JP2007048511A - アルカリ乾電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 高率放電性能に優れたアルカリ乾電池を提供する。
【解決手段】 底部を正極端子部３とする有底円筒状の電池缶２と、電池缶２内に中空円筒状に配置された二酸化マンガンと黒鉛を主構成物質とする正極合剤４と、正極合剤４の内周に嵌合させて配置した筒状のセパレータ５と、電池缶２内に収容した電解液と、セパレータ５の内部空間に収容されゲル化した電解液に亜鉛粉末を分散させてなるゲル状負極６と、電池缶２の開口部を封口する封口体８とを備えたアルカリ乾電池１において、セパレータ５の内部における電池缶２の正極端子部３の内側に接する空間に電解液保持材１５を配置し、かつ電池缶２内の総電解液量を に対して、３〜３３％増加した。
【選択図】 図１

Description

本発明はアルカリ乾電池に関し、特に高率放電性能の向上を図ったアルカリ乾電池に関するものである。

従来、図３に示すような構成のアルカリ乾電池２１が知られている（例えば、特許文献１参照。）。図３において、有底円筒状で底部に正極端子部２３を突出形成されたスチール製の電池缶２２内に、二酸化マンガンと黒鉛を主構成物質とする円筒状の正極合剤２４が内周面に密接して収容され、正極合剤２４の内周に嵌合させて円筒状のセパレータ２５が配置され、セパレータ２５内にゲル化した電解液に亜鉛粉末を分散させたゲル状負極２６が収容され、セパレータ２５の正極端子部２３側の開口端には絶縁底紙２７が配置されてゲル状負極２６と電池缶２２とが隔離されている。なお、特許文献１では、絶縁底紙２７を、正極端子部２３の突出形状に合わせて突出した段付き形状とすることで、反応活物質の有効容積の向上が図られている。

電池缶２２の開口部には、内筒部２８ａと外筒部２８ｂとそれらの間を連結する連結部２８ｃを有するガスケット２８がセパレータ２５の開口端に当接させて嵌合配置されている。ガスケット２８には、補強ワッシャ２９が内蔵されている。ガスケット２８の内筒部２８ａを貫通して負極集電体３０がゲル状負極２６内に貫入され、この負極集電体３０の頭部３０ａに負極端子板３１が接続固定され、その外周部が補強ワッシャ２９の外周部に当接されている。

そして、電池缶２２の開口端から所定間隔あけた位置に形成された溝３２にてガスケット２８の外周部を支持した状態で電池缶２２の開口端部及びガスケット２８の外筒部２８ｂの上端部が径方向内側にかしめられ、そのかしめ部３３にてガスケット２８の外筒部２８ｂの端部が軸方向に圧縮され、ガスケット２８にて電池缶２２が封口されるとともに負極端子板３１が固定されている。また電池缶２２の外周面は、シート状又はチューブ状の熱収縮性の樹脂ラベル３４で被覆されている。

また、他のアルカリ乾電池として、図４に示すように、セパレータ２５を有底円筒形状とするとともに、その底部２５ａを電池缶２２の正極端子部２３が突出形成されている底面から離間させ、電池缶２２の底部空間にも正極合剤２４を配置したものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。

また、さらに別のアルカリ乾電池として、放電性能を低下することなく、振動・衝撃を受けた時にも確実に内部短絡を防止できるように、図５に示すように、円筒状のセパレータ２５の内側の正極端子部２３側の空間に、液状発泡ウレタンなどの発泡絶縁材３５を配置し、発泡絶縁材３５にてゲル状負極２６と電池缶２２とを隔離して絶縁するとともに内部に電解液を吸収して保持するようにしたものが知られている（例えば、特許文献３参照。）。
特開平９−１７４０８号公報 特開平５−１４４４２８号公報 特開２００３−２７２６４２号公報

ところで、図３に示すような構成のアルカリ乾電池では、大電流放電時の内部抵抗、特に正極端子部近傍での内部抵抗が大きいために、高率放電性能が良くないという問題があり、特許文献１に記載されているようにゲル状負極を正極端子の突出部の内側まで入れてゲル状負極の量を多くしてもこの問題を改善することはできない。

また、特許文献２に記載された図４に示すような構成のアルカリ乾電池では、正極合剤が正極端子部の内側にも配置することでショート防止が図られているが、高率放電の場合反応が正極端子部近傍のゲル状負極の亜鉛から強く進むため、この構成では正極端子部からゲル状負極の亜鉛までの距離が正極合剤によって長くなっているため、高率放電の反応性が逆に劣ってしまうという問題がある。

