(57)【要約】【課題】安全性および耐漏液性に優れた高信頼性のアルカリ電池を提供する。【解決手段】アルカリ電池は、内部に発電要素を収納した電池ケース、および電池ケースの開口部を塞ぐ組立封口部を具備し、組立封口部は、負極端子部、負極端子部と電気的に接続された負極集電子、および樹脂製封口体を備え、負極端子部が、互いに離間して設けられた第１の負極端子板および第２の負極端子板、ならびに第１の負極端子板と第２の負極端子板との間に配されたＰＴＣ素子からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に発電要素を収納した電池ケース、および前記電池ケースの開口部を塞ぐ組立封口部を具備し、
前記組立封口部が、負極端子部、前記負極端子部と電気的に接続された負極集電子、および樹脂製封口体を具備し、
前記封口体は、前記負極集電子が挿入される貫通孔を有する中央筒部、前記負極端子部の周縁部と前記電池ケースの開口端部との間に介在する外周筒部、および前記中央筒部と外周筒部とを連結する連結部を備え、
前記電池ケースの開口端部が前記封口体の外周筒部の上端を包み込むように折り曲げられ、その折り曲げ部が内方へかしめられて前記負極端子部の周縁部を締め付けたアルカリ電池であって、
前記負極端子部が、互いに離間して設けられた第１の負極端子板および第２の負極端子板、ならびに前記第１の負極端子板と、前記第２の負極端子板との間に配されたＰＴＣ素子で構成されていることを特徴とするアルカリ電池。
【請求項２】
前記第１の負極端子板および第２の負極端子板は、それぞれ周縁部に鍔部および中央部に平坦部を有し、
前記第１の負極端子板の平坦部と、前記第２の負極端子板の平坦部との間に前記ＰＴＣ素子が配され、
前記第１の負極端子板の鍔部と、前記第２の負極端子板の鍔部との間に絶縁板が配され、
前記電池ケースの開口端部が前記封口体の外周筒部の上端を包み込むように折り曲げられ、その折り曲げ部が内方へかしめられて、前記第１の負極端子板の鍔部と、前記第２の負極端子板の鍔部と、前記絶縁板とを締め付けた請求項１記載のアルカリ電池。
【請求項３】
前記第１の負極端子板および第２の負極端子板は、それぞれ周縁部に鍔部および中央部に平坦部を有し、
前記第１の負極端子板の鍔部と、前記第２の負極端子板の鍔部との間に前記ＰＴＣ素子が配され、
前記電池ケースの開口端部が前記封口体の外周筒部の上端を包み込むように折り曲げられ、その折り曲げ部が内方へかしめられて、前記第１の負極端子板の鍔部と、前記第２の負極端子板の鍔部と、前記ＰＴＣ素子とを締め付けた請求項１記載のアルカリ電池。
【請求項４】
前記第１の負極端子板の平坦部と、前記第２の負極端子板の平坦部との間に絶縁板が配された請求項３記載のアルカリ電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＴＣ素子を備えたアルカリ電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電池の安全性向上を目的として、短絡時による電池温度の急激な上昇を防止するＰＴＣ素子を備えた電池について種々の検討が行われている。
例えば、特許文献１では、負極集電体の表面を、ポリエチレンを主体とする、ＰＴＣ機能を備えた電子伝導体で被覆することが提案されている。また、特許文献２では、外装缶の開口端部がガスケットを介して封口板周縁部の鍔部をかしめる構造のリチウム二次電池において、封口板の鍔部と、ガスケットとの間にＰＴＣ素子を配することが提案されている。
【０００３】
しかし、特許文献１では、負極集電体表面に被覆された電子伝導体がアルカリ電解液によって分解されやすく、ＰＴＣ機能が十分に発揮されない場合がある。
また、アルカリ電池では、負極集電体と負極端子板とを電気溶接等で強固に接続する必要があるため、負極集電体と負極端子板との間にＰＴＣ素子を組み込むことは困難であった。
【０００４】
