JP2005019102A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電極体の最外周をフィルム体で巻回することにより製造時における作業効率を維持しながら、電池が過充電状態になった際にも負極板のガス吸収性を高く確保して電池内圧の上昇を抑制できる二次電池を提供する。
【解決手段】フィルム体１４の本体１４０には、複数の略長円形を有する孔１４１が形成されている。孔１４１に臨む縁部には、４箇所の切り起こし部１４２が形成されている。また、孔１４１の縁部において、切り起こし部１４２以外の部分については、フィルム体１４の厚み方向に凹凸がなく、平坦となるように加工されている。
孔１４１の縁部における切り起こし部１４２は、全て図面の手前に向って切り起こされている。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池に関し、特に電極体の結束を目的として外面に被着されるフィルム体の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ニッケル−カドミウム二次電池（以下、「Ｎｉ−Ｃｄ電池」という。）やニッケル−水素二次電池（以下、「Ｎｉ−ＭＨ電池」という。）に代表される二次電池は、正極板と負極板とを間にセパレータを介して配置し、これを渦巻状に成型した電極体を、外装缶に収納し、その収納口が封口蓋をもって封口された構成を有する。
【０００３】
ところで、二次電池の電極体にあっては、通常、最外周に負極板が配置されている。これは、電池が過充電に際に、正極板で発生するガスを負極板で確実に吸収させるためである。即ち、過充電時における電池内圧の上昇を抑制するためには、正極板に対し負極板の容量を大きくとり、過充電時に正極板で発生したガスを確実に負極板に吸収させることが必要となる。これより、電池の密閉化が可能となる。
【０００４】
ここで、外装缶に収納する際の電極体は、正極板、負極板の積層体を渦巻状にした後、外装缶に収納するまでの間に、巻き緩み等が発生するのを抑制する目的から、その外周が粘着テープなどのフィルム体で被着されることが多い。
このようにフィルム体を用いる場合、電池の過充電時における負極板のガス吸収機能は、負極板全体として低下することになる。即ち、負極板におけるフィルム体で覆われた領域では、過充電時に正極板で発生するガスを吸収することができなくなってしまい、電池全体で見たときの負極板のガス吸収性が低下することになる。このような問題に対し、図５（ａ）に示すように、電極体２００の外周面を覆うフィルム体２１４において、その主面に複数の孔２１４ｈを設けるという技術が開発されている（特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】
実公平４−３４０３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５（ｂ）に示すように、上記特許文献１の電池では、負極板２１２における孔２１４ｈに臨む領域でのガス吸収性を改善することはある程度できるものの、隣り合う孔２１４ｈ間でのガスの流通は殆どないために、全体としてみたときの負極板２１２のガス吸収性に改善の余地が残る。即ち、主面における孔２１４ｈが形成された部分は、電極体２００を外装缶２３０内に収納した際、外装缶２３０の内壁面と電極体２００の外周面とで密に挟まれてしまうことになり、孔２１４ｈで形成される空間領域が各々孤立してしまうことになる。
【０００７】
このようにフィルム体２１４における各孔２１４ｈが孤立した状態の電池にあっては、領域毎に製造上のバラツキを有する負極板２１２に対し、ガスを吸収しきれない箇所が生じてしまう。よって、上記特許文献１の電池では、孔２１４ｈ間のガス流通が殆どないことから、負極板２１２の領域毎のガス吸収性のバラツキがそのまま現れ、ガス吸収性の低い領域ではガスを吸収しきれなくなってしまい、負極板２１２全体としてガス吸収性が不十分となる。このように負極板２１２の一部でガスを吸収しきれない箇所が生じてしまうと、電池の内圧上昇を生じる原因となる。
【０００８】
