JP5108468B2 - 筒型アルカリ電池 - Google Patents

Description

本発明は、有底筒状の正極缶内にセパレータを介して正極合剤及び負極合剤が収容された筒型アルカリ電池に関するものである。

従来、単１形（ＬＲ２０）や単２形（ＬＲ１４）などの比較的サイズが大きな筒型アルカリ電池を製造する場合、まず、有底円筒状の正極缶内に中空円筒状に成形した正極合剤を収納する。そして、正極缶の底部に加熱したホットメルト樹脂（熱溶融型接着剤）を充填し、正極合剤の中空部に筒状のセパレータを挿入する。このとき、ホットメルト樹脂が冷却硬化することにより、セパレータと正極缶とが接着され、セパレータの底部開口が塞がれる。その後、セパレータ中空部に電解液を注入してセパレータと正極合剤とに電解液を含浸させた後、セパレータ中空部にゲル状の負極合剤を充填する。そして、正極缶の開口端を別工程によって組み立てられた集電体で密閉して筒型アルカリ電池が完成する。

この筒型アルカリ電池では、ホットメルト樹脂の硬化物からなる隔離材を用いてセパレータの底部開口を閉塞することにより、正極合剤と負極合剤とが分離・絶縁される。また、電池に振動や落下衝撃が加えられた場合でも、ホットメルト樹脂の隔離材によって振動や衝撃が吸収され、正極合剤と負極合剤とが確実に隔離される。このように、ホットメルト樹脂を用いてセパレータの底部開口を閉塞することにより正極合剤と負極合剤とを隔離するようにしたアルカリ電池が提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。
特開平０５−１３５７７７号公報 特開平１０−４０９２７号公報 特開２０００−６７８７８号公報 特開２００１−２６６９０５号公報

ところで、ホットメルト樹脂は温度が下がると硬くなる性質を有している。それゆえ、低温（例えば、−２０℃）の環境下において、落下などによって外部から電池に衝撃が加わると、ホットメルト樹脂の隔離材に亀裂が生じてしまう。その結果、隔離材においてその亀裂が生じた箇所からゲル状の負極合剤が漏れ出し、その負極合剤が正極合剤側と接触することにより、内部ショートを起こす。これにより、放電性能などが低下して電池としての機能が損なわれてしまう。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、適切な硬度の隔離材を用いてセパレータを正極缶内に固定し、耐衝撃性に優れた筒型アルカリ電池を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、有底筒状の正極缶内にセパレータを介して正極合剤及び負極合剤が収容され、前記セパレータの底部開口を塞ぐ隔離材により前記負極合剤と前記正極缶の底部とが隔離された筒型アルカリ電池において、前記隔離材は、ＪＡＩ−７−１９９１（ホットメルト接着剤試験方法）に準拠して測定した硬度が５（Ａ）以上３５（Ａ）以下のホットメルト樹脂の硬化物であることを特徴とする筒型アルカリ電池をその要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、セパレータの底部開口を塞ぐ隔離材として、硬度が５（Ａ）以上３５（Ａ）以下のホットメルト樹脂の硬化物が用いられている。この場合、従来技術で使用されているホットメルト樹脂よりも柔らかいので、低温環境下で衝撃が加えられた場合でも、隔離材に亀裂が入り難くなる。また、隔離材は、５（Ａ）以上の硬度が確保されているので、十分な接着性を確保することができる。従って、低温で衝撃が加わった場合でも亀裂を生じることがなく、負極合剤と正極合剤とを確実に分離・絶縁することができ、内部ショートの発生を防止することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記ホットメルト樹脂は、オレフィン系共重合体を主成分とすることをその要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、オレフィン系共重合体を主成分とするホットメルト樹脂は、耐アルカリ性に優れるため、アルカリ電解液に接触しても変質等することがなく、アルカリ電解液を含む負極合剤と正極合剤とを確実に隔離することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１において、前記ホットメルト樹脂は、主成分であるオレフィン系共重合体と、ワックス類との混合物であることをその要旨とする。

請求項３に記載の発明によれば、主成分であるオレフィン系共重合体に軟化剤として機能するワックス類が混合されることにより、適切な硬度（５（Ａ）以上３５（Ａ）以下の硬度）のホットメルト樹脂を容易に得ることができる。

以上詳述したように、請求項１〜３に記載の発明によると、適切な硬度の隔離材を用いてセパレータを正極缶内に固定し、耐衝撃性に優れた筒型アルカリ電池を提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は本実施の形態における筒型アルカリ電池の概略構成を示す断面図である。

図１に示されるように、筒型アルカリ電池１０は、有底筒状の正極缶１１と、その正極缶１１内に収納される中空円筒状の正極合剤１２と、正極合剤１２の内側に挿入される筒状のセパレータ１３と、セパレータ１３の中空部に充填されるゲル状の負極合剤１４と、セパレータ１３の底部開口１３ａを塞ぐ隔離材１５と、正極缶１１の開口部に装着される集電体１６とを備える。なお、本実施の形態の筒型アルカリ電池１０は、ＬＲ２０タイプ（単１形）の電池である。

