JP2005190708A - 角形電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 シール性が良好で、異常時に強制的に内部ガスを排出することのできる安全弁装置を備えた角形電池を提供する。
【解決手段】 一方極の端子を兼ねる開口部を備えた外装容器と、前記開口部を密封する他方極の端子を兼ねる封口キャップを備えた封口体と、前記外装容器内に収容される正極板および負極板を備えた電極体と、前記封口キャップ１０にガス抜き孔ｈを設け、前記外装容器内のガスを放出可能な安全弁装置とを備えた角形電池であって、前記安全弁装置は、前記開口部に装着された中空リベット１３と、中空リベットの端子孔１２に当接するように、前記封口キャップ内に設けられた安全弁１１とを具備し、内部圧が規定圧以下であるとき、前記安全弁１１が前記端子孔１２の上縁に密着して当接可能な程度に、前記中空リベット１３の端子孔１２のラウンド形状が決定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は角形電池に係り、特に安全弁を備えることにより外装容器内のガスや溶解物質を逃がして外装容器内の圧力を正常圧に保つことができる密閉型の角形電池に関する。

近年、デバイスの高機能化、微細化に伴い、電池自体の微細化、信頼性の向上および大容量化への要求は高まる一方である。このような状況の中で安全装置についても、電池内部空間を最大限に有効に利用することができ、小型化、大容量化、安全性の向上という排他的要件をいずれも満たすような構造への要求が高まっている。

従来、密閉型の角形電池は、Ｎｉ−Ｃｄ電池やニッケル−水素電池等のアルカリ蓄電池に広く用いられている。これらは、正極板と負極板との間にセパレータを介在させて電極体を形成し、この電極体を外装容器の開口部８から外装容器内に収容し、図７に外観図を示すように、外装容器１の開口部８を封口体２で封口している。この封口体２は、外装容器１の開口部８に装着される封口板３と、この封口板３にゴム式あるいはスプリング式の安全弁を備えた封口キャップ１０とで構成されている。

例えばゴム式の安全弁装置として、図４に示すように、封口板３に設けられた孔部９にガスケット４を介して装着された中空リベット１１３を備え、この中空リベット１１３の端子孔１２を、ゴム製の安全弁１１でふさぐように、安全弁１１を内蔵した封口キャップ１０が、この中空リベット１１３の上縁部に溶接等の方法で固定されたものが提案されている（特許文献１、２）。
この中空リベット１1３の上縁は、安全弁１１を構成するゴムの付勢力によって押しつけられ、端子孔１２を塞ぐことにより、開口を封止できるようになっている。

そして、外装容器内の圧力が、万一規定圧まで上昇した場合には、ゴム製の安全弁１１の付勢力に抗して安全弁１１を押し上げる。これにより、正極端子を構成する封口キャップ１に設けられたガス抜き孔ｈから外装容器内のガス及び溶解物質を排出することができる。

特開平７−２４５０９３号公報 特開平７−１８３０１８号公報

しかし、従来の安全弁装置は、電解液などの電池内部物質が逃げやすい構造であるため、シール性を強く保つために、作動弁の作動圧力を上げることになり、連続過充電した場合の水素ガスなどの内部ガス圧が高くなり、結果として電池の安全性が低下するという問題があった。

このような状況の中で作動圧を上げることなくシール性を向上させる手段として安全弁の面積を大きくするという方法が考えられる。しかしながら現在量産化されている電池の厚みが４ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるため、安全弁の面積を大きくすることには限界がある。

例えば、現在使用されている電池はチューブ状の被覆部材で被覆されているが,このチューブ込みの厚みが６．２ｍｍのＣ１（幅１７．０ｍｍ,高さ３５．５ｍｍ）、Ｂ１（幅１７．０ｍｍ,高さ４８ｍｍ）、Ａ１（幅１７．０ｍｍ,高さ６７ｍｍ）、チューブ込みの厚みが８．４ｍｍのＣ２（幅１７．０ｍｍ,高さ３５．５ｍｍ）、Ｂ２（幅１７．０ｍｍ,高さ４８ｍｍ）、チューブ込みの厚みが６．６ｍｍのＤ４（幅１６．０ｍｍ,高さ３４ｍｍ）、チューブ込みの厚みが７．４ｍｍのＥ５（幅１４．５ｍｍ,高さ４８。２ｍｍ）サイズの角形電池が量産化されている。

