JP3649909B2 - 電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極群に集電板を溶着して高率放電特性を向上させた電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルカリ電池等に使用される電極板として、焼結式電極と非焼結式電極がある。従来は焼結式電極が主流で多く使用されてきた。この電極は、カルボニルニッケル焼結体にニッケル塩、力ドミウム塩などの溶液を含浸させ、アルカリ処理をして活物質化して製作される。しかし、近年は、コストを低減して、高エネルギー密度にできることから、非焼結式電極が有望となってきた。非焼結式電極は、発泡ニッケルや、ニッケル繊維多孔体などの金属３次元多孔体を基板とし、この基板の空隙に、ペースト状の活物質を直接に充填して製作される。
【０００３】
非焼結式電極は、基板に金属３次元多孔体を使用するので、焼結式電極の基板に使用されるパンチングメタルのように、基板に直接にリード板を溶接して接続できない。金属３次元多孔体はほとんどの部分が空隙で、金属部分がしめる割合が極めて少ないために、リード板を接触させても、接触面積が極めて小さく制限されるからである。
【０００４】
金属３次元多孔体の基板を集電板に接続する技術は、以下の公報に記載される。
(1) 特開昭６３−４５６２号公報
(2) 特開平２−２２０３６５号公報
【０００５】
(1) と (2)の公報には、金属３次元多孔体の基板の端縁に沿って、活物質を充填しない帯状連結部を設け、ここに金属薄板を溶着して、この部分を集電板に接続する構造が記載される。
【０００６】
帯状連結部に金属薄板を溶着している電極板は、セパレータを介して渦巻状に捲回されて電極群となる。この渦巻状の電極群は、図１の分解図で示すように、集電板６を溶着して集電できる。この図に示すように、集電板６を電極群４に溶着する電池は、高率放電特性を向上させて、大電流での放電特性を改善できる。金属薄板を溶着している電極板は、図２の展開図で示すように、帯状連結部７の一部にリード板６Ａを溶着して集電することもできる。しかしながら、図２に示すように、リード板６Ａを溶着して集電する構造の電池は、大電流放電特性を向上させるのが難しい。図１に示すように、帯状連結部となる電極群４の上端縁を、複数部分で集電板６に接続する電池は、電極板に流れる電流分布を均一にできる特長がある。
【０００７】
図３の断面図は、電極群４の上面に集電板６を接続する電池の断面構造を示している。この構造の電池は、集電板６の下面を片方の極板に複数部分で帯状連結部７に接続している。片方の極板を集電板６に接続するために、一方の電極板は他方の電極板よりも上方に突出されている。電極板の突出部は、金属薄板１０を溶着している帯状連結部７である。この構造の電極群は、図４の断面図に示すように、上面に集電板６を押圧して、集電板６に抵抗電気溶接して接続される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上の構造の電池は、基板の帯状連結部を、集電板に理想的な状態で接続するのが極めて難しい。とくに、帯状連結部の複数部分を、確実に集電板に接続するためには、集電板を相当な圧力で帯状連結部に押圧して、抵抗電気溶接する必要がある。集電板の押圧力を弱くすると、集電板と帯状連結部との連結部分の間の電気抵抗が大きくなって、正常に電気溶接できなくなるからである。電気抵抗が大きな状態で、集電板と帯状連結部とを抵抗電気溶接すると、溶接機は、定電流を流すために、集電板と帯状連結部との間に印加する電圧を高くする。高い電圧が印加されると、集電板と帯状連結部の間でアーク放電するようになって、抵抗が急激に低下し、溶接部分に大電力が供給されて接触部が瞬時に溶解して飛び散る、いわゆる「爆飛」といわれる状態となる。この状態になると、集電板と帯状連結部とは正常に接続できなくなってしまう。
【０００９】
とくに、電池の内部抵抗を小さくするために、集電板の複数部分を帯状連結部に接着する電池は、帯状連結部と集電板とを接続する全ての部分で理想的な状態で連結するのが極めて難しい。帯状連結部の上面と、集電板の下面を完全な平面には加工できないからである。とくに、複数の貫通孔を設けて、貫通孔の周縁に下方に突起を設けて、この突起を帯状連結部に接触させて電気溶接する集電板は、下面を完全な平面状とすることは現実には極めて困難である。
【００１０】
集電板を電極群に強く押圧することで、帯状連結部と集電板とを隙間なく接触できる。したがって、この状態で集電板を帯状連結部に溶着すれば、集電板と帯状連結部とを確実に溶着できる。しかしながら、集電板を帯状連結部に強く押圧して、溶着すると、図５と図６に示すように、帯状連結部７が折れ曲がって、内部ショートの原因となる。折れ曲がった部分がセパレータ３を突き破って、他の端子に接触するからである。とくに、金属薄板１０を溶着している帯状連結部７は、不連続な部分が弱くなって、充填境界で折れ曲がりやすい性質がある。さらに、金属３次元多孔体の基板に活物質を充填している非焼結式電極は、基板の強度が弱く、集電板を強く押圧すると、変形しやすい。
【００１１】
したがって、従来の電池は、集電板を電極群に強く押圧して溶着すると、内部ショートが多くなり、反対に集電板を電極群に押圧する圧力を弱くして溶着すると、集電板と電極群とを低抵抗な状態で溶着できなくなる欠点があった。さらに、電池は、落下された時などに受ける衝撃で、溶着部分が剥離して使用できなくなることがある。とくに、電極群の帯状連結部を、複数部分で集電板に溶着している大電流特性の優れた電池は、細長いリード板を介して電極群を端子に接続している電池に比較すると、衝撃による不良品の発生率が高くなる欠点がある。それは、リード板のように自由に変形して衝撃を吸収する能力が少ないからである。
【００１２】
本発明は、上記のような従来の欠点を解決することを目的に開発されたもので、本発明の重要な目的は、電極群の帯状連結部を、低抵抗な状態で集電板の複数部分に確実に溶着でき、さらに、集電板を溶着する工程における内部ショートが少なく、しかも、耐衝撃特性の優れた電池を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の電池は、前述の目的を達成するために以下の構造を有している。電池は、正極板と負極板とからなる第１極板１と第２極板２を、セパレータ３を介して積層している電極群４と、この電極群４を収納している外装缶５と、第１極板１に電気接続されて、第１極板１を一方の端子に電気的に接続する集電板６とを備える。
【００１４】
第１極板を正極板とする電池は、第２極板を負極板とし、第１極板を負極板とする電池は、第２極板を正極板とする。
【００１５】
第１極板１は、金属３次元多孔体の基板９に活物質を充填している非焼結式電極であって、基板９を露出させている帯状連結部７を有する。この帯状連結部７は、金属３次元多孔体を露出させている帯状連結部７に、金属薄板１０を溶着している。金属薄板１０を溶着している帯状連結部７は、集電板６の複数部分に溶着して電気的に接続している。
【００１６】
さらに、本発明の請求項１の電池は、帯状連結部７に溶着している金属薄板１０の厚さを０．０７ｍｍ以上で第１極板１の厚さの８０％よりも薄くすると共に、ビッカース硬度を５０以上で２５０以下としている。
【００１７】
本発明の電池は、集電板６に、ビッカース硬度を５０以上で２５０以下として、厚さを０．１〜１．５ｍｍとする金属板を使用する。
【００１８】
本発明の電池は、集電板６が外装缶５の内形よりも小さい外形であって、電極群４の端部に対向して配設されている。さらに集電板６は、複数の貫通孔６Ｄを設けている。貫通孔６Ｄは、周縁に、電極群４の帯状連結部７に向かって突出している突起６Ｅを有する。突出している突起６Ｅは、第１極板１の帯状連結部７に複数部分で溶着されている。
【００１９】
本発明の請求項２の電池は、金属３次元多孔体を、発泡ニッケル、又は、ニッケル繊維多孔体とする。
【００２０】
本発明の電池は、金属３次元多孔体の基板９の帯状連結部７をプレスして高密度に圧縮している。
【００２１】
本発明の請求項３の電池は、第１極板１と第２極板２とをセパレータ３を介して積層して渦巻状に捲回してなる渦巻電極を電極群４に使用している。集電板６は、渦巻電極の端部に接近して配設されている円板状である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電池を例示するものであって、本発明は電池を以下のものに特定しない。
【００２３】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施の形態に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。
