JP6124066B2

JP6124066B2 - 電池

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Publication number: JP6124066B2
Application number: JP2013133159A
Authority: JP
Inventors: 栄人渡邉; 学金本; 金本　　学; 児玉　充浩; 充浩児玉
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2033-06-25
Also published as: JP2015008090A

Description

電極の使用量を減らすための技術に関する。

近年、コストが安い電池のニーズが増加している。そこで、例えば、特許文献１に示すように、電池ケースの内部に、正極板と、負極板と、電解液を含浸したセパレータとからなる電極体を備える電池において、電極体を電池ケースの軸方向に短くして、電池ケースの余った空間に充填材を封入した電池が開発されている。これにより、電池の軸方向の全長に亘って電極体を形成する場合と比較して電極の使用量が少なくなり、電池のコストが低減されているとともに、充填材により、電池ケース内における電極体のガタつきが抑制されている。

ドイツ特許出願ＤＥ２００１６２３１Ｕ１

ところで、上記従来技術では、電極体を電池ケースの軸方向に短くし、電池ケース内の余った空間に充填材を封入しているが、上記従来技術とは異なる構成により、電極の使用量を減らすことが求められている。

本明細書では、電池ケース内における電極体のガタつきを抑えつつ電極の使用量を減らすことが可能な技術を開示する。

本明細書によって開示される電池は、導電性の電池ケースと、前記電池ケース内に収容され、正極板、負極板、及び、それらの間に配されるセパレータを有し、かつ、前記電池ケースの内径よりも外径が小さい径小部を有する円筒形電極体と、前記径小部の外周面と前記電池ケースの内面との間に配され、前記円筒形電極体と前記電池ケースとを電気的に接続する導電性のスペーサと、を備え、前記スペーサは、メッシュ状に編み込まれた金属からなる。
本明細書によって開示される電池は、導電性の電池ケースと、前記電池ケース内に収容され、正極板、負極板、及び、それらの間に配されるセパレータを有し、かつ、前記電池ケースの内径よりも外径が小さい径小部を有する円筒形電極体と、前記径小部の外周面と前記電池ケースの内面との間に配され、前記円筒形電極体と前記電池ケースとを電気的に接続する導電性のスペーサと、を備え、前記スペーサは、コイル状の線材からなる。

電池ケース内における電極体のガタつきを抑えつつ電極の使用量を減らすことが可能となる。

実施形態１の電池の縦断面を表した斜視図電池を示す縦断面図電池を示す横断面図電池の分解斜視図実施形態２のメッシュ状のスペーサが電極体に取付けられた状態を示す斜視図実施形態３のコイル状のスペーサが電極体に取付けられた状態を示す斜視図他の実施形態のコイルばね状のスペーサが電極体に取付けられた状態を示す斜視図他の実施形態の板ばね状のスペーサが電極体に取付けられた状態を示す斜視図

（発明の概要）
本明細書によって開示される電池は、導電性の電池ケースと、前記電池ケース内に収容され、正極板、負極板、及び、それらの間に配されるセパレータを有し、かつ、前記電池ケースの内径よりも外径が小さい径小部を有する円筒形電極体と、前記径小部の外周面と前記電池ケースの内面との間に配され、前記円筒形電極体と前記電池ケースとを電気的に接続する導電性のスペーサと、を備える。

このようにすれば、円筒形電極体が電池ケースの内径よりも外径が小さい径小部を有さない場合と比較して電極の使用量を減らすことができる。また、スペーサは、径小部の外周面と前記電池ケースの内面との間に配されるため、電池ケース内における円筒形電極体のガタつきを抑えることができる。
よって、電池ケース内における電極体のガタつきを抑えつつ電極の使用量を減らすことが可能となる。

また、スペーサは、円筒形電極体と電池ケースとを電気的に接続するため、円筒形電極体のガタつきを防止するためのスペーサを円筒形電極体と電池ケースとの間の電気的接続に利用することができる。

