JP2008010242A - 円筒型蓄電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】 負極板と正極板との対向面積が減少しないような位置に巻止用粘着テープを貼り付けるようにして、放電容量の減少や内部抵抗の増加も防止し、かつ巻止用粘着テープの剥がれも防止できるようにする。
【解決手段】 本発明の渦巻状電極群10の最外周は負極板11の一部が露出して外装缶の内面に接しているとともに、正極板12の巻回終端部12aより延出して正極板12の巻回方向の内周側に配置された内側セパレータ13の出代部13aと正極板12の巻回方向の外周側に配置された外側セパレータ14の出代部14aとが配置されており、巻止用粘着テープ15,16の貼り付け始端部は内側セパレータ13の出代部13aである。
【選択図】 図3

Description

本発明は、ニッケル−水素蓄電池、ニッケル−カドミウム蓄電池、リチウムイオン蓄電池などの蓄電池に係り、特に、負極板と正極板とがセパレータを介して渦巻状に巻回された渦巻状電極群の最外周部に巻止用粘着テープが周回して貼着されているとともに、該渦巻状電極群が金属製外装缶内に収容された円筒型蓄電池に関する。
従来、ニッケル−水素蓄電池、ニッケル−カドミウム蓄電池、リチウムイオン蓄電池などの円筒型蓄電池においては、負極板と正極板とをセパレータを介して渦巻状に巻回して渦巻状電極群とし、この渦巻状電極群を負極端子を兼ねた金属製外装缶に挿入し、電解液を注入した後、金属製外装缶の開口部を正極端子を兼ねた封口体により絶縁体を介して封止して形成するようにしていた。このような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形成した渦巻状電極群にあっては、渦巻状電極群の最外周部にポリプロピレン製などの巻止用粘着テープを貼り付けて固定し、巻きほぐれが生じないようにしていた。
上述のような渦巻状電極群においては、通常、渦巻状電極群の最外周がセパレータで覆われた最外周セパレータ構造と、渦巻状電極群の最外周が負極板で覆われた最外周負極構造とがある。この場合、ハイブリッド車(HEV:Hybrid Electric Vehicle)や電気自動車(PEV:Pure Electric Vehicle)等の高出力でハイレートが要求される用途に用いられる蓄電池においては、低抵抗化が必要となる。このため、金属製外装缶の内面に直接負極板が接触する最外周負極構造を採用することが多い。ところで、最外周負極構造の渦巻状電極群を用いた場合、渦巻状電極群の最外周部を固定するために、巻止用粘着テープを最外周に配置された負極板に直接貼り付けて周回させて、巻止固定するようにしていた。
ここで、図5に示すように、巻止用粘着テープ15(16)を直接、負極板11に貼り付けた場合、負極活物質が負極芯体から剥がれやすくなって巻止用粘着テープ15(16)が負極板11から外れやすいという問題点があった。このため、巻止用粘着テープ15(16)の幅を大きくして貼り付ける面積を大きくする必要が生じた。ところが、負極板11に貼り付ける巻止用粘着テープ15(16)の面積を大きくすると、金属製外装缶と最外周負極板との接触面積が減少するようになって、内部抵抗が増加するという新たな問題点が生じるようになった。また、貼り付けた巻止用粘着テープ15(16)の一部が負極板11から外れると、外れた巻止用粘着テープ15(16)が製造設備に張り付き、巻止用粘着テープ15(16)の巻止めができなくなるという問題も生じた。
そこで、巻止用粘着テープの貼り付け位置(貼り付け始端部)を変更することにより、巻止用粘着テープが負極板から外れなくすることが特許文献1(特開2003−168470号公報)にて提案されるようになった。この特許文献1にて提案された巻止用粘着テープ15(16)の貼着法においては、図6に示すように、巻止用粘着テープ15(16)の貼着部位(貼り付け始端部)を活物質が芯体から剥がれにくい正極板12の巻回終端部12aの近傍にしている。これにより、小さい面積で巻止用粘着テープ15(16)を固定できるとともに、必要とする固定強度も確保することが可能となる。
