JP2008108603A - 筒形アルカリ電池 - Google Patents

Abstract

【課題】防爆弁機能が設けられる筒形アルカリ電池において、正極缶内の容積利用効率を高めることにより放電容量の大幅な増大を可能にし、さらに防爆弁機能が動作した後に継続して使用することが可能な筒形アルカリ電池を提供する。
【解決手段】ガスケット３０が空間仕切りを形成しない環状に形成され、さらに、ガスケット３０の内部を塞ぐように固定導電板４２が配設されて、負極端子板３３および固定導電板４２にそれぞれ通気孔３３１（第１通気孔），通気孔４２１（第２通気孔）が形成され、負極端子板３３と固定導電板４２との間に弾性弁体４０が通気孔４２１を塞いだ状態で介挿された構成を有し、電池内圧の上昇時に弾性弁体４０が弾性変形させられることにより通気孔３３１と通気孔４２１によるガス抜き経路を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒形アルカリ電池に関し、とくに、防爆弁機能が設けられる筒形アルカリ電池に適用して有効である。

たとえばＬＲ６（単３）型やＬＲ２０（単１）型等の筒形アルカリ電池では、誤使用等によって電池内部にガスが発生し電池内圧が異常上昇した場合に備えて、電池の破裂を防止するための防爆弁機能が設けられている。従来、電池ケース（正極缶）の開口部を気密封口するガスケットにこの防爆弁機能を形成したものが知られている（たとえば特許文献１参照）。

従来の筒形アルカリ乾電池１０１は、図３に示すように、有底筒状の正極缶１１内に、発電要素２０を装填するとともに、その正極缶１１の開口部を、負極端子板３３と樹脂製のガスケット３０１を用いて密閉封口することにより形成されている。
発電要素２０は、正極缶１１内に圧入嵌合された筒状の正極合剤２１、この正極合剤２１の内側に配置されたセパレータ２２、このセパレータ２２の内側に充填されたゲル状の負極合剤２３により形成されている。
正極缶１１は、正極合剤２１と直接接触することにより正極集電体を兼ねており、さらに正極缶１１の底部には凸状の正極端子部１３が形成されている。
負極端子板３３の電池内部側の面には、負極合剤２３中に挿入される棒状の負極集電子３２が溶接等により立設固定されている。また、負極端子板３３にはガス抜き用の通気孔３３１が設けられている。

ガスケット３０１は、例えば樹脂の射出成型品であって、同図に示すように、ボス部３１１、隔壁部３１３、環状パッキング部３１４が同心状に一体形成されるとともに、上記隔壁部３１３間の環状部またはその一部に、防爆弁機能をなす薄肉部３１２が形成されている。ガスケット３０１は、負極端子板３３と発電要素２０の間に介在することで空間仕切りを形成し、両者間を気密隔離している。
ボス部３１１は、負極端子板３３に接続された負極集電子３２が貫通する部分であり、当該負極集電子３２を気密状態で貫通させる透孔が形成されている。
環状パッキング部３１４は、正極缶１１の開口端部を内方にカシメ加工することにより、その開口端部と負極端子板３３の周縁部との間に被圧状態で介在して気密シール状態を形成する。
隔壁部３１３は、負極端子板３３と発電要素２０との間で空間仕切りを形成するものである。この隔壁部３１３は、環状パッキング部３１４が正極缶１１と負極端子板３３の周縁部で挟持されたときに生じる応力変形や歪が環状パッキング部３１４以外の部分におよぶのを緩衝させるべく同図に示すような形状に形成されている。
薄肉部３１２は、電池内圧が異常上昇したときに先行破断することにより、電池の破裂を防止する。

上述した筒形アルカリ電池１０１では、誤使用等によって電池内部にガスが発生し、このガス発生によって電池内圧が上昇すると、その電池内圧によりガスケット３０１の薄肉部３１２が破断する。これにより、電池内部で高圧になったガスは、薄肉部３１２の破断部を通じて、負極端子板３３の通気孔３３１から外部へ排出され、電池の破裂が防止される。
特開２００１−１２６６９４号公報

筒型アルカリ電池において、放電性能とくに放電容量を増大させることが望まれてきている。放電容量の増大は、正極缶１１内の発電要素２０の収容量を増量することで確実かつ容易に実現できる。

