JP2003168418A - アルカリ蓄電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 タブレス方式により極板の基板端部と集電端
子を接続し両者の間に電気的導通を形成したアルカリ蓄
電池において電池に衝撃や振動が加わったり、充放電に
伴い電極が膨張したり収縮したりしても極板の芯体と集
電端子の電気的導通を確保でき且つ両者を簡単に接続で
きる構造とする。 【解決手段】 集電端子としてスポンジ状または金属繊
維の集合体からなる３次元多孔性金属板を適用し、集電
端子と極板の芯体露出部分を圧設によって接続させ、両
者の間に電気的導通を確保する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電動工具や電動自
転車またはハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）等の動力
電源として使用される大電流放電に適したアルカリ蓄電
池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】水素吸蔵合金を主材とした負極を用いた
密閉形アルカリ蓄電池は、優れた充放電特性を有するこ
とおよび、環境保全に優れる等の点から用途が拡大しつ
つある。中でも、電動工具や電動自転車用の電源ならび
にＨＥＶの動力用電源として注目され、大きな需要が見
込まれている。これらの用途は、一般的に大きな出力を
必要とする。従って、前記用途に適用される電池は、優
れた高率放電特性を備えることが求められる。

【０００３】これらの電池に使用する正極板及び負極板
は、厚さを小さくし極板の作用面積をできるだけ大きく
している。正極板および負極板は、発泡メタル等の３次
元網目状金属やパンチングメタル等の多孔性金属板を芯
体とし、該芯体に活物質粉末を塗布または充填したもの
である。芯体には、ニッケル鍍金鋼板あるいは銅板のパ
ンチングメタルや発泡状ニッケル等のスポンジ状メタル
あるいは、繊維状ニッケルおよび繊維状鉄の集合体であ
るマット状メタルを使用する。

【０００４】極板群の集電構造は、一般的にタブレス方
式と称する構造が採用されている。該集電構造体の構造
を説明すると次の通りである。前記芯体の一長辺に活物
質粉末の未塗工部分（芯体が露出しているので、以下芯
体露出部分と記述する）を帯状に形成する。正極板およ
び負極板をセパレータを介して積層し極板群を構成す
る。極板群の形態は、帯状の極板およびセパレータの積
層体を捲回して渦巻き状にしたもの（以下捲回式極板群
と記述する）と複数枚の矩形の正極板および負極板をセ
パレータを介して積み重ねたもの（以下積層式極板群と
記述する）の２通りがある。積層に際しては、正極板の
芯体露出部分と負極板の芯体露出部分を前記極板群の相
対向する端面に突出させる。

【０００５】従来の集電端子の１例を図４に示す。厚さ
約０．４ｍｍの円形の金属板に切り欠き４２を設け、該
切り欠きの両側を折り曲げ、該折り曲げ部分４３を金属
板の片側に突出させ集電端子４１とする。次いで、図５
に示すように前記集電端子４１に設けた折り曲げ部分４
３の端部を極板群５１の捲回端面に突出させた前記極板
の芯体露出部分５２に当接させ、シリーズスポット溶接
により両者を接合する。溶接時の無効電流を低減するた
めに集電端子４１にスリット４４を設ける。

【０００６】前記のように、従来から大電流用途に使用
される電池は、渦巻きまたは積層した極板群に集電端子
をインダイレクト溶接などで溶着させるタブレス方式に
より、大電流時の電流密度を下げるような構造としてい
るが、溶接が難しく工程が煩雑であるという問題があっ
た。また、電池の振動や電極の膨潤に伴う溶接部の剥離
して集電機能が低下するために充放電特性が低下すると
いう問題を有していた。

【０００７】一方、さらなる大電流化の要求に伴い、電
極面積を増加させて電流密度を下げ、１枚の極板を大き
くしたり極板の枚数を増やし、その分集電端子の溶接点
数を増加させることにより集電機能を高めて、電池の充
電及び放電時における過電圧を低減する工夫がなされて
いる。

【０００８】しかしながら、これらの方法を使用した場
合、従来に比べてさらに溶接工程が煩雑化することにな
るため、簡略化が望まれていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記従来技
術の課題に鑑み、極板と集電端子の接続を容易にでき、
かつ極板と集電端子間の電気抵抗の小さな極板群を備え
たアルカリ蓄電池を提供せんとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係るアルカリ蓄
電池は、前記課題を解決するために、前記タブレス方式
により極板の芯体と集電端子を接続してなり、少なくと
も一方の極板の芯体露出部分と前記板状集電端子を圧接
させてなる極板群であって、前記集電端子に３次元多孔
性金属板を適用した極板群を備えたアルカリ蓄電池であ
る。

