JP7644596B2 - ガスケット部材の評価方法及び電池 - Google Patents

Description

本発明は、ガスケット部材の評価方法及び電池に関する。

筒型電池では、円筒状の電池缶と、電池缶内に格納する正極材料と、電池缶内に格納する負極材料と、正極材料と負極材料との間を隔離する、円筒状のセパレータ部材と、電池缶の負極端子側の開口を封口するガスケット部材とを有する。

この際、電池缶の負極端子側の開口をガスケット部材で封口する方法としては、ガスケット部材を直径方向に加締める横締め方式がある。

特開２０１１－１９２６３６号公報

横締め方式で電池缶の開口をガスケット部材で封口する場合には、加締め後のガスケット部材の直径が加締め前のガスケット部材の直径に比べて小さくなるため、直径変化によって加締め後のガスケット部材の直径方向に撓みが発生する。そこで、ガスケット部材の直径方向の撓みを吸収すべく、ガスケット部材に緩衝部を設けたものがある。

しかしながら、ガスケット部材の緩衝部は、緩衝部の板厚を薄くすることで撓みを吸収し易くなるが、板厚の強度不足によって亀裂が生じ、電池缶の開口から液漏れ発生のリスクが生じる。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、液漏れ発生のリスクを抑制できるガスケット部材の評価方法及び電池を提供することを目的とする。

本願の開示するガスケット部材の評価方法の一態様は、電池缶の開口を封口する、筒型電池用のガスケット部材であって、前記電池缶の内部に設けられた集電棒を支持する筒状の支持部と、前記電池缶に支持される外周部と、前記支持部と前記外周部との間の前記支持部側に形成された環状の中間部と、前記中間部と前記外周部との間に形成され、前記外周部を前記中間部に対して弾性変形可能にする緩衝部とを備える。前記緩衝部は、前記集電棒の軸方向において前記外周部から延びると共に、折り返して前記中間部に連結される、底部を有する突形状である。前記緩衝部を評価する際に、前記集電棒の軸方向に延びる前記緩衝部の高さと、前記底部の板厚と、前記電池缶に対して前記ガスケット部材を加締めて前記電池缶の開口を封口する際の加締め前後の前記ガスケット部材の直径方向の変化量とを用いる。

本願の開示するガスケット部材の評価方法の一態様によれば、液漏れ発生のリスクを抑制できる。

図１は、実施例の筒型電池を示す縦断面図である。 図２は、実施例の筒型電池の要部を示す縦断面図である。 図３は、加締め前のガスケット部材を示す断面図である。

以下に、本願の開示するガスケット部材の評価方法等の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施例によって、本願の開示するガスケット部材が限定されるものではない。

（筒型電池の構成）
図１は、実施例の筒型電池１を示す縦断面図である。図１に示すように、実施例の筒型電池１は、例えば、水溶液系一次電池、いわゆる乾電池である。筒型電池１は、開口３ａを有する円筒状の電池缶３と、集電棒４と、正極材料５と、負極材料６と、正極材料５と負極材料６とを仕切るセパレータ部材７と、電池缶３の開口３ａを封止するガスケット部材８とを備える。また、筒型電池１は、電極端子として、電池缶３の一端に形成された正極端子１１と、電池缶３の他端に配置された負極端子１２とを有する。

電池缶３の一端には、正極端子１１が一体に形成されている。電池缶３の他端には、電池缶３の外周に沿ってビーディング加工されたくびれ部（ビーディング部）３ｂが形成されている。電池缶３のくびれ部３ｂには、開口３ａを塞ぐように負極端子１２及びガスケット部材８が設けられている。集電棒４は、電池缶３の内部の中央に配置されている。集電棒４は、基端部がガスケット部材８に支持されており、先端部が正極端子１１側に向かって延びている。集電棒４は、例えば、真鍮等で形成する。

