JP2005050771A

JP2005050771A - 電池

Info

Publication number: JP2005050771A
Application number: JP2003284211A
Authority: JP
Inventors: Toshiki Sato; 俊毅佐藤
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】高容量化に好適し且つ短絡及び内部抵抗の増大が防止された電池の提供。
【解決手段】電池は、導電性の外装缶と、前記外装缶内に収容され、帯状の負極芯体４６及びこの負極芯体４６に保持された水素吸蔵合金層を含む負極２６並びに正極をセパレータを介して負極２６が最外周に位置付けられるように渦巻状に巻回してなり、負極２６からなる最外周部が前記外装缶の周壁に接する電極群とを備え、負極２６は、前記電極群の内側に巻回された本体部５２と、前記電極群の最外周部として巻回され、本体部５２に比べて合剤層４８，５０の厚みが薄い薄肉部５６と、本体部５２と薄肉部５６との間に形成され、負極芯体４６の長手方向でみて合剤層５０の傾斜角度が０度を超えて１０度未満である境界部５４とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は高容量化に好適した電池に関する。

電池、特にアルカリ蓄電池としては、含まれる活物質の種類によって、例えばニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素二次電池等をあげることができ、これらアルカリ蓄電池には、セパレータを間に挟んでそれぞれ帯状の負極と正極とを渦巻状に巻回した電極群を、円筒状の外装缶内に収容した円筒型のものがある。
この種の円筒型アルカリ蓄電池にあっては、過充電時に発生した酸素ガスを還元して内圧上昇を防止すべく、正極容量よりも負極容量の方が大きいが、電池容量を高めるために正極活物質の増量が要求され、この要求に応えるべく様々な提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１が開示する円筒型アルカリ蓄電池は、電極群の最外周に位置付けられ、電池反応への寄与が少ない負極の部分の厚みを他の部分よりも薄くすることで、体積効率を高めて高容量化を達成するものと考えられる。
特開平４−２０６４７４号公報

しかしながら、特許文献１の円筒型アルカリ蓄電池において、厚みが変化する境界部では、電極群の巻回時に応力が局所的に集中して強度不足が生じやすい。このため、電極群の巻回時に境界部にひび割れや破断が発生し、このひび割れや破断した箇所で電気抵抗が高くなって内部抵抗が増大したり、あるいは、ひび割れや破断した箇所がセパレータを突き破って正極と接触して短絡するという問題がある。

本発明は上記の問題を解決し、高容量化に好適し且つ短絡及び内部抵抗の増大が防止された電池を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するため、請求項１の発明では、導電性の外装缶と、前記外装缶内に収容され、帯状の負極芯体及びこの負極芯体に保持された合剤層を含む負極並びに正極をセパレータを介して前記負極が最外周に位置付けられるように渦巻状に巻回してなり、前記負極からなる最外周部が前記外装缶の周壁に接する電極群とを備えた電池において、前記負極は、前記電極群の内側に巻回された本体部と、前記電極群の最外周部として巻回され、前記本体部に比べて前記合剤層の厚みが薄い薄肉部と、前記本体部と前記薄肉部との間に形成され、前記負極芯体の長手方向でみて前記合剤層の傾斜角度が０度を超えて１０度未満である境界部とを有していることを特徴としている。

上記した構成では、負極が薄肉部を有するので、電池は高容量化に好適する。また、負極芯体の長手方向でみて境界部における合剤層の傾斜角度θが０°＜θ＜１０°の範囲内に入っているので、電極群の巻回時に境界部への応力集中が抑制され、境界部におけるひび割れや破断の発生が防止されている。この結果、この電池においては、境界部がひび割れや破断して内部抵抗が増大したり、ひび割れや破断した箇所がセパレータを突き破って正極と接触して短絡することが防止されている。

以上説明したように、本発明の電池は、負極が薄肉部を有することから高容量化に好適し、また、負極芯体の長手方向でみて境界部における合剤層の傾斜角度θが０°＜θ＜１０°の範囲内に入っているので、電極群の巻回時に境界部においてひび割れや破断の発生が防止され、短絡及び内部抵抗の増大が防止されている。このように本発明の電池は、高容量化に好適し且つ短絡及び内部抵抗の増大が防止されているので、輸送用機械、工作用機械、通信機器、電気・電子機器及び玩具等の各種電源に好適であって、工業的価値が大である。

