(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正負極がセパレータを介して軸芯に捲回された電極群が電池容器に収容され、外部端子となる極柱が前記軸芯上で前記電池容器内から電池蓋の孔を貫通して電池容器外に突出し、前記軸芯と極柱とが前記電池容器内で押し合う状態となる捲回式電池において、前記軸芯は、前記極柱に当接する一端又は両端側に外径が縮径され先端が弾性変形可能な突起部と、圧縮変形可能で該圧縮弾性率が前記突起部より小さく前記縮径された外径に嵌合され一端面が前記極柱に当接するリング状の軸芯リング部と、を有することを特徴とする捲回式電池。
【請求項２】
前記軸芯と前記軸芯リング部との外径寸法が同一であることを特徴とする請求項１に記載の捲回式電池。
【請求項３】
前記軸芯は中空円筒状で、前記極柱の外部端子と反対側の端部は前記軸芯に挿入嵌合されており、前記極柱、軸芯及び軸芯リング部の熱膨張係数の関係が極柱＜軸芯＜軸芯リング部であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の捲回式電池。
【請求項４】
前記電池容器の軸方向内寸法が正の公差をとり、前記電池容器の軸方向内寸法内で前記軸方向に互いに押圧される電池部品の全てが負の公差をとるときに、前記電池容器の軸方向内寸法と前記電池部品の軸方向寸法の総和とが同じくなるように前記電池容器の軸方向寸法及び前記電池部品の軸方向寸法の公差値が決定されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の捲回式電池。
【請求項５】
前記軸芯の突起部の先端は、前記縮径された外径から該先端方向に肉薄となるテーパ形状を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の捲回式電池。
【請求項６】
前記外径に前記軸芯リング部が嵌合されたときに、前記先端が前記軸芯リング部より軸方向に長いことを特徴とする請求項５に記載の捲回式電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は捲回式電池に係り、特に、正負極がセパレータを介して軸芯に捲回された電極群が電池容器に収容され、外部端子となる極柱が軸芯上で電池容器内から電池蓋の孔を貫通して電池容器外に突出し、軸芯と極柱とが電池容器内で押し合う状態となる捲回式電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軸芯を有する電極群が電池容器に収容され、外部端子となる極柱が軸芯上で電池容器内から電池蓋の穴を貫通して電池容器外に突出してなる捲回式電池は、その使用条件が、例えば、電気自動車に搭載された場合、振動や衝撃に対する耐久性能が要求される。このため、電池設計においては従来から、電池容器の軸方向内寸法と極柱、軸芯等電池容器内に収容される電池部品の軸方向の寸法総和とを同一にして、電池容器内で電池部品が移動しないようにしている。
【０００３】
しかし、これら電池部品には加工時における寸法バラツキ（公差）が生じるので、上述した電池容器内寸法と電池容器内に収容された電池部品の寸法総和とは同じにはならない。従って、例えば、電池容器内寸法が負の公差となり、電池部品の寸法総和が正の公差となれば、電池容器内に電池部品を収容することができない。逆に、電池容器内寸法が正の公差となり、電池部品の寸法総和が負の公差となれば、電池部品間に隙間が生じるので、電池の振動や衝撃に対する耐久性が著しく低下する。
【０００４】
