JP6770851B2

JP6770851B2 - 円筒形電池

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Publication number: JP6770851B2
Application number: JP2016162509A
Authority: JP
Inventors: 聡希後藤; 山崎　龍也; 龍也山崎; 鈴木　拓也; 拓也鈴木; 國谷　繁之; 繁之國谷
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2016-08-23
Filing date: 2016-08-23
Publication date: 2020-10-21
Anticipated expiration: 2036-08-23
Also published as: JP2018032485A; WO2018038143A1

Description

この発明は円筒形電池に関する。

本発明の対象である円筒形電池の一例として、円筒形アルカリ乾電池を挙げる。図１は、一般的な円筒形アルカリ乾電池１の構造を示しており、図１（Ａ）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である。そして図１（Ｂ）は、図１（Ａ）における円１０１内の拡大図である。以下に図１（Ａ）、（Ｂ）を参照しつつアルカリ乾電池の基本的な構成や構造について説明する。

アルカリ乾電池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中に挿入された金属製の負極集電子６、金属製負極端子板１０、絶縁性の樹脂からなる封口ガスケット７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乾電池１の発電要素を形成する。

電池ケースである電池缶２は、正極合剤３に接触することで正極集電体として機能し、底面には外方に突出する凸状の正極端子８が形成されている。ここで電池缶２の底部側を下方として上下方向を規定すると、負極端子板１０は、円板状の底部１１の周縁に下方に短く垂設される扁平円筒状の側面部１４が形成され、その側面部１４の下端周囲には円形鍔状の周縁部１３が形成されて、総じてフランジを有する扁平なカップを伏せたような形状となっている。

封口ガスケット７は、同心円状に凹凸が形成された円盤の周囲に上方に立設する壁面からなる外周部が巡るカップ状で、隔壁の中心には当該円盤の上下両面側に突出する中空円筒状のボス部が形成されている。負極ゲル５中に挿入された棒状の負極集電子６は、この封口ガスケット７のボス部に圧入状態で挿通されつつ上端が負極端子板１０の底部１１下面に溶接されて立設固定されている。また負極端子板１０と封口ガスケット７は電池缶２の開口を封口するための構成である。電池缶２は、封口ガスケット７の上記外周部が電池缶２の開口端部の内面と負極端子板１０の周縁部１３の縁端との間に挟持された状態で電池缶２の外方からかしめられることで密閉される。なお図１に示したアルカリ乾電池１では、電池缶２の当初は中空円板状だった負極端子板１０の周縁部１３が軸１００方向から外側に向かって斜め下方に屈曲しつつ、縁端では上方に鋭角的に屈曲するように変形している。また電池缶２の開口端が内方にカール加工されて内方に屈曲し、封口ガスケット７の外周部の上端も電池缶２の内面形状に沿って内方に屈曲している。

アルカリ乾電池は、以上の構成と構造によって蓄電素子として機能する。しかし製品として提供されているアルカリ乾電池では、以下の非特許文献１にも記載されているように、電池缶２の周囲に熱収縮フィルムからなる外装体９が被装されている。また単３型や単４型などの比較的小さなサイズのアルカリ乾電池では、電池缶２のカール加工された開口縁端と負極端子板１０の側面部１４との間が近接しているため、正極と負極間の短絡を防止するためにリング状の絶縁体からなるワッシャー２０が負極端子板１０の側面部１４の外周に環装されている。図２にワッシャー２０の構造を具体的に示した。図２（Ａ）は、当該ワッシャー２０を上方から見たときの平面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）におけるａ−ａ矢視断面図である。ワッシャー２０は、両端が開口する扁平円筒状の胴部２１の上端に円形鍔状のフランジ部２２が一体的に設けられた形状である。そして中空の胴部２１と円環状のフランジ部２２の共通の内面とした中空部２３が形成されている。そして図１（Ｂ）を参照すれば、ワッシャー２０は、フランジ部２２を上方に向けつつ、中空部２３を負極端子板１０の側面部１４の外周に嵌め込むことで、ワッシャー２０が電池缶２に対して固定される。また、アルカリ乾電池１の外装体９を電池缶２の周囲に熱収縮させて被装する際、ワッシャー２０におけるフランジ部２２の上面２５の周縁が当該外装体９によって下方に押さえつけられるため、ワッシャー２０は、負極端子板１０の側面部１４との嵌め合いに加え、この外装体９によっても固定されている。

