JP2006032253A - 密閉形蓄電池 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力スイッチ内蔵式密閉形アルカリ蓄電池において、圧力スイッチの導電部材と正極板を接続するリード板の間の電気抵抗を低下させ、急速充電時充電受け入れ性能が向上された密閉型蓄電池を提供する。
【解決手段】第１導電部材と一方の極板がリボン状リード板４によって接続され、該リード板に折り曲げ部分や湾曲部分を設けることによって撓み代を付与した密閉形蓄電池であって、前記リード板の折り曲げ部分や湾曲部分の少なくとも１箇所に、リード板の長手方向に対して垂直な断面の断面積が小さい部分４’を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、電池内部の圧力の大きさに応答して少なくとも一方の極板と外部端子を接続する回路のオン・オフの切り替えを司る圧力スイッチを内蔵する密閉形蓄電池に関するものである。

ポータブル電子機器の電源として主に用いられている二次電池には制御弁式小型鉛蓄電池、密閉形アルカリ蓄電池、リチウム二次電池があるが、重負荷の要求される用途では密閉形アルカリ蓄電池がよく用いられる。密閉形アルカリ蓄電池にはニッケルカドミウム系とニッケル水素系が一般的で大量に使用されている。特にニッケル水素系はニッケルカドミウム系に比べてエネルギ密度が高く、しかも有害なカドミウムを含まず環境汚染のおそれが少ないことから、携帯電話、小型電動工具、および小型パーソナルコンピュータ等の携帯用電子機器類の電源として広く利用されており、需要が飛躍的に増大している。
また、これら電子機器は、より小型化、軽量化の要請により電源の設置スペースが圧縮される一方、多機能化によって消費電力が増大している。このため、これらに用いられる蓄電池には小型高容量化と共に、良好な急速充電性能も要求されている。充電末期の検知には電池電圧、温度の上昇やそれらの時間についての微分値などが用いられているが、電池の使用環境によっては必ずしも確実に作動するとはいい難い欠点がある。

密閉形蓄電池を急速充電するに際して、従来の電地内部での機械的な充電制御方法としては、電池の上部を覆い、キャップと電槽缶とを電気的に絶縁しつつ電池を気密、液密に密封するグロメットにかかる内圧を利用して充電電流の断続を行う方法が提案されている。（例えば特許文献１参照。）。
また、同様に電池内圧と皿バネによる力を利用して充電電流の断続を行っているものもある（例えば特許文献２参照。）。

米国特許出願公開第２００２／０１１９３６４Ａ１号明細書（第７−８頁、第６図、第７図） 米国特許第５０２６６１５号明細書（第６−７欄、第３図、第４図）

前記特許文献１に提案されている密閉形蓄電池は基本的に図１に示す構造（圧力スイッチ内蔵）を有しており、その充電制御方法は以下のようなものである。
図１は、圧力スイッチ内蔵式密閉形蓄電池１の要部断面を示す図である。図１（イ）は圧力スイッチがオンの状態を示し、図１（ロ）は圧力スイッチがオフの状態を示す図である。図１において密閉形蓄電池１は、捲回式極板群９を有底筒形のニッケルメッキ鋼板等からなる金属製電槽１１内に収納した蓄電池であって、前記金属製電槽１１の開放端はポリプロピレンやポリアミド等の合成樹脂製グロメット６と該グロメットの中央に設けた透孔に嵌着したニッケル等の金属からなる第１導電部材２によって気密に封止されている。図１（イ）の３は、ニッケル等の金属製のリングからなる第２導電部材であって、グロメット６の周縁部分を介して金属製電槽１１の開放端に固着されている。キャップ状正極端子５のフランジ部分は、前記導電部材２に接合されている。正極板１０と第１導電部材２は、ニッケル製のリボン状リード板４によって接続されている。リード板４の一端１３は第１導電部材２の底面に接合され、他端１４は正極板１０の基板（図示せず）に接合されている。７は、第１導電部材２を図の下方に向けて押圧するためのバネであり該バネと第１導電部材２は、樹脂製の電気絶縁層８によって絶縁されている。