特開2003−168470号公報
ところが、上述の特許文献1にて提案されるように、巻止用粘着テープ15(16)の貼着部位(貼り付け始端部)を正極板の巻回終端部12aの近傍にすると、負極板11と正極板12とが反応する部位に巻止用粘着テープ15(16)が存在することとなる。このため、負極板11と正極板12との対向面積が減少して、放電容量が減少するとともに、内部抵抗も増加するという問題が生じるようになった。
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、負極板と正極板との対向面積が減少しないような位置に巻止用粘着テープを貼り付けるようにして、放電容量の減少や内部抵抗の増加も防止し、かつ巻止用粘着テープの剥がれも防止できるようにすることを目的とする。
本発明の円筒型蓄電池は、負極板と正極板とがセパレータを介して渦巻状に巻回された渦巻状電極群の最外周部に巻止用粘着テープが周回して貼着されているとともに、該渦巻状電極群が金属製外装缶内に収容されている。そして、上記目的を達成するため、渦巻状電極群の最外周は負極板の一部が露出して外装缶の内面に接しているとともに、正極板の巻回終端より延出して正極板の巻回方向の内周側に配置された内側セパレータの出代部と正極板の巻回方向の外周側に配置された外側セパレータの出代部とが配置されており、巻止用粘着テープの貼り付け始端部はいずれかのセパレータの出代部であることを特徴とする。
このように、巻止用粘着テープの貼り付け始端部を内側セパレータの出代部あるいは外側セパレータの出代部のいずれかにすることにより、巻止用粘着テープの貼り付け始端部はセパレータに強固に貼り付けられることとなる。これにより、正極板と負極板との対向面積が減少しないような位置に巻止用粘着テープを貼り付けることが可能となり、放電容量の減少を防止できるようになるとともに、内部抵抗が増加することも防止できるようになる。さらに、巻止用粘着テープはセパレータに強固に貼り付けられるので巻止用粘着テープの剥がれも防止できるようになる。
この場合、巻止用粘着テープの貼り付け始端部は内側セパレータの出代部であり、特に、該貼り付け始端部は内側セパレータの出代部であるとともに、外側セパレータの出代部の一部に被覆されているのが望ましい。また、巻止用粘着テープは耐電解液性のポリオレフィン製テープであるのが望ましく、特に、ポリエチレンテープあるいはポリプロピレンテープであるのが好ましい。
本発明においては、正極板と負極板との対向面積が減少しないような位置に巻止用粘着テープが貼り付けられるので、放電容量の減少や内部抵抗の増加も防止でき、かつ巻止用粘着テープの剥がれも防止できるようになる。
以下に、本発明の円筒型蓄電池をニッケル−水素蓄電池に適用した場合の一実施の形態を図1〜図7に基づいて説明する。なお、図1は正・負極板をセパレータを介して渦巻状に巻回した渦巻状電極群を模式的に示す斜視図である。図2は、図1のA−A断面を模式的に示す断面図である。図3〜図6は、図1のB部の一部を拡大して模式的に示す断面図であり、図3は渦巻状電極群aの要部を拡大して模式的に示す断面図であり、図4は渦巻状電極群bの要部を拡大して模式的に示す断面図であり、図5は渦巻状電極群cの要部を拡大して模式的に示す断面図であり、図6は渦巻状電極群dの要部を拡大して模式的に示す断面図である。図7は図1,図2に示す渦巻状電極群を外装缶内に収納して構成したニッケル−水素蓄電池を模式的に示す断面図である。
1.水素吸蔵合金負極板
Ln(Yを含む希土類元素)、Mg、Ni、Co、Alを所定のモル比の割合で混合した後、これらの混合物をアルゴンガス雰囲気の高周波誘導炉に投入して溶解させた後、冷却し、ついで、得られた水素吸蔵合金の融点よりも100℃低い温度で所定時間の熱処理を行って、組成式がLnaMgbNicCodAleで表される水素吸蔵合金のインゴットを作製した。ついで、得られた水素吸蔵合金の塊を粗粉砕した後、不活性ガス雰囲気中で平均粒径が30μmになるまで機械的に粉砕して、水素吸蔵合金粉末を作製した。
