JP6043099B2

JP6043099B2 - 電池

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Publication number: JP6043099B2
Application number: JP2012136713A
Authority: JP
Inventors: 西村　和也; 和也西村; 崇生山田; 一良 ▲高▼垣; 鵜川　公平; 公平鵜川; 剛史井出
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2032-06-18
Also published as: JP2014002886A

Description

本発明は、正極と負極との間にセパレータを介在させてなる電極体を正極外部端子及び負極外部端子を有するケーシング内に収容した電池に関する。

従来、ニッケル水素電池などのように、正極外部端子及び負極外部端子を有するケーシング内に、正極活物質シートと負極活物質シートとを電解質を含むセパレータを介して渦巻き状に捲回した複数の電極体を収容した電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１０３３５０号公報

ところで、電池の寿命を長くするためには、一般にはケーシング内に電解液を多く入れてドライアウトを抑制することが考えられる。しかし、電解液が多いとガス吸収速度が遅くなるので、ケーシング内の圧力は高くなりやすくなる。また、電解液が減ることで電解液はケーシング内の下方に偏るため、電池の設置角度によって、電極体に対する電解液の接触箇所の分布に大きな偏りが生じうる。そうすると、電極体のうち電解液との接触が少ない部分において内部抵抗が増加することとなる。特に、ケーシング内に電極体を複数設けた場合には、ケーシング内の一部の電極体において内部抵抗の増加が進み、電池が早く劣化してしまう。

そこで本発明は、ドライアウトと内圧上昇との両方が抑制された寿命の長い電池を提供することを目的としている。

本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、本発明に係る電池は、正極と負極との間にセパレータを介在させてなる１以上の電極体と、両側に一対の開口部が形成された枠状のケーシング本体と、前記正極に電気的に接続される正極外部端子と、前記負極に電気的に接続される負極外部端子とを有し、１以上の前記電極体を水系の電解液とともに前記ケーシング本体に収容し、前記正極外部端子及び前記負極外部端子を、前記一対の開口部をそれぞれ閉鎖するように前記ケーシング本体に固定してなるケーシングと、前記電解液を保持した状態で前記ケーシング内に収容された前記セパレータとは別個の部材である保液材と、を備え、前記電極体は、前記ケーシング内に複数収容されており、前記保液材は、複数の前記電極体の隣接する隙間に配置されている。

前記構成によれば、電解液を保持した保液材をケーシング内に収容しているため、保液材に保持された電解液によりドライアウトを抑制することができる。かつ、電解液は保液材に保持させるようにしたため、保液材なしで電解液をケーシング内に満たす場合に比べて、ガス吸収速度が遅くならず、ケーシング内の圧力上昇も抑制することができる。また、電解液は保液材に保持させているため、電池の設置角度によって、ケーシング内における電解液の配置バランスが崩れることが抑制され、内部抵抗の増加による劣化も抑制することができる。さらに、ケーシング内に電極体とは別に保液材を収容する構成としたことで、ケーシング内のデッドスペースに保液材を配置することが可能となり、ケーシング内における電極体の配置密度を高く保って、高い電池容量を実現することもできる。また、前記構成によれば、電極体の隣接する隙間を有効活用しながら、保液材が隣接する複数の電極体に対してバランス良く電解液を伝達させることができる。

前記保液材は、その内部に多数の空隙が形成された可撓性部材であってもよい。

前記構成によれば、電極体が収容されるケーシング内のデッドスペースを活用して保液材を容易に収容させることができる。また、保液材には多数の空隙が形成されているため、毛管現象を利用して保液材に電解液をバランス良く保持させることができる。

前記保液材は、その少なくとも一部が前記電極体の表面との接触により圧縮された状態で前記ケーシングに収容されていてもよい。

前記構成によれば、保液材の少なくとも一部が電極体の表面により圧縮されることで、保液材の外形を電極体の外形に沿わすことができ、保液材の配置スペースが歪な形状であっても、当該スペースに簡単に保液材を装填することができる。また、保液材の外形を電極体の外形に沿わすことで、ケーシング内における電極体の配置密度（電池容量）を高く保ちながら保液材を収容することができる。

前記保液材は、親水加工されていてもよい。

前記構成によれば、電解液が保液材の内部を伝達していき易くなり、電解液を保液材にバランス良く保持せることが容易になる。

また、本発明に係る電池は、正極と負極との間にセパレータを介在させてなる１以上の電極体と、両側に一対の開口部が形成された枠状のケーシング本体と、前記正極に電気的に接続される正極外部端子と、前記負極に電気的に接続される負極外部端子とを有し、１以上の前記電極体を水系の電解液とともに前記ケーシング本体に収容し、前記正極外部端子及び前記負極外部端子を、前記一対の開口部をそれぞれ閉鎖するように前記ケーシング本体に固定してなるケーシングと、前記電解液を保持した状態で前記ケーシング内に収容された前記セパレータとは別個の部材である保液材と、を備え、前記保液材は、前記電極体と前記ケーシングの間又は複数の前記電極体の間に配置されており、前記セパレータ、前記正極及び前記負極は、シート状であり、前記電極体は、前記正極と前記負極とが前記セパレータを挟んで渦巻き状に捲回されたものであり、前記電極体は、その中心に隙間が形成されるように捲回されており、前記保液材は、さらに前記電極体の中心の隙間に配置されている。

前記構成によれば、省スペースで効率的に電極体を構成することができる。また、前記構成によれば、捲回された電極体の中心の隙間に保液材を配置するので、デッドスペースを有効利用することが可能となり、ケーシング内における電極体の配置密度（電池容量）を低下させずに保液材を収容することができる。

