JP5055809B2

JP5055809B2 - 円筒型蓄電池

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Publication number: JP5055809B2
Application number: JP2006104847A
Authority: JP
Inventors: 真澄勝本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-04-06
Filing date: 2006-04-06
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2026-04-06
Also published as: JP2007280743A

Description

本発明は、渦巻状に捲回された極板群を備えた円筒型蓄電池に関し、その極板群に接続した集電体の形状を改良することにより、極板全体からより効率的に電流を取り出すことを可能にし、電池の大電流放電特性を改善するものである。

近年では各種ポータブル型の電気機器の発達に伴い、その駆動電源となる電池が重要なキーデバイスの一つとして開発が重要視されている。なかでも充電可能なニッケル水素蓄電池やリチウムイオン二次電池といった小型二次電池は、携帯電話機器やノートパソコン、あるいはビデオカメラなどを始めとして、様々な用途に展開して開発が進み、ますますその需要を広げつつある。

一般に、ニッケル水素蓄電池やニッケルカドミウム蓄電池などのアルカリ蓄電池では、帯状の正極板と、負極板とをセパレータを介して渦巻き状に捲回して極板群を構成し、これを金属製有底ケースに収納し、さらに金属製有底ケースの開口部を封口板により密閉化して構成されている。

図９に従来の円筒型蓄電池の概略断面図を示す。

帯状の正極板２１と負極板２２はセパレータ２３を介して渦巻き状に捲回された極板群２４を構成する。極板群２４の下方へ突出する負極集電部２２ａに負極集電体２７を溶接し、上方へ突出する正極集電部２１ａに正極集電体２５を溶接する。

正極集電体２５はリード状端子部２６を介して、蓋板３１，ゴム弁体３３，キャップ３４，ガスケット３２を備えた封口板２０と溶接する。

このように負極集電体２７と正極集電体２５を電気的に接続した極板群２４を金属製有底ケース２９に収納し、負極集電体２７を金属製有底ケース２９の底部内面に溶接する。

次に、正極集電体２５の上面に絶縁リング２８を載置し、溝部２９ａを形成した後、金属製有底ケース２９内に電解液を注入し、金属製有底ケース２９の開口部をかしめ封口して円筒型蓄電池を構成する。

このように構成された円筒型蓄電池は、近年では動力補助付自転車、芝刈り機、さらには電気自動車用電源などの大電流放電が求められる用途にも展開されている。

大電流放電を行うためには、極板からより効率的に電流を取り出す必要があるため、極板群２４の上方へ突出する正極集電部２１ａと正極集電体２５、および極板群２４の下方へ突出する負極集電部２２ａと負極集電体２７を各々複数箇所で溶接する方法がとられている。

このような極板群２４の上方および下方へ突出する正極集電部２１ａおよび負極集電部２２ａに溶接される正極集電体２５，負極集電体２７としては、矩形あるいは略円板状のものが一般的に用いられているが、特に正極集電体２５と、リード状端子部２６を介して溶接された封口板２０との接続をより強固にし、効率的に極板から電流を取り出すために、リード状端子部２６と正極集電体２５の構成について様々な提案がなされている。

例えば、図１１に示したような円板状の正極集電体２５にリード状端子部２６を溶接し、リード状端子部２６の材質を正極集電体２５の材質が持つ固有抵抗値よりも小さくする方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平４−２４９８５４号公報

しかしながら、このような従来の円筒型蓄電池においては、正極集電体２５と封口板２０とを電気的に接続するリード状端子部２６が必要であり部品点数が多くなる。また、生産工程においては、リード状端子部２６を供給し正極集電体２５と溶接する工程、および封口板２０を金属製有底ケース２９の開口部に形成した溝部２９ａ上に載置する際にリード状端子部２６を折り曲げる工程が必要であり、さらにリード状端子部２６を安定して折り曲げることができない場合に封口板２０の挿入不良が生じる等、生産工程の煩雑化やコストアップに繋がるという問題点があった。

