JP2015069897A

JP2015069897A - 電池

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Publication number: JP2015069897A
Application number: JP2013204838A
Authority: JP
Inventors: 児玉　充浩; Mitsuhiro Kodama; 充浩児玉; 学金本; Manabu Kanemoto; 金本　　学
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-04-13
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: CN104518234A; US20150093619A1; JP6075638B2; CN104518234B; DE102014219636A1

Abstract

【課題】充填材などの部材を使用しないで、または極力減らして、ケース内における電極体のガタつきを抑えつつ、電極の使用量を減らすこと。【解決手段】電極体２３は、らせん状に巻回して収容空間Ｓに収容することで、電極体２３の長手方向において、巻回前の正極板２４、負極板２６、およびセパレータ２５の幅Ｈに比べて、正極板２４、負極板２６、およびセパレータ２５が巻回された後の電極体２３の長さＰの方が長くなる。したがって、電極体２３をらせん状に巻回して収容空間Ｓに収容しない構成に比べて、電極の使用量を抑制しつつ電池ケース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。【選択図】図２

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、電池の部品点数が増加することに加え、生産工程が増加するため、充填材などの部材を使用せずに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、充填材などの部材を使用しないで、または極力減らして、電池ケース等のケース内における電極群のガタつきを抑えつつ、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、ケースと、前記ケースの内部に配置され、極板が巻回されてなる電極体と、を備え、前記電極体は、前記極板がらせん状に巻回されている。

上記電池では、充填材などの部材を使用しないで、または極力減らして、ケース内における電極体のガタつきを抑えつつ、電極の使用量を減らすことが可能となる。

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活物質が塗布された金属板の斜視図

（実施形態の概要）
本明細書によって開示される電池は、ケースと、前記ケースの内部に配置され、極板が巻回されてなる電極体と、を備え、前記電極体は、前記極板がらせん状に巻回されている。

この電池によれば、極板がらせん状に巻回されていない一般的な構成に比べて、充填材などの部材を使用しないで、または極力減らして、ケース内における電極体のガタつきを抑えつつ、電極の使用量を減らすことができる。

上記電池は、前記極板は、正極板と負極板とから構成され、対向した一対の前記正極板と前記負極板とがステップ状に巻回されていてもよい。

この電池によれば、正極板と負極板とが、巻回された一部が互いに対向している構成に比べて、電極として使用されない領域が発生することを抑制することができる。

上記電池は、前記電極体の前記極板の巻き終わりの端辺は、前記電極群の巻回軸に沿った方向に対して傾いていてもよい。

この電池によれば、電極体が偶然らせん状になってしまう構成に比べて、電池性能を均一に保ちつつ、電極の使用量を抑制することができる。

上記電池は、前記電極体の前記極板の巻き終わりの端辺は、前記電極群の巻回軸に沿った方向に対して平行になっていてもよい。

この電池によれば、極板の巻き終わりの端辺が、電極群の巻回軸に沿った方向に対して傾いている構成に比べて、電極体の使用量をさらに抑制することができる。

上記電池は、前記ケースは、蓋体を有し、前記電極体のうち、前記巻回軸寄りの中央部分は、前記正極板で構成されており、前記電極体のうち、前記中央部分の周囲に巻回された周囲部分は、前記負極板で構成されており、前記中央部分は、前記周囲部分より前記蓋体に近く、前記中央部分と前記蓋体とが接続され、前記周囲部分と前記ケースとが接続されていてもよい。

この電池によれば、前記中央部分は、前記周囲部分より前記蓋体に遠い構成に比べて、蓋体と中央部分とを接続するための距離が短くなるため、電池の内部抵抗が増大することを抑制することができる。

