JP3588249B2 - アルカリ蓄電池およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、一方極の端子を兼ねる開口部を備えた金属製外装缶と、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・負極からなる電極体とを備え、この電極体の両端部に集電体が配設され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、集電体から延出する集電リード部を封口体の下面に溶接する集電構造およびその製造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渦巻状電極体を形成し、この渦巻状電極体の上下端部の少なくとも一方に集電体の本体部を接続する。ついで、この渦巻状電極体を金属製外装缶に収納して、一方の集電体の本体部から延出する集電リード部を封口体の下面に溶接した後、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するようにしている。
【０００３】
この種のアルカリ蓄電池が電動工具、電動自転車などの大負荷用の電源として使用される場合、大電流での充・放電特性が良好であることが要求されるが、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生じるため、極力内部抵抗を低減する必要がある。そのため、集電体を幅広に形成するとともに板厚を厚く形成して、この集電体に大電流が流れても電圧降下をほとんど生じさせないようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、板厚を厚く形成した集電体を用いてアルカリ蓄電池を構成する場合、図５（ａ）に示すように、円板状の集電体の本体部１から延出して形成された集電リード部２の先端部３を封口体４を構成する蓋体４ａの下面に溶接し、集電リード部２の先端部３が溶接された封口体４を金属製外装缶５の開口部に形成された環状の内方突出部６にガスケット７を介して載置し、外装缶５の開口先端部８を封口体４側にかしめ付けて密封するようにしている。
【０００５】
しかしながら、板厚が厚い集電リード部２の先端部３を封口体４を構成する蓋体４ａの下面に溶接する場合、集電リード部２の先端部３を蓋体４ａの下面に押し当てて溶接電極を押圧した後に溶接電極に電圧を印加すると、板厚が厚いために溶接電極の押圧力が分散し、集電リード部２の先端部３と蓋体４ａの下面とが十分に密着せず、これらの間に空間部が形成される。このため、先端部３の溶接部において溶融した金属の爆飛が発生するおそれがある。そして、この爆飛により金属粉末が飛散すると、飛散した金属粉末が電池内に分散し、これが内部ショートの発生の原因となる可能性がある。
【０００６】
また、集電リード部２の先端部３を蓋体４ａの下面に接触させて溶接する場合、集電リード部２の所定の溶接位置よりも先端で蓋体４ａと溶接すると、所定の位置に溶接された場合に比較して屈曲部２ａの長さが長くなる。このため、この封口体４を外装缶５の開口部に形成された内方突出部６にガスケット７を介して載置し、外装缶５の開口先端部８を封口体４側にかしめ付けると、屈曲部２ａが変形しがたいために、図５（ｂ）に示すように、屈曲部２ａが長くなった分だけ封口体４の中心軸が電池の中心軸から集電リード部２の先端が存在する側にずれ、開口先端部８と蓋体４ａとが接触して密閉され、符号Ａの箇所でショートが形成されて封口不良が生じるという不具合があった。
【０００７】
