(57)【要約】  【課題】  大電流放電時における電極体内での反応の不均一化の抑制を図り、全体として長寿命化なアルカリ電池を提供する。  【解決手段】  集電体4に、外部接続部42と第1領域における複数個の集電部41とが結ばれる線の中で少なくとも最短距離となる線上に、第1領域から第2領域42へと流れる電流を迂回させるための絶縁性領域を形成する。  それにより、集電部41から外部接続部42までの最短距離であった電流経路長が伸びるので、電極体10全体に流れる電流が分散して緩和される。その結果、電極体10での局所的範囲での温度上昇を防ぐので電池の長寿命化に繋がる。【選択図】図3
2005285652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極板と負極板がセパレータを介して配されてなる電極体と、当該電極体が接続される第一領域と当該第一領域から離間した位置に外部への接続部分である第二領域とが存在する集電板とを有するアルカリ電池において、
前記集電板には、前記集電板表面において前記第一領域から前記第二領域に至る線上に、前記第一領域と前記第二領域との間を流れる電流を迂回させる絶縁性領域が形成されている
ことを特徴とするアルカリ電池。
【請求項２】
前記集電体において、前記第一領域から前記第二領域に至る電流経路が複路化されている
ことを特徴とする請求項1に記載のアルカリ電池。
【請求項３】
前記集電体において、前記第一領域から前記第二領域に至る電流経路が、前記第一領域の略中央部分に対し略点対称となる
ことを特徴とする請求項1または2に記載のアルカリ電池。
【請求項４】
前記集電板は、前記第一領域において、前記電極体に対して複数の接続点で接続されており、
前記第一領域の略中央部分を基点とするとき、
前記接続点の各々は、前記第一領域内で、前記基点に対して点対称の配置関係を有する
ことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のアルカリ電池。
【請求項５】
前記電極体は、前記正極板と前記負極板が前記セパレータを介して巻回されてなる巻回体であるとともに、正負極に対応する前記集電板が、前記第一領域で当該巻回体の軸方向両端面にそれぞれ接合されている
ことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のアルカリ電池。
【請求項６】
前記絶縁性領域は、穿孔部である
ことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のアルカリ電池。
【請求項７】
請求項1から6に記載されているアルカリ電池を複数個備え、各電池の集電板が互いに電気的に接続された構成を有する
ことを特徴とする電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルカリ電池の長寿命化技術に関し、特に集電板の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、アルカリ電池は、携帯電話などのポータブル機器の電源用途に加え、電気自動車（EV）、ハイブリッド電気自動車（HEV）、電動工具などの大電流の放電を要するものの電源としても利用されている。
前記アルカリ電池における大電流を放電するような利用形態では、構成部材の抵抗が大きいと、ロスを生じるため、抵抗を低減することが望まれる。特に、組電池として使用するような場合には、接続部品の抵抗を削減するため、部品の低減、つまり、発電要素となる電極体を複数個組み合わせて連結した構成とされる。その場合、集電板を介した状態で複数個の電極体を並列に接続し、集電板の端部から電力供給を行うことや、さらにこれらの並列に接続された電極体群を、接合部材を介した状態で集電板同士を一端部で一体的に連結する構造が提案されている（例えば、特許文献1）。上記一端部は、集電板において電極体との接続領域から離間する部分であり、集電板を連結する際に、電解液における電池反応が他の電極体群へ及ばせない等により集電板の上部に位置することが多い。このようにして一体的に集電板を連結することで、溶接箇所数を少なくし、かつ大電流を放電できるようになっている。
【特許文献１】特開2002-324568号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、一般的に、各集電板に接続された電極体において、集電板同士が連結される部分、もしくは外部への出力部分から近い部分に電流が集中する傾向がある。このように、電極体において、電流の流れが集中した範囲では、他の範囲と比較して温度上昇が大きくなる。そのような状態で充放電を繰り返すと、当該範囲での電池の劣化が進行することとなる。これは、アルカリ電池の特性を十分に取り出せないこと、さらにアルカリ電池としての寿命を縮める要因となってしまう。
