JP5836178B2 - Alkaline battery - Google Patents
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Description
この発明はアルカリ電池に関する、具体的には、アルカリ電池の誤使用に基づく漏液や破裂を防止するための技術に関する。 The present invention relates to an alkaline battery, and more specifically to a technique for preventing leakage or rupture due to misuse of an alkaline battery.
ＬＲ６型などのアルカリ乾電池は、正極合剤、セパレータ、負極合剤からなるアルカリ発電要素が有底円筒状の金属製電池缶に収容されているとともに、その電池缶の開口部が樹脂製ガスケットを用いて気密封口された構造を基本としている。図１に、一般的なアルカリ電池１の構造を示した。図示したアルカリ電池１は、ＬＲ６型（単三型）の円筒形アルカリ電池１であり、円筒軸１００を含む面で切断したときの縦断面図を示している。当該電池１は、底部を下方にした有底円筒状の金属製電池缶（正極缶）２、リング状のコア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４、亜鉛合金を含んでセパレータ４の内側に充填される負極ゲル５、この負極ゲル５中に挿入された負極集電子６、負極端子板７、封口ガスケット８などにより構成される。この構造において、正極合剤３、セパレータ４、負極ゲル５が、電解液の存在下でアルカリ乾電池１の発電要素を形成する。
An alkaline battery such as the LR6 type has an alkaline power generation element composed of a positive electrode mixture, a separator, and a negative electrode mixture housed in a bottomed cylindrical metal battery can, and the opening of the battery can has a resin gasket. It is based on a structure that is hermetically sealed using. FIG. 1 shows a structure of a general
正極缶２は電池ケースであるとともに、正極合剤３が圧入されることで、この正極合剤３と直接接触し、正極集電体を兼ねる。そして正極缶２の底面には、外方に突設する正極端子部９が形成されている。正極合剤３は、例えば、電解二酸化マンガンを活物質として、導電材（黒鉛など）、およびバインダー（ポリアクリル酸など）を加えて混練したものリング状のコアに成形したものである。
The positive electrode can 2 is a battery case, and when the
負極ゲル５は、普通、亜鉛粉、ゲル化剤、酸化亜鉛、水酸化カリウム水溶液からなる電解液を含んで構成されており、この負極ゲル５中に棒状の金属製負極集電子６が挿入されている。当該負極集電子６は、上端が皿状の金属製負極端子板７の内面に溶接されて立設固定されている。負極端子板７、負極集電子６および封口ガスケット８は、あらかじめ一体に組み合わせられている。そして、封口ガスケット８の外周部が、正極缶２の開口の下方に形成されたビーディング部１０を座にして載置され、この状態で当該正極缶２の開口がかしめられることで、負極端子板７の周縁部がガスケット８の縁部を介して当該開口に嵌着される。それによって正極缶２が気密シールされる。
The
ガスケット８は、円板状の上面形状を有し、その円板表面には、同心円状の起伏が形成されている。その円板の中心には負極集電子６を挿通するためのボス部１１が形成されている。また、ボス部１１から周縁部１２に至る領域１３には、例えば、溝などによって薄肉となる部位が形成されており、この薄肉部は、何らかの原因で電池１内部の圧力が上昇した際には、この薄肉部位が先行破断することで、内圧を負極端子板７に穿設された穴１４から外部に開放して電池が破裂するのを防止する防爆安全機構として機能する。
The
ところで、上述したようなアルカリ電池１では、周知のごとく、充電器により逆方向の電流を流したり、３本以上の電池１を直列接続して使用する電子機器において１本だけ正極と負極を逆にする「逆装」状態で接続したりして「充電」すると、電池１の内部でガスが発生する。そして、充電状態が継続すれば、発生したガスにより正極缶２の内圧が上昇し、ガスケット８の防爆安全機構が作動して漏液に至る。急激にガスが発生すれば、内容物が外方に噴出、飛散し、防爆安全機構が作動したとしても破裂と同じ状態となる。なお、以下の特許文献１に記載されているアルカリ電池では、電池内部にダイオードとして機能するダイオード板が組み込まれており、電池内部の逆電流を遮断し、充電状態にあるアルカリ電池の漏液や破裂を防止している。
By the way, in the
上記の特許文献１に記載の技術では、電極端子の表面にダイオード板を積層させることで、逆方向の電流を遮断している。しかしながら、このダイオード板は、それ自体が抵抗体であり、電池本来の放電性能を劣化させる。もちろん、ダイオード板は、通常の電池とは別の部品であり、また、単価自体が安価なアルカリ電池に取っては、高価な部品である。そのため、コストアップを招く。また、電池の組み立て工程において、ダイオード板を組み付ける手順が別途追加されることになり、組み立てに要するコストも増加する。
In the technique described in
そこで本発明は、個別の部品を設けることなく、充電状態に置かれても逆電流に起因す漏液や破裂を防止できるアルカリ電池を提供することを主な目的としている。 Thus, the main object of the present invention is to provide an alkaline battery that can prevent leakage or rupture due to reverse current even if it is placed in a charged state without providing individual components.