ところで、封口ガスケット７における円盤領域には、部分的に肉薄となっている薄肉部が形成されており、電池１内部におけるガスの発生などにより内圧が上昇すると、その薄肉部が先行破断するようになっている。そして負極端子板１０の側面部１４には、電池缶２の内外を連絡するガス抜き孔１２が形成されている。それによって、封口ガスケット７の薄肉部が破断した際、電池１内部のガスがこのガス抜き孔１２から排気され、内圧が開放されるようになっている。すなわち、封口ガスケット７の薄肉部と負極端子板１０のガス抜き孔１２とによって、電池１の破裂を防止する防爆安全機構が構成されている。

また、単３型や単４型などの比較的小さなサイズのアルカリ乾電池１では、容積が小さいことから少量のガスでも内圧が大きく上昇し、そのガス抜き孔１２から漏出した電解液が電池１の周囲に飛散する可能性がある。そのため上記のワッシャー２０は、排気に伴って電解液が飛散することを防止するための機能も担っている。具体的には、ワッシャー２０の胴部２１が負極端子板１０の側面部１４を覆うことで、防爆安全機構が作動したときに、ガス抜き孔１２からのガスや電解液が噴出する速度を減速させて、アルカリ乾電池１が組み込まれた機器が汚染されにくいようにしている。そして防爆安全機構が作動したときのガスの通常の排気経路は、図１（Ｂ）に太い実線矢印１１０で示したように、ガス抜き孔１２から負極端子板１０の側面部１４を覆うワッシャー２０の胴部２１の内面を経由して負極端子板１０のアルカリ乾電池１の上方に至る。

なお以下の特許文献１には、ワッシャーの装着不良を防止するとともに、防爆安全機構が作動した際には、ワッシャーと負極端子板との間を通って電池内部の圧力が開放される際に電解液がスプレー状に一気に噴出しないようにしたアルカリ乾電池について記載されている。

特開２００８−２８２６０１号公報

ＦＤＫ株式会社、"アルカリ乾電池のできるまで"、[online]、[平成２４年１２月１１日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.fdk.co.jp/denchi_club/denchi_story/arukari.htm＞

アルカリ乾電池などの円筒形電池が備えるワッシャーは、防爆安全機構が動作した際に、負極端子板に設けられたガス抜き孔から電解液が飛散するのを防止する。しかし、従来の円筒形電池では、図１（Ａ）、（Ｂ）に示したように、ワッシャー２０におけるフランジ部２２の上面周縁が熱収縮フィルムによる外装体９に覆われていることから、図１（Ｂ）にて縦縞のハッチングで示した空間３０からガスの逃げ場がない状態となっている。

そして何らかの原因で電池缶２内部にてガスが爆発的に発生すると、ガスが図１（Ｂ）に太い点線矢印１１１で示した経路で上記空間３０に逃げ、このガスが一瞬にして当該空間３０に充満して当該空間３０内の圧力が一気に上昇する。そしてその圧力がワッシャー２０のフランジ部２２の下面に加わり、ワッシャー２０を上方に押し上げようとする。外装体９は、金属製の電池缶２とは異なり、柔らかく変形しやすいため、ワッシャー２０を押し上げようとする力を抑えきれず、結果として、ワッシャー２０が脱落する。場合によってはワッシャー２０が勢いよく飛散する。確かに、上記特許文献１に記載のアルカリ乾電池ではワッシャーの中空部の上端側の内面が多角形状になっており、その多角形の辺の位置をガス抜き孔の形成位置に合わせることで、上述した通常の排気経路からの排気についてはより円滑に排気できるようになっている。しかしながらアルカリ乾電池の組み立て工程において、ワッシャーを負極端子板の側面部に環装した後に外装体を被装するまでの間にワッシャーの位置がずれる可能性もある。

