JP2005216766A - 密閉形アルカリ蓄電池 - Google Patents

Abstract

【課題】密閉形アルカリ蓄電池、特にニッケル水素蓄電池において、急速充電による急激な内圧上昇があった場合の電池の安全性、速やかに密閉性を回復する構造が電池内容積に占める割合が大きく、電池の容量を損ない、構造も複雑で安価に得ることが困難であったこと、作動の信頼性が不充分で、電池の気密、液密が必ずしも万全でなかったこと、などの問題を解決する。
【解決手段】絶縁性の隔壁１０で電槽缶内部の一部を分かち、該隔壁を気密に貫通する第一電導体９が電池内圧の上下により生ずる変位により、通電を断続する手段を備え、電槽缶の上部で該電槽缶と電気的に絶縁されて固定されている第二電導体４の中央付近の開口７の周囲が凹部を形成し、該凹部の中に上記第一電導体の上部の接続部が位置し、該接続部は常時は上記開口に圧迫されている構造とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池内部に圧力に応答する電気スイッチを有する密閉形蓄電池に関するものである。

密閉形蓄電池において、従来の電地内部での機械的な充電制御方法としては、電池の上部を覆い、キャップと電槽缶とを電気的に絶縁しつつ電池を気密、液密に密封するグロメットにかかる内圧を利用して充電電流の断続を行っている（例えば特許文献１参照。）。
また、同様に電池内圧と皿バネによる力を利用して充電電流の断続を行っているものもある（例えば特許文献２参照。）。

米国特許出願公開第２００２／０１１９３６４Ａ１号明細書（第７−８頁、第６図、第７図） 米国特許第５０２６６１５号明細書（第６−７欄、第３図、第４図）

ポータブル電子機器の電源として主に用いられている二次電池には制御弁式小型鉛蓄電池、密閉形アルカリ蓄電池、リチウム二次電池があるが、重負荷の要求される用途では密閉式アルカリ二次電池がよく用いられる。密閉形アルカリ蓄電池にはニッケルカドミウム系とニッケル水素系が一般的で大量に使用されている。特にニッケル水素系はニッケルカドミウム系に比べてエネルギ密度が高く、しかも有害なカドミウムを含まず環境汚染のおそれが少ないことから、携帯電話、小型電動工具、および小型パーソナルコンピュータ等の携帯用電子機器類の電源として広く利用されており、需要が飛躍的に増大している。
また、これら電子機器は、より小型化、軽量化の要請により電源の設置スペースが圧縮される一方、多機能化によって消費電力が増大している。このため、これらに用いられる蓄電池には小型高容量化と共に、良好な急速充電性能も要求されている。充電末期の検知には電池電圧、温度の上昇やそれらの時間についての微分値などが用いられているが、電池の使用環境によっては必ずしも確実に作動するとはいいがたい欠点がある。

よく知られているように、密閉形アルカリ蓄電池（以下、簡単に電池ともいう）では充電末の発生ガスの処理と過充電、過放電の対策のため、いわゆる充電リザーブと放電リザーブ容量を負極に持たせてある。充電リザーブは電池正極の充電終期、もしくは、過充電時にも負極から水素が発生しないように、負極に持たせてある未充電の余分な容量である。放電リザーブは、負極の容量減退に備えて、または、電池が過放電されたときの対応などで設けられる。

ニッケル水素蓄電池の場合、正極活物質となる水酸化ニッケルは、通常、導電性を高め利用率を改善するために、その表面を水酸化コバルトなどのコバルト化合物で被覆してある。このコバルト化合物は初期充電時に酸化されてオキシ水酸化コバルトに酸化（充電）されるが、通常この反応は不可逆であり、この反応に要した充電電気量は負極には潜在的な放電電気量として放電リザーブの一部となる。
また、充放電のサイクルが経過すると、負極の水素吸蔵合金の腐食が進行し、その反応により生成する水素が水素吸蔵合金に吸蔵される。これは負極活物質の減失となり、充電リザーブの減少、放電リザーブの増加をもたらす。

