JP7117139B2 - アルカリ電池 - Google Patents

Description

本発明は、アルカリ電池に関する。

図１Ａ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１０１とも言う）の構造を示しており、この図１Ａ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１０１は、有底円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８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１０１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２１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８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７ｄに溶接されることで立設固定されている。なお、負極集電子６、負極端子板７および封口ガスケット８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１０１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８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。なお、セパレーター４の上端は封口ガスケット８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１０１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。

アルカリ電池１０１は、電池缶２内の圧力が異常に上昇した際に、その内圧をアルカリ電池の外方に解放する防爆安全機構を備えている。図１Ｂに、この防爆安全機構の概略を示した。図１Ｂは、アルカリ電池１０１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１０１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８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８４）が巡るカップ状で、円盤の中心は、負極集電子６が圧入されるボス孔８２を備えた円筒状のボス部８１となっている。そして、防爆安全機構が作動していない状態では、ボス部８１の外周から円盤の周縁に至る膜状の部分(以下、隔壁部８３）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。

封口ガスケット８の隔壁部８３において、負極ゲル５に対面する領域には、ボス部８１と同心円をなす溝状の薄肉部８５が形成されている。図示した例では、ボス部８１の外周に沿って薄肉部８５が形成されている。そしてこの薄肉部８５は、図１Ｂにおいて、円筒軸１００に対して紙面左方に示したように、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８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７１を介して大気中に放出させる防爆安全機構として機能する。なお、アルカリ電池１０１の構造や材料、製造方法などについては以下の非特許文献１および２に記載されている。

電池便覧編集委員会編「電池便覧」、第３版、丸善株式会社、２００１年２月、ｐ．７４－１００ ＦＤＫ株式会社、"アルカリ電池のできるまで"、[online]、[平成３０年４月３日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.fdk.co.jp/denchi_club/denchi_story/arukari.htm＞

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おり、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にガスが発生し、電池缶内が所定の圧力に達すると、この防爆安全機構が動作するように構成されている。しかし、薄肉部８５の破断箇所は細いスリット状に開口するため、図１Ｂにおいて、円筒軸１００に対して紙面右方に示したように、放出ガスとともに移動した負極ゲル５によって破断箇所が閉鎖されてしまう場合がある。このような場合、負極ゲル５は行き場を失い、セパレーター４を破断して正極合剤３側に流出する可能性がある。その場合、負極ゲル５が正極合剤３に接触して内部短絡が発生し、アルカリ電池１０１が発熱する。

そこで本発明は、防爆安全機構が作動した際に、負極ゲルがセパレーターを破断させることによって発生する内部短絡を防止することができる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の一態様は、下方を底部とする有底円筒状の電池缶内に、円環状の正極合剤と、前記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、前記セパレーターの内側に配置される負極ゲルとが封入されてなるアルカリ電池であって、
前記円環状の正極合剤は、上端面の内周側が円環状に切り欠かれてなる凹部を備え、
前記セパレーターの外面と前記凹部の内面とによって形成された溝状の領域に、ペースト状のシール剤が前記セパレーターの外周側の側面に接するように配置されている、
ことを特徴とするアルカリ電池としている。

前記凹部は、円環状の正極合剤の外周側から内周側に向かって下方に傾斜する形状に形成されているとしてもよい。

本発明によれば、防爆安全機構が作動した際に、負極ゲルがセパレーターを破断させることによって発生する内部短絡を防止することができるアルカリ電池が提供される。

一般的なアルカリ電池１０１を示す図である。 アルカリ電池１０１における防爆安全機構の概略および問題点を説明するための図である。 本発明の第１の実施例に係るアルカリ電池１ａの負極側の構造を示す図である。 本発明の第２の実施例に係るアルカリ電池１ｂの負極側の構造を示す図である。 本発明の第３の実施例に係るアルカリ電池１ｃの負極側の構造を示す図である。

本発明の一実施形態について、添付図面を参照しつつ以下で説明する。なお、説明に用いた以下の図面においては、同一又は類似の部分に同一の符号を付すことによって、重複する説明を省略することがある。また、図面によっては、説明の際に不要な符号を省略することがある。

