JP2008234894A - 密閉型二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】端子部に過度の衝撃が加わっても、弁体に何らの影響を与えることなく、設定どおりの弁作動圧を示し得る、信頼性の高い密閉型二次電池を提供する。
【解決手段】本発明の密閉型二次電池は、発電要素と、発電要素を内部に収納した金属ケースと、金属ケースの上部を密閉する封口板からなり、封口板を、排気口をそれぞれ有する上部フィルターおよび下部フィルターと、上部フィルターと下部フィルターとによって構成される弁室と、下部フィルターの排気口を塞ぐように弁室に収められた弁体と、上部フィルターの上部に突出するように接続された端子部とで構成したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は密閉型二次電池に関するものであり、より詳しくは封口板に収められた弁体の機能を確保する構造に関する。

密閉型二次電池はポータブル機器用の電源として、広く用いられている。特にニッケル−カドミウム蓄電池やニッケル−水素蓄電池などのアルカリ蓄電池は、充電末期に正極から発生する酸素ガスを負極が還元する反応機構を有しているため、信頼性の高い密閉型二次電池として、電動工具やバックアップシステム等の電源として幅広く使用されている。

従来、このような密閉型二次電池は、正極板と負極板とセパレータからなる発電要素と、この発電要素を内部に収納した金属ケースと、電池内圧が異常上昇した際に内部ガスを電池外へ放出するための弁体を備えかつ金属ケースの上部を密閉する封口板とからなる。

この封口板は密閉型二次電池に落下や衝突などの衝撃が加わった場合に突出しているがゆえにダメージを受けやすい。このダメージが収納された弁体に過度に加わり、弁体が圧縮されてしまった場合には、弁が作動する圧力（以下、弁作動圧と略記）が設定された値より大きくなってしまう。このように弁作動圧が過大となった場合、電池の内圧が異常に上昇した際に、発生したガスを電池外に放出するタイミングが遅れ、電池が変形する虞がある。

そのような弁体変形の状態を避けるために、図４に示すように封口板の端子部と弁体が収納された弁室を区切り、突出した端子部に加わった落下や衝突などの衝撃が、弁体に伝わりにくくする封口板構造を有した密閉型二次電池が提案されている（例えば特許文献１）。
特開２００６−０７３４２１号公報

しかしながら上述した特許文献１の封口板は、端子部と弁室の収納部とが部品として一体化されており、端子部に過度の衝撃が加わった場合にはその衝撃の一部が弁室の収納部にも伝播し、最終的に弁室における弁体の位置が変化して弁体が僅かながら変形し、弁作動圧が微増することを防止できない。

本発明は上記の課題を解決するものであり、端子部に過度の衝撃が加わっても、弁体に何らの影響を与えることなく、設定どおりの弁作動圧を示し得る、信頼性の高い密閉型二次電池を提供することを目的とする。

上述した従来の課題を解決するために、本発明の密閉型二次電池は、発電要素と、発電要素を内部に収納した金属ケースと、金属ケースの上部を密閉する封口板からなり、封口板を、排気口をそれぞれ有する上部フィルターおよび下部フィルターと、上部フィルターと下部フィルターとによって構成される弁室と、下部フィルターの排気口を塞ぐように弁室に収められた弁体と、上部フィルターの上部に突出するように接続された端子部とで構成したことを特徴とする。

端子部と、弁室を形成する上部フィルターおよび下部フィルターの部品を別にすること
により、落下の激しい衝撃が端子部に加わっても、衝撃が弁体にまで殆ど伝わらないようにすることができるので、弁作動圧の安定した密閉型二次電池を提供することができる。

本発明によれば、端子部に過度の衝撃が加わっても弁作動圧に影響のない、信頼性の高い密閉型二次電池を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図を用いて詳細に記す。

第１の発明は、発電要素と、発電要素を内部に収納した金属ケースと、金属ケースの上部を密閉する封口板からなり、封口板を、排気口をそれぞれ有する上部フィルターおよび下部フィルターと、上部フィルターと下部フィルターとによって構成される弁室と、下部フィルターの排気口を塞ぐように弁室に収められた弁体と、上部フィルターの上部に突出するように接続された端子部とで構成したことを特徴とする密閉型二次電池に関する。

