JP5084215B2

JP5084215B2 - 円筒型電池

Info

Publication number: JP5084215B2
Application number: JP2006268783A
Authority: JP
Inventors: 和樹下園; 博之井上; 彰文長尾
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: US20080096107A1; JP2008091118A; US7629078B2

Description

本発明は、円筒型電池に関し、特に防振リングに起因する不良発生を低減する技術に関する。

近年、二次電池は、使用される機器側のニーズに応じて、様々な形状のものが普及している。
その一方で、従来からある円筒型の電池は、汎用性が高くニッケルカドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）電池、ニッケル水素電池、アルカリ電池、リチウム電池、リチウムイオン電池などの様々な種類の電池に広く適用されている。

図６（ａ）は、このような従来の円筒型電池１００の断面図である。
図６（ａ）に示すように、従来の円筒型電池１００の基本的構成としては、電極体１２０が有底円筒状の外装缶１３０に収納され、電解液が注入された後、開口部が封口蓋１４０をもって封止された構造を有する。
外装缶１３０は、平板状の金属板が塑性加工により有底円筒状に成形されたものであり、材料としては、例えば、ニッケルめっき鋼板などが用いられる。

また、外装缶１３０の開口部付近には、局部的に径が細くなった、所謂シームと呼ばれる縮径部１３１が存在する。
電極体１２０と縮径部１３１との間の隙間には、円形で絶縁性の防振リング１６０が配されている。
これは円筒型電池１００に衝撃が加わったとき、電極体１２０が円筒軸方向に移動することがあり、このとき電極体１２０の上端部と縮径部１３１とが直接接触しないようにするためのものである。

封口蓋４０は、外装缶３０と同様の材料が塑性加工により成形された本体に、安全弁機構などが組み付けられたものである。
この防振リング１６０は、図６（ｂ）に示すように、その外径Ｄ_１が外装缶１３０の内径Ｄ_０よりも小さくなるように設定されている。
これは、外装缶１３０Ｂ内に挿入する際、電極体１２０上に確実に落とし込めるようにするためである。

また、防振リングは、上述した円形以外にも、円形の外縁から複数の突起が出ているものや、８角形のものなどがある。（例えば、特許文献１）
このように円形以外の形状を有する防振リングであっても、その最大径は、外装缶１３０の内径Ｄ_０よりも小さくなるように設定されている。
特開２００２−９３４５５号公報

しかしながら、上記特許文献１の円筒型電池１００では、外装缶１３０の径方向において、外装缶１３０の内壁と防振リング１６０の外縁との間に隙間が生じていたので、この隙間が大きい場合、円筒缶型電池１００の製造過程において、防振リングの配設位置が電極体上面に対し傾いて配置されるなど、本来あるべき位置からずれたり、ライン搬送時の振動等により外装缶から飛び出したりする（以下、「飛び出し不良」という。）という問題がある。

本発明は、このような問題を解決しようとなされたものであって、防振リングが強固に目的の位置に固定されて飛び出し不良が低減され、また、防振リングの上記固定が容易に実施可能な円筒型電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の円筒型電池は、有底円筒型の外装缶に電極体が収容され、前記外装缶の開口部の近傍に縮径部を有し、前記開口部に封口板が接合されて封止されている円筒型電池であって、前記外装缶の内部において、前記縮径部と前記電極体との間にある間隙領域に、絶縁性を有するリングが挿設されており、前記外装缶の前記間隙領域における内径をＤとするとき、前記リングは、中心からの距離がＤ／２以内となっている本体領域と、当該本体領域の外縁から径方向に突出する複数の突出領域とを有し、前記各突出領域は、外縁から前記中心までの最大距離がＤ／２を超え、１０２Ｄ／２００以下となっており、分散した位置に少なくとも３つ存在することを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の円筒型電池の製造方法は、有底円筒型の外装缶内に電極体を収納する収納ステップと、前記収納が行われた前記外装缶の開口部の近傍の外装缶側面を縮径する縮径ステップと、前記縮径した部分に封口板を載置して封止する封止ステップとを有する円筒型電池の製造方法であって、前記外装缶の内径をＤとするとき、前記収納ステップ実施後であって、かつ、前記縮径ステップの実施前において、中心からの距離がＤ／２以内となっている本体領域と、当該本体領域の外縁から径方向に突出する複数の突出領域とを有し、前記各突出領域は、外縁から前記中心までの最大距離がＤ／２を超え、１０２Ｄ／２００以下となっており、分散した位置に少なくとも３つ存在する形状の絶縁性リングを前記電極体上に配設する配設ステップを有し、前記縮径ステップにおける前記縮径が、前記外装缶における前記リングの配設位置よりも前記開口部に近づいた位置で行われることを特徴とする。