しかしながら、従来の筒型アルカリ電池１０１に使用されるガスケット３０１には上述したようにボス部３１１、隔壁部３１３および薄肉部３１２が形成されており、このためガスケット３０１は正極缶１１の軸方向（紙面上下方向）のサイズが大きくなっている。そして、このガスケット３０１が筒形アルカリ電池１０１の内部に設けられているため、発電要素２０の充填体積が犠牲になっていた。つまり、外形サイズが規格化されている筒形アルカリ電池１０１では正極缶１１内の容積が限られているため、正極缶１１の軸方向のサイズの大きいガスケット３０１を使用すると、その占有体積のために発電要素２０を増量することは困難であった。このことにより筒形アルカリ電池の放電容量を増大させることができないという問題点があった。

また、従来の筒形アルカリ電池１０１において、ガスケット３０１に形成した防爆弁機能のガス抜き動作は不可逆的であって、いったん作動したら元の状態には復帰できない。つまり、ガスケット３０１の薄肉部３１２を破壊することによってガス抜きが行われるため、いったん防爆弁機能が作動すると再使用ができないという問題があった。

本発明は、以上のような問題を解決するものであって、その目的は、防爆弁機能が設けられる筒形アルカリ電池において、正極缶内の容積利用効率を高めることにより放電容量の大幅な増大を可能にし、さらに防爆弁機能が動作した後に継続して使用することが可能な筒形アルカリ電池を提供することにある。

本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。

本発明が提供する解決手段は以下のとおりである。
（１）発電要素を収容する有底筒状の正極缶の開口部が負極端子板とガスケットを用いて封口される筒形アルカリ電池において、上記ガスケットが上記負極端子板と上記発電要素との空間仕切りを形成しない環状に形成され、上記負極端子板の電池内部側に上記ガスケットの環状内部を塞ぐように固定導電板が配設され、上記負極端子板および上記固定導電板にそれぞれガス抜き用の第１通気孔，第２通気孔が設けられ、上記負極端子板と上記固定導電板との間に弾性弁体が上記第２通気孔を塞いだ状態で介挿された構成を有し、電池内圧の上昇時に上記弾性弁体が弾性変形させられることにより、上記第１通気孔および上記第２通気孔によるガス抜き経路を形成することを特徴とする筒形アルカリ電池。
（２）上記手段（１）において、上記固定導電板の電池内部側の面には棒状の負極集電子の基端が溶接接続され、当該負極集電子および上記固定導電板の少なくとも電池内部に露呈する部分を同種の金属で形成したことを特徴とする筒形アルカリ電池。
（３）上記手段（２）において、上記負極集電子および上記固定導電板の少なくとも電池内部に露呈する部分を同種の耐アルカリ金属でメッキしたことを特徴とする筒形アルカリ電池。

防爆弁機能が設けられる筒形アルカリ電池において、正極缶内の容積利用効率を高めることにより放電容量を大幅に増大することができ、さらに防爆弁機能が動作した後に継続して使用することができる。

上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。

図１は、本発明の実施形態による筒形アルカリ電池１０を示す断面図である。同図に示す筒形アルカリ電池１０は、ＬＲ型のアルカリ乾電池として構成されたものであり、正極缶１１内に発電要素２０を収容するとともに、当該正極缶１１が負極端子板３３、ガスケット３０、弾性弁体４０、固定導電板４２を用いて気密に封口されている。

正極缶１１は、鉄を主成分とするＮｉメッキ鋼板やその焼純材をプレス加工等により有底筒状に加工した金属缶である。正極缶１１は、正極合剤２１と直接接触することにより正極集電体を兼ねており、さらに、正極缶１１の底部中央には凸状の正極端子部１３が形成されている。この正極端子部１３を除く正極缶１１の外周囲はラベル印刷をした外装材（図示省略）で被覆・包装される。

発電要素２０は、正極合剤２１、セパレータ２２、負極合剤２３およびアルカリ電解液により形成され、正極缶１１の内部に装填されている。

正極合剤２１は、二酸化マンガンや水酸化ニッケルなどの正極活物質に黒鉛等の導電助剤を添加したものを環状（または管状）に加圧成型したものであり、正極缶１１内に圧入嵌合されている。セパレータ２２は、正極合剤２１の内側に筒状に配置されている。負極合剤２３は、ゲル状亜鉛を主剤としセパレータ２２の内側に充填されている。

負極集電子３２は、金属（たとえば真鍮）製で棒状に形成されたものであり、負極合剤２３中に挿入されている。この負極集電子３２の表面には、後述するように耐アルカリ処理として、たとえばＳｎメッキが行われている。