【００１１】尚、ここでいう圧接とは、溶接によらずに
２つの部材の接触によって両者の間に電気的接続を確保
することをいう。また、３次元多孔性金属板とは、パン
チングメタル等の打ち抜きによって板の厚み方向に直線
的に延びる空孔を設けたものではなく、空孔部分と金属
占有部分が３次元に入り組んだ多孔性金属板を指す。

【００１２】本発明に係るアルカリ蓄電池においては、
３次元多孔性金属板に含まれるポアーが閉塞した独立気
泡ではなく、ポアーが板状の集電端子の表面に開口して
いることが望ましい。このような３次元多孔性金属板の
具体的な例としては、発泡メタルなどのスポンジ状金属
板や繊維状金属の焼結体で形成されるフェルト状または
マット状の金属板がある。これらの金属板は、厚さ方向
に対して伸縮性を有するので該集電端子と極板の芯体端
部を圧接した時に芯体端部が集電端子に食い込み、両者
が離れにくい利点がある。

【００１３】本発明に係る電池においては、前記芯体の
少なくとも露出部分および集電端子の表面の材質を、ニ
ッケルまたは銅にすることが望ましい。ニッケルや銅
は、適用する雰囲気において安定であるために使用中に
変質する虞がなく、接触抵抗が小さいために前記芯体露
出部端部と集電端子の間の圧接界面に良好な電気的接続
が確保できる利点があり、圧接により接続する方式にお
いては特に有効である。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１に本発明に係る円筒形アルカ
リ蓄電池１の断面図を示す。該電池に適用する極板群
は、捲回式極板群であって、帯状の正極板２と負極板３
をセパレータ４を介して積層し渦巻き状に捲回して極板
群とする。極板群の上側および下側の捲回端面に、それ
ぞれ正極板の芯体露出部分７および負極板の芯体露出部
分８を突出させる。正極板の芯体露出部分７および負極
板の芯体露出部分８に、それぞれ正極集電端子５および
負極集電端子６が当接するように配置し負極端子を兼ね
る金属製電槽１３内に挿入する。正極集電端子５の上に
押圧用の樹脂製リング１０を載置し、正極集電端子リー
ド板９によって接続した正極端子１２付き蓋１１を挿入
する。電解液を注入後蓋１１によって電槽１３の開口部
を気密に封口する。

【００１５】図１において正極集電端子５および負極集
電端子６のうち少なくとも一方の集電端子は、３次元多
孔性金属板製である。該３次元多孔性金属板製集電端子
と正極板の芯体露出部分７または負極板の芯体露出部分
８は、圧設によって接続させる。

【００１６】本発明において前記３次元多孔性集電端子
は、発泡メタルなどのスポンジ状金属板や繊維状金属の
焼結体で形成されるフェルト状またはマット状の金属板
であって、その厚さが０．３〜１．２ｍｍ、多孔度が約
５０〜７０％であることが望ましい。

【００１７】厚さおよび多孔度を前記範囲内に設定する
ことによって、集電端子に腰の強さを確保するととも
に、該集電端子と極板の芯体端部を圧接した時に芯体の
端部が集電端子面に食い込むために両者の間に良好な接
触を得ることができる。

【００１８】前記集電端子は、元の厚さが０．４〜１．
８ｍｍ、多孔度が約８０〜９５％の発泡メタルや繊維状
金属からなるフェルトまたはマットをプレスして作製す
る。プレスすることによって、集電端子に厚さ方向に対
する復元力が生じ、集電端子を極板の芯体露出部分に軽
く押圧しただけで良好な接触を得ることができる。

【００１９】また、集電端子のポアーは、電解液を保持
する機能を有する。該ポアー内に保持された電解液は、
極板が膨潤した時に極板側に移行し、極板群内の電解液
不足を補う役目を果たす。。

【００２０】さらに、集電端子が繊維状金属の焼結体の
場合、金属製繊維の太さが２０〜５０μｍであることが
望ましい。金属製繊維の太さを前記範囲内に設定するこ
とによって、集電端子に腰の強さと厚み方向の伸縮性を
付与することができる。また、焼結体のポアーに良好な
電解液保持機能を付与することができる。

