JP4596842B2 - 密閉型電池とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ニッケル-カドミウム（Ｎｉ-Ｃｄ）蓄電池などの密閉型蓄電池とその製造方法に関する。

ニッケルカドミウム（Ｎｉ-Ｃｄ）電池、ニッケル水素化物（Ｎｉ-ＭＨ）蓄電池などのアルカリ二次電池、リチウム電池などの非水系二次電池、或いは一次電池に代表される密閉型電池は、電動工具、電動自転車、電動バイク等の駆動用電源として広く使用されている。これらの用途では、時として大電流での良好な充放電特性が要求されるので、前記電池としてはできるだけ内部抵抗を低減し、安定した電流経路を形成しておく必要がある。

ところで密閉型電池の一般的な製造方法は、特許文献１または２に記載されているように、円筒型電池の場合、まず帯状の正極板および負極板をセパレータを介在させて巻回し、円筒型の発電要素（電極体）を形成する。この電極体の上下端面を覆うように、各極性の電極に円盤状の本体部を有する集電体をそれぞれ対向させるとともに、これを円筒型の金属製外装缶に収納する。正負各集電体は、それぞれ封口体の端子（正極端子）、外装缶底部（負極端子）に接続される。そして外装缶に電解液を注液したのち電池の上下方向から抵抗溶接用電極を押し当て、瞬間的に大電流を流し、電極体の正極板、正極集電体から導出した短冊状のタブと封口体に設けられた端子、および電極体の負極板、外装缶とを一度に抵抗溶接する（以下、この抵抗溶接法を「ダイレクト溶接法」という。）。その後は、封口体を外装缶の開口部に装着し、これをカシメ加工等で封止することで、密閉型電池が完成する。

上記抵抗溶接に関しては、特許文献３に開示されるように、外装缶の開口部に封口体を載置した状態で前記溶接を効率よく行い、タブの長さを短縮して電流路の抵抗値を下げるために、正極集電体の形状を改良した技術がなされている。
ここで外装缶内部において、電極体上部には、図６の正面図に示す絶縁リングと呼ばれる絶縁性部材が、正極集電体を当該リング内部に納めるように配設される。絶縁リングは外装缶内部での電極体の位置決めや外装缶側と正極集電体との短絡防止、或いは電解液のこぼれ防止等を目的として設けられるものである。
特開２００２-９３４５５号公報 特開平１０-７９２４３号公報 特開２００２-２３１２１６号公報

しかしながら上記構成を備える従来の密閉型電池では、次のような問題がある。
従来の正極集電体では、タブを本体部に折り返すことで、絶縁リングの内径部分に収めるようになっているが、この折り返されたタブの先端が集電体の本体部と接触することがある。
このような接触部分の存在は、製造時に前記ダイレクト溶接法を行う際において、抵抗溶接にかかる負荷電流値が一定せず（いわゆる「漏れ電流」が生じる）、確実に抵抗溶接を行うことができない恐れがある。

そして、抵抗溶接が良好に行えないと、電池毎に溶接強度がばらつくことになり、電池性能が一定しない原因にもつながる。
以上の理由から正極集電体において、抵抗溶接時におけるタブと本体部との不要な接触は防止すべき課題である。
なお、このような問題は、封口体に配された端子が負の場合、これに接続される負極集電体においても同様に発生する可能性がある。

本発明は以上の課題に鑑みて為されたものであって、その目的は、密閉型電池において封口体の端子と、当該端子直下に配される集電体とを良好に抵抗溶接することで、優れた電池性能を発揮できる密閉型電池と、その製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、正負極板をセパレータを介して重ねてなる電極体が外装缶に収納され、前記正負極板のいずれかが封口体の端子に集電体を介して電気接続され、外装缶が前記封口体で封口されてなる密閉型電池であって、集電体は、本体部と、当該本体部から延出されたタブを一体的に備える板状部材からなり、当該タブが環状の絶縁リングに挿通され、且つ、前記挿通されたタブの先端と本体部との間に前記絶縁リングの一部が介在され、本体部が電極体と抵抗溶接されているとともに、タブが本体部に折り返されて前記端子に抵抗溶接された構成とした。

