JP4749013B2 - 電池 - Google Patents

Description

本発明は、ニッケル−水素電池、ニッケル−カドミウム電池、リチウムイオン電池などの二次電池に係り、特に、電池の端子が通電のオン、オフのスイッチを兼ねている構造を有する電池に関するものである。

近年、携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ等の電子機器の高性能化、小型化により、その駆動電源として使用される電池は、より高いエネルギー密度のものが要求されるようになってきている。このような電池のエネルギー密度化に伴って、電池の安全性を確保することが、極めて重要となっている。

従来、上記電池の安全性を確保するため、発電要素と、正又は負極端子と、他の極端子を兼ねる外装缶とを有する化学電池において、電池の異常時に発生するガス圧又は反応熱にて駆動する駆動部材により、電極に接続された絶縁材を介して電池容器を密封している仕切板と極端子との間の導通を遮断する方法等が知られている。

また、異常圧力となった電池の発電要素を切り離す電池の安全保護装置としては、下記特許文献１に示すように、電極群に電気的接続された封口体本体と、封口体本体から絶縁されて固定された金属製の端子キャップと、封口体本体から端子キャップへの電気的導通の接点部を有する復帰型スイッチと、電池外装缶内の圧力上昇に伴って外側方向に変位する非復帰型の防爆弁とを備え、上記接点部は、上記防爆弁の外側方向への変位に押されて離れ、端子キャップへの電気的導通を遮断するものが提案されている。

特開平９−３２０５６２号公報

しかしながら、上記従来技術では、電池使用時に電池内圧力が上昇する等の異常が発生すると安全装置が機能するが、異常の発生が予測されないとき迄も安全装置の作動を期待するものではない。未使用時に、他の電池や金属片などが電池と接触することにより短絡する虞があり、短絡したときには電池の劣化を引き起こす場合があるという課題を有していた。

本発明は上記問題点を解消するためになされたものであって、電池未使用中であっても外部短絡を抑制できる電池を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、正負両極を備えた発電要素が有底筒状の外装缶内に収納され、この外装缶が上記正負両極のうち一方の極と電気的に導通されて一方の極の端子を構成すると共に、上記外装缶の開口部には、上記正負両極のうち他方の極と電気的に導通された封口体と、この封口体と電気的に導通されることにより他方の極の端子を構成する電池キャップとが、上記外装缶とは絶縁状態で電池内部側から順に設けられた電池において、電池の未使用時には上記電池キャップと封口体とが電気的に導通されず、電池の使用時には上記電池キャップと封口体とが電気的に導通されることを特徴とする。

上記構成であれば、電池の使用時には、正負両極のうち他方の極と電気的に導通された封口体と電池キャップとが電気的に導通されるので、通電可能状態となる一方、電池の未使用時には、封口体と電池キャップとが電気的に導通されないので通電不能状態となる。したがって、電池の未使用時に、他の電池や金属片などが電池キャップと外装缶とに接触した場合であっても、外部短絡するのを抑制することができ、安全性に優れた使い勝手の良い電池を得ることができる。

また、電池の運搬等においても外部短絡するのを抑制することができるので、外装缶の周りに設けられた絶縁チューブが不要となり、電池の製造コストが削減できる。加えて、電池にオン、オフスイッチが内蔵されているので、電池が使用される機器の電源スイッチの部品数削減も可能となり、当該機器のコストも削減できる。

請求項２記載の発明は請求項１記載の発明において、前記電池キャップと前記封口体との間には、両者を離間する方向に付勢する付勢手段が設けられており、この付勢手段の付勢力が、電池が装着される機器に設けられた付勢手段の付勢力よりも小さくなるように構成されることを特徴とする。

上記構成の如く、電池キャップと封口体との間に、両者を離間する方向に付勢する付勢手段が設けられていれば、電池の未使用時に、封口体と電池キャップとが電気的に導通されるのを抑制でき、しかも、付勢手段の付勢力が、電池が装着される機器に設けられた付勢手段の付勢力よりも小さくなっていれば、電池の使用時には、電池キャップと封口体とが確実に電気的に導通されることになる。

請求項３記載の発明は請求項２記載の発明において、前記電池キャップは、上壁が設けられた筒状の本体部と、この本体部の開口端に設けられた外向鍔部とからなり、上記本体部の内部に上記付勢手段が配置されていることを特徴とする。
上記構成の如く、筒状の本体部の内部に付勢手段が配置されていれば、付勢手段が本体部内に保持されるので、電池キャップと封口体とに確実に付勢力が付与されることになる。

