專利名稱：電池及其所使用的渦旋狀電極組的制造方法
技術領域：
本發明涉及把渦旋狀電極組裝入電池外殼內而制成的電池、以及適合高效地制造該電池中使用的渦旋狀電極組的制造方法。
背景技術：
近幾年，音像(AV)設備或個人計算機和便攜式通信設備等電氣設備的便攜化和無繩化迅速發展。作為這些電氣設備的驅動用電源，過去主要采用鎳鎘電池和鎳氫電池等水溶液類電池。但近幾年，能夠快速充電、體積能量密度和重量能量密度均很高的鋰二次電池作為代表性的非水電解液電池已發展成為主流產品。另一方面，上述鎳鎘電池和鎳氫電池，其發展趨勢是專門用作需要大的負荷特性的功率工具和電動車等的驅動用電源。
上述非水電解液電池，其高能量密度和負荷特性良好，而且適于設備的薄型化，而且制成高空間利用效率高的方形，這些因素促進了發展。再者，對這些電池，隨著便攜式電氣設備的高性能化和高功能化的發展，需要更高的電壓和更大的容量。過去方形電池中采用的電極組，其主流的積層型產品是在長方形的正極板和負極板中間夾入隔膜后進行積層而制成的。因為電極反應面積小，所以，重負荷特性不足，不適合快速充電。因此，為了滿足這種要求，廣泛采用這樣的非水電解液電池，即對正極板和負極板在它們中間夾入隔膜后進行積層，把正、負極板卷繞成渦旋狀，制成方形渦旋螺狀電極組。該方形渦旋狀電極組，當觀看縱斷面形狀時，正、負極板形成多層積層(疊層)結構，可以獲得大的電極反應面積。
上述方形渦旋狀電極組，其制造方法是利用斷面為圓形或斷面橢圓形狀的卷芯，把正、負極板卷繞成渦旋狀之后，對該橫斷面形狀為圓形或橢圓形狀的渦旋狀電極組進行壓縮，形成方形的橫斷面形狀。該制造方法的缺點是當壓縮時，會產生卷繞偏移，或者在彎曲部附近內周部上產生積層體之間的未緊密結合部，電極反應不均勻，電池容量減小，或產生偏差。
因此，近幾年，日本專利特開平6-96801號公報公開了一種方形渦旋狀電極組的制造方法，這是利用平板狀卷芯來卷繞正、負極板，在卷繞結束時橫斷面形狀形成橢圓形，并且，日本特開平8-171917號公報公布了另一種方形渦旋狀電極組的制造方法，這是利用斷面幾乎為菱形狀的卷芯對正、負極板卷繞后，壓縮成斷面方形。并且，作為過去的另一種方形渦旋狀電極組的制造方法，由日本特開平10-302827號公報公開了把正、負極板卷繞成方形的橫斷面形狀之后進行高壓壓縮成形的方法。
另一方面，圓筒形電池所使用的圓形渦旋狀電極組，其制造方法的方案，如日本特開昭60-180071號公報所公開的那樣，把正、負極板卷繞成具有圓形的橫斷面形狀的渦旋狀，然后立即在其外周面上緊緊地纏繞粘接膠帶，這樣使其外徑達到稍小于其安裝用的圓形電池外殼的內徑。該圓形渦旋狀電極組在裝入到電池外殼內時，在利用帶有夾子的夾具對其外周面進行夾持的狀態下，用切刀把粘接膠帶和隔膜的一部分切斷，在此狀態下把下部插入到電池外殼內，然后可以不除去粘接膠帶，在由極板的反彈力使其松弛的狀態下插入到電池外殼內。這樣，能很容易地把電極組安裝到電池外殼內，而且能減少短路。
并且，圓筒形電池所使用的渦旋狀電極組的另一制造方法，如日本特開平10-64577號公報所公開的那樣，使耐堿性物質附著在正極板卷繞的導入部的單面或雙面上，然后把正、負極板卷繞成渦旋狀；這樣，來減小隔膜的使用量，降低包裝率(電池中的表示活性的部分以外的部分的體積與電池總體積之比)，提高組裝性和容量，能防止卷繞工序時正極板端面的產生裂紋而造成的短路。
然而，日本特開平10-64577號公報中的圓形渦旋狀電極組，其目的在于減少開始卷繞部分產生裂紋所造成的短路，在正、負極板在一定程度上較厚時，開始卷繞部分不是正圓形狀，而是多角形狀，所以容易出現裂紋造成的短路。為防止發生這種缺陷，在日本特開昭60-180071號公報的圓形渦旋狀電極組中，在外周面上緊緊地纏上粘接膠帶。但并非僅按膠帶的量使電池的包裝率相應地變大而使電池容量相應地減小，而是在插入到電池外殼內時，在切斷粘接膠帶和隔膜的一部分時產生超過需要的卷繞松弛，所以，相鄰的正、負極板之間產生間隙，故造成電極反應不均勻，電池容量降低，容量偏差增大。
但是，近幾年的渦旋狀電極組，為了用于需要大負荷特性的功率工具和電力汽車等的驅動用電源，減小正、負極板和隔膜的厚度，增加卷繞卷數，以便實現大容量。為實現該大容量，利用日本特開昭60-180071號公報和日本特開平10-64577號公報所述的具有卷繞松弛的渦旋狀電極組是不能實現的，所以，必須像日本特開平6-96801號公報、日本特開平8-171917號公報和日本特開平10-302827號公報所述的渦旋狀電極組的制造方法那樣進行卷繞，使鄰接的正、負極板分別緊密接合，沒有間隙，而且不產生卷繞松弛和卷繞偏差。其理由是若在鄰接的正、負極板之間存在間隙，則電極反應不均勻，造成電池容量減小，容量偏差增加。
