(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非焼結式正極の多孔性金属基板端部に活物質非充填部分が設けられ、該活物質非充填部分に厚さ１０〜１００μｍの耐アルカリ性金属箔からなる第一集電端子が溶着され、該第一集電端子に厚さ１００〜１０００μｍの耐アルカリ性金属箔からなる第二集電端子が溶着されてなることを特徴とするアルカリ蓄電池。
【請求項２】
電池外部端子接続用リードと前記第二集電端子とが一体成形体であることを特徴とする請求項１記載のアルカリ蓄電池。
【請求項３】
電気抵抗溶接によって前記第一集電端子を前記多孔性金属基板端部に設けた活物質非充填部分に溶着した後、電気抵抗溶接によって該第一集電端子の前記多孔性金属基板との溶着面と反対の面に前記第二集電端子を溶着することを特徴とする請求項１記載のアルカリ蓄電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動工具や、ハイブリッド型電気自動車（ＨＥＶ）用電源等の大電流での充放電を要する用途に適応するアルカリ蓄電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素吸蔵合金を主材とした負極を用いた密閉形アルカリ蓄電池は、優れた充放電特性を有すること、環境保全の面で優れている等の点から用途が拡大しつつある。中でも、電動工具やＨＥＶ用電池等の大電流充放電用電源としての需要が見込まれている。
【０００３】
従来、焼結式正極を用いたアルカリ蓄電池は高率での充放電において優れた特性を有するため、これらの大電流を必要とする用途における主流電池であった。
【０００４】
しかし、焼結式正極の容量密度は４５０ｍＡｈ／ｃｍ3程度であり、該正極を用いた電池の容量は低いという欠点があった。
【０００５】
一方、３次元の発泡状または繊維状等の多孔性金属基板を用いた非焼結式正極は約５５０ｍＡｈ／ｃｍ3の容量密度達成が可能であり、電池の高容量化に大きな効果があるため多用されている。
【０００６】
焼結式正極が多用されていた時期より、渦巻き状または積層型極群の基板に集電端子を接続する方式としてタブレス方式があり、基板と集電端子間の電気抵抗を低く抑える構造が採られていた。
【０００７】
しかし非焼結式正極にタブレス方式を適用した場合、基板と外部端子間の電気抵抗が高くなり、現時点に至るまで電気抵抗を低減するための有効な方策が見いだされていない。
【０００８】
電気抵抗を低減するため、例えば集電端子の厚さを大きくしたり、集電端子と外部端子を接続するリード片を短くする等の方策が試みられたが有効ではなかった。
【０００９】
正極基板と集電端子間の電気抵抗が高い要因は、基板と集電端子の溶着が十分でないためと考えられる。
【００１０】
集電端子の溶接については、端部に設けた活物質非充填部分にニッケル板などを溶接した上で溶接するなどの提案（特開昭５６−８６４５９号公報）がなされている。また、工程を簡略化する目的で特開昭６２−１３９２５１号公報ではあらかじめ溶接部を圧縮した発泡基板を用いて、タブレス時の溶接強度を確保することができるとしている。しかしこれらの試みにも拘わらず実用上満足しうる有効な手段が見いだされていない。
【００１１】
前記の如くタブレス方式に於いて、非焼結式正極と外部端子間の電気抵抗が高いのは基板と集電端子および集電端子とリードとの溶着不良に負うところが大きい。溶着不良をなくすための一つの方策は溶接時に流す電流を大きくすることである。
【００１２】