本発明は、上記問題を解決しようとなされたものであって、電極体の最外周にフィルム体を被着することにより製造時における作業効率を高く維持しながら、電池が過充電状態となった際にも負極板のガス吸収性を全体として高く確保することで電池内圧の上昇を抑制できる二次電池を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、正極板と負極板とが間にセパレータを介して配置されてなる電極体が、外面へのフィルム体の被着により結束された状態で、外装体に収納された二次電池であって、フィルム体は、複数の孔を有し、且つ、外装体の側の主面に凸部が形成されることで、孔を臨む縁部の一部分が外装体の内壁面から間隙をあけた状態であることを特徴とする（請求項１）。
【００１０】
この二次電池では、フィルム体における外装体の側の主面に凸部が形成されることで、孔を臨む縁部の一部分が外装体の内壁面から間隙をあけた状態になっているので、隣り合う孔間にガス流通経路が確保されることになる。よって、この二次電池では、電極体の外周に位置する負極板が、その領域毎にガス吸収性のバラツキを有していても、ガス吸収性の低い領域で吸収しきれなかったガスがガス吸収性の高い領域に流れて吸収されることになり、負極板全体として高いガス吸収性を有することになる。
【００１１】
また、上記二次電池においては、電極体の外面にフィルム体が被着されているので、電極体を形成した後であって外装体への収納前の段階で巻き緩み等の問題を生じることがなく、製造時における作業性が高く維持され、電池使用時における短絡などを生じにくい。
従って、本発明に係る二次電池では、電極体の最外周をフィルム体で巻回することにより製造時における作業効率を高く維持しながら、過充電状態となった際にも負極板のガス吸収性を全体として高く確保して電池内圧の上昇を抑制することができる。
【００１２】
上記本発明に係る二次電池において、具体的な凸部は、孔を臨む縁部の他の部分が外装体の側に向けて切り起こされてなる部分であることを特徴とする（請求項２）。このようにすれば、製造時において、孔を設けるのと別に工程を設けなくても、主面に凸部を形成することができるので、形成に係る工数を少なくすることができる。よって、この二次電池は、コスト面で優れる。
【００１３】
また、上記二次電池において、電極体が渦巻形状を有するものである場合、フィルム体の孔を、電極体の巻回軸方向が長手となる略長円形状あるいは略長方形状を有するように形成しておくことが望ましい（請求項３）。これは、電池における極板は、その製造過程での搬送方向である長手方向よりも、これに直交する短手方向にそのバラツキを生じやすいので、電池に組み込まれた後の負極板においても、短手方向、即ち、渦巻状電極体の巻回軸方向におけるガス吸収性がバラツクことになるが、上記のように孔を巻回軸方向に長手を有する略長円形状あるいは略長方形状とすることにより、負極板の領域毎におけるガス吸収性のバラツキを補正することが可能となるためである。
【００１４】
なお、孔の形状については、円形、長円形（楕円形を含む。）、多角形など種々の形状を採用することが可能であるが、外装体内における負極板のダメージを最小限とするのに、角のない略長円形状とすることがより望ましい。
上記構成については、二次電池であればその種類に限定を受けるものではないが、特に密閉型アルカリ二次電池に対して上記技術を適用すれば、過充電の際にも電池の膨化を抑制できるので有効である（請求項４）。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（構造）
本発明の実施の形態に係る二次電池の構造について、図１を用いて説明する。本発明の実施の形態においては、密閉型のＮｉ−ＭＨ電池１を一例に説明する。
図１に示すように、Ｎｉ−ＭＨ電池１は、渦巻状の電極体１０がその上下端部に集電板２１、２２が接続された上で、外装缶３０の内方に収納され、開口部が封口蓋４０で封止された構造を有する。また、電極体１０の外周面と外装缶３０の内壁面との間には、電極体１０の外周面に被着されたフィルム体１４が介挿されている。このフィルム体１４は、少なくとも重なり部分に粘着性を有しており、渦巻状に成型された電極体１０の巻き緩み等を防止（結束）する目的で設けられているものである。
