JP4654575B2 - Cylindrical battery and inter-battery connection structure using the same - Google Patents
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Description
本発明は、渦巻状電極群を具えた電池において、電極群下部に接合した集電体を改良して負極端子であるケースとの接合を溝形成で強化し、さらには接続体を用いて前記電池間を機械的に嵌合接続する構造に関する。 In the battery having the spiral electrode group, the present invention improves the current collector bonded to the lower part of the electrode group, strengthens the bonding with the case as the negative electrode terminal by forming a groove, and further uses the connection body to The present invention relates to a structure for mechanically fitting and connecting between batteries.
円筒形アルカリ蓄電池には種々あるが、ニッケル−カドミウム蓄電池やニッケル−水素蓄電池などが代表的であり、これらの信頼性が高く、そのメンテナンスも容易であることから、携帯電話やノートパソコン等の各種用途に幅広く使用されている。また、近年では、電動補助付自転車、芝刈機、さらに電気自動車などの電源として大電流放電に適した円筒形蓄電池の開発が要望されている。 There are various types of cylindrical alkaline storage batteries. Typical examples are nickel-cadmium storage batteries and nickel-hydrogen storage batteries. These are highly reliable and easy to maintain. Widely used in applications. In recent years, there has been a demand for the development of a cylindrical storage battery suitable for large current discharge as a power source for a battery with electric assistance, a lawn mower, and an electric vehicle.
このような大電流用の円筒型電池は、一対の帯状の長い正・負極板を隔離用のセパレータを介して全体を渦巻き状に巻いた電極群が金属製の電池ケースに収納されている。 In such a large-current cylindrical battery, a pair of long positive and negative plates in a strip shape are spirally wound through a separator for separation and housed in a metal battery case.
なお、大電流に適した極板からの出入力集電構造としては、電極群の上下端面からそれぞれ外方へ突出した極板の先端部分に各一枚づつの矩形状の集電体を複数個所で溶接し、集電体の中央部の透孔に挿入した約φ3mmの溶接電極棒とケース底部に配置した溶接電極によって、前記電池ケースと負極集電体はケース中央底部に一点の溶接が施されている(例えば、特許文献1)。 In addition, as the input / output current collecting structure from the electrode plate suitable for a large current, a plurality of rectangular current collectors are provided on each end of the electrode plate protruding outward from the upper and lower end surfaces of the electrode group. The battery case and the negative electrode current collector are welded at a single point to the bottom center of the case by a welding electrode rod of about φ3 mm inserted into the through hole in the center of the current collector and the welding electrode placed at the bottom of the case. (For example, Patent Document 1).
また、円筒形電池を直列接続するために電池間に配置した接続体を一方の電池の封口体と他方の電池のケースとに接合する電池間接続構造において、一般的には接続体の平面部を一方の電池の封口板に抵抗溶接し、接続体の筒状部を他方の電池ケースの側面底部に抵抗溶接する(例えば、特許文献2)。
しかし、上記の電池ケースと負極集電体は1点のみの接続であるため、ケースと集電体の接続抵抗が高く、例えば、100A以上のような大電流で放電すると、ケースと負極集電体の溶接部の抵抗が高いため電池の放電電圧が大きく低下してしまう。また、落下衝撃に対しても、電極群がケース内で動くことが有り溶接部が外れる可能性が有る。 However, since the battery case and the negative electrode current collector are connected at only one point, the connection resistance between the case and the current collector is high. For example, when discharging with a large current of 100 A or more, the case and the negative electrode current collector Since the resistance of the welded part of the body is high, the discharge voltage of the battery is greatly reduced. In addition, the electrode group may move within the case even with a drop impact, and the welded part may come off.
また、円筒電池を直列接続においては、接続体の浅い筒状部を他方の電池ケースに位置決めしづらく、溶接強度にバラツキが生じる。 Further, in the case of connecting the cylindrical batteries in series, it is difficult to position the shallow cylindrical portion of the connection body on the other battery case, and the welding strength varies.
このような問題に鑑み本発明は高率充放電特性と耐衝撃性にすぐれた電池を高い信頼性で提供することを目的とする。さらに、これらの電池間を簡便に直列接続出来る構造を提供する。 In view of such problems, an object of the present invention is to provide a battery having high charge / discharge characteristics and excellent impact resistance with high reliability. Furthermore, the structure which can connect these batteries simply in series is provided.
