CN1893161A - 高输出型三维电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高输出型三维电池，在相对设置的正极集电体和负极集电体之间配置蛇状的隔离层，并使其交互接近两集电体，在蛇状的隔离层与正极集电体形成的空间中充填电解液，同时充填正极活性物质的粉末或成型体，在蛇状的隔离层与负极集电体形成的空间中充填电解液，同时充填负极活性物质的粉末或成型体，正极活性物质与负极活性物质夹着隔离层交叉装入。本发明所提供的高输出三维电池不会因为大型化而导致性能下降，而且可以降低制造成本，减少制作时间。

Description

高输出型三维电池
本申请是申请号为02818299.5(国际申请号为PCT/JP02/09409)，申请日为2002年9月13日，发明名称为“三维电池及其电极结构以及三维电池电极材料的制造方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及将做成粉末状或者颗粒状、板状等的活性物质加以充填而构成的三维电池的电极结构及其制造方法，以及以蛇状单位单元为基础且容易使提高等级的高输出三维电池。
背景技术
本发明涉及三维电池，而本发明想要解决的课题，在与已有技术的关系上可以分为下面所述的课题。
即，第1课题是提供以减少部件件数、减少组装时间、降低组装成本为目的的三维电池、该电极构造以及该三维电池电极材料的制造方法，此外还提供在该低成本型三维电池中可以扩大集电面积进行高效率充放电的三维电池；第2课题是提供容易做成大型电池，而且不因做成大型电池导致性能降低的可以得到高输出的高输出型三维电池。下面依序将所述课题与已有技术进行比较并说明如下。
1.已有技术与第1课题
日本专利第3051401号公报揭示了活性物质做成粉末或颗粒构成的所谓三维电池。又，国际公开号WO00/59062号的文献中揭示了层叠的三维电池。此外，有关充填颗粒状活性物质作为固定层的三维电池在日本特开2002-141101号公报以及特开2002-141104号公报中已经揭示，但是在制作这样的三维电池时，需要预先依照次序对隔离层以及集电体等进行组装形成单元之后，再将粉末或者颗粒状等活性物质充填于这种单元。
制作三维电池时，采用将活性物质充填于预先组装有隔离层以及集电体等的单元的方法中，可能在填充活性物质时会发生困难。此外，依次对电池组装所需要的部件进行组装时，集电体、单元、活性物质、隔离层等的部件件数的增多，显得非常繁杂。此外，还增加组装时间以及组装成本。
又，在仅使用平面状集电体的三维电池中，由于集电体面积相对较小，在实施高效率充放电(大电流充放电)时，会产生电池性能降低的问题。
本发明是鉴于上述各点而作出的，本发明要解决的第1个课题是，提供在制作三维电池的电极时通过将活性物质与隔离层、隔板、集电体多种部件加以组合并且同时成型以减少电池组装时的部件件数、减少组装时间、降低组装成本的三维电池及其电极构造以及该三维电池电极材料的制造方法。
又，本发明要解决的第1个课题是，提供通过将针状、板状、波纹状、颗粒状等突起形成于构成三维电池的隔板以及集电体上，以增加集电面积，且可以高效率充放电(大电流充放电)的三维电池的电极构造以及该三维电池电极材料的制造方法。
又，本发明要解决的第1个课题是，提供通过使用内部具有空隙的离子通过型集电体以增加集电面积且可以高效率充放电(大电流充放电)的三维电池电极结构以及该三维电池电极材料的制造方法。
2.已有技术与第2课题
如上所述，第3051401号专利公报揭示了活性物质做成粉末或颗粒构成的所谓的三维电池，国际公开号WO00/59062号的文献中揭示了层叠的三维电池，有关充填颗粒状活性物质作为固定层的三维电池在特开2002-141101号公报以及特开2002-141104号公报中已经揭示。
另一方面，在已有构造的电池中，由于作为镍氢二次电池正极的氢氧化镍不具导电性，将具有导电性的钴化合物涂覆在氢氧化镍的表面之后，以支撑形状以及导电为目的，将其涂在发泡镍片上，由于在碱性电解液中发泡镍片与氢氧化镍不可能接合，因此使用外部的物理压力来防止剥离。又，为了降低发泡镍片与氢氧化镍之间的电阻，必需使发泡镍片做得薄，因此将涂覆氢氧化镍的糊状物的1.1mm左右的发泡镍片压紧为0.6mm左右。又，为了使离子扩散平稳地进行，必需尽可能使正极与负极处于近距离上，因此正极+隔离层+负极电池的构造采用2mm以下的结构。
已有构造的镍氢二次电池中，为了在满足上述必要条件的状态下做成大型电池，采用相同的发泡镍片厚度，只有增大正极、负极面积，由于增大每1张薄片的面积是有限度的，因此采用增加连接发泡镍片张数的方法。这种情况下，连接方法是进行导线(镍板等)的焊接连接，但由于电阻增大，导致做成大型化的电池的性能下降。
又，在已有干电池构造中，使压紧变薄的平面状活性物质薄片夹着隔离层卷成卷状物装填于电池单元中。例如，在镍氢二次电池中，与电池单元直接接触的最外面的平面状活性物质(镍氢电池的情况下是作为负极的涂吸氢合金的薄片)与集电体(电池单元与负极集电体共用)的接触面积大，但是涂正极活性物质(氢氧化镍)的薄片与细导线(镍板等)焊接，而且还与外部端子焊接。这里成问题的是，焊接部分有2处，而且连接活性物质与外部端子的导线(镍板等)的截面积小。
也就是说，由于有焊接部分而导致电阻增大、制造成本增加以及制作时间增加。此外，由于连接活性物质与外部端子的导线(镍板等)的截面积小，在通以大电流时电阻与发热量难免增大。
又，已有的产业用电池构造，例如，在镍镉二次电池的情况下，将压紧变薄的平面状活性物质薄片按照正极+隔离层+负极+隔离层+正极+...的方式层叠，并将细导线(镍板等)焊接在各个平面状活性物质薄片上，将正极都汇总一起焊接于外部端子上，又将负极汇总一起焊接于外部端子上。这里成问题的是，由于将多片平面状活性物质薄片加以焊接连接，导致电阻增大、制造成本增加以及制作时间增加。
