(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極板と負極板とがセパレータを介して巻回された極板群と、
この極板群の端面に接合された集電板と、これら極板群と集電板とを収納する有底円筒型の電槽と、この電槽の開口部を封口する封口板と、この封口板と前記集電板とを電気的に接続する接続端子とを備え、前記極板群はその一端面には一方の極性のみの極板端部が露出しており、前記集電板は外周部から中央部穴までを貫通させた切り欠き部と、その周縁部に極板群に向けて屈曲させたリブ状の突起片とを有し、前記切り欠き部には前記集電体の中心点が含まれており、前記集電板は接合された極板の前記極板群における最内周と接合され、前記集電板の中心部に接続端子が設けられていることを特徴とする二次電池。
【請求項２】
前記突起片と極板群の対向する端面を形成した一方の極板とが溶接されていることを特徴とする請求項１記載の二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極板を巻回した極板群を用いた高出力型の二次電池、特にその集電体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電動工具や電気自動車用電池として高出力型電池の需要が高まっている。高出力型の電池は、電池の作動電圧が高く、電池の内部抵抗が小さいことが条件となるため、従来から様々な集電構造が提案されている。そのなかで特開昭６１−２８１４５７号公報には、出入力集電構造として極板群の上下端面からそれぞれ外方へ突出した一方の電極の先端部に集電体を溶接する構造が提案されており、これはタブレスと呼ばれる構造であり、高出力型の電池においては一般的に用いられている。
【０００３】
タブレス方式に用いられる集電体として、例えば（１）特開平７−６７４９号公報には、極板群と集電端子との溶接時に無効電流を阻止するため、櫛歯状の溶接部および棒状導電部を備えた集電部が、複数部分に分割された集電端子が記載されている。（２）特開平１０−１８８９９７号公報には、集電体と集電条との溶接を完全に行うとともに発熱量を小さくするために、板部材に複数の切り込み部を形成し、この切り込み部の隅部に丸みを設け、切り欠き部の縁部には折曲エッジ部が設けられた集電体が記載されている。（３）特開平１１−３１４９７号公報には、集電体のリブ状突起片と電極先端部との交叉部を十分な強度で溶接するために、矩形あるいは円盤状の平板の中央部近くから外周縁部にまたがった長方形の切り欠き部を設け、この切り欠き部の縁部には下向きのリブ状突起片が一体に形成されている集電体が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したそれぞれの集電体は、例えば（１）（３）の構造においては極板群の中心付近、特に最内周と集電板とを溶接することが非常に難しく、このため極板群の最内周に位置する極板端部からの電流経路が長くなってしまう。また、（２）の構造においては取り出した電流を外部へ導出する際に電流経路が長くなるため、電池としての内部抵抗の増加を招いてしまうものであった。
【０００５】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、高出力を得ることができる、内部抵抗の小さな二次電池を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、集電板は外周部から中央部穴までを貫通させた切り欠き部と、その周縁部に極板群に向けて屈曲させたリブ状の突起片とを有し、前記切り欠き部には前記集電体の中心点が含まれており、巻回された極板群の対向する端面を形成した一方の極板にそれぞれ接合された集電板は極板群の少なくとも最内周と接合され、かつ集電板の中心部に接続端子が設けられている構成とするものである。この場合の中心部とは、中心点に近い程良いが、最大に離れても中心点から周縁部までの距離の半分までのことを示す。このとき集電板には切り欠き部が設けられ、この切り欠き部には集電板の中心点が含まれている構成とすることにより、極板群の最内周と接合することができる。