以下に添付の図面を参照して、本発明の一実施形態の円筒型ニッケル水素二次電池（以下、電池Ａ）を詳細に説明する。
図１に示したように、電池Ａは上端が開口した有底円筒形状をなす外装缶１０を備え、外装缶１０は導電性を有して負極端子として機能する。外装缶１０の開口内には、リング状の絶縁パッキン１２を介して導電性の蓋板１４が配置され、開口縁をかしめ加工することにより絶縁パッキン１２及び蓋板１４は開口内に固定されている。
蓋板１４は中央にガス抜き孔１６を有し、蓋板１４の外面上にはガス抜き孔１６を塞いでゴム製の弁体１８が配置されている。更に蓋板１４の外面上には、弁体１８を覆う帽子状の正極端子２０が固定され、正極端子２０は弁体１８を蓋板１４に押圧している。従って、通常時、外装缶１０は絶縁パッキン１２及び弁体１８とともに蓋板１４により気密に閉塞されている。一方、外装缶１０内でガスが発生してその内圧が高まった場合には弁体１８が圧縮され、ガス抜き孔１６を通して外装缶１０からガスが放出される。つまり、蓋板１４、弁体１８及び正極端子２０は、安全弁を形成している。

外装缶１０内には、アルカリ電解液（図示せず）とともに略円柱状の電極群２２が収容され、電極群２２はその最外周部が外装缶１０の周壁に直接接触している。電極群２２は、正極２４、負極２６及びセパレータ２８からなり、アルカリ電解液としては、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化リチウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、及びこれらのうち２つ以上を混合した水溶液等をあげることができる。
更に外装缶１０内には、電極群２２の一端と蓋板１４との間に、正極リード３０が配置され、正極リード３０の両端は正極２４及び蓋板１４に接続されている。従って、正極端子２０と正極２４との間は、正極リード３０及び蓋板１４を介して電気的に接続されている。なお、蓋板１４と電極群２２との間には円形の絶縁部材３２が配置され、正極リード３０は絶縁部材３２に設けられたスリットを通して延びている。また、電極群２２と外装缶１０の底部との間にも円形の絶縁部材３４が配置されている。

図２を参照すると、電極群２２において、正極２４及び負極２６は、セパレータ２８を間に挟んだ状態で電極群２２の径方向でみて交互に重ね合わされている。
より詳しくは、電極群２２は、それぞれ帯状の正極２４、負極２６及びセパレータ２８を用意し、これら正極２４及び負極２６を、セパレータ２８を介してそれらの一端側から巻芯を用いて渦巻状に巻回して形成される。このため、正極２４及び負極２６の一端（内端）３６，３８が電極群２２の中心側に位置付けられる一方、正極２４及び負極２６の他端（外端）４０，４２が電極群２２の外周側に位置付けられている。また、負極２６は、正極２４に比べて長く、正極内端３６の内側から正極外端４０の外側まで渦巻き状に延び、セパレータ２８を介して正極２４を長手方向全域に亘って両側から挟んでいる。電極群２２の最外周部にはセパレータ２８は巻回されておらず、負極２６は電極群２２の最外周部を形成している。電極群２２の最外周部において、負極２６と外装缶１０とは互いに電気的に接続され、負極外端４２は、セパレータ２８を介して負極２６が正極外端４０の外側を覆うために十分な長さだけ離間して、正極外端４０の近傍に位置付けられている。なお、巻回後に巻芯は引き抜かれるので、電極群２２の中心部には、巻芯の形状に対応した空間４４が存在している。

セパレータ２８の材質としては、例えば、ポリアミド繊維製不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン繊維製不織布に親水性官能基を付与したものをあげることができる。
正極２４は、図示しないけれども帯状をなす導電性の正極芯体を有し、この芯体には正極合剤が保持されている。正極芯体としては、例えば、多孔質構造を有する発泡ニッケル基材等をあげることができ、発泡ニッケル基材の場合には、正極合剤は発泡ニッケル基材の連通孔内に保持される。

正極合剤は、例えば、正極活物質、添加剤及び結着剤からなる。正極活物質としては、特に限定されないが、水酸化ニッケル粒子、あるいは、コバルト、亜鉛、カドミウム等を固溶した水酸化ニッケル粒子をあげることができる。また、添加剤としてはコバルト化合物からなる導電剤を、結着剤としては親水性若しくは疎水性のポリマー等をそれぞれあげることができる。

