JP2007122942A

JP2007122942A - 蓄電池

Info

Publication number: JP2007122942A
Application number: JP2005310758A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Kato; 正彦加藤; Shintaro Shimizu; 新太郎清水; Satoshi Yoneyama; 聡米山
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2007-05-17

Abstract

【課題】封口板と集電体の接触抵抗が増大するという問題点を解決し、接触抵抗の小さい大電流放電特性に優れた蓄電池を提供することを目的とする。
【解決手段】帯状の正極板１と負極板２およびセパレータ５とからなる極板群６と電解液とを内部に収納し、上記極板群６の一方の極板に接続された集電体８と接続される金属製有底ケース９と、この金属製有底ケース９の開口部を密閉するとともに上記極板群６の他方の極板と接続された集電体７と接続される封口板１１とを備えた蓄電池であって、前記集電体７は前記封口板１１側に突出する突起部を設け、この突起部を介して前記封口板１１と抵抗溶接した蓄電池とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、渦巻状極板群を備えた蓄電池に関し、特に車両の駆動電源として用いる蓄電池に関するものである。

ニッケル‐カドミウム蓄電池やニッケル‐水素蓄電池に代表されるアルカリ蓄電池は、信頼性が高くそのメンテナンスも容易であることから、携帯電話やノートパソコン等の各種用途に幅広く用いられている。さらに近年においては電動工具をはじめ、動力補助付き自転車や電気自動車などの電源として大電流放電に適したアルカリ蓄電池の開発が要望されている。

アルカリ蓄電池は、帯状の正極板と負極板との間にセパレータを介して渦巻状に巻回して極板群を形成し、電解液と共に金属製有底ケースに収納し、封口することにより形成される。

このようなアルカリ蓄電池は、金属製有底ケースの開口部分の内側に高分子樹脂製のガスケットを配置し、開口部分に外側から力を加えてガスケットを圧縮し、その反発力を利用して金属製有底ケースの開口部分を密閉、封口している。

さらに大電流放電用途に用いられるアルカリ蓄電池では、正極板と負極板をそれぞれの上端部あるいは下端部が極板群の上下から突出するように巻回し、上下から突出した正極板と負極板の先端部分に集電体を複数箇所で接続することによって極板からの集電性を高めているが、特に封口板と集電体を接続するリード端子において接触抵抗が増大するという問題があった。

そこで、リード端子を介さず封口板と集電体を直接溶接する方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）
特開２００１−２５６９９４号公報

しかしながら、上記従来の構成では、封口板と集電体とを溶接する工程において、封口板側から一対の溶接電極により加圧を加え抵抗シリーズ溶接を行っているが、シリーズ溶接を行う際に集電体の板厚が封口板の板厚よりも厚い場合には封口板への無効分流が大きくなり、確実で安定した溶接が行えず接触抵抗が増大する可能性があった。

本発明は、上記従来の問題点を解決するものであり、接触抵抗の小さい大電流放電特性に優れた蓄電池を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明の蓄電池は、帯状の正極板と負極板およびセパレータとからなる極板群の一方と接続された平板からなる集電体と、電解液とを内部に収納した金属製有底ケースと、この金属製有底ケースの開口部を密閉する封口板とを備えた蓄電池であって、前記集電体は、突起部を１点以上有し、この突起部を介して溶接により前記封口板と電気的に接続したことを特徴とするものである。

本発明によれば、封口板と集電体の接触抵抗が小さくなり、大電流放電特性に優れた蓄電池が得られる。

本発明の形態においては、帯状の正極板と負極板およびセパレータとからなる極板群の一方と接続された平板からなる集電体と、電解液とを内部に収納した金属製有底ケースと、この金属製有底ケースの開口部を密閉する封口板とを備えた蓄電池であって、前記集電体は、突起部を１点以上有し、この突起部を介して溶接により前記封口板と電気的に接続した。

この構成によれば、封口板と集電体とを溶接する工程において、集電体の突起部を利用し電流を集中させて溶接を行っているため、溶接時の電流を安定させることができる。その結果、封口板と集電体の溶接部の接触抵抗が安定して小さくなり、大電流放電特性に優れた蓄電池が得られる。

また、封口板の板厚が突起部を有する集電体の板厚よりも厚くても良い。

電池としての構造上、封口板の板厚が突起部を有する集電体の板厚よりも厚いことが望ましいが、本発明のシリーズ溶接においては、集電体の突起部を利用することで、封口板の板厚が厚くなっても無効分流による発熱により溶接箇所を軟化させることができる。その結果、溶接強度を向上し接触抵抗を小さくできる。

