JP3729138B2

JP3729138B2 - 密閉式角型蓄電池とその製造方法

Info

Publication number: JP3729138B2
Application number: JP2002043026A
Authority: JP
Inventors: 正人村山; 敏孝新妻; 浩之後藤; 文則尾崎
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2005-12-21
Anticipated expiration: 2022-02-20
Also published as: JP2003242938A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池、特にニッケル−水素蓄電池等の密閉式角型蓄電池と、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電池を用いるポータブル機器の発展はめざましく、携帯電話、ポータブルオーディオ機器等の商品化が積極的に展開されている。これらの機器の駆動電源として使用されるニッケル−水素蓄電池やリチウムイオン電池は、高容量かつ小型軽量化への要求が年々高まってきている。これらの要求に対応する為に、電池を小型化して、省スペースとすることを目的として、外装缶の形状を従来の円筒型から角型に変更した小型電池が多く利用されている。
【０００３】
このような小型角型電池は、普通は次のようにして製造される。まず、角型の有底外装缶内に極板群を挿入する。極板群は、正極板、セパレータ、負極板を積層して形成される。群最外側の負極板は外装缶に接続し、正極板は長方形状の蓋体に絶縁部材で電気的に隔離されて設けられた正極端子に接続する。その後、外装缶に電解液を注入し、蓋体の周辺部を外装缶の開口端に装着し、その周辺をレーザー溶接して密閉する。
【０００４】
このようにして製造される電池は、容量当たりの重量を軽くし、さらに可能な限り容積を小さくすることが要求される。電池を小型軽量化・高容量化するための技術として、円筒型の電池では、外装缶の一部を薄くする技術が、特開昭５７−９６４５５号公報に記載されている。この技術は、円筒形胴部が圧力に対して理想的な形状であり、著しく強靭なことを利用し、円筒外装缶の胴部の肉厚を底部よりも薄くしている。しかしながら、角型電池では、各面が平面である為に圧力による変形を生じやすく、構造上外装缶の肉厚を薄くすることが困難である。
【０００５】
従来、角型外装缶の圧力による変形を小さくする方法として、特開平５−１３０５４号公報等に記載された電池が知られている。これは、図３（ａ），（ｂ）に示すように、外装缶中最も広い面積をもった主面１Ｃの、中央部を周縁部に対して電池の内側方向に湾曲させたもので、主面がフラットなものと比較すると、過充電等により電池内圧が上昇した際の外側への膨れ変形量が小さく、さらに、ガス消失等で缶内圧力が正常に低下した場合、その復元性に優れるとされていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年の電池に対する小型軽量化・高容量化の要望から、外装缶の厚さを薄くし、缶内部の有効体積を極力大きくして極板群の収容に利用することが要求されている。しかし、角型外装缶の変形耐圧は、その材料組成・缶の厚さに依存する。例えば高容量化を目的として外装缶の厚さを更に薄くした場合、電池内圧が同じでも変形しやすく、外装缶の膨れ変形量は大きくなる。
【０００７】
