JP2007172911A

JP2007172911A - 電池

Info

Publication number: JP2007172911A
Application number: JP2005366066A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Yoneyama; 聡米山; Fuminori Ozaki; 文則尾崎
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2025-12-20
Also published as: JP5076314B2

Abstract

【課題】極板群と金属製ケースとの絶縁性を確保する絶縁リングに関するものであり、落下衝撃や繰り返し振動が加えられる過酷な条件で使用された場合においても、絶縁性を確保し電池の内部短絡を抑制するものである。
【解決手段】正極板１と負極板２とをセパレータ６を介して渦巻状に巻回して構成した極板群５と、この極板群５の上部外周に金属製ケース７との接触を防止する絶縁リング１２を備えた電池であって、絶縁リング１２の金属製ケース７側に対応する面に極板群５と金属製ケース７との間の寸法差を吸収し両者間に絶縁リング１２を当接させる寸法差吸収部を設けるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、渦巻状の極板群を備えた電池に関し、特に極板群と封口板との間に配置した絶縁リングに関するものである。

ニッケル‐カドミウム蓄電池やニッケル‐水素蓄電池に代表されるアルカリ蓄電池は、信頼性が高くそのメンテナンスも容易であることから、携帯電話やノートパソコン等の各種用途に幅広く用いられている。さらに近年においては電動工具をはじめ、動力補助付き自転車や電気自動車などの電源として大電流放電に適したアルカリ蓄電池の開発が要望されており、これら用途では優れた耐衝撃性も求められている。

このような電池の多くは、正極板と負極板とをセパレ−タを介して渦巻状に巻回した極板群を金属製ケ−スに収納し、その極板群と封口板との間に、その上部が封口板の底面に接し、その下部が極板群に加圧状態で接する絶縁リングを配置する方法が一般的である。（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−１８２５９２号公報

しかしながら上記従来の構成では、落下衝撃や繰り返し振動が加えられる過酷な条件で使用された場合、電池の内部で極板群が移動、振動を繰り返すことによって、正極端子を備えた封口板と電気的に接続された正極集電体の位置がずれて負極端子を兼ねた金属ケースと接触し電池の電圧が低下する可能性があった。

本発明は、上記従来の問題点を解決するものであり、耐衝撃性に優れた電池を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明の電池は、正極板と負極板とをセパレータを介して渦巻状に巻回して構成した極板群と、この極板群の上部外周に金属製ケースとの接触を防止する絶縁リングを備えた電池であって、この絶縁リングの前記金属製ケース側に対応する面に前記極板群と前記金属製ケースとの間の寸法差を吸収し両者間に前記絶縁リングを当接させる寸法差吸収部を設けたことを特徴としている。

本発明によれば、極板群と金属製ケースとの間に絶縁リングを当接させる寸法差吸収部を設けることにより両者間の寸法差を吸収できるので、落下衝撃や繰り返し振動が加えられる過酷な条件で使用された場合においても極板群への衝撃が緩和・吸収され、その結果、極板群の上下方向の移動に伴なう正極集電体の傾きやずれ、および絶縁リングのずれを低減できるため、正極集電体と金属製ケースとの接触による電圧の低下を抑制できる耐衝撃性に優れた電池を提供できる。

本発明においては、正極板と負極板とをセパレータを介して渦巻状に巻回して構成した極板群と、この極板群の上部外周に金属製ケースとの接触を防止する絶縁リングを備えた電池であって、この絶縁リングの金属製ケース側に対応する面に極板群と金属製ケースとの間の寸法差を吸収し両者間に絶縁リングを当接させる寸法差吸収部を設けた構成とする
ものである。

この構成によれば、絶縁リングの寸法差吸収部が極板群と金属製ケースの寸法差を吸収できるため、電池が落下衝撃や繰り返し振動が加えられる過酷な条件で使用された場合においても極板群への衝撃が緩和され、その結果、極板群の上下方向の移動や正極リードの変形に伴なう正極集電体の傾きやずれ、および絶縁リングのずれを低減できるため、正極集電体と金属製ケースとの接触による電圧の低下を抑制できる耐衝撃性に優れた電池が得られる。