この後、得られた水素吸蔵合金粉末100質量部に対し、非水溶性結着剤としてのSBR(スチレンブタジエンラテックス)を1.0質量部と水(あるいは純水)を加え、水素吸蔵合金スラリーを作製した。ついで、多孔基板からなるNiメッキ軟鋼材製の負極芯体11aに充填密度が5.0g/cm3となるように水素吸蔵合金スラリーを塗着し、乾燥させた後、所定の厚みになるように圧延した。この後、所定の寸法になるように切断して、水素吸蔵合金負極板11を作製した。
2.ニッケル正極板
多孔度が約85%の多孔性ニッケル焼結基板を比重が1.75の硝酸ニッケルと硝酸コバルトの混合水溶液に浸漬して、多孔性ニッケル焼結基板の細孔内にニッケル塩およびコバルト塩を保持させた。この後、この多孔性ニッケル焼結基板を25質量%の水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液中に浸漬して、ニッケル塩およびコバルト塩をそれぞれ水酸化ニッケルおよび水酸化コバルトに転換させた。
ついで、充分に水洗してアルカリ溶液を除去した後、乾燥を行って、多孔性ニッケル焼結基板の細孔内に水酸化ニッケルを主成分とする活物質を充填した。このような活物質充填操作を所定回数(例えば6回)繰り返して、多孔性焼結基板の細孔内に水酸化ニッケルを主体とする活物質の充填密度が2.5g/cm3になるように充填した。この後、室温で乾燥させた後、所定の寸法に切断してニッケル正極板12を作製した。
3.渦巻状電極体
このようにして作製された水素吸蔵合金負極板11とニッケル正極板12とを、ポリプロピレン製不織布からなるセパレータ13,14を介して、セパレータ13,14を中心にして水素吸蔵合金負極板11とニッケル正極板12とが上下方向に若干ずれるようにして、即ち、水素吸蔵合金負極板11の下端部が下部に若干突出するとともに、ニッケル正極板12の上端部が上部に若干突出するようにし、かつ最外周が水素吸蔵合金負極板11となるように渦巻状に巻回して渦巻状電極群10を作製した。
この場合、渦巻状電極群10の下部には水素吸蔵合金負極板11の芯体露出部11cが露出しており、その上部にはニッケル正極板12の芯体露出部12cが露出している。また、図1に示すように、渦巻状電極群の最外周は負極板11の一部が露出しているとともに、正極板12の巻回終端部12aより延出して正極板12の内周側に配置された内側セパレータ13の出代部13aと正極板12の外周側に配置された外側セパレータ14の出代部14aとが配置されている。ついで、これらの渦巻状電極群10の上部および下部の最外周の全周に亘って巻止用粘着テープ15,16を貼り付けて、渦巻状電極群10の外周面の上部および下部を固着した。なお、巻止用粘着テープ15,16は、基材はポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン製の樹脂フィルムからなり、幅が10mmに形成されていて、その一面には粘着材(例えば、ゴム系粘着材)が塗布されている。
ここで、図3に示すように、巻止用粘着テープ15,16を周回して貼り付けるための始端部が内側セパレータ13の出代部(正極板12の巻回終端部12aより延出した部分)13aとなるように貼り付け、最外周の全周に亘って周回するよう被着させた渦巻状電極群10を電極群aとした。また、図4に示すように、巻止用粘着テープ15,16を周回して貼り付けるための始端部が電極群aと同様に内側セパレータ13の出代部(正極板12の巻回終端部12aより延出した部分)13aとなるように貼り付けるとともに、該部の上部が外側セパレータ14の出代部(正極板12の巻回終端部12aより延出した部分)14aの一部に被覆されるようにして、最外周の全周に亘って周回するよう被着させた渦巻状電極群10を電極群bとした。
