(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0011】
《第1の実施例》
以下、第1の実施例を説明する。
図1は、扁平捲回形二次電池の外観斜視図である。
扁平捲回形二次電池100は、電池缶1および蓋(電池蓋)6を備える。電池缶1は、相対的に面積の大きい一対の対向する幅広側面1bと相対的に面積の小さい一対の対向する幅狭側面1cとを有する側面と底面1dを有し、その上方に開口部1aを有する。
【0012】
電池缶1内には、捲回群3が収納され、電池缶1の開口部1aが電池蓋6によって封止されている。電池蓋6は略矩形平板状であって、電池缶1の上方開口部1aを塞ぐように溶接されて電池缶1が封止されている。電池蓋6には、正極外部端子14と、負極外部端子12が設けられている。正極外部端子14と負極外部端子12を介して捲回群3に充電され、また外部負荷に電力が供給される。電池蓋6には、ガス排出弁10が一体的に設けられ、電池容器内の圧力が上昇すると、ガス排出弁10が開いて内部からガスが排出され、電池容器内の圧力が低減される。これによって、扁平捲回形二次電池100の安全性が確保される。
【0013】
図2は、角形二次電池の分解斜視図である。
扁平捲回形二次電池100の電池缶1は、矩形の底面1dと、底面1dから立ち上がる角筒状の側面1b、1cと、側面1b、1cの上端で上方に向かって開放された開口部1aとを有している。電池缶1内には、絶縁保護フィルム2を介して捲回群3が収容されている。
【0014】
捲回群3は、扁平形状に捲回されているため、断面半円形状の互いに対向する一対の湾曲部と、これら一対の湾曲部の間に連続して形成される平面部とを有している。捲回群3は、捲回軸方向が電池缶1の横幅方向に沿うように、一方の湾曲部側から電池缶1内に挿入され、他方の湾曲部側が上部開口側に配置される。
【0015】
捲回群3の正極電極箔露出部34cは、正極集電板(集電端子)44を介して電池蓋6に設けられた正極外部端子14と電気的に接続されている。また、捲回群3の負極電極箔露出部32cは、負極集電板(集電端子)24を介して電池蓋6に設けられた負極外部端子12と電気的に接続されている。これにより、正極集電板44および負極集電板24を介して捲回群3から外部負荷へ電力が供給され、正極集電板44および負極集電板24を介して捲回群3へ外部発電電力が供給され充電される。
【0016】
正極集電板44と負極集電板24、及び、正極外部端子14と負極外部端子12を、それぞれ電池蓋6から電気的に絶縁するために、ガスケット5および絶縁板7が電池蓋6に設けられている。また、注液口9から電池缶1内に電解液を注入した後、電池蓋6に注液栓11をレーザ溶接により接合して注液口9を封止し、扁平捲回形二次電池100を密閉する。
【0017】
ここで、正極外部端子14および正極集電板44の形成素材としては、例えばアルミニウム合金が挙げられ、負極外部端子12および負極集電板24の形成素材としては、例えば銅合金が挙げられる。また、絶縁板7およびガスケット5の形成素材としては、例えばポリブチレンテレフタレートやポリフェニレンサルファイド、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂等の絶縁性を有する樹脂材が挙げられる。
【0018】
また、電池蓋6には、電池容器内に電解液を注入するための注液孔9が穿設されており、この注液孔9は、電解液を電池容器内に注入した後に注液栓11によって封止される。ここで、電池容器内に注入される電解液としては、例えばエチレンカーボネート等の炭酸エステル系の有機溶媒に6フッ化リン酸リチウム(LiPF
6)等のリチウム塩が溶解された非水電解液を適用することができる。
【0019】
正極外部端子14、負極外部端子12は、バスバー等に溶接接合される溶接接合部を有している。溶接接合部は、電池蓋6から上方に突出する直方体のブロック形状を有しており、下面が電池蓋6の表面に対向し、上面が所定高さ位置で電池蓋6と平行になる構成を有している。
【0020】
正極接続部14a、負極接続部12aは、正極外部端子14、負極外部端子12の下面からそれぞれ突出して先端が電池蓋6の正極側貫通孔46、負極側貫通孔26に挿入可能な円柱形状を有している。正極接続部14a、負極接続部12aは、電池蓋6を貫通して正極集電板44、負極集電板24の正極集電板基部41、負極集電板基部21よりも電池缶1の内部側に突出しており、先端がかしめられて、正極外部端子14、負極外部端子12と、正極集電板44、負極集電板24を電池蓋6に一体に固定している。正極外部端子14、負極外部端子12と電池蓋6との間には、ガスケット5が介在されており、正極集電板44、負極集電板24と電池蓋6との間には、絶縁板7が介在されている。
【0021】
