JP2001006724A - 円筒形アルカリ二次電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高容量で、かつ絶縁不良が低減された円筒形
アルカリ二次電池を提供することを目的とする。 【解決手段】 上端部に帯状集電タブ２が電気的に接続
された正極３と負極４とをセパレータ５を介して渦巻き
状に捲回することにより作製された電極群６を容器１内
に収納した構造を有する円筒形アルカリ二次電池におい
て、前記帯状集電タブ２は、外側の周の正極３上端部の
うち、前記電極群６の中心と前記正極３の巻き終わり端
部を結ぶ線とのなす角が９０゜より大きく、２７０゜よ
り小さい領域に配置されることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電極群を改良した
円筒形アルカリ二次電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】アルカリ二次電池としては、ニッケルカ
ドミウム二次電池や、ニッケル水素二次電池が知られて
いる。近年のＰＣ（パーソナルコンピュータ）や携帯電
話の普及により高容量電池の要求が高まっていること
と、環境問題から、アルカリ二次電池としてはニッケル
水素二次電池が主流になってきている。ニッケル水素二
次電池は一般的に円筒形構造の電池と角形構造の電池が
知られている。

【０００３】円筒形ニッケル水素二次電池は、例えば、
以下に説明する方法で製造される。すなわち、耐アルカ
リ性金属多孔体のような導電性基板に帯状集電タブの溶
接箇所を除いて水酸化ニッケルを含むペーストを充填
し、乾燥し、加圧成形した後、前記導電性基板のペース
ト無充填箇所に例えばニッケルのような金属からなる帯
状集電タブを溶接し、裁断することにより正極を作製す
る。また、パンチドメタルのような導電性基板に水素吸
蔵合金を含むペーストを充填し、乾燥し、加圧成形した
後、裁断することにより負極を作製する。前記正極と前
記負極との間にセパレータ（例えば、ポリオレフィン製
不織布を主体とするものからなる）を介して最外周が負
極となるように渦巻き状に捲回することにより電極群を
作製する。前記電極群及びアルカリ電解液を負極端子を
兼ねる金属製容器内に収納し、前記集電タブの先端を正
極端子を兼ねる封口部材に溶接した後、前記容器の開口
部を前記封口部材で密封することにより前記二次電池を
製造する。

【０００４】このような二次電池においては、前記電極
群の正極と外部正極端子を兼ねる封口部材とが前記集電
タブを介して電気的に接続されている。前記集電タブ
は、前記封口部材との接続しやすさを考慮して外側から
二周目の正極上端部に取り付けられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ニッケル水
素二次電池では、より高容量にするために前記電極群の
容積を増加させることが行われている。しかしながら、
前述したような構成の円筒形ニッケル水素二次電池にお
いて電極群の容積を増加させると、電極群の緊縛度が高
くなるため、前記二次電池の絶縁不良発生数が高くなる
という問題点が生じる。すなわち、電極群における外側
から２周目の正極は、捲回時の曲率半径が大きい。集電
タブが溶接されている箇所は柔軟性が低いため、この曲
率半径に追従して変形することができず、結果としてこ
の箇所の周辺のクラックが大きくなる。緊縛度が高い電
極群は、正負極間の距離が短くなっているため、前記ク
ラックがセパレータを貫通して負極と接触しやすい。つ
まり、外側から２周目の正極に帯状集電タブが取り付け
られている電極群を備えた円筒形ニッケル水素二次電池
は、集電タブの周辺のクラックが大きいため、高容量化
を図ると絶縁不良が多発するという問題点が生じる。

【０００６】本発明は、高容量で、かつ絶縁不良が低減
された円筒形アルカリ二次電池を提供しようとするもの
である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる円筒形ア
ルカリ二次電池は、上端部に帯状集電タブが電気的に接
続された正極と負極とをセパレータを介して渦巻き状に
捲回することにより作製された電極群を容器内に収納し
た構造を有する円筒形アルカリ二次電池において、前記
帯状集電タブは、外側の周の正極上端部のうち、前記電
極群の中心と前記正極の巻き終わり端部を結ぶ線とのな
す角が９０゜より大きく、２７０゜より小さい領域に配
置されることを特徴とするものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる円筒形アル
カリ二次電池を図１〜図２を参照して説明する。

