JP4399213B2 - アルカリ乾電池とその封口ガスケット - Google Patents

Description

この発明はアルカリ乾電池とその封口ガスケットに関し、たとえばＬＲ６（単３）型やＬＲ０３（単４）型などの円筒形アルカリ乾電池に適用して有効である。

ＬＲ６やＬＲ０３などの円筒形アルカリ乾電池は、たとえば特許文献１に開示されているように、正極合剤、セパレータ、負極合剤からなるアルカリ発電要素が有底円筒状の金属製電池ケースに収容されるとともに、その電池ケースの開口部が樹脂製ガスケットを用いて気密封口されている。

発電要素は、管状に成形された正極合剤の内側に、アルカリ電解液が含浸された筒状セパレータが配置され、このセパレータの内側にゲル状の負極合剤が充填されている。電池ケースは正極合剤に直接接触することにより、正極集電体と正極端子を兼ねる。負極合剤中には棒状の金属製負極集電子が挿入されている。この負極集電子は、皿状の金属製負極端子板の内側面に溶接により立設固定されている。負極端子板、負極集電子および封口ガスケットはあらかじめ一体に組み合わせられて、電池ケースの開口を塞ぐ封口ユニットをなす。

封口ガスケットはポリアミド樹脂の一体成形品であって、その外周部が電池ケースと負極端子板の間に介在するとともに、その電池ケースの開口部を内側へ屈曲加工して生じる応力変形（弾性変形）により気密シール状態を形成する。

ここで、特許文献１のアルカリ乾電池では、その気密シール状態を確実にするために、負極端子板とガスケットの間に金属製の補強部材が介装させている。この補強部材は支持部材あるいはニュートラルリングとも呼ばれている。上記ガスケットの外周部は、その補強部材と電池ケース開口部との間に強く挟圧（クリンプ）されて応力変形させられる。このとき、その補強部材は、ガスケット外周部を強く挟圧するための支持体の作用と、その部分的な挟圧によってガスケット全体に応力歪あるいは変形が及ぶのを抑える保形体の作用をなす。

このように、封口ガスケットに補強部材を添える構成は、ガスケット外周部の応力変形によるシール効果を確実にする上で有効であるため、特許文献１に記載された以外のアルカリ乾電池にも広く採用されている。

この場合、上記封口ガスケットの形状構造は、上記補強部材の使用を前提にして決定されている。上記封口ガスケットの素材についても、たとえば特許文献２などにおいて、多種類のポリアミド系樹脂が無差別に羅列開示されているが、上記補強部材の使用を前提とすれば、その羅列開示された樹脂の種類による差異は、たとえば成形性や一般的な物理特性などの樹脂に固有の差異は多少生じるかも知れないが、アルカリ乾電池の性能に大きく関係する事項では、特段の差異は生じない。これは、上記補強部材の使用が樹脂の種類による差異を補っているためと考えられる。
特開平１１−２５０８７５号公報 特開平９−２７３０５号公報

上述のように、従来のアルカリ乾電池の多くは、アルカリ電解液の漏液を阻止する封口構造を得るために、ポリアミド等の樹脂製封口ガスケットに上記補強部材を添える構成としていた。
しかし、上記補強部材の使用は、部品点数および組立工数が増えるためにコストが増加するという問題を生じる。また、部品点数の増大は故障原因となりうる個所を増加させるという問題も生じる。
このため、本発明者らは、上記補強部材を使用しない独自の封口構造を有するアルカリ乾電池を長年にわたって研究してきた。この独自の封口構造は実製品に適用されて好結果を得ている。

ＬＲ６やＬＲ０３などの円筒形アルカリ乾電池において、上記補強部材を使用せずに封口ガスケットだけでアルカリ電解液の漏液阻止に必要なシール効果を得るためには、上記補強部材を使用する封口構造（要補強構造）とは異なる独自の構成が必要である。この独自の構成による封口構造（無補強構造）は、図３に示すように形状構造の封口ガスケット３０'を使用する。