なお、上記において、中心とは、リングの寸法設計を行うための基準となる点であり、通常、外装缶内周の中心にリングの中心があると想定し、リング外縁の径方向の長さ等を決定する。
ここで、分散した位置とは、上記リングの外縁を円に見立てたとき、この円の円周を突出領域の数で等分して得られる基準位置からの位置的偏りが少ないことを意味する。

例えば、突出領域の数が３であれば、設計中心を起点として１２０度ずつ等分する線と前記円周とが交わる点が上記基準位置となる。

上記構成及び製造方法により、中心からその外縁までの最大距離がＤ／２を超えている突出領域が分散した位置に３つ以上複数個存在するので、これらの突出領域が外装缶の内壁に当接し、かつ、外装缶内壁を押圧するため、リングの位置が強固にずれなく固定される。
さらに、上記押圧力は、リングが撓むことにより発生するが、中心から前記各突出領域の外縁までの最大距離が１０２Ｄ／２００以下であることにより、程好い撓み量が確保され、また、隣り合う突出領域の間には、中心からの距離がＤ／２以下の本体領域が存在するので、電池の製造工程において、外装缶にリングを挿入するとき、挿入抵抗が大きすぎて挿入がうまくできない所謂挿入不良が生じることがない。

また、前記突出領域は、最大８個存在することが望ましい。
これにより、リングの外縁が外装缶の内壁に接触する点数が多くなりすぎ、上記挿入抵抗が大きくなりすぎることがない。

以下では、アルカリ蓄電池の一種であるニッケル水素電池（以下、「Ｎｉ−ＭＨ電池」という。）を一例として、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、以下の形態は、一例であって、本発明は、ニッケル水素電池に限定を受けるものではない。
（Ｎｉ−ＭＨ電池１の構成）
本実施の形態に係るＮｉ−ＭＨ電池１の構成について、図１を用いて説明する。図１では、便宜上、Ｎｉ−ＭＨ電池１の外装缶３０の一部を切り欠いて、缶の内部を示している。

図１に示すように、本実施の形態に係るＮｉ−ＭＨ電池１の基本的構成としては、電極体１０が有底円筒状の外装缶３０に収納され、電解液が注入された後、開口部が封口蓋４０をもって封止された構造を有する
Ｎｉ−ＭＨ電池１の構成要素の内、電極体１０は、帯状の正極板１１と負極板１２とがセパレータ（不図示）を挟んだ状態で積層され、この状態で渦巻き状に巻回加工されたものである。

電極体１０の上端には、円盤状の正極集電板２１が接合され、下端には、同じく円盤状の負極集電板２２が接合されている。
正極板１１は、多孔質基板であるニッケルスポンジにニッケル活物質が充填された極板本体と、図１に示すように、その上側縁辺に接合された導電端子１１２とで構成されている。

負極板１２は、パンチングメタルに水素吸蔵合金が充填された極板本体に、図１に示すように、その下側縁端に接合された金属薄板からなる導電端子１２２とで構成されている。
正極板１１と負極板１２との間に介挿されるセパレータ（不図示）は、例えば、ポリオレフィンなどからなる不織布から構成されている。

正極板１１の上側縁辺には、帯状の金属薄板（例えば、ニッケル板）である導電端子１１２が接合されており、正極集電板２１は、この導電端子１１２に接合されることで正極板１１からの集電を行えるようになっている。
同様に、負極板１２の上側縁辺には、導電端子１２２が接合されており、負極集電板２２は、この導電端子１２２に接合されることで負極板１２からの集電を行えるようになっている。

外装缶３０は、平板状の金属板が塑性加工により有底円筒状に成形されたものであり、材料としては、例えば、ニッケルめっき鋼板などが用いられる。
この外装缶３０の開口部付近には、局部的に径が細くなった、所謂シームと呼ばれる縮径部３１が存在し、さらに、電極体１０と縮径部３１との間の隙間には、八角形で絶縁性の防振リング６０が配されている。

防振リング６０は、厚みが０．５ｍｍのポリプロピレンなどの材料からなるリング状の板体であり、８つある角部のうちの３つが、設計中心からの距離が他角部よりも長くなっており、その形状の詳細については後述する。
封口蓋４０は、外装缶３０と同様の材料が塑性加工により成形された本体に、安全弁機構などが組み付けられたものである。
（防振リングの形状について）
図２は、防振リング６０の平面図である。

