JP2011008930A - 円筒型アルカリ蓄電池 - Google Patents

Abstract

【課題】円筒形アルカリ蓄電池において、導電性基板の破断による内部抵抗の上昇や、導電性基板のばりによる内部短絡を防止し、信頼性を向上させる。
【解決手段】正極、負極およびセパレータを捲廻した構造の電極群を有する円筒型アルカリ蓄電池において、前記正極は、まき始め側端面の上端から続き、上端から３ｍｍ以上２０ｍｍ以内である活物質非保持部分を有し、正極リードは前記活物質非保持部分に前記正極の上端から突出するように固定されており、前記正極リード固定部分を含む前記活物質非保持部分の表裏両面を絶縁層で被覆し、絶縁層が活物質非保持部分のまき始め側端面を接着、溶着もしくは単一の絶縁部品を前記正極まき始め側端面で折り曲げた構造を持つ。
【選択図】 図２

Description

本発明は、円筒型アルカリ蓄電池に関する。さらに詳しくは、本発明は主に正極構造の改良に関する。

円筒型アルカリ蓄電池は、携帯型端末、デジタルスチルカメラなどのポータブル電子機器、ハイブリッド自動車、バックアップ機器などの電源として広く用いられている。

円筒型アルカリ蓄電池は、電池ケース、電極群、封口板、正極リード、絶縁リングなどを含んでいる。電池ケースは、長手方向の一端部が開口する円筒形容器であり、その内部に電極群などを収容する。電極群は、正極板と負極板とをセパレータを介して捲回することにより得られる捲回型電極群である。封口板は、電池ケースの開口を封口する。正極は三次元網目構造を有する導電性基板に水酸化ニッケルのような活物質を含む合剤が充填されている。正極リードは正極の導電性基板に溶接などにより固定され、電極群の正極板と封口板とを導通させる。負極板はパンチングメタルのような導電性基板に水素吸蔵合金を含む合剤が塗着されている。セパレータはポリプロピレンなどを主体とした絶縁性の不織布やシートを用い正極と負極を絶縁する。絶縁リングは、電池ケース内において、電極群と封口板との間に装着され、主に電池ケースと電極群および正極リードとを絶縁する。

従来の正極は例えば特許文献１のように、まき始め端部を除いて活物質が保持されており、正極リードがまき始めの活物質非保持部に固定され、この非保持部に固定されている部分が絶縁層で覆われているような構造をしている。この絶縁層はポリプロピレン製テープなど耐アルカリ性の高い絶縁材料テープが主に用いられている。また絶縁テープは正極の表裏両面を覆い正極上端において正極リードを覆う形で一部が接着した構造をとる場合もある。

特開２０００−２７７１４２号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載の正極構成では、活物質保持部と非保持部の境界が正極の上端から下端まで一直線上に広範囲にわたって存在しており、正極捲廻時に活物質保持部と活物質非保持部の境界に応力が集中し導電性基板に破断が発生しやすい。その結果、電池に落下や振動などの衝撃が加わった場合に集電経路の断絶による電池内部抵抗の上昇を生じてしまう課題があった。また、また絶縁テープが、活物質非保持部に固定されている部分の正極リードしか覆っていなかったり、正極リードの表裏両面を覆っていても正極上端において一部が接着しただけの構造をとっているため正極まき始め側端面の活物質非保持部が絶縁層で保護されることなく露出しており、この部分の導電性基板のばりによる内部短絡の発生が発生していた。また絶縁テープが、活物質非保持部に固定されている部分の正極リードしか覆っていなかったり、表裏両面を覆っていても正極上端において一部が接着したのみの構造をとっているため接着力が弱く、電池生産時の絶縁テープのずれや剥がれが生じやすくなっていた。その結果、露出した導電性基板のばりによる内部短絡の発生が生じていた。
本発明は上記の課題を解決するものであり、導電性基板の破断による内部抵抗の上昇や、導電性基板のばりによる内部短絡を防止し信頼性の高い円筒形アルカリ蓄電池を提供する
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、本発明の円筒型アルカリ蓄電池は 正極、負極およびセパレータを捲廻した構造の電極群を有する円筒型アルカリ蓄電池において、前記正極は、まき始め側端面の上端から続き、上端から３ｍｍ以上２０ｍｍ以内である活物質非保持部分を有し、正極リードは前記活物質非保持部分に前記正極の上端から突出するように固定されており、前記正極リード固定部分を含む前記活物質非保持部分の表裏両面を絶縁層で被覆し、絶縁層が活物質非保持部分のまき始め側端面を接着、溶着もしくは単一の絶縁部品を前記正極まき始め側端面で折り曲げた構造を持つことにより覆っていることを特徴とする。
まき始め側端面の上端から一部分のみを活物質非保持部とすることにより活物質保持部と非保持部の境界を少なくし捲廻時の導電性基板の破断を防止し、正極まき始め側端面で絶縁層を接着、溶着もしくは単一の部品を用いることで、表裏両面の絶縁層を一体化してずれや剥がれを防止することができる。

