JP4182314B2

JP4182314B2 - 電池用電極群

Info

Publication number: JP4182314B2
Application number: JP2000020826A
Authority: JP
Inventors: 知徳岸本; 宏治山田
Original assignee: GS Yuasa Corp
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2020-01-28
Also published as: JP2001210303A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極群、特に、電池用電極群に関する。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
電池、例えばアルカリ蓄電池は、通常、電槽、電槽内に配置された複数枚の正極からなる正極群および複数枚の負極からなる負極群並びに電槽の上部に配置された正極端子および負極端子を備えている。ここで、正極群の各正極と負極群の各負極は、セパレータを挟んで交互に配置されている。また、正極群を構成する各正極は、それぞれ個別に集電タブを有しており、これらの集電タブは集合して一体的に正極端子に接続されている。一方、負極群を構成する各負極は、同様にそれぞれ個別に集電タブを有しており、これらの集電タブは集合して一体的に負極端子に接続されている。
【０００３】
このようなアルカリ蓄電池においては、正極群と正極端子との位置関係により、正極群を構成する夫々の正極と正極端子との間の距離が一定になりにくく、結果的に正極端子に近接した正極の集電タブの長さは短く、正極端子から離れた正極の集電タブの長さは長くなることになる。つまり、このような集電タブの長さの相違により、各正極と正極端子との間の接続抵抗が異なることになるため、正極群の中で正極毎の利用率が異なることになる。これは、負極群を構成する各負極と負極端子との間の接続抵抗についても同様であり、負極群の中で負極毎の利用率が異なることになる。したがって、このような電池は、各正極および各負極が均等な性能を発揮し得ず、期待通りの電池特性を達成できない場合が多い。
【０００４】
本発明の目的は、複数の電極が集電体に対して接続された電池用電極群について、各電極の利用率の均一化を図ることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電池用電極群は、第１集電タブを個別に有する複数の電極からなる第１電極群と、第１電極群に隣接して配置されかつ第２集電タブを個別に有する複数の電極からなる第２電極群と、第１集電タブおよび第２集電タブが接続された集電体とを備えている。ここで、第２電極群は第１電極群よりも集電体に近接して配置されかつ第１集電タブは、第２集電タブと比べて、厚さに大きくかつ断面積が１倍を超え２倍以下に設定されており、第１集電タブおよび第２集電タブは、それぞれ別々に集合して集電体に対して個別に溶接されている。
【０００９】
【作用】
本発明の各見地に係る電池用電極群において、集電体から最も離れた電極の集電タブは、集電体に最も近接した電極の集電タブに比べて厚さが大きく設定されている結果、集電体に最も近接した電極の集電タブに比べて電気抵抗が小さくなる。したがって、この電極群では、各電極と集電体との間の接続抵抗の相違が小さくなり、その結果、電極毎の利用率の不均一性が軽減される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１および図２を参照して、本発明の実施の一形態に係る電池用電極群が採用された集合電池を説明する。図において、集合電池１０は、１０個のアルカリ単電池１１と、これらのアルカリ単電池１１を一体に固定するための固定部材１２とを主に備えている。
【００１１】
各アルカリ単電池１１は、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、ニッケル・亜鉛蓄電池などのアルカリ蓄電池であり、図３に示すように、電槽１３、当該電槽１３内に収容された電池要素１４および電解液（図示せず）、電槽１３を気密に封止するための蓋体１５並びに安全弁１６を主に備えている。電槽１３は、例えば難燃性ポリプロピレン樹脂等の樹脂材料からなる、上部に開口部１３ａを有する概ね直方体形状の容器であり、その両主面側の壁部１３ｂ，１３ｂの外壁面１３ｃに上下方向に延びる通気溝１７を有している。また、電槽１３の両側面１３ｄ，１３ｄには、固定部材１２を配置するための固定溝１８が上下の２列に平行に形成されている。さらに、電槽１３の両壁部１３ｂ，１３ｂにおいて、開口部１３ａの近傍には、概ね対角線上の位置にそれぞれ円形の貫通孔１９，１９が形成されている。
