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WO2018123123A1 - アルカリ乾電池 - Google Patents

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WO2018123123A1
WO2018123123A1 PCT/JP2017/027826 JP2017027826W WO2018123123A1 WO 2018123123 A1 WO2018123123 A1 WO 2018123123A1 JP 2017027826 W JP2017027826 W JP 2017027826W WO 2018123123 A1 WO2018123123 A1 WO 2018123123A1
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WO
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negative electrode
boss
gasket
opening
current collector
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/027826
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French (fr)
Inventor
嘉晃 工藤
Original Assignee
パナソニックIpマネジメント株式会社
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Publication date
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    • HELECTRICITY
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    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/183Sealing members
    • H01M50/186Sealing members characterised by the disposition of the sealing members
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to an alkaline battery, and more particularly to a gasket structure provided in a sealing unit that seals an opening of a battery case.
  • Alkaline batteries include a battery case having an opening, a power generation element housed in the battery case, and a sealing unit that seals the opening of the battery case.
  • the sealing unit includes a negative electrode terminal plate, a negative electrode current collector bonded to the negative electrode terminal plate, and a gasket.
  • the gasket includes a boss portion that allows the negative electrode current collector to pass therethrough, an outer peripheral portion that is in contact with the opening end portion of the battery case, and a connecting portion that connects the boss portion and the outer peripheral portion.
  • a thin wall portion having an explosion-proof function is formed in an inner peripheral region adjacent to the boss portion of the connecting portion.
  • the battery internal pressure may rise abnormally.
  • the connecting portion swells toward the negative terminal plate, tension is applied to the thin portion, and the thin portion is broken. Thereby, the gas generated in the battery is discharged out of the battery through a gas vent hole formed in the negative electrode terminal plate. Therefore, the safety of the battery is ensured.
  • the connecting portion In order for the thin-walled portion to break, a space is required for the connecting portion to bulge toward the negative electrode terminal plate.
  • the softened boss may be pushed up toward the negative terminal plate against the frictional force with the negative electrode current collector. As a result, the distance between the connecting portion and the negative electrode terminal plate becomes short, and comes into contact with the negative electrode terminal plate before the connecting portion sufficiently swells, making it difficult to break the thin portion.
  • Patent Document 1 prevents the boss portion from being embedded in the flange portion by setting the ratio of the outer diameter of the boss portion of the gasket and the outer diameter of the flange portion of the negative electrode current collector to 4.0 or less. Yes. Thereby, the distance between the negative electrode terminal plate and the connecting portion of the gasket is maintained, and the connecting portion can sufficiently swell.
  • the connecting portion In order to secure a sufficient space for the connecting portion to bulge toward the negative electrode terminal plate, it is desirable to limit the movement of the softened boss portion toward the negative electrode terminal plate. From the viewpoint of increasing the frictional force between the boss portion and the negative electrode current collector, it is considered that the larger the boss portion height of the gasket, the more advantageous.
  • the height of the boss part is set to 5 mm or more, for example.
  • One aspect of the present disclosure includes a battery case having an opening, a power generation element housed in the battery case, and a sealing unit that seals the opening.
  • the sealing unit includes a negative electrode terminal plate, a negative electrode current collector bonded to the negative electrode terminal plate, and a gasket.
  • the gasket includes a boss portion through which the negative electrode current collector passes, an outer peripheral portion in contact with an opening end portion of the battery case, and a connecting portion that connects the boss portion and the outer peripheral portion.
  • the inner peripheral region adjacent to the boss portion of the connecting portion has a thin wall portion having an explosion-proof function, and the height of the boss portion is 1.5 mm or more and 3.0 mm or less, and the center of the boss portion It is related with the alkaline dry battery whose difference of the internal diameter of a part and the minimum internal diameter of the upper-lower-end part of the said boss
  • hub part is 0.03 mm or less.
  • the height of the boss part of the gasket is set to 3.0 mm or less, and the difference between the inner diameter of the central part of the boss part and the minimum inner diameter of the upper and lower end parts is set to 0.03 mm or less.
  • the joint becomes stronger, the movement of the boss to the negative terminal plate side is restricted, and the explosion-proof function by the thin part of the gasket is stabilized. Further, since the volume of the entire gasket is reduced, more power generation elements can be accommodated in the battery case, and high capacity can be achieved.
  • FIG. 1A is a sectional view showing a general mold B for manufacturing a gasket.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view showing a gasket manufactured with the mold of FIG. 1A.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing an improved mold B for manufacturing a gasket.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view showing a gasket manufactured with the mold of FIG. 2A.
  • FIG. 3A is a plan view of a gasket in which ribs are formed on the opening-side surface of the connecting portion.
  • 3B is a cross-sectional view of the gasket of FIG. 3A taken along line IIIB-IIIB.
  • FIG. 4 is a half sectional view showing an example of the internal structure of the alkaline dry battery according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing an example of the structure of the sealing unit according to the embodiment of the present invention.
  • the alkaline dry battery includes a battery case having an opening, a power generation element housed in the battery case, and a sealing unit that seals the opening of the battery case.
  • the sealing unit includes a negative electrode terminal plate, a negative electrode current collector bonded to the negative electrode terminal plate, and a gasket.
  • the gasket includes a boss portion that penetrates the negative electrode current collector, an outer peripheral portion that is in contact with an end portion of the opening of the battery case, and a connecting portion that connects the boss portion and the outer peripheral portion.
  • a thin wall portion having an explosion-proof function is formed in an inner peripheral region adjacent to the boss portion of the connecting portion.
  • the height of the boss portion is 1.5 mm or more and 3.0 mm or less, and the difference between the inner diameter of the central portion of the boss portion and the minimum inner diameter of the upper and lower ends of the boss portion (hereinafter referred to as an inner diameter difference ⁇ D). ) Is limited to 0.03 mm or less.
  • the upper and lower end portions of the boss portion correspond to both end portions of the boss portion in the height direction of the alkaline dry battery. Whichever may be considered as the upper end or the lower end, in the following illustrated example, the side on which the negative electrode terminal plate is disposed is the upper end.
