(57)【要約】【課題】正極と負極を積層した電極と、当該電極を貫通している導電性を有する集電体とを備えた積層電池において、その構造上、電極と集電体との接触不良が問題となる。この問題を解決する手段として、例えば、電極と集電体と溶接するのは多大な手間が必要となる。【解決手段】正極および負極のいずれか一方の電極である第１電極が、前記集電体と接触しておらず、正極および負極のいずれか他方の電極である第２電極が、集電体と電気的に接続されており、集電体と第２電極の間に導電性の弾性体であって、曲率が集電体と異なる割り板バネを配置することにより、電極と集電体との接触不良をなくした積層電池を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と、負極と、前記正極および前記負極を貫通している導電性を有する集電体と、を備えた積層電池であって、
前記正極および前記負極が前記積層電池の軸方向に沿って積層されており、
前記正極および前記負極のいずれか一方の電極である第１電極が、前記集電体と接触しておらず、
前記正極および前記負極のいずれか他方の電極である第２電極が、前記集電体と電気的に接続されており、
前記集電体と前記第２電極の間に介在する導電性の板状の弾性体であって、長辺側が前記集電体の軸方向に沿って伸長し、短辺側が前記集電体の曲率と異なる内側曲率を有する割り板バネ、を備えた積層電池。
【請求項２】
前記割り板バネの内側曲率が前記集電体の曲率より小さい、請求項１に記載の積層電池。
【請求項３】
前記短辺側の内周長さが、前記集電体の外周長さの１／２以下である、請求項１または２のいずれか一項に記載の積層電池。
【請求項４】
前記割り板バネの数が１乃至３である、請求項１または２のいずれか一項に記載の積層電池。
【請求項５】
前記割り板バネの数が２である、請求項４に記載の積層電池。
【請求項６】
前記割り板バネの厚さが、前記集電体の外径と前記第２電極の穴の径の差の１/２である、請求項５に記載の積層電池。
【請求項７】
前記割り板バネがニッケルメッキ鋼板である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の積層電池。
【請求項８】
筒状の導電性の外装体を備え、
前記第１電極が、前記外装体の内面と電気的に接続されており、
前記第２電極が、前記外装体の内面に接触していない、請求項１〜７のいずれか一項に記載の積層電池。
【請求項９】
前記正極と前記負極との間に配された穴の開いたセパレータを、更に備えており、
前記セパレータの外縁が、前記第１電極により覆われており、
前記セパレータにおける前記集電体が貫通する穴の周縁が、前記第２電極により覆われており、
前記第２電極の外縁が、前記セパレータにより覆われており、
前記第１電極における前記集電体が貫通する穴の周縁が、前記セパレータにより覆われている、請求項８に記載の積層電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層電池に関し、詳しくは、集電性能の向上を図った積層電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池の主な電極構造には、捲回タイプと積層タイプの２つのタイプがある。捲回タイプの電極構造を有する電池（捲回電池；例えば、特許文献１）は、正極と負極とがセパレータを挟んで渦巻状に巻き取られた状態で、電池ケース内に収納されている。積層タイプの電極構造を有する電池（積層電池）は、正極と負極とがセパレータを介して交互に積層されている電極群が、電池ケース内に収納されている。特許文献２には、円板状の電極が積層された円筒型電池が開示されている。特許文献３には矩形板状の電極が積層されプリーツ状に折り畳まれた角型電池が開示されている。
【０００３】