また、特許文献３に記載された図５に示すような構成のアルカリ乾電池では、液状発泡ウレタンからなる発泡絶縁材３５を正極端子部２３の内側に配置しているが、ウレタンは耐アルカリ性が低く、アルカリと反応して、二酸化炭素、アンモニア、エチルアルコールに分解し、電池缶内部にガスが発生するために、あまり実用的でないという問題がある。また、電池缶内容積が限定されているため、発泡絶縁材３５による容積増加分だけゲル状負極の量が少なくなり、また電解液の充填量は特に記載されていないので負極の亜鉛量に対応した一般的な規定量であるものと考えられるので、発泡絶縁材３５による容積増加分だけ電池容量が低下するという問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、高率放電性能に優れたアルカリ乾電池を提供することを課題とする。

本発明のアルカリ乾電池は、底部を正極端子部とする有底円筒状の電池缶と、電池缶内に中空円筒状に配置された二酸化マンガンと黒鉛を主構成物質とする正極合剤と、正極合剤の内周に嵌合させて配置した筒状のセパレータと、電池缶内に収容した電解液と、セパレータの内部空間に収容されゲル化した電解液に亜鉛粉末を分散させてなるゲル状負極と、電池缶の開口部を封口する封口体とを備えたアルカリ乾電池において、セパレータの内部における電池缶の正極端子部の内側に接する空間に電解液保持材を配置し、かつ電池缶内の総電解液量を電解液保持材を配置しない場合に対して、３〜３３％増加したものである。

アルカリ乾電池において、高率放電性能を向上するには電解液を増やすことが考えられる。しかし、電池缶内容積が限られているので、電解液を増やすためにはゲル状負極の量を減らす必要があり、単純に電解液を増やして高率放電性能の向上を図ろうとすると電池容量が少なくなってしまうことになる。本発明は、正極端子部の内側近傍に多くの電解液を保持させることで高率放電性能の向上効果が高いことを見い出したことに基づいて発明したものであり、上記のように正極端子部の内側に接する空間に電解液保持材を配置して電解液を保持させるようにしたことで、高率放電時に正極端子部の近傍からゲル状負極の亜鉛の反応が進む際の電解液の供給が良好になされ、その結果優れた高率放電性能を確保することができる。さらに、総電解液量を電解液保持材を配置しない場合に対して、３〜３３％増加し、その容積増加分に対応して亜鉛量を少なくしても、電解液の増加によって電池反応がより効率的に行われることで亜鉛量が少なくなっても電池容量の低下を来たさず、逆に電池容量を増加できることが実験的に確認された。かくして、高率放電性能に優れしかも電池容量を維持したアルカリ乾電池を得ることができる。

また、電解液保持体に吸収保持された電解液量が、総電解液量の１〜１２％となるようにすると、高率放電性能と電池容量の維持をともに確保できて好適である。

また、電解液保持材としては、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、又はそれらの混合物から成るゲル化剤、又はテンセル、ポリノジックレーヨン、マーセル化パルプ、ビニロン繊維から選択された１種、又は複数種の混合物からなるものなどが好適である。

本発明のアルカリ乾電池によれば、正極端子部の内側に接する空間に電解液保持材を配置して電解液を保持させるようにしたことで、高率放電時に正極端子部の近傍からゲル状負極の亜鉛の反応が進む際の電解液の供給が良好になされ、その結果優れた高率放電性能を確保することができ、さらに総電解液量を電解液保持材を配置しない場合に対して、３〜３３％増加することで亜鉛量が少なくなっても電池容量の低下を来たさず、逆に電池容量を増加でき、高率放電性能に優れしかも電池容量を維持したアルカリ乾電池を得ることができる。

以下、本発明の一実施形態のアルカリ乾電池について、図１、図２を参照して説明する。

図１において、１はアルカリ乾電池で、有底円筒状で底部に正極端子部３が突出形成されたスチール製の電池缶２内に、二酸化マンガンと黒鉛を主構成物質とする円筒状の正極合剤４が内周面に密接して収容され、その内側に有底円筒状のセパレータ５を介して、ゲル化した電解液に亜鉛粉末を分散させたゲル状負極６が収容されている。セパレータ５の正極端子部３側の開口端には絶縁底紙７が配置されてゲル状負極６と電池缶２とが隔離されている。

電池缶２の開口部には、内筒部８ａと外筒部８ｂとそれらの間を連結する連結部８ｃを有する封口体としてのガスケット８がセパレータ５の開口端に当接させて嵌合配置されている。ガスケット８には、補強ワッシャ９が内蔵されている。ガスケット８の内筒部８ａを貫通して負極集電体１０がゲル状負極６内に貫入され、この負極集電体１０の頭部１０ａに負極端子板１１が接続固定され、その外周部が補強ワッシャ９の外周部に当接されている。