そこで本発明は、電池缶の内圧が急激に上昇してもワッシャーの飛散を確実に防止できる円筒形電池を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明は、一方の電極の集電体を兼ねる有底円筒状の電池缶内に発電要素が収納されるとともに、当該電池缶の開口に他方の電極の端子を兼ねる端子板が絶縁性の封口ガスケットを介して嵌着されることで当該電池缶が密閉されてなる円筒形電池であって、
前記電池缶の開口を上方として、
前記端子板は、円板状の底部の周縁に下方に垂設される筒状の側面部と、当該側面部の下端周縁に円形鍔状に形成された周縁部と、前記側面部の内外を連絡するガス抜き孔とを備え、
前記封口ガスケットは、前記端子板の前記周縁部と前記電池缶の開口端部の内面とに狭持され、
上下両端が開口する扁平円筒状の胴部の上端周縁に円形鍔状に形成されたフランジ部が一体的に形成されたワッシャーを備え、前記胴部が前記側面部の外周面に装着され、前記フランジ部が前記電池缶の開口端部の上方を覆い、
前記フランジ部には上下両面を連絡する排気孔が複数箇所に形成され、
前記電池缶の内方から前記ガス抜き孔を経て前記フランジ部の下面に至る通気経路が形成されている、
ことを特徴とする円筒形電池としている。

また前記端子板が負極端子板で、前記ワッシャーが当該負極端子板に装着されているとともに、前記排気孔が直径０．５ｍｍの円を包含しない平面形状に形成されていることとすればより好ましい。そして本発明の範囲には、前記電池缶が正極集電体を兼ねる電池ケースで、前記端子板が負極端子板となるアルカリ乾電池も含まれている。

本発明の円筒形電池によれば、電池缶の内圧が急激に上昇してもワッシャーの飛散を確実に防止することができる。なおその他の効果については以下の記載で明らかにする。

円筒形電池の一例である従来のアルカリ乾電池の構造を示す図である。上記従来のアルカリ乾電池の負極端子板に装着されているワッシャーの概略図である。本発明の一実施形態に係る円筒形電池が備えるワッシャーの概略図である。上記実施形態に係る円筒形電池における排気経路を示す図である。上記実施形態に係る円筒形電池が備えるワッシャーに形成されている排気孔の好適例を示す図である。本発明の一実施形態の円筒形電池が備えるワッシャーのその他の例を示す図である。

本発明は、一方の電極を兼ねた電池缶の開口に、他方の電極を兼ねる皿状の端子板が封口ガスケットを介して嵌着された構造を有するとともに、端子板の外周にガス抜き孔が形成された円筒形電池に適用することができる。以下では、本発明の一実施形態に係る円筒形電池として円筒形のアルカリ乾電池を挙げる。本実施形態に係る円筒形電池の基本的な構造は、図１に示した一般的なアルカリ乾電池１と同様である。しかし本実施形態に係る円筒形電池は、ワッシャーの構造、および内圧上昇時の排気経路が従来の円筒形電池とは異なっており、それによって電池缶の内圧が爆発的に上昇したとしても、ワッシャーの飛散を確実に防止できる高い安全性を備えている。

