JP2008004476A - アルカリ蓄電池 - Google Patents

Abstract

【課題】正電極体の縁部に存在するバリやクラックに起因する内部短絡を効果的に防止した簡易な構造のアルカリ蓄電池を提供する。
【解決手段】シート状の正電極体１と負電極体とを２枚のセパレータ３を介して巻回した電極群を有底筒状の外装体に収納し、上記電極群の一端に突出した前記負電極体の縁部を前記外装体に接続すると共に、前記電極群の他端に突出した前記正電極体の縁部を前記外装体の開口部を封止する封口体に接続したアルカリ蓄電池であって、特に前記セパレータ３を介して前記負電極体に巻き込まれる前記正電極体１の縁部を、該正電極体１の内側に位置付けられるセパレータ３の巻回方向外側に折り返した折り返し縁部３ａにて被覆した。
【選択図】図２

Description

本発明は、シート状の正電極体と負電極体とをセパレータを介して巻回し、有底筒状の外装体に収納した構造のアルカリ蓄電池に関する。

ニッケル・カドミウム電池やニッケル水素電池等の円筒型アルカリ蓄電池は、概略的には図１にシート状の正電極体１と負電極体２とを２枚のセパレータ３,３を介して互いに絶縁して巻回した筒状の電極群４を有底筒状の外装体５に収納し、該外装体５の開口部を封口体６に封止した構造を有する。ちなみに前記電極群４の一端（下端）に突出させた前記負電極体２の縁部は、集電体７を介して前記外装体５に接続され、また前記電極群４の他端（上端）に突出さたせ前記正電極体１の縁部は、集電リード８を介して前記封口体６に接続される。

ところで正電極体１、負電極体２、およびセパレータ３の位置ずれ（巻きずれ）に起因して上記正電極体１の下端と外装体５の内底部または負電極体２との内部短絡を防止するべく、正電極体１をＵ字状のセパレータで覆い、このセパレータで覆った正電極体１と前記負電極体２とを重ねて巻回することが提唱されている（例えば特許文献１を参照）。また正電極体１の縁部にＵ字状の部品（テープやセパレータの一部分）を装着し、該正電極体１の金属電極に担持された正極活物質の移動やクリープを防止することが提唱されている（例えば特許文献２を参照）。
特開昭６３−１６６１４２号公報 特開２００１−１７６５０６号公報

さて前述した正電極体１は、例えば大判サイズの正電極部材からその巻回方向に長尺な所定幅のシート状部品として切り出される。このようにして製作された正電極体１を前述したように巻回した場合、その切断面である正電極体１の縁部に存在するバリがセパレータ３を突き破り、負電極体２との間で短絡する虞がある。また正電極体１の巻回に伴ってその縁部にクラックが生じることがあり、このクラックもまた上述したバリと同様にセパレータ３を突き破る虞がある。特にこのようなクラックは、アルカリ蓄電池の大容量化に伴う正極活物質の増量により正電極体１の厚みが厚くなるほど発生し易いので、その対策が必要となる。

そこで特許文献１に示されるように正電極体１をＵ字状のセパレータで覆うことが考えられる。しかしセパレータで覆った正電極体１と前記負電極体２とを重ねて巻回しても、前述したバリやクラックがセパレータを突き破ることによる内部短絡に対する本質的な解決策とはなり得ない。また特許文献２に示されるように正電極体１の縁部にＵ字状の部品を装着することも考えられる。しかし正電極体１の縁部にＵ字状の部品を装着する場合には、その製造工数の増加や接着剤の使用による電池特性の劣化が懸念される。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、シート状の正電極体と負電極体とをセパレータを介して巻回した電極群を、有底筒状の外装体に収納した構造のアルカリ蓄電池であって、特に正電極体の縁部に存在するバリやクラックに起因する内部短絡を効果的に防止した簡易な構造のアルカリ蓄電池を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係るアルカリ蓄電池は、シート状の正電極体と負電極体とを２枚のセパレータを介して巻回した電極群を有底筒状の外装体に収納し、上記電極群の一端に突出した前記負電極体の縁部を前記外装体に接続すると共に、前記電極群の他端に突出した前記正電極体の縁部を前記外装体の開口部を封止する封口体に接続したものであって、
特に前記セパレータを介して前記負電極体に巻き込まれる前記正電極体の縁部を、該正電極体の内側に位置付けられるセパレータの巻回方向外側に折り返した折り返し縁部にて被覆したことを特徴としている。