本発明は上記従来の問題点を解決するものであり、正極集電体の形状を改良することにより、生産工程の煩雑化やコストアップに繋がるリード状端子部を必要とせず、かつ、集電性能の高い円筒型蓄電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の円筒型蓄電池は、帯状の正極板と負極板およびセパレータとからなり、一方の極板の集電部の先端部分が上方へ突出し、他方の極板の集電部の先端部分が下方へ突出して渦巻き状に捲回された極板群と、この極板群の上下から突出したそれぞれの極板の集電部の先端部分に溶接された集電体と、電解液とを内部に収納した金属製有底ケースと、前記金属製有底ケースの開口部を密封する封口板とを備えた円筒型蓄電池であって、前記極板群の上方へ突出した極板の集電部の先端部分に溶接された集電体は、そのほぼ中央部を一段高くした端子部を備え、この端子部と前記封口板とを電気的に接続したことを特徴とする。

この構成により、部品点数を削減し、且つ生産工程の煩雑化を解消してコストダウンが図れるという作用が達成できる。

本発明によれば、集電体のほぼ中央部を一段高くした端子部を備え、この端子部と封口板とを電気的に接続することにより、一段高くした端子部がリード状端子部の役割を果たし、極板群から封口板までの電流経路を短くすることができるため、生産工程の簡略化や部品点数の削減によりコストダウンできる効果と、集電性能を高める効果が得られる。

本発明においては、帯状の正極板と負極板およびセパレータとからなり、一方の極板の集電部の先端部分が上方へ突出し、他方の極板の集電部の先端部分が下方へ突出して渦巻き状に捲回された極板群と、この極板群の上下から突出したそれぞれの極板の集電部の先端部分に溶接された集電体と、電解液とを内部に収納した金属製有底ケースと、前記金属製有底ケースの開口部を密封する封口板とを備えた円筒型蓄電池であって、前記極板群の上方へ突出した極板の集電部の先端部分に溶接された集電体は、そのほぼ中央部を一段高くした端子部を備え、この端子部と前記封口板とを電気的に接続したことを特徴とする。

この構成によれば、集電体のほぼ中央部を一段高くした端子部がリード状端子部の役割を果たし、かつ、極板群から封口板までの電流経路を短くすることができるため、生産工程の簡略化や部品点数の削減によりコストダウンできる効果と、集電性能を高める効果が
得られる。

また、前記端子部は屈曲により一段高くすることが好ましい。

このように屈曲により構成すれば、一段高くした端子部を容易に作成でき、部品点数が増えることもない。

また、前記集電体は外周端から中央部にかけて複数個のスリットを有し、このスリット間の平板部を上方および水平方向に屈曲させて端子部とすることが好ましい。

このように構成すれば、一段高くした端子部を容易に作成できる効果に加え、この端子部の高さ調整が容易になる効果が得られる。また、一段高くした端子部に若干の柔軟性を持たせることができるため、過度な振動が加わったときにおいても封口板との溶接部の接触抵抗値の上昇を抑制することができる。

また、前記集電体は外周端から中央部にかけて複数個の放射状の切り欠き部を有し、かつ、中央部分に切り欠き部間の平板部を連結する連結部を設け、この連結部を上方に屈曲させて端子部とすることが好ましい。

このように構成すれば、一段高くした端子部をさらに容易に作成できる。また、集電体の剛性が向上し、且つ、封口板との密着性もより向上するため、封口板との溶接が安定する効果が得られる。特にレーザー溶接時には溶接部の密着性が向上してスパークが減少し、その結果、溶接強度のばらつきが小さくなる効果が得られる。

以下に本発明の円筒型蓄電池の一例について、図１〜図８を用いて説明する。

図２に示したように、帯状の正極芯材の幅方向の一端面に正極集電体溶接部１ａを残して正極活物質を充填した正極板１と、同様に負極集電体溶接部２ａを残して鉄製芯材に水素吸蔵合金を主体とする負極活物質を塗着した負極板２を形成する。これら正極板１と負極板２は、図３（ａ）に示したように正極集電体溶接部１ａと負極集電体溶接部２ａが相対向する方向となるようにセパレータ３を介して渦捲状に捲回して極板群４を構成する。

