(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータで正極電極と負極電極とを絶縁し、巻き芯を中心に多数巻回して形成した電極素子を電池容器に収納する電池において、
前記巻き芯は、その両端部が樹脂性部材の樹脂芯管で構成され、中央部が金属性部材で構成されて、前記金属性部材と前記樹脂性部材とが巻き芯の長手方向の所定の位置で結合して形成されており、
前記巻き芯は、前記電池容器の長さをＸｍｍ、熱膨張率をａ、前記金属性部材の長さをＹｍｍ、熱膨張率をｂ、前記樹脂芯管の長さ（両端部の合計）をＺｍｍ、熱膨張率をｃとすると、
Ｘ×ａ＝（Ｙ×ｂ）＋（Ｚ×ｃ）
を満たす、あるいは略等しくなるようにＸ、Ｙ、Ｚが設定され、
前記電極素子は、前記樹脂芯管の中空部に、極柱が挿入されて結合され支持されている
ことを特徴とする巻き芯構造を有する電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は巻き芯を中心に渦巻き状に巻いた電極素子を電池容器に収納する電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明にかかわる従来の技術について非水電解液二次電池を例とし、図３および図４を参照して説明する。ここで図３は従来の非水電解液二次電池の断面図であり、図４は図３の矢印Ａで示す部位の断面図である。
【０００３】
従来の大型の非水電解液二次電池として図３に示すものがある。巻き芯２６に多数巻回された電極で形成される円筒状の電極素子２０が電池容器１５に収納され、電池容器１５の両側に負極２１と正極２２とが設けられて電池が構成されている。
【０００４】
図４は図３の矢印Ａで示す部位の拡大した断面図であって、正極２２の周辺構造を詳細に示している。電極素子２０は負極電極１、セパレータ５、正極電極３の順に交互に積層されたものであって、円筒状のポリエチレン、ポリプロピレン等の樹脂からなる巻き芯２６に多数回巻かれている。正極電極３の正極リード４から集電リード４ａが導出され、極柱７に接続されている。極柱７は巻き芯２６の中空部に一部挿入されていて、電極素子２０と一体化されている。また、極柱７にキャップ１２が、シール９、セラミック突き当て１０、リング１１、セラミックワッシャ１３等を介してナット１４により固定されている。さらにこれらはステンレス鋼の電池容器１５に収納され、キャップ１２と電池容器１５とをレーザにより溶接して密封されている。この構造は負極２１側においても同様である。
【０００５】
さて、上述したように形成された非水電解液二次電池は巻き芯２６に樹脂材料を用いていることから、ステンレス鋼製の電池容器１５との間の熱膨張率の違いにより、使用環境温度によっては巻き芯２６と極柱７との接合部に隙間が生じる。この状態で電池に振動が加わると電極素子２０が振動し、集電リード４ａの断裂や電極素子２０の巻ずれ等が起こり、負荷特性、サイクル特性を低下させていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の課題は、セパレータで正極電極と負極電極とを絶縁し、これを巻き芯に多数巻回して電極素子を形成し、この電極素子を電池容器に収納する電池において、巻き芯と電池容器との熱膨張率の違いにより生じる集電リードの断裂や電極素子の巻ずれ等を防止し、負荷特性、サイクル特性に優れた電池を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、セパレータで正極電極と負極電極とを絶縁し、巻き芯を中心に多数巻回して形成した電極素子を電池容器に収納する電池において、前記巻き芯を、その両端部を樹脂性部材の樹脂芯管で構成し、中央部が金属性部材で構成し、金属性部材と樹脂性部材とを巻き芯の長手方向の所定の位置で結合して形成し、巻き芯を、電池容器の長さをＸｍｍ、熱膨張率をａ、金属性部材の長さをＹｍｍ、熱膨張率をｂ、前記樹脂芯管の長さ（両端部の合計）をＺｍｍ、熱膨張率をｃとすると、Ｘ×ａ＝（Ｙ×ｂ）＋（Ｚ×ｃ）を満たす、あるいは略等しくなるようにＸ、Ｙ、Ｚを設定し、さらに、電極素子を、樹脂芯管の中空部に極柱が挿入されて結合され支持されている構成とする。
【００１０】