虽然单一型干电池具有良好的性能，但在有必要做成大容量电池时，一旦将单一型电池多个并联或者多个串联，因外部端子的接触电阻的缘故只能得到电压降低，性能下降的电池。还有，产业用电池那样在一开始就做成大容量电池的情况下，如上所述，由于焊接的地方多这样的基本构造上的问题，不能得到高性能电池。
本发明是鉴于上述各点存在问题而作出的，本发明要解决的第2个课题是，提供可以容易地做成大型化(提高等级)，不因为做成大型化容量而性能降低，能够得到高输出，而且可以降低制造成本，减少制作时间的高输出型三维电池。
发明内容
1.用于解决第1课题的发明
为了解决第1课题，本发明的三维电池，是在通过不通电离子能够通过的隔离层连接的2个单元中的一个单元内的电解质溶液中充填释放电子的活性物质的粉末、颗粒状或者板状成型体；在另一个单元内的电解质溶液中充填吸收电子的活性物质的粉末、颗粒状或者板状成型体形成的电池的构成单位，通过将与活性物质接触的离子不能通过的导电性集电体设置于2个单元内构成1组，或者所述电池的构成单位隔着离子不能通过的导电性隔板进行多组层叠，并且在两端的单元中设置与活性物质相接触的离子不能通过的导电性集电体构成，其特征在于，具备将导电性填料和树脂添加在引起电池反应的材料中使其硬化的活性物质与隔离层、隔板以及集电体中的至少1种成型为一整体结构的电极结构的三维电池。
一种三维电池的电极结构，是将释放电子的活性物质的粉末、颗粒或者成型体装填于通过隔离层连接的2个单元中的一个单元内的电解质溶液中，且将吸收电子的活性物质的粉末、颗粒或者成型体装填在另一个单元内的电解质溶液中形成的电池的构成单位，通过将与活性物质接触的集电体设置于2个单元内并构成1组的三维电池，或者所述电池的构成单位隔着隔板进行多组层叠，并且在两端的单元设置与活性物质相接触的集电体的三维电池的电极结构，其特征在于，将导电性填料和树脂添加于引起电池反应的材料中使其硬化的活性物质与隔离层成型为一整体构成。
在这种情况下，作为隔离层，可以使用在碱性电解液中不腐蚀变质，能够实现电绝缘，离子能够通过的材料，即可以使用例如四氟乙烯树脂、聚乙烯、尼龙、聚丙烯等构成的织物或无纺布，或膜滤器等。
本发明的三维电池的电极结构，是一种将释放电子的活性物质的粉末、颗粒或者成型体装填于通过隔离层连接的2个单元中的一个单元内的电解质溶液中，且将吸收电子的活性物质的粉末、颗粒或成型体装填在另一个单元内的电解质溶液中的电池构成单位，隔着隔板进行多组层叠，并且在两端的单元上设置与活性物质相接触的集电体的三维电池的电极构造，其特征在于，将导电性填料和树脂添加在引起电池反应的材料中使其硬化的活性物质与隔板成型为一整体结构。
在这种情况下，作为隔板，是在碱性电解液中的不发生腐蚀变质的离子不能通过的具有导电性的隔板，可使用例如镍金属板、镍金属箔材、碳、镀镍的铁、镀镍不锈钢、以及镀镍碳素等材料。此外，隔板的形状是平面状或者具有针状、板状、波纹状、颗粒状等有突起的形状。又，隔板可以使用内部具有通以致冷剂的冷却构造的隔板。
又，本发明的三维电池的电极结构，是一种将释放电子的活性物质的粉末、颗粒或者成型体装填于通过隔离层连接的2个单元中的一个单元内的电解质溶液中，且将吸收电子的活性物质的粉末、颗粒或者成型体装填在另一个单元内的电解质溶液中的电池构成单位，通过将与活性物质接触的集电体设置于2个单元内构成1组的三维电池，或者所述电池的构成单位隔着隔板进行多组层叠，并且在两端的单元设置与活性物质相接触的集电体的三维电池的电极构造，其特征在于，将导电性填料和树脂添加在引起电池反应的材料中使其硬化的活性物质与集电体成型为一整体。
这种情况下，作为集电体，可以使用在碱性电解液中的不发生腐蚀等变质的离子不能通过的具有导电性的材料，例如镍金属板、镍金属箔材、碳素、镀镍的铁、镀镍不锈钢、镀镍碳素等。此外，最好是在与活性物质接触的集电体上附加内部有空隙，离子能通过的具有导电性的离子通过型集电体。作为离子通过型集电体，可以使用镍金属网、碳纤维、由镀镍的铁、不锈钢等构成的网状体、发泡金属镍、镀镍的发泡树脂、镀镍碳纤维、二氧化硅、氧化铝等无机纤维镀镍的材料、有机纤维镀镍的材料、毛毡镀镍的材料以及在云母等无机物箔材上镀镍的材料。集电体的形状是平面状或者具有针状、板状、波纹状、颗粒状等形状的有突起的形状。再有，集电体可以使用内部具有通以致冷剂的冷却构造的集电体。
又，本发明的三维电池的结构的特征在于，使将导电性填料和树脂添加在引起电池反应的材料中并使其硬化的活性物质与隔离层、隔板以及集电体中的至少2种成型为一整体结构。这样，在制作三维电池的电极时，可以将活性物质与隔离层、隔板、集电体的多个种类加以组合并成型为一整体。
在所述电极结构中，作为活性物质，不管电池的种类以及正极、负极，可以采用所有的活性物质材料。可以使用例如，作为镍·氢二次电池的正极活性物质的氢氧化镍、作为镍·氢二次电池负极活性物质的吸氢合金，此外还有氢氧化镉、铅、二氧化铅、锂等公知的电池活性物质材料，还可以使用木料、石墨、碳(碳素)、铁矿石、铁炭化合物、铁的硫化物、铁的氢氧化物、铁的氧化物、煤、木炭、沙、砂砾、二氧化硅、炉渣、以及稻壳等固体材料。
又，在上述电极结构中，作为加入到活性物质中的导电性填料，可以单独或者组合使用碳纤维、碳纤维镀镍的材料、二氧化硅、氧化铝等无机纤维镀镍的材料、有机纤维镀镍的材料、云母等无机物箔材的镀镍材料、碳素颗粒、碳素颗粒镀镍的材料、纤维状镍、镍颗粒以及镍箔。
