特許 7513409 円筒形電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-01

(45)【発行日】2024-07-09

(54)【発明の名称】円筒形電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/28 20060101AFI20240702BHJP

   H01M 50/489 20210101ALI20240702BHJP

   H01M 50/474 20210101ALI20240702BHJP

   H01M 50/133 20210101ALI20240702BHJP

   H01M 50/107 20210101ALI20240702BHJP

   H01M 50/477 20210101ALI20240702BHJP

【ＦＩ】

H01M10/28 A

H01M50/489

H01M50/474

H01M50/133

H01M50/107

H01M50/477

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020051203

(22)【出願日】2020-03-23

(65)【公開番号】P2021150243

(43)【公開日】2021-09-27

【審査請求日】2023-02-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000237721

【氏名又は名称】ＦＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002664

【氏名又は名称】弁理士法人相原国際知財事務所

(72)【発明者】

【氏名】柴岡 浩行

【審査官】前田 寛之

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１３４８６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１４５７６８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ１０／００－１０／３９

Ｈ０１Ｍ ６／００－ ６／２２

Ｈ０１Ｍ５０／４０－５０／４９７

Ｈ０１Ｍ５０／１０－５０／１９８

Ｈ０１Ｇ１１／００－１１／８６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一端部が開口すると共に他端部が閉塞した底部となる円筒形状の外装缶と、
セパレータを介して渦巻き状に巻回されて前記外装缶に収容される正極板及び負極板を含む電極群と、
前記外装缶の一端部を閉塞する蓋材と、
耐アルカリ性を呈すると共に、前記外装缶の底部と前記電極群との間に配置されて前記底部を補強する補強板と、を有し、
前記外装缶の底部は、０．１０ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下の厚みを有し、
前記外装缶の円筒形の側面部の厚みと前記底部の厚みとの比は、１／２から２／３までの値となる、ことを特徴とする円筒形電池。

【請求項2】

前記補強板は、円形であり、前記補強板の直径は、前記外装缶の円筒の内径とほぼ同じである、請求項１記載の円筒形電池。

【請求項3】

前記外装缶の円筒形の側面部は、厚みが０．１２ｍｍ未満である、請求項１または２に記載の円筒形電池。

【請求項4】

前記補強板は、０．１０ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下の厚みを有する、請求項１または２に記載の円筒形電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、外装缶の底面部の強度が補強された円筒形電池に関する。

【背景技術】

【0002】

代表的な電池としては、円筒形アルカリ二次電池があり、その中でも、ニッケル水素電池は、大容量且つクリーンである等の理由によって、近年、需要が拡大している。

【0003】

円筒形アルカリ二次電池は、一端が開口した有底円筒状の外装缶を備える。外装缶の内部には電極群がアルカリ電解液とともに収容され、電極群は、セパレータを介して正極板及び負極板を渦巻状に巻回して形成される。外装缶を密封するため、外装缶の開口端には蓋材が配置され、蓋材の外周部を拘束するように、外装缶の開口端側の部位は、かしめ加工される。

【0004】

近年、電池の更なる高容量化や性能改良を行うために、外装缶の容量拡大が行われている。電池の外寸は、規格により決められているため、外装缶の容量拡大の一手段として、缶側面の厚みの薄肉化が主流である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００７－０６６７６２号公報

【文献】特開２００７－２３４３０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

外装缶の側面の厚みを薄くするためには、絞り加工を行う際、工程数を増加させて対応してきた。しかしながら、この方法では、プレス装置の金型取付スペースに限界があり、缶底部厚みに対し側面部の厚みを薄くするには限界があった。一方、側面部の厚みを薄くするために、本来の厚みが薄い鋼板を使用して外装缶を作ると、外装缶の底部に対し十分な強度を得ることが困難であった。