前記電極体は、前記ケーシング内に複数収容され、それら電極体は、その軸線方向に直交する方向に並べて配列されており、前記ケーシング本体の内面には、前記複数の電極体のうち外側にある電極体の外周面に沿うように部分的に外側に向けて窪んだ凹部が形成されていてもよい。

前記構成によれば、捲回された複数の電極体を並列的に横に並べて配置することで、それらの束の最外周の輪郭が歪になっても、ケーシング内に電極体を出来るだけ多く収容することが可能となり、電池容量を向上させることができる。

前記電極体は、前記ケーシング内に複数収容され、それら電極体は、その軸線方向に直交する方向に並べて配列されており、複数の前記電極体は、互いに外径の異なる電極体を含んでいてもよい。

前記構成によれば、複数の電極体が互いに外径の異なる電極体を含むことで、捲回された電極体をケーシング内に効率良く収容することが可能となり、デッドスペースを減らして電池容量を向上させることができる。

前記正極外部端子及び前記負極外部端子は、前記ケーシング本体の両側に形成された一対の開口部をそれぞれ閉鎖するように前記ケーシング本体に固定され、前記ケーシング本体の前記正極外部端子との接触面、及び、前記ケーシング本体の前記負極外部端子との接触面の少なくとも一方には、前記開口部を囲むように閉ループ状のリブが設けられていてもよい。

前記構成によれば、正極外部端子又は負極外部端子の接触面に対して閉ループ状のリブが接触して開口部が封止されることになり、ケーシング内の電解液が外部にリークすることを好適に防止することができる。

前記負極外部端子と前記電極体との間、及び、前記正極外部端子と前記電極体との間の少なくともいずれか一方に介在している導電性の緩衝部材をさらに備えていてもよい。

前記構成によれば、電池の厚み方向の圧力が吸収され、負極外部端子及び正極外部端子の少なくとも一方と電極体との間の導電接触を安定させることができる。

前記ケーシング本体は、荷重たわみ温度が１００℃以上、体積抵抗が１０の１０乗Ω・ｃｍ以上、かつ絶縁破壊強度が１０ｋＶ／ｍｍ以上である特性を有した熱可塑性樹脂により構成されていてもよい。

前記構成によれば、複数の電池を積層して電池モジュールとして使用する場合に、電池温度と電池内圧とが同時に上昇することによってケーシング本体の圧縮降伏強さが維持されなくなり、ケーシング本体内の電解液が外部へリークすることを好適に防止できる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ドライアウトと内圧上昇との両方が抑制された寿命の長い電池を提供することができる。さらに、電池の設置角度によって、ケーシング内における電解液の配置バランスが崩れることも抑制できる。また、ケーシング内のデッドスペースに保液材を配置して高い電池容量を実現することもできる。

本発明の第１実施形態における電池モジュールの構造例を示す部分破断側面図である。図１に示す電池モジュールの主要部分であるモジュール本体を部分的に破断して示す斜視図である。図２のIX−IX線断面図である。図１に示す電池モジュールにおける圧力調整機構の構成例を示す平面図である。図１に示す電池モジュールのセルを示す分解斜視図である。図１に示すセルの電極体の断面斜視図である。図６Ａに示す電極体の平面図である。図１に示すセルの集電体（外部端子）を取り外した状態の平面図である。図１に示すセルのケーシングの要部断面図である。２種類の熱可塑性樹脂の温度と圧縮降伏強さとの関係を表すグラフである。水の沸点と大気圧との関係を表すグラフである。本発明の第２実施形態に係るセルの集電体を取り外した状態の要部平面図である。本発明の第３実施形態に係るセルの集電体を取り外した状態の平面図である。本発明の第４実施形態に係るセルの集電体を取り外した状態の平面図である。本発明の第５実施形態に係るセルの電極体の平面図である。本発明の第６実施形態に係るセルの要部断面図である。図１４のセルの変形例を示す要部断面図である。本発明の第７実施形態に係るセルの断面図である。図１６に示すセルの集電体を取り外した状態の平面図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。なお、充電式の単電池(single cell)は、充電により再使用可能な二次電池単体のことであり、その充電可能な電圧は一般的に数ボルト以下と低い。このため、高電圧の二次電池が必要となる場合には、複数の単電池を互いに直列に接続してなる組電池(assembled battery)が使用されている。なお、単電池は、素電池（unit cell）、セル(cell)又は電池（battery）と称されることがある。本願では、これらの称呼のうちセル又は電池を用いるとともに、充電式のセル又は電池のことを単にセル又は電池と呼んで説明する。また、組電池は、電池パック（battery pack）、電池システム（battery system）若しくは電池モジュール(battery module)と称されることがある。本願では、これらの称呼のうち電池モジュールを用いるとともに、充電式の電池モジュールのことを単に電池モジュールと呼んで説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る電池モジュールＢの構造例を示す部分破断側面図である。なお、以下の説明において、セル積層体１の正極側（図１の左側）を前側と呼び、負極側（図１の右側）を後側と呼ぶ。また、前後方向（後述の積層方向Ｘ）と直交する方向（後述の上下方向Ｚ）に沿って、後述のガス排出口２３を具備するセル積層体１の面側を上側と呼び、後述のガス排出口２３を具備しないセル積層体１の面側を下側と呼ぶ。

