JP2005285638A

JP2005285638A - 電池

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Publication number: JP2005285638A
Application number: JP2004099792A
Authority: JP
Inventors: Masaki Asano; 将紀浅野
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP4334386B2

Abstract

【課題】内部ショートの防止された電池を提供する。
【解決手段】電池の第１の極板２４は、第２の極板２６との間にセパレータ２８を挟んで渦巻き状に巻回されている。第１の極板２４は、帯状をなす多孔質構造の導電性基板４２を有し、導電性基板４２には活物質が充填されている。導電性基板４２は、一側縁に前記活物質が充填されていない非充填部４４を有し、前記非充填部４４には、導電性基板４２の一方の面側から金属薄板４８が固定されている。非充填部４４及び金属薄板４８は、導電性基板４２の両側から２つの保護部材５０，５２によって挟まれ、保護部材５０，５２のうち、非充填部４４側の保護部材５０の方が金属薄板４８側の保護部材５２よりも厚い。
【選択図】図３

Description

本発明は電池に関する。

近年、電池とりわけニッケル水素二次電池等のアルカリ蓄電池は、電動工具、アシスト自転車、電気自動車等の電源として使用され、その更なる高容量化、高出力化、あるいは高率放電特性の向上が望まれている。
例えば特許文献１は、高率放電特性に優れた電池を開示している。この電池においては、第１の電極を含む渦巻き状の電極群の一端側に集電板を備え、この集電板は第１の電極と互いに溶接されている。より詳しくは、第１の電極は金属多孔体からなる基板を備え、この基板には、活物質充填部と、集電板に溶接されるべき帯状連結部とが形成されており、この帯状連結部は電極群の巻回方向でみて第１の電極の一側縁に沿って延びている。そして、特許文献１の図９に示された第１の電極にあっては、帯状連結部の一方の面に集電板と溶接されるべき金属薄板が重ね合して溶接され、この金属薄板の外面及び帯状連結部の他方の面にはそれぞれ同じ厚さの保護テープが付着されている。
特開２０００−２１４３５号公報

ところで、上述した第１の電極である正極板は、その両面に保護テープを有するため、電極群を形成すべく正極板がセパレータ及び負極板とともに渦巻状に巻回されると、これら保護テープの厚みにより正極板に巻きずれが生じ、電極群の一端面側にて正極板、即ち、金属薄板の側縁が面一にならない。このような電極群の一端面に集電板を押圧して溶接すると、金属薄板又は帯状連結部の突出した部分が集電板によって折り曲げられ、内部ショートを引き起こす。このため、これら保護テープの厚みは薄い方が好ましい。

しかしながら、金属多孔体を形成する骨格は破断し易く、正極板を巻回したときに骨格が局所的に破断し、帯状連結部から破断した骨格の一部が突出する。このため、これら保護テープの厚みが薄いと、破断した骨格の一部が帯状連結部側の保護テープ及びセパレータを突き破り、やはり内部ショートを引き起こす。
本発明は上述の事情に基づいてなされたものであって、内部ショートの防止された電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、第１の極板と第２の極板との間にセパレータを挟み且つこれらを渦巻き状に巻回した電極群を備え、前記第１の極板が多孔質構造を有する帯状の導電性基板と、この導電性基板に充填された活物質とを有する電池において、前記第１の極板の前記導電性基板は、前記電極群の巻回方向に沿う一側縁に前記活物質が充填されていない非充填部を有し、前記非充填部に重ね合わされた金属薄板と、前記非充填部及び金属薄板を前記導電性基板の両側から挟む２つの保護部材とを備え、前記保護部材のうち、前記非充填部側の保護部材の方が前記金属薄板側の保護部材よりも厚いことを特徴とする電池が提供される（請求項１）。

この構成によれば、金属薄板側の保護部材の厚みを非充填部側の保護部材よりも薄くしたことにより、その薄くした分だけ、第１の極板、第２の極板及びセパレータを渦巻き状に巻回する際、第１の極板の巻きずれを抑制することができる。一方、非充填部側の保護部材を導電薄板側の保護部材よりも厚くしたので、第１の極板を巻回したときに導電性基板の骨格が局所的に破断し、骨格の一部が非充填部から突出するとしても、保護テープ及びセパレータを貫通することはない。
好適な態様として、前記保護部材は粘着性テープからなる（請求項２）。

以上説明したように、請求項１及び２の電池によれば、第１の極板での巻きずれを抑制する一方で、破断した導電性基板の骨格が保護テープ及びセパレータを貫通してしまう虞がなく、内部ショートを防止することができる。このため、この電池は、高品質であり、また高い生産性の下で製造することができる。

