JP4942365B2 - 円筒形電池 - Google Patents

Description

本発明は、円筒形電池に関する。

代表的な円筒形電池としては、円筒形のアルカリ蓄電池があり、その中でも、ニッケル水素蓄電池は、大容量且つクリーンである等の理由によって、近年、需要が拡大の一途を辿っている。
円筒形アルカリ蓄電池は、一端が開口した有底円筒状の外装缶を備える。外装缶の内部には電極群がアルカリ電解液とともに収容され、電極群は、セパレータを介して正極板及び負極板を渦巻状に巻回して形成される。外装缶を密封するため、外装缶の開口端には蓋材が配置され、蓋材の外周部を拘束するように、外装缶の開口端側の部位はかしめ加工される（特許文献１参照）。

ここで、外装缶は、板材を深絞り加工して円筒状に成形されるけれども、開口端側の部位が薄肉になると、かしめ加工した部位(かしめ部)の強度が不足し、蓋材と外装缶との間のシール性が損なわれる。そこで、特許文献１の電池に用いられた外装缶は、かしめ加工される部位が肉厚に成形されている。
一方、ニッケル水素蓄電池に対しては、大容量化の要求が絶えず、従来、外装缶を薄肉化して電極群の体積を増大することが行われてきた。
特開平5-114389号公報

特許文献１の電池では、確かに、かしめ部が肉厚に形成されて高強度であるため、かしめ部による蓋材の拘束力（封口強度）が高く、外装缶の内部が高圧になったとしても、蓋材と外装缶との間のシール部から電解液やガスの漏出が防止されるものと考えられる。しかしながら、電池の高容量化を図るべく電極群を囲む外装缶の部分を薄肉化した場合、かしめ部と電極群との間に位置する外装缶の部分（境界部分）も薄肉になると、かしめ加工の際に、この境界部分が潰れてしまう虞がある。

本発明は上述の事情に基づいてなされたものであって、その目的とするところは、外装缶の薄肉化による高容量化に適し、封口強度及びシール性が高く、外装缶の変形及び内部ショートが防止された円筒形電池を提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明によれば、開口端側に肉厚部を有し且つ端壁側に前記肉厚部よりも薄肉な薄肉部を有する円筒状の外装缶と、前記外装缶の薄肉部によって囲まれ、セパレータを介して渦巻き状に巻回された正極板及び負極板を含む電極群と、前記外装缶の開口端に配置された蓋材と、前記外装缶の肉厚部をかしめ加工して形成され、前記蓋材の外周縁を拘束するかしめ部とを備え、前記肉厚部と前記正極板及び負極板の双方との間の距離は0mm以上1.2mm以下であることを特徴とする円筒形電池が提供される（請求項１）。

好適な態様として、前記肉厚部の厚さは、前記薄肉部の厚さの100%を超え且つ150%以下の範囲にある（請求項２）。
好適な態様として、前記肉厚部は、前記薄肉部側にテーパを有する（請求項３）。
好適な態様として、前記かしめ加工されるよりも前において、前記肉厚部のテーパのテーパ角度は、０度を超え５度以下の範囲にある（請求項４）。

好適な態様として、前記肉厚部と前記正極板及び負極板の双方との間の距離は0mm以上0.5mm以下である（請求項５）。

本発明の請求項１の円筒形電池では、外装缶の肉厚部にかしめ部が形成されているため、かしめ部の強度が高い。このため、かしめ部による封口強度が高く、蓋材が外装缶のかしめ部から外れ難く、且つ蓋材の外周部と外装缶のかしめ部との間でのシール性が高い。この一方、かしめ部の強度を確保したことで、電極群を囲む外装缶の薄肉部をより薄くすることが可能になり、電極群を大径化し、もって高容量化が図られる。