電池の質量、または体積当たりの出力を向上さすためには、活物質のうち、出力に貢献できる部分を可能な限り増加する必要がある。上記のニッケル水素蓄電池の場合、これを達成するには、充電リザーブ、放電リザーブを共に可能な限り圧縮して放電に寄与できる活物質の割合を確保する必要がある。しかし、そのような構成にすると、充分なサイクル寿命特性を得ることが困難であった。
また、用途や使用条件によっては、急速充電を行うことにより機器を有効に使用することもできるが、電池の単位体積当たりの容量が増加すれば必要な充電電流も大となり、電池内での発熱もこれに伴って増大する。ニッケル水素蓄電池では水素吸蔵合金の水素吸蔵に起因する発熱も加わり、電池温度が上昇して充電効率が低下し、ガス発生により電池内圧が急上昇し、安全性に問題が起こるおそれがある。特許文献１の構成では、電池の上部を覆い、キャップと電槽缶とを電気的に絶縁しつつ気密、液密に密封するグロメットの電池内容積に占める割合が大きいので電極群の高さを減ずる必要があり、体積当たりの容量の向上に不適で、また、使用部品点数が多いためコストが高く、構造も複雑で、組み立て時の生産効率が悪いなどの問題もある。また、蓄電池の周辺に対する安全性、環境への配慮などから、電池内部のガス放出や電解液の漏出の可能性も可及的に避けるべきである。

解決しようとする問題点は、密閉形アルカリ蓄電池、特に密閉形ニッケル水素蓄電池において、急速充電による急激な内圧上昇があった場合の電池の安全性、速やかに密閉性を回復する構造が電池内容積に占める割合が大きく、電池の容量を損ない、構造も複雑で安価に得ることが困難であったこと、作動の信頼性が不充分で、電池の気密、液密が必ずしも万全でなかったこと、などの諸点である。

本発明の請求項１では、絶縁性の隔壁で電槽缶内部の一部を分かち、該隔壁を気密に貫通する第一電導体が電池内圧の上下により生ずる変位により、通電を断続する手段を備えた電池であって、電槽缶の上部で該電槽缶と電気的に絶縁されて固定されている第二電導体の中央付近の開口の周囲が凹部を形成し、該凹部の中に上記第一電導体の上部の接続部が位置し、かつ、該接続部は常時は上記開口に圧迫されていることを特徴とする、密閉形アルカリ蓄電池である。

請求項２では、第二電導体の凹部の周辺が隔壁の周辺を電槽缶に圧迫狭持する、請求項１記載の密閉形アルカリ蓄電池である。

請求項３では、第一電導体は隔壁膜を貫通する部分にカシメ止めされた、請求項１記載の密閉形アルカリ蓄電池である。

請求項４では、電池がニッケル水素蓄電池である、請求項１から請求項３までのいずれかに記載の密閉形アルカリ蓄電池である。

本発明の密閉形蓄電池は、請求項１では、通電の断続に係る第一電導体と第二電導体との接触部が第二電導体中央の開口の周囲の凹部に収められているため、通常、上記接続部の上側に位置して正極端子を兼ねるキャップの高さを小としても、キャップの内部に接続部の作動に必要な空間を取ることができる。
これにより、電槽缶上部のクリンプシール部の位置を規格の許す最大限まで高くできるので、電槽缶の実質的内容積が増大して電池容量を大きくすることができる。同時に、導体と接続部の水平方向の動きを規制できるので、隔壁膜が柔軟で貫通口の直径が大きい場合にも、急激な内圧上昇などで導体が水平方向にも大きく変動することなく、導通に不具合の起こるおそれがない。

請求項２では、請求項１の効果に併せて、電槽缶内の電極群を収納する部分の気密性を向上せしめることができる。

請求項３では、隔壁を貫通する導体の厚さを小としても気密、液密に完全を期することができるので、請求項１の効果に併せて、電池の長期間にわたる信頼性を保つことができる。

請求項３では、必要な充電、放電リザーブが許容できるので、請求項１から請求項３までのいずれかの効果に加え、大電流による急速充電が可能で、サイクル寿命の長い、信頼性の高い密閉形ニッケル水素アルカリ蓄電池を得ることができる。

本発明の実施の形態の一例を図に基づいて説明する。各図は本発明の要部の縦断面により、その構成と作動を示したもので、同等の作用をもつ部分には同一の数字の符号を付してある。図１は本発明の一実施（１Ａ）と比較例（１Ｂ）との差を、図２は本発明の他の実施の休止、および、通常の充放電状態を、図３は同じく充電時に電池内圧が所定の値を越え、充電が遮断された状態を、図４は本発明のさらに他の実施例の休止、および通常の充放電状態の、いずれも要部を示す。
また、図５は第一電導体と接続部の別の実施例を示す。

