JP3540566B2

JP3540566B2 - 密閉型アルカリ蓄電池およびその製造方法

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Publication number: JP3540566B2
Application number: JP26241897A
Authority: JP
Inventors: 敬米村
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2017-09-26
Also published as: JPH11102689A

Description

【０００１】
本発明は、一方極の端子を兼ねる開口部を備えた外装缶と、この開口部を密封する他方極の端子を兼ねる封口体と、これら外装缶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体を封口体の下面に接続して集電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密閉型アルカリ蓄電池は、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外装缶に収容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、外装缶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、密閉型アルカリ蓄電池は、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】
そこで、実開平５−７２０４８号公報において、低内部抵抗の集電体構造が提案された。実開平５−７２０４８号公報において提案された集電体構造は、図４（ａ），（ｂ）に示すように、陽極集電体６０のタブ部６２を従来のものより長くし、タブ部６２の曲げ部６２ａと封口体７０とをスポット溶接し、タブ部６２の第２導電部６２ｃを集電部６１方向に折り曲げ、集電部６１と接触させることで電池内部抵抗を減少させ、大電流での作動電圧を高くしょうとするものである。
【０００５】
また、実開平４−１２４７４９号公報においても低内部抵抗の集電体構造が提案された。実開平４−１２４７４９号公報において提案された集電体構造は、図５に示すように、渦巻状電極８０の心材露出端部８０ａに集電体８１の集電部８１Ａをスポット溶接し、集電部８１Ａの片側から延びるリード部８１Ｂを折り曲げ、その先端部を封口蓋９０に設けた陽極端子９１に接続する。集電部８１Ａおよびリード部８１Ｂにそれぞれ突起部８１ａ，８１ｂを設け、リード部８１Ｂの折り曲げにより両突起部８１ａ，８１ｂを相互に当接させ、集電部８１Ａからリード部８１Ｂへの電流分岐路を形成して、電流抵抗損失を少なくして高率放電性能を向上させようとするものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実開平５−７２０４８号公報において提案された集電体構造にあっては、電池組立時において、タブ部６２の曲げ部６２ａと封口体７０とをスポット溶接した後、封口体７０を密封するため、曲げ部６２ａが封口体７０に設けられたガス抜き孔を塞ぐという事態を生じ、ガス排出性能を劣化させるという問題を生じた。一方、実開平４−１２４７４９号公報において提案された集電体構造にあっては、集電体８１が封口蓋９０に設けられたガス抜き孔を塞ぐという問題は生じないが、集電部８１Ａおよびリード部８１Ｂにそれぞれ設けた突起部８１ａ，８１ｂを相互に当接させて接触させるだけの集電構造であるため、これらの両突起部８１ａ，８１ｂの接触が外れた場合に内部抵抗が増大するという問題を生じた。
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、集電体が封口体のガス抜き孔を塞ぐことなく、かつ大電流で放電しても作動電圧が低下しにくい密閉型アルカリ蓄電池を得ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の密閉型アルカリ蓄電池は、正・負極集電体の少なくともいずれか一方は発電要素の正・負極の端部の一方に接続される集電部と同集電部より延出して電池の中心部に向けて屈曲する屈曲部と同屈曲部より延出して封口体のガス抜き孔より下方に凹む凹部とを備えるともに、屈曲部と凹部との付け根部の天面は封口体の下面のガス抜き孔の周囲に接触する接触部を備え、凹部の底部は集電部に接触する接触部を備えるようにしたことを特徴とする。
【０００８】
このように、屈曲部と凹部との付け根部の天面に封口体の下面のガス抜き孔の周囲に接触する接触部を備えるとともに、凹部の底部に集電部に接触する接触部を備えるようにすると、集電部と封口体下面との間の集電距離が短くなるので、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り、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ようになる。また、集電体は封口体のガス抜き孔より下方に凹む凹部を備えているので、集電体がガス抜き孔を塞ぐことがなくなり、電池内部で異常なガス発生が生じても容易にガスを排出することができるようになって、電池の安全性を確保することが容易となる。
【０００９】
