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CN1268780A - 圆筒形碱性蓄电池 - Google Patents

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CN1268780A
CN1268780A CN00103141A CN00103141A CN1268780A CN 1268780 A CN1268780 A CN 1268780A CN 00103141 A CN00103141 A CN 00103141A CN 00103141 A CN00103141 A CN 00103141A CN 1268780 A CN1268780 A CN 1268780A
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Abstract

一种圆筒形蓄电池让正极板11的卷绕终点端11a处于涡卷状电极群A的最大直径(a－a线)所示的位置上,同时在卷绕终点端11a外侧附近配置增强隔板13强度用的隔板13a。电极群A的最大直径(a－a线)的位置比其他位置所受到的来自电池罐10a的压力要强,为此,通过增强处在该部分的隔板强度,可以抑制内部短路。并且,增强用隔板13a比粘接胶带具有良好的亲水性,在不降低容量的情况下,可以抑制内部短路。

Description

圆筒形碱性蓄电池
本发明涉及一种具有将带状正极板、带状负极板和介在其间的带状隔板卷绕成涡卷状的涡卷状电极群的圆筒形碱性蓄电池，特别涉及涡卷状电极群的构造。
一般，圆筒形碱性蓄电池用于各种便携式电子、通信等仪器中。近年，开始要求这种圆筒形碱性蓄电池的高容量化，为了满足高容量化的要求，要在限定容积的电池罐内高密度填充活性物质，同时将隔板薄形化。其结果，增大了电极群在电池罐内所占有的容积率，增大了电池罐挤压电极群的挤压力，容易发生电池罐内的内部短路。为此，例如在特开平5-234598号公报中，提出了用耐碱性粘接胶带覆盖最外周的正极板外侧的隔板来抑制内部短路的电极群。
然而，本发明人通过将发生了内部短路的电池30(参照图3)、电池40(参照图4)、电池50(参照图5)分别分解，详细研究了上述内部短路的原因，获得了以下所述的研究结果。
即，如图3所示，在将正极板31、负极板32和隔板33卷绕成涡卷状的电极群B装入到电池罐30a内、组成该电极群B的最大直径为b-b(此外，正极板31的卷绕终点端31a处于和b-b线一致的位置)的电池30中，在正极板31的卷绕终点端31a和卷绕终点端31a的外侧的负极板32之间的X点处发生了短路。
又，如图4所示，在将正极板41、负极板42和隔板43卷绕成涡卷状的电极群C装入到电池罐40a内、组成该电极群C的最大直径为c-c(此外，正极板41的卷绕终点端41a处于和c-c线不一致的d-d线上的位置)的电池40中，在成为最大直径的c-c线上存在的正极板41和负极板42之间的Y点处发生了短路。
进一步，如图5所示，在将正极板51、负极板52和隔板53卷绕成涡卷状的电极群D装入到电池罐50a内、组成该电极群D的最大直径为e-e(此外，正极板51的卷绕终点端51a处于和e-e线不一致的f-f线上的位置)的电池50中，在成为最大直径的e-e线上存在的正极板51和负极板52之间的Z点处发生了短路。
根据这一事实，如特开平5-234598号公报所提案的那样，即使用耐碱性粘接胶带覆盖最外周的正极板外侧的隔板，也不能发挥抑制内部短路的效果。相反，由于粘接胶带一般没有亲水性，阻碍这部分的反应，招来电池容量的降低的问题。
为此，本发明正是针对上述问题的发明，其目的在于根据上述研究结果，在正极板和负极板容易短路的位置上的隔板的强度用同种的隔板预先进行增强，获得不产生内部短路，同时不降低电池容量的圆筒形蓄电池。