上記電池では、前記極板のうち、一の前記極板が水酸化ニッケルを活物質とし、前記極板のうち、他の前記極板が水素吸蔵合金を活物質としてもよい。

＜一実施形態＞
（電池の構成）
一実施形態の電池１０について、図１〜図４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、「ＨＲ６」、米国では、「ＡＡ」）の容量が２３００ｍＡｈ以下、又は単４形（ＩＥＣでは、「ＨＲ０３」，米国では、「ＡＡＡ」）の容量が８００ｍＡｈ以下の電池である。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、電池ケース１１の長手方向ということがあり、図１では上下方向であり、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が電気的に接続されることで電池１０の負極端子となる。電池ケース本体１２は、長手方向における一端が開口し、他端が閉塞した有底筒状の形状を有し、具体的には、筒状部１３と閉塞部１４とを備える。

筒状部１３は、長手方向に長い円筒状の形状であって、長手方向から見た内周面の形状は、長手方向に沿った中心軸Ｗを中心とした内径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、円形状の平板状をなし、筒状部１３と一体に形成されている。

蓋部１５（蓋体の一例）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、長手方向に沿った巻き軸を中心に、らせん状に巻回されている。より詳細には、正極板２４および負極板２６は、セパレータ２５を介して互いに対向しながら、巻き軸を中心に、らせん状に巻回されている。このため、図１および図２で示す通り、電池１０の縦断面では、正極板２４および負極板２６は、セパレータ２５を介して互いに対向しながら、巻き軸を中心に、ステップ状に巻回されている。なお、巻き軸は、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、巻き軸は、中心軸Ｗに一致するものとする。

正極板２４は、正極金属板２４Ａに正極活物質２４Ｂ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に負極活物質２６Ｂ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。

図３に示すように、電極体２３では、正極板２４および負極板２６は、セパレータ２５を介して互いに対向しながら、中心軸Ｗを中心に、らせん状に巻回されている。このため、電極体２３のうち、中心軸Ｗ寄りの位置で巻回されている中央部分ＣＴと、中央部分ＣＴの周囲に巻回された周囲部分ＡＲとでは、長手方向、即ち中心軸Ｗに沿った方向の一端の位置が異なる。具体的には、電極体２３のうち、中央部分ＣＴの長手方向の一端Ｄの方が、周囲部分ＡＲの長手方向の一端Ｇより上側にある。

より詳細には、電極体２３の長手方向の一端の位置は、中央部分ＣＴの長手方向の一端Ｄから、周囲部分ＡＲの長手方向の一端Ｇへ向けて段階的に下方向へ下がる。つまり、電極体２３の長手方向の一端の位置は、中央部分ＣＴの長手方向の一端Ｄが蓋部１５に最も近い。そして、中央部分ＣＴのうち、正極板２４と蓋部１５とが、リード線２１を介して接続されている。また、電極体２３は、周囲部分ＡＲで、長手方向に沿った中心軸Ｗを中心とした外径の長さが最大である外径Ｌとなる。

なお、上述した筒状部１３の内径Ｒは、電極体２３の外径Ｌと略等しい。これにより、電極体２３は、周囲部分ＡＲで、筒状部１３の内側面Ｋと当接している。より詳細には、電極体２３のうち、負極板２６が筒状部１３の内側面Ｋと当接している。筒状部１３の内側面Ｋとは、電池ケース１１の内面のうち長手方向に沿った面である。

なお、電極体２３は、収容空間Ｓ内に圧入されていることが好ましい。電極体２３は、収容空間Ｓ内に圧入されていれば、筒状部１３の内側面Ｋと当接している周囲部分ＡＲに、長手方向に垂直な方向、即ち、前後左右方向から中央部分ＣＴへ向かう力が働く。これによって、電極体２３のうち、中央部分ＣＴの長手方向の一端Ｄの方が、周囲部分ＡＲの長手方向の一端Ｇより上側にある構成が保たれる。

また、電極体２３のうち、中央部分ＣＴの長手方向の一端Ｄの方が、周囲部分ＡＲの長手方向の一端Ｇより上側にある構成が保つために、電極体２３の上側または下側に、電極体２３の巻回形状に合わせた保持体を備えてもよい。

また、電極体２３の外側に位置している、電極体２３の端辺ＳＴは、長手方向、即ち中心軸Ｗに沿った方向、とは異なる方向となるように形成されている。以下、図４を用いて詳述する。

