JP2005071908A - アルカリ乾電池 - Google Patents

Abstract

【課題】円筒部セパレータの底面側端部を固定し、かつアルカリ乾電池が振動や衝撃を受けた場合でも移動しない底部セパレータを用いることにより、放電特性に優れた高信頼性のアルカリ乾電池を提供する。
【解決手段】アルカリ乾電池における底部セパレータ９が、第一の底面部１０ａ、および前記第一の底面部の周辺において円筒部セパレータ４の内側に沿って立ち上がる第一の立ち上がり部１０ｂを有する第一の底紙１０と、第二の底面部１１ａ、および前記第二の底面部の周辺において円筒部セパレータの外側に沿って立ち上がる第二の立ち上がり部１１ｂを有する第二の底紙とからなり、前記第一の立ち上がり部と、前記第二の立ち上がり部とにより前記円筒部セパレータの端部が挟まれている。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルカリ乾電池、さらに詳しくはアルカリ乾電池における正極合剤とゲル状負極とを隔離するセパレータの構造に関する。

従来より、セパレータの隔離性および電池の放電特性を改善するために、円筒部セパレータおよび底部セパレータ（底紙）からなる有底円筒状のセパレータの構造を改良する試みがなされている。
例えば、特許文献１では、底紙の周辺に円筒部セパレータの内側に沿って立ち上がる立ち上がり部を設けることが提案されている。しかし、電池が振動や衝撃を受けると、ゲル状負極の流動に伴い底紙が歪んだり、ずれたりする可能性がある。このとき、円筒部セパレータと底紙との間に隙間が生じ、その隙間からゲル状負極が外側（正極を兼ねた電池ケース側）に漏れ出し、内部短絡を生じてしまうという問題がある。

また、特許文献２では、底紙の周辺に円筒部セパレータの外側に沿って立ち上がる立ち上がり部を設けることが提案されている。しかし、この立ち上がり部が円筒部セパレータの外側に位置するため、円筒部セパレータの側面を内側に押す力が働き、これによって円筒部セパレータが内側に曲がる場合がある。このとき、正極合剤とゲル状負極との極間距離が大きくなり、電池の内部抵抗が増大することにより、放電特性が低下するという問題がある。このような現象は、電池サイズが大きいほど起こりやすくなる。
特開平１０−３３４８７８号公報 特開平１１−３２９３９６号公報

そこで、本発明は、上記のような従来の問題を解決するために、円筒部セパレータの底面側端部を固定し、かつアルカリ乾電池が振動や衝撃を受けた場合でも移動しない底部セパレータを用いることにより、放電特性に優れた高信頼性のアルカリ乾電池を提供することを目的とする。

本発明のアルカリ乾電池は、電池ケース、前記電池ケースに内接する中空円筒状の正極合剤、前記正極合剤の内側に配された円筒部セパレータ、前記円筒部セパレータの一方の端に配された底部セパレータ、ならびに前記円筒部セパレータおよび底部セパレータの内側に充填されたゲル状負極を具備するアルカリ乾電池であって、
前記底部セパレータが、第一の底紙および前記第一の底紙の外側に重ねて配された第二の底紙からなり、
前記第一の底紙が、第一の底面部、および前記第一の底面部の周辺において前記円筒部セパレータの内側に沿って立ち上がる第一の立ち上がり部を有し、
前記第二の底紙が、第二の底面部、および前記第二の底面部の周辺において前記円筒部セパレータの外側に沿って立ち上がる第二の立ち上がり部を有し、
前記第一の立ち上がり部と、前記第二の立ち上がり部とにより前記円筒部セパレータの端部が挟まれていることを特徴とする。

前記第二の底紙が複数の層からなることが好ましい。
前記複数の層のうち少なくとも一つの層は、再生セルロースからなる薄膜であることが好ましい。
前記底部セパレータが、前記円筒部セパレータよりも薄いことが好ましい。

本発明によれば、円筒部セパレータの底面側端部を固定し、かつアルカリ乾電池が振動や衝撃を受けた場合でも移動しない底部セパレータを用いることにより、放電特性に優れた高信頼性のアルカリ乾電池を提供することができる。

以下、本発明のアルカリ乾電池の一実施形態について図１を参照しながら説明する。図１は、円筒形アルカリ乾電池の一部を断面とした正面図である。
正極端子を兼ね、底面中央に凹部を有する有底円筒形の電池ケース１の内側に、中空円筒状の正極合剤２が配され、正極合剤２の内側にセパレータを介してゲル状負極３が充填されている。

