JP2004119133A

JP2004119133A - 角形電池

Info

Publication number: JP2004119133A
Application number: JP2002279486A
Authority: JP
Inventors: Eiji Enishi; 江西　英二; Takashi Nagase; 長瀬　敬; Yoshihiro Masuda; 増田　喜裕; Toshiyuki Kondo; 近藤　敏之
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】負極板、セパレータ、正極板を積層してなる電極群を外装缶に挿入してなる角形電池において、挿入時に外側極板のめくれや、活物質の脱落を防止することにより、良好な電池特性を実現する。
【解決手段】それぞれ芯体に活物質が担持されてなる一方の電極板および他方の電極板がセパレータを介して交互に積層されてなる電極群が有底角形形状の外装缶に収納されている角形電池において、前記電極群の最外側に位置する前記一方の電極板の芯体が前記外装缶底部において一体に連続あるいは相互に連結されており、かつ、前記一方の電極板の前記外装缶と対向する面には前記活物質が担持されず前記芯体が露出しているもの。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は角形電池に関し、さらに詳しくは、生産性および電池特性に優れた角形電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話や携帯型パソコンなどの各種携帯型電子機器の普及に伴い、これらの機器の小型軽量化、高性能化の要求が高まっており、それに伴って、その電源としての二次電池の高容量化、ならびに、薄形化、小型軽量化に対する要望も強くなってきている。
【０００３】
密閉角形電池は、各種機器に搭載する際の体積効率が高いという点で注目されており、具体的には、例えば、角形ニッケル・カドミウム二次電池や角形ニッケル・水素二次電池などの角形アルカリ二次電池がある。
このような角形二次電池は、矩形状の正極板および負極板をセパレータを介して交互に積層して形成した電極群を外装缶内に収容した構造となっている。例えば、図６に示すように、負極板１と、セパレータ３により外周を被覆された正極板２とを交互に積層し、両側すなわち最外側に２枚の負極板１を配置して電極群４が形成されている。図７はこの正極板２とセパレータ３の構成を示し、例えば、袋状に形成されたセパレータ３の中に、正極板２を挿入した構造とすることが一般的である。
【０００４】
そして、正極板２には正極導電タブ５を、負極板１には負極導電タブ６をそれぞれ溶接したのち、さらに、同一極性のタブ同士を１つに溶接した後、図６に示したように、電極群４の全体を外装缶７に挿入する。しかるのち、この外装缶７の上部を封口板（図示せず）により封口することにより、角形二次電池が組み立てられる。
【０００５】
しかし、上記のような従来の角形二次電池において、電極群４を外装缶７に挿入する際に、以下に述べるような問題が起こりやすい。すなわち、図６に示すように、外装缶７の上部開口から電極群４を挿入する際に、電極群４の最外側に位置する一対の負極板１がそれぞれ図中矢線の方向つまり互いに外方へ広がる傾向があるため、この最外負極板１の下端１ａが外装缶７の開口部縁部７ａに接触することにより、最外負極板１がめくれて挿入不良が生じたり、最外負極板１から負極活物質が脱落したりする。その結果、脱落した活物質で電池の内部短絡が発生することもあり、製造歩留まりが低下するという問題がある。
【０００６】
この問題を解決するために、外装缶に収納される電極群の改良が行われ、例えば、図８に示すような電極群１１を備えた角形電池が提案されている。この電極群１１は、電極群の両側部に位置し、それぞれコ字状に形成された一対の負極板すなわち最外側負極板１２を有する。最外側負極板１２は芯体１３に負極活物質１４を担持させることにより形成されており、図示しない外装缶底部では、その折曲部１３ａの芯体１３が露出しているとともに、上記外装缶側面に対向する面では、芯体１２の露出部１３ｂが形成されている。