【００２４】
図７に示す電池は、封口板１１で気密に密閉された円筒状の外装缶５と、この外装缶５に挿入している電極群４と、電極群４を外装缶５の端子１２に接続する集電板６とを備える。図に示す電池は、外装缶を円筒状としているが、本発明は電池の外装缶を円筒状に特定しない。外装缶は、図示しないが、たとえば、四角筒状ないし楕円筒状とすることもできる。
【００２５】
外装缶５は鉄製で、その表面をニッケルメッキしている。外装缶５の材質は、電池の種類と特性を考慮して最適な金属が選択される。外装缶は、例えば、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金製とすることもある。金属製の外装缶は、上端の開口部を、封口蓋で気密に密閉している。封口蓋は、外装缶をかしめる構造、あるいは、外装缶と封口蓋の境界をレーザー溶接する等の方法で、気密に固定される。封口板１１は電池の一方の端子１２を固定している。この端子１２は、外装缶に対して絶縁して固定される。
【００２６】
本発明の電池は、非焼結式電極を内蔵する電池、たとえば、ニッケル−水素電池である。ただ、本発明は、電池をニッケル−水素電池に特定しない。電池には、たとえば、ニッケル−カドミウム電池、リチウムイオン電池等とすることもできる。以下、好ましい実施の形態として、ニッケル−水素電池の実施の形態を詳述する。
【００２７】
電極群４は、第１極板１と第２極板２を、セパレータ３を介して捲回している。図に示す電池は、集電板６に接続される第１極板１を正極板とし、第２極板２を負極板としている。ただし、本発明は、第１極板を負極板として、第２極板を正極板とすることもできる。セパレータ３を介して互いに積層された第１極板１と第２極板２は、巻回して渦巻状の電極群４に製作される。渦巻状の電極群４は、円筒状の外装缶５に挿入される。渦巻状の電極群は、両側からプレスして楕円形に変形させて、楕円形の外装缶に挿入することができる。さらに、角筒状の外装缶に挿入される電極群は、板状に裁断された複数枚の第１極板と第２極板とを、セパレータを介して積層して製作される。
【００２８】
セパレータ３は、ポリオレフィン製不織布が使用される。ただ、セパレータ３には、ポリエチレン等の合成樹脂製微多孔膜も使用できる。セパレータ３には、両側に積層される第１極板１と第２極板２を絶縁でき、かつ、電解液を浸透できる全てのシート材が使用できる。
【００２９】
第１極板１は、金属３次元多孔体の基板９に活物質を充填している非焼結式電極である。金属３次元多孔体の基板９は、発泡ニッケル多孔体やニッケル繊維多孔体等である。第１極板１は、これ等の基板９に活物質を充填している。
【００３０】
第１極板１の基板は、図８の展開図に示すように、基板９の上部に帯状連結部７を設け、他の部分は活物質を充填している活物質充填部８としている。帯状連結部７は、活物質を充填せず、あるいは、充填した活物質を除去して基板９を露出させている。基板９は、好ましくは、帯状連結部７でプレスされて高密度に圧縮されている。圧縮された帯状連結部７は、金属薄板を確実に溶着できる特長がある。
【００３１】
帯状連結部７は、集電板６により確実に電気的に接続するために、図９の断面図に示すように、金属薄板１０を固定している。金属薄板１０は、抵抗電気溶接して、あるいは導電性の接着材を介して、帯状連結部７に電気的に接続される状態で接着される。
【００３２】
金属薄板１０の厚さは、０．０７ｍｍ以上で、第１極板１の８０％の厚さよりも薄い。金属薄板１０を０．０７ｍｍよりも薄くすると、帯状連結部を集電板に溶接するときの強度が充分でなくなる。反対に、金属薄板の厚さが第１極板１の８０％よりも厚くなると、第１極板と第２極板とをセパレータを介して積層した状態で、帯状連結部が厚くなって、スペース効率が低下する。金属薄板の厚さは、好ましくは０．０９５〜０．２ｍｍとする。
【００３３】
さらに、金属薄板は、ビッカース硬度を５０以上として、２５０以下とする金属薄板が使用される。金属薄板の硬度が５０以下であると、帯状連結部を集電板に溶着するときの強度が充分でなくなり、また、電池が衝撃を受けたときに、帯状連結部が集電板から離れて、耐衝撃強度が低下する。金属薄板のビッカース硬度が２５０よりも大きくなると、帯状連結部を集電板に溶着するときに、金属薄板がセパレータを突き破って内部ショートしやすく、また、衝撃強度も低下する。したがって、金属薄板には、ビッカース硬度を５０〜２５０とする金属の薄板、好ましくは、ビッカース硬度を１７０〜２００とする金属の薄板、たとえば、ニッケル薄板、リンニッケル薄板、鉄にニッケルメッキをした薄板等を使用する。
【００３４】
図９の第１極板１は、帯状連結部７の第２極板２との対向面に保護テープ１３を付着している。保護テープ１３は、下端縁を充填境界よりも下方まで延長している。帯状連結部７に集電板６を押圧して溶接するときに、充填境界が折れ曲がってセパレータを突き破るのを防止するためである。ここに保護テープ１３を接着している電池は、内部ショートを防止して、集電板６を帯状連結部７に確実に接続できる特長がある。ただ、保護テープを使用しない状態で、帯状連結部を集電板に接続することもできる。
【００３５】
集電板６は、鉄にニッケルメッキをした金属板、あるいは、ニッケル板等の金属板で、図１０に示すように、金属板を外装缶５の内形よりも小さい円板状に切断して、リード板６Ａを突出させたものである。集電板６は、電極群４の両端部で対向するように配設される。図１０に示す集電板６は、電池の外装缶５が円筒形である電池に使用するために円形としているが、本発明の電池は円筒形電池に特定されないので、例えば図示しないが、角形電池には、方形状の集電板を使用することができる。
【００３６】
集電板６は、抵抗電気溶接するときの無効電流を少なくするために、中心孔６Ｂの両側にスリット６Ｃを設けている。さらに、複数の貫通孔６Ｄを開口している。貫通孔６Ｄの周縁には、図１１の拡大断面図に示すように、下方に突出する突起６Ｅを設けている。突起６Ｅは、第１極板１の帯状連結部７に複数部分で溶着して接続される。集電板６のリード板６Ａは、外装缶５の開口部に絶縁して固定される端子１２に接続される。
【００３７】
集電板は、ビッカース硬度を５０以上で２５０以下として、厚さを０．１〜１．５ｍｍとする金属板である。集電板は、ビッカース硬度を５０以下とし、あるいは、厚さを０．１ｍｍ以下としても、また、ビッカース硬度を２５０以上とし、あるいは厚さを１．５ｍｍよりも厚くしても、帯状連結部に確実に溶着できなくなる。
【００３８】
ビッカース硬度を５０以下とし、あるいは厚さを０．１ｍｍ以下とする集電板は、充分な強度がないために、溶接用の電極棒を局部的に押圧して、帯状連結部と集電板との接触部分を確実に溶着できなくなる。集電板が変形してしまうからである。さらに、ビッカース硬度を２５０以上とし、あるいは厚さを１．５ｍｍ以上とする集電板も、溶接用の電極棒を局部的に押圧するときに、帯状連結部と集電板との接触部分を確実に溶着できなくなる。集電板がほとんど変形しないからである。
【００３９】
帯状連結部を集電板に溶着するときには、帯状連結部と集電板の溶着部分において、接触部分を均一な状態で接触させることが大切である。集電板は、溶接用電極棒で局部的に押圧される状態で、全く変形しなくても、また、変形が大きすぎても、溶接部分を均一に接触できなくなる。変形が大きすぎると、溶接用電極棒で押圧される近傍の溶接部分は強く押圧されるが、溶接用電極棒から離れた部分での溶接部分の接触が弱く、あるいは離れてしまう。また、集電板が全く変形しないと、集電板と帯状連結部の突出している溶接部分のみが強く接触して、他の溶接部分は接触しなくなる。このため、全ての溶接部分を均一に接触させて理想的な状態で溶着できなくなる。
【００４０】
さらに、集電板は、ビッカース硬度を２５０以上とし、あるいは厚さを１．５ｍｍ以上とすると、帯状連結部を連結するときに、第１極板と第２極板とがセパレータを突き破って内部ショートする率が高くなって、歩留を低下させる。それは、溶接用電極棒で押圧される集電板の変形が小さくなって、互いに突出する状態で集電板に押圧される帯状連結部が折れ曲がって、セパレータ３を突き破るからである。
【００４１】
さらに、集電板は、ビッカース硬度を５０以下とし、あるいは、厚さを０．１ｍｍ以下としても、また、ビッカース硬度を２５０以上とし、あるいは厚さを１．５ｍｍよりも厚くしても、耐衝撃強度が低下する。ビッカース硬度を５０以下とし、あるいは、厚さを０．１ｍｍ以下とする集電板６は、充分な強度がないために、衝撃を受けたときに帯状連結部との溶着が外れて耐衝撃強度が低下する。また、ビッカース硬度を２５０以上とし、あるいは、１．５ｍｍよりも厚い集電板は、衝撃を受けたときに全く変形しない、いいかえると、緩衝作用がないために、帯状連結部と集電板との溶着部分が外れやすく、耐衝撃強度が低下する。
