JP5557453B2 - アルカリ電池 - Google Patents

Description

この発明はアルカリ電池に関し、具体的には、アルカリ電池の電池缶内を構成する鉄材と正極合剤と空気との化学反応に起因する漏液防止技術の改良に関する。

ＬＲ６など、筒型の密封型アルカリ乾電池では、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缶に収容されているとともに、その電池缶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。図２にアルカリ電池の従来例として、ＬＲ６型アルカリ乾電池１ｂの構造を示した。当該電池１ｂは、底部を下方にした有底筒状の金属製電池缶（正極缶）２ｂ、二酸化マンガン主体の粉体をリング状のコアに成形してなる正極合剤３、この正極合剤３の内側に配設された円筒カップ状のセパレータ４、亜鉛合金を含んでセパレータ４の内側に充填される負極ゲル５、この負極ゲル５中に挿入された負極集電子６、負極端子板７、封口ガスケット８などにより構成される。この構造において、正極合剤３、セパレータ４、負極ゲル５が、電解液の存在下でアルカリ電池１ｂの発電要素を形成する。

正極缶２ｂは、ニッケルメッキ処理された鋼鈑を素材とし、電池ケースであるとともに、正極合剤３が圧入されることで、この正極合剤３と接触し、正極集電体と正極端子９を兼ねる。負極ゲル５中に挿入された棒状の金属製負極集電子６は、皿状の金属製負極端子板７の内面に溶接により立設固定されている。負極端子板７、負極集電子６および封口ガスケット８は、あらかじめ一体に組み合わせられている。

このようなアルカリ電池１ｂの組み立て手順としては、まず、正極缶２ｂに正極合剤３を装填した後、当該正極缶２ｂの開口の下方にビーディング部１０を形成し、電解液を充填する。そして、負極端子板７、および負極集電子６と一体化された略円盤状の封口ガスケット８の外周部をビーディング部１０を座にして載置し、この状態で正極缶２ｂの開口をかしめ、負極端子板７の周縁部をガスケット８の縁部を介して当該開口に嵌着する。それによって正極缶２ｂが気密シールされる。

このようなアルカリ電池１ｂにおいて、略円盤状の封口ガスケット８の円盤中央部は、負極集電子６が挿通されるボス部となっており、また、このボス部から円盤外周に向かう部分には、他の部分より薄肉となる溝が画成されており、この溝は、正極缶２ｂ内の内圧が上昇した際に先行破断し、内圧を開放し、電池１ｂが破裂するのを防止する防爆安全機構として動作する。

ところで電池缶２ｂは、外寸が規格によって決められており、より容量を大きくするために、正極缶２ｂの肉厚を封口強度を確保しつつ可能な限り薄くし、発電要素をより多く充填することが必要となる。例えば、以下の特許文献１には、ニッケルメッキ処理された鉄素材を有底筒状に絞り成形し、その有底筒状に形成された正極缶の側面をしごき加工することにより、底部より側面部分の方の厚さを薄くなるように形成している。それによって、限られた外径の筒状電池の内容積を大きくし、多量の発電要素を充填できるようにしている。

特許 第２６１５５２９号公報

上述したように、限られた外寸の電池缶内により多量の発電要素を充填するためには、電池缶の肉厚を薄くすることが効果的である。しかし、肉厚を調整するためのしごき加工は、電池缶の表面のニッケルメッキ層を傷つけ、鉄の素地を表面に露出させる原因となる。アルカリ電池は、図２に示したように、正極合剤３の上方に、電池缶（正極缶）２ｂの内部で放電反応に伴って発生するガスによる内圧上昇を吸収するための緩衝領域となる空気室１１が設けられており、正極合剤３の上端面１２は、空気室１１の空気に晒されている。そして、しごき加工によって電池缶２ｂ内面のメッキ層が剥がれると、正極合剤３の上端面１２における電池缶２ｂとの対向界面１４では、酸素と二酸化マンガンと電池缶２ｂの下地である鉄とがアルカリ溶液下にて存在することになる。

