CN1321343A - 密封圆筒型镍氢蓄电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种不需延长电解液的注液时间而能够进行良好的大电流放电的高容量镍氢蓄电池。该电池具备电极群、放置所述电极群的金属盒以及具备安全阀且将所述金属盒的开口部分进行密封的封口板,所述电极群具有以非烧结式圆筒状的一极性的电极为中心,隔着隔离层将非烧结式中空圆筒状的另一极性的电极与非烧结式中空圆筒状的一极性的电极相互叠层成同心圆状的构造。

Description

密封圆筒型镍氢蓄电池
技术领域
本发明涉及由镍正极、吸氢合金负极、隔离层以及碱性电解液构成的小型大容量的密封圆筒型镍氢蓄电池的改良。
背景技术
镍氢蓄电池是由以氢氧化镍为主体的活性物质形成的正极与以吸氢合金为主体的负极形成的蓄电池，并且作为移动设备等的电源而广泛使用。然而，为了进一步普及，要求更大的容量。关于该镍氢蓄电池，对于圆筒型的蓄电池，插入在金属盒中的电极群一般的构造是将隔离各一层的正极层与负极层这两层的隔离层卷成旋涡状的所谓螺旋构造。然而，这种螺旋构造的电极群存在这样的问题，即在其卷起的开始与结束部分存在许多对于电池容量毫无贡献的隔离层并且因不为同心圆状在卷绕结束部分产生浪费的体积部分。
对于该电极群的构成方法，为了解决上述问题，在实开昭58-24967号公报中公开了将圆筒状烧结式电极与圆柱状烧结式电极结合形成的碱性蓄电池。由此，将电极群插入金属盒就变得容易。然而，由于电极采用将镍粉末烧结获得多孔度为80％的多孔质镍烧结基板，不能够使基板的多孔度在此之上再增大，则活性物质的填充效率变低，在容量的提高上也是有限的。
这里，为了进一步增大容量，采用多孔度大、可以填充较多活性物质金属状多孔体、或者金属纤维、碳素纤维、金属网格、穿孔金属、膨胀合金等的金属芯体的所谓糊状式电极，提出了下述(特开平6-215796号公报)的镍氢蓄电池。即，以圆柱状的一极性为中心隔着隔离层将另一极性的中空圆筒状电极层叠为同心圆状的电池、而且将圆柱状的一极性的电极为中心并依次叠层隔离层、中空圆筒状的另一极性的电极、隔离层、中空圆筒状的另一极性的电极形成的镍氢蓄电池。由此，能够大大提高蓄电池的容量。
然而，对于以圆柱状的一极性为中心隔着隔离层将中空圆筒状分另一极性的电极叠层为同心圆状的电极群的构造以及将圆柱状的一极性的电极为中心并依次叠层隔离层、中空圆筒状的另一极性的电极、隔离层、中空圆筒状的一极性的电极形成电极群的构造，存在下述问题。
第一，因电极的相对面积较小，在特性上存在当特定的大电流放电时实际电池容量比以往构造的电池更差的的问题。第二，对于在金属盒中插入电极群的状态，在生产上存在注入电解液需多花时间的问题。
发明内容
本发明采取将不同极性的电极隔着隔离层反复叠层为同心圆状的电极群的构造，能够在一定程度上确保正·负极的对向面积并且解决上述第一问题。
本发明使得成为电极群中心的电极为中空圆筒状而能够容易地向其中空部分注入电解液，或者将电极多层叠层能够容易地向电极间的隔离层注入电解液，因此能够解决第二问题。
本发明提供一种密封圆筒型镍氢蓄电池，它具备电极群、放置所述电极群的金属盒、安全阀以及密封所述金属盒的开口部分的封口板，所述电极群由至少各1个非烧结式中空圆筒状的一极性的电极、另一极性的电极以及隔离二个电极的隔离层形成，所述电极以一极性的电极为中心隔着隔离层相互交错配置成为同心圆状。
而且，本发明还提供一种密封圆筒型镍氢蓄电池，它具备电极群、放置所述电极群的金属盒、安全阀并且还具备密封所述金属盒的开口部分的封口板，所述电极群由非烧结式中空圆柱状的一极性的电极、至少1个非烧结式中空圆筒状的一极性的电极、至少2个非烧结式中空圆筒状的另一极性的电极以及隔离二个电极的隔离层形成，所述圆筒状的另一极性的电极与圆筒状的一极性的电极以所述圆柱状的一极性的电极为中心隔着隔离层相互交错配置成为同心圆状。
附图简述