【０００９】図１は本発明に係る円筒形アルカリ二次電
池を示す部分切欠斜視図、図２は図１の二次電池の正極
を示す平面図、図３は図１の二次電池の電極群を容器内
に収納した状態を示す上面図である。

【００１０】図１に示すように、有底円筒状の容器１内
には、図２に示すように上端部に帯状集電タブ２が取り
付けられた正極３と負極４をその間にセパレータ５を介
在してスパイラル状に捲回することにより作製された電
極群６が収納されている。前記負極４は、前記電極群６
の最外周に配置されて前記容器１と電気的に接触してい
る。図３に示すように、前記集電タブ２は、外側の周の
正極３のうち前記電極群６の中心と前記正極３の巻き終
わり端部とを結ぶ直線Ｌとのなす角αが９０゜より大き
く、２７０゜より小さい領域に配置されている。また、
前記集電タブ２は、前記セパレータ５を介して最外周の
負極４と対向している。アルカリ電解液は、前記容器１
内に収容されている。中央に孔７を有する円形の第１の
封口板８は、前記容器１の上部開口部に配置されてい
る。リング状の絶縁性ガスケット９は、前記封口板８の
周縁と前記容器１の上部開口部内面の間に配置され、前
記上部開口部を内側に縮径するカシメ加工により前記容
器１に前記封口板８を前記ガスケット９を介して気密に
固定している。前記集電タブ２の先端は、前記封口板８
の下面に電気的に接続されている。帽子形状をなす正極
端子１０は、前記封口板８上に前記孔７を覆うように取
り付けられている。ゴム製の安全弁１１は、前記封口板
８と前記正極端子１０で囲まれた空間内に前記孔７を塞
ぐように配置されている。中央に穴を有する絶縁材料か
らなる円形の押え板１２は、前記正極端子１０上に前記
正極端子１０の突起部がその押え板１２の前記穴から突
出されるように配置されている。外装チューブ１３は、
前記押え板１２の周縁、前記容器１の側面及び前記容器
１の底部周縁を被覆している。

【００１１】次に、前記正極３、帯状集電タブ２、負極
４、セパレータ５およびアルカリ電解液について説明す
る。

【００１２】１）正極３ この正極３は、活物質である水酸化ニッケル粒子、導電
材料および結着剤を含む正極材料が導電性基板に担持さ
れた構造を有する。

【００１３】前記水酸化ニッケル粒子としては、例えば
単一の水酸化ニッケル粒子、または亜鉛、コバルト、ビ
スマス、銅のような金属を金属ニッケルと共に共沈され
た水酸化ニッケル粒子を用いることができる。特に、後
者の水酸化ニッケル粒子を含む正極は、高温状態におけ
る充電効率をより一層向上することが可能になる。

【００１４】前記導電材料としては、例えば金属コバル
ト、三酸化コバルト（Ｃｏ₂ Ｏ₃ ）や、一酸化コバルト
（ＣｏＯ）などのコバルト酸化物、水酸化コバルト（Ｃ
ｏ（ＯＨ）₂ ）のようなコバルト水酸化物等を挙げるこ
とができる。

【００１５】前記結着剤としては、例えば、ポリテトラ
フルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、スチレ
ンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等の疎水性ポリマー、カル
ボキシルメチルセルロース（ＣＭＣ）、メチルセルロー
ス、ヒドロキシプロピルシメチルセルロース（ＨＰＭ
Ｃ）、ポリアクリル酸ナトリウム（ＳＰＡ）、ポリビニ
ルアルコール（ＰＶＡ）等の親水性ポリマー：等を挙げ
ることができる。前記結着剤としては、前述したポリマ
ーから選ばれる２種又は、３種以上を用いることができ
る。なお、前記ポリテトラフルオロエチレンはディスパ
ージョンの形態で用いることができる。

