JP6078334B2 - 円筒形電池 - Google Patents

Description

この発明は、主に、円筒形電池の安全性向上技術に関する。

本発明の対象である円筒形電池の一例として、円筒形アルカリ電池を挙げる。図１は、一般的なＬＲ６型の円筒形アルカリ電池１の構造を示しており、図１（Ａ）は、円筒軸１００の延長方向を上下（縦）方向としたときの縦断面図である。そして（Ｂ）は、（Ａ）における円１１０内の拡大図である。このアルカリ電池１は、有底筒状の金属製電池缶２、環状に成形された正極合剤３、この正極合剤３の内側に配設された有底円筒状のセパレーター４、亜鉛合金を含んでセパレーター４の内側に充填される負極ゲル５、この負極ゲル５中に挿入された負極集電子６、皿状の金属製負極端子板１０、封口ガスケット７などにより構成される。この構造において、正極合剤３、セパレーター４、負極ゲル５が、電解液の存在下でアルカリ電池１の発電要素を形成する。

電池缶２は、電池ケースを兼ねるとともに、正極合剤３に直接接触することにより、正極集電体を兼ねる。また、電池缶２の底面には正極端子８が形成されている。皿状の負極端子板１０は、皿の開口周縁にフランジ状の周縁部１３が形成された形状で、正極端子８を下方としたとき、その皿を伏せた状態で電池缶２の開口にガスケット７を介してかしめられている。図１に示した例では、当初は円盤状だった周縁部１３が、軸１００方向から外側に向かって斜め下方に屈曲しつつ、縁端では上方に鋭角的に屈曲している。

負極ゲル５中に挿入された棒状の金属製負極集電子６は、その上端が皿状の負極端子板１０の底１１の内面に溶接されて立設固定されている。なお、負極端子板１０、負極集電子６および封口ガスケット７は、封口体としてあらかじめ一体に組み合わせられており、封口ガスケット７の外周部が電池缶２の開口縁部と負極端子板１０の周縁部１３との間に挟持されて電池缶２が封口される。また、電池缶２の周囲には熱収縮フィルムからなる外装ラベル９が被装される。また、単３型や単４型などの比較的小さなサイズのアルカリ電池では、電池缶２の開口縁端と負極端子板１０との間が近接しているため、正極と負極間の短絡を防止するためにリング状の絶縁体からなるワッシャー２０が、負極端子板１０の前記側面部１４の外周に嵌め込まれている（非特許文献１参照）。

図２にワッシャー２０の概略図を示した。図２（Ａ）は、アルカリ電池１における正極端子８側を下方としたときに、ワッシャー２０を上方から見たときの斜視図を示している。また、（Ｂ）（Ｃ）、および（Ｄ）は、それぞれ、上方からの平面図、下方からの平面図、および側面図を示している。ワッシャー２０の概略形状は円環状であるが、具体的には、環状の胴部２１の上端に円盤状のフランジ部２２が胴部２１と同軸となるように一体的に設けられた形状である。また、胴部２１およびフランジ部２２と同軸に上下方向に貫通する円筒状の中空部２３が形成されている。このワッシャー２０は、フランジ部２２を上方に向けつつ、中空部２３を負極端子板１０の皿の側面部１４の外周に嵌め込むことで、胴部２１がガス抜き孔１２を覆った状態で固定される。また、アルカリ電池１の外装ラベル９を電池缶２の周囲に熱収縮させて被装する際、ワッシャー２０のフランジ部２２の上端面２４が当該外装ラベル９によって下方に押さえつけられ、ワッシャー２０は、負極端子板１０の側面部１４との嵌め合いに加え、この外装ラベル９によっても固定されている。

