特開 2023-146352 円筒形二次電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023146352

(43)【公開日】2023-10-12

(54)【発明の名称】円筒形二次電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/04 20060101AFI20231004BHJP

   H01M 50/107 20210101ALI20231004BHJP

   H01M 4/70 20060101ALI20231004BHJP

   H01M 50/533 20210101ALI20231004BHJP

   H01M 50/548 20210101ALI20231004BHJP

【ＦＩ】

H01M10/04 W

H01M50/107

H01M4/70 A

H01M50/533

H01M50/548 201

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022053494

(22)【出願日】2022-03-29

(71)【出願人】

【識別番号】000237721

【氏名又は名称】ＦＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090022

【弁理士】

【氏名又は名称】長門 侃二

(72)【発明者】

【氏名】横澤 友美

【テーマコード（参考）】

5H011

5H017

5H028

5H043

【Ｆターム（参考）】

5H011AA03

5H011AA09

5H011CC06

5H011DD10

5H011KK01

5H017AA02

5H017AS10

5H017CC05

5H017HH03

5H017HH05

5H028AA07

5H028BB07

5H028CC08

5H028CC13

5H028HH05

5H043AA19

5H043BA16

5H043CA03

5H043CA12

5H043DA03

5H043DA20

5H043EA07

5H043EA35

5H043EA60

5H043LA02E

5H043LA21D

5H043LA21E

(57)【要約】

【課題】 正極板及び負極板を巻回してなる円筒形の電極群を外装缶に簡単な構成で固定する円筒形二次電池を提供する。
【解決手段】 円筒形二次電池１は、有底円筒形の外装缶１０と、正極板１６と負極板１８とがセパレータ２０を介して巻回形成され、外装缶内に電解液と共に収容される電極群１２と、外装缶の缶底１０Ａと電極群との間に配置されて負極板を外装缶に電気的に接続する負極集電体２１とを備える。電極群の側面となる負極板において、負極集電体側の端縁部１８Ａの厚みは、端縁部を除く部分の厚みより厚い。外装缶は、底部近傍の側面の内径が他の部分よりも小さい厚肉部を有する。厚肉部により、電極群の端縁部が外装缶に固定される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

閉塞された一端を底部として含む円筒形の外装缶と、
各々が帯状の正極板と負極板とをセパレータを挟んで重ね合わせて前記正極板及び前記負極板の幅方向を軸として渦巻状に巻回されて、渦巻状に巻回された最外周面は前記負極板からなり、前記外装缶内に電解液と共に収容される電極群と、
前記外装缶の底部と前記電極群との間に配置されて前記底部と接すると共に前記負極板と接する板状の負極集電体と、
を備え、
前記負極板は、前記負極集電体側の縁部の厚みが、残りの部分の厚みより厚く、
前記最外周面を構成する負極板の前記縁部及び前記負極集電体の縁部の少なくとも一方が、前記外装缶の軸方向に延びる内周面に接して固定される、円筒形二次電池。

【請求項2】

前記外装缶は、前記底部近傍の側面の内径が、残りの側面の内径よりも小さい、請求項１記載の円筒形二次電池。

【請求項3】

前記外装缶は、前記底部近傍の側面において、前記外装缶の軸に向けて凹むと共に円周方向に線条に延びる窪み部を有し、
前記負極板の前記縁部は、前記外装缶の内側で前記窪み部に係止されることにより、前記電極群が前記外装缶に対して固定される、請求項１または２記載の円筒形二次電池。

【請求項4】

前記負極板は、帯状の芯体と、負極合剤が前記芯体に塗布された負極合剤層とからなり、
前記芯体は、
前記幅方向における一端部及び他端部の各々に位置し、且つ前記幅方向と交差する巻回方向に延びる平坦な無孔部と、
前記無孔部の間に位置し、前記芯体の厚み方向に貫通して前記負極合剤が入り込む複数の貫通孔を有する有孔部と、
を有する請求項１から３のいずれか一記載の円筒形二次電池。

