JP6663633B2 - アルカリ電池用封口ガスケットおよびアルカリ電池 - Google Patents

Description

この発明はアルカリ電池を構成する封口ガスケットの改良技術に関する。

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、この図１では、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を示している。図示したように、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中に挿入された棒状の金属からなる負極集電子６、皿状の金属製負極端子板７、樹脂からなる封口ガスケット２０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。なお、以下では、電池缶２の底部側を下方として上下方向を規定することとする。

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、正極集電体を兼ねており、この電池缶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７は、フランジ状の縁がある皿状で、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の開口に封口ガスケット２０を介してかしめられている。

負極ゲル５中に挿入された棒状の負極集電子６は、その上端が皿状の負極端子板７の下面に溶接されて立設固定されている。なお、負極端子板７、負極集電子６およびガスケット２０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、この封口体を電池缶２内に挿入するとともに電池缶２の開口を内方に縮径加工することでガスケット２０が電池缶２の開口縁部と負極端子板７におけるフランジ状の縁との間に挟持され、電池缶２が密閉状態で封口される。

図２は、ガスケット２０の構造を示す図であり、ここでは、電池缶２の開口にかしめられる前の形状を縦断面図として示している。ガスケット２０は、円盤の周囲に上方に立設する壁面（以下、外周部）２４が巡るカップ状で、円盤の中心は、負極集電子６が圧入される中空部（ボス孔）２２を備えた円筒状のボス部２１となっている。ボス部２１の外周から円盤の周縁に至る膜状の部分(以下、隔壁部）２３によって電池缶２における発電要素の収納空間が密閉されて、電池缶２の内部が上下に仕切られる。アルカリ電池１を組み立てる際には、負極端子板７、負極集電子６およびガスケット２０が封口体としてあらかじめ一体に組み合わせられており、その封口体を発電要素と電解液が充填された電池缶２ないに挿入する。そして電池缶２の開口をかしめると、ガスケット２０の外周部２４が当該電池缶２の開口端側の内面と負極端子板７の周縁との間に挟持され、電池缶２内が気密シールされる。

ところで、封口ガスケット２０の隔壁部２３には同心円状の凹凸があり、例えば、隔壁部２３表面の一部には、溝状の薄肉部２５が形成されている。この薄肉部２５は、電池缶２内の圧力が異常に上昇した際に先行破断し、最終的に、その内圧の原因となったガスを負極端子板７に設けられた排気孔１０（図１参照）を介して大気開放させる防爆安全機構として機能する。

さらに隔壁部２３には、封口時に電池缶２の開口部かしめられる際に封口ガスケット２０に加わる径方向の応力を吸収する応力緩衝部３０が設けられている。応力緩衝部３０は、径方向に応力が加わると隔壁部２３の円盤形状を均一に変形させたり、縮径に伴う応力によって薄肉部２５が不用意に破断したりしないようにする緩衝機能を担っている。そして、この応力緩衝部３０による緩衝機能は、封口ガスケット２０の隔壁部２３の縦断面形状によってもたらされ、図２に示した封口ガスケット２０では、隔壁部２３において、内周から外周に向けて斜め上方に向かって延長した後に斜め下方に屈曲して外周部２４側へ至る「へ」の字状に形成されている部位が応力緩衝部３０となる。この応力緩衝部３０は、封口時に「へ」の字の屈曲点の角度θが可変することで隔壁部２３に加わる応力を吸収する。またこの応力緩衝部３０は、上方に凸状となる空間２６を形成し、この空間２６内に円筒形のセパレーター４の上端が配置されるようになっている。なお応力緩衝部を備えた封口ガスケットの構造については以下の特許文献１に詳しく記載されている。またアルカリ電池の製造方法については以下の非特許文献に記載されている。

特開２０１３−６９４５９号公報

ＦＤＫ株式会社、"アルカリ電池のできるまで"、[online]、[平成２６年４月２８日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.fdk.co.jp/denchi_club/denchi_story/arukari.htm＞

