JP2015008089A

JP2015008089A - 電池

Info

Publication number: JP2015008089A
Application number: JP2013133126A
Authority: JP
Inventors: 学金本; Manabu Kanemoto; 金本　　学; 児玉　充浩; Mitsuhiro Kodama; 充浩児玉
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2015-01-15

Abstract

【課題】ケースの収容空間に対する電極の使用量を減らすこと。【解決手段】電極体２３は、上下方向の長さがＶで、収容空間Ｓの上下方向の長さＹよりも短い。第１スペーサ２７Ａは、電極体２３と蓋部１５との間に配され、下面で電極体２３と接し、第２スペーサ２７Ｂは、電極体２３と閉塞部１４との間に配され、上面で電極体２３と接する。【選択図】図１

Description

電池の内部構造の技術に関する。

近年、コストが安い電池のニーズが増加している。そこで、例えば、電池ケースの内部に、正極板と、負極板と、電解液を含浸したセパレータとからなる電極群を備える電池において、電極群を電池ケースの軸方向に短くして、電池ケースの余った空間に充填材を封入した電池が開発されている。これにより、電池の軸方向の全長に亘って電極群を形成する場合と比較して電極の使用量が少なくなり、電池のコストが低減されているとともに、充填材により、電池ケース内における電極群のガタつきが抑制されている（特許文献１）。

ドイツ特許出願ＤＥ２００１６２３１Ｕ１

ところで、上記従来技術では、電極群を電池ケースの軸方向に短くし、電池ケース内の余った空間に充填材を封入しているが、上記従来技術とは異なる構成により、電極の使用量を減らすことが求められている。

本明細書では、ケースの収容空間に対する電極の使用量を減らすことが可能な技術を開示する。

本明細書によって開示される電池は、筒状のケースと、正極板と、負極板とが、セパレータを介して巻回された電極体とを備え、前記電極体は前記ケースに収容され、かつ、前記電極体の巻回軸方向の双方にスペーサを有する。

上記電池では、ケースの収容空間に対する電極の使用量を抑制することができる。

一実施形態の電池の縦断面を表した斜視図電池を示す縦断面図電池の分解斜視図電極体の水平断面図スペーサがない場合の電池の水平断面図スペーサがある場合の電池の水平断面図スペーサの斜視図

（実施形態の概要）
本明細書によって開示される電池は、筒状のケースと、正極板と、負極板とが、セパレータを介して巻回された電極体とを備え、前記電極体は前記ケースに収容され、かつ、前記電極体の巻回軸方向の双方にスペーサを有する。

この電池によれば、電極体が、ケースの収容空間の全長に亘って形成された構成に比べて、ケースの収容空間に対する電極の使用量が少なくすることができる。

上記電池は前記スペーサの外周が、前記ケースの内壁面に、当該内壁面の周線の長さの半分以上で接触してもよい。

この電池によれば、電極体のガタつきを抑制しつつ、ケースの歪みを抑制することができる。

上記電池は、前記スペーサの少なくとも一方は、前記ケースの前記内壁面の半分以上の部分に、連続的に接触してもよい。

この電池によれば、スペーサがケースの内壁面の半分以上の部分に断続的に接触する構成に比べて、ケースの歪みをより抑制することができる。

上記電池は、前記スペーサの少なくとも一方は、環状で、前記周線の長さの全周に亘って前記内壁面に接触していてもよい。

この電池によれば、スペーサの少なくとも一方を、例えば空洞等がない中身が詰まった中実体とした構成に比べて、スペーサを形成するための材料の量を抑制しつつ、スペーサの強度低下を抑制することができる。

上記電池では、前記正極板が、水酸化ニッケルを活物質とし、前記負極板が水素吸蔵合金を活物質とするようにしてもよい。

＜一実施形態＞
一実施形態の電池１０について、図１〜図５を参照しつつ説明する。電池１０は、ニッケル・水素蓄電池等のアルカリ蓄電池である。電池１０は、例えば単３形（ＩＥＣ（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）では、「Ｒ６」、米国では、「ＡＡ」）の容量が１８００ｍＡｈ以下、又は単４形（ＩＥＣでは、「Ｒ０３」，米国では、「ＡＡＡ」）の容量が６５０ｍＡｈ以下の低容量タイプである。以下の説明では、図１の紙面手前側を電池１０の前側（前）とし、紙面右側を電池１０の右側（右）とし、紙面上側を電池１０の上側（上）とする。

