JP5070812B2 - 電池用集電棒および電池 - Google Patents

Description

本発明は、アルカリ電池等の電池において負極活物質中に挿入される集電棒、および当該集電棒を組み込んだ電池に関するものである。

一般に、各種の電池においては、正極缶内に充填された正極活物質と負極活物質との間の電気化学的反応による発生した電子を集めるための集電棒が、上記負極活物質中に挿入されている。

図３は、この種の集電棒を備えた従来のアルカリ電池を示すもので、図中符号１が正極缶である。
この正極缶１は、ニッケルメッキ鋼板をプレス成形によって有底円筒状に形成したものであり、正極集電体および正極端子として機能するものである。そして、この正極缶１内の内壁に沿って、円筒状の正極活物質２が圧入・装填されている。

この正極活物質２は、正極活物質である二酸化マンガンおよび／またはオキシ水酸化ニッケルに黒鉛、バインダーおよび水酸化カリウム水溶液を加えて混練し、円筒状に成形したものが、正極缶１の底部から上部に向けて複数個（図では３個）積層されることにより構成されている。そして、この正極活物質２の内周面には、後述する負極ゲル（負極活物質）４との短絡を防止するためのセパレータ３が配設されている。

このセパレータ３は、帯状のセパレータ素材が複数巻回されるとともに、正極缶１の底部に対応する部分が内側に屈曲されることにより全体として有底円筒状に形成されたものである。また、このセパレータ３および正極活物質２には、電解液である水酸化カリウム溶液が含浸されている。

そして、このセパレータ３内に、負極活物質である亜鉛粉をゲル状化した負極ゲル４が所定の重量注入されるとともに、この負極ゲル４の中心部に、後述する負極端子板７と接続される集電棒５が挿入されている。なお、この集電棒５は、黄銅によって形成された円柱棒状の部材で、基端部には円板状の接続部５ａが形成されるとともに先端部５ｂは切頭円錐状に形成されている。また、この集電棒５の表面には、亜鉛が水酸化カリウム水溶液中に溶解し、亜鉛と接触している集電棒５の表面から水素ガスが発生することを抑制するために、全面にわたってスズメッキによる被覆処理が施されている。

他方、正極缶１の上端開口部には、ガスケット６を介して当該開口部を塞ぐ略円板状の負極端子板７が設けられている。そして、この負極端子板７の裏面側に集電棒５の接続部５ａが接合されている。
ここで、ガスケット６は、樹脂によって一体成形されたもので、外周部が正極缶１の開口縁部と負極端子板７の外周部とによって挟まれる寸法に形成されている。

さらに、このガスケット６の中央部には、中心に集電棒５が挿入される孔部６ａが形成されるとともに、当該集電棒５の表面に密着して囲繞する厚肉円筒状の封止部６ｂが一体に形成されている。これにより、正極缶１内の電解液が集電棒５の外周面を伝って負極側から漏れることが防止されている。

また、このアルカリ電池の外周部においては、ガスケット６を間に挟んだ正極缶１が負極端子板７の外周部を基点に内方に屈曲されることにより、負極端子板７が正極缶１の上端開口を塞いだ状態で取り付けられるとともに、ガスケット６により同様に電解液の正極側への漏れが防止されている。

ところで、上記構成からなるアルカリ電池においては、使用済みの当該電池を機器類に組み入れたまま放電状態にしておくと、過放電状態となって負極活物質である亜鉛粉が放電反応により不働体化し、この結果当該亜鉛粉に代えて上記集電棒５の表面を被覆するスズが溶解し、これが残余の亜鉛に作用して水素ガスを発生して電池内圧が上昇することにより電解液の漏洩を招くという問題があった。

一方、上記アルカリ電池に用いられている集電棒５は、一般に、素材となる黄銅の線材を当該集電棒５の長さ寸法よりも僅かに長い寸法の切断し、次いで鍛造によって円板状の接続部５ａと切頭円錐状の先端部５ｂとを形成した後に、メッキ槽に漬けて電解メッキを行うことにより、表面にスズメッキによる上記被覆を形成する方法によって製造されている。

