(57)【要約】【課題】充電時の電池内部の圧力変化により、簡単、かつ、コンパクトな構造で充電電流を遮断及び接続することが可能なスイッチ機構を持つ蓄電池であり、急速充電時に内圧上昇を抑制でき、電解液が系外に飛散することを抑制できると共に、サイクル特性に優れた密閉形蓄電池を提供する。【解決手段】充電時に、蓄電池内部の圧力変化により、極板と外部端子を結ぶ回路のオンとオフの切り替えを行うスイッチ機構を内蔵する密閉形蓄電池において、  前記スイッチ機構は、金属製の封口板、接続端子で構成され、前記封口板と外部端子は電気絶縁フィルムにより絶縁されており、常時は、接続端子が封口板と外部端子の両方に当接することによって前記スイッチ機構がオンの状態にあり、蓄電池内部の圧力が上昇した時に、接続端子が封口板から離れることによって封口板と外部端子の電気的導通が遮断されることによって、蓄電池の充電回路がオン・オフされる密閉形蓄電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電時に、蓄電池内部の圧力変化により、極板と外部端子を結ぶ充電回路のオンとオフの切り替えを行うスイッチ機構を内蔵する密閉型蓄電池において、
前記スイッチ機構は、金属製の封口板、接続端子で構成され、
前記封口板と外部端子は電気絶縁層により絶縁されており、常時は、前記接続端子が封口板と外部端子の両方に当接することによって前記スイッチ機構がオンの状態にあり、
蓄電池内部の圧力が上昇した時に、前記接続端子が封口板から離れて封口板と外部端子の電気的導通が遮断されることによってスイッチ機構がオンからオフに切り替わることを特徴とする密閉形蓄電池。
【請求項２】
前記外部端子の側壁内面が前記封口板に対して垂直であって、前記接続端子は柱状であり、その側面が前記外部端子の側壁内面に当接し、且つ、接続端子が外部端子の側壁に対して摺動可能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】
前記外部端子の壁面にガス排出用の透孔を設けたことを特徴とする請求項２に記載の密閉形蓄電池。
【請求項４】
前記外部端子の内面および接続端子に、該外部端子内の空間を気密に保つための気密保持層を配置し、該気密保持層に破断を発生させることにより、前記透孔を通してガスを外部に排出できるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の密閉形蓄電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、密閉形蓄電池に関するものであり、蓄電池内部の気体圧力の変化に応じて極板と外部端子を結ぶ回路のオン・オフを司るスイッチ機構を内蔵し、急速充電に適した密閉形蓄電池に関するのである。
【背景技術】
【０００２】
ポータブル機器の電源として主に用いられている２次電池としては、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素蓄電池などのアルカリ蓄電池、小型シール鉛電池、リチウムイオン電池がある。特に、アルカリ蓄電池はサイクル特性に優れ、耐過充電性、耐過放電性にも優れるところからサイクルサービス用の蓄電池として重用されている。
ユーザーの要望によって、充電を短時間で済ませることが望まれ、特にサイクルサービス用蓄電池に対して急速充電に適応した密閉形蓄電池の開発が望まれている。該要求に応えるために、１５〜３０分間という従来にない短時間で充電を完了させることのできる密閉形蓄電池の開発が行われている。
【０００３】
