非水電解質二次電池
【課題】電池の異常時において、多量のガスが発生した場合、そのガスが電池ケース外部へ排出されることに伴い、電極群も封口板側へ移動し、ガス排出流路を遮断する危険性があった。
【解決手段】電極群と封口板との間に配される上部絶縁板と、電極群の中央部に配される中芯とが一体成形された構造体を用いる。したがって、異常時にガスの排出圧力が集中する上部絶縁板の中央部の強度を高くすることができ、上部絶縁板の破損による電極群の移動を抑制することが可能となる。よって、ガス排出流路の遮断を防ぎ、電池の安全性を向上することができる。
【解決手段】電極群と封口板との間に配される上部絶縁板と、電極群の中央部に配される中芯とが一体成形された構造体を用いる。したがって、異常時にガスの排出圧力が集中する上部絶縁板の中央部の強度を高くすることができ、上部絶縁板の破損による電極群の移動を抑制することが可能となる。よって、ガス排出流路の遮断を防ぎ、電池の安全性を向上することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非水電解質二次電池に関し、特に円筒形電池における安全性を向上させるための構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
円筒形電池は、一般に、有底円筒形の金属製の電池ケースに発電要素を電解質とともに収容し、その開口部を封口板（組立封口体を含む）により封口して密閉し構成される。リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池において、発電要素となる電極群は、例えば正極と負極との間にセパレータを配して渦巻き状に巻回して構成される。セパレータは、正極と負極との間を絶縁するとともに、電解質を保持する機能を有している。また、封口板と電池ケースには、それぞれ正極又は負極から導出された正極リード又は負極リードが接続され、正極又は負極の外部端子となっている。電池ケースに挿入された電極群と封口板との間には上部絶縁板が設けられ、電極群と電池ケースとの間には下部絶縁板が設けられることで、電極群は封口板や電池ケースと電気的に絶縁されている。電池ケースには、上部絶縁板の上部に、内側に突出する溝部が形成されており、この溝部によって上部絶縁板の上部方向への移動は抑制され、電極群は上部絶縁板により固定されている。
【０００３】
このような非水電解質二次電池（以下、単に「電池」と称すこともある）では、落下等によって外部から強い衝撃が加えられることで、電極群が電池ケース内で移動して破損する可能性があった。
【０００４】
上記問題に対して、例えば、電極群の周辺部に対応するように突起を設けた上部絶縁板を用い、電極群の移動を抑制することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、弾性体形状に加工された上部絶縁板の中央に貫通孔を形成し、その貫通孔に中芯を圧入させて、上部絶縁板を電池ケースの内壁と中芯で突っ張って固定することで、電極群の移動を抑制する構造も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３５１４７１号公報
【特許文献２】特開２００３−３１７８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的な非水電解質二次電池は、過充電や内部短絡などの異常により、電池ケース内でガスが発生した場合に備えて、電池ケースの内部圧力が所定値に達したときに作動するガス排出機構を封口板に有している。
【０００７】
しかしながら、近年、電子機器の多機能化に伴って、電池の高容量化が進んでおり、上記のような異常が発生したときのガス発生量も、ますます多くなることが想定される。
【０００８】
そのような状況において、電池の異常により、上記封口板のガス排出機構が作動した場合、特許文献１のような上部絶縁板では、ガスの排出圧力が集中する中央部付近の強度が弱く、上部絶縁板が中央部で破壊される可能性があった。したがって、電極群が上部へ移動し、封口板に形成されたガス排出流路を遮断する危険性があった。
【０００９】
一方、特許文献２のように、弾性体形状に加工された上部絶縁板の貫通孔に中芯を圧入
すると、電極群が上部絶縁板によって押圧され、損傷することがある。また、上部絶縁板が変形し、その高さ位置や水平度がばらついてしまうことで、電池ケースに上部絶縁板の移動を抑制する溝部を形成する工程で、上部絶縁板が噛みこまれ、破損することがある。
【００１０】
本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、生産性が高く、異常時においても、ガス排出流路を遮断せず、電池ケース外部に速やかにガスを排出することで、安全性に優れた非水電解質二次電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の非水電解質二次電池は、正極と負極とをセパレータを介して巻回した電極群を、開口部を有する有底円筒形の電池ケースに収納し、前記開口部をガス排出機構を有する封口板で封口した非水電解質二次電池であって、前記電極群と前記封口板との間には上部絶縁板が配され、前記電池ケースには、前記上部絶縁板の上部において内側に突出する溝部が形成されており、前記電極群の中央部には中芯が配されており、前記上部絶縁板と前記中芯とは一体成形された構造体であることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、上部絶縁板と中芯とが一体成形された構造体であるため、中芯を上部絶縁板に圧入する必要がない。したがって、上部絶縁板に押圧されることでの電極群の損傷や、上部絶縁板が変形することでの組み立て工程時の破損を防ぎ、製造不良を低減することができる。
【００１３】
また、本発明の上部絶縁板の中央部は、中芯と一体成形されているため強度が強い。そのため、電池の異常で多量のガスが発生し、中央部付近のガス排出圧力が増加した場合であっても、上部絶縁板の破損を防ぎ、電極群の上部への移動が抑制されることで、封口板のガス排出流路は確保される。しがって、異常時のガスを電池ケース外部に速やかに排出でき、安全性に優れた非水電解質二次電池を実現できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、生産性が高く、異常時においても、ガス排出流路を遮断せず、電池ケース外部に効率的にガスを排出することで、安全性に優れた非水電解質二次電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池の概略構成を示す断面図
【図２】本発明の一実施形態に係る上部絶縁板と中芯を一体成形した構造体の斜視図
【図３】本発明の他の実施形態に係る非水電解質二次電池の概略構成を示す断面図
【図４】（ａ）本発明の他の実施形態に係る上部絶縁板と中芯を一体成形した構造体の上面図、及び（ｂ）断面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の非水電解質二次電池は、正極と負極とをセパレータを介して巻回した電極群を、開口部を有する有底円筒形の電池ケースに収納し、前記開口部をガス排出機構を有する封口板で封口した非水電解質二次電池であって、前記電極群と前記封口板との間には上部絶縁板が配され、前記電池ケースには、前記上部絶縁板の上部において内側に突出する溝部が形成されており、前記電極群の中央部には中芯が配されており、前記上部絶縁板と前記中芯とは一体成形された構造体であることを特徴とする。
【００１７】
上述したように、本発明では、上部絶縁板と中芯とが一体成形された構造体を用いることで、中芯を上部絶縁板の貫通孔へ圧入する必要が無く、上部絶縁板に押圧されることでの電極群の損傷や、上部絶縁板が変形することでの組み立て工程時の破損を防ぎ、製造不
良を防ぐことができる。
【００１８】
また、中芯を挿入することで、上部絶縁板の設置も同時に完了するため、工数を低減でき、さらに、中芯と一体成形されているため、上部絶縁板の高さ位置、水平度を精度良く設置することができる。したがって、例えば、上部絶縁板の底面から中芯の端部までの距離を設定しておき、中芯の端部を電池ケースの底面に突き当たるまで挿入することで、上部絶縁板の高さ方向の位置合わせができ、また電極群が収容される空間（電池ケースと上部絶縁板で囲まれる空間）を容易に精度良く規定することが可能となる。
