JP5041457B2 - 密閉型電池 - Google Patents

Description

本発明は、アルカリ乾電池などの密閉型電池に関し、さらに詳しくはＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子を備えた密閉型電池に関する。

電池の充放電時や短絡時に起こりうる過電流から電池を保護する手段の一つにＰＴＣ素子がある。これは、例えば特許文献１に記載されているように、ＰＴＣ特性（正の温度特性）を有する樹層層の両面に金属層を設けた構成で、正常な温度、電流では極めて小さい抵抗値を示すが、過剰な電流が流れたり電池温度が上昇したりすると樹脂層の抵抗が増大して電流が流れないようにするというものである。

このようなＰＴＣ素子を備えた電池は、特許文献１のほかにも多数提案されている。例えば特許文献２には、ニッケル−水素蓄電池、ニッケル−カドミウム蓄電池、リチウムイオン電池などの二次電池にＰＴＣ素子を備えたものが記載されている。これは、端子を兼ねるキャップ部と外装缶の開口部を封止する底板とで形成された弁室と、この弁室内に設けられた圧力弁とを有する封口体を用いた密閉型蓄電池において、前記キャップ部にフランジ部を形成する一方、前記底板の外周部に折り返し部を形成し、当該フランジ部と折り返し部との間にＰＴＣ素子を弾性的に固定した構成とされている。

これらの特許文献１や特許文献２にも記載されているように、ＰＴＣ素子は、これまではリチウムイオン電池などの大電流放電が可能な出力特性の高い二次電池に備えられる場合が多く、アルカリ乾電池やマンガン乾電池などの一次電池には備えられないのが通例であった。アルカリ乾電池やマンガン乾電池などの一次電池は、リチウムイオン電池等の二次電池に比べると出力特性が低かったために、外部短絡や電池の逆挿入などの誤使用があった場合でも、それほどの大電流が流れなかったからである（特許文献２参照）。

ところが、近年、アルカリ乾電池などの一次電池においても高性能化が進められた結果、その出力特性はこれまで以上に向上している。このような高性能化は今後も続くと考えられるが、一般に、電池の高性能化を進めると逆に安全性は低下する傾向にあり、両者はトレードオフの関係にある。そのため、アルカリ乾電池などの密閉型の一次電池においても、高性能化に伴う安全性の低下を回避する手段として、先に述べたような密閉型の二次電池と同様、ＰＴＣ素子を備えるのが望ましい。その場合に封口部周辺の構造が先の特許文献２に記載されているようなものとは異なる電池（例えば特許文献３に記載されているようなアルカリ乾電池）にＰＴＣ素子をどのようにして取り付けるかが問題となる。

特公平８−３４０９８号公報 特開２００５−５０６０９号公報 特開２００２−１５１０１７号公報

電池にＰＴＣ素子を備えるあたっては、例えば電解液によるＰＴＣ素子の変質等が生じないようにする必要があり、またＰＴＣ素子を備えた状態においても、封口部分に設けられるガスケットによる耐漏液性の確保や安全弁による電池の内圧上昇防止など、所要の性能が維持されなくてはならない。加えて、コスト等の観点から、ＰＴＣ素子の取り付けが簡単であること、換言すればＰＴＣ素子の取り付け構造がシンプルであること、設計変更が少ないこと、様々なタイプの密閉型電池に適用可能な汎用性のある取り付け構造であること、などが要請される。

先の特許文献２に記載の密閉型電池では、電解液に触れることによってＰＴＣ素子が変質するのを避けるため、セル室内にＰＴＣ素子を配置せず、弁室を形成するキャップ部におけるフランジ部と、同じく弁室を形成する底板における折り返し部とでＰＴＣ素子を弾性的に挟持した構成とされている。しかし、このような構成では、封口体を外装缶の開口端部に装着して開口端部を封口する工程に加えて、弁体にＰＴＣ素子を組み付けて封口体を組み立てる工程が別途必要になり、それだけ製造工程が煩雑になるという問題がある。しかも、特許文献２に記載されているような構造は、弁室を形成する特定の底板と正極キャップとを備えた密閉型電池にのみ適用されるものであり、例えば特許文献３に記載されているような樹脂製ガスケットと端子板とで外装缶の開口端部を封口する構造の密閉型電池には適用できない。