正極缶１１は、ニッケルメッキ鋼板を有底筒状にプレス成形することで作製され、その底部の中央に正極端子１８が突設されている。また、正極合剤１２は、電解二酸化マンガン、黒鉛、水酸化カリウム、及びバインダーを混合した正極合剤粉を整粒した後、円筒状にプレス成形することで作製される。

負極合剤１４は、水と酸化亜鉛と水酸化カリウムとを混ぜて溶解し、これに攪拌しながら、ポリアクリル酸などのゲル化剤を加え、さらに亜鉛粉を分散することで作製される。

集電体１６は、負極端子板２１、集電子２２及び封口ガスケット２３を含んで構成されている。正極缶１１の開口部付近には、集電体１６を載置するためのビード部２４が形成されている。そして、そのビード部２４上に集電体１６を載置した状態で、正極缶１１の開口部にカール及び絞り加工を施すことにより、正極缶１１が封口されている。集電体１６は、真鍮からなる棒状の集電子２２（集電棒）をその頭部で負極端子板２１に抵抗溶接するとともに、集電子２２の首部に封口ガスケット２３を嵌着することで、形成されている。負極端子板２１は、正極缶１１と同じくニッケルメッキ鋼板をプレス成形することで作製される。この集電体１６における集電子２２の下端側は、負極合剤１４に挿入されている。また、正極缶１１において封口ガスケット２３と接触する上端部内周面には、シール剤２５が塗布されている。その結果、接触部のシール性が確保されている。

図２に示されるように、セパレータ１３は有底円筒状をなしており、その底部に外周部１３ｂを備えている。このセパレータ１３の製造手順としては、まず、図２（ａ）に示されるように、セパレータ原紙２６を円筒状に巻回する。さらに、図２（ｂ）に示されるように、一方の円筒端部を筒軸方向に折曲しつつその折曲によって重なり合う部分を熱融着させることで、底部外周部１３ｂを形成する。その結果、このセパレータ１３において底部外周部１３ｂの内側に、底部開口１３ａが形成される。なお、セパレータ原紙２６は熱融着するための熱可塑性樹脂を含んでいる。この熱可塑性樹脂を含んだセパレータ原紙２６としては、例えば、ビニロン・レーヨン不織布やポリオレフィン・レーヨン不織布を使用する。

セパレータ１３の底部開口１３ａは、ホットメルト樹脂の硬化物からなる隔離材１５によって閉塞されている。その結果、負極合剤１４と正極缶１１の底部とが互いに絶縁されている。本実施の形態における隔離材１５のホットメルト樹脂としては、従来のアルカリ電池で用いられていたホットメルト樹脂（具体的には３８（Ａ）の硬度）よりも柔らかい樹脂（具体的には５（Ａ）以上３５（Ａ）以下の硬度）を用いている。より詳しくは、耐アルカリ性に優れた樹脂材料であるポリオレフィン系共重合体を主成分とし、１０％程度のワックス類を混合したホットメルト樹脂を用いている。

次に、本実施の形態の筒型アルカリ電池１０の製造方法を説明する。

まず、あらかじめ中空円筒状に成形された正極合剤１２を有底円筒状の正極缶１１内に圧入する。その後、正極缶１１の開口部付近の直径を少し細くしてビード部２４を形成する（この操作をビーディング加工と言う）。このビード部２４は正極缶１１を回転させながら側面から円盤状ローラーで押して設けられる。

次に、正極缶１１の内周面においてビード部２４よりも開口部寄りの位置にシール剤２５を塗布する。さらに、１７０℃に加熱した０．５ｇのホットメルト樹脂を正極缶１１の底部（正極端子１８の凹部）に充填した後、正極合剤１２の中空部に中空円筒状のセパレータ１３を挿入する。このとき、ホットメルト樹脂の一部がセパレータ１３の底部開口１３ａを通じてその内側に入り込む。そして、ホットメルト樹脂が冷却硬化することにより、セパレータ１３の底部開口１３ａが塞がれる。その後、セパレータ１３の円筒内部に電解液を注入してセパレータ１３と正極合剤１２に電解液を浸潤させた後、セパレータ１３の円筒内部に負極合剤１４を充填する。

その後、集電体１６を台座であるビード部２４上に載置して位置決めし、その状態で正極缶１１の開口部にカール及び絞り加工を施して封口する。以上の製造工程を経て本実施の形態の筒型アルカリ電池１０が完成する。