図４は、従来の円筒形アルカリ蓄電池３１の内部構造を示す断面図である。図４に示すように、正極の外部端子を兼ねるキャップ３２と封口板３３に、蓄電池内部の気体圧力が上昇したときに、内部に蓄積した気体を外部に放出させるための透孔３４、３５が設けられており、常時は、封口板３３に設けた透孔３５がゴム弁３６によって気密に封止されている。蓄電池内部の圧力が上昇すると、該圧力によってゴム弁３６が上方に押し上げられ、透孔３５が開口して内部に蓄積した気体が外に排出される（圧力開放機構）。気体が外に排出され、蓄電池内部の圧力が降下すると透孔３５はゴム弁３６によって再び封止される。なお、図４の３７は、電槽の開放端を気密に封止するためのガスケットである。ニッケルカドミウム電池やニッケル水素蓄電池の場合、充電時に発生する酸素や水素を極板で吸収する機構を採用している。しかし、図４に示した従来の密閉形蓄電池の充電を１５〜３０分間で完了させようとすると、充電中の気体の吸収速度が発生速度に追いつかないために圧力開放機構が頻繁に動作し、電解液を構成する水が気体となって外に逸散する。また、充電において蓄電池内部での発熱が大きいために蓄電池の温度が上昇し、蓄電池の性能低下を起こす原因となる。
【０００４】
前記従来電池の欠点を改良するために、図３に示すような、蓄電池内部の気体圧力の変化に応じて極板と外部端子を結ぶ回路のオン・オフを司るスイッチ機構を内蔵した密閉形蓄電池２１が提案されている。（例えば特許文献１参照）
【０００５】
図３に示した密閉形蓄電池において、電槽３０には、電極群が収納され、該電極群を構成する正極板３８と正極の外部端子を兼ねるキャップ２９は、正極リード板３９、接続端子２３、該接続端子２３に接合されたスイッチ２２の第１端子２４、スイッチ２２の第２端子２５を介して電気的に接続している。電槽３０の開放端は、熱可塑性樹脂の成形体であるグロメット２６および該グロメット２６の中央部分に設けた透孔２７に嵌合させた接続端子２３によって気密に封止されている。常時は、弾性体２８の弾性変形に由来する応力によって第１端子２４が下向きに押圧され、第１端子２４と第２端子２５が当接してスイッチ２２がオンの状態にある。充電時に蓄電池内部の圧力（蓄電池内部に蓄積した気体圧力）が上昇して所定値を超えると、グロメット２６の中央部が上方に撓み、該撓みに伴ってスイッチ２２の第１端子２４が上方に移動して第２端子２５から離れてスイッチ２２がオフの状態になり、充電が一時遮断される。このように、蓄電池に、充電時の電池内部の圧力変化に応じて充電をオン・オフさせる充電制御機能を付与した密閉形蓄電池は、充電時に電池温度が上昇するのを抑制できる効果を奏する。
【０００６】
【特許文献１】US 2002/0119364 A1 号公報  しかし、該特許文献１に記載の構成によれば、蓄電池を気密に封止するためにガスケットに替えて構造の複雑なグロメット２６を必要とする。また、グロメット２６の肉薄部とスイッチの第２端子２５の間にグロメットの撓み代を確保する必要があり、スイッチの占有体積が大きくなる欠点があった。また、グロメット２６の肉薄部が均一に撓まない場合には、スイッチの第１端子２４が上下方向に平行移動しないため、スイッチの第２端子に対して傾き、両端子の当接・離脱が正常に行われず、スイッチが機能しなくなる虞があった。さらに、グロメットが繰り返し撓むことによって、グロメット２６と接続端子２３の当接面の気密性が損なわれる虞があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前記従来の密閉形蓄電池の欠点に鑑みなされたものであって、、充電時の電池内部の圧力変化により充電電流を遮断および通電することが可能なスイッチ機構を持つ蓄電池であり、急速充電を行ったときに蓄電池内部の圧力上昇を抑制でき、かつ、簡単でコンパクトな構造を備える密閉形蓄電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、密閉形蓄電池のスイッチ機構および封止の構成を以下の構成とすることによって、前記課題を解決するものである。
