(57)【要約】【課題】製造が容易で放電性能に優れたボビン型リチウム電池を提供すること。【解決手段】ボビン型リチウム電池１０において、円筒状の正極合剤１２の中空部分にセパレータ１３を介してリチウム負極１４が配置されている。セパレータ１３は、円筒胴部１３ａが固着されておらず開口している。リチウム負極１４は、円筒胴部開口部１４ａを有する円筒状にリチウム板材を曲げ加工したものである。セパレータ１３の円周方向における両端部が、リチウム負極１４の円筒胴部開口部１４ａを介してリチウム負極１４の内側に入り込んでいる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の正極物質の中空部分にセパレータを介してリチウム負極を配置したボビン型リチウム電池において、前記セパレータの円筒胴部が固着されておらず開口していることを特徴とするボビン型リチウム電池。
【請求項２】
前記リチウム負極は、円筒胴部開口部を有する円筒状に金属板材を曲げ加工したものであり、前記セパレータの円周方向における少なくとも一方の端部が、前記リチウム負極の前記円筒胴部開口部を介して前記リチウム負極の内側に入り込んでいることを特徴とする請求項１に記載のボビン型リチウム電池。
【請求項３】
前記セパレータは、セパレータ材を前記金属板材に重ね合わせた状態で前記金属板材と一体的に曲げ加工することにより円筒状に成形されたものであることを特徴とする請求項２に記載のボビン型リチウム電池。
【請求項４】
前記セパレータの下端は、固着されておらず開口しており、かつ、前記リチウム負極の下端から突出して配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のボビン型リチウム電池。
【請求項５】
円筒状の正極物質の中空部分にセパレータを介してリチウム負極を配置したボビン型リチウム電池において、前記リチウム負極の外周面に接触する前記セパレータが、放電反応の進行に伴い、前記リチウム負極の周方向に沿って摺動しつつ縮径することを特徴とするボビン型リチウム電池。
【請求項６】
請求項２乃至４のいずれか１項に記載のボビン型リチウム電池の製造方法であって、
金属板材と前記金属板材よりも面積の大きいセパレータ材とを重ね合わせて配置する配置工程と、
前記金属板材と前記セパレータ材とを一体的に曲げ加工することにより、円筒状のセパレータ及び円筒状のリチウム負極を同時に成形するとともに、前記セパレータの円周方向における少なくとも一方の端部を、前記リチウム負極の円筒胴部開口部を介して前記リチウム負極の内側に挟み込んで固定する成形工程と
を含むことを特徴とするボビン型リチウム電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒状の正極物質の中空部分にセパレータを介してリチウム負極を配置したボビン型リチウム電池及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ボビン型リチウム電池は、負極物質としてリチウム金属を用いることで高いエネルギー密度が実現され、特に長期間を無交換／無保守で使い続けるような用途に適している。従って、ボビン型リチウム電池は、例えば、各種の計測器や電子機器のメモリーバックアップ用の電池として用いられている。
【０００３】
図６には従来のボビン型リチウム電池４０を示している。図６示されるように、ボビン型リチウム電池４０は、有底円筒状の正極缶４１と、正極缶４１の内周部に配置された筒形の正極物質４２と、正極物質４２の内周部に配置された有底円筒状のセパレータ４３と、セパレータ４３の内側に配置されたリチウム負極４４とを備える。リチウム負極４４は、リチウム金属の平板を巻回し、その両端部を相互に突き合わせて円筒状に成形されている。また、セパレータ４３は、短冊状に裁断したポリプロピレン製の不織布を二重巻きにした後、底部及び胴部の一部を熱融着することにより、有底円筒状に形成されている。
【０００４】
上記のようなボビン型リチウム電池４０は、例えば、特許文献１，２に開示されている。
【特許文献１】特開平１０−３２１４０号公報
【特許文献２】特開平９−２１３２８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記ボビン型リチウム電池４０のセパレータ４３は、不織布を多重巻きにして熱融着による加工を行うことで形成されているため、その厚さが厚くなる。このため、ボビン型リチウム電池４０における内容物（正極物質４２やリチウム負極４４）の量を増やすことができない。また、セパレータ４３の厚みによって、正極と負極との距離が長くなるため、電気抵抗が大きくなってしまう。さらに、セパレータ４３は、保液性に優れた不織布を用いているが、熱融着の部分は保液性が低下して放電反応に関与し難くなる。
【０００６】
