JP2019153552A - アルカリ電池およびアルカリ電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長期保存性能に優れたアルカリ電池を提供する。【解決手段】下方を底部とした有底円筒状の電池缶２内に、環状の正極合剤３と、当該正極合剤の内側に配置される有底円筒状のセパレーター４と、当該セパレーターの内側に配置される負極ゲル５とが電解液とともに収納されており、電池缶の開口に負極端子板７が封口用のガスケット８ａを介して嵌着されてなり、電池缶と同軸に負極端子板の下面に取り付けられる棒状の負極集電子６ａを備え、封口ガスケットは、負極集電子が圧入状態で挿通されるボス孔８４ａを備え、負極集電子は、ボス孔に挿通されている領域において、当該負極集電子の上端がその下端に対して縮径されたテーパー状で、ボス孔は、その上端の開口径がその下端の開口径よりも縮径されているアルカリ電池１ａとしている。【選択図】図２

Description

本発明は、アルカリ電池およびアルカリ電池の製造方法に関する。

図１に、一般的な従来のアルカリ電池の一例としてＬＲ６型の円筒形アルカリ電池１を示した。図１では、円筒軸１００の延長方向を上下（縦）方向としたときの縦断面図を示している。図１に示したように、アルカリ電池１は、有底筒状の金属製電池缶２、環状に成形された正極合剤３、この正極合剤３の内側に配設された有底円筒状のセパレーター４、亜鉛合金を含んでセパレーター４の内側に充填される負極ゲル５、この負極ゲル５中に挿入された金属製の負極集電子６、皿状の金属製負極端子板７、封口用のガスケット（以下、ガスケット）８などにより構成される。

ここで、電池缶２の底部側を下方として上下方向を規定することとすると、電池缶２は、電池ケースを兼ねるとともに、正極合剤３に直接接触することにより、正極集電体を兼ねる。また、電池缶２の底面には正極端子９が形成されている。皿状の負極端子板７は、フランジ状の縁がある皿状で、正極端子９を下方としたとき、その皿を伏せた状態で電池缶２の開口にガスケット８を介してかしめられている。

ガスケット８は、電池缶２と同軸の中空円筒状のボス部８１の周囲に円盤状の隔壁部８２が形成された形状を有し、隔壁部８２の外周は上方に立ち上がって壁面部８３が形成されている。負極ゲル５中に挿入された棒状の負極集電子６は、ボス部８１を上下方向に貫通するボス孔８４に挿通されている。また、負極集電子６の上端６１は、皿状の負極端子板７の下面７１に溶接されて立設固定されている。そして、負極端子板７、負極集電子６およびガスケット８は、封口体としてあらかじめ一体に組み合わせられており、ガスケット８の壁面部８３が、電池缶２の開口縁部と負極端子板７におけるフランジ状の縁との間に挟持されて電池缶２が封口される。なお、以下の非特許文献１には、アルカリ電池の基本的な構造や製造手順について記載されている。

ところで、ガスケット８の隔壁部８２には、例えば、ボス部８１と同心円をなす溝状の薄肉部８５が形成されており、負極端子板７の周囲にはアルカリ電池１の内方と外方とを連絡する通気孔７２が形成されている。薄肉部８５は、電池缶内にガスが発生して内圧が上昇した際に破断し、ガスを、通気孔７２を介して電池缶２の外方に放出させる。それによって、電池缶２の破裂や負極ゲル５などの内容物の噴出を防止している。

ＦＤＫ株式会社、"アルカリ電池のできるまで"、[online]、[平成３０年１月２４日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.fdk.co.jp/denchi_club/denchi_story/arukari.htm＞

近年、アルカリ電池には、災害時の備蓄用途としての性能が求められている。すなわち、長期保存性能の向上が求められている。しかし、アルカリ電池は、電池を長期に保存した際に、上述した負極端子板の通気口から進入した水分が負極集電子の上端側と接触することで発生するＯＨ⁻イオンに起因して、電解液がボス孔と負極集電子との界面を毛細管現象によって這い上がる現象、所謂クリープ現象が発生する。そして、クリープ現象によってボス孔の上端まで這い上がった電解液が負極端子板の通気孔を介して電池缶外へ漏出する漏液が発生する。