本発明による円筒形電池の正極板はその幅方向の上端端部分の芯材を上方に突出させ、負極板は下端部分の芯材を下方へ突出させて渦巻状に巻回した電極群と、この電極群の上方へ突出した正極板の芯材突出部に溶接した正極集電体と、下方へ突出した芯材突出部に溶接した負極集電体と、これらを内部に収容するとともに負極の入出力端子を兼ねた金属
製ケースと、このケースを封口するとともに電気的にケースとは絶縁されていて上方に正極の入出力端子を兼ねたキャップを備えた封口体とからなる。
The positive electrode plate of the cylindrical battery according to the present invention protrudes the core material at the upper end portion in the width direction upward, and the negative electrode plate protrudes the core material at the lower end portion downward and is wound in a spiral shape, and The positive electrode current collector welded to the core material protrusion of the positive electrode plate protruding upward of the electrode group, the negative electrode current collector welded to the core material protrusion protruding downward, and containing these inside and containing the negative electrode It consists of a metal case that also serves as an input / output terminal, and a sealing body that seals the case and is electrically insulated from the case and provided with a cap that also serves as a positive input / output terminal.
前記負極集電体は、負極板の下方へ突出した芯材突出部と接続された底面部と、底面部の周縁から略垂直に立ち上がって電池ケースの底部でその内側面と当接した筒状部とからなり、前記当接位置において、電池ケースの外側面から凹溝を形成して筒状部を固定することを特徴とする。 The negative electrode current collector has a bottom surface portion connected to a core material protruding portion that protrudes downward from the negative electrode plate, and a cylindrical shape that rises substantially vertically from the periphery of the bottom surface portion and contacts the inner surface at the bottom of the battery case The cylindrical portion is fixed by forming a concave groove from the outer surface of the battery case at the contact position.
前記円筒形電池はその凹溝部に嵌着する接続体を用いることによって簡便に電池間を直列的に接続することが出来る。また、凹溝部において負極集電体と電池ケースを溶接すれば、さらに内部抵抗は改良される。接続体の凹溝部との嵌着部において溶接を行えば、容易に位置決め固定できる。 The cylindrical battery can easily connect the batteries in series by using a connection body that fits into the groove. Further, if the negative electrode current collector and the battery case are welded in the concave groove, the internal resistance is further improved. If welding is performed at the fitting portion with the concave groove portion of the connection body, the positioning can be easily fixed.
本発明の円筒形電池の構造によれば、有底円筒型の負極集電体と電池ケースとが通常の溶接の他に、電池ケース外側面からの凹溝による機械的接合が施されているため、電池の内部抵抗を低減でき、電池の高率充放電が可能となるのと同時に電極群が固定され、耐衝撃が向上する。また、この凹溝とこれに嵌着する電池接続体を用いて容易にこれらの電池を直列接続することが可能である。 According to the structure of the cylindrical battery of the present invention, the bottomed cylindrical negative electrode current collector and the battery case are mechanically joined by a concave groove from the outer surface of the battery case in addition to normal welding. Therefore, the internal resistance of the battery can be reduced, the battery can be charged / discharged at a high rate, and at the same time, the electrode group is fixed, and the impact resistance is improved. Moreover, it is possible to easily connect these batteries in series by using the concave groove and the battery connector fitted in the groove.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。図1は本発明の円筒形電池の模式断面図である。電極群5は正極板1と負極板2とセパレータ6よりなり、正極板1はその先端部分の芯材3を上方に突出させ、負極板2はその先端部分の芯材4を下方へ突出させて渦巻状に巻回している。この電極群5の上方へ突出した正極板の芯材突出部に溶接した正極集電体7と、下方へ突出した芯材突出部に溶接した負極集電体8と、これらを内部に収容するとともに負極の入出力端子を兼ねた金属製ケース9と、このケース9を封口するとともに電気的に前記ケース9とは絶縁されていて上方に接続リード10によって前記正極集電体7と接続された正極端子を兼ねたキャップを備えた封口体11とからなり、前記負極集電体8は、有底円筒形で、前記下方へ突出した芯材突出部と接続された底面部と、前記ケース9と当接する筒状部とからなり、前記ケース9に凹溝12を形成することで前記ケース9と負極集電体8の筒状部の当接部を機械的に接合された円筒形電池である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a cylindrical battery of the present invention. The