图1是本发明实施例电池的横剖面图。
图2是本发明其他实施例电池的横剖面图。
图3是本发明再一实施例电池的横剖面图。
图4是本发明再一实施例电池的横剖面图。
图5是图4所示的电池的电极群成过程的扩大横剖面图。
图6是比较例电池的横剖面图。
图7是其他比较例电池的横剖面图。
图8是再一比较例电池的横剖面图。
最佳实施形态
本发明的密封圆筒型镍氢蓄电池的特点在于，具备电极群、存放所述电极群的金属盒以及安全阀和密封所述金属盒的开口部分的封口板，所述电极群由至少各一个非烧结式中空圆筒状的一极性的电极、另一极性的电极以及隔离二个电极的隔离层形成，所述电极以一极性的电极为中心隔着隔离层相互配置成为同心圆柱状。
另一方面，本发明的特点在于，电极群由非烧结式圆柱状的一极性的电极、至少1个非烧结式中空圆筒状的一极性的电极、至少2个非烧结式中空圆筒状的另一极性的电极以及隔离二个电极的隔离层形成，所述圆筒状的另一极性的电极与圆筒状的一极性的电极以所述圆柱状的一极性的电极为中心隔着隔离层相互交错配置成为同心圆状。
如上所述，本发明通过将极性不同的电极隔着隔离层反复叠层为同心圆状，由此，本发明的电极群能够确保一定的正·负极性的对向面积并且能够获得在大电流放电时高容量的电池。
本发明的电极群由于电极叠层为多层，向电极间的隔离层注电解液就变得容易。特别地，当成为电极群中心的电极为中空圆筒状时，向该中空部分注入电解液也变得容易。
在本发明的最佳实施形态中，以纵向分割的分割体或者具有纵方向的条状的形态来构成电极，连续的1层隔离层将一极性的电极与另一极性的电极隔离开，覆盖内侧电极其外侧仅一周的隔离层通过其外侧的电极的分割体间的间隙或者狭缝与覆盖该外侧电极的外侧的部分连接。
当将极性不同的中空圆筒状电极隔着隔离层相互叠层形成构成电极群时，在一极性的电极中空部分中，隔着隔离层插入另一极性的电极时，会产生在该电极上咬合隔离层的问题。而根据本最佳实施形态，不会使隔离层咬合。
构成这样的电极群的最佳方法包括：
(a)准备具有纵向分割的分割体或者纵向狭缝的各电极、1片长条状隔离层以及卷芯的工序；
(b)在保持了隔离层端部的卷芯周围配置一极性的电极并且将隔离层从所述电极的分割体的间隙或者狭缝中引出到电极外侧并且卷绕该电极外侧一周的工序；
(c)在所述被卷绕的隔离层的外侧配置另一极性的电极并且将所述隔离层的剩余部分从所述另一极性的电极分割体的间隙或者狭缝引出到电极外侧且卷绕该电极的外侧的工序；
(d)反复上述工序(c)直到剩余1个电极的工序。
(e)在被所述卷绕的最外周隔离层的外侧上配置剩余的电极而获得电极群的工序。
使用于本发明的电极最好是将活性物质作为主体的粉末进行加压成型或者在二维或三维金属芯体上涂着、填充进行加压成型的电极。
圆柱状或者中空圆筒状的电极的一部分或者全部在构成电池之前是分割体，最好构成电池后组合为为圆柱状或者中空圆筒状并且同一极性的电极相互为电性连接状态。
圆柱状或者中空圆筒状的电极分割体能够由纵向分割状的电极体或者轮切割状的电极体构成。
中空圆筒状的电极能够通过将薄层状的电极板弯曲成圆筒型构成或者由将电极板卷成旋涡状的电极体构成。
又，中空圆筒状电极能够由将2片以上同一极性的薄层状电极板叠层后弯曲成圆筒型的电极体、或者由将2片以上同一极性的电极板以叠层的状态卷成旋涡状绕的电极体构成。
对于以上的电极群构造，最好同一极性的电极相互之间通过金属导线或金属片(集电体)而为电性连接状态。
将不同极性隔离开的隔离层能够适用于将带状隔离层卷绕一周成圆筒状时进行加热溶着后的电极。当采用该隔离层时，则能够构成无限近似于同心圆状的电极群，而进一步提高金属盒的插入效率。
以上，主要对于电极群的构造进行了说明。对于放置电极群的电池盒、密封电池盒的开口部分的封口板等，可以参考采用于此种密封圆筒型镍氢蓄电池中的众所周知的构造，例如美国专利第5,712,056号所揭示的构造，这里加入参考该专利的参考例。
