JP3488064B2 - 円筒型蓄電池 - Google Patents

円筒型蓄電池

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JP3488064B2 JP33535497A JP33535497A JP3488064B2 JP 3488064 B2 JP3488064 B2 JP 3488064B2 JP 33535497 A JP33535497 A JP 33535497A JP 33535497 A JP33535497 A JP 33535497A JP 3488064 B2 JP3488064 B2 JP 3488064B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、渦巻状極板群を備
えた円筒型蓄電池に関し、とくに車両の駆動電源として
用いるアルカリ蓄電池において、その極板群上下部に溶
接した集電体の形状を改良して、大電流での出入力を可
能にしたものである。
【0002】
【従来の技術】円筒型アルカリ蓄電池には種々あるが、
ニッケル−カドミウム蓄電池やニッケル−水素蓄電池な
どが代表的である。これらは信頼性が高く、そのメンテ
ナンスも容易であることから、携帯電話やノートパソコ
ン等の各種用途に幅広く使用されている。また、近年で
は、動力補助付自転車、芝刈機、さらには電気自動車な
どの電源として大電流放電に適した円筒型蓄電池の開発
が要望されている。
【0003】このような大電流放電用の円筒型蓄電池
は、帯状の長い正・負極板各々一枚づつを隔離用のセパ
レータとともに全体を渦巻状に巻いた極板群が金属製の
電池ケースに収納されている。なお、大電流に適した極
板からの出入力集電構造としては、極板群の上下端面か
らそれぞれ外方へ突出した一方の電極の先端部に各々一
枚の矩形あるいは略円板状集電体を複数箇所で溶接する
方式(以下これをタブレス方式という)が、例えば米国
特許第3,732,124号明細書、同5,238,7
57号明細書に開示されていて、これらが一般的に用い
られている。
【0004】このような極板群端部に溶接される集電体
としては種々提案されているが、代表的なものとして図
7に示す集電体14がある。これは矩形の平板部分14
aと、この平板部分14aの長さ方向に沿った両側縁を
下方へ垂直に折り曲げて形成したリブ状の突起片14b
と2個のU字型の切り欠き部14cあるいは抜き孔を設
けたものである。この集電体14の極板群への溶接は、
リブ状の突起片14bを極板群の上方へ突出した一方の
電極の先端部と交叉させ、切り欠き部14cをはさむ集
電体14の平板部14dか突起片14bの上側に一対の
棒状の溶接電極を当接して圧力をかけながら通電するこ
とで溶接する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の集電体
14では、その平板部分14aの長さ方向に沿った両側
縁と平行にリブ状の突起片14bが形成されているの
で、切り欠き部14cをはさんだ位置の平板部分14a
に一対の溶接電極を当接させて圧力をかけながら溶接し
ても通電距離と電気抵抗値の関係から一対の溶接電極間
の平板部分14a上を流れる電流(溶接時の無効電流)
が大きくなる。逆に一対の突起片14bと電極先端部と
の交叉部間に流れる電流は小さくなるので、突起片14
bと電極先端部との交叉部を十分に溶融させて確実に溶
接させることは難しかった。このため、溶接部であるリ
ブ状突起片14bと電極先端部との一体化部分の接触抵
抗が高くなり、電池を例えば3C(電池容量の3倍の電
流)のような大電流で放電すると、溶接部のIRドロッ
プが大きくなって十分な電池性能が得られなかった。
【0006】本発明は、上記課題を解決するものであ
り、渦巻状極板群の端部に溶接した集電体の形状を改良
し、集電体に設けたリブ状突起片と電極の突出先端部と
の交叉部分に溶接電流を集中させ、この部分を互いに十
分に溶融させて強固に溶接し、大電流での出入力を可能
にすることを主たる目的としたものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、帯状の正極板
