特開 2023-150023 円筒形電池、及びその製造方法

(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】P2023150023

(43)【公開日】2023-10-16

(54)【発明の名称】円筒形電池、及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/595 20210101AFI20231005BHJP

   H01M 50/586 20210101ALI20231005BHJP

   H01M 50/531 20210101ALI20231005BHJP

   H01M 10/04 20060101ALI20231005BHJP

【ＦＩ】

H01M50/595

H01M50/586

H01M50/531

H01M10/04 W

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022058889

(22)【出願日】2022-03-31

(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】野村 文洋

【テーマコード（参考）】

5H028

5H043

【Ｆターム（参考）】

5H028AA05

5H028BB07

5H028CC05

5H028CC08

5H028CC12

5H028HH05

5H043AA04

5H043BA16

5H043CA03

5H043CA12

5H043EA02

5H043EA06

5H043EA60

5H043GA22

5H043GA27

5H043JA09

5H043JA13E

5H043JA15

5H043LA02

5H043LA02E

5H043LA21

5H043LA23

(57)【要約】

【課題】正極極板における短絡品質を改善する。
【解決手段】円筒形電池(2)は、積層された正極極板(24)、セパレータ(28)、及び負極極板(26)が巻回されてなる電極体(22)を含み、正極極板(24)は、正極基体(4)と、正極基体(4)の表面に設けられる正極活物質(5)と、正極基体(4)の露出部分(4ex)に接続される正極リード(30)と、露出部分(4ex)を覆う絶縁テープ(6)と、を備え、絶縁テープ(6)の巻回方向(X)両側における側縁は、電極体(22)の軸方向(Z)に対して角度差(θ)を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

積層された正極極板、セパレータ、及び負極極板が巻回されてなる電極体を含み、
前記正極極板は、正極基体と、前記正極基体の表面に設けられる正極活物質と、前記正極基体の露出部分に接続される正極リードと、前記露出部分を覆う絶縁テープと、を備え、
前記絶縁テープの巻回方向両側における側縁は、前記電極体の軸方向に対して角度差を有する、円筒形電池。

【請求項2】

前記角度差は、前記絶縁テープの巻回方向両側から内側に向けて連続的に拡大する、請求項１に記載の円筒形電池。

【請求項3】

前記絶縁テープの前記側縁が直線形状である、請求項１に記載の円筒形電池。

【請求項4】

前記正極極板の前記露出部分は、前記電極体の軸方向において前記正極基体よりも短い、請求項１乃至３のいずれかに記載の円筒形電池。

【請求項5】

積層された正極極板、セパレータ、及び負極極板が巻回されてなる電極体を含む円筒形電池の製造方法であって、
正極基体の表面に正極活物質を設ける活物質塗布工程と、
前記正極基体の露出部分に正極リードを接続するリード接続工程と、
前記露出部分を絶縁テープで覆う絶縁工程と、を含み、
前記絶縁工程においては、前記絶縁テープの巻回方向両側における側縁に、前記電極体の軸方向に対する角度差を設ける、円筒形電池の製造方法。

【請求項6】

前記角度差は、前記絶縁テープの巻回方向両側から内側に向けて連続的に拡大する、請求項５に記載の円筒形電池の製造方法。

【請求項7】

前記絶縁テープの前記側縁が直線形状である、請求項５に記載の円筒形電池の製造方法。

【請求項8】

前記正極極板の前記露出部分は、前記電極体の軸方向において前記正極基体よりも短く形成される、請求項５乃至７のいずれかに記載の円筒形電池の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、短絡品質が改善された円筒形電池、及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

代表的な円筒形電池として、円筒形アルカリ蓄電池が広く知られている。その中でもニッケル水素電池は、近年、大容量且つクリーンである等の理由によって需要が拡大している。

【0003】

上記のような円筒形電池は、一端が開口した有底円筒状の外装缶を備える。外装缶の内部には電極体がアルカリ電解液とともに収容され、電極体は、セパレータを介して正極極板及び負極極板を渦巻状に巻回して形成される。外装缶を密封するため、外装缶の開口端には蓋材が配置され、蓋材の外周部を拘束するように、外装缶の開口端側の部位は、かしめ加工される。

