非水電解液捲回型二次電池
【課題】本発明では、電池缶の膨張と電極捲回体の歪みを同時に防止する方法を提案する。
【解決手段】正極シートおよび負極シートと、正極シートおよび負極シートの間に形成されたセパレータと、を有する電極捲回体と、電極捲回体の内部に形成され、電極捲回体が捲回される支持部材と、電極捲回体および支持部材を収納する電池缶と、を有する非水電解液捲回型二次電池であって、正極シートは、正極電極層および正極リード部を有し、負極シートは、負極電極層および負極リード部を有し、電極捲回体のコーナー部の内側が支持部材によって支持され、電極捲回体のリード部の内側であり、支持部材の内部に空隙が設けられている非水電解液捲回型二次電池。
【解決手段】正極シートおよび負極シートと、正極シートおよび負極シートの間に形成されたセパレータと、を有する電極捲回体と、電極捲回体の内部に形成され、電極捲回体が捲回される支持部材と、電極捲回体および支持部材を収納する電池缶と、を有する非水電解液捲回型二次電池であって、正極シートは、正極電極層および正極リード部を有し、負極シートは、負極電極層および負極リード部を有し、電極捲回体のコーナー部の内側が支持部材によって支持され、電極捲回体のリード部の内側であり、支持部材の内部に空隙が設けられている非水電解液捲回型二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非水電解液捲回型二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
充放電反応にリチウムイオンの吸蔵・放出を利用するリチウムイオン二次電池（以下、リチウムイオン電池）は、従来の鉛電池やニッケルカドミウム電池よりも大きなエネルギー密度が得られること、充放電反応に寄与するリチウムがほとんど金属リチウムとして電極に析出しないこと、充放電を繰り返した際の容量の再現性に優れており安定な充放電特性を得ることができること等の理由から、携帯電話やノートパソコンなどのポータブル電子機器用電源、災害時補助用電源、自動車や二輪車等の移動体用電源等様々な用途へ適用できる電池として大いに期待されている。
【０００３】
リチウムイオン電池の正極・負極の活物質を含む電極活物質層（電極層）は膨張収縮することが知られている。
【０００４】
電極層は、主に次の（１）から（３）の理由によって膨張収縮する。即ち、（１）活物質へのリチウムイオン挿入による膨張と、活物質からのリチウムイオン脱離による収縮、（２）電極層に含まれるバインダの電解液保持による膨張と電解液放出による収縮、（３）温度変化による膨張収縮である。
【０００５】
（１）は充放電のたびに繰り返し発生する。（１）による膨張収縮の大きさは、活物質層内の活物質含有量や空孔の状態や充電深度等で変化するが、我々の経験として、１０+1［％］〜１０+2［％］のオーダーである。例えば、負極活物質である黒鉛は膨張収縮によって直径が最大で約１０［％］変化し、同じく負極活物質であるＳｎ系合金は直径が最大で約４００［％］変化する。
【０００６】
（２）は実質的には電池製造時における電解液注液工程で一度だけ発生する。（２）による膨張収縮の大きさは、バインダの組成や、電極層内の空孔の状態等で変化するが、我々の経験として、１０-1［％］〜１０0［％］のオーダーである。
【０００７】
（３）は温度変動の度に繰り返し発生する。（３）による膨張収縮の大きさは、例えば、負極活物質である黒鉛の熱膨張係数は約５×１０-6［１／Ｋ］であり、バインダであるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）の熱膨張係数は約０.２×１０-6［１／Ｋ］であり、電池使用環境の温度差が１０+2［℃］（−３０［℃］〜６０［℃］）程度であることを考慮すると、１０-3〜１０-5のオーダーとなる。
【０００８】
これらのオーダーは、電極層の膨張収縮が、実質的には（１）と（２）に支配されていることを示唆している。
【０００９】
ここで、活物質でのリチウムイオンの挿入・脱離による膨張収縮は電池反応によるものであること、バインダの電解液保持による膨張は、リチウムイオンが電導する電解液ネットワークの形成の一助となることを考慮すると、電極層の膨張収縮を抑え込むことは、リチウムイオンの挿入・脱離や電導を制限することになり、電池の充放電特性の低下に繋がる可能性がある。また、膨張時に集電リード部に負担がかかるため集電リード部が破断する可能性がある。そのため、如何にして電極層の膨張収縮を容易にするかが重要な課題となる。
【００１０】
電極層の膨張収縮を容易にする方法としては、例えば、特許文献１に、ゴム弾性部材を混ぜ込んで電極層を形成し、活物質単体の膨張収縮をゴム弾性部材で吸収することで電極層の膨張収縮を容易にする方法が提案されている。
【００１１】
また、集電リード部の負担を軽減する方法として、例えば、特許文献２に、集電リード部に弛みを持たせる方法が提案されている。この方法は、振動等で電極捲回体が動く時にリード部にかかる負荷を軽減することを目的として提案されているが、この構成は膨張収縮によって電極捲回体が動く時のリード部の負荷を軽減する方法に容易に展開できるであろう。
【００１２】
しかしながら、電極層の膨張収縮を容易にすると、それを覆う電池缶が電極捲回体の膨張収縮によって変形する事象が発生する。電池缶の変形は、特に、円筒型電池に比べ、圧力変形を受けやすい形状を有している角型電池において顕著である。電池缶の変形を許容するか否かで、課題（電極層の膨張収縮を容易にする）の解決方法が異なってくるであろう。
【００１３】
電池缶の変形を許容する場合の解決方法として、特許文献３に、電極捲回体と対向する電池缶の壁面の非変形耐圧強度を、電極捲回体と対向しない壁面のそれよりも小さくすることを特徴とする二次電池が提案されている。
【００１４】
電池缶の変形を許容しない場合の解決方法として、特許文献４に、電極捲回体の膨張体積に見合った分の余剰スペースを有する電池缶内に電極捲回体を装填し、次いで電極捲回体の膨張に起因する電池缶の変形を規制した状態下に充電を行うことを特徴とする二次電池の製造方法が提案されている。
【００１５】
しかしながら、これらの方法では、充放電を繰り返すことによって、電極捲回体に歪みが生じる可能性がある。電極捲回体が歪むと、電池反応が不均一になるため、電池の寿命特性が低下する。そのため、電極層の膨張収縮を容易にする課題を解決する場合には、同時に電極捲回体の歪み防止の課題を解決する必要がある。
【００１６】
電極捲回体の歪み防止を目的として、特許文献５に、芯材を用いて正極、セパレータ及び負極を一体に捲回して円筒渦巻電極捲回体を作製する工程と、芯材を取り除いた後に電極捲回体を捲回軸に対して垂直方向から押圧して電極捲回体を断面略楕円形状に変形させつつ、変形した電極捲回体を捲回方向と同一方向に回転させて巻き取り状態を緩める工程と、次いで電極捲回体をプレスして扁平渦巻電極捲回体となす工程とを備えることを特徴とする二次電池の製造方法が提案されている。
【００１７】
この方法は、電極捲回体のコーナー部における歪みを吸収することが期待できるが、その長辺部における電極捲回体の歪みを吸収することは期待できない。一般に扁平渦巻電極捲回体の長辺部には、捲回軸芯を抜いた後の空隙が存在するので、長辺部付近の電極層が膨張すると、その膨張分は空隙へ向かい、座屈等の変形が生じるからである。
【００１８】
電極捲回体の長辺部における歪み防止を目的として、特許文献６には、電極捲回体の中心部に板状の芯材を備えることを特徴とする二次電池が提案されている。
【００１９】
この方法は、電極捲回体の長辺部における歪みを抑制することが期待できるが、電極捲回体の膨張時には、電極捲回体が電池缶側へ膨張するので、電池缶の膨張を抑制することは期待できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開平９−３０６４９９号公報
【特許文献２】特許第３４７０４７０号公報
【特許文献３】特許第４７４５５８９号公報
【特許文献４】特開２００９−１０４９０２号公報
【特許文献５】特開２００６−１６４９５６号公報
【特許文献６】特開２００８−０４７３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
