JP2007026748A

JP2007026748A - マンガン電池

Info

Publication number: JP2007026748A
Application number: JP2005204067A
Authority: JP
Inventors: Hajime Murakami; 村上　　元
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】耐漏液性や高温保存時の保存特性が高くかつ電池内圧が封口耐圧に到達する前に確実に内部のガスを放出できるマンガン電池を提供する。
【解決手段】負極亜鉛缶２と正極合剤３と正極集電体としての炭素棒８と負極亜鉛缶２の開口部を封口する封口体１１と炭素棒８の頂部に嵌合させた正極端子板９とを備え、封口体１１は炭素棒８を貫通させる内筒部１２と負極亜鉛缶２の開口部内周に嵌合する外筒部１３とを連結部１４により一体的に連結した合成樹脂成形品からなり、封口体１１の外筒部１３を正極端子板９の外周部と負極亜鉛缶２の開口端のかしめ部２ａとの間で締め付けて封口したマンガン電池１であって、連結部１４に薄肉部とその周囲の径方向外方に向けて漸次肉厚が増大する漸次肥厚部とを有するガス放出穴１６を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明はマンガン電池に関し、特に外装缶を使用せず、負極亜鉛缶で封口するとともに封口体に破裂防止機構を設けたマンガン電池に関するものである。

外装缶を使用しない円筒形マンガン電池は、負極亜鉛缶と、正極合剤と、正極集電体としての炭素棒と、炭素棒を貫通させる内筒部と負極亜鉛缶の開口部内周に嵌合する外筒部とを連結部により一体的に連結した合成樹脂成形品からなる封口体と、炭素棒の頂部に嵌合させた正極端子板とを備え、封口体の外筒部を正極端子板の外周部と負極亜鉛缶の開口端のかしめ部との間で締め付けて電池を密封した構成とされている。

そのため、前記封口体に破裂防止機構が設けられていないと、誤って電池を充電した場合などに電池内部で水素ガスが発生し、その結果電池内部の圧力が急激に上昇し、電池の内部圧力が電池の封口耐圧よりも大きくなり、電池の封口部を破損させて電池の破裂を招く恐れがある。

そこで、図６に示すように、封口体２１の炭素棒２２が貫通する内筒部２３の内周面２４に上下に延びる溝２５を形成するとともに、溝２５の途中に薄肉の弁部２６を形成したものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、アルカリ電池において、ポリアミドなどから成る封口体の内筒部と外筒部の接合部に０．０３〜０．２ｍｍ厚の破裂可能膜を設けたものが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
実開平７−３２８５４号公報特表２００２−５１６４６２号公報

ところが、特許文献１に記載の破裂防止弁を設けた構成では、破裂を防止する効果は得られるが、高温で保存した場合に、弁部２６が容易に動作して電解液中の水分が電池外部に漏れ出し、電解液が枯渇して乾燥してしまい、耐漏液性や高温保存時の保存特性が悪いという問題がある。

一方、特許文献２に記載の構成では、封口体に破裂可能膜を設けた構成であるので耐漏液性や高温保存時の保存特性は高いが、０．０３〜０．２ｍｍ厚の破裂可能膜の周縁が封口体に形成した穴の周壁に結合されている構成であるので、電池内圧が作用した時にそのコーナー部に応力集中が生じるなどの要因で破断場所がばらつく等、破裂時の挙動に対する撹乱要因が大きく、所望の電池内圧で確実に破裂させるのが困難で、作動が不安定であるという問題があり、さらにマンガン電池の封口体に使用されるポリエチレンやポリプロピレン製の封口体では、０．２ｍｍ以下の厚さの破裂可能膜を特許文献２に記載のような構成で安定的に精度良く成形するのは困難であり、また精度良く成形できるような材料は高価で、安価なマンガン電池に適用することはコスト高になるため実質的に不可能であるという問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、耐漏液性や高温保存時の保存特性が高くかつ電池内圧が封口耐圧に到達する前に確実に内部のガスを放出できるマンガン電池を提供することを課題とする。

本発明のマンガン電池は、負極亜鉛缶と正極合剤と正極集電体としての炭素棒と負極亜鉛缶の開口部を封口する封口体と炭素棒の頂部に嵌合させた正極端子板とを備え、封口体は炭素棒を貫通させる内筒部と負極亜鉛缶の開口部内周に嵌合する外筒部とを連結部により一体的に連結した合成樹脂成形品からなり、封口体の外筒部を正極端子板の外周部と負極亜鉛缶の開口端のかしめ部との間で締め付けて封口したマンガン電池であって、連結部に薄肉部とその周囲の径方向外方に向けて漸次肉厚が増大する漸次肥厚部とを設けたものである。

