(57)【要約】【課題】電池モジュールの組立てを容易にする構造を有しながら、電池単独で密閉性が確保され、電池モジュールにおける電池交換が容易となる角形アルカリ二次電池およびその製造方法を提供する。【解決手段】矩形の枠形部材（２１）と、この枠形部材の両開口部を覆う平板状の第１蓋部材（２３）および第２蓋部材（２５）とを有するケーシング（１９）を備える角形アルカリ二次電池（Ｃ）において、前記ケーシング（１９）内に電解液を注入した後に、前記ケーシング（１９）内に、空気よりも高い酸素濃度を有するガス（ＯＧ）を注入することにより、前記ケーシング（１９）内部を減圧して、前記枠形部材（２１）と前記第１および第２蓋部材（２３，２５）とを密閉する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形の枠形部材と、この枠形部材の両開口部を覆う平板状の第１蓋部材および第２蓋部材とを有するケーシングを備える角形アルカリ二次電池であって、
前記ケーシング内に電解液が注入された後に、前記ケーシング内に、空気よりも高い酸素濃度を有するガスが注入されたことにより、前記ケーシング内部が減圧されて、前記枠形部材と前記第１および第２蓋部材とが密閉されている角形アルカリ二次電池。
【請求項２】
請求項１において、前記第１蓋部材および第２蓋部材が、それぞれ、平板状の本体部と、この本体部の縁部から両蓋部材の対向方向に突設された側壁部とを有しており、前記枠形部材が、前記両開口部を形成する各端部に設けられた圧入溝を有しており、前記枠形部材の側壁部が、前記圧入溝に圧入されている角形アルカリ二次電池。
【請求項３】
請求項１において、前記第１蓋部材および第２蓋部材が、それぞれ、平板状の本体部と、この本体部の縁部から両蓋部材の対向方向に突設された側壁部とを有しており、この側壁部が、内側に突設された係合部を有しており、この係合部が、前記枠形部材の側部に形成された係合溝に係合されている角形アルカリ二次電池。
【請求項４】
請求項２または３において、前記枠形部材と、前記第１蓋部材および第２蓋部材とが、それぞれ、シール剤により互いにシールされている角形アルカリ二次電池。
【請求項５】
請求項２から４のいずれか一項において、前記第１蓋部材および第２蓋部材の前記側壁部が、それぞれ、前記枠形部材の４つの側面に平行に延びる４つの側壁部を有しており、隣接する各側壁部同士が連続的に形成されている角形アルカリ二次電池。
【請求項６】
矩形の枠形部材と、この枠形部材の両開口部を覆う平板状の第１蓋部材および第２蓋部材とを有するケーシングを備えるアルカリ二次電池を製造する方法であって、
前記ケーシング内に電解液を注入した後に、前記ケーシング内に、空気よりも高い酸素濃度を有するガスを注入することを含む角形アルカリ二次電池の製造方法。
【請求項７】
請求項６において、前記電解液および前記高酸素濃度のガスを、共通の注入経路を介して前記ケーシング内に注入する角形アルカリ二次電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角形のアルカリ二次電池、特に、複数接続されて電池モジュールとして使用される角形アルカリ二次電池電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、密閉式電池の形状として、円筒形が一般的に採用されてきた。円筒形電池においては、電極体として、正極体と負極体とをセパレータを介して円筒形に巻き取った簡易な構造のものを使用することができると同時に、電池の内部圧力に対する耐圧性に優れるという利点がある。
【０００３】
ところで、近年、省エネルギーやＣＯ２削減への配慮から、自動車や電車などの車両に搭載する、充放電可能な二次電池が開発されている。車両に二次電池を搭載した場合には、ブレーキ時の回生電力をこの搭載電池に蓄えておき、車両の動力源として使用することができるので、車両運行のエネルギー効率を高め、ＣＯ２の排出量を削減することができる。
【０００４】