そして、この電池では、外装缶の肉厚部と電極群の正極板及び負極板との間の距離が1.2mm以下であるため、かしめ部と電極群との間に位置する外装缶の部位が、かしめ加工の際に潰れ難い。
また、この距離が0mm以上であるため、正極板と負極板とが重なり合っている電極群の部位が肉厚部によって囲まれることはない。従って、肉厚部が正極板及び負極板を径方向にて過剰に締め付けることはなく、セパレータを破って正極板及び負極板が直接接触することが防止される。

これらの結果として、この電池は、外装缶の薄肉化による高容量化に適し、封口強度及びシール性が高く、外装缶の変形及び内部ショートが防止される。
請求項２の円筒形電池では、肉厚部の厚さが、薄肉部の厚さの100%を超え且つ150%以下の範囲にあるため、肉厚部の強度が薄肉部の強度よりも強くなり過ぎることがない。この結果として、かしめ加工の際、肉厚部と薄肉部との境界近傍に位置する外装缶の部位の潰れが防止される。

請求項３の円筒形電池では、肉厚部が薄肉部側にテーパを有するため、かしめ加工の際、肉厚部と薄肉部との境界近傍に位置する外装缶の部位に応力が集中するのが防止される。この結果として、かしめ加工の際、肉厚部と薄肉部との境界近傍に位置する外装缶の部位の潰れが防止される。
請求項４の円筒形電池では、かしめ加工されるよりも前において、外装缶のテーパのテーパ角度は、０度を超え５度以下の範囲にあるため、かしめ加工の際、肉厚部と薄肉部との境界近傍に位置する外装缶の部位の潰れがより確実に防止される。

請求項５の円筒形電池では、外装缶の肉厚部と電極群の正極板及び負極板との間の距離が0.5mm以下であるため、かしめ部と電極群との間に位置する外装缶の部位の潰れがより確実に防止される。特に、テーパ角度が５度以下で且つ距離が0.5mm以下であれば、肉厚部の厚さが薄肉部の厚さの150%を超えても、外装缶の潰れが防止される。

図１は、本発明に係る一実施形態の円筒形電池として、ニッケル水素蓄電池を示す。
この電池は、例えば高さHが50.2mmで外径φが14.0mmのAAサイズの円筒形電池であり、一端が開口した有底円筒形状をなす外装缶１０を備える。外装缶１０の底壁の外面は、導電性を有した負極端子として機能する。
外装缶１０内には略円柱状の電極群１２が電解質としてのアルカリ電解液（図示せず）とともに収容され、電極群１２の一端と外装缶１０の底壁との間には、絶縁板１４が配置されている。電極群１２は、それぞれ帯状の正極板１６、負極板１８及びセパレータ２０からなり、渦巻状に巻回された正極板１６と負極板１８との間にセパレータ２０が挟まれている。即ち、セパレータ２０を介して正極板１６及び負極板１８が互いに重ね合わされている。電極群１２の最外周は負極板１８の一部（最外周部）により形成され、負極板１８の最外周部が外装缶１０の周壁の内面と接触することで、負極板１８と外装缶１０とは互いに電気的に接続されている。

なお、正極板１６としては、焼結式又は非焼結式のニッケル電極を用いることができ、負極板１８としては、水素吸蔵合金電極を用いることができる。また、セパレータ２０としては、例えばポリオレフィン系繊維の不織布に親水基を付加したものを用いることができ、アルカリ電解液としては、例えば、水酸化カリウム水溶液、水酸化リチウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液又はこれらの混合溶液を用いることができる。

電極群１２の他端に位置する正極板１６の部位には、正極リード２２の一端が接続され、正極リード２２の他端は、導電性を有する円形の蓋板２４の内面に溶接されている。蓋板２４は中央にガス抜き孔２６を有し、蓋板２４の外面上にはガス抜き孔２６を塞ぐようにゴム製の弁体２８が配置されている。更に、蓋板２４の外面上には、弁体２８を覆うフランジ付き円筒形状の正極端子３０が固定され、正極端子３０は弁体２８を蓋板２４に押圧している。

