JP6136633B2

JP6136633B2 - 電池

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Publication number: JP6136633B2
Application number: JP2013133161A
Authority: JP
Inventors: 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: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-06-25
Also published as: JP2015008092A

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、筒状部を備えた電池ケースと、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、外径が前記筒状部の内径よりも小さい径小部を有する円筒形電極体と、前記筒状部と前記円筒形電極体との間に配され、前記筒状部の内面と前記円筒形電極体の外周面とに当接され、前記筒状部内における前記円筒形電極体について当該円筒形電極体の軸に対して交差する方向の位置を固定するスペーサと、を備え、前記筒状部内における前記円筒形電極体は、当該円筒形電極体の軸が前記筒状部の軸と異なる位置に配されており、前記スペーサの外面は、円筒形状の前記円筒形電極体の外周面に当接している。

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の電池を示す横断面図

（発明の概要）
本明細書によって開示される電池は、筒状部を備えた電池ケースと、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、外径が前記筒状部の内径よりも小さい径小部を有する円筒形電極体と、前記筒状部と前記円筒形電極体との間に配され、前記筒状部の内面と前記円筒形電極体の外面とに当接するスペーサと、を備え、前記筒状部内における前記円筒形電極体は、当該円筒形電極体の軸が前記筒状部の軸と異なる位置に配されている。

本構成によれば、円筒形電極体の外径が電池ケースの内径よりも小さいため、例えば電池ケースの内径と同じ大きさの円筒形電極体を使用する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、円筒形電極体の外面と電池ケースの内面とに当接するため、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、筒状部内における円筒形電極体は、当該円筒形電極体の軸が筒状部の軸と異なる位置に配されているため、電池ケース内における筒状部の軸に近い側にスペーサを配置でき、スペーサの配置の自由度を高めることが可能になる。

上記電池では、前記円筒形電極体の外面は、前記筒状部の内面に当接しているようにしてもよい。
このようにすれば、円筒形電極体の少なくとも一方側を筒状部で支持することができるため、電池ケース内における円筒形電極体のガタつきを抑制することができる。

上記電池では、前記電池ケースは、導電性を有し、前記円筒形電極体の外面の少なくとも一部には前記負極板が配され、前記外面の前記負極板が前記筒状部の内面に当接しているようにしてもよい。
このようにすれば、円筒形電極体の負極板と電池ケースとを電気的に接続することができる。

上記電池では、前記円筒形電極体の軸方向における長さは、前記軸方向に沿う方向における前記収容空間の全長に亘る長さとされており、前記スペーサは、前記円筒形電極体の軸方向の全長に亘る長さとされているようにしてもよい。
このようにすれば、電池ケース内における電極体のガタつきを、より確実に防止することが可能になる。
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）
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、電池ケース１１に収容された円筒形状の電極体２３（「円筒形電極体」の一例）と、電池ケース１１内で電極体２３と隣り合うスペーサ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、図２に示すように、筒状部１３の内周及び外周は、筒状部１３の円の中心を通る軸Ａ２からの径が一定の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（電極体２３の左右方向の直径）よりも大きい内径Ｂ２（筒状部１３の左右方向の直径）を有する。
筒状部１３の上端部には、筒状部１３の内側に突出して内径を小さくする縮径部１２Ｂが連なっている。縮径部１２Ｂは、収容空間Ｓの上端を仕切っている。縮径部１２Ｂの上には、蓋部１５の周縁部が嵌め入れられる嵌入部１２Ｃが形成されている。
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と、蓋本体１６に載置される弾性体１８と、蓋本体１６に重ねられる端子板１９とを備える。
蓋本体１６は、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いる。
電極体２３は、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１３Ａに沿うように例えば右回りの渦巻状に巻回されている。電極体２３の上下方向の長さは、収容空間Ｓの上下方向におけるほぼ全長に亘る長さとされている。なお、電極体２３の上端２３Ｃと電池ケース１１の縮径部１２Ｂとの間には隙間が形成されており、電極体２３の下端は閉塞部１４に当接している。