上記目的を達成するための本発明は、上部が開口する有底円筒状の正極缶と、中空円筒状に成形されて当該正極缶内に挿嵌される正極合剤と、当該正極合剤の中空円筒内にセパレータを介して充填される負極ゲルと、前記正極缶の開口部にガスケットを介して嵌着される負極端子板と、下端を先端とした棒状金属で上端が前記負極端子板の下面にスポット溶接されているとともに先端側が前記負極ゲル内に挿入される負極集電子と、を備えたアルカリ電池であって、
前記ガスケットは、上面形状が円板状で、前記円板中心に前記負極集電子が圧入されるボス部を備え、
前記負極集電子には、前記負極ゲルとの接触界面に発生した気泡を捕捉するための凹部が前記先端から前記ボス部の下端までの領域に亘って分散配置され、
前記負極ゲルの粘度が８７Ｐａ・ｓ以上、１７１Ｐａ・ｓ未満であり、
前記負極集電子の前記先端から前記ボス部の下端までの表面積に対する前記凹部の開口面積の占有率が２０％より大きく、５２％未満であり、
正立状態にある前記正極缶の底部内面から前記ボス部の下端までの高さを１００％として、前記負極ゲルの充填量が９６％未満である、
ことを特徴とするアルカリ電池としている。
あるいは、前記負極ゲルの粘度を９０Ｐａ・ｓ以上、１７１Ｐａ・ｓ未満とし、前記負極集電子の前記先端から前記ボス部の下端までの表面積に対する前記凹部の開口面積の占有率を１９％以上、５２％未満としてもよい。
In order to achieve the above object, the present invention includes a bottomed cylindrical positive electrode can having an open top, a positive electrode mixture formed into a hollow cylindrical shape and inserted into the positive electrode can, and the positive electrode mixture A negative electrode gel filled via a separator in a hollow cylinder, a negative electrode terminal plate fitted via a gasket to the opening of the positive electrode can, and a rod-like metal having a lower end as a tip, the upper end of the negative electrode terminal plate A negative electrode current collector that is spot welded to the lower surface and the tip side is inserted into the negative electrode gel, and an alkaline battery comprising:
The gasket has a disc shape on the upper surface, and includes a boss portion into which the negative electrode current collector is press-fitted into the disc center,
In the negative electrode current collector, concave portions for capturing bubbles generated at the contact interface with the negative electrode gel are distributed and arranged over a region from the tip to the lower end of the boss portion ,
The negative electrode gel has a viscosity of 87 Pa · s or more and less than 171 Pa · s,
The occupation ratio of the opening area of the recess to the surface area from the tip of the negative electrode current collector to the lower end of the boss portion is greater than 20% and less than 52%,
The height from the bottom inner surface of the positive electrode can in the upright state to the lower end of the boss portion is 100%, and the filling amount of the negative electrode gel is less than 96%.
The alkaline battery is characterized by this.
Alternatively, the viscosity of the negative electrode gel is 90 Pa · s or more and less than 171 Pa · s, and the occupation ratio of the opening area of the concave portion to the surface area from the tip of the negative electrode current collector to the lower end of the boss portion is 19% or more, 52 It may be less than%.
本発明のアルカリ電池によれば、個別の部品を設けることなく、充電状態に置かれても逆電流に起因す漏液や破裂を防止できる。すなわち、コストアップを抑えて安全性を確保することができる。 According to the alkaline battery of the present invention, it is possible to prevent leakage and rupture due to the reverse current even if the battery is placed in a charged state without providing individual components. That is, safety can be ensured while suppressing an increase in cost.
＝＝＝本発明の技術思想＝＝＝
上述したように、アルカリ電池は、充電すると内部でガスが発生し、その充電状態が継続すると、ガスが発生し続け、正極缶内の圧力が上昇し、漏液や破裂に至る。従来のアルカリ電池では、充電に起因する漏液や破裂を防止するために、周知のＰＣＴ素子や上記特許文献１に記載されているダイオード板などをアルカリ電池に組み込んでいた。
=== Technical thought of the present invention ===
As described above, when the alkaline battery is charged, gas is generated inside, and when the charged state continues, gas is continuously generated, the pressure in the positive electrode can rises, leading to leakage or rupture. In a conventional alkaline battery, a well-known PCT element or a diode plate described in
ＰＣＴ素子であれば、充電による逆電流によって発生する熱によって抵抗値が増大することで逆電流を遮断していた。ダイオード板については、それ自体が整流効果を有して、逆方向の電流が流れないようになっていた。すなわち、従来の技術思想は、充電状態が継続した場合に、その充電による電流自体を電気的に遮断することで、ガスの発生を抑制しようとするものであった。しかしながら、これらの技術では、放電性性能とは全く無縁の別部品をアルカリ電池に組み込むことになり、コストアップを招く。また、素子である以上、抵抗体であるため、電池本来の放電性能を発揮させることが難しくなる。 In the case of a PCT element, the reverse current is cut off by increasing the resistance value due to heat generated by the reverse current due to charging. The diode plate itself has a rectifying effect so that a reverse current does not flow. That is, the conventional technical idea has been to suppress the generation of gas by electrically cutting off the current itself due to the charging when the charged state continues. However, with these technologies, separate parts that are completely unrelated to the discharge performance are incorporated into the alkaline battery, resulting in an increase in cost. Moreover, since it is a resistor as long as it is an element, it is difficult to exhibit the battery's original discharge performance.
