JP5183394B2

JP5183394B2 - アルカリ電池用セパレータ及びその製造方法、アルカリ電池

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Publication number: JP5183394B2
Application number: JP2008246983A
Authority: JP
Inventors: 秀典都築; 武男野上; 雅人中村
Original assignee: FDK Energy Co Ltd
Current assignee: FDK Energy Co Ltd
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2028-09-25
Also published as: JP2010080246A

Description

本発明は、正極活物質及び負極活物質間に配置されるアルカリ電池用セパレータ及びその製造方法、アルカリ電池用セパレータを用いて構成されたアルカリ電池に関するものである。

一般に、アルカリ電池は、有底筒状の正極缶と、その正極缶内に収納されるリング状の正極合剤と、正極缶の中心部に配置されるゲル状負極合剤と、正極合剤とゲル状負極合剤との間に配置される筒状のセパレータと、正極缶の開口部に装着される集電体とを備えている。

従来のアルカリ電池に用いられる筒状のセパレータは、以下の手法によって作製されている。

先ず、第１の手法としては、図４に示されるセパレータ５０のように、セパレータ材５１を筒状に巻き、セパレータ材５１の最外端５２と外側から２周目の部分５３をその全長にわたり接着剤５４で接着することにより作製される。また、第２の手法としては、図５に示されるセパレータ５５のように、セパレータ材５１を筒状に巻き、その胴部５６を接着しない状態で底５７を熱溶着や底紙により形成することで作製される。さらに、第３の手法としては、図６に示されるセパレータ５９のように、細長いセパレータ材６０，６１を重ねて接着剤で固め筒状に形成し、全面を接着剤で貼り付けることで作製される。また、第４の手法としては、図７に示されるセパレータ６２のように、２枚以上のセパレータ材６３，６４を十字状に重ねて折り曲げることで筒状に作製される。

アルカリ電池において、セパレータ内に収容されたゲル状負極合剤が正極側へ漏れ出すと、内部短絡を起こす。この対策として、セパレータの開口部を集電体の封口ガスケットに接着し、内部短絡を防止するようにしたアルカリ電池が提案されている（特許文献１，２等参照）。
特開平０７−１３４９７７号公報特開平１０−１７２５２５号公報

ところが、図４のようにセパレータ５０の最外端５２を接着したり、図５のようにセパレータ５５の底５７のみを形成したりする場合、セパレータ５０，５５の内側が固定されていないため、セパレータ５０，５５に電解液を浸み込ませる工程においてセパレータ５０，５５が内側に撓み、ゲル状負極合剤と正極合剤との間に隙間が形成されてしまう。この場合、隙間が形成されている部分の正極及び負極は重負荷放電時には反応しない部分となるため、電池の放電性能が低下してしまう。また、図７のセパレータ６２でも内側が固定されていないため、セパレータ６２が内側に撓み、放電性能が低下する場合がある。さらに、図６のセパレータ５９のように、接着剤を使って全面に貼り付けた場合には、接着剤が抵抗となるため放電性能が低下する。また、接着剤によりセパレータ５９の柔軟性がなくなる。このため、衝撃等によってセパレータ５９が裂け、ゲル状負極合剤が正極合剤側に漏れ出して内部短絡が起こりやすくなる。