さらに前記外装缶は円筒型であって、前記集電体は円盤状本体部と短冊状タブからなり、絶縁リングは板状部材を中抜きして形成され、第一のリング部と、当該リング中心から内周までの距離が、前記第一のリング部より小さい第二のリング部とを有しており、短冊状タブが絶縁リングに挿通されて折り返されたのち、当該タブ先端が前記第二のリング部に載置される構成とすることもできる。

より具体的には、絶縁リングの開口部は扇状であり、当該扇状開口部の弧に相当する領域に前記第一のリング部が形成されるとともに、当該扇状開口部の要に相当する領域に前記第二のリング部が形成されている構成とすることも可能である。
ここで、前記本体部は、その外周が多角形状に形成することが望ましい。
また本発明は、正負極板がセパレータを介して重ねてなる電極体を外装缶に収納するとともに、当該正負極板のいずれかを集電体を介して封口体に配された端子と電気接続する密閉型電池の製造方法であって、本体部と、当該本体部から延出されたタブを一体的に備える板状部材からなる集電体を用い、前記タブを絶縁リングに挿通する挿通ステップと、前記電極体と前記本体部とを抵抗溶接する電極体溶接ステップと、前記タブを前記本体部に向けて折り返した状態で当該両者を絶縁リングで絶縁しつつ、前記タブを前記端子に抵抗溶接するタブ溶接ステップとを有するものとした。

さらに、前記外装缶は円筒型であって、前記集電体は円盤状本体部と短冊状タブを備え、且つ、前記絶縁リングは板状体からなり、その主面の周囲に沿って第一の周縁部と、当該第一のリング部より幅広の第二のリング部とが設けられており、短冊状タブが絶縁リングに挿通されて折り返されたのち、当該タブ先端を前記第二のリング部に載置させ、当該外装缶の底部と封口体の上部にそれぞれ溶接電極を接触させることにより、前記タブ溶接ステップまたはこれに加えて前記電極体溶接ステップを行うこともできる。

本発明の密閉型電池では、絶縁リングの一部がタブと本体部の間に介在することによって、絶縁リングが集電体と外装缶との接触防止機能を果たすとともに、絶縁リング上で幅広部分を持つ第二リング部に対して載置される。このため集電体は、タブの先端が本体部と接触するのが回避されることとなる。
これにより本発明では、抵抗溶接時において、集電体のタブ先端と本体部との接触に起因する不安定な電流経路の形成が確実に回避され、良好に抵抗溶接を行うことで電池が作製されるとともに、前記電流経路に起因する内部抵抗の上昇を抑制し、安定した電池性能を発揮できる密閉型電池の実現が可能となっている。

さらに本発明では、円筒型電池に適用する場合、絶縁リングに相対的に幅広と幅狭のリング部をそれぞれ設け、このうち幅広のリング部（第二のリング部）にタブ先端を載置させることによって、上記構成を実現することが可能である。
また、このとき絶縁リングの開口部を扇状に形成し、当該扇の要に相当する領域に前記第二のリング部を形成すると、絶縁リングに対してタブが多少斜めに挿通されてもある程度の回転自由度が確保され、タブと本体部との不要な接触を回避させることができる。このため、電池組み立て時において高い作業性を発揮することが可能となり、良好に密閉型電池を製造することができる。

なお、本発明の絶縁リングは板状部材から形成できるので、比較的簡単な打ち抜き加工によって得ることができ、インジェクション成形等の形成方法に比べて低コストで作製することも可能である。

[実施の形態１]
１-１.アルカリ蓄電池の構成
図１は、本発明の密閉型電池の一適用例である円筒型ニッケルカドミウム蓄電池（Ｎｉ-Ｃｄ蓄電池）の断面斜視図である。

当該蓄電池は、ＳＣサイズの円筒型外装缶６を有するものであって、これに電極体４と、電解液等が収納された構成を持つ。公称容量は一例として２４００ｍＡｈとすることができる。電解液には各種アルカリ溶液が用いられるが、ここでは一例として水酸化カリウムを主体とする水溶液を用いている。
円筒形外装缶６は、ＮｉメッキしたＦｅからなる材料を有底筒状に加工したものであるが、これ以外にも電池の種類や特性を考慮して、ステンレス、アルミニウム等、適宜選出した金属材料を用いることができる。外装缶６の円筒側面６１には、外部絶縁のための塗装や樹脂フィルム等が被覆される。外装缶６上方の開口部６０は、絶縁・密閉用ガスケット１１および封口体１２を嵌合したのち、カシメ加工により隙間無く封口される。６３は、当該カシメ加工により形成されるくびれ部である。

