JP2008140609A - 筒型電池用ガスケット及びアルカリ電池 - Google Patents

Abstract

【課題】コスト競争力を有し、より確実に安全弁を破断させ、アルカリ電池の破裂を防ぐことができるガスケット及びこのガスケットを備えたアルカリ電池を提供する。
【解決手段】発電要素２、３、４、５、７を収容した有底筒状の電池缶１の開口部と、この開口部を塞ぐ端子板７との間に介装され、上記発電要素である集電棒５を挿入させる筒状のボス部９０と、このボス部の外周に一体に形成されるとともに、薄肉状の安全弁９１ａが形成された環状の中間隔壁部９１と、この中間隔壁部の外周に一体に形成されるとともに、上記電池缶の開口部の外周縁によって挟圧される環状の外縁パッキング部９２とが合成樹脂によって成形されてなる筒型電池用ガスケットとした。この合成樹脂としては、引張破壊呼びひずみが１５０％以下であって、かつ荷重たわみ温度が９１℃以上であるポリオレフィン樹脂を用いた。
【選択図】図１

Description

本発明は、内部圧力の上昇による電池の破裂を防止する安全弁を備えた筒型電池用ガスケット及びこれを備えたアルカリ電池に関するものである。

一般に、アルカリ電池においては、正極缶内に電解液として注入される水酸化カリウムが極めて強い浸透性を有するために、上記正極缶とその開口部を塞ぐ負極端子板との間に高い液密性が要求されている。そこで、例えば、非特許文献１に見られるように、上記アルカリ電池の正極缶と負極端子板との間からの上記電解液の漏れを封じるための各種の封止構造が開発されている。

図４は、この種の封止構造を備えた従来のアルカリ電池を示すもので、図中符号１が正極缶である。
この正極缶１は、ニッケルメッキ鋼板をプレス成形によって有底円筒状に形成したものであり、正極集電体および正極端子として機能するものである。そして、この正極缶１内の内壁に沿って、円筒状の正極合剤２が圧入・装填されている。

この正極合剤２は、正極活物質である二酸化マンガンおよび／またはオキシ水酸化ニッケルに黒鉛、バインダーおよび水酸化カリウム水溶液を加えて混練することにより、上記円筒状に成形したものが、正極缶１の底部から上部に向けて複数個（図では２個）積層されることにより構成されている。そして、この正極合剤２の内周面には、後述する負極ゲル４との短絡を防止するためのセパレータ３が配設されている。

このセパレータ３は、帯状のセパレータ素材が複数巻回されるとともに、正極缶１の底部に対応する部分が内側に屈曲されることにより全体として有底円筒状に形成されたものである。そして、このセパレータ３および正極合剤２には、電解液である水酸化カリウム溶液を含浸させる。

このセパレータ３内には、負極活物質である亜鉛粉を主成分としてゲル状化した負極ゲル４が所定の重量注入されるとともに、この負極ゲル４の中心部には、負極端子となる集電棒５が挿入されている。この集電棒５は、プレス加工された黄銅等の金属棒の外周表面に、上記プレス加工時等に付着した鉄等の有害な金属不純物を被覆するためのスズメッキ処理が施されてなり、上述の上記正極合剤２、負極ゲル４及びセパレータ３とともに発電要素を構成している。

他方、正極缶１の上端開口部には、当該開口を塞ぐ略円板状の負極端子板７が設けられており、この負極端子板７の裏面側に集電棒５の上端が接合されている。また、この負極端子板７と正極缶１の上端開口部との間には、所定の弾性を有する合成樹脂によって形成されたガスケット６が介装されており、このガスケット６は、その中央部に集電棒５を挿入する孔部６ａが形成されている。

また、このガスケット６は、上記孔部６ａによって集電棒５を所定の長さ寸法囲繞する厚肉円筒状のボス部６０と、このボス部６０の外周に一体に形成された環状の中間隔壁部６１と、この中間隔壁部６１の外周に一体に形成されるとともに、上記正極缶１及び負極端子板７の外周部との間に挟まれる環状の外縁パッキング部６２とが一体成形されている。

このボス部６０の下部外周には、金属製の封口キャップ８が装着されており、この封口キャップ８は、外観略有底円筒状に形成されるとともに、その底板には、集電棒５が挿通される孔部８ａが穿設されている。ここで、封口キャップ８は、その内径寸法がボス部６０の外形寸法よりも幾分小さく形成されることにより、ガスケット６のボス部６０に圧入されている。

