JP2019153552A - アルカリ電池およびアルカリ電池の製造方法 - Google Patents

アルカリ電池およびアルカリ電池の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】長期保存性能に優れたアルカリ電池を提供する。【解決手段】下方を底部とした有底円筒状の電池缶2内に、環状の正極合剤3と、当該正極合剤の内側に配置される有底円筒状のセパレーター4と、当該セパレーターの内側に配置される負極ゲル5とが電解液とともに収納されており、電池缶の開口に負極端子板7が封口用のガスケット8aを介して嵌着されてなり、電池缶と同軸に負極端子板の下面に取り付けられる棒状の負極集電子6aを備え、封口ガスケットは、負極集電子が圧入状態で挿通されるボス孔84aを備え、負極集電子は、ボス孔に挿通されている領域において、当該負極集電子の上端がその下端に対して縮径されたテーパー状で、ボス孔は、その上端の開口径がその下端の開口径よりも縮径されているアルカリ電池1aとしている。【選択図】図2

Description

本発明は、アルカリ電池およびアルカリ電池の製造方法に関する。
図1に、一般的な従来のアルカリ電池の一例としてLR6型の円筒形アルカリ電池1を示した。図1では、円筒軸100の延長方向を上下(縦)方向としたときの縦断面図を示している。図1に示したように、アルカリ電池1は、有底筒状の金属製電池缶2、環状に成形された正極合剤3、この正極合剤3の内側に配設された有底円筒状のセパレーター4、亜鉛合金を含んでセパレーター4の内側に充填される負極ゲル5、この負極ゲル5中に挿入された金属製の負極集電子6、皿状の金属製負極端子板7、封口用のガスケット(以下、ガスケット)8などにより構成される。
ここで、電池缶2の底部側を下方として上下方向を規定することとすると、電池缶2は、電池ケースを兼ねるとともに、正極合剤3に直接接触することにより、正極集電体を兼ねる。また、電池缶2の底面には正極端子9が形成されている。皿状の負極端子板7は、フランジ状の縁がある皿状で、正極端子9を下方としたとき、その皿を伏せた状態で電池缶2の開口にガスケット8を介してかしめられている。
ガスケット8は、電池缶2と同軸の中空円筒状のボス部81の周囲に円盤状の隔壁部82が形成された形状を有し、隔壁部82の外周は上方に立ち上がって壁面部83が形成されている。負極ゲル5中に挿入された棒状の負極集電子6は、ボス部81を上下方向に貫通するボス孔84に挿通されている。また、負極集電子6の上端61は、皿状の負極端子板7の下面71に溶接されて立設固定されている。そして、負極端子板7、負極集電子6およびガスケット8は、封口体としてあらかじめ一体に組み合わせられており、ガスケット8の壁面部83が、電池缶2の開口縁部と負極端子板7におけるフランジ状の縁との間に挟持されて電池缶2が封口される。なお、以下の非特許文献1には、アルカリ電池の基本的な構造や製造手順について記載されている。
ところで、ガスケット8の隔壁部82には、例えば、ボス部81と同心円をなす溝状の薄肉部85が形成されており、負極端子板7の周囲にはアルカリ電池1の内方と外方とを連絡する通気孔72が形成されている。薄肉部85は、電池缶内にガスが発生して内圧が上昇した際に破断し、ガスを、通気孔72を介して電池缶2の外方に放出させる。それによって、電池缶2の破裂や負極ゲル5などの内容物の噴出を防止している。
FDK株式会社、"アルカリ電池のできるまで"、[online]、[平成30年1月24日検索]、インターネット<URL:http://www.fdk.co.jp/denchi_club/denchi_story/arukari.htm>
近年、アルカリ電池には、災害時の備蓄用途としての性能が求められている。すなわち、長期保存性能の向上が求められている。しかし、アルカリ電池は、電池を長期に保存した際に、上述した負極端子板の通気口から進入した水分が負極集電子の上端側と接触することで発生するOHイオンに起因して、電解液がボス孔と負極集電子との界面を毛細管現象によって這い上がる現象、所謂クリープ現象が発生する。そして、クリープ現象によってボス孔の上端まで這い上がった電解液が負極端子板の通気孔を介して電池缶外へ漏出する漏液が発生する。