又，作为加入到活性物质中的树脂，可以使用软化温度为120℃以下的热可塑性树脂、硬化温度从常温到120℃的树脂、蒸发温度在120℃以下的溶剂中溶解的树脂、在可溶于水的溶剂中溶解的树脂、或者在可溶于乙醇的溶剂中溶解的树脂。例如在使用氢氧化镍作为活性物质的情况下，由于在130℃以上会失去活性，因此有必要在不到130℃进行各种处理。又，由于将活性物质使用于碱性电解液中，因此必须具有耐碱性。
作为软化温度为120℃以下的热可塑性树脂，可以使用聚乙烯、聚丙烯、乙烯醋酸乙烯共聚物等。作为硬化温度从常温到120℃的树脂，可以使用反应硬化树脂(环氧树脂、聚氨酯树脂、不饱和聚酯树脂等)、热硬化型树脂(酚醛树脂等)等。作为在蒸发温度为120以下的溶剂中溶解的树脂，可以使用上述热可塑性树脂。可溶解于溶剂的树脂可以这样使用，即可以使其溶解于溶剂中然后添加于活性物质中，然后用的蒸发、提取等方法去除该溶剂。此外，作为在可溶于水并且可以提取的溶剂中溶解的树脂，可以使用聚醚砜(PES)树脂、聚苯乙烯、聚砜、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺。作为可溶于乙醇并且在可以提取的溶剂中溶解的树脂，可以使用醋酸纤维素、氧化亚苯醚(PPO)等。
在上述电极结构中，作为活性物质可以使用粉末状、颗粒状、板状、鳞片状、圆柱状、多角形棒状、球状、色子状、立方体状、不定形颗状等形状的材料。此外，活性物质的表面也可以形成镀镍层或涂覆碳纤维、碳纤维镀镍的材料、有机纤维镀镍的材料、二氧化硅、氧化铝等无机纤维上镀镍的材料、云母等无机箔材镀镍的材料、碳素粉末、碳素粉末镀镍的材料、纤维状镍、镍颗粒以及镍箔中的至少任意一种的涂覆层。
本发明的三维电池的电极材料的制造方法的特征在于，做成上述构成的三维电池的电极时，将在引起电池反应的材料中添加导电性填料和树脂使其硬化的活性物质与隔离层加以组合并成型为一整体。作为隔离层可以使用聚四氟乙烯树脂、聚乙烯、聚丙烯、尼龙等纺织品、无纺布或者膜滤器等在碱性电解液中的不发生腐蚀等变质的可以电绝缘，离子能通过的材料。
又，本发明的三维电池的电极材料的制造方法的特征在于，做成上述构成的三维电池的电极时，将在引起电池反应的材料中添加导电性填料和树脂使其硬化的活性物质与隔板加以组合并成型为一整体。作为隔板，使用镍金属板、镍金属箔材、碳素、镀镍的铁、镀镍不锈钢、镀镍碳素等在碱性电解液不发生腐蚀等变质的离子不能通过的，具有导电性的材料。还有，最好是使隔板带有针状、板状、波纹状、颗粒状等形状的突起，扩大集电面积。
又，本发明的三维电池的电极材料的制造方法，其特征在于，做成上述构成的三维电池的电极时，将在引起电池反应的材料中添加导电性填料和树脂使其硬化的活性物质与集电体加以组合并成型为一整体。作为集电体，使用镍金属板、镍金属箔材、碳素、镀镍的铁、镀镍不锈钢、镀镍碳素等在碱性电解液中不发生腐蚀等变质的，离子不能通过的，且具有导电性的材料。还有，最好是在与活性物质接触的集电体上附加内部有空隙且离子能通过的，有导电性的离子通过型集电体，扩大集电面积。作为离子通过型集电体，可以使用镍金属网、碳纤维、镀镍的铁和不锈钢等构成的网状体、发泡金属镍、发泡树脂镀镍材料、碳纤维镀镍材料、二氧化硅、氧化铝等无机纤维镀镍的材料、有机纤维镀镍材料、毛毡镀镍的材料以及在云母等无机物的箔材上镀镍的材料等。还有，最好是使集电体带有针状、板状、波纹状、颗粒状等形状的突起，扩大集电面积。
又，本发明的三维电池的电极材料的制造方法，其特征在于，做成上述构成的三维电池的电极时，将在引起电池反应的材料中添加导电性填料和树脂使其硬化的活性物质与隔离层、隔板以及集电体中的至少2种(多个种类)加以组合并成型为一整体。
在本发明的这些方法中，将活性物质与隔离层、隔板、集电体加以组合成型为一整体时，可以加压成型或/及利用与导电性填料混合的树脂成型。
2.用于解决第2课题的发明
为了解决第2课题，本发明的高输出型三维电池，在相对设置的正极集电体和负极集电体之间配置蛇状的隔离层，并使其交互接近两集电体，在蛇状的隔离层与正极集电体形成的空间中充填电解液，同时充填正极活性物质的粉末或成型体，在蛇状的隔离层与负极集电体形成的空间中充填电解液，同时充填负极活性物质的粉末或成型体，正极活性物质与负极活性物质夹着隔离层交叉装入构成。
在上述结构中，将夹着蛇状的隔离层交叉充填的至少一种正极活性物质和至少一种负极活性物质构成的单位单元，并联装入形成于正极集电体和负极集电体之间的单元中，以此可以谋求高输出化。
又，隔着隔板将夹着隔离层蛇状装入正极活性物质和负极活性物质的上述电池串联叠层，可以得到高电压。
又，隔着隔板将并列装入上述单位单元的电池串联叠层，可以得到高电压。
又，在上述结构中，作为充填的正极活性物质、负极活性物质的形态可以采用粉末状或颗粒状、板状、块状或棒状的成型体、或将颗粒二次成型为块状或板状的成型体、或是将粉末或颗粒做成糊状的形态等。在做成糊状的情况下，作为使粉末等分散的溶剂，可以使用聚乙烯醇(PVA)等。
又，在上述结构中，最好是在夹着蛇状隔离层装入的活性物质的任意处(表面和内部)设置离子通过型集电体。
又，在上述结构中，最好是夹着蛇状隔离层装入的活性物质的表面的任意面用离子通过型集电体覆盖。在这种情况下，可以使用以离子通过型集电体覆盖活性物质表面并形成一体的材料。
作为离子通过型集电体，可以使用内部具有空隙，离子能通过，具有导电性的材料，就可以使用发泡的金属镍、镍金属网、镀镍冲孔金属、钢板网等金属、镀镍聚氨酯等发泡树脂、镀镍聚乙烯、聚丙烯、尼龙、棉、碳纤维等的多孔材料、二氧化硅、氧化铝等无机纤维的镀镍材料、有机纤维镀镍的材料、毛毡镀镍材料以及云母等无机箔材镀镍材料等。
作为隔离层使用在碱性电解液中不腐蚀变质，能够实现电绝缘而且离子能通过的材料，可使用四氟乙烯树脂、聚乙烯、聚丙烯、及尼龙等构成的织物、无纺布或膜滤器等。