好ましくは前記セパレータの折り返し縁部は、前記正電極体の幅の２〜２０％を覆う折り返し幅のものとして設定される。

上記構成のアルカリ蓄電池によれば、セパレータを介して前記負電極体に巻き込まれる前記正電極体の縁部を、セパレータの巻回方向外側に折り返した折り返し縁部にて被覆しているので、正電極体と負電極体とを２枚のセパレータを介して互いに絶縁して巻回したとき、負電極体に巻き込まれる側の正電極体の縁部は、２枚のセパレータを２重に介して負電極体の内側に巻き込まれることになる。換言すれば正電極体の縁部は、その厚みが実質的に２倍となったセパレータを介して巻回されることになる。この結果、上記正電極体の縁部にバリが存在していても、或いはその巻回に伴って正電極体の縁部にクラックが生じても、これらのバリやクラックが重ね合わせられた２枚のセパレータを同時に突き破る虞がなくなり、その内部短絡を効果的に防ぐことが可能となる。

特に上記クラックは正電極体の縁部の巻回方向外側に発生し易く、そのクラックエッジが巻回方向外側に突出するので、上述したようにしてセパレータの折り返し縁部がその巻回方向外側を被覆するようにしておくことにより、２重に設けたセパレータのクラックエッジによる突き破りを簡易にして確実に阻止することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るアルカリ蓄電池についてニッケル水素蓄電池を例に説明する。
このニッケル水素蓄電池は、基本的には図１に示すような構造を有する。シート状の正電極体１は、例えば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、化学含浸法により上記ニッケル焼結多孔体内に水酸化ニッケルを主体とする活物質を充填したものからなる。またシート状の負電極体２は、例えば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の負極活物質を充填したものからなる。

このような正電極体１と負電極体２とを、例えばポリプロピレン性の不織布からなる目付７０g／ｍ^２の２枚のセパレータ３,３をそれぞれ介在させて、０.４ＭＰaの巻圧で渦巻き状に巻回することで、概略的には直径３０ｍｍ，長さ５０ｍｍなる大きさの略円柱形状をなす渦巻状電極群４が製作される。尚、渦巻状電極群４の上端面には正電極体（ニッケル正極板）１の極板芯体であるパンチングメタルの端部がそのタブ部として突出させて設けられ、また渦巻状電極群４の下端面には負電極体（水素吸蔵合金板）２の極板芯体であるパンチングメタルの端部がそのタブ部として突出させて設けられる。

一方、多数の開孔を有する略円板状の集電体７を準備し、これらの集電体７を前述した渦巻状電極群４の両端部にそれぞれ突出する正電極体（ニッケル正極板）１および負電極体（水素吸蔵合金板）２のタブ部に溶接する。ちなみに集電体７,７は、例えばその直径が略２９ｍｍ、厚みが０.２ｍｍのニッケルメッキ鋼板製のものからなる。そして一対の集電体７,７をその両端部にそれぞれ溶着した渦巻状電極群４を、具体的には負極側の集電体７がその缶底部に対峙するように有底円筒状の外装体（外装缶）５に収納し、上記缶底部に上記集電体７を溶接して該外装体５をニッケル水素蓄電池の負極とする。尚、この外装体５は、例えば缶径が３１ｍｍ、缶長が６０ｍｍの、いわゆる円筒型電池用のものである。また外装体５の開口部側に位置付けられた正極側の集電体７には、曲げ部を有して弾性作用を呈する集電リード８、具体的には略Ｕ字状に屈曲させた導体片または断面略長円状の導体環からなる集電リード８の一端部を溶接する。

