JP2010198956A - 密閉型蓄電池 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を増大させることなく、落下などの衝撃を吸収できるような集電体構造として、衝撃を受けても溶接部が外れるのを防止でき、信頼性に優れかつ大電流放電が可能な密閉型蓄電池を提供する。
【解決手段】本発明の密閉型蓄電池は、正極と負極とセパレータとからなる渦巻状電極群を外装缶内に備えている。そして、上記目的を達成するため、渦巻状電極群の下端部と外装缶の内底面との間に略円形状の底部集電体１０が配設されているとともに、底部集電体１０は渦巻状電極群の高さ方向の下端部から下方に突出する一方の電極の芯体に溶接された本体部１１と、本体部１１の中央部で該本体部１１より下方に突出して外装缶の内底面に溶接された舌状部１２とを備え、舌状部１２の本体部１１との付け根部で外装缶の内底面に溶接されない部分には蛇腹状の折曲部１３が形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明はニッケル−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あるいはリチウムイオン電池などに係わり、特に、正極と負極とセパレータとからなる渦巻状電極群を外装缶内に備えた密閉型蓄電池に関する。

密閉型蓄電池においては、一般的に、セパレータを間にして正極と負極とが積層された電極群を渦巻状に巻回して形成された渦巻状電極群が外装缶内に収容されている。また、この渦巻状電極群の上端部に一方の電極の芯体が、下端部に他方の電極の芯体がそれぞれ突出して形成されている。さらに、電池内部で発生した電気エネルギーを効率的に外部に取り出すため、通常、一方の電極の芯体に上部集電体が溶接され、他方の電極の芯体に底部集電体が溶接されているのが一般的である。そして、例えば、上部集電体は一方の外部端子（通常は正極端子となる）を兼ねる封口体の下端面に溶接され、底部集電体は他方の外部端子（通常は負極端子となる）を兼ねる外装缶の内底面に溶接されて、集電経路が形成されるようになされている。

ところで、図２に示すように、外装缶の内底面に溶接された底部集電体２０においては、多くの場合、略円形状の本体部２１の中央部に半切り状の舌部２２を形成し、この舌部２２を外装缶の内底面に抵抗溶接等により溶接するのが一般的である。これにより、図５（ａ）に示すように、この底部集電体２０に溶接された電極３０からの集電が効率良くなされるようになって、内部抵抗が低減した密閉型蓄電池が得られることとなる。ところが、この種の密閉型蓄電池においては、耐衝撃性に劣るため、特に、封口体が下向きで、外装缶の底面が上向きの状態で落下した場合、落下の衝撃により電極群が下方の封口体側に向けて移動して、図５（ｂ）に示すように、外装缶７０の底面から電極群が離れるように移動することとなる。

このような衝撃力が電極群に付与されると、通常、底部集電体２０と外装缶７０の内底面との溶接強度の方が電極群より突出した芯体３１と底部集電体２０との溶接強度よりも大きいため、溶接強度が小さい底部集電体２０と電極群より突出した芯体３１との溶接部に剥がれが生じるという問題が起こった。この場合、電極群より突出した芯体３１と底部集電体２０との溶接強度を大きくするためには、これらの間に大電流を流して抵抗溶接する必要がある。

ところが、大電流を流して抵抗溶接すると、溶接スパッタが発生して、溶接スパッタに起因する電池内部短絡や集電体の溶接切れ等が発生することとなる。このため、電極群より突出した芯体３１と底部集電体２０との溶接を大電流で行えないため、電極群より突出した芯体３１と底部集電体２０との溶接強度が小さくなる。そして、このような底部集電体３０と電極群より突出した芯体３１との溶接部に剥がれが生じるようになると、内部抵抗が増大し、電池としての所定の性能が保持できなくなるという問題が生じた。

