JP3952488B2 - アルカリ蓄電池 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円筒型アルカリ蓄電池に関し、電動工具や、ハイブリッド車用途の大電流での充放電を可能にするために、正負極集電体の形状を改良したものである。
【0002】
【従来の技術】
水素吸蔵合金を主材とした負極を用いた密閉形アルカリ蓄電池は、優れた充放電特性と、取り扱いの簡便さから最近用途が拡大しつつある。中でも、電動工具やハイブリッド電気自動車(HEV)用電池等の大電流充放電用電源としての需要が見込まれている。これらの電池は、芯体の一部がその上端部または下端部で露出した帯状の正極板と負極板を、一方の極板の長辺部の露出した部分が上方へ突出し、もう一方の極板の長辺部の露出した部分が下方へ突出するように、セパレータを介して渦巻き状に巻回された極板群を有し、この極板群の突出部に集電体を溶接する方式が種々用いられている。例えば図7に示す実公昭55−164762号公報に示すものが一般的に用いられている。これは、蓋との接続端子部を除いて、内周と外周の中間に放射状のスリットを入れた中央に開口部のある円形の金属平板であり、この集電体の極群への溶接は、スポット溶接端子を集電体のスリット部を跨ぐように配置して溶接するものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記の集電体を極板群に溶接する場合、スリット部を挟んで溶接しても通電距離が短く、溶接電極間の平板部分上を流れる電流(無効電流)は大きくなるが、極板群の露出した部分と、集電体との接触部分の電流は小さくなり、その結果、極板群と集電体の溶接が不充分となり、大電流での充放電時の抵抗が大きくなり、期待通りの電池特性が得られなかった。
【0004】
本発明はこのような課題を解決するために、集電体と極板群の溶接部に最適な電流が流れるように集電体の形状を改良し、大電流充放電を可能にしたものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明はこのような課題を解決するために、芯体の一分がその上端部または下端部で露出した帯状の正極板と負極板を、一方の極板の長辺部の露出した部分が上方へ突出し、もう一方の極板の長辺部の露出した部分が下方へ突出するように、セパレータを介して渦巻き状に捲回された極板群を有し、この極板群の突出部に集電体を溶接したアルカリ蓄電池であって、前記集電体は、平板の中央部の円形の開口から放射状に複数個の幅を持った外縁に達するスリットを有し、且つ、各スリットの両縁部が、極板群との溶接方向に折り曲げられており、その折り曲げられた縁部が極板群に溶接されており、その折り曲げ形状が溶接方向に向かって凸の逆三角形状であり、前記極板の芯体が穿孔鋼板であるアルカリ蓄電池あるいはその折り曲げ形状が溶接方向に向かって凸の半円形状であり、前記極板の芯体が発泡ニッケルマット製であるアルカリ蓄電池とするものである。
【0006】
抵抗溶接において、集電体の中央付近から外縁部に達するスリットが無いと、溶接電極間の平坦部を流れる電流(無効電流)が大きくなり、且つ、極板群の上下から突出した露出部分と接触する集電体に流れる電流が小さくなり、十分な溶接強度が得られない。また、上記スリットの両縁部に折り曲げ部が無いと、極板群の上下から突出した露出部分と接触する集電体が平面部であるため、その部分に流れる電流が小さくなり、十分な溶接強度が得られない。従って、前記集電体は、平板の中央部の円形の開口部から放射状に複数個の幅を持った外縁部に達するスリットを有し、且つ、各スリットの両縁部が、極板群溶接方向に折り曲げられていることにより、集電体と極板群が確実に溶接されるものである。
【0007】
