JP2008262732A - アルカリ乾電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アルカリ乾電池は、二酸化マンガン粉末およびオキシ水酸化ニッケル粉末の少なくとも一方を含む中空円筒状の正極合剤と、亜鉛合金粉末を含むゲル状負極と、正極合剤とゲル状負極との間に配されるセパレータと、ゲル状負極に挿入される負極集電体と、負極集電体と電気的に接続される負極端子板とを具備し、ゲル状負極は正極合剤の中空部内にセパレータを介して充填され、ゲル状負極の正極合剤への充填高さL1、および負極集電体のゲル状負極中への挿入長さL2は、関係式(1):0.72≦L2/L1≦0.86を満たす。
【選択図】図1
Description
そこで、本発明は、上記の従来の問題点を解決するため、簡便、かつ安価な構成で、優れた強放電特性を有するアルカリ乾電池を提供することを目的とする。
前記ゲル状負極の充填高さL1、および前記負極集電体の前記ゲル状負極中への挿入長さL2は、関係式(1):
0.72≦L2/L1≦0.86
を満たすことを特徴とする。
前記ゲル状負極の充填高さL1、および前記負極集電体の前記ゲル状負極中への挿入長さL2は、1.5Wで2秒間定抵抗放電した後、0.65Wで28秒間定抵抗放電するサイクルを繰り返すパルス放電を、1時間あたり10サイクル行い、閉路電圧が1.05Vに達するまでの累計サイクル数が最大となる場合の前記L1に対する前記L2の割合をPmaxとする場合、関係式(2):
0.9Pmax≦L2/L1≦1.07Pmax
を満たすことを特徴とする。
前記胴部は直径1.0〜1.3mmの円柱状であり、かつ前記ゲル状負極の充填高さL1、および前記負極集電体の前記ゲル状負極中への挿入長さL2は、関係式(3):
0.72≦L2/L1≦0.86
を満たすことを特徴とする。
前記負極集電体は、銅または銅を76重量%以上含有する真鍮からなるのが好ましい。
前記ゲル状負極の充填高さL1、および前記負極集電体の前記ゲル状負極中への挿入長さL2は、関係式(1):
0.72≦L2/L1≦0.86
を満たすことを特徴とする。
このような構成とすることにより、アルカリ乾電池の強放電特性を向上させることができる。
前記ゲル状負極の充填高さL1、および前記負極集電体の前記ゲル状負極中への挿入長さL2は、1.5Wで2秒間定抵抗放電した後、0.65Wで28秒間定抵抗放電するサイクルを繰り返すパルス放電を、1時間あたり10サイクル行い、閉路電圧が1.05Vに達するまでの累計サイクル数が最大となる場合の前記L1に対する前記L2の割合をPmaxとする場合、関係式(2):
0.9Pmax≦L2/L1≦1.07Pmax
を満たす。
このような構成とすることにより、アルカリ乾電池の強放電特性を向上させることができる。
前記胴部は、直径1.0〜1.3mmの円柱状であり、かつ前記ゲル状負極の充填高さL1、および前記負極集電体の前記ゲル状負極中への挿入長さL2は、関係式(3):
0.72≦L2/L1≦0.86
を満たす。
このような構成とすることにより、簡便かつ安価な構成で、強放電特性を向上させることができる。負極集電体の胴部の直径および長さを変化させることにより、集電面積および反応効率を容易に制御することができる。
産業的に広く流通していて安価で入手しやすい点で、前記負極集電体としては、銅、または銅を76重量%以上含有する真鍮を用いるのが好ましい。
正極集電体を兼ねる有底円筒形の電池ケース1には、中空円筒状の正極合剤2が内接して収納されている。電池ケース1は、底部に正極端子1aを備える。正極合剤2の中空部には有底円筒形のセパレータ4を介してゲル状負極3が配置されている。電池ケース1の開口部は、組立封口体9により封口されている。
組立封口体9において、負極集電体6の胴部6aは中央筒部5aに設けられた孔に挿入され、負極集電体6の頂部6bは溶接等により負極端子板7の平坦部に電気的に接続されている。電池ケース1の開口端部が封口体5の外周筒部5bとともに内方に折り曲げられ、その折り曲げ部が負極端子板7の周縁部(鍔部)にかしめつけられている。
