JP2006286290A

JP2006286290A - 電池

Info

Publication number: JP2006286290A
Application number: JP2005102253A
Authority: JP
Inventors: Kazuki Hamazaki; 和樹濱崎; Yoichiro Shibata; 陽一郎柴田; Takuya Okamoto; 拓也岡本; Kenji Yamato; 賢治大和; Etsuya Fujisaka; 悦也藤阪
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP4610395B2

Abstract

【課題】発泡ニッケルからなる電極基板に直接集電体を溶接しても、これらの溶接部が十分な強度が得られるようにして、溶接部での電気抵抗が小さくなるようにして、内部抵抗が小さくて高出力特性が得られる電池を提供できるようにする。
【解決手段】本発明の電池は、セパレータ１３を介して相対向して配置された正極１１と負極１２が渦巻状に巻回して形成された電極群ａ１が電解液とともに外装缶１６内に収容されて、外装缶１６の開口部が封口体１７で密封されている。そして、電極群ａ１の正極１１の活物質未充填部１１ｃに集電体１５が溶接されているとともに、セパレータ１３の上端部が集電体１５の位置まで延出していて、集電体１５に溶着されている。
【選択図】図１

Description

本発明はニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池などのアルカリ蓄電池あるいはリチウムイオン電池などの電池に係り、特に、セパレータを介して相対向して配置された正極と負極を渦巻状に巻回して形成された電極群が電解液とともに外装缶内に収容されて、該外装缶の開口部が封口体で密封された電池に関する。

電気自動車、電動バイク、アシスト自転車あるいは電動工具等の大電流用途向けの電池として、ニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池などのアルカリ蓄電池が用いられるようになった。この種の用途に用いられるアルカリ蓄電池は、高出力特性、高エネルギー密度が要求される。高出力特性を達成するためには集電部品の低抵抗化等が必要であり、集電体と電極板端部の電極基板との接触を密にする必要がある。また、振動などにより集電体が外れる恐れがあるため、集電体と電極基板との溶接強度を強くする必要がある。

この種のアルカリ蓄電池は、通常、正極板と負極板とをセパレータを介して渦巻状に巻回して電極群とした後、この電極群の負極板の電極基板を負極集電体に溶接するとともに、正極板の電極基板を正極集電体に溶接する。ついで、この電極群を負極端子を兼ねる金属製外装缶に挿入し、負極集電体を金属製外装缶の底部に溶接するとともに、正極集電体より延出する集電リード部を正極端子を兼ねる封口体の底部に溶接した後、電解液を注液し、外装缶の開口部に絶縁ガスケットを介して封口体を装着して密閉することにより作製されている。

近年、これらのアルカリ蓄電池のエネルギー密度をさらに向上させるために、正極の電極基板として発泡ニッケルが用いられるようになった。ところが、発泡ニッケルを電極基板として用いた正極を正極集電体に溶接する場合、発泡ニッケルは高多孔性で密度が小さいために、これを直接、正極集電体に溶接することが困難であった。このため、発泡ニッケルの端部にリボン状のタブを溶接し、このタブを正極集電体に溶接することが、特許文献１（特開平１１−１４９９１４号公報）にて提案されるようになった。

しかしながら、発泡ニッケルの端部にリボン状のタブを溶接するには、発泡ニッケルとは別にリボン状タブが必要となるため部品点数が増え、さらに溶接工程を要することから、この種の正極が高価になるという問題を生じた。そこで、発泡ニッケルからなる電極基板に直接集電体を溶接するため、本発明者らは種々の検討を行った。その結果、例えば、特許文献２（特開昭６０−７２１６０号公報）にて提案されている略Ｖ字状の溝を設けた集電体を用いて、例えば、特許文献３（特開昭５６−６７１６６号公報）にて提案されている溶接方法を適用すれば、発泡ニッケルからなる電極基板に直接集電体を溶接することが可能であるというという知見を得た。
特開平１１−１４９９１４号公報特開昭６０−７２１６０号公報特開昭５６−６７１６６号公報

ところが、上述した各特許文献２，３にて提案された技術を組み合わせて、発泡ニッケルからなる電極基板に直接集電体を溶接するようにした場合、電極基板と集電体との溶接部に十分な強度が得られないという問題が生じた。ここで、電極基板と集電体との溶接部が十分な強度が得られないで溶接されていると、溶接部での電気抵抗が大きくなって、電池としての内部抵抗値が上昇し、高出力特性が得られないという問題を生じた。また、振動などにより集電体が外れる恐れがあって、良好な集電性を維持できないという問題も生じた。