この問題を解決するために、例えば特開平第１０−１２５３４７号公報には、軸芯端部と極柱下面との間にゴムなどの弾性体からなるスペーサを配置することにより、軸芯と極柱との間の隙間を充填する技術が開示されている。この技術によれば、弾性体により隙間が無くなるので、軸芯と極柱とのガタツキを厚さの異なる複数種のスペーサを用意することなく、振動や衝撃による電池障害の発生を防止することができるとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報の技術では、軸芯端面と極柱下面との隙間にゴムなどの弾性体を配しているので、電池容器内での電極群の軸方向への移動が許容されており、電極群を電池容器内に実質的に固定することはできない。このため、電池容器内で電極群が移動するので、電池構成部品が損傷するおそれがあり、長期に亘る過酷な条件下での電池の使用は困難である、という問題点がある。
【０００６】
本発明は上記事案に鑑み、電極群を電池容器内に容易に固定可能で長期に亘る過酷な振動・衝撃に耐えることができる捲回式電池を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、正負極がセパレータを介して軸芯に捲回された電極群が電池容器に収容され、外部端子となる極柱が前記軸芯上で前記電池容器内から電池蓋の孔を貫通して電池容器外に突出し、前記軸芯と極柱とが前記電池容器内で押し合う状態となる捲回式電池において、前記軸芯は、前記極柱に当接する一端又は両端側に外径が縮径され先端が弾性変形可能な突起部と、圧縮変形可能で該圧縮弾性率が前記突起部より小さく前記縮径された外径に嵌合され一端面が前記極柱に当接するリング状の軸芯リング部と、を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、軸芯の一端又は両端側に外径が縮径され先端が弾性変形可能な突起部と、圧縮変形可能で該圧縮弾性率が突起部より小さく縮径された外径に嵌合されたリング状の軸芯リング部の一端面と、が極柱に当接し、軸芯と極柱とが電池容器内で押し合う状態とされている。捲回式電池が高温雰囲気下に置かれたときに、軸方向と直交する方向では、突起部の縮径された外径とこの外径に嵌合された軸芯リング部の内径とが熱膨張するので、軸芯と軸芯リング部とが相対移動することはなく軸芯に捲回された電極群も移動することはない。また、軸方向では、軸芯、軸芯リング部の熱歪みで極柱との間に応力が発生するが、軸芯リング部は圧縮変形可能であるので極柱に当接しつつ圧縮変形し、かつ、軸芯の突起部の先端は弾性変形して、極柱との当接押し合いによる応力を吸収するので、他の電池部品に余分な力が加わることがない。このため、長期に亘る過酷な振動・衝撃に耐える捲回式電池を得ることができる。また、軸芯リング部を突起部の縮径された外径に嵌合させ一端面を極柱に当接させるようにしたので、弾性変形する突起部の先端は軸芯リング部で電極群と仕切られるため、電極群が損傷を受けることもない。このとき、軸芯と軸芯リング部との外径寸法を同一とすれば、軸芯は中央部、端部を問わず外径が同一となるので、電極群を捲回するときに、例えば捲回機等による機械化が容易となり電極群の捲回作業性を向上させることができる。
【０００９】
一方、軸芯が中空円筒状で、この軸芯の内径に極柱の外部端子と反対側の端部が挿入嵌合され、極柱、軸芯及び軸芯リング部の熱膨張係数が極柱＜軸芯＜軸芯リング部の関係をとなるように部材を選択すれば、捲回式電池が低温雰囲気下に置かれたときに、極柱より軸芯、軸芯リング部の熱膨張係数は大きいので、軸芯に挿入された極柱挿入部（極柱の外部端子と反対側の端部）の直径寸法より極柱挿入部の軸芯内径寸法の方が小さくなると共に、軸芯リング部の熱膨張係数が最も大きいので、軸芯リング部の内径寸法は縮径された外径寸法より小さくなる。従って、極柱挿入部が軸芯及び軸芯リング部の熱歪みで発生する応力により軸芯に固定されるので、捲回式電池に振動が加わっても、軸芯、軸芯リング部が相対移動することはなく、軸芯に捲回された電極群も移動することはない。このため、低温雰囲気下でも長期に亘る過酷な振動・衝撃に耐える捲回式電池を得ることができる。