特許文献４に開示の積層電池は、外装体と、正極と、負極と、正極と負極との間に配されたセパレータと、正極、負極およびセパレータを外装体の軸方向に沿って貫通している導電性の集電体と、を備えている。正極、負極およびセパレータは、外装体の軸方向に積層されている。そして、正極および負極のいずれか一方の電極である第１電極が、外装体の内面に接触している一方、集電体と接触していない。他方の電極である第２電極が、外装体に接触していない一方、集電体に接触している。第２電極の外縁は、セパレータにより覆われており、第１電極における集電体が貫通する穴の周縁が、セパレータにより覆われている。
【０００４】
特許文献５には、正極および負極を筒状の外装体の軸方向に積層して、正極もしくは負極の一方電極と外装体の間に金属箔を介在させて、正極もしくは負極の他方の電極と集電体との間に金属箔を介在させた積層電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１９８０４４号公報
【特許文献２】特開２０００−４８８５４号公報
【特許文献３】国際公開２００９／１２５５４４号公報
【特許文献４】国際公開２０１３／０９４３８３号公報
【特許文献５】特開２０１４−７１９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電池活物質は充電すればその体積が増加し、放電すればその体積が減少するので、電極は充放電によりその体積が変化する。温度変化によっても電極の体積は変動する。電極の体積が変化すれば、電極と集電体との間隔が変化して接触不良を起こすことになる。電極と集電体とをスポット溶接して接合すれば、接触不良をなくすことができる。しかし、多数の箇所をスポット溶接するのは多大な手間と時間がかかり、製造コストが上昇するという問題がある。
【０００７】
積層電池において、その構造上、電極同士の短絡および電極と集電体との接触不良が問題となる。特許文献４に記載の積層電池は、電池の軸方向に積層された円盤状の電極の中央を集電棒（以下、集電体と称す）が貫通していて、電極の穴の周縁と集電体との接触により一方の電極の集電を図っている。一方、電極の外縁部と外装体との接触により他方の電極の集電を図っている。集電体が通る電極の穴の径は電極の外径に比べて小さいので、電極と集電体の接触部分は外装体に比べて少ない。このため、集電体は外装体に比べて集電が取り難く、電極の穴の周縁全体で集電体と接触を図るためには、電極および集電体の加工精度と組立精度を上げる必要がある。
【０００８】
この問題を解決する手段として、例えば、特許文献５には、電極と集電体との間に金属箔を配して、接触不良をなくす手段が開示されている。しかし、電極と集電体との間に金属箔を配するのは、製造コストの増大を招くという問題がある。
【０００９】
複数の積層電池を用いて構成した組電池において、その一部の積層電池に接触不良が発生すれば、組電池としての所定の性能を発揮することができず、組電池全体の性能が低下することになる。また、接触不良を起こした積層電池を交換するのは多大の手間と労力を要することになる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記した目的を達成するために、本発明に係る積層電池は、正極と、負極と、前記正極および前記負極を貫通している導電性を有する集電体と、を備えた積層電池であって、前記正極および前記負極が前記積層電池の軸方向に沿って積層されており、前記正極および前記負極のいずれか一方の電極である第１電極が、前記集電体と接触しておらず、前記正極および前記負極のいずれか他方の電極である第２電極が、前記集電体と電気的に接続されており、前記集電体と前記第２電極の間に介在する導電性の板状の弾性体であって、長辺側が前記集電体の軸方向に沿って伸長し、短辺側が前記集電体の曲率と異なる内側曲率を有する割り板バネ、を備えている。
【００１１】
この構成によれば、集電体と第２電極の間に介在する割り板バネの作用により、集電体と積層された複数の第２電極それぞれとは、導電性を有する割り板バネを介して確実に、かつ、小さな電気抵抗で接続されることになる。
【００１２】
