JP2011119039A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池内部の抵抗をより一層低減し、高出力な二次電池を提供する
【解決手段】
本発明の二次電池によれば、集電リードにおける従来の導電経路とは別に、経路の短い新たな導電経路が形成されるので、電池内部抵抗のより一層の低減が可能となる。これにより、高出力な二次電池を提供することが可能となる。また、接触部と集電リードの形状は、互いに勘合し得るように形成されているで、封口板の突出部と集電リードの一部との接続が確実に行われ、二次電池の高出力が安定して得られるようになる。
【選択図】 図８

Description

本発明は、ニッケル−水素蓄電池、ニッケル−カドミウム蓄電池などの二次電池に係り、特に、一方極の芯体に溶接された集電体が、集電リードを介して封口体と接続されている二次電池に関する。

一般に、ニッケル−水素化物蓄電池、ニッケル−カドミウム蓄電池などのアルカリ蓄電池は、正極および負極の間にセパレータを介在させ、これらを渦巻状に巻回した電極体を有している。そして、この電極体の正極あるいは負極の端部には、円板状の集電体が接続されている。さらに、この電極体は、金属製電池ケースに収納されるとともに、正極の端部に接続された集電体からは、帯状の集電リードが延出しており、この集電リードが封口体に接続されている。

このようなアルカリ蓄電池は、電動工具などの高率で充放電を行う用途に使用される場合、電池構成の中でも特に、集電リードの電気抵抗が電池特性に大きな影響を与える。
集電リードの電気抵抗が大きい場合、大電流で放電を行うと、集電リードの電気抵抗に起因する大きな電圧降下が生じて電池電圧が低下するという問題を生じる。
このため、特許文献１は、集電部品を複数枚にして集電リードを構成し、又は集電部品の厚みを厚くするようにして集電リードの電気抵抗を低減する方法を提案している。（特許文献１）

一方、HEV用などの高出力用途では、電池から高出力を取り出すことが必要で、通常の用途に比べて、構成部材の抵抗低減による電池内部抵抗の一層の抑制が必要となる。
このため、特許文献２は、円筒型二次電池の集電体と封口体間を電気的に接続する方法として、内部空間が形成された枕状（筒状）の集電リードを集電体に溶接接続した後、封口体と電気的接続する方法を提案している。（特許文献２）

しかしながら、近年のHEVの高性能化に伴って、更に電池から高出力を取り出すことが必要となり、一層の電池内部の抵抗を低減が求められている。
このため、特許文献３は、内部空間が形成された枕状の集電リードが、溶接時に受ける加圧力によって起こる局所的な曲げ変形を促進する曲げ案内部を設けるとともに、集電リードはそれ自身の相対向する面または集電リードと封口板などの相対向する面との間に形成される内部空間内に突出する突出部を有し、突出部が、相対向する面に接触して、短縮された導電路を形成する方法を提案している。（特許文献３）

特許第2762599号公報 特開2001-143684号公報 特開2004-235036号公報

しかしながら、HEVの更なる高性能化に伴って、電池からより一層の高出力を取り出すことが必要となり、電池内部抵抗をより一層抑制することが求められている。

そこで、本発明の二次電池は、一方極の端子を兼ねる開口部を備えた外装容器と、前記外装容器の開口部に配置される他方極の端子を兼ねる封口体と、正極及び負極の端部に集電体が接続されて前記外装容器に収容された電極体とを有し、前記集電体と封口体との間が集電リードで接続された二次電池であって、
前記封口体には、電極体に向けて突出し、集電リードの一部と接触する接触部が形成されているとともに、前記接続部が前記集電リードの一部と嵌合によって接続されていることを特徴としている。
ここで前記接続部が、前記集電リードの一部と嵌合によって接続されているとは、接続された接続部と集電リードの一部を引き離すような力を作用させたときに、抗力が生じるような状態で接続されているこという。

本発明の二次電池によれば、集電リードにおける従来の導電経路とは別に、経路の短い新たな導電経路が形成されるので、電池内部抵抗のより一層の低減が可能となる。これにより、高出力な二次電池を提供することが可能となる。
また、接触部と集電リードの形状は、互いに勘合し得るように形成されているので、封口板の突出部と集電リードの一部との接続が確実に行われ、二次電池の高出力が安定して得られるようになる。
特に、集電リードが、集電リード自身で形成される中空部または前記集電体とリード部自身とで囲まれて形成される空間を備えた筒状体からなり、電池の軸方向に押しつぶされるタイプのものであると、接続部が集電リードの一部とが嵌合によって接続された状態で通電溶接されるので、接続部が集電リードの一部より強固に接続されることになる。これにより、二次電池の高出力がより安定して得られるようになる。
ここで、通電溶接とは、電極体を電池ケースに収納し、電解液を注入した後、集電体に溶接されたリード部を封口体下面に接触させた状態で電池ケースの開口部を封口体で密閉し、その後、電池ケースと封口体との間に電流を流すことにより、リード部と封口体との接触部分を溶接する溶接方法のことをいう。

