JP2015220118A - アルカリ二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】外装缶と正極とが接触して生じる内部短絡を防止することができるアルカリ二次電池を提供する。【解決手段】ニッケル水素二次電池１は、外装缶２と、正極端子２２が電気的に接続されており外装缶２の開口を封口する封口体１４と、正極６及び負極８がセパレータ１０を介して積層され渦巻き状に巻回されてなり、外装缶２内にアルカリ電解液とともに収容された電極群４と、封口体１４と電極群４との間に介装され、正極端子２２と正極６とを通電する正極集電体２８とを備え、正極集電体２８は、接続円板２７を有し、電極群４は、接続円板２７に対向する正極６の端縁部が接続円板側に突出した上端縁部３２を有し、正極６の最外周部以外の部分の上端縁部３２が接続円板２７に抵抗溶接され、正極６の最外周部の最外周端縁部Ｚが絶縁材５０で覆われている。【選択図】図１

Description

本発明は、アルカリ二次電池に関する。

アルカリ二次電池の一種として円筒型のニッケル水素二次電池が知られている。このニッケル水素二次電池は、セパレータを間に挟んだ状態で重ね合わされた正極及び負極が渦巻き状に巻回されて形成された電極群が、負極端子を含む有底円筒状の外装缶にアルカリ電解液とともに収容され、この外装缶の上端開口が、正極端子を備えた蓋板で密封されることにより形成される。このようなニッケル水素二次電池は、近年、携帯電話、電動工具、電気自動車等の電源として広く使用されるようになっている。

ここで、電動工具等に用いられる電池においては、大電流を効率良く出力できるように、良好な高率放電特性を備えていることが望まれる。このような良好な高率放電特性を得るためには、電池の内部抵抗をなるべく低くする必要がある。そこで、電池の内部抵抗を低くするために、正極集電体を介在させて正極と正極端子とを電気的に接続する対策がとられている。このような正極集電体を備える電池としては、例えば、特許文献１の電池が知られている。

特許文献１に代表される電池では、円板形状の接続円板と、この接続円板に一体的に形成されている帯状の正極リードとを備えた正極集電体が用いられる。このような正極集電体においては、接続円板が、電極群の一端側から突出している正極の突出端縁部に接合され、正極リードが蓋板と接合される。上記した蓋板は、正極端子と電気的に接続されているので、正極と正極端子とは、正極集電体及び蓋板を介して電気的に接続される。このように、正極集電体の接続円板と、突出した正極の突出端縁部とは比較的広い範囲で接触しているので、電池の内部抵抗は低くなるため、高率放電特性が良好な状態となる。

ここで、正極集電体の接続円板は、負極端子を含む外装缶の内壁と接触することを避けるために、通常、接続円板の外径寸法は電極群の外径寸法よりも小さい値に設定され、正極の最外周部以外の部分の突出端縁部、即ち、正極の最外周部の突出端縁部よりも電極群の径方向内側に位置する突出端縁部（以下、内側端縁部という）とのみ接合される。

正極集電体の接続円板と正極の突出端縁部との接合は、抵抗溶接により行われる。詳しくは、正極集電体の接続円板が、電極群の一端側から突出している正極の突出端縁部のうち、内側端縁部の上に載置されるとともに電極群の軸線方向に沿って電極群側に向かって強い力で押圧され、この状態で接続円板と正極との間に通電が行われ溶接がなされる。

特開昭６３−４５６２号公報

上記したような電極群においては、正極の内側端縁部は正極集電体の接続円板に溶接されているので固定される。しかし、正極における内側端縁部を除いた突出端縁部、すなわち、正極の最外周部の突出端縁部（以下、最外周端縁部という）は正極集電体の接続円板に溶接されていないので、内側端縁部に比べて多少動き易い。このため、正極の最外周端縁部に何らかの力が加わり、最外周端縁部が変形して外装缶と接触すると内部短絡を起こすおそれがある。また、上記した抵抗溶接の際、正極集電体の接続円板が強い力で押圧されると、電極群の軸線方向に力が加わり、それにともない電極群は径方向外側に向かってわずかに変形する。このような変形が起こると、正極の最外周端縁部は電極群の径方向外側へ向かって僅かに倒れる。このよう状態の電極群を外装缶内に挿入すると、正極の最外周端縁部が外装缶の内壁と接触することがあるため、電池の内部短絡が起こるおそれがある。