本発明に係る積層電池は、前記割り板バネの内側曲率が前記集電体の曲率より小さい。また、  本発明に係る積層電池は、前記短辺側の内周長さが、前記集電体の外周長さの１／２以下である。
【００１３】
本発明に係る積層電池は、前記割り板バネの数が１乃至３である。また、本発明に係る積層電池は、前記割り板バネの数が２である。
【００１４】
本発明に係る積層電池は、前記割り板バネの厚さが、前記集電体の外径と前記第２電極の穴の径の差の１/２である。また、本発明に係る積層電池は、前記割り板バネがニッケルメッキ鋼板である。ニッケルメッキ鋼板であれば耐アルカリ性を有しており、電解液により腐食されることがない。
【００１５】
本発明に係る積層電池は、筒状の導電性の外装体を備え、前記第１電極が、前記外装体の内面と電気的に接続されており、前記第２電極が、前記外装体の内面に接触していない。
【００１６】
本発明に係る積層電池は、前記正極と前記負極との間に配された穴の開いたセパレータとを、更に備えており、前記セパレータの外縁が、前記第１電極により覆われており、前記セパレータにおける前記集電体が貫通する穴の周縁が、前記第２電極により覆われており、前記第２電極の外縁が、前記セパレータにより覆われており、前記第１電極における前記集電体が貫通する穴の周縁が、前記セパレータにより覆われている。
【００１７】
この構成によれば、外装体と第１電極は外装体の近傍においてセパレータにより確実に隔離されており、集電体と第２電極は集電体の近傍においてセパレータにより確実に隔離されているので短絡の生じるおそれがない。また、セパレータの穴の径は集電体の外径よりも小さいので、集電体を電極群に圧入するときにセパレータが第２電極と集電体の間に介在することがなく接触不良を起こすことがない。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、第２電極の穴とこれを貫通する集電体の接触が確実になり、接触不良を起こすことがない積層電池を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の電極を用いた積層電池の概略構成図であり、軸方向断面を示す。
【図２】割り板バネの斜視図である。
【図３】割り板バネの半径方向の断面図である。
【図４】割り板バネと集電体及び第２電極の寸法関係を説明するための断面図である。
【図５】割り板バネの曲率が集電体の曲率より大きいときの割り板バネの作用を説明する図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態の説明にあたり、説明の都合上ニッケル水素電池を例に取り述べるが、二次電池のタイプはこれに限定されるものでなく、リチウムイオン電池、亜鉛マンガン電池、ニッケル鉄電池、ニッケルカドミウム等の二次電池であってもよい。
【００２１】
本発明の各実施形態について説明するのに際して、電極について説明をした後に本発明に係る積層電池について説明を行う。
【００２２】
負極は、水素吸蔵合金、例えばランタン・ニッケル、を主要な物質として含んでいる。正極の活物質としては、オキシ水酸化ニッケルを用いた。セパレータに保持される電解液としては、ニッケル水素電池で一般的に用いられているアルカリ系水溶液、ＫＯＨ水溶液を用いた。
【００２３】
負極としては、水素吸蔵合金、導電性フィラーおよびバインダーに溶剤を加えてペースト状にしたものを、基板上に塗布して板状に成形し、硬化させたものを使用する。同様に、正極としては、正極活物質、導電性フィラーおよびバインダーに溶剤を加えてペースト状にしたものを、基板上に塗布して板状に成形し硬化させたものを使用する。
【００２４】
導電性フィラーとしては、炭素粒子を用いた。基板としては、ニッケル板のような電気伝導性のある金属板もしくは金属箔を用いることができ、本実施形態においては、ニッケルメッキ鋼板を用いた。
【００２５】
セパレータは、水素イオンを透過させるが電子を透過させない素材を使用している。セパレータを形成する素材としては、例えば、ポリプロピレン繊維を使用することができる。セパレータには電解液が保持されている。電解液としては、ニッケル水素電池で一般的に用いられているアルカリ系水溶液、例えば、ＫＯＨ水溶液、ＮａＯＨ水溶液、ＬｉＯＨ水溶液などを用いることができる。