  • the inner diameter at the center of the boss is the inner diameter at the center in the height direction of the boss (that is, half height).
  • the inner diameter of the boss portion is usually minimized in the vicinity of the upper end portion or the lower end portion of the boss portion.
  • an annular protrusion due to the gate portion of the mold may be formed on the inner peripheral edge of the end surface of the boss portion. In this case, what is necessary is just to measure the height which excluded the annular protrusion at the intermediate point between the inner wall and the outer wall of the boss part.
  • the upper end portion of the boss portion is a region 30% of the height of the boss portion from the upper end surface of the boss portion, and the lower end portion of the boss portion is 30% of the height of the boss portion from the lower end surface of the boss portion. It is an area. That is, both end portions excluding the central region 40% of the boss portion are upper and lower end portions of the boss portion.
  • the height of the boss portion is set to 3.0 mm or less, resin sink is less likely to occur, so that the inner diameter difference ⁇ D can be easily limited to 0.03 mm or less.
  • the height of the boss part exceeds 3 mm, it is generally difficult to reduce the inner diameter difference ⁇ D to 0.03 mm or less. For example, if the height of the boss part is 5 mm or more, the inner diameter difference ⁇ D exceeds 0.05 mm.
  • the height of the boss may be 3.0 mm or less, but is preferably 2.5 mm or less from the viewpoint of reducing the entire gasket volume as much as possible and accommodating more power generation elements in the battery case. 0.0 mm or less is more preferable. However, if the height of the boss part is smaller than 1.5 mm, the frictional force between the boss part and the negative electrode current collector is drastically reduced, and the movement of the boss part toward the negative electrode terminal plate is limited when the gasket is softened. It becomes difficult.
  • the inner diameter difference ⁇ D can be more easily limited to 0.03 mm or less by slightly narrowing the central portion of the cylindrical core pin that molds the hollow of the boss portion. From the viewpoint of making the inner diameter difference ⁇ D as close to 0 as possible, it is preferable that the central portion of the core pin is made 0.3% to 2.0% smaller than the maximum diameter of the core pin. Even when the center portion of the core pin is thinned, the inner diameter D c of the center portion and the minimum inner diameter D t of the upper end portion and the lower end portion of the boss portion often satisfy the relationship of D c > D t , but D c ⁇ the relationship of D t may be satisfied. From the viewpoint of further strengthening the combination of the boss portion and the negative electrode current collector, the inner diameter difference ⁇ D is preferably 0.02 mm or less, and more preferably 0.01 mm or less.
  • a rib (hereinafter referred to as a reinforcing rib) extending from the boss portion side to the outer peripheral portion side may be formed on the opening-side surface of the gasket connecting portion.
  • a plurality of reinforcing ribs are preferably formed. At this time, the plurality of reinforcing ribs are preferably formed so as to divide the opening-side surface of the connecting portion into two or more regions, and the sizes of the two or more regions are preferably equal.
  • two reinforcing ribs may be formed so as to divide the opening-side surface of the connecting portion into two equal parts, and three or four such that the opening-side surface of the connecting portion is divided into three equal parts or four equal parts.
  • the reinforcing ribs may be formed radially.
  • the angle (hereinafter referred to as the skirt angle) ⁇ formed by the opening side surface of the inner peripheral region of the connecting portion and the height direction of the boss portion is preferably 45 degrees or more.
  • the greater the skirt angle ⁇ the greater the resistance when the boss moves to the negative terminal plate side when the gasket is softened.
  • the skirt angle ⁇ is more preferably 50 degrees or more, and may be 90 degrees or more.
  • the upper limit of the skirt angle ⁇ is about 130 degrees, preferably 120 degrees or less, from the viewpoint of stabilizing the explosion-proof function due to the thin-walled portion of the gasket. When the skirt angle ⁇ exceeds 130 degrees, it may be difficult to secure a space for the connecting portion to sufficiently swell.
  • the negative electrode current collector is pulled out from the boss portion of the gasket.
  • the tip of the negative electrode current collector is heated at 70 ° C. for 3 seconds to soften the sealant, and then the negative electrode current collector is removed. Just pull it out.
  • the gasket thus isolated is placed in a constant temperature bath at 35 ° C. and a relative humidity of 90% and left for 24 hours. Accordingly, the gasket is heated and humidified under mild conditions, the residual stress of the gasket is released, and the state of the gasket before the sealing unit is assembled is reproduced. Thereafter, a cross-sectional photograph of the boss part may be taken by CT scan, and the inner diameter of each part may be measured.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing an example of a general mold structure.
  • the mold includes an upper mold 11 ⁇ / b> A, a lower mold 11 ⁇ / b> B, and a cylindrical core pin 13.
  • the diameter of the portion that molds the hollow of the boss portion of the core pin 13 is constant.
  • the core pin 13 is inserted from a through hole provided in the lower mold 11B, and is arranged so as to be planted in the center of the boss portion forming space portion 14.
  • the upper mold 11 ⁇ / b> A is formed with a gate portion 12 that opens toward the end of the core pin 13. The molten resin is injected from the gate portion 12 and filled in the order of the boss portion forming space portion 14, the connecting portion forming space portion 16, and the outer peripheral portion forming space portion 17.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view showing an example of a gasket manufactured using a general mold as described above.
  • the gasket 7 includes a cylindrical boss portion 7a having a hollow 13h into which the negative electrode current collector 6 is inserted, an outer peripheral portion 7b in contact with the opening end of the battery case, and a connecting portion that connects the boss portion 7a and the outer peripheral portion 7b. 7c.
  • the mold as described above causes considerable resin sink because the diameter of the core pin 13 is constant in addition to the height of the boss forming space 14 being large. Therefore, the inner diameter of the central portion of the boss portion 7a becomes 0.05 mm or more larger than the minimum inner diameter of the upper and lower end portions due to resin sink.
  • the gasket 7 is formed with an annular protrusion 7e corresponding to the gate portion 12 on the inner peripheral edge of the end surface of the boss portion 7a.
