円筒型電池

【課題】注液やサイクル劣化による巻回群の膨張による性能劣化を防ぐ。
【解決手段】円筒型電池１０は、巻回群１２の中心部に電解液によって外径が変化しない芯材１４と、芯材１４に塗着され、電解液に触れることによって膨潤するポリフッ化ビニリデン等の膨潤物質１６と、で構成される膨潤芯材１５を備えている。電解液が注入されると、膨潤芯材１５は膨潤芯材１５の外周方向に膨潤し、その押圧により巻回群を構成する電極とセパレータとの密着性が確保される。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は円筒型電池に係り、特に、帯状の正極板及び負極板をセパレータを挟んで巻回した巻回群を円筒状の電池缶に挿入して得られる円筒型電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、円筒型電池は帯状の正極板及び負極板をセパレータで挟んで巻回し、該巻回群を円筒状の電池缶に挿入して電池を得ている。この場合に、巻回群の巻きが緩いと、正極とセパレータ、セパレータと負極の密着性が悪くなるので、高率放電に不利な電池となる。また、電池缶の内径が巻回群の外径よりも大きいと、巻回群と電池缶との間に隙間が生じるために腐食や充放電サイクルによる活物質の膨潤によって巻回群全体が膨潤し、活物質と集電体との密着性が低下して電池の容量が低下したり高率放電が行えなくなるなどの性能低下が起こる、という問題を生ずる。
【０００３】このような性能低下を抑制するために、特開昭第５５−１９７４５号公報には結着剤に添加物を加えることにより結着性を改善する技術が、特開昭第６１−２７７１５９号公報には芯材表面を粗化する技術が、特開平第３−２２２２５９号公報には芯材に切れ目を有する下ろし金状金属板を用いる技術が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これらの技術は何れも集電体と活物質との密着性を高めることによるものであり、サイクルを繰り返したために起こる活物質の膨潤や巻回群の巻きの弛緩による正極とセパレータ、セパレータと負極の密着性や、活物質と集電体との密着性の低下抑制に対しては効果が小さい、という問題がある。
【０００５】本発明は上記事実を考慮し、注液や充放電サイクルを繰り返すことにより活物質の状態の変化が起こっても極板とセパレータ、集電体と活物質との密着性の低下を防止することができる円筒型電池を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明は、帯状の正極板及び負極板をセパレータを挟んで巻回した巻回群を円筒状の電池缶に挿入して得られる円筒型電池において、前記巻回群の中心部及び前記電池缶の内周部と前記巻回群の外周部との間の少なくともいずれか一方に配置され、電解液によって膨潤する膨潤部材を備えている。
【０００７】本発明によれば、前記巻回群の中心部及び前記電池缶の内周部と前記巻回群の外周部との間の少なくともいずれか一方に配置され、電解液によって膨潤する膨潤部材を備えているので、電解液が注入されると、前記膨潤部材が膨潤することにより、前記巻回群の中心部から前記巻回群の外周部への方向及び前記電池缶の内周部と前記巻回群の外周部との間から前記巻回群の中心部への方向の少なくともいずれか一方に押圧が加わる。この押圧により電極とセパレータ間の密着性を確保することができると共に、電極は集電体と活物質とで構成されるので、電極と集電体との密着性も確保することができる。前記膨潤部材としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を選択することができる。
【０００８】この場合において、前記巻回群の中心部に配置される膨潤部材を、電解液によって外径が変化しない芯材と、前記芯材の外周部に塗着され、電解液によって膨潤する膨潤物質と、で構成すれば、前記芯材は前記電解液によって外径が変化せず押し当てとして働き前記芯材の内側方向への前記膨潤物質の弾性収縮を防ぐことができるので、前記巻回群の中心部から前記巻回群の外周部への方向へ押し付ける十分な押圧を確保することができる。前記芯材としては、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）を選択することができる。また、前記芯材の外径を前記巻回群の内径より小さくし、該芯材に前記巻回群の内径と同等径となるように前記膨潤物質を塗着すれば、前記膨潤部材と前記巻回群の内径部との間は隙間がなく密着すると共に、前記電解液を注入することにより、更に確実に前記巻回群の中心部から前記巻回群の外周部への方向へ押し付ける押圧を確保することができる。
