説明

アルカリ電池

【課題】デンドライトによる内部短絡を抑制し、高容量化を図ったアルカリ電池を提供することにある。
【解決手段】電池ケース1内に配設された中空筒状の正極2と、正極2の中空部内に充填された亜鉛粉末を含む負極3と、正極2と負極3との間に配されたセパレータ4とを備え、セパレータ4は、不織布からなる基材をn回巻回して筒状に成形されており、かつ、セパレータ4の巻き始め部位4aと巻き終わり部位4bとがオーバーラップしない(n−1)回の巻回数に相当する非オーバーラップ領域Cを有し、セパレータ4の非オーバーラップ領域Cは、正極2の中空部内面2aに接していない。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高容量化を図ったアルカリ電池に関する。
【背景技術】
【0002】
一般的なアルカリ電池は、正極と負極との間にセパレータを介在させて、正極と負極との内部短絡の防止を図っている。
【0003】
従来、負極活物質に亜鉛粉末を含むアルカリ電池において、特定の放電条件で使用した場合、負極に酸化亜鉛の針状結晶が生成し、この結晶がセパレータを突き破って、いわゆるデンドライトに起因した内部短絡が生じることがある。
【0004】
デンドライトに起因した内部短絡を防止する技術は、種々提案されているが、セパレータについても、デンドライト耐久性を高めた種々の材料等が提案されている(特許文献1、2等を参照)。
【0005】
ところで、セパレータは、セパレータの基材を巻回して筒状に成形したものを、正極と負極との間に配されるが、アルカリ電池の高容量化を図るために、セパレータの薄膜化が要求されている。しかし、デンドライト耐久性の高いセパレータを採用して薄膜化を図った場合、セパレータの巻き始めと巻き終わりでズレが生じると、巻き数の足らない領域が発生する。かかる領域では、正極と負極との距離が短くなるため、セパレータのデンドライト耐久性が不充分となり、内部短絡が発生するおそれがある。
【0006】
従来、このようなセパレータの巻き始めと巻き終わりとのズレを考慮して、通常は、セパレータの基材を巻回して筒状に成形する際に、巻き始め部位と巻き終わり部位とをオーバーラップさせた領域を設けておくことが行われている(特許文献3、4等を参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2008−269795号公報
【特許文献2】特開2005−183060号公報
【特許文献3】特開2003−157859号公報
【特許文献4】特開平7−153442号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
図7は、正極と負極との間に配されたセパレータの一部を示した部分断面図である。図7に示すように、筒状に巻回されたセパレータ104において、巻き始め部位104aと巻き終わり部位104bとがオーバーラップしている領域Aが設けられている。セパレータ104の外周面は、正極102の中空部内面102aに内接しており、セパレータ104の内周側には、ゲル状負極103が充填されている。
【0009】
図7に示すように、セパレータ104の一部に設けられたオーバーラップ領域Aは、電池ケース内で余分な占有領域となるため、その分、ゲル状負極の充填体積の減少が余儀なくされる。
【0010】
また、筒状に巻回されたセパレータは、電池ケース内に中空筒状の正極102を配設した後、正極102の中空部に挿入されるが、その際、オーバーラップ領域Aが、他の領域よりも厚くなっているため、セパレータ104の巻き終わり部位104bの端部が正極102の中空部内面102aを削ってしまうおそれがある。
【0011】
図8は、正極102及びゲル状負極103をセパレータ104を介して電池ケース101内に収容して形成したアルカリ電池の断面を撮影したX線写真である。図8に示すように、領域Bにおいて、正極102の中空部内面に、セパレータ104の巻き終わり部位104bの端部によって削られた箇所が観察される。
【0012】
このように、筒状に巻回されたセパレータの一部にオーバーラップ領域が設けられていると、ゲル状負極103または/および正極102の体積が減少するため、アルカリ電池の高容量化が充分に図れないという問題がある。
