JP2009176631A - アルカリ電池用集電棒、アルカリ電池 - Google Patents

Abstract

【課題】金属材料の使用量を抑制しつつ集電効率を向上させることができるアルカリ電池用集電棒を提供すること。
【解決手段】本発明のアルカリ電池用集電棒７１は、有底筒状をなすアルカリ電池用正極缶２１の開口部２２を封口するように配置される負極集電体６０の構成要素である。このアルカリ電池用集電棒７１は、導電性金属製かつ中空状の棒材７０からなり、例えば、開口された先端部７１ｂを有していてもよい。この場合、開口された先端部７１ｂは、細くあるいは丸くなるように加工されていてもよい。そして、このアルカリ電池用集電棒７１を使用することでコスト性及び放電性能に優れたアルカリ電池１１を提供することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アルカリ電池用正極缶の開口部を封口するように配置される負極集電体の構成要素であるアルカリ電池用集電棒、及びそれを用いて構成されたアルカリ電池に関するものである。

従来における一般的なアルカリ電池は、有底筒状をなす正極缶の開口部を封口するための部材である負極集電体を備えている。かかる負極集電体は、例えば、導電金属製の平板状の負極電極板、その負極電極板に溶接により固着された導電金属製の集電棒、中心部にボス部を有する樹脂製の封口ガスケットなどにより構成されている（例えば、特許文献１、２参照）。負極集電体を構成する封口ガスケットのボス部にはボス孔が貫通形成され、集電棒はそのボス孔に挿通される。そして、この集電棒の先端側は負極活物質中に挿入配置されるようになっている。

負極集電体を構成する集電棒は、通常、銅または銅合金の線材を用いてそれを所定長さにカットすることで形成されている。また、このような集電棒の一端には、負極電極板に溶接される部分であるヘッダ部がプレス加工されることもある。
特開２００７−８０５７４号公報 特開２０００−２９４２０６号公報

ところで、アルカリ電池における放電性能の向上を実現するためには、集電棒の表面積（集電面積）を多く確保して集電効率の向上を図ることが必須とされ、その具体的な対策として従来では集電棒を太くすることが提案されている。しかしながら、この構造を採用した場合、金属材料の使用量が増えることで省資源化を図ることができず、コスト的に高くなってしまう。

また、このような対策以外のものとしては、例えば、集電棒の表面に凹凸加工を施したり、集電棒全体をスパイラル状に湾曲加工したり、集電棒全体をメッシュ状に形成したりする等の対策が一応提案されている。ところが、これらの構造を採用しようとすると、集電棒の加工が非常に面倒になり、コスト的に高くなってしまう。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、金属材料の使用量を抑制しつつ集電効率を向上させることができるアルカリ電池用集電棒を提供することにある。また、本発明の別の目的は、上記の優れたアルカリ電池用集電棒を使用することでコスト性及び放電性能に優れたアルカリ電池を提供することにある。

上記課題を解決するための手段［１］〜［６］を以下に列挙する。
［１］有底筒状をなすアルカリ電池用正極缶の開口部を封口するように配置される負極集電体の構成要素であり、導電性金属製かつ中空状の棒材からなることを特徴とするアルカリ電池用集電棒。従って、上記手段１によると、アルカリ電池用集電棒が中空状の棒材からなるため、中空状でない棒材からなる従来の集電棒に比べて、負極活物質との接触面積が増加する。よって、金属材料の使用量を抑制しつつ集電効率を向上させることができる。また、スパイラル状やメッシュ状に形成した集電棒ほど複雑な形状ではないので、高コスト化も回避できる。

［２］開口された先端部を有していることを特徴とする手段１に記載のアルカリ電池用集電棒。従って、上記手段２によると、開口された先端部内を介して棒材内部の中空部に負極活物質が入り込みやすくなるため、負極活物質との接触面積を確実に増加させることができる。