本発明者は、上記製造方法において、硬度の異なるホットメルト樹脂を用いて電池を試作し、それら試作電池に対する衝撃試験を行った。その結果を表１に示している。ここでは、ホットメルト樹脂に加えるワックス類の配合比率の変更によってその硬度を変更した。硬度は、ＪＡＩ−７−１９９１（ホットメルト接着剤試験方法）に準拠して測定したショア硬度（Ａ）である。その測定方法としては、測定対象となる各ホットメルト樹脂を冷却硬化させることで、平滑な測定面を有する円板状（厚さ１０ｍｍ、直径５０ｍｍ）の試験片を用意する。この試験片を２３±２℃の試験室内に２４時間以上放置した後、硬さ試験機を用いて試験片の平滑面の５ヶ所の硬さを測定し、その平均値を測定値とした。なお、硬さ試験機としては、旧ＪＩＳ Ｋ ６３０１で規定されたスプリング式硬さ試験機を用いた。

衝撃試験においては、試作電池を低温（−２０℃）に１２時間保管し、５０ｃｍの高さから傾斜や凹凸のない平らな床面に、正極端子１８側を上、下、横の３方向に向けて各方向５回ずつ、自然落下させた。そして、その落下させた電池の電圧測定を行い、内部ショートの発生率を確認した。

表１に示されるように、従来製品で用いているホットメルト樹脂の場合（従来例の場合）、その硬度は３８（Ａ）であり、８％の割合で内部ショートが発生した。また、実施例１〜５のように、硬度が３５（Ａ）〜５（Ａ）のホットメルト樹脂を用いた場合では、内部ショートは発生しなかった。さらに、比較例１のように、硬度が３６（Ａ）のホットメルト樹脂を用いた場合、２％の割合で内部ショートが発生した。さらには、比較例２のように、硬度が４（Ａ）のホットメルト樹脂を用いた場合、１％の割合で内部ショートが発生し、比較例３のように、硬度が３（Ａ）のホットメルト樹脂を用いた場合、５％の割合で内部ショートが発生した。

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施の形態のアルカリ電池１０では、従来よりも柔らかい適切な硬度（３５（Ａ）〜５（Ａ）の硬度）を有するホットメルト樹脂の硬化物を隔離材１５として用いた。この場合、隔離材１５は、低温で硬くなっても亀裂が入り難くなる。また、隔離材１５のホットメルト樹脂は、柔らかすぎると接着性が落ちるが、５（Ａ）以上の硬度が確保されているので、十分な接着性を確保することができる。従って、低温で衝撃が加わった場合でも、その衝撃が隔離材１５で確実に吸収され、正極合剤１２と負極合剤１４とを分離・絶縁することができる。この結果、内部ショートの発生を防止することができ、電池１０の放電性能を維持することができる。

（２）本実施の形態の場合、隔離材１５としてオレフィン系共重合体を主成分とするホットメルト樹脂を用いているので、耐アルカリ性に優れ、負極合剤１４と正極合剤１２とを確実に隔離することができる。

（３）本実施の形態の場合、主成分であるオレフィン系共重合体に軟化剤として機能するワックス類を混合することにより、適切な硬度（５（Ａ）以上３５（Ａ）以下の硬度）のホットメルト樹脂を容易に得ることができる。

なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施の形態では、ＬＲ２０タイプ（単１形）のアルカリ電池１０に具体化したが、ＬＲ１４タイプ（単２形）のアルカリ電池に具体化してもよい。
・上記実施の形態では、主成分であるオレフィン系共重合体に軟化剤であるワックス類を適宜混合したものを使用したが、ワックス類以外の軟化剤を適宜混合したものを使用しても勿論よい。
・また、上記実施の形態では、オレフィン系共重合体を主成分とするホットメルト樹脂を使用したが、オレフィン系共重合体以外の共重合体を主成分とするホットメルト樹脂を使用しても勿論よい。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）請求項１乃至３のいずれか１項において、単１形または単２形のサイズであることを特徴とする筒型アルカリ電池。

本発明を具体化した一実施の形態の筒型アルカリ電池を示す断面図。 （ａ），（ｂ）は、セパレータを示す斜視図。

符号の説明

１０…筒型アルカリ電池
１１…正極缶
１２…正極合剤
１３…セパレータ
１３ａ…底部開口
１４…負極合剤
１５…隔離材

Claims (3)

1. 有底筒状の正極缶内にセパレータを介して正極合剤及び負極合剤が収容され、前記セパレータの底部開口を塞ぐ隔離材により前記負極合剤と前記正極缶の底部とが隔離された筒型アルカリ電池において、
   前記隔離材は、ＪＡＩ−７−１９９１（ホットメルト接着剤試験方法）に準拠して測定した硬度が５（Ａ）以上３５（Ａ）以下のホットメルト樹脂の硬化物であることを特徴とする筒型アルカリ電池。
2. 前記ホットメルト樹脂は、オレフィン系共重合体を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の筒型アルカリ電池。
3. 前記ホットメルト樹脂は、主成分であるオレフィン系共重合体と、ワックス類との混合物であることを特徴とする請求項１に記載の筒型アルカリ電池。
   

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