上記電池では、前記円筒形電極体の外周面と、前記電池ケースの内面とは、前記スペーサを介してのみ電気的に接続されているようにしてもよい。

上記電池では、前記スペーサは、前記円筒形電極体の軸方向における中間部に配されているようにしてもよい。
このようにすれば、比較的変形しやすい円筒形電極体の軸方向における中間部の変形を防止することができる。

上記電池では、前記負極板は、少なくとも前記円筒形電極体の外面に配されており、前記円筒形電極体の外面における前記負極板が前記スペーサに当接しているようにしてもよい。
このようにすれば、例えば、リード線を用いて負極板とスペーサとの間を電気的に接続する構成と比較して簡素化することが可能になる。

前記スペーサは、メッシュ状に編み込まれた金属からなるようにしてもよい。
このようにすれば、スペーサの形状を変形させることができるため、スペーサの電池ケース内への収容を容易に行うことができる。

前記スペーサは、コイル状の線材からなるようにしてもよい。
このようにすれば、金型等を用いてスペーサの形状を加工する場合と比較して製造コストを低減させることができる。

前記スペーサは、前記径小部の外周を全周に亘って包囲している。
このようにすれば、局部的に円筒形電極体にスペーサからの力が加わることによる円筒形電極体の変形を抑制できるととともに、円筒形電極体とスペーサとの間の接触面積を大きくできるため、円筒形電極体と電池ケースとの間の電気抵抗を小さくすることができる。

上記電池では、前記円筒形電極体の外面と前記電池ケースの内面との間には、電解液貯留空間が設けられているようにしてもよい。
このようにすれば、電池寿命を延ばすために、セパレータに過剰に電解液を含浸して、電解液が電極体から漏洩したとしても電解液貯留空間で電解液を貯留することができる。さらに、電解液貯留空間を有するために電池の内圧上昇を緩和することができ、高エネルギー密度で長寿命な電池を提供することができる。
また、電池を傾けてセパレータに含まれる電解液が減少すると毛綱管現象等により電解液貯留空間に貯留されている漏洩電解液が再度セパレータに吸収されるので、セパレータの液漏れによる電池の内部抵抗の増加を防ぎ、より長寿命な電池を提供することができる。

上記電池では、前記正極板が、水酸化ニッケルを活物質とし、前記負極板が、水素吸蔵合金を活物質とするようにしてもよい。

（実施形態１）
以下に、実施形態１について、図１〜図４を参照しつつ説明する。
本実施形態の電池１０は、ニッケル・水素蓄電池等のアルカリ蓄電池である。電池１０は、例えば単３形（ＩＥＣ（International Electrotechnical Commission）では、「Ｒ６」，米国では、「ＡＡ」）の容量が１８００ｍＡｈ以下、又は単４形（ＩＥＣでは、「Ｒ０３」，米国では、「ＡＡＡ」）の容量が６５０ｍＡｈ以下の低容量タイプである。以下では、上下方向及び左右方向について図２の方向を基準として説明する。

電池１０は、図１に示すように、金属製の電池ケース１１と、円筒形状の電極体２３（「円筒形電極体」の一例）と、電極体２３と電池ケース１１との間に配された導電性のスペーサ２７とから構成されている。電池ケース１１は、規格によりその大きさが定まっているものであり、上下方向に長い形状であって、内部に収容空間Ｓを有し、表面がニッケルめっきされている。この電池ケース１１は、一端側が開口する開口部１２Ａを有し、他端側が閉塞された有底筒状の電池ケース本体１２と、電池ケース本体１２の開口部１２Ａを封止する蓋部１５とから構成されている。