図2はケース5と負極集電体8の筒状部の当接部を機械的に接合するために、ケース9に凹溝12を形成する工程の模式断面図であり、円盤状の溝入れ機13と電池を共に回転させることで溝を形成させている。このとき、前記溝の深さは0.2から1.0mmとするのが好ましい。前記溝はケースの内部に突出するが、電極群5は負極集電体の筒状部により保護され、損傷を抑止している。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a process of forming the
また、負極集電体8とケースの凹溝部12を溶接することも可能であり、図3に負極集電体8とケース9の凹溝部12を溶接する工程の一例を示す。電極群5の中心部に溶接電極14aを挿入し、負極集電体8の底面部に押しつけ、凹溝部12の外側に溶接電極14bを配置し、溶接電極14aと14bとの間に電流を流すことで負極集電体8とケース9とを溶接することが可能である。
Further, the negative electrode
図4は本発明の電池間接続の構成を示す模式断面図であり、接続体15によって接続される電池X、Yは、本発明の同一種類、規格のもので電池Xの封口体11と、電池Yのケース9との間を前記接続体15で接続することにより、電池X、Yの直列接続がなされる。前記接続体15の筒状部のプロジェクション15aは、電池Yの負極集電体8の筒状部
8aがケース9に当接するその裏側に施されたケース溝12に嵌め込まれている。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the inter-battery connection of the present invention. The batteries X and Y connected by the
また、接続体15の突起と電池凹溝部12とを溶接することが可能であり。例えば、図5は本発明の電池間接続の構成を示す模式断面図であり、一対の溶接電極14cを接続体のプロジェクション15aとケース9に押し当て、通電することによって溶接することが可能である。
Further, the projection of the
次に、本発明の具体例を示す。有底円筒形の負極集電体8を有する電池Aは直径33mm、高さ61mm、公称容量6000mAhであり、以下にこの構成方法を詳しく説明する。
Next, specific examples of the present invention will be shown. The battery A having the bottomed cylindrical negative electrode
厚さ0.5mmの焼結式ニッケル正極と、厚さ0.3mmの水素吸蔵合金負極とを用い、それぞれの極板にはその幅方向の先端に突出した芯材部を設け、この突出芯材部がそれぞれ電極群の上下に約1.5mmずれて突出するようにセパレータ6を間に介在さて、全体を渦巻状に巻回させ直径30mm、高さ50mmの電極群5を構成した。
Using a sintered nickel positive electrode having a thickness of 0.5 mm and a hydrogen storage alloy negative electrode having a thickness of 0.3 mm, each electrode plate is provided with a core portion protruding at the tip in the width direction. The
上記の電極群5の上端面の真上に、中心部に透孔をあけた矩形で対角の長さ27mmの集電体7を配置し、電極群5の下端面の露出芯材部4には有底円筒形の負極集電体8を接触させながら一対の溶接電極を用いてそれぞれ露出芯材部4と複数の箇所で溶接した。この電極群5を金属ケース9に挿入し、ケース9と負極集電体8の筒状部の当接部に円盤状の溝入れ機13を当て、溝入れ機13とケース9を回転させることで0.4mmの深さの凹溝12をケース9に形成した。さらに正極集電体7の中央透孔部に1本の溶接電極棒14aを通して負極集電体8の中央部を加圧し、他方の溶接電極14cをケース9の凹溝12に押し当てることによって負極集電体8とケース9とを溶接した。次に、所定量のアルカリ電解液を正極集電体7の中央透孔部から金属ケース9内に注入した後、正極集電体7に設けた接続リード10の先端を正極端子となる封口体11に溶接し、封口体11でケース9の開口部を密閉して本発明の電池Aを作製した。
A rectangular
電池Aと比較のために、ケース9と負極集電体筒状部の当接部に施した凹溝12の深さを変えた電池を作製した。電池Bの凹溝の深さは1.0mm、電池Cは0.6mm、電池Dは0.2mm、電池Eには凹溝が無いものとした。図8に電池Eの模式断面図を示す。
For comparison with the battery A, a battery was produced in which the depth of the
この5つの電池を用いて内部抵抗を測定し比較を行った。室温(25℃)で2Aの電流値で電池電圧が0.9Vになるまで放電させた後、6Aの電流値で30分充電した。ついで、1時間休止させた後、25Aの電流値で20秒間放電させ、10秒目の電池電圧を測定した。ついで、放電させた容量分を充電した後、同様に、50A、75A、100Aの電流値で20秒間放電させ、10秒後の電池電圧をそれぞれ測定した。このようにして得られた10秒後の電池電圧を縦軸とし、各電流値を横軸としてI−V特性における直線の傾きを求め、その値をそれぞれの電池の内部抵抗とした。 Using these five batteries, the internal resistance was measured and compared. The battery was discharged at room temperature (25 ° C.) at a current value of 2 A until the battery voltage became 0.9 V, and then charged at a current value of 6 A for 30 minutes. Next, after resting for 1 hour, the battery was discharged at a current value of 25 A for 20 seconds, and the battery voltage at 10 seconds was measured. Next, after charging the discharged capacity, similarly, discharging was performed at a current value of 50A, 75A, and 100A for 20 seconds, and the battery voltage after 10 seconds was measured. The battery voltage after 10 seconds thus obtained was taken as the vertical axis, the current value was taken as the horizontal axis, and the slope of the straight line in the IV characteristic was determined, and the value was taken as the internal resistance of each battery.