［３］開口された先端部を有するとともに、その先端部が細くあるいは丸くなるように加工されていることを特徴とする手段１に記載のアルカリ電池用集電棒。従って、上記手段３によると、開口された先端部内を介して棒材内部の中空部に負極活物質が入り込みやすくなるため、負極活物質との接触面積を確実に増加することができる。しかも、集電棒を封口ガスケットに挿入する際の先端部の挿入抵抗が小さくなるので、先端部の引っ掛かりによる封口ガスケットの変形や破損が未然に防止されるとともに、組み付け作業が容易になる。

［４］基端部において負極活物質に接触しない位置に、内面及び外面を連通させる連通口が形成されていることを特徴とする手段１乃至３のいずれか１項に記載のアルカリ電池用集電棒。従って、上記手段４によると、集電棒の先端側を負極活物質中に挿入配置する際に、棒材内部の中空部の空気が排出されてその代わりに負極活物質が入り込む。よって、棒材自体が細くても負極活物質を確実に入り込ませることができ、負極活物質との接触面積を確実に増加させることができる。

［５］前記棒材は、銅製または銅合金製でありかつ化学研磨またはめっきが施されていることを特徴とする手段１乃至４のいずれか１項に記載のアルカリ電池用集電棒。従って、上記手段５によると、化学研磨を施すことで棒材表面に付着した不純物が除去され、あるいはめっきを施すことで当該不純物が被覆されるため、不純物による影響が解消され、電池内でのガスの発生を防ぐことができる。

［６］手段１乃至５のいずれか１項に記載の集電棒を用いて構成されたアルカリ電池。従って、上記手段６によると、集電棒と負極活物質との接触面積が増加する結果、放電反応を効率よく起こさせることが可能となる。

以上詳述したように、請求項１〜５に記載の発明によると、金属材料の使用量を抑制しつつ集電効率を向上させることができるアルカリ電池用集電棒を提供することができる。請求項６に記載の発明によると、上記の優れたアルカリ電池用集電棒を使用することでコスト性及び放電性能に優れたアルカリ電池を提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態のアルカリ電池１１を図１，図２に基づき詳細に説明する。
図１には、本実施形態におけるＬＲ６型（単３型）の円筒形アルカリ乾電池１１が示されている。この円筒形アルカリ乾電池１１を構成する正極缶２１は、電池ケースを兼ねる有底円筒形の鋼材製部材であって、その内部にある空間には発電要素３０（正極合剤３１、セパレータ４１及び負極合剤５１）が収納可能となっている。正極缶２１の底部中央には突起状の正極端子２４が形成されている。正極缶２１の内表面及び外表面には、鋼材中の鉄がアルカリで腐食されるのを防ぐためにニッケルめっき（図示略）が施されている。また、正極缶２１の内表面側のニッケルめっき上には、導電性の向上のためにカーボン等からなる導電膜（図示略）が形成されている。このような正極缶２１の外表面には、絶縁性の付与及び意匠性の向上等のために外装ラベル２３が巻き付けられている。

正極缶２１の内部には、中空円筒状に成形された３個の正極合剤３１が縦積みかつ同心状に収納されている。発電要素３０の一部をなす正極合剤３１は、二酸化マンガン及び黒鉛を所定比率で混合し、それにバインダーを添加した材料を成形して得た部材である。これら正極合剤３１の内側には、ビニロン繊維やレーヨン繊維を基材とした混抄紙からなる有底円筒状のセパレータ４１が挿入されている。セパレータ４１及び正極合剤３１中には、強いアルカリ性を示す電解液が浸潤されている。セパレータ４１の中空部には、亜鉛粉、ゲル化剤、アルカリ電解液などを混合してなるゲル状の負極合剤５１が充填されている。ゲル化剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸及びその塩類等が好適である。アルカリ電解液としては、例えば、水酸化カリウム水溶液などが好適である。

図１に示されるように、正極缶２１の開口部２２の内面側には、複数の部品を組み付けてなる負極集電体６０が装着されてかしめ付けられ、その結果として正極缶２１が液密に封口されている。この負極集電体６０は、負極端子板６１と、集電棒７１と、封口ガスケット８１とによって構成されている。