【００１６】前記導電性基板としては、例えばニッケ
ル、ステンレスまたはニッケルメッキが施された金属か
ら形成された網状、スポンジ状、繊維状、もしくはフェ
ルト状の金属多孔体等を挙げることができる。

【００１７】この正極３は、例えば活物質である水酸化
ニッケル粒子に導電材料を添加し、結着剤および水と共
に混練してペーストを調製し、このペーストを導電性基
板に充填し、乾燥した後、加圧成形することにより作製
される。

【００１８】２）帯状集電タブ２ 前記帯状集電タブ２は、電極群６における外側の周の正
極上端部のうち前記電極群６の中心と前記正極３の巻き
終わり端部を結んだ直線Ｌとのなす角αが９０゜より大
きく、２７０゜より小さい領域に電気的に接続されてい
る。

【００１９】前記帯状集電タブ２は、例えば、ニッケ
ル、ＮＰＳ等から形成することができる。

【００２０】前記帯状集電タブ２は、外側の周の正極上
端部に接続する。前記帯状集電タブ２を内側の周の正極
上端部に接続すると、このタブ２の周辺のクラックが大
きくなるため、絶縁不良発生率が高くなる。

【００２１】前記帯状集電タブ２を外側の周の正極上端
部のうち特定の領域に接続するのは次のような理由によ
るものである。外側の周の正極上端部のうち、なす角α
が９０゜以下か、２７０゜以上である領域に帯状集電タ
ブを接続すると、電極群を容器内に収納する際に前記集
電タブが折れやすくなる。すなわち、電極群を容器内に
収納する際、巻き終わり部分がばらけ易い。このため、
電極群の巻き終わり部分を押さえながら容器内に収納す
る。前記電極群の中心と前記正極の巻き終わり端部とを
結んだ直線Ｌとのなす角αが９０゜以下か、２７０゜以
上である領域は、前記電極群の巻き終わり部分に相当す
る。従って、前記領域に集電タブが存在すると、電極群
を容器内に収納する際に集電タブが上から押されるた
め、集電タブが折れやすくなる。前記なす角αのより好
ましい範囲は、１５０〜２１０゜である。

【００２２】前記帯状集電タブの幅は２．０〜５．０ｍ
ｍの範囲にすることが好ましい。より好ましい範囲は、
３．０〜４．０ｍｍである。

【００２３】前記帯状集電タブの長さは、先端が前記封
口板７の下面に電気的に接続された際に前記容器１と接
触しないように設定することが好ましい。

【００２４】３）負極４ 前記負極４は、水素吸蔵合金、導電材及び結着剤を含む
負極材料が導電性基板に充填された構造を有する。

【００２５】前記水素吸蔵合金としては、例えば、Ｌａ
Ｎｉ₅ 、ＭｍＮｉ₅ （Ｍｍはミッシュメタル）、ＬｍＮ
ｉ₅ （ＬｍはＬａ富化したミッシュメタル）、これら合
金のＮｉの一部を少なくともＡｌ及びＭｎで置換した多
元素系のものを挙げることができる。前述した多元素系
の水素吸蔵合金は、Ｎｉの置換元素としてＡｌ及びＭｎ
の他に、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｃｒ及びＢか
ら選ばれる少なくとも１種の元素を含んでいても良い。
中でも、一般式ＬｎＮｉ_w Ｃｏ_x Ａｌ_y Ｍｎ_z（ただ
し、Ｌｎは希土類元素、原子比ｗ、ｘ，ｙ，ｚはそれぞ
れ３．３０≦ｗ≦４．５０、０．５０≦ｘ≦１．１０、
０．２０≦ｙ≦０．５０、０．０５≦ｚ≦０．２０で、
かつその合計値が４．９０≦ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ≦５．５０
を示す）で表されるものを用いることが好ましい。

【００２６】前記導電材としては、例えばカーボンブラ
ック、黒鉛等を用いることができる。

【００２７】前記結着剤としては、前述した正極で説明
したのと同様な種類のものの中から選ばれる１種以上を
用いることができる。

【００２８】前記導電性基板としては、パンチドメタ
ル、エキスパンデッドメタル、金網などの二次元基板
や、フェルト状金属多孔体や、スポンジ状金属多孔体な
どの三次元基板を挙げることができる。