また、本発明では集電体の板厚は封口板の板厚に対して４０〜９２％の範囲で溶接をすることが可能である。集電体の板厚が封口板の板厚に対して４０％より小さければ、集電体へ溶接電流が流れないとともに、溶接時の加圧により集電体が湾曲し溶接部の位置が安定しないため接触抵抗が安定しない。一方、９２％より大きくなると、集電体と正極群の溶接が安定しなくなるとともに前記封口板の無効分流による発熱効果が小さくなる。

また、金属製有底ケースはこの開口部に外方に突出する鍔部を設けた構成とすることが望ましい。

このようにすると、封口板と集電体とを溶接する工程において、電池を支える受け型を電池の鍔部に設定できるため、溶接電極の高さばらつきを抑制でき、溶接時の加圧力を安定させることができる。その結果、封口板と集電体の接触抵抗がさらに小さくなり、大電流放電特性に優れた蓄電池が得られる。

また、この集電体の突起部の形状は半円弧状が望ましい。

このようにすると、封口板と集電体の溶接部が点接触に近付くため、金属間の接触抵抗と電流によって起こる発熱、溶解を利用した抵抗溶接等では溶接性を向上できる。

また、封口板に集電体の突起部に嵌まり合う凹部を設けても良い。

このようにすると、溶接時の効率が向上し短時間で溶接可能となる効果や溶接電流を低減できる効果、および溶接用の上電極の加圧力を低減できる効果等の生産性に係わる効果が得られる。封口板と集電体の溶接部の位置決めを容易にでき、封口板の位置ずれを防止できる効果も得られる。

また、封口板と集電体とを溶接する前工程において、この突起部を設けた集電体に封口板を載置し、金属製有底ケース或は封口板方向から加圧することにより、前記突起部によ
り封口板が加圧され、突起部に対向する封口板の上面に突起痕を浮き出させた突出部を設けても良い。

このようにすると、封口板の上面から溶接部の位置を容易に認識できるため、溶接電極の位置合わせが容易になり、また溶接電極の位置ずれを防止できる効果も得られる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施例の形態について図を用いて説明する。

尚、ここで示す図は一例であって、本発明の請求項に表す構成を有していれば、同様の効果を得ることができる。

図１は本発明の蓄電池の一実施例を示す概略断面図、図２は本発明の蓄電池の封口板と集電体の溶接工程例を示す説明図である。

正極板１の先端部分を上方へ突出し露出正極芯材部３を設け、負極板２の先端部分を下方へ突出して露出負極芯材部４を設ける。これら正負極板にセパレータ５を介して渦巻状に巻回した極板群６を形成する。

露出正極芯材部３に上部の集電体７を溶接し、同様に露出負極芯材部４に下部の集電体８を溶接する。

これらの極板群６を金属製有底ケース９に挿入した後、下部の集電体８と金属製有底ケース９を溶接する。

上部の集電体７の突起部１５を介して封口板１１を上方より溶接電極１３により加圧して溶接する。鍔部１０を有する金属製有底ケース９であれば、この鍔部１０を受け型１２で支え、上部の集電体７と封口板１１を上方より溶接電極１３により加圧して溶接しても良い。

次いで、所定量のアルカリ電解液を上部の集電体７の中央孔を利用して金属製有底ケース９内に注入し、封口板１１で金属製有底ケース９の開口部を密閉し、正極キャップ１４を溶接して円筒形アルカリ蓄電池を構成する。

金属製有底ケース９の開口部に外方に突出する鍔部１０を有する構成では、この鍔部１０に封口板１１を載置し、鍔部１０の周縁部を内方に屈曲させてかしめ封口して構成する。

尚、上部の集電体７と封口板１１の溶接は、露出正極芯材部３に上部の集電体７を溶接する前に実施しても良く、極板群６を金属製有底ケース９に挿入する前に実施しても良い。

（実施例１）
厚さ１．０mmの焼結式ニッケルからなる正極板１の先端部分を上方へ１．５０ｍｍ突出し、厚さ０．７ｍｍのペースト式カドミウムからなる負極板２の先端部分を下方へ１．５０ｍｍ突出してセパレータ５を介して、渦巻状に巻回した極板群６を形成した。

上部の集電体７には板厚０．５０ｍｍの低炭素鋼からなる円板状の平板を用い、図3（ａ）に示したようなボタン形状の突起部１５を設けた。この上部の集電体７より突出した突起部１５の高さは０．５０ｍｍとした。