また、絶縁リングに設けた寸法差吸収部は、突起部またはたわみ部または波形状部とすることが好ましい。

この構成によれば、電池組立て時の金属製ケースへの溝入れ工程において、極板群と金属製ケースの溝入部の中間に極板群の高さバラツキを吸収する突起部、或はたわみ部、或は波形状部を設けることで、極板群の高さが高ければ突起部、或はたわみ部、或は波形状部が潰れ、極板群の高さが低ければ極板群に密着するように追従する。その結果、落下衝撃や繰り返し振動が加えられる過酷な条件で使用された場合においても、金属製ケース内の極板群の移動が吸収できる効果が得られる。また、これらの構成は作製が容易である効果も有する。

また、絶縁リングの外周縁部に、金属製ケースと極板群の外周部との間隙にはまり込むスカート状の絶縁部を設けることが好ましい。

この構成によれば、スカート状の絶縁部が金属製ケースと極板群の外周部との間隙にはまり込む構成となり極板群の上面に載置した絶縁リングがずれにくくなるため、落下衝撃や繰り返し振動が加えられる過酷な条件においても、さらに正極集電体と金属製ケースとの接触を抑制できる。また、絶縁リングを極板群の上面に載置した際に絶縁リングの浮き上がりやずれを抑制できるため挿入性が安定する効果が得られる。さらに、金属製ケースに溝入れ部を形成する溝入れ時に絶縁リングがずれるという問題も改善できる。絶縁リングがずれなければ寸法差吸収部の位置ずれも抑制できるため、さらに安定して極板群の高さバラツキに追従させる効果が得られる。

また、正極端子を備えた封口板と、この封口板と電気的に接続された正極集電体と、この正極集電体と接続するための極板群の上方へ突出する正極芯材部を有し、スカート状の絶縁部の金属製ケースと極板群の外周部との間隙にはまり込む寸法は、極板群の上方の外周部に突出する正極芯材部の合剤層の形成されない寸法より小さいことが好ましい。

この構成によれば、金属製ケースと極板群の外周部との間隙にはまり込むスカート状の絶縁部が、正負極板の合剤層が重複する部分と重複することなく配置できるため、極板群の合剤層へのダメージを低減できる効果と、絶縁リングの挿入性が安定する効果の双方の効果が得られる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について図を用いて説明する。

尚、ここで示す図は一例であって、本発明の請求項に表す構成を有していれば、同様の効果を得ることができる。

図１は本発明の蓄電池の一実施例を示す概略断面図である。図１に示したように、正極板１の先端部分に合剤層の形成されない上方へ突出する正極芯材部３を設け、負極板２の
合剤層の形成されない先端部分を下方へ突出する負極芯材４を設ける。これら正負極板にセパレータ６を介して渦巻状に巻回した極板群５を形成する。この極板群５の上方へ突出した正極板１の正極芯材部３に正極集電体１０を溶接し、同様に下方へ突出した負極芯材部４に負極集電体１１を溶接する。これらを負極端子を兼ねた金属製ケース7に挿入した後、負極集電体１１と金属製ケース７を溶接する。
次いで、図２〜図７に示したような寸法差吸収部を設けたナイロン６６樹脂製の絶縁リング１２を金属製ケース７に収納した極板群５の上面に載置し、金属製ケース７の側面上部に溝入れ部１３を設ける。この際、絶縁リング１２は極板群５の外周上面と溝入れ部１３の下面に当接される。

次いで、正極端子を兼ねた正極キャップ１４を備えた封口板９を、正極リード８を介して正極集電体１０と電気的に接続し、所定量のアルカリ電解液を金属製ケース７内に注入して、溝入れ部１３の上面に封口板９を載置して金属製ケース７の開口部の周縁部を内方に屈曲させ、かしめ封口して円筒形アルカリ蓄電池を構成する。

