JP6740724B2 - 積層電池 - Google Patents

Description

この発明は、積層電池に関する。

特許第５３６９３４２号公報（特許文献１）に開示されているように、積層電池が知られている。特許文献１に開示された積層電池は、筐体と、積層された正極および負極と、これらの電極を貫通するように配置された棒状の集電体とを備える。筐体の内周面は、正極の外周縁に接触しており、集電体の外周面は、負極の内周縁に接触している。

特許第５３６９３４２号公報

積層電池の電池性能を得るためには、電極を貫通するように配置された集電体の外周面と、その電極の内周縁との間の接触面圧を確保することが必要となる。特許第５３６９３４２号公報（特許文献１）には、集電体の外周にネジ溝を形成し、このネジ溝によって、電極と集電体との間の強い嵌め合い状態を維持する旨が開示されている。特許文献１に開示されたネジ溝による嵌合構造では、組み付け精度にばらつきが生じていた場合や、製作誤差などが生じていた場合に、電極を貫通するように配置された集電体の外周面と、その電極の内周縁との間の接触面圧を確保することが難しく、積層電池の電池性能を得ることが難しい。

本発明は、組み付け精度にばらつきが生じていた場合や、製作誤差などが生じていた場合であっても、電極を貫通するように配置された集電体の外周面と、その電極の内周縁との間の接触面圧を確保することが可能な積層電池を提供することを目的とする。

積層電池は、筐体と、上記筐体内に収容された正極および負極と、上記正極および上記負極を貫通する集電体と、を備え、上記集電体は、縮径方向に弾性変形可能な構造を有しており、上記集電体が上記正極および上記負極を貫通している状態においては、上記集電体の外周面は、上記集電体が有している弾性復元力によって、上記正極および上記負極のうちの一方の電極の内周縁に付勢されている。

上記の構成によれば、集電体の外周面は、集電体が有している弾性復元力によって、正極および負極のうちの一方の電極の内周縁に付勢される。したがって、組み付け精度にばらつきが生じていた場合や、製作誤差などが生じていた場合であっても、電極を貫通するように配置された集電体の外周面と、その電極の内周縁との間の適正な接触面圧を確保することができるため、積層電池の電池性能を得ることが可能となる。

実施の形態１における積層電池を示す断面図である。 実施の形態１における積層電池に備えられる正極を示す平面図である。 実施の形態１における積層電池に備えられる負極を示す平面図である。 実施の形態１における積層電池に備えられる集電体を示す斜視図である。 実施の形態２における積層電池に備えられる集電体を示す斜視図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

［実施の形態１］
（積層電池１００）
図１は、実施の形態１における積層電池１００を示す断面図である。積層電池１００は全体として略円柱状（略円筒状）の形状を有しており、たとえば車載用のニッケル水素電池として用いられることができる。

本実施の形態の積層電池１００は、筐体１０、蓋体２０、正極３０、負極４０、セパレータ５１，５２、集電体６０、絶縁板６１を備える。筐体１０は、有底の円筒形状を有する。筐体１０は、たとえば、ニッケルメッキが施された鉄缶から構成される。筐体１０は、その軸方向の端部で開口する開口端を有する。蓋体２０は、筐体１０の開口端に設けられている。

正極３０および負極４０は、筐体１０内に収容されている。正極３０および負極４０は、筐体１０の軸方向において交互に並ぶように積層されている。積層数は、特に限定されない。積層数は、互いに隣接する正極３０および負極４０が一組とされたとき、その組の総数を示す。積層数は、たとえば、２〜３０程度である。

正極３０と負極４０との間には、セパレータ５１，５２が配置されている。具体的には、セパレータ５１，５２は、袋状の形状を有しており、セパレータ５１の中に正極３０が配置され、セパレータ５２の中に負極４０が配置されている。セパレータ５１，５２は、たとえば、ポリオレフィン製の不織布等でよい。セパレータ５１，５２の表面には、親水化処理等が施されていてもよい。

