JP5366490B2 - Alkaline battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、正極缶、正極合剤、ゲル状負極合剤、セパレータ、負極集電体等を備えたアルカリ電池に関するものである。 The present invention relates to an alkaline battery including a positive electrode can, a positive electrode mixture, a gelled negative electrode mixture, a separator, a negative electrode current collector, and the like.
従来における一般的なアルカリ電池は、有底筒状をなす正極缶にリング状の正極合剤を嵌着するとともに、その正極合剤の中空部にセパレータを介在した状態でゲル状負極合剤を充填した構造を有している。また、正極缶の開口部は、封口ガスケット、集電棒、負極端子板などを含んで構成された負極集電体により液密的に封口されている。この種のアルカリ電池では、衝撃を受けた場合に放電性能の低下を来すことがある。そこで、ゲル状負極合剤の一部を高粘度負極ゲル層とすることにより電池内でのゲル状負極合剤の流動を抑制して耐衝撃性を向上させる、といった技術が従来提案されている(例えば、特許文献1参照)。
ところで、近年、ゲーム機などのコントローラのように単3型のアルカリ電池を内蔵する機器が多く登場してきているが、使用状況によっては(例えば機器の落下時などには)アルカリ電池に非常に大きな衝撃が加わることが予想される。このような場合、衝撃の影響によりゲル状負極合剤が負極側に移動し、セパレータにおける特定部分(特に、最も開口部寄りに配置された正極合剤の開口部側端面の近傍)に破断が生じることがある。すると、破断した箇所からゲル状負極合剤が漏出する結果、内部ショートが起こり、電池が発熱するおそれがある。 By the way, in recent years, many devices such as controllers for game machines that incorporate AA alkaline batteries have appeared. However, depending on the usage situation (for example, when the device is dropped), the alkaline batteries are very large. An impact is expected. In such a case, the gelled negative electrode mixture moves to the negative electrode side due to the impact, and the specific portion of the separator (particularly, near the opening side end surface of the positive electrode mixture arranged closest to the opening) is broken. May occur. Then, as a result of the gelled negative electrode mixture leaking from the broken portion, an internal short circuit may occur, and the battery may generate heat.
また、近年においては上記のように耐衝撃性に対する要求が厳しくなる一方で、アルカリ電池の内部容量を増やして放電性能を向上させたいという要求も強い。そこで、ゲル状負極合剤を増やすべくセパレータ材の巻回数を少なくすると、セパレータの強度低下により破断が生じやすくなり、内部ショートが起こりやすくなる。逆に、セパレータ材を3重以上に巻いてセパレータの強度を増したとしても、内部ショートを確実に回避することが難しいばかりか、放電性能を悪化させる原因にもなってしまう。 In recent years, the demand for impact resistance has become stricter as described above, while there is also a strong demand for improving the discharge performance by increasing the internal capacity of the alkaline battery. Therefore, if the number of windings of the separator material is decreased in order to increase the gelled negative electrode mixture, the separator is likely to break due to a decrease in strength of the separator, and an internal short circuit is likely to occur. On the other hand, even if the separator material is wound three or more times to increase the strength of the separator, it is difficult to surely avoid an internal short-circuit, and the discharge performance is deteriorated.
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、好適な放電性能を備えるにもかかわらず耐衝撃性に優れたアルカリ電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide an alkaline battery excellent in impact resistance despite having suitable discharge performance.
上記課題を解決するための手段[1]を以下に列挙する。 Listed below means [1] for solving the above problems.