ところで、封口ガスケット７には、部分的に肉薄となっている薄肉部が形成されており、電池１内部におけるガスの発生などにより内圧が上昇すると、その薄肉部が先行破断するようになっている。そして、皿状の負極端子板１０において、皿の容器部分に相当し、フランジ状の周縁部１３と皿の底１１とを連続する側面部１４には、電池缶２の内外を連絡するガス抜き孔１２が形成されている。それによって、ガスケット７の薄肉部が破断した際、電池１内部のガスがこのガス抜き孔１２から排気され、内圧が開放されるようになっている。すなわち、封口ガスケット７の薄肉部と負極端子１０のガス抜き孔１２とによって、電池１の破裂を防止する防爆安全機構が構成されている。

そして、上記のワッシャー２０は、特に、単３型や単４型などの比較的小さなサイズのアルカリ電池１では、排気に伴ってガス抜き孔１２から電解液が飛散することを防止するための機能も担っている。具体的には、ワッシャー２０の胴部２１が負極端子板１０の側面部１４を覆うことで、防爆安全機構が作動したときに、ガス抜き孔１２からのガスや電解液が噴出する速度を減速させて、アルカリ電池１が組み込まれた機器が汚染されにくいようにしている。なお、ワッシャー２０を備えたアルカリ電１において、防爆安全機構が作動したときの排気経路は、図１（Ｂ）に太線の矢印で示したように、ガス抜き孔１２からのガスは、負極端子板１０の側面部１４を覆うワッシャー２０の胴部２１の内面を経て排出される。

また、以下の特許文献１と２には、ワッシャーの装着不良を防止するとともに、防爆安全機構が作動した際には、ワッシャーと負極端子板との間を通って電池内部の圧力が開放される際に電解液がシャワー状に噴出しないようにしたアルカリ電池について記載されている。

特開２００８−２７７１５４号公報 特開２００８−２８２６０１号公報

ＦＤＫ株式会社、"アルカリ電池のできるまで"、[online]、[平成２４年１２月１１日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.fdk.co.jp/denchi_club/denchi_story/arukari.htm＞

ワッシャーは、アルカリ乾電池などの円筒形電池の防爆安全機構が動作した際に、負極端子板に設けられにガス抜き孔から電解液が飛散するのを防止する。しかし、従来の円筒形電池では、図１に示したように、ワッシャー２０のフランジ部２２の上面が熱収縮フィルムによる外装ラベル９に覆われており、さらに、外装ラベル９における電池缶２との接触面（裏面）には接着剤が塗布されていることから、フランジ部２２の上面は、外装ラベル９に接着されている。そのため、図１（Ｂ）に縦縞で示した空間３０がほぼ密閉された状態となっている。

そして、何らかの原因で電池缶２内部にてガスが爆発的に発生すると、このガスが一瞬にして上記の空間３０に充満し、上述した排気経路での排気動作が間に合わず、上記空間３０内の圧力が一気に上昇し、ワッシャー２０が勢いよく飛散し、電池１が組み込まれていた機器を破損させる可能性がある。確かに、上記特許文献１や２に記載のアルカリ電池ではワッシャーの中空部の内面が多角形状になっており、ガス抜き孔と負極端子板の側面との間には、必ず空隙が存在し、排気に適した構造となっている。しかしながら、ワッシャーは絶縁部材としての機能も担っており、アルカリ電池の組み立て工程において、ワッシャーを負極端子板の周囲に嵌め込んで装着した後に外装ラベルを被装するまでの間、ワッシャーが確実に負極端子板に装着された状態で維持されている必要がある。そのため、引用文献１や２に記載のアルカリ電池では、多角形状のワッシャーの中空部内面と円筒状の負極端子板の側面とが密着せず、アルカリ電池の組み立て工程中にワッシャーが脱落する可能性がある。すなわち、脱落したワッシャーを装着し直すなどの生産性の低下が懸念される。また、ワッシャーが脱落すれば、組み立て工程中で正負の電極間が短絡し、それに伴って漏液が発生する可能性もある。

