説明

密閉形蓄電池

【課題】 外装缶内の容積を減少させることなく,封口体にPTC素子を備えるようにするとともに,圧力弁が所定の位置に配置されるようにして,短絡時の大電流発生を防止して,安全性が向上した密閉形蓄電池を提供する。
【解決手段】 本発明の封口体10は,外装缶18の開口部を封止する底板11と,正極端子になるとともにその内部に圧力弁を収容する空間部を形成する正極キャップ12と,絶縁リング13と,上面に鋼板14aを備えた弾性弁14と,スプリング15と,正極キャップ12のフランジ12aの上に配置されたPTC素子リング16とで構成される。そして,底板11の中央部に形成された排気口11aを封止する弾性弁14を位置決めするための突起部11bが底板11から突出するように形成されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は,セパレータを介して正極と負極が巻回された電極群と,該電極群を収容するとともに一方極の端子を兼ねる開口部を備えた外装缶と,該外装缶の開口部を絶縁ガスケットを介して密封する他方極の端子を兼ねるとともに圧力弁を内蔵した封口体とを備えた密閉形蓄電池に係り,特に,封口体にPTC素子を備えた密閉形蓄電池に関するものである。
【背景技術】
【0002】
一般に,ニッケル−水素蓄電池,ニッケル−カドミウム蓄電池などの密閉形蓄電池は,放電時の作動電圧が約1.2Vであることから,いわゆるAAサイズやAAAサイズのものにおいては,マンガン乾電池やアルカリ一次電池(アルカリ乾電池)などの単3形や単4形の互換用として使用されることがある。ところが,電池が外部短絡や逆挿入などの誤使用を受けた場合,マンガン乾電池やアルカリ乾電池は出力特性が低いために,それほどの大電流は流れない。しかしながら,上述のような密閉形蓄電池は,大電流放電が可能なために短絡電流も大きく,発熱や大電流による焼損を発生するという問題点があった。
【0003】
この種の発熱や大電流による焼損を防止するために,リチウムイオン電池においては温度が上昇すると抵抗値が増大して大電流を抑制するPTC(Positive Temperature Coefficient)素子や,あるいは大電流を遮断するブレーカーを内蔵させることが行われている。例えば,特許文献1においては,正極端子を兼ねる外装缶の底部にPTC素子を配置することが提案されている。ところが,外装缶の底部にPTC素子を配置すると,PTC素子の厚み分だけ全長が長くなったり,PTC素子が外部に露出しているので,PTC素子が外れてしまうという問題を生じた。そこで,弁体を備えた封口体内にPTC素子を配置することが,例えば,特許文献2において提案されるようになった。
【0004】
このようなPTC素子を内蔵する封口体は,例えば,図3に示すような構造となっている。この図3に示す封口体30においては,キャップ状に形成されたステンレス製の正極キャップ31と,皿状に形成されたステンレス製の底板34とから構成される。正極キャップ31は,電池外部に向けて膨出する凸部32と,この凸部32の底辺部を構成する平板状のフランジ部33とからなり,凸部32の角部には複数のガス抜き孔32aが設けられている。一方,底板34は,電池内部に向けて膨出する凹部35と,この凹部35の底辺部を構成する平板状のフランジ部36とからなり,凹部35の角部にはガス抜き孔35aが設けられている。
【0005】
これらの正極キャップ31と底板34との内部には,電池内部のガス圧が上昇して所定の圧力以上になると変形する電力導出板37が収容されている。この電力導出板37は凹部37aとフランジ部37bとからなり,アルミニウム箔から構成されている。凹部37aの最低部は底板34の凹部35の上表面に接触して配設されており,フランジ部37bは正極キャップ31のフランジ部33と底板34のフランジ部36との間に狭持されている。なお,正極キャップ31と底板34とはポリプロピレン(PP)製の封口体用絶縁ガスケット39により液密に封口されている。
【0006】
フランジ部37bの上部には,PTC(Positive Temperature Coefficient)素子38が配設され,電池内に過電流が流れて異常な発熱現象を生じると,このPTC素子38の抵抗値が増大して過電流を減少させる。そして,電池内部のガス圧が上昇して所定の圧力以上になると電力導出板37の凹部37aは変形するため,電力導出板37と底板34の凹部35との接触が遮断されて過電流あるいは短絡電流が遮断されるようになる。