【０００４】
そこで、上記問題の対策として、集電板における電極体との接続領域の中央部分に上記連結部分を設けることで、充放電時における電池反応の不均一を解消することが考えられる。しかし、各集電板における接続領域の中央部分同士を連結しようとすると、近傍に電極体との接続点が多く、電池反応に影響しないようにするために、部品数の増加、さらに、製造工程の複雑化を招いてしまうので、結果的にアルカリ電池の製造コストも上がってしまう。
【０００５】
本発明は以上の課題に鑑みてなされたものであって、集電板において電極体との接続領域から離間する位置で出力するアルカリ電池において、安定した出力を確保できるとともに、長寿命を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本願発明では上記課題の解消のために以下の方法を採る。
正極板と負極板がセパレータを介して配されてなる電極体と、当該電極体に接続される第一領域と当該第一領域から離間した位置に外部との接続部分である第二領域が存在する集電板とを有するアルカリ電池において、前記集電板には、前記集電板表面において前記第一領域から前記第二領域に至る線上に、前記第一領域と前記第二領域との間を流れる電流を迂回させる絶縁性領域が形成されるようにする。
【０００７】
ここで、以下のようにすることが望ましい。
前記集電体において、前記第一領域から前記第二領域に至る電流経路が復路化するようにし、第一領域から第二領域への電流経路が、第一領域の略中央部分に対し略点対称となるようにする。
前記集電板は、前記第一領域において、前記電極体に対して複数の接続点で接続されており、前記第一領域の略中央部分を基点とするとき、前記接続点の各々は、前記第一領域内で前記基点に対して点対称の位置関係を有する。また、前記電極体は、前記正極板と前記負極板が前記セパレータを介して巻回されてなる巻回体であるとともに、正負極に対応する前記集電板が前記第一領域で当該巻回体の軸方向両端面にそれぞれ接合されるようにする。前記絶縁性領域は穿孔部とする。そして、前記アルカリ電池が複数個備え、各電池の集電板が互いに電気的に接続される構成を有するような電池システムを形成する。
【発明の効果】
【０００８】
集電板において第一領域から離間する位置から外部に出力する場合に、第一領域内の電極体との接続点（以下、「集電部」と記す。）から外部との接続点（以下、「外部接続点」と記す。）に至る線上に絶縁性領域を形成することで、第一領域の中で接続部分に近接する範囲と外部接続点との間で、実際に電流が流れる電流経路は絶縁性領域を避けて迂回するために長くなる。従って、第一領域内の各箇所から接続部分までの電流経路長が均一化される。このことが、従来の場合のように局所的な範囲に集中して電流が流れることを抑制することに繋がる。そして、集電板を流れる電流は、各集電部から外部接続部への電流経路全体で均一的に分散されることとなる。その結果、電極体での局所的な範囲における温度上昇を防ぎ、その温度上昇自体も抑制することとなる。
【０００９】
また、一般的に、集電板における第一領域の略中央部分に対して点対称な配置となるように集電部を設けた場合、従来であれば当該中央部分よりも外部接続部側（以下、「近方側」と記す。）の集電部からの電流経路の方が、当該中央部分から外部接続部の反対側（以下、「遠方側」と記す。）に設けられている集電部からの電流経路よりも短くなる。そのため、近方側と遠方側とで電極体に流れる電流密度の差が大きくなりやすい。しかし、本願発明では、第一領域範囲の境界線上、かつ近方側に絶縁性領域を形成することによって、近方側にある集電部からの電流経路長が、当該絶縁性領域によって大きく迂回して遠方側からの電流経路長に近くなり、集電部から外部接続部までの電流経路のさらなる均等化を図ることができる。
【００１０】
以上のような構成により、大電流放電を行う場合でも、電池の特性を十分に活用することができ、長期的信頼性に応えることができるものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、アルカリ電池の一種であるニッケル水素電池（以下では、単に「電池」と記載する。）を一例として図面を用いて説明する。ここで示す電池は、公称容量6.0Ahである。ただし、本発明は下記実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲においては適宜変更して実施可能である。
（実施例１）
（電池の構成）
本実施例に用いられる電池の構成について図1(a)、図1(b)、図2を用いて説明する。図1(a)は電池100の外観斜視図であり、図1(b)は電池100を分解した状態を示す斜視図である。図2は電池100の主要部としての電極体1及びその周辺を示している。