常時（蓄電池内部の圧力が規定値以下の状態）は、密閉形蓄電池１は、図１（イ）に示す如く、第１導電部材２と第２導電部材３が当接し、正極板１０と正極端子５を結ぶ回路がオンの状態（圧力スイッチがオン）にある。充電時に蓄電池内部でガスが発生し、充電中に蓄電池内部の圧力が上昇して規定値をこえた時は、図１（ロ）に示すように、グロメット６の中央部分が図の上方に向かって撓み、それとともに第１導電部材２が上方に移動して第１導電部材２と第２導電部材３が離れて前記回路がオフの状態（圧力スイッチがオフ）に切り替わり、充電が一時中断する。充電中断中に蓄電池の内部空間に蓄積したガスの吸収が進行して蓄電池内部の圧力が下降し、該圧力が規定値を下回ったときにバネ７の押圧力によって第１導電部材２が下方に押し戻され、第１導電部材２が第２導電部材３に当接して圧力スイッチがオフからオンに切り替わり、充電が再開する。特許文献１に提案されて入る方法は、このように、蓄電池内部の圧力の大きさに応じて充電のオン・オフを司ることによって、蓄電池の内部の圧力が過度に上昇するのを防ぐと同時に充電時の発熱によって蓄電池の温度が過度に上昇するのを抑制する。なお、図１において１２は、蓄電池の内部空間に蓄積したガスを外部に排出するために正極端子５に設けた透孔である。

第１導電部材２が上下方向に位置を変えても正極板１０と第１導電部材２を無理なく接続することが可能なように、図１に示す如く、前記リード板４の中間に折り曲げ部分１５を設けたりあるいは第１導電部材との接合端部１３や正極板との接合端部１４に隣接する位置に湾曲部分１６を設けたりしてリード板４に撓み代を設けている。従来よりリード板の剛性をできるだけ小さくするために、断面形状が扁平なリボン状リード板を用いるのが一般的であり、ＡＡサイズの円筒形のニッケル水素蓄電池を例に採ると、設計上許される限りリード板の電気抵抗を低く抑えるために前記リード板４には幅３〜４ｍｍ、厚さ約０．１〜０．２ｍｍ、長さ１０〜１５ｍｍのニッケル製のリボン状リード板が適用されている。該寸法に比べてリード板４の幅や厚さを大きくしたり、長さを短くすればリード板の電気抵抗を低減することができるが、リード板の剛性が増大して、リード板４と正極板１０の基板との接合箇所１４やリード板４と第１導電部材２の接合箇所１３に加わるストレスが大きくなって接合が破壊される虞が生じる。

密閉形アルカリ蓄電池（以下、簡単に電池ともいう）の容量は、技術の向上とともにさらに増大する方向にある。電池を急速充電を行うことにより機器を有効に使用することもできるが、電池の単位体積当たりの容量が増加すれば必要な充電電流も大となる。電池内での発熱もこれに伴って増大する。ニッケル水素蓄電池では水素吸蔵合金の水素吸蔵に起因する発熱も加わり、電池温度が上昇して充電効率が低下し、ガス発生により電池内圧が急上昇し、安全性に問題が起こる虞がある。

従来の電池の欠点の一つは前記リード板の電気抵抗が大きい点にある。リード板の電気抵抗が大きいと急速充電に際して正負極の分極が大きくなり、正極の場合は充電電位が上昇して酸素ガスが発生し易くなり、それに伴う蓄電池温度の上昇や蓄電池内部の圧力上昇が促進されて充電効率が低下する。

本発明は、前記従来の圧力スイッチ内蔵式の電池の欠点を解消するためになされたものであって、電気抵抗が小さく、急速充電受け入れ特性の優れた電池を提供せんとするものである。

