JP2005108535A - 円筒型二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 バーリング部が複数形成された略円形状の集電板を備えた円筒型二次電池において、ハイレート特性を良好に維持しながら、集電板材料の無駄を低減する。
【解決手段】 正極集電板６０は、円の少なくとも一部が弦に沿って切り欠かれた形状であって、複数の丸孔６２が基板全体に分散して形成され、各丸孔６２には、その周縁からバーリング部６２ａが形成されている。
切り欠き前のもとの円に対して、切り欠きを形成する弦（直線Ｌ1）の位置は、円の中心点Ｐoからｙ軸＋方向にもっとも離れたバーリング部６２ａ（ｙ１），６２ａ（ｙ２）を選択し、選択されたバーリング部６２ａ（ｙ１），６１ａ（ｙ２）に対して、ｙ軸＋方向側の端部に接するように設定する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、アルカリ二次電池などの円筒型二次電池に関し、特に、バーリング部が複数形成された略円形状の集電板を備えた円筒型二次電池に関する。

ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池などのアルカリ二次電池に代表される円筒型二次電池は、一般にシート状の正極板と負極板とをセパレータを介して巻回した渦巻電極体が用いられ、その一端面上には円板状の集電板が配され、この集電板は、正極板または負極板と接続されている。
通常、この集電板は、鋼板を打ち抜いて作製されるが、渦巻電極体から均等に集電を行うため、電極体の端面形状に合わせて円形に形成されている。

ところで、このような円形の集電板において、特許文献１に記載されているように、ガスが通過できるように複数の孔が穿孔され、各孔の周縁にバーリング加工（孔の周縁を絞り加工して突出させる）を施してそのバーリング部を正極または負極と溶接しているものもある。そして、集電板にバーリング加工を施すことによって、正極板または負極板と集電板との接触が良好となるので、集電板の集電機能、特にハイレート特性が優れたものとなる。
特開２００２−２３１２１６号公報

このような円筒型二次電池においても、基本的にコストを低減することが求められている。
ところで、工業的に鋼板から集電板を打ち抜く際には、帯状の鋼板を用い、その長手方向及び幅方向にそれぞれ一定ピッチで、多数の集電板が打ち抜かれる。従って、集電板の形状が円形である場合、鋼板から集電板を打ち抜く際に集電板として利用できない無駄な部分（材料ロス）が多く生じるという問題がある。

これに対して、特許文献１の図２２には、円形の周縁部が一部切除された形状の集電板が記載されており、これによれば、集電板の生産時における材料ロスを減らすことができると考えられる。
しかしながら、上記特許文献１に記載された集電板の場合、周縁部が切除されていないもとの円形の集電板においては存在したはずのバーリング部が部分的に切除されているため、最外周部の極板から集電する電流路が少なくなり集電機能が低下する。これによって、円筒型二次電池のハイレート特性が低下する。

本発明は、上記課題に鑑み、バーリング部が複数形成された略円形状の集電板を備えた円筒型二次電池において、ハイレート特性を良好に維持しながら、集電板材料の無駄を低減することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る円筒型二次電池では、集電板の形状を、円の少なくとも一部分が弦に沿って切り欠かれた形状とした。
そして、切り欠きを形成していないもとの円形状の集電板に対して切り欠きを形成する弦の位置を設定するに際して、もとの円形状の集電板に存在する複数のバーリング部の中で、切り欠きを形成する位置に近接するバーリング部に対して、より外側に位置するようにもしくは外側に接するように設定することとした。

ここで、集電板の円に対する切り欠き位置に関しては、円に対して、その中心をはさんで一方向に対向する位置で切り欠かくことが好ましい。更に、円に対して、その中心をはさんで一方向と直交する方向に対向する位置でも切り欠くことがことが好ましい。

上述したように、本発明の円筒形二次電池によれば、集電板は、円の少なくとも一部分が弦に沿って切り欠かれた形状をしているので、切り欠かれていないもとの円形の集電板と比べると、切り欠いた分だけ、使用する材料を減らすことができ、集電板の幅も狭くできる。
また、切り欠き部分を形成する弦が、もとの円形状の集電板に存在する複数のバーリング部の中で、切り欠きを形成する位置に近接するバーリング部に対して、より外側に位置するようにもしくは外側に接するように設定されているので、もとの円形の集電板と比べて、電流流路となるバーリング部はそのまま残った構成となっている。

