JP2009016079A - 筒型電池の封口構造、およびアルカリ電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池内部の急激な内圧上昇によって安全弁が開口した際、電池内容物による開口の再閉塞を防止し、電池の破裂を確実に防ぐことができる筒型電池の封口構造を提供する。
【解決手段】中央に棒状集電子３４を挿通するボス部４１を備えた略円盤状の封口ガスケット４０と、当該ガスケット４０の上面にボス部４１と同心円状に密着・固定された金属製リング５０とを備え、前記封口ガスケット４０は、ボス部４１の外周に沿って溝状に形成されて前記円盤の厚さが肉薄となる第１の肉薄部４４ａと、前記円盤下面の前記ボス部４１と当該ガスケット４０の外周に向けてドーナツ状に肉薄となる第２の薄肉部４４ｂとが設けられている筒状電池の封口構造とした。
【選択図】図１

Description

この発明は筒型電池の封口構造に関し、とくに、防爆安全弁の機能を備えたアルカリ電池に適用して有効である。

ＬＲ６など、筒型の密封型アルカリ乾電池では、正極合剤、セパレータ、負極合剤からなるアルカリ発電要素が有底円筒状の金属製電池缶に収容されているとともに、その電池缶の開口部が樹脂製ガスケットを用いて気密封口されている。図３にＬＲ６型アルカリ乾電池の構造を示した。当該電池２０は、有底筒状の金属製電池缶（正極缶）２１、環状に成形された正極合剤３１、この正極合剤３１の内側に配設されたセパレータ３２、亜鉛合金を含んでセパレータ３２の内側に充填される負極ゲル３３、この負極ゲル３３中に挿入された負極集電子３４、負極端子板２３、封口ガスケット４０などにより構成される。この構造において、正極合剤３１、セパレータ３２、負極ゲル３３が、電解液の存在下でアルカリ電池２０の発電要素３０を形成する。

正極缶２１は電池ケースを兼ねるとともに、正極合剤３１に直接接触することにより、正極集電体と正極端子２２を兼ねる。負極ゲル３３中に挿入された棒状の金属製負極集電子３４は、皿状の金属製負極端子板２３の内面に溶接により立設固定されている。負極端子板２３、負極集電子３４および封口ガスケット４０は、あらかじめ一体に組み合わせられており、封口ガスケット４０の外周部が正極缶２１の開口縁部と負極端子板２３の周縁部との間にかしめられるなどして挟持されて正極缶２１が気密シールされる。

筒型電池における従来の封口構造（封口ガスケット）について、その一例を図４（Ａ）（Ｂ）に示した。封口ガスケット４０は、電池缶２１を気密封止するために、ボス部４１、外周部（環状パッキング部）４２、隔壁部４３を一体に有するとともに、防爆安全機構として作動する薄肉部４４がボス部４１と隔壁部４３の間に形成されている。この防爆安全機構は、電池の誤使用による過放電や強制充電などで、電池内部にガスが発生し急激に内圧が上昇した場合に動作する。

具体的には、電池内部に急激にガス発生して電池内圧が異常上昇した際、上記薄肉部４４が安全弁として先行破断し、電池内部のガスを外部へ逃がすようになっている。それによって、電池が破裂するのを防止している。（Ａ）は、安全弁となる薄肉部４４が図中点線で示したように、ボス部４１から封口ガスケット４０の外周に向けて放射状に二カ所ある例（従来例１）であり、（Ｂ）は、薄肉部４４がボス部外周に沿ってボス部と同心円状に溝状に形成されている例（従来例２）である。

なお、従来の封口構造については、以下の特許文献１などに記載されている。また、封口構造の改良技術として、安全弁の作動空間を広くしてより容易に電池内圧が開放されるようにした封口構造の改良技術が特許文献２に記載されている。当該文献２には、封口板とガスケットとの間にスペーサとしてリングを介在させて負極端子板などの封口板と封口ガスケットの隔壁との間の空間を広げ、この空間を安全弁がより効果的に開口するための動作空間として確保している。
特開２００１−１２６６９４号公報 特開２００２−１９０２８５号公報