そこで、主導出部分となる円板状の集電体の端部に補助的導出部を設けて、主導出部分と外装缶との接続点が振動などで外れても、補助的導出部により外装缶との接続を保持できるようにしたものが、例えば、特許文献１（実開昭５７−０１４９６８号公報）などにおいて開示されている。一方、渦巻状電極群の外装缶の底面側に溶接された溶接片（集電体）を外装缶の内底面に配置されたスプリング状となされた集電片（弾性体）が溶接片（集電体）を押圧できるように配置して、溶接片（集電体）と外装缶の底面との接触が良好となるようにしたものが、例えば、特許文献２（特開昭５０−１１２７４１号公報）などにおいて開示されている。

実開昭５７−０１４９６８号公報 特開昭５０−１１２７４１号公報

しかしながら、特許文献１にて開示された従来技術においては、補助的導出部を外装缶に当接して接続するだけであるため、主導出部分と外装缶との接続点が振動などで外れると、集電体と外装缶との集電が十分に行えなくなって、内部抵抗が増大するという問題が生じた。また、上述した特許文献２にて開示された集電片（弾性体）を用いた場合においては、溶接片（集電体）の他に集電片（弾性体）という別部品を用いる必要があるため、部品点数が増大してコストが上昇するとともに、集電片（弾性体）の高さ分だけ電池容量が低下するという新たな問題が生じることとなった。また、溶接片（集電体）に集電片（弾性体）を溶接した後、電極群から突出した一方の電極の露出端部（芯体）に溶接片（集電体）を溶接するようにしているため、溶接工程も増加して製造が複雑になるという問題も生じた。

そこで、本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、部品点数を増大させることなく、落下などの衝撃を吸収できるような集電体構造として、落下などの衝撃を受けても溶接部が外れるという不具合が生じるのを防止した密閉型蓄電池として、信頼性に優れかつ大電流放電が可能な密閉型蓄電池を提供することを目的とするものである。

本発明の密閉型蓄電池は、正極と負極とセパレータとからなる渦巻状電極群を外装缶内に備えている。そして、上記目的を達成するため、渦巻状電極群の下端部と外装缶の内底面との間に略円形状の底部集電体が配設されているとともに、底部集電体は渦巻状電極群の高さ方向の下端部から下方に突出する一方の電極の芯体に溶接された本体部と、該本体部の中央部で該本体部より下方に突出して外装缶の内底面に溶接された舌状部とを備え、舌状部の本体部との付け根部で外装缶の内底面に溶接されない部分に蛇腹状の折曲部が形成されていることを特徴とする。

このように、舌状部の本体部との付け根部で外装缶の内底面に溶接されない部分に蛇腹状の折曲部が形成されていると、蛇腹状の折曲部が有する弾性作用（伸縮作用）によって落下などの衝撃が緩和されるようになる。これにより、電極群の下方に突出する一方の電極の芯体と底部集電体との溶接部の外れが防止され、溶接外れによる不良率を低減させることが可能となる。また、溶接部の外れが防止される構造となるため、溶接電流を小さくできるなどの溶接条件の緩和が可能となる。このため、大電流の溶接電流による溶接スパッタの発生を減少させることができるようになり、溶接スパッタに起因する電池内部短絡や集電体の溶接切れ等の発生も低減させることが可能となって、この種の密閉型蓄電池の信頼性が向上する。

なお、舌状部は本体部の中央部を該本体部に連接された状態で舌状に切り出すことにより形成されていて、当該舌状部の舌状の先端部が該本体部より下方に突出して外装缶の内底面に溶接されているようにするのが望ましい。これにより、蛇腹状の折曲部での弾性作用（伸縮作用）が向上することとなる。

本発明においては、部品点数を増大させることなく、落下などの衝撃を吸収できるような集電体構造とすることが可能であるので、落下などの衝撃を受けても溶接部が外れるという不具合が防止でき、信頼性に優れかつ大電流放電が可能な密閉型蓄電池を提供することが可能となる。