しかしながら、非焼結式正極と集電端子の組み合わせにおいては溶接時の電流を大きくしても集電端子内を流れる無効電流が増加することになり、溶接に有効な溶接電流の増加には繋がらない。結果として溶着不良を無くす有効手段とはならなかった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記課題を解決するために、非焼結式正極を用いた電池に於いて、電池内部の集電構造を改良することにより正極基板と外部端子間の電気抵抗を低減し、高容量で大電流充放電可能なアルカリ蓄電池を提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１は、発泡状または繊維状等の多孔性金属基板を用いた非焼結式正極と負極およびセパレータを渦巻きあるいは積層した極群を有するアルカリ蓄電池において、前記基板端部に活物質を充填しない端子取り付け部を設け、該端子取り付け部に厚さ１０〜１００μｍの耐アルカリ性金属箔からなる第一集電端子が溶着され、さらに該第一集電端子に厚さ１００〜１０００μｍの耐アルカリ性金属箔からなる第二集電端子が溶着されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明により正極基板と集電端子との溶着不良をなくし、集電端子自体についても従来に劣らず低抵抗を確保することができる。
【００１６】
本発明の第２は、集電端子と外部端子を接続するリードが前記第二集電端子と一体になっていることを特徴とする。本発明により集電端子とリードの溶着を不要にし、接続の信頼性を高めることができる。本発明の第３は、電気抵抗溶接によって前記第一集電端子を前記多孔性金属基板端部に設けた活物質非充填部分に溶着した後、電気抵抗溶接によって該第一集電端子の前記多孔性金属基板との溶着面と反対の面に前記第二集電端子を溶着することを特徴とする請求項１記載のアルカリ蓄電池の製造方法である。該製造方法によって集電端子と極板の前記基板端部とを良好に溶着することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明は、焼結式正極に用いられているパンチングメタル等に比べ電気抵抗の高い発泡状または繊維状等の金属多孔体を基板とする非焼結式正極を用いたアルカリ蓄電池に於いて顕著な効果を発揮する。
【００１８】
第一集電端子および第二集電端子にはニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、ステンレスステイ―ル（ＳＵＳ）およびニッケルメッキを施した鉄またはステンレスステイ―ルが適している。これらの材料はいずれも耐アルカリ性に優れ、抵抗溶接等による溶着性にも優れている。また安価な点も好適である。
【００１９】
本発明における第一集電端子の厚さは１０〜１００μｍの範囲にある。このように肉厚の薄い箔は前記多孔性基板とも高い信頼性で強固に溶着することができる。
【００２０】
本発明の要点である正極基板への集電端子の溶着を図２によって説明すると、通常渦巻き式あるいは積層式極群の多孔性正極基板と集電端子を溶着は図２に示したようなインダイレクト方式のスポット溶接による。図２において１２は溶接機の端子である。２が正極４の活物質非充填部の多孔性基板３に溶着しようとする正極集電端子である。５はセパレータ、６は負極である。
【００２１】
溶接機の両端子１２間に流れる電流は溶接に有効な溶接電流１３と集電端子を伝って流れる無効電流１４に分類される。
【００２２】
前記の如く本発明の適用対象である非焼結式正極の場合、焼結式正極に比べ基板３の電気抵抗が高い。そのため溶接電流１３が流れ難い状況にある。このような状況下において集電端子２の厚さが大きくて集電端子の電気抵抗が小さいと、電流は集電端子側に集中する。従って無効電流１４の比率が大きくなり、溶接電流１３は極めて小さくなるために、集電端子２と基板３が溶着不良を起こす原因となる。
【００２３】
良好な溶接を得るためには溶接電流１３を大きくする必要がある。従来電池の場合、溶接電流を大きくしようとすると無効電流１４が更に大きくなってしまう。すなわち溶接機の電極１２と集電端子２の接触面に過大な電流が流れるために、この部分における発熱が過大になる。このため、溶融物の飛び散りの他に集電端子のワレや集電端子２と溶接機電極１２の溶着等が起きる。これらの現象は溶接強度に悪影響をおよぼすばかりでなく、電池の短絡の原因にもなる。さらには溶接工程の作業性を著しく低下させる。