図２に示した封口ガスケット２０では応力緩衝部３０の形状が最適化されており、電池缶２の開口部がかしめられて当該電池缶２が封口される際には変形して封口ガスケット２０の変形や薄肉部２５の破断を確実に防止することができるようになっていた。そして電池缶２に組み込まれた際には、電池内容積を確保しつつ優れた耐衝撃性能を備えていた。

しかし応力緩衝部３０は、かしめに際して変形するため、発電要素が収納された状態の電池缶２に封口ガスケット２０を挿入する際には、封口ガスケットと発電要素とを高い精度で位置合わせする必要がある。特に、応力緩衝部３０とセパレーター４との位置関係がずれると、図３に示したように、応力緩衝部３０が変形した際にセパレーター４がその応力緩衝部３０の領域から逸脱し、セパレーター４の上端部１１が折れ曲がる可能性がある。このような場合、折れ曲がったセパレーター４の上端部１１から図中矢印１２で示したように負極ゲル５が正極合剤３側に漏れ出して内部短絡が発生する可能性がある。そして組み立て時に内部短絡を起こしたアルカリ電池１は当然のことながら不良品として処理されることになる。

そこで本発明は、アルカリ電池の組み立て時に応力緩衝部とセパレーターとの位置関係を厳密に調整しなくてもセパレーターの屈曲を確実に防止し、アルカリ電池の製造歩留まりを向上させることができるアルカリ電池用の封口ガスケット、およびその封口ガスケットを備えたアルカリ電池を提供することを主な目的としている。

上記目的を達成するための本発明は、下方を底部として上方が開口する有底円筒状の電池缶内に、環状の正極合剤と、当該正極合剤の内側に配置される有底円筒状のセパレーターと、当該セパレーターの内側に配置される負極ゲルとが発電要素として収納されているとともに、前記電池缶の開口に負極端子板が嵌着されてなるアルカリ電池に組み込まれて前記電池缶の開口と前記負極端子板との間を絶縁するための封口ガスケットであって、当該封口ガスケットは、
一体成形された樹脂材料からなり、円盤状の隔壁部と、当該隔壁部の周縁から上方に立設する外周部と、前記円盤状の隔壁部の中心にて棒状の負極集電子を立設させるために上下方向に中空円筒状に突設されたボス部とを備え、
前記隔壁部には、内周側から外周側に向かって斜め上方に傾斜した後に下方に屈曲する応力緩衝部が形成されているとともに、前記隔壁部の下面において当該応力緩衝部の外周に沿って下方に突出する周回壁面部が形成され、
前記応力緩衝部の下面は、前記アルカリ電池に組み込まれた際に、前記セパレーターの上端に対向する位置となるように形成され、
前記隔壁部において、前記ボス部の外周から前記外周部までの領域では、前記周回壁面部の下端が最も下方の位置にあり、
前記周回壁面部の下端は、前記アルカリ電池に組み込まれた際に、前記正極合剤の上端面に対向するとともに、前記セパレーターの上端よりも下方の位置となるように形成されている、
ことを特徴とするアルカリ電池用封口ガスケットとしている。

前記アルカリ電池に組み込まれた際に、前記正極合剤の前記上端面と前記周回壁面部の上端までの距離Ａと、当該周回壁面部の下端から上端までの高さＢとの比Ｂ／Ａが２０％以上８０％以下となるように形成されているアルカリ電池用封口ガスケットとしたり、前記周回壁面部は、円周の長さを１００％としたときに、当該円周の方向に０％よりも大きく、１５％以下の長さの切欠が形成されているアルカリ電池用封口ガスケットとしたりすればより好ましい。

また、有底円筒状の電池缶内に、環状の正極合剤と、当該正極合剤の内側に配置される有底円筒状のセパレーターと、当該セパレーターの内側に配置される負極ゲルとが収納されているとともに、前記電池缶の開口に負極端子板が、上記いずれかに記載の前記アルカリ電池用封口ガスケットを介して嵌着されてなることを特徴とするアルカリ電池も本発明の範囲である。

本発明のアルカリ電池用ガスケットによれば、応力緩衝部とセパレーターとの位置関係を厳密に調整しなくても電池の組み立て時にセパレーターの屈曲を確実に防止することができる。そしてこの封口ガスケットを備えたアルカリ電池はより高い安全性を備えているとともに、製造歩留まりが高く、より安価に提供するこができる。