但是，如日本特開平6-96801號公報、日本特開平8-171917號公報和日本特開平10-302827號公報所述的發明那樣，卷繞成鄰接的正、負極板之間緊密結合，而且不產生卷繞松弛的狀態下進行固定的情況下，能夠減少開始卷繞部分的裂紋。但是出現以下說明的新問題。也就是說，第1個問題是卷繞成薄的鄰接的正、負極板之間緊密結合，而且不產生卷繞的松弛的狀態的電極組，在制造電池時的電解液注液工序中，電解液很難順利地浸漬到正、負極板和隔膜內，所以，在制造后的電池中，隨著上述電解液的循環流動性變壞，充放電反應產生偏差，高負荷特性下降。
第2個問題是當方形渦旋狀電極組和電解液一起放入到電池外殼內作為電池使用時，隨著反復充放電，正極板和負極板的活性物質膨脹，其結果，如表示在電池中使用狀態的過去的方形渦旋狀電極組50的圖9所示，在縱長方向的兩側彎曲部分之間的直線部分上產生比較大的壓曲。這是因為正、負極板中的橢圓形橫斷面形狀的直線部分向縱長方向延伸，而兩側的彎曲部分隨著延伸而向外側膨脹鼓出的這種趨勢，受到電池外殼的限制，所以，幾乎不產生延伸，此外，在鄰接的正、負極板之間貼緊的狀態下進行固定，使其保持不產生松弛的卷繞狀態。所以，總是會在直線部分上產生縱壓曲。
在產生上述壓曲的情況下，在方形渦旋狀電極組50中的尤其中央部分上產生較大的間隙，使正極板和負極板分離，所以，電極反應不均勻，充放電的周期特性降低。并且，當產生壓曲時，也會使隔膜受損傷，正、負極板互相接觸短路。另外，在產生壓曲的情況下，不僅渦旋狀電極組50的中央部分由于壓曲而形成向外突出的狀態，或者電池外殼變形，大于規定尺寸而產生異常惡化，而且也可能由于電池外殼變形，使電池從所用設備的電池支架盒中脫出，造成電氣性的故障。
再者，在方形渦旋狀電極組中，在使正、負極板薄型化的情況下，可能把開始卷繞部分卷繞成正圓形狀。但隨著充放電的反復進行，正極板和負極板的活性物質產生膨脹，于是，鎳氫電池中使用狀態的過去的圓形渦旋狀電極組60如圖10所示，產生壓曲，橫斷面形狀在圓形的中心部分變成向內折彎的狀態。在產生這種壓曲的情況下，如在方形渦旋狀電極組50中說明那樣，出現各種故障，如電極反應不均勻，使充放電的周期特性(使用壽命)降低，隔膜損傷使正、負極板短路。而且，上述圓筒渦旋狀電極組60的問題，同樣地也出現在幾乎是正方形的4個角部變成為圓弧狀的橫斷面形狀的圓角方形渦旋狀電極組上。
發明內容
因此，本發明是解決上述過去的問題的技術方案，其目的在于提供一種電池，該電池所具備的渦旋狀電極組能迅速且均勻地浸漬電解液，而且能抑制壓曲的發生，再有正、負極板和隔膜之間沒有間隙地處于緊貼狀態，本發明還提供一種適合制造上述電池中使用的渦旋狀電極組的制造方法。
為了達到上述目的，涉及本發明的電池，渦旋狀電極組安裝在電池外殼內，而且，電解液注入到上述電池外殼內，上述電池外殼的開口部由封口板進行封口，該電池，其特征在于上述渦旋狀電極組，帶狀的正極板和負極板、以及在它們之間對正負極板中的某一極板的兩面進行覆蓋的一對隔膜，進行積層而構成的電極積層體的厚度為t，對電極積層體進行卷繞而構成的電極組的橫斷面形狀的最大直徑為W，根據上述正、負極板的各自的活性物質的膨脹率等預先設定的、具有0.005～0.05的值的系數為k，這時，卷繞成渦旋狀的電極積層體的互相鄰接的內周側和外周側的周長差L設定為L＝2tπ+W×k。
該電池采用把厚度較薄的電極積層體卷繞成的渦旋狀電極組的情況下，也會在渦旋狀電極組中出現相當于周長差L的間隙或者相當于間隙大小的卷繞體松弛，所以，在制造過程的注液工序中，注入到電池外殼內的電解液能迅速而且均勻地浸漬到電極積層體內，因此，能防止充放電反應不均勻，能提高高負荷特性。而且，當作為電池使用反復多次進行充放電時，渦旋狀電極組的正、負極板由于各自的活性物質膨脹等而進行延伸，但因為對該延伸量加以估計而預先設定的間隙存在于渦旋狀電極組中，所以，延伸量被間隙吸收，能阻止壓曲的產生。
并且，上述延伸長度根據其原有長度的不同而異，該電池的渦旋狀電極組，設定了與橫斷面形狀的最大直徑W相對應的間隙，所以，各繞卷部分的延長量被間隙準確地吸收。因此，當反復多次進行充放電時，形成渦旋狀電極組的電極積層體變成整體上均勻地互相貼緊的理想狀態。所以，該電池，整體均勻地進行充放電，充放電的周期特性提高，而且，不會降低電池容量，不會產生容量偏差。并且，渦旋狀電極組，在貼緊狀態下進行接觸，與電池外殼的內周面之間幾乎沒有間隙。所以，體積能量效率大大提高。而且，不會發生隔膜損傷造成的正、負極板短路故障。另外，過去電池外殼因渦旋狀電極組變形和內壓異常升高等而產生變形的這種缺陷被消除，所以，不會發生異常劣化，能確保規定的壽命。