負極２６は、図３及び図４に展開して示したように、帯状をなす導電性の負極芯体４６を有し、この負極芯体４６には負極合剤が保持されている。負極芯体４６は、厚み方向に複数の貫通孔を有するシート状の金属材からなり、このようなものとして、例えば、パンチングメタル、金属粉末焼結体基板、エキスパンデッドメタル及びニッケルネット等をあげることができる。とりわけ、パンチングメタルや、金属粉末を成型してから焼結した金属粉末焼結体基板は負極芯体４６に好適する。なお、図１及び図２中、作図上の都合により、負極芯体４６を省略した。

負極合剤は、電池Ａがニッケル水素二次電池であることから、負極活物質としての水素を吸蔵及び放出可能な水素吸蔵合金粒子及び結着剤からなる。
水素吸蔵合金粒子は、電池Ａの充電時にアルカリ電解液中で電気化学的に発生させた水素を吸蔵でき、なおかつ放電時にその吸蔵水素を容易に放出できるものであればよい。このような水素吸蔵合金としては、特に限定されないが、例えば、ＬａＮｉ₅やＭｍＮｉ₅（Ｍｍはミッシュメタル）等のＡＢ₅型系のものをあげることができる。また、結着剤としては親水性若しくは疎水性のポリマー等をそれぞれあげることができる。

上記した負極合剤は、負極芯体４６の貫通孔内に充填されるとともに、負極芯体４６がシート状であることから、負極芯体４６の両面上に層状にして保持されている。以下では、負極芯体４６の内面を被覆し、電極群２２の中心軸側を向いた負極合剤の層を内側水素吸蔵合金層４８又は内側合金層４８といい、負極芯体４６の外面を被覆し、電極群２２の外側を向いた負極合剤の層を外側水素吸蔵合金層５０又は外側合金層５０という。

負極２６において、内側合金層４８の厚みＴ２は、負極内端３８から負極外端４２に亘って一定である。一方、外側合金層５０は、負極内端３８と負極外端４２との間で厚みが変化し、負極２６は、外側合金層５０の厚みに関して、負極芯体４６の長手方向でみて３つの領域、すなわち、負極内端３８から負極外端４２に向かって順に、本体部５２、境界部５４および薄肉部５６に区分けされる。

本体部５２は電極群２２の内側に巻回され、セパレータ２８介して両側に正極２６が配置されている。本体部５２における外側合金層５０の厚みは、内側合金層４８の厚みＴ２に等しく一定である。
薄肉部５６は、電極群２２の外側に巻回されて電極群２２の最外周部を形成し、正極外端４０の外側をセパレータ２８を介して覆う一方、外装缶１０の周壁と密接する。薄肉部５６における外側合金層５０の厚みＴ１は、負極芯体４６の長手方向でみて一定であり、且つ、本体部５２における外側合金層５０の厚み、すなわち内側合金層４８の厚みＴ２よりも薄い。従って、薄肉部５６においては、内側合金層４８の方が外側合金層５０よりも厚く、このため、負極２６においては、本体部５２よりも薄肉部５６の方が薄い。

境界部５４は、本体部５２と薄肉部５６との間に形成されている。境界部５４は、電極群２２として巻回されたとき、電極群２２の周方向でみて正極外端４０とは異なる位置に位置付けられていることが好ましいが、境界部５４と正極外端４０との周方向位置は特には限定されない。正極外端４０の内側にはセパレータ２８を介して本体部５２が配置されている。また、境界部５４は、長さＬを有し、負極芯体４６の長手方向でみて厚みが変化する。より詳しくは、境界部５４における外側合金層５０の厚みは、本体部５２から薄肉部５６に向かって略一定の変化率にて徐々に減少し、厚みＴ２から厚みＴ１まで変化する。

そして、負極２６を平坦な基準面上に展開したときに、この基準面又は薄肉部５６における外側合金層５０の表面に対する、境界部５４における外側合金層５０の表面の傾斜角度をθとすると、傾斜角度θは０°＜θ＜１０°の範囲内に入っている。
上述した電池Ａは、通常の方法を適用して製造することができるが、以下では負極２６の製造方法の一例を説明する。

まず、負極芯体４６となる例えばパンチングメタル及び負極合剤のペーストを用意し、薄肉部５６となる部分には薄く且つ本体部５２となる部分には厚くなるように、パンチングメタルにペーストを塗着して乾燥する。次いで、乾燥した負極合剤を保持したパンチングメタルを、一対の圧延ロール間のギャップに通し、その厚み方向両側から一定の押圧力で圧縮する。それから、この圧延したものを所定の寸法に裁断して、帯状の負極２６が製造される。なお、境界部５４の傾斜角度θは、塗着するペーストの厚みやロール押圧力の制御等により調整可能である。

