JP4268851B2

JP4268851B2 - アルカリ乾電池

Info

Publication number: JP4268851B2
Application number: JP2003344308A
Authority: JP
Inventors: 雄治土田; 清英筒井
Original assignee: FDK Energy Co Ltd
Current assignee: FDK Energy Co Ltd
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2023-10-02
Also published as: JP2005108786A

Description

この発明は、アルカリ電解液を含む発電要素を金属製正極缶に収容するとともに、その発電要素の負極合剤中に金属製負極集電子が貫入する構造を有するアルカリ乾電池に関し、たとえばＬＲ６（単３型乾電池）などの円筒型アルカリ乾電池に適用される。

図２は、従来におけるアルカリ乾電池１０'の典型的な断面構成を示す。同図に示すように、ＬＲ６などのアルカリ乾電池は、有底筒状の金属製正極缶１１にアルカリ電解液を含む発電要素１５を収容するとともに、その正極缶１１の開口部を金属製負極端子板２１と樹脂製封口ガスケット３０で封口して構成される。

発電要素１５は、管状に成型固化された正極合剤１６、この正極合剤１６の内側に配置された筒状のセパレータ１７、およびこのセパレータ１７の内側に充填されたゲル状の負極合剤１８により構成される。正極合剤１６は正極作用物質として二酸化マンガンを主成分とし、負極合剤１８は負極作用物質として亜鉛を主成分とする。この２種類の作用物質の放電反応により発電が行われる。

正極合剤１６は正極缶１１に圧入状態で嵌挿されることにより、正極缶１１に直接接触する状態で収容されている。これにより、正極缶１１は正極集電体および正極端子を兼ねる電池ケースとしての機能を担う。負極端子板２１は皿状（またはハット状）であって、その内側面すなわち電池側面には棒状の金属製集電子２５がスポット溶接等により立設されている。この集電子２５は負極合剤１８中に貫入させられている。ガスケット３０は電気絶縁性樹脂を略円盤状に成型したものであって、上記正極缶１１と上記負極端子板２１の間に介在して上記正極缶１１内を封止する。

上述したアルカリ乾電池１０'において放電反応に必要な金属物質は正極作用物質としての二酸化マンガンと負極作用物質としての亜鉛であって、これ以外の金属物質は不必要な劣化反応、たとえば自己放電反応やガス発生反応などを起こす原因となることがある。そして、これらの劣化反応は漏液等のトラブル原因となる。

一方、正極缶１１および負極集電子２５は、電池ケースや集電体としての機能を担う必要上、上記作用物質以外の金属を用いて構成されている。正極缶１１は鋼鈑をプレス加工した金属部品であるが、その鉄による自己放電反応を抑制するために、ニッケルメッキされた鋼鈑が使用されている（たとえば特許文献１）。負極集電子２５もその主材質が銅あるいは真鍮からなる金属部品であるが、これも自己放電反応を抑制するために、表面に錫メッキが施されている。
特開平１１−３２９３７８号公報

上記アルカリ乾電池では、自己放電やガス発生を抑制するために、金属部品である正極缶１１や負極集電子２５にメッキ加工を施しているが、プレス加工時の応力や乾電池製造プロセスでの嵌め合い加工等により鉄などの下地金属が露出するのを防げず、上記劣化反応を抑制させるには不完全な状態であった。

この問題に関して、特許文献２には、上記アルカリ乾電池において正極缶と正極合剤との間にカーボン粉末あるいは金属粉末からなる導電性物質を配設する構成が開示されている。しかし、その導電性物質は正極缶と正極合剤間の電気的接触を改善するためのものであって、上記劣化反応を抑制するものではなかった。

また、特許文献３には、上記アルカリ乾電池の正極缶に塗布する耐アルカリ性導電塗料に関する技術が開示されている。しかし、この開示技術も、正極缶と正極合剤間の電気的接触を改善するためのものであって、上記劣化反応を抑制するものではなかった。本発明者らが知得したところによれば、上記劣化反応は正極缶だけを耐アルカリ処理しても防ぎ得ないことが判明した。

本発明は以上のような問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、アルカリ電解液を含む発電要素の正極合剤側に電気的に接触して正極集電体および正極端子を兼ねる有底筒状の金属製正極缶と、上記発電要素の負極合剤中に貫入する棒状の金属製負極集電子とを有する密閉構造のアルカリ乾電池にあって、正極缶および負極集電子での電気的接触を保ちながら、自己放電反応やガス発生反応などの劣化反応を確実に抑制して、長期保存による漏液発生を防止させることができる技術を提供することにある。
特開平９−２２３５０４号公報特開２００１−１０２０１０号公報