と負極板とセパレータからなる渦巻状極板群の上下端面
からそれぞれ外方向へ突出した正・負いずれか一方の電
極の先端部に各々一枚の矩形あるいは略円板状の平板か
らなる集電体を溶接した円筒型蓄電池であって、極板群
の端部に溶接した集電体は、平板の中心部を通って外縁
部近くの内側に終端が位置したI字状の切り欠き孔と、
この孔とは交わることなくこれとほぼ直角に位置するよ
うに中央部近くから外周縁部にまたがった長方形状の切
り欠き部を複数設けるとともに、切り欠き孔および切り
欠き部の対向する縁部分に下向きに一体に設けられ、一
方の極板の先端部と交叉して一部食い込んだ状態で溶接
されるリブ状の突起片を形成したものである。
【0008】ここで集電体の切り欠き孔および切り欠き
部の形状は、極板群より外方へ突出した極板先端部と確
実に溶接する上で極めて重要である。
【0009】すなわち、電気抵抗溶接のための一対の電
極を集電体の切り欠きのない平坦部に当てがっただけで
は、電極間の平坦部表面を流れる溶接に寄与しない無効
電流が増して、集電体のリブ状突起片と極板先端部とを
複数個所で確実に溶接することは難しい。
【0010】本発明では集電体にその平板の中心部を通
って外縁部近くに終端が位置した1個のI字状の切り欠
き孔と、この孔とは交わることなく平板の中央部近くか
ら外縁部に達して開放している長方形状の切り欠き部を
複数、例えば2個形成し、切り欠き孔と切り欠き部の縁
部にそれぞれ下向きのリブ状突起片を一体に形成してい
る。
【0011】従って、このリブ状突起片と極板群端部か
ら突出した一方極板の先端部とは交叉し、I字状の切り
欠き孔をはさんだ形および長方形状の切り欠き部をはさ
んだ形で一対の溶接電極を集電体に当てがうことで、切
り欠き孔および切り欠き部により一対の溶接電極間の集
電体表面を流れる無効電流を減らし、切り欠き孔および
切り欠き部の下側に位置した突起片と極板の先端部との
交叉部分に流れ込む溶接電流を増して、多数の交叉部分
で確実に溶接することができる。とくにI字状の切り欠
き孔に設けた突起片は、極板群の中心部分の極板巻き始
め先端部とも交叉するので、極板群の直径方向において
その中心部を含む広い領域で溶接を確保できる。
【0012】また極板の先端部と交叉するリブ状突起片
の高さ(幅)および厚さも、交叉部の確保と溶接電流を
集中させる上で重要である。本発明では極板の突出先端
部をなす芯材露出部の長さ(幅)に対し、リブ状突起片
の突出高さは短いものとし、好ましくは突起片の突出高
さは芯材露出部の幅の1/5〜2/3として溶接完了時
でも対極の先端と触れることのないものとした。またそ
の厚みは、突起片先端を極板の芯材露出部端面に確実に
当てがい、その交叉部をバラツキなく抵抗発熱させて溶
融変形させてゆくために、芯材の厚さと対比してその2
〜8倍の厚さとした。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明の請求項1に記載した発明
は、渦巻状極板群の上下両端にそれぞれ外方に向け突出
した極板先端部と溶接される正・負極の集電体の切り欠
いた部分の形状と溶接状態を規定したものであり、正・
負極の集電体は極板先端部と多数の個所で確実に溶接さ
れ、大電流での出入力が可能な集電構造をもっている。
【0014】 請求項3〜に記載した発明は、切り欠
いた部分に形成したリブ状突起片の具体的形状寸法、お
よびこの突起片と溶接される極板先端部の芯材露出部の
寸法関係を規定したものであり、大電流放電に適した溶
接部分を確保するものである。
【0015】 請求項に記載した発明は、大電流での
出入力が可能な、帯状の極板の長さ方向のほぼ全長にわ
たって集電体との溶接部を形成した好ましい電池構成を
開示したものである。
【0016】
【実施例】次に、本発明の具体例を示す。
【0017】図1は、本発明の実施例におけるタブレス
方式のニッケル−カドミウム蓄電池Aの半裁側面図であ
る。この電池Aは、直径33mm、高さ61.5mm、
公称容量5000mAhであり、以下にこの構成を詳し