車両用の電池には、設置スペースが制限される都合上、従来の携帯機器等に用いられるものに比べて、高電圧および高エネルギー容量が要求されるため、大型の電池を複数組み合わせて構成した電池モジュールを使用することが一般的である。大型電池を使用する場合には、電池性能や生産性の観点から、円筒形電池に用いられる巻取り式の電極体よりも、正極体と負極体を交互に積層した電極体の方が適していること、および、電池が設置されるスペースを効率的に利用する必要性が大きいことから、円筒形よりも角形の電池とすることが望ましい（特許文献１）。
【０００５】
このように、複数の角形電池を組み合わせて電池モジュールとして用いるための単位電池の構造として、例えば、対向配置された正・負極それぞれの端子板を兼ねる２つの蓋状の部材間に、絶縁素材からなる矩形の枠形部材を介在させて電池のケーシングを形成し、このケーシング内に、プリーツ状のセパレータを介して交互に積層された正極体および負極体からなる電極体を収納するものが提案されている（特許文献２）。このような構造を有する角形電池では、隣接する電池の一方の正極端子板と他方の負極端子板とが互いに接触するように複数の電池を締め付けて積層させることにより、密閉構造としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１１０３８１号公報
【特許文献２】国際公開第２００９／１２５５４４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
多数の電池を接続して構成した電池モジュールでは、充放電を繰り返すうちに、電池間で電池性能の劣化度合いに差が生じることがある。性能劣化の大きい電池が発生すると、その影響を受けて電池モジュール全体の充放電性能が低下するが、このような場合でも、性能劣化の大きい電池のみを新しい電池に交換することにより、電池モジュール全体の充放電性能を維持することが可能になる。
【０００８】
しかしながら、上記電池の密閉は、主として、複数個の電池を積層した電池モジュール全体を積層方向に締め付けるための、板状部材や固定用部材によって確保されている。したがって、劣化した電池を交換するために電池モジュールを解体すると、交換する必要のない電池において、密閉性が維持されず、電解液漏れが発生する場合がある。電池交換時の電解液漏れを防止するためには、電池モジュールの解体前に電解液を抜き取り、組立て後に再注入する必要があるので、電池交換作業の負担が大きく、電池モジュールを長期にわたって使用することが困難であるという課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、上記の課題を解決するために、電池モジュールの組立てを容易にする構造を有しながら、電池単独で密閉性が確保され、電池モジュールにおける電池交換が容易となる角形アルカリ二次電池およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記した目的を達成するために、本発明に係る角形アルカリ二次電池は、矩形の枠形部材と、この枠形部材の両開口部を覆う平板状の第１蓋部材および第２蓋部材とを有するケーシングを備えており、前記ケーシング内に電解液が注入された後に、前記ケーシング内に、空気よりも高い酸素濃度を有するガスが注入されたことにより、前記ケーシング内部が減圧されて、前記枠形部材と前記第１および第２蓋部材とが密閉されている。
【００１１】
この構成によれば、ケーシング内に注入されたガス中の酸素が、アルカリ二次電池の電極、例えばニッケル水素二次電池の負極（ニッケル水素合金）中の水素と反応することにより、液体の水となるので、ケーシング内部が減圧される。この減圧による差圧によって、ケーシングを構成する第１，第２蓋部材と枠形部材とが密着するので、電池単独での密閉性が確保され、電解液漏れが効果的に防止される。その結果、この電池を複数用いて構成される電池モジュールの電池交換作業が容易となる。
【００１２】
