(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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を、上部絶縁板を配して円筒型有底状の金属電池缶に収納してなる安全弁を備えた円筒型リチウムイオン二次電池において、前記上部絶縁板は、ゴム、弾性を有する複合積層材、天然パルプまたは樹脂からなり、中芯が圧入された貫通孔を中央に備えたものであり、前記上部絶縁板は、前記中芯が圧入されたことにより、前記電池缶の内壁と前記中芯で突っ張って固定されていることを特徴とする円筒型リチウムイオン二次電池。
【請求項２】
前記上部絶縁板の最外周部には複数の凸部があり、前記凸部先端が前記電池缶内壁と密着していることを特徴とする請求項１記載の円筒型リチウムイオン二次電池。
【請求項３】
前記貫通孔にはスリットが付いていることを特徴とする請求項１記載の円筒型リチウムイオン二次電池。
【請求項４】
前記上部絶縁板は樹脂からなることを特徴とする請求項１記載の円筒型リチウムイオン二次電池。
【請求項５】
前記中芯は金属で形成されていることを特徴とする請求項１記載の円筒型リチウムイオン二次電池。
【請求項６】
前記中芯は中空円筒タイプまたは中空円筒スリットタイプで、少なくとも片方の先端が先細形状であることを特徴とする請求項１記載の円筒型リチウムイオン二次電池。
【請求項７】
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て電極体を作成し、前記電極体を円筒型有底状の金属電池缶に収納し、ゴム、弾性を有する複合積層材、天然パルプまたは樹脂からなり、中央に貫通孔を備えた上部絶縁板を前記電極体の端面上に配置し、前記貫通孔に中芯を圧入することにより、前記電池缶の内壁と前記中芯とを突っ張らせて、前記上部絶縁板を固定し、電池缶の底面と前記上部絶縁板の端面とで前記電極体を、前記金属電池缶に固定する工程を含む円筒型リチウムイオン二次電池の製造方法。
【請求項８】
前記上部絶縁板の最外周部に複数の凸部があり、中芯を圧入する前の凸部の頂点を結ぶ仮想円の直径が、前記電池缶の内径の１倍から１．０５倍の値を持つことを特徴とする請求項７記載の円筒型リチウムイオン二次電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウムイオン二次電池に関し、特に捲回式電極を備えた円筒型リチウムイオン二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＡＶ機器あるいはパソコン等の電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として小型、軽量で高エネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池が使用されている。
【０００３】
このリチウムイオン二次電池の中でも円筒型リチウムイオン二次電池では、特許第３１４３９５１号公報に記載されているように、電池外部から高圧がかかった場合でも安全性の高い電池を提供するために、捲回式電極群の中心空隙部に、金属製の中空円筒タイプのセンターピンを配設することが行なわれている。
【０００４】
この構成では、電極群が固定されていないため、パソコンや携帯電話などの民生用電池では問題が無いが、振動の大きい電気自動車用電池や、電動工具用などのラフユース用の電池では、電極群が電池缶内で移動し、箔などが切れるなどの電極群の破損の可能性が大きくなるという問題があった。
【０００５】
これに対し、特開２００１−２１６９４９号公報に記載されている様に、捲回式電極群が移動することを防ぎ、組み立て精度の高いリチウムイオン二次電池を提供するために、電極群の上下両方又は一方に凸型の部品をつけ、この凸型の部品をポリプロピレン等からなる巻芯に固定する構成が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の構成には凸型の部品の挿入に際し、凸型の突出部を中芯の小さな孔に挿入しながら、かつ、凸型の外周部を電池缶の内壁に全面密着させて挿入する必要があり、作業性が悪く、組み立てにくいという問題があった。
【０００７】