【0007】

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、外装缶の底部の強度を確保しつつも電池の容積を拡大させた円筒形電池を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の円筒形電池は、一端部が開口すると共に他端部が閉塞した底部となる円筒形状の外装缶と、セパレータを介して渦巻き状に巻回されて前記外装缶に収容される正極板及び負極板を含む電極群と、前記外装缶の一端部を閉塞する蓋材と、耐アルカリ性を呈すると共に、前記外装缶の底部と前記電極群との間に配置されて前記底部を補強する補強板と、を有することを特徴とする。

【0009】

上記構成により、外装缶内部でガスが発生したときに、外装缶の底部が補強板によって補強されるので、外装缶底部の膨らみが補強板の無い状態に比べて抑制される。従って、外装缶の加工に用いられる金属板を従前より薄いものを用いることができるので、外装缶の円筒部の肉厚を薄くすることができる。その結果、電池の容積を増やすことができる。

【0010】

好ましくは、前記補強板は、円形であり、前記補強板の半径は、前記外装缶の円筒の内径とほぼ同じである。係る構成により、外装缶内部でガスが発生したときに、外装缶の底部の強度を補強して、底部の膨らみを抑制することができる。

【0011】

好ましくは、前記外装缶の円筒形の側面部は、外径が１０．０ｍｍであり、且つ厚みが０．１２ｍｍ未満である。係る構成により、電池の容積を従来の電池に比べて増やすことができる。

【発明の効果】

【0012】

本発明の電池によれば、外装缶の側面部の肉厚を薄くできるので電池の容積を増大させ、電池の更なる高容量化や性能改善を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】一実施形態の円筒形電池の縦断面図である。

【図2】電池缶の部分断面図である。

【図3】（ａ）は補強板の正面図、（ｂ）は補強板の側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら以下に説明する。

【0015】

図１は、本発明に係る一実施形態の円筒形電池として、ニッケル水素二次電池を示す。

【0016】

この電池は、例えば高さが５０．５ｍｍで外径が１４．５ｍｍのＡＡサイズの円筒形電池であり、一端が開口した有底円筒形状をなす外装缶１０を備える。外装缶１０の底壁の外面は、導電性を有した負極端子として機能する。

【0017】

外装缶１０内には略円柱状の電極群１２が電解質としてのアルカリ電解液（図示せず）とともに収容され、電極群１２の一端と外装缶１０の底部との間には、補強板１４が配置されている。補強板１４と電極群１２の一端との間に、絶縁板（図示せず）を配置しても良い。なお、補強板１４が内部に配置された外装缶１０を電池缶１１と称す。

【0018】

電極群１２は、それぞれ帯状の正極板１６、負極板１８及びセパレータ２０からなり、渦巻状に巻回された正極板１６と負極板１８との間にセパレータ２０が挟まれている。即ち、セパレータ２０を介して正極板１６及び負極板１８が互いに重ね合わされている。電極群１２の最外周は負極板１８の一部（最外周部）により形成され、負極板１８の最外周部が外装缶１０の周壁の内面と接触することで、負極板１８と外装缶１０とは互いに電気的に接続されている。

【0019】

なお、正極板１６としては、焼結式又は非焼結式のニッケル電極を用いることができ、負極板１８としては、水素吸蔵合金電極を用いることができる。また、セパレータ２０としては、例えばポリオレフィン系繊維の不織布に親水基を付加したものを用いることができ、アルカリ電解液としては、例えば、水酸化カリウム水溶液、水酸化リチウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液又はこれらの混合溶液を用いることができる。

【0020】

電極群１２の他端に位置する正極板１６の部位には、正極リード２２の一端が接続され、正極リード２２の他端は、導電性を有する円形の蓋板２４の内面に溶接されている。蓋板２４は中央にガス抜き孔２６を有し、蓋板２４の外面上にはガス抜き孔２６を塞ぐようにゴム製の弁体２８が配置されている。更に、蓋板２４の外面上には、弁体２８を覆うフランジ付き円筒形状の正極端子３０が固定され、正極端子３０は弁体２８を蓋板２４に押圧している。なお、蓋板２４は蓋材の一例である。