本発明の円筒形アルカリ蓄電池は、落下や振動などの衝撃が加わったときの内部抵抗の変動や、導電性基板のばりによる内部短絡が非常に起こり難い。したがって、本発明の円筒形密閉電池は、充放電サイクル特性に優れ、かつ絶縁不良に伴う内部短絡の発生が防止され、高い電池性能と高い信頼性とを併せ持っている。

本発明の実施形態の１つである円筒形アルカリ蓄電池の構成を簡略化して示す縦断面図 本発明の実施形態の１つである正極の構成を簡略化して示す平面図 本発明の実施形態の１つである絶縁層のまき始め側端面が折り曲げられた構造を有する正極の構成を簡略化して示す平面図 従来の正極の構成を簡略化して示す平面図

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に記す。
第１の発明は、正極、負極およびセパレータを捲廻した構造の電極群を有する円筒型アルカリ蓄電池において、前記正極は、まき始め側端面の上端から続き、上端から３ｍｍ以上２０ｍｍ以内である活物質非保持部分を有している。非保持部分が上端から３ｍｍ未満であると正極リードを固定する面積が小さくなりすぎ十分な固定強度で正極リードを固定することができない。非保持部分が２０ｍｍを超えると、活物質保持部分と非保持部分の境界が大きくなりすぎ、正極捲廻時に捲廻方向に加わる応力に耐えられず導電性基板に破断を生じてしまう。また絶縁層は正極の正極リード固定部分を含む活物質非保持部分の両面から被覆することにより活物質非保持部分を正極表裏両面で露出させないようにする。絶縁層としてはポリプロピレン製テープなどの耐アルカリ性に優れた絶縁材質の部品を使用する。また絶縁層は活物質非保持部分の正極巻き始め側端面が露出しないように被覆する。また絶縁層は正極上端において正極板より露出させ正極リードを覆う形で一部が接着した構造をとってもよい。
第２の発明は、第１の発明において正極まき始め側端面で表裏の絶縁層を接着もしくは熱や超音波による溶着を行ったものである。正極巻き始め側端面を接着や溶着により一体化することにより絶縁層のずれや剥がれを防止することができる。

第３の発明は、第１の発明において単一の絶縁層を正極まき始め側端面にて折り曲げて活物質非保持部分の表裏を覆ったことを特徴とする。一例として折り曲げはこの絶縁層の
中央で表裏が均等になるように折り曲げた形態が好ましい。単一の絶縁層を使用するため絶縁層のずれや剥がれを防止することができるだけでなく、生産工程を簡略化し生産性を向上することも可能となる。

図１は、本発明のニッケル水素電池の一実施形態を示す概略断面図である。図１を参照にして、本発明のニッケル水素電池は、正極板１と、負極板２が、セパレータ３を介して捲回された円柱状の電極群５を形成している。さらに、電極群５は、有底円筒形の電池ケース４に収容されている。この電池ケース４は、負極端子と兼用される部材である。また、電池ケース４内には、電解液（図示せず）が注液されており、封口板７によって、電池ケース４の開口部が封口されている。この封口板７は、正極端子と兼用される部材である。封口板７は、その電池ケース４の内部において、正極リード６を介して、正極板１と電気的に接続されている。また、絶縁リング８は、電池ケース内において、電極群５と封口板７との間に装着され、電池ケース４と電極群５および正極リード６とを絶縁する。

本発明のニッケル水素電池において、正極板１には、本発明のニッケル水素電池用正極板が用いられる。図２に示されるとおり、本発明の正極板１には上述のとおり、まき始め側端面の上端から３ｍｍ以上２０ｍｍ以内である活物質非保持部分１ａを有している。この活物質非保持部分１ａには、正極リード６が正極板の上端から突出するように溶着されている。さらに、正極リード６を含む活物質非保持部分の表裏両面を被覆するように絶縁層１ｂが設けられ、絶縁層１ｂのまき始め側端面は、接着もしくは溶着されている部分１ｃを有している。