封口ガスケット８１は、ナイロン樹脂等の合成樹脂材料を用いて形成された射出成形部品であって、負極集電体６０の中心軸に沿って見ると円形状をなしている。この封口ガスケット８１は、ボス部８２、平板部８３、外周リブ部８５などを備えており、負極端子板６１よりも内面側に配置されている。円筒状を呈するボス部８２は、封口ガスケット８１の中央部に位置している。ボス部８２を貫通するボス孔８２ａ内には、集電棒７１が挿通可能となっている。また、ボス孔８２ａと集電棒７１との間にはシール剤（図示略）が塗付されている。平板部８３はボス部８２の外周面に一体的に連結されており、外周リブ部８５は屈曲部を介して平板部８３の外面側外周縁に沿って一体的に設けられている。

負極端子板６１はニッケルめっき鋼板等のような導電性金属製の板材からなる。この負極端子板６１は、外側面に平坦な端子面が形成された中央平板部６２と、この中央平板部６２の外周部に一体的に形成された環状凹部６３とを備えている。中央平板部６２の内側面は封口ガスケット８１に接していないが、環状凹部６３の内側面は封口ガスケット８１に接触している。

図１，図２（ｄ）に示されるように、本実施形態における集電棒７１は、導電性金属からなる中空状の棒材７０である。この集電棒７１は、開口された先端部７１ｂを有する一方で、閉口された基端部７１ａを有しており、その内部に中空部７６が存在している。集電棒７１の基端部７１ａは、ボス部８２のボス孔８２ａに挿通されている。基端部７１ａに設けられたフランジ状のヘッダ部７２は、負極端子板６１の中央平板部６２の中央部に対してスポット溶接等により固着されている。その結果、負極端子板６１の中央平板部６２に対して垂直な方向に集電棒７１が延出している。一方、集電棒７１の先端部７１ｂは、負極合剤５１中に挿入配置されるようになっている。棒材７０を形成している導電性金属として、本実施形態では銅または銅合金（真鍮など）が好適に使用される。この場合、棒材７０の表面には化学研磨またはめっきが施されていてもよい。化学研磨としては例えば混酸などを用いたキリンス処理等が好適であり、この処理によれば棒材７０の表面に付着した不純物が除去される。また、めっきとしては亜鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）、チタン（Ｔｉ）及びインジウム（Ｉｎ）のうちから選択される少なくとも１種のめっきが好適であり、この処理によれば当該不純物が被覆される。

また、集電棒７１の基端部７１ａにおいて、ヘッダ部７２から若干離間した位置には、棒材７０の内面７４及び外面７５を連通させる連通口７３が２つ形成されている。集電棒７１の先端部７１ｂを負極合剤５１中に挿入配置したときでも、これらの連通口７３は負極合剤５１に接触しないようにあらかじめその形成位置が設定されている。また、これらの連通口７３は、ボス部８２の下方に位置するように設定されている。

次に、図２に基づいて本実施形態の集電棒７１の製造手順を説明する。

まず、銅または銅合金からなる中空状（チューブ状）の棒材７０を用意する（図２（ａ）参照）。次に、この棒材７０の所定箇所に対する穴あけ加工を行って、棒材７０の内面７４及び外面７５を連通させる連通口７３を形成する（連通口形成工程、図２（ｂ）参照）。次に、金型等を用いてその棒材７０を所定の長さに切断する（棒材切断工程、図２（ｃ）参照）。そして、切断された棒材７０の基端部７１ａ側を別の金型でプレス加工することにより、ヘッダ部７２を成形する（図２（ｄ）参照、成形工程）。成形工程を経ると、開口していた棒材７０の基端部７１ａ側が閉口される。さらに、必要に応じて、棒材７０の表面には化学研磨またはめっきが施すことで、所望の集電棒７１を得ることができる。

そして、得られた上記の集電棒７１を用いて負極集電体６０を構成し、この負極集電体６０を、発電要素３０が収容された正極缶２１の開口部２２にカシメつけ、液密的に封口する。その結果、図１のアルカリ電池１１が完成する。