そこで本発明者は、充電によって電池内部で起こっている現象について考察してみた。そして、漏液や破裂の原因となるガスは、負極集電子と負極ゲルとの接触界面で発生し、そのガスが、負極集電子の表面から気泡として負極ゲル中に放出される、とうい現象に注目した。さらに、充電状態による逆電流を何らかの電気部品を用いて遮断するのではなく、ガス自体が抵抗体であるのだから、このガスによって逆電流を遮断できるのではないか、という発想に至った。さらに、この発想をさらに発展させて、ガスの発生場所である負極集電子の表面にガス（気泡）を捕捉することができれば、この気泡が絶縁膜として機能して逆電流を遮断できるのではないか、と考えた。本発明は、このような考察や発想の転換を出発点として鋭意研究を重ねた結果、想到したものである。 Therefore, the present inventor considered the phenomenon occurring inside the battery by charging. The gas causing leakage or rupture is generated at the contact interface between the negative electrode current collector and the negative electrode gel, and the gas is released as bubbles from the surface of the negative electrode current collector into the negative electrode gel. I paid attention to. Furthermore, the reverse current due to the charged state is not interrupted by using any electrical component, but the gas itself is a resistor, so that the idea is that the reverse current can be interrupted by this gas. Furthermore, if this idea is further developed and gas (bubbles) can be trapped on the surface of the negative electrode current collector where the gas is generated, the bubbles cannot function as an insulating film and block reverse current. I thought. The present invention has been conceived as a result of intensive investigations starting from such considerations and ideas.
＝＝＝実施形態＝＝＝
図２は、本発明の実施形態に係るアルカリ電池１ａの構造図である。図２（Ａ）は、その全体構造を示す縦断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）における円１０１内を拡大した図である。（Ａ）に示したように、当該アルカリ電池１ａの全体構造は、先に図１に示した従来のアルカリ電池１とほぼ同様の構造である。しかし、（Ｂ）に示したように、負極集電子６ａの構造が従来のものとは大きく異なっており、負極集電子６ａにおいて、ボス部１１の下端１５から先端１６に至る領域Ｌ１の表面に、多数の凹部２０が形成されている。この凹部２０は、充電により、負極集電子６ａの表面にて発生したガスからなる気泡を捕捉するためのものである。そして、図３は、図２（Ｂ）におけるａ−ａ矢視断面図であり、負極集電子６ａの横断面形状を示している。この例では、円形断面に対して半球の内面形状となる凹部２０が対向するように二つ形成されている。
=== Embodiment ===
FIG. 2 is a structural diagram of the
図４は、この凹部２０による気泡の捕捉作用を説明するための図であり、図４（Ａ）（Ｂ）は、従来のアルカリ電池１の負極集電子６、すなわち凹部２０がない負極集電子６の表面における気泡３０の振る舞いを示す図であり、（Ｃ）（Ｄ）は、本実施形態に係るアルカリ電池１ａの負極集電子６ａ、すなわち凹部２０が形成されている負極集電子６ａの表面における気泡３０の振る舞いを示す図である。そして、これらの図では、負極集電子（６，６ａ）の横断面を示している。
FIGS. 4A and 4B are diagrams for explaining the action of trapping bubbles by the
まず、（Ａ）に示したように、従来のアルカリ電池１では、負極集電子６の表面で発生した気泡３０は、負極ゲル５中で球状に成長していき、その球状の気泡３０は、負極集電子６と一点で接触することになる。そのため、（Ｂ）に示したように、ある程度成長した気泡３１は、振動や他の気泡３０との衝突などがあると、負極集電子６との接触状態が維持できず、その気泡３１は、容易に負極ゲル５中に放出される。そして、充電状態が継続している限り、気泡３０が次々と発生しては、負極ゲル５中に放出され、正極缶２内の圧力が上昇し、最終的に漏液や破裂に至る。
First, as shown in (A), in the conventional