次いで、この突起部１５を介して板厚０．８０ｍｍの封口板１１と上部の集電体７とをスポット溶接により１点溶接し、前記正極板１の先端部分に封口板１１を溶接した上部の集電体７を溶接し、同様に負極板２の先端部分に板厚０．２０ｍｍの下部の集電体８を溶接した。

これらの極板群６を金属製有底ケース９に挿入し、金属製有底ケース９と下部の集電体８を抵抗溶接により接続した。

次いで、所定量のアルカリ電解液を上部の集電体７の中央孔を利用して金属製有底ケース９内に挿入し、金属製有底ケース９の開口部を密閉した封口板１１に正極キャップ１４を溶接して円筒形アルカリ蓄電池を構成した。

この円筒形アルカリ蓄電池は直径３３．０ｍｍ、高さ６１．５ｍｍ、公称容量５０００ｍＡｈである。

尚、上部の集電体７の材質はＳＰＣ材の他にニッケル材等を用いても良い。ニッケル材を用いれば、加工性に優れた効果等が得られる。

（実施例２）
極板群６を金属製有底ケース９に挿入し、金属製有底ケース９と下部の集電体８を抵抗溶接により接続した後、金属製有底ケース９の鍔部１０に封口板１１を載置し、上方から一対の溶接電極１３を加圧して封口板１１と突起部１５を設けた上部の集電体７とを、シリーズ溶接により２点溶接した以外は、実施例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例２とした。

（実施例３）
上部の集電体７の突起部１５を４点溶接した以外は、実施例２と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例３とした。尚、４点溶接はシリーズ溶接を２回行った。

（実施例４）
突起部１５の断面形状を図3（ｂ）に示したような半円弧状とした以外は、実施例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例４とした。

（実施例５）
突起部１５の断面形状を図3（ｂ）に示したような半円弧状とした以外は、実施例２と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例５とした。

（実施例６）
突起部１５の断面形状を図3（ｂ）に示したような半円弧状とした以外は、実施例３と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例６とした。

（実施例７）
上部の集電体７より突出した突起部１５の高さを０．４０ｍｍとした以外は、実施例４と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例７とした。

（実施例８）
上部の集電体７より突出した突起部１５の高さを０．４０ｍｍとした以外は、実施例５と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例８とした。

（実施例９）
上部の集電体７より突出した突起部１５の高さを０．４０ｍｍとした以外は、実施例６と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例９とした。

（実施例１０）
上部の集電体７の突起部１５を、図４に示したように、封口板１１に上部の集電体７の突起部１５に嵌まり合う凹部１６を設けた以外は、実施例９と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例１０とした。

（実施例１１）
金属製有底ケース９に鍔部１０を設けなかった以外は、実施例６と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例１１とした。

（実施例１２）
上部の集電体７の突起部１５を押出し加工により設け、この断面形状を図５（ａ）に示したようなボタン形状とした以外は、実施例３と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例１２とした。

（実施例１３）
上部の集電体７の突起部１５を押出し加工により設け、この断面形状を図５（ｂ）に示したような半円弧状とした以外は、実施例６と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例１３とした。

（実施例１４）
封口板１１の板厚を１．００ｍｍとした以外は、実施例１３と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例１４とした。

（実施例１５）
上部の集電体７の板厚を０．４０ｍｍ、突起部１５の高さを０．４０ｍｍ、封口板１１の板厚を０．６０ｍｍとした以外は、実施例１３と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例１５とした。

（実施例１６）
封口板１１の板厚を１．００ｍｍとした以外は、実施例１５と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例１６とした。

（実施例１７）
上部の集電体７の板厚を０．５５ｍｍ、封口板１１の板厚を０．８０ｍｍとした以外は、実施例１５と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例１７とした。

（実施例１８）
封口板１１の板厚を０．６０ｍｍとした以外は、実施例１７と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例１８とした。

（比較例１）
上部の集電体に突起部を設けなかった以外は実施例２と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を比較例１とした。

（比較例２）
封口板に断面形状がボタン形状で高さが０．６０ｍｍの突起部を押出し加工により２点
設けた以外は、比較例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を比較例２とした。

以上のように構成したアルカリ蓄電池について、以下、その特性等を説明する。
本実施例と比較例における円筒形アルカリ蓄電池の上部の集電体と封口板の形態と、これらの接続性を溶接強度と接触抵抗、および溶接時間、電極付着の有無により比較した結果を（表１）に示す。

溶接強度は封口板と上部の集電体を溶接後、引っ張り試験により判定した。引っ張り試験は溶接部が破断したときの強度を測定し、比較例１を１００％とした場合の比率を示した。