上記の特許文献を整理すると、角型電池において、電池缶の膨張を抑制するために、電極捲回体内部に電極捲回体の膨張を吸収する余剰スペースを備える方法を用いると、電極捲回体の歪みが問題となり、逆に電極捲回体の歪みを抑制するために、余剰スペースを除く方法を用いると、電池缶の膨張が問題となる。
【００２２】
即ち、上記の特許文献では、電池缶の膨張を抑制する場合には、電極捲回体の歪みを許容し、電極捲回体の歪みを抑制する場合には、電池缶の膨張を許容する方法しかなかった。しかしながら、電池缶の膨張抑制と、電極捲回体の歪み抑制を同時に実現可能な方法が考えられるならば、その方法は大変有用である。
【００２３】
従って、本発明では、電池缶の膨張と電極捲回体の歪みを同時に防止する方法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の特徴は、例えば以下の通りである。
（１）正極シートおよび負極シートと、正極シートおよび負極シートの間に形成されたセパレータと、を有する電極捲回体と、電極捲回体の内部に形成され、電極捲回体が捲回される支持部材と、電極捲回体および支持部材を収納する電池缶と、を有する非水電解液捲回型二次電池であって、正極シートは、正極電極層および正極リード部を有し、負極シートは、負極電極層および負極リード部を有し、電極捲回体のコーナー部の内側が支持部材によって支持され、電極捲回体のリード部の内側であり、支持部材の内部に空隙が設けられている非水電解液捲回型二次電池。
（２）上記において、支持部材が、長方形の筒型形状である非水電解液捲回型二次電池。
（３）上記において、支持部材の断面は、ダンベル形状である非水電解液捲回型二次電池。
（４）上記において、電極捲回体の捲回軸方向における支持部材の辺は、電極捲回体の電極対向部と当接され、電極捲回体の捲回軸方向と垂直方向における支持部材の辺は、電極捲回体の電極対向部と当接されない非水電解液捲回型二次電池。
（５）上記において、非水電解液捲回型二次電池は、正極集電端子および負極集電端子を有し、正極集電端子および負極集電端子に凸部が設けられ、正極集電端子の凸部および負極集電端子の凸部で支持部材を挟持する非水電解液捲回型二次電池。
（６）上記において、電極捲回体のリード部において、正極リード部または負極リード部は、折り曲げ部を有する非水電解液二次電池。
（７）上記において、折り曲げ部は、電極捲回体の捲回軸方向と垂直方向における支持部材の辺と電極捲回体の電極対向部との間に形成される非水電解液二次電池。
（８）上記において、電極捲回体における最外周の正極リード部または負極リード部のみに、折り曲げ部が形成されていない非水電解液二次電池。
（９）上記において、電池缶の形状は角型である非水電解液二次電池。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、電池缶の膨張と電極捲回体の歪みを同時に防止できる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】一般的な扁平渦巻電極捲回体を内包する角型電池の断面図。
【図２】本実施例の電極シートの構成を示す図。
【図３】本実施例の電極捲回体の製造方法を示す図。
【図４】本実施例の巻き取りユニットの構成を示す図。
【図５】本実施例の電極捲回体の内部構造を示す概略斜視図。
【図６】本実施例の電極捲回体の内部構造を示す断面図。
【図７】本実施例の集電端子部の構成を示す図。
【図８】本実施例の電極捲回体−集電端子部の一体化方法を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を具体的な実施例によって説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、実施例における図は、略図であり、図中の位置関係や寸法等に正確さを保証するものではない。本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００２８】
本明細書で記載する電極捲回体の部位に関する呼称を以下に整理する。図１は、一般的な扁平渦巻電極捲回体を備える角型電池の内部構造を示す断面図である。Ａは角型電池の缶の壁面を示し、ａは電極捲回体を示す。また、角型電池の缶の幅広面Ａ１、角型電池の缶の幅狭面Ａ２、角型電池の缶の幅広面Ａ３、角型電池の缶の幅狭面Ａ４は角型電池の缶の壁面Ａに含まれ、角型電池の缶の幅広面Ａ１と対向する、電極捲回体の領域ａ１、角型電池の缶の幅狭面Ａ２と対向する、電極捲回体の領域ａ２、角型電池の缶の幅広面Ａ３と対向する、電極捲回体の領域ａ３、角型電池の缶の幅狭面Ａ４と対向する、電極捲回体の領域ａ４、及び電極捲回体ａの断面における略内壁を示す線Ｌは電極捲回体ａに含まれる。
【００２９】
本明細書では、電極捲回体ａの部位について、図１の電極捲回体ａの断面における略内壁を示す線Ｌで囲われた領域を電極捲回体ａの内側と表現し、角型電池の缶の幅広面Ａ１および角型電池の缶の幅広面Ａ３と対向する角型電池の缶の幅広面Ａ１と対向する、電極捲回体の領域ａ１および角型電池の缶の幅広面Ａ３と対向する、電極捲回体の領域ａ３を電極捲回体ａの長辺部と表現し、角型電池の缶の幅狭面Ａ２および角型電池の缶の幅狭面Ａ４と対向する、電極捲回体ａの領域ａ２および電極捲回体ａの領域ａ４をコーナー部と表現する。また、それを受けて、電極捲回体ａの内側の領域Ｓを長辺部の内側と表現し、領域Ｒをコーナー部の内側と表現する。
【実施例１】
【００３０】
＜電極シートの作製＞
正極活物質としてＬｉＮｉ0.33Ｍｎ0.33Ｃｏ0.33Ｏ2、導電剤として粉末状炭素、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を、正極活物質：導電剤：結着剤＝８５：１０：５の重量比で測りとり、これに分散用溶媒として適量のＮ−メチル−ピロリドン（ＮＭＰ）を加えた後、これらを混練機で３０分間混練し正極スラリーを得た。この正極スラリーをアルミニウムの集電シート（厚さ２０μｍ、幅２００mm）に塗工し、１２０℃で乾燥後、荷重０.５ｔ／cmでロールプレスして、図２に示す、正極シート１を得た。この時、正極シート１の長手方向に未塗工部を残す。正極シート１は正極電極層１ａおよび正極リード部１ｂで構成される。正極シート１の塗工部は正極電極層１ａとなり、正極シート１の未塗工部は後述する正極リード部１ｂとなる。
【００３１】
ここで、本発明の正極活物質としては、ＬｉＭｎ複合酸化物、ＬｉＣｏ複合酸化物、ＬｉＮｉ複合酸化物を始めとする、層状体や固溶体等のあらゆる公知の正極活物質を用いることができる。
【００３２】
負極活物質として天然黒鉛、導電剤として粉末状炭素、結着剤としてＰＶＤＦを、負極活物質：導電剤：結着剤＝９０：５：５の重量比で測りとり、これに分散用溶媒として適量のＮＭＰを加えた後、これらを混練機で３０分間混練し負極スラリーを得た。得られた負極スラリーを銅の集電シート（厚さ１０μｍ、幅２００mm）に塗工し、１２０℃で乾燥後、荷重０.５ｔ／cmでロールプレスして、図２に示す、負極シート２を得た。この時、負極シート２の長手方向に未塗工部を残す。負極シート２は負極電極層２ａおよび負極リード部２ｂで構成される。負極シート２の塗工部は負極電極層２ａとなり、負極シート２の未塗工部は後述する負極リード部２ｂとなる。
【００３３】
ここで、本発明の負極活物質としては、天然黒鉛、人造黒鉛を始めとする諸黒鉛や、Ｓｉ酸化物、ＬｉＴｉ複合酸化物、Ｓｎ合金等のあらゆる公知の負極活物質を用いることができる。本発明の結着剤としては、ＰＶＤＦやスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等を用いることができる。
【００３４】
＜電極捲回体の作製＞
次に、本実施例の電極捲回体の作製方法を、図３を参照しながら説明する。先ず、図３（ａ）に示すように、帯状のセパレータを巻き付けて構成させるセパレータロール３と４から、第１セパレータ３ａ及び第２セパレータ４ａをそれぞれ繰り出し、その先端を略板状の巻き取りユニット５に取り付け、巻き取りユニット５を矢印方向に回転させて巻き取りユニット５の周囲に第１セパレータ３ａ、第２セパレータ４ａを巻き付ける。巻き取りユニット５は、その中心線のまわりに回転可能になっている。なお、巻き取りユニット５の詳細については後述する。
【００３５】