以下に実施例および比較例を挙げ、本発明をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
コバルト化合物を表面コートした水酸化ニッケル（正極活物質）、ポリテトラフルオロエチレン（結着剤）、カルボキシルメチルセルロース（増粘剤）を水に分散させ、正極合剤スラリーを調製した。このスラリーを三次元網目構造を有する発泡ニッケル多孔体（導電性基板）に充填、乾燥し０．９ｍｍの厚みに圧延した。圧延後、縦４４ｍｍ、横５５ｍｍに切断し正極板を作製した。正極板の、まき始めから捲廻方向に４ｍｍとまき始め側端面の上端から下端方向に７ｍｍの範囲の活物質を超音波により剥離除去し活物質非保持部を作成した。活物質非保持部分に幅３ｍｍ長さ１５ｍｍ厚み０．２ｍｍのニッケル板からなる正極リードをスポット溶接により固定した。なお活物質非保持部分は正極合剤を充填する前に発泡ニッケル多孔体の該当部分を予め圧延して、合剤が充填されないようにすることによっても作成することができる。
溶接固定された正極リードを含む活物質非保持部分の表裏両面を厚み７０μｍのポリプロピレン製絶縁テープにより被覆した。絶縁テープは巻き始め側端面で表裏を幅１ｍｍにわたって接着させた。以上の構成により、前述した図２に示される構造の正極を得た。
一方、水素吸蔵合金（負極活物質）、カーボンブラック（導電剤）、スチレン−ブタジエンゴム共重合体微粒子（結着剤）およびカルボキシメチルセルロース（増粘剤）を水に分散させ、負極合剤ペーストを調製した。このペーストをパンチングメタルに塗着し、０．３ｍｍに圧延した。圧延後、縦４４ｍｍ、横９５ｍｍの寸法に切断し負極を作製した。

上記で得られた正極と負極とをポリプロピレン製不織布（セパレータ）を介して捲回し、ニッケル水素蓄電池の電極群を作製した。この電極群を表面にニッケルめっきを施した鉄製電池ケース（高さ５１．５ｍｍ、直径１４．０ｍｍ）に収納した。この状態でポリプロピレン樹脂製絶縁リングを電極群の封口板側端部に装着した。正極リードは、絶縁リングの内部空間に通した。

次いで、電池ケースにその周方向に延びる幅１．５ｍｍの環状溝部を形成し、電池ケー
ス内に水酸化カリウム水溶液（電解液）を注入した。さらに、封口板に正極リードの他端を溶接接続した後、封口板を電池ケースの開口に装着し、電池ケースの開口端部を封口板に向けてかしめ付けることにより、電池ケースを封口し、本発明の円筒型ニッケル水素蓄電池（公称容量１．０Ａｈ）を得た。
（実施例２）
正極板の超音波剥離の寸法を、まき始めから捲廻方向に４ｍｍとまき始め側端面の上端から下端方向に３ｍｍの範囲とした以外は、実施例１と同様にして、本発明の円筒型ニッケル水素蓄電池（公称容量１．０Ａｈ）を得た。
（実施例３）
正極板の超音波剥離の寸法を、まき始めから捲廻方向に４ｍｍとまき始め側端面の上端から下端方向に２０ｍｍの範囲とした以外は、実施例１と同様にして、本発明の円筒型ニッケル水素蓄電池（公称容量１．０Ａｈ）を得た。
（実施例４）
絶縁テープを巻き始め側端面で表裏を幅１ｍｍ熱溶着させた以外は、実施例１と同様にして、本発明の円筒型ニッケル−水素蓄電池（公称容量１．０Ａｈ）を得た。
（実施例５）
単一の絶縁テープを正極まき始め側端面にて半分に折り曲げて活物質非保持部分の表裏を覆った図３に示される構造の正極を用いた以外は、実施例１と同様にして、本発明の円筒型ニッケル−水素蓄電池（公称容量１．０Ａｈ）を得た。
（比較例１）
正極板の超音波剥離の寸法を、まき始めから捲廻方向に４ｍｍとまき始め側端面の上端から下端方向に４４ｍｍの範囲とし、絶縁テープは正極リード固定部のみを覆い正極まき始め活物質非保持部端面が露出した構造になっている図４に示される従来の正極を用いた以外は、実施例１と同様にして、従来の円筒型ニッケル水素蓄電池（公称容量１．０Ａｈ）を得た。
（比較例２）
正極板の超音波剥離の寸法を、まき始めから捲廻方向に４ｍｍとまき始め側端面の上端から下端方向に２５ｍｍの範囲とした以外は、実施例１と同様にして、比較例２の円筒型ニッケル水素蓄電池（公称容量１．０Ａｈ）を得た。
（比較例３）
正極板の超音波剥離の寸法を、まき始めから捲廻方向に４ｍｍとまき始め側端面の上端から下端方向に７ｍｍの範囲とし、絶縁テープは正極リード固定部のみを覆い正極まき始め活物質非保持部端面が露出した構造になっている以外は、実施例１と同様にして、比較例３の円筒型ニッケル水素蓄電池（公称容量１．０Ａｈ）を得た。
（試験例１）
実施例１〜３および比較例１〜２で得られた電池各５個について、１．０Ａの電流で１．２時間充電した後、高さ７５ｃｍから樫木上に正立方向、逆立方向、横方向にそれぞれ落下させた。これを１サイクルとして合計５サイクル落下させ、落下前後での内部抵抗値の変動量を調べた。結果を表１に示す。結果は５個の平均値である。また内部抵抗の変動の目安として±５ｍΩ以内であれば電池特性として問題は生じない。