【0021】

従って、通常時、ガス抜き孔２６は、弁体２８によって気密に閉塞される。一方、外装缶１０内でガスが異常に発生し、その内圧が高まった場合には弁体２８が圧縮され、ガス抜き孔２６を通して外装缶１０からガスが放出される。つまり、蓋板２４、弁体２８及び正極端子３０は、安全弁を形成している。

【0022】

蓋板２４は、外装缶１０の開口端に位置し、蓋板２４の外周部と外装缶１０の内周面との間には絶縁ガスケット３２が挟まれている。これら蓋板２４及び絶縁ガスケット３２は、電極群１２よりも開口端側の外装缶１０の部分をかしめ加工することによって外装缶１０の開口端に固定され、絶縁ガスケット３２によって、蓋板２４の外周部と外装缶１０との間が絶縁されるとともにシールされている。

【0023】

外装缶１０は、ニッケルメッキ鋼板を多段プレスにより、一端が開口すると共に他端が閉塞された底部となる有底円筒形状に成形され、円筒形状の側面部１０Ａと、底部１０Ｂとを有する。外装缶１０は、側面部１０Ａの厚みと底部１０Ｂの厚みとが異なっており、側面部１０Ａの厚みのほうが、底部１０Ｂの厚みよりも薄く成形される。底部１０Ｂは、円筒形状の側面部１０Ａの中心軸に対して直交する方向に延在する平面上に形成される。一実施の形態において、側面部１０Ａは、外径が１４．５ｍｍであり、その厚みは、０．１２ｍｍ未満であり、好ましくは０．１０ｍｍである。底部１０Ｂの厚みは０．１５ｍｍである。外装缶１０の内面又は外面には、必要に応じてＮｉめっき等の表面処理が施されていてもよいが、表面処理を行わずにニッケルメッキ鋼板そのものが露出していてもよい。外装缶１０には、内部に補強板１４が挿入された後、電極群１２が挿入され、その後、一端に蓋板２４が、かしめ加工によって取り付けられて閉塞される。

【0024】

図２に、電池缶１１の縦断面図を示す。補強板１４は、耐アルカリ性且つ所定の剛性を呈する素材からなり、図３に示すように、所定の厚みを有する円形の板である。補強板１４は、例えば、厚みを抑えたい場合は、ニッケルめっき鋼板やニッケル板、またはステンレス等の金属製が望ましい。一方、補強板１４としての厚みに対する条件が緩やかな場合は硬質ナイロン等の樹脂製でも良い。また、補強板１４は、直径が外装缶１０の底部１０Ｂ及び底部１０Ｂ近傍の側面部１０Ａと当接可能な寸法に形成される。補強板１４は、電池の組み立て時に、外装缶１０の一端から底部に向けて挿入され、外装缶１０の底部１０Ｂに載置される。即ち、補強板１４の直径は、側面部１０Ａの内径とほぼ同じである。一実施の形態において、補強板１４の厚みは０．１０ｍｍである。補強板１４は、外装缶１０の底部１０Ｂに溶接により固定されても良いが、溶接は必ずしも必要ではない。補強板１４は、電池が組み立てられると、外装缶１０の底部１０Ｂと電極群１２との間に位置する。

【0025】

補強板１４は、例えば外装缶１０内でガスが発生し、その内圧が高まったときに、外装缶１０の底部１０Ｂに向けて押圧されて底部１０Ｂと一体化する。その結果、電池缶の底部の厚みを増加させて、外装缶１０の底部１０Ｂの強度を補強する。また、補強板１４が底部１０Ｂに固定されている場合でも、電池缶１１の底部の厚みを厚くするので、その強度を補強する。

【0026】

電池は、外装缶１０の内部に電極群１２を挿入した後、正極リード２２の一端を正極板１６の所定部位に溶接し、蓋板２４を外装缶１０の開口端に配置してかしめ加工することによって電池が得られる。なお、アルカリ電解液は、電極群１２の挿入後、蓋板２４を材料缶４０の開口端に配置するまでの間に外装缶１０内に注入される。