以下，根据实施例对于本发明进行更详细的说明，本发明不限于下述的实施例，能够在不改变其主要精神的范围中进行适当变化而实施本发明。
实施例1
在氢氧化镍粉末中添加10wt％的氢氧化钴粉末并添加一定量的纯水形成糊状体，将该糊状体填充到具有三维连续空孔的金属芯体的发泡状金属里，通过干燥、加压成型，作成内径约2mm、电极厚度约2.05mm的中空圆筒状的正极3。另一方面，将以吸氢合金粉末为主体的糊状体涂着在二维的金属芯体上并进行填充，通过干燥、加压成型之后，作成内径约6.34mm、电极厚度约0.78mm的中空圆筒状的负极4。隔离层2是将带状的隔离层薄层卷绕一周成圆筒状并且加热溶着两端部。这样，如图1所示，以中空圆筒状的正极3为中心，隔着在其外侧的隔离层2配置中空圆筒状的负极4构成电极群。将该电极群插入单6尺寸的金属盒1中，在注入电解液之后由具备安全阀的封口板将金属盒1的开口部分密封。5是构成正极3的中空部分的孔。正极与封口板电性连接、负极与金属盒电性连接，在封口板与金属盒之间通过垫圈(gasket)将两者电性绝缘，组成具有已知构造的电池。将该电池作为A。
实施例2
以实施例1同样的材料以及工序，作成直径约2.54mm圆柱状正极23a与内径约4.06mm、电极厚度约1.27mm的中空圆筒状的正极23b以及内径约2.78mm、电极厚度约0.52mm的中空圆筒状的负极24a与内径约6.84mm、电极厚度约0.52mm的中空圆筒状负极24b。圆柱状的正极23a与中空圆筒状的正极23b为具有仅由上部没有填充活性物质的金属芯体形成的部分的构造，另外，中空圆筒状的负极24a以及24b为具有仅由下部没有填充活性物质的金属芯体形成的部分的构造。如图2所示，以圆柱状的正极23a为中心，依次配置隔离层22a、中空圆筒状的负极24a、隔离层22b、中空圆筒状的正极23b、隔离层22c以及中空圆筒状的负极24b形成同心圆状而作成电极群。在电极群的上部的正极23a与23b的金属芯体部以及电极群的下部的负极24a与24b的金属芯体部分各自以圆盘状金属片进行焊接而电性连接。在单6尺寸的金属盒1中插入该电极群，在注入电解液之后，通过与正极电性连接的封口板将金属盒1的开口部分密封而组成电池B。
实施例3
通过同样的材料以及工序，如图3所示，作成内径约2.mm圆柱状、电极厚度约0.87mm的中空圆筒状的正极33a与内径约5.07mm、电极厚度约0.87mm的中空圆筒状的正极33b以及内径约3.97mm、电极厚度约0.43mm的中空圆筒状的负极34a与内径约7.03mm、电极厚度约0.43mm的中空圆筒状的负极34b。圆筒状的正极33a以及中空圆筒状的正极33b为具有上部没有填充活性物质的金属芯体部分的构造，另外，中空圆筒状的负极34a以及34b为具有下部没有填充活性物质的金属芯体部分的构造。以中空圆筒状的正极33a为中心，依次配置隔离层32a、中空圆筒状的负极34a、隔离层32b、中空圆筒状的正极33b、隔离层32c以及中空圆筒状的负极34b而形成同心圆状作成电极群。电极群上部的正极33a与33b的金属芯体部分以及电极群下部的负极34a与34b的金属芯体部分各自以圆盘状金属片进行焊接而电性连接。在单6尺寸的金属盒1中插入该电极群，在注入电解液之后，通过与正极电性连接的封口板将金属盒1的开口部分密封而组成电池C。
比较例1
通过与实施例1同样的材料及工序，如图6所示，以直径5.97mm的圆柱状的正极53为中心，依次配置隔离层52、内径6.21mm、厚0.84mm的中空圆筒状的负极54形成同心圆状而作成电池D。
比较例2
通过与实施例1同样的材料以及工序，如图7所示，以直径1.48mm的圆柱状的负极64a为中心，依次配置圆隔离层62a、内径1.72mm且厚度为2.22mm的中心圆筒状的正极63、隔离层62b以及内径6.56mm且厚度为0.67mm的中空圆筒状的负极64b形成同心圆状而作成电池E。
比较例3
