JP2021002438A - 封口ガスケット、及び電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池缶内の圧力が急激に上昇した場合であっても、電池缶の封口体が飛散するのを抑止できる電池用の封口ガスケットを提供する。【解決手段】電池１において、有底筒状の電池缶２と当該電池缶の開口を封止する封口体７とを絶縁する封口ガスケット１０であって、電池缶内において、発電要素（３、４、５）が収納される領域を密閉しつつ、当該発電要素が収納される領域と封口体側の領域とを隔絶させる膜状の隔壁部１３を備え、隔壁部には溝状の薄肉部１５が形成され、当該薄肉部において、溝の底に相当する領域１６の厚さｔ１と、溝の縁に相当する領域１８の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が、５．０以上８．０以下である。【選択図】図３

Description

本発明は、封口ガスケット、及び電池に関する。

円筒型のアルカリ乾電池など、電池には、有底筒状の電池缶内に発電要素が収納されているとともに、電池缶の開口が樹脂製の封口ガスケットを介して封口体によって封止されているものがある。図１は、ＬＲ６型のアルカリ乾電池１を示す図であり、図１では、円筒状の電池缶２の円筒軸１００の方向を上下（縦）方向としたときのアルカリ乾電池１の縦断面図が示されている。

図１に示したように、アルカリ乾電池１は、有底筒状の金属製電池缶２、環状に成形された正極合剤３、この正極合剤３の内側に配設された有底円筒状のセパレーター４、亜鉛合金を含んでセパレーター４の内側に充填される負極ゲル５、この負極ゲル５中に挿入された棒状の金属からなる負極集電子６、皿状の金属製負極端子板７、樹脂からなる封口ガスケット１０などにより構成される。この構造において、正極合剤３、セパレーター４、負極ゲル５が、電解液の存在下でアルカリ乾電池１の発電要素を形成する。なお、以下では、電池缶２の底部側を下方として上下方向を規定することとする。

電池缶２は、電池ケースを兼ねるとともに、正極合剤３に直接接触することにより、正極集電体として機能する。この電池缶２の底面には正極端子８が形成されている。皿状の負極端子板７は、電池缶２の開口を封止する封口体であり、フランジ状の縁がある皿状の形状を有している。そして、皿状の負極端子板７は、皿を伏せたように、底面を上にした状態で電池缶２の開口に封口ガスケット１０を介してかしめられている。

図２は、アルカリ乾電池１における封口構造を示す図であり、ここでは、アルカリ乾電池１の上端側の縦断面を拡大図にして示している。封口ガスケット１０は、円板状で、表面に同心円状の凹凸がある隔壁部１３の周囲に上方に立設する壁面（以下、外周部１４と言うことがある）が巡るカップ状である。

上下方向から見たときの封口ガスケット１０の中心には、上下方向に貫通するボス孔１２を有する中空円筒状のボス部１１が形成されており、ボス部１１を上下方向に貫通するボス孔１２には、棒状の負極集電子６が圧入状態で挿通されている。棒状の負極集電子６は、上端側に円板状の頭部６１が形成された釘状で、下端側が負極ゲル５内に挿入されている。そして、頭部６１の上面が負極端子板７の下面７１に溶接されている。

アルカリ乾電池１を組み立てる際には、負極端子板７、負極集電子６、及び封口ガスケット１０を、あらかじめ一体に組み合わせておき、電解液を含む発電要素（３、４、５）が収納された電池缶２の開口端側に、負極端子板７、負極集電子６、及び封口ガスケット１０が一体化されてなる部品を挿入するとともに、この電池缶２の開口を内方に縮径加工する。それによって、封口ガスケット１０の外周部１４が、電池缶２の開口端側の内面と、負極端子板７におけるフランジ状の縁の外周との間に挟持され、電池缶２が密閉状態で封止される。

なお、封口ガスケット１０は、ボス孔１２に負極集電子６が圧入状態で挿通されつつ、外周部１４の外面が電池缶２の内面に密着している。それによって、封口ガスケット１０は、電池缶２内における開口端側から底部に至る発電要素の収納空間を密閉しつつ、当該発電要素の収納空間と負極端子板７側の空間２１とを隔絶させている。

