JP6986346B2 - 円筒形アルカリ電池 - Google Patents

Description

本発明は、円筒形アルカリ電池の封口ガスケットおよび円筒形アルカリ電池に関する。

図１は、一般的なＬＲ６型の円筒形アルカリ電池（以下、アルカリ電池１とも言う）の構造を示しており、この図１では、円筒軸１００の方向を上下（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１０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、正極集電体として機能する。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、皿を伏せたように底面を上にした状態で電池缶２の開口に封口ガスケット１０を介してかしめられている。そしてセパレーター４の上端が封口ガスケット１０の下面に当接している。それによって、電池缶２内における負極ゲル５の収納領域が閉塞され、アルカリ電池１を傾けた際に負極ゲル５が正極合剤３の収納領域に流入して内部短絡が発生するのを防止している。

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７ｄに溶接されることで立設固定されている。なお、負極端子板７、負極集電子６および封口ガスケット１０は封口体としてあらかじめ一体に組み合わせられている。アルカリ電池１を組み立てる際には、発電要素が収納された電池缶２の開口端側に封口体を挿入するとともに、この電池缶２の開口を内方に縮径加工する。それによって封口ガスケット１０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、アルカリ電池１における封口構造を示す図であり、ここでは、アルカリ電池１の上端側の縦断面を拡大図にして示している。封口ガスケット１０は、表面に凹凸のある円盤の周囲に上方に立設する壁面（以下、外周部）１４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）１２を備えた円筒状のボス部１１となっている。そして、ボス部１１の外周から円盤の周縁に至る膜状の部分(以下、隔壁部）１３が電池缶２における発電要素の収納空間を密閉している。

ところで、封口ガスケット１０の隔壁部１３において、負極ゲル５に対面する領域１６には、ボス部１１と同心円をなす溝状の薄肉部１５が形成されている。図示した例では、ボス部１１の外周に沿って薄肉部１５が形成されている。そしてこの薄肉部１５は、電池缶２内の圧力が異常に上昇した際に封口ガスケット１０の他の部位に先行して破断し、最終的に、その内圧の原因となったガスを負極端子板７に設けられた通気孔９を介して大気開放させる防爆安全機構として機能する。なおアルカリ電池の構造や製造方法については以下の非特許文献１に記載されている。また以下の非特許文献２には市販のアルカリ電池について記載されている。

ＦＤＫ株式会社、"アルカリ電池のできるまで"、[online]、[平成２８年１１月４日検索]、インターネット＜ＵＲＬttp://www.fdk.co.jp/denchi_club/denchi_story/arukari.htm＞ ＦＤＫ株式会社、"アルカリ乾電池―プレミアムタイプ"、[online]、[平成２８年１１月４日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.fdk.co.jp/denchi/premium/index.html＞

従来のアルカリ電池は、防爆安全機構として、封口ガスケットの隔壁部に薄肉部が形成されていた。しかしながら、一次電池であるアルカリ電池が充電されるなどして電池缶内でガスが発生し、所定の圧力に達すると、防爆安全機構が動作するが、その際にセパレータを破損し内部短絡が発生する場合がある。図３に、アルカリ電池１における防爆安全機構の動作を説明するための図を示した。図３はアルカリ電池１の上端側を拡大した縦断面図である。図３では、電池缶２の円筒軸１００に対して紙面右側に内部短絡の状態を示している。防爆安全機構が動作すると、太線矢印で示したように、封口ガスケット１０において破断した薄肉部１５から負極端子板７に形成された通気孔９を経てガスが放出される。しかし、薄肉部の破断箇所は細い溝状に開口するため、放出ガスと共に移動した負極ゲルは隔壁部により行き場を失う。そして、その行き場を失った負極ゲルはセパレータを破断し正極合剤の収納領域に流出し、負極ゲルが正極合剤に直接触れ、内部短絡が発生する場合がある。

