JP2005056740A - 円筒形アルカリ乾電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 セパレータの開口部側端部の強度を向上させて、ゲル状負極が飛散して正極合剤に到達することにより生じる内部短絡を防ぐことにより、高信頼性の円筒形アルカリ乾電池を提供する。
【解決手段】 円筒形アルカリ乾電池が、正極合剤、前記正極合剤の内側に配され、円筒部と、その一方の端に底面部と、他方の端に開口部とを有する有底円筒状のセパレータ、および前記セパレータの内側に配されるゲル状負極を具備し、前記セパレータの円筒部が、開口部側に肉厚部を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、円筒形アルカリ乾電池に関し、特に正極合剤とゲル状負極との間に配されるセパレータの構造に関する。

近年、デジタルカメラ等のデジタル機器では、大電流を安定して供給できるアルカリ乾電池が求められている。このため、セパレータの厚みを薄くすることにより内部抵抗の低減や負極活物質量の増量が図られている。
しかし、構成されるセパレータの強度が低下し、セパレータの開口部側端部とガスケットとの密着性が低下した状態で、電池が落下や振動等の強い衝撃を受けた場合、ゲル状負極が正極合剤へ飛散することにより内部短絡を生じるという問題があった。

このため、構成したセパレータから負極が漏れないように、ガスケットとセパレータ開口端部とを接着したり（例えば、特許文献１および２）、正極合剤の肩部に絶縁剤を設ける等の方法が提案されている。

しかし、薄型セパレータでは、セパレータの開口端部とガスケットとを接着しても、セパレータ自体の強度が低いため、接着による効果が充分に得られない。また、正極合剤肩部に絶縁剤を設けた場合でも、正極ケースの内面は絶縁されていないため、ゲル状負極の正極合剤への飛散により生じる内部短絡を完全に防止することはできない。
特開平７−１３４９７７号公報 特開平７−３２６３６９号公報

そこで、本発明は、上記の従来の問題を解決するため、セパレータの開口部側端部の強度を向上させて、ゲル状負極が正極合剤へ飛散することにより生じる内部短絡を防止することにより、高信頼性の円筒形アルカリ乾電池を提供することを目的とする。

本発明の円筒形アルカリ乾電池は、正極合剤、前記正極合剤の内側に配され、円筒部と、その一方の端に底面部と、他方の端に開口部とを有する有底円筒状のセパレータ、および前記セパレータの内側に配されるゲル状負極を具備する円筒形アルカリ乾電池であって、
前記セパレータの円筒部が、開口部側に肉厚部を有することを特徴とする。
前記肉厚部の面積が、前記円筒部の面積に対して２０〜６０％であることが好ましい。

前記肉厚部が、前記円筒部の開口部側端部を折り曲げることにより形成されていることが好ましい。
前記肉厚部が、前記円筒部の開口部側端部に別個のセパレータを重ねることにより形成されていることが好ましい。

前記肉厚部の厚さが、２４０〜４４０μｍであることが好ましい。
前記肉厚部は、前記正極合剤側において肉厚であることが好ましい。

本発明によれば、セパレータの開口部側端部の強度を向上させて、セパレータの開口部側端部とガスケットとの密着性を改善し、電池が落下や振動等により強い衝撃を受けた場合でも、ゲル状負極が正極合剤へ飛散することにより生じる内部短絡を防止することにより、高信頼性の円筒形アルカリ乾電池を提供することができる。

本発明は、正極合剤、前記正極合剤の内側に配され、円筒部と、その一方の端に底面部と、他方の端に開口部とを有する有底円筒状のセパレータ、および前記セパレータの内側に配されるゲル状負極を具備し、前記セパレータの円筒部が、開口部側端部に肉厚部を有することを特徴とする円筒形アルカリ乾電池に関する。

このように、セパレータの円筒部における開口部側端部を肉厚とすることにより開口部側端部の強度が向上するため、セパレータにおける開口部側端部とガスケットとの密着性が改善され、ゲル状負極が正極合剤へ飛散することにより生じる内部短絡を防止することができる。そして、内部短絡により生じる電圧降下や容量低下を防止することができる。
また、円筒部は、肉厚部よりも薄いため、電池内容積を電気容量的に有効に利用することができる。したがって、負極の充填量を増やし、容量を向上させることも可能である。

前記肉厚部の面積が、前記円筒部の面積に対して２０〜６０％の割合であることが好ましい。肉厚部の面積が２０％未満となると、開口部側端部の強度が不充分となる。また、６０％を超えると、内部抵抗が大きくなり、かつ負極活物質の充填量が減少するため、放電性能が低下する。さらに、放電特性が良好であるため、前記肉厚部の面積は２０〜５０％であることがより好ましい。