本発明は、上記の事情に基づいてなされたものであり、その目的とするところは、外装缶と正極とが接触して生じる内部短絡を防止することができるアルカリ二次電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、負極端子を含む有底円筒状の外装缶と、正極端子が電気的に接続されており前記外装缶の上端開口を封口している封口体と、正極及び負極がセパレータを介して積層され渦巻き状に巻回されてなり、前記外装缶内にアルカリ電解液とともに収容された円柱状の電極群と、前記封口体と前記電極群との間に介装され、前記正極端子と前記正極とを通電する正極集電体と、を備え、前記正極集電体は、円板形状の接続円板を有し、前記電極群は、前記接続円板に対向する前記正極の端縁部が前記接続円板側に突出した突出端縁部を有し、前記正極の最外周部以外の部分の前記突出端縁部が前記接続円板に抵抗溶接され、前記正極の最外周部の前記突出端縁部が絶縁材で覆われている、アルカリ二次電池が提供される。

好ましくは、前記正極の最外周部以外の部分の前記突出端縁部は、両側面が絶縁材で覆われている構成とする。

また、前記突出端縁部は、その全域に沿って延びる帯状の金属薄板を含んでいる構成とすることが好ましい。

本発明に係るアルカリ二次電池においては、正極の最外周部の突出端縁部が絶縁材で覆われているので、正極の最外周部の突出端縁部が外装缶と接触したとしても内部短絡の発生を防止することができる。

本発明に係る円筒形のニッケル水素二次電池を部分的に破断して示した断面図である。 図１の円II内を概略的に拡大して示した断面図である。 図１のニッケル水素二次電池に組み込まれている正極を展開した状態で概略的に示した平面図である。

以下、本発明に係るアルカリ二次電池を、図面を参照して説明する。
本発明が適用される一実施形態のアルカリ二次電池として、例えば、図１に示すＡＡサイズの円筒型ニッケル水素二次電池（以下、電池という）１に本発明を適用した場合を例に説明する。

図１に示すように、電池１は、上端が開口した有底円筒形状をなす外装缶２を備え、外装缶２は導電性を有し、その底壁３８は負極端子として機能する。外装缶２の中には、所定量のアルカリ電解液（図示せず）とともに電極群４が収容されている。

外装缶２の開口は封口体１４によって閉塞されている。封口体１４は、導電性を有する円板形状の蓋板１６、この蓋板１６上に配設された弁体２０及び正極端子２２を含んでいる。蓋板１６の外周部には、この蓋板１６を囲むようにリング形状の絶縁パッキン１８が配置され、絶縁パッキン１８及び蓋板１６は外装缶２の開口縁１７をかしめ加工することにより外装缶２の開口縁１７に固定されている。即ち、蓋板１６及び絶縁パッキン１８は互いに協働して外装缶２の開口を封口している。ここで、蓋板１６は、中央に中央貫通孔１６ａを有し、そして、蓋板１６の外面上には、中央貫通孔１６ａを閉塞するようにゴムと金属板とを張り合わせた弁体２０が配置されている。更に、蓋板１６の外面上には弁体２０を覆うようにフランジ付きの円筒形状の正極端子２２が電気的に接続されている。この正極端子２２内には、弁体２０を蓋板１６に向けて付勢する圧縮コイルばね２４が収容されている。なお、この正極端子２２には、図示しないガス抜き孔が開口されている。

通常時、中央貫通孔１６ａは弁体２０によって気密に閉じられている。一方、外装缶２内にガスが発生し、その内圧が高まれば、弁体２０を介して圧縮コイルばね２４は内圧によって圧縮され、中央貫通孔１６ａが開かれ、この結果、外装缶２内から中央貫通孔１６ａ及び正極端子２２のガス抜き孔を介して外部にガスが放出される。つまり、中央貫通孔１６ａ、弁体２０及び正極端子２２のガス抜き孔は電池のための安全弁を形成している。

電極群４は、それぞれ帯状の正極６、負極８及びセパレータ１０からなり、これら正極６、負極８及びセパレータ１０に含浸したアルカリ電解液を介して正極６及び負極８の間で充放電反応を進行させる。

