(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状の正極と負極が帯状のセパレータを介して巻回された発電素子を電池容器内に収納した非水電解質二次電池において、発電素子の巻回の中心部に金属製の軸芯が配置されると共に、この金属製の軸芯における上下端の少なくともいずれか一方が直接又は取付部材を介して電池容器の内部上面又は底面に固着され、発電要素の上下の端面には集電板が配置されたことを特徴とする非水電解質二次電池。
【請求項２】
帯状の正極と負極が帯状のセパレータを介して巻回された発電素子を電池容器内に収納した非水電解質二次電池において、発電素子の巻回の中心部に金属製の軸芯が配置されると共に、この金属製の軸芯の上下端が直接又は取付部材を介して電池容器の内部上面と底面との間に当接挟持され、発電要素の上下の端面には集電板が配置されたことを特徴とする非水電解質二次電池。
【請求項３】
帯状の正極と負極が帯状のセパレータを介して長円状に巻回された発電素子を電池容器内に収納した非水電解質二次電池において、発電素子の巻回の中心部に横断面長円状の金属製の軸芯が配置されると共に、この金属製の軸芯の上端面の両端部にはそれぞれ突部が設けられ、これらの突部は取付部材を介して電池容器の内部上面に当接され、前記軸芯の下端面が電池容器の内側底面に直接またはリード片を介して当接押圧され、発電要素の上下の端面には集電板が配置されたことを特徴とする非水電解質二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極と負極をセパレータを介して巻回した巻回型の発電素子を備えた非水電解質二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車等の駆動機器や携帯電話等の携帯電子機器では、高率放電性能が要求されるために、エネルギー密度が高く充放電サイクル寿命も長い非水電解質（有機電解液）を用いた二次電池が広く用いられている。非水電解質二次電池は、一般に正極と負極にリチウム系の活物質が用いられ、リチウム二次電池として構成される。この非水電解質二次電池は、非水電解質の電気抵抗が水溶液電解質に比べて著しく高いため、正極と負極の面積を大きくして電極の対向面積を増大させる必要がある。従って、一般に、非水電解質二次電池は、図６に示すように、シート状の芯材に正極活物質と負極活物質を担持させた帯状の正極３と負極４を帯状の絶縁体であるセパレータ５を介して巻回することにより発電素子１を構成する巻回型のものが多い。なお、図６では、発電素子１を円筒状に形成する場合を示すが、長円状に形成される場合もある。
【０００３】
上記巻回型の発電素子１は、図７に示すように、上下の端面に集電板６，７を溶接して、これらの集電板６，７にそれぞれ正極３と負極４を接続し集電を行う。また、この発電素子１は、電池容器１０内に収納し、集電板６，７をそれぞれこの電池容器１０の正負極端子となる容器蓋１０ｂと容器本体１０ａに接続して非水電解質二次電池とする。ここで、従来の非水電解質二次電池は、発電素子１の巻回の中心部を中空にしておく場合もあるし、図７に示したように、巻軸として使用した金属製の軸芯２をそのまま残しておく場合や、巻回後に別途用意した金属製の軸芯２を挿入する場合もあった。また、発電素子１の巻回の中心部に軸芯２を置く場合にも、この軸芯２は電池容器１０に固定されていなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、電気自動車等に用いる１００〜４００Ｗｈ級の大容量の非水電解質二次電池では、大電流の放電時等に大量の熱が発生する。しかも、特に発電素子１の中心部では、周囲を正負極３，４やセパレータ５に囲まれているため、ここで発生した熱が電池容器１０を介して外部に放出され難くなる。また、発電素子１の中心部に金属製の軸芯２がある場合には、ここで発生した熱が熱伝導性の良い軸芯２に伝わることになるが、この軸芯２は固定されていないので、電池容器１０に熱が十分に伝わらず、放熱効果の向上を期待することはできなかった。このため、従来の非水電解質二次電池では、発電素子１の中心部の放熱効率が悪いために、電池温度が異常に上昇するおそれがあるという問題があった。
【０００５】