【００２９】前記負極４は、例えば、以下の（１）、
（２）に説明する方法により作製することができる。

【００３０】（１）前記水素吸蔵合金の粉末に導電材を
添加し、結着剤および水と共に混練してペーストを調製
し、このペーストを導電性基板に充填し、乾燥した後、
加圧成形することにより製造される。

【００３１】（２）前記水素吸蔵合金の粉末に導電材及
び結着剤を添加し、混練してシート化し、得られたシー
トを導電性基板に積層することにより製造される。

【００３２】前記負極４としては、前述したペースト式
水素吸蔵合金負極や、ドライ式水素吸蔵合金負極の代わ
りに焼結式水素吸蔵合金負極を用いることができる。

【００３３】４）セパレータ５ このセパレータ５は、例えば、ポリアミド繊維製不織
布、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィ
ン繊維製不織布、またはこれらの不織布に親水性官能基
を付与したものから形成することができる。親水性官能
基の付与方法としては、例えば、ビニルモノマーのグラ
フト重合を採用することができる。

【００３４】前記セパレータを構成する繊維の平均径
は、０．１〜１０μｍにすることが好ましい。より好ま
しい範囲は３〜４μｍである。

【００３５】５）アルカリ電解液 このアルカリ電解液としては、例えば水酸化ナトリウム
（ＮａＯＨ）と水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）の混合液、
水酸化カリウム（ＫＯＨ）とＬｉＯＨの混合液、ＫＯＨ
とＬｉＯＨとＮａＯＨの混合液等を用いることができ
る。

【００３６】前記電極群６は、下記（１）式より算出さ
れる緊縛度が９５〜１０５％であることが好ましい。

【００３７】 Ｘ＝｛（ｒ＋Ｔp×Ｎp＋Ｔn×Ｎn＋Ｔs×Ｎs）／Ｒ｝×１００…（１） 但し、Ｘは緊縛度（％）ｒは巻芯の直径（ｍｍ）、Ｔp
は正極の厚さ（ｍｍ）、Ｎpは正極の径方向最大巻数を
２倍したもの、Ｔnは負極の厚さ（ｍｍ）、Ｎnは負極の
径方向最大巻数を２倍したもの、Ｔsはセパレータの厚
さ（ｍｍ）、Ｎsはセパレータの径方向最大巻数を２倍
したもの、Ｒは有底円筒状容器の内径（ｍｍ）を示す。

【００３８】これは次のような理由によるものである。
前記緊縛度を９５％未満にすると、高い放電容量が得ら
れなくなる恐れがある。同時に、正負極間の距離が適度
に大きいために絶縁不良がもともと起きにくく、集電タ
ブを前述した特定の配置にすることによる絶縁不良低減
の効果を得られない可能性がある。一方、前記緊縛度が
１０５％を越えると、電極群を容器内に収納することが
困難になる恐れがある。前記緊縛度のより好ましい範囲
は、９８〜１０２％である。

【００３９】以上説明した本発明によれば、上端部に帯
状集電タブが電気的に接続された正極と負極とをセパレ
ータを介して渦巻き状に捲回することにより作製された
電極群を容器内に収納した構造を有する円筒形アルカリ
二次電池において、前記帯状集電タブを、最外周の正極
上端部のうち前記電極群の中心と前記正極の巻き終わり
端部を結ぶ線とのなす角が９０゜より大きく、２７０゜
より小さい領域に配置することによって、電極群を容器
内に収納する際に集電タブが折れる等の不具合を生じさ
せることなく、帯状集電タブが接続された正極部分を捲
回する際の曲率半径を小さくすることができる。その結
果、電極群作製時に帯状集電タブの周辺に生じるクラッ
クの大きさを小さくすることができるため、高容量化を
図った際に絶縁不良が発生するのを抑えることができ
る。従って、高容量で、絶縁不良発生率が低い円筒形ア
ルカリ二次電池を実現することができる。