【０００７】
図９はこの最外側負極板１２を展開した状態を示し、例えばパンチングメタルよりなる長尺の芯体１３の中央領域（折曲部１３ａに相当）を残して両側に負極活物質１４が塗着されている。但し、この最外側負極板１１を中央領域から折曲した際、外装缶に対向する芯体１３の面には負極活物質１４は塗着されていない。
【０００８】
そして、このコ字状の最外側負極板１２にはそれぞれ図７に示したものと同様なセパレータ３により包被された正極板２を挟持することにより電極ユニットＡが構成されている。なお、この正極板２は芯体２１の両面に正極活物質２２が塗着されたものである。
さらに、図８に示したように、一対の最外側負極板１２の間に、同じくセパレータ３により包被された正極板２が配置されて、全体として電極群１１が構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
さらには、図１０に示すように、断面コ字状の最外側負極板３１に、セパレータ３２に包被された正極板２と内側負極板３２とを交互に積層してなる極板群を挟持させて全体として電極群３３が構成されているものも提案されている（例えば、特願２００２−６８９４５）。この電極群３３の最外側負極板３１は図１１に示すように、上記と同様の長尺の芯体３４の中央領域（折曲部３４ａに相当）を残してその両面全面に負極活物質が３５が塗着されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１０−３１２８２４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の改良された電極群を備えた角形電池にあっても、以下のような問題が依然として存在する。すなわち、前者は上述した各電極ユニットＡ内での極板のめくれなどは防止できるものの、各々の最外側負極板が外方に拡開してしまう場合がある。
【００１２】
また、後者の構成では、最外側負極板３１の芯体３４が電極群底部で一体に連接されているので、その内側に挟持された極板群のずれなどは防止できるが、最外側負極板３１の外装缶に対向する面に負極活物質３５が塗着形成されているため、外装缶への挿入時にこの負極活物質が脱落する場合が多く、その結果、電池特性が劣化するのみならず、活物質の脱落に伴うショートの発生なども重大な問題となる。
【００１３】
その一方で、電池のサイクル寿命は負極活物質量に依存する傾向があるため、電池設計の観点からは、限られた空間内でできる限り負極活物質量を増加するという要求に応えることも重要な課題である。すなわち、後者の構成では、最外側負極板３１の外装缶側壁に対向する面に塗着された負極活物質３５は電池反応に寄与しないため、その部分の体積が有効に使用されないという問題がある。
【００１４】
本発明は上記の問題を解決し、電極群を外装缶に挿入する際に、最外側負極板がめくれることによる挿入不良、あるいは、各極板の上下方向のずれが生じたり、負極活物質の脱落などが発生することがなく、さらに、サイクル寿命などの電池特性に優れた角形電池を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、それぞれ芯体に活物質が担持されてなる一方の電極板および他方の電極板がセパレータを介して交互に積層されてなる電極群が有底角形形状の外装缶に収納されている角形電池において、前記電極群の最外側に位置する前記一方の電極板の芯体が前記外装缶底部において一体に連続あるいは相互に連結されており、かつ、前記一方の電極板の前記外装缶と対向する面には前記活物質が担持されず前記芯体が露出しているものが提供される。
【００１６】
上記の構成において、前記電極群の最外側に位置する前記一方の電極板の芯体の開口率が、前記電極群の最外側の内側に位置する前記一方の電極板の芯体の開口率よりも小さくされていることが好ましい。