周知のごとく、鉄は、酸化剤である二酸化マンガン（金属酸化物）および酸素（空気）が存在する環境下で溶解する。アルカリ電池１ｂでは、この溶解した鉄イオンが負極物質（亜鉛）と反応するとガスが発生する。このガスは、電池缶２ｂ内の内圧を上昇させる。そして、封口ガスケット８における防爆安全機構が作動して破断すれば、漏液を引き起こす。

そこで本発明は、アルカリ電池において、電池容量に寄与する内容積と、封口強度に起用する電池缶開口部における肉厚とを確保するとともに、正極合剤の上端面における前記電池缶との対向界面におけるしごき加工によって露出した鉄に由来する漏液を防止することにある。

上記目的を達成するために、本発明者らは、トランスファー方式によって製造される電池缶に着目した。トランスファー方式は、金属板を円形に切断してブランクを形成した後、絞り径を順次小さくしたダイスに順次移送しながらパンチで押圧して絞り加工し、順番に底壁の径を縮小しながら、電池缶の側面の高さを延長する多段絞り加工としごき加工とを組み合わせたものである。そして、このトランスファー方式によれば、電池缶の任意の部位にしごき加工を施したり、施さなかったりすることができる。すなわち、容量に寄与する部位についてはしごき加工を施し、しごき加工に関わる上記課題がある部位についてはしごき加工を施さなければ、上記課題を解決することができると考えた。本発明はこのような考察に基づいてなされたものである。

そして本発明は、下方を底部とした正極端子を兼ねる有底円筒状の電池缶内に、中空リング状のコアに成形された正極合剤が装填されるとともに、当該正極合剤のリング内側に円筒カップ状のセパレータを介して配置される負極ゲルとが収納され、前記正極缶の開口部に負極端子板がガスケットを介して嵌着されることで当該正極缶が封口されてなるアルカリ電池であって、
前記円筒状の電池缶は、少なくとも内面にニッケルメッキ処理された鋼鈑を素材としてトランスファー方式によって成形されているとともに、
前記円筒状の電池缶の側面で、当該電池缶の上方開口端から前記正極合剤の上端面における当該電池缶との対向界面までの領域では前記トランスファー方式による電池缶形成過程におけるしごき加工が施されていないことで、当該領域における前記電池缶の内面では前記鋼鈑の鉄が露出しておらず、
前記電池缶において前記正極合剤が装填されている領域ではしごき加工が施されているアルカリ電池としている。

前記ニッケルメッキは、前記電池缶の内面において、１μｍ以上の厚さであればより好ましい。また、前記鋼鈑の鋼種を低炭素鋼とすることも好ましい。

本発明のアルカリ電池によれば、正極缶において、電池容量に寄与する内容積と、封口強度に起用する電池缶開口部における肉厚とを確保するとともに、正極合剤の上端面における前記電池缶との対向界面におけるしごき加工によって露出した鉄に由来する漏液を防止することができる。

本発明の実施例におけるアルカリ電池の正極缶において、しごき加工が施されている部位を示す図である。 一般的なアルカリ電池の構造図である。

＝＝＝アルカリ電池の構造＝＝＝
図１に本実施例のアルカリ電池１ａの構造を示した。（Ａ）は、縦断面図であり、正極缶２ａの底部を下方にして示している。（Ｂ）は、（Ａ）における円２０内の拡大図である。図示したように、本実施例のアルカリ電池１ａの基本的な構造は図２に示した従来のアルカリ電池１ｂと同様である。すなわち、正極端子９を兼ねる有底筒状の電池缶２ａ内に電解液を含む発電要素（３〜５）が収納されたのち、負極集電子６が溶接された負極端子板７が電池缶２の開口にガスケット８を介して嵌着されてなっている。しかし、本実施例のアルカリ電池１ａは、正極缶２ａの作製工程を工夫することで、電池容量に寄与する内容積と封口強度に影響する電池缶２ａ開口部における肉厚とを確保するとともに、正極合剤３の上端面１２における前記電池缶２ａとの対向界面１４で、空気室１１の酸素と、しごき加工によって露出した鉄とが接触することに起因する漏液を防止することができるようになっている。