【００１２】
図1(a)に示されているように、本実施の形態に係る電池100は、X方向を長手方向とするケース3と蓋2によって外装体が形成されている。ケース3と蓋2はともにプラスチック材料から形成されており、電池形成後には開口部が溶着されて内部を密閉状態に保つ。
ケース3の外側面（XZ面）にはZ方向に延びるリブ3a・・・が複数形成されている。各リブ3aはケース3の一部を厚肉に加工したものであり、電池100を密接させて複数並設した場合には、各々のリブ3aによって外装体間には間隙が生じるので、その冷媒通路を確保することができる。また、リブ3aの形成によって、ケース3の剛性を向上できるという効果もある。
【００１３】
ケース3におけるX方向両端面には、外部接続端子30aが取り付けられている。なお、2つの外部接続端子30aの内、一方については便宜上、図示を省略している。ケース3は、複数の仕切り壁33・・・によって6つのセル室32に区分けされており、各仕切り壁33・・・の上端近傍に接続用の透孔31を有している。ケース3における各セル室32のサイズは、電極体ユニット1と同サイズに設定されている。ケース3両端の外部接続端子30aはその内方端がセル室32内に突出する構成となっている。
【００１４】
このような構成を有するケース3に対して、図1(b)に示すように、6つの電極体ユニット1が、各々が各セル室32に区分けされて収納され、隣り合う電極体ユニット1の間は、一方の電極体ユニット1の正極集電板と他方の電極体ユニット1の負極集電板とが仕切り壁33に設けられた透孔31を通して溶接接合される。即ち、6つの電極体ユニット1は、各々がセル室32に収納され、直列接続された構成となっている。
【００１５】
蓋2には、図1(a)、図1(b)に示すように、その略中央部分に電池内部圧力が規定値に達した場合に、内部のガスを外部へ放出するための安全弁2aが取り付けられており、また、ケース3に設けられた仕切り壁33に対応して仕切り壁23が形成されている。そして、仕切り壁23・・・にはその一部領域に切り欠き部23aが形成されている。
電極体ユニット1は、図2に示すように、渦巻形状を有する電極体10と、その巻回軸方向両端に抵抗溶接された正負両集電板4と、電極体10の外周に外嵌されてなる拘束バンド5とから構成されている。
【００１６】
拘束バンド5は金属材料を用いて環状に形成されたものであり、その内周径が電極体10の外周と略同等に設定されている。なお、拘束バンド5が外嵌される電極体10の最外周には、セパレータ（不図示）が配置されており、金属材料からなる拘束バンド5との間で絶縁性が確保されており、これが原因となって電極体10に内部短絡等を生じることはない。
なお、図1等においては図示を省略しているが、各セル室32内には、所定量の電解液が注入されている。電解液の注入量は、各電極体ユニット1の充放電に十分な量であって、電池100を多少傾けても蓋2の切り欠き部23aにまで達することのない量に設定されている。
【００１７】
本実施形態の電極体10は、ニッケル化合物を含む正極板と水素吸蔵合金を活物質とする負極板を備えている。正極板は、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作製されている。一方、負極板は、パンチングメタ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作製されている。
【００１８】
これらの正極板と負極板との間にセパレータを介在させて巻回することで電極体10が作製される。図2に示されるように電極体10のX方向両端部のいずれかには、正極板の極板芯体であるパンチングメタルの端部が露出し、当該芯体に後述する集電板4が溶接される。また、反対の端部には負極板の極板芯体であるパンチングメタルの端部が露出し、同様に集電板4が溶接されることで電極体ユニット1が作製される。
（集電板4の形状）
次に、集電板4について図3と図4を用いて説明する。図3は、集電板4の平面図である。
【００１９】
集電板４は、図示のようにZ方向の正方向側が方形で負方向側が円形をした板体であり、負方向側円形の部分に電極体10が接合され、正方向側方形部の略中央に外部接続部42が設けられている。以下では、下側円形の部分を、第一領域、外部接続部42を第二領域という。