作为正极集电体和负极集电体有在碱性电解液中不腐蚀变质，离子不能通过，具有导电性的材料，可使用镍金属板、镍金属箔、碳素、镀镍的铁、镀镍不锈钢以及镀镍碳素等。
作为隔板可使用在碱性电解液中不腐蚀变质，离子不能通过，具有导电性的材料，就可使用例如镍金属板、镍金属箔、碳素、镀镍的铁、镀镍不锈钢以及镀镍碳素等。
作为活性物质，可以使用使电池反应发生的材料中添加导电性填料和树脂，使其硬化的材料。
作为活性物质的材料，不管电池的种类以及正极、负极，可以采用所有的活性物质材料。可以使用例如，作为镍·氢二次电池的正极活性物质的氢氧化镍、作为镍·氢二次电池负极活性物质的吸氢合金等。
作为导电性填料，可以单独使用或组合使用碳纤维、碳纤维镀镍的材料、碳素颗粒、碳素颗粒镀镍材料、有机纤维镀镍材料、二氧化硅、氧化铝等无机纤维镀镍的材料、云母等无机物箔材的镀镍材料、纤维状镍、镍颗粒以及镍箔等。
又，作为加入到活性物质中的树脂，可以使用软化温度为120℃以下的热可塑性树脂、硬化温度从常温到120℃的树脂、蒸发温度在120℃以下的溶剂中溶解的树脂、在可溶于水的溶剂中溶解的树脂、或者在可溶于乙醇的溶剂中溶解的树脂。例如在使用氢氧化镍作为活性物质的情况下，由于在130℃以上会失去活性，因此有必要在不到130℃进行各种处理。又，由于将活性物质使用于碱性电解液中，因此必须具有耐碱性。
作为软化温度为120℃以下的热可塑性树脂，可以使用聚乙烯、聚丙烯、乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)等。作为硬化温度从常温到120℃的树脂，可以使用反应硬化树脂(环氧树脂、聚氨酯树脂、不饱和聚酯树脂等)、热硬化型树脂(酚醛树脂等)等。作为在蒸发温度为120℃以下的溶剂中溶解的树脂，可以使用上述热可塑性树脂。可溶解于溶剂的树脂可以这样使用，即可以使其溶解于溶剂中然后添加于活性物质中，然后用的蒸发、提取等方法去除该溶剂。此外，作为在可溶于水并且可以提取的溶剂中溶解的树脂，可以使用聚醚砜(PES)树脂、聚苯乙烯、聚砜、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺等。又，作为可溶于乙醇并可抽取的溶剂中溶解的树脂，可以使用醋酸纤维素、氧化苯醚(PPO)等。
本发明由于具有上述结构，所以能够达到下述效果。
(1)采用解决第1课题用的发明，具有如下所述的优良效果。
①在制造三维电池的电极时，将活性物质与隔离层、隔板、集电体进行多种组合成型，因此，电池组装时的零部件数目减少，可以谋求减少组装时间和组装成本。
②通过在隔板或集电体上形成针状、板状、波纹状、颗粒状等形状的突起，增加了集电面积，因此能够进行高效率地充放电(大电流充放电)，提高电池性能。
③使用在内部具有空隙的离子通过型集电体，可以增加集电面积，因此能够高效率地充放电(大电流充放电)，提高电池性能。
④通过采用具有冷却结构的隔板和集电体，可以抑制由于电池反应而产生的温度上升，因此能够提高电池性能。
(2)采用解决第2课题用的发明，具有如下所述的优良效果。
①通过夹着隔离层蛇状配置正极活性物质和负极活性物质，使正极活性物质与负极活性物质靠近，因此电子的移动距离变短，能够得到高输出，而且离子的扩散距离变短，能够得到良好的离子扩散效果。又，在过充电等引起活性物质发生气体的情况下，气体向其相反电极移动并被消耗掉，因此容易密封。
②使用将正极活性物质、负极活性物质分别以多孔镍等离子通过型集电体覆盖的材料，活性物质与集电体的距离变近，电子的移动距离缩短，同时集电面积增大，能够得到电阻小的高性能电池。
③通过将多个单位单元蛇状地装填于电池单元中，容易实现大型化(提高等级)，而且由于没有使电阻增大的焊接处，不会因为大型化而导致性能下降。又可以减少制造成本和制作时间。
④由于电池单元内存在比较多的隔离层和离子通过型集电体，每单位体积的正极活性物质和负极活性物质的充填量少，能够确保单元内有较多的电解液，不容易发生电解液干枯，固液反应(电池反应)不发生的“干旱(dry out)”现象。
⑤在需要高输出的电池性能的情况下，通过减少活性物质的厚度，使隔离层和离子通过型集电体比例相对增加，体积能量密度下降，但是能够得到高输出的电池。
⑥在不需要高输出的电池性能的情况下，通过增加活性物质的厚度，使隔离层和离子通过型集电体比例相对减小，可以得到体积能量密度大的电池。
⑦只要增减活性物质的厚度，就能够任意改变电池的规格，容易得到所希望的电池规格。
附图说明
图1是表示具有颗粒状的正极活性物质和颗粒状的负极活性物质的电池的一个例子的概略剖面结构图。
图2是表示叠层型三维电池的单元的结构一个例子的模式图。
图3是表示设有突起的集电体(隔板)的一个例子的平面图。
图4是表示设有突起的集电体(隔板)的一个例子的侧面图。
图5是具有冷却结构的集电体(隔板)的一个例子的立体图。
图6是表示本发明的高输出型三维电池的第1实施形态中的一例(只是基本组合)的模式图。
图7是表示本发明的高输出型三维电池的第1实施形态中的其他例子(只是基本组合)的模式图。
图8是表示本发明的高输出型三维电池的第2实施形态中的一个例子(将4个单元并列装填)的模式图。
图9是表示本发明的高输出型三维电池的第3实施形态中的一个例子(将4个单元并列装填、4层串联层叠)的模式图。
图10是表示本发明的高输出型三维电池的第4实施形态中的一个例子(只是基本组合、厚型活性物质)的模式图。
图11是表示本发明的高输出型三维电池的第5实施形态中的一个例子(只是基本组合)的模式图。
图12是表示本发明的高输出型三维电池的第5实施形态中的其他例子(将2个单元并列装填)的模式图。
