JP6459353B2

JP6459353B2 - 蓄電素子

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Publication number: JP6459353B2
Application number: JP2014201137A
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: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: JP2016072115A

Description

本明細書に記載された技術は、ケース内に蓄電要素が収容された蓄電素子に関する。

従来、蓄電素子として、例えば、特開２０１１−１５４８１３号公報に記載のものが知られている。蓄電素子は、ケースと、ケース内に収容された蓄電要素と、を備える。ケースは、筒状をなす側壁を有し、この側壁の一方の端部は開口されており、側壁の端部は閉塞壁により閉塞されている。

特開２０１１−１５４８１３号公報

蓄電素子に対して充電又は放電を繰り返すと、ケース内において、例えばガスが発生する場合がある。すると、ケース内の内圧が上昇して、ケースが変形することが懸念される。特に、側壁のうち、閉塞壁寄りの部分には、内圧の上昇に起因する応力が集中しやすいので問題となる。なお、このような問題は、アルカリ蓄電池以外の蓄電素子においても生じ得る。

本明細書では、ケースの変形が抑制された蓄電素子を提供することを目的とする。

本明細書に記載された蓄電素子は、筒状をなす側壁の少なくとも一方の端部が閉塞壁によって閉塞されたケースと、前記ケースの内部に収容された蓄電要素と、を備え、前記側壁は、前記閉塞壁寄りの位置に、前記側壁の厚さ寸法が前記側壁の他の部分よりも大きな肉厚部を備える。

本明細書に記載された発明によれば、蓄電素子のケースが変形することを抑制することができる。

実施形態１に係る電池を示す断面図電池を示す一部拡大断面図縮径工程を実施する前の状態における電池を示す一部拡大断面図縮径工程時における電池を示す一部拡大断面図サンプル１〜６に係る電池において、外側隅部曲面の曲率半径の、閉塞壁の厚さ寸法に対する比、及び、内側隅部曲面の曲率半径の、閉塞壁の厚さ寸法に対する比と、閉塞壁の中心部分の変位量との関係を示すグラフ

（実施形態の概要）
本明細書に記載された蓄電素子は、筒状をなす側壁の少なくとも一方の端部が閉塞壁によって閉塞されたケースと、前記ケースの内部に収容された蓄電要素と、を備え、前記側壁は、前記閉塞壁寄りの位置に、前記側壁の厚さ寸法が前記側壁の他の部分よりも大きな肉厚部を備える。

本明細書に記載された技術によれば、ケースの側壁は、ケースの内圧が高くなった場合に比較的に応力が集中しやすい閉塞壁寄りの位置に、肉厚部を備える。これにより、ケースの強度を向上させることができる。この結果、ケースの内圧が高くなった場合でも、ケースが変形することを抑制することができる。

前記側壁の外面のうち、前記肉厚部に対応する部分と、前記肉厚部と異なる部分とは、滑らかに連続している構成が好ましい。

上記の態様によれば、側壁のうち、肉厚部と、肉厚部と異なる部分との間の領域に応力が集中することが抑制される。これにより、ケースの変形を抑制することができる。

前記側壁と、前記閉塞壁とは、隅部連結部によって連結されており、前記肉厚部は前記隅部連結部の近傍に形成されており、前記隅部連結部の外面及び内面の双方又は一方は隅部曲面によって連結されており、前記隅部曲面の曲率半径の、前記閉塞壁の厚さ寸法に対する比の少なくとも一つは、１．３３〜４．６７である構成が好ましい。

高容量の電池を製造するためには、蓄電要素と閉塞壁とをできるだけ近接させて配することが好ましい。そのためには、隅部曲面の曲率半径をできるだけ小さな値に設定することが好ましい。一方、このように隅部曲面の曲率半径を小さくすると、ケース内の内圧が上昇した場合に、隅部連結部の近傍に応力が集中することが懸念される。そこで本態様においては、隅部曲面の曲率半径の、閉塞壁の厚さ寸法に対する比の少なくとも一つを、１．３３〜４．６７とした。これにより、蓄電素子を高容量化すると共に、ケースの変形を抑制することができる。

