JP2005322576A - 密閉二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】
容易に形成することができ、かつ安定した作動圧を有する安全弁が設けられている密閉二次電池を提供する。
【解決手段】
電極体がケース内方に収納され、前記ケースの開口部が、外装蓋2で封口され、ゴム弁体12を有する安全弁2aが外装蓋2に備わっている密閉型蓄電池であって、外装蓋2は、一体成型されてなる突状部分に凹部を有しており、安全弁2aは、ゴム弁体12が前記凹部に収納され、前記凹部の開口部を閉じる弁蓋体13が外装蓋2に係着される構成とする。この係着により、前記ゴム弁体12が付勢されて前記貫通路16を封止する構成となる安全弁2aによって電池100の密閉性が保たれる。
【選択図】図2

Description

本発明は、安全弁を有する密閉二次電池に関する。

近年、密閉型アルカリ蓄電池は、ポータブル機器だけでなく、ハイブリッド電気自動車（HEV）などの大きな出力を要する動力源としても用いられている。上記密閉二次電池は、例えば、樹脂材料からなるケース内に電極体が収納され、ケースの開口部が樹脂材料からなる外装蓋によって封口される構成をしている。外装蓋には、電池内部の圧力調整のために樹脂製の安全弁が取り付けられている（例えば、特許文献1）。

このような安全弁の構成について図5を用いて説明する。図5は安全弁の断面図である。当図に示す安全弁300はZ方向を中心軸方向とする筒状の弁本体101を有し、Z方向の中間部分に、フランジ部分106が形成されている。弁本体101には、Z方向の正方向側の端部に開口部を有する凹部が形成されており、開口部は弁蓋体104によって封口されている。弁本体101と弁蓋体104で形成される内部空間にはスプリング102とゴム弁体105が収納されている。弁本体101及び弁蓋体104の各々には、上記内部空間と外部とを結ぶ通気孔103a、103bが設けられている。この内、通気孔103bは、電池内圧が定常状態にあるとき、上記内部空間側よりゴム弁体105が押し当てられ、封止された状態となっている。

安全弁300は、外装蓋200に設けられた孔部201に対して、弁本体101におけるフランジ部分100よりもZ方向負方向側部分が挿通され、フランジ部分106のZ方向負方向側の面が外装蓋200における孔部201の縁部分に熱溶着されることによってシール性が良く、しっかりと取り付けられる。
安全弁の外装蓋への確実な固着が行われない場合、安全弁の作動圧の不安定化を招く可能性もあるため、安全弁の固着方法に関しても様々な検討が行われている（例えば、特許文献2）。
特開平11-339746号公報 特開平10-21893号公報

例えば、特許文献２のように、安全弁を外装蓋へ熱溶着によって取り付ける方法があるが、熱溶着によって確実に取り付けるためには、設備や環境面において厳密な条件管理が必要となり、適正条件範囲から外れた場合には、熱溶着及び圧着が十分には行われないことがある。その場合、安全弁と外装蓋との間の溶着部分にピンホール等を生じることがあり、安全弁の圧着が確実に行われずに安全弁の作動圧の不安定化を招いてしまうこともある。

また、この文献では、熱溶着の際に発熱リングを用いているため、製造に要する部品点数が多くなり、製造工程の複雑化を招く恐れがある。
本発明は以上の課題に鑑みてなされており、安全弁を容易に形成することができ、かつ安全弁において安定した作動圧を得ることができる密閉二次電池を提供することを目的とする。

本願発明では上記課題の解消のために以下の構成を採る。
電極体がケース内方に収納されるとともに、前記ケースの開口部が、樹脂材料からなる外装蓋で封口され、弁体を有する安全弁が前記外装蓋に備わっている密閉二次電池であって、前記外装蓋は、その一部に弁体収納部を有する突起部が形成され、前記安全弁は、弁蓋体が前記突起部に係着される構成とする。