図１（ａ）は本発明の密閉型二次電池の封口板の概観を示す斜視図であり、図１（ｂ）は断面構造を示す模式図である。発電要素（図示せず）を内部に収納した金属ケース６の上部は、絶縁体７を介して封口板で密閉されている。本発明はこの封口板を、排気口４をそれぞれ有する上部フィルター３および下部フィルター２によって構成される弁室と、下部フィルター２の排気口４を塞ぐように収められた弁体５と、上部フィルター３の上部に突出するように接続された端子部１とで構成することを特徴とする。

弁室とは別部品の端子部１を、溶接やかしめなどによって上部フィルター３に接続することにより、落下や衝突などの衝撃が端子部１に加わっても、この端子部１が変形するに留まり、弁体５を収納する弁室にはダメージが加わりにくくなるため、衝撃による弁作動圧の変化を最小限に食い止めることができる。

第２の発明は、第１の発明において、端子部１の強度を上部フィルター３の強度より弱くしたことを特徴とする。詳しく後述する方法により端子部１の強度を上部フィルター３の強度より弱くすれば、端子部１が衝撃を吸収する緩衝材の役割を果たしやすくなり、弁室への衝撃の伝播がさらに弱まるので、第１の発明の効果がより顕著になる。

第３の発明は、第２の発明において、端子部１の厚みを上部フィルター３の厚みより薄くしたことを特徴とする。一例として、部材が同じニッケルメッキを施した鉄であれば、端子部１の厚みを通常の使用時に変形を来たさないよう０．２ｍｍにする場合、上部フィルター３の厚みは０．４ｍｍ程度にするのが好ましい。この一例に沿って、材質にかかわらず端子部１の厚みに対する上部フィルター３の厚みの比を１．５〜３．０にすれば、第３の発明の効果が得られる。

第４の発明は、第２の発明において、端子部１の部材の弾性率を上部フィルター３の部材の弾性率より小さくしたことを特徴とする。一例としてアルカリ蓄電池において、端子部１の部材としてニッケルを選択し、上部フィルター３の部材としてニッケルメッキを施した鉄を選択すれば、端子部１と上部フィルター３の厚みが同じであっても、第３の発明が成立する。この一例に沿って、端子部１の部材としてニッケルやアルミニウムや鉄を含む部材を選択し、上部フィルター３の部材として鉄やステンレスを含む部材を選択し、かつ端子部１の部材の弾性率が上部フィルター３の部材の弾性率より小さくなる組合せにすれば、第３の発明の効果が得られる。

第５の発明は、第２の発明において、端子部１にスリット開孔部を設けたことを特徴と
する。図２は第５の発明における端子部１の特徴部分を示す図である。図２のように端子部１の壁面にスリット開孔部８を入れることにより、端子部１と上部フィルター３の部材や厚みが同一であっても、第２の発明の効果が得られるようになる。なおスリット開口部８の大きさ、形状、数などは適宜選択できる。

第６の発明は、第１の発明において、端子部１が上部フィルター３に接する根元部分にＲ形状を設けたことを特徴とする。端子部１を上部フィルター３などの弁室と別部品化しても、衝撃が加わった際の方向によっては端子部１の変形箇所が上部フィルター３の変形を促す虞がある。図１に示すように端子部１が上部フィルター３に接する根元部分にＲ形状を設けることで、上述した虞を排除できる。

第７の発明は、第１の発明において、端子部１に排気口４を設けつつ上部フィルター３を覆うように接続し、端子部１の排気口４を上部フィルター３の排気口４と連通させたことを特徴とする。図３（ａ）は第７の発明の密閉型二次電池の封口板の概観を示す斜視図であり、図３（ｂ）は断面構造を示す模式図である。図７に示すように、上部フィルター３を覆うように排気口４を設けた端子部１を接続することにより、弁室の上部を二重に保護できるので好ましい。さらに端子部１の排気口４を上部フィルター３の排気口４と連通させることで、弁作動圧に達した時に十分な排気能力を発揮できる。

本発明の密閉型二次電池に関して、さらに詳述する。

下部フィルター２には、アルカリ蓄電池の場合は鉄やステンレスを含む部材など、リチウムイオン二次電池の場合はアルミニウム、鉄およびステンレスを含む部材などを選択することができる。