また、非水電解質二次電池を電気自動車等に用いる場合には、繰り返し振動や衝撃等を受けることが多くなる。ところが、発電素子１の中心部に金属製の軸芯２を置いている場合には、この軸芯２が振動や衝撃等によって電池容器１０内を移動したり飛び跳ねるおそれがあった。このため、従来の非水電解質二次電池では、金属製の軸芯２を置いている場合に、この軸芯２が振動等を受けてセパレータ５等を破損し、最悪の場合には短絡事故を発生させるという問題も生じていた。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、発電素子の中心部に金属製の軸芯を配置し、この軸芯を電池容器に固着し又は挟持させることにより、発電素子の中心部で発生した熱を効率良く放熱すると共に、振動等を受けた場合にも内部が破損することのない非水電解質二次電池を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
即ち、上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、帯状の正極と負極が帯状のセパレータを介して巻回された発電素子を電池容器内に収納した非水電解質二次電池において、発電素子の巻回の中心部に金属製の軸芯が配置されると共に、この金属製の軸芯における上下端の少なくともいずれか一方が直接又は取付部材を介して電池容器の内部上面又は底面に固着され、発電要素の上下の端面には集電板が配置されたことを特徴とする。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、発電素子の巻回の中心部に金属製の軸芯が配置され電池容器に固着されるので、この発電素子で発生した熱が熱伝導性に優れた軸芯を介し（場合によっては取付部材も介し）効率良く電池容器に伝わり放熱されるようになる。また、この金属製の軸芯は、電池容器に固着されるので、電池が振動や衝撃等を受けた場合にも、電池内部を移動したり飛び跳ねてセパレータ等を破損するようなおそれがなくなる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、帯状の正極と負極が帯状のセパレータを介して巻回された発電素子を電池容器内に収納した非水電解質二次電池において、発電素子の巻回の中心部に金属製の軸芯が配置されると共に、この金属製の軸芯の上下端が直接又は取付部材を介して電池容器の内部上面と底面との間に当接挟持され、発電要素の上下の端面には集電板が配置されたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、発電素子の巻回の中心部に金属製の軸芯が配置され上下端が電池容器に当接されるので、この発電素子で発生した熱が熱伝導性に優れた軸芯を介し（場合によっては取付部材も介し）効率良く電池容器に伝わり放熱されるようになる。また、この金属製の軸芯は、上下端が電池容器に挟持されるので、電池が振動や衝撃等を受けた場合にも、電池内部を移動したり飛び跳ねてセパレータ等を破損するようなおそれがなくなる。
【００１１】
【００１２】
さらに、請求項３に記載の発明は、帯状の正極と負極が帯状のセパレータを介して長円状に巻回された発電素子を電池容器内に収納した非水電解質二次電池において、発電素子の巻回の中心部に横断面長円状の金属製の軸芯が配置されると共に、この金属製の軸芯の上端面の両端部にはそれぞれ突部が設けられ、これらの突部は取付部材を介して電池容器の内部上面に当接され、前記軸芯の下端面が電池容器の内側底面に直接またはリード片を介して当接押圧され、発電要素の上下の端面には集電板が配置されたことを特徴とする。
【００１３】
上記請求項３に記載の発明によれば、発電素子の巻回の中心部に横断面長円状の金属製の軸芯が配置され電池容器に固着されるので、この発電素子で発生した熱が熱伝導性に優れた軸芯を介し（場合によっては取付部材も介し）効率良く電池容器に伝わり放熱されるようになる。また、この金属製の軸芯は、電池容器に固着されるので、電池が振動や衝撃等を受けた場合にも、電池内部を移動したり飛び跳ねてセパレータ等を破損するようなおそれがなくなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１〜図２は本発明の第１実施形態を示すものであって、図１は非水電解質二次電池の構造を示す縦断面図、図２は発電素子の構成を示す斜視図である。なお、図６〜図７に示した従来例と同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記する。
【００１５】