【請求項5】

前記正極板は、前記負極板に対し前記幅方向に第１長さだけずらした状態で渦巻状に巻回されて前記電極群を構成し、
前記外装缶の側面は、前記底部から前記軸方向に第２長さの部位までを幅とする厚肉部を有し、前記第２長さは、前記第１長さよりも短く、且つ０．５ｍｍから２．０ｍｍまでの範囲にある、請求項１から４のいずれか一記載の円筒形二次電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、円筒形二次電池に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、アルカリ蓄電池は、以下のようにして作製される。まず、正極板および負極板の間にセパレータを介在させ、これらを渦巻き状に捲回して略円柱状の電極群を形成し、電極群の負極側に負極集電体を溶接する。次に、電極群を有底外装缶に収容して、電極群の巻芯を抜いた中心孔に溶接棒を通して負極集電体を外装缶の底部に溶接する。このように、抵抗溶接により、電極群を集電体に固定し、さらに外装缶に固定することによって、電極群を外装缶に対し電気的に接続すると共に固定する。その後、電極群の正極側に、集電リードを有した正極集電体を溶接し、外装缶に電解液を充填する。さらに、集電リードを封口体に溶接し、封口体を外装缶の開口に絶縁ガスケットを介して装着してかしめることにより外装缶を密閉する（特開２００３－１６８４１５号公報を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３－１６８４１５号公報

【特許文献2】特開２００５－１２９４３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

集電体と外装缶との抵抗溶接は、高容量化した巻芯部の小さな電池では溶接性を低下させることがあった。また、外装缶底における集電体との溶接面積が小さいため溶接不良が発生しやすく、この溶接不良は外装缶内部で発生するために溶接直後では確認しにくいという問題があった。さらに、溶接に用いられる電極棒は、非常に細い径であるために摩耗や劣化が早く、溶接作業全体に対する工程数を多くしていた。

【0005】

そこで、例えば、特開２００５－１２９４３３号公報に記載されるように、集電体を有底円筒形に成形して電極群の負極側を蓋するように取付け、一方、電池ケースの側面に円周方向に延びる凹溝を形成して、凹溝を集電体側面に当接させて電極群を電池ケースに対し固定する構成が提案されていた。しかし、集電体の形状が複雑であり電池作製の工程数が増える等の懸念があった。

【0006】

本発明の目的は、簡単な構成でありながらも電極群の外装缶への固定を確実なものとする円筒形二次電池を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するため、本発明の円筒形二次電池は、閉塞された一端を底部として含む円筒形の外装缶と、各々が帯状の正極板と負極板とをセパレータを挟んで重ね合わせて前記正極板及び前記負極板の幅方向を軸として渦巻状に巻回されて、渦巻状に巻回された最外周面は前記負極板からなり、前記外装缶内に電解液と共に収容される電極群と、前記外装缶の底部と前記電極群との間に配置されて前記底部と接すると共に前記負極板と接する板状の負極集電体と、を備え、前記負極板は、前記負極集電体側の縁部の厚みが、残りの部分の厚みより厚く、前記最外周面を構成する負極板の前記縁部及び前記負極集電体の縁部の少なくとも一方が、前記外装缶の軸方向に延びる内周面に接して固定される、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明の円筒形二次電池によれば、抵抗溶接を行うことなく、電極群を負極集電体及び外装缶に対して接続または固定させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】一実施形態に係る円筒形ニッケル水素二次電池の一部切欠及び展開した斜視図である。

【図2】外装缶の底部近傍の縦断面図である。

【図3】負極板に含まれる負極芯体の展開図である。

【図4】負極板、セパレータ及び正極板を重ねた状態を示す平面図である。

【図5】電池の負極側の断面図である。

【図6】他の実施の形態に係る電池の負極側の断面図である。

【図7】図５に示す実施の形態の変形例である電池の負極側の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、一実施の形態に係る円筒形二次電池としてニッケル水素二次電池（以下、単に「電池」と称す）を図面を参照しながら説明する。