【０００９】一方、前記電池缶の内周部と前記巻回群の外周部との間に配置される膨潤部材を、電解液によって膨潤する膨潤物質を組成とし、前記電池缶の内周部と前記巻回群の外周部とで画定される間隔の厚さと同等厚さとなるように帯状の形状に形成し、前記巻回群の外周部に巻き付けるようにすれば、前記電池缶の内周部と前記巻回群の外周部との間は膨潤部材を介して密着すると共に、前記電解液を注入することにより前記膨潤物質は膨潤し、前記電池缶の内周部が押し当てとして働き、前記巻回群の外周部から前記巻回群の中心部への方向へ押し付ける十分な押圧を確保することができる。そして、前記膨潤部材を、前記巻回群の最外周の円周と同等長さとすれば、前記膨潤部材を前記巻回群に巻き付けたときに、前記膨潤部材の両端部間には空隙が形成されるので、前記巻回群に巻き付けた前記膨潤部材の外径と前記電池缶の内径とが同等径となっても、前記膨潤部材が巻き付けられた前記巻回群を容易に前記電池缶に挿入することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、図面を参照して、本発明に係る円筒型電池を１８６５０型電池に適用した第１の実施の形態について説明する。
【００１１】（構成）図１及び図２に示すように、円筒型電池１０は巻回群１２を備えている。巻回群１２は、図３に示すように、活物質にマンガン酸リチウムを、集電体にアルミ箔を用いた正極板１２ａと、活物質に非晶質炭素を、集電体に銅箔を用いた負極板１２ｂと、正極板１２ａと負極板１２ｂとを電気的に絶縁するポリエチレン製セパレータ１２ｃと、で構成されている。この巻回群１２の中心部には、後述するように膨潤部材としての膨潤芯材１５を挿入するための円柱状の空間１２ｄが存在し、巻回群１２の内径が定義される。なお、図３において、便宜上、巻回群１２の巻回方向で負極板１２ｂがセパレータ１２ｃより長く表示されているが、実際の円筒型電池の巻回群では、絶縁を確保するために、正極板１２ａ及び負極板１２ｂよりセパレータ１２ｃの方が長いことはいうまでもない。
【００１２】また、円筒型電池１０は、図１及び図２に示すように、巻回群１２の外周部に円筒状の電池缶１８と、巻回群１２の中心部、すなわち空間１２ｄに膨潤芯材１５と、を有している。この膨潤芯材１５は、後述する電解液によって変質しない（外径が変化しない）ロッド状の芯材１４と、この芯材１４の外周部に塗着された、電解液に触れることよって膨潤する膨潤物質１６と、で構成されている。従って、芯材１４の外径は巻回群１２の内径（空間１２ｄの径）より小さく選択されている。膨潤物質１６としは、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を、芯材１４としてはポリプロピレン（ＰＰ）を選択することができる。
【００１３】（作製方法）本実施形態に係る円筒型電池１０の作製方法は次の通りである。まず、巻回群１２を、正極板１２ａ、負極板１２ｂ及びセパレータ１２ｃを巻回することにより作製する。本実施形態では、巻回群１２の外径を１６．９ｍｍとし、巻回群１２を内径が１７ｍｍの電池缶１８に挿入した。なお、電池缶１８の外寸は１８６５０型電池の規格に従ったφ１８ｍｍ×６５ｍｍである。次に、芯材１４の寸法をφ２ｍｍ×６０ｍｍとし、この芯材１４にＰＶＤＦを塗着することにより寸法をφ３．５ｍｍ×６０ｍｍとした膨潤芯材１５を空間１２ｄに挿入した。そして、１モル／リットルのＬｉＰＦ_６をエチレンカーボネート（Ethylen Carbonate）とジメチルカーボネート（Dimethyl Carbonate）とを１：２の割合で混合した有機溶媒に溶かした電解液を注液し、封口して円筒型電池１０を作製した。
【００１４】（作用）本実施形態に係る円筒型電池１０は、巻回群１２の中心部に存在する空間１２ｄに膨潤芯材１５を備えている。電解液を円筒型電池１０に注入することにより、芯材１４に塗着されたＰＶＤＦが膨張して、巻回群１２に対して膨潤芯材１５の直径外側方向への押圧が働くので、極板とセパレータ、集電体と活物質の密着性を確保することができる。この場合に、芯材１４を備えずＰＶＤＦをそのまま巻回群１２の中心部の空間１２ｄに配置したとしてもＰＶＤＦ自身が内側にも弾性収縮するので、巻回群１２に対して膨潤芯材１５の直径方向外側に押す出す効果は小さい。そこで、本実施形態では巻回群中心部の空間１２ｄよりも僅かに小さい径で電解液によって変質しない硬度の高い芯材１４を配設し、この芯材１４に空間１２ｄと同径となるようにＰＶＤＦを塗着し、膨潤芯材１５とした。このような構成を採ることによって、巻回群１２を外側に押し付ける十分強い押圧を得ることができる。