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１を、図１ないし図４を参照しつつ説明する。本実施形態に係る電池１０（蓄電素子の一例）は、ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池等のアルカリ蓄電池である。以下の説明では、図１における紙面手前側を電池１０の前側とし、紙面右側を電池１０の右側とし、紙面上側を電池１０の上側とする。

（電池１０）
図１に示すように、電池１０は、蓄電要素１１と、蓄電要素１１が収容される金属製のケース１２と、を備える。ケース１２は、上方に開口する開口部１３を有すると共に内部に蓄電要素１１が収容される収容空間１４を有する。ケース１２の開口部１３は、ケース１２の開口部１３に対応する形状をなした蓋部１５によって、上方から塞がれている。

（ケース１２）
ケース１２は、表面にニッケルめっき層が形成された金属板からなる。ケース１２を構成する金属としては、鉄、鋼、アルミニウム、アルミニウム合金等、必要に応じて任意の金属を適宜に選択することができる。また、金属板の表面に形成されるめっき層を構成する金属としては、ニッケル、亜鉛等、必要に応じて任意の金属を適宜に選択することができる。

ケース１２は、後述する負極板１６が電気的に接続されることで電池１０の負極端子として機能する。ケース１２は、上下方向に細長く延びた形状をなしており、長手方向（上下方向）における一端（本実施形態では上端）が開口し、他端（本実施形態では下端）が閉塞されている。ケース１２は有底円筒形状をなしている。

ケース１２は、例えば、ニッケルめっき鋼板をプレス加工することにより形成される。本実施形態に係るケース１２は、このプレス加工の後に、更に縮径加工する工程を実行することにより形成される。

ケース１２は、円盤状をなす閉塞壁１７と、閉塞壁１７の側縁から上方に立ち上がる側壁１８と、を備える。閉塞壁１７と側壁１８とは一体に形成されている。閉塞壁１７は、上方から見て円形状をなしている。図１において、閉塞壁１７の中心は、閉塞壁１７の中心部分Ｃとして表されている。本実施形態においては、閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２は０．３０ｍｍとされる。なお、閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２は上記の値に限定されず、必要に応じて任意の値に設定することができる。

（側壁１８）
側壁１８は円筒形状をなしており、側壁１８の断面形状は円形状をなしている。側壁１８の厚さ寸法Ｔ１は、閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２よりも小さく設定されている。これにより、電池１０を高容量化することができるようになっている。本実施形態においては、側壁１８の厚さ寸法Ｔ１は、０．１３ｍｍとされる。なお、側壁１８の厚さ寸法Ｔ１は上記の値に限定されず、必要に応じて任意の値に設定することができる。

側壁１８のうち凸部１９寄りの位置（本実施形態では下端部寄りの位置）には、側壁１８の肉厚方向について外方に突出する肉厚部２４が形成されている。換言すると、肉厚部２４は、側壁１８から、断面が円形状をなす側壁１８の径方向外方に突出している。この肉厚部２４の厚さ寸法は、側壁１８のうち、肉厚部２４と異なる部分の厚さ寸法よりも大きく設定されている。肉厚部２４は、側壁１８の全周に亘って形成されている。

側壁１８の内面のうち、肉厚部２４に対応する領域と、肉厚部２４と異なる部分に対応する領域とは、面一に形成されている。

また、側壁１８の外面のうち、肉厚部２４に対応する部分と、肉厚部２４と異なる部分との間は階段状に形成されていない。換言すると、側壁１８の外面のうち、肉厚部２４に対応する部分と、肉厚部２４と異なる部分とは、滑らかな曲面によって連続して形成されている。

また、側壁１８の外面のうち、肉厚部２４に対応する領域においては、肉厚部２４のうち上側の部分に形成された曲面の傾斜は、肉厚部２４のうち下側の部分に形成された曲面の傾斜よりも緩やかに形成されている。