そこで本発明は、薄肉部破断時に負極ゲルを隔壁部の上面側に導き、負極ゲルが正極合剤の収納領域に流入するのを防止し、負極ゲルと正極合剤との接触に起因する内部短絡を防止することができる円筒形アルカリ電池の封口ガスケット、およびその封口ガスケットを備えた円筒形アルカリ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、上下方向に円筒軸を有して上方に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封口体が嵌着されてなる円筒形アルカリ電池であって、
前記封口体は、封口ガスケットと負極端子板とで構成され、
前記封口ガスケットは、ナイロン６−１２からなる成形品であり、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形成されたボス部と、当該ボス部の外周に接続する円盤状の隔壁部と、当該隔壁部の外周縁から上方に立設する外周部と、前記隔壁部に前記ボス部と同心円をなして溝状に形成された薄肉部とを備え、
前記薄肉部は、前記負極ゲルに対面する領域に形成されているとともに、前記隔壁部の他の領域よりも薄く、
前記薄肉部の厚さは、前記電池缶内が所定の圧力となったときに破断するように設定され、
前記隔壁部において、前記負極ゲルに対面する領域には、前記薄肉部に接しつつ厚さが０．３ｍｍ以下となる円環状の破砕領域が形成され、
当該破砕領域は、上下方向から見たときの投影面積が、前記負極ゲルに対面する全領域の投影面積の２５％以上である、
ことを特徴とする円筒形アルカリ電池としている。
前記円筒形アルカリ電池がＬＲ６型以下のサイズであることを特徴とする円筒形アルカリ電池とすれば好適である。

本発明に係る円筒形アルカリ電池の封口ガスケットによれば、電池缶内に組み込まれた状態で薄肉部が破断し、電池内ガスが放出される際に負極ゲルが正極合剤の収納領域へ流出することを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本発明のアルカリ電池は、負極ゲルと正極合剤との接触に起因する内部短絡が発生し難いものとなる。

一般的なアルカリ電池の構造を示す図である。 一般的なアルカリ電池の封口構造を示す図である。 一般的なアルカリ電池における防爆安全機構の問題点を説明するための図である。 本発明の実施例に係るアルカリ電池の封口ガスケットの構造を説明するための図である。 上記実施例に係る封口ガスケットの破断状態を示す図である。

＝＝＝従来の防爆安全機構＝＝＝
上述したように、従来のアルカリ電池の封口ガスケットでは、電池缶に組み込まれた状態で電池缶内が所定の圧力まで上昇すると、その圧力によって溝状の薄肉部が破断するものの、薄肉部は細い溝状に開口するため、内圧上昇の原因となった気体を開放することはできても、気体と共に流出しようとする負極ゲルは隔壁部に阻まれてしまう。

そこで本発明者は、薄肉部を先行破断させるとともに、その破断箇所を起点として隔壁部の薄肉部以外の部位も破断させて隔壁部を線状ではなく面状に開口させることができれば、負極ゲルを封口ガスケットの隔壁部の上方へ導くことができると考えた。そして本発明者は、電池缶内の内圧が上昇した際に、薄肉部を先行破断させつつ、隔壁部を面状に開口させるための構造について鋭意研究を重ね、本発明に想到した。

＝＝＝実施例＝＝
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。

本発明の実施例に係るアルカリ電池の封口ガスケット（以下、封口ガスケットとも言う）の形状や基本的な構造は、図１や図２に示した従来のアルカリ電池１に使用される封口ガスケット１０と同様である。しかし、封口ガスケット１０を構成する隔壁部１３において、負極ゲル５に対面する領域１６の厚さが最適化されて、電池缶２内の圧力が急激に上昇しても、破断した薄肉部１５を閉塞させることなく、隔壁部１３を面状に開口（以下、破砕とも言う）させ、負極ゲル５を確実に隔壁部１３の上方へ導くことができるようになっている。

図４に本発明の実施例に係る封口ガスケット１０による防爆安全機構の動作を説明するための図を示した。図４は、アルカリ電池１の上端側を拡大した縦断面図であり、本実施例の封口ガスケット１０では、アルカリ電池１に組み込まれた際、隔壁部１３の負極ゲル５との対面領域１６の一部あるいは全部が所定の厚さとなるように成形されている。それによって、電池缶２内の圧力が上昇して薄肉部１５が破断した際、その所定の厚さになっている領域（以下、破砕領域とも言う）が薄肉部１５の破断箇所を起点にして割れ、隔壁部１３の一部が切り開かれたり、隔壁部１３の一部が砕けて穴が開いたりして、面状に開口した破砕状態になる。