本発明は、圧力スイッチ内蔵式の密閉形蓄電池において、一方の極板と圧力スイッチを構成する導電部材を接続するリボン状のリード板を以下の構成とすることによって、前記課題を解決する。
本発明に係る密閉形蓄電池は、少なくとも一方の極板と外部端子を接続する回路に、蓄電池の内部の圧力が規定値を超えて上昇したときに前記回路をオンからオフに切り替え、蓄電池内部の圧力が規定値以下に下降したときに前記回路をオフからオンに切り替える圧力スイッチ機能を内蔵した蓄電池であって、前記スイッチが蓄電池内部の圧力に応じて位置を変える第１導電部材と位置が固定された第２導電部材を備え、前記第１導電部材と一方の極板がリボン状リード板によって接続され、該リード板に折り曲げ部分や湾曲部分を設けることによって撓み代を付与した密閉形蓄電池であって、前記リード板の折り曲げ部分や湾曲部分の少なくとも１箇所に、リード板の長手方向に対して垂直な断面の断面積が小さい部分を設けた密閉形蓄電池である。（請求項１）
本発明に係る密閉形蓄電池は、前記リボン状のリード板に、リード板の長手方向に対して垂直な切り欠き又は切り込みを設けることによって前記断面積の小さい部分を設けた請求項１に記載の密閉形蓄電池である。（請求項２）
本発明に係る密閉形蓄電池は、前記リボン状のリード板に、リード板の長手方向に対して垂直な肉薄部分を形成することによって前記断面積の小さい部分を設けた請求項１に記載の密閉形蓄電池である。（請求項３）

本発明の請求項１によれば、一方の極板と圧力スイッチを構成する導電部材を接続するリード板に断面積が大きいリボン状のリード板を用いることによってリード板の電気抵抗を低減することができ、且つ、該リード板に局所的に断面積の小さい部分を設け、該部分でリード板を折り曲げるかまたは湾曲させることによって、前記導電部材が上下方向に位置を変えたときにもリード板と極板、リード板と導電部材との接合点にストレスが加わり難くすることができる。
本発明の請求項２および３によれば、リボン状リード板に容易に断面積の小さい部分を形成することができる。

本発明に係る電池の基本的な構造は、図１に示した従来提案に係る圧力スイッチ内蔵式の密閉形蓄電池と同一である。圧力スイッチの動作圧力（オン・オフ切り替え動作の圧力）は、特に限定されるされるものではないが、円筒形のニッケル水素蓄電池やニッケルカドミウム電池においては１．７〜２．８ＭＰａとするのが好ましい。該動作圧力が１．７ＭＰａ未満では充電中断時間が長くなり、急速充電を行ったときに満足できる充電が出来ない虞がある。また、該動作圧力が２．８ＭＰａを超えると充電中に電池の温度が上昇して電池性能の劣化を招く虞がある。該動作圧力は、主として図１に示したバネ７の弾性係数を選択することによって調整することができる。

本発明に係る電池においては、前記リード板４の折り曲げ部分や湾曲部分の少なくとも１箇所に、リード板の長手方向に対して垂直な断面の断面積が小さい部分を設ける。該断面積の小さい部分を設けることによって折り曲げ部分や湾曲部分のリード板の剛性を低減し、従来のリード板に比べて幅や厚さが大きいリード板を用いた場合においてもリード板と正極板の基板との接合箇所、リード板と第１導電部材の接合箇所のに加わるストレスを抑制することができる。かつ、断面積の小さい部分が局部に限定されているのでリード板の電気抵抗が増大するのを防ぐことが出来る。

アルカリ蓄電池の場合、リード板には耐アルカリ電解液性に優れたニッケル製のリード板を用いるのが一般的である。ＡＡサイズの円筒形電池を例に採ると、適用するリード板の厚さを従来と同じく０．１〜０．２ｍｍに設定した場合、リード板の幅を従来のリード板の幅に比べて大きい４〜６ｍｍに設定することが好ましく５〜６ｍｍに設定することが好ましい。
また、リード板の幅を従来と同じく３〜４ｍｍに設定した場合、リード板の厚さを従来に比べて厚い０．２〜０．５ｍｍに設定することが好ましく、０．３〜０．５ｍｍに設定することがさらに好ましい。