[1]有底筒状の正極缶と、前記正極缶の内面に沿って嵌着されたリング状をなす複数の正極合剤と、前記正極缶の中心部に配置されたゲル状負極合剤と、前記正極合剤と前記ゲル状負極合剤との間に介在されたセパレータと、封口ガスケットを含んで構成され前記正極缶の開口部を封口する負極集電体とを備えたアルカリ電池において、前記封口ガスケットは、ボス部と前記ボス部の周囲に形成された板状の中間隔壁部と、前記中間隔壁部よりも外周側にて前記正極合剤側にコ字状に屈曲するように形成された屈曲部とを有し、前記セパレータにおける負極側の開口端縁が、前記屈曲部から離間しかつ前記中間隔壁部の内側面に当接して配置され、最も開口部寄りに配置された正極合剤の開口部側端面の内周縁部にて電池中心軸線方向に平行な仮想線を想定した場合、その仮想線に沿った当該内周縁部から前記封口ガスケットまでの距離が1.0mm以上2.75mm以下であり、前記セパレータは、ビニロン繊維、レーヨン繊維、ポリビニルアルコール繊維及びパルプからなり、保液率が250%以上350%以下のセパレータ材を2回以上5回以下巻回することにより、厚さが230μm以上575μm以下となるように形成され、前記ゲル状負極合剤中の亜鉛粉の量が2.00g以上3.81g以下であることを特徴とするアルカリ電池。 [1] A bottomed cylindrical positive electrode can, a plurality of positive electrode mixtures in a ring shape fitted along the inner surface of the positive electrode can, and a gelled negative electrode mixture disposed in the center of the positive electrode can An alkaline battery comprising: a separator interposed between the positive electrode mixture and the gelled negative electrode mixture; and a negative electrode current collector configured to include a sealing gasket and sealing the opening of the positive electrode can. The sealing gasket has a boss portion, a plate-like intermediate partition wall formed around the boss portion, and a U-shape bent toward the positive electrode mixture side on the outer peripheral side of the intermediate partition wall portion. And the opening edge on the negative electrode side of the separator is disposed away from the bent portion and in contact with the inner side surface of the intermediate partition wall, and is disposed closest to the opening. Flatten in the direction of the battery center axis at the inner peripheral edge of the opening side end face of the positive electrode mixture. When assuming Do virtual line, its distance from the inner peripheral edge portion along the imaginary line to the sealing gasket is at 1.0 mm or more 2.75mm or less, the separator, vinylon fibers, rayon fibers, polyvinyl alcohol The gelled negative electrode is formed by winding a separator material made of fiber and pulp and having a liquid retention rate of 250% or more and 350% or less twice or more and 5 times or less to a thickness of 230 μm or more and 575 μm or less. An alkaline battery, wherein the amount of zinc powder in the mixture is 2.00 g or more and 3.81 g or less.
以上詳述したように、請求項1に記載の発明によると、好適な放電性能を備えるにもかかわらず耐衝撃性に優れたアルカリ電池を提供することができる。 As described above in detail, according to the first aspect of the present invention, it is possible to provide an alkaline battery excellent in impact resistance despite having suitable discharge performance.
以下、本発明を具体化した一実施形態のアルカリ電池11を図1〜図3に基づき詳細に説明する。
Hereinafter, an
