JP2015125869A - アルカリ二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】過放電や誤充電等の異常時に溶融物が通気孔に詰まって弁機構が正常に動作しなくなる虞が少ないアルカリ二次電池を提供する。【解決手段】本発明のニッケル水素二次電池１は、上端が開口した外装缶１０と、外装缶１０に収容され、正極板２１及び負極板２２がセパレータ２３を介して巻回された電極体２０と、外装缶１０の開口を封口する封口板３１と、封口板３１に電気的に接続された正極端子３４と、封口板３１に形成されたガス抜き孔３１１を外装缶１０の内圧に応じて開閉する弁体３３とを備え、電極体２０は、正極板２１の一部が封口板３１側へ突出してなる円筒形状の正極凸部２１３を含み、正極凸部２１３がガス抜き孔３１１を囲繞するように封口板３１に当接している。【選択図】図１

Description

本発明は、ニッケル水素二次電池等のアルカリ二次電池に関する。

一般的なニッケル水素二次電池等のアルカリ二次電池は、正極板及び負極板がセパレータを介して巻回された電極体が外装缶に収容され、正極端子に電気的に接続された封口板と電極体の正極板とが正極リード（帯状の金属部材）で接続されている。つまり従来のアルカリ二次電池は、電極体の正極板と正極端子とが正極リードを介して電気的に接続されており、正極リードを通じて充放電が行われる。このような構成の従来のアルカリ二次電池は、その正極リードと封口板との接続部分に生ずる接触抵抗に起因する集電ロスが問題となる。また従来のアルカリ二次電池は、電極体と封口体との間の限られた狭い空間に正極リードを配置しなければならないため、正極リードと封口板との接触面積が構造的に制限されることになる。このようなことから従来のアルカリ二次電池は、充放電電流の大きさに一定の制限が生じてしまい、それによって高容量化が妨げられるという課題が生ずる。

このような課題を解決することを目的とした従来技術の一例として、正極板及び負極板の端面に活物質が充填されていない複数の凸状集電無地部が形成されており、その凸状集電無地部が集電板に抵抗溶接されたアルカリ二次電池が公知である（例えば特許文献１を参照）。このような構成のアルカリ二次電池によれば、より大きな充放電電流を流すことが可能になるので、従来よりも高容量のアルカリ二次電池が可能になる。

特開平８−２２８１８号公報

ところでアルカリ二次電池は、例えば過放電や誤充電等によって内部にガスが異常発生して内圧が上昇する虞があり、また通常の充放電サイクルによって内圧が上昇する場合もある。そのため一般的にアルカリ二次電池には、封口板に形成された通気孔を外装缶の内圧に応じて開閉する弁機構が設けられている。より具体的にはアルカリ二次電池は、外装缶の内圧が一定の弁作動圧に達すると弁機構が開弁し、内部のガスが通気孔を通じて外部に放出され、そのガスの放出により外装缶の内圧が低下すると弁機構が閉弁状態に復帰する。このような弁機構によって、アルカリ二次電池の内圧は一定の圧力以下に維持される。

しかしながらアルカリ二次電池は、例えば過放電や誤充電等が生じると、内圧の上昇とともに電極体が発熱する場合がある。この場合、その熱によって電極体の一部（セパレータ等）が溶融し、その溶融物が封口板に形成された通気孔に詰まって弁機構が正常に動作しなくなる虞が生ずる。そして電極体の一部が溶融して生ずる溶融物は、アルカリ二次電池の容量が高容量であるほど、その量は多くなる。つまりアルカリ二次電池は、高容量化によって、過放電や誤充電等の異常時に溶融物が通気孔に詰まって弁機構が正常に動作しなくなる虞が高まることになる。

このような状況に鑑み本発明はなされたものであり、その目的は、過放電や誤充電等の異常時に溶融物が通気孔に詰まって弁機構が正常に動作しなくなる虞が少ないアルカリ二次電池を提供することにある。

＜本発明の第１の態様＞
本発明の第１の態様は、上端が開口した外装缶と、前記外装缶に収容され、正極板及び負極板がセパレータを介して巻回された電極体と、前記外装缶の開口を封口する封口板と、前記封口板に電気的に接続された正極端子と、前記封口板に形成された通気孔を前記外装缶の内圧に応じて開閉する弁機構と、を備え、前記電極体は、前記正極板の一部が前記封口板側へ突出してなる円筒形状の正極凸部を含み、前記正極凸部が前記通気孔を囲繞するように前記封口板に当接している、アルカリ二次電池である。