一方、集電リード部２の所定の溶接位置よりも屈曲部２ａ寄りの位置で蓋体４ａと溶接すると、所定の位置に溶接された場合に比較して屈曲部２ａの長さが短くなる。このため、この封口体４を外装缶５の開口部に形成された環状の内方突出部６にガスケット７を介して載置し、外装缶５の開口先端部８を封口体４側にかしめ付けると、屈曲部２ａが変形しがたいために、図５（ｃ）に示すように、屈曲部２ａが短くなった分だけ封口体４の中心軸が電池の中心軸から屈曲部２ａが存在する側にずれ、開口先端部８と蓋体４ａとが接触して密閉され、符号Ｂの箇所でショートが形成されて封口不良が生じるという不具合もあった。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、溶接時に爆飛が生じることなく、かつ集電リード部と封口体下面との溶接位置がずれても、封口不良が生じないアルカリ蓄電池を得られるようにすることをその目的とするものである。
【０００９】
このため、本発明のアルカリ蓄電池は、電極体の少なくとも一方の端部に接続された集電体の本体部から延出して封口体の下面に溶接される集電リード部を備え、集電リード部の封口体の下面に溶接される溶接部およびその近傍の板厚を他部分の板厚よりも薄くした薄板部を備えるようにしている。このように、封口体の下面に溶接される溶接部およびその近傍の板厚を他部分の板厚よりも薄くした薄板部を備えるようにすると、この薄くなった部分の柔軟性が向上するため、封口体の下面との密着性が向上して封口体の下面との間に隙間が生じることがなくなる。
【００１０】
このため、溶接部に溶接電極を押し当てて溶接を行っても、爆飛が発生することもないため、金属粉末が電池内に飛散することもなくなり、電池内でのショートの発生を未然に防止できるようになる。また、薄板部の柔軟性は良好であるため、溶接位置にずれが生じても、この薄板部でそのずれを吸収できるようになるため、封口不良も生じることがなくなる。
【００１１】
また、本発明のアルカリ蓄電池の製造方法は、電極体の少なくとも一方の端部に接続される集電体の本体部から延出して封口体の下面に溶接される集電リード部を形成するとともに、この集電リード部の封口体の下面に溶接される溶接部およびその近傍の板厚を他部分の板厚よりも薄くして薄板部を形成する集電リード部形成工程と、電極体の一方の端部に集電体の本体部を溶接した後、集電体の本体部から延出する集電リード部の溶接部を封口体の下面に溶接する溶接工程とを備えるようにしている。
【００１２】
このように、集電リード部の溶接部およびその近傍の板厚を他部分の板厚よりも薄くなるようにした薄板部を形成した後、この溶接部を封口体の下面に溶接するようにすると、板厚が薄い部分は柔軟性があるために封口体の下面との間に隙間が生じることなく溶接できるようになる。このため、溶接時に爆飛が生じることがなくなるので、金属粉末が電池内に飛散することもなくなり、電池内でショートが発生することが未然に防止できるようになる。また、集電リード部の溶接部と封口体の下面との溶接時に、溶接位置にずれを生じることがあっても、この薄板部の柔軟性により、封口体が正常位置に装着できるようになるため、封口不良も生じることがなくなる。
【００１３】
そして、集電リード部の板厚が厚い方が大電流充放電時の集電効率が向上するため、薄板部以外の集電リード部の板厚は厚い方が良い。また、薄板部の板厚は薄い方が柔軟性が増すため、薄板部の板厚は薄い方が良い。このため、薄板部の板厚は０．３ｍｍ以下とし、薄板部以外の集電リード部の板厚は０．４ｍｍ以上にすることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明をニッケル−カドミウム蓄電池に適用した場合の一実施形態を図を参照して説明する。なお、図１は本発明の正極集電体を示す図であり、図１（ａ）は上面図であり、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ断面を示す断面図であり、図１（ｃ）は下面図である。図２は比較例１，２の正極集電体を示す図であり、図２（ａ）は比較例１，２の正極集電体を示す上面図であり、図２（ｂ）は比較例１の正極集電体のＢ−Ｂ断面を示す断面図であり、図２（ｃ）は比較例２の正極集電体のＢ−Ｂ断面を示す断面図であり、図２（ｄ）は比較例１，２の正極集電体の下面図である。
【００１５】