従って、円筒型二次電池において、円形の集電板を用いた場合と比べて、ハイレート特性を同様に確保しながら、集電板の製造に用いる材料の無駄を低減することができる。
更に、切り欠きが弦に沿って形成されているので、集電板の強度も確保され、集電板を打ち抜く工程も容易に実施できる。
円に対する切り欠き位置に関しては、円周上の一部分だけで弦に沿って切り欠いてもよいが、円周上の２つ以上の部分において切り欠いた形状とすれば、材料ロスの低減に効果的である。

特に、上記のように、円に対してその中心をはさんで一方向に対向する位置で切り欠けば、切り欠いた分だけ当該方向に対する集電板の幅を狭くできる。従って、鋼板から打ち抜く際に、一方向に対する打ち抜きピッチを狭くでき、それだけ打ち抜く正極集電板の個数を増やすことができる。
更に、円に対して、その中心をはさんで一方向と直交する方向に対向する位置でも切り欠けば、互いに直交する二方向に対して、集電板の幅も狭くできる。従って、鋼板から打ち抜く際に、二方向に対する打ち抜きピッチを狭くでき、それだけ打ち抜く正極集電板の個数を増やすことができる。

以下、本発明に係る円筒型二次電池（以下、単に「電池」と記載する。）の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（１）電池の全体構成
図１は、本実施の形態に係る電池の断面斜視図である。
同図に示すように、電池は、渦巻電極体１、外装缶２、封口体３などを備え、渦巻電極体１が収容された外装缶２と、封口体３とが絶縁体であるガスケット４１を介してかしめによって封止されている。

渦巻電極体１は、正極板１０、負極板２０、セパレータ３０を備え、正極板１０と負極板２０とがセパレータ３０を介して巻回されたものである。
正極板１０は、例えば、パンチングメタルにニッケル粉末を焼結させて形成したニッケル焼結基板に対し、水酸化ニッケルを主成分とする正極活物質を含侵させて乾燥させた後、所定の厚みになるまで圧延したシート状の焼結式電極板である。負極板２０は、例えば、パンチングメタルに水素吸蔵合金からなるペースト状負極活物質を充填し、乾燥させた後、所定の厚みにとなるまで圧延したシート状の水素吸蔵合金負極板である。セパレータ３０は、例えば、ポリアミドなどからなるシート状の不織布であり、不織布以外にフィルムなども用いることができる。

渦巻電極体１の上端部（封口体３に近い端部）には、正極板１０から突設された集電タブ１１が渦巻き状に露出している。一方、渦巻電極体１の下端部（外装缶２の底部に近い端部）には、負極板２０から突設された集電タブ２２が渦巻き状に露出している。
そして、渦巻電極体１の上端面に沿って、集電タブ１１と溶接固定される正極集電板６０が配され、渦巻電極体１の下端面に沿って、集電タブ２２と溶接固定される負極集電板７０が配されている。

正極集電板６０は、その上面にリード部６１が配されており、これと当接する封口蓋３１を介して正極板１０と正極端子３１０とを電気的に接続している。上記リード部６１の構成としては、特許文献１に記載されたような種々の形状のリード部を用いることができる。
負極集電板７０は、負極端子を兼ねる外装缶２の底部に当接して配され、負極板２０と外装缶２とを電気的に接続している。

このように各集電板６０，７０が溶接された渦巻電極体１は、外装缶２に収容された後、アルカリ電解液が注液される。
外装缶２は、有底円筒形の形状をしており、その開口部はガスケット４１を介して封口体３により封口されている。ガスケット４１は、絶縁体からなり外装缶２と封口体３とを絶縁した状態に保持する。

封口体３は、封口蓋３１、正極端子３１０、弁板５１、スプリング５３を備える。ここで、弁板５１は、スプリング５３の押圧により、封口蓋３１の中央部に開口された孔を塞いでいる。そして、電池内部の圧力が高まったときには、弁板５１が押し上げられて、ガス抜き孔を通して反応ガスを大気中に排出するようになっている。
（２）正極集電板６０の構成
図２（ａ）は、正極集電板６０の斜視図であり、図２（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ´線断面図である。