【００１９】
上述したように、巻回して構成した電極群を有する電池では、中央部に空隙が存在するため、電池の異常時に急激な圧力上昇が起こった場合、電池ケース内部における圧力は均等ではなく、特に、その中央部の圧力密度が瞬時に高くなる。したがって、電極群の上部に位置する上部絶縁板においても、その中央部にかかる圧力が高くなる。
【００２０】
これに対し、本発明では、上部絶縁板は中芯と一体化されているため強度が強く、その破壊を防ぐことができる。したがって、上部絶縁板が電極群の移動を抑制することで、ガス排出流路を確保し、電池ケース外部に速やかにガスを排出することができる。また、上部絶縁板の強度が強くなるため、上部絶縁板に設けるガス排出のための貫通孔を大きくすることが可能となり、それによっても、ガスをより効率よく排出することができる。なお、本発明の上部絶縁板において、中央部付近の厚みが厚くなるよう構成してもよい。これにより、上部絶縁板の強度をさらに向上することができる。
【００２１】
本発明において、上部絶縁板と中芯とを一体成形した構造体は、例えば、金属製の中芯を樹脂射出成形の金型にはめ込み、当該中芯の端部に、上部絶縁板を樹脂モールド成形することによって形成することができる。この場合、中芯と上部絶縁板の接続部における強度を確保するために、できるだけ接続部の面積を広くすることが望ましい。具体的には、樹脂と接触する中芯の部位に凹凸を設けてもよく、中芯の端部を上部絶縁板の上面に沿うよう径を広げた形状としてもよい。さらに、樹脂の射出成形等により、上部絶縁板と中芯とを同一の樹脂で形成することもできる。また、金属の鋳造等によって一体成形し、上部絶縁板の少なくとも電極群と当接する面を絶縁体で被覆することで形成してもよい。このように硬度の高い金属で構造体を形成した場合は、さらに上部絶縁板の強度を向上することができ、より効果的に電極群の移動を抑制することができる。
【００２２】
上記構造体に用いる樹脂としては、耐熱性の観点からポリオレフィン系樹脂及びポリイミド系樹脂から選ばれる少なくとも１種からなることが好ましい。また、耐熱性および強度の観点から、ガラスクロスを基材とし無機添加剤を含むフェノール樹脂から構成されていてもよい。上記無機添加物としては、アルミナ、シリカ、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、及び炭酸カルシウムからなる群より選ばれた少なくとも一種であることが好ましい。
【００２３】
また、上記構造体に用いられる金属としては、鉄、アルミ、アルミ合金、銅、ステンレス鋼等を用いることが好ましい。
【００２４】
また、本発明による非水電解質二次電池において、構造体を構成する上部絶縁板は、湾曲した形状であって、電極群の方向に湾曲していることが好ましい。
【００２５】
このような構成によれば、上部絶縁板の中央部にかかる圧力が高くなっても、湾曲した形状により、さらに中央部の強度が強くなり、上部絶縁板の破壊を抑えることができる。その結果、電極群の移動によるガス排出流路の遮断を防止し、電池外部に効率的にガスを排出することができる。さらに、仮に上部絶縁板が封口板の方向に移動し、上部絶縁板の
外縁部が封口板と接触したとしても、電極群方向に湾曲している構造であるため、封口板と上部絶縁板との間の空間が保持され、封口板のガス排出流路を塞ぐことを防ぐことができる。また、電極群の移動を抑制するには、上部絶縁板は厚いほど強度が高く望ましいが、湾曲した形状とすることで、薄く形成しても強度が維持できるため、安価に作成することが可能となる。
【００２６】
また、本発明において、湾曲した上部絶縁板は、その曲率が０．０２／ｍｍ以上０．０７／ｍｍ以下であることが望ましい。曲率が０．０２／ｍｍより小さい場合は、変形に対する耐圧が低く、電極群の移動を十分抑制できないため望ましくない。また、０．０７／ｍｍより大きい場合は、電池内部空間の利用効率の観点から望ましくない。
【００２７】
また、本発明において、上部絶縁板は、その厚みが０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが望ましい。０．３ｍｍより薄いと十分な変形に対する耐圧が得られなく、電極群の移動の抑制効果が小さくなるため望ましくない。また、１．０ｍｍより厚くすると、電池ケース内で必要以上の体積を占め容量を損なってしまう上、コストの観点からも望ましくない。
【００２８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態に係る円筒形のリチウムイオン二次電池の概略断面図であり、図２は、図１の電池に用いられる上部絶縁板と中芯を一体成形した構造体を示す斜視図である。図１の電池１００は、円筒形のリチウムイオン二次電池であり、正極１と、負極２と、それらの間に介在するセパレータ３とを渦巻き状に巻回して構成された電極群４を備えている。電極群４は、非水電解質（不図示）とともに有底円筒形の金属製の電池ケース５に収納される。電池ケース５の開口部は、アウターガスケット７を介して封口板１９により封口され、これにより電極群４および非水電解質は電池ケース５の内部に密閉される。
【００３０】
ここで、電池ケース５の内部には、上部絶縁板１０と中芯１８とが一体成形された構造体２０が設置され、この構造体２０の中芯１８部分を電極群４の中央空隙部に挿入することで、電極群４の上側に、構造体２０の上部絶縁板１０部分が配置される。上部絶縁板１０の外縁部は、電池ケースに形成された溝部１７で支持され、電極群は上部絶縁板１０により固定される。また、電極群４の下側には下部絶縁板１６が、配設される。
【００３１】
封口板１９は、導体からなる、ハット状の端子板１１、環状のＰＴＣ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ： 正温度係数）サーミスタ板１２、円形の上側弁体１３および下側弁体１４、フィルター６、及び絶縁体からなる環状のインナーガスケット１５から構成される。インナーガスケット１５は上側弁体１３の周縁部と下側弁体１４の周縁部との間に配設されて、上側弁体１３の周縁部と下側弁体１４の周縁部とが接触するのを防いでいる。また、インナーガスケット１５は、フィルター６と端子板１１の周縁部とが接触しないように、両者の間に介在される。
【００３２】
端子板１１、ＰＴＣサーミスタ板１２、及び上側弁体１３は、それらの周縁部で接続している。また、上側弁体１３と下側弁体１４とはそれらの中央部で接続している。さらに、下側弁体１４とフィルター６とはそれらの周縁部で接続している。以上の結果、端子板１１とフィルター６とは互いに導通している。
【００３３】
正極１は、正極リード８を介してフィルター６と接続され、端子板１１が正極の外部端子となっている。一方、負極２は、負極リード９を介して電池ケース５の底面に接合され、電池ケース５が負極の外部端子となっている。
【００３４】
封口板１９の端子板１１は、複数の外部排気孔１１ａを有し、フィルター６も複数の内部排気孔６ａを有している。上側弁体１３及び下側弁体１４には、環状の溝が中央部に形成されおり、その溝が破断すると、そこに弁孔が形成される。例えば、電池１００において、内部短絡や過充電等の異常によるガスが発生して、電池１００内部の圧力が上昇すると、下側弁体１４の溝が押し破られ弁孔が形成され、電流経路が遮断される。さらに電池１００内の圧力が上昇すると、上側弁体１３の溝が破断することで弁孔が形成される。これによって、電池１００内に発生したガスは、フィルター６の内部排気孔６ａ、下側弁体１４及び上側弁体１３の弁孔、端子板１１の外部排気孔１１ａを通って、電池外部へ排出される。このように、電池ケース５の内部圧力が所定値に達した時に作動するガス排出機構が封口板１９に備えられる。
【００３５】
上記のようなガス排出機構が作動する場合において、巻回された電極群では、中央部に空間ができるためガスの排出が集中する。さらに、電池ケース５内部の圧力が異常に上昇すると、上部絶縁板１０の貫通孔１０ａを通り、フィルター６の内部排気孔６ａに向かってガスが排出される。したがって、従来の非水電解質二次電池によれば、上記のような異常時において排出されるガスの圧力により、上部絶縁板１０は変形又は破壊され、電極群４が上部絶縁板１０とフィルター６との間にある空間へ変形しながら移動するため、上部絶縁板１０の貫通孔１０ａやフィルター６の内部排気孔６ａを塞いでしまうことがある。本発明によれば、図２に示すような上部絶縁板１０と中芯１８とを一体成形した構造体２０を電池に設置する。したがって、上部絶縁板１０の中央部は、中芯１８と一体成形され、強固に固定されているため、上部絶縁板１０の変形や破壊を防ぎ、電極群４の移動を抑制することができる。さらに、このような構造体２０を用いることで、中芯挿入と上部絶縁板設置の２工程を１工程に減らすことができるため、生産性を向上することができる。