図1に示されるように、本実施形態の筒型のアルカリ電池11(LR6:単3型)を構成する正極缶21は、正極集電体を兼ねる有底円筒状の電池用金属部品であり、例えばニッケルめっき鋼板を深絞りプレス加工することで形成されている。正極缶21の内部空間には、発電要素(即ち、正極合剤31、セパレータ41及びゲル状負極合剤51)が装填可能となっている。正極缶21の内部には、中空円筒状に成形された複数個の正極合剤31が縦積みかつ同心状に圧入装填されている。発電要素の一部をなす正極合剤31は、二酸化マンガンあるいはオキシ水酸化ニッケル等の酸化剤を含む環状(または管状)の成形合剤である。これら正極合剤31の内側には有底円筒状のセパレータ41が挿入されている。セパレータ41及び正極合剤31中には、アルカリ性の電解液が浸潤されている。
As shown in FIG. 1, a positive electrode can 21 constituting the cylindrical alkaline battery 11 (LR6: AA type) of the present embodiment is a bottomed cylindrical battery metal part that also serves as a positive electrode current collector. For example, it is formed by deep drawing press processing of a nickel plating steel plate. In the internal space of the positive electrode can 21, a power generation element (that is, the
セパレータ41の中空部には、亜鉛合金粉末、ゲル化剤、アルカリ電解液などを混合してなるゲル状負極合剤51が充填されている。アルカリ電解液として、本実施形態では水酸化カリウム水溶液を用いている。亜鉛合金粉末として、本実施形態では数十〜数百ppmのインジウム、ビスマス及びアルミニウムを含有するものを用いている。また、ゲル化剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸及びその塩類、アルギン酸ソーダ、エーテル化デンプン等が好適である。
The hollow portion of the
正極缶21の開口部22における内面側には、負極端子板61と負極集電子71と封口ガスケット81とを組み付けてなる負極集電体60が配置されかつカシメ付けられている。その結果、正極缶21が液密的に封口されている。また、正極缶21の胴部外面側には外装ラベル23が貼り付けられている。
On the inner surface side of the
負極集電体60の一部をなす封口ガスケット81は中央部にボス部82を備えており、そのボス部82を貫通する断面円形状のボス孔82a内には負極集電子71が挿通可能となっている。ボス部82の周囲には中間隔壁部85が形成され、さらにその外周部にはコ字状をなす屈曲部84を介して周縁パッキング部83が形成されている。この封口ガスケット81は、平面視で円形状を呈する合成樹脂製の部材であって、例えばナイロン等のようなポリアミド樹脂からなる射出成形部品である。なお、ポリアミド樹脂の代わりに、ポリプロピレン等のようなポリオレフィン樹脂等を用いてもよい。
The sealing
負極集電体60の一部をなす負極端子板61は導電性金属製の板材からなる。この負極端子板61は、外側面に平坦な端子面が形成された中央平板部と、この中央平板部の外周部に一体的に形成された環状凹部とを備えている。
The negative
負極集電体60の一部をなす負極集電子71は、導電性金属からなる棒材である。負極集電子71の先端部の側は、セパレータ41の開口部を介してゲル状負極合剤51の中心部に挿入される。一方、負極集電子71の基端部72は、ボス部82のボス孔82aに挿通されるとともに、負極端子板61の内面側中央部に対してスポット溶接等により固着されている。なお、本実施形態では、負極集電子71を構成する母材としてスズめっき真鍮線を使用している。本実施形態の負極集電子71は、断面円形状かつ等断面形状(ただし基端部72を除く部分)を呈している。図1の負極集電子71の先端部は、先細りした形状には加工されていないが、先細りした形状としても勿論構わない。
The negative electrode
以上のように構成された負極集電体60は、正極缶21の開口部22に配置されるとともに、開口部22側の端部が周縁パッキング部83とともに径方向中心に向けて直角に折曲されている。その結果、負極集電体60が正極缶21の開口部22に強固にかつ液密的に取り付けられている。
The negative electrode
ここで、本実施形態のアルカリ電池11では、所定部分の距離L1(mm)、セパレータ材の保液率(%)、セパレータ41の厚さ(mm)、ゲル状負極合剤51中の亜鉛粉の量(g)が、それぞれ下記の好適条件を満たすように設定している。
Here, in the
図1に示されるように、本実施形態のアルカリ電池11では、セパレータ41における負極側の開口端が封口ガスケット81の内側面に当接するようにして配置されている。ここで、最も開口部22寄りに配置された正極合剤31について着目し、その正極合剤31の開口部側端面の内周縁部P1にて電池中心軸線C1の方向に平行な仮想線S1を想定する。ちなみに「内周縁部P1」を基準点として選択したのは、セパレータ41において内周縁部P1に接した領域に最も破断が起こりやすいからである。そしてこの場合、仮想線S1に沿った当該内周縁部P1から封口ガスケット81までの距離L1(mm)を0mm以上2.75mm以下に設定する。この部分の距離L1が2.75mm超になると、セパレータ41の側部開口側部分において正極合剤31により包囲(補強)される部分の長さが少なくなり、その分だけ正極合剤31の開口部側端面から露出する部分の長さが多くなってしまう。ゆえに、セパレータ41の側部開口側部分に破断が起こりやすくなる傾向がある。その点、距離L1を上記範囲内に設定しておくと、セパレータ41の側部開口側部分が補強され、破断が起こりにくくなる。ただし、距離L1が短すぎると電池の漏液や破裂の原因になる可能性があることから、より好ましくは距離L1を1.0mm以上2.75mm以下、さらに好ましくは2.0mm以上2.75mm以下に設定することがよい。