以下、上述した実施形態をより具体化した実施例を説明する。

Ａ．評価用サンプルの作製

ここでは、同重量の真鍮材（Ｃ２７００相当の黄銅材）を１本につき約０．３５ｇ使用し、全長約３０ｍｍの集電棒を３種類作製した。比較例のサンプルは、中空状でない棒材を用いて従来タイプの集電棒（外径１．３ｍｍφ）を作製し、これにスズめっきを施したものとした。実施例１のサンプルは、中空状の棒材７０を用いて外径１．５ｍｍφの集電棒７１を作製し、これにスズめっきを施したものとした。実施例２のサンプルは、中空状の棒材７０を用いて外径２．０ｍｍφの集電棒７１を作製し、これにスズめっきを施したものとした。そして、これら３種類の集電棒７１を用いてＬＲ６型のアルカリ電池１１を作製し、放電性能を比較すべく下記の試験を行った。

Ｂ．評価試験の方法及び結果
放電性能試験の方法としては、温度を２０℃±２℃に設定し、３００ｍＡかつ５９．５秒間の放電と、２０００ｍＡかつ０．５秒間の放電とを繰り返し、終始電圧１．０Ｖに至るまでの放電サイクル数を測定した。その結果を表１に示す。なお、放電サイクル数は、比較例を１００としたときの指数で表すこととした。

表１に示されるように、実施例１，２を用いたアルカリ電池１１は、いずれも放電サイクル数が１００を超えており、比較例に比べて高い放電性能が付与されていることがわかった。また、実施例１と実施例２とを比較すると、より大きな集電面積を有する実施例２のほうが良い結果を示した。

Ｃ．結論
従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施形態の集電棒７１は、導電性金属製かつ中空状の棒材７０からなるため、中空状でない棒材からなる従来の集電棒に比べて、負極合剤５１との接触面積が増加している。しかも、この集電棒７１は外面７５のみならず内面７４も有しており、その分、負極合剤５１との接触面積も多くなっている。よって、金属材料の使用量を抑制しつつ集電効率を向上させることができる。また、スパイラル状やメッシュ状に形成した集電棒ほど複雑な形状ではないので、高コスト化も回避することができる。従って、この集電棒７１を用いて製造されたアルカリ電池１１は、コスト性及び放電性能に優れたものとなる。

（２）この集電棒７１は開口された先端部７１ｂを有している。よって、その開口された先端部７１ｂを介して、棒材７０内部の中空部７６に負極合剤５１が入り込みやすくなる。このため、集電棒７１と負極合剤５１との接触面積を確実に増加させることができる。

（３）しかも、集電棒７１の基端部７１ａにおいて、負極合剤５１に接触しない位置には、棒材７０の内面７４及び外面７５を連通させる連通口７３が２つ形成されている。ゆえに、集電棒７１の先端部７１ｂを負極合剤５１中に挿入配置する際、棒材７０内部の中空部７６の空気が排出されて、その代わりに中空部７６に負極合剤５１が入り込む。よって、棒材７０自体が細くても負極合剤５１を確実に入り込ませることができ、棒材７０の外面７５のみならず内面７４も負極合剤５１に接触させることができる。ゆえに、集電面積が多く確保され、集電効率をいっそう向上させることができる。

（４）本実施形態の集電棒７１は、従来の中空状でない棒材を使用した集電棒とほぼ同様の手順を経て製造することが可能である。このため、集電面積が多いにもかかわらず、スパイラル状やメッシュ状のものに比べて簡単に製造することができる。

なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施形態では、本発明をＬＲ６型（単３型）の円筒形アルカリ電池に具体化したが、他のタイプの円筒形アルカリ電池、例えば、ＬＲ２０型（単１型）、ＬＲ１４型（単２型）、ＬＲ１型（単５型）、ＬＲ０３型（単４型）などに具体化してもよい。

・上記実施形態の各実施例における集電棒７１では、棒材７０の表面にスズめっきを施したが、スズめっき以外のめっき（例えば、亜鉛めっき、チタンめっきまたはインジウムめっき）を施してもよい。

