(57)【要約】【課題】容器の端壁に溶接される集電部材が、通常使用時は良好な集電性を有する一方、落下や振動などの衝撃に対しては緩衝作用を発揮することにより、高率放電特性に優れ且つ信頼性が確保された円筒形電池を提供する。【解決手段】円筒形電池では、第１電極(4)は集電部材(28)を介して容器(2)の端壁と電気的に接続されている。集電部材(28)は、容器(2)の端壁に溶接された部分を含む第１領域(A)と、第１電極(4)に溶接された部分を含む第２領域(B)と、第１領域(A)と第２領域(B)とを部分的に連結し、集電部材(28)と端壁との溶接強度よりも低強度の１つ以上の連結部(38)と、第１領域(A)と第２領域(B)とを部分的に連結し、連結部(38)が破断したときに、第１領域(A)と第２領域(B)とを弾性をもって連結する境界領域(D)とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状の容器内に渦巻形状の第１電極及び第２電極が収容され、前記第１電極は集電部材を介して前記容器の端壁と電気的に接続されている円筒形電池において、
前記集電部材は、
前記容器の端壁に溶接された部分を含む第１領域と、
前記第１電極に溶接された部分を含む第２領域と、
前記第１領域と前記第２領域とを部分的に連結し、前記集電部材と前記端壁との溶接強度よりも低強度の１つ以上の連結部と、
前記第１領域と前記第２領域とを部分的に連結し、前記連結部が破断したときに、前記第１領域と前記第２領域とを弾性をもって連結する境界領域と
を有する
ことを特徴とする円筒形電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は円筒形電池に係わり、より詳しくは、集電部材の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の円筒形電池には、ニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池等があり、例えば、ニッケル水素二次電池は、デジタルカメラ、電気自動車、電動工具のバッテリ等に広く使用されている。
円筒形電池は円筒形状の導電性の容器を有し、容器内には、渦巻形状の負極及び正極が電解質とともに収容される。容器は、周壁と、周壁の一端を閉塞する端壁とからなる。容器の開口は、容器との絶縁性を確保しながら蓋部材によって閉塞され、蓋部材と正極とが正極用集電部材を介して電気的に接続される。
【０００３】
一方、負極は、容器と電気的に接続されるが、特に電動工具用などの高出力を必要とする円筒形電池では、負極と容器の端壁とが集電部材を介して連結される。集電部材は、負極及び端壁にレーザー溶接や抵抗溶接などでそれぞれ固定され、負極用集電部材の存在により、電池の内部抵抗が小さくなり、高率放電特性が向上する。
そして、特許文献１は、落下や振動等の衝撃に対して電池内部抵抗の上昇を抑制するため、負極用集電部材にスリット又は貫通孔を設けることを提案している。特許文献１によれば、負極用集電部材と缶底との溶接部周辺にスリット又は貫通孔を設けることで、円筒形電池に振動や衝撃力が作用したときに、負極用集電部材が弾性変形して溶接部に作用する振動や衝撃力が緩衝される。これにより、溶接部の剥離が防止または抑制され、電池内部抵抗の上昇が抑制されるものと考えられている。
【特許文献１】特開２００１−２５６９５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１が開示する蓄電装置では、負極用集電部材の溶接部周辺にスリットや貫通孔を設けると、負極用集電部材における電流経路が限定されてしまう。このため、負極用集電部材の集電性不足により電池の内部抵抗が高くなり、高率放電時の中間電圧が低下するという問題があった。