【0013】
本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、デンドライトによる内部短絡を抑制し、高容量化を図ったアルカリ電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上記の課題を解決するために、本発明は、セパレータで正極及び負極を分離したアルカリ電池において、筒状に巻回されたセパレータに非オーバーラップ領域を設けた構成を採用する。
【0015】
すなわち、本発明の一側面におけるアルカリ電池は、電池ケース内に配設された中空筒状の正極と、正極の中空部内に充填された亜鉛粉末を含む負極と、正極と負極との間に配されたセパレータとを備え、セパレータは、不織布からなる基材をn回巻回して筒状に成形されており、かつ、セパレータの巻き始め部位と巻き終わり部位とがオーバーラップしない(n−1)回の巻回数に相当する非オーバーラップ領域を有し、セパレータの非オーバーラップ領域は、正極の中空部内面に接していないことを特徴とする。
【0016】
ある好適な実施形態において、非オーバーラップ領域の周方向の長さは、0.5〜2.1mmの範囲にある。
【0017】
ある好適な実施形態において、セパレータは、セルロース繊維を主材料とした不織布からなる。また、セパレータの坪量は、20〜50g/mの範囲にあることが好ましい。また、セパレータの巻回数は、2回(n=2)であることが好ましい。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、デンドライトによる内部短絡を抑制しつつ、高容量化を図ったアルカリ電池を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の一実施形態におけるアルカリ電池の構成を示した半断面図である。
【図2】図2(a)は、未使用のセパレータの表面を観察したSEM写真、図2(b)は、デンドライトが発生した箇所のセパレータの表面を観察したSEM写真、図2(c)は、デンドライトを拡大して観察したSEM写真である。
【図3】本実施形態における正極と負極との間に配されたセパレータの一部を示した部分断面図である。
【図4】本実施形態における正極及び負極をセパレータを介して電池ケース内に収容して形成したアルカリ電池の断面を撮影したX線写真である。
【図5】図5(a)、(b)は、本発明の他の実施形態における正極と負極との間に配されたセパレータの一部を示した部分断面図である。
【図6】図6(a)〜(c)は、本発明に使用されるセパレータの基材の形状を例示的に示した平面図である。
【図7】従来の正極と負極との間に配されたセパレータの一部を示した部分断面図である。
【図8】従来の正極及び負極をセパレータを介して電池ケース内に収容して形成したアルカリ電池の断面を撮影したX線写真である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。
【0021】
図1は、本発明の一実施形態におけるアルカリ電池の構成を示した半断面図である。
【0022】
図1に示すように、アルカリ電池は、有底円筒状の電池ケース1内に配設された中空筒状の正極2と、正極2の中空部内に充填された亜鉛粉末を含む負極3と、正極2と負極3との間に配されたセパレータ4とを備えている。そして、電池ケース1の開口部は、ガスケット5と、負極集電子6が接続された負極端子板7とで構成された封口ユニット9で封口されている。
【0023】
本願発明者が、デンドライトによる内部短絡の発生したアルカリ電池について、その発生箇所を検討していたところ、以下のような知見を得た。
【0024】
図2(a)は、未使用のセパレータの表面を観察したSEM(走査型電子顕微鏡)写真、図2(b)は、デンドライトが発生した箇所のセパレータの表面を観察したSEM写真、図2(c)は、デンドライトを拡大して観察したSEM写真である。ここで、セパレータは、セルロース繊維とポリビニルアルコール系繊維とを混抄して形成した不織布からなる。
【0025】