図３は図１の正極集電体を用いて構成したニッケル−カドミウム蓄電池の要部断面を示す図である。図４は実施例の正極集電体と封口体下面との接続状態を示す図であり、図４（ａ）は集電リード部の所定位置で封口体下面と溶接した状態を示す図であり、図４（ｂ）は集電リード部の所定の位置より先端で封口体下面と溶接した状態を示す図であり、図４（ｃ）は集電リード部の位置より折曲部よりの位置で封口体下面と溶接した状態を示す図である。
【００１６】
１．正極集電体の作製
正極集電体１０は、図１に示すように、略円形の本体部１１と、本体部１１より長方形状に延出する集電リード部１２とから構成される。本体部１１にはその中心部に注液用の開口１３と、この注液用の開口１３の両側に溶接時における一対の溶接電極を区画して配置するための一対のスリット１４，１４と、これらの周囲に多数の開口１５，１５・・・が形成されており、集電リード部１２にはその先端部に薄肉部１６と、折曲部１２ａで折曲された際（なお、折曲部１２ａで折曲されると上述した従来例の屈曲部５ａ（図５参照）と同様に、屈曲部１２ｂが形成される）に注液用の開口１３に一致する透孔１７が形成されている。なお、多数の開口１５，１５・・・の縁から下方に突出するバリあるいは加工により形成した突起のような突縁１５ａが形成されている。
【００１７】
この正極集電体は次のようにして形成される。
（１）実施例
ニッケルメッキを施した厚み０．６ｍｍの鋼鈑を打ち抜き型の送りに併せて、集電リード部１２の先端から５ｍｍまでの厚みを０．３ｍｍになるように加圧して薄肉部１６を形成する。この後、図１に示すような外形形状になるように、即ち、略円形の本体部１１とこの本体部１１より延出する略長方形状の集電リード部１２とを形成するように打抜型で打ち抜くとともに、注液用の開口１３、スリット１４，１４、多数の開口１５，１５・・・および透孔１７を形成するように打ち抜く。このようにして作製した集電体を実施例の正極集電体１０とする。
【００１８】
（２）比較例１
ニッケルメッキを施した厚み０．３ｍｍの鋼鈑を、図２（なお、図２（ａ）は上面図であり、図２（ｂ）は断面図であり、図２（ｄ）は下面図である）に示すような外形形状になるように、即ち、略円形の本体部２１とこの本体部２１より延出する略長方形状の集電リード部２２とを形成するように打抜型で打ち抜くとともに、注液用の開口２３、スリット２４，２４、多数の開口２５，２５・・・および透孔２７を形成するように打ち抜く。透孔２７は上述した実施例と同様に、折曲部２２ａで折曲された際に注液用の開口２３に一致するように形成されている。このようにして作製した集電体を比較例１の正極集電体２０とする。なお、多数の開口２５，２５・・・の縁から下方に突出するバリあるいは加工により形成した突起のような突縁２５ａが形成されている。
【００１９】
（２）比較例２
ニッケルメッキを施した厚み０．６ｍｍの鋼鈑を、図２（なお、図２（ａ）は上面図であり、図２（ｃ）は断面図であり、図２（ｄ）は下面図である）に示すような外形形状になるように、即ち、略円形の本体部３１とこの本体部３１より延出する略長方形状の集電リード部３２とを形成するように打抜型で打ち抜くとともに、注液用の開口３３、スリット３４，３４、多数の開口３５，３５・・・および透孔３７を形成するように打ち抜く。透孔３７は上述した実施例と同様に、折曲部３２ａで折曲された際に注液用の開口３３に一致するように形成されている。このようにして作製した集電体を比較例２の正極集電体３０とする。なお、多数の開口３５，３５・・・の縁から下方に突出するバリあるいは加工により形成した突起のような突縁３５ａが形成されている。
【００２０】
２．ニッケル−カドミウム蓄電池の作製
パンチングメタル４１ａ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焼結式ニッケル正極４１を作製する。また、酸化カドミウム粉末を主体とするペースト状の負極活物質を芯体にコーティングして非焼結式カドミウム負極４２を作製する。ついで、図３に示すように、これらのニッケル正極４１とカドミウム負極４２とを、これらの間にセパレータ４３を介在させて渦巻状に巻回して渦巻状電極体４０を形成する。