負極材料６は、電池缶３の内部における集電棒４の周囲に設けられた円筒状の材料であり、セパレータ部材７の内側に装填されている。また、負極材料６は、例えば、亜鉛を主成分とするゲル状の負極合剤が用いられる。正極材料５は、電池缶３内に、その内周面に沿って装填されている。そして、正極材料５は、電池缶３の内部に収容された負極材料６の外周側に、セパレータ部材７を挟んで設けられている。正極材料５としては、例えば、リング状の正極合剤が用いられており、集電棒４の軸方向に沿って複数のリング状の正極合剤が積層されて配置されている。セパレータ部材７は、例えば、不織布等によって円筒状に形成されており、正極材料５の内側、かつ、集電棒４の軸方向に沿って配置されている。

（ガスケット部材）
図２は、実施例の筒型電池１の要部を示す縦断面図である。図３は、加締め前のガスケット部材８を示す断面図である。図２に示すように、筒型電池１のガスケット部材８は、集電棒４の一端部を支持する支持部としての円筒状の中央部１５と、中央部１５の外周に沿って形成された環状の安全弁１６と、電池缶３の開口３ａに支持される環状の外周部１７とを有する。また、ガスケット部材８は、安全弁１６と外周部１７との間の安全弁１６側に形成された環状の中間部１８と、中間部１８と外周部１７との間に形成され、外周部１７を中間部１８に対して弾性変形可能にする緩衝部１９とを有する。

中央部１５は、集電棒４が通される支持穴１５ａを有しており、図２に示すように、集電棒４が負極端子１２に接するように支持穴１５ａに支持されている。外周部１７は、電池缶３のくびれ部３ｂ近傍と負極端子１２の外周部との間に加締めで挟み込まれることで、ガスケット部材８が電池缶３に支持されている。

中間部１８には、図２に示すように、セパレータ部材７の端部が突き当てられており、負極材料６が収容された空間が、セパレータ部材７によって塞がれている。安全弁１６は、電池缶３の内部ガスの圧力で破断される溝状の肉薄部分である。

緩衝部１９は、中間部１８と外周部１７との間に形成されており、セパレータ部材７の外周側に配置されている。緩衝部１９は、集電棒４の軸方向において外周部１７から延びると共に、折り返して中間部１８に連結されることで、底部１９ａを有するひだ状の突形状である。

ガスケット部材８の緩衝部１９は、横締め方式で、電池缶３のくびれ部３ｂ近傍と負極端子１２の外周部との間にガスケット部材８の外周部１７が挟み込まれることで、外周部１７を中間部１８に対して、図３の状態から図２の状態に弾性変形する。つまり、ガスケット部材８は、電池缶３の開口３ａの封口後に直径方向に撓むことになる。そこで、ガスケット部材８の直径方向の撓みを吸収しながら、緩衝部１９の底部１９ａの亀裂が発生しないように緩衝部１９を設計する必要がある。

そこで、本出願人は、緩衝部１９の高さ寸法ｈ、緩衝部１９の底部１９ａの板厚寸法ｍ及び封口前後である加締め前後のガスケット部材８の直径方向の変化量ｘに着目した。緩衝部１９は、高さ寸法ｈを高くした場合、ガスケット部材８の横方向の加締め時の底部１９ａの角度変化が小さくなるため、底部１９ａにかかる歪も小さく、底部１９ａの亀裂発生のリスクが小さくなる。

緩衝部１９の底部１９ａは、ガスケット部材８の横方向の加締めに応じて弾性変形が集中して亀裂が発生しやすい箇所である。従って、緩衝部１９の底部１９ａは、板厚寸法ｍを厚くした場合、その底部１９ａの強度が高くなることで亀裂発生のリスクが小さくなる。

横方向の加締め前後のガスケット部材８は、直径変化量ｘが小さくなるほど、緩衝部１９の変形量が小さくなるため、緩衝部１９の亀裂発生のリスクが小さくなる。

従って、緩衝部１９の高さ寸法ｈ及び底部１９ａの板厚寸法ｍの値が大きくなるほど緩衝部１９の亀裂発生のリスクを小さくでき、直径変化量ｘが小さくなるほど緩衝部１９の亀裂発生のリスクを小さくできる。これらの点を踏まえ、本出願人は、計算式ｈ×ｍ÷ｘで算出する計算値が大きくなるほど、緩衝部１９の亀裂発生のリスクが小さくなることを見出した。