負極端子板３３は、正極缶１１と同様、鉄を主成分とするＮｉメッキ鋼板のプレス加工により皿状に形成されている。また、負極端子板３３には、当該負極端子板３３を貫通する、ガス抜き用の通気孔３３１（第１通気孔）が設けられている。

固定導電板４２は、負極端子板３３の電池内部側に、後述するガスケット３０の環状内部を塞ぐように配設されている。また、固定導電板４２の電池内部側の面には負極集電子３２の基端がスポット溶接等によって接続されている。さらに、固定導電板４２には、負極集電子３２との接続部の周辺に当該固定導電板４２を貫通する通気孔４２１（第２通気孔）が設けられている。本実施形態では通気孔４２１は１つであることとするが、負極集電子３２の周辺に複数設けられていてもよい。固定導電板４２は、電池内圧の上昇時に後述する弾性弁体４０の弾性変形に追従して変形しないように十分な強度を有する金属板によって形成されている。

弾性弁体４０は、固定導電板４２の通気孔４２１を外側から塞いだ状態で負極端子板３３と固定導電板４２の間に介挿されている。弾性弁体４０の材料としては、たとえば、合成ゴムであるエチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）が耐熱性や耐化学薬品性に優れていて好適に使用できる。また、合成ゴムに分類されていない材料、たとえば樹脂の独立気泡発泡体なども使用可能である。また、弾性弁体４０の形状として、本実施形態では円柱状とするが、その他の形状（たとえば矩形状等）でも使用可能である。

ガスケット３０は、環状パッキング部３５と環状鍔部３６からなる環状体である。環状パッキング部３５は、カシメ加工された正極缶１１の開口部と、負極端子板３３および固定導電板４２の周縁部との間に被圧縮状態で介在している。環状鍔部３６は、環状パッキング部３５の内側に正極合剤２１の上面を覆って形成されている。

このように、環状のガスケット３０は、正極缶１１と、負極端子板３３および固定導電板４２とを絶縁、封口するだけの形状となっており、負極端子板３３と発電要素２０とを気密隔離する空間仕切りは形成されていない。これにより、同図に示すように正極缶１１内に収容する発電要素２０の増量を可能にしている。つまり、正極缶１１の容積利用効率が高められて、その分、電池容量を増大することが可能になっている。

この場合、固定導電板４２の内側面および負極集電子３２の溶接部に電解液が直接接触することになり、局部電池の形成による腐食やガス発生が懸念されるが、固定導電板４２と、当該固定導電板４２に接続された負極集電子３２の少なくとも電池内部に露呈する部分を、同種の金属で形成することで、その懸念は解消される。たとえば、固定導電板４２と負極集電子３２の少なくとも電池内部に露呈する部分の表面に同種の耐アルカリ金属をメッキ（たとえばＳｎメッキ）すればよい。こうすることで腐食やガス発生を容易に防止することができる。

上述した負極端子板３３および固定導電板４２は、間に弾性弁体４０を押し付けた状態で、ガスケット３０を介して正極缶１１の開口部内に嵌挿される。そして正極缶１１の開口部が内側にカシメ加工されることにより、ガスケット３０が正極缶１１と負極端子板３３との間で挟圧されて正極缶１１が封口される。

次に筒形アルカリ電池１０の防爆弁機能について説明する。
図２は、図１の一点鎖線部分を拡大した断面図を示す。同図において（ａ）は防爆弁機能が非作動状態の断面図、（ｂ）は防爆弁機能が作動状態の断面図を示す。
防爆弁機能が非作動状態にある定常時では図２（ａ）に示すように、固定導電板４２の通気孔４２１が弾性弁体４０によって塞がれている。

誤使用等によって電池内部にガスが発生し、このガスによって電池内圧が上昇すると、図２（ｂ）に示すように、その電池内圧により通気孔４２１上部の弾性弁体４０が弾性変形（弾性収縮を含む）させられて、弾性弁体４０と固定導電板４２との間に隙間が生じる。これにより、同図の破線で示すように通気孔４２１および通気孔３３１によるガス抜きの通路が形成され、電池内部で高圧になったガスは筒形アルカリ電池１０の外部へ排出される。よって電池内圧の上昇による筒形アルカリ電池１０の破裂が防止される。

この後、電池内圧が安全範囲まで下がると、弾性弁体４０は弾性復元して、通気孔４２１を塞ぐ図２（ａ）の状態に復帰する。このように防爆弁機能が可逆的に動作することにより、筒形アルカリ電池１０は、防爆弁機能が作動した後も、その作動原因が解消されれば、繰り返し使用することが可能である。