为了达到上述目的，本发明的圆筒形碱性蓄电池，是让带状正极板的卷绕终点端处在涡卷状电极群的最大直径的位置上，同时在带状正极板的卷绕终点端外侧附近配置和构成电极群的隔板同类的隔板至少构成二层来增强该隔板的强度。
电极群的最大直径的位置比其他位置所受到的来自电池罐的压力要强，如果正极板的卷绕终点端处于该位置，在正极板的卷绕终点端和介入了隔板与其对向的负极板之间容易发生短路。为此，通过让处在该部分的隔板构成至少二层结构，来增强该部分隔板的强度，可以有效地抑制内部短路。并且，作为增强强度使用的部材如果采用和隔板同种的隔板，隔板比粘接胶带具有良好的亲水性，可以在不降低容量的情况下，有效地抑制内部短路。
又，在采用具有发泡镍等的三维网目结构的金属多孔体所构成的极板基材上填充正极活性物质形成的带状正极板时，在正极板的端部产生无数的切断毛刺。为此，如果让与该部分相接的隔板至少为二层结构来增强强度，可以有效地防止该部分的短路发生。特别是对于填充活性物质、压延后切断成给定极板形状的情况，更容易产生毛刺，所以更加有效。
进一步，当在电极群的最外周没有用隔板或者粘接胶带进行卷绕固定时，由电极群卷绕时的弹性恢复力要让正极板在电池罐内反抗卷绕而想散开，因此在正极板的卷绕终点端更容易发生短路。为此，如果让与该部分相接的隔板至少为二层结构来增强强度，可以进一步发挥防止短路的效果。
以下是附图的简要说明
图1为表示本发明的实施例的镍氢蓄电池的横截面的截面图。
图2为表示本发明的另一实施例的镍氢蓄电池的横截面的截面图。
图3为表示比较例(现有例)的镍氢蓄电池的横截面的截面图。
图4为表示另一比较例(现有例)的镍氢蓄电池的横截面的截面图。
图5为表示又一比较例(现有例)的镍氢蓄电池的横截面的截面图。
以下说明本发明的实施方案。
作为本发明的圆筒形碱性蓄电池，以下参照附图说明在镍氢蓄电池中适用本发明的实施方案。在此，图1为表示本发明的实施例的镍氢蓄电池的横截面的截面图，图2为表示本发明的另一实施例的镍氢蓄电池的横截面的截面图，图3～图5为表示比较例(现有例)的镍氢蓄电池的横截面的截面图。
1.镍正极板的制作
在90重量份的氢氧化镍粉末、10重量份的氢氧化钴粉末和3重量份的氧化锌粉末的混合粉末中，添加作为浆糊的0.2重量％的羟丙基纤维素的水溶液50重量份，混合后调制成活性物质糊浆。将该活性物质糊浆填充到比给定尺寸要大的发泡镍基材(单位面积重量约为600g/m2，多孔度为95％)上，在干燥之后，经过碾压成厚度为0.60mm。之后，按长度为80mm切断制作成镍正极板11。
2.吸氢合金负极的制作
将市场销售的金属元素(Mm、Ni、Co、Al、Mn)按MmNi3.2Co1.0Al0.2Mn0.6称出，在高频感应炉中熔解后，铸造制作成吸氢合金块(铸锭)。将该铸锭机械粉碎成50μm，制作成吸氢合金粉末。将该吸氢合金粉末和10重量％的0.5％的氧化聚乙烯(PEO)水溶液混练，制作成吸氢合金糊浆后，涂敷在由冲孔金属构成的极板芯体的两面上，在干燥后、碾压成厚度为0.40mm，按长度为105mm切断制作成吸氢合金负极板12。
3.镍氢蓄电池的制作
(1)实施例1
在上述制作的正极板11和负极板12介入以聚丙稀或者聚乙烯为主成分的聚烯烃系隔板(单位面积重量为60g/m2，厚度为0.15mm)13卷绕成涡卷状制作成电极群A。此外，该电极群A的正极板的卷绕终点端11a附近的外侧的隔板13上预先粘贴10mm的和该隔板13同种材质构成隔板13a，增强该部分的强度。并且，该电极群A的正极板11的卷绕终点端11a处于电极群A的最大直径(a-a线)上。
然后，该电极群A通过集电体连接配置在电池外壳内，之后，在电池罐内10a内注入包含NaOH、LiOH的7N KOH水溶液构成的电解液，然后，由包括安全阀的封口体密封，制作成实施例1的镍氢蓄电池10。又，在电极群A的最外周配置隔板13，为了不让电极群A散卷，对隔板13端部进行熔接，固定卷端。
(2)实施例2