【特許文献1】特開平2−207450号公報
【特許文献2】特許第3143176号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ところで,PTC素子を内蔵しない封口体を用いたアルカリ蓄電池においては,図4に示すように,封口体40の外周部(絶縁ガスケット46を介して外装缶47にかしめられる部分)の厚みを薄くして,極力電池内容積を増大させて放電容量を大きくするようになされている。即ち,図4に示す封口体40においては,キャップ状に形成されたニッケルメッキ鋼板製の正極キャップ41と,皿状に形成されたニッケルメッキ鋼板製の底板42とから構成され,これらが溶接により一体化されている。
【0008】
この場合,底板42の中心部には排気口42aが形成されているとともに,底板42の外周部にフランジ部42bが形成されている。これらの正極キャップ41と底板42で形成される空間部には弁板43とスプリング45からなる圧力弁が配置されている。なお,弁板43とスプリング45との間にはニッケルメッキ鋼板44が配置されている。そして,底板42のフランジ部42bはポリプロピレン(PP)製の絶縁ガスケット46により狭持され,この絶縁ガスケット46は外装缶47の上部に形成された絞り部47aの上に配置され,外装缶47の上部47bをかしめることにより液密に封口されている。
【0009】
しかしながら,封口体30にPTC素子38を内蔵させた場合,図3に示すように,底板34のフランジ部36と絶縁ガスケット39とPTC素子38と正極キャップ31のフランジ部33と底板34のかしめ部36aが積層される6層構造となる。このため,封口体の外周部(絶縁ガスケットを介して外装缶にかしめられる部分)の厚みが厚くなる。この結果,電極群が収容される容積が減少するため,PTC素子を内蔵させた封口体を用いた場合には,電池容量を犠牲にしなければならないという問題を生じた。
【0010】
また,アルカリ蓄電池ではリチウム系二次電池とは異なり,非破壊の復帰式ガス排出弁(圧力弁)を設けているため,封口体の内部にPTC素子などの機能部品を配すると,日常使用で微小排出されるアルカリミストによってPTC素子が劣化する恐れがあり,PTC素子と封口体とを一体化することは困難であった。さらに,復帰式ガス排出弁(圧力弁)を上述のようなPTC素子を備えた封口体内に配置する場合,底板の中心部に排気口を形成しておき,この排気口の上部の所定の位置に圧力弁を配置できるようにする必要がある。ところが,圧力弁が排気口の上部の所定の位置に配置されないで封口体が形成された場合,シール性が低下するという問題を生じた。
【0011】
そこで,本発明は上記問題点を解消するためになされたものであって,外装缶内の容積を減少させることなく,アルカリ蓄電池に適した形で封口体にPTC素子を備えるようにするとともに,圧力弁(復帰式ガス排出弁)が所定の位置に配置されるようにして,短絡時の大電流発生を防止して,安全性が向上した密閉形蓄電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記目的を達成するため,本発明の密閉形蓄電池に用いられる封口体は,フランジが形成されたキャップ部と,外装缶の開口部を封止する底板とを備えているとともに,キャップ部と底板とで圧力弁を収容する弁室を形成している。そして,底板の中央部に形成された排気口を封止する圧力弁を位置決めするための突起部が底板から弁室へ向けて突出するようにこの底板と一体的に形成されている。このように,圧力弁を位置決めするための突起部が形成されていると,圧力弁を排気口の上部の所定の位置に容易に配置することが可能となるので,この種の封口体を用いた電池のシール性を向上させることが可能となる。
【0013】
この場合,突起部は排気口の周囲を環状に覆う環状突起であると,圧力弁を位置決めするのが容易となるので望ましい。また,圧力弁を位置決めするための突起部が底板のキャップ部側壁と対向する位置に形成されていると,この封口体の製造時に,この突起部の上に圧力弁が乗り上げて組み立てられた場合に,キャップ部が押し上げられて封口体の全高が高くなることにより,組み立て不良を容易に選別できるようになる。これにより,この種の封口体のシール性に対する信頼性が向上する。また,突起部の圧力弁が配置される側の壁面が底板の上面から略垂直に立ち上がるように形成されていると,圧力弁が突起部の上に乗り上げることなく,所定の位置に容易に配置できるようになる。さらに,圧力弁は弾性弁と,この弾性弁に付勢力を付与するスプリングから構成するようにすると,構成が簡単で,製造が容易な圧力弁となるので望ましい。