渦巻状電極群を模式的に示す斜視図である。 渦巻状電極群の両端部に溶接される集電体を示す図であり、（ａ）は負極集電体を示す正面図であり、（ｂ）は正極集電体を示す正面図である。 本発明のニッケル水素電池を模式的に示す断面図である。 本発明の封口体を示す図であり、（ａ）は封口体の下面図であり、（ｂ）は封口体を模式的に示す断面図である。 本発明の正極集電リードを模式的に示す正面図である。 正極集電リードが、正極集電体に溶接された状態を模式的に示す正面図である。 正極集電リードと、封口体を配置した後、これらを溶接する状態を模式的に示す断面図である。 本発明の封口体の接続部が、集電リードと嵌合する状態を模式的に示す図であり、（ａ）は封口体の接続部と集電リードが嵌合する前の状態を示す断面図であり、（ｂ）は封口体の接続部と集電リードが嵌合した状態を示す断面図 比較例の封口体を示す図であり、（ａ）は封口体の下面図であり、（ｂ）は封口体を模式的に示す断面図である。 比較例の封口体が、集電リードと接続される状態を模式的に示す図であり、（ａ）は封口体と集電リードが溶接される前の状態を示す断面図であり、（ｂ）封口体と集電リードが溶接された状態を示す断面図である。 _{変形例の封口体を示す図であり、（ａ）は封口体の下面図であり、（ｂ）は封口体を模式的に示す断面図である。 変形例の封口体の接続部が、集電リードが嵌合した状態を示す断面図である。}

また以下に、本発明の円筒型二次電池の一実施の形態を図１〜８に基づいて説明する。この場合、円筒型二次電池としてニッケル−水素蓄電池を用いた場合について説明するが、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．円筒型二次電池
（１）渦巻状電極群
まず、パンチングメタルからなる極板芯体３１ａの表面にニッケル焼結多孔体３１ｂを形成した後、化学含浸法により水酸化ニッケルを主体とする活物質を同ニッケル焼結多孔体３１ｂの多孔内に含浸する。ついで、これを乾燥させた後、所定の厚みになるまで圧延し、所定の寸法になるように切断してニッケル正極板３１を作製する。ここで、ニッケル正極板３１の幅方向の一方の端部（図１において上部）には極板芯体３１ａが露出した芯体露出部３１ｃが形成されている。

また、パンチングメタルからなる極板芯体３２ａの表面に水素吸蔵合金を主体とするペースト状負極活物質３２ｂを塗布し、乾燥させた後、所定の厚みになるまで圧延し、所定の寸法になるように切断して水素吸蔵合金負極板３２を作製する。 ここで、水素吸蔵合
金負極板３２の幅方向の一方の端部（図１において下部）には極板芯体３２ａが露出した芯体露出部３２ｃが形成されている。ついで、図１に示すように、これらのニッケル正極板３１と水素吸蔵合金負極板３２との間にセパレータ３３を介在させて渦巻状に巻回して渦巻状電極群３０ａを作製する。なお、この渦巻状電極群３０ａの高さ方向の一方の端部（図１において上部）には芯体露出部３１ｃが突出しているとともに、他方の端部（図１において下部）には芯体露出部３２ｃが突出している。

（２）負極集電体
本実施例の負極集電体３４は、図２（ａ）に示すように、略円形（最大で直径が３０ｍｍ）に形成されていて、中心部の周囲から端部に向けて多数のバーリング孔（例えば、直径が２ｍｍで、バーリング高さが０．４ｍｍで、バーリング厚みが０．１ｍｍのもの）３４ａが形成されている。また、負極集電体３４の外周部には、無効な溶接電流を減少させ、有効な溶接電流を増大させるために、端縁に向けて開口する一対のスリット３４ｂが形成されている。

（３）正極集電体
正極集電体３５は、図２（ｂ）に示すように、略円形（最大で直径が３０ｍｍ）に形成されていて、中心部に溶接電極挿入用の中心開口３５ａが形成されているとともに、この中心開口３５ａの周囲から端部に向けて多数のバーリング孔（例えば、直径が２ｍｍで、バーリング高さが０．４ｍｍで、バーリング厚みが０．１ｍｍのもの）３５ｂが形成されている。また、正極集電体３５の外周部には、無効な溶接電流を減少させ、有効な溶接電流を増大させるために、端縁に向けて開口する一対のスリット３５ｃが形成されている。