封口ガスケット１０の隔壁部１３には、ボス部１１と同心円をなす薄肉部１５が形成されている。図示した例では、ボス部１１の外周に沿って薄肉部１５が形成されている。薄肉部１５は、隔壁部１３において、放射方向に所定の幅を有する環状の溝からなる領域である。したがって、隔壁部１３は、放射外方向から内方向に向かって所定の厚さ以上の肉厚を維持しつつ、薄肉部１５の形成領域において、急激に厚さが減少する。

そして、電池缶２内の圧力が異常に上昇すると、薄肉部１５において最も薄い領域１６の一部、すなわち薄肉部１５を形成する溝の底に相当する領域１６の一部が、封口ガスケット１０の他の部位に先行して破断する。それによって、内圧の原因となったガスが負極端子板７に設けられた通気孔９を介して大気開放される。このように、封口ガスケット１０における薄肉部１５は、アルカリ乾電池１の防爆安全機構として機能する。

また、封口ガスケット１０の隔壁部１３には、封口時に封口ガスケット１０に加わる放射内方向の応力を吸収する応力緩衝部１７が設けられている。応力緩衝部１７は、ボス部１１から外周部１４に至る途上に形成され、大きく上下方向に屈曲した断面形状を有している。そして、応力緩衝部１７は、放射内方向に応力が隔壁部１３に加わった際に、隔壁部１３の円盤形状を均一に変形させて、応力の偏りによる薄肉部１５の不用意な破断を抑止する機能を担っている。図１、図２に示したアルカリ乾電池１における封口ガスケット１０の応力緩衝部１７は、Ｕ字状の縦断面形状を有し、電池缶２の封口時に、電池缶２の開口部が縮径されて封口ガスケット１０がかしめられる際、Ｕ字の開口が閉塞するように撓むことで、隔壁部１３に対する縮径方向の応力を吸収する。なお、アルカリ乾電池の構造や製造方法については以下の非特許文献１に記載されている。

ＦＤＫ株式会社、"アルカリ電池のできるまで"、[online]、[令和１年５月８日検索]、インターネット＜ＵＲＬttp://www.fdk.co.jp/denchi_club/denchi_story/arukari.htm＞

図１、及び図２に示したアルカリ乾電池１など、電池缶２内における発電要素（３、４、５）の収納領域が封口ガスケット１０によって密閉されている電池では、防爆安全機構として、封口ガスケット１０に溝状の薄肉部１５が形成されていた。薄肉部１５における最も薄い領域１６は、溝状の薄肉部１５の底に相当する領域１６であり、その最も薄い領域１６の厚さは、電池缶２内が所定の圧力に達した時点で破断するように設定されている。そして、薄肉部１５が形成された封口ガスケット１０を備えた電池１では、圧力が上昇すると、隔壁部１３において最も薄い領域１６である溝状の薄肉部の底（以下、破断領域１６と言うことがある）の一部が破断し、隔壁部１３には、薄肉部１５の円環形状に沿って線状の開口が形成される。

しかし、一次電池であるアルカリ乾電池１が誤って充電されるなどして電池缶２内に多量のガスが瞬間的に発生し、電池缶２の内圧が急激に上昇すると、破断領域に加えてその周辺にも亀裂が波及して穴が開いてしまい、負極ゲル５などの電池１の内容物が隔壁部１３の上方の空間２１に噴出し、その内容物によって通気孔９が閉塞されてしまう場合があった。通気孔９が閉塞されれば、電池缶２内のガスが外方に放出されず、電池缶２の開口に嵌着されている負極端子板７が飛散する「破裂」に至る可能性もある。