そして、上記製造方法によって製造された集電棒５にあっては、図４に示すように、上記メッキ時に先端部５ｂの角部５ｃに電流が過度に集中することにより、上記角部５ｃおよびその周辺５ｄにおけるメッキ金属の析出量が多くなり、この結果当該部分５ｃ、５ｄにおけるメッキ厚が、他の部分よりも４〜５割程度厚くなっていた。

この結果、上記アルカリ電池を使用した場合に、上述した過放電状態になると、同様に上記角部５ｃは電流が集中し易いために、当該部分５ｃ、５ｄにおける余分な厚さのメッキによって溶解するスズの量が多くなり、よって電解液の漏洩を招く水素ガスの発生を助長してしまうと言う問題点があった。

これに対して、下記特許文献１においては、真鍮製の集電棒の線材にスズメッキ処理を施した後に、この線材を所定寸法に切断し、次いで切断された線材を、ダイス等を用いてその先端に断面略鋭角形状にしぼり加工により先端しぼり部（図３および図４に示す先端部５ｂ）を形成するとともに、その基端部を略円板形状に形成するアルカリ乾電池用の真鍮製の集電棒の製造方法が開示されている。

上記製造方法によって得られた集電棒においては、上記略円板状の基端部と断面略鋭角形状の先端しぼり部（先端部５ｂ）以外に全長スズ被覆が形成されており、よって先端しぼり部（先端部５ｂ）にはスズメッキが形成されていないために、上記過放電状態における集電棒の先端部からのスズの過度の溶解を防ぐことができるという利点がある。

しかしながら、上記集電棒は、逆に先端しぼり部（先端部５ｂ）の表面が、その全面にわたってメッキによる被覆がなされていないために、未放電状態における使用時に、亜鉛が水酸化カリウム水溶液中に溶解し、亜鉛と接触している集電棒の表面から水素ガスが発生し、これによって同様に電池内圧が上昇して電解液の漏洩を招き易いという問題点がある。
特許第２６３２４７２号公報

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、未放電時および過放電時共に、溶解した亜鉛と黄銅の接触による水素ガス発生や先端部に過度の析出したメッキ等に起因する電解液の漏洩を防ぐことができる電池用集電棒および上記集電棒を組み込んだ電池を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、有底筒状の正極缶内に、正極活物質および負極活物質が充填されて電解液が注入されるとともに上記負極活物質中に金属製の集電棒が挿入され、この集電棒の端部が接合された負極端子板によって上記正極缶の開口部が塞がれてなる電池における上記集電棒であって、棒状に形成された胴部と、この胴部の上記端部に一体に形成されて上記負極端子板に接合される円板状の接続部と、上記胴部の他端部に一体に形成された錐状または切頭錐状の先端部とを備えてなり、かつ上記胴部および上記先端部の漸次縮径された外周面うちの大径部側の部分がメッキによって被覆されているとともに、上記接続部および上記先端部の漸次縮径された外周面うちの上記大径部側の部分よりも先端側の部分には上記メッキによる被覆が形成されていないことを特徴とするものである。

ここで、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の集電棒の胴部、接続部および先端部が黄銅によって一体に形成されるとともに、上記メッキが、スズまたはスズ合金によるメッキであることを特徴とするものである。

さらに、請求項３に記載の発明に係る電池は、有底筒状の正極缶内に、外周側から中心側に向けて順次筒状の正極活物質、筒状のセパレータおよびゲル状の負極活物質が充填されて電解液が注入されるとともに、上記負極活物質内に請求項１または２に記載の集電棒が挿入されてその上記接続部が上記正極缶の開口部を塞ぐ負極端子板に接続され、かつ上記負極端子板と上記正極缶との間にガスケットが介装されてなることを特徴とするものである。