第一領域の集電板表面は、バーリング加工により複数の集電部41a、b、c・・・となる隆起部が形成されている。詳しくは、図2に拡大して示している。図中、410として示すのが、集電部である。電極体10との接合に当たり、集電部41a、b、c・・・は、電極体10と向き合う状態にセットされる。極板との確実な接合を図るためである。第一領域42に形成する集電部41a、b、c・・・の数は、適数個とされる。少な過ぎると、電池放電時に、集電部に電流が集中し、局所的な発熱の問題が生じるし、多すぎると、加工性の問題がある。電流の集中を適度に緩和するために十分な数が望ましい。また、全ての集電部41a、b、c・・・は、均一に分散するのが望ましい。特に、極板中央部を中心にして点対称な位置に配置するのが望ましい。また、第一領域の接合にはバーリングのない平板に対して、レーザー溶接、電子ビーム溶接等を用いることも可能であり、その場合にも、点対称な位置に溶接部を配置することが望ましい。
【００２０】
集電板10の中央部分には、図2、図3に見られるように絶縁性領域の一例としてスリット40aが形成されている。第一領域、第二領域との位置関係でいうと、丁度その中間に位置するようにスリット40aが設けられる。しかも、スリット40aの長手方向が、第一領域と第二領域との中心を結ぶ線に対して直交する方向を向くようにしてある。
このようにスリット40aを設けるのは、電極体10から外部接続部42に流れ込む電流の経路長を、均一化するためである。すなわち、電極体10から流出する電流は、集電体４の各集電部41a、b、c・・・を通って外部接続部42へ向かうことになるが、集電板平面視において外部接続部42に最も近い集電部41aを通じて流れる電流は、図3にL1で示すようにスリット40aを迂回して流れることとなり、集電板４上での電流経路が長くなる。一方、外部接続部42から遠い集電部41dを通じて流れる電流は、L2で示すような経路となる。結果、全ての集電部41a、b、c・・・から外部接続部42へ向かう電流のそれぞれの経路長が、その差が小さくなって平均化されるので、電流の局部的な集中が避けられるのである。
【００２１】
因みに、図4に、スリットの無い従来の集電板を示すが、各集電部からの電流経路長は、L3、L4、L5というように、その長さの差は大きい。そのため、各集電部を通じて流れる電流の大きさに偏りが生じ、全体として電流量が同じ場合、発熱量において、図3に示す本発明品と大きく異なることとなる。
以上の説明から理解されるように、スリット40aの設置位置、長さ、形状は、結局のところ、全ての集電部41a、b、c・・・から外部接続部42へ向かう電流の経路長が、平均化されるように定められるべきである。
【００２２】
寸法を一例として挙げると、H1=45mm、H2=25mm、H3=15.5mm、H10=0.5mm、B1=31mmとなる。
（実施例２）
次に、集電板の他の実施の形態について図5を用いて説明する。
（集電板4aの形状）
この実施の形態における集電板4aは、上記（実施例１）に記載したものと基本的に同じであり、異なるのは、スリット40bの形状と、集電板の幅を拡大した点である。
【００２３】
スリット40bは、図示するように第一領域の外縁に沿った円弧状とされ、且つ、スリット全長が、略第一領域の半円周に相当する程度に延長されている。これは、第二領域に最も近い集電部41aからの電流経路長を出来るだけ長くし、各集電部41a、b、c・・・からの電流経路長の差を少なくするためである。これにより、各集電部41から流出し、第一領域から第二領域に至るまでの電流経路が略中央部分11に対して点対称となることによって、その電流経路長はさらに均等化される効果もある。なお、上述の第一領域から第二領域までの電流経路とは、電極体10との接合領域となる円形の第一領域境界部から外部接続部42までである。
【００２４】
次に集電板4aは、実施例１に示した集電板に対して、402a、402aで示す分だけ、拡幅している。このように集電板を拡幅したのは、スリット長を長くしたことに起因している。すなわち、スリット長が第一領域の半円周に相当する長さになると、実施例１の集電体幅では、電流経路が途切れる惧れがあり、それを避けるためである。図5においては、電流経路は、拡幅部402aにおいて確保できることになる。
【００２５】
寸法を一例として挙げると、H1=45mm、H2=25mm、H3=15.5mm、H4=5.0mm、H5=5.0mm、H10=0.5mm、B1=31mm、B2=51mmとなる。
（本願発明の実施効果の確認実験）
上記（実施例１）、（実施例２）の場合と、従来のようにスリットを設けていない場合（図4参照）とを以下のような実験を行うことで比較することとする。
【００２６】
上記各電池について、プラスチック外装の一部を開放し、図2で示されている電極体10のZ方向における正負方向での両端部、略中央部分に位置する巻回面の3点の温度測定を行いながら、30Aにて1.5Vまでの充電、30Aにて1.2Vまでの放電を行うハイレートパルス充放電を25℃雰囲気で50回繰り返すものである。
当該実験の結果が表1に示されている。なお、従来例と記されている欄には図4で示した集電板400を用いて実験が行われている。