在预先切断成给定尺寸(长度约为80mm)的发泡镍基材上，填充和上述实施例1相同的活性物质糊浆，干燥之后，辗压成给定尺寸制作成正极板11，采用该正极板11和上述制作的负极板12，和上述实施例1同样制作成电极群A，然后，和上述实施例1的镍氢蓄电池10相同制作，制作成实施例2的镍氢蓄电池10。并且，该电极群A的正极板11的卷绕终点端11a处于电极群A的最大直径(a-a线)上。
(3)实施例3
除了没有对配置在电极群A最外周的隔板13端部进行熔接固定卷端以外，和上述实施例1的镍氢蓄电池10相同制作，制作成实施例3的镍氢蓄电池10。并且，该电极群A的正极板11的卷绕终点端11a处于电极群A的最大直径(a-a线)上。
(4)实施例4
采用厚度约为0.65mm、长度约为75mm的正极板21、和上述相同制作的负极板22、隔板23，在正极板21的卷绕终点端部21a的外侧的隔板23上粘贴和该种相同的隔板23a制作成电极群A’，除了在电极群A’的最外周作为负极板22没有对卷端进行固定以外，和上述实施例1的镍氢蓄电池10相同制作，如图2所示，制作成实施例4的镍氢蓄电池20。这时在这种电极群A’的正极板21的卷绕终点端21a，由于没有在最外周对卷端进行固定，由于弹性作用会张开(为此，在图2中用假想线表示电池罐20a)，处于电极群A’的最大直径(a’-a’线)上。
(5)比较例1
如图3所示，除了没有在正极板31的卷绕终点端31a的外侧的隔板33上粘贴隔板以外，和上述实施例1的的镍氢蓄电池10相同制作，制作成比较例1的镍氢蓄电池30。此外，这时的电极群B的正极板31的卷绕终点端31a处于电极群B的最大直径(b-b线)上。
(6)比较例2
除了采用厚度约为0.60mm、长度约为75mm的正极板41以外、和上述实施例1的的镍氢蓄电池10相同制作，如图4所示，制作成比较例2的镍氢蓄电池40(在图4中，在正极板41的卷绕终点端41a的外侧的隔板43上粘贴的隔板在图中未画出)。此外，这时的电极群C的正极板41的卷绕终点端41a不处于电极群C的最大直径(c-c线)上，而处于比最大直径短的d-d线上。
(7)比较例3
除了采用厚度约为0.60mm、长度约为75mm的正极板41、并且没有在正极板41的卷绕终点端41a的外侧的隔板43上粘贴隔板以外、和上述实施例1的的镍氢蓄电池10相同制作，如图4所示，制作成比较例3的镍氢蓄电池40。此外，这时的电极群D的正极板41的卷绕终点端41a不处于电极群C的最大直径(c-c线)上，而处于比最大直径短的d-d线上。
(8)比较例4
除了采用厚度约为0.65mm、长度约为75mm的正极板51以外、和上述实施例1的的镍氢蓄电池10相同制作，如图5所示，制作成比较例4的镍氢蓄电池50(在图5中，在正极板51的卷绕终点端51a的外侧的隔板53上粘贴的隔板在图中未画出)。此外，这时的电极群D的正极板51的卷绕终点端51a不处于电极群D的最大直径(e-e线)上，而处于比最大直径短的f-f线上。
(9)比较例5
在预先切断成给定尺寸(长度约为80mm)的发泡镍基材上，填充和上述实施例1相同的活性物质糊浆，干燥之后，辗压成给定尺寸制作成正极板31，采用该正极板31和上述制作的负极板32，除了没有在正极板31的卷绕终点端31a的外侧的隔板33上粘贴隔板以外、和上述实施例1同样制作成电极群B，然后，和上述实施例1的镍氢蓄电池10相同制作，如图3所示，制作成比较例5的镍氢蓄电池30。并且，该电极群B的正极板31的卷绕终点端31a处于电极群B的最大直径(b-b线)上。
(10)比较例6
如图3所示，除了在正极板31的卷绕终点端31a的外侧的隔板33上粘贴聚丙稀制成的胶带(图中未画出)以外，和上述实施例1的镍氢蓄电池10相同制作，制作成比较例6的镍氢蓄电池30。并且，这时该电极群B的正极板31的卷绕终点端31a处于电极群B的最大直径(b-b线)上。
(11)比较例7
如图3所示，除了没有在正极板31的卷绕终点端31a的外侧的隔板33上粘贴隔板，并且没有对电极群B的最外周的隔板33进行熔接固定以外，以外，和上述实施例1的镍氢蓄电池10相同制作，制作成比较例7的镍氢蓄电池30。并且，这时该电极群B的正极板31的卷绕终点端31a处于电极群B的最大直径(b-b线)上。