本発明に係る角形アルカリ二次電池においては、前記第１蓋部材および第２蓋部材が、それぞれ、平板状の本体部と、この本体部の縁部から両蓋部材の対向方向に突設された側壁部とを有しており、前記枠形部材が、前記両開口部を形成する各端部に設けられた圧入溝を有しており、前記枠形部材の側壁部が、前記圧入溝に圧入されていることが好ましい。あるいは、前記側壁部が、内側に突設された係合部を有しており、この係合部が、前記枠形部材の側部に形成された係合溝に係合されていてもよい。この構成によれば、上記の高酸素濃度のガスを注入して電池内部を減圧することに加え、ケーシングの構造によっても密閉性が向上するので、一層効果的に、電池モジュール解体時の電解液漏れを防止することができる。
【００１３】
本発明に係る角形アルカリ二次電池において、前記枠形部材と、前記第１蓋部材および第２蓋部材とが、それぞれ、シール剤により互いにシールされていることがより好ましい。この構成によれば、電池のケーシングの密閉性が一層向上する。なお、この構成において、シール剤として、接着能力を有する接着剤を用いてもよい。
【００１４】
本発明に係る角形アルカリ二次電池において、前記第１蓋部材および第２蓋部材の前記側壁部が、それぞれ、前記枠形部材の４つの側面に平行に延びる４つの側壁部を有しており、隣接する各側壁部同士が連続的に形成されていることが好ましい。この構成によれば、蓋部材のコーナー部分に隙間が存在しないので、ここから電解液が漏れることがない。従って、電池を鉛直方向に積み重ねて電池モジュールを構成すれば、電池のケーシングの密閉性が維持されない場合でも、電解液がケーシングのコーナー部分から漏れることが防止される。
【００１５】
本発明に係る角形アルカリ二次電池の製造方法は、矩形の枠形部材と、この枠形部材の両開口部を覆う平板状の第１蓋部材および第２蓋部材とを有するケーシングを備えるアルカリ二次電池を製造する方法であって、前記ケーシング内に電解液を注入した後に、前記ケーシング内に、空気よりも高い酸素濃度を有するガスを注入することを含む。この構成によれば、高酸素濃度ガスをケーシング内に注入するという簡単な工程を追加するのみで、上述のように効果的に電池の密閉性を向上させることができる。
【００１６】
本発明に係る角形アルカリ二次電池の製造方法において、前記電解液および前記高酸素濃度のガスを、共通の注入経路を介して前記ケーシング内に注入することが好ましい。この構成によれば、電解液を注入するための従来の注液用設備を利用することができるので、コストの上昇を抑制しながら電池の密閉性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明に係る角形アルカリ二次電池およびその製造方法によれば、電池モジュールの組立てを容易にする構造を有しながら、電池単独で密閉性が確保され、電池モジュールにおける電池交換が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る角形アルカリ二次電池が使用される電池モジュールを示す概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る角形アルカリ二次電池を示す部分破断断面図である。
【図３】図２の角形アルカリ二次電池の電解液注入工程を示す模式図である。
【図４】図２の角形アルカリ二次電池に使用される枠形部材を示す平面図である。
【図５】図２の角形アルカリ二次電池の要部を示す断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る角形アルカリ二次電池の要部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
【００２０】
図１は、本発明の第１実施形態に係る角形アルカリ二次電池（以下、単に「電池」と呼ぶ）が適用される電池モジュールを示す概略構成図である。この電池モジュールＢは、例えば、電車に搭載されるものであって、電池Ｃを、電池Ｃの厚み方向に複数個（本実施形態では３０個）積層して構成したものであり、これらが図示しないハウジングによって覆われている。なお、本実施形態における電池Ｃは、水酸化ニッケルを主要な正極活物質とし、水素吸蔵合金を主要な負極活物質とし、アルカリ系水溶液を電解液とする、繰り返し充放電が可能なニッケル水素二次電池として構成されている。
【００２１】