【００３６】
（実施の形態２）
図３は、本発明の他の実施形態に係る非水電解質二次電池の概略構成を示す断面図、図４は、その電池に用いられる上部絶縁板と中芯を一体成形した構造体の（ａ）上面図、及び（ｂ）断面図である。
【００３７】
図３に示した実施形態の電池２００においても、図１と同様のガス排出機構を有している。また、上部絶縁板２１及び中芯２２は一体成形された構造体２３である。ここで本実施形態では、上部絶縁板２１は、電極群４の方向へ湾曲した構造を有している。このように上部絶縁板２１を電極群の方向へ湾曲した構造とすることで、中央部のガス排出圧力に対する強度を、さらに高くすることでき、構造体２３の上部絶縁板２１において、特にその中央部の破損を防ぎ、電極群４の移動によるガス排出経路の遮断を防ぐことができる。
【００３８】
この上部絶縁板２１の曲率は、曲率を大きくすることで上部絶縁板２１の強度を強くすることができるが、電極群４の収容可能容積が低下し、電池容量が低くなるため、０．０２／ｍｍ以上０．０７／ｍｍ以下とすることが望ましい。同様に、上部絶縁板２１の厚みは、厚みを大きくすることで上部絶縁板２１の強度を強くすることができるが、電極群４の収容可能容積が低下し、電池容量が低くなるため、０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００３９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上部絶縁板１０、２１の貫通孔１０ａ、２１ａの形状、位置、及び個数は、図２及び図４に図示した形態に限定されない。また、本発明において、電池１００内に発生したガスを排出する機構は、図１および図３に示し
た構造に限定されず、他の構造であってもよい。
【００４０】
また、本発明の非水電解質二次電池が、リチウムイオン二次電池の場合は、構成材料として以下のものを用いることができる。
【００４１】
正極１は、正極集電体上に正極活物質層を形成することで構成することができる。正極集電体は、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、チタン、チタン合金等を用いることができるが、中でもアルミニウムまたはアルミニウム合金とすることが電気化学的な溶出等が起こりにくいことから好ましい。
【００４２】
正極活物質としては、リチウム含有遷移金属化合物、例えばコバルト、マンガン、ニッケル、クロム、鉄およびバナジウムから選ばれる少なくとも一種の金属とリチウムとの複合金属酸化物が使用できる。その中でも、特に、リチウムニッケル系複合酸化物を用いた場合には、本発明の効果がより発揮される。正極活物質としてリチウムニッケル系複合酸化物を用いた場合、異常時のガス発生量は、リチウムコバルト系複合酸化物に比べて、３倍程度大きくなるため、上記課題は顕在化する畏れがあるが、この場合でも、本発明により効果を得ることができる。
【００４３】
また、正極活物質層は、正極活物質、結着剤、および導電剤を、分散媒とともに混練して分散させたスラリー状の合剤を調製し、この合剤を正極集電体に付着させることにより形成できる。
【００４４】
負極２は、負極集電体上に負極活物質層を形成することで構成することができる。負極集電体は、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金等を用いることができるが、中でも銅、銅合金、ニッケルまたはニッケル合金とすることが電気化学的な溶出等が起こりにくいことから好ましい。負極活物質としては、リチウムイオンを可逆的に吸蔵及び放出し得る黒鉛型結晶構造を有する材料、例えば、天然黒鉛や球状又は繊維状の人造黒鉛、難黒鉛化性炭素（ハードカーボン）、易黒鉛化性炭素（ソフトカーボン）などの炭素材料や、酸化錫、酸化珪素等の金属酸化物材料、ケイ素、シリサイドなどのケイ素含有化合物などを用いることができる。負極活物質層は、負極活物質、結着剤、および分散媒、必要により導電材を含んだスラリー状の合剤を負極集電体に付着させることにより形成できる。
【００４５】
セパレータ３としては、ポリオレフィン系材料を用いることができ、ポリオレフィン系材料と耐熱性材料を組み合わせたものを用いることが好ましい。ポリオレフィン多孔膜としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体の多孔膜などが例示できる。これらの樹脂は、単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。耐熱性材料としては、アラミド、ポリイミド、ポリアミドイミド等の耐熱性樹脂からなる膜、または、耐熱性樹脂と無機フィラーの混合体を用いることができる。
【００４６】
また電解質は、非水溶媒にリチウム塩を溶解することにより調製される。非水溶媒は、例えば、環状カーボネートとして、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなど、また鎖状カーボネートとして、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなど、が用いられる。また、リチウム塩としては、電子吸引性の強いリチウム塩、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４などが使用される。
【実施例】
【００４７】
本発明の実施例を説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。以下のようにして、リチウムイオン二次電池からなる試験体を作製した。
【００４８】
（実施例１）
（１）正極の作製
正極活物質として、平均粒径が１２μｍであるＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５Ｏ２を使用した。正極活物質１００重量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデンフルオライド１．７重量部、及び導電剤としてアセチレンブラック２．５重量部を、液状成分に混合させて正極合剤ペーストを調製した。
【００４９】
その正極合剤ペーストを、アルミニウム箔からなる正極集電体の両面に、正極リード８の接続部分を除いて塗布、乾燥して、正極の前駆体を作製し、その後、それを圧延して、正極１を得た。このとき、厚みが１２８μｍとなるように正極の前駆体を圧延した。また、正極集電体として使用したアルミニウム箔の長さは６６７ｍｍ、幅は５７ｍｍ、厚さは１５μｍであった。
【００５０】
（２）負極の作製
負極活物質として平均粒径が２０μｍのグラファイトを使用した。負極活物質１００重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンフルオライド０．６重量部と、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース１重量部と、適量の水とを、双腕式練合機にて攪拌し、負極合剤ペーストを得た。
【００５１】
その負極合剤ペーストを、銅箔からなる負極集電体の両面に、負極リード９の接続部分を除いて塗布、乾燥して、負極の前駆体を作製し、その後、それを圧延して、負極２を得た。このとき、厚みが１５５μｍとなるように負極の前駆体を圧延した。また、負極集電体として使用した銅箔の長さは７４５ｍｍ、幅は５８．５ｍｍ、厚さは８μｍであった。
【００５２】
（３）非水電解質の調整
非水電解質は、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとを１対１の体積比で混合した混合溶媒に、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１．０ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解することにより調製した。
【００５３】
（４）封口板の作製
