JP4359098B2 - 円筒型アルカリ蓄電池 - Google Patents
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Description
本発明は円筒型アルカリ蓄電池に関する。
アルカリ蓄電池としては、含まれる活物質の種類によって、例えばニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素二次電池等をあげることができる。これらアルカリ蓄電池には、セパレータを間に挟んでそれぞれ帯状の負極と正極とを渦巻状に巻回した電極群を、円筒状の外装缶内に収容した円筒型のものがある。
この種の円筒型アルカリ蓄電池にあっては、短絡の発生を防止するために様々な提案がなされている。例えば、正極は、周縁を裁断して所定寸法の帯状に成型されるので、正極端縁にはばりが生じている。このように端縁にばりを有する正極を巻回した場合、正極巻終わり端縁のばりが、正極の外面側のセパレータを突き破って負極と接触して短絡を生じるので、このような短絡を防止すべく、正極巻終わり端縁と、正極の外面側のセパレータとの間に絶縁性の保護部材が介装されたものがある。
この種の円筒型アルカリ蓄電池にあっては、短絡の発生を防止するために様々な提案がなされている。例えば、正極は、周縁を裁断して所定寸法の帯状に成型されるので、正極端縁にはばりが生じている。このように端縁にばりを有する正極を巻回した場合、正極巻終わり端縁のばりが、正極の外面側のセパレータを突き破って負極と接触して短絡を生じるので、このような短絡を防止すべく、正極巻終わり端縁と、正極の外面側のセパレータとの間に絶縁性の保護部材が介装されたものがある。
また一方、この種の円筒型アルカリ蓄電池にあっては、過充電時に発生した酸素ガスを還元すべく、正極容量よりも負極容量の方が大きいが、電池容量を高めるために正極活物質の増量が要求され、この要求に応えるべく様々な提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１が開示する円筒型アルカリ蓄電池では、正極の巻終わり端部の外面に、稜を境界として先端側に傾斜面がプレスや削り取りによって形成されている。このように、正極の巻終わり端部を先細り状にすることで、電極群の外周形状を略真円状として電極群と外装缶との間に形成される空隙を小さくし、この円筒型アルカリ蓄電池は体積効率を高めて高容量化を達成するものと考えられる。
実開昭５３−１６０７２０号公報
特許文献１が開示する円筒型アルカリ蓄電池では、正極の巻終わり端部の外面に、稜を境界として先端側に傾斜面がプレスや削り取りによって形成されている。このように、正極の巻終わり端部を先細り状にすることで、電極群の外周形状を略真円状として電極群と外装缶との間に形成される空隙を小さくし、この円筒型アルカリ蓄電池は体積効率を高めて高容量化を達成するものと考えられる。
しかしながら、保護部材を正極巻終わり端縁と正極の外面側のセパレータとの間に介装しても、短絡の発生を十分には防止することができないという問題がある。
より詳しくは、正極巻終わり端縁のばりには、正極の外面側に向かって突出するもののほか、正極の内面側に向かって突出しているものがある。一方、保護部材を介装したことにより、電極群の外径が、中心軸と正極巻き終り端縁とを結ぶ方向で増大するので、外装缶への電極群の挿入時、外装缶の開口縁及び周壁によって、正極巻終わり端縁が厚み方向両側から強く押圧されて圧縮される。このため、正極巻終わり端縁にて正極の内面側に向かって突出したばりが、正極の内面側のセパレータを突き破って負極と接触して短絡を生じる。
より詳しくは、正極巻終わり端縁のばりには、正極の外面側に向かって突出するもののほか、正極の内面側に向かって突出しているものがある。一方、保護部材を介装したことにより、電極群の外径が、中心軸と正極巻き終り端縁とを結ぶ方向で増大するので、外装缶への電極群の挿入時、外装缶の開口縁及び周壁によって、正極巻終わり端縁が厚み方向両側から強く押圧されて圧縮される。このため、正極巻終わり端縁にて正極の内面側に向かって突出したばりが、正極の内面側のセパレータを突き破って負極と接触して短絡を生じる。
また、特許文献１の円筒型アルカリ蓄電池においては、正極を先細り状とする際に、正極巻終わり端部の外面の稜にばりが生じ、この稜のばりが、正極巻終わり端部の外面に重ね合わされたセパレータの部分を突き破って短絡が生じるという問題がある。
より詳しくは、特許文献１の円筒型アルカリ蓄電池においても、未だ電極群の横断面形状は真円形状とはならず、その外径は中心軸と正極巻終わり端部の稜とを結ぶ方向で最大となる。このため、外装缶への電極群の挿入時、外装缶の開口縁及び周壁によって、正極巻終わり端部の稜の部分が厚み方向両側から強く押圧されて圧縮される。従って、正極巻終わり端部の外面に、傾斜面をプレスや削り取りによって形成し、稜にばりが生じている場合、稜のばりが外装缶への電極群の挿入時に強く押圧されて正極の外面側のセパレータを突き破って負極と接触し、短絡が生じる。
より詳しくは、特許文献１の円筒型アルカリ蓄電池においても、未だ電極群の横断面形状は真円形状とはならず、その外径は中心軸と正極巻終わり端部の稜とを結ぶ方向で最大となる。このため、外装缶への電極群の挿入時、外装缶の開口縁及び周壁によって、正極巻終わり端部の稜の部分が厚み方向両側から強く押圧されて圧縮される。従って、正極巻終わり端部の外面に、傾斜面をプレスや削り取りによって形成し、稜にばりが生じている場合、稜のばりが外装缶への電極群の挿入時に強く押圧されて正極の外面側のセパレータを突き破って負極と接触し、短絡が生じる。