【００２１】
この渦巻状電極体４０の上端はニッケル正極４１の極板芯体であるパンチングメタル４１ａの端部が露出し、また、渦巻状電極体４０の下端はカドミウム負極４２の極板芯体の端部（図示せず）が露出している。そして、上述のようにして作成した渦巻状電極体のカドミウム負極４２の端部と鋼鈑を円板状に形成して構成される負極集電体（図示せず）とを抵抗溶接するとともに、ニッケル正極４１の端部４１ａと正極集電体１０の本体部１１とを抵抗溶接する。この抵抗溶接に際しては、まず、本体部１１に設けられたスリット１４，１４を介して相対向させて一対の溶接電極（図示せず）を配置し、これらの一対の溶接電極間に溶接電流を流して抵抗溶接を行う。
【００２２】
ついで、Ｍサイズの鉄にニッケルメッキを施した有底円筒形の金属外装缶６０を用意し、この渦巻状電極体４０を金属外装缶６０内に挿入し、正極集電体１０の注液用開口１３より一方の溶接電極を挿入して負極集電体に当接させるとともに金属外装缶６０の底部に他方の溶接電極を当接して、負極集電体と金属外装缶６０の底部をスポット溶接する。
【００２３】
一方、正極キャップ５２と蓋体５１とからなる封口体５０を用意し、正極集電体１０の集電リード部１２の薄肉部１６を蓋体５１の底部に接触させて、蓋体５１の底部と薄肉部１６とを溶接して接続する。この後、金属外装缶６０内に電解液（水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）と水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を含有した８Ｎの水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液）を５０ｇ注入する。ついで、外装缶６０の上部に環状の内方突出部６１を形成し、この内方突出部６１上に集電リード部１２の先端部の薄肉部１６をその底面にスポット溶接した封口体５０を絶縁ガスケット６５を介して載置する。
【００２４】
ついで、金属外装缶６０の開口端縁６２を内方にカシメつけることによって金属外装缶６０の開口部を封口して、公称容量１０ＡｈのＭサイズの実施例のニッケル−カドミウム蓄電池を組み立てる。なお、比較例１の正極集電体２０を用いて上述と同様に電池を作製して比較例１のニッケル−カドミウム蓄電池とし、比較例２の正極集電体３０を用いて上述と同様に電池を作製して比較例２のニッケル−カドミウム蓄電池とする。
【００２５】
ここにおいて、前記封口体５０は、底面に円形の下方突出部を形成してなる蓋体５１と、正極キャップ５２とこれら蓋体５１および正極キャップ５２間に介在されるスプリング５３と弁板５４からなる弁体５５とから構成されており、蓋体５１の中央にはガス抜き孔５１ａが形成されている。また、正極集電リード部１２は、封口体５０のガス抜き孔５１ａと対向する部分に透孔１７が形成されており、この透孔１７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、集電リード部１２がガス抜き孔５１ａを塞ぐことではなく、電池内部のガスを集電リード部１２の透孔１７を通して封口体４０のガス抜き孔５１ａからスムーズに電池外部に放出することができる。
【００２６】
３．試験結果
（１）溶接時の爆飛の発生数
上述のように実施例、比較例１および比較例２の各ニッケル−カドミウム蓄電池を５００個ずつ作製する際、正極集電体１０（２０，３０）の集電リード部１２（２２，２３）と封口体５０の蓋体５１底面との溶接時に発生した爆飛により金属粉末（直径１ｍｍ以上の金属粉末）の飛散が発生した電池の個数を測定すると、下記の表１に示すような結果となった。
【００２７】
（２）封口不良の発生数
上述のように実施例、比較例１および比較例２の各ニッケル−カドミウム蓄電池を５００個ずつ作製する際、集電リード部１２（２２，３２）を封口体５０の底面にスポット溶接した後、絶縁ガスケット６５を介して金属外装缶６０の開口端縁６２を内方にカシメつけたときに金属外装缶６０の開口端縁６２と封口体５０の蓋体５１との間にショートが発生した電池の個数を測定すると、下記の表１に示すような結果となった。