また、露出した極板群の突出部と接触する集電体のスリット両縁部の折り曲げ形状は、極板群の正負極板の集電基材の違いに対応するものであり、例えば、一般に使用されている正負極板がシンター式の場合、集電基材は鉄にニッケルメッキを施した約0.1mmの穿孔鋼鈑のように厚い場合は溶接電流が集中して流れるように、集電体スリット両縁部の折り曲げ形状が下に凸の角度を有した逆三角形状のものが適している。
【0008】
また、正極板が3次元の網目構造を有する発泡ニッケルマットのみで構成されているような場合は、発泡ニッケルマットは開孔率が95%程度であるため、溶接電流が一点に集中すると発泡ニッケルマットが焼き切れてしまい、集電体との溶接が十分に出来ない。このような場合には溶接電流が発泡ニッケルマットに均等に流れるように、集電体スリット両縁部の折り曲げ形状が下に凸の半円状のものが適している。
【0009】
また、集電体厚さは、露出した極板群の突出部厚さが0.04mmから0.1mmであるため、溶接を確実に行うために0.1mmから0.5mmの厚さが適している。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明は、極板芯体の一部がその上端部または下端部で露出した帯状の正極板と負極板を、一方の極板の長辺部の露出した部分が上方へ突出し、もう一方の極板の長辺部の露出した部分が下方へ突出するように、セパレータを介して渦巻き状に巻回された極板群を有し、この極板群の突出部に集電体を溶接したアルカリ蓄電池であって、前記集電体は、平板の中央部の円形の開口部から放射状に複数個の幅を持った外縁部に達するスリットを有し、且つ、各スリットの両縁部が、極板群溶接方向に折り曲げられており、その折り曲げられた縁部が極板群に溶接されているアルカリ蓄電池としたものである。
【0011】
【実施例】
(実施例1)
以下、本発明の一実施例について図面に基づき説明する。なお、本発明の形状等は以下に示した例に限定されるものではない。
【0012】
図1は本発明の集電体を示す平面図である。図2から図5はその断面図である。図中の1aは注液ならびに負極集電体と電槽缶を溶接するための溶接電極を挿入する孔、1bはスリット、1cはスリット両縁部を三角形状に折り曲げた突起部である。
【0013】
厚さ0.1mm、露出部約1.5mmの芯材5を有する厚さ0.6mmの帯状をした燒結式ニッケル正極板2と、厚さ0.06mm、露出部約1.5mmの芯材6を有する厚さ0.4mmの帯状をしたペースト式水素吸蔵合金負極板3を、それぞれの露出部が上下するようにセパレータ4を間に介して渦巻状に巻回させて直径約30mm、高さ約52mmの極板群9を作製した。
【0014】
この極板群9の正極板の露出部上の中心に、集電体1の1aの注液孔が来るように配置し、1bのスリット部を溶接電極の間において、1cのスリット両縁部を折り曲げた突起部と、正極側極板群からの突出部5を溶接した。同様に負極板も負極専用の集電体8を用いて溶接を行い、図6に示す正負極に集電体を溶接した極板群を作製した。
【0015】
この極板群を負極突出部が下になるように、金属製ケース11に挿入し、集電体1の注液孔および溶接電極孔を兼ねた孔1aに溶接電極棒を挿入し、集電体8の溶接部と、金属ケース11の底部を加圧しながら抵抗溶接した。
【0016】
次に規定量の水酸化カリウムを主成分とするアルカリ電解液を1aの孔から注入し、蓋10の底部と接続端子7を溶接し、蓋10と電池ケース11を密封し、電池容量6.8Ahの本発明電池Aを得た。
【0017】
(実施例2)
次に図中の1aは注液ならびに負極集電体と電槽缶を溶接するための溶接電極を挿入する孔、1bはスリット、1cはスリット両縁部を半円形に折り曲げた突起部である。
【0018】
3次元網目構造を有する発泡ニッケル基材を厚さ0.2mmに加圧圧縮し、露出部約1.5mmの発泡ニッケル基材5を有する厚さ0.5mmの帯状をしたペースト式ニッケル正極板2と、厚さ0.06mm、露出部約1.5mmの芯材6を有する厚さ0.4mmの帯状をしたペースト式水素吸蔵合金負極板3を、それぞれの露出部が上下するようにセパレータ4を間に介して渦巻状に巻回させて直径約30mm、高さ約52mmの極板群9を作製した。