ここで、防振リング６０が挿入される位置における外装缶の内径をＤ_０とする。
この図２に示すように、８つある角部のうち、互いに分散配置されているＡ部、Ｂ部及びＣ部において、外縁から設計上の中心点までの最大距離が、Ｄ_０／２を超え、０．５１Ｄ_０以下となっており、その他の角部については、Ｄ_０／２以下となっている。
このように、上記中心点からの最大距離が、Ｄ_０／２を超え、０．５１Ｄ_０以下となっている箇所を、便宜上、当接点ということとする。

防振リング６０に対し、このような寸法設計を実施することで、外装缶３０の内周にＡ部、Ｂ部及びＣ部が当接し、かつ、径方向へと付勢するので、防振リング６０が強固に固定され、位置ずれや飛び出しなどが防止される。
上記付勢力が生じるのは、Ａ部、Ｂ部及びＣ部の頂点から上記中心点までの最大距離が、Ｄ_０／２を超えているからである。

また、Ａ部、Ｂ部及びＣ部の頂点から中心までの距離を０．５１Ｄ_０以下としていることで、防振リング６０の撓み量が適度に調整されており、また、Ａ部、Ｂ部及びＣ部の間に存在する別の角部では、頂点から中心までの距離がＤ_０／２以下となっているため、製造工程において、外装缶３０に防振リング６０を挿入する際、挿入抵抗が大きすぎることがなく、挿入不良の発生が抑制される。
（防振リングの配設方法）
外装缶３０に電極体が挿入され、縮径部１３１が形成される前の外装缶１３０の開口部から防振リング６０を入れ、さらに、その上方から外装缶３０の内径Ｄ_０よりも小さい外径を有する棒状の治具で押し込んで、電極体の上部端面に押し当てる。

このとき、防振リング６０は、全体が撓み、外装缶３０の円筒軸方向における位置が、当接点と防振リング６０の仮想的な中心の位置とでズレが生じた状態となる。
ここで、仮想的な中心と表現したのは、実際には、防振リングの中央部には透孔が存在するため、高さを求めるための基準となる部材が存在しないからであり、透孔が存在しない状態で中心に部材が存在すると仮定した場合の中心の位置を高さの基準とすることを意味する。
（留意点）
なお、本実施の形態では、二次電池を例に挙げて説明したが、本実施の形態における防振リングを円筒型の一次電池に適用しても構わない。

また、本実施の形態では、上述のように３つの当接点を設けているが、図３に示すように、Ｄ部、Ｅ部、Ｆ部及びＧ部の４つの当接点を設けてもよい。
この４つの当接点を有する防振リング６１の利点は、設計中心を通る軸上に２つの当接点を設けることができるため、同一軸線上にある当接点同士の距離が、防振リング６１の最大外径となり、最大外径の計測が極めて容易にある点である。

なお、同一軸線上にある当接点の対は、２つ存在するため、対をなす当接点同士の距離が、それぞれことなる値であるときは、便宜上、これらの値の平均値を最大外径とする。
ここで、上記最大外径とは、当接点に内接する円（以下、「当接点内接円」という。）の外径のことをいい、防振リング６０と外装缶３０との嵌合度合いに大きく影響する値である。

つまり、ノギスやマイクロメータなどの計測機器を用いて最大外径を直接的に求めることができる。
図２のように、当接点が３つの場合、設計上の中心からのＡ部、Ｂ部及びＣ部までの距離を、それぞれＤ_１、Ｄ_２及びＤ_３とすると、Ｄ_１、Ｄ_２及びＤ_３の値が、Ｄ_０／２を超え、０．５１Ｄ_０以下となっていても、Ｄ_１、Ｄ_２及びＤ_３の値が全て同じ値の場合に限り、設計上の中心と当接点内接円の中心が一致する。

通常、Ｄ_１、Ｄ_２及びＤ_３は、微妙に異なっているので、設計上の中心と当接点内接円の中心とは異なる。
３つの当接点を有する防振リングの最大外径を求める場合には、ぞれぞれの位置を座標にプロットするなどして、当接点内接円及びその中心点を求め、この中心点から当接点までの距離を求めて最大外径を算出する必要がある。

さらに、５以上の当接点を設けてもよいが、この場合、その上限数を挿入抵抗が大きくなりすぎない程度の数に設定する必要がある。
発明者らは、数を増やした場合の挿入抵抗の増加度合いを予測し、最大数を８個以下とした。
このように、当接点の数を３以上、８以下に設定した場合、各当接点の設定条件としては、図２及び図３に示すように、複数の当接点のうちのｎ番目の当接点における設計上の中心からの距離をＤｎとすると以下の条件式を満足する。
［式１］Ｄ_０／２＜Ｄｎ≦０．５１Ｄ_０
［式２］３≦ｎ≦８
（確認試験）
以下は、防振リングに起因する不良、即ち、挿入不良、位置ずれ及び飛び出し不良などに対する優位性について確認試験を実施した結果を示す。