図３は、本発明以前に本発明者らが研究および実用化してきたアルカリ乾電池１０'の断面を示す。このアルカリ乾電池１０'に使用されている封口ガスケット３０'は、ポリアミド樹脂（ナイロン６６）の一体成形品であって、中央ボス部３１、外周部３２、中間隔壁部３３とともに、薄肉部３５，３６による安全弁と応力緩衝部を有する。中央ボス部３１は、皿状の金属製負極端子板４０に溶接により立設された負極集電子２５が貫通する部分である。
外周部３２は、電池ケース１５の開口部１６と負極端子板４０の周縁部３２の間に挟持される環状部分であって、その電池ケース１５の開口部１６が内側に屈曲加工されて生じる応力変形（弾性変形）により気密シール状態を形成する。
安全弁は電池ケース１５内圧が異常上昇したときに先行破断することによりその内圧を逃がす部分であって、上記ボス部３１と上記隔壁部３３の間の環状部分に形成された第１の薄肉部３５により形成される。負極端子板４０にはガス抜き用の小孔４１が設けられている。

応力緩衝部は、上記外周部３２と上記隔壁部３３の間の環状部分にて鉛直方向に屈曲迂回するように形成された第２の薄肉部３６により形成され、上記外周部３２が電池ケース開口部１６と負極端子板周縁部４２とで挟圧されたときに生じる応力変形や歪が、その外周部３２以外の部分に及ぶのを緩衝する。

上記形状構造の封口ガスケット３０'は、上記補強部材を使用しなくても、その補強部材を使用したものと対等のシール効果を得ることができる。

この無補強方式の封口ガスケット３０'について、本発明者らは研究を重ねてきた結果、安全弁動作の信頼性と耐漏液性能を向上させる上で、次のようなことを知得するに至った。

すなわち、本発明者らが知得したところによれば、上記無補強方式のガスケット３０'では、その構成素材に使用する樹脂が同じポリアミド樹脂であっても、それよりもさらに下位の概念で分類される樹脂の種類によっては、安全弁動作の信頼性と耐漏液性能が特異的に大きくことなることが判明した。つまり、補強部材を使用しない上記無補強方式の封口ガスケットを特定種類のポリアミド樹脂で構成することにより、安全弁動作の信頼性と耐漏液性能が特異的に向上することが判明した。

この特異的な効果をもたらすポリアミド樹脂はナイロン６−１２（商標名）と呼ばれるポリヘキサメチレンドデカミドであって、上記形状構造（無補強構造）との組み合わせで使用したときに限り、安全弁動作の信頼性と耐漏液性能に特異的な変化（効果）をもたらすことが判明した。

このポリヘキサメチレンドデカミドについて、従来は、たとえば特許文献１や２などでも、ポリアミド系樹脂群の一つとして無差別に羅列開示されている。しかし、アルカリ乾電池における安全弁動作の信頼性と耐漏液性能との関係については開示されていない。上記文献１，２からは、ポリアミド樹脂の一種であるポリヘキサメチレンドデカミドがポリヘキサメチレンアジパミド（ナイロン６６）などと互換であることは推察できるが、アルカリ乾電池における安全弁動作の信頼性と耐漏液性能に関する作用効果上の差異を推察し得るような開示はされていない。

また、上記補強部材を使用する封口構造との組み合わせでは、安全弁動作の信頼性と耐漏液性能に特異な効果をもたらさない。ポリヘキサメチレンドデカミド（ナイロン６−１２）は、補強部材を使用しない上記形状構造との組み合わせのみにおいて、安全弁動作の信頼性と耐漏液性能を特異的に向上させる効果をもたらすのであって、これについては、上述したように、本発明者らによって明らかにされた。

この発明は以上のような技術背景の下になされたものであって、その目的は、アルカリ乾電池における安全弁動作の信頼性と耐漏液性能を、部品数の少ない低コストな封口構造でもって確実に向上させることを目的とする。

