説明

密閉形蓄電池

【課題】圧力スイッチ内蔵式密閉形アルカリ蓄電池において、圧力スイッチの導電部材と正極板を接続するリード板の間の電気抵抗を低下させ、急速充電時充電受け入れ性能が向上された密閉型蓄電池を提供する。
【解決手段】第1導電部材と一方の極板がリボン状リード板4によって接続され、該リード板に折り曲げ部分や湾曲部分を設けることによって撓み代を付与した密閉形蓄電池であって、前記リード板の折り曲げ部分や湾曲部分の少なくとも1箇所に、リード板の長手方向に対して垂直な断面の断面積が小さい部分4’を設ける。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電池内部の圧力の大きさに応答して少なくとも一方の極板と外部端子を接続する回路のオン・オフの切り替えを司る圧力スイッチを内蔵する密閉形蓄電池に関するものである。
【背景技術】
【0002】
ポータブル電子機器の電源として主に用いられている二次電池には制御弁式小型鉛蓄電池、密閉形アルカリ蓄電池、リチウム二次電池があるが、重負荷の要求される用途では密閉形アルカリ蓄電池がよく用いられる。密閉形アルカリ蓄電池にはニッケルカドミウム系とニッケル水素系が一般的で大量に使用されている。特にニッケル水素系はニッケルカドミウム系に比べてエネルギ密度が高く、しかも有害なカドミウムを含まず環境汚染のおそれが少ないことから、携帯電話、小型電動工具、および小型パーソナルコンピュータ等の携帯用電子機器類の電源として広く利用されており、需要が飛躍的に増大している。
また、これら電子機器は、より小型化、軽量化の要請により電源の設置スペースが圧縮される一方、多機能化によって消費電力が増大している。このため、これらに用いられる蓄電池には小型高容量化と共に、良好な急速充電性能も要求されている。充電末期の検知には電池電圧、温度の上昇やそれらの時間についての微分値などが用いられているが、電池の使用環境によっては必ずしも確実に作動するとはいい難い欠点がある。
【0003】
密閉形蓄電池を急速充電するに際して、従来の電地内部での機械的な充電制御方法としては、電池の上部を覆い、キャップと電槽缶とを電気的に絶縁しつつ電池を気密、液密に密封するグロメットにかかる内圧を利用して充電電流の断続を行う方法が提案されている。(例えば特許文献1参照。)。
また、同様に電池内圧と皿バネによる力を利用して充電電流の断続を行っているものもある(例えば特許文献2参照。)。
【0004】
【特許文献1】米国特許出願公開第2002/0119364A1号明細書(第7−8頁、第6図、第7図)
【特許文献2】米国特許第5026615号明細書(第6−7欄、第3図、第4図)
【0005】
前記特許文献1に提案されている密閉形蓄電池は基本的に図1に示す構造(圧力スイッチ内蔵)を有しており、その充電制御方法は以下のようなものである。
図1は、圧力スイッチ内蔵式密閉形蓄電池1の要部断面を示す図である。図1(イ)は圧力スイッチがオンの状態を示し、図1(ロ)は圧力スイッチがオフの状態を示す図である。図1において密閉形蓄電池1は、捲回式極板群9を有底筒形のニッケルメッキ鋼板等からなる金属製電槽11内に収納した蓄電池であって、前記金属製電槽11の開放端はポリプロピレンやポリアミド等の合成樹脂製グロメット6と該グロメットの中央に設けた透孔に嵌着したニッケル等の金属からなる第1導電部材2によって気密に封止されている。図1(イ)の3は、ニッケル等の金属製のリングからなる第2導電部材であって、グロメット6の周縁部分を介して金属製電槽11の開放端に固着されている。キャップ状正極端子5のフランジ部分は、前記導電部材2に接合されている。正極板10と第1導電部材2は、ニッケル製のリボン状リード板4によって接続されている。リード板4の一端13は第1導電部材2の底面に接合され、他端14は正極板10の基板(図示せず)に接合されている。7は、第1導電部材2を図の下方に向けて押圧するためのバネであり該バネと第1導電部材2は、樹脂製の電気絶縁層8によって絶縁されている。
【0006】