  • the height H 0 of the boss portion 7a excluding the annular protrusion 7e corresponds to the height of the boss portion forming space portion 14 and is 5 mm or more. Therefore, it can also hinder further increase in capacity of the battery.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing an example of an improved mold structure.
  • FIG. 2B shows a cross-sectional view of an example of a gasket manufactured with an improved mold. Components corresponding to those in FIGS. 1A and 1B are denoted by the same reference numerals.
  • the height H 1 of the improved boss forming space 14 of the mold is designed to be 1.5 mm or more and 3.0 mm or less.
  • the core pin 13 has a substantially cylindrical shape with a central portion slightly narrower than the upper and lower end portions.
  • the height H 1 excluding the annular projection 7e is, corresponding to the height of the boss portion forming the space portion 14, 1.5 mm or more, 3. 0 mm or less. Further, the difference ⁇ D between the inner diameter of the central portion of the boss portion 7a and the minimum inner diameter of the upper and lower end portions can be easily limited to 0.03 mm or less.
  • the skirt angle ⁇ is formed by the surface on the opening side of the thin portion 8 in the cross section of the gasket and the region on the lower side (power generation element side) side of the connecting portion 7c of the peripheral surface of the boss portion 7a. It is calculated as an angle.
  • FIG. 3A shows a plan view of another example of a gasket manufactured with an improved mold.
  • FIG. 3B is a sectional view of the gasket taken along line IIIB-IIIB.
  • four reinforcing ribs 7d are radially formed on the opening-side surface of the connecting portion.
  • the difference in the inner diameter of the boss portion 7a is emphasized. It is shown that the inner diameter of the central portion is the largest, and the upper end portion and the lower end portion each have a minimum diameter.
  • FIG. 4 is a half sectional view showing an example of the internal structure of the alkaline dry battery according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing an example of the structure of the sealing unit according to the embodiment.
  • the battery case 1 is obtained, for example, by press-molding a nickel-plated steel sheet into a predetermined shape.
  • a conductive film may be formed on the inner surface of the battery case 1.
  • the opening of the battery case 1 is sealed with a sealing unit 9 in which a negative electrode terminal plate 5, a negative electrode current collector 6, and a gasket 7 are assembled together.
  • the negative electrode terminal plate 5 is obtained, for example, by press-molding a nickel-plated steel plate or a tin-plated steel plate into a predetermined shape.
  • the peripheral edge of the negative electrode terminal plate 5 is provided with a gas vent hole (not shown) for releasing gas to the outside when the explosion-proof function by the thin portion 8 of the gasket 7 is activated.
  • a flange 6 a is formed at the end of the negative electrode current collector 6, and the flange 6 a is joined to the negative terminal plate 5 by welding.
  • the negative electrode current collector 6 is obtained, for example, by pressing a brass wire into a nail shape having a predetermined dimension.
  • the outer peripheral surface of the battery case 1 is covered with an exterior label 10.
  • the negative electrode current collector 6 passes through the boss portion 7a of the gasket 7.
  • the outer peripheral portion 7 b of the gasket is in contact with the opening end portion of the battery case 1 and is caulked on the peripheral edge of the negative electrode terminal plate 5.
  • An annular connecting portion 7c that connects the boss portion 7a and the outer peripheral portion 7b has a thin-walled portion 8 having an explosion-proof function in the inner peripheral region near the boss portion 7a.
  • the minimum thickness in the thin portion 8 is set to, for example, 0.10 mm to 0.35 mm.
  • a polyamide resin such as 6,6-nylon is used as the material of the gasket 7, for example.
  • the inner diameter and outer diameter of the boss 7a can be tightened to such an extent that alkaline electrolyte does not leak when the negative electrode current collector 6 is fixed through the hollow 13h (FIG. 2B), and the boss 7a. Designed to prevent cracking. From the above viewpoint, the ratio (D i / D c ) between the body diameter (D i ) of the negative electrode current collector 6 and the inner diameter (D c ) of the central portion of the boss portion 7a is, for example, 1.02 ⁇ D i / D c ⁇ 1.20 is set.
  • the body diameter of the negative electrode current collector 6 is preferably 2.0 mm or less, and more preferably 1.8 mm or less, for example.
  • the trunk diameter of the negative electrode current collector 6 is preferably 1.1 mm or more, and more preferably 1.15 mm or more.
  • the outer diameter of the boss is preferably 3.0 mm to 4.5 mm, for example.
  • the outer diameter of the outer peripheral portion 7b of the gasket is determined by the battery size.
  • the surface roughness (R max ) of the negative electrode current collector 6 is For example, it may be 0.3 to 3.0 ⁇ m.
  • tin may be formed a plating layer such as indium, but since it is small surface roughness (R max) is, may not form a plating layer.
  • the negative electrode current collector 6 is made of brass, but the copper content of brass may be reduced. For example, when the copper content of brass is 50 to 60% by mass or less, the electrical conductivity of the negative electrode current collector 6 decreases, and the heat generation of the negative electrode current collector increases when the battery is misused. Even in such a case, since the coupling between the boss portion 7a and the negative electrode current collector 6 is strong, the movement of the boss portion toward the negative electrode terminal plate is sufficiently limited.
  • a sealant may be interposed between the negative electrode current collector and the boss portion.
  • the sealant makes it difficult for leakage of the alkaline electrolyte from between the negative electrode current collector and the boss portion.
  • a silicone resin, a fluororesin, an epoxy resin to which polyamidoamine is added, or the like can be used.
  • the type of the alkaline battery is not particularly limited.
  • the above-described sealing unit is used. The effect of stabilizing the explosion-proof function is increased.
  • the positive electrode 2 for example, a molded body of a mixture containing a positive electrode active material, a conductive agent, and an alkaline electrolyte is used.
  • a binder such as polyethylene powder and a lubricant such as stearate may be added to the mixture.
  • the positive electrode active material manganese dioxide powder, nickel oxyhydroxide powder, or the like is used.
  • the conductive agent graphite powder or the like is used.
  • the gelled negative electrode 3 for example, a mixture containing a negative electrode active material, an alkaline electrolyte, and a gelling agent is used.