また、上記ボビン型リチウム電池４０において、放電反応が進行する場合、図７に示されるように、負極物質（リチウム金属）が消費されるにつれてリチウム負極４４は痩せ、逆に正極物質４２は肥大する。この場合、その正極物質４２の肥大化に伴いセパレータ４３が内側に押しやられてセパレータ４３の外径が小さくなる。このとき、セパレータ４３は、その円筒胴部の一部が熱融着によって固着されているため、外形が小さくなる際に円筒胴部に皺がよってしまう。その結果、正極と負極との距離がセパレータ本来の厚さ以上に増大し、放電反応が進行し難くなる。
【０００７】
さらに、上記ボビン型リチウム電池４０では、セパレータ４３を熱融着して円筒状に形成する必要があるため、その熱融着による加工等の製造工数が増えてコストが嵩むといった問題も生じていた。
【０００８】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造が容易で放電性能に優れたボビン型リチウム電池を提供することにある。また、別の目的は、そのボビン型リチウム電池を製造するのに好適なボビン型リチウム電池の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、円筒状の正極物質の中空部分にセパレータを介してリチウム負極を配置したボビン型リチウム電池において、前記セパレータの円筒胴部が固着されておらず開口していることを特徴とするボビン型リチウム電池をその要旨とする。
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、セパレータを二重巻きにしてその円筒胴部を固着する必要がないため、セパレータの厚さを薄くすることができ、正極物質とリチウム負極との距離が短くなる。また、セパレータにおいて熱融着によって保液性に劣る部分も形成されることはない。さらに、セパレータを薄くすることができることから、電池内に収納される正極物質やリチウム負極の増量を図ることができる。よって、ボビン型リチウム電池において、放電反応が全体的に進行し易くなる。また、放電反応の進行に伴い正極物質が肥大化してセパレータが内側に押しやられる場合、セパレータは、円筒胴部が固着されていないため、正極物質の肥大化に追従してその径が変化し、従来技術に比べて皺がよりにくい。その結果、正極物質とリチウム負極との距離の増大を抑えることができる。このように、本発明によれば、放電初期だけではなく放電進行中においても正極物質とリチウム負極との距離が短縮されて電流が流れ易く、正極物質やリチウム負極の増量を図ることができることから、電池の放電性能を向上することができる。また、セパレータを熱融着して円筒状に形成する必要がないため、セパレータの加工が容易となり、製造コストを抑えることができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記リチウム負極は、円筒胴部開口部を有する円筒状に金属板材を曲げ加工したものであり、前記セパレータの円周方向における少なくとも一方の端部が、前記リチウム負極の前記円筒胴部開口部を介して前記リチウム負極の内側に入り込んでいることをその要旨とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、放電反応の進行に伴い正極物質が肥大化した場合、セパレータの端部がリチウム負極の円筒胴部開口部を介してリチウム負極の内側に入り込むことにより、正極物質の肥大化に追従してセパレータが縮径する。その結果、セパレータに皺がよりにくくなり、正極物質とリチウム負極との距離の増大を確実に抑えることができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記セパレータは、セパレータ材を前記金属板材に重ね合わせた状態で前記金属板材と一体的に曲げ加工することにより円筒状に成形されたものであることをその要旨とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、リチウム負極の曲げ加工と同時にセパレータを円筒状に形成できるので、従来技術のようにセパレータとリチウム負極とを別々に加工する場合と比較して加工数を減らすことができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記セパレータの下端は、固着されておらず開口しており、かつ、前記リチウム負極の下端から突出して配置されていることをその要旨とする。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、セパレータによって、リチウム負極と正極物質とが接触しないよう確実に分離することができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、円筒状の正極物質の中空部分にセパレータを介してリチウム負極を配置したボビン型リチウム電池において、前記リチウム負極の外周面に接触する前記セパレータが、放電反応の進行に伴い、前記リチウム負極の周方向に沿って摺動しつつ縮径することを特徴とするボビン型リチウム電池をその要旨とする。