また、前記電極群の最外側の内側に位置する前記一方の電極板に接続された導電タブが、前記外装缶底部において前記最外側の前記一方の電極板と電気的に接触している構成、あるいは、前記電極群の最外側の内側に位置する前記一方の電極板に接続された導電タブが、前記外装缶上部において前記最外側の前記一方の電極板と電気的に接触している構成としてもよい。
【００１７】
さらには、前記電極群の最外側の内側に位置する前記一方の電極に接続された導電タブが、前記電極群の上部において前記一方の電極と同一の極性を有する部材と電気的に接触している構成とすることもできる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の角形電池の実施形態について説明する。
図１は本発明の角形電池の第１の実施形態を示し、図中、図６，７と同一の構成要素には同一の符号を付して示してある。
図１において、上部に開口を有する角形有底の外装缶４０内に電極群４１が収納されている。外装缶４０の上部開口には内方に張出した段部４０ａが形成されている。この段部４０ａには、矩形枠状の絶縁ガスケット４２が配置され、この絶縁ガスケット４２に周縁部が噛み込んだ状態で、封口板４３が配置され、外装缶４０の上部開口を内方に縮径するかしめ加工を行うことにより、封口板４３が絶縁ガスケット４２を介して外装缶４０の上部を封口する。
【００１９】
封口板４３の中央にはガス抜き孔４３ａが形成され、このガス抜き孔４３ａを覆うように配置されたキャップ状の正極端子４４が封口板４３に例えば溶接固定され、封口板４３と正極端子４４に囲繞された空間内に例えばゴム製の安全弁４５が上記のガス抜き孔４３ａを閉塞するように配置されている。
電極群４１は両側すなわち最外側に位置する最外側負極板４６と、この最外側負極板４６の内側に配置される正極板２、セパレータ３および内側負極板５０から構成される。最外側負極板は、図２に示すように、例えばパンチングメタルよりなる長尺の芯体４８の一方の面に中央部領域すなわち折曲部４８ａを除いて負極活物質４９が塗着形成されたものである。したがって、この芯体４８の他方の面は負極活物質が塗着されておらず、芯体４８の露出部４８ｂとなっている。この芯体の露出部４８ｂが外装缶４０の側壁４０ｂと対向するようにコ字状に折曲することにより最外側負極板４６が構成される。
【００２０】
図１からも明らかなように、最外側負極板４６の中央部の芯体折曲部４８ａが外装缶４０の底面４０ｃに当接し、両側の芯体露出部４８ｂが外装缶４０の側壁４０ｂに密着することにより、最外側負極板４６とこれと同一極性を有する外装缶４０との導通が実現する。
一方、最外側負極板４６の内側においては、正極板２、セパレータ３および内側負極板５０が交互に積層されて極板群が形成されている。正極板２およびセパレータ３に関しては、上記の図７に示したような袋状のセパレータ３内に正極板２を収納したものを使用することができる。
【００２１】
また、内側負極板５０は、芯体５１の両面に活物質５２が形成されたものを、単体で複数枚（ここでは２枚）使用することもできるが、図１および図１１に示すように、芯体５１の両面に負極活物質５２が形成されたものを中央の折曲部５１ａでコ字状に折曲してなるものも使用することもできる。
このような電極群４１において、正極側の集電構造について説明すると、各正極板２から導出された正極導電タブ５は電極群４１の上部で一体に溶接され、この正極導電タブ５が前述した封口板４３の下面と溶接接続されている。封口板４３と正極端子４４とは電気的に接続されているため、封口板４３も正極端子としての機能を兼ねている。
【００２２】
次いで、負極側の集電構造について説明すると、まず最外側負極板４６においては芯体露出部４８ｂが負極端子を兼ねる外装缶４０の側壁４０ｂに接触し、この側壁４０ｂと電気的に接続される。また、内側負極板５０においては、芯体折曲部５１ａが最外側負極板４６の芯体折曲部４８ａと接触することによりこれと電気的に接続される。この両者の芯体折曲部４８ａ，５１ａは上述したように接触するのみで十分であるが、両者を溶接することにより、より強固に密着させることもできる。