【００２１】本発明に係るアルカリ蓄電池の極板の芯体
には、従来品と同様の形状のものを適用することができ
る。但し、表面の材質をニッケルまたは銅にすることが
望ましい。正極板の芯体には、例えば従来のペースト式
ニッケル電極に汎用される厚さ約１．５ｍｍ発泡ニッケ
ル板を適用することができる。該芯体に活物質ペースト
を塗布充填し、乾燥した後プレスすることによって厚さ
約１ｍｍの正極板とする。

【００２２】芯体の露出部分となる長辺に幅約１．５ｍ
ｍの帯状の活物質粉末充填部分を設ける。該活物質未充
填部分をプレスして厚さを約０．３ｍｍと小さくし、機
械的強度を高める。プレスした部分にさらに、厚さ約１
ｍｍの細い帯状のニッケルフープを溶接して接合し、芯
体露出部分の機械的強度をさらに増すと共に集電機能を
高める。

【００２３】芯体には鉄の発泡体やニッケル製繊維や鉄
製繊維の焼結鉄体を適用することもできる。但し芯材が
鉄の場合には、集電端子との間に良好な電気的接続を確
保するため、メッキ処理等により表面をニッケルや銅で
コートすることが望ましい。

【００２４】負極である水素吸蔵合金電極の芯体には、
従来のペースト式水素吸蔵合金電極同様、厚さ約５０μ
ｍ、開口率約５０％のニッケル、鉄や銅等のパンチング
メタルを使用することができる。但し、芯材が鉄の場合
は、メッキ等により表面をニッケルまたは銅でコートす
ることが望ましい。芯体の一長辺に幅約１．５ｍｍの帯
状の活物質粉末未塗工部分を設け、芯体露出部分を形成
する。

【００２５】前記押圧用リング１０の材質は、耐アルカ
リ性の樹脂であって、弾力性に富むものが望ましい。例
えば合成ゴムやポリオレフィン樹脂製等のリングが好適
である。

【００２６】本発明の実施の形態は、図１に示した円筒
形電池に限定されるものではなく、平板形の極板を積層
させた積層式極板群を備えた角形電池にも適用できる。
図２に本発明に係る角形のアルカリ蓄電池の極板群２１
を示す。複数枚の正極板２２と負極板２３をセパレータ
を介して積層し極板群の側面に正極板芯体露出部分２６
を、それと対向する側面に負極板芯体露出部分２７を突
出させる。それぞれの基板端部に３次元多孔性金属板か
らなる正極集電端子２４および負極集電端子２５を圧接
することによって当接させる。

【００２７】本発明によれば、次のような効果が得られ
る。第１に、溶接をすることなく集電端子の平面部を露
出した芯体端部に自由に接触させる。従って、従来のよ
うな溶接点数を増加させる工程を経ることなく、誘電端
子と露出した芯体とをそのほぼ全長に亘り接触させるこ
とができる。充放電に際して極板全体が均等に働くの
で、極板の一部に電流が集中せず大電流で充電放電した
時の充電受け入れおよび放電特性を向上させることがで
きる。

【００２８】第２に、３次元多孔性金属板を集電端子に
適用することにより、電池に振動や衝撃が加わっても、
集電端子の腰の強さと厚さ方向の伸縮性によって極板の
芯体端部と集電端子が解離することがなく、安定した充
放電特性を維持することができる。

【００２９】第３に、前記集電端子の表面に開口したポ
アーは、電解液の収納スペースになる利点がある。従っ
て、前記３次元多孔性金属板を集電端子に適用すること
により、電解液を保持するスペースを確保することがで
きるため、高容量化を目的として電池内容積に占める極
板群の容積比率を高めた場合でも、電解液量の不足を緩
和することができる。

【００３０】（実施例）以下、捲回式極板群を備えた円
筒型のニッケル水素蓄電池を例に採り上げ、該実施例に
基づいて本発明の詳細を説明する。なお、本発明の形状
等は、以下に示した例に限定されるものではない。

【００３１】図３は、本発明に係るアルカリ蓄電池に適
用する３次元多孔性金属板製集電端子を平面から見た図
である。該集電端子は、発泡ニッケル製の円盤状で、厚
さが１．０ｍｍ、多孔度が約６３％、直径が２８ｍｍφ
である。該集電端子は、厚さが約１．５ｍｍ、多孔度が
約９５％の発泡ニッッケルをプレスして、厚さを圧縮し
た後円形に打ち抜いたものである。

