(57)【要約】【課題】優れた電流遮断機構を有するアルカリ電池を提供する。【解決手段】本発明のアルカリ電池は、有底円筒形の電池ケース１に、円筒の正極２とその中空部分に有底円筒のセパレータ４を介して負極３とを収容し、封口体６によって電池ケースの開口部が密封され、封口体は外から内へ順に、端子板８と円形薄板の第２接続部材１１と円形薄板の第１接続部材１０と蓋板７とを備え、蓋板には通気孔１３が設けられ且つ負極集電体１２が電気的接続されており、第１接続部材は円周状の薄肉部１０ａを有し、その内周側で第２接続部材と電気的接続されており、電流は負極集電体から蓋板、第１接続部材、第２接続部材及び端子板の順に流れていき、内部圧力が所定圧力に達すると薄肉部が破断して電流導通が遮断され、セパレータの開口端は蓋板に押し付けられ密閉されており、通気孔は蓋板においてセパレータが接触する位置の最外周部分よりもさらに外側に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極端子が設けられた有底円筒形の電池ケースに、中空円筒状の正極と、該正極の中空部分に配置されているゲル状負極と、前記正極と前記負極との間に配置されている有底円筒形のセパレータと、アルカリ電解液とを収容し、
負極端子を備えた封口体によって前記電池ケースの開口部が密封されており、
前記封口体は、外部から内部へ向かって順に、前記開口部を覆う負極端子板と、導電部材からなり前記開口部を塞ぐ円形薄板状の第２接続部材と、導電部材からなり前記開口部を塞ぐ円形薄板状の第１接続部材と、導電部材からなり前記開口部を覆う蓋板とを備えており、
前記蓋板には前記電池ケースの内部側と前記第１接続部材側とを連通させる通気孔が設けられているとともに、前記ゲル状負極に挿入されている負極集電体が電気的に接続されており、
前記第１接続部材は円周状の薄肉部を有しており、該薄肉部よりも内周側において前記第２接続部材と電気的に接続されており、
電流は、前記負極集電体から前記蓋板、前記第１接続部材、前記第２接続部材及び前記負極端子板の順に流れていき、
内部圧力が所定圧力に達すると当該内部圧力によって前記第１接続部材の薄肉部が破断し、前記第１接続部材と前記第２接続部材との間の電流導通が遮断されて、前記負極端子からの電流出力が遮断され、
前記セパレータの開口端は、前記蓋板に押し付けられて密閉されており、
前記通気孔は、前記蓋板において前記セパレータが接触する位置の最外周部分よりもさらに外周側に配置されている、アルカリ電池。
【請求項２】
前記セパレータの開口端は、前記蓋板の中心方向に向かって折曲され、
折れ曲がって前記蓋板に接触している前記セパレータの折曲部の径方向長さＬ１は、前記セパレータの厚みＴ１に対して、Ｌ１≧Ｔ１の関係を有し、
前記セパレータの先端は、前記負極集電体と前記蓋板との接続部分よりも手前に位置している、アルカリ電池。
【請求項３】
前記負極集電体は、円板状の頭部と前記ゲル状負極に挿入される棒状部とを有する釘形状を有しており、
前記頭部は前記蓋板とは溶着されており、
前記蓋板の厚みＴ２と、前記頭部の厚みＴ３とは、Ｔ２≧Ｔ３、の関係式を満たす、請求項１に記載されているアルカリ電池。
【請求項４】
前記蓋板は、銅または銅を主体とした合金からなり、表面にＳｎめっきが施された、請求項１に記載されているアルカリ電池。
【請求項５】
前記第１接続部材は、銅または銅を主体とした合金からなり、少なくとも前記蓋板に面する表面にＳｎめっきが施された、請求項１に記載されているアルカリ電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルカリ電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電池における防爆安全機構に関して、様々な検討がなされている。例えば、所定の内部圧力で動作する電流遮断機構の検討が行われている（特許文献１参照）。ここでは、電流が流れ続けるとその電流によって電池内部で温度上昇が起こったり、電池内部のガス圧が異常に上昇したりするので、電流を遮断することによって温度上昇やガス圧上昇を防いでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−６０４５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の発明は防爆形の二次電池に係るものであり、電池ケース内に収容された発電要素と、端子板及び電流遮断機構を備える封口体とが、前記発電要素から延出するリボン状のリードで電気的に接続される構造である。