ここで、本発明のセパレータとしては、ポリプロピレン（ＰＰ）セパレータとポリエチレン（ＰＥ）セパレータや、セルロースセパレータを用いることができる。また、過充電等による電池発熱を抑制する観点からは、例えば、ＰＰセパレータとＰＥセパレータの一体化セパレータや、ＰＰセパレータの表面にセラミックス層を塗布した一体化セパレータを用いることができる。
【００３６】
次に、図３（ｂ）に示すように、正極シート１を巻き付けて構成される正極ロール１ｃと、負極シート２を巻き付けて構成される負極ロール２ｃから、正極シート１及び負極シート２をそれぞれ繰り出し、その先端を、既にセパレータが巻き付けられている巻き取りユニット５に取り付ける。この場合、正極シート１および負極シート２のどちらか一方を第１セパレータ３ａ、第２セパレータ４ａ間に位置し、且つ正極シート１および負極シート２のどちらかもう一方を第１セパレータ３ａの外面側に位置するように、これらの電極シートの先端を巻き取りユニット５に取り付ける。この時、正極シート１と負極シート２の塗工部である電極層を、セパレータを間に挟んで対向させる。両電極シートの電極未塗工部であるリード部は対向させない。
【００３７】
次に、巻き取りユニット５を回転させ、所望の回数の巻き付けを行う。巻き付けにおいては、正極シート１、負極シート２、セパレータは、重ね合わせのみによって接しており、接着剤などによっては接合されていない。
【００３８】
巻き取りが完了したら、正極シート１、負極シート２、セパレータを、それらのロールから切断する。切断された端部を粘着テープ６で電極捲回体の側面に固定する。最後に、電極捲回体の中心から巻き取りユニット５の一部である軸芯を引き抜くことで、図３（ｃ）に示す、電極捲回体７が得られる。電極捲回体７は、正極シート１、負極シート２、第１セパレータ３ａ、第２セパレータ４ａで構成されている。
【００３９】
図４（ａ）に、巻き取りユニット５の構成を示す。巻き取りユニット５は軸芯５ａと支持部材５ｂからなる。巻き取りユニット５の軸芯は、軸芯５ａの板部５ａ１に二本の挿入部５ａ２をボルトで締結して構成される‘くし歯’形状を有す。巻き取りユニット５は、締結部５ｄのボルト（図示せず）を外すことで、図４（ｂ）に示すように、軸芯５ａの板部５ａ１と軸芯５ａの挿入部５ａ２と、支持部材５ｂとに分解できる。なお、支持部材５ｂには凹部５ｃ１、軸芯５ａには凸部５ｃ２があり、それら凹凸を当接させることで、支持部材５ｂと軸芯５ａとが首尾よく巻き取りユニット５を構成している。
【００４０】
支持部材５ｂは、電気的に絶縁性であり、略長方形の筒型形状である。支持部材５ｂを略長方形の筒型形状とすることにより、電極捲回体７の逃げシロを多くできる。支持部材５ｂは、電極捲回体７の製造工程の最後に軸芯５ａと分離され、電極捲回体７のコーナーの内側を支持する構成で、電極捲回体７の内側に保持される。支持部材５ｂは、支持部材５ｂの辺５ｂ１、支持部材５ｂの辺５ｂ２、支持部材５ｂの辺５ｂ３、支持部材５ｂの辺５ｂ４を有す。支持部材５ｂの辺５ｂ１、支持部材５ｂの辺５ｂ３は、電極捲回体７の捲回軸方向の辺であり、支持部材５ｂの辺５ｂ２、支持部材５ｂの辺５ｂ４は、電極捲回体７の捲回軸方向と略垂直の辺である。
【００４１】
電極捲回体７に組込まれた状態での各辺の配置は以下である。支持部材５ｂの辺５ｂ１と支持部材５ｂの辺５ｂ３は、電極捲回体７の内側の電極対向部を横切る形で配置され、その大部分は電極捲回体７の内側の電極対向部と当接する。一方、支持部材５ｂの辺５ｂ２と支持部材５ｂの辺５ｂ４は、電極捲回体７の内側の電極対向部の外にあり、電極捲回体７の内側の電極対向部とは当接しない。支持部材５ｂの辺５ｂ１、支持部材５ｂの辺５ｂ２、支持部材５ｂの辺５ｂ３、支持部材５ｂの辺５ｂ４で囲まれる領域は空隙であり、この領域で、電極捲回体７の膨張を受け入れる。
【００４２】
なお、４辺で囲まれる領域の存在目的を考慮すると、４辺で囲まれる領域は必ずしも全て空隙である必要はない。例えば、図４（ｃ）に示す断面ダンベル形状の支持部材を用いることができる。支持部材５ｂの辺５ｂ１と支持部材５ｂの辺５ｂ３は電極捲回体７が縮むとき、電極捲回体７内側へ向かう力を受ける。この力によって支持部材５ｂの辺５ｂ１と支持部材５ｂの辺５ｂ２の位置が電極捲回体７の内側にずれるとコーナー部のほつれを防止できなくなる。支持部材５ｂの断面がダンベル形状であれば、支持部材５ｂの辺５ｂ１と支持部材５ｂの辺５ｂ２が内側へずれることを防止できる。
【００４３】
図５は、本実施例の電極捲回体７の内部構造を示す概略斜視図である。図５（ａ）に示すように、電極捲回体７の電極対向部は７ａであり、電極捲回体７のリード部は７ｂである。
【００４４】
電極捲回体７のリード部７ｂにおいては、正極リード部１ｂ及び負極リード部２ｂは捲回方向に対して直交する方向にそれぞれ反対向きの位置にある。電極捲回体７の電極対向部７ａでは、第１セパレータ３ａ、正極リード部１ｂ、第２セパレータ４ａ、負極リード部２ｂが、この順に積層されている。
【００４５】
図５（ｂ）は、電極捲回体７内部における支持部材５ｂの位置を示す図であり、図５（ａ）の斜視図から電極捲回体７の一部を取り除いた図である。支持部材５ｂは電極捲回体７の内側に配置される。支持部材５ｂの辺５ｂ１と支持部材５ｂの辺５ｂ３（図示せず）は、電極捲回体７の内側の電極対向部７ａを横切る形で配置されており、支持部材５ｂの辺５ｂ１と支持部材５ｂの辺５ｂ３の大部分は、電極捲回体７の二つのコーナー部の内側に当接している。支持部材５ｂの辺５ｂ２（図示せず）と支持部材５ｂの辺５ｂ４は、電極捲回体７の内側の電極対向部７ａの外にあり、電極捲回体７の内側の電極対向部７ａとは当接していない。当接しないことで、電極捲回体７の電極対向部７ａが電極捲回体７の内側へ膨張できる。つまり、電極捲回体７の内部に、電極捲回体７の膨張をキャンセルするための逃げシロを設けて、逃げシロに近い部分を積極的に膨張させる。これにより、電池缶の膨張を抑制できる。
【００４６】
図６は、本実施例の電極捲回体７の内部構造を示す断面図である（図５のＢ−Ｂ断面図に相当する）。電極捲回体７の略内壁Ｈのうち、支持部材５ｂと当接している部分をＨ１、支持部材５ｂと当接していない部分をＨ２とすると、図に示すように、電極捲回体７の二つのコーナー部の内側はＨ１、長辺部の内側はＨ２となる。ここでは、Ｈ２の大きさは限定的ではないが、可能な限り大きくすることが好ましい。
【００４７】
＜電極捲回体と集電端子部の一体化＞
本発明の一実施形態における電極捲回体と一体化する集電端子部の構成を図７に示す。集電端子部８は、正極集電端子８ａ及び負極集電端子８ｂの他に、電解液注液口８ｃと電池缶上面に相当する板状部８ｄを有す。なお、板状部８ｄは電池缶と同じ金属材であるため、板状部８ｄを介して正極集電端子８ａと負極集電端子８ｂとが電気的に接触しないよう、正極集電端子８ａと板状部８ｄの間及び負極集電端子８ｂと板状部８ｄの間は樹脂材（図示せず）で絶縁してある。なお、この樹脂材はガスケットの役割も兼ねる。正極集電端子８ａ及び負極集電端子８ｂは電池缶内部でおのおの凸部を有す三本の柱に分岐している。これらの柱のうち、両端の二本の柱である８ｆと８ｇは、電極捲回体のリード部と溶接される。端部の柱８ｆと端部の柱８ｇの溶接部は、それらの凸部である。正極集電端子８ａ及び負極集電端子８ｂは、電池缶封止後に、電池缶の内から外へ露出する構成になっており、これらを介して、電池の充放電をする。中央の柱である８ｈは、電極捲回体７の内部に備えられる支持部材５ｂが電極捲回体７から飛び出すことを防止する役割を持ち、中央の柱８ｈの凸部が支持部材５ｂの辺５ｂ２と支持部材５ｂの辺５ｂ４（ともに図示せず）を挟持する。
【００４８】
まず、図８（ａ）に示すように、正極リード部１ｂ及び負極リード部２ｂに電極捲回体７のリード部７ｂの切り目７ｃを入れ、それぞれのリード部を、正極リード部１ｂの長辺部１ｂ１及び負極リード部２ｂの長辺部２ｂ１と、正極リード部１ｂのコーナー部１ｂ２及び負極リード部２ｂのコーナー部２ｂ２に分割した。次に、図８（ｂ）に示すように、正極リード部１ｂの長辺部１ｂ１及び負極リード部２ｂの長辺部２ｂ１にプレスによって、電極捲回体７のリード部７ｂの折り目７ｄ（折り曲げ部）を入れた。
【００４９】
図８（ｃ）は電極捲回体７内部における支持部材５ｂの位置を示す図であり、図８（ｂ）の斜視図から電極捲回体７の一部を取り除いた図である。電極捲回体７のリード部７ｂに設けられた電極捲回体７のリード部７ｂの折り目７ｄと、支持部材５ｂの辺５ｂ２（図示せず）と支持部材５ｂの辺５ｂ４は、電極捲回体７のリード部７ｂの溶接部７ｅと電極捲回体７の電極対向部７ａの間に位置する。