前記リード板に断面積の小さい部分を設ける方法は、特に限定されるものではない。
図２は、リード板の長手方向に対して垂直な切り欠き部分を設けたリード板の形状を示す図であり、図２（イ）はリード板の平面図であり、図２（ロ）は図２（イ）のＡ−Ａの切断面を示す断面図である。このようにリード板に、リード板の長手方向に対して垂直な切り欠き部分を設けるのが簡便で有効な方法である。リード板が繋がっている接続部分の幅ｗ′とリード板の幅ｗの比（ｗ′／ｗ）を０．３〜０．７とすることが好ましい。該比が０．３未満ではリード板の電気抵抗が大きくなったり、機械的強度が小さい欠点が生じる虞があり、０．７を超えるとリード板の剛性を低減する効果が乏しい虞がある。なお、本発明においては、図２（イ）に示したように、リード板の両側辺から中央に向かって２つの切り欠きを設けてもよいし片側の側辺から中央に向かって１つの切り欠きを設けてもよい。また、図２（イ）に示した切り欠きの先端形状は半円形であるが、該形状は特に限定されるものではない。

リード板の電気抵抗の増大を抑制する上から、切り欠きの幅ｌを打ち抜き加工など加工が容易な範囲でなるべく小さくすることが好ましい。具体的にはｌを１ｍｍ以下にするのが好ましく、０．３〜０．５ｍｍとするのがさらに好ましい。
図には示さないが、本発明においては図２に示した切り欠きに替えて、リード板に刃物で線状の切り込みを付けるのも有効な方法である。該方法は、前記切り欠きの幅ｌを極限にまで小さくできる点で好ましい方法である。但し、該切り込みを付ける方法は、切り込みの先端を起点にしてリード板に裂けが生じ易い虞があり、切り込みを付けるに際して、リード板に剪断応力が加わらないようにすることが好ましい。

図３は、リード板に断面積の小さい部分を局部的に設ける別の実施形態を示す図である。
図３（イ）はリード板４の平面図であり、図３（ロ）は側面図である。図３に示すように、リード板４に、リード板の長手方向に対して垂直な肉薄部分４′を設けるのが簡便で有効な方法である。
該肉薄部分４′の厚さｔ′のリード板４の厚さｔに対する比（ｔ′／ｔ）は、特に限定されるものではないが、該比を０．３〜０．７とすることが好ましい。該比が０．３未満ではリード板の電気抵抗が大きくなったり、機械的強度が小さい欠点が生じる虞があり、０．７を超えるとリード板の剛性を低減する効果が乏しい虞がある。また、肉薄部分の距離ｌ′は０．５〜１ｍｍが好ましい。該ｌ′が０．５ｍｍ未満ではリード板の剛性を低下させる効果が発揮されない虞があり、１ｍｍを超えるとリード板の電気抵抗を増大させる虞がある。

前記肉薄部４′を設ける方法は、特に限定されるものではなく、切削加工やプレス加工を適用することができる。なお、プレス加工を適用した場合はプレスされた部分（肉薄部分４′）の硬度が増すので、プレス加工を施した後にリード板４をアニールし、硬度を低下させることが好ましい。なお、本発明においては、図３（ロ）に示したようにリード板の片面に凹部を設けることによって肉薄部分４′を形成してもよいし、両面に凹部を設けてもよい。また、図３（ロ）に示した凹部の断面形状は半円形であるが、該形状は、特に限定されるものではない。

円筒形電池の場合、リード板４と正極板１０の接合部分１４において、リード板４が極板群の曲率と同じ曲率で反る。図４は、図１に示したリード板４と正極板１０の接合部分１４の上部に位置するリード４の湾曲部分１６を図の上方から見た図である。上方から見ると、接合部分１４には正極板の曲率に沿って反りが生じる。該反りがある状態でリード板を湾曲させようとすると湾曲部に大きなストレスが発生する。リード板４の幅が大きくすると反りも大きくなるために、大きなストレスが発生し易い。図２に示したようにリード板に切り欠きを設け、リード板の繋がり部分（図２、図４の４′で示した斜線を施した部分）の幅を小さくすることにより湾曲部分１６に生じるストレスを低減することができる。このように、湾曲部分を境にしてリード板の一方の側に反りがある場合、前記図２に示したようにリード板に切り欠きを設けるのが有効である。