実施例の底部集電体を模式的に示す図であり、図１（ａ）は、その平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’断面を示す断面図である。 比較例（従来例）の底部集電体を模式的に示す図であり、図２（ａ）は、その平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ’断面を示す断面図である。 本発明をニッケル−カドミウム蓄電池に適用して構成した密閉型蓄電池を模式的に示す断面図である。 図１の底部集電体を用いた実施例の密閉型蓄電池の底部側の状態を模式的に示す図であり、図４（ａ）は、落下試験前の状態を模式的に示す断面図であり、図４（ｂ）は、落下試験後の状態を模式的に示す断面図である。 図２の底部集電体を用いた比較例の密閉型蓄電池の底部側の状態を模式的に示す図であり、図５（ａ）は、落下試験前の状態を模式的に示す断面図であり、図５（ｂ）は、落下試験後の状態を模式的に示す断面図である。

以下に、本発明をニッケル−カドミウム蓄電池に適用した場合の一実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものでなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

１．底部集電体（負極集電体）
（１）実施例
本実施例の底部集電体（負極集電体）１０は、ニッケル鍍金鋼板をプレス機での打ち抜き成型により作製されており、図１に示すように、平面形状が円形状（例えば、直径が２０ｍｍ）となる本体部１１と、この本体部１１の中心部に形成された舌状部１２と、舌状部１２と本体部１１との付け根部に形成された蛇腹状の折曲部１３と、舌状部１２を形成するために切り出された開口部１４とを備えている。ここで、舌状部１２と本体部１１との付け根部に形成された蛇腹状の折曲部１３を備えることにより、舌状部１２に弾性が付与されることとなる。

（２）比較例
一方、比較例（従来例）の底部集電体（負極集電体）２０は、ニッケル鍍金鋼板をプレス機での打ち抜き成型により作製されており、図２に示すように、平面形状が円形状（例えば、直径が１７．５ｍｍ）となる本体部２１と、この本体部２１の中心部に形成された舌状部２２と、舌状部２２を形成するために切り出された開口部２３とを備えている。

２．ニッケル−カドミウム蓄電池
（１）カドミウム負極板
カドミウム負極板３０は、パンチングメタルからなる極板芯体３１の両面に酸化カドミウムを主体とする負極活物質と導電剤と結着剤とからなる負極活物質スラリーが塗布され、乾燥後、所定の厚み（例えば、０．６ｍｍ）になるまで圧延された後、所定の寸法（例えば、長さが２００ｍｍで、幅が３３ｍｍ）になるように切断されて作製されている。なお、作製後のカドミウム負極板３０の下端部には極板芯体３１が露出していて、後に、この露出した極板芯体３１に底部集電体（負極集電体）１０の本体部１１が溶接されることとなる。

（２）ニッケル正極板
ニッケル正極板４０は、極板芯体４１に水酸化ニッケルを主体とする正極活物質が充填され、所定の寸法（例えば、長さが１５０ｍｍで、幅が３３ｍｍで、厚みが０．５ｍｍ）になるように圧延や切断などがなされて作製されている。なお、作製後のニッケル正極板４０の上端部には極板芯体４１が露出していて、後に、この露出した極板芯体４１に上部集電体（正極集電体）６０の本体部６１が溶接されることとなる。

（３）渦巻状電極群
これらのカドミウム負極板３０とニッケル正極板４０との間に、ポリプロピレン製不織布からなるセパレータ（例えば、幅が３４ｍｍのもの）５０を介在させて重ね合わせ、渦巻状に巻回することにより渦巻状電極群となされている。この場合、図３に示すように、カドミウム負極板３０の露出した極板芯体３１がセパレータ５０の下端部より突出し、ニッケル正極板４０の露出した極板芯体４１がセパレータ５０の上端部より突出するように積層して配置した後、渦巻状に巻回するようになされている。なお、渦巻状電極群の中心部には、巻芯軸が除去されて形成された空間部を備えている。

（４）上部集電体（正極集電体）
上部集電体（正極集電体）６０は、ニッケル鍍金鋼板（例えば、厚みが０．２ｍｍのもの）をプレス機での打ち抜き成型により作製されており、図３に示すように、平面形状が略円形状（例えば、直径が１７．５ｍｍ）の本体部６１と、この本体部６１から延出して形成された平面形状が略長方形状の集電タブ部６２とを備えている。そして、本体部６１の中心部には中心開口（例えば、直径は５ｍｍ）６３が形成されているとともに、中心開口６３の周囲には図示しない多数の開孔と一対のスリットが形成されている。