【0004】

ここで、例えば特許文献１には、上記のような構成が採用される二次電池が開示されている。当該二次電池においては、正極極板は、正極基体の両面に正極活物質が塗布されると共に、当該正極基体が部分的に露出した露出部分において正極リードの一端が溶接接続されている。そして、当該露出部分は、正極リードと共に絶縁テープで覆われることにより絶縁性が確保されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２０－１４９８８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上記の従来技術においては、正極基体に塗布された正極活物質の表面に設けられる絶縁テープが長方形状である。そのため、正極極板は、巻回時に絶縁テープの両側の側縁に沿って正極活物質の層に負荷が掛かり、正極基体を露出させる露出クラックが生じて絶縁性が損なわれる虞が生じる。

【0007】

本発明は、上記の事情に基づいてなされたものであり、その目的とするところは、短絡品質が改善された円筒形電池、及びそ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】

【0008】

上記目的を達成するため、本発明の円筒形電池は、積層された正極極板、セパレータ、及び負極極板が巻回されてなる電極体を含み、前記正極極板は、正極基体と、前記正極基体の表面に設けられる正極活物質と、前記正極基体の露出部分に接続される正極リードと、前記露出部分を覆う絶縁テープと、を備え、前記絶縁テープの巻回方向両側における側縁は、前記電極体の軸方向に対して角度差を有する。

【0009】

また、上記目的を達成するため、本発明の円筒形電池の製造方法は、積層された正極極板、セパレータ、及び負極極板が巻回されてなる電極体を含む円筒形電池の製造方法であって、正極基体の表面に正極活物質を設ける活物質塗布工程と、前記正極基体の露出部分に正極リードを接続するリード接続工程と、前記露出部分を絶縁テープで覆う絶縁工程と、を含み、前記絶縁工程においては、前記絶縁テープの巻回方向両側における側縁に、前記電極体の軸方向に対する角度差を設ける。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、正極極板における短絡品質が改善された円筒形電池、及びその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】一実施形態に係る円筒形電池を部分的に破断して示した斜視図である。

【図2】正極極板の展開図である。

【図3】正極極板の側面図である。

【図4】第２形態の絶縁テープを有する正極極板の展開図である。

【図5】従来形態の絶縁テープを有する正極極板の展開図である。

【図6】各形態の絶縁テープを使用した円筒形電池の露出クラックの発生数を示す表である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、一実施形態に係る円筒形電池２について、図面を参照して説明する。

【0013】

円筒形電池２は、例えばＡＡサイズのニッケル水素蓄電池である。詳しくは、図１に示すように、円筒形電池２は、上端が開口した有底円筒形状をなす容器としての外装缶１０を備えている。外装缶１０は導電性を有し、その底壁３５は負極端子として機能する。外装缶１０の開口には封口体１１が固定されている。この封口体１１は、蓋板１４及び正極端子２０を含み、外装缶１０を封口するとともに正極端子２０を提供する。蓋板１４は、導電性を有する円板形状の部材である。外装缶１０の開口内には、蓋板１４及びこの蓋板１４を囲むリング形状の絶縁パッキン１２が配置され、絶縁パッキン１２は外装缶１０の開口縁３７をかしめ加工することにより外装缶１０の開口縁３７に固定されている。すなわち、蓋板１４及び絶縁パッキン１２は互いに協働して外装缶１０の開口を気密に閉塞している。

【0014】

ここで、蓋板１４は中央に中央貫通孔１６を有し、蓋板１４の外面上には中央貫通孔１６を塞ぐゴム製の弁体１８が配置されている。更に、蓋板１４の外面上には、弁体１８を覆うようにしてフランジ付き円筒形状をなす金属製の正極端子２０が電気的に接続されている。この正極端子２０は弁体１８を蓋板１４に向けて押圧している。なお、正極端子２０には、図示しないガス抜き孔が開口されている。

