JP2016149300A - アルカリ二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】より高率放電特性が優れた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の開口を封止する封口体１４と、正極６及び負極８がセパレータ１０を介して重ね合わ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との間に配設され、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、接続板２７を有し、電極群４は、接続板２７に対向する正極６の端縁部が接続板２７側に突出した突出端縁部３２を有し、突出端縁部３２は、その先端に電極群の径方向外側に向かって折り曲げられている接続片５０を含んでおり、接続片５０と接続板２７とが接合されている。【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なる電極群が、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、正極端子と電気的に接続されている蓋板で密閉されることにより形成される。

ここで、正極と正極端子との電気的接続には、帯状の正極リードが用いられている。詳しくは、正極リードの一端が正極の一部に接合され、正極リードの他端が蓋板に接合されることにより、正極と正極端子は電気的に接続されている。

上記したニッケル水素二次電池は、ニッケルカドミウム二次電池に比べて高容量で、且つ、環境安全性にも優れているという点から携帯電子機器、電動工具、ハイブリッド電気自動車等の各種機器に使用されるようになっており、用途が拡大している。このように用途が拡大していることから、ニッケル水素二次電池には、より高性能化が望まれており、特に、大電流を効率良く出力できるように高率放電特性を向上させることが望まれている。

高率放電特性を向上させるためには、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に代表される電池の製造工程においては、まず、電極群を形成する際に、正極の上端縁が負極の上端縁よりも突出するように配置して巻回し、電極群の上端から正極の端縁部を渦巻き状に突出させる。なお、この突出した正極の端縁部を、以下、突出端縁部という。一方、円形の接続円板と、この接続円板に一体的に形成されている帯状の接続リボンとを備えた正極集電体を準備する。この正極集電体は、接続円板が正極の突出端縁部に接合されるとともに、接続リボンが蓋板と接合される。これにより、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。

この正極集電体においては、接続円板が正極の突出端縁部と広い範囲で接触している。つまり、正極リードがその幅に相当する範囲でしか正極と接触していない従来のニッケル水素二次電池に比べ、特許文献１の電池は、斯かる正極リードの幅よりも広い範囲で正極と接触する正極集電体を有している。このため、特許文献１の電池は、従来のニッケル水素二次電池に比べて電池の内部抵抗は低くなる。その結果、特許文献１の電池の高率放電特性は向上する。

特開昭６３−４５６２号公報

ところで、上記したような各種機器においては、近年、消費する電力が増大しており、それにともない、それら機器に搭載されるニッケル水素二次電池には、より高率での放電が要求されている。

しかしながら、特許文献１のニッケル水素二次電池においては、上記した要求には十分に応えられてはおらず、更なる高率放電特性の改善が求められている。

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、より高率放電特性が優れた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止している封口体と、正極及び負極がセパレータを介して重ね合わ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ている円柱状の電極群と、前記封口体と前記電極群との間に配設され、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、金属製の接続板を有し、前記電極群は、前記接続板に対向する前記正極の端縁部が前記接続板側に突出した突出端縁部を有し、前記突出端縁部は、その先端に前記電極群の径方向外側に向かって折り曲げられている折り曲げ片を含んでおり、前記折り曲げ片と前記接続板とが接合されている、アルカリ二次電池が提供される。

好ましくは、前記折り曲げ片は、巻回されている前記正極の１周当たり４個以上設けられている構成とする。

また、前記折り曲げ片は、前記突出端縁部のうち前記正極の最外周部を除いた部分に位置付けられている構成とすることが好ましい。

より好ましくは、前記折り曲げ片における前記電極群の径方向外側に向かって延びる長さをＳとし、前記正極の厚さをｔ１、前記セパレータの厚さをｔ２、前記負極の厚さをｔ３とし、これらｔ１、ｔ２及びｔ３を合計した厚さをＴとしたとき、Ｓ＜Ｔの関係を満たしている構成とする。

本発明に係るアルカリ二次電池においては、正極の突出端縁部が折り曲げ片を含んでおり、この折り曲げ片が正極集電体の接続板と接合されているので、正極と正極集電体との接触する領域が従来よりも拡大されている。これにより、電池の内部抵抗は従来よりも下がり、電池の高率放電特性が向上する。