電極体４は、正極板１と負極板２とをセパレータ３を介して渦巻き状に巻回されてなる。
正極板１は、パンチングメタルの表面にニッケル焼結多孔体を形成した後、化学含浸法により水酸化ニッケルを主体とする活物質を前記焼結多孔体内に充填して製造した焼結式ニッケル正極板である。当該正極板１は、パンチング加工された円盤状の本体部７０と短冊状のタブ７１を持つ正極集電体７に対して抵抗溶接されており、上記封口体１２を介して、正極端子１３に電気的に接続されている。

負極板２は、同様に化学含浸法により水酸化カドミウムを主体とする活物質を前記焼結多孔体内に充填して製造した焼結式カドミウム負極板であり、ＮｉメッキしたＦｅからなる多孔性円盤状の負極集電体５によって、負極端子を兼ねる円筒形外装缶６の底部６２の凹部６２１に接続されている。
セパレータ３は、例えばナイロンやポリプロピレン製の絶縁性に優れるマイクロポーラスフィルムを加工してなるものであって、電解液を良好に含浸し、かつ正極板１および負極板２とを電気的に絶縁するために用いる。

上記正極集電体７、負極集電体５は、導電性に優れる部材、例えばニッケルメッキした金属板から構成される。このうち正極集電体７は、短冊状タブ７１の長さが本体部７０の直径よりも短くなるように設定されている。これは、タブ７１の電流路を短縮する目的のほか、製造時に当該タブ７１に対して封口体１２を載置した状態で効率よく抵抗溶接（いわゆるダイレクト溶接法）が行えるようにされたものである。

なお正極集電体７は、絶縁リング８に挿通されている。そして当該絶縁リング８が電極体４の上方端部を覆うように配置される。
外装缶６上端の開口部に配される封口体１２では、その周囲が絶縁ガスケット１１によって囲まれている。封口体１２には中央に開口部（ガス抜き孔）１４が設けられ、これを覆うように皿状の正極端子１３が装着される。

封口体１２と正極端子１３の内部空間には、下から上に向かって弁板９、コイルスプリング１０が順次載置される。このうち、弁板９はコイルスプリング１０の弾性力によって上記中央開口部１４の周囲に押圧されることで、安全弁として作用するようになっている。なお、弁板９、コイルスプリング１０の代わりにゴム等のエラストマーを用いてもよい。

ここで本実施の形態１の密閉型電池の特徴は、正極集電体７に挿通された絶縁リング８の構成にある。すなわち、当該絶縁リング８では正極集電体７において折り返されたタブ７１の先端と本体部８との間に介在する形状に設計されているため、当該タブ７１の先端が本体部８と接触するのが防止される。
以下、この絶縁リング８の構成と効果について詳細を説明する。

１-２.絶縁リングの構成と効果
図２は、絶縁リング８の構成を示す正面図である。当該絶縁リング８は別名「正極ワッシャー」或いは「防振リング」とも称されるものであって、外装缶６内部における電極体４の振動や位置ずれの防止、または外装缶６と電極体４との短絡防止等の目的で配される絶縁部材であり、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ナイロンなど、耐アルカリ性および絶縁性の板状樹脂部材を打ち抜き加工してなる。具体的にはこの部材を中抜きの略円盤状に形成し、且つ外周部分を多角形状とする。この周囲に多角形状を設ける理由は、当該絶縁リング８が外装缶６に収納されたときに、絶縁リング８と外装缶６との間隙を確保し、電解液注液やガス抜きを円滑に行う目的によるものである。

一方、絶縁リング８の内部には、扇状開口部８３を穿孔加工により設ける。このとき、扇状開口部８３の要部分８４から外周部までの幅ｄ２を、扇状開口部８３の弧の部分８５から外周部までの幅ｄ１よりも幅広になるように調整する。これにより、狭い幅ｄ１を有する第一のリング部８２と、リング中心Ｏから内周までの距離が前記第一のリング部８２より小さく、幅ｄ２を有する第二のリング部８１がそれぞれ形成される。