図１に示す電池モジュールＢは、例えば電車に搭載されるニッケル水素電池やリチウムイオン電池であり、その主要な構成要素として、密閉式の角形電池であるセルＣを該セルＣの厚み方向に複数個積層して形成されたセル積層体１と、セル積層体１を積層方向Ｘに締め付け固定するための側面板３０、圧縮板３５、及び締付けボルト３７とを備えている。なお、これら主要な構成要素（１，３０，３５，３７）は絶縁素材からなるケーシング３９によって覆われている。なお、図１に示すセル積層体１は、２つのセルＣに対して１つの割合で、セル積層体１を構成するセルＣを冷却するための放熱板３１が介在している。放熱板３１を介在させる位置や個数は適宜変更してもよい。

図２は、図１に示す電池モジュールＢの主要部分であるモジュール本体４７を部分的に破断して示す斜視図である。図２に示すように、セル積層体１の両側面それぞれを覆うように、積層方向Ｘに沿って延びる一組の板状の部材として形成された側面板３０が配置されている。積層方向Ｘに直交する上下方向Ｚに沿って互いに対向する側面板３０は、その上端部３０ａ及び下端部３０ｂがセル積層体１側にほぼ直角に折り曲げられることにより、浅いＵ字形の断面形状を有している。積層方向Ｘに沿って互いに対向する側面板３０の前端部３０ｃ及び後端部３０ｄの各近傍には、板状の圧縮部材である圧縮板３５が側面ボルト３２によって固定されている。つまり、側面板３０の前端部３０ｃおよび後端部３０ｄの各近傍に位置する圧縮板３５によって、積層方向Ｘに沿って互いに対向するセル積層体１の前面及び後面が覆われている。

また、上下方向Ｚに沿って互いに対向するセル積層体１の上方部及び下方部には、積層方向Ｘに沿って延びる板状部材である上面板３３及び下面板３４がそれぞれ配置されている。上面板３３及び下面板３４は、その左右の各端部がほぼ直角に折り曲げられることにより、浅いＵ字形の断面形状を有している。このように折り曲げられた上面板３３及び下面板３４の両側部が、側面板３０の上端部３０ａ及び下端部３０ｂにそれぞれ重なり合うように配置されている。そして、このように重なり合っている部分の数箇所をボルト連結することにより、上面板３３及び下面板３４が側面板３０に固定されている。

図３は、図２のIX−IX線に沿った電池モジュールＢの断面図である。図３に示すように、セル積層体１の積層方向Ｘの前側最前部に位置するセルＣの前側の蓋部材（後述の正極集電体５）には、正極側の集電部材となる第１集電板５５がセルＣに重ね合わせて配置されている。さらに、第１集電板５５の前側には、絶縁板５７及び絶縁板保護板５９がこの順番で重ね合わせて配置されている。

圧縮板３５は、側面板３０及び側面板３０とセル積層体１との間に介在する側面絶縁板４１を挿通する複数の側面ボルト３２によって、側面板３０の前端部に固定されている。圧縮板３５のねじ孔６０には、複数の締付部材である締付けボルト３７が、前方からセル積層体１の積層方向Ｘに螺合して、圧縮板３５を貫通している。締付けボルト３７の先端が、絶縁板保護板５９に当接し、絶縁板保護板５９、絶縁板５７及び第１集電板５５を介してセル積層体１を積層方向Ｘの後側に押し付けている。

セル積層体１の積層方向Ｘの後側最後部も、図３に示したセル積層体１の積層方向Ｘの前側最前部と同様の構造を有しており、セル積層体１の後側最後部に位置するセルＣの後側の蓋部材が、締付けボルト３７によって、絶縁板保護板５９、絶縁板５７及び第２集電板（図示せず）を介して積層方向Ｘの前側に押し付けられている。すなわち、前後の各圧縮板３５に支持された締付けボルト３７によって、セル積層体１が積層方向Ｘの前後からそれぞれ締め付けられている。

締付ボルト３７として、図３に示した頭部を有するボルトの代わりに、頭部を有しない軸部のみからなるねじ部材（例えば、すりわりつき止めねじや、六角穴つき止めねじ）を使用してもよい。このような頭部を有しないねじ部材を用いることにより、各頂面が圧縮板３５の表面から突出しないように設定して、電池モジュールＢの積層方向寸法を小さくすることができる。また、前後の各圧縮板３５に支持されて、セル積層体１を積層方向Ｘに締め付けるための部材は、締付けボルト３７のようなねじ部材に限られない。例えば、圧縮板３５と絶縁板保護板５９との間にバネのような弾性部材を介在させてもよい。

絶縁板５７及び絶縁板保護板５９の各中央部には、円形の開口５７ａ，５９ａが形成されており、この開口５７ａ，５９ａ内で、第１集電板５５のほぼ中央部のねじ孔４４に、電池モジュールＢの正極側端子として機能する正極端子ボルト４５が螺合されている。また、圧縮板３５の中央部には、正極端子ボルト４５に接続する外部からの部材を通すための開口３５ａが形成されている。