そこで、本発明は、電池缶内の圧力が急激に上昇した場合であっても、電池缶の封口体が飛散するのを抑止できる封口ガスケットと、その封口ガスケットを備えた電池とを提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、電池において、有底筒状の電池缶と当該電池缶の開口を封止する封口体とを絶縁する封口ガスケットであって、
前記電池缶内において、前記発電要素が収納される領域を密閉しつつ、当該発電要素が収納される領域と前記封口体側の領域とを隔絶させる膜状の隔壁部を備え、
前記隔壁部には溝状の薄肉部が形成され、
当該薄肉部において、溝の底に相当する領域の厚さｔ１と、溝の縁に相当する領域の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が、５．０以上８．０以下である、
封口ガスケットである。

本発明のその他の態様は、発電要素が収納された有底筒状の電池缶の開口が、上記の封口ガスケットを介して封口体によって封止されてなる電池である。

本発明によれば、電池缶内の圧力が急激に上昇した場合であっても、電池缶の封口体が飛散するのを抑止できる封口ガスケットと、その封口ガスケットを備えた電池とが提供される。

一般的なアルカリ乾電池の構造を示す図である。 一般的なアルカリ乾電池の封口構造を示す図である。 実施例に係る封口ガスケットを示す図である。

＝＝＝防爆安全機構の動作について＝＝＝
図１及び図２に示したアルカリ乾電池１など、防爆安全機構を有する封口ガスケット１０を備えた電池（以下、電池１と言うことがある）では、電池缶２内の内圧の上昇が急激である場合、防爆安全機構が動作するものの、電池缶２内の内容物が噴出して通気孔９を塞ぎ、ガスが効果的に排出されず、破裂に至る可能性があった。

そこで、本発明者が、アルカリ乾電池１を用い、電池缶２内の内圧を急激に上昇させて防爆安全機構を作動させる実験を行い、破裂に至ったアルカリ乾電池１の封口ガスケット１０を調べてみたところ、隔壁部１３に、破断箇所を起点とした放射状の亀裂が発生している場合が多かった。本発明者が、隔壁部１３において放射状の亀裂が発生するメカニズムについて考察してみたところ、内圧が急激に上昇すると、破断領域１６に瞬間的に大きな応力がわり、その応力が破断によって一気に開放されると、破断時の衝撃が薄肉部１５の形成領域を超えて、隔壁部１３の他の領域にまで広がるとのメカニズムに想到した。さらに、そのメカニズムを前提にすれば、破断領域１６の厚さに対して、薄肉部１５を構成する溝の深さ、すなわち、溝の縁に相当する領域（以下、縁部１８と言うことがある）の厚さが十分に大きければ、亀裂を薄肉部１５の形成領域内に止めておくことができると考えた。しかし、縁部１８の厚さが過大であると、破裂とは異なる不具合が電池１に発生する可能性もある。

そして、隔壁部１３が総体的に厚くなると、電池缶２内の隔壁部１３の下方の領域の容積が減少する。すなわち、電池缶２の底部を下方に向けてアルカリ乾電池１を正立させたときに、負極ゲル５の上面５１から隔壁部１３の下面２０までの空間２２の体積が小さくなる。それによって、従来であれば、電池缶２内のガスの量が、防爆安全機構が動作しないような場合であっても、電池缶２内が、防爆安全機構の動作する圧力に達してしまう可能性がある。そして、防爆安全機構が動作すれば、電池缶２内の電解液などが隔壁部１３における破断箇所と通気孔９とを経由して電池缶２の外方に漏出し、所謂「漏液」が発生する。

そこで、実施例に係る封口ガスケット１０では、隔壁部１３における破断領域１６と、溝状の薄肉部１５において溝の縁に相当する部分（以下、縁部と言うことがある）の厚さとが適切に設定されて、電池１の破裂や無用な防爆安全機構の動作を防止できるようになっている。

＝＝＝＝実施例＝＝＝
実施例に係る封口ガスケット１０として、図１に示したＬＲ６型のアルカリ乾電池１に用いられる封口ガスケット１０を挙げる。そして、以下では、実施例に係る封口ガスケット１０について、添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明に用いた図面において、同一または類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。ある図面において符号を付した部分について、不要であれば他の図面では、その部分に符号を付さない場合もある。