この時、負極集電体6の胴部6aは、正極合剤2の軸方向に沿って、ゲル状負極3の中心部に所定の長さだけ挿入されている。負極集電体6のゲル状負極3内に挿入されている部分において、ゲル状負極3と負極集電体6とが接触し、実効的に集電効果が発揮される。なお、電池ケース1の外表面は、外装ラベル8により被覆されている。
負極集電体6は、例えば、銀、銅、真鍮等の線材を所定の寸法の釘型にプレス加工して得られる。なお、加工時の不純物を排除し、隠蔽効果を得るため、表面にスズやインジウムでメッキを施すことが好ましい。
負極端子板7は、例えば、ニッケルめっき鋼板、スズめっき鋼板などを所定の寸法、形状にプレス成形することにより得られる。
《実施例1》
下記の手順により、上記の図1と同様の単3形の円筒形アルカリ乾電池(LR6)を作製した。
二酸化マンガン粉末(平均粒径:35μm)と黒鉛粉末(平均粒径:10μm)とを94:6の重量比で混合した。そして、この混合物と、アルカリ電解液とを、100:2の重量比で混合し、充分に攪拌した後、圧縮成形してフレーク状の正極合剤を得た。なお、アルカリ電解液には、35重量%の水酸化カリウム、および2重量%の酸化亜鉛を含有するアルカリ水溶液を用いた。ついで、フレーク状の正極合剤を粉砕して顆粒状とし、これを篩によって分級し、10〜100メッシュのものを中空円筒状に加圧成形してペレット状の正極合剤2を得た。
ゲル化剤としてポリアクリル酸ナトリウム粉末と、アルカリ電解液として上記と同じアルカリ水溶液と、負極活物質として亜鉛合金粉末とを、重量比0.8:33.6:65.6で混合し、ゲル状負極3を得た。なお、亜鉛合金粉末には、0.020重量%のインジウムと、0.010重量%のビスマスと、0.004重量%のアルミニウムとを含有し、体積平均粒子径が150μmで、75μm以下の粒子を35%含む亜鉛合金粉末を用いた。
封口体5は、6、12ナイロンを所定の寸法、形状に射出成型して得た。
負極端子板7は、厚さ0.4mmのニッケルメッキ鋼板を所定の寸法、形状にプレス加工して得た。
負極集電体6は、64 ×10-3μΩ・mの体積抵抗率を有する、銅を66重量%含有した真鍮線条を用いて、特開平5−283080号公報および特開2001−85018号公報記載の公知の方法により、全長が36.0mm、胴部の直径が1.40mmとなるように釘形にプレス加工した後、表面にスズめっきを施すことにより得た。
そして、負極端子板7の中央の平坦部に負極集電体6の頂部を電気溶接した後、封口体5の中央の貫通孔に圧入して、組立封口体9を作製した。
上記で得られた正極合剤2の5.5gを、電池ケース1内に2個挿入し、加圧治具により正極合剤2を加圧して電池ケース1の内壁に密着させた。正極合剤2内側に有底円筒形のセパレータ4を配置した。セパレータ4内に上記と同じアルカリ電解液を1.7g注入した。所定時間経過した後、上記で得られたゲル状負極3をセパレータ4の内側に6.39g充填した。なお、セパレータ4には、ポリビニルアルコール繊維およびレーヨン繊維を主体として混抄した不織布を用いた。電池ケース1の開口端部を、組立封口体9を用いて封口した後、電池ケース1の外表面を外装ラベル8で被覆した。
ゲル状負極3の充填高さを、実施例1の場合と同様に42.0mmと一定として、負極集電体6の実効長さを種々に変えて検討した。すなわち、組立封口体9の組立において、全長が、順に37.0、38.0、39.5、42.0、34.5、44.0mmの負極集電体6を用いた。これに対して、アルカリ乾電池の組立において、ゲル状負極3を順に6.38、6.38、6.37、6.36、6.39,6.35g充填した。これら以外は、実施例1と同様の方法により単3形アルカリ乾電池(LR6)をそれぞれ作製した。
アルカリ乾電池の内部を、X線透視カメラを用いて撮影した。その結果、全てゲル状負極3の充填高さは42.0mmであり、負極集電体6の実効長さは、順に31.3、32.3、33.8、36.3、28.8、38.3mmであることがわかった。すなわち、L2/L1は順に0.75、0.77、0.80、0.86、0.69、0.91であった。
組立封口体の作製において、全長が33.0mmの負極集電体6を用いた。アルカリ乾電池の組立において、ゲル状負極3を6.40g充填した。これら以外は、実施例1と同様の方法により単3形アルカリ乾電池(LR6)を作製した。