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたもので、ＰＴＣ素子を備えることによって安全性の向上を図った密閉型電池において、電解液によるＰＴＣ素子の変質を回避できるのはもちろんのこと、ＰＴＣ素子の取り付け構造が比較的シンプルで、従来の構造を殆ど変更することなく略そのまま使用することができ、しかも上述したような弁室を形成する特定の底板と正極キャップとを持たない封口部にもＰＴＣ素子を簡単に取り付けることができ且つその脱落を防止できるようにすることを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、有底筒状の外装缶の内部に、正極および負極と、これらの間に配置されるセパレータと、電解液とを収容し、外装缶の開口端部内に、封口用の樹脂製ガスケットと、端子板と、外装缶と端子板との間を電気的に絶縁する絶縁部材とを装着して、外装缶の開口端部を内側に締め付けることにより封口した密閉型電池において、前記端子板の外面に、これをほぼ覆うようにＰＴＣ素子を配置し、このＰＴＣ素子の外周部分を前記絶縁部材と前記端子板とで挟持し、前記絶縁部材と前記端子板とで前記ＰＴＣ素子が挟持された状態において、該ＰＴＣ素子の中央部分が、電池外面に露出している。前記絶縁部材は、前記端子板との間で前記ＰＴＣ素子の外周部分を挟持する内周部と、前記外装缶の開口端部の外面部分を覆う外周部とを有する環状の絶縁キャップからなる。

本発明の密閉型電池によれば、以下のような効果が得られる。

封口部（外装缶の開口端部を封口した部分）に設けられた端子板の外面にＰＴＣ素子が配置されているので、電解液がＰＴＣ素子に触れることがなく、したがって電解液との接触によるＰＴＣ素子の変質を避けることができる。

端子板の外面にＰＴＣ素子を配置したことにより、端子板よりも内側の部分（セル室側の部分）については、構造や部品を変更する必要がなくなるから、従来のものをそのまま用いることができる。

端子板の外面にＰＴＣ素子を当てがって、その外周部分を絶縁部材と端子板とで挟持するだけで、ＰＴＣ素子を所定の状態に固定することができるので、電池の組み立て時にＰＴＣ素子を簡単に組み付けることができる。

弁室を形成する正極キャップ部と底板とでＰＴＣ素子を挟持するのではなく、封口部に一般に備えられる絶縁部材と端子板とでＰＴＣ素子を挟持する構成であるので、前記正極キャップや底板の有無とは無関係にＰＴＣ素子を端子板の外面に簡単に取り付けることができて、その脱落を防止することができる。

図１に、密閉型電池の一つである単三形アルカリ乾電池（以下、単にアルカリ乾電池または電池ともいう）の参考例を示す。このアルカリ乾電池は、正極端子を兼ねる有底円筒状の外装缶１と、外装缶１内（セル室Ｃ）に収容された円筒状の正極２と、正極２の中空部内に配置されたコップ状の不織布からなるセパレータ３と、セパレータ３内に充填されたペースト状の負極４と、負極４内に挿入された釘状の負極集電棒（負極集電体）５と、セパレータ３および正極２に含浸された水酸化カリウム水溶液を主成分とする電解液（図示せず）とを有し、外装缶１の開口端部１ａ側を封口した構成である。

ここで、外装缶１内に収容された円筒状の正極２は、二酸化マンガンと黒鉛（導電材料）との混合物で構成されている。また、外装缶１の底部には、凸状の正極端子部分１ｂが形成されている。さらに、外装缶１は、その外周面部分（正極端子部分１ｂや後述する負極端子板６の周辺部分を除く）がプラスチック製の収縮フィルム（いわゆるシュリンクフィルム）１０によって覆われている。