图13是表示本发明的高输出型三维电池的第6实施形态中的一个例子的部分放大模式图。
图14是表示本发明的高输出型三维电池的第6实施形态中的其他例子的部分放大模式图。
图15是表示本发明的高输出型三维电池的第6实施形态中的其他例子的部分放大模式图。
图16是表示本发明的高输出型三维电池的第6实施形态中的其他例子的部分放大模式图。
图17是表示本发明的高输出型三维电池的第6实施形态中的另外一些其他例子的部分放大模式图。
其中：
1、10、46  隔离层
2  负极单元
3  正极单元
4、14、42  负极活性物质
5、12、40  正极活性物质
6、20、50  负极集电体
7、18、48  正极集电体
16、54  隔板
22、44  离子通过型集电体
24、28  集电体
26  突起
30  传热管
32  致冷剂入口
34  致冷剂出口
52  基本单元
具体实施方式
以下对本发明的实施形态进行说明，但本发明不受下述实施形态的任何限制，并且可以适当变更实施。
首先就有关三维电池的电池反应的详细情况，参考图1进行说明。
图1表示具有颗粒状正极活性物质与颗粒状负极物质的电池的一个例子。如图1所示，隔着离子渗透性填料(隔离层)1设置负极单元2、正极单元3，将负极的颗粒状活性物质4与电解质溶液同时装填于负极单元2，将正极颗粒状活性物质5与电解质溶液同时装填于正极单元3。颗粒状活性物质作为固定层存在于电解质溶液中。图1中，为方便起见，将各颗粒状活性物质的大小表示成一样，但实际上各颗粒状活性物质的大小当然是不同的。
而且，隔离层1是用于电绝缘并使离子通过的过滤膜，且是粉末颗粒不能通过的膜，使用例如素陶、离子交换树脂膜、高分子纤维等。
又，在负极单元2、正极单元3中，分别设置导电体构成的负极集电器(体)6、正极集电器(体)7，集电器6、7与负载装置(放电的情况下)或发电装置(充电的情况下)8连接。9是电解液界面。
下面就本实施例的电池对充电和放电的机制进行说明。
充电
在电池上加电压，由负极集电器6提供电子。电子由负极集电器6直接或通过粉末颗粒移动到负极的粉末颗粒活性物质上并发生反应。由反应发生的离子通过隔离层1进入正极单元3，在这里与正极的粉末颗粒活性物质发生反应放出电子。该电子通过粉末颗粒或直接移动到正极集电器7，被送到发电装置8。
放电
在电池上加负载，由负极集电器6提供电子。电子由在负极单元2内阳离子化的活性物质放出，直接或通过粉末颗粒移动到负极集电器6。由反应发生的离子通过隔离层1进入正极单元3，在这里与正极的粉末颗粒活性物质及电子发生反应。电子通过粉末颗粒或直接移动到正极集电器7，提供给负载装置8。
(1)解决第一课题的发明实施形态
以下，图2模式性表示层叠型三维电池的单元结构的一个例子。图2是3层层叠型三维电池。隔着通过在碱性电解溶液中不发生腐蚀等变质，能够实现电绝缘且离子能够通过的物质构成的隔离层10，分别形成正极、负极的单元，将正极活性物质12、负极活性物质14与分别与电解质(KOH、NaOH、LiOH等)溶液一起装填于正极单元、负极单元。正极单元、负极单元构成的单位电池隔着在碱性电解液中不腐蚀变质的，离子不能够通过的具有导电性的物质构成的隔板16串联叠层，在两端部的单元设置与正极活性物质12接触的正极集电体18、与负极活性物质14接触的负极集电体20。正极集电体18、负极集电体20由在碱性电解液中不腐蚀变质的，离子不能够通过的具有导电性的物质构成，通过集电体向外部供电。
作为隔离层10，可以采用四氟乙烯树脂、聚乙烯、聚丙烯、尼龙等的织物、无纺布或膜滤器等。隔板16、正极集电体18、负极集电体20可以使用镍金属板、镍金属箔、碳素、镀镍的铁、镀镍的不锈钢以及镀镍碳素等。又，隔板16、正极集电体18、负极集电体20可以是平板状，但是最好是带有针状、板状、波纹状、颗粒状等形状的突起，以便能够使集电面积增大。例如，如图3、4所示，可以在集电体(或隔板)24上设置突起26。又，可以采用具有能够使隔板16、正极集电体18、负极集电体20的内部流通致冷剂的冷却结构的集电体和隔板。例如，如图5所示，可以采用在板状的集电体(或隔板)28内部蛇状配置使致冷剂流通的传热管30的冷却结构。32是致冷剂入口，34是致冷剂出口。
又，为了增大与活性物质的接触面，扩大集电面积，作为旁路用的集电体，最好是附加镍金属网、镀镍的铁或不锈钢等形成的网状体(冲孔金属、钢板网等)、发泡的金属镍、镀镍的发泡树脂、镀镍的碳纤维、有机纤维镀镍材料、毛毡镀镍材料、二氧化硅、氧化铝等无机纤维的镀镍材料、以及云母等无机箔材镀镍材料等，内部具有空隙，离子能通过具有导电性的离子通过型集电体。在图2中，作为一个例子，将离子通过型集电体22设置于隔离层10与正极活性物质12之间，将离子通过型集电体22与正极集电体18连接作为一个集电体。可在隔离层一侧也设置离子通过型集电体，可以有更多的面与活性物质接触，可增加集电面积。
上述三维电池中，作为引起电池反应的活性物质，不管电池的种类和正负极，可以采用所有的活性物质材料。例如，在镍·氢电池的情况下，作为正极活性物质12，可以采用氢氧化镍，作为负极活性物质14采用吸氢合金，还有，在镍镉电池的情况下，正极活性物质12可以采用氢氧化镍，负极活性物质14可以采用镉。
作为活性物质，采用粉末状的材料、或添加导电性填料与树脂形成颗粒状、板状等形状的材料，这种活性物质与多种隔离层、隔板、集电体(也包括离子通过型集电体)组合形成一整体作为电极材料使用。下面对电极材料的制造方法进行叙述。
导电性填料是碳纤维、碳纤维镀镍的材料、碳素颗粒、碳素颗粒镀镍的材料、有机纤维镀镍的材料、二氧化硅、氧化铝等无机纤维镀镍的材料、云母等无机箔材镀镍的材料、纤维状镍、镍颗粒以及镍箔等。