そこで、本発明は、クリープ現象に起因する漏液を抑制し、長期保存性能に優れたアルカリ電池とそのアルカリ電池の製造方法を提供することを目的としている。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、下方を底部とした有底円筒状の電池缶内に、環状の正極合剤と、当該正極合剤の内側に配置される有底円筒状のセパレーターと、当該セパレーターの内側に配置される負極ゲルとが電解液とともに収納されており、前記電池缶の開口に負極端子板が封口用のガスケットを介して嵌着されてなるアルカリ電池であって、
前記電池缶と同軸に前記負極端子板の下面に取り付けられる棒状の負極集電子を備え、
前記封口ガスケットは、前記負極集電子が圧入状態で挿通されるボス孔を備え、
前記負極集電子は、前記ボス孔に挿通されている領域において、当該負極集電子の上端がその下端に対して縮径されたテーパー状で、
前記ボス孔は、その上端の開口径がその下端の開口径よりも縮径されている、
ことを特徴とするアルカリ電池としている。
前記ボス孔の下端の開口径に対する上端の開口径の比、および前記負極集電子の前記領域の下端の径に対する上端の径の比が79%以下であるアルカリ電池とすれば好ましい。前記負極集電子の上端が前記負極端子板の下面に溶接されており、当該負極集電子の上端の径は0.6mm以上であるアルカリ電池としてもよい。
本発明のその他の態様は、上記いずれかに記載のアルカリ電池の製造方法であって、当該製造方法は、
前記負極集電子を、下方から前記ボス孔に挿入するステップと、
前記負極集電子の上端と前記負極端子板の下面とを接合するステップと、
を含むことを特徴としている。
本発明によれば、ガスケットのボス孔と負極集電子との界面におけるクリープ現象に起因する漏液の発生が抑制されて、長期保存性能に優れたアルカリ電池と、そのアルカリ電池の製造方法が提供される。なお、その他の効果については、以下の記載によって明らかにする。
一般的なアルカリ電池を示す図である。 本発明の実施例に係るアルカリ電池を示す図である。 実施例に係るアルカリ電池の要部拡大図である。
本発明の一実施形態について、添付図面を参照しつつ以下で説明する。なお、説明に用いた以下の図面においては、同一又は類似の部分に同一の符号を付すことによって、重複する説明を省略することがある。また、図面によっては、説明の際に不要な符号を省略することがある。
===実施例===
図2に本発明の実施例に係るアルカリ電池1aの縦断面を示した。また、図3に、図2において点線の矩形領域101で示した要部の拡大図を示した。なお、図2、図3においても、図1と同様にアルカリ電池1aにおける上下の各方向を規定することとする。図2に示したように、アルカリ電池1aの基本的な構成は、図1に示した一般的なアルカリ電池1と同様である。すなわち、有底円筒状の電池缶2、正極合剤3、セパレーター4、負極ゲル5、負極集電子6a、負極端子板7、およびガスケット8aを備える。しかし、図3に示したように、本実施例のアルカリ電池1aでは、負極集電子6aにおいて、ガスケット8aのボス孔84aに挿通されている領域(以下、挿通領域とも言う)が、図1に示した一般的なアルカリ電池1とは異なり、上方が縮径されたテーパー状に形成されている。なお、本実施例のアルカリ電池1aでは、負極集電子6aの挿通領域から上方に露出する部分62は、円柱状で、挿通領域の上端の径Aを維持して上端に至る。負極集電子6aの上端は平坦面になっている。