図１に示した封口板を作製した。上側弁体１３および下側弁体１４はアルミニウム製とした。端子板１１は鉄製とした。フィルター６はアルミニウム製とした。インナーガスケット１５はポリプロピレン製とした。
【００５４】
（５）電池の組立
上述のようにして作製した正極および負極を、その間にセパレータ３を介在させて積層し、積層体を得た。セパレータ３には、厚さが２０μｍであるポリエチレン製の多孔膜を使用した。得られた積層体の正極の巻き始めの部分に正極リード８を接続し、負極の巻き終わりの部分に負極リード９を接続した。その状態で、上記積層体を渦巻き状に巻回して電極群４を得た。
【００５５】
上記のようにして得られた電極群４を鉄製の電池ケース５に収納した。このとき、正極リード８を周縁部にポリプロピレン製のアウターガスケット７を取り付けた封口板１９のフィルター６にレーザー溶接法により溶接し、負極リード９を電池ケース５の底面に抵抗溶接法により溶接した。電池ケース５は、直径（外径）が１８ｍｍ、高さが６５ｍｍ、缶壁の厚みが０．１５ｍｍであるものを使用した。この電池ケース５の厚みは、通常市販されている円筒形のリチウムイオン二次電池の電池ケースの厚みに近いものである。また、電極群４の下側には下部絶縁板１６を配設し、電極群４の中央空隙部および上側に、上部絶縁板１０と中芯１８とが一体成形されたポリプロピレン製の構造体２０（ａ＝１８ｍｍ
、ｂ＝０ｍｍ、曲率０／ｍｍ、厚み１．５ｍｍ、ｃ＝５９ｍｍ、ｄ＝２．５ｍｍ）を配置した。ここで、曲率は、図４に示す寸法ａ、ｂを測定し、２ｂ／｛（ａ／２）２＋ｂ２｝の値を計算することで求めた。
【００５６】
電池ケース５内に非水電解質を注入した後、電池ケース５の開口端部から５ｍｍの位置で上部絶縁板１０の上部において、電池ケース５を周方向に一周するように、内側に突出する溝部１７を形成し、この溝部１７により電極群４を上部絶縁板１０を介して固定した。
【００５７】
次に、電池ケースの溝部１７の上に載せるようにして、アウターガスケット７を取付けた封口板１９を電池ケース５の開口部に配置した後、電池ケース５の開口部を内側に曲げるようにかしめて、電池ケース５を封口した。以上のようにして、直径が１８ｍｍ、高さが６５ｍｍである試験体を作製した。このリチウムイオン二次電池の設計容量は２６００ｍＡｈであった。
【００５８】
（実施例２）
湾曲した上部絶縁板と中芯とが一体成形されたポリプロピレン製の構造体２０（ａ＝１８ｍｍ、ｂ＝０．５ｍｍ、曲率０．０１／ｍｍ、厚み１．５ｍｍ、ｃ＝５８．５ｍｍ、ｄ＝２．５ｍｍ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にして試験体を作製した。
【００５９】
（実施例３）
湾曲した上部絶縁板と中芯とが一体成形されたポリプロピレン製の構造体２０（ａ＝１８ｍｍ、ｂ＝１．０ｍｍ、曲率０．０２／ｍｍ、厚み０．３ｍｍ、ｃ＝５８ｍｍ、ｄ＝２．５ｍｍ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にして試験体を作製した。
【００６０】
（実施例４）
湾曲した上部絶縁板と中芯とが一体成形されたポリプロピレン製の構造体２０（ａ＝１８ｍｍ、ｂ＝１．０ｍｍ、曲率０．０２／ｍｍ、厚み１．０ｍｍ、ｃ＝５８ｍｍ、ｄ＝２．５ｍｍ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にして試験体を作製した。
【００６１】
（実施例５）
湾曲した上部絶縁板と中芯とが一体成形されたポリプロピレン製の構造体２０（ａ＝１８ｍｍ、ｂ＝１．０ｍｍ、曲率０．０２／ｍｍ、厚み１．５ｍｍ、ｃ＝５８ｍｍ、ｄ＝２．５ｍｍ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にして試験体を作製した。
【００６２】
（比較例１）
中央部に貫通孔を有するポリプロピレン製の上部絶縁板（ａ＝１８ｍｍ、ｂ＝０ｍｍ、曲率０／ｍｍ、厚み１．５ｍｍ）、及び鉄製の中芯（ｃ＝５９ｍｍ、ｄ＝２．５ｍｍ）を使用し、電極群の中央空隙部に中芯を挿入し、その後に電極群の上側に上部絶縁板を配置し、上部絶縁板の貫通孔に中芯を圧入することで試験体を作製した。それ以外は、実施例１と同様にして試験体を作製した。
【００６３】
（比較例２）
中央部に貫通孔を有するポリプロピレン製の上部絶縁板（ａ＝１８ｍｍ、ｂ＝０ｍｍ、曲率０／ｍｍ、厚み１．５ｍｍ）、及び鉄製の中芯（ｃ＝５９ｍｍ、ｄ＝２．５ｍｍ）を使用し、電極群の上側に上部絶縁板を配置し、その後に上部絶縁板の貫通孔から中芯を電極群の中央空隙部に挿入することで試験体を作製した。それ以外は、実施例１と同様にして試験体を作製した。
【００６４】
（製造不良率）
電池ケースにおいて、上部絶縁板の上側に、電池ケースを周方向に一周するよう内側に突出する溝部を形成した後、作製した電池を抜き取り、組立工程における不良の発生率を調べた。具体的には、実施例及び比較例の電池各５００個について、電極群の上部の圧迫痕の有無、及び溝部形成時の上部絶縁板の噛みこみの有無を目視により観測し、いずれかが発生した個数を不良個数とし、不良率を算出した。
【００６５】
（加熱試験）
作製された試験体に対して、以下のような条件で加熱試験を実施した。まず、２５℃の環境の下で１５００ｍＡの電流により電池電圧が４．２５Ｖとなるまで充電した。充電後の試験体をホットプレートの上に置き、２５℃から２００℃まで毎秒１℃ずつ温度が上昇するように加熱した。そして、試験後の電池を分解し、電極群の上部方向への移動量を測定した。これらの結果を（表１）に示す。
【００６６】
【表１】
【００６７】
表１に示すように、実施例１〜５においては、絶縁板と中芯を一体化する工程での製造不良は発生しなかった。それに対し、比較例では、電池ケースの溝部を形成する工程で、上部絶縁板の噛みこみや、中芯と上部絶縁板の貫通孔の位置がずれることで、上部絶縁板が中芯によって押されて移動し、電極群を損傷する製造不良が発生した。
【００６８】
また、加熱試験においては、上部絶縁板と中芯とが一体成形された構造体を用いた実施例１では、比較例と比べて電極群の移動が抑制されていた。これは、一体構造とすることで上部絶縁板の中央部の強度が増したことによるものと考えられる。さらに上部絶縁板を湾曲させた実施例２〜５では、電極群の移動は確認されなかった。
【００６９】
以上のように、実施例の電池では、電極群の移動によって封口板のガス排出流路が遮断されることを防ぎ、電池の安全性を向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明によれば、安全性を向上した非水電解質二次電池を提供することができる。このような本発明の電池は、特にパーソナルコンピュータ、携帯電話、モバイル機器、携帯情報端末（ＰＤＡ）、携帯用ゲーム機器並びにビデオカメラ等の携帯用電子機器の電源として利用できる。また、ハイブリッドカー、電気自動車、燃料電池自動車等の交通用機器に
おいて、その電動機の駆動を補助する電源としても有用である。また、電動工具、掃除機、およびロボット等の駆動用電源としても有用であり、プラグインＨＥＶの動力源としても有用である。
【符号の説明】
【００７１】
１ 正極
２ 負極
３ セパレータ
４ 電極群
５ 電池ケース
６ フィルター
６ａ 内部排気孔
７ アウターガスケット
８ 正極リード
９ 負極リード
１０、２１ 上部絶縁板
１０ａ、２１ａ 貫通孔
１１ 端子板
１１ａ 外部排気孔
１２ ＰＴＣサーミスタ板
１３ 上側弁体
１４ 下側弁体
１５ インナーガスケット
１６ 下部絶縁板
１７ 溝部
１８、２２ 中芯
１９ 封口板
２０、２３ 構造体
１００、２００ 電池
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非水電解質二次電池に関し、特に円筒形電池における安全性を向上させるための構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