外装缶１の開口端部１ａ側、すなわち封口部分には、防爆用の安全弁機構を有する例えばポリアミドやポリプロピレン等の樹脂（図示例では６，６ナイロン）からなるガスケット（本発明でいう樹脂製ガスケット）６と、これをその内周側から支える支持手段であり且つ負極端子板（本発明でいう端子板）を兼ねた一枚の金属板（負極端子板７）と、保護素子であるＰＴＣ素子８と、外装缶１の開口端部１ａとＰＴＣ素子８および負極端子板７との間を電気的に絶縁する鍔付き短筒状の樹脂体からなる絶縁板９とが装着されている。

ガスケット６は、図２に拡大して示すように、負極集電棒５が挿通される孔６１ａを有するボス部６１と、外装缶１の内周面と接する外周部６２と、ボス部６１と外周部６２とを連結し且つ前者から後者に至る面を封鎖する連結部６３とで構成されている。そして、このガスケット６によって、電池活物質の収容されているセル室Ｃを閉じてセル室Ｃ内の電解液の外部への漏出を防止し、かつ負極端子板７と外装缶１との間を前記の絶縁板８とともに電気的に絶縁するようになっている。

なお、ガスケット６の連結部６３におけるボス部６１側の付け根部分には、防爆用の安全弁機構を構成する薄肉部分６３ａが設けられている。この薄肉部分６３ａは、電池の内圧が所定レベル以上に上昇したときに連結部６３が図中の上方側に変形し、さらに内圧が上昇したときに当該薄肉部分６３ａが破断することにより、内圧の一部を、負極端子板７に設けられたガス抜き孔（図示せず）を介してセル室Ｃ外に開放する機能を果たす。

ガスケット６のボス部６１においては、負極集電棒５が挿通された孔６１ａの図２中の上端部分が、これ以外の孔部分の内径よりも大きな内径を有する大径孔部分６１ｂとされており、負極集電棒５を挿通セットした図示状態において負極集電棒５の大径端部５ａがボス部６１の大径孔部分６１ｂに嵌合して、当該大径端部５ａの上端がボス部６１の上端面から僅かに突出した状態またはそれと略面一の状態となっている。

負極端子板７は、一枚の鋼板（例えば厚さ0.４mmのニッケルめっき鋼板）で構成されており、凸状に形成された中央部の端子面７７と、この端子面７７を垂直に貫く方向から見て端子面７７を取り囲むように形成された外周部の鍔面７８と、端子面７７の外周から鍔面７８の内周に至る円筒状の端子面側面７９とからなる。このうち端子面７７には、これの中心部を取り囲むように僅かに凹んだ平面視で円形の凹み７７ａが形成されており、この凹み７７ａが取り囲んでいる中央部分の裏面側に負極集電棒５の大径端部５ａがスポット溶接等により接合されている。

負極端子板７における鍔面７８は、内周側の平坦部７８ａと、ガスケット６をかしめる際にこれの外周部６２をその内周側から支える目的で負極端子板７の全周にわたって設けられた外周側の湾曲部７８ｂとからなる。そして、この湾曲部７８ｂとの接触部分においてガスケット６の外周部６２が、これの内周側に位置する負極端子板７の湾曲部７８ｂと、外周側に位置する外装缶１の開口端部１ａとでかしめられて締め付けられていることにより、図２に示したようにガスケット６が外装缶１の開口端部１ａ内の所定位置に装着され、この状態でセル室Ｃの上方が封口されるとともに、ガスケット６の連結部６３と負極端子板７との間に安全弁（薄肉部分６３ａ）の動作を確保するための所要の空間が形成された構造となっている。

加えて、このアルカリ乾電池においては、本発明の特徴部分として、負極端子板７の外面（図示例では端子面７７の外面）に、これを略覆うような状態で上述したＰＴＣ素子（図示例では直径８mm、厚み３１０μｍの円盤状のＰＴＣ素子）８が設けられ、その外周部分８１が絶縁板９の内周部９ｂと負極端子板７の端子面７７とにより挟持された構成とされている。