本発明は上記の問題を解決し、正極巻き終り端部における正極の内面側及び外面側の双方で短絡が防止され、且つ高容量化に好適した円筒型アルカリ蓄電池を提供することを目的とする。
上記した目的を達成するため、請求項１の発明では、導電性の円筒状外装缶と、前記外装缶内にアルカリ電解液とともに収容され、それぞれ帯状の正極及び負極をセパレータを介して渦巻状に巻回してなる電極群とを備えた円筒型アルカリ蓄電池において、前記正極は、一定の厚みを有する正極本体部と、前記正極本体部の一端側に一体に形成され、前記正極本体部よりも厚みが薄く且つ前記正極の内面側にて前記正極本体部と面一をなす巻終わり端部とを有し、前記正極と前記正極の外面側に重ね合わされたセパレータとの間に、前記正極の本体部と前記正極の巻き終わり端部との間の境界上に絶縁性の保護部材が配置されていることを特徴としている。
上記した構成では、電極群の外装缶への挿入時、正極巻終わり端部と正極本体部との間の境界には厚み方向に大きな押圧力が加えられるが、境界と正極の外面側に位置付けられたセパレータとの間には保護部材が介装されているので、稜のばりがセパレータを突き破って負極と接触し、短絡するのが防止されている。また電極群の外装缶への挿入時、稜とは反対側の正極内面の部分に加わる厚み方向の押圧力も大きいが、この正極内面の部分は面一をなして平坦であるため、セパレータを突き破って負極と短絡することはない。従って、この円筒型アルカリ蓄電池は、正極巻終わり端部における正極の両面側にて正極と負極との接触が防止され、もって短絡が防止されている。
上記した構成の好適な態様として、前記保護部材は、２００μm以下の厚み（請求項２）と、３０ｍｍ以下の長さ（請求項３）とを有し、また、ポリオレフィン製であって、不織布、シート及びテープよりなる群から選択される（請求項４）。
また、上記した構成の具体的な態様として、前記正極は、前記正極巻終わり端部の外面は、前記正極巻終わり端部の厚みが前記境界から先端側に向かって漸減するよう、傾斜面として形成されている（請求項５）。
また、上記した構成の具体的な態様として、前記正極は、前記正極巻終わり端部の外面は、前記正極巻終わり端部の厚みが前記境界から先端側に向かって漸減するよう、傾斜面として形成されている（請求項５）。
上記した構成の好適な態様として、請求項６の発明では、前記電極群は巻芯を用いて巻回され、前記巻芯の外径は、前記外装缶の外径の３０％以下であることを特徴としている。
この態様では、電極群の巻回に用いられる巻芯の外径が外装缶の外径の３０％以下なので、更に、電池寿命の低下が防止されている。
この態様では、電極群の巻回に用いられる巻芯の外径が外装缶の外径の３０％以下なので、更に、電池寿命の低下が防止されている。
外装缶の外径に対する巻芯の外径の比率が３０％を超えると、電極群の中心軸近傍に存在する空洞が大きくなり、充電時、正極で発生した酸素ガスがこの空洞内にたまりやすくなり、負極での酸素ガス還元反応に遅れが生じる。酸素ガス還元反応が遅れると内圧が上昇し、安全弁が作動してアルカリ電解液が漏出して電池寿命が低下してしまう。そこで、この態様では、正極、負極及びセパレータ等を外装缶内に収容するにあたり、外装缶の外径に対して３０％以下の外径を有する巻芯を用いて電極群を巻回し、電極群の中心軸近傍の空洞を小さくする一方、空洞を小さくした分だけ酸素ガスを一時的に蓄える空間を電池内部に分散させることで、負極の全体で酸素ガス還元反応を効率的に進行させて酸素ガス還元反応の遅れを防止している。その故、この態様では、内圧上昇に伴なう安全弁の作動によるアルカリ電解液の漏出が防止され、電池寿命の低下が防止される。
また、上記した構成の好適な態様として、請求項７の発明では、前記電極群の一端と前記外装缶の蓋体との間に配置され、前記正極の一方の面に溶接された端部及び前記電極群と前記蓋体との間で折曲された折曲部を有する帯状の正極リードを備え、前記電極群は前記巻芯形状に対応した空洞部を有し、横断面でみたときに、前記空洞部の断面積を差し引いた前記電極群の断面積を、前記外装缶の内側の断面積から前記電極群の空洞部の断面積を差し引いた値で除した値の百分率（以下、電極群断面積比率という）が９０％以上１００％以下であることを特徴としている。
この態様によれば、電極群断面積比率が９０％以上に設定されているので、更に、内部抵抗の増大が防止されている。
電極群断面積比率が低い場合、外装缶の周壁により径方向両側から電極群に加えられる圧縮力は小さくなるので、電極群における緊縛度が低くなる。緊縛度が低い状態で、正極の一方の面に溶接された正極リードを折曲げて外装缶の開口内に蓋体を配置した場合、正極リードの端部が溶接された正極の個所に大きな負荷がかかり、正極のこの個所で破断が生じて内部抵抗が高くなる。そこで、この態様では、電極群断面積比率を９０％以上にすることで、電極群に加えられる圧縮力を大きくして電極群の緊縛度を高め、正極リードの端部が溶接された正極の個所を、セパレータを介して径方向両側から負極で押圧して挟持し、正極リードの折曲時における正極のこの個所での変形を防止している。その故、この態様では、正極の正極リード端部を溶接した個所での破断が防止され、内部抵抗の増大が防止される。