同図に示すように、正極集電板６０は、導電性金属からなる略円板状の基板であって、複数の丸孔６２が穿設されている。
そして各丸孔６２には、その周縁から正極集電板６０の厚み方向に立ち上がったバーリング部６２ａが形成されている。なお、バーリング部６２ａの形状は、基本的に円環状であるが、集電板６０の外周にかかっているバーリング部６２ａは、円環の一部分に相当する形状である。

そしてこれらバーリング部６２ａの先端部分と、渦巻状の集電タブ１１とが、互いに対向する箇所で抵抗溶接によって接合され、正極集電板６０が正極板１０から集電できるようになっている。
上記複数の丸孔６２は、正極集電板６０の基板全体に分散して形成されており、これによって渦巻状の集電タブ１１の全体にわたって接合箇所が確保され、集電機能を良好に果すことができる。

更に、集電機能を良好にするために、複数の丸孔６２は、渦巻状の集電タブ１１が存在する領域に均一的に分布するように配列されている。
図３，図４は、各々正極集電板６０の具体例を示す平面図であって、バーリング部６２ａ側から見た平面図である。
これらの図に示すように、各正極集電板６０は、略円板状であって、円が部分的に弦に沿って切り欠かれた形状をなしている。すなわち、切り欠き前の円（正極集電板６０の外周に沿った仮想円）に対して、各切り欠き部分を形成する弦を設定して、当該弦に沿って切り欠かれている。

なお、図３の例では、外周に沿った円周上の対向する２箇所において切り欠かれ、図４の例では、外周に沿った円周上の４箇所において切り欠かれている。
ただし、切り欠きを形成する弦と、複数のバーリング部６２ａとの位置関係は、切り欠き部分に近接するバーリング部６２ａの外側に弦が接するように設定されている。
図３を参照しながら、切り欠きを形成する弦と複数のバーリング部６２ａとの位置関係について、更に具体的に説明する。

ここでは、正極集電板６０における仮想円の中心点をＰ0とし、その中心点Ｐ0から切り欠きを形成しようとうとする方向に延びる軸をｙ軸とする。そして、この仮想円内に、複数のバーリング部６２ａが形成されているものとして、弦の位置を設定する方法を説明する。
仮想円内に存在する複数のバーリング部６２ａ（一部分が仮想円内存在するバーリング部６２ａも含む）の中で、ｙ軸方向に対して中心点Ｐ0からもっとも遠い２つのバーリング部６２ａ（ｙ１）及びバーリング部６２ａ（ｙ２）を選択する。

図３では、バーリング部６２ａ（ｙ１）及びバーリング部６２ａ（ｙ２）が選択される。
そして、この選択されたバーリング部６２ａ（ｙ１），６１ａ（ｙ２）に対して、ｙ軸＋方向側の端部に接するように直線Ｌ1を設定すればよい。すなわち、バーリング部６２ａ（ｙ１）において中心点Ｐからｙ軸＋方向に一番遠い部分Ｐ１と、バーリング部６２ａ（ｙ２）において中心点ＰOからｙ軸＋方向に一番遠い部分Ｐ２とを結ぶように直線Ｌ1を設定すればよい。

図３の例では、この直線Ｌ1の位置がそのまま弦の設定位置となっているので、バーリング部６２ａ（ｙ１），６１ａ（ｙ２）の外側に弦が接している。
また、図３に示す例では、ｙ軸−方向に対しても、同様の方法によって、切り欠きを形成する弦が設定されている。
また、図４に示す正極集電板６０においては、ｙ軸方向だけでなく、仮想円の中心点をＰ0を通りｙ軸と直交するｘ軸方向に対しても、同様の方法によって、切り欠きを形成する弦が設定されている。