しかる後、上記外装体（外装缶）５に、例えば７Ｎ（規定）の水酸化カリウムおよび１Ｎ（規定）の水酸化リチウムからなるアルカリ電解液を充填して前記渦巻状電極群４を浸漬し、その上で上記外装体５の開口部に絶縁リング（図示せず）を介して封口体６を載置する。そしてこの封口体６を前記集電リード８の他端に溶接した後、封口体６の上から所定の荷重を加えて前記集電リード８を押し潰し、外装体５の開口部をカシメることで上記封口体６にて外装体５の開口部を封止する。これによって円筒型のニッケル水素蓄電池が製作される。

このようにして筒型のニッケル水素蓄電池（アルカリ蓄電池）を製作するに際して、本発明が特徴とするところは、図２に正電極体１とセパレータ３との関係を示すように、正電極体１を該正電極体１の幅Ｗよりも広い幅のセパレータ３上に重ねて配置し、その極板芯体１ａが突出する側（タブ部側）とは反対側の正電極体１の縁部を、上記セパレータ３の一縁部を折り返した折り返し縁部３ａにて被覆した点にある。このセパレータ３の折り返し縁部３ａの幅ｗは、後述するように正電極体１の幅Ｗの２〜２０％に設定される。

尚、図２において１ａはパンチングメタルからなる極板芯体、１ｂは水酸化ニッケルを主体とする活物質を充填したニッケル焼結多孔体（活物質担持体）、そして１ｃはニッケル焼結多孔体（活物質担持体）の一縁部に貼付された保護テープである。またセパレータ３は、正電極体１と負電極体２とを重ねて巻回して渦巻状電極群４を製作したとき、該渦巻状電極群４の外周を覆うように前記正電極体１の長さよりも長く設定されている。

そして上述した如くセパレータ３の折り返し縁部３ａにてその一縁部を覆った正電極体１の上に別のセパレータ３を介して負電極体２を重ね合わせる。このとき負電極体２の磁極芯体を突出させたタブ部が、前記正電極体１のタブ部と逆側となるようにその重ね合わせを行うことは言うまでもない。その後、前記折り返し縁部３ａが巻回方向外側となる向きに位置付けて上記正電極体１，負電極体２およびセパレータ３,３を一体に巻回して渦巻状電極群４を製作する。

かくしてこのようにして製作された渦巻状電極群４を外装体５に収納して製作されるニッケル水素蓄電池（アルカリ蓄電池）は、図３にその要部概略構成を示すように負電極体２の間に巻き込まれる側の正電極体１の縁部は、２枚のセパレータ３,３を２重に介して上記負電極体２の内側に巻き込まれることになる。つまり正電極体１の縁部は、該正電極体１の巻回方向内側面に配置されたセパレータ３の正電極体１の縁部を覆った折り返し縁部３ａと、正電極体１の巻回方向外側面に配置されたセパレータ３とを２重に介して負電極体２の内側に巻き込まれることになる。換言すれば正電極体１の縁部は、２枚重ねによりその厚みが実質的に２倍となったセパレータ３,３を介して巻回されることになる。

この結果、正電極体１の縁部にバリが存在していても、或いはその巻回に伴って正電極体１の縁部にクラックが生じても、これらのバリやクラックが重ね合わせられた２枚のセパレータ３,３を同時に突き破る虞がなくなり、その内部短絡を効果的に防ぐことが可能となる。特にクラックは正電極体１の縁部の巻回方向外側に発生し易く、そのクラックエッジが巻回方向外側に突出する。しかも電池容量の増大化に伴って正電極体１の厚みが増すほど、その巻回時にクラックが発生し易くなる。しかし上述したようにセパレータ３の折り返し縁部３ａがその巻回方向外側を被覆しているので、上記クラックエッジにより２重に設けたセパレータ３,３が簡単に突き破られることがなくなり、その内部短絡を簡易にして確実に阻止することが可能となる。