円筒形電池は、一般に、有底円筒形の金属製の電池ケースに発電要素を電解質とともに収容し、その開口部を封口板（組立封口体を含む）により封口して密閉し構成される。リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池において、発電要素となる電極群は、例えば正極と負極との間にセパレータを配して渦巻き状に巻回して構成される。セパレータは、正極と負極との間を絶縁するとともに、電解質を保持する機能を有している。また、封口板と電池ケースには、それぞれ正極又は負極から導出された正極リード又は負極リードが接続され、正極又は負極の外部端子となっている。電池ケースに挿入された電極群と封口板との間には上部絶縁板が設けられ、電極群と電池ケースとの間には下部絶縁板が設けられることで、電極群は封口板や電池ケースと電気的に絶縁されている。電池ケースには、上部絶縁板の上部に、内側に突出する溝部が形成されており、この溝部によって上部絶縁板の上部方向への移動は抑制され、電極群は上部絶縁板により固定されている。
【０００３】
このような非水電解質二次電池（以下、単に「電池」と称すこともある）では、落下等によって外部から強い衝撃が加えられることで、電極群が電池ケース内で移動して破損する可能性があった。
【０００４】
上記問題に対して、例えば、電極群の周辺部に対応するように突起を設けた上部絶縁板を用い、電極群の移動を抑制することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、弾性体形状に加工された上部絶縁板の中央に貫通孔を形成し、その貫通孔に中芯を圧入させて、上部絶縁板を電池ケースの内壁と中芯で突っ張って固定することで、電極群の移動を抑制する構造も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３５１４７１号公報
【特許文献２】特開２００３−３１７８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的な非水電解質二次電池は、過充電や内部短絡などの異常により、電池ケース内でガスが発生した場合に備えて、電池ケースの内部圧力が所定値に達したときに作動するガス排出機構を封口板に有している。
【０００７】
しかしながら、近年、電子機器の多機能化に伴って、電池の高容量化が進んでおり、上記のような異常が発生したときのガス発生量も、ますます多くなることが想定される。
【０００８】
そのような状況において、電池の異常により、上記封口板のガス排出機構が作動した場合、特許文献１のような上部絶縁板では、ガスの排出圧力が集中する中央部付近の強度が弱く、上部絶縁板が中央部で破壊される可能性があった。したがって、電極群が上部へ移動し、封口板に形成されたガス排出流路を遮断する危険性があった。
【０００９】
一方、特許文献２のように、弾性体形状に加工された上部絶縁板の貫通孔に中芯を圧入
すると、電極群が上部絶縁板によって押圧され、損傷することがある。また、上部絶縁板が変形し、その高さ位置や水平度がばらついてしまうことで、電池ケースに上部絶縁板の移動を抑制する溝部を形成する工程で、上部絶縁板が噛みこまれ、破損することがある。
【００１０】
本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、生産性が高く、異常時においても、ガス排出流路を遮断せず、電池ケース外部に速やかにガスを排出することで、安全性に優れた非水電解質二次電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の非水電解質二次電池は、正極と負極とをセパレータを介して巻回した電極群を、開口部を有する有底円筒形の電池ケースに収納し、前記開口部をガス排出機構を有する封口板で封口した非水電解質二次電池であって、前記電極群と前記封口板との間には上部絶縁板が配され、前記電池ケースには、前記上部絶縁板の上部において内側に突出する溝部が形成されており、前記電極群の中央部には中芯が配されており、前記上部絶縁板と前記中芯とは一体成形された構造体であることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、上部絶縁板と中芯とが一体成形された構造体であるため、中芯を上部絶縁板に圧入する必要がない。したがって、上部絶縁板に押圧されることでの電極群の損傷や、上部絶縁板が変形することでの組み立て工程時の破損を防ぎ、製造不良を低減することができる。
【００１３】
また、本発明の上部絶縁板の中央部は、中芯と一体成形されているため強度が強い。そのため、電池の異常で多量のガスが発生し、中央部付近のガス排出圧力が増加した場合であっても、上部絶縁板の破損を防ぎ、電極群の上部への移動が抑制されることで、封口板のガス排出流路は確保される。しがって、異常時のガスを電池ケース外部に速やかに排出でき、安全性に優れた非水電解質二次電池を実現できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、生産性が高く、異常時においても、ガス排出流路を遮断せず、電池ケース外部に効率的にガスを排出することで、安全性に優れた非水電解質二次電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池の概略構成を示す断面図
【図２】本発明の一実施形態に係る上部絶縁板と中芯を一体成形した構造体の斜視図
【図３】本発明の他の実施形態に係る非水電解質二次電池の概略構成を示す断面図
【図４】（ａ）本発明の他の実施形態に係る上部絶縁板と中芯を一体成形した構造体の上面図、及び（ｂ）断面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の非水電解質二次電池は、正極と負極とをセパレータを介して巻回した電極群を、開口部を有する有底円筒形の電池ケースに収納し、前記開口部をガス排出機構を有する封口板で封口した非水電解質二次電池であって、前記電極群と前記封口板との間には上部絶縁板が配され、前記電池ケースには、前記上部絶縁板の上部において内側に突出する溝部が形成されており、前記電極群の中央部には中芯が配されており、前記上部絶縁板と前記中芯とは一体成形された構造体であることを特徴とする。
【００１７】
上述したように、本発明では、上部絶縁板と中芯とが一体成形された構造体を用いることで、中芯を上部絶縁板の貫通孔へ圧入する必要が無く、上部絶縁板に押圧されることでの電極群の損傷や、上部絶縁板が変形することでの組み立て工程時の破損を防ぎ、製造不
良を防ぐことができる。
【００１８】
また、中芯を挿入することで、上部絶縁板の設置も同時に完了するため、工数を低減でき、さらに、中芯と一体成形されているため、上部絶縁板の高さ位置、水平度を精度良く設置することができる。したがって、例えば、上部絶縁板の底面から中芯の端部までの距離を設定しておき、中芯の端部を電池ケースの底面に突き当たるまで挿入することで、上部絶縁板の高さ方向の位置合わせができ、また電極群が収容される空間（電池ケースと上部絶縁板で囲まれる空間）を容易に精度良く規定することが可能となる。
【００１９】
上述したように、巻回して構成した電極群を有する電池では、中央部に空隙が存在するため、電池の異常時に急激な圧力上昇が起こった場合、電池ケース内部における圧力は均等ではなく、特に、その中央部の圧力密度が瞬時に高くなる。したがって、電極群の上部に位置する上部絶縁板においても、その中央部にかかる圧力が高くなる。
【００２０】
これに対し、本発明では、上部絶縁板は中芯と一体化されているため強度が強く、その破壊を防ぐことができる。したがって、上部絶縁板が電極群の移動を抑制することで、ガス排出流路を確保し、電池ケース外部に速やかにガスを排出することができる。また、上部絶縁板の強度が強くなるため、上部絶縁板に設けるガス排出のための貫通孔を大きくすることが可能となり、それによっても、ガスをより効率よく排出することができる。なお、本発明の上部絶縁板において、中央部付近の厚みが厚くなるよう構成してもよい。これにより、上部絶縁板の強度をさらに向上することができる。
【００２１】
本発明において、上部絶縁板と中芯とを一体成形した構造体は、例えば、金属製の中芯を樹脂射出成形の金型にはめ込み、当該中芯の端部に、上部絶縁板を樹脂モールド成形することによって形成することができる。この場合、中芯と上部絶縁板の接続部における強度を確保するために、できるだけ接続部の面積を広くすることが望ましい。具体的には、樹脂と接触する中芯の部位に凹凸を設けてもよく、中芯の端部を上部絶縁板の上面に沿うよう径を広げた形状としてもよい。さらに、樹脂の射出成形等により、上部絶縁板と中芯とを同一の樹脂で形成することもできる。また、金属の鋳造等によって一体成形し、上部絶縁板の少なくとも電極群と当接する面を絶縁体で被覆することで形成してもよい。このように硬度の高い金属で構造体を形成した場合は、さらに上部絶縁板の強度を向上することができ、より効果的に電極群の移動を抑制することができる。