本発明に係る密閉形蓄電池は、充電時に、蓄電池内部の圧力変化により、極板と外部端子を結ぶ充電回路のオンとオフの切り替えを行うスイッチ機構を内蔵する密閉形蓄電池において、前記スイッチ機構は、金属製の封口板、接続端子で構成され、前記封口板と外部端子は電気絶縁層により絶縁されており、常時は、前記接続端子が封口板と外部端子の両方に当接することによって前記スイッチ機構がオンの状態にあり、蓄電池内部の圧力が上昇した時に、前記接続端子が封口板から離れることによって封口板と外部端子の電気的導通が遮断されることによって、蓄電池の充電回路がオンからオフに切り替わる密閉形蓄電池である。（請求項１）
【０００９】
本発明係る密閉形蓄電池は、前記外部端子の側壁内面が前記封口板に対して垂直であって、前記接続端子は柱状であり、その側面が前記外部端子の側壁内面に当接し、且つ、接続端子が外部端子の側壁に対して摺動可能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である。（請求項２）
本発明係る密閉形蓄電池は、前記外部端子の壁面にガス排出用の透孔を設けたことを特徴とする請求項２に記載の密閉形蓄電池である。（請求項３）
本発明係る密閉形蓄電池は、前記外部端子の内面に、該外部端子内の空間を気密に保つための気密保持層を配置し、該気密保持層に破断を発生させることにより、前記透孔を通してガスを外部に排出できるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の密閉形蓄電池である。（請求項４）
【発明の効果】
【００１０】
請求項１、請求項２に記載の発明によれば、充電時の電池内部の圧力変化により充電電流を遮断及び通電することが可能なスイッチ機構であって、簡単、かつ、コンパクトで信頼性の高いスイッチ機構を備えた密閉形蓄電池を提供することができる。
請求項３に記載の発明によれば、前記スイッチ機構を備えた密閉形蓄電池において、蓄電池内部の圧力が異常に上昇したときに、蓄電池内部に蓄積した気体を外部端子内の空間を経由して外部に排出するので、気体の噴出速度を弱め、該気体とともに電解液が、外部に吹き出るのを抑制することができる。なお、本発明でいう蓄電池内部の圧力が異常に上昇するとは、該圧力が前記スイッチ機構の動作圧力を超えて上昇した現象をいう。
請求項４に記載の発明によれば、前記スイッチ機構を備え、気密性に優れた密閉形蓄電池であって、蓄電池内部の圧力が異常に上昇したときに、蓄電池内部に蓄積した気体を速やかに外に排出可能な密閉形蓄電池を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図１を用いて、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の実施例である円筒形の密閉形蓄電池のスイッチ機構を説明するための電池要部の断面図である。
図１（イ）において、正極板とセパレータおよび負極板の積層体を捲回した捲回式電極群（図示せず）を収納した金属製電槽８の上部開放端に、キャップ状の正極外部端子（以下キャップと記述する）１のフランジ部分２、スイッチの第２端子である金属製の封口板３、前記フランジ部分２と封口板３を絶縁するために両者の間に挿入させた電気絶縁フィルム４および熱可塑性樹脂の成形体であるガスケット７を装着して電槽８の端部をかしめることにより気密に封止する（クリンプシール）。
キャップ１の断面は、側壁の内面が封口板３に垂直な直線をなしており、キャップ１と封口板３に囲まれた空間（以下キャップ内空間という）にはスイッチの第１端子である金属製の接続端子５が配置されている。該接続端子５の側面はキャップ１の側壁内面に気密に当接しており、且つ、図１の上下方向に摺動可能である。封口板３の内面には、他端が該正極板（図示せず）に接合された正極リード板１０が接合されている。
【００１２】
前記電気絶縁フィルム４の中央部分には、接続端子５が挿通可能な透孔が設けられおり、常時は、図１（イ）に示すように、接続端子５が弾性体（バネ）９の押圧力によって図の下方に押し下げられ、接続端子５の下面は封口板３の外面（図では上面）に当接しており、かつ、その側面がキャップ１の側壁の内面に当接しているので、キャップ１と封口板３は接続端子５を介して電気的に導通状態（スイッチがオンの状態）にある。
