(57)【要約】【課題】捲回式あるいは積層式極板群を備える電池において、放電容量および高率放電特性の更なる改良を図る。【解決手段】前記課題を解決するため、本発明は、前記極板群を構成する正極板および負極板のうち、前記極板群の上部端面に突出させた一方の極板の基板端部と該極板と同じ極性の端子を兼ねる金属製の蓋とを直接接合する。また、前記極板群の上部端面が、前記蓋および電槽の内壁に沿うように、前記極板群の上部端面に凸部および／または凹部を設ける。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製蓋の壁面に、極板群を構成する正極板および負極板のうち、一方の極板の基板端部を直接接合したことを特徴とする電池。
【請求項２】
捲回式または積層式極板群を備える電池であって、該極板群の上部端面に凸部および／または凹部を設けることにより、極板群の上部端面を前記封口板または蓋および電槽の内壁に沿わせたことを特徴とする請求項１記載の電池。
【請求項３】
捲回式極板群を備えた電池であって、該捲回式極板群の上部捲回端面のうちの内側部分に凸部を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、捲回式あるいは積層式極板群を備える電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、捲回式極板群を備えた円筒型のアルカリ蓄電池を例に採ると、従来の電池においては、捲回式極板群の上部捲回端面に突出させた正極板の基板端部に正極集電端子を接合させ、該正極集電端子とガス排出弁を備えた蓋または封口板とをリード板を介して接続する。
【０００３】
図５は、従来の円筒型アルカリ蓄電池内部の構造を示す断面図である。捲回式極板群１の上部捲回端面２に正極板の基板端部３を突出させ、該突出させた正極板の基板端部３の端面に正極集電端子１１を溶接によって接合する。（インダイレクト集電構造）。そして、該正極集電端子１１と前記蓋４の内壁とをリード板１２を介して接続する。
【０００４】
図５に示すように前記円筒型のアルカリ蓄電池においては、ガスケット８を介して蓋４の周縁部分を電槽５の壁で狭持することによって封口している。そのために電槽の上部にくびれ（封口溝）を設けている。該封口溝があるために、従来電池においては、極板群の上部端面が、前記封口溝の下側に位置する構造を採っている。該構造の場合は、必然的に極板群の上部端面２と蓋４の内壁との間に隙間が生じる。また、蓋の内壁と極板群の上部捲回端面が離れているので、リード板１２を介して両者を接続する必要がある。
【０００５】
小形の蓄電池は、携帯用の機器や非常用バックアップ電源、電動工具を動作させるための電源として実用化され広く用いられている。近年、更なる高容量化と優れた高率放電特性が求められている。
【０００６】
しかるに、例えば従来のアルカリ蓄電池の場合、極板群と封口板の間に発電要素が充填されない無駄な空間が存在するために、電池空間内を最大限に活用しておらず、電池の高容量化を図る点において十分でない欠点があった。
【０００７】
また、正極板と正極端子間の接続にリード板を介在させている。該リード板は、フレキシビリテイを確保するために幅を２〜１０ｍｍ、厚さを０．２〜０．５ｍｍと小さく制限しているために電気抵抗が大きく、そのため電池の高率放電特性が制約を受ける欠点があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、捲回式あるいは積層式極板群を備える電池において、放電容量および高率放電特性の更なる改良を図らんとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は、前記極板群を構成する正極板および負極板のうち一方の極板の基板端部と金属製の蓋を接合する。
【００１０】