電極群断面積比率が低い場合、外装缶の周壁により径方向両側から電極群に加えられる圧縮力は小さくなるので、電極群における緊縛度が低くなる。緊縛度が低い状態で、正極の一方の面に溶接された正極リードを折曲げて外装缶の開口内に蓋体を配置した場合、正極リードの端部が溶接された正極の個所に大きな負荷がかかり、正極のこの個所で破断が生じて内部抵抗が高くなる。そこで、この態様では、電極群断面積比率を９０％以上にすることで、電極群に加えられる圧縮力を大きくして電極群の緊縛度を高め、正極リードの端部が溶接された正極の個所を、セパレータを介して径方向両側から負極で押圧して挟持し、正極リードの折曲時における正極のこの個所での変形を防止している。その故、この態様では、正極の正極リード端部を溶接した個所での破断が防止され、内部抵抗の増大が防止される。
以上説明したように、本発明の円筒型アルカリ蓄電池は、正極と正極の外面側に位置付けられたセパレータとの間に、正極本体部と正極巻終わり端部との境界をカバーする保護部材を介装したことにより、高容量化に好適し且つ短絡が防止されて品質が向上している。
以下に添付の図面を参照して、本発明の一実施形態のＡＡサイズの円筒型ニッケル水素二次電池（以下、電池Ａ）を詳細に説明する。
図１に示したように、電池Ａは上端が開口した有底円筒形状をなす外装缶１０を備え、外装缶１０は導電性を有して負極端子として機能する。外装缶１０の開口内には、リング状の絶縁パッキン１２を介して導電性の蓋板１４が配置され、開口縁をかしめ加工することにより絶縁パッキン１２及び蓋板１４は開口内に固定されている。
図１に示したように、電池Ａは上端が開口した有底円筒形状をなす外装缶１０を備え、外装缶１０は導電性を有して負極端子として機能する。外装缶１０の開口内には、リング状の絶縁パッキン１２を介して導電性の蓋板１４が配置され、開口縁をかしめ加工することにより絶縁パッキン１２及び蓋板１４は開口内に固定されている。
蓋板１４は中央にガス抜き孔１６を有し、蓋板１４の外面上にはガス抜き孔１６を塞いでゴム製の弁体１８が配置されている。更に蓋板１４の外面上には、弁体１８を覆う帽子状の正極端子２０が固定され、正極端子２０は弁体１８を蓋板１４に押圧している。従って、通常時、外装缶１０は絶縁パッキン１２及び弁体１８とともに蓋板１４により気密に閉塞されている。一方、外装缶１０内でガスが発生してその内圧が高まった場合には弁体１８が圧縮され、ガス抜き孔１６を通して外装缶１０からガスが放出される。つまり、蓋板１４、弁体１８及び正極端子２０は、安全弁を形成している。
外装缶１０内には、アルカリ電解液（図示せず）とともに略円柱状の電極群２２が収容され、電極群２２はその最外周部が外装缶１０の周壁に直接接触している。電極群２２は、正極２４、負極２６及びセパレータ２８からなり、アルカリ電解液としては、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化リチウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、及びこれらのうち２つ以上を混合した水溶液等をあげることができる。
更に外装缶１０内には、電極群２２の一端と蓋板１４との間に、正極リード３０が配置され、正極リード３０の両端は正極２４及び蓋板１４に接続されている。従って、正極端子２０と正極２４との間は、正極リード３０及び蓋板１４を介して電気的に接続されている。より詳しくは、正極リード３０は帯状をなし、蓋板１４を外装缶１０の開口内に配置する時に、電極群２２と蓋板１４との間にて折り曲げられて収容され、正極リード３０の電極群２２側の端部は、正極２４の一方の面に面接触した状態で溶接されている。なお、蓋板１４と電極群２２との間には円形の絶縁部材３２が配置され、正極リード３０は絶縁部材３２に設けられたスリットを通して延びている。また、電極群２２と外装缶１０の底部との間にも円形の絶縁部材３４が配置されている。
図２を参照すると、電極群２２において、正極２４及び負極２６は、セパレータ２８を間に挟んだ状態で電極群２２の径方向でみて交互に重ね合わされている。
より詳しくは、電極群２２は、それぞれ帯状の正極２４、負極２６及びセパレータ２８を用意し、これら正極２４及び負極２６を、セパレータ２８を介してそれらの一端側から巻芯を用いて渦巻状に巻回して形成される。このため、正極２４及び負極２６の一端部（巻始め端部）３６，３８が電極群２２の中心側に位置付けられる一方、正極２４及び負極２６の他端部（巻終わり端部）４０，４２が電極群２２の外周側に位置付けられている。また、負極２６は、正極２４に比べて長く、正極巻始め端部３６の内側から正極巻終わり端部４０の外側まで渦巻き状に延び、セパレータ２８を介して正極２４を長手方向全域に亘って両側から挟んでいる。電極群２２の最外周部には、セパレータ２８は巻回されておらず、負極２６が電極群２２の最外周部を形成している。電極群２２の最外周部において、負極２６と外装缶１０とは互いに電気的に接続され、また負極巻終わり端部４２は、電極群２２の周方向に正極巻終わり端部４０を超えて延出し、セパレータ２８を介して負極２６が正極巻終わり端部４０の径方向外面を覆っている。