表１に示すように、活物質非保持部の寸法が４４ｍｍで正極まき始め部が上端から下端まですべて活物質非保持部分になっている従来構造の比較例１や活物質非保持部の寸法が２５ｍｍの比較例２では、落下前後の内部抵抗値の変動が大きく、活物質の非保持部の寸法が２０ｍｍ以下の実施例１〜実施例３では落下前後の内部抵抗の変動が小さい。試験後の電池を分解してみると、比較例１および比較例２では正極の活物質保持部と非保持部の境界面で導電性基板に破断が生じていた。一方、実施例１〜実施例３では導電性基板の破断は確認されなかった。
（試験例２）
実施例１、実施例４、実施例５および比較例１、比較例３で得られた電池の各１０００個について、１．０Ａの電流で１．２時間充電した後、１．０Ａの電流で１．０Ｖまで放電するサイクルを３回繰り返した後、電池電圧を測定し、電池電圧が大きく低下している電池を検出し、短絡が発生した電池の個数を調べた。結果を表２に示す。

表２に示すように、活物質非保持部の端面で絶縁テープを接着、溶着、または単一絶縁テープを折り曲げた構成をとっている実施例１、実施例４、実施例５は、活物質非保持部の端面がまき始め部分で露出している従来構造の比較例１や比較例３に比較して短絡発生率が大きく低下している。短絡した電池を分解解析した結果、実施例１、実施例４、実施例５では活物質非保持部端面以外の部分での短絡であったのに対し、比較例１、比較例３では活物質非保持部端面での短絡が９割を占めており、本発明の優位性が確認された。

なお本発明は、本実施例に限定されず、請求項１〜請求項３に記載の構成をとる円筒形アルカリ蓄電池では、同様の効果を得ることができる。

本発明によれば、信頼性の高い円筒形密閉電池が提供される。本発明の信頼性の高い円筒形密閉電池は、例えば、振動や衝撃の加わる可能性の高い携帯用電子機器の電源として好適に使用できる。

１ 正極板
１ａ 活物質非保持部分
１ｂ 絶縁層
１ｃ 絶縁層のまき始め側端面の接着もしくは溶着された部分
２ 負極板
３ セパレータ
４ 電池ケース
５ 電極群
６ 正極リード
７ 封口板
８ 絶縁リング

Claims (3)

1. 正極、負極およびセパレータを捲廻した構造の電極群を有する円筒型アルカリ蓄電池において、前記正極は、まき始め側端面の上端から続き、上端から３ｍｍ以上２０ｍｍ以内である活物質非保持部分を有し、正極リードは前記活物質非保持部分に前記正極の上端から突出するように固定されており、前記正極リード固定部分を含む前記活物質非保持部分の表裏両面を絶縁層で被覆し、絶縁層が活物質非保持部分のまき始め側端面を覆っていることを特徴とする円筒型アルカリ蓄電池
2. 正極リードの固定部分を含む前記活物質非保持部分の表裏両面を被覆する絶縁層が、前記正極まき始め側端面で接着もしくは溶着されていることを特徴とする請求項１記載の円筒型アルカリ蓄電池
3. 正極リードの固定部分を含む前記活物質非保持部分の表裏両面を被覆する絶縁層が単一の絶縁部品からなり、前記単一の絶縁部品を前記正極まき始め側端面で折り曲げた構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の円筒型アルカリ蓄電池