一方、本実施形態に係るアルカリ電池１ａに組み込まれている負極集電子６ａでは、表面に球の内面（ディンプル）状の凹部２０が多数形成されており、（Ｃ）に示したように、気泡３０は、その凹部２０内でも発生する。そして（Ｄ）に示したように、凹部２０内で発生した気泡３２は、ある程度の大きさにまで成長すると、凹部２０の壁面によって複数の点で接触する。この例では、凹部２０の内面が球面であるので、面接触する。そのため、凹部２０で発生した気泡３２がこの凹部２０によって捕捉され、一時的であっても負極集電子６ａの表面が気泡（３０，３２）の膜で覆われることになる。そして、気泡（３０，３２）が膜状に負極集電子６ａを覆った時点では、負極集電子６ａの表面と負極ゲル５との接触が完全に断たれる。すなわち絶縁状態となり、逆電流が遮断される。一度逆電流が遮断されれば、それ以降は、ガスが発生しないため、気泡（３０，３２）による絶縁膜が負極集電子６ａの表面に維持され、漏液や破裂を確実に防止することができる。
On the other hand, in the negative electrode
＝＝＝第１の実施例＝＝＝
本発明の実施形態に係るアルカリ電池１ａでは、図４に示した作用により、充電による漏液や破裂を防止することができる。そこで、その漏液や破裂の防止効果を確認するために、表面に凹部２０が形成された負極集電子６ａを組み込んだアルカリ電池１ａや従来のアルカリ電池１をサンプルとして作製した。そして、作製したサンプルに対して充電を行い、漏液や破裂の有無を調べた。
=== First Embodiment ===
In the
＜凹部の形成方法について＞
上記実施形態に係るアルカリ電池１ａにおいて、負極集電子６ａの凹部２０は、真鍮線を集電子形状に寸断した後にプレス加工することで形成している。もちろん、凹部２０を転造することとしてもよい。そして、各サンプルにおいて実際に組み込まれている負極集電子（６，６ａ）は、凹部２０の有無に拘わらず、集電子形状の真鍮線の表面に錫メッキを施したものである。
<About the formation method of a recessed part>
In the
＜充電以外の漏液について＞
凹部２０の形成部位については、充電のみを要因として漏液を発生させる必要があることから、あるいは、充電以外を要因とする漏液を防止することも必要であることから、各サンプルを充電して漏液の有無を確認する前に、ボス部１１に挿入されている部位（図２（Ａ）、符号Ｌ４）も含めて負極集電子６ａの全領域（Ｌ１−Ｌ４）を凹部２０の形成領域とすべきか、あるいはボス部１１の下端１５よりも下方の領域Ｌ１に限定すべきかを検討した。
<Leakage other than charging>
For the site where the
具体的には、ボス部１１との接触領域Ｌ４と、ボス部１１の下方に露出している領域Ｌ１の双方に凹部２０を形成した負極集電子を用いたアルカリ電池と、ボス部１１の下方に露出している領域Ｌ１にのみ凹部２０を形成した負極集電子６ａを用いたアルカリ電池１ａとをそれぞれ１００個ずつ作製し、各アルカリ電池に対して、温度６０℃、湿度５０％の雰囲気下に放置する保存試験を行った。
Specifically, the alkaline battery using the negative electrode current collector in which the
表１に当該保存試験の結果を示した。
表１は、負極集電子に凹部２０を設けた領域が異なる二種類のアルカリ電池について、上記雰囲気下で保存したときの日数と漏液した個体数とを示している。当該表１より、接触領域Ｌ４にも凹部２０を設けた負極集電子を用いたアルカリ電池では、６０日目に１個が漏液に至り、その後、日数が経過するのに従って漏液した個体数が増加していった。なお、漏液の原因としては、領域Ｌ４にも凹部２０があるため、ボス部１１の内面と負極集電子の表面との間に空隙が生じ、ガスケット８の下面側から上面側へ電解液が這い上がったこと、などが考えられる。
Table 1 shows the number of days and the number of individuals that have leaked when stored in the above atmosphere for two types of alkaline batteries having different regions in which the
一方、領域Ｌ１にのみ凹部２０を設けた負極集電子６ａを用いた本実施形態のアルカリ電池１ａでは、１００日後でも漏液した固体が無かった。したがって、本発明に係るアルカリ電池の負極集電子は、領域Ｌ４には凹部２０が形成されていないことが条件となる。
On the other hand, in the
＜凹部の形成領域と形成密度について＞
上述したように、凹部２０は、負極集電子６ａにおいてボス部１１の下端１５より下方にあることが条件となる。そして、当該条件の下で充電による漏液や破裂の有無を確認するための充電試験を行うのに当たり、まず、その凹部２０が形成されている領域（Ｌ１〜Ｌ３）に応じて充電に対する漏液や破裂の防止性能に差があるかどうかを調べた。
<Regarding formation region and formation density of recesses>
As described above, the condition is that the
具体的には、図２（Ａ）において、ボス部１１の下端１５から負極集電子６ａの先端１６までの長さに亘る全領域Ｌ１、ボス部１１の下端１５から領域Ｌ１の長さの半分となる中間点１７までの領域Ｌ２、および当該中間点１７から負極集電子６ａの先端１６までの領域Ｌ３のいずれに凹部２０を形成した負極集電子６ａを用いたサンプルを作製した。また、凹部２０の形成密度については、従来のアルカリ電池の負極集電子６の表面積を１００％とした場合に、凹部２０の開口面積を差し引いた面積の割合（占有率）で評価した。なお、占有率は、サンプルに応じ、７％〜５１％とした。
Specifically, in FIG. 2A, the entire region L1 extending from the
＜占有率の下限と上限について＞
凹部２０の占有率の下限である７％は、負極集電子６ａの領域Ｌ１に凹部２０を分散配置できる、ほぼ最低の数値である。すなわち、この下限より少ない面積に凹部２０を分散配置したとしても、領域Ｌ２や領域Ｌ３など、負極集電子の限られた一部の領域に形成することと区別しにくくなる。いずれにしても、下限は、領域Ｌ１に凹部２０を分散配置できるように設定されていればよい。