図２は、図１の電池Ｃの構造の一例を示す部分破断断面図である。電池Ｃは、セパレータ１１、正極１３および負極１５を含む電極体１７と、電極体１７を電解液とともに収容する角形形状のケーシング１９とを備えている。ケーシング１９は、絶縁素材からなる矩形の枠形部材２１と、枠形部材２１の二つの開口をそれぞれ覆う、平板状の第１蓋部材２３および第２蓋部材２５とから構成されている。つまり、ケーシング１９において、両蓋部材２３，２５は、枠形部材２１を介して互いに対向している。
【００２２】
なお、枠形部材２１を形成する絶縁素材として、本実施形態では変性ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）樹脂を用いているが、機械的強度、耐熱性および耐電解液性の観点から種々の材料を選択できる。また、両蓋部材２３，２５を形成する素材として、導電素材であるニッケルめっきを施した鋼板を用いているが、電気化学的な特性や機械的強度、耐食性などを考慮して、適宜選択することができる。
【００２３】
電極体１７の構造は、特に限定されないが、例えば、複数の正極１３と複数の負極１５とが、プリーツ状に折り曲げられたセパレータ１１を介して所定の方向（本実施形態では両蓋部材２３，２５の対向方向Ｘに直交する方向Ｙ）に交互に積層されて対向する積層構造を有している。ケーシング１９の第１蓋部材２３および第２蓋部材２５は、導電性材料、例えばニッケルめっきを施した鋼板で形成されており、正極１３は第１蓋部材２３に、負極１５は第２蓋部材２５に、それぞれ電気的に接続されている。つまり、第１および第２蓋部材２３，２５は、それぞれ、電池Ｃの正極集電体および負極集電体を兼ねている。なお、セパレータ１１は、図２に示したプリーツ状のものに限らず、例えば、袋状のものを使用してもよい。
【００２４】
ケーシング１９の枠形部材２１の４つの側面２１ａのうちの１つには、電池Ｃの内部と外部とを連通させる連通ユニット３１が設けられている。連通ユニット３１は、連通ユニット３１が設けられている枠形部材２１の一辺にほぼ平行に、枠形部材２１の中央に向かって突出する二又の連通部３１ａを有している。電池Ｃが、図１のように電池モジュールＢとして組み立てられた状態では、連通ユニット３１に接続された連通部材３３を介して、複数の電池Ｃの内部が圧力調整弁３５や圧力計Ｐに連通されて、複数の電池Ｃ全体の内部圧力管理が行われる。一方、電池Ｃの製造工程においては、図３の模式図を参照しながら以下に詳しく説明するように、前記連通ユニット３１を利用して、空気よりも高い酸素濃度を有する高酸素濃度ガスＯＧを注入することにより、ケーシング１９内部が減圧されてケーシング１９の密閉性が確保される。
【００２５】
図３に示すように、電池Ｃの製造工程において、電極体１７がケーシング１９内に収容された後に、連通ユニット３１の連通部３１ａに、外部から電解液を注入するための注入経路を形成する注入管３７が接続される。注入管３７の、連通ユニット３１に接続されていない他端に、電解液源として電解液を貯蔵する電解液タンク３９が接続されている。より具体的には、電解液タンク３９の底部に、電解液の導出口３９ａが設けられており、この導出口３９ａに注入管３７が接続されている。また、電解液タンク３９には、電解液と共に、高酸素濃度ガスＯＧが封入されている。
【００２６】
さらに、注入管３７の中途には、三方バルブ４１が設けられており、三方バルブ４１を介して、減圧注液用の真空ポンプ４３が注入管３７に接続されている。流路を切り替える機構である三方バルブ４１の操作によって、ケーシング１９の内部が、電解液タンク３９および真空ポンプ４３の一方に選択的に連通される。
【００２７】
このように設定された状態から、まず、三方バルブ４１の切り替えによって、ケーシング１９の内部と真空ポンプ４３を連通させ、真空ポンプ４３によってケーシング１９内部を所定の圧力まで減圧する。その後、三方バルブ４１の切り替えによって、ケーシング１９内部と電解液タンク３９を連通させると、ケーシング１９内部と電解液タンク３９内部との差圧によって、電解液が注入管３７を通ってケーシング１９内部に注入される。さらに、電解液が注入された後に、電解液タンク３９内の高酸素濃度ガスＯＧが、電解液の場合と共通の注入管３７を介してケーシング１９内部に注入される。