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に組み込まれる従来のガスケットの構造を示す図である。 上記一般的なアルカリ電池においてセパレーターが屈曲した状態を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る封口ガスケットの構造を示す図である。 上記第１の実施例に係る封口ガスケットを組み込んだアルカリ電池を示す図である。 本発明の第２の実施例に係る封口ガスケットと電池缶内の正極合剤との配置関係を示す図である。 本発明の第３の実施例に係る封口ガスケットの構造を示す図である。 上記第３の実施例に係る封口ガスケットが備える切欠部の適正サイズを説明するための図である。 上記第３の実施例に係る封口ガスケットの各部サイズを説明するための図である。

本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明に用いた図面において、同一または類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。図面によっては説明に際して不要な符号を省略することもある。

＝＝＝第１の実施例＝＝
本発明の第１の実施例に係るアルカリ電池用封口ガスケット（以下、ガスケットとも言う）は、以下の各実施例に共通する基本構造を備えている。図４に第１の実施例に係るガスケット２０ａの構造を示した。図４（Ａ）は当該ガスケット２０ａの縦断面図である。（Ｂ）はガスケット２０ａを下方から見たときの斜視図であり、（Ｃ）は上方から見たときの斜視図である。この図４に示したように、本実施例のガスケット２０ａは、先に図２に示したガスケット（以下、比較例）２０に対し、隔壁部２３の下面に応力緩衝部３０の外周に沿って下方に突出する壁面（以下、周回壁面部４０とも言う）が形成されている。図４に示した例では、周回壁面部４０は下端が開口する円筒状に形成されている。

図５は本実施例のガスケット２０ａを組み込んだアルカリ電池１ａの縦断面図である。アルカリ電池１ａに組み込まれた状態では周回壁面部４０の下端が正極合剤３の上端面１３に対向している。すなわち周回壁面部４０の内方にセパレーター４が配置されることになる。周回壁面部４０の内周は応力緩衝部３０の外周でもあるため、アルカリ電池１ａの組み立て時にガスケット２０ａを電池缶２内に挿入する際には、周回壁面部４０の内側にセパレーター４が配置されるようにするだけでよい。そして、電池缶２の封口時に応力緩衝部３０が隔壁部２３を縮径させる方向に変形するとセパレーター４の上端側の外周面が周回壁面部４０の内周面に当接し、セパレーター４は必ず応力緩衝部３０の領域内に止まる。すなわち、ガスケット２０ａと電池缶２内の発電要素との位置合わせ精度が低くてもセパレーター４が応力緩衝部３０から逸脱することがない。

＝＝＝第２の実施例＝＝＝
上記第１の実施例に係るガスケット２０ａは、電池缶２内に組み込まれた状態で周回壁面部４０の下端が正極合剤３の上端面１３と対向する基本構造を備えていた。この基本構造により、アルカリ電池１ａの組み立て時に精密に位置合わせを行わなくてもセパレーター４を応力緩衝部３０の領域内に確実に配置することができるようになっていた。しかしその一方で、アルカリ電池１ａの組み立て時にガスケット２０ａを電池缶２に挿入した際、あるいはアルカリ電池１ａが落下した際に正極合剤３の上端面１３に周回壁面部４０の下端に当接し、正極合剤３の上端面１３が欠けたり削れたりして正極合剤３の一部が欠損する可能性がある。正極合剤３の一部が欠損することは発電物質が減少することであり、放電容量の低下を招く。また、正極合剤３の欠損を防止するために周回壁面部４０の下端と正極合剤３の上端面１３との距離を大きくすることも考えられるが、その距離が大きすぎると、例えば、放電容量を増大させるために負極ゲル５の充填量を増やした場合などでは負極ゲル５の液面が高くなるので、組み立て時に負極集電子６を挿入する際、あるいはアルカリ電池１ａが落下した時に負極ゲル５がセパレーター４の上端から正極側にあふれ出る可能性がある。そこで本発明の第２の実施例として、正極合剤３の欠損や負極ゲル５の流出を防止するための構造を備えたガスケットを挙げる。

