JP4354349B2 - アルカリ乾電池用セパレータの評価方法 - Google Patents
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Description
本発明は、アルカリ乾電池に関し、さらに詳しくは正極と負極との間に配されるセパレータに関する。
従来より、アルカリ乾電池のセパレータの物性評価は、主に電池の組み立て前における乾燥状態の原紙に対して行っていた。例えば、フープ状に巻かれたセパレータの原紙について長手方向の引張強度に対する幅方向の引張強度の比を１〜２に規定することが提案されている（例えば、特許文献１）。
しかし、電池組み立て後のセパレータの湿潤状態、特にアルカリ電解液を含むセパレータの強度は、乾燥状態のセパレータの強度とは異なるため、乾燥状態において強度の高いセパレータが、耐落下衝撃特性に優れているとは限らない。
特開２０００−９０９３９号公報
そこで、本発明は、上記の問題を解決するために、アルカリ電解液含浸時に耐落下衝撃特性に優れたセパレータを用いることにより、高信頼性のアルカリ乾電池を提供することを目的とする。また、セパレータの材料である原紙がアルカリ電解液含浸時に耐落下衝撃特性に優れているかどうかを容易に判断することのできるアルカリ乾電池用セパレータの評価方法を提供することを目的とする。
本発明のアルカリ乾電池用セパレータの評価方法は、水酸化カリウムを３０〜４０重量％含むアルカリ水溶液からなる電解液を含む原紙の比破裂強さを測定し、得られた比破裂強さが２〜１０ｋＰａ／（ｇ／ｍ2）の原紙をセパレータに用いることを特徴とする。
本発明によれば、アルカリ電解液含浸時に優れた耐落下衝撃特性を有するセパレータを用いることにより、高信頼性のアルカリ乾電池を提供することができる。
電池の製造工程において、フープ状に巻かれたセパレータを長手方向に引っ張りながら切断してセパレータを構成する。このため、製造工程で切れにくく、かつ扱いやすいセパレータの引張強度が要求される。そこで、従来では組み立て前の乾燥状態におけるセパレータを引張強度により評価していた。
しかし、電池内に組み込んだ状態のセパレータは電解液としてアルカリ水溶液を含み、電池組み立て前の乾燥時の物性とは異なるため、従来の引張強度を用いたセパレータの評価は必ずしもアルカリ電解液を含む実使用状態のセパレータに適合しない。
従って、電池の落下等による衝撃が外部より加わると、流動性のある高密度のゲル状負極がセパレータを突き破り、正極合剤に達して内部短絡を生じる可能性がある。
従って、電池の落下等による衝撃が外部より加わると、流動性のある高密度のゲル状負極がセパレータを突き破り、正極合剤に達して内部短絡を生じる可能性がある。
そこで、本発明者らは、アルカリ電解液を含浸した実使用に相当する状態のセパレータについて評価できないか種々検討した。その結果、電解液として用いられる３０〜４０重量％の水酸化カリウム水溶液を含んだセパレータの比破裂強さが２〜１０ｋＰａ／（ｇ／ｍ2）である場合に、優れた耐落下衝撃特性が得られることを見出した。
比破裂強さが２ｋＰａ／（ｇ／ｍ2）未満の場合、電池が落下した場合に、ゲル状負極がセパレータ上部を突き破り、ゲル状負極が正極合剤側に流出し、内部短絡を生じ、電池の開路電圧が低下する可能性がある。一方、比破裂強さが１０ｋＰａ／（ｇ／ｍ2）を超えると、ガスケット挿入時に、円筒状に巻かれたセパレータ上部が座屈して、その一部が外折れし、外周方向に開口部を生じる。そして、その部分からゲル状負極が正極合剤側に流出し、内部短絡を生じ、電池の開路電圧が低下する場合がある。
比破裂強さは、ＪＩＳ Ｐ ８１１２に規定する方法により測定することができる。紙または板紙からなる試験片の破裂強さをその坪量で除することにより得られる。試験片の坪量はＪＩＳ Ｐ ８１２４に規定する方法により測定することができる。破裂強さは、試験片が破れたときの最大圧力である。
水酸化カリウムの濃度が３０重量％未満の場合、イオン伝導性に寄与するカリウム量が極端に少なくなり、放電性能が低下する。一方、水酸化カリウムの濃度が４０重量％を超えると、強負荷放電性能が低下する。
アルカリ乾電池の構成において電解液を含む原紙について比破裂強さを評価し、上述した範囲を満たすものをセパレータに用いることができる。このように実使用に相当する状態で原紙の物性を評価することにより、原紙がアルカリ乾電池用のセパレータに使用できるかどうかを容易に判断することができる。
