(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状の正極と負極を帯状のセパレータを介して長円筒形に巻回した発電要素の上方に正極端子と負極端子とを並べて配置した電池において、
前記発電要素の巻回の中心部には複数の貫通孔が設けられた芯材が備えられており、
前記発電要素の上端面で第１の電極の側端部に接続された第１の集電接続体が、前記発電要素の上方に配置された第１の端子に接続されており、
前記発電要素の下端面で第２の電極の側端部に接続された第２の集電接続体が、前記芯材の前記複数の貫通孔のいずれかを通って上端面から突出し、前記発電要素の上方に配置された第２の端子に接続され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、帯状の正極と負極をセパレータを介して長円筒形に巻回した発電要素を備えた電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
巻回型の発電要素を備えた電池は、小型のものであれば、この発電要素の電極を共に上端面からタブリードを介して集電し正負極の端子に接続することができるが、大型の電池では、大きな充放電電流が流れるので、多数のタブリードが必要になり、これらを正負極を区別して発電要素の同一の端面から集電することは困難であるため、発電要素の上下の端面から別々に集電を行うことになる。しかし、組電池として用いるような電池の場合には、正負極の端子が上下の端面に分かれて配置されると、これらの電池間の配線が困難になるので、共に上端面に並べて配置するのが好ましい。
【０００３】
このように正負極の端子が共に上端面に並べて配置された従来の長円筒型のリチウムイオン二次電池の構造の一例を図５に示す。このリチウムイオン二次電池は、長円筒形の発電要素１を図示しない長円筒形容器状の電池缶２ａとこの電池缶２ａの上端開口部を塞ぐ蓋板２ｂとからなる電池容器２内に収納したものである。蓋板２ｂには、正極端子３と負極端子４とが取り付けられ、電池容器２の内部でそれぞれ集電接続体５，６を介して発電要素１の正極１ａと図５では図示しない負極１ｂに接続されている。
【０００４】
発電要素１は、図６に示すように、帯状の正極１ａと負極１ｂをセパレータ１ｃを介し上下にずらして長円筒形に巻回したものであり、これにより長円筒形の上端側には正極１ａの集電体であるアルミニウム箔の側端部が突出すると共に、下端側には負極１ｂの集電体である銅箔の側端部が突出するようにしている。正極側の集電接続体５は、図５に示すように、この発電要素１の上端面で、波板状のＵ字部５ａの間に正極１ａのアルミニウム箔を挟んで超音波溶接で接続することにより集電を行う。また、負極側の集電接続体６も、図７に示すように、発電要素１の下端面で、同様に波板状のＵ字部６ａの間に負極１ｂの銅箔を多数枚挟んで超音波溶接で接続することにより集電を行う。そして、この集電接続体６は、発電要素１の外周側面に沿った引出部６ｃを介して上端面に引き出されるようになっている。なお、図面では、説明を分かりやすくするために、正極１ａと負極１ｂの巻回回数を少なく示しているが、実際には極めて密に多数回の巻回が行われ、集電接続体５，６のＵ字部５ａ，６ａの間にも多数枚の正極１ａや負極１ｂが挟持されて接続される。
【０００５】
電池缶２ａは、図５に示すように、ステンレス鋼やアルミニウム等からなる底付きの長円筒形の金属容器である。蓋板２ｂは、電池缶２ａと同じステンレス鋼板やアルミニウム板等からなる長円形の板材であり、長円筒形容器状の電池缶２ａの上端開口部に嵌め込んで、周囲の上向きに湾曲した端縁部を溶接することにより、リチウムイオン二次電池の外装を覆う電池容器２を構成する。この蓋板２ｂには、正極端子３と負極端子４が上下面に貫通して絶縁封止固定されている。そして、この蓋板２ｂの下面側に突出したこれら端子３，４の下部が、図示しないワッシャを介して、上記集電接続体５，６の上端部とかしめられて接続固定される。
【０００６】
