JP5137438B2

JP5137438B2 - 円筒形電池

Info

Publication number: JP5137438B2
Application number: JP2007087640A
Authority: JP
Inventors: 義和宇治宮
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: JP2008251206A

Description

本発明は円筒形電池に関する。

円筒形電池には、アルカリ電池等の一次電池やニッケル水素二次電池等の二次電池があり、例えば、ニッケル水素二次電池は、携帯用電子機器や電機自動車のバッテリ等に広く使用されている。
円筒形電池は、その外装缶内に発電要素としての正極板、負極板及び電解質が収容され、外装缶の開口端部は封口体により密閉されている（特許文献１）。

より詳しくは、封口体は、円板形状の封口板と、封口板と外装缶の開口端部との間に配置される絶縁ガスケットとを含み、開口端部と封口板の外周部との間は絶縁ガスケットによりシールされる。
封口板はその中央にガス抜き孔を有し、封口板の外面上には、ガス抜き孔を塞ぐように、弾性材料からなる弁体が配置され、更に、弁体を覆うようにカップ状の端子が固定されている。弁体は、封口板に対し、圧縮された状態で押し付けられ、所定の作動圧までガス抜き孔を閉塞する。すなわち、封口体は、安全弁としての機能を有する。
特開２００２−９３４５５号公報

電池の高容量化に伴い、発電要素を収容するための容積を増大すべく、封口板の厚さは削減されており、封口板は、例えば０．４ｍｍの厚さを有する。
しかしながら、封口板の厚さが０．４ｍｍになると、電池内の圧力が上昇したときに、封口板が外側に反ってしまう。封口板が反ると、弁体の圧縮率が高くなり、作動圧も上昇してしまう。この傾向は、電池内圧が３．０ＭＰａを超えると顕著になるため、３．０ＭＰａを超える範囲では、作動圧の微調整が困難になっていた。

本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、電池の高容量化に伴い、発電要素を収容するための容積を増大すべく、封口板の厚さは削減したときに、封口板の反りを抑制することにより安全弁の作動圧上昇が抑制された円筒形電池を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、開口端部を有する円筒状の外装缶と、前記外装缶内に収容された発電要素と、前記外装缶の前記開口端部内に配置された封口板と、前記外装缶の開口端部と前記封口板との間に設けられ、前記開口端部をかしめることにより前記封口板の外周部と前記開口端部との間をシールする電気絶縁性の環状のガスケ
ットと、前記封口板の中央に形成されたガス抜き孔と、前記封口板の外面上に圧縮された状態で配置され、前記ガス抜き孔を作動圧まで閉塞する弾性材料からなる弁体と、前記弁体を覆うカップ状の端子とを備え、前記封口板は、前記外周部よりも径方向内側に、前記外周部よりも厚い厚肉部を有し、前記厚肉部と前記外周部との間に、径方向外側に向かうに連れて厚さが小さくなるテーパ部を更に有し、前記テーパ部のテーパ角は４５度以下であることを特徴とする円筒形電池が提供される（請求項１）。

好ましくは、前記厚肉部の外径は、前記封口板の外径の６５％以上である（請求項２）。

本発明の請求項１の円筒形電池では、封口板が厚肉部を有するため、内圧が上昇したとしても、封口板の反りが抑制される。これにより、この円筒形電池では、内圧上昇に伴う弁体の圧縮率の増大が抑制され、作動圧の上昇が抑制される。この結果として、この円筒形電池では、設定された作動圧が３ＭＰａを超えていても、設定した作動圧にて安全弁が確実に作動する。
厚肉部と外周部との間にテーパ角が４５度以下のテーパ部を設けたため、封口板に衝撃等が加わったときに、厚肉部と外周部との境界近傍での応力集中が緩和される。この結果として、この円筒形電池の封口板は、強度が確保され変形し難い。
また、厚肉部と外周部との間にテーパ角が４５度以下のテーパ部を設けたため、封口板に衝撃等が加わったときに、厚肉部と外周部との境界近傍での応力集中が緩和される。この結果として、この円筒形電池の封口板は、強度が確保され変形し難い。