電池１０は、図１に示すように、電池ケース１１と、電極体２３とから構成されている。電池ケース１１は、金属製で、一方向に長い形状である。この電池ケース１１は、ケースの一例であり、電池ケース本体１２と、蓋部１５とから構成され、内部に収容空間Ｓを有する。なお、一方向は、図１では上下方向であり、電池ケース１１の長手方向であり、蓋部１５と後述する閉塞部１４との対向する方向である。

電池ケース本体１２は、表面がニッケルめっきされており、後述する負極板２６を電気的に接続させることで電池１０の負極端子となる。電池ケース本体１２は、上下方向における一端が開口し、他端が閉塞した形状を有し、具体的には、筒状部１３と閉塞部１４とを備える。

筒状部１３は、上下方向に長い円筒状の形状であって、上下方向から見た内周面の形状は、上下方向に沿った中心軸Ｗからの内径Ｒが一定である真円形状となっている。筒状部１３内は、後述する電極体２３を収容可能な収容空間Ｓである。

筒状部１３の一方向における一端、図１では上端には、筒状部１３の内部に連通する開口部１２Ａが形成されている。筒状部１３の一方向における他端、図１では上端は、閉塞部１４により閉塞されている。閉塞部１４は、円形状の板材状をなし、筒状部１３と一体に形成されている。

蓋部１５は、後述する正極板２４に弾性を有する接続端子２１を介して電気的に接続されており、電池１０の正極端子となる。蓋部１５は、蓋本体１６、弾性体１８、及び、端子板１９を備える。蓋本体１６は、円形状の平板であり、例えばニッケルめっきを施した鉄材等の導電性を有する物質からなり、正極板２４に接続端子２１を介して電気的に接続されている。蓋本体１６の中央部には貫通孔１７が形成されている。

弾性体１８は、貫通孔１７を塞ぐように蓋本体１６の上面、即ち、閉塞部１４に対向する面とは反対の面上に配置されている。弾性体１８は、例えばゴム等の材質からなり、外力に応じて弾性変形する。端子板１９は、弾性体１８を覆う導電性の板である。

具体的には、端子板１９は、弾性体１８を、下方、即ち蓋本体１６に押し付けた状態で蓋本体１６と電気的に接続されている。端子板１９には、電池ケース１１内のガスを放出するための排出孔２０が設けられている。例えば電池ケース１１の内圧が上昇し、弾性体１８が貫通孔１７から所定値以上の圧力を受けると、弾性体１８が弾性変形して電池ケース１１内と排出孔２０とが連通し、電池ケース１１内のガスが排出孔２０から電池１０の外部に排出される。

電池ケース本体１２の開口部１２Ａと蓋部１５との間には、弾性変形可能な絶縁体２２が挟まれてシールされている。この絶縁体２２により、電池ケース本体１２と蓋部１５とが絶縁されている。

電極体２３は、電池ケース１１の収容空間Ｓに収容されている。電極体２３は、正極板２４、負極板２６、及びそれらの間に配置される電解液を含んだセパレータ２５が、上下方向に沿った芯棒Ｍを中心に渦巻状に巻回されている。なお、芯棒Ｍは、上述した中心軸Ｗに一致していても一致していなくてもよい。ただし、以下、説明の都合上、芯棒Ｍは、中心軸Ｗに一致するものとする。筒状部１３の内側面Ｋ（内壁面の一例）とは、電池ケース１１の内面のうち上下方向に沿った面である。なお、電極体２３は、芯棒Ｍが抜かれた状態で収容空間Ｓに収容されてもよい。

電極体２３は、上下方向の長さがＶで、収容空間Ｓの上下方向の長さＹよりも短い。そして、電極体２３の上下に、後述する第１スペーサ２７Ａ、第２スペーサ２７Ｂが配される。