常時(蓄電池内部の圧力が規定値以下の状態)は、密閉形蓄電池1は、図1(イ)に示す如く、第1導電部材2と第2導電部材3が当接し、正極板10と正極端子5を結ぶ回路がオンの状態(圧力スイッチがオン)にある。充電時に蓄電池内部でガスが発生し、充電中に蓄電池内部の圧力が上昇して規定値をこえた時は、図1(ロ)に示すように、グロメット6の中央部分が図の上方に向かって撓み、それとともに第1導電部材2が上方に移動して第1導電部材2と第2導電部材3が離れて前記回路がオフの状態(圧力スイッチがオフ)に切り替わり、充電が一時中断する。充電中断中に蓄電池の内部空間に蓄積したガスの吸収が進行して蓄電池内部の圧力が下降し、該圧力が規定値を下回ったときにバネ7の押圧力によって第1導電部材2が下方に押し戻され、第1導電部材2が第2導電部材3に当接して圧力スイッチがオフからオンに切り替わり、充電が再開する。特許文献1に提案されて入る方法は、このように、蓄電池内部の圧力の大きさに応じて充電のオン・オフを司ることによって、蓄電池の内部の圧力が過度に上昇するのを防ぐと同時に充電時の発熱によって蓄電池の温度が過度に上昇するのを抑制する。なお、図1において12は、蓄電池の内部空間に蓄積したガスを外部に排出するために正極端子5に設けた透孔である。
【0007】
第1導電部材2が上下方向に位置を変えても正極板10と第1導電部材2を無理なく接続することが可能なように、図1に示す如く、前記リード板4の中間に折り曲げ部分15を設けたりあるいは第1導電部材との接合端部13や正極板との接合端部14に隣接する位置に湾曲部分16を設けたりしてリード板4に撓み代を設けている。従来よりリード板の剛性をできるだけ小さくするために、断面形状が扁平なリボン状リード板を用いるのが一般的であり、AAサイズの円筒形のニッケル水素蓄電池を例に採ると、設計上許される限りリード板の電気抵抗を低く抑えるために前記リード板4には幅3〜4mm、厚さ約0.1〜0.2mm、長さ10〜15mmのニッケル製のリボン状リード板が適用されている。該寸法に比べてリード板4の幅や厚さを大きくしたり、長さを短くすればリード板の電気抵抗を低減することができるが、リード板の剛性が増大して、リード板4と正極板10の基板との接合箇所14やリード板4と第1導電部材2の接合箇所13に加わるストレスが大きくなって接合が破壊される虞が生じる。
【0008】
密閉形アルカリ蓄電池(以下、簡単に電池ともいう)の容量は、技術の向上とともにさらに増大する方向にある。電池を急速充電を行うことにより機器を有効に使用することもできるが、電池の単位体積当たりの容量が増加すれば必要な充電電流も大となる。電池内での発熱もこれに伴って増大する。ニッケル水素蓄電池では水素吸蔵合金の水素吸蔵に起因する発熱も加わり、電池温度が上昇して充電効率が低下し、ガス発生により電池内圧が急上昇し、安全性に問題が起こる虞がある。
【0009】
従来の電池の欠点の一つは前記リード板の電気抵抗が大きい点にある。リード板の電気抵抗が大きいと急速充電に際して正負極の分極が大きくなり、正極の場合は充電電位が上昇して酸素ガスが発生し易くなり、それに伴う蓄電池温度の上昇や蓄電池内部の圧力上昇が促進されて充電効率が低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明は、前記従来の圧力スイッチ内蔵式の電池の欠点を解消するためになされたものであって、電気抵抗が小さく、急速充電受け入れ特性の優れた電池を提供せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明は、圧力スイッチ内蔵式の密閉形蓄電池において、一方の極板と圧力スイッチを構成する導電部材を接続するリボン状のリード板を以下の構成とすることによって、前記課題を解決する。
本発明に係る密閉形蓄電池は、少なくとも一方の極板と外部端子を接続する回路に、蓄電池の内部の圧力が規定値を超えて上昇したときに前記回路をオンからオフに切り替え、蓄電池内部の圧力が規定値以下に下降したときに前記回路をオフからオンに切り替える圧力スイッチ機能を内蔵した蓄電池であって、前記スイッチが蓄電池内部の圧力に応じて位置を変える第1導電部材と位置が固定された第2導電部材を備え、前記第1導電部材と一方の極板がリボン状リード板によって接続され、該リード板に折り曲げ部分や湾曲部分を設けることによって撓み代を付与した密閉形蓄電池であって、前記リード板の折り曲げ部分や湾曲部分の少なくとも1箇所に、リード板の長手方向に対して垂直な断面の断面積が小さい部分を設けた密閉形蓄電池である。(請求項1)