【００２２】
上記構造体に用いる樹脂としては、耐熱性の観点からポリオレフィン系樹脂及びポリイミド系樹脂から選ばれる少なくとも１種からなることが好ましい。また、耐熱性および強度の観点から、ガラスクロスを基材とし無機添加剤を含むフェノール樹脂から構成されていてもよい。上記無機添加物としては、アルミナ、シリカ、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、及び炭酸カルシウムからなる群より選ばれた少なくとも一種であることが好ましい。
【００２３】
また、上記構造体に用いられる金属としては、鉄、アルミ、アルミ合金、銅、ステンレス鋼等を用いることが好ましい。
【００２４】
また、本発明による非水電解質二次電池において、構造体を構成する上部絶縁板は、湾曲した形状であって、電極群の方向に湾曲していることが好ましい。
【００２５】
このような構成によれば、上部絶縁板の中央部にかかる圧力が高くなっても、湾曲した形状により、さらに中央部の強度が強くなり、上部絶縁板の破壊を抑えることができる。その結果、電極群の移動によるガス排出流路の遮断を防止し、電池外部に効率的にガスを排出することができる。さらに、仮に上部絶縁板が封口板の方向に移動し、上部絶縁板の
外縁部が封口板と接触したとしても、電極群方向に湾曲している構造であるため、封口板と上部絶縁板との間の空間が保持され、封口板のガス排出流路を塞ぐことを防ぐことができる。また、電極群の移動を抑制するには、上部絶縁板は厚いほど強度が高く望ましいが、湾曲した形状とすることで、薄く形成しても強度が維持できるため、安価に作成することが可能となる。
【００２６】
また、本発明において、湾曲した上部絶縁板は、その曲率が０．０２／ｍｍ以上０．０７／ｍｍ以下であることが望ましい。曲率が０．０２／ｍｍより小さい場合は、変形に対する耐圧が低く、電極群の移動を十分抑制できないため望ましくない。また、０．０７／ｍｍより大きい場合は、電池内部空間の利用効率の観点から望ましくない。
【００２７】
また、本発明において、上部絶縁板は、その厚みが０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが望ましい。０．３ｍｍより薄いと十分な変形に対する耐圧が得られなく、電極群の移動の抑制効果が小さくなるため望ましくない。また、１．０ｍｍより厚くすると、電池ケース内で必要以上の体積を占め容量を損なってしまう上、コストの観点からも望ましくない。
【００２８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態に係る円筒形のリチウムイオン二次電池の概略断面図であり、図２は、図１の電池に用いられる上部絶縁板と中芯を一体成形した構造体を示す斜視図である。図１の電池１００は、円筒形のリチウムイオン二次電池であり、正極１と、負極２と、それらの間に介在するセパレータ３とを渦巻き状に巻回して構成された電極群４を備えている。電極群４は、非水電解質（不図示）とともに有底円筒形の金属製の電池ケース５に収納される。電池ケース５の開口部は、アウターガスケット７を介して封口板１９により封口され、これにより電極群４および非水電解質は電池ケース５の内部に密閉される。
【００３０】
ここで、電池ケース５の内部には、上部絶縁板１０と中芯１８とが一体成形された構造体２０が設置され、この構造体２０の中芯１８部分を電極群４の中央空隙部に挿入することで、電極群４の上側に、構造体２０の上部絶縁板１０部分が配置される。上部絶縁板１０の外縁部は、電池ケースに形成された溝部１７で支持され、電極群は上部絶縁板１０により固定される。また、電極群４の下側には下部絶縁板１６が、配設される。
【００３１】
封口板１９は、導体からなる、ハット状の端子板１１、環状のＰＴＣ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ： 正温度係数）サーミスタ板１２、円形の上側弁体１３および下側弁体１４、フィルター６、及び絶縁体からなる環状のインナーガスケット１５から構成される。インナーガスケット１５は上側弁体１３の周縁部と下側弁体１４の周縁部との間に配設されて、上側弁体１３の周縁部と下側弁体１４の周縁部とが接触するのを防いでいる。また、インナーガスケット１５は、フィルター６と端子板１１の周縁部とが接触しないように、両者の間に介在される。
【００３２】
端子板１１、ＰＴＣサーミスタ板１２、及び上側弁体１３は、それらの周縁部で接続している。また、上側弁体１３と下側弁体１４とはそれらの中央部で接続している。さらに、下側弁体１４とフィルター６とはそれらの周縁部で接続している。以上の結果、端子板１１とフィルター６とは互いに導通している。
【００３３】
正極１は、正極リード８を介してフィルター６と接続され、端子板１１が正極の外部端子となっている。一方、負極２は、負極リード９を介して電池ケース５の底面に接合され、電池ケース５が負極の外部端子となっている。
【００３４】
封口板１９の端子板１１は、複数の外部排気孔１１ａを有し、フィルター６も複数の内部排気孔６ａを有している。上側弁体１３及び下側弁体１４には、環状の溝が中央部に形成されおり、その溝が破断すると、そこに弁孔が形成される。例えば、電池１００において、内部短絡や過充電等の異常によるガスが発生して、電池１００内部の圧力が上昇すると、下側弁体１４の溝が押し破られ弁孔が形成され、電流経路が遮断される。さらに電池１００内の圧力が上昇すると、上側弁体１３の溝が破断することで弁孔が形成される。これによって、電池１００内に発生したガスは、フィルター６の内部排気孔６ａ、下側弁体１４及び上側弁体１３の弁孔、端子板１１の外部排気孔１１ａを通って、電池外部へ排出される。このように、電池ケース５の内部圧力が所定値に達した時に作動するガス排出機構が封口板１９に備えられる。
【００３５】
上記のようなガス排出機構が作動する場合において、巻回された電極群では、中央部に空間ができるためガスの排出が集中する。さらに、電池ケース５内部の圧力が異常に上昇すると、上部絶縁板１０の貫通孔１０ａを通り、フィルター６の内部排気孔６ａに向かってガスが排出される。したがって、従来の非水電解質二次電池によれば、上記のような異常時において排出されるガスの圧力により、上部絶縁板１０は変形又は破壊され、電極群４が上部絶縁板１０とフィルター６との間にある空間へ変形しながら移動するため、上部絶縁板１０の貫通孔１０ａやフィルター６の内部排気孔６ａを塞いでしまうことがある。本発明によれば、図２に示すような上部絶縁板１０と中芯１８とを一体成形した構造体２０を電池に設置する。したがって、上部絶縁板１０の中央部は、中芯１８と一体成形され、強固に固定されているため、上部絶縁板１０の変形や破壊を防ぎ、電極群４の移動を抑制することができる。さらに、このような構造体２０を用いることで、中芯挿入と上部絶縁板設置の２工程を１工程に減らすことができるため、生産性を向上することができる。
【００３６】
（実施の形態２）
図３は、本発明の他の実施形態に係る非水電解質二次電池の概略構成を示す断面図、図４は、その電池に用いられる上部絶縁板と中芯を一体成形した構造体の（ａ）上面図、及び（ｂ）断面図である。
【００３７】
図３に示した実施形態の電池２００においても、図１と同様のガス排出機構を有している。また、上部絶縁板２１及び中芯２２は一体成形された構造体２３である。ここで本実施形態では、上部絶縁板２１は、電極群４の方向へ湾曲した構造を有している。このように上部絶縁板２１を電極群の方向へ湾曲した構造とすることで、中央部のガス排出圧力に対する強度を、さらに高くすることでき、構造体２３の上部絶縁板２１において、特にその中央部の破損を防ぎ、電極群４の移動によるガス排出経路の遮断を防ぐことができる。
【００３８】
この上部絶縁板２１の曲率は、曲率を大きくすることで上部絶縁板２１の強度を強くすることができるが、電極群４の収容可能容積が低下し、電池容量が低くなるため、０．０２／ｍｍ以上０．０７／ｍｍ以下とすることが望ましい。同様に、上部絶縁板２１の厚みは、厚みを大きくすることで上部絶縁板２１の強度を強くすることができるが、電極群４の収容可能容積が低下し、電池容量が低くなるため、０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００３９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上部絶縁板１０、２１の貫通孔１０ａ、２１ａの形状、位置、及び個数は、図２及び図４に図示した形態に限定されない。また、本発明において、電池１００内に発生したガスを排出する機構は、図１および図３に示し