なお、上述した筒状部１３の内径Ｒは、電極体２３の外径Ｌ（図２の左右方向の外径寸法）と略等しい内径Ｒ（図２の左右方向の内径寸法）を有する。

セパレータ２５は、例えばポリオレフィン製の不織布からなる。セパレータ２５には、水酸化カリウムあるいは水酸化ナトリウムを主成分とする電解液が含浸されている。セパレータ２５は、電極体２３の内、筒状部１３の内側面Ｋと対向する面には配されておらず、当該筒状部１３の内側面Ｋと対向する面には、後述する負極板２６が配されている。

正極板２４は、正極金属板２４Ａ（一極金属板の一例）に正極活物質２４Ｂ（一方の極性の活物質の一例）を塗布したものである。正極金属板２４Ａは、例えば発泡ニッケルである。正極活物質２４Ｂは、正極水酸化ニッケル活物質及び導電材のコバルト化合物の混合物である。正極板２４は、正極金属板２４Ａの中空内に、正極活物質２４Ｂを塗布したものである。

なお、電池１０がニッケル・カドミウム蓄電池の場合、正極活物質２４Ｂは、例えば水酸化ニッケルであり、電池１０がニッケル・水素蓄電池の場合、水酸化ニッケル活物質は、例えば水酸化カルシウムを添加した水酸化ニッケルである。

負極板２６は、負極金属板２６Ａ（他極金属板の一例）に負極活物質２６Ｂ（他方の極性の活物質の一例）を塗布したものである。負極金属板２６Ａは、例えばニッケルめっきを施した平板状の穿孔鋼板である。負極活物質２６Ｂは、例えばカドミウム粉末や水素吸蔵合金の粉末（一方の極性の活物質の一例）である。負極板２６は、負極金属板２６Ａ上に、負極活物質２６Ｂを塗布したものである。

なお、ニッケル・カドミウム蓄電池の場合、負極活物質２６Ｂは、例えば酸化カドミウム粉末と金属カドミウム粉末との混合物であり、ニッケル・水素蓄電池の場合、負極活物質は、例えば、主にＡＢ５型（希土類−Ｎｉ系）、ＡＢ３．０−３．８型（希土類−Ｍｇ−Ｎｉ系）又はＡＢ２型（Ｌａｖｅｓ相）の水素吸蔵合金の粉末である。

第１スペーサ２７Ａは、電極体２３と蓋部１５との間に配される。第１スペーサ２７Ａは、電極体２３の筒状部１３の上下方向の位置を固定したり、筒状部１３の前後左右方向への変形を抑制したりするための部材である。

第１スペーサ２７Ａは、電解液と反応しないアクリル樹脂やポリプロピレン樹脂、ナイロン樹脂等の樹脂製又はステンレス鋼等の材料から構成されている。第１スペーサ２７Ａは、図３に示すように、リング状の部材である。

具体的には、第１スペーサ２７Ａは、上下方向の長さがＤで、全体として筒状をなしている。第１スペーサ２７Ａの外径Ｐ、即ち、中心軸Ｗを中心とした径の内で長い方の径は、筒状部１３の内径Ｒと略等しい。このため、第１スペーサ２７Ａは、筒状部１３にほぼ隙間なく挿通される。そして、第１スペーサ２７Ａはリング状であるため、中心軸Ｗを中心とする周方向において、内側面Ｋに全周に亘って、連続的に接触する。なお、第１スペーサ２７Ａにおいて、中心軸Ｗを中心とした径の内で長い方の径によって、当該周方向に第１スペーサ２７Ａの外周が形成される。

また、第１スペーサ２７Ａの内径Ｑ、即ち、中心軸Ｗを中心とした径の内で短い方の径は、電極体２３の外径Ｌよりも短い。このため、第１スペーサ２７Ａは、下面で電極体２３と接する。

なお、第１スペーサ２７Ａと第２スペーサ２７Ｂとは、役割が同じであり，材質および形状は同じであってよい。第２スペーサ２７Ｂは、電極体２３と閉塞部１４との間に配され、上面で電極体２３と接する。

図４に示すように、電極体２３の直径は、巻き終わり部分を通る直径Ｇ１とこれに直行する直径Ｇ２とがある。そして、直径Ｇ１は直径Ｇ２に比べて長くなっているため、電極体は前後左右方向の断面は楕円形になっている。この電極体２３を、真円形である電池１０の筒状部１３に内側面Ｋで接触しながら収容すると、筒状部１３は、電極体２３の形状に追従して、楕円形に変形してしまうおそれがある。また、電池１０の充放電によって、電極体２３が膨張と収縮を繰り返した場合、この変形が顕著になるおそれがある。