しかしながら、インサイドアウト型アルカリ電池においてこのような構造を取ろうとすると、電流遮断機構を設けた封口体と、中空円筒状の正極の中空部に配置されるゲル状負極とを電気的に接続する場合に、前記ゲル状負極にリボン状のリードを固着する必要があるが、このように固着を行うことは困難であり、電気的な接続がされない可能性がある。また、アルカリ電池の亜鉛粉体からなる負極が、ガス抜き用の孔から電流遮断機構の方へ移動して、遮断部分に付着して再び電流が導通してしまうおそれがある。
【０００５】
本発明は上記問題点を解決するものであり、優れた電流遮断機構を有するインサイドアウト型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、正極端子が設けられた有底円筒形の電池ケースに、中空円筒状の正極と、該正極の中空部分に配置されているゲル状負極と、前記正極と前記負極との間に配置されている有底円筒形のセパレータと、アルカリ電解液とを収容し、負極端子を備えた封口体によって前記電池ケースの開口部が密封されており、前記封口体は、外部から内部に向かって順に、前記開口部を覆い負極端子となる負極端子板と、導電部材からなり前記開口部を塞ぐ円形薄板状の第２接続部材と、導電部材からなり前記開口部を塞ぐ円形薄板状の第１接続部材と、導電部材からなり前記開口部を覆う蓋板とを備えており、前記蓋板には前記電池ケースの内部側と前記第１接続部材側とを連通させる通気孔が設けられ、前記ゲル状負極に挿入されている負極集電体が電気的に接続されており、前記第１接続部材は円周状の薄肉部を有しており、該薄肉部よりも内周側において前記第２接続部材と電気的に接続されており、電流は、前記負極集電体から前記蓋板、前記第１接続部材、前記第２接続部材及び前記負極端子板の順に流れていき、内部圧力が所定圧力に達すると当該内部圧力によって前記第１接続部材の薄肉部が破断し、前記第１接続部材と前記第２接続部材との間の電流導通が遮断されて、前記負極端子からの電流出力が遮断され、前記セパレータの開口端は、前記蓋板に押し付けられて密閉されており、前記通気孔は、前記蓋板において前記セパレータが接触する位置の最外周部分よりもさらに外周側に配置されている構成としている。ゲル状負極とは、アルカリ電解液を含有するゲル状物質に負極活物質を混合させたものである。
【０００７】
前記セパレータの開口端は、前記蓋板の中心方向に向かって折曲され、折れ曲がって前記蓋板に接触している前記セパレータの折曲部の径方向長さＬ１は、前記セパレータの厚みＴ１に対して、Ｌ１≧Ｔ１の関係を有し、前記セパレータの先端は前記負極集電体と前記蓋板との接続部分よりも手前に位置しているようにすることができる。
【０００８】
前記負極集電体は、円板状の頭部と前記ゲル状負極に挿入される棒状部とを有する釘形状を有しており、前記頭部は前記蓋板とは溶着されており、前記蓋板の厚みＴ２と、前記頭部の厚みＴ３とは、Ｔ２≧Ｔ３、の関係式を満たすようにすることができる。
【０００９】
前記蓋板は、銅または銅を主体とした合金からなり、表面にＳｎめっきが施されていることが好ましい。
【００１０】
前記第１接続部材は、銅または銅を主体とした合金からなり、少なくとも前記蓋板に面する表面にＳｎめっきが施されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、内部圧力が大きくなると、第１接続部材と第２接続部材とによって電流が遮断されて安全であり、蓋板の通気孔とゲル状負極とをセパレータが確実に隔離していて電流が再度流れ出すことを防止する、インサイドアウト型のアルカリ電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係るアルカリ電池の模式的な一部破断図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、一実施の形態を図１を参照しながら説明する。図１は、一実施の形態としてインサイドアウト型のアルカリ電池の半断面正面図である。インサイドアウト型のアルカリ電池というのは、正極の内側に負極が存している構造のアルカリ電池のことである。
【００１４】