本発明に係る円筒形のニッケル水素二次電池を示した部分断面図である。 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。 接続片の平面図である。 正極の中間製品の平面図である。 電極群の上部を概略的に示した平面図である。 正極集電体の平面図である。 電極群の上部に正極集電体（仮想線で示されている。）が重ねられた状態を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、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３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３を封止している。ここで、蓋板１６は、中央に中央貫通孔１９を有し、そして、蓋板１６の外面上には、中央貫通孔１９を閉塞するようにゴム製の弁体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２０は弁体１８を蓋板１６に向けて押圧している。また、この正極端子２２は、側面にガス抜き孔２３を有している。

通常時、中央貫通孔１９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は内圧によって圧縮され、中央貫通孔１９が開かれる。その結果、外装缶２内から中央貫通孔１９及び正極端子２２のガス抜き孔２３を介して外部にガスが放出される。つまり、中央貫通孔１９、弁体２０及び正極端子２２のガス抜き孔２３は電池１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、これらは正極６と負極８との間にセパレータ１０が挟み込まれた状態で渦巻状に巻回されている。即ち、セパレータ１０を介して正極６及び負極８が互いに重ね合わされている。このような電極群４は、全体としては円柱状をなしている。

外装缶２内に注入されたアルカリ電解液は、電極群４に保持されており、その大部分はセパレータ１０に保持されている。そして、このアルカリ電解液を介して正極６及び負極８の間で充放電反応が進行する。

負極８は、帯状をなす導電性の負極芯体を有し、この負極芯体に負極合剤が保持されている。

負極芯体は、その厚さ方向に貫通する貫通孔(図示せず)が多数分布されている帯状の金属材からなる。このような負極芯体としては、例えば、パンチングメタルシートを用いることができる。

負極合剤は、負極芯体の貫通孔内に充填されるばかりでなく、負極芯体の両面上にも層状にして保持されている。

負極合剤は、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を負極芯体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。

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のスラリーを調製する。得られた負極合剤のスラリーは負極芯体に塗着され、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が付着した負極芯体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、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と、前記した空孔内及び正極基材の表面に保持された正極合剤とを含む。

正極基材としては、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。

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の一部が隣接する負極８よりも突出している。この突出している部分を、以下、突出端縁部３２という。正極６の突出端縁部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の形状について、より詳しく以下に説明する。

正極６は、巻回される前の形状としては、図２に示すように、全体としてほぼ長方形状をなしており、負極８とオーバーラップする本体部４０と、この本体部４０の上側に位置付けられる突出端縁部３２とを含んでいる。本体部４０には正極合剤が充填されている。一方、突出端縁部３２においては、予め正極合剤は除去されており、突出端縁部３２には正極合剤は充填されていない。そして、突出端縁部３２は、厚さ方向に圧縮されており、本体部４０よりもわずかに薄い。また、突出端縁部３２は、本体部４０側に位置する基端領域４２と、この基端領域４２における本体部４０とは反対側に位置する先端領域４４とを含んでいる。なお、図２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。

上記した先端領域４４は、巻回した際の正極６における最も外側の一周分に相当する範囲（図２中において、参照符号Ｖで示される範囲。以下、最外周範囲という。）が切り欠かれている。つまり、正極６の長手方向（図２中の矢印ｘ方向）においては、突出端縁部３２の先端領域４４は、上記した最外周範囲Ｖを除いた部分、即ち、最外周範囲Ｖよりも電極群４の径方向内側に位置付けられるべき範囲（図２中において、参照符号Ｗで示される範囲。以下、内周範囲という。）にのみ存在している。

ここで、先端領域４４における図２中の矢印ｙで示される方向（以下、ｙ方向という。）の長さをＳと規定する。

更に、上記した先端領域４４には、ｙ方向に沿った方向に複数の切り込み４６が平行に入れられている。これら切り込み４４のｙ方向の長さは、Ｓと同じである。

この先端領域４４は、基端領域４２との境界に仮想される仮想境界線４８に沿って折り曲げられ、後述する正極集電体２８と接続される接続片（折り曲げ片）５０とされる。具体的には、図１に示すように、接続片５０は、正極６の突出端縁部３２における先端領域４４が、電極群４の径方向外側に向かってほぼ９０度に折り曲げられることにより形成される。この接続片５０は、図３に示すように、矩形状をなし、切り込み４６の部分に相当する第１辺６１及び第２辺６２の長さは、切り込み４６の長さと同じとなるので、それぞれＳである。また、仮想境界線４８の部分に相当する第３辺６３及びこれに対向する第４辺６４の長さは、互いに隣り合う切り込み４６と切り込み４６との間の長さに相当し、Ｕと規定する。