このようにして蓋板２ｂに集電接続体５，６を介して発電要素１を取り付けると、まず電池缶２ａに発電要素１を挿入し、この電池缶２ａの上端開口部に蓋板２ｂを嵌め込んで溶接した後に、図示しない注液口から電池容器２内に電解液を注入して封口することにより、リチウムイオン二次電池の組み立てが完了する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記リチウムイオン二次電池は、正極側の集電接続体５については、発電要素１の上端面で正極１ａの集電を行い、この上方に配置した正極端子３に接続しているが、負極側の集電接続体６は、発電要素１の下端面で負極１ｂの集電を行うので、この発電要素１の上方に配置された負極端子４には、発電要素１の周側面の外側に沿った引出部６ｃを介して接続する必要がある。このために、従来は、長円筒形の発電要素１の周側面の外側に集電接続体６の引出部６ｃが出っ張って配置されるために、電池容器２内に余分なスペースが必要となり、容積効率が悪くなるという問題があった。
【０００８】
また、この問題は、リチウムイオン二次電池に限られるものではなく、長円筒形に巻回した巻回型の発電要素を備えた電池一般に共通するものである。
【０００９】
本発明は、かかる事情に対処するためになされたものであり、集電接続体を発電要素の巻回の中心部を通して上端面に引き出すことにより、スペース効率を高めて容量増加を図ることができる電池を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本出願の第１の発明は、帯状の正極と負極を帯状のセパレータを介して長円筒形に巻回した発電要素の上方に正極端子と負極端子とを並べて配置した電池において、発電要素の上端面で第１の電極の側端部に接続された第１の集電接続体が、この発電要素の上方に配置された第１の端子に接続されると共に、この発電要素の下端面で第２の電極の側端部に接続された第２の集電接続体が、この発電要素の巻回の中心部を通って上端面から突出し、この発電要素の上方に配置された第２の端子に接続されたことを特徴とする。
【００１１】
上記の発明によれば、第１の集電接続体は、発電要素の上端面から第１の電極の集電を行うが、第２の集電接続体は発電要素の下端面から第２の電極の集電を行い、発電要素の巻回の中心部を通って上端面に引き出されるので、発電要素の上方に並べて配置された正極端子と負極端子にこれら第１と第２の集電接続体を接続することができるようになる。しかも、第２の集電接続体は、発電要素の周側面の外側に配置されないので、電池のスペースに無駄が生じるようなこともなくなる。
【００１２】
本出願の第２の発明は、前記第１と第２の集電接続体が板状であり、発電要素の巻回の中心部を通って上端面に引き出された第２の集電接続体の第２の端子への接続部が、第１の集電接続体の第１の端子への接続部とほぼ同一平面上に並んで配置されたことを特徴とする。
【００１３】
上記の発明によれば、発電要素が長円筒形に巻回したものであることを利用して、この巻回の中心部に集電効率のよい板状の第２の集電接続体を通しており、また、この第２の集電接続体の接続部が第１の集電接続体の接続部とほぼ同一平面上に並んで配置されるので、これらの接続部と端子との接続作業等を同一の工程で行うことができるようになる。なお、集電接続体と端子との接続作業を容易にするためには、集電接続体の接続部が全くの同一平面上に並んでいることが最も好ましいが、例えば０．５ｍｍ程度平行にずれていても、実際にはほとんど支障は生じない。このように集電接続体の接続部をほぼ同一平面上に並べて配置する構成は、これらの集電接続体に折り曲げ加工を施して接続を行うような場合に特に好ましいものとなる。
【００１４】
本出願の第３の発明は、前記発電要素の巻回の中心部に芯材が配置され、前記第２の集電接続体がこの芯材の貫通孔を通して下端面から上端面に引き出されたことを特徴とする。なお、この芯材は、長円筒形の形状とすることが好ましい。
【００１５】
上記の発明によれば、発電要素の巻回の中心部に芯材が配置されるので、この芯材に設けた貫通孔を通して第２の集電接続体を引き出すことができる。また、このような芯材は、発電要素の巻回の中心部に配置されるので、絶縁性を有する樹脂等で構成したり、絶縁処理を施した金属材等で構成されるので、第２の集電接続体に改めて絶縁を施す必要がなくなる。さらに、巻回型の発電要素の巻回の中心部にこのような芯材が配置されれば、特に長円筒形に巻回された発電要素の場合に、電極がこの巻回の中心部の空間に撓んで極間距離が不均一になり電池性能を低下させるようなこともなくなる。