従来の筒型電池の封口構造では、電池内圧の異常上昇時に、封口ガスケット４０の薄肉部４４が先行破断して電池内圧が開放されるが、破断は、薄肉部４４のボスの外周全周に渡ることは希であり、円弧状となる。たとえ円周に渡って破断したとしても、破断形状は、薄肉部４４の溝に沿った幅の狭い亀裂状となる。そのため、爆発的に内圧が上昇した場合では、ガスが亀裂状の幅の狭い破断箇所から一気に外部へ開放しようとする一方で、正極合剤３１や負極ゲル３３などの固形あるいはゲル状の電池内容物もその破断箇所に集まってしまう。それによって、これら内容物が破断による開口を塞いでしまう可能性がある。電池内部でのガス発生は薄肉部３５が破断した後もしばらくの間続くため、破断した開口が閉塞した場合、防爆安全弁の機能が阻害され、最悪、電池が破裂する。つまり、従来の筒型電池の封口構造では、安全弁が作動したとしても、電池の破裂を完全に防止することができなかった。

本発明は以上のような問題を鑑みてなされたものであって、その目的は、電池内部のガス発生時に安全弁が開口した際、電池内容物による開口の再閉塞を防止し、電池の破裂を確実に防ぐことができる筒型電池の封口構造、およびその封口構造を備えたアルカリ電池を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、筒状電池の封口構造であって、中央に棒状集電子を挿通するボス部を備えた略円盤状の封口ガスケットと、当該ガスケットの上面にボス部と同心円状に密着・固定された金属製リングとを備え、前記封口ガスケットは、ボス部の外周に沿って溝状に形成されて前記円盤の厚さが肉薄となる第１の肉薄部と、前記円盤下面の前記ボス部と当該ガスケットの外周に向けてドーナツ状に肉薄となる第２の薄肉部とが設けられている筒状電池の封口構造とした。

また、前記金属リングの内径は前記ボス部の外径の１．５〜３倍である筒状電池の封口構造としてもよい。前記第２の薄肉部の外周を、前記金属リングの内周より大きくしてもよい。そして、前記第１の薄肉部は、前記封口ガスケットにおいて肉薄となっていない円盤の厚さの１５％〜６５％の厚さであり、前記第２の薄肉部は、当該円盤の厚さの５０％〜８０％であればより好ましい。

前記封口ガスケットは、ポリアミド樹脂を射出成形したものであってもよいし、ポリアミド樹脂の射出成型品を粉砕したものを再生材として用いて射出成形したものであってもよい。また、上記いずれかの封口構造を備えたアルカリ電池も本発明の範囲とした。

本発明の筒型電池の封口構造によれば、電池内部のガス発生による電池の破裂を確実に防止させることができ、この封口構造を備えたより安全な電池を提供することができる。

＝＝＝封口構造＝＝＝
図１に本発明における筒型電池の封口構造を例示した。封口ガスケット４０の上面でボス部４１外周には、従来の封口ガスケットと同様に、ボス部４１と同心円をなす溝状の薄肉部（第１薄肉部）４４ａが設けられているとともに、下面には、ボス部４１外周から封口ガスケット４０の環状パッキング部４２の方向に向かう途中の基点４５にかけて、ボス部４１と同心円面となるように第１薄肉部４４ａとは異なる薄肉部（第２薄肉部）４４ｂが設けられている。また、封口ガスケット４０の上面には、内周がボス部４１と同心円状となる金属製のリング５０が密着載置されている。当該リング５０の径は、封口ガスケット４０の外周を巡る環状パッキン部４２の内径にほぼ一致し、封口ガスケット４０の隔壁部４３の外縁上面と封口板（当該実施形態では負極端子板）２３の鍔状の外周部４７とで挟持されて、固定されている。