【００４２】
【実施例】
以下の工程で、ＳＣサイズの円筒型ニッケル−水素電池を試作し、金属薄板の厚さとビッカース硬度、および集電板のビッカース硬度を変更して、それぞれの良品率を測定した。
【００４３】
以下の工程で、ニッケル−水素電池の外装缶に挿入する電極群を製作した。
ａ．第１極板である正極板の製作
(1) 下記の工程で金属多孔体を作製する。
連続気泡のポリウレタンフォームであるスポンジ状の有機多孔体を、導電処理した後、電解槽のメッキ液に浸漬してメッキする。メッキした有機多孔体を、７５０℃の温度で所定時間ばい焼して、有機多孔体の樹脂成分を除去し、さらに、還元雰囲気で焼結して金属多孔体を製作する。この工程で製作された金属多孔体は、目付を約６００ｇ／ｍ２とし、多孔度を９５％とし、厚みを約２．０ｍｍとする発泡ニッケルである。
【００４４】
(2) 下記のものを混練して、正極の活物質スラリーとする。
水酸化ニッケル粉末…………………………………………９０重量部
（２．５ｗｔ％の亜鉛と、１ｗｔ％のコバルトを共沈成分として含有）
コバルト粉末…………………………………………………１０重量部
酸化亜鉛粉末……………………………………………………３重量部
ヒドロキシプロピルセルロース０．２重量％水溶液……５０重量部
【００４５】
(3) 作製した正極の活物質スラリーを、金属多孔体の空隙に充填した。充填量は、ロール圧延後の活物質密度が約２．９１ｇ／ｃｃ−ｖｏｉｄとなるように調整した。その後、乾燥し、厚みが約０．７０ｍｍとなるように口ール圧延を行った。さらに短冊状に切断し、金属薄板１０を溶接する帯状連結部７に対し、垂直方向の超音波振動を加える超音波剥離等により活物質を除去した。そして図８に示すように、基板９の露出する帯状連結部７のある第１極板１とする。
【００４６】
第１極板は、以下の工程で活物質を製造することもできる。図１２に示すように、活物質を充填する前に、金属多孔体を所定の幅で平行にロール圧延する。ロール圧延の幅は、帯状連結部７の幅の２倍の約５ｍｍとし、圧延後の厚さを０．５ｍｍとする。このように圧延した金属多孔体の基板９に、上記の活物質スラリーを充填して圧延する。その後、図１２の矢印で示す位置で切断して、短冊状の第１極板を作製する。その後、帯状連結部７となる薄く圧延された部分に沿って、圧縮空気を噴射し、あるいはブラシ等を使用して、活物質を除去して基板を露出させる。
【００４７】
(4) 基板９の露出した帯状連結部７に、抵抗電気溶接により金属薄板１０を接着する。帯状連結部７と金属薄板１０との接着には、直径１．５ｍｍの銅を溶接用電極棒として使用し、２ｍｍ間隔で抵抗電気溶接した。金属薄板１０には、ニッケルリボンを使用し、幅１．５ｍｍとした。
【００４８】
金属薄板の厚さとビッカース硬度をパラメータとして、複数の試作電池を作製する。試作電池１〜１３は、金属薄板の厚さを、０．０１〜０．５０ｍｍの範囲で設定している。このとき使用した金属薄板は、幅１．５ｍｍ、ビッカース硬度１５０のニッケルリボンで、また集電板はビッカース硬度１５０、厚さ０．４０ｍｍのニッケルメッキをした鉄を使用した。
【００４９】
さらに、金属薄板のビッカース硬度を３０〜３５０まで変更して、試作電池１４〜２２を作製する。このとき使用した金属薄板は、幅１．５ｍｍ、厚さを０．０７ｍｍとするニッケルリボンであり、また集電板は前記と同じくビッカース硬度１５０、厚さ０．４０ｍｍのニッケルメッキをした鉄を使用した。
【００５０】
ｂ．第２極板である負極板の製作
(1) 水素吸蔵合金の作製と粉砕
ミッシュメタル（Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒ等の希土類元素の混合物）と、ニッケルと、コバルトと、アルミニウムと、マンガンを、元素比で１．０：３．４：０．８：０．２：０．６に秤量して混合し、これをルツボに入れて高周波溶解炉で溶融した後冷却し、下記の組成式の水素吸蔵合金電極を作製する。
Ｍｍ１．０Ｎｉ３．４Ｃｏ０．８Ａｌ０．２Ｍｎ０．６
そして、得られた水素吸蔵合金の鋳塊を、あらかじめ粗粉砕した後、不活性ガス中で平均粒径が６０μｍとなるように粉砕する。
【００５１】
(2) 水素吸蔵合金スラリーの作製
粉砕した水素吸蔵合金の粉末に、結着剤としてポリエチレンオキサイド粉末を添加し、さらにイオン交換水を添加、混練してスラリーとする。結着剤であるポリエチレンオキサイド粉末の添加量は、水素吸蔵合金に対して１．０重量％とする。
【００５２】
(3) スラリーをパンチングメタルである基板の両面に塗着した。塗着量は、圧延後の活物質密度が５ｇ／ｃｃとなるように調整した。その後、乾燥、圧延を行った後、所定寸法に切断を行い、第２極板である負極板とした。スラリーは、パンチングメタルの下縁に帯状連結部７ができるように、下縁を残して塗着した。また、パンチングメタルの全面にスラリーを塗着した後、乾燥し、下縁の活物質を除去して帯状連結部を設けることもできる。
【００５３】
以上の工程で製作した第１極板と第２極板を、ポリオレフィン製不織布からなるセバレータを介して捲回し渦巻状の電極群とし、渦巻電極を作製した。この渦巻電極の上端端部に突出する金属薄板１０に、集電板を抵抗電気溶接にて溶着する。集電板は、円板状で厚さ０．４０ｍｍのニッケルメッキをした鉄製の板を使用した。この集電板のビッカース硬度は、試作電池のパラメータとして、３０〜３５０で変更して、試作電池２３〜３１を作製した。
【００５４】
以上の方法で作製した第１極板、第２極板を使用して、円筒型のニッケル−水素電池の試作電池を作製した。
【００５５】
［試作電池１〜１３］
試作電池１〜１３は、金属薄板の厚さをパラメータとして、０．０１〜０．５０ｍｍの範囲で設定している。金属薄板として、幅１．５ｍｍ、ビッカース硬度１５０のニッケルリボンを使用し、また集電板としてビッカース硬度１５０、厚さ０．４０ｍｍのニッケルメッキを施した鉄製の板を使用した。
【００５６】
各試作電池の金属薄板１０の厚さは、０．０１〜０．５０ｍｍの範囲で変更して、試作電池を１〜１３まで作製した。０．０１〜０．０７ｍｍまでは０．０２ｍｍ毎に変更し、以後は０．１０ｍｍ〜０．５０ｍｍまで０．０５ｍｍ毎に厚さを変更した。
【００５７】
上記のようにして試作した試作電池１〜１３の、良品率を測定する。ここにおいて、良品率とは電池１００個に対する良品の数を表しており、とくに端子が接続状態にあって使用できるかどうかで判断している。つまり、各試作電池は一つの条件について同じ電池をそれぞれ１００個作製し、そのうちの良品の個数を計数した。
【００５８】
ここでは、良品率として、溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率の３つを測定した。溶接良品率とは、電池の作製過程で金属薄板と集電板とを溶着した段階で、次の工程で使用できる率、つまり溶着直後に端子が正常である割合を示す。また、組立不良率とは、正常に溶着できた端子を使用して電池の作製を続行した場合、製造工程終了時において第１極板と第２極板がショートする内部ショートがない率、つまり溶接良品率１００％とした電池の製造直後に端子が正常である割合を示す。さらに、衝撃不良品とは、完成した正常な電池を１ｍの高さから鉄板上に１００回落下させた後に、電池が使用可能な率、つまり正常に組み立てられた電池に衝撃を与えても端子が剥離しない割合を示す。
【００５９】
金属薄板の厚さを０．０１〜０．５０ｍｍとした電池の、溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率を測定した結果を表１に示す。
【００６０】
【表１】
金属薄板の厚さを０．０１〜０．５０ｍｍとした場合の溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率
【００６１】
表１に示すように、金属薄板の厚さが０．０３ｍｍ以下である試作電池１、２は溶接良品率、衝撃良品率共に極めて悪かった。金属薄板の厚さが０．０５ｍｍである試作電池３で、溶接良品率、衝撃率は８０％となる。さらに金属薄板の厚みが０．０７ｍｍ以上では、溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率すべてが極めて良好な結果を示した。また、試作電池１１が示すように、金属薄板の厚さが０．４０ｍｍで、溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率はすべて９９％となった。第１極板の厚みは０．５ｍｍであるから、第１極板の厚さの８０％である０．４０ｍｍまで、極めて溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率が高いことが判る。しかし、試作電池１２、１３が示すように、金属薄板の厚さが０．４５ｍｍ以上になると、組立良品率が低下した。組立良品率が悪くなった原因は、第１極板と第２極板がショートしたためであった。ショート部分は帯状連結部と活物質充填部との充填境界であり、この部分で基板である発泡ニッケルの骨格が突出した状態となった。
