JP2012094309A

JP2012094309A - 電池

Info

Publication number: JP2012094309A
Application number: JP2010239249A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kanai; 孝至金井; Tomoaki Nakaguchi; 知章中口; Ryuji Hashimoto; 龍次橋本
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2012-05-17

Abstract

【課題】電池において集電体を貫通させるガスケットの嵌合部を結晶性樹脂により構成し、集電体との接合部を非晶質状態の樹脂層で形成して構成したことで、嵌合時の応力を緩和し、電池内のガスケットの割れを抑制し、電池内容物の漏洩などの抑制を図り、長期間保存後の信頼性の向上と安全性の向上を目的とする。
【解決手段】電池ケース８内に正極材６とゲル状の負極材５とをセパレータ７を介在させて対向配置した発電部を収納し、電池ケース８の開口部に底板３と接合した集電体２が挿入された嵌合部１ｅを結晶性樹脂により構成し、その内部を結晶化した樹脂とし少なくとも上記集電体２との接合部を非晶質状態の樹脂層で形成して構成したガスケット１の発電部側に防爆薄肉部１ｃを設けた封口体４で封口する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池内容物を収納した電池ケースを結晶性樹脂を用いたガスケットで密閉した電池に関するものである。

近年、デジタルスチルカメラあるいは携帯音楽プレーヤーなどの長時間駆動化に伴い搭載機器の部品や特に電源のひとつである電池の長寿命化が強く要望される傾向にある。

従来の上記機器に利用される電池の一例としてアルカリマンガン乾電池では、同じ外形寸法で内容積を増やして電池容量を増やすためにはアルカリマンガン乾電池を構成する部品の小型化、特に樹脂で成形された絶縁機能と安全弁機構であるガスケットの薄型化が不可欠であった。

それと、薄型形状でも機械的強度を備え、衝撃などの外的負荷によるガスケットの割れや、特に、集電体との嵌合部となる部位の割れなどを抑制できるガスケットの品質の向上が不可欠であった。

図６は従来のアルカリマンガン乾電池の半断面正面図である。

図６に示すように正極端子を兼ねる鉄製の電池ケース３８の中には、二酸化マンガンと黒鉛とを主構成材料とし、短い円筒状に成形された正極材３６が複数個挿入されている。この正極材３６の内側には、底面に電池ケース３８との接触を隔離するための絶縁キャップ３０と円筒状に構成したセパレータ３７を介して、ゲル状の負極材３５が注入されている。負極材３５中には集電体３２が挿入されている。一般に、ガスケット３１は、プラスチック又はゴム製であり、底板３３、集電体３２などと組合せて、電池ケース３８の開口部を封口する構造をとっている。また、電池ケース３８は外部との絶縁をかねた外装ラベル３９で被覆されている。

一般に、ガスケット３１は、例えば溶融した熱可塑性樹脂を金型に送り込む射出成形法によって成形している。

ガスケット３１は、その底壁部３１ｄで内部の圧力を受ける。このガスケット３１の平板部３１ｂの受圧側に環状の溝部３１ａを設けることにより、その底壁部３１ｄを防爆薄肉部３１ｃとしている。そして、ガスが発生し、内部の圧力が上昇した際に内部の圧力がある圧力に達するとこの溝部３１ａの底壁の防爆薄肉部３１ｃに破断が生じ、電池内部のガスを排出する防爆機構として働くものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１３５３４２号公報特許第３３８８７６１号公報特開２０００−３２６３６５号公報

しかしながら、上述した特許文献１に示される従来技術では、図６に示すように、ガスケット３１を射出成形法で成形する際に、湯口となるゲート部で樹脂成形金型に冷却され結晶化することで、樹脂成形金型からガスケットを取り出す時にゲートカットによるゲート部の破断が生じ、上述する集電体を挿入する際に、挿入の応力により挿入部の割れが生じる。

