JP4338410B2 - 渦巻状電極群を備える電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、渦巻状電極群を備える電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、電池とりわけニッケル水素蓄電池等のアルカリ蓄電池は、電動工具、アシスト自転車、電気自動車等の電源として使用され、その更なる高容量化、高出力化、あるいは高率放電特性の向上が望まれている。
例えば特許文献1は、高率放電特性に優れた電池を開示している。この電池においては、第1の電極を含む電極群の一端側に集電体が配置され、第1の電極と集電体とが互いに溶接されている。第1の電極は金属発泡体からなる基板を備え、この基板には、活物質充填部と、集電体に溶接される帯状連結部とが形成されている。そして、同文献の図9に示された第1の電極にあっては、帯状連結部の一方の面には金属薄板が溶接され、この金属薄板の溶接された面とは反対側の面及び帯状連結部の他方の面にはそれぞれ保護テープが付着されている。
【0003】
【特許文献1】
特開2000−21435号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した帯状連結部の両面に保護テープが付着している第1の電極と、第2の電極とをセパレータを介して巻回して渦巻状の電極群とした場合、巻きずれが生じることがある。なぜならば、巻回された第1の電極においては巻心側(内側)の方が外側に比べて曲率が大きいが、特許文献1にあっては両面に付着した保護テープの厚みが考慮されておらず、曲率の違いに応じて内側の保護テープが歪み、第1の電極の厚みが帯状連結部の辺りで部分的に厚くなる。このように厚くなった部分が互いに干渉して、第1の電極は軸線方向にずれた状態で巻回されるのである。
【0005】
そして、この巻きずれによって、渦巻状電極群の端面において、第1の電極の帯状連結部あるいは金属薄板の側縁が揃わず、これらの側縁が部分的に電極群の端面から突出することがある。これら側縁が部分的に突出した渦巻状電極群の端面に、集電体を押圧して溶接した場合、帯状連結部等の突出した部分が集電体によって折り曲げられて内部ショートを引き起こし、そのことが原因となって電池製造の歩留りが低下するという問題がある。あるいはその場合、電極群の端面に集電体の一部しか溶接されないことがあり、そのため高率放電特性が低下したり、電極群を外装缶内に収容できなくなるというおそれもある。
【0006】
本発明は、渦巻状電極群を備える電池における上記した問題を解決し、巻回に適した電極を用いることにより、優れた高率放電特性を有し、高い歩留りの下で製造可能な電池を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、外装缶内に収容された渦巻状電極群を備える電池において、前記電極群に含まれる一方の電極は、一側縁部を除いて活物質が充填された帯状の発泡体と、前記発泡体の一側縁部の一方の面に固定された導電板と、前記発泡体の一側縁部の他方の面を覆う第1の保護部材と、
前記導電板の外面を覆う第2の保護部材とを備え、前記第1の保護部材は前記第2の保護部材よりも薄く、前記一方の電極は、前記第1の保護部材側の他方の面を内側にして巻回されていることを特徴とする渦巻状電極群を備える電池が提供される(請求項1)。
【0008】
上記の構成において、前記第1の保護部材及び前記第2の保護部材はいずれも粘着性テープからなることが好ましい(請求項2)。
そして、前記第1の保護部材及び前記第2の保護部材は互いに異なる色を有することが好ましい(請求項3)。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は実施形態に係るニッケル−水素蓄電池A(以下、電池Aという)を示している。電池Aは表面がニッケルメッキされた鉄製の外装缶2を備え、外装缶2は一端が開口した有底円筒状をなす。外装缶2の開口は絶縁部材4を介して封口板6で気密に密閉され、封口板6の外面には正極端子8が固定されている。より具体的には、外装缶2の開口内に絶縁部材4を介して封口板6を配置した後、外装缶2の開口縁をかしめることで、外装缶2の開口は密閉されている。
【0010】
外装缶2内にはアルカリ電解液とともに、略円柱状の電極群10が収容されている。より具体的には、この電極群10は、セパレータ12を介して巻回された正極14と負極16とを含む渦巻状電極群である。電極群10の両端においては、正極14の側縁19または負極16の側縁が突出し、電極群10は正極14の突出した端部を開口側にして外装缶2内に収容されている。
【0011】