く説明する。
【0018】厚さ1.0mmの帯状をした焼結式ニッケ
ル正極板1と、厚さ0.7mmで同じく帯状をしたペー
スト式カドミウム負極板2とを用い、それぞれの極板に
はその長さ方向の先端に露出した芯材部3,4を設け
た。この露出芯材部3,4がそれぞれ極板群5の上下に
約1.5mmずれて突出するようにセパレータ6を間に
介在させ、全体を渦巻状に巻回させて直径約30mm、
高さ約50mmの極板群5を構成した。
【0019】上記の極板群5の上端面の真上に、中心部
を横切るI字状の切り欠き孔を設けた矩形で対角の長さ
約27mmの集電体7を配置し、極板群5の下端面の露
出芯材部4にも中央に溶接のための舌片を設けた上記と
同じ対角長さをもった矩形の集電体8を接触させながら
一対の溶接電極を用いてそれぞれ露出芯材部3,4と複
数の個所で溶接した。その詳細は後述する。この極板群
5を金属製ケース9に挿入し、集電体7の中心部の孔に
1本の溶接電極を通して集電体8の中央部に設けた舌片
を加圧し、この加圧部分を電池ケースの内底面に溶接し
た。
【0020】次に、所定量のアルカリ電解液を集電体7
の孔と切り欠き部を利用して電池ケース9内に注入した
後、集電体7に設けた接続リード10の先端を正極端子
を兼ねる封口板11の下面に溶接し、封口板11でケー
ス9の開口部を密閉して本発明の電池Aを作成した。
【0021】図2に示すように、極板群5の上部に溶接
した矩形の集電体7には、厚み0.5mmの平板部分7
aの中心部を通って外縁部近くの内側に終端が位置した
I字状の切り欠き孔7bと、この孔とは交わることなく
これとほぼ直角に位置するように中央部近くから外縁部
にまたがった2個の長方形状の切り欠き部7cが設けて
あり、この切り欠き孔と各切り欠き部の縁部7dには図
3に示すように長さ0.5mm、厚み0.3mmの下向
きのリブ状突起片7eが一体に形成されている。突起片
7eと極板先端の露出芯材部との溶接は、切り欠き孔7
bまたは切り欠き部7cをはさんだ状態でその縁部分7
dに沿って長方形状の先端をもった一対の溶接電極を平
板部分7aに当てがい、加圧しつつこの一対の電極間に
約2000Aの交流電流を約10μ秒間流した。
【0022】これにより一対の溶接電極間の集電体7の
平面上を流れる溶接電流は、長方形状の切り欠き孔7b
または切り欠き部7cに阻害されかつ距離的にも長くな
って減少する。一方、一対の電極の内側に位置したリブ
状突起片7eと極板の露出芯材部との交叉部間の距離は
相対的に短くなり、この交叉部に流れ込む溶接電流は増
加する。この際、この突起片7eと極板の露出芯材部と
の交叉部分を多数同時に溶接するためには、一対の溶接
電極の先端形状を切り欠き孔7bと切り欠き部7cの長
さ方向にほぼ沿うことができる長方形状とすることが好
ましい。
【0023】また、I字状の切り欠き孔7bの縁部に設
けた突起片7eは極板群の中心部分の極板巻き始め先端
部とも交叉するので、極板群の直径方向において、その
中心部を含む広い領域で極板全体から集電できるので極
めて好ましい。
【0024】この溶接手法は正極側集電体7だけでな
く、負極側集電体8と負極板の露出芯材部4との交叉部
の溶接にも用いた。
【0025】これとの比較のため極板群5の上部に溶接
される集電体7に代わり、先に述べた集電体14を用い
た以外は、上記と同様な構成として比較例の電池Bとし
た。この集電体14は、図7に示したように厚み0.4
mmの平板部分14aと、この平板部分14aの両側縁
を垂直に折り曲げて形成した同じ厚さのリブ状突起片1
4bと、切り欠き部14cとで構成されている。
【0026】この2つの電池A,Bのそれぞれを5Aの
電流で1.5時間充電し、15A(3C)の電流で端子
電圧が1.0Vに至るまで放電した。このときの放電容
量と平均放電電圧を(表1)に示す。
【0027】
【表1】
【0028】(表1)に示すように電池Aの放電容量は
電池Bのそれよりも300mAhも高くなった。また、
電池Aの平均放電電圧は電池Bのそれよりも0.02V
高くなった。
【0029】性能の差を検証するためこの電池A,Bを