本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、作業性良く電極群を固定することにより落下衝撃時などに電極群が電池内で移動して破損する可能性を低く出来るようにするのが目的である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の円筒型リチウムイオン二次電池で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を、上部絶縁板を配して円筒型有底状の金属電池缶に収納してなる安全弁を備えた円筒型リチウムイオン二次電池において、前記上部絶縁板は、弾性体形状に加工されており、中芯が圧入された貫通孔を中央に備えたものとしている。
【０００９】
この構成により、捲回した電極群が、電池缶の底面と上部絶縁板の端面に挟み込まれることになり、電極群が電池缶に固定される。
【００１０】
また、本発明の円筒型リチウムイオン二次電池の製造方法は、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て電極体を作成し、前記電極体を円筒型有底状の金属電池缶に収納し、弾性体形状に加工され中央に貫通孔を備えた上部絶縁板を前記電極体の端面上に配置し、前記貫通孔に中芯を圧入することにより前記電極体を、前記金属電池缶に固定する工程を少なくとも含むとしたものであり、弾性体形状に加工されているため上部絶縁板を電池缶に挿入し易く、上部絶縁板に中芯を圧入することにより、上部絶縁板が電池缶の内壁と中芯で突っ張って固定され、電極群が電池缶内で移動しなくなるという作用を有する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１記載の円筒型リチウムイオン二次電池は、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を、上部絶縁板を配して円筒型有底状の金属電池缶に収納してなる安全弁を備えた円筒型リチウムイオン二次電池において、前記上部絶縁板は、弾性体形状に加工されており、中芯が圧入された貫通孔を中央に備えたものである。
【００１２】
本発明の円筒型リチウムイオン二次電池は、電池の内部短絡等の異常時に電池内のガス圧が上昇したときに、ガスを放出する安全弁が備わっている。上部絶縁板は、ゴム、複合積層材、天然パルプまたは樹脂などの若干でも弾性力の有る絶縁物が使われる。セラミックスのように脆い材質のものは不適である。上部絶縁板に加工された弾性体形状にはいろいろいなものがあるが、電池缶に密着する部分の内側に穴を開けるか、切れ込みを入れることにより、上部絶縁板の弾性力を増すような形状に加工される。貫通孔には、金属や樹脂などからなる中芯が圧入状態で、挿入されている。この圧入による突っ張り力で、上部絶縁板が固定され捲回した電極群が、電池缶の底面と上部絶縁板の端面に挟み込まれることになり、電極群が電池缶に固定される作用を持つ。
【００１３】
本発明の請求項２記載の円筒型リチウムイオン二次電池は、請求項１記載の円筒型リチウムイオン二次電池において、前記上部絶縁板の最外周部に複数の凸部があり、前記凸部先端が前記電池缶内壁と密着しているものである。
【００１４】
最外周部の電池缶内壁に密着している部分の面積は、挿入の際に抵抗となるので小さいほうが好ましい。凸部は電池缶に３個有れば良いが、４個以上を電池缶内壁に内接する正多角形状に配置するのが好ましい。ただし、凸部の数が多くなると加工コストが増す上、挿入の際の抵抗が多くなるため、４個から８個ぐらいが特に好ましい。
【００１５】
また、凸部が先細形状であれば、挿入される時には電池缶内壁との接触面積が小さく、中芯が圧入された後は、突っ張り力により接触圧力が増すので、特に好ましい。
【００１６】
本発明の請求項３記載の円筒型リチウムイオン二次電池は、請求項１記載の円筒型リチウムイオン二次電池において、前記貫通孔にはスリットが付いているとしたものであり、中芯の圧入によりスリットがたわむことにより突っ張り力が増し、より確実に上部絶縁板が固定できるという作用がある。
【００１７】
本発明の請求項４記載の円筒型リチウムイオン二次電池は、請求項１記載の円筒型リチウムイオン二次電池において、上部絶縁板は樹脂からなるとしたものである。上部絶縁板を樹脂で作成すると、適当な弾性力があり、弾性形状に加工しやすくて好ましい。この樹脂の中でも、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）が、特に好適な弾性力と加工性を持っているため好ましい。