前記正極合剤２には、例えば、正極活物質として二酸化マンガンと、導電剤として黒鉛と、アルカリ電解液として水酸化ナトリウム水溶液とを所定の重量比で混合したものが用いられる。
前記ゲル状負極３には、例えば、負極活物質として亜鉛粉末と、ゲル化剤としてポリアクリル酸ナトリウムと、アルカリ電解液として水酸化ナトリウム水溶液とを所定の重量比で混合したものが用いられる。

前記セパレータは、円筒部セパレータ４および底部セパレータ９からなり、前記正極合剤２とゲル状負極３とを隔離している。前記底部セパレータ９は、第一の底紙１０および前記第一の底紙１０の外側に重ねて配された第二の底紙１１からなる。
前記第一の底紙１０は、円筒部セパレータ４の底面に位置する第一の底面部１０ａ、および前記底面部１０ａの周辺において前記円筒部セパレータ４の内側に沿って立ち上がる第一の立ち上がり部１０ｂを有する。一方、前記第二の底紙１１は、円筒部セパレータ４の底面に位置する第二の底面部１１ａ、および前記底面部１１ａの周辺において前記円筒部セパレータ４の外側に沿って立ち上がる第二の立ち上がり部１１ｂを有する。そして、前記第一の立ち上がり部と、前記第二の立ち上がり部１１ｂとにより前記円筒部セパレータ４の端部が挟まれている。前記第一の底面部１０ａは、第二の底面部１１ａと接していることが好ましく、ゲル状負極３の収納容積を大きくすることができる。

第二の底紙１１の立ち上がり部１１ｂにより円筒部セパレータ４の端部が内側へ曲がろうとしても、第一の底紙１０の立ち上がり部１０ｂがそれを阻止するため、円筒部セパレータ４を直立した状態で維持することができる。このため、円筒部セパレータ４が内側に曲がることにより、正極合剤２とゲル状負極３との極間距離が増大し、電池の内部抵抗が上昇し、電池の放電特性が低下するのを防止することができる。
また、電池が振動や衝撃を受けた場合でも、第一の底紙１０が第二の底紙１１により外側から挟持されるため、第一の底紙１０の移動によるゲル状負極３の漏出を防止することができる。これにより、ゲル状負極３が電池ケース１側に漏出し、電池ケース１と接触することにより起こる内部短絡を防止することができる。

円筒部セパレータ４には、例えば、ポリビニルアルコール繊維およびレーヨン繊維を主体として混抄した不織布が用いられる。
前記第一の底紙１０には、例えば、ポリビニルアルコール等の合成繊維、クラフト紙等が用いられる。
前記第二の底紙１１には、イオンのみを透過させる微孔性フィルムが用いられ、例えば、再生セルロースからなる微孔性薄膜（セロハン）の両面にポリビニルアルコール系合成繊維からなる不織布をラミネートしたものが用いられる。

ゲル状負極３を増量できるため、前記底部セパレータ９が、前記円筒部セパレータ４よりも薄いことが好ましい。
前記第二の底紙１１が複数の層からなり、そのうち少なくとも一つの層は、再生セルロースからなる薄膜であることが好ましい。再生セルロースの薄膜により、反応生成物である酸化亜鉛の針状結晶が、底紙を突き破ることにより生じる内部短絡を防止することができる。

ガスケット５および負極端子を兼ねた底板７と一体化した負極集電子６はゲル状負極３の中央に差し込まれている。そして、電池ケース１の開口端部が、ガスケット５の端部を介して底板７の周縁部にかしめつけられることにより、電池ケース１の開口部は封口される。電池ケース１の外表面には、外装ラベル８が被覆される。
以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明は、これらのみに限定されない。

《実施例１》
以下に示す方法により図１と同様の構成のアルカリ乾電池を作製した。
正極活物質として二酸化マンガンと、導電剤として黒鉛とを９０：１０の重量比で混合した。この混合物と、電解液として４０重量％の水酸化ナトリウム水溶液とを１００：３の重量比で混合し、充分に攪拌した後、フレーク状に圧縮成形した。ついで、フレーク状の正極合剤を粉砕して顆粒状とし、これを篩によって分級し、１０〜１００メッシュのものを中空円筒状に加圧成形してペレット状の正極合剤２を得た。
この正極合剤２を電池ケース１内に３個挿入し、加圧治具により正極合剤２を再成形して電池ケース１の内壁に密着させた。