本実施形態の非水電解質二次電池は、図２に示すように、発電素子１を円筒状に巻回した場合について説明する。この発電素子１は、細長い円筒形の軸芯２を中心にして帯状の正極３と負極４（図２ではセパレータ５の陰になる）を帯状のセパレータ５を介して巻回することにより構成される。なお、この軸芯２は、発電素子１の巻回後に挿入したものであってもよい。また、この軸芯２の形状は、必ずしも円筒形に限らず、角柱形等の任意の棒状とすることができる。本実施形態では、後に説明するように軸芯２が負極４に接続されるので、耐食性を考慮して、熱伝導性の優れた銅やニッケル又はこれらを主体とする合金からなる金属製のものを使用する。ただし、この軸芯２が正極３に接続される場合には、アルミニウム又はアルミニウムを主体とする合金からなる金属製のものを用いて、銅等に比べ比重を小さくし熱伝導性をさらに良好なものにすることができる。もっとも、この軸芯２は、熱伝導性に優れたものであればよいので、他の金属製のものを用いることもでき、非水電解質の種類に応じ、また、正負極３，４のいずれかに接続される場合にはその極性に応じて適宜選択することができる。正極３と負極４は、それぞれ帯状の芯材に正極活物質と負極活物質を担持させたものであり、セパレータ５は、同様の帯状の絶縁体からなる。これら正極３とセパレータ５と負極４は、それぞれ少しずつ上下にずらして巻回することにより、発電素子１の上端側には正極３の帯状の上辺のみを突出させ、下端側には負極４の帯状の下辺のみを突出させるようにしている。
【００１６】
上記発電素子１の上下の端面には集電板６，７が配置され、レーザ溶接によりそれぞれ上端側に突出した正極３の上辺と下端側に突出した負極４の下辺に接続される。従って、巻回された帯状の正極３は、上端側で集電板６によって集電され、負極４は、下端側で集電板７によって集電される。また、この発電素子１の中心部に配置された軸芯２の上端には、絶縁性のキャップ８を介してばね９が嵌め込まれる。ばね９は、導電体である金属製の圧縮コイルばねを用いるので、軸芯２との絶縁のために絶縁性のキャップ８が必要となる。このキャップ８は、ばね９の上方側に配置することもできる。
【００１７】
本実施形態の非水電解質二次電池は、図１に示すように、上記発電素子１を電池容器１０内に収納している。電池容器１０は、上面が開口した円筒形の導電体からなる容器本体１０ａと、この容器本体１０ａの上面に絶縁体を介して装着される円板状の導電体からなる容器蓋１０ｂとで構成される。この電池容器１０内に収納された発電素子１の上端側の集電板６は、リード片等を介して容器蓋１０ｂの裏面に接続される。従って、この容器蓋１０ｂの中央部に突設された突起が非水電解質二次電池の正極端子となる。また、この発電素子１の上端側から突出した軸芯２は、キャップ８とばね９を介して容器蓋１０ｂの突起の裏面に当接される。発電素子１の下端側の集電板７は、リード片等を介して容器本体１０ａの内側底面に接続される。従って、この容器本体１０ａの底面が非水電解質二次電池の負極端子となる。また、この発電素子１の下端側から突出した軸芯２は、圧縮されたばね９に付勢されて、下端面が容器本体１０ａの内側底面に当接押圧される。ただし、この場合、軸芯２の下端面は、図１に示したように、下端側の集電板７を接続するリード片等を介して容器本体１０ａの内側底面に当接する場合もある。
【００１８】
なお、本実施形態の場合、軸芯２は、負極端子となる容器本体１０ａの底面に当接されて上記のように負極４に接続されるが、キャップ８とばね９をこの軸芯２の下端側に配置すれば、正極端子となる容器蓋１０ｂの突起の裏面に当接されて正極３に接続することができる。そして、この場合には、軸芯２として上記のようにアルミニウム等を用いることができる。
【００１９】
上記構成の非水電解質二次電池は、大電流の放電時等に大量の熱が発生しても、熱伝導性に優れた軸芯２を介して発電素子１の中心部の熱が容器本体１０ａに伝導され速やかに外部に放熱されるので、電池温度の上昇を抑制することができる。例えば、本実施形態と同様の容量の従来の非水電解質二次電池と比較した場合に、電池温度を２０％程度低減させることができた。また、キャップ８とばね９を軸芯２の下端側に配置した場合にも、軸芯２の上端面が当接する容器蓋１０ｂに伝導されてこの熱が速やかに外部に放熱される。そして、このように軸芯２にアルミニウム等を用いると、熱伝導性をさらに良好にして放熱効率を高めると共に、軸芯２を軽量化して非水電解質二次電池の重量が増加するのを抑制することができる。
【００２０】
さらに、上記構成の非水電解質二次電池を電気自動車等に用いた場合には、繰り返し振動や衝撃等を受けることが多くなるが、軸芯２が電池容器１０の容器本体１０ａと容器蓋１０ｂとの間に挟持されるので、電池内部を移動したり飛び跳ねてセパレータ５等を破損するようなおそれもなくなる。しかも、本実施形態では、軸芯２をばね９の付勢によって挟持するので、振動等を受けた場合にも、この振動等を吸収することができ、軸芯２を安定して確実に保持させることができる。