そこで、本発明は、クリープ現象に起因する漏液を抑制し、長期保存性能に優れたアルカリ電池とそのアルカリ電池の製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、下方を底部とした有底円筒状の電池缶内に、環状の正極合剤と、当該正極合剤の内側に配置される有底円筒状のセパレーターと、当該セパレーターの内側に配置される負極ゲルとが電解液とともに収納されており、前記電池缶の開口に負極端子板が封口用のガスケットを介して嵌着されてなるアルカリ電池であって、
前記電池缶と同軸に前記負極端子板の下面に取り付けられる棒状の負極集電子を備え、
前記封口ガスケットは、前記負極集電子が圧入状態で挿通されるボス孔を備え、
前記負極集電子は、前記ボス孔に挿通されている領域において、当該負極集電子の上端がその下端に対して縮径されたテーパー状で、
前記ボス孔は、その上端の開口径がその下端の開口径よりも縮径されている、
ことを特徴とするアルカリ電池としている。

前記ボス孔の下端の開口径に対する上端の開口径の比、および前記負極集電子の前記領域の下端の径に対する上端の径の比が７９％以下であるアルカリ電池とすれば好ましい。前記負極集電子の上端が前記負極端子板の下面に溶接されており、当該負極集電子の上端の径は０．６ｍｍ以上であるアルカリ電池としてもよい。

本発明のその他の態様は、上記いずれかに記載のアルカリ電池の製造方法であって、当該製造方法は、
前記負極集電子を、下方から前記ボス孔に挿入するステップと、
前記負極集電子の上端と前記負極端子板の下面とを接合するステップと、
を含むことを特徴としている。

本発明によれば、ガスケットのボス孔と負極集電子との界面におけるクリープ現象に起因する漏液の発生が抑制されて、長期保存性能に優れたアルカリ電池と、そのアルカリ電池の製造方法が提供される。なお、その他の効果については、以下の記載によって明らかにする。

一般的なアルカリ電池を示す図である。 本発明の実施例に係るアルカリ電池を示す図である。 実施例に係るアルカリ電池の要部拡大図である。

本発明の一実施形態について、添付図面を参照しつつ以下で説明する。なお、説明に用いた以下の図面においては、同一又は類似の部分に同一の符号を付すことによって、重複する説明を省略することがある。また、図面によっては、説明の際に不要な符号を省略することがある。

＝＝＝実施例＝＝＝
図２に本発明の実施例に係るアルカリ電池１ａの縦断面を示した。また、図３に、図２において点線の矩形領域１０１で示した要部の拡大図を示した。なお、図２、図３においても、図１と同様にアルカリ電池１ａにおける上下の各方向を規定することとする。図２に示したように、アルカリ電池１ａの基本的な構成は、図１に示した一般的なアルカリ電池１と同様である。すなわち、有底円筒状の電池缶２、正極合剤３、セパレーター４、負極ゲル５、負極集電子６ａ、負極端子板７、およびガスケット８ａを備える。しかし、図３に示したように、本実施例のアルカリ電池１ａでは、負極集電子６ａにおいて、ガスケット８ａのボス孔８４ａに挿通されている領域(以下、挿通領域とも言う)が、図１に示した一般的なアルカリ電池１とは異なり、上方が縮径されたテーパー状に形成されている。なお、本実施例のアルカリ電池１ａでは、負極集電子６ａの挿通領域から上方に露出する部分６２は、円柱状で、挿通領域の上端の径Ａを維持して上端に至る。負極集電子６ａの上端は平坦面になっている。

負極集電子６ａが挿通されるボス孔８４ａは、負極集電子６ａの挿通領域におけるテーパー形状に沿うように、その下端側の開口径に対し、上端側の開口径が縮径されている。すなわち、ボス孔８４ａと負極集電子６ａとが接触する界面は、下方を底部とした円錐台の側面を形成する。そして、ボス孔８４ａの内面と負極集電子６ａとの界面の縦断面は、傾斜した直線となる。一方、図１に示した一般的なアルカリ電池１では、ボス孔８４の内面と負極集電子６との界面は円筒の側面を形成し、ボス孔８４の内面の縦断面は、上下方向の直線となる。なお、ボス孔８４ａには負極集電子６ａが圧入された状態で挿通されるため、ボス孔８４ａの上端の径および下端の径は、それぞれ負極集電子６ａの挿通領域の上端の径Ｂおよび下端の径Ａよりも小さい。