円筒状の所定の治具を用い、ポリビニルアルコール繊維およびレーヨン繊維を主体として混抄した不織布からなる厚さ０．２５ｍｍの不織布二枚を重ねたものを二重に巻くことにより、厚さ１．０ｍｍの円筒部セパレータ４を得た。円筒部セパレータ４が治具に巻かれた状態で、さらにこの治具の先端に第二の底紙１１を配した。そして、第二の底紙１１が円筒部セパレータ４の端部を包み込むように、第二の底紙１１および円筒部セパレータ４を正極合剤２の中空部に挿入した。このようにして、正極合剤２の内壁に円筒部セパレータ４を配し、電池ケース１の底部に第二の底紙１１をそれぞれ配置した。さらに、治具の先端に第一の底紙１０を備え付け、これを円筒部セパレータ４の内側に挿入することにより、円筒部セパレータ４の内側に沿って立ち上がる立ち上がり部１０ｂを有する第一の底紙１０を配した。このとき、第一の底面部１０ａが、第二の底面部１１ａと接するように配した。
このようにして、底部セパレータ９を第一の底紙１０および第二の底紙１１により構成した。

なお、第二の底紙１１には、再生セルロースからなる薄膜の両面にポリビニルアルコール繊維からなる不織布をラミネートして得られた厚さ０．２ｍｍの原紙を、一辺の長さが円筒部セパレータ４の外径より大きな正方形に切断したものを用いた。
また、第一の底紙１０には、主にポリビニルアルコール繊維からなる厚さ約０．５ｍｍの不織布を、一辺の長さが円筒部セパレータ４の内径より大きな正方形に切断したものを用いた。

上記のように設置した円筒部セパレータ４および底部セパレータ９からなる有底円筒状セパレータ内に、所定量のアルカリ電解液を注入した。所定時間経過した後、ゲル状負極３をこのセパレータ内に充填した。なお、ゲル状負極３には、ゲル化剤としてポリアクリル酸ナトリウムと、アルカリ電解液として４０重量％の水酸化ナトリウムと、負極活物質として亜鉛粉末とを１：３３：６６の重量比で混合したものを用いた。
負極集電子６をゲル状負極３の中央に差し込んだ。なお、負極集電子６には、ガスケット５および負極端子を兼ねた底板７を一体化させた。そして、電池ケース１の開口端部を、ガスケット５の端部を介して底板７の周縁部にかしめつけ、電池ケース１の開口部を封口した。外装ラベル８で電池ケース１の外表面を被覆して、単１形アルカリ乾電池を作製した。

《比較例１》
円筒状の所定の治具を用い、実施例１と同様の円筒部セパレータ４を得た。この円筒部セパレータ４を電池ケース１内に配された正極合剤２の中空部に挿入した。次に、治具の先端に実施例１の第一の底紙１０と同様の底紙１９を備え付けた。そして、これを円筒部セパレータ４の内側に挿入し、円筒部セパレータ４の内側に沿って立ち上がる立ち上がり部１９ａを有する底紙１９を配することにより、底部セパレータを構成した。
このように底部セパレータを底紙１９で構成した以外は、実施例１と同様の方法により図２に示す構成の単１形アルカリ乾電池を作製した。

《比較例２》
円筒状の所定の治具を用い、実施例１と同様の円筒部セパレータ４を得た。この円筒部セパレータ４が治具に巻かれた状態で、さらにこの治具の先端に実施例１の第二の底紙１１と同様の底紙２９を備え付けた。そして、底紙２９が円筒部セパレータ４の端部を包み込むように底紙２９および円筒部セパレータ４を電池ケース１内に配された正極合剤２の中空部に挿入した。このようにして、正極合剤２の内側に、円筒部セパレータ４、および前記円筒部セパレータ４の外側に沿って立ち上がる立ち上がり部２９ａを有する底紙２９とを配した。
このように底部セパレータを底紙２９で構成した以外は、実施例１と同様の方法により図３に示す構成の単１形アルカリ乾電池を作製した。
上記で得られた実施例１ならびに比較例１および２の各電池１００個ずつを用いて下記の評価を行った。

［評価］
（１）振動試験
２０℃環境下で電池電圧を測定した後、負極端子（底板）側を上にした状態でＪＩＳ規定の振動試験（ＪＩＳ Ｃ ００３６）に従い、試験条件として試験振動数範囲を１〜１００Ｈｚとし、加速度スペクトル密度を１．０（ｍ／ｓ²）²／Ｈｚとし、平坦な加速度スペクトル密度曲線により試験を３分間実施した。振動試験が終了した後、１時間経過した時点で、２０℃環境下で電池電圧を再度測定した。このとき、試験前後で電池電圧が２ｍＶ以上降下した電池の個数を調べた。その結果を表１に示す。

比較例１では、振動で底紙１９がずれることにより、ゲル状負極３が漏出して正極端子を兼ねた電池ケース１と接触したため、電池の内部短絡が生じ電池電圧が大きく低下した電池が多くみられた。また、比較例２では、電池電圧が大きく低下した電池がわずかにみられた。電圧低下の大きかった電池では、振動による底紙のずれはなかったが、円筒部セパレータ４と底紙２９との隙間を少量のゲル状負極３が通り、正極合剤２と接触することにより、内部短絡を生じていた。