上記のこれまでの角型外装缶主面を電池の内側方向に湾曲させた構造の電池は、圧力変形量が大きくなり、弾性復元の限界に近づくと、各面がフラットなものに比べ、復元性が悪くなる。すなわち電池内圧が上昇すると、周縁端部を支点として主面１Ｃの中央部に力がかかり、外装缶主面１Ｃの中央部が電池外側へと変位していく。この時、周縁端部にも応力が集中し、周縁部が次第に開いていく。電池内圧がさらに上昇すると、主面１Ｃの中央部は周縁部に対して、図３（ｃ）のＣ−Ｃ線の断面図に示すように、電池の外側方向へ膨らんだ形となる。
【０００８】
このとき、この構造の電池は、主面がフラットなものに対して実質変形量が大きくなり、元に戻ろうとする復元弾力も効かないため、電池内圧が低下しても元の形状へと戻りにくい。このため、電池内圧が上昇して、外装缶が大きく変形した後は、内圧が低下しても電池性能が低下する欠点がある。これは外装缶の外側への変形により極板間隔が計算値よりも広くなり、群圧力が効かなくなることが理由である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明はこの課題を解決するために、正極板、負極板およびセパレータを積層した極板群を、角型外装缶内に密閉した蓄電池において、前記外装缶中最大の面積をもち、向かい合った２つの主面の長辺となる端部２辺のそれぞれ内側に、短辺となる端部２辺の近傍を除いて、長辺と平行で細長い凹状の屈曲線を電池内部へ向けて１本ずつ形成し、かつ主面の中央部を屈曲線の最も電池内部に入り込んだ位置に対して電池外部方向に湾曲させて、主面の外側への膨れ変形に対する耐圧強度を実質的に高めたものである。
【００１０】
外装缶主面に、その長辺と平行で細長い凹状の屈曲線を電池内部へ向けて１本ずつ形成することで、長辺に沿った端部は実質的な相互の間隔が狭まって耐圧強度が高まる一方、２本の細長い凹状の屈曲線ではさまれた主面の距離（スパーン）は短くなって、缶内圧が高まっても簡単には変形しなく、万一変形してもその変形量は小さい。さらに缶内圧がガス消失等で正常に低下した場合には、弾性復元力による復元性にも優れる。
【００１１】
さらに、本発明の密閉式角型蓄電池は、下記の▲１▼，▲２▼，▲３▼の各工程を経て製造する。
【００１２】
▲１▼正極板とセパレータと負極板を積層した極板群を、開口部が長方形状をした有底の角型外装缶内に、極板の平面と外装缶の主面とが平行になるように挿入する工程。
【００１３】
▲２▼極板群を内部に収容した後、角型外装缶の開口部を長方形状の蓋体で封口する工程。
【００１４】
（３）外装缶中最大の面積をもち、向かい合った２つの主面の長辺となる端部２辺それぞれの内側に、短辺となる上下の端部２辺の近傍を除き、プレスポンチに設けた山形突起を主面長辺と平行に対向させ、プレスポンチを加圧移動させて二つの主面をプレスすることにより、主面長辺と平行で細長い凹状の屈曲線を電池内部へ向けて１本ずつプレスする工程。
【００１５】
ただし、電池の特に極板のタイプによって、上記の▲１▼と▲３▼の工程の順番は特定しなくともよい。上記▲１▼の工程の後に▲２▼，▲３▼の工程を経て電池を製造する、すなわち、極板群を挿入した後の外装缶をプレスすることも、あるいは、上記▲３▼の工程の後に▲１▼，▲２▼の工程を経て電池を製造する、すなわち、主面の長辺端部に沿って凹状の屈曲線を電池内部に向けてをプレスした外装缶内に、積層した極板群を挿入することも可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１の（ａ）に本発明の密閉式角型電池の正面図を示し、図１（ｂ）に同Ａ−Ａ線の模式断面図を示す。
【００１７】
