JP4233243B2 - 密閉型電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、密閉型電池に関し、更に詳しくは、内部抵抗とそのばらつきが小さい密閉型電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種電気機器の開発と普及にともなって、それらの電源として電池、特に密閉型アルカリ蓄電池が広く使われている。密閉型アルカリ蓄電池の代表的なものとしては、ニッケル−カドミウム蓄電池やニッケル−水素蓄電池などをあげることができる。
【０００３】
これらの電池は、一般に、図１２に示したような構造を有しており、セパレータ４’を介して負極２’と正極３’とを渦巻状に巻回して渦巻状電極群５’を作製し、この渦巻状電極群５’を外装缶１内にその開口から挿入した後に、外装缶１内にアルカリ電解液を注入し、最後に封口体７’により開口を封口することにより製造される。
【０００４】
そして、正極３’は、正極用芯体と、この芯体に担持された正極活物質層からなり、負極２’は、負極用芯体２Ａ’とこの芯体２Ａ’に担持された負極活物質層２Ｂ’からなる。正極用芯体および負極用芯体２Ａ’はそれぞれ、良好な導電性を有する金属からなる。また、正極活物質層と負極活物質層２Ｂ’はそれぞれ、例えば粉末状の活物質を固めてなり、粉末同士および粉末と芯体との間の結着強度を高めるために必要に応じて結着剤が含まれている。
【０００５】
このような負極２’として、例えばペースト式カドミウム負極は、負極用芯体２Ａ’となるニッケルパンチングシートの両面に、酸化カドミウム粉末を主体とする負極活物質とヒドロキシプロピルセルロースからなる結着剤とを混合した負極活物質スラリーを塗着、乾燥させることにより製造される。
ところで、上記した電池の構成において、負極２’の集電方式、すなわち負極２’と外装缶１との間を電気的に接続するための方式は主に二つあり、一つは、渦巻状電極群５’の下端部に位置する負極用芯体２Ａ’に、別に用意された集電体を溶接し、さらにその集電体を外装缶底面に溶接する方式であり、もう一つは図１２に示したように、外装缶１の側壁内面１ａに渦巻状電極群５’の最外周に位置する負極活物質層２Ｂ’を直接に接触させる方式である。
【０００６】
これらの方式を互いに比較した場合、外装缶１の側壁内面１ａに負極活物質層２Ｂ’を直接接触させる後者の方式は、集電体の用意、およびその集電体を渦巻状電極群と外装缶の底面へと溶接する工程を必要としないため、後者の方式により電池を製造すれば、前者の方式の場合に比べ製造コストを安価にすることが可能である。そのため、後者の方式は多くの電池で採用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、負極活物質層２Ｂ’の結着強度が弱い場合に後者の方式を採用すると、渦巻状電極群５’を外装缶１内に挿入する際に、負極活物質層２Ｂ’と外装缶１の開口端縁または側壁内面１ａが接触したときに、負極活物質層２Ｂ’の一部が負極２’から脱落してしまうことがある。このことは、例えば電池容量の低下や、最悪の場合、脱落した負極活物質層による負極と正極との間の短絡といった問題を引き起こす。
【０００８】
このような問題の発生を避けるために、負極活物質層に含まれる結着剤の配合量を増加することによりその結着強度を高めることが考えられる。しかしその場合、負極活物質層における活物質が占める割合の減少を招くこととなり、結果として電池容量が低下してしまうので好ましくない。
そのため、例えばぺースト式カドミウム負極を用いる場合には、活物質である酸化カドミウムを水酸化カドミウムに変化させることにより、粉末自体の結着強度を高め、もって活物質層の結着強度を高める方法が知られている。
【０００９】
しかし、負極活物質層の結着強度を高めるための新たな工程を電池の製造工程に追加した場合、その分電池の製造コストが高くなるという問題がある。
この問題は、集電体とその溶接工程のための製造コストを低減するために後者の方式を採用したことにそもそも起因している。よってこの問題の発生を避けるためには、後者の方式ではなく、集電体を用いる前者の方式を採用すれば良いのだが、やはり製造コストの上昇を免れない。
【００１０】
また、負極活物質層２Ｂ’の導電性が低い場合に後者の方式を採用すると、外装缶１の側壁内面１ａと直接に接触するのは、負極用芯体２Ａ’に担持された負極活物質層２Ｂ’であるため、側壁内面１ａと負極活物質層２Ｂ’との間の接触抵抗とそのばらつきが大きくなり、得られる電池においても内部抵抗とそのばらつきが大きくなってしまうという問題がある。
【００１１】
ただし、負極活物質層の導電性が低い場合に、負極用芯体として例えばスポンジ状のニッケル基体またはニッケル焼結多孔体を用いることにより、負極活物質層の導電性の低さを補償することが知られている。それによれば、スポンジ状ニッケル基体またはニッケル焼結多孔体中に存在する無数の孔に、活物質を充填させることにより、スポンジ状ニッケル基体またはニッケル焼結多孔体が活物質層における電流経路となり、もって負極活物質層の導電性の低さが補償されるのである。
【００１２】
しかし、スポンジ状ニッケル基体を用いる負極の製造に際しては、スポンジ状ニッケル基体が高価であることから、材料コストが高くなる問題がある。また、ニッケル焼結多孔体を芯体とする負極の製造に際しては、負極用芯体の素材であるニッケル粉末を多孔体とするための焼結工程が必要となるため、かかる負極を用いて電池を製造した場合、ニッケル粉末の材料コストに加え、この焼結工程の分だけ製造コストが高くなるという問題がある。
【００１３】