【００２１】
図３〜図４は本発明の第２実施形態を示すものであって、図３は非水電解質二次電池の構造を示す縦断面図、図４は発電素子の構成を示す斜視図である。なお、図１〜図２に示した第１実施形態と同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記して説明を省略する。本実施形態の非水電解質二次電池は、図４に示すように、発電素子１を長円状に巻回した場合について説明する。この発電素子１は、横断面が長円状の板状の軸芯２を中心にして帯状の正極３と負極４（図４ではセパレータ５の陰になる）を帯状のセパレータ５を介して長円状に巻回することにより構成される。なお、この軸芯２も、発電素子１の巻回後に挿入することができる。この軸芯２の上端面の両端部には、それぞれ円筒形の突部２ａが設けられている。この軸芯２の材質は、第１実施形態と同様である。また、正極３と負極４とセパレータ５も、第１実施形態と同様のものであり、同様に上下にずらして巻回される。
【００２２】
上記発電素子１の上下の端面には、集電板６，７が配置されて、第１実施形態と同様にそれぞれ正極３と負極４に接続される。また、この発電素子１の中心部に配置された軸芯２の上端面の２箇所の突部２ａには、それぞれ絶縁性のキャップ８を介してばね９が嵌め込まれる。これらのキャップ８とばね９は、第１実施形態のものと同じでよい。
【００２３】
本実施形態の非水電解質二次電池は、図３に示すように、上記発電素子１を電池容器１０内に収納する。電池容器１０は、横断面が長円形であることを除けば第１実施形態と同様の構成であり、容器本体１０ａと容器蓋１０ｂとからなる。そして、発電素子１の上端側の集電板６が容器蓋１０ｂの裏面に接続され、下端側の集電板７が容器本体１０ａの内側底面に接続されるので、容器蓋１０ｂの突起が正極端子となり、容器本体１０ａの底面が負極端子となる。また、この発電素子１の上端側から突出した軸芯２は、突部２ａに嵌め込まれたキャップ８とばね９を介して容器蓋１０ｂの裏面に当接され、この発電素子１の下端側から突出した軸芯２は、圧縮されたばね９に付勢されて、下端面が容器本体１０ａの内側底面に直接又はリード片等を介して当接押圧される。なお、本実施形態の場合にも、キャップ８とばね９を軸芯２の下端側に配置すれば、この軸芯２を正極３に接続して、軽量で熱伝導性が極めて良好なアルミニウム等を用いるようにすることができる。
【００２４】
上記構成の非水電解質二次電池は、発電素子１の中心部の熱を熱伝導性に優れた軸芯２を介して容器本体１０ａや容器蓋１０ｂに伝導し速やかに外部に放熱するので、電池温度の上昇を抑制することができる。また、振動や衝撃等を受けた場合にも、軸芯２が電池容器１０の容器本体１０ａと容器蓋１０ｂとの間にばね９の付勢によって挟持されるので、電池内部を移動したり飛び跳ねてセパレータ５等を破損するようなおそれがなくなり、この軸芯２を確実に保持させることができる。
【００２５】
図５は本発明の第３実施形態を示すものであって、非水電解質二次電池の構造を示す縦断面図である。なお、図１〜図２に示した第１実施形態と同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記して説明を省略する。本実施形態の非水電解質二次電池は、第１実施形態と同様に発電素子１を円筒状に巻回した場合について説明する。この非水電解質二次電池は、第１実施形態と同様の構成の発電素子１や軸芯２を用いる。ただし、図１に示すように、この発電素子１の中心部に配置された軸芯２の上端には、絶縁性のキャップ８のみが嵌め込まれる。この発電素子１は、第１実施形態と同様の構成の電池容器１０内に収納され、上端側の集電板６が容器蓋１０ｂの裏面に接続されると共に、下端側の集電板７が容器本体１０ａの内側底面に接続されるので、容器蓋１０ｂの突起が正極端子となり、容器本体１０ａの底面が負極端子となる。ただし、この発電素子１の上端側から突出した軸芯２は、キャップ８を介して容器蓋１０ｂの突起の裏面に当接され、この発電素子１の下端側から突出した軸芯２の下端面が容器本体１０ａの内側底面に当接される。この場合、キャップ８を嵌め込んだ軸芯２は、容器本体１０ａと容器蓋１０ｂの間に隙間なく配置して挟持させたり、これよりも少し長くなるように形成して、容器蓋１０ｂ等の弾性によりこれらの間に挟持されるようにする。また、この軸芯２は、下端面を容器本体１０ａの内側底面に溶接等によって固着するようにしてもよいし、この軸芯２の上端とキャップ８を接着剤で容器蓋１０ｂの裏面に接着するようにしてもよい。