【００２４】
以上の如く、基板上端部３と集電端子２との溶接状態は電池の品質を大きく左右する。従って両者の溶接が良好であることは極めて重要である。
【００２５】
前記従来電池の欠点に鑑み、本発明電池では集電端子を第一集電端子と第二集電端子の２つに分割した端子構造を採っている。
【００２６】
先ず基板上端部３と第一集電端子２を溶着する。第一集電端子は肉厚が小さく電気抵抗が高い。従って基板上端部３と第一集電端子２の溶接においては無効電流１４が抑制されるため、効果的な溶接が可能である。
【００２７】
しかし、このままでは集電端子の電気抵抗が高く結果として電池の内部抵抗が高くなる欠点を有する。本発明電池では、第一集電端子の上に更に第二集電端子を溶接する構造を採ることにより集電端子自体の電気抵抗を低く抑えるのに十分な集電端子厚さを確保する。
【００２８】
基板３単独に比べ基板３と第一集電端子２が溶着された複合構造体の電気抵抗は低い。従って該複合構造体に第二集電端子を溶着する際の溶接電流を大きくできる。このため良好な溶着の達成が可能である。
【００２９】
第一集電端子としては、厚さの小さい材料でなく固有抵抗の高い材料も適用可能と考えられるが、厚さ方向の抵抗が増大するため、後に溶接する第二集電端子と第一集電端子間の電流が抑制される。
【００３０】
これに対して第一集電端子として固有抵抗が低く、厚みの小さい金属箔を適用した場合、厚み方向の抵抗は低く抑えられ、無効電流の流れる方向に対しては抵抗が大きく、溶接電流比率を大きくすることができる。従って第二集電端子とも良好な溶着を得ることができる。
【００３１】
第一集電端子の材質としてはアルカリ蓄電池において一般的に用いられる耐アルカリ性金属、例えばニッケル、鉄、あるいはＳＵＳ、もしくは鉄、ＳＵＳにニッケルメッキを施した金属箔が適用される。
【００３２】
前記の如く電極基板と第一集電端子を良好に溶着するためには、第一集電端子の電気抵抗を大きくする必要がある。そのためには前記の如く第一集電端子の厚さが小さくなければならない。第一集電体の厚さは具体的には１００ μｍ 以下が好ましい。
【００３３】
第一集電端子に第二集電端子を良好に溶着するためには、電極基板に第一集電端子を溶着した複合構造体の電気抵抗が電極基板のそれに比べて低く、溶接電流が流れやすいことが条件である。さらに第一集電端子には容易に破れない強度と載置するさいのハンドリングのしやすさが求められる。
【００３４】
前記材質を適用することを考慮すると、第一集電体の厚さの下限値は約１０μｍである。すなわち第一集電体の厚さは１０〜１００μｍが適当である。
【００３５】
第一集電端子上に溶着される第二集電端子には、前記第一集電端子と同じ材質から選定された端子が適用される。第二集電端子は集電端子に十分な導電性を付与するためのものである。第二集電端子の厚さは集電端子に流れる電流の大きさによって決定される値である。電導度を高めるためには厚さが大きい方が有利である。しかし、実際には厚さが大きくなると第一集電端子との溶着が困難になること、硬くてフレキシビリテイが無いため後述のリード一体型集電端子のようにリード部が湾曲した構造に適応するのが困難であること等の欠点が生じる。
【００３６】
第二集電端子の厚さは、容量が数百ｍＡｈ〜数Ａｈの小型円筒や角形電池において１００μｍ以上が求められる。また前記の理由からその上限値は約１０００μｍである。これ以上厚いと容積および電池重量に無駄が生じる他第２集電端子に溶着するときの無効電流が大きくなり過ぎ発熱が大きくなるなどの弊害を生じる。またリード一体型の場合フレキシビリテイが乏しいため取り付けが難しいことや、曲げた時の応力が大きく溶接がはずれる虞が生じるため適用が難しい。