【００２７】
【表１】
2005285652.tif 000003
（実験結果の考察）
表1に示されているように、（実施例１）と（実施例２）の場合では、（最高-最低）の温度差が1℃、2℃である。従来の場合では、（最高-最低）の温度差は5℃である。これにより（実施例１）と（実施例２）の場合では、従来例と比べて当該温度差が小さくなっていることが分かる。つまり、（実施例１）と（実施例２）の電池においては、電極体10内の温度分布がより均一化されているのである。
【００２８】
これは、複数個の集電部41から外部接続部42までの電流経路、少なくともその電流経路が最短となる部分を迂回させることで、それぞれの電流経路長の差が小さくなり、電流経路長が平均化されたためである。それにより、電極体10において電流が局所的な流れとはならず、分散され、電極体10全体における均一化に繋がっている効果であると判断できる。
（本実施例の優位性）
上述したように、スリット40a、40bを設けることで、各集電部41a、b、c、・・・から外部接続部42への電流経路長が平均化されるので局所的範囲に集中して電流が流れることを抑制することができる。それによって、電極体10の当該経路領域だけが多くの発熱量を有する状態を解消でき、従来懸念されてきた電池100の局所的な劣化を防止することができる。これは、電池100の寿命が縮まることを防止し、電池100全体の性能を十分に活かせていないという問題も解消することができる。
（その他の事項）
なお、本発明が上記実施の形態に限定を受けるものではなく、例えば、以下のような場合でも適用可能である。
（１）アルカリ電池以外にも、例えばリチウムイオン電池など他の電池でも適用可能である。
（２）電極体ユニット1の収納数は5ユニット以下でも7ユニット以上でも良い。
（３）蓋2の各仕切り壁23に設けた切り欠き部をもって各セル室33のガス電流経路を確保することとしたが、セル室33間のガス流通が可能であれば適宜変更可能である。
（４）極板の材料や拘束バンド5の材料などについても適宜変更可能である。ただし、拘束バンド5の構成に用いる材料については、単位面積あたりの伸び率が少なくともケース3を構成する材料よりも小さい物を用いることが望ましい。
（５）スリットの形状や数は、特に直線状や湾曲状のもの、及び1つに限定するものではない。例えば、矩形状や三角形状でも、さらには様々な形状を組み合わせたものでも良い。また、その数も2つ以上でも、上記電流経路が復路化されていれば構わない。ただし、集電部41から外部接続部42に至る最短となる線上に少なくとも設けるものとする。
（６）当該最短線を遮る絶縁性領域としてはスリットだけに限定するのではなく、例えば、スリットに絶縁材が埋め込まれているような方法など、他の絶縁性機能を有するものであれば適宜変更可能である。
（７）当該絶縁性機能を有する領域の大きさは、集電部41から外部接続部42に至る最短となる線の近傍をできるだけ含み、かつ集電板の全面積に対して抵抗値の上昇を可能な限り抑制できるような微小なものとすることが望ましい。
（８）集電板の面積は、電流経路長を平均化する効果を得る上では、できるだけ大面積とするのが有利と考えられるが、ケース3の各セル室33に収納される大きさが望ましい。
（９）集電板の形状は、平板状だけでなく、例えば面が湾曲している板状の場合でも適用可能である。ただし、面が湾曲する場合には、当該最短距離となる線は曲線となる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、特に、ハイブリッド電気自動車などのように大電流出力を要するような密閉アルカリ電池を実現するのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】(a)は実施の形態に係る電池100の外観斜視図であり、(b)は電池100の蓋2を開放した状態を示す展開斜視図である。
【図２】電極体ユニット10の要部斜視図である。
【図３】本実施例１の集電板を示す平面図である。
【図４】従来技術の集電板を示す平面図である。
【図５】本実施例２の集電板を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３１】
1  電極体ユニット
2  外装蓋
3  ケース
4  集電板
5  拘束バンド
10  電極体
40a スリット
41  集電部
42  外部接続部
【図１】
2005285652.tif 000004
【図２】
2005285652.tif 000005
【図３】
2005285652.tif 000006
【図４】
2005285652.tif 000007
【図５】
2005285652.tif 000008