接触抵抗は、封口板と上部の集電体を溶接し、アルカリ電解液を挿入前に溶接部の接触抵抗を測定した。接触抵抗についても溶接強度と同様に電池サイズ等により変動するため、比較例１を１００％とした場合の比率で示した。

この（表１）に示すように、上部の集電体に突起部を設けた実施例１〜１８は、集電体に突起部を設けなかった比較例１，２と比べて、溶接強度が大きく、接触抵抗が小さくなることが確認された。尚、実施例１，４，７については、溶接点数が１点にも係わらず、溶接点数が２点の比較例１と比べて、溶接強度および接触抵抗が同等か若干良好であることがわかる。

また、実施例１〜１８は比較例１，２と比べて、同じ溶接電流（３ＫＡ）を流しても短い時間で溶接が可能となった。

実施例１によれば、上部の集電体７にボタン形状の突起部１５を有し、この突起部１５を介して封口板１１とをスポット溶接することにより、金属間の接触抵抗と電流によって
ジュール熱が発生し、このジュール熱により突起部１５の溶接箇所が効率的に溶融したため溶接性が向上できたと推測できる。また、突起部１５を設けることにより上部の集電体７の剛性が増し、溶接時に上部の集電体７が湾曲する等の問題が改善されるため溶接性が安定し、その結果、溶接部の溶接強度が大きくなり、接触抵抗が小さくできたと推測できる。

実施例２，３によれば、シリーズ溶接により２点溶接，4点溶接することにより、さらに溶接性が向上できた。例えば長期使用時の振動等に対しても接触抵抗値が増大することのない信頼性の高い円筒形アルカリ蓄電池が得られると推測できる。

実施例４〜６によれば、上部の集電体７の突起部１５の断面形状を半円弧状とすることにより、封口板１１と上部の集電体７の溶接部が点接触に近付くためボタン形状等以上に溶接性が向上できたと推測できる。

実施例７〜９によれば、突起部１５の高さを０．４０ｍｍにしても効果が得られることがわかった。

実施例１０によれば、封口板１１に上部の集電体７の突起部１５に嵌まり合う凹部１６を設けたことで、上部の集電体７の位置合わせが容易になる。また、溶接時の効率が向上し短時間で溶接可能となる効果や加圧力を低減できる等の生産性に係わる効果が得られる。加圧力を低減できることにより上部の集電体７の湾曲を改善し、溶接強度のばらつきを低減できる効果が得られ、接触抵抗が小さくできたと推測できる。

尚、上部の集電体７の突起部１５に対向する封口板７の上面に突出部１７を設けても良い。この突出部１７は予め封口板７の上面に設けても良く、または、封口板１１と上部の集電体７とを溶接する前工程において、この突起部１５を設けた上部の集電体７に封口板１１を載置し、金属製有底ケース或は封口板方向から加圧することにより、前記突起部１５により封口板１１が加圧され、突起部１５に対向する封口板１１の上面に、図６に示したような突出部１７を浮き出させても同様の効果が得られた。このように突出部１７を設けると、封口板１１の上面から溶接部の位置を容易に認識できるため、溶接電極の位置合わせが容易になり、また溶接電極の位置ずれを防止できる効果も得られた。

実施例１１によれば、金属製有底ケース９に鍔部１０を設けない構成であっても、溶接強度と接触抵抗は安定していることがわかった。封口板と上部の集電体とを溶接する工程において、金属製有底ケース９に鍔部１０を設けない構成では、電池を支える受け型を金属製有底ケース９の側面或は底面に設定する必要がある。この場合、溶接電極１３を加圧した際に溶接部が不安定になる問題があるが、上部の集電体７に突起部１５を設けたことにより、この問題を改善し溶接性を安定させることができたと推測できる。

実施例１２によれば、ボタン形状の突起部１５を押出し加工により形成すれば突起部１５を容易に構成できる。さらに、溶接時の効率が向上し短時間で溶接できる効果や溶接用の上電極の加圧力を低減できる効果等の生産性に係わる効果が得られる。また、上電極と下電極により加圧して溶接する方法では、突起部１５の下面に溶接用の下電極を当てることが可能となり、上部の集電体７と電極の位置決めが容易にできる効果も得られる。

実施例１３〜１８によれば、押出し加工により半円弧状の突起部１５を得るため、上部の集電体７の突起部１５と封口板１１の溶接部が点接触に近付くことによる溶接性向上と押出し加工による生産性向上の双方の効果が得られる。また、上部の集電体７の板厚が封口板１１の板厚に対して４０〜９２％であれば、溶接強度、接触抵抗とも良好であることがわかる。