（隅部連結部２５）
閉塞壁１７と側壁１８とは隅部連結部２５によって連結されている。隅部連結部２５の外面には外側隅部曲面２６（隅部曲面の一例）が形成されており、隅部連結部２５の内面には内側隅部曲面２７（隅部曲面の一例）が形成されている。外側隅部曲面２６により、側壁１８の外面と、閉塞壁１７の外面とは滑らかに連続している。また、内側隅部曲面２７により、側壁１８の内面と、閉塞壁１７の内面とは、滑らかに連続している。

図２に示すように、側壁１８の外面には、隅部連結部２５の上方の位置に、肉厚部２４が形成されている。このように本実施形態においては、肉厚部２４は隅部連結部２５の近傍の位置に形成されている。

本実施形態においては、外側隅部曲面２６の曲率半径Ｑ１は、１．００ｍｍとされる。また、内側隅部曲面２７の曲率半径Ｑ２も１．００ｍｍとされる。なお、外側隅部曲面２６の曲率半径Ｑ１、及び内側隅部曲面２７の曲率半径Ｑ２は上記の値に限定されず、必要に応じて任意の値に設定することができる。

外側隅部曲面２６の曲率半径Ｑ１の、閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２に対する比は、
１．００ｍｍ ÷ ０．３０ｍｍ＝３．３３
とされる。なお、比の値については小数第３位を四捨五入した。

また、内側隅部曲面２７の曲率半径Ｑ２の、閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２に対する比も、
１．００ｍｍ ÷ ０．３０ｍｍ＝３．３３
とされる。なお、比の値については小数第３位を四捨五入した。

（蓋部１５）
図１に示すように、蓋部１５は、後述する正極板２８と、弾性を有する接続端子２９を介して電気的に接続されており、電池１０の正極端子として機能する。蓋部１５は全体として円盤状の形状を有し、ケース１２の開口部１３を塞いでいる。具体的には、蓋部１５の周縁部分が、絶縁性の合成樹脂等で形成されたガスケット３０を介して、ケース１２の開口部１３の先端部に嵌められ、その先端部にかしめられている。これにより、蓋部１５とケース１２との絶縁性を保ちつつ、ケース１２が密閉されている。なお、蓋部１５には、安全弁３１が設けられており、この安全弁３１により、ケース１２の内圧が所定値以上になったときに、ケース１２内のガスを外部に排出することができる。

（蓄電要素１１）
図１に示すように、蓄電要素１１は、ケース１２の収容空間１４に収容されている。蓄電要素１１は、正極板２８、負極板１６、及び、それらの間に配置されるセパレータ３２が、例えばケース１２の長手方向（本実施形態における上下方向）に沿った巻き軸を中心に渦巻き状に巻回された構成である。

正極板２８は、例えば、発泡ニッケル等の正極金属板に、水酸化ニッケル等の正極活物質、及びコバルト化合物等の導電剤等の混合物を塗布したものである。負極板１６は、例えばニッケルめっきを施した平板状の穿孔鋼板等の負極金属板に、カドミウム粉末や水素吸蔵合金の粉末等の負極活物質を塗布したものである。セパレータ３２は、例えばポリオレフィン製の不織布からなる。セパレータ３２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。

（製造工程）
続いて、本実施形態に係る電池１０の製造工程の一例を説明する。なお、本実施形態の製造工程は以下の記述に限定されない。

ニッケルめっき鋼板を所定の形状にプレス加工することにより、ケース１２を作成する。このケース１２内に、蓄電要素１１を収容する。次いで、ケース１２内に電解液を注入し、蓄電要素１１に含浸させる。

ケース１２の開口部１３にガスケット３０を介して蓋部１５を重ね、ケース１２の側壁１８の先端部を蓋部１５にかしめつける。これによりケース１２を蓋部１５により封口する。