  • Zinc alloy powder is used for the negative electrode active material.
  • the gelling agent sodium polyacrylate or the like is used.
  • a metal compound having high hydrogen overvoltage such as indium or bismuth or a surfactant may be added to the mixture.
  • a nonwoven fabric mainly composed of polyvinyl alcohol fiber and rayon fiber is used.
  • the positive electrode 2, the gelled negative electrode 3 and the separator 4 each contain an alkaline electrolyte.
  • an alkaline electrolyte for example, an aqueous solution containing 30 to 40% by mass of potassium hydroxide and 1 to 3% by mass of zinc oxide is used.
  • an AAA alkaline battery having a structure as shown in FIG. 4 was produced.
  • Example 1 Production of Sealing Unit Gasket 7 was produced by injection molding 6,6-nylon into a predetermined shape using a plurality of types of molds. The height H of the boss portion 7a of the gasket 7 and the difference ⁇ D between the inner diameter of the central portion of the boss portion 7a and the minimum inner diameter of the upper and lower end portions were changed as shown in Table 1.
  • the inner diameter D c at the center of the boss 7 a and the minimum inner diameter D t at the upper and lower ends of the boss 7 a satisfied the relationship of D c > D t .
  • the target of the inner diameter of the central portion of the boss portion 7a of the gasket 7 was set to 1.10 mm.
  • No reinforcing ribs were formed on the opening-side surface of the connecting portion 7c of the gasket 7.
  • the skirt angle ⁇ was 45 degrees.
  • a negative electrode current collector 6 was produced by processing brass having a copper content of 58 mass% into a nail shape having a total length of 30 mm and a body diameter of 1.20 mm. A plating layer was not formed on the surface of the negative electrode current collector 6, and the surface roughness (R max ) was 1.0 ⁇ m.
  • a negative electrode terminal plate 5 was produced by pressing a nickel-plated steel plate having a thickness of 0.4 mm into a predetermined shape, and the flange portion 6 a of the negative electrode current collector 6 was welded to the negative electrode terminal plate 5. Then, the negative electrode current collector 6 was press-fitted into the hollow 13 h of the boss 7 a of the gasket 7 to assemble the sealing unit 9.
  • Electrolytic manganese dioxide powder having an average particle diameter of 35 ⁇ m and graphite powder having an average particle diameter of 15 ⁇ m are mixed at a mass ratio of 94: 6, and 2 parts by mass of alkaline electrolyte is added to 100 parts by mass of the mixture. After sufficiently stirring, compression molding was performed to obtain a flaky positive electrode mixture. The flaky positive electrode mixture was pulverized into granules and then pressure-molded into hollow cylindrical pellets.
  • an aqueous solution containing 35% by mass of potassium hydroxide and 2% by mass of zinc oxide was used as the alkaline electrolyte.
  • the positive electrode 2 was inserted into the battery case 1, and the positive electrode 2 was brought into close contact with the inner wall of the battery case 1 with a pressing jig.
  • a bottomed cylindrical separator 4 is disposed in the hollow of the positive electrode 2.
  • the separator 4 a nonwoven fabric mainly composed of polyvinyl alcohol fiber and rayon fiber was used.
  • the gelled negative electrode 3 was filled into the separator 4.
  • the outer peripheral part of the gasket of the sealing unit was disposed in the vicinity of the opening of the battery case 1, and the opening end of the battery case 1 was folded inward to seal it, thereby completing the battery.
  • Example 2 The length of the boss portion 7a is the same as that of the first embodiment except that two or four reinforcing ribs 7d extending from the boss portion side to the outer peripheral portion side are formed on the opening side surface of the coupling portion 7c of the gasket 7.
  • Example 3 A battery comprising a gasket 7 having a boss 7a length of 1.5 mm and an inner diameter difference ⁇ D of 0.03 mm, as in Example 1, except that the skirt angle of the gasket 7 was changed as shown in Table 3. This was prepared and subjected to a severe short-circuit test at 60 ° C. as in Example 2. The results are shown in Table 3.
  • the explosion-proof function is stabilized by setting the height of the boss portion 7a to 1.5 mm or more and 3.0 mm or less and limiting the inner diameter difference ⁇ D to 0.03 mm or less. Further, it was shown that the explosion-proof function is stabilized even in a harsher environment by providing the gasket 7 with the reinforcing rib 7d or increasing the skirt angle.
  • the alkaline dry battery according to the embodiment of the present invention is useful as a power source for various electronic devices because it has an excellent explosion-proof function and can be increased in capacity.