【００１８】
本発明の請求項５記載の円筒型リチウムイオン二次電池は、請求項１記載の円筒型リチウムイオン二次電池において、前記中芯は金属で形成されているとしたものであり、金属の持つ剛性により、丸棒圧壊等の電池に外圧がかかった時の抵抗力を増す作用がある。金属の中でもステンレス（ＳＵＳ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）などが加工性や剛性および電解液に対する耐食性が優れており特に好ましい。
【００１９】
本発明の請求項６記載の円筒型リチウムイオン二次電池は、請求項１記載の円筒型リチウムイオン二次電池において、前記中芯は中空円筒タイプまたは中空円筒スリットタイプで、少なくとも片方の先端が先細形状であるとしたものである。中空円筒スリットタイプとは中空円筒タイプにスリットを入れたもので、図２に示すように中空円筒タイプの中芯本体９に直線状のスリット１０ａがあるものや、図３に示すように中空円筒タイプの中芯本体９にジグザグ状のスリット１０ｂを備えたものなどがある。丸棒圧壊試験などのように、電池の中央に外圧がかかり中央部がつぶれ、さらに内部短絡によりガスが発生した場合に、安全弁が無い側では、発生したガスが逃げる手段が無いが、上記のような構成にすると、中空部分やスリット部分を通じて安全弁からガスを排出する作用がある。さらに図２または図３のように先端１７ａ、１７ｂが先細形状であると、貫通孔に挿入し易くて良い。
【００２０】
本発明の請求項７記載の円筒型リチウムイオン二次電池の製造方法は、
（ａ）まず、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て電極体を作成し、前記電極体を円筒型有底状の金属電池缶に収納し、
（ｂ）弾性体形状に加工され中央に貫通孔を備えた上部絶縁板を前記電極体の端面上に配置し、
（ｃ）前記貫通孔に中芯を圧入することにより前記電極体を、前記金属電池缶に固定する工程
を少なくとも含むとしたものである。
【００２１】
（ａ）の工程においては、従来公知の方法で行なう。
【００２２】
（ｂ）の工程においては、挿入されている電極体上に、上部絶縁板を挿入するがこの時、上部絶縁板は弾性形状に加工されているので、挿入時に電池缶内壁から抵抗を受けた時でも、その弾性力で上部絶縁板が実質的に縮みスムーズに挿入できる。この上部絶縁板は、ＰＰ、ＰＥまたはＰＯＭなどの樹脂が好ましい。
【００２３】
（ｃ）の工程において、上部絶縁板に中芯を圧入することにより、上部絶縁板が電池缶の内壁と中芯で突っ張って固定され、電極群が電池缶内で移動しなくなる。前記貫通孔にスリットがついていると、中芯の圧入によりスリットがたわむことにより突っ張り力が増し、より確実に上部絶縁板が固定できる。また、中芯の先端が先細形状であると貫通孔に挿入し易くて良い。
【００２４】
本発明の請求項８記載の円筒型リチウムイオン二次電池の製造方法は、請求項７記載の製造方法において、前記上部絶縁板の最外周部に複数の凸部があり、中芯を圧入する前の凸部の頂点を結ぶ仮想円の直径が、前記電池缶の内径の１倍から１．０５倍の値を持つとしたものである。
【００２５】
上部絶縁板の最外周部に複数の凸部があると、最外周部の電池缶内壁に密着している部分の面積は、挿入の際に抵抗となるので小さいほうが好ましい。凸部は電池缶に３個有れば良いが、４個以上を電池缶内壁に内接する多角形状に配置するのが好ましい。ただし、凸部の数が多くなると加工コストが増す上、挿入の際の抵抗が多くなるため、４個から８個ぐらいが特に好ましい。
【００２６】
さらに、凸部が先細形状であれば、挿入される時には電池缶内壁との接触面積が小さく、中芯が圧入された後は、突っ張り力により接触圧力が増すので、特に好ましい。
【００２７】
凸部の頂点を結ぶ仮想円の直径は、中芯を圧入後は、その突っ張り力で電池缶の内径と同じになるが、圧入前の大きさは、大きすぎると上部絶縁板の挿入が困難になり、小さすぎると、圧入後の突っ張り力が不足するため、電池缶の内径の１倍から１．０５倍の値を持つのが好ましい。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の二次電池の実施例の円筒型リチウムイオン二次電池について添付図面を参照して具体的に説明する。