図４は、図１に示す電池モジュールＢにおける圧力調整機構の構成例を示す平面図である。図４に示すように、電池モジュールＢは、セル積層体１の内圧、すなわち各セルＣの内圧の総和が所定の値に達すると、セルＣ内のガスを外部に排出する圧力調整機構７０を備えている。各セルＣのケーシング２に設けられた各ガス排出口２３の二又の排出部２３ａのそれぞれが、隣接するセルＣのガス排出口２３の排出部２３ａの一方と、連通路を形成する可撓性のチューブ７１を介して順次接続されている。また、末端のセルＣの一方の排出部２３ａが、圧力監視用の圧力計Ｐおよび圧力調整弁７３に連通されている。先端のセルＣの一方の排出部２３ａは、盲栓により閉塞する。これらのガス排出口２３、可撓性の連通部材であるチューブ７１、圧力計Ｐ、及び圧力調整弁７３が、電池モジュールＢの圧力調整機構７０を構成している。圧力調整弁７３としては、例えば、ポペット弁にスプリングを組み合わせたもののほか、一般に用いられている任意の機構を使用することができる。圧力調整弁７３は安全弁として動作する。なお、圧力計Ｐは省略してもよく、さらに、セル積層体１の内圧が所定の値に達する可能性が低い場合には、圧力調整機構７０を省略してもよい。図５は、図１に示す電池モジュールＢのセルＣを示す分解斜視図である。図５に示すように、セルＣは、例えば、水酸化ニッケルを主要な正極活物質とし、水素吸蔵合金を主要な負極活物質とし、アルカリ系水溶液を電解液とするニッケル水素二次電池として構成される。セルＣは、後述する負極１１、正極１２及びセパレータ１３，１４（図６Ａ，Ｂ参照）で構成された略円筒状の複数の電極体１０と、それら電極体１０を収容する角形のケーシング２とを備えている。ケーシング２は、絶縁素材からなる矩形枠状の枠部材３（ケーシング本体）と、枠部材３の一方側の開口部３ａを覆って閉鎖する略平板状の負極集電体４（負極外部端子）と、枠部材３の他方側の開口部３ｂを覆って閉鎖する略平板状の正極集電体５（正極外部端子）とを備えている。即ち、負極集電体４と正極集電体５とは、枠部材３を介して互いに絶縁状態で対向配置されており、これら集電体４，５によりケーシング２の内部空間Ｓに収容された電極体１０が挟まれている。

枠部材３の負極集電体４との接触面３ｃは、一方側の開口部３ａを囲むように設けられており、その接触面３ｃには、後述するリブ３ｇ（図７，８参照）が形成されている。枠部材３の正極集電体５との接触面３ｄは、他方側の開口部３ｂを囲むように設けられており、その接触面３ｄにも、後述するリブ３ｈ（図７，８参照）が形成されている。枠部材３を形成する絶縁素材として、本実施形態では変性ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）樹脂を用いているが、機械的強度、耐熱性及び耐電解液性が十分であれば他の絶縁材料を適宜選択することができる。

負極集電体４は、枠部材３の一方側の開口部３ａを閉鎖して接触面３ｃとシール剤を介して密着する主板部４ａと、その主板部４ａの端縁から枠部材３の側面に沿うように突出する側板部４ｂとを有している。正極集電体５は、枠部材３の他方側の開口部３ｂを閉鎖して接触面３ｄとシール剤を介して密着する主板部５ａと、その主板部５ａの端縁から枠部材３の側面に沿うように突出する側板部５ｂとを有している。また、両集電体４，５を形成する素材として、本実施形態ではニッケルめっきを施した鋼板を用いているが、電気化学的特性、機械的強度及び耐食性が十分であれば、他の導電素材を適宜選択することができる。また、シール剤としては、例えば、アスファルトピッチやタールピッチなどのピッチ剤が用いられる。

図６Ａは、図１に示すセルＣの電極体１０の断面斜視図であり、図６Ｂは、電極体１０の平面図である。図６Ａ，Ｂに示すように、電極体１０は、負極活物質を含む負極活物質シートからなる負極１１と、正極活物質を含む正極活物質シートからなる正極１２と、負極１１と正極１２との間に介在して負極１１と正極１２とを電気絶縁すると共にその中に含まれる電解液を介してイオンを伝導させるシート状の第１セパレータ１３と、第１セパレータ１３との間に正極１２を挟み込むシート状の第２セパレータ１４とを備えている。負極１１、第１セパレータ１３、正極１２及び第２セパレータ１４は、この順に密着するように重ね合わされており、電極体１０の最外周層が負極１１になるように渦巻き状に捲回されている。即ち、第１セパレータ１３と第２セパレータ１４とは、電極体１０の径方向内方に向かって負極１１と正極１２との間に交互に介在する。また、電極体１０は、その中心に隙間Ａ１が形成されるように捲回されている。

電極体１０の最外周に位置しない一方の電極１２（本例では正極）の内周面に接する第２セパレータ１４は、その捲回方向における外端部１４ｃが、その電極１２の捲回方向における外端部１２ｃに比べて捲回方向の外側に突出している。また、電極体１０の最外周に位置する他方の電極１１（本例では負極）の内周面に接する第１セパレータ１３は、その捲回方向における外端部１３ｃが負極１１、正極１２及び第２セパレータ１４に比べて捲回方向の外側に突出し、その突出した外端部１３ｃが、一方の電極１２（本例では正極）の外端部１２ｃ及び第２セパレータ１４の外端部１４ｃを覆っている。

また、電極体１０の最内周に位置する一方の電極１２（本例では正極）の内周面に接する第２セパレータ１４は、その捲回方向における内端部１４ｄが、その電極１２の捲回方向における内端部１２ｄに比べて捲回方向の内側に突出している。また、電極体１０の他方の電極１１（本例では負極）の内周面に接する第１セパレータ１３は、その捲回方向における内端部１３ｄが負極１１、正極１２及び第２セパレータ１４に比べて捲回方向の内側に突出している。

以上により、複数の電極体１０を並設してケーシング２に収容したときに負極１１と正極１２との間の短絡が好適に防止されることになる。特に、本例では、正極１２が電極体１０の最外周層にならないように配置され、その正極１２の外端部１２ｃが、第２セパレータ１４の外端部１４ｃよりも長く突出した第１セパレータ１３の外端部１３ｃにより覆われているので、正極１２の他部品への意図しない導通が十分に防止される。なお、ここでは、電極体１０の最外周層を負極１１としたが正極１２としてもよい。