【００１６】
本出願の第４の発明は、前記発電要素の巻回の中心部に配置される芯材が、長円筒形の両端面間に長手方向に並んだ２本の貫通孔を形成したものであり、前記第２の集電接続体がこの芯材の一方の貫通孔を通して下端面から上端面に引き出されたことを特徴とする。
【００１７】
上記の発明によれば、長円筒形に巻回された発電要素の巻回の中心部に長円筒形の芯材を配置することになるが、第２の集電接続体は、この芯材の２本の貫通孔の一方を通すことにより、他方の貫通孔との間をリブとして、この貫通孔が凹むのを防止することができ、電極がこの芯材を圧迫して貫通孔を凹ませ撓むようなことがなくなる。
【００１８】
【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。
【００１９】
図１〜図４は本発明の一実施形態を示すものであって、図１は発電要素の電極に接続する集電接続体の配置を示す斜視図、図２はリチウムイオン二次電池の構造を示す分解斜視図、図３は発電要素の巻回の中心部に配置された芯材を示す縦断面斜視図、図４は絶縁板の斜視図である。なお、図５〜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して説明を省略する。
【００２０】
本実施形態は、長円筒型のリチウムイオン二次電池について説明する。このリチウムイオン二次電池は、図２に示すように、長円筒形の発電要素１を長円筒形容器状の電池缶２ａとこの電池缶２ａの上端開口部を塞ぐ蓋板２ｂとからなる電池容器２内に収納したものである。蓋板２ｂには、正極端子３と負極端子４とが取り付けられ、電池容器２の内部でそれぞれ集電接続体５，６を介して発電要素１の正極１ａと図２では図示しない負極１ｂに接続されている。
【００２１】
発電要素１は、図６に示したものと同様に、帯状の正極１ａと負極１ｂを上下にずらしてセパレータ１ｃを介し長円筒形に巻回したものである。なお、本実施形態では、このように帯状の正極１ａと負極１ｂを巻回軸方向にずらして巻回した構造とすることにより、発電要素１の両端面に正極１ａと負極１ｂの側端部を突出させて集電接続体５，６との接続を容易にしているが、これら集電接続体５，６を正極１ａと負極１ｂに接続するには、必ずしもこのように巻回軸方向にずらして巻回する必要はない。この発電要素１の巻回の中心部には、図３に示すように、長円筒形の芯材７が配置されている。芯材７は、ＰＰ（ポリプロピレン）製の板状であり、両側面が湾曲して半円筒面となることにより周側面全体が薄い長円筒形に形成されている。この芯材７には、両端面間を発電要素１の巻回軸方向（図３では上下方向）に沿って貫通する２本の軸芯孔７ａが形成されている。これら２本の軸芯孔７ａは、芯材７の長円筒形の長手方向に沿って並べて形成された細長い孔であり、この細長い孔が芯材７の両端面間を貫通している。また、これらの間は、芯材７の両端面間を貫通する２本の軸芯孔７ａを区切るリブ７ｂとなっている。このような芯材７は、一体に成形して作製することもできるし、樹脂製の２枚の板材を接着剤等で貼り合わせることにより作製することもできる。２枚の板材を貼り合わせて作製する場合には、これらの板材の貼り合わせ面に２条の幅広の溝を形成しておくことにより、２本の軸芯孔７ａを形成することができる。
【００２２】
発電要素１の製造を行う場合、図示しない巻回機に上記芯材７をセットする。芯材７は、巻回機のフォーク状に二股となった巻芯を、２本の軸芯孔７ａにそれぞれ挿入することによりセットされる。そして、芯材７の周囲にセパレータ１ｃを巻き付け、巻回機の巻芯を回転させながら、このセパレータ１ｃの間に負極１ｂと正極１ａとを供給して巻回することにより、これらの正極１ａや負極１ｂが図６に示したようにセパレータ１ｃを介して長円筒形に巻回される。
【００２３】