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Abstract

アルカリ乾電池は、開口を有する電池ケースと、電池ケース内に収容された発電要素と、開口を封口する封口ユニットと、を備える。封口ユニットは、負極端子板と、負極端子板に接合された負極集電子と、ガスケットと、を備える。ガスケットは、負極集電子を貫通するボス部と、電池ケースの開口の端部に接する外周部と、ボス部と外周部とを連結する連結部とを備える。連結部のボス部に隣接する内周領域に、防爆機能を有する薄肉部を有し、ボス部の高さは、1.5mm以上、3.0mm以下であり、ボス部の中央部の内径と、上下端部の最小内径との差が、0.03mm以下である。

Description

アルカリ乾電池
 本発明は、アルカリ乾電池に関し、中でも電池ケースの開口を封口する封口ユニットが備えるガスケットの構造に関する。
 アルカリ乾電池は、開口を有する電池ケースと、電池ケース内に収容された発電要素と、電池ケースの開口を封口する封口ユニットとを備える。封口ユニットは、負極端子板と、負極端子板に接合された負極集電子と、ガスケットとを備える。ガスケットは、負極集電子を貫通させるボス部と、電池ケースの開口端部に接する外周部と、ボス部と外周部とを連結する連結部とを備える。連結部のボス部に隣接する内周領域には、防爆機能を有する薄肉部が形成されている。
 電池が誤用されると、電池内圧が異常上昇することがある。電池内圧が異常上昇すると、連結部が負極端子板に向けて膨らみ、薄肉部に張力がかかり、薄肉部が破断する。これにより、電池内で発生したガスは、負極端子板に形成されたガス抜き孔から電池外に排出される。よって、電池の安全性が確保される。
 薄肉部が破断するためには、連結部が負極端子板に向けて膨らむための空間が必要である。しかし、電池が誤用されたときに、電池温度が上昇し、ガスケットが軟化すると、軟化したボス部が負極集電子との摩擦力に抗して負極端子板側に押し上げられることがある。これにより、連結部と負極端子板との距離が近くなり、連結部が十分に膨らむ前に負極端子板に接するようになり、薄肉部の破断が困難になる。
 なお、特許文献1は、ガスケットのボス部の外径と負極集電子の鍔部の外径との比を4.0以下にすることにより、ボス部が鍔部に埋め込まれるのを防止している。これにより、負極端子板とガスケットの連結部との距離が維持され、連結部が十分に膨らむことが可能になる。
特開2009-259533号公報
 連結部が負極端子板に向けて膨らむための十分な空間を確保するには、軟化したボス部の負極端子板側への移動を制限することが望ましい。ボス部と負極集電子との摩擦力を高める観点から、ガスケットのボス部の高さは大きいほど有利と考えられている。ボス部の高さは、例えば5mm以上に設定されている。
 しかし、アルカリ乾電池用のガスケットは、樹脂の射出成形により形成されるため、樹脂のひけが不可避的に発生する。射出成形においてボス部の中空を型取るコアピンは円柱状であるが、樹脂のひけが生じるため、ボス部の内径が一定になることはない。通常、ボス部の中央部の内径は、ひけによって、ボス部の上下端部の内径よりも大きくなる。そのため、負極集電子とボス部の中央部との篏合が相当に緩くなっており、ボス部と負極集電子との摩擦力が低下しやすい。
 本開示の一側面は、開口を有する電池ケースと、前記電池ケース内に収容された発電要素と、前記開口を封口する封口ユニットと、を備える。前記封口ユニットは、負極端子板と、前記負極端子板に接合された負極集電子と、ガスケットと、を備える。前記ガスケットは、前記負極集電子を貫通させるボス部と、前記電池ケースの開口端部に接する外周部と、前記ボス部と前記外周部とを連結する連結部とを備える。前記連結部の前記ボス部に隣接する内周領域に、防爆機能を有する薄肉部を有し、前記ボス部の高さは、1.5mm以上、3.0mm以下であり、前記ボス部の中央部の内径と、前記ボス部の上下端部の最小内径との差が、0.03mm以下である、アルカリ乾電池に関する。
 ガスケットのボス部の高さを3.0mm以下とし、ボス部の中央部の内径と上下端部の最小内径との差を0.03mm以下とすることにより、ボス部と負極集電子との篏合が強固になり、ボス部の負極端子板側への移動が制限され、ガスケットの薄肉部による防爆機能が安定化する。また、ガスケット全体の体積が減少するため、電池ケース内に発電要素をより多く収容できるようになり、高容量化が達成される。
図1Aは、ガスケットを製造するための一般的な金型Bを示す断面図である。 図1Bは、図1Aの金型で製造されたガスケットを示す断面図である。 図2Aは、ガスケットを製造するための改良された金型Bを示す断面図である。 図2Bは、図2Aの金型で製造されたガスケットを示す断面図である。 図3Aは、連結部の開口側の面にリブが形成されたガスケットの平面図である。 図3Bは、図3AのガスケットのIIIB-IIIB線における断面図である。 図4は、本発明の実施形態に係るアルカリ乾電池の内部構造の一例を示す半断面図である。 図5は、本発明の実施形態に係る封口ユニットの構造の一例を示す部分断面図である。
 本発明の実施形態に係るアルカリ乾電池は、開口を有する電池ケースと、電池ケース内に収容された発電要素と、電池ケースの開口を封口する封口ユニットとを備える。封口ユニットは、負極端子板と、負極端子板に接合された負極集電子と、ガスケットとを備える。ガスケットは、負極集電子を貫通するボス部と、電池ケースの開口の端部に接する外周部と、ボス部と外周部とを連結する連結部とを備える。連結部のボス部に隣接する内周領域には、防爆機能を有する薄肉部が形成されている。
 ここで、ボス部の高さは、1.5mm以上、3.0mm以下であり、かつボス部の中央部の内径と、ボス部の上下端部の最小内径との差(以下、内径差ΔD)は、0.03mm以下に制限されている。ボス部の高さを3.0mm以下とし、内径差ΔDを0.03mm以下に制限することで、ボス部と負極集電子との篏合が強固になり、ガスケットが軟化してもボス部の負極端子板側への移動が制限される。なお、ボス部の上下端部は、アルカリ乾電池の高さ方向におけるボス部の両端部に対応する。どちらを上端部または下端部と考えてもよいが、以下の図示例では、負極端子板が配置される側を上端部とする。