さらに、特許文献２のリチウム二次電池は、集電体や防爆機構等の封口部の構造がアルカリ電池と異なるため、アルカリ電池の構造に適したＰＴＣ素子の組み込み方を新たに検討する必要があった。
【特許文献１】特開２００３−２１７５９６号公報
【特許文献２】特開平９−１９９１０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、上記の従来の問題を解決するため、安全性および耐漏液性に優れた高信頼性のアルカリ電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のアルカリ電池は、内部に発電要素を収納した電池ケース、および前記電池ケースの開口部を塞ぐ組立封口部を具備し、前記組立封口部が、負極端子部、前記負極端子部と電気的に接続された負極集電子、および樹脂製封口体を具備する。前記封口体は、前記負極集電子が挿入される貫通孔を有する中央筒部、前記負極端子部の周縁部と前記電池ケースの開口端部との間に介在する外周筒部、および前記中央筒部と外周筒部とを連結する連結部を備える。前記電池ケースの開口端部が前記封口体の外周筒部の上端を包み込むように折り曲げられ、その折り曲げ部が内方へかしめられて前記負極端子部の周縁部を締め付けている。そして、前記負極端子部が、互いに離間して設けられた第１の負極端子板および第２の負極端子板、ならびに前記第１の負極端子板と、前記第２の負極端子板との間に配されたＰＴＣ素子で構成されていることを特徴とする。
【０００７】
前記第１の負極端子板および第２の負極端子板は、それぞれ周縁部に鍔部および中央部に平坦部を有し、前記第１の負極端子板の平坦部と、前記第２の負極端子板の平坦部との間に前記ＰＴＣ素子が配され、前記第１の負極端子板の鍔部と、前記第２の負極端子板の鍔部との間に絶縁板が配され、前記電池ケースの開口端部が前記封口体の外周筒部の上端を包み込むように折り曲げられ、その折り曲げ部が内包へかしめられて、前記第１の負極端子板の鍔部と、前記第２の負極端子板の鍔部と、前記絶縁板とを締め付けて構成されるのが好ましい。
【０００８】
前記第１の負極端子板および第２の負極端子板は、それぞれ周縁部に鍔部および中央部に平坦部を有し、前記第１の負極端子板の鍔部と、前記第２の負極端子板の鍔部との間に前記ＰＴＣ素子が配され、前記電池ケースの開口端部が前記封口体の外周筒部の上端を包み込むように折り曲げられ、その折り曲げ部が内包へかしめられて、前記第１の負極端子板の鍔部と、前記第２の負極端子板の鍔部と、前記ＰＴＣ素子とを締め付けて構成されるのが好ましい。
さらに、前記第１の負極端子板の平坦部と、前記第２の負極端子板の平坦部との間に絶縁板が配されるのが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、負極端子部が２枚の負極端子板の間にＰＴＣ素子を配した構造であり、２枚の負極端子板間の通電経路がＰＴＣ素子のみであるため、短絡時に流れる短絡電流をＰＴＣ素子により確実に遮断することができ、短絡時の電池の急激な温度上昇を大幅に抑制することができる。
また、負極端子部がＰＴＣ素子を介して２枚の負極端子板で構成されているため、電解液がはい上がる経路が長くなり、またその経路が分断されることにより、電解液の漏出を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の一実施の形態を、図１および２を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施の形態として単３形アルカリ電池（ＬＲ６）の一部を断面とした正面図である。
正極端子を兼ねる有底円筒形の電池ケース１には、中空円筒状の正極合剤２が内接している。正極合剤２の中空部には有底円筒形のセパレータ４を介してゲル状負極３が配されている。正極合剤２、セパレータ４、およびゲル状負極３には、アルカリ電解液が含まれている。セパレータ４には、例えば、ポリビニルアルコール繊維およびレーヨン繊維を主体として混抄した不織布が用いられる。