＜破砕領域の厚さ＞
まず、隔壁部１３が確実に破砕する厚さを求めるために、隔壁部１３の負極ゲル５との対面領域１６の厚さが異なるＬＲ６型アルカリ電池用の封口ガスケット１０を作製し、上記対面領域１６の厚さが異なる各種封口ガスケット１０を用いてＬＲ６型のアルカリ電池をサンプルとして作製した。すなわち上記対面領域１６の全領域を破砕領域とした。また同じ封口ガスケット１０を用いたサンプルをそれぞれ２０個ずつ作製した。そして、各サンプルを１５０ｍＡの電流で充電して薄肉部１５を破断させる防爆安全試験を行った。そして内部短絡の有無を調べた。また試験後のサンプルを分解して封口ガスケット１０の破断状態を目視により調べた。

なお、各サンプルに用いた封口ガスケット１０は、隔壁部１３の負極ゲル５との対面領域１６が、薄肉部１５を除いた全領域で同じ厚さとなっている。薄肉部１５は、破断させたい作動圧力に応じて０．１５〜０．２０ｍｍの所定の厚さに設定されており、ここでは一律に０．１５ｍｍとしている。もちろん薄肉部１５の厚さはこの厚さに限定されない。薄肉部１５は、隔壁部１３の他の部位よりも薄くなるように形成されて、隔壁部１３において他の部位に先行して破断するように設定されていればよい。

また各サンプルに用いた封口ガスケット１０は、隔壁部１３における負極ゲル５との対面領域１６の厚さ以外は、市販品（例えば、上記非特許文献２に記載のアルカリ乾電池）と同様の構成や構造を備えている。具体的には、封口ガスケット１０は、ナイロン６−１２からなる成形品であり、図４におけるセパレーター４の内径φ、すなわち封口ガスケット１０における負極ゲル５との対面領域１６がφ＝１０ｍｍとなっている。

以下の表１に防爆安全試験の結果を示した。

表１に示したように、隔壁部１３において、負極ゲル５との対面領域１６の厚さが０．３ｍｍ以下のサンプル１〜３では、各サンプルの２０個の個体の全てで内部短絡が発生しなかった。また隔壁部１３の破断状態は、薄肉部１５の破断箇所に連続する割れや欠けが発生し、破砕していることが確認できた。しかし、上記対面領域１６の厚さが０．３５ｍｍおよび０．４ｍｍのサンプル４および５では、それぞれ２０個中、１０％および３０％の個体に内部短絡が発生した。またサンプル４と５における封口ガスケット１０の破断状態を調べたところ、薄肉部１５の破断のみが確認でき、隔壁部１３の破砕を確認することができなかった。

図５に防爆安全試験後のサンプルにおける封口ガスケット１０の破断状態を示した。ここでは、負極端子板７、負極集電子６および封口ガスケット１０からなる封口体を下方から見たときの図を示しており、ここでは、サンプル３おける封口ガスケット１０の破断状態を示した。図５に示したように、全ての個体で内部短絡が発生しなかったサンプル３に組み込まれた封口ガスケット１０では、隔壁部１３における負極ゲル５との対面領域１６が大きく欠けている。この例では負極ゲル５との対面領域１６のほぼ全領域が破砕している。そして、ボス部１１の外周を取り巻くように円環の一部を残してＣ字状に抜け落ち、そのＣ字状の開口２０から負極端子板７の下面７ｄが露出している。また負極ゲル５が、その開口２０から隔壁部１３の上面に導かれていることも分かる。なお、図中では、破砕した領域の破断面２１をハッチングで示した。

一方、内部短絡が発生した個体の封口ガスケットでは、隔壁部が破砕せず、隔壁部に負極ゲルが付着する。すなわち、内部短絡が発生したサンプルでは、隔壁部１３が破砕せず薄肉部１５のみが線状に破断され、負極ゲル５がその薄肉部１５の破断箇所を通過できず、代わりにセパレータを破損させて正極側へ流出することが確認できた。以上より、アルカリ電池１の防爆安全機構が動作したときに、封口ガスケット１０の隔壁部１３を破砕させるためには、隔壁部１３における負極ゲル５との対面領域１６を０．３ｍｍ以下の厚さにすることが必要となる。