【００１３】
封口板３の中央部分に小孔６が設けられており、例えば充電時に蓄電池内部の気体圧力が上昇したときには、該圧力によって、接続端子５が図の上方に向かって摺動し、図１（ロ）に示すように、接続端子５と封口板３が離れてキャップ１と封口板３との間の電気的導通が遮断される（スイッチがオフの状態）。充電中にスイッチがオフになり、一時充電が中断されている間に、蓄電池の内部に蓄積した気体が電極によって吸収され、蓄電池内部の圧力が降下すると接続端子５が図の下方に向かって摺動し、回路がオンに切り替わって充電が再開される。
【００１４】
該実施形態によれば、スイッチの第１端子である接続端子５が、キャップ１の側壁の内面に沿って摺動するので、傾くことなく平行移動する。
そのため、接続端子５とスイッチの第２端子である封口板３の当接及び離脱は正常に行われ信頼性の高いスイッチ機能を達成できる。
また、本実施形態に係るスイッチ機構は、図３に示した従来提案されたスイッチ機構に比べて構造が極めて簡単であり、キャップ内空間内を利用して接続端子５を上下に移動させるので、スイッチの占有体積が小さくて済む利点がある。また、本実施形態に係るスイッチ機構の動作は、接続端子５の摺動によるものであり、図３に示したグロメットの撓みによるものではないので、スイッチを繰り返し動作させても、接続端子５の側面とキャップ１の側壁内面の気密性が長期に亘り維持できる利点がある。
【００１５】
前記の実施形態ではフランジ部２がキャップ１の一部である例を記述したが、キャップ１とフランジ部２が別々であってもよい。
この場合は、フランジ部２に相当する外部封口板２とキャップ１を接合させ、外部封口板２には内壁が垂直であって、その断面の成す直線が前記キャップの側壁の断面の内面が なす直線と連続した一本の直線をなす開口を設けることが好ましい。
このことにより、前記接続端子５は、電池内部の圧力変化に対応して傾くことなくスムースに摺動し、接続端子５の側面と外部封口板２の開口の内面を気密に当接させることができる。
【００１６】
キャップ１の壁面には、万一電池内部の圧力が異常に上昇したときに備えてガスを排出させるためのガス排出用の透孔１１を設けることが好ましい。図１（ハ）は、前記実施形態において蓄電池内部の気体の圧力が異常に上昇したときの状態を示す図であって、図１（ロ）に比べて接続端子５がさらに上方に摺動し、接続端子５によって閉鎖されていたガス排出用の透孔１１が開口した状態を示す図である。ガス排出口（ベント）は、例えば電槽８の側壁や底面の壁面に設けることもできるが、図１（ハ）に示すように、キャップ１の側壁にガス排出用の透孔１１を設けることによって、蓄電池の内部に溜まったガスをキャップ内空間を経由して排出するので、排出の勢いを弱めることができ、排出されるガスの勢いにのって電解液が外に吹き出るのを抑制することもできる。
【００１７】
本発明において、接続端子５、封口板３、キャップ１を構成する金属材料は特に限定されるものではないが、アルカリ蓄電池の場合には、電解液に対する耐食性が良いこと、また、接触抵抗が小さいことなどを考慮して、ニッケルまたはニッケルメッキを施した鋼材を適用することが好ましい。また、接続端子５の断面形状、厚さ、太さ（断面積の大きさ）などは特に限定されるものではないが、本発明に係るスイッチ機構においては、接続端子５の側面をキャップ１の内壁面に気密に、且つ、摺動可能に当接させなければならない。また、接続端子５を摺動させるに際して、接続端子５が平行移動するようにしなければならない。気密性を確保し、且つ、摺動時の摩擦抵抗を小さくするためには、接続端子５の断面形状を円形とすることが好ましい。接続端子５の厚さが小さいと、気密性の確保が難しく、且つ、接続端子５を平行移動させることが難しくなる。逆に、接続端子５の厚さを大きくすると、接続端子５の摺動に際して摩擦抵抗が大きくなり、且つ、スイッチ機構の占有体積が大きくなる欠点が生じる。