【００１６】
図１に示すように、Ｎｉ−ＭＨ電池１を構成する要素の内、電極体１０は、正極板１１と負極板１２とがセパレータ１３を間において対向配置され、その状態で渦巻状に巻回成型されたものである。電極体１０においては、その最外周には、負極板１２が配されるように、正極板１１に対して巻回方向に長い負極板１２が用いられて巻回成型がなされている。Ｎｉ−ＭＨ電池１を過充電した際に、正極板１１から酸素ガスが発生し、負極板１２が発生した酸素ガスを吸収するが、負極板１２の長さを正極板１１の長さよりも長くすることで、正極板１１よりも負極板１２の活物質量を多くすることができ、過充電時においても正極板１１から発生した酸素ガスを負極板１２に確実に吸収させ、電池内圧の上昇を抑制することができる。
【００１７】
電極体１０の構成要素の内、正極板１１は、例えば、３次元ニッケル基板を芯体とし、活物質としてのニッケル水酸化物が充填されてなるものである。また、負極板１２は、例えば、パンチングメタルを芯体とし、活物質としての水素吸蔵合金をコーティング、乾燥、圧延することで得られるものである。
集電板２１、２２の各々は、薄い円盤状をした金属板であって、外装缶３０あるいは封口蓋４０の電極部との接続を良好なものとするものである。
【００１８】
外装缶３０は、金属材料からなる有底円筒状体であり、その内径は、フィルム体１４が密着配置された電極体１０の外径と略同等に設定されている。
封口蓋４０は、外装缶３０の開口部に載置され、間にガスケットを介挿した状態で縁部分がカシメ加工が施されている。封口蓋４０には、電池内圧の上昇時におけるガス抜き機構が備えられているが、これについては公知のものであるので、ここでの説明は省略する。
【００１９】
フィルム体１４は、負極板１２と略同等の幅を持つ薄膜に対し、その主面に長円形状の孔１４１が複数設けられている。これについては、後述する。
なお、外装缶３０の内方には、上記電極体１０などの他にアルカリ溶液（例えば、水酸化ナトリウム。）からなる電解液が注入されている（不図示。）。
（フィルム体１４の構造）
フィルム体１４の構造について、図２を用いて説明する。
【００２０】
図２（ａ）に示すように、フィルム体１４の本体１４０には、複数の略長円形を有する孔１４１が、全面に分散した状態で（図１参照。）形成されている。ここで、複数の孔１４１については、上記図１に示すように、マトリクス状となるように配列しておくことが望ましい。
各孔１４１に臨む縁部には、縁部全周の中で少なくとも一箇所（本実施の形態においては、四箇所。）に切り起こし部１４２が形成されている。また、孔１４１の縁部において、切り起こし部１４２以外の部分については、フィルム体１４の厚み方向に凹凸がなく、平坦となるように加工されている。
【００２１】
なお、切り起こし部１４２の形成数については、上述のように少なくとも一箇所あればよいが、二箇所以上とすることが望ましい。
図２（ａ）に示すフィルム体１４は、上記図１における外方、つまり、外装缶３０の側から見たものであり、孔１４１の縁部における切り起こし部１４２は、全て図面の手前に向って切り起こされている。
【００２２】
なお、フィルム体１４には、耐アルカリ性材料（例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリオレフィン等。）からなるフィルム材が用いられており、上記図１における電極体１０の外周面を巻回した際のオーバーラップ部分が粘着性を有するようになっている。
また、フィルム体１４は、極薄いものであり、例えば、厚みｔ＝３０（μｍ）を有する。
【００２３】
フィルム体１４をその厚み方向に見た図が、図２（ｂ）である。図２（ｂ）においては、図面の下側が外装缶３０の側に相当する。
図２（ｂ）に示すように、孔１４１の縁部に形成された切り起こし部１４２は、孔１４１を打ち抜いた際のバリがそのまま残った状態のものである。
（Ｎｉ−ＭＨ電池１における過充電時の反応）
Ｎｉ−ＭＨ電池１に対して過充電した際の各電極における反応は、次に示すようなものである。