この構成によると、封口体の連結部に薄肉部を設けているので、薄肉部が破断しない限り漏液することはなく、高い耐漏液性や高温保存時の保存特性が得られる。しかも、薄肉部の周囲に漸次肥厚部が設けられているので、破断箇所は薄肉部の略中央部となり、電池内圧が所定の圧力以上になったときに薄肉部が確実に破断し、電池の破裂防止機構として安定した作動が期待できるという効果が得られる。また、薄肉部の周囲に漸次肥厚部が設けられていることで、薄肉部の成形性が格段に向上し、マンガン電池の封口体に一般的に用いられている安価な材質の合成樹脂で成形しても、薄肉部を精度良く成形でき、低コストを維持しながら高い作動圧精度を確保することができる。

また、前記薄肉部の破断圧力が、１ＭＰａ以上、封口部の耐圧力の８０％以下であると、高温保存時の液漏れを確実に防止できて高い保存特性を確保できるとともに、封口部が破損する前に確実に薄肉部が破断してガスを安全に放出することができる。

また、前記正極端子板にガス排気口を設けることで、ガスを正極端子板から外部に円滑に放出することができる。

また、前記封口体を、低密度ポリエチレン又はポリプロピレンにて構成すると、安価でかつ成形性が良いので好適である。

本発明のマンガン電池によれば、封口体の連結部に薄肉部を設けているので、薄肉部が破断しない限り漏液することはなく、良好な耐漏液性や高温保存時の保存特性が得られ、しかもその薄肉部の周囲に漸次肥厚部が設けられているので、電池内圧が所定の圧力以上になったときに薄肉部の略中央部で確実に破断し、安定した破裂防止機能が期待でき、さらに漸次肥厚部が設けられていることで薄肉部の成形性が格段に向上して安価な樹脂材料でも薄肉部を精度良く成形でき、低コストを維持しながら高い作動圧精度を確保することができる。

以下、本発明の一実施形態の円筒形のマンガン電池について、図１〜図４を参照して説明する。

図１において、１は円筒形のマンガン電池で、有底円筒状の負極亜鉛缶２内に正極合剤３が収容されている。なお、正極合剤３と負極亜鉛缶２の内周面との間にはセパレータ４が介装され、負極亜鉛缶２の内底面には下部絶縁板５が、上部には上部絶縁板６が配置されており、これらセパレータ４と上部と下部の絶縁板５、６で囲まれた空間内に正極合剤３が収容されている。７は、上部絶縁板６上に塗布されたシール用のピッチである。

負極亜鉛缶２の中芯部には正極集電体としての炭素棒８が配設され、その下端は下部絶縁板５の近傍まで貫入され、上端は負極亜鉛缶２の上縁部より突出されている。炭素棒８の頂部には正極端子板９が接続固定されている。具体的には、正極端子板９の中央部に突出形成された端子突部９ａが炭素棒８の頂部に嵌合されている。正極端子板９の外周部は断面Ｌ字状に屈曲形成され、立ち下り部９ｂを介して封止フランジ部９ｃが形成されている。なお、負極亜鉛缶２の底部には、負極端子板１０が嵌合して固着されている。

負極亜鉛缶２の開口部内周と炭素棒８の上端部外周との間には、低密度ポリエチレンの成形品からなる封口体１１が配設されている。この封口体１１は、図２に詳細構成を示すように、炭素棒８が密封貫通する内筒部１２と、負極亜鉛缶２の開口部内周に嵌合する外筒部１３と、これら内筒部１２と外筒部１３の下部同士を一体的に連結する連結部１４にて構成されている。外筒部１３の内周上部には、連結部１４上に当接配置された正極端子板９の封止フランジ部９ｃの上面上に圧縮状態で圧接されるシール突部１５が設けられ、このシール突部１５を正極端子板９の封止フランジ部９ｃと負極亜鉛缶２の開口端のかしめ部２ａとの間で締め付けることで封口されている。

この封口体１１の連結部１４における内筒部１２と封止フランジ部９ｃが当接する部位との間の領域には、１又は複数の有底のガス放出穴１６が凹入成形されている。また、正極端子板９には、ガス放出穴１６から放出されたガスを外部に円滑に放出するガス排気口（図示せず）が設けられている。