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の外周面２３Ｂには、配されておらず、電極体２３の外周面２３Ｂ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、図２に示すように、電極体２３の外径Ｂ１が筒状部１３の内径Ｂ２よりも小さい径小部２３Ａを有する。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の外周面２３Ｂにおける上下方向の全長が径小部２３Ａとされている。

スペーサ２７は、電極体２３の外周面２３Ｂと電池ケース１１における筒状部１３の内面１３Ａとの間に配されて筒状部１３内の電極体２３の軸Ａ１に対して交差する方向の位置を固定する部材であり、図４に示すように、正方形の角筒状とされている。
より詳しくは、スペーサ２７は、上下方向に長い４枚の平板からなる壁部２８Ａ〜２８Ｄを環状に連ねて形成されている。
スペーサ２７の上下方向の長さは、図２に示すように、収容空間Ｓの上下方向のほぼ全長に亘る長さとされている。これにより、スペーサ２７の上下方向の長さは、電極体２３の上下方向の長さとほぼ同じ長さとなっている。なお、スペーサ２７の上端２７Ａと電池ケース１１の縮径部１２Ｂとの間には隙間が形成されている。

スペーサ２７の下端は、閉塞部１４に当接している。
スペーサ２７は、図３に示すように、電極体２３と対向する１つの壁部２８Ａが電極体２３の外面２３Ｂに当接しており、壁部２８Ａとは反対側の壁部２８Ｃの両端の角２８Ｅ，２８Ｆが、筒状部１３の内面１３Ａに当接している。

スペーサ２７は、例えば、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やステンレス鋼等の材料からなる。
なお、電池ケース１１の収容空間Ｓのうち、電極体２３と壁部２８Ａ〜２８Ｄが配される部分以外の空間には、セパレータ２５から浸み出した電解液を貯留することができる。

本実施形態によれば、以下の作用、効果を奏する。
本実施形態の電池１０は、内部に収容空間Ｓを有する筒状の筒状部１３を備えた電池ケース１１と、収容空間Ｓ内に収容され、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が筒状部１３の軸Ａ２と交差する方向に重ねられ、外径Ｂ１が筒状部１３の内径Ｂ２よりも小さい径小部２３Ａを有する電極体２３と、筒状部１３と電極体２３との間に配され、筒状部１３の内面１３Ａと電極体２３の外面２３Ｂとに当接するスペーサ２７と、を備え、筒状部１３内における電極体２３は、当該電極体２３の軸Ａ１が筒状部１３の軸Ａ２と異なる位置に配されている。

本実施形態によれば、電極体２３の外径Ｂ１が電池ケース１１の内径Ｂ２よりも小さいため、例えば電池ケース１１の内径Ｂ２と同じ大きさの外径を有する電極体を使用する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、電極体２３の外面２３Ｂと電池ケース１１の内面１３Ａとに当接するため、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、筒状部１３内における電極体２３は、当該電極体２３の軸Ａ１が筒状部１３の軸Ａ２と異なる位置に配されているため、電池ケース１１内における筒状部１３の軸Ａ２に近い側にスペーサ２７を配置でき、スペーサ２７の配置の自由度を高めることが可能になる。
さらに、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の軸Ａ１の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Ａ１の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。

また、電極体２３における筒状部１３の内面１３Ａと対向する外面２３Ｂ（対向面）は、筒状部１３の内面１３Ａに当接している。
このようにすれば、電極体２３の少なくとも一方側を筒状部１３で支持することができるため、電池ケース１１内における電極体２３のガタつきを抑制することができる。

さらに、電池ケース１１は、導電性を有し、電極体２３の外面２３Ｂの少なくとも一部には負極板２６が配され、外面の負極板２６が筒状部１３の内面１３Ａに当接している。
このようにすれば、電極体２３の負極板２６と負極端子として用いられる電池ケース１１とを電気的に接続することができる。

また、電極体２３の軸Ａ１の方向における長さは、当該軸Ａ１の方向に沿う方向における収容空間Ｓの全長に亘る長さとされており、スペーサ２７は、電極体２３の軸Ａ１の方向の全長に亘る長さとされている。
このようにすれば、電池ケース１１内における電極体２３のガタつきを、より確実に防止することが可能になる。