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、正極活物質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スラリーを調製する。得られた正極合剤スラリーは、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る。これにより、正極合剤を保持した正極６の中間製品７０が得られる。

この中間製品７０は、図４に示すように、全体として長方形状をなしている。そして、この中間製品７０の上端縁部７２は、正極合剤が除去され、正極基材がむき出しの状態とされる。ここで、正極合剤の除去方法としては、特に限定はされないが、例えば、超音波振動を与えることにより除去することが好適に行われる。なお、上端縁部７２以外の領域である本体部４０には、正極合剤が充填されたままの状態である。

次いで、正極合剤が除去された上端縁部７２は、中間製品７０の厚さ方向に圧縮加工され突出端縁部３２となる。このように圧縮加工されることにより、正極基材は、稠密な状態となるので、この突出端縁部３２は溶接がし易くなる。

その後、突出端縁部３２における先端領域４４のうち、最外周範囲Ｖを切り欠き、先端領域４４を内周範囲Ｗにのみ存在するようにする。更に、残った先端領域４４に、ｙ方向に沿った方向に長さがＳの複数の切り込み４６を平行に入れる。このとき、切り込み４６は等間隔に入れるのが好ましい。これにより、図２に示すような正極６が得られる。

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に親水性官能基を付与したもの、あるいは、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。

以上のようにして製造された正極６及び負極８は、上記したセパレータ１０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４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、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の突出端縁部３２が、隣接する負極８よりも突出した状態となる。なお、電極群４は、上記した正極６、負極８及びセパレータ１０が、所定の外径寸法を有する巻芯により巻回されて形成され、巻回作業後は、この巻芯が抜き取られるので、電極群４の中央には貫通孔９が形成されている。

正極６の突出端縁部３２においては、巻回作業に先立ち、又は、巻回作業の際に、先端領域４４を折り曲げ、接続片５０を形成する。この先端領域４４には切り込み４６が複数入れられているので、接続片５０が電極群４の径方向外側に向かって放射状に広がる。このため、巻回作業はスムーズに行うことができる。なお、接続片５０における電極群４の径方向外側に向かって延びる長さはＳとなる。

ここで、接続片５０は、電極群４内において巻回されている正極６の１周当たり４個以上含まれていることが好ましい。接続片５０の個数が４個以下となると、正極を巻き辛くなり、上記した巻回作業がスムーズに行えなくなる。接続片５０の個数は、４個以上で、なるべく多い方が、巻回作業がし易くなるので好ましい。接続片５０の個数は、切り込み４６の本数によるので、切り込み４６と切り込み４６との間の長さＵを適当な長さに設定することが好ましい。

また、図１及び図５に示すように、正極６の厚さをｔ１、セパレータ１０の厚さをｔ２、負極８の厚さをｔ３とし、これらｔ１、ｔ２及びｔ３の合計（ｔ１＋ｔ２＋ｔ３）の厚さをＴとしたとき、接続片５０の長さＳとの関係は、Ｓ＜Ｔの関係を満たしていることが好ましい。接続片５０の長さＳが長すぎると振動等により、接続片５０と負極８とが接触し内部短絡を起こすおそれがある。よって、接続片５０の長さＳを、正極６の厚さｔ１、セパレータ１０の厚さｔ２及び負極８の厚さｔ３の合計の厚さＴよりも小さい値に設定しておけば、接続片５０が隣接する負極８と接触する可能性をより低くすることができるので好ましい。なお、セパレータ１０は薄いため、図５においては見づらくなるのでセパレータ１０の図示を省略している。

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が接続されている。

ここで、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、板状の接続板２７と、この接続板２７に一体的に形成されている帯状の正極リボン２６とを有している。

接続板２７は、電極群４の上端から突出している正極６に接合される部品である。この接続板２７の平面視形状は特に限定されるものではなく、円板形状、多角形状等任意の形状のものを採用することができる。また、この接続板２７の大きさとしては、電極群４の外径径寸法よりも小さく、且つ、電極群４の上端から突出している正極６をカバーできる大きさに設定される。