ガス放出穴１６の底壁は中央部の薄肉部１７とその周囲の径方向外方に向けて漸次肉厚が増大する漸次肥厚部１８にて構成されている。漸次肥厚部１８は、図３（ａ）に示すようなＣ面取りや、図３（ｂ）に示すようなＲ面取りや、その他の適当な傾斜面や曲面にて構成される。薄肉部１７の寸法は、その破断圧力が１ＭＰａ以上、封口部の耐圧力の８０％以下となるように設定される。具体的な寸法は電池の仕様によって異なるために一概に規定できないが、例えばＲ６（単３形）電池やＲ０６（単４形）電池においては、厚さｔが０．０４〜０．１０ｍｍ、面積Ｓ１が０．３〜０．６ｍｍ²程度に設定される。また、漸次肥厚部１８の面取り寸法ＣやＲは、０．２〜０．４ｍｍ程度に設定される。なお、図３（ｃ）には、従来例の特許文献２に相当する比較例として、ガス放出穴１６の底面全面を薄肉部１７にて構成した例を示している。

以上の構成によれば、封口体１１の連結部１４に設けられた薄肉部１７が破断しない限り漏液することはなく、高い耐漏液性や高温保存時の保存特性が得られ、しかもその薄肉部１７は、電池内圧が１ＭＰａ以上、封口部の耐圧力の８０％以下に設定された所定圧力で破断するようにその厚さと面積が設定されかつその周囲に漸次肥厚部１８が設けられているので、破断箇所が薄肉部１７の略中央部となり、電池内圧が上記設定圧力以上になったときに薄肉部１７が確実に破断し、封口部が破損する前に確実にガスを安全に放出することができ、マンガン電池１の破裂防止機構として安定した作動が期待できる。

さらに、薄肉部１７の周囲に漸次肥厚部１８が設けられていることで、薄肉部１７の成形性が格段に向上し、マンガン電池１の封口体１１に一般的に用いられている安価な低密度ポリエチレンで構成しても、薄肉部１７を精度良く成形でき、低コストを維持しながら高い作動圧精度を確保することができる。なお、封口体１１の成形樹脂としては、上記低密度ポリエチレンに代えて、ポリプロピレンを用いても安価でかつ成形性が良く、同様の作用効果を奏することができる。

以上の実施形態では、薄肉部１７を所定の面積Ｓ１を有する平坦面にて構成した例を示したが、薄肉部１７の面積を小さくし、漸次肥厚部１８との組合せにてガス放出穴１６の底壁を、図４（ａ）に示すような円錐形としても同様な効果を得ることができる。また、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示すように、円錐形の頂点がガス放出穴１６の中心から外れた形状とすることもできる。また、以上の実施形態の説明では、ガス放出穴１６を上向きに開口するＵ字断面形状に形成した例を示したが、ガス放出穴１６を下向きに開口する倒立Ｕ字断面形状に形成しても同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の実施例と比較例について説明する。

（実験例１）
Ｒ６（単３形）マンガン電池において、低密度ポリエチレンを用いて圧縮工法を使用しないで射出成形した封口体１１を用いて封口し、封口部耐圧力を３．９２ＭＰａに設定し、封口体１１の薄肉部１７の面積を０．４０ｍｍ²（直径略０．７１ｍｍの円形）に固定し、漸次肥厚部１８を０．２５ｍｍのＲ面取りにて構成した。そして、薄肉部１７の厚みを、０．０４ｍｍ（比較例１）、０．０５ｍｍ（実施例１）、０．１０ｍｍ（実施例２）、０．１２ｍｍ（比較例２）にそれぞれ設定した電池を複数作製した。また、各例について、図５に示すように、正極合剤３を充填していない電池を複数作製し、その負極亜鉛缶２の側部にガス充填用の穴を明け、その電池の内部にガスを充填して、封口体１１の薄肉部１７が破断する作動圧力を測定した。

そして、各例について以下の測定及び試験、
作動圧力測定：１０個の電池について上記のように作動圧力を測定し、その平均値を求めた
安全性試験：４個の電池を直列接続するとともに、その内の１個を逆に接続してショートさせたものを１０セット準備し、薄肉部１７が破断し、電池内部のガスを逃がした場合を作動とし、その数をカウントした
保存特性試験：１０個の電池を４５℃恒温槽に１ケ月保存し、その後開路電圧を測定し、保存前の電圧との差が５０ｍＶ以上下がったものを保存特性ＮＧとしてその数をカウントした
を行った。

上記測定及び試験の結果を表１に示した。なお、表１中の圧力比は、（作動圧力）／（封口部耐圧力）を％表示している。表１から、薄肉部１７の作動圧力が０．８２ＭＰａでは保存特性が悪く、１．１８ＭＰａでは保存特性が良好であることから、ほぼ１ＭＰａ以上あれば良好な保存特性が得られる事がわかる。また、上記圧力比が８０．０％以上あれば安全性試験で安定した作動が得られるが、それ以上になると作動が安定しないことが分かる。