【００４０】なお、前述した図１〜３においては、上端
部に帯状集電タブが電気的に接続された正極を例にして
説明したが、上端部に長手方向に沿って正極リードが電
気的に接続され、前記正極リードに前記帯状集電タブが
電気的に接続された正極についても同様に適用すること
ができる。

【００４１】また、前述した図１〜３においては、帯状
集電タブ２を正極３の外側の面に配置し、セパレータ５
を介して最外周の負極４と対向させたが、帯状集電タブ
２を正極３の内側の面に配置し、セパレータ５を介して
外側から２周目の負極４と対向させても良い。

【００４２】

【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して詳細に説明する。

【００４３】（実施例） ＜ペースト式正極の作製＞水酸化ニッケル粉末９０重量
部および一酸化コバルト粉末１０重量部からなる混合粉
体に、カルボキシルメチルセルロース０．２５重量部、
ポリアクリル酸ナトリウム０．２５重量部、ポリテトラ
フルオロエチレンのディスパージョン（比重１．５、固
形分６０重量％）を固形分換算で３．０重量部添加して
混練することによりペーストを調製した。つづいて、こ
のペーストを導電性基板としてのニッケルメッキ繊維基
板内に帯状集電タブの溶接箇所を除いて充填した。溶接
箇所は、後述する電極群における外側の周の正極上端部
のうち前記電極群の中心と前記正極の巻き終わり端部と
を結ぶ線とのなす角（時計回り方向のなす角）が１６０
゜〜１７０゜である領域に帯状集電タブが位置するよう
に設定した。ひきつづき、乾燥し、ローラプレスを行っ
て圧延し、前記導電性基板のペースト無充填の箇所に幅
が３．０ｍｍで、長さが１０ｍｍのニッケル製帯状集電
タブを溶接した後、所望の寸法に裁断することにより前
述した図２に示す構造を有するペースト式正極を作製し
た。

【００４４】＜ペースト式負極の作製＞市販のランタン
富化したミッシュメタルＬｍおよびＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、
Ａｌ、を用いて高周波炉によって、ＬｍＮｉ_4.0 Ｃｏ
_0.4 Ｍｎ_0.3 Ａｌ_0.3 の組成からなる水素吸蔵合金を作
製した。前記水素吸蔵合金を機械粉砕し、これを２００
メッシュの篩を通過させた。得られた水素吸蔵合金１０
０重量部に対してポリアクリル酸ナトリウム０．５重量
部、カルボキシルメチルセルロース０．１２５重量部、
ポリテトラフルオロエチレンのディスパージョン（比重
１．５、固形分０．６重量％）２．５重量部および導電
材としてカーボン粉末１．０重量部を水５０重量部と共
に混合することによって、ペーストを調製した。得られ
たペーストをパンチドメタルに塗布、乾燥した後、圧延
成形し、所望の寸法に裁断することによってペースト式
負極を作製した。

【００４５】＜セパレータの作製＞ポリプロピレン樹脂
からスパンボンド法によって繊維径が１０μｍの長繊維
からなり、目付け量が５０．０ｇ／ｍ² で、厚さが０．
２０ｍｍの不織布を作製した。つづいて、表面が平滑な
第一ロールと、表面に複数のピンポイント状の凹凸が形
成された第二ロールとを互いに対向して配置し、これら
ロールを互いに反対方向に回転させると共に１３０℃に
加熱した後、これらロール間に前記不織布を通過させ
た。次いで、前記不織布に紫外線を照射した後、アクリ
ル酸水溶液に浸漬してアクリル酸を除去し、乾燥し、所
望の寸法に裁断することによりセパレータを作製した。

【００４６】次いで、前記負極と前記正極との間に前記
セパレータを介装し、最外周が負極となるように渦巻き
状に捲回することにより緊縛度が１００％の電極群を作
製した。得られた電極群では、前述した図３に示すよう
に、帯状集電タブが外側の周の正極上端部のうち前記電
極群の中心と前記正極の巻き終わり端部とを結ぶ線との
なす角（時計回り方向のなす角）が１６０゜〜１７０゜
である領域に接続されていた。また、前記帯状集電タブ
は、セパレータを介して最外周の負極と対向していた。

