(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状の正負極電極を帯状のセパレータを介して巻回した巻回形の発電要素を巻回軸が電池の上下方向となるように配置して電池ケース内に収納すると共に、この電池の上端部に正負極の端子を配置した電池において、
発電要素の上端部で正負いずれか一方の電極を上部集電体に接続し、この上部集電体を直接又はリード材を介して一方の端子に接続すると共に、発電要素の下端部で他方の電極を下部集電体に接続し、この下部集電体を発電要素の外周側面と電池ケース内面との間に沿って配置したリード板を介して上方に引き出し、直接又は他のリード材を介して他方の端子に接続したことを特徴とする電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、帯状の正負極電極を帯状のセパレータを介して巻回した巻回形の発電要素を備えた電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車等に用いられる長円筒形の非水電解質二次電池は、図５に示すように、帯状の負極２と正極４を帯状のセパレータ３を介して長円筒形に巻回した発電要素１を備えている。この発電要素１は、負極２とセパレータ３と正極４をそれぞれ上下に少しずつずらして巻回することにより、発電要素１の上端側には例えば帯状の負極２の上端辺のみを突出させ、下端側には帯状の正極４の下端辺のみを突出させる。すると、図６に示すように、発電要素１の上端部に上部集電体５を配置して、この上部集電体５に負極２の上端辺を多数箇所で接続固定すると共に、発電要素１の下端部に下部集電体６を配置して、この下部集電体６に正極４の下端辺を多数箇所で接続固定することができるので、負極２や正極４から大電流を取り出すことができるようになり、高効率の放電が可能となる。
【０００３】
上記非水電解質二次電池は、複数個を並べて配線して使用することが多いので、接続作業等を容易にするために、正負極の端子８，１１（ただし、正極端子１１は図６では手前側となるため図示していない）を電池の上端部に並べて配置している。この際、発電要素１の上端部の上部集電体５は、リード金具７を介して直ちに負極端子８に接続することができる。しかし、発電要素１の下端部の下部集電体６は、電池上部の蓋１４に配置した正極端子１１に接続するために、リード材によって上方に引き出す必要がある。
【０００４】
そこで、従来の非水電解質二次電池は、発電要素１の中央の巻軸部にリード芯金１３を配置しておき、下部集電体６をこのリード芯金１３とリード金具１０とを介して正極端子１１に接続していた。発電要素１の巻軸部であれば、電池スペースに大きな無駄を生じさせることなくリード芯金１３を配置することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記非水電解質二次電池は、高出力の放電を行うと、リード芯金１３に大きな電流が流れるので、発熱量も非常に大きくなる。しかも、外部短絡時には、さらに大きな電流が流れるので、この発熱量も極めて大きくなる。しかし、従来の非水電解質二次電池は、リード芯金１３が放熱効率の悪い発電要素１の巻軸部に配置されていたため、電池内部の温度が上昇し易くなり、電池が不安定になるという問題があった。また、特に外部短絡時には中心部が極めて高温になるので、セパレータ３が溶融して内部短絡に至り、電池が破壊されるおそれも生じる。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、下部集電体を上方に引き出すリード材を発電要素の外周側面に沿って配置することにより、このリード材での発熱を効率良く放熱することができる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】
【０００８】
【０００９】
請求項１の発明は、帯状の正負極電極を帯状のセパレータを介して巻回した巻回形の発電要素を巻回軸が電池の上下方向となるように配置して電池ケース内に収納すると共に、この電池の上端部に正負極の端子を配置した電池において、発電要素の上端部で正負いずれか一方の電極を上部集電体に接続し、この上部集電体を直接又はリード材を介して一方の端子に接続すると共に、発電要素の下端部で他方の電極を下部集電体に接続し、この下部集電体を発電要素の外周側面と電池ケース内面との間に沿って配置したリード板を介して上方に引き出し、直接又は他のリード材を介して他方の端子に接続したことを特徴とする。