これにより、ガスケット６は、ボス部６０が集電棒５の外周面に密着することにより、正極缶１内の電解液が集電棒５の外周面を伝って負極ゲル４内から漏れることを防止し、かつ上述のように外縁パッキング部６２が正極缶１の外周部及び負極端子板７の外周部の間に一体的に挟まれることによって正極缶１内の電解液の外部への漏れを防止している。

ところで、アルカリ電池は、集電棒５の表面にスズメッキ等が被覆されているため、使用済み後の状態で機器内に長期間放置され、過放電状態になると、負極活物質である亜鉛粉が放電反応により不動態となり、集電棒５の外周表面に被覆されているスズが溶解して、水素ガスが発生し、正極缶１内の圧力が上昇してしまうことがある。また、使用者による正負極端子の逆接続等の誤使用によって、正極缶１内の温度が上昇してしまうとともに、水素ガス等の発生により正極缶１内の圧力が異常上昇してしまうことがある。

このため、上記ガスケット６の中間隔壁部６１には、ボス部６０との接合部に薄肉状の安全弁６１ａが形成されており、この安全弁６１ａは、正極缶１内の圧力の異常上昇時に破断することによって、正極缶１の破裂を防止するようになっている（例えば、特許文献２）。

電池便覧 第３版 第７７〜７９頁 丸善株式会社発行 特開２００５−２１６７３８号公報

このガスケット６を構成する合成樹脂としては、６，６−ナイロン等のポリアミド樹脂や、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン樹脂が用いられているものの、ポリアミド樹脂よりもポリオレフィン樹脂の方がコスト競争力に優れている。

しかしながら、このポリオレフィン樹脂は、加温時のクリープ特性がポリアミド樹脂に比較して劣っており、ポリオレフィン樹脂によって成形されたガスケット６は、誤使用等による温度上昇を伴う正極缶１内の圧力の異常上昇によって変形し易く、安全弁６１ａが破断し難くなってしまう。その結果、このガスケット６を備えたアルカリ電池は、特に、誤使用等による破裂の懸念を完全に払拭することができないという欠点があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、コスト競争力を有し、かつより確実に安全弁を破断させ、特に、温度上昇を伴う正極缶内の圧力上昇によってもアルカリ電池の破裂を防ぐことができるガスケット及びこのガスケットを備えたアルカリ電池を提供することを課題とする。

請求項１に記載の本願発明に係る筒型電池用ガスケットは、発電要素を収容した有底筒状の電池缶の開口部と、この開口部を塞ぐ端子板との間に介装され、上記発電要素である集電棒を挿入させる筒状のボス部と、このボス部の外周に一体に形成されるとともに、薄肉状の安全弁が形成された環状の中間隔壁部と、この中間隔壁部の外周に一体に形成されるとともに、上記電池缶の開口部の外周縁によって挟圧される環状の外縁パッキング部とが合成樹脂によって成形されてなる筒型電池用ガスケットであって、上記合成樹脂は、ポリオレフィン樹脂であるとともに、引張破壊呼びひずみが１５０％以下であって、かつ荷重たわみ温度が９１℃以上であることを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の筒型電池用ガスケットにおいて、上記ボス部、上記中間隔壁部及び上記外縁パッキング部は、同心円状に一体成形されるとともに、上記安全弁は、上記ボス部側から上記外縁パッキング部側に向けて形成されていることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の筒型電池用ガスケットにおいて、上記ボス部、上記中間隔壁部及び上記外縁パッキング部は、同心円状に一体成形されるとともに、上記安全弁は、周方向に形成されていることを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の筒型電池用ガスケットにおいて、上記安全弁の肉厚が０．１ｍｍ以上であって、かつ０．４ｍｍであることを特徴としている。

請求項５に記載の発明は、発電要素を収容した有底筒状の正極缶と、この正極缶の開口を塞ぐ負極端子板とが設けられてなるアルカリ電池であって、上記正極缶の開口部と上記負極端子板との間に、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の筒型電池用ガスケットが介装されていることを特徴としている。

請求項１ないし４のいずれか一項に記載の発明によれば、引張破壊呼びひずみが１５０以下であって、かつ荷重たわみ温度が９１℃以上であるポリオレフィン樹脂によって成形したため、コスト競争力を有し、かつ安全弁をより確実に破断させることができる筒型電池用のガスケットを提供することができ、その結果、筒型電池の破裂を防止することができる。