【００１５】（試験及び評価）上述の如く作製した円筒型電池１０について、寿命試験及び高率放電特性試験を行った。寿命試験は１時間率での充放電（充電終止電圧：４．３Ｖ、放電終止電圧：２．５Ｖ）を１サイクルとする試験パターンに投入し、５０サイクル毎に１／３時間率（０．３３Ｃ）で充放電を行って容量確認を行った。また、高率放電特性試験では１／８時間率で充放電（充電終止電圧：４．３Ｖ、放電終止電圧：２．５Ｖ）を行う１０サイクルの初期運転を行った後、１／８時間率で終止電圧４．３Ｖまで充電し、それぞれ１／８時間率、１時間率、３時間率で終止電圧２．５Ｖまで放電を行ったときの放電容量を測定した。
【００１６】図６に示すように、円筒型電池１０は従来の円筒型電池に比べて２５０サイクル経過時の放電容量で約６％、５００サイクル経過時で約１０％、７５０サイクル経過時で約２４％高い放電容量を示した。また、図７に示すように、円筒型電池１０の高率放電特性も従来の円筒型電池に比べて向上することが確認された。
【００１７】（効果）本実施形態の円筒型電池１０によれば、空間１２ｄよりも僅かに小さい径の電解液によって変質しない硬度の高い芯材１４を備え、この芯材１４に空間１２ｄと同径となるようにＰＶＤＦを塗着して膨潤芯材１５としたので、電解液の注液により芯材１４に塗着したＰＶＤＦは膨張し巻回群１２を直径方向外向きに押し付けることができる。従って、極板とセパレータ、集電体と活物質の密着性に優れた円筒型電池を得ることができる。このため、電池の放電容量及び高率放電特性において従来の円筒型電池より性能の高い電池を得ることができる。
【００１８】なお、本実施形態では芯材１４にＰＰを使用したが、芯材１４は電解液によって外径が変化しない材質のものであれば、選択可能である。このような材質としては、ＰＰの他に、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）を挙げることができる。また、本実施形態では芯材１４にロッド状のものを使用したが、円筒状の芯材を使用してもよい。このような円筒状芯材を使用すれば、芯材の中心部は空洞なので、電池の重量を軽くすることができる。
【００１９】更に、本実施形態では膨潤物質１６を芯材１４に塗着したが、膨潤物質を帯状又は円筒状に形成し芯材１４に巻き付けるようにしてもよい。このようにすれば、芯材１４への塗着作業がなくなるので、工数を低減でき電池の作製に有利である。
【００２０】（第２実施形態）次に、図４乃至７を参照して、本発明に係る円筒型電池を１８６５０型電池に適用した第２の実施の形態について説明する。なお、本実施形態において、第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付しその説明を省略する。また、第１実施形態と同一の製造方法についてもその説明を省略する。
【００２１】（構成）図４及び図５に示すように、円筒型電池２０は外径が１６．９ｍｍである巻回群１２と、この巻回群１２の中心部に挿入され、例えば、ＰＰ等の電解液によって変質しない（外径が変化しない）硬度の高い芯材２４と、巻回群１２の外周部に巻き付けられた帯状（フィルム状）の膨潤部材２６と、内径が１７ｍｍの電池缶１８と、を備えている。この膨潤部材２６には、組成としてＰＶＤＦが選択されている。また、膨潤部材２６自体の形状は、巻回群１２と高さが等しく、巻回群１２の最外周の円周と同じ長さで、厚さは０．０５ｍｍとされている。
【００２２】（作成方法）この円筒型電池２０は、巻回群１２を作製し、膨潤部材２６を巻回群１２に巻き付けて電池缶１８に挿入し、第１実施形態と同様の電解液を注入して封口することにより作製することができる。なお、膨潤部材２６を巻回群１２の外周部に巻き付けると、膨潤部材２６自体の厚さ（０．０５ｍｍ）の倍の厚みが形成されるので、膨潤部材２６は巻回群１２の外周部と電池缶１８とで画定される間隔（０．１ｍｍ）と同等厚さとなる。
【００２３】（作用）本実施形態に係る円筒型電池２０では、膨潤部材２６の厚さを巻回群１２の外周部と電池缶１８とで画定される間隔の厚さと同等厚さとしたので、電池缶１８の内周部と巻回群１２の外周部とは膨潤部材２６を介して密着している。また、電解液を注入することにより、膨潤部材２６は膨張して電池缶１８の内周部が押し当てとして働くので、巻回群１２の外周部から芯材２４への方向へ押し付ける十分な押圧を確保することができる。更に、巻回群１２の最外周の円周と同等長さとした膨潤部材２６を巻回群１２の外周部に巻き付けたので、膨潤部材２６自体の厚さにより膨潤部材２６の両端部間には空隙が形成される。この空隙が存在することにより、巻回群１２の外周部に膨潤部材２６を巻き付けた外径が電池缶１８の内径と同等径であっても、膨潤部材２６を巻き付けた巻回群１２を電池缶１８に簡単に挿入することができる。また、膨潤部材２６の両端部間に形成されていた空隙は、膨潤部材２６が長さ方向にも膨張するので、電解液を注入することによりなくなる。電解液を電池缶１８に注入することにより、ＰＶＤＦを組成とする膨潤部材２６が膨張して巻回群１２の直径内側方向に押し付ける押圧を得ることができる。