上述した巻き芯の構成によると、電池容器と巻き芯の熱による伸縮の程度を略同一にすることが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は電池容器内に、巻き芯に電極を多数回巻回した電極素子を封入した電池において、巻き芯を単一の樹脂性部材で構成した従来のものとは異なり、樹脂性部材と金属製部材とを複合して巻き芯を構成し、電池容器と巻き芯の熱による伸縮の程度を略同一にして、集電リードの断裂や電極素子の巻ずれ等を防止し、良好な負荷特性、サイクル特性を維持することを特徴としている。
【００１２】
＜実施例＞
つぎに本発明にかかわる電池について非水電解液二次電池を例とし、図１および図２を参照して説明する。ここで図１は非水電解液二次電池の電極素子の構成図であり、図２は非水電解液二次電池の要部断面図である。
【００１３】
まず、非水電解液二次電池の電極素子について図１を参照して説明する。
負極電極１は次のようにして作製する。
不活性ガス気流中で焼成した炭素質材料を粉砕し、平均粒径が２０μｍの炭素粒子を得、この炭素粒子を９０重量部と、結着材としてフッ化ビニリデン樹脂を１０重量部とをＮ−メチルピロリドンに分散させてスラリーを形成する。このスラリーを厚さ１０μｍの銅箔の両面に塗布して厚さ１８０μｍの電極原板を作製する。この電極原板の１部に負極リード２となる未塗布部を残してカットし、負極電極１を得る。
【００１４】
正極電極３は次のようにして作製する。
平均粒径が１５μｍのＬｉＣｏＯ2 粉末を９１重量部と、導電材としてグラファイトを６重量部と、結着材としてフッ化ビニリデン樹脂を３重量部とをＮ−メチルピロリドンに分散させてスラリーを形成し、このスラリーをアルミ箔の両面に塗布して厚さ１５０μｍの電極原板を作製する。この電極原板の１部に正極リード４となる未塗布部を残してカットし、正極電極３を得る。
【００１５】
上述したようにして作製された負極電極１と正極電極３とはセパレータ５を挟んで順次積層し、巻き芯６に矢印Ｒで示される方向に多数回巻かれる。負極電極１と正極電極３の未塗布部は、予め短冊状に切断されていて、巻回後、巻き芯６の一方の側に負極リード２が、他方の側に正極リード４が各々集合して電極素子２０を形成する。
【００１６】
尚、負極電極１および正極電極３の形成は上述した例に限ることはないことは当然である。
【００１７】
図２は図４の従来例と対応する部位を示した断面図である。電極素子２０は負極電極１、セパレータ５、正極電極３の順に交互に積層されたものであって、巻き芯６に多数回巻かれている。正極電極３の正極リード４から集電リード４ａが導出され、極柱７に接続されている。また、極柱７は巻き芯６と結合されていて電極素子２０と一体化されている。さらに、極柱７にキャップ１２が、絶縁カラー８、シール９、セラミック突き当て１０、リング１１、セラミックワッシャ１３等を介してナット１４により固定されている。さらにこれらはステンレス製の電池容器１５に収納され、キャップ１２と電池容器１５とをレーザにより溶接して密封されている。この構造は負極２１側においても同様である。
【００１８】
電解液はプロピレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合溶媒中にＬｉＢＦ4 を１モル／リットルの割合で溶解したものであって、安全弁（図示せず）の口を開放して電池容器１５に注入する。
【００１９】
つぎに本発明の特徴をなす、巻き芯６の構成について詳述する。
図２に示すように巻き芯６は極柱７と結合する樹脂芯管６ａと、この樹脂芯管６ａと結合する金属芯管６ｂとで形成されている。負極側においても同様である。樹脂芯管６ａとしてはポリエチレン、ポリプロピレン等が好適であり、金属芯管６ｂとしてはアルミニウム、ステンレス鋼、ジュラルミン等が好適である。また、電気的絶縁性の点から極柱７と結合する部位に樹脂芯管６ａを配置するのが好ましい。
【００２０】
上述した材料に関して熱膨張の観点から検討され、最適な組み合わせとサイズとを決定して巻き芯６として用いる。例えば、電池容器１５の長さをＸｍｍ、熱膨張率をａ、金属芯管６ｂの長さをＹｍｍ、熱膨張率をｂ、樹脂芯管６ａの長さ（両端部の合計）をＺｍｍ、熱膨張率をｃとすると、
Ｘ×ａ＝（Ｙ×ｂ）＋（Ｚ×ｃ）
を満たす、あるいは略等しくなるＸ、Ｙ、Ｚを決定することにより、電池容器１５の熱膨張、収縮量と巻き芯６の熱膨張、収縮量とを使用環境温度によることなく常に略同一に保つことが可能になる。従って、電池容器１５と巻き芯６との間で応力が過度に発生することはなく、電池内部構造が安定化する。