負極集電子6aが挿通されるボス孔84aは、負極集電子6aの挿通領域におけるテーパー形状に沿うように、その下端側の開口径に対し、上端側の開口径が縮径されている。すなわち、ボス孔84aと負極集電子6aとが接触する界面は、下方を底部とした円錐台の側面を形成する。そして、ボス孔84aの内面と負極集電子6aとの界面の縦断面は、傾斜した直線となる。一方、図1に示した一般的なアルカリ電池1では、ボス孔84の内面と負極集電子6との界面は円筒の側面を形成し、ボス孔84の内面の縦断面は、上下方向の直線となる。なお、ボス孔84aには負極集電子6aが圧入された状態で挿通されるため、ボス孔84aの上端の径および下端の径は、それぞれ負極集電子6aの挿通領域の上端の径Bおよび下端の径Aよりも小さい。
したがって、本実施例のアルカリ電池1aでは、電解液がクリープ現象によってボス孔84aの下端から上端にまで這い上がっていく経路が長くなる。例えば、図3に示したテーパーの角度θが30゜であれば、一般的な円筒状の内面形状を有するボス孔84に対して、這い上がり経路が2/(√3)倍となり、約15%長くなる。そして、這い上がり経路が長くなれば、一般的なアルカリ電池1と比較して、電解液がボス孔84aの下端から上端に至るまでの時間がより長くなる。さらに、ボス孔84aの上端側が縮径されていることから、上方に向かって這い上がっていく電解液の出口が狭まり、電解液がボス孔84aの上端から漏出しにくくなる。結果として、漏液が発生し難くなる。
また、負極集電子6aは、挿通領域においてその上端が下端に対して縮径しているため、上方に浮き上がることがない。また、負極集電子6aの上端は、負極端子板7の下面71に接合されているため、負極集電子6aがボス孔84aから抜け落ちることもない。そして、本実施例のアルカリ電池1aでは、ボス孔84aの内面形状と、ボス孔84aに圧入される負極集電子6aの上端側の形状のみが一般的なアルカリ電池1と異なっているだけであり、製造コストを増加させることもない。
なお、本実施例のアルカリ電池1aを製造する際には、ガスケット8のボス孔84aの下端側から負極集電子6aを圧入し、ボス部の上端側に露出した負極集電子の上端を負極端子板の下面に溶接などによって接合させて、封口体をあらかじめ組み立てておけばよい。そして、電池缶2に正極合剤3、セパレーター4、および負極ゲル5を収納して電解液を充填した後、負極集電子6aの下端側を負極ゲル5の中に挿入させつつ、封口体を電池缶2の開口部に装着し、電池缶2の開口部をかしめて電池缶2を密封すればよい。
===長期保存性能===
<サンプル>
上述した本実施例のアルカリ電池1aによる長期保存性能を確認するために、サンプルとして、挿通領域がテーパー状に形成されている負極集電子6aと、内面が各負極集電子6aのテーパー状の形状に沿う形状に形成されているボス孔84aとを備えたガスケット8aを用いてLR6型のアルカリ電池(1、1a)を作製した。ここでは、図3に示したように、負極集電子6aにおける挿通領域の下端の径Bに対して上端の径aが異なる各種サンプルを作製した。また、比較例として、図1に示したように、上記径Aと径BがA=Bとなる一般的なLR6型のアルカリ電池1もサンプルとして作製した。なお、サンプル毎に100個の個体を作製した。
以下の表1にサンプルの作製条件を示した。
Figure 2019153552
表1において、サンプル1が比較例であり、A=B=1.4mmとなっている。サンプル2〜9は、いずれもB=1.4mmと同一で、A<Bとなっている。また、表1では、負極集電子(6、6a)において、ボス孔(84、84a)に圧入されている領域の下端の径Bに対する上端の径Aの比A/Bが縮小率(%)として示されている。なお、各サンプルにおいて、ガスケット8aのボス孔84aの下端の開口径に対する上端の開口径の比は、負極集電子6aの縮小率に一致させている。
<長期保存試験>
表1に示した各サンプルに対し、温度60℃で湿度90%の高温多湿環境下で100日間保存する長期保存試験を行った。長期保存性能については、試験開始から10日間毎に漏液の有無を目視で確認し、漏液が発生した個体の数によって評価した。
以下の表2に各サンプルに対する試験結果を示した。
Figure 2019153552