将活性物质成型为颗粒状、板状等形状时添加的树脂可以使用聚乙烯、聚丙烯、乙烯醋酸乙烯共聚物等热可塑性树脂。在这种情况下，又可以将热可塑性树脂加热使其熔化，与活性物质材料等混合分散，但是又可以用溶剂溶解树脂后进行添加。例如聚乙烯、聚丙烯、乙烯醋酸乙烯共聚物等可溶解于加热的苯、甲苯、二甲苯等溶剂中。
将在这些溶剂中溶解的树脂与活性物质材料，根据需要还和导电性填料混合之后，使溶剂蒸发将其去除，能够做成用树脂固化的活性物质成型体。
又，作为反应硬化型树脂，可以使用环氧树脂、聚氨酯树脂、不饱和聚酯树脂等，作为热硬化型树脂，酚醛树脂等可以作为粘接剂使用。
又，在将活性物质成型为颗粒状、板状等形状时，添加溶解于可溶于水的溶剂的树脂时，用水将该溶剂提取出去除，可以做成用树脂固化的活性物质成型体。例如聚醚砜(PES)树脂可溶剂于二甲亚砜(DMSO)。又，聚苯乙烯可溶于丙酮，聚砜可溶解于二甲基甲酰胺(DMF)，DMSO，聚丙烯腈可溶于DMF、DMSO、碳酸乙烯酯，聚偏氟乙烯可溶于DMF、DMSO或N-甲基-2吡咯烷酮(NMP)，聚酰胺可溶解于DMF、NMP，聚酰亚胺可溶解于DMF、NMP。
又，将活性物质成型为颗粒状、板状等形状时添加溶于可溶解于乙醇的溶剂中的树脂的情况下，用乙醇将该溶剂抽取去除，可以做成用树脂固化的活性物质成型体。例如醋酸纤维素可溶于二氯甲烷，氧化亚苯醚(PPO)也可溶于二氯甲烷。
又，成型为颗粒状、板状等形状的活性物质表面也可以涂布碳纤维、碳纤维镀镍的材料、有机纤维镀镍的材料、二氧化硅、氧化铝等无机纤维上镀镍的材料、云母等无机箔材镀镍的材料、碳素粉末、碳素粉末镀镍的材料、纤维状镍、镍粉以及镍箔等导电性材料。作为涂布的方法，可以在成型体硬化之前，添加这些金属粉、金属纤维、镀金属的纤维等，通过旋转、搅拌等方法，使这些材料在柔软状态的成型体外表面上附着。在用树脂固化后的成型体的情况下，用热软化树脂的成型体、用可溶解于溶剂的树脂的成型体的情况下，可以加热使成型体温度升高软化，或添加溶剂使其膨胀湿润、软化等，使成型体处于未硬化状态，然后在其上添加金属。又可以在成型为颗粒状、板状等形状的活性物质表面上镀镍。
下面对本发明的三维电池的电极材料的制造方法进行说明。在制造三维电池的电极时，将具有上述结构的活性物质与隔离层、隔板、集电体(也包括离子通过型集电体)中的一种或多种加以组合成型为一整体。
作为成型方法，可以将活性物质材料粉末与导电性填料、树脂混合、搅拌得到的材料与隔离层、隔板和/或集电体形成一整体，一边加热一边加压成型。在这种情况下，也可以不加压而利用混合导电性填料的树脂成型。作为树脂。可以使用上述聚乙烯、聚丙烯、乙烯醋酸乙烯共聚物等热可塑性树脂。
又，可以在加热的甲苯、加热的二甲苯等溶剂中溶解的热可塑性树脂中混合活性物质材料粉末和导电性填料后进行分散，一边搅拌一边造粒，制造活性物质的造粒颗粒，将该活性物质的造粒颗粒与隔离层、隔板和/或集电体成型为一整体，一边加热一边加压成型。这时，通过使成型体中还有的溶剂蒸发可以使树脂固化。在这种情况下，也可以不加压而利用混合有导电性填料的树脂进行成型。
又，将成型为颗粒状、板状等形状的活性物质与隔离层、隔板和/或集电体一体成型时，可以不新添加树脂，而使成型体中含有的树脂再度熔化后进行一体成型。
又，可以使用反应硬化型树脂(环氧树脂、聚氨酯树脂、不饱和聚酯树脂等)、热硬化型树脂(酚醛树脂等)等进行一体成型。
又，作为可溶于水的溶剂中溶解的树脂也可以使用溶于DMSO的PES树脂、溶于丙酮的聚苯乙烯、溶于DMF、DMSO的聚砜、溶解DMF、DMSO、乙烯碳酸酯的聚苯烯腈，溶解于DMF、DMSO、NMP的聚偏氟乙烯、溶解于DMF、NMP的聚酰胺、溶解于DMF、NMP的聚酰亚胺等一体成型，在这种情况下，用水从成型体中抽取去除溶剂。又，作为溶解于可溶于乙醇的溶剂中的树脂，也可以使用溶解于二氯甲烷的醋酸纤维素、可溶于二氯甲烷的氧化亚苯醚(PPO)等进行一体成型。在这种情况下，用乙醇从成型体中抽取溶剂将其去除。
在用本发明的方法制造的电极结构中，活性物质与隔离层、隔板、集电体多种组合成型，因此电池组装时的零部件数目减少，可以谋求减少组装时间和组装成本。
下面对本发明的实施例加以说明。
实施例1
在容积为10升的亨舍尔混合机(Henschel mixer)中放入150克颗粒状的石墨(乙炔碳黑)，以1000rpm的转速搅拌约3分钟，使颗粒状石墨充分分散。再在其中添加氢氧化镍粉末1000克、碳纤维(商品名为“DONER-247”)100克、以1000rpm的转速搅拌约3分钟。再在其中添加150克乙烯醋酸乙烯共聚物，在软化温度以上130℃以下的温度进行10分钟的搅拌、混合。在剖面大小为100mm×100mm的型框底部预先敷设隔离层(尼龙无纺布)，再从其上充填所述氢氧化镍混合物。从上部一边加热一边施加0.1MPa的压力进行加压成型，在该状态下降低温度使树脂硬化。从型框取出该成型物体，得到活性物质与隔离层一体成型的电极材料。
实施例2
用与实施例1相同的方法将氢氧化镍粉末与导电性填料和树脂加以混合、搅拌，得到氢氧化镍混合物。在剖面大小为100mm×100mm的型框底部预先敷设隔离层(尼龙无纺布)，再从其上充填所述氢氧化镍混合物。在型框中不施加压力地使其冷却，使树脂硬化。从型框取出该成型品，得到活性物质与隔离层一体成型的电极材料。
实施例3
用与实施例1相同的方法将氢氧化镍粉末与导电性填料和树脂加以混合、搅拌，得到氢氧化镍混合物。在剖面大小为100mm×100mm的型框底部预先敷设集电体(镍板)，再从其上充填所述氢氧化镍混合物。从上部一边加热一边施加0.1MPa的压力进行加压成型，在该状态下降低温度使树脂硬化。从型框取出该成型品，得到活性物质与集电体一体成型的电极材料。
实施例4