そして、各接触部を溶接により固着するようにすると、接触部が容易に外れない構造となるため、より一層の内部抵抗の低減が可能になるため、高率放電特性が更に向上するとともに、振動などの影響で容易に外れにくくなるため信頼性が向上し、安定した電池容量が得られるようになる。また、接触部に突起部を備えるようにすると、外装缶と封口体との間に電流を流すことにより電気溶接するようにした場合、この突起部で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、少ない電気量で溶接強度が大きい溶接部を容易に形成できるようになる。さらに、凹部の断面形状をＶ字状あるいはＵ字状に形成すると、ガス抜き孔の下部の空間を容易に確保できるようになり、集電体がガス抜き孔を塞ぐことを容易に防止できるようになる。
【００１０】
一方、本発明の密閉型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に発電要素の正・負極の端部の一方に接続される集電部と同集電部より延出して電池の中心部に向けて屈曲する屈曲部と同屈曲部より延出して封口体のガス抜き孔より下方に凹む凹部を形成し、発電要素を外装缶に収納し、正・負極集電体の他方を外装缶に溶接した後、外装缶の開口部を封口体で密閉する際に屈曲部と凹部との付け根部の天面を封口体の下面のガス抜き孔の周囲に接触させて接触部を形成するとともに、凹部の底部を集電部に接触させて接触部を形成するようにしたことを特徴とする。
【００１１】
このように、集電体に発電要素の正・負極の端部の一方に接続される集電部と同集電部より延出して電池の中心部に向けて屈曲する屈曲部と同屈曲部より延出して封口体のガス抜き孔より下方に凹む凹部を形成すると、発電要素を外装缶に収納して外装缶の開口部を封口体で密閉する際に、屈曲部と凹部との付け根部の天面と封口体の下面のガス抜き孔の周囲との間および凹部の底部と集電部との間にそれぞれ接触部が形成されるようになる。このため、特別な工程を付加することなく、簡単に集電体と封口体の下面との接続がなされるようになる。
【００１２】
そして、電池構成後に、外装缶と封口体との間に電流を流すことにより、即ち、電池の正・負極外部端子間に電流を流すことにより、各接触部が溶接されるようになるので、溶接工程もきわめて簡単になって、この種の電池の内部抵抗が低減した密閉型アルカリ蓄電池を簡単、安価に製造できるようになる。また、各接触部に突起部を形成しておくと、電池の正・負極外部端子間に電流を流すと、この突起部で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、少ない電気量で溶接強度が大きい溶接部を容易に形成できるようになる。
【００１３】
【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密閉型アルカリ蓄電池の要部断面を示す図である。
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とを備えている。
【００１４】
これらのニッケル正極とカドミウム負極は、これらの間にセパレータ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、ニッケル正極の極板芯体であるパンチングメタルの端部が露出し、また、発電要素の下面にはカドミウム負極の極板芯体であるパンチングメタルの端部が露出している。そして、この発電要素１０の上面に露出する正極芯体には多数の開口を有する正極集電体２０が溶接され、発電要素１０の下面に露出する負極芯体には多数の開口を有する負極集電体（図示せず）が溶接されている。正極集電体２０は、発電要素１０の上面に露出する正極芯体に溶接された円板状の集電部２１と、この円板状の集電部２１より長方形状に延出して電池の中心部に向けて屈曲する屈曲部２２と、この屈曲部２２より延出して封口体のガス抜き孔より下方にＶ字状に屈曲する凹部２３とから構成されている。
【００１５】
そして、屈曲部２２と凹部２３との付け根部、即ち、Ｖ字状に屈曲する凹部２３の一方の天面２４には、後述する封口体３０を外装缶４０の開口部に装着して電池を封口した際に、封口体３０に設けられたガス抜き孔３１ａの周囲に接触する突起部２４ａが形成されいる。また、Ｖ字状に屈曲する凹部２３の他方の天面２５は封口体３０のガス抜き孔３１ａの周囲に予め溶接されている。さらに、Ｖ字状に屈曲する凹部２３の底面（Ｖ字の頂部）２６は、電池を封口した際に集電部２１に接触するようになされている。
【００１６】
ここにおいて、前記封口体３０は、底面に円形の下方突出部を形成してなる蓋体３１と、正極キャップ３２とこれら蓋体３１および正極キャップ３２間に介在されるスプリング３３と弁板３４からなる弁体３５とから構成されており、蓋体３１の中央にはガス抜き孔３１ａが形成されている。なお、正極キャップ３２の底部には排気口３６が形成されている。ここで、正極集電体３０の凹部２３はガス抜き孔３１ａの下方にＶ字状に屈曲して形成されているため、ガス抜き孔３１ａの下方に空間部を確保することができるようになって、ガス抜き孔３１ａを塞ぐことはない。このため、電池内部ガス圧が上昇した場合、電池内部で発生したガスはガス抜き孔３１ａを通して弁板３４を押し上げて封口体３０内に流入し、排気口３６を通してスムーズに電池外部に放出されることとなる。
【００１７】