【００１２】
電池要素１４は、図４に示すように、一対の正極群（電池用電極群の一形態）２０と負極群（電池用電極群の一形態）３０とを備えている。正極群２０は、図４および図６に示すように、一定の間隔を設けて平行に配列された複数の正極２２と、正極集電端子（集電体の一例）２３とを備えている。各正極２２は、図５に示すように、導電性材料からなる板状の電極板２４の表面に所定の活物質２５を配置したものであり、電極板２４は、そこから突出した集電タブ２６を一体的に有している。この集電タブ２６の幅（Ｗ）は、全ての正極２２において、実質的に同じに設定されている。
【００１３】
一方、集電タブ２６の長さ（Ｌ）は、図６に示すように、正極２２毎に異なっており、正極集電端子２３の近傍に配置されている正極２２のものから正極集電端子２３から最も離れた位置に配置されている正極２２のものにかけて順次長くなるように設定されている。また、集電タブ２６の厚さ（Ｔ）は、正極２２と正極集電板２３との位置関係により２種類に設定されている。すなわち、複数の正極２２のうち、正極集電端子２３から離れた側の半数の第１群２２ａのものの厚さが他の半数の正極２２、すなわち、正極集電端子２３に近い側の半数の第２群２２ｂのものの厚さよりも大きく設定されている。より具体的には、第１群２２ａの正極２２の集電タブ２６の厚さは、通常、第２群２２ｂの正極２２の集電タブ２６の厚さの１倍を超えかつ２倍以下、好ましくは１．５倍に設定されている。
【００１４】
ところで、導電体の電気抵抗Ｒは、導電体の電気伝導度をρ、断面積をＳ、長さをＬとすると、Ｒ＝ρ・Ｌ／Ｓの関係になり、導電体の長さに比例しかつ導電体の断面積に反比例することになる。このため、集電タブ２６は、厚さを大きく設定すると（すなわち、断面積を大きく設定すると）、電気抵抗が小さくなる。よって、正極群２０において、第１群２２ａ側の正極２２の集電タブ２６の電気抵抗は、第２群２２ｂ側の正極２２の集電タブ２６のそれに比べて小さくなる。
【００１５】
正極集電端子２３は、各正極２２の集電タブ２６を集合させて固定するためのものであり、電池要素１４の端部に配置されておりかつ電槽１３の一方の貫通孔１９と対向している。正極集電端子２３の中央部および下部には、図６に示すように、それぞれ集電タブ２６を固定するための第１固定部２３ａおよび第２固定部２３ｂが形成されている。そして、第１固定部２３ａには、第１群２２ａ側の正極２２の集電タブ２６が集合して一体的に溶接されており、また、第２固定部２３ｂには、第２群２２ｂ側の正極２２の集電タブ２６が集合して一体的にレーザー溶接されている。ここでは、同じ厚さの集電タブ２６が一群を形成し、その群毎が正極集電端子２３に対して個別にレーザー溶接されていることになるため、レーザー溶接条件を集電タブ２６の群毎に適切に設定することができ、結果的に溶接部の電気抵抗値の増大を抑制しながら安定な溶接が達成されることになる。また、レーザー溶接機の出力を集電タブ２６の群毎に最適化できるため、レーザー溶接時のエネルギーコストを抑制することもできる。
【００１６】
また、正極集電端子２３には、円環状に設けられた、断面形状が楔形の環状突起２７が設けられている。この環状突起２７は、電槽１３の壁部１３ｂに向けて突出している。また、当該環状突起２７で囲まれた内側には、同じく電槽１３の壁部１３ｂ側に向けて突出する複数の溶接突起２８が形成されている。
【００１７】
一方、負極群３０は、図４に示すように、一定の間隔を設けて平行に配列された複数の負極３２と、負極集電端子（集電体の一例）３３とを備えており、これらは、電池化学的要素を除き、正極群２０と同様に構成されている。この負極群３０は、図４に示すように、各負極３２が図示しないセパレータを挟んで正極２２と交互に配置されるよう正極群２０に対して組み合されており、負極集電端子３３が正極集電端子２３の対角位置に配置されている。
【００１８】
蓋体１５は、電槽１３の開口部１３ａを気密に封止するためのものであり、中央部に孔部４０を有している。この孔部４０は、安全弁１６により閉鎖されている。安全弁１６は、アルカリ単電池１１の充放電中にガスが発生した場合、このガスを外部に排出し、電槽１３の内圧が一定以上に高まらないように制御するためのものである。
【００１９】