【0019】
この極板群9の正極板の露出部上の中心に、集電体1の1aの注液孔が来るように配置し、1bのスリット部を溶接電極の間において、1cのスリット両縁部を折り曲げた突起部と、正極側極板群からの突出部5を溶接した。同様に負極板も負極専用の集電体8を用いて溶接を行い、図6に示す正負極に集電体を溶接した極板群を作製した。
【0020】
この極板群を負極突出部が下になるように、金属製ケース11に挿入し、集電体1の注液孔および溶接電極孔を兼ねた孔1aに溶接電極棒を挿入し、集電体8の溶接部と、金属ケース11の底部を加圧しながら抵抗溶接した。
【0021】
次に規定量の水酸化カリウムを主成分とするアルカリ電解液を1aの孔から注入し、蓋10の底部と接続端子7を溶接し、蓋10と電池ケース11を密封し、電池容量7.5Ahの本発明電池Bを得た。
【0022】
(実施例3)
次に図中の1aは注液ならびに負極集電体と電槽缶を溶接するための溶接電極を挿入する孔、1bはスリット、1cはスリット両縁部を半円形に折り曲げた突起部である。
【0023】
3次元網目構造を有する発泡ニッケル基材を厚さ0.2mmに加圧圧縮し、露出部約1.5mmの発泡ニッケル基材5に厚さ0.1mmのニッケルフープを前もって溶接した厚さ0.5mmの帯状をしたペースト式ニッケル正極板2と、厚さ0.06mm、露出部約1.5mmの芯材6を有する厚さ0.4mmの帯状をしたペースト式水素吸蔵合金負極板3を、それぞれの露出部が上下するようにセパレータ4を間に介して渦巻状に巻回させて直径約30mm、高さ約52mmの極板群9を作製した。
【0024】
この極板群9の正極板の露出部上の中心に、集電体1の1aの注液孔が来るように配置し、1bのスリット部を溶接電極の間において、1cのスリット両縁部を折り曲げた突起部と、正極側極板群からの突出部5を溶接した。同様に負極板も負極専用の集電体8を用いて溶接を行い、図6に示す正負極に集電体を溶接した極板群を作製した。
【0025】
この極板群を負極突出部が下になるように、金属製ケース11に挿入し、集電体1の注液孔および溶接電極孔を兼ねた孔1aに溶接電極棒を挿入し、集電体8の溶接部と、金属ケース11の底部を加圧しながら抵抗溶接した。
【0026】
次に規定量の水酸化カリウムを主成分とするアルカリ電解液を1aの孔から注入し、蓋10の底部と接続端子7を溶接し、蓋10と電池ケース11を密封し、電池容量7.5Ahの本発明電池Cを得た。
【0027】
(比較例1)
また、実施例1と比較のために、前記の集電体1の代わりに図7に示す集電体を用いた以外は、上記実施例1と同様に電池を作製し、電池容量6.8Ahの比較例電池Dを得た。
【0028】
(比較例2)
また、実施例2と比較のために、前記の集電体1の代わりに図7に示す集電体を用いた以外は、上記実施例2と同様に電池を作製し、電池容量7.5Ahの比較例電池Eを得た。
【0029】
(比較例3)
また、実施例3と比較のために、前記の集電体1の代わりに図7に示す集電体を用いた以外は、上記実施例3と同様に電池を作製し、電池容量7.5Ahの比較例電池Fを得た。
【0030】
これらの電池をそれぞれ25℃の温度で0.5It(A)の電流で充放電を5サイクル繰り返し、放電深度20%の状態で1It(A) 、5It(A) 、15It(A) の電流で終止電圧0.6Vまで放電を行い、その時の容量を測定した。なお、It(A)は、IEC61434に従って、It(A)=C5 (Ah)/1hで表わされる。また、試験終了後の正極集電体と極板群の引張り強度を測定した。その結果を表1に示す。
【0031】
【表1】
Figure 0003952488
また、実施例1および比較例1における15It(A)放電時の放電特性を図8に示す。
【0032】