【００１０】
請求項１の発明によれば、下部集電体を上方に引き出すリード板が発電要素の外周側面と電池ケース内面との間に沿って配置されるので、このリード板での発熱を効率良く電池ケースの外部に放熱することができるようになる。
【００１１】
なお、前記発電要素が、正負極電極をセパレータを介して長円筒形に巻回したものであり、前記リード板が、発電要素の長円形の直線部における外周側面に沿って配置されていることが好ましい。
【００１２】
このようにすれば、リード板が発電要素の長円形の直線部（長円形における両側の半円部の間の部分）の外周側面に沿って配置されるので、長円筒形や長四角型の電池ケースにおける強度の弱い平面状の側面を補強することができる。
【００１３】
また、このリード板が発電要素の長円形の直線部における両側の外周側面に沿ってそれぞれ配置されていることが好ましい。
【００１４】
このようにすれば、リード板が両側の外周側面に配置されるので、長円筒形や長四角型の電池ケースにおける強度の弱いこれら平面状の両側面を確実に補強することができる。
【００１５】
また、前記電池が非水電解質二次電池であることが好ましい。
【００１６】
このようにすれば、高出力で発熱し易い非水電解質二次電池を安全に使用することができるようになる。また、この非水電解質二次電池は、正負極が充電時に膨張するので、発電要素が長円筒形や長四角型の電池ケースの平面状の側面を押広げるのを防止することができるようになる。
【００１７】
【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。
【００１８】
図１〜図３は本発明の一実施形態を示すものであって、図１は長円筒形の非水電解質二次電池の発電要素に接続固定する集電体とリード材の構成を示す斜視図、図２は長円筒形の非水電解質二次電池の発電要素に接続固定する上部集電体とリード材の構成を示す斜視図、図３は図１におけるリード材の他の構成例を示す斜視図である。なお、図５〜図６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。
【００１９】
本実施形態は、従来例と同様に電気自動車等に用いられる長円筒形の非水電解質二次電池について説明する。この非水電解質二次電池の発電要素１は、図５に示したように、負極２とセパレータ３と正極４をそれぞれ上下に少しずつずらして巻回することにより、上端側には負極２の上端辺のみを突出させ、下端側には正極４の下端辺のみを突出させたものである。負極２は、帯状の銅箔の表面にグラファイト等の負極活物質を塗布したものであり、正極４は、帯状のアルミニウム箔の表面にリチウムコバルト複合酸化物等の正極活物質を塗布したものである。また、セパレータ３は、帯状の微多孔性樹脂フィルムを用いる。
【００２０】
上記発電要素１の上端部には、図２に示すように、発電要素１の長円形の直線部に沿った片側に上部集電体５が配置されている。この上部集電体５は、図６に示した集電体５，６と同様の構造であり、銅板を蛇腹状に繰り返し屈曲させたものである。そして、上部集電体５の上端側に突出した負極２の上端部を複数枚ずつ、この上部集電体５の下方を向く凹部に挿入し両側からカシメて圧着することにより接続固定する。また、この凹部の上端部に横長の窓を開口しておき、ここからレーザ光を照射することによりレーザ溶接によって負極２の上端部を接続固定することもできる。なお、この負極２の上端部は、上部集電体５との接続のために、予め活物質が塗布されないようにするか、又は、塗布後に活物質を除去して銅箔の金属地を露出させている。
【００２１】
上部集電体５は、発電要素１の長円形の中央部側が一体的に銅板からなるリード金具７となって水平に引き出されている。このリード金具７は、上部集電体５から引き出され、発電要素１の長円形の直線部の残りの片側からさらに長円形の一方の半円部の上方を覆うような形状に形成されている。また、このリード金具７には、発電要素１の長円形の半円部の上方を覆う部分の中央に、上方に突出する円筒状の負極端子８がカシメ等により接続固定されている。
【００２２】
上記発電要素１の下端部には、図１に示すように、発電要素１の長円形の直線部の片側に下部集電体６が配置されている。この下部集電体６も、上記上部集電体５と同様の構造であり、アルミニウム板を蛇腹状に繰り返し屈曲させたものである。そして、下部集電体６の下端側に突出した正極４の下端部を複数枚ずつ、この下部集電体６の上方を向く凹部に挿入し両側からカシメて圧着することにより接続固定する。また、上部集電体５の場合と同様に、この凹部の下端部に横長の窓を開口しておきレーザ溶接によって接続固定することもできる。なお、この正極４の下端部も、下部集電体６との接続のために、予め活物質が塗布されないようにするか、又は、塗布後に活物質を除去してアルミニウム箔の金属地を露出させている。