図示されていないが、筐体１０内には、電解液が収容されている。電解液は、たとえば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液である。水溶液の濃度は、たとえば、１〜１０ｍоｌ／ｌでよい。図１中では、各構成を明示するため、正極３０および負極４０が筐体１０の軸方向において離れて示されているが、実際には、正極３０および負極４０は、セパレータ５１，５２を介して当接している。

（正極３０）
図２は、積層電池１００に備えられる正極３０を示す平面図である。図１，図２を参照して、正極３０は、円板形状を有する。正極３０の中心部には、正極３０をその厚み方向（筐体１０の軸方向）に貫通する貫通孔３１が設けられている。

正極３０は、外周縁３０ａと、貫通孔３１を規定する内周縁３０ｂとを有する。図２に示すように、内周縁３０ｂには、周方向における正極３０の位相を決めるための切り込み３２が設けられていても構わない。集電体６０（後述する）は、貫通孔３１に挿通され、正極３０を貫通するように配置される。正極３０の内周縁３０ｂは、集電体６０の外周面６０ａと接触するように設けられる。一方で、正極３０が筐体１０内に収容された状態で、正極３０の外周縁３０ａは、筐体１０の内周面１０ｂに非接触となるように設けられる。正極３０の外周縁３０ａと、筐体１０の内周面１０ｂとの間には、隙間が設けられる。

正極３０は、正極活物質として、水酸化ニッケルおよびオキシ水酸化ニッケルの少なくとも一方を含有する。正極３０は、従来公知の焼結式ニッケル正極であってもよい。正極３０は、従来公知の非焼結式ニッケル正極であってもよい。正極活物質を担持する基材は、たとえば、発泡ニッケル等でよい。

（負極４０）
図３は、積層電池１００に備えられる負極４０を示す平面図である。図１，図３を参照して、負極４０も、円板形状を有する。負極４０の中心部には、負極４０をその厚み方向（筐体１０の軸方向）に貫通する貫通孔４１が設けられている。負極４０の外形形状の直径は、正極３０（図１，図２）の外形形状の直径よりも大きい。負極４０の貫通孔４１の直径は、正極３０の貫通孔３１（図２）の直径よりも大きい。

負極４０は、外周縁４０ａと、貫通孔４１を規定する内周縁４０ｂとを有する。図３に示すように、外周縁４０ａには、周方向における負極４０の位相を決めるための切り込み４２が設けられていても構わない。集電体６０（後述する）は、貫通孔４１に挿通され、負極４０を貫通するように配置される。負極４０の内周縁４０ｂは、集電体６０と非接触となるように設けられる。負極４０の内周縁４０ｂと、集電体６０の外周面６０ａとの間には、隙間が設けられる。一方で、負極４０が筐体１０内に収容された状態で、負極４０の外周縁４０ａは、筐体１０の内周面１０ｂと接触するように設けられる。

負極４０は、負極活物質として、水素吸蔵合金を含有する。負極４０は、水素吸蔵合金の成形体でよい。負極４０は、粒子状の水素吸蔵合金、導電材およびバインダが、パンチングメタル等の基材に担持されたものでもよい。

（集電体６０）
図４は、積層電池１００に備えられる集電体６０を示す斜視図である。集電体６０の外周面６０ａは、平坦な曲面形状を有する。本実施の形態の集電体６０は、いわゆるバネピンやスプリングピンと呼ばれる構造を有しており、断面形状が円形の筒状部材の円周方向における一部に、長手方向の全長にわたって延びる直線状のスリット６０ｂを設けたものである。集電体６０は、たとえば、薄板を円筒状に巻いて熱処理を施すことにより製造できるものであって、Ｃ字状の断面形状を有しており、スリット６０ｂの分だけ縮径方向に弾性変形可能となっている。

図１に示すように、集電体６０は、全体として、筐体１０の軸方向（中心軸）に沿って延びている。集電体６０は、たとえば、ニッケルメッキが施された銅製の部材や、ニッケル製の部材等から作製することができる。集電体６０は、正極３０の貫通孔３１（図２）および負極４０の貫通孔４１（図３）に挿通されている。すなわち、集電体６０は、筐体１０の軸方向において、正極３０および負極４０を貫通している。