分解してみると、電池Aでは極板群上部に溶接した正極
側集電体7は、そのリブ状突起片7eと露出芯材部3と
が交叉するところ全てで突起片7eが芯材部3に食い込
んで溶融しているため強く溶接されていて、この部分の
引っ張り強度も十分であった。一方、電池Bでは極板群
上部に溶接した正極側の集電体14は、その突起片14
bと露出芯材部3との交叉部分のうち、十分に溶接され
ていない個所が複数個あり、その部分は引っ張ると簡単
に剥がれ、溶接部全体の引っ張り強度が十分でなかっ
た。
【0030】電池Bで突起片14bと露出芯材部3との
溶融が十分でなく溶接されていない部分があることは、
突起片14bと露出芯材部3との溶接部が全体として接
触抵抗が上がることを意味し、電池としての内部抵抗が
高くなるので、その平均放電電圧、放電容量もAより低
くなったものである。
【0031】電池Aでは、集電体7のリブ状突起片7e
が、切り欠き孔7bおよび切り欠き部7cの対向する縁
部分7dに下向きに折り曲げて一体に設けられているの
で、一対の溶接電極を当てがったとき、突起片7eより
外側の平板部分7aに流れる溶接電流は少なく、溶接電
流の多くは突起片7e部分に集中するので、突起片7e
と露出芯材部3とが交叉する各点で突起片7eが露出芯
材部3に食い込んだ状態で溶融してこの部分は強く溶着
されていた。このため、電池の内部抵抗は電池Bよりも
低く、大電流が十分に取り出せ、結果として電池Aから
出入力できる電流値も放電容量もともに高くなったもの
である。
【0032】 上記の実施例では図3に示したように
み0.3mmのリブ状突起片7eと厚み0.5mmの
板部分7aとで構成されている集電体7を用いた。しか
しこの集電体は、図4に示すように、リブ状突起片12
aを切り欠き部と対向する縁部分に下向きに絞りながら
折り曲げて、突起片12aの厚みを平板部分12bのそ
れよりも薄く設けた、例えば平板部分12bの厚み
0.4mmで突起片12aの厚みが0.3mmのような
集電体12を用いてもよく、これによって突起片12a
と電極先端部とを溶接する際に、その溶接電流が突起片
12aにより集中し易くなり、溶接が確実になるので好
ましい。
【0033】また、実施例では図3に示したように集電
体7のリブ状突起片7eは、その高さ全体にわたり同じ
形状のものを用いたが、図5に示す断面図のように突起
片7eの下端部を削ってナイフエッジ状の尖鋭部分7f
を設けると、電極先端部の露出芯材部にこの尖った突起
片先端が食い込みやすくなり、溶接状態も確実となって
溶接強度が上がるので好ましい。
【0034】さらにまた、集電体は平面形状的に図2に
示したものと同じ形状のものであっても、図6に示すよ
うに平板部分13aを加圧処理することによって当初よ
り薄く、例えば0.5mmから0.4mmとし、突起片
13bの厚みを0.5mmとして平板部分13aのそれ
よりも厚くし、かつ突起片13bの先端部13cを削っ
てナイフエッジ状に尖らせた集電体13を用いても、実
施例とほぼ同様な溶接効果が得られ、特に電流取り出し
部分の面積を増大できるので、大電流の取り出しに向い
たものにできる。このように集電体の厚みは0.25〜
0.5mmが溶接の点、通電断面積の点から好ましく、
突起片の高さは交叉して食い込む芯材突出部の長さ
(幅)にも左右されるが、突出部の長さが約0.7〜
1.8mmの場合には突起片の高さは約0.5〜0.7
mmが好ましい。この範囲であれば極板の起電反応に関
与しない部分を少なくした上で確実な溶接を達成でき
る。
【0035】なお、上記実施例での電池は、ニッケル−
カドミウム蓄電池を示したが、ニッケル−水素蓄電池な
どの他のアルカリ蓄電池であっても円筒型であれば、同
様に適用できる。
【0036】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、渦巻状極
板群を有する円筒型蓄電池において、極板群上部に溶接
した矩形の集電体は、その平板の中心部を通って外周部
近くの内側に終端が位置したI字状の切り欠き孔と、こ
の孔とは交わることなくこれとほぼ直角に位置するよう
に中央部近くから外縁部にまたがった長方形状の切り欠