ところで、このような角形電池において、図５に要部拡大図を示すように、従来中空リベットの端子孔１１２は、ゴム製の安全弁１１との接触性を向上するために、０．８°程度のラウンド（Ｒ）形状を持つように形成されている。このため、安全弁が端子と接触する面積を十分にとることができず十分な接触状態を維持することが困難であり、長期保存に際し漏液不良が生じ易いという問題があった。
一方、シール性を高めるために、破線で示すように、ラウンド部を覆うように安全弁１１を設計することも可能であるが、そのためにはシール時に安全弁にかかる圧力を大きくしなければならず作動圧が高くなってしまうことになる。

本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、シール性が良好で、作動圧を大きくすることなく、所望の作動圧で異常時に強制的に内部ガスを排出することのできる安全弁装置を備えた角形電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る密閉型電池は、一方極の端子を兼ねる開口部を備えた外装容器と、他方極の端子を兼ねる封口キャップを備え、前記開口部を密封する封口体と、前記外装容器内に収容される正極板および負極板を備えた電極体と、前記封口キャップに設けられたガス抜き孔を介して、前記外装容器内のガスを放出可能な安全弁装置とを備え、前記安全弁装置が、前記封口体の孔部に装着された中空リベットと、中空リベットの端子孔に当接するように、前記封口キャップ内に設けられた安全弁とを具備した角形電池であって、内部圧が規定圧以下であるとき、前記安全弁が前記端子孔の上縁に密着して当接可能な程度に、前記中空リベットの端子孔上縁のラウンド形状が決定されている。

この構成によれば、中空リベットの端子孔を塞ぐシール部材としての安全弁のウォレンス硬度（弾性定数）に応じて、内部圧が規定圧以下であるときすなわち定常状態であるとき、安全弁が端子孔に良好に当接し、十分にシール性を維持しうるように、端子孔の上縁のラウンド形状が形成されているため、十分なシール性を維持することができる。また、内部圧力が上昇して、規定圧を超え、安全弁装置が作動した場合も孔を塞ぐシール部材である安全弁がこのラウンド部に沿って上方に押し上げられ、隙間が形成され、この隙間を介して封口キャップのガス抜き孔からガスが排出される。したがって、極板が露出したりするおそれはない。また非破壊型であるため、ガスが排出されたあと、シール部材としての安全弁を装着すればそのまま復帰させることが可能である。

また、この構成によれば、内部空間を最大限に有効に利用することができ、小型化、大容量化、安全性の向上という排他的要件をいずれも必要とする次世代の電池に、有効な構造である。
特に、ガス抜き孔を封口キャップの根元近傍に設けることにより、内部ガスを効率的に排出することができる。また、端子孔の上縁に沿ってゴムなどの弾性材料で構成された安全弁がラウンド部に沿って端子孔に入り込む形になるようにすることにより、封止効果が高く、強度も増大する。またラウンド部に沿った領域内であれば、内圧が規定圧を超えて安全弁が押し上げられる際にもラウンド部に沿って円滑に押し上げられ、中空リベットと安全弁との間に隙間を形成することができる。

本発明の角形電池は、内部圧が規定圧以下であるとき、前記端子孔が、外装容器の軸方向に伸張する内壁以外は前記安全弁で完全に覆われるように形状加工されたものを含む。
即ち、ラウンド部全体が安全弁で覆われるように密着させた形状をとることにより、中空リベットと安全弁の隙間から直接、水分などが浸入する浸入経路をなくすることができ、よりシール性を高めることができる。また電池の内部圧が規定圧を超えたときも、この圧力によりラウンド部に沿って安全弁が押し上げられるため、より小さな圧力差でも円滑に安全弁を開くことができる。