請求項１または２に記載の電池用集電棒あるいは当該集電棒を組み込んだ請求項３に記載の電池によれば、集電棒の胴部および先端部における面積が広い大径部の表面がメッキによって被覆されているために、未放電時においては、溶解した亜鉛と黄銅の接触による過度の水素ガスの発生に起因した電解液の漏洩を防ぐことができる。

しかも、上記集電棒の上記大径部よりも先端側の部分は、上記メッキによる被覆が施されていないために、従来の集電棒のように、過放電時に当該部分に形成された過度の厚さによるメッキ金属が溶解して電解液の漏洩を招くといった虞もない。この結果、未放電時および過放電時共に、溶解した亜鉛と黄銅の接触接触による水素ガスの発生や先端部に過度に析出したメッキ等に起因する電解液の漏洩を防ぐことができる。
さらに、接続部についても、上記メッキ処理が行われておらず、素材金属が露出しているために、負極端子板との強固な接合を確実に行うことができる。

図１および図２は、本発明に係る集電棒およびこれを用いた電池をアルカリ電池に適用した一実施形態を示すものであり、図３に示したものと同一構成部分については、同一符号を付してその説明を簡略化する。
図２に示すように、このアルカリ電池１０においても、有底筒状の正極缶１内に、外周側から中心側に向けて順次筒状の正極活物質２、筒状のセパレータ３および負極ゲル（負極活物質）４が充填されて電解液が注入されるとともに、正極缶１の開口部がガスケット６を介して塞がれている構成については、従来のものと同一である。

そして、このアルカリ電池１０においては、上記集電棒５に替えて、集電棒１１が負極ゲル４内に挿入されている。
この集電棒１１は、円柱棒状に形成された胴部１２と、この胴部１２の端部に一体に形成されて負極端子板７に接合される円板状の接続部１３と、胴部１２の他端部に一体に形成された切頭円錐状の先端部１４とからなるものである。

この集電棒１１は、素材金属が黄銅であり、かつ図１および図２に示すように、胴部１２の全長およびこの胴部１２に連なる先端部１４の大径部１４ａの表面が、スズまたはスズ合金によるメッキによって被覆されている。これに対して、接続部１３および先端部１４の大径部１４ａよりも先端側の部分１４ｂには、上記メッキによる被覆が形成されていない。

したがって、上記構成からなる集電棒１１およびこの集電棒１１を組み込んだアルカリ電池１０によれば、集電棒１１の胴部１２の全長および先端部１４における面積が広い大径部１４ａの表面がスズまたはスズ合金のメッキによって被覆されているために、未放電時においては、溶解した亜鉛と黄銅との接触による過度の水素ガスの発生に起因した電解液の漏洩を防ぐことができる。

しかも、集電棒１１の大径部１４ａよりも先端側の部分１４ｂは、上記メッキによる被覆が施されていないために、従来の集電棒５のように、過放電時に先端角部５ｃおよびその近傍部分５ｄに形成された過度の厚さによるメッキ金属が溶解して電解液の漏洩を招くといった虞もない。

この結果、この集電棒１１およびこれを用いたアルカリ電池１０においては、未放電時および過放電時共に、表面に付着した金属不純物や先端部に過度の析出したメッキ等に起因する電解液の漏洩を防ぐことができる。
さらに、接続部１３についても、上記メッキ処理が行われておらず、素材金属である黄銅が露出しているために、負極端子板７との強固な接合を確実に行うことができる。

（実施例）
先ず、本発明に係る実施例１および比較例１〜４の合計５種類の単３形アルカリ電池用の集電棒を製作した。なお、上記集電棒は、いずれも黄銅製であり、表面に施されたスズメッキ処理は、いずれも電解メッキ法によった。
上記実施例１の集電棒は、図１に示したものと同様に、胴部１２の全長およびこの胴部１２に連なる先端部１４の大径部１４ａの表面が、厚さ１．０μｍのスズメッキによって被覆され、先端部１４の大径部１４ａよりも先端側の部分１４ｂには上記メッキによる被覆が形成されていないものである。