（４）封口体
封口体３８は、図３（集電リードの記載は省略）に示すように、封口板３８ａと正極キャップ（正極外部端子）３８ｂとからなり、この正極キャップ３８ｂ内には弁板３８ｃとスプリング３８ｄからなる弁体を備えているので、封口板３８ａの中心部は下方に突出して形成されている。また、封口体３８の中央にはガス抜き孔が形成されているとともに、その周縁には、予め絶縁ガスケット３９ａが嵌着されている。図４に示すように、封口板下面側に、集電リードの一部と嵌合可能な接触部４０が設けられている。接触部４０は、集電リードの側面の湾曲した部分と密着できような形状となっており、かつ接触部４０の先端部４１は、集電リードと正極集電体の間に入り込めるような形状となっており、これにより、接触部４０と集電リードの一部が嵌合することになる。

（５）正極集電リード
正極集電リード２０はニッケルめっきが施された鋼板（この場合は、厚さが０．４ｍｍのものとした）が筒状となるように折り曲げ成型することにより形成されたものであり、図５に示すように、後述する封口体３８の底面に溶接される頂部２１と、正極集電体３５に溶接される底部２２とを備えている。そして、頂部２１で連続し、底部２２の中央部で互いに突き合わされているとともに、底部２２の一対の側部は頂部２１よりも突出するよう形成されている。

ここで、頂部２１の中心部には中心開口２１ａが設けられているとともに、この中心開口２１ａの周囲には封口体の底面に溶接された際の溶接点となるために封口体に向けて（図５においては紙面の裏面から表面に向けて）突出するプロジェクション突起２１ｂが４箇所に形成されている。一方、底部２２の中心部には互いに突き合わされることにより円形状に形成された溶接電極挿入用の中心開口（図示していないが、この中心開口は頂部２１に形成された中心開口２１ａと一致する位置に形成されることとなる）が設けられているとともに、互いに突き合わされた各端部側に正極集電体の上面に溶接された際の溶接点となるために正極集電体３５に向けて突出するプロジェクション突起２２ｂが４箇所に形成されている。

（６）ニッケル−水素蓄電池
ついで、上述のような構成となる渦巻状電極群３０ａと、負極集電体３４と、正極集電体３５と、上述した正極集電リード２０とを用いて、円筒型二次電池となるニッケル−水素蓄電池を作製する例について、以下に説明する。
まず、渦巻状電極群３０ａの下端面に露出する水素吸蔵合金負極板３２の芯体露出部３２ｃに負極集電体３４を溶接する。また、渦巻状電極群３０ａの上端面に露出するニッケル正極板３１の芯体露出部３１ｃに正極集電体３５を溶接して電極体とする。

この後、渦巻状電極群３０ａの上端部に溶接された正極集電体３５の上に正極集電リード２０を配置した後、プロジェクション突起２１ｂの上面部に溶接電極を押し当てて、正極集電体３５に正極集電リード２０をスポット溶接する。これにより、正極集電リード２０の底部２２に形成されたプロジェクション突起２２ｂが溶接点となって、正極集電リード２０が正極集電体３５に溶接されることとなる。

この場合、正極集電リード２０を用いると、図６に示すように正極集電リード２０が正極集電体３５に溶接されることとなる。

この後、正極集電体３５に正極集電リード２０が溶接された渦巻状電極群３０ａを鉄にニッケルメッキを施した有底筒状の外装缶（底面の外面は負極外部端子となる）３７内に収納する。そして、渦巻状電極群３０ａの中心部に形成された空間部に溶接電極を挿入し、水素吸蔵合金負極板３２に溶接された負極集電体３４を外装缶３７の内底面にスポット溶接する。これにより、負極集電体３４が外装缶３７の内底面に溶接されることとなる。

ついで、外装缶３７の上部内周側に防振リング３９ｂを挿入し、外装缶３７の上部外周側に溝入れ加工を施して防振リング３９ｂの上端部に環状凹部３７ａを形成する。この後、外装缶３７内に７Ｎの水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液からなるアルカリ電解液を注入する。この後、この正極集電リード２０の上に封口体３８を配置する。

ついで、図７（集電リードの記載は省略）に示すように、封口体３８の上部と外装缶３７の下部に一対の溶接電極Ｗ１，Ｗ２を配置した後、これらの一対の溶接電極Ｗ１，Ｗ２間に２×１０⁶Ｎ／ｍ²の圧力を負荷しながら２４Ｖの電圧を印加し、３ｋＡの溶接電流を１５ｍｓｅｃの時間だけ流す通電処理を施した。これにより、正極集電リード２０の頂部２１に形成された４箇所のプロジェクション突起２１ｂが溶接点となって、封口体３８が正極集電リード２０に溶接されることとなる。この後、外装缶３７の開口端縁３７ｂを内方にかしめた後、このかしめた部分を電池の中心軸方向に対してプレス処理を施し、外装缶の開口部を封口する。