【００２４】
【数１】

数１に示すように、Ｎｉ−ＭＨ電池１が過充電状態となったときには、正極板１１から酸素ガス（Ｏ_２）が発生する。そして、発生した酸素ガスは、セパレータ１３を透過して、あるいは外装缶３０の内壁面と電極体１０との間隙に沿って負極板１２に達することになる。
【００２５】
【数２】

数２に示すように、負極板１２においては、活物質としての水素吸蔵合金で正極板１１で発生された酸素ガスを吸収する。
（本発明の実施の形態に係るＮｉ−ＭＨ電池１の優位性）
次に、上記図２の構造のフィルム体１４を有することにより奏されるＮｉ−ＭＨ電池１の優位性について、図３を用いて説明する。
【００２６】
図３に示すように、Ｎｉ−ＭＨ電池１では、フィルム体１４における孔１４１を臨む縁部の一部領域に切り起こし部１４２が形成されているので、この切り起こし部１４２の周辺には外装缶３０の内壁面とフィルム体１４の主面との間に隙間が形成される。そして、この隙間の形成により、隣り合う孔１４１間には、ガスの流通路が形成されることになる（図中における矢印）。このようにフィルム体１４の孔１４１間でガス流通経路が確保されたＮｉ−ＭＨ電池１では、仮に負極板１２における一つの孔１４１に臨む領域でのガス吸収が飽和状態に達した場合でも、ガスが他の孔１４１に流動できるので、他のまだ飽和状態に達していない領域でガスが吸収される。
【００２７】
従って、本発明の実施の形態に係るＮｉ−ＭＨ電池１では、電極体１０の外周にフィルム体１４を巻回することで電池製造時の効率化が図れるとともに、電池が過充電状態におかれた際にも、負極板のガス吸収性を高く確保して電池内圧の上昇が抑制される。
（フィルム体１４における孔１４１の形成）
上記フィルム体１４における孔１４１の形成方法について、図４を用いて説明する。図４では、形成方法を説明するために、装置の一部を概念的に示している。
【００２８】
図４（ａ）に示すように、フィルム体１４を作製するための装置は、主な構成要素として雄型５００と雌型５１０とを有する。この内、雄型５００は、図４（ａ）に示すように、長円形の一部（４箇所）に切り欠き５０１が設けられた断面形状を有している。また、図４（ａ）に示すように、雄型５００の先端には、打ち抜き刃５０２が形成されている。
【００２９】
これに対して、雌型５１０は、長円形の断面を有するパンチ孔５１１が設けられている。
図４（ｂ）に示すように、雄型５００を雌型５１０に噛み合わせると、その断面では、雄型５００の切り欠き５０１の部分で、雌型５１０との間に隙間を生じるようになっている。そして、フィルム体材料１４００に対し、これら型５００、５１０を用いて打ち抜き孔１４１を形成するとき、上記隙間の部分で上記切り起こし部１４２が形成されることになる。
【００３０】
なお、図４では、フィルム体材料１４００に対して、一つの孔１４１を打ち抜くのに用いる型５００、５１０を一例に説明したが、実際には、このような型が複数配列された雄雌各々の打ち抜き型を用いる。
（その他の事項）
上記発明の実施の形態では、Ｎｉ−ＭＨ電池を一例に本発明の構成および作用効果について説明したが、本発明は、電池の種類などをこれに限定を受けるものではない。例えば、本発明は、Ｎｉ−Ｃｄ電池などに適用した際にも有効であり、また、円筒形の電池だけではなく、角型電池等に対しても有効である。その場合、中に収納される電極体の形態も、上記発明の実施の形態で一例として用いた渦巻状のものに限らず、複数の正負極板が積層された、所謂、スタックタイプのものでもよい。得られる効果は、同様である。
【００３１】
また、上記発明の実施の形態では、フィルム体１４における孔１４１の縁部の一部分に切り起こし部１４２を形成することで、孔１４１間のガス流通経路を確保することとしたが、フィルム体１４の外装缶３０の側の主面内であれば、切り起こし部を形成するのは、これ以外の場所であっても構わない。さらにいえば、フィルム体１４の主面に凸部が形成されれば、必ずしも切り起こしでなくても同一の効果を得ることができる。例えば、孔１４１と孔１４１の間における主面にディンプル加工を施すなどしてもよい。
【００３２】