【0011】

図１に、例えば高さが５０．５ｍｍで外径が１４．５ｍｍのＡＡサイズの円筒形電池１を示す。電池１は、有底円筒形状の外装缶１０内に、略円柱状の電極群１２がアルカリ電解液とともに収容され、外装缶１０の開口が封口体２４によって封止されている。外装缶１０の封止された端部は、正極として機能し、外装缶１０の外面は、負極として機能する。

【0012】

外装缶１０は、ニッケルメッキ鋼板を多段プレスにより円筒形に成形され、軸方向における一端部が缶底１０Ａとなり、他端部が開口している。外装缶１０は、側面の厚みが０．１５～０．２ｍｍであり、缶底１０Ａの厚みが０．３～０．３５ｍｍであり、缶底１０Ａの方が側面１０Ｂよりも厚く形成されている。

【0013】

また、外装缶１０は、図２に示すように、側面１０Ｂは、電池１としての組立前は、缶底１０Ａ側の円筒状の厚肉部１０Ｂ１と、厚肉部１０Ｂ１と連続して電池１の正極側に向けて延びる円筒状の側面部１０Ｂ２とを備える。厚肉部１０Ｂ１は、缶底１０Ａの縁部１０ａを幅の一端とし、縁部１０ａから外装缶１０の軸方向に沿った高さＨ１の箇所を幅の他端とする円筒形になっている。厚肉部１０Ｂ１の厚みは、側面部１０Ｂ２の厚みより厚く形成されている。従って、厚肉部が側面部よりも外装缶の中心軸に向けて突出する場合は、外装缶の厚肉部の内径は、側面部の内径よりは小さくなる。なお、上記した０．１５～０．２ｍｍの側面の厚みは、側面部１０Ｂ２の厚みである。また、高さＨ１は、第２長さの一例である。

【0014】

電極群１２は、それぞれ帯状の正極板１６、負極板１８及びセパレータ２０からなる。電極群１２は、正極板１６と負極板１８との間にセパレータ２０を介在させて渦巻状に巻回されて、全体として略円柱形状を有する。電極群１２の最外周部、いわゆる円柱の側面は、負極板１８のみより構成され、正極板１６が側面に露出しない。電極群１２の最外周を構成する負極板１８が外装缶１０の内周面と接することで、負極板１８は外装缶１０に接続される。

【0015】

正極板１６は、長手方向に帯状に延び多孔質構造をなし多数の空孔を有する導電性の正極基体と、空孔内及び正極基体の表面に保持される正極合剤とからなる。正極基体は、例えば導電性を呈するニッケル等の金属でメッキされ、メッキ後の正極基体には正極合剤が充填される。正極合剤は、正極活物質粒子、導電材、正極添加剤及び結着剤を含む。正極合剤が塗布された正極基体は、圧延されると正極板１６が完成する。

【0016】

負極板１８は、水素吸蔵合金を含む電極であり、帯状の導電性の負極芯体１９と、負極芯体１９に保持される負極合剤とからなる。負極芯体１９は、図３に示すように、厚み方向に多数の貫通孔が形成された金属シートからなる。負極芯体１９は、電極群１２の巻回方向を長手方向とする帯形状に作製される。本実施の形態において、負極芯体１９は、例えば幅が５９．５ｍｍ、厚みが６０μｍのメタルシートからなる。

【0017】

負極芯体１９は、より詳しくは、幅方向における一端部Ｅ１及び他端部Ｅ２の各々から所定幅Ｗに亘る帯状の無孔部Ａ１，Ａ２と、無孔部Ａ１，Ａ２の間に位置する有孔部Ａ３とからなる。本実施の形態では、Ｗは３．１ｍｍである。無孔部Ａ１，Ａ２は、厚み方向に貫通する貫通孔がないため表面が平坦であり、負極芯体１９に機械的な強度を付与する。有孔部Ａ３は、厚み方向に貫通する貫通孔が多数形成され、負極芯体１９の表面のみならず貫通孔の内部においても負極合剤を保持する。