正極３０、負極４０、集電体６０が筐体１０内に配置され、集電体６０が正極３０および負極４０を貫通している状態において、正極３０は、集電体６０に電気的に接続されており、負極４０は、筐体１０に電気的に接続されている。集電体６０が正極３０および負極４０を貫通している状態においては、集電体６０の外周面６０ａは、集電体６０が有している弾性復元力によって、正極３０の内周縁３０ｂに付勢されている。すなわち、筐体１０は、負極集電体として機能し、集電体６０は、正極集電体として機能している。

集電体６０が有している弾性復元力の存在によって、集電体６０の外周面６０ａと、正極３０の内周縁３０ｂとの間に、たとえば均一で適正な大きさを有する接触面圧を確保することが可能となる。集電体６０の外周面６０ａは、すべての正極３０の内周縁３０ｂに対して、均一な接触面圧で接触するように構成することも可能である。

集電体６０の外周面６０ａと、正極３０の内周縁３０ｂとをレーザー溶接等によって接合することは、必須ではない。レーザー溶接は、必要に応じて実施可能であり、省略することも可能である。レーザー溶接を実施しない場合には、積層電池１００そのものの構造や、積層電池１００の製造方法を簡素化、簡便化でき、低コスト化を図ることも可能である。集電体６０の内側空間には、電解液を補充しておいても構わない。積層電池１００内でドライアップが生じることを抑制可能となる。

集電体６０の外周面６０ａと正極３０の内周縁３０ｂとの間の相対的な位置関係を決めたり、これらの間の圧接をより確実にするために、集電体６０の外周面６０ａには、凹凸加工や溝加工などが施されていてもよい。正極３０の内周縁３０ｂに設けられた切り込み３２（図２）を利用して、正極３０と集電体６０との周方向における位置関係を決めることも可能である。

集電体６０は、基本的にバルク状の構成（厚み）を有しているが、電解液が行き来できるように、集電体６０の側面部には貫通孔や凹穴が設けられていてもよい。集電体６０の端部には、集電体６０の端部に隣接する電極との締結が可能な構造として、たとえばネジ構造やカシメ構造などを採用することができる。正極３０の内周縁３０ｂに切り込み３２（図２）が設けられていることによって、正極３０と集電体６０の端部との接触に起因して応力集中が生じることも緩和可能である。

集電体６０を正極３０の貫通孔３１に挿通する際には、集電体６０の内径が小さくなるように径方向の内側に向かう荷重を集電体６０に付与し、集電体６０を所定位置にセットした後、荷重を開放し、集電体６０の外周面６０ａと正極３０の内周縁３０ｂとを接触させる。荷重が開放された後の集電体６０の最外径は、集電体６０に接触する正極３０の内周縁３０ｂの最小径よりも小さくなるように構成することもできる。

正極３０のうち、正極３０の内周縁３０ｂを構成する部分（集電体６０との接触部分）については、どのような構造であっても採用することができる。正極３０のうち、正極３０の内周縁３０ｂを構成する部分（集電体６０との接触部分）については、集電体６０の弾性復元力からの圧接荷重に十分に耐え得るように、たとえば、箔厚みを厚くしたり、箔に補強構造を付加したりすることも可能である。そのような補強構造は、電極箔へ、溶接などで強固に、かつ電気的に接続していることが好ましい。

集電体６０は、筐体１０の軸方向において、絶縁板６１に突き当てられている。絶縁板６１は、筐体１０の軸方向において、正極３０および負極４０の積層体と、筐体１０（筐体１０の底部）との間に介挿されている。集電体６０は、絶縁板６１によって、筐体１０と電気的に絶縁されている。絶縁板６１は、たとえば、樹脂製の板でよい。