【００１１】
正極合剤２には、例えば、二酸化マンガン粉末を含む正極活物質、黒鉛粉末などの導電剤、および水酸化カリウム水溶液などのアルカリ電解液の混合物が用いられる。
ゲル状負極３には、例えば、亜鉛粉末または亜鉛合金粉末などの負極活物質、ポリアクリル酸ナトリウムなどのゲル化剤、および水酸化カリウム水溶液などのアルカリ電解液の混合物が用いられる。なお、負極活物質には、耐食性に優れた亜鉛合金粉末を用いるのが好ましく、さらには、環境に配慮して、水銀、カドミウム、もしくは鉛、またはそれら全てが無添加であるものがより好ましい。上記亜鉛合金としては、例えば、インジウム、アルミニウム、およびビスマスを含む亜鉛合金が挙げられる。
【００１２】
ここで、図２は、図１のＸ部分（アルカリ電池の封口部分）の拡大断面図である。
電池ケース１は、正極合剤２等の発電要素を収納した後、開口部近傍に段部１ａが設けられ、電池ケース１の開口部は、組立封口部１２により封口される。組立封口部１２は、負極端子部１１、負極端子部１１と電気的に接続された負極集電子６、および樹脂製封口体５で構成されている。ゲル状負極３の中央には負極集電子６が挿入されている。
【００１３】
封口体５は、負極集電子６が挿入される貫通孔１３ａを有する中央筒部１３、負極端子部１１の周縁部と電池ケース１の開口端部との間に介在する外周筒部１４、および中央筒部１３と外周筒部１４とを連結し、安全弁として働く肉薄部１５ａを有する連結部１５からなる。外周筒部１４は、負極端子部１１の周縁部を受ける環状の水平部１４ｂ、水平部１４ｂの外側周縁部から上方に立ち上がる上部筒部１４ａ、および水平部１４ｂの内側周縁部から下方へ傾斜して延びる下部筒部１４ｃからなる。電池ケース１の開口端部が封口体５の上部筒部１４ａの上端を包み込むように折り曲げられ、その折り曲げ部が内方へかしめられて負極端子部１１の周縁部が段部１ａとの間で締め付けられている。電池ケース１の外表面は、外装ラベル１０により被覆されている。
【００１４】
本発明は、アルカリ電池の組立封口部１２における負極端子部１１の構造に特徴を有する。負極端子部１１は、互いに離間して設けられた第１の負極端子板７および第２の負極端子板８、ならびに第１の負極端子板７と第２の負極端子板８との間に配されたＰＴＣ素子９ａからなる。
【００１５】
すなわち、図２に示すように、第１の負極端子板７は、周縁部に鍔部７ａおよび中央部に平坦部７ｂを有し、第２の負極端子板８は、周縁部に鍔部８ａおよび中央部に平坦部８ｂを有する。第１の負極端子板７の平坦部７ｂと、第２の負極端子板８の平坦部８ｂとの間にＰＴＣ素子９ａが配され、第１の負極端子板７の鍔部７ａと、第２の負極端子板８の鍔部８ａとの間に絶縁板９ｂが配されている。電池ケース１の開口端部が封口体５の上部筒部１４ａの上端を包み込むように折り曲げられ、その折り曲げ部が内方へかしめられて、第１の負極端子板７の鍔部７ａと、第２の負極端子板８の鍔部８ａと、絶縁板９ｂとが締め付けられている。負極集電子６は、その頭部６ａを第２の負極端子板８の平坦部８ｂに溶接することにより、物理的および電気的に接続されている。ＰＴＣ素子９ａは、所定の温度に達すると抵抗が急激に大きくなる機能を有する。
【００１６】
円盤状のＰＴＣ素子９ａは、例えば、厚さが０．２〜０．４ｍｍ、および径が５〜７．５ｍｍである。
リング状の絶縁板９ｂは、例えば、厚さが０．２〜０．４ｍｍ、内径が５〜８ｍｍ、および外径が１１〜１２ｍｍである。
また、第１の負極端子板７と第２の負極端子板８とが直に接するとＰＴＣ素子９ａを介さずに電流が流れて、ＰＴＣ素子９ａが機能せず、電流を遮断できない現象を確実に防ぐため、第１の負極端子板７における鍔部７ａと平坦部７ｂとの境界部と、第２の負極端子板８における鍔部８ａと平坦部８ｂとの境界部との間が、０．２〜１ｍｍ離れるように、第１の負極端子板７および第２の負極端子板８が配置されるのが好ましい。
【００１７】