本発明は、上記した問題を解決し、負極活物質層の結着強度が低い場合でも集電体を使用せずに負極から有効に集電することができ、かつ負極活物質層の導電性が低い場合でも電池の内部抵抗とそのばらつきを抑制することができる密閉型電池を安価に提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、開口部を備え、電極端子を兼ねる外装缶と、この外装缶内に収納され、正極と負極とがセパレータを介して渦巻状に巻回されている渦巻状電極群と、前記外装缶の開口部に配設され、前記外装缶とは極性が異なる電極端子を兼ねる封口体と、を備えた密閉型電池であって、
前記渦巻状電極群の最外周には前記セパレータが位置し、
この最外周のセパレータに隣接する前記正極または前記負極の芯体は、前記渦巻状電極群の一端部から前記渦巻状電極群の軸線に沿って前記最外周のセパレータよりも突出する露出部を有しており、
前記露出部は少なくとも一つの切り込みを備え、この切り込みによって形成された前記露出部の一部が前記渦巻状電極群の径方向外側に突出しており、この突出部が前記外装缶の側壁内面に直接接触していることを特徴とする密閉型電池が提供される。
【００１５】
あるいは、前記露出部は前記渦巻状電極群の径方向外側に突出する凸状部を少なくとも一つ備え、この凸状部が前記外装缶の側壁内面と直接接触している。
【００１６】
また、前記露出部は前記渦巻状電極群の径方向外側に突出する折曲部を少なくとも一つ備え、この折曲部が前記外装缶の側壁内面と直接接触している。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明の密閉型電池を図面に則して説明する。
図１は、本発明の密閉型電池の一実施形態に係るニッケル−カドミウム蓄電池Ａ（以下、電池Ａという）の断面図である。なお、図１に示した電池Ａにおいて、図１２の従来のニッケル−カドミウム蓄電池と実質的に同じ機能、形状を有するものには同じ符号を付してある。
【００１８】
電池Ａは金属製の外装缶１を備えており、外装缶１は上部に開口部を備えた有底円筒形状を有している。外装缶１の内部には、負極２1と正極３とがセパレータ４を介して巻回された渦巻状電極群５1が、図示しないアルカリ電解液とともに収容されている。
外装缶１の開口部には、開口端縁を内方へカシメづけることによって、絶縁ガスケット６を介して封口体７が配設されており、外装缶１は気密に封口されている。
【００１９】
なお、封口体７は、中央に孔７ａを有する封口板７ｂ，孔７ａを塞ぐための安全弁７ｃ，安全弁７ｃを封口板７ｂに押しつけるためのコイルスプリング７ｄ，および安全弁７ｃとコイルスプリング７ｄを覆うキャップ７ｅからなる。そして、外装缶１内においてガスが異常に発生して内部の圧力が上昇した場合、その圧力により安全弁７ｃが押し上げられ、発生したガスが孔７ａを通じて逃散することができるので、この封口体７により外装缶１内の圧力の上昇を抑制することができる。
【００２０】
渦巻状電極群５1の上端部に位置している正極３の箇所には、正極集電リード８の一端がスポット溶接により連結され、正極集電リード８の他端はスポット溶接により封口板７ｂの内面に連結されている。すなわち、正極端子を兼ねる封口体７と、渦巻状電極群５1を構成する正極３とは、正極集電リード８を介して電気的に接続されている。
【００２１】
本発明で用いられる渦巻状電極群５１においては、その最外周にセパレータ４が位置している。そして、渦巻状電極群５１を構成している負極２１と、負極端子を兼ねる外装缶１との間は、渦巻状電極群５１の軸心方向に、すなわち、渦巻状電極群５ １ の軸線に沿って渦巻状電極群５１の下端部から下方に突出している負極用芯体２Ａが、外装缶１の内面、すなわち底部内面あるいは側壁内面１ａに直接接触することにより電気的に接続されている。
【００２２】
このような接続のために、負極用芯体２Ａは正極３およびセパレータ４よりも幅広となるよう露出部２ａを有し、この露出部２ａが渦巻状電極群５１の下端部から突出している。そして、図２に示したように、渦巻状電極群５１の最外周部に位置する露出部２ａの箇所には、露出部２ａに対して斜めに切り込み２ｂ１が形成されている。この切り込み２ｂ１に隣接する斜線で示された三角形の部分は、図３に示したように、外装缶に収容された渦巻状電極群５１においては、渦巻状電極群５１の外側方向、すなわち径方向外側へ最外周のセパレータよりも突出した突出部２ｃとなり、この突出部２ｃが外装缶１の側壁内面１ａに直接接触している。
【００２３】
上記した構成を有する電池Ａにおいては、渦巻状電極群５1の最外周には負極２1ではなくセパレータ４が位置しているため、渦巻状電極群５1を外装缶１へ挿入する際に、負極２1から活物質層２Ｂが脱落することが防止されている。
更に、電池Ａにおいては、良好な導電性を有する金属からなる突出部２ｃが外装缶１の側壁内面１ａと直接接触しているため、負極活物質層２Ｂの導電性に依存することなく、内部抵抗とそのばらつきを小さくすることができる。
【００２４】
なお、本実施形態においては露出部２ａに斜めに切り込み２ｂ1を形成したが、切り込みの形状は、図４,５に示した切り込み２ｂ2,２ｂ3のように、放物線状あるいはＬ字状であってもよく、渦巻状電極群を巻回したときに、その切り込みにより露出部の一部が渦巻状電極群の外側方向へ突出するものであればよい。
図６は、本発明の密閉型電池の別の実施形態に係る、ニッケル−カドミウム蓄電池Ｂ（以下、電池Ｂという）の断面図である。
【００２５】
電池Ｂは、渦巻状電極群５2の最外周部に位置する負極用芯体２Ａの露出部２ａが、突出部２ｃではなく、図７に示したような凸状部２ｄを一つ備えている。そして、図８に示したように、この凸状部２ｄが渦巻状電極群５2の外側方向へ突出することにより外装缶１の側壁内面１ａに直接接触している点において、電池Ａと異なっている。
【００２６】