このような条件を考慮すると、円筒形電池に適用する場合、接続端子の厚さを０．５〜２ｍｍとすることが好ましく、０．５〜１ｍｍとすることがさらに好ましい。また、接続端子５の断面積が小さいと、蓄電池内部の内力によって接続端子を摺動させようとする力が小さく、スイッチの感度が低くなる虞があり、断面積が大きいと、摺動に際して接続端子５が斜めになり易い欠点が生じる。このような条件を考慮すると、本発明において好ましい断面形状である円形の断面形状を適用した場合、接続端子５の直径を１〜５ｍｍとするのが好ましく、１〜３ｍｍとするのがさらに好ましい。  
【００１８】
本発明においては、図２に示すように、キャップ１の側壁内面に気密保持層１２を配置することが好ましい。該気密保持層１２は、キャップ内空間を外部空間から隔離し電池から水分が外に飛散したり外部からキャップ内空間に炭酸ガスなどの異物が侵入するのを妨げる働きをする。本実施形態においては、電解液がキャップ内に侵入するのを完全に防ぐことは難しい。アルカリ蓄電池の場合、キャップ内に炭酸ガスが侵入するとＫＯＨと反応し炭酸塩が析出する（ソルテイング）。キャップ内でソルテイングが生じると接続端子の摺動が妨げられる。前記気密保持層１２の配置は、ソルテイングの発生を防ぐのに有効である。該気密保持層１２は、前記合成樹脂の成形体をキャップ内にはめ込むか、合成樹脂製のフィルムや金属箔を貼付することによって形成することができる。
また。接続端子５の摺動を妨げないためには、接続端子５の側面と気密保持層１２の当接面に電解液が侵入しないことが好ましい。そのためには、前記気密保持層１２がポリテトラフロロエチレンやポリプロピレン等の撥水性の樹脂でできていることが好ましい。更に、図５に示すように、接続端子５の側面に、外部端子（キャップ）１と電気的に導通させるために必要な部分を除いて前記撥水性の合成樹脂でできた被覆層１４を配置することが好ましい。
【００１９】
また、本発明においては、図２に示すように、前記気密保持層１２のうち前記ガス排出用透孔１１を覆う部分に肉薄部１３を設けて、電池内部の圧力が異常に上昇したときに該肉薄部１３を破断させることによりスムースに開口するようにすることが好ましい。
万一電池の内圧が異常に高まった時、該開口を経由して電池内部に溜まったガスを排出する。
【実施例】
【００２０】
（テスト用密閉型蓄電池の作製）
正極にニッケル電極、負極に水素吸蔵合金電極を適用し、該正極、セパレータおよび負極からなる積層体を渦巻き状に捲回した捲回式極板群を備えたＡＡサイズの密閉型ニッケル水素蓄電池であって、図１に示した構造を有し、作動圧力が２メガパスカル（ＭＰａ）の圧力スイッチを備えた密閉形蓄電池を１０個用意した。
蓄電池の組立てに際しては、極板群上部の空き空間が可及的に小さくなるよう、高さが４３ｍｍの極板群を採用したところ、定格容量｛化成済みの電池を、温度２０℃において０．１ＩｔＡ(０．２１Ａ)１６時間充電し、１時間放置した後０．２ＩｔＡ(０．４２Ａ)で放電したときに得られる容量｝が２１００ｍＡｈの電池を得ることができた。
【００２１】
（急速充電を適用したサイクル試験）
化成済みの蓄電池を、２０℃の恒温槽中で、充電レート４ＩｔＡ(８．４Ａ)の定電流で（１５分間、１００％充電）充電し、1時間の休止後、１ＩｔＡ(２．１Ａ)で放電した。該充放電を１サイクルとし、充放電を繰り返し行った。
【００２２】
（比較例１）
図４に示す、圧力スイッチ機能を備えない従来の密閉型ニッケル水素蓄電池を１０個用意した。前記実施例と同様に蓄電池の組立に際しては、極板群上部の空き空間が可及的に小さくなるようして蓄電池を組立て、実施例１と同様に定格容量が２１００ｍＡｈの電池を得ることができた。化成を行った後、前記実施例と同様のサイクル試験に供した。
【００２３】
（比較例２）
図３に示す、従来提案に係る圧力スイッチ機能を備えた密閉型蓄電池を１０個用意した。