【００２６】
図１に本発明の実施形態に係る円筒型積層電池（以下、単に積層電池という）の軸方向の概略断面図を示す。図１に示す積層電池１１は、外装体１５と集電体１７と外装体内部に収納される電極群１３とを主な構成要素として備えている。外装体１５は、有底の円筒缶１２と、円筒缶の開口部１２ｃに取付けられた円盤状の蓋部材１６とから構成されている。円筒缶１２と蓋部材１６は鉄でできているが、他の金属であってもよい。蓋部材１６の外径は円筒缶の開口部１２ｃの内径より少し大きい。蓋部材１６は、電極群１３を収納後に、円筒缶の開口部１２ｃにおいて密に嵌合されている。
【００２７】
電極群１３は、正極活物質を含む正極１３ａと、水素吸蔵合金を含む負極１３ｂと、正極１３ａと負極１３ｂの間に介在してイオンは透過するが電子を透過させないセパレータ１３ｃとから構成されている。電極群１３は、円筒缶１２の軸方向（図１のＸ方向）に積層して外装体１５の内部に収納されている。なお、電解液（図示せず）は、セパレータ１３ｃに保持されている。正極１３ａ、負極１３ｂ、セパレータ１３ｃはいずれも中央に穴の開いた、円盤状である。負極１３ｂの外径は円筒缶１２の内径よりも小さく、負極の外縁部１３ｂｂと円筒缶の内面１２ａは接触していない。一方、正極１３ａの外径は円筒缶１２の内径より大きく、正極の外縁部１３ａｂは円筒缶の内面１２ａと接触しており、正極１３ａと円筒缶１２は電気的に接続されている。好ましくは、正極１３ａの外径は円筒缶１２の内径より少し大きい。
【００２８】
集電体１７は、鉄にニッケルメッキを施した材料でできており、棒状の軸部１７ａと軸部１７ａの一端に配された止め部１７ｂとを有している。ニッケルメッキを施すことにより、集電体１７がセパレータ１３ｃに含まれる電解液により腐食されるのを防止する。集電体の軸部１７ａは、正極１３ａと負極１３ｂとセパレータ１３ｃとから構成される電極群１３の中央を、外装体１５の軸方向（図１のＸ方向）に貫通している。負極１３ｂの中央に設けられた穴の径は、軸部１７ａの外径より大きく、負極１３ｂと軸部１７ａとの隙間に割り板バネ１９が嵌装される。この結果、負極の穴の周縁部１３ｂａは割り板バネ１９を介して軸部１７ａと接触して、負極１３ｂと集電体１７は、電気的に接続されている。一方、正極１３ａの中央に設けられた穴の径は、軸部１７ａの外径より大きく、正極の穴の周縁部１３ａａは軸部１７ａと接触せず、正極１３ａと集電体１７は、電気的に絶縁されている。
【００２９】
電極群１３は、集電体の止め部１７ｂの上に順次積み重ねるように配されている。止め部１７ｂは、組立て時に電極群１３が集電体１７の端部から脱落するのを防いでいる。止め部１７ｂの形状は円盤状である。止め部１７ｂは、絶縁板１４を介して、円筒缶底部１２ｂに配置されている。絶縁板１４は、集電体１７と円筒缶１２が直接接触して電気的に短絡するのを防止している。止め部１７ｂと反対側の軸部１７ａの端部は、蓋部材１６の中央に設けられた軸受１８によって支持されている。蓋部材１６と軸部１７ａとが電気的に短絡を起こすことを防止するために、軸受１８は絶縁性材料でできている。蓋部材１６を貫通した軸部は正極端子１７ｄを構成する。円筒缶１２は負極端子として機能する。
【００３０】
次に、正負極１３ａ、１３ｂおよびセパレータ１３ｃの寸法と、外装体１５および集電体１７の寸法との関係について説明する。セパレータ１３ｃの外縁が、正極１３ａ（第１電極）により覆われており、負極１３ｂ（第２電極）の外縁が、セパレータ１３ｃにより覆われている。そして、正極１３ａにおける集電体１７が貫通する穴の周縁が、セパレータ１３ｃにより覆われており、セパレータ１３ｃにおける集電体１７が貫通する穴の周縁が、負極１３ｂにより覆われている。
【００３１】