（実施例１）
厚さ１．０mmの焼結式ニッケルからなる正極板１の合剤層の形成されない先端部分を上方へ１．５ｍｍ突出する正極芯材部３と、厚さ０．７０ｍｍのペースト式カドミウムからなる負極板２の先端部分を下方へ１．５０ｍｍ突出する負極芯材部４とを、セパレータ６を介して渦巻状に巻回した高さ寸法が５０．８ｍｍの極板群５を構成した。

前記正極板１の先端部分を上方へ突出する正極芯材部３に板厚０．４０ｍｍの低炭素鋼からなる正極集電体１０を溶接し、同様に負極板２の先端部分を下方へ突出する負極芯材部４に板厚０．２０ｍｍの負極集電体１１を溶接した。これらを金属製ケース７に挿入した後、負極集電体１１と金属製ケース７を溶接し、絶縁リング１２を金属製ケース７内の極板群５の上部に載置した。

図２（ａ）に本発明の一実施例である突起部を設けた絶縁リングの斜視図、図２（ｂ）にその断面図を示す。

絶縁リング１２は図２（ａ）、（ｂ）に示したような、内筒部１６とテーパー部１９と水平部１７とからなり、この水平部１７の上面に半円弧状の突起部１５をほぼ等間隔に８ヶ所設けたものを用いた。半円弧状の突起部１５は高さ０．５ｍｍのものを絶縁リング１２の樹脂成形時に設けた。

この絶縁リング１２を極板群５の上面に載置した状態で金属製ケース７の側面上部に溝入れローラーを用いて溝入れ部１３を設けた。このとき半円弧状の突起部１５は金属製ケース７の溝入れ部１３の下面に当接する。絶縁リング１２のテーパー部１９は溝入れ部１３の一部分に当接し、絶縁リング１２のズレを防止する効果も奏する。

次いで、正極キャップ１４を備えた封口板９を正極リード８を介して正極集電体１０と電気的に接続し、所定量のアルカリ電解液を正極集電体１０の中央孔を利用して金属製ケース７内に注入した。

金属製ケース７の溝入れ部１３に封口板９を載置し、かしめ封口して円筒形アルカリ蓄電池を構成した。この円筒形アルカリ蓄電池は、直径３５．０ｍｍ、高さ５６．５mm、公称容量５０００ｍＡｈである。

（実施例２）
絶縁リング１２の突起部１５を２箇所に設けた以外は実施例１と同じように構成した円
筒形アルカリ蓄電池を実施例２とした。

（実施例３）
絶縁リング１２の突起部１５を４箇所に設けた以外は実施例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例３とした。

（実施例４）
絶縁リング１２の突起部１５を１６箇所に設けた以外は実施例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例４とした。

（実施例５）
絶縁リング１２の突起部１５を２４箇所に設けた以外は実施例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例５とした。

（実施例６）
絶縁リング１２の突起部１５を３２箇所に設けた以外は実施例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例６とした。

（実施例７）
図３（ａ）に本発明の一実施例である突起部とスカート状の絶縁部を設けた絶縁リングの斜視図、図３（ｂ）にその断面図を示す。

スカート状の絶縁部１８の金属製ケース７と極板群５の外周部との間隙にはまり込む寸法が１．２ｍｍとなる絶縁部１８を設けた以外は実施例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例７とした。

（実施例８）
絶縁リング１２の突起部１５を２箇所に設け、スカート状の絶縁部１８の金属製ケース７と極板群５の外周部との間隙にはまり込む寸法が１．３ｍｍとなる絶縁部１８を設けた以外は実施例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例８とした。

（実施例９）
絶縁リング１２の突起部１５を４箇所に設け、スカート状の絶縁部１８の金属製ケース７と極板群５の外周部との間隙にはまり込む寸法が１．３ｍｍとなる絶縁部１８を設けた以外は実施例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例９とした。

（実施例１０）
絶縁リング１２の突起部１５を１６箇所に設け、スカート状の絶縁部１８の金属製ケース７と極板群５の外周部との間隙にはまり込む寸法が１．２ｍｍとなる絶縁部１８を設けた以外は実施例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例１０とした。