【００２９】
（実施例１）
図１において、電極群１は正極板と負極板が、微多孔ポリエチレンフィルムから成るセパレータを介して互いに対向された状態で渦巻き状に捲回されて構成されている。この電極群１が電解液とともに電池内に収納配置されている。電池の外形は負極端子となる円筒容器状の電池缶２と正極端子となる電池蓋３にて構成され、電池缶２の上端開口部内周と電池蓋３の外周との間に介装された絶縁パッキン４にて相互に絶縁されるとともに電池が密閉されている。なお、電極群１と電池缶２の内周との間にもセパレータは介装されている。正極板は正極リード５で電池蓋３と接続され、負極板は負極集電板６で電池缶２と接続されている。そして、上部絶縁板７があり、中空円筒スリットタイプの中芯８が圧入されている。
【００３０】
本電池のサイズは、直径１８ｍｍ、電池高６５ｍｍであり、電池容量は容量１２００ｍＡｈである。電池缶２は、内側がニッケルメッキされたスチール缶で厚みは側面が０．２ｍｍ、底面が０．５ｍｍである。
【００３１】
正極板は、電解二酸化マンガン（ＥＭＤ：ＭｎＯ2）と炭酸リチウム（Ｌｉ2ＣＯ3）とをＬｉ／Ｍｎ＝１／２となるように混合し、８００℃で２０時間大気中で焼成して製造した正極活物質のＬｉＭｎ2Ｏ4と、導電剤のアセチレンブラックと、結着剤のポリフッ化ビニリデンとを、それぞれ重量比で９２：３：５の割合で混合したものを正極材料とした。
【００３２】
なお、正極材料をペースト状に混練するために結着剤としてのポリフッ化ビニリデンはＮメチルピロリドンディスパージョン液を用いた。上記混合比率は固形分としての割合である。この正極材料ペーストを、厚み１５μｍのアルミ箔から成る正極集電体の両面に塗工し、正極材料層を形成した。正極材料層の両膜厚は同じで、塗工、乾燥後の両膜厚の和は１５０μｍで、正極板の厚さを１６５μｍとした。その後、正極板の厚みが１００μｍになるように直径３００ｍｍのプレスロールにより圧縮成形した。このとき、正極材料密度は２．８ｇ／ｃｍ3であった。正極板の一方の端を掻きとって未塗工部を作り、正極リード５を超音波溶接で取りつけた。
【００３３】
負極板は、人造黒鉛と結着剤のスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）とを重量比９７：３の割合で混合したものを負極材料とした。なお、負極材料をペースト状に混練するために結着剤としてのスチレンブタジエンゴムは水溶性のディスパージョン液を用いた。上記混合比率は固形分としての割合である。この負極合剤ペーストを厚み１４μｍの銅箔から成る負極集電体の両面に一側縁部に幅４ｍｍの未塗工部を残した状態で塗工し、負極材料層を形成した。その後、負極板の厚みが１１０μｍになるように直径３００ｍｍのプレスロールにより圧縮成形した。このとき、負極材料密度は１．３ｇ／ｃｍ3であった。
【００３４】
電解液は、エチレンカーボネイト（ＥＣ）とジエチレンカーボネイト（ＤＥＣ）を体積比１：１の配合比で混合した混合溶媒に、溶質として６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）を１ｍｏｌ／ｄｍ3の濃度に溶解したものを用いた。
【００３５】
上記のようにして作製した正極板と負極板をセパレータを介して対向させた状態で負極の集電体の未塗工部を突出させた状態で渦巻き状に捲回して電極群１を形成した。突出部の長さは２ｍｍとした。
【００３６】
さらに、突出部の芯材を屈曲させ平坦部を作成した。次いで、負極集電板６を平坦部に押し付けるように配置して両者を圧接させた状態で、負極集電板６の表面の周方向複数箇所を中心部から外周縁まで放射状にレーザビームを照射することによって集電板６と平坦部をレーザ溶接した。なお、この溶接は抵抗溶接でも良く行なわれる。
【００３７】
そして、この集電板６を接合した電極群１を電池缶２内に収容し、直径約３．５ｍｍの巻芯部に溶接棒を差し込み、負極集電板６を電池缶２に底部溶接した。
【００３８】
そして、ＰＰ製で厚さ０．５ｍｍの上部絶縁板７に正極リード５を通し、電極群１の上に配置した。図４に上部絶縁板７の正面図を示す。
【００３９】