【００６２】
［試作電池１４〜２２］
次に、金属薄板のビッカース硬度をパラメータとする試作電池１４〜２２を作製した。使用した金属薄板は、幅１．５ｍｍ、厚さを０．０７ｍｍとするニッケルリボンであり、また集電板は、前記試作電池１〜１３と同じく、ビッカース硬度１５０、厚さ０．４０ｍｍのニッケルメッキを施した鉄板を使用した。
【００６３】
金属薄板のビッカース硬度は、３０〜３５０の範囲で変更した。ビッカース硬度３０〜７０までは、２０毎に変更し、１００〜３５０までは５０刻みとした。表２に、金属薄板のビッカース硬度を３０〜３５０として試作した試作電池の、良品率を測定した結果を示す。
【００６４】
【表２】
金属薄板のビッカース硬度を３０〜３５０とした場合の溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率
【００６５】
表２に示すように、金属薄板のビッカース硬度は、５０〜２５０の範囲で、溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率が極めて優れた結果を示した。試作電池１４のビッカース硬度３０では、組立良品率のみ９９％と高いが、溶接良品率、衝撃良品率はそれぞれ８５％、６０％で、若干低下している。またビッカース硬度３００以上の試作電池２１、２２は、溶接良品率は９９％と高いものの、組立良品率と衝撃良品率は若干低下した。したがって、最も良い結果を示すのは、金属薄板のビッカース硬度が５０〜２５０の範囲となる。
【００６６】
［試作電池２３〜３１］
さらに、集電板のビッカース硬度をパラメータとする試作電池２３〜３１を作製した。ここで使用した金属薄板は、幅１．５ｍｍ、厚さ０．０７ｍｍ、ビッカース硬度１５０とするニッケルリボンである。集電板は、厚さ０．４０ｍｍのニッケルメッキを施した鉄板を使用した。
【００６７】
集電板のビッカース硬度は、上記試作電池１４〜２２の金属薄板のビッカース硬度と同じく、３０〜３５０の範囲で変更した。集電板のビッカース硬度を、３０〜７０までは２０刻み、１００〜３５０までは５０刻みとしている。表３に、集電板のビッカース硬度を３０〜３５０として試作した試作電池の、溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率を測定した結果を示す。
【００６８】
【表３】
集電板のビッカース硬度を３０〜３５０とした場合の溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率
【００６９】
上記表３に示すように、集電板のビッカース硬度についても、前記金属薄板のビッカース硬度の試験と同じく、５０〜２５０の範囲で高い結果を示した。試作電池２３が示す集電板のビッカース硬度３０では、組立良品率は９９％と高いが、溶接良品率８５％、衝撃良品率３０％であった。またビッカース硬度３００では、試作電池３０が示すように、溶接良品率が９０％、組立良品率が８９％となって若干低下する。ビッカース硬度３５０では、さらに溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率が低下した。
【００７０】
【発明の効果】
本発明の電池は、電極群と集電板との溶着を確実にして、電気的接続の遮断やショートを防止し、高率放電特性でしかも信頼性の高い電池にできる特長を実現する。それは本発明の電池が、帯状連結部に溶着される金属薄板の厚さとビッカース硬度を最適値として、溶着が確実に行えかつ使用時の耐衝撃性も向上しているからである。特に本発明の電池は、電池の製造工程において、電極群の帯状連結部に十分な強度をもって確実に溶着する厚さを集電板は有している。
また同時に、金属薄板のビッカース硬度を、製造時に必要な変形が十分行える硬度としているので、電池製造時の内部ショート等のトラブルも避けることができ、歩止まりを良くできる特長も実現する。
【００７１】
さらに加えて、適度な緩衝性と十分な強度とを有する本発明の電池は、電池製造後の使用時においても、電池を落としたりぶつけたりした際の衝撃で、電極板と集電板との電気接続が断たれ難い構造として耐衝撃性を向上し、高性能で信頼性の高い電池を提供できる。
【００７２】
また本発明の電池は、金属薄板の溶着された帯状連結部と溶着される集電板のビッカース硬度と厚さとを、十分な強度と製造時の変形が十分行えるバランスを保った最適な範囲とすることで、より確実な溶着を実現している。特に、本発明の電池によって、従来の焼結式電極でなく、非焼結式電極を使用して、コスト低減と高エネルギー密度化とを同時に実現できる優れた電池をさらに便利に使用できる。それは本発明が、高率放電可能な非焼結電極を製造するにおいて、本発明の電池に係る最適な硬度とすることで、集電板と電極群との電気的な接続を強固にでき、製造時および使用時における端子の剥離事故を防止できるからである。
【００７３】
焼結式電極は、パンチングメタル等の基板を使用しているが、非焼結式電極では、発泡ニッケルなどの３次元金属多孔体を基板として使用している。ただ、３次元金属多孔体を基板とする非焼結式極板は、集電板との溶接が難しく、集電性が不十分となることがあり、また衝撃によって端子が剥離するおそれがある。これに対し本発明の電池は、帯状連結部に溶着される金属薄板の厚さを、十分な強度を保持しつつ、省スペースをも維持した最適な範囲に調整している。さらに硬度も、十分に衝撃に耐える程高く、一方で製造時の溶着が十分に行えるよう低く、最適に調整することにより、耐衝撃性を向上している。また本発明の電池は、金属薄板の溶着された帯状連結部と溶着される集電板の硬度を、十分な強度と製造時の変形が十分行えるバランスを保った最適な範囲とすることで、耐衝撃性をより向上している。
【００７４】
さらにまた本発明の電池は、集電板に貫通孔と共に突起を設けており、溶着をさらに容易にかつ確実に行うことができる。このため、低コストおよび高率放電のみならず、信頼性をさらに向上して、安全で便利に使用できる極めて使い勝手の良い電池を提供できる特長が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電池に内蔵される電極群の極板に集電板を接続する状態を示す分解斜視図
【図２】 リード板を溶着した極板の一例を示す平面図
【図３】 従来の電池の一部断面正面図
【図４】 電極群に集電板を押圧して接続する状態を示す拡大断面図
【図５】 帯状連結部と充填境界が折れ曲がって内部ショートを起こす一例を示す拡大断面図
【図６】 帯状連結部と充填境界が折れ曲がって内部ショートを起こす他の一例を示す拡大断面図
【図７】 本発明の一実施例の電池の一部断面正面図
【図８】 図７に示す電池の第１極板の展開図
【図９】 図７に示す電池の電極群の積層構造を示す拡大断面図
【図１０】 図７に示す電池の集電板の展開図
【図１１】 図１０に示す集電板の拡大断面図
【図１２】 第１極板の製造方法の一例を示す平面図
【符号の説明】
１…第１極板
２…第２極板
３…セパレータ
４…電極群
５…外装缶
６…集電板 ６Ａ…リード板 ６Ｂ…中心孔
６Ｃ…スリット ６Ｄ…貫通孔
６Ｅ…突起
７…帯状連結部
８…活物質充填部
９…基板
１０…金属薄板
１１…封口板
１２…端子
１３…保護テープ
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極群に集電板を溶着して高率放電特性を向上させた電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルカリ電池等に使用される電極板として、焼結式電極と非焼結式電極がある。従来は焼結式電極が主流で多く使用されてきた。この電極は、カルボニルニッケル焼結体にニッケル塩、力ドミウム塩などの溶液を含浸させ、アルカリ処理をして活物質化して製作される。しかし、近年は、コストを低減して、高エネルギー密度にできることから、非焼結式電極が有望となってきた。非焼結式電極は、発泡ニッケルや、ニッケル繊維多孔体などの金属３次元多孔体を基板とし、この基板の空隙に、ペースト状の活物質を直接に充填して製作される。
【０００３】