【００５０】
電極捲回体７のリード部７ｂの折り目７ｄの存在によって、注液時や充放電時に電極捲回体７の長辺部が選択的に電極捲回体７の内側の空隙へ膨張することができる。よって、電極層の膨張収縮が容易になる。折り目７ｄは、電極捲回体７のリード部７ｂの溶接部７ｅと支持部材５ｂの辺５ｂ４との間、支持部材５ｂの辺５ｂ４と電極捲回体７の電極対向部７ａとの間に形成してもよい。折り目７ｄを支持部材５ｂの辺５ｂ４と電極捲回体７の電極対向部７ａとの間に形成することにより、電極がより自由に動ける。
【００５１】
電極捲回体７の歪みの原因の一つは、充放電を繰り返すうちに、電極捲回体７のコーナー部の内側がほつれることによって、電極捲回体７の長辺部の形状を維持するテンションが弱くなることにあると考えられる。電極捲回体７のコーナー部の内側が支持部材５ｂによって、支持されているため、電極捲回体７のコーナー部からの電極捲回体７のホツレが抑制され、電極捲回体７の長辺部に適度なテンションが加えられるため、結果として電極捲回体７の歪みが防止される。
【００５２】
次に、図８（ｄ）に示すように、電極捲回体７のリード部７ｂと、集電端子部８を接触させ、超音波溶接によって、電極捲回体７のリード部７ｂと正極集電端子８ａ及び電極捲回体７のリード部７ｂと負極集電端子８ｂを一体化し、電極捲回体−集電端子部一体化ユニットを得た。
【００５３】
なお、本発明の一実施形態の電極捲回体において、リード部全てに折り目７ｄを設けないことが望ましい。このような好ましくない折り目の設け方としては、例えばリード部を一周する形が考えられる。リード部全てに折り目を設けると、電極捲回体の形状が安定しない。また、電極捲回体の長辺部のみを選択的に膨張収縮させることができない。よって、電極捲回体７の最外周のリード部７ｂのみに折り曲げ部を設けないことが望ましい。
【００５４】
＜角型二次電池の作製＞
電極捲回体−集電端子部一体化ユニットを絶縁ケースに収めた後、電池缶へ挿入した。次に、レーザー溶接によって電極捲回体−集電端子部一体化ユニットの板状部と電池缶とを一体化した。そして板状部の電解液注液口から電解液（エチレンカーボネート（ＥＣ）：エチルメチルカーボネ−ト（ＥＭＣ）＝１：３溶液にＬｉＰＦ6を１mol／Ｌの濃度になるよう溶解させて作製）を注液後、電解液注液口に金属キャップをし、レーザー溶接によって金属キャップと板状部とを一体化することで電解液注液口を封止し、本発明の角型二次電池を得た。
【００５５】
ここで、本発明の電解液としては、ＥＣ、ＥＭＣの他に、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）等を用いることができる。
【００５６】
本発明の支持電解質であるリチウム塩としては、ＬｉＰＦ6の他に、ＬｉＢＦ4やＬｉＣＦ3ＳＯ3等を用いることができる。リチウム塩の濃度は、濃すぎても薄すぎても特性が低下するため、最適な濃度に調整する必要があるが、経験的に０.８mol／Ｌ〜１.２mol／Ｌ程度が好ましい。
【００５７】
また、保存寿命特性向上や難燃性向上の観点から、電解液に各種添加剤を加えてもよい。その場合、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）、フッ化アルキル基を含有するリン酸エステルや炭酸エステル等を用いることができる。
【００５８】
本発明を適用する上で、角型二次電池以外に捲回型のラミネート型二次電池を採用しても良い。
【００５９】
本発明による二次電池の用途は、特に限定されない。例えば、パーソナルコンピュータ、ワープロ、コードレス電話子機、電子ブックプレーヤ、携帯電話、自動車電話、ハンディターミナル、トランシーバ、携帯無線機等の携帯情報通信機器の電源として使用することができる。また、携帯コピー機、電子手帳、電卓、液晶テレビ、ラジオ、テープレコーダ、ヘッドホンステレオ、ポータブルＣＤプレーヤ、ビデオムービー、電気シェーバー、電子翻訳機、音声入力機器、メモリーカード等の各種携帯機器の電源として使用できる。その他、冷蔵庫、エアコン、テレビ、ステレオ、温水器、オーブン電子レンジ、食器洗い機、乾燥器、洗濯機、照明器具、玩具等の家庭用電気機器として使用できる。また、家庭用、業務用を問わずに、電動工具や介護用機器（電動式車いす、電動式ベッド、電動式入浴設備など）の用電池としても利用可能である。さらに、産業用途として、医療機器、建設機械、電力貯蔵システム、エレベータ、無人移動車両などの電源として、さらには電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、ゴルフカート、ターレット車などの移動体用電源として、本発明を適用することができる。さらには、太陽電池や燃料電池から発生させた電力を本発明の電池モジュールに充電し、宇宙ステーション、宇宙船、宇宙基地などの地上以外で利用可能な蓄電システムとして用いることも可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 正極シート
１ａ 正極電極層
１ｂ 正極リード部
１ｂ１ 正極リード部の長辺部
１ｂ２ 正極リード部のコーナー部
１ｃ 正極ロール
２ 負極シート
２ａ 負極電極層
２ｂ 負極リード部
２ｂ１ 負極リード部の長辺部
２ｂ２ 負極リード部のコーナー部
２ｃ 負極ロール
３、４ セパレータロール
３ａ 第１セパレータ
４ａ 第２セパレータ
５ 巻き取りユニット
５ａ 軸芯
５ａ１ 板部
５ａ２ 挿入部
５ｂ 支持部材
５ｂ１、５ｂ２、５ｂ３、５ｂ４ 支持部材の辺
５ｃ１ 凹部
５ｃ２ 凸部
５ｄ 締結部
６ 粘着テープ
７、ａ 電極捲回体
７ａ 電極捲回体の電極対向部
７ｂ 電極捲回体のリード部
７ｃ 電極捲回体のリード部の切れ目
７ｄ 電極捲回体のリード部の折り目
７ｅ 電極捲回体のリード部の溶接部
８ 集電端子部
８ａ 正極集電端子
８ｂ 負極集電端子
８ｃ 電解液注液口
８ｄ 板状部
８ｆ、８ｇ 端部の柱
８ｈ 中央の柱
Ａ 角型電池の缶の壁面
Ａ１、Ａ３ 角型電池の缶の幅広面
Ａ２、Ａ４ 角型電池の缶の幅狭面
ａ１、ａ２、ａ３、ａ４ 電極捲回体の領域
Ｈ 電極捲回体の略内壁
Ｈ１ 支持部材と当接する部分
Ｈ２ 支持部材と当接しない部分
Ｌ 電極捲回体の断面における略内壁を示す線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非水電解液捲回型二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
充放電反応にリチウムイオンの吸蔵・放出を利用するリチウムイオン二次電池（以下、リチウムイオン電池）は、従来の鉛電池やニッケルカドミウム電池よりも大きなエネルギー密度が得られること、充放電反応に寄与するリチウムがほとんど金属リチウムとして電極に析出しないこと、充放電を繰り返した際の容量の再現性に優れており安定な充放電特性を得ることができること等の理由から、携帯電話やノートパソコンなどのポータブル電子機器用電源、災害時補助用電源、自動車や二輪車等の移動体用電源等様々な用途へ適用できる電池として大いに期待されている。
【０００３】
リチウムイオン電池の正極・負極の活物質を含む電極活物質層（電極層）は膨張収縮することが知られている。
【０００４】
電極層は、主に次の（１）から（３）の理由によって膨張収縮する。即ち、（１）活物質へのリチウムイオン挿入による膨張と、活物質からのリチウムイオン脱離による収縮、（２）電極層に含まれるバインダの電解液保持による膨張と電解液放出による収縮、（３）温度変化による膨張収縮である。
【０００５】
（１）は充放電のたびに繰り返し発生する。（１）による膨張収縮の大きさは、活物質層内の活物質含有量や空孔の状態や充電深度等で変化するが、我々の経験として、１０+1［％］〜１０+2［％］のオーダーである。例えば、負極活物質である黒鉛は膨張収縮によって直径が最大で約１０［％］変化し、同じく負極活物質であるＳｎ系合金は直径が最大で約４００［％］変化する。
【０００６】
（２）は実質的には電池製造時における電解液注液工程で一度だけ発生する。（２）による膨張収縮の大きさは、バインダの組成や、電極層内の空孔の状態等で変化するが、我々の経験として、１０-1［％］〜１０0［％］のオーダーである。
【０００７】