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
《実施例１〜３および比較例１〜３》
下記に示す手順で図１に示す単１形アルカリ乾電池（ＬＲ２０）を作製した。
（１）円筒状セパレータ用原紙の作製
ビニロン、レーヨン、およびパルプの各繊維、ならびにバインダとしてのポリビニルアルコールを表１に示す割合で配合して抄紙機にて不織布を作製し、厚さ２００μｍの原紙を得た。そして、得られた原紙を５５×１５０ｍｍ角に裁断した。
《実施例１〜３および比較例１〜３》
下記に示す手順で図１に示す単１形アルカリ乾電池（ＬＲ２０）を作製した。
（１）円筒状セパレータ用原紙の作製
ビニロン、レーヨン、およびパルプの各繊維、ならびにバインダとしてのポリビニルアルコールを表１に示す割合で配合して抄紙機にて不織布を作製し、厚さ２００μｍの原紙を得た。そして、得られた原紙を５５×１５０ｍｍ角に裁断した。
（２）アルカリ乾電池の組み立て
正極活物質として二酸化マンガンと、導電剤として黒鉛とを９０：１０の重量比で混合した。この混合物と、アルカリ電解液とを１００：３の重量比で混合し、充分に攪拌した後、フレーク状に圧縮成形した。アルカリ電解液には、４０重量％の水酸化カリウム水溶液を用いた。ついで、フレーク状の正極合剤を粉砕して顆粒状とし、これを篩によって分級し、１０〜１００メッシュのものを中空円筒状に加圧成形してペレット状の正極合剤２を得た。上記で得られた正極合剤２を電池ケース１内に３個挿入し、加圧治具により正極合剤２を再成形して電池ケース１の内壁に密着させた。
正極活物質として二酸化マンガンと、導電剤として黒鉛とを９０：１０の重量比で混合した。この混合物と、アルカリ電解液とを１００：３の重量比で混合し、充分に攪拌した後、フレーク状に圧縮成形した。アルカリ電解液には、４０重量％の水酸化カリウム水溶液を用いた。ついで、フレーク状の正極合剤を粉砕して顆粒状とし、これを篩によって分級し、１０〜１００メッシュのものを中空円筒状に加圧成形してペレット状の正極合剤２を得た。上記で得られた正極合剤２を電池ケース１内に３個挿入し、加圧治具により正極合剤２を再成形して電池ケース１の内壁に密着させた。
円筒状の所定の治具を用い、上記で得られた原紙を２枚重ねたものを二重に巻くことにより、円筒状セパレータ４を得た。円筒状セパレータ４が治具に巻かれた状態で、さらにこの治具の先端に第２の底紙１１を配した。そして、第２の底紙１１が円筒状セパレータ４の端部を包み込むように、第２の底紙１１および円筒状セパレータ４を正極合剤２の中空部に挿入した。このようにして、正極合剤２の内壁に円筒状セパレータ４、および電池ケース１の底部に第２の底紙１１をそれぞれ配置した。さらに治具の先端に第１の底紙１０を備え付け、これを円筒状セパレータ４の内側に挿入した。
なお、第１の底紙１０には、ポリビニルアルコール繊維からなる厚さ０．５ｍｍの不織布を、一辺の長さが円筒状セパレータの内径より大きな正方形に切断したものを用いた。
また、第２の底紙１１は、イオンのみを透過させることができる微孔性フィルムからなる。この微孔性フィルムには、再生セルロースからなる薄膜の両面にポリビニルアルコール繊維からなる不織布をラミネートして得られた厚さ０．２ｍｍの原紙を、一辺の長さが円筒状セパレータの外径よりも大きな正方形に切断したものを用いた。
また、第２の底紙１１は、イオンのみを透過させることができる微孔性フィルムからなる。この微孔性フィルムには、再生セルロースからなる薄膜の両面にポリビニルアルコール繊維からなる不織布をラミネートして得られた厚さ０．２ｍｍの原紙を、一辺の長さが円筒状セパレータの外径よりも大きな正方形に切断したものを用いた。
円筒状セパレータ４および第１の底紙１０および第２の底紙１１からなる底部セパレータ９より構成される有底円筒状のセパレータに、上記と同様のアルカリ電解液を所定量注入した。所定時間経過した後、有底円筒状のセパレータの内側にゲル状負極を充填した。ゲル状負極には、ゲル化剤としてポリアクリル酸ナトリウムと、上記と同様のアルカリ電解液と、負極活物質として亜鉛粉末とを１：３３：６６の重量比で混合したものを用いた。