電極群４は、正極６と負極８の間にセパレータ１０が挟み込まれた状態で渦巻状に巻回されてなり、円柱状をなしている。

負極８は、帯状をなす導電性の負極芯体４０を有し、この負極芯体４０に負極合剤４２が保持されている（図２参照）。

負極芯体４０は、その厚さ方向に貫通する貫通孔(図示せず)が多数分布された帯状の金属材からなり、例えば、パンチングメタルシートを用いることができる。負極合剤４２は、負極芯体４０の貫通孔内に充填されるばかりでなく、負極芯体４０の両面上にも層状にして保持されている。

負極合剤４２は、水素吸蔵合金の粒子、導電材、結着剤等を含む。ここで、水素吸蔵合金は、負極活物質である水素を吸蔵及び放出可能な合金であり、ニッケル水素二次電池に一般的に用いられている水素吸蔵合金が好適に用いられる。上記した結着剤は水素吸蔵合金の粒子及び導電材を互いに結着させると同時に負極合剤４２を負極芯体４０に結着させる働きをなす。ここで、導電材及び結着剤としては、ニッケル水素二次電池に一般的に用いられているものが好適に用いられる。

負極８は、図１に示すように、電極群４の下端側において、負極８の下端縁部３４が、隣接する正極６よりも突出している。つまり、負極８の下端縁部３４は、電極群４の下端側において渦巻き状に突出している。

また、負極８は、例えば、以下のようにして製造することができる。
まず、水素吸蔵合金粒子からなる水素吸蔵合金粉末、導電材、結着剤及び水を混練して負極合剤４２のスラリーを調製する。得られた負極合剤４２のスラリーは負極芯体４０に塗着され、乾燥させられる。乾燥後、水素吸蔵合金粒子等を含む負極合剤４２が付着した負極芯体４０はロール圧延及び裁断が施され、これにより負極８が得られる。

次に、正極６について説明する。
正極６は、図２に示すように、多孔質構造をなし多数の空孔を有する導電性の正極基材４４と、前記した空孔内及び正極基材４４の表面に保持された正極合剤と、正極基材４４の端部に取り付けられた金属薄板４６とを含む。

正極基材４４としては、例えば、発泡ニッケル（ニッケルフォーム）を用いることができる。

正極合剤は、正極活物質粒子としての水酸化ニッケル粒子、導電剤としてのコバルト化合物、結着剤等を含んでいる。
金属薄板４６としては、例えば、ニッケルリボン等を用いることができる。

正極６は、図１から明らかなように、電極群４の上端側において、正極６の上端縁部（突出端縁部）３２が、隣接する負極８よりも突出している。つまり、正極６の上端縁部３２は、電極群４の上端側において渦巻き状に突出している。

ここで、正極６の上端縁部３２は、図２に示すように、正極基材４４の上部が厚さ方向（図２中矢印Ａで示す方向）に圧縮されて形成された圧縮部４４ａと、この圧縮部４４ａに接合された金属薄板４６とを含んでいる。なお、この圧縮部４ａにおいては、溶接をし易くするため正極合剤を予め除去することが好ましい。

上記した圧縮部４４ａにおいては、図２から明らかなように、正極基材４４の第１面４４ｂと、圧縮部４４aの接合面４４ｃとの間に所定長さＸの段差が生じる。また、圧縮部４４ａは、図３に示すように、矢印Ｂで示す正極６の長手方向の全域に亘って延びているとともに、矢印Ｃで示す正極６の上下方向（幅方向）に沿う方向に所定長さＹの幅を有している。

金属薄板４６は、断面矩形の帯状体であり、厚さ寸法が上記した段差の長さＸと等しい長さを有し、長手方向の寸法が正極６の長手方向の長さと等しく、幅方向の寸法が圧縮部４４ａの幅の長さＹと等しく設定されている。これにより、金属薄板４６は、上記した段差に合致する。

このような金属薄板４６が圧縮部４４ａに接合されると、正極６の上端縁部３２は補強されるので好ましい。

本発明においては、正極６の上端縁部３２のうち、図３中の参照符号Ｚで示される正極６の最外周の一巻き分の範囲に相当する部分（以下、最外周端縁部Ｚという）が、絶縁材５０により覆われている。最外周端縁部Ｚにおいては、図２に示すように、正極６の上端縁部３２の頂面３２ａ及び両側面（第１面３２ｂ及び第２面３２ｃ）の全体が絶縁材５０で覆われている。一方、図３に示すように、最外周端縁部Ｚを除いた部分、即ち、最外周端縁部Ｚよりも電極群４の径方向内側に位置する範囲に相当する部分（以下、内側端縁部Ｗという）については、絶縁材５０で全体を覆うことは行わない。内側端縁部Ｗにおいては、少なくとも上端縁部３２の頂面３２ａは露出した状態とする。なお、図３において、参照符号５２は正極６の巻き始め端部を示し、参照符号５４は正極６の巻き終わり端部を示す。そして、正極６が電極群４に組み込まれた際、巻き始め端部５２側が電極群４の径方向内側に位置し、巻き終わり端部５４側が電極群４の径方向外側に位置する。