請求項４記載の発明は請求項３記載の発明において、前記封口体における前記外向鍔部に対応する位置には、接点用突起が設けられていることを特徴とする。
上記構成であれば、外向鍔部の下面と封口体の上面の一方が面一となっていない場合でも、電池キャップの外向鍔部と封口体との接地面積をある程度確保することができるので、電池の内部抵抗の増加を抑制することができる。

請求項５記載の発明は請求項３又は４記載の発明において、前記外向鍔部の周縁の少なくとも一部には、前記電池キャップの移動を案内するためのガイドが設けられていることを特徴とする。
上記構成の如く、電池キャップの移動を案内するためのガイドが外向鍔部の周縁に設けられていれば、電池キャップが傾いて押し下げられるのを抑制できるので、電池キャップの外向鍔部と封口体との接地面積が小さくなることによる電池の内部抵抗の増加を抑えることができる。

本発明によれば、電池が未使用中であっても外部短絡が発生するのを抑制できると共に、外装缶の周りに設けられた絶縁チューブが不要となるので、電池の製造コストが削減でき、しかも、電池が使用される機器の電源スイッチの部品数削減も可能となるので、当該機器のコストも削減できるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の内容を、図１〜図３に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の最良の形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能なものである。

図１は本発明の一実施例における電池の断面図、図２は電池の未使用時における封口部近傍の拡大断面図、図３は電池の使用時における封口部近傍の拡大断面図である。

図１及び図２に示すように、本発明の一例に係るＡＡサイズ（単３サイズ）のニッケル−水素電池は、鉄ニッケルめっき製で有底円筒状をなす外装缶１を有しており、この外装缶１内には、ニッケル発泡体から成る芯体に水酸化ニッケルを主成分とする正極活物質層が形成された正極と、パンチングメタルから成る芯体に水素吸蔵合金よりなる負極活物質層が形成された負極と、これら両電極を離間しポリプロピレン製不織布からなるセパレータとから成る渦巻状電極体（発電要素）２が収納されている。尚、この渦巻状電極体２の最外周には、上記負極が配置される構造となっており、渦巻状電極体２の下面と外装缶１の底部との間には負極集電体２２が配置されている。また、上記外装缶１内には、３０質量％の水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液よりなる電解液が注入されている。更に、上記外装缶５の開口部には、ナイロンから成る絶縁性の絶縁パッキング６を介して、封口体３と、蓋体５と、これら封口体３と蓋体５との間に配置された絶縁体４とがかしめ固定されており、これによって電池が封口される。

ここで、上記封口体３は鉄ニッケルめっき製で円盤状をなしており、図２に示すように、その中央部には、電池内部圧力上昇時等の異常時にガスを排出するためのガス抜き孔３ａが形成されている。また、上記封口体３の下面（渦巻状電極体２側の面）中央部には安全弁１１が設けられている。この安全弁１１は、封口体３の下面に固定され中央部にガス抜き孔８ａが形成された皿状の保持体８と、上記ガス抜き孔８ａを塞ぐ弁体９と、この弁体９と上記封口体３との間に介装されて、弁体９をガス抜き孔８ａ方向に押圧するスプリング１０とから構成される。このような構造とすることにより、通常時には、ガス抜き孔８ａは弁体９に塞がれて電池内が密閉される一方、電池内部圧力上昇時等の異常時には、スプリング１０の付勢力に抗して弁体９が持ち上げられて、上記ガス抜き孔８ａ、３ａと、後述の電池キャップ１２の本体部１３に形成されたガス抜き孔１３ａとを通って電池外に排出される構造である。尚、上記保持体８と渦巻状電極体２の正極集電体２０とは、正極集電体２０と一体的に設けられた正極タブ２１により電気的に接続されている。

上記絶縁体６はリング状のポリプロピレンからなり、封口体３と蓋体５とを絶縁している。絶縁体６の厚みＬ２は、後述の電池キャップ１２の外向鍔部１４の厚みＬ１よりも大きくなるように構成されており、これによって、通常状態において封口体５と電池キャップ３とが接するのを防止している。尚、本形態では、絶縁体６の厚みＬ２を２ｍｍとしている。

更に、上記蓋体５は鉄ニッケルめっき製であり、その中央部には透孔５ａが形成されている。この透孔５ａには正極端子としての役割を有する鉄ニッケルめっき製の電池キャップ１２が挿通されている。この電池キャップ１２は、上壁１３ｂが設けられた円筒状の本体部１３と、この本体部１３の開口端に本体部１３と一体的に設けられた外向鍔部１４とからなる。上記本体部１３の側壁（筒部）１３ｃには、電池内部圧力上昇時等の異常時に電池内のガスを排出するためのガス抜き孔１３ａが形成されている。上記本体部１３の外径Ｌ３は上記透孔５ａの内径Ｌ４よりも小さくなるように構成されて、電池キャップ１２が下方向（図２中、Ａ方向）に円滑に移動できるようになっている。一方、上記外向鍔部１４の外径Ｌ５は上記透孔５ａの内径Ｌ４よりも大きくなるように構成されて、電池キャップ１２の抜けを防止している。