前記実施例同様に蓄電池の組立に際しては、高さが４１ｍｍ極板群を適用し、極板群上部の空き空間が可及的に小さくなるようして蓄電池を組立た。
得られた蓄電池の定格容量は２０００ｍＡｈであった。なお、比較例２の場合は、前記実施例に比べて圧力スイッチの占有体積が大きく、極板群の高さを小さく設定せざるえを得なかった。化成を行った後、前記実施例と同様のサイクル試験に供した。
【００２４】
（試験結果）
実施例、比較例１、比較例２の初期容量（前記サイクル試験の１サイクル目の放電容量、１０個の平均値）を表１に示す。
【表１】
2005243414.tif 000003
【００２５】
比較例１においては、充電中に電池温度が上昇して、水分の分解など複反応が盛んになって、充電受入が極端に低下したため放電容量が顕著に低くなったものと考えられる。
また、比較例２は、前記のように圧力スイッチの占有体積が大きく、実施例に比較して極板群の高さを小さくせざるを得ず、定格容量が小さくなったことが影響して急速充電においても容量が小さくなったものと考えられる。
【００２６】
図６に実施例と比較例１のサイクル数と放電容量の関係を示す。放電容量が初期容量の３８％を下回った時点をサイクル寿命と判断した。
比較例１のサイクル寿命は（１０個の平均）９５サイクルであったのに対して、実施例においては５０９サイクルであった。比較例電池においては、ガス排出弁が開いたとき、電解液が系外に飛散し、電池内部抵抗が上昇したため、早くに容量が低下したためにサイクル性能が劣ったものと考えられる。
また、図６には省略したが、比較例２のサイクル寿命は４６８サイクルであり、実施例に比べて少し劣った。
【００２７】
比較例２においては、前記のようにスイッチの第１端子が平行移動せずに、第２端子に対して斜めになって、オンとオフの切り替えが正常に機能しない場合があるために、実施例に比べて充電受け入れ率が低くなったり、電池温度が上昇して電池性能の劣化が速まったためと考えらる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
請求項１〜４に記載の密閉形蓄電池では、充電時の電池内圧力変化により、簡単、かつ、コンパクトな構造で充電電流を遮断及び接続することが可能で、動作の信頼性が高いスイッチ機構を持つ蓄電池であり、急速充電時に内圧上昇を抑制でき、電解液が系外に飛散することを抑制できると共に、サイクル特性の優れた密閉形蓄電池が実現できるので産業上の利用可能性は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る密閉形蓄電池のスイッチの構成を示す要部断面図である。
【図２】本発明に係る密閉形蓄電池のスイッチの構成を示す要部断面図である。
【図３】従来提案に係る密閉形蓄電池のスイッチの構成を示す要部断面図である。
【図４】従来の密閉形蓄電池の封口部の構成を示す要部断面図である。
【図５】本発明に係る密閉形蓄電池の接続端子の構成を示す断面図である。
【図６】実施例電池と比較例電池のサイクル数と放電容量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
１       外部端子
２       フランジ部（外部封口板）
３       封口板
４       電気絶縁フィルム
５       接続端子
６       小孔
９       弾性体（バネ）
１１     透孔
１２     気密保持層
１３     肉薄部
【図１】
2005243414.tif 000004
【図２】
2005243414.tif 000005
【図３】
2005243414.tif 000006
【図４】
2005243414.tif 000007
【図５】
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【図６】
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