電極体は、正極板の一部が封口板側へ突出してなる正極凸部が封口板に当接している。それによって電極体の正極板が封口板に直接接続されることになるので、より大きな充放電電流を流すことが可能になり、高容量のアルカリ二次電池を実現することができる。そして正極凸部は、円筒形状をなしており、通気孔を囲繞するように封口板に当接している。そのため過放電や誤充電等の異常時には、少なくとも正極凸部の外側に発生した溶融物は、その円筒形状の正極凸部によって通気口への進入が妨げられることになる。それによって溶融物が通気孔に詰まって弁機構が正常に動作しなくなる虞を低減することができる。

これにより本発明の第１の態様によれば、過放電や誤充電等の異常時に溶融物が通気孔に詰まって弁機構が正常に動作しなくなる虞が少ないアルカリ二次電池を提供することができるという作用効果が得られる。

＜本発明の第２の態様＞
本発明の第２の態様は、前述した本発明の第１の態様において、前記正極凸部は、前記正極板の最内周部分に形成されている、アルカリ二次電池である。
本発明の第２の態様によれば、円筒形状の正極凸部の内側に発生する溶融物を最小限にすることができるので、溶融物が通気孔に詰まって弁機構が正常に動作しなくなる虞をさらに低減することができる。

＜本発明の第３の態様＞
本発明の第３の態様は、前述した本発明の第１の態様又は第２の態様において、前記正極板は、前記正極凸部以外の部分に活物質が充填されている、アルカリ二次電池である。
正極凸部は、活物質が充填されていないので、外装缶の内部に発生したガスがより通過し易くなる。これにより本発明の第３の態様によれば、外装缶の内部に発生したガスが通気口を通じて外部へ排出される際に、そのガスの排出が正極凸部によって妨げられる虞を低減することができる。

本発明によれば、過放電や誤充電等の異常時に溶融物が通気孔に詰まって弁機構が正常に動作しなくなる虞が少ないアルカリ二次電池を提供することができる。

ニッケル水素二次電池の縦断面を図示した平面図。 電極体の斜視図。 正極芯体の平面図。 正極板の平面図。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
尚、本発明は、以下説明する実施例に特に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

＜ニッケル水素二次電池の構成＞
本発明に係るニッケル水素二次電池１の構成について、図１〜図４を参照しながら説明する。
図１は、ニッケル水素二次電池１の縦断面を図示した平面図である。図２は、電極体２０の斜視図である。図３は、正極芯体２１１の平面図である。図４は、正極板２１の平面図である。

「アルカリ二次電池」の一例である円筒型のニッケル水素二次電池１は、外装缶１０、電極体２０及び蓋構造体３０を備える。外装缶１０は、上端が開口した有底円筒形状の部材であり導電性を有している。電極体２０は、セパレータ２３を介して正極板２１と負極板２２とを重ねて渦巻き状に巻くことによって略円筒状に構成されている。蓋構造体３０は、外装缶１０の開口を封止する構造体である。ニッケル水素二次電池１は、外装缶１０に電極体２０が収容され、さらにアルカリ電解液（図示せず）が充填され、外装缶１０の開口が蓋構造体３０に閉塞されて構成されている。

正極板２１は、例えば非焼結式ニッケル極であり、正極芯体２１１と正極芯体２１１に保持された「活物質」としての正極合剤２１２とからなる。正極芯体２１１は、例えば耐アルカリ性を有する金属材料からなり、金属繊維によって構成されたフェルト状の３次元の網目構造を有する。耐アルカリ性を有する金属材料としては、例えばニッケルを用いることができる。正極合剤２１２は、正極活物質粒子、正極板２１の特性を改善するための種々の添加剤粒子、これら正極活物質粒子及び添加剤粒子の混合粒子を正極芯体２１１に結着するための結着剤からなる。

正極活物質粒子は水酸化ニッケル粒子である。水酸化ニッケル粒子は、ニッケルの平均価数が２よりも大の高次水酸化ニッケル粒子であってもよい。また水酸化ニッケル粒子は、コバルト、亜鉛、カドミウム等を固溶していてもよく、あるいはコバルト化合物で表面が被覆されていてもよい。添加剤は、酸化イットリウムの他に、酸化コバルト、金属コバルト、水酸化コバルト等のコバルト化合物、金属亜鉛、酸化亜鉛、水酸化亜鉛等の亜鉛化合物、酸化エルビウム等の希土類化合物等を用いることができる。結着剤は、親水性又は疎水性のポリマー等を用いることができる。より具体的には結着剤は、ヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＣ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリアクリル酸ナトリウム（ＳＰＡ）のうちから選択される１種以上を使用することができる。結着剤は、例えば正極活物質粒子１００質量部に対して０．１質量部以上０．５質量部以下となるようにすればよい。