図６に第２の実施例に係るガスケット２０ｂの概略図を示した。この図では、ガスケット２０ｂを電池缶２に挿入した状態を示している。第２の実施例に係るガスケット２０ａでは、第１の実施例と同様にセパレーター４の屈曲を防止しつつ、さらに正極合剤３の欠損や負極ゲル５の流出を防止するために周回壁面部４０の下端４２と正極合剤３の上端面１３までの高さＡと周回壁面部４０の上端４１から下端４２までの高さＢとの比Ｂ／Ａの値が最適化されている。この例では、外周部２４の下端を周回壁面部４０の上端４１としている。そして、そのＢ／Ａの最適値を求めるためにＢ／Ａの値が異なる各種ガスケット２０ａをサンプルとして作製した。そして負極ゲル５をボス部２１の下端位置まで充填するとともに、各サンプルを負極端子側を下方にして１ｍの高さからコンクリート面に１０回落下させる落下試験を行った。そして落下試験後のサンプルを分解して正極合剤３の欠損状態を目視により確認した。また負極ゲル５の流出状態についても確認した。

以下の表１に作製したサンプルの上記Ｂ／Ａの値と落下試験の結果とを示した。

表１では落下試験において、負極ゲル５の流出および正極合剤３の欠損の有無を×と○で示している。そして表１に示した結果よりＢ／Ａの値が２０％以上８０％以下であれば負極ゲル５の流出と正極合剤３の欠損をともに防止することができる。負極ゲル５の流出については周回壁面部４０の高さＢが低いとき（Ｂ／Ａ≦１０％）のときに発生し、正極合剤３の欠損については周回壁面部４０の下端４２と正極合剤３の上端面１３とが近接しているとき（Ｂ／Ａ≧９０％）に発生した。ここで上記のＢ／Ａの最適値をさらに詳しく調べるために、Ｂ／Ａの値をより細かく調整したサンプルを作製して同様の落下試験を行った。

以下の表２により詳細な落下試験の結果を示した。

表２に示した結果から、Ｂ／Ａの最適値が２０％≦Ｂ／Ａ≦８０％であることが確認できた。そして、周回壁面部４０をこの適正値の範囲内で形成すれば、正極合剤３の欠損を確実に防止でき負極ゲルを増量することができ、アルカリ電池の放電性能をより向上させることが可能となる。

＝＝＝第３の実施例＝＝＝
周知のごとくガスケットは樹脂の一体成形品であり、金型さえ用意すれば周回壁面部４０の有無に拘わらず一回の射出成形工程で製造することができ、形状の差異による製造コストの差がほとんど無い。したがって、ガスケットの製造コストを低減させるためには使用する樹脂の量を削減することが最も効果的である。そこで本発明の第３の実施例として、使用する樹脂量を削減して製造コストを低減させることができるガスケットを挙げる。

図７は第３の実施例に係るガスケット４０ｃを下方から見たときの斜視図である。図７に示したように、周回壁面部４０ｂは側面が連続する円筒状ではなく、一部に切欠部４３種類が形成されている。しかしながら、樹脂量を削減するために切欠部４３の開口幅Ｃを大きくし過ぎると、負極ゲル５の充填量が多い状態でアルカリ電池が落下するなどして衝撃が加わった場合、図８に示したようにセパレーター４の上端部１１が外方に屈曲して切欠部４３から逸脱し、負極ゲル５がこの逸脱した箇所から外方に流出してしまう可能性がある。したがって樹脂の量を節約しつつセパレーター４の逸脱を防止するためには、切欠部４３の開口幅Ｃを適切に設定する必要がある。

図９は切欠部４３の開口幅Ｃを適切に設定するための概念を説明するための図である。この図９に示したように、周回壁面部４０の円周の長さ（Ｌとする）を１００％としたときに、その円周の長さＬに対する切欠部４３の円周方向の長さ（開口幅）Ｃの割合Ｃ／Ｌが異なるガスケット２０ｃを用いて各種アルカリ電池作製した。そしてその各種アルカリ電池をサンプルとして第２の実施例と同様の落下試験を行った。なお円周Ｌは、円盤状のガスケットの中心ｏから周回壁面部の厚さｔの中心までの半径ｒとしてＬ＝２πｒの計算式によって求め、切欠部の長さＣは切欠部の中心角をα（ｄｅｇ）としてＣ＝２πｒ・α／３６０の式に基づいて計算している。