この封口構造によれば、第１薄肉部４４ａは、従来の封口構造と同様に、急激な内圧上昇に際して破断する。そして、第２薄肉部４４ｂは、内圧の上昇により負極板２３方向に変形しようとする。しかし、固い金属リング５０が上方にある部分では第２薄肉部４４ｂの変形が阻止される。その結果、封口ガスケット４０の上面で金属リング５０の内周周縁のエッジ５１に当接する部分に強い剪断応力が加わり、第２薄肉部４４ｂは、金属リング内周に沿った部分４６で破断する。したがって、本発明の封口構造によれば、第１薄肉部４４ａに沿った円周と、金属リング５０の内周４６に沿った円周の二つの円周によって形成されるドーナツ状部分６０が安全弁として機能する。そのため、たとえ、二つの円周の双方が亀裂状に開口したとしても、内容物がこれら二つの破断部に分散され、内容物が破断開口を塞いでしまうことがない。したがって、電池の破裂を確実に防止できる。

＝＝＝性能評価試験＝＝＝
上述したように、本発明の封口構造によれば、電池の破裂を確実に防止できる。しかし、強制充電などの電池の誤使用がなくても、高温多湿環境下など、通常の電池使用でも内圧上昇は上昇する。このような緩やかな内圧上昇で安全弁が誤動作して漏液するようでは実用上問題がある。そこで、当該封口構造における各種寸法を、防爆安全機構が誤動作せずに正しく確実に作動するための条件とし、安全に関わる性能と耐漏液に係る性能とについて検討した。具体的には、上記各種寸法を様々に変更した各種封口構造を組み込んだＬＲ２０型アルカリ乾電池をサンプルとして作製した。そして、５Ａの電流で強制充電したときに電池の破裂がしたか否かを試験して安全性能を評価し、６０℃、９０％の高温多湿環境下での漏液の有無を試験して耐漏液性能を評価した。

図２に上記封口構造における各種寸法を示した。封口ガスケット４０の隔壁部４３の厚さＴ、第１薄肉部４４ａの厚さｔ１、第２薄肉部４４ｂの厚さｔ２、ボス部４１の外径、すなわち第１薄肉部４４ａの半径ｒ１、第２薄肉部４４ｂの半径ｒ２、および金属リング５０内周の径ｒ３、を測定し、特定の寸法を変更した際の安全性能と耐漏液性能とを検討した。

＝＝＝実施例１＝＝＝
上記各寸法において金属リング５０の内径ｒ３を変更した各種サンプル１〜６を作製し、各サンプルの安全性能と耐漏液性能を評価し、表１にその評価結果を示した。この表において、金属リング５０の内径ｒ３は、ボス部４１の外径（第１薄肉部の半径）ｒ１を１としたときの相対値である。また、第２薄肉部４４ｂの径ｒ２はｒ１の３倍で、一定とした。評価結果は、総サンプル数中、破裂、あるいは漏液したサンプル（不合格サンプル）の個数（不合格サンプル数／総サンプル数）で示した。

［表１］

金属リング５０の内径ｒ３がボス部４１の外径ｒ１の１．５〜３．０倍の範囲のサンプル３〜５では、全てのサンプルで安全弁が正しく作動し、高温多湿環境下での漏液も発生しなかった。しかし、金属リング５０の内径ｒ３がｒ１の１．２倍のサンプル１では、総サンプル３００個中４個が破裂し、１．４倍のサンプル２では、３００個中１個が破裂した。これは、金属リング５０の内周エッジ５１から第２薄肉部４４ｂの破断部４６までの距離が短いため、第２薄肉部４４ｂの面積のほとんどが金属リング５０の規制下にあり、内圧が上昇しても十分な剪断応力が金属リング５０のエッジ５１に加わらないため破断に至らず、結果的に電池缶が破裂したものと思われる。