図４において上部絶縁板７の最外周部は直径１７ｍｍの円形で、さらに凸部１１が４個、正方形状に配置されている。この凸部は半円状で先細形状となっている。したがって凸部１１が電池缶２の内壁に押し付けられると接触圧力が大きくなるようになっている。凸部１１の先端を結んだ仮想円の直径は１８．１ｍｍであり、この値は電池缶２の内径が１７．６ｍｍなので約１．０３倍の値となる。凸部１１の内側には弾性形状にするための穴１２ａがあいている。この穴１２ａは、一部が最外周部まで到達した切れこみでも構わない。さらに上部絶縁板７の中央には、直径２．４ｍｍの貫通孔１３があり、貫通孔１３の周囲には穴１２ｂ、突き出し部１４およびスリット１５がある。穴１２ｂおよびスリット１５は、弾性形状をより強める作用がある。また突き出し部１４は、中芯８が圧入された時の保持を確実にする作用がある。注液はこれらの穴やスリットを通じて行なわれる。また、正極リード５は穴１２ａを通して、接続される。
【００４０】
上部絶縁板７を電池缶２に挿入する時の引っかかりは、凸部１１の先端だけだったのでスムーズに挿入できた。
【００４１】
次に、貫通孔１３に直径２．５ｍｍの中空円筒スリットタイプの中芯８を圧入した。スリットの形は、図２で説明したものである。これにより、上部絶縁板７が電池缶２の内壁と中芯８で突っ張って固定され、電極群１が電池缶２内で移動しなくなる。
【００４２】
その後、かしめ封口のための溝いれ加工を電池缶２に行ない、正極リード５を電池蓋３に溶接し、前述の電解液を注液した。最後に、電池蓋３を絶縁パッキン４とともにかしめ封口を行い電池を密閉した。
【００４３】
（実施例２）
実施例２の円筒型リチウムイオン二次電池は、実施例１の電池おいて、上部絶縁板のみを図５から図７に示すもの変えたものを作成した。図５は本実施例の上部絶縁板の正面図であり、図６はその側面図であり、図７は図５のＡ−Ａ線断面図である。図５から図７において図４と同じ符号は、同じ名称および機能を持つものを示す。上部絶縁板の直径および厚さ、凸部の形や大きさなども実施例１とまったく同じである。実施例１との違いは、リング１６が新たに設けられており、これが、封口板と密着することにより、電極群を固定する作用を増すことができる。
【００４４】
以上、二つの実施例で述べたとおり、本発明の円筒型リチウムイオン二次電池は作業性良く電極群を固定することができた。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の円筒型リチウムイオン二次電池およびその製造方法によれば、上部絶縁板を容易に挿入でき、確実に極板群を固定させることができるため落下衝撃時などに電極群が電池内で移動して破損する可能性を低くできる。
【００４６】
さらに、圧壊試験時などのように、電池に高い外圧がかかった時にも高い安全性を持つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における円筒型リチウムイオン二次電池の縦断面図
【図２】本発明の一実施形態における中空円筒スリットタイプ中芯の斜視図
【図３】本発明の他の実施形態における中空円筒スリットタイプ中芯の斜視図
【図４】本発明の第一の実施例における上部絶縁板の正面図
【図５】本発明の第二の実施例における上部絶縁板の正面図
【図６】本発明の第二の実施例における上部絶縁板の側面図
【図７】図５のＡ−Ａ線断面図
【符号の説明】
１              電極群
２              電池缶
３              電池蓋
４              絶縁パッキン
５              正極リード
６              負極集電板
７              上部絶縁板
８              中芯
９              中芯本体
１０ａ、１０ｂ  スリット
１１            凸部
１２ａ、１２ｂ  穴
１３            貫通孔
１４            突き出し部
１５            スリット
１６            リング
１７ａ、１７ｂ  先端
【図１】
0004207451.tif 000002
【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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