正極端子が設けられ、正極集電体を兼ねた有底円筒形である金属製の電池ケース１には、中空円筒状の正極２が内接するように収納されている。正極２は、例えば、正極活物質、導電剤、およびアルカリ電解液を含む。正極活物質には、例えば、粉末状の二酸化マンガンが用いられる。導電剤には、例えば、黒鉛が用いられる。アルカリ電解液には、例えば、水酸化カリウムを含む強アルカリ水溶液が用いられる。
【００１５】
正極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が配置されている。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。ゲル状負極３は、例えば、負極活物質、ゲル化剤、アルカリ電解液を含む。負極活物質には、例えば、粉末状の亜鉛または亜鉛合金が用いられる。ゲル化剤には、例えば、ポリアクリル酸ナトリウムのようなポリアクリル酸塩が用いられる。なお、電池ケース１内に入れられているアルカリ電解液は正極２、ゲル状負極３及びセパレータ４にしみ込んでいるため、図示をしていない。
【００１６】
樹脂製の絶縁ガスケット５を介して、負極端子を備えた封口体６を電池ケース１の開口端部にかしめつけることによって電池は密封される。
【００１７】
封口体６は、電池の外部から内部に向かって、即ち図の上側から順に、負極端子となる金属製の負極端子板８、金属製であって円形薄板状の第２接続部材１１、金属製であって円形薄板状の第１接続部材１０、通気孔１３が設けられた金属製の蓋板７の４つから形成されている。負極端子板８はハット状（帽子）であって、その有底円筒部の底部分は電池の外部側に配置されており、外周縁は有底円筒部から外側へ拡がるフランジ状の部分である。蓋板７もハット状の形状であるが、有底円筒部の底部分は電池の内部側に配置されており、外周縁は有底円筒部から外側へ拡がるフランジ状の部分である。
【００１８】
負極端子板８と蓋板７とのそれぞれの外周端の間には、樹脂からなるリング状の絶縁部材９が配置されて両者を電気的に絶縁している。また、第１接続部材１０の外周縁と第２接続部材１１の外周縁との間にも絶縁部材９が介在しており、外周縁部分を電気的に絶縁している。さらに、負極端子板８の外周端と第２接続部１１の外周端とが重なって接触するように絶縁部材９が両者を挟み込んで固定し、両者を電気的に接続させている。
【００１９】
即ち、絶縁部材９はリング状の薄板であって周に沿って内周側へ折り重ねられ、折り重ねられた間に負極端子板８外周端と第２接続部材１１外周端とが重ねられて挟まれており、折り重ねられた上側部分の上面側に蓋板７の外周端が回り込んで該上側部分が蓋板７外周端と負極端子板８の外周端との間に挟み込まれて両者の絶縁を行っている。さらに、折り重ねられた下側部分の下面と蓋板７外周部とが第１接続部材１０を挟み込んでいる。なお、封口体６を構成している４つの部材は、それぞれ電池ケース１の開口部分を閉塞しているが、負極端子板８と蓋板７とはそれぞれ通気孔１４，１３を有しているので、実際に電池ケース１の開口部分を密閉しているのは、第１接続部材１０と第２接続部材１１である。
【００２０】
蓋板７と第１接続部材１０、および、負極端子板８と第２接続部材１１は、蓋板７の外縁部を内方に折り曲げて、間に絶縁部材９を挟んでかしめつけることで、互いに強く押し付けられて電気的に接続される。
【００２１】
第１接続部材１０は、円周状の薄肉部１０ａが設けられ、薄肉部１０ａの内周部で第２接続部材１１と溶接等により電気的に接続されることで、蓋板７から負極端子板８までの電気的な導通が確保される。即ち、蓋板７から、第１接続部材１０、第２接続部材１１、負極端子板８の順で電流が流れていく。
【００２２】
封口体６は、負極３内でガスが発生するなどして電池の内部圧力が大きくなり所定圧力に達すると、第１接続部材１０の薄肉部１０ａが破断して、第１接続部材１０と第２接続部材１１との間の電気的な導通が遮断される、電流遮断機構を有している。電池の内部圧力は、蓋板７の通気孔１３により、そのまま第１接続部材１０にかかるため、薄肉部１０ａが破断するようになる。この電流遮断機構によって、電池自体が破裂するほどの高圧に内圧が達する前に電池内部での電流導通が遮断される。そのため、例えば、誤使用による充電で、電池内部にガスが発生しているときに、充電を停止させて、それ以上のガスの発生を防ぐことができ、電池自体の破裂することがなく安全である。
【００２３】