【００２８】
ケーシング１９内に注入された高酸素濃度ガスＯＧ中の酸素ガスは、負極活物質である水素吸蔵合金内の水素と反応して液体の水（Ｈ２Ｏ）となるので、ケーシング１９内部が減圧され、これにより枠形部材２１と、第１および第２蓋部材２３，２５とが密閉される。
【００２９】
このように、従来から内圧管理や電解液注入のために使用されてきた連通ユニット３１を利用してケーシング１９内に高酸素濃度ガスＯＧを注入するので、設計変更を伴うことなく電池Ｃの密閉性が向上する。また、従来から電解液注入のために使用していた注入管３７や真空ポンプ４３などの設備を利用するので、追加の設備を要せずに電池Ｃの密閉性を向上させることができる。
【００３０】
もっとも、高酸素濃度ガスＯＧをケーシング１９内に注入するための注入経路を、電解液の注入経路とは別に設けてもよく、その場合には電解液および高酸素濃度ガスＯＧの注入量の制御が容易になる。
【００３１】
なお、ケーシング１９の密閉性を十分に確保するための高酸素濃度ガスＯＧの酸素濃度は、空気の酸素含有率よりも大きければどのような値でもよいが、好ましくは３０％以上、より好ましくは５０％以上である。
【００３２】
次に、本実施形態に係る電池Ｃのケーシング１９の構造について詳細に説明する。ケーシング１９からの電解液漏れを防止するためには、上記で説明した高酸素濃度ガスＯＧ注入により、ケーシング１９の十分な密閉性が確保されるが、以下で説明するケーシング１９の構造と組み合わせることにより、一層効果的かつ確実に密閉性が向上する。なお、以下の説明においては、代表として正極側の第１蓋部材２３側についてのみ説明する場合があるが、負極側である第２蓋部材２５側も第１蓋部材２３側と同様の構造を有している。
【００３３】
図２のケーシング１９の第１蓋部材２３は、平板状の本体部２３ａと、本体部２３ａの縁部から対向方向Ｘに突設された側壁部２３ｂとを有している。一方、枠形部材２１の、両開口部を形成する各端部２１ｂ，２１ｃには、対向方向Ｘに凹となる圧入溝４７が形成されている。図４に示すように、圧入溝４７は、これら端部２１ｂ，２１ｃの全周に渡って延設されている。
【００３４】
図２の要部を拡大した図５に示すように、圧入溝４７は、その開口４７ａから底部４７ｂに向かって次第に幅狭となるほぼ台形状の断面形状を有している。より具体的には、圧入溝４７の開口４７ａにおける幅Ｗｇ１は、第１蓋部材２３の側壁部２３ｂの厚みＷｃよりも大きく設定されており、一方、圧入溝４７の底部４７ｂにおける幅Ｗｇ２は、第１蓋部材２３の側壁部２３ｂの厚みＷｃよりも小さく設定されている。第１蓋部材２３の側壁部２３ｂは、このように形成された圧入溝４７に、底部４７ｂに向かって押し込まれることにより圧入されている。
【００３５】
さらに、圧入溝４７の内壁面４７ｃには、この内壁面４７ｃと第１蓋部材２３の側壁部２３ｂとをシールするためのシール剤４９としてアスファルトピッチが塗布されている。同様に、枠形部材２１の端部２１ｂの、圧入溝４７よりも内側の部分、つまり第１蓋部材２３に対向する対向領域２１ｂａには、アスファルトピッチがシール剤４９として塗布されており、このシール剤４９を介して枠形部材２１の端部２１ｂと第１蓋部材２３とがシールされている。
【００３６】
シール剤４９は、枠形部材２１の圧入溝４７および端部２１ｂのいずれか一方のみに塗布してもよく、両方省略してもよいが、このようにシール剤４９を用いて枠形部材２１と第１蓋部材２３とをシールすることにより、電池Ｃの密閉性が一層向上する。なお、シール剤４９としては、接着能力を有する接着剤を用いてもよい。また、シール剤４９としては、アスファルトピッチに限らず、シール性能、接着性能、耐電解液性等を考慮して適宜選択してよく、例えば、タールピッチを用いることができる。
【００３７】