さらに、以下の構成にすることが望ましい。
前記突起部の少なくとも頂部に弁体収納部を形成し、前記外装蓋には、前記弁体収納部の内部と前記ケース内方とを連通する連通路が設けてられているとともに、前記弁体が弾性体として構成されており、当該弁体の弾性付勢により前記連通路を押圧して封止させる。また、前記弁蓋体は、前記突起部に係着させ、前記突起部と前記弁蓋体は、互いに螺合可能に形成し、前記弁体収納部の内部において、前記螺合により前記弁体が前記連通路を封止して収納させる。前記突起部と前記弁蓋体との前記螺合部にはシール材を介設し、さらに前記突起部に対して螺合が外れないように前記弁蓋体を固着させる。

そして、前記ケースと前記外装蓋からなる外装体の内部には、隔壁によって複数のセル室が区分けされており、各セル室には、前記電極体に集電体が接合されてなる電極体ユニットが収納され、前記各電極体ユニットを前記外装体内部において直列に接続する。

本願発明に係る密閉二次電池では、外装蓋がその一部に弁体収納部を有するように突起部が形成されているので、従来の場合において懸念される作動圧の不安定化を招くことはない。また、上記弁体収納部が弁蓋体によって係着された構成であるため、弁蓋体を突起部に固定することが容易である。従って、密閉性の高く、かつ作動圧の安定した安全弁を簡易に形成できる。

また、弁蓋体と上記突起部を螺合させる場合には、弁蓋体からの押圧力によって上記弁体収納部に収納される弁体に弾性付勢が生じて、弁体がケース内方との連通路を封止する構成となる。上記場合には、弁蓋体の締付けトルクによって、安全弁の作動圧を変更することが可能となるので、任意の作動圧を設定することが容易となる。
本願発明では、従来の場合において必要とされる熱溶着及び加圧密着の工程を削除することができるので、製造コストが安価となる。また、上記突起部における螺合部にシール材を装着させる等によって、安全弁と外装蓋の気密性がさらに向上される。

以上の点から、電池の密閉性が十分に確保され、安全弁の作動圧を安定させることができ、その結果、製造における歩留の低下を抑制することに繋がる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、ニッケル水素密閉型アルカリ蓄電池（以下では、単に「電池」と記載する。）100を一例として図面を用いて説明する。電池100はHEV用であって、電圧7.2Vで公称容量が6.0Ahである。ただし、本発明は下記実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲においては適宜変更して実施可能である。
（電池の構成）
本実施例に用いられる電池の構成について図1(a)、図1(b)を用いて説明する。図1(a)は電池100の外観斜視図であり、図1(b)は電池100の外装体を分解した斜視図である。

図1(a)に示されているように、本実施の形態に係る電池100は、X方向を長手方向とするケース3と外装蓋2によって外装体が形成されている。ケース3と外装蓋2はともに合成樹脂材料から形成されており、電池形成後には開口部が熱溶着されて内部を密閉状態に保つ。
ケース3の外側面（XZ面）にはZ方向に延びるリブ3a・・・が複数形成されている。各リブ3aはケース3の一部を厚肉に加工したものであり、電池100を密接させて並設した場合には、各々のリブ3aによって外装体間には間隙が生じるので、外気が流通して冷却効果が高まるように工夫されている。また、リブ3a・・・の形成によってケース3の剛性の向上効果もある。そして、X方向両端面には、2つの外部接続端子30aが取り付けられており、その内方端がセル室32内に突出する構成となっている。なお、2つの外部接続端子30aの内、一方については便宜上、図示を省略している。

ケース3は、5枚の仕切り壁33・・・によって6つのセル室32・・・に区分けされている。各仕切り壁33・・・の上端近傍に接続用の透孔31・・・を有している。各セル室32・・・のサイズは、電極体ユニット1が収納できるのに所要な最小サイズに設定されている。図1(b)に示すように、6つの電極体ユニット1は、各セル室32に収納され、隣り合う電極体ユニット1の間で、一方の電極体ユニット1の正極集電体と他方の電極体ユニット1の負極集電体とが仕切り壁33に設けられた透孔31を通して溶接接合される。即ち、6つの電極体ユニット1は、各々がセル室32に収納された状態で直列接続された構成となっている。