【００３２】本実施例では、前記図１に示した正極集電
端子、負極集電端子共に前記発泡ニッケル製の集電端子
を適用した。該正極板は、ニッケルの一部を亜鉛及びコ
バルトで置換した高密度水酸化ニッケルの表面にコバル
ト酸化物を被覆した活物質を、目付量が４５０ｇ／ｃｍ
²である３次元の発泡状ニッケル芯体に充填し、幅１．
５ｍｍの活物質未充填部分（芯体露出部分）を端部に設
けた。該正極板は、高さが５０ｍｍ、長さが６５０ｍ
ｍ、厚みが０．４６ｍｍであり、その容量は８Ａｈであ
る。

【００３３】負極板は、水素吸蔵合金を主体とする活物
質をニッケルメッキを施したパンチング鋼板製の芯体に
塗着したもので、高さが５０ｍｍ、長さが７２０ｍｍ、
厚みが０．３３ｍｍであり、その容量は１４Ａｈであ
る。該負極には、正極と同様に端部に幅１．５ｍｍの活
物質未充填部分（芯体露出部分）を設けた。

【００３４】前記帯状の正極板と負極板とをセパレータ
である不織布を介して捲回し、円筒形の極板群とした。
該極板群の作製に際し、正極板と負極板とを幅方向に
１．５ｍｍずらした状態で捲回し、正極板の芯体露出部
分を極板群の上側捲回端面に、負極板の芯体露出部分を
極板群の下側捲回端面に、それぞれ突出させた。

【００３５】前記極板群の上側、下側両捲回端面に前記
図２に示した集電端子を当接し、電槽…に挿入した。極
板群の上側に当接させた集電端子の上面にポリプロピレ
ン製のリング状スペーサを挿入することにより集電端子
を極板群捲回端面に押圧した。

【００３６】前記正極集電端子と正極リード板を溶接に
より接合して、正極板と正極端子を兼ねる電池蓋に接続
させた。また、負極集電端子の中心部を、負極集電端子
を兼ねる電槽の内底面に溶接により接合した。次いで公
知の方法により、水酸化カリウム水溶液を主体とする電
解液を１０．７ｍｌ注入し封口して、図１に示すような
Ｄサイズの円筒型電池とした。該電池を本発明電池とす
る。

【００３７】（比較例）比較例電池には正極および負極
用集電端子として、厚み該集電端子は、４μｍのニッケ
ルメッキを施した鋼板製円形の金属板を適用した。該集
電端子の厚みは０．５ｍｍ、突起部の高さは０．５ｍｍ
である。該集電端子は、前記図４に示した如く、２８ｍ
ｍφの円盤に幅２ｍｍの切り欠き部４２を設けた。ま
た、斜線部に示す如く折り曲げによってスリット部の片
側には連続した折り曲げ部４３を設け、さらに、溶接の
無効電流を低減するために、図４に示す如く集電端子の
平面部にスリット４４を設けた。

【００３８】前記実施例同様、極板群の捲回端面に突出
させた正極板および負極板の芯体露出部分に、図４に示
した集電端子の折り曲げ部を予めくい込ませた後、集電
端子の平面部にシリーズ溶接（溶接点数：６点）を行い
図５に示すように集電端子を極板群の捲回端面に接合さ
せた。

【００３９】次いで、この正極集電端子と正極リード
板、正極リード板と正極端子を溶接した。また、負極集
電端子を電槽の内定面に溶接により接合した。次いで公
知の方法により、水酸化カリウム水溶液を主体とする電
解液を９．９ｍｌ注入し、封口してＤサイズの円筒型電
池とした。該電池を比較例電池とする。

【００４０】これらの電池を活性化した後、温度２５℃
において電流４Ａで２時間充電し、温度０℃において５
時間の休止をした後、電流４０Ａで終止電圧０．９Ｖに
て放電を行った。表１に本発明に係る実施例電池および
比較例電池の放電容量および平均放電電圧を示す。

【表１】

【００４１】表１に示したように、実施例電池は、比較
例電池に比べて放電容量が大きく、かつ放電電圧が高い
ことが判る。これは、実施例電池の場合、比較例電池に
比べて極板の芯体と集電端子との接触面積が大きく、こ
のことによって電流密度が軽減されたため、活物質の利
用率が向上し、且つ分極が低減したことによるものと考
えられる。