すなわち、ｘ軸+方向に最も遠いバーリング部６２ａ（ｘ1），６２ａ（ｘ2）を選択し、このバーリング部６２ａ（ｘ１）おいて中心点Ｐ0からｘ軸＋方向に一番遠い部分Ｐ３と、バーリング部６２ａ（ｘ2）おいて中心点Ｐ0からｘ軸＋方向に一番遠い部分Ｐ４とを結ぶように弦の位置が設定され、ｘ軸−方向においても同様に弦の位置が設定されている。

（３）正極集電板６０を用いることによる効果
正極集電板６０は、上記形状に設定されていることによって、以下のような効果を奏する。
正極集電板６０においては、切り欠き部分が形成されているところでは、切り欠きを形成していない円形の正極板（破線で示す仮想円形状の正極版）と比べて、中心点P0から外縁までの距離が短くなっている（正極集電板６０におけるｙ軸＋方向の幅が狭くなっている。）。従って、鋼板から集電板を打ち抜く際に使用する材料を、切り欠き部分に相当だけ低減できる。

よって、正極集電板６０が軽量になるとともに、正極集電板６０を作製するのに使用する材料を低減して、製造コストを安くすることができる。
また、切り欠き形成する弦が、近接するバーリング部６２ａの外側に接しているので、正極集電板６０が備えるバーリング部６２ａは、切り欠きを形成していない円形の正極板（破線で示す仮想円形状の正極版）のバーリング部６２ａと同等である。

従って、切り欠きを形成していない円形の正極集電板と比べて、同等の集電機能を確保することができ、電池に組み込んだときのハイレート放電特性も同等である。
切り欠き部による材料ロスの低減効果について
工業的に正極集電板を製造する工程においては、集電板材料として帯状の鋼板を用い、穿孔及びバーリング加工を施して、円孔６２及びバーリング部６２ａを形成し、正極集電板の形状に多数打ち抜くことによって作製するが、一枚の帯状の鋼板に対して、長手方向にも幅方向にもそれぞれ一定ピッチで打ち抜かれる。

従って、正極集電板の一方向に対する幅を狭くできれば、長手方向もしくは幅方向の打ち抜きピッチをその分だけ狭く設定でき、打ち抜く正極集電板の個数を増やすことができる。
また更に、正極集電板の互いに直交する二方向に対して幅を狭くできれば、長手方向の打ち抜きピッチと及び幅方向の両方に対して、打ち抜きピッチその分狭く設定でき、打ち抜く正極集電板の個数を増やすことができる。

ここで、もとの円形の正極集電板は、いずれ方向の幅も円の直径と同じであるのに対して、図３のように一方向に切り欠き部を形成すると、その方向の幅（ｙ軸方向幅）が狭くなる。
従って、もとの円形の正極集電板と比べて、長手方向もしくは幅方向に対する打ち抜きピッチを狭くでき、それだけ打ち抜く正極集電板の個数を増やすことができる。

また図４のように、互いに直交する二方向に切り欠き部を形成すると、その二方向の幅（x軸方向幅とｙ軸方向幅）が狭くなる。従って、もとの円形の正極集電板と比べて、長手方向に対する打ち抜きピッチ及び幅方向に対する打ち抜きピッチを狭くでき、それだけ打ち抜く正極集電板の個数を増やすことができる。
（４）実施の形態の変形
なお、切り欠き部分を形成する弦の位置を設定する際に、近接するバーリング部６２ａよりも外側に弦が位置するように設定してもよい。例えば、上記図３において、直線Ｌ１よりもｙ軸＋方向にずれた直線Ｌ2に沿って弦を設定してもよく、その場合にも、切り欠きを形成していない円形の正極集電板と比べて、同等の集電機能を確保しながら、正極集電板６０を作製するのに使用する材料を低減する効果を奏する。ただし、近接するバーリング部６２ａの外側に弦が接するように設定する方が（直線Ｌ2よりも直線Ｌ１に沿って設定する方が）、使用材料を低減する効果が優れている。また、弦に沿って切り欠き部を形成する際に、切り欠き部分の縁は必ずしも直線状にならなくてもよく、例えば、ゆるやかな曲線状あるいは蛇行した形状にしてもよいが、直線状に形成する方が、打ち抜き加工を容易にでき、かつ形状もシンプルとなるといった点で好ましい。