図2(a)に示すように、セパレータは、細長い繊維10が絡み合って構成されているが、図2(c)に示すような無数の針状結晶であるデンドライト11が、図2(b)に示すように、繊維10の表面を這うように成長していることが分かる。これは、別の見方をすれば、セパレータを構成する繊維10がないところは、デンドライトが成長する支持体(繊維10)がないため、セパレータの表面から外方に向けて長く成長することはない。
【0026】
ところで、デンドライトの成長に起因する内部短絡は、負極で析出したデンドライトがセパレータを突き破って正極に至ることによって発生するが、そもそも、セパレータの外周面が正極の中空部内面に接していなければ、デンドライトがセパレータの表面から外方に向けて長く成長することがない限り、内部短絡は発生しないことになる。
【0027】
本願発明者は、このような知見から、筒状に巻回して形成されたセパレータに、あえてオーバーラップ領域を設けず、逆に、一定幅の非オーバーラップ領域を設けることによって、デンドライトに起因した内部短絡の発生を抑制し得ることに気がつき、本発明を想到するに至った。
【0028】
図3は、本実施形態における正極と負極との間に配されたセパレータの一部を示した部分断面図である。
【0029】
図3に示すように、セパレータ4は、不織布からなる基材を2回巻回して筒状に成形されており、かつ、セパレータ4の巻き始め部位4aと巻き終わり部位4bとがオーバーラップしていない、すなわち、1回の巻回数に相当する非オーバーラップ領域Cを有している。ここで、セパレータ4の非オーバーラップ領域Cは、正極2の中空部内面(破線で示した面)2aに接していないことを要する。また、セパレータ4の内周側には、負極3が充填されている。
【0030】
セパレータ4の非オーバーラップ領域Cが、正極2の中空部内面2aに接しないようにするには、次のようにして実現できる。
【0031】
まず、電池ケース1内に、中空筒状の正極2を配設する。次に、筒状に巻回されたセパレータ4を、正極2の中空部内に挿入する。このとき、セパレータ4の最外層は、正極2の中空部内面2aに押し付けられるため、図3に示すように、セパレータ4の最外層の面は、正極2の中空部内面2aと略一致する。そのため、セパレータ4の非オーバーラップ領域Cは、正極2の中空部内面2aから離れて、負極3側に滑らかに曲がった状態で維持される。従って、非オーバーラップ領域Cの周方向の長さLを、適当な長さに設定することによって、セパレータ4の非オーバーラップ領域Cを、正極2の中空部内面2aに接しないようにすることができる。
【0032】
このように、セパレータ4に一定幅の非オーバーラップ領域Cを設けて、この非オーバーラップ領域Cを、正極2の中空部内面2aに接しないようにすることによって、非オーバーラップ領域Cにおいて、デンドライトの成長による内部短絡の発生を抑制することができる。なお、非オーバーラップ領域C以外のセパレータ4においては、所定の巻回数(図3では、2回)に相当するセパレータ4の膜厚が確保されているため、正極2と負極3との距離が充分に保たれており、デンドライトの成長による内部短絡は、もともと抑制されているので、中空部内面2aに接していても問題はない。
【0033】
また、筒状に巻回して成形されたセパレータ4は、従来のようなオーバーラップ領域が設けられていないため、負極3の充填体積を減少させる余分な占有領域をなくすことができる。
【0034】
さらに、筒状に成形されたセパレータ4を、正極2の中空部に挿入する際、従来のようなオーバーラップ領域が設けられていないため、セパレータ4の巻き終わり部位4bの端部が正極2の中空部内面2aを削るおそれはない。
【0035】
図4は、正極2及び負極3をセパレータ4を介して電池ケース1内に収容して形成したアルカリ電池の断面を撮影したX線写真である。図4に示すように、正極2の中空部内面に、セパレータ4の巻き終わり部位4bの端部によって削られた箇所は観察されない。
【0036】
このように、非オーバーラップ領域Cを有するセパレータ4を用いることによって、従来のようなオーバーラップ領域を有するセパレータに比べて、負極3または/および正極2の体積を増加させることができ、その結果、アルカリ電池の高容量化を図ることが可能となる。