これに対して、比較例１は、胴部および先端部ともに、全く上記メッキが施されていないものである。
また、比較例２〜４は、いずれも胴部の表面が厚さ１．０μｍのスズメッキによって被覆されるとともに、さらに先端部が各々厚さ０．５μｍ、１．０μｍ、２．０μｍのスズメッキによって被覆されたものである。

そして、これらの集電棒を単３形アルカリ電池に組み込んで、未放電漏液試験および過放電漏液試験を実施した。ここで、上記未放電漏液試験は、温度６０℃、湿度９０％の恒温槽中で４０日間保存し、漏液の発生率を確認することにより行った。また、上記過放電漏液試験は、抵抗１０Ωの回路において４８時間放電後、温度６０℃の恒温槽中で４０日間保存し、漏液の発生率を確認することにより行った。

下記表１は、上記実施例１および比較例１〜４に対する上記試験の結果を示すものである。

上記試験結果からも、本発明に係る集電棒およびこれを組み込んだアルカリ電池によれば、未放電時および過放電時共に、溶解した亜鉛と黄銅の接触による水素ガスの発生や先端部に過度の析出したメッキ等に起因して電解液の漏洩が発生することを防止し得ることが判る。

なお、上記実施形態においては、メッキ処理に用いる金属として、スズまたはスズ合金を用いた場合についてのみ説明したが、これに限るものではなく、例えばインジウム（Ｉｎ）やその合金等の他の金属を用いることも可能である。
また、集電棒１１の先端部１４の形状についても、上述した切頭円錐状に限らず、先端の尖った円錐状のものに対しても、同様に適用することができる。

本発明に係る集電棒の一実施形態を示す先端部分の拡大図である。 本発明に係るアルカリ電池の一実施形態を示す要部の縦断面図である。 従来のアルカリ電池を示す縦断面図である。 従来の集電棒を示す先端部分の縦断面図である。

符号の説明

１ 正極缶
２ 正極活物質
３ セパレータ
４ 負極ゲル（負極活物質）
７ 負極端子板
１０ アルカリ電池（電池）
１１ 集電棒
１２ 胴部
１３ 接続部
１４ 先端部
１４ａ 先端部の大径部
１４ｂ 先端部の大径部よりも先端側部分

Claims (3)

1. 有底筒状の正極缶内に、正極活物質および負極活物質が充填されて電解液が注入されるとともに上記負極活物質中に金属製の集電棒が挿入され、この集電棒の端部が接合された負極端子板によって上記正極缶の開口部が塞がれてなる電池における上記集電棒であって、
   棒状に形成された胴部と、この胴部の上記端部に一体に形成されて上記負極端子板に接合される円板状の接続部と、上記胴部の他端部に一体に形成された錐状または切頭錐状の先端部とを備えてなり、かつ上記胴部および上記先端部の漸次縮径された外周面うちの大径部側の部分がメッキによって被覆されているとともに、上記接続部および上記先端部の漸次縮径された外周面うちの上記大径部側の部分よりも先端側の部分には上記メッキによる被覆が形成されていないことを特徴とする電池用集電棒。
2. 上記集電棒の胴部、接続部および先端部は黄銅によって一体に形成されるとともに、上記メッキは、スズまたはスズ合金によるメッキであることを特徴とする請求項１に記載の電池用集電棒。
3. 有底筒状の正極缶内に、外周側から中心側に向けて順次筒状の正極活物質、筒状のセパレータおよびゲル状の負極活物質が充填されて電解液が注入されるとともに、上記負極活物質内に請求項１または２に記載の集電棒が挿入されてその上記接続部が上記正極缶の開口部を塞ぐ負極端子板に接続され、かつ上記負極端子板と上記正極缶との間にガスケットが介装されてなることを特徴とする電池。

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