水電解液を含ませたゲル状の電解質などが挙げられる。非水電解液は、非水溶媒と溶質とからなる。
【００４６】
溶質として、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）または四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）などのリチウム塩が挙げられる。
【００４７】
非水溶媒としては、エチレンカーボネート、環状カーボネート（例えばプロピレンカーボネート）または鎖状カーボネート類（例えばジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートもしくはエチルメチルカーボネート）を用いることが好ましいが、これらに限定されない。また、非水溶媒は、１種を単独で用いてもよいが、２種以上を組み合わせてもよい
。非水溶媒には添加剤が混合されていても良く、添加剤としてはビニレンカーボネート、シクロヘキシルベンゼンまたはジフェニルエーテルなどが挙げられる。
【００４８】
以下に示す方法に従って、本実施形態にかかるリチウムイオン二次電池を作製することが好ましい。
【００４９】
まず、正極５および負極６を作製する。具体的には、正極５の活物質を正極５の導電剤および正極５の結着剤と混練して正極５のペーストを調製し、正極５のペーストを正極５の正極集電体５ｂの両面または片面に塗布する。このとき、正極５の正極集電体５ｂの長手方向における一端には、正極５のペーストを塗布しない。これにより、正極５を作製することができる。
【００５０】
同様に、負極６の活物質を負極６の結着剤と混練して負極６のペーストを調製し、負極６のペーストを負極６の負極集電体６ｂの両面または片面に塗布する。このとき、負極６の負極集電体６ｂの長手方向における一端には、負極６のペーストを塗布しない。これにより、負極６を作製することができる。
【００５１】
次に、正極板および負極板を作製する。具体的には、正極５の正極集電体５ｂのうち正極５のペーストが塗布されていない部分に正極リード５ａを溶接し、負極６の負極集電体６ｂのうち負極６のペーストが塗布されていない部分に負極リード６ａを溶接する。
【００５２】
続いて、巻回用の軸に多孔質絶縁層７を介して正極板と負極板とを巻回させることにより、中心に中空部９ａを持つ、電極群９を作製する。このとき、正極リード５ａと負極リード６ａとが互いに逆向きに延びるように、正極板と負極板とを配置する。
【００５３】
続いて、中空部９ａに負極リード６ａが延びている方向からセンターピン４を挿入する。このとき、図３に示すように、中空部９ａの直径より大きい外径になっているセンターピン４のフランジ部４ａは負極リード６ａ側に配置される。このとき、フランジ部４ａの外形のは、中空部９ａの直径の１．０５倍以上あれば良く、電極群９の直径以下であれば、体積効率を下げることもない。
そして、有底の外装缶１に上記センターピン４が挿設された電極群９を収納し、負極リード６ａを外装缶１の底部に溶接する。このとき、電極群９の上端面の上には、上部絶縁板８ａを配置し、電極群９の下端面の下には、下部絶縁板８ｂを配置する。
【００５４】
そして、正極リード５ａを封口板２に溶接し、外装缶１内に非水電解質を注入し、樹脂製のガスケット３を介して外装缶１の開口部を封口板２でかしめて封口する。これにより、本実施の形態にかかるリチウムイオン二次電池を作製することができる。
【００５５】
以上説明したように、本実施の形態におけるセンターピン４では、電池に大きな振動を伴う外部衝撃が加わった場合であっても、センターピン４はフランジ部４ａにより電極群に固定されているので、電池内での移動を防止でき、封口板の弁機構を破壊することがない。
【００５６】
以上、図１、２および図３を参照して本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれに限られるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明によれば、安全性がさらに向上された円筒形電池を提供することができる。このような本発明の円筒形電池は、特にパーソナルコンピュータ、携帯電話、モバイル機器、携帯情報端末（ＰＤＡ）、携帯用ゲーム機器並びにビデオカメラ等の携帯用電子機器の電
源として有用である。また、ハイブリッドカー、電気自動車、燃料電池自動車等の交通用機器において、その電動機の駆動を補助する電源としても有用である。また、電動工具、掃除機、およびロボット等の駆動用電源としても有用であり、プラグインＨＥＶの動力源としても有用である。
【符号の説明】
【００５８】
１    外装缶
２    封口板
２ａ  開口弁
２ｂ  ガス排出口
３    ガスケット
４    センターピン
４ａ  フランジ部
４ｂ  先細部
５    正極
５ａ  正極リード
５ｂ  正極集電体
５ｃ  正極合剤層
６    負極
６ａ  負極リード
６ｂ  負極集電体
６ｃ  負極合剤層
７    多孔質絶縁層
８ａ  上部絶縁板
８ｂ  下部絶縁板
９    電極群
９ａ  中空部
【図１】
2013137941.tif 000003
【図２】
2013137941.tif 000004
【図３】
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