而且，所謂渦旋狀電極組的橫斷面形狀的最大直徑，是指方形渦旋狀電極組中的縱長方向的尺寸，在圓形渦旋狀電極組中是外形的直徑，并且，在圓角方形渦旋狀電極組中是外形的互相對置的二邊之間的距離。
并且，涉及本發明的渦旋狀電極組的制造方法，是帶狀的正極板和負極板以及它們之間存在的用于覆蓋正負某一極板兩面的一對隔膜，進行積層而構成的電極積層體，圍繞卷芯而卷繞成渦旋狀，這樣制成渦旋狀電極組，其特征在于在上述電極積層體卷繞工序的中途，在上述電極積層體互相鄰接的每2個繞卷部分之間的至少一個部位上放入具有規定尺寸的襯墊(隔離物)，卷繞成渦旋狀，該卷繞工序結束，用組固定部件來固定上述電極積層體的卷繞結束端部分，然后，把上述卷芯和襯墊拔出來。
該渦旋狀電極組的制造方法，利用襯墊厚度，能夠很容易，而且準確地設定規定間隙或卷繞體松弛度，而且，僅僅設置一道插入襯墊的工序，即可制成具有間隙的渦旋狀電極組，此法非常簡單，而且生產效率高。
上述發明的渦旋狀電極組的制造方法，當設定電極積層體的厚度為t，對該電極積層體進行卷繞而構成的渦旋狀電極組的橫斷面形狀的最大直徑為W，根據作為電池使用時的上述正、負極板的各自的活性物質的膨脹率等而預先設定的系數為k時，互相鄰接的內周側和外周側的2個繞卷部分的每一圈的繞卷長度之差L值達到L＝2tπ+W×k，這樣卷繞的電極組中，優選采用厚度能設定為上述L的總和的襯墊。
這樣，渦旋狀電極組延伸的長度隨橫斷面形狀的最大直徑而變化，與此相對應，間隙能設定到與電極組的最大直徑W相對應的大小，所以，利用襯墊的厚度，能準確地設定間隙，以便準確地吸收作為電池使用時的正、負極板的延伸量，不管正、負極板的各自的活性物質的膨脹率如何，也不管要制作的渦旋狀電極組的外形如何。
優選上述系數k設定為從0.005～0.05的范圍內根據襯墊的插入數而選擇的值。這樣，當作為電池使用時可以在不產生壓曲的范圍內盡量設置較小的間隙，即在作為電池使用時，能設定適當的間隙，以便電極積層體處于貼緊狀態，互相間沒有間隙。與此相比，在把系數設定為0.005以下進行間隙設定的情況下，當作為電池使用時產生壓曲，另一方面，把系數設定為0.05以上進行間隙設定的情況下，產生過大的卷繞松弛，當插入到電池外殼內時，渦旋狀電極組變形成竹筍狀，或者在電極積層體之間產生間隙，不能有效地放電，其結果，不能大電流放電。
優選襯墊是無邊棱的具有透鏡狀橫斷面形狀的棒狀體。這樣，在渦旋狀電極組的卷繞工序結束后拔出襯墊時，正、負極板的活性物質的涂敷面不會被襯墊損傷。與此相反，例如在采用斷面圓形或方形的襯墊的情況下，該襯墊的一部分對活性物質層幾乎是點接觸，所以，當拔出襯墊時，會對活性物質的涂敷面造成筋狀的損傷。
圖1A～圖1B表示涉及本發明第1實施方式的電池中所使用的渦旋狀電極組，圖1A是橫斷面圖，圖1B是圖1A的局部放大圖。
圖2是表示同上的渦旋狀電極組的卷繞卷數和鄰接的2圈部分的各圈的周長的差的關系的一例的曲線圖。
圖3是表示同上的渦旋狀電極組的卷繞卷數和鄰接的2圈(2個周長)部分的各圈的周長的差的關系的另一例的曲線圖。
圖4是同一實施方式的渦旋狀電極組的制造方法中的卷繞工序結束的狀態的渦旋狀電極組的橫斷面圖。
圖5是表示利用同上的渦旋狀電極組而構成的涉及本發明第1實施方式的電池的縱斷面圖。
圖6是表示同上的電池的分解斜視圖。
圖7A是涉及本發明第2實施方式的電池中使用的渦旋狀電極組的制造方法中的卷繞工序的結束狀態的橫斷面圖。圖7B是表示把同樣的渦旋狀電極組用于電池內的狀態的橫斷面圖。
圖8A是涉及本發明第3實施方式的電池中使用的渦旋狀電極組的制造方法中的卷繞工序的結束狀態的橫斷面圖。圖8B是表示把同樣的渦旋狀電極組用于電池內的狀態的橫斷面圖。
圖9是表示用于方形電池的狀態的過去的方形渦旋狀電極組的概要橫斷面圖。
圖10是表示用于圓筒形電池的狀態的過去的圓形渦旋狀電極組的概要橫斷面圖。
具體實施例方式
以下參照附圖，詳細說明本發明的最佳實施方式。圖1A是涉及本發明第1實施方式的電池中所使用的渦旋狀電極組1的橫斷面圖，圖1B是圖1A的局部放大圖。該實施方式表示方形電池中所使用的方形渦旋狀電極組1。該方形渦旋狀電極組1的結構是將帶狀正極板2和負極板3、以及夾設在其間的一對隔膜4A、4B積層而形成電極積層體7，再將電極積層體7卷繞成渦旋狀，這樣，如圖1A所示構成具有橢圓形橫斷面形狀的形狀。在同圖中舉例表示鋰二次電池用的方形渦旋狀電極組1，在負極板3上，在其卷繞開始端部分上安裝負極引線8；在正極板2上，在其卷繞結束端部分上安裝正極引線9。正、負極板2、3的卷繞結束端部分，利用粘貼在該部分上的組固定帶(組固定部件)10進行固定。
而且，圖1A是示意圖，它能使用戶容易理解其結構。例如一對隔膜4A、4B分別用一條直線表示。并且，一般，正極板2有時結構如下其形狀是在帶狀的正極芯材的兩面形成了正極活性物質層，活性物質層未成形部僅露出正極芯材的一個面。同樣，負極板3有時結構如下其形狀是在帶狀的負極芯材的兩面形成了負極活性物質層，活性物質層未成形部僅露出負極芯材的一個面。但該圖中，為了圖示方便起見，正極板2和負極板3均全長圖示為同一形狀。