本発明に係る密閉形蓄電池は、前記リボン状のリード板に、リード板の長手方向に対して垂直な切り欠き又は切り込みを設けることによって前記断面積の小さい部分を設けた請求項1に記載の密閉形蓄電池である。(請求項2)
本発明に係る密閉形蓄電池は、前記リボン状のリード板に、リード板の長手方向に対して垂直な肉薄部分を形成することによって前記断面積の小さい部分を設けた請求項1に記載の密閉形蓄電池である。(請求項3)
【発明の効果】
【0012】
本発明の請求項1によれば、一方の極板と圧力スイッチを構成する導電部材を接続するリード板に断面積が大きいリボン状のリード板を用いることによってリード板の電気抵抗を低減することができ、且つ、該リード板に局所的に断面積の小さい部分を設け、該部分でリード板を折り曲げるかまたは湾曲させることによって、前記導電部材が上下方向に位置を変えたときにもリード板と極板、リード板と導電部材との接合点にストレスが加わり難くすることができる。
本発明の請求項2および3によれば、リボン状リード板に容易に断面積の小さい部分を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
本発明に係る電池の基本的な構造は、図1に示した従来提案に係る圧力スイッチ内蔵式の密閉形蓄電池と同一である。圧力スイッチの動作圧力(オン・オフ切り替え動作の圧力)は、特に限定されるされるものではないが、円筒形のニッケル水素蓄電池やニッケルカドミウム電池においては1.7〜2.8MPaとするのが好ましい。該動作圧力が1.7MPa未満では充電中断時間が長くなり、急速充電を行ったときに満足できる充電が出来ない虞がある。また、該動作圧力が2.8MPaを超えると充電中に電池の温度が上昇して電池性能の劣化を招く虞がある。該動作圧力は、主として図1に示したバネ7の弾性係数を選択することによって調整することができる。
【0014】
本発明に係る電池においては、前記リード板4の折り曲げ部分や湾曲部分の少なくとも1箇所に、リード板の長手方向に対して垂直な断面の断面積が小さい部分を設ける。該断面積の小さい部分を設けることによって折り曲げ部分や湾曲部分のリード板の剛性を低減し、従来のリード板に比べて幅や厚さが大きいリード板を用いた場合においてもリード板と正極板の基板との接合箇所、リード板と第1導電部材の接合箇所のに加わるストレスを抑制することができる。かつ、断面積の小さい部分が局部に限定されているのでリード板の電気抵抗が増大するのを防ぐことが出来る。
【0015】
アルカリ蓄電池の場合、リード板には耐アルカリ電解液性に優れたニッケル製のリード板を用いるのが一般的である。AAサイズの円筒形電池を例に採ると、適用するリード板の厚さを従来と同じく0.1〜0.2mmに設定した場合、リード板の幅を従来のリード板の幅に比べて大きい4〜6mmに設定することが好ましく5〜6mmに設定することが好ましい。
また、リード板の幅を従来と同じく3〜4mmに設定した場合、リード板の厚さを従来に比べて厚い0.2〜0.5mmに設定することが好ましく、0.3〜0.5mmに設定することがさらに好ましい。
【0016】
前記リード板に断面積の小さい部分を設ける方法は、特に限定されるものではない。
図2は、リード板の長手方向に対して垂直な切り欠き部分を設けたリード板の形状を示す図であり、図2(イ)はリード板の平面図であり、図2(ロ)は図2(イ)のA−Aの切断面を示す断面図である。このようにリード板に、リード板の長手方向に対して垂直な切り欠き部分を設けるのが簡便で有効な方法である。リード板が繋がっている接続部分の幅w′とリード板の幅wの比(w′/w)を0.3〜0.7とすることが好ましい。該比が0.3未満ではリード板の電気抵抗が大きくなったり、機械的強度が小さい欠点が生じる虞があり、0.7を超えるとリード板の剛性を低減する効果が乏しい虞がある。なお、本発明においては、図2(イ)に示したように、リード板の両側辺から中央に向かって2つの切り欠きを設けてもよいし片側の側辺から中央に向かって1つの切り欠きを設けてもよい。また、図2(イ)に示した切り欠きの先端形状は半円形であるが、該形状は特に限定されるものではない。