【００２３】
下部集電体６は、発電要素１の長円形の外周側が一体的にアルミニウム板からなるリード板９となって引き出されている。このリード板９は、下部集電体６から引き出されて上向きに屈曲され、発電要素１の外周側面におけるこの長円形の直線部に沿って上端部まで至る。また、このリード板９も、上端部が一体的にアルミニウム板からなるリード金具１０となって水平に屈曲して引き出されている。このリード金具１０は、発電要素１の長円形の直線部で、上記上部集電体５やリード金具７の上方を隙間を開けて覆うと共に、この発電要素１の長円形の他方の半円部の上方も隙間を開けて覆うような形状に形成されている。さらに、このリード金具１０には、長円形の半円部の上方を覆う部分の中央に、上方に突出する円筒状の正極端子１１がカシメ等により接続固定されている。
【００２４】
上記集電体５，６等を接続固定した発電要素１は、図６に示したものと同様の長円筒形の電池ケース１２に収納されて非水電解液を注入され密閉されることにより非水電解質二次電池を構成する。この際、正負極の端子８，１１は、それぞれ絶縁密閉されて電池上部の蓋１４から突設される。また、集電体５，６やリード板９、リード金具７，１０及び電池ケース１２の間は、必要に応じて図示しない絶縁シート等を介在させて絶縁する。
【００２５】
上記構成の非水電解質二次電池によれば、正極４からの電流が下部集電体６を介してリード板９を通り発電要素１の外周側面と電池ケース１２との間を流れるので、このリード板９での発熱を効率良く外部に放熱することができるようになる。しかも、リード板９は、板状であるため、巻軸部にリード芯金１３を配置する場合に比べても、電池内のスペース効率はほとんど低下しない。
【００２６】
また、非水電解質二次電池は、充電時に負極２と正極４の活物質が共に膨張する。しかし、電池ケース１２は、軽量化のためにできるだけ薄い金属板を用いるので、長円筒形の場合には、直線部の外周側面が平面状となって強度が弱くなる。従って、この長円筒形の電池ケース１２は、直線部の外周側面が充電時に発電要素１に押されて外側に膨らむという問題があった。ところが、本実施形態のように、この発電要素１の直線部の外周側面にリード板９を配置すれば、電池ケース１２を補強することができ、充電時の膨らみを緩和することができるようになる。
【００２７】
なお、上記実施形態では、下部集電体６を発電要素１の長円形の直線部の片側にのみ配置したが、図３に示すように、この長円形の直線部の両側に配置することも可能である。この場合、リード板９は、発電要素１の長円形の直線部における両側の外周側面に配置される。従って、リード板９の電流容量が大きくなって発熱自体を低下させると共に、電池ケース１２を両側で補強することができるので、充電時の膨らみを確実に抑制することができるようになる。
【００２８】
表１〜表３に、図６に示した従来の巻軸部にリード芯金１３を配置した非水電解質二次電池と、図１及び図３に示した本実施形態の非水電解質二次電池との比較結果を示す。
【００２９】
表１は、幅９１ｍｍ、厚さ３４ｍｍ、高さ１５０ｍｍの長円筒形電池（容量３６Ａｈ）を３．０Ｃ放電したときの電池の内外温度を測定したものである。
【表１】
0004221531.tif 000002
【００３０】
従来の電池では、電池中心温度の上昇が大きく、電池表面温度との内外温度差が３２°Ｃに達する。これに対して、本実施形態の電池では、リード板９を片側と両側のいずれに配置したものも電池中心温度の上昇が比較的少なく内外温度差も２１〜２２°Ｃに抑制された。
【００３１】
表２は、表１と同じ電池を１００％充電状態で外部短絡させたときの電池の表面温度を測定したものである。
【表２】
0004221531.tif 000003
従来の電池では、電池の表面温度が最高で４１０°Ｃに達し発煙が観測された。即ち、この電池では、外部短絡の短絡電流による中心温度の上昇が極めて大きいために、セパレータ３が溶融し内部短絡を起こしてさらに温度が上昇したためである。これに対して、本実施形態の電池では、電池の表面温度の最高が１２０°Ｃに抑制され、発煙は生じなかった。即ち、この電池では、外部短絡の短絡電流による発熱が速やかに外部に放熱されるので、電池内部の温度上昇が比較的少なく、また、この温度上昇によりセパレータ３が熱閉塞（シャットダウン）を起こして短絡電流を抑制することにより安全性が確保された。セパレータ３は、１２０°Ｃ程度以上の温度で熱閉塞を起こして電流を遮断するが、従来例のように高温になると溶融して電流を遮断する機能も果たせなくなる。