（３）は温度変動の度に繰り返し発生する。（３）による膨張収縮の大きさは、例えば、負極活物質である黒鉛の熱膨張係数は約５×１０-6［１／Ｋ］であり、バインダであるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）の熱膨張係数は約０.２×１０-6［１／Ｋ］であり、電池使用環境の温度差が１０+2［℃］（−３０［℃］〜６０［℃］）程度であることを考慮すると、１０-3〜１０-5のオーダーとなる。
【０００８】
これらのオーダーは、電極層の膨張収縮が、実質的には（１）と（２）に支配されていることを示唆している。
【０００９】
ここで、活物質でのリチウムイオンの挿入・脱離による膨張収縮は電池反応によるものであること、バインダの電解液保持による膨張は、リチウムイオンが電導する電解液ネットワークの形成の一助となることを考慮すると、電極層の膨張収縮を抑え込むことは、リチウムイオンの挿入・脱離や電導を制限することになり、電池の充放電特性の低下に繋がる可能性がある。また、膨張時に集電リード部に負担がかかるため集電リード部が破断する可能性がある。そのため、如何にして電極層の膨張収縮を容易にするかが重要な課題となる。
【００１０】
電極層の膨張収縮を容易にする方法としては、例えば、特許文献１に、ゴム弾性部材を混ぜ込んで電極層を形成し、活物質単体の膨張収縮をゴム弾性部材で吸収することで電極層の膨張収縮を容易にする方法が提案されている。
【００１１】
また、集電リード部の負担を軽減する方法として、例えば、特許文献２に、集電リード部に弛みを持たせる方法が提案されている。この方法は、振動等で電極捲回体が動く時にリード部にかかる負荷を軽減することを目的として提案されているが、この構成は膨張収縮によって電極捲回体が動く時のリード部の負荷を軽減する方法に容易に展開できるであろう。
【００１２】
しかしながら、電極層の膨張収縮を容易にすると、それを覆う電池缶が電極捲回体の膨張収縮によって変形する事象が発生する。電池缶の変形は、特に、円筒型電池に比べ、圧力変形を受けやすい形状を有している角型電池において顕著である。電池缶の変形を許容するか否かで、課題（電極層の膨張収縮を容易にする）の解決方法が異なってくるであろう。
【００１３】
電池缶の変形を許容する場合の解決方法として、特許文献３に、電極捲回体と対向する電池缶の壁面の非変形耐圧強度を、電極捲回体と対向しない壁面のそれよりも小さくすることを特徴とする二次電池が提案されている。
【００１４】
電池缶の変形を許容しない場合の解決方法として、特許文献４に、電極捲回体の膨張体積に見合った分の余剰スペースを有する電池缶内に電極捲回体を装填し、次いで電極捲回体の膨張に起因する電池缶の変形を規制した状態下に充電を行うことを特徴とする二次電池の製造方法が提案されている。
【００１５】
しかしながら、これらの方法では、充放電を繰り返すことによって、電極捲回体に歪みが生じる可能性がある。電極捲回体が歪むと、電池反応が不均一になるため、電池の寿命特性が低下する。そのため、電極層の膨張収縮を容易にする課題を解決する場合には、同時に電極捲回体の歪み防止の課題を解決する必要がある。
【００１６】
電極捲回体の歪み防止を目的として、特許文献５に、芯材を用いて正極、セパレータ及び負極を一体に捲回して円筒渦巻電極捲回体を作製する工程と、芯材を取り除いた後に電極捲回体を捲回軸に対して垂直方向から押圧して電極捲回体を断面略楕円形状に変形させつつ、変形した電極捲回体を捲回方向と同一方向に回転させて巻き取り状態を緩める工程と、次いで電極捲回体をプレスして扁平渦巻電極捲回体となす工程とを備えることを特徴とする二次電池の製造方法が提案されている。
【００１７】
この方法は、電極捲回体のコーナー部における歪みを吸収することが期待できるが、その長辺部における電極捲回体の歪みを吸収することは期待できない。一般に扁平渦巻電極捲回体の長辺部には、捲回軸芯を抜いた後の空隙が存在するので、長辺部付近の電極層が膨張すると、その膨張分は空隙へ向かい、座屈等の変形が生じるからである。
【００１８】
電極捲回体の長辺部における歪み防止を目的として、特許文献６には、電極捲回体の中心部に板状の芯材を備えることを特徴とする二次電池が提案されている。
【００１９】
この方法は、電極捲回体の長辺部における歪みを抑制することが期待できるが、電極捲回体の膨張時には、電極捲回体が電池缶側へ膨張するので、電池缶の膨張を抑制することは期待できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開平９−３０６４９９号公報
【特許文献２】特許第３４７０４７０号公報
【特許文献３】特許第４７４５５８９号公報
【特許文献４】特開２００９−１０４９０２号公報
【特許文献５】特開２００６−１６４９５６号公報
【特許文献６】特開２００８−０４７３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
上記の特許文献を整理すると、角型電池において、電池缶の膨張を抑制するために、電極捲回体内部に電極捲回体の膨張を吸収する余剰スペースを備える方法を用いると、電極捲回体の歪みが問題となり、逆に電極捲回体の歪みを抑制するために、余剰スペースを除く方法を用いると、電池缶の膨張が問題となる。
【００２２】
即ち、上記の特許文献では、電池缶の膨張を抑制する場合には、電極捲回体の歪みを許容し、電極捲回体の歪みを抑制する場合には、電池缶の膨張を許容する方法しかなかった。しかしながら、電池缶の膨張抑制と、電極捲回体の歪み抑制を同時に実現可能な方法が考えられるならば、その方法は大変有用である。
【００２３】
従って、本発明では、電池缶の膨張と電極捲回体の歪みを同時に防止する方法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の特徴は、例えば以下の通りである。
（１）正極シートおよび負極シートと、正極シートおよび負極シートの間に形成されたセパレータと、を有する電極捲回体と、電極捲回体の内部に形成され、電極捲回体が捲回される支持部材と、電極捲回体および支持部材を収納する電池缶と、を有する非水電解液捲回型二次電池であって、正極シートは、正極電極層および正極リード部を有し、負極シートは、負極電極層および負極リード部を有し、電極捲回体のコーナー部の内側が支持部材によって支持され、電極捲回体のリード部の内側であり、支持部材の内部に空隙が設けられている非水電解液捲回型二次電池。
（２）上記において、支持部材が、長方形の筒型形状である非水電解液捲回型二次電池。
（３）上記において、支持部材の断面は、ダンベル形状である非水電解液捲回型二次電池。
（４）上記において、電極捲回体の捲回軸方向における支持部材の辺は、電極捲回体の電極対向部と当接され、電極捲回体の捲回軸方向と垂直方向における支持部材の辺は、電極捲回体の電極対向部と当接されない非水電解液捲回型二次電池。
（５）上記において、非水電解液捲回型二次電池は、正極集電端子および負極集電端子を有し、正極集電端子および負極集電端子に凸部が設けられ、正極集電端子の凸部および負極集電端子の凸部で支持部材を挟持する非水電解液捲回型二次電池。
（６）上記において、電極捲回体のリード部において、正極リード部または負極リード部は、折り曲げ部を有する非水電解液二次電池。
（７）上記において、折り曲げ部は、電極捲回体の捲回軸方向と垂直方向における支持部材の辺と電極捲回体の電極対向部との間に形成される非水電解液二次電池。
（８）上記において、電極捲回体における最外周の正極リード部または負極リード部のみに、折り曲げ部が形成されていない非水電解液二次電池。
（９）上記において、電池缶の形状は角型である非水電解液二次電池。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、電池缶の膨張と電極捲回体の歪みを同時に防止できる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】一般的な扁平渦巻電極捲回体を内包する角型電池の断面図。
【図２】本実施例の電極シートの構成を示す図。
【図３】本実施例の電極捲回体の製造方法を示す図。
【図４】本実施例の巻き取りユニットの構成を示す図。
【図５】本実施例の電極捲回体の内部構造を示す概略斜視図。
【図６】本実施例の電極捲回体の内部構造を示す断面図。
【図７】本実施例の集電端子部の構成を示す図。