并且，上述方形渦旋狀電極組1的結構特征，如圖1B所示，以正、負極板2、3和一對隔膜4A、4B為一組進行積層而構成的電極積層體7被卷繞成渦旋狀，并且被設定成在互相鄰接的內周側繞卷部分Ca和外周側繞卷部分Cb之間形成間隙11。但是，間隙11在圖1B中模式地表示，它被設定成在把電極積層體7卷繞成渦旋狀時產生該間隙，但卷繞結束后被卷繞體松弛，也會使間隙消失。并且，間隙11可設置在互相鄰接的各2個內周側和外周側的繞卷部分Ca、Cb之間的至少一個部位上，這一點待以后詳細說明。
上述間隙11設定成估計到如下延伸量的值，即，在利用該渦旋狀電極組1而構成的電池反復多次充放電時，正、負極板2、3的各自的活性物質的膨脹等而造成的電極積層體7的延伸量。以下具體說明該間隙11的設定。如圖1A-1B所示，當設定以正、負極板2、3和一對隔膜4A、4B為一組進行積層而構成的電極積層體7的厚度為t，卷繞結束后的方形渦旋狀電極組1的最大直徑為W，作為電池使用時的正、負極板2、3的各自的活性物質的膨脹率所對應的預先設定的系數為k時，上述間隙11如下設定，即，通過將互相鄰接的內周側繞卷部分Ca和外周側繞卷部分Cb各自的一周大小的繞卷長度的差L設定成L＝2tπ+(W×k)，將電極積層體7卷繞成渦旋狀而設定。該方形渦旋狀電極組1中，上述橫斷面形狀的最大直徑W為縱長方向的寬度。
如圖9所示的過去的渦旋狀電極組50那樣，卷繞成在互相鄰接的內周側繞卷部分和外周側繞卷部分中的某一個部位上也沒有間隙，保持貼緊的狀態，在此情況下，因為上述差L為(2tπ)，所以，從上述式中可以看出，上述間隙11設定為以下值，即，要制作的方形渦旋狀電極組1的最大直徑W，乘上根據正、負極板2、3的各自的活性物質的膨脹率和芯材的材質而決定的系數k后所得的值(W×k)。所以，隨著最大直徑W的增大，電極積層體7的延伸長度也增大，因此，間隙11設定為與最大直徑W相對應的大小。換言之，間隙11，不管正、負極板2、3的各自的活性物質的膨脹率如何，以及要制作的方形渦旋狀電極組1的最大直徑W如何，其設定值均應當能準確地吸收作為電池使用時的正、負極板2、3的延伸量。
上述k值優選設定在0.005～0.05的范圍內。在系數k設定為上述范圍內的值的情況下，在作為電池使用時不產生壓曲的范圍內，能形成盡量小的間隙11，即在作為電池使用時，正、負極板2、3和隔膜4A、4B達到貼緊狀態，互相間沒有間隙。這一點，從作為電池使用的各種正、負極板2、3的延伸長度的實際測量結果中已經證明。例如，把系數k設定為0.005以下的值，設置了間隙11的情況下，當作為電池使用時產生壓曲；把系數k設定為0.05以上的值，設置了間隙11的情況下，產生過大的卷繞體松弛，當插入到電池外殼內時，渦旋狀電極組變形成為竹筍形狀，或者正、負極板2、3和隔膜4A、4B之間產生間隙，不能有效地放電，其結果，不能進行大電流放電。
從上述說明中可以看出，上述方形渦旋狀電極組1，為了提高容量，對厚度薄的正、負極板和隔膜進行卷繞而構成的情況下，也要出現相當于周長差L的間隙11或者相當于間隙11大小的卷繞體松弛，所以，在方形電池制造過程的注液工序中，當已裝入上述方形渦旋狀電極組1的電池外殼內注入了電解液時，該電解液迅速而且均勻地浸入到正、負極板2、3和隔膜4A、4B內，因此，能防止充放電反應的不均勻，能準確地獲得旨在提高負荷特性的方形電池。
并且，上述方形電池，在未使用狀態時，如上所述，存在間隙11或卷繞體松弛，在作為電池使用反復多次充放電時，正、負極板2、3因各自的活性物質膨脹等而進行延伸，對該延伸量加以估計，與其相適應，準確地預先設定了間隙11或卷繞體松弛。所以，不僅能阻止壓曲的發生，而且正、負極板2、3和隔膜4A、4B能達到理想狀態，即整體上均勻地互相貼緊。
上述間隙11如圖2的曲線圖所示，在鄰接的2個繞卷部分之間分別進行設定，是理想的。但這種結構在制造上很麻煩。不過，間隙11如圖3的曲線圖所示，從實測結果中可以看出，即使僅設置在一個部位上，也能獲得上述效果。僅在一個部位上設置間隙11的情況下，當然把系數k設定為0.005～0.05范圍內的較大的值。并且，僅在一個部位上設置間隙11的情況下，不言而喻，圖3情況下的鄰接的2個繞卷部分的差[2tπ+(W×k)]必須設定為圖2情況下的各繞卷部分之間的各個差[2tπ+(W×k)]的合計值。
根據實測結果，已經證實，最大直徑W為32mm的渦旋狀電極組1，把系數k設定為0.0125的間隙(32×0.0125＝0.4mm)，設定在最外周的繞卷部分及其內周側的繞卷部分之間的一個部位上，即可使正、負極板2、3的延伸不產生壓曲，使正、負極板2、3和隔膜4A、4B整體均勻地互相貼緊。