負極板２２は、ニッケル水素二次電池１の負極端子をなす外装缶１０の内周面に接した状態で、その外装缶１０と電気的に接続されている。負極板２２は、帯状をなす導電性の負極芯体（図示せず）に負極合剤が保持されて形成されている。負極芯体は、複数の貫通孔を有するシート状の金属材からなり、例えばパンチングメタル、金属粉末焼結体基板、エキスパンデッドメタル、ニッケルネット等を用いることができる。特にパンチングメタルや金属粉末を成型してから焼結した金属粉末焼結体基板は負極芯体に好適である。

負極合剤は、水素を吸蔵及び放出可能な水素吸蔵合金粒子と結着剤とからなる。水素吸蔵合金粒子は、電池の充電時にアルカリ電解液中で電気化学的に発生させた水素を吸蔵でき、かつ放電時にその吸蔵水素を容易に放出できるものであればよい。このような水素吸蔵合金としては、特に限定されないが、例えばＬａＮｉ₅やＭｍＮｉ₅（Ｍｍはミッシュメタル）等のＡＢ₅型系のものを用いることができる。また負極合剤は、水素吸蔵合金に代えて、例えばカドミウム化合物を用いることもできる。結着剤は、例えば親水性又は疎水性のポリマー等を用いることができる。

セパレータ２３は、例えばポリアミド繊維製不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン繊維製不織布に親水性官能基を付与したものを材料として用いることができる。

蓋構造体３０は、封口板３１、絶縁ガスケット３２、弁体３３及び正極端子３４を含む。

封口板３１は、外装缶１０の開口を封口する部材であり、略円形をなし、中央に「通気孔」としての円形のガス抜き孔３１１が設けられている。封口板３１は、絶縁ガスケット３２が介装された状態で、外装缶１０の開口縁をかしめ加工することによって外装缶１０に固定されている。

弁体３３は、ゴム等の弾性を有する材料で形成された部材であり、ガス抜き孔３１１を塞ぐように封口板３１に当接した状態で、封口板３１と正極端子３４との間に縮設されている。弁体３３は、封口板３１に形成されたガス抜き孔３１１を外装缶１０の内圧に応じて開閉する「弁機構」として機能する。より具体的には弁体３３は、外装缶１０の内圧が一定の弁作動圧に達すると弾性変形し、それによってガス抜き孔３１１が開き、外装缶１０の内部のガスがガス抜き孔３１１を通じて放出される。そして弁体３３は、そのガスの放出により外装缶１０の内圧が低下すると元の形状に復帰し、それによってガス抜き孔３１１が閉じた状態になる。このような弁機構によって、外装缶１０の内圧は一定の圧力以下に維持される。

正極端子３４は、封口板３１に電気的に接続されている。より具体的には正極端子３４は、フランジ付きの円筒形状をなし、弁体３３を覆うように封口板３１に固定されている。また正極端子３４は、封口板３１のガス抜き孔３１１を通じて放出されたガスを外部へ排出する排気孔３４１が形成されている。

＜電極体２０の構成＞
電極体２０の構成について、引き続き図１〜図４を参照しながら、より具体的に説明する。

電極体２０は、正極板２１の一部が封口板３１側へ突出してなる正極凸部２１３を含む（図２）。正極凸部２１３は、封口板３１のガス抜き孔３１１より大きい直径の円筒形状であり、封口板３１のガス抜き孔３１１を囲繞するように封口板３１に当接している（図１）。

このような正極凸部２１３を設けたニッケル水素二次電池１は、正極凸部２１３が封口板３１に当接している。つまりニッケル水素二次電池１は、電極体２０の正極板２１が封口板３１に直接接続されているので、より大きな充放電電流を流すことが可能になる。それによって高容量のニッケル水素二次電池１を実現することができる。また従来のように抵抗溶接等をする必要がないので、ニッケル水素二次電池１の製造工程を簡素化することができる。