また、本実施形態の第１蓋部材２３は、枠形部材２１の４つの側面２１ａに平行に延びる４つの側壁部２３ｂを有しているが、これらの側壁部２３ｂは、隣接する側壁部２３ｂ同士が連続的に、つまり側壁部２３ｂ間に隙間が存しないように形成されている。本実施形態では、第１蓋部材２３全体を絞り加工によって作製することにより、隣接する側壁部２３ｂ同士が連続的に形成されている。第１蓋部材２３および第２蓋部材２５をこのように構成すれば、ケーシング１９の密閉性が維持されない場合でも、電池Ｃを、対向方向Ｘが鉛直方向に合致するように配置することにより、電解液がこれら蓋部材２３または２５から外部に漏れることが防止される。なお、隣接する側壁部２３ｂ同士を連続的に形成する方法としては、上記の絞り加工に限らず、例えば、側壁部２３ｂを折り曲げ加工により形成した後に隣接する側壁部２３ｂ同士を溶接するなど、どのような方法を採用してもよい。
【００３８】
次に、本発明の第２実施形態に係る角形アルカリ二次電池について、図６を参照しながら説明する。なお、この第２実施形態は、以下で説明する点を除き、上記で説明した第１実施形態と同様の構成を有しており、その説明を省略する。
【００３９】
図６に示すように、本実施形態に係る電池Ｃのケーシング１９において、第１蓋部材２３の側壁部２３ｂの先端部には、ケーシング１９の内側方向に突出する係合部５１が設けられている。一方、枠形部材２１の側面２１ａの、前記係合部５１に対応するＸ方向位置には、係合溝５３が設けられている。第１蓋部材２３の係合部５１を枠形部材２１の係合溝５３に係合させることにより、第１蓋部材２３が枠形部材２１に対して固定されるので、ケーシング１９の密閉性が向上する。なお、本実施形態においても、シール剤４９を、枠形部材２１の端部２１ｂに塗布してもよい。
【００４０】
上記実施形態に係る角形アルカリ二次電池Ｃによれば、ケーシング１９内に注入されたガス中の酸素が、電池Ｃの負極（ニッケル水素合金）中の水素と反応することにより、液体の水（Ｈ２Ｏ）となるので、ケーシング１９内部が減圧される。この減圧による差圧によって、ケーシング１９を構成する第１，第２蓋部材２３，２５と枠形部材２１とが密着するので、電池Ｃ単独での密閉性が確保され、電解液漏れが効果的に防止される。その結果、この電池を複数用いて構成される電池モジュールＢの電池交換作業が容易となる。
【００４１】
なお、上記の各実施形態において、ケーシング１９として、図２および図６に示す構造を例として説明したが、本発明が適用される電池Ｃのケーシング１９の構造はこれらに限らない。例えば、第１蓋部材２３と枠形部材２１の上側（正極側）半体とを、射出成形のインサート成形によって、金属製の第１蓋部材２３の側壁部２３ｂが樹脂製の枠形部材２１の上側半体に埋め込まれた状態に一体的に形成し、同様に第２蓋部材２５と枠形部材２１の下側（負極側）半体とを射出成形のインサート成形によって一体的に形成した後に、両蓋部材２３，２５間に電極体１７を介在させた状態で、枠形部材２１の上側半体と下側半体とを接着能力を有するシール剤４９によって接合することにより、ケーシング１９を形成してもよい。電池Ｃをこのような構造とすれば、両蓋部材２３，２５と枠形部材２１とを別体に形成した後に組み立てる場合に比べて、電池Ｃの組立作業が容易になる。
【００４２】
また、上記の各実施形態においては、電池Ｃをニッケル水素二次電池として説明したが、酸素ガスと電極が反応して液体の水を生成する角形アルカリ二次電池であればどのような種類の電池にも、例えばニッケルカドミウム二次電池にも、本発明を適用することが可能である。
【００４３】
以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００４４】
１９  ケーシング
２１  枠形部材
２３  第１蓋部材
２５  第２蓋部材
３１  連通ユニット
３７  注入管（注入経路）
Ｃ  電池
Ｂ  電池モジュール
ＯＧ  高酸素濃度ガス
【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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【図６】
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