極板群４には、図３（ｂ）に示したように、この上方へ突出した正極集電体溶接部１ａ、下方へ突出した負極集電体溶接部２ａにそれぞれ正極集電体５、負極集電体７を溶接する。

正極集電体５及び負極集電体７を溶接した極板群４は、短絡防止のための絶縁板８とともに、図４（ａ）に示したように金属製有底ケース９に収納し、負極集電体７と金属製有底ケース９の底部内面とを溶接する。

この金属製有底ケース９の開口部の側面には、図４（ｂ）に示したように、極板群４を固定するための溝部９ａを形成後、蓋板１１をガスケット１２を介して金属製有底ケース９の内部に収納し、金属製有底ケース９の上端部を内側にかしめて蓋板１１を固定する。

次いで、図４（ｃ）に示したように、正極集電体５の端子部６と封口板の蓋板１１をレーザー溶接などの方法により接続し、さらに蓋板１１の上部の排気口１１ａよりアルカリ性電解液（図示せず）を注入し、ゴム弁体１３を設置後、キャップ１４を溶接して密閉化し、図４（ｄ）に示したような円筒型蓄電池を作製する。

図１に上述の製造方法により構成した本発明の円筒型蓄電池の概略断面図を示す。

図１からもわかるように、極板群４の上方へ突出した正極集電体溶接部１ａと電気的に接続した正極集電体５の端子部６は、封口板１０の下面と直接接続されている。

本発明の一実施例である正極集電体の斜視図を図５〜図８に示す。

図５に示した本発明の一実施例である正極集電体５は、図５（ａ）に示したように金属製の角形状平板に４箇所の放射状の切り欠き部５ｂを形成し、この放射状の切り欠き部５ｂの縁部には、正極板１の集電体溶接部１ａとの溶接性を高めるために下向きのリブ状突起片５ａを形成している。この平板の切り欠き部５ｂ間の平板部分の折り曲げ加工を行って、図５（ｂ）に示したような立体構造を有する正極集電板５を作製する。なお、正極集電板５の中央部の端子部６は、封口板１０と電気的に接続するための接続端子の役割を果たす。

図６に示した本発明の一実施例である正極集電体５は、金属製の略円形状平板に２箇所の幅の広い切り欠き部５ｂと２箇所の幅の狭い切り欠き部５ｂを対向する側に形成し、中央部の平板部分を屈曲して一段高くなるように折り曲げ加工している。

この構成によれば、折り曲げ加工する平板部分が１箇所であるため比較的容易に一段高い端子部６を形成できる。

図７に示した本発明の一実施例である正極集電体５は、金属製の略円形状平板に６箇所の切り欠き部５ｂを形成し、切り欠き部５ｂ間の６箇所の平板部分を屈曲して一段高くなるように折り曲げ加工している。

この構成によれば、正極集電体溶接部１ａとの溶接部であるリブ状突起片５ａを多数形成できるため、極板群４との集電性が安定する。

また、正極集電体５の剛性が強くなるため、端子部６と封口板１０とを溶接する際に、溶接面にズレや隙間が生じにくくなるため、抵抗溶接やレーザー溶接の接続性が安定する効果も得られる。

図８に示した本発明の一実施例である正極集電体５は、円形状平板の外周端の４方向から各２本のスリットを入れて、このスリット間の平板部を上方および水平方向に屈曲させて端子部６を形成している。

この構成によれば、４箇所の端子部６が水平方向に屈曲させた先端部分で繋がっていないため正極集電体５に弾性を付与できる。その結果、過度な振動や衝撃が加わった場合でも封口板１０との溶接部が剥がれて接触抵抗が上昇することを抑制できる。

