JP3540554B2

JP3540554B2 - アルカリ蓄電池およびその製造方法

Info

Publication number: JP3540554B2
Application number: JP20682697A
Authority: JP
Inventors: 和樹下園; 雅行寺坂
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1997-07-31
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2017-07-31
Also published as: JPH1154105A

Description

【０００１】
本発明は、一方極の端子を兼ねる開口部を備えた電池ケースと、この開口部を密封する他方極の端子を兼ねる封口体と、これら電池ケースおよび封口体よりなる電池容器内に組み込まれる少なくとも正・負極からなる発電要素と、この発電要素の正・負極の端部にそれぞれ接続される正・負極集電体とを備えたアルカリ蓄電池およびその製造方法に関するものであり、特に、正・負極の少なくとも一方から導出した集電リード板を封口体の下面に溶接する集電構造および溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素化物蓄電池などのアルカリ蓄電池は、正極板および負極板の間にセパレータを介在させて、これらを渦巻状に巻回して発電要素を形成し、この発電要素を金属製電池ケースに収納して正極の集電リード板を封口体の一箇所で溶接した後、電池ケースの開口に絶縁ガスケットを介在させて封口体を装着することにより密閉して構成されている。
【０００３】
ところで、アルカリ蓄電池は、電動工具、電動自転車、および電動バイク等の電源として使用する用途がある。これらの用途では、しばしば大電流での充放電が要求されるが、電池を大電流で放電させると内部抵抗に起因した電圧降下が生じ作動電圧が低下するという問題があるため、極力内部抵抗を低減する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような集電リード板を封口体の一箇所で溶接して集電したアルカリ蓄電池では、電池内部抵抗が十分に満足できる程度には低くなっていない。
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、電池内部抵抗が低くて大電流で放電しても作動電圧が低下しにくいアルカリ蓄電池を得ることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明のアルカリ蓄電池は、一方極の端子を兼ねる開口部を備えた電池ケースと、前記開口部を密封する他方極の端子を兼ねる封口体と、これら電池ケースおよび封口体よりなる電池容器内に組み込まれる少なくとも正・負極からなる発電要素と、この発電要素の正・負極の端部にそれぞれ接続される正・負極集電体とを備え、正・負極集電体の少なくともいずれか一方から延出する集電リード板を封口体と溶接した第１溶接部と、この第１溶接部までの集電経路の途中で集電リード板を集電体と溶接した第２溶接部とを備えたことを特徴とするものである。
【０００６】
このように、集電リード板を封口体と溶接した第１溶接部までの集電経路の途中で、さらに集電リード板を集電体と溶接させた第２溶接部を備えるよにすると、集電体と封口体との間の抵抗値を低減させることが可能となるので、電池の内部抵抗が低減され、大電流で放電させたときの内部抵抗に起因する電圧降下が小さくなって、従来よりも高い作動電圧が得られる。
【０００７】
そして、集電リード板に湾曲部を設けたり、第２溶接部の集電リード板あるいは集電体のいずれか一方または双方に突出部を設けたり、第２溶接部の集電リード板の断面積をほかの部分より小さくすることにより、第２溶接部の溶接性を向上さて、第２溶接部の形成を容易にしている。
【０００８】
一方、本発明のアルカリ蓄電池の製造方法は、正・負極集電体の少なくともいずれか一方から延出する集電リード板を封口体に溶接して第１溶接部を形成する第１溶接工程と、発電要素を電池ケースに収納した後、集電リード板の未溶接部分の一部を集電体の上面に接触させた状態で電池ケースの開口部を封口体で密閉する密閉工程と、電池ケースと封口体との間に電流を流すことにより、集電リード板と集電体との接触部分を溶接して第２溶接部を形成する第２溶接工程とを備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
通常、電池を封口する場合には、封口体を溶接した集電リード板を変形させることによって電池ケースの封口部に封口体を装着して封口を行うため、集電リード板は、電池構成後に封口体と極板を接続するのに必要な最小限の長さよりも変形のために必要な長さの分だけ長くなってしまう。これに対して、本発明のアルカリ蓄電池の製造法では、集電リード板の集電経路の途中での集電体との接触部を、電池構成後に、電池の正・負極外部端子間に電流を流すことで溶接させるため、集電距離を短縮して電池の内部抵抗を低減することが可能である。
【００１０】
また、集電リード板に湾曲部を設けたり、接触部の集電リード板、集電体のいずれか一方または双方に突出部を設けたり、あるいは、予め接触部の集電リード板の断面積を他のどの部分よりも小さくすることによって、電池の正・負極外部端子間に電流を流すと、湾曲部、突出部あるいは断面積が小さい部分の電流密度が大きくなって、これらの部分の発熱量が大きくなるので、第２溶接部を容易に形成できるようになる。
【００１１】
このような本発明のアルカリ蓄電池の製造方法により、電池の封口後に、集電リード板をその集電経路の途中において集電体と溶接する事が可能となり、集電リード板による集電経路を短くして電池内部抵抗をより低減することが可能となる。また、集電リード板と集電体との接触面積を小さくすることにより、この部分の溶接を少ない電気量で行うことが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図を参照して説明する。なお、図１は本発明をニッケル−カドミウム蓄電池に適用した本実施形態のアルカリ蓄電池の要部断面図であり、図２は本実施形態のアルカリ蓄電池の封口前の要部を示す断面図であり、図３は本実施形態のアルカリ蓄電池の封口前の封口体と集電リード板との溶接状態を示す平面図であり、図４は本実施形態のアルカリ蓄電池の集電体と集電リード板との溶接状態を示す平面図である。
