CN106063025B

CN106063025B - 金属空气电池

Info

Publication number: CN106063025B
Application number: CN201680000357.7A
Authority: CN
Inventors: 小出彩乃; 平芳延; 阿部英俊; 渡边晃
Original assignee: FUKUKAWA DENSHI Co Ltd
Current assignee: FUKUKAWA DENSHI Co Ltd
Priority date: 2015-02-06
Filing date: 2016-02-01
Publication date: 2018-09-07
Anticipated expiration: 2036-02-01
Also published as: WO2016125756A1; JP2016146257A; JP5873579B1; CN106063025A

Abstract

本发明提供一种金属空气电池，该金属空气电池利用由纸来形成外装体的结构，能够容易且在短时间内将空气电极安装于外装体。外装体(11)由利用热塑性树脂层压而成的纸形成。外装体(11)具有被空气电极(13)覆盖的开口部(22K)，通过对沿开口部(22K)的整周的外装体(11)的热塑性树脂和构成空气电极(13)的催化剂层的催化剂片(13B)进行热熔接，来接合外装体(11)和空气电极(13)。隔着开口部(22K)而在与空气电极(13)相反的一侧，热熔接有跨过开口部(22K)的缘部的非透液性膜。

Description

金属空气电池

技术领域

本发明涉及在容纳金属电极的外装体上安装有空气电极的金属空气电池。

背景技术

已知一种在容纳金属电极的外装体上安装有空气电极的金属空气电池。这种金属空气电池中使用的空气电极和外装体(还称为电解槽、电池箱)利用粘接剂来进行粘接(例如专利文献1、2)。使用粘接剂的方法容易产生粘接剂量的偏差、粘接位置的偏差。粘接剂的偏差成为使用中的漏液的原因，导致变成劣质产品。若想要机械性地解决该问题，则需要大规模装置。

并且，由于进行硬化需要时间，直到完成电池需要很长时间。另外，还需要用于进行硬化(静止放置)的地方。

另外，提出了如下方法：将外装体设置为由聚氯乙烯构成的塑料电解槽，从气体扩散电极的周缘部跨越电解槽而垫上热熔接性膜，并加热压接热熔接性膜(专利文献3)。但是，即使以热封的方式粘接在塑料电解槽，由于与电极粘接的粘接面较平坦，因此与利用粘接剂进行粘接的情况相比其效果不明显。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-201122号公报

专利文献2：日本特开平8-222231号公报

专利文献3：日本特开昭51-138836号公报

发明内容

本发明要解决的问题

可是，若利用含有纸的片材来形成外装体，则实现低成本并且变得轻型，而且在废弃性方面也有利。但是，由于纸制的外装体容易挠曲，因此难以进行使用了粘接材料的粘接作业，更容易产生粘接剂量的偏差、粘接位置的偏差。另外，在纸制的外装体(还称为纸电解槽)上设有经由空气电极而引入空气的开口部的情况下，如果电解液向开口部的端面渗透，则导致纸电解槽的强度下降、外观上的恶化，因此需要在开口部的端面上施加粘接剂等对策。因此，在考虑到硬化时间的情况下，需要更多的时间。

另一方面，在专利文献3的方法中，需要将热熔接性膜作为单独部件来准备，并且需要将热熔接性膜配置在从空气电极的周缘部向电解槽的电极安装口的缘部跨越的位置上。因此，在热熔接性膜的位置上容易产生偏差，需要熟练地进行膜的安装作业。

而且，在专利文献3中，设有从电极安装口延伸的肋，在该肋和热熔接性膜之间夹持空气电极的缘部，但在使用比塑料电解槽更薄且强度更低的纸制的电池箱的情况下，很难设置上述肋。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的是提供一种金属空气电池，该金属空气电池利用由纸来形成外装体的结构，能够容易且在短时间内将空气电极安装于外装体。

用于解决问题的技术方案

该说明书包括日本国专利申请的特愿2015－022294的全部内容。

为了解决上述问题，本发明的金属空气电池具备具有催化剂层和集电体的空气电极，并在容纳金属电极的外装体上安装有所述空气电极，该金属空气电池的特征在于，所述外装体由利用热塑性树脂层压而成的纸形成，所述外装体具有被所述空气电极覆盖的开口部，通过对沿所述开口部的整周的所述外装体的热塑性树脂和所述空气电极的所述催化剂层进行热熔接，来接合所述外装体和所述空气电极，隔着所述开口部而在与所述空气电极相反的一侧，热熔接有跨过所述开口部的缘部的非透液性膜。