また、前記極板群の上部端面が、前記蓋又は封口板および電槽の内壁に沿うように、前記極板群の上部端面に凸部および／または凹部を設ける。尚、ここでいうところの極板群の上部端面が、前記蓋又は封口板および電槽の内壁に沿うとは、必ずしも極板群の上部端面がその全面に亘って蓋や封口板および電槽の内壁にコンタクトしている状態をさすのではなく、前記内壁と上部端面との間に出来るだけ隙間が生じないように、内壁と端面が略平行に対向している状態を含む。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、捲回式極板群を備える円筒型の電池を例にとって本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
図１は、本発明に係る円筒型電池１の内部の構造を示す断面図である。該電池は、金属製の電槽５の中に、帯状の正極板と負極板をセパレータを介して積層した後捲回した円筒型の極板群１を備える。該極板群１の上部端面２に正極板の基板端部３を突出させておき、突出させた正極板の基板端面と、中央にガス排出弁弁９を取り付けた蓋４の内壁面を溶接によって直接接合する。また、前記極板群の下部捲回に負極板の基板端部を突出させておき、突出させた負極板基板端面に負極集電端子６を溶接によって接合する。
【００１３】
前記蓋４に合成樹脂製のガスケット８を装着し、極板群を電槽２に挿入した後、電槽５の上部（極板群の上部肩より上の位置）に封口溝を付ける。負極集電端子６の中央部分を電槽５の内底面に接合させ、電解液を注入後電槽５の上端を内側にかしめることによって封口する。また、電槽５の上部に設けた封口溝の下面に沿って電槽５の内壁と極板群１の接触を阻止するための絶縁リング７を配置する。
【００１４】
図１に示したように、本発明に係る電池の場合、捲回式極板群１の上部捲回端面２は、周縁部分に比べて極板群の捲き芯に近い内側部分に凸部１０を設けており、上部捲回端面の中央部分が蓋４の内壁に沿い、捲回端面の周縁部分が電槽５に設けた封口溝に沿うように上部捲回端面周縁部分の位置を低くしてある。
【００１５】
前記図５に示した従来の電池においては、蓋４と極板群１の上部捲回端面２の間に発電要素を充填しない無駄な空間が存在したのに対して、図１に示した実施形態に係る電池では前記無駄な空間を極力小さくすることで、電池の内部空間の活用比率が高くなっている。
【００１６】
本発明に係る電池においては、従来の電池で使用していた正極のリード板１２と正極集電端子１１（ともに図５に記載）を省くことが可能である。このため、正極板と正極端子を兼ねる蓋との間の電気抵抗を低減することができる。
【００１７】
また、前記２つの部品省略を可能とすることによって、材料コストの低減と電池の組立て工程の簡略化を図ることができる。
【００１８】
図２は、捲回式極板群に適用する帯状の正極板の平面図で、図２の（イ）に前記本発明に係る電池の極板を、図２の（ロ）に従来電池の極板を示す。図の斜線を施した部分は、活物質充填部分でその上端に基板の露出部分（基板端部、活物質未充填部分）を設けている。
【００１９】
図２の（ロ）に示す従来電池の極板の場合は、極板の全長Ｌにおいて同じ幅Ｗａを有する。そして極板の上辺に幅ｓの基板露出部分を設けている。他方、本発明電池に適用する図２の（イ）に示す極板は、巻芯に近い領域（図面の左側部分）おいて長さｌの部分の極板の幅Ｗｂを図の右側の幅Ｗａに比べてｗだけ大きくしている。
【００２０】
従って、本発明に係る電池においては、ｓ×Ｌと（ｗ−ｓ）×ｌ（ｓは極板の端部に露出させた基板の幅）の和に相当するぶん、従来の電池と比較して極板の面積を大きくすることができる。このことによって、活物質充填量の増加による放電容量の増大、および極板の作用面積増加による高率放電特性の向上を図ることができる。
【００２１】
前記Ｌの大きさは、前記図１に示した捲回式極板群１の径Ｒの大きさによって決まる値であり、ｌの大きさは、前記図１に示した極板群１の上部端面の突出部分１０の径ｒによって決まる値である。また、Ｗｂは前記図１に示した極板群の総高さＨによって決まる値であり、ｗは前記図１に示した極板群の上部捲回端面の突出高さｈに相当する値である。
【００２２】
図３は、前記正極板と対をなす負極板の形状を示す図である。図３−（イ）は本発明に係る電池に適用する負極板で、巻芯に近い方（図の左側の部分）の幅を大きくし、正極板と負極板の積層体を捲回したときに正極板の活物質充填部分が全て負極板の活物質充填部分に対向するように負極板を配置する。図３−（ロ）は、前記図２−（ロ）に示した正極板と対をなす従来電池の負極板の形状を示す図である。