ここで、扇状開口部８３の弧の部分８５の範囲（角度θ）は、当該開口部８３に挿通されるタブ７１の挿通角度にある程度の自由度を持たせることと、前記挿通させたタブ７１先端を当該絶縁リング８上に確実に載置できるように第二のリング部８１を確保することの両方を考慮して設計するのが望ましい。
すなわち、絶縁リング８の扇状開口部８３を大きくし過ぎると、材料削減、重量低減、内部空間の確保、電解液の注液性に利点がある反面、タブ７１が本体部７０に接触してしまう。また逆に扇状開口部８３を小さくし過ぎると、タブ７１と本体部７０との接触は防げるが、上記した各利点が得られなくなる。タブ７１の幅は、広い方が電気抵抗が小さく、電池の内部抵抗を低くできるので望ましい。これらの背景を考慮して、タブ７１の幅との兼ね合いで、絶縁リング８のｄ２と弧の部分８５の角度θが決定される。

より具体的には、本実施の形態における構成例では、タブ７１の幅が１０ｍｍ、絶縁リング８の最大外径Ｌが２１ｍｍ、ｄ２が５ｍｍにそれぞれ設定されている。そして、図２では扇状開口部８３の左右両側に接線を想定すると、当該各接線の交点が絶縁リング８の紙面最上部に位置する。この交点における接線の角度が６０±１０°の範囲となるように、開口部８３の形状が設計されている。

このような構成の絶縁リング８は、製造時にはまずタブ７１の付け根（正極集電体７の折り返し部分）を第一のリング部８２付近に近接させる。そして図３の（a）に示すように、正極集電体７のタブ７１を本体部７０に対して起こし、当該絶縁リング８の第一のリング部８２付近から挿通させる。その後はタブ７１を本体部７０側に折り返すようにする。

こうすることによって、タブ７１の先端は、絶縁リング８上で幅広部分ｄ２を持つ第二のリング部８１に対して載置されるので、ダイレクト抵抗溶接を行う時に当該タブ７１の先端が本体部７０と接触するのが回避される。すなわち、図６に示す円形の開口部等が設けられた従来の絶縁リング８では、折り返されたタブ７１が本体部７０と直接対向するので、ダイレクト抵抗溶接の際に両者が不安定な接触部分を形成する場合があった（図５（ｂ）を参照）が、本実施の形態ではこのようなタブ７１と本体部７０との接触が絶縁リング８の介設により回避され（図５（ａ）を参照）、タブ７１が絶縁リング８上の領域Ａに載置された状態で抵抗溶接がなされる。その結果、タブ７１先端と本体部７０との接触に起因する不安定な電流経路の形成（漏れ電流の発生）が確実に回避され、確実な抵抗溶接部分を形成できるといった効果が奏される。このように良好な抵抗溶接部分を形成することで、使用時には安定した電池の出力が得られるようになり、良好な電池性能を期待することができる。

さらに本実施の形態１の絶縁リング８では、扇状開口部８３において広い角度範囲にわたり弧の部分８５が確保されているので、絶縁リング８に対して挿通されるタブ７１の進入角度に程度の自由度が設けられている。すなわち、絶縁リング８では図５（ｃ）に示すように、絶縁リング８に対してタブ７１が多少斜めに挿通されても回転自由度が確保されるので、前記領域Ａは良好に形成され、タブ７１と本体部７０との不要な接触は回避される。このため本実施の形態によれば、電池組み立て時においてタブ７１と絶縁リング８とのシビアな位置合わせが不要となり、高い作業効率が確保され、良好に密閉型電池を製造することができる。

ここで、絶縁リング８は板状部材を比較的簡単な打ち抜き加工によって得ることができ、インジェクション成形等の形成方法に比べて低コストで作製できる利点もある。すなわち従来の絶縁リングでは、例えば円盤状の本体部周縁に立体的なフランジ部を設ける形状のものが存在するが（詳しくは特開平８−２６４１７３号公報を参照）、これを形成するためにはインジェクション装置等が必要である。これに対して本発明では特別な装置や製造システムを構築しなくても、比較的容易に本発明を実現することができるというメリットもある。なお、このようなコストの問題がそれほど大きくない場合には、勿論インジェクション法で本実施の形態の絶縁リング８を作製しても構わない。