したがって、本実施例のアルカリ電池１ａでは、電解液がクリープ現象によってボス孔８４ａの下端から上端にまで這い上がっていく経路が長くなる。例えば、図３に示したテーパーの角度θが３０゜であれば、一般的な円筒状の内面形状を有するボス孔８４に対して、這い上がり経路が２／（√３）倍となり、約１５％長くなる。そして、這い上がり経路が長くなれば、一般的なアルカリ電池１と比較して、電解液がボス孔８４ａの下端から上端に至るまでの時間がより長くなる。さらに、ボス孔８４ａの上端側が縮径されていることから、上方に向かって這い上がっていく電解液の出口が狭まり、電解液がボス孔８４ａの上端から漏出しにくくなる。結果として、漏液が発生し難くなる。

また、負極集電子６ａは、挿通領域においてその上端が下端に対して縮径しているため、上方に浮き上がることがない。また、負極集電子６ａの上端は、負極端子板７の下面７１に接合されているため、負極集電子６ａがボス孔８４ａから抜け落ちることもない。そして、本実施例のアルカリ電池１ａでは、ボス孔８４ａの内面形状と、ボス孔８４ａに圧入される負極集電子６ａの上端側の形状のみが一般的なアルカリ電池１と異なっているだけであり、製造コストを増加させることもない。

なお、本実施例のアルカリ電池１ａを製造する際には、ガスケット８のボス孔８４ａの下端側から負極集電子６ａを圧入し、ボス部の上端側に露出した負極集電子の上端を負極端子板の下面に溶接などによって接合させて、封口体をあらかじめ組み立てておけばよい。そして、電池缶２に正極合剤３、セパレーター４、および負極ゲル５を収納して電解液を充填した後、負極集電子６ａの下端側を負極ゲル５の中に挿入させつつ、封口体を電池缶２の開口部に装着し、電池缶２の開口部をかしめて電池缶２を密封すればよい。

＝＝＝長期保存性能＝＝＝
＜サンプル＞
上述した本実施例のアルカリ電池１ａによる長期保存性能を確認するために、サンプルとして、挿通領域がテーパー状に形成されている負極集電子６ａと、内面が各負極集電子６ａのテーパー状の形状に沿う形状に形成されているボス孔８４ａとを備えたガスケット８ａを用いてＬＲ６型のアルカリ電池（１、１ａ）を作製した。ここでは、図３に示したように、負極集電子６ａにおける挿通領域の下端の径Ｂに対して上端の径ａが異なる各種サンプルを作製した。また、比較例として、図１に示したように、上記径Ａと径ＢがＡ＝Ｂとなる一般的なＬＲ６型のアルカリ電池１もサンプルとして作製した。なお、サンプル毎に１００個の個体を作製した。

以下の表１にサンプルの作製条件を示した。

表１において、サンプル１が比較例であり、Ａ＝Ｂ＝１．４ｍｍとなっている。サンプル２〜９は、いずれもＢ＝１．４ｍｍと同一で、Ａ＜Ｂとなっている。また、表１では、負極集電子（６、６ａ）において、ボス孔（８４、８４ａ）に圧入されている領域の下端の径Ｂに対する上端の径Ａの比Ａ／Ｂが縮小率（％）として示されている。なお、各サンプルにおいて、ガスケット８ａのボス孔８４ａの下端の開口径に対する上端の開口径の比は、負極集電子６ａの縮小率に一致させている。

＜長期保存試験＞
表１に示した各サンプルに対し、温度６０℃で湿度９０％の高温多湿環境下で１００日間保存する長期保存試験を行った。長期保存性能については、試験開始から１０日間毎に漏液の有無を目視で確認し、漏液が発生した個体の数によって評価した。