＜破砕領域の占有率＞
つぎに、上記対面領域１６の全領域を厚さが０．３ｍｍ以下となる破砕領域にせず、一部の領域を破砕領域にした封口ガスケット１０を用いてＬＲ６型のアルカリ電池を作製した。そしてそのアルカリ電池に対して防爆安全試験を行った。具体的には、図４において、ボス部１１の外周から隔壁部１３における負極ゲル５との対面領域１６の外周、すなわちセパレーター４の内面位置までの距離ｄ１に対し、ボス部１１の外周から外側に向かう距離ｄ２（≦ｄ１）までの領域の厚さを０．３ｍｍとし、距離ｄ２が異なる各種封口ガスケット１０を作製した。すなわち対面領域１６の全領域を上下方向から見たときの投影面積に対し、厚さが０．３ｍｍとなる破砕領域の投影面積の割合（以下、占有率）が異なっている封口ガスケットを作製した。そして破砕領域の占有率が異なる各種封口ガスケット１０を用いたＬＲ６型０のアルカリ電池をサンプルとして作製し、各サンプルに対して上記の防爆安全試験を行った。なおここでも各サンプルについて２０個の個体を用意した。 以下の表２に破砕領域の占有率と防爆安全試験の結果を示した。

表２に示したように、破砕領域の占有率が２５％以上となるサンプル９〜１１では、２０個の個体の全てにおいて内部短絡が発生しなかった。しかし占有率が２０％以下のサンプル６〜８では、内部短絡が発生した個体が存在した。また、占有率が１０％および１５％のサンプル６および７では、占有率が大きなサンプル７の方が内部短絡の発生率が高かった。これは、占有率が１５％以下になると、破砕の状態が安定せず、内部短絡を防止することがより難しくなることを示している。そして、表１および表２に示した防爆安全試験の結果より、封口ガスケット１０の隔壁部１３において、負極ゲル５との対面領域１６において、厚さが０．３ｍｍ以下となる破砕領域の占有率が２５％以上であれば、確実に内部短絡を防止することができることが分かった。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記実施例における封口ガスケットでは、ボス部の外周に沿って薄肉部が形成されていたが、薄肉部は、アルカリ電池に組み込まれた際に負極ゲルに対面する領域にボス部と同心円となるように形成されていればよい。そして破砕領域は、薄肉部に接するように円環状に形成されていればよい。例えば、ボス部の外周に沿って円環状の破砕領域を設け、その破砕領域の外周に沿って薄肉部を設けることができる。隔壁部の負極ゲルに対面する領域において、薄肉部に対して外周側と内周側に二つの破砕領域を形成してもよい。すなわち、薄肉部によって破砕領域が内周側と外周側の二つの円環領域に分断されていてもよい。

上記実施例における封口ガスケットの構成や構造は、ＬＲ６型アルカリ電池に限らず、円筒形であれば、他の型のアルカリ電池にも適用することができる。隔壁部において負極ゲルに対面する領域に、所定の圧力で破断する薄肉部と、当該薄肉部に接する円環状の破砕領域が形成されていればよい。

１ アルカリ電池、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 負極端子板、８ 正極端子、９ 通気孔、１０ 封口ガスケット、
１１ ボス部、１２ ボス孔、１３ 隔壁部、１４ 外周部、１５ 薄肉部、
１６ 隔壁部における負極ゲルとの対面領域、

Claims (2)

1. 上下方向に円筒軸を有して上方に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封口体が嵌着されてなる円筒形アルカリ電池であって、
   前記封口体は、封口ガスケットと負極端子板とで構成され、
   前記封口ガスケットは、ナイロン６−１２からなる成形品であり、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形成されたボス部と、当該ボス部の外周に接続する円盤状の隔壁部と、当該隔壁部の外周縁から上方に立設する外周部と、前記隔壁部に前記ボス部と同心円をなして溝状に形成された薄肉部とを備え、
   前記薄肉部は、前記負極ゲルに対面する領域に形成されているとともに、前記隔壁部の他の領域よりも薄く、
   前記薄肉部の厚さは、前記電池缶内が所定の圧力となったときに破断するように設定され、
   前記隔壁部において、前記負極ゲルに対面する領域には、前記薄肉部に接しつつ厚さが０．３ｍｍ以下となる円環状の破砕領域が形成され、
   当該破砕領域は、上下方向から見たときの投影面積が、前記負極ゲルに対面する全領域の投影面積の２５％以上である、
   ことを特徴とする円筒形アルカリ電池。
2. 請求項１において、前記円筒形アルカリ電池がＬＲ６型以下のサイズであることを特徴とする円筒形アルカリ電池。

Images