【0027】

上記構成により、外装缶１０の底部１０Ｂは、強度が補強板１４によって補強されるので、電池内部にガスが発生した場合の電池缶１１の底部の外方への膨らみを抑制することができる。また、外装缶１０の加工に際し、従来よりも厚みの薄い鋼板を用いることができ、その結果、電池の容積を増加させることができる。従って、補強板１４によって外装缶１０の底部１０Ｂの強度を保持しながらも、側面部１０Ａの肉厚を薄くすることができる。これにより、電池容積が増加するので、電池の更なる高容量化や高性能化が実現される。

【実施例】

【0028】

１．電池の組み立て
ニッケルめっき鋼板を用いて単３電池（高さ５０．５ｍｍ及び直径１４．５ｍｍ）用の外装缶１０を多段プレスにて作成し、底部１０Ｂ、側面部１０Ａ及び補強板１４の各々の厚みを表１に示すように作成した。外装缶１０に、補強板１４を挿入し、次に電極群１２を挿入すると共にアルカリ電解液を封入し、外装缶１０の開口端部と蓋板２４とのかしめ加工により電池缶１１を封印して電池を作成した。なお、補強板による外装缶の底部の補強を行わない単３電池を比較例とした。

【0029】

２．底部の膨らみの評価
上記の単３電池に対し、電池側面に形成した穴を介して、電池缶１１の内部に窒素（Ｎ２）ガスを３ＭＰａ充填した状態で１分間放置し、大気圧に戻した後で、電池缶底部の膨れ量を測定した。電池缶底部の膨れ量は、窒素ガス封入前の底部１０Ｂに対し、側面部１０Ａの中心軸方向に外方に向けて膨らんだ長さを測定した。また、缶容積アップ率は、側面部の厚み０．１５ｍｍ、底部の厚み０．２５ｍｍであり補強板の無い外装缶を備えた比較例１の電池の容量を基準として、実施例１及び２の各々の缶容量の増加分を示す。

【0030】

【表1】

【0031】

３．評価結果
表１において、電池缶１１内部には３ＭＰａのガスが充填されたことにより、各実施例では、補強板１４が外装缶１０の底部１０Ｂを押圧するので、底部１０Ｂの厚みと補強板１４の厚みとを加算した厚みが、電池缶１１底部の厚みになると考えられる。これに対し、比較例では、外装缶１０の底部１０Ｂの厚みが、そのまま、電池缶１１の底部の厚みとなる。なお、缶容積アップ率については、比較例１である、側面部の厚み０．１５ｍｍ及び底部の厚み０．２５ｍｍの外装缶を有する電池の缶容積を基準として比較した。

【0032】

表１から以下のことが明らかとなる。
（１）実施例１及び２では、外装缶の側面部の厚みが同じになる比較例２及び３に比べて、電池缶底部の厚みを比較例２及び３よりは厚くできるので、電池缶底部の膨らみを抑制することができる。
（２）実施例１及び２の結果より、電池缶底部の厚みが０．２５ｍｍと比較例１と同じであり、さらに、電池缶底部膨れ量を比較例１と同様に０．１０ｍｍと低く抑えられながらも、外装缶の側面部の厚みを薄くできる。その結果、缶容積率を増大させることができる。

【0033】

上記実施の形態において、本発明をニッケル水素二次電池に適用した例について説明したが、本発明は、電極群を外装缶の内部に含む適宜の種類の電池に適用することができる。また、上記実施の形態では、単３形電池について記載したが、本発明は、適宜のサイズの電池に適用することができる。

【符号の説明】

【0034】

１ 円筒形電池
１０ 外装缶
１０Ｂ 底部
１２ 電極群
１４ 補強板
１６ 正極板
１８ 負極板
２０ セパレータ
２４ 蓋板

【図1】

【図2】

【図3】