また、ランナーレスのホットランナーシステムを用いた成形においては、ゲート付近の溶融樹脂がゲートシール用のヒータにより加熱されて、結晶化が促進されて部分的に固化状態が異質なものとなるという課題があった。

また、上述した特許文献２に示される従来技術では図７に示すようにネック部分６２の結晶化度を高めるために部分的に断熱スリーブ６４を装備し、成形時に異常な徐冷による冷却作用がネック部分６２に発生するため、部分的な冷却ムラから結晶化状態のムラを引き起こし、ネック部分６２とそれ以外の多層プリフォーム６１との間で結晶化度の差をつけることで、上記ネック部分６２とそれ以外の多層プリフォーム６１との境界を起点に割れが生じやすいという課題があった。

さらに、上述した特許文献３に示される従来技術では図８に示すようにゲート８４はボス部８２の端面中央部分に形成されており、これに対する内径ピン８５は、樹脂の充填時には後退位置にある。したがって、これによるゲート８４と内径ピン８５との間隙から、圧入孔周囲の環状樹脂流入路８６が形成されている。

これにより、環状流入路８６を通って流れ込む樹脂は、ゲート８４と内径ピン８５とがほぼ同径なので、内径ピン８５の端面に当たることにより流入方向を曲げられている。このためボス部８２の内側から外側へ向かう放射方向の樹脂流が生成され、ボス部外周をなすキャビティ壁面にぶつかる流れが形成される。さらに、充填完了と同時に内径ピン８５が前進して環状樹脂流入路８６を圧縮してゲートカットを行うことで、ゲート部８７の圧縮によるひずみを起点に割れが生じやすいという課題があった。

本発明は上記従来の課題を鑑みて成されたもので、ガスケットの割れを抑制し、電池内容物の漏洩などの抑制を図り、長期間保存後の信頼性の向上を図ることのできる電池を供給することを目的としている。

上記のような目的を達成するために本発明の電池は、少なくとも正極材と負極材とをセパレータを介して対向配置させ電解液を含浸させた発電部を電池ケースに収納し、この電池ケースの開口部をー端側が負極材中にはまり込む棒状の集電体の他端に接合した底板と絶縁体からなるガスケットにより構成される封口体で封口した電池において、集電体を貫通させるガスケットの嵌合部を結晶性樹脂により構成し、その内部を結晶化した樹脂とし、少なくとも上記集電体との接合部を非晶質状態の樹脂層で形成して構成したことを特徴とする。

本発明によれば、集電体との嵌合部を非晶質状態の樹脂層で形成して構成したことで、嵌合時の応力を緩和し、電池内のガスケットの割れを抑制し、電池内容物の漏洩などの抑制を図り、長期間保存後の信頼性の向上と安全性の向上が可能となる。

本発明の一実施の形態における電池を示した半断面図本発明の一実施の形態におけるガスケットの嵌合部の結晶化を示した主要部の断面図本発明の一実施の形態におけるガスケットの嵌合部の結晶化を示した主要部の断面図比較におけるガスケットの嵌合部の結晶化を示した主要部の断面図比較例におけるガスケットの嵌合部の結晶化を示した主要部の断面図従来例における電池を示した断面図

本発明の第１の発明では、少なくとも正極材と負極材とをセパレータを介して対向配置させ電解液を含浸させた発電部を電池ケースに収納し、この電池ケースの開口部をー端側が負極材中にはまり込む棒状の集電体の他端に接合した底板と絶縁体からなるガスケットにより構成される封口体で封口した電池において、集電体を貫通させるガスケットの嵌合部を結晶性樹脂により構成し、その内部を結晶化した樹脂とし、少なくとも上記集電体との接合部を非晶質状態の樹脂層で形成して構成したことにより、電池内のガスケットの割れを抑制し、電池内容物の漏洩などの抑制を図り、長期間保存後の信頼性の向上できる。