【0017】
リード板の電気抵抗の増大を抑制する上から、切り欠きの幅lを打ち抜き加工など加工が容易な範囲でなるべく小さくすることが好ましい。具体的にはlを1mm以下にするのが好ましく、0.3〜0.5mmとするのがさらに好ましい。
図には示さないが、本発明においては図2に示した切り欠きに替えて、リード板に刃物で線状の切り込みを付けるのも有効な方法である。該方法は、前記切り欠きの幅lを極限にまで小さくできる点で好ましい方法である。但し、該切り込みを付ける方法は、切り込みの先端を起点にしてリード板に裂けが生じ易い虞があり、切り込みを付けるに際して、リード板に剪断応力が加わらないようにすることが好ましい。
【0018】
図3は、リード板に断面積の小さい部分を局部的に設ける別の実施形態を示す図である。
図3(イ)はリード板4の平面図であり、図3(ロ)は側面図である。図3に示すように、リード板4に、リード板の長手方向に対して垂直な肉薄部分4′を設けるのが簡便で有効な方法である。
該肉薄部分4′の厚さt′のリード板4の厚さtに対する比(t′/t)は、特に限定されるものではないが、該比を0.3〜0.7とすることが好ましい。該比が0.3未満ではリード板の電気抵抗が大きくなったり、機械的強度が小さい欠点が生じる虞があり、0.7を超えるとリード板の剛性を低減する効果が乏しい虞がある。また、肉薄部分の距離l′は0.5〜1mmが好ましい。該l′が0.5mm未満ではリード板の剛性を低下させる効果が発揮されない虞があり、1mmを超えるとリード板の電気抵抗を増大させる虞がある。
【0019】
前記肉薄部4′を設ける方法は、特に限定されるものではなく、切削加工やプレス加工を適用することができる。なお、プレス加工を適用した場合はプレスされた部分(肉薄部分4′)の硬度が増すので、プレス加工を施した後にリード板4をアニールし、硬度を低下させることが好ましい。なお、本発明においては、図3(ロ)に示したようにリード板の片面に凹部を設けることによって肉薄部分4′を形成してもよいし、両面に凹部を設けてもよい。また、図3(ロ)に示した凹部の断面形状は半円形であるが、該形状は、特に限定されるものではない。
【0020】
円筒形電池の場合、リード板4と正極板10の接合部分14において、リード板4が極板群の曲率と同じ曲率で反る。図4は、図1に示したリード板4と正極板10の接合部分14の上部に位置するリード4の湾曲部分16を図の上方から見た図である。上方から見ると、接合部分14には正極板の曲率に沿って反りが生じる。該反りがある状態でリード板を湾曲させようとすると湾曲部に大きなストレスが発生する。リード板4の幅が大きくすると反りも大きくなるために、大きなストレスが発生し易い。図2に示したようにリード板に切り欠きを設け、リード板の繋がり部分(図2、図4の4′で示した斜線を施した部分)の幅を小さくすることにより湾曲部分16に生じるストレスを低減することができる。このように、湾曲部分を境にしてリード板の一方の側に反りがある場合、前記図2に示したようにリード板に切り欠きを設けるのが有効である。
【実施例】
【0021】
前記図1に示した圧力スイッチであってオン・オフ切り替え動作圧力が2.2MPaの圧力スイッチを内蔵した外形寸法がAAサイズであって、容量が2200mAhの密閉形ニッケル水素電池を、本発明に係る実施例20個、比較例1、比較例2に係る電池を20個づつ作製した。
(実施例)
第1導電部材と正極板を結ぶリード板に幅5mm、厚さ0.3mm、長さ13mmのニッケル製のリード板を適用した。リード板の一端は、第1導電部材に溶接し、他端は発泡ニッケル製の正極板の基板(基板のリード板との接合部分の活物質を予め除去した)に溶接した。リード板の折り曲げ部分15および正極板との接合部分14の上方に位置する湾曲部分16には図2に示すようにリード板の両側面から中央に向かって長さ1.5mm(w′が2mm)、幅(l)が0.5mmの切り欠きを設けた。