【００２３】
図４は、前記捲回式極板群を備えた本発明に係る電池に適用する蓋の１形態を示す図であって、蓋の内壁面を斜めの方向から見た斜視図である。蓋４の肉厚は、従来電池に用いている正極集電端子に比べて厚く、電気抵抗が小さい。従って、インダイレクト方式によって蓋の壁面と正極板の端面を接合しようとすると蓋の内部を流れる電流（無効電流）が大きいので溶接が困難である。蓋４の内壁面に放射状突起１３を設け、該突起を、前記正極板の基板端部に当接させ抵抗溶接によって、両者を良好に接合させることができる。該放射状突起１３の高さおよび肉厚は、特に限定されるものではないが、溶接をし易くするためには高さを０．２〜１．５ｍｍ、肉厚を０．２〜１．０ｍｍとすることが好ましい。
【００２４】
以下に円筒型ニッケル水素電池（サイズ：Ｓｕｂ−Ｃ、高さ４２ｍｍ、直径２２ｍｍ）を例にとって本発明の詳細を説明する。
（特性評価用テストセル）
（実施例）
発泡ニッケル製の多孔性基板に活物質である平均粒径約１０μｍの水酸化ニッケル粉末を主成分とする活物質ペーストを充填した厚さ０．６ｍｍのニッケル極板と平均粒径約５０μｍのＭｍＮｉＣｏＡｌＭｎ系（Ｍｍ：ミッシュメタルを表す）の水素吸蔵合金粉末を主成分とする活物質ぺーストを穿孔鋼板に塗布して得た厚さ０．６ｍｍの負極板を、厚さ０．１５ｍｍの親水処理を施したポリプロピレン製の不織布からなるセパレータを介して積層した後捲回して極板群とした。
【００２５】
前記極板群には、図２−（イ）に記載した形状を有する正極板を採用した。正極板の大きさは、全長Ｌが２６０ｍｍ、幅の大きい部分の長さｌが１５０ｍｍ、幅Ｗａが３５ｍｍ、幅ｗを３．５ｍｍ、基板露出部分の幅ｓを１．５ｍｍとした。負極板には捲回した時に、図３−（イ）に示す負極板を配し、捲回した時に負極板の活物質充填部分が、正極板の両面の活物質充填部分すべてに対向するように配置した。また、負極板の活物質充填容量を、正極板の活物質充填容量の１．６倍とした。
【００２６】
前記極板群の上部捲回端面のうち巻芯に近い内側部分に突出させた正極板の基板端部に前記図４に示した蓋２を接合した。さらに、下部捲回端面に突出させた負極板の基板端部に負極集電端子６を接合した。極板群を電槽内に収容し、所定量の苛性カリウムの水溶液を主成分とする電解液を注液後シールして密閉型ニッケル水素蓄電池とした。
【００２７】
（比較例）
前記極板群には、図２−（ロ）に記載した形状を有する正極板を採用した。正極板の大きさは、全長Ｌが２６０ｍｍ、幅Ｗａが３５ｍｍ、基板露出部分の幅ｓを１．５ｍｍとした。負極板には捲回した時に、図３−（ロ）に示す負極板を配し、捲回した時に負極板の活物質充填部分が、正極板の両面の活物質充填部分すべてに対向するように配置した。また、負極板の活物質充填容量を、前記実施例同様正極板の活物質充填容量の１．６倍とした。
【００２８】
図５に示した捲回式極板群の上部捲回端面２に突出させた正極板の基板端部に、厚さ０．４ｍｍニッケル板製の円形正極集電端子１１を接合した。正極集電端子６の上面と蓋４の内面に厚さ０．３ｍｍ、幅８ｍｍ、長さ２０ｍｍの正極リード板１２の端部を接合して正極集電端子１１と蓋４を接続した。その他の条件は、実施例と同じとした。
【００２９】
（ローレートでの放電試験）
前記実施例電池および比較例電池を化成後、温度２０℃において、レート０．２ＩｔＡ（電池の定格容量３３００ｍＡｈ、充電電流６６０ｍＡ）で定格容量の１２０％充電した後、レート０．２ＩｔＡ（放電電流６６０ｍＡ）で放電終止電圧を１．０Ｖとして放電した。
（ハイレートでの放電試験）
前記実施例電池および比較例電池を化成後、温度２０℃において、レート０．２ＩｔＡ（充電電流６６０ｍＡ）で定格容量の１２０％充電した後、レート１ＩｔＡ（放電電流３３００ｍＡ）で放電終止電圧を１．０Ｖとして放電した。
（Ｖ−Ｉ特性測定）