尚、前述した特許文献１に示される電極構造は、正電極体をＵ字状のセパレータで包み込み、これに負電極体を重ねて一体に巻回しているだけである。従って正電極体と負電極体との間には１枚のセパレータが介在するだけであり、上述した本発明の電極構造のように、正電極体１の縁部と負電極体２との間には２枚のセパレータ３,３が重ねて設けられることはない。従って特許文献１に示される電極構造においては、正電極体と負電極体との間が１枚のセパレータを介して絶縁されているだけなので、正電極体１の縁部におけるバリや、巻回に伴って生じたクラックに起因する内部短絡の防止効果は望み得ない。

ところでセパレータ３の折り返し量（幅）については、その幅が広くなる程、正電極体１の表面に生じるクラックに対する内部短絡の防止効果が高まる。しかしその分、電解液の充填量が減少し、また正電極体１の巻回性が悪くなる。またセパレータ３の缶内占有率が高くなり、電池設計の弊害も生じ易い。このような観点から上記セパレータ３の折り返し量（幅）について検討したところ、その折り返し幅ｗについては正電極体１の幅に対して２〜２０％とすればアルカリ蓄電池として好適であることが判明した。

次表は、セパレータ３の折り返し量（幅）を変えて４／３ＦＡサイズのニッケル水素電池を１万個ずつ製作したときに発生した不良内容とその不良品数を示したものである。

この表に示されるようにセパレータ３の折り返し縁部３ａにて正電極体１の一縁部を覆うことにより、内部短絡を確実に防止し得ることが確認できた。また折り返し縁部３ａの幅を大きくした場合、特にその返し量（幅）を７５％以上とした場合には、その巻回自体が困難となり、しかも巻回形状が歪となって外装缶５への挿入も困難となると言う不具合の発生確率が高まることも確認できた。従ってこのような検証結果に基づけば、電極の内部短絡を防止する上では、セパレータ３の折り返し縁部３ａの幅（折り返し量）を正電極体１の幅の２〜２０％程度にすることが好適であると認められる。

またこの種のアルカリ蓄電池においては、その充放電サイクルの繰り返し（経過）に伴う正電極体１の膨化現象がある。このような膨化現象に対処するべく、一般的には正電極体１の端部を外装缶５の缶底部から幾分距離を隔てて設けるようにしている。しかしその空間部は、電池性能に寄与するものではなく、いわゆるデッドスペースとなっている。この点、本発明に係るあるアルカリ蓄電池においては、前述したように正電極体１の一縁部をセパレータ３の折り返し縁部３ａにて覆っているので、正電極体１が膨化しても負電極体２や外装缶５の缶底部に接触することがないので、正電極体１の膨化に起因する内部短絡を確実に防止し、しかも外装缶５の内部の限られた空間を有効活用することが可能となる等の効果が奏せられる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。ここではニッケル水素蓄電池を例に説明したが、ニッケル・カドミウム電池等の他のアルカリ蓄電池にも同様に適用することができる。また正電極体１や負電極体２、更にはセパレータ３の組成や構成自体も種々変形することができる。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

円筒型アルカリ蓄電池の概略構成を示す図。 本発明に係るアルカリ蓄電池における正電極とセパレータとの関係を示す図。 本発明に係るアルカリ蓄電池の要部概略構成図。

符号の説明

１ 正電極体
２ 負電極体
３ セパレータ
３ａ 折り返し縁部
５ 外装缶
７ 集電体

Claims (2)

1. シート状の正電極体と負電極体とを２枚のセパレータを介して巻回した電極群を有底筒状の外装体に収納し、上記電極群の一端に突出した前記負電極体の縁部を前記外装体に接続すると共に、前記電極群の他端に突出した前記正電極体の縁部を前記外装体の開口部を封止する封口体に接続したアルカリ蓄電池であって、
   前記セパレータを介して前記負電極体に巻き込まれる前記正電極体の縁部を、前記セパレータの巻回方向外側に折り返した折り返し縁部にて被覆したことを特徴とするアルカリ蓄電池。
2. 前記セパレータの折り返し縁部は、前記正電極体の幅の２〜２０％を覆う折り返し幅のものである請求項１に記載のアルカリ蓄電池。

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