本発明の第２の発明では、ガスケットの嵌合部として、結晶化した樹脂の全周面に非晶質状態の樹脂層を形成して構成したことにより、嵌合時の衝撃や外的圧力の緩和を行い、内部ひずみなどを持たずに嵌合することが可能となり、ガスケットの割れを抑制し、安全性を向上することが可能である。

本発明の第３の発明では、前記ガスケットの結晶化した樹脂は溶融樹脂を結晶化温度で徐冷することにより形成され、非晶質状態の樹脂層は溶融樹脂を結晶化温度で急令することにより形成されたことにより、成形条件に依存せずに冷却作用をコントロールすることが可能な金型構造のみで生産することができ、ガスケットの割れを抑制し安全性を向上することが可能となり、電池内容物の漏洩などを抑制することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

以下に示される一実施の形態については、本発明を説明するために掲げた電池としての代表的なアルカリマンガン乾電池の構造を示すものであって、本発明は電池の構造を下記のものに特定するものではない。

まず、図１は本発明の一実施の形態におけるアルカリマンガン乾電池の半断面図である。

図１に示すように、正極端子を兼ねる鉄製の電池ケース８の中には二酸化マンガンと黒鉛とを主構成材料とし、短い円筒状に成形された正極材６が複数個挿入されている。この正極材６の内側には、セパレータ７を介してゲル状の負極材５が注入されている。

ゲル状の負極材５の中には集電体２が挿入されており、ゲル状の負極材５の底面には電池ケース８との絶縁を目的とした絶縁キャップ１０が挿入されている。また、電池ケース８の絶縁被覆と商品の外装を目的として外装ラベル９が装着されている。

一般に、ガスケット１はプラスチック又はゴム製であり、また、底板３と溶接接続された集電体２をガスケット１の軸中心に圧入して組みこんだものを封口体４と呼び、この封口体４で電池ケース８の開口部を封口することによってアルカリマンガン乾電池を構成している。一般に、ガスケット１は、例えば溶融した熱可塑性樹脂を金型に送り込む射出成形法によって成形している。

ガスケット１は、底壁部１ｄにより内部の圧力を受ける。このガスケット１の平板部１ｂの受圧側に環状の溝部１ａを設けることにより、その底壁部１ｄを防爆薄肉部１ｃとしている。そして、乾電池の過放電や乾電池を逆接続した時にガスが発生し、内部の圧力が上昇した際に内部の圧力が防爆薄肉部１ｃの変形を開始する圧力に達すると防爆薄肉部１ｃが外方に膨張するように突出し、一定の圧力に到達した後に、防爆薄肉部１ｃに破断が生じ、底板３に設けた穴１１ａを通って内部のガスを排出する。

この防爆機構としての防爆薄肉部１ｃをさらに詳しく説明する。

ガスケット１の平板部１ｂに沿って環状に設けた溝部１ａの肉厚が０．２５ｍｍ以下で形成された防爆薄肉部１ｃに対し、過放電時や逆接続によって起こる乾電池のガス発生によって生じる内圧上昇によって発生する圧力が集中し、外方に膨張するように突出し、防爆薄肉部１ｃにかかる圧力が一定の値を超えることで破断され、電池ケース８の内部に高い圧力で存在するガスを破断された防爆薄肉部１ｃの隙間を利用して効率よく排出することができる。

また、円筒の高さ方向において、薄型のガスケット１を用いた封口体４で開口部を封口することにより、防爆薄肉部１ｃが伸張するために必要な空間を最小にすることができ、結果的には封口体４を構成するガスケット１の薄型化が可能となり、内容積を増大しアルカリマンガン乾電池の電池容量を増大させることができる。