非焼結式電極は、基板に金属３次元多孔体を使用するので、焼結式電極の基板に使用されるパンチングメタルのように、基板に直接にリード板を溶接して接続できない。金属３次元多孔体はほとんどの部分が空隙で、金属部分がしめる割合が極めて少ないために、リード板を接触させても、接触面積が極めて小さく制限されるからである。
【０００４】
金属３次元多孔体の基板を集電板に接続する技術は、以下の公報に記載される。
(1) 特開昭６３−４５６２号公報
(2) 特開平２−２２０３６５号公報
【０００５】
(1) と (2)の公報には、金属３次元多孔体の基板の端縁に沿って、活物質を充填しない帯状連結部を設け、ここに金属薄板を溶着して、この部分を集電板に接続する構造が記載される。
【０００６】
帯状連結部に金属薄板を溶着している電極板は、セパレータを介して渦巻状に捲回されて電極群となる。この渦巻状の電極群は、図１の分解図で示すように、集電板６を溶着して集電できる。この図に示すように、集電板６を電極群４に溶着する電池は、高率放電特性を向上させて、大電流での放電特性を改善できる。金属薄板を溶着している電極板は、図２の展開図で示すように、帯状連結部７の一部にリード板６Ａを溶着して集電することもできる。しかしながら、図２に示すように、リード板６Ａを溶着して集電する構造の電池は、大電流放電特性を向上させるのが難しい。図１に示すように、帯状連結部となる電極群４の上端縁を、複数部分で集電板６に接続する電池は、電極板に流れる電流分布を均一にできる特長がある。
【０００７】
図３の断面図は、電極群４の上面に集電板６を接続する電池の断面構造を示している。この構造の電池は、集電板６の下面を片方の極板に複数部分で帯状連結部７に接続している。片方の極板を集電板６に接続するために、一方の電極板は他方の電極板よりも上方に突出されている。電極板の突出部は、金属薄板１０を溶着している帯状連結部７である。この構造の電極群は、図４の断面図に示すように、上面に集電板６を押圧して、集電板６に抵抗電気溶接して接続される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上の構造の電池は、基板の帯状連結部を、集電板に理想的な状態で接続するのが極めて難しい。とくに、帯状連結部の複数部分を、確実に集電板に接続するためには、集電板を相当な圧力で帯状連結部に押圧して、抵抗電気溶接する必要がある。集電板の押圧力を弱くすると、集電板と帯状連結部との連結部分の間の電気抵抗が大きくなって、正常に電気溶接できなくなるからである。電気抵抗が大きな状態で、集電板と帯状連結部とを抵抗電気溶接すると、溶接機は、定電流を流すために、集電板と帯状連結部との間に印加する電圧を高くする。高い電圧が印加されると、集電板と帯状連結部の間でアーク放電するようになって、抵抗が急激に低下し、溶接部分に大電力が供給されて接触部が瞬時に溶解して飛び散る、いわゆる「爆飛」といわれる状態となる。この状態になると、集電板と帯状連結部とは正常に接続できなくなってしまう。
【０００９】
とくに、電池の内部抵抗を小さくするために、集電板の複数部分を帯状連結部に接着する電池は、帯状連結部と集電板とを接続する全ての部分で理想的な状態で連結するのが極めて難しい。帯状連結部の上面と、集電板の下面を完全な平面には加工できないからである。とくに、複数の貫通孔を設けて、貫通孔の周縁に下方に突起を設けて、この突起を帯状連結部に接触させて電気溶接する集電板は、下面を完全な平面状とすることは現実には極めて困難である。
【００１０】
集電板を電極群に強く押圧することで、帯状連結部と集電板とを隙間なく接触できる。したがって、この状態で集電板を帯状連結部に溶着すれば、集電板と帯状連結部とを確実に溶着できる。しかしながら、集電板を帯状連結部に強く押圧して、溶着すると、図５と図６に示すように、帯状連結部７が折れ曲がって、内部ショートの原因となる。折れ曲がった部分がセパレータ３を突き破って、他の端子に接触するからである。とくに、金属薄板１０を溶着している帯状連結部７は、不連続な部分が弱くなって、充填境界で折れ曲がりやすい性質がある。さらに、金属３次元多孔体の基板に活物質を充填している非焼結式電極は、基板の強度が弱く、集電板を強く押圧すると、変形しやすい。
【００１１】
したがって、従来の電池は、集電板を電極群に強く押圧して溶着すると、内部ショートが多くなり、反対に集電板を電極群に押圧する圧力を弱くして溶着すると、集電板と電極群とを低抵抗な状態で溶着できなくなる欠点があった。さらに、電池は、落下された時などに受ける衝撃で、溶着部分が剥離して使用できなくなることがある。とくに、電極群の帯状連結部を、複数部分で集電板に溶着している大電流特性の優れた電池は、細長いリード板を介して電極群を端子に接続している電池に比較すると、衝撃による不良品の発生率が高くなる欠点がある。それは、リード板のように自由に変形して衝撃を吸収する能力が少ないからである。
【００１２】
本発明は、上記のような従来の欠点を解決することを目的に開発されたもので、本発明の重要な目的は、電極群の帯状連結部を、低抵抗な状態で集電板の複数部分に確実に溶着でき、さらに、集電板を溶着する工程における内部ショートが少なく、しかも、耐衝撃特性の優れた電池を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の電池は、前述の目的を達成するために以下の構造を有している。電池は、正極板と負極板とからなる第１極板１と第２極板２を、セパレータ３を介して積層している電極群４と、この電極群４を収納している外装缶５と、第１極板１に電気接続されて、第１極板１を一方の端子に電気的に接続する集電板６とを備える。
【００１４】
第１極板を正極板とする電池は、第２極板を負極板とし、第１極板を負極板とする電池は、第２極板を正極板とする。
【００１５】
第１極板１は、金属３次元多孔体の基板９に活物質を充填している非焼結式電極であって、基板９を露出させている帯状連結部７を有する。この帯状連結部７は、金属３次元多孔体を露出させている帯状連結部７に、金属薄板１０を溶着している。金属薄板１０を溶着している帯状連結部７は、集電板６の複数部分に溶着して電気的に接続している。
【００１６】
さらに、本発明の請求項１の電池は、帯状連結部７に溶着している金属薄板１０の厚さを０．０７ｍｍ以上で第１極板１の厚さの８０％よりも薄くすると共に、ビッカース硬度を５０以上で２５０以下としている。
【００１７】
本発明の電池は、集電板６に、ビッカース硬度を５０以上で２５０以下として、厚さを０．１〜１．５ｍｍとする金属板を使用する。
【００１８】
本発明の電池は、集電板６が外装缶５の内形よりも小さい外形であって、電極群４の端部に対向して配設されている。さらに集電板６は、複数の貫通孔６Ｄを設けている。貫通孔６Ｄは、周縁に、電極群４の帯状連結部７に向かって突出している突起６Ｅを有する。突出している突起６Ｅは、第１極板１の帯状連結部７に複数部分で溶着されている。
【００１９】
本発明の請求項２の電池は、金属３次元多孔体を、発泡ニッケル、又は、ニッケル繊維多孔体とする。
【００２０】
本発明の電池は、金属３次元多孔体の基板９の帯状連結部７をプレスして高密度に圧縮している。
【００２１】
本発明の請求項３の電池は、第１極板１と第２極板２とをセパレータ３を介して積層して渦巻状に捲回してなる渦巻電極を電極群４に使用している。集電板６は、渦巻電極の端部に接近して配設されている円板状である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電池を例示するものであって、本発明は電池を以下のものに特定しない。
【００２３】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施の形態に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。
【００２４】
図７に示す電池は、封口板１１で気密に密閉された円筒状の外装缶５と、この外装缶５に挿入している電極群４と、電極群４を外装缶５の端子１２に接続する集電板６とを備える。図に示す電池は、外装缶を円筒状としているが、本発明は電池の外装缶を円筒状に特定しない。外装缶は、図示しないが、たとえば、四角筒状ないし楕円筒状とすることもできる。
【００２５】
外装缶５は鉄製で、その表面をニッケルメッキしている。外装缶５の材質は、電池の種類と特性を考慮して最適な金属が選択される。外装缶は、例えば、ステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金製とすることもある。金属製の外装缶は、上端の開口部を、封口蓋で気密に密閉している。封口蓋は、外装缶をかしめる構造、あるいは、外装缶と封口蓋の境界をレーザー溶接する等の方法で、気密に固定される。封口板１１は電池の一方の端子１２を固定している。この端子１２は、外装缶に対して絶縁して固定される。