ついで、上述のような構成となる渦巻状電極群と、底部集電体（負極集電体）１０（２０）と、上部集電体（正極集電体）６０とを用いて電極体を作製する例について、以下に詳述する。この場合、渦巻状電極群のカドミウム負極板３０の露出した芯体３１の下端面に底部集電体（負極集電体）１０（２０）を配置する。ついで、底部集電体（負極集電体）１０（２０）に一対の溶接電極を当接させた後、一対の溶接電極間に溶接電源（６０Ｈｚの交流電源）から溶接電流（例えば、３．０ｋＡあるいは３．６ｋＡで１サイクル）を印加してカドミウム負極板３０の露出した芯体３１と底部集電体（負極集電体）１０（２０）との接触部を抵抗溶接する。

一方、渦巻状電極群のニッケル正極板４０の露出した芯体４１の上端面に上部集電体（正極集電体）６０の本体部６１を配置する。この場合、渦巻状電極群の中心部に形成された空間部と、上部集電体（正極集電体）６０の本体部６１の中心部に形成された中心開口６３とが一致するように配置する。ついで、上部集電体（正極集電体）６０の本体部６１の上に一対の溶接電極を載置した後、一対の溶接電極間に溶接電源（６０Ｈｚの交流電源）から溶接電流（例えば、３．０ｋＡで２サイクル）を印加する。これにより、ニッケル正極４０の露出した芯体４１と上部集電体（正極集電体）６０の本体部６１とが抵抗溶接され、渦巻状電極群の上端面に上部集電体（正極集電体）６０が溶接されることとなる。

これにより実施例の電極体ａ（実施例の底部集電体１０を用いたもの）と、比較例の電極体ｂ，ｃ（比較例の底部集電体２０を用いたもの）とが作製される。ここで、実施例の電極体ａとカドミウム負極板３０の露出した芯体３１を抵抗溶接する際の溶接電流値と、比較例１の電極体ｂとカドミウム負極板３０の露出した芯体３１を抵抗溶接する際の溶接電流値は同じ大きさとした。また、比較例２の電極体ｃとカドミウム負極板３０の露出した芯体３１を抵抗溶接する際の溶接電流値は、前記実施例および比較例１の場合より２０％程度大きいものとした。

上述のようにして作製された各電極体ａ，ｂ，ｃにおいて、溶接起因のショート発生率を確認したところ、電極体ａおよび電極体ｂのショート発生率は、電極体ｃのショート発生率を１００として、５０まで半減できることが分かった。また、上述のようにして作製された各電極体ａ，ｂ，ｃにおいて、カドミウム負極板３０の露出した芯体３１と底部集電体（負極集電体）１０（２０）との溶接部の溶接強度を求めたところ、電極体ｃの溶接強度を１００とすると、電極体ａ，ｂの溶接強度は８０であった。

ついで、上述のようにして作製された各電極体ａ，ｂ，ｃを用いてニッケル−カドミウム蓄電池を作製する例を図３に基づいて以下に説明する。まず、ニッケル鍍金鋼板（厚みが０．３ｍｍのもの）をプレス機での打ち抜き成型により作製した円筒状外装缶７０を用意する。ついで、上述のようにして作製された各電極体ａ，ｂ，ｃを外装缶７０内に挿入する。この後、封口蓋８１と正極キャップ８２とからなる封口体８０を用意し、上部集電体（正極集電体）６０の本体部６１から延出する集電タブ部６２を封口体８０に設けられた封口蓋８１の底部に溶接する。なお、封口蓋８１と正極キャップ８２とからなる封口体８０内には、弁体８３と、この弁体８３を付勢するスプリング８４とが配置されている。

