JP3902330B2

JP3902330B2 - 円筒形電池

Info

Publication number: JP3902330B2
Application number: JP15739798A
Authority: JP
Inventors: 和洋北岡
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1998-06-05
Filing date: 1998-06-05
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2018-06-05
Also published as: JPH11354150A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動工具や電気自動車等の大電流放電を必要とする用途に適した電池の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来までの円筒形と呼ばれる二次電池は、例えばＡサイズやＣサイズ等の規格があり、これらは電池の上面または底面の直径よりも電池の高さ方向が大きいものであった。
【０００３】
電池が大型化し電流値が大きくなると電池の内部抵抗による電圧降下の影響が大きく、大きな出力をなかなか得ることができなかった。また、電池の大型化に伴って電池内部に熱がこもりやすく、高温による電池特性の劣化が著しいという問題があった。特に、電気自動車や電動工具等の大電流を要する用途、いわゆる動力用用途に適用した場合に上記問題が顕著に表れた。これは、これらの用途の電源として二次電池を使用する場合、電池には数十アンペアから数百アンペアの充放電電流が必要とされる。このような場合では、Ｅ＝ＩＲからもわかるとおり、電池の放電時の作動電圧は流す電流の絶対値が大きくなるほど、抵抗値の大きさに比例して極端に低下する。例えば、電圧が１．２Ｖのニッケルカドミウム蓄電池やニッケル水素蓄電池の場合、１００Ａの電流で放電すると内部抵抗が１ｍΩ大きくなるだけで電池の電圧が０．１Ｖ低下する。このような場合、電池は充分にその容量を放電することなしに放電終止電圧を迎えてしまうことになる。そこで大電流を取り出す場合には電池の内部抵抗を低減することが必須である。
【０００４】
また、円筒形電池を大型化していく手段として円筒の高さを長くしていく方向と巻き数を多くする方向の２つが考えられる。前者の場合、正極、負極それぞれの集電部間の距離が大きくなり、大電流を取り出したときに電池内での分極が大きくなる。その結果、電圧降下が起き、電池の作動電圧が低下する。後者の場合、巻き数が多くなってくると電池中心部の熱の放熱がしにくくなる。例え空冷などの冷却を行っても充放電時の発熱により、電池中心部の温度上昇を抑制できず、電池の劣化や充電効率の低下が著しくなる。特に、負極に水素吸蔵合金を備えた電池では、水素の吸蔵反応、即ち、電池の充電時が発熱反応であるため、充電効率の低下が著しく、また、電池内部の温度上昇が著しいと水素吸蔵合金が酸化されやすく、不活性なものとなり、電池容量の減少が著しいという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、大電流で放電した時であっても、放電容量及び作動電圧が高く、また、電池内部温度の上昇を抑制した電気自動車及び電動工具の用途に適した電池を提供しようとすることを本発明の課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の円筒形電池は、正極と負極とをセパレータを介して渦巻き状に巻き取った電極体を円筒形外装缶に挿入したものであって、前記円筒形電池の上面または底面の直径に対する円筒の高さの比が０．５以下であることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
[実施例１]
以下、本発明の実施例について説明する。
【０００８】
本発明の構造を持つニッケル−水素電池を以下のように作製した。
【０００９】
まず、正極板は発泡体ニッケルからなる活物質支持体に水酸化ニッケルを主成分とするスラリーを充填した非焼結式ニッケル正極を使用した。この正極板を幅３０ｍｍ、長さ３０００ｍｍになるよう切断し、この極板の長辺方向の一辺の端部３ｍｍ幅で超音波振動による活物質の剥離を行った。この活物質の剥離部分、即ち、発泡体ニッケルが露出した部分に幅３ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのニッケルリボンを抵抗溶接にて溶接した。
【００１０】
負極板は、一般式MmNi_3.4Co_0.8Al_0.2Mn_0.6で表される水素吸蔵合金を主成分とするスラリーをパンチングメタルの両面に、幅２ｍｍの合金未塗布部分が形成されるように塗布した水素吸蔵合金電極を使用した。
【００１１】
この負極板を幅３０ｍｍ、長さ３０００ｍｍになるよう切断した。
【００１２】
以上のように作製した正極板と負極板を幅３１ｍｍのポリプロピレン製不織布を介して、それぞれの芯体露出部分、即ち、正極のニッケルリボンと負極のパンチングメタルの合金未塗布部分が上下に突出するようにずらして巻き取り、直径８０．０ｍｍ、高さ３２ｍｍの円盤形極板群を作製した。この円盤形極板群の上面に正極用の複数の開口を有する円板状集電体を抵抗溶接にて溶接した後、極板群の底面にも負極用の複数の開口を有する円板状集電体を抵抗溶接にて溶接した。この極板群を内径８０．５ｍｍ、高さ３６ｍｍの円筒形外装缶に挿入し、封口体を溶接した後、３１重量％のＫＯＨ電解液を注液し、封口体をかしめて公称容量２５Ａｈの本発明電池Ａを作製した。
【００１３】