前記肉厚部の厚さが、２４０〜４４０μｍであることが好ましい。肉厚部の厚さが２４０μｍ未満となると、開口部側端部における強度が不充分となる。また、４４０μｍを超えると、内部抵抗が大きくなり、かつ負極活物質の充填量が減少するため、放電性能が低下する。

セパレータ本来の機能を有する範囲として、前記円筒部における肉厚部以外の厚さが、１６０〜２２０μｍであることが好ましい。
セパレータの外側に固体状の正極合剤が配され、内側にゲル状の負極が配されるため、セパレータが電池ケース内で強固に固定されるためには、前記肉厚部は正極合剤側において肉厚であることが好ましい。

前記正極合剤としては、例えば、正極活物質として二酸化マンガンと導電剤として黒鉛とを含む混合物を中空円筒状に圧縮成形したペレット状のものが用いられる。
前記ゲル状負極には、例えば、負極活物質として亜鉛とゲル化剤としてポリアクリル酸ナトリウムとを含む混合物が用いられる。

前記肉厚部を形成する方法としては、前記円筒部の開口部側端部を折り曲げたり、前記円筒部の開口部側端部に別個のセパレータを重ねる方法が挙げられる。
このとき、円筒部の開口部側端部を外側（正極合剤側）に折り曲げる方が、円筒形に捲回し易い。また、円筒部の開口部側端部に別個のセパレータを外側（正極合剤側）に重ねる方が、円筒形に捲回し易い。このため、肉厚部は、正極合剤側において肉厚であることが好ましい。

円筒形アルカリ乾電池の一例を図１に示す。
正極合剤２、前記正極合剤２の内側に配した有底円筒状のセパレータ、および前記セパレータの内側に配したゲル状負極３が、電池ケース１内に収納されている。
前記有底円筒状のセパレータは、セパレータ４（円筒部）と、その一方の端にセパレータ９（底面部）と、他方の端に開口部とを有する。

前記セパレータ４は、開口部側端部に肉厚部を有する。前記肉厚部は、円筒部を構成するセパレータ４ａの開口部側端部に別個のセパレータ４ｂを重ねることにより形成されている。
図１のような構成のセパレータ４は、円筒部を構成するセパレータ４ａに別個の肉厚部を構成するセパレータ４ｂを重ね、前記セパレータ４ｂが外側に位置するように、円筒状に二重に捲回することにより得られる。

ゲル状負極３の中央に差し込まれた負極集電子６は、ガスケット５および負極端子を兼ねた底板７と一体化されている。電池ケース１内の開口部側端部はガスケット５の端部を介して底板７の周縁部にかしめつけられており、これにより電池ケース１の開口部が封口されている。そして、セパレータ４の開口部側端部は、ガスケット５に接触している。電池ケース１の外表面は、外装ラベル８により被覆されている。

上記のようにセパレータ４の開口部側端部は肉厚部を有するため、セパレータ４は開口部側端部において充分な強度を有し、セパレータ４の開口部側端部は、ガスケット５に強固に密着した状態を維持することができる。したがって、電池が落下や振動等により強い衝撃を受けた場合でも、この密着状態が充分に維持されるため、ゲル状負極の正極合剤への飛散を防止することができる。

なお、上記では、大きさの異なる複数のセパレータ４ａ、４ｂを用いてセパレータ４を構成した。これ以外にも、以下の方法で同様のセパレータ４を構成してもよい。
例えば、セパレータ４ａとセパレータ４ｂとを合わせた大きさの一枚のセパレータをセパレータ４ａの大きさとセパレータ４ｂの大きさとに分けられる位置に沿って折り曲げる。そして、これを折り曲げた状態で、セパレータ４ｂと同様の大きさの部分が外側に位置するように、セパレータを二重に捲回する。
以下に、本発明の実施例を詳細に説明する。

《実施例１》
（i）セパレータの作製
厚さ８０μｍ、幅（円筒部の高さ）４４ｍｍの円筒部を構成するセパレータ４ａ、および厚さ８０μｍ、幅（肉厚部の高さ）１０ｍｍの肉厚部を構成するセパレータ４ｂを用い、それぞれ一方の端部を揃えて、両セパレータ４ａ、４ｂを重ねた。そして、セパレータ４ｂが外側（正極合剤側）になるように円筒状に二重に捲回することにより、表１のような肉厚部を有する図１と同様の構成のセパレータ４（円筒部）を作製した。なお、セパレータ４には、化学繊維からなる不織布により形成された原紙を用いた。
また、イオンのみを透過する微孔性フィルムとして再生セルロースを用い、その両面に不織布をラミネートして得られた厚さ０．０３〜０．２ｍｍの原紙を一辺の長さがセパレータ４の直径より大きな正方形に切断し、セパレータ９（底部）を作製した。