【００１３】
本実施形態のニッケル−カドミウム蓄電池は、パンチングメタル１１ａの表面にニッケル焼結多孔体を形成した後、化学含浸法により水酸化ニッケルを主体とする正極活物質を焼結多孔体内に充填して製造した焼結式ニッケル正極１１と、同様に化学含浸法により水酸化カドミウムを主体とする負極活物質をニッケル焼結多孔体内に充填して製造した焼結式カドミウム負極１２とを備えている。
【００１４】
これらのニッケル正極１１とカドミウム負極１２は、これらの間にセパレータ１３を介在させて巻回されており、こうして巻回して得た発電要素１０の上面には、ニッケル正極１１の極板芯体であるパンチングメタル１１ａの端部が露出し、また、発電要素の下面にはカドミウム負極１２の極板芯体であるパンチングメタルの端部（図示せず）が露出している。そして、この発電要素１０の上下面にそれぞれ露出する正極芯体と負極芯体には、それぞれ多数の開口を有する板状の正極集電体１４と負極集電体（図示せず）が溶接されている。
【００１５】
そして、電池の製造時においては、図２および図３に示すように、まず、前記発電要素１０を鉄にニッケルメッキを施した有底筒状の電池ケース２０内に収納し、カドミウム負極１２に溶接された負極集電体（図示せず）を電池ケース２０の内底面にスポット溶接（図示せず）する。ついで、正極集電体１４から延出する正極集電リード板３０の先端近傍を封口体４０の底面にスポット溶接し、第１溶接部αを形成する。
【００１６】
ここにおいて、前記封口体４０は、底面に円形の下方突出部を形成してなる蓋体４１と、正極キャップ４２とこれら蓋体４１および正極キャップ４２間に介在されるスプリング４３と弁板４４からなる弁体４５とから構成されており、蓋体４１の中央にはガス抜き孔４１ａが形成されている。また、正極集電リード板３０は、封口体４０のガス抜き孔４１ａと対向する部分に透孔３１が形成されており、この透孔３１の存在により、電池内部ガス圧が上昇した場合においても、集電リード板３０がガス抜き孔４１ａを塞ぐことではなく、電池内部のガスを集電リード板３０の透孔３１を通して封口体４０のガス抜き孔４１ａからスムーズに電池外部に放出することができる。
【００１７】
こうして、第１溶接部αにおいて正極集電リード板３０と封口体４０とを溶接した後、封口体４０を電池ケース２０の開口部に絶縁ガスケット２２を介して配置し、電池ケース２０の開口端縁２１を内方にカシメつけることによって電池を封口して、公称容量１．７ＡｈのＳＣサイズのニッケル−カドミウム蓄電池を組み立てる。この封口時点では、正極集電リード板３０は、正極集電体１４とβの位置において接触した状態になっている。
【００１８】
上記のようにして組み立てた電池の正極キャップ（正極外部端子）４２と電池ケース２０の底面（負極外部端子）の間に、電池の放電方向に２４Ｖの電圧を印加し、１ＫＡの電流を約１５ｍｓの時間流した。この通電処理によって、図１に示すように正極集電リード板３０と正極集電体１４との接触点βが溶接されて、第２溶接部βが形成される。
【００１９】
一方、比較例の蓄電池として、電池組立後に第２溶接部βを形成する処理、即ち正極キャップ（正極外部端子）４２と電池ケース２０の底面（負極外部端子）の間に、電池の放電方向に２４Ｖの電圧を印加し、１ＫＡの電流を約１５ｍｓの時間流す通電処理を施さず、その他は上記実施形態と同一の方法でニッケル−カドミウム蓄電池を作成した。
【００２０】
上記のように作製した本実施形態のニッケル−カドミウム蓄電池および比較例のニッケルーカドミウム蓄電池の放電特性（放電電流に対する作動電圧の変化）を測定すると図５に示すような結果となった。ここにおいて、測定条件は、周囲温度２５℃において１．７Ａの充電電流で７２分間充電した後、６０分間充電を休止し、定電流（２Ａ、１０Ａ、２０Ａ、３０Ａ）で放電して電池電圧が０．８Ｖに達した時点で放電を停止させ、各放電電流（２Ａ、１０Ａ、２０Ａ、３０Ａ）に対する作動電圧（Ｖ）を測定するものである。
【００２１】
また、これらの電池の内部抵抗を測定した結果、本発明電池は比較例電池よりも約０．５ｍΩ低くなっていることが確認された。この図５から明らかなように、本実施形態のニッケル−カドミウム蓄電池は、１０Ａ，２０Ａ，３０Ａ等の大電流放電時の作動電圧が比較例電池よりも高くなっていることが分かる。これは第２溶接部βの形成により、集電経路が短くなって電池の内部抵抗が低下したためと考えられる。
【００２２】
（集電リード板の検討）
ついで、正極集電リード板３０の形状、構造についての検討を行う。
正極集電リード板３０として上述の実施形態と同様の正極集電リード板３０を用いて、上述の実施形態と同様にして組み立てたニッケル−カドミウム蓄電池を電池Ａとする。図６に示すように、正極集電リード板３０の第１溶接部αまでの集電経路の途中に湾曲部３２を形成した正極集電リード板３０を用いて、上述の実施形態と同様にして組み立てたニッケル−カドミウム蓄電池を電池Ｂとする。図７に示すように、正極集電リード板３０の第１溶接部αまでの集電経路の途中に突出部３３を形成した正極集電リード板３０を用いて、上述の実施形態と同様にして組み立てたニッケル−カドミウム蓄電池を電池Ｃとする。図８に示すように、正極集電リード板３０の正極集電体１４との接触部の断面積を他の部分よりも小さくなるように挟幅部３４を形成した正極集電リード板３０を用いて、上述の実施形態と同様にして組み立てたニッケル−カドミウム蓄電池を電池Ｄとする。
【００２３】
これらの電池に対し、電池の正極キャップ（正極外部端子）と電池ケースの底面（負極外部端子）の間に、電池の放電方向に２４Ｖの定電圧を印加して正・負極間に１ＫＡの定電流を流して、溶接時間を変化させて溶接部βを溶接すると下記の表１に示すような結果となった。
【００２４】
【表１】