続いて、ケース１２に対して縮径工程を実行する。図４に示すように、この縮径工程は、例えば、電池１０を矢線Ａで示す方向に移動させ、閉塞壁１７側から縮径用の金型４０の孔４１に圧入して通過させることでケース１２を電池の規格の幅寸法に縮径する工程である。

図３に示すように、縮径工程を実行する前の状態におけるケース１２の閉塞壁１７寄りの位置には、ケース１２の径方向外方に突出する段差部４２が形成されている。この段差部４２が、縮径工程を実行されることにより、側壁１８の径方向の内方に塑性変形して肉厚部２４が形成されるようになっている。

（実施形態の作用、効果）
続いて、本実施形態の作用、効果について説明する。本実施形態に係る電池１０は、筒状をなす側壁１８の少なくとも一方の端部が閉塞壁１７によって閉塞されたケース１２と、ケース１２の内部に収容された蓄電要素１１と、を備え、側壁１８は、閉塞壁１７寄りの位置に、側壁１８の厚さ寸法が側壁１８の他の部分よりも大きな肉厚部２４を備える。

本実施形態によれば、ケース１２の側壁１８は、ケース１２の内圧が高くなった場合に比較的に応力が集中しやすい閉塞壁１７寄りの位置に、肉厚部２４を備える。これにより、ケース１２の強度を向上させることができる。この結果、ケース１２の内圧が高くなった場合でも、ケース１２が変形することを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、側壁１８の内面のうち、肉厚部２４に対応する部分と、肉厚部２４と異なる部分とは、面一に形成されている。これにより、肉厚部２４が形成されている部分と肉厚部２４が形成されていない部分との間に、ケース１２の内面に不連続な部分が形成されないようになっている。これにより、応力が集中することが抑制されるので、ケース１２が変形することを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、側壁１８の外面のうち、肉厚部２４に対応する部分と、肉厚部２４と異なる部分とは、滑らかに連続している。これにより、側壁１８のうち、肉厚部２４と、肉厚部２４と異なる部分との間の領域に応力が集中することが抑制される。これにより、ケース１２の変形を抑制することができる。

また、ケース１２内の内圧が上昇した場合に、隅部連結部２５の近傍に応力が集中することが懸念される。本実施形態においては、この隅部連結部２５の近傍に肉厚部２４が形成される構成としたので、ケース１２の変形を確実に抑制することができる。

（サンプル１〜６）
図２に示すように、本実施形態に係る電池１０において、外側隅部曲面２６の曲率半径Ｑ１、及び内側隅部曲面２７の曲率半径Ｑ２を同じ値としつつ、曲率半径Ｑ１及び曲率半径Ｑ２の値を種々に変化させたサンプル１〜６について、閉塞壁１７の中心部分Ｃの変位量を、一般的なＣＡＥ（Computer Aided Engineering）解析手法により解析した。

ＣＡＥ解析を行ったサンプル１〜６に係る電池１０の各部の寸法等を、以下に示す。閉塞壁１７の直径は、７．０５ｍｍとした。閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２は、０．３０ｍｍとした。側壁１８の厚さ寸法Ｔ１は０．１３ｍｍとした。

ＣＡＥ解析に際しては、ケース１２を構成するニッケルめっき鋼板のヤング率を１．７２×１０^１１Ｐａ、ポアソン比を０．２３、降伏応力を１．９５×１０^８Ｐａ、接線係数を５．９９×１０^９Ｐａとした。

解析は、以下のようにして行った。まず、初期状態として、電池１０の温度を２５℃とし、電池１０の内圧および外圧を０Ｐａとした。この時点における閉塞壁１７の中心部分Ｃの位置を、本解析における、閉塞壁１７の中心部分Ｃの基準位置とした。その後、電池１０の内圧を２ＭＰａとし、この圧力で１秒間保持させた。その後、電池１０の内圧を０Ｐａに減じて除荷した。除荷後、閉塞壁１７が復帰変形した状態における閉塞壁１７の中心部分Ｃの位置を算出した。そして、閉塞壁１７の中心部分Ｃの基準位置と、除荷後における閉塞壁１７の中心部分Ｃの位置との差を、閉塞壁１７の中心部分Ｃの外方（図１における下方）への変位量とした。サンプル１〜サンプル６の解析結果を、表１と、図５にまとめた。