外装蓋2には、図1(a)、図1(b)に示すように、電池内部圧力が規定値に達した場合に、内部のガスを外部放出するため、後述する安全弁2aが略中央部分に設けられており、ケース3に設けられた仕切り壁33・・・に対応して仕切り壁23・・・が形成され、その一部領域に切り欠き部23aが形成されている。
各電極体ユニット1は、図1(b)に示されているように、渦巻形状を有する電極体10と、その巻回軸方向両端に溶接される正負両集電体4と、電極体10の外周に外嵌されてなる拘束バンド5とから構成されている。

この内、正負両集電体4の各々には電極体10との溶接部分にバーリング加工がなされており、巻回されている電極体10の芯体露出部と当該バーリング部を抵抗溶接し、正負極集電端子を備えた発電要素としている。
拘束バンド5は金属材料を用いて環状に形成され、内周径が電極体10の外周と略同等に設定されている。ここで、拘束バンド5が外嵌される電極体10の最外周には、セパレータ（不図示）が配置され、金属材料からなる拘束バンド5との間で絶縁性が確保されており、電極体10に内部短絡等を生じることはない。

なお、図示を省略しているが、各セル室32内には、所定量の電解液が注入されている。電解液の注入量は、各電極体ユニット1の充放電に十分な量であって、電池100を多少傾けても外装蓋2の切り欠き部23aにまで達することのない量に設定されている。
電極体10は、ニッケル化合物を含む正極板と水素吸蔵合金を活物質とする負極板を備えている。正極板は、パンチングメタルからなる極板芯体の表面にニッケル焼結多孔体を形成した後、化学含浸法により水酸化ニッケルを主体とする活物質をニッケル焼結多孔体内に充填して作製されている。一方、負極板はパンチングメタルからなる極板芯体の表面に水素吸蔵合金からなるペースト状負極活物質を充填し、乾燥させた後、所定の厚みになるまで圧延して作製されている。

これらの正極板と負極板との間にセパレータを介在させて巻回して電極体10が作製される。電極体10の軸方向両端部のいずれかには、正極板の極板芯体であるパンチングメタルの端部が露出し、当該露出部分に対して、集電体4が溶接される。また、反対の端部には負極板の極板芯体であるパンチングメタルの端部が露出し、同様に集電体4が溶接されることで電極体ユニット1が作製される。
（安全弁2aの形状と製造方法）
次に、安全弁2aの形状について、図2、図3、図4を用いて説明する。図2は安全弁2aの組立前の状態を示す断面図である。図3(a)は外装蓋2の上面図、図3(b)は弁蓋体の上面図である。図4(a)は、安全弁2aの断面図であり、図4(b)は、図4(a)の安全弁2aのA-A断面図である。

安全弁2aは、図2に示されているような弁体収納部20と、弁蓋体13と、弁体収納部20が有している凹部に収納されるゴム弁体12とによって構成される。
弁体収納部20は、合成樹脂からなる外装蓋2略中央部分がZ方向正方向側に隆起するように加工された部分であり、当該隆起部の頂部からZ方向負方向に向けて、後述する円筒形状のゴム弁体12が収納される凹形状の中空領域18が存在する。当該中空領域18の底部の略中央部には貫通孔16が形成されている。弁体収納部20及び中空領域18は、図3(a)に示されているように、XY平面上で略円形状の断面を有しており、当該中空領域18の外周に当接するように、4つの通気経路14がZ方向に延伸する構成で設けられている。この弁体収納部20は外周側壁部が雄ネジ部11となっている。

弁蓋体13は、図2、図3(b)に示されているように、XY平面上で略円形状の断面を有しており、取手17がZ方向略中央部に形成されている。弁蓋体13には、上記雄ネジ部11と螺合可能な雌ネジ部19が設けられている。弁蓋体13には4つの通気孔15が、Z方向に延伸するように設けられている。これら通気孔15は、弁蓋体13における雌ネジ部19形成領域と外部とを連通させている。