【0014】
なお,キャップ部のフランジの上面にリング状のPTC(Positive Temperature Coefficient)素子が配置されていると,PTC素子を弁室の外部に隔離することが可能となる。これにより,PTC素子に電解液が付着することが防止できるようになるので,PTC素子の劣化が未然に防止できるようになる。また,弁室に隣接してPTC素子が配置されることとなるので,弁室内の温度監視を精度良く行えるようになる。
【0015】
また,底板の外周部に形成された折り返し部によりキャップ部のフランジの上面にPTC素子をかしめ付けるようにすると,PTC素子を底板の最外周部に配置する必要がなくなるので,この封口体を外装缶の開口部に装着した際のかしめ部の厚みを薄くすることが可能となる。これにより,外装缶内の容積を減少させることはなく,PTC素子を備えた封口体を装着することが可能となって,短絡時の大電流発生を防止して,安全性が向上した密閉形蓄電池を提供することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
以下に,本発明をニッケル−水素蓄電池に適用した場合の一実施の形態を図1および図2に基づいて説明する。なお,図1は,本発明によるニッケル−水素蓄電池の要部を模式的に示す断面図であり,図1(a)は,封口体を外装缶の開口部に装着した状態の要部を示す断面図であり,図1(b)は,図1(a)のA部の一部を拡大して示す断面図である。また,図2は,図1の封口体の部品を分解して示す断面図である。
【0017】
1.封口体
本発明の封口体10は,図1および図2に示すように,外装缶18の開口部を封止する底板11と,正極端子になるとともにその内部に圧力弁を収容する空間部(弁室)を形成する正極キャップ12と,底板11と正極キャップ12との間を電気的に絶縁する絶縁リング13と,上面にニッケルメッキ鋼板14aを備えた弾性弁14と,この弾性弁14に付勢力を付与するスプリング15と,正極キャップ12のフランジ12aの上に配置されたPTC素子リング16とから構成されている。そして,この封口体10の外周部に絶縁ガスケット17が装着されて,外装缶18の開口部を封止するようになされている。
【0018】
底板11はニッケルメッキ鋼板により皿状に形成されており,皿状の中心部には排気口11aが形成されている。そして,この排気口11aの周囲には弾性弁14を所定の位置に配置するための環状突起部11bが底板11より上方に突出して形成されている。この場合,環状突起部11bは正極キャップ12の側壁の下部に対応する位置するに形成されており,この環状突起部11bの弾性弁14が配置される側(排気口11a側)の壁面には,底板11より上方に略垂直方向に立ち上がる立ち上がり面11cが形成されている。これにより,弾性弁14は環状突起部11bの上に乗り上げ難くなるので,弾性弁14を排気口11aの上部の所定の位置に容易に配置できるようになる。
【0019】
ここで,底板11は略平坦に形成されている。これは,上述した図3および図4に示す底板35,42においては,中央が凹んだ形状となっており,特に,図4に示す底板42においては,中央の凹みは弁板43を収納する空間となっているため,中央が凹んだ分だけ電池の内容積が小さくなる。ところが,本発明にあっては,環状突起部11bによって弾性弁14の位置決めを行うことができることから,底板11の形状を平坦状にすることができる。その結果,その分だけでも電池の内容積を大きくすることが可能となる。
【0020】
なお,環状突起部11bの高さ(底板11の上面からの高さ)は0.3mmとなるように形成されいる。また,環状突起部11bの壁面に形成された立ち上がり面11cと底板11の上面との間の角度(θ)が90〜110°となるように立ち上がり面11cが形成されている。また,環状突起部11bに対応する底板11の下部には環状突起部11bを形成する際の治具の係止部となる係止用凹部11dが形成されている。
