JP2008065983A

JP2008065983A - 乾電池用負極集電体

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Publication number: JP2008065983A
Application number: JP2006239204A
Authority: JP
Inventors: Shoji Imai; 庄司今井
Original assignee: Fukui Byora Co Ltd
Current assignee: Fukui Byora Co Ltd
Priority date: 2006-09-04
Filing date: 2006-09-04
Publication date: 2008-03-21
Anticipated expiration: 2026-09-04
Also published as: JP5099738B2; WO2008029762A1

Abstract

【課題】水素ガスの発生を防止することが可能であるとともに、製造コストを低く抑えることができ、サイクルタイムが短くて大量生産が容易であり、しかも高い寸法精度を有し、安定した品質の乾電池を生産することができる乾電池用負極集電体を提供すること。
【解決手段】鍛造加工により所定形状に形成された鉄製の線材の表面にメッキ処理が施されており、前記メッキが、内層が銅メッキ、外層が亜鉛メッキの二層構造とされていることを特徴とする乾電池用負極集電体である。
【選択図】図１

Description

本発明は乾電池用負極集電体に関し、より詳しくは、アルカリ乾電池やニッケル乾電池の軸心部分に組み込まれる負極集電体に関する。

一般に、アルカリ乾電池の軸心部分に配置される負極集電体は、黄銅等からなる線材を所定径寸法の線引きダイスの内径に挿通して引き抜く伸線加工を経て形成されている。
しかしながら、この伸線加工の際に、ダイスを構成する金属（Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ａｓ等）やこれらの酸化物からなる微細片が集電体の表面に食い込んで固着してしまうことがあり、このように集電体に固着した金属微細片は、ゲル状負極中の亜鉛と反応することによって水素ガスを発生し、電池の内圧を上昇させて液漏れを引き起こしてしまう。

上述のような問題点に鑑みて、従来よりアルカリ乾電池の負極集電体において水素ガスの発生を防ぐ為の種々の技術が提案されており、一例としては、下記特許文献１及び２の開示技術が挙げられる。
特許文献１の開示技術は、黄銅からなる線材の表面を研磨により機械的に皮むきすることによって、集電体の表面に食い込んだ金属微細片を除去するものである。
特許文献２の開示技術は、銅又は銅合金からなる伸線に予め錫の溶融メッキを施した後、所定形状に切断形成した集電体の表面に更に錫を無電解メッキすることにより、集電体の表面に食い込んだ金属微細片を被覆するものである。

これら特許文献１及び２の開示技術によれば、集電体の表面に食い込んだ金属微細片を除去もしくは被覆することができ、水素ガスの発生を防止することが可能となるものの、これらの開示技術には夫々以下に述べる問題点が存在していた。
先ず、特許文献１の開示技術では、黄銅を材料とするために材料費が高価であり、しかも機械的皮むきを行うことにより、サイクルタイムが長くなる上に、発生する切屑の処理のための手間と費用もかかるという問題がある。
また、特許文献２の開示技術では、予め錫の溶融メッキを施した銅又は銅合金からなる伸線を用いるために高価となり、しかも外径寸法が一定とならず、更に溶融メッキの後に更に錫を無電解メッキするための手間と費用もかかるという問題がある。

特開平５−３０７９６１号公報特開平７−２９５７３号公報

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、水素ガスの発生を防止することが可能であるとともに、製造コストを低く抑えることができ、サイクルタイムが短くて大量生産が容易であり、しかも高い寸法精度を有し、安定した品質の乾電池を生産することができる乾電池用負極集電体を提供するものである。