ここで、上端縁部３２の第１面３２ｂ及び第２面３２ｃについては、部分的に絶縁材５０で覆うことは可能である。また、図２や図３に示すように、圧縮部４４ａの下端よりも下方に位置する範囲もこの絶縁材５０で被覆することは可能である。このような態様とした場合、正極６の絶縁性が高められ、隣接する負極８との内部短絡をより防止することができるので好ましい。

ここで、上記した絶縁材５０としては、特に限定されるものではないが、例えば、ポリプロピレン製の絶縁保護テープが挙げられる。

正極６は、例えば、以下のようにして製造することができる。
まず、水酸化ニッケル粒子からなる正極活物質粉末、導電材、水及び結着剤を含む正極合剤のスラリーを調製する。得られた正極合剤のスラリーは、例えばニッケルフォームに充填され、乾燥させられる。乾燥後、水酸化ニッケル粒子等を含む正極合剤が充填されたニッケルフォームは、ロール圧延されてから裁断され、矩形状をなす正極の中間製品とされる。その後、この中間製品は、長手方向の一方の端縁部の全域に亘り厚さ方向への圧縮加工が施され、圧縮部４４ａが形成される。なお、この圧縮部４４ａを形成するのに先立ち、圧縮部４４ａの形成予定箇所に超音波振動を与えて、その部分に保持される正極合剤を除去しておくことが好ましい。

その後、圧縮部４４ａに上記した金属薄板４６としてのニッケルリボンが溶接され上端縁部３２が形成される。次いで、この上端縁部３２のうち、最外周端縁部Ｚに相当する部分の全体に絶縁材５０としてのポリプロピレン製の絶縁保護テープを貼付する。これにより、正極６が得られる。なお、内側端縁部Ｗにも絶縁保護テープを貼付することは可能であるが、この場合、内側端縁部Ｗにおける第１面３２ｂ及び第２面３２ｃの一部について絶縁保護テープを貼付し、頂面３２ａは露出させておく。

次に、セパレータ１０としては、例えば、ポリアミド繊維製不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン繊維製不織布に親水性官能基を付与したものを用いることができる。

ここで、図１から明らかなように、セパレータ１０についても、電極群４の一端側（図１中上側）及び他端側（図１中下側）に突出するようにする。セパレータ１０の突出長さは、正極６の上端縁部３２及び負極８の下端縁部３４のそれぞれの突出長さの半分程度である。これにより、互いに隣接する正極６及び負極８同士の接触による短絡の発生を有効に防止できる。なお、セパレータ１０としては、上記したような突出長さを確保できるようなサイズの帯状体が準備される。

以上のようにして作製された正極２４及び負極２６は、上記したセパレータ２８を介在させた状態で、渦巻き状に巻回され、これにより電極群２２が形成される。詳しくは、巻回の際、正極６及び負極８は、互いに、電極群４の軸線方向に沿う方向に僅かにずらされて配置されるとともに、これら正極６及び負極８の間には、上記した所定サイズのセパレータ１０が所定位置に配置され、この状態で巻回作業が行われる。その結果、図１に示すような円柱状の電極群４が得られる。得られた電極群４の態様としては、電極群４の一端側（図１中上側）においては、正極６の上端縁部３２が、隣接する負極８よりも突出し、電極群４の他端側（図１中下側）においては、負極８の下端縁部３４が、隣接する正極６よりも突出している。更に、セパレータ１０も、電極群４の一端側（図１中上側）及び電極群４の他端側（図１中下側）のそれぞれにおいて、正極６の上端縁部３２及び負極８の下端縁部３４の突出長さの半分程度の長さだけ突出している。なお、正極６の上端縁部３２においては、最外周端縁部Ｚの全体が絶縁材５０で覆われており、内側端縁部Ｗは少なくとも頂面３２ａが露出している。