ゲル状負極３の中心部分には、金属製で釘形状の負極集電体１２が配置され、負極集電体１２の釘形状の棒状部１２ｂの下側の大半は、ゲル状負極３の中に埋め込まれている。
【００２４】
負極集電体１２の釘形状の頭部１２ａに、蓋板７の有底円筒部の底部中央部を溶接することで、封口体６と負極集電体１２は電気的に接続され、封口体６とゲル状負極３は電気的な導通が確保される。
【００２５】
セパレータ４の開口端部は、蓋板７の有底円筒部の底部で押圧されることで、蓋板７の有底円筒部の底部に密着するように電池の中心軸（蓋板７の円筒部の中心）方向へと折り曲げられ、結果としてセパレター４の開口端は蓋板７によって密閉されている。蓋板７の通気孔１３は、セパレータ４が蓋板７に当接して折れ曲がっている折曲部４ａの最外周部分よりもさらに外周側に配置されている。折曲部４ａは全体に蓋板７に接触してセパレータ４の開口部分を密閉している。このような配置により、ゲル状負極３はセパレータ４と蓋板７とで閉塞されて、通気孔１３から封口体６の内部へのゲル状負極３の浸入を防止することができる。ゲル状負極３が封口体６の内部に浸入すると、第１接続部材１０の薄肉部１０ａが破断しても、ゲル状負極３を通して、第１接続部材１０と第２接続部材１１との電気的な導通が維持されたり、いったん電流遮断された後に再度電気的導通が復活したりして、さらにガスが発生するおそれがあり、好ましくない。
【００２６】
さらに、セパレータ４の開口端部が蓋板７の底部に押圧状態で接触している折曲部４ａの径方向（蓋板７における径方向）の長さＬ１は、セパレータ４の厚みＴ１に対して、Ｌ１≧Ｔ１という関係を有していて、且つセパレータ４の先端は負極集電体１２の頭部１２ｂと蓋板７との接続部分よりも手前に位置していることが好ましい。即ち、セパレータ４の先端が負極集電体１２の頭部１２ｂに接触せず、両者が離間している位置関係とすることが好ましい。
【００２７】
上記の関係を満たすことで、セパレータ４の開口端部と蓋板７の底部の間に隙間が生じず、ゲル状負極３の封口体６の内部への浸入の防止を確実にする。仮にセパレータ４の先端が負極集電体１２の頭部１２ｂに接触する場合を考えると、セパレータ４の折曲部４ａが蓋板７と密着せずに浮き上がってしまう部分がでてくるおそれがあり、このようになるとゲル状負極３がその浮き上がった部分を通過して封口体６の内部へ侵入するおそれがある。また、Ｌ１がＴ１未満であるとセパレータ４の開口端の一部が蓋板７に密着せずに隙間を生じさせるおそれがある。
【００２８】
負極集電体１２の頭部１２ａはゲル状負極３に埋め込まれる棒状部１２ｂの直径より径が大きく、この頭部１２ａは蓋板７の底部中央部に溶接される。蓋板７の底面側とセパレータ４の開口端部との間に隙間が生じないよう、蓋板７の底部は、平坦であることが好ましい。そのため、蓋板７の底部が、負極集電体１２の頭部１２ａを溶接する際の発熱により、熱変形しないよう、蓋板７の底部の厚みＴ２と頭部１２ａの厚みＴ３とは、Ｔ２≧Ｔ３、の関係式を満たすことが好ましい。この関係式を満たすことで、蓋板７の底部は、負極集電体１２の頭部１２ａを溶接する際に、十分に放熱されて熱変形を生じない。
【００２９】
蓋板７は、銅または銅を主体とした合金からなり、表面にＳｎめっきが施されていることが好ましい。第１接続部材１０は、銅または銅を主体とした合金からなり、少なくとも蓋板７に面した表面にはＳｎめっきが施されていることが好ましい。銅を主体とした合金とは、銅の含有量が５０ｍｏｌ％以上の合金である。正極２、およびゲル状負極３に含まれるアルカリ電解液は、銅または銅を主体とした合金以外の金属に通電時に付着すると、水素ガスを発生させるからである。
【実施例】
【００３０】
以下に本実施形態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。
【００３１】
以下の手順で単３形インサイドアウト型のアルカリ電池を作製した。なお、単３形とは、ＩＥＣ６００８６におけるアルカリ乾電池のＬＲ６のことであり、米国ではＡＡで表される。
【００３２】
まず正極２を作製した。電解二酸化マンガン及び黒鉛を質量比９４：６の割合で混合して混合粉を得た。この混合粉１００質量部に対してアルカリ電解液２質量部を加えた後、ミキサーで攪拌して混合粉とアルカリ電解液とを均一に混合し、一定粒度に整粒した。なお、アルカリ電解液は、３５質量％水酸化カリウム水溶液（ＺｎＯ：１質量％含む）とした。
【００３３】