また、外周端から上方および水平方向に屈曲させて端子部６を形成する方法なので、端子部６の高さ寸法を容易に調整できる。端子部６の高さ寸法を容易に調整できれば、電池サイズや電池内の空間体積の変更に対して汎用性に優れる等、電池設計上の効果も得られる。さらに、極板群４や金属製有底ケース９の高さ方向のばらつきに合わせて正極集電体５の端子部６の高さを調整できる効果も得られる。

以下に本発明の一実施例について詳細な説明を行う。なお、本発明は下記実施例に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。

本発明による円筒型蓄電池の一例について説明を行う。

（実施例１）
図１は本発明の円筒型蓄電池の概略断面図である。

活物質である水酸化ニッケル粉末と導電剤である水酸化コバルト粉末及び、ＣＭＣ水溶液を混練したペーストを厚さ１．２ｍｍ、目付重量４２０ｇ／ｍ²である発泡状ニッケル多孔体に充填し、乾燥後、圧延、切断を行い、幅３５．０ｍｍ、長さ２５０．０ｍｍ、厚み０．５５ｍｍである帯状の正極板１を作製した。

なお、正極板１の上端部分には、図２に示した本発明の円筒型蓄電池に用いた正極板の模式図のように、活物質をあらかじめ充填しない部分を設け、その部分にニッケルリード線を溶接し、正極板１の集電体溶接部分１ａとした。

次に、水素吸蔵合金を結着剤とともに厚み６０μｍであるパンチングメタル芯材に塗着し、乾燥後、圧延、切断を行い、幅３５．０ｍｍ、長さ３００．０ｍｍ、厚み０．３５ｍｍである帯状の負極板２を作製した。負極板２についても、上端部分に水素吸蔵合金を塗着しない部分を設け、負極板の集電体溶接部分２ａとした。

セパレータ３は、幅３６．０ｍｍ、長さ６５０．０ｍｍ、厚み０．１６ｍｍ、目付重量６５ｇ／ｍ²である親水化処理を施したポリプロピレン製の不織布を用いた。

以上に示した正極板１と、負極板２とをセパレータ３を介して渦巻き状に捲回し、直径約２０ｍｍ、高さ約３７ｍｍの極板群４を構成した。

図３は本発明の円筒型蓄電池の極板群構成工程及び集電体溶接工程を示す説明図である。

図３（ａ）〜（ｃ）に示したように、正極板１と負極板２の集電体溶接部分１ａ、２ａを含む片側端部は、それぞれセパレータの上端、下端からはみ出すように上下にずらして構成し、極板群４から露出している正極集電体溶接部分１ａに本発明の正極集電体５を溶接し、負極集電体溶接部分２ａに負極集電体７を溶接した。

図４は本発明の円筒型蓄電池の組立工程を示す説明図である。

図４（ａ）に示したように、正極集電体５及び負極集電体（図示せず）を接続した極板群４と短絡防止のための絶縁リング８を円筒型の金属製有底ケース９に挿入し、負極集電体７と金属製有底ケース９の底部内面とを抵抗溶接した。

次いで、図４（ｂ）に示したように、金属製有底ケース９の開口部の上方側面に極板群４を固定するための溝部９ａを形成後、蓋板１１をガスケット１２を介して金属製有底ケース９の内部に収納し、金属製有底ケース９の上端部を内側にかしめて蓋板１１を固定した。

その後、正極集電体５の端子部６と封口板の蓋板１１をレーザー溶接などの方法により接続し、さらに蓋板１１の上部の排気口１１ａより水酸化カリウム水溶液を主体とするアルカリ電解液を注液し、図４（ｃ）に示したように、ゴム弁体１３を設置後、キャップ１４を溶接して、図４（ｄ）に示したように、放電容量２８００ｍＡｈの円筒型ニッケル水素蓄電池Ａを作製した。