また、このアルカリ乾電池の内部を、X線透視カメラを用いて撮影した。その結果、ゲル状負極3の充填高さは42.0mmであり、負極集電体6の実効長さは27.3mmであった。すなわち、L2/L1は0.65であった。
組立封口体の作製において、全長が47.7mmの負極集電体6を用いた。アルカリ乾電池の組立において、ゲル状負極3を6.34g充填した。これら以外は、実施例1と同様の方法により単3形アルカリ乾電池(LR6)を作製した。
また、このアルカリ乾電池の内部を、X線透視カメラを用いて撮影した。その結果、ゲル状負極3の充填高さは42.0mmであり、負極集電体6の実効長さは42.0mmであった。すなわち、L2/L1は1.00であった。
各々5個ずつのアルカリ乾電池を21±2℃の恒温環境の中で、1.5Wで2秒間放電した後、0.65Wで28秒間放電するサイクルを繰り返すパルス放電を、1.05Vに達するまで、1時間あたり10サイクル行った。このようにして、1.05Vに達するまでの累計サイクル数を求めた。そして、サイクル数が、比較例3の電池の(市販の単3形アルカリ乾電池に相当)のサイクル数よりも10%以上向上した場合(110サイクル以上の場合)、強放電特性が良好であると判断した。
その評価結果を表1に示す。なお、表1中のサイクル数は、5個の電池の平均値を示す。なお、表1中の負極集電体の実効長さとは、負極集電体のゲル状負極への挿入長さを意味する。
次に、負極集電体6の胴部の直径について検討した。負極集電体6の実効長さを一定にして、負極集電体6の胴部の直径を変化させることによって、集電面積を制御し、その強放電特性への影響を調べた。
組立封口体の組立において、全長を39.5mmと一定とし、胴部の直径を順に1.30mm、1.20mm、1.10mm、1.00mmと変えた負極集電体5を用いた。これに対して、アルカリ乾電池の組立において、ゲル状負極3を順に6.39、6.41、6.43、6.44g充填した。これら以外は、実施例4と同様の方法により単3形アルカリ乾電池(LR6)を作製した。
また、実施例6〜9のアルカリ乾電池の内部を、X線透視カメラを用いて撮影した。その結果、ゲル状負極3の充填高さは42.0mmであり、負極集電体6の実効長さは、33.8mmであることがわかった。すなわち、L2/L1は0.80であった。
組立封口体の組立において、全長を34.5mmと一定とし、胴部の直径を順に1.20mm、1.00mmと変えた負極集電体5を用いた。これに対して、アルカリ乾電池の組立において、ゲル状負極3を順に6.43、6.46g充填した。これら以外は、比較例3と同様の方法により単3形アルカリ乾電池(LR6)を作製した。
そして、実施例6〜9と比較例5および6のアルカリ乾電池について、上記と同様に強方放電特性を評価した。その結果を表2に示す。
次に、高性能および高信頼性が求められる近年の市場動向を鑑み、以下の本発明の実施例について強放電特性の評価に加えて、誤ってアルカリ乾電池で短絡を生じた場合の電池の発熱に関する評価を行った。
組立封口体9の組立において、負極集電体に55 ×10-3μΩ・mの体積抵抗率を有する銅を76重量%含有する真鍮線条を用い、負極集電体の胴部の直径を順に1.20mm、1.10mm、1.00mmとした。アルカリ乾電池の組立において、ゲル状負極3を順に6.41g、6.43g、6.44g充填した。これら以外は、実施例7と同様の方法により単3形アルカリ乾電池(LR6)を作製した。
組立封口体9の組立において、負極集電体に40 ×10-3μΩ・mの体積抵抗率を有する銅を90重量%含有する真鍮線条を用い、負極集電体の胴部の直径を1.20mmとした。アルカリ乾電池の組立において、ゲル状負極3を6.41g充填した。これら以外は、実施例7と同様の方法により単3形アルカリ乾電池(LR6)を作製した。
組立封口体9の組立において、負極集電体に17 ×10-3μΩ・mの体積抵抗率を有する銅の線材を用い、負極集電体の胴部の直径を1.20mmとした。アルカリ乾電池の組立において、ゲル状負極3を6.41g充填した。これら以外は、実施例7と同様の方法により単3形アルカリ乾電池(LR6)を作製した。
組立封口体9の組立において、負極集電体に16 ×10-3μΩ・mの体積抵抗率を有する銀の線材を用い、負極集電体の胴部の直径を1.20mmとした。アルカリ乾電池の組立において、ゲル状負極3を6.41g充填した。これら以外は、実施例7と同様の方法により単3形アルカリ乾電池(LR6)を作製した。