したがって本発明は、一方の電極を兼ねる電池缶の開口が、ガス抜き孔を備えた他方の電極の端子板によって封口された円筒形電池において、端子板の周囲にワッシャーが確実に嵌め込まれることによる正負の電極間の絶縁性と、電池缶の内圧が急激に上昇した際にワッシャーが飛散しない高い安全性とを確保することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明は、一方の電極を兼ねる有底円筒状の電池缶内に、発電要素が収納されるとともに、当該電池缶の開口を上方として、当該開口に、伏せた皿にフランジ状の周縁部が形成された形状で他方の電極を兼ねる端子板が、封口ガスケットを介してかしめられて、前記電池缶の開口端部が当該電池缶の内方に屈曲した状態で封口されている円筒形電池であって、
前記端子板の底面の外周と前記周縁部とを連続する側面部に、前記電池缶の内外を連絡するガス抜き孔が形成されているとともに、当該端子板の前記側面部にリング状のワッシャーが嵌着され、
前記ワッシャーは、前記側面部に嵌着された状態で、前記ガス抜き孔を覆う扁平環状の胴部と、当該胴部上端面に一体形成された円盤状のフランジ部と、前記胴部と同軸となるように上下方向に貫通する中空部とを備え、
前記中空部の内面は、上端側が下端側より拡径して、上端側の拡径部と下端側の縮径部とからなる２段の段付き孔状で、
前記ワッシャーは、前記縮径部が前記端子板の側面部に装着され、前記フランジ部が前記電池缶の開口端部にて外装ラベルに被装され、
前記拡径部の内径は、前記端子板の側面部における前記ガス抜き孔の上端での外径よりも大きく、
前記ワッシャーは、上下方向の全高Ａと、前記中空部における前記拡径部の高さＢとの比Ｂ／Ａが３６％以上、８１％以下である、
ことを特徴とする円筒形電池。

本発明の円筒形電池によれば、一方の電極を兼ねる電池缶を封口する他方の電極を兼ねる端子板が当該端子板に嵌め込まれたワッシャーによって確実に絶縁されつつ、電池缶内の圧力が急激に上昇した際には、ワッシャーが飛散しない、高い安全性を備えている。また、製造過程において、ワッシャーのガタつきや脱落が発生せず、従来と同等の生産性も維持できる。

円筒形電池の一例である一般的なアルカリ電池の構造を示す図である。 上記一般的なアルカリ電池の負極端子板に装着されているワッシャーの概略図である。 本発明の一実施形態に係る円筒形電池に装着されているワッシャーの概略図である。 上記実施形態に係る円筒形電池に装着されているワッシャーにおける中空部の内面形状を説明するための図である。 上記実施形態に係る円筒形電池の構造を示す図である。 上記実施形態に係る円筒形電池の上端側を拡大した図である。

本発明の一実施形態に係る円筒形電池として円筒形のアルカリ電池を挙げる。もちろん、本発明は、一方の電極を兼ねた電池缶の開口に、他方の電極を兼ねる皿状の端子板がガスケットを介して嵌着された構造を有するとともに、端子板の外周にガス抜き孔が形成された円筒形電池であれば、どのような電池であっても適用することができる。そして、本実施形態に係る円筒形電池の基本的な構造は、図１に示した一般的なアルカリ電池１と同様である。しかし、ワッシャーの構造が従来のワッシャーとは異なっており、電池缶の内圧が爆発的に上昇したとしても、ワッシャーが飛散することなく、高い安全性を備えている。また、ワッシャーが、確実に負極端子板に嵌め込まれた状態で装着されて、電池の生産性向上にも寄与している。

＝＝＝ワッシャーの構造と作用＝＝＝
図３に、本発明の一実施形態に係る円筒形電池（以下、アルカリ電池）に装着されているワッシャー２０ａの概略構造を示した。図３（Ａ）は、当該ワッシャー２０ａを上方から見たときの斜視図であり、（Ｂ）と（Ｃ）は、それぞれ、上方からの拡大平面図と、当該平面図におけるａ−ａ矢視断面図である。また、図４に、ワッシャー２０ａの各部位のサイズを説明するための図を示した。なお、図４（Ａ）は、図３（Ｃ）に示した断面を拡大した図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）における円１２０内を拡大した図である。