【００２３】
上記のような構成の角形電池においては、最外側負極の外装缶４０の側壁４０ｂに対向する面が芯体露出部４８ｂとなっており、そこには負極活物質４９が塗着されていないため、従来のように電極群を外装缶に収納する際に、最外側負極板の負極活物質が外装缶の開口周縁部に摺接してこの負極活物質が脱落することが防止される。
【００２４】
また、最外側負極板４６の下部芯体折曲部４８ａ内側の極板群を一括して保持する構造であるため、電極群の挿入時に極板群が上下方向にずれることが有効に防止される。
さらに、最外側負極板４６の外装缶側壁４０ｂに対向する面は電池反応にほとんど寄与しないため、この領域に負極活物質が形成されないことにより、空間効率が向上し、内側の有効活物質量を増大することが可能となる。
【００２５】
また、上記の電極群において、最外側負極板４６の芯体４８の開口率が、内側負極板５０の芯体５１の開口率より小さいことが好ましい。これは、次のような理由による。すなわち、第一に、芯体の開口率が大きいと、開口内部まで活物質を担持できるため活物質の全体量は増大するが、上述したように最外側負極板のように片面の芯体が露出していると、電極群を外装缶に挿入する際に、この芯体の開口に入り込んだ負極活物質が脱落する可能性が生じるからである。
【００２６】
第二に、最外側極板の芯体の開口率が小さいと、芯体の実質的な表面積が大きくなるため、外装缶との接触面積が増大し、その結果、両者間の導電性が向上する。
具体的には、最外側負極板の芯体の開口率は２０〜３０％、内側負極板の芯体の開口率は３０〜４５％の範囲にそれぞれ設定することが好ましい。
【００２７】
図３は本発明の角形電池の第２の実施形態であり、電極群の他の構成例を示している。なお、図中、図１と同一の構成要素には同一の符号を付してある。
この電極群５３においては、芯体５４の両面に負極活物質５５が形成された２枚の内側負極板５６が使用されており、それぞれの芯体５４が下方に延出されて芯体延出部５４ａが形成されている。この芯体延出部５４ａは外装缶底面４０ｃにおいて、最外側負極板４６の芯体折曲部４８ｃに、例えば、溶接されることにより電気的な接触が図られている。
【００２８】
図４は本発明の角形電池の第３の実施形態であり、電極群の他の構成例を示す。なお、図中、図１、図３と同一の構成要素には同一の符号を付して示し、かつ、正極導電タブは省略した。
この電極群５７においては、２枚の内側負極板５６は上記第２の実施形態と同様別体に形成されており、それぞれの芯体５４が電極群５７の上方に延出されて芯体延出部５４ｂとなっている。この芯体延出部５４ｂは内側負極板の導電タブを兼ねており、電極群５７の上部でそれぞれ電池缶側壁４０ｂの方向に折曲され、その端部が最外負極板４６の芯体上部延出部４８ｃに、例えば溶接されることにより、電気的に接触している。
【００２９】
図５は本発明の角形電池の第４の実施形態であり、電極群の他の構成例を示す。なお、図中、図１、図４と同一の構成要素には同一の符号を付して示し、上記と同様に正極導電タブは省略した。
この電極群５８においては、上記の第３の実施形態に示した電極群５７と同様に内側負極板５６が別体に形成されるとともに、各内側負極板５６の芯体５４が上部に延出されて芯体延出部５４ｂとなっており、この芯体延出部５４ｂが内側負極板５６の導電タブを兼ねている。内側負極板５６の芯体延出部４ｂは電極群５８の上部でこの内側負極板５６と同極性の部材、ここでは、外装缶４０に溶接されて内側負極板５６の集電が行われる。芯体延出部５４ｂを外装缶４０に溶接する場合は、図５に示したように、外装缶４０に当接する芯体延出部端部５４ｃを外装缶側壁４０ｂに沿って折曲して、その折曲端部５４ｃを溶接すると溶接面が増大し、確実に両者を溶着することができる。
【００３０】
なお、上記第４の実施形態において、角形電池の構成によっては封口板が負極と同極性の場合もあり、その場合は、芯体延出部を封口板下面に溶接することにより内側負極板の集電を行えばよい。
【００３１】
【実施例】
実施例１