電極体１０の軸方向の一端部（図６Ａ中、上方の端部）には、負極１１の端子部となる一端部１１ａが、正極１２の一端部１２ｂ及びセパレータ１３，１４の一端部１３ａ，１４ａよりも突出している。これにより、負極１１の一端部１１ａが、負極集電体４の主板部４ａに接触して電気的に接続される。電極体１０の軸方向の他端部（図６Ａ中、下方の端部）には、正極１２の端子部となる他端部１２ａが、負極１１の他端部１１ｂ及びセパレータ１３，１４の他端部１３ｂ，１４ｂよりも突出している。これにより、正極１２の他端部１２ａが、正極集電体５の主板部５ａに接触して電気的に接続される。また、負極１１の他端部１１ｂは、セパレータ１３，１４の他端部１３ｂ，１４ｂよりも軸方向の内方に埋没しており、正極１２の一端部１２ｂは、セパレータ１３，１４の一端部１３ａ，１４ａよりも軸方向の内方に埋没している。これにより、負極１１と正極１２との間の短絡が防止されている。

負極１１は、導電性の発泡ニッケルやパンチングメタルなど板状体に水素吸蔵合金粉末（負極活物質）を塗布して発泡ニッケルの細孔に充填し又はコーティングし、乾燥したあと所定の厚みに圧延して形成されている。正極１２は、導電性の発泡ニッケルなどの板状体に水酸化ニッケル（正極活物質）を塗布して発泡ニッケルの細孔に充填し、乾燥したあと所定の厚みに圧延して形成されている。第１セパレータ１３及び第２セパレータ１４は、電気絶縁物質であるポリプロピレン、ポリエチレン又はポリアミドなどから構成される。また、両セパレータ１３，１４としては、耐電解液性（耐アルカリ性）を有して多数の空隙が形成された可撓性部材（例えば、不織布又はメッシュ部材など）を用いることが好ましい。なお、電解質としては水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、又はそれらの混合液が使用される。

図７は、図５に示すセルＣの集電体４，５を取り外した状態の平面図である。図７に示すように、枠部材３には、多数の電極体１０が同方向を向くように並列して収容されている。即ち、それら電極体１０は、その軸線方向に直交する方向に並べて配列されている。本例では、電極体１０が４列に並んでいる。電極体１０の各々は、その外径が互いに略同一である。電極体１０の中心の隙間Ａ１には、電解液が浸み込まされた保液材１５が挿入されている。また、枠部材３と電極体１０との隙間Ａ２にも、電解液が浸み込まされた保液材１６が介装されている。さらに、複数の電極体１０の隣接する隙間Ａ３にも、電解液が浸み込まされた保液材１７が介装されている。このように、複数の電極体１０が収容されたケーシング２内の隙間Ａ１〜Ａ３を有効利用して保液材１５〜１７を配置することで、ケーシング２内における電極体１０の配置密度を低下させずに保液材１５〜１７が収容される。なお、保液材１５〜１７は、電解液を含浸したものであるが、セパレータ１３，１４のように負極１１と正極１２とで挟まれたものではない。

保液材１５〜１７は、その内部に多数の空隙が形成された可撓性部材（例えば、不織布又はメッシュ部材など）を所定形状にしたものであり、耐電解液性（耐アルカリ性）を有し、親水加工がされている。これにより、保液材１５〜１７には、電解液が毛管現象を利用してバランス良く浸み込むこととなる。具体的には、保液材１５〜１７は、電気絶縁物質であるポリプロピレン、ポリエチレン又はポリアミド等の樹脂から構成された不織布としている。なお、本実施形態では、セパレータ１３，１４と同一の材料を用いている。

また、シート状の保液材１６，１７は、枠部材３の長辺に沿う方向に延びるように互いに略同一方向（図７中、左右方向）に向けて配置されている。保液材１６は、枠部材３と電極体１０との隙間Ａ２において、電極体１０の列方向に沿って電極体１０群の一端から他端まで延在するように配置されている。保液材１７は、電極体１０の隣り合う列ごとの各隙間Ａ３において、電極体１０の列方向に沿って電極体１０群の一端から他端まで延在するように配置されている。これにより、各電極体１０への電解液の伝達度合に偏りが生じることが抑制される。また、保液材１５〜１７は、その少なくとも一部が電極体１０の表面との接触により圧縮された状態でケーシング２内に収容されている。これにより、保液材１５〜１７の外形が複数の電極体１０の外形に沿うこととなり、保液材１５〜１７の配置スペース（隙間Ａ１〜Ａ３）が歪な形状であっても、電極体１０の配置密度を高く保ちながら保液材１５〜１７を容易に装填可能にしている。また、セルＣに外部から振動が伝達されても保液材１６，１７で振動吸収でき、ケーシング２内の電極体１０が揺れ動くことが抑制される。なお、図７の例では、平坦な保液材１６，１７が電極体１０に押されて圧縮されることで、保液材１６，１７が電極体１０の外形に沿うように弾性変形し、隙間Ａ２，Ａ３が埋められているが、他の形態でもよい。例えば、保液材１６，１７の表面形状を予め電極体１０の外形に沿うように波形にしておいてもよい。