上記した構成の電池Ａによれば、薄肉部５６を本体部５２に比べて薄くすることで減少した負極２６の体積に対応して、正極２４の体積を増大させることができる。この正極２４の体積増大により、電池Ａに含まれる正極活物質量が増大し、もって電池Ａの高容量化が達成される。
そしてその上、電池Ａにおいては、境界部５４における傾斜角度θが、０°＜θ＜１０°の範囲内に入っているので、短絡の発生や内部抵抗の増大がより確実に防止されている。

厚みが変化する境界部５４においては、厚みがそれぞれ一定な本体部５２や薄肉部５６に比べて、電極群の巻回時に応力が局所的に集中して強度不足が生じやすい。そこで、傾斜角度θを０°＜θ＜１０°の範囲内に入るようにして厚みの変化を緩やかにすることで、応力集中を防止して境界部５４の強度不足を解消し、巻回時に境界部５４にひび割れや破断が発生するのを抑制している。この結果、電池Ａにおいては、境界部５４がひび割れや破断して内部抵抗が増大したり、ひび割れや破断した箇所がセパレータ２８を突き破って正極２４と接触して短絡することが防止されている。

また、電池Ａにおいては、境界部５４と正極外端４０とが電極群２２の互いに異なる周方向位置に位置付けられているので、境界部５４におけるひび割れや破断の発生がより確実に防止されている。
電極群２２の横断面形状は、ほぼ円形ではあるものの、中心軸と正極外端４０とを結ぶ方向で最大となるので、外装缶１０内への電極群２２の挿入時、電極群２２は、外装缶１０の開口縁又は周壁によって、この径が最大となる方向で最も圧縮される。このため、セパレータ２８を介して境界部５４と正極外端４０とが重なり合っていると、電極群２２の挿入時、境界部５４への押圧力が大きくなり、境界部５４にひび割れや破断が生じやすくなる。そこで、電池Ａにおいては、境界部５４と正極外端４０とを電極群２２の互いに異なる周方向位置に位置付けて重なり合わないようにし、電極群２２の挿入時に生じる、境界部５４におけるひび割れや破断の発生を防止している。

本発明は、上記した一実施形態に限定されることはなく、種々変形が可能であり、例えば、水素吸蔵合金に代えてカドミウム化合物を用いれば、電池Ａをニッケルカドミウム二次電池とすることができる。ただし、電池の容量向上にはニッケルカドミウム二次電池よりもニッケル水素二次電池が好適する。

実施例１〜５、比較例１，２
実施例１〜５及び比較例１,２として、表１に示した傾斜角度θを有する負極を用いて、ＡＡサイズの円筒型ニッケル水素二次電池用の電極群をそれぞれ１００個ずつ作成した。そして、負極の境界部に破断が発生した電極群の個数を数え、この結果を表１にあわせて示した。

表１から、負極における傾斜角度θが０度を超えて１０度未満である実施例１〜５では、傾斜角度θが１０度以上である比較例１及び２に比べて境界部における破断数が少ないことがわかる。従って、実施例１〜５の電極群を用いれば、短絡や内部抵抗の増大が防止された電池Ａを組み立てることができる。

本発明の実施形態に係る円筒型ニッケル水素二次電池の部分切欠き斜視図である。図１の電池の横断面図である。図１の電池に用いられる負極を展開して示した斜視図である。図３の負極の側面図である。

符号の説明

２６負極
４６負極芯体
４８内側水素吸蔵合金層
５０外側水素吸蔵合金層
５２本体部
５４境界部
５６薄肉部

Claims

導電性の外装缶と、
前記外装缶内に収容され、帯状の負極芯体及びこの負極芯体に保持された合剤層を含む負極並びに正極をセパレータを介して前記負極が最外周に位置付けられるように渦巻状に巻回してなり、前記負極からなる最外周部が前記外装缶の周壁に接する電極群と
を備えた電池において、
前記負極は、
前記電極群の内側に巻回された本体部と、
前記電極群の最外周部として巻回され、前記本体部に比べて前記合剤層の厚みが薄い薄肉部と、
前記本体部と前記薄肉部との間に形成され、前記負極芯体の長手方向でみて前記合剤層の傾斜角度が０度を超えて１０度未満である境界部と
を有していることを特徴とする電池。