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、リチウム負極の外周面に接触するセパレータが、放電反応の進行に伴い、リチウム負極の周方向に沿って摺動しつつ縮径するので、従来技術に比べてセパレータに皺がよりにくくなる。その結果、正極物質とリチウム負極との距離の増大を抑えることができ、電池の放電性能を向上することができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項２乃至４のいずれか１項に記載のボビン型リチウム電池の製造方法であって、金属板材と前記金属板材よりも面積の大きいセパレータ材とを重ね合わせて配置する配置工程と、前記金属板材と前記セパレータ材とを一体的に曲げ加工することにより、円筒状のセパレータ及び円筒状のリチウム負極を同時に成形するとともに、前記セパレータの円周方向における少なくとも一方の端部を、前記リチウム負極の円筒胴部開口部を介して前記リチウム負極の内側に挟み込んで固定する成形工程とを含むことを特徴とするボビン型リチウム電池の製造方法をその要旨とする。
【００２０】
請求項６に記載の発明によれば、配置工程において、金属板材と金属板材よりも面積の大きいセパレータ材とが重ね合わせて配置される。その後、成形工程において、金属板材とセパレータ材とが一体的に曲げ加工されることにより、円筒状のセパレータ及び円筒状のリチウム負極が同時に成形される。このとき、セパレータの円周方向における少なくとも一方の端部がリチウム負極の円筒胴部開口部を介してリチウム負極の内側に挟み込まれて固定される。このようにすれば、リチウム負極の曲げ加工と同時にセパレータを円筒状に形成できるので、従来技術のようにセパレータとリチウム負極とを別々に加工する場合と比較して工数を減らすことができる。さらに、セパレータを熱融着する必要がないため、その加工が容易となり、製造コストを抑えることができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上詳述したように、請求項１〜５に記載の発明によると、製造が容易で放電性能に優れたボビン型リチウム電池を提供することができる。また、請求項６に記載の発明によると、上記ボビン型リチウム電池を製造するのに好適なボビン型リチウム電池の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は本実施の形態におけるボビン型リチウム電池の概略構成を示す断面図である。
【００２３】
図１に示されるように、本実施の形態のボビン型リチウム電池１０では、有底筒状の正極缶１１の内部に、円筒状の正極合剤１２（正極物質）が装填され、その正極合剤１２の中空部分にセパレータ１３を介してリチウム負極１４が配置されている。なお、本実施の形態のボビン型リチウム電池１０は、直径が１７ｍｍ、長さが４５ｍｍのサイズを有する一次電池である。
【００２４】
正極缶１１の内部には、正極合剤１２及びリチウム負極１４の上方まで非水電解液１６が注液されている。非水電解液１６は、例えば、過塩素酸リチウムを溶質とし、プロピンカーボネート及び１，２−ジメトキシエタンを溶媒とした溶液などからなる。
【００２５】
正極缶１１は、例えばＳＵＳ（ステンレススチール）鋼板を有底筒状にプレス成形することで製造され、その底部の中央に正極端子１７が突設されている。また、正極缶１１の開口部は、負極端子１８、封口板１９、及びガスケット２０からなる封口体２１によって封口されている。詳しくは、正極缶１１の開口端部には、正極缶１１の外周面に沿って溝状のビード部２２が形成され、このビード部２２の上方に円環状のガスケット２０が配設されている。そして、このガスケット２０を介して封口板１９及び負極端子１８が正極缶１１の開口端部に封止されている。
【００２６】
正極合剤１２は、例えば、二酸化マンガン、黒鉛、及びバインダとしての粉末フッ素樹脂を混合した正極合剤粉を円筒状にプレス成形することで作製される。本実施の形態では、正極缶１１の内部においてその軸方向に沿って３つの正極合剤１２が積層装填されている。
【００２７】
図２に示されるように、リチウム負極１４は、リチウム金属の板材（金属板材）を用い、円筒胴部開口部１４ａを有する円筒状にロール加工（曲げ加工）して作製されている。また、セパレータ１３は、ポリプロピレン製の不織布からなるセパレータ原紙をリチウム負極１４と一体的に巻回することによって円筒状に作製されている。なお、本実施の形態において、リチウム負極１４の厚さは１．８ｍｍ程度であり、円筒胴部開口部１４ａの開口幅は０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度である。また、セパレータ１３の厚さは０．１５ｍｍ程度である。
【００２８】