如图8所示，以以往的一般的方法将隔离正极板73与负极板74两者的隔离层72卷绕成旋涡状而作成电池F。该电池在电极群的卷绕开始部分与卷绕结束部分具有空间部分75a以及75b。
在上述电池A～F的制作中，负极理论上的容量为正极理论上的容量的1.5倍，又，隔离层采用具有亲水性的聚丙烯非织布，电解液采用在7M的KOH水溶液中添加40g/l锂的水化物的溶液。
如上所述作成的电池各自正极的理论容量是从假设氢氧化镍的反应为1个电子反应的289mAh/g的电量而计算得出。表1表示它们的比较。
由于上述各电池因插入金属盒的插入效率不同而电池内部的剩余空间体积不同，因此对于电极群内部的空间体积一律注入95％的电解液量。电解液的注液使用利用离心力进行注液的离心注液设备并且在同一条件下进行，通过注入规定量电解液量所需时间来评价注液性。
在向电池注液并放置24小时之后，在20℃之下以0.05C(20时间率)的电流进行30小时的充电，在20℃下放置1小时之后，在20℃下通过0.02C(50时间率)的电流进行放电直到电池电压为1V。反复进行2次这样的操作之后，在45℃的周围气体下进行一周的老化而作为评价用的电池。
在20℃之下将评价用电池分别以0.05C的电流进行30小时的充电，在20℃之下放置1小时后，在20℃下以0.02C、0.2C以及1.0C的电流进行放电直到电池电压为1V。从此时的放电时间计算出电池容量。
表1表示以上的评价结果。
表1
  电池 理论容量(mAh) 注液时间(秒)                         放电容量(mAh)
   0.02CmA放电时  0.2CmA放电时   1.0CmA放电时
    A     635     15     565     320     ≈0
    B     640     45     590     525     215
    C     580     10     550     530     430
    D     680     65     600     330     ≈0
    E     670     50     605     370     ≈0
    F     420     10     405     400     370
如表1所示，本发明的电池A与比较例电池D相比，是在极短时间内能够进行电解液的注液的大容量电池。又，本发明的电池B与比较例电池E相比是在大电流放电时的容量高的大容量电池。本发明的电池C与一般构造的比较例电池F相比是不需要延长注液时间且大电流放电特性良好的大容量电池。
实施例4
与实施例1同样地，将在添加了10wt％的氢氧化钴粉末的氢氧化镍粉末中添加纯水后形成的糊状体填充到具有三维状金属芯体，通过干燥、加压成型，作成将内芯约2mm、厚度约0.87mm的中空圆筒状纵向分割后的2个分割正极43a、43b。另一方面，将以吸氢合金粉末为主体的糊状体涂着在二维状金属芯体上并进行填充，通过干燥、加压成型之后，作成长度约12.47mm且厚度约0.43mm的负极板44a、长度约22.07mm且厚度约0.43mm的负极板44b。隔离层42准备一枚尺带状的隔离层。
正极43a以及正极43b具有在上部没有填充活性物质的金属芯部分的构造。另一方面，负极板44a以及44b具有下部没有填充活性物质的金属芯部分的构造。
图5是使用上述正极、负极以及隔离层来构成电极群过程中的横剖面图。在该图中，为了易于理解，因扩大了电极部分，大小与图4不一定一致。
47表示在轴方向上设置了狭缝47a的圆柱状卷芯。在该卷芯47的狭缝47a中夹着隔离层42的端部，在卷芯的周围配置有正极43a与43a。此时，隔离层42从正极43a与43a之间形成的间隙45a的一方引出到电极43a的外侧并且卷绕电极43a外侧仅一周。其次，在该被卷绕的隔离层的外侧卷绕负极板44a。这样，在隔离层的外侧配置了卷绕的负极板44a。此后，隔离层没有形成于该负极板端部间的间隙而从狭缝45b引出到负极板44a的外侧。