一方、実施例１では、第二の底紙１１の立ち上がり部１１ｂによる円筒部セパレータ４の内側にかかる力と、第一の底紙１０の立ち上がり部１０ｂによる円筒部セパレータ４の外側にかかる力により、第一の底紙１０、第二の底紙１１、および円筒部セパレータ４の３つの部位が固定された。このため、振動が加えられても、ゲル状負極３が円筒部セパレータ４および底部セパレータ９の外側に漏れ出すことがなく、電池電圧が大きく低下した電池は全くみられなかった。

（２）内部抵抗の測定
正極端子側を上にした状態で電池を２０℃環境下で１週間保管した。そして、保管後の電池の内部抵抗を交流抵抗計にて測定した。その結果を表２に示す。

比較例２では、内部抵抗値が高い電池がみられた。これは正極端子側における円筒部セパレータ４の端部が内側に曲がり、正極合剤２とゲル状負極３との極間距離が増大したためであると考えられる。
一方、実施例１では、第一の底紙１０により円筒部セパレータ４の端部における内側への曲がりが抑えられたため、内部抵抗は小さく、またそのばらつきも小さかった。これにより、実施例１では信頼性の高い電池が得られることがわかった。

（３）放電試験
正極端子側を上にした状態で電池を２０℃で１週間保管後、２０℃環境下で１５００ｍＡの定電流で連続放電した。このとき、電池電圧が０．９Ｖを下回るまでの放電持続時間を測定した。その結果を表３に示す。

実施例１の方が比較例２よりも、放電持続時間の最大値と最小値の差が小さく、放電特性のばらつきが小さいことがわかった。比較例２では、上記のように１週間保管した後に、円筒部セパレータ４の端部が内側に曲がり、内部抵抗が増大した電池がみられた。このため、内部抵抗がばらつき、放電性能のばらつきが大きくなったと考えられる。一方、実施例１では、第一の底紙１０により円筒部セパレータ４の端部における内側への曲がりが抑えられたため、内部抵抗のばらつきが小さく、放電性能のばらつきが小さくなったものと考えられる。

以上のように、本発明のアルカリ乾電池は、円筒部セパレータの底面側端部を固定し、かつアルカリ乾電池が振動や衝撃を受けた場合でも移動しない底部セパレータを用いているため、高信頼性を要するアルカリ乾電池に適用できる。

本発明の実施例１のアルカリ乾電池の一部を断面とした正面図である。 従来の比較例１のアルカリ乾電池の一部を断面とした正面図である。 従来の比較例２のアルカリ乾電池の一部を断面とした正面図である。

符号の説明

１ 電池ケース
２ 正極合剤
３ ゲル状負極
４ 円筒部セパレータ
５ ガスケット
６ 負極集電子
７ 底板
８ 外装ラベル
９ 底部セパレータ
１０ 第一の底紙
１０ａ 第一の底面部
１０ｂ 第一の立ち上がり部
１１ 第二の底紙
１１ａ 第二の底面部
１１ｂ 第二の立ち上がり部
１９、２９ 底紙
１９ａ、２９ａ 立ち上がり部

Claims (4)

1. 電池ケース、前記電池ケースに内接する中空円筒状の正極合剤、前記正極合剤の内側に配された円筒部セパレータ、前記円筒部セパレータの一方の端に配された底部セパレータ、ならびに前記円筒部セパレータおよび底部セパレータの内側に充填されたゲル状負極を具備するアルカリ乾電池であって、
   前記底部セパレータが、第一の底紙および前記第一の底紙の外側に重ねて配された第二の底紙からなり、
   前記第一の底紙が、第一の底面部、および前記第一の底面部の周辺において前記円筒部セパレータの内側に沿って立ち上がる第一の立ち上がり部を有し、
   前記第二の底紙が、第二の底面部、および前記第二の底面部の周辺において前記円筒部セパレータの外側に沿って立ち上がる第二の立ち上がり部を有し、
   前記第一の立ち上がり部と、前記第二の立ち上がり部とにより前記円筒部セパレータの端部が挟まれていることを特徴とするアルカリ乾電池。
2. 前記第二の底紙が複数の層からなることを特徴とする請求項１記載のアルカリ乾電池。
3. 前記複数の層のうち少なくとも一つの層は、再生セルロースからなる薄膜であることを特徴とする請求項２記載のアルカリ乾電池。
4. 前記底部セパレータが、前記円筒部セパレータよりも薄いことを特徴とする請求項１記載のアルカリ乾電池。

Images