また、上記本体部１３の上壁１３ａにおける内側面には、ポリプロピレンからなる絶縁板１６が設けられており、この絶縁板１６と前記封口体３との間にはスプリング１５が介装されている。このスプリング１５の付勢力は指で正極端子を簡単に押せる程度、具体的には、電池キャップ１２を封口体３に当接させる際の力が５００ｇ（即ち、絶縁体４の厚みＬ２は２ｍｍであることから、約２５０ｇ／ｍｍ）に設定される一方、ＡＡサイズの電池が装着される機器（図示せず）に電池を装着した場合の機器側スプリングの付勢力は約７００ｇに設定されている。このため、電池が機器に装着された場合には、スプリング１５の付勢力に抗して電池キャップ１２が電池内方（図２中、Ａ方向）に移動して、図３に示すように、電池キャップ１２の外向鍔部１４と、正極と電気的に接続された封口体３とが接触する。この結果、電池内部のエネルギーを電池外に取り出すことができる。尚、電池が機器から取り外された場合には、スプリング１５の付勢力により、電池キャップ１２が電池外方（図３中、Ｂ方向）に移動して、図２に示すような状態に復帰する。

ここで、上記構造のニッケル−水素電池を、以下のようにして作製した。先ず、ニッケル発泡体（芯体）に水酸化ニッケルを主成分とするペースト状正極活物質を充填し、乾燥させた後、所定の厚みになるまで圧延することにより、ニッケル正極板を作製した。これと並行して、パンチングメタル（芯体）に水素吸蔵合金を主成分とするペースト状負極活物質を充填し、乾燥させた後、所定の厚みになるまで圧延することにより水素吸蔵合金負極板を作製した。

次に、このようにして作製したニッケル正極板と水素吸蔵合金負極板とを、ポリプロピレン製不織布からなるセパレータを介して最外周が負極板となるようにして渦巻状に巻回し、これにより渦巻状電極体２を作製した。次いで、正極集電体２０を上述した渦巻状電極体２の上部（正極の集電部分が露出している部位）に載置した後、溶接電流を流すことにより、渦巻状電極体２と正極集電体２０とを固着した。一方、渦巻状電極体２の下部（負極の集電部分が露出している部位）に負極集電体２２を載置して、溶接電流を流すことにより両者を固着した。

その後、有底円筒状の外装缶１を用意し、上記渦巻状電極体２を外装缶１内に挿入し、負極集電体２２と外装缶１の底部とをスポット溶接した。しかる後、外装缶１内に３０質量％の水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液よりなる電解液を注液し、更に、安全弁１１付きの封口体３を正極タブ２１の上面に載せ、通電処理を施すことにより封口体３と渦巻状電極体２の正極とを電気的に接続した。

最後に、封口体３の上部にリング状の絶縁体４を配置し、電池キャップ１２内に絶縁体１６とスプリング１５とを順次収納した後、電池キャップ１２を封口体３上に配置し、更に電池キャップ１２の先端が蓋体５の透孔５ａから突き出るように蓋体５を絶縁体１６上に配置した状態で、絶縁性パッキング６を介して外装缶１の開口端をカシメて、外装缶１の開口端に封口体３と、絶縁性パッキング６と、蓋体５とを固定することにより、ニッケル−水素電池を作製した。

〔その他の事項〕
（１）上記実施例では、図４に示すように、電池キャップ１２が傾いて押し下げられる場合が生じ、このような状態になると、電池キャップ１２の外向鍔部１４と封口体３との接地面積が小さくなって、電池の内部抵抗が増加する。そこで、図５に示すように、外向鍔部１４の外側にガイド部材３０を設けることにより、上記不都合が生じるのを回避することが可能となる。

（２）図６に示すように、電池キャップ１２の外向鍔部１４の外径を、リング状の絶縁体４の内径より若干小さくしてもよい。このような構成とすれば、電池キャップ１２の外向鍔部１４と封口体３との接地面積が大きくなって、電池の内部抵抗が減少すると共に、絶縁体４が上記（１）で示したガイド部材としての役割を発揮できるので、別途ガイド部材を設ける必要がなく、電池の製造コストを低減できる。