また、図5に示すように、巻止用粘着テープ15,16を周回して貼り付けるための始端部が最外周の負極板11の巻回終端部より若干手前(負極板11の巻回終端部より15mmだけ手前の位置)となるように貼り付け、最外周の全周に亘って周回するよう被着させた渦巻状電極群10を電極群cとした。さらに、図6に示すように、巻止用粘着テープ15,16を周回して貼り付けるための始端部が正極板12の巻回終端部12aより若干手前(正極板12の巻回終端部12aより15mmだけ手前の位置)となるように貼り付け、その上部が外側セパレータ14の一部に被覆されるようにして、最外周の全周に亘って周回するよう被着させた渦巻状電極群10を電極群dとした。
4.テープ剥がれの不良率
ここで、上述のように、渦巻状電極群10の上部および下部の最外周の全周に亘って巻止用粘着テープ15,16を貼り付けた際に、巻止用粘着テープ15,16の剥がれ率を求めると、下記の表1に示すような結果が得られた。
Figure 2008010242
上記表1の結果から明らかなように、電極群aの巻止用粘着テープ15,16の剥がれの不良率は、電極群cより減少していて、電極群dと同等であることが分かる。また、巻止用粘着テープ15,16を周回して貼り付けるための始端部の位置を変更して、内側セパレータ13の出代部13aで上部が外側セパレータ14の一部で被覆されるように貼り付けられた電極群bの巻止用粘着テープ15,16の剥がれの不良率は電極群aよりもさらに向上していることが分かる。このように、巻止用粘着テープ15,16を周回して貼り付けるための始端部の貼り付け位置を変更することで、活物質の芯体からの剥がれによる巻止用粘着テープ15,16の外れが防止できるようになることが分かる。
5.ニッケル−水素蓄電池
ついで、上述のようにして得られた渦巻状電極群10の下端面に露出する水素吸蔵合金負極板11の芯体露出部11cに負極集電体17を溶接するとともに、渦巻状電極群10の上端面に露出するニッケル正極板12の芯体露出部12cの上に正極集電体18を溶接した。この後、正極集電体18の上部に円筒状の正極用リード19を溶接した。なお、円筒状の正極用リード19には、正極集電体18の溶接電極挿入用の中心開口18aに対応する位置にこの開口18aに連通する開口19aが形成されている。
ついで、鉄にニッケルメッキを施した有底筒状の外装缶(底面の外面は負極外部端子となる)21内に収納した後、開口19aおよび中心開口18aを通して図示しない溶接電極を挿入し、水素吸蔵合金負極板11に溶接された負極集電体17を外装缶21の内底面に溶接した。ついで、外装缶21の上部内周側に防振リング24を挿入し、外装缶21の上部外周側に溝入れ加工を施して防振リング24の上端部に環状溝部21aを形成した。この後、外装缶21内に30質量%の水酸化カリウム(KOH)水溶液からなるアルカリ電解液を注入した。
さらに、この外装缶21の開口部の上部に、封口板22aの底面が正極用リード19の円筒部分に接触するように配置した。ここで、封口板22aの上部には正極キャップ(正極外部端子)22bが設けられており、この正極キャップ22b内には弁板22cとスプリング22dからなる弁体を備えており、封口板22aの中央にはガス抜き孔が形成されており、封口板22aと正極キャップ22bとで封口体22が形成されている。ついで、正極キャップ(正極外部端子)22bの上面に一方の溶接電極(図示せず)を配置するとともに、外装缶21の底面(負極外部端子)の下面に他方の溶接電極(図示せず)を配置した。
この後、これらの一対の溶接電極間に所定の圧力を加えながら、これらの溶接電極間に電池の放電方向に所定の電圧を印加し、所定のパルス電流を流す通電処理を施した。この通電処理により、封口板22aの底面と正極用リード19の周側縁との接触部分が溶接されることとなる。このように、一対の溶接電極間に所定の圧力を加えながら、これらの溶接電極間に電圧を印加して、通電処理を施すことにより、円筒状の正極用リード19の高さ寸法にばらつきがあっても、円筒状の正極用リード19の周側縁と封口板22aの底面との間に接触点を形成することが可能となる。これにより、溶接強度に優れた溶接部を形成することができるようになる。