【０００７】
また、切り欠き部の周縁には極板群に向けて突起片が設けられ、この突起片と極板群の対向する端面を形成した一方の極板とが溶接されていることにより、一層強固な接合が得られるものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の要部である集電体の一実施の形態を図１に示した。厚さ０．２５ｍｍ直径２０ｍｍの鉄製（表面にはニッケルメッキを施したもの）集電体７は、円盤状の部材の中央部に穴７ｆが開けられ、３組の切り欠き部７ａと１組の外周部から中央部穴７ｆまでを貫通させた切り欠き部７ｄが設けられている。それぞれの切り欠き部には、その周縁部に下向きに屈曲させてリブ状の突起片７ｃを設けた。このリブ状突起７ｃを渦巻状極板群の極板芯材露出部に押し当て、隣り合うリブ状突起７ｃ上部にそれぞれ溶接電極棒を押し当てて通電することで、極板群と集電体を溶接することができる。この際の無効電流防止のため、切り欠き部の集電体中央部端部にさらに切り欠き部７ｅを設けることもできる。
【０００９】
この集電体７と封口板との電気的接合のための集電端子が位置７ｇに取り付けられている。この取付位置は、中心点に近い程良いが、中心点から周縁部までの距離の半分までにすることにより、集電板から封口板までの電流経路を短くすることができ、内部抵抗を低く抑えることができる。
【００１０】
また、図２は本発明の参考の形態である。この集電体は図１に示したものより大型の電池に用いられるものである。厚さ０．２５ｍｍ直径１００ｍｍの鉄製（表面にはニッケルメッキを施したもの）集電体１４は、円盤状の部材の中央部に穴１４ｆが開けられ、５組の切り欠き部１４ａと１組の外周部から中央部穴１４fまでを貫通させた切り欠き部１４ｄが設けられている。それぞれの切り欠き部には、その周縁部に下向きに屈曲させてリブ状の突起片１４ｃを設けた。このリブ状突起１４ｃを渦巻状極板群の極板芯材露出部に押し当て、隣り合うリブ状突起１４c上部にそれぞれ溶接電極棒を押し当てて通電することで、極板群と集電体を溶接することができる。切り欠き部１４ａの間隔は
Ｌ≦３．６４×１０-3×ｔ／ρ
（Ｌ：溶接点の間隔（ｃｍ）、ｔ：溶接点における極板の厚み（ｃｍ）、ρ：溶接点における極板の比抵抗（Ω・ｃｍ））で決まり、下記の実施例と同様の極板（厚さ０．０８ｍｍ、比抵抗８．７１×１０-6Ω・ｃｍ）を用いた場合、集電板の最外周において５本以上の切り欠き部を設ける必要がある。
【００１１】
【実施例】
（実施例１）
本発明について、ニッケル水素蓄電池を例として述べる。作製した電池は、図３に示すごとく直径２２ｍｍ、高さ４２．５ｍｍ、公称容量２２００ｍＡｈである。厚さ０．４２ｍｍの焼結式ニッケル正極板１と厚さ０．２２ｍｍのペースト式水素吸蔵合金負極板３とを用い、それぞれの極板の長端部の一方は１ｍｍの芯材の露出した部分４、５を設け、それぞれの芯材部が反対向きになるように極板を配し、さらに互いの極板芯材部が対極板よりも２ｍｍ突出するようにして、セパレータ２を間に介在させ、正極板、負極板及びセパレータを渦巻状に巻回させ、外径約２０ｍｍ、高さ約３７ｍｍの極板群６を構成した。
【００１２】
この極板群の正極側の芯材部端面に図１に示した、集電体７を溶接し、負極側の芯材部端面には図４に示した厚さ０．２５ｍｍの鉄製（表面にはニッケルメッキを施したもの）集電体８を溶接した。
【００１３】
集電体８は集電体７と同様の円盤状の鉄部材（表面にはニッケルメッキを施したもの）から構成されており、４組の集電体周縁部から中央部にかけての切り欠き部８ａを有し、その切り欠き部８ａの一部を下向きに屈曲させてリブ状の突起片８ｃを設けた。このリブ状突起８ｃを渦巻状極板群の負極板芯材露出部５に押し当て、隣り合うリブ状突起８ｃ上部にそれぞれ溶接電極棒を押し当てて通電することで極板群と集電体を溶接した。さらに集電体７と同様に、渦巻状極板群への溶接の際の無効電流防止のため、切り欠き部８ｄを設けた。
【００１４】