本発明による手段は、アルカリ電解液を含む発電要素を収容するとともにこの発電要素の正極合剤側に電気的に接触して正極集電体および正極端子を兼ねる有底筒状の金属製正極缶と、この正極缶の開口部を塞ぐ皿状の金属製負極端子板と、この負極端子板の電池側面から突き出して上記発電要素の負極合剤中に貫入する棒状の金属製負極集電子と、上記正極缶と上記負極端子板の間に介在して上記正極缶内を封止する電気絶縁性の樹脂製封口ガスケットとを有するアルカリ乾電池であって、上記正極缶および上記負極集電子を含む金属部品が、金属イオン非透過性の導電性プラスチックと一体モールド成型されて、正極および負極の作用物質と当該金属部品の間を両者間での導電性を確保しながら両者間での金属イオンの移動を阻止させるようにしたことを特徴とする。

さらに、上記手段の具体的な実施形態としては、上記導電性プラスチックがポリオレフィン系熱可塑性樹脂とカーボンブラックを混合してなる導電性プラスチックであることが好ましい。

アルカリ電解液を含む発電要素の正極合剤側に電気的に接触して正極集電体および正極端子を兼ねる有底筒状の金属製正極缶と、上記発電要素の負極合剤中に貫入する棒状の金属製負極集電子とを有する密閉構造のアルカリ乾電池にあって、正極缶および負極集電子での電気的接触を保ちながら、自己放電反応やガス発生反応などの劣化反応を確実に抑制して、長期保存による漏液発生を防止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要部断面図である。同図に示す乾電池１０はＬＲ６（単３型乾電池）などの型番規格を有する密閉構造の円筒型アルカリ乾電池であって、有底円筒状で正極集電体および正極端子を兼ねる金属製正極缶１１、アルカリ電解液を含む発電要素１５、皿状（またはハット状）の金属製負極端子板２１、棒状の金属製負極集電子２５、および電気絶縁性の樹脂製封口ガスケット３０などを有する。

発電要素１５は、正極作用物質として二酸化マンガンを含む正極合剤１６と、アルカリ電解液が含浸されるセパレータ１７と、負極作用物質としてゲル状亜鉛を用いた負極合剤１８とにより構成される。正極合剤１６は管状に成型されて上記正極缶１１に圧入状態で嵌挿されている。この正極合剤１６の内側に筒状のセパレータ１７が配置され、このセパレータ１７の内側にゲル状の負極合剤１８が充填されている。そして、この2種類（二酸化マンガンと亜鉛）の発電作用物質の放電反応により発電が行われる。

正極合剤１６は正極缶１１に圧入状態で嵌挿されることにより、正極缶１１に直接接触する状態で収容されている。これにより、正極缶１１は正極集電体および正極端子を兼ねる電池ケースとしての機能を担う。負極端子板２１は皿状（またはハット状）であって、その内側面すなわち電池側面には棒状の金属製集電子２５がスポット溶接等により立設されている。この集電子２５は負極合剤１８中に貫入させられている。

ガスケット３０はナイロン等の電気絶縁性樹脂を略円盤状に成型したものであって、上記正極缶１１と上記負極端子板２１の間に被圧状態で介在して上記正極缶１１内を封止する。正極缶１１の開口部を内方に屈曲（カール）加工されている。この屈曲加工により、ガスケット３０の周辺部が正極缶１１と負極端子板２１の間に挟持されて、その正極缶１１の気密封止している。

ここで、上記正極缶１１は、ニッケルメッキ鋼鈑をプレス加工して形成されるが、その内面（電池側面）は、図中に部分的に拡大して示すように、金属イオンの移動を阻止する非金属導電性材料４１で全面的に被覆されている。また、負極集電子２５は銅あるいは黄銅等の金属で形成されるが、この集電子２５の表面も、オン透過を阻止する非金属導電性材料４１で全面的に被覆されている。これは、上記発電要素１５の正極作用物質および負極作用物質をそれぞれ金属部品に直接接触させないようにするためである。

非金属製導電材料４１の材質としてはとくに金属イオンの移動を阻止できるものであればよく、このような材質としては、カーボンブラックと樹脂を混合体してなる導電性プラスチックが適している。この導電性プラスチックは、正極缶１１と正極作用物質の間を、導電性を確保しながら両者間での金属イオンの移動を阻止させる。また、負極集電子と負極作用物質の間を、導電性を確保しながら両者間での金属イオンの移動を阻止させる。