（電極板の製造）
図４に示す通り、正極板２４、負極板２６および、それらの間にセパレータ２５が配置され、巻回されることで電極体２３が製造される。正極板２４、負極板２６およびセパレータ２５は、帯状をなし、一方向に長い長方形状である。正極板２４、負極板２６およびセパレータ２５は、長手方向、即ち、短辺方向の幅Ｈがそれぞれ等しく、左右方向、即ち、長辺方向の長さＪがそれぞれ等しい。

そして、正極板２４および負極板２６は、セパレータ２５と対向しながら、巻き軸となる巻き芯ＭＳを中心に巻回される。このとき、巻き芯ＭＳは、正極板２４等の短辺方向に対して、一定の角度αをなしている。正極板２４、負極板２６、およびセパレータ２５は、その巻き芯ＭＳを中心に巻回されるため、らせん状に巻回される。

また、巻き芯ＭＳは、正極板２４等の短辺方向に対して、一定の角度αをなしている。このため、巻回された後の電極体２３の端辺ＳＴは、中心軸Ｗに沿った方向とは異なる方向、具体的には、中心軸Ｗに沿った方向に対して角度αとなるように形成される。

電極体２３の長手方向において、巻回前の正極板２４、負極板２６、およびセパレータ２５の幅Ｈに比べて、正極板２４、負極板２６、およびセパレータ２５が巻回された後の電極体２３の長さＰの方が長い。また、幅Ｈと長さＰとは、いずれも収容空間Ｓの長手方向の長さＶよりも短い。

一方、巻き芯ＭＳは、正極板２４等の短辺方向に対して、一定の角度αをなしていない場合、即ちα＝０°の場合は、次のようになる。即ち、正極板２４および負極板２６は、セパレータ２５と対向しながら、巻き芯ＭＳを中心に巻回されると、幅Ｈの円柱形状に巻回される。この場合、巻回されてできた電極体２３は、中央部分ＣＴも周囲部分ＡＲも、長手方向が幅Ｈとなる。幅Ｈは、長さＰよりも長さＶよりも短いため、電極体２３がらせん状に形成されている場合に比べて、電極体２３が収容空間Ｓ内でガタついてしまう。

したがって、正極板２４および負極板２６を、セパレータ２５を介して互いに対向させながら、らせん状に巻回しない構成に比べて、電極体２３のガタつきを抑えつつ、電極の使用量を抑制することができる。

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、負極板２６が配されている。

（本実施形態の効果）
電極体２３では、正極板２４および負極板２６は、セパレータ２５を介して互いに対向しながら、中心軸Ｗを中心に、らせん状に巻回されている。そして、電極体２３は、電池ケース１１の収容空間Ｓに収容される。電極体２３は、らせん状に巻回されているため、電極体２３の長手方向において、巻回前の正極板２４、負極板２６、およびセパレータ２５の幅Ｈに比べて、正極板２４、負極板２６、およびセパレータ２５が巻回された後の電極体２３の長さＰの方が長くなる。また、幅Ｈと長さＰとは、いずれも収容空間Ｓの長手方向の長さＶよりも短い。

したがって、電極体２３をらせん状に巻回しない構成に比べて、電極の使用量を抑制しつつ、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。

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の長手方向の長さ（収容空間Ｓの長手方向の長さＶ）も規格が定められている。本実施形態では、規格のため変更できない収容空間Ｓの長手方向の長さＶをそのまま保ちつつ、電極体２３の長手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、仮に、らせん状に巻回されていない他の電極体が、収容空間Ｓに収容された場合、例えば巻回が解ける等で、偶然らせん状になってしまうことがある。この場合、当該他の電極体上で、正極板と負極板とが対向していない領域が生じる可能性がある。正極板と負極板とが対向していない領域は、電極として機能しない。