さらに、底板３と溶接接続された集電体２をガスケット１の軸中心に圧入するためのガスケット１の軸となる嵌合部１ｅを図２、図３を用いてさらに詳しく説明する。

ガスケット１に設けられた嵌合部１ｅは一般にガスケット１が溶融した樹脂によって射出成形され際に、金型内の雄型と雌型の隙間によって形成される。この嵌合部１ｅを形成する際には、集電体２を圧入するための接合穴１ｆを形成するために、集電体２の径より小さい径の円筒状の雄型を設けて成形している。その際にガスケット１に設けた嵌合部１ｅの接合穴１ｆの接合面を非晶質状態の樹脂層２１ｂで構成することで、ガスケット１に設けられた嵌合部１ｅに集電体２を圧入する際の負荷による嵌合部１ｅの割れを軽減することができ、かつ電池の過放電や電池の逆接続時にガスが発生し、内部の圧力が上昇した際に、電池内容物の漏洩などの抑制を図り、また、長期間保存後の性能に対し、信頼性を持った電池の提供を可能とする構成となっている。

図２は本発明の一実施の形態におけるガスケットの嵌合部１ｅの結晶化状態を示した主要部の断面図である。図２に示すように、ガスケット１に設けられた嵌合部１ｅ内において結晶化した樹脂層２１ａの全周面に非晶質状態の樹脂層２１ｂを形成して構成することで、嵌合時の衝撃や外的圧力の緩和を行い、内部ひずみなどを持たずに嵌合することが可能となり、ガスケット１の割れを抑制し、安全性を向上することが可能となる。

次に、図３は本発明の一実施の形態におけるガスケット１の嵌合部１ｅの結晶化状態を示した主要部の断面図である。図３に示すようにガスケット１の嵌合部１ｅの結晶化した樹脂層２１ａは溶融樹脂を結晶化温度で徐冷することにより形成され、図２に示すものより肉厚に形成された非晶質状態の樹脂層２１ｂは溶融樹脂を結晶化温度で急令することにより形成されたことで、成形条件に依存せずに、冷却作用をコントロールすることが可能な金型構造だけでガスケット１を生産することができ、ガスケット１の割れを抑制し、安全性を向上することが可能となり、電池内容物の漏洩などを抑制することができる。

図２、図３ではガスケット１の嵌合部１ｅについて説明したが、嵌合部１ｅ以外のガスケット１の全体にわたって設けても同じような作用効果が得られる。
以下、本発明の実施例について説明する。

図１に示すように、正極端子を兼ねる鉄製で外径がφ１４ｍｍ（単三サイズ）の電池ケース８の中には二酸化マンガンと黒鉛とを主構成材料とし、短い円筒状に成形された正極材６が複数個挿入されている。この正極材６の内側には、セパレータ７を介してゲル状の負極材５が注入され、このゲル状の負極材５の中には外径がφ１ｍｍの集電体２が挿入されておいる。このゲル状の負極材５の底面には電池ケース８との絶縁を目的とした絶縁キャップ１０が挿入されこの電池ケース８の外周面は絶縁被覆と商品の外装を目的として外装ラベル９が装着されている。

さらに、図２に示すように、例えば、ガスケット１はプラスチック又はゴム製であり射出成形などによって２８０℃に溶融された結晶性樹脂を８０℃に冷却した金型に０．５秒で射出し、６秒間の冷却により固化形成される。このガスケット１の嵌合部１ｅの軸方向断面で結合穴１ｆの端面から３．５ｍｍの長さにわたり結合面より製品内部方向に５０μｍ以下の領域内で樹脂層２１ｂを非晶質状態に成形し、また底板３と溶接接続された集電体２をガスケット１の軸中心に圧入して組みこんだものを封口体４と呼び、この封口体４で電池ケース８の開口部を封口することによって構成したアルカリマンガン乾電池を実施例１とした。