ついで、電極体ａ，ｂ，ｃの上部外周部にリング状のスペーサ７４を配置した後、外装缶７０の上部外周面に溝入れ加工を施して環状溝部７１を形成する。この後、金属製外装缶７０内に電解液（例えば、３０質量％の水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液）を注液し、封口体８０の外周部に装着された封口ガスケット７３を外装缶７０の環状溝部７１の上に載置するとともに、外装缶７０の先端部７２を封口体８０側にカシメて封口する。この後、外装缶７０の外周面全体を絞り加工して、ニッケル−カドミウム蓄電池Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ組み立てる。ここで、電極体ａを用いたものを電池Ａとし、電極体ｂを用いたものを電池Ｂとし、電極体ｃを用いたものを電池Ｃとした。なお、これらの電池Ａ，Ｂ，ＣはＳＣサイズで、電池容量は２．４Ａｈである。

３．試験
（１）落下試験
ついで、上述のように作製されたニッケル−カドミウム蓄電池Ａ，Ｂ，Ｃを用いて、これらの各電池Ａ，Ｂ，Ｃの正極キャップ８２を下向き、即ち、外装缶７０の底面が上向きになるようにして、１．９ｍの高さからこれらを落下させるという落下試験を３０回繰り返して行った。このような落下試験を行った後、各電池Ａ，Ｂ，Ｃを解体して溶接外れ（カドミウム負極板３０の露出した芯体３１と底部集電体（負極集電体）１０（２０）との溶接部の外れ）の有無を確認したところ、下記の表１に示すような結果となった。

（２）落下試験後の放電容量・放電時作動電圧
この後、以下のような電池試験を行うと下記の表１に示すような結果となった。そこで、落下試験後の放電容量・放電時作動電圧を求めるのに際して、まず、各電池Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ２５℃の温度雰囲気下で、０．１Ｉｔ（２４０ｍＡ）の充電電流で１６時間充電を行った。この後、１時間放置し、０．２Ｉｔ（４８０ｍＡ）の放電電流で各電池Ａ，Ｂ，Ｃの電圧が１．０Ｖになるまで放電を行い、活性化処理を行った。

ついで、上述のように活性化処理を行った後、以下のようにして放電容量と放電時作動電圧の測定を行った。この場合、まず、２５℃の温度雰囲気下で、電池Ａ，Ｂ，Ｃに１Ｉｔ（２．４Ａ）の充電電流で、いわゆる−ΔＶ充電を施した（電池電圧が最大値から１０ｍＶ低下した時点で充電を停止する）。その後、１時間放置し、１Ｉｔ（２．４Ａ）の電流値で電池電圧が０．８Ｖになるまで放電を行った。この１Ｉｔ（２．４Ａ）で放電したときの容量を放電容量とし、放電が終了するまでの時間の半分の時点での放電電圧を放電作動電圧として求めると、下記の表１に示すような結果が得られた。

同様に、４０Ａの電流値で電池電圧が０．８Ｖになるまで放電を行い、４０Ａで放電したときの放電容量と、放電作動電圧を求めると、下記の表１に示すような結果が得られた。なお、表１においては、電池Ｃの１Ｉｔ放電時の放電容量および放電作動電圧を１００とし、４０Ａ放電時の放電容量、作動電圧、および他の電池Ａ，Ｂの１Ｉｔ放電時、４０Ａ放電時の放電容量、作動電圧をそれとの比（放電容量比、作動電圧比）で示している。

上記表１の結果から明らかなように、電池Ｃにおいては、溶接強度が大きく、かつ落下後の放電容量比および落下後の作動電圧比が大きい反面、溶接に起因するショートの発生率が高く、信頼性に劣ることが分かる。これは、電池Ｃにおいては、カドミウム負極板３０の電極群より突出した芯体３１と底部集電体（負極集電体）２０とを大きな溶接電流を流して溶接しているため、多量の溶接スパッタが発生して、溶接スパッタに起因する電池内部短絡や集電体の溶接切れ等が発生したためと考えられる。