如此，以由分割正极43a、43a作成的中空圆筒状的正极为中心，同心状地配置由卷绕成圆筒形的负极板44a、分割正极43b、43b作成的圆筒状正极以及卷绕成圆筒形的负极板44b，而且正极以及负极是由一片隔离层隔离开的电极群。构成电极群后从电极群中取出卷芯。根据该方法可以获得这样的电极群，它不会产生隔离层的咬合并且正负极完全由隔离层隔开而不会发生短路的危险。
上述的正极43a与43b在它们上部的金属芯材的露出部分和在负极44a与44b下部的金属芯材的露出部分上以圆盘状金属片进行焊接而电性连接。将该电极群插入单6尺寸的金属盒中，在注入电解液之后具备安全阀的封口板与正极电性连接并且进行封口而构成本发明的电池。
该电池在与上述同样条件下测量的大电流放电时的容量、注液时间等方面，与实施例3电池C几乎相同。又，在组成电极群时，由于利用隔离层可靠地隔离开了正·负极，则能够进一步降低电极群的不良比率。
工业应用性
如上所述，根据本发明，能够获得一种大容量的密封圆筒型镍氢蓄电池，它与以往的电池相比无需延长电解液的注液时间并且大电流放电特性良好，又，还能够使得组成电极群时减少不良产品的产生。

Claims (8)

1．一种密封圆筒型镍氢蓄电池，其特征在于，
具备电极群、放置所述电极群的金属盒、安全阀，还具备密封所述金属盒的开口部分的封口板，所述电极群由至少各一个非烧结式中空圆筒状的一极性的电极、另一极性的电极以及隔离二个电极的隔离层构成，所述电极以一极性的电极为中心隔着所述隔离层相互交错配置成为同心圆状。
2．如权利要求1所述的密封圆筒型镍氢蓄电池，其特征在于，
至少分别存在2个同一极性的电极，同一极性的电极相互之间电性连接。
3．如权利要求1所述的密封圆筒型镍氢蓄电池，其特征在于，
所述电极是将以活性物质为主体的粉末加压成型或者涂布、填充到二维或三维状金属芯体后加压成型的电极。
4．如权利要求1所述密封圆筒型镍氢蓄电池，其特征在于，
所述各电极以具有纵向分割的分割体或者纵向狭缝的形态构成，连续的1片隔离层将一极性的电极与另一极性的电极隔离开，覆盖内侧电极的外侧仅一周的隔离层通过其外侧的电极分割体间的间隙或者狭缝与覆盖所述隔离层外侧电极的外侧的部分连接。
5．一种密封圆筒型镍氢蓄电池，其特征在于，
具备电极群、放置所述电极群的金属盒、安全阀，还具备密封所述金属盒的开口部分的封口板，所述电极群由非烧结式中空圆柱状的一极性的电极、至少1个非烧结式中空圆筒状的一极性的电极、至少2个非烧结式中空圆筒状的另一极性的电极以及隔离二个电极的隔离层构成，所述圆筒状的另一极性的电极与圆筒状的一极性的电极是以所述圆柱状的一极性的电极为中心隔着所述隔离层相互交错配置成为同心圆状。
6．如权利要求5所述的密封圆筒型镍氢蓄电池，其特征在于，
同一极性的电极相互之间电性连接。
7．如权利要求5所述的密封圆筒型镍氢蓄电池，其特征在于，
所述电极是将以活性物质为主体的粉末加压成型或者涂布、填充到二维或三维状金属芯体后加压成型的电极。
8．一种密封圆筒型镍氢蓄电池的制造方法，其特征在于，
所述密封圆筒型镍氢蓄电池的制造方法是权利要求4所述的密封圆筒型镍氢蓄电池的制造方法，包括：
(a)准备具有纵向分割的分割体或者纵向狭缝的形态的各电极、1片长条状隔离层以及卷芯的工序；
(b)在固定隔离层端部的卷芯周围配置一极性的电极并且将隔离层从所述电极的分割体的间隙或者狭缝中引出到电极外侧并且卷绕所述电极外侧一周的工序；
(c)在所述卷绕的隔离层的外侧配置另一极性的电极，并且将所述隔离层的剩余部分从所述另一极性的电极分割体的间隙或者狭缝引出到所述电极外侧并且卷绕所述电极的外侧的工序；
(d)重复上述工序(c)直到剩余1个电极的工序；
(e)在所述卷绕的最外围的隔离层的外侧上配置剩余的电极而获得电极群的工序。
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