そして、電池缶２の開口端から所定間隔あけた位置に形成された溝１２にてガスケット８の外筒部８ｂの基端を支持した状態で電池缶２の開口端部及びガスケット８の外筒部８ｂの先端部が径方向内側にかしめられ、そのかしめ部１３にてガスケット８の外筒部８ｂの先端部が軸方向に圧縮され、ガスケット８にて電池缶２が封口されるとともにその負極端子板１１が固定されている。また電池缶２の外周面は熱収縮性の樹脂チューブ１４で被覆されている。

以上の構成のアルカリ乾電池１において、セパレータ５の内部における絶縁底紙７と電池缶２の正極端子部３の内側との間の空間に電解液保持材１５が配置されている。そして、セパレータ５と正極合剤４に電解液が含浸されるとともに、この電解液保持材１５に電解液が保持され、電池缶２内の総電解液量が、電解液保持材を配置しない場合に対して、３〜３３％増加した量となり、かつ電解液保持材１５に吸収保持された電解液量が、総電解液量の１〜１２％となるようにされている。また、電解液の増加量が多くなり、その電解液保持材１５が図１に示すように、正極端子部３の内側の空間内に収まらない場合には、図２に示すように、絶縁底紙７をセパレータ５の内側に入り込んだ位置に配置し、その絶縁底紙７と正極端子部３の内側との間の空間に電解液保持材１５が配置される。なお、この電解液量の増加に伴う容積増加に対応してゲル状負極６の量が減らされている。

電解液保持材１５としては、ゲル状負極６に用いられているゲル化剤と同様の、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、又はそれらの混合物などのゲル化剤が好適に用いられる。また、テンセル、ポリノジックレーヨン、マーセル化パルプ、ビニロン繊維から選択された１種、又は複数種の混合物も好適に用いられる。

以上の構成によれば、正極端子部３の内側に接する空間に電解液保持材１５を配置して電解液を保持させるようにしたことで、高率放電時に正極端子部３の近傍からゲル状負極６の亜鉛の反応が進む際の電解液の供給が良好になされ、その結果優れた高率放電性能を確保することができる。さらに、総電解液量の容積増加分に対応して亜鉛量を少なくしても、電解液の増加によって電池反応がより効率的に行われることで亜鉛量が少なくなっても電池容量の低下を来たさず、逆に電池容量を増加できる。かくして、高率放電性能に優れしかも電池容量を維持したアルカリ乾電池１を得ることができる。

次に、本発明の実施例と比較例について説明する。

（実施例１）
単３形電池の鉄ケースからなる電池缶２内に正極合剤４を挿入配置し、正極端子部３の内側空間に、ポリアクリル酸ナトリウムとポリアクリル酸を２：１で混合した混合物から成る電解液保持材（保持材Ｃ）１５を挿入配置し、正極端子部３の内側容積に対応して、電解液を正規の充填量１．４ｇに対して０．０５ｇ増量して注液し、セパレータ５と絶縁底紙７を挿入配置し、セパレータ５内にゲル状負極６を充填し、その後負極集電体１０を結合された負極端子板１１を装着した封口体としてのガスケット８にて封口してアルカリ乾電池１を作製した。

（実施例２〜４）
正極端子部３の内側空間とそれに隣接するセパレータ５内の一部空間にわって、電解液の増量に合わせて適量の電解液保持材１５を挿入配置し、電解液量をそれぞれ０．１５ｇ、０．４０ｇ、０．４５ｇ増量して充填し、その結果電解液保持材１５のセパレータ５内への配置容積分だけ、ゲル状負極６の亜鉛量が減少した以外は、実施例１と同様にアルカリ乾電池１を作製した。

（実施例５〜１０）
電解液保持材１５として、それぞれポリアクリル酸（保持材Ａ）、ポリアクリル酸ナトリウム（保持材Ｂ）、テンセル（保持材Ｄ）、ポリノジックレーヨン（保持材Ｅ）、マーセル化パルプ（保持材Ｆ）、ビニロン（保持材Ｇ）に変えた以外は、実施例３と同様にアルカリ乾電池１を作製した。

（比較例１）
従来例に対応するものとして、保持材を配置せず、電解液量及びゲル状負極の量を変えないアルカリ乾電池を作製した。

（比較例２〜４）
保持材を配置することなく、電解液量を、それぞれ０．０５ｇ、０．１５ｇ、０．４０ｇ増量して注液し、それに伴う容積増加分だけゲル状負極６の量が減少したアルカリ乾電池を作製した。