定常時での弾性弁体４０と固定導電板４２との密閉機能をより完全にするために、弾性弁体４０と固定導電板４２との間にシール材（たとえばピッチ系シール剤）を塗布することも望ましい。

また、弾性弁体４０の固定導電板４２に着座する側の面に気体通過フィルム（クレーズ材料等）を接着したり、あるいは物理的に挟み込んだりすることにより、定常的に気体だけを選択的に逃がして電池内の圧力上昇を緩和させることができる。この場合、防爆弁機能は電池内圧の急激な上昇に対してだけ作動することになるため、作動頻度が少なくなる。これにより、防爆弁機能の作動にともなう電解液の漏出頻度を少なくすることができる。
以下、本発明の具体的実施例とその試験結果を例示する。

＜実施例＞
本発明として、図１に示した構造のＬＲ６（単３）型筒形アルカリ電池を作製した。この作製において、固定導電板と負極集電子の電池内部に露呈する部分にはＳｎメッキを行った。また、比較のため従来例として図３に示した構造のＬＲ６型筒形アルカリ電池を作製した。そして、以下の実験によりこれらの比較を行った。

＜＜実験１＞＞
各筒形アルカリ電池についてそれぞれ６０℃の温度環境に置いた場合に、電池内部で発生するガス発生量（流動パラフィン中置換で測定されるガス体積）を１０日、３０日、６０日の経過ごとに測定した。その結果、表１に示すように、本発明の構造でも、電池内部に露呈する部分をＳｎメッキすることにより、ガス発生量を従来例と同等に抑えられることが確認できた。

＜＜実験２＞＞
電池内にガスが発生した場合の安全性（防爆弁機能）を確認するために、充電試験（５ｍＡ連続充電）と４本の電池の内１本を逆装填する試験を行った。各試験において、部品が電池を離れて飛ぶもの（破裂するもの）を不合格とした。その結果を表２に示す。表２に示すように、本発明および従来例ともに不合格となったものは無く、本発明による防爆弁機能の安全性について問題がないことが確認できた。また、電解液の漏液量は従来例よりも本発明の方が少なく、弾性弁体を用いる防爆弁機能が電解液の漏液の防止に効果的であることが確認できた。

以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。

防爆弁機能が設けられる筒形アルカリ電池において、正極缶内の容積利用効率を高めることにより放電容量を大幅に増大することができ、さらに防爆弁機能が動作した後に継続して使用することができる。

本発明による筒形アルカリ電池の一実施形態を示す断面図である。 図１の一部を拡大して示す断面図である。 従来の筒形アルカリ電池の断面図である。

符号の説明

１０ 筒形アルカリ電池（本発明） １１ 正極缶
１３ 正極端子部 ２０ 発電要素
２１ 正極合剤 ２２ セパレータ
２３ 負極合剤 ３０ ガスケット（本発明）
３２ 負極集電子 ３３ 負極端子板
３５ 環状パッキング部 ３６ 環状鍔部
４０ 弾性弁体 ４２ 固定導電板
１０１ 筒形アルカリ電池（従来） ３０１ ガスケット（従来）
３１１ ボス部 ３１２ 薄肉部
３１３ 隔壁部 ３１４ 環状パッキング部
３３１ 通気孔 ４２１ 通気孔

Claims (3)

1. 発電要素を収容する有底筒状の正極缶の開口部が負極端子板とガスケットを用いて封口される筒形アルカリ電池において、上記ガスケットが上記負極端子板と上記発電要素との空間仕切りを形成しない環状に形成され、上記負極端子板の電池内部側に上記ガスケットの環状内部を塞ぐように固定導電板が配設され、上記負極端子板および上記固定導電板にそれぞれガス抜き用の第１通気孔，第２通気孔が設けられ、上記負極端子板と上記固定導電板との間に弾性弁体が上記第２通気孔を塞いだ状態で介挿された構成を有し、電池内圧の上昇時に上記弾性弁体が弾性変形させられることにより、上記第１通気孔および上記第２通気孔によるガス抜き経路を形成することを特徴とする筒形アルカリ電池。
2. 請求項１において、上記固定導電板の電池内部側の面には棒状の負極集電子の基端が接続され、当該負極集電子および上記固定導電板の少なくとも電池内部に露呈する部分を同種の金属で形成したことを特徴とする筒形アルカリ電池。
3. 請求項２において、上記負極集電子および上記固定導電板の少なくとも電池内部に露呈する部分を同種の耐アルカリ金属でメッキしたことを特徴とする筒形アルカリ電池。

Images