た構造に限定されず、他の構造であってもよい。
【００４０】
また、本発明の非水電解質二次電池が、リチウムイオン二次電池の場合は、構成材料として以下のものを用いることができる。
【００４１】
正極１は、正極集電体上に正極活物質層を形成することで構成することができる。正極集電体は、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、チタン、チタン合金等を用いることができるが、中でもアルミニウムまたはアルミニウム合金とすることが電気化学的な溶出等が起こりにくいことから好ましい。
【００４２】
正極活物質としては、リチウム含有遷移金属化合物、例えばコバルト、マンガン、ニッケル、クロム、鉄およびバナジウムから選ばれる少なくとも一種の金属とリチウムとの複合金属酸化物が使用できる。その中でも、特に、リチウムニッケル系複合酸化物を用いた場合には、本発明の効果がより発揮される。正極活物質としてリチウムニッケル系複合酸化物を用いた場合、異常時のガス発生量は、リチウムコバルト系複合酸化物に比べて、３倍程度大きくなるため、上記課題は顕在化する畏れがあるが、この場合でも、本発明により効果を得ることができる。
【００４３】
また、正極活物質層は、正極活物質、結着剤、および導電剤を、分散媒とともに混練して分散させたスラリー状の合剤を調製し、この合剤を正極集電体に付着させることにより形成できる。
【００４４】
負極２は、負極集電体上に負極活物質層を形成することで構成することができる。負極集電体は、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金等を用いることができるが、中でも銅、銅合金、ニッケルまたはニッケル合金とすることが電気化学的な溶出等が起こりにくいことから好ましい。負極活物質としては、リチウムイオンを可逆的に吸蔵及び放出し得る黒鉛型結晶構造を有する材料、例えば、天然黒鉛や球状又は繊維状の人造黒鉛、難黒鉛化性炭素（ハードカーボン）、易黒鉛化性炭素（ソフトカーボン）などの炭素材料や、酸化錫、酸化珪素等の金属酸化物材料、ケイ素、シリサイドなどのケイ素含有化合物などを用いることができる。負極活物質層は、負極活物質、結着剤、および分散媒、必要により導電材を含んだスラリー状の合剤を負極集電体に付着させることにより形成できる。
【００４５】
セパレータ３としては、ポリオレフィン系材料を用いることができ、ポリオレフィン系材料と耐熱性材料を組み合わせたものを用いることが好ましい。ポリオレフィン多孔膜としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体の多孔膜などが例示できる。これらの樹脂は、単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。耐熱性材料としては、アラミド、ポリイミド、ポリアミドイミド等の耐熱性樹脂からなる膜、または、耐熱性樹脂と無機フィラーの混合体を用いることができる。
【００４６】
また電解質は、非水溶媒にリチウム塩を溶解することにより調製される。非水溶媒は、例えば、環状カーボネートとして、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなど、また鎖状カーボネートとして、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなど、が用いられる。また、リチウム塩としては、電子吸引性の強いリチウム塩、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４などが使用される。
【実施例】
【００４７】
本発明の実施例を説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。以下のようにして、リチウムイオン二次電池からなる試験体を作製した。
【００４８】
（実施例１）
（１）正極の作製
正極活物質として、平均粒径が１２μｍであるＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５Ｏ２を使用した。正極活物質１００重量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデンフルオライド１．７重量部、及び導電剤としてアセチレンブラック２．５重量部を、液状成分に混合させて正極合剤ペーストを調製した。
【００４９】
その正極合剤ペーストを、アルミニウム箔からなる正極集電体の両面に、正極リード８の接続部分を除いて塗布、乾燥して、正極の前駆体を作製し、その後、それを圧延して、正極１を得た。このとき、厚みが１２８μｍとなるように正極の前駆体を圧延した。また、正極集電体として使用したアルミニウム箔の長さは６６７ｍｍ、幅は５７ｍｍ、厚さは１５μｍであった。
【００５０】
（２）負極の作製
負極活物質として平均粒径が２０μｍのグラファイトを使用した。負極活物質１００重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンフルオライド０．６重量部と、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース１重量部と、適量の水とを、双腕式練合機にて攪拌し、負極合剤ペーストを得た。
【００５１】
その負極合剤ペーストを、銅箔からなる負極集電体の両面に、負極リード９の接続部分を除いて塗布、乾燥して、負極の前駆体を作製し、その後、それを圧延して、負極２を得た。このとき、厚みが１５５μｍとなるように負極の前駆体を圧延した。また、負極集電体として使用した銅箔の長さは７４５ｍｍ、幅は５８．５ｍｍ、厚さは８μｍであった。
【００５２】
（３）非水電解質の調整
非水電解質は、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとを１対１の体積比で混合した混合溶媒に、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１．０ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解することにより調製した。
【００５３】
（４）封口板の作製
図１に示した封口板を作製した。上側弁体１３および下側弁体１４はアルミニウム製とした。端子板１１は鉄製とした。フィルター６はアルミニウム製とした。インナーガスケット１５はポリプロピレン製とした。
【００５４】
（５）電池の組立
上述のようにして作製した正極および負極を、その間にセパレータ３を介在させて積層し、積層体を得た。セパレータ３には、厚さが２０μｍであるポリエチレン製の多孔膜を使用した。得られた積層体の正極の巻き始めの部分に正極リード８を接続し、負極の巻き終わりの部分に負極リード９を接続した。その状態で、上記積層体を渦巻き状に巻回して電極群４を得た。
【００５５】
上記のようにして得られた電極群４を鉄製の電池ケース５に収納した。このとき、正極リード８を周縁部にポリプロピレン製のアウターガスケット７を取り付けた封口板１９のフィルター６にレーザー溶接法により溶接し、負極リード９を電池ケース５の底面に抵抗溶接法により溶接した。電池ケース５は、直径（外径）が１８ｍｍ、高さが６５ｍｍ、缶壁の厚みが０．１５ｍｍであるものを使用した。この電池ケース５の厚みは、通常市販されている円筒形のリチウムイオン二次電池の電池ケースの厚みに近いものである。また、電極群４の下側には下部絶縁板１６を配設し、電極群４の中央空隙部および上側に、上部絶縁板１０と中芯１８とが一体成形されたポリプロピレン製の構造体２０（ａ＝１８ｍｍ
、ｂ＝０ｍｍ、曲率０／ｍｍ、厚み１．５ｍｍ、ｃ＝５９ｍｍ、ｄ＝２．５ｍｍ）を配置した。ここで、曲率は、図４に示す寸法ａ、ｂを測定し、２ｂ／｛（ａ／２）２＋ｂ２｝の値を計算することで求めた。
【００５６】
電池ケース５内に非水電解質を注入した後、電池ケース５の開口端部から５ｍｍの位置で上部絶縁板１０の上部において、電池ケース５を周方向に一周するように、内側に突出する溝部１７を形成し、この溝部１７により電極群４を上部絶縁板１０を介して固定した。