この、集電体を溶接した極群を金属製ケース９に挿入し、集電体７の中央部の穴７ｆを利用して溶接電極を挿入し、集電体８の中央部８ｅと金属製ケース底部を溶接した。比重１．３０の水酸化カリウム水溶液を４ｍｌ注液した後、封口板とケースをかしめて密閉電池甲を作製した。
【００１５】
比較例として、集電体７の代わりに、上記と同様にして作製した極板群の正極芯材部端面に厚さ０．２５ｍｍの鉄製（表面にはニッケルメッキを施したもの）集電体１２を溶接して、集電体１２の接続端子１２ｉを封口板に溶接する他は電池甲と同様にして密閉電池乙を作製した。
【００１６】
集電体１２は図５に示すごとく、円盤状の鉄部材（表面にはニッケルメッキを施したもの）の中央部に負極集電体とケースの溶接のための穴１２ｈを開け、２組の切り欠き部１２ａと、１組の外周部から中央部穴１２ｈまでを貫通させた切り欠き部１２ｄと、１組の中央部穴から集電体外周部に向けた切り欠き部１２ｅを設け、それぞれの切り欠き部の一部を下向きに屈曲させてリブ状の突起片１２ｃを設けた。また、切り欠き部１２ｅの外側に、集電体１２と一体成形された集電端子１２ｉを設けた。
【００１７】
リブ状突起１２ｃを渦巻状極板群の正極板芯材露出部４に押し当て、隣り合うリブ状突起１２ｃ上部にそれぞれ溶接電極棒を押し当てて通電することで極板群と集電体を溶接した。この際の無効電流防止のため、切り欠き部の集電体中央部端部にさらに切り欠き部１２ｆを設けた。さらに、切り欠き部１２ｅに関しては切り欠き部１２ｇを設けて無効電流を防止した。
【００１８】
また、さらに別の比較例として、集電体７の代わりに、上記と同様にして作製した極板群の正極芯材部端面に厚さ０．２５ｍｍの鉄製（表面にはニッケルメッキを施したもの）集電体１３を溶接した。集電体１３は図６に示すように、３組の櫛歯１３ａを有する平板部１３ｂからなり、各々の平板部材１３ｂ間には隙間１３ｃを有し、この平板部１３ｂの中央部が接続端子１３ｄと繋がっており、全ての構成要素は一体成型されているものである。
【００１９】
集電体１３を正極芯材露出部４に押し当て、平板部１３ｂと隙間１３ｃに溶接電極棒を押し当て、通電することで集電体１３と正極芯材露出部４の溶接を行った。集電体１３の中央部に立てられた棒状の集電端子１３ｄを封口板１１の中央部に貫通させて突出させ正極端子として用いた。封口板１１と集電端子１３ｄの隙間をエポキシ樹脂で埋めて密閉した他は、電池甲と同様にして密閉電池丙を作製した。
【００２０】
電池甲、乙及び丙を室温にて、１．１Ａの電流で２．５時間充電し、１．１Ａの電流で電池の端子電圧が１Ｖになるまで放電する、という方式で１０回充放電を繰り返して電池を活性化させた。次に放電状態の電池甲及び乙を１．１Ａの電流で１時間充電した後、１時間放置して、６０Ａの放電を１０秒間行った。この６０Ａ放電前後の電池電圧の差を電流値で除することにより、電池の直流抵抗を求めた。それぞれの電池について、この直流抵抗の値を表１に示す。
【００２１】
【表１】
0004904609.tif 000002
【００２２】
表１から、本発明の電池甲は電池乙・丙に対してそれぞれ０．６５ｍΩ、０．３０ｍΩ電池の内部抵抗が低く、より高出力であることが明らかになった。
【００２３】
さらに、これらの電池甲、乙及び丙を室温にて、１．１Ａの電流で２．５時間充電し、１．１Ａの電流で電池の端子電圧が１Ｖになるまで放電する、という方式で５０回充放電追加した。次に放電状態の電池甲及び乙を１．１Ａの電流で１時間充電した後、１時間放置して、６０Ａの放電を１０秒間行った。この６０Ａ放電前後の電池電圧の差を電流値で除することにより、電池の直流抵抗を求めた。それぞれの電池について、この直流抵抗の値を表２に示す。
【００２４】
【表２】
0004904609.tif 000003
【００２５】
表２から、本発明の電池甲は電池乙・丙に対してそれぞれ０．８８ｍΩ、０．３３ｍΩ電池の直流抵抗が低くなった。また、１０サイクル後及び６０サイクル後の電池甲の６０Ａ１０秒放電での直流抵抗を比較すると、６０サイクル後の方が抵抗が低くなっており、電池の出力の劣化は見られなかった。
【００２６】
（実施例２）