ついで、封口体22の封口板22aの周縁に絶縁ガスケット23を嵌着させ、プレス機を用いて封口体22に加圧力を加えて、絶縁ガスケット23の下端が外装缶21の上部外周に設けられた環状溝部21aの位置になるまで封口体22を外装缶21内に押し込む。この後、外装缶21の開口端縁21bを内方にかしめて電池を封口することにより、公称容量が6AhでDサイズのニッケル−水素蓄電池20(A,B,D)をそれぞれ組み立てた。なお、この封口時の加圧力により、円筒状の正極用リード19は押しつぶされ、その断面形状は円形が押しつぶされた楕円形状となる。ここで、電極群aを用いたものを電池Aとし、電極群bを用いたものを電池Bとし、電極群dを用いたものを電池Dとした。この場合、水素吸蔵合金負極板11とニッケル正極板12との対向面積は電池A,Bにおいては100%であるが、電池Dにおいては98.8%であった。
6.放電容量および内部抵抗の測定
ついで、上述のようにして作製した電池A,B,Dを用いて、まず、25℃の温度雰囲で、1Itの充電々流でSOC(State Of Charge:充電深度)の120%まで充電し、1時間休止した。ついで、25℃の温度雰囲で0.2Itの放電々流で電池電圧が0.3Vになるまで放電させ、1時間休止した。このような充電→休止→放電→休止のサイクルを10サイクル繰り返して、これらの各電池A,B,Dを活性化した。活性化終了後、25℃の温度雰囲で、1Itの充電電流でSOC(State Of Charge :充電深度)の120%まで充電した後、1時間休止した後、1Itの放電々流で電池電圧が0.9Vになるまで放電させて、放電時間から放電容量(Ah)を求めた。
一方、活性化終了後、25℃の温度雰囲で、1Itの充電電流で30分間充電した後、1時間休止した。この後、任意の放電レートで10秒間放電させた後、30分間休止させた後、放電相当量だけ充電させ、30分間休止させた。このような任意の放電レートでの10秒間放電、30分の休止、放電相当量だけ充電、30分の休止を繰り返した。この場合、任意の放電レート(充電レート)は、6.7It→13.3It→20It→26.7It→33.3Itの順で放電電流(充電電流)を増加させ、各放電レートで10秒間経過時点での各電池A,B,Dの電圧(V)を各電流毎にそれぞれ測定した。
ここで、各放電レートを横軸(x軸)にプロットし、得られた電圧(V)を縦軸(y軸)にプロットして、V−I特性を求め、求めたV−I特性を最小二乗法で直線回帰し、その傾きを内部抵抗(mΩ)として求めた。そして、上述のようにして求めた放電容量(Ah)および内部抵抗(mΩ)において、電池Aの放電容量(Ah)および内部抵抗(mΩ)をそれぞれ100として、他の電池B,Dの放電容量(Ah)および内部抵抗(mΩ)をそれとの相対比率(%)で求めると、下記の表2に示すような結果となった。
Figure 2008010242
上記表2の結果から明らかなように、電池A,Bにおいては、負極板11と正極板12との対向面積が100%で、かつ放電容量や直流抵抗(内部抵抗)は100%であるのに対して、電池Dにおいては、負極板11と正極板12との対向面積が98.8%で、かつ放電容量は99.0%で直流抵抗(内部抵抗)は102.0%で、電池A,Bよりも対向面積が減少して、放電容量が減少し、かつ内部抵抗が増加していることが分かる。
これは、電池A,Bにおいては、負極板11と正極板12との対向面積が減少しないような位置に巻止用粘着テープ15(16)が貼り付けられているので、放電容量の減少や内部抵抗の増加も防止できるようになったと考えられる。一方、電池Dにおいては、正極板12の巻回終端部12aの近傍上に巻止用粘着テープ15(16)が貼り付けられているので、負極板11と正極板12との対向面積が減少し、これにより、放電容量が減少し、内部抵抗が増加したと考えられる。