 ボス部の中央部の内径とは、ボス部の高さ方向の中央(つまり半分高さ)における内径である。ボス部の内径が最小になるのは、通常、ボス部の上端部近傍または下端部近傍である。なお、樹脂の射出成形により形成されるガスケットには、ボス部の端面の内周縁に、金型のゲート部に起因する環状突起が形成されることがある。この場合は、ボス部の内壁と外壁との丁度中間地点で、環状突起を排除した高さを測定すればよい。
 ボス部の上端部とは、ボス部の上端面からボス部の高さの30%の領域であり、ボス部の下端部とは、ボス部の下端面からボス部の高さの30%の領域である。すなわち、ボス部の中央領域40%を除く両端部が、ボス部の上下端部である。
 ボス部の高さを3.0mm以下に設定する場合、樹脂のひけが生じにくくなるため、内径差ΔDを0.03mm以下に制限しやすくなる。一方、ボス部の高さが3mmを超える場合、内径差ΔDを0.03mm以下にまで小さくすることは一般に困難である。例えば、ボス部の高さが5mm以上であれば、内径差ΔDは0.05mmを超えてしまう。
 ボス部の高さは、3.0mm以下であればよいが、ガスケット全体の体積をできるだけ減少させて、電池ケース内に発電要素をより多く収容する観点からは、2.5mm以下が好ましく、2.0mm以下がより好ましい。ただし、ボス部の高さが1.5mmより小さくなると、ボス部と負極集電子との摩擦力が急激に減少し、ガスケットが軟化したときにボス部の負極端子板側への移動を制限することが困難になる。
 射出成形においてボス部の中空を型取る円柱状のコアピンの中央部を若干細くすることで、更に容易に内径差ΔDを0.03mm以下に制限することが可能である。内径差ΔDをできるだけ0に近づける観点から、コアピンの中央部は、コアピンの最大径に対して0.3%~2.0%小さくすることが好ましい。コアピンの中央部を細くする場合でも、中央部の内径Dcと、ボス部の上端部および下端部の最小内径Dtは、Dc>Dtの関係を満たすことが多いが、Dc≦Dtの関係が満たされてもよい。ボス部と負極集電子との篏合をより強固にする観点から、内径差ΔDは0.02mm以下が好ましく、0.01mm以下がより好ましい。
 ガスケットの連結部の開口側の面には、ボス部側から外周部側に延びるリブ(以下、補強リブ)を形成してもよい。これにより、ガスケットの構造強度が高まり、ガスケットが軟化した場合に、ボス部の負極端子板側への移動が制限されやすくなる。補強リブは複数形成することが好ましい。このとき、複数の補強リブが、連結部の開口側の面を2以上の領域に分割するように形成されていることが好ましく、2以上の領域の大きさは等しいことが好ましい。例えば、連結部の開口側の面を2等分するように2つの補強リブを形成してもよく、連結部の開口側の面を3等分または4等分するように3つまたは4つの補強リブを放射状に形成してもよい。
 連結部の内周領域の開口側の面と、ボス部の高さ方向とが成す角度(以下、スカート角度)θは、45度以上であることが好ましい。スカート角度θが大きいほど、ガスケットが軟化したときに、ボス部が負極端子板側に移動する際の抵抗が大きくなる。スカート角度θは、50度以上がより好ましく、90度以上でもよい。ただし、ガスケットの薄肉部による防爆機能の安定化の観点から、スカート角θの上限は130度程度であり、120度以下が好ましい。スカート角θが130度を超えると、連結部が十分に膨らむための空間の確保が困難になることがある。
 完成された電池内では、ガスケットに様々な応力がかかっている。そのため、電池の断面をCTスキャンして断面写真を撮影してもボス部の内径を正確に測定することが困難である。そこで、完成された電池内のガスケットのボス部の内径は、以下の手順で測定する。
 まず、電池を分解して、封口ユニットを取り出し、負極集電子に溶接されている負極端子板を取り外す。次に、負極集電子をガスケットのボス部から引き抜く。負極集電子とボス部の内壁との間に封止剤が介在している場合には、負極集電子の先端を3秒間70℃で加熱し、封止剤を軟化させてから負極集電子を引き抜けばよい。こうして単離されたガスケットを、35℃、相対湿度90%の恒温槽に入れ、24時間放置する。これにより、マイルドな条件でガスケットが加温されるとともに加湿され、ガスケットの残留応力が開放されて、封口ユニットを組み立てる前のガスケットの状態が再現される。その後、CTスキャンでボス部の断面写真を撮影し、各部の内径を測定すればよい。
 以下に、図面を参照しながら本発明の実施形態について更に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
 最初に、ガスケットを製造するための一般的な金型について説明する。図1Aは、一般的な金型の構造の一例を示す断面図である。金型は、上金型11A、下金型11Bおよび円柱状のコアピン13を具備する。コアピン13のボス部の中空を型取る部分の直径は一定である。上金型11Aに下金型11Bを篏合させると、上金型11Aと下金型11Bとの間に、ボス部形成空間部14、連結部形成空間部16および外周部形成空間部17が形成される。ボス部形成空間部14の高さH0は5mm以上になるように設計されている。コアピン13は、下金型11Bに設けられた貫通孔から挿入され、ボス部形成空間部14の中央に植立するように配置される。上金型11Aには、コアピン13の端部に向けて開口するゲート部12が形成されている。溶融樹脂は、ゲート部12から注入され、ボス部形成空間部14、連結部形成空間部16、外周部形成空間部17の順に充填される。
 図1Bに、上記のような一般的な金型で製造されたガスケットの一例を断面図で示す。ガスケット7は、負極集電子6が挿入される中空13hを有する円筒状のボス部7aと、電池ケースの開口端部に接する外周部7bと、ボス部7aと外周部7bとを連結する連結部7cとで構成される。
 上記のような金型は、ボス部形成空間部14の高さが大きいことに加え、コアピン13の直径が一定であるため、かなりの樹脂ひけを生じる。よって、ボス部7aの中央部の内径は、樹脂のひけにより、上下端部の最小内径よりも0.05mm以上も大きくなる。なお、ガスケット7には、ボス部7aの端面の内周縁に、ゲート部12に対応する環状突起7eが形成される。環状突起7eを除いたボス部7aの高さH0は、ボス部形成空間部14の高さに対応し、5mm以上になる。よって、電池の更なる高容量化の妨げにもなり得る。
 一方、図2Aには、改良された金型の構造の一例を断面図で示す。図2Bには、改良された金型で製造されたガスケットの一例を断面図で示す。図1A、Bの構成要素に対応する構成要素には同じ符号を付している。