本発明の手段は、管状に成形された正極合剤の内側にアルカリ電解液が含浸されたセパレータが配置され、このセパレータの内側にゲル状の負極合剤が充填されたアルカリ発電要素と、この発電要素を収容して正極端子および正極集電体を兼ねる有底円筒状の金属製電池ケースと、上記発電要素の負極合剤中に挿入される棒状の金属製負極集電子が内側面に立設固定された皿状の金属製負極端子板と、上記電池ケースと上記負極端子板の間に補強部材を介さずに単独で介装されてその電池ケースを気密シールするポリアミド樹脂製封口ガスケットとを有するアルカリ乾電池において、上記封口ガスケットは、上記負極集電子が貫通する中央ボス部と、上記電池ケースの開口部と上記負極端子板の周縁部の間に介在するとともにその電池ケースの開口部が内側に屈曲加工されて生じる応力変形により気密シール状態を形成する外周部と、上記ボス部と上記外周部の間に位置する中間隔壁部と、上記ボス部と上記隔壁部の間の環状部分に形成された第１の薄肉部による安全弁と、上記外周部と上記隔壁部の間の環状部分にて鉛直方向に屈曲迂回するように形成された第２の薄肉部による応力緩衝部とを有する一体成形品であるとともに、その構成素材であるポリアミド樹脂がポリヘキサメチレンドデカミドであることを特徴とする。

上記手段において、上記薄肉部の厚さは０．２５ｍｍ以下がとくに適している。上記応力緩衝部は、Ｕ字状の断面形状をなす薄肉部により形成するとよい。 されていることを特徴とするアルカリ乾電池。

また、上記アルカリ乾電池に使用する安全弁機能付きポリアミド樹脂製封口ガスケットについて、本発明の手段は、上記負極集電子が貫通する中央ボス部と、上記電池ケースの開口部と上記負極端子板の周縁部の間に介在するとともにその電池ケースの開口部が内側に屈曲加工されて生じる応力変形により気密シール状態を形成する外周部と、上記ボス部と上記外周部の間に位置する中間隔壁部と、上記ボス部と上記隔壁部の間の環状部分に形成された第１の薄肉部による安全弁と、上記外周部と上記隔壁部の間の環状部分にて鉛直方向に屈曲迂回するように形成された第２の薄肉部による応力緩衝部とを有する一体成形品であるとともに、その構成素材である上記ポリアミド樹脂がポリヘキサメチレンドデカミドであることを特徴とする。

上記手段により、アルカリ乾電池における安全弁動作の信頼性と耐漏液性能を、部品数の少ない低コストな封口構造でもって確実に向上させることができる。

図１は、本発明の技術が適用されたアルカリ乾電池の断面図を示す。
同図において、（ａ）はＬＲ６型アルカリ乾電池における実施形態、（ｂ）はＬＲ０３型アルカリ乾電池における実施形態をそれぞれ示す。２つのアルカリ乾電池間の主な違いは電池サイズであって、他の構成については、形状等に多少の違いはあるものの、基本的に同じである。

同図に示すアルカリ乾電池１０は、従来と同様、正極合剤２１、セパレータ２２、負極合剤２３からなるアルカリ発電要素２０が、有底円筒状の金属製電池ケース１５に収容されるとともに、その電池ケース１５の開口部１６が樹脂製ガスケット３０を用いて気密封口されている。

発電要素２０は、管状に成形された正極合剤２１の内側に、アルカリ電解液が含浸された筒状セパレータ２２が配置され、このセパレータ２２の内側にゲル状の負極合剤２３が充填されている。電池ケース１５は正極合剤２１に直接接触することにより、正極集電体と正極端子を兼ねる。負極合剤２３中には棒状の金属製負極集電子２５が挿入されている。この負極集電子２５は、皿状の金属製負極端子板４０の内側面中央に溶接により立設固定されている。負極端子板４０にはガス抜き用の小孔４１が設けられている。負極端子板４０、負極集電子２５および封口ガスケット３０はあらかじめ一体に組み合わせられて、電池ケースの開口を塞ぐ封口ユニットを構成している。