用与实施例1相同的方法将氢氧化镍粉末与导电性填料和树脂加以混合、搅拌，得到氢氧化镍混合物。在剖面大小为100mm×100mm的型框底部预先敷设集电体(镍板)，再从其上充填所述氢氧化镍混合物。在型框中不施加压力地使其冷却，使树脂硬化。从型框取出该成型品，得到活性物质与集电体一体成型的电极材料。
实施例5
用与实施例1相同的方法将氢氧化镍粉末与导电性填料和树脂加以混合、搅拌，得到氢氧化镍混合物。在剖面大小为100mm×100mm的型框底部预先敷设隔离层(尼龙无纺布)，再从其上充填所述氢氧化镍混合物。再在其上侧设置集电体(镍板)。从上部一边加热一边施加0.1MPa的压力进行加压成型，在该状态下降低温度使树脂硬化。从型框取出该成型品，得到活性物质、隔离层和集电体一体成型的电极材料。
实施例6
用与实施例1相同的方法将氢氧化镍粉末与导电性填料和树脂加以混合、搅拌，得到氢氧化镍混合物。在剖面大小为100mm×100mm的型框底部预先敷设隔离层(尼龙无纺布)，再从其上充填所述氢氧化镍混合物。再在其上侧设置集电体(镍板)。在型框中不施加压力地使其冷却，使树脂硬化。从型框取出该成型品，得到活性物质、隔离层和集电体一体成型的电极材料。
实施例7
用与实施例1相同的方法将氢氧化镍粉末与导电性填料和树脂加以混合、搅拌，得到氢氧化镍混合物。在剖面大小为100mm×100mm的型框底部预先敷设隔离层(尼龙无纺布)，在其上设置离子通过型集电体(发泡镍片)。再从其上充填所述氢氧化镍混合物。然后再在其上侧设置集电体(镍板)。这时使离子通过型集电体与集电体接触。从上部一边加热一边施加0.1MPa的压力进行加压成型，在该状态下降低温度使树脂硬化。从型框取出该成型品，得到活性物质、隔离层、离子通过型集电体和集电体一体成型的电极材料。
实施例8
用与实施例1相同的方法将氢氧化镍粉末与导电性填料和树脂加以混合、搅拌，得到氢氧化镍混合物。在剖面大小为100mm×100mm的型框底部预先敷设隔离层(尼龙无纺布)，在其上设置离子通过型集电体(发泡镍片)。再从其上充填所述氢氧化镍混合物。然后再在其上侧设置集电体(镍板)。这时使离子通过型集电体与集电体接触。在型框中不施加压力地使其冷却，使树脂硬化。从型框取出该成型品，得到活性物质、隔离层、离子通过型集电体和集电体一体成型的电极材料。
实施例9
在容积为10升的亨舍尔混合机中放入150克颗粒状的石墨(乙炔碳黑)，以1000rpm的转速搅拌约3分钟，使颗粒状石墨充分分散，再添加1000克的氢氧化镍粉末和100克碳纤维(商品名为“DONER-247”)，以1000rpm的转速搅拌混合约3分钟。另外，在加热到60℃的1000克二甲苯中添加150克乙烯醋酸乙烯共聚物，使其溶解。在加热到60℃的上述氢氧化镍粉末与导电性填料的混合物中，添加溶解于加热二甲苯中的树脂，一边加热到60℃并保持该温度一边用亨舍尔混合机搅拌。接着，一边搅拌一边使亨舍尔混合机冷却，将混合物冷却粉碎形成粉末状。将该粉末倒入高速混合机中，用搅拌装置一边搅拌全部粉末一边用切碎机调节制成的颗粒的粒径。高速混合机是容量为2升容量的混合机，搅拌装置的转速为600rpm，切碎机的转速为1500rpm，以该条件一边搅拌一边把粉末的温度从常温升高到50℃。制造的颗粒生成之后，一边冷却一边停止搅拌。颗粒由于包含二甲苯，将该颗粒放入减压烘干机中，加热到50℃以去除二甲苯。将该颗粒冷却之后，用2.88mm目的筛子和1mm目的筛子过筛，制成粒径为1～2.88mm的颗粒。
在剖面大小为100mm×100mm的型框底部预先敷设集电体(镍板)，再从其上充填所述造粒的颗粒。从上部一边加热一边施加0.1MPa的压力进行加压成型，在该状态下降低温度使树脂硬化。从型框取出该成型品，得到活性物质和集电体一体成型的电极材料。
实施例10
用与实施例9相同的方法将氢氧化镍粉末与导电性填料和树脂加以混合、搅拌进行造粒。在剖面大小为100mm×100mm的型框底部预先敷设集电体(镍板)，再从其上充填所述造粒颗粒。在型框中不施加压力地使其冷却，使树脂硬化。从型框取出该成型品，得到活性物质与集电体一体成型的电极材料。
实施例11
在容积为10升的亨舍尔混合机中放入150克颗粒状的石墨(乙炔碳黑)，以1000rpm的转速搅拌约3分钟，使颗粒状石墨充分分散，再添加2500克的吸氢合金粉末和100克碳纤维(商品名为“DONER-247”)，以1000rpm的转速搅拌混合约3分钟。另外，在加热到60℃的1000克二甲苯中添加150克乙烯醋酸乙烯共聚物，使其溶解。在加热到60℃的上述吸氢合金粉末与导电性填料的混合物中，添加溶解于加热的二甲苯中的树脂，加热到60℃一边保持该温度一边用亨舍尔混合机搅拌。接着，一边搅拌一边使亨舍尔混合机冷却，将混合物冷却粉碎形成粉末状。将该粉末倒入高速混合机中，用搅拌装置一边搅拌全部粉末一边用切碎机调节制成的颗粒的粒径。高速混合机是容量为2升容量的混合机，搅拌装置的转速为600rpm，切碎机的转速为1500rpm，以该条件一边搅拌一边把粉末的温度从常温升高到50℃。制造的颗粒生成之后，一边冷却一边停止搅拌。颗粒由于包含二甲苯，将该颗粒放入减压烘干机中，加热到50℃以去除二甲苯。将该颗粒冷却之后，用2.88mm目的筛子和1mm目的筛子过筛，制成粒径为1～2.88mm的造粒颗粒。
在剖面大小为100mm×100mm的型框底部预先敷设集电体(镍板)，再从其上充填所述造粒的颗粒。从上部一边加热一边施加0.1MPa的压力进行加压成型，在该状态下降低温度使树脂硬化。从型框取出该成型品，得到活性物质和集电体一体成型的电极材料。
实施例12