＝＝＝従来の防爆安全機構の問題点＝＝＝
上述したように、アルカリ電池１０１の防爆安全機構が作動した際、負極ゲル５がセパレーター４を破断する場合がある。この負極ゲル５がセパレーター４を破断する現象について本発明者が検討したところ、セパレーター４は、主に、外接する環状の正極合剤３の上端面の内周の縁に当たって破断することが判明した。

そこで本発明者は、電池内の適所に絶縁性のシール剤を配置しておき、セパレーター４が破断した際に、そのシール剤で破断箇所を覆うことができれば、負極ゲル５と正極合剤３との接触に伴う内部短絡を防止できると考えた。そして、本発明者は、このような考察に基づき、シール剤の最適な配置などについて鋭意研究を重ね、本発明に想到した。

＝＝＝実施例＝＝＝
＜アルカリ電池１の構成＞
まず、本発明の第１の実施例に係るアルカリ電池の構造について説明する。図２は、本発明の第１の実施例に係るアルカリ電池１ａの上端側を拡大した縦断面図である。図２に示したように、第１の実施例に係るアルカリ電池１ａの基本的な構造や構成は、図１Ａに示した一般的なアルカリ電池１０１と同様である。しかし、第１の実施例に係るアルカリ電池１ａは、シール剤９が、正極合剤３の上端面の全面にわたって塗布されている。このシール剤９は、例えば、アルカリ電池（１，１０１）における封口ガスケット８の封止用部材として一般的な、ポリブテンおよびアスファルトを主成分とするペースト状のものであり、絶縁性を有する。そして、第１の実施例に係るアルカリ電池１ａでは、図３において、円筒軸１００に対して紙面右方に示したように、セパレーター４が破断すると、負極ゲル５の流出経路を遮るようにシール剤９が配置されているため、破断面４１が閉鎖される。それによって、負極ゲル５が正極合剤３側に流出せず、内部短絡の発生が防止される。

シール剤９の配置状態は、上記実施例に限らない。図３および図４に、シール剤９の配置状態が異なる第２および第３の実施例に係るアルカリ電池（１ｂ、１ｃ）を示した。図３および図４は、それぞれ、第２および第３の実施例に係るアルカリ電池（１ｂ、１ｃ）の上端側の縦断面を拡大した図である。そして、これらのアルカリ電池（１ｂ、１ｃ）は、正極合剤（３ａ、３ｂ）の上端面の内周側が切り欠かれて凹部（３１ａ、３１ｂ）が形成されている。なお、正極合剤３ａの上端面に凹部３１ａを形成するためには、例えば、凹部３１ａに対応する内面形状を有する金型を用いて正極合剤３ａを圧縮成形すればよい。あるいは、従来のアルカリ電池１０１と同様に環状に成形された正極合剤３の上端面を切削加工してもよい。

図３に示した第２の実施例に係るアルカリ電池１ｂでは、正極合剤３ａの内周側が円環状に切り欠かれてなる凹部３１ａが形成されている。それによって、セパレーター４の外面と、当該凹部３１ａの内面とによって、セパレーター４を同心状に囲む矩形断面を有する溝状の領域が形成される。そして、凹部３１ａの内方にシール剤９が配置されている。

図４に示した第３の実施例に係るアルカリ電池１ｃでは、正極合剤３ｂの上端面が、外周側から内周側に向けて下方に傾斜する斜面を形成するように切り欠かれ、三角形状の縦断面を有する凹部３１ｂが形成されている。それによって、セパレーター４の外面と、当該凹部３１ｂの内面とによって、セパレーター４を同心状に囲む三角形状の断面を有する溝状の領域が形成される。そして、凹部３１ｂにシール剤９が充填されている。

＜性能評価＞
次に、以上に説明したシール剤９を備えた第１、第２、および第３の実施例に係るアルカリ電池（１ａ、１ｂ、１ｃ）における内部短絡防止性能や放電性能を評価するために、シール剤９の有無やシール剤９の配置位置などが異なる各種ＬＲ６型アルカリ電池１をサンプルとして作製した。具体的には、シール剤９の有無、シール剤９の配置位置や配置状態、セパレーター４の坪量、およびセパレーター４の巻数が異なる各種ＬＲ６型アルカリ電池１を作製した。