このＰＴＣ素子８は、図３に示すように、ＰＴＣ特性（正の温度特性）を有する樹脂層８ａと、その両面に設けられた金属層８ｂ・８ｃとからなる。このうちの樹脂層８ａは、例えばポリエチレンやポリプロピレンなどの比較的低粘度のポリオレフィン系の樹脂中に、カーボンブラックやグラファイト等の導電性物質を添加・分散・混合した材料で構成され、金属層８ｂ・８ｃは例えばニッケルやステンレスなどの所定の金属（図示例では厚み６０μｍのニッケル）で構成されている。このＰＴＣ素子８は、正常な温度、電流では極めて小さい抵抗値を示すが、過剰な電流が流れたり電池温度が上昇したりすると樹脂層８ａの抵抗が増大して両金属層８ｂ・８ｃ間に電流が流れないようにする。なお、このような機能を有するＰＴＣ素子としては、例えばタイコエレクトロニクスレイケム株式会社から「ポリスイッチ」の商品名で市販されているものがある。

ＰＴＣ素子８が脱落しないようにその外周部分８１を外面側（図示例では上面側）から押さえている絶縁板９は、鍔付き短筒状の樹脂体（図示例ではポリプロピレン製の成形体）からなり、短筒部９ａと、その軸方向の一端の内側に形成された平坦な円形リング状の内周部９ｂと、短筒部９ａの外側に形成された鍔状の外周部９ｃとを有する。そして、図２に示したように、負極端子板７の外面にＰＴＣ素子８を設けた状態で、負極端子板７の端子面側面７９と外装缶１の開口端およびガスケット６の外周部６２の一端との間に形成された隙間部分に、絶縁板９における短筒部分９ａを嵌め込む（または、嵌め込んだ状態で外装缶１の開口端部１ａを締め付ける）ことで図示した所定位置に取り付けられており、これによってＰＴＣ素子８およびこれと接触している負極端子板７と外装缶１との間を電気的に絶縁している。また、このようにして絶縁板９が負極端子板７の外面側から嵌め込まれて取り付けられていることにより、ＰＴＣ素子８の外周部分８１が負極端子板７の端子面７７と絶縁板９の内周部９ｂとで挟持されており、この挟持によりＰＴＣ素子８の脱落を防止する構成とされている。

更に、この例では、図２に示したように、上記の所定位置に絶縁板９を装着したときに、その鍔状の外周部９ｃが外装缶１の開口端近傍の外面に位置するようになっている。そして、絶縁板９の装着後に当該絶縁板９が不用意に脱落してしまわないように、その鍔状の外周部９ｃの外面を収縮フィルム１０で被覆した構成とされている。

上記構成の密閉型電池においては、これの負極側に接続される外部機器側の端子はＰＴＣ素子８を介して負極端子板７と接続される。したがって、例えば外部短絡により過剰な電流が流れたり電池温度が上昇したりした場合には、ＰＴＣ素子８における電気抵抗が瞬時に増大することによって、外部機器と負極端子板７との間に電流が流れなくなる。これにより、電池の逆挿入等による誤使用時の電池の温度上昇を防止することができて電池を安全な状態に保つことができる。

このような機能を有するＰＴＣ素子８は、上記の密閉型電池では負極端子板７の外面に取り付けられているから、電解液と接触することがない。したがって、そのような電解液との接触によるＰＴＣ素子８の変質を未然に防止することができる。

また、負極端子板７とその外側から嵌め込まれる絶縁板９とで円盤状のＰＴＣ素子８を挟持する構成とされていることにより、ＰＴＣ素子８の脱落を確実に防止できる。また、負極端子板７よりも電池内側に位置する部品や封口部の構造は全く変更する必要がないから、従来のものをそのまま用いることができる。組み立て時においても、負極端子板７の外面にＰＴＣ素子８を配置し、その後に絶縁板９を所定位置に嵌め込んで装着することで、ＰＴＣ素子８が脱落しないようにこれを負極端子板７の外面に容易に取り付けることができる。