以下の表２に各サンプルに対する試験結果を示した。

表２に示したように、比較例となるサンプル１では、試験開始から３０日経過後に、１本の個体に漏液が発生した。４０日経過後には漏液が発生した個体の累積個数が３本となった。そして、最終的に１００日後には漏液が発生した個体は１３本となった。

一方、テーパー状の負極集電子６ａを備えたサンプル２〜９のうち、テーパーの角度が最も小さく、縮小率が９３％のサンプル１では、試験開始から３０日経過した時点では、漏液が発生した個体がなかった。４０日経過後に２本の個体に漏液が確認され、最終的に１００日後には漏液が発生した個体は８本となり、サンプル１よりも長期保存性能が優れていることがわかった。縮小率が８６％のサンプル３では、試験開始後７０日が経過した時点では漏液が発生しておらず、８０日目で１本の個体に漏液が発生した。１００日経過後でも２本の個体にしか漏液が発生しなかった。そして、縮小率が７９％以下のサンプル４〜９では、試験開始から１００日が経過しても全ての個体において漏液が発生しなかった。

以上の試験結果より、負極集電子において、ボス孔に挿通されている領域の上端側が縮径されたテーパー状の負極集電子と、上端の開口径が下端の開口径よりも縮径されているボス孔とを備えたアルカリ電池は、長期に保存しても漏液が発生し難く、上記の縮小率が７９％以下のアルカリ電池は、確実に漏液を抑制することができる。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記縮小率は、挿通領域における上端側と下端側の径の比Ａ／Ｂであり、アルカリ電池１ａのサイズを等比変形させても普遍的に採用できるパラメーターである。すなわち、本発明の実施例に係るアルカリ電池１ａは、ＬＲ６型に限らず、円筒型であれば、他のサイズのアルカリ電池（ＬＲ２０型、ＬＲ１４型、ＬＲ０３型、ＬＲ１型など）にも適用可能である。

挿通領域の上端は、クリープ現象によって這い上がってきた電解液の出口であることから、当該上端の径Ｂが小さいほど、漏液がし難くなる。しかし、負極集電子６ａの上端は負極端子板７の下面に接合させる必要があることから、当該径６が小さすぎると、接合強度を確保することができない。そして、本発明者が径Ａ＜０．６ｍｍのサンプルの作製を試みたところ、Ａ＜０．６ｍｍでは接合強度に不安があることが知見された。したがって、溶接によって負極集電子の上端を負極端子板の下面に接合する場合には、挿通領域の上端の径Ａを０．６ｍｍ以上にすることが望ましい。

Claims (4)

1. 下方を底部とした有底円筒状の電池缶内に、環状の正極合剤と、当該正極合剤の内側に配置される有底円筒状のセパレーターと、当該セパレーターの内側に配置される負極ゲルとが電解液とともに収納されており、前記電池缶の開口に負極端子板が封口用のガスケットを介して嵌着されてなるアルカリ電池であって、
   前記電池缶と同軸に前記負極端子板の下面に取り付けられる棒状の負極集電子を備え、
   前記封口ガスケットは、前記負極集電子が圧入状態で挿通されるボス孔を備え、
   前記負極集電子は、前記ボス孔に挿通されている領域において、当該負極集電子の上端がその下端に対して縮径されたテーパー状で、
   前記ボス孔は、その上端の開口径がその下端の開口径よりも縮径されている、
   ことを特徴とするアルカリ電池。
2. 請求項１に記載のアルカリ電池において、前記ボス孔の下端の開口径に対する上端の開口径の比、および前記負極集電子の前記領域の下端の径に対する上端の径の比が７９％以下であることを特徴とするアルカリ電池。
3. 請求項１又は請求項２に記載のアルカリ電池において、前記負極集電子の上端は、前記負極端子板の下面に溶接されており、当該負極集電子の上端の径は０．６ｍｍ以上であることを特徴とするアルカリ電池。
4. 請求項１〜請求項３に記載のアルカリ電池の製造方法であって、
   前記負極集電子を、下方から前記ボス孔に挿入するステップと、
   前記負極集電子の上端と前記負極端子板の下面とを接合するステップと、
   を含むことを特徴とするアルカリ電池の製造方法。
   

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