弁体５には、エチレンプロピレンゴムやニトリルゴムなどの樹脂弁体、らせん状や板状のばね式弁体などを選択することができる。

ニッケル−水素蓄電池の場合、発電要素は水酸化ニッケルを活物質とする正極と、水素吸蔵合金を活物質とする負極と、主に不織布からなるセパレータとで構成される。またニッケル−カドミウム蓄電池の場合、発電要素は水酸化ニッケルを活物質とする正極と、カドミウムを活物質とする負極と、主に不織布からなるセパレータとで構成される。さらにリチウムイオン二次電池の場合、発電要素はリチウム複合酸化物を活物質とする正極と、黒鉛などリチウムを吸蔵しうる材料を活物質とする負極と、微多孔性フィルムからなるセパレータとで構成される。

これらの発電要素を金属ケース６に収納し、電解液（アルカリ蓄電池の場合はアルカリ水溶液、リチウムイオン二次電池の場合はリチウム塩を溶解させた有機溶媒）を注入した後、上述した封口板の外周部を、絶縁体７を介して発電要素を収納した金属ケース６の上部とかしめることにより一体化し、密閉型二次電池を形成している。

以下、本発明の実施例について記す。なお実施例としてニッケル−水素蓄電池を用いた場合を示すが、ニッケル−カドミウム蓄電池やリチウムイオン二次電池に本発明の封口板を用いても同様の効果を得られることは云うまでもない。

（実施例１）
水酸化ニッケルに導電剤として水酸化コバルトを添加し、水に分散させたスラリーを発泡ニッケル多孔体に充填・乾燥し、圧延した後に所定寸法に切断し、正極を得た。一方水素吸蔵合金に導電剤としてカーボンブラック、結着剤としてスチレン−ブタジエンゴム共
重合体微粒子、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースを添加し、水に分散させたペーストをパンチングメタルに塗着し、圧延した後に所定寸法に切断し、負極を得た。これら正負極をポリプロピレン製不織布からなるセパレータを介して捲回し、ニッケル−水素蓄電池の発電要素を得た。

この発電要素を金属ケース６に収納した後、電解液として水酸化カリウム水溶液を注入し、図１に示す本発明の封口板を金属ケース６の上部に設置し、かしめることによって公称容量２．０Ａｈの円筒型ニッケル−水素蓄電池を得た。これを実施例１の電池とする。

なお実施例１の電池に用いた弁体５はエチレンプロピレンゴム製であり、これを厚さ０．４ｍｍの上部フィルター３と厚さ０．６ｍｍの下部フィルター２からなる弁室に、下部フィルター２の排気口４を塞ぐように挟持させることにより、弁作動圧を２．０ＭＰａに設定した。さらにこの上部フィルター３の上面に厚さ０．４ｍｍの端子部１（根元部分にＲなし）を溶接した。なお上部フィルター３、下部フィルター２、端子部１の部材としてニッケルメッキを施した鉄を用いた。

（実施例２）
実施例１に対し、端子部１の厚さを０．２ｍｍとした以外は、実施例１と同様に電池を構成した。これを実施例２の電池とする。

（実施例３）
実施例１の電池に対し、端子部１の部材を厚さ０．４ｍｍのニッケルとした以外は実施例１と同様の電池を構成した。これを実施例３の電池とする。

（実施例４）
実施例１の電池に対し、図２に示すように端子部１の側面に縦１．０ｍｍ、横０．８ｍｍのスリット開孔部８を４箇所開けた以外は実施例１と同様の電池を構成した。これを実施例４の電池とする。

（実施例５）
実施例２に対し、突出端子の根元部分にＲ＝０．４ｍｍのＲ形状を設けた以外は実施例２と同様の電池を構成した。これを実施例５の電池とする。

（実施例６）
実施例１に対し、図３に示すように、端子部１に排気口４を設けつつ上部フィルター３を覆うように接続し、この端子部１の排気口を上部フィルター３の排気口４と連通させてある以外は実施例１と同様の電池を構成した。これを実施例６の電池とする。