この安全弁としては、請求項２に記載の発明のように、ボス部、中間隔壁部及び外縁パッキン部を同心円状に一体成形し、かつ安全弁をボス部から外縁パッキング部の方向に向けて形成することによって、電池缶内の圧力が上昇して、電池缶が径方向に膨張した際に、効率的に安全弁を破断させることができる。他方、請求項３に記載の発明のように、安全弁をボス部周りを囲むように形成することによって、電池缶の圧力が上昇して、電池缶が軸線方向に膨張した際に、効率的安全弁を破断させることができる。

特に、請求項４に記載の発明によれば、薄肉状に形成された安全弁の肉厚を０．１ｍｍ以上であって、かつ０．４ｍｍ以下としたため、電池管内の圧力上昇によって、安全弁を効率的に破断させ、より一段と確実に筒型電池の破裂を防止することができる。

また、請求項５に記載の発明によれば、上述の筒型電池用ガスケットを電池缶の開口部と端子板との間に介装させることによって、コスト競争力を有し、誤使用等による破裂を恐れることなく使用できるアルカリ電池を提供することができる。

以下、本発明に係るアルカリ電池について、図１ないし図３を用いて説明する。なお、図４に示した従来のアルカリ電池と同一の部分については、同符号を用いることによって説明を省略する。

本実施形態のアルカリ電池は、図１及び図２に示すように、上述のアルカリ電池のガスケット６に代えて、中間隔壁部９１を正極缶（電池缶）１の負極ゲル４方向に向けて屈曲させたガスケット９が用いられている。

このガスケット９は、集電棒５を挿入させる孔部９ａが形成されるとともに、集電棒５を所定の長さ寸法囲繞する圧肉円筒状のボス部９０と、このボス部９０の外周と一体に形成されてなる円環状の中間隔壁部９１と、この中間隔壁部９１の外周と一体に形成されるとともに、正極缶１の外周部及び負極端子板７の外周部の間に挟圧される円環状の外縁パッキング部９２とが同心円上に一体成形されている。

また、このガスケット９は、ＪＩＳＫ７１６１に基づく引張破壊呼びひずみが１５０％以下であって、かつＪＩＳＫ７１９１に基づく荷重たわみ温度が９１℃以上のポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフィン樹脂によって射出形成されている。

このガスケット９は、図１及び図２に示すように、ボス部９０側から最も正極缶１内部に入り込む内深部９８に向けて傾斜する傾斜面の裏面側に１本のＶ字溝が形成されることによって薄肉状の安全弁９１ａが形成されている。
このＶ字溝は、その開先角度θが６０°〜９０°に形成されるとともに、溝の最深部からガスケット９の表面までの肉厚が０．１ｍｍ以上であって、かつ０．４ｍｍとなるように形成されている。

次いで、ガスケットの引張破壊呼びひずみ及び荷重たわみ温度とアルカリ電池の破裂との関係について、以下の実験を行った。

まず、引張破壊呼びひずみや荷重たわみ温度の異なるＮｏ．１〜Ｎｏ．７のポリオレフィン樹脂を用意し、ＪＩＳＫ７１６１に基づき引張破壊呼びひずみを測定するとともに、ＪＩＳＫ７１９１に基づく荷重たわみ温度を計測し、それぞれ表１に示した。

次いで、上述のＮｏ．１〜Ｎｏ．７のポリオレフィン樹脂を用いて、開先角度６０°のＶ字溝によって肉厚０．３ｍｍの安全弁９１ａが形成されたガスケット９を射出成形した。そして、これらのガスケット９を、それぞれ正極合剤２や負極ゲル４等の発電要素が収容された正極缶１と、この正極缶１の開口を塞ぐ負極端子板７との間に介装させて、アルカリ電池を組み立てた。その際、正極缶１、負極端子板７や正極缶１内に収容された発電要素は、全てのアルカリ電池に同一のものを用いた。

これにより、同一のポリオレフィン樹脂により成形されたガスケット９を介装した４本のアルカリ電池を、それぞれ２４組用意した。次いで、それぞれＪＩＳ Ｃ８５１４に基づき、４直列１逆接続によるアルカリ電池の誤使用試験を２４組行って、アルカリ電池が１本以上破裂した組数を計数し、表１に示した。なお、Ｎｏ．４及びＮｏ．５のポリオレフィン樹脂によって成形したガスケット９を介装させたアルカリ電池については、４０組の破裂試験を行うとともに、Ｎｏ．７のポリオレフィン樹脂によって成形されたガスケット９を介装したアルカリ電池については４８組の破裂試験を行った。