ここでは、図３の防振リング６１のような当接点が４つあるタイプの防振リングを用いて試験を実施した。

表１に示すように、挿入不良及び飛び出し不良（位置ずれを含む）の両方を合計した不良率が０．１％の低レベルとなっているものは、実施例品Ａ，Ｂ，Ｃのみである。
つまり、防振リングの外径を大きくすればするほど、飛び出し不良は低減するものの、挿入不良の発生率が大きくなってしまい、また、防振リングの外径を小さくすると、その逆の結果となるため、挿入不良の低減と飛び出し不良の低減を両立実施するには、実施例品Ａ，Ｂ，Ｃで用いた外径の範囲、即ち、設計上の中心からの各当接点までの距離が、Ｄ_０／２を超え、０．５１Ｄ_０以下に設定する必要がある。
（その他の事項）
なお、上記実施の形態においては、当接点を形成するにあたり、８角形の角部の位置を単に径方向外側へと移動させた形状であったが、これに限らず、図４に示すように、角部から凸部を突出させたＨ部、Ｊ部及びＫ部のような形状であっても構わない。

また、本実施の形態は、その基本形状を８角形としたが、これに限らず、例えば、図５に示すような、外径がＤ_０／２以下の円形リングの外縁から凸部を突出させたＬ部、Ｍ部及びＮ部のような形状であっても構わない。
図４及び図５においても、各当接点の設定条件としては、図２及び図３と同様であり、式１及び式２の条件式を満足する。

また、［発明を実施するための最良の形態］の冒頭において述べたように、本実施の形態では、アルカリ蓄電池の一種であるニッケル水素電池を一例に挙げ、説明を行ったが、本発明はニッケル水素電池に限定するものではなく、ニッケルカドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）電池、アルカリ電池、リチウム電池、リチウムイオン電池などの様々な種類の円筒缶型電池に適用することができる。

本発明に係る防振リングは、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、アルカリ電池、リチウム電池、リチウムイオン電池などの円筒缶型タイプの電池に適用することが可能である。

本実施の形態におけるＮｉ−ＭＨ電池の断面斜図である。本実施の形態における防振リングの平面図である。本実施の形態の変形例における防振リングの平面図である。本実施の形態の変形例における防振リングの平面図である。本実施の形態の変形例における防振リングの平面図である。従来の円筒型電池の断面斜図である。

符号の説明

１Ｎｉ−ＭＨ電池
１０電極体
１１正極板
１２負極板
２１正極集電板
２２負極集電板
３０外装缶
３１縮径部
４０封口蓋
４０封口板
６０防振リング
６１防振リング

Claims

有底円筒型の外装缶に電極体が収容され、前記外装缶の開口部の近傍に縮径部を有し、前記開口部に封口板が接合されて封止されている円筒型電池であって、
前記外装缶の内部において、前記縮径部と前記電極体との間にある間隙領域に、絶縁性を有するリングが挿設されており、
前記外装缶の前記間隙領域における内径をＤとするとき、
前記リングは、中心からの距離がＤ／２以内となっている本体領域と、当該本体領域の外縁から径方向に突出する複数の突出領域とを有し、
前記各突出領域は、外縁から前記中心までの最大距離がＤ／２を超え、１０２Ｄ／２００以下となっており、分散した位置に少なくとも３つ存在することを特徴とする円筒型電池。
前記突出領域は、最大８個存在することを特徴とする請求項１に記載の円筒型電池。
有底円筒型の外装缶内に電極体を収納する収納ステップと、前記収納が行われた前記外装缶の開口部の近傍の外装缶側面を縮径する縮径ステップと、前記縮径した部分に封口板を載置して封止する封止ステップとを有する円筒型電池の製造方法であって、
前記外装缶の内径をＤとするとき、
前記収納ステップ実施後であって、かつ、前記縮径ステップの実施前において、中心からの距離がＤ／２以内となっている本体領域と、当該本体領域の外縁から径方向に突出する複数の突出領域とを有し、前記各突出領域は、外縁から前記中心までの最大距離がＤ／２を超え、１０２Ｄ／２００以下となっており、分散した位置に少なくとも３つ存在する形状の絶縁性リングを前記電極体上に配設する配設ステップを有し、
前記縮径ステップにおける前記縮径が、前記外装缶における前記リングの配設位置よりも前記開口部に近づいた位置で行われることを特徴とする円筒型電池の製造方法。
前記配設ステップにおいて、前記リングを外装缶開口部から底部へ向けて押し込んでいることを特徴とする請求項３に記載の円筒型電池の製造方法