封口ガスケット３０は、電池ケース１５と負極端子板４０の間に補強部材を介さずに単独で介装されてその電池ケース１５を気密シールする。この封口ガスケット３０は、その構成素材がポリヘキサメチレンドデカミド（ナイロン６−１２）であるとともに、次のような形状構造を有する。

すなわち、封口ガスケット３０は、中央ボス部３１、外周部３２、中間隔壁部３３、第１の薄肉部３５、第２の薄肉部３６を一体に有する。中央ボス部３１は、その中心軸に負極集電子２５が圧密状態で貫通する透孔を有する。外周部３２は、電池ケース１５の開口部１６と負極端子板４０の周縁部４２の間に介在するとともに、その電池ケース１５の開口部１６が内側に屈曲加工されて生じる応力変形（弾性変形）により気密シール状態を形成する。中間隔壁部３３は、上記ボス部３１と上記外周部３２の間を気密隔離する。

第１の薄肉部３５は、電池ケース１５内圧が異常上昇したときに先行破断することによりその内圧を逃がす安全弁として作用する。この薄肉部３５は、上記ボス部３１と上記隔壁部３３の間の環状部分に形成されている。安全弁の作動圧は薄肉部３５の厚さで設定可能であるが、封口ガスケット３０の素材がポリヘキサメチレンドデカミド（ナイロン６−１２）の場合は、０．２５ｍｍ以下とすることが安全弁を確実に作動させるのに適している。

第２の薄肉部３６は、上記外周部３２と上記隔壁部３３の間の環状部分にて鉛直方向に屈曲迂回するように形成されている。これにより、第２の薄肉部３５は応力緩衝部として作用する。すなわち、上記外周部３２が電池ケース開口部１６と負極端子板周縁部４２とで挟圧されたときに生じる応力変形や歪が、その外周部３２以外の部分に及ぶのを緩衝する。この緩衝作用を確実に得るためには、薄肉部３６の厚さを０．２５ｍｍ以下とすることが望ましい。また、その薄肉部３６はＵ字状の断面形状をなすように屈曲迂回させるとよい。

封口ガスケット３０の構成素材としてポリヘキサメチレンドデカミド（ナイロン６−１２）を用いた場合、第１および第２の薄肉部３５，３６の総面積は、電池１０の円周断面積（Ｓ）に対して５％以上にすることが望ましい。

図２は、電池ケース１５の内圧が異常上昇したときの封口ガスケットの挙動状態を示す部分断面図である。同図において、（ａ）はポリヘキサメチレンアジパミド（ナイロン６６）で構成された従来の封口ガスケット３０'の挙動状態、（ｂ）はポリヘキサメチレンドデカミド（ナイロン６−１２）で構成された本発明の封口ガスケット３０の挙動状態をそれぞれ示す。符号１０'は従来のアルカリ乾電池、１０は本発明のアルカリ乾電池をそれぞれ示す。

従来の封口ガスケット３０'では、同図の（ａ）に示すように、ガスケット３０'が電池内圧の上昇により膨張変形しやすい。この膨張変形はガスケット３０'を構成する樹脂の可塑化現象により生じるが、ポリヘキサメチレンアジパミド（ナイロン６６）ではその可塑化現象が生じやすいことが判明した。この可塑化現象が生じると、電池内圧が所定の作動圧を超えても薄肉部３５が先行破断しなくなるため、確実な安全弁動作が得られなくなる。また、電池内圧による膨張変形が生じない定常条件下でも、上記可塑化がガスケット３０'のシール効果を低下させる大きな原因となることが判明した。

これに対して、本発明の封口ガスケット３０では、同図の（ｂ）に示すように、電池内圧が上昇しても可塑化現象による膨張変形はほとんど生じない。これにより、薄肉部３５は電池内圧が所定の作動圧を超えたときに確実に先行破断し、安全弁として作用することができる。また、電池内圧による膨張変形が生じない定常条件下においては、上記可塑化が生じにくいことにより、ガスケット３０のシール効果を長期間安定に保持できることが判明した。