電池ケース本体１２は、後述する負極板２６を接触させることで電池１０の負極端子となるものであり、筒状部１３と、筒状部１３の下端側を閉塞する閉塞部１４とを備える。
筒状部１３は、円筒形状であって、その内周面は、図２における筒状部１３の中心軸Ａからの径が一定とされた真円形状となっている。筒状部１３内は、後述する電極体２３を収容可能な収容空間Ｓであり、筒状部１３は、電極体２３の外径Ｂ１（図２の左右方向の外径）よりも大きい内径Ｂ２（図２の左右方向の内径）を有する。
閉塞部１４は、円形状の板材からなり、筒状部１３と一体に形成されている。

蓋部１５は、後述する正極板２４に弾性を有する接続端子２１を介して接続されており、電池１０の正極端子となる。蓋部１５は、平板状の蓋本体１６、蓋本体１６に載置される弾性体１８及び蓋本体１６に重ねられる端子板１９を備える。
蓋本体１６は、例えば導電性を有する物質からなり、正極板２４に接続端子２１を介して接続されている。蓋本体１６の中央部には貫通孔１７が形成されている。

弾性体１８は、貫通孔１７を塞ぐように蓋本体１６の上面に密着している。弾性体１８は、例えばゴム等の材質からなり、外力に応じて弾性変形する。
端子板１９は、弾性体１８を覆う導電性の板である。

具体的には、端子板１９は、弾性体１８を、下方に押し付けて蓋本体１６と接続されている。端子板１９には、電池ケース１１内のガスを放出するための排出孔２０が設けられている。排出孔２０は、電池ケース１１内の圧力が所定値以上となった場合に電池ケース１１内のガスを放出する。弾性体１８は、貫通孔１７から一定以上の内圧を受けた場合に弾性変形してガスを排出孔２０から電池１０の外部に排出する。
電池ケース本体１２の開口部１２Ａと蓋部１５との間には、弾性変形可能な絶縁体２２が挟まれてシールされている。この絶縁体２２により、電池ケース本体１２と蓋部１５とが絶縁されている。

電極体２３は、電池ケース１１の収容空間Ｓに収容されるものであり、電池ケース本体１２の内部において、蓋部１５との間に隙間を空けて配置されており、正極板２４、負極板２６、及び、それらの間に配置される電解液を含んだセパレータ２５が重ねられているとともに、これらが筒状部１３の内面に沿うように例えば右回りの渦巻状に巻回されている。

正極板２４は、発泡ニッケルからなる正極基板の中空内に水酸化ニッケル活物質及び導電材のコバルト化合物の混合物を充填したものである。なお、水酸化ニッケル活物質は、ニッケル・カドミウム蓄電池の場合には例えば水酸化ニッケルであり、ニッケル・水素蓄電池の場合には例えば水酸化カルシウムを添加した水酸化ニッケルである。

負極板２６は、例えばニッケルめっきを施した平板状の穿孔鋼板からなる負極集電体と、この負極集電体上に塗布された負極活物質からなる。なお負極活物質としては、ニッケル・カドミウム蓄電池の場合には、例えば酸化カドミウム粉末と金属カドミウム粉末との混合物であり、ニッケル・水素蓄電池の場合には、例えば、主にＡＢ_５型（希土類−Ｎｉ系）、ＡＢ_{３．０−３．８}型（希土類−Ｍｇ−Ni系）又はＡＢ_２型（Ｌａｖｅｓ相）の水素吸蔵合金の粉末である。

セパレータ２５は、例えばポリオレフィン製の不織布からなり、セパレータ２５には、水酸化カリウムあるいは水酸化ナトリウムを主成分とする電解液が含浸されている。
セパレータ２５は、電極体２３の外周には、配されておらず、電極体２３の外周（筒状部１３の内面と対向する面）には、負極板２６が配されている。