本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、容器の端壁に溶接される集電部材が、通常使用時は良好な集電性を有する一方、落下や振動などの衝撃に対しては緩衝作用を発揮することにより、高率放電特性に優れ且つ信頼性が確保された円筒形電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、円筒形状の容器内に渦巻形状の第１電極及び第２電極が収容され、前記第１電極は集電部材を介して前記容器の端壁と電気的に接続されている円筒形電池において、前記集電部材は、前記容器の端壁に溶接された部分を含む第１領域と、前記第１電極に溶接された部分を含む第２領域と、前記第１領域と前記第２領域とを部分的に連結し、前記集電部材と前記端壁との溶接強度よりも低強度の１つ以上の連結部と、前記第１領域と前記第２領域とを部分的に連結し、前記連結部が破断したときに、前記第１領域と前記第２領域とを弾性をもって連結する境界領域とを有することを特徴とする円筒形電池が提供される（請求項１）。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の請求項１の円筒形電池では、第１集電部材の第１領域と第２領域とが１つ以上の連結部によって連結されており、連結部が電流経路として機能する。このため、第１集電部材は良好な集電性を有する。
一方、この電池に対して、落下や振動等に起因してある程度の衝撃が作用したときには、連結部が破断する。連結部がまず破断することにより、容器の端壁と第１集電部材との溶接部に作用する衝撃が緩衝され、当該溶接部が破断することが防止される。
【０００７】
これらの結果として、この円筒形電池は、通常使用時は高率放電特性に優れ、衝撃が作用したときでも信頼性が確保される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の密閉型円筒形電池の一実施形態に係る４／３Ａサイズのニッケル水素二次電池について説明する。
図１に示したように、ニッケル水素二次電池は、導電性を有する容器として外装缶２を備える。外装缶２の一端は開口し、他端は周壁と一体の端壁により閉塞されている。外装缶２内には、発電要素として、負極板４、正極板６及び電解質としてのアルカリ電解液（図示せず）が収容されている。
【０００９】
これら負極板４及び正極板６は、セパレータ８，９を介して渦巻き形状に巻回されることで略円筒形状の電極群１０を形成している。電極群１０の最外周はセパレータ８の一部により覆われている。ただし、電極群１０の両端においては、負極板４及び正極板６の一部がセパレータ８，９からそれぞれはみ出しており、電極群１０は、負極板４がはみ出している側の端部を端壁側にして外装缶２内に収容されている。
【００１０】
電極群１０の他端部では、正極板６の一部がはみだしている。正極板６のはみだした部分には、金属製の正極用集電体１２の円板部１４が溶接されている。円板部１４の外緑からは折曲されたリード部１６が一体に延び、リード部１６の先端は、金属製の封口板１８の所定の位置に溶接されている。
なお、正極板６は、導電性を有する正極基板と正極基板に保持された正極合剤とを含む。正極基板は、例えば、３次元の網目状構造を有したニッケル多孔体からなる。正極基板には、円板部１４に溶接される圧縮部分を除き、その孔内に正極合剤が充填される。正極合剤は、主成分としての正極活物質、つまり、水酸化ニッケル粉末と、結着剤と、必要に応じて導電剤等とを含む。
【００１１】
封口板１８は円板形状をなし、例えばナイロン樹脂製の環状の絶縁ガスケット２０を介して、外装缶２の開口端に固定されている。封口板１８は、中央にガス抜き孔２２を有し、封口板１８の外面には、ガス抜き孔２２を閉塞するように弾性を有する弁体２４が配置されている。更に、封口板１８の外面には、弁体２４を覆うフランジ付きの円筒形状の正極端子２６が取り付けられている。
【００１２】
正極端子２６は、封口板１８及び正極用集電部材１２を介して正極板６と電気的に接続されている。一方、封口板１８、絶縁ガスケット２０、弁体２４及び正極端子２６は安全弁を備えた封口体を構成し、この封口体により外装缶２の開口端が密閉されている。
電極群１０の一端部と外装缶２の端壁との間には、金属製の円板形状の負極用集電部材２８が配置されている。負極用集電部材２８は、セパレー夕８，９からはみ出した負極板４の部分に溶接されるとともに、外装缶２の端壁に溶接されている。従って、負極板４と外装缶２とは、負極用集電部材２８を介して電気的に接続され、外装缶２は負極端子としての機能を備えている。
【００１３】