これら図３、図４に示したように、ワッシャー２０ａは、環状の胴部２１の上端面に円盤状のフランジ部２２が当該胴部２１と同軸となるように一体的に形成されており、胴部２１とフランジ部２２と同軸となるように上下方向に中空部２３ａが貫通している。そして、ここまでの構造は、図２に示した一般的なアルカリ電池１におけるワッシャー２０と同様である。

しかし、中空部２３ａの内面形状は、一般的なアルカリ電池１とは異なり、同じ径で上下に貫通する単純な孔形状でなく、径が異なる二つの孔を同軸に上下方向に連結した段付き孔状となっている。具体的には、図４（Ａ）に示したように、上端側の内径φ１が下端側の内径φ２径より大きくなっており、同図（Ｂ）に示したように、ワッシャー２０ａの全高Ａに対し、上端面２４から段付き部分、すなわち、上端面２４から下端側の縮径された部位（以下、縮径部）２６の上面２７までの高さＢに対応する円形孔状部分が縮径部２６の内径φ２よりも内径φ１が大きな部位（以下、拡径部）２５となっている。

図５に、このワッシャー２０ａを備えた本発明の一実施形態に係るアルカリ電池１ａの構造を示した。図５（Ａ）は、その縦断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）における円１３０内を拡大した図である。また、図６に、アルカリ電池１ａの上端側、すなわち負極端子板１０側の拡大図を示した。図５、図６に示したように、本実施形態に係るアルカリ電池１ａでは、ワッシャー２０ａが負極端子板１０に嵌め込まれた状態では、段付き孔状の中空部２３ａにおいて下端側の縮径部２６の内面が、負極端子板１０の側面部１４の外周面に接触し、確実に嵌め込まれている。それによって、製造工程時においてもガタつきや脱落が発生せず、ワッシャー２０が負極端子板１０に嵌め込まれさえすれば、絶縁性が常に確保される。もちろん、ワッシャー２０ａの装着不良に関わる歩留まり低下がなくなり、生産性も向上する。

また、図６に示したように、拡径部２５の内径φ１がその側面部１４の径φ３よりも大きい。より具体的には、負極端子板１０の側面部１４において、ガス抜き孔１２の上端１５部分での径φ３よりも拡径部２５の内径φ１の方が大きい。それによって、図５（Ｂ）に示したように、ガス抜き孔１２の上端１５側が拡径部２５内に露出することになり、太線矢印で示した排気経路が形成される。そのため、電池缶２内の圧力が急激に上昇した場合でも、上述した密閉空間３０のみに圧力が集中せず、上記の排気経路を介して速やかに内圧が開放される。また、排気経路を形成する拡径部２５は円形孔状であるため、拡径部２５の内面は、負極端子板１０の側面部１４から一律に離間している。そのため、側面部１４の外周のどの位置にガス抜き孔１２が形成されていても、いずれのガス抜き孔１２もその開口領域が全て覆われてしまうことがなく、アルカリ電池１ａの組み立て時において、ワッシャー２０ａを装着する際には位置決めが不要となる。したがって、このワッシャー２０ａにおける拡径部２５の内径φ１や形状により、製造工程時に、負極端子板１０とワッシャー２０ａとの相対的な回転位置関係を考慮することが不要となり、確実に安全性を確保することができる。もちろん、位置決めに要する工程が不要のため、生産性の向上も期待できる。