より詳しくは、電極群２２は、それぞれ帯状の正極２４、負極２６及びセパレータ２８を用意し、これら正極２４及び負極２６を、セパレータ２８を介してそれらの一端側から巻芯を用いて渦巻状に巻回して形成される。このため、正極２４及び負極２６の一端部（巻始め端部）３６，３８が電極群２２の中心側に位置付けられる一方、正極２４及び負極２６の他端部（巻終わり端部）４０，４２が電極群２２の外周側に位置付けられている。また、負極２６は、正極２４に比べて長く、正極巻始め端部３６の内側から正極巻終わり端部４０の外側まで渦巻き状に延び、セパレータ２８を介して正極２４を長手方向全域に亘って両側から挟んでいる。電極群２２の最外周部には、セパレータ２８は巻回されておらず、負極２６が電極群２２の最外周部を形成している。電極群２２の最外周部において、負極２６と外装缶１０とは互いに電気的に接続され、また負極巻終わり端部４２は、電極群２２の周方向に正極巻終わり端部４０を超えて延出し、セパレータ２８を介して負極２６が正極巻終わり端部４０の径方向外面を覆っている。
巻回後に巻芯は引き抜かれるので、電極群２２はその中心に、巻芯の形状に対応した空洞部４４を有する。このとき、電極群２２の横断面積は、図３（ａ）に斜線で示したように、外装缶１０の内側の断面積から、空洞部４４と、電極群２２と外装缶１０との間に生じた隙間４５とを差し引いた値となるが、本実施形態では好適な態様として、この電極群２２の横断面積を、外装缶１０の周壁内側の断面積から空洞部４４の断面積を差し引いた値、つまり図３（ｂ）に斜線で示した横断面積で除した値の百分率、つまり電極群断面積比率が９０％以上１００％以下の範囲内に入っている。
セパレータ２８の材質としては、例えば、ポリアミド繊維製不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン繊維製不織布に親水性官能基を付与したものをあげることができる。
負極２６は、図４及び図５に展開して示したように、帯状をなす導電性の負極芯体４６を有し、この負極芯体４６には負極合剤が保持されている。負極芯体４６は、厚み方向に複数の貫通孔を有するシート状の金属材からなり、このようなものとして、例えば、パンチングメタル、金属粉末焼結体基板、エキスパンデッドメタル及びニッケルネット等をあげることができる。とりわけ、パンチングメタルや、金属粉末を成型してから焼結した金属粉末焼結体基板は負極芯体４６に好適する。なお、図１及び図２中、作図上の都合により、負極芯体４６を省略した。
負極２６は、図４及び図５に展開して示したように、帯状をなす導電性の負極芯体４６を有し、この負極芯体４６には負極合剤が保持されている。負極芯体４６は、厚み方向に複数の貫通孔を有するシート状の金属材からなり、このようなものとして、例えば、パンチングメタル、金属粉末焼結体基板、エキスパンデッドメタル及びニッケルネット等をあげることができる。とりわけ、パンチングメタルや、金属粉末を成型してから焼結した金属粉末焼結体基板は負極芯体４６に好適する。なお、図１及び図２中、作図上の都合により、負極芯体４６を省略した。
負極合剤は、電池Ａがニッケル水素二次電池であることから、負極活物質としての水素を吸蔵及び放出可能な水素吸蔵合金粒子及び結着剤からなる。
水素吸蔵合金粒子は、電池Ａの充電時にアルカリ電解液中で電気化学的に発生させた水素を吸蔵でき、なおかつ放電時にその吸蔵水素を容易に放出できるものであればよい。このような水素吸蔵合金としては、特に限定されないが、例えば、ＬａＮｉ5やＭｍＮｉ5（Ｍｍはミッシュメタル）等のＡＢ5型系のものをあげることができる。また、結着剤としては親水性若しくは疎水性のポリマー等をそれぞれあげることができる。
水素吸蔵合金粒子は、電池Ａの充電時にアルカリ電解液中で電気化学的に発生させた水素を吸蔵でき、なおかつ放電時にその吸蔵水素を容易に放出できるものであればよい。このような水素吸蔵合金としては、特に限定されないが、例えば、ＬａＮｉ5やＭｍＮｉ5（Ｍｍはミッシュメタル）等のＡＢ5型系のものをあげることができる。また、結着剤としては親水性若しくは疎水性のポリマー等をそれぞれあげることができる。
上記した負極合剤は、負極芯体４６の貫通孔内に充填されるとともに、負極芯体４６がシート状であることから、負極芯体４６の両面上に層状にして保持されている。以下では、負極芯体４６の径方向内面を被覆し、電極群２２の中心軸側を向いた負極合剤の層を内側水素吸蔵合金層４８又は内側合金層４８といい、負極芯体４６の径方向外面を被覆し、電極群２２の外側を向いた負極合剤の層を外側水素吸蔵合金層５０又は外側合金層５０という。
負極２６において、内側合金層４８の厚みＴ２は、負極巻始め端部３８から負極巻終わり端部４２に亘って一定である。一方、外側合金層５０は、負極巻始め端部３８と負極巻終わり端部４２との間で厚みが変化し、負極２６は、外側合金層５０の厚みに関して、負極芯体４６の長手方向でみて３つの領域、すなわち、負極巻始め端部３８から負極巻終わり端部４２に向かって順に、本体部５２、境界部５４および薄肉部５６に区分けされる。
本体部５２は電極群２２の内側に巻回され、セパレータ２８介して両側に正極２４が配置されている。本体部５２における外側合金層５０の厚みは、内側合金層４８の厚みＴ２に等しく一定である。
薄肉部５６は、電極群２２の外側に巻回されて電極群２２の最外周部を形成し、正極巻終わり端部４０の外側をセパレータ２８を介して覆う一方、外装缶１０の周壁と密接する。薄肉部５６における外側合金層５０の厚みＴ１は、負極芯体４６の長手方向でみて一定であり、且つ、本体部５２における外側合金層５０の厚み、すなわち内側合金層４８の厚みＴ２よりも薄い。従って、薄肉部５６においては、内側合金層４８の方が外側合金層５０よりも厚い。