以上に詳述したように、本発明においては、巻止用粘着テープ15(16)の貼り付け始端部を内側セパレータ13の出代部13aにしているので、巻止用粘着テープ15(16)の貼り付け始端部はセパレータ13に強固に貼り付けられることとなる。これにより、負極板11と正極板12との対向面積が減少しないような位置に巻止用粘着テープ15(16)を貼り付けることが可能となり、放電容量の減少を防止できるようになるとともに、内部抵抗が増加することも防止できるようになる。さらに、巻止用粘着テープ15(16)はセパレータ13に強固に貼り付けられるので巻止用粘着テープ15(16)の剥がれも防止できるようになる。
なお、上述した実施の形態においては、巻止用粘着テープ15(16)を渦巻状電極群10の上部と下部に周回して貼り付ける例について説明したが、巻止用粘着テープの貼り付け本数は2本に限らず、高さ方向の中央部に1本だけ貼り付けるようにしても、あるいは3本以上の巻止用粘着テープを高さ方向に等間隔に貼り付けるようにしてもよい。
また、上述した実施の形態においては、本発明をニッケル−水素蓄電池に適用する例について説明したが、本発明はニッケル−水素蓄電池以外にも、ニッケル−カドミウム蓄電池、リチウムイオン蓄電池などの他の円筒型蓄電池に適用しても同様の効果が得られることは明らかである。
正・負極板をセパレータを介して渦巻状に巻回した渦巻状電極群を模式的に示す斜視図である。 図1のA−A断面の主要部を模式的に示す断面図である。 渦巻状電極群aの要部(図1のB部の一部を拡大したもの)を模式的に示す断面図である。 渦巻状電極群bの要部(図1のB部の一部を拡大したもの)を模式的に示す断面図である。 渦巻状電極群cの要部(図1のB部の一部を拡大したもの)を模式的に示す断面図である。 渦巻状電極群dの要部(図1のB部の一部を拡大したもの)を模式的に示す断面図である。 図1,図2に示す渦巻状電極群を外装缶内に収納して構成したニッケル−水素蓄電池を示す断面図である。
符号の説明
10…渦巻状電極群、11…水素吸蔵合金負極板、11a…負極芯体、11c…芯体露出部、12…ニッケル正極板、12a…巻回終端部、12c…芯体露出部、13…内側セパレータ、13a…出代部、14…外側セパレータ、14a…出代部、15,16…巻止用粘着テープ、17…負極集電体、18…正極集電体、18a…中心開口、20…ニッケル−水素蓄電池、21…外装缶、21a…環状溝部、21b…開口端縁、22…封口体、22a…封口板、22b…正極キャップ、22c…弁板、22d…スプリング、23…絶縁ガスケット、24…防振リング

Claims (5)

  1. 負極板と正極板とがセパレータを介して渦巻状に巻回された渦巻状電極群の最外周部に巻止用粘着テープが周回して貼着されているとともに、該渦巻状電極群が金属製外装缶内に収容された円筒型蓄電池であって、
    前記渦巻状電極群の最外周は前記負極板の一部が露出して前記外装缶の内面に接しているとともに、前記正極板の巻回終端より延出して前記正極板の巻回方向の内周側に配置された内側セパレータの出代部と前記正極板の巻回方向の外周側に配置された外側セパレータの出代部とが配置されており、
    前記巻止用粘着テープの貼り付け始端部は前記いずれかのセパレータの出代部であることを特徴とする円筒型蓄電池。
  2. 前記巻止用粘着テープの貼り付け始端部は前記内側セパレータの出代部であることを特徴とする請求項1に記載の円筒型蓄電池。
  3. 前記巻止用粘着テープの貼り付け始端部は前記内側セパレータの出代部であるとともに、前記外側セパレータの出代部の一部に被覆されていることを特徴とする請求項2に記載の円筒型蓄電池。
  4. 前記巻止用粘着テープは耐電解液性のポリオレフィン製テープであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の円筒型蓄電池。
  5. 前記ポリオレフィン製テープはポリエチレンテープあるいはポリプロピレンテープであることを特徴とする請求項4に記載の円筒型蓄電池。
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