JP2005129433A - 円筒形電池とそれを用いた電池間接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 負極集電体と電池ケースとの間の接続を改良することによって内部抵抗を低減し、耐衝撃性に優れた円筒形電池を提供する。
【解決手段】 正極板１と負極板２をセパレータ６を介して巻回した電極群５の下方へ突出した芯材突出部４に溶接した負極集電体８と、電極群５を内部に収納するとともに負極の入出力端子を兼ねた金属製ケース９とを備えた円筒形電池において、前記負極集電体８は、有底円筒形で、前記下方へ突出した芯材突出部４と接続された底面部と、前記ケース９と当接する筒状部とからなり、前記ケース９に凹溝１２を形成することで前記ケース９と負極集電体８の筒状部との当接部を機械的に接続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、渦巻状電極群を具えた電池において、電極群下部に接合した集電体を改良して負極端子であるケースとの接合を溝形成で強化し、さらには接続体を用いて前記電池間を機械的に嵌合接続する構造に関する。

円筒形アルカリ蓄電池には種々あるが、ニッケル−カドミウム蓄電池やニッケル−水素蓄電池などが代表的であり、これらの信頼性が高く、そのメンテナンスも容易であることから、携帯電話やノートパソコン等の各種用途に幅広く使用されている。また、近年では、電動補助付自転車、芝刈機、さらに電気自動車などの電源として大電流放電に適した円筒形蓄電池の開発が要望されている。

このような大電流用の円筒型電池は、一対の帯状の長い正・負極板を隔離用のセパレータを介して全体を渦巻き状に巻いた電極群が金属製の電池ケースに収納されている。

なお、大電流に適した極板からの出入力集電構造としては、電極群の上下端面からそれぞれ外方へ突出した極板の先端部分に各一枚づつの矩形状の集電体を複数個所で溶接し、集電体の中央部の透孔に挿入した約φ3mmの溶接電極棒とケース底部に配置した溶接電極によって、前記電池ケースと負極集電体はケース中央底部に一点の溶接が施されている（例えば、特許文献１）。

また、円筒形電池を直列接続するために電池間に配置した接続体を一方の電池の封口体と他方の電池のケースとに接合する電池間接続構造において、一般的には接続体の平面部を一方の電池の封口板に抵抗溶接し、接続体の筒状部を他方の電池ケースの側面底部に抵抗溶接する（例えば、特許文献２）。
特開平１１−０３１４９７号公報 特開平１０−１０６５３３号公報

しかし、上記の電池ケースと負極集電体は1点のみの接続であるため、ケースと集電体の接続抵抗が高く、例えば、１００Ａ以上のような大電流で放電すると、ケースと負極集電体の溶接部の抵抗が高いため電池の放電電圧が大きく低下してしまう。また、落下衝撃に対しても、電極群がケース内で動くことが有り溶接部が外れる可能性が有る。

また、円筒電池を直列接続においては、接続体の浅い筒状部を他方の電池ケースに位置決めしづらく、溶接強度にバラツキが生じる。

このような問題に鑑み本発明は高率充放電特性と耐衝撃性にすぐれた電池を高い信頼性で提供することを目的とする。さらに、これらの電池間を簡便に直列接続出来る構造を提供する。

本発明による円筒形電池の正極板はその幅方向の上端端部分の芯材を上方に突出させ、負極板は下端部分の芯材を下方へ突出させて渦巻状に巻回した電極群と、この電極群の上方へ突出した正極板の芯材突出部に溶接した正極集電体と、下方へ突出した芯材突出部に溶接した負極集電体と、これらを内部に収容するとともに負極の入出力端子を兼ねた金属
製ケースと、このケースを封口するとともに電気的にケースとは絶縁されていて上方に正極の入出力端子を兼ねたキャップを備えた封口体とからなる。