さらに、実施例7および10〜15のアルカリ乾電池を、ニッケルリード線(厚さ0.1mm、幅5mm、長さ100mm)を用いて、電池ケース1の正極端子1aと負極端子板7とを接続して、短絡させた。そして、このときの負極端子板7の表面温度を熱電対にて測定し、そのときの最高温度を調べた。最高表面温度が100℃以下であれば良好であると判断した。その測定結果を表3に示す。なお、電池の試験数は、5個とし、表3中の数値はその平均値を示す。
負極集電体6の胴部の直径が1.3〜1.5mmであり、L2/L1が0.65前後である従来のアルカリ乾電池では、負極集電体6の発熱の配慮は成されてこなかった。本発明においては強放電特性の向上を目的とするため、アルカリ乾電池が短絡した場合の発熱についての検討が必要不可欠であると考えた。
また、上記実施例では、正極活物質に二酸化マンガンを単独で使用した場合を示したが、正極活物質にオキシ水酸化ニッケルを単独で用い場合や、二酸化マンガンとオキシ水酸化ニッケルとを組み合わせて用いた場合でも、上記と同様の本発明の効果が得られる。
1a 正極端子
2 正極合剤
3 ゲル状負極
4 セパレータ
5 樹脂封口体
5a 中央筒部
5b 外周筒部
5c 薄肉部
6 負極集電体
6a 胴部
6b 頂部
7 負極端子板
8 外装ラベル
9 組立封口体
Claims (5)
- 二酸化マンガン粉末およびオキシ水酸化ニッケル粉末の少なくとも一方を含む中空円筒状の正極合剤と、
亜鉛合金粉末を含むゲル状負極と、
前記正極合剤と前記ゲル状負極との間に配されるセパレータと、
前記ゲル状負極に挿入される負極集電体と、
前記負極集電体と電気的に接続される負極端子板と、
を具備し、
前記ゲル状負極は前記正極合剤の中空部内に前記セパレータを介して充填されたアルカリ乾電池であって、
前記ゲル状負極の充填高さL1、および前記負極集電体の前記ゲル状負極中への挿入長さL2は、関係式(1):
0.72≦L2/L1≦0.86
を満たすことを特徴とするアルカリ乾電池。 - 二酸化マンガン粉末およびオキシ水酸化ニッケル粉末の少なくとも一方を含む中空円筒状の正極合剤と、
亜鉛合金粉末を含むゲル状負極と、
前記正極合剤と前記ゲル状負極との間に配されるセパレータと、
前記ゲル状負極に挿入される負極集電体と、
前記負極集電体と電気的に接続される負極端子板と、
を具備し、
前記ゲル状負極は前記正極合剤の中空部内に前記セパレータを介して充填されたアルカリ乾電池であって、
前記ゲル状負極の充填高さL1、および前記負極集電体の前記ゲル状負極中への挿入長さL2は、1.5Wで2秒間定抵抗放電した後、0.65Wで28秒間定抵抗放電するサイクルを繰り返すパルス放電を、1時間あたり10サイクル行い、閉路電圧が1.05Vに達するまでの累計サイクル数が最大となる場合の前記L1に対する前記L2の割合をPmaxとする場合、関係式(2):
0.9Pmax≦L2/L1≦1.07Pmax
を満たすことを特徴とするアルカリ乾電池。 - 二酸化マンガン粉末およびオキシ水酸化ニッケル粉末の少なくとも一方を含む中空円筒状の正極合剤と、
亜鉛合金粉末を含むゲル状負極と、
前記正極合剤と前記ゲル状負極との間に配されるセパレータと、
前記ゲル状負極に挿入される棒状の胴部、および前記胴部の一方の先端に設けられた頂部を有する負極集電体と、
前記負極集電体の前記頂部と電気的に接続される負極端子板と、
を具備し、
前記ゲル状負極は前記正極合剤の中空部内に前記セパレータを介して充填されたアルカリ乾電池であって、
前記胴部は直径1.0〜1.3mmの円柱状であり、かつ
前記ゲル状負極の充填高さL1、および前記負極集電体の前記ゲル状負極中への挿入長さL2は、関係式(3):
0.72≦L2/L1≦0.86
を満たすことを特徴とするアルカリ乾電池。 - 前記負極集電体の体積抵抗率は、16×10-3μΩ・m以上55 ×10-3μΩ・m 以下である請求項1〜3のいずれかに記載のアルカリ乾電池。
- 前記負極集電体は、銅または銅を76重量%以上含有する真鍮からなる請求項1〜3のいずれかに記載のアルカリ乾電池。
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