表１から判るように、引っ張り破裂呼びひずみが１５０％を超えたポリオレフィン樹脂によって成形したガスケットを用いてアルカリ電池を組み立てた場合には、２組〜６組のアルカリ電池が破裂している。また、荷重たわみ温度が９１℃未満のポリオレフィン樹脂によって成形したガスケットの場合にも、Ｎｏ．３及び６に示すように、１組又は２組のアルカリ電池が破裂している。
これに対して、引っ張り破裂呼びひずみが１５０％以下であって、かつ荷重たわみ温度が９１℃以上のポリオレフィン樹脂によって成形したガスケットの場合には、アルカリ電池が１組も破裂しておらず、これらのガスケットを用いたアルカリ電池は、安全性が高いことがわかる。

上述の実施の形態のガスケット９は、引張破壊呼びひずみが１５０以下であって、かつ荷重たわみ温度が９１℃以上であるポリオレフィン樹脂によって形成したため、コスト競争力を有するとともに、より確実に安全弁９１ａを破断させることができる。このため、ガスケット９を組み込んだアルカリ電池は、誤使用等による破裂の懸念を払拭することができ、安全に使用することができる。

特に、この安全弁９１ａは、内深部９８に向けて傾斜する傾斜面の裏面側に６０°〜９０°の開先角度θを有するＶ字溝を形成することによって溝の最深部から表面までの肉厚が０．１ｍｍ以上であって、かつ０．４ｍｍ以下となるように形成したため、正極缶１内の圧力上昇によって効率的に破断させ、アルカリ電池の破裂を防止することができる。

次いで、本発明に係る他のアルカリ電池について説明する。
本実施形態のアルカリ電池は、図３に示すように、上述の実施の形態に対して、ガスケット９に形成された１本のＶ字溝がボス部９０側から最も正極缶１内部に入り込む内深部９８に向けて傾斜する傾斜面にボス部９０を囲むように周方向に形成されている点のみが異なっている。よって、このＶ字溝は、上記傾斜面の裏面側に６０°〜９０°の開先角度θを有し、安全弁９１ａは、溝の最深部から表面までの肉厚が０．１ｍｍ以上であって、かつ０．４ｍｍ以下となるように形成されている。このアルカリ電池によれば、正極缶１が軸線方向に膨張した際に、効率的に安全弁９１ａを破断させ、電池の破裂を防止することができる。

なお、本発明は、上述の実施の形態に何ら限定されるものではなく、例えば、安全弁９１ａを構成するＶ字溝が複数本形成されていてもよいものである。

本発明に係るアルカリ電池を示す縦断面図である。 図１のガスケット９の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は端面図、（ｃ）は（ｂ）のｃ線方向の端面図である。 他の実施形態のアルカリ電池のガスケット９の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は端面図である。 従来のアルカリ電池を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 正極缶（電池缶）
２ 正極合剤
３ セパレータ
４ 負極ゲル
５ 集電棒
７ 負極端子板
６、９ ガスケット
６０、９０ ボス部
６１、９１ 中間隔壁部
６１ａ、９１ａ 安全弁
６２、９２ 外縁パッキン部

Claims (5)

1. 発電要素を収容した有底筒状の電池缶の開口部と、この開口部を塞ぐ端子板との間に介装され、上記発電要素である集電棒を挿入させる筒状のボス部と、このボス部の外周に一体に形成されるとともに、薄肉状の安全弁が形成された環状の中間隔壁部と、この中間隔壁部の外周に一体に形成されるとともに、上記電池缶の開口部の外周縁によって挟圧される環状の外縁パッキング部とが合成樹脂によって成形されてなる筒型電池用ガスケットであって、
   上記合成樹脂は、ポリオレフィン樹脂であるとともに、引張破壊呼びひずみが１５０％以下であって、かつ荷重たわみ温度が９１℃以上であることを特徴とする筒型電池用ガスケット。
2. 上記ボス部、上記中間隔壁部及び上記外縁パッキング部は、同心円状に一体成形されるとともに、上記安全弁は、上記ボス部側から上記外縁パッキング部側に向けて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の筒型電池用ガスケット。
3. 上記ボス部、上記中間隔壁部及び上記外縁パッキング部は、同心円状に一体成形されるとともに、上記安全弁は、周方向に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の筒型電池用ガスケット。
4. 上記安全弁は、その肉厚が０．１ｍｍ以上であって、かつ０．４ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の筒型電池用ガスケット。
5. 発電要素を収容した有底筒状の正極缶と、この正極缶の開口を塞ぐ負極端子板とが設けられてなるアルカリ電池であって、
   上記正極缶の開口部と上記負極端子板との間に、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の筒型電池用ガスケットが介装されていることを特徴とするアルカリ電池。

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