薄肉部５６は、電極群２２の外側に巻回されて電極群２２の最外周部を形成し、正極巻終わり端部４０の外側をセパレータ２８を介して覆う一方、外装缶１０の周壁と密接する。薄肉部５６における外側合金層５０の厚みＴ１は、負極芯体４６の長手方向でみて一定であり、且つ、本体部５２における外側合金層５０の厚み、すなわち内側合金層４８の厚みＴ２よりも薄い。従って、薄肉部５６においては、内側合金層４８の方が外側合金層５０よりも厚い。
境界部５４は、本体部５２と薄肉部５６との間に形成されている。境界部５４は、電極群２２として巻回されたとき、電極群２２の周方向でみて正極巻終わり端部４０とは異なる位置に位置付けられていることが好ましく、本実施形態では正極巻終わり端部４０の内側にはセパレータ２８を介して本体部５２が配置されている。ただし、境界部５４と正極巻終わり端部４０との周方向位置は特には限定されない。また、境界部５４は、長さＬ１を有し、負極芯体４６の長手方向でみて厚みが変化する。より詳しくは、境界部５４における外側合金層５０の厚みは、本体部５２から薄肉部５６に向かって略一定の変化率にて徐々に減少し、厚みＴ２から厚みＴ１まで変化する。
なお、上記したように負極２６が、本体部５２、境界部５４及び薄肉部５６を有し、薄肉部５６の厚みが本体部５２の厚みよりも薄いことが好ましいが、負極２６の厚みは特に限定されず、長手方向でみて一定であってもよい。
正極２４は、帯状をなす導電性の正極芯体を有し、この芯体には正極合剤が保持されている。正極芯体は、３次元の網目構造、つまり多孔質構造を有する例えばニッケル製の金属体であり、正極合剤は金属体の連通孔内に保持される。
正極２４は、帯状をなす導電性の正極芯体を有し、この芯体には正極合剤が保持されている。正極芯体は、３次元の網目構造、つまり多孔質構造を有する例えばニッケル製の金属体であり、正極合剤は金属体の連通孔内に保持される。
正極合剤は、例えば、正極活物質、添加剤及び結着剤からなる。正極活物質としては、特に限定されないが、水酸化ニッケル粒子、あるいは、コバルト、亜鉛、カドミウム等を固溶した水酸化ニッケル粒子をあげることができる。また、添加剤としては、酸化イットリウムの他に、酸化コバルト、金属コバルト、水酸化コバルト等のコバルト化合物、金属亜鉛、酸化亜鉛、水酸化亜鉛等の亜鉛化合物、酸化エルビウム等の希土類化合物等を、結着剤としては親水性若しくは疎水性のポリマー等をそれぞれあげることができる。
図６及び図７に展開して示したように、正極２４は、一定の厚みを有する正極本体部５８を有し、正極巻終わり端部４０は、正極本体部５８の一端側に一体に形成されている。正極巻終わり端部４０は、正極本体部５８よりも厚みが薄く且つ正極２４の径方向内面側にて正極本体部５８と面一をなしている。
そして、正極巻終わり端部４０は、正極本体部５８との境界である稜６０から先端（正極巻終わり端）側の外面が傾斜面６１として形成され、正極２４の厚みは稜６０から先端に向かって一定の変化率で漸減している。稜６０及び傾斜面６１は、後述するように削り落としやプレスによって正極巻終わり端部４０の外面に形成されるが、稜６０には、この形成時に生じたばりが存在している。なお、図６及び図７中、正極２４とともに以下に説明する保護部材６２も展開して示されている。
そして、正極巻終わり端部４０は、正極本体部５８との境界である稜６０から先端（正極巻終わり端）側の外面が傾斜面６１として形成され、正極２４の厚みは稜６０から先端に向かって一定の変化率で漸減している。稜６０及び傾斜面６１は、後述するように削り落としやプレスによって正極巻終わり端部４０の外面に形成されるが、稜６０には、この形成時に生じたばりが存在している。なお、図６及び図７中、正極２４とともに以下に説明する保護部材６２も展開して示されている。
図８に拡大して示したように、保護部材６２は、正極巻終わり端部４０の外面と、正極の巻き終り端部４０の外面を覆うセパレータ２８の一部との間に配置されている。つまり保護部材６２は、正極２４と、正極２４の外面側のセパレータ２８との間に介装されている。保護部材６２は、絶縁性を有し、図６及び図７に展開して示したように、シート状をなして正極２４の稜６０全体を被覆可能である。
保護部材６２の寸法は、電極群２２を外装缶１０内へ挿入した時に、稜６０及びその周辺部分のばりが保護部材６２及びセパレータ２８を貫通しないよう設定され、特に限定されることはない。ただし、本実施形態では好適な態様として、保護部材６２の厚みＴ３は、１０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内に設定されている。また、正極２４の長手方向、つまり電極群２２の周方向でみた保護部材６２の長さＬ２は、本実施形態では好適な態様として、１ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
ここで、保護部材６２の厚みＴ３とは、電池Ａを解体して保護部材６２を取り出して乾燥させた後、乾燥した保護部材６２の複数個所でマイクロメータを用いて厚みを測定し、これら測定値を平均した値のことをいう。また、保護部材６２の長さＬ２とは、厚みＴ３の場合と同様に電池Ａを解体して保護部材６２を取り出して乾燥させた後、乾燥した保護部材６２を平面上に展開して定規等を用いて測定した値のことをいう。