本発明は、正極板とセパレータと負極板を積層した極板群を、長方形状の角型外装缶１の内部に収容し、外装缶１の上部を封口板２で密閉した角型蓄電池であって、外装缶１中で最大の面積をもち、向かい合った２つの主面１Ａの、長辺となる端部２辺、それぞれ内側に、短辺となる上下の端部２辺の近傍を除き、長辺と平行で細長い凹状の屈曲線３を電池内部に向けて１本ずつ形成し、かつ主面１Ａの中央部を屈曲線３の最も電池内部に入り込んだ位置に対して電池外部方向に湾曲させたものである。
【００１８】
凹状の屈曲線３は、長辺端部から中心方向に向かって、短辺長さの５〜２５％の位置に、短辺端部から０．１ｍｍ以下を除き長辺と平行であり、最も電池内部方向に入り込んだ位置が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであることが望ましい。
【００１９】
角型蓄電池は、過充電などにより電池内部の圧力が上昇する。内圧が高くなると、角型外装缶１の各面に内側から均一な圧力が加わる。このとき、最大の面積をもつ主面１Ａが最も変形しやすい。
【００２０】
本発明では、この外装缶中最大面積を持つ主面１Ａの、長辺となる端部２辺、それぞれの内側に、短辺となる上下の端部２辺の近傍を除き、長辺と平行で細長い凹状の屈曲線３を電池内部に向けて１本ずつ設けたので、長辺端部近傍は相互の間隔が接近し、外装缶１はその内圧に対して非常に強固となり、圧力を受ける面積を擬似的に小さくすることができ、缶の内圧増加による変形量を小さくすることができる。
【００２１】
本発明の密閉式角型蓄電池では、電池の内圧が上昇し、外装缶の各面が変形する際、図１（ｂ）に示すように、外装缶１の主面１Ａは、長辺付近の細長い凹状の電池内部に向いた屈曲線３を支点として変形する。
【００２２】
従って、材質、肉厚ともに同じ外装缶で本発明と従来例とを比べた場合、本発明の電池は、従来例と比べ変形の支点が電池中心方向へ移動し、主面の面積は実質的に小さくなるため、圧力による変形を従来例よりも著しく小さくすることができる。
【００２３】
また、本発明の角型蓄電池は、主面１Ａの中央部が、屈曲部の最も電池内部に入り込んだ位置に対して電池内部方向に湾曲させる必要がなく、従来の電池のように内圧の増大で湾曲方向が内外反転することが無く、缶内圧が正常に低下した際の復元性にも優れるという特徴を持つ。
【００２４】
本発明の密閉式角型蓄電池の製造方法は、正極板とセパレータと負極板を積層した極板群を、有底の角型外装缶に挿入する工程と、この外装缶の開口部を蓋体で封口する工程と、外装缶中最大の面積をもち、向かい合った２つの主面１Ａの、長辺となる端部２辺のそれぞれの内側に、短辺となる端部２辺の近傍を除き、プレスポンチに設けた山形突起を主面長辺と平行に対向させ、プレスポンチを加圧移動させて二つの主面をプレスすることにより、主面１Ａの長辺と平行で細長い凹状の屈曲線３を電池内部に向け１本ずつプレス成形する工程とを備えたことを特徴とする。
【００２５】
ここで、凹状の屈曲線は、長辺端部から中心方向に向かって、短辺長さの５〜２５％の位置に、短辺端部から０．１ｍｍ以下を除き長辺と平行であり、最も電池の内部方向に入り込んだ位置が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであることが望ましい。
【００２６】
【実施例】
次に、本発明の具体例を、図面に基づいて説明する。
【００２７】
下記の工程で密閉式角型蓄電池を作製する。
【００２８】
（実施例１）
▲１▼ニッケルメッキを施したＳＰＣＥ鋼板を絞り加工によって、開口端寸法が５×１５ｍｍ、深さ３０ｍｍ、肉厚０．２５ｍｍの長方形状をした有底角型外装缶１を作製する。
【００２９】
▲２▼３枚のニッケル正極板と、４枚の水素吸蔵負極板とを、両者間にポリプロピレンセパレータを配して積層した極板群を作製する。
【００３０】
▲３▼この極板群は、その極板主面が外装缶１の主面１Ａと平行となるように外装缶１内に収納する。