この電池Ｂにおいても、渦巻状電極群５2の最外周にセパレータ４が位置しているので、負極２2から活物質層２Ｂが脱落することが防止されており、また、良好な導電性を有する金属からなる凸状部２ｄが渦巻状電極群５2の外側方向へ突出することにより外装缶１の側壁内面１ａに直接接触しているので、内部抵抗とそのばらつきが小さくなっている。
【００２７】
図９は、本発明の密閉型電池の更に別の実施形態に係る、ニッケル−カドミウム蓄電池Ｃ（以下、電池Ｃという）の断面図である。電池Ｃは、渦巻状電極群５3の最外周部に位置する負極用芯体２Ａの露出部２ａが、突出部２ｃ、あるいは凸状部２ｄを備えず、図１０に示したように負極２3の巻き終わり端部において折り曲げられた折曲部２ｅを備えている。そして、図１１に示したように、折曲部２ｅが渦巻状電極群５3の外側方向へ突出することにより外装缶１の側壁内面１ａに直接接触している点において、電池Ａ,Ｂと異なっている。
【００２８】
この電池Ｃにおいても、渦巻状電極群５3の最外周にセパレータ４が位置しているので、負極２3から活物質層２Ｂが脱落することが防止されており、また、良好な導電性を有する金属からなる折曲部２ｅが渦巻状電極群５3の外側方向へ突出することにより外装缶１の側壁内面１ａに直接接触しているので、内部抵抗とそのばらつきをが小さくなっている。
【００２９】
なお、上述した実施形態においては、本発明をニッケル−カドミウム蓄電池に適用する例について説明したが、本発明は、ニッケル−カドミウム蓄電池に限らず、ニッケル−水素電池等の各種の密閉型電池に適用できる。
そして、本発明においては、少なくとも渦巻状電極群の最外周に位置するセパレータに隣接する正極または負極の芯体が露出部２ａを有していればよく、また、突出部２ｃもしくは凸状部２ｄは少なくとも１つ形成されていればよい。
【００３０】
実施例１
負極用芯体２Ａとなる厚みが０．０６ｍｍのニッケルパンチングシートの両面に、酸化カドミウム粉末を主体とする負極活物質とヒドロキシプロピルセルロースからなる結着剤とを混合した負極活物質スラリーを塗着した。このとき、得られる負極において露出部となる箇所にはスラリーを塗着しなかった。塗着されたスラリーを、温度９０℃で１５分間乾燥させることにより負極活物質層２Ｂとした後、ニッケルパンチングシートを幅４０．５ｍｍ，長さ８５ｍｍで切断した。
【００３１】
この切断されたニッケルパンチングシートにおいて、渦巻状電極群の最外周に位置するセパレータと隣接する負極の露出部となる箇所に、図２に示したように露出部の幅方向に対して４５°の角度で長さ６ｍｍの切り込み２ｂ1を形成してカドミウム負極２1を作製した。なお、露出部２ａの幅は５．５ｍｍであった。
次に、厚み０．０６ｍｍのニッケルパンチングシートを焼結することにより、正極用芯体となる、表面にニッケル焼結多孔体が形成されたニッケルパンチングシートを用意した。そして、この表面のニッケル焼結多孔体に、公知の化学含浸法により水酸化ニッケルを主体とする正極活物質を充填した後に、このニッケルパンチングシートを幅３５ｍｍ，長さ６５ｍｍで切断してニッケル正極３を作製した。このとき、ニッケル正極３の幅は、カドミウム負極２1の幅より露出部２ａの分だけ狭くなっており、言い換えれば、負極活物質層２Ｂの幅と同程度となっている。
【００３２】
これらのカドミウム負極２1とニッケル正極３とをポリプロピレン製の不織布である厚み０．２２ｍｍ，幅３９ｍｍ，長さ２００ｍｍのセパレータ４を介在させて、外装缶１よりも内径が僅かに小さい中空円筒形状を有するブロック内で渦巻き状に巻回して渦巻状電極群５1を形成した。このとき、渦巻状電極群５1の最外周にはセパレータ４が位置するようにし、かつ、負極の露出部２ａが渦巻状電極群の下端部においてセパレータ４から突出するようにした。
【００３３】
このようにして作製した渦巻き状電極５1群をカドミウム負極２1の露出部２ａが下方となるようにして、鉄にニッケルメッキを施した有底円筒状の外装缶１に挿入した。このとき、巻回された負極用芯体２Ａには元の形状に戻ろうとする復元力が作用し、切れ込み２ｂ1に隣接する露出部２ａの箇所が渦巻状電極群５1の外側方向へ突出して突出部２ｃとなり、図１に示したように、露出部２ａの突出部２ｃと外装缶１の側壁内面１ａが直接接触するようになる。
【００３４】
この後、外装缶１の上部に絞り加工を施して絞り部１ｂを形成した。ついで、外周部に環状の絶縁ガスケット６が装着された封口体７を用意し、この封口体７の底面に正極集電リード８をスポット溶接した。
ついで外装缶１内に水酸化カリウム水溶液を主体とした電解液を注入し、この後、絞り部１ｂに封口体７を載置し、外装缶１の開口端縁を内方にカシメづけることによって外装缶１の開口部を封口し、ＡＡサイズの実施例１のニッケル−カドミウム蓄電池を製造した。
【００３５】
実施例２
切断されたニッケルパンチングシートにおいて、渦巻状電極群の最外周に位置するセパレータに隣接する負極の露出部となる箇所に、切り込み２ｂ1ではなく、図６に示したようにエンボス加工によりニッケルパンチングシートの厚み方向に１ｍｍ突出している直径３ｍｍの凸状部２ｄを形成した以外は実施例１のカドミウム負極と同様にして、カドミウム負極２2を作製した。
【００３６】
そして、このカドミウム負極２2を用いた以外は実施例１のニッケル−カドミウム蓄電池と同様にして、実施例２のニッケル−カドミウム蓄電池を製造した。得られた実施例２のニッケル−カドミウム蓄電池においては、図８に示したようにセパレータ４の厚みよりも突出した凸状部２ｄが外装缶１の内壁側面１ａに直接接触していた。
【００３７】
実施例３
切断されたニッケルパンチングシートにおいて、渦巻状電極群の最外周に位置するセパレータに隣接する負極の露出部となる箇所に、切り込み２ｂ1または凸状部２ｄを形成するのではなく、図１１に示したように負極２の巻き終わり端部にて折り返して折曲部２ｅとしたこと以外は、実施例１，２のニッケル−カドミウム負極と同様にして、実施例３のカドミウム負極２3を製造した。