サンプル１〜６は実施例とされる。サンプル１〜６においては、閉塞壁１７の周縁部には、閉塞壁１７と側壁１８とが連結される隅部連結部２５が形成されている。隅部連結部２５の内面には内側隅部曲面２７が形成されており、隅部連結部２５の外面には外側隅部曲面２６が形成されている。内側隅部曲面２７の曲率半径Ｑ２、及び外側隅部曲面２６の曲率半径Ｑ１の双方は、同じ値に設定されており、且つ、０．４０ｍｍ〜１．４０ｍｍに設定されている。サンプル１〜６においては、閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２は０．３０ｍｍであるので、内側隅部曲面２７の曲率半径Ｑ２の、閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２に対する比は、１．３３〜４．６７とされる。また、外側隅部曲面２６の曲率半径Ｑ１の、閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２に対する比も、１．３３〜４．６７とされる。

なお、曲率半径の、閉塞壁の厚さ寸法に対する比は、下記の式で表される。
（曲率半径）／（閉塞壁の厚さ寸法）

隅部連結部２５は、閉塞壁１７の周縁部であって、閉塞壁１７と側壁１８との境界に形成されている。このため、隅部連結部２５には、ケース１２内の内圧が上昇したときに応力が集中しやすくなっている。そこで、サンプル２４〜２９においては、隅部連結部２５の内面に内側隅部曲面２７を形成し、隅部連結部２５の外面に外側隅部曲面２６を形成する構成とした、これにより、ケース１２内の内圧が上昇した場合でも、隅部連結部２５に応力が集中することが抑制されるので、ケース１２が変形することが抑制される。

また、外側隅部曲面２６の曲率半径Ｑ１の、閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２に対する比、及び内側隅部曲面２７の曲率半径Ｑ２の、閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２に対する比の、少なくとも一つは、１．３３〜４．６７とされており、本実施形態では、外側隅部曲面２６の曲率半径Ｑ１の、閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２に対する比、及び内側隅部曲面２７の曲率半径Ｑ２の、閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２に対する比の双方が、１．３３〜４．６７とされている。この結果、隅部連結部２５に応力が集中することを一層抑制することができるので、ケース１２が変形することを更に抑制することができる。

図５に示すように、外側隅部曲面２６の曲率半径Ｑ１の、閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２に対する比、及び内側隅部曲面２７の曲率半径Ｑ２の、閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２に対する比が大きくなるに従って、閉塞壁１７の中心部分Ｃの外方への変位量は小さくなっている。これは、外側隅部曲面２６の曲率半径Ｑ１の、閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２に対する比、及び内側隅部曲面２７の曲率半径Ｑ２の、閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２に対する比が大きくなることにより、隅部連結部２５における応力の集中が緩和されるためであると考えられる。

外側隅部曲面２６の曲率半径Ｑ１の、閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２に対する比、又は内側隅部曲面２７の曲率半径Ｑ２の、閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２に対する比が、１．３３〜４．６７である場合には、閉塞壁１７の変位量を小さくしつつ、蓄電要素１１を隙間空間を少なく収納できるので、より好ましい。換言すると、蓄電要素１１と閉塞壁１７とをできるだけ近接させて配することができるため、高容量の電池１０を得ることができるので、好ましい。

更に詳細に説明すると、１．３３未満では閉塞壁１７の変位量が大きくなり過ぎるので好ましくない。換また、ケース１２内の内圧が上昇した場合に、隅部連結部２５の近傍に応力が集中する恐れがあるので好ましくない。