4.电池试验
(1)短路测定
分别准备上述制作的实施例1～4的电池以及比较例1～7的电池各100个，对于各100个的实施例1～4以及比较例1～7的电池，电池制作时的电极群通过集电体在电池罐内处于连接配置状态下，测定正负极之间的电阻值，其电阻值在1.5kΩ以下的电池判定为短路，计算出短路率。
(2)电池容量的测定
分别准备上述制作的实施例1～4的电池以及比较例1～7的电池各100个，对于各100个的实施例1～4以及比较例1～7的电池，以120mA(0.1C)的充电电流进行16小时充电后，休止1小时，再以240mA(0.2C)的放电电流放电到终止电压为1.0V，然后休止1小时。重复进行3次该充放电过程，以第3次的放电容量作为电池容量。
5.试验结果
(1)电极群的最大直径位置与短路率的关系
首先，为了研究电极群的最大直径位置与短路率的关系，对于实施例1的电池和比较例1～4的电池，将上述求出的短路率和电池电池容量在表1中表示。
                                                表1
电池种类        正极      负极 卷终增强 最大直径位置   短路率(％)   电池容量(mAh)
 长度  厚度  长度  厚度
实施例1  80  0.60  105  0.40 有 正极卷终点端   0   1242
比较例1  80  0.60  105  0.40 无 正极卷终点端   5   1245
比较例2  75  0.60  105  0.40 有 正极卷终以外   0   1168
比较例3  75  0.60  105  0.40 无 正极卷终以外   0   1173
比较例4  75  0.65  105  0.40 有 正极卷终以外   4   1248
从上述表1可以表明以下的事实。首先，将正极板的卷绕终点端处于电极群的最大直径(a-a线或者b-b线)上的实施例1的电池和比较例1的电池进行比较，其电池容量分别为1242mAh和1245mAh，大致相等，而短路率相对于比较例1的电池为5％而言，实施例1的电池为0％，表明具有良好的耐短路性。对短路的电池进行解体调查的结果表明，比较例1的电池的短路是发生在正极板21的卷绕终点端21a处，发泡镍基材的切断毛刺穿通了隔板23(图3的X点)所产生的短路。
然后，将正极板的卷绕终点端不在最大直径位置的比较例2的电池和比较例3的电池进行比较，对正极板的卷绕终点端附近的外侧的隔板用同种隔板进行增强的比较例2的电池和没有进行增强的比较例3的电池，虽然短路率均为0％，由于正极板的长度比实施例1(比较例1)短，电池容量相对于实施例1的电池的1242mAh而言，比较例2和3的电池分别为1168mAh和1173mAh，有大幅度的降低。又，除了正极板的厚度为0.65mm以外，和比较例2同样制作的比较例4的电池，电池容量和实施例1的电池大致相同为1248mAh，但短路率为4％，大幅度增加。
对比较例4的电池进行解体分析，短路的发生部位均是由于在正极板51的中央部(图5的Z点)的裂纹造成隔板53的局部破损所致。可以认为这是由于随着正极板51的厚度的增大，正极板51容易发生裂纹。
根据以上的事实表明，通过让正极板的卷绕终点端处于电极群的最大直径位置上来构成电极群，并且对正极板的卷绕终点端附近的正极板的外侧的隔板用同种隔板增强，可以获得高容量、高质量的电池。
(2)正极板的切断时期与短路率的关系
然后，为了研究正极板的切断时期与短路率的关系，对于实施例1、2的电池和比较例1、5的电池，将上述求出的短路率和电池电池容量在表2中表示。
                                                         表2
  电池种类        正极        负极 卷终增强   切断 最大位置   短路率(％)   电池容量(mAh)
  长度  厚度  长度  厚度