正極側の集電接続体５は、図１及び図２に示すように、発電要素１の上端面で、波板状のＵ字部５ａの間に正極１ａのアルミニウム箔を挟んで超音波溶接で接続することにより集電を行う。また、この集電接続体５は、Ｕ字部５ａの内側の端部の板材が上方に引き出されて正極端子３との接続部５ｂとなっている。負極側の集電接続体６は、発電要素１の下端面で、同様に波板状のＵ字部６ａの間に負極１ｂの銅箔を多数枚挟んで超音波溶接で接続することにより集電を行う。もっとも、この負極側の集電接続体６は、従来のようにＵ字部６ａの外側ではなく、内側の板材が上方に引き出されて引出部６ｃを形成し、この引出部６ｃが上記芯材７の一方の軸芯孔７ａに嵌入している。そして、この集電接続体６は、引出部６ｃを軸芯孔７ａに貫通させて発電要素１の上端面から突出させ、この上端部を負極端子４との接続部６ｂとしている。この際、集電接続体６の接続部６ｂは、芯材７の一方の軸芯孔７ａの上方に真っ直ぐ突出し、集電接続体５の接続部５ｂは、この芯材７の他方の軸芯孔７ａの真上で上方に引き出されるので、これらの接続部６ｂと接続部５ｂは、板面が同一平面上に並んで配置されることになる。
【００２４】
なお、上記負極側の集電接続体６の接続部６ｂは、正極１ａのアルミニウム箔が重なり合った発電要素１の上端面に突出するので、これらのアルミニウム箔と接触しないように絶縁を行う必要がある。そこで、発電要素１の上端面には、図４に示すような絶縁板８を配置する。絶縁板８は、耐電解液性と絶縁性を有する長円筒形のＰＰ（ポリプロピレン）製の樹脂板であり、長手方向に並んだ２本の細長い孔８ａに集電接続体５と集電接続体６の接続部５ｂ，６ｂを通すようになっている。また、負極側の集電接続体６の接続部６ｂを通す孔８ａには、下方に伸びたスリーブ８ｂが形成され、芯材７の軸芯孔７ａから上方に突出する集電接続体６の接続部６ｂの周囲をこのスリーブ８ｂが覆うようになっている。従って、負極側の集電接続体６は、この絶縁板８によって、発電要素１の上端面で重なり合う正極１ａのアルミニウム箔から確実に絶縁されることになる。このように、本発明の電池では、集電接続体５と集電接続体６の接続部５ｂ，６ｂを貫通させる孔８ａを設けた絶縁板８を備えるようにするのが好ましく、この場合、発電要素１の巻回の中心部を通る負極側の集電接続体６の接続部６ｂを通す孔８ａに下方に伸びたスリーブ８ｂを設けることが特に好ましい。このような絶縁板８の樹脂材料としては、上記ＰＰの他に、ＰＥ（ポリエチレン）やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等を用いることもできる。
【００２５】
図２に示す電池缶２ａや蓋板２ｂの構成は、従来例と同じである。そして、この蓋板２ｂの下面側に突出したこれら端子３，４の下部が、図示しないワッシャを介して、上記集電接続体５，６の接続部５ｂ，６ｂにかしめられて接続固定される。この際、集電接続体５，６の接続部５ｂ，６ｂは、同一平面上に並んでいるので、両者を同時にクランプして、正極端子３と負極端子４のワッシャにかしめることができる。また、この状態では、発電要素１の上端面と蓋板２ｂとの間隔に隙間が開きすぎるので、集電接続体５，６の接続部５ｂ，６ｂとワッシャを折り曲げて隙間が狭くなるようにしている。そして、この際にも、接続部５ｂ，６ｂやワッシャを同時に曲げ加工することができる。
【００２６】
このようにして蓋板２ｂに集電接続体５，６を介して発電要素１を取り付けると、まず電池缶２ａに発電要素１を挿入し、この電池缶２ａの上端開口部に蓋板２ｂを嵌め込んで溶接した後に、図示しない注液口から電池容器２内に電解液を注入して封口することにより、リチウムイオン二次電池の組み立てが完了する。
【００２７】
上記のように構成されたリチウムイオン二次電池は、負極側の集電接続体６の引出部６ｃが発電要素１の巻回の中心部に配置された芯材７の軸芯孔７ａを通って上方に引き出されるので、この引出部６ｃを発電要素１の周側面の外側に配置した場合のように、電池容器２の内部にスペースの無駄が生じるようなことがなくなる。
【００２８】
また、集電接続体５と集電接続体６の接続部５ｂ，６ｂは、発電要素１の上端面から同一平面上に並んで突出するので、正極端子３や負極端子４との接続のための加工を同時に行うことができ、ワッシャ等の部品も共通化することができるので、生産性を高めることができるようになる。
