JP2918446B2 - 電池の負極亜鉛缶 - Google Patents

電池の負極亜鉛缶

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、微量金属を添加した
亜鉛基合金からなり有底円筒形に成形された電池用負極
亜鉛缶に関し、特に、水銀やカドミウムおよび鉛といっ
た有害物質を添加せずに高性能な負極亜鉛缶を実現する
技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
[負極亜鉛缶の製造方法]よく知られているように、マ
ンガン電池に使用されている負極亜鉛缶はつぎのような
一連の工程で製造されている。 …亜鉛地金に後述する適宜な微量金属を添加して溶解
する。 …溶解した亜鉛基合金を連続鋳造し、連続した帯状体
を得る。 …連続鋳造された帯状体を連続熱間圧延して、所定厚
みの板状体を得る。 …圧延された板状体から所定寸法の円形または六角形
などのペレットを打ち抜く。 …ペレットを金型内にセットしてパンチで衝撃的に加
圧し、有底円筒形に成形する(衝撃後方押出し法)。 …有底円筒形に成形された亜鉛缶の開口部分を切断し
て、円筒の高さ寸法を揃える。例えば単一形マンガン電
池の負極亜鉛缶の場合、圧延工程では板状体の厚みを
約5.2mmとし、打ち抜き工程で直径30mmの円形ペ
レットを打ち抜き、成缶工程で外径31.4mmで肉厚
0.5mmの有底円筒形に成形し、高さ切断工程で円筒
の高さを53.5mmにする。
【0003】[負極亜鉛缶およびその材料に要求される
諸特性]連続熱間圧延工程および衝撃後方押出し法に
よる成缶工程において、材料の圧延加工性あるいは塑
性加工性(展延性)が十分でないと、材料に亀裂やヒビ
あるいはバリ等が生じ、その後の加工に支障をきたす。
ヒビ割れなどの不良を生じないで歩留り良く円筒缶に成
形できることが基本的な必須の要件である(これを加工
性と称する)。
【0004】完成した負極亜鉛缶はつぎに電池の組み立
てラインに進み、正極やセパレータおよび電解液などを
この缶内に収納し、さらに正極端子板と封口ガスケット
を缶の開口部にはめ込んで缶を密封する。ここで亜鉛缶
の缶としての機械的強度が低過ぎると、電池組み立て中
および後に缶が変形してしまい、さまざまな不都合を生
じる。そのため、成缶後の亜鉛缶にはある程度以上の機
械的強度が必要である。この成缶後の強度は前記の塑性
加工性(展延性)と相反する関係にある。
【0005】完成した電池では負極亜鉛缶は内部の電解
液と常時接しているが、電池の保存中の自己放電を防止
するために、亜鉛缶は電解液に対して十分な耐食性を備
えていなければならない。
【0006】以上のように、電池の負極亜鉛缶には、塑
性加工性と成缶後の機械的強度と電解液に対する耐食性
といった特性が要求される。これらの特性には、亜鉛基
合金の組成だけでなく、前記製造プロセスにおける溶解
工程の溶解温度、鋳造工程の鋳型の温度、圧延工程
の温度と圧延率、ペレット打ち抜き工程の温度、成
缶工程の温度と加工率(これらをプロセスファクター
と呼ぶ)などの要因も係わっている。
【0007】[亜鉛基合金の添加金属]前記の加工性、
機械的強度、耐食性などの諸特性を向上させるために、
旧来のマンガン電池では0.15重量%程度の鉛と0.