この時、図８に示すように前述したプレス処理により、電池内の正極集電リードが押し潰されるように扁平状に変形する。さらに、接触部４０が、集電リードの側面の湾曲した部分と密着し、かつ接触部４０の先端部４１が、集電リードと正極集電体の間に入り込む。これにより、接触部４０と集電リードの湾曲部の一部とが嵌合する。このとき、通電処理による電流が、嵌合部分にも流れるので、接触部４０と集電リードの湾曲部の一部は強固に溶接される。以上のようにして６．０Ａｈの実施例のニッケル−水素蓄電池Ａが得られる。

また、図９に示すように、封口板下面側に、接触部を設けなかったこと以外、実施例のニッケル−水素蓄電池と同様にして、比較例のニッケル−水素蓄電池Ｂを得た。尚、比較例のニッケル−水素蓄電池においては、図１０に示すように封口板と集電リードが、溶接部以外の部分で接触していない。

（５）評価試験
上述のように作製した各電池Ａ，Ｂについて、２５℃の温度雰囲で、１Ｉｔの充電電流でＳＯＣの１２０％まで充電し、１時間休止後に２５℃の温度雰囲で、１Ｉｔの放電電流で電池電圧が０．９Ｖになるまで放電させる充放電サイクルを１０回繰り返して、電池の活性化を行なった。この後、各電池Ａ，Ｂを２０セルづつ使用し、２５℃の温度雰囲気で、１Ｉｔの充電々流で電池容量に対して５０％まで充電を行った後、開路状態で１時間放置した後、最大２００Ａまで、各ステップ間に３０分の休止を入れながら１０秒間の充放電を繰り返し、各１０秒放電時電圧と各放電電流値から最小二乗法により求まる直線が０．９Ｖに達する時の電流値（放電出力）を求める放電性評価試験を、各電池Ａ，Ｂに行った。得られた１０秒目の放電出力において、電池Ｂの１０秒目の放電出力を１００とし、電池Ａの１０秒目の放電出力をそれとの比率（１０秒目放電出力比）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。

上記表１の結果から明らかなように、電池Ｂの１０秒目放電出力比は１００であるのに対して、電池Ａの１０秒目放電出力比は１０３で、電池Ａは電池Ｂよりも１０秒目放電出力比が向上していることが分かる。
これは、電池Ａが、封口体下部に設けた接合部と集電リードが接続されていることにより、電池Ｂに比べて導電経路数が増加し、かつ経路が短縮された導電経路が形成されることによって抵抗低減されているからであると考える。
また、電池Ａは、接続部と集電リードが勘合により接続されていることにより、接続部と集電リードの接続の構造安定性が高くなり、製造バラツキや使用時の振動等の影響を受けずに、確実に抵抗低減効果を発現できるからであると考える。

（変形例）
上述した実施例の接合部に代え、図１１に示したように、先端部４１に係留部４１を形成したものを用いこともできる。この場合、集電リードの側面の湾曲した部分に係留部４１が入り込む穴を設けておけば、図１２ に示すように、係留部４１が集電リードにかみ込んだ状態で接合部と集電リードの一部が勘合されるので、接続部が集電リードの一部より強固に接続されることになる。これにより、二次電池の高出力がより安定して得られるようになる。

２０…正極集電リード、３１…ニッケル正極板、３２…水素吸蔵合金負極板、３３…セパレータ、３４…負極集電体、３５…正極集電体、３７…外装缶、３８…封口体、３８ａ…封口板、３８ｂ…正極キャップ、３８ｃ…弁板、３８ｄ…スプリング、３９ａ…絶縁ガスケット、３９ｂ…防振リング、４０…接続部

Claims (3)

1. 一方極の端子を兼ねる開口部を備えた外装容器と、前記外装容器の開口部に配置される他方極の端子を兼ねる封口体と、正極及び負極の端部に集電体が接続されて前記外装容器に収容された電極体とを有し、前記集電体と封口体との間が集電リードで接続された二次電池であって、
   前記封口体には、電極体に向けて突出し、集電リードの一部と接触する接触部が形成されているとともに、前記接続部が、前記集電リードの一部と嵌合によって接続されていることを特徴とする二次電池。
2. 前記勘合によって接続されている状態が、接続された接続部と集電リードの一部を引き離すような力を作用させたときに、抗力が生じるような状態で接続されていることを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
3. 前記集電リードは、集電リード自身で形成される中空部または前記集電体とリード部自身とで囲まれて形成される空間を備えた筒状体からなり、電池の軸方向に押しつぶされていることを特徴とする請求項１から２に記載の二次電池。

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