さらに、本発明者らが知得したところによると、上記導電性プラスチックとしては、ポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフィン系熱可塑性樹脂とカーボンブラックを混合してなる導電性プラスチックが適していることが判明した。この導電性プラスチックを上記金属部品に被覆させることにより、その金属部品により劣化反応を長期にわたって確実に抑えることができる。その被覆の形成は塗布により行うことができるが、負極集電子２５のような金属部品については、上記導電性プラスチックと一体モールド成型して金属部品を用いた方がよい。一体モールド成型により、金属イオン透過阻止被覆の品質、強度、工程効率等をそれぞれ大幅に向上させることができる。

以下、本発明の実施例を示す。
以下に示す実施例１〜３ではそれぞれ、試験電池としてＬＲ６（単３）型アルカリ乾電池を作製するとともに、本発明品（図１）については、電池内の金属部品に上記導電性樹脂（導電性プラスチック）の被覆を形成し、従来品（図２）についてはその導電性樹脂の被覆を形成しない従来構成とした。

次の要領で金属部品（正極缶および負極集電子）に導電性樹脂被覆を形成した。
導電性樹脂：ポリプロピレン８０ｗｔ％、カーボンブラック（粒子径２〜３μｍ程度）２０ｗｔ％により調製。
金属部品加工：正極缶内面および集電棒表面に上記導電性樹脂を厚さ約１０μｍで完全被覆した。

本発明品と従来品をそれぞれ６０℃の乾燥条件下で保存し、その保存日数に対する漏液発生数を調べたところ、表１に示すような結果が得られた。

次の要領で金属部品（正極缶および負極集電子）に導電性樹脂被覆を形成した。
導電性樹脂：ポリエチレン８０ｗｔ％、カーボンブラック（粒子径３００〜１０００Å程度）２０ｗｔ％により調製。
金属部品加工：正極缶内面および集電棒表面に上記導電性樹脂を厚さ約０．５μｍで完全被覆した。

本発明品と従来品をそれぞれ６０℃の乾燥条件下で保存し、その保存日数に対する漏液発生数を調べたところ、表２に示すような結果が得られた。

次の要領で金属部品（正極缶および負極集電子）に導電性樹脂被覆を形成した。
導電性樹脂：ポリエチレン４０ｗｔ％、カーボンブラック（粒子径５〜１０μｍ程度）６０ｗｔ％により調製。
金属部品加工：正極缶内面および集電棒表面に上記導電性樹脂を厚さ約３０μｍで完全被覆した。

本発明品と従来品をそれぞれ６０℃の乾燥条件下で保存し、その保存日数に対する漏液発生数を調べたところ、表３に示すような結果が得られた。

一般的に６０℃の温度条件による貯蔵加速は、２０日保存で常温保存１年に相当するが、本発明品では、上記実施例の試験結果からもあきらかなように、上記加速条件下でも長期（２００日）にわたって漏液発生を皆無にすることができた。

また、正極缶および負極集電子での電気的接触については、導電性樹脂が良導電体である金属部品の表面全体に薄く被覆されているので、その導電性樹脂の被覆によって電気接触抵抗が増大するということはなく、むしろ、その導電性樹脂の被覆は、金属部品（正極缶、負極集電子）と発電作用物質（正極作用物質、負極作用物質）間の電気接触状態を安定に保つように作用する。これらにより、正極缶および負極集電子での電気的接触を保ちながら、自己放電反応やガス発生反応などの劣化反応を確実に抑制して、長期保存による漏液発生を防止させることができる。

本発明に係るアルカリ乾電池の一実施形態を示す断面図である。従来のアルカリ乾電池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（従来）
１１金属製正極缶
１５発電要素
１６正極合剤（正極作用物質）
１７セパレータ
１８負極合剤（負極作用物質）
２１負極端子板
２５金属製負極集電子
３０封口ガスケット
４１非金属導電性材料

Claims

アルカリ電解液を含む発電要素を収容するとともにこの発電要素の正極合剤側に電気的に接触して正極集電体および正極端子を兼ねる有底筒状の金属製正極缶と、この正極缶の開口部を塞ぐ皿状の金属製負極端子板と、この負極端子板の電池側面から突き出して上記発電要素の負極合剤中に貫入する棒状の金属製負極集電子と、上記正極缶と上記負極端子板の間に介在して上記正極缶内を封止する電気絶縁性の樹脂製封口ガスケットとを有するアルカリ乾電池であって、上記正極缶および上記負極集電子を含む金属部品が、金属イオン非透過性の導電性プラスチックと一体モールド成型されて、正極および負極の作用物質と当該金属部品の間を両者間での導電性を確保しながら両者間での金属イオンの移動を阻止させるようにしたことを特徴とするアルカリ乾電池。
請求項１において、上記導電性プラスチックがポリオレフィン系熱可塑性樹脂とカーボンブラックを混合してなる導電性プラスチックであることを特徴とするアルカリ乾電池。