集電体と極板の溶接点数と電池内部抵抗の関係を明らかにするため、以下のような実験を行った。作製した電池は直径２２ｍｍ、高さ４２．５ｍｍ、公称容量２２００ｍＡｈである。厚さ０．４２ｍｍの焼結式ニッケル正極板と厚さ０．２２ｍｍ（芯材は厚み０．０８ｍｍの鉄製）のペースト式水素吸蔵合金負極板とを用い、それぞれの極板の長端部の一方は１ｍｍの芯材の露出した部分を設け、それぞれの芯材部が反対向きになるように極板を配し、さらに互いの極板芯材部が対極板よりも２ｍｍ突出するようにして、セパレータを間に介在させ、正極板、負極板及びセパレータを渦巻状に巻回させ、外径約２０ｍｍ、高さ約３７ｍｍの極板群を構成した。負極板には予め等間隔にニッケルリード（長さ３０ｍｍ、厚み０．２ｍｍ）を溶接し、巻回後、電池を密閉せずにこれらのニッケルリードを束ねて負極端子とした。極板群の正極側端面には集電体８を溶接し、さらにこの集電体を金属ケースと溶接して金属ケース底部を正極端子とした。
【００２７】
これらの電池を電池甲、乙及び丙を室温にて、１．１Ａの電流で２．５時間充電し、１．１Ａの電流で電池の端子電圧が１Ｖになるまで放電する、という方式で１０回充放電を繰り返して電池を活性化させた。次に放電状態の電池甲及び乙を１．１Ａの電流で１ｈ充電した後、１時間放置して、６０Ａの放電を１０秒間行った。この６０Ａ放電前後の電池電圧の差を電流値で除することにより、電池の直流抵抗を求めた。以下に負極リード間隔と直流抵抗の関係を図７に示す。
【００２８】
図７から負極リードの溶接間隔が３ｃｍ以下であれば、ほぼ直流抵抗が最低値をとることが分かった。このことから、本実施例で用いた極板を用いる場合では、集電体と芯材の無地部との溶接間隔も３ｃｍ以下であれば充分に電池の内部抵抗を低減できると考えられる。
【００２９】
また、極板の集電部の間隔は、芯材の比抵抗が大きくなれば狭くする必要があり、芯材厚みが増せば広げることが可能であると考えられる。ここで、電池内部抵抗を最低にするための最大集電間隔をＬｍａｘ［ｃｍ］とすると、Ｌｍａｘは芯材の比抵抗ρ［Ω・ｃｍ］に反比例し、芯材厚みｔ［ｃｍ］に比例すると考えると以下の式が得られる。
【００３０】
Ｌｍａｘ＝ａ×ｔ／ρ
ここでａは比例定数である。ここで、先述の結果をＬｍａｘ、ｔ、ρに代入してａの値を求めると
ａ＝３．６４×１０-3 [Ω・ｃｍ]
となる。従って、集電体と極板の溶接点同士の間隔Ｌ[ｃｍ]が
Ｌ≦３．６４×１０-3×ｔ／ρ
（ρ：芯材の比抵抗 [Ω・ｃｍ]、ｔ：芯材厚み [ｃｍ]）
を満たせば電池の内部抵抗は充分に低くなる。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、巻回された極板群の対向する端面を形成した一方の極板にそれぞれ接合された集電板は極板群の少なくとも最内周と接合され、かつ集電板の中心部に接続端子が設けられることにより、極板群から電池外部への電流経路を最短とすることができ、内部抵抗の低い、高出力型の二次電池を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による集電体の一実施例を示す外観図
【図２】  本発明による集電体の別の一実施例を示す外観図
【図３】  本発明の一実施例を示す二次電池の半裁断面図
【図４】  一般的な集電板の外観図
【図５】  比較例の集電板の外観図
【図６】  比較例の集電板の外観図
【図７】  リード溶接間隔と直流抵抗の関係を示す図
【符号の説明】
１  正極板
２  セパレータ
３  負極板
４、５  芯材露出部
６  極板群
７、８  集電板
９  金属ケース
１０  集電端子
１１  封口板
【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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【図６】
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【図７】
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