(57)【要約】【課題】ボビン形リチウム電池において、発電エネルギー密度が高く、長期保存性能にすぐれるというボビン形リチウム電池の特長を確保しながら、パルス放電性能を高める。【解決手段】有底筒状の正極缶１１内に、中空筒状に成形された外側正極合剤Ｉ（１２１ａ、１２１ｂ）と、当該外側正極合剤（１２１ａ、１２１ｂ）の中空筒内の壁面に接するように配置された内側正極合剤（２２１ａ、２２１ｂ）と、前記外側正極合剤の筒内において、前記内側正極合剤の占有領域以外の空間にセパレータ（２３ａ、２３ｂ）を介在させて配置された負極リチウム（２２ａ、２２ｂ）と、を備えたボビン形リチウム電池（１ａ、１ｂ）とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有底筒状の正極缶内に、中空筒状に成形された外側正極合剤と、当該外側正極合剤の中空筒内の壁面に接するように配置された内側正極合剤と、前記外側正極合剤の筒内において、前記内側正極合剤の占有領域以外の空間にセパレータを介在させて配置された負極リチウムと、を備えたことを特徴とするボビン形リチウム電池。
【請求項２】
前記正極缶の水平断面において、前記負極リチウムは、断面形状が前記外側正極合剤の中空筒内に接する太文字の略Ｓ字型となるように配置されて、当該中空筒内を二つの領域に分断し、前記内側正極合剤は、当該略Ｓ字により分断された二つの領域にそれぞれ配置され、前記セパレータは、断面形状が前記太文字の略Ｓ字の輪郭形状となるように介在することを特徴とする請求項１に記載のボビン形リチウム電池。
【請求項３】
前記正極缶の水平断面において、前記内側正極合剤は、断面形状が前記外側正極合剤の中空筒内を直径方向に横断する略長方形で、短辺側が円弧状に形成されて中空筒内に接することで当該中空筒内を二つの領域に分断するように配置され、前記負極リチウムは、有底の略直方体形状をなすセパレータに収納されて前記二つの領域にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１に記載のボビン形リチウム電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有底筒状の正極缶内に、中空筒状に成形された正極合剤と、この正極合剤の中空筒内にセパレータを介して配置された負極リチウムとを備えたボビン形リチウム電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４に、従来のボビン形リチウム電池の構造を示した。このボビン形リチウム電池１ｃは、有底円筒状の正極缶１１、二酸化マンガン等の正極活物質を黒鉛等の導電助剤とともに中空円筒状に成形された正極合剤２１、円筒状の負極リチウム２２、円筒カップ状のセパレータ２３、封口体を兼ねる負極端子３０などによって構成されている（たとえば特許文献１，２参照）。
【０００３】
正極缶１１は金属製であって電池ケースと正極集電体を兼ねる。その外底面には凸状の正極端子部１２がプレス加工により形成されている。この正極缶１１内に、正極合剤２１、セパレータ２３、および負極リチウム２２が順次装填されて中空筒状の電極体が形成されている。
【０００４】
負極リチウム２２は金属リチウム板を丸めたものであって、その一部に負極リード３３の一端部があらかじめ取り付けられている。この負極リード３３は帯状の金属薄板で形成され、負極集電体を兼ねる。その他端部は封口体を兼ねる負極端子３０にスポット溶接接続されている。具体的には、負極端子３０は金属製の負極端子板３１と封口板３２からなり、負極リード３３の他端部はその封口板３２の内側（電池内側）にスポット溶接されている。負極リード３３が負極端子３０に溶接された後、正極缶１１内に非水電解液（図示省略）が注液される。この注液の後、負極端子３０はガスケット４１とともに正極缶１１の開口部内側に装着される。そして、その正極缶１１開口部を内方にかしめ加工（カール加工）することにより、正極缶１１が密閉封口される。
【０００５】
上記のボビン形リチウム電池１ｃは、スパイラル式のリチウム電池あるいは水溶液電池と比べて長期保存性能が特異的にすぐれている。このため、たとえばガスメータに組み込まれてガス使用状態の監視や地震時の緊急ガス遮断制御などを行うマイコン（マイクロ回路化されたコンピュータ）システムのように、外部からの電源供給がない無電源条件下にて長期間無交換／無保守で運用するシステムや装置では、上記ボビン形リチウム電池を使用することが多い。