また、金属リング５０の内径ｒ３がボス部４１の外径ｒ１に対して３倍、すなわち第２薄肉部４４ｂの径ｒ２より大きくしたサンプル６において、６４個中２個に漏液が発生した。これは、内圧上昇に伴う第２薄肉部４４ｂの変形を規制する金属リング５０が上方になく、実用上問題がない内圧上昇でも第１薄肉部４４ａの一部が破断してしまったためと思われる。いずれにしても、金属リング５０の内径ｒ３がボス外径ｒ１の１．５〜３．０倍（第２薄肉部４４ｂの径の０．５〜１．０倍）となる範囲外では、極めて数が少ないものの不合格となるサンプルが出現した。

＝＝＝実施例２＝＝＝
次に第１薄肉部４４ａの厚さｔ１を変更した各種サンプル７〜１３を作製し、各サンプルの安全性能と耐漏液性能とを評価した。その評価結果を表２に示した。当該評価では、第２薄肉部４４ｂの厚さｔ２を封口ガスケット４５の本来の厚さである隔壁部４３の厚さＴの半分とし、隔壁部４３の厚さＴに対する第１薄肉部４４ａの厚さｔ１を変更して評価した。

［表２］

第１薄肉部４４ａの厚さｔ１が隔壁部４３の厚さＴの０．７倍のサンプル１３では、安全性能試験において１００個中４個が破裂した。これは、内圧上昇により、まず、第１薄肉部４４ａが先行破断することで第２薄肉部４４ｂがより変形しやすくなり、金属リング４０の円周に沿って第２の破断が起き易くなる、という破断プロセスを示唆している。すなわち、第１薄肉部４４ａの厚さｔ１が厚くなると、この破断プロセスにおける第１段階である第１薄肉部４４ａの破断が阻害されてしまうため、電池の破裂に至ったと考えられる。第１薄肉部４４ａの厚さｔ１が隔壁部４３の厚さＴの０．６５倍以下のサンプル７〜１２では破裂した個体が無かった。

また、第１薄肉部４４ａの厚さｔ１を隔壁部４３の厚さＴの０．１５倍より小さくしたｔ１＝０．１２Ｔのサンプル１では、耐漏液性能試験において６４個中４個に漏液が発生した。これは、第１薄肉部４４ａの厚さｔ１が薄すぎるため、実用上問題がない内圧上昇でも第１薄肉部４４ａが破断してしまったためと思われる。

＝＝＝実施例３＝＝＝
さらに、第２薄肉部４４ｂの厚さｔ２を種々変更したサンプル１４〜１７を作製し、各サンプルの安全性能と耐漏液性能とを評価した。その評価結果を表３に示した。当該評価に用いたサンプル１４〜１７では、第１薄肉部４４ａの厚さｔ１が封口ガスケット４５の本来の厚さである隔壁部４３の厚さＴの３０％で一定であり、隔壁部４３の厚さＴに対する第２薄肉部４４ｂの厚さｔ２を変更している。

［表３］

第２薄肉部４４ｂの厚さｔ２が隔壁部４３の厚さＴの０．６倍のサンプル１７では、安全性能試験において、１００個中４個が不合格となった。すなわち、ｔ２＞０．５Ｔの条件では、第２薄肉部４４ｂの厚さｔ２が厚すぎて、急激に内圧が上昇しても安全弁が正常に動作しない可能性があることを示している。

＝＝＝破断形状＝＝＝
本発明の封口構造を採用して、破裂も漏液もせず正常に安全弁が動作したサンプル（３〜５，８〜１２，１４〜１６）について、試験後に封口ガスケットを確認すると、第１薄肉部４４ａの全円周と、第２薄肉部４４ｂの破断部全円周（金属リング内周）で破断していた。すなわち、ボス部４１と金属リング５０の内周とで形成されるドーナツ状領域６０の形状で破断・開口していた。これは、第１薄肉部４４ａの一部が円弧状に先行破断し、第２薄肉部４４ｂがそれに誘発されて破断する際、金属リング５０の内周エッジ５１の部分でその大きな剪断応力によりリング５０内周の全周に沿って円形に破断し、そして、第２薄肉部４４ｂの破断円周が外方向へ捲れ上がって大きく変形し、第１薄肉部４４ａにおける破断不全箇所にもその大きな変形による応力が加わり、最終的に第１薄肉部４４ａも円形に破断したのではないかと思われる。