正極集電板44、負極集電板24は、電池蓋6の下面に対向して配置される矩形板状の正極集電板基部41、負極集電板基部21と、正極集電板基部41、負極集電板基部21の側端で折曲されて、電池缶1の幅広面に沿って底面側に向かって延出し、捲回群3の正極箔露出部34c、負極箔露出部32cに対向して重ね合わされた状態で接続される正極側接続端部42、負極側接続端部22を有している。正極集電板基部41、負極集電板基部21には、正極接続部14a、負極接続部12aが挿通される正極側開口穴43、負極側開口穴23がそれぞれ形成されている。
【0022】
捲回群3の扁平面に沿う方向でかつ捲回群3の捲回軸方向に直交する方向を中心軸方向として前記捲回群3の周囲には絶縁保護フィルム2が巻き付けられている。絶縁保護フィルム2は、例えばPP(ポリプロピレン)などの合成樹脂製の一枚のシートまたは複数のフィルム部材からなり、捲回群3の扁平面と平行な方向でかつ捲回軸方向に直交する方向を巻き付け中心として巻き付けることができる長さを有している。
【0023】
図3は、捲回電極群の一部を展開した状態を示す分解斜視図である。
捲回群3は、負極電極32と正極電極34を間にセパレータ33、35を介して扁平状に捲回することによって構成されている。捲回群3は、最外周の電極が負極電極32であり、さらにその外側にセパレータ33、35が捲回される。セパレータ33、35は、正極電極34と負極電極32との間を絶縁する役割を有している。
【0024】
負極電極32の負極合剤層32bが塗布された部分は、正極電極34の正極合剤層34bが塗布された部分よりも幅方向に大きく、これにより正極合剤層34bが塗布された部分は、必ず負極合剤層32bが塗布された部分に挟まれるように構成されている。正極箔露出部34c、負極箔露出部32cは、平面部分で束ねられて溶接等により接続される。尚、セパレータ33、35は幅方向で負極合剤層32bが塗布された部分よりも広いが、正極箔露出部34c、負極箔露出部32cで端部の金属箔面が露出する位置に捲回されるため、束ねて溶接する場合の支障にはならない。
【0025】
正極電極34は、正極集電体である正極電極箔の両面に正極活物質合剤を有し、正極電極箔の幅方向一方側の端部には、正極活物質合剤を塗布しない正極箔露出部34cが設けられている。
【0026】
負極電極32は、負極集電体である負極電極箔の両面に負極活物質合剤を有し、正極電極箔の幅方向他方側の端部には、負極活物質合剤を塗布しない負極箔露出部32cが設けられている。正極箔露出部34cと負極箔露出部32cは、電極箔の金属面が露出した領域であり、捲回軸方向の一方側と他方側の位置に配置されるように捲回される。
【0027】
負極電極32に関しては、負極活物質として非晶質炭素粉末100重量部に対して、結着剤として10重量部のポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFという。)を添加し、これに分散溶媒としてN−メチルピロリドン(以下、NMPという。)を添加、混練した負極合剤を作製した。この負極合剤を厚さ10μmの銅箔(負極電極箔)の両面に溶接部(負極金属箔露出部)を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断工程を経て、銅箔を含まない負極活物質塗布部厚さ70μmの負極電極32を得た。
【0028】
尚、本実施形態では、負極活物質に非晶質炭素を用いる場合について例示したが、これに限定されるものではなく、リチウムイオンを挿入、脱離可能な天然黒鉛や、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素質材料やSiやSnなどの化合物(例えば、SiO、TiSi2等)、またはそれの複合材料でもよく、その粒子形状においても、鱗片状、球状、繊維状、塊状等、特に制限されるものではない。
【0029】
正極電極34に関しては、正極活物質としてマンガン酸リチウム(化学式LiMn2O4)100重量部に対し、導電材として10重量部の鱗片状黒鉛と結着剤として10重量部のPVDFとを添加し、これに分散溶媒としてNMPを添加、混練した正極合剤を作製した。この正極合剤を厚さ20μmのアルミニウム箔(正極電極箔)の両面に溶接部(正極金属箔露出部)を残して塗布した。その後、乾燥、プレス、裁断工程を経て、アルミニウム箔を含まない正極活物質塗布部厚さ90μmの正極電極34を得た。
【0030】
また、本実施形態では、正極活物質にマンガン酸リチウムを用いる場合について例示したが、スピネル結晶構造を有する他のマンガン酸リチウムや一部を金属元素で置換又はドープしたリチウムマンガン複合酸化物や層状結晶構造を有すコバルト酸リチウムやチタン酸リチウムやこれらの一部を金属元素で置換またはドープしたリチウム-金属複合酸化物を用いるようにしてもよい。
【0031】
また、本実施形態では、正極電極、負極電極における塗工部の結着材としてPVDFを用いる場合について例示したが、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン、アクリル系樹脂などの重合体およびこれらの混合体などを用いることができる