05重量%程度のカドミウムを添加した亜鉛基合金で負
極亜鉛缶を構成し、また亜鉛缶表面をアマルガム化して
いた。ところが周知のように、電池の構成材料から有害
物質をできるだけ排除するという技術思想の下で、まず
無水銀化が達成され、つぎにカドミウムの非使用が達成
された。つまり、古くから使われてきた特性向上効果の
大きな添加金属を排除し、しかも電池の性能を低下させ
ない、という技術改良が重ねられてきている(例えば特
開昭61−273861号、特公平4−30712号、
特開平4−198441号など)。
【0008】しかし最近のマンガン電池においても、負
極亜鉛缶には0.4重量%程度の鉛が依然として含まれ
ているのが実情であり、この鉛の添加を廃止することが
つぎの技術課題となっている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
[純亜鉛で形成した亜鉛缶の試作評価]0.4重量%の
鉛を含み良好な特性を示す従来の負極亜鉛缶に対し、純
亜鉛の缶を試作して比較評価した。
【0010】亜鉛純度が99.9986重量%の地金を
原料とし、他の金属をまったく添加せずに前述した製造
プロセスで亜鉛缶を製作する。その際にプロセスファク
ター(溶解工程の溶解温度、鋳造工程の鋳型の温
度、圧延工程の温度と圧延率、ペレット打ち抜き工程
の温度、成缶工程の温度と加工率)を適宜に変化さ
せて試作を繰り返す。そして、欠陥のない缶を歩留り良
く成形できるという基本の要件(塑性加工性)を満たす
範囲で、プロセスファクターを変えた試作品を作り、そ
れぞれの試作品について成缶後の機械的強度および電解
液に対する耐食性を以下の条件で調べ、従来品と比較し
た(比較試験は単一形マンガン電池用の負極亜鉛缶につ
いて行った)。
【0011】(a)…成形した缶の外側中央部から20
mm角の試料片を切り出し、試料片のビッカース硬度を各
5点測定し、10個のサンプルについての平均値を求め
た。これを機械的強度の評価とした。
【0012】(b)…耐食性の評価としては、同様に切
り出した10mm角の試料片を電解液に一定期間浸した後
の腐食減量を測定し、10個のサンプルについての平均
値を求めた。なお電解液はZnCl2 (26.4重量
%)とNH4 Cl(2.2重量%)を含むpH=4.7
の水溶液である。また放置期間は20日で、雰囲気温度
は45℃である。
【0013】その結果、鉛を添加している従来品の硬度
がHV45であったのに対し、純亜鉛の試作品の硬度は
最大値でHV37であった。また従来品の腐食減量が
0.93mg/cm2 であったのに対し、純亜鉛の試作
品の腐食減量は最小値で9.5mg/cm2 であった。
硬度については極端に劣っているとは言えないが、腐食
減量は大幅に劣っている。鉛を添加することが大きな効
果を奏しているわけである。
【0014】[ビスマスを添加した亜鉛基合金による試
作評価]純亜鉛にビスマスを微量添加した亜鉛基合金に
より先の例と同じ単一形マンガン電池用の負極亜鉛缶を
前記のプロセスで製作し、前記(a)および(b)の方
法でビッカース硬度と腐食減量を測定した。その結果、
ビスマスの添加量が0.0010重量%の試作品では、
硬度はHV38.1、腐食減量は8.91mg/cm2
となり、前記の純亜鉛製のものより向上した。しかし、
前記熱間圧延工程で製作された板状体の両側部分に若
干のヒビ割れが生じた(その後の成缶工程にはあまり支
障のない程度であった)。
【0015】そこで、ビスマスの添加量を0.0040
重量%に増やしたもの、さらに0.0100重量%に増
やしたもので試作してみた。この場合、材料(ビスマス
を含む亜鉛基合金)の圧延加工性が著しく低下し、熱間
圧延工程では正常に圧延することができず、材料が粉
々に破壊してしまった。
【0016】[発明の目的]この発明の目的は、環境上
有害とされる鉛、カドミウム、水銀を添加せずに良好な
耐食性と機械的強度を有する負極亜鉛缶を提供するもの
である。
【0017】
【課題を解決するための手段】第1の発明の負極亜鉛缶
は、ビスマスを0.004〜1.00重量%含有すると
ともに、カルシウムを0.001〜0.25重量%含有
し、さらにニッケルを0.001〜0.25重量%含有
し、かつ水銀やカドミウムおよび鉛といった有害物質を
有意に含有していない亜鉛基合金からなる。
【0018】第2発明の負極亜鉛缶は、ビスマスを0.