【特許文献１】特開２００１−２７３９１１号公報
【特許文献２】特開２００３−２０８９０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、ボビン形リチウム電池は小電流だが長期保存性にすぐれていることから、長期間無交換／無保守で使用される電子機器での使用に適している。すなわち、従来のボビン形リチウム電池は、負極活物質として金属リチウムを用いることにより発電エネルギー密度は高いが、大電流パルス放電性能が低いという特性があった。
【０００７】
しかし、近年の電子機器はマイコンなどのデジタル機器が大勢を占めており、これらのデジタル機器では平均的な消費電流は小さくても、瞬間的にはある程度以上の大電流を必要とするものが多い。したがって、従来のボビン形リチウム電池は、たとえばデジタル・カメラのような大電流パルス負荷機器には適さなかった。特に、低温時でのパルス放電性能に劣るという問題があった。
【０００８】
本発明は以上のような技術背景を鑑みてなされたもので、その目的は、発電エネルギー密度が高く、長期保存性能にすぐれるというボビン形リチウム電池の特長を確保しながら、常温環境下はもちろん、低温環境下においてもパルス放電性能を高めることができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成するために、正極缶の容積を増大させることなく、その限られた容積内で正負極間の反応面積を増大させることでパルス放電特性を向上させることを試みた。さらに、複雑な形状によって反応面積を増やしたとしても製造コストが増加するので、可能な限り単純な構造となるように心がけ、本発明を創作した。
【００１０】
本発明は、有底筒状の正極缶内に、中空筒状に成形された外側正極合剤と、当該外側正極合剤の中空筒内の壁面に接するように配置された内側正極合剤と、前記外側正極合剤の筒内において、前記内側正極合剤の占有領域以外の空間にセパレータを介在させて配置された負極リチウムと、を備えたボビン形リチウム電池である。
【００１１】
上記ボビン形リチウム電池は、前記正極缶の水平断面において、前記負極リチウムが、前記外側正極合剤の中空筒内に接する太文字の略Ｓ字型の断面形状をなして当該中空筒内を二つの領域に分断するように配置され、前記内側正極合剤が、当該略Ｓ字により分断された二つの領域にそれぞれ配置され、前記セパレータが、前記太文字の略Ｓ字の輪郭形状となる断面形状となるように介在するように構成されていてもよい。
【００１２】
あるいは、前記内側正極合剤が、前記外側正極合剤の中空筒内を直径方向に横断する略長方形で短辺側が中空筒内に接するような断面形状をなして、当該中空筒内を二つの領域に分断するように配置され、前記負極リチウムが、有底の略直方体形状をなすセパレータに収納されて前記二つの領域にそれぞれ配置されるボビン形リチウム電池とすることもできる。
【発明の効果】
【００１３】
ボビン形リチウム電池によれば、発電エネルギー密度が高く、長期保存性能にすぐれるというボビン形リチウム電池の特長を確保しながら、低温時においても優れたパルス放電性能を発揮することができる。また、正極缶内に配置された中空筒状の外側正極合剤の内側に内側正極合剤を接するように配置するとともに、内側正極合剤の占有領域以外の空間にセパレータを介在させて負極リチウムを配置する単純な構造としているため、部品点数を大幅に増加させることなく、組み立てが容易である。従って製造コストの増加も抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明のボビン形リチウム電池は、正極合剤と負極リチウムの形状や配置に特徴を有し、概略的には、有底円筒状の正極缶内に、中空円筒状に成形された正極合剤（外側正極合剤）と、この外側正極合剤の中空筒内の内壁に接するように配置された正極合剤（内側正極合剤）と、外側正極合剤の中空筒内において、内側正極合剤の占有領域以外の空間にセパレータを介して配置された負極リチウムとを有している。なお、封口体などのその他の構成・構造についてはほぼ従来のボビン形リチウム電池と同様である。以下、本発明の第１および第２の実施例に係るボビン形リチウム電池の構造を示す。
【００１５】
＝＝＝第１の実施例＝＝＝