これに対して、電池Ｂにおいては、溶接に起因するショートの発生率を少なくすることが可能となって、信頼性が向上した反面、溶接強度が小さくなり、落下後の溶接外れが生じるようになって、落下後の放電容量比および落下後の作動電圧比が低下していることが分かる。これは、電池Ｂにおいては、カドミウム負極板３０の電極群より突出した芯体３１と底部集電体（負極集電体）２０とを小さな溶接電流（電池Ｃの８０％程度）を流して溶接しているため、多量の溶接スパッタが発生しなかったためである。
ところが、芯体３１と底部集電体２０との溶接強度が小さくなるため、落下などの衝撃を受けると、図５（ｂ）に示すように、底部集電体３０が電極群より突出した芯体３１との溶接部より外れて内部抵抗が増大するとともに、放電容量比および落下後の作動電圧比が低下し、特に、大電流放電においてはこれらの性能が大幅に低下することとなったと考えられる。

一方、電池Ａにおいては、溶接に起因するショートの発生率を少なくすることが可能となって、信頼性が向上したとともに、落下後の溶接外れも生じることなく、落下後の放電容量比および落下後の作動電圧比も電池Ｃと同等であることが分かる。これは、電池Ａにおいては、カドミウム負極板３０の電極群より突出した芯体３１と底部集電体（負極集電体）１０とを小さな溶接電流（電池Ｃの８０％程度）を流して溶接しているため、多量の溶接スパッタが発生しなかったためである。

そして、芯体３１と底部集電体１０との溶接強度が小さくなっても、図４（ｂ）に示すように、落下の衝撃により電極群が下方の封口体側に向けて移動して外装缶７０の底面から電極群が離れるように移動すると、この電極群の移動に伴って蛇腹状の折曲部１３が伸張するように機能することにより、落下の衝撃を蛇腹状の折曲部１３で吸収できるようになるため、落下後に溶接外れが生じることを防止できるようになったと考えられる。この結果、落下後の放電容量比および落下後の作動電圧比が低下することなく、信頼性に優れるとともに電池特性に優れた密閉型蓄電池を提供することが可能となる。

なお、上述した実施の形態においては、本発明をニッケル−カドミウム蓄電池に適用する例について説明したが、本発明はニッケル−カドミウム蓄電池以外にも、ニッケル−水素蓄電池などのアルカリ蓄電池やリチウムイオン電池などの芯体に集電体が溶接されるタイプの密閉型蓄電池に適用しても同様の効果が得られることは明らかである。

１０…底部集電体（負極集電体）、１１…円形状の本体部、１２…舌状部、１３…蛇腹状の折曲部、１４…開口部、３０…カドミウム負極、３１…芯体、４０…ニッケル正極、４１…芯体、５０…セパレータ、６０…上部集電体（正極集電体）、６１…円形状の本体部、６２…集電タブ部、７０…外装缶、７１…環状溝部、７２…先端部、７３…封口ガスケット、７４…リング状のスペーサ、８０…封口体、８１…正極蓋、８２…正極キャップ、８３…弁体、８４…スプリング

Claims (2)

1. 正極と負極とセパレータとからなる渦巻状電極群を外装缶内に備えた密閉型蓄電池であって、
   前記渦巻状電極群の下端部と前記外装缶の内底面との間に略円形状の底部集電体が配設されているとともに、
   前記底部集電体は前記渦巻状電極群の高さ方向の下端部から下方に突出する一方の電極の芯体に溶接された本体部と、該本体部の中央部で該本体部より下方に突出して前記外装缶の内底面に溶接された舌状部とを備え、
   前記舌状部の前記本体部との付け根部で前記外装缶の内底面に溶接されない部分に蛇腹状の折曲部が形成されていることを特徴とする密閉型蓄電池。
2. 前記舌状部は前記本体部の中央部を該本体部に連接された状態で舌状に切り出すことにより形成されていて、当該舌状部の舌状の先端部が該本体部より下方に突出して前記外装缶の内底面に溶接されていることを特徴とする請求項１に記載の密閉型蓄電池。

Images