【図８】本実施例の電極捲回体−集電端子部の一体化方法を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を具体的な実施例によって説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、実施例における図は、略図であり、図中の位置関係や寸法等に正確さを保証するものではない。本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００２８】
本明細書で記載する電極捲回体の部位に関する呼称を以下に整理する。図１は、一般的な扁平渦巻電極捲回体を備える角型電池の内部構造を示す断面図である。Ａは角型電池の缶の壁面を示し、ａは電極捲回体を示す。また、角型電池の缶の幅広面Ａ１、角型電池の缶の幅狭面Ａ２、角型電池の缶の幅広面Ａ３、角型電池の缶の幅狭面Ａ４は角型電池の缶の壁面Ａに含まれ、角型電池の缶の幅広面Ａ１と対向する、電極捲回体の領域ａ１、角型電池の缶の幅狭面Ａ２と対向する、電極捲回体の領域ａ２、角型電池の缶の幅広面Ａ３と対向する、電極捲回体の領域ａ３、角型電池の缶の幅狭面Ａ４と対向する、電極捲回体の領域ａ４、及び電極捲回体ａの断面における略内壁を示す線Ｌは電極捲回体ａに含まれる。
【００２９】
本明細書では、電極捲回体ａの部位について、図１の電極捲回体ａの断面における略内壁を示す線Ｌで囲われた領域を電極捲回体ａの内側と表現し、角型電池の缶の幅広面Ａ１および角型電池の缶の幅広面Ａ３と対向する角型電池の缶の幅広面Ａ１と対向する、電極捲回体の領域ａ１および角型電池の缶の幅広面Ａ３と対向する、電極捲回体の領域ａ３を電極捲回体ａの長辺部と表現し、角型電池の缶の幅狭面Ａ２および角型電池の缶の幅狭面Ａ４と対向する、電極捲回体ａの領域ａ２および電極捲回体ａの領域ａ４をコーナー部と表現する。また、それを受けて、電極捲回体ａの内側の領域Ｓを長辺部の内側と表現し、領域Ｒをコーナー部の内側と表現する。
【実施例１】
【００３０】
＜電極シートの作製＞
正極活物質としてＬｉＮｉ0.33Ｍｎ0.33Ｃｏ0.33Ｏ2、導電剤として粉末状炭素、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を、正極活物質：導電剤：結着剤＝８５：１０：５の重量比で測りとり、これに分散用溶媒として適量のＮ−メチル−ピロリドン（ＮＭＰ）を加えた後、これらを混練機で３０分間混練し正極スラリーを得た。この正極スラリーをアルミニウムの集電シート（厚さ２０μｍ、幅２００mm）に塗工し、１２０℃で乾燥後、荷重０.５ｔ／cmでロールプレスして、図２に示す、正極シート１を得た。この時、正極シート１の長手方向に未塗工部を残す。正極シート１は正極電極層１ａおよび正極リード部１ｂで構成される。正極シート１の塗工部は正極電極層１ａとなり、正極シート１の未塗工部は後述する正極リード部１ｂとなる。
【００３１】
ここで、本発明の正極活物質としては、ＬｉＭｎ複合酸化物、ＬｉＣｏ複合酸化物、ＬｉＮｉ複合酸化物を始めとする、層状体や固溶体等のあらゆる公知の正極活物質を用いることができる。
【００３２】
負極活物質として天然黒鉛、導電剤として粉末状炭素、結着剤としてＰＶＤＦを、負極活物質：導電剤：結着剤＝９０：５：５の重量比で測りとり、これに分散用溶媒として適量のＮＭＰを加えた後、これらを混練機で３０分間混練し負極スラリーを得た。得られた負極スラリーを銅の集電シート（厚さ１０μｍ、幅２００mm）に塗工し、１２０℃で乾燥後、荷重０.５ｔ／cmでロールプレスして、図２に示す、負極シート２を得た。この時、負極シート２の長手方向に未塗工部を残す。負極シート２は負極電極層２ａおよび負極リード部２ｂで構成される。負極シート２の塗工部は負極電極層２ａとなり、負極シート２の未塗工部は後述する負極リード部２ｂとなる。
【００３３】
ここで、本発明の負極活物質としては、天然黒鉛、人造黒鉛を始めとする諸黒鉛や、Ｓｉ酸化物、ＬｉＴｉ複合酸化物、Ｓｎ合金等のあらゆる公知の負極活物質を用いることができる。本発明の結着剤としては、ＰＶＤＦやスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等を用いることができる。
【００３４】
＜電極捲回体の作製＞
次に、本実施例の電極捲回体の作製方法を、図３を参照しながら説明する。先ず、図３（ａ）に示すように、帯状のセパレータを巻き付けて構成させるセパレータロール３と４から、第１セパレータ３ａ及び第２セパレータ４ａをそれぞれ繰り出し、その先端を略板状の巻き取りユニット５に取り付け、巻き取りユニット５を矢印方向に回転させて巻き取りユニット５の周囲に第１セパレータ３ａ、第２セパレータ４ａを巻き付ける。巻き取りユニット５は、その中心線のまわりに回転可能になっている。なお、巻き取りユニット５の詳細については後述する。
【００３５】
ここで、本発明のセパレータとしては、ポリプロピレン（ＰＰ）セパレータとポリエチレン（ＰＥ）セパレータや、セルロースセパレータを用いることができる。また、過充電等による電池発熱を抑制する観点からは、例えば、ＰＰセパレータとＰＥセパレータの一体化セパレータや、ＰＰセパレータの表面にセラミックス層を塗布した一体化セパレータを用いることができる。
【００３６】
次に、図３（ｂ）に示すように、正極シート１を巻き付けて構成される正極ロール１ｃと、負極シート２を巻き付けて構成される負極ロール２ｃから、正極シート１及び負極シート２をそれぞれ繰り出し、その先端を、既にセパレータが巻き付けられている巻き取りユニット５に取り付ける。この場合、正極シート１および負極シート２のどちらか一方を第１セパレータ３ａ、第２セパレータ４ａ間に位置し、且つ正極シート１および負極シート２のどちらかもう一方を第１セパレータ３ａの外面側に位置するように、これらの電極シートの先端を巻き取りユニット５に取り付ける。この時、正極シート１と負極シート２の塗工部である電極層を、セパレータを間に挟んで対向させる。両電極シートの電極未塗工部であるリード部は対向させない。
【００３７】
次に、巻き取りユニット５を回転させ、所望の回数の巻き付けを行う。巻き付けにおいては、正極シート１、負極シート２、セパレータは、重ね合わせのみによって接しており、接着剤などによっては接合されていない。
【００３８】
巻き取りが完了したら、正極シート１、負極シート２、セパレータを、それらのロールから切断する。切断された端部を粘着テープ６で電極捲回体の側面に固定する。最後に、電極捲回体の中心から巻き取りユニット５の一部である軸芯を引き抜くことで、図３（ｃ）に示す、電極捲回体７が得られる。電極捲回体７は、正極シート１、負極シート２、第１セパレータ３ａ、第２セパレータ４ａで構成されている。
【００３９】
図４（ａ）に、巻き取りユニット５の構成を示す。巻き取りユニット５は軸芯５ａと支持部材５ｂからなる。巻き取りユニット５の軸芯は、軸芯５ａの板部５ａ１に二本の挿入部５ａ２をボルトで締結して構成される‘くし歯’形状を有す。巻き取りユニット５は、締結部５ｄのボルト（図示せず）を外すことで、図４（ｂ）に示すように、軸芯５ａの板部５ａ１と軸芯５ａの挿入部５ａ２と、支持部材５ｂとに分解できる。なお、支持部材５ｂには凹部５ｃ１、軸芯５ａには凸部５ｃ２があり、それら凹凸を当接させることで、支持部材５ｂと軸芯５ａとが首尾よく巻き取りユニット５を構成している。
【００４０】
支持部材５ｂは、電気的に絶縁性であり、略長方形の筒型形状である。支持部材５ｂを略長方形の筒型形状とすることにより、電極捲回体７の逃げシロを多くできる。支持部材５ｂは、電極捲回体７の製造工程の最後に軸芯５ａと分離され、電極捲回体７のコーナーの内側を支持する構成で、電極捲回体７の内側に保持される。支持部材５ｂは、支持部材５ｂの辺５ｂ１、支持部材５ｂの辺５ｂ２、支持部材５ｂの辺５ｂ３、支持部材５ｂの辺５ｂ４を有す。支持部材５ｂの辺５ｂ１、支持部材５ｂの辺５ｂ３は、電極捲回体７の捲回軸方向の辺であり、支持部材５ｂの辺５ｂ２、支持部材５ｂの辺５ｂ４は、電極捲回体７の捲回軸方向と略垂直の辺である。
【００４１】
電極捲回体７に組込まれた状態での各辺の配置は以下である。支持部材５ｂの辺５ｂ１と支持部材５ｂの辺５ｂ３は、電極捲回体７の内側の電極対向部を横切る形で配置され、その大部分は電極捲回体７の内側の電極対向部と当接する。一方、支持部材５ｂの辺５ｂ２と支持部材５ｂの辺５ｂ４は、電極捲回体７の内側の電極対向部の外にあり、電極捲回体７の内側の電極対向部とは当接しない。支持部材５ｂの辺５ｂ１、支持部材５ｂの辺５ｂ２、支持部材５ｂの辺５ｂ３、支持部材５ｂの辺５ｂ４で囲まれる領域は空隙であり、この領域で、電極捲回体７の膨張を受け入れる。