【００２６】
本発明の電池は、非焼結式電極を内蔵する電池、たとえば、ニッケル−水素電池である。ただ、本発明は、電池をニッケル−水素電池に特定しない。電池には、たとえば、ニッケル−カドミウム電池、リチウムイオン電池等とすることもできる。以下、好ましい実施の形態として、ニッケル−水素電池の実施の形態を詳述する。
【００２７】
電極群４は、第１極板１と第２極板２を、セパレータ３を介して捲回している。図に示す電池は、集電板６に接続される第１極板１を正極板とし、第２極板２を負極板としている。ただし、本発明は、第１極板を負極板として、第２極板を正極板とすることもできる。セパレータ３を介して互いに積層された第１極板１と第２極板２は、巻回して渦巻状の電極群４に製作される。渦巻状の電極群４は、円筒状の外装缶５に挿入される。渦巻状の電極群は、両側からプレスして楕円形に変形させて、楕円形の外装缶に挿入することができる。さらに、角筒状の外装缶に挿入される電極群は、板状に裁断された複数枚の第１極板と第２極板とを、セパレータを介して積層して製作される。
【００２８】
セパレータ３は、ポリオレフィン製不織布が使用される。ただ、セパレータ３には、ポリエチレン等の合成樹脂製微多孔膜も使用できる。セパレータ３には、両側に積層される第１極板１と第２極板２を絶縁でき、かつ、電解液を浸透できる全てのシート材が使用できる。
【００２９】
第１極板１は、金属３次元多孔体の基板９に活物質を充填している非焼結式電極である。金属３次元多孔体の基板９は、発泡ニッケル多孔体やニッケル繊維多孔体等である。第１極板１は、これ等の基板９に活物質を充填している。
【００３０】
第１極板１の基板は、図８の展開図に示すように、基板９の上部に帯状連結部７を設け、他の部分は活物質を充填している活物質充填部８としている。帯状連結部７は、活物質を充填せず、あるいは、充填した活物質を除去して基板９を露出させている。基板９は、好ましくは、帯状連結部７でプレスされて高密度に圧縮されている。圧縮された帯状連結部７は、金属薄板を確実に溶着できる特長がある。
【００３１】
帯状連結部７は、集電板６により確実に電気的に接続するために、図９の断面図に示すように、金属薄板１０を固定している。金属薄板１０は、抵抗電気溶接して、あるいは導電性の接着材を介して、帯状連結部７に電気的に接続される状態で接着される。
【００３２】
金属薄板１０の厚さは、０．０７ｍｍ以上で、第１極板１の８０％の厚さよりも薄い。金属薄板１０を０．０７ｍｍよりも薄くすると、帯状連結部を集電板に溶接するときの強度が充分でなくなる。反対に、金属薄板の厚さが第１極板１の８０％よりも厚くなると、第１極板と第２極板とをセパレータを介して積層した状態で、帯状連結部が厚くなって、スペース効率が低下する。金属薄板の厚さは、好ましくは０．０９５〜０．２ｍｍとする。
【００３３】
さらに、金属薄板は、ビッカース硬度を５０以上として、２５０以下とする金属薄板が使用される。金属薄板の硬度が５０以下であると、帯状連結部を集電板に溶着するときの強度が充分でなくなり、また、電池が衝撃を受けたときに、帯状連結部が集電板から離れて、耐衝撃強度が低下する。金属薄板のビッカース硬度が２５０よりも大きくなると、帯状連結部を集電板に溶着するときに、金属薄板がセパレータを突き破って内部ショートしやすく、また、衝撃強度も低下する。したがって、金属薄板には、ビッカース硬度を５０〜２５０とする金属の薄板、好ましくは、ビッカース硬度を１７０〜２００とする金属の薄板、たとえば、ニッケル薄板、リンニッケル薄板、鉄にニッケルメッキをした薄板等を使用する。
【００３４】
図９の第１極板１は、帯状連結部７の第２極板２との対向面に保護テープ１３を付着している。保護テープ１３は、下端縁を充填境界よりも下方まで延長している。帯状連結部７に集電板６を押圧して溶接するときに、充填境界が折れ曲がってセパレータを突き破るのを防止するためである。ここに保護テープ１３を接着している電池は、内部ショートを防止して、集電板６を帯状連結部７に確実に接続できる特長がある。ただ、保護テープを使用しない状態で、帯状連結部を集電板に接続することもできる。
【００３５】
集電板６は、鉄にニッケルメッキをした金属板、あるいは、ニッケル板等の金属板で、図１０に示すように、金属板を外装缶５の内形よりも小さい円板状に切断して、リード板６Ａを突出させたものである。集電板６は、電極群４の両端部で対向するように配設される。図１０に示す集電板６は、電池の外装缶５が円筒形である電池に使用するために円形としているが、本発明の電池は円筒形電池に特定されないので、例えば図示しないが、角形電池には、方形状の集電板を使用することができる。
【００３６】
集電板６は、抵抗電気溶接するときの無効電流を少なくするために、中心孔６Ｂの両側にスリット６Ｃを設けている。さらに、複数の貫通孔６Ｄを開口している。貫通孔６Ｄの周縁には、図１１の拡大断面図に示すように、下方に突出する突起６Ｅを設けている。突起６Ｅは、第１極板１の帯状連結部７に複数部分で溶着して接続される。集電板６のリード板６Ａは、外装缶５の開口部に絶縁して固定される端子１２に接続される。
【００３７】
集電板は、ビッカース硬度を５０以上で２５０以下として、厚さを０．１〜１．５ｍｍとする金属板である。集電板は、ビッカース硬度を５０以下とし、あるいは、厚さを０．１ｍｍ以下としても、また、ビッカース硬度を２５０以上とし、あるいは厚さを１．５ｍｍよりも厚くしても、帯状連結部に確実に溶着できなくなる。
【００３８】
ビッカース硬度を５０以下とし、あるいは厚さを０．１ｍｍ以下とする集電板は、充分な強度がないために、溶接用の電極棒を局部的に押圧して、帯状連結部と集電板との接触部分を確実に溶着できなくなる。集電板が変形してしまうからである。さらに、ビッカース硬度を２５０以上とし、あるいは厚さを１．５ｍｍ以上とする集電板も、溶接用の電極棒を局部的に押圧するときに、帯状連結部と集電板との接触部分を確実に溶着できなくなる。集電板がほとんど変形しないからである。
【００３９】
帯状連結部を集電板に溶着するときには、帯状連結部と集電板の溶着部分において、接触部分を均一な状態で接触させることが大切である。集電板は、溶接用電極棒で局部的に押圧される状態で、全く変形しなくても、また、変形が大きすぎても、溶接部分を均一に接触できなくなる。変形が大きすぎると、溶接用電極棒で押圧される近傍の溶接部分は強く押圧されるが、溶接用電極棒から離れた部分での溶接部分の接触が弱く、あるいは離れてしまう。また、集電板が全く変形しないと、集電板と帯状連結部の突出している溶接部分のみが強く接触して、他の溶接部分は接触しなくなる。このため、全ての溶接部分を均一に接触させて理想的な状態で溶着できなくなる。
【００４０】
さらに、集電板は、ビッカース硬度を２５０以上とし、あるいは厚さを１．５ｍｍ以上とすると、帯状連結部を連結するときに、第１極板と第２極板とがセパレータを突き破って内部ショートする率が高くなって、歩留を低下させる。それは、溶接用電極棒で押圧される集電板の変形が小さくなって、互いに突出する状態で集電板に押圧される帯状連結部が折れ曲がって、セパレータ３を突き破るからである。
【００４１】
さらに、集電板は、ビッカース硬度を５０以下とし、あるいは、厚さを０．１ｍｍ以下としても、また、ビッカース硬度を２５０以上とし、あるいは厚さを１．５ｍｍよりも厚くしても、耐衝撃強度が低下する。ビッカース硬度を５０以下とし、あるいは、厚さを０．１ｍｍ以下とする集電板６は、充分な強度がないために、衝撃を受けたときに帯状連結部との溶着が外れて耐衝撃強度が低下する。また、ビッカース硬度を２５０以上とし、あるいは、１．５ｍｍよりも厚い集電板は、衝撃を受けたときに全く変形しない、いいかえると、緩衝作用がないために、帯状連結部と集電板との溶着部分が外れやすく、耐衝撃強度が低下する。
【００４２】
【実施例】
以下の工程で、ＳＣサイズの円筒型ニッケル−水素電池を試作し、金属薄板の厚さとビッカース硬度、および集電板のビッカース硬度を変更して、それぞれの良品率を測定した。
【００４３】
以下の工程で、ニッケル−水素電池の外装缶に挿入する電極群を製作した。
ａ．第１極板である正極板の製作
(1) 下記の工程で金属多孔体を作製する。
連続気泡のポリウレタンフォームであるスポンジ状の有機多孔体を、導電処理した後、電解槽のメッキ液に浸漬してメッキする。メッキした有機多孔体を、７５０℃の温度で所定時間ばい焼して、有機多孔体の樹脂成分を除去し、さらに、還元雰囲気で焼結して金属多孔体を製作する。この工程で製作された金属多孔体は、目付を約６００ｇ／ｍ２とし、多孔度を９５％とし、厚みを約２．０ｍｍとする発泡ニッケルである。