上記ＰＴＣ素子８の取り付けに際しては、これを挟持する負極端子板７と絶縁板９とが必要である。しかし、このような部材あるいはこれらに相当する部材は密閉型電池に一般に備えられるものであるから、例えば弁室形成用の正極キャップや底板などの特別な部材を利用してＰＴＣ素子を保持する構成に比べると、ＰＴＣ素子の取り付けが可能な密閉型電池の範囲、つまり適用可能な範囲を広げることができる。

図４に、本発明の実施形態を示す。図４は、上記と同じく密閉型電池の一つである単三形アルカリ乾電池に本発明を適用したものであるが、絶縁部材の構造が異なっている。図１および図２に示したアルカリ乾電池では鍔付き短筒状の絶縁板９を使用したが、図４に示したアルカリ乾電池では、外装缶１と負極端子板７との間を電気的に絶縁し且つＰＴＣ素子８を負極端子板７との間で挟持する絶縁部材として、環状の樹脂体からなる絶縁キャップ１９を使用している。

この絶縁キャップ１９は、負極端子板７の外面にＰＴＣ素子８を設けたのち、その外面側から外装缶１の開口端部１ａに被せるようにして嵌め込まれることにより、図４に示す所定の状態に取り付けられ、これによってＰＴＣ素子８の外周部分８１が絶縁キャップ１９の内周部１９ｂと負極端子板７の端子面７７との間に挟持される構成である。なお、絶縁キャップ１９は、その装着後に外装缶１とともにその外周面から内周部の近傍に至る部分がプラスチック製の収縮フィルム１０によって被覆される。絶縁キャップ１９を除く他の部材の構成は先の図１およひ図２に示したアルカリ乾電池におけるものと略同様の構成であるので、対応するものに同様の符号を付してその説明を省略する。

このような密閉型電池によっても、先の図１〜３に示した密閉型電池の場合と同様、ＰＴＣ素子８による安全性の向上、ＰＴＣ素子８の脱落防止、ＰＴＣ素子８の組み付け容易性の確保、ＰＴＣ素子８の変質防止等を図ることができる。のみならず、図４に例示した密閉型電池で使用されている絶縁キャップ１９は、先の絶縁板９よりもさらに構造が簡単であり、各種の密閉型電池に広範囲に装着可能と思われる。

参考例に係る密閉型電池（単三形アルカリ乾電池）の全体構造を示す断面図である。 図１の密閉型電池の封口部分を拡大して示す部分拡大図である。 図２におけるＰＴＣ素子の一部を拡大してその断面構造を示す部分拡大断面図である。 本発明の実施形態を示すもので、密閉型電池（単三形アルカリ乾電池）の封口部分を拡大してその断面構造を示す部分拡大断面図である。

符号の説明

１ 外装缶
１ａ 外装缶の開口端部
２ 正極
３ セパレータ
４ 負極
６ 樹脂製ガスケット
７ 負極端子板
８ ＰＴＣ素子
８１ ＰＴＣ素子の外周部分
９、１９ 絶縁部材（９・・・絶縁板、１９・・・絶縁キャップ）

Claims (1)

1. 有底筒状の外装缶の内部に、正極および負極と、これらの間に配置されるセパレータと、電解液とを収容し、外装缶の開口端部内に、封口用の樹脂製ガスケットと、端子板と、外装缶と端子板との間を電気的に絶縁する絶縁部材とを装着して、外装缶の開口端部を内側に締め付けることにより封口した密閉型電池において、
   前記端子板の外面に、これをほぼ覆うようにＰＴＣ素子を配置し、このＰＴＣ素子の外周部分を前記絶縁部材と前記端子板とで挟持しており、
   前記絶縁部材と前記端子板とで前記ＰＴＣ素子が挟持された状態において、該ＰＴＣ素子の中央部分が、電池外面に露出しており、
   前記絶縁部材は、前記端子板との間で前記ＰＴＣ素子の外周部分を挟持する内周部と、前記外装缶の開口端部の外面部分を覆う外周部とを有する環状の絶縁キャップからなる密閉型電池。

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