すなわち、セパレータ１３ｃの外径は、負極１３ｂ（第２電極）の外径より大きい。このため、正極１３ａと負極１３ｂとは、外装体１５の内周面近傍においてセパレータ１３ｃにより完全に隔離されている。このため、電極が変形しても、電極は互いに接触することがない。更に、セパレータ１３ｃの中央に設けられた穴の径は、正極１３ａの中央に設けられた穴の径より小さい。このため、正極１３ａと負極１３ｂとは、集電体１７の外周面近傍においてセパレータ１３ｃにより完全に隔離されている。このため、電極が変形しても、電極は互いに接触することがない。また、セパレータ１３ｃの外径は正極１３ａ（第1電極）の外径より小さい。このため、正極１３ａと円筒缶１２の間にセパレータ１３ｃが介在することがない。更に、セパレータ１３ｃの中央に設けられた穴の径は、負極１３ｂの中央に設けられた穴の径より大きい。このため、負極１３ｂと集電体１７の間にセパレータ１３ｃが介在して、接触不良を起こすことがない。
【００３２】
正極１３ａの外縁を、集電端子として機能する外装体１５の内面に当接させることにより、正極１３ａで発生する電気と熱を効率よく外装体１５に伝達することが可能になっている。同様に、負極１３ｂの集電体が貫通する穴の周縁を、集電端子として機能する集電体１７に割り板バネを介して当接させることにより、負極１３ｂで発生する電気を効率よく集電体１７に伝達することを可能にした。
【００３３】
割り板バネは、導電性を有する板状の弾性体であって、長辺側が集電体の軸方向に伸長しており、短辺側が湾曲している。積層電池における配置上の関係で述べれば、集電体の軸部１７ａと負極１３ｂの間に割り板バネ１９が配置されている。そして、割り板バネ１９の長辺側は、集電体１７の軸方向に沿って伸びており、かつ、短辺側は棒状の集電体１７の曲面に沿って湾曲している。本実施形態において、割り板バネとしてニッケルメッキ鋼板を用いたが、弾性を有する導電体であれば、他のものであってもよい。
【００３４】
図２〜５を用いて、割り板バネについて詳述する。説明は割り板バネが２枚で構成される場合について行う。図２は、割り板バネ４の斜視図である。割り板バネ４は、長辺側が図２の上下方向（軸方向）に伸長し、短辺側が湾曲した形状となっている。割り板バネ４に対向する位置、すなわち、２枚の割り板バネ４に囲まれた領域に図示しない集電体が位置することになる。
【００３５】
図３は、割り板バネ４の軸方向に直角方向の断面図であり、中央線Ｌについて軸対称の位置にある他の１枚の割り板バネの図は省略してある。割り板バネ４は、半径８．５で示される半円の一部が欠損した円弧を有している。
【００３６】
図４は、図１のＡ−Ａ断面であって、第２電極２と集電体３、および、割り板バネ４の配置関係を示す図面である。図４において、割り板バネ４は付勢されていない状態の図が仮想的に示されている。すなわち、図４の割り板バネ４は、第２電極２と集電体３の間に配置する前の状態で重ね書きされている。集電体３の直径は１６．２であって、割り板バネ４の内側曲面は半径８．５の円弧（直径換算１７．０）であり、割り板バネ４の内側の曲率は集電体の曲率より小さい。また、割り板バネの外側の曲率は、第２電極２の穴の曲率より小さい。なお、割り板バネの外側および内側は、それぞれ、外周および内周を意味する。
【００３７】
割り板バネ４と集電体３とを点ｂにおいて接触するように配置すれば、割り板バネ４はその円弧の端部において、第２電極とオーバラップ（ｗで示す）することになる。この結果、割り板バネ４を第２電極２と集電体３の間に組み込めば、割り板バネ４の外側曲面のエッジ（点ａで示す）が第２電極の穴の周縁において付勢された割り板バネの力で強く接触する。同様に、割り板バネ４の内周の中程（点ｂで示す）において、割り板バネ４と集電体３は、割り板バネの反力により、強い圧力で接触することになる。
以上より、集電体３と第２電極２とは、割り板バネ４を介して、強く接触して確実に集電を図ることができる。
【００３８】