本発明の角形電池は、前記安全弁に当接する側の、中空リベットの端子孔上縁のラウンド形状が０．０５から０．４°である。
安全弁の変形状態はウォレンス硬度にも依存するが、ラウンド形状が上記範囲にあるとき、実験結果から、前記端子孔が、外装容器の軸方向に伸張する内壁以外は前記安全弁で完全に覆われるようにすることができ、極めてシール性の高いものを得ることができる。このラウンド形状が０．０５に満たないと、エッジ部分で安全弁が端子孔の上縁に沿って密着するように変形し得ず、隙間が形成される事がある。一方０．４°を超えると、ラウンド部全体が安全弁で覆われるように密着させるのが困難となり、ウォレンス硬度の低い安全弁を選択して変形可能な安全弁を用いたとしても、規定圧を超えたときに、十分に上方に押し上げ変形させるのが困難となり、結果的に安全弁の作動圧力を上げることになる。

本発明の角形電池は、内部圧が規定圧以下であるとき、前記安全弁と前記中空リベットとの当接面積が、前記端子孔の面積の２倍以上６倍以下となるように構成されたものを含む。
この構成により、より確実にシール性を高めることができる。

ここで安全弁は、この例では７０に設定するのが望ましい。また、安全弁をゴム材や樹脂材で形成することで、規定圧以下のとき、端子孔と安全弁とのシール性を確実に確保することができる。

なお、本発明において、安全弁のウォレンス硬度は６０から８０とし、その値に応じて、シール時にラウンド部を完全に覆うように中空リベットのラウンド形状を決定するとよい。

本発明の角形電池によれば、電池の長時間保存時の漏液不良を防止し、かつ安全性を維持した高品質の電池を提供することが可能となる。

以下、本発明の密閉型電池の好適な実施の形態を図面を参照にして詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係るニッケルー水素電池の要部断面図を示す断面図である。全体図としては図７示した従来例のニッケルー水素電池と同様である。

本発明に係るニッケルー水素電池は、図７に示した角筒状の外装容器１の開口部８を封口体２で封口した図１に示す構造のニッケルー水素電池の安全弁装置に特徴を有するものである。
このニッケルー水素電池は、封口板３の孔部９に設けた安全弁装置によって、電池の長時間保存時の漏液不良を防止し、かつ安全性を維持した密閉構造を形成するものである。この安全弁装置は、封口板３の孔部９に装着された中空リベット１３の端子孔１２と、この端子孔１２に当接し、端子孔上縁ＥのＲ形状を覆うように、前記封口板３内に設けられた安全弁１１とを具備している。そして、内部圧が規定圧以下であるときすなわち定常状態であるとき、安全弁が端子孔に良好に当接し、十分にシール性を維持しうるように、前記安全弁が前記端子孔の上縁Ｅと接触する面積が、前記端子孔（直径：ｒ）の面積の２倍以上６倍以下となるように、中空リベットの端子孔のラウンド形状が０．０５から０．４°程度としている。（図２（ａ）参照）

この電池の封口体２は、外装容器１の開口部８に封口板３がかしめられ、この封口板３に安全弁１１が設けられて構成されている。

他の構成は、従来のニッケルー水素電池と同様である。

ここで安全弁１１は、図２（ａ）に示すように、封口体２に設けられた封口板３の孔部９を塞ぐようにガスケット４を介して形成された中空リベット１３の端子孔１２を塞ぐように配設されるもので、この安全弁１１の弾性による付勢力で端子孔１２に押し付けて封止できるように構成したものである。

外装容器１の内部には、図７に示したように、正極板７と負極板５との間にセパレータ６を介在させて形成した電極体の積層構造体が配置されており、この電極体の上部には正極集電板が設けられ溶接接続により電気的接続を達成している。一方この電極体の下部には負極集電体が設けられ外装容器１の内壁との間で溶接がなされて電気的接続を達成している。

そして、外装容器１内の内圧が、安全弁の規定圧を超えたときに、図２（ｂ）に示すように、安全弁１１の付勢力に抗して安全弁１１を押し広げ、端子孔との間に隙間Ｃが形成される。これにより、封口キャップ１０の孔ｈから外装容器１内のガス及び溶解物質を排出することができる。