【0037】
本発明において、セパレータ4は、不織布からなる基材を巻回して筒状に成形されるが、その巻回数は、使用するセパレータ4の基材の材料特性や膜厚等によって適宜決めることができる。この際、デンドライトの成長による内部短絡が生じない程度に、セパレータ4が余分な占有領域を取ることがない厚みに相当する巻回数に設定することが好ましい。
【0038】
以上のことから、本発明におけるセパレータ4は、不織布からなる基材をn回巻回して筒状に成形されており、かつ、セパレータ4の巻き始め部位4aと巻き終わり部位4bとがオーバーラップしない(n−1)回の巻回数に相当する非オーバーラップ領域Cを有し、かつ、セパレータ4の非オーバーラップ領域Cが、正極2の中空部内面2aに接していないことを要する。
【0039】
正極2の中空部内面2aに接していない非オーバーラップ領域Cは、上述したように、通常のアルカリ電池の製造過程において必然的に実現可能であるが、この際、非オーバーラップ領域Cの周方向の長さLは、使用するセパレータ4の基材の材料特性や膜厚等によって適宜決めることが好ましい。もちろん、他の方法を用いて、正極2の中空部内面2aに接していない非オーバーラップ領域Cを形成してもよい。
【0040】
なお、本発明において、「非オーバーラップ領域Cは、正極2の中空部内面2aに接していない」とは、全ての非オーバーラップ領域Cにおいて、正極2の中空部内面2aに接していない状態のみを意味するのではなく、例えば、セパレータ4の巻き始め部位4a近傍の非オーバーラップ領域Cが、正極2の中空部内面2aに接した状態のものも含む。この場合、セパレータ4の巻き始め部位4a近傍を除く非オーバーラップ領域Cは、セパレータ4の巻き終わり部位4bの方向に沿って、正極2の中空部内面2aから離れていくため、ほとんどの非オーバーラップ領域Cは、正極2の中空部内面2aに接していない状態となる。それ故に、デンドライトの成長に起因する内部短絡の抑制効果は損なわれず、また、アルカリ電池の高容量化も図ることができる。
【0041】
本発明におけるセパレータ4は、不織布からなる基材で構成されるが、その材料は特に制限されない。セパレータ4の材料としては、セパレータ4の要求機能に合わせて適宜選択可能であるが、例えば、セルロース繊維を主材料とした不織布、あるいは、他の繊維(例えば、ポリビニルアルコール系繊維)との混抄で形成した不織布等が挙げられる。また、セパレータ4の坪量は、電解液の吸収性の観点から50g/m以下が好ましく、また、強度の観点から20g/m以上が好ましい。
【0042】
本発明における負極3は、亜鉛粉末を含むものであれば特に制限はなく、例えば、亜鉛粉末を含むゲル状負極等が挙げられる。なお、亜鉛粉末は、In、Al、Bi等を含むものであってもよく、また、亜鉛合金であってもよい。
【0043】
本発明における正極2は中空筒状であればよく、その材料は特に制限されない。例えば、二酸化マンガン等の正極活物質とアルカリ電解液とを含有する正極合剤粉末を中空筒状に加圧成形した成形体(正極ペレット)が挙げられる。
【0044】
本発明における「筒状」に成形されたセパレータ4は、円筒状の他、扁平筒状に形成されたセパレータ4を含む。従って、本発明におけるアルカリ電池は、円筒形アルカリ電池の他、角形アルカリ電池にも適用できる。
【0045】
図5(a)、(b)は、本発明の他の実施形態における正極と負極との間に配されたセパレータの一部を示した部分断面図である。
【0046】
図5(a)は、不織布からなる基材を3回巻回して筒状に成形したセパレータ4を例示したもので、セパレータ4の巻き始め部位4aと巻き終わり部位4bとがオーバーラップしない2回の巻回数に相当する非オーバーラップ領域Cを有している。
【0047】
図5(b)は、不織布からなる基材を2枚重ねた状態で、2回巻回して筒状に成形したセパレータ4を例示したもので、セパレータ4の巻き始め部位4aと巻き終わり部位4bとがオーバーラップしない1回の巻回数に相当する非オーバーラップ領域Cを有している。なお、本例示のセパレータ4は、非オーバーラップ領域Cが2枚の基材で構成され、非オーバーラップ領域C以外が4枚の基材で構成されるが、これは、n回巻回して筒状に形成し、(n−1)回の巻回数に相当する非オーバーラップ領域Cを設けたセパレータ4と、実質的に同一である。