前記負極集電体は、負極板の下方へ突出した芯材突出部と接続された底面部と、底面部の周縁から略垂直に立ち上がって電池ケースの底部でその内側面と当接した筒状部とからなり、前記当接位置において、電池ケースの外側面から凹溝を形成して筒状部を固定することを特徴とする。

前記円筒形電池はその凹溝部に嵌着する接続体を用いることによって簡便に電池間を直列的に接続することが出来る。また、凹溝部において負極集電体と電池ケースを溶接すれば、さらに内部抵抗は改良される。接続体の凹溝部との嵌着部において溶接を行えば、容易に位置決め固定できる。

本発明の円筒形電池の構造によれば、有底円筒型の負極集電体と電池ケースとが通常の溶接の他に、電池ケース外側面からの凹溝による機械的接合が施されているため、電池の内部抵抗を低減でき、電池の高率充放電が可能となるのと同時に電極群が固定され、耐衝撃が向上する。また、この凹溝とこれに嵌着する電池接続体を用いて容易にこれらの電池を直列接続することが可能である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。図１は本発明の円筒形電池の模式断面図である。電極群５は正極板１と負極板２とセパレータ６よりなり、正極板１はその先端部分の芯材３を上方に突出させ、負極板２はその先端部分の芯材４を下方へ突出させて渦巻状に巻回している。この電極群５の上方へ突出した正極板の芯材突出部に溶接した正極集電体７と、下方へ突出した芯材突出部に溶接した負極集電体８と、これらを内部に収容するとともに負極の入出力端子を兼ねた金属製ケース９と、このケース９を封口するとともに電気的に前記ケース９とは絶縁されていて上方に接続リード１０によって前記正極集電体７と接続された正極端子を兼ねたキャップを備えた封口体１１とからなり、前記負極集電体８は、有底円筒形で、前記下方へ突出した芯材突出部と接続された底面部と、前記ケース９と当接する筒状部とからなり、前記ケース９に凹溝１２を形成することで前記ケース９と負極集電体８の筒状部の当接部を機械的に接合された円筒形電池である。

図２はケース５と負極集電体８の筒状部の当接部を機械的に接合するために、ケース９に凹溝１２を形成する工程の模式断面図であり、円盤状の溝入れ機１３と電池を共に回転させることで溝を形成させている。このとき、前記溝の深さは０．２から１．０ｍｍとするのが好ましい。前記溝はケースの内部に突出するが、電極群５は負極集電体の筒状部により保護され、損傷を抑止している。

また、負極集電体８とケースの凹溝部１２を溶接することも可能であり、図３に負極集電体８とケース９の凹溝部１２を溶接する工程の一例を示す。電極群５の中心部に溶接電極１４ａを挿入し、負極集電体８の底面部に押しつけ、凹溝部１２の外側に溶接電極１４ｂを配置し、溶接電極１４ａと１４ｂとの間に電流を流すことで負極集電体８とケース９とを溶接することが可能である。

図４は本発明の電池間接続の構成を示す模式断面図であり、接続体１５によって接続される電池Ｘ、Ｙは、本発明の同一種類、規格のもので電池Ｘの封口体１１と、電池Ｙのケース９との間を前記接続体１５で接続することにより、電池Ｘ、Ｙの直列接続がなされる。前記接続体１５の筒状部のプロジェクション１５ａは、電池Ｙの負極集電体８の筒状部
８ａがケース９に当接するその裏側に施されたケース溝１２に嵌め込まれている。

また、接続体１５の突起と電池凹溝部１２とを溶接することが可能であり。例えば、図５は本発明の電池間接続の構成を示す模式断面図であり、一対の溶接電極１４ｃを接続体のプロジェクション１５ａとケース９に押し当て、通電することによって溶接することが可能である。

次に、本発明の具体例を示す。有底円筒形の負極集電体８を有する電池Ａは直径３３ｍｍ、高さ６１ｍｍ、公称容量６０００ｍＡｈであり、以下にこの構成方法を詳しく説明する。