004〜1.00重量%含有するとともに、カルシウム
を0.001〜0.25重量%含有し、さらにアルミニ
ウムまたはシリコンを0.0005〜0.20重量%含
有し、かつ水銀やカドミウムおよび鉛といった有害物質
を有意に含有していない亜鉛基合金からなる。
【0019】
【0020】
【作用】以下に説明する多数の比較試験結果から分るよ
うに、純亜鉛にビスマスを添加することで耐食性が向上
するが、圧延加工性が低下する傾向を示す。しかし、ビ
スマスに加えてカルシウムを前記の割り合いで添加する
ことで、圧延加工性の低下を防ぐことができる。また、
ビスマスとカルシウムに加えてニッケルまたはアルミニ
ウムまたはシリコンを前記の割り合いで添加すること
で、ビスマスの添加量をさらに増やしても(耐食性がさ
らに向上する)、圧延加工性の低下が抑制される。その
結果、目標値である硬度40HV以上、腐食減量7.0
mg/cm2以下を達成することができる。
【0021】
【実施例】亜鉛純度が99.9986重量%の純亜鉛地
金を原料とし(不可避の不純物は考慮しない)、この純
亜鉛に対して以下の割り合いで微量金属を添加し、前述
した製造プロセスで単一形マンガン電池用の負極亜鉛缶
を製作する。そして各試作品について、先に詳述した
(a)および(b)の方法にしたがってビッカース硬度
(HV)と腐食減量(mg/cm2 )とを測定した。ま
た、同時に前記の熱間圧延工程での加工性についての
評価をつぎのように行った。
【0022】熱間圧延工程では、図1に示すような、
幅10数cmで厚さ5mm程度の板状体1を得るのであ
るが、材料の圧延加工性が悪いと、板状体1の両側寄り
の部分にヒビ割れ2を発生する。ヒビ割れ2が長くて多
くなるほど材料の加工性が悪いと言える。前述したビス
マスを多く添加した試作品のように、材料の加工性が極
端に悪くなると、板状体1を形成することができなくな
り、材料が粉々に破壊してしまう。
【0023】以下の多数の試験例の表においては、この
圧延加工性についてつぎのように5段階に評価して記入
している。 「○」…ヒビ割れの発生はなく、きわめて良好。 「○/△」…ヒビ割れ2の長さは板状体1の幅の1%以
内であり、良好。 「△」…ヒビ割れ2の長さは板状体1の幅の3%以内で
あり、ほぼ良好。 「△/×」…ヒビ割れ2の長さが板状体1の幅の3%を
超え、不良。 「×」…材料が粉々に破壊し、圧延不能。
【0024】
【表1】
【表2】
【表3】
【表4】
【表5】
【表6】
【表7】
【表8】
【0025】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、この発明に
よれば、水銀やカドミウムおよび鉛といった有害物質を
亜鉛に添加することを廃止し、代りにビスマス、カルシ
ウム、ニッケル、アルミニウム、シリコンといった安全
性の高い金属を前記の組み合わせ・割り合いで添加する
ことで、従来の鉛添加の負極亜鉛缶と同等あるいはそれ
以上の特性の負極亜鉛缶を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】熱間圧延工程でのヒビ割れ発生のようすを示す
概略図である。
【符号の説明】
1 板状体 2 ヒビ割れ
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 4/42 C22C 18/00 H01M 4/06

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ビスマスを0.004〜1.00重量%
    含有するとともに、カルシウムを0.001〜0.25
    重量%含有し、さらにニッケルを0.001〜0.25
    重量%含有し、かつ水銀やカドミウムおよび鉛といった
    有害物質を有意に含有していない亜鉛基合金からなるこ
    とを特徴とする電池の負極亜鉛缶。
  2. 【請求項2】 ビスマスを0.004〜1.00重量%
    含有するとともに、カルシウムを0.001〜0.25
    重量%含有し、さらにアルミニウムまたはシリコンを
    0.0005〜0.20重量%含有し、かつ水銀やカド
    ミウムおよび鉛といった有害物質を有意に含有していな
    い亜鉛基合金からなることを特徴とする電池の負極亜鉛
    缶。
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