（比較例５）
電解液量を０．５５ｇ増量して充填し、それに対応してゲル状負極６の亜鉛量が減少した以外は、実施例１と同様にアルカリ乾電池１を作製した。

以上の実施例１〜１０及び比較例１〜５について、電解液量の増加量の割合（％）と、ゲル状負極における亜鉛の減少量とその割合（％）と、保持材に吸収される電解液の総電解液量に対する割合（％）とを求め、また電池容量の増減を検討するため、１Ω連続放電（終端電圧０．９Ｖ）の持続時間を測定し、高率放電性能を検討するため、１０００ｍＡ連続放電（終端電圧０．９Ｖ）の持続時間を測定した。

表１に、実施例１〜１０及び比較例１〜５について、電解液の増加割合と量、亜鉛量の減少割合と量、保持材の種類、保持材に吸収される電解液の割合、１Ω連続放電持続時間と１０００ｍＡ連続放電持続時間の測定結果を示した。

表１において、実施例１〜実施例４から電解液量をほぼ３％から３３％の範囲で増加させ、保持材に総電解液量の１〜１２％吸収させた状態とすることで、それに対応して亜鉛量が減少しても、電池容量を示す１Ω連続放電持続時間が低下せずにむしろ改善し、高率放電性能を示す１０００ｍＡ連続放電持続時間が５〜１３％向上すること、及び２７〜３０％程度の増加量でそれらの効果がピークを示し、それ以上増加すると却って効果が減少し、比較例５のように４０％も増加させると、電池容量及び高率放電性能がともに従来例よりも劣ることが分かる。

また、電解液保持材としては、保持材Ａ〜Ｇの何れでも効果が得られるが、保持材Ｃが最も好適で、保持材Ｄがそれに続き、その次に保持材Ａ、Ｅとなり、保持材Ｂ、Ｆ、Ｇは高率放電性能の向上が相対的に低くかつ電池容量が従来例に対して僅かに低下することが分かる。

一方、比較例２によれば、保持材を設けずに電解液量を増加するだけでも、高率放電性能の向上が若干認められるが、比較例３、比較例４のようにさらに電解液量を増加すると、電池容量及び高率放電性能の両者が急激に低下することが分かる。

本発明は、正極端子部の内側に接する空間に電解液保持材を配置して電解液を保持させるようにしたことで、優れた高率放電性能を確保することができ、さらに総電解液量を増加することで亜鉛量が少なくなっても、電池容量の低下を来たさずに逆に電池容量を増加でき、高率放電性能に優れしかも電池容量を維持できるので、アルカリ乾電池に有用である。

本発明の一実施形態のアルカリ乾電池の縦断面図。 同実施形態のアルカリ乾電池の変形構成例の縦断面図。 従来例のアルカリ乾電池の縦断面図。 他の従来例のアルカリ乾電池の縦断面図。 さらに別の従来例のアルカリ乾電池の縦断面図。

符号の説明

１ アルカリ乾電池
２ 電池缶
３ 正極端子部
４ 正極合剤
５ セパレータ
６ ゲル状負極
８ ガスケット（封口体）
１５ 電解液保持材

Claims (5)

1. 底部を正極端子部とする有底円筒状の電池缶と、電池缶内に中空円筒状に配置された二酸化マンガンと黒鉛を主構成物質とする正極合剤と、正極合剤の内周に嵌合させて配置した筒状のセパレータと、電池缶内に収容した電解液と、セパレータの内部空間に収容されゲル化した電解液に亜鉛粉末を分散させてなるゲル状負極と、電池缶の開口部を封口する封口体とを備えたアルカリ乾電池において、セパレータの内部における電池缶の正極端子部の内側に接する空間に電解液保持材を配置し、かつ電池缶内の総電解液量を電解液保持材を配置しない場合に比較して
   ３〜３３％増加したことを特徴とするアルカリ乾電池。
2. 電解液保持体に吸収保持された電解液量は、総電解液量の１〜１２％であることを特徴とする請求項１記載のアルカリ乾電池。
3. 電解液保持体は、ゲル化剤であることを特徴とする請求項１記載のアルカリ乾電池。
4. ゲル化剤は、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、又はそれらの混合物であることを特徴とする請求項３記載のアルカリ乾電池。
5. 電解液保持体は、テンセル、ポリノジックレーヨン、マーセル化パルプ、ビニロン繊維から選択された１種、又は複数種の混合物からなることを特徴とする請求項１記載のアルカリ乾電池。

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