  实施例1   80  0.60  105  0.40   隔板   填充后 正极卷终   0   1242
  实施例2   80  0.60  105  0.40   隔板 填充前 正极卷终   0   1247
  比较例1   80  0.60  105  0.40   无 填充后 正极卷终   5   1245
  比较例5   80  0.60  105  0.40   无 填充前 正极卷终   3   1244
从上述表2可以表明以下的事实。首先，相对于采用预先将发泡镍基材切断、填充活性物质后、进行干燥、辗压的正极板51，对卷绕终点端51a附近的外侧的隔板没有采用和其相同的隔板进行增强的比较例5的电池50的短路率为3％而言，对正极板11的卷绕终点端11a附近的外侧的隔板13采用和其相同的隔板13a进行增强的实施例2的电池10的短路率为0％，即没有发生短路。
又，相对于采用填充活性物质后、进行干燥、辗压后切断成给定尺寸的正极板31，对正极板31的卷绕终点端31a附近的外侧的隔板没有采用和其相同的隔板进行增强的比较例1的电池30的短路率为5％而言，对正极板11的卷绕终点端11a附近的外侧的隔板13采用和其相同的隔板13a进行增强的实施例1的电池10的短路率为0％，即没有发生短路。
根据以上的事实表明，对于采用填充活性物质后、进行干燥、辗压后切断成给定尺寸的正极板31，如果对正极板的卷绕终点端附近的外侧的隔板采用和其相同的隔板进行增强，可以增大抑制短路率的效果。
通过将短路率较高的比较例5和比较例1的发生短路的电池30、50解体进行调查，所有电池30、50均是在正极卷绕终点端33a、53a处由于发泡镍基材的切断毛刺穿通了隔板33(图3的X点)、53(图5的Z点)造成短路。比较例1的电池30的短路率高是因为，在填充活性物质后才将正极板31切断成给定尺寸，更容易产生发泡镍基材的毛刺，而隔板增强更加大了其效果。采用冲裁切断也产生同样的效果。又，实施例1和比较例2的电池10、比较例1和比较例5的电池30、50的电池容量分别为1242mAh、1247mAh、1245mAh、1244mAh，基本上是相同的容量。
(3)隔板增强材料与短路率的关系
然后，为了研究隔板增强材料与短路率的关系，对于实施例1的电池和比较例6的电池，将上述求出的短路率和电池电池容量在表3中表示。
                                                   表3
电池种类        正极        负极 卷终增强 最大位置   短路率(％)   电池容量(mAh)
 长度   厚度  长度  厚度
实施例1  80   0.60  105  0.40 隔板 正极卷终   0   1242
比较例6  80   0.60  105  0.40 胶带 正极卷终   1   1213
从上述表3可以表明以下的事实。首先，相对于在正极卷绕终点端31a附近的外侧的隔板33上粘贴聚丙稀制胶带的比较例6的电池的短路率为1％而言，在正极卷绕终点端11a附近的外侧的隔板13上粘贴和其相同的隔板13a的实施例1的电池的短路率为0％，即没有发生短路。这是因为一般粘贴胶带具有类纸性，对于防止由切断毛刺的穿通没有太大的效果。
另一方面，对于电池容量，实施例1的电池10为1242mAh，，而比较例6的电池30为1213mAh，比实施例1的电池10低30mAh。将这些电池解体进行调查，在实施例1的电池10中，由于充放电使得正极板11变成了黑色，而在比较例6的电池30中，粘贴了聚丙稀制胶带的部分的正极板31则没有多少颜色的变化。这是因为粘贴了胶带，阻碍了正极板31的充放电反应，降低了容量。
因此，为了不降低容量，并且能抑制由极板基材的切断毛刺穿通隔板所产生的短路，希望采用至少可以作为隔板使用的，即可以保持电解液的无纺布。
(4)电极群的卷绕固定与短路率的关系
然后，为了研究电极群的卷绕固定与短路率的关系，对于实施例3与实施例4的电池和比较例1与比较例7的电池，将上述求出的短路率和电池电池容量在表4中表示。