＝＝＝ワッシャーの最適形状＝＝＝＝
上述したように、本実施形態に係るアルカリ電池１ａでは、ワッシャー２０ａの中空部２３ａの内面が２段の段付き孔状に形成されて、アルカリ電池１ａの防爆安全機構が作動した際には負極端子板１０に形成されたガス抜き孔１２を介して確実に電池１ａ内の圧力を開放することができる。その一方で、ワッシャー２０ａは、電池缶２の開口端部近辺での正負極間の短絡を防止するための絶縁部材でもあり、アルカリ電池１ａの組み立て途上で、封口後速やかに負極端子板１０に装着され、外装ラベル９が被装されるまで、確実にその装着状態を維持していなくてはならない。

本実施形態に係るアルカリ電池１ａでは、ワッシャー２０ａにおいて、実質的に負極端子板１０に装着される部位は、中空部２３ａの下端側の縮径部２６であり、図４に示したように、この縮径部２６の内径φ２は、当然のことながら、図２に示した従来のアルカリ電池１におけるワッシャー２０の中空部２３の径と同じとなる。そして、縮径部２６に負極端子板１０の側面部１４が接触することによって、ワッシャー２０ａの装着状態が維持されるため、その接触面積が少なすぎれば、組み立て工程時にワッシャー２０ａが脱落する可能性が「ゼロ」であるとは言い難い。そして、その接触面積は、縮径部２６の内径φ２が負極端子板１０の側面部１４の外径φに対して嵌め合うよう所定の大きさに規定されていることから、実質的に縮径部２６の高さ（＝Ａ−Ｂ）によって増減する。

なお、ワッシャー２０ａの全高Ａについては、負極端子板１０の側面部１４の高さに応じて規定されている所定の値であり、従来のアルカリ電池１におけるワッシャー２０と同じとなる。また、拡径部２５は、負極端子板１０の側面部１４と接触しないことを前提としているため、その内径φ１についてはその前提さえ満足すれば、その大小を考慮する必要性がほとんど無い。そこで、以下では、ワッシャー２０ａの全高Ａ（＝１．１ｍｍ）に対して拡径部２５の高さＢを０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲で０．１ｍｍずつ変えた１０種類のワッシャー２０ａを作製し、それらのワッシャー２０ａを装着した１０種類のアルカリ電池をサンプルとして組み立てた。

つぎに、各サンプルに対して充電試験を行うとともに、ワッシャー２０ａと負極端子板１０との装着状態を評価し、その試験結果と評価結果とに基づいてワッシャー２０ａの最適形状を求めた。なお、上述したように、ワッシャー２０ａの全高Ａや縮径部２６の内径φ２が電池の種類（負極端子板のサイズ）によって所定の値となり、拡径部２５の内径φ１が形状を特定するための要件にはならない、ということから、ワッシャー２０ａの最適形状を客観的に特定可能とするために、ここでは、縮径部２６の内径に対する拡径部２５の高さＢの割合Ｂ／Ａ（％）をワッシャー２０ａの形状を特定するためのパラメーターとした。そして、このＢ／Ａの値についての最適数値範囲を規定することとした。

充電試験は、図５に示したアルカリ電池１ａをサンプルとして、４本のアルカリ電池の内の３本を一般的なアルカリ電池とし、１本をサンプルにして、サンプルについては正負を逆にした状態でその４本のアルカリ電池を直列に接続する、所謂「４直１逆」の方式でサンプルを充電状態にすることで行った。充電状態にあるサンプルは確実に内部でガスが発生し、防爆安全機構が作動するため、この防爆安全機構の作動に際してワッシャー２０ａが飛散するか否かを調べた。また、充電試験に際しては、１０種類のサンプルのそれぞれについて１００個の個体を用意し、その１００個の個体の内、ワッシャー２０ａが飛散した個体数の割合（ワッシャー離脱率：％）を充電試験の結果とした。

ワッシャー２０ａの装着状態については、量産ラインにてワッシャー２０ａを負極端子板１０に装着する工程から外装ラベル９を電池缶２に被装するまでの工程で脱落した個体の数を各サンプルについて調査し、ワッシャー２０ａが脱落した個体を「不良」とした。そして、各サンプルについて１０００個の個体における不良率を評価結果とした。