【００３８】
そして、このカドミウム負極２3を用いた以外は実施例１のニッケル−カドミウム蓄電池と同様にして、実施例３のニッケル−カドミウム蓄電池を製造した。得られた実施例３のニッケル−カドミウム蓄電池においては、図９に示したように折曲部２ｅが外装缶１の内壁側面１ａに直接接触していた。
比較例１負極用芯体２Ｂとなる、厚み０．０６ｍｍ，幅４０．５ｍｍ，長さ８５ｍｍのニッケルパンチングシートの両面のほぼ全面に、負極活物質層２Ｂ’が担持されている以外は実施例１と同様にしてカドミウム負極２’を作製した。
【００３９】
また、幅４１ｍｍ，長さ６５ｍｍである以外は実施例１と同じ正極３’を作製した。
これらのカドミウム負極２’とニッケル正極３’とを、幅４３．５ｍｍ，長さ１６５ｍｍである以外は実施例１と同じであるセパレータ４’を介在させて渦巻き状に巻回して渦巻状電極群５’を形成した。このとき、渦巻状電極群５’の最外周には、カドミウム負極２’が位置するようにした。そして、この渦巻状電極群５’を、実施例１と同じ外装缶１に挿入した。このとき、図１２に示したように、負極２’の活物質層２Ｂ’と外装缶１の側壁内面１ａが接触するようになる。この後は、上述した実施例１と同様にして比較例１の電池を製造した。
（４）内部抵抗の測定
上述のようにして作製した実施例１〜３，比較例１の電池それぞれ３０個ずつについて、これら各電池の組立直後の内部抵抗（ｍΩ）をそれぞれ測定し、その結果を表１に示した。なお、表１には、実測値の最小値と最大値およびその平均値を示している。
【００４０】
【表１】
【００４１】
表１の結果から明らかなように、外装缶の側壁内面にカドミウム負極の活物質層を直接接触させた比較例１の電池においては、内部抵抗の平均値が大きいとともに、個々の抵抗値のばらつきが大きいことが分かる。一方、負極の露出部を外装缶の側壁内面に直接接触させた実施例１〜３の電池にあっては、内部抵抗の平均値が小さいとともに、個々の抵抗値のばらつきも小さいことが分かる。これは、比較例１の電池では、外装缶の側壁内面に導電性の低い負極活物質層のみが接触しているため内部抵抗およびそのばらつきが大きくなっているのに対し、実施例１〜３の電池においては、導電性の負極芯体からなる露出部２ａに設けられた突出部，凸状部，または折曲部が、導電性の低い負極活物質層を介さずに外装缶１と直接に接触しているため、電池の内部抵抗とそのばらつきが小さくなっているのである。
【００４２】
【発明の効果】
上述したように本発明の密閉型電池においては、渦巻状電極群の最外周にセパレータが位置しているので、負極活物質の結着強度が弱い場合でも集電体を使用せずに集電することが可能である。このため、本発明の密閉型電池は安価に製造することができる。
【００４３】
また、本発明の密閉型電池においては、負極芯体からなる露出部が外装缶の側壁内面と直接に接触しているので、負極活物質の導電性が低い場合でも内部抵抗のばらつきが小さくなっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わるニッケル−カドミウム蓄電池Ａを示す断面図。
【図２】図１のニッケル−カドミウム蓄電池Ａに用いられるカドミウム負極の斜視図。
【図３】図１のニッケル−カドミウム蓄電池Ａに用いられる渦巻状電極群の部分斜視図。
【図４】図１のニッケル−カドミウム蓄電池Ａに用いられる別の渦巻状電極群の部分斜視図。
【図５】図１のニッケル−カドミウム蓄電池Ａに用いられる更に別の渦巻状電極群の部分斜視図。
【図６】本発明の別の実施形態に係わるニッケル−カドミウム蓄電池Ｂを示す断面図。
【図７】図６のニッケル−カドミウム蓄電池Ｂに用いられるカドミウム負極の斜視図。
【図８】図６のニッケル−カドミウム蓄電池Ｂに用いられる渦巻状電極群の部分斜視図。
【図９】本発明の更に別の実施形態に係わるのニッケル−カドミウム蓄電池Ｃを示す断面図。
【図１０】図９のニッケル−カドミウム蓄電池Ｃに用いられるカドミウム負極の斜視図。
【図１１】図９のニッケル−カドミウム蓄電池Ｃに用いられる渦巻状電極群の部分斜視図。
【図１２】従来のニッケル−カドミウム蓄電池を示す断面図。
【符号の説明】
１ 外装缶
１ａ 側壁内面
１ｂ 絞り部
２1，２2，２3 カドミウム負極
２Ａ 負極用芯体
２Ｂ 負極活物質層
２ａ 露出部
２ｂ1,２ｂ2,２ｂ3 切り込み
２ｃ 突出部
２ｄ 凸状部
２ｅ 折曲部
３ ニッケル正極
４ セパレータ
５1，５2，５3 渦巻状電極群
６ 絶縁ガスケット
７ 封口体
７ａ 孔
７ｂ 封口板
７ｃ 安全弁
７ｄ コイルスプリング
７ｅ キャップ
８ 正極集電リード
【発明の属する技術分野】
本発明は、密閉型電池に関し、更に詳しくは、内部抵抗とそのばらつきが小さい密閉型電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種電気機器の開発と普及にともなって、それらの電源として電池、特に密閉型アルカリ蓄電池が広く使われている。密閉型アルカリ蓄電池の代表的なものとしては、ニッケル−カドミウム蓄電池やニッケル−水素蓄電池などをあげることができる。
【０００３】
これらの電池は、一般に、図１２に示したような構造を有しており、セパレータ４’を介して負極２’と正極３’とを渦巻状に巻回して渦巻状電極群５’を作製し、この渦巻状電極群５’を外装缶１内にその開口から挿入した後に、外装缶１内にアルカリ電解液を注入し、最後に封口体７’により開口を封口することにより製造される。
【０００４】
そして、正極３’は、正極用芯体と、この芯体に担持された正極活物質層からなり、負極２’は、負極用芯体２Ａ’とこの芯体２Ａ’に担持された負極活物質層２Ｂ’からなる。正極用芯体および負極用芯体２Ａ’はそれぞれ、良好な導電性を有する金属からなる。また、正極活物質層と負極活物質層２Ｂ’はそれぞれ、例えば粉末状の活物質を固めてなり、粉末同士および粉末と芯体との間の結着強度を高めるために必要に応じて結着剤が含まれている。