【００２６】
なお、本実施形態の場合にも、軸芯２は、負極端子となる容器本体１０ａの底面に当接されて上記のように負極４に接続されるが、キャップ８をこの軸芯２の下端側に配置すれば、正極３に接続することができ、この軸芯２に軽量で熱伝導性が極めて良好なアルミニウム等を用いることができる。
【００２７】
上記構成の非水電解質二次電池は、発電素子１の中心部の熱を熱伝導性に優れた軸芯２を介して容器本体１０ａや容器蓋１０ｂに伝導し速やかに外部に放熱するので、電池温度の上昇を抑制することができる。また、振動や衝撃等を受けた場合にも、軸芯２が電池容器１０の容器本体１０ａと容器蓋１０ｂとの間に挟持されるので、電池内部を移動したり飛び跳ねてセパレータ５等を破損するようなおそれがなくなる。
【００２８】
なお、上記実施形態では、いずれも電池容器１０が容器本体１０ａと容器蓋１０ｂによって構成されるものについて説明したが、この電池容器１０の構造は任意である。また、上記実施形態では、いずれも電池容器１０の上面（容器蓋１０ｂ）と底面（容器本体１０ａ）に正極端子と負極端子を設けたものについて説明したが、これらの正負極端子を共に電池容器１０の上面等に併設した非水電解質二次電池にも同様に本発明を実施することができる。そして、この場合には、キャップ８のような絶縁性の取付部材を介することなく、軸芯２を直接電池容器１０内部の上面と底面との間に挟持させ、又は、これらのいずれかに当接させるようにすることもできる。しかも、この場合には、軸芯２の両端面をそれぞれ電池容器１０内部の上面と底面に溶接等により固着することができる。
【００２９】
さらに、上記実施形態では、いずれも軸芯２を挟持する場合について説明したが、この軸芯２の上下端面のいずれかのみを電池容器１０内部の上面又は底面に固着し、他端はフリーな状態にしておくこともできる。
【００３０】
さらに、上記実施形態では、いずれも発電素子１の上下の端面に集電板６，７を溶接することにより集電を行う場合について説明したが、本発明の非水電解質二次電池の集電手段はこれに限定されない。
【００３１】
さらに、上記第１実施形態と第２実施形態で示したばね９に代えて、絶縁体からなる弾性体であるゴム等を用いた場合には、キャップ８は不要となる。また、第３実施形態では、軸芯２の上端面をキャップ８を介して容器蓋１０ｂの裏面に当接させたが、接着等により固着することもできる。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１と請求項２に記載の発明によれば、発電素子で発生した熱が熱伝導性の高い軸芯等を介して効率良く電池容器に伝わり放熱されるので、大電流放電時等に大量の熱が発生しても電池温度が異常に上昇するようなことがなくなる。また、電池が衝撃や振動等を受けた場合にも、この金属製の軸芯が電池内部を移動したり飛び跳ねてセパレータ等を破損するようなおそれがなくなり、これによる短絡の発生等も確実に防止することができる。
【００３３】
【００３４】
なお、アルミニウム等の熱伝導性が極めて高く軽量な軸芯や電池容器を用いることにより、放熱効率をさらに高め、衝撃や振動等の影響を受け難くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態を示すものであって、非水電解質二次電池の構造を示す縦断面図である。
【図２】  本発明の第１実施形態を示すものであって、発電素子の構成を示す斜視図である。
【図３】  本発明の第２実施形態を示すものであって、非水電解質二次電池の構造を示す縦断面図である。
【図４】  本発明の第２実施形態を示すものであって、発電素子の構成を示す斜視図である。
【図５】  本発明の第３実施形態を示すものであって、非水電解質二次電池の構造を示す縦断面図である。
【図６】  非水電解質二次電池の発電素子の製造過程を示す斜視図である。
【図７】  従来例を示すものであって、非水電解質二次電池の構造を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１  発電素子
２  軸芯
３  正極
４  負極
５  セパレータ
８  キャップ
９  ばね
１０  電池容器
【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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