上述のアルカリ単電池１１は、図１に示すように、電槽１３の外壁面１３ｃ同士を密接させながら、直線状に配列されている。ここで、各アルカリ単電池１１は、図２に示すように、その電池要素１４の正極集電端子２３および負極集電端子３３が隣接するアルカリ単電池１１の電池要素１４のそれぞれ負極集電端子３３および正極集電端子２３と対向するように交互に向きを入れ替えて配列されており、直列接続されている。また、両端に位置するアルカリ単電池１１，１１のうち、一方のアルカリ単電池１１は、その正極集電端子２３が直接正極端子４１に溶接され、また、他方のアルカリ単電池１１は、その負極集電端子３３が直接負極端子４２に溶接されており、これらの端子４１，４２は、蓋体１５を通じて上方に突出している。
【００２０】
上述のようにして配列された１０個のアルカリ単電池１１は、その状態で固定部材１２により一体的に固定されている。固定部材１２は、１対のエンドプレート５０，５０と、４つのサイドプレート５１とを備えている。１対のエンドプレート５０，５０は両端にそれぞれ位置するアルカリ単電池１１，１１の外側に配置されており、また、各サイドプレート５１は、各アルカリ単電池１１の電槽１３の側面１３ｄに形成された固定溝１８内にそれぞれ配置されており、両端が各エンドプレート５０，５０に固定されている。これにより、配列された１０個のアルカリ単電池１１は、エンドプレート５０，５０間に挟まれた状態で一体的に固定されている。
【００２１】
一体的に固定された各アルカリ単電池１１間には、図７に示すように、隣接し合う電槽１３の通気溝１７同士が組み合わさることにより、上下方向に開口する通気孔５２が形成されている。この通気孔５２は、アルカリ単電池１１の充放電時の発熱による熱を冷却するためのものである。
【００２２】
また、隣接し合うアルカリ単電池１１，１１の電池要素１４，１４間は、図７に示すように、導電体６０を通じて接続されている。導電体６０は、隣接し合う電槽１３，１３の貫通孔１９，１９が対向して形成される一連の連続孔６１内に配置された、例えば鉄やニッケル等の導電性材料からなる円盤状の部材であり、その外周にゴム等の弾性シール材からなるＯリング６２を備えている。そして、導電体６０は、各電槽１３の内部側から押圧されて外周部が連続孔６１の内周面に圧接しており、Ｏリング６２が連続孔６１を液密に封止している。
【００２３】
一方の電池要素１４の正極集電端子２３は、このような導電体６０の一端に対して溶接されている。ここでは、正極集電端子２３に設けられた溶接突起２８が主として導電体６０に対して溶接されており、また、正極集電端子２３に設けられた環状突起２７が電槽１３の貫通孔１９の周縁部において壁部１３ｂ内に圧入している。また、他方の電池要素１４の負極集電端子３３は、導電体６０の他端に対して同様に溶接されており、また、環状突起２７が同様に壁部１３ｂ内に圧入している。
【００２４】
上述のような電池要素１４，１４間の接続構造は、次のようにして達成することができる。先ず、図８に示すように、通気孔５２が形成されるように電槽１３，１３を密接させて並べ、夫々の貫通孔１９による一連の連続孔６１を形成する。そして、図９に示すように、この連続孔６１内に、Ｏリング６２を外周部に備えかつ厚さが連続孔６１の長さ（奥行き）よりも若干大き目に設定された導電体６０を挿入する。そして、この状態で、導電体６０の両端を、図に矢印で示すようにプレス機等を用いて中心方向に押圧する。これにより、導電体６０は、図１０に示すように、直径が広がる方向に圧縮変形し、両端部が壁部１３ｂの内壁面と面一になるとともに外周部が連続孔６１の内周面に圧接する。また、Ｏリング６２は、連続孔６１の内周面方向に押され、連続孔６１を液密に封止する。
【００２５】
次に、図１１に示すように、導電体６０の一方の端面に一方の電池要素１４の正極集電端子２３の溶接突起２８側を当接し、また、導電体６０の他方の端面に他方の電池要素１４の負極集電端子３３の溶接突起２８側を当接する。この状態で、正極集電端子２３および負極集電端子３３を図に矢印で示すようにプレス機等を用いて導電体６０方向に押圧し、さらに導電体６０と正極集電端子２３および負極集電端子３３との間を抵抗溶接すると、正極集電端子２３、導電体６０および負極集電端子３３が互いに溶接されて一体化され、また、正極集電端子２３および負極集電端子３３の環状突起２７が対向する壁部１３ｂ内に圧入される。この結果、隣接し合うアルカリ単電池１１，１１間の電池要素１４，１４が直列接続され、電池要素１４，１４間の接続構造が達成される。
【００２６】