また、上記実施の形態においては、正極集電板について切り欠きを設ける場合を説明したが、バーリング部を有する負極集電板に対しても、同様に実施することができる。

以下、上記実施の形態に基づき、上記図３，４に示す形状の正極集電板を用いた実施例１，２のニッケル水素電池を作製した。また、切り欠き設けない円形状の正極集電板を用いた比較例のニッケル水素電池も作製した。作製した電池は、いずれも公称容量６．０ＡｈでＤサイズである。
以下、その具体的な作製方法を説明する。

渦巻電極体の作製：上記実施の形態で説明したニッケル正極板と、水素吸蔵合金負極板とをポリプロピレン不織布からなるセパレータを介して最外周が負極板となるように巻回して直径３０ｍｍの渦巻電極体を作製した。
渦巻電極体の一端には正極の集電タブが露出しており、他端には負極の集電タブが露出している。

正極集電板の作製：
正極集電板は、集電板材料である鋼板に、穿孔及びバーリング加工を施して、円孔６２及びバーリング部６２ａを形成し、これを、図５（ａ）〜（ｃ）に示す各正極集電板の形状に従って打ち抜くことによって作製した。
図５は、実施例１，２および比較例にかかる正極集電板の形状を示す平面図である。

（ａ）実施例１に用いた正極集電板は、図３に示すものと同様の形状であって、直径３０ｍｍの円板状集電板に対して、円周上の対向する２箇所において弦に沿って切り欠かれている。そして、対向する２箇所の切り欠き部分を結ぶ幅（図３でｙ軸方向幅）が２５ｍｍとなっている。
（ｂ）実施例２に用いた正極集電板は、図４に示すものと同様の形状であって、直径３０ｍｍの円板状集電板に対して、円周上の４箇所において弦に沿って切り欠かれている。一組の対向する２箇所の切り欠き部分を結ぶ幅（図４でｙ軸方向幅）が２５ｍｍで、別の対向する２箇所の切り欠き部分を結ぶ幅（図４でｘ軸方向幅）が２６.５ｍｍとなっている。

（ｃ）比較例に用いた正極集電板は、直径３０ｍｍの円形をしている。
なお、いずれの正極集電板も、丸孔およびバーリング部が同様に形成されるように設定した。
電池組み立て：
上記のように作製した渦巻電極体、各正極集電板、並びに別途作製した負極集電板、外装缶、封口体を用いて、以下のように電池を組み立てた。

渦巻電極体一端側に正極集電板を載置したあと押圧することにより、正極集電板におけるバーリング部が集電タブに食い込んだ状態とした。その後、押圧しながら溶接電流を流すことによって、バーリング部と集電タブとを抵抗溶接した。
一方、渦巻電極体における他端側に負極集電板を当接させて電流を流すことによって集電タブと負極集電板とを抵抗溶接した。

この正極、負極集電板が溶接された渦巻電極体を負極集電板が下側になるように外装缶に挿入し、負極集電板と外装缶の底部とをスポット溶接した。そして正極集電板に集電リードを溶接し、その集電リードと封口体を溶接接続した。その後、外装缶に３０質量％の水酸化カリウム水溶液からなる電解液を注入した。最後に、封口体をガスケットを介して外装缶の開口部に配したあとカシメによって外装缶を封口し、ニッケル水素電池を作製した。

〔実験〕
各サンプルにおけるＩ−Ｖ特性（出力特性）ならびに正極集電板の面積と質量を測定し、測定結果から考察を行なった。
実施例１、２、比較例の電池について、以下の方法を用いてその出力特性を測定した。
まず、各サンプルの電池容量が０ｍＡｈとなるまで充分放電した。そして、６Ａにて３０分間充電し、電池容量に対して約５０％の容量となる充電状態とした。その後、１時間休止させて電池内部の化学反応の安定化を図った。そして、３０Ａにて１０秒間放電させ、その３０分後に３０Ａにて１０秒間充電を行い、この１０秒たったときの電圧値を測定した。充放電時の外部環境温度は２５℃である。