【0018】

負極芯体１９は、負極合剤が塗布された後、乾燥されてロール圧延される。本実施の形態では、圧延後の負極板１８の厚みは、無孔部Ａ１，Ａ２に相当する領域はそれぞれ０．３４２ｍｍになり、有孔部Ａ３に相当する領域は０．３３４ｍｍになる。すなわち、無孔部Ａ１，Ａ２に相当する負極板の厚みは、有孔部Ａ３に相当する負極板の厚みより厚くなり、その差は８μｍになる。これは、負極芯体１９に塗布された負極合剤は、有孔部Ａ３では貫通孔に充填された合剤が圧延により有孔部Ａ３での厚みを減らすが、無孔部Ａ１，Ａ２では貫通孔がないために圧延されても圧縮率が有孔部Ａ３よりも小さいためと推定される。このように、無孔部Ａ１，Ａ２の厚みは、有孔部Ａ３の厚みよりも厚くなっている。

【0019】

セパレータ２０は、例えばポリオレフィン系繊維の不織布に親水基を付加したものからなる。

【0020】

アルカリ電解液は、例えば、水酸化カリウム水溶液、水酸化リチウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液又はこれらの混合溶液が用いられる。

【0021】

上記のようにして組み立てられた電極群１２は、外装缶１０内部に板状の負極集電体２１を介して収容される。

【0022】

電極群１２を外装缶１０に収容した後、外装缶１０の開口部近傍の正極板１６に、正極集電体２２の一端が電気的に接続され、他端が導電性を有する円形の封口体２４の内面に溶接される。封口体２４は、中央にガス抜き孔２６を有し、封口体２４の外面上にはガス抜き孔２６を塞ぐようにゴム製の弁体２８が配置される。更に、封口体２４の外面上には、弁体２８を覆うフランジ付き円筒形状の正極端子３０が固定され、正極端子３０が弁体２８を封口体２４に押圧する。

【0023】

封口体２４は、外装缶１０の開口端に位置し、封口体２４の外周部と外装缶１０の内周面との間には絶縁ガスケット３２が挟まれている。封口体２４及び絶縁ガスケット３２は、電極群１２よりも開口端側の外装缶１０の部分をかしめ加工することによって外装缶１０の開口端に固定される。絶縁ガスケット３２によって、封口体２４の外周部と外装缶１０との間が絶縁されるとともにシールされる。

【0024】

上述のようにして電池１が組み立てられる。

【0025】

電極群１２を作製するために、正極板１６と負極板１８とを両極板１６、１８の間にセパレータ２０を介在させて巻回するとき、図４に示すように、例えば、負極板１８、セパレータ２０及び正極板１６の順に重ね合わせる。このとき、負電極板１８及び正極板１６の長手方向を揃えながらも、負極板１８に対し正極板１６を幅方向の一方に対して長さＬだけずらしたのち、正極板１６及び負極板１８をその幅方向を軸として、すなわち電極板１６、１８の長手方向を巻回方向として巻回する。なお、長さＬは第１長さの一例である。これにより、電極群１２では、一端部からは負極板１８の端部Ｅ１が渦巻状に突出し、他端部からは正極板１６の端縁部が渦巻状に突出する。渦巻状に突出する負極板１８の端部Ｅ１は、電極群１２の負極側端部１８Ａとなる。なお、巻きずらし長さＬは、負極板１８の無孔部Ａ１の幅に相当する長さＷを超えない長さに設定される（Ｌ＜Ｗ）。無孔部Ａ１の幅Ｗ以上に正極板１６を負極板１８に対してずらしてしまうと、電極群１２全体としての機械的強度を損なうことになるからである。