【0048】
図6(a)〜(c)は、本発明に使用されるセパレータ4の基材の形状を例示的に示した平面図である。図6(a)は、長方形の基材、図6(b)は、巻き終わり部位4bの端に相当する長方形の角部に切欠けを設けた基材、図6(c)は、平行四辺形の基材をそれぞれ示す。勿論、セパレータ4の基材の形状をこれに限らず、種々の形状を取りうる。また、巻回の仕方も、図3、図5(a)、(b)に例示した形態の他に、例えば、1枚の基材を4回巻回したもの、2枚に重ねた基材を3回巻回したもの等、種々の形態を取りうる。
【実施例】
【0049】
以下、本発明の実施例を挙げて本発明の構成及び効果をさらに説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【0050】
図1に示した構造の単3形アルカリ電池(LR6)を、以下の<1>乃至<5>の手順で作製した。
【0051】
<1>電池ケース
厚さ0.35mmのニッケルめっき鋼板から、外径が13.92mm、高さ51.8mmをプレス加工して、有底円筒形の電池ケース1を作製した。
【0052】
<2>セパレータ
セルロース繊維と、ポリビニルアルコール系繊維と、バインダーとしてポリビニルアルコールとを、50:35:15の質量比で混抄して、坪量39g/m2、厚さ0.15mmの不織布を作製し、幅51mmの長方形状の基材を作製した。
【0053】
得られた基材1枚を2回巻回して円筒状に成形し、幅方向の端面を折り曲げて、有底円筒状のセパレータ4を作製した。このとき、非オーバーラップ領域Cの周方向の長さLは、0.5〜3.2mmの範囲で変化させた。なお、周方向に3.0mmの長さのオーバーラップ領域を設けたセパレータを、比較例として作製した。
【0054】
<3>正極
電解二酸化マンガン粉末と、黒鉛粉末と、電解液(32質量%の水酸化カリウムと、2質量%の酸化亜鉛を含有する水溶液)とを、95.5:3.5:1.0の質量比で混合し、充分に攪拌した後、フレーク状に圧縮成形した。その後、フレーク状の正極合剤を粉砕し、これを加圧成形して中空円筒状の正極2を作製した。
【0055】
<4>ゲル状負極
ゲル化剤(ポリアクリル酸の粉末からなる増粘剤、及び架橋分岐型ポリアクリル酸ナトリウムの粉末からなる吸水性ポリマーからなる)と、電解液と、亜鉛合金粉末(250ppmのインジウム、50ppmのビスマス、100ppmのアルミニウムを含む)とを、0.26:0.54:35.2:64.0の質量比で混合して、ゲル状負極3を作製した。
【0056】
<5>アルカリ電池の組立
10.5gの正極2を電池ケース1内に挿入し、加圧治具により、高さが41.0mm、中空部の内径が9.0mmのなるように加圧して電池ケース1の内壁に密着させた。その後、正極2の中空部にセパレータ4を配置した後、1.65gの電解液をセパレータ4内に注液した。その後、ゲル状負極3をセパレータ4内に、高さが41mmになるように充填した。そして、封口ユニット9を介して電池ケース1の開口部をかしめ封口した。
【0057】
表1は、このようにして作製したアルカリ電池1〜5において、以下の2つの特性1)、2)を測定した結果を示した表である。なお、表1中のL寸法は、負の値が、非オーバーラップ領域Cの周方向の長さを示し、正の値が、オーバーラップ領域Aの周方向の長さを示す。
【0058】
【表1】

【0059】
1)負極の充填質量
電池ケース1内に一定の高さに充填したゲル状負極3の質量を測定した。
【0060】
2)放電性能
20±2℃の環境下で、3.3Ωの負荷で4分間放電した後、56分間休止する工程を1サイクルとして、1日に8サイクル繰り返し行って、閉路電圧が0.9Vに達するまでの放電時間(4分間の放電の累積時間)を測定した。
【0061】
表1に示すように、非オーバーラップ領域Cを有するセパレータ4を用いた電池2〜5の負極3の充填質量は、従来のオーバーラップ領域Aを有するセパレータを用いた電池1の負極の充填質量に比べて、約2%の増量が図られていることが分かる。