なお、負極板４は、導電性の負極基板と負極基板に保持された負極合剤とを含む。負極基板は、例えばパンチングメタルからなり、負極基板の両面には、負極用集電部材２８に溶接される部分を除き、負極合剤の層が形成されている。負極合剤層は、主成分としての水素吸蔵合金粉末と、結着剤と、必要に応じて導電剤等とを含む。水素吸蔵合金粉末は、負極活物質としての水素を電気化学的に吸蔵又は放出可能である。
【００１４】
図２は、上述した電池に用いられる負極用集電部材２８を示す平面図である。
負極用集電部材２８は金属製であり、円板形状を有する。負極用集電部材２８は、負極板４と溶接される複数の箇所（負極溶接箇所３０）を有し、負極溶接箇所３０にて、負極用集電部材２８と負極板４とがレーザ溶接又は抵抗溶接される。図３を併せて参照すると、負極用集電部材２８の負極溶接箇所３０には、好ましくは、負極板４と溶接される部分に環状の突起（ばり）３２が形成される。突起３２によって、負極用集電部材２８と負極板４との溶接強度を向上する。
【００１５】
一方、負極用集電部材２８は、自身の中央部３４にて、外装缶２の端壁とレーザ溶接又は抵抗溶接される。
ここで、負極用集電部材２８は、第１領域Ａと第２領域Ｂとに分けることができる。第１領域Ａは、中央部３４を含み、リード形状（舌片形状）を有する。第２領域Ｂは、負極溶接箇所３０を含み、且つ、第１領域Ａを囲んでいる。本実施形態では、第１領域Ａと第２領域Ｂとの境界の一部が仮想の区画線Ｃによって区画される。区画線Ｃは閉曲線ではなく、端点を有して一部が開いた開曲線である。第１領域Ａと第２領域Ｂとの境界の残部は、境界領域Ｄによって構成され、境界領域Ｄは、区画線Ｃの端点の間に位置する。
【００１６】
区画線Ｃに沿って、複数のスリット３６が形成され、スリット３６同士の間には、第１領域Ａと第２領域Ｂとを一体に連結する複数の部分（連結部３８）が形成されている。スリット３６同士の間隔、即ち連結部３８の長さは短く、これらの連結部３８の破断強度は、負極用集電部材２８と外装缶２の端壁との溶接部の強度（溶接強度）よりも低い。
一方、境界領域Ｄの破断強度は、負極用集電部材２８と外装缶２の端壁との溶接部の強度よりも大きいが、連結部３８が破断した後は、第１領域Ａは、境界領域Ｄを介して弾性をもって第２領域Ｂと連結される。
【００１７】
上述したニッケル水素二次電池は、例えば以下のようにして作製することができる。
負極板４及び正極板６をセパレータ８，９を介して巻回して渦巻形状の電極群１０を得る。この電極群１０の両端に負極用集電部材２８及び正極用集電部材１２の円板部１４をそれぞれ溶接した後、電極群１０を外装缶２内に挿入する。この後、負極用集電部材２８を外装缶２の端壁にレーザ溶接又は抵抗溶接によりスポット溶接するとともに、正極用集電部材１２のリード部１６を封口板１８に溶接する。それから、外装缶２内にアルカリ電解液を注入し、外装缶２の開口端内に絶縁ガスケット２０を介して封口板１８を配置した状態にて開口端縁をかしめ加工し、ニッケル水素二次電池が作製される。
【００１８】
なお、負極用集電部材２８は、例えばパンチ加工により作製可能である。
上述したニッケル水素二次電池では、負極用集電部材２８の第１領域Ａと第２領域Ｂとが複数の連結部３８によって連結されており、連結部３８が電流経路として機能する。このため、負極用集電部材２８は良好な集電性を有し、電池の内部抵抗が低い。
一方、この電池に対して、落下や振動等に起因してある程度の衝撃が作用したときには、連結部３８が破断する。連結部３８がまず破断することにより、外装缶２の端壁と負極用集電部材２８との溶接部に作用する衝撃が緩衝される。すなわち、衝撃のエネルギーが連結部３８の破断により吸収される。また、連結部３８が破断することによって、区画線Ｃにて第１領域Ａと第２領域Ｂとが切り離され、第１領域Ａが、境界領域Ｄを介して第２領域Ｂと弾性をもって連結される。これにより第１領域Ａは弾性変形可能になり、第１領域Ａの弾性変形によっても、衝撃のエネルギーが吸収される。
【００１９】
これらの結果として、このニッケル水素二次電池は、通常使用時は高率放電特性に優れ、衝撃が作用したときでも信頼性が確保される。
【実施例】
【００２０】
＜実施例及び比較例１，２＞
１．電池の作製
図２に示した形状の負極用集電部材２８を用いて、図１に示した構成の４／３Ａサイズのニッケル水素二次電池を実施例として作製した。なお、負極用集電部材２８の連結部３８の破断強度は３９．２Ｎであり、外装缶２の端壁と負極用集電部材２８との溶接部の強度は５８.８Ｎであった。