在上述结构中，也可以设置为如下：在所述空气电极和所述外装体之间配置有具有热塑性的热熔接用片，经由所述热熔接用片而对所述外装体的热塑性树脂和所述催化剂层进行热熔接。

另外，在上述结构中，也可以设置为如下：所述催化剂层是表面具有凹凸的催化剂片，所述催化剂片被冲压地设置在网格状的所述集电体上。

发明效果

根据本发明，外装体由利用热塑性树脂层压而成的纸形成，通过对该外装体的热塑性树脂和空气电极的催化剂层进行热熔接而接合外装体和空气电极，因此，利用由纸形成外装体的结构，能够容易且在短时间内将空气电极安装于外装体。

附图说明

图1是从前面观察本发明的第一实施方式涉及的金属空气电池的主视图。

图2是金属空气电池的侧剖视图(A－A剖视图)。

图3是用于说明隔水膜的图，图3(A)是表示一体型的隔水膜的图，图3(B)是表示分体型的隔水膜的图。

图4是示意性地表示第一实施方式的热熔接工序的图。

图5是示意性地表示第二实施方式的热熔接工序的图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的一个实施方式进行说明。

(第一实施方式)

图1是从前面观察本发明的第一实施方式涉及的金属空气电池10的主视图，图2是侧剖视图(A－A剖视图)。

金属空气电池10具备中空箱形状的外装体11(还称为电解槽、电池箱)、向外装体11外部露出的空气电极13、以及容纳在外装体11内部的金属电极15。该金属空气电池10是一次电池，通过在外装体11内注入水系的电解液，空气电极13作为正极而发挥作用，金属电极15作为负极而发挥作用。图1及后述的各图所示的上下左右等各方向对应于将金属空气电池10作为电池(单电池)而使用时的各方向。但是，也可以根据使用状况而适当地改变设置方向。

通过如下方法形成外装体11：将一张折弯自如的片材折叠两次，接合其两侧缘，并进行折弯加工。该外装体11形成为薄型的长方体形状，一体地具有构成外装体11的底面的底板部21、构成前表面的前壁部22、构成后表面的后壁部23、构成左右侧面的左右侧壁部(左壁部、右壁部)24、以及构成上表面的上板部25。前壁部22及后壁部23是在左右方向上比上下方向上更长的相同形状的面(长方形面)，配置成相互平行，并且构成外装体11之中最大的面。

在前壁部22上设有被空气电极13覆盖的矩形状的开口部22K。

如图2所示，在前壁部22和后壁部23之间，与空气电极13对置地配置有金属电极15。底板部21形成为在进行侧视时折弯成向下方凸的V字形状，金属电极15的下端被底板部21的倾斜度引导而嵌入到向下方凸的部分21T，从而对金属电极15的下端进行定位。

前壁部22及后壁部23的上端通过折弯而形成上板部25。上板部25具有折弯部25A、25B、25C、25D，折弯部25A、25B、25C、25D以从前壁部22及后壁部23侧夹持金属电极15的上部的方式交替地超过金属电极15的跟前及金属电极15而向下方折弯，利用这些折弯部25A～25D来支承金属电极15的上部。由此，金属电极15与空气电极13平行地被支承。

此外，折弯部25A、25C是将前壁部22侧折弯的部分，折弯部25B、25D是将后壁部23侧折弯的部分。在金属电极15的两侧设有相同宽度的间隙SF、SR，与这些间隙SF、SR对应的空间内填满了电解液。在图2中，附图标记UL表示电解液的液面。

金属电极15使用镁合金，电解液使用氯化钠水溶液。此外，金属电极15能够使用锌、铁、铝等金属或者其合金。在金属电极15使用锌的情况下，电解液使用氢氧化钾水溶液即可，在金属电极15使用铁的情况下，电解液使用碱性水溶液即可。另外，在金属电极15使用铝的情况下，使用包括氢氧化钠或者氢氧化钾的电解液即可。

空气电极13具备构成集电体的矩形状的铜网格13A(图1)、和构成催化剂层的催化剂片13B(图1)。如下形成该催化剂片13B：至少混合氧化还原催化剂和粘合剂而获取规定粘度的导电材料糊膏，利用滚压机等作成规定厚度的片状之后，按照规定时间、规定温度进行干燥、烧成。将该催化剂片13B剪断成与铜网格13A大致同等大小的片之后，向铜网格13A的两表面压迫(冲压)从而与铜网格13A呈一体。

氧化还原催化剂除了使用科琴黑等炭黑，还能够使用碳晶须、石墨、石墨晶须、活性炭、碳纳米管、碳纳米线、碳纳米角等碳材料、铜、铝等金属材料、或者聚苯撑衍生物等有机导电性材料。另外，除了上述材料之外，作为催化剂还能够使用白金、钴、或者二氧化锰等金属、氧化物等。