また、保護部材６２の材質及び形態についても、電極群２２を外装缶１０内へ挿入した時に、稜６０及びその周辺部分のばりが保護部材６２及びセパレータ２８を貫通しないよう設定されるけれども、特に限定されることはない。ただし、保護部材６２の材質としては、耐アルカリ性と親水性の両方を備えているポリオレフィン系のポリマー、例えばＰＰ（ポリプロピレン）が好ましく、また保護部材６２の形態は、不織布、シート又はテープが好ましい。
上述した電池Ａは、通常の方法を適用して製造することができるが、以下では正極２４の製造方法及び電極群２２の製造（巻回）方法のそれぞれ一例を説明する。
正極２４の製造にあたっては、まず、正極芯体となる例えばニッケル製金属体のシート及び正極合剤ペーストを用意し、金属体に正極合剤ペーストを充填して乾燥させる。次いで、乾燥状態の正極合剤が充填されている金属体を、一対の圧延ロール間のギャップに通してその厚み方向両側から圧縮して厚みを調整してから、正極巻終わり端部４０となる箇所を削り落とすか又はプレスして傾斜面６１を形成した後、所定の寸法に裁断して正極２４が得られる。なお、正極２４における正極リード３０を溶接する個所では、例えば超音波を加えることで正極合剤が部分的に除去される。
正極２４の製造にあたっては、まず、正極芯体となる例えばニッケル製金属体のシート及び正極合剤ペーストを用意し、金属体に正極合剤ペーストを充填して乾燥させる。次いで、乾燥状態の正極合剤が充填されている金属体を、一対の圧延ロール間のギャップに通してその厚み方向両側から圧縮して厚みを調整してから、正極巻終わり端部４０となる箇所を削り落とすか又はプレスして傾斜面６１を形成した後、所定の寸法に裁断して正極２４が得られる。なお、正極２４における正極リード３０を溶接する個所では、例えば超音波を加えることで正極合剤が部分的に除去される。
電極群２２は、上述した製造方法で得られた正極２４と、別に用意した負極２６及びセパレータ２８とを、図９に示したように、巻芯６４を用いて巻回して作製される。円柱状の巻芯６４には、巻芯６４の軸線方向に延び且つその径方向に巻芯６４を２分割するスリット６６が形成されている。このスリット６６にセパレータ２８を挟んだ状態で、図中、矢線６８で示した方向に巻芯６４を回転させるとともに、巻芯６４に向かって正極２４、負極２６及びセパレータ２８を連続的に繰り出すことにより、電極群２２が巻回される。このとき、巻芯６４の外径ｄは、特に限定されないが、本実施形態では好適な態様として、外装缶１０の外径Ｄ（図２参照）の０％以上３０％以下の外径ｄを有する巻芯６４を用いて電極群２２を巻回した。なお、図９中、線の錯綜をさけるため、セパレータ２８のハッチングを省略した。
上記した構成の電池Ａによれば、正極２４の巻終わり端部４０が薄くなっているので、電極群２２の外周形状が略真円状となり、電極群２２と外装缶１０の周壁との間の隙間４５（図３参照）が小さくなって体積効率が向上する。従って、この電池Ａは高容量化に好適する。
そしてその上、電池Ａは、正極巻き終り端部４０における正極２４の径方向内面側及び外面側での短絡が防止され、品質が向上している。
そしてその上、電池Ａは、正極巻き終り端部４０における正極２４の径方向内面側及び外面側での短絡が防止され、品質が向上している。
電池Ａにおいては、正極巻終わり端部４０の外面に稜６０が存在し、稜６０にはばりが存在している。しかしながら、稜６０とこの稜６０を覆うセパレータ２８との間には保護部材６２が配置されており、電極群２２の外装缶１０への挿入時、稜６０が電極群２２の径方向、つまり正極２４の厚み方向両側から強く押圧されたとしても、保護部材６２が稜６０をカバーし、稜６０のばりがセパレータ２８を突き破って負極２６と接触することを防止する。つまり、保護部材６２によって、正極巻き終り端部４０における正極２４の外面側での短絡が防止されている。また、電極群２２の外装缶１０への挿入時、稜６０とは反対側の正極２４の内面部分７０も強く押圧されるが（図７参照）、この内面部分７０は、面一をなして平坦であって、ばりが無いことから、セパレータ２８を突き破って短絡することはない。つまり、正極巻き終り端部４０における正極２４の内面側での短絡も防止されている。なお、正極巻き終り端部４０は先端側が薄く形成されているので、電極群２２の外装缶１０への挿入時、正極巻き終り端縁は強く押圧されることはなく、正極巻き終り端縁における短絡の発生も防止されている。
また、電池Ａでは、保護部材６２の厚みＴ３が、好適な態様として１０μｍ以上２００μｍ以下の範囲内に設定されているので、確実に短絡が防止されるとともに、負極容量の低下や内部抵抗の増大が防止されている。
保護部材６２の厚みＴ３が１０μm未満の場合、稜６０のばりが保護部材６２及びセパレータ２８を貫通して短絡が生じやすい。また、保護部材６２の厚みＴ３が２００μmを超える場合、保護部材６２を介挿した電極群２２の周方向位置で電極群２２の外径が大きくなり、電極群２２の外装缶１０への挿入時、この周方向位置で負極２６の薄肉部５６と外装缶１０の開口縁及び周壁とが激しく摺動し、負極芯体４６から内及び外合金層４８，５０が剥がれ落ちて負極容量低下を招いたり、負極芯体４６にひび割れや破断が生じて内部抵抗の増大を招く。