厚さ０．５ｍｍの焼結式ニッケル正極と、厚さ０．３ｍｍの水素吸蔵合金負極とを用い、それぞれの極板にはその幅方向の先端に突出した芯材部を設け、この突出芯材部がそれぞれ電極群の上下に約１．５ｍｍずれて突出するようにセパレータ６を間に介在さて、全体を渦巻状に巻回させ直径３０ｍｍ、高さ５０ｍｍの電極群５を構成した。

上記の電極群５の上端面の真上に、中心部に透孔をあけた矩形で対角の長さ２７ｍｍの集電体７を配置し、電極群５の下端面の露出芯材部４には有底円筒形の負極集電体８を接触させながら一対の溶接電極を用いてそれぞれ露出芯材部４と複数の箇所で溶接した。この電極群５を金属ケース９に挿入し、ケース９と負極集電体８の筒状部の当接部に円盤状の溝入れ機１３を当て、溝入れ機１３とケース９を回転させることで０．４ｍｍの深さの凹溝１２をケース９に形成した。さらに正極集電体７の中央透孔部に１本の溶接電極棒１４ａを通して負極集電体８の中央部を加圧し、他方の溶接電極１４ｃをケース９の凹溝１２に押し当てることによって負極集電体８とケース９とを溶接した。次に、所定量のアルカリ電解液を正極集電体７の中央透孔部から金属ケース９内に注入した後、正極集電体７に設けた接続リード１０の先端を正極端子となる封口体１１に溶接し、封口体１１でケース９の開口部を密閉して本発明の電池Ａを作製した。

電池Ａと比較のために、ケース９と負極集電体筒状部の当接部に施した凹溝１２の深さを変えた電池を作製した。電池Ｂの凹溝の深さは１．０ｍｍ、電池Ｃは０．６ｍｍ、電池Ｄは０．２ｍｍ、電池Ｅには凹溝が無いものとした。図８に電池Ｅの模式断面図を示す。

この５つの電池を用いて内部抵抗を測定し比較を行った。室温（２５℃）で２Ａの電流値で電池電圧が０．９Ｖになるまで放電させた後、６Ａの電流値で３０分充電した。ついで、１時間休止させた後、２５Ａの電流値で２０秒間放電させ、１０秒目の電池電圧を測定した。ついで、放電させた容量分を充電した後、同様に、５０Ａ、７５Ａ、１００Ａの電流値で２０秒間放電させ、１０秒後の電池電圧をそれぞれ測定した。このようにして得られた１０秒後の電池電圧を縦軸とし、各電流値を横軸としてＩ−Ｖ特性における直線の傾きを求め、その値をそれぞれの電池の内部抵抗とした。

凹溝１２の深さと電池の内部抵抗の関係は、図６に示すような結果となった。溝深さが０．４ｍｍである電池Ａの内部抵抗が最も低いことが分かる。これは、凹溝が深いほど負極集電体とケースの接合面積が大きくなることと、負極集電体からケース（負極端子）まで電流が流れる経路が短いため内部抵抗が低減し、高率放電が可能となったと考える。しかしながら、溝深さが０．４ｍｍよりも大きくなると内部抵抗上がってしまう。これらの電池を解体して電池内部を調べたところ、負極集電体８の筒状部が内部に折れ曲がり、電池群５が破損していた。これは負極集電体８とケース９との接合面積拡大による抵抗低減の効果よりも極板破損による電池群の抵抗上昇が上回ったためであると考える。なお、溝深さを１．２ｍｍ以下とすることで内部短絡の発生率を低く抑えることができる。

また、電極群５は電池ケース９の上下の溝で完全に固定されているため電池単体での耐落下性も向上している。図７に落下試験の結果を示す。電池ＡからＥを２ｍの高さから正極端子を下向き、負極端子を下向き、電池横向きに２０回連続でＮ数１０個で落下させた。