上述の集合電池１０は、上述のようにアルカリ単電池１１間の接続を電槽１３の壁部１３ｂ間の連続孔６１内に配置された導電体６０により確保しているため、各アルカリ単電池１１の上部に相互の接続を確保するための正極端子、負極端子および接続バーを設ける必要がある従来の集合電池に比べて高さを抑制することができ、結果的に従来のものよりもコンパクトに構成することができる。また、集合電池１０は、従来の集合電池において必要であった上述のような正極端子、負極端子および接続バーが不要になるため、部品点数を削減することができ、その結果、従来のものに比べて低コスト化および軽量化を図ることができる。
【００２７】
さらに、この集合電池１０は、従来の集合電池に比べて電池要素１４，１４間が短い経路で接続されているため、電池要素１４，１４間の接続抵抗を低減することができる。このため、集合電池１０は、従来の集合電池で用いられているアルカリ単電池と同性能のアルカリ単電池を用いている場合であっても、従来のものに比べて全体としての電池特性を向上させることができる。
【００２８】
特に、この集合電池１０では、各電池要素１４の正極群２０を構成する夫々の正極２２の集電タブ２６の厚さが、上述のように正極集電端子２３と正極２２との位置関係により変更して設定されているため、各正極２２と正極集電端子２３との接続抵抗の不均一性を軽減することができ、その結果、正極２２間の利用率の不均一性を軽減することができる。この点は、同様に構成された負極群３０についても同様である。したがって、この集合電池１０は、個々のアルカリ単電池１１の電池特性も改善されることになるため、従来のものに比べて全体としての電池特性がより高まることになる。
【００２９】
因みに、全ての正極２２の集電タブ２６の厚さを十分に厚く設定しておくと、各集電タブ２６の電気抵抗値は十分に小さくなり、正極２２間の利用率の不均一性は軽減されることになるが、この場合は、集電タブ２６の重量が増し、結果的に正極群２０全体の重量が増大することになる。これに対し、本実施の形態の正極群２０は、各集電タブ２６の厚さを、上述のように正極集電端子２３と正極２２との位置関係により変更しているため、重量増加を抑制しつつ、正極２２間の利用率の不均一性を軽減することができることになる。この点、負極群３０についても同様である。
【００３０】
なお、各アルカリ単電池１１の電槽１３内に注入されている電解液は、Ｏリング６２が連続孔６１を液密に封止しているため、隣接する電槽１３内に移動しにくい。また、電解液は、仮に連続孔６１内を通過したとしても、壁部１３ｂ内に圧入された環状突起２７により移動を阻止され、結果的に隣接する電槽１３内には移動しにくい。
【００３１】
［他の実施の形態］
（１）上述の実施の形態では、配列された複数個のアルカリ単電池１１を固定部材１２により一体的に固定したが、複数のアルカリ単電池１１間は予め接着されていてもよい。なお、アルカリ単電池１１間の接着方法は、特に限定されるものではなく、接着材を用いる方法や、超音波溶着、熱溶着および高周波溶着等の各種の溶着法等を採用することができる。
【００３２】
（２）上述の実施の形態では、電池要素１４を構成する正極群２０において、正極２２を集電タブ２６の厚さが異なる第１群２２ａと第２群２２ｂの２つに分け、それぞれの群の集電タブ２６を集合させて正極集電端子２３に対して個別に溶接しているが、この正極群２０は他の形態に変更することもできる。例えば、正極２２を集電タブ２６の厚さが異なる３群以上に分け、それぞれの群毎の集電タブ２６を纏めて正極集電端子２３に対して個別に溶接するようにしてもよい。この場合、各正極２２と正極集電端子２３との接続抵抗はより均一化されることになるので、各正極２２の利用率をより均一化することができる。
【００３３】
或いは、正極群２０を構成する各正極２２の集電タブ２６の厚さを、正極集電端子２３に最も近接した正極２２のものから正極集電端子２３から最も離れた正極２２のものにかけて順に大きく設定してもよい。この場合は、各正極２２と正極集電端子２３との間の接続抵抗がより効果的に均一化され、結果的に各正極２２の利用率がさらに均一化されることになる。なお、この場合、各正極２２の集電タブ２６は、上述の実施の形態の場合と同様に２群または３群以上に分けて群毎に個別に正極集電端子２３に対して溶接されていてもよいし、全てが一体的に正極集電端子２３に対して溶接されていてもよい。
なお、以上のような変形は、負極群３０についても同様に実施することができる。
【００３４】
（３）上述の実施の形態では、正極群２０において、各正極２２の集電タブ２６を正極集電端子２３に対して溶接したが、集電タブ２６は、例えばリベット等の固定具を用いて正極集電端子２３に対して固定することもできる。この点は、負極群３０についても同様である。
【００３５】
【実施例】
実施例１