従って、通常時、ガス抜き孔２６は、弁体２８によって気密に閉塞される。一方、外装缶１０内でガスが異常に発生し、その内圧が高まった場合には弁体２８が圧縮され、ガス抜き孔２６を通して外装缶１０からガスが放出される。つまり、蓋板２４、弁体２８及び正極端子３０は、安全弁を形成している。
蓋板２４は、外装缶１０の開口端に位置し、蓋板２４の外周部と外装缶１０の内周面との間には絶縁ガスケット３２が挟まれている。これら蓋板２４及び絶縁ガスケット３２は、電極群１２よりも開口端側の外装缶１０の部分をかしめ加工することによって外装缶１０の開口端に固定され、絶縁ガスケット３２によって、蓋板２４の外周部と外装缶１０との間が絶縁されるとともにシールされる。以下では、蓋板２４、弁体２８、正極端子３０及び絶縁ガスケット３２をまとめて蓋材ともいう。

より詳しくは、外装缶１０の端縁は、径方向内側に折り曲げられて、内向き鍔部３６を形成している。内向き鍔部３６から所定距離だけ離れた外装缶１０の周壁の部位には、径方向内側に突出する縮径部３８が形成され、内向き鍔部３６及び縮径部３８は互いの間に位置する蓋板２４の外周部及び絶縁ガスケット３２を外装缶１０の軸線方向、すなわち蓋板２４の厚さ方向に挟み込む。

ここで、図２は、外装缶１０の材料としての材料缶４０を示し、材料缶４０に電極群１２が挿入され、その後、かしめ加工が行われる。材料缶４０は、絞り加工によって板材を成形することによって得られ、材料缶４０の素材としては、JIS G3141に規定されたSPCD（絞り用）及びSPCE（深絞り用）等の冷間圧延鋼板を用いることができる。材料缶４０の内面又は外面には、必要に応じてNiめっき等の表面処理が施されていてもよいが、冷間圧延鋼板そのものが露出していてもよい。

材料缶４０は、一端が開口した有底円筒状をなすけれども、その周壁の厚さは、部位によって異なる。具体的には、開口端側の周壁の部位（以下、肉厚部ともいい、符号４２を付す）は、底壁側の残りの周壁の部位（以下、薄肉部ともいい、符号４４を付す）よりも肉厚である。肉厚部４２の厚さTdは、薄肉部４４の厚さTtの100%を超え150％以下の範囲にあるのが好ましく、110%以上135%以下の範囲にあるのがより好ましい。なお、材料缶４０の底壁の厚さTbは、肉厚部４２の厚さTdよりも厚い。

そして、薄肉部４４側の肉厚部４２の部位には、テーパ４６を設けるのが好ましい。ただし、周壁の内径は、肉厚部４２から薄肉部４４に渡り一定であり、テーパ４６は周壁の外周面に付けられる。テーパ４６のテーパ角度θは、０度を超え５度以下であるのが好ましい。
以下、上述した電池の組み立て方法の一例を概略的に説明する。

材料缶４０に電極群１２を挿入した後、材料缶４０に縮径部３８を形成する。縮径部３８の形成後、他端が蓋材の蓋板２４に溶接された正極リード２２の一端を正極板１６の所定部位に溶接する。蓋材を材料缶４０の開口端に配置してから、材料缶４０の端縁を径方向内側に折り曲げ、内向き鍔部３６を形成する。この後、図３に示したように、材料缶４０の外径を開口端から底壁に渡り金型４９で縮径し、図１に示した電池が得られる。なお、アルカリ電解液は、電極群１２の挿入後、蓋材を材料缶４０の開口端に配置するまでの間に材料缶４０内に注入される。