【００１０】
また、電池容器の軸方向内寸法が正の公差をとり、電池容器の軸方向内寸法内で軸方向に互いに押圧される電池部品の全てが負の公差をとるときに、電池容器の軸方向内寸法と電池部品の軸方向寸法の総和とが同じくなるように電池容器の軸方向寸法及び電池部品の軸方向寸法の公差値を決定すれば、電池部品間に隙間をなくすることができ、軸芯と極柱との電池容器内で押圧状態を維持することができるので、電極群の電池容器内での移動を確実に防止することができる。更に、軸芯の突起部の先端を、縮径された外径から該先端方向に肉薄となるテーパ形状とすれば、突起部の先端が弾性変形しても、テーパ面と軸芯リング部とで画定される空間に該先端の弾性変形分の容積が収まるので、弾性変形した先端が邪魔となることもない。また、突起部の外径に軸芯リング部が嵌合されたときに、突起部の先端を軸芯リング部より軸方向に長くすれば、突起部の先端を弾性変形させて極柱に当接させ電池容器を封止することで、軸芯と極柱とが電池容器内で押し合う状態を確保することができるので、電極群を電池容器内で固定することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る捲回式電池を円筒形リチウムイオン電池に適用した実施の形態について説明する。
【００１２】
[正極の作製]
正極活物質であるマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）粉末１００重量部に、導電材として１０重量部の鱗片状黒鉛（平均粒径：２０μｍ）と結着剤として１０重量部のポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）とを添加し、これに分散溶媒のＮ−メチルピロリドンを添加、混練したスラリを、厚さ２０μｍのアルミニウム箔の両面に塗布した。このとき、正極板長寸方向の一方の側縁に幅３０ｍｍの未塗布部を残した。その後乾燥、プレス、裁断して幅１３０ｍｍ、長さ２０００ｍｍ、正極活物質塗布部厚さ２００μｍの正極板を得た。正極板のスラリ未塗布部に切り欠きを入れ、図１に示すように、切り欠き残部をリード片８とした。また、隣り合うリード片８を１３ｍｍ間隔とし、リード片８の幅を１０ｍｍとした。なお、正極板からはリード片８が８６本導出されている。
【００１３】
[負極の作製]
グラファイト粉末１００重量部に結着剤として１０重量部のポリフッ化ビニリデンを添加し、これに分散溶媒のＮ−メチルピロリドンを添加、混練したスラリを、厚さ１０μｍの圧延銅箔の両面に塗布した。このとき、負極板長寸方向の一方の側縁に幅３０ｍｍの未塗布部を残した。その後乾燥、プレス、裁断して幅１３５ｍｍ、長さ２２００ｍｍ、負極活物質塗布部厚さ１３０μｍの負極板を得た。正極と同様に、負極板のスラリ未塗布部に切り欠きを入れ、切り欠き残部をリード片８とした。隣り合うリード片８を１３ｍｍ間隔とし、リード片８の幅を１０ｍｍとした。なお、負極板からはリード片８が９５本導出されている。
【００１４】
[電池の作製]
上記のように作製した正極板と負極板とを、外径１３ｍｍ、内径９ｍｍの中空円筒状で３０％ガラスフィラ混入のポリプロピレン製軸芯１の周囲に、これら両極板が直接接触しないように厚さ４０μｍのポリエチレン製セパレータを挟んで捲回した。このとき正極板のリード片８と負極板のリード片８とが、それぞれ捲回電極群２の互いに反対側の両端面に位置するようにした。
【００１５】