【０００５】
このような負極２’として、例えばペースト式カドミウム負極は、負極用芯体２Ａ’となるニッケルパンチングシートの両面に、酸化カドミウム粉末を主体とする負極活物質とヒドロキシプロピルセルロースからなる結着剤とを混合した負極活物質スラリーを塗着、乾燥させることにより製造される。
ところで、上記した電池の構成において、負極２’の集電方式、すなわち負極２’と外装缶１との間を電気的に接続するための方式は主に二つあり、一つは、渦巻状電極群５’の下端部に位置する負極用芯体２Ａ’に、別に用意された集電体を溶接し、さらにその集電体を外装缶底面に溶接する方式であり、もう一つは図１２に示したように、外装缶１の側壁内面１ａに渦巻状電極群５’の最外周に位置する負極活物質層２Ｂ’を直接に接触させる方式である。
【０００６】
これらの方式を互いに比較した場合、外装缶１の側壁内面１ａに負極活物質層２Ｂ’を直接接触させる後者の方式は、集電体の用意、およびその集電体を渦巻状電極群と外装缶の底面へと溶接する工程を必要としないため、後者の方式により電池を製造すれば、前者の方式の場合に比べ製造コストを安価にすることが可能である。そのため、後者の方式は多くの電池で採用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、負極活物質層２Ｂ’の結着強度が弱い場合に後者の方式を採用すると、渦巻状電極群５’を外装缶１内に挿入する際に、負極活物質層２Ｂ’と外装缶１の開口端縁または側壁内面１ａが接触したときに、負極活物質層２Ｂ’の一部が負極２’から脱落してしまうことがある。このことは、例えば電池容量の低下や、最悪の場合、脱落した負極活物質層による負極と正極との間の短絡といった問題を引き起こす。
【０００８】
このような問題の発生を避けるために、負極活物質層に含まれる結着剤の配合量を増加することによりその結着強度を高めることが考えられる。しかしその場合、負極活物質層における活物質が占める割合の減少を招くこととなり、結果として電池容量が低下してしまうので好ましくない。
そのため、例えばぺースト式カドミウム負極を用いる場合には、活物質である酸化カドミウムを水酸化カドミウムに変化させることにより、粉末自体の結着強度を高め、もって活物質層の結着強度を高める方法が知られている。
【０００９】
しかし、負極活物質層の結着強度を高めるための新たな工程を電池の製造工程に追加した場合、その分電池の製造コストが高くなるという問題がある。
この問題は、集電体とその溶接工程のための製造コストを低減するために後者の方式を採用したことにそもそも起因している。よってこの問題の発生を避けるためには、後者の方式ではなく、集電体を用いる前者の方式を採用すれば良いのだが、やはり製造コストの上昇を免れない。
【００１０】
また、負極活物質層２Ｂ’の導電性が低い場合に後者の方式を採用すると、外装缶１の側壁内面１ａと直接に接触するのは、負極用芯体２Ａ’に担持された負極活物質層２Ｂ’であるため、側壁内面１ａと負極活物質層２Ｂ’との間の接触抵抗とそのばらつきが大きくなり、得られる電池においても内部抵抗とそのばらつきが大きくなってしまうという問題がある。
【００１１】
ただし、負極活物質層の導電性が低い場合に、負極用芯体として例えばスポンジ状のニッケル基体またはニッケル焼結多孔体を用いることにより、負極活物質層の導電性の低さを補償することが知られている。それによれば、スポンジ状ニッケル基体またはニッケル焼結多孔体中に存在する無数の孔に、活物質を充填させることにより、スポンジ状ニッケル基体またはニッケル焼結多孔体が活物質層における電流経路となり、もって負極活物質層の導電性の低さが補償されるのである。
【００１２】
しかし、スポンジ状ニッケル基体を用いる負極の製造に際しては、スポンジ状ニッケル基体が高価であることから、材料コストが高くなる問題がある。また、ニッケル焼結多孔体を芯体とする負極の製造に際しては、負極用芯体の素材であるニッケル粉末を多孔体とするための焼結工程が必要となるため、かかる負極を用いて電池を製造した場合、ニッケル粉末の材料コストに加え、この焼結工程の分だけ製造コストが高くなるという問題がある。
【００１３】
本発明は、上記した問題を解決し、負極活物質層の結着強度が低い場合でも集電体を使用せずに負極から有効に集電することができ、かつ負極活物質層の導電性が低い場合でも電池の内部抵抗とそのばらつきを抑制することができる密閉型電池を安価に提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、開口部を備え、電極端子を兼ねる外装缶と、この外装缶内に収納され、正極と負極とがセパレータを介して渦巻状に巻回されている渦巻状電極群と、前記外装缶の開口部に配設され、前記外装缶とは極性が異なる電極端子を兼ねる封口体と、を備えた密閉型電池であって、
前記渦巻状電極群の最外周には前記セパレータが位置し、
この最外周のセパレータに隣接する前記正極または前記負極の芯体は、前記渦巻状電極群の一端部から前記渦巻状電極群の軸線に沿って前記最外周のセパレータよりも突出する露出部を有しており、
前記露出部は少なくとも一つの切り込みを備え、この切り込みによって形成された前記露出部の一部が前記渦巻状電極群の径方向外側に突出しており、この突出部が前記外装缶の側壁内面に直接接触していることを特徴とする密閉型電池が提供される。
【００１５】
あるいは、前記露出部は前記渦巻状電極群の径方向外側に突出する凸状部を少なくとも一つ備え、この凸状部が前記外装缶の側壁内面と直接接触している。
【００１６】