＜実施形態２＞
次に、本発明の実施形態２を図５を参照して説明する。
実施形態１の電池１０では、スペーサ２７は、角筒状であったが、実施形態２の電池３１では、図５に示すように、スペーサ２９を円筒形状としたものである。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２９は、内周及び外周が真円形の円筒形状とされており、電極体２３の外面２３Ｂと筒状部１３の内面１３Ａとの間に配されることで、筒状部１３内の電極体２３の軸Ａ１と交差する方向について、電極体２３の位置を固定する。

スペーサ２９の上下方向の長さは、実施形態１と同様に、収容空間Ｓの上下方向のほぼ全長に亘る長さとされており、スペーサ２９の上端と電池ケース１１の縮径部１２との間には隙間が形成され、スペーサ２９の下端は、閉塞部１４に当接している。
スペーサ２９の外周面は、電極体２３の外周面２３Ｂに線状に当接する第１当接部３０Ａを有するとともに、スペーサ２０の中心軸Ｃ１に対して第１当接部３０Ａと対称な位置に筒状部１３の内面１３Ａと当接する第２当接部３０Ｂを有する。
スペーサ２９の材料は、実施形態１と同様とされている。

＜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）スペーサの材料は、上記実施形態の材料に限られず、種々の材料を使用することができる。例えば、ステンレス等の金属や導電性樹脂を用いることも可能である。

（２）上記実施形態では、電極体２３の外面２３Ｂは、筒状部１３の内面１３Ａに当接していたが、電極体１３の外面２３Ｂが筒状部１３の内面１３Ａに当接していなくてもよく、少なくとも電極体２３の軸Ａ１が筒状部１３の軸Ａ２と異なる位置に配されていればよい。この場合、筒状部１３内における電極体２３の位置決めのために、スペーサの数を増やすことも可能である。例えば、電極体２３の外面２３Ｂと筒状部１３の内面１３Ａとの間に複数のスペーサを設け、複数のスペーサで軸Ａ２と交差する方向について複数の方向から電極体２３を筒状部１３内で位置決めするようにしてもよい。
また、この場合、例えば、スペーサが導電性を有していれば、電極体２３が筒状部１３に当接していなくても、スペーサを介して電極体２３と筒状部１３を電気的に接続することができる。

（３）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の長さの全体に筒状部１３の内径Ｂ２よりも外径の小さい径小部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における軸方向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、この径大部よりも外径が小さい径小部を軸方向の異なる位置に設けるようにしてもよい。

（４）スペーサ２７，２９の形状は、上記実施形態の正方形の角筒状や、円筒形状に限られず、他の形状とすることができる。例えば、長方形の角筒状や、楕円や長円形の筒状とすることもできる。また、筒状に限られず、内部の空間が充填されている（満たされている）ものでもよい。内部の空間を充填する場合には、充填する部材は、スペーサ２７，２９と同一材料でも異なる材料でもよい。なお、スペーサの内部に空間を形成する方がスペーサの材料を少なくできるため好適である。

（５）上記実施形態では、電極体２３の外面の全体に負極板２６が配されていたが、これに限られない。例えば、電極体２３の外面の一部に負極板が配され、この外面の負極板が筒状部１３の内面１３Ａに当接するものでもよい。

１０，３１：電池１１：電池ケース１２：電池ケース本体１２Ａ：開口部１３：筒状部２３：電極体２３Ａ：径小部２４：正極板２５：セパレータ２６：負極板２７，２９：スペーサＳ：収容空間Ａ１：電極体の軸Ａ２：筒状部の軸Ｂ１：電極体の外径Ｂ２：筒状部の内径

Claims

筒状部を備えた電池ケースと、
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、外径が前記筒状部の内径よりも小さい径小部を有する円筒形電極体と、
前記筒状部と前記円筒形電極体との間に配され、前記筒状部の内面と前記円筒形電極体の外周面とに当接され、前記筒状部内における前記円筒形電極体について当該円筒形電極体の軸に対して交差する方向の位置を固定するスペーサと、を備え、
前記筒状部内における前記円筒形電極体は、当該円筒形電極体の軸が前記筒状部の軸と異なる位置に配されており、
前記スペーサの外面は、円筒形状の前記円筒形電極体の外周面に当接している、電池。
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請求項１に記載の電池。