図３に示すように、実施例１に比べて非晶質状態の樹脂層２１ｂを肉厚に形成した。

詳しくは成形時に急冷しガスケット１の嵌合部１ｅの軸方向断面で結合穴１ｆの端面から３．５ｍｍの長さにわたり結合面より製品内部方向に１００μｍ以下の領域内で樹脂層２１ｂを非晶質状態に成形したガスケット１を用いた実施例１と同様の内容物の仕様であるアルカリマンガン乾電池を実施例２とした。

（比較例１）
図４に示すように、実施例１に比べて非晶質状態の樹脂層２１ｂを極端に薄肉に形成した。

詳しくは、成形時に徐冷しガスケット１の嵌合部１ｅの軸方向断面で結合穴１ｆの端面から３．５ｍｍの長さにわたり結合面より製品内部方向に１００μｍ以下の領域内で樹脂層を過度の結晶状態に成形したガスケットを用いた実施例１と同様のアルカリマンガン乾電池を比較例１とした。

（比較例２）
図５に示すように、ガスケット１の一端部に結晶化した樹脂層２１ａよりもさらに結晶化が進んだ状態の樹脂層２１ｃを形成した。

詳しくは、成形時にガスケット１の嵌合部１ｅの軸方向断面で結合穴１ｆの端面から長さ０．５ｍｍの範囲にわたる結合面より製品内部の方向に１００μｍ以下の領域内で極度に徐冷することで、結晶化した樹脂層２１ａよりも結晶化が進んだ状態の樹脂層２１ｃを成形し、かつ上記嵌合部１ｅの軸方向断面で結合穴１ｆの端面から０．５ｍｍの位置から３ｍｍの長さにわたり結合面より製品内部方向に１００μｍ以下の領域内で樹脂層２１ｂを非晶質状態に成形したガスケットを用いた実施例１と同様の内容物の仕様であるアルカリマンガン乾電池を比較例２とした。

以上のような実施例１，２および比較例１，２に示したものを以下のように測定した。

実施例１，２および比較例１，２の軸方向断面で切断し、薄肉状で結合穴１ｆの端面に隣接する長さ０．５ｍｍの範囲にわたる結合面より製品内部方向に１００μｍ以下の領域内を含む長さ３．５ｍｍの切断片を作製し、偏光顕微鏡にて各３０個測定し、平面部位での結晶化が占める面積の割合を測定した平均値の結果と実施例１，２および比較例１，２のガスケットに集電体２を挿入した際の、割れの状況と約６ヶ月間の長期保存による漏液状況を（表１）に示す。

（表１）に示すように、本発明の実施例１，２は、比較例１，２と比べ結合面から１００μｍ以下の範囲で結晶化の割合が少なく、かつ非晶質状態であるということが判った。

これは、結合面から１００μｍ以下の範囲、つまりは嵌合部の表面の樹脂層が非晶質状態にあり、一般に溶融樹脂を成形時に結晶化させるためには、金型内に射出された溶融樹脂が充填された後、溶融温度から結晶領域まで冷却され、熱的プロファイルが制御された下で結晶領域を通して転移が行われる。結晶性の程度は、結晶化領域を通じた温度プロファイル及び転移の間の時間に依存する。結晶化に続いて射出成形された成形部品は、金型から取り出された時点での排出温度へと冷却される。

このことから、本発明の実施例１，２は金型からの冷却作用が働き、結晶化領域を通じた温度プロファイルと短時間での転移により結晶化を促進すること無く非晶質化している結果であると考えられる。

また、（表１）に示すように、本発明の実施例１，２は、比較例１，２と比べ集電体２を挿入時の割れが無く、かつ、長期間の保存下でも電池の封口部位からの漏液が無いことが判った。

さらに、実施例１に比べ実施例２では、金型内での冷却を行う際に急冷されることで、結晶化温度で結晶化を促進すること無く非晶質化する領域が増えているということが判った。

また、比較例１は結合面から１００μｍ以下の範囲で結晶化の割合が高いということが判った。これは、結合面から１００μｍ以下の範囲、つまりは嵌合部の表面の非晶質状態の樹脂層２１ｂが少なく結晶化が促進されている状態にあり集電体２を挿入時にかかる残留応力を持った状態で長期保存の結果、電解質な電池内容物によって表面劣化することで割れに至ったものと考えられる。