上記の整粒した混合粉を、中空円筒型を用いて加圧成形した。これにより正極２（正極合剤ペレット）を得た。
【００３４】
有底円筒形の金属製の電池ケース１に正極合剤ペレットを複数個挿入して加圧し、正極合剤ペレットを電池ケース１内面に密着させて正極２とした。
【００３５】
次にセパレータ４を作製した。ビニロン−リヨセル複合繊維からなる不織布とセロハンとを重ねて丸めて円筒形にし、円筒の一方の開口部にも不織布とセロハンを重ねたものをホットメルトにより接着させて底部としてセパレータ４とした。セパレータ４の厚みＴ１は０．２４ｍｍとした。
【００３６】
このセパレータ４を正極２の内側の中空部分に底部を下にして挿入した。その後、セパレータ４と正極２を湿潤させる目的で、アルカリ電解液を注入した。
【００３７】
続いてゲル状負極３を作製した。
【００３８】
まず、Ａｌ：０．００５質量％、Ｂｉ：０．０１５質量％、Ｉｎ：０．０２質量％を含有する亜鉛合金粉をガスアトマイズ法によって作製した。次に、作製された亜鉛合金の粉末を、篩を用いて分級した。そして、ＢＥＴ比表面積が０．０４０ｃｍ２／ｇとなるように、亜鉛合金の粉末を調整した。
【００３９】
それから、亜鉛合金粉１００質量部に対して、アルカリ電解液５０質量部と、架橋型ポリアクリル酸０．３５質量部、架橋型ポリアクリル酸ナトリウム０．７質量部を混合し、分散媒であるゲル状アルカリ電解液を作製した。前記亜鉛合金の粉末と前記ゲル状アルカリ電解液とを混合してゲル状負極３を作製し、セパレータ４の中空部分に注入した。その後、セパレータ４の開口端部を、中心方向に向かって内方に折曲するよう、くせ付けした。
【００４０】
次に、上述した図１に示す封口体６を用意した。蓋板７は、黄銅製で表面にＳｎめっきを施したものを使用し、電池の中心軸を対称中心として、５ｍｍ離れた２つの通気孔１３を設けた。蓋板７の厚みは０．４ｍｍとした。
【００４１】
直径１．５ｍｍの棒状部１２ｂと、直径２．５ｍｍで厚み０．３ｍｍの頭部１２ａとを有する、黄銅製で表面にＳｎめっきを施した負極集電体１２を用意し、蓋板７の底部に前記頭部１２ａを溶接した。溶接後においても、蓋板７の底部は、元の平坦性を保っていた。
【００４２】
第１接続部材１０は、厚み０．１ｍｍの円形の銅板を用いて作製した。第１接続部材１０の一方の表面にはＳｎめっきを施して、もう一方の面の中央部に、厚み０．１５ｍｍの円形銅板である第２接続部材１１の中央部を溶接した。なお、第１接続部材１０の第２接続部材１１を溶接した面には、当該溶接部分よりも外周側に溝状の薄肉部１０ａを溶接部分の周囲全周にわたって設けている。
【００４３】
この封口体６を、電池ケース１の開口部分に差し込んでかしめつけ、密封した。こうして本実施例の電池を作製した。ここで、セパレータ４は折り曲げられた状態で、蓋板７の底部に押圧状態で接触しており、この接触した折曲部４ａの長さＬ１は１ｍｍであった。また、折曲部４ａと通気孔１３とは隔離していた。
【００４４】
本実施例の電池に対して、１５０ｍＡの定電流充電を行った。充電１時間後、本電池の電流遮断機構が作動して電流導通が遮断され、充電ができなくなった。その後、２４時間放置しておいたが、電池自体が破裂することはなかった。さらに、電池を振動させても、電池ケース１の正極端子と、封口体６の負極端子板８との間の電気的な導通は甦ることはなかった。
【００４５】
本実施例の電池は、誤使用による充電で、電池内部にガスが発生しているときに、充電を停止させて、それ以上のガスの発生を防ぐことができ、電池自体の破裂することがなく安全であり、優れた信頼性が得られることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明のアルカリ電池は優れた信頼性を有し、アルカリ電池を電源とするあらゆる機器に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１      電池ケース
２      正極
３      ゲル状負極
４      セパレータ
５      絶縁ガスケット
６      封口体
７      蓋板
８      負極端子板
９      絶縁部材
１０    第１接続部材
１０ａ  薄肉部
１１    第２接続部材
１２    負極集電体
１２ａ  頭部
１３    通気孔
１４   通気孔
【図１】
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