以下、本発明の一実施形態の電池としてニッケル水素二次電池を説明する。
この電池は、ＡＡサイズの円筒型電池であり、図１に示したように、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の底壁は導電性を有した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を介して導電性を有する円板形状の蓋板１４が配置され、これら蓋板１４及び絶縁パッキン１２は外装缶１０の開口縁をかしめ加工することにより外装缶１０の開口縁に固定されている。

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を覆うフランジ付き円筒形状の正極端子２０が固定され、正極端子２０は弁体１８を蓋板１４に押圧しており、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には、略円柱状の電極群２２が収容されている。電極群２２は、それぞれ帯状の正極板２４、負極板２６及びセパレータ２８からなり、渦巻状に巻回された正極板２４と負極板２６の間にセパレータ２８が挟まれている。

そして、外装缶１０内には、所定量のアルカリ電解液（図示せず）が注液され、セパレータ２８に含まれたアルカリ電解液を介して正極板２４と負極板２６との間で充放電反応が進行する。
また、外装缶１０内には、その底壁と電極群２２との間に、円形状をなす金属製の負極集電板３０が配置され、この負極集電板３０を介して負極板２６は外装缶１０と電気的に接続されている。より詳しくは、負極板２６は、例えばパンチングメタルからなる負極基板３２を有し、負極基板３２の両面には水素吸蔵合金を含む負極活物質層３４が保持されている。また、負極基板３２には、負極活物質層３４から負極集電板３０に向かって突出した連結部３６が設けられ、この連結部３６が負極集電板３０に溶接されている。

更に、外装缶１０内には、電極群２２と蓋板１４との間にも円形状をなす金属製の正極集電板３８が配置されている。この正極集電板３８には、帯状のリード部４０が一体に形成され、リード部４０の先端は蓋板１４に溶接されており、蓋板１４、正極集電板３８及びリード部４０を介して、正極板２４は正極端子２０と電気的に接続されている。
より詳しくは、正極板２４は非焼結式電極であって、図２に展開して示したように、帯状をなす導電性の正極基板４２を有する。正極基板４２は多孔質構造を有し、３次元網目構造の骨格により形成される無数の空孔を含む。正極基板４２の空孔内には、電極群２２の巻回方向でみて正極集電板３８側に位置付けられる側縁部４４を除き、正極活物質としての水酸化ニッケル粒子が充填されている。

正極基板４２の側縁部４４は、厚み方向両側から圧縮され、正極活物質が充填された部位（本体部４６）よりも薄くなっており、その一方の面に帯状の金属薄板４８が溶接されている。金属薄板４８は、その幅が側縁部４４よりも広く、正極板２４の幅方向でみて側縁部４４から突出する一方、その厚みが側縁部４４と本体部４６との段差に合致し、本体部４６と略面一をなしている。

正極板２４の両面には、側縁部４４及び金属薄板４８を間に挟むようにして保護テープ５０，５２が接着され、これら保護テープ５０，５２は、正極板２４の長手方向（巻回方向）に全域に亘って延びる一方、段差を跨いで側縁部４４に隣接する本体部４６の部位も挟んでいる。
保護テープ５０，５２は、例えばポリプロピレン及びポリエチレン製の粘着性テープからなるが、側縁部４４側の保護テープ５０は、例えば６０〜１００μmの厚さを有する一方、金属薄板４８側の保護テープ５２は、例えば２０〜５０μmの厚みを有する。従って、側縁部側の保護テープ５０は、金属薄板４８側の保護テープ５２よりも厚い。

図３は、上述の正極板２４と正極集電板３８との接続領域を拡大して模式的に示している。電極群２２において、正極板２４は、金属薄板４８が外側になるよう巻回され、保護テープ５０が径方向内側に、保護テープ５２が径方向外側にそれぞれ位置付けられている。また、電極群２２の軸線方向でみて、正極板２４の側縁部４４、金属薄板４８及び保護テープ５０，５２は負極板２６の対応する側の側縁部５４から突出しており、正極集電板３８に金属薄板４８が溶接されている。従って、金属薄板４８を介して正極板２４は正極端子２０と電気的に接続されている。

なお、負極板２６の側縁部５４，５４は、電極群２２の軸線方向でみて、正極板２４の本体部４６よりも突出しており、セパレータ２８及び保護テープ５０，５２を介して正極板２４の側縁部４４及び金属薄板４８の一部を挟んでいる。
上述した電池は、正極集電板３８及び負極集電板３０を介して正極板２４及び負極板２６が正極端子２４及び負極端子（外装缶１０）に電気的に接続されているので、良好な高率放電特性を有する。