さらに、ポリヘキサメチレンドデカミド（ナイロン６−１２）は、ポリヘキサメチレンアジパミド（ナイロン６６）に比べて水分浸入度が小さいが、このことは高温・高湿度環境下の耐漏液性を長期間にわたって保持するのに非常に有効である。

上記形状構造（無補強構造）の封口ガスケットをポリヘキサメチレンアジパミド（ナイロン６６）で構成した従来のアルカリ乾電池と、上記形状構造（無補強構造）の封口ガスケットをポリヘキサメチレンドデカミド（ナイロン６−１２）で構成した本発明のアルカリ乾電池についてそれぞれ、各種条件による耐漏液性の発生頻度を調べる加速試験を行ったところ、以下に示すような結果が得られた。

試験１：
ＬＲ６型アルカリ乾電池について、９０℃の乾燥雰囲気下での保存日数による可塑化の程度と漏液発生率（発生数／サンプル数）を調べる試験を行ったところ、表１に示すような結果が得られた。

試験２：
ＬＲ０３型アルカリ乾電池について、９０℃の乾燥雰囲気下での保存日数による可塑化の程度と漏液発生率（発生数／サンプル数）を調べる試験を行ったところ、表２に示すような結果が得られた。

試験３：
ＬＲ０３型アルカリ乾電池について、７０℃／９０％ＲＨの環境下での保存日数による水分浸入量と漏液発生率（発生数／サンプル数）を調べる試験を行ったところ、表３に示すような結果が得られた。

試験４：
ＬＲ６型アルカリ乾電池について、薄肉部の厚さと、７０℃／９０％ＲＨの環境下で４０日間保存した後の漏液発生率（発生数／サンプル数）との関係を調べる試験を行ったところ、表４に示すような結果が得られた。

試験５：
ＬＲ６型アルカリ乾電池について、薄肉部厚さと、７０℃／９０％ＲＨの環境下で４０日間保存した後の漏液発生率（発生数／サンプル数）との関係を調べる試験を行ったところ、表５に示すような結果が得られた。

試験６：
ＬＲ０３型アルカリ乾電池について、薄肉部厚さと、７０℃／９０％ＲＨの環境下で３０日間保存した後の漏液発生率（発生数／サンプル数）との関係を調べる試験を行ったところ、表６に示すような結果が得られた。

試験７：
ＬＲ０３型アルカリ乾電池について、薄肉部厚さと、７０℃／９０％ＲＨの環境下で４０日間保存した後の漏液発生率（発生数／サンプル数）との関係を調べる試験を行ったところ、表７に示すような結果が得られた。

試験８：
ＬＲ０３型アルカリ乾電池について、薄肉部の総面積率（％）と、７０℃／９０％ＲＨの環境下で２０日間保存した後の水分浸入量と漏液発生率（発生数／サンプル数）との関係を調べる試験を行ったところ、表８に示すような結果が得られた。

以上の試験結果（表１〜８）からもあきらかなように、本発明のアルカリ乾電池１０は、中央ボス部３１、外周部３２、中間隔壁部３３、第１の薄肉部３５、第２の薄肉部３６を有する封口ガスケット３０の形状構造と、このガスケット３０をポリヘキサメチレンドデカミド（ナイロン６−１２）で構成するという素材構成との組み合わせにより、アルカリ乾電池における安全弁動作の信頼性と耐漏液性能を、部品数の少ない低コストな封口構造でもって確実に向上させることができる。

また、上記試験４〜７の結果（表４〜７）は、薄肉部の厚さを０．２５ｍｍとすることが耐漏液性の向上に有効であることを示している。

試験８の結果（表８）は、本名発明の構成によれば薄肉部の面積割合を５％以上に拡大しても耐漏液性能が得られることを示している。薄肉部による応力緩衝効果を得るためには、その薄肉部の面積割合を５％以上にすることが望ましいが、従来の構成では薄肉部の面積割合を５％以上にすると、漏液性能が低下するという背反があった。しかし、本発明の構成では、漏液性能を向上させながら、薄肉部の面積割合を５％以上に拡大して良好な応力緩衝効果を得ることができる。