ゴム弁体12は、図2、図4(b)に示されているように、断面が中空領域18と略同程度の大きさであり、Z方向の高さが中空領域18よりも若干大きい円筒形状を有している。なお、ゴム弁体12は弾性体である。なお、ゴム弁体12は弁体自体が弾性体であるが、弁体とは別個に弾性体を設けても良い。
上記構成要素を有する安全弁2aは、以下のようにして製造される。

先ず、上記構成を満たす金型を用いることで、射出成型により外装蓋2の一部となるような弁体収納部20を一体的に形成する。
次に、ゴム弁体12を中空領域18に収納し、弁蓋体13は弁体収納部20各々の雄ネジ部11、雌ネジ部19が螺合されることで嵌めこまれて、弁蓋体13が弁体収納部20に係着される。上記螺合によって、弾性体として構成されているゴム弁体12は、弁蓋体13から押圧され、中空領域18に収納されるとともに、弾性付勢された状態で貫通孔16を封止する。結果、電池内部の密閉性が保たれ、安全弁2aが形成される。

上記構成を有する安全弁2aにおいて、図4のような状態で電池内圧が上昇して作動圧を超える場合には、貫通孔16からZ方向正方向側へのガスの内圧により弾性体であるゴム弁体12が押し上げられる。そして、図4(b)に示されている通気経路14を通じて、弁体蓋13と弁体収納部20との間隙13aに充填され、通気孔15を通じて外部に排気される。このようにして、電池の内圧が正常範囲内となるように安定化される。上記螺合時に要するネジ締付けトルクは一例として、10N・mとして弁蓋体13が取り付けられ、0.8MPaで作動する安全弁2aとされている。なお、中空領域18の内周面に雌ネジを形成し弁蓋体13にそれと螺合する雄ネジを形成するような逆の配置でも良い。
（本実施の形態に係る電池100の優位性）
本願発明では、外装蓋2の一部が弁体収納部20として利用可能なように射出成型により一体的に形成されているため、安全弁を外装蓋へ熱溶着する工程が不要である。また、弁蓋体13と弁体収納部20とを螺合させることで簡易に安全弁2aを組み立てることができ、ネジ締付けトルクによって弁蓋体のZ方向位置を調整できるので、任意の作動圧に設定変更することができる。さらに、安全弁2a自体を組立後に外装蓋2に溶着させる工程が削除されているため、製造コストも安価となる。なお、弁体収納部20と弁蓋体13との螺合によって安全弁2aが形成されているが、形成方法は螺合だけに限定するのではなく、弁体収納部20内の中空領域18に収納されるゴム弁体12などの弾性体を付勢させるとともに、電池内部の密閉性を保つように弁蓋体13のZ方向位置が固定されていれば他の方法でも構わない。
（実施例1）
本実施例に係る安全弁2bの形状は基本的に上記（安全弁2aの形状）と同じである。異なるのは、雄ネジ部11にテフロン（登録商標）シールが装着されていることである。

外装蓋2の雄ネジ部11にテフロン（登録商標）シール（不図示）が装着され、上記（実施例1）と同様にしてゴム弁体12が中空領域18に付勢された状態で密挿される。なお、テフロン（登録商標）シールが装着されていることにより、弁体収納部20と弁蓋体13の螺合部における気密性がさらに確保されている。
（実施例2）
本実施例に係る安全弁2cの形状は基本的に（実施例1）と同じであり、異なるのは弁蓋体13の雌ネジ部19の縁端部が熱溶着されて外装蓋2に固着されていることである。