このアルカリ電池は、上記のように、第１の負極端子板７および第２の負極端子板８との間の通電経路をＰＴＣ素子９ａのみで構成している。従って、電池が外部短絡して短絡電流が流れて電池温度が所定の温度に達すると、ＰＴＣ素子の抵抗が増大して、確実に短絡電流を低減することができる。すなわち、外部短絡時の電池の急激な温度上昇を抑制することができる。ＰＴＣ素子には、例えば、タイコエレクトロニクスレイケム（株）製のポリスイッチの名で販売されている材料等が用いられる。
【００１８】
絶縁板９ｂには、例えば、紙やポリプロピレン等の樹脂が用いられる。
第１の負極端子板７には、例えば、ニッケルめっき鋼板が用いられる。
第２の負極端子板８には、接触抵抗が小さい点で、錫めっき鋼板やニッケルめっき鋼板を用いるのが好ましい。
第１および第２の負極端子板７および８は、例えば、鍔部７ａと平坦部７ｂとの境界部および鍔部８ａと平坦部８ｂとの境界部に、電池内のガスを外部に放出させるための孔（図示しない）を有する。電池内圧が異常に上昇した時に、封口体５の肉薄部１５ａが破断し、上記の孔より外部にガスを放出させることができる。
【００１９】
また、図２のように、負極端子部１１が２枚の負極端子板７および８で構成されるため、電解液のはい上がり経路が長くなり、またその経路が分断され易くなることにより、電解液の漏出を抑制することができる。
上記の図２の構造は、後述する図３および４の構造よりも、ＰＴＣ素子は、２枚の負極端子板との接触において、大きな接触面積を確保することができるため、通常の電池使用時における内部抵抗を小さくすることができ、良好な大電流放電性能が得られる。
【００２０】
本発明の好ましい他の形態を図３に示す。組立封口部２２における負極端子部２１は、互いに離間して設けられた第１の負極端子板７および第２の負極端子板８、ならびに第１の負極端子板７の鍔部７ａと第２の負極端子板８の鍔部８ａとの間に配されたリング状のＰＴＣ素子１９ａからなる。電池ケース１の開口端部が封口体５の上部筒部１４の上端を包み込むように折り曲げられ、その折り曲げ部が内方へかしめられて、第１の負極端子板７の鍔部７ａと、第２の負極端子板８の鍔部８ａと、ＰＴＣ素子１９ａとが締め付けられている。この締め付けにより、ＰＴＣ素子１９ａと両負極端子板７および８との間の電気的な接触抵抗の値を小さく保つことができる。
【００２１】
リング状のＰＴＣ素子１９ａは、例えば、厚さが０．２〜０．４ｍｍ、内径が５〜８ｍｍ、および外径が１１〜１２ｍｍである。
また、第１の負極端子板７と第２の負極端子板８が直に接するとＰＴＣ素子９ａを介さずに電流が流れて、ＰＴＣ素子が機能せず、電流を遮断できない現象を確実に防ぐため、第１の負極端子板７および第２の負極端子板８は、平坦部７ｂと平坦部８ｂとの間が、０．２〜１ｍｍ離れるように配置されるのが好ましい。
【００２２】
本発明の好ましいさらに他の形態を図４に示す。組立封口部３２における負極端子部３１は、図３の負極端子部２１の構成において、さらに、第１の負極端子板７の平坦部７ｂと、第２の負極端子板８の平坦部８ｂとの間に絶縁板１９ｂが配された構造を有する。
【実施例】
【００２３】
以下に本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明は以下に示す実施例に限定されない。
《実施例１》
（１）正極合剤の作製
二酸化マンガン粉末（平均粒径：３５μｍ）と黒鉛粉末（平均粒径：１５μｍ）とを、９０：１０の重量比で混合した。そして、この混合物と、アルカリ電解液として３６重量％の水酸化カリウム水溶液とを１００：３の重量比で混合し、充分に攪拌した後、フレーク状に圧縮成形した。ついで、フレーク状の正極合剤を粉砕して顆粒状とし、これを篩によって分級し、１０〜１００メッシュのものを中空円筒状に加圧成形してペレット状の正極合剤を得た。
【００２４】
（２）ゲル状負極の作製