請求項１に記載の発明は、鍛造加工により所定形状に形成された鉄製の線材の表面にメッキ処理が施されており、前記メッキが、内層が銅メッキ、外層が亜鉛メッキの二層構造とされていることを特徴とする乾電池用負極集電体に関する。
請求項２に記載の発明は、前記メッキ処理が、電解メッキによりなされていることを特徴とする請求項１記載の乾電池用負極集電体に関する。
請求項３に記載の発明は、前記メッキ処理の後に不導態化処理が施され、更に封孔処理が施されていることを特徴とする請求項１又は２記載の乾電池用負極集電体に関する。
請求項４に記載の発明は、前記鉄が、０．０３重量％以下の炭素と残部の鉄及び不可避不純物からなることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の乾電池用負極集電体に関する。

請求項１に記載の発明によれば、鉄の線材から形成されているため、銅や銅合金に比べて、材料費が安価に抑えられるとともに、高強度であるために、輸送時、メッキ処理時、電池への組み込み時等において曲がりにくく、安定した高品質の乾電池が得られる。
また、表面にメッキが施されていることで、集電体の素材表面並びに表面に食い込んだ金属微細片がメッキにより被覆されて、乾電池に組み込んだ時に水素ガスの発生を防止することが可能となる。
更に、鍛造加工のみにより所定形状に形成されることで、加工のサイクルタイムが短縮され、しかも切屑が発生しないために、製造の手間と費用が抑えられ、大量生産が可能となる。
また、内層が銅メッキ、外層が亜鉛メッキの二層構造のメッキが施されているので、仮に外層のメッキ被膜にピンホール等の欠陥があっても、内層の銅メッキ被膜により鉄素材の露出が防がれ、水素ガスの発生をより確実に防止することが可能となる。しかも、外層のメッキが亜鉛メッキであることにより、負極集電体を乾電池に組み込んで使用した場合にメッキが損傷を受け難い。

請求項２に記載の発明によれば、メッキ処理が電解メッキによりなされているため、安定した均一な膜厚のメッキが形成され、高い寸法精度の集電体を得ることができる。
また、銅や銅合金に比べて電解メッキが容易な鉄を材料とするため、メッキが容易に付着し、メッキに要する時間が少なくて済む。そのため、メッキ費用のコストが低減されて大量生産が容易となり、しかも素地の露出が起こらないために、乾電池に組み込んだ時に水素ガスの発生が生じない。

請求項３に記載の発明によれば、メッキ処理の後に不導態化処理が施されることにより、負極集電体表面に酸化被膜が形成され、耐食性が向上する。そのため、乾電池に組み込んで使用した場合に水素ガスの発生を防止する効果が高まる。また、封孔処理が施されていることにより、負極集電体がより一層不活性化（耐酸化性、耐食性の向上）し、乾電池に組み込んで使用した場合の水素ガスの発生を防止する効果が一層高まり、更に、表面が平滑化されるため、乾電池に組み込む際のパッキンの損傷を防ぐことができる。

請求項４に記載の発明によれば、０．０３重量％以下の炭素と残部の鉄及び不可避不純物からなる鉄を使用しているため、メッキ被膜が短時間で均一に形成され、製造コストの低減と品質の向上を達成することができる。

以下、本発明に係る乾電池用負極集電体の好適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明に係る乾電池用負極集電体の一例を示す正面図である。
本発明に係る負極集電体（１）は、円柱状の軸部（１１）と、この軸部（１１）の基端近傍に設けられた軸部よりも大径の円板部（１２）と、軸部（１１）の先端に設けられた先細り状の円錐台状部（１３）とから構成されている。

図２は本発明に係る負極集電体を組み込んだ乾電池の部分切り欠き断面図である。
負極集電体（１）は、図２に示すように乾電池（２）の軸心部分に配設される。
すなわち、乾電池（２）は、正極端子を兼ねる有底筒状の金属容器（２１）と、この金属容器（２１）内に収納された所定圧力で加圧成形されて成る中空円筒状の正極材料（２２）と、正極材料（２２）の内側にセパレータ（２３）を介して充填されたゲル状負極（２４）と、封口キャップ（２５）及びガスケット（２６）を貫通してゲル状負極（２４）に挿入された負極集電体（１）とを備えている。