（実施例１１）
絶縁リング１２の突起部１５を２４箇所に設け、スカート状の絶縁部１８の金属製ケース７と極板群５の外周部との間隙にはまり込む寸法が１．３ｍｍとなる絶縁部１８を設けた以外は実施例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例１１とした。

（実施例１２）
絶縁リング１２の突起部１５を３２箇所に設け、スカート状の絶縁部１８の金属製ケース７と極板群５の外周部との間隙にはまり込む寸法が１．２ｍｍとなる絶縁部１８を設けた以外は実施例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例１２とした。

（実施例１３）
スカート状の絶縁部１８の金属製ケース７と極板群５の外周部との間隙にはまり込む寸法が１．０ｍｍとなる絶縁部１８を設けた以外は実施例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例１３とした。

（実施例１４）
スカート状の絶縁部１８の金属製ケース７と極板群５の外周部との間隙にはまり込む寸法が０．５ｍｍとなる絶縁部１８を設けた以外は実施例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例１４とした。

（実施例１５）
図４（ａ）に本発明の一実施例であるたわみ部を設けた絶縁リングの斜視図、図４（ｂ）にその断面図を示す。

図に示したように、寸法差吸収部としてたわみ部２０を４箇所に設けた以外は実施例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例１５とした。

（実施例１６）
図５（ａ）に本発明の一実施例であるたわみ部とスカート状の絶縁部を設けた絶縁リングの斜視図、図５（ｂ）にその断面図を示す。

図に示したように、寸法差吸収部としてたわみ部２０を４箇所に設け、スカート状の絶縁部１８の金属製ケース７と極板群５の外周部との間隙にはまり込む寸法が１．３ｍｍとなる絶縁部１８を設けた以外は実施例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例１６とした。

（実施例１７）
図６（ａ）に本発明の一実施例である波形状部を設けた絶縁リングの斜視図、図６（ｂ）にその断面図を示す。

図に示したように、寸法差吸収部として波形状部２１を設けた以外は実施例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例１７とした。

（実施例１８）
図７（ａ）に本発明の一実施例である波形状部とスカート状の絶縁部を設けた絶縁リングの斜視図、図７（ｂ）にその断面図を示す。

図に示したように、寸法差吸収部として波形状部２１を設け、スカート状の絶縁部１８の金属製ケース７と極板群５の外周部との間隙にはまり込む寸法が０．５ｍｍとなる絶縁部１８を設けた以外は実施例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を実施例１８とした。

（比較例１）
突起部、たわみ部、波形状部等の寸法差吸収部、およびスカート部がない絶縁リングを用いた以外は、実施例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電池を比較例１とした。

（比較例２）
スカート状の絶縁部の金属製ケースと極板群の外周部との間隙にはまり込む寸法が１．５ｍｍとなる絶縁部を設けた以外は、比較例１と同じように構成した円筒形アルカリ蓄電
池を比較例２とした。

＜評価＞
本実施例１〜１８と比較例１，２における円筒形アルカリ蓄電池を各１０００個構成し、落下衝撃試験前と試験後の電圧差を測定して電圧低下の著しい電池の個数を数えた。落下衝撃試験の条件は、充電状態の電池を１．０ｍの高さから上下方向に各６回、固いコンクリートの表面に落下させるという過酷な条件とし、電圧低下が５０ｍＶ以上の電池を電圧低下品として判定した。
その結果を（表１）に示す。

この（表１）に示すように、絶縁リング１２に寸法差吸収部を設けた実施例１〜１８は、寸法差吸収部を設けなかった比較例１，２と比べて落下衝撃試験後の電圧低下が顕著に少なくなることがわかる。

実施例１〜５によれば、絶縁リング１２の水平部１７に半円弧状の突起部１５を設けることにより、実施例１〜５は落下衝撃試験後の電圧低下は皆無であった。これは絶縁リング１２に設けた突起部１５により落下衝撃時の極板群５の上下方向への衝撃が緩和・吸収されて極板群５の移動が小さくなり、正極集電体１０の傾きやずれ、および絶縁リング１２のずれが抑制されたため、正極集電体１０と金属製ケース７との接触を防止できたためと考えられる。