粘合剂使用热塑性粘合剂。具体而言，能够使用聚烯烃类树脂(聚乙烯、聚丙烯等)、或者聚四氟乙烯(还称为PTFE、特氟龙(注册商标))等。

由于该催化剂片13B是搅拌粒状的氧化还原催化剂、粘合剂等而烧成的催化剂片，因此在表面上具有凹凸，在利用滚压机冲压之后也维持一定程度的凹凸。

此外，铜网格13A的一部分向催化剂片13B的外部露出，该向外部露出的部分作为空气电极13的端子13T而被使用。

形成外装体11的片材使用由热塑性树脂层压而成的纸(层压纸)。由此，电解液不会向外部渗出(漏出)，另外，与使用金属罐、树脂制容器的情况相比，能够得到轻型且廉价的外装体11。此外，在本实施方式中，使用对成为基体材料的纸的双面进行层压加工的双面层压纸。

由于使用热熔接性树脂，因此能够通过热熔接(还称为热封)来进行接合而形成液密性的箱形状。而且，外装体11的纸的比率超过50％，也能够作为废纸来进行处理。

热塑性树脂优选聚乙烯(PE)、聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物等聚烯烃类树脂。此外，能够形成液密性的箱形状、且能够进行热熔接，则可以使用任意的树脂。

纸能够优选使用涂布纸板、非涂布纸板、纸板、卡片纸等比较厚的具有强度的材料。另外，也能够优选使用预先对纸和热熔接性树脂进行复合化的杯原纸、纸包原纸等。

如图2所示，在本实施方式中，设置为如下结构：利用空气电极13从外侧覆盖外装体11的开口部22K，并利用作为非透液性膜的隔水膜131从内侧覆盖开口部22K的端部。由此，能够使空气电极13整体向外部露出，能够容易地接近空气电极13的端子13T(例如配线连接)，并且，能够利用隔水膜131来包覆开口部22K的端面。

图3(A)表示隔水膜131。

隔水膜131形成为一体地具备四个矩形状的包覆部132、133、134、135的四方框状，该四个矩形状的包覆部132、133、134、135包覆被空气电极13覆盖的矩形的开口部22K的各边。该隔水膜131的材料使用由上述的聚乙烯(PE)、聚丙烯等热熔接性树脂形成的非透液性膜。

通过利用该隔水膜131来包覆开口部22K的端面，能够防止来自开口部22K的端面的电解液的渗透。

图3(B)表示隔水膜131的另一个例子。

分开制成该隔水膜131的四个包覆部132～135。即，分开制造相当于四个包覆部132～135的长条部，通过热熔接等接合各长条部而设置成在开口部22K的整个缘部上延伸的框状的隔水膜131。

在设置成该分体型隔水膜131的情况下，与图3(A)的一体型隔水膜131相比，在从膜材料中剪切时能够减少剩余的膜材料。另外，易于制造各种形状的膜，并易于对应设计改变、大小改变。

在一次热熔接工序(热熔接作业)中完成本实施方式的外装体11、空气电极13及隔水膜131各自的接合。

即，针对外装体11的开口部22K进行如下配置：在外装体11的表面(向外部露出的面)叠加空气电极13，并且在外装体11的背面(向内部露出的面)叠加隔水膜131，在该状态下，通过利用热封装置(还称为热熔接机)来进行加热，从而如图2所示，对外装体11的热塑性树脂和空气电极13进行热熔接，并且将隔水膜131的外周侧热熔接到外装体11的热塑性树脂，并且，将隔水膜131的内周侧热熔接到空气电极13。

关于该热熔接工序，也可以由作业员通过手动作业来进行，也可以设置成由设在生产线上的自动热封装置来进行。此外，热熔接方式可以是利用热源的热量的方式、利用高频的方式、利用超声波的方式中的任一方式。

图4是示意性地表示热熔接工序的图。

在图4中，附图标记HB1、HB2是热封装置所具备的一对加热块，将上侧标注为上加热块HB1，将下侧标注为下加热块HB2。

另外，在图4中，附图标记100表示作为组装外装体11之前的展开状态下的片的、以规定形状冲裁层压纸而形成开口部22K之后的片材的一部分(以后称为冲裁片)。

如图4所示，依次叠加空气电极13、冲裁片100、以及隔水膜131，并将它们配置于下加热块HB2。然后，通过使上加热块HB1向下方移动而设置成在上下加热块HB1、HB2之间夹持空气电极13、冲裁片100、以及隔水膜131的状态，利用各加热块HB1、HB2从上下进行加热直到到达预先确定的温度为止。