<About lower limit and upper limit of occupation ratio>
7% which is the lower limit of the occupation ratio of the
一方、上限については、アルカリ電池１ａの組み立て工程において、負極集電子６ａをガスケット８のボス部１１に挿入する際、負極集電子６ａが折れたり曲がったりしないための強度に基づいて５１％とした。具体的には、領域Ｌ１に占有率を変えて凹部２０を形成した各種負極集電子６ａを５０個ずつ作製し、それらの負極集電子６ａを市販のアルカリ電池１を製造するための設備を用いてガスケット８のボス部１１に挿入してみた。そして、折れや曲がりが発生した負極集電子６ａの数を調べた。
On the other hand, the upper limit is 51% based on the strength for preventing the negative electrode
表２に、ガスケット８への挿入に際して折れたり曲がったりした負極集電子６ａの数を示した。
表２に示したように、５２％以上で曲がりが確認された。以上より、ここでは、凹部２０の上限占有率を５１％として充電試験を行うこととした。もちろん、ボス部１１に負極集電子６ａを挿入する際の速度を調整するなど、製造工程や設備を見直せば、５２％以上でも折れや曲がりを防止することが可能である。
As shown in Table 2, bending was confirmed at 52% or more. From the above, the charging test was performed here with the upper limit occupation ratio of the
＜充電試験＞
上述したように、真鍮製の負極集電子６に凹部２０が形成されていない単３型アルカリ電池１と、負極集電子６ａの表面に占有率や形成位置が異なるように凹部２０が形成された各種単３型アルカリ電池１ａとをサンプルとして作製した。また、同じ条件で作製されたサンプルを４本１組とし、５０組のサンプルを作製した。そして、同じ条件で作製されたアルカリ電池（１，１ａ）を４本一組にして直列接続し、その内の１本を逆挿となるように接続させることで充電試験を行い、その逆挿したアルカリ電池（１，１ａ）のうち、漏液した個体数を調べた。そして、従来のアルカリ電池１では、５０組全てで漏液が発生した
表３に、実施形態に対応するサンプルにおける凹部２０の形成条件と充電試験の結果を示した。
As described above, the AA
表３では、凹部２０の形成部位に応じたサンプル群Ａ〜Ｃについての充電試験結果が示されている。Ａ群は、上記領域Ｌ１に凹部２０が分散配置されている負極集電子６ａを用いたサンプル群であり、Ｂ群のサンプルでは、領域Ｌ２にのみ凹部２０が形成されている。そして、Ｃ群のサンプルでは、領域Ｌ３にのみ凹部２０が形成されている。また、表３では、凹部２０の占有率に応じて番号が対応付けされており、例えば、サンプルＡ１は、凹部２０が負極集電子６ａの全表面に分散配置されているＡ群に含まれるサンプルのうち、凹部２０の占有率が７％となるサンプルを示している。以下、各サンプルをこの表記方法に従って特定することとする。
In Table 3, the charge test result about sample group AC according to the formation site | part of the recessed
表３に示したように、Ａ群〜Ｃ群の各サンプルは、総じて、凹部２０の占有率が多くなるほど漏液したサンプル数が減る傾向にある。そして、領域Ｌ１に凹部２０を形成したサンプルＡ１〜Ａ２７では、同じ占有率であれば、他の群に属するサンプルよりも漏液した個体数が少なく、最低限の個数の凹部２０が形成されているサンプルＡ１においても、充電に起因する漏液を防止する効果が認められた。そして、凹部２０の占有率が２０％よりも大きくなると漏液した個体数が０となり、完全に漏液を防止することができた。
As shown in Table 3, the samples in Group A to Group C generally have a tendency to decrease the number of leaked samples as the occupancy ratio of the
他方、Ｂ群のサンプルでは、占有率が１９％となるサンプルＢ１０で漏液のないサンプルが出現し、以降、占有率が増加するの従って漏液した固体数が漸減していく傾向にある。また、Ｃ群のサンプルでは、占有率が１８％となるサンプルＣ９で漏液のないサンプルが出現し、以降、占有率が増加するの従って漏液した固体数が漸減していく。 On the other hand, in the group B sample, a sample with no leakage appears in the sample B10 having an occupation ratio of 19%, and thereafter, the occupation ratio increases, so the number of leaked solids tends to gradually decrease. Further, in the group C sample, a sample with no leakage appears in the sample C9 with the occupation ratio of 18%, and thereafter, the occupation ratio increases, so the number of leaked solids gradually decreases.