（比較例１）
実施例１に対し、封口板を図４に示す従来構造とした以外は、実施例１と同様に電池を構成した。これを比較例１の電池とする。

上述した電池に対し、１．０Ａの電流で２．４時間充電した後、２．０Ａの電流で１．０Ｖまで放電するサイクルを５回繰り返した後、高さ２ｍ、内径１５ｍｍのパイプを用いて電池を３回落下させ、封口板の端子部にダメージを加えた。この後以下に示す評価を行った。
（弁作動圧測定）
各例の電池を５個ずつ分解して封口板を取り出し、所定の流量計を用いて弁作動圧を測定した。初期設定値である２．０ＭＰａからのずれを平均し、百分率で（表１）に示した。
（連続過充電試験）
各例の電池を２０個ずつ、２．０Ａの電流で５時間充電した。その中で電池の変形があったものを、その程度（軽微か重度か）によって分けて（表１）に示した。

（表１）からわかるように、従来構造の封口板を用いた比較例１は、端子部１に加わった衝撃が一体部品である弁室の変形を引き起こし弁体５の弁作動圧が設定値から大幅に上昇し、連続充電時に発生するガスを十分に電池外に排出できず、半数近くが重度の電池変形をきたした。これに比べ本発明の実施例１では、衝撃が直接加わる端子部１と、上部フィルター３および下部フィルター２からなり弁体５を収納する弁室を別の部品にすることで、衝撃のダメージが直接弁体に加わりにくい構造になっているため電池の変形度合いが大幅に改善されている。また実施例２、実施例３、実施例４では実施例１より強度を弱くした端子部１が変形の際に衝撃の吸収材として機能し、上部フィルター３および弁体５への影響をさらに緩和することができたため、弁作動圧の変化がほとんどみられず電池の変形度合いがより低減できた。

実施例５は端子部１の根元部分にＲ形状を設けているので、電池の変形度合いはさらに改善できた。これはＲ形状を設けることで端子部１の根元部分から上部フィルター３に伝わる衝撃を分散させることができるので、上部フィルター３へのダメージがより軽減されたものと考えられる。

実施例６は端子部１に排気口４を設けて上部フィルター３を覆うように接続することで、弁室の上部を二重に保護しているので、上部フィルター３および弁体５への影響をより緩和できた結果、比較例１および実施例１よりも電池の変形度合いが低減したと考えられる。

本発明により耐衝撃性の高い密閉型二次電池が提供できるので、特にユーザーの誤動作で落下や衝撃の加わる可能性の高い乾電池互換形状の市販用二次電池などに有望である。

（ａ）本発明の密閉型二次電池の封口板の一形態の概観を示す斜視図、（ｂ）同断面構造を示す模式図 本発明の密閉型二次電池の封口板の一形態における端子部１の特徴部分を示す図 （ａ）本発明の密閉型二次電池の封口板の他の形態の概観を示す斜視図、（ｂ）同断面構造を示す模式図 従来の密閉型二次電池の封口板の断面構造を示す模式図

符号の説明

１ 端子部
２ 下部フィルター部
３ 上部フィルター部
４ 排気口
５ 弁体
６ 金属ケース
７ 絶縁体
８ スリット開孔部

Claims (7)

1. 発電要素と、発電要素を内部に収納した金属ケースと、金属ケースの上部を密閉する封口板からなる密閉型二次電池であって、
   前記封口板は、
   排気口をそれぞれ有する上部フィルターおよび下部フィルターと、
   前記上部フィルターと前記下部フィルターとによって構成される弁室と、
   前記下部フィルターの排気口を塞ぐように前記弁室に収められた弁体と、
   前記上部フィルターの上部に突出するように接続された端子部と、
   からなることを特徴とする密閉型二次電池。
2. 前記端子部の強度を、前記上部フィルターの強度より弱くしたことを特徴とする請求項１記載の密閉型二次電池。
3. 前記端子部の厚みを、前記上部フィルターの厚みより薄くしたことを特徴とする請求項２に記載の密閉型二次電池。
4. 前記端子部の部材の弾性率を、前記上部フィルターの部材の弾性率より小さくしたことを特徴とする請求項２に記載の密閉型二次電池。
5. 前記端子部にスリット開孔部を設けたことを特徴とする請求項２に記載の密閉型二次電池。
6. 前記端子部が前記上部フィルターに接する根元部分にＲ形状を設けたことを特徴とする請求項１に記載の密閉型二次電池。
7. 前記端子部に排気口を設けつつ前記上部フィルターを覆うように接続し、前記端子部の排気口を前記上部フィルターの排気口と連通させたことを特徴とする請求項１に記載の密閉型二次電池。

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