【００４２】
なお、４辺で囲まれる領域の存在目的を考慮すると、４辺で囲まれる領域は必ずしも全て空隙である必要はない。例えば、図４（ｃ）に示す断面ダンベル形状の支持部材を用いることができる。支持部材５ｂの辺５ｂ１と支持部材５ｂの辺５ｂ３は電極捲回体７が縮むとき、電極捲回体７内側へ向かう力を受ける。この力によって支持部材５ｂの辺５ｂ１と支持部材５ｂの辺５ｂ２の位置が電極捲回体７の内側にずれるとコーナー部のほつれを防止できなくなる。支持部材５ｂの断面がダンベル形状であれば、支持部材５ｂの辺５ｂ１と支持部材５ｂの辺５ｂ２が内側へずれることを防止できる。
【００４３】
図５は、本実施例の電極捲回体７の内部構造を示す概略斜視図である。図５（ａ）に示すように、電極捲回体７の電極対向部は７ａであり、電極捲回体７のリード部は７ｂである。
【００４４】
電極捲回体７のリード部７ｂにおいては、正極リード部１ｂ及び負極リード部２ｂは捲回方向に対して直交する方向にそれぞれ反対向きの位置にある。電極捲回体７の電極対向部７ａでは、第１セパレータ３ａ、正極リード部１ｂ、第２セパレータ４ａ、負極リード部２ｂが、この順に積層されている。
【００４５】
図５（ｂ）は、電極捲回体７内部における支持部材５ｂの位置を示す図であり、図５（ａ）の斜視図から電極捲回体７の一部を取り除いた図である。支持部材５ｂは電極捲回体７の内側に配置される。支持部材５ｂの辺５ｂ１と支持部材５ｂの辺５ｂ３（図示せず）は、電極捲回体７の内側の電極対向部７ａを横切る形で配置されており、支持部材５ｂの辺５ｂ１と支持部材５ｂの辺５ｂ３の大部分は、電極捲回体７の二つのコーナー部の内側に当接している。支持部材５ｂの辺５ｂ２（図示せず）と支持部材５ｂの辺５ｂ４は、電極捲回体７の内側の電極対向部７ａの外にあり、電極捲回体７の内側の電極対向部７ａとは当接していない。当接しないことで、電極捲回体７の電極対向部７ａが電極捲回体７の内側へ膨張できる。つまり、電極捲回体７の内部に、電極捲回体７の膨張をキャンセルするための逃げシロを設けて、逃げシロに近い部分を積極的に膨張させる。これにより、電池缶の膨張を抑制できる。
【００４６】
図６は、本実施例の電極捲回体７の内部構造を示す断面図である（図５のＢ−Ｂ断面図に相当する）。電極捲回体７の略内壁Ｈのうち、支持部材５ｂと当接している部分をＨ１、支持部材５ｂと当接していない部分をＨ２とすると、図に示すように、電極捲回体７の二つのコーナー部の内側はＨ１、長辺部の内側はＨ２となる。ここでは、Ｈ２の大きさは限定的ではないが、可能な限り大きくすることが好ましい。
【００４７】
＜電極捲回体と集電端子部の一体化＞
本発明の一実施形態における電極捲回体と一体化する集電端子部の構成を図７に示す。集電端子部８は、正極集電端子８ａ及び負極集電端子８ｂの他に、電解液注液口８ｃと電池缶上面に相当する板状部８ｄを有す。なお、板状部８ｄは電池缶と同じ金属材であるため、板状部８ｄを介して正極集電端子８ａと負極集電端子８ｂとが電気的に接触しないよう、正極集電端子８ａと板状部８ｄの間及び負極集電端子８ｂと板状部８ｄの間は樹脂材（図示せず）で絶縁してある。なお、この樹脂材はガスケットの役割も兼ねる。正極集電端子８ａ及び負極集電端子８ｂは電池缶内部でおのおの凸部を有す三本の柱に分岐している。これらの柱のうち、両端の二本の柱である８ｆと８ｇは、電極捲回体のリード部と溶接される。端部の柱８ｆと端部の柱８ｇの溶接部は、それらの凸部である。正極集電端子８ａ及び負極集電端子８ｂは、電池缶封止後に、電池缶の内から外へ露出する構成になっており、これらを介して、電池の充放電をする。中央の柱である８ｈは、電極捲回体７の内部に備えられる支持部材５ｂが電極捲回体７から飛び出すことを防止する役割を持ち、中央の柱８ｈの凸部が支持部材５ｂの辺５ｂ２と支持部材５ｂの辺５ｂ４（ともに図示せず）を挟持する。
【００４８】
まず、図８（ａ）に示すように、正極リード部１ｂ及び負極リード部２ｂに電極捲回体７のリード部７ｂの切り目７ｃを入れ、それぞれのリード部を、正極リード部１ｂの長辺部１ｂ１及び負極リード部２ｂの長辺部２ｂ１と、正極リード部１ｂのコーナー部１ｂ２及び負極リード部２ｂのコーナー部２ｂ２に分割した。次に、図８（ｂ）に示すように、正極リード部１ｂの長辺部１ｂ１及び負極リード部２ｂの長辺部２ｂ１にプレスによって、電極捲回体７のリード部７ｂの折り目７ｄ（折り曲げ部）を入れた。
【００４９】
図８（ｃ）は電極捲回体７内部における支持部材５ｂの位置を示す図であり、図８（ｂ）の斜視図から電極捲回体７の一部を取り除いた図である。電極捲回体７のリード部７ｂに設けられた電極捲回体７のリード部７ｂの折り目７ｄと、支持部材５ｂの辺５ｂ２（図示せず）と支持部材５ｂの辺５ｂ４は、電極捲回体７のリード部７ｂの溶接部７ｅと電極捲回体７の電極対向部７ａの間に位置する。
【００５０】
電極捲回体７のリード部７ｂの折り目７ｄの存在によって、注液時や充放電時に電極捲回体７の長辺部が選択的に電極捲回体７の内側の空隙へ膨張することができる。よって、電極層の膨張収縮が容易になる。折り目７ｄは、電極捲回体７のリード部７ｂの溶接部７ｅと支持部材５ｂの辺５ｂ４との間、支持部材５ｂの辺５ｂ４と電極捲回体７の電極対向部７ａとの間に形成してもよい。折り目７ｄを支持部材５ｂの辺５ｂ４と電極捲回体７の電極対向部７ａとの間に形成することにより、電極がより自由に動ける。
【００５１】
電極捲回体７の歪みの原因の一つは、充放電を繰り返すうちに、電極捲回体７のコーナー部の内側がほつれることによって、電極捲回体７の長辺部の形状を維持するテンションが弱くなることにあると考えられる。電極捲回体７のコーナー部の内側が支持部材５ｂによって、支持されているため、電極捲回体７のコーナー部からの電極捲回体７のホツレが抑制され、電極捲回体７の長辺部に適度なテンションが加えられるため、結果として電極捲回体７の歪みが防止される。
【００５２】
次に、図８（ｄ）に示すように、電極捲回体７のリード部７ｂと、集電端子部８を接触させ、超音波溶接によって、電極捲回体７のリード部７ｂと正極集電端子８ａ及び電極捲回体７のリード部７ｂと負極集電端子８ｂを一体化し、電極捲回体−集電端子部一体化ユニットを得た。
【００５３】
なお、本発明の一実施形態の電極捲回体において、リード部全てに折り目７ｄを設けないことが望ましい。このような好ましくない折り目の設け方としては、例えばリード部を一周する形が考えられる。リード部全てに折り目を設けると、電極捲回体の形状が安定しない。また、電極捲回体の長辺部のみを選択的に膨張収縮させることができない。よって、電極捲回体７の最外周のリード部７ｂのみに折り曲げ部を設けないことが望ましい。
【００５４】
＜角型二次電池の作製＞
電極捲回体−集電端子部一体化ユニットを絶縁ケースに収めた後、電池缶へ挿入した。次に、レーザー溶接によって電極捲回体−集電端子部一体化ユニットの板状部と電池缶とを一体化した。そして板状部の電解液注液口から電解液（エチレンカーボネート（ＥＣ）：エチルメチルカーボネ−ト（ＥＭＣ）＝１：３溶液にＬｉＰＦ6を１mol／Ｌの濃度になるよう溶解させて作製）を注液後、電解液注液口に金属キャップをし、レーザー溶接によって金属キャップと板状部とを一体化することで電解液注液口を封止し、本発明の角型二次電池を得た。
【００５５】
ここで、本発明の電解液としては、ＥＣ、ＥＭＣの他に、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）等を用いることができる。
【００５６】
本発明の支持電解質であるリチウム塩としては、ＬｉＰＦ6の他に、ＬｉＢＦ4やＬｉＣＦ3ＳＯ3等を用いることができる。リチウム塩の濃度は、濃すぎても薄すぎても特性が低下するため、最適な濃度に調整する必要があるが、経験的に０.８mol／Ｌ〜１.２mol／Ｌ程度が好ましい。
【００５７】
また、保存寿命特性向上や難燃性向上の観点から、電解液に各種添加剤を加えてもよい。その場合、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）、フッ化アルキル基を含有するリン酸エステルや炭酸エステル等を用いることができる。
【００５８】