（実施例1）と同様にしてゴム弁体12が中空領域18に付勢された状態で密挿され、弁蓋体13が熱溶着により外装蓋2に固定される。上記構成により、振動による螺合部の緩みも発生することなく十分な密閉が可能となる。
（実施の形態及び実施例1、2の優位性確認実験）
ここでは、本実施の形態及び実施例1、2における優位性を確認するために後述する実験を行った。なお、図1に示す電池100と同一の構成の電池を用いているが、安全弁に関しては比較検討するために、以下のような場合に分けている。
1-1. 実施例1
実施の形態に係る安全弁2aの構成のものを用いている。
1-2. 実施例2
実施例1に係る安全弁2bの構成のものを用いている。
1-3. 実施例3
実施例2に係る安全弁2cの構成のものを用いている。
2. 比較例
図5に示されている安全弁300を用いている。ここでは、安全弁が0.8MPaで作動し、安全弁300と外装蓋200との接地面とを熱板にそれぞれ押し当てることで溶接させ、その後、外装蓋200と安全弁300とを密着させてこれらを熱溶着している。安全弁300と外装蓋200の熱溶着加圧を700N及び熱溶着強度900Nとしている。
（実験の内容と結果）
実施例1〜実施例3のように外装蓋2の一部を一体成型することで弁体収納部20として利用した安全弁2a、2b、2cが備えられている電池100及び比較例のように安全弁300を熱溶着させることで外装蓋200に取り付けた電池をそれぞれ1,000セル作製し、0.8MPaの作動圧を設計狙い値とする。安全弁2a、2b、2c、300の作動圧検査を行い、安全弁作動圧が0.70〜0.90MPaと0.75〜0.85MPaの範囲で良品判定を実施して、歩留を算出した。作動圧検査は外装蓋2、200の図2や図4におけるZ方向負方向側から圧縮空気によって圧力が加えられ、安全弁2a、2b、2c、300のZ方向正方向における端部に圧力センサを取り付けて測定するものである。ゴム弁体の硬度が30〜90IRHD（国際ゴム硬さ）の範囲でネジ締付けトルクを2〜30N・mとすることで容易に上記範囲の作動圧を決定できる。

上記実験結果が表1、表2に示されている。表1は安全弁2aの作動圧が0.70〜0.90MPaの範囲であれば良品と判定し、表2は0.75〜0.85MPaの範囲であれば良品と判定する結果である。なお、表3は本実施の形態における実施例1〜実施例3における安全弁2a、2b、2cの構成上の違いが示されている。

表1に示されているように、良品作動圧範囲0.70〜0.90MPaでは、比較例が歩留98.4%に対して、実施例1〜実施例3は99.9％と歩留が向上している。また、表2に示されているように良品作動圧範囲0.75〜0.85MPaと狭めた範囲では、比較例の歩留低下が97.9%と顕著であるのに対し、実施例1では99.5%、実施例2では99.7%、実施例3では99.8%と高い歩留を維持している。これは弁蓋体13と弁体収納部20との螺合部にテフロン（登録商標）シールを装着させ、さらには弁蓋体13を弁体収納部20に熱溶着させて固定することで、弁蓋体13と弁体収納部20における気密性や電池内部の密閉性を向上させることに繋がり、高い歩留を維持する効果がある。

以上のことから、本実施の形態による安全弁2a、2b、2cを用いる場合では、電池の種類やサイズ等に応じて、様々な安定した作動圧を設定することができるとともに作動圧の安定化にも繋がり、長期的に信頼性を有する密閉二次電池を得ることができる。
（その他の事項）
上記実施の形態については、本発明の一例であって、本発明が上記実施の形態に限定を受けるものではない。例えば、以下のような場合でも適用可能である。
（１）ニッケル水素電池に限らず、アルカリ二次電池や非水系二次電池などを含む密閉二次電池であれば良い。
（２）電極体ユニット10の収納数なども5ユニット以下でも7ユニット以上でも良い。
（３）各セル室33のガス流通経路の確保については、ガスの排気が確実に行われる状態であれば良い。
（４）極板の材料や拘束バンド5の材料なども適宜変更可能である。ただし、拘束バンド5の構成材料は、単位面積あたりの伸び率が少なくともケース3を構成する材料よりも小さい物を用いることが望ましい。
（５）ゴム弁体12の材質としてエチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、塩素化ポリエチレンゴム等の材質のものを用いるが、これに限定するものではなく、弾性体であれば良い。例えば、コイル状のバネでも弁体を押圧する構成で容易に外装体と一体に組み立てることができるため適用可能である。