この電池を製造するに際しては、まず、発電要素１０を鉄にニッケルメッキを施した有底筒状の外装缶４０内に収納し、カドミウム負極に溶接された負極集電体（図示せず）を外装缶４０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２０の凹部２３の他方の天面２５を封口体３０のガス抜き孔３１ａの周囲に溶接した後、封口体３０を外装缶４０の開口部に絶縁ガスケット４３を介して装着し、外装缶４０の開口端縁４１を内方にカシメつけることによって電池を封口する。電池を封口すると、凹部２３の一方の天面２４に形成された突起部２４ａは封口体３０のガス抜き孔３１ａの周囲に接触するとともに、凹部２３の底面（Ｖ字の頂部）２６は集電部２１に接触する。
【００１８】
このようにして、電池を封口し、公称容量２．５Ａｈ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、集電体２０の凹部２３の一方の天面２４に形成された突起部２４ａは封口体３０のガス抜き孔３１ａの周囲に接触した状態になっているとともに、凹部２３の底面（Ｖ字の頂部）２６も集電部２１に接触した状態になっている。
【００１９】
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）３２と外装缶４０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した。この通電処理において、集電体２０の凹部２３の一方の天面２４に形成された突起部２４ａと封口体３０のガス抜き孔３１ａの周囲との接触部および凹部２３の底面（Ｖ字の頂部）２６と集電部２１との接触部は、それぞれ接触面積が小さく、かつ接触圧力が強くなるため、これらの接触部での電流密度が大きくなるとともに発熱量も大きいため、溶接部が形成されることとなる。
【００２０】
なお、溶接部の形成確率は、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、正極集電体２０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体２０が溶断しない範囲に設定しなければならない。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。
【００２１】
一方、比較例の蓄電池として、正極集電体より延出する板状の正極リード板を封口体の下面の１箇所で溶接した後、封口体を絶縁ガスケットを介して外装缶の開口端縁に装着し、外装缶の開口端縁を内方にカシメつけることによって封口してニッケル−カドミウム蓄電池を作成した。
【００２２】
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（放電時間に対する作動電圧の変化）を測定すると図２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２５０ｍＡ（０．１Ｃ）の充電電流で１６時間充電した後、６０分間充電を休止し、３０Ａ（１２Ｃ）の定電流で放電して、放電時間に対する作動電圧（Ｖ）を測定するものである。
【００２３】
この図２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、大電流放電時の作動電圧が比較例のニッケルーカドミウム蓄電池よりも高くなっており、また、同時に電池容量も大きくなっていることが分かる。これは、比較例のニッケルーカドミウム蓄電池においては、単に正極リード板が封口体の下面の１箇所で溶接しているだけであるので、正極集電体と正極端子間の集電距離が長くなってその抵抗値が増大し、抵抗電圧降下を生じて、作動電圧および電池容量が低下するためと考えられる。
【００２４】
一方、本実施形態のニッケル−カドミウム蓄電池においては、集電体２０の凹部２３の一方の天面２４に形成された突起部２４ａと封口体３０のガス抜き孔３１ａの周囲との接触部および凹部２３の底面（Ｖ字の頂部）２６と集電部２１との接触部はそれぞれ完全に溶接されたことにより、溶接箇所が増加してその集電経路も底面（Ｖ字の頂部）２６から天面２４、底面（Ｖ字の頂部）２６から天面２５および集電部２１と屈曲部２２の界面から天面２４の３経路となるとともに、それぞれの集電距離も短くなったため、電池の内部抵抗が低下して作動電圧が向上したためと考えられる。
【００２５】
変形例
上述の実施形態においては、ガス抜き孔３１ａの下方に空間部を確保するために、正極集電体２０の凹部２３をＶ字状に形成する例について説明したが、凹部２３は種々の形状を採用することができる。図３は本実施形態の変形例の密閉型アルカリ蓄電池の要部断面を示す図である。なお、上述の実施形態の密閉型アルカリ蓄電池と本変形例の密閉型アルカリ蓄電池が相違する点は、正極集電体の凹部の形状が相違するだけであるので、図１と符号が相違する正極集電体についてのみ説明し、図１と同一符号は同一名称を表すので、他の説明は省略する。
【００２６】
本変形例の正極集電体５０は、図３に示すように、発電要素１０の上面に露出する正極芯体に溶接された円板状の集電部５１と、この円板状の集電部５１より長方形状に延出して電池の中心部に向けて屈曲する屈曲部５２と、この屈曲部５２より延出して封口体のガス抜き孔より下方にＵ字状に屈曲する凹部５３とから構成されている。
【００２７】