【0021】
また,底板11の皿状の端部より最外端までの外周部はDI加工が施されたDI加工部(薄肉部)11eが形成されていて,底板11の皿状部の厚みの半分の厚みになるように薄肉化されている。そして,DI加工が施されて薄肉化された部分の約1/3位のところで折り返されて折り返し部11fが形成され,さらに,この折り返し部11fの内周側に,後述するPTC素子リング16を正極キャップ12のフランジ12aの上面にかしめ付けるかしめ部11gが形成されている。
【0022】
正極キャップ12はニッケルメッキ鋼板により形成されており,中央部がキャップ状に膨出していて,その底辺部となる外周部にフランジ12aが形成されている。なお,正極キャップ12のフランジ12aの直径は底板11の皿状の端部よりは若干短くなるように形成されている。また,正極キャップ12の側壁には,図示しない排気口が形成されている。
【0023】
絶縁リング13はポリプロピレン(PP)によりリング状に形成されていて,底板11の皿状の端部間に配置される直径を有し,かつ底板11に形成された位置決め用の環状突起部11bの外周径よりは若干大きい直径の開口が形成されている。また,絶縁リング13の端部周縁には立ち上がり部13aが形成されている。これにより,この絶縁リング13上に正極キャップ12の外周部に形成されたフランジ12aが配置されても,このフランジ部12と底板11に形成された折り返し部11fが接触することが防止できるようになる。この結果,後に,正極キャップ12のフランジ部12の上にPTC素子リング16が配置されると,底板11に形成された折り返し部11f,かしめ部11g,PTC素子リング16およびフランジ12aを通して正極キャップ12に放電電流が流れるようになる。
【0024】
なお,絶縁リング13の厚みは,環状突起部11bの高さ0.3mmよりも高くなるように0.4mmに形成されている。これは,絶縁リング13の厚みが環状突起部11bよりも低いと,環状突起部11bの先端が正極キャップ12に当たるようになって,後述するようなPTC素子リング16に電流が流れる回路が形成されなくなるばかりか,正極キャップ12を底板11に対して水平に装着できなくなるからである。この場合,例えば,絶縁リング13の内周側を弾性弁14に近づくように形成することによって,環状突起部11bの役割を兼用させて,環状突起部11bを不要にすることも考えられる。
【0025】
しかしながら,絶縁リング13を弾性弁14に近づけ過ぎると,PTC素子リング16がトリップして発熱したときに,その熱により絶縁リング13が軟化したり溶け出したりする。これにより,弾性弁14に絶縁リング13の樹脂が貼り付くようになって,弁作動を阻害することが考えられる。このため,絶縁リング13を環状突起部11bに兼用させることはできず,環状突起部11bを設けて,その環状突起部11bの外周側に配置する構成となっている。
さらに,この絶縁リング13は,PTC素子リング16がトリップして発熱したときに,その熱が絶縁リング13を軟化させるので,PTC素子リング16の発熱による膨張の応力を弾性的に受け止める役割を併せ持たせることができるようになる。
【0026】
弾性弁14はエチレンプロピレンゴム(EPDM)により形成されており,この弾性弁14が底板11の皿状の中心部に形成された排気口11aを塞ぐように配置されている。この弾性弁14の上面には,ニッケルメッキ鋼板14aが配置され,このニッケルメッキ鋼板14aに付勢力を付与するためのスプリング15がニッケルメッキ鋼板14aの上に配置されている。これにより,電池内が所定の圧力以上に加圧されると,スプリング15の付勢力に抗して弾性弁14が押し上げられ,正極キャップ12の排気口(図示せず)よりガスが排出されて電池内の圧力が低下するようになされている。
【0027】
PTC素子リング16は,正温度特性を有する導電性ポリマー材料からなるPTC(Positive Temperature Coefficient)素子で,温度が上昇することにより抵抗値が増大する「ポリスイッチ」(レイケム社製)という商品名で市販されている素子であり,常温で3A以下で,60℃で1A以下の遮断電流特性を有し,15Vの印加電圧で5A通電する充放電に対し1000回以上耐える耐圧特性を有し,更に電流遮断後に流れる微小漏洩電流が0.5A以下とするものである。
【0028】