并且，已經證實，在利用極薄的正、負極板2、3和隔膜4A、4B，來構成方形渦旋狀電極組1的情況下，也能準確地獲得上述良好結果。根據實測結果，將在由厚度為15μm的鋁箔構成的芯材的兩面上形成了正極側活性物質的正極板2、在由厚度為10μm的銅箔構成的芯材的兩面上形成了負極側活性物質的負極板3、以及把厚度為20±2μm的聚乙烯制的隔膜4A、4B互相重合而形成的電極積層體7，卷繞成渦旋狀，并設定為存在上述間隙11，這樣，制作出短邊為6.3mm、長邊為34mm和高度為50mm的方形鋰二次電池中所使用的方形渦旋狀電極組1。已經證實，利用該方形渦旋狀電極組1構成的方形電池在注液工序中，電解液能迅速而且均勻地浸漬到正、負極板2、3和隔膜4A、4B內，在作為電池使用的情況下，也未發生壓曲。
以下說明上述方形渦旋狀電極組1的制造方法。圖4表示具體實現上述方形渦旋狀電極組1的制造方法的卷繞工序結束階段的方形渦旋狀電極組1的橫斷面圖。在該圖中，對于和圖1相同或同等的部分，標注相同的符號。該制造方法，首先，將帶狀的正極板2和負極板3以及夾設在它們之間的一對隔膜4A、4B積層而構成的電極積層體7的開始卷繞端的半周部分，由一對平板狀卷芯12、13從兩側進行夾持進行固定之后，使一對卷芯12、13在保持其相互布置位置的狀態下進行旋轉，在該兩卷芯12、13的周圍把電極積層體7卷繞成渦旋狀，這樣開始卷繞工序。
在此情況下，一對卷芯12、13，在互相分離的方向上按規定距離進行位移的布置，利用各個外側的端部之間的距離來設定要制作的渦旋狀電極組1的直線部分的長度w。該直線部分的長度w，不管電極積層體7的繞卷數的多少都是一定的。與此相反，上述渦旋狀電極組1的縱長方向的寬度、即最大直徑W，在直線部分的長度w一定時也隨電極積層體7的繞卷數的不同而變化。
在上述卷繞工序中，在電極積層體7的互相鄰接的各2個繞卷部分之間的至少一個部位上夾設具有規定厚度的襯墊14，卷繞成渦旋狀。襯墊14的厚度設定值，應當達到其插入的部位的電極積層體7的內周側繞卷部分Ca和外周側繞卷部分Cb的每一周的卷繞長度的差L為上述2tπ+(W×k)。該襯墊14的插入使卷繞動作暫且中斷。
在該實施方式中，在縱長方向的中央部的相對置的2個部位和兩側的彎曲部分的中央部的相對置的2個部位，共計4個部位上分別插入襯墊14，舉例表示在4個部位上設置了間隙11的情況。間隙11如上所示，在某一部位上至少設置1個即可，該設置部位如果設置在上述縱長方向的中央部或者彎曲部分的中央部的任一位置上，就既能有效地阻止卷繞電極積層體7的偏移的發生，又容易卷繞成渦旋狀，所以效果良好。
如果卷繞工序結束，則在電極積層體7的卷繞結束端部分粘貼組固定膠帶10，固定成卷繞結束狀態。接著，分別拔出卷芯12、13和各個襯墊14。該卷繞工序結束后取得的方形渦旋狀電極組1，在橫斷面形狀為橢圓形狀的厚度方向上加壓進行擠壓加工，存在于直線部分的間隙11，由于擠壓工序的擠壓而轉移到彎曲部分內，結果，間隙11在擠壓加工結束時必定形成于彎曲部分。所以，作為電池使用時，由于充放電而在直線部分上延伸的長度量，能有效地被彎曲部分的間隙所吸收，能有效地防止壓曲的產生。
在上述制造方法中，圖1A～圖1B所示的方形渦旋狀電極組1中存在的規定的間隙11或卷繞松弛，能根據襯墊14的厚度來設定，且能容易準確地形成，而且只要附加設置插入襯墊14的簡單工序，即可制成圖1A～圖1B所示的方形渦旋狀電極組1，此法非常簡單，而且生產效率高。
并且，襯墊14如圖4所示，采用了無邊棱的透鏡狀的橫斷面形狀的棒狀體，所以在方形渦旋狀電極組1的卷繞工序結束后拔出襯墊14時，襯墊14不會對正、負極板2、3的活性物質的涂敷面造成損傷。與此相對，例如在采用斷面圓形或方形狀的襯墊的情況下，該襯墊的一部分對活性物質層幾乎是點接觸，所以，當拔出襯墊時，會在活性物質的涂敷面上造成筋狀的傷痕。
圖5是表示用上述渦旋狀電極組1構成的涉及本發明的第1實施方式的方形電池的縱斷面圖，圖6是該方形電池的分解斜視圖。該方形電池是在具有長方形橫斷面形狀的有底長方筒狀的電池外殼17內，安裝按上述方法制造的方形渦旋狀電極組1，該電池外殼17的開口部由封口板18進行封口。也就是說，對上述封口板18進行支承的框體19，嵌合連接到電池外殼17的開口部附近的部位上，封口板18在安裝到框體19上的狀態下，被焊接到電池外殼17的開口周緣部上，對電池外殼17的開口部進行封口。