一方、この円筒形電池では、封口板の外周部を厚くする必要が無いため、封口板の外周部を挟んでいる外装缶の部分の高さが増大することはない。この結果として、外装缶の外形寸法が同一であれば外装缶内の容積が十分に確保され、この円筒形電池は高容量化に適する。
請求項２の円筒形電池では、厚肉部の外径が封口板の外径の６５％以上であるため、内圧上昇に伴う封口板の反りが確実に抑制される。この結果として、この円筒形電池では、内圧が上昇したときに、作動圧の上昇が確実に抑制される。

以下、本発明の一実施形態に係る円筒形電池として、単三サイズのニッケル水素二次電池について説明する。
図１に示したように、ニッケル水素二次電池は、容器として有底円筒状の外装缶２を備え、外装缶２内には、発電要素としての正極板４、負極板６及びアルカリ電解液（図示せず）が収容されている。

これら正極板４及び負極板６は、セパレータ８を介して渦巻き状に巻回されることで略円筒状の電極群１０を形成しており、電極群１０の最外周は負極板６の一部（最外周部）により形成されている。負極板６の最外周部が外装缶２の内周壁と接触することで、負極板６と外装缶２とは互いに電気的に接続されている。なお、電極群１０と外装缶２の底壁との間には、円板形状の絶縁部材１１が配置されている。

外装缶２の開口端側において、電極群１０の正極板４からは、正極リード１２が延びている。正極リード３０の先端は、後述する封口板１４の内面に溶接されている。なお、封口板１４と電極群１０との間には円板形状の絶縁部材１５が配置され、正極リード１２は、絶縁部材１５に形成されたスリットを貫通している。
なお、負極板６は、例えばパンチングメタルからなる導電性の負極基板を有し、負極基板の両面には、負極活物質層が形成されている。負極活物質層は、主成分としての水素吸蔵合金粉末と、結着剤と、必要に応じて導電剤等とを含む。水素吸蔵合金粉末は、負極活物質としての水素を電気化学的に吸蔵又は放出可能である。

また、正極板４は、例えば、３次元の網目状構造を有したニッケル多孔体からなる導電性の正極基板を有し、正極基板には正極合剤が充填されている。正極合剤は、主成分としての正極活物質、つまり、水酸化ニッケル粉末と、結着剤と、必要に応じて導電剤等とを含む。
外装缶２の開口端部は、安全弁としての機能を備えた封口体１６により密閉され、封口体１６は、円板形状をなす封口板１４を有する。封口板１４の材料としては、例えば、鉄製の板にニッケルめっきが施されたものを用いることができる。封口板１４は、外装缶２の開口端部に囲まれる一方、中央にガス抜き孔１４ａを有する。封口板１４の外面には、ガス抜き孔１４ａを閉塞するように弁体２０が配置され、弁体２０は、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）等の弾性材料からなり、略円柱状の形状を有する。

更に、封口板１４の外面上には、弁体２０を覆うフランジ付きの円筒状の正極端子２１が溶接により固定されている。正極端子２１は、弁体２０を封口板１４に対し押し付けており、弁体２０は圧縮された状態にある。
なお、正極板４と正極端子２１との間は、正極リード１２及び封口板１４を介して電気的に接続されている。

また、封口体１６は、封口板１４と外装缶２の開口端部との間に配置された環状のガスケット２２を有する。ガスケット２２は例えばナイロン樹脂からなり、電気絶縁性を有する。封口体１６の封口板１４は、ガスケット２２を介して、かしめ加工された外装缶２の開口端部に固定され、封口板１４の外周部１４ｂと外装缶２の開口端部との間はガスケット２２によりシールされている。

より詳しくは、図２及び図３に示したように、封口板１４は、径方向でみて、ガス抜き孔１４ａから所定の径方向位置にまで渡る環状の厚肉部１４ｃを有する。厚肉部１４ｃの厚さＴ１は、外周部１４ｂの厚さＴ２よりも大きく、厚さＴ１は、厚さＴ２の１２５％以上１７５％以下であるのが好ましい。また好ましくは、厚肉部１４ｃの外径Ｄ１は、外周部１４ｂの外径Ｄ２、即ち封口板１４の外径の６５％以上である。