図１の（Ａ）と（Ｂ）に、本発明の第１の実施例におけるボビン形リチウム電池１ａの要部平断面と側断面とを示した。この実施例において、外側正極合剤１２１ａは、従来と同様の中空円筒型である。負極リチウム２３ａは、太文字の略Ｓ字型断面形状をなし、外側負極合剤１２１ａの中空筒内に内接するように配置される。セパレータ２３ａは、その略Ｓ字の輪郭を縁取る形状となる。図２に、セパレータ２３ａの形成例を示した。この図の（Ａ）に示すように、セパレータ２３ａは、透液性および保液性を有するシート状セパレータ素材からなる袋であり、袋の形状は、両端１２３が閉じられた深い溝状となっている。そして、この袋の中に金属薄板状のリチウムを収納し、同図の（Ｂ）に示すように、その袋の側面を屈曲することで金属リチウム２２ａとともに断面が略Ｓ字状となるように成形するのである。また、内側正極合剤２２１ａは、外側正極合剤１２１ａの中空筒内の内壁に接する柱状であり、この例では、扇の一方の直線縁部を切り取った断面形状となっている。そして、負極リチウム２２ａの略Ｓ字によって分断された二つの領域にそれぞれ一つずつ配置されている。
【００１６】
この第１の実施例におけるボビン形リチウム電池１ａでは、外側正極合剤１２１ａは、正極缶１１の内側面に圧接する状態で装填されることにより正極缶１１により集電されるようになっている。また、内側正極合剤２２１ａは、外側正極合剤１２１ａの中空筒内の内壁に接しており、この接触面から外側正極合剤１２１ａを介して正極缶１１により集電されるようになっている。負極リチウム２２ａは、従来のボビン形リチウム電池と同様に、金属薄板で形成された負極リード３３ａの一端部をあらかじめＳ字状の負極リチウム２２ａの一部に取り付けておき、他端を封口板３２に溶接することで集電させればよい。
【００１７】
上記構造のボビン形リチウム電池１ａの組立手順としては、まず、正極缶１１内に外側正極合剤１２１ａを装填する。そして、図２に示したように略Ｓ字状に成形された負極リチウム２２ａに負極リード３３ａの一端を取付けたのち、略Ｓ字状の負極リチウム２２ａと、このＳ字の両側に沿わせた状態の内側正極合剤２２１ａとを外側正極合剤１２１ａの中空筒内に挿入する。次いで、負極リード３３ａの他端を封口板３２に溶接し、正極缶１１内に電解液を注入した上で、封口体３０をかしめて正極缶１１を封口する。
【００１８】
＝＝＝第２の実施例＝＝＝
図３の（Ａ）と（Ｂ）に本発明の第２の実施例におけるボビン形リチウム電池１ｂの要部平断面と側断面とを示した。この例においても、外側正極合剤１２１ｂは、従来、および第１の実施例と同様に中空円筒状に成形されている。内側正極合剤２２１ｂは、その断面形状が、外側正極合剤１２１ｂの中空筒内を直径方向に横断する細長い略長方形形状となるように成形されており、当該略長方形の短辺側両端は、外側正極合剤１２１ｂの中空筒内の壁面に内接する円弧状となっている。それによって、当該中空筒内が直径を挟んで二つの領域に分断されている。負極リチウム２２ｂは、内側正極合剤２２１ｂによって分断された外側正極合剤１２１ｂの中空筒内の二つの領域のそれぞれに配置され、その断面形状は、略長方形形状となっている。セパレータ２３ｂは、上部が開口する有底の略直方体の箱状であり、負極リチウム２２ｂは、このセパレータ２３ｂの箱内に収納されている。また、図示した例では、負極リード３３ｂは、帯状の金属薄板の両端を屈曲させてなる平坦な頂部１３３を有する二股形状であり、二股の端部２３３は二つの負極リチウム２２ｂのそれぞれに溶接されている。そして、平坦な頂部１３３が封口板３２にスポット溶接されている。第２の実施例では、負極リード３３ｂを、二つの負極リチウム２２ｂに対応して個別に設けるのではなく、一つの部材からなる二股形状とすることで、部品点数が増えることによるコストアップを防止している。
【００１９】
なお、この第２の実施例に係るボビン形リチウム電池１ｂの組立手順としては、まず、正極缶１１内に外側正極合剤１２１ｂを配置し、この外側正極合剤１２１ｂの筒内に内側正極合剤２２１ｂを配置し、二つの略直方体の袋状のセパレータ２３ｂにそれぞれ金属リチウムを収納し、二つのセパレータ２３ｂに収納された負極リチウム２２ｂを内側正極合剤２２１ｂを挟持するように外側正極合剤１２１ｂの筒内に配置する。そして、二股の負極リード３３ｂのそれぞれの端部２３３を二つの負極リチウム２２ａに取り付けるとともに負極リード３３ｂの頂部１３３を封口板３２に溶接する。次いで、正極缶１１内に電解液を注入し、封口体３０をかしめて正極缶１１を封口する。
【００２０】
＝＝＝大電流放電特性＝＝＝