表2に示したように、比較例となるサンプル1では、試験開始から30日経過後に、1本の個体に漏液が発生した。40日経過後には漏液が発生した個体の累積個数が3本となった。そして、最終的に100日後には漏液が発生した個体は13本となった。
一方、テーパー状の負極集電子6aを備えたサンプル2〜9のうち、テーパーの角度が最も小さく、縮小率が93%のサンプル1では、試験開始から30日経過した時点では、漏液が発生した個体がなかった。40日経過後に2本の個体に漏液が確認され、最終的に100日後には漏液が発生した個体は8本となり、サンプル1よりも長期保存性能が優れていることがわかった。縮小率が86%のサンプル3では、試験開始後70日が経過した時点では漏液が発生しておらず、80日目で1本の個体に漏液が発生した。100日経過後でも2本の個体にしか漏液が発生しなかった。そして、縮小率が79%以下のサンプル4〜9では、試験開始から100日が経過しても全ての個体において漏液が発生しなかった。
以上の試験結果より、負極集電子において、ボス孔に挿通されている領域の上端側が縮径されたテーパー状の負極集電子と、上端の開口径が下端の開口径よりも縮径されているボス孔とを備えたアルカリ電池は、長期に保存しても漏液が発生し難く、上記の縮小率が79%以下のアルカリ電池は、確実に漏液を抑制することができる。
===その他の実施例===
上記縮小率は、挿通領域における上端側と下端側の径の比A/Bであり、アルカリ電池1aのサイズを等比変形させても普遍的に採用できるパラメーターである。すなわち、本発明の実施例に係るアルカリ電池1aは、LR6型に限らず、円筒型であれば、他のサイズのアルカリ電池(LR20型、LR14型、LR03型、LR1型など)にも適用可能である。
挿通領域の上端は、クリープ現象によって這い上がってきた電解液の出口であることから、当該上端の径Bが小さいほど、漏液がし難くなる。しかし、負極集電子6aの上端は負極端子板7の下面に接合させる必要があることから、当該径6が小さすぎると、接合強度を確保することができない。そして、本発明者が径A<0.6mmのサンプルの作製を試みたところ、A<0.6mmでは接合強度に不安があることが知見された。したがって、溶接によって負極集電子の上端を負極端子板の下面に接合する場合には、挿通領域の上端の径Aを0.6mm以上にすることが望ましい。

Claims (4)

  1. 下方を底部とした有底円筒状の電池缶内に、環状の正極合剤と、当該正極合剤の内側に配置される有底円筒状のセパレーターと、当該セパレーターの内側に配置される負極ゲルとが電解液とともに収納されており、前記電池缶の開口に負極端子板が封口用のガスケットを介して嵌着されてなるアルカリ電池であって、
    前記電池缶と同軸に前記負極端子板の下面に取り付けられる棒状の負極集電子を備え、
    前記封口ガスケットは、前記負極集電子が圧入状態で挿通されるボス孔を備え、
    前記負極集電子は、前記ボス孔に挿通されている領域において、当該負極集電子の上端がその下端に対して縮径されたテーパー状で、
    前記ボス孔は、その上端の開口径がその下端の開口径よりも縮径されている、
    ことを特徴とするアルカリ電池。
  2. 請求項1に記載のアルカリ電池において、前記ボス孔の下端の開口径に対する上端の開口径の比、および前記負極集電子の前記領域の下端の径に対する上端の径の比が79%以下であることを特徴とするアルカリ電池。
  3. 請求項1又は請求項2に記載のアルカリ電池において、前記負極集電子の上端は、前記負極端子板の下面に溶接されており、当該負極集電子の上端の径は0.6mm以上であることを特徴とするアルカリ電池。
  4. 請求項1〜請求項3に記載のアルカリ電池の製造方法であって、
    前記負極集電子を、下方から前記ボス孔に挿入するステップと、
    前記負極集電子の上端と前記負極端子板の下面とを接合するステップと、
    を含むことを特徴とするアルカリ電池の製造方法。
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