正極集電体５には図５に示した形状のものを用いた。

（実施例２）
図６に示した形状の正極集電体５を用いた以外は実施例１と同様に作製した円筒型ニッケル水素蓄電池Ｂを実施例２とした。

（実施例３）
図７に示した形状の正極集電体５を用いた以外は実施例１と同様に作製した円筒型ニッケル水素蓄電池Ｃを実施例３とした。

（実施例４）
図８に示した形状の正極集電体５を用いた以外は実施例１と同様に作製した円筒型ニッケル水素蓄電池Ｄを実施例４とした。

（比較例１）
図１１に示したように、リブ状突起片２５ａを形成した金属製の略円形状平板にリード状端子部２６を抵抗溶接したものを用いた以外は実施例１と同様に作製した円筒型ニッケル水素蓄電池Ｅを比較例１とした。

図１０に比較例の円筒型蓄電池の組立工程を示す説明図を示す。

極板群２４を構成後、図１０（ａ）に示したように、リード状端子部２６が溶接された正極集電体２５及び負極集電体（図示せず）を上方及び下方に接続した極板群２４を短絡防止のための絶縁リング２８と共に金属製有底ケース２９に挿入した。

次いで、図１０（ｂ），（ｃ）に示したように、金属製有底ケース２９の開口部の側面上部に極板群２４を固定するための溝部２９ａを形成後、リード状端子部２６の一方に、蓋板３１，ガスケット３２，ゴム弁体３３，キャップ３４を備えた封口板２０を溶接した。

その後、水酸化カリウムを主体とする電解液を注液し、封口板２０を金属製有底ケース２９の開口部の側面上部に形成した溝部２９ａの上面に載置し、金属製有底ケース２９の上端部を内側にかしめ封口して封口板１０を固定・密閉化して、図１０（ｄ）に示したように円筒型ニッケル水素蓄電池Ｅを作製した。

以上のように作製した円筒型ニッケル水素蓄電池Ａ〜Ｅについて、大電流放電試験を行った。
＜大電流放電特性の評価＞
上記で作製した円筒型ニッケル水素蓄電池Ａ〜Ｅについて、それぞれ３Ａの電流値で１．０Ｖまで放電後、０．３Ａにて１６時間の充電を行い、１時間の休止後、３Ａの電流値で１．０Ｖまでの放電を行い、放電容量（Ｔ１）を測定した。続いて、同様に０．３Ａの電流値で１６時間の充電を行い、１時間の休止後、３０Ａの電流値で１．０Ｖまでの放電を行い、放電容量（Ｔ２）を測定した。以上の充放電試験はいずれも２５℃の雰囲気下で実施した。

（表１）に実施例１〜４の円筒型ニッケル水素蓄電池Ａ〜Ｄおよび比較例１の電池Ｅの大電流放電特性の評価結果を示す。

大電流放電特性は、２５℃雰囲気においてそれぞれの円筒型ニッケル水素蓄電池の３Ａ放電時の放電容量（Ｔ１）に対する３０Ａ放電時の放電容量（Ｔ２）の比率（Ｔ２／Ｔ１）で示した。

（表１）に示したように、本発明による正極集電体５を用いて作製した実施例１〜４の円筒型ニッケル水素蓄電池Ａ，Ｂ，Ｃ，Dは、従来のリード状端子部２６を溶接した正極集電体２５を用いて作製した比較例１の電池Ｅと比べて、３０Ａという大電流での放電を行っても放電容量の低下が小さく、電池の大電流放電特性が優れることがわかった。

これは、本発明による正極集電体５を用いた実施例１〜４の電池Ａ〜Ｄは、従来の正極集電体２５を用いた比較例１の電池Ｅと比べて、リード状端子部２６を溶接する必要がないため、この溶接部を介さない分正極集電体５の電流経路が短く、抵抗値が小さくなったためと考えられる。

なお、本発明による正極集電体５を用いて構成した実施例の電池Ａ〜Ｄは、充放電時の電池の発熱を低減できるため、電池の充放電可能回数を向上させる長寿命化の効果も得られる。