凹溝12の深さと電池の内部抵抗の関係は、図6に示すような結果となった。溝深さが0.4mmである電池Aの内部抵抗が最も低いことが分かる。これは、凹溝が深いほど負極集電体とケースの接合面積が大きくなることと、負極集電体からケース(負極端子)まで電流が流れる経路が短いため内部抵抗が低減し、高率放電が可能となったと考える。しかしながら、溝深さが0.4mmよりも大きくなると内部抵抗上がってしまう。これらの電池を解体して電池内部を調べたところ、負極集電体8の筒状部が内部に折れ曲がり、電池群5が破損していた。これは負極集電体8とケース9との接合面積拡大による抵抗低減の効果よりも極板破損による電池群の抵抗上昇が上回ったためであると考える。なお、溝深さを1.2mm以下とすることで内部短絡の発生率を低く抑えることができる。
The relationship between the depth of the
また、電極群5は電池ケース9の上下の溝で完全に固定されているため電池単体での耐落下性も向上している。図7に落下試験の結果を示す。電池AからEを2mの高さから正極端子を下向き、負極端子を下向き、電池横向きに20回連続でN数10個で落下させた。
Moreover, since the
凹溝12がない電池Eでは、3個短絡したのに対して、凹溝12がある電池では1個以下であり、特に溝深さが0.4mm以上で短絡しなくなり効果が高い。
The battery E without the
さらに、ケース9と負極集電体8の筒状部の当接部に施した凹溝12を用いて容易にこれらの電池を直列接続することが可能である。接続体15の底面部を一方の電池Xの封口板11に溶接し、その接続体15の筒状部には、内向きに突起した4点のプロジェクション15aがあり、このプロジェクション15aを他方の電池Yの負極側の凹溝12に嵌め込み、機械的にこれらの電池を接続できる。また、接続体15のプロジェクション15aの上から溶接を施すと、電池間の抵抗がさらに下がり組電池としてさらに高出力となる。
Furthermore, it is possible to easily connect these batteries in series using the
以上のように、本発明によれば高率充放電が可能で、耐衝撃性に優れた電池を高い信頼性で提供できる。また電池の外側面に設けられた凹溝と、これに嵌着する接続体を用いて簡便に電池間を直列に接続できる。 As described above, according to the present invention, it is possible to charge and discharge at a high rate and to provide a battery having excellent impact resistance with high reliability. Moreover, between batteries can be simply connected in series using a concave groove provided on the outer surface of the battery and a connection body fitted to the groove.
このような構成は円筒形のアルカリ蓄電池に限定されず、渦巻き状の電極群を電池ケース内に収納した他の電池系でも応用可能である。また、円筒形に限定されず、角筒状に巻回された電極群を角筒状の電池ケースに収納した場合にも適用できる可能性がある。 Such a configuration is not limited to a cylindrical alkaline storage battery, but can be applied to other battery systems in which a spiral electrode group is housed in a battery case. Further, the present invention is not limited to a cylindrical shape, and may be applicable to a case where an electrode group wound in a rectangular tube shape is housed in a rectangular tube battery case.
1 正極板
2 負極板
3 正極板先端部分の芯材
4 負極板先端部分の芯材
5 電極群
6 セパレータ
7 正極の集電体
8 負極の集電体
9 電池ケース
10 接続リード
11 封口体
12 凹溝
13 溝入れ機
14 溶接電極
15 接続体
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