・図３（ａ）〜（ｃ）に示す別の実施形態の集電棒７１Ａ〜７１Ｃのように構成してもよい。図３（ａ）に示す集電棒７１Ａは、開口された先端部７１ｂが細くなるようにテーパ状に加工形成されている。図３（ｂ）に示す集電棒７１Ｂは、開口された先端部７１ｂが細くかつ丸くなるように加工形成されている。図３（ｃ）に示す集電棒７１Ｃは、開口された先端部７１ｂが細くなるようにテーパ状に加工形成されているが、棒材７０の厚さが徐々に薄くなっている。従って、これら形態によると、集電棒７１Ａ〜７１Ｃを封口ガスケット８１に挿入する際の先端部７１ｂの挿入抵抗が小さくなる。このため、先端部７１ｂの引っ掛かりによる封口ガスケット８１の変形や破損が未然に防止されるとともに、組み付け作業が容易になる。

・図３（ｄ）に示す別の実施形態の集電棒７１Ｄは、開口された先端部７１ｂを有しているが、その先端部７１ｂが太くなる（広がる）ように加工されている。このような形状の太い先端部７１ｂは、集電体組み付け時の便宜を考慮して、封口ガスケット８１への挿入配置後に行うことがよい。そして、このような構成によると、その開口された先端部７１ｂを介して、棒材７０内部の中空部７６に負極合剤５１が入り込みやすくなる。このため、集電棒７１と負極合剤５１との接触面積を確実に増加させることができる。

・上記実施形態では、棒材７０表面へのめっきを成形工程後に行ったが、成形工程、連通口形成工程あるいは棒材切断工程の前に行うようにしてもよい。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記棒材の基端部が、閉口したヘッダ部となるように加工されていることを特徴とするアルカリ電池用集電棒。

（２）請求項１乃至４のいずれか１項において、前記棒材は、銅製または銅合金製であり、かつ、亜鉛、錫、チタン及びインジウムのうちから選択される少なくとも１種のめっきが施されていることを特徴とするアルカリ電池用集電棒。

（３）請求項１において、開口された先端部を有するとともに、その先端部が広がるように加工されていることを特徴とするアルカリ電池用集電棒。

（４）中空状の導電性金属からなる線材に対する穴あけ加工を行い連通口を形成する連通口形成工程と、前記線材を所定長さに切断する切断工程と、前記線材の一端をプレス加工して溶接のためのヘッダ部を形成する成形工程と、を含む請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアルカリ電池用集電棒の製造方法。

本発明を具体化した実施形態のアルカリ電池を示す断面図。 （ａ）〜（ｄ）は実施形態のアルカリ電池用集電棒の製造手順を示す概略説明図。 （ａ）〜（ｄ）は別の実施形態のアルカリ電池用集電棒の要部を示す部分破断断面図。

符号の説明

１１…アルカリ電池
２１…アルカリ電池用正極缶
２２…開口部
６０…負極集電体
７０…棒材
７１，７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ，７１Ｄ…アルカリ電池用集電棒
７１ｂ…先端部
７１ａ…基端部
５１…負極活物質としての負極合剤
７３…連通口
７４…内面
７５…外面

Claims (6)

1. 有底筒状をなすアルカリ電池用正極缶の開口部を封口するように配置される負極集電体の構成要素であり、導電性金属製かつ中空状の棒材からなることを特徴とするアルカリ電池用集電棒。
2. 開口された先端部を有していることを特徴とする請求項１に記載のアルカリ電池用集電棒。
3. 開口された先端部を有するとともに、その先端部が細くあるいは丸くなるように加工されていることを特徴とする請求項１に記載のアルカリ電池用集電棒。
4. 基端部において負極活物質に接触しない位置に、内面及び外面を連通させる連通口が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアルカリ電池用集電棒。
5. 前記棒材は、銅製または銅合金製でありかつ化学研磨またはめっきが施されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアルカリ電池用集電棒。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の集電棒を用いて構成されたアルカリ電池。

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