【００３１】
▲４▼長方形状の封口板２の中央に絶縁隔離して設けた正極端子に正極リードを接続し、負極リードを缶内面に接続した後、この封口板２を外装缶１の開口端に装着し、その周辺をレーザー溶接して密閉式角型ニッケル−水素蓄電池を構成した。
【００３２】
上記外装缶１の二つの主面１Ａに、その長辺端部から軸中心に向かって０．８ｍｍの位置に、図２（ａ）の電池側面図と同（ｂ）Ｂ−B線の断面図に示すように、プレスポンチ４に設けた幅０．８ｍｍ、高さ０．２５ｍｍ、長さ２５ｍｍの山形突起５を主面長辺と平行に対向させ、プレスポンチ４を加圧移動させて二つの主面１Ａをプレスする。この加工によって、上記外装缶の主面１Ａの長辺近傍には、図１（ａ）の電池正面図に示すように、長さ２５ｍｍ、最も電池内部方向に入り込んだ深さが元の主面内面から０．２ｍｍ内側の凹状屈曲線３が設けられるとともに、この屈曲線３を基点に主面の中央部に向かって緩やかに湾曲した外側に、膨れる湾曲部６を形成した本発明の実施例１における密閉式角型ニッケル−水素蓄電池を構成した。
【００３３】
（実施例２）
▲１▼外装缶１の主面１Ａの長辺端部から軸中心に向かって０．８ｍｍの位置に、図２に示すように、ポンチ３に設けた幅０．８ｍｍ、高さ０．２５ｍｍ、長さ２５ｍｍの山形突起５を主面長辺と平行に対向させ、プレスポンチ４を加圧移動させて二つの主面１Ａをプレスする。この加工によって、上記外装缶の主面１Ａの長辺近傍には、長さ２５ｍｍ、最も電池の内部方向に入り込んだ深さが元の主面内面から０．２ｍｍ内側の凹状屈曲線３が設けられるとともに、この屈曲線を基点に主面の中央部に向かって緩やかに湾曲した外側に、膨れる湾曲部６を形成できる。
【００３４】
▲２▼３枚のニッケル正極板と、４枚の水素吸蔵負極板と、セパレータを積層して極板群１を作製する。
【００３５】
▲３▼積層した極板群を、プレス加工した外装缶１内に冶具を用いて圧入する。
【００３６】
▲４▼長方形状の封口板２の中央に絶縁隔離して設けた正極端子に正極リードを接続し、負極リードを缶内面に接続した後、この封口板２を外装缶１の開口端に装着し、その周辺をレーザー溶接して本発明の実施例２の密閉式角型ニッケル−水素蓄電池を構成した。
【００３７】
（比較例１）
比較例１として実施例１の▲１▼から▲４▼の工程を経て製造された主面が平面状である比較例１の密閉式角型ニッケル−水素蓄電池を作製した。
【００３８】
（比較例２）
比較例２として、実施例１の▲１▼から▲４▼の工程を経た後、図３（ａ）の電池正面図と同（ｂ）Ｃ−Ｃ線の断面図に示すように中央部が最も外側に張り出すよう緩やかに膨らんだ構造の比較例用のプレスポンチで外装缶１をプレスし、主面中央部を電池内部方向に０．２ｍｍ湾曲させた比較例２の密閉式角型のニッケル−水素蓄電池を作製した。
【００３９】
実施例１，２と比較例１，２の４種類の密閉式角型ニッケル−水素蓄電池を下記の試験方法で試験して、外装缶１の変形量を測定した。
【００４０】
▲１▼製造された電池の封口板に高圧窒素ガスボンベを接続する。
【００４１】
▲２▼外装缶に供給するガス圧力を徐々に大気から１ＭＰａまで上昇させる。
【００４２】
▲３▼各圧力に対する主面の変形量、すなわち、主面の中央部分の膨らみ変化量を測定する。
【００４３】
▲４▼ガスの供給を停止し、外装缶１の内圧を大気圧に戻して主面の中央部分の残留変形量を測定して、圧力変形の復元性を測定した。
【００４４】
上記の試験結果より、図４にガス圧力と主面の中央部分の膨らみ変化量との関係を示す。図４の測定結果からわかるように、この発明の密閉式角型蓄電池は、缶内圧がどの範囲にあっても、主面が平面である比較例１の電池よりも外装缶の変化量が少ない。また、主面の中央部を凹状にへこませた比較例２の電池に比べると、高圧領域において外装缶の変化量が少ない。