表３に円周Ｌに対する切欠部の長さＣの割合と落下試験の結果との関係を示した。

表３に示した結果よりＣ／Ｌの値が２０％以上のときにセパレーターの変形が認められなかった。ここで上記のＣ／Ｌの最適値をさらに詳しく調べるために、Ｃ／Ｌの値をより細かく調整したサンプルを作製して同様の落下試験を行った。

以下の表４により詳細な落下試験の結果を示した。

表４に示した結果から、Ｃ／Ｌの最適値がＣ／Ｌ≦１５％であることが確認できた。なお、切欠部４３の数については一つの切欠部４３が上記条件Ｃ／Ｌ≦１５％を満たす限り、いくつ設けてもよい。そして切欠部４３がＣ／Ｌ≦１５％の条件を満たせば、周回壁面部４０を備えたガスケット１ｃをより安価に製造することができるとともに、セパレーター４を周回壁面部４０の内方に確実に保持することができる。

１、１ａ アルカリ電池、２ 電池缶（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 負極端子板、８ 正極端子、
２０，２０ａ〜２０ｃ 封口ガスケット、２１ ボス部、２２ ボス孔、
２３ 隔壁部、２４ 外周部、２５ 薄肉部、３０ 応力緩衝部、４０ 周回壁面部、
４３ 切欠部

Claims (4)

1. 下方を底部として上方が開口する有底円筒状の電池缶内に、環状の正極合剤と、当該正極合剤の内側に配置される有底円筒状のセパレーターと、当該セパレーターの内側に配置される負極ゲルとが発電要素として収納されているとともに、前記電池缶の開口に負極端子板が嵌着されてなるアルカリ電池に組み込まれて前記電池缶の開口と前記負極端子板との間を絶縁するための封口ガスケットであって、当該封口ガスケットは、
   一体成形された樹脂材料からなり、円盤状の隔壁部と、当該隔壁部の周縁から上方に立設する外周部と、前記円盤状の隔壁部の中心にて棒状の負極集電子を立設させるために上下方向に中空円筒状に突設されたボス部とを備え、
   前記隔壁部には、内周側から外周側に向かって斜め上方に傾斜した後に下方に屈曲する応力緩衝部が形成されているとともに、前記隔壁部の下面において当該応力緩衝部の外周に沿って下方に突出する周回壁面部が形成され、
   前記応力緩衝部の下面は、前記アルカリ電池に組み込まれた際に、前記セパレーターの上端に対向する位置となるように形成され、
   前記隔壁部において、前記ボス部の外周から前記外周部までの領域では、前記周回壁面部の下端が最も下方の位置にあり、
   前記周回壁面部の下端は、前記アルカリ電池に組み込まれた際に、前記正極合剤の上端面に対向するとともに、前記セパレーターの上端よりも下方の位置となるように形成されている、
   ことを特徴とするアルカリ電池用封口ガスケット。
2. 請求項１において、前記アルカリ電池に組み込まれた際に、前記正極合剤の前記上端面と前記周回壁面部の上端までの距離Ａと、当該周回壁面部の下端から上端までの高さＢとの比Ｂ／Ａが２０％以上８０％以下となるように形成されていることを特徴とするアルカリ電池用封口ガスケット。
3. 請求項１または２において、前記周回壁面部は、円周の長さを１００％としたときに、当該円周の方向に０％よりも大きく、１５％以下の長さの切欠が形成されていることを特徴とするアルカリ電池用封口ガスケット。
4. 有底円筒状の電池缶内に、環状の正極合剤と、当該正極合剤の内側に配置される有底円筒状のセパレーターと、当該セパレーターの内側に配置される負極ゲルとが収納されているとともに、前記電池缶の開口に負極端子板が、請求項１〜３のいずれかに記載の前記アルカリ電池用封口ガスケットを介して嵌着されてなることを特徴とするアルカリ電池。

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