 改良された金型のボス部形成空間部14の高さH1は1.5mm以上、3.0mm以下になるように設計されている。また、コアピン13は、上下端部よりも中央部が若干細くなった略円柱状である。
 改良された金型で成形されたガスケット7のボス部7aは、環状突起7eを除いた高さH1が、ボス部形成空間部14の高さに対応して、1.5mm以上、3.0mm以下になる。また、ボス部7aの中央部の内径と上下端部の最小内径との差ΔDは、容易に0.03mm以下に制限することができる。
 なお、図示例の場合、スカート角θは、ガスケットの断面における薄肉部8の開口側の面と、ボス部7aの周面の連結部7cよりも下方(発電要素側)側の領域とが成す角度として求められる。
 図3Aに、改良された金型で製造されたガスケットの他の一例の平面図を示す。図3Bは、同ガスケットのIIIB-IIIB線における断面図である。ガスケットには、連結部の開口側の面に4つの補強リブ7dが放射状に形成されている。図3Bでは、ボス部7aの内径の違いを強調して記載する。中央部の内径が最も大きく、上端部および下端部がそれぞれ最小径を有することが示されている。
 図4に、本発明の実施形態に係るアルカリ乾電池の内部構造の一例を半断面図で示す。図5には、同実施形態に係る封口ユニットの構造の一例を部分断面図で示す。有底円筒状の電池ケース1内には、セパレータ4を介して、正極2およびゲル状負極3が収納されている。電池ケース1は、例えばニッケルめっき鋼板を所定形状にプレス成形して得られる。電池ケース1の内面には、導電性被膜を形成してもよい。
 電池ケース1の開口は、負極端子板5と、負極集電子6と、ガスケット7とが一体に組み立てられた封口ユニット9で密閉されている。負極端子板5は、例えば、ニッケルめっき鋼板やスズめっき鋼板を所定形状にプレス成形して得られる。負極端子板5の周縁部には、ガスケット7の薄肉部8による防爆機能が作動した際にガスを外部に逃がすためのガス抜き孔(図示せず)が設けられている。負極集電子6の端部には、鍔部6aが形成されており、鍔部6aが負極端子板5に溶接で接合されている。負極集電子6は、例えば真鍮の線材を所定寸法の釘形状にプレス加工して得られる。電池ケース1の外周面は、外装ラベル10で被覆されている。
 ガスケット7のボス部7aには、負極集電子6が貫通されている。ガスケットの外周部7bは、電池ケース1の開口端部に挟まれるように接しており、負極端子板5の周縁にかしめられている。ボス部7aと外周部7bとを連結する環状の連結部7cは、ボス部7a寄りの内周領域に、防爆機能を有する薄肉部8を有する。薄肉部8における最小厚さは、例えば0.10mm~0.35mmに設定される。ガスケット7の材質には、例えば6,6-ナイロンなどのポリアミド樹脂が用いられる。
 ボス部7aの内径および外径は、負極集電子6を中空13h(図2B)に貫通させて固定する際にアルカリ電解液の漏液が生じない程度の締め付けが可能であり、かつボス部7aの割れが生じないように設計される。上記観点から、負極集電子6の胴径(Di)とボス部7aの中央部の内径(Dc)との比(Di/Dc)は、例えば1.02≦Di/Dc≦1.20に設定される。
 負極集電子6の胴径は、例えば2.0mm以下が好ましく、1.8mm以下がより好ましい。また、優れた集電性を確保する観点から、負極集電子6の胴径は、1.1mm以上が好ましく、1.15mm以上がより好ましい。
 ボス部の外径は、例えば3.0mm~4.5mmが好ましい。なお、ガスケットの外周部7bの外径は、電池サイズにより決定される。
 ボス部7aと負極集電子6との篏合が強固である場合、ボス部7aと負極集電子6との摩擦力を十分に確保できるため、負極集電子6の表面粗さ(Rmax)は小さくてもよく、例えば0.3~3.0μmであればよい。負極集電子6の表面には、スズ、インジウムなどのめっき層を形成してもよいが、表面粗さ(Rmax)が小さくてもよいため、めっき層を形成しなくてもよい。
 負極集電子6は真鍮により形成されているが、真鍮の銅の含有率を少なくしてもよい。例えば真鍮の銅含有量を50~60%質量%以下とすると、負極集電子6の電気伝導度が低下し、電池の誤用時における負極集電子の発熱は増大する。このような場合でも、ボス部7aと負極集電子6との篏合が強固であるため、ボス部の負極端子板側への移動は十分に制限される。
 負極集電子とボス部との間には、封止剤を介在させてもよい。封止剤により、負極集電子とボス部との間からのアルカリ電解液の漏液が発生しにくくなる。封止剤には、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ポリアミドアミンが添加されたエポキシ樹脂などを用いることができる。
 アルカリ乾電池のタイプは、特に限定されないが、中でも誤用による発熱が大きくなりやすい単1形電池、単2形電池、単3形電池または単4形電池の実施形態において、上記封口ユニットを用いることによる防爆機能を安定化させる効果が大きくなる。
 以下、アルカリ乾電池の発電要素の具体的な構成について更に説明する。
 正極2には、例えば、正極活物質、導電剤およびアルカリ電解液を含む混合物の成形体が用いられる。混合物には、ポリエチレン粉末などの結着剤、ステアリン酸塩などの滑沢剤を添加してもよい。正極活物質には、二酸化マンガン粉末、オキシ水酸化ニッケル粉末などが用いられる。導電剤には、黒鉛粉末などが用いられる。
 ゲル状負極3には、例えば、負極活物質、アルカリ電解液およびゲル化剤を含む混合物が用いられる。負極活物質には、亜鉛合金粉末が用いられる。ゲル化剤には、ポリアクリル酸ナトリウムなどが用いられる。混合物には、亜鉛合金の耐食性を向上させるために、インジウム、ビスマスなどの水素過電圧の高い金属化合物や界面活性剤を添加してもよい。
 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する不織布が用いられる。
 正極2、ゲル状負極3およびセパレータ4は、それぞれがアルカリ電解液を含んでいる。アルカリ電解液には、例えば、水酸化カリウムを30~40質量%含有し、酸化亜鉛を1~3質量%含有する水溶液が用いられる。
 以下、本発明の実施形態について実施例に基づいて更に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。ここでは、図4に示されるような構造の単4形のアルカリ乾電池を作製した。
 《実施例1》
 (1)封口ユニットの作製