き部を複数設け、この切り欠き孔と各切り欠き部の縁部
には下向きのリブ状突起片をそれぞれ一体に形成し、こ
の突起片のそれぞれは、極板の先端部分と交叉してその
一部が極板先端部分に食い込んで複数箇所で溶接されて
いるので渦巻状極板群は中心部の巻き始め先端部から外
周部にまたがって広い面積で集電体と強く溶接されたも
のとなり、大電流の取り出しが可能な、集電構造に優れ
た電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例におけるニッケル−カドミウム
蓄電池の半裁側面図
【図2】同集電体の上面図
【図3】同集電体の正面図
【図4】他の例の集電体の正面図
【図5】集電体の突起片の下端部の断面図
【図6】さらに他の例の集電体の正面図
【図7】従来の集電体を示す斜視図
【符号の説明】
1 正極板 2 負極板 3 正極板の露出芯材部 4 負極板の露出芯材部 5 極板群 6 セパレータ 7 正極の集電体 8 負極の集電体 9 ケース 10 接続端子 11 封口板 12 集電体 13 集電体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江口 壽英 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 大西 正人 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平7−6749(JP,A) 特開 平7−29564(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 2/20 - 2/34 H01M 10/28

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】帯状の正極板と負極板とセパレータよりな
    り、一方の極板の先端部分が上方へ突出し、他方の極板
    の先端部分が下方へ突出して渦巻状に巻回された極板群
    と、この極板群の上下から突出した各極板のそれぞれの
    先端部分に溶接された矩形あるいはほぼ円板状の平板か
    らなる集電体と、これらを内部に収納した金属製ケース
    と、このケースを封口するとともに上方にキャップ状の
    端子を備えた封口板とからなり、前記渦巻状極板群の上
    方および下方へ突出した部分は、正・負極板のそれぞれ
    の芯材が露出したものであり、前記各極板のそれぞれの
    先端部分の露出芯材部に溶接された集電体は、その平板
    の中心部を通って外縁部近くの内側に終端が位置したI
    字状の切り欠き孔と、この孔とは交わることなくこれと
    ほぼ直角に位置するように中央部近くから外縁部にまた
    がった長方形状の切り欠き部を複数設け、この切り欠き
    孔と各切り欠き部の縁部には下向きのリブ状突起片をそ
    れぞれ一体に形成したものであって、前記下向きの突起
    片の先端部分は尖っていて、この突起片のそれぞれは極
    板の先端部分と交叉してその一部分が極板先端部分に食
    い込んで複数箇所で溶接されている円筒型蓄電池。
  2. 【請求項2】帯状の正極板と負極板とセパレータよりな
    り、一方の極板の先端部分が上方へ突出し、他方の極板
    の先端部分が下方へ突出して渦巻状に巻回された極板群
    と、この極板群の上下から突出した各極板のそれぞれの
    先端部分に溶接された矩形あるいはほぼ円板状の平板か
    らなる集電体と、これらを内部に収納した金属製ケース
    と、このケースを封口するとともに上方にキャップ状の
    端子を備えた封口板とからなり、前記渦巻状極板群の上
    方および下方へ突出した部分は、正・負極板のそれぞれ
    の芯材が露出したものであり、前記各極板のそれぞれの
    先端部分の露出芯材部に溶接された集電体は、その平板
    の中心部を通って外縁部近くの内側に終端が位置したI
    字状の切り欠き孔と、この孔とは交わることなくこれと
    ほぼ直角に位置するように中央部近くから外縁部にまた