そこで、本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、発泡ニッケルからなる電極基板に直接集電体を溶接しても、これらの溶接部が十分な強度が得られるようにして、溶接部での電気抵抗が小さくなるようにして、内部抵抗が小さくて高出力特性が得られる電池を提供できるようにすることを目的とするものである。

本発明のアルカリ蓄電池は、セパレータを介して相対向して配置された正極と負極を渦巻状に巻回して形成された電極群がアルカリ電解液とともに外装缶内に収容されて、該外装缶の開口部が封口体で密封されている。そして、電極群の少なくとも一方の電極端部に板状の集電体が溶接されているとともに、この電極群の正極と負極との間に配置されたセパレータの端部が集電体の位置まで延出していて、該端部が当該集電体に溶着されていることを特徴とする。

このように、電極群の正極と負極との間に配置されたセパレータの端部が、電極群の一方の電極端部に溶接された集電体の位置まで延出していて、このセパレータの端部が集電体に溶着されていると、電極端部と集電体の溶接による接合力に加えて、セパレータと集電体の溶着による接合力が付加されるので、電極群と集電体との間の接合力が大きくなる。これにより、振動を受けても集電体の溶接部が外れにくくなって、良好な集電性が維持されることとなる。

以下に、本発明をニッケル−カドミウム蓄電池に適用した場合の一実施の形態を図１〜図３に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されるものでなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。なお、図１は実施例１のニッケル−カドミウム蓄電池を模式的に示す断面図である。図２は比較例１（従来例）のニッケル−カドミウム蓄電池を模式的に示す断面図である。図３は電極群の正極と正極集電体とを溶接する状態を模式的に示す平面図である。

１．電極
（１）ニッケル正極板
まず、発砲ニッケルからなる正極基板（電極基板）１１ａ（２１ａ）に水酸化ニッケルを主体とする正極活物質と結着剤とからなる正極活物質スラリー１１ｂ（２１ｂ）を充填した。この際、後に、正極集電体１５に溶接される部分には活物質が充填されない活物質未充填部１１ｃ（２１ｃ）が形成されるようにした。ついで、乾燥後、所定の厚み（例えば、０．５ｍｍ）になるまで圧延し、所定の寸法（例えば、長さが２００ｍｍで、幅が３３ｍｍ）になるように切断して、図１（図２）に示すようなニッケル正極板１１（２１）とした。

（２）カドミウム負極板
また、パンチングメタルからなる極板芯体１２ａ（２２ａ）の両面に酸化カドミウムを主体とする負極活物質と結着剤とからなる負極活物質スラリー１２ｂ（２２ｂ）を塗着した。この際、後に、負極集電体１４に溶接される部分には活物質が塗着されない活物質未塗着部１２ｃ（２２ｃ）が形成されるようにした。ついで、乾燥後、所定の厚み（例えば、０．６ｍｍ）になるまで圧延し、所定の寸法（例えば、長さが２４０ｍｍで、幅が３３ｍｍ）になるように切断して、図１（図２）に示すようなカドミウム負極板１２（２２）とした。

２．電池
（１）実施例１
ついで、得られたニッケル正極板１１とカドミウム負極板１２との間にナイロン製のセパレータ（例えば、長さが５５０ｍｍで、幅が３４ｍｍ）１３を重ね合わせた。この場合、ニッケル正極板１１の上端部とセパレータ１３の上端部とが同位置になり、カドミウム負極板１２の上端部がこれらより下方に位置するように重ね合わせた。ついで、これらを渦巻状に巻回して渦巻状電極群ａ１を作製した。なお、このようにして作製された渦巻状電極群ａ１においては、図１に示すように、ニッケル正極板１１の上部には、活物質未充填部１１ｃが露出しており、カドミウム負極板１２の下部には活物質未塗着部１２ｃが露出している。

ついで、得られた渦巻状電極群ａ１の上端面に露出するニッケル正極板１１の活物質未充填部１１ｃおよびセパレータ１３の上端部の上に、正極集電体１５を載置した。これにより、セパレータ１３の上端部は正極集電体１５に接触して配置されるようになる。なお、正極集電体１５は、図３に示すように、平面形状が略円形状の本体部１５ａの中心部に中心開口１５ｂと、本体部１５ａから延出する平面形状が略長方形状のリード部１５ｃが形成されている。