前記図１に示した圧力スイッチであってオン・オフ切り替え動作圧力が２．２ＭＰａの圧力スイッチを内蔵した外形寸法がＡＡサイズであって、容量が２２００ｍＡｈの密閉形ニッケル水素電池を、本発明に係る実施例２０個、比較例１、比較例２に係る電池を２０個づつ作製した。
（実施例）
第１導電部材と正極板を結ぶリード板に幅５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ、長さ１３ｍｍのニッケル製のリード板を適用した。リード板の一端は、第１導電部材に溶接し、他端は発泡ニッケル製の正極板の基板（基板のリード板との接合部分の活物質を予め除去した）に溶接した。リード板の折り曲げ部分１５および正極板との接合部分１４の上方に位置する湾曲部分１６には図２に示すようにリード板の両側面から中央に向かって長さ１．５ｍｍ（ｗ′が２ｍｍ）、幅（ｌ）が０．５ｍｍの切り欠きを設けた。
該例を実施例とする。

（比較例１）
前記実施例において第１導電部材と正極板を結ぶリード板に幅３．５ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍ、長さ１３ｍｍのニッケル製であって切り欠き部を設けていないリード板を適用した。それ以外は実施例と同じ構成とした。該例を比較例１とする。
（比較例２）
前記実施例において、第１導電部材と正極板を結ぶリード板に、寸法が実施例と同じであって、切り欠き部を設けていないリード板を適用した。該例を比較例２とする。

比較例２は、封口のリード板と正極板の基板の接合部分に大きなストレスが加わったためか、封口の過程で２０個中６個前記接合部位分が破壊（接合が外れたり、基板が裂けたりした）され、試験が不能であった。

（急速充電試験）
実施例および比較例（比較例２についてはリード板と正極板の基板の接合部分が破壊されていないもののみ）に係る電池の容量を以下の手順で測定した。化成済みの電池を周囲温度２０℃において０．２２Ａ（０．１ＩｔＡ）で１５時間充電したのち１時間放置し、ついで、０．４４Ａ（０．２ＩｔＡ）で電池電圧が１Ｖ／セルになるまで放電して放電時間と電流値からえたＡｈ容量を電池の通常充電時容量とした。次いで、同周囲温度において放電を終了した電池を１．６Ｖ／セルで１５分間定電圧充電したのち、３０分間放置し、ついで、０．４４Ａ（０．２ＩｔＡ）で電池電圧が１Ｖ／セルになるまで放電し、急速充電時容量とした。そして急速充電時容量の通常充電時容量に対する比率を該電池の急速充電時の充電受け入れ率とし、急速充電時の充電受け入れ性能を測る指標とした。なお、実施例電池、比較例電池各々５づつの電池の側面の正極端子側近傍に温度センサーを取り付け試験中の温度をモニターした。なお充電開始直後には約１５Ａ（６〜７ＩｔＡに相当）という大きな充電電流が観測された。

表１に急速充電試験結果を示す。なお、表１には、実施例１及び比較例１については２０ケの電池、比較例２については１４ケの電池の平均値を示した。

表１に示したように、実施例１及び比較例２は比較例１に比べて充電受け入れ率が高く、且つ、充電時の電池表面の到達温度も低い。実施例１及び比較例２においては、リード板の電気抵抗が低いために、急速充電を行ったときに正負極の分極が低減され、ガス発生などの副反応が抑制されたために充電受け入れ率が高くなったものと考えられる。また、実施例１及び比較例２においては副反応が抑制されたことと充電中にリード板で発生するジュール熱が抑制されたために電池の温度上昇が抑制されたものと考えられる。また。急速充電を行っても実施例の急速充電受け入れ率、電池の到達温度が比較例２とほぼ同じ値であるところから実施例においてリード板に設けた切り欠きが急速充電性能に悪影響を及ぼしていないことが分かった。これは、切り欠きの幅（ｌ）を極力小さくして、切り欠きを設けたことによってリード板の電気抵抗が増大しないようにしたためと考えられる。
なお、実施例において、電池の温度上昇が抑制されるところから、急速充電を繰り返し行っても電極の変質、劣化が抑制され、充放電サイクル性能向上にとっても有効であると予想された。