また、ゴム弁体12は一例として本実施の形態では記載しており、エラストマー材料（人工・天然ゴム、軟性樹脂等）からなる弾性弁体でも構わない。
（６）弁蓋体13、外装蓋2及びケース3の材質は、ABS樹脂、ポリフロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、変性ポリフェニレンエーテル、ポリスチレン共重合体、アクリルニトリル-スチレン樹脂、ポリアミド、塩化ビニル樹脂、メタクリル樹脂等の耐アルカリ性材質であれば良い。
（７）弁体収納部20に弁蓋体13を螺合させることに限定されず、弁体12に一定の締付けトルクを与えることで弁体12を付勢させ、電池内部の密閉性が保つことができるものであれば良い。
（８）ゴム弁体12を外装蓋2の外側から挿入する構成としたが、これは一例であり、内側から挿入しても同様の効果を得ることができるため、適用可能である。
（９）弁体収納部12は隆起する形状としているが、これは一例であり、例えば、窪み形状でも良く、外装蓋2の表面から突出していなくても構わない。

本発明は、特に、長期的に信頼性の高い密閉二次電池を実現するのに有用である。

(a)は実施の形態に係る電池100の外観斜視図であり、(b)は電池100の外装蓋2を分解した斜視図である。 安全弁2aを分解した断面図である。 (a)は外装蓋2の上面図であり、(b)は弁蓋体13の上面図である。 (a)は安全弁2aの断面図であり、(b)は安全弁2aのA-A断面図である。 安全弁300の断面図である。

符号の説明

1 電極体ユニット
2 外装蓋
2a 安全弁
3 ケース
10 電極体
11 雄ネジ部
12 ゴム弁体
13 弁蓋体
14 通気経路
15 通気孔
16 貫通孔
20 弁体収納部

Claims (8)

1. 電極体がケース内方に収納されるとともに、前記ケースの開口部が、樹脂材料からなる外装蓋で封口され、弁体を有する安全弁が前記外装蓋に備わっている密閉二次電池であって、
   前記外装蓋は、その一部に弁体収納部を有する突起部が形成され、
   前記安全弁は、弁蓋体が前記突起部に係着される構成を有している
   ことを特徴とする密閉二次電池。
2. 前記突起部の少なくとも頂部に弁体収納部が設けられている
   ことを特徴とする請求項1に記載の密閉二次電池。
3. 前記外装蓋には、前記弁体収納部の内部と前記ケース内方とを連通する連通路が設けられているとともに、
   前記弁体が弾性体として構成されており、当該弁体が弾性付勢により前記連通路を押圧して封止する構成である
   ことを特徴とする請求項1または2に記載の密閉二次電池。
4. 前記弁蓋体は、前記突起部に係着されている
   ことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の密閉二次電池。
5. 前記突起部と前記弁蓋体は、互いに螺合可能に形成されており、
   前記弁体収納部の内部において、前記螺合により前記弁体が前記連通路を封止して収納されている
   ことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の密閉二次電池。
6. 前記突起部と前記弁蓋体との前記螺合部には、シール材が介設されている
   ことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の密閉二次電池。
7. 前記弁蓋体は、前記突起部に対して螺合が外れないように固着されている
   ことを特徴とする請求項6に記載の密閉二次電池。
8. 前記ケースの開口部が前記外装蓋によって封口されてなる外装体の内部には、隔壁によって複数のセル室に区分けされており、
   各セル室には、前記電極体に集電体が接合されてなる電極体ユニットが収納され、
   前記各電極体ユニットが前記外装体内部において直列に接続されている
   ことを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の密閉二次電池。

Images