【００３２】
表３は、表１と同じ電池の放電時と充電時の電池ケース１２の厚さを測定したものである。
【表３】
0004221531.tif 000004
従来の電池では、充電時に厚さが２．０ｍｍ増加するのに対して、本実施形態の電池では、充電時の厚さの増加が１．０〜０．８ｍｍに抑制された。従って、長円筒形の非水電解質二次電池を複数個並べてモジュール電池を構成する場合、充電時の膨張を考慮して設ける隙間を狭くすることができるので、このモジュール電池の容積効率を高めることができる。
【００３３】
なお、上記実施形態では、正負極の端子８，１１を電池の上端部に配置する場合について説明したが、図４に示すように、例えば電池の上端部には負極端子８のみを配置して、正極端子１１を電池の側面に配置してもよい。即ち、正極４を下部集電体６を介して、発電要素１の外周側面と電池ケース１２との間のリード板９に引き出し、これを電池の側面の正極端子１１に接続するようにしても、このリード板９での発熱が効率良く外部に放熱されるようになる。また、上記実施形態では、長円筒形の発電要素１を長円筒形の電池ケース１２に収納する場合について説明したが、この長円筒形の発電要素１を図４に示すような長四角形の電池ケース１２に収納することもできる。
【００３４】
さらに、上記実施形態では、上部集電体５や下部集電体６を蛇腹状に繰り返し屈曲させたものとしたが、発電要素１の上端部や下端部で負極２や正極４に確実に接続固定するものであれば、必ずしもこのような構成には限定されない。
【００３５】
さらに、上記実施形態では、発電要素１を長円筒形に巻回した場合について説明したが、本発明は、巻回形の発電要素一般に実施可能である。
【００３６】
さらに、上記実施形態では、非水電解質二次電池について説明したが、本発明は、その他の電池一般に実施可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の電池によれば、リード板が発電要素の外周側面に沿って電池ケース内面に隣接して配置されるので、このリード板での発熱を効率良く電池ケースの外部に放熱することができるようになる。このため、高出力の放電を行った場合にも、電池の温度上昇を抑制することができ、外部短絡時にも、電池内部の温度上昇による内部短絡の発生や電池の破壊を防止することができるようになる。
【００３８】
また、長円筒形の発電要素の場合には、リード板を長円形の直線部に沿って配置することにより、長円筒形や長四角型の電池ケースの平面状の側面を補強することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態を示すものであって、長円筒形の非水電解質二次電池の発電要素に接続固定する集電体とリード材の構成を示す斜視図である。
【図２】  本発明の一実施形態を示すものであって、長円筒形の非水電解質二次電池の発電要素に接続固定する上部集電体とリード材の構成を示す斜視図である。
【図３】  本発明の一実施形態を示すものであって、図１におけるリード材の他の構成例を示す斜視図である。
【図４】  本発明の他の実施形態を示すものであって、長円筒形の非水電解質二次電池の発電要素に接続固定する集電体とリード材の構成を示す斜視図である。
【図５】  長円筒形の非水電解質二次電池の発電要素の構成を示す斜視図である。
【図６】  従来例を示すものであって、長円筒形の非水電解質二次電池の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１  発電要素
２  正極
３  セパレータ
４  負極
５  上部集電体
６  下部集電体
７  リード金具
８  正極端子
９  リード板
１０  リード金具
１１  負極端子
１２  電池ケース
【図１】
0004221531.tif 000005
【図２】
0004221531.tif 000006
【図３】
0004221531.tif 000007
【図４】
0004221531.tif 000008
【図５】
0004221531.tif 000009
【図６】
0004221531.tif 000010