（充放電サイクル試験）
急速充電試験終了後の電池（実施例、比較例１、各２０ケ、比較例２、１４ケ）を、周囲温度２０℃において１．６Ｖ／セルで１５分間定電圧充電したのち、３０分間放置し、ついで、２．２Ａ（１ＩｔＡ）で電池電圧が１Ｖ／セルになるまで放電し、該充放電を１サイクルとして１００サイクル充放電を繰り返し実施し、この間充放電が正常に実施出来るか否かを調べた。また、実施例及び比較例１については、１００サイクル以降もサイクルを繰り返し行い、放電容量がサイクル試験の１サイクル目の放電容量の８０％に低下したサイクル数をもって該電池のサイクル寿命とした。

表２に充放電サイクル試験結果を示す。

表２に示したように、実施例１、比較例１においては充放電が不能となる異常が発生しなかったのに対して、比較例２においては１４ヶ中５ヶが充放電不能になった。該５ケの電池を解体したところ、何れの電池もリード板と正極板の基板（発泡ニッケル）の接合部分に破壊（接合が外れたり、基板が裂けたりして回路が断線）が認められた。比較例２においてはリード板の電気抵抗を低減するためにリード板の幅、厚さを大きくしたためにリード板の剛性が大きくなり、圧力スイッチが動作して第１導電部材１が上下方向に位置を変える毎に前記接合部分に大きなストレスが加わって接合部分が破壊に至ったものと考えられる。

表２に示したように、比較例１に比べて実施例１のサイクル寿命が優れている。これは、前記の如く、実施例においては急速充電を行った時に充電中の電池の温度上昇が抑制されるところから、急速充電を繰り返し行っても電極の変質、劣化が抑制されたために、充放電サイクル性能が良かったものと考えられる。

本発明は、ニッケルカドミウム蓄電池にも勿論適用することができる。しかし、ニッケルカドミウム蓄電池と比較して急速充電を実施し難いとされているニッケル水素蓄電池に適用すれば得られる効果が大きい。

本発明の密閉型蓄電池の構造は、初期に大電流を付加できる方式、例えば定電圧方式等において特に顕著な効果を発揮する。

本発明によれば、エネルギ密度を高く設計した密閉形アルカリ蓄電池特にニッケル水素電池の寿命特性と急速充電特性および信頼性とを向上させることができ、産業上の利用価値の高いものである。また、大電流による急速充電で充電時間の短縮が可能となり、小型電子機器類の発展を支えることができる。

本発明の一実施形態に係る密閉形蓄電池の要部の縦断面図である。 本発明の一実施形態に係るリード板の要部の形状を示す図である。 本発明の別の実施形態に係るリード板の要部の形状を示す図である。 本発明の一実施形態に係るリード板の湾曲部の形状を示す図である。

符号の説明

２ 第１導電部材
３ 第２導電部材
４ リード板
４′リード板の断面積の小さい部分
５ 正極端子
９ 極板群
１０ 正極板

Claims (3)

1. 少なくとも一方の極板と外部端子を接続する回路に、蓄電池の内部の圧力が規定値を超えて上昇したときに前記回路をオンからオフに切り替え、蓄電池内部の圧力が規定値以下に下降したときに前記回路をオフからオンに切り替える圧力スイッチ機能を内蔵した蓄電池であって、前記スイッチが蓄電池内部の圧力に応じて位置を変える第１導電部材と位置が固定された第２導電部材を備え、前記第１導電部材と一方の極板がリボン状リード板によって接続され、該リード板に折り曲げ部分や湾曲部分を設けることによって撓み代を付与した密閉形蓄電池であって、前記リード板の折り曲げ部分や湾曲部分の少なくとも１箇所に、リード板の長手方向に対して垂直な断面の断面積が小さい部分を設けたことを特徴とする密閉形蓄電池。
2. 前記リボン状のリード板に、リード板の長手方向に対して垂直な切り欠き又は切り込みを設けることによって前記断面積の小さい部分を設けたことを特徴とする請求項１に記載の密閉形蓄電池。
3. 前記リボン状のリード板に、リード板の長手方向に対して垂直な肉薄部分を形成することによって前記断面積の小さい部分を設けたことを特徴とする請求項１に記載の密閉形蓄電池。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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