１）水素吸蔵合金電極（負極板）の作製
市販の金属元素をＭｍＮｉ_３．４Ｃｏ_０．８Ａ_ｌ０．２Ｍｎ_０．６の組成となるように、高周波溶解炉にて溶解した後、得られた溶湯を鋳型に流し込み、水素吸蔵合金インゴットを作製した。
【００３２】
次いで、このインゴットをあらかじめ粗粉砕したのち、不活性ガス雰囲気中で平均粒径が５０μｍ程度になるまで機械的に粉砕した。なお、この平均粒径はレーザ回折法により測定した。
この合金粉末９９質量％に水溶性結着剤としてのポリエチレンオキサイド１質量％ならびに適量の純水または水を加えて混合した後、混練して負極活物質スラリーを調製した。一方で、表面にＮｉめっきを施したパンチングメタルよりなり、開口率が３５％の芯体を用意し、この芯体の両面に上記により得られた負極活物質スラリーを塗着した後、約６０℃で２０分間乾燥した。
【００３３】
上記により得られた水素吸蔵合金電極を６０．６ｍｍ×１５．１ｍｍ、および、５５．６ｍｍ×１５．１ｍｍに切断した。前者は、図２に示したように、芯体の一面の活物質を全て剥離し、さらに、他面の活物質も芯体の長手方向中央部の長さ４．０ｍｍの領域にわたり剥離することにより芯体折曲部を形成し、最外側負極板を得た。また、後者は図１１に示したように、芯体の両面の長手方向中央部の長さ１．９ｍｍの領域の活物質を剥離することにより芯体折曲部を形成し、内側負極板を得た。
【００３４】
２）ニッケル・水素蓄電池の作製
上記により得られた最外側負極板および内側負極板を図１のように中央芯体折曲部でコ字状に折曲し、最外側負極板の両側の芯体露出面が外装缶の側壁と対向するようにした。この最外側負極板の内側に内側負極板と、図２に示した袋状のセパレータに内包された非焼結式Ｎｉ極（正極板）を交互に積層して電極群を形成し、この電極群を外装缶に挿入した。その後、ＫＯＨ、ＬｉＯＨおよびＮａＯＨの混合液よりなる電解液を注入し、公称容量６００ｍＡｈのＣ１サイズのニッケル・水素蓄電池を作製した。
【００３５】
３）評価試験
＜電極群の挿入性＞
上記の電極群を１００個作製し、これらの電極群を開口寸法が１５．８ｍｍ×５．０ｍｍの外装缶に挿入した際に、活物質が脱落が発生した個数、ならびに、電極群において電極板に左右または上下にずれが生じた個数を調べ、それぞれの結果を表１に示した。
【００３６】
＜放電サイクル特性＞
上記により得られた角形ニッケル・水素蓄電池Ａに対し、サイクル試験機により６０ｍＡで１６時間の充電を行い、１時間放置したのち、１２０ｍＡで放電を行った。このときの放電容量を検査容量とする。引き続き、サイクル試験機にて６０ｍＡ×１６時間の充電を行い、１時間放置したのち、６００ｍＡで放電を行った。このときの放電両々を初期容量とする。初期容量／検査容量の比を算出して、結果を表２に示した。
【００３７】
実施例２
最外側負極板として、開口率２１％のＮｉめっきパンチングメタルを使用したことを除いては上記実施例１と同様にして電極群を作製し、実施例１と同容量および同サイズの角形ニッケル・水素蓄電池を作製し、上記と同様の各評価試験を行って、その結果を表１および表２に示した。
【００３８】
比較例１
実施例１の最外側負極板に替えて、図１１に示した最外側負極板を使用して、図１０に示した電極群を作製し、上記実施例１と同容量および同サイズの角形ニッケル・水素蓄電池を作製し、上記と同様の各評価試験を行って、その結果を表１および表２に示した。
【００３９】
比較例２
図９に示した最外側負極板を２枚作製し、芯体折曲部にて折曲し、これに実施例１の正極板およびセパレータと組み合わせて図８に示した電極群を作製し、さらに、上記実施例１と同様にしてこれと同容量および同サイズの角形ニッケル・水素蓄電池を作製した。この角形ニッケル・水素蓄電池に対して上記と同様の各評価試験を行って、その結果を表１および表２に示した。
【００４０】
なお、上記の各実施例および比較例において、それぞれの電池に使用した非焼結ニッケル正極板および水素吸蔵合金の量は同一とした。また、負極の集電は電池上部、下部または最外側負極板と外装缶との接触により確保した。