このように、本発明の封口構造によれば、封口ガスケット４０は、第１および第２薄肉部（４４ａ、４４ｂ）の双方が円弧状に破断するのではなく、これら同心円をなす２つの薄肉部（４４ａ、４４ｂ）がドーナツ状に十分な面積に渡って開口することが分かった。したがって、本発明の封口構造を採用した電池は、急激に内圧が上昇して内容物が破断箇所に集中したとしても、大きく開口した安全弁を通して電池内圧力を速やかに外部に排出し、自身の破裂を確実に防止することができる。

＝＝＝従来例との比較＝＝＝
参考までに、図４（Ａ）に示した上記従来例１と図４（Ｂ）に示した従来例２の封口構造を採用したサンプルとを作製し、５Ａの電流で強制充電し、安全弁が作動するか否か、およびサンプルが破裂するか否かを確認した。当該確認結果を表４に示した。

［表４］

表４において、「本発明」としたサンプルは、上記各実施例におけるサンプルで、安全性能試験および耐漏液性能試験がともに合格になったサンプルである。安全弁の作動については、本発明に係るサンプル、および従来例１、２に係るサンプル全てで作動を確認した。本発明に係るサンプルは２００個中破裂したサンプルは無かった。しかし、従来例１に係るサンプルは、２００個中２個が破裂し、従来例２のサンプルは２００個中１個が破裂した。すなわち、従来の封口構造では、安全弁が作動したとしても、電池内容物が弁の開口を塞ぎ破裂に至る可能性があることを明確にした。一方、本発明の封口構造を採用すれば、電池の破裂を確実に防止できることが立証された。

急激に内圧が上昇した際、破裂を確実に防止する安全性の高い電池を提供することができる。

本発明における封口構造を示す概略図である。 上記封口構造における各部位の寸法を定義するための図である。 アルカリ電池の断面図である。 従来の封口構造を示す概略図である。

符号の説明

２０ アルカリ電池
２１ 電池缶（正極缶）
２２ 正極端子部
２３ 負極端子板
３０ 発電要素
３１ 正極合剤
３２ セパレータ
３３ 負極ゲル
３４ 負極集電子
４０ 封口ガスケット
４１ ボス部
４３ 隔壁部
４４ 薄肉部
４４ａ 第１薄肉部
４４ｂ 第２薄肉部
５０ 金属リング

Claims (7)

1. 筒状電池の封口構造であって、中央に棒状集電子を挿通するボス部を備えた略円盤状の封口ガスケットと、当該ガスケットの上面にボス部と同心円状に密着・固定された金属製リングとを備え、前記封口ガスケットは、ボス部の外周に沿って溝状に形成されて前記円盤の厚さが肉薄となる第１の肉薄部と、前記円盤下面の前記ボス部と当該ガスケットの外周に向けてドーナツ状に肉薄となる第２の薄肉部とが設けられていることを特徴とする筒状電池の封口構造。
2. 前記金属リングの内径は前記ボス部の外径の１．５〜３倍であることを特徴とする請求項１に記載の筒状電池の封口構造。
3. 前記第２の薄肉部の外周は、前記金属リングの内周より大きいことを特徴とする請求項２に記載の筒状電池の封口構造。
4. 前記第１の薄肉部は、前記封口ガスケットにおいて肉薄となっていない円盤の厚さの１５％〜６５％の厚さであり、前記第２の薄肉部は、当該円盤の厚さの５０％〜８０％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の筒状電池の封口構造。
5. 前記封口ガスケットは、ポリアミド樹脂を射出成形してなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の筒状電池の封口構造。
6. 前記封口ガスケットは、ポリアミド樹脂の射出成型品を粉砕したものを再生材として用いて射出成形してなることを特徴とする筒状電池の封口構造。
7. 請求項１〜７のいずれかに記載の封口構造を備えたアルカリ電池。