負極集電子６をゲル状負極３の中央に差し込んだ。なお、負極集電子６には、ガスケット５および負極端子を兼ねた底板７を一体化させた。そして、電池ケース１の開口端部を、ガスケット５の端部を介して底板７の周縁部にかしめつけ、電池ケース１の開口部を封口した。外装ラベル８で電池ケース１の外表面を被覆した。
［評価］
（１）円筒状セパレータ用原紙の比破裂強さの測定
表１に示す各原紙を６０×６０ｍｍ角に裁断し、これを３５重量％の水酸化カリウム水溶液中に３分間含浸させた。その後、水酸化カリウム水溶液中より取り出した後、１分間放置して余分な水酸化カリウム水溶液を取り除き、サンプルを得た。ＪＩＳ Ｐ ８１１２の規定に従い、ミューレン低圧形試験機を用いて各サンプルの比破裂強さを測定した。１サンプルにつき１０回ずつ測定を行い、その平均値を求めた。また、原紙が水酸化カリウム水溶液を含まない場合についても、上記と同様の方法により比破裂強さを測定した。
（１）円筒状セパレータ用原紙の比破裂強さの測定
表１に示す各原紙を６０×６０ｍｍ角に裁断し、これを３５重量％の水酸化カリウム水溶液中に３分間含浸させた。その後、水酸化カリウム水溶液中より取り出した後、１分間放置して余分な水酸化カリウム水溶液を取り除き、サンプルを得た。ＪＩＳ Ｐ ８１１２の規定に従い、ミューレン低圧形試験機を用いて各サンプルの比破裂強さを測定した。１サンプルにつき１０回ずつ測定を行い、その平均値を求めた。また、原紙が水酸化カリウム水溶液を含まない場合についても、上記と同様の方法により比破裂強さを測定した。
（２）円筒状セパレータ用原紙の引張強度の測定
表１に示す各原紙を１５×２００ｍｍに裁断し、上記と同様の方法により水酸化カリウム水溶液を含ませたものを４枚重ねてサンプルを得た。ＪＩＳ Ｐ ８１１３の規定に従い、定速引張試験機を用いて各サンプルの引張強度を測定した。また、原紙が水酸化カリウム水溶液を含まない場合についても、上記と同様の方法により引張強度を測定した。
表１に示す各原紙を１５×２００ｍｍに裁断し、上記と同様の方法により水酸化カリウム水溶液を含ませたものを４枚重ねてサンプルを得た。ＪＩＳ Ｐ ８１１３の規定に従い、定速引張試験機を用いて各サンプルの引張強度を測定した。また、原紙が水酸化カリウム水溶液を含まない場合についても、上記と同様の方法により引張強度を測定した。
（３）電池の落下試験
試験前に、各電池の開路電圧を測定した。１ｍの高さから底板側を下にして電池を５回落下させた後、再度各電池の開路電圧を測定した。このとき、落下後に開路電圧が５ｍＶ以上降下した電池の数を調べた。なお、電池の試験数は１００個とした。
これらの測定結果を表２および３に示す。
試験前に、各電池の開路電圧を測定した。１ｍの高さから底板側を下にして電池を５回落下させた後、再度各電池の開路電圧を測定した。このとき、落下後に開路電圧が５ｍＶ以上降下した電池の数を調べた。なお、電池の試験数は１００個とした。
これらの測定結果を表２および３に示す。
実施例２および比較例２では、引張強度が同じであった。しかし、実施例２では、いずれの電池も開路電圧の降下は５ｍＶ未満であったが、比較例２では、開路電圧が５ｍＶ以上降下した電池がみられた。これにより、引張強度により電池に適したセパレータを評価することは難しいことがわかった。
水酸化カリウム水溶液を含む原紙の比破裂強さが２〜１０である実施例１〜３では、いずれの電池も開路電圧の降下は５ｍＶ未満であり、耐落下衝撃特性が良好であることがわかった。また、開路電圧が５ｍＶ以上降下した電池では、いずれもゲル状負極が正極合剤側に流出していることが確認された。
本発明のアルカリ乾電池は、高性能の小型電子機器や携帯機器用の電源等に適用することができる。
１ 電池ケース
２ 正極合剤
３ ゲル状負極
４ 円筒状セパレータ
５ ガスケット
６ 負極集電子
７ 底板
８ 外装ラベル
９ 底部セパレータ
１０ 第１の底紙
１１ 第２の底紙
２ 正極合剤
３ ゲル状負極
４ 円筒状セパレータ
５ ガスケット
６ 負極集電子
７ 底板
８ 外装ラベル
９ 底部セパレータ
１０ 第１の底紙
１１ 第２の底紙
Claims (1)
- 水酸化カリウムを３０〜４０重量％含むアルカリ水溶液からなる電解液を含む原紙の比破裂強さを測定し、得られた比破裂強さが２〜１０ｋＰａ／（ｇ／ｍ2）の原紙をセパレータに用いることを特徴とするアルカリ乾電池用セパレータの評価方法。
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