＝＝＝ワッシャーの構造と作用＝＝＝
図３に、本発明の一実施形態に係る円筒形電池（以下、アルカリ乾電池）に装着されているワッシャー２０の概略構造を示した。図３（Ａ）は、当該ワッシャー２０ａを上方から見たときの平面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）におけるｂ−ｂ矢視断面図である。ワッシャー２０ａは、ポリプロピレンなどの絶縁性樹脂からなる成型品であり、環状の胴部２１の上端に円形鍔状のフランジ部２２が当該胴部２１と同軸となるように一体的に形成されており、中空部２３が胴部２１とフランジ部２２を上下方向に貫通している。そして、ここまでのワッシャー２０ａの構造は、図２に示した従来のワッシャー２０と同様である。しかし実施形態に係るアルカリ乾電池が備えるワッシャー２０ａには、フランジ部２２に上下両面（２５−２６）を連絡する孔２４が当該フランジ部２２の円周方向に沿って複数箇所に形成されている。この例では放射状に矩形の孔２４が等角度間隔で１２カ所に形成されている。また矩形の孔２４は放射方向を長辺としている。なお、これらの孔２４はワッシャー２０ａと同時に一体成形されたものであってもよいし、フランジ部２２に孔２４がないワッシャーを作製した後、フランジ部２２に孔２４を抜き型などによって形成してもよい。

つぎに実施形態に係るアルカリ乾電池におけるワッシャー２０ａの装着状態とワッシャーの機能について説明する。図４に実施形態に係るアルカリ乾電池１ａにおけるワッシャー２０ａの装着状態を示した。なお図４は、図１（Ａ）に示した円１０１内に対応する領域を拡大した図である。アルカリ乾電池１ａの防爆安全機構が作動すると、図中にて太線の矢印１１２で示したように、電池缶２内で発生したガスは、ガス抜き孔１２から胴部２１の外方に案内されつつフランジ部２２の下面２６に至る経路を辿る。フランジ部２２には上下両面（２５−２６）を連絡する孔２４が形成されているため、ガスはこの孔２４からアルカリ乾電池１ａの外方に排気される。そしてフランジ部２２の孔（以下、排気孔２４とも言う）は、当該フランジ部２２の円周方向に沿って複数箇所に形成されているため、確実に複数系統の排気経路が確保される。それによって一つの排気孔２４がアルカリ乾電池１ａの内容物によって閉塞されたとしても、他の排気孔２４を介してガスがアルカリ乾電池１ａの外方に排気される。また外装体９が排気孔２４の上面を塞いでいたとしても、フランジ部２２の下面２６にまで案内されたガスは優先的に排気孔２４を介して外方に向かう。そのため、外装体９における排気孔２４の直上にある領域が上方にめくれ、排気経路が形成される。しかも排気孔２４から排気されたガスは、その直上の外装体９の内面に当たってフランジ部２２を下方に押さえつける方向に流れるため、フランジ部２２が飛散する可能性をさらに低いものとする。

＝＝＝排気性能＝＝＝＝
上述したように、本実施形態に係るアルカリ乾電池１ａでは、ワッシャー２０ａのフランジ部２２に上下両面（２５−２６）を連絡する排気孔２４が形成されて、アルカリ乾電池１ａの防爆安全機構が作動した際には負極端子板１０に形成されたガス抜き孔１２と当該排気孔２４を介して確実にアルカリ乾電池１ａ内の圧力を開放することができる。そこで実施形態に係るアルカリ乾電池１ａの排気性能を確認するために、排気孔２４の形成条件が異なる各種ワッシャー２０ａを作製した。ここでは、市販のＬＲ６型のアルカリ乾電池（例えば、上記非特許文献１に記載のアルカリ乾電池）に用いられているワッシャーを作製した後、そのワッシャーのフランジ部に図３（Ａ）に示したような放射方向を長さ方向、放射方向と直交する方向を幅方向とした矩形の排気孔を形成した。そして市販のアルカリ乾電池に対してワッシャーのみが異なるアルカリ乾電池をサンプルとして作製した。ここではサンプルの種類に応じて矩形の排気孔の長辺と短辺の長さ、および排気孔の数を変えた。また同じ条件で作製したワッシャーが装着されたサンプルを２０個ずつ用意した。そして各サンプルの全個体に対して充電試験を行い、強制的に電池缶内にガスを発生させて防爆安全機構を作動させ、サンプルごとにワッシャーが脱落した個体数を数えた。充電試験は、１個のサンプルと３個の市販のＬＲ６型アルカリ乾電池からなる合計４個のアルカリ乾電池を用い、サンプルのアルカリ乾電池のみ、正負の端子の向きを逆にした状態でその４本のアルカリ乾電池を直列に接続する、所謂「４直１逆」の方式でサンプルを充電状態にすることで行った。