実施例６は電圧低下品が２個／１０００個（０．２％）発生した。実施例６については突起部１５を３２箇所と多数設けたため、突起部１５を２〜２４箇所設けた実施例１〜５と比べると極板群５の上下方向の衝撃に対する緩和・吸収効果が若干低下したためと考えられる。この電圧低下品の封口部を分解したところ正極リード８が変形しており、絶縁リング１２がずれていることがわかった。過酷な落下衝撃により極板群５が上下方向に激しく移動し正極リード８の変形とともに正極集電体１０がずれ、さらに絶縁リング１２がず
れて、正極集電体１０と金属製ケース７が接触したため電圧が低下したと考えられる。

実施例７〜１２によれば、正極板１の先端部分に合剤層の形成されない上方へ突出する正極芯材部３の寸法（１．５ｍｍ）より小さい寸法のスカート状の絶縁部１８を設けても実施例１〜５と同様の効果が得られることがわかった。突起部１５を３２箇所に設け、且つスカート状の絶縁部１８を設けた実施例１２の落下衝撃試験後の封口部を分解したところ、実施例６と比べて絶縁リング１２がずれていないことがわかった。これは突起部１５を３２箇所と多数設けてもスカート状の絶縁部１８が金属製ケース７と極板群５の外周部との間隙にはまり込む構成であるため、過酷な落下衝撃においても絶縁リング１２のずれが抑制できたためと考えられる。尚、実施例６および１２はナイロン６６樹脂を用いて３２箇所の半円弧状の突起部１５を樹脂成形した場合の結果を示したが、この落下衝撃における寸法差吸収の効果は材質や形状によって異なるため突起部１５の個数が限定されるものではなく、他の材質や形状の場合は３２箇所以上の突起部１５を設けても寸法差吸収部として良好な効果が得られる。例えば寸法差吸収部を設けた絶縁リング１２の材質として、他のポリアミド系合成繊維やポリアミド系合成繊維を含むコンポジット材料、およびポリオレフィン系樹脂、フッ素系樹脂等を用いることができる。

実施例１３，１４によれば、スカート状の絶縁部１８の寸法が０．５ｍｍ〜１．０ｍｍであっても同様の効果が得られることがわかった。

尚、本実施例の突起部１５は半円弧状としたが、柱状としても同様の効果が得られた。

実施例１５〜１８によれば、絶縁リング１２にたわみ部２０または波形状部２１を設けても同様の効果が得られることがわかった。これは、たわみ部２０または波形状部２１に前記した突起部１５と同じ作用効果が得られるからと考えられる。

尚、実施例１５，１６はたわみ部２０をほぼ等間隔に４ヶ所に設けたが、絶縁リング１２の外周縁の全周に設けても同様の効果が得られた。

また、実施例７〜１４，１６，１８によれば、スカート状の絶縁部１８を金属製ケース７と極板群５の外周部との間隙にはまり込む構成とすることにより、さらに絶縁リング１２のずれを小さくできることが落下衝撃試験後の封口部を分解により確認できた。

スカート状の絶縁部１８を設けることにより絶縁リング１２を極板群５の上面に載置した際に絶縁リング１２が浮き上がったり、ずれることがなく挿入性が安定するという生産性に係わる効果も確認できた。さらに、金属製ケース７に溝入れ部１３を形成する溝入れ時に絶縁リング１２がずれるという問題も改善できた。

一方、比較例１および比較例２の電池は落下衝撃試験後の電圧低下品が各々１３個／１０００個（１．３％）、１２個／１０００個（１．２％）となった。比較例１および比較例２については絶縁リングに寸法差吸収部を設けないため、極板群に直接強い衝撃が加わったと考えられる。この電圧低下品の封口部を分解したところ、やはり正極リードの変形とともに正極集電体の傾きやずれが顕著であり、絶縁リングがずれていることが確認できた。極板群の上下方向に繰り返される強い衝撃により正極集電体と金属製ケースが接触し電圧が低下したと考えられる。さらに、正極板の先端部分に合剤層の形成されない上方へ突出する正極芯材部が潰され折れ曲がった状態になっていたことから、極板群の負極上端部と正極集電体が接触した可能性も考えられる。