上述の実施の形態に係る集合電池１０で用いられる各アルカリ単電池１１において、電池要素１４の正極群２０を８枚の正極２２により構成し、そのうちの半数である第１群２２ａ側の正極２２の集電タブ２６の厚さを０．１５ｍｍに設定し、また、残りの半数である第２群２２ｂ側の正極２２の集電タブ２６の厚さを０．１ｍｍに設定した。この場合、正極集電端子２３から最も離れた正極２２の集電タブ２６の電気抵抗値は１０４５．９０μΩであり、また、正極集電端子２３に最も近接した正極２２の集電タブ２６の電気抵抗値は４８２．６９μΩであった。前者の電気抵抗値と後者の電気抵抗値との差は５６３．２０μΩであり、また、前者は後者の約２．１７倍であった。電池要素１４の負極群３０についても同様に構成したところ、集電タブ２６の電気抵抗値は同様の結果を示した。
【００３６】
一方、比較例１として、正極群２０および負極群３０を構成する全ての正極２２および負極３２の集電タブ２６の厚さを０．１ｍｍに統一したアルカリ単電池を作製した。この場合、正極群２０において、正極集電端子２３から最も離れた正極２２の集電タブ２６の電気抵抗値は１５５０．７８μΩであり、また、正極集電端子２３に最も近接した正極２２の集電タブ２６の電気抵抗値は４９４．６５μΩであった。前者の電気抵抗値と後者の電気抵抗値との差は１０５６．１４μΩに達し、また、前者は後者の約３．１４倍であった。また、負極群３０も、同様の結果を示した。
【００３７】
以上から、実施例１のアルカリ単電池１１は、比較例１のアルカリ単電池に比べ、集電タブ２６毎の電気抵抗値の差が小さく、その結果、各電極の利用率の不均一性を比較例の場合に比べて軽減できる。
【００３８】
実施例２
上述の実施例１に係るアルカリ単電池１１において、正極群２０側の各集電タブ２６の重量の合計（集電タブ総重量）を測定したところ、１０．２２３ｇであった。また、正極集電端子２３に接続された集電タブ２６全体の電気抵抗値を求めたところ、３９．２１８μΩであった。
【００３９】
また、上述の比較例１に係るアルカリ単電池において、正極群２０側の集電タブ総重量を測定したところ、７．３５４ｇであった。また、正極集電端子２３に接続された集電タブ２６全体の電気抵抗値を求めたところ、４５．９７８μΩであった。
【００４０】
さらに、上述の比較例１において、正極群２０側の全ての集電タブ２６の厚さを０．１５ｍｍに変更したところ（比較例２）、集電タブ総重量は１１．０３１ｇであり、また、正極集電端子２３に接続された集電タブ２６全体の電気抵抗値は３０．６５２μΩであった。
【００４１】
以上から、実施例１に係るアルカリ単電池１１で用いられる正極群２０は、集電タブ総重量および集電タブ全体の電気抵抗値がいずれも比較例１と比較例２との間にある。このため、この正極群２０は、重量増加を抑制しつつ、正極集電端子２３と正極２２全体との接続抵抗を小さく設定できることになる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明に係る電池用電極群は、集電体と電極との位置関係に応じて集電タブの厚さを変化させているので、従来の電池用電極群に比べて電極毎の利用率の不均一性を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る電池用電極群が採用された集合電池の斜視図。
【図２】図１の分解図。
【図３】前記集合電池を構成するアルカリ単電池の分解斜視図。
【図４】前記アルカリ単電池に含まれる電池要素の分解斜視図。
【図５】前記電池要素を構成する正極の斜視図。
【図６】前記電池要素を構成する正極群の一部断面正面図。
【図７】前記集合電池を構成するアルカリ単電池間の電池要素の接続構造を示す断面図。
【図８】前記接続構造を形成するための一工程を示す図。
【図９】前記接続構造を形成するための他の一工程を示す図。
【図１０】前記接続構造を形成するためのさらに他の一工程を示す図。
【図１１】前記接続構造を形成するためのさらに他の一工程を示す図。
【符号の説明】
２０正極群
２２正極
２２ａ第１群
２２ｂ第２群
２３正極集電端子
２６集電タブ
３０負極群
３２負極
３３負極集電端子

Claims

第１集電タブを個別に有する複数の電極からなる第１電極群と、
前記第１電極群に隣接して配置された、第２集電タブを個別に有する複数の電極からなる第２電極群と、
前記第１集電タブおよび前記第２集電タブが接続された集電体とを備え、
前記第２電極群は前記第１電極群よりも前記集電体に近接して配置されかつ前記第１集電タブは、前記第２集電タブと比べて、厚さが大きくかつ断面積が１倍を超え２倍以下に設定されており、前記第１集電タブおよび前記第２集電タブは、それぞれ別々に集合して前記集電体に対して個別に溶接されている、
電池用電極群。