一方、電極体２３では、正極板２４および負極板２６は、セパレータ２５と対向しながら、中心軸Ｗを中心に、らせん状に巻回されている。したがって、らせん状に巻回されていない他の電極体が、偶然らせん状になってしまう構成に比べて、電池性能を均一に保ちつつ、電極の使用量を抑制することができる。

さらに、正極板２４、負極板２６、およびセパレータ２５は、電極体２３の巻回方向に垂直な短辺に対して、一定の角度αをなす巻き芯ＭＳを中心に巻回される。つまり、巻き芯ＭＳによる巻回角度を変えるだけで、従来からの電極体２３の製造設備をそのまま使用することができる。このため、電極体２３を製造するための設備投資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が巻き軸を中心に、長手方向の上方に向かって、らせん状に巻回された例を挙げた。しかしこれに限らず、電極体２３は、例えば、長手方向の下方に向かってらせん状に巻回されてもよい。

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。

上記実施形態では、巻回された後、即ち巻終わりの電極体２３の端辺ＳＴは、中心軸Ｗに沿った方向とは異なる方向、具体的には、中心軸Ｗに沿った方向に対して角度αとなるように形成される例を挙げた。しかしこれに限らず、巻回された後の電極体２３の端辺ＳＴは、中心軸Ｗに沿った方向と同じ方向となるよう、切り取られる等の調整がされていてもよい。

上記実施形態では、正極板２４、負極板２６およびセパレータ２５は、長手方向、即ち、電極体２３の巻回方向に垂直な方向の幅Ｈと、左右方向、即ち、電極体２３の巻回方向の長さＪとが等しい例を挙げた。しかしこれに限らず、セパレータ２５は、正極板２４および負極板２６よりも長手方向の幅が広くてもよい。

上記実施形態では、電極体２３のうち、中央部分ＣＴの長手方向の一端Ｄの方が、周囲部分ＡＲの長手方向の一端Ｇより上側にある例を挙げた。しかしこれに限らず、電極体２３のうち、中央部分ＣＴの長手方向の一端Ｄの方が、周囲部分ＡＲの長手方向の一端Ｇより下側にあってもよい。

上記実施形態では、電極体２３の長手方向の一端の位置は、中央部分ＣＴの長手方向の一端Ｄから、周囲部分ＡＲの長手方向の一端Ｇへ向けて段階的に下方向へ下がる構成であった。しかしこれに限らず、電極体２３の長手方向の一端の位置は、段階的に下方向へ下がる構成でなくてもよく、例えば、長手方向に位置を変えながら、最終的に下方向へ下がる構成でもよい。また、中央部分ＣＴの長手方向の一端Ｄから、周囲部分ＡＲの長手方向の一端Ｇへ向けて段階的に上方向へ上がる構成であってもよい。要するに、電極体２３を構成する正極板２４と負極板２６とがステップ状に巻回されていればよい。

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Ｓ：収容空間

Claims

ケースと、
前記ケースの内部に配置され、極板が巻回されてなる電極体と、を備え、
前記電極体は、前記極板がらせん状に巻回されている電池。
前記極板は、正極板と負極板とから構成され、対向した一対の前記正極板と前記負極板とがステップ状に巻回されている、請求項１に記載の電池。
前記電極体の前記極板の巻き終わりの端辺は、前記電極群の巻回軸に沿った方向に対して傾いている、請求項１または請求項２に記載の電池。
前記電極体の前記極板の巻き終わりの端辺は、前記電極群の巻回軸に沿った方向に対して平行になっている、請求項１または請求項２に記載の電池。
前記ケースは、蓋体を有し、
前記電極体のうち、前記巻回軸寄りの中央部分は、前記正極板で構成されており、
前記電極体のうち、前記中央部分の周囲に巻回された周囲部分は、前記負極板で構成されており、
前記中央部分は、前記周囲部分より前記蓋体に近く、
前記中央部分と前記蓋体とが接続され、前記周囲部分と前記ケースとが接続される、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電池。
前記極板のうち、一の前記極板が水酸化ニッケルを活物質とし、
前記極板のうち、他の前記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５のいずれか一項に記載の電池。