ここで、本明細書では、材料缶４０に内向き鍔部３６及び縮径部３８を形成する工程をまとめてかしめ加工ともいい、内向き鍔部３６から縮径部３８に渡る外装缶１０の部位をかしめ部５０ともいう。
かしめ部５０は、材料缶４０の肉厚部４２をかしめ加工して形成されており、電極群１２を囲む外装缶１０の部位よりも肉厚である。すなわち、材料缶４０の肉厚部４２に対応して、外装缶１０は開口端側に肉厚部５２を有し、また、材料缶４０の薄肉部４４に対応して、外装缶１０は、肉厚部５２よりも薄く且つ電極群１２を囲む薄肉部５４を有する。

そして、再び図１を参照すると、この電池では、軸線方向でみて、肉厚部５２と電極群１２の正極板１６及び負極板１８の双方との距離Lは、0mm以上1.2mm以下の範囲にあり、好ましくは、0mm以上0.5mm以下の範囲にある。
なお、前述の縮径工程によって、かしめ部５０から底壁に渡り外装缶１０の外径は一定にされるため、材料缶４０のテーパ４６に対応して、外装缶１０の内周面側にテーパ５６が形成される。従って、距離Lは、テーパ５６と正極板１６及び負極板１８の双方との間の距離でもある。

上述したニッケル水素蓄電池では、外装缶１０の肉厚部５２にかしめ部５０が形成されているため、かしめ部５０の強度が高い。このため、かしめ部５０による封口強度が高く、蓋材が外装缶１０のかしめ部５０から外れ難く、且つ蓋材の外周部と外装缶１０のかしめ部５０との間でのシール性が高い。この一方、かしめ部５０の強度を確保したことで、電極群１２を囲む外装缶１０の薄肉部５４をより薄くすることが可能になり、電極群１２を大径化し、もって高容量化が図られる。

そして、この電池では、外装缶１０の肉厚部５２と電極群１２の正極板１６及び負極板１８との間の距離Lが1.2mm以下であるため、かしめ部５０と電極群１２との間に位置する外装缶１０の部位が、かしめ加工の際に潰れ難い。
また、この距離Lが0mm以上であるため、正極板１６と負極板１８とが重なり合っている電極群１２の部位が肉厚部５２によって囲まれることはない。従って、肉厚部５２が正極板１６及び負極板１８を径方向にて過剰に締め付けることはなく、セパレータ２０を突き破って正極板１６及び負極板１８が直接接触することが防止される。

これらの結果として、この電池は、外装缶１０の薄肉化による高容量化に適し、封口強度及びシール性が高く、外装缶１０の変形及び内部ショートが防止される。
本発明は上記した一実施形態に限定されることはなく、種々変形が可能である。
例えば、一実施形態において、肉厚部５２及び薄肉部５４の厚さは、特に限定されないが、肉厚部５２の厚さは、薄肉部５４の厚さの100%を超え且つ150%以下の範囲にあるのが好ましい。この場合、肉厚部５２の強度が薄肉部５４の強度よりも強くなり過ぎることがなく、かしめ加工の際、肉厚部５２と薄肉部５４との境界近傍の外装缶１０（材料缶４０）の部位の潰れが一層防止される。

一実施形態では、肉厚部５２が薄肉部５４側にテーパ５６を有していたけれども、段差をもって肉厚部５２と薄肉部５４とが連なっていてもよい。ただし、肉厚部５２が薄肉部５４側にテーパ５６を有するのが好ましく、この場合、かしめ加工の際、肉厚部５２と薄肉部５４との境界近傍に位置する外装缶１０（材料缶４０）の部位に応力が集中するのが防止される。この結果として、かしめ加工の際、肉厚部５２と薄肉部５４との境界近傍に位置する外装缶１０（材料缶４０）の部位の潰れが一層防止される。

そして、この場合、外装缶１０のテーパ５６のテーパ角度、換言すれば、材料缶４０のテーパ４６のテーパ角度θは、特に限定されないけれども、０度を超え５度以下の範囲にあるのが好ましい。かしめ加工の際、肉厚部５２と薄肉部５４との境界近傍に位置する外装缶１０（材料缶４０）の部位の潰れがより確実に防止されるからである。
なお、本発明の円筒形電池は、アルカリ蓄電池のみならず、一次電池にも適用可能なのは勿論であるけれども、電池内圧が高くなるニッケル水素蓄電池等のアルカリ蓄電池に特に適する。