在上述封口板18的中央部的凹坑20嵌入上部絕緣墊片21，由鍍鎳的鐵制鉚釘構成的負極端子22，在夾設上述絕緣墊片21而與封口板18電絕緣的狀態下，插入到上部絕緣墊片21和封口板18的各穿通孔內。該負極端子22的插通上部絕緣墊片21和封口板18內的下部，進一步插通下部絕緣墊片23和負極端子板24的各安裝孔內，然后，對下端部進行鉚接加工。這樣，負極端子板24通過下部絕緣墊片23而與封口部18進行電絕緣，而且，通過上述負極端子22的鉚接加工部，以電氣連接狀態安裝到負極端子22上。從方形渦旋狀電極組1引出的負極引線8和正極引線9，分別插通框體19的穿通孔19a、19b內，正極引線9的前端部焊接到封口板18上；負極引線8的前端部焊接到負極端子板24上。
在裝配時，利用負極端子22安裝上部絕緣墊片21、下部絕緣墊片23和負極端子板24后，將封口板18嵌入電池外殼17的開口部并進行焊接。隨后，通過封口板18的注液孔18a向電池外殼17內注入電解液(無圖示)。注入到該電池外殼17內的電解液，因為在方形渦旋狀電極組1內存在相當于周長差L的間隙11或間隙11大小的卷繞體松弛，所以，電解液能迅速而且均勻地浸漬正、負極板2、3和隔膜4A、4B。注液孔18a在注入電解液后用封口塞27進行封閉。
并且，在封口板18上與注液孔18a相反一側的部位上形成了安全閥用孔部18b，該安全閥用孔部18b，利用由金屬包層加工法安裝在封口板18的下表面上的鋁薄膜28進行封閉。該鋁薄膜28的對安全閥用孔部18b進行堵塞的部分，構成了一種安全閥28A，用于在電池內壓上升時破裂，以便氣體向外部排放。另一方面，在電池外殼17的底壁下表面，焊接了正極端子29。所以該方形電池的電池外殼17是正極，由鉚釘構成的負極端子22是負極。
該方形電池在電池未使用狀態下，渦旋狀電極組1的兩側中的至少一側的彎曲部分存在間隙11或卷繞松弛。作為電池使用，反復數次充放電時，方形渦旋狀電極組1的正、負極板2、3，由于各自的活性物質的膨脹等原因而進行延伸。但是，上述方形渦旋狀電極組1，預先對正、負極板2、3的延伸量進行估計，準確地設定了間隙11或卷繞松弛，所以，正、負極板2、3中的直線部分延伸的長度量能有效地被吸收，能消除彎曲部分的間隙11，因此，不僅不會產生壓曲，而且能轉移到理想的狀態，使正、負極板2、3和隔膜4A、4B整體均勻地互相貼緊。
因此，上述方形電池不僅在開始使用后不會在方形渦旋狀電極組1上產生壓曲，而且能使正、負極板2、3和隔膜4A、4B整體均勻地互相貼緊，所以，方形渦旋狀電極組1整體能均勻地充放電，從而提高了沖放電的循環特性，而且不會出現電池容量降低或容量偏差。
并且，上述方形渦旋狀電極組1不產生壓曲，所以，對電池外殼17的內周面以幾乎沒有間隙的狀態接觸，因此，能大大提高體積能量效率，而且不會出現隔膜損傷造成正、負極板2、3短路或氣體吸收不均勻的故障。另一方面，電池外殼17過去由于方形渦旋狀電極組1變形或內壓異常上升等而引起變形的已有的缺陷也被消除，所以，不會異常劣化，能確保預期的壽命。
圖7A是涉及本發明第2實施方式的電池中使用的渦旋狀電極組30的制造方法的卷繞工序的結束狀態的橫斷面圖。圖7B是該渦旋狀電極組30在電池中的使用狀態的橫斷面圖。該實施方式表示圓筒形電池中使用的圓形橫斷面形狀的圓形渦旋狀電極組30。在圖7A～7B中，對于相當于圖1A～1B和圖4的部分，標注相同的符號。并且在圖7A～7B中，和圖1A～1B以及圖4一樣，為便于理解其結構，示意地圖示。
在制造該圓形渦旋狀電極組30時，首先，將帶狀的正極板2和負極板3以及介于它們之間的一對隔膜4A、4B積層而構成的電極積層體7的開始卷繞端的半周部分，由一對斷面大致為半圓形狀的卷芯31、32從兩側進行夾持、固定之后，使一對卷芯31、32在保持其相互布置位置的狀態下進行旋轉，在該兩卷芯31、32的周圍把電極積層體7卷繞成渦旋狀，這樣開始卷繞工序。
在上述卷繞工序中，在電極積層體7的互相鄰接的各2個繞卷部分之間中的至少一個部位上插入具有規定厚度的襯墊14，卷繞成渦旋狀。襯墊14的厚度設定值和第1實施方式一樣，應當達到其插入的部位上的電極積層體7的內周側繞卷部分和外周側繞卷部分的各自的一周的卷繞長度的差L為上述2tπ+(W×k)。和第1實施方式一樣，該式中的t是電極積層體7的厚度，k是系數，W是最大直徑。但是，最大直徑W如圖7B所示，成為圓形渦旋狀電極組30的外形的直徑。在該實施方式中表示在徑向上相對置的2個部位分別插入襯墊14的情況。如果卷繞工序結束，那么在電極積層體7的卷繞結束端部分上粘貼組固定膠帶10(組固定部件)，固定成卷繞結束狀態。接著，分別拔出卷芯31、32和各個襯墊14，即可獲得圖7B所示的需要的圓形渦旋狀電極組30。
該制造方法和第1實施方式一樣，只要附加設置插入襯墊14的簡單工序，即可非常簡單、且生產效率高地制造具有所需間隙或卷繞體松弛的圓形渦旋狀電極組30。并且，襯墊14如圖7B所示，采用了具有無邊棱的透鏡狀的橫斷面形狀的棒狀體，所以在圓形渦旋狀電極組30的卷繞工序結束后拔出襯墊14時，襯墊14不會對正、負極板2、3的活性物質的涂敷面造成損傷。