図１は前記の様に作製した本発明のニッケル水素電池Ａを示す断面図であり、水酸化ニッケル活物質を有する正極４と、水素吸蔵合金粉末を有する負極５と、これら正負両極板４、５間に介装されたセパレータ６とからなる電極群７は渦巻状に巻回されており、電池外装缶１内に配置した後、３１重量％のＫＯＨ水溶液からなる電解液を注入している。そして、上記負極５は負極集電体（図示せず）により電池外装缶１の底面部に接続されている。
【００１４】
他方、電池外装缶１の上部には、ガスケット８を介在させて、中央部が開口された封口板２が配設され、この封口板２に正極端子９が装着されている。また、正極端子９と正極板４は正極集電体３及び前記封口板２を介して接続されている。
【００１５】
[比較例１]
比較として１２０ｍｍ幅、長さ７５０ｍｍに切断した正極板と、１２０ｍｍ幅、長さ７５０ｍｍに切断した負極板とを、前記実施例１と同様にセパレータを介して巻き取り、直径３５．０ｍｍ、高さ１２２．０ｍｍの電極群を作製し、内径３５．５ｍｍ、高さ１２６．０ｍｍの円筒形外装缶に挿入し、封口体を溶接した後、３１重量％のＫＯＨ電解液を注液し、封口体をかしめて公称容量２５Ａｈの比較電池Ｂを作製した。
【００１６】
図２は前記比較例１の様に作製したニッケル水素電池Ｂを示す断面図であり、水酸化ニッケル活物質を有する正極４と、水素吸蔵合金粉末を有する負極５と、これら正負両極板４、５間に介装されたセパレータ６とからなる電極群７は渦巻状に巻回されており、電池外装缶１内に配置した後、３１重量％のＫＯＨ水溶液からなる電解液を注入している。そして、上記負極５は負極集電体（図示せず）により電池外装缶１の底面部に接続されている。
【００１７】
他方、電池外装缶１の上部には、ガスケット８を介在させて、中央部が開口された封口板２が配設され、この封口板２に正極端子９が装着されている。また、正極端子９と正極板４は正極集電体３及び前記封口板２を介して接続されている。
【００１８】
<実験１>
前記のように作製した本発明電池Ａ及び比較電池Ｂを、０．１Ｃで１６時間充電した後、１時間休止後、１／３Ｃ、１Ｃまたは３Ｃで放電した時の放電容量と作動電圧をそれぞれ測定した。その結果を図３に示す。
図３から明らかなように、本発明電池Ａは、比較電池Ｂよりも、すべての放電条件において、作動電圧及び放電容量が共に優れていることがわかる。
【００１９】
これは、電池の高さを小さくすることによって、正負極それぞれの集電体までの距離を従来の電池よりも短くすることができたため極板内部での分極の発生を抑制できたためであると考えられる。また、電池の上面または底面の円の部分の面積が大きいために、集電部分の面積が大きくなり、集電部分での電流密度が小さくなって、この部分での発熱及びＩＲ損も軽減でき、電池の作動電圧の降下を抑制できたためであると考えられる。
【００２０】
<実験２>
電池径を８０．０ｍｍとし、電池高さを高くしていった時の１Ｃ放電時の電池中心部と電池側面との温度上昇差の関係を図４に示す。
【００２１】
図４より、電池高さを高くしていくと、電池内部との温度差は著しくなることがわかる。電池の使用環境は−２０℃〜６０℃の範囲であり、６０℃で使用した場合に電池内部との温度差が１０℃以上であると電池内温度は約７０℃を越え、電池の劣化が著しくなる。そのため、電池内外の温度上昇差が１０℃以下になる４０ｍｍ以下、特に３０ｍｍ以下の電池高さであることが望ましい。
【００２２】
即ち、電池径に対する電池高さの比が０．５以下、特に０．３７５以下に設定することが、電池の温度上昇を抑制する点で望ましいことがわかる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明は以上のような円筒形電池の高さが、前記円筒形電池の上面または底面の直径に対する円筒の高さの比が０．５以下である、即ち、円盤形の形状とし、その広い面積を持つ上面または底面の円面に集電体を取り付けて集電することにより、大電流放電時の作動電圧及び放電容量を向上することができる。
【００２４】
また、円筒形電池の上面または底面の直径に対する円筒の高さの比が０．５以下、特に好ましくは円筒形電池の上面または底面の直径に対する円筒の高さの比が０．３７５以下に抑制することにより、１０Ａｈ以上の大容量を持つ大型電池であっても電池内に熱がこもって電池内部温度が高くなることを抑制し、電池の劣化を抑制することができる。特に、水素吸蔵合金を含有した負極をそなえた電池の場合、極めて顕著な効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のニッケル水素電池の一例を示す断面図である。
【図２】比較例のニッケル水素電池の一例を示す断面図である。
【図３】本発明電池Ａと比較電池Ｂの各放電レートに対する放電容量及び作動電圧を示した図である。
【図４】本発明電池の高さと電池内部温度上昇との関係を示した図である。
【符号の説明】
１電池外装缶
７渦巻き電極体

Claims

正極と負極とをセパレータを介して渦巻き状に巻き取った電極体を円筒形外装缶に挿入した円筒形電池において、前記円筒形電池の上面または底面の直径に対する円筒の高さの比が０．５以下であることを特徴とする円筒形電池。
正極と負極とをセパレータを介して渦巻き状に巻き取った電極体を円筒形外装缶に挿入した円筒形電池において、前記円筒形電池の上面または底面の直径に対する円筒の高さの比が０．３７５以下であることを特徴とする円筒形電池。
前記電極体の上面または底面に集電体を取り付けて集電することを特徴とする請求項１または請求項２記載の円筒形電池。
前記負極は水素吸蔵合金を含有していることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の円筒形電池。