そこで、出願人は、緩衝部１９の高さ寸法ｈ、底部１９ａの板厚寸法ｍ及びガスケット部材８の直径変化量ｘを変更した、６．１２ナイロン材質のガスケット部材８を準備し、これらの各ガスケット部材８で単３アルカリ電池を試作した。そして、６０℃ＲＨＱ９０％の保存試験を実行し、緩衝部１９の亀裂の有無を確認し、上記計算式のしきい値を求めた。（表１）は、試験例１～４の試験結果を表にまとめたものである。

試験例１のガスケット部材８は、緩衝部１９の高さ寸法ｈを１．５ｍｍ、緩衝部１９の底部１９ａの板厚寸法ｍを０．２５ｍｍ、ガスケット部材８の直径変化量ｘを０．３２ｍｍとした。試験例１のガスケット部材８は、６０℃ＲＨＱ９０％の１００日後の保存試験で、緩衝部１９の亀裂はなしであった。この際のｈ×ｍ÷ｘの計算結果αは１．２である。

試験例２のガスケット部材８は、緩衝部１９の高さ寸法ｈを０．４８ｍｍ、緩衝部１９の底部１９ａの板厚寸法ｍを０．４２ｍｍ、ガスケット部材８の直径変化量ｘを０．３２ｍｍとした。試験例２のガスケット部材８は、６０℃ＲＨＱ９０％の１００日後の保存試験で、緩衝部１９の亀裂はなしであった。この際のｈ×ｍ÷ｘの計算結果αは０．６である。

試験例３のガスケット部材８は、緩衝部１９の高さ寸法ｈを０．５５ｍｍ、緩衝部１９の底部１９ａの板厚寸法ｍを０．２５ｍｍ、ガスケット部材８の直径変化量ｘを０．３２ｍｍとした。試験例３のガスケット部材８は、６０℃ＲＨＱ９０％の１００日後の保存試験で、緩衝部１９の亀裂はありとなった。この際のｈ×ｍ÷ｘの計算結果αは０．４である。

試験例４のガスケット部材８は、緩衝部１９の高さ寸法ｈを０．４５ｍｍ、緩衝部１９の底部１９ａの板厚寸法ｍを０．３５ｍｍ、ガスケット部材８の直径変化量ｘを０．３２ｍｍとした。試験例４のガスケット部材８は、６０℃ＲＨＱ９０％の１００日後の保存試験で、緩衝部１９の亀裂はなしであった。この際のｈ×ｍ÷ｘの計算結果αは０．５である。

計算結果αが０．５以上の場合に緩衝部１９の亀裂が発生せず、良好な結果となっている。従って、ガスケット部材８を設計する際にはｈ×ｍ÷ｘの計算結果αは０．５以上になるように緩衝部１９の高さ寸法ｈ、底部１９ａの板厚寸法ｍ及びガスケット部材８の直径変化量ｘを設定することで適合した緩衝部１９が得られることが分かる。

その結果、適合した緩衝部１９のガスケット部材８を採用することで、横方向の加締めによるガスケット部材８の緩衝部１９の亀裂による液漏れを抑制できる筒型電池１を提供できることになる。

（筒型電池１の製造工程）
以上のように構成された筒型電池１の製造工程について、工程順に説明する。
（１）例えば、電解二酸化マンガン、黒鉛、バインダー、水酸化カリウム溶液を用いて、正極材料５としての正極合剤を作り、正極合剤をリング状に成型する。
（２）亜鉛合金粉、電解液等を用いて、負極材料６としてのゲル状の負極合剤を作る。
（３）電池缶３の内部に、リング状の正極合剤を収容する。
（４）電池缶３の端部にビーディング加工によってくびれ部３ｂを形成し、ガスケット部材８と電池缶３との接触面にシール剤を塗布する。
（５）電池缶３に収容した正極合剤の内側にセパレータ部材７を挿入する。
（６）セパレータ部材７及び正極合剤に水酸化カリウム電解液を含浸させる。
（７）電池缶３に設けられたセパレータ部材７の内側に負極端子１２側の開口３ａからゲル状の負極合剤を注入する。
（８）ガスケット部材８、集電棒４、負極端子１２を組み付けた集電体を作る。
（９）集電体を電池缶３の開口３ａに組み付けて、電池缶３の開口３ａに対して集電体のガスケット部材８をガスケット部材８の直径方向である横方向から加締めることで、ガスケット部材８で開口３ａを封口する。