図２（Ａ）に示すように、軸芯１は、その両端に外径が縮径された縮径部１ａと外径が徐々に薄肉となるテーパ形状で弾性変形可能な先端部１ｂとからなる軸芯突起部６を有している。この縮径部１ａの外径に、リング状で軸芯１より圧縮弾性率が小さいナチュラルポリプロピレン製の軸芯リング部７を、縮径部１ａが形成された端面に当接するまで挿入した。軸芯リング部７を縮径部１ａに挿入・嵌合させることにより、縮径部１ａの外径と軸芯リング部７の内径とには隙間がなく、軸芯１と軸芯リング部７の外径とは同一となる。軸芯突起部６の軸方向の長さを４．２ｍｍ、軸芯リング部７の軸方向の長さを４．０ｍｍ±０．１ｍｍとし、軸芯突起部６の先端部１ｂが軸芯リング部７より軸方向に長くなるように設定した。
【００１６】
図１に示すように、極柱４の外部端子側とは反対側の端部を軸芯１の軸芯突起部６側から内径に挿入して嵌合させ、一方の極板から導出されているリード片８を変形させ、その全てを、両端に位置する極柱４周囲から一体に張り出している極柱鍔部９周囲に集合・接触させた後、両端ともに、リード片８と極柱鍔部９周囲面とを超音波溶接してリード片８と極柱鍔部９周囲面とを接続した。そして、極柱４が接続された状態の捲回電極群２を円筒形の電池容器３に挿入した。
【００１７】
次に、極柱４の極柱鍔部９上面及び極柱部周囲面と、円盤状の電池蓋５と、の間にアルミナ製のセラミックワッシャ１０（電池蓋５裏面と当接する部分の厚さ２．１ｍｍ）を先端が外部端子を構成する極柱４に嵌め込んだ。このとき、電池蓋５の裏面と極柱鍔部９との間にゴム（ＥＰＤＭ）製Ｏリング１１を介在させた。また、平板状のアルミナ製セラミックワッシャ１３（厚さ２ｍｍ）を極柱４に通して電池蓋５上面に配置した。
【００１８】
次いで、金属製ナット１２を極柱４に螺着することにより、セラミックワッシャ１３を介して電池蓋５を極柱鍔部９とナット１２との間で締結固定した。この締結力にてＯリング１１を圧縮して電池容器内を気密化した。
【００１９】
下表１に、電池容器３の軸方向内寸法（図１に示す両電池蓋５の裏面間の寸法）Ａ、並びに、電池容器３内に収容され電池容器３内で軸方向（軸芯１の長手方向）に互いに押圧される電池部品の軸方向寸法及びその公差を示す。
【００２０】
【表１】
0004058898.tif 000002
【００２１】
表１に示すように、電池容器３内の軸方向内寸法Ａの最小値は１６０ｍｍで最大値は１６０．１５ｍｍである（１６０ｍｍ≦電池容器３の軸方向内寸法Ａ≦１６０．１５ｍｍ）。また、電池容器３に収容され電池容器３内で軸方向に互いに押圧される電池部品の軸方向寸法総和Ｂの最小値は１６０．１５ｍｍで最大値は１６０．５５ｍｍである（１６０．１５ｍｍ≦電池部品の軸方向寸法総和Ｂ≦１６０．５５ｍｍ）。
【００２２】
従って、電池容器３の軸方向内寸法Ａが最大値（１６０．１５ｍｍ）となり、電池部品の寸法が全て最小値となっても、電池部品の軸方向寸法総和Ｂは１６０．１５ｍｍとなるので、電池容器３内の電池部品間に隙間は生じない。また、電池容器３の軸方向内寸法Ａが最小値（１６０ｍｍ）となり、電池部品の寸法が全て最大値となる場合には、電池蓋５と電池容器３の開口部には両端均等に０．２７５ｍｍの隙間が生じる（セラミックワッシャ１０が電池蓋５と電池容器３の開口部から両端均等に０．２７５ｍｍはみ出す）。この隙間間（０．５５ｍｍ）を軸芯１の先端部１ｂが圧縮され弾性変形するように、極柱４の外部端子側から加圧して電池蓋５と電池容器３の開口部を嵌合させた。この後、電池蓋５と電池容器３の嵌合部全周囲をレーザ溶接して封止した。
【００２３】
図２（Ｂ）に示すように、電池蓋５と電池容器３との加圧嵌合及びレーザ溶接での封止により、極柱４の極柱鍔部９下面に、軸芯リング部７は圧縮変形して当接し、軸芯突起部６の先端部１ｂは弾性変形して当接した状態となる。次いで、電池蓋５に形成された図示しない注液口から所定量の電解液を電池容器３内に注入し、その後注液口を封止して円筒形リチウムイオン電池２０を完成させた。