各サンプルのセパレーター４には、いずれも、セルロースおよびビニロンを主成分とした、上下高１００ｍｍの長方形の不織布を有底円筒状に巻回したものを用いた。なお、この不織布を一周分だけ円筒状に巻回したときの幅は１６ｍｍである。したがって、この不織布を二回巻回すれば、上下高１００ｍｍ、幅３２ｍｍの不織布をセパレーター４として用いることになる。シール剤９の配置には、精密ノズルを備えた周知の液剤定量吐出装置（ディスペンサー）を用いた。そして、これらのサンプルの全個体に対し、内部短絡の有無、および放電性能の各項目について、評価試験を行った。なお、各項目の評価試験のそれぞれについて、同じ種類のサンプルを１０個ずつ用意した。

内部短絡の有無については、１５０ｍＡの電流で充電し、電池缶２内にガスを発生させて電池内圧を上昇させる充電試験を行い、防爆安全機構を作動させた。そして、サンプルの表面に熱電対を接触させて、防爆安全機構が作動した後のさらなる温度上昇の有無を測定し、内部短絡の有無を判定した。

放電性能については、終止電圧を１．０５Ｖとして、１５００ｍＷにて２秒および６５０ｍＷにて２８秒の放電サイクルを１時間あたり１０回繰り返す試験を行い、終止電圧に至るまでのサイクル数によって評価した。そして、各サンプルにおける１０個の個体におけるサイクル数の平均値を求めた。

以下の表１に各サンプルに対する性能評価試験の結果を示した。

表１において、サンプル７は、図１に示した従来のアルカリ電池１０１である。サンプル１～４はシール剤９を備えたアルカリ電池１である。サンプル１とサンプル２は、第１の実施例に係るアルカリ電池１ａと同様に、シール剤９が、正極合剤３の上端面の全面を覆うように配置されている。サンプル１は、５０ｍｇのシール剤９が配置され、サンプル２では２５ｍｇのシール剤９が配置されている。

サンプル３は、第２の実施例に係るアルカリ電池１ｂと同様に、正極合剤３ａの上端面の内周側が矩形状に切り欠かれてなる凹部３１ａを備え、その凹部３１ａ内にシール剤９が配置されたものである。そして、その凹部３１ａの内方に２５ｍｇのシール剤９が配置されている。

サンプル４は、第３の実施例に係るアルカリ電池１ｃと同様に、正極合剤３ｂの上端面が、外周側から内周に向かって下方に傾斜するように切り欠かれてなる三角形状の断面形状を有する凹部３１ｂを備え、その凹部３１ｂ内にシール剤９が配置されたものである。そして、その凹部３１ａに２５ｍｇのシール剤９が配置されている。

サンプル５と６は、シール剤９に代わる内部短絡対策が施されたアルカリ電池１である。サンプル５は、セパレーター４の坪量が他のサンプルよりも大きい。すなわち、サンプル５に用いたセパレーター４は、不織布の繊維量が他のサンプルのセパレーター４よりも多く、目が細かい。そのため、サンプル１～４、７に用いたセパレーター４よりも破断し難い。サンプル６は、セパレーター４の巻数が他のサンプルよりも多く、セパレーター４の厚さが他のサンプルよりも厚く、サンプル１～４、７に用いたセパレーター４よりも破断し難い。なお、サンプル６以外のサンプルのセパレーター４は、上記不織布を二回巻回したものを有底筒状にしたものである。サンプル６のセパレーター４は、上記不織布を３回巻回して有底円筒状にしたものである。

表１に示した各評価試験の結果について、１０個の個体の内、一個以上の個体に内部短絡が発生していれば内部短絡「あり」としている。放電性能についてはサンプル１を１００としたときの相対値が示されている。表１に示したように、サンプル２と７とでは内部短絡が発生し、サンプル１および３～６では内部短絡が発生しなかった。サンプル１と２とでは、シール剤９の配置形状が同じであったにもかかわらず、シール剤９の量を２５ｍｇとしたサンプル２では内部短絡が発生した。したがって、第１の実施例に係るアルカリ電池１ａのように、平坦な正極合剤３の上面にシール剤９を配置する場合は、シール剤９の量を適切に調整し、内部短絡を発生させないようにしておけばよい。一方、第２および第３の実施例に係るアルカリ電池（１ｂ、１ｃ）のように、正極合剤（３ａ、３ｂ）の上端面に設けた凹部（３１ａ、３１ｂ）内にシール剤９が配置されたサンプル３、４では、シール剤９の量が２５ｍｇであっても、内部短絡を防止することができた。すなわち、第２および第３の実施例に係るアルカリ電池（１ｂ、１ｃ）では、必要最小限のシール剤９の量で内部短絡を確実に防止することができる。これは、第２、第３の実施例に係るアルカリ電池（１ｂ、１ｃ）では、凹部（３１ａ、３１ｂ）の深さにわたってシール剤９がセパレーター４の外面に接しているため、破断箇所を広い面積で覆うことができるためと考えることができる。なお、図４に示した第３の実施例に係るアルカリ電池１ｃでは、凹部３１ｂの底面が傾斜していることから、シール剤９に若干の流動性があれば、セパレーター４が破断した際、シール剤９が自重によって破断面４１の方向へ移動し、より速やかに破断面４１を閉塞する効果が期待できる。