また、封口板１４にはテーパ部１４ｄが設けられる。テーパ部１４ｄは、径方向でみて、厚肉部１４ｃと外周部１４ｂとの間に設けられ、テーパ部１４ｄの厚さは、径方向外側に向かうに連れて減少する。テーパ部１４ｄのテーパ角θは、４５度以下である。
上述した封口板１４は、板状の材料をプレス成形することにより作製することができる。なお、図２及び図３では、厚肉部１４ｃは段付けられているが、段付けられていなくて
もよい。

上述した円筒形電池では、電池の内圧が作動圧まで上昇すると、弁体２０が更に圧縮されてガス抜き孔１４ａが開き、電池内のガスが外部に放出される。これにより、電池の内圧が異常に上昇するのが防止される。
また、この円筒形電池では、封口板１４が厚肉部１４ｃを有するため、内圧が上昇したとしても、封口板１４の反りが抑制される。これにより、この円筒形電池では、内圧が上昇したときに、弁体２０の圧縮率が増大するのが抑制され、作動圧の上昇が抑制される。この結果として、この円筒形電池では、組立て時における弁体２０の圧縮率に基づいて設定される作動圧が３ＭＰａを超えていても、設定された作動圧にて安全弁が確実に作動する。

一方、この円筒形電池では、封口板１４の外周部１４ｂを厚くする必要が無いため、封口板１４の外周部１４ｂを挟んでいる外装缶２の部分の高さが増大することはない。この結果として、外装缶２の外形寸法が同一であれば外装缶２内の容積が十分に確保され、この円筒形電池は、高容量化に適する。
更に、上述した円筒形電池では、厚肉部１４ｃの外径Ｄ１が外周部１４ｂの外径Ｄ２の６５％以上であることにより、内圧が上昇したときに、封口板１４の反りが確実に抑制される。この結果として、この円筒形電池では、内圧が上昇したときに、作動圧の上昇が確実に抑制される。

また更に、上述した円筒形電池では、厚肉部１４ｃと外周部１４ｂとの間にテーパ角θが４５度以下のテーパ部１４ｄを設けることにより、封口板１４に衝撃等が加わったときに、厚肉部１４ｃと外周部１４ｂとの境界近傍での応力集中が緩和される。この結果として、この円筒形電池の封口板１４は強度が確保され、変形し難い。

１．作動圧の評価方法
表１に示したように、厚肉部及び外周部の厚さがそれぞれ０．６ｍｍ、０．４ｍｍであり、外周部の外径に対する厚肉部の外径の比率（外径比率）が異なる封口板を用いて、実施例１〜１５の封口体をそれぞれ３０個ずつ組み立てた。このとき封口板の外径及びテーパ部のテーパ角は、いずれも共通で、それぞれ１２．７ｍｍ、４０度であった。ＥＰＤＭ製の弁体の外径も共通であり、３．５ｍｍであった。また、正極端子の外径は５．５ｍｍで共通であったが、高さの異なる正極端子を用いることで、表１に示したように、弁体の圧縮率を変化させた。

また、表１に示したように、厚肉部を有さず、厚さが０．４ｍｍで一定の封口板を用いたこと以外は実施例１〜５と同様にして、比較例１〜５の封口体を組み立てた。
組み立てた実施例１〜１５及び比較例１〜５の各封口体を、図４に示したワークホルダに固定し、ワークホルダ内に、窒素ガスボンベからレギュレータを通じて窒素ガスを導入した。これにより正極端子とは反対側から封口体に圧力を加え、安全弁の作動圧を測定した。なお、作動圧は、封口体の正極端子周辺に石鹸水を滴下しておき、泡が発生したときの圧力表示計の値として測定した。測定結果を、３０個の平均値として表１及び図５に示す。