【００３７】
電池外部端子と集電端子は集電端子と同じ耐アルカリ性金属リードにより接続されている。リードは溶接により電池外部端子および第二集電端子と接続する以外に、リードと第二集電端子との一体成形品を用いて、リードを電池外部端子と溶接することも可能である。リードは電気抵抗の低い方が望ましく、厚手の材料が適用される。
【００３８】
厚手材料の溶着は難しいため、溶着方式よりもむしろ一体方式が望ましい。一体方式ではリードと集電端子の溶着工程が省略できる点でも有利である。
【００３９】
【実施例】
以下図面に従い本発明の実施例について説明する。なお、本発明の形状等は以下に示した例に限定されるものではない。
【００４０】
図１に円筒型アルカリ蓄電池の断面図を示す。ここで、1 および2 はそれぞれ第二集電端子および第一集電端子を示す。3 、4 は多孔性金属基板を示し、3 は端部に設けられた正極活物質非充填部分、4 は正極活物質充填部分である。第一集電端子２と基板の活物質非充填部分３は抵抗溶接によって溶着されている。
【００４１】
第一集電端子２と第二集電端子１は抵抗溶接によって溶着されている。ここでは第一集電端子の材質をニッケルおよび鉄とした場合について基板３と第一集電端子の溶着状態を評価した結果を後に記す。第一集電端子の厚さは５０〜３００μｍとした。
【００４２】
5 はセパレータ、6 は負極を示す。7 は電池外部端子であり、外部端子７と第二集電端子１は導電性リード8によって接続されている。9 は電池ケース、10は負極用集電端子、11はガスリリース弁を示す。
【００４３】
正極基板上端の活物質非充填部３と第一集電端子２はインダイッレクト・スポット溶接により溶着される。前記の如く図２は溶着工程の説明図である。
【００４４】
以下に正極基板への第一集電端子の溶着について説明する。
【００４５】
多孔体基板と第一集電端子の溶接は、溶接機の電極に先端径３ｍｍ のクロム銅を用い、加圧力を３０Ｎ 、電極間距離を３ｍｍとした。
【００４６】
溶接強度の評価方法は、直径２３ｍｍの円盤状集電端子の4 箇所を渦巻き状極群の金属多孔体基板に溶接し、引っ張り強度、溶融物の飛び散り、および集電端子のワレ発生の有無を調べた。
【００４７】
出来るだけ良好な溶接結果が得られるよう、金属多孔体の活物質非充填部分に予め圧縮加工を施した。
【００４８】
溶接時の通電時間および通電電流値を変化させて溶接の良否を調べた。
（集電端子溶着評価）
評価の基準は、引っ張り強度が２０Ｎ以上で溶融物の飛び散り、集電体のワレ発生の無いものを良とし〇で表示した。
【００４９】
引っ張り強度が２０Ｎに満たないものを溶接不良とし、×で表示した。
【００５０】
引っ張り強度が２０Ｎ以上であるが、溶融物の飛び散り、集電体のワレ発生が認められたものを不適とし、△で表示した。
【００５１】
（実施例１）第一集電端子を厚さ  ５０μｍのニッケル箔とした。調査結果を表１に示す。
【００５２】
【表１】
0003758460.tif 000002
【００５３】
電流値２．５〜３．０ＫＡ、通電時間４〜５ｍｓの条件で良好な溶着が得られた。
【００５４】
（実施例２）第一集電端子を厚さ１００μｍのニッケル箔とした。それ以外は実施例１と同一とした。調査結果を表２に示す。
【００５５】
【表２】
0003758460.tif 000003
【００５６】
電流値２．５〜３．５ＫＡ、通電時間４〜６ｍｓの範囲で良好な溶着が得られた。
【００５７】
（実施例３）第一集電端子を厚さ  ５０μｍの鉄箔とした。それ以外ｈさ実施例１と同一とした。結果を表３に示す。
【００５８】
【表３】
0003758460.tif 000004
【００５９】
電流値２．５〜３．０ＫＡ、通電時間４〜５ｍｓの条件で良好な溶着が得られた。
【００６０】
（実施例４）第一集電端子を厚さ１００μｍの鉄箔とした。それ以外は実施例１と同一とした。結果を表４に示す。