電極体２３は、正極板２４、負極板２６及びセパレータ２５を重ねてロール状に巻回することで形成されており、電極体２３の外周は、図２に示すように、電極体２３の中心軸（筒状部１３の中心軸Ａと同じ）を通る線分の外径Ｂ１が筒状部１３の内径Ｂ２よりも小さい径小部２３Ａとされている。本実施形態では、電極体２３の外径Ｂ１は、上下方向の全体に亘って筒状部１３の内径Ｂ２よりも小さいため、電極体２３の外周の全体が径小部２３Ａとされている。
なお、電極体２３の中心部には、正極板２４、負極板２６、及びセパレータ２５を巻回させた際に芯棒（図示しない）が挿し込まれていた孔２３Ｃが形成されているが、芯棒を抜かずに残しておいてもよい。

スペーサ２７は、電極体２３の外面２３Ｂと筒状部１３の内面１３Ａとの間に配されて電極体２３の筒状部１３に対する径方向の位置を固定する導電性の部材であり、図４に示すように、リング状である。
より詳しくは、スペーサ２７の形状は、電極体２３の外径Ｂ１とほぼ同じ内径で電極体２３がほぼ隙間なく挿通される内筒部２８と、電池ケース１１の筒状部１３の内径Ｂ２とほぼ同じ外径で筒状部１３にほぼ隙間なく挿通される外筒部２９と、内筒部２８と外筒部２９とを連結する板状の連結部３０とを備え、内筒部２８、外筒部２９及び連結部３０が一体に形成されている。連結部３０は、内筒部２８の周方向における所定間隔（所定角度）毎に形成されている。

スペーサ２７における内筒部２８と外筒部２９との間の連結部３０のない部分には、空間が形成されている。スペーサの形状は、上記構成に限らず、例えば、内筒部２８と外筒部２９との間が満たされた（充填された）ものを用いることも可能である。内部を充填する場合には、スペーサ２７と同一材料で充填しても異なる材料で充填してもよい。
スペーサ２７の材料としては、例えば、ステンレス等の導電性を有する種々の金属を用いることができるが、電解液と反応しない材料が用いることが好ましい。また、金属以外でも導電性を有する材料を用いることができる。例えば、導電性樹脂（導電性ゴム等）を用いることも可能である。
なお、電池ケース１１の収容空間Ｓのうち、電極体２３とスペーサ２７が配される空間以外の空間は、セパレータ２５から浸み出した電解液が貯留される電解液貯留空間３３とされている。
なお、電池１０の組み付けは、巻回させた電極体２３をスペーサ２７の内筒部２８に挿通した状態で、を電池ケース本体１２に挿入し、蓋部１５を被せることで電池１０を形成することができる（図４）。

本実施形態によれば、以下の作用、効果を奏する。
電池１０は、導電性の電池ケース１１と、正極板２４、負極板２６、及び、それらの間に配されるセパレータ２５を有し、かつ、電池ケース１１の内径１３Ａよりも外径Ｂ１が小さい径小部２３Ａを有する電極体２３と、径小部２３Ａの外周面と電池ケース１１の内面との間に配され、電極体２３と電池ケース１１とを電気的に接続する導電性のスペーサ２７とを備える。

このようにすれば、電極体２３が電池ケース１１の内径Ｂ２よりも外径Ｂ１が小さい径小部２３Ａを有さない場合と比較して電極の使用量を減らすことができる。また、スペーサ２７は、径小部２３Ａの外周面と電池ケース１１の内面との間に配されるため、電池ケース１１内における電極体２３のガタつきを抑えることができる。
よって、電池ケース１１内における電極体２３のガタつきを抑えつつ電極の使用量を減らすことが可能となる。

また、導電性のスペーサ２７が電極体２３と電池ケース１１とを電気的に接続するため、電極体２３のガタつきを防止するためのスペーサ２７を電極体２３と電池ケース１１との間の電気的接続に利用することができる。