また、前記露出部は前記渦巻状電極群の径方向外側に突出する折曲部を少なくとも一つ備え、この折曲部が前記外装缶の側壁内面と直接接触している。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明の密閉型電池を図面に則して説明する。
図１は、本発明の密閉型電池の一実施形態に係るニッケル−カドミウム蓄電池Ａ（以下、電池Ａという）の断面図である。なお、図１に示した電池Ａにおいて、図１２の従来のニッケル−カドミウム蓄電池と実質的に同じ機能、形状を有するものには同じ符号を付してある。
【００１８】
電池Ａは金属製の外装缶１を備えており、外装缶１は上部に開口部を備えた有底円筒形状を有している。外装缶１の内部には、負極２1と正極３とがセパレータ４を介して巻回された渦巻状電極群５1が、図示しないアルカリ電解液とともに収容されている。
外装缶１の開口部には、開口端縁を内方へカシメづけることによって、絶縁ガスケット６を介して封口体７が配設されており、外装缶１は気密に封口されている。
【００１９】
なお、封口体７は、中央に孔７ａを有する封口板７ｂ，孔７ａを塞ぐための安全弁７ｃ，安全弁７ｃを封口板７ｂに押しつけるためのコイルスプリング７ｄ，および安全弁７ｃとコイルスプリング７ｄを覆うキャップ７ｅからなる。そして、外装缶１内においてガスが異常に発生して内部の圧力が上昇した場合、その圧力により安全弁７ｃが押し上げられ、発生したガスが孔７ａを通じて逃散することができるので、この封口体７により外装缶１内の圧力の上昇を抑制することができる。
【００２０】
渦巻状電極群５1の上端部に位置している正極３の箇所には、正極集電リード８の一端がスポット溶接により連結され、正極集電リード８の他端はスポット溶接により封口板７ｂの内面に連結されている。すなわち、正極端子を兼ねる封口体７と、渦巻状電極群５1を構成する正極３とは、正極集電リード８を介して電気的に接続されている。
【００２１】
本発明で用いられる渦巻状電極群５１においては、その最外周にセパレータ４が位置している。そして、渦巻状電極群５１を構成している負極２１と、負極端子を兼ねる外装缶１との間は、渦巻状電極群５１の軸心方向に、すなわち、渦巻状電極群５ １ の軸線に沿って渦巻状電極群５１の下端部から下方に突出している負極用芯体２Ａが、外装缶１の内面、すなわち底部内面あるいは側壁内面１ａに直接接触することにより電気的に接続されている。
【００２２】
このような接続のために、負極用芯体２Ａは正極３およびセパレータ４よりも幅広となるよう露出部２ａを有し、この露出部２ａが渦巻状電極群５１の下端部から突出している。そして、図２に示したように、渦巻状電極群５１の最外周部に位置する露出部２ａの箇所には、露出部２ａに対して斜めに切り込み２ｂ１が形成されている。この切り込み２ｂ１に隣接する斜線で示された三角形の部分は、図３に示したように、外装缶に収容された渦巻状電極群５１においては、渦巻状電極群５１の外側方向、すなわち径方向外側へ最外周のセパレータよりも突出した突出部２ｃとなり、この突出部２ｃが外装缶１の側壁内面１ａに直接接触している。
【００２３】
上記した構成を有する電池Ａにおいては、渦巻状電極群５1の最外周には負極２1ではなくセパレータ４が位置しているため、渦巻状電極群５1を外装缶１へ挿入する際に、負極２1から活物質層２Ｂが脱落することが防止されている。
更に、電池Ａにおいては、良好な導電性を有する金属からなる突出部２ｃが外装缶１の側壁内面１ａと直接接触しているため、負極活物質層２Ｂの導電性に依存することなく、内部抵抗とそのばらつきを小さくすることができる。
【００２４】
なお、本実施形態においては露出部２ａに斜めに切り込み２ｂ1を形成したが、切り込みの形状は、図４,５に示した切り込み２ｂ2,２ｂ3のように、放物線状あるいはＬ字状であってもよく、渦巻状電極群を巻回したときに、その切り込みにより露出部の一部が渦巻状電極群の外側方向へ突出するものであればよい。
図６は、本発明の密閉型電池の別の実施形態に係る、ニッケル−カドミウム蓄電池Ｂ（以下、電池Ｂという）の断面図である。
【００２５】
電池Ｂは、渦巻状電極群５2の最外周部に位置する負極用芯体２Ａの露出部２ａが、突出部２ｃではなく、図７に示したような凸状部２ｄを一つ備えている。そして、図８に示したように、この凸状部２ｄが渦巻状電極群５2の外側方向へ突出することにより外装缶１の側壁内面１ａに直接接触している点において、電池Ａと異なっている。
【００２６】
この電池Ｂにおいても、渦巻状電極群５2の最外周にセパレータ４が位置しているので、負極２2から活物質層２Ｂが脱落することが防止されており、また、良好な導電性を有する金属からなる凸状部２ｄが渦巻状電極群５2の外側方向へ突出することにより外装缶１の側壁内面１ａに直接接触しているので、内部抵抗とそのばらつきが小さくなっている。
【００２７】
図９は、本発明の密閉型電池の更に別の実施形態に係る、ニッケル−カドミウム蓄電池Ｃ（以下、電池Ｃという）の断面図である。電池Ｃは、渦巻状電極群５3の最外周部に位置する負極用芯体２Ａの露出部２ａが、突出部２ｃ、あるいは凸状部２ｄを備えず、図１０に示したように負極２3の巻き終わり端部において折り曲げられた折曲部２ｅを備えている。そして、図１１に示したように、折曲部２ｅが渦巻状電極群５3の外側方向へ突出することにより外装缶１の側壁内面１ａに直接接触している点において、電池Ａ,Ｂと異なっている。
【００２８】
この電池Ｃにおいても、渦巻状電極群５3の最外周にセパレータ４が位置しているので、負極２3から活物質層２Ｂが脱落することが防止されており、また、良好な導電性を有する金属からなる折曲部２ｅが渦巻状電極群５3の外側方向へ突出することにより外装缶１の側壁内面１ａに直接接触しているので、内部抵抗とそのばらつきをが小さくなっている。
【００２９】