該例を実施例とする。
【0022】
(比較例1)
前記実施例において第1導電部材と正極板を結ぶリード板に幅3.5mm、厚さ0.15mm、長さ13mmのニッケル製であって切り欠き部を設けていないリード板を適用した。それ以外は実施例と同じ構成とした。該例を比較例1とする。
(比較例2)
前記実施例において、第1導電部材と正極板を結ぶリード板に、寸法が実施例と同じであって、切り欠き部を設けていないリード板を適用した。該例を比較例2とする。
【0023】
比較例2は、封口のリード板と正極板の基板の接合部分に大きなストレスが加わったためか、封口の過程で20個中6個前記接合部位分が破壊(接合が外れたり、基板が裂けたりした)され、試験が不能であった。
【0024】
(急速充電試験)
実施例および比較例(比較例2についてはリード板と正極板の基板の接合部分が破壊されていないもののみ)に係る電池の容量を以下の手順で測定した。化成済みの電池を周囲温度20℃において0.22A(0.1ItA)で15時間充電したのち1時間放置し、ついで、0.44A(0.2ItA)で電池電圧が1V/セルになるまで放電して放電時間と電流値からえたAh容量を電池の通常充電時容量とした。次いで、同周囲温度において放電を終了した電池を1.6V/セルで15分間定電圧充電したのち、30分間放置し、ついで、0.44A(0.2ItA)で電池電圧が1V/セルになるまで放電し、急速充電時容量とした。そして急速充電時容量の通常充電時容量に対する比率を該電池の急速充電時の充電受け入れ率とし、急速充電時の充電受け入れ性能を測る指標とした。なお、実施例電池、比較例電池各々5づつの電池の側面の正極端子側近傍に温度センサーを取り付け試験中の温度をモニターした。なお充電開始直後には約15A(6〜7ItAに相当)という大きな充電電流が観測された。
【0025】
表1に急速充電試験結果を示す。なお、表1には、実施例1及び比較例1については20ケの電池、比較例2については14ケの電池の平均値を示した。
【表1】

表1に示したように、実施例1及び比較例2は比較例1に比べて充電受け入れ率が高く、且つ、充電時の電池表面の到達温度も低い。実施例1及び比較例2においては、リード板の電気抵抗が低いために、急速充電を行ったときに正負極の分極が低減され、ガス発生などの副反応が抑制されたために充電受け入れ率が高くなったものと考えられる。また、実施例1及び比較例2においては副反応が抑制されたことと充電中にリード板で発生するジュール熱が抑制されたために電池の温度上昇が抑制されたものと考えられる。また。急速充電を行っても実施例の急速充電受け入れ率、電池の到達温度が比較例2とほぼ同じ値であるところから実施例においてリード板に設けた切り欠きが急速充電性能に悪影響を及ぼしていないことが分かった。これは、切り欠きの幅(l)を極力小さくして、切り欠きを設けたことによってリード板の電気抵抗が増大しないようにしたためと考えられる。
なお、実施例において、電池の温度上昇が抑制されるところから、急速充電を繰り返し行っても電極の変質、劣化が抑制され、充放電サイクル性能向上にとっても有効であると予想された。
【0026】
(充放電サイクル試験)
急速充電試験終了後の電池(実施例、比較例1、各20ケ、比較例2、14ケ)を、周囲温度20℃において1.6V/セルで15分間定電圧充電したのち、30分間放置し、ついで、2.2A(1ItA)で電池電圧が1V/セルになるまで放電し、該充放電を1サイクルとして100サイクル充放電を繰り返し実施し、この間充放電が正常に実施出来るか否かを調べた。また、実施例及び比較例1については、100サイクル以降もサイクルを繰り返し行い、放電容量がサイクル試験の1サイクル目の放電容量の80%に低下したサイクル数をもって該電池のサイクル寿命とした。
【0027】
表2に充放電サイクル試験結果を示す。
【表2】