【0015】

通常時、中央貫通孔１６は弁体１８によって気密に閉じられている。一方、外装缶１０内にガスが発生し、その内圧が高まれば、弁体１８は内圧によって圧縮され、中央貫通孔１６を開き、その結果、外装缶１０内から中央貫通孔１６及び正極端子２０のガス抜き孔（図示せず）を介して外部にガスが放出される。つまり、中央貫通孔１６、弁体１８及び正極端子２０は電池のための安全弁を形成している。

【0016】

外装缶１０には、電極体２２が収容されている。この電極体２２は、それぞれ帯状の正極極板２４、負極極板２６、及びセパレータ２８を含んでいる。詳しくは、これら正極極板２４及び負極極板２６は、セパレータ２８を間に挟み込んだ状態で渦巻状に巻回されている。すなわち、セパレータ２８を介して正極極板２４及び負極極板２６が互いに重ね合わされている。電極体２２の最外周は負極極板２６の一部（最外周部）により形成され、外装缶１０の内周壁と接触している。すなわち、負極極板２６と外装缶１０とは互いに電気的に接続されている。

【0017】

外装缶１０内においては、正極極板２４から延在する正極リード３０が蓋板１４に接続されている。詳しくは、正極リード３０は、その一端が正極極板２４のうちの後述する正極基体４に接続され、その他端が蓋板１４に溶接されている。従って、正極端子２０と正極極板２４とは、正極リード３０及び蓋板１４を介して互いに電気的に接続されている。なお、蓋板１４と電極体２２との間には円形の上部絶縁部材３２が配置され、正極リード３０は上部絶縁部材３２に設けられたスリット３９内を通って延びている。また、電極体２２と外装缶１０の底部との間にも円形の下部絶縁部材３４が配置されている。

【0018】

更に、外装缶１０内には、所定量のアルカリ電解液（図示せず）が注入されている。アルカリ電解液は、電極体２２に含浸されており、主にセパレータ２８に保持されている。このアルカリ電解液は、正極極板２４と負極極板２６との間での充放電の際の電気化学反応（充放電反応）を進行させる。このアルカリ電解液としては、ＫＯＨ、ＮａＯＨ及びＬｉＯＨのうちの少なくとも一種を溶質として含む水溶液を用いることが好ましい。

【0019】

以下では、各図において、円筒形電池２の軸方向Ｚ、電極体２２の巻回方向Ｘ、及び電極体２２の積層方向Ｙ（放射方向）を示しつつ、本実施形態の正極極板２４についてより詳細に説明する。

【0020】

図２は、正極極板２４の展開図である。また、図３は、正極極板２４の側面図であり、図２のｉ-ｉで示す断面で表している。正極極板２４は、以下のようにして製造することができる。まず、多孔質構造を有する導電性の正極基体４（図３参照）が用意される。正極基体４は、例えば、シート状のニッケル発泡体、ニッケル製多孔体のシート等を用いることができる。

【0021】

そして、正極基体４の両面に正極活物質５が設けられる（活物質塗布工程）。このとき、正極基体４は、空孔内に正極活物質５が保持されると共に、両面が正極活物質５からなる層で被覆されることになる。

【0022】

ここで、正極基体４は、長手方向、すなわち正極極板２４の巻回方向Ｘにおける中央付近に、正極リード３０を接続するための露出部分４ｅｘが設けられている。露出部分４ｅｘは、正極基体４の表面のうち正極活物質５が存在しない領域であり、正極基体４の両面に長方形状に設けられている。そして、両面の露出部分４ｅｘのうちの一方に帯状の正極リード３０の一端が溶接により接続される（リード接続工程）。