安全弁１１は全体をゴムで構成してもよいし、金属板にゴム製のシール材が貼り合わされているが、このシール材には端子孔１２に向けて突出するように突出部を形成しても良い。これにより、よりシール材と端子孔との接触性を高めることができ、シール性を高めることができる。

また、安全弁全体をゴムで構成することで、安全弁を封口板３に押圧した際に、シール材と封口板３とのシール性を確実に確保することができる。

ここで安全弁はウォレンス硬度７０±３度のゴムで形成し、安全弁の変形荷重は１．０から１．７Ｍｐａとした。

これにより、内圧が上昇すると、安全弁は、押し広げられ、端子孔との間に隙間が形成され、ガスを排出することにより、電解液の漏れや、電極板の露出さらには、電池の破裂を防止することができる。

製造に際しては、中空リベットの形状加工工程のみを変更し、端子孔の上縁がラウンド状となるようにするとともに、そして他の組み立て工程は通常の電池と同様に形成するだけでよい。

このようにして、安全弁装置を形成した封口体を用意した後、電極体を外装容器内に配置し、集電体の溶接工程を経て封口体を装着し、最後に封口部のカシメ加工を行い、図１に示したような電池が完成する。
本発明によれば、シール時には中空リベットのラウンド部全体を安全弁１１が被覆しており、シール性の高い角形電池を提供することが可能である。
また、安全弁１１は内部圧が規定圧を超えたとき、このラウンド部に沿って押し上げられることにより、より円滑に開くことになる。
このように本実施の形態の安全弁装置によれば、作動圧を上昇することなく、シール性が高くかつ信頼性の高い電池を提供することが可能となる。

中空リベットの端子孔１２の孔径を１．２ｍｍ、Ｒ形状を０．４°とし、直径２．６ｍｍ、ウォレンス硬度７０±３度のゴム製の安全弁を用い、前記実施の形態の図１に示した安全弁装置構造を形成した。このとき、安全弁が端子孔内壁と接触する領域の面積は端子孔の面積の約３．７倍となっている。
このようにして形成された図１の構造の安全弁装置を備えた封口体を用いて、図７に示したのと同様にＢ１サイズ、公称容量８８０ｍＡｈの薄型角形電池Ａを形成した。

［比較例１］
上記実施例１において正極端子を構成する封口キャップ１０に内蔵される安全弁と接触する中空リベット１３の端子孔１２の上縁のＲ形状を、０．５°とした電池を比較電池Ｘとする。

［比較例２］
上記実施例１において正極端子を構成する封口キャップ１０に内蔵される安全弁と接触する中空リベット１３の端子孔１２の上縁のＲ形状を、０．８°とした電池を比較電池Ｙとする。

[シール性試験]
温度４０℃、湿度８０％で１ヶ月保存した時の漏液（クリーピング）した電池の割合を目視で確認し、その結果を図３に示す。
図３より明らかなように、安全弁と接触する端子孔のＲ形状を０．０５〜０．４°としたとき、クリーピング不良を削減することができることがわかる。これは、以下のような理由によるものと考えられる。上記範囲に端子孔の上縁の形状を調整することにより、内圧が規定圧以下すなわち、安全弁の付勢力が内圧よりも大きいとき、安全弁が端子孔上縁のＲ形状に沿って良好に変形し十分に密着性よく配置される。また、内圧が規定圧を超えると、安全弁が端子孔上縁のＲ形状に沿って良好に押し上げられ、端子孔との間に隙間が形成されて、封口キャップに設けられたガス抜き孔から速やかにガスが排出される。

一方、図４、図５に示したように比較例１，２のようにＲ形状が大きすぎると、安全弁と中空リベットの端子孔との接触面積が小さくなり、シール性が十分でないとクリーピング不良がでるためと考えられる。
一方図６に示すようにＲ形状が０．０５よりも小さいと、端子孔の上縁のエッジに沿うように安全弁が変形し得ず、隙間が生じてしまうため、シール性が低下するものと考えられる。