【0032】
また、軸芯としては例えば、正極箔34a、負極箔32a、セパレータ33のいずれよりも曲げ剛性の高い樹脂シートを捲回して構成したものを用いることができる。
【0033】
続いて本発明の特徴に係る部分を
図4を用いて説明する。
図4は、本発明の実施形態による集電板基部側面部に絶縁膜60を塗布した後の組み立て状態を示す二次電池の断面図である。絶縁膜60は、正極集電板基部41及び負極集電板基部21のそれぞれを覆うように設けられている。絶縁膜60には、例えばコールタール、ワニス、ポリウレタン、ポリエステル、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド等の合成樹脂などの重合体およびこれらの混合体などを用いることができる。これらの絶縁物を集電板基部側面部に塗布し塗膜を形成する。絶縁膜の厚みは厚いほど絶縁機能を有するが、塗布工程を考慮し10μm以上であり、かつ前記電池容器と前記集電板との距離以下であることが望ましい。
【0034】
捲回群3の周囲には、捲回群3の扁平面に沿う方向で捲回群3の捲回軸方向に直交する方向を中心軸方向として絶縁保護フィルム2が巻き付けられている。絶縁保護フィルム2は、例えばPP(ポリプロピレン)などの合成樹脂製の一枚のシートまたは複数のフィルム部材からなり、捲回群3の扁平面と平行な方向でかつ捲回軸方向に直交する方向を巻き付け中心として巻き付けることができる長さを有している。
【0035】
この絶縁フィルム2は、
図4中の点線で示された位置に配置されている。通常、絶縁フィルム2を用いる場合には、絶縁フィルム2の上端部と電池蓋6との間に幅Lの隙間を設ける。これは電池缶1と電池蓋6とを溶接する際に絶縁フィルム2が巻き込まれて溶接されるのを防ぐためである。この幅Lの隙間があるため、通常の角形二次電池では、集電板基部21、41と電池缶1との間に絶縁フィルムが配置されないため、絶縁信頼性が確実ではない。本発明では集電板基部21、41に絶縁膜60を塗布している。つまり、絶縁フィルム2と電池蓋6との間に存在する幅Lの隙間があったとしても、電池缶1と集電板基部21、41との間には絶縁物が確実に存在することとなる。そのため、本発明を適用することによって、絶縁信頼性が確実なものとなる。
【0036】
また、集電板基部21、41だけに絶縁膜60を設けていても十分に効果があるが、
図4に示すように集電板基部21、41から連続して集電板接続端部22、42側の一部を覆っても良い。このような構造にすることによって、寸法校差や絶縁フィルム2のずれによって隙間Lの幅が多少大きくなったとしても確実に集電板24、44と電池缶1との間に絶縁物を配置することができるため、より絶縁信頼性が向上する。
図5は、
図4のA方向から見た図である。
図5の点線部は絶縁フィルム2を示したものである。集電板24は絶縁フィルム2から露出した露出部を有し(絶縁フィルム2の点線部と電池蓋6との間の部分)、この露出部には絶縁膜60が設けられ、電池缶1内部との絶縁を確保している。このように横方向から見た場合、集電板24のどの位置まで絶縁膜60が設けられているかわかりやすい。前述したようにこの絶縁膜60は絶縁フィルム2と被る位置まで設けられている。
【0037】
なお、
図5は負極集電板24側から見た図であるが、本発明の特徴部分となる点は正極集電板44側から見た場合も同様の構造となっているため、図示は省略する。
【0038】
図6に、絶縁膜60の集電板基部側面部への塗布工程の概略製作フロー図を示す。捲回群アセンブリ組み立て51工程において、軸芯15の周囲に、正極電極11、負極電極12、および第1、第2のセパレータ13、14を捲回し、電力を取り出すための、負極集電リング21や正極集電リング27を取り付け、捲回群アセンブリを組み立てる。捲回群アセンブリと集電板の溶着52工程において、捲回群アセンブリと正極集電板44及び負極集電板22を抵抗溶接或いは超音波溶接で溶着する。マスキング処理53工程において、絶縁膜が付着する集電板基部側面部以外の場所を保護フィルム或いはマスキングテープなどを用いてマスキング処理を施す。スプレー照射54工程において、スプレー噴霧装置は、制御装置と噴霧ノズルを有するよう構成されている。制御装置より噴射量が制御され、所定の量のコールタールが噴射ノズルより噴射され絶縁膜60を形成する。本実施形態として絶縁膜の材質として、コールタールを用いる場合を例示したが、ワニス、ポリウレタン、ポリエステル、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド等の合成樹脂などの重合体およびこれらの混合体等の絶縁性を有するものであれば用いることができる。また、本実施形態として樹脂の絶縁膜の形成方法としてスプレー法を例示したが、インクジェットのように樹脂を液滴状に噴射する吐出法を用いることもできる。集電板基部側面部への絶縁膜付着55工程の後、マスキング処理53工程で行った保護フィルムまたはマスキングテープ類を除去する。このような工程を経ることによって、本発明の二次電池100は作成される。