【００４１】
【表１】

【００４２】
【表２】

【００４３】
以上の結果から明らかなように、本発明の角形ニッケル・水素蓄電池（実施例１，２）は電極群を外装缶に収納する際に、活物質の脱落や極板のずれなどの発生が防止されており、その特性も優れたものであることが確認された。
とくに、最外側負極板に使用される芯体の開口率を、内側負極板に使用される芯体の開口率よりも小さくしたもの（実施例２）は、活物質の脱落、極板のずれのいずれも発生数がゼロであり、とくに優れていることが分かった。
【００４４】
それに対して、最外側負極板の外装缶側壁に対向する面に活物質が形成されているもの（比較例１）は作製した電池のほぼ半数に活物質の脱落が発生し、放電容量も低くなった。また、最外負極板の芯体が外装缶底部で一体に接続されていない構成のもの（比較例２）は、活物質の脱落の発生は比較的防止されているものの、電極群の挿入時に極板のずれが発生し、工程不良になることが確認された。
【００４５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の角形電池は、電極群を外装缶に挿入する際の極板のずれや活物質の脱落が確実に防止されているため、工程上の品質向上が実現でき、さらに、電池特性の向上にも有効に寄与するので、その工業的価値は極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の角形電池の第１の実施形態を示す概念的一部破断縦断面図である。
【図２】図１に使用される最外側負極板の展開図である。
【図３】本発明の角形電池の第２の実施形態を示す概念的一部破断縦断面図である。
【図４】本発明の角形電池の第３の実施形態を示す概念的一部破断縦断面図である。
【図５】本発明の角形電池の第４の実施形態を示す概念的一部破断縦断面図である。
【図６】従来の角形電池の電極群と外装缶の構成の一例を示す概念的斜視図である。
【図７】図６の正極板およびセパレータの構造を示す斜視図である。
【図８】従来の角形電池に使用される電極群の構成を示す縦断面図である。
【図９】図８の電極群の最外側負極板の展開図である。
【図１０】本発明の関連技術である角形電池に使用される電極群の構成を示す縦断面図である。
【図１１】図１０の電極群の最外側負極板の展開図である。
【符号の説明】
２　正極板
３　セパレータ（袋状）
５　正極導電タブ
４０　外装缶
４０ｂ　　側壁
４０ｃ　　底面
４１，５３，５７，５８　　電極群
４３　封口板
４６　最外側負極板
４８　芯体
４８ａ　　芯体折曲部
４８ｂ　　芯体露出部
４９、５２，５５　負極活物質
５０，５６　　内側負極板
５１，５４　　芯体
５１ａ　　芯体折曲部
５４ａ，５４ｂ　　芯体延出部

Claims

それぞれ芯体に活物質が担持されてなる一方の電極板および他方の電極板がセパレータを介して交互に積層されてなる電極群が有底角形形状の外装缶に収納されている角形電池において、前記電極群の最外側に位置する前記一方の電極板の芯体が前記外装缶底部において一体に連続あるいは相互に連結されており、かつ、前記一方の電極板の前記外装缶と対向する面には前記活物質が担持されず前記芯体が露出していることを特徴とする角形電池。
前記電極群の最外側に位置する前記一方の電極板の芯体の開口率が、前記電極群の最外側の内側に位置する前記一方の電極板の芯体の開口率よりも小さくされている請求項１記載の角形電池。
前記電極群の最外側の内側に位置する前記一方の電極板に接続された導電タブが、前記外装缶底部において前記最外側の前記一方の電極板と電気的に接触している請求項１または２記載の角形電池。
前記電極群の最外側の内側に位置する前記一方の電極板に接続された導電タブが、前記外装缶上部において前記最外側の前記一方の電極板と電気的に接触している請求項１〜３いずれか記載の角形電池。
前記電極群の最外側の内側に位置する前記一方の電極に接続された導電タブが、前記電極群の上部において前記一方の電極と同一の極性を有する部材と電気的に接触している請求項１〜４いずれか記載の角形電池。