                                             表4
电池种类      正极      负极 卷终增强   最外周固定   短路率(％)   电池容量(mAh)
 长度  厚度  长度  厚度
实施例3  80  0.60  105  0.40 有   无   0   1242
实施例4  80  0.65  105  0.40 有   无   0   1333
比较例1  80  0.60  105  0.40 无   有   5   1245
比较例7  80  0.60  105  0.40 无   无   6   1240
从上述表4可以表明以下的事实。首先，相对于在电极群的最外周对隔板33进行了卷绕固定的比较例1的电池的短路率为5％而言，没有进行卷绕固定的比较例7的电池的短路率为6％，降低了耐短路的能力。作为没有进行卷绕固定就会降低耐短路能力的原因，可以认为正极板33的卷绕终点端33a由于弹性恢复现象要反抗卷绕而散开，使得在正极板33的卷绕终点端33a的外侧更容易发生短路。
但是，虽然在电极群A的最外周对隔板13没有进行卷绕固定，但在正极的卷绕终点端11a附近的外侧的隔板13处采用同种隔板13a进行了增强的实施例3的电池的短路率为0％，即没有发生短路。根据这一事实表明，当在电极群的最外周对隔板没有进行卷绕固定时，增强的效果就可以发挥特别大的作用。又，虽然电极群的最外周作为负极时不能进行卷绕固定，但由于可以将最外周部分的隔板除去，所以可以获得比实施例1要高出90mAh的高容量的实施例4的电池。在这种情况下，短路率为0％，由于隔板增强而获得了大的抑制短路的效果。即，正是在当电极群的最外周不存在隔板而作为负极的高容量的电极群构成中，由隔板增强可以最大限度地发挥本发明的效果。
如上所述，在本发明的圆筒形蓄电池中，让带状正极板11、21的卷绕终点端11a、21a处于涡卷状电极群A的最大直径(a-a线)或者涡卷状电极群A’的最大直径(a’-a’线)所示的位置上，同时在该带状正极板11、21的卷绕终点端11a、21a的外侧附近配置隔板13a、23a，至少与隔板13、23构成二层来增强其强度。这样，可以有效地抑制内部短路。又由于配置成至少是二层结构的隔板13a、23a比粘接胶带具有良好的亲水性，因而不会降低容量，而有效地抑制内部短路。
此外，在上述实施方案中，作为增强卷绕终点端使用的隔板，虽然是以采用和形成电极群的隔板相同单位面积重量的隔板为例进行了说明，但并不限定于此，优选采用是形成电极群的隔板的单位面积重量0.5～1.5的隔板。又，在上述实施方案中，作为镍氢蓄电池的镍正极虽然是以采用非烧结式镍正极为例进行了说明，采用烧结式镍正极也获得了大致相同的结果。又，在上述实施方案中，虽然是以将本发明适用于镍氢蓄电池为例进行了说明，作为本发明的密闭型碱性蓄电池，适用于镍镉蓄电池也获得了大致相同的结果。

Claims (5)

1.一种圆筒形碱性蓄电池，具有带状正极板、带状负极板和在带状正极板与带状负极板之间介入带状隔板卷绕成涡卷状的涡卷状电极群，其特征是让所述带状正极板的卷绕终点端处在所述涡卷状电极群的最大直径的位置上，同时在所述带状正极板的卷绕终点端外侧附近配置和所述隔板同类的隔板至少构成二层结构来增强所述隔板的强度。
2.根据权利要求1所述的圆筒形碱性蓄电池，其特征是所述带状正极板是在具有三维网目结构的金属多孔体所构成的极板基材上填充正极活性物质形成。
3.根据权利要求2所述的圆筒形碱性蓄电池，其特征是所述带状正极板是在填充活性物质、压延后切断或者冲裁成给定尺寸。
4.根据权利要求1～3项中任一项所述的圆筒形碱性蓄电池，其特征是在所述涡卷状电极群的最外周没有用隔板或者粘接胶带进行卷绕固定。
5.根据权利要求1～4项中任一项所述的圆筒形碱性蓄电池，其特征是所述涡卷状电极群的最外周是所述带状负极板。
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