[安全性試験（過充電試験）]
また、実施例１において、安全弁が中空リベットの端子と接触する面積が前記端子孔の面積の割合を１．８倍、２．０倍、６．０倍、６．５倍となるように安全弁の径と封口キャップとを調整した以外は実施例１と同様に角形電池を作成し、安全性試験を実施した。
このようにして形成された電池を各ロット１０セルづつ用意し、０．２ｌｔの電流値で室温１週間の連続過充電を行なった。このとき電池厚みが基準値を超えたセル数を表１に示す。

上記結果から、安全弁が中空リベットの端子と接触する面積が端子孔の面積の６倍以下とすることにより、電池厚みの膨張を極力抑制することができることがわかる。
また、２倍以下のものはシール性が十分でなかった。
なお、連続過充電を進めていくと、この種のアルカリ蓄電池では水素ガスが蓄積していき電池内圧が上昇し、この種の小型薄型蓄電池の電池厚みが膨張していき好ましくない。ただし、安全弁と中空リベットの上端部との接触面積と、端子孔の面積を適正化することにより、電池内圧が規定圧以上になったとき、電池内部のガスを円滑に排出することができるため、連続過充電したときの電池厚みの膨張を極力抑制することが可能となる。

さらに、前記実施の形態では、封口体に取付ける封口キャップを正極キャップとして説明したが、負極キャップにすることも可能である。

（第２の実施の形態）
また本発明の第２実施の形態として、安全弁を、ゴムと金属などの積層体で構成してもよい。また他部の構造については前記第１の実施の形態と同様に形成する。

この構造によれば、材料選択の自由度が向上し、強度の向上をはかることも可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、電池内部の水素ガスの蓄積を抑制し,電池の安全性向上を維持することができるとともに、電池内部空間を低減させることなく形成でき、容量の増大を図ることが可能となることから、小型電子機器などの小型精密製品への適用の可能なニッケル‐水素電池などのアルカリ二次電池をはじめ、密閉型角形電池に適用可能である。
特に、電池内部空間を最大限に有効に利用することができ、簡単な構造で、小型化、大容量化、安全性の向上という排他的要件を満たすことから、次世代の電池に有効な構造である。

本発明の第１の実施の形態の角形電池を示す断面図である。 同角形電池のシール時およびガス排出時の状態を示す要部拡大断面図である。 ガス抜き孔のＲ値とクリーピング不良との関係を示す図である。 従来例の角形電池を示す断面図である。 従来例の角形電池の要部拡大断面図である。 従来例の角形電池の要部拡大断面図である。 角形電池の外観図である。

符号の説明

１ 外装容器
２ 封口体
３ 封口板
４ ガスケット
５ 負極板
６ セパレータ
７ 正極板
１０ 封口キャップ
１１ 安全弁
１２ 端子孔
１３ 中空リベット

Claims (4)

1. 電極体を収納し、一方極の端子を兼ねる開口部を備えた外装容器と、他方極の端子を兼ねる封口キャップを備え、前記開口部を密封する封口体と、前記封口キャップに設けられたガス抜き孔を介して、前記外装容器内のガスを放出可能な安全弁装置とを備え、
   前記安全弁装置が、
   前記封口体の孔部に装着された中空リベットと、中空リベットの端子孔に当接するように、前記封口キャップ内に設けられた安全弁とを具備してなる角形電池であって、
   内部圧が規定圧以下であるとき、前記安全弁が前記端子孔の上縁に密着して当接可能な程度に、前記中空リベットの端子孔上縁のラウンド形状が決定されている角形電池。
2. 内部圧が規定圧以下であるとき、前記端子孔は、外装容器の軸方向に伸張する内壁以外は前記安全弁で完全に覆われるように形状加工された請求項１に記載の角形電池。
3. 前記安全弁に当接する側の、中空リベットの端子孔上縁のラウンド形状（Ｒ）が０．０５から０．４°である請求項１または２に記載の角形電池。
4. 内部圧が規定圧以下であるとき、前記安全弁と前記中空リベットとの当接面積が、前記端子孔の面積の２倍以上６倍以下となるように構成された請求項１乃至３のいずれかに記載の角形電池。

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