【００２５】
なお、上記表１においては、溶接時間、即ち電気量を変化させた場合の溶接部βでの溶接確率を示したものであって、サンプル数は各１０個であり、１０個中の何個が溶接部βを形成することができたかを示している。
【００２６】
上記表１より明らかなように、電池Ｂ，Ｃ，Ｄの正極集電リード板３０を使用したものは、電池Ａの正極集電リード板３０を使用したものよりも小さな電気量で溶接部βが形成されていることが分かる。これは、電池Ｂ，Ｃ，Ｄの正極集電リード板３０を使用した場合、電池Ａの正極集電リード板３０を使用した場合よりも、正極集電リード板３０と正極集電体１４との接触部βでの接触面積が小さくなっているため、接触部βでの接触圧力が強くなり、かつ、正・負極端子間に電流を流した際に、この部分βでの電流密度が大きくなって、発熱量も大きくなっているため、溶接部βを小さな電気量で形成できる。
【００２７】
なお、溶接部βの形成確率は、上記のように溶接時間で変化するのみならず、印加する電流値によっても変化する。印加する電流値および時間については、電池のサイズには関係なく、それぞれ、最低でも３００Ａ、０．２５ｍｓ以上必要である。ただし、極端に過大な電流あるいは極端に長い時間、電流を印可した場合には、正極集電リード板３０に溶断が生じるため、印加する電流値と電流印加時間の積は正極集電リード板３０が溶断しない範囲に設定しなければならない。
【００２８】
また、流れる電流値が同じであれば、電池に印加する電流の方向と溶接強度には相関性はなく、電池に対して充電方向および放電方向のどちらに印加しても同様の効果が得られた。
【００２９】
なお、上記実施形態において、図７の正極集電リード板３０を用いる場合には正極集電リード板３０に突出部３３を形成した例について説明したが、正極集電体１４の突出部３３に対向する部分にも突起部を設けるようにしても良い。また、上記実施形態の電池は、正極および負極のいずれも焼結式電極を用いた例について説明したが、ペースト式などの非焼結式電極を用いた電池で実験した場合も同様の結果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアルカリ蓄電池の要部断面図である。
【図２】本発明のアルカリ蓄電池の封口前の要部断面図である。
【図３】本発明のアルカリ蓄電池の封口前の封口体と集電リード板との溶接位置を示す平面図である。
【図４】本発明のアルカリ蓄電池の封口体と集電リード板との溶接位置（α）と集電体と集電リード板との溶接位置（β）を示す平面図である。
【図５】放電電流と作動電圧の関係を表す図である。
【図６】図１の正極集電リード板と異なる正極集電リード板を用いたアルカリ蓄電池の要部断面図である。
【図７】図１の正極集電リード板と異なる他の集電リード板を用いたアルカリ蓄電池の要部断面図である。
【図８】図１の正極集電リード板と異なる他の正極集電リード板を用いたアルカリ蓄電池の要部平面図である。
【符号の説明】
１０…発電要素、１１…正極板、１２…負極板、１３…セパレータ、１４…正極集電体、２０…電池ケース、２１…開口端縁、２２…絶縁ガスケット、３０…集電リード板、３１…透孔、３２…湾曲部、３３…突出部、３４…挟幅部、４０…封口体、４１…蓋体、４１ａ…ガス抜き孔、４２…正極キャップ（正極外部端子）、α…封口前に形成した集電リード板と封口体の溶接部、β…封口後に形成した集電リード板と集電体の溶接部