上述圓形渦旋狀電極組30，為了提高容量，對厚度薄的正、負極板2、3和隔膜4A、4B進行卷繞而構成的情況下，也要出現相當于襯墊14的厚度，即相當于周長差L的間隙或者間隙大小的卷繞體松弛，所以，在圓形電池制造過程的注液工序中，當已裝入上述圓形渦旋狀電極組30的電池外殼內注入了電解液時，該電解液迅速而且均勻地浸入到正、負極板2、3和隔膜4A、4B內，因此，能防止充放電反應的不均勻，能準確地獲得旨在提高負荷特性的圓筒形電池。
并且，上述圓筒形電池，在未使用狀態時，如上所述，存在間隙或卷繞體松弛，但在作為電池使用，反復多次充放電時，正、負極板2、3因各自的活性物質膨脹等而進行延伸，對該延伸量加以估計，與其相適應，準確地預先設定間隙或卷繞體松弛。所以，如圖7B所示不僅能阻止壓曲的發生，而且正、負極板2、3和隔膜4A、4B能達到理想狀態，即整體上均勻地互相貼緊。
上述圓筒形電池不僅在開始使用后不會在圓形渦旋狀電極組30上產生壓曲，而且能使正、負極板2、3和隔膜4A、4B整體均勻地互相貼緊，所以，圓形渦旋狀電極組30整體能均勻地充放電，從而提高了充放電的循環特性，而且不會出現電池容量降低或容量偏差。
已經證實，在利用極薄的正、負極板2、3和隔膜4A、4B構成圓形渦旋狀電極組30的情況下，也能準確地獲得上述良好的結果。根據實測結果，在由厚度為178μm的正極板2、在由厚度為206μm的負極板3、以及把厚度為59.5±0.5μm的隔膜4A、4B互相重合而形成的電極積層體7，卷繞成渦旋狀，并設定為存在上述間隙，這樣，制作出圓筒形鎳氫電池中所使用的圓形渦旋狀電極組30。已經證實，利用該圓形渦旋狀電極組30構成的圓筒形電池在注液工序中，電解液能迅速而且均勻地浸漬到正、負極板2、3和隔膜4A、4B內，在作為電池使用的情況下，也未發生壓曲。
圖8A是涉及本發明第3實施方式的電池中使用的渦旋狀電極組33的制造方法的卷繞工序的結束狀態的橫斷面圖。圖8B是該渦旋狀電極組33在電池中的使用狀態的橫斷面圖。該實施方式表示大體正方形的4個角部為圓弧形的圓角方形電池中使用的圓角方形渦旋狀電極組33。在圖8A～8B中，對于相當于圖1A～1B和圖4的部分，標注相同的符號。并且在圖8A～8B中，和圖1A～1B以及圖4一樣，為便于理解其結構，示意地圖示。
在制造該圓角方形渦旋狀電極組33時，首先，將帶狀的正極板2和負極板3以及介于它們之間的一對隔膜4A、4B積層而構成的電極積層體7的開始卷繞端的半周部分，由一組卷芯34、37從兩側進行夾持、固定之后，使一對卷芯34、37在保持其相互布置位置的狀態下進行旋轉，在該兩卷芯34、37的周圍把電極積層體7卷繞成渦旋狀，這樣開始卷繞工序。
在上述卷繞工序中，在電極積層體7的互相鄰接的各2個繞卷部分之間的至少一個部位上插入具有規定厚度的襯墊14，卷繞成渦旋狀。襯墊14的厚度設定值和第1實施方式一樣，應當達到其插入的部位上的電極積層體7的內周側繞卷部分和外周側繞卷部分的各自的每一周的卷繞長度的差L為上述2tπ(W×k)，和第1實施方式一樣，該式中的t是電極積層體7的厚度，k是系數，W是最大直徑。但是，最大直徑W如圖8B所示，成為圓角方形渦旋狀電極組33的外形的相對置的二邊之間的距離。在該實施方式中表示在中央部的兩邊上相對置的2個部位上分別插入襯墊14的情況。如果卷繞工序結束，就在電極積層體7的卷繞結束端部分上粘貼組固定膠帶10(組固定部件)，在卷繞結束狀態下進行固定。接著分別拔出卷芯34、37和各個襯墊14，即可獲得圖8B所示的需要的圓角方形渦旋狀電極組33。
該制造方法和第1實施方式一樣，只要設置為插入襯墊14用的簡單工序，即可制成具有間隙或卷繞松弛的圓角方形渦旋狀電極組33，此法非常簡單，而且生產效率高。并且，襯墊14如圖8B所示，采用了具有無邊棱的透鏡狀的橫斷面形狀的棒狀體，所以在圓角方形渦旋狀電極組33的卷繞工序結束后拔出襯墊14時，襯墊14不會對正、負極板2、3的活性物質的涂敷面造成損傷。
上述圓角方形渦旋狀電極組33，為了提高容量，將厚度薄的正、負極板2、3和隔膜4A、4B卷繞而構成的情況下，也要出現相當于襯墊14的厚度，即相當于周長差L的間隙或者相當于間隙大小的卷繞體松弛，所以，在圓角方形電池制造過程的注液工序中，當已裝入上述圓角方形渦旋狀電極組33的電池外殼內注入了電解液時，該電解液迅速而且均勻地浸入到正、負極板2、3和隔膜4A、4B內，因此，能防止充放電反應的不均勻，能準確地獲得旨在提高負荷特性的圓角方形電池。