As shown in FIG. 1, in the
本実施形態のアルカリ電池11では、さらに保液率(%)が250%以上350%以下のセパレータ材を使用してセパレータ41を形成している。保液率が低いセパレータ材を用いて形成されたセパレータ41は、電池内に収容したときに電解液を保液しにくいので、その分強度を保持することができ、破断が起こりにくくなる。その反面、保液率が低いと放電性能の低下を招くという欠点がある。逆に、保液率が高いセパレータ材を用いて形成されたセパレータ41は、放電性能の向上の観点からすると好ましいが、電池内収容時に所定の強度を保持することができず、破断が起こりやすいという欠点がある。その点、セパレータ材の保液率を250%以上350%以下の範囲内に設定しておけば、放電性能の維持及びセパレータ41の強度保持の両方が達成しやすくなる。
In the
セパレータ材の種類は特に限定されず任意であるが、例えば、ビニロン繊維、レーヨン繊維、ポリビニルアルコール繊維及びパルプからなるセパレータ材を使用することが好ましい。このような繊維構成のセパレータ材は、強度や保液性に優れており、セパレータ41を構成したときに好適な物性を付与しやすいからである。
The type of the separator material is not particularly limited and is arbitrary. For example, it is preferable to use a separator material made of vinylon fiber, rayon fiber, polyvinyl alcohol fiber and pulp. This is because the separator material having such a fiber structure is excellent in strength and liquid retention and easily imparts suitable physical properties when the
また、本実施形態のアルカリ電池11では、厚さが230μm以上575μm以下となるようにセパレータ41を形成している。厚さが230μm未満であると、セパレータ41に十分な強度を保持できず、破断が起こりやすくなる。逆に、厚さが575μm超であると、所定の強度を保持できる反面、合剤充填許容量が減ってしまうため放電性能が悪化してしまう。その点、厚さを230μm以上575μm以下の範囲内に設定しておけば、放電性能の維持及びセパレータ41の強度保持の両方が達成しやすくなる。
Moreover, in the
ここで「セパレータ41の厚さ」とは、セパレータ材を複数回巻回してセパレータ41を形成しているときにはそのセパレータ材の巻回数分に相当する厚さを意味する。なお、セパレータ41は、セパレータ材を2回以上5回以下巻回することで形成されていることが好ましい。巻回数が2未満であると、セパレータ41の強度低下により破断が生じやすくなり、内部ショートが起こりやすくなる。逆に、巻回数が5回より多いと、セパレータ41の強度が増す反面、セパレータ41の肉厚化により放電性能を悪化させる原因となる。
Here, the “thickness of the
本実施形態のアルカリ電池11では、ゲル状負極合剤51中の亜鉛粉の量を2.00g以上3.81g以下に設定している。亜鉛粉の量が2.00g未満であると、負極活物質の量が少なくなる結果、放電性能が悪化してしまう。逆に、亜鉛粉の量が3.81g超であると、放電性能は維持される反面、ゲル状負極合剤51自体の重量が増すことで耐衝撃性が悪化してしまう。その点、亜鉛粉の量を2.00g以上3.81g以下に設定しておけば、放電性能の維持及び耐衝撃性の低下防止の両方が達成しやすくなる。
In the
以下、上述した実施形態をより具体化した実施例を挙げて説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, although the example which actualized the embodiment mentioned above is given and explained, the present invention is not limited to an example.
A.評価用サンプルの作製及び評価試験の方法 A. Preparation of evaluation sample and evaluation test method
ここでは、アルカリ電池11(LR6)を実際にいくつか作製し、評価用サンプルとした。その際、距離L1(mm)、セパレータ材の保液率(%)、セパレータ41の厚さ(mm)、セパレータ材の巻回数(回)、ゲル状負極合剤51中の亜鉛粉の量(g)を、表1に示すように設定した。 Here, some alkaline batteries 11 (LR6) were actually produced and used as samples for evaluation. At that time, the distance L1 (mm), the liquid retention rate of the separator material (%), the thickness of the separator 41 (mm), the number of turns of the separator material (times), the amount of zinc powder in the gelled negative electrode mixture 51 ( g) was set as shown in Table 1.