凹溝１２がない電池Ｅでは、３個短絡したのに対して、凹溝１２がある電池では１個以下であり、特に溝深さが０．４ｍｍ以上で短絡しなくなり効果が高い。

さらに、ケース９と負極集電体８の筒状部の当接部に施した凹溝１２を用いて容易にこれらの電池を直列接続することが可能である。接続体１５の底面部を一方の電池Ｘの封口板１１に溶接し、その接続体１５の筒状部には、内向きに突起した４点のプロジェクション１５ａがあり、このプロジェクション１５ａを他方の電池Ｙの負極側の凹溝１２に嵌め込み、機械的にこれらの電池を接続できる。また、接続体１５のプロジェクション１５ａの上から溶接を施すと、電池間の抵抗がさらに下がり組電池としてさらに高出力となる。

以上のように、本発明によれば高率充放電が可能で、耐衝撃性に優れた電池を高い信頼性で提供できる。また電池の外側面に設けられた凹溝と、これに嵌着する接続体を用いて簡便に電池間を直列に接続できる。

このような構成は円筒形のアルカリ蓄電池に限定されず、渦巻き状の電極群を電池ケース内に収納した他の電池系でも応用可能である。また、円筒形に限定されず、角筒状に巻回された電極群を角筒状の電池ケースに収納した場合にも適用できる可能性がある。

本発明の一実施形態に係る円筒形電池の縦断面模式図 本発明の一実施形態に係るケースと負極集電体の筒状部への溝入れ工程を示す縦断面模式図 本発明の一実施形態に係るケースと負極集電体の筒状部への溝の溶接工程を示す縦断面模式図 本発明の一実施形態に係る電池間接続構造の構成を示す縦断面模式図 本発明の一実施形態に係る電池間接続における溶接工程を示す縦断面模式図 溝深さと内部抵抗との関係を示す図 溝深さと落下試験における短絡数との関係を示す図 従来の円筒形電池の縦断面模式図

符号の説明

１ 正極板
２ 負極板
３ 正極板先端部分の芯材
４ 負極板先端部分の芯材
５ 電極群
６ セパレータ
７ 正極の集電体
８ 負極の集電体
９ 電池ケース
１０ 接続リード
１１ 封口体
１２ 凹溝
１３ 溝入れ機
１４ 溶接電極
１５ 接続体

Claims (5)

1. 幅方向の一端を上方に突出させた正極板と幅方向の他端を下方に突出させた負極板とをセパレータを介して渦巻状に巻回した電極群と、この電極群の上方へ突出した正極板の端部に溶接した正極集電体と、下方へ突出した負極板の端部に溶接した負極集電体と、これらを内部に収容するとともに負極の入出力端子を兼ねた金属製ケースと、前記ケースを封口するとともに電気的にケースとは絶縁され、その上方に正極の入出力端子を兼ねたキャップを備えた封口体とからなり、前記負極集電体は、有底円筒形で、前記下方へ突出した芯材突出部と接続された底面部と、前記底面部の周縁から略垂直に立ちあがった筒状部とからなり、前記筒状部が前記電池ケース内側面に当接する位置に外側から凹溝を形成した円筒形電池。
2. 凹溝が０．２から１．０ｍｍの深さである請求項1記載の円筒形電池。
3. 負極集電体の筒状部とケースとを凹溝部において抵抗溶接もしくはレーザー溶接した請求項1記載の円筒電池。
4. 請求項1記載の円筒電池を直列接続すべく、電池間に配置した接続体を一方の電池の封口体と他方の電池ケースの底部に接合する電池間接続構造において、前記接続体は、一方の電池の前記封口体に溶接された平面部と、他方の電池の前記負極集電体と前記ケースを接合させるために形成した凹溝部へはめ込まれる突起を有する筒状部とを備えた電池間接続構造。
5. 接続体の突起と電池凹溝部を抵抗溶接もしくはレーザー溶接した請求項4記載の電池間接続構造。

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