また、絶縁リング８の開口部として、ここでは扇状開口部８３を設ける例を示したが、当然ながらタブ７１の折り返し部分が絶縁リング８の内周よりも内側に位置し、絶縁リング８の一部が集電体７のタブ７１と本体部７０の間に介在されるような形状であれば、これ以外の形状の開口部を設けるようにしてもよい。この場合、絶縁リング８の中心点Ｏに対して偏芯する位置に、タブ７１を十分挿通できる大きさで、且つタブ７１先端を載置できる幅広領域を持つ形状の開口部を設けるようにする。扇状以外の形状としては、絶縁リング８の主面方向から見て、横長の矩形状、楕円状等を例示できる。

また、本発明の絶縁リング８は、正極集電体７が短冊状のタブ７１を持つ場合、当該タブ７１先端の全体を載置する構成であることが望ましいが、短冊状のタブ７１の少なくとも一端のみを載置する構成としても、それなりの効果は望める。しかしながら、タブ７１先端と本体部７０との不要な接触を確実に防止するためには、本実施の形態のように、領域Ａによって、タブ７１先端の全体と本体部７０とを離間させることが好適である。

さらに、絶縁リング８の開口部は部分的に外部に連通する領域を備えていてもよいが、ある程度の部材強度を確保するために、なるべく切れ込みの無い環状の開口部を持つようにするのが望ましい。
１-３.密閉型電池の製造方法
ここでは、上記絶縁リング８を用いた電池の製造工程の全体的な流れについて説明する。

所定のサイズに形成した上記構成の正極板１、負極板２を、セパレータ３を介して巻き回し、電極体４を作製する。
この電極体４と、負極集電体５とを外装缶６に収納し、当該外装缶６に所定の電解液を注液する。一方、正極集電体７には絶縁リング８を挿通し、これを電極体４の上に載置するように収納する。このときタブ７１の先端は、図３（b）のＡに示すように、絶縁リング８の幅広部分である第二のリング部８１に載置される。

次に封口体１２を外装缶６の開口部に嵌合する。
その後電池の上下方向から、封口体１２と外装缶底部６２に溶接電極Ｗ１、Ｗ２を押圧させるように配置し（図４（ａ）を参照）、ダイレクト抵抗溶接を行う。これによって、一体的に負極集電体５を電極体４の負極板と外装缶底部６２に溶接し、且つ、正極集電体７を電極体４の正極板と封口体１２の正極端子１３に溶接する。なお、電極体４と各集電体７、８は、前記ダイレクト抵抗溶接を行う前に予めスポット溶接などの方法で抵抗溶接するようにしてもよい。

その後は封口体１２周囲についてカシメ封口を行い、電池内部を封止する（図４（ｂ）。この封止工程は、カシメ以外の方法、例えばレーザ封口などで行っても良い。
これによって、密閉型電池が完成される。
２.実施例
ここでは上記密閉型電池の製造方法に基づき、実施例電池を作製するとともに、その性能測定を行った。当該電池は、容量２５００ｍＡｈのＳＣサイズとして作製した。

一方、比較例電池として、図６に示す従来型の絶縁リングを用いた以外は実施例電池と同様の構成を持つ電池も併せて作製した。
これらの実施例或いは比較例電池をそれぞれ複数個作製し、封口体１２の溶接強度のバラツキ程度を調査した。具体的には抵抗溶接した封口体１２について引っ張り試験を行い、破断強度を測定するものとした。この試験により得られる数値にバラツキが多いほど抵抗溶接の強度にバラツキが多く、密閉型電池の性能として優れないことが示される。

以下の表に実験結果を示す。なお、表中の「平均値」は、実施例電池或いは比較例電池の測定平均値を示すものである。

上記表１に示されるように、実験の結果では、明らかに実施例電池の実測値が比較例電池の実測値に比べて収束しており、強度バラツキが抑制されているのが確認できる。このような測定結果は実施例電池での溶接強度が向上されていることを示すものであるが、より具体的には、実施例電池では絶縁リングの介在によって、ダイレクト抵抗溶接時に正極電極体４の本体とタブ７１との不要な接触が回避されることで安定した抵抗溶接がなされていることを示すものと推測される。