【0039】
《第2の実施例》
続いて第2の実施例について説明する。本実施例が第1の実施例と異なる点は、絶縁膜60の代わりに絶縁テープ70を集電板基部に貼付した点である。
【0040】
図7は、第2の実施例の二次電池を
図5のA方向と同様の方向から眺めた図である。なお、第1の実施例と同様の構成については、第1の実施例と同様の図面番号をしている。
【0041】
この絶縁テープ70は、例えばポリ塩化ビニル、ポリイミド、ポリエチレン、PVC等の合成樹脂などの重合体およびこれらの混合体などをテープ状にしたものを用いることができる。これらの絶縁テープ70を集電板基部側面部に貼付する。絶縁テープ70の厚みは厚いほど絶縁機能を有するが、絶縁性能や作業性を考慮し10μm以上であり、かつ前記電池容器と前記集電板との距離以下であることが望ましい。
【0042】
なお、
図7は、負極集電板基部側面部に絶縁テープ70を貼付した図を示しているが、絶縁テープ70は正極集電板基部側面部に添付しても同様な機能を持つ。
【0043】
本実施例では絶縁膜60ではなく、絶縁テープ70を用いたことによって、簡易に絶縁フィルム2から露出した集電板24の絶縁性を確保することが可能となる。
【0044】
《第3の実施例》
続いて第3の実施例について説明する。本実施例が第1の実施例と異なる点は、絶縁膜60の代わりに絶縁被膜80を集電板基部に付した点である。
【0045】
図8は、第3の実施例の二次電池を
図5のA方向と同様の方向から眺めた図である。なお、第1の実施例と同様の構成については、第1の実施例と同様の図面番号をしている。
【0046】
本実施例では集電板基部21に化学処理、例えば酸化膜処理等を用いることができる。正極集電板44側に用いる場合にはアルマイト処理などが該当する。これらの化学処理を行うことで絶縁機能を有するが、絶縁性能や作業性を考慮し酸化膜は10μm以上であり、かつ前記電池容器と前記集電板との距離以下であることが望ましい。
【0047】
なお、
図8は、負極集電板基部側面部に絶縁酸化膜80を施した図を示しているが、絶縁酸化膜80は正極集電板基部側面部に施しても同様な機能を持つ。
【0048】
また、実施例1で説明した通り、集電板基部21だけに絶縁膜60を設けていても十分に効果があるが、
図7に示すように集電板基部21から連続して集電板接続端部22側の一部を覆っても良い。
【0049】
本実施例では、第1の実施例と異なり絶縁膜60の代わりに集電板状に酸化膜を設けた。このような構成とすることによって、第1の実施例と比較して集電板基部21や集電板接続部22の厚みが絶縁膜を設けるよりも薄くすることが出来る。従って、二次電池をより小型にするといった要求が大きい場合には集電板の大型化を招かないので効果的である。
【0050】
以上、簡単に本発明についてまとめる。本発明に記載の二次電池1は、開口1aを有し、蓄電要素3を収納する電池容器1と開口1aを塞ぎ、外部端子12、14が設けられた蓋6と、一端が外部端子12、14、他端が蓄電要素3と接続される集電板24、44と、集電板24、44及び蓄電要素3を覆う絶縁フィルム2を備え、集電板24、44は絶縁フィルム2から露出した露出部を有し、露出部には絶縁膜60、70、80が設けられている。このような構成にすることによって、電池缶1と集電板基部21、41との間には絶縁物が確実に存在することとなる。そのため、本発明を適用することによって、絶縁信頼性が確実なものとなる。
【0051】
また、本発明に記載の二次電池1は絶縁膜60、70、80が絶縁フィルム2と重なる部分を有する。このような構造にすることによって、寸法校差や絶縁フィルム2のずれによって隙間Lの幅が多少大きくなったとしても確実に集電板24、44と電池缶1との間に絶縁物を配置することができるため、より絶縁信頼性が向上する。
【0052】
また、本発明に記載の二次電池は、絶縁膜が絶縁テープ70である。このように絶縁膜60ではなく、絶縁テープ70を用いたことによって、絶縁膜を塗布する工程よりも簡易な作業で集電板24の絶縁性を確保することが可能となる。
【0053】
また、本発明に記載の二次電池は、絶縁膜が酸化膜80である。このような構成とすることによって、第1の実施例と比較して集電板基部21や集電板接続部22の厚みが絶縁膜を設けるよりも薄くすることが出来る。従って、二次電池1をより小型にするといった要求が大きい場合には集電板24、44の大型化を招かないので効果的である。
【0054】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は、前記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。さらに、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。