（ii）正極合剤の作製
二酸化マンガンと黒鉛とを９０：１０の重量比で混合した。この混合物とアルカリ電解液とを１００：３の重量比で混合し、十分に攪拌した後、フレーク状に圧縮成形した。なお、アルカリ電解液には、４０重量％の水酸化ナトリウム水溶液を用いた。ついで、フレーク状の正極合剤を粉砕して顆粒状とし、これを篩によって分級し、１０〜１００メッシュのものを中空円筒形に圧縮成形してペレット状の正極合剤を得た。この正極合剤２個を電池ケース１内に挿入し、加圧治具により正極合剤２を再成形して電池ケース１の内壁に密着させた。

（iii）ゲル状負極の作製
ゲル化剤としてポリアクリル酸ナトリウムと、アルカリ電解液として４０重量％の水酸化ナトリウム水溶液と、負極活物質として亜鉛粉末とを１：３３：６６の重量比で混合し、ゲル状負極３を得た。

（iv）円筒形アルカリ乾電池の組み立て
上記の電池ケース１の内壁に密着させた正極合剤２の中央に、上記で得られたセパレータ４および９を肉厚部が開口部側になるよう配置し、セパレータ４および９からなる有底円筒状セパレータ内に所定量のアルカリ電解液を注入した。所定時間経過した後、上記で得られたゲル状負極３を有底円筒状セパレータ内に充填した。
負極集電子６をゲル状負極３の中央に差し込んだ。なお、負極集電子６には、ガスケット５および負極端子を兼ねた底板７を一体化させた。そして、電池ケース１の開口部を、ガスケット５の端部を介して底板７の周縁部にかしめつけ、電池ケース１の開口部を封口した。外装ラベル８で電池ケース１の外表面を被覆して、上述した図１と同様の構成の単三型アルカリ乾電池（ＬＲ６）を作製した。

《実施例２、４〜６および比較例１》
セパレータ４ｂの幅を、１３．０、２３．０、２７．５、３４．０、４４．０ｍｍに種々に変えた以外は、実施例１と同様の方法によりセパレータ４を作製した。そして、このセパレータ４を用いた以外は、実施例１と同様の方法により円筒形アルカリ乾電池を作製した。

《実施例３》
セパレータ４ｂが、内側（ゲル状負極側）になるようにセパレータ４ａとセパレータ４ｂを重ねて、円筒状に二重に捲回した以外は、実施例２と同様の方法により、図２に示す構成のセパレータ４を作製した。そして、このセパレータ４を用いた以外は、実施例１と同様の方法により図２に示す円筒形アルカリ乾電池を作製した。

《比較例２》
厚さ１１０μｍ、幅４４ｍｍのセパレータ２４を円筒状に二重に捲回し、図３に示す構成のセパレータ２４を作製した。そして、このセパレータ２４を用いた以外は、実施例１と同様の方法により図３に示す円筒形アルカリ乾電池を作製した。
上記で作製した各アルカリ乾電池について以下に示す評価を行った。

［評価］
（１）落下試験
２０℃において、高さ１ｍの位置から１個の電池につき５回ずつ落下させた。
（２）振動試験
電池に振幅０．８ｍｍ、全振幅６ｍｍの振動を与えた。１０〜５５Ｈｚの範囲において１Ｈｚ／ｍｉｎで振動数を変化させた。そして、９０分間にわたり３方向で試験した。
（３）放電時間の測定
電池を１０００ｍＡまたは２５０ｍＡの定電流で電池電圧が０．９Ｖに達するまで連続放電し、そのときの放電時間をそれぞれ測定した。

上記で得られた実施例１〜６ならびに比較例１および２のセパレータを表１に示す。また、各アルカリ乾電池の評価結果を表２に示す。なお、落下試験および振動試験は、各電池について５００個ずつ実施し、そのうち電池電圧が低下した電池の個数を調べた。

比較例２では、開口部側端部のセパレータの強度が低いため、落下試験および振動試験において、ゲル状負極が飛散して正極合剤へ到達することにより、内部短絡が生じ電池電圧が低下した電池がみられた。また、比較例１では、セパレータの厚さが増すことにより開口部側端部の強度が高くなったが、その体積分の負極活物質の充填量が減少し、かつ内部抵抗が増大したため、放電容量が減少した。