蓋体２０の外周部分は、絶縁性を有しており、筐体１０に組み付けられている。蓋体２０の中央部分は、集電体６０と電気的に接続されている。蓋体２０は、集電体６０と溶接されていてもよい。蓋体２０の中央部分は、ねじ止めにより、集電体６０と接合されていてもよい。蓋体２０の中央部分と集電体６０とは、一体物であってもよい。

（作用および効果）
上述のとおり、積層電池１００においては、正極３０、負極４０、集電体６０が筐体１０内に配置され、集電体６０が正極３０および負極４０を貫通している状態において、正極３０は、集電体６０に電気的に接続されており、負極４０は、筐体１０に電気的に接続されている。集電体６０の外周面６０ａは、集電体６０が有している弾性復元力によって、正極３０の内周縁３０ｂに付勢されている。

組み付け精度にばらつきが生じていた場合や、製作誤差などが生じていた場合であっても、集電体６０が有している弾性復元力の存在によって、集電体６０の外周面６０ａと、正極３０の内周縁３０ｂとの間に、たとえば均一で適正な大きさを有する接触面圧を確保することが可能となる。集電体６０の外周面６０ａは、すべての正極３０の内周縁３０ｂに対して、均一な接触面圧で接触するように構成することも可能である。したがって、正極３０を貫通するように配置された集電体６０の外周面６０ａと、正極３０の内周縁３０ｂとの間の適正な接触面圧を確保することができるため、積層電池１００の電池性能を得ることが可能となる。

［実施の形態２］
図５を参照して、本実施の形態における積層電池について説明する。実施の形態１と実施の形態２とは、集電体６０（図４）の代わりに、集電体６０Ｍ（図５）が用いられるという点において相違している。集電体６０（図４）は、集電体６０の長手方向の全長にわたって直線状に延びるスリット６０ｂが設けられており、スリット６０ｂの分だけ縮径方向に弾性変形可能となっている。

本実施の形態の集電体６０Ｍにおいては、集電体６０Ｍの長手方向の全長にわたって、波線状に延びるスリット６０ｂが設けられており、スリット６０ｂの分だけ縮径方向に弾性変形可能となっている。このような構成を有する集電体６０Ｍを用いる場合であっても、上記の実施の形態１と同様の作用および効果を得ることが可能である。

［他の実施の形態］
上述の各実施の形態では、正極３０が集電体６０に電気接続されており、負極４０が筐体１０に電気的に接続されている。正極３０が筐体１０に電気接続されており、負極４０が集電体６０Ｎに電気的に接続されていても構わない。すなわち、集電体が正極３０および負極４０を貫通している状態において、集電体の外周面６０ａは、集電体が有している弾性復元力によって、正極３０および負極４０のうちの一方の電極の内周縁に付勢されていることでよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、筐体内に、正極および負極を筐体の軸方向に積層して収容した積層電池に適用することが可能である。

１０ 筐体、１０ｂ 内周面、２０ 蓋体、３０ 正極、３０ａ，４０ａ 外周縁、３０ｂ，４０ｂ 内周縁、３１，４１ 貫通孔、４０ 負極、５１，５２ セパレータ、６０，６０Ｍ，６０Ｎ 集電体、６０ａ 外周面、６０ｂ スリット、６１ 絶縁板、１００ 積層電池。

Claims (1)

1. 筐体と、
   前記筐体内に収容された正極および負極と、
   前記正極および前記負極を貫通する集電体と、を備え、
   前記集電体は、縮径方向に弾性変形可能な構造を有しており、
   前記集電体が前記正極および前記負極を貫通している状態においては、前記集電体の外周面は、前記集電体が有している弾性復元力によって、前記正極および前記負極のうちの一方の電極の内周縁に付勢されており、
   前記集電体の前記外周面には、凹凸形状または溝形状からなる加工部が設けられており、前記一方の電極の前記内周縁が前記加工部に嵌まり込むことで、前記集電体の前記外周面と前記一方の電極の前記内周縁との間の、軸方向または周方向における相対的な位置関係が規定されている、積層電池。

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