また、電池ケース１１は、電極体２３及びスペーサ２７が内部に収容される筒状の筒状部１３を有し、電極体２３は、正極板２４、負極板２６及びセパレータ２５が上下方向（一方向）に対して筒状部１３の径方向（交差する方向）に重ねられており、スペーサ２７は、当該交差する方向における電極体２３の外面と筒状部１３の内面との間に収容されている。
電極体２３が円筒形に巻回されるものでは、電極体２３の材料を減らすために電極体２３における筒状部１３の軸方向の長さを短くすると、電極の切断する幅を変更する必要があり、製造工程または装置の変更が必要になるという課題がある。本実施形態によれば、電極体２３における筒状部１３の軸方向について長さを変えなくてもよいため、製造コストを低減することが可能になる。

スペーサ２７は、電極体２３の軸方向における中間部に配されている。
このようにすれば、比較的変形しやすい電極体２３の軸方向における中間部の変形を防止することができる。

負極板２６は、少なくとも電極体２３の外面に配されており、電極体２３の外面における負極板２６がスペーサ２７に当接している。
このようにすれば、例えば、リード線を用いて負極板２６とスペーサ２７との間を電気的に接続する構成と比較して簡素化することが可能になる。

スペーサ２７は、径小部２３Ａの外周を全周に亘って包囲している。
これにより、局部的に電極体２３にスペーサ２７からの力が加わることによる電極体２３の変形を抑制できるととともに、電極体２３とスペーサ２７との間の接触面積を大きくできるため、負極板２６と電池ケース１１との間の電気抵抗を小さくすることができる。

電極体２３の外面２３Ｂと電池ケース１１の内面１３Ａとの間には、電解液貯留空間３３が設けられている。
このようにすれば、電池寿命を延ばすために、セパレータ２５に過剰に電解液を含浸して、電解液が電極体２３から漏洩したとしても電解液貯留空間３３で電解液を貯留することができる。さらに、電解液貯留空間３３を有するために電池１０の内圧上昇を緩和することができ、高エネルギー密度で長寿命な電池１０を提供することができる。
また、電池１０を傾けてセパレータ２５に含まれる電解液が減少すると毛綱管現象等により電解液貯留空間３３に貯留されている漏洩電解液が再度セパレータ２５に吸収されるので、セパレータ２５の液漏れによる電池１０の内部抵抗の増加を防ぎ、より長寿命な電池１０を提供することができる。

＜実施形態２＞
次に、実施形態２を図５を参照して説明する。
実施形態２では、図５に示すように、メッシュ状のスペーサ３１を用いたものである。他の構成は実施形態１と同一であり、実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

スペーサ３１は、例えば、金属細線がメッシュ状に編み込まれた編組線３１Ａが用いられており、ステンレス等の金属により形成することができる。なお、スペーサとして他の金属や、金属以外の導電性部材を用いてもよい。
スペーサ３１は、編組線３１Ａが複数回巻き付けられて全体としてリング状に形成されており、その内周が電極体２３の外周２３Ｂに当接し、その外周が筒状部１３の内周１３Ａに当接する。

また、スペーサ３１は、全体が編組線３１Ａからなるものに限らず、例えば、編組線３１Ａ（導電性部材）の形状を保持するためのフレームを編組線３１Ａで覆うようにしてもよい。このフレームとしては、例えば、導電性の低い（電気抵抗が高い）材料でもよく、電解液と反応しないアクリル樹脂やポリプロピレン樹脂、ナイロン樹脂等の樹脂製としたり、ステンレス鋼等の材料から形成してもよい。
このように実施形態２によれば、メッシュ状に編み込まれた編組線３１Ａの柔軟性によりスペーサ３１の形状を変形させることができるため、電池ケース１１内への収容を容易に行うことができる。また、編組線３１Ａの柔軟性により電池ケース１１内におけるスペーサ３１のガタつきを防止することが可能になる。