Claims

一方極の端子を兼ねる開口部を備えた電池ケースと、前記開口部を密封する他方極の端子を兼ねる封口体と、これら電池ケースおよび封口体よりなる電池容器内に組み込まれる少なくとも正・負極からなる発電要素と、この発電要素の正・負極の端部にそれぞれ接続される正・負極集電体とを備えたアルカリ蓄電池であって、
前記正・負極集電体の少なくともいずれか一方から延出する集電リード板を前記封口体と溶接した第１溶接部と、
前記第１溶接部までの集電経路の途中で前記集電リード板を前記集電体と溶接した第２溶接部とを備えたことを特徴とするアルカリ蓄電池。
前記集電リード板に湾曲部を設けるとともにこの湾曲部を前記集電体との第２溶接部としたことを特徴とする請求項１に記載のアルカリ蓄電池。
前記第２溶接部の前記集電リード板あるいは前記集電体のいずれか一方または双方に突出部を設けたことを特徴とする請求項１に記載のアルカリ蓄電池。
前記第２溶接部の前記集電リード板の断面積を同第２溶接部以外の集電リード板の断面積よりも小さく形成したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のアルカリ蓄電池。
一方極の端子を兼ねる開口部を備えた電池ケースと、前記開口部を密封する他方極の端子を兼ねる封口体と、これら電池ケースおよび封口体よりなる電池容器内に組み込まれる少なくとも正・負極からなる発電要素と、この発電要素の正・負極の端部にそれぞれ接続される正・負極集電体とを備えたアルカリ蓄電池の製造方法であって、
前記発電要素を前記電池ケースに収納した後、前記正・負極集電体の少なくともいずれか一方から延出する集電リード板を前記封口体に溶接して第１溶接部を形成する第１溶接工程と、
前記集電リード板の前記第１溶接部までの集電経路の途中の未溶接部分の一部を前記集電体の上面に接触させた状態で前記電池ケースの開口部を前記封口体で密閉する密閉工程と、
前記電池ケースと前記封口体との間に電流を流すことにより、前記集電リード板と前記集電体との接触部分を溶接して第２溶接部を形成する工程とを備えたことを特徴とするアルカリ蓄電池の製造方法。
前記集電リード板に湾曲部を設けるとともにこの湾曲部を前記密閉工程において前記集電体に接触させ、
前記電池ケースと前記封口体との間に電流を流すことにより前記第２溶接部を形成するようにしたことを特徴とする請求項５に記載のアルカリ蓄電池の製造方法。
前記集電リード板あるいは前記集電体のいずれか一方または双方に突出部を設けるとともにこの突出部を前記密閉工程において前記集電リード板あるいは前記集電体のいずれか一方または双方に接触させ、
前記電池ケースと前記封口体との間に電流を流すことにより前記突出部の電流密度を大きくして前記第２溶接部を形成するようにしたことを特徴とする請求項５に記載のアルカリ蓄電池の製造方法。
前記第２溶接部の前記集電リード板の断面積を同第２溶接部以外の集電リード板の断面積よりも小さく形成して同集電リード板の第２溶接部の比抵抗を大きくし、
前記電池ケースと前記封口体との間に電流を流すことにより前記比抵抗が大きく形成された第２溶接部の電流密度を大きくして前記第２溶接部を形成するようにしたことを特徴とする請求項５に記載のアルカリ蓄電池の製造方法。