これに対して、実施例１〜６では、セパレータの開口部側端部に肉厚部を有することにより、開口部側端部における強度が大きくなり、ゲル状負極と正極合剤との接触による内部短絡を防止することができた。また、同時に、肉厚部以外の部分はセパレータの厚さが薄いため、負極活物質の充填量を減らさずに済み、かつ内部抵抗が増大しないため、良好な放電特性が得られた。
特に、円筒部に対する肉薄部の割合が２０〜６０％である実施例２〜５では、より優れた放電特性を有する高信頼性のアルカリ乾電池が得られた。

《実施例７》
厚さ１１０μｍ、幅５７ｍｍのセパレータを幅４４ｍｍの位置で折り込み、折り込み部を境界として、前記正極合剤に対向する４４ｍｍの幅を有する上記のセパレータ４ａに相当する部分と前記幅よりも小さい１３ｍｍの幅を有する上記のセパレータ４ｂに相当する部分に分けた。このセパレータを折り込んだ状態で、前記セパレータ４ｂに相当する部分が外側（正極合剤側）になるように円筒状に二重に捲回し、図１に示す実施例１と同様の構成のセパレータ４を作製した。
そして、このセパレータ４を用いた以外は、実施例１と同様の方法により円筒形アルカリ乾電池を作製した。

《実施例８》
幅が６７ｍｍのセパレータを用い、幅４４ｍｍの位置で折り込んだ以外は、実施例７と同様の方法により図１に示す実施例２と同様の構成のセパレータ４を作製した。そして、このセパレータ４を用いた以外は、実施例１と同様の方法により円筒形アルカリ乾電池を作製した。

《実施例９》
セパレータ４ｂに相当する部分が内側（ゲル状負極側）になるように円筒状に二重に捲回した以外は、実施例８と同様の方法によりセパレータ１４を作製した。そして、このセパレータ１４を用いた以外は、実施例１と同様の方法により円筒形アルカリ乾電池を作製した。
上記で得られた実施例７〜９のセパレータを表３に示す。

そして、これらのセパレータを用いた実施例７〜９のアルカリ乾電池について上記の落下試験および振動試験を行った。その試験結果を表４に示す。

表４より、落下試験および振動試験において、いずれの電池も電池電圧の低下はなく、実施例７〜９においても高信頼性の電池が得られた。

以上のように本発明の円筒形アルカリ乾電池は、有底円筒状のセパレータの円筒部における開口部側端部に肉厚部を有することにより、開口部側端部の強度が向上し、ゲル状負極が飛散して正極合剤に到達することを防止することができるため、高信頼性および良好な放電特性を要する円筒形アルカリ乾電池に適用できる。

本発明の実施例１における円筒形アルカリ乾電池の一部を断面にした正面図である。 本発明の実施例３における円筒形アルカリ乾電池の一部を断面にした正面図である。 従来の比較例２における円筒形アルカリ乾電池の一部を断面にした正面図である。

符号の説明

１ 電池ケース
２ 正極合剤
３ ゲル状負極
４、１４、２４ セパレータ
４ａ、１４ａ 円筒部を構成するセパレータ
４ｂ、１４ｂ 肉厚部を構成するセパレータ
５ ガスケット
６ 負極集電子
７ 底板
８ 外装ラベル
９ セパレータ

Claims (6)

1. 正極合剤、前記正極合剤の内側に配され、円筒部と、その一方の端に底面部と、他方の端に開口部とを有する有底円筒状のセパレータ、および前記セパレータの内側に配されるゲル状負極を具備する円筒形アルカリ乾電池であって、
   前記セパレータの円筒部が、開口部側に肉厚部を有することを特徴とする円筒形アルカリ乾電池。
2. 前記肉厚部の面積が、前記円筒部の面積に対して２０〜６０％であることを特徴とする請求項１記載の円筒形アルカリ乾電池。
3. 前記肉厚部が、前記円筒部の開口部側端部を折り曲げることにより形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の円筒形アルカリ乾電池。
4. 前記肉厚部が、前記円筒部の開口部側端部に別個のセパレータを重ねることにより形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の円筒形アルカリ乾電池。
5. 前記肉厚部の厚さが、２４０〜４４０μｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の円筒形アルカリ乾電池。
6. 前記肉厚部は、正極合剤側において肉厚であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の円筒形アルカリ乾電池。

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