【００２８】
（３）放電特性
上述のように作製した実施例、比較例１および比較例２の各ニッケル−カドミウム蓄電池を、周囲温度２５℃において１Ａ（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、２００Ａ（２０Ｃ）の放電電流で放電して電池電圧が０．６Ｖに達した時点で放電を停止させて、放電時間から放電容量を求めると、下記の表１に示すような結果となった。
【００２９】
【表１】

【００３０】
上記表１から明らかなように、比較例１の電池は爆飛や封口不良を発生しないが、放電容量は実施例および比較例２の電池の１／１５程度という低い値となった。これは、正極集電体２０の厚みが０．３ｍｍであるため、爆飛や封口不良を発生しない反面、正極集電体２０での大きな抵抗電圧降下に起因して、高率放電特性が極端に低下したためと考えられる。
【００３１】
また、比較例２の電池は放電容量は実施例の電池ほぼ同様な高い値となったが、爆飛や封口不良を発生している。これは、正極集電体３０の厚みが０．６ｍｍであるため、正極集電体３０での抵抗電圧降下が小さくて高率放電特性が向上する反面、正極集電体３０の厚みが厚いために、封口体５０の蓋体５１底面との接触面に空間が形成されて爆飛を生じ、また、正極集電体３０と封口体５０の蓋体５１底面との溶接位置がずれて封口不良が発生したものと考えられる。
【００３２】
一方、本発明の実施例の電池は爆飛や封口不良を発生しないとともに、放電容量も比較例２の電池とほぼ同様に高容量となり、高率放電特性が向上している。これは、正極集電体１０の厚みを０．６ｍｍと厚く形成しても、封口体５０の蓋体５１底面に溶接される薄肉部１６の厚みが０．３ｍｍと薄いために爆飛が発生しないものと考えられる。また、正極集電体１０と封口体５０の蓋体底面との溶接位置にずれが生じても、このずれは薄肉部１６で吸収されるようになるために封口不良を発生しないものと考えられる。さらに、封口体５０の蓋体５１底面に溶接される薄肉部１６の厚みが０．３ｍｍと薄くてもこの部分の長さは短いため、正極集電体１０での抵抗電圧降下が小さくて高率放電特性が向上するためと考えられる。
【００３３】
ここで、実施例の正極集電体１０を用いてニッケル−カドミウム蓄電池を作製する場合において、封口体５０の蓋体５１下面と集電リード部１２の薄肉部１６とを所定の位置で溶接して封口した場合は図４（ａ）に示すように、薄肉部１６はＸの位置で屈曲する。
【００３４】
しかしながら、集電リード部１２の薄肉部１６が封口体５０の蓋体５１下面に溶接される個所が、実施例に比較して集電リード部１２の先端側にずれると、図４（ｂ）に示すように、薄肉部１６は充分に柔軟性を有するためにＹの位置で充分に折り曲がることができるので、封口不良は生じることはない。また、集電リード部１２の薄肉部１６が封口体５０の蓋体５１下面に溶接される個所が、前記所定の位置に比較して集電リード部１２の折曲部１２ａ側（屈曲部１２ｂ側）にずれると、図４（ｃ）に示すように、薄肉部１６は充分に柔軟性を有するためにＺの位置で伸びることができるので、封口不良が生じることはない。
【００３５】
なお、上述した実施形態においては、集電リード部１２に薄肉部１６を備えた正極集電体１０を形成する際に、鋼鈑を打ち抜き型の送りに併せて、集電リード部１２の先端から所定の長さの厚みを０．３ｍｍになるように加圧して薄肉部１６を形成した後、所定の外形形状になるよう打抜型で打ち抜くようにした例について説明したが、所定の外形形状になるよう打抜型で打ち抜く際に薄肉部となる部分を加圧するようにしてもよい。
【００３６】
また、上述した実施形態においては、正極に焼結式電極を用いた例について説明したが、正極にペースト式などの非焼結式電極を用いてもほぼ同様の結果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の正極集電体を示す図であり、図１（ａ）は上面図であり、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ断面を示す断面図であり、図１（ｃ）は下面図である。