電極群10と外装缶2の底部との間には金属製の負極集電板17が配置され、この負極集電板17を介して負極16は外装缶2と電気的に接続されている。
一方、電極群10と封口板6との間には金属製の正極集電板18が配置され、正極集電板18は正極14の側縁19に溶接されている。そして、これら封口板6及び正極集電板18を介して、正極14は端子8と電気的に接続されている。
【0012】
より具体的には、図2の展開図に示されたように、正極集電板18は外装缶2の内径よりも小径な円板部20とこの円板部20の外周に一体に形成されたリード部22とを有する。円板部20には複数の孔24が形成され、図3の断面図に示されたように、各孔24はその周縁に突縁26を有する。これら突縁26が正極14の側縁19に接した状態で円板部20は電極群10の端面上に固定される一方、リード部22は折りたたまれてその先端が封口板6に接続されている。
【0013】
正極14は非焼結式電極であって、図4の展開図に示された導電性の基板28を有し、基板28は金属発泡体からなる。金属発泡体としては、発泡ニッケル多孔体やニッケル繊維多孔体等が挙げられ、これら金属発泡体は3次元状の網目構造を有する。この基板28は帯状をなし、正極集電板18に溶接される側縁19を含み、所定の幅を有する一側縁部を除いて、水酸化ニッケルからなる正極活物質が充填されている。
【0014】
以下では、この一側縁部を帯状連結部といい符号30を付すとともに、活物質が充填された部分を活物質充填部といい符号32を付す。そして、基板28における帯状連結部30と活物質充填部32との境界を充填境界といい、符号34を付す。
帯状連結部30は金属発泡体のみからなり、この帯状連結部30は、活物質充填部32のみに活物質を充填するか、もしくは、金属発泡体の全体に一旦充填した活物質を除去して形成される。活物質を金属発泡体に充填するには、ペースト状の活物質を金属発泡体に塗着して乾燥させればよく、活物質の除去は超音波を用いて行なうことができる。
【0015】
図5に示されたように、帯状連結部30の金属発泡体は、高密度となるようにプレスされて活物質充填部32に比べて薄くなっており、基板28の外装缶2側(外側)において充填境界34は段差を含む。帯状連結部30の外装缶2側の面31には、ニッケルリボン等の金属薄板からなる導電板36が溶接によって固定され、導電板36は帯状連結部30と略同じ幅及び長さを有して帯状をなす。
【0016】
電極群10の正極集電板18側の端部においては、帯状連結部30及び導電板36が、セパレータ12及び負極16よりも電極群10の軸線方向に沿って突出している。そして、この突出した帯状連結部30の側縁37及び導電板36の側縁38がそれぞれ正極集電板18に溶接されている。一方、負極16は充填境界34に比べて電極群10の軸線方向に沿って突出しており、負極16の側縁部は、帯状連結部30あるいは導電板36とセパレータ12を介して部分的に対向している。
【0017】
帯状連結部30に溶接された面とは反対側の導電板36の外面39は、粘着性テープからなる保護テープ40で覆われており、この保護テープ40の側縁部は、充填境界34及びこの充填境界34に隣接した活物質充填部32も覆っている。
一方、電極群10の巻心側の帯状連結部30の面41も、粘着性テープからなる保護テープ42で覆われており、この保護テープ42の側縁部も充填境界34及び充填境界34に隣接した活物質充填部32を覆っている。ここで、正極14の内側(巻心側)の保護テープ42は、正極14の外側(外装缶2側)の保護テープ40よりも薄い。
【0018】
これら保護テープ40,42は、帯状連結部30に正極集電板18を押圧して溶接するときに、帯状連結部30が充填境界34及び充填境界34の近傍にて折れ曲がってセパレータ12を突き破り、負極16と直接接触することを防止する保護部材である。これら保護テープ40,42によって、電池Aにおいては、内部ショートの発生が防止され、正極集電板18が帯状連結部30に確実に接続される。
【0019】
電池Aにおいては、基板28の内側の保護テープ42が、外側の保護テープ40に比べて薄い。換言すれば、曲率の大きな内側の保護テープ42が、曲率の小さな外側の保護テープ40に比べて薄い。したがって、電極群10の製造工程における正極14の巻回時に、薄い保護テープ42が大きく曲げられる一方、相対的に厚い保護テープ40が小さく曲げられる。このように大きく曲げられる保護テープ42が薄いことから、巻回された正極14においては保護テープ42の歪みが抑制されて、帯状連結部30近傍における正極14の部分的な厚みの増加が防止される。その結果、正極14においては厚い部分同士の干渉が防止され、正極14は軸線方向にずれることなく巻回される。
【0020】