【0026】

上記のようにして組み立てられた電極群１２は、外装缶１０内に、電極群１２の負極側端部１８Ａが、缶底１０Ａに、厚みＴ_０の板状の負極集電体２１を介して接するように収容される。このとき、図５に示すように、電極群１２の負極側端部１８Ａが、外装缶側面１０Ｂの厚肉部１０Ｂ１の内周面に摺接する。また、電極群１２は渦巻状に巻回されているだけなので、巻き戻ろうとして外装缶１０の半径方向外側に向かう力を外装缶１０の内周面に作用させる。その結果、電極群１２は外装缶１０に対して固定されて不動になる。また、電極群１２が外装缶１０に固定されたことにより、電極群１２の負極側端部１８Ａと外装缶缶底１０Ａとの間に位置する負極集電体２１も、外装缶１０の内周面と電極群１２の負極側端部１８Ａとの間に挟まれて固定される。

【0027】

このようにして、負極集電体２１は、外装缶１０の内周面と電極群１２の負極側端部１８Ａとの間に固定されて不動となるので、電極群１２と外装缶１０とのいずれに対しても負極集電体２１との接続が継続される。また、負極集電体２１は、電極群１２と外装缶１０とのいずれに対しても電気的に接続され、電池１の内部抵抗を低く抑えると共に、内部抵抗の増加を抑制する。

【0028】

なお、外装缶１０を封口体２４により密閉した後、電池径を減らすために、外装缶１０に対し缶底１０Ａから開口端部に向けて絞り加工を行なうこともできる。この場合、外装缶厚肉部１０Ｂ１の内径がより小さくなるので、厚肉部１０Ｂ１による電極群１２の圧接をより確実に行うことができる。また、電池１の絞り加工を行う場合は、組立前の外装缶１０の内径は、厚肉部および側面部のいずれにおいても等しくても良い。

【0029】

上記電池１の構成において、厚肉部の高さＨ１は、負極板１８に対する正極板１６の巻きずらし長さＬより小さくする。この高さＨ１は、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍまでの範囲にある長さである。厚肉部１０Ｂ１の高さＨ１が０．５ｍｍ未満であると、缶底１０Ａの厚み（０．３～０．３５ｍｍ）と略同程度の数値になり、負極側端部１８Ａと厚肉部１０Ｂ１との接触による接触面積が小さいために、外装缶１０の絞り加工を行っても、外装缶１０の径を絞り込む効果が期待できず、電極群１２を外装缶１０に固定できないことがあり得るからである。

【0030】

一方、厚肉部１０Ｂ１の高さＨ１が２．０ｍｍを超えると、径を絞られた厚肉部１０Ｂ１が最外周に位置する負極板１８を外装缶１０の中心軸に向けて押し込み、押し込まれた負極板１８が隣接する正極板１６に近接しすぎて極板１６、１８を短絡させてしまうことがある。従って、厚肉部の高さＨ１として、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍまでの範囲にある長さであることが好ましい。

【0031】

このように、上記実施の形態では、負極集電体２１の電極群１２との接続、さらには、電極群１２の外装缶１０に対する接続に抵抗溶接を用いないので、電池１を少ない工程数で組み立てることができる。また、外装缶１０の厚肉部１０Ｂ１は、負極板１８の無孔部Ａ１と対向接触し、負極板１８の無孔部Ａ１は、貫通孔がないために有孔部Ａ３よりも機械的強度を有する。従って、電極群１２をより確実に外装缶１０に対し固定することができる。

【0032】

また、負極板１８を作成するときに生じる無孔部Ａ１，Ａ２の厚みと有孔部Ａ３との厚みの差を利用して電極群１２の外装缶１０の軸方向への移動を抑制して電極群１２を外装缶１０に固定接続するので、電池１の製造工程数を従来の比較して増やさずに済む。

【0033】

さらに、抵抗溶接を行わないために、電極板１６、１８を巻回した後の電極群１２の中心に溶接棒などの治具を挿入せずにすむため、治具と電極板１６、１８との干渉による電池１の不良品の発生が抑制される。

【0034】

また、電極群１２を外装缶１０に抵抗溶接するさいに、溶接不良が生じていても溶接個所は目視確認することができなかったが、係る不良の発生の有無を確認する必要がなくなり、電池１の製造工程を減らすことができる。