割り板バネと集電体との接触は、幾何学的には点ではなく線においてなされる。すなわち、割り板バネ４の中程で長辺に沿った軸方向に伸びる線上で、割り板バネ４と集電体３は、割り板バネの反力により、強く接触することになる。もっとも、長辺に沿った線上の全ての領域で、割り板バネは集電体と接触する必要はない。割り板バネは電気の良導体であるので、その線上のいくつかの点で、割り板バネと接触しておればよい。図４に示すｂ点は、割り板バネと集電体が接触する箇所の代表点である。
【００３９】
同様に、割り板バネ４の外側曲面側を軸方向に伸びる稜線上の点で、割り板バネ４と第２電極２の穴の周縁は、付勢された割り板バネの力で強く接触する。もっとも、４本ある稜線の全てで、割り板バネが第２電極と接触する必要はない。割り板バネの４本の稜線のいずれが、第２電極と接触しておればよい。図４に示すａ点は、割り板バネと第２電極が接触する箇所の代表点である。
【００４０】
割り板バネ４は１枚の金属板を短冊状に切断して曲げ加工したものであって、その厚みはほぼ均一である。割り板バネ４の厚さは、第２電極の穴の寸法と集電体の外形寸法の関係において定められるところ、本実施形態において、第２電極と集電体の隙間に等しい。集電体が円柱であれば、割り板バネ４の厚さは、第２電極の穴の径と集電体の外径の差の１／２となる。
【００４１】
割り板バネの内周の長さは、集電体の外周の長さの１／２以下となっている。したがって、割り板バネ４を集電体３と第２電極２との間に等間隔に組み込んだとき、２枚の割り板バネ４の先端は互いに接触することがなく、隙間を有することとなる。
【００４２】
図５は、割り板バネの曲率が集電体の曲率より大きいときの作用を説明するための図である。割り板バネの曲率が集電体の曲率より大きいので、割り板バネと集電体はバネの反力により点ｃにおいて強く接触する。また同様に割り板バネと第２電極とは点ｄにおいて強く接触する。
【００４３】
割り板バネが２枚で構成される場合について説明を行ったが、１枚であってもよい。この場合は、割り板バネの内周の長さは、集電体の外周の長さの１／２より長くてもよい。１枚であれば、多少接触力が小さくなるが、割り板バネの組み込みが容易になる。また、３枚で構成してもよい。この場合は、割り板バネの内周の長さは、集電体の外周の長さの１／３以下となる。３枚になれば、より密接に接触を図ることができるが、３枚の割り板バネを配置するのは、組立に手数がかかる。
【００４４】
積層電池の組み立て方法について説明する。まず、集電体１７と同じ外径を有する丸棒に正極と負極の間にセパレータが介在するように順次挿入して電極を積み重ねた後、積み重ねた電極群１３の両端に集電体の止め部１７ｂと蓋部材１６とからなる押板２０を配して電極群１３を保持する。そして、押板２０の両端に圧力をかけて電極群１３を圧縮して、圧縮状態を保持したまま丸棒を引き抜き、割り板バネを第２電極の穴の周囲に配置したのち、集電体１７を電極群１３に圧入して、押板２０を集電体１７に螺号させて電極群の圧縮状態を保ちつつ電極集合体を組立てる。そして、電極集合体を外装体内部に圧入した後に、空気抜きを行い、電解液を注入する。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明に係る積層電池用電極およびこれを用いた積層電池は、産業用のみならず民生用の蓄電設備としてとして好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００４６】
２  第２電極
３  集電体
４  割り板バネ
１１  円筒型積層電池
１２  円筒缶（ａ：側部内面）
１３  電極群（ａ：正極、ｂ：負極、ｃ：セパレータ）
１４  絶縁板
１５  外装体
１６  蓋部材
１７  集電体（ａ：軸部、ｂ：止め部、ｃ：正極端子）
１８  軸受
【図１】
2017174710.tif 000003
【図２】
2017174710.tif 000004
【図３】
2017174710.tif 000005
【図４】
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【図５】
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