また、上記発明の実施の形態では、フィルム体１４における孔１４１の形状を略長円形としたが、孔の形状は、これに限定を受けるものではない。例えば、円形や多角形などの形状を採用することができる。ただし、製造時において、負極板のバラツキがその短手方向に生じやすいことを考慮するとき、例えば、渦巻状電極体に対しては、巻回軸方向が長手となるような孔を形成しておくことが望ましい。つまり、このように長手方向をとることで、負極板の領域毎におけるガス吸収性のバラツキを吸収させることができる。
【００３３】
さらに、フィルム体１４における孔１４１の設定に当たっては、電極体１０の膨化抑制および巻き径のバラツキ抑制という面から開口率を３０（％）以上７０（％）以下に設定することが望ましく、また、孔１４１の形状を略長円形あるいは略長方形とするときに、過充電時における電池内圧の上昇抑制という面から長軸方向の長さを３（ｍｍ）以上５（ｍｍ）以下に設定することが望ましい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明のように、本発明に係る二次電池では、フィルム体における外装体の側の主面に凸部が形成されることで、孔を臨む縁部の一部分が外装体の内壁面から間隙をあけて配され、これにより隣り合う孔間にガス流通経路が確保されることになる。よって、この二次電池では、負極板の領域毎におけるガス吸収性のバラツキがあっても、孔間をガスが流通できるので、負極板全体として高いガス吸収性を有することになる。
【００３５】
また、上記二次電池においては、電極体の外面にフィルム体が被着されているので、外装体への収納前の段階で巻き緩み等の問題を生じることがなく、製造時における作業性が高く維持され、電池使用時における短絡などを生じにくい。
従って、本発明に係る二次電池では、電極体の最外周にフィルム体を被着し、電極体を結束することにより製造時における高い効率を維持しながら、過充電状況下においても負極板のガス吸収性を高く確保して電池内圧の上昇を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るＮｉ−ＭＨ電池１の外観図（一部断面図）である。
【図２】Ｎｉ−ＭＨ電池１におけるフィルム体１４の構造図である。
【図３】上記図１における電極体１０と外装缶３０との間におけるガスの流通経路を示す断面図である。
【図４】フィルム体１４を製造するために用いる型５００、５１０を示す概念図である。
【図５】従来のフィルム体２１４が密着配置されてなる電極体２００を示す概念図である。
【符号の説明】
１．Ｎｉ−ＭＨ電池
１０．電極体
１２．負極板
１４．フィルム体
３０．外装缶
４０．封口蓋
１４１．孔
１４２．切り起こし部
５００．雄型
５１０．雌型

Claims (4)

1. 正極板と負極板とが間にセパレータを介して配置された電極体が、外面へのフィルム体の被着により結束された状態で、外装体に収納された二次電池であって、
   前記フィルム体は、複数の孔を有し、且つ、前記外装体の側の主面に凸部が形成されることで、前記孔を臨む縁部の一部分が前記外装体の内壁面から間隙をあけた状態である
   ことを特徴とする二次電池。
2. 前記凸部は、前記孔を臨む縁部の他の部分が、前記外装体の側に向けて切り起こされてなる部分である
   ことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
3. 前記電極体は、渦巻形状を有するものであって、
   前記フィルム体の孔は、前記電極体の巻回軸方向が長手となる略長円形状あるいは略長方形状を有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の二次電池。
4. 外装体は、その内方にアルカリ性電解液が注入されており、前記電極体の収納口が封口蓋をもって封止されている
   ことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の二次電池。

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