ついで、この正極集電体１５の上に、図３に示すように、一対の溶接電極Ｒ１，Ｒ２をそれぞれ載置し、一対の溶接電極Ｒ１，Ｒ２間に電源Ｖから１回目の溶接電流を流した。これにより、正極集電体１５とニッケル正極１１の活物質未充填部１１ｃとが抵抗溶接されることとなる。このとき、溶接熱で正極集電体１５が加熱されることにより、この正極集電体１５に接触するように配置されたセパレータ１３の上端部も加熱されることとなる。この後、この溶接位置から９０°、１８０°、２７０°の位置で同様に溶接を行った。

これにより、渦巻状電極群ａ１の上端面に正極集電体１５が溶接されることとなる。これと同時に、正極集電体１５に接触するように配置されたセパレータ１３の上端部は正極集電体１５に溶着されることとなる。一方、渦巻状電極群ａ１の下部に円板状の負極集電体１４を載置して、同様に一対の溶接電極を当接させてカドミウム負極板１２の活物質未塗着１２ｃと負極集電体１４との接触部を抵抗溶接して渦巻状電極体ａを作製した。

ついで、上述のようにして作製された電極体ａを外装缶１６内に挿入した後、負極集電体１４と外装缶１６の底部とを溶接した。また、正極蓋１７ａと正極キャップ１７ｂとからなる封口体１７を用意し、正極集電体１５から延出するリード部１５ｃを封口体１７に設けられた正極蓋１７ａの底部に溶接した。この後、外装缶１６の上部外周面に溝入れ加工を施して環状溝部１６ａを形成した。この後、金属製外装缶１６内に電解液（例えば、３０質量％の水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液）を注液し、封口体１７の外周部に装着された封口ガスケット１８を外装缶１６の環状溝部１６ａの上に載置するとともに、外装缶１６の先端部１６ｂを封口体１７側にカシメて封口して、実施例１のニッケル−カドミウム蓄電池１０（Ａ）を組み立てた。

（２）比較例１
上述の同様に、ニッケル正極板２１とカドミウム負極板２２との間にナイロン製のセパレータ（例えば、長さが５５０ｍｍで、幅が３３ｍｍ）２３を重ね合わせた。この場合、セパレータ２３の上端部がニッケル正極板２１の上端部より下方に位置し、かつカドミウム負極板２２の上端部がセパレータ２３の上端部より下方に位置するように重ね合わせた。ついで、これらを渦巻状に巻回して渦巻状電極群ｘ１を作製した。なお、このようにして作製された渦巻状電極群ｘ１においては、図２に示すように、ニッケル正極板２１の上部には、活物質未充填部２１ｃが露出しており、カドミウム負極板２２の下部には活物質未塗着部２２ｃが露出している。

ついで、得られた渦巻状電極群ｘ１の上端面に露出するニッケル正極板２１の活物質未充填部２１ｃの上端部の上に、上述した正極集電体１５を載置した。ついで、この正極集電体１５の上に、図３に示すように、一対の溶接電極Ｒ１，Ｒ２をそれぞれ載置し、溶接電流を流した。これにより、正極集電体１５とニッケル正極２１の活物質未充填部２１ｃとが抵抗溶接されることとなる。この後、この溶接位置から９０°、１８０°、２７０°の位置で同様に溶接を行った。これにより、渦巻状電極群ｘ１の上端面に正極集電体１５が溶接されることとなる。一方、渦巻状電極群の下部に円板状の負極集電体１４を載置して、同様に一対の溶接電極を当接させてカドミウム負極板２２の活物質未塗着部２２ｃと負極集電体１４との接触部を抵抗溶接して渦巻状電極体ｘを作製した。

ついで、上述のようにして作製された電極体ｘを外装缶２６内に挿入した後、負極集電体２４と外装缶２６の底部とを溶接した。また、正極蓋２７ａと正極キャップ２７ｂとからなる封口体２７を用意し、正極集電体１５から延出するリード部１５ｃを封口体２７に設けられた正極蓋２７ａの底部に溶接した。この後、外装缶２６の上部外周面に溝入れ加工を施して環状溝部２６ａを形成した。この後、金属製外装缶２６内に電解液（例えば、３０質量％の水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液）を注液し、封口体２７の外周部に装着された封口ガスケット２８を外装缶２６の環状溝部２６ａの上に載置するとともに、外装缶２６の先端部２６ｂを封口体２７側にカシメて封口して、比較例１のニッケル−カドミウム蓄電池２０（Ｘ）を組み立てた。