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、重負荷パルス放電の良好なアルカリ電池用セパレータを提供することにある。また、別の目的は、上記アルカリ電池用セパレータを製造するのに好適な製造方法を提供することにある。さらに、別の目的は、放電性能に優れた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、１枚のセパレータ材を２周以上巻くことで負極端子側開口部を有する有底筒状に形成され、正極活物質及び負極活物質間に配置されるアルカリ電池用セパレータであって、前記正極活物質及び前記負極活物質に接している両極接触部分において前記セパレータ材同士が固定されておらず、かつ、セパレータ外側に位置する前記セパレータ材の最外端とセパレータ外側から２周目の部分とが固定されていない一方で、セパレータ内側に位置する前記セパレータ材の最内端とセパレータ内側から少なくとも２周目の部分とが、前記両極接触部分に属さない前記負極端子側開口部において固定されていることを特徴とするアルカリ電池用セパレータをその要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、正極活物質及び負極活物質に接している両極接触部分においてセパレータ材同士が固定されていないので、この部分を接着剤等で固定した場合と比較して、より多くの電解液をセパレータ材に吸収させることができる。また、セパレータ内側に位置するセパレータ材の最内端とセパレータ内側から２周目の部分とが負極端子側開口部において固定されているので、セパレータに電解液を浸み込ませた場合でも、セパレータが内側に撓むことがなく、正極活物質及び負極活物質に接している両極接触部分で各活物質を効率よく反応させることができる。また、負極端子側開口部においてセパレータを部分的に固定することにより、柔軟性の低下を抑えることができ、耐衝撃性を確保することができる。また、本発明では、セパレータ外側に位置する前記セパレータ材の最外端とセパレータ外側から２周目の部分とが固定されていないので、柔軟性の低下を抑えることができ、セパレータの耐衝撃性を十分に確保することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記セパレータ材の最内端とセパレータ内側から２周目の部分とが、熱融着により固定されてい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、熱融着によってセパレータ材を確実に固定することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１において、前記セパレータ材の最内端とセパレータ内側から２周目の部分とが、接着剤により接着固定されてい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、接着剤によってセパレータ材を確実に固定することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のアルカリ電池用セパレータを製造する方法であって、熱可塑性のバインダ繊維を含む矩形状のセパレータ材を用い、そのセパレータ材における１つの角部に水を付ける水付与工程と、水を付けた角部が内端側になるようにして前記セパレータ材を２周以上巻いて筒状にする巻回工程と、筒状に巻かれた状態の前記セパレータ材を加熱することにより、前記セパレータ材の最内端とセパレータ内側から２周目の部分とを、セパレータ開口部において部分的に固定する部分固定工程とを含むことを特徴とするアルカリ電池用セパレータの製造方法をその要旨とする。

請求項４に記載の発明によれば、水付与工程において、セパレータ材における１つの角部に水が付けられた後、巻回工程を行い、その角部が内端側になるようにしてセパレータ材が２周以上巻かれて筒状にされる。このとき、セパレータ材において水が付着した部分では、熱可塑性のバインダ繊維が水分を含んで膨潤し、軟化しやすい状態になる。この後、筒状のセパレータが加熱されると、軟化したバインダ繊維が熱可塑性の接着剤として機能してそのバインダ繊維が再固化することにより、セパレータ材の最内端とセパレータ内側から２周目の部分とが、セパレータ開口部において部分的に固定される。このようにすれば、請求項４に記載のアルカリ電池用セパレータを確実に製造することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアルカリ電池用セパレータを用いて構成されたことを特徴とするアルカリ電池をその要旨とする。

請求項５に記載の発明によれば、耐衝撃性及び放電性能に優れたアルカリ電池を得ることができる。

以上詳述したように、請求項１〜３に記載の発明によると、電池性能を落とすことなく、耐衝撃性を十分に確保することができるアルカリ電池用セパレータを提供することができる。また、請求項４に記載の発明によると、電池性能を落とすことなく、耐衝撃性を十分に確保することができるアルカリ電池用セパレータを確実に製造することができる。さらに、請求項５に記載の発明によると、耐衝撃性及び放電性能に優れた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アルカリ電池の概略構成を示す断面図である。

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アルカリ電池１０の概略構成を示す断面図である。なお、本実施の形態のアルカリ電池１０は、ＬＲ６タイプ（単３形）の電池である。

図１に示されるように、アルカリ電池１０は、有底筒状の正極缶１１と、その正極缶１１の内面に沿って嵌着されたリング状の正極合剤１２（正極活物質）と、正極合剤１２の内側に挿入される有底筒状のセパレータ１３と、正極缶１１の中心部となるセパレータ１３の中空部に配置されるゲル状負極合剤１４（負極活物質）と、正極缶１１の開口部１５に装着される集電体１６とを備える。

正極缶１１は、ニッケルめっき鋼板製のプレス加工品であり、開口部１５、胴部１７及び底部１８を有する有底筒状にプレス成形されている。正極缶１１における底部１８の中央には正極端子１９が突設されている。

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。

ゲル状負極合剤１４は、水と酸化亜鉛と水酸化カリウム水溶液とを混ぜて溶解し、ポリアクリル酸などのゲル化剤と亜鉛粉とを混合することで作製される。

集電体１６は、負極端子板２１、負極集電子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１５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１５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、真鍮を用いて棒状に形成された負極集電子２２をその基端側の頭部で負極端子板２１に抵抗溶接するとともに、負極集電子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。そして、負極集電子２２の先端側がゲル状負極合剤１４に挿入されている。