一方、上述の電池においては、正極集電板３８を金属薄板４８に押圧して溶接したときに、応力集中により側縁部４４と本体部４６との段差近傍にて正極板２４が折れ曲がったとしても、段差近傍は保護テープ５０，５２により覆われているので、正極板２４がセパレータ２８を突き破って負極板２６と接触することはない。このため、この電池では、正極板２４と負極板２６との間における内部ショートが防止される。

そして、上述の電池においては、保護テープ５２の厚みを保護テープ５０よりも薄くしたことにより、正極板２４における金属薄板４８側の面を少しでも平坦にすることができるので、セパレータ２８を介して正極板２４及び負極板２６を巻回する際、正極板２４の巻ずれを抑制することができる。このため、電極群２２の端面にて金属薄板４８の側縁が面一になるので、溶接のために正極集電板３８を金属薄板４８に押圧したとき、段差近傍での正極板２４の折れ曲りが抑制される。この結果、内部ショートを一層防止することができる。

更に、上述の電池においては、保護テープ５０の厚みを保護テープ５２よりも厚くしたことにより、内部ショートをより一層防止することができる。より詳しくは、セパレータ２８を介して正極板２４及び負極板２６を巻回する際、正極基板２４の骨格は局所的に破断するが、側縁部４４には正極活物質が充填されていないことから、側縁部４４からは破断した骨格の一部が突出し易い。そこで、この電池では、側縁部４４に直接付着する保護テープ５０を厚くすることにより、破断した骨格の一部が側縁部４４から突出しても保護テープ５２及びセパレータ２８を貫通することはなく、これら保護テープ５２及びセパレータ２８は破断した骨格の一部が負極板２６に接触するのを防止する。

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って、例えば、電池の種類は、ニッケル水素二次電池に限定されず、ニッケル−カドミウム二次電池、リチウムイオン二次電池等であってもよく、更には１次電池であってもよい。
そして、上記した一実施形態においては、正極基板４２の側縁部４４にはその長手方向全域に亘り正極活物質が充填されていないが、側縁部４４の一部に正極活物質を充填してもよい。この場合、側縁部４４の残りの部分のみを圧縮し、圧縮した部分に金属薄板４８を溶接すればよい。

また、上記した一実施形態において、保護テープ５０，５２には粘着性テープを用いたけれども、熱溶着テープを用いても良い。しかしながら、粘着性テープは容易にその厚みを調整することができるとともに、側縁部４４や金属薄板４８に接着する際に溶着工程が不要なことから好ましい。また、ポリプロピレン及びポリエチレン等のポリオレフィン樹脂製の保護テープは、耐アルカリ性に優れており、アルカリ電池に好適する。

そして、上記した一実施形態においては、外装缶１０は負極端子であったが、外装缶１０を正極端子にしてもよい。すなわち、正極板２４の側縁部４４が外装缶１０の底壁に向かって突出するように電極群２２を外装缶１０に収容してもよい。
また、上記した一実施形態においては、側縁部４４から金属薄板４８が突出していたが、電極群の端面にて側縁部と導電薄板とを面一にし、側縁部及び導電薄板の双方を正極集電板３８に溶接してもよい。

そして、上記した一実施形態においては、負極板２６の負極基板として、金属多孔体を用いても良く、この場合、正極板２４と同様に、負極基板に非充填部を形成し、この非充填部に金属薄板を固定し、これら非充填部及び金属薄板を挟むように保護テープを接着してもよい。
また、上記した一実施形態においては、電極群２２の形状は略円柱状であったが、径方向両側からプレスして変形させることにより、電極群の端面形状を楕円形状にしてもよい。

そして、上記した一実施形態において、電極群２２の作製の際、正極板２４の巻回数は、格別限定はされないが５回以下の範囲にあるのが好ましい。巻回数が多くなると、巻ずれの抑制が困難になるからである。一方、電極群２２の作製の際、金属薄板４８が導電性基板よりも電極群の径方向内側に位置付けられるように正極板２４を巻回してもよい。
更に、上記した一実施形態においては、側縁部４４に対して金属薄板４８を溶接により固定したが、導電性の接着剤を用いて固定してもよい。