由此，对空气电极13和外装体11的热塑性树脂进行热熔接，并且隔水膜131分别热熔接到外装体11的热塑性树脂及空气电极13。此外，如下进行所述热熔接：通过利用仅露出进行热熔接的部分的所期望形状的专用夹具(未图示)来分别进行定位，并配置于下加热块HB2，从而使空气电极13、冲裁片100、隔水膜131的位置不会偏移，另外，能够仅对希望进行热熔接的部分进行热熔接。

在进行该热熔接时，空气电极13的催化剂片13B与外装体11相接，对催化剂片13B和外装体11的热塑性树脂进行热熔接。另外，隔水膜131的内周侧与空气电极13的催化剂片13B相接，隔水膜131的内周侧被热熔接到催化剂片13B。

如上所述，催化剂片13B在表面具有凹凸，因此外装体11的热塑性树脂进入表面的凹凸部分，在该状态下被进行热熔接。因此，与将外装体11的热塑性树脂热熔接到平滑面上的情况相比，能够期望提高空气电极13和外装体11的热塑性树脂的接合强度。此外，通过适当地调整催化剂片13B的表面粗糙度、热塑性树脂的厚度及材质、加热温度等，易于调整接合强度。

在图4中表示了将上加热块HB1及下加热块HB2形成为具有与空气电极13的外形状大致相同大小的长方体形状的情况。根据该结构，通过进行一次热处理，能够对空气电极13、冲裁片100、隔水膜131的接合区域整体进行加熱，并能够对它们进行集中地热熔接。

但是，各加热块HB1、HB2的形状不限于上述形状，在能够进行热熔接的范围内可以进行适当的改变。例如，也可以将加热块HB1、HB2两者或者任一一者设置为沿空气电极13的外周缘连续的框形状，仅对与空气电极13的外周缘相对应的区域进行加熱。

接着，对实施例及比较例进行说明。此外，实施例不限于以下内容。(实施例1)

通过热熔接(热封)，接合了空气电极13、冲裁片100(外装体11)和隔水膜131。五名作业员以每人分别制造6个单电池的方式利用手动式热封装置通过手动作业进行了该接合作业。另外，在进行接合之后将冲裁片100折弯而组装成外装体11，对其注入电解液，并进行了放电试验。此外，放电试验在电流密度为15mA/cm²的情况下进行到0V截止电压为止。

在放电试验期间及在进行试验之后，在所有的单电池中未发现漏液。另外，接合所需的时间为平均每个单电池需要30秒。即使立刻叠加结束了接合的部件也没有问题，因此只要存在叠加冲裁片100(外装体11)的空间就能够进行作业。因此，进行30个单电池量的空气电极13的接合所需的工作台的面积是用于配置手动式热封装置的空间(在本实施例中为约1平方米)左右。

(比较例1)

利用粘接剂接合了空气电极13、冲裁片100(外装体11)、隔水膜131。关于该接合作业，五名作业员以每人分别制造6个单电池的方式通过手动作业进行了粘接。另外，在粘接剂硬化之后，与实施例1相同的条件下进行了放电试验。

在本比较例中，从耐化学性、耐水性的方面考虑，将施敏打硬公司制造的环氧类树脂作为粘接剂来使用。此时，整个30个单电池之中26个单电池没有漏液，但从4个单电池中看到了漏液。另外，粘接作业时间是每个单电池平均4分钟左右，但由于需要使外装体11的表面和背面这两者的粘接剂硬化的时间，因此从粘接到组装需要两天。

另外，由于在进行粘接后的叠加外装体11较困难，因此，需要直到粘接剂硬化为止不叠加外装体11而排列配置的静止放置地方。因此，30个单电池量的空气电极13的接合所需的工作台的面积是4平方米左右。

将实施例1及比较例1的结果表示在表1中。在表1中记载了有无漏液、空气电极13的接合所需的时间(接合时间)、单电池组装所需的时间(单电池组装时间)、以及30个单电池的空气电极13的接合所需的工作台的面积(工作台的面积)。

[表1]

在本实施方式中，在由层压纸形成的外装体11上直接叠加空气电极13和隔水膜131，并且从上下加热而进行热熔接，因此，即使是易于挠曲的纸质的外装体11，其接合作业较简单，并且如表1所示，接合作业也能够在30秒左右的短时间内进行。另外，通过抑制每个作业员的差异，能够避免不必要的漏液。