これらの結果から、本発明の集電体を使用することにより、高率放電時の電池容量が大きくなることがわかる。この理由は、図8の放電特性から明らかなように、IR抵抗が小さくなり、大電流充放電時のIRドロップが小さくなったためと考えられる。
【0033】
また、これらの試験終了後の電池を解体し、正極集電体と極板群との引張り強度を測定した。その結果は、本発明の集電体を使用したものは、従来の集電体を使用したものより、10〜30N強いことが分かった。
【0034】
これは引張り試験後の集電体を観察することにより、原因が推察できる。本発明電池Aの集電体を引張り試験後に観察すると、集電体と正極板の溶接跡であるナゲットと呼ばれる溶接点数が31点認められた。同様に本発明電池Bは33点、本発明電池Cは30点認められた。これに対して、比較例電池Dの溶接点数は12点、比較例電池Eの溶接点数は9点、比較例電池Fの溶接点数13点認められた。この様に本発明電池の溶接点は、比較例電池のそれより多く、溶接強度が強いことが分かる。
【0035】
【発明の効果】
このように本発明の集電体を用いた電池は、極板群と集電体との溶接が良好となり、高率放電時の電圧低下も小さく、大電流充放電が可能となる。また、本発明の集電体の溶接部は、先端部を折り曲げるだけなので、溶接される極板群の材質等に合わせてさまざまな形状に加工し易いため、集電体を安価に加工することができるため、工業的価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いる集電体の平面図である。
【図2】本発明に用いる集電体の断面図を示す図である。
【図3】本発明に用いる集電体の断面図を示す図である。
【図4】本発明に用いる集電体の断面図を示す図である。
【図5】本発明に用いる集電体の断面図を示す図である。
【図6】集電体を溶接した極板群を示す本発明電池の断面図である。
【図7】 従来の集電体を示す平面図である。
【図8】放電カーブ特性を示す図である。
【符号の説明】
1 集電体
1a 注液孔
1b スリット
1c スリット両縁部を折り曲げた突起部
2 正極板
3 負極板
4 セパレータ
9 極板群

Claims (3)

  1. 芯体の一部がその上端部または下端部で露出した帯状の正極板と負極板を、一方の極板の長辺部の露出した部分が上方へ突出し、もう一方の極板の長辺部の露出した部分が下方へ突出するように、セパレータを介して渦巻き状に捲回された極板群を有し、この極板群の突出部に集電体を溶接したアルカリ蓄電池にであって、前記集電体は、平板の中央部の円形の開口から放射状に複数個の幅を持った外縁に達するスリットを有し、且つ、各スリットの両縁部が極板群との溶接方向に折り曲げられており、その折り曲げられた縁部が極板群に溶接されており、その折り曲げ形状が溶接方向に向かって凸の逆三角形状であり、前記極板の芯体が穿孔鋼板であることを特徴とするアルカリ蓄電池。
  2. 芯体の一部がその上端部または下端部で露出した帯状の正極板と負極板を、一方の極板の長辺部の露出した部分が上方へ突出し、もう一方の極板の長辺部の露出した部分が下方へ突出するように、セパレータを介して渦巻き状に捲回された極板群を有し、この極板群の突出部に集電体を溶接したアルカリ蓄電池にであって、前記集電体は、平板の中央部の円形の開口から放射状に複数個の幅を持った外縁に達するスリットを有し、且つ、各スリットの両縁部が極板群との溶接方向に折り曲げられており、その折り曲げられた縁部が極板群に溶接されており、その折り曲げ形状が溶接方向に向かって凸の半円形状であり、前記極板の芯体が発泡ニッケルマット製であることを特徴とするアルカリ蓄電池。
  3. 正・負極集電体の厚さが、いずれも0.1mmから0.5mmである請求項1または請求項2記載のアルカリ蓄電池。
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