本実施例では、正極缶２ａは、厚みが０．２５ｍｍで、少なくとも内面にニッケルメッキ層を有する鋼板をトランスファー方式を用いて加工することで作製した。すなわち、多段絞り加工により電池缶２ａの円筒側面を形成しながら、適所にしごき加工を施して電池缶２ａを作成した。本発明では、正極缶２ａにおいて、しごき加工を施した部位、言い換えれば、しごき加工を施していない部位に特徴がある。本実施例では、正極缶２ａの側面において、正極合剤３の上面１２が位置する高さＨ１から開口Ｈ２までの部位（以下、開口〜界面部位）１５には、しごき加工が施されていない。そして、正極缶２ａの内面において、正極合剤３が接している部位（以下、正極対向部位）１６、すなわち、正極合剤３の上面１２の高さＨ１から正極缶２ａの底部の高さＨ３までにはしごき加工が施されて、この部分１６の肉厚が薄くなっている。

＝＝＝漏液試験＝＝＝
本発明の実施例におけるアルカリ電池１ａと図２に示した従来例におけるアルカリ電池１ｂをサンプルとして作製し、漏液試験を行った。サンプルは、トランスファー方式によって作製した正極缶（２ａ，２ｂ）における上記開口〜界面部位１５の厚さｔ１、メッキ層の厚さ（メッキ厚）ｔ２、およびその正極缶（２ａ，２ｂ）の素材を構成する鋼鈑の鋼種を変えた各種アルカリ電池であり、サイズは、ＬＲ６型とした。そして、同じ作製条件のサンプルを５０個ずつ作製した。なお、しごき加工を施す前の正極缶（２ａ，２ｂ）の肉厚は０．２５ｍｍであり、しごき加工を施した正極対向部位１６の肉厚は、各サンプルとも一律に０．１５ｍｍとした。また、鋼種は、低炭素鋼と極低炭素鋼の２種類とした。そして、各サンプルを９０℃の乾燥雰囲気中にて１４日間保存し、保存後の漏液発生頻度に応じて各サンプルの耐漏液性能の優劣を判定した。

表１に各電池における正極缶（２ａ，２ｂ）の作製条件と漏液試験の結果を示した。

上記表１では、耐漏液性能の優劣を、漏液の発生頻度、すなわち各条件のサンプルにおいて、全数５０個に対する漏液したサンプルの個数の発生個数に応じて判定した。表中のマークは、「×（漏液防止効果無し）」「△（漏液防止効果が認められる）」「○（漏液防止効果が大きい）」「◎（確実に漏液を防止できる）」を表し、各判定の基準となる頻度は、各５０個のサンプルの１０個以上に漏液があれば「×」、以下、４〜９個「△」、１〜３個「○」、０個「◎」としている。

ここで、まず、鋼種を低炭素鋼としたサンプル１〜１２についての評価結果を見てみると、開口〜界面部位１５にしごき加工を施さなかった正極缶（２ａ，２ｂ）を使用したサンプル１〜４では、メッキ層がない正極缶を用いたサンプル１以外では、漏液が認められなかったか、その頻度が低かった。具体的には、開口〜界面部位１５にしごき加工を施さず（ｔ１＝０．２５ｍｍ）、メッキ厚ｔ２≧１μｍのサンプル３，４では、漏液が全く認められなかった。また、メッキ厚ｔ２＝０．５μｍのサンプル２では１４％が漏液したが、上記判定基準では「△」となり、漏液防止効果が認められた。

しごき加工により、開口〜界面部位１５を本来の肉厚（ｔ１＝０．２５ｍｍ）から０．５ｍｍ薄くしたｔ１＝０．２ｍｍのサンプル５〜８では、メッキ厚ｔ２＝１．０μｍのサンプル７で１８％、ｔ２＝２．０μｎのサンプル８で４％が漏液した。これにより、開口〜界面部位１５がしごき加工によりわずかに薄くなっていたとしても、メッキ厚ｔ２を１．０μｍ以上とすることで、ある程度漏液を防止できることもわかった。なお、正極対向部位１６と同じ肉厚（ｔ１＝０．１５ｍｍ）としたサンプル９〜１２のうち、メッキ厚ｔ２＝２．０μｍのサンプル以外はすべて２０％以上に漏液が見られた。これは、メッキ厚ｔ２＝２μｍのサンプル１２では、メッキ層が厚いため、しごき加工によってもメッキ層がある程度残存し、下地である鉄の露出が抑制されたためと思われる。

