JP5286628B2 - 電池 - Google Patents

Description

本発明は、積層または渦巻状極板群を備えた電池において、極板群と集電体との接合の改良に関するものである。

近年では、ＡＶ機器あるいはパソコンや携帯型通信機器などの電子機器のポータブル化やコードレス化が急速に促進されており、これらの電子機器の駆動用電源として信頼性も高く、メンテナンスも容易であることから、ニッケルカドミウム蓄電池やニッケル水素蓄電池、リチウム二次電池などが代表的であり、各種用途に幅広く使用されている。また、一方、電動補助付自転車、芝刈機、さらに電気自動車などの大きな負荷特性を必要とする駆動用電源としての用途が拡大しつつあり、振動、衝撃の加えられる環境においても安定した大電流の充放電特性が求められ、それに適した電池の開発が要望されている。

従来、大電流放電に用いられる電池としては、図１に示すように帯状の正極板と負極板の間にセパレータを介在させて積層した状態で渦巻状に巻回してなる極板群が有底円筒状の金属製電池ケース９内に収納されている。大電流放電に適した正極板と負極板からの出入力集電構造としては、正極板の端部が極板群の上方へと突出し、負極板の端部が極板群の下方に突出するように極板群を構成して、前記正極板の端部に集電体７を接合している。そして正極集電体７と封口体１１とをリード部１０で接続し、前記封口体１１で電池ケース９を密閉する。これら集電体や封口体、リード部はアルカリ二次電池では防錆や接合しやすさから、ニッケルまたは鋼板にニッケルメッキした材料が通常用いられている。

このとき、より振動、衝撃に耐えうる構造とするためには集電体７と極板群との接合面積および接合強度を増やす必要がある。 しかし、溶接強度を増やす為に溶接電流を上げるとセパレータへの熱影響により、セパレータの損傷が増加してしまう。それにより正極板と負極板との接触による短絡不良の発生が問題となってくる。

そこで、接合面積を増やすために集電体のバーリングの刃を増やすという対策も使われているが刃の数を増やした集電体は集電体そのものの体積が減ってしまい機械的強度の低下や大電流を流した際に発熱による抵抗上昇が課題となる。

また、ニッケルロウシートやリフローしたニッケルロウを予め接合部に塗着してレーザ溶接で接続された構造の電池も知られている。（例えば、特許文献１参照）
特開２０００―２４３４３３号公報

ところが、特許文献１に開示されているようなニッケルロウシートやリフローしたニッケルロウを用いるには還元気流中で高温に保つ必要が有り、部品コストや設備投資が高価になる。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、集電体と極板群の接合面積を増やし溶接強度を高く安定しながらもセパレータへの熱影響を少なくして、極板群に容易に接合出来る構造を提供する。

上記課題を解決するために本発明の電池では極板群の両側に接合している集電体との接触箇所に予め無電解ニッケルメッキが施されてなる電池であって、その無電解メッキ膜の組成中５〜２０ｗｔ％のリンが存在することを特徴としている。

前記無電解ニッケルメッキの施された集電体はニッケルメッキを施した鉄やニッケルなどの金属を用いている。更に、抵抗溶接の接合方法で極板群と接合することを特徴としている。

上記構成によれば、本発明電池では極板群との接合面積を増やして大きな接合強度を確保しながらも、接合時のセパレータへの熱影響は少なく、正極板と負極板との接触による短絡不良が発生することなく容易に接合出来る。

本発明の電池では、無電解ニッケルメッキが低い温度で溶融することにより集電体と極板群との相溶部分は増加し、従来の電池より大きな接合強度を得ることができる。また、本発明の電池は溶接時の電流を低く抑えることが可能でセパレータの焼損量の低減を図ることができる。その上、集電体と極板群との接合による相溶部分が従来の電池より多くなったことにより、電池の内部抵抗も低減される。

即ち、集電体と極板群との接合強度を高位安定化させる目的で溶接電力を大きくして接合部の強度を大きくすることにより、セパレータの焼損が発生して正極板と負極板との接触による短絡が発生するという不良が解消でき、集電体と極板群の接合強度の増加による電池内部抵抗の低減によって高出力化が図れる。

上記集電体の無電解メッキは蒸着法のように真空炉が必要なく容易に施すことが可能である。また、事前に集電体に無電解ニッケルメッキを施すことにより、従来の電池組立工法で製作することが出来、新規設備導入することなく生産性が高く、コストの削減にも繋がる。

以下、図１から図３を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。図１の模式断面図に示す本発明の円筒形電池では、極板群５は正極板１と負極板２とセパレータ６により構成され、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されている。この極板群５は上方へ突出した正極板１の芯材突出部３に、鋼板に無電解ニッケルメッキ（図示せず）を施した正極集電体７を溶接し、下方へ突出した芯材突出部４に同じく無電解ニッケルメッキを施した負極集電体８を溶接し、これらを負極の入出力端子を兼ねた電池ケース９に収納している。リード１０の両端部は、正極集電体７と、安全弁１３を内蔵した正極端子を兼ねたキャップ１２を持つ封口体１１とにそれぞれ接続され、この封口体１１により電池ケース９の開口部が封口されている。

図２は本発明の集電体の極板群溶接面に無電解ニッケルメッキを施した正極集電体７を正極板先端部分に溶接した模式図である。正極集電体７は一対の溶接電極１５ａ及び１５ｂにより極板群５に抵抗溶接されている。