そして正極凸部２１３は、封口板３１のガス抜き孔３１１を囲繞するように封口板３１に当接している。そのためニッケル水素二次電池１の過放電や誤充電等の異常時には、少なくとも正極凸部２１３の外側に発生した溶融物は、その円筒形状の正極凸部２１３によってガス抜き孔３１１への進入が妨げられることになる。他方、正極凸部２１３を構成する正極芯体２１１は、金属繊維によって構成されたフェルト状の３次元の網目構造であることから、外装缶１０の内部に発生したガスは、正極凸部２１３を通過し、ガス抜き孔３１１を通じて外部へ排出されることになる。このようにしてニッケル水素二次電池１の過放電や誤充電等の異常時に、溶融物がガス抜き孔３１１に詰まって弁体３３が正常に動作しなくなる虞を低減することができる。

本発明において正極凸部２１３は、正極板２１の最内周部分に形成されているのが好ましい。それによって円筒形状の正極凸部２１３の内側に発生する溶融物を最小限にすることができるので、溶融物がガス抜き孔３１１に詰まって弁体３３が正常に動作しなくなる虞をさらに低減することができる。また本発明において正極凸部２１３は、正極凸部２１３以外の部分に活物質が充填されているのが好ましい。つまり正極板２１の正極凸部２１３が形成された部分は、活物質が充填されていないのが好ましい。それによって正極凸部２１３は、外装缶１０の内部に発生したガスがより通過し易くなるので、外装缶１０の内部に発生したガスがガス抜き孔３１１を通じて外部へ排出される際に、そのガスの排出が正極凸部２１３によって妨げられる虞を低減することができる。

電極体２０の正極凸部２１３は、ニッケル水素二次電池１の製造工程において、蓋構造体３０を支持することに利用することもできる。より具体的にはニッケル水素二次電池１の製造工程において、電極体２０の正極凸部２１３を封口板３１に当接させてその正極凸部２１３で蓋構造体３０を支持し、その状態で外装缶１０の開口縁をかしめ加工することができる。それによって電極体２０の正極凸部２１３が封口板３１に当接した状態で蓋構造体３０を外装缶１０に固定することができる。

上記説明したような正極凸部２１３を含む電極体２０は、例えば以下のようにして製造することができる。

まず正極凸部２１３となる凸部が巻き始め側２１４に形成された正極芯体２１１を製造する（図３）。この正極凸部２１３となる凸部の幅は、巻回して電極体２０を構成したときに、その凸部の両側端が僅かに重なりあって、封口板３１のガス抜き孔３１１を囲繞する円筒形状の正極凸部２１３が構成されるような幅とするのが好ましい。また正極凸部２１３となる凸部の高さは、ニッケル水素二次電池１を構成したときに、正極凸部２１３の上端が封口板３１に当接する高さとすればよい。また正極板２１の正極芯体２１１は、前述したように金属繊維によって構成されたフェルト状の３次元の網目構造であることから、伸縮性を有している。したがって正極凸部２１３となる凸部の高さを若干長めに設定すれば、正極凸部２１３が封口板３１に押圧された状態となり、封口板３１に対する正極凸部２１３の接触面積がより大きくなるので好ましい。

つづいて正極芯体２１１の正極凸部２１３となる凸部以外の部分の両面に正極合剤２１２を塗工する（図４）。そして前述したように、セパレータ２３を介して正極板２１と負極板２２とを重ねて渦巻き状に巻く。このようにして正極板２１の一部が封口板３１側へ突出してなる円筒形状の正極凸部２１３を含む電極体２０を構成することができる。

１ ニッケル水素二次電池
１０ 外装缶
２０ 電極体
２１ 正極板
２２ 負極板
２３ セパレータ
３０ 蓋構造体
３１ 封口板
３２ 絶縁ガスケット
３３ 弁体
３４ 正極端子

Claims (3)

1. 上端が開口した外装缶と、
   前記外装缶に収容され、正極板及び負極板がセパレータを介して巻回された電極体と、
   前記外装缶の開口を封口する封口板と、
   前記封口板に電気的に接続された正極端子と、
   前記封口板に形成された通気孔を前記外装缶の内圧に応じて開閉する弁機構と、を備え、
   前記電極体は、前記正極板の一部が前記封口板側へ突出してなる円筒形状の正極凸部を含み、前記正極凸部が前記通気孔を囲繞するように前記封口板に当接している、アルカリ二次電池。
2. 請求項１に記載のアルカリ二次電池において、前記正極凸部は、前記正極板の最内周部分に形成されている、アルカリ二次電池。
3. 請求項１又は２に記載のアルカリ二次電池において、前記正極板は、前記正極凸部以外の部分に活物質が充填されている、アルカリ二次電池。

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