表2に示したように、実施例1、比較例1においては充放電が不能となる異常が発生しなかったのに対して、比較例2においては14ヶ中5ヶが充放電不能になった。該5ケの電池を解体したところ、何れの電池もリード板と正極板の基板(発泡ニッケル)の接合部分に破壊(接合が外れたり、基板が裂けたりして回路が断線)が認められた。比較例2においてはリード板の電気抵抗を低減するためにリード板の幅、厚さを大きくしたためにリード板の剛性が大きくなり、圧力スイッチが動作して第1導電部材1が上下方向に位置を変える毎に前記接合部分に大きなストレスが加わって接合部分が破壊に至ったものと考えられる。
【0028】
表2に示したように、比較例1に比べて実施例1のサイクル寿命が優れている。これは、前記の如く、実施例においては急速充電を行った時に充電中の電池の温度上昇が抑制されるところから、急速充電を繰り返し行っても電極の変質、劣化が抑制されたために、充放電サイクル性能が良かったものと考えられる。
【0029】
本発明は、ニッケルカドミウム蓄電池にも勿論適用することができる。しかし、ニッケルカドミウム蓄電池と比較して急速充電を実施し難いとされているニッケル水素蓄電池に適用すれば得られる効果が大きい。
【0030】
本発明の密閉型蓄電池の構造は、初期に大電流を付加できる方式、例えば定電圧方式等において特に顕著な効果を発揮する。
【産業上の利用可能性】
【0031】
本発明によれば、エネルギ密度を高く設計した密閉形アルカリ蓄電池特にニッケル水素電池の寿命特性と急速充電特性および信頼性とを向上させることができ、産業上の利用価値の高いものである。また、大電流による急速充電で充電時間の短縮が可能となり、小型電子機器類の発展を支えることができる。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】本発明の一実施形態に係る密閉形蓄電池の要部の縦断面図である。
【図2】本発明の一実施形態に係るリード板の要部の形状を示す図である。
【図3】本発明の別の実施形態に係るリード板の要部の形状を示す図である。
【図4】本発明の一実施形態に係るリード板の湾曲部の形状を示す図である。
【符号の説明】
【0033】
2 第1導電部材
3 第2導電部材
4 リード板
4′リード板の断面積の小さい部分
5 正極端子
9 極板群
10 正極板









【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも一方の極板と外部端子を接続する回路に、蓄電池の内部の圧力が規定値を超えて上昇したときに前記回路をオンからオフに切り替え、蓄電池内部の圧力が規定値以下に下降したときに前記回路をオフからオンに切り替える圧力スイッチ機能を内蔵した蓄電池であって、前記スイッチが蓄電池内部の圧力に応じて位置を変える第1導電部材と位置が固定された第2導電部材を備え、前記第1導電部材と一方の極板がリボン状リード板によって接続され、該リード板に折り曲げ部分や湾曲部分を設けることによって撓み代を付与した密閉形蓄電池であって、前記リード板の折り曲げ部分や湾曲部分の少なくとも1箇所に、リード板の長手方向に対して垂直な断面の断面積が小さい部分を設けたことを特徴とする密閉形蓄電池。
【請求項2】
前記リボン状のリード板に、リード板の長手方向に対して垂直な切り欠き又は切り込みを設けることによって前記断面積の小さい部分を設けたことを特徴とする請求項1に記載の密閉形蓄電池。
【請求項3】
前記リボン状のリード板に、リード板の長手方向に対して垂直な肉薄部分を形成することによって前記断面積の小さい部分を設けたことを特徴とする請求項1に記載の密閉形蓄電池。

















【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2006−32253(P2006−32253A)
【公開日】平成18年2月2日(2006.2.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−212686(P2004−212686)
【出願日】平成16年7月21日(2004.7.21)
【出願人】(000006688)株式会社ユアサコーポレーション (21)
【Fターム(参考)】