さらに、この３０Ａの充放電を９０Ａ，１５０Ａと変更して同様の実験を行い、各電流値における電圧値を測定した。
図６は、各サンプルにおける電流値に対して電圧値をプロットしたグラフである。
このグラフにおける傾きは電池の抵抗値を示している。図６から、実施例１，２および比較例とも傾きが略同じなので抵抗値が同等であることがわかる。また、ハイレート特性も同等であることがわかる。これは、実施例１，２、及び比較例にかかる正極集電板は、互いに同一のバーリング部を有しているので、電池内で互いに同様の電流経路を形成するためと考えられる。

正極集電板打ち抜き時における材料ロス低減に関して考察すると、比較例にかかる正極集電板は、直径３０ｍｍの円形なので、いずれ方向の幅も３０ｍｍであるのに対して、実施例１では一方向の幅（ｙ軸方向幅）が２５ｍｍである。
従って、実施例１の正極集電板では、比較例の正極集電板と比べて、長手方向もしくは幅方向に対する打ち抜きピッチを５ｍｍ狭くでき、それだけ打ち抜く正極集電板の個数を増やすことができる。

また実施例２の正極集電板では、一方向の幅（ｙ軸方向幅）が２５ｍｍで、これと直交する方向の幅（ｘ軸方向幅）が２６.５ｍｍである。従って、実施例２の正極集電板では、比較例の正極集電板と比べて、長手方向に対する打ち抜きピッチ及び幅方向に対する打ち抜きピッチの一方を５ｍｍ、他方を３．５ｍｍ狭くでき、それだけ打ち抜く正極集電板の個数を増やすことができる。

図７は、実施例１と比較例における正極集電板の平面面積をプロットしたグラフであり、図８は、上記両正極集電板の質量をプロットしたグラフである。
両図に示すように、実施例１では、比較例と比べて、正極集電板の面積を９．９ｍｍ²、質量を０．０３ｇ減らせることがわかる。

本発明は、バーリング部が複数形成された略円形状の集電板を備えた円筒型二次電池に対して適用でき、ハイレート特性を良好に維持しながら、製造時において集電板材料の無駄を低減してコスト低減を図ることができる。
従って、本発明は、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池などのアルカリ二次電池や、リチウムイオン電池などの他の電池系の電池にも適用することができるが、特に、玩具や電動工具、電気自動車等を用途とし、低コストでハイレート特性が良好であることが要求されるニッケル水素二次電池やニッケルカドミウム電池に適用すれば有効である。

本発明に係る円筒型二次電池の断面斜視図である。 本発明に係る正極集電板の斜視図である。 本発明に係る正極集電板の平面図である。 本発明に係る正極集電板の平面図である。 実施例および比較例に使用した正極集電板の平面図である。 実施例および比較例にかかる出力特性を示すグラフである。 実施例および比較例にかかる正極集電板の平面面積を示すグラフである。 実施例および比較例にかかる正極集電板の質量を示すグラフである。

符号の説明

１ 渦巻電極体
２ 外装缶
３ 封口体
１０ 正極板
１１ 集電タブ
２０ 負極板
２２ 集電タブ
３０ セパレータ
６０ 正極集電板
６２ 丸孔
６２ａ バーリング部
７０ 負極集電板

Claims (3)

1. 正極板及び負極板がセパレータを介して巻回されてなる渦巻電極体と、当該渦巻電極体の一端面に沿って配され、バーリング部が複数形成された集電板とを備え、
   前記複数のバーリング部が前記正極板または負極板の端部と接触している円筒型二次電池であって、
   前記集電板は、
   円の少なくとも一部分が、
   前記複数のバーリング部の中で、当該部分に近接するバーリング部に対して、
   より外側に位置するようにもしくは外側に接するように設定された弦に沿って切り欠かれた形状であることを特徴とする円筒型二次電池。
2. 前記集電板は、
   前記円に対して、その中心をはさんで一方向に対向する位置で切り欠かれた形状であることを特徴とする請求項１記載の円筒型二次電池。
3. 前記集電板は、
   更に、前記円に対して、その中心をはさんで前記一方向と直交する方向に対向する位置で切り欠かれた形状であることを特徴とする請求項２記載の円筒型二次電池。

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