比較例２によれば、絶縁リングにスカート状の絶縁部を設け金属製ケースと極板群の外周部との間隙にはまり込む寸法を１．５ｍｍとしても、寸法差吸収部を設けなければ落下
衝撃試験後に絶縁リングがずれることがわかった。

また、比較例２の電池を分解したところ、極板群の合剤層の上端部に潰れた痕跡があった。これは金属製ケースと極板群の外周部との間隙にはまり込む寸法が極板群の合剤層の形成されない上方へ突出する正極芯材部と同じ１．５ｍｍであるため、極板群の上下方向に繰り返される落下衝撃時に極板群の合剤層の上端部とこのスカート状の絶縁部が重複しダメージを受けたためと考えられる。

本発明の電池は、落下衝撃や繰り返し振動が加えられる過酷な条件で使用される電動工具をはじめ、動力補助付き自転車や電気自動車などの電源として有用である。

本発明の蓄電池の一実施例を示す概略断面図（ａ）本発明の一実施例である突起部を設けた絶縁リングの斜視図、（ｂ）本発明の一実施例である突起部を設けた絶縁リングの断面図（ａ）本発明の一実施例である突起部とスカート状の絶縁部を設けた絶縁リングの斜視図、（ｂ）本発明の一実施例である突起部とスカート状の絶縁部を設けた絶縁リングの断面図（ａ）本発明の一実施例であるたわみ部を設けた絶縁リングの斜視図、（ｂ）本発明の一実施例であるたわみ部を設けた絶縁リングの断面図（ａ）本発明の一実施例であるたわみ部とスカート状の絶縁部を設けた絶縁リングの斜視図、（ｂ）本発明の一実施例であるたわみ部とスカート状の絶縁部を設けた絶縁リングの断面図（ａ）本発明の一実施例である波形状部を設けた絶縁リングの斜視図、（ｂ）本発明の一実施例である波形状部を設けた絶縁リングの断面図（ａ）本発明の一実施例である波形状部とスカート状の絶縁部を設けた絶縁リングの斜視図、（ｂ）本発明の一実施例である波形状部とスカート状の絶縁部を設けた絶縁リングの断面図

符号の説明

１正極板
２負極板
３正極芯材部
４負極芯材部
５極板群
６セパレータ
７金属製ケース
８正極リード
９封口板
１０正極集電体
１１負極集電体
１２絶縁リング
１３溝入れ部
１４正極キャップ
１５突起部
１６内筒部
１７水平部
１８スカート状の絶縁部
１９テーパー部
２０たわみ部
２１波形状部

Claims

正極板と負極板とをセパレータを介して渦巻状に巻回して構成した極板群と、この極板群の上部外周に金属製ケースとの接触を防止する絶縁リングを備えた電池であって、
この絶縁リングの前記金属製ケース側に対応する面に前記極板群と前記金属製ケースとの間の寸法差を吸収し両者間に前記絶縁リングを当接させる寸法差吸収部を設けた電池。
前記寸法差吸収部として、突起部を設けた請求項１記載の電池。
前記寸法差吸収部として、たわみ部を設けた請求項１記載の電池。
前記寸法差吸収部として、波形状部を設けた請求項１記載の電池。
前記絶縁リングは、この外周縁部に前記金属製ケースと前記極板群の外周部との間隙にはまり込むスカート状の絶縁部を設けた請求項１記載の電池。
正極端子を備えた封口板と、この封口板と電気的に接続された正極集電体と、この正極集電体と接続するための前記極板群の上方へ突出する正極芯材部を有し、
前記スカート状の絶縁部の前記金属製ケースと前記極板群の外周部との間隙にはまり込む寸法を前記極板群の上方の外周部に突出する正極芯材部の合剤層の形成されない寸法より小さくした請求項５記載の電池。