并且，上述圓角方形電池，在未使用狀態時，如上所述，存在間隙或卷繞體松弛，但在作為電池使用而反復多次充放電時，正、負極板2、3因各自的活性物質膨脹等而進行延伸，對該延伸量加以估計，與其相適應，準確地預先設定間隙或卷繞體松弛。所以，如圖8B所示不僅能阻止壓曲的發生，而且正、負極板2、3和隔膜4A、4B能達到理想狀態，即整體上均勻地互相貼緊。
產業上利用的可能性若采用本發明的電池，則渦旋狀電極組中存在間隙或者相當于間隙大小的卷繞體松弛，所以，電解液能迅速而且均勻地浸漬到正、負極板和隔膜之間，因此，能防止充放電反應不均勻，能提高高負荷特性。并且，反復多次進行充放電時，延伸量被間隙吸收，從而能阻止壓曲的產生。
若采用本發明的電池，則渦旋狀電極組的各繞卷部分的延伸量被渦旋狀電極組的間隙準確地吸收。當反復多次進行充放電時，形成正、負極板和隔膜整體上均勻地互相貼緊的理想狀態。所以，該電池整體均勻地進行充放電，充放電的周期特性提高，而且，不會降低電池容量，不會產生容量偏差。并且，若采用本發明的電池，則渦旋狀電極組在貼緊狀態下進行接觸，即與電池外殼的內周面之間幾乎沒有間隙。所以，體積能量效率大大提高，而且，也不會發生隔膜損傷造成的正、負極板短路故障。另外，若采用本發明的電池，則過去電池外殼因渦旋狀電極組變形和內壓異常升高等而產生變形的這種缺陷被消除，所以，電池不會發生異常劣化，能確保規定的壽命。
并且，若采用本發明的電池中所使用的渦旋狀電極組的制造方法，則利用襯墊厚度，能夠很容易，而且準確地設定規定間隙或卷繞松弛度，所以，僅僅附加設置插入襯墊的工序，即可制成具有間隙的渦旋狀電極組，此法非常簡單，而且生產效率高。
權利要求
1.一種電池，渦旋狀電極組(1、30、33)安裝在電池外殼(17)內，且電解液注入到上述電池外殼(17)內，上述電池外殼(17)的開口部由封口板(18)進行封口而形成上述電池，該電池的特征在于將上述渦旋狀電極組(1、30、33)的、帶狀的正極板(2)和負極板(3)以及夾在它們之間對正負任一極板的兩面進行覆蓋的一對隔膜(4A、4B)，進行積層而構成的電極積層體(7)的厚度為t，對上述電極積層體(7)進行卷繞而構成的電極組(1、30、33)的橫斷面形狀的最大直徑為W，根據上述正、負極板(2、3)的各自的活性物質的膨脹率等而預先設定的、具有0.005～0.05的值的系數為k，這時，將卷繞成渦旋狀的電極積層體(7)的互相鄰接的內周側和外周側的周長差L設定為L＝2tπ+W×k。
2.一種渦旋狀電極組的制造方法，其特征在于將帶狀的正極板(2)和負極板(3)以及夾在它們之間對正負任一極板的兩面進行覆蓋的一對隔膜(4A、4B)進行積層而構成的電極積層體(7)，圍繞卷芯(12、13、31、32、34、37)卷繞成渦旋狀，由此制成渦旋狀電極組(1、30、33)時，在上述電極積層體(7)的卷繞工序的中途，在上述電極積層體(7)的互相鄰接的各2個繞卷部分(Ca、Cb)的相互之間中的至少一個部位，夾著具有規定尺寸的襯墊(14)卷繞成渦旋狀，上述卷繞工序結束后，用組固定部件(10)來固定上述電極積層體(7)的卷繞結束端部分，然后將上述卷芯(12、13、31、32、34、37)和襯墊(14)拔出。
3.權利要求2所述的渦旋狀電極組的制造方法，其特征在于當設定電極積層體(7)的厚度為t，將該電極積層體(7)卷繞而要構成的渦旋狀電極組(1、30、33)的橫斷面形狀的最大直徑為W，根據作為電池使用時上述正、負極板(2、3)的各自的活性物質的膨脹率等而預先設定的系數為k時，在卷繞成互相鄰接的內周側和外周側的2個繞卷部分(Ca、Cb)的各自的一圈的繞卷長度之差L的值達到L＝2tπ+W×k的電極組(1、30、33)中，采用厚度能設定為上述L的總和的襯墊(14)。
4.權利要求3所述的渦旋狀電極組的制造方法，其特征在于上述系數k設定為從0.005～0.05的范圍內根據襯墊(14)的插入數而選擇的值。
5.權利要求2或4中的任一項所述的渦旋狀電極組的制造方法，其特征在于襯墊(14)是無邊棱的具有透鏡狀橫斷面形狀的棒狀體。
全文摘要
一種電池，其中，將上述渦旋狀電極組(1、30、33)的、帶狀的正極板(2)和負極板(3)、以及夾在它們之間的一對隔膜(4A、4B)進行積層而構成的電極積層體(7)的厚度為t，對電極積層體(7)進行卷繞而構成的渦旋狀電極組(1、30、33)的橫斷面形狀的最大直徑為W，根據上述正、負極板(2、3)的各自的活性物質的膨脹率等而預先設定的、具有0.005～0.05的值的系數為k，這時，卷繞成渦旋狀的電極積層體(7)的互相鄰接的內周側和外周側周長差L設定為L＝2tπ+W×k。
文檔編號H01M2/08GK1639902SQ03805708
公開日2005年7月13日 申請日期2003年3月11日 優先權日2002年3月13日
發明者石川照久, 大澤善樹, 船木滿, 中口知章, 西森順哉 申請人:松下電器產業株式會社