亜鉛粉としては、見掛け比重が2.80g/cm3以上3.00g/cm3以下、かつ、粒度分布70μm以下の粒子が20%以下のものを使用した。 The zinc dust, apparent specific gravity 2.80 g / cm 3 or more 3.00 g / cm 3 or less, the following particle size distribution 70μm was used as 20% or less.
なお、保液率が320%である実施例(即ち実施例1,2,4,5,6,7,9,10)については、ビニロン繊維50%、レーヨン繊維15%、ポリビニルアルコール繊維10%及びパルプ25%からなるセパレータ材を使用した。保液率が320%以外の実施例(即ち実施例3,8)については、上記のものと同じ繊維組成であるが含有比を若干変更したものを使用した。 In addition, about the Example (namely, Example 1,2,4,5,6,7,9,10) whose liquid retention rate is 320%, vinylon fiber 50%, rayon fiber 15%, polyvinyl alcohol fiber 10% And a separator material made of 25% pulp. For Examples (ie, Examples 3 and 8) having a liquid retention rate other than 320%, the same fiber composition as that described above was used, but the content ratio was slightly changed.
保液率が411%である従来例については、アセタール化ビニロン繊維、セルロース及びビニロンバインダ繊維からなるセパレータ材を使用した。 For the conventional example having a liquid retention rate of 411%, a separator material made of acetalized vinylon fiber, cellulose, and vinylon binder fiber was used.
保液率が360%である比較例2については、アセタール化ビニロン繊維、マーセル化木材パルプ及びビニロンバインダ繊維からなるセパレータ材を使用した。保液率が320%あるいは240%である比較例については、ビニロン繊維、レーヨン繊維、ポリビニルアルコール繊維及びパルプからなるセパレータ材を使用した。 For Comparative Example 2 with a liquid retention rate of 360%, a separator material made of acetalized vinylon fiber, mercerized wood pulp, and vinylon binder fiber was used. About the comparative example whose liquid retention is 320% or 240%, the separator material which consists of vinylon fiber, rayon fiber, polyvinyl alcohol fiber, and a pulp was used.
本実施例では、各評価用サンプルに対する評価試験として、図2に示すような条件で落下試験を行った。まず、評価用サンプルであるアルカリ電池11を2本直列に配置してテープ91で止めておき、これを30mm角の木片92の直上にて負極側を下向きにして配置する。そして、この状態の評価用サンプルを1.5mの高さから垂直に自由落下させて、木片92と衝突させることを10回行った。その後、各評価用サンプルの内部を観察し、内部ショートが発生しているものの数をカウントした(n=30)。その結果を表1に併せて示す。ちなみに、図3は、落下による衝撃が加わった結果、ゲル状負極合剤51が負極側に大きく移動した状態のアルカリ電池11を示している。
B.評価試験の結果
B. Results of evaluation test
表1に示す結果から明らかなように、従来例では、内部ショート発生率がかなり高かった(24/30)。比較例1〜5では、いずれも内部ショートが発生しており、特に比較例1,5でそれが顕著であった。比較例6では、内部ショートが発生しなかったが、満足のいく放電性能を得ることができなかった。 As is apparent from the results shown in Table 1, in the conventional example, the internal short-circuit occurrence rate was considerably high (24/30). In each of Comparative Examples 1 to 5, an internal short circuit occurred, and particularly in Comparative Examples 1 and 5, this was remarkable. In Comparative Example 6, no internal short circuit occurred, but satisfactory discharge performance could not be obtained.
これに対して、各実施例では、従来品と同等レベルの満足のいく放電性能を備えるにもかかわらず、内部ショートが全く発生しておらず、優れた耐衝撃性を備えるものとなっていた。 On the other hand, in each Example, despite having satisfactory discharge performance at the same level as the conventional product, no internal short circuit occurred, and it had excellent impact resistance. .