ゲル化剤としてポリアクリル酸ナトリウムと、アルカリ電解液として３６重量％の水酸化カリウム水溶液と、負極活物質とを１：３３：６６の重量比で混合し、ゲル状負極を得た。なお、負極活物質には、０．０２５重量％のインジウム、０．０１５重量％のビスマス、および０．００４重量％のアルミニウムを含み、水銀と鉛が無添加の亜鉛合金粉末（平均粒径：１３５μｍ）を用いた。
【００２５】
（３）円筒形アルカリ電池の組み立て
図１に示す構造の単３形アルカリ電池（ＬＲ６）を下記の手順により作製した。図１は、円筒形アルカリ電池の一部を断面とする正面図である。また、図１のＸ部分（封止部分）の拡大断面図を図２に示す。
上記で得られた正極合剤２を電池ケース１内に２個挿入し、加圧治具により正極合剤２を加圧して電池ケース１の内壁に密着させた。電池ケース１の内壁に密着させた正極合剤２の中央に有底円筒形のセパレータ４を配置した。セパレータ４内にアルカリ電解液として３６重量％の水酸化カリウムを含有する水溶液を所定量注入した。所定時間経過した後、上記で得られたゲル状負極３をセパレータ４内に充填した。なお、セパレータ４には、ポリビニルアルコール繊維およびレーヨン繊維を主体として混抄した不織布を用いた。
【００２６】
正極合剤２等の発電要素を収納した電池ケース１を、組立封口部１２を用いて以下のように封口した。
負極集電子６の頭部６ａと、厚さ０．２ｍｍの錫めっき鋼板からなる第２の負極集電板８の平坦部８ｂとを電気溶接し、負極集電子６をナイロン製封口体５の中央筒部１３の貫通孔１３ａに挿入することにより組立封口部の中間体を得た。
【００２７】
電池ケース１の開口部近傍に溝入れを施して段部１ａを形成し、その段部１ａ上で中間体の水平部１４ｂを受けるように、電池ケース１の開口部に中間体を設置した。このとき、負極集電子６の一部は、ゲル状負極３中に挿入された。そして、中間体の第２の負極端子板８における鍔部８ａ上にポリプロピレンからなるリング状の絶縁板９ｂ（厚さ０．３ｍｍ、内径８ｍｍ、外径１１ｍｍ）を配した。中間体の第２の負極端子板８における平坦部８ｂ上に厚さ０．３ｍｍおよび直径７．２ｍｍの円盤状のＰＴＣ素子９ａ（タイコエレクトロニクスレイケム（株）製のポリスイッチ）を配した。さらに、ＰＴＣ素子９ａに平坦部７ｂが対応し、絶縁板９ｂ上に鍔部７ａが対応するように、ＰＴＣ素子９ａおよび絶縁板９ｂ上に、厚さ０．４ｍｍのニッケルめっき鋼板からなる第１の負極端子板７を配置した。このＰＴＣ素子９ａは、２０℃では抵抗値が０．０３Ωであるが、１２０℃の高温下では、抵抗値が１０4Ωと大幅に増大する性質を有する。
【００２８】
これにより、第１の負極端子板７の平坦部７ｂと、第２の負極端子板８の平坦部８ｂとの間にＰＴＣ素子９ａが配され、第１の負極端子板の鍔部７ａと、第２の負極端子板８の鍔部８ａとの間に絶縁板９ｂが配された負極端子部１１を構成した。そして、電池ケース１の開口端部を折り曲げ、封口体５の上部筒部１４ａの上端を包み込んで内方へかしめ、負極端子部１１の周縁部を、外周筒部１４を介して電池ケース１の開口端部により締め付けて電池ケース１の開口部を封口した。外装ラベル１０で電池ケース１の外表面を被覆した。
【００２９】
《実施例２》
負極端子部を、第１の負極端子板７の鍔部７ａと、第２の負極端子板８の鍔部８ａとの間にリング状の実施例１と同じ材料のＰＴＣ素子１９ａ（厚さ０．３ｍｍ、外径１１ｍｍ、内径８ｍｍ）を配し、絶縁板を用いない上記の図３と同じ構成とした以外は、実施例１と同様の方法によりアルカリ電池を作製した。
【００３０】
《比較例１》
負極端子部を、図５に示すように、負極端子部を第１の負極端子板３７のみで構成した以外は、実施例１と同様の方法によりアルカリ電池を作製した。
【００３１】
《比較例２》