次に、正極缶（２ａ，２ｂ）の鋼種を極炭素鋼としたサンプル１３〜２４についての評価結果を見ると、開口〜界面部位１５にしごき加工を施さなかったサンプル１３〜１６では、メッキ厚ｔ２を１．０μｍ以上とすることで漏液をある程度防止できることが確認できた。極低炭素鋼を用いた他のサンプルでは、開口〜界面肉厚ｔ１＝０．２０ｍｍで、メッキ厚ｔ２＝２．０μｍのサンプル２０以外では漏液防止効果が認められなかった。
以上の結果から、次の事項（１）〜（３）を確認することができた。

（１）鉄材を母材とするとともに少なくとも内面にニッケルメッキを施され、かつ開口〜界面部位１５にしごき加工が施されていない正極缶２ａを用いたアルカリ電池１ａとすることで、漏液を防止できる。
（２）望ましくは、メッキ厚を１．０μｍ以上とすること。
（３）望ましくは、は正極缶２ａの鋼種を低炭素鋼とすること。
なお、鋼種によって漏液防止効果に差があるのは、低炭素鋼は、鉄の結晶粒が比較的細かく、プレス加工による表面の荒れが少なく、メッキ膜を傷つけにくいためであると考えられる。

このように、上記実施例のアルカリ電池１ａでは、正極缶２ａの開口〜界面部位１５にしごき加工を施していないため、当該正極缶２ａの開口部においては、プレス前鋼鈑の厚さが維持されていることになり、封口強度が十分に保たれる。また、開口〜界面部位１５の下端、すなわち正極合剤３の上面１２において正極缶２ａに接する界面部分１４では、しごき加工によるメッキ層の損傷が少なく、その部分１４で母材である鉄の露出が抑制される。その結果、ガスの発生と、それに伴う無用な安全防爆機構の動作を抑制し、漏液を防止することができる。正極合剤対向部位１６では、しごき加工により正極缶２ａの肉厚が薄くなり、発電に寄与する発電要素の充填容積を十分に確保することができる。

１ａ、１ｂ アルカリ電池
２ａ、２ｂ 電池缶
３ 正極合剤
４ セパレータ
５ 負極ゲル
６ 負極集電子
７ 負極端子板
８ 封口ガスケット
９ 正極端子
１２ 空気室
１２ 正極合剤の上端面
１３ 正極合剤上端面と正極缶内面との界面

Claims (3)

1. 下方を底部とした正極端子を兼ねる有底円筒状の電池缶内に、中空リング状のコアに成形された正極合剤が装填されるとともに、当該正極合剤のリング内側に円筒カップ状のセパレータを介して配置される負極ゲルとが収納され、前記正極缶の開口部に負極端子板がガスケットを介して嵌着されることで当該正極缶が封口されてなるアルカリ電池であって、
   前記円筒状の電池缶は、少なくとも内面にニッケルメッキ処理された鋼鈑を素材としてトランスファー方式によって成形されているとともに、
   前記円筒状の電池缶の側面で、当該電池缶の上方開口端から前記正極合剤の上端面における当該電池缶との対向界面までの領域では前記トランスファー方式による電池缶形成過程におけるしごき加工が施されていないことで、当該領域における前記電池缶の内面では前記鋼鈑の鉄が露出しておらず、
   前記電池缶において前記正極合剤が装填されている領域ではしごき加工が施されている、
   ことを特徴とするアルカリ電池。
2. 前記ニッケルメッキは、前記電池缶の内面において、１μｍ以上の厚さであることを特徴とする請求項１に記載のアルカリ電池。
3. 前記鋼鈑の鋼種は、低炭素鋼であることを特徴とする請求項１または２に記載のアルカリ電池。

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