実施例１，比較例１及び２
１．電池の製作
（１）正極の製作
連続気泡のポリウレタンフォームであるスポンジ状の有機多孔体に導電処理した後、電解槽のメッキ液に浸漬してニッケルメッキした。メッキした有機多孔体を、７５０℃の温度で所定時間ばい焼して、有機多孔体の樹脂成分を除去し、さらに、還元雰囲気で焼結してニッケルからなる金属多孔体を得た。得られた金属多孔体は、目付が約６００ｇ／ｍ²、多孔度が９５％、厚みが約２．０ｍｍであった。

一方、２．５質量％の亜鉛と、１質量％のコバルトを共沈成分として含有する水酸化ニッケル粉末９０質量部に対して、コバルト粉末１０質量部、酸化亜鉛粉末３質量部を添加して全体を混合し、その混合物にヒドロキシプロピルセルロース水溶液（固形分０．２重量％）５０質量部を添加して全体を混練し、ペースト状の正極活物質スラリーを得た。

得られた正極活物質スラリーを、金属多孔体に充填した。充填量は、圧延後の活物質密度が約２．９１ｇ／ｃｃ−ｖｏｉｄとなるように調整した。活物質スラリーを乾燥させた後、厚みが約０．７０ｍｍとなるように金属多孔体にロール圧延を行った。そして、圧延された金属多孔体を短冊状に切断し、一側縁部の活物質を超音波剥離等により除去した。その後、この側縁部を再びロール圧延して厚み約０．５ｍｍとした。

この後、この側縁部の一方の面に、抵抗電気溶接により厚み０．１ｍｍ、幅３ｍｍのニッケルリボンを接続し、ニッケルリボン及び側縁部に表１に示した厚みの保護テープ（ニチバン株式会社製，ポリプロピレン粘着テープ）を接着して正極板にした。ただし、比較例２の正極板には、保護テープを接着しなかった。

（２）電池の組立て
上述のように製作した正極板と、水素吸蔵合金を含む負極板とをポリプロピレン製不織布からなるセパレータを介して巻回して渦巻状電極群を得た。この渦巻状電極群の両端に正極集電板及び負極集電板を溶接した後、電極群を外装缶内に挿入し、負極集電板を外装缶の底壁にスポット溶接するとともに正極集電板のリード部を蓋板に溶接した。この後、外装缶内に、水酸化リチウム及び水酸化ナトリウムを含有した７．５Ｎの水酸化カリウム水溶液からなる電解液を注入した。そして、外装缶の開口内に絶縁パッキンを介して蓋板を配置した状態にて開口縁をかしめ加工し、実施例１，比較例１及び２として、公称容量１２００ｍＡｈのの円筒型ニッケル水素二次電池をそれぞれ１０００個製造した。

２．短絡評価試験
得られた実施例及び比較例の電池の端子間電圧を測定し、この端子間電圧が０．１Ｖ以下の場合に内部ショート発生と判断して、１０００個中、内部ショートの発生した電池数を数えた。表１にこの結果を示した。

表１から明らかなように、側縁部側の保護テープが金属薄板側の保護テープよりも厚い実施例１の電池においては、側縁部側の保護テープが金属薄板側の保護テープよりも薄い比較例１や、保護テープを接着しなかった比較例２に比べて内部ショートが防止されている。これは、正極板を巻回したときに正極基板の骨格が局所的に破断し、側縁部から突出していても、側縁部側の保護テープを厚くしたことにより、破断した骨格の一部が保護テープ及びセパレータを貫通するには至らなかったためと考えられる。

本発明の一実施形態の電池の部分断面図である。図１の電池に用いられた正極板の展開図である。図１の電池における正極板と正極集電板との接続領域を模式的に示した図である。

符号の説明

２２電極群
２４正極板（第１の極板）
２６負極板（第２の極板）
２８セパレータ
４２正極基板（導電性基板）
４４側縁部（非充填部）
５０，５２保護部材（保護テープ）

Claims

第１の極板と第２の極板との間にセパレータを挟み且つこれらを渦巻き状に巻回した電極群を備え、前記第１の極板が多孔質構造を有する帯状の導電性基板と、この導電性基板に充填された活物質とを有する電池において、
前記第１の極板の前記導電性基板は、前記電極群の巻回方向に沿う一側縁に前記活物質が充填されていない非充填部を有し、
前記非充填部に重ね合わされた金属薄板と、
前記非充填部及び金属薄板を前記導電性基板の両側から挟む２つの保護部材とを備え、
前記保護部材のうち、前記非充填部側の保護部材の方が前記金属薄板側の保護部材よりも厚いことを特徴とする電池。
前記保護部材は粘着性テープからなることを特徴とする請求項１記載の電池。