セパレータ１３は、その円周方向における両端部がリチウム負極１４の円筒胴部開口部１４ａを介してリチウム負極１４の内側に入り込んでいる。これにより、セパレータ１３がリチウム負極１４の外周面に接触した状態で円筒状に固定されている。このように、本実施の形態のセパレータ１３は、円筒胴部１３ａが固着されておらず開口した状態で配置されている。また、図１に示されるように、セパレータ１３の下端は、固着されておらず開口しており、かつ、リチウム負極１４の下端から突出して配置されている。
【００２９】
リチウム負極１４の内側面には、負極集電体２４が設けられている。負極集電体２４のリード部２４ａは、リチウム負極１４の上端面から突出し、ガスケット２０の中央開口部を挿通して、封口板１９の下面に溶接にて接続されている。
【００３０】
次に、本実施の形態におけるボビン型リチウム電池１０の製造方法を説明する。
【００３１】
まず、正極缶１１、正極合剤１２、封口体２１（負極端子１８、封口板１９、及びガスケット２０）を予め作製して準備する。
【００３２】
また、セパレータ１３及びリチウム負極１４の一体物を作製する。この一体物は以下のようにして作製される。
【００３３】
図３に示されるように、細長いリチウム金属のシート材３０を所定のサイズに切断してリチウム板材３１を作製する。同様に、ポリプロピレン製の不織布からなる細長いセパレータ原紙３２を所定サイズに切断してセパレータ材３３を作製する。なお、セパレータ材３３は、リチウム板材３１よりも縦横の幅が長く面積が大きくなっている。そして、リチウム板材３１に負極集電体２４を圧接した後、セパレータ材３３からリチウム板材３１がはみ出さないように位置合わせをして、そのセパレータ材３３とリチウム板材３１とを重ね合わせて配置する（配置工程）。
【００３４】
その後、セパレータ材３３を外側とした状態でそのセパレータ材３３とリチウム板材３１とを一体的に曲げ加工する。この結果、図４に示されるように、円筒状のセパレータ１３及び円筒状のリチウム負極１４を同時に成形するとともに、セパレータ１３の円周方向における両端部を、リチウム負極１４の円筒胴部開口部１４ａを介してリチウム負極１４の内側に挟み込んで固定する（成形工程）。
【００３５】
上記のような配置工程及び成形工程を経てセパレータ１３及びリチウム負極１４の一体物が作製される。
【００３６】
そして、円筒状に成形された正極合剤１２を有底筒状の正極缶１１内に挿入した後、セパレータ１３及びリチウム負極１４の一体物を負極集電体２４が上向きに突出するように正極合剤１２の内側に挿入する。また、正極缶１１において、開口部付近の側面に円盤状ローラーを押しつけ、正極缶周を回転させることで、ビード部２２を形成する。
【００３７】
次いで、正極缶１１のビード部２２の上方にガスケット２０を載置し、負極集電体２４のリード部２４ａに封口板１９をスポット溶接にて接続する。その後、正極缶１１の内部に、正極合剤１２及びリチウム負極１４の上方まで非水電解液１６を注入する。そして、正極缶１１のビード部２２に載置したガスケット２０上に、封口板１９、及び負極端子１８を配置して、正極缶１１の開口端部にカール及び絞り加工を施すことにより、正極缶１１を封口する。これにより、ボビン型リチウム電池１０が完成する。
【００３８】
本実施の形態のボビン型リチウム電池１０において、放電反応が進行する場合、図５に示されるように、リチウム負極１４は痩せ、逆に正極合剤１２は肥大するため、セパレータ１３が内側に押しやられる。ここで、セパレータ１３は、その円筒胴部１３ａが固着されておらず、円周方向の両端部がリチウム負極１４の円筒胴部開口部１４ａを介してその内側に入り込んでいるので、放電反応の進行に伴い、リチウム負極１４の周方向に沿ってセパレータ１３が摺動して縮径する。従って、従来技術のようにセパレータ１３に皺がよることなく、正極合剤１２とリチウム負極１４との距離の増大が抑えられて、電池の放電性能が向上する。
【００３９】
本実施の形態のボビン型リチウム電池１０について、試験温度が２０℃の条件で、５１０Ωによる連続放電試験を行い、その放電性能を評価した。この放電試験によって測定されたボビン型リチウム電池１０の放電時間は、４０４時間であり、従来電池（放電時間が３７４時間）と比較して、８％の性能向上を得ることができた。
【００４０】
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００４１】
（１）本実施の形態のボビン型リチウム電池１０では、セパレータ１３の円筒胴部１３ａが固着されておらず開口している。この場合、従来技術のように、セパレータ１３を二重巻きにして固着する必要がないため、セパレータ１３の厚さを薄くすることができ、正極合剤１２とリチウム負極１４との距離が短くなる。また、セパレータ１３において熱融着によって保液性に劣る部分も形成されることはない。さらに、セパレータ１３を薄くするできることから、電池１０内に収納される正極合剤１２やリチウム負極１４の増量を図ることができる。従って、ボビン型リチウム電池１０における放電反応が全体的に進行し易くなる。また、放電反応の進行に伴い正極合剤１２が肥大化してセパレータ１３が内側に押しやられる場合、セパレータ１３は、円筒胴部１３ａが固着されていないため、正極合剤１２の肥大化に追従してその径が変化し、従来技術のように皺がよることがない。その結果、正極合剤１２とリチウム負極１４との距離の増大を抑えることができる。このようにすれば、放電初期だけではなく放電進行中においても正極合剤１２とリチウム負極１４との距離が短縮されて電流が流れ易く、正極合剤１２やリチウム負極１４の増量を図ることができることから、電池１０の放電性能を向上することができる。