【００４４】
(2) 下記のものを混練して、正極の活物質スラリーとする。
水酸化ニッケル粉末…………………………………………９０重量部
（２．５ｗｔ％の亜鉛と、１ｗｔ％のコバルトを共沈成分として含有）
コバルト粉末…………………………………………………１０重量部
酸化亜鉛粉末……………………………………………………３重量部
ヒドロキシプロピルセルロース０．２重量％水溶液……５０重量部
【００４５】
(3) 作製した正極の活物質スラリーを、金属多孔体の空隙に充填した。充填量は、ロール圧延後の活物質密度が約２．９１ｇ／ｃｃ−ｖｏｉｄとなるように調整した。その後、乾燥し、厚みが約０．７０ｍｍとなるように口ール圧延を行った。さらに短冊状に切断し、金属薄板１０を溶接する帯状連結部７に対し、垂直方向の超音波振動を加える超音波剥離等により活物質を除去した。そして図８に示すように、基板９の露出する帯状連結部７のある第１極板１とする。
【００４６】
第１極板は、以下の工程で活物質を製造することもできる。図１２に示すように、活物質を充填する前に、金属多孔体を所定の幅で平行にロール圧延する。ロール圧延の幅は、帯状連結部７の幅の２倍の約５ｍｍとし、圧延後の厚さを０．５ｍｍとする。このように圧延した金属多孔体の基板９に、上記の活物質スラリーを充填して圧延する。その後、図１２の矢印で示す位置で切断して、短冊状の第１極板を作製する。その後、帯状連結部７となる薄く圧延された部分に沿って、圧縮空気を噴射し、あるいはブラシ等を使用して、活物質を除去して基板を露出させる。
【００４７】
(4) 基板９の露出した帯状連結部７に、抵抗電気溶接により金属薄板１０を接着する。帯状連結部７と金属薄板１０との接着には、直径１．５ｍｍの銅を溶接用電極棒として使用し、２ｍｍ間隔で抵抗電気溶接した。金属薄板１０には、ニッケルリボンを使用し、幅１．５ｍｍとした。
【００４８】
金属薄板の厚さとビッカース硬度をパラメータとして、複数の試作電池を作製する。試作電池１〜１３は、金属薄板の厚さを、０．０１〜０．５０ｍｍの範囲で設定している。このとき使用した金属薄板は、幅１．５ｍｍ、ビッカース硬度１５０のニッケルリボンで、また集電板はビッカース硬度１５０、厚さ０．４０ｍｍのニッケルメッキをした鉄を使用した。
【００４９】
さらに、金属薄板のビッカース硬度を３０〜３５０まで変更して、試作電池１４〜２２を作製する。このとき使用した金属薄板は、幅１．５ｍｍ、厚さを０．０７ｍｍとするニッケルリボンであり、また集電板は前記と同じくビッカース硬度１５０、厚さ０．４０ｍｍのニッケルメッキをした鉄を使用した。
【００５０】
ｂ．第２極板である負極板の製作
(1) 水素吸蔵合金の作製と粉砕
ミッシュメタル（Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒ等の希土類元素の混合物）と、ニッケルと、コバルトと、アルミニウムと、マンガンを、元素比で１．０：３．４：０．８：０．２：０．６に秤量して混合し、これをルツボに入れて高周波溶解炉で溶融した後冷却し、下記の組成式の水素吸蔵合金電極を作製する。
Ｍｍ１．０Ｎｉ３．４Ｃｏ０．８Ａｌ０．２Ｍｎ０．６
そして、得られた水素吸蔵合金の鋳塊を、あらかじめ粗粉砕した後、不活性ガス中で平均粒径が６０μｍとなるように粉砕する。
【００５１】
(2) 水素吸蔵合金スラリーの作製
粉砕した水素吸蔵合金の粉末に、結着剤としてポリエチレンオキサイド粉末を添加し、さらにイオン交換水を添加、混練してスラリーとする。結着剤であるポリエチレンオキサイド粉末の添加量は、水素吸蔵合金に対して１．０重量％とする。
【００５２】
(3) スラリーをパンチングメタルである基板の両面に塗着した。塗着量は、圧延後の活物質密度が５ｇ／ｃｃとなるように調整した。その後、乾燥、圧延を行った後、所定寸法に切断を行い、第２極板である負極板とした。スラリーは、パンチングメタルの下縁に帯状連結部７ができるように、下縁を残して塗着した。また、パンチングメタルの全面にスラリーを塗着した後、乾燥し、下縁の活物質を除去して帯状連結部を設けることもできる。
【００５３】
以上の工程で製作した第１極板と第２極板を、ポリオレフィン製不織布からなるセバレータを介して捲回し渦巻状の電極群とし、渦巻電極を作製した。この渦巻電極の上端端部に突出する金属薄板１０に、集電板を抵抗電気溶接にて溶着する。集電板は、円板状で厚さ０．４０ｍｍのニッケルメッキをした鉄製の板を使用した。この集電板のビッカース硬度は、試作電池のパラメータとして、３０〜３５０で変更して、試作電池２３〜３１を作製した。
【００５４】
以上の方法で作製した第１極板、第２極板を使用して、円筒型のニッケル−水素電池の試作電池を作製した。
【００５５】
［試作電池１〜１３］
試作電池１〜１３は、金属薄板の厚さをパラメータとして、０．０１〜０．５０ｍｍの範囲で設定している。金属薄板として、幅１．５ｍｍ、ビッカース硬度１５０のニッケルリボンを使用し、また集電板としてビッカース硬度１５０、厚さ０．４０ｍｍのニッケルメッキを施した鉄製の板を使用した。
【００５６】
各試作電池の金属薄板１０の厚さは、０．０１〜０．５０ｍｍの範囲で変更して、試作電池を１〜１３まで作製した。０．０１〜０．０７ｍｍまでは０．０２ｍｍ毎に変更し、以後は０．１０ｍｍ〜０．５０ｍｍまで０．０５ｍｍ毎に厚さを変更した。
【００５７】
上記のようにして試作した試作電池１〜１３の、良品率を測定する。ここにおいて、良品率とは電池１００個に対する良品の数を表しており、とくに端子が接続状態にあって使用できるかどうかで判断している。つまり、各試作電池は一つの条件について同じ電池をそれぞれ１００個作製し、そのうちの良品の個数を計数した。
【００５８】
ここでは、良品率として、溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率の３つを測定した。溶接良品率とは、電池の作製過程で金属薄板と集電板とを溶着した段階で、次の工程で使用できる率、つまり溶着直後に端子が正常である割合を示す。また、組立不良率とは、正常に溶着できた端子を使用して電池の作製を続行した場合、製造工程終了時において第１極板と第２極板がショートする内部ショートがない率、つまり溶接良品率１００％とした電池の製造直後に端子が正常である割合を示す。さらに、衝撃不良品とは、完成した正常な電池を１ｍの高さから鉄板上に１００回落下させた後に、電池が使用可能な率、つまり正常に組み立てられた電池に衝撃を与えても端子が剥離しない割合を示す。
【００５９】
金属薄板の厚さを０．０１〜０．５０ｍｍとした電池の、溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率を測定した結果を表１に示す。
【００６０】
【表１】
金属薄板の厚さを０．０１〜０．５０ｍｍとした場合の溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率
表１に示すように、金属薄板の厚さが０．０３ｍｍ以下である試作電池１、２は溶接良品率、衝撃良品率共に極めて悪かった。金属薄板の厚さが０．０５ｍｍである試作電池３で、溶接良品率、衝撃率は８０％となる。さらに金属薄板の厚みが０．０７ｍｍ以上では、溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率すべてが極めて良好な結果を示した。また、試作電池１１が示すように、金属薄板の厚さが０．４０ｍｍで、溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率はすべて９９％となった。第１極板の厚みは０．５ｍｍであるから、第１極板の厚さの８０％である０．４０ｍｍまで、極めて溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率が高いことが判る。しかし、試作電池１２、１３が示すように、金属薄板の厚さが０．４５ｍｍ以上になると、組立良品率が低下した。組立良品率が悪くなった原因は、第１極板と第２極板がショートしたためであった。ショート部分は帯状連結部と活物質充填部との充填境界であり、この部分で基板である発泡ニッケルの骨格が突出した状態となった。
【００６２】
［試作電池１４〜２２］
次に、金属薄板のビッカース硬度をパラメータとする試作電池１４〜２２を作製した。使用した金属薄板は、幅１．５ｍｍ、厚さを０．０７ｍｍとするニッケルリボンであり、また集電板は、前記試作電池１〜１３と同じく、ビッカース硬度１５０、厚さ０．４０ｍｍのニッケルメッキを施した鉄板を使用した。
【００６３】