そして、巻きずれの発生が防止されたことにより、電極群10の端部においては正極14の側縁19が揃う。したがって、正極集電板18を電極群10の端面に押圧して溶接する際に、正極集電板18の円板部20全体が正極14の側縁19に均等に押しつけられ、正極14の帯状連結部30が折れ曲がることが防止される。そしてその結果、電池Aによれば内部ショートの発生が防止され、電池Aを高い歩留りの下で製造することができる。
【0021】
なお、正極14にあっては内側の面よりも外側の面の方が内部ショートを生じやすく、内側の保護テープ42はその厚みが薄くなっても保護部材として十分に機能する。
ここで、電池Aにおいては、保護テープ40と保護テープ42とは互いに違う色を有することが好ましい。なぜならば、保護テープ40と保護テープ42とは互いに厚みが異なるが、この厚みの違いに基づいて正極14の表裏を目視で確認することは困難だからである。保護テープ40と保護テープ42とを違う色にすることで、電極群10の製造時における作業者の便宜が図られ、もって電池Aの生産効率を高めることができる。
【0022】
また、電池Aにおいては、保護テープ40,42は熱溶着テープであってもよいが、粘着性テープであることが好ましい。なぜならば、粘着性テープは容易にその厚みを調整することができる一方、粘着性テープを帯状連結部30や導電板36に貼着した場合には溶着工程が不要となるからである。このような粘着性テープとしては、例えば、ポリプロピレン及びポリエチレン製のテープを挙げることができる。これらポリオレフィン樹脂からなるテープは、耐アルカリ性に優れておりアルカリ電池に好適である。
【0023】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されることはなく、種々変形が可能であって、例えば、電池Aはニッケル−水素蓄電池に限定されず、ニッケル−カドミウム蓄電池、リチウムイオン蓄電池等であってもよい。
そして、上記した実施形態においては、端子8は正極端子であったが、外装缶2を正極端子としてもよい。すなわち、正極14の側縁19が外装缶2の底部に向かって突出するように電極群10を外装缶2に収容し、正極集電板18を外装缶2の底部と電極群10との間に配置してもよい。
【0024】
また、上記した実施形態においては、電極群10の形状は円柱状であったが、電極群10の形状は、径方向両側からプレスして変形させて端面形状を楕円形状としたものであってもよい。
更に、上記した実施形態においては、導電板36によって正極集電板18と正極14との間が確実に電気的に接続されることから、導電板36が帯状連結部30に固定されていることが好ましい。しかしながら、例えば、図6に示されたように、導電板36を使用せずに帯状連結部30のみを正極集電板18に接続してもよい。また、図7に示されたように、帯状連結部30の金属発泡体を基板28の幅方向にプレスして帯状連結部30と正極集電板18とを接続してもよい。あるいは、帯状連結部30の側縁37よりも導電板36の側縁38を突出させて、導電板36の側縁38のみを正極集電板18と接続するようにしてもよい。なお、導電板36を帯状連結部30に固定するには、溶接以外に導電性の接着材を用いてそれらを互いに接着してもよい。
【0025】
【実施例】
実施例1,比較例1〜8
1.電池の製作
(1)正極の製作
連続気泡のポリウレタンフォームであるスポンジ状の有機多孔体に導電処理した後、電解槽のメッキ液に浸漬してメッキする。メッキした有機多孔体を、750℃の温度で所定時間ばい焼して、有機多孔体の樹脂成分を除去し、さらに、還元雰囲気で焼結して金属発泡体を製作した。得られた金属発泡体は、目付約600g/m2、多孔度95%、厚み約2.0mmの発泡ニッケルである。
【0026】
一方で、2.5wt%の亜鉛と、1wt%のコバルトを共沈成分として含有する水酸化ニッケル粉末90重量部に対して、コバルト粉末10重量部、酸化亜鉛粉末3重量部を添加して全体を混合し、その混合物にヒドロキシプロピルセルロース0.2重量%水溶液50重量部を添加して全体を混練し、ペースト状の正極活物質スラリーを作製した。
【0027】
得られた正極活物質スラリーを、金属発泡体の空隙に充填した。充填量は、圧延後の活物質密度が約2.91g/cc−voidとなるように調整した。充填した活物質スラリーを乾燥させた後、厚みが約0.70mmとなるように金属発泡体にロール圧延を行った。そして、圧延された金属発泡体を短冊状に切断し、一側縁部の活物質を超音波剥離等により除去した。その後、一側縁部を再びロール圧延して厚み約0.5mmとし、図4に示された基板28とした。
【0028】
そして、基板28の帯状連結部30の一方の面に、抵抗電気溶接により厚み0.1mm、幅3mmのニッケルリボンを接続し、ニッケルリボンの外面39及び帯状連結部30の他方の面に表1に示した厚みの保護テープ40,42(ニチバン株式会社製,ポリプロピレン粘着テープ)を貼着して正極14を製作した。