なお、上述した実施形態においては、本発明をニッケル−カドミウム蓄電池に適用する例について説明したが、本発明は、ニッケル−カドミウム蓄電池に限らず、ニッケル−水素電池等の各種の密閉型電池に適用できる。
そして、本発明においては、少なくとも渦巻状電極群の最外周に位置するセパレータに隣接する正極または負極の芯体が露出部２ａを有していればよく、また、突出部２ｃもしくは凸状部２ｄは少なくとも１つ形成されていればよい。
【００３０】
実施例１
負極用芯体２Ａとなる厚みが０．０６ｍｍのニッケルパンチングシートの両面に、酸化カドミウム粉末を主体とする負極活物質とヒドロキシプロピルセルロースからなる結着剤とを混合した負極活物質スラリーを塗着した。このとき、得られる負極において露出部となる箇所にはスラリーを塗着しなかった。塗着されたスラリーを、温度９０℃で１５分間乾燥させることにより負極活物質層２Ｂとした後、ニッケルパンチングシートを幅４０．５ｍｍ，長さ８５ｍｍで切断した。
【００３１】
この切断されたニッケルパンチングシートにおいて、渦巻状電極群の最外周に位置するセパレータと隣接する負極の露出部となる箇所に、図２に示したように露出部の幅方向に対して４５°の角度で長さ６ｍｍの切り込み２ｂ1を形成してカドミウム負極２1を作製した。なお、露出部２ａの幅は５．５ｍｍであった。
次に、厚み０．０６ｍｍのニッケルパンチングシートを焼結することにより、正極用芯体となる、表面にニッケル焼結多孔体が形成されたニッケルパンチングシートを用意した。そして、この表面のニッケル焼結多孔体に、公知の化学含浸法により水酸化ニッケルを主体とする正極活物質を充填した後に、このニッケルパンチングシートを幅３５ｍｍ，長さ６５ｍｍで切断してニッケル正極３を作製した。このとき、ニッケル正極３の幅は、カドミウム負極２1の幅より露出部２ａの分だけ狭くなっており、言い換えれば、負極活物質層２Ｂの幅と同程度となっている。
【００３２】
これらのカドミウム負極２1とニッケル正極３とをポリプロピレン製の不織布である厚み０．２２ｍｍ，幅３９ｍｍ，長さ２００ｍｍのセパレータ４を介在させて、外装缶１よりも内径が僅かに小さい中空円筒形状を有するブロック内で渦巻き状に巻回して渦巻状電極群５1を形成した。このとき、渦巻状電極群５1の最外周にはセパレータ４が位置するようにし、かつ、負極の露出部２ａが渦巻状電極群の下端部においてセパレータ４から突出するようにした。
【００３３】
このようにして作製した渦巻き状電極５1群をカドミウム負極２1の露出部２ａが下方となるようにして、鉄にニッケルメッキを施した有底円筒状の外装缶１に挿入した。このとき、巻回された負極用芯体２Ａには元の形状に戻ろうとする復元力が作用し、切れ込み２ｂ1に隣接する露出部２ａの箇所が渦巻状電極群５1の外側方向へ突出して突出部２ｃとなり、図１に示したように、露出部２ａの突出部２ｃと外装缶１の側壁内面１ａが直接接触するようになる。
【００３４】
この後、外装缶１の上部に絞り加工を施して絞り部１ｂを形成した。ついで、外周部に環状の絶縁ガスケット６が装着された封口体７を用意し、この封口体７の底面に正極集電リード８をスポット溶接した。
ついで外装缶１内に水酸化カリウム水溶液を主体とした電解液を注入し、この後、絞り部１ｂに封口体７を載置し、外装缶１の開口端縁を内方にカシメづけることによって外装缶１の開口部を封口し、ＡＡサイズの実施例１のニッケル−カドミウム蓄電池を製造した。
【００３５】
実施例２
切断されたニッケルパンチングシートにおいて、渦巻状電極群の最外周に位置するセパレータに隣接する負極の露出部となる箇所に、切り込み２ｂ1ではなく、図６に示したようにエンボス加工によりニッケルパンチングシートの厚み方向に１ｍｍ突出している直径３ｍｍの凸状部２ｄを形成した以外は実施例１のカドミウム負極と同様にして、カドミウム負極２2を作製した。
【００３６】
そして、このカドミウム負極２2を用いた以外は実施例１のニッケル−カドミウム蓄電池と同様にして、実施例２のニッケル−カドミウム蓄電池を製造した。得られた実施例２のニッケル−カドミウム蓄電池においては、図８に示したようにセパレータ４の厚みよりも突出した凸状部２ｄが外装缶１の内壁側面１ａに直接接触していた。
【００３７】
実施例３
切断されたニッケルパンチングシートにおいて、渦巻状電極群の最外周に位置するセパレータに隣接する負極の露出部となる箇所に、切り込み２ｂ1または凸状部２ｄを形成するのではなく、図１１に示したように負極２の巻き終わり端部にて折り返して折曲部２ｅとしたこと以外は、実施例１，２のニッケル−カドミウム負極と同様にして、実施例３のカドミウム負極２3を製造した。
【００３８】
そして、このカドミウム負極２3を用いた以外は実施例１のニッケル−カドミウム蓄電池と同様にして、実施例３のニッケル−カドミウム蓄電池を製造した。得られた実施例３のニッケル−カドミウム蓄電池においては、図９に示したように折曲部２ｅが外装缶１の内壁側面１ａに直接接触していた。
比較例１負極用芯体２Ｂとなる、厚み０．０６ｍｍ，幅４０．５ｍｍ，長さ８５ｍｍのニッケルパンチングシートの両面のほぼ全面に、負極活物質層２Ｂ’が担持されている以外は実施例１と同様にしてカドミウム負極２’を作製した。
【００３９】
また、幅４１ｍｍ，長さ６５ｍｍである以外は実施例１と同じ正極３’を作製した。
これらのカドミウム負極２’とニッケル正極３’とを、幅４３．５ｍｍ，長さ１６５ｍｍである以外は実施例１と同じであるセパレータ４’を介在させて渦巻き状に巻回して渦巻状電極群５’を形成した。このとき、渦巻状電極群５’の最外周には、カドミウム負極２’が位置するようにした。そして、この渦巻状電極群５’を、実施例１と同じ外装缶１に挿入した。このとき、図１２に示したように、負極２’の活物質層２Ｂ’と外装缶１の側壁内面１ａが接触するようになる。この後は、上述した実施例１と同様にして比較例１の電池を製造した。