保護部材６２の厚みＴ３が１０μm未満の場合、稜６０のばりが保護部材６２及びセパレータ２８を貫通して短絡が生じやすい。また、保護部材６２の厚みＴ３が２００μmを超える場合、保護部材６２を介挿した電極群２２の周方向位置で電極群２２の外径が大きくなり、電極群２２の外装缶１０への挿入時、この周方向位置で負極２６の薄肉部５６と外装缶１０の開口縁及び周壁とが激しく摺動し、負極芯体４６から内及び外合金層４８，５０が剥がれ落ちて負極容量低下を招いたり、負極芯体４６にひび割れや破断が生じて内部抵抗の増大を招く。
更に、電池Ａでは、保護部材６２の長さＬ２が、好適な態様として１ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲内に設定されているので、保護部材６２を電極群２２に容易に介挿することができるとともに、充放電特性の低下が防止されている。
保護部材６２の長さＬ２が１ｍｍ未満の場合、電極群２２巻回時に稜６０をカバーするように保護部材６２を介挿することは困難である。また、保護部材６２の長さＬ２が３０ｍｍを超えると、保護部材６２自身は電池反応に寄与しないので体積効率の低下を招くばかりか、保護部材６２を介挿した電極群２２の領域では、正極２４と負極２６の薄肉部５６との間の極板間隔が拡大されるので、この領域での充放電特性が低下してしまう。
保護部材６２の長さＬ２が１ｍｍ未満の場合、電極群２２巻回時に稜６０をカバーするように保護部材６２を介挿することは困難である。また、保護部材６２の長さＬ２が３０ｍｍを超えると、保護部材６２自身は電池反応に寄与しないので体積効率の低下を招くばかりか、保護部材６２を介挿した電極群２２の領域では、正極２４と負極２６の薄肉部５６との間の極板間隔が拡大されるので、この領域での充放電特性が低下してしまう。
また、電池Ａでは、電極群２２の巻回に用いられる巻芯６４の外径ｄが外装缶１０の外径Ｄの３０％以下なので、更に、電池寿命の低下が防止されている。
外装缶１０の外径Ｄに対する巻芯の外径の比率が３０％を超えると、電極群２２の中心軸近傍に存在する空洞４４が大きくなり、充電時、正極２４で発生した酸素ガスがこの空洞４４内にたまりやすくなり、負極２６での酸素ガス還元反応に遅れが生じる。酸素ガス還元反応が遅れると内圧が上昇し、安全弁が作動してアルカリ電解液が漏出し、電池寿命が低下してしまう。そこで、電池Ａでは、正極２４、負極２６及びセパレータ２８等を外装缶１０内に収容するにあたり、外装缶１０の外径Ｄに対して３０％以下の外径ｄを有する巻芯６４を用いて電極群２２を巻回し、電極群２２の中心軸近傍の空洞４４を小さくする一方、空洞４４を小さくした分だけ酸素ガスを一時的に蓄える空間を電池内部に分散させることで、負極２６の全体で酸素ガス還元反応を効率的に進行させて酸素ガス還元反応の遅れを防止している。その故、電池Ａでは、内圧上昇に伴なう安全弁の作動によるアルカリ電解液の漏出が防止され、更に、電池寿命の低下が防止される。
外装缶１０の外径Ｄに対する巻芯の外径の比率が３０％を超えると、電極群２２の中心軸近傍に存在する空洞４４が大きくなり、充電時、正極２４で発生した酸素ガスがこの空洞４４内にたまりやすくなり、負極２６での酸素ガス還元反応に遅れが生じる。酸素ガス還元反応が遅れると内圧が上昇し、安全弁が作動してアルカリ電解液が漏出し、電池寿命が低下してしまう。そこで、電池Ａでは、正極２４、負極２６及びセパレータ２８等を外装缶１０内に収容するにあたり、外装缶１０の外径Ｄに対して３０％以下の外径ｄを有する巻芯６４を用いて電極群２２を巻回し、電極群２２の中心軸近傍の空洞４４を小さくする一方、空洞４４を小さくした分だけ酸素ガスを一時的に蓄える空間を電池内部に分散させることで、負極２６の全体で酸素ガス還元反応を効率的に進行させて酸素ガス還元反応の遅れを防止している。その故、電池Ａでは、内圧上昇に伴なう安全弁の作動によるアルカリ電解液の漏出が防止され、更に、電池寿命の低下が防止される。
そして、電池Ａでは、電極群断面積比率が９０％以上に設定されているので、更に、内部抵抗の増大が防止されている。
電極群断面積比率が低い場合、外装缶１０の周壁により径方向両側から電極群２２に加えられる圧縮力は小さくなるので、電極群２２における緊縛度が低くなる。緊縛度が低い状態で、正極２４の一方の面に端部が溶接された正極リード３０を折曲げて外装缶１０の開口内に蓋板１４を配置した場合、正極リード３０の端部が溶接された正極２４の個所に大きな負荷がかかり、正極２４のこの個所で破断が生じて内部抵抗が高くなる。そこで、電池Ａでは、電極群断面積比率を９０％以上にすることで、電極群２２に加えられる圧縮力を大きくして電極群２２の緊縛度を高め、正極リード３０の端部が溶接された正極２４の個所を、セパレータ２８を介して径方向両側から負極２６で押圧して挟持し、正極リード３０の折曲時における正極２４のこの個所での変形を防止している。その故、電池Ａでは、正極２４の正極リード端部３０を溶接した個所での破断が防止され、内部抵抗の増大が防止される。
電極群断面積比率が低い場合、外装缶１０の周壁により径方向両側から電極群２２に加えられる圧縮力は小さくなるので、電極群２２における緊縛度が低くなる。緊縛度が低い状態で、正極２４の一方の面に端部が溶接された正極リード３０を折曲げて外装缶１０の開口内に蓋板１４を配置した場合、正極リード３０の端部が溶接された正極２４の個所に大きな負荷がかかり、正極２４のこの個所で破断が生じて内部抵抗が高くなる。そこで、電池Ａでは、電極群断面積比率を９０％以上にすることで、電極群２２に加えられる圧縮力を大きくして電極群２２の緊縛度を高め、正極リード３０の端部が溶接された正極２４の個所を、セパレータ２８を介して径方向両側から負極２６で押圧して挟持し、正極リード３０の折曲時における正極２４のこの個所での変形を防止している。その故、電池Ａでは、正極２４の正極リード端部３０を溶接した個所での破断が防止され、内部抵抗の増大が防止される。