以下の表１に充電試験結果とワッシャーの装着状態についての評価結果とを示した。

表１に基づいてワッシャー２０ａの全高Ａと拡径部２５の高さＢとの比Ｂ／Ａ（％）についての最適数値範囲を規定する。各サンプルについての合否（○、×）については、充電試験によるワッシャーの離脱率と装着不良率がともに０％であるときを合格「○」とし、それ以外は全て不合格「×」とした。そして、表１に示したように、Ｂ／Ａ≦２７のサンプル１〜３ではワッシャーが飛散した個体が存在し、不合格「×」判定となった。これは、縮径部２６の高さ（Ａ−Ｂ）が大きすぎるため、ガス抜き孔１２が実質的に塞がれためと考えられる。すなわち、拡径部２５を経由する排気経路の面積が小さくなり、速やかに圧力を開放することができず、結果的に過大な圧力がワッシャー２０ａに加わり、ワッシャー２０ａが飛散したためと考えられる。

また、Ｂ／Ａ＝９０のサンプル１０では、縮径部２６の内面と負極端子板１０の側面部１４との接触面積が不足し、装着不良となった個体が存在し、不合格となった。そして、表１において合格判定となったサンプル４〜９におけるＢ／Ａの値から、３６％≦Ｂ／Ａ≦８１であれば、充電試験によってワッシャーが飛散することなく極めて高い安全性が確保でき、また、ワッシャーの装着不良も発生せず、絶縁性を確保しつつ従来と同等の生産性を維持できる。

１，１ａ 円筒形電池（アルカリ電池）、２ 電池缶、３ 正極合剤、
４ セパレーター、５ 負極ゲル、６ 負極集電子、７ ガスケット、８ 正極端子、
１０ 負極端子板、１１ 負極端子板の底、１２ ガス抜き孔、
１３ 負極端子板の周縁部、１４ 負極端子板の側面部、２０，２０ａ ワッシャー、
２１ 胴部、２２ フランジ部、２３，２３ａ 中空部、２５ 拡径部、
２６ 縮径部、Ａ ワッシャーの全高、Ｂ 拡径部の高さ、
φ１ 拡径部の内径、φ２ 縮径部の内径、
φ３ 負極端子板の側面部におけるガス抜き孔上端での外径

Claims (1)

1. 一方の電極を兼ねる有底円筒状の電池缶内に、発電要素が収納されるとともに、当該電池缶の開口を上方として、当該開口に、伏せた皿にフランジ状の周縁部が形成された形状で他方の電極を兼ねる端子板が、封口ガスケットを介してかしめられて、前記電池缶の開口端部が当該電池缶の内方に屈曲した状態で封口されている円筒形電池であって、
   前記端子板の底面の外周と前記周縁部とを連続する側面部に、前記電池缶の内外を連絡するガス抜き孔が形成されているとともに、当該端子板の前記側面部にリング状のワッシャーが嵌着され、
   前記ワッシャーは、前記側面部に嵌着された状態で、前記ガス抜き孔を覆う扁平環状の胴部と、当該胴部上端面に一体形成された円盤状のフランジ部と、前記胴部と同軸となるように上下方向に貫通する中空部とを備え、
   前記中空部の内面は、上端側が下端側より拡径して、上端側の拡径部と下端側の縮径部とからなる２段の段付き孔状で、
   前記ワッシャーは、前記縮径部が前記端子板の側面部に装着され、前記フランジ部が前記電池缶の開口端部にて外装ラベルに被装され、
   前記拡径部の内径は、前記端子板の側面部における前記ガス抜き孔の上端での外径よりも大きく、
   前記ワッシャーは、上下方向の全高Ａと、前記中空部における前記拡径部の高さＢとの比Ｂ／Ａが３６％以上、８１％以下である、
   ことを特徴とする円筒形電池。

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