【図２】従来例（比較例１，２）の正極集電体を示す図であり、図２（ａ）は比較例１，２の正極集電体を示す上面図であり、図２（ｂ）は比較例１の正極集電体のＢ−Ｂ断面を示す断面図であり、図２（ｃ）は比較例２の正極集電体のＢ−Ｂ断面を示す断面図であり、図２（ｄ）は下面図である。
【図３】図１の正極集電体を用いて構成したニッケル−カドミウム蓄電池の要部断面を示す図である
【図４】図１の正極集電体を用いて構成したニッケル−カドミウム蓄電池の正極集電体と封口体下面との接続状態を示す図であり、図４（ａ）は集電リード部の所定の位置で封口体下面と溶接した状態を示す図であり、図４（ｂ）は集電リード部の所定の位置よりも先端で封口体下面と溶接した状態を示す図であり、図４（ｃ）は集電リード部の所定の位置よりも折曲部（屈曲部）よりの位置で溶接した状態を示す図である。
【図５】従来例の正極集電体を用いて構成したニッケル−カドミウム蓄電池の正極集電体と封口体下面との接続状態を示す図であり、図５（ａ）は集電リード部の所定の位置で封口体下面と溶接した状態を示す図であり、図５（ｂ）は集電リード部の所定の位置よりも先端で封口体下面と溶接した状態を示す図であり、図５（ｃ）は集電リード部の所定の位置よりも屈曲部よりの位置で溶接した状態を示す図である。
【符号の説明】
１０…正極集電体、１１…本体部、１２…集電リード部、１２ａ…折曲部、１３…注液用の開口、１４…スリット、１５…開口、１６…薄肉部、１７…透孔、４０…渦巻状電極体、４１…ニッケル正極、４２…カドミウム負極、５０…封口体、５１…蓋体、５１ａ…ガス抜き孔、５２…正極キャップ、６０…金属外装缶、６１…内方突出部、６２…開口端縁、６５…絶縁ガスケット

Claims (4)

1. 一方極の端子を兼ねる開口部を備えた金属製外装缶と、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・負極からなる電極体とを備え、この電極体の少なくとも一方の端部に集電体の本体部が接続されたアルカリ蓄電池であって、
   前記電極体の一方の端部に接続された集電体の本体部から延出して前記封口体の下面に溶接される集電リード部を備え、
   前記集電リード部の前記封口体の下面に溶接される溶接部およびその近傍の板厚を他部分の板厚よりも薄くした薄肉部を備えるようにしたことを特徴とするアルカリ蓄電池。
2. 前記集電リード部の前記薄肉部の板厚を０．３ｍｍ以下として、前記薄肉部以外の前記集電リード部の板厚を０．４ｍｍ以上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。
3. 少なくとも正・負極からなる電極体の少なくとも一方の端部に集電体の本体部を接続した後、一方極の端子を兼ねる開口部を備えた金属製外装缶内に収納し、前記開口部を密封する他方極の端子を兼ねる封口体を装着して形成するアルカリ蓄電池の製造方法であって、
   前記電極体の一方の端部に接続される前記集電体の前記本体部から延出して前記封口体の下面に溶接される集電リード部を形成するとともに、同集電リード部の前記封口体の下面に溶接される溶接部およびその近傍の板厚を他部分の板厚よりも薄くして薄肉部を形成する集電リード部形成工程と、
   前記電極体の一方の端部に前記集電体の本体部を溶接した後、記本体部から延出する前記集電リード部の前記溶接部を前記封口体の下面に溶接する溶接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。
4. 前記集電リード部の前記薄肉部の板厚を０．３ｍｍ以下として、前記薄肉部以外の前記集電リード部の板厚を０．４ｍｍ以上としたことを特徴とする請求項３に記載のアルカリ蓄電池の製造方法。

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