以上詳述したように、本実施形態のアルカリ電池11によれば、好適な放電性能を備えるにもかかわらず、耐衝撃性に優れたアルカリ電池11を提供することができる。よって、例えばゲーム機などのコントローラに内蔵して使用したときに、非常に大きな衝撃が加わったとしても、内部ショートの発生を防止して電池の発熱を回避することができる。
As described above in detail, according to the
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。 In addition, you may change embodiment of this invention as follows.
・上記実施形態では、図1等に示すような形状の封口ガスケット81を使用したが、例えば屈曲部84を有しない単純形状の封口ガスケットなどを使用してもよい。また、本実施形態では、負極端子板61と負極集電子71と封口ガスケット81とを用いて負極集電体60を構成したが、さらに絶縁ワッシャなどの部材を追加して負極集電体60を構成してもよい。
In the above embodiment, the sealing
・上記実施形態では、1枚のセパレータ材を複数回巻回して1つのセパレータ41を形成したが、これに限定されず、例えば、2枚のセパレータを十文字に配置してこれを互いに貼り付けて円筒状に成形することで1つのセパレータを形成してもよい。
In the above embodiment, one
11…アルカリ電池
21…正極缶
22…開口部
31…正極合剤
41…セパレータ
51…ゲル状負極合剤
60…負極集電体
81…封口ガスケット
C1…電池中心軸線
L1…距離
P1…開口部側端面の内周縁部
S1…仮想線
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記封口ガスケットは、ボス部と前記ボス部の周囲に形成された板状の中間隔壁部と、前記中間隔壁部よりも外周側にて前記正極合剤側にコ字状に屈曲するように形成された屈曲部とを有し、
前記セパレータにおける負極側の開口端縁が、前記屈曲部から離間しかつ前記中間隔壁部の内側面に当接して配置され、
最も開口部寄りに配置された正極合剤の開口部側端面の内周縁部にて電池中心軸線方向に平行な仮想線を想定した場合、その仮想線に沿った当該内周縁部から前記封口ガスケットまでの距離が1.0mm以上2.75mm以下であり、
前記セパレータは、ビニロン繊維、レーヨン繊維、ポリビニルアルコール繊維及びパルプからなり、保液率が250%以上350%以下のセパレータ材を2回以上5回以下巻回することにより、厚さが230μm以上575μm以下となるように形成され、
前記ゲル状負極合剤中の亜鉛粉の量が2.00g以上3.81g以下である
ことを特徴とするアルカリ電池。 A bottomed cylindrical positive electrode can, a plurality of positive electrode mixtures in a ring shape fitted along the inner surface of the positive electrode can, a gel-like negative electrode mixture disposed in the center of the positive electrode can, In an alkaline battery comprising a separator interposed between a positive electrode mixture and the gelled negative electrode mixture, and a negative electrode current collector configured to include a sealing gasket and sealing an opening of the positive electrode can,
The sealing gasket is formed such that a boss portion, a plate-shaped intermediate partition wall formed around the boss portion, and a U-shape bent toward the positive electrode mixture side on the outer peripheral side of the intermediate partition wall portion. A bent portion,
An opening edge on the negative electrode side of the separator is disposed apart from the bent portion and in contact with the inner surface of the intermediate partition wall,
When an imaginary line parallel to the battery center axis direction is assumed at the inner peripheral edge of the opening-side end surface of the positive electrode mixture disposed closest to the opening, the sealing gasket extends from the inner peripheral edge along the imaginary line. The distance is 1.0 mm or more and 2.75 mm or less,
The separator is made of vinylon fiber, rayon fiber, polyvinyl alcohol fiber and pulp , and a thickness of 230 μm or more and 575 μm by winding a separator material having a liquid retention rate of 250% or more and 350% or less 2 times or less. Formed to be:
The alkaline battery, wherein the amount of zinc powder in the gelled negative electrode mixture is 2.00 g or more and 3.81 g or less.
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