【００２９】
さらに、長円筒形の発電要素１の巻回の中心部に芯材７が配置されるので、この発電要素１の正極１ａや負極１ｂが電池使用時の膨張収縮により内側に撓んで極間距離が不均一になるのを防止することもできる。しかも、この芯材７は、２本の軸芯孔７ａの間がリブ７ｂとなるので、正極１ａや負極１ｂが強く圧迫しても軸芯孔７ａが凹むようなことがなくなり、この正極１ａと負極１ｂの撓みを確実に防止することができる。
【００３０】
なお、上記実施形態では、集電効率をよくするために、巻回の中心部を通す集電接続体６が板状である場合について説明したが、この集電接続体６の形状は特に限定されず、例えば１本又は複数本の棒状等であってもよい。また、この巻回の中心部を通す負極側の集電接続体６に代えて、正極側の集電接続体５を通すようにすることもできる。
【００３１】
また、上記実施形態では、ＰＰ製の芯材７を用いる場合について説明したが、電解液に耐性を有し十分な剛性のあるものであればどのような材質のものを用いてもよい。ただし、芯材７が樹脂製であれば、成形加工が容易であり、軽量で絶縁性もあるので、金属製の芯材７を用いる場合に比べて、リチウムイオン二次電池の電池重量が大幅に増加するようなことがなくなり、この金属製の芯材７を樹脂コート等によって絶縁処理する必要もなくなる。このような芯材７の樹脂材料としては、ポリオレフィン系樹脂を用いることが好ましく、本実施形態で用いたＰＰの他、ＰＥ（ポリエチレン）やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）も好適である。
【００３２】
また、上記実施形態では、発電要素１の巻回の中心部に芯材７を配置し、集電接続体６の引出部６ｃをこの芯材７の軸芯孔７ａに通す場合について説明したが、集電接続体６の引出部６ｃをセパレータ１ｃや絶縁シートで覆うことにより確実に絶縁できれば、このような芯材７は必ずしも配置する必要はない。
【００３３】
また、上記実施形態では、リチウムイオン二次電池について説明したが、電池の種類は特に限定されず、巻回型の発電要素１を備えた電池一般に実施可能である。
【００３４】
【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、発電要素の上下の端面から集電を行うにもかかわらず、集電接続体をこの発電要素の周側面の外側に配置することなく、発電要素の上方に配置された正極端子と負極端子に接続できるので、電池に無駄なスペースが生じるようなことがなくなる。
【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、発電要素の電極に接続する集電接続体の配置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、リチウムイオン二次電池の構造を示す分解斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態を示すものであって、発電要素の巻回の中心部に配置された芯材を示す縦断面斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態を示すものであって、絶縁板の斜視図である。
【図５】従来例を示すものであって、リチウムイオン二次電池の構造を示す分解斜視図である。
【図６】従来例を示すものであって、発電要素の構造を示す分解斜視図である。
【図７】従来例を示すものであって、発電要素の電極に接続する集電接続体の配置を示す斜視図である。
【符号の説明】
１    発電要素
１ａ  正極
１ｂ  負極
１ｃ  セパレータ
３    正極端子
４    負極端子
５    集電接続体
５ｂ  接続部
６    集電接続体
６ｂ  接続部
６ｃ  引出部
７    芯材
７ａ  軸芯孔
【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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