図１の、本発明の一実施を示す（１Ａ）において、１は金属製の電槽缶で、正、負極をセパレータを介して渦巻き状に捲回した電極群２を収容する。３は金属製の蓋体で、第２電導体４とキャップ５とからなり、互いに導電的に接合されて、該電槽缶１の上部解放端側（図示の部分）を覆い、弾性を有する合成樹脂等の絶縁体で形成されたガスケット６を介して電槽缶１の上縁部に気密、液密にカシメ固定される。該第二電導体４の一部、好ましくはその中央部に開口７が設けられる。該キャップ５と第二電導体４とで形成された空間には圧縮状態の発条、好ましくは金属製発条８により、金属製の第一電導体９の接続部９１が第二電導体４に圧接され、両者を電気的に接続している。隔壁１０はガスケット６と一体に成型されて電槽缶１の上部を覆い、その中心部を第１電導体９が貫通している。該第１電導体９は隔壁１０に気密、液密に保持され、該隔壁により電槽缶内を上下を分けている。第１電導体９は電極群２を構成する正極と正極導線１１で電気的に接続されているので、上記キャップ５が正極端子となっている。負極端子は電槽缶１である。１２は絶縁板で、第一電導体９の接続部９１上面と発条８の下部とを電気的に絶縁するが、接続部９１の側面にも延長しておくのが望ましい。

本発明の一実施（１Ａ）において、第二電導体４はその中央付近に凹部４１を形成するためにその周縁に近い部分に下方に向かう湾曲部４２を有し、ガスケット６に連なる隔壁１０が該湾曲部の背面と電槽缶内壁とにより圧迫狭持されている。
比較例（１Ｂ）では、第二電導体４’は中央に開口をもつ平な円板である。

なお、図１の（１Ａ）に示すように、本発明品においては第２導電体４が下方に向かって湾曲する湾曲部４２を有し、第２導電体４の中央部分が隔壁１０の上方の空間に侵入するように配置しているので第１導電体９の高さ寸法を低く設定することができ、その結果電極群２の上端の位置（図１には極群位置と表示）を（１Ｂ）に示した比較例に比べて高い位置に設定することができるので、電極群２の高さを大きくすることが可能である。

図２の実施では、第二電導体４”の周囲のみがガスケット６を介して電槽缶上端にカシメ止めされ、キャップ５’はその上に電気伝導を保って固定されている。
また第二電導体はその中央の開口付近において下方に湾曲して沈み、その内部に第一電導体９’の上部の接続部９１’を収めている。第一電導体９’はガスケット６の延長部である隔壁１０’の中央を貫通して確実にカシメ止めされている。この構成においても、電池が小型で直径の小さい場合などには、第二電導体の湾曲部を電槽缶のカシメ止め部に接近させて隔壁の周辺を圧迫狭持させることができる。

図３は図２の構成の電池において、急速充電の末期などで電池の内圧が上昇して導体９’と接続部９１’が上方へ押し上げられた状態を示す。隔壁１０’のうち、開口７にかかる面積に生ずる力が発条８の生ずる力と平衡するところまで接続部９１’が上昇して第二電導体４”の開口７の周辺から離れ、正極導体１１からキャップ５’に至る電路が開くので、充電が中断され、内圧の上昇が止まる。キャップ５’と第二導電体４”との溶接には必ずしも気密性は必要ないが、気密であれば、第一電導体９’を含む隔壁１０’の上昇に伴うキャップ内の気体の圧縮により第一電導体９’を押し下げる力が発条８の力に加わる。電池内のガス吸収が進み内圧が低下すると、第一電導体９’、接続部９１’は元の位置に戻り、電路は閉じる。この後の充電条件（充電終了を含む）は、充電回路側で容易に設定することができる。

図４においては、蓋３’はキャップ５’の周縁と電槽缶１とでカシメ止めされて電池が密封されている。この場合、キャップ５’と第二電導体４”との溶接には所要の電導性のみで、気密性は全く要求されないので、製作が容易である。

図５の実施では、第一電導体９”の上部の接続部９１”は円板の両側を欠いた一方方向にのみ伸びた形状で、幅が開口７の直径より幾分小さくなっている。接続部９１”と第二電導体４’との接触面積が電池に許容される放電、充電の最大電流の通過に支障なければ、他の形状、例えばＸ字状であってもよく、これらの場合はキャップと第二電導体とを溶接した後に第一電導体９”の接続部９１”をキャップ内に装着できるので、製作に便である。また、開口は円形以外に、方形であってもよい。