【0062】
その結果、表1に示すように、非オーバーラップ領域Cを有するセパレータ4を用いた電池2〜4の放電性能は、従来のオーバーラップ領域Aを有するセパレータを用いた電池1の放電性能に比べて、約4%の向上が図られている。この放電性能の向上は、負極3の充填質量が増加したことに加え、非オーバーラップ領域Cを設けたことによるセパレータ4の内部抵抗が低減されたことによるものと考えられる。
【0063】
なお、表1に示すように、非オーバーラップ領域Cの周方向の長さが3.2mmの電池5の放電性能は、電池1の放電性能よりも低下しているのが分かる。これは、非オーバーラップ領域Cの周方向の長さが大きすぎると、非オーバーラップ領域Cの正極2の中空部内面2aに接する領域が増え、その結果、デンドライトの成長に起因した内部短絡を起こしたためと考えられる。
【0064】
このことから、非オーバーラップ領域Cの周方向の長さは、0.5〜2.1mmの範囲にあることが好ましい。
【0065】
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施例では、単3形アルカリ電池を例に説明したが、これに限らず、他のサイズのアルカリ電池にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【0066】
本発明は、高容量のアルカリ電池に有用である。
【符号の説明】
【0067】
1 電池ケース
2 正極
2a 正極の中空部内面
3 ゲル状負極
4 セパレータ
4a セパレータの巻き始め部位
4b セパレータの巻き終わり部位
5 ガスケット
6 負極集電子
7 負極端子板
9 封口ユニット
10 セパレータの繊維
11 デンドライト

【特許請求の範囲】
【請求項1】
電池ケース内に配設された中空筒状の正極と、
前記正極の中空部内に充填された亜鉛粉末を含む負極と、
前記正極と前記負極との間に配されたセパレータと
を備えたアルカリ電池であって、
前記セパレータは、不織布からなる基材をn回巻回して筒状に成形されており、かつ、前記セパレータの巻き始め部位と巻き終わり部位とがオーバーラップしない(n−1)回の巻回数に相当する非オーバーラップ領域を有し、
前記セパレータの非オーバーラップ領域は、前記正極の中空部内面に接していない、アルカリ電池。
【請求項2】
前記非オーバーラップ領域の周方向の長さは、0.5〜2.1mmの範囲にある、請求項1に記載のアルカリ電池。
【請求項3】
前記セパレータは、セルロース繊維を主材料とした不織布からなる、請求項1に記載のアルカリ電池。
【請求項4】
前記セパレータの坪量は、20〜50g/mの範囲にある、請求項1に記載のアルカリ電池。
【請求項5】
前記セパレータの巻回数は、2回(n=2)である、請求項1に記載のアルカリ電池。
【請求項6】
前記アルカリ電池は、円筒形アルカリ電池である、請求項1に記載のアルカリ電池。

【図1】
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【図3】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図2】
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【図4】
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【図8】
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【公開番号】特開2011−108591(P2011−108591A)
【公開日】平成23年6月2日(2011.6.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−265257(P2009−265257)
【出願日】平成21年11月20日(2009.11.20)
【出願人】(000005821)パナソニック株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】