負極端子板２１は、正極缶１１と同じくニッケルめっき鋼板をプレス成形することで作製され、封口ガスケット２３を介して正極缶１１の開口部１５を封口している。封口ガスケット２３は、ポリオレフィン樹脂やポリアミド樹脂などの樹脂材料を用いて射出成形することで作製される。

この封口ガスケット２３における中心にはボス部２６が設けられ、そのボス部２６に負極集電子２２が貫通されている。さらに、封口ガスケット２３におけるボス部２６の近傍に板厚が薄い薄肉部２７（安全弁）が形成されている。そして、ガスの発生により内圧が高まった場合には、その圧力上昇によりこの封口ガスケット２３の薄肉部２７を破損させてガスを外部に放出するようにしている。

図２に示されるように、セパレータ１３は、例えば、ビニロンバインダ繊維（熱可塑性のバインダ繊維）を含んだビニロン・レーヨン不織布などのセパレータ材３１を二重に巻くことで円筒状に形成され、セパレータ材３１の最内端３３と内側から２周目の部分３４とが熱融着により固定されている。より詳しくは、セパレータ１３において、正極合剤１２及びゲル状負極合剤１４に接している両極接触部分３５においてセパレータ材３１同士が固定されていない一方で、両極接触部分３５に属さない負極端子側開口部３６においてセパレータ材３１の最内端３３と内側から２周目の部分３４とが熱融着により部分的に固定されている。また、本実施の形態のセパレータ１３は、その外側に位置するセパレータ材３１の最外端３７と外側から２周目の部分３４とが、固定されていない。このようにセパレータ１３を構成することにより、熱融着による固定部分が最小限に抑えられる。このため、セパレータ１３における電解液の保液率が高められるとともに、柔軟性が確保される。

なお、アルカリ電池１０では、製造時において、正極缶１１内に圧入された正極合剤１２の中空部にセパレータ１３を挿入した後、電解液を注液して正極合剤１２とセパレータ１３とに電解液を染み込ませている。

本実施の形態のセパレータ１３は、以下のような方法で作製される。

先ず、準備工程において、熱可塑性のビニロンバインダ繊維を含んだビニロン・レーヨン不織布のセパレータ原紙を矩形状に切断して、１枚のセパレータ材３１を用意する（図３（ａ）参照）。

そして、水付着工程では、その矩形状のセパレータ材３１における１つの角部３９に水４０を付着させる（図３(ｂ)参照）。ビニロンバインダ繊維は親水性（吸水性）を有する繊維であるため、水４０を付着させた部分が膨潤し、軟化しやすい状態になる。なお、所定部分に水４０を付着させる方法としては、例えばスポイト状の器具を用いてその先端から水４０を出すという方法等があるが、特にこれに限定されず任意の方法を採用することができる。ただし、この場合には水４０が他の部分に付着しないような器具を使用する必要がある。この後、巻回工程では、水４０を付けた角部３９が内端側となるようにしてセパレータ材３１を棒状の治具（図示略）の外周に２周巻いて円筒状にする（図３(ｃ)参照）。さらに、部分固定工程では、筒状に巻かれた状態のセパレータ材３１にて、水４０が付着した部分と外周側のセパレータ材３１とを接触させ、その接触部分をヒータ等の加熱装置（図示略）を用いて加熱する。これにより、軟化したバインダ繊維を再固化させることで、セパレータ材３１の最内端３３とセパレータ内側から２周目の部分３４とをスポット状に固定する（図３（ｄ）参照）。

セパレータ材３１を筒状に固定した後、一方の円筒端部４１（図３（ｄ）では固定されていない下側の端部）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３８を有する有底筒状のセパレータ１３を作製する（図２参照）。