【００５７】
次に、電池ケースの溝部１７の上に載せるようにして、アウターガスケット７を取付けた封口板１９を電池ケース５の開口部に配置した後、電池ケース５の開口部を内側に曲げるようにかしめて、電池ケース５を封口した。以上のようにして、直径が１８ｍｍ、高さが６５ｍｍである試験体を作製した。このリチウムイオン二次電池の設計容量は２６００ｍＡｈであった。
【００５８】
（実施例２）
湾曲した上部絶縁板と中芯とが一体成形されたポリプロピレン製の構造体２０（ａ＝１８ｍｍ、ｂ＝０．５ｍｍ、曲率０．０１／ｍｍ、厚み１．５ｍｍ、ｃ＝５８．５ｍｍ、ｄ＝２．５ｍｍ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にして試験体を作製した。
【００５９】
（実施例３）
湾曲した上部絶縁板と中芯とが一体成形されたポリプロピレン製の構造体２０（ａ＝１８ｍｍ、ｂ＝１．０ｍｍ、曲率０．０２／ｍｍ、厚み０．３ｍｍ、ｃ＝５８ｍｍ、ｄ＝２．５ｍｍ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にして試験体を作製した。
【００６０】
（実施例４）
湾曲した上部絶縁板と中芯とが一体成形されたポリプロピレン製の構造体２０（ａ＝１８ｍｍ、ｂ＝１．０ｍｍ、曲率０．０２／ｍｍ、厚み１．０ｍｍ、ｃ＝５８ｍｍ、ｄ＝２．５ｍｍ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にして試験体を作製した。
【００６１】
（実施例５）
湾曲した上部絶縁板と中芯とが一体成形されたポリプロピレン製の構造体２０（ａ＝１８ｍｍ、ｂ＝１．０ｍｍ、曲率０．０２／ｍｍ、厚み１．５ｍｍ、ｃ＝５８ｍｍ、ｄ＝２．５ｍｍ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にして試験体を作製した。
【００６２】
（比較例１）
中央部に貫通孔を有するポリプロピレン製の上部絶縁板（ａ＝１８ｍｍ、ｂ＝０ｍｍ、曲率０／ｍｍ、厚み１．５ｍｍ）、及び鉄製の中芯（ｃ＝５９ｍｍ、ｄ＝２．５ｍｍ）を使用し、電極群の中央空隙部に中芯を挿入し、その後に電極群の上側に上部絶縁板を配置し、上部絶縁板の貫通孔に中芯を圧入することで試験体を作製した。それ以外は、実施例１と同様にして試験体を作製した。
【００６３】
（比較例２）
中央部に貫通孔を有するポリプロピレン製の上部絶縁板（ａ＝１８ｍｍ、ｂ＝０ｍｍ、曲率０／ｍｍ、厚み１．５ｍｍ）、及び鉄製の中芯（ｃ＝５９ｍｍ、ｄ＝２．５ｍｍ）を使用し、電極群の上側に上部絶縁板を配置し、その後に上部絶縁板の貫通孔から中芯を電極群の中央空隙部に挿入することで試験体を作製した。それ以外は、実施例１と同様にして試験体を作製した。
【００６４】
（製造不良率）
電池ケースにおいて、上部絶縁板の上側に、電池ケースを周方向に一周するよう内側に突出する溝部を形成した後、作製した電池を抜き取り、組立工程における不良の発生率を調べた。具体的には、実施例及び比較例の電池各５００個について、電極群の上部の圧迫痕の有無、及び溝部形成時の上部絶縁板の噛みこみの有無を目視により観測し、いずれかが発生した個数を不良個数とし、不良率を算出した。
【００６５】
（加熱試験）
作製された試験体に対して、以下のような条件で加熱試験を実施した。まず、２５℃の環境の下で１５００ｍＡの電流により電池電圧が４．２５Ｖとなるまで充電した。充電後の試験体をホットプレートの上に置き、２５℃から２００℃まで毎秒１℃ずつ温度が上昇するように加熱した。そして、試験後の電池を分解し、電極群の上部方向への移動量を測定した。これらの結果を（表１）に示す。
【００６６】
【表１】
【００６７】
表１に示すように、実施例１〜５においては、絶縁板と中芯を一体化する工程での製造不良は発生しなかった。それに対し、比較例では、電池ケースの溝部を形成する工程で、上部絶縁板の噛みこみや、中芯と上部絶縁板の貫通孔の位置がずれることで、上部絶縁板が中芯によって押されて移動し、電極群を損傷する製造不良が発生した。
【００６８】
また、加熱試験においては、上部絶縁板と中芯とが一体成形された構造体を用いた実施例１では、比較例と比べて電極群の移動が抑制されていた。これは、一体構造とすることで上部絶縁板の中央部の強度が増したことによるものと考えられる。さらに上部絶縁板を湾曲させた実施例２〜５では、電極群の移動は確認されなかった。
【００６９】
以上のように、実施例の電池では、電極群の移動によって封口板のガス排出流路が遮断されることを防ぎ、電池の安全性を向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明によれば、安全性を向上した非水電解質二次電池を提供することができる。このような本発明の電池は、特にパーソナルコンピュータ、携帯電話、モバイル機器、携帯情報端末（ＰＤＡ）、携帯用ゲーム機器並びにビデオカメラ等の携帯用電子機器の電源として利用できる。また、ハイブリッドカー、電気自動車、燃料電池自動車等の交通用機器に
おいて、その電動機の駆動を補助する電源としても有用である。また、電動工具、掃除機、およびロボット等の駆動用電源としても有用であり、プラグインＨＥＶの動力源としても有用である。
【符号の説明】
【００７１】
１ 正極
２ 負極
３ セパレータ
４ 電極群
５ 電池ケース
６ フィルター
６ａ 内部排気孔
７ アウターガスケット
８ 正極リード
９ 負極リード
１０、２１ 上部絶縁板
１０ａ、２１ａ 貫通孔
１１ 端子板
１１ａ 外部排気孔
１２ ＰＴＣサーミスタ板
１３ 上側弁体
１４ 下側弁体
１５ インナーガスケット
１６ 下部絶縁板
１７ 溝部
１８、２２ 中芯
１９ 封口板
２０、２３ 構造体
１００、２００ 電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と負極とをセパレータを介して巻回した電極群を、開口部を有する有底円筒形の電池ケースに収納し、前記開口部をガス排出機構を有する封口板で封口した非水電解質二次電池であって、
前記電極群と前記封口板との間には上部絶縁板が配され、前記電池ケースには、前記上部絶縁板の上部において内側に突出する溝部が形成されており、
前記電極群の中央部には中芯が配されており、前記上部絶縁板と前記中芯とは一体成形された構造体であることを特徴とする非水電解質二次電池。
【請求項２】
前記上部絶縁板は、湾曲した形状であって、前記電極群の方向に湾曲している請求項１に記載の非水電解質二次電池。
【請求項３】
前記上部絶縁板の曲率は、０．０２／ｍｍ以上０．０７／ｍｍ以下である請求項２に記載の非水電解質二次電池。
【請求項４】
前記上部絶縁板の厚みは、０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である請求項２または３に記載の非水電解質二次電池。
【請求項１】
正極と負極とをセパレータを介して巻回した電極群を、開口部を有する有底円筒形の電池ケースに収納し、前記開口部をガス排出機構を有する封口板で封口した非水電解質二次電池であって、
前記電極群と前記封口板との間には上部絶縁板が配され、前記電池ケースには、前記上部絶縁板の上部において内側に突出する溝部が形成されており、
前記電極群の中央部には中芯が配されており、前記上部絶縁板と前記中芯とは一体成形された構造体であることを特徴とする非水電解質二次電池。
【請求項２】
前記上部絶縁板は、湾曲した形状であって、前記電極群の方向に湾曲している請求項１に記載の非水電解質二次電池。
【請求項３】
前記上部絶縁板の曲率は、０．０２／ｍｍ以上０．０７／ｍｍ以下である請求項２に記載の非水電解質二次電池。
【請求項４】
前記上部絶縁板の厚みは、０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である請求項２または３に記載の非水電解質二次電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−７３８７３（Ｐ２０１３−７３８７３Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１３９５９（Ｐ２０１１−２１３９５９）
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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