（実施例の効果）
本実施例の筒型電池１では、緩衝部１９の高さ寸法ｈと底部１９ａの板厚寸法ｍとを乗算して加締め前後のガスケット部材８の直径方向の変化量ｘで除算する計算結果が０．５以上になるように緩衝部１９を形成する。その結果、底部１９ａの強度を確保することで亀裂発生のリスクを抑制できる。更に、電池缶３の開口３ａからの液漏れのリスクを抑制できる。

ガスケット部材８の評価方法としては、緩衝部１９の高さ寸法ｈと底部１９ａの板厚寸法ｍとを乗算して変化量ｘで除算する計算結果αが０．５以上になるか否かを判定し、計算結果αが０．５以上の場合に緩衝部１９の評価が適合であると評価できる。また、計算結果が０．５未満の場合、緩衝部１９の評価が適合外と評価できる。その結果、底部１９ａの強度を確保することで亀裂発生のリスクを抑制できる。

１ 筒型電池
３ 電池缶
３ａ 開口
４ 集電棒
８ ガスケット部材
１５ 中央部
１６ 安全弁
１７ 外周部
１８ 中間部
１９ 緩衝部
１９ａ 底部

Claims (4)

1. 電池缶の開口を封口する、筒型電池用のガスケット部材であって、
   前記電池缶の内部に設けられた集電棒を支持する筒状の支持部と、
   前記電池缶に支持される外周部と、
   前記支持部と前記外周部との間の前記支持部側に形成された環状の中間部と、
   前記中間部と前記外周部との間に形成され、前記外周部を前記中間部に対して弾性変形可能にする緩衝部と
   を備え、
   前記緩衝部は、
   前記集電棒の軸方向において前記外周部から延びると共に、折り返して前記中間部に連結される、底部を有する突形状である、前記ガスケット部材の評価方法であって、
   前記集電棒の軸方向に延びる前記緩衝部の高さと、前記底部の板厚と、前記電池缶に対して前記ガスケット部材を加締めて前記電池缶の開口を封口する際の加締め前後の前記ガスケット部材の直径方向の変化量とを用いることで前記ガスケット部材の一部である前記緩衝部を評価し、この評価結果に基づき、前記ガスケット部材を評価することを特徴とするガスケット部材の評価方法。
2. 前記緩衝部の評価結果として、
   前記緩衝部の高さと前記底部の板厚とを乗算して前記変化量で除算する計算結果が０．５ｍｍ以上になる場合に前記緩衝部の評価を適合とすることを特徴とする請求項１に記載のガスケット部材の評価方法。
3. 筒型の電池缶と、
   前記電池缶の内部に設けられた集電棒と、
   前記電池缶の開口を封口するガスケット部材と、を有する電池であって、
   前記ガスケット部材は、
   前記集電棒を支持する筒状の支持部と、
   前記電池缶に支持される外周部と、
   前記支持部と前記外周部との間の前記支持部側に形成された環状の中間部と、
   前記中間部と前記外周部との間に形成され、前記外周部を前記中間部に対して弾性変形可能にする緩衝部と
   を備え、
   前記緩衝部は、
   前記集電棒の軸方向において前記外周部から延びると共に、折り返して前記中間部に連結される、底部を有するひだ状の突形状であって、
   前記ガスケット部材は、
   前記集電棒の軸方向に延びる前記緩衝部の高さと、前記緩衝部の高さ寸法に比較して薄くした前記底部の板厚と、前記電池缶に対して前記ガスケット部材を加締めて前記電池缶の開口を封口する際の加締め前後の前記ガスケット部材の直径方向の変化量との関係において、前記緩衝部の高さと前記底部の板厚とを乗算して前記変化量で除算する計算結果が０．５ｍｍ以上になるように構成された前記緩衝部を有することを特徴とする電池。
4. 前記ガスケット部材の材質は、
   ６．１２ナイロンであることを特徴とする請求項３に記載の電池。

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