    がった長方形状の切り欠き部を複数設け、この切り欠き
    孔と各切り欠き部の縁部には下向きのリブ状突起片をそ
    れぞれ一体に形成したものであって、前記突起片の平板
    部分からの突出長さは露出芯材部分の長さ(幅)の1/
    5〜2/3の範囲であり、この突起片のそれぞれは極板
    の先端部分と交叉してその一部分が極板先端部分に食い
    込んで複数箇所で溶接されている円筒型蓄電池。
  3. 【請求項3】集電体の下向きの突起片の先端部は、平板
    部分と同じ厚さで形成されている請求項1または2記載
    の円筒型蓄電池。
  4. 【請求項4】集電体の下向きの突起片は、平板部分の厚
    さよりも薄い厚さで形成されている請求項1または2記
    載の円筒型蓄電池。
  5. 【請求項5】集電体の下向きの突起片は、平板部分の厚
    さよりも厚い厚さで形成されている請求項1または2記
    載の円筒型蓄電池。
  6. 【請求項6】渦巻状極板群の上方および下方へ突出した
    部分は、正・負極板のそれぞれの芯材が露出したもので
    あり、この露出芯材部の先端部分に溶接された集電体の
    突起片は、芯材の厚さに比べてその2〜8倍の厚さをも
    っている請求項1または2記載の円筒型蓄電池。
  7. 【請求項7】帯状で焼結式ニッケル基板に活物質を保持
    させた正極板と、帯状で穿孔したシート状の金属芯材の
    両面にペースト状電極材料を塗着した負極板と、負極板
    はその先端部分の芯材を下方へ突出させて渦巻状に巻回
    した極板群と、この極板群の上方へ突出した正極板の芯
    材突出部に溶接した矩形の平板からなる正極側集電体
    と、下方へ突出した芯材突出部に溶接した矩形の平板か
    らなる負極側集電体と、これらを内部に収容するととも
    に負極の出入力端子を兼ねた金属製ケースと、このケー
    スを封口するとともに電気的にケースとは絶縁されてい
    て上方に正極の出入力端子を兼ねたキャップを備えた封
    口板とからなり、前記渦巻状極板群の上方および下方へ
    突出した部分は、正・負極板のそれぞれの芯材が露出し
    たものであり、前記正極側集電体は、その中心部を通っ
    て外縁部近くに終端が位置したI字状切り欠き孔と、こ
    の孔とは交わることなくこれとほぼ直角に位置するよう
    に中央部近くから外縁部に達する長方形状の切り欠き部
    を複数形成し、切り欠き孔と切り欠き部の縁部に一体に
    設けたリブ状の突起片を正極板の芯材突出部に交叉させ
    一部食い込ませて複数箇所で溶接し、平板部分に一端を
    溶接したリード片の他端を前記封口板の下面に溶接して
    おり、前記負極側集電体は、その中心部を通って外縁部
    近くに終端が位置し、その中心部分に張り出すように接
    続用舌片を設けたI字状切り欠き孔と、この切り欠き孔
    とは交わることなくこれとほぼ直角に位置するように中
    央部近くから外縁部に達する長方形状の切り欠き部を複
    数形成し、切り欠き孔および切り欠き部の縁部に一体に
    設けたリブ状の突起片を負極板の先端部分の露出芯材部
    と交叉させ一部食い込ませて複数箇所で溶接し、かつI
    字状切り欠き孔の中央部に張り出すように設けた接続用
    舌片をケース内底部に溶接している円筒型蓄電池。
  8. 【請求項8】正・負極板に形成した芯材突出部の長さ
    (幅)は約0.7〜1.8mmであり、正極側集電体お
    よび負極側集電体の切り欠き孔と切り欠き部に一体に設
    けたリブ状突起片の高さは約0.5〜0.7mmである
    請求項記載の円筒型蓄電池。
  9. 【請求項9】正・負極側集電体は、いずれもニッケルメ
    ッキを施した鉄製平板で形成されていて、正極側集電体
    に一端が溶接されたリードニッケル板からなる請求項
    記載の円筒型蓄電池。
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