３.その他の事項
上記実施の形態では、正負極板をセパレータを介して巻き回してなる電極体４を用いる構成について説明したが、電極体４はこれ以外の構成、例えば短冊状の正負極板、セパレータを用いて構成してもよい。
また、上記実施の形態では円筒型電池について説明したが、本発明は角形外装缶を有する密閉型電池にも適用可能である。ただし、集電体および絶縁リングの形状は、当然ながら当該角形外装缶の形状に合わせ、例えば長方形状に形成する必要があるのは言うまでもない。

本発明は、ニッケル水素化合物蓄電池など、金属製外装缶を備えたアルカリ蓄電池に適用可能である。

実施の形態１における円筒型アルカリ蓄電池の断面斜視図である。 絶縁リング（正極ワッシャー）の構成を示す図である。 正極集電体と絶縁リングの組図である。 製造時における溶接工程およびカシメ工程の様子を示す図である。 正極集電体付近の構成を示す部分的な拡大断面図である。 従来の絶縁リングの形状を示す図である。

符号の説明

１ 正極板
２ 負極板
３ セパレータ
４ 電極体
５ 負極集電体
６ 外装缶
７ 正極集電体
８ 絶縁リング（防振リング或いは正極ワッシャー）
１２ 封口体
６２ 外装缶底部
６３ くびれ部
７０ 本体部
７１ タブ
８１ 第二のリング部
８２ 第一のリング部
８３ 扇状開口部

Claims (6)

1. 正負極板をセパレータを介して重ねてなる電極体が外装缶に収納され、前記正負極板のいずれかが封口体の端子に集電体を介して電気接続され、外装缶が前記封口体で封口されてなる密閉型電池であって、
   集電体は、本体部と、当該本体部から延出されたタブを一体的に備える板状部材からなり、当該集電体が環状の絶縁リングに挿通され、且つ、前記折り返されたタブの先端と本体部との間に前記絶縁リングの一部が介在され、
   本体部が電極体と抵抗溶接されているとともに、タブが本体部に折り返されて前記端子に抵抗溶接された構成であることを特徴とする密閉型電池。
2. 前記外装缶は円筒型であって、前記集電体は円盤状本体部と短冊状タブからなり、
   絶縁リングは板状部材を中抜きして形成され、第一のリング部と、当該リング中心から内周までの距離が、前記第一のリング部より小さい第二のリング部とを有しており、
   短冊状タブが絶縁リングに挿通されて折り返されたのち、当該タブ先端が前記第二のリング部に載置される構成である
   ことを特徴とする請求項１に記載の密閉型電池。
3. 絶縁リングの開口部は扇状であり、当該扇状開口部の弧に相当する領域に前記第一のリング部が形成されるとともに、当該扇状開口部の要に相当する領域に前記第二のリング部が形成されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の密閉型電池。
4. 前記絶縁リング部は、その外周が多角形状に形成されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の密閉型電池。
5. 正負極板がセパレータを介して重ねてなる電極体を外装缶に収納するとともに、当該正負極板のいずれかを集電体を介して封口体に配された端子と電気接続する密閉型電池の製造方法であって、
   本体部と、当該本体部から延出されたタブを一体的に備える板状部材からなる集電体を用い、前記タブを絶縁リングに挿通する挿通ステップと、
   前記タブを前記本体部に向けて折り返した状態で当該両者を絶縁リングで絶縁しつつ、前記タブを前記端子に抵抗溶接するタブ溶接ステップと
   を有することを特徴とする密閉型電池の製造方法。
6. 前記外装缶は円筒型であって、前記集電体は円盤状本体部と短冊状タブを備え、且つ、前記絶縁リングは板状体からなり、その主面の周囲に沿って第一のリング部と、当該第一のリング部より幅広の第二のリング部とが設けられており、
   短冊状タブが絶縁リングに挿通されて折り返されたのち、当該タブ先端を前記第二のリング部に載置させ、当該外装缶の底部と封口体の上部にそれぞれ溶接電極を接触させることにより、前記タブ溶接ステップを行う
   ことを特徴とする請求項５に記載の密閉型電池の製造方法。

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