図８は、図１に示すセルＣのケーシング２の要部断面図である。図７及び８に示すように、枠部材３の接触面３ｃ，３ｄには、開口部３ａ，３ｂを囲むように閉ループ状のリブ３ｇ，３ｈが複数本（本例では３本）突設されている。リブ３ｇ，３ｈは、負極集電体４の主板部４ａ又は正極集電体５の主板部５ａに向かって先細りした断面略三角形状である。リブ３ｇ，３ｈの高さは、例えば１０〜２００μｍである。負極集電体４及び正極集電体５が枠部材３の開口部３ａ，３ｂを閉鎖した状態で、リブ３ｇ，３ｈの先端は、負極集電体４の主板部４ａ又は正極集電体５の主板部５ａに対して当接する。そして、複数のセルＣを積層して電池モジュールＢを形成する際に、セルＣの厚み方向に外部から（締付けボルト３７により）圧縮力を加えることで、リブ３ｇ，３ｈの接触圧が高まることとなる。これにより、閉ループ状のリブ３ｇ，３ｈが、ケーシング２内の電解液の外部へのリークを防止することとなる。

電池モジュールＢは複数のセルＣを積層方向Ｘに沿って圧縮して構成されているので、セルＣの材料の特性として圧縮降伏強さが重要である。この圧縮降伏強さがなくなれば電池モジュールＢの圧縮構造を維持できなくなる。また、セルＣ内の電極体１０はケーシング２による標準大気圧以上の圧力への耐性を有する密閉構造を呈しており、標準大気圧における水の沸点１００℃以下で圧縮降伏強さがなくなるような事態が発生する場合、セルＣ内が標準大気圧でなくなり、セルＣの密閉構造の意味をなさなくなる。そこで、１００℃以上でも圧縮降伏強さを維持しているセルＣの枠部材３の材料、言い換えると荷重たわみ温度が１００℃以上であるセルＣの枠部材３の材料であれば、標準大気圧以上の圧力となってもセルＣの密閉構造を維持できることとなる。従って、ケーシング２の枠部材３を形成する絶縁素材としては、荷重たわみ温度が標準大気圧における水の沸点１００℃以上であり、体積抵抗（Ω・ｃｍ）が１０の１０乗Ω・ｃｍ以上であり、かつ絶縁破壊強度（ｋＶ／ｍｍ）が１０ｋＶ／ｍｍ以上である条件を満足するような、変性ポリフェニレンエーテル（Polyphenylen Ether）の熱可塑性樹脂を採用することとする。なお、変性ポリフェニレンエーテルの他に、前述の条件を満たすような、ポリフェニレンサルファイド(Polyphenylene Sulfide)、ポリスルホン(Polysulfone)、又はポリエーテルスルホン(Poly Ether Sulphone)の熱可塑性樹脂であってもよい。

以下、今回採用するセルＣの枠部材３の材料の具体例を図９Ａ、図９Ｂを用いて説明する。なお、図９Ａは、２種類の熱可塑性樹脂の温度と圧縮降伏強さとの関係を表すグラフであり、図９Ｂは、水の沸点と大気圧との関係を表すグラフである。

図９Ａに示すように、熱可塑性樹脂Ａの場合、８３℃において圧縮降伏強さがなくなるので、荷重たわみ温度が１００℃より低い８３℃である。つまり、熱可塑性樹脂Ａの場合、セルＣの内圧が密閉構造により標準大気圧を維持していても、電池温度の上昇により８３℃以上となれば、圧縮降伏強さがなくなるので、セルＣ内の内圧が標準大気圧を維持できなくなる。

一方、熱可塑性樹脂Ｂの場合、１４４℃において圧縮降伏強さがなくなるので、荷重たわみ温度が１００℃より高い１４４℃である。つまり、熱可塑性樹脂Ｂの場合、電池温度が上昇しても、標準大気圧における水の沸点１００℃以下で圧縮降伏強さがなくなるような事態が発生することはない。なお、図９Ｂに示すように、１４４℃のときの気圧は０．４ＭＰａなので、熱可塑性樹脂Ｂを採用したセルＣの枠部材３の耐圧は０．４ＭＰａである。これにより、例えば、図４に示した圧力調整機構として、セル積層体１の内圧、すなわち各セルＣの内圧の総和が０．４ＭＰａに達すると、セルＣ内のガスを外部に排出するように設計すればよい。よって、セルＣの枠部材として熱可塑性樹脂Ｂを採用すれば、電池温度とセルＣの内圧とが同時に上昇することによりケーシング２内の電解液が外部へリークすることを防止することができる。以上に説明した構成によれば、電解液が浸み込まされた保液材１５〜１７をケーシング２内に収容しているため、保液材１５〜１７に保持された電解液によりドライアウトを抑制することができる。かつ、電解液は保液材１５〜１７に浸み込ませるようにしたため、保液材なしで電解液をケーシング内に満たす場合に比べて、ガス吸収速度が遅くならず、ケーシング２内の圧力上昇も抑制することができる。また、電解液は保液材１５〜１７に浸み込ませているため、セルＣの設置角度によって、ケーシング２内における電解液の配置バランスが崩れることが抑制され、内部抵抗の増加による劣化も抑制することができる。さらに、ケーシング２内に電極体１０とは別に保液材１５〜１７を収容し、ケーシング２内のデッドスペースに保液材１５〜１７を配置したため、ケーシング２内における電極体１０の配置密度を高く保って、高い電池容量を実現することができる。なお、本実施形態では、ケーシング２内の隙間Ａ１〜Ａ３の全てに保液材１５〜１７を配置したが、保液材１５、保液材１６及び保液材１７の少なくとも一部を用い、隙間Ａ１〜Ａ３の一部に保液材を配置してもよい。