図３に、実施例に係る封口ガスケット１０の縦断面図を示した。図３に示したように、実施例に係る封口ガスケット１０は、図１、及び図２に示した一般的なアルカリ乾電池１が備える封口ガスケット１０と同様の素材を用いて作製されて同様の形状を有している。すなわち、ボス部１１の外周に沿う円環溝状の薄肉部１５を備える。なお、隔壁部１３は、縁部１８から放射外方向に向かって縁部１８の厚さｔ２を維持したのち、電池缶２内において、セパレーター４の先端に対応する位置２３から応力緩衝部１７の起点１９に向かって段階的に厚さや断面形状が変化していくように形成されている。

しかし、実施例に係る封口ガスケット１０は、溝状の薄肉部１５の底に対応し、隔壁部１３において最も厚さが薄い破断領域１６の厚さｔ１と、溝状の薄肉部１５の縁部１８の厚さｔ２との比（以下、板厚比ｔ２／ｔ１と言うことある）が適切に設定されており、それによって、実施例に係る封口ガスケット１０を備えたアルカリ乾電池１は、電池缶２の破裂を確実に抑止できるものとなっている。

＜板厚比ｔ２／ｔ１の最適化＞
次に、封口ガスケット１０における板厚比ｔ２／ｔ１の最適化について、図１〜図３を参照しながら説明する。まず、隔壁部１３における、板厚比ｔ２／ｔ１の適切な範囲を求めるために、板厚比ｔ２／ｔ１の値が異なる封口ガスケット１０を用意し、その封口ガスケット１０を用いたＬＲ６型アルカリ乾電池１をサンプルとして作製した。封口ガスケット１０は、樹脂からなる一体成形品であり、ここでは６,１２ナイロンを樹脂材料として用いた。また、破断領域１６の厚さｔ１は、各サンプルの封口ガスケット１０で共通であり、封口ガスケット１０を構成する素材の機械特性（引張強度、圧縮強度、曲げ強度など）に基づいて、所定の圧力範囲内で破断するように設定されている。

そして、各サンプルについて、所定数（例えば、１０個）の個体を用意し、全個体を１５０ｍＡの電流で充電して防爆安全機構を作動させる充電試験を行った。そして、充電試験後にサンプルを分解し、封口ガスケット１０に放射状の亀裂が発生しているか否かを目視により確認した。また、充電試験に用いた個体とは別に、各サンプルについて、所定数（例えば、１０個）の個体を用意し、全個体を９０℃の高温環境下に３０日間保存する保存試験を行った。そして、保存後に漏液の有無を目視により確認した。

以下の表１に各サンプルにおける充電試験の結果と保存試験の結果とを示した。

表１に示した充電試験の結果では、各サンプルについて作製した所定数の個体のうち、封口ガスケット１０に放射状の亀裂が発生した個体が一つもなければ合格「○」とし、封口ガスケット１０に亀裂が発生した個体が一つでもあれば不合格「×」としている。保存試験の結果についても、各サンプルについて作製した所定数の個体のうち、漏液が発生した個体がなければ合格「○」とし、漏液が発生した個体が一つでもあれば不合格「×」としている。

表１に示した充電試験の結果では、隔壁部１３の板厚比ｔ２／ｔ１が４．０以下のサンプル１、２において、放射状の亀裂が発生した。これは、サンプル１、２では、薄肉部１５の縁部１８の厚さが薄く、破断領域１６で発生した破断箇所を起点とした亀裂を薄肉部１５の形成領域内に止まらせるのに必要な強度が得られていなかったためと考えることができる。一方、板厚比ｔ２／ｔ１が５．０以上のサンプル３〜８では、亀裂が発生しなかった。したがって、板厚比ｔ２／ｔ１は、５．０以上であることが必要である。