以上より、負極集電子６ａに凹部２０を形成することにより、充電に起因するアルカリ電池の漏液や破裂を防止する効果が認められた。そして、その凹部２０が、負極集電子６ａの全域、すなわち、ガスケット８のボス部１１の下端１５から先端１６までの領域Ｌ１に分散配置されていれば、確実にその効果が期待できる。さらに占有率が２０％を超えると完全に漏液を防止することが確認された。そして、凹部２０の占有率の上限は、製造コストを考慮すると、５２％未満であることがより好ましい。
From the above, the effect of preventing leakage or rupture of the alkaline battery due to charging was confirmed by forming the
以上により、凹部２０は負極集電子６ａの領域Ｌ１に分散配置されるように形成されていれば、充電による漏液や破裂を防止する効果があり、凹部２０の占有率が２０％よりも大きく５２％よりも小さければ、その効果がさらに顕著になる。
As described above, if the
＝＝＝第２の実施例＝＝＝
充電に起因する従来アルカリ電池１の漏液や破裂は、負極集電子６の表面で発生した気泡３０が負極ゲル５内に放出されることにある。そして、負極ゲル５と負極集電子６との界面では、多少なりとも、負極ゲル５により、気泡３０を負極集電子６の表面に押し戻そうとする力が働く。また、充電による逆電流は、負極ゲル５が負極集電子６に直接接触していなければ流れないため、負極集電子６の表面に気泡３０が発生すると、負極ゲル５がその気泡３０の形状に沿って変形し、負極集電子６との接触を維持しつづけている、と考えることもできる。
=== Second Embodiment ===
The leakage or rupture of the conventional
図５に、上記実施形態に係るアルカリ電池１ａを例に挙げて、負極ゲル５の粘度と気泡３０の振る舞いとの関係を示した。図５（Ａ）は、負極ゲル５の粘度が低い場合を示しており、負極ゲル５が気泡３０の形状に沿って変形し、気泡３０が膜状となるまで負極集電子６ａの表面との接触が維持される。一方、（Ｂ）に示しように、負極ゲル５の粘度が高い場合では、気泡３０に沿う形状に変形し難くなり負極集電子６ａの表面とのあいだに空隙３３が生じる。また、気泡３０の成長を抑える力も強くなる。このように、負極ゲル５によって気泡３０を押さえつける力を増強させたり、気泡３０に沿う形状に変形しにくくさせたりすることができれば、充電による漏液や破裂をさらに確実に防止することができる。そこで、負極ゲル５の粘度を高くすることで、充電による漏液や破裂をさらに確実に防止することを検討した。
FIG. 5 shows the relationship between the viscosity of the
＜粘度の上限について＞
負極ゲル５の粘度を高めることによって充電に起因する漏液や破裂をさらに確実に防止することを検討する前に、粘度の上限値を規定することとした。これは、アルカリ電池１ａを実際に生産することを想定し、高粘度の負極ゲル５を充填するために、その充填に長い時間が掛かっていては生産性が低下し、コストアップを招く虞があるからである。そこで、市販のアルカリ電池１の製造ラインを用いて粘度が異なる負極ゲル５を正極缶２内に充填してみた。なお、従来のアルカリ電池１を含め、上記第１の実施例において作製した各サンプルに用いられた負極ゲル５の粘度は８７Ｐａ・ｓであった。ここでは、従来の粘度よりも高い１４０Ｐａ・ｓ以上の粘度の負極ゲル５を用いた。そして、同じ粘度の負極ゲル５を１００回充填させて、正しい量の負極ゲル５が所定の時間で充填できた場合を合格とし、充填できなかった場合を不具合として、その不具合の発生回数を調査した。
<About the upper limit of viscosity>
The upper limit of the viscosity was determined before studying to further prevent leakage and rupture due to charging by increasing the viscosity of the
表４に負極ゲル５を充填する際の粘度と不具合発生数との関係を示した。
表４に示したように、１４０Ｐａ・ｓから粘度を徐々に上げていった場合、負極ゲル５の粘度が１７１Ｐａ・ｓ以上となると不具合が発生することが確認された。したがって、負極ゲル５の粘度は１７１Ｐａ・ｓ未満であることが望ましい。
As shown in Table 4, when the viscosity was gradually increased from 140 Pa · s, it was confirmed that a problem occurred when the viscosity of the
＜負極ゲルの最適粘度＞
次に、負極ゲル５の粘度以外は、表３におけるサンプルＡ１０と同じ構成のアルカリ電池１ａをサンプルとして作製した。すなわち、凹部２０の占有率が１９％であり、負極ゲル５の粘度を８７Ｐａ・ｓとすると、５０個中３個に漏液が発生するサンプルである。ここでは、同じ粘度の負極ゲル５を充填したアルカリ電池を４本１組として、粘度が異なる５０組のサンプルを作製した。そして、第１の実施例と同様にして充電試験を行った。
<Optimum viscosity of negative electrode gel>
Next, except for the viscosity of the
表５に、負極ゲル５の粘度と充電試験結果との関係を示した。
表５に示したように、当初の粘度８７Ｐａ・ｓでは３個のサンプルに漏液が発生し、粘度を上げると漏液数が減少し、９０Ｐａ・ｓ以上の粘度では、漏液したサンプルが無かった。したがって、負極ゲルの粘度は、８９Ｐａ・ｓよりも大きく、１７１Ｐａ・ｓよりも小さいことがより好ましい。 As shown in Table 5, leakage occurred in three samples at an initial viscosity of 87 Pa · s, and the number of leaks decreased when the viscosity was increased. There was no. Therefore, the viscosity of the negative electrode gel is more preferably greater than 89 Pa · s and less than 171 Pa · s.