１．電池の組立て
表１に示した仕様の材料缶を用いたこと、及び、実施例の電池においては外装缶１０の肉厚部５２と、正極板１６及び負極板１８との間の距離Lを表１に示した値にしたこと以外は同一の条件にて、実施例及び比較例のAAサイズの円筒形ニッケル水素蓄電池を作成した。なお、距離Lは、電極群１２の高さを増減することによって調整した。

２．電池の評価
（１）缶潰れの確認
実施例及び比較例の各電池を100個ずつ組み立て、かしめ加工の際に外装缶が潰れた電池の個数を数えた。この結果を、缶潰れ発生率として表１に示す。
（２）封口強度
実施例及び比較例の電池の外装缶に貫通孔を形成し、この貫通孔を通じて電池内部に高圧ガスを供給した。そして、蓋材と外装缶のかしめ部との間からガスが漏出した圧力を、封口強度として測定した。この結果もあわせて表１に示す。

３．評価結果
表１から以下のことが明らかである。
（１）実施例１〜９の結果より、肉厚部によって外装缶のかしめ部を形成し、薄肉部によって電極群の正極板及び負極板を囲む部分を形成することで、封口強度を低下させることなく、電池内容積を拡大することができる。
（２）実施例１〜９の結果より、肉厚部の厚さが、薄肉部の厚さの135%以下であることによって、缶潰れが確実に防止される。
（３）実施例10〜21の結果より、テーパ角度θが、５度以下であることによって、缶潰れが確実に防止される。
（４）実施例22〜34の結果より、距離Lが、0.5mm以下であることによって、缶潰れが確実に防止される。
（５）実施例35〜37の結果より、テーパ角度θが５度以下で且つ距離Lが0.5mm以下であることによって、肉厚部の厚さを、薄肉部の厚さの150%を超えて増大しても、缶潰れが防止される。

一実施形態のニッケル水素蓄電池の縦断面を示す図である。 図１の電池に用いられた材料缶の縦断面を概略的に示す図である。 図１の電池の組み立て工程のうち、電池外径を縮径する工程を示す図である。

符号の説明

１０ 外装缶
１２ 電極群
１６ 正極板
１８ 負極板
２０ セパレータ
２４ 蓋板（蓋材）
２８ 弁体（蓋材）
３０ 正極端子（蓋材）
３２ 絶縁ガスケット（蓋材）
５０ かしめ部
５２ 肉厚部
５４ 薄肉部

Claims (5)

1. 開口端側に肉厚部を有し且つ端壁側に前記肉厚部よりも薄肉な薄肉部を有する円筒状の外装缶と、
   前記外装缶の薄肉部によって囲まれ、セパレータを介して渦巻き状に巻回された正極板及び負極板を含む電極群と、
   前記外装缶の開口端に配置された蓋材と、
   前記外装缶の肉厚部をかしめ加工して形成され、前記蓋材の外周縁を拘束するかしめ部とを備え、
   前記肉厚部と前記正極板及び負極板の双方との間の距離は0mm以上1.2mm以下である
   ことを特徴とする円筒形電池。
2. 前記肉厚部の厚さは、前記薄肉部の厚さの100%を超え且つ150%以下の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の円筒形電池。
3. 前記肉厚部は、前記薄肉部側にテーパを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の円筒形電池。
4. 前記かしめ加工されるよりも前において、前記肉厚部のテーパのテーパ角度は、０度を超え５度以下の範囲にあることを特徴とする請求項３に記載の円筒形電池。
5. 前記肉厚部と前記正極板及び負極板の双方との間の距離は0mm以上0.5mm以下であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の円筒形電池。

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