【００２１】
図４に示した負極用集電部材４０を用いた以外は、実施例と同様にして４／３Ａサイズのニッケル水素二次電池を比較例１として作製した。なお、負極用集電部材４０では、１つのスリット４２が区画線Ｃに沿って形成され、連結部３８は形成されていない。
図５に示した負極用集電部材４４を用いた以外は、実施例と同様にして４／３Ａサイズのニッケル水素二次電池を比較例２として作製した。なお、負極用集電部材４４には、スリット３８，４０が形成されておらず、当然のことながら連結部３８も形成されていない。
【００２２】
２．電池の評価
２−１．評価方法
（１）落下前後の中間電圧測定
上述した実施例、比較例１及び比較例２の各電池について、活性化処理を施した後、２０Ａで放電させたときの初期の中間電圧を測定した。この後、１ｍの高さから５回落下させてから、再度、２０Ａで放電させたときの中間電圧を測定した。これらの測定結果を、落下前後での中間電圧の比（維持率）とともに、表１に示す。
なお、各測定結果は５個の平均値である。
【００２３】
（２）落下後の軟Ｘ線透過観察
落下後に中間電圧を測定した実施例、比較例１及び比較例２の各電池について、軟Ｘ線を用いて透過観察を行った。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
２−２．評価結果
（１）初期の中間電圧は、比較例２＞実施例＞比較例１の順に高かった。これより、スリット３６，４２の存在により、負極用集電部材２８，４０の集電性は、負極用集電部材４４に比べて低いことがわかる。
また、連結部３８の存在により、実施例の負極用集電部材２８は、比較例１の負極用集電部材４０よりも集電性が高いことがわかる。
【００２６】
（２）落下後の中間電圧は、実施例＞比較例１＞比較例２の順に高かった。また、落下させた各電池の軟Ｘ線透過観察を行った結果、実施例と比較例１では、負極用集電部材２８，４０と外装缶２の端壁との溶接部が破断せずに残っていた。一方、比較例２では、負極用集電部材４４と外装缶２の端壁との溶接部が破断していた。
これらの結果から、実施例及び比較例２では、スリット３６，４２によって落下時の衝撃が緩衝され、負極用集電部材２８，４０と外装缶２の端壁との間の電気抵抗の増加が抑制されていることがわかった。
【００２７】
本発明は上記した一実施形態及び実施例に限定されることはなく、種々変形可能である。
例えば、円筒形電池は、ニッケルカドミウム二次電池、リチウムイオン二次電池等であってもよく、また一次電池であってもよい。
一実施形態では、負極板４が負極用集電部材２８を介して外装缶２の端壁と電気的に接続されていたが、正極板６が外装缶２の端壁と電気的に接続されていてもよい。
一実施形態では、第１領域Ａがリード形状であったけれども、第１領域Ａの形状は、連結部が破断した後に、弾性変形可能な形状であればよい。従って、区画線Ｃの形状も、一実施形態のものに限定されない。
【００２８】
一実施形態では、連結部３８の数が５個であったけれども、連結部３８の数は１つ以上であればよい。
一実施形態では、負極用集電部材２８が円板形状であったけれども、負極用集電部材の形状も特には限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係るニッケル水素二次電池をその半分を断面にして示す図である。
【図２】図１の電池に用いられる負極用集電部材の平面図である。
【図３】図２中のIII−III線に沿う断面図である。
【図４】比較例１の電池に用いられる負極用集電部材の平面図である。
【図５】比較例２の電池に用いられる負極用集電部材の平面図である。
【符号の説明】
【００３０】
２      外装缶（容器）
４      負極板（第１電極）
６      正極板（第２電極）
２８    負極用集電部材（集電部材）
３８    連結部
Ａ      第１領域
Ｂ      第２領域
Ｄ      境界領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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