そして、屈曲部５２と凹部５３との付け根部、即ち、Ｕ字状に屈曲する凹部５３の一方の天面５４には、封口体３０を外装缶４０の開口部に装着して電池を封口した際に、封口体３０に設けられたガス抜き孔３１ａの周囲に接触する突起部５４ａが形成されいる。また、Ｕ字状に屈曲する凹部５３の他方の天面５５は封口体３０のガス抜き孔３１ａの周囲に予め溶接されている。さらに、Ｕ字状に屈曲する凹部５３の底面５６には突起部５６ａが形成されており、電池を封口した際に集電部５１に接触するようになされている。
【００２８】
このように、正極集電体５０の凹部５３をＵ字状に屈曲させ、Ｕ字状に屈曲する凹部５３の一方の天面５４に突起部５４ａを設けるとともに、凹部５３の底面５６に突起部５６ａを設け、上述した実施形態と同様にして通電処理を施すと、突起部５４ａと封口体３０のガス抜き孔３１ａの周囲との接触部および突起部５６ａと集電部２１との接触部は、それぞれ接触面積が小さく、かつ接触圧力が強くなるため、これらの接触部での電流密度が大きくなるとともに発熱量も大きいため、溶接部が形成されることとなる。
【００２９】
なお、上記実施形態および変形例において、正極集電体２０を用いる場合には天面２４に突起部２４ａを設け、正極集電体５０を用いる場合には天面５４および底面５６にそれぞれ突起部５４ａおよび５６ａを設ける例について説明したが、これらの天面２４あるいは５４に対向する封口体３０の封口蓋３１の下面および集電部３１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】本発明の密閉型アルカリ蓄電池の要部断面を示す図である。
【図２】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（放電時間に対する作動電圧の変化）を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】変形例の密閉型アルカリ蓄電池の要部断面を示す図である。
【図４】従来例の密閉型アルカリ蓄電池を示す図である。
【図５】従来例の密閉型アルカリ蓄電池を示す図である。
【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…正極集電体、２１…集電部、２２…屈曲部、２３…Ｖ字状凹部、２４…Ｖ字状凹部の一方の天面、２４ａ…突起部、２５…Ｖ字状凹部の他方の天面、３０…封口体、３１…蓋体、３１ａ…ガス抜き孔、３２…正極キャップ（正極外部端子）、４０…外装缶、４１…開口端縁、４２…絶縁ガスケット、５０…正極集電体、５１…集電部、５２…屈曲部、５３…Ｕ字状凹部、５４…Ｕ字状凹部の一方の天面、５４ａ…突起部、５５…Ｕ字状凹部の他方の天面、５６…Ｕ字状凹部の底部、５６…突起部

Claims

一方極の端子を兼ねる開口部を備えた外装缶と、電池内部に連通するガス抜き孔を備えるとともに前記開口部を密封する他方極の端子を兼ねる封口体と、これら外装缶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は前記発電要素の正・負極の端部の一方に接続される集電部と同集電部より延出して電池の中心部に向けて屈曲する屈曲部と同屈曲部より延出して前記封口体の前記ガス抜き孔より下方に凹む凹部とを備えるともに、
前記屈曲部と前記凹部との付け根部の天面は前記封口体の下面の前記ガス抜き孔の周囲に接触する接触部を備え、
前記凹部の底部は前記集電部に接触する接触部を備えるようにしたことを特徴とする密閉型アルカリ蓄電池。
前記接触部を溶接により固着したことを特徴とする請求項１に記載の密閉型アルカリ蓄電池。
前記接触部に突起部を備えるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の密閉型アルカリ蓄電池。
前記凹部の断面形状をＶ字状あるいはＵ字状に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密閉型アルカリ蓄電池。
少なくとも正・負極からなる発電要素の同正・負極の端部にそれぞれ正・負極集電体を溶接した後、一方極の端子を兼ねる開口部を備えた外装缶内に前記発電要素を収容し、その後電池内部に連通するガス抜き孔を備えるとともに他方極の端子を兼ねる封口体を前記開口部に密封して製造する密閉型アルカリ蓄電池の製造方法であって、
前記正・負極集電体の少なくともいずれか一方に前記発電要素の正・負極の端部の一方に接続される集電部と同集電部より延出して電池の中心部に向けて屈曲する屈曲部と同屈曲部より延出して前記封口体の前記ガス抜き孔より下方に凹む凹部を形成し、
前記発電要素を前記外装缶に収納し、前記正・負極集電体の他方を前記外装缶に溶接した後、前記外装缶の開口部を前記封口体で密閉する際に前記屈曲部と前記凹部との付け根部の天面を前記封口体の下面の前記ガス抜き孔の周囲に接触させて接触部を形成するとともに、前記凹部の底部を前記集電部に接触させて接触部を形成するようにしたことを特徴とする密閉型アルカリ蓄電池の製造方法。
前記外装缶の開口部を前記封口体で密閉した後、前記外装缶と前記封口体との間に電流を流すことにより、前記各接触部を溶接するようにしたことを特徴とする請求項５に記載の密閉型アルカリ蓄電池の製造方法。
前記各接触部に突起部を形成し、前記外装缶と前記封口体との間に電流を流した際の同突起部の発熱量を大きくしたことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の密閉型アルカリ蓄電池の製造方法。