（第２実施形態）
図１０は、本発明の第２実施形態に係るセルの集電体４，５を取り外した状態の要部平面図である。図１０に示すように、第２実施形態のセルでは、それぞれの電極体１０同士を直接的に隣り合わせて配置し、枠部材３に対しても電極体１０を直接的に隣り合わせて配置している。そして、電極体１０の外形が円筒形であることにより、枠部材３に沿って並んだ２つの電極体１０と枠部材３との間、及び、三角配置された互いに隣接する３つの電極体１０の間には、略三角柱状の隙間Ａ２，Ａ３が形成されている。そして、それらの隙間Ａ２，Ａ３に、略三角柱状の保液材１１６，１１７が個別に挿入されている。このような構成とすることで、ケーシング２内に複数の電極体１０を高密度に配置しながらも、ケーシング２内に保液材１５，１１６，１１７をバランス良く配置することできる。なお、隙間Ａ２，Ａ３に個別に挿入する保液材１１６，１１７は、略三角柱状でなくとも、例えば、円柱状等であってもよい。

（第３実施形態）
図１１は、本発明の第３実施形態に係るセルの集電体４，５を取り外した状態の平面図である。図１１に示すように、第３実施形態のセルでは、複数の電極体１０が、その軸線方向に直交する方向に並べて配列されており、その複数列に並んだ電極体１０群の列方向最端部の電極体１０のうち列方向外側に食み出した電極体１０の外周面に沿うように、枠部材１０３の内面には列方向外側に向けて円弧状に窪んだ凹部１０３ｉが形成されている。これにより、複数の電極体１０の束の最外周の輪郭が歪になっても、ケーシング内に電極体１０を出来るだけ多く収容することが可能となり、電池容量を向上させることができる。また、枠部材１０３の外面は、凹部１０３ｉに対応する部分も平坦なままである。即ち、枠部材１０３は、凹部１０３ｉに対応する部分は、凹部１０３ｉの形状に倣うように薄肉化されている。これにより、枠部材１０３は、外から見て第１実施形態の枠部材３と同じように平坦な矩形枠の形状が保たれ、取扱いを容易にすることができる。なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

（第４実施形態）
図１２は、本発明の第４実施形態に係るセルの集電体４，５を取り外した状態の平面図である。図１２に示すように、第４実施形態のセルでは、略同一外径の電極体１０を枠部材３内に複数並べて配置してできたデッドスペースに、それら電極体１０よりも外径の小さい電極体１１０を配置している。このように、複数の電極体１０，１１０が互いに外径の異なるものを含むことで、捲回された電極体１０，１１０をケーシング内に効率良く収容することが可能となり、デッドスペースを減らして電池容量を向上させることができる。なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

（第５実施形態）
図１３は、本発明の第５実施形態に係るセルの電極体１１０の平面図である。図１３に示すように、第５実施形態の電極体１１０では、電極体１１０の最外周に位置しない一方の電極１２（本例では正極）の内周面に接する第２セパレータ１１４は、その捲回方向における外端部１１４ｃが、その電極１２の捲回方向における外端部１２ｃに比べて捲回方向の外側に突出している。また、電極体１１０の最外周に位置する電極（本例では負極１１）の内周面に接する第１セパレータ１１３が、負極１１及び正極１２に比べて捲回方向の外側に１周以上にわたって延長されている。即ち、第１セパレータ１１３の捲回方向外側の延長部１１３ｃが保液材として電極体１１０の最外周を全周覆うように巻かれており、２つの電極１１，１２のうち外側に位置する電極（本例では負極１１）の捲回方向の外端部１１ｃまで覆っている。また、第１セパレータ１１３及び第２セパレータ１１４の捲回方向における内側部分は、連結部１５０ａにより、電極体１０の最内周に位置する電極１２の内端部１２ｄを覆うように互いに連結されている。即ち、本例の第１セパレータ１１３及び第２セパレータ１１４は、１つのセパレータ１５０を使用して構成されている。以上のような構成により、負極１１と正極１２との間の短絡が防止されている。なお、本実施形態では、延長部１１３ｃは、電極体１０の外周を概ね１周巻いているが、１周以上であれば複数周巻いてもよい。

また、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

（第６実施形態）
図１４は、本発明の第６実施形態に係るセルの要部断面図である。図１４に示すように、第６実施形態のセルでは、負極集電体４と電極体１０との間、及び、正極集電体５と電極体１０との間に、それぞれ導電性の緩衝部材５０を介在させている。緩衝部材５０は、電池の厚み方向（負極集電体４と正極集電体５の対向方向）に塑性変形可能なシート状の導電性部材である。緩衝部材５０は、緩衝シート部５１と接触シート部５２とが積層されてなる。緩衝シート部５１は、厚み方向に塑性変形可能な導電素材（例えば、発泡ニッケル）で形成されており、集電体４，５に接するように配置されている。接触シート部５２は、平滑な主面を有する導電素材（例えば、ニッケルめっきを施した鋼板や発泡ニッケルのプレス成形品）で形成されており、電極体１０の負極１１又は正極１２の端子部１１ａ，１２ａに接するように配置されている。

緩衝部材５０は、緩衝シート部５１により厚み方向の圧力を吸収する機能を果たし、接触シート部５２により内部短絡を防止しつつ電極体１０との良好な接触性を確保する機能を果たす。しかも、電極体１０は捲回電池であり、その軸方向の両端に負極１１及び正極１２の端子部となる端部１１ａ，１２ａが突出しているので、接触シート部５２と電極体１０との接触性が更に安定している。なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。また、図１５に示すように、緩衝部材は、接触シート部５２を廃止して緩衝シート部５１のみとする構成としてもよい。そうすれば、緩衝部材の構成を簡素化することができる。