【００２４】
なお、上述したように、軸芯１（軸芯突起部６も含む。）及び軸芯リング部７の材質は、それぞれ、３０％ガラスフィラ混入のポリプロピレン、ナチュラルポリプロピレンであり、極柱４を含めた熱膨張係数の関係は、極柱４＜軸芯１＜軸芯リング部７である。また、使用材質から、軸芯リング部７は圧縮弾性変形が可能でその圧縮弾性率は軸芯１（軸芯突起部６も含む。）の圧縮弾性率より小さい。
【００２５】
実施形態の円筒形リチウムイオン電池２０では、電池容器３の軸方向内寸法Ａを電池容器３に収容され電池容器３内で軸方向に互いに押圧される電池部品（軸芯１、極柱４（極柱鍔部９）、セラミックワッシャ１０）の軸方向寸法総和Ｂと同じかそれ以下としたので（電池容器３の軸方向内寸法Ａ≦電池部品の軸方向寸法総和Ｂ）、電池部品を電池容器３に収容しようとすると、（Ｂ−Ａ）の寸法分だけ電池部品の両端部のセラミックワッシャ１０が電池蓋５と電池容器３の開口部から外部にはみ出すこととなる。本実施形態では、極柱４と軸芯１との当接部材を、圧縮弾性率の小さい軸芯リング部７と軸芯リング部７より軸方向に長くテーパ状で弾性変形可能な先端部１ｂとで構成したので、外部端子側から加圧して電池蓋５と電池容器３との開口部を嵌合させる際に、先端部１ｂに加圧力が集中し先端部１ｂは弾性変形すると共に、軸芯リング部７は圧縮変形する。従来の円筒形リチウムイオン電池等の捲回式電池では、軸芯に剛性のある部材のみを使用していたので、この加圧の際に相当大きな加圧力を必要としたが、本実施形態では先端部１ｂ及び軸芯リング部７が弾性変形、圧縮変形するので、従来の捲回式電池のような大きい加圧力を必要としない。このため、円筒形リチウムイオン電池２０の組立て性を改善することができる。
【００２６】
また、円筒形リチウムイオン電池２０では、軸芯突起部６の外側に軸芯リング部７が配設されているので、先端部１ｂが弾性変形しても捲回電極群２に触れて捲回電極群２を損傷させることはなく、また、軸芯リング部７が配置されることにより軸芯１の外径と軸芯突起部６との外径が同一となるので、軸芯１に捲回電極群２を捲回する際及び極柱４の外部端子と反対側の端部を軸芯１の内径に挿入する際の作業性を向上させることができる。
【００２７】
一方、電池部品が電池容器３内に加圧されて収容された後は、先端部１ｂ及び軸芯リング部７は弾性変形、圧縮変形しているために反発し、電池部品は電池容器３内で互いに押圧状態となり、その押圧状態は先端部１ｂ及び軸芯リング部７と捲回電極群２との間の摩擦力によって維持されるので、軸芯１に捲回された捲回電極群２及び極柱鍔部９は固定される。
【００２８】
更に、円筒形リチウムイオン電池２０が低温雰囲気下に置かれたときに、極柱４より縮径部１ａ、軸芯リング部７の熱膨張係数が大きいので、軸芯１に挿入された極柱挿入部の直径寸法より極柱挿入部の軸芯内径寸法の方が小さくなり、軸芯リング部７の熱膨張係数が最も大きいので、軸芯リング部７の内径寸法は縮径部１ａの外径寸法より小さくなる。従って、極柱挿入部が軸芯１及び軸芯リング部７の熱歪みで発生する応力により軸芯１に固定されるので、外部から振動が加わっても、軸芯１と軸芯リング部７とが移動することはなく、軸芯１に捲回された捲回電極群２も移動することはない。このため、捲回電極群２の正極板及び負極板からそれぞれ導出されたリード片８及び極柱鍔部９間は軸方向に移動せず固定されるので、リード片８と極柱鍔部９との接合部が断裂することを防止することができる。従って、上記実施形態の電池は、長期に亘る過酷な振動・衝撃に耐えることができる。
【００２９】