【００６１】
【表４】
0003758460.tif 000005
【００６２】
電流値２．５〜３．０ＫＡ、通電時間４〜６ｍｓの条件で良好な溶着が得られた。
【００６３】
（比較例１）第一集電端子を厚さ１５０μｍのニッケル箔とした。それ以外は実施例１と同一とした。結果を表５に示す。
【００６４】
【表５】
0003758460.tif 000006
【００６５】
電流値、通電時間が小さい領域では引っ張り強度が弱く、大きい領域では溶融物の飛び散りや集電体のワレが発生し、良好な溶着が得られる溶接条件が見あたらない。
【００６６】
（比較例２）第一集電端子を厚さ３００μｍのニッケル箔とした。それ以外は実施例１と同一とした。結果を表６に示す。
【００６７】
【表６】
0003758460.tif 000007
【００６８】
比較例１同様良好な溶着が得られる溶接条件が見あたらない。
【００６９】
（比較例３）第一集電端子を厚さ１５０μｍの鉄箔とした以外は実施例１と同一とした。結果を表７に示す。
【００７０】
【表７】
0003758460.tif 000008
【００７１】
本例の場合も良好な溶着が得られる溶接条件が見あたらない。
【００７２】
（比較例４）第一集電端子を厚さ３００μｍの鉄箔とした以外は実施例１と同一とした。結果を表８に示す。
【００７３】
【表８】
0003758460.tif 000009
【００７４】
本例の場合も良好な溶着が得られる溶接条件が見あたらない。
【００７５】
これらの結果から判るように、第一集電端子の厚さを１００μｍ以下に薄くすることにより、無効電流が抑制され、低い電流値あるいは短い通電時間で溶接が可能となる。
【００７６】
第一集電端子の厚さが１００μｍを超える場合でも電流値を大きくすれば溶接は可能であるが、溶融物の飛び散りや集電端子のワレが起こり、短絡の原因となる。
【００７７】
またニッケルと鉄の比較においては、同じ厚みであれば固有抵抗の高い鉄の方が低い電流値あるいは短い通電時間で良好な溶接が行える。この事実からもインダイレクト・スポット溶接においては無効電流の抑制が重要であることが判る。
（電池特性評価）
次に図１に示すC サイズ円筒型電池を試作し内部抵抗値を測定した。電池の構成は、発泡ニッケル基体に水酸化コバルトを表面コートした水酸化ニッケル活物質を充填した正極と、穿孔鋼板に塗布された水素吸蔵合金を主成分とする負極および１２０μｍのポリプロピレン性不織布からなり、これらを渦巻き状に巻き込み、電池ケースに挿入した後、水酸化カリウム水溶液を注入し、封口する事により電池を作製した。
【００７８】
電池の内部抵抗は、充放電サイクル試験により活物質が十分活性化した後、１００％充電し、２０Ａ、１０ｍｓ．放電したときの１０ｍｓ．の放電終了時と放電終了時より１ｍｓ．後の電圧差を求め、電圧差を通電電流値２０Ａで割った値とした。測定温度は全て２０℃とした。
【００７９】
（実施例５）正極集電端子を第一集電端子上に第二集電端子を溶着した２層構造とした。先ず正極の多孔性金属基板に厚さ１００μｍのニッケル箔製第一集電端子を溶着し、次いで該第一集電端子上に厚さ１００μｍのニッケル箔製第二集電端子を溶着した。該電池を３セル作製し、内部抵抗を測定した。
【００８０】
（実施例６）第一集電端子を厚さ１００μｍのニッケル箔、第二集電端子を厚さ２００μｍのニッケル箔とした以外実施例５と同一とした。該電池を３セル作製し、内部抵抗を測定した。
【００８１】
（実施例７）第一集電端子を厚さ１００μｍのニッケル箔、第二集電端子を厚さ３００μｍのニッケル箔とした以外実施例５と同一とした。該電池を３セル作製し、内部抵抗を測定した。
【００８２】
（比較例５）厚さ２００μｍのニッケル箔1枚を集電端子とした電池を３セル作製し、内部抵抗を測定した。
【００８３】
（比較例６）厚さ３００μｍのニッケル箔1枚を集電端子とした電池を３セル作製し、内部抵抗を測定した。