【００４７】このような電極群を有底円筒状容器に収納
した後、７Ｎの水酸化カリウムおよび１Ｎの水酸化リチ
ウムからなるアルカリ電解液を収容した。前記集電タブ
の先端を封口板の下面に溶接した後、封口等を行うこと
により前述した図１に示す構造を有する公称容量が５０
０ｍＡｈである円筒型ニッケル水素二次電池を組み立て
た。

【００４８】（比較例１）帯状集電タブを外側から２周
目の正極上端部のうち前記なす角が１６０゜〜１７０゜
である領域に溶接すること以外は、前述した実施例と同
様な円筒形ニッケル水素二次電池を組み立てた。

【００４９】（比較例２）帯状集電タブを正極の巻き終
わり上端部に溶接すること以外は、前述した実施例と同
様な円筒形ニッケル水素二次電池を組み立てた。

【００５０】実施例及び比較例１〜２の二次電池につい
て、電極群を１００００個ずつ作製し、各電極群を容器
内へ収納した際に帯状集電タブに亀裂が生じたり、ある
いは折れたりした個数を測定し、その結果を下記表１に
示す。

【００５１】実施例及び比較例１〜２の二次電池につい
て、電極群を１００００個ずつ作製し、各電極群を容器
内へ収納したものに３５０Ｖの電圧を１０ＭΩの抵抗値
で０．１ｍｓｅｃ加え、通電したものを絶縁不良と判定
し、その結果を下記表１に併記する。

【００５２】さらに、実施例及び比較例１〜２の二次電
池について、２５℃、３６時間放置した後、０．１Ｃｍ
Ａで１５時間かけて充電を行い、３０分休止した後、
１．０ＣｍＡで１．５時間かけて電池電圧が１．０Ｖに
なるまで放電した際の放電容量を測定し、その結果を下
記表１に併記する。

【００５３】

【表１】

【００５４】前記表１から明らかなように、集電タブが
外側の周の正極上端部のうち電極群の中心と正極巻き終
わり端部とを結んだ直線とのなす角が９０゜より大き
く、２７０より小さい領域に電気的に接続された構造の
電極群を備える実施例の二次電池は、集電タブが外側か
ら２周目の正極上端部に電気的に接続された構造の電極
群を備える比較例１の二次電池に比べて絶縁不良発生数
が少ないことがわかる。また、実施例の二次電池は、集
電タブが正極の巻き終わり上端部に電気的に接続された
構造の電極群を備える比較例２の二次電池に比べて、電
極群を収納する際に集電タブに亀裂や、折れが生じるの
を防止できることがわかる。さらに、実施例の二次電池
は、高容量であることがわかる。

【００５５】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、高
容量で、かつ絶縁不良発生率が少ない円筒形アルカリ二
次電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る円筒形アルカリ二次電池の一例を
示す部分切欠斜視図。

【図２】図１の二次電池の正極を示す平面図。

【図３】図１の二次電池の電極群を容器内に収納した状
態を示す上面図。

【符号の説明】

２…帯状集電タブ、 ３…正極、 ４…負極、 ５…セパレータ、 ６…電極群、 ８…封口板、 ９…絶縁ガスケット。

フロントページの続き (72)発明者 佐藤 俊毅 東京都品川区南品川３丁目４番10号 東芝 電池株式会社内 Ｆターム(参考） 5H022 AA04 AA18 CC08 CC12 CC16 5H028 AA07 BB07 CC13 HH00

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上端部に帯状集電タブが電気的に接続さ
   れた正極と負極とをセパレータを介して渦巻き状に捲回
   することにより作製された電極群を容器内に収納した構
   造を有する円筒形アルカリ二次電池において、 前記帯状集電タブは、外側の周の正極上端部のうち、前
   記電極群の中心と前記正極の巻き終わり端部を結ぶ線と
   のなす角が９０゜より大きく、２７０゜より小さい領域
   に配置されることを特徴とする円筒形アルカリ二次電
   池。