以上のような電極群４においては、一端側（図１中上側）に正極集電体２８が接続されており、他端側（図１中下側）に負極集電体３６が接続されている。

ここで、まず、負極集電体３６について説明する。
負極集電体３６は、金属製の円板からなる。この負極集電体３６の外径寸法は、電極群４の外径寸法と略等しい。この負極集電体３６は、図１に示すように、電極群４の他端側にて渦巻き状に突出している負極８の下端縁部３４の全域に亘り、例えば、抵抗溶接が施され電気的に接続されている。

次に、正極集電体２８について説明する。
正極集電体２８は、全体が導電性材料からなり、円板状の接続円板２７と、この接続円板２７に一体的に形成されている正極リード２６とを有している。
接続円板２７は、電極群４の外径寸法よりも小さい外径寸法を有しており、図１に示すように、渦巻き状に突出した上端縁部３２の内側端縁部Ｗの部分にのみ合致する大きさの円板である。そして、この接続円板２７は、正極６の上端縁部３２の内側端縁部Ｗにのみ、例えば、抵抗溶接により電気的に接続されている。つまり、接続円板２７は、最外周端縁部Ｚとは接触していない。

以上のように、正極集電体２８及び負極集電体３６が取り付けられた電極群４は、外装缶２内に収容される。そして、負極集電体３６と外装缶２の底壁とが抵抗溶接され、負極８と負極端子３８とは電気的に接続される。なお、電極群４の最外周部は、セパレータ１０で覆われておらず、負極８の一部（最外周部）により形成されているので、負極８は、外装缶２の内周壁とも接触している。即ち、負極８は、この最外周部においても外装缶２（負極端子３８）と電気的に接続されている。

一方、接続円板２７から延びる正極リード２６の先端は、封口体１４の蓋板１６に抵抗溶接され、電気的に接続されている。これにより、正極６と正極端子２２とは電気的に接続されることになる。

このように電極群４を収容した外装缶２内には、引き続きアルカリ電解液が所定量注入される。その後、外装缶２は、封口体１４により封口され、これにより本発明に係る電池１が得られる。得られた電池１は、初期活性化処理が施されて使用可能状態とされる。

以上のようにして得られた本発明に係る電池１は、上記したように、正極６の上端縁部３２が突出しており、この上端縁部３２のうち、内側端縁部Ｗのみが正極集電体２８の接続円板２７と溶接されており、接続円板２７と溶接されていない最外周端縁部Ｚは絶縁材５０で覆われている。このため、正極６の上端縁部３２のうち最外周端縁部Ｚに何らかの力が加わり、上端縁部３２の最外周端縁部Ｚが外装缶２の内壁と接触したとしても絶縁材５０の働きにより内部短絡の発生を有効に防止することができる。

なお、本発明は上記した一実施形態に限定されることはなく、種々の変形が可能であって、例えば、電池の種類は、ニッケル水素二次電池に限定されず、ニッケル−カドミウム二次電池、リチウムイオン二次電池等であってもよい。

１ ニッケル水素二次電池
２ 外装缶
４ 電極群
６ 正極
８ 負極
１０ セパレータ
１４ 封口体
１８ 絶縁パッキン
２２ 正極端子
２６ 正極リード
２７ 接続円板
２８ 正極集電体
３２ 上端縁部
５０ 絶縁材（絶縁保護テープ）
Ｗ 内側端縁部
Ｚ 最外周端縁部

Claims (3)

1. 負極端子を含む有底円筒状の外装缶と、
   正極端子が電気的に接続されており前記外装缶の上端開口を封口している封口体と、
   正極及び負極がセパレータを介して積層され渦巻き状に巻回されてなり、前記外装缶内にアルカリ電解液とともに収容された円柱状の電極群と、
   前記封口体と前記電極群との間に介装され、前記正極端子と前記正極とを通電する正極集電体と、を備え、
   前記正極集電体は、円板形状の接続円板を有し、
   前記電極群は、前記接続円板に対向する前記正極の端縁部が前記接続円板側に突出した突出端縁部を有し、前記正極の最外周部以外の部分の前記突出端縁部が前記接続円板に抵抗溶接され、前記正極の最外周部の前記突出端縁部が絶縁材で覆われている、アルカリ二次電池。
2. 前記正極の最外周部以外の部分の前記突出端縁部は、両側面が絶縁材で覆われている、請求項１に記載のアルカリ二次電池。
3. 前記突出端縁部は、その全域に沿って延びる帯状の金属薄板を含んでいる、請求項１又は２に記載のアルカリ二次電池。

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