【００２１】
１例として電池容器１５にアルミニウム、樹脂芯管６ａにポリプロピレン、金属芯管６ｂにステンレス鋼を用いて巻き芯６を形成した場合について説明する。ここで、アルミニウムの熱膨張率を２３．５Ｅ−６／Ｋ、ポリプロピレンの熱膨張率を５．８Ｅ−５／Ｋ、ステンレス鋼の熱膨張率を１７．９Ｅ−６／Ｋとすると、電池容器１５の長さを４００ｍｍ、巻き芯６の全長を３５０ｍｍとした場合、樹脂芯管６ａの合計の長さを７７ｍｍ、金属芯管６ｂの長さを２７３ｍｍとすることにより、電池容器１５と巻き芯６との熱膨張、収縮量を略同一にすることができる。
【００２２】
本実施例においては電池容器１５の長さを３８４ｍｍ、巻き芯６の長さを３５１ｍｍとし、巻き芯６はその金属芯管６ｂ部をアルミニウムを用いて３２１ｍｍの長さとし、樹脂芯管６ａ部をポリプロピレンを用いて金属芯管６ｂの両端にそれぞれ１５ｍｍの長さで設けて構成した。
【００２３】
＜比較例＞
巻き芯６として長さ３５１ｍｍのポリプロピレンの中空管を用いたこと以外は実施例と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【００２４】
上述したようにして作製した実施例と比較例について、温度サイクルをかけながら振動試験を行った。温度サイクルは−４０℃から７０℃までを５時間で繰り返し、振動は電池の長手方向をＸ軸、直径方向の直交する２つの方向をＹ軸、Ｚ軸として、それぞれの軸方向に個別に最大２Ｇの加速度を加えた。振動周波数は１０〜１００Ｈｚであり、試験時間は５時間、３０時間、８０時間の３通りである。この試験の後、集電リード４ａの断裂状態を調べ、その結果を表１に示す。
【００２５】
【表１】
0004385411.tif 000002
【００２６】
表１より比較例では５時間で全集電リードの１．２％が、３０時間で全集電リードの５．８％が、８０時間で全集電リードの１１．０％が断裂していることが分かる。これに対し実施例では０％であり、本発明にかかわる巻き芯を用いることによる効果が確認された。
【００２７】
尚、実施例の巻き芯６では−４０℃から７０℃までの範囲で、電池容器１５とは最大で０．７４ｍｍの長さ変動におさまるが、比較例では最大３．２ｍｍの長さ変動となるものである。
【００２８】
尚、本発明は実施例で示した非水電解液二次電池に限ることなく、巻き芯に電極を巻き付けた電極素子を金属製の電池容器に封入する形態の電池であれば、いずれのものにも適用できることは当然である。
【００２９】
また、巻き芯の樹脂性部材と金属性部材との接合方法は上述したものに限ることはなく、さらに極柱と巻き芯との結合も上述した方法に限るものではなく、本発明の技術的思想を実現する形態であればいかなるものであってもよいことは当然である。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように本発明によると、電池容器と巻き芯の熱膨張による長さ変動を使用環境温度によらず略同一にすることができるので、電池内部での応力の発生を抑制することができ、集電リードの断裂、電極素子の巻きずれ等を防止することができる。従って、外部からの振動、熱による電池の負荷特性、サイクル特性の劣化を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にかかわる非水電解液二次電池の電極素子の構成図である。
【図２】  本発明にかかわる非水電解液二次電池の要部断面図である。
【図３】  従来の非水電解液二次電池の断面図である。
【図４】  図３の矢印Ａで示す部位の断面図である。
【符号の説明】
１…負極電極、２…負極リード、３…正極電極、４…正極リード、４ａ…集電リード、５…セパレータ、６，２６…巻き芯、６ａ…樹脂芯管、６ｂ…金属芯管、７…極柱、８…絶縁カラー、９…シール、１０…セラミック突き当て、１１…リング、１２…キャップ、１３…セラミックワッシャ、１４…ナット、１５…電池容器、２０…電極素子、２１…負極、２２…正極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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