本発明は、上記した一実施形態に限定されることはなく、種々変形が可能であり、例えば、電池Ａは、円筒型ニッケルカドミウム蓄電池であってもよく、また、ＡＡＡサイズ等であってもよい。
そして、正極巻終わり端部４０の外面に傾斜面６１を形成するのに代えて、図１０及び図１１に示したように、正極巻終わり端部４０に段差面７２を形成し、正極巻終わり端部４０を一定の厚みにて正極本体部５８よりも薄くしてもよい。
そして、正極巻終わり端部４０の外面に傾斜面６１を形成するのに代えて、図１０及び図１１に示したように、正極巻終わり端部４０に段差面７２を形成し、正極巻終わり端部４０を一定の厚みにて正極本体部５８よりも薄くしてもよい。
また、正極２４はパンチングメタル製の正極芯体の両面に、正極合剤が保持されているものであってもよい。
また更に、保護部材６２が、少なくとも一方の表面に接着層を有し、正極巻終わり端部４０の外面またはセパレータ２８に付着していてもよい。
また更に、保護部材６２が、少なくとも一方の表面に接着層を有し、正極巻終わり端部４０の外面またはセパレータ２８に付着していてもよい。
実施例１〜６、比較例１
１．電池の組み立て
実施例１〜６として、図１、２、４、５、６及び７に示した構成を有するＡＡサイズの円筒型ニッケル水素二次電池をそれぞれ１００個ずつ組み立てた。
また、比較例１として、保護部材６２を備えていないことを除いて実施例１と同じ構成の円筒型ニッケル水素二次電池を１００個組立てた。
１．電池の組み立て
実施例１〜６として、図１、２、４、５、６及び７に示した構成を有するＡＡサイズの円筒型ニッケル水素二次電池をそれぞれ１００個ずつ組み立てた。
また、比較例１として、保護部材６２を備えていないことを除いて実施例１と同じ構成の円筒型ニッケル水素二次電池を１００個組立てた。
ここで、実施例１〜６の保護部材６２は、いずれもセパレータ２８と同じポリプロピレン繊維製の不織布からなり、表１に、保護部材６２の寸法（厚み、長さ）を示した。
２．電池の特性評価試験
得られた実施例１〜６、比較例１の各円筒型ニッケル水素二次電池について、１００個中、短絡の発生した個数を数えて、この結果を表１に示した。
２．電池の特性評価試験
得られた実施例１〜６、比較例１の各円筒型ニッケル水素二次電池について、１００個中、短絡の発生した個数を数えて、この結果を表１に示した。
表１から、稜６０をカバーする保護部材６２を正極２４とセパレータ２８との間に介挿した実施例１〜６では、保護部材６２を介挿しなかった比較例１に比べて、短絡の発生が防止されていることがわかる。
１０ 外装缶
２２ 電極群
２４ 正極
２６ 負極
２８ セパレータ
４０ 正極巻終わり端部
５８ 正極本体部
６０ 稜（境界）
６１ 傾斜面
６２ 保護部材
２２ 電極群
２４ 正極
２６ 負極
２８ セパレータ
４０ 正極巻終わり端部
５８ 正極本体部
６０ 稜（境界）
６１ 傾斜面
６２ 保護部材
Claims (7)
- 導電性の円筒状外装缶と、
前記外装缶内にアルカリ電解液とともに収容され、それぞれ帯状の正極及び負極をセパレータを介して渦巻状に巻回してなる電極群と
を備えた円筒型アルカリ蓄電池において、
前記正極は、一定の厚みを有する正極本体部と、前記正極本体部の一端側に一体に形成され、前記正極本体部よりも厚みが薄く且つ前記正極の内面側にて前記正極本体部と面一をなす正極巻終わり端部とを有し、
前記正極と前記正極の外面側に重ね合わされたセパレータとの間に、前記正極の本体部と前記正極の巻き終わり端部との間の境界上に絶縁性の保護部材が配置されていることを特徴とする円筒型アルカリ蓄電池。 - 前記保護部材は、２００μm以下の厚みを有することを特徴とする請求項１記載の円筒型アルカリ蓄電池。
- 前記保護部材は、３０ｍｍ以下の長さを有することを特徴とする請求項１記載の円筒型アルカリ蓄電池。
- 前記保護部材は、ポリオレフィン製であって、不織布、シート及びテープよりなる群から選択されることを特徴とする請求項１記載の円筒型アルカリ蓄電池。
- 前記正極巻終わり端部の外面は、前記正極巻終わり端部の厚みが前記境界から先端側に向かって漸減するよう、傾斜面として形成されていることを特徴とする請求項１記載の円筒型アルカリ蓄電池。
- 前記電極群は巻芯を用いて巻回され、前記巻芯の外径は、前記外装缶の外径の３０％以下であることを特徴とする請求項１記載の円筒型アルカリ蓄電池。
- 前記電極群の一端と前記外装缶の蓋体との間に配置され、前記正極の一方の面に溶接された端部及び前記電極群と前記蓋体との間で折曲された折曲部を有する帯状の正極リードを備え、
前記電極群は巻芯を用いて巻回され、前記巻芯形状に対応した空洞部を有し、
横断面でみたときに、前記空洞部の断面積を差し引いた前記電極群の断面積を、前記外装缶の内側の断面積から前記電極群の空洞部の断面積を差し引いた値で除した値の百分率が９０％以上１００％以下であることを特徴とする請求項１記載の円筒型アルカリ蓄電池。
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