【００４５】
また、上記の試験▲４▼の外装缶１の内圧を大気圧に戻して主面の中央部分の残留変形量を測定して、圧力変形に対する復元性（残留変形量）を図５に示す。図５から明らかなように実施例１，２は、比較例１，２よりも外装缶１の圧力復元性にも優れている。（外装缶１の圧力変形の復元性は、１ＭＰａで加圧した後、内圧を大気圧に戻して残留変形量を測定したものである。）
【００４６】
【発明の効果】
上記のようにこの発明の密閉式角型蓄電池は、これまでの電池と比較して、電池内圧上昇時における変形量を小さくすることができる。つまり、外装缶の肉厚を薄くすることが可能で、小型軽量化、高容量化という電池に対する市場のニーズに対応できる特徴がある。
【００４７】
さらに、本発明の密閉式角型蓄電池は、内圧が正常に低下した時の復元性に優れているため、過充電等により内圧が一時的に上昇し、その後内圧が低下して大気圧に戻った際の外装缶の変化量は少なく、元の形状近くまで復元する。すなわち、外装缶が膨らんで電極間隔が広くなることに起因する電池性能の劣化を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の一実施形態における密閉式角型ニッケル−水素蓄電池の正面図
（ｂ）同Ａ−Ａ線に沿った電池の模式断面図
【図２】（ａ）本発明の一実施形態における電池のプレス成形過程を示す電池の側面図
（ｂ）同Ｂ−Ｂ線に沿った電池の模式断面図
【図３】（ａ）従来例における密閉式角型ニッケル−水素蓄電池の正面図
（ｂ）同Ｃ−Ｃ線に沿った電池の模式断面図
（ｃ）同主面１Ｃが膨らんだときのＣ−Ｃ線断面図
【図４】電池内圧による主面１Ｃの中央部分の膨らみ変化量を示す図
【図５】電池内圧を大気圧に戻した際の外装缶の復元性を示す図
【符号の説明】
１外装缶
１Ａ主面
１Ｃ従来例の主面
２封口板
３凹状の屈曲線
４プレスポンチ
５山形突起
６主面の湾曲部

Claims

正極板とセパレータと負極板を積層した極板群を、角型外装缶に密閉した密閉式角型蓄電池において、前記外装缶は、全側面中最大の面積をもち、向かい合った２つの主面の、長辺となる端部２辺のそれぞれ内側に、長辺と平行で細長い凹状の屈曲線を電池内部へ向けて１本ずつ有し、かつ主面の中央部が、屈曲線の最も電池内部に入り込んだ位置に対して電池外部方向に湾曲していることを特徴とする密閉式角型蓄電池。
凹状の屈曲線は、長辺端部から中心方向に向かって、短辺長さの５〜２５％の位置に、短辺端部から長辺と平行であり、最も電池の内部方向に入り込んだ位置が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍである請求項１記載の密閉式角型蓄電池。
正極板とセパレータと負極板を積層した極板群を、有底の角型外装缶に挿入する工程と、この外装缶の開口部を蓋体で封口する工程と、外装缶中最大の面積をもち、向かい合った２つの主面の、長辺となる端部２辺のそれぞれの内側に、プレスポンチに設けた山形突起を主面長辺と平行に対向させ、プレスポンチを加圧移動させて二つの主面をプレスすることにより、主面長辺と平行で細長い凹状の屈曲線を電池内部に向け１本ずつプレス成形する工程を備えたことを特徴とする密閉式角型蓄電池の製造方法。
凹状の屈曲線は、長辺端部から中心方向に向かって、短辺長さの５〜２５％の位置に、短辺端部から長辺と平行であり、最も電池の内部方向に入り込んだ位置が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍである請求項３記載の密閉式角型蓄電池の製造方法。