本発明を適用する上で、角型二次電池以外に捲回型のラミネート型二次電池を採用しても良い。
【００５９】
本発明による二次電池の用途は、特に限定されない。例えば、パーソナルコンピュータ、ワープロ、コードレス電話子機、電子ブックプレーヤ、携帯電話、自動車電話、ハンディターミナル、トランシーバ、携帯無線機等の携帯情報通信機器の電源として使用することができる。また、携帯コピー機、電子手帳、電卓、液晶テレビ、ラジオ、テープレコーダ、ヘッドホンステレオ、ポータブルＣＤプレーヤ、ビデオムービー、電気シェーバー、電子翻訳機、音声入力機器、メモリーカード等の各種携帯機器の電源として使用できる。その他、冷蔵庫、エアコン、テレビ、ステレオ、温水器、オーブン電子レンジ、食器洗い機、乾燥器、洗濯機、照明器具、玩具等の家庭用電気機器として使用できる。また、家庭用、業務用を問わずに、電動工具や介護用機器（電動式車いす、電動式ベッド、電動式入浴設備など）の用電池としても利用可能である。さらに、産業用途として、医療機器、建設機械、電力貯蔵システム、エレベータ、無人移動車両などの電源として、さらには電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、ゴルフカート、ターレット車などの移動体用電源として、本発明を適用することができる。さらには、太陽電池や燃料電池から発生させた電力を本発明の電池モジュールに充電し、宇宙ステーション、宇宙船、宇宙基地などの地上以外で利用可能な蓄電システムとして用いることも可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 正極シート
１ａ 正極電極層
１ｂ 正極リード部
１ｂ１ 正極リード部の長辺部
１ｂ２ 正極リード部のコーナー部
１ｃ 正極ロール
２ 負極シート
２ａ 負極電極層
２ｂ 負極リード部
２ｂ１ 負極リード部の長辺部
２ｂ２ 負極リード部のコーナー部
２ｃ 負極ロール
３、４ セパレータロール
３ａ 第１セパレータ
４ａ 第２セパレータ
５ 巻き取りユニット
５ａ 軸芯
５ａ１ 板部
５ａ２ 挿入部
５ｂ 支持部材
５ｂ１、５ｂ２、５ｂ３、５ｂ４ 支持部材の辺
５ｃ１ 凹部
５ｃ２ 凸部
５ｄ 締結部
６ 粘着テープ
７、ａ 電極捲回体
７ａ 電極捲回体の電極対向部
７ｂ 電極捲回体のリード部
７ｃ 電極捲回体のリード部の切れ目
７ｄ 電極捲回体のリード部の折り目
７ｅ 電極捲回体のリード部の溶接部
８ 集電端子部
８ａ 正極集電端子
８ｂ 負極集電端子
８ｃ 電解液注液口
８ｄ 板状部
８ｆ、８ｇ 端部の柱
８ｈ 中央の柱
Ａ 角型電池の缶の壁面
Ａ１、Ａ３ 角型電池の缶の幅広面
Ａ２、Ａ４ 角型電池の缶の幅狭面
ａ１、ａ２、ａ３、ａ４ 電極捲回体の領域
Ｈ 電極捲回体の略内壁
Ｈ１ 支持部材と当接する部分
Ｈ２ 支持部材と当接しない部分
Ｌ 電極捲回体の断面における略内壁を示す線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極シートおよび負極シートと、前記正極シートおよび前記負極シートの間に形成されたセパレータと、を有する電極捲回体と、
前記電極捲回体の内部に形成され、前記電極捲回体が捲回される支持部材と、
前記電極捲回体および前記支持部材を収納する電池缶と、を有する非水電解液捲回型二次電池であって、
前記正極シートは、正極電極層および正極リード部を有し、
前記負極シートは、負極電極層および負極リード部を有し、
前記電極捲回体のコーナー部の内側が前記支持部材によって支持され、
前記電極捲回体のリード部の内側であり、前記支持部材の内部に空隙が設けられている非水電解液捲回型二次電池。
【請求項２】
請求項１において、
前記支持部材が、長方形の筒型形状である非水電解液捲回型二次電池。
【請求項３】
請求項１において、
前記支持部材の断面は、ダンベル形状である非水電解液捲回型二次電池。
【請求項４】
請求項１または２において、
前記電極捲回体の捲回軸方向における前記支持部材の辺は、前記電極捲回体の電極対向部と当接され、
前記電極捲回体の捲回軸方向と垂直方向における前記支持部材の辺は、前記電極捲回体の電極対向部と当接されない非水電解液捲回型二次電池。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記非水電解液捲回型二次電池は、正極集電端子および負極集電端子を有し、
前記正極集電端子および前記負極集電端子に凸部が設けられ、
前記正極集電端子の凸部および前記負極集電端子の凸部で前記支持部材を挟持する非水電解液捲回型二次電池。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記電極捲回体のリード部において、前記正極リード部または前記負極リード部は、折り曲げ部を有する非水電解液二次電池。
【請求項７】
請求項６において、
前記折り曲げ部は、前記電極捲回体の捲回軸方向と垂直方向における前記支持部材の辺と前記電極捲回体の電極対向部との間に形成される非水電解液二次電池。
【請求項８】
請求項６または７において、
前記電極捲回体における最外周の前記正極リード部または前記負極リード部のみに、折り曲げ部が形成されていない非水電解液二次電池。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかにおいて、
前記電池缶の形状は角型である非水電解液二次電池。
【請求項１】
正極シートおよび負極シートと、前記正極シートおよび前記負極シートの間に形成されたセパレータと、を有する電極捲回体と、
前記電極捲回体の内部に形成され、前記電極捲回体が捲回される支持部材と、
前記電極捲回体および前記支持部材を収納する電池缶と、を有する非水電解液捲回型二次電池であって、
前記正極シートは、正極電極層および正極リード部を有し、
前記負極シートは、負極電極層および負極リード部を有し、
前記電極捲回体のコーナー部の内側が前記支持部材によって支持され、
前記電極捲回体のリード部の内側であり、前記支持部材の内部に空隙が設けられている非水電解液捲回型二次電池。
【請求項２】
請求項１において、
前記支持部材が、長方形の筒型形状である非水電解液捲回型二次電池。
【請求項３】
請求項１において、
前記支持部材の断面は、ダンベル形状である非水電解液捲回型二次電池。
【請求項４】
請求項１または２において、
前記電極捲回体の捲回軸方向における前記支持部材の辺は、前記電極捲回体の電極対向部と当接され、
前記電極捲回体の捲回軸方向と垂直方向における前記支持部材の辺は、前記電極捲回体の電極対向部と当接されない非水電解液捲回型二次電池。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記非水電解液捲回型二次電池は、正極集電端子および負極集電端子を有し、
前記正極集電端子および前記負極集電端子に凸部が設けられ、
前記正極集電端子の凸部および前記負極集電端子の凸部で前記支持部材を挟持する非水電解液捲回型二次電池。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記電極捲回体のリード部において、前記正極リード部または前記負極リード部は、折り曲げ部を有する非水電解液二次電池。
【請求項７】
請求項６において、
前記折り曲げ部は、前記電極捲回体の捲回軸方向と垂直方向における前記支持部材の辺と前記電極捲回体の電極対向部との間に形成される非水電解液二次電池。
【請求項８】
請求項６または７において、
前記電極捲回体における最外周の前記正極リード部または前記負極リード部のみに、折り曲げ部が形成されていない非水電解液二次電池。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかにおいて、
前記電池缶の形状は角型である非水電解液二次電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１１００４５（Ｐ２０１３−１１００４５Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５５７０５（Ｐ２０１１−２５５７０５）
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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