【0023】

また、正極極板２４は、正極リード３０が溶接された面（溶接側表面）とその反対側の面（非溶接側表面）との両面において、露出部分４ｅｘを覆う絶縁テープ６が設けられる（絶縁工程）。露出部分４ｅｘは、溶接側表面では溶接された正極リード３０の上から例えばポリプロピレンからなる絶縁テープ６が貼り付けられている。図２に示す第１形態６Ａの絶縁テープ６は、点ａと点ｂとを繋ぐ線分と、点ａから点ｃを経由して点ｂに至る略放物線状の曲線とで囲まれる形状を有する。尚、絶縁テープ６の上部（線分ａ‐ｂ）は、例えば１４ｍｍの長さに設定され、正極基体４から軸方向Ｚにはみ出すように設けられている。また、絶縁テープ６は、軸方向Ｚにおける幅（線分ａ‐ｂと点ｃとの最短距離）が例えば１６ｍｍに設定され、積層方向Ｙにおける厚みが０．０５５ｍｍに設定される。

【0024】

ここで、絶縁テープ６は、巻回方向Ｘの両側における側縁（曲線ａ－ｃ、及び曲線ｂ－ｃ）が、いたるところで軸方向Ｚに対して角度差θを有している。特に第１形態６Ａの絶縁テープ６は、側縁が略放物線状に沿った形状であることから、当該角度差θが絶縁テープ６の巻回方向Ｘの両側から内側に向けて連続的に拡大し、絶縁テープ６の底部でθ＝９０°となる。

【0025】

これにより、絶縁テープ６は、巻回方向Ｘの両側の側縁が電極体２２の軸方向Ｚと平行にならず、正極極板２４の巻回時に正極基体４の表面に設けられた正極活物質５の層に集中的な負荷を掛けないようにすることができる。このため、正極極板２４は、負極極板２６及びセパレータ２８と共に巻回される場合に、正極基体４を露出させる露出クラックが正極活物質５に生じる虞を低減することができる。

【0026】

また、本実施形態における正極リード３０は、電極体２２の軸方向Ｚ（正極基体４の短手方向）における正極基体４の両端部のうち一方の端部（上端部）のみを跨ぐように配置され、これに伴い露出部分４ｅｘが正極基体４よりも軸方向Ｚにおいて短く形成されている。このため、絶縁テープ６は、底部（点ｃ）が軸方向Ｚにおける他方の端部（下端部）に達することなく、これにより絶縁テープ６の側縁と軸方向Ｚとの角度差θを増加させることができ、露出クラックを生じさせる虞をより低減することができる。

【0027】

図４は、第２形態６Ｂの絶縁テープ６を有する正極極板２４の展開図である。第２形態６Ｂの絶縁テープ６は、上記した第１形態６Ａの絶縁テープ６に対して輪郭形状が異なり、より具体的には、直線形状の側縁を有する台形形状に形成されている。すなわち、絶縁テープ６の巻回方向Ｘにおける側縁（線分ｄ-ｇ、及び線分ｅ-ｆ）が直線形状である。

【0028】

このとき、絶縁テープ６の側縁と軸方向Ｚとの角度差θは、５≦θ≦２５°の範囲に設定するのが好適であり、ここでは例えばθ＝20.556°に設定されている。また、第２形態６Ｂの絶縁テープ６は、上部（線分ｄ‐ｅ）が１４ｍｍ、下部（線分ｇ‐ｆ）が８ｍｍ、軸方向Ｚにおける幅（線分ｄ‐ｅと線分ｇ‐ｆとの最短距離）が１５ｍｍに設定されている。

【0029】

第２形態６Ｂの絶縁テープ６を有する正極極板２４は、第１形態６Ａと同様に、負極極板２６及びセパレータ２８と共に巻回される場合に、正極基体４を露出させる露出クラックが正極活物質５に生じる虞を低減することができる。このとき、第２形態６Ｂの絶縁テープ６は、第１形態６Ａと比較して、充放電に寄与する正極活物質５を覆う面積が相対的に小さくなるため、円筒形電池２の放電容量の減少を抑制することができる。

【0030】

図５は、従来形態６Ｃの絶縁テープ６を有する正極極板２４の展開図である。従来形態６Ｃの絶縁テープ６は、上記した第１形態６Ａの絶縁テープ６に対して輪郭形状が異なり、より具体的には巻回方向Ｘの幅が８ｍｍ、軸方向Ｚにおける幅が１５ｍｍの長方形状に形成されている。