上述したボビン形リチウム電池（１ａ，１ｂ）は、有底筒状の正極缶１１内に、正極合剤（１２１ａ，１２１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ）と、この正極合剤（１２１ａ，１２１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ）にセパレータ（２３ａ，２３ｂ）を介して配置された負極リチウム（２２ａ，２２ｂ）とを有する電極構造により、従来のボビン形リチウム電池と同様、発電エネルギー密度が高く、長期保存性能にすぐれた特長をすでに備えている。
【００２１】
これに加えて、上述したボビン形リチウム電池（１ａ、１ｂ）では、正極合剤（１２１ａ，１２１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ）と負極リチウム（２２ａ，２２ｂ）間での発電反応が、従来の筒状の負極リチウムの外側面より広い面積で行われる。第１の実施例では、負極においては、負極リチウム２２ａのＳ字型の断面の輪郭をなす屈曲側面が、正極においては、外側正極合剤１２１ａの中空筒内周の二つの１／４の円弧に対応する筒内面、すなわち中空筒内面の面積の約１／２の面と、内側正極合剤２２１ａの断面形状における直線部分の側面を合わせた面が、それぞれ放電反応に寄与する。また、第２の実施例では、負極においては、二つの負極リチウム２２ｂのそれぞれの直方体側面が、正極においては、内側正極合剤２２１ｂの長方形断面形状における長辺部分の側面と、外側正極合剤１２１ｂの筒内面で、内側正極合剤２２１ｂとの接触面を除く面とを合わせた面が、それぞれ放電反応に寄与する。これにより、放電反応が筒状の負極リチウムの外側面だけで行われる従来のボビン形リチウム電池にくらべて、パルス放電性能を大幅に高めることが期待できる。
【００２２】
以下、本発明の第１の実施例の構造の電池（発明品１）および第２の実施例の構造の電池（発明品２）と従来の構造の電池（従来品）を作成し、大電流パルス放電特性について評価した。各電池は、直径１７ｍｍ、高さ４５ｍｍの電池缶サイズであり、大電流放電特性は、常温で２ｍＡの電流を７５０時間、すなわち、１５００ｍＡｈの電力を放電させた後、−２０℃の温度下で５０ｍＡの電流を１秒間放電させる試験を行い、その試験後の閉回路電圧値（ＣＣＶ）によって評価した。
【００２３】
表１にその評価結果を示した。
【表１】
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【００２４】
当該結果より、二つの発明品は、試験後においても従来品に比べて高いＣＣＶを維持し、従来のボビン形リチウム電池と同様、発電エネルギー密度が高く、長期保存性能にすぐれた特長に加え、大電流放電特性にも優れていることが確認できた。
【００２５】
＝＝＝その他の実施例＝＝＝
以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、内側正極合剤の形状は、外側正極合剤の筒内面に接する形状であればいかなる形状でもよい。また、負極リチウムは、外側正極合剤の筒内面で、内側正極合剤の占有領域以外の空間にセパレータを介して配置されていればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施例におけるボビン形リチウム電池の要部平断面図（Ａ）と側断面図（Ｂ）である。
【図２】上記第１の実施例におけるセパレータの形成例を示す斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施例におけるボビン形リチウム電池の要部平断面図（Ａ）と側断面図（Ｂ）である。
【図４】従来のボビン形リチウム電池の構成を示す側断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１ａ、１ｂ、１ｃ  ボビン形リチウム電池
１１  正極缶、
１２  正極端子部、
２１  正極合剤、
１２１ａ、１２１ｂ  外側正極合剤
２２１ａ、２２１ｂ  内側正極合剤
２２、２２ａ、２２ｂ  負極リチウム
２３、２３ａ、２３ｂ  セパレータ、
３０  封口体を兼ねる負極端子、
３１  負極端子板、
３２  封口板、
３３、３３ａ、３３ｂ  負極リード、
４１  ガスケット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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