由此，与使用粘接剂的情况相比，能够简单地且短时间内安装空气电极13。而且，无须确保静止放置时间、静止放置地方，因此对生产性的提高及低成本化有利。

如以上说明，在本实施方式中，利用由热塑性树脂层压而成的纸来形成外装体11，通过对外装体11的热塑性树脂和空气电极13的催化剂片13B进行热熔接而接合外装体11和空气电极13，因此，能够容易地且短时间内将空气电极13安装在纸制的外装体11，另外，与使用粘接材料的情况相比能抑制因人引起的差异，并易于抑制漏液导致的劣质。

而且，空气电极13的催化剂片13B在表面具有凹凸，因此热塑性树脂进入催化剂片13B的凹凸部分，能够期望提高接合强度。

另外，外装体11具备被空气电极13覆盖的开口部22K，通过对沿该开口部22K的整周的外装体11的热塑性树脂和催化剂片13B进行热熔接，接合外装体11和催化剂片13B，因此能够抑制电解液从开口部22K的整周漏出。

另外，隔着开口部22K而在与空气电极13相反的一侧，热熔接了跨过开口部22K的缘部的非透液性隔水膜131，因此能够防止电解液向开口部22K渗透。由此，能够长期抑制纸制的外装体11的强度下降。

并且，在催化剂片13B中使用的粘合剂使用热塑性粘合剂，因此能够期望由粘合剂的热塑性带来的与外装体11的接合强度的提高。

(第二实施方式)

图5是示意性地表示第二实施方式的热熔接工序的图。

在第二实施方式中，在空气电极13和冲裁片100(外装体11)之间，配置具有热塑性的热熔接用片151，经由该热熔接用片151而对外装体11的热塑性树脂和空气电极13的催化剂片13B进行热熔接。

在该情况下，如图5所示，通过集中层叠空气电极13、热熔接用片151、冲裁片100、隔水膜131，能够在一次热熔接工序中进行热熔接。

如此，在空气电极13和冲裁片100(外装体11)之间配置了热熔接用片151的情况下，能够增加空气电极13和外装体11之间存在的热塑性材料的量。

因此，即使在外装体11表面的热塑性树脂较薄的情况下(即，将层压厚度设定为较薄的情况)，也能够在空气电极13和外装体11之间确保足够进行热熔接的热塑性材料的量。

因而，能够在空气电极13和外装体11之间容易地确保热熔接所需的材料，能够适当地进行热熔接。

并且，比较容易地设定热熔接用片151的厚度、材料、以及形状等条件，因此能够配合各种空气电极13、外装体11而制造热熔接用片151，并能够设置为更容易地进行热熔接。

以上，叙述了用于实施本发明的方式，但本发明不限于上述的实施方式，根据本发明的技术思想能够进行各种变形及改变。

例如，可以适当地改变外装体11的形状，也可以适当地改变空气电极13的形状。另外，在上述的各实施方式中，说明了使用隔水膜131的情况，预先对开口部22K的端面进行隔水处理等，在来自开口部22K的端面的电解液的渗透不成问题的情况下，也可以省略隔水膜131。当省略隔水膜131时，能够进一步实现减少部件件数、热熔接作业的容易化。

另外，在上述的实施方式中，说明了在催化剂片13B的表面具有凹凸的情况，但与是否存在凹凸无关，都能够向冲裁片100进行热熔接。总之，只要是不会从对空气电极13和催化剂片13B进行了热熔接的部分渗透电解液的结构，则不特别限定。

附图标记说明

10：金属空气电池，11：外装体，13：空气电极，13A：铜网格(集电体)，13B：催化剂片(催化剂层)，15：金属电极，22K：开口部，100：冲裁片，131：隔水膜(非透液性膜)，151：热熔接用片。

Claims

1.一种金属空气电池，具备具有催化剂层和集电体的空气电极，并在容纳有金属电极的外装体上安装有所述空气电极，其特征在于，

所述外装体由利用热塑性树脂层压而成的纸形成，

所述外装体具有被所述空气电极覆盖的开口部，

通过对沿所述开口部的整周的所述外装体的热塑性树脂和所述空气电极的所述催化剂层进行热熔接，来接合所述外装体和所述空气电极，

隔着所述开口部而在与所述空气电极相反的一侧，热熔接有跨过所述开口部的缘部的非透液性膜。

2.根据权利要求1所述的金属空气电池，其特征在于，

在所述空气电极和所述外装体之间配置有具有热塑性的热熔接用片，经由所述热熔接用片而对所述外装体的热塑性树脂和所述催化剂层进行热熔接。

3.根据权利要求1或2所述的金属空气电池，其特征在于，

所述催化剂层是表面具有凹凸的催化剂片，

所述催化剂片被冲压地设置在网格状的所述集电体上。