本発明においては、電池から発生するガスはすべて隔壁１０により極板群側に収容され、外部に漏出しないので、機器などを汚染するおそれがない。

外形寸法がＡＡサイズのニッケル水素電池を、本発明の図１の（１Ａ）の構成によるもの、および、特許文献１に基づく封口方法を用いた比較例のニッケル水素蓄電池をそれぞれ２０個作製した。正極、負極、セパレータは、処方はいずれも市販品のものと同一であるが、捲回して得た電極群は、比較例の４３ｍｍに対して実施例では４５ｍｍとすることができた。

（試験）
本発明品、および比較例の電池の容量を以下の手順で測定した。化成済みの電池を０．２Ａで１５時間充電したのち１時間放置し、ついで、０．４Ａで電池電圧が１Ｖ／セルになるまで放電して放電時間と電流値からえたＡｈ容量を電池の通常充電時容量とした。また、放電を終了した電池を１．６Ｖ／セルで定電圧充電したのち、３０分放置し、ついで、０．４Ａで電池電圧が１Ｖ／セルになるまで放電し、急速充電時容量とした。それらの結果を表１に示す。

表１から、本発明品は通常の充電によれば比較例より５％、急速充電によれば同じく６％の容量増加が認められた。

本発明はニッケルカドミウム蓄電池にも勿論適用することができる。しかし、ニッケルカドミウム蓄電池と比較して急速充電を実施し難いとされているニッケル水素蓄電池に適用すれば得られる効果が大きい。

本発明の密閉型蓄電池の充電方式は、初期に大電流を付加できる方式、例えば定電圧方式等が使用できる。内圧により通電回路が遮断した後は内圧の低下により通電が再開されるが、遮断の信号を利用して電流の低減、または一定回数の作動後、回路を開放する等の方式を簡単に採用することができる。

密閉型アルカリ二次電池を本発明の請求項１に記載のとおりとすれば、体積当たりのエネルギ密度の更なる向上がはかられ、寿命特性も向上し、信頼性も増大する。また、大電流による急速充電で充電時間の短縮が可能となり、小型電子機器類の発展を支えることができる。

比較例では、電池内圧の上昇下降に伴い（１Ｂ）に示す隔壁周辺のａ部が電槽缶と離反、付着を繰り返すので、離反時に引き込まれた電解液が付着時に押し込まれカシメ止め部のソルティング（白色化）や漏液の原因となることがあった。請求項２によれば、請求項１の効果に加え、この原因を除くことができる。

特に請求項３によれば、導体の高さを小にして、かつ充分な導体貫通部の気密、
液密を確保できるので、請求項１の効果に加え、充電電流の断続が頻繁に起こっても、電池内に生成したガスや電解液の失われることがなく、寿命特性、信頼性に対して効果がある。同時に、電池の使用される環境を汚染するおそれがない。

また、請求項４によれば、特にエネルギ密度を高く設計したニッケル水素電池の寿命特性と急速充電特性とを向上させることができる。

本発明の一実施を比較例と対比した、要部の縦断面図である。 同、他の実施の要部の縦断面図である。 図２の実施の、内圧上昇時の要部の縦断面図である。 本発明のさらに他の実施の要部の縦断面図である。 本発明の導体と接続部の別の実施の背面図である。

符号の説明

３、 ３’、 ３” 蓋体
４、 ４’、 ４” 第二電導体
５、 ５’ キャップ
６ ガスケット
７ 開口
８ 発条
９、 ９’、 ９” 第一電導体
９１、９１’、９１” 接続部
１０、１０’ 隔壁
１１ 正極導線
１２ 絶縁板

Claims (4)

1. 絶縁性の隔壁で電槽缶内部の一部を分かち、該隔壁を気密に貫通する第一電導体が電池内圧の上下により生ずる変位により、通電を断続する手段を備えた電池であって、電槽缶の上部で該電槽缶と電気的に絶縁されて固定されている第二電導体の中央付近の開口の周囲が凹部を形成し、該凹部の中に上記第一電導体の上部の接続部が位置し、かつ、該接続部は常時は上記開口に圧迫されていることを特徴とする密閉形アルカリ蓄電池電池。
2. 第二電導体の凹部の周辺が隔壁の周辺を電槽缶に圧迫狭持する、請求項１の密閉形アルカリ蓄電池。
3. 第一電導体は隔壁膜を貫通する部分にカシメ止めされた、請求項１の密閉形アルカリ蓄電池。
4. 電池がニッケル水素電池である、請求項１から請求項３までのいずれか１項の密閉形アルカリ蓄電池。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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