＜実施形態３＞
次に、実施形態３を図６を参照して説明する。
実施形態３では、実施形態１のスペーサ２７とは異なり、コイル状のスペーサ３２を用いたものである。実施形態１と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
スペーサ３２は、裸のステンレス線等の金属線や金属以外の導電性の線からなる線材３４を、螺旋状や渦巻状に巻回させて形成されている。
線材の太さや、巻数は、電極体２３の外径２３Ｂと電池ケース１１の内面１３Ａとの間を埋めることができる太さや巻数が設定される。
実施形態３によれば、線材３４を巻けばスペーサ３２を形成できるため、金型等を用いてスペーサの形状を加工する場合と比較して製造コストを低減させることができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態では、電極体２３の外径は、一定であるため、電極体２３の長さの全体に径小部２３Ａが形成されることとしたが、軸方向の位置に応じて電極体２３の外径を変えることで、電極体２３の一部に径小部が形成されるようにしてもよい。例えば、電極体に、筒状部１３の内径とほぼ同じ外径の径大部と、径大部よりも外径が小さい径小部を設けるようにしてもよい。
（２）上記実施形態では、筒状部１３及び電極体２３の上下方向における中間部にスペーサ２７，３１，３２が組みつけられていたが、筒状部１３及び電極体２３の上下方向における中間部以外にスペーサを組み付けるようにしてもよい。

（３）スペーサの形状や材料は、上記実施形態の形状や材料に限られない。例えば、弾性変形可能な渦巻状や螺旋状の板材や線材からなる環状の弾性材をスペーサとして用いてもよい。例えば、図７に示すように、弾性変形可能な螺旋状の金属からなる線材３５を電極体２３における上下方向の全体に亘って設けたコイルばね状のスペーサ３６としてもよい。このスペーサ３６は、上端部３６Ａ及び下端部３６Ｂでは、中心軸からの径が小さく、上下方向の中間部に近づくほど中心軸からの径が大きくなっており、最も径が大きい中間部を筒状部１３の内面１３Ａに弾性接触させ、最も径が小さい上端部３６Ａ及び下端部３６Ｂを電極体２３の外面２３Ｂに弾性接触させればよい。また、スペーサは、コイルバネに限られず、巻回した金属製の板バネから形成してもよい。具体的には、例えば、図８に示すように、巻回した金属製の板バネからなるスペーサ３７を電極体２３と筒状部１３の間に弾性変形状態で組み付け、スペーサ３７が弾性反発力で筒状部１３の内面１３Ａと電極体２３の外面２３Ｂとを付勢して電極体２３と筒状部１３とを電気的に接続するようにしてもよい。

（４）筒状部１３の内面１３Ａが全周に亘ってスペーサと当接していなくてもよい。例えば、スペーサにおける電極体２３側に電極体２３を包囲する部分を設け、筒状部１３の内面側に電極体２３を包囲せずに電極体２３の内面に部分的に当接する部分を設けてもよい。

（５）負極板２６は、電極体２３の外周の全体に配されていたが、電極体２３の外周の一部に配されていてもよい。また、負極板２６が電極体２３の外周に配されていなくてもよく、この場合、リード線等を用いて負極板２６とスペーサとを電気的に接続するようにしてもよい。

１０：電池１１：電池ケース１２：電池ケース本体１２Ａ：開口部１３：筒状部１３Ａ：筒状部の内面２３：電極体２３Ａ：径小部２３Ｂ：電極体の外面２４：正極板２５：セパレータ２６：負極板２７，３１，３２，３６，３７：スペーサ３３：電解液貯留空間Ｓ：収容空間Ｂ１：電極体の外径Ｂ２：筒状部の内径

Claims

導電性の電池ケースと、
前記電池ケース内に収容され、正極板、負極板、及び、それらの間に配されるセパレータを有し、かつ、前記電池ケースの内径よりも外径が小さい径小部を有する円筒形電極体と、
前記径小部の外周面と前記電池ケースの内面との間に配され、前記円筒形電極体と前記電池ケースとを電気的に接続する導電性のスペーサと、を備え、
前記スペーサは、コイル状の線材からなる電池。