【0031】

従来形態６Ｃの絶縁テープ６を有する正極極板２４は、絶縁テープ６の巻回方向Ｘにおける側縁が軸方向Ｚと平行である。このため、正極極板２４は、巻回時に当該側縁に沿って正極活物質５の層に露出クラックＣＬが生じ易くなり、正極基体４が露出することにより絶縁性が低下する虞が生じることになる。

【0032】

次に、各形態の絶縁テープ６を使用した円筒形電池２による検証結果を通して、本開示に係る円筒形電池２の作用効果について説明する。図６は、各形態の絶縁テープ６を使用した円筒形電池２の露出クラックＣＬの発生数を示す表である。

【0033】

本検証では、図６に示される５通りのセル仕様で検証用の円筒形電池２を作製した。各セル仕様の円筒形電池２においては、正極極板２４の溶接側表面、及び非溶接側表面に採用される絶縁テープ６が、第１形態６Ａ、第２形態６Ｂ、及び従来形態６Ｃの組み合わせの中から選択されている。尚、円筒形電池２は、容量設計が２６００ｍＡｈであり、セル仕様ごとに１０，０００セルが作製された。

【0034】

また、作製された複数の円筒形電池２のうち、各セル仕様それぞれの１０セルに対して０．１／０．２Ｃのレートで充放電試験を実施して放電容量を測定すると共に、各セル仕様それぞれの１００セルに対してCT検査及び解体検査を実施することにより短絡不良及び露出クラックの発生数をそれぞれ確認した。

【0035】

図６に見られるように、正極極板２４の両面に従来形態６Ｃの絶縁テープ６を有する比較例では、短絡不良の円筒形電池２が１セル発生すると共に、充放電試験を行なった１００セルのうちの半数以上に露出クラックが確認された。

【0036】

これに対し、正極極板２４の少なくとも一方の面に第２形態６Ｂの絶縁テープ６が採用された実施例１～３については、上記比較例に対し放電容量が僅かに減少するものの、短絡不良が発生せず、露出クラックの発生数も比較例に対して約半数に抑えられている。また、正極極板２４の両面に第１形態６Ａの絶縁テープ６が採用された実施例４に至っては、短絡不良、及び露出クラックの発生数がいずれも０に抑えられていることが確認された。

【0037】

以上のように、本開示に係る円筒形電池２は、正極極板２４の露出部分４ｅｘを覆う絶縁テープ６の側縁が軸方向Ｚに対して角度差θを有する形状に形成されているため、正極極板２４の巻回時に絶縁テープ６の側縁から正極活物質５の層への集中的な負荷が緩和され、露出クラックの発生を抑制することができる。従って、本開示に係る円筒形電池２によれば、正極極板２４における短絡品質を改善することができる。

【0038】

＜本発明の実施態様＞
本発明の第１の実施態様は、積層された正極極板、セパレータ、及び負極極板が巻回されてなる電極体を含み、前記正極極板は、正極基体と、前記正極基体の表面に設けられる正極活物質と、前記正極基体の露出部分に接続される正極リードと、前記露出部分を覆う絶縁テープと、を備え、前記絶縁テープの巻回方向両側における側縁は、前記電極体の軸方向に対して角度差を有する、円筒形電池である。

【0039】

第１の実施態様に係る円筒形電池は、正極リードに接続される正極基体の露出部分を絶縁するための絶縁テープにおいて、巻回方向の側縁が電極体の軸方向に対して角度差を有する。これにより円筒形電池は、正極極板の巻回時に絶縁テープの側縁から正極活物質の層への集中的な負荷が緩和され、露出クラックの発生を抑制することができる。従って、本実施態様に係る円筒形電池によれば、正極極板における短絡品質を改善することができる。