＝＝＝第３の実施例＝＝＝
普通、アルカリ電池１は、内部で発生したガスによって直ちに防爆安全機構が作動しないように、正極端子部９を下方にしたとき、負極ゲル５の液面（図１，図２：符号１８）とガスケット８の下面との間に緩衝部となる空隙（図１，図２：符号１９）を設けている。上記実施形態に係るアルカリ電池１ａでも空隙１９を設けている。しかし、本実施形態に係るアルカリ電池１ａでは、内部で発生したガスからなる気泡３０が負極集電子６ａの表面に捕捉されるように構成されているので、安全性を確保しつつ、負極ゲル５を従来よりも増量させて放電性能を向上させることが期待できる。そこで、負極ゲル５の充填量の上限を求めるために、表３より、漏液が全く発生しなかったサンプルで、凹部２０の占有率２１％で最も低かったサンプルＡ１２と同じ構成で、負極ゲル５の充填量のみを変えたサンプルを作製し、上記と同様の充電試験を行った。ここでも、同じ条件のサンプルを４本一組で５０組作製した。また、負極ゲル５の充填量は、正極端子部９を下方にしてアルカリ電池１ａを正立させたとき、正極缶２の底部内面からボス部１１の下端１５までを１００％とした。なお、実施例１における各サンプルの充填量は７０％である。
=== Third embodiment ===
Normally, the
表６に、負極ゲル５の充填量と充電試験の結果との関係を示した。
表６に示した結果より、負極ゲル５の充填量は９６％未満であればよいことになる。なお、充填量の下限については、放電性能と勘案して適宜に決定すればよい。いずれにしても、市販されているアルカリ電池１よりも多くの負極ゲル５を充填できることが確認された。
From the results shown in Table 6, the filling amount of the
＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記実施形態に係るアルカリ電池１ａにおける負極集電子６ａは、図３に示したように、円形断面に対して凹部２０が二つ対向して形成されていた。もちろん、この例に限らず、例えば、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示した負極集電子６ｂ〜６ｄのように、ように、凹部２０を等角度間隔で三つ以上形成してもよい。もちろん、負極集電子（６ａ〜６ｄ）の長さ方向の同じ位置に凹部２０を形成せず、千鳥配置にしてもよい。凹部２０を球の内面形状（ディンプル状）とせず、溝状にしてもよい。溝は、円柱状の負極集電子を周回する方向に形成されていてもよいし、負極集電子の長さ方向に沿って形成されていてもよい。いずれにしても、凹部２０を上記の領域Ｌ１に亘って形成するとともに、一つの気泡３０が二つ以上の点、あるいは面で負極集電子と接触する形状であれば、図４（Ｃ）（Ｄ）に示した作用と同様の作用により気泡３０の負極ゲル５中への放出が抑止できると予想される。
=== Other Embodiments ===
As shown in FIG. 3, the negative electrode
上記実施形態に係るアルカリ電池１ａでは、防爆安全機構がガスケット８に形成されていた。もちろん、防爆安全機構の構成は、この例に限るものではない。例えば、特開２００１−７６７０１号公報に開示されたアルカリ電池のように、正極缶の外底部に防爆安全機構を備えたものもある。いずれにしても、本発明は、充電によって負極集電子と負極ゲルとの界面に化学反応に基づくガスが発生するアルカリ電池、すなわち、棒状の負極集電子が負極ゲル中に挿入されている構造のアルカリ電池に広く適用することができる。
In the
１，１ａ アルカリ電池、２ 電池缶（正極缶）、３ 正極合剤、４ セパレータ、
５ 負極ゲル、６，６ａ〜６ｄ 負極集電子、７ 負極端子板、８ 封口ガスケット、
９ 正極端子部、１１ ボス部、１５ ボス部下端、１６ 負極集電子の先端、
１８ 負極ゲルの液面、２０ 凹部、３０，３１ 気泡
1, 1a alkaline battery, 2 battery can (positive electrode can), 3 positive electrode mixture, 4 separator,
5 negative electrode gel, 6, 6a to 6d negative electrode current collector, 7 negative electrode terminal plate, 8 sealing gasket,
9 positive electrode terminal portion, 11 boss portion, 15 boss lower end, 16 tip of negative electrode current collector,
18 Liquid level of negative electrode gel, 20 recess, 30, 31 bubbles
Claims (2)
前記ガスケットは、上面形状が円板状で、前記円板中心に前記負極集電子が圧入されるボス部を備え、
前記負極集電子には、前記負極ゲルとの接触界面に発生した気泡を捕捉するための凹部が前記先端から前記ボス部の下端までの領域に亘って分散配置され、
前記負極ゲルの粘度が８７Ｐａ・ｓ以上、１７１Ｐａ・ｓ未満であり、
前記負極集電子の前記先端から前記ボス部の下端までの表面積に対する前記凹部の開口面積の占有率が２０％より大きく、５２％未満であり、
正立状態にある前記正極缶の底部内面から前記ボス部の下端までの高さを１００％として、前記負極ゲルの充填量が９６％未満である、
ことを特徴とするアルカリ電池。 A bottomed cylindrical positive electrode can having an open top, a positive electrode mixture formed into a hollow cylindrical shape and inserted into the positive electrode can, and filled into the hollow cylinder of the positive electrode mixture via a separator A negative electrode gel, a negative electrode terminal plate that is fitted to the opening of the positive electrode can via a gasket, and a rod-like metal having a lower end as a tip, the upper end is spot welded to the lower surface of the negative electrode terminal plate, and the tip side is A negative electrode current collector inserted into the negative electrode gel, and an alkaline battery comprising:
The gasket has a disc shape on the upper surface, and includes a boss portion into which the negative electrode current collector is press-fitted into the disc center,
In the negative electrode current collector, concave portions for capturing bubbles generated at the contact interface with the negative electrode gel are distributed and arranged over a region from the tip to the lower end of the boss portion ,
The negative electrode gel has a viscosity of 87 Pa · s or more and less than 171 Pa · s,
The occupation ratio of the opening area of the recess to the surface area from the tip of the negative electrode current collector to the lower end of the boss portion is greater than 20% and less than 52%,
The height from the bottom inner surface of the positive electrode can in the upright state to the lower end of the boss portion is 100%, and the filling amount of the negative electrode gel is less than 96%.
An alkaline battery characterized by that.
前記ガスケットは、上面形状が円板状で、前記円板中心に前記負極集電子が圧入されるボス部を備え、
前記負極集電子には、前記負極ゲルとの接触界面に発生した気泡を捕捉するための凹部が前記先端から前記ボス部の下端までの領域に亘って分散配置され、
前記負極ゲルの粘度が９０Ｐａ・ｓ以上、１７１Ｐａ・ｓ未満であり、
前記負極集電子の前記先端から前記ボス部の下端までの表面積に対する前記凹部の開口面積の占有率が１９％以上、５２％未満であり、
正立状態にある前記正極缶の底部内面から前記ボス部の下端までの高さを１００％として、前記負極ゲルの充填量が９６％未満である、
ことを特徴とするアルカリ電池。 A bottomed cylindrical positive electrode can having an open top, a positive electrode mixture formed into a hollow cylindrical shape and inserted into the positive electrode can, and filled into the hollow cylinder of the positive electrode mixture via a separator A negative electrode gel, a negative electrode terminal plate that is fitted to the opening of the positive electrode can via a gasket, and a rod-like metal having a lower end as a tip, the upper end is spot welded to the lower surface of the negative electrode terminal plate, and the tip side is A negative electrode current collector inserted into the negative electrode gel, and an alkaline battery comprising:
The gasket has a disc shape on the upper surface, and includes a boss portion into which the negative electrode current collector is press-fitted into the disc center,
In the negative electrode current collector, concave portions for capturing bubbles generated at the contact interface with the negative electrode gel are distributed and arranged over a region from the tip to the lower end of the boss portion ,
The negative electrode gel has a viscosity of 90 Pa · s or more and less than 171 Pa · s,
The occupation ratio of the opening area of the recess with respect to the surface area from the tip of the negative electrode current collector to the lower end of the boss part is 19% or more and less than 52%,
The height from the bottom inner surface of the positive electrode can in the upright state to the lower end of the boss portion is 100%, and the filling amount of the negative electrode gel is less than 96%.
An alkaline battery characterized by that.
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