【００４２】
（２）本実施の形態のボビン型リチウム電池１０では、放電反応の進行に伴い正極合剤１２が肥大化した場合、セパレータ１３の両端部が円筒胴部開口部１４ａを介してリチウム負極１４の内側に入り込むことにより、セパレータ１３がリチウム負極１４の周方向に沿って摺動しつつ縮径する。その結果、セパレータ１３に皺がよることがなく、正極合剤１２とリチウム負極１４との距離の増大を確実に抑えることができる。
【００４３】
（３）本実施の形態のボビン型リチウム電池１０では、リチウム板材３１とセパレータ材３３とが一体的に曲げ加工されることで、円筒状のセパレータ１３及び円筒状のリチウム負極１４が同時に成形される。またこのとき、セパレータ１３の円周方向における両端部がリチウム負極１４の円筒胴部開口部１４ａを介してリチウム負極１４の内側に挟み込まれて固定される。このようにすれば、従来技術のようにセパレータとリチウム負極とを別々に加工する場合と比較して工数を減らすことができる。さらに、セパレータ１３を熱融着して円筒状に形成する必要がないため、セパレータ１３の加工が容易となり、製造コストを抑えることができる。
【００４４】
（４）本実施の形態のボビン型リチウム電池１０では、セパレータ１３の下端は、固着されておらず開口しており、かつ、リチウム負極１４の下端から突出して配置されている。従って、このセパレータ１３によって、リチウム負極１４と正極合剤１２とが接触しないように確実に分離することができる。
【００４５】
（５）本実施の形態のボビン型リチウム電池１０では、リチウム負極１４の円筒胴部開口部１４ａの開口幅をセパレータ１３の２倍の厚さよりも短くすることにより、セパレータ１３の両端部をその円筒胴部開口部１４ａに挟み込んで確実に固定することができる。
【００４６】
なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。
【００４７】
・上記実施の形態において、セパレータ１３は１枚のセパレータ材３３で円筒状に形成されていたがこれに限定されるものではなく、２枚以上のセパレータ材で形成されるものでもよい。例えば、短冊状の２枚のセパレータ材を十字状に重ねて折り曲げることで円筒状のセパレータを形成してもよい。
【００４８】
・上記実施の形態において、セパレータ１３は、円周方向における両端部をリチウム負極１４の円筒胴部開口部１４ａを介してリチウム負極１４の内側に挟み込んで固定するものであったが、これに限定されるものではなく、いずれか一方の端部をリチウム負極１４の内側に挟み込んで固定してもよい。ただし、上記実施の形態のように、セパレータ１３の両端部を挟み込んだ方が、セパレータ１３を確実に固定することができるため、セパレータ１３及びリチウム負極１４の組付けを正確に行うことができる。
【００４９】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【００５０】
（１）請求項１乃至４のいずれか１項において、前記セパレータ材は樹脂製の不織布であり、そのセパレータ材を一重巻きで丸めることで前記セパレータが円筒状に形成されていることを特徴とするボビン型リチウム電池。
【００５１】
（２）請求項２において、前記円筒胴部開口部の開口幅は、前記セパレータの２倍の厚さよりも短いことを特徴とするボビン型リチウム電池。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明を具体化した一実施の形態のボビン型リチウム電池を示す断面図。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線での断面図。
【図３】リチウム負極及びセパレータの製造方法を示す説明図。
【図４】リチウム負極及びセパレータの一体物を示す斜視図。
【図５】ボビン型リチウム電池の放電反応後の状態を示す断面図。
【図６】従来のボビン型リチウム電池の放電反応前の状態を示す断面図。
【図７】従来のボビン型リチウム電池の放電反応後の状態を示す断面図。
【符号の説明】
【００５３】
１０…ボビン型リチウム電池
１２…正極物質としての正極合剤
１３…セパレータ
１３ａ…円筒胴部
１４…リチウム負極
１４ａ…円筒胴部開口部
３１…金属板材としてのリチウム板材
３３…セパレータ材
【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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