本発明に係る負極集電体が組み込まれる乾電池としては、正極材料の主成分として二酸化マンガンを使用する一般的なアルカリ乾電池の他に、正極材料の主成分としてオキシ水素化ニッケルを使用するニッケル乾電池が挙げられる。

本発明に係る負極集電体（１）は、以下のような工程を経て製造される。
第一工程は、線材にダイスでの引き抜き加工（伸線加工）を施す工程であり、第二工程は引き抜き加工された線材を所定寸法に切断する工程であり、これらの工程は具体的には以下のように行われる。
先ず、線材（１Ａ）を、図３に示すように送りロール（２Ａ），（２Ｂ）の間に挟み込んでロールを回転させることによりダイス（７）の貫通孔（７１）に供給し、該貫通孔（７１）から出てきた線材（１Ａ）の先端をストッパ（８）で受けてカッティングナイフ（９）で所定寸法に切断する。

本発明において、線材（１Ａ）の素材は鉄とされる。
鉄製の線材を使用する理由は、従来のように銅や銅合金を用いた場合と比較して以下のような利点があるためである。
第一には、銅や銅合金に比べて安価であるために、製造コストを低く抑えられるということである。
第二には、銅や銅合金に比べて高強度であるために、輸送時、メッキ処理時、電池への組み込み時等において曲がりにくく、安定した高品質の乾電池が得られるということである。
第三には、銅や銅合金に比べて電解メッキが容易であるため、メッキが容易に付着し、メッキに要する時間が少なくて済み、そのため、メッキ費用のコストが低減されて大量生産が容易となり、しかも素地の露出が起こらないために、乾電池に組み込んだ時に水素ガスの発生が生じないということである。

本発明において線材の素材となる鉄としては、０．０３重量％以下の炭素と残部の鉄及び不可避不純物からなる鉄を用いることが好ましい。
その理由は、炭素含有量が０．０３重量％以下である鉄を用いると、メッキ処理の際にメッキ被膜が短時間で均一に形成され、製造コストの低減と品質の向上を達成することができるためである。

第三工程は、所定寸法に切断された線材に冷間鍛造（冷間圧造）加工を施して所定形状（図１に示す形状）に成形する工程であり、この工程は具体的には以下のように行われる。
所定寸法に切断された線材（１Ａ）を、図４に示すように広径の開口部（３１）を有する第１のパンチ（３）でダイス（４）内に押し込んで、ダイス（４）内に設けられた先細り部（４１）により先端に絞り加工を施して円錐台状部（１３）を形成するとともに、その基端部を第１のパンチ（３）の広径開口部（３１）で拡径する（図５参照）。
次いで、図６に示すように、第１のパンチ（３）に代えて円状凹部（５１）を有する第２のパンチ（５）を更にダイス（４）側に押し付けて線材（１Ａ）の基端部に円板部（１２）を形成し、その後、図７に示すように、第２のパンチ（５）を退動させて、線材（１Ａ）をノックアウトピン（６）で押し出す。

尚、図３乃至図７において、（１０）は金型本体であり、（６Ａ）はノックアウトピンが取りつけられたノックアウトロッドであって、ノックアウトロッド（６Ａ）を押し出し方向に移動させる移動手段の図示は省略されている。

上記した如く、本発明の負極集電体は、鍛造加工のみにより所定形状に形成されるために、加工のサイクルタイムが短くなり、しかも切屑が発生しないために、製造の手間と費用が抑えられ、大量生産が可能となる。

第四工程は、鍛造加工により所定形状に形成された鉄製線材の表面にメッキ処理を施す工程である。
本発明に係る負極集電体では、鉄製線材の表面にメッキが施されることにより、集電体の素材表面自体並びに表面に食い込んだダイスを構成する金属（Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ａｓ等）やこれらの酸化物からなる金属微細片がメッキにより被覆されて、乾電池に組み込んだ時に水素ガスの発生を防止することが可能となる。