本実施形態においては、図６に示すように、ほぼ五角形状の板材が接続板２７として用いられる。詳しくは、接続板２７は、全体としてほぼ五角形状のステンレス鋼製の薄板であり、中央に円形の中央貫通孔２９と、この中央貫通孔２９を囲むように放射状に延びる５個のスリット３０とを含んでいる。中央貫通孔２９は、電極群４の貫通孔９とほぼ合致している。この中央貫通孔２９を通してアルカリ電解液が電極群４に供給される。また、接続板２７に複数のスリット３０が設けられると、これらスリット３０に挟まれた領域である平板部３１は、動き易くなる。このため、電極群４に多少の巻きずれがあって正極６の突出端縁部３２に上下方向のゆがみがある場合でも、接続板２７の平板部３１はそのゆがみに追従することができ、接合不良の発生を抑制することができる。また、スリット３０は、打ち抜き加工で形成し、スリット３０のエッジの部分に下方（電極群４側）へ延びるバリを生じさせることが好ましい。

また、正極リボン２６は、接続板２７における五角形の５個の辺のうちの一つの辺の部分から延びている。

上記したような正極集電体２８においては、その接続板２７が、電極群４の上部に重ね合わされてバリが正極６の接続片５０に当接するように配置される。そして、抵抗溶接が行われる。このとき、バリの部分に溶接電流が集中し、バリの部分の一部が溶融して正極６の接続片５０と固着する。

以上のように、正極集電体２８が取り付けられた電極群４は、外装缶２内に収容される。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２１と接触している。これにより、負極８は、最外周部において外装缶２（負極端子）と電気的に接続されている。

一方、接続板２７から延びる正極リボン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。

こ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の突出端縁部３２が電極群４の上端部から突出しており、この突出端縁部３２と正極集電体２８の接続板２７とが抵抗溶接されている。ここで、この突出端縁部３２の最外周範囲Ｖにおいては、その上端縁３３が接続板２７のスリット３０におけるバリと交差する部分で点接触による溶接がなされている。この点接触の状態で溶接されている部分の代表的な箇所を図７において、参照符号Ａで示す。一方、突出端縁部３２の内周範囲Ｗにおいては、接続片５０が設けられているので、この接続片５０の上面と接続板２７のスリット３０におけるバリとが線接触した状態で溶接されている。この線接触の状態で溶接されている部分の代表的な箇所を図７において、参照符号Ｂで示す。なお、セパレータ１０は薄いため、図７においても見づらくなるのでセパレータ１０の図示を省略している。

従来は、突出端縁部３２の上端縁３３と接続板２７のスリット３０におけるバリとの点接触による溶接のみであった。しかしながら、本発明においては、内周範囲Ｗに接続片５０を多数備えており、これら接続片５０とスリット３０のバリが線接触状態で溶接されているので、従来よりも接合範囲が広がっている。このため電池１の内部抵抗は従来の電池に比べて低くなるので、本発明の電池１は、高率放電特性が従来の電池よりも優れたものとなる。

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 正極リボン
２７ 接続板
２８ 正極集電体
３２ 突出端縁部
５０ 接続片
Ｖ 最外周範囲
Ｗ 内周範囲

Claims (4)

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止している封口体と、
   正極及び負極がセパレータを介して重ね合わ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ている円柱状の電極群と、
   前記封口体と前記電極群との間に配設され、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、金属製の接続板を有し、
   前記電極群は、前記接続板に対向する前記正極の端縁部が前記接続板側に突出した突出端縁部を有し、
   前記突出端縁部は、その先端に前記電極群の径方向外側に向かって折り曲げられている折り曲げ片を含んでおり、前記折り曲げ片と前記接続板とが接合されている、アルカリ二次電池。
2. 前記折り曲げ片は、巻回されている前記正極の１周当たり４個以上設けられている、請求項１に記載のアルカリ二次電池。
3. 前記折り曲げ片は、前記突出端縁部のうち前記正極の最外周部を除いた部分に位置付けられている、請求項１又は２に記載のアルカリ二次電池。
4. 前記折り曲げ片における前記電極群の径方向外側に向かって延びる長さをＳとし、前記正極の厚さをｔ１、前記セパレータの厚さをｔ２、前記負極の厚さをｔ３とし、これらｔ１、ｔ２及びｔ３を合計した厚さをＴとしたとき、Ｓ＜Ｔの関係を満たしている、請求項１〜３のいずれかに記載のアルカリ二次電池。

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