本発明によれば、アルカリ乾電池における安全弁動作の信頼性と耐漏液性能を、部品数の少ない低コストな封口構造でもって確実に向上させることができる。

本発明によるアルカリ乾電池とその封口ガスケットの一実施例を示す断面図である。 従来のアルカリ乾電池と本発明のアルカリ電池のガスケット変形状態をそれぞれ示す部分断面図である。 従来の無補強式封口ガスケットを用いたアルカリ乾電池とその封口ガスケットの構成を示す断面図である。

符号の説明

１０ アルカリ乾電池（本発明）
１０' アルカリ乾電池（本発明）
１５ 電池ケース
１６ 開口部
２０ 発電要素
２１ 正極合剤
２２ セパレータ
２３ 負極合剤
２５ 負極集電子
３０ ガスケット（ポリヘキサメチレンドデカミド／ナイロン６−１２製）
３０' ガスケット（ポリヘキサメチレンアジパミド／ナイロン６６製）
３１ 中央ボス部
３２ 外周部
３３ 中間隔壁部
３５ 第１の薄肉部
３６ 第２の薄肉部
４０ 負極端子板
４１ ガス抜き用の小孔
４２ 周縁部

Claims (5)

1. 管状に成形された正極合剤の内側にアルカリ電解液が含浸されたセパレータが配置され、このセパレータの内側にゲル状の負極合剤が充填されたアルカリ発電要素と、この発電要素を収容して正極端子および正極集電体を兼ねる有底円筒状の金属製電池ケースと、上記発電要素の負極合剤中に挿入される棒状の金属製負極集電子が内側面に立設固定された皿状の金属製負極端子板と、上記電池ケースと上記負極端子板の間に補強部材を介さずに単独で介装されてその電池ケースを気密シールするポリアミド樹脂製封口ガスケットとを有するアルカリ乾電池において、
   上記封口ガスケットは、上記負極集電子が貫通する中央ボス部と、上記電池ケースの開口部と上記負極端子板の周縁部の間に介在するとともにその電池ケースの開口部が内側に屈曲加工されて生じる応力変形により気密シール状態を形成する外周部と、上記ボス部と上記外周部の間に位置する中間隔壁部と、上記ボス部と上記隔壁部の間の環状部分に形成された第１の薄肉部による安全弁と、上記外周部と上記隔壁部の間の環状部分にて鉛直方向に屈曲迂回するように形成された第２の薄肉部による応力緩衝部とを有する一体成形品であるとともに、その構成素材であるポリアミド樹脂がポリヘキサメチレンドデカミドであることを特徴とするアルカリ乾電池。
2. 請求項１において、上記薄肉部が０．２５ｍｍ以下の厚さに形成されていることを特徴とするアルカリ乾電池。
3. 請求項１または２において、上記応力緩衝部がＵ字状の断面形状をなす薄肉部により形成されていることを特徴とするアルカリ乾電池。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、上記薄肉部の総面積が電池の円周断面積に対して５％以上であることを特徴とするアルカリ乾電池。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のアルカリ乾電池に使用する安全弁機能付きポリアミド樹脂製封口ガスケットであって、上記負極集電子が貫通する中央ボス部と、上記電池ケースの開口部と上記負極端子板の周縁部の間に介在するとともにその電池ケースの開口部が内側に屈曲加工されて生じる応力変形により気密シール状態を形成する外周部と、上記ボス部と上記外周部の間に位置する中間隔壁部と、上記ボス部と上記隔壁部の間の環状部分に形成された第１の薄肉部による安全弁と、上記外周部と上記隔壁部の間の環状部分にて鉛直方向に屈曲迂回するように形成された第２の薄肉部による応力緩衝部とを有する一体成形品であるとともに、その構成素材である上記ポリアミド樹脂がポリヘキサメチレンドデカミドであることを特徴とするアルカリ乾電池用封口ガスケット。
   

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