(2)電池の組立て
上述のように製作した正極14と、水素吸蔵合金からなる負極16とをポリプロピレン製不織布からなるセパレータ12を介して巻回し、渦巻状電極群10を作製した。
【0029】
この渦巻状電極群10の両端に正極集電板18及び負極集電板17を溶接した後、電極群10を外装缶2内に挿入し、負極集電板17を外装缶2の底部にスポット溶接するとともに正極集電板18のリード部22を封口板6に溶接した。この後、外装缶2内に、水酸化リチウム及び水酸化ナトリウムを含有した7.5Nの水酸化カリウム水溶液からなる電解液を注入した。そして、外装缶2の開口内にガスケット(絶縁部材4)を介して封口板6を配置した状態にて開口縁を加締めて、公称容量1200mAhの実施例1,比較例1〜8の円筒型ニッケル−水素蓄電池をそれぞれ1000個製造した。
【0030】
2.評価試験
(1)短絡試験
得られた実施例及び比較例の電池の端子間電圧を測定し、この端子間電圧が0.1V以下の場合に内部ショート発生と判断して、1000個中、内部ショートの発生した電池数を数えた。表1はこの結果も示す。
【0031】
(2)巻きずれ
正極集電板及び負極集電板を溶接する前に、実施例及び比較例の渦巻状電極群の軸線方向の長さ(高さ)を測定し、電極群の高さが設計値の101%以上の場合に巻きずれ発生と判断して、1000個中、巻きずれの発生した電極群の数を数えた。表1はこの結果も示す。
【0032】
【表1】
【0033】
表1から明らかなように、正極の内側の保護テープが外側の保護テープよりも薄い実施例1の電池においては、内部ショートの発生及び巻きずれの発生が防止されている。
なお、正極の内側の保護テープの厚みが互いに同じであって、外側の保護テープの厚みが互いに異なる実施例1、比較例2及び比較例5を比較した場合、内部ショートの発生数は、保護テープの厚みが厚いほど格段に少なくなっていることがわかる。これに対して、正極の外側の保護テープの厚みが互いに同じであって、内側の保護テープの厚みが互いに異なる実施例1、比較例7及び比較例8を比較した場合、内部ショートの発生数は、実施例1と比較例8とでは略同じであって、内側の保護テープの厚みは50μmで十分であり、外側に比べて正極(帯状連結部)の内側においては内部ショートが発生しづらいことがわかる。
【0034】
【発明の効果】
本発明で使用する電極は、その一方の面の保護部材の厚みが他方の面の保護部材の厚みに比べて薄いことから巻回に好適であり、高率放電特性に優れた電池に用いるのに好適である。
そして、この電極を用いた本発明の電池によれば、電極群の巻きずれが防止されて内部ショートが発生しづらく、電池を高い生産性の下で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るニッケル−水素蓄電池の部分断面図である。
【図2】図1の電池に用いられた正極集電板の展開図である。
【図3】図2の正極集電板の円板部に形成された孔を示した断面図である。
【図4】図1の電池に用いられた正極の基板の展開図である。
【図5】図1の領域Vの拡大図である。
【図6】図1の電池の変形例における領域Vの拡大図である。
【図7】図1の電池の他の変形例における領域Vの拡大図である。
【符号の説明】
10 電極群
12 セパレータ
14 正極
16 負極
28 基板(発泡体)
30 帯状連結部(一側縁部)
31 帯状連結部30の一方(外側)の面
32 活物質充填部
36 導電板
39 導電板36の外面
40 第2の保護部材(保護テープ)
41 帯状連結部30の他方(内側)の面
42 第1の保護部材(保護テープ)
Claims (3)
- 外装缶内に収容された渦巻状電極群を備える電池において、
前記電極群に含まれる一方の電極は、
一側縁部を除いて活物質が充填された帯状の発泡体と、
前記発泡体の一側縁部の一方の面に固定された導電板と、
前記発泡体の一側縁部の他方の面を覆う第1の保護部材と、
前記導電板の外面を覆う第2の保護部材とを備え、
前記第1の保護部材は前記第2の保護部材よりも薄く、
前記一方の電極は、前記第1の保護部材側の他方の面を内側にして巻回されていることを特徴とする渦巻状電極群を備える電池。 - 前記第1の保護部材及び前記第2の保護部材はいずれも粘着性テープからなること
を特徴とする請求項1の渦巻状電極群を備える電池。 - 前記第1の保護部材及び前記第2の保護部材は互いに異なる色を有することを特徴とする請求項1または請求項2の渦巻状電極群を備える電池。
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