 複数種類の金型を用いて6,6-ナイロンを所定形状に射出成形してガスケット7を作製した。ガスケット7のボス部7aの高さHと、ボス部7aの中央部の内径と上下端部の最小内径との差ΔDとを表1のように変化させた。
 全てのガスケット7において、ボス部7aの中央部の内径Dcと、ボス部7aの上端部および下端部における最小内径DtはDc>Dtの関係を満たしていた。ガスケット7のボス部7aの中央部の内径の目標は1.10mmに設定した。ガスケット7の連結部7cの開口側の面に補強リブは形成しなかった。スカート角θは45度とした。
 銅含有量58質量%の真鍮を、全長30mm、胴径1.20mmの釘形状に加工して負極集電子6を作製した。負極集電子6の表面にはめっき層を形成せず、表面粗さ(Rmax)は1.0μmであった。一方、厚さ0.4mmのニッケルめっき鋼板を所定形状にプレス加工して負極端子板5を作製し、負極集電子6の鍔部6aを負極端子板5に溶接した。そして、ガスケット7のボス部7aの中空13hに負極集電子6を圧入して、封口ユニット9を組み立てた。
 (2)正極の作製
 平均粒径35μmの電解二酸化マンガン粉末と平均粒径15μmの黒鉛粉末とを94:6の質量比で混合し、混合物100質量部に対してアルカリ電解液を2質量部添加し、充分に攪拌した後、圧縮成形して、フレーク状の正極合剤を得た。フレーク状の正極合剤を顆粒状に粉砕した後、中空円筒状ペレットに加圧成形し、得られた成形体を正極2とした。
 アルカリ電解液には、35質量%の水酸化カリウムと2質量%の酸化亜鉛とを含有する水溶液を用いた。
 (3)負極の調製
 ゲル化剤(ポリアクリル酸ナトリウム粉末)と、アルカリ電解液と、平均粒径160μmの亜鉛合金粉末とを、質量比0.8:33.6:65.6で混合し、ゲル状負極3を得た。
 (4)電池の組み立て
 正極2を電池ケース1内に挿入し、加圧治具により正極2を電池ケース1の内壁に密着させた。正極2の中空に有底円筒形のセパレータ4を配置した。セパレータ4には、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する不織布を用いた。セパレータ4内にアルカリ電解液を注入して所定時間経過後、ゲル状負極3をセパレータ4内に充填した。封口ユニットのガスケットの外周部を電池ケース1の開口付近に配置し、電池ケース1の開口端部を内方へ折り曲げて封口し、電池を完成させた。
 <短絡試験>
 ガスケット7のボス部7aの構成が表1のように異なる複数のアルカリ電池をそれぞれ120個ずつ準備し、4個の電池を直列接続した組を30組ずつ作製した。常温(20℃)で30組の電池を閉回路状態で24時間放置し、その後、開回路状態に戻し、1週間放置した。防爆機能が作動せず、4個中のいずれかの電池が破損した組の割合を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 《実施例2》
 ガスケット7の連結部7cの開口側の面に、ボス部側から外周部側に延びる2つまたは4つの補強リブ7dを形成したこと以外、実施例1と同様に、ボス部7aの長さが1.5mm、内径差ΔDが0.03mmのガスケット7を具備する電池を作製した。
 <過酷短絡試験>
 ガスケット7の構成が表2のように異なる複数のアルカリ電池をそれぞれ120個ずつ準備し、4個の電池を直列接続した組を30組ずつ作製した。30組の電池を60℃の恒温槽で8時間保管し、その後、同じく60℃で、閉回路状態で24時間放置し、その後、開回路状態に戻し、1週間放置した。防爆機能が作動せず、4個中のいずれかの電池が破損した組の割合を表2に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 《実施例3》
 ガスケット7のスカート角を表3に示すように変更したこと以外、実施例1と同様に、ボス部7aの長さが1.5mm、内径差ΔDが0.03mmのガスケット7を具備する電池を作製し、実施例2と同様に60℃での過酷短絡試験を行った。結果を表3に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 以上のように、ボス部7aの高さを1.5mm以上、3.0mm以下とし、内径差ΔDを0.03mm以下に制限することにより、防爆機能が安定化することが示された。また、ガスケット7に補強リブ7dを設け、もしくはスカート角を大きくすることにより、より過酷な環境下でも防爆機能が安定化することが示された。
 本発明の実施形態に係るアルカリ乾電池は、防爆機能の安定性に優れるとともに高容量化できるため、種々の電子機器の電源として有用である。
 1:電池ケース
 2:正極
 3:ゲル状負極
 4:セパレータ
 5:負極端子板
 6:負極集電子
 6a:鍔部
 7:ガスケット
 7a:ボス部
 7b:外周部
 7c:連結部
 7d:リブ
 7e:環状突起
 8:薄肉部
 9:封口ユニット
 10:外装ラベル
 11A:上金型
 11B:下金型
 12:ゲート部
 13:コアピン
 13h:中空
 14:ボス部形成空間部
 16:連結部形成空間部
 17:外周部形成空間部

Claims (4)

  1.  開口を有する電池ケースと、
     前記電池ケース内に収容された発電要素と、
     前記開口を封口する封口ユニットと、を備え、
     前記封口ユニットは、負極端子板と、前記負極端子板に接合された負極集電子と、ガスケットと、を備え、
     前記ガスケットは、前記負極集電子を貫通させるボス部と、前記電池ケースの開口端部に接する外周部と、前記ボス部と前記外周部とを連結する連結部とを備え、
     前記連結部の前記ボス部に隣接する内周領域に、防爆機能を有する薄肉部を有し、
     前記ボス部の高さは、1.5mm以上、3.0mm以下であり、
     前記ボス部の中央部の内径と、前記ボス部の上下端部の最小内径との差が、0.03mm以下である、アルカリ乾電池。
  2.  前記連結部の前記開口側の面に、前記ボス部側から前記外周部側に延びるリブが形成されている、請求項1に記載のアルカリ乾電池。
  3.  複数の前記リブが、前記連結部の前記開口側の面を2以上の領域に分割するように形成されている、請求項2に記載のアルカリ乾電池。
  4.  前記連結部の前記内周領域の前記開口側の面と、前記ボス部の高さ方向とが成す角度θが、45度以上である、請求項1~3のいずれか1項に記載のアルカリ乾電池。
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