【００８４】
（比較例７）厚さ４００μｍのニッケル箔１枚を集電端子とした電池を３セル作製し、内部抵抗を測定した。
【００８５】
実施例５〜７ および比較例５〜７ の結果を表９に示す。
【００８６】
【表９】
0003758460.tif 000010
【００８７】
実施例５と比較例５、実施例６ と比較例６および実施例７と比較例７は集電体の材質および集電体のトータル厚さがそれぞれおなじである。異なるのは実施例においては正極集電体が厚さ１００μｍの第一集電端子と第二集電端子の２層構造であって、正極基板に第一集電体が溶着され、次いで第一集電体端子に第二集電体が溶着されているのに対して、比較例では正極集電端子が１層である点である。
【００８８】
これら実施例と比較例の電池の内部抵抗を比較すると、集電端子が１枚の比較例に比べ集電端子が第一集電端子と第二集電端子の２枚構成とした本発明実施例電池の内部抵抗値が低い。また実施例の場合サンプル電池３個の抵抗値が良く揃っているのに対して比較例には飛び抜けて抵抗値の高いものが散見される。
【００８９】
実施例の場合、第一集電端子を用いることにより電極基板と集電端子との溶着が良好な溶接状態が得られたのに対して、比較例では基板と集電端子との溶着が劣っているのと、中に溶着の極めて悪いものが存在するためである。
【００９０】
電気抵抗を下げるためには集電端子を厚くすればよいが、集電端子を1 枚だけ用いる場合においては、溶接時の溶融物の飛び散りや集電体のワレが問題となるため集電端子の厚みには限界がある。実施例５のように１００μｍの第一集電端子と３００μｍの第二集電端子を組み合わせることにより高い溶接強度と低い抵抗値を達成できる。
【００９１】
図３は本発明に係る電池の円形第二集電端子１とリード８一体構造の例を示す図である。図（イ）に示す如く円形集電端子の１部を除去し、弦にリード８が接続する例や図（ロ）に示す如く境界にスリットが配置され、図に示した如くリード部８を曲げ易くしている。
これらリードと一体成形された第二集電端子を適用した電池においても、リードをスポット溶接した電池と同等の抵抗値が得られた。
【００９２】
溶接方式の場合接続不良を皆無にすることは難しいが、一体化することにより不良を皆無にできるメリットがある。また溶接方式に比べ耐振動、耐衝撃に優れるため信頼性が向上する。さらに溶接工程を省略できるメリットがある。
【００９３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明に係るアルカリ蓄電池は、第一に正極集電端子を第一と第二の２層にしたことにより正極基板と集電端子との溶着が良好で電池の内部抵抗が低く高率充放電特性に優れる。また、基板と集電端子と溶接において溶融物の飛び散りや集電端子のワレを抑制できるため、不良発生率を下げることが可能である。第二に第二集電端子とリードを一体構造にしたことにより両者の溶接工程が不要になった。さらに両者の接続不良が皆無になったため、信頼性が向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電池の断面図である。
【図２  】本発明に係る極板群と集電端子とのインダイレクト・スポット溶接の説明図である。
【図３】（イ）は本発明に係る集電端子とリード片の一体構造物を示す図である。
（ロ）は本発明に係るスリット付きの集電端子とリード片の一体構造物を示す図である。
【符号の説明】
1 第二集電端子
2 第一集電端子
3 多孔性金属基板の正極活物質非充填部分
7 電池外部端子
8 電池外部端子と集電端子接続用リード
【図１】
0003758460.tif 000011
【図２】
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【図３】
0003758460.tif 000013