メッキ処理は、鉄製線材の表面に、内層が銅メッキ、外層が亜鉛メッキの二層構造のメッキを形成されるように行われ、第一工程で銅メッキ、第二工程で亜鉛メッキが行われる。
この場合における各層のメッキ厚は、例えば、内層の銅メッキの厚みが１〜２μｍ、外層の亜鉛メッキの厚みが２〜５μｍとされるが、より好適には、内層の銅メッキの厚みが０．５〜１．０μｍ、外層の亜鉛メッキの厚みが１．５〜２．５μｍとされる。
このような二層構造のメッキを形成することによって、仮に外層の亜鉛メッキ被膜にピンホール等の欠陥があっても、内層の銅メッキ被膜により鉄素材の露出が防がれ、水素ガスの発生をより確実に防ぐことが可能となる。しかも、外層のメッキが亜鉛メッキであることにより、負極集電体を乾電池に組み込んで使用した場合にメッキが損傷を受け難い。更に、亜鉛は水素過電圧が高いために、外層に用いることで、水素ガスの発生を効果的に抑制することができる。

亜鉛メッキは電解メッキにより行われるが、銅メッキは電解メッキによるものでも無電解メッキによるものもよい。但し、本発明では電解メッキによることが好ましい。
その理由は、電解メッキとすることにより、安定した均一な膜厚のメッキが形成され、高い寸法精度の負極集電体を得ることができるためである。

第五工程は、不導態化処理を施す工程である。
不導態化処理は、上記第四工程にてメッキを施された後の負極集電体の表面をエッチング処理して活性化させた後、硝酸等の酸性の溶液に浸漬することにより行われる。
これにより、負極集電体の表面に酸化被膜が生成されるため、乾電池に組み込んで使用した場合に水素ガスの発生を防止することができる。

不導態化処理が施された後、第六工程として封孔処理が施される。
封孔処理は、不導態化処理が施された負極集電体を、界面活性剤を含む溶液に浸漬することにより行われる。
これにより、負極集電体がより一層不活性化（酸化しにくくなり、耐食性が向上する）し、乾電池に組み込んで使用した場合に水素ガスの発生を防止する効果を一層高めることができる。更に、表面が平滑化されるため、乾電池に組み込む際のパッキンの損傷が防がれるという効果も得られる。

以上説明した第一工程から第六工程を経ることによって、本発明に係る乾電池用負極集電体の製造が完了し、このように製造された負極集電体は、上述したようにアルカリ乾電池やニッケル乾電池の軸心部分に組み込まれて使用される。

本発明は、アルカリ乾電池やニッケル乾電池に組み込まれる負極集電体として利用することができる。

本発明に係る乾電池用負極集電体の一例を示す正面図である。本発明に係る乾電池用負極集電体を組み込んだ乾電池の部分切り欠き断面図である。本発明に係る乾電池用負極集電体の製造工程の第一工程及び第二工程を示す図である。本発明に係る乾電池用負極集電体の製造工程の第三工程を示す図である。本発明に係る乾電池用負極集電体の製造工程の第三工程を示す図である。本発明に係る乾電池用負極集電体の製造工程の第三工程を示す図である。本発明に係る乾電池用負極集電体の製造工程の第三工程を示す図である。

符号の説明

１乾電池用負極集電体
１Ａ線材
２乾電池

Claims

鍛造加工により所定形状に形成された鉄製の線材の表面にメッキ処理が施されており、
前記メッキが、内層が銅メッキ、外層が亜鉛メッキの二層構造とされていることを特徴とする乾電池用負極集電体。
前記メッキ処理が、電解メッキによりなされていることを特徴とする請求項１記載の乾電池用負極集電体。
前記メッキ処理の後に不導態化処理が施され、更に封孔処理が施されていることを特徴とする請求項１又は２記載の乾電池用負極集電体。
前記鉄が、０．０３重量％以下の炭素と残部の鉄及び不可避不純物からなることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の乾電池用負極集電体。