【0040】

本発明の第２の実施態様は、上記した第１の実施態様において、前記角度差は、前記絶縁テープの巻回方向両側から内側に向けて連続的に拡大する、円筒形電池である。

【0041】

第２の実施態様によれば、絶縁テープの側縁が巻回方向の内側に向けて湾曲する形状を有するため、正極活物質の層に亀裂が生じた場合に当該亀裂が拡大し易い正極基体の軸方向中央付近において角度差を広げることができ、露出クラックの発生を効果的に抑制することができる。

【0042】

本発明の第３の実施態様は、上記した第１の実施態様において、前記絶縁テープの前記側縁が直線形状である、円筒形電池である。

【0043】

第３の実施態様によれば、絶縁テープが単純な台形形状であることにより形成が容易である他、絶縁テープにより覆われる正極活物質の面積が抑制されるため、円筒形電池の放電容量の減少を抑制することができる。

【0044】

本発明の第４の実施態様は、上記した第１乃至３のいずれかに記載の実施態様において、前記正極極板の前記露出部分は、前記電極体の軸方向において前記正極基体よりも短い、円筒形電池である。

【0045】

第４の実施態様によれば、絶縁テープの軸方向における幅が正極基体よりも短く設定されることにより、絶縁テープの側縁と軸方向との角度差を広げることができ、露出クラックの発生を効果的に抑制することができる。

【0046】

本発明の第５の実施態様は、積層された正極極板、セパレータ、及び負極極板が巻回されてなる電極体を含む円筒形電池の製造方法であって、正極基体の表面に正極活物質を設ける活物質塗布工程と、前記正極基体の露出部分に正極リードを接続するリード接続工程と、前記露出部分を絶縁テープで覆う絶縁工程と、を含み、前記絶縁工程においては、前記絶縁テープの巻回方向両側における側縁に、前記電極体の軸方向に対する角度差を設ける、円筒形電池の製造方法である。

【0047】

第５の実施態様に係る円筒形電池の製造方法は、正極リードに接続される正極基体の露出部分を絶縁するための絶縁テープにおいて、巻回方向の側縁に電極体の軸方向に対する角度差が設けられる。これにより、正極極板の巻回時に絶縁テープの側縁から正極活物質の層への集中的な負荷が緩和され、露出クラックの発生を抑制することができる。従って、本実施態様に係る円筒形電池の製造方法によれば、正極極板における短絡品質を改善することができる。

【0048】

本発明の第６の実施態様は、上記した第５の実施態様において、前記角度差は、前記絶縁テープの巻回方向両側から内側に向けて連続的に拡大する、円筒形電池の製造方法である。

【0049】

第６の実施態様によれば、絶縁テープの側縁が巻回方向の内側に向けて湾曲する形状を有するため、正極活物質の層に亀裂が生じた場合に当該亀裂が拡大し易い正極基体の軸方向中央付近において角度差を広げることができ、露出クラックの発生を効果的に抑制することができる。

【0050】

本発明の第７の実施態様は、上記した第５の実施態様において、前記絶縁テープの前記側縁が直線形状である、円筒形電池の製造方法である。

【0051】

第７の実施態様によれば、絶縁テープが単純な台形形状であることにより形成が容易である他、絶縁テープにより覆われる正極活物質の面積が抑制されるため、円筒形電池の放電容量の減少を抑制することができる。

【0052】

本発明の第８の実施態様は、上記した第５乃至７のいずれかに記載の実施態様において、前記正極極板の前記露出部分は、前記電極体の軸方向において前記正極基体よりも短く形成される、円筒形電池の製造方法である。

【0053】

第８の実施態様によれば、絶縁テープの軸方向における幅が正極基体よりも短く設定されることにより、絶縁テープの側縁と軸方向との角度差を広げることができ、露出クラックの発生を効果的に抑制することができる。

【符号の説明】

【0054】

２ 円筒形電池
４ 正極基体
４ｅｘ 露出部分
５ 正極活物質
６ 絶縁テープ
２２ 電極体
２４ 正極極板
３０ 正極リード
θ 角度差

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】