前記実施例電池および比較例電池を化成後、温度２０℃において、レート０．２ＩｔＡ（充電電流６６０ｍＡ）で定格容量の１２０％充電した後、Ｖ−Ｉ特性測定に供した。該充電後の電池を最大６０Ａの電流で１０秒間放電し、１０秒後の端子電圧を測定した。１回の測定終了毎にレート０．２ＩｔＡにて、測定によって放電した容量分の充電を行い完全充電状態に戻した後、次の電流値における放電を実施した。
【００３０】
前記実施例電池および比較例電池の、正極板の活物質充填部分の大きさ（面積）、ローレート放電試験における放電容量およびハイレート放電試験における放電容量を表１に示す。また、実施例電池および比較例電池を、１ＩｔＡで放電した時の放電曲線を図６に示す。また、実施例電池および比較例電池のＶ−Ｉ測定結果を図７に示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
表１に示した如く、本発明に係る実施例電池の放電容量は、比較例電池に比べて高い。ローレート放電における両者の放電電気量の差は、正極板の大きさの差（活物質充填量に直接影響する）によるものである。また、ローレート放電に比べてハイレート放電の方が両者の放電容量の差が大きくなっている。また、図６に示した通り、放電電圧にも差が認められる。
【００３３】
図７の横軸は放電電流の大きさを、縦軸は放電開始後１０秒目の閉回路電圧を示す。図７に示したＶ−Ｉ測定においても比較例電池に比べて実施例電池の方が高い電圧を示している。
【００３４】
前記、放電曲線およびＶ−Ｉ特性に差が生じるのは、前記のように正極板の大きさに差があることにより活物質充填量に差がある以外に、極板の作用面積に差があることおよび正極板と正極端子間の電気抵抗の差によるものである。本発明に係る実施例電池の場合、正極リード板を省略し、正極板の基板端部を直接蓋の内壁面に接合している。このために、正極板と正極端子間の電気抵抗が低く抑えられている。このことが、放電電圧や放電容量の差を生じる原因となっている。
【００３５】
なお、前記実施の形態の説明において極板群の上部端面に凸部を設けた例のみを示したが、本発明で重要なことは、前記の通り極板群の上部端面の形状を電池の蓋および電槽の内壁に沿わせることによって発電要素が充填されない無駄な空間をできるだけ小さくすることであり、前記凸部のみでなく、極板群の上部端面に、必要に応じて凸部と凹部を組み合わせたりあるいは凹部を設けた形状を適用することによって本発明の目的を達することができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の請求項１によれば、電池の内部抵抗の低減を図り、高率放電性能の向上を図ることができる。また、リード板および集電端子の省略を可能とし、電池組立の省力化を図ることができる。
【００３７】
本発明の請求項２および請求項３によれば、捲回式あるいは積層式極板群を備える電池において、極板の大きさを大きくすることを可能とし、放電容量の増大および高率放電性能の向上を図ることができる。
【００３８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態に係る電池を側面方向からみた断面図である。
【図２】本発明の１実施形態に係る電池および従来電池に適用する正極板の形状を示す平面図である。
【図３】本発明の１実施形態に係る電池および従来電池に適用する負極板の形状を示す平面図である。
【図４】本発明の１実施形態に係る電池に適用する蓋の内面の形状を示す斜視図である。
【図５】従来電池を側面方向からみた断面図である。
【図６】本発明に係る実施例電池および比較例電池の放電曲線を示すグラフである。
【図７】本発明に係る実施例電池および比較例電池のＶ−Ｉ特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１　　極板群
２　　極板群の上部端面
３　　極板の基板端部
４　　蓋
１０　　凸部
【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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【図７】
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