（３）上述したように、電池キャップ１２の外向鍔部１４の下面と封口体３の上面との接触により電池キャップ１２と封口体３とが電気的に接続される。しかし、外向鍔部１４の下面、及び封口体３の上面を共に面一にするのは困難な場合が生じ、このような状態で電池を作製すると、電池キャップ１２の外向鍔部１４と封口体３との接地面積が小さくなって、やはり電池の内部抵抗が増加する。そこで、図７に示すように、封口体３の上面に接触用突起３１を設けておけば、外向鍔部１４の下面、及び封口体３の上面の一方が面一となっていない場合でも、電池キャップ１２の外向鍔部１４と封口体３との接地面積をある程度確保することができるので、電池の内部抵抗の増加を抑制することができる。尚、接触用突起３１の形成部位としては、封口体３の上面に限定するものではなく、電池キャップ１２の外向鍔部１４の下面であっても良い。

（４）上記最良の形態では、電池キャップ１２の本体部１３の側壁（筒部）１３ｃとスプリング１５とが接触して、電池の未使用状態において電池キャップ１２と封口体３とが電気的に導通する虞がある。そこで、このような不都合を回避すべく、図８に示すように、本体部１３の側壁（筒部）１３ｃの全面に絶縁体１６を配置するような構成としても良い。また、スプリング１５として絶縁性のスプリング（例えば、金属性スプリングの表面がビニール等で覆われているもの）を用いれば、絶縁体１６を配置することなく上記不都合を回避できる。

（５）スプリング１５の位置としては、電池キャップ１２の本体部１３内に限定するものではなく、電池キャップ１２の外向鍔部１４と封口板３との間に配置しても良い。但し、この場合には、スプリング１５が外れるのを防止するための方策が別途必要となるため、電池キャップ１２の本体部１３内にスプリング１５を配置するのが望ましい。また、上記最良の形態では、単３サイズの電池の場合（この場合、機器に電池を装着した場合の機器側スプリングの付勢力は約７００ｇ）を例にとって説明したが、単１サイズ、単２サイズ、単４サイズの電池にも適用できることは勿論である。この際、機器に電池を装着した場合の機器側スプリングの付勢力は、単１サイズで約１０００ｇ、単２サイズで約９００ｇ、単４サイズで約４００ｇであるので、電池内のスプリング１５の付勢力もこれらに合わせて設定する必要がある。

（６）弾性体としては、上記スプリングに限定するものではなく、伸縮可能な樹脂やゴムであってもよい。
（７）本発明を適用できる電池としては、上記ニッケル−水素蓄電池に限定するものではなく、ニッケル−カドミウム蓄電池やリチウムイオン二次電池といった他の種類の二次電池に対しても幅広く適用することができる。また、上述の最良の形態では、円筒型の電池を用いたが、角型の電池等にも適用できることは勿論である。

本発明は、例えば携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ等の移動情報端末の駆動電源等に適用することができる。

本発明の最良の形態に係る電池の断面図である。 図１の電池の未使用時における封口部近傍の拡大断面図である。 図１の電池の使用時における封口部近傍の拡大断面図である。 図１の電池の不都合状態を示す封口部近傍の拡大断面図である。 図１の電池の変形例を示す封口部近傍の拡大断面図である。 図１の電池の変形例を示す封口部近傍の拡大断面図である。 図１の電池の変形例を示す封口部近傍の拡大断面図である。 図１の電池の変形例を示す封口部近傍の拡大断面図である。

符号の説明

１：外装缶
２：渦巻状電極体
３：封口体
１２：電池キャップ
１３：本体部
１４：外向鍔部
１５：スプリング

Claims (5)

1. 正負両極を備えた発電要素が有底筒状の外装缶内に収納され、この外装缶が上記正負両極のうち一方の極と電気的に導通されて一方の極の端子を構成すると共に、上記外装缶の開口部には、上記正負両極のうち他方の極と電気的に導通された封口体と、この封口体と電気的に導通されることにより他方の極の端子を構成する電池キャップとが、上記外装缶とは絶縁状態で電池内部側から順に設けられた電池において、
   電池の未使用時には上記電池キャップと封口体とが電気的に導通されず、電池の使用時には上記電池キャップと封口体とが電気的に導通されることを特徴とする電池。
2. 前記電池キャップと前記封口体との間には、両者を離間する方向に付勢する付勢手段が設けられており、この付勢手段の付勢力が、電池が装着される機器に設けられた付勢手段の付勢力よりも小さくなるように構成される、請求項１記載の電池。
3. 前記電池キャップは、上壁が設けられた筒状の本体部と、この本体部の開口端に設けられた外向鍔部とからなり、上記本体部の内部に上記付勢手段が配置されている、請求項２記載の電池。
4. 前記封口体における前記外向鍔部に対応する位置には、接点用突起が設けられている、請求項３記載の電池。
5. 前記外向鍔部の周縁の少なくとも一部には、前記電池キャップの移動を案内するためのガイドが設けられている、請求項３又は４記載の電池。