尚、突起部１５を複数箇所に設けることにより、上部の集電体７の剛性が増し、この板厚を薄くしても溶接強度、接触抵抗とも良好であることがわかった。

また、上部の集電体７の突起部１５の高さは、上部の集電体７の板厚に対して少なくとも７２％以上の高さであれば効果が得られることが実施例１７，１８によりわかった。

一方、比較例１および比較例２が実施例１〜１８と比べて溶接強度が小さく、接触抵抗値が大きくなる理由は、上部の集電体に突起部を設けなかったことに起因する。

比較例１によれば、溶接時の電極の付着が生じた。これは突起部を設けなかったため、溶接電流が溶接部に効率的に集中して流れなかったためと推測できる。

比較例２によれば、封口板に突起部を設けたため溶接時の電極の付着は生じなかった。しかし、封口板に突起部を設けても溶接電流は上部の集電体に効率的に流れないため溶接強度は大きくならなかったと推測できる。

尚、上部の集電体の板厚よりも高い突起部を設けると、突起部形成時の編肉により突起部周辺の強度が低下し集電体が変形する問題や電池内の空間が確保できない等現実的ではないため、実施例の突起部の高さは上部の集電体の板厚と同等までとした。

また、溶接電流３ＫＡにおける加圧１回あたりの溶接時間は、実施例１〜１８が１８ｍｓ〜２０ｍｓであったのに比べて、比較例１，２は３０ｍｓ〜５０ｍｓと溶接時間が長くなることがわかった。これらからも本実施例の溶接条件が生産性においても効率的な条件であることがわかる。比較例においては、溶接時間をさらに長くすれば溶接性を安定させることができるが、封口板に亀裂が発生し漏液不良となる可能性がある。

次に、実施例８、実施例１３、比較例１の円筒形アルカリ蓄電池を用い、大電流放電特性の比較を行った。

大電流放電特性の評価は、２０℃雰囲気下において、充電電流５００ｍＡで１５時間充電した後、放電終止電圧１．０Ｖまで放電電流５Ａで放電し、次いで、前記条件で充電後、前記放電終止電圧まで放電電流２７Ａで放電し、２７Ａ放電時の放電容量を５Ａ放電時の放電容量で除した放電容量比で評価した。

大電流放電特性の評価結果は、実施例８が８７．０％、実施例１３が９３．０％、比較例１が８５．５％であった。

実施例８および実施例１３は、封口板１１と上部の集電体７の溶接性を改善し接触抵抗値が小さくなったため、比較例１と比較して大電流放電特性が向上していることが確認された。

大電流放電が必要となる電動工具をはじめ、動力補助付き自転車や電気自動車などの電源として有用である。

本発明の蓄電池の一実施例を示す概略断面図本発明の蓄電池の封口板と上部の集電体の溶接工程例を示す説明図（ａ）本発明の一実施例であるボタン形状突起部の断面図、（ｂ）本発明の一実施例である半円弧状突起部の断面図本発明の一実施例である封口板の凹部に上部の集電体の突起部を嵌め合わせた断面図（ａ）本発明の一実施例である押出し加工により設けたボタン形状突起部の断面図、（ｂ）本発明の一実施例である押出し加工により設けた半円弧状突起部の断面図本発明の蓄電池の一実施例である封口板の上面に突出部を設けた概略断面図

符号の説明

１正極板
２負極板
３露出正極芯材部
４露出負極芯材部
５セパレータ
６極板群
７上部の集電体
８下部の集電体
９金属製有底ケース
１０鍔部
１１封口板
１２受け型
１３溶接電極
１４正極キャップ
１５突起部
１６封口板の凹部
１７封口板の突出部

Claims

帯状の正極板と負極板およびセパレータとからなる極板群の一方と接続された平板からなる集電体と、電解液とを内部に収納した金属製有底ケースと、この金属製有底ケースの開口部を密閉する封口板とを備えた蓄電池であって、
前記集電体は、突起部を１点以上有し、この突起部を介して溶接により前記封口板と電気的に接続した蓄電池。
前記封口板の板厚が集電体の板厚よりも厚くしたことを特徴とした請求項１記載の蓄電池。
前記集電体の板厚が封口板の板厚に対して４０〜９２％とした請求項２記載の蓄電池。
前記金属製有底ケースは開口部に外方に突出する鍔部を設けた構成とした請求項１記載の蓄電池。
前記突起部の形状を半円弧状とした請求項１に記載の蓄電池。
前記封口板に集電体の突起部に嵌まり合う凹部を設けた請求項１記載の蓄電池。
前記集電体の突起部に対向する前記封口板の上面に突出部を設けた請求項１記載の蓄電池。