なお,このPTC素子リング16の内周壁面にはオレフィン系樹脂の皮膜が被覆されていて,アルカリミストなどの付着による劣化を防止するようにしている。この場合,PTC素子リング16の内周壁面と正極キャップ12の側壁外周面との間の隙間,および底板11のかしめ部11gの端部と正極キャップ12の側壁外周面との間の隙間にオレフィン系樹脂を充填するようにしてもよい。このように,これらの隙間をオレフィン系樹脂で塞ぐようにすれば,これらの隙間に導電性を有する異物などが挟まった場合にPTC素子リング16に電流が流れなくなること(PTC素子リング16をバイパスする回路が形成されること)が未然に防止できるようになる。
【0029】
そして,このPTC素子リング16の中心部には,正極キャップ12の膨出部の直径よりも若干径が大きい開口が形成されており,正極キャップ12のフランジ12aの上面に配置されている。これにより,底板11に形成された折り返し部11f,かしめ部11g,PTC素子リング16およびフランジ12aを通して正極キャップ12に放電電流が流れるようになる。このPTC素子リング16の作動領域は常温(25℃)で3A以下,高温(60℃)で1Aに設定されている。
【0030】
2.封口体の組み付け
ついで,上述のように構成される封口体10の組み付け法を以下に説明する。まず,皿状の中心部に排気口11aが形成されて,この排気口11aの上部の所定の位置に弾性弁14を配置するための環状突起部11bが形成されている底板11を用意する。ついで,この底板11の皿状の端部より最外端に向けての外周部側にDI加工を施して,底板11の皿状部の厚みの半分の厚みになるように薄肉化したDI加工部(薄肉部)11eを形成した。その後,この封口体10が所定の直径になるようにDI加工部11eをL字状に折り曲げて折り曲げ部(図2の点線を参照)を形成した。
【0031】
ついで,底板11の皿状部内に端部周縁に立ち上がり部13aが形成された絶縁リング13を配置した後,底板11の皿状の中心部に形成された排気口11aを塞ぐように弾性弁14を配置した。ついで,弾性弁14の上面に配置されたニッケルメッキ鋼板14aの上にスプリング15を配置した後,絶縁リング13の上に正極キャップ12のフランジ12aを配置した。ついで,このフランジ12aの上にPTC素子リング16を配置し,底板11の折り曲げ部を内側に折り重ねて折り返し部11fを形成した。
【0032】
この後,DI加工部(薄肉部)11eの先端部を正極キャップ12のフランジ12a側にかしめることによりかしめ部11gを形成して,PTC素子リング16を正極キャップ12のフランジ12aの上面に固定した。これにより,弾性弁14はスプリング15により付勢力が付与されて,排気口11aが弾性弁14により塞がれ,封口体10が形成されることとなる。
【0033】
3.ニッケル−水素蓄電池
ついで,上述のように作製された封口体10を用いて,ニッケル−水素蓄電池を作製する例を以下に説明する。まず,パンチングメタルからなる極板芯体の表面にニッケル焼結多孔体を形成した後,化学含浸法により水酸化ニッケルを主体とする活物質をニッケル焼結多孔体内に充填してニッケル正極板を作製した。一方,発泡ニッケルからなる極板芯体の表面に水素吸蔵合金からなるペースト状負極活物質を充填し,乾燥させた後,所定の厚みになるまで圧延して水素吸蔵合金負極板を作製した。
【0034】
これらのニッケル正極板と水素吸蔵合金負極板との間にセパレータを介在させて渦巻状に巻回して渦巻状電極群を作製した。この渦巻状電極群の上端面には,ニッケル正極板の極板芯体の端部が露出し,また,下端面には水素吸蔵合金負極板の極板芯体の端部が露出している。そして,この渦巻状電極群の上端面に露出する芯体と正極集電体とを溶接するとともに,下端面に露出する芯体と負極集電体を溶接した。なお,正極集電体の端部から延出して正極リードが設けられており,この正極リードの端部は絶縁ガスケットを嵌着させた後,封口体の下端面に溶接される。
【0035】
ついで,渦巻状電極群を鉄にニッケルメッキを施した有底筒状の外装缶(底面の外面は負極外部端子となる)18内に収納した後,負極集電体を外装缶18の内底面にスポット溶接した。この後,外装缶18の上部外周面に溝入れ加工18aを施した後,正極集電体から延出した正極リードを垂直に折り曲げた後,この正極リードの端部を封口体10の底板11に抵抗溶接した。ついで,外装缶18内に30質量%の水酸化カリウム(KOH)水溶液からなるアルカリ電解液を注入した。