以下の表１に各サンプルに対する充電試験の結果を示した。

表１において、幅Ａは矩形の上述した排気孔の幅方向（放射方向と直交する方向）の辺の長さであり、長さＢは上述した長さ方向（放射方向）の辺の長さである。そして開口数ｎは排気孔の数であり、各サンプルでは、各排気孔が等角度間隔でフランジ部の円周に沿って形成されている。総面積Ｓは一つの個体に形成されている排気孔の開口面積の合計でありＳ＝Ａ×Ｂ×ｎの式から求められる。不良発生数ｍは、各サンプルについて用意した２０個の個体のうち、ワッシャーが脱落あるいは飛散した個数である。そしてここでは、ワッシャーにおける排気孔の開口寸法（Ａ、Ｂ）と数ｎが異なる２０種類のサンプルを用意した。なおサンプル１は製品として提供されている従来のＬＲ６型のアルカリ乾電池であり、フランジ部に排気孔がないワッシャーを用いたものである。

表１に示したように、サンプル２は幅Ａ＝０．１ｍｍ、長さＢ＝１．０ｍｍのきわめて細くて開口面積が小さな排気孔が形成されたワッシャーが装着されており、総面積Ｓもわずか１．０ｍｍ^２である。それでも従来のアルカリ乾電池であるサンプル１に対してワッシャーが脱落しなかった個体が存在することから、ガス抜き孔からフランジ部の下面にいたる上記の通気経路と複数の排気孔をフランジ部に備えたワッシャーとによって、ワッシャーの飛散防止効果が得られることが確認できた。しかも作製したサンプルのワッシャーは、排気孔が形成されている以外は、従来のアルカリ乾電池と同じワッシャーであり、上記の通気口を意識して設けているわけではない。それにもかかわらず、ワッシャーの飛散防止効果を確認することができた。そして総面積Ｓが４．０ｍｍ^２以上になると不良発生数ｍは全個体数の半数以下となり、６．０ｍｍ^２以上であれば完全にワッシャーの飛散を防止することができた。

なおワッシャーは小さな部品であり、排気孔が形成されるフランジ部の面積は限られている。そのため一つの排気孔についての開口面積の最大値は自ずと決定する。また排気孔の最大数も限られる。排気孔を過多に形成すればフランジ部の強度が低下する可能性がある。あるいは一体成形や抜き型で排気孔を形成する際にフランジが変形したり破損したりする可能性もある。したがって排気孔の数や一つの排気孔についての開口面積については、ワッシャーに求められる強度、あるいは製造コストやワッシャーの製造容易性などを考慮して適宜に設定すればよい。本発明の実施形態に係るアルカリ乾電池は、ワッシャーのフランジ部に複数の排気孔が形成されていることに特徴を有している。