筒状部１３は、閉塞部１４付近ＢＭや蓋部１５付近ＴＰから、上下方向の中央部分ＣＲに向かうに従って、前後左右方向の強度が低下する。したがって、筒状部１３の内、閉塞部１４付近ＢＭや蓋部１５付近ＴＰでは、筒状部１３に対して内外から応力が加わった場合でも，変形しにくい。一方、筒状部１３の内、中央部分ＣＲ付近は、変形しやすい。

このため、第１スペーサ２７Ａや第２スペーサ２７Ｂがない構成の場合、例えば電極体２３の形状による応力が加わった場合、矢印Ｙ１方向へ力が働いても、図５Ａの実線で示す通り、筒状部１３の内、閉塞部１４付近ＢＭや蓋部１５付近ＴＰでは、筒状部１３は変形しにくい。しかし、図５Ａの二点鎖線で示す通り、筒状部１３の内、中央部分ＣＲ付近は、例えば電極体２３が変形して、矢印Ｙ１方向へ力が働くと、筒状部１３は、例えば楕円形等に変形してしまう。

一方、第１スペーサ２７Ａがある構成では、第１スペーサ２７Ａが、蓋部１５付近ＴＰから、上下方向の長さＤだけ筒状部１３の内側面Ｋに接触する構成である。このため、第１スペーサ２７Ａと接触している筒状部１３の内側面Ｋも、第１スペーサ２７Ａを介して、前後左右方向への強度の低下が抑制され、蓋部１５付近ＴＰと同程度の強度が保たれる。

その結果、図５Ｂに示す通り、電極体２３が変形しようとして矢印Ｙ１方向へ力が働いても、第１スペーサ２７Ａによって、矢印Ｙ１方向とは反対方向の矢印Ｙ２方向に力が働く。これによって、筒状部１３の内、中央部分ＣＲ付近でも筒状部１３の変形が抑制される。

一方、第２スペーサ２７Ｂがある構成では、第２スペーサ２７Ｂが、閉塞部１４付近ＢＭから、上下方向の長さＤだけ筒状部１３の内側面Ｋに接触する構成である。このため、第２スペーサ２７Ｂと接触している筒状部１３の内側面Ｋも、第２スペーサ２７Ｂを介して、前後左右方向への強度の低下が抑制され、閉塞部１４付近ＢＭと同程度の強度が保たれる。

その結果、図５Ｂに示す通り、電極体２３が変形しようとして矢印Ｙ１方向へ力が働いても、第２スペーサ２７Ｂによって、矢印Ｙ１方向とは反対方向の矢印Ｙ２方向に力が働く。これによって、筒状部１３の内、中央部分ＣＲ付近でも筒状部１３の変形が抑制される。

つまり、第１スペーサ２７Ａと第２スペーサ２７Ｂとの両方が備えられていることで、筒状部１３の内、中央部分ＣＲ付近でも筒状部１３の変形がより抑制される。

（本実施形態の効果）
本実施形態によれば、電極体２３は、上下方向の長さがＶで、収容空間Ｓの上下方向の長さＹよりも短い。このため、電極体２３が、上下方向において電池ケース１１の収容空間Ｓの全長に亘って形成された構成に比べて、電池ケース１１の収容空間Ｓに対する電極の使用量が少なくすることができる。

電池１０は、上述した通り規格が定められており、電池ケース１１の上下方向の長さ（収容空間Ｓの全長）も規格が定められている。本実施形態では、変更できない収容空間Ｓの全長の長さをそのまま保ちつつ、電極体２３の上下方向の長さを収容空間Ｓの全長よりも短くすることで、電力量の規格を維持したまま電極の使用量を少なくすることができる。

また、第１スペーサ２７Ａは、電極体２３と蓋部１５との間に配され、下面で電極体２３と接し、第２スペーサ２７Ｂは、電極体２３と閉塞部１４との間に配され、上面で電極体２３と接する。これによって、電池ケース１１内に第１スペーサ２７Ａおよび第２スペーサ２７Ｂを設けない構成に比べて、電池ケース１１内における電極体２３のガタつきを抑えることができる。