（４）内部抵抗の測定
上述のようにして作製した実施例１〜３，比較例１の電池それぞれ３０個ずつについて、これら各電池の組立直後の内部抵抗（ｍΩ）をそれぞれ測定し、その結果を表１に示した。なお、表１には、実測値の最小値と最大値およびその平均値を示している。
【００４０】
【表１】
表１の結果から明らかなように、外装缶の側壁内面にカドミウム負極の活物質層を直接接触させた比較例１の電池においては、内部抵抗の平均値が大きいとともに、個々の抵抗値のばらつきが大きいことが分かる。一方、負極の露出部を外装缶の側壁内面に直接接触させた実施例１〜３の電池にあっては、内部抵抗の平均値が小さいとともに、個々の抵抗値のばらつきも小さいことが分かる。これは、比較例１の電池では、外装缶の側壁内面に導電性の低い負極活物質層のみが接触しているため内部抵抗およびそのばらつきが大きくなっているのに対し、実施例１〜３の電池においては、導電性の負極芯体からなる露出部２ａに設けられた突出部，凸状部，または折曲部が、導電性の低い負極活物質層を介さずに外装缶１と直接に接触しているため、電池の内部抵抗とそのばらつきが小さくなっているのである。
【００４２】
【発明の効果】
上述したように本発明の密閉型電池においては、渦巻状電極群の最外周にセパレータが位置しているので、負極活物質の結着強度が弱い場合でも集電体を使用せずに集電することが可能である。このため、本発明の密閉型電池は安価に製造することができる。
【００４３】
また、本発明の密閉型電池においては、負極芯体からなる露出部が外装缶の側壁内面と直接に接触しているので、負極活物質の導電性が低い場合でも内部抵抗のばらつきが小さくなっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わるニッケル−カドミウム蓄電池Ａを示す断面図。
【図２】図１のニッケル−カドミウム蓄電池Ａに用いられるカドミウム負極の斜視図。
【図３】図１のニッケル−カドミウム蓄電池Ａに用いられる渦巻状電極群の部分斜視図。
【図４】図１のニッケル−カドミウム蓄電池Ａに用いられる別の渦巻状電極群の部分斜視図。
【図５】図１のニッケル−カドミウム蓄電池Ａに用いられる更に別の渦巻状電極群の部分斜視図。
【図６】本発明の別の実施形態に係わるニッケル−カドミウム蓄電池Ｂを示す断面図。
【図７】図６のニッケル−カドミウム蓄電池Ｂに用いられるカドミウム負極の斜視図。
【図８】図６のニッケル−カドミウム蓄電池Ｂに用いられる渦巻状電極群の部分斜視図。
【図９】本発明の更に別の実施形態に係わるのニッケル−カドミウム蓄電池Ｃを示す断面図。
【図１０】図９のニッケル−カドミウム蓄電池Ｃに用いられるカドミウム負極の斜視図。
【図１１】図９のニッケル−カドミウム蓄電池Ｃに用いられる渦巻状電極群の部分斜視図。
【図１２】従来のニッケル−カドミウム蓄電池を示す断面図。
【符号の説明】
１ 外装缶
１ａ 側壁内面
１ｂ 絞り部
２1，２2，２3 カドミウム負極
２Ａ 負極用芯体
２Ｂ 負極活物質層
２ａ 露出部
２ｂ1,２ｂ2,２ｂ3 切り込み
２ｃ 突出部
２ｄ 凸状部
２ｅ 折曲部
３ ニッケル正極
４ セパレータ
５1，５2，５3 渦巻状電極群
６ 絶縁ガスケット
７ 封口体
７ａ 孔
７ｂ 封口板
７ｃ 安全弁
７ｄ コイルスプリング
７ｅ キャップ
８ 正極集電リード
Claims (3)
- 開口部を備え、電極端子を兼ねる外装缶と、この外装缶内に収納され、正極と負極とがセパレータを介して渦巻状に巻回されている渦巻状電極群と、前記外装缶の開口部に配設され、前記外装缶とは極性が異なる電極端子を兼ねる封口体と、を備えた密閉型電池であって、
前記渦巻状電極群の最外周には前記セパレータが位置し、
この最外周のセパレータに隣接する前記正極または前記負極の芯体は、前記渦巻状電極群の一端部から前記渦巻状電極群の軸線に沿って前記最外周のセパレータよりも突出する露出部を有しており、
前記露出部は少なくとも一つの切り込みを備え、この切り込みによって形成された前記露出部の一部が前記渦巻状電極群の径方向外側に突出しており、この突出部が前記外装缶の側壁内面に直接接触している
ことを特徴とする密閉型電池。 - 開口部を備え、電極端子を兼ねる外装缶と、この外装缶内に収納され、正極と負極とがセパレータを介して渦巻状に巻回されている渦巻状電極群と、前記外装缶の開口部に配設され、前記外装缶とは極性が異なる電極端子を兼ねる封口体と、を備えた密閉型電池であって、
前記渦巻状電極群の最外周には前記セパレータが位置し、
この最外周のセパレータに隣接する前記正極または前記負極の芯体は、前記渦巻状電極群の一端部から前記渦巻状電極群の軸線に沿って前記最外周のセパレータよりも突出する露出部を有しており、
前記露出部は前記渦巻状電極群の径方向外側に突出する凸状部を少なくとも一つ備え、この凸状部が前記外装缶の側壁内面と直接接触している
ことを特徴とする密閉型電池。 - 開口部を備え、電極端子を兼ねる外装缶と、この外装缶内に収納され、正極と負極とがセパレータを介して渦巻状に巻回されている渦巻状電極群と、前記外装缶の開口部に配設され、前記外装缶とは極性が異なる電極端子を兼ねる封口体と、を備えた密閉型電池であって、
前記渦巻状電極群の最外周には前記セパレータが位置し、
この最外周のセパレータに隣接する前記正極または前記負極の芯体は、前記渦巻状電極群の一端部から前記渦巻状電極群の軸線に沿って前記最外周のセパレータよりも突出する露出部を有しており、
前記露出部は前記渦巻状電極群の径方向外側に突出する折曲部を少なくとも一つ備え、この折曲部が前記外装缶の側壁内面と直接接触している
ことを特徴とする密閉型電池。
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