金属薄板のビッカース硬度は、３０〜３５０の範囲で変更した。ビッカース硬度３０〜７０までは、２０毎に変更し、１００〜３５０までは５０刻みとした。表２に、金属薄板のビッカース硬度を３０〜３５０として試作した試作電池の、良品率を測定した結果を示す。
【００６４】
【表２】
金属薄板のビッカース硬度を３０〜３５０とした場合の溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率
表２に示すように、金属薄板のビッカース硬度は、５０〜２５０の範囲で、溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率が極めて優れた結果を示した。試作電池１４のビッカース硬度３０では、組立良品率のみ９９％と高いが、溶接良品率、衝撃良品率はそれぞれ８５％、６０％で、若干低下している。またビッカース硬度３００以上の試作電池２１、２２は、溶接良品率は９９％と高いものの、組立良品率と衝撃良品率は若干低下した。したがって、最も良い結果を示すのは、金属薄板のビッカース硬度が５０〜２５０の範囲となる。
【００６６】
［試作電池２３〜３１］
さらに、集電板のビッカース硬度をパラメータとする試作電池２３〜３１を作製した。ここで使用した金属薄板は、幅１．５ｍｍ、厚さ０．０７ｍｍ、ビッカース硬度１５０とするニッケルリボンである。集電板は、厚さ０．４０ｍｍのニッケルメッキを施した鉄板を使用した。
【００６７】
集電板のビッカース硬度は、上記試作電池１４〜２２の金属薄板のビッカース硬度と同じく、３０〜３５０の範囲で変更した。集電板のビッカース硬度を、３０〜７０までは２０刻み、１００〜３５０までは５０刻みとしている。表３に、集電板のビッカース硬度を３０〜３５０として試作した試作電池の、溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率を測定した結果を示す。
【００６８】
【表３】
集電板のビッカース硬度を３０〜３５０とした場合の溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率
上記表３に示すように、集電板のビッカース硬度についても、前記金属薄板のビッカース硬度の試験と同じく、５０〜２５０の範囲で高い結果を示した。試作電池２３が示す集電板のビッカース硬度３０では、組立良品率は９９％と高いが、溶接良品率８５％、衝撃良品率３０％であった。またビッカース硬度３００では、試作電池３０が示すように、溶接良品率が９０％、組立良品率が８９％となって若干低下する。ビッカース硬度３５０では、さらに溶接良品率、組立良品率、衝撃良品率が低下した。
【００７０】
【発明の効果】
本発明の電池は、電極群と集電板との溶着を確実にして、電気的接続の遮断やショートを防止し、高率放電特性でしかも信頼性の高い電池にできる特長を実現する。それは本発明の電池が、帯状連結部に溶着される金属薄板の厚さとビッカース硬度を最適値として、溶着が確実に行えかつ使用時の耐衝撃性も向上しているからである。特に本発明の電池は、電池の製造工程において、電極群の帯状連結部に十分な強度をもって確実に溶着する厚さを集電板は有している。
また同時に、金属薄板のビッカース硬度を、製造時に必要な変形が十分行える硬度としているので、電池製造時の内部ショート等のトラブルも避けることができ、歩止まりを良くできる特長も実現する。
【００７１】
さらに加えて、適度な緩衝性と十分な強度とを有する本発明の電池は、電池製造後の使用時においても、電池を落としたりぶつけたりした際の衝撃で、電極板と集電板との電気接続が断たれ難い構造として耐衝撃性を向上し、高性能で信頼性の高い電池を提供できる。
【００７２】
また本発明の電池は、金属薄板の溶着された帯状連結部と溶着される集電板のビッカース硬度と厚さとを、十分な強度と製造時の変形が十分行えるバランスを保った最適な範囲とすることで、より確実な溶着を実現している。特に、本発明の電池によって、従来の焼結式電極でなく、非焼結式電極を使用して、コスト低減と高エネルギー密度化とを同時に実現できる優れた電池をさらに便利に使用できる。それは本発明が、高率放電可能な非焼結電極を製造するにおいて、本発明の電池に係る最適な硬度とすることで、集電板と電極群との電気的な接続を強固にでき、製造時および使用時における端子の剥離事故を防止できるからである。
【００７３】
焼結式電極は、パンチングメタル等の基板を使用しているが、非焼結式電極では、発泡ニッケルなどの３次元金属多孔体を基板として使用している。ただ、３次元金属多孔体を基板とする非焼結式極板は、集電板との溶接が難しく、集電性が不十分となることがあり、また衝撃によって端子が剥離するおそれがある。これに対し本発明の電池は、帯状連結部に溶着される金属薄板の厚さを、十分な強度を保持しつつ、省スペースをも維持した最適な範囲に調整している。さらに硬度も、十分に衝撃に耐える程高く、一方で製造時の溶着が十分に行えるよう低く、最適に調整することにより、耐衝撃性を向上している。また本発明の電池は、金属薄板の溶着された帯状連結部と溶着される集電板の硬度を、十分な強度と製造時の変形が十分行えるバランスを保った最適な範囲とすることで、耐衝撃性をより向上している。
【００７４】
さらにまた本発明の電池は、集電板に貫通孔と共に突起を設けており、溶着をさらに容易にかつ確実に行うことができる。このため、低コストおよび高率放電のみならず、信頼性をさらに向上して、安全で便利に使用できる極めて使い勝手の良い電池を提供できる特長が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電池に内蔵される電極群の極板に集電板を接続する状態を示す分解斜視図
【図２】 リード板を溶着した極板の一例を示す平面図
【図３】 従来の電池の一部断面正面図
【図４】 電極群に集電板を押圧して接続する状態を示す拡大断面図
【図５】 帯状連結部と充填境界が折れ曲がって内部ショートを起こす一例を示す拡大断面図
【図６】 帯状連結部と充填境界が折れ曲がって内部ショートを起こす他の一例を示す拡大断面図
【図７】 本発明の一実施例の電池の一部断面正面図
【図８】 図７に示す電池の第１極板の展開図
【図９】 図７に示す電池の電極群の積層構造を示す拡大断面図
【図１０】 図７に示す電池の集電板の展開図
【図１１】 図１０に示す集電板の拡大断面図
【図１２】 第１極板の製造方法の一例を示す平面図
【符号の説明】
１…第１極板
２…第２極板
３…セパレータ
４…電極群
５…外装缶
６…集電板 ６Ａ…リード板 ６Ｂ…中心孔
６Ｃ…スリット ６Ｄ…貫通孔
６Ｅ…突起
７…帯状連結部
８…活物質充填部
９…基板
１０…金属薄板
１１…封口板
１２…端子
１３…保護テープ
Claims (3)
- 正極板と負極板とからなる第１極板(1)と第２極板(2)をセパレータ(3)を介して積層している電極群(4)と、この電極群(4)を収納している外装缶(5)と、第１極板(1)に電気接続されて、第１極板(1)を一方の端子に電気的に接続する集電板(6)とを備え、
第１極板(1)は、金属３次元多孔体の基板(9)に活物質を充填している非焼結式電極であって基板(9)を露出させている帯状連結部(7)を有し、この基板(9)を露出させている帯状連結部(7)に金属薄板(10)を溶着しており、金属薄板(10)の溶着された帯状連結部(7)を集電板(6)の複数部分に溶着して電気接続してなる電池において、
帯状連結部(7)に溶着される金属薄板(10)が、厚さを０．０７ｍｍ以上で第１極板(1)の８０％の厚さよりも薄くし、かつ、ビッカース硬度を５０以上で２５０以下とし、
さらに、集電板 (6) は、ビッカース硬度を５０以上で２５０以下として、厚さを０．１〜１．５ｍｍとする金属板で、この集電板 (6) は、外装缶 (5) の内形よりも小さい外形であって、電極群 (4) の端部に対向して配設されており、かつ、複数の貫通孔 (6D) を有すると共に、貫通孔 (6D) の周縁に、電極群 (4) の帯状連結部 (7) に向かって突出している突起 (6E) を有し、この突起 (6E) を第１極板 (1) の帯状連結部 (7) に複数部分で溶着しており、
金属３次元多孔体の基板は、帯状連結部 (7) でプレスされて高密度に圧縮されていることを特徴とする電池。 - 金属３次元多孔体が、発泡ニッケル、又は、ニッケル繊維多孔体である請求項１に記載される電池。
- 電極群(4)が、第１極板(1)と第２極板(2)とをセパレータ(3)を介して積層して渦巻状に捲回してなる渦巻電極で、集電板(6)が渦巻電極の端部に接近して配設されてなる円板状である請求項１に記載される電池。
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