本発明者らは、上記の方法で作製したセパレータ１３を用いてアルカリ電池１０を作製し、アルカリ電池１０の放電試験及び衝撃試験を行った。その試験結果を実施例１として表１に示している。なお、放電試験は、デジタルカメラを想定した試験であり、１５００ｍＷで２秒間、６５０ｍＷで２８秒間の放電を１サイクルとし、１時間で１０サイクル（５分間）の放電を行った後に５５分間放電を休むといった試験モードで行った。この放電試験を終了する最終電圧（ＥＰＶ）は、１．０５Ｖである。また、衝撃試験としては、１ｍの高さから平らな床面へ自由落下させた後、電池の電圧測定を行い、内部短絡の発生率を確認した。

なおここでは、従来例のセパレータを用いて作製したアルカリ電池についても各試験を行い、その結果を示している。具体的には、図４のセパレータ５０（最外端５２と外側から２周目の部分５３とを接着したセパレータ）を用いた場合を従来例１とし、図５のセパレータ５５（底５７のみを接着したセパレータ）を用いた場合を従来例２とし、図６のセパレータ５９（全面を接着したセパレータ）を用いた場合を従来例３として示している。さらに、最内端と内側から２周目の部分だけではなく、最外端と外側から２周目の部分も接着（開口部部分を全枚数接着）したセパレータを作製し、そのセパレータを用いた場合の試験結果を実施例２として示している。

表１に示されるように、放電試験において最終電圧ＥＰＶ以下となるまでのサイクル数は、従来例１の場合で９９サイクル、従来例２の場合で９７サイクル、従来例３の場合で９２サイクルであった。これに対して、実施例１の場合ではサイクル数が１１８サイクル、実施例２の場合では１１７サイクルであり、実施例１，２では、従来例１〜３と比較して十分な放電性能が得られることが確認された。

また、衝撃試験については、従来例３、実施例１、実施例２の各アルカリ電池について行った。従来例３の場合、１０個中８個の確率で内部短絡が発生した。これに対して、実施例１の場合では、１０個全ての電池で内部短絡が発生しなかった。さらに、実施例２の場合では、１０個中５個の確率で内部短絡が発生したが、従来例３の場合と比較して、その発生確率を低減することができた。

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）本実施の形態のセパレータ１３は、正極合剤１２及びゲル状負極合剤１４に接している両極接触部分３５においてセパレータ材３１同士が固定されていないので、両極接触部分３５を接着剤等で固定した場合と比較して、内部抵抗を低くすることができる。また、セパレータ１３では、その内側に位置するセパレータ材３１の最内端３３と内側から２周目の部分３４とが負極端子側開口部３６において固定されている。このようにすると、セパレータ１３に電解液を浸み込ませた場合でも、セパレータ１３が内側に撓むことがないため、正極合剤１２及びゲル状負極合剤１４の両極接触部分３５で各合剤１２，１４の活物質を効率よく反応させることができる。また、負極端子側開口部３６においてセパレータ１３を部分的に固定することにより、柔軟性の低下を抑えることができ、耐衝撃性を確保することができる。従って、本実施の形態のセパレータ１３を用いることにより、耐衝撃性及び放電性能に優れたアルカリ電池１０を製造することができる。

（２）本実施の形態のセパレータ１３では、熱融着によってセパレータ材３１を円筒状に固定しているので、接着剤で固定する場合と比較して内部抵抗を低くすることができる。

（３）本実施の形態のセパレータ１３において、セパレータ材３１の最内端３３と内側から２周目の部分３４とを固定し、セパレータ材３１の最外端３７と外側から２周目の部分３４とを固定しない場合（実施例１の場合）には、最外端３７と外側から２周目の部分３４とを固定した場合（実施例２の場合）と比較して、耐衝撃性を十分に高めることができる。

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。

・上記実施の形態のセパレータ１３は、熱溶着により円筒状に固定されるものであったが、接着剤を用いて接着固定してもよい。また、セパレータ１３の底部３８を熱融着により形成するものであったが、これに限定されるものではない。例えば、セパレータの開口を塞ぐように底紙（セパレータ材）を配置することにより、セパレータの底部を形成してもよい。このようにすれば、セパレータ材同士を固定することなく底部を形成することができる。従って、熱融着により底部を形成する場合と比較して、電解液を確実に吸収させることができ、セパレータの保液率を高めることができる。

・上記実施の形態のセパレータ１３では、セパレータ材３１を２重（重なり部分は３重）に巻いて形成するものであったが、セパレータ材３１を３重以上に巻いて形成してもよい。なおこの場合、セパレータ材３１の最内端３３とセパレータ内側から２周目の部分３４とを固定することにより、耐衝撃性に優れたセパレータを実現することができる。