室温における導電率が５Ｓ／ｃｍであり、１２０℃（動作温度）における導電率が５μＳ／ｃｍであるポリエチレンを主成分とするＰＴＣ機能を備えた電子伝導性材料の粉末９０重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン１０重量部とを、Ｎ−メチルピロリジノン中に分散させてペーストを得た。負極集電子６の頭部６ａと第１の負極端子板１７の平坦部１７ｂとを溶接した後、このペーストを負極集電体６の全表面に塗布し、これを６０℃で１２時間乾燥させた。この負極集電体を用いた以外は、比較例１と同様の方法によりアルカリ電池を作製した。
【００３２】
［評価］
（１）電池の耐漏液性の評価
上記で得られた各電池を１００個ずつ準備し、温度６０℃および湿度９０％の高温多湿環境下で、３ヶ月間保存し、保存後の電池における漏液の発生割合を調べた。
【００３３】
（２）電池の短絡試験
上記で得られた各電池について、厚さ０．１ｍｍのニッケルリード線を介して、電池ケースと第１の負極端子板とを接続させて、電池を外部短絡させた。そして、このときの電池胴体部の表面温度を熱電対にて測定し、電池表面における最高温度を調べた。
【００３４】
（３）電池の内部抵抗の測定
上記で得られた各電池について、松下通信工業（株）製のDIGITAL MILLIOHM METER VP-2811Aにより１ｋHzの交流電流を電池に流したときの端子間電圧を測定し、電池の内部抵抗を調べた。
上記の評価結果を表１に示す。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
ＰＴＣ素子を備えていない比較例１の電池では、外部短絡時に電池温度が大幅に上昇し、高温多湿環境下で保存した後において、漏液した電池がみられた。
また、比較例２の電池では、電池組立直後において、外部短絡時の電池温度の上昇が大幅に抑制されたが、室温で３ヶ月保存した後に上記と同じ短絡試験を行った結果、短絡時の電池の最高温度が１２５℃となり、電池温度が大幅に上昇した。これは、発電要素内の電解液に接する環境下にＰＴＣ素子が設置されているため、負極集電子の表面に設けられたＰＴＣ機能を有する電子伝導体が、保存期間中にアルカリ電解液との接触により分解されて、ＰＴＣ機能が発揮されなくなったためである。また、高温多湿環境下で保存した後において、漏液した電池がみられた。
【００３７】
実施例１および２の電池では、外部短絡時の電池温度の上昇が大幅に抑制された。また、実施例１および実施例２の電池を対比すると、実施例１の電池の方が、ＰＴＣ素子の負極端子板との接触面積を大きく確保することができるため、電池の内部抵抗の値がより小さくなった。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明のアルカリ電池は高信頼性を有し、電子機器や携帯機器の電源等に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施の形態におけるアルカリ電池の一部を断面とした正面図である。
【図２】図１における封口部分（Ｘ部分）を拡大した縦断面図である。
【図３】本発明の他の実施の形態における封口部分の縦断面図である。
【図４】本発明のさらに他の実施の形態における封口部分の縦断面図である。
【図５】従来のアルカリ電池の封口部分の縦断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  電池ケース
２  正極合剤
３  ゲル状負極
４  セパレータ
５  封口体
６  負極集電子
７  第１の負極端子板
８  第２の負極端子板
７ａ、８ａ  鍔部
７ｂ、８ｂ  平坦部
９ａ、１９ａ  ＰＴＣ素子
９ｂ、１９ｂ  絶縁板
１０  外装ラベル
１１、２１、３１  負極端子部
１２、２２、３２  組立封口部
１３  中央筒部
１３ａ  貫通孔
１４  外周筒部
１４ａ  上部筒部
１４ｂ  水平部
１４ｃ  下部筒部
１５  連結部
１５ａ  肉薄部
【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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