（表２）に実施例及び比較例の電池の寿命特性の評価結果を示す。

電池の寿命特性の評価方法としては、それぞれの電池において４０℃雰囲気下において
３Ａの電流値で１１０％までの充電後、３０Ａの電流値で１．０Ｖまでの放電を行い、これを１サイクルとして繰り返し、放電容量が初期の７０％に達するまでに充放電可能なサイクル数についての比較を行った。

（表２）に示したように、実施例の電池Ａ〜Ｄは比較例の電池Ｅと比べて充放電可能なサイクル数が大幅に向上しており、電池の長寿命化が達成できていることがわかる。これは、本発明による正極集電体５を用いて構成した実施例の電池Ａ〜Ｄは、従来の正極集電体を用いて構成した比較例の電池Ｅと比べて、リード状端子部を正極集電体に溶接する必要がないため正極集電体の接触抵抗値が安定して低いために充放電時の発熱が小さく、充放電の繰り返しによる電池の劣化が抑制されるためと考えられる。

また、本発明による円筒型ニッケル水素蓄電池Ａ〜Ｄは、比較例の電池Ｅと比較して、リード状端子部２６を削減できるため、材料費の低減を図ることができた。

本発明による蓄電池は、従来の蓄電池に比べて大電流放電特性に優れるため、電動工具や動力補助付自転車、電気自動車などの大電流放電を要する機器に対して有用である。

本発明の円筒型蓄電池の概略断面図本発明の円筒型蓄電池に用いた正極板の模式図（ａ）〜（ｃ）本発明の円筒型蓄電池の極板群構成工程及び集電体溶接工程を示す説明図（ａ）〜（ｄ）本発明の円筒型蓄電池の組立工程を示す説明図（ａ）本発明の一実施例である正極集電体の端子部を形成する前を示す斜視図、（ｂ）本発明の一実施例である正極集電体の端子部を形成した後を示す斜視図（ａ）本発明の他の実施例である正極集電体の端子部を形成する前を示す斜視図、（ｂ）本発明の他の実施例である正極集電体の端子部を形成した後を示す斜視図（ａ）本発明の他の実施例である正極集電体の端子部を形成する前を示す斜視図、（ｂ）本発明の他の実施例である正極集電体の端子部を形成した後を示す斜視図（ａ）本発明の他の実施例である正極集電体の端子部を形成する前を示す斜視図、（ｂ）本発明の他の実施例である正極集電体の端子部を形成した後を示す斜視図比較例の円筒型蓄電池の概略断面図（ａ）〜（ｄ）比較例の円筒型蓄電池の組立工程を示す説明図比較例の正極集電体の斜視図

符号の説明

１正極板
１ａ正極集電体溶接部
２負極板
２ａ負極集電体溶接部
３セパレータ
４極板群
５正極集電体
５ａリブ状突起片
５ｂ切り欠き部
６端子部
７負極集電体
８絶縁リング
９金属製有底ケース
９ａ溝部
１０封口板
１１蓋板
１１ａ排気口
１２ガスケット
１３ゴム弁体
１４キャップ

Claims

帯状の正極板と負極板およびセパレータとからなり、一方の極板の集電部の先端部分が上方へ突出し、他方の極板の集電部の先端部分が下方へ突出して渦巻き状に捲回された極板群と、この極板群の上下から突出したそれぞれの極板の集電部の先端部分に溶接された集電体と、電解液とを内部に収納した金属製有底ケースと、前記金属製有底ケースの開口部を密封する封口板とを備え、前記極板群の上方へ突出した極板の集電部の先端部分に溶接された集電体は、そのほぼ中央部を一段高くした端子部を備え、この端子部と前記封口板とを電気的に接続した円筒型蓄電池であって、
前記集電体は、複数個の切り欠き部を有し、前記切り欠き部の縁部には、下向きのリブ状突起片が、形成され、中央部の平板部分を屈曲して一段高くなるように折り曲げ加工されていることを特徴とする、円筒型蓄電池。