（第７実施形態）
図１６は、本発明の第７実施形態に係るセルＣの断面図である。図１７は、図１６に示すセルＣの集電体４，５を取り外した状態の平面図である。図１６及び１１に示すように、第７実施形態のセルＣでは、複数の短冊状の負極２１１と複数の短冊状の正極２１２とが、プリーツ状に曲げられた波形のセパレータ２１３を介してセルＣの厚み方向に直交する方向に交互に積層されて電極体２１０を構成している。即ち、負極集電体４側から見ると、負極２１１は露出しているが、正極２１２は露出せずにセパレータ２１３で覆われている。他方、正極集電体５側から見ると、正極２１２が露出しているが、負極２１１は露出せずにセパレータ２１３で覆われている。

図１７に示すように、枠部材３と電極体２１０との隙間には、電解液が浸み込まされた保液材１６が介装されている。具体的には、保液材１６は、負極２１１及び正極２１２の配列方向に沿うように電極体２１０の一端側から他端側まで配置されている。これにより、電極体２１０への電解液の伝達度合に偏りが生じることが抑制されている。また、保液材１６は、電極体２１０の表面との接触により圧縮された状態でケーシング２内に収容されている。よって、電極体２１０をケーシング２内に収容し易いように枠部材３の内部空間よりも少し小さくした場合に、セルＣに外部から振動が伝達されても保液材１６で振動吸収することができる。なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でその構成を変更、追加、又は削除することができる。前記各実施形態は互いに任意に組み合わせてもよく、例えば１つの実施形態中の一部の構成又は方法を他の実施形態に適用してもよい。

以上のように、本発明に係る電池は、ドライアウトと内圧上昇との両方が抑制された寿命の長い電池を提供することができる優れた効果を有し、この効果の意義を発揮できるニッケル水素電池等に広く適用すると有益である。

２ケーシング
３，１０３枠部材（ケーシング本体）
３ｇ，３ｈリブ
４負極集電体（負極外部端子）
５正極集電体（正極外部端子）
１０，１１０，２１０電極体
１１，２１１負極
１２，２１２正極
１３，１４，２１３セパレータ
１５〜１７，２１６保液材
１０３ｉ凹部
１５０緩衝部材
Ｂ電池モジュール
Ｃセル（電池）

Claims

正極と負極との間にセパレータを介在させてなる１以上の電極体と、
両側に一対の開口部が形成された枠状のケーシング本体と、前記正極に電気的に接続される正極外部端子と、前記負極に電気的に接続される負極外部端子とを有し、１以上の前記電極体を水系の電解液とともに前記ケーシング本体に収容し、前記正極外部端子及び前記負極外部端子を、前記一対の開口部をそれぞれ閉鎖するように前記ケーシング本体に固定してなるケーシングと、
前記電解液を保持した状態で前記ケーシング内に収容された前記セパレータとは別個の部材である保液材と、を備え、
前記電極体は、前記ケーシング内に複数収容されており、
前記保液材は、複数の前記電極体の隣接する隙間に配置されている、電池。
前記保液材は、その内部に多数の空隙が形成された可撓性部材である、請求項１に記載の電池。
前記保液材は、その少なくとも一部が前記電極体の表面との接触により圧縮された状態で前記ケーシングに収容されている、請求項２に記載の電池。
前記保液材は、親水加工されている、請求項１乃至３のいずれかに記載の電池。
正極と負極との間にセパレータを介在させてなる１以上の電極体と、
両側に一対の開口部が形成された枠状のケーシング本体と、前記正極に電気的に接続される正極外部端子と、前記負極に電気的に接続される負極外部端子とを有し、１以上の前記電極体を水系の電解液とともに前記ケーシング本体に収容し、前記正極外部端子及び前記負極外部端子を、前記一対の開口部をそれぞれ閉鎖するように前記ケーシング本体に固定してなるケーシングと、
前記電解液を保持した状態で前記ケーシング内に収容された前記セパレータとは別個の部材である保液材と、を備え、
前記保液材は、前記電極体と前記ケーシングの間又は複数の前記電極体の間に配置されており、
前記セパレータ、前記正極及び前記負極は、シート状であり、
前記電極体は、前記正極と前記負極とが前記セパレータを挟んで渦巻き状に捲回されたものであり、
前記電極体は、その中心に隙間が形成されるように捲回されており、
前記保液材は、さらに前記電極体の中心の隙間に配置されている、電池。
前記電極体は、前記ケーシング内に複数収容され、それら電極体は、その軸線方向に直交する方向に並べて配列されており、
前記ケーシング本体の内面には、前記複数の電極体のうち外側にある電極体の外周面に沿うように部分的に外側に向けて窪んだ凹部が形成されている、請求項５に記載の電池。
前記電極体は、前記ケーシング内に複数収容され、それら電極体は、その軸線方向に直交する方向に並べて配列されており、
複数の前記電極体は、互いに外径の異なる電極体を含んでいる、請求項５又は６に記載の電池。
前記ケーシング本体の前記正極外部端子との接触面、及び、前記ケーシング本体の前記負極外部端子との接触面の少なくとも一方には、前記開口部を囲むように閉ループ状のリブが設けられている、請求項１乃至７のいずれかに記載の電池。
前記負極外部端子と前記電極体との間、及び、前記正極外部端子と前記電極体との間の少なくともいずれか一方に介在している導電性の緩衝部材をさらに備えている、請求項１乃至８のいずれかに記載の電池。
前記ケーシング本体は、荷重たわみ温度が１００℃以上、体積抵抗が１０の１０乗Ω・ｃｍ以上、かつ絶縁破壊強度が１０ｋＶ／ｍｍ以上である特性を有した熱可塑性樹脂により構成されている、請求項１乃至９のいずれかに記載の電池。