（実験例２）
Ｒ０３（単４形）マンガン電池において、封口部耐圧力を５．９０ＭＰａに設定し、封口体１１の薄肉部１７の面積を０．３０ｍｍ²（直径略０．６２ｍｍの円形）に固定し、漸次肥厚部１８を０．２５ｍｍのＲ面取りにて構成した。そして、薄肉部１７の厚みを、０．０３ｍｍ（比較例３）、０．０４ｍｍ（実施例３）、０．１０ｍｍ（実施例４）、０．１２ｍｍ（比較例４）にそれぞれ設定した電池を複数作製した。また、各例について、実験例１と同様に正極合剤３を充填していない電池を複数作製し、その負極亜鉛缶２の側部にガス充填用の穴を明け、その電池の内部にガスを充填して、封口体１１の薄肉部１７が破断する作動圧力を測定した。そして、各例について実験例１と同様に作動圧力の測定と安全性試験及び保存特性試験を行った。

上記測定及び試験の結果を表２に示した。表２から、表１と同様に、薄肉部１７の作動圧力がほぼ１ＭＰａ以上あれば良好な保存特性が得られ、また上記圧力比が８０．０％以上あれば安全性試験で安定した作動が得られるが、それ以上になると作動が安定しないことが分かる。

（実験例３）
Ｒ６（単３形）マンガン電池において、実施例２に対応する電池（薄肉部１７の厚みが０．１０ｍｍ、面積が０．４ｍｍ²）を基本構成とし、その漸次肥厚部１８を０．２５ｍｍのＲ面取りから０．２５ｍｍのＣ面取りに変更した電池（実施例５）と、漸次肥厚部１８を形成せずに薄肉部１７のみとした電池（比較例５）とを各１０ケ作製し、それらの作動圧力を測定し、その平均値とばらつきを求め、また薄肉部の破断状態を確認した。

上記測定結果を表３に示した。表３からＲ面取りやＣ面取りによる漸次肥厚部１８を設けた実施例２、５では、作動圧力の標準偏差σが０．２５以下で、作動圧力が安定しているのに対して、漸次肥厚部１８を設けない比較例５では、作動圧力の標準偏差σが０．４３と大きくなり、破断圧力の平均値も低くなっていることが分かる。また、破断状態も、実施例のものはすべて薄肉部１７の中央部で破断していたが、比較例のものは中央部で破断しているものと周縁部で破断しているものとがあった。

本発明は、耐漏液性や高温保存時の保存特性が高く、かつ電池破裂防止機能に対する信頼性の高いマンガン電池を低コストで得ることができるので、マンガン電池に有用である。

本発明のマンガン電池の一実施形態の縦断面図。同実施形態の封口体の断面図。図１及び図２のＡ部の詳細構成を示し、（ａ）は同実施形態の構成例、（ｂ）は同変形構成例、（ｃ）は従来例に対応する構成例をそれぞれ示す断面図。同実施形態における薄肉部のさらに別の各種構成例を示す断面図。作動圧力測定に供した電池構成を示す縦断面図。従来例の封口体の構成を示す縦断面図。

符号の説明

１マンガン電池
２負極亜鉛缶
２ａかしめ部
３正極合剤
８炭素棒
１１封口体
１２内筒部
１３外筒部
１４連結部
１６ガス放出穴
１７薄肉部
１８漸次肥厚部

Claims

負極亜鉛缶と正極合剤と正極集電体としての炭素棒と負極亜鉛缶の開口部を封口する封口体と炭素棒の頂部に嵌合させた正極端子板とを備え、封口体は炭素棒を貫通させる内筒部と負極亜鉛缶の開口部内周に嵌合する外筒部とを連結部により一体的に連結した合成樹脂成形品からなり、封口体の外筒部を正極端子板の外周部と負極亜鉛缶の開口端のかしめ部との間で締め付けて封口したマンガン電池であって、連結部に薄肉部とその周囲の径方向外方に向けて漸次肉厚が増大する漸次肥厚部とを設けたことを特徴とするマンガン電池。
前記薄肉部の破断圧力が、１ＭＰａ以上、封口部の耐圧力の８０％以下であることを特徴とする請求項１記載のマンガン電池。
前記正極端子板にガス排気口を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のマンガン電池。
前記封口体は、低密度ポリエチレンから成ることを特徴とする請求項１又は２記載のマンガン電池。
前記封口体は、ポリプロピレンから成ることを特徴とする請求項１又は２記載のマンガン電池。