また、比較例２の軸方向断面で結合穴１ｆの端面から長さ０．５ｍｍの範囲にわたる結合面より製品内部方向に１００μｍ以下の領域内で結晶化の高い状態の樹脂層２１ａの割合が非常に高く、局部的に結晶化が促進されて、上記端面から長さ０．５ｍｍの範囲の位置より３ｍｍの範囲で樹脂層の結晶状態に偏りが発生し、集電体２を挿入時に挿入時からの応力の緩和ができずに、破壊に至っているということが明らかとなった。

上記のことから、実施例１，２は比較例１，２に比べガスケット１に設けた嵌合部１ｅの接合穴１ｆの接合面を非晶質状態の樹脂層２１ｂで構成することが可能で、集電体２を挿入する際に受ける応力の緩和ができ、集電体２を貫通させるガスケット１の嵌合部１ｅを結晶性樹脂により構成し、その内部を結晶化した樹脂とし、少なくとも上記集電体２との嵌合部を非晶質状態の樹脂層で形成して構成したことを特徴とする電池によって、ガスケット１の割れを抑制し、電池内容物の漏洩などの抑制を図り、長期間保存後の信頼性を持った乾電池として有効であることが判った。

また、上記に示した実施例おいては、外径がφ１３ｍｍのアルカリマンガン乾電池を代表として説明してきたが、結晶性樹脂を用いた封口体４により封口された電池においても同様の構成とすることで同じ効果が得られる。

さらに、上記実施例に記載した冷却時間はこれに限定したものではなく、任意の冷却時間下でも同様の効果が得られる。

本発明によれば少なくとも正極材と負極材とをセパレータを介して対向配置させ電解液を含浸させた発電部を電池ケースに収納し、この電池ケース開口部をー端側負極材中にはまり込む棒状の集電体の他端に接合した底板と絶縁体からなるガスケットにより構成される封口体で封口した電池において、前記集電体を貫通させるガスケットの嵌合部を結晶性樹脂により構成し、その内部を結晶化した樹脂とし、少なくとも上記集電体との接合部を非晶質状態の樹脂層で形成して構成したことを特徴とする電池嵌によって、ガスケットの割れを抑制し、電池内容物の漏洩などの抑制を図り、長期間保存後の信頼性を持った電池として有用である。

１ガスケット
１ａ溝部
１ｂ平板部
１ｃ防爆薄肉部
１ｄ底壁部
１ｅ嵌合部
１ｆ結合穴
２集電体
３底板
４封口体
５負極材
６正極材
７セパレータ
８電池ケース
９外装ラベル
１０絶縁キャップ
２１ａ結晶化した樹脂層
２１ｂ非晶質状態の樹脂層
２１ｃ結晶化が進んだ状態の樹脂層

Claims

正極材と負極材とをセパレータを介して対向配置させ電解液を含浸させた発電部を電池ケースに収納し、前記電池ケースの開口部をー端側が負極材中にはまり込む棒状の集電体の他端に接合した底板と絶縁体からなるガスケットにより構成される封口体で封口した電池において、前記集電体を貫通させるガスケットの嵌合部を結晶性樹脂により構成し、その内部を結晶化した樹脂とし、少なくとも上記集電体との接合部を非晶質状態の樹脂層で形成して構成したことを特徴とする電池。
前記ガスケットの嵌合部として、結晶化した樹脂の全周面に非晶質状態の樹脂層を形成して構成した請求項１記載の電池。
前記ガスケットの結晶化した樹脂は溶融樹脂を結晶化温度で徐冷することにより形成され、非晶質状態の樹脂層は溶融樹脂を結晶化温度で急令することにより形成された請求項１記載の電池。