【００２４】（試験及び評価）上述の如く作製した円筒型電池２０について、第１実施形態と同様の寿命試験及び高率放電特性試験を行った。図６に示すように、円筒型電池２０は従来の円筒型電池に比べて２５０サイクル経過時の放電容量で約５％、５００サイクル経過時で約６％、７５０サイクル経過時で約２０％高い放電容量を示した。また、図７に示すように、円筒型電池２０の高率放電特性も従来の円筒型電池に比べて向上することが確認された。
【００２５】（効果）本実施形態に係る円筒型電池２０によれば、電解液を注入することにより、ＰＶＤＦを組成とする膨潤部材２６が膨張して巻回群１２の直径内側方向に押し付けるので、第１実施形態と同様に、極板とセパレータ、集電体と活物質の密着性を確保することができる。従って、電池の放電容量及び高率放電特性において従来の円筒型電池より性能の高い電池を得ることができる。
【００２６】なお、本実施形態では、帯状の膨潤部材２６を巻回群１２に巻き付けたが、巻回群１２に膨潤物質であるＰＶＤＦを塗着して電池缶１８の内径と略同等の厚さとなるようにしてもよい。
【００２７】また、以上の実施形態では、製造方法や部材の寸法について詳述したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、上述した特許請求の範囲内において他の種々の実施形態を採ることができることはいわゆる当業者にとって明らかである。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、前記巻回群の中心部及び前記電池缶の内周部と前記巻回群の外周部との間の少なくともいずれか一方に配置され、電解液によって膨潤する膨潤部材を備えているので、電解液が注入されると、前記膨潤部材が膨潤することにより、前記巻回群の中心部から前記巻回群の外周部への方向及び前記電池缶の内周部と前記巻回群の外周部との間から前記巻回群の中心部への方向の少なくともいずれか一方に押圧が加わる。この押圧により電極とセパレータ間の密着性を確保することができると共に、電極は集電体と活物質とで構成されるので、電極と集電体との密着性も確保することができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る円筒型電池の構成を示す外観斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る円筒型電池の平面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る円筒型電池の巻回群を示す外観斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る円筒型電池の構成を示す外観斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る円筒型電池の平面図である。
【図６】第１の実施の形態及び第２の実施の形態の円筒型電池の寿命性能を示す図である。
【図７】第１の実施の形態及び第２の実施の形態の円筒型電池の高率放電特性を示す図である。
【符号の説明】
１０、２０円筒型電池
１２巻回群
１４、２４芯材
１５膨潤芯材
１６膨潤物質
１８電池缶
２６膨潤部材

【特許請求の範囲】
【請求項１】帯状の正極板及び負極板をセパレータを挟んで巻回した巻回群を円筒状の電池缶に挿入して得られる円筒型電池において、前記巻回群の中心部及び前記電池缶の内周部と前記巻回群の外周部との間の少なくともいずれか一方に配置され、電解液によって膨潤する膨潤部材を備えたことを特徴とする円筒型電池。
【請求項２】前記巻回群の中心部に配置される膨潤部材は、電解液によって外径が変化しない芯材と、前記芯材の外周部に塗着され、電解液によって膨潤する膨潤物質と、で構成されることを特徴とする請求項１に記載の円筒型電池。
【請求項３】前記芯材の外径は前記巻回群の内径より小さく、該芯材に前記巻回群の内径と同等径となるように前記膨潤物質を塗着したことを特徴とする請求項２に記載の円筒型電池。
【請求項４】前記電池缶の内周部と前記巻回群の外周部との間に配置される膨潤部材は、電解液によって膨潤する膨潤物質を組成とし、前記電池缶の内周部と前記巻回群の外周部とで画定される間隔の厚さと同等厚さとなるように帯状の形状に形成され、前記巻回群の外周部に巻き付けられたことを特徴とする請求項１に記載の円筒型電池。
【請求項５】前記膨潤部材は、前記巻回群の最外周の円周と同等長さを有することを特徴とする請求項４に記載の円筒型電池。

【図１】