逆に、円筒形リチウムイオン電池２０が高温雰囲気下に置かれたときは、軸芯リング部７は圧縮変形し、かつ、軸芯１の先端部１ｂは弾性変形して、極柱４との押圧力を吸収するので、軸芯リング部７及び軸芯１以外の電池部品に余分な力が加わることがない。また、軸方向と直交する方向でも、縮径部１ａと軸芯リング部７の内径とが熱膨張するので、軸芯１と軸芯リング部７とが相対移動することはなく軸芯１に捲回された捲回電極群２も移動することはない。
【００３０】
また、本実施形態では、軸芯突起部６を含む軸芯１の材質としてポリプロピレンを使用したので、電解液に対する耐久性を有し電池の長期に亘る耐振性・耐衝撃を確保することができる。従って、軸芯１の材質としてポリエチレンや軸芯リング部７の材質としナチュラルポリエチレン等の耐久性を有する他の樹脂を使用するようにしてもよい。
【００３１】
以上、本実施形態では、本発明の一形態について説明したが、上述した特許請求の範囲を逸脱することなく種々の変形適用が可能であることは当業者にとって論を待たない。
【００３２】
【実施例】
上記実施形態に従って円筒形リチウムイオン電池２０（以下、実施例の電池という。）をそれぞれ２０個作製した。また、比較のために、上述した実施形態の軸芯１に代えて、軸芯突起部６を切断し内径９ｍｍ、外径１４ｍｍ、厚さ４．２ｍｍ、ゴム硬度７０°のＥＰＤＭ製スペーサを配置した電池（以下、比較例の電池という。）を２０個作製した。
【００３３】
（試験）
上記作製した実施例及び比較例の各電池を、−２０°Ｃに１時間、７０°Ｃに１時間放置するサイクルを５００回繰り返し、さらに放置中は軸方向に２Ｇの力で加振した。試験時の加振周波数は１０〜１００Ｈｚ、掃引速度は１Ｈｚ／ｍｉｎとした。
【００３４】
試験後、各電池を解体してリード片８と極柱鍔部９との接合状態を目視観察した。その結果を下表２に示す。
【００３５】
【表２】
0004058898.tif 000003
【００３６】
表２に示すように、実施例の電池の全てには、リード片８と極柱鍔部９との接合部の断裂は見られなかったが、比較例の電池では２０個中１７個の電池に接合部の断裂が見られた。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、捲回式電池が高温雰囲気下に置かれたときに、軸方向と直交する方向では、突起部の縮径された外径とこの外径に嵌合された軸芯リング部の内径とが熱膨張するので、軸芯と軸芯リング部とが相対移動することはなく軸芯に捲回された電極群も移動せず、軸方向では、軸芯リング部は極柱に当接しつつ圧縮変形し、かつ、軸芯の突起部の先端は弾性変形して、極柱との当接押し合いによる応力を吸収するので、他の電池部品に余分な力が加わることがないため、長期に亘る過酷な振動・衝撃に耐えることができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な実施形態の円筒形リチウムイオン電池の断面図である。
【図２】実施形態の円筒形リチウムイオン電池の軸芯の端部近傍を模式的に示す拡大断面図であり、（Ａ）は電池蓋と電池容器とのレーザ溶接前、（Ｂ）は電池蓋と電池容器とのレーザ溶接後の状態を示す。
【符号の説明】
１  軸芯（電池部品の一部）
１ａ  縮径部（縮径された外径）
１ｂ  先端部（先端）
２  捲回電極群（電極群）
３  電池容器
４  極柱
５  電池蓋
６  軸芯突起部（突起部）
７  軸芯リング部
８  リード片
９  極柱鍔部（電池部品の一部）
１０  セラミックワッシャ（電池部品の一部）
１１  Ｏリング
１２  ナット
１３  セラミックワッシャ
２０  円筒形リチウムイオン電池（捲回式電池）
【図１】
0004058898.tif 000004
【図２】
0004058898.tif 000005