＝＝＝排気孔の開口領域について＝＝＝
ところでアルカリ乾電池などの円筒形電池は、各種電子機器の電池ボックスなどに装填される際、凸状の正極端子部と接触する平坦な金属板からなる電極端子と、平坦な負極端子板と接触するコイル状の電極端子（以下、電極端子バネとも言う）との間に狭持されることが多い。そして実施形態に係るアルカリ乾電池では、フランジ部に排気孔が形成されたワッシャーが負極端子側に装着されている。そのためアルカリ乾電池を電池ボックスに装填した際、電極端子バネを構成する線材の先端が排気孔に入り込む可能性がある。線材の先端が排気孔に入り込めば電子機器からアルカリ乾電池が取り出せなくなったり、ワッシャーが外れたりする。あるいは線材が排気孔に引っ掛かった状態でアルカリ乾電池を無理に取り出そうとして電子機器側の電極端子バネを破損させる可能性もある。そこで、排気孔の開口領域をこの線材が入り込まないような形状に設定すればより好ましい。具体的には、電極端子バネの多くは、周知のごとく、直径が０．５ｍｍの線材で構成されていることから、排気孔が直径０．５ｍｍの円を包含しない平面形状となるように形成されていれば、電極端子バネの線材が排気孔に入り込む可能性が低くなる。図５に電極端子バネの線材と排気孔の平面形状の関係の一例を示した。この図５に示したように、排気孔２４の形状が矩形である場合、直径Φ＝０．５ｍｍの円４０を包含しない矩形は短辺２４ｓの幅Ａが０．５ｍｍ未満であればよい。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記実施形態に係るアルカリ乾電池では、ワッシャーのフランジ部に矩形平面形状を有する排気孔が形成されていたが、個々の排気孔の平面形状は矩形に限定されない。図６に平面形状が矩形以外の排気孔を備えたワッシャーの例を示した。図６はワッシャー（２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）を上方から見たときの平面図であり、図６（Ａ）に示したワッシャー２０ｂでは、円筒軸１００側を底辺として放射外方向に頂点を有する三角形の排気孔２４ｂが形成されている。図６（Ｂ）に示したワッシャー２０ｃでは、放射方向に長軸を有する楕円形の排気孔２４ｃが形成されている。図６（Ｃ）に示したワッシャー２０ｄでは、フランジ部２２の円周に沿う所定幅の円弧状の排気孔２４ｄが形成されている。なお図６に示した各ワッシャーの排気孔を含め、平面形状が矩形以外の排気孔を備えたワッシャーでは、その排気孔の平面形状が直径Φ＝０．５ｍｍの円４０を包含しない形状であればより好ましい。

１，１ａ円筒形電池（アルカリ乾電池）、２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封口ガスケット、
８正極端子、９外装体、１０負極端子板、１１負極端子板の底、
１２ガス抜き孔、１３負極端子板の周縁部、１４負極端子板の側面部、
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄワッシャー、２１胴部、２２フランジ部、２３中空部、２４ａ２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ排気孔、１１０〜１１２排気経路

Claims

一方の電極の集電体を兼ねる有底円筒状の電池缶内に発電要素が収納されるとともに、当該電池缶の開口に他方の電極の端子を兼ねる端子板が絶縁性の封口ガスケットを介して嵌着されることで当該電池缶が密閉されてなる円筒形電池であって、
前記電池缶の開口を上方として、
前記端子板は、円板状の底部の周縁に下方に垂設される筒状の側面部と、当該側面部の下端周縁に円形鍔状に形成された周縁部と、前記側面部の内外を連絡するガス抜き孔とを備え、
前記封口ガスケットは、前記端子板の前記周縁部と前記電池缶の開口端部の内面とに狭持され、
上下両端が開口する扁平円筒状の胴部の上端周縁に円形鍔状に形成されたフランジが一体的に形成されたワッシャーを備え、前記胴部が前記側面部の外周面に装着され、前記フランジが前記電池缶の開口端部の上方を覆い、
前記フランジには上下両面を連絡する排気孔が複数箇所に形成され、
前記電池缶の内方から前記ガス抜き孔を経て前記フランジ部の下面に至る通気経路が形成されている、
ことを特徴とする円筒形電池。
請求項１において、前記端子板は負極端子板であり、前記ワッシャーは当該負極端子板に装着され、前記排気孔は、直径０．５ｍｍの円を包含しない平面形状に形成されていることを特徴とする円筒形電池。
請求項１または２において、前記電池缶が正極集電体を兼ねる電池ケースで、前記端子板が負極端子板となるアルカリ乾電池であることを特徴とする円筒形電池。