一方、４．６７より大きいと、蓄電要素１１をケース１２に収納した際に，丸まった部分には蓄電要素１１を収納することができず、曲率のついた箇所は空の空間になってしまうので好ましくない。加えて，空間が空いてしまうと，蓄電要素１１が振動によって型崩れする虞もあるので好ましくない。

また、外側隅部曲面２６の曲率半径Ｑ１の、閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２に対する比、又は内側隅部曲面２７の曲率半径Ｑ２の、閉塞壁１７の厚さ寸法Ｔ２に対する比が、１．３３〜２．６７である場合には、上記と同様なので、特に好ましい。

＜他の実施形態＞
本明細書に記載された技術は、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、例えば次のような態様も含まれる。

本実施形態においては、蓄電素子はアルカリ蓄電池としたが、これに限られず、蓄電素子はキャパシタ、コンデンサでもよい。また、蓄電素子は、例えば、鉛蓄電池、リチウムイオン電池等、アルカリ蓄電池と異なる二次電池であってもよい。

本実施形態においては、側壁１８の内面のうち、肉厚部２４に対応する部分と、肉厚部２４と異なる部分とは、面一に形成される構成としたが、これに限られず、側壁１８の内面のうち、肉厚部２４に対応する部分と、肉厚部２４と異なる部分との間に段差が形成される構成としてもよい。

本実施形態においては、側壁１８の外面のうち、肉厚部２４に対応する部分と、肉厚部２４と異なる部分とが滑らかに連続している構成としたが、これに限られず、側壁１８の外面のうち、肉厚部２４に対応する部分と、肉厚部２４と異なる部分との間に段差が形成される構成としてもよい。

本実施形態においては、隅部曲面の曲率半径の、閉塞壁の厚さ寸法に対する比は、１．３３〜４．６７としたが、これに限られず、隅部曲面の曲率半径の、閉塞壁の厚さ寸法に対する比は、１．３３より小さくてもよく、また、４．６７を超えるものとしてもよい。

本実施形態においては、ケース１２は円筒形状としたが、これに限られず、角筒状としてもよい。

本実施形態においては、隅部連結部２５の外面に外側隅部曲面２６が形成され、隅部連結部２５の内面に内側隅部曲面２７が形成される構成としたが、これに限られず、隅部連結部２５の外面にのみ外側隅部曲面２６が形成される構成としてもよく、また、隅部連結部２５の内面にのみ内側隅部曲面２７が形成される構成としてもよい。

本実施形態においては、外側隅部曲面２６の曲率半径Ｑ１と、内側隅部曲面２７の曲率半径Ｑ２とは同じに設定される構成としたが、これに限られず、外側隅部曲面２６の曲率半径Ｑ１と、内側隅部曲面２７の曲率半径Ｑ２とが異なっていてもよい。

１０：電池１１：蓄電要素１２：ケース１７：閉塞壁１８：側壁２４：肉厚部２５：隅部連結部２６：外側隅部曲面２７：内側隅部曲面

Claims

筒状をなす側壁の少なくとも一方の端部が閉塞壁によって閉塞されたケースと、
前記ケースの内部に収容された蓄電要素と、を備え、
前記側壁は、前記閉塞壁寄りの位置に、前記側壁の厚さ寸法が前記側壁の他の部分よりも大きな肉厚部を備え、
前記側壁と、前記閉塞壁とは、隅部連結部によって連結されており、
前記肉厚部は前記隅部連結部の近傍に形成されており、
前記隅部連結部の外面及び内面の双方又は一方は隅部曲面によって連結されており、
前記隅部曲面の曲率半径の、前記閉塞壁の厚さ寸法に対する比の少なくとも一つは、１．３３〜４．６７である蓄電素子。
請求項１に記載の蓄電素子であって、
前記側壁の外面のうち、前記肉厚部に対応する部分と、前記肉厚部と異なる部分とは、滑らかに連続している蓄電素子。