・上記実施の形態では、アルカリ電池用セパレータ１３の製造時において、巻回工程の前にあらかじめ水付与工程を行い、セパレータ材３１の所定部分を十分に膨潤、軟化させたうえで固定工程を行ったが、例えば巻回工程の後で水付与工程を行ってもよい。ただし、巻回工程の後で水付与工程を行う後者の方法の場合、意図しない箇所に水４０を付着させないようにする工夫が必要になるため、その必要がない前者の方法のほうが好適である。

・上記実施の形態では、アルカリ電池用セパレータ１３の製造時において、部分固定工程の後に熱融着を行って底部３８を形成するようにしたが、部分固定工程と同時に熱融着を行って底部３８を形成してもよい。

・上記実施の形態では、単三形のアルカリ電池１０に具体化するものであったが、単四形等のアルカリ電池に具体化してもよい。

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４のいずれか１項において、前記セパレータの底部において前記セパレータ材同士が固定されていないことを特徴とするアルカリ電池用セパレータ。
（２）請求項４に記載のアルカリ電池用セパレータを製造する方法であって、
ビニロンバインダ繊維を含む矩形状のセパレータ材を用い、そのセパレータ材における１つの角部に水をスポット状に付ける水付与工程と、水を付けた角部が内端側になるようにして前記セパレータ材を棒状の治具に対し２周以上巻いて筒状にする巻回工程と、筒状に巻かれた状態の前記セパレータ材を加熱することにより、前記セパレータ材の最内端とセパレータ内側から２周目の部分とを、セパレータ開口部において部分的に固定する工程とを含むことを特徴とするアルカリ電池用セパレータの製造方法。

本発明を具体化した一実施の形態のアルカリ電池を示す断面図。（ａ）はセパレータの斜視図、（ｂ）はセパレータの上面図。（ａ）〜（ｄ）はセパレータの製造方法を示す説明図。（ａ）は従来のセパレータの斜視図、（ｂ）は従来のセパレータの上面図。従来のセパレータを示す斜視図。従来のセパレータを示す斜視図。従来のセパレータを示す斜視図。

符号の説明

１０…アルカリ電池
１２…正極活物質としての正極合剤
１３…セパレータ
１４…負極活物質としてのゲル状負極合剤
３１…セパレータ材
３３…最内端
３４…２周目の部分
３５…両極接触部分
３６…負極端子側開口部
３７…最外端
３９…角部
４０…水

Claims

１枚のセパレータ材を２周以上巻くことで負極端子側開口部を有する有底筒状に形成され、正極活物質及び負極活物質間に配置されるアルカリ電池用セパレータであって、
前記正極活物質及び前記負極活物質に接している両極接触部分において前記セパレータ材同士が固定されておらず、かつ、セパレータ外側に位置する前記セパレータ材の最外端とセパレータ外側から２周目の部分とが固定されていない一方で、
セパレータ内側に位置する前記セパレータ材の最内端とセパレータ内側から少なくとも２周目の部分とが、前記両極接触部分に属さない前記負極端子側開口部において固定されている
ことを特徴とするアルカリ電池用セパレータ。
前記セパレータ材の最内端とセパレータ内側から２周目の部分とが、熱融着により固定されていることを特徴とする請求項１に記載のアルカリ電池用セパレータ。
前記セパレータ材の最内端とセパレータ内側から２周目の部分とが、接着剤により接着固定されていることを特徴とする請求項１に記載のアルカリ電池用セパレータ。
請求項１に記載のアルカリ電池用セパレータを製造する方法であって、
熱可塑性のバインダ繊維を含む矩形状のセパレータ材を用い、そのセパレータ材における１つの角部に水を付ける水付与工程と、
水を付けた角部が内端側になるようにして前記セパレータ材を２周以上巻いて筒状にする巻回工程と、
筒状に巻かれた状態の前記セパレータ材を加熱することにより、前記セパレータ材の最内端とセパレータ内側から２周目の部分とを、セパレータ開口部において部分的に固定する部分固定工程と
を含むことを特徴とするアルカリ電池用セパレータの製造方法。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアルカリ電池用セパレータを用いて構成されたことを特徴とするアルカリ電池。