【0035】

なお、上記実施の形態では、外装缶１０の側面１０Ｂは、厚肉部１０Ｂ１と、側面部１０Ｂ２とを有し、缶底１０Ａから軸方向に沿ってその厚みを変える構成をとった。上記実施の形態とは別の第２の実施の形態において、外装缶１０’は、側面１０Ｂ’が缶底１０Ａ’から軸方向に沿って厚みが一定となる構成を採ることができる。以下に、第２の実施の形態について説明する。

【0036】

第２の実施の形態において、電池１’を構成する部品は、外装缶１０’を除いて上記実施の形態と同じである。

【0037】

電極群１２を外装缶１０’に収容した後、外装缶１０’の缶底１０Ａ’から軸方向において、外装缶缶底１０Ａ’の厚みＴｂよりも長く、且つ長さ（Ｔｂ＋Ｌ）を超えない範囲にある高さＨ２の箇所が底部となる溝１０Ｇを、図７に示すように円周方向に形成する。いわゆる、ビーディング加工を外装缶１０’に対して行う。これにより、外装缶１０’の軸に直交する断面において、溝１０Ｇに相当する外装缶内面部１０Ｈが、電極群１２の側面を構成する負極板１８の端縁部１８Ａ近傍に当接して係止される。なお、溝１０Ｇは、窪み部の一例である。

【0038】

また、このとき、外装缶内面部１０Ｈに形成される溝１０Ｇの内径は、電極群１２の負極側端部１８Ａの径よりも小さい。従って、電極群１２の外装缶１０’の軸方向に対する移動は抑制される。

【0039】

上記電池１’の組立において、負極集電体２１を電極群１２の負極側端部１８Ａに接続するために抵抗溶接を行わない。また、電極群１２を外装缶１０’に収容した後の外装缶１０’に対する固定にも抵抗溶接を行っていない。この２つの溶接プロセスに替えて、外装缶１０の溝１０Ｇを、電極群１２の負極側端部１８Ａとなる負極板の無孔部Ａ１に当接させることにより、電極群１２を、負極集電体２１を介して外装缶１０’の缶底１０Ａに固定接続している。この構成により、負極集電体２１は、電極群１２の負極側端部１８Ａに対して動くことが抑制される。故に、電極群１２や負極集電体２１が外装缶１０’に対しても動くことが抑制され、電池１の交流抵抗値の増加を防止する。

【0040】

また、負極板１８を作成するときに生じる無孔部Ａ１，Ａ２の厚みと有孔部Ａ３との厚みの差を利用して電極群１２の外装缶１０の軸方向への移動を抑制して電極群１２を外装缶１０に固定接続するので、電池１の製造工程数を従来の比較して増やさずに済む。

【0041】

さらに、抵抗溶接を行わないために、電極板１６、１８を巻回した後の電極群１２の中心に溶接棒などの治具を挿入せずにすむため、治具と電極板１６、１８との干渉による電池１’の不良品の発生が抑制される。

【0042】

また、電極群１２を外装缶１０’に抵抗溶接するさいに、溶接不良が生じていても溶接個所は目視確認することができなかったが、係る不良の発生の有無を確認する必要がなくなり、電池１’の製造工程を減らすことができる。

【0043】

上記実施の形態では、いずれも電極群の負極側を外装缶１０に接触させることにより固定させる構成としたが、負極集電体２１の径を電極群の径よりも大きく形成し、外装缶の缶底近傍の側面に当接させても、上記実施の形態と同様な効果が得られる。

【0044】

なお、上記実施の形態に係る電池のサイズは、ＡＡサイズであるが、電池のサイズはこれに限定されない。

【符号の説明】

【0045】

１ 電池
１０ 外装缶
１０Ａ 缶底
１２ 電極群
１６ 正極板
１８ 負極板
１８Ａ 負極側端部
２０ セパレータ
２１ 負極集電体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】