図３は無電解ニッケルメッキ１４ａを施した正極集電体７を正極板先端部分の芯材３に接合し、無電解ニッケルメッキ１４ｂを施した負極集電体８を負極板先端部の芯材４に接合した本発明の電池の模式図である。極板群と溶接される側のニッケルメッキの融点が従来のメッキよりも低いことから、集電体の溶接強度が向上し、高い溶接強度を確保しながらも従来よりも少ない電流で溶接する事が可能であり、溶接時の熱によりセパレータが焼損することによる不良を抑制することが出来る。

集電体に施す無電解ニッケルメッキ層の厚さは２〜２０μｍとするのが良い。２μｍのメッキ厚さが有れば接合時の相溶部分は従来より大きくなり接合強度の増大が期待出来る。

しかし２０μｍより厚くすると無電解メッキ層は硬質であるため集電体が接合時に必要な変形が出来ず接合の不具合を生じる可能性が有る。 上記無電解ニッケルメッキ層中に含まれるリンの量は１０ｗｔ％程度とするのが良い。リンを含むことによる融点の低下効果はニッケルメッキ層中に５ｗｔ％以上のリン含有量が有れば良い。しかし２０ｗｔ％を超えるリン含有量をとすることはメッキ液組成からしても難しい上、メッキ層を脆くするので好ましくない。

また、無電解ニッケルメッキを集電体の両面に施した場合、溶接時に溶接電極が集電体表面に付着しやすくなるが、無電解ニッケルメッキを施す際に溶接電極の接触する面にはマスキングなどを施し極板群との接触面にだけ無電解ニッケルを施すことにより、溶接時の電極の付着を防ぐことができる。

本発明の集電体に施したメッキはリンの含有量が１０％程度の無電解ニッケルメッキであり、厚さ１０μmを集電体に施し、正極集電体及び負極集電体として構成されている。

上記無電解ニッケルメッキを施した正極集電体は、リード１０の片方の端に、接合して極板群５の上端面の真上に配置し、極板群５の下端面の露出した芯材４にも無電解ニッケルメッキを施した負極集電体８を接触させながら一対の溶接電極１５ａ、１５ｂを用いてそれぞれ露出した芯材４と複数の箇所で溶接を行ない、図３に示されるような無電解ニッケルメッキを施した集電体を使用した本発明による電池Ａを作製した。

さらに、電池Ａと比較するために、２〜４μｍの電解メッキを施した集電体を用いた従来例による電池Ｂを作製した。これら２種の電池に対し、集電体と極板群の溶接強度を測定し比較を行った。

表１に示すように無電解メッキを施した集電体を用いた電池Ａの溶接強度の方が高い。これは、無電解メッキの融点が低く同じ発熱量で溶融する面積が多くなることによるものであり、この結果溶接面積が増加し、溶接強度の向上が可能となる。

従来電池例の集電体溶接に対して、実施例電池の集電体溶接は従来よりも少ない発熱量で同程度の溶接が可能であり、セパレータの焼けを抑制することができる。

さらに、実施例電池は集電体と極板群との相溶部分が増えたことによる接合部抵抗の低減から、電池内部抵抗の低減をすることが可能である。

なお、上記実施例では集電体と極板群との接合を抵抗溶接により行ったが、前記接合を超音波接合やレーザー接合で行ってもニッケルメッキ層の融点低下により従来よりも小さな出力で大きな接合強度を得ることが可能である。

本発明に係る電池は、集電体と極板群との電気的、機械的接続を図るための接合部に無電解ニッケルメッキを施した集電体を用いることで、従来の電池組立工法で製作することができ、作業能率に優れ、生産性を向上してコストの低減を図れることが可能で、電池組立性に優れた電池として高い信頼性で提供できる。

本発明による電池は大きな負荷特性を必要とする電動補助付自転車、芝刈機、さらに電気自動車などの駆動用電源としての大電流の充放電用途に好適に適用できる。

また、本発明の構成は円筒形のアルカリ蓄電池に限定されず、渦巻き状の極板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、しかも円筒形に限定されず、角筒状に巻回された極板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。

本発明の一実施形態に係る円筒形電池の縦断面模式図 本発明の一実施形態に係る無電解ニッケルメッキを施した集電体を極板群に溶接する工程の模式図 本発明の一実施形態に係る無電解ニッケルメッキを施した集電体を極板群に接合した状態を示す模式図

符号の説明

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 極板群
６ セパレータ
７ 正極集電体
８ 負極集電体
９ 電池ケース
１０ リード
１１ 封口体
１２ キャップ
１３ 安全弁
１４ａ 無電解メッキ層
１４ｂ 無電解メッキ層
１５ａ 溶接電極
１５ｂ 溶接電極

Claims (2)

1. 帯状の正極板および負極板とをこれらの間にセパレータを介在させて積層または渦巻状に巻回してなる極板群が電池ケース内に収納され、前記電池ケースの開口部が絶縁ガスケットを介し封口体により密閉されてなる電池において、前記電池ケース内に収納された前記極板群から上方に突出した一方極の極板の端部に一方極の集電体が接合され、前記極板群と前記集電体とを接合する接触箇所に無電解ニッケルメッキが施されてなり、前記集電体のうち、溶接電極との接触面には無電解メッキは形成されていない電池であって、その無電解メッキ膜の組成中５〜２０ｗｔ％のリンが存在することを特徴とする電池。
2. 無電解ニッケルメッキの膜厚が２〜２０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の電池。