さらに、第１スペーサ２７Ａがある構成では、第１スペーサ２７Ａが、蓋部１５付近ＴＰから、上下方向の長さＤだけ筒状部１３の内側面Ｋに接触する構成である。このため、第１スペーサ２７Ａと接触している筒状部１３の内側面Ｋも、第１スペーサ２７Ａを介して、前後左右方向への強度の低下が抑制され、蓋部１５付近ＴＰと同程度の強度が保たれる。

そして、第２スペーサ２７Ｂがある構成では、第２スペーサ２７Ｂが、閉塞部１４付近ＢＭから、上下方向の長さＤだけ筒状部１３の内側面Ｋに接触する構成である。このため、第２スペーサ２７Ｂと接触している筒状部１３の内側面Ｋも、第２スペーサ２７Ｂを介して、前後左右方向への強度の低下が抑制され、閉塞部１４付近ＢＭと同程度の強度が保たれる。これによって、電池ケース１１の歪みを抑制することができる。

＜他の実施形態＞
本明細書で開示される技術は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような種々の態様も含まれる。

上記実施形態では、電極体２３は、正極板２４、負極板２６及びセパレータ２５が反時計回りに巻回された円筒形状とされた例を挙げた。しかしこれに限らず、電極体２３は、例えば、共に平板状の正極板２４、負極板２６及びセパレータ２５が積層されることで全体として角形とされるものでもよい。

上記実施形態では、第１スペーサ２７Ａや第２スペーサ２７Ｂは、リング状である例を挙げた。しかしこれに限らず、図６に示すように、中身が充填されている中実体であってもよい。また、完全な円形でなくてもよく、半円や２／３円であってもよい。さらに、前後左右方向の断面が、中心から複数の板体が放射状に延びており、当該板体と筒状部１３の内側面Ｋとの接触部分が、中心軸Ｗを中心とした周方向の長さ（内壁面の周線の長さの一例）の半分以上である構成でもよい。要するに、筒状部１３の内側面Ｋと、中心軸Ｗを中心とした周方向で半分以上接触する構成であれば、連続的に接触していても、断続的に接触していてもよい。

上記実施形態では、第１スペーサ２７Ａや第２スペーサ２７Ｂは、役割が同じであり，材質および形状は同じである例を挙げた。しかしこれに限らず、第１スペーサ２７Ａや第２スペーサ２７Ｂは、形状、材質、および高さの全て、またはいずれか一つが異なっていてもよい。

上記実施形態では、第１スペーサ２７Ａや第２スペーサ２７Ｂは、別体である例を挙げた。しかしこれに限らず、第１スペーサ２７Ａと第２スペーサ２７Ｂとは、一体であってもよい。例えば、芯棒Ｍが挿し込まれていた孔（図示せず）を通して、第１スペーサ２７Ａと第２スペーサ２７Ｂとが一体に形成されていてもよい。

上記実施形態では、筒状部１３は、円筒形状である例を挙げた。しかしこれに限らず、筒状部１３は、角形であってもよい。

１０：電池１１：電池ケース１２：電池ケース本体１２Ａ：開口部１３：筒状部２３：電極体２４：正極板２５：セパレータ２６：負極板２７Ａ：第１スペーサ２７Ｂ：第２スペーサＳ：収容空間

Claims

筒状のケースと、
正極板と、負極板とが、セパレータを介して巻回された電極体とを備え、
前記電極体は前記ケースに収容され、かつ、前記電極体の巻回軸方向の双方にスペーサを有する電池。
前記スペーサの外周が、前記ケースの内壁面に、当該内壁面の周線の長さの半分以上で接触する、請求項１記載の電池。
前記スペーサの少なくとも一方は、前記ケースの前記内壁面の半分以上の部分に、連続的に接触する、請求項１または請求項２に記載の電池。
前記スペーサの少なくとも一方は、環状で、前記周線の長さの全周に亘って前記内壁面に接触している、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電池。
前記正極板が、水酸化ニッケルを活物質とし、
前記負極板が、水素吸蔵合金を活物質とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電池。