一方、保存試験では、板厚比ｔ２／ｔ１が８．０以下のサンプル１〜６において漏液が発生しなかった。しかし、板厚比ｔ２／ｔ１が９．０以上のサンプル７、８では、漏液が発生した。これは薄肉部１５の縁部１８の厚さでもある隔壁部１３において負極ゲル５に対向する領域の厚さが厚過ぎたため、電池缶２内における隔壁部１３より下方の領域の空間２１の体積が小さくなり、結果として、板厚比ｔ２／ｔ１が８．０以下では電池缶内の圧力が上昇して防爆安全機構が動作したためと考えることができる。以上により、封口ガスケット１０の隔壁部１３における適切な板厚比ｔ２／ｔ１は、５．０以上８．０以下であることが分かった。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記実施例における封口ガスケット１０では、ボス部１１の外周に沿って薄肉部１５が形成されていたが、薄肉部１５は、隔壁部１３において、ボス部１１の外周に対して放射外方向に離隔した位置にボス部１１と同心円となるように形成されていてもよい。すなわち、隔壁部１３において、応力緩衝部２０から放射内方向に向かって厚さがｔ２になる位置２３からボス部１１の外周に至るまでの領域内に薄肉部１５が形成されていればよい。

また、薄肉部１５は、ボス部１１に対する同心円に沿って円弧状に散在して形成されていてもよい。さらに、薄肉部１５は、ボス部１１に対して放射外方向に向かって直線状に形成されていてもよい。いずれにしても、実施例に係る封口ガスケット１０は、隔壁部１３に所定の幅を有する溝状の薄肉部１５が形成されているとともに、薄肉部１５において、溝の底に相当する破断領域１６の厚さｔ１と溝の縁に相当する縁部１８の厚さｔ２との板厚比ｔ２／ｔ１が、５．０以上８．０以下であればよい。

上記実施例に係る封口ガスケット１０は、亀裂の発生を抑止するための条件が、所定の圧力で破断する破断領域１６の厚さｔ１と、破断領域１６を底とした溝状に形成されている薄肉部１５の縁部１８の厚さｔ２との比で規定されている。したがって、実施例に係る封口ガスケット１０の板厚比ｔ２／ｔ１は、ＬＲ６型に限らず、他のサイズのアルカリ乾電池１の封口ガスケット１０にとっても適正なものとなる。もちろん、実施例に係る封口ガスケット１０は、アルカリ乾電池１用に限らず、発電要素が収納される領域が密閉される電池であれば適用可能である。

封口ガスケット１０は、ナイロン系の樹脂（６，１２ナイロンなど）の他に、例えば、フッ素系樹脂（ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシアルカン）など）でできていてもよい。なお、ナイロン系の樹脂は、他の樹脂に対して裂け易い、すなわち、亀裂が発生し易いことが分かっている。したがって、放射状の亀裂の発生を防止する効果は、特に、ナイロン系樹脂性の封口ガスケット１０を用いた電池において絶大なものとなる。

１ アルカリ乾電池、２ 電池缶、３ 正極合剤、４ セパレーター、５ 負極ゲル、
６ 負極集電子、７ 負極端子板、８ 正極端子、９ 通気孔、１０ 封口ガスケット、
１１ ボス部、１２ ボス孔、１３ 隔壁部、１４ 外周部、１５ 薄肉部、
１７ 応力緩衝部、１６ 破断領域、１８ 薄肉部の縁部、

Claims (3)

1. 電池において、有底筒状の電池缶と当該電池缶の開口を封止する封口体とを絶縁する封口ガスケットであって、
   前記電池缶内において、前記発電要素が収納される領域を密閉しつつ、当該発電要素が収納される領域と前記封口体側の領域とを隔絶させる膜状の隔壁部を備え、
   前記隔壁部には溝状の薄肉部が形成され、
   当該薄肉部において、溝の底に相当する領域の厚さｔ１と、溝の縁に相当する領域の厚さｔ２との比ｔ２／ｔ１が、５．０以上８．０以下である、
   封口ガスケット。
2. 円筒形のアルカリ乾電池用の封口ガスケットであって、
   前記隔壁部は、棒状の負極集電子が挿通される中空円筒状のボス部の外周に接続する円盤状で、
   前記薄肉部は、前記ボス部に対する同心円に沿って溝状に形成されている、
   請求項１に記載の封口ガスケット。
3. 発電要素が収納された有底筒状の電池缶の開口が、請求項１または２に記載の封口ガスケットを介して封口体によって封止されてなる電池。

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