放電性能については、シール剤９による絶縁対策が施されたサンプル１～４では、従来のアルカリ電池１０１であるサンプル７と同等であった。すなわち、放電性能の劣化が認められなかった。一方、サンプル５と６とでは、内部短絡は発生しなかったが、放電性能はサンプル１の９０％程度であった。これは、サンプル５では、従来よりも不織布の繊維量が多いセパレーター４を用いているため、サンプル６では、従来よりも不織布の巻数が多いセパレーター４を用いているため、他のサンプルに対して、正負極間のイオン伝導性が低下したと解釈できる。

以上より、シール剤９を、少なくとも正極合剤３の上端側にセパレーター４に接するように配置することで、放電が安定的に行われ、内部短絡も防止できることがわかった。また、図３、図４に示した第２、第３の実施例に係るアルカリ電池（１ｂ、１ｃ）のように、正極合剤（３ａ、３ｂ）の上端面に凹部（３１ａ、３１ｂ）を形成することで、放電性能を維持しつつ、より少ない量のシール剤９で効果的に内部短絡を防止することができることがわかった。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
なお、上述した第１～第３の実施例についての説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明が第１～第３の実施例によって限定されるものではない。本発明は、上記各実施例の趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに本発明にはその等価物が含まれる。

上記実施例におけるシール剤は、アルカリ電池の封止用部材として一般的な、ポリブテンおよびアスファルトを主成分とするペースト状のものであった。しかし、シール剤はこれに限定されず、絶縁性および流動性を有していれば種々のものが利用可能である。

上記第２および第３の実施例において、正極合剤（３ａ、３ｂ）上に設けられた凹部（３１ａ、３１ｂ）の断面形状は、矩形状や三角形状であったが、もちろん、凹部の形状はこれらに限らない。凹部の断面形状は、正極合剤の内側にセパレーターが挿通されたときに、凹部の内面が、セパレーターの外周側の側面とともに、正極合剤の上端面の内周側に溝を形成することができる形状であればよい。すなわち、溝の内方に配置されたシール剤が、セパレーターの外面と接触する形状であればよい。

表１に示したサンプル１～４におけるシール剤の塗布量は、ＬＲ６型のアルカリ電池の場合の量である。すなわち、シール剤の塗布量は、内部短絡の発生を抑止することができれば、アルカリ電池のサイズに応じて適宜増減させることができる。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１０１ アルカリ電池、２ 電池缶、３，３ａ，３ｂ 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 封口ガスケット、９ シール剤、２１ 正極端子、３１，３１ａ，３１ｂ 凹部、４１ 破断面、７１ 通気孔、８１ ボス部、８２ ボス孔、８３ 隔壁部、８４ 外周部、８５ 薄肉部、１００ 円筒軸

Claims (2)

1. 下方を底部とする有底円筒状の電池缶内に、円環状の正極合剤と、前記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、前記セパレーターの内側に配置される負極ゲルとが封入されてなるアルカリ電池であって、
   前記円環状の正極合剤は、上端面の内周側が円環状に切り欠かれてなる凹部を備え、
   前記セパレーターの外面と前記凹部の内面とによって形成された溝状の領域に、ペースト状のシール剤が前記セパレーターの外周側の側面に接するように配置されている、
   ことを特徴とするアルカリ電池。
2. 請求項１に記載のアルカリ電池であって、前記凹部は、前記円環状の正極合剤の外周側から内周側に向かって下方に傾斜する形状に形成されていることを特徴とするアルカリ電池。

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