【0036】
ついで,封口体10のフランジ部となる底板11の折り返し部11fにポリプロピレン(PP)製の絶縁ガスケット17を装着した後,正極リードを折り曲げて封口体10を外装缶の開口部に配置した。この後,外装缶18の開口端縁18bを内方にカシメ付けて開口部を密封して封口した。これにより,公称容量1.7Ahのニッケル−水素蓄電池を作製した。
【0037】
なお,上述した実施の形態においては,本発明をニッケル−水素蓄電池に適用する例について説明したが,本発明はニッケル−水素蓄電池に限らず,ニッケル−カドミウム蓄電池,リチウムイオン電池等の他の密閉形の蓄電池にも適用できることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】本発明の密閉形蓄電池の要部を模式的に示す断面図であり,図1(a)は封口体を外装缶の開口部に装着した状態の要部を示す断面図であり,図1(b)は図1(a)のA部の一部を拡大して示す断面図である。
【図2】図1の封口体の部品を分解して示す断面図である。
【図3】従来例のPTC素子を備えた封口体を示す断面図である。
【図4】従来例のPTC素子を備えない封口体を示す断面図である。
【符号の説明】
【0039】
10…封口体,11…底板,11a…排気口,11b…環状突起部,11c…環状突起部の立ち上がり面,11d…係止用凹部,11e…DI加工部(薄肉部),11f…折り返し部,11g…かしめ部,12…正極キャップ,12a… フランジ,13…絶縁リング,13a…立ち上がり部,14…弾性弁,14a…ニッケルメッキ鋼板,15…スプリング,16…PTC素子リング,17…絶縁ガスケット,18…外装缶

【特許請求の範囲】
【請求項1】
セパレータを介して正極と負極が巻回された電極群と,該電極群を収容するとともに一方極の端子を兼ねる開口部を備えた外装缶と,該外装缶の開口部を絶縁ガスケットを介して密封する他方極の端子を兼ねるとともに圧力弁を内蔵した封口体とを備えた密閉形蓄電池であって,
前記封口体はフランジが形成されたキャップ部と,前記開口部を封止する底板とを備えて,前記キャップ部と前記底板とで前記圧力弁を収容する弁室を形成しているとともに,
前記底板の中央部に形成された排気口を封止する前記圧力弁を位置決めするための突起部が前記底板から前記弁室へ向けて突出するように該底板と一体的に形成されていることを特徴とする密閉形蓄電池。
【請求項2】
前記突起部は前記排気口の周囲を環状に覆う環状突起である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】
前記突起部は前記底板の前記キャップ部側壁と対向する位置に形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の密閉形蓄電池。
【請求項4】
前記突起部の前記圧力弁が配置される側の壁面は前記底板の上面から略垂直に立ち上がるように形成されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の密閉形蓄電池。
【請求項5】
前記圧力弁は弾性弁と,該弾性弁に付勢力を付与するスプリングからなることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の密閉形蓄電池。
【請求項6】
前記キャップ部のフランジの上面にリング状のPTC(Positive Temperature Coefficient)素子が配置されていて,該PTC素子は前記底板の外周部に形成された折り返し部により固定されていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか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2006−66269(P2006−66269A)
【公開日】平成18年3月9日(2006.3.9)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−248577(P2004−248577)
【出願日】平成16年8月27日(2004.8.27)
【出願人】(000001889)三洋電機株式会社 (18,308)
【Fターム(参考)】