２．強度測定方法
表２に示したように、テーパ角の異なる封口板を用いて封口体を組立てた。そして、得られた封口体を用いて、実施例１６〜１７、参考例１〜２として、単三サイズの円筒形ニッケル水素二次電池をそれぞれ５個ずつ製造した。このとき封口板の外径はいずれも共通で、１２．７ｍｍであった。封口板の厚肉部及び外周部の厚さもいずれも共通で、それぞれ０．６ｍｍ、０．４ｍｍであった。ＥＰＤＭ製の弁体の外径も共通であり、３．５ｍｍであった。また、正極端子の外径は、５．５ｍｍで共通であった。

一方、比較例として、厚肉部を有さず、厚さが０．４ｍｍで一定の封口板を用いたこと以外は実施例１６の場合と同様にして、比較例６の単三サイズの円筒形ニッケル水素二次電池を５個製造した。
得られた実施例１６〜１７、参考例１〜２及び比較例１の円筒形ニッケル水素二次電池を、正極端子を下に向けて、１ｍの高さから落下させた。落下前後での各電池の高さの変化量（全高変化量）を、５個の平均値として表２に示す。

３．評価結果
表１、表２及び図５から、以下のことが明らかである。
（１）実施例１〜１５と比較例１〜５とを比べると、封口板の中央に厚肉部を設けることにより、３．０ＭＰａ以上の領域でも、封口板の反りによる作動圧の上昇が抑制されることがわかる。特に、外径比率が６５％以上の実施例１〜１０では、作動圧の上昇が抑制され、弁体圧縮率に対して平均作動圧力が比例していることがわかる。
（２）実施例１６〜１７、参考例１〜２と比較例６とを比べると、テーパ部の角度を４５度以下にすることで、全高変化量の増加が抑制されていることがわかる。これは、４５度以下のテーパ部を設けたことで、落下の衝撃が厚肉部と外周部との境界領域に集中するのが緩和され、封口板の強度低下が抑制されたためと考えられる。

本発明は上記した一実施形態及び実施例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、円筒形電池は、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、また一次電池であってもよい。更に電池の外径寸法も特に限定されることはない。
一実施形態では、封口板の中央に環状の厚肉部を形成したけれども、厚肉部の形状は環状でなくてもよい。ただし、封口板の反りを確実に防止するためには、厚肉部の形状は環状であるのが好ましい。

一実施形態では、外周部の外径に対する厚肉部の外径の比率の上限は、電池の外径寸法によって変化するが、電池の外径寸法の変化を防止するため、かしめ加工により外装缶の開口端部によって挟まれる領域の手前に設定される。

本発明の一実施形態に係るニッケル水素二次電池の縦断面図である。図１の電池に適用した封口板の断面図である。図２の封口板の平面図である。作動圧の測定方法を説明するための図である。作動圧の測定結果を示すグラフである。

符号の説明

２外装缶
８セパレータ
１０電極群
１４封口板
１４ａガス抜き孔
１４ｂ外周部
１４ｃ厚肉部
１４ｄテーパ部
１６封口体

Claims

開口端部を有する円筒状の外装缶と、
前記外装缶内に収容された発電要素と、
前記外装缶の前記開口端部内に配置された封口板と、
前記外装缶の開口端部と前記封口板との間に設けられ、前記開口端部をかしめることにより前記封口板の外周部と前記開口端部との間をシールする電気絶縁性の環状のガスケットと、
前記封口板の中央に形成されたガス抜き孔と、
前記封口板の外面上に圧縮された状態で配置され、前記ガス抜き孔を作動圧まで閉塞する弾性材料からなる弁体と、
前記弁体を覆うカップ状の端子と
を備え、
前記封口板は、前記外周部よりも径方向内側に、前記外周部よりも厚い厚肉部を有し、前記厚肉部と前記外周部との間に、径方向外側に向かうに連れて厚さが小さくなるテーパ部を更に有し、前記テーパ部のテーパ角は４５度以下であることを特徴とする円筒形電池。
前記厚肉部の外径は、前記封口板の外径の６５％以上であることを特徴とする請求項１に記載の円筒形電池。