３．試験
（１）強度試験
ついで、上述のようにして各電池Ａ，Ｘを作製する際に、電極体ａ，ｘをそれぞれ１０個ずつ作製し、溶接後の正極集電体１５の溶接強度を測定し、電極体ｘの値を１００とした場合の相対強度を測定した。この結果、電極体ｘの相対強度が１００であるのに対して、電極体ａの相対強度は２５０で、電極体ｘの強度よりも２．５倍も溶接強度が向上していることが分かった。これは、電極体ａにおいては、正極集電体１５に接触するように配置されたセパレータ１３の上端部が正極集電体１５に溶着されることにより、接合強度が向上したためである。

（２）振動試験
ついで、上述のようにして作製された各電池Ａ，Ｘをそれぞれ１０個ずつ用いて、振動試験を行い、振動試験前後の内部抵抗の変化を求めた。この場合、振動試験機（エミック株式会社製ＶＣ−０８１ＤＡＦＸ３２ＰＳＲ）を用意し、この振動試験機にそれぞれ５個ずつの各電池Ａ，Ｘを配置して振動試験を行った。具体的には、最大加速度が３０Ｇで、周波数が１７Ｈｚで、振幅が５ｍｍで、振動時間が１０時間になるように設定して行った。そして、この振動試験の前後での内部抵抗を測定すると、下記の表１に示すような結果となった。

上記表１の結果から明らかなように、電池Ａにおいては、振動試験の前後での内部抵抗の変化は０．１ｍΩであるのに対して、電池Ｘにおいては、振動試験の前後での内部抵抗の変化は７．６ｍΩで、振動試験前よりも倍以上も内部抵抗が上昇していることが分かる。これは、電池Ｘにおいては、正極集電体１５とニッケル正極２１の活物質未充填部２１ｃとの溶接部の一部が、振動試験により外れて内部抵抗が上昇したと考えられる。

一方、電池Ａにおいては、正極集電体１５に接触するように配置されたセパレータ１３の上端部が正極集電体１５に溶着されている。このため、正極集電体１５とニッケル正極１１の活物質未充填部１１ｃとの溶接部での結合強度が大きいため、振動試験により外れることがない。この結果、振動試験に関わらず内部抵抗が上昇することがなかったと考えられる。

以上に詳述したように、本発明においては、電極群ａ１の正極１１と負極１２との間に配置されたセパレータ１３の端部が、電極群ａ１の上端部に溶接された集電体１５の位置まで延出していて、このセパレータ１５の端部が集電体１５に溶着されているので、電極群ａ１と集電体１５との間の結合力が大きくなる。これにより、振動を与えても集電体１５が電極群ａ１から外れることなく、良好な集電性が維持されることとなる。

なお、上述した実施の形態においては、本発明をニッケル−カドミウム蓄電池に適用する例について説明したが、本発明はニッケル−カドミウム蓄電池以外にも、ニッケル−水素蓄電池などのアルカリ蓄電池あるいはリチウムイオン電池などの電池に適用しても同様の効果が得られることは明らかである。

本発明の実施例のニッケル−カドミウム蓄電池を模式的に示す断面図である。比較例のニッケル−カドミウム蓄電池を模式的に示す断面図である。電極群の正極と正極集電体とを溶接する状態を模式的に示す平面図である。

符号の説明

１０…ニッケル−カドミウム蓄電池、１１…ニッケル正極板、１１ａ…正極芯体、１１ｂ…正極活物質、１１ｃ…活物質未充填部、１２…カドミウム負極板、１２ａ…極板芯体、１２ｂ…負極活物質、１２ｃ…活物質未塗着部、１３…セパレータ、１４…負極集電体、１５…正極集電体、１５ａ…本体部、１５ｂ…中心開口、１５ｃ…リード部、１６…外装缶、１６ａ…環状溝部、１６ｂ…先端部、１７…封口体、１７ａ…正極蓋、１７ｂ…正極キャップ、１８…封口ガスケット

Claims

セパレータを介して相対向して配置された正極と負極を渦巻状に巻回して形成された電極群が電解液とともに外装缶内に収容されて、該外装缶の開口部が封口体で密封された電池であって、
前記電極群の少なくとも一方の電極端部に板状の集電体が溶接されているとともに、
前記電極群の正極と負極との間に配置されたセパレータの端部が前記集電体の位置まで延出していて該端部が当該集電体に溶着されていることを特徴とする電池。
前記集電体は正極集電体であって該正極集電体は前記電極群の上端部に溶接されていることを特徴とする請求項１に記載の電池。
前記集電体に溶接された電極の電極基板は発泡ニッケルであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電池。