【００４２】また、温度４５℃において電流４Ａで定格
容量の８０％までの充電を行った後、該温度において電
流４Ａで放電終止電圧を０．９Ｖに設定して充放電サイ
クル試験を行った。尚、５０サイクル毎に温度２５℃に
おいて放電出力特性を調べた。放電深度５０％時におい
て、１０秒目電圧が、０．８Ｖになる出力をもって放電
出力とした。図６にサイクルと放電出力の関係を示す。

【００４３】図６に示すように、本発明電池は、比較例
電池に比べてサイクル経過に伴う出力の低下率が小さ
い。本発明電池および比較例電池共にサイクルが経過す
るに従い電極が膨潤するのであるが、比較例電池の場合
は、電極の膨潤に伴って加わる応力に耐えきれずに集電
端子と極板の芯体との接合部が剥離し、電気的導通が低
下したためではないかと考えられる。また、極板の膨潤
に従って極板群の電解液の不足を来たし、電池の内部イ
ンピーダンスが増大したために出力特性が低下したもの
と考えられる。

【００４４】一方、本発明電池の場合は、電極の膨潤に
対しても接触面積の変化しない本発明電池の場合は、サ
イクルを経過した後も集電端子と極板の芯体との電気的
導通が良好なために、放電出力特性の低下が小さいもの
と考えられる。

【００４５】また、３次元多孔性金属製集電端子のポア
ー内に充填した電解液が極板に移行し、極板の膨潤によ
って生じる電解液の不足を補うために、電池のインピー
ダンスの増大が抑制されたために放電出力特性の低下が
抑制されたものと考えられる。

【００４６】以上詳述した如く、本発明電池は、比較例
電池に比べて長期サイクルを通して大電流充放電特性が
向上していること判る。本実施例では、３次元多孔性金
属製の集電端子を正極および負極に適用したが、正極お
よび負極の少なくとも一方に適用使用した場合において
も有効である。

【発明の効果】

【００４７】本発明の請求項１によれば、充放電サイク
ルを繰り返した後も集電端子と極板の芯体との間に良好
な電気的導通が保たれ、サイクルが経過した後も出力特
性の優れたアルカリ蓄電池を提供することができる。

【００４８】本発明の請求項２によれば、集電端子に良
好な弾性と、集電端子内に必要な電解液保持空間を確保
できる。

【００４９】本発明の請求項３によれば、使用中の集電
端子の変質を抑え、圧接のみによって集電端子と極板の
芯体との間に良好な電気的導通を確保することができ
る。

【００５０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る円筒型アルカリ蓄電池の一例を示
す断面図である。

【図２】本発明に係る角形アルカリ蓄電池の極板群の構
造を示す斜視図である。

【図３】本発明に係るアルカリ蓄電池の集電端子の平面
を示す図である。

【図４】従来のアルカリ蓄電池の集電端子を平面を示す
図である。

【図５】従来のアルカリ蓄電池の極板群と集電端子の接
合構造を示す図である。

【図６】実施例電池と比較例電池の放電出力とサイクル
数との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 正極板 ２ 負極板 ４ 正極集電端子 ５ 負極集電端子 ７ 正極板芯体露出部分 ８ 負極板芯体露出部分

フロントページの続き (72)発明者 中澤 次夫 大阪府高槻市古曽部町二丁目３番21号 株 式会社ユアサコーポレーション内 (72)発明者 伊藤 隆 大阪府高槻市古曽部町二丁目３番21号 株 式会社ユアサコーポレーション内 Ｆターム(参考） 5H017 AA02 AS02 CC25 EE01 EE04 EE09 5H022 AA04 BB19 CC19 CC22 EE01 EE09 5H028 AA05 CC05 CC10 CC11 CC21 EE01

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 正極板と負極板を、セパレータを介して
   積層した極板群と、該極板群と電気的に接続させた板状
   の正極集電端子および負極集電端子を備え、前記正極板
   および負極板の芯体の一部を極板の一長辺に帯状に露出
   させ、該正極板と負極板の芯体露出部分を前記極板群の
   相対向する端面に突出させ、少なくとも一方の極板の芯
   体露出部分と前記板状集電端子を圧接させてなるアルカ
   リ蓄電池において、前記集電端子が３次元多孔性金属板
   であることを特徴とするアルカリ蓄電池。
2. 【請求項２】 前記３次元多孔性金属板がスポンジ状金
   属または金属繊維の集合体からなることを特徴とする請
   求項１に記載のアルカリ蓄電池。
3. 【請求項３】 前記芯体露出部分および集電端子の表面
   の材質が、ニッケルまたは銅であることを特徴とする請
   求項１および請求項２に記載のアルカリ蓄電池。