在容积为10升的亨舍尔混合机中放入150克颗粒状的石墨(乙炔碳黑)，以1000rpm的转速搅拌约3分钟，使颗粒状石墨充分分散，再在其中添加2500克沙(丰浦标准沙)、100克碳纤维(商品名为“DONER-247”)，以1000rpm的转速搅拌混合约3分钟。另外，在加热到60℃的1000克二甲苯中添加150克乙烯醋酸乙烯共聚物，使其溶解。在加热到60℃的上述沙和导电性填料的混合物中添加溶解于加热的二甲苯中的树脂，加热到60℃一边保持该温度一边用亨舍尔混合机搅拌。接着，一边搅拌一边使亨舍尔混合机冷却，将混合物冷却粉碎形成粉末状。将该粉末倒入高速混合机中，用搅拌装置一边搅拌全部粉末一边用切碎机调节制成的颗粒的粒径。高速混合机是容量为2升容量的混合机，搅拌装置的转速为600rpm，切碎机的转速为1500rpm，以该条件一边搅拌一边把粉末的温度从常温升高到50℃。制造的颗粒生成之后，一边冷却一边停止搅拌。由于颗粒包含二甲苯，将该颗粒放入减压烘干机中，加热到50℃以去除二甲苯。将该颗粒冷却之后，用2.88mm目的筛子和1mm目的筛子过筛，得到粒径为1～2.88mm的造粒颗粒。
在剖面大小为100mm×100mm的型框底部预先敷设集电体(镍板)，再从其上充填所述造粒的颗粒。从上部一边加热一边施加0.1MPa的压力进行加压成型，在该状态下降低温度使树脂硬化。从型框取出该成型品，得到活性物质和集电体一体成型的电极材料。
实施例13
在容积为10升的亨舍尔混合机中放入150克颗粒状的石墨(乙炔碳黑)，以1000rpm的转速搅拌约3分钟，使颗粒状石墨充分分散，再在其中添加1000克的煤颗粒(大同煤炭的微粉末)、100克碳纤维(商品名为“DONER-247”)，以1000rpm的转速搅拌混合约3分钟。另外，在加热到60℃的1000克二甲苯中添加150克乙烯醋酸乙烯共聚物，使其溶解。在加热到60℃的上述煤和导电性填料的混合物中添加溶解于加热的二甲苯中的树脂，加热到60℃一边保持该温度一边用亨舍尔混合机搅拌。接着，一边搅拌一边使亨舍尔混合机冷却，将混合物冷却粉碎形成粉末状。将该粉末倒入高速混合机中，用搅拌装置一边搅拌全部粉末一边用切碎机调节制成的颗粒的粒径。高速混合机是容量为2升的混合机，搅拌装置的转速为600rpm，切碎机的转速为1500rpm，以该条件一边搅拌一边把粉末的温度从常温升高到50℃。制造的颗粒生成之后，一边冷却一边停止搅拌。由于颗粒包含二甲苯，将该颗粒放入减压烘干机中，加热到50℃以去除二甲苯。将该颗粒冷却之后，用2.88mm目的筛子和1mm目的筛子过筛，得到粒径为1～2.88mm的造粒颗粒。
在剖面大小为100mm×100mm的型框底部预先敷设集电体(镍板)，再从其上充填所述造粒的颗粒。从上部一边加热一边施加0.1MPa的压力进行加压成型，在该状态下降低温度使树脂硬化。从型框取出该成型品，得到活性物质和集电体一体成型的电极材料。
实施例14
在容积为10升的亨舍尔混合机中放入150克颗粒状的石墨(乙炔碳黑)，以1000rpm的转速搅拌约3分钟，使颗粒状石墨充分分散，再在其中添加500克的木炭(木材在600℃烧成2小时的产物)、100克碳纤维(商品名为“DONER-247”)，以1000rpm的转速搅拌混合约3分钟。另外，在加热到60℃的1000克二甲苯中添加150克乙烯醋酸乙烯共聚物，使其溶解。在加热到60℃的上述木炭和导电性填料的混合物中添加溶解于加热的二甲苯中的树脂，加热到60℃一边保持该温度一边用亨舍尔混合机搅拌。接着，一边搅拌一边使亨舍尔混合机冷却，将混合物冷却粉碎形成粉末状。将该粉末倒入高速混合机中，用搅拌装置一边搅拌全部粉末一边用切碎机调节制成的颗粒的粒径。高速混合机是容量为2升的混合机，搅拌装置的转速为600rpm，切碎机的转速为1500rpm，以该条件一边搅拌一边把粉末的温度从常温升高到50℃。制造的颗粒生成之后，一边冷却一边停止搅拌。颗粒由于包含二甲苯，将该颗粒放入减压烘干机中，加热到50℃以去除二甲苯。将该颗粒冷却之后，用2.88mm目的筛子和1mm目的筛子过筛，得到粒径为1～2.88mm的造粒颗粒。
在剖面大小为100mm×100mm的型框底部预先敷设集电体(镍板)，再从其上充填所述造粒的颗粒。从上部一边加热一边施加0.1MPa的压力进行加压成型，在该状态下降低温度使树脂硬化。从型框取出该成型品，得到活性物质和集电体一体成型的电极材料。
实施例15
在容积为10升的亨舍尔混合机中放入150克颗粒状的石墨(乙炔碳黑)，以1000rpm的转速搅拌约3分钟，使颗粒状石墨充分分散，再在其中添加500克的二氧化硅(在600℃将稻壳烧成2小时得到的产物)、100克碳纤维(商品名为“DONER-247”)，以1000rpm的转速搅拌混合约3分钟。另外，在加热到60℃的1000克二甲苯中添加150克乙烯醋酸乙烯共聚物，使其溶解。在加热到60℃的上述二氧化硅和导电性填料的混合物中添加溶解于加热的二甲苯中的树脂，加热到60℃一边保持该温度一边用亨舍尔混合机搅拌。接着，一边搅拌一边使亨舍尔混合机冷却，将混合物冷却粉碎形成粉末状。将该粉末倒入高速混合机中，用搅拌装置一边搅拌全部粉末一边用切碎机调节制成的颗粒的粒径。高速混合机是容量为2升的混合机，搅拌装置的转速为600rpm，切碎机的转速为1500rpm，以该条件一边搅拌一边把粉末的温度从常温升高到50℃。制造的颗粒生成之后，一边冷却一边停止搅拌。颗粒由于包含二甲苯，将该颗粒放入减压烘干机中，加热到50℃以去除二甲苯。将该颗粒冷却之后，用2.88mm目的筛子和1mm目的筛子过筛，得到粒径为1～2.88mm的造粒颗粒。
在剖面大小为100mm×100mm的型框底部预先敷设集电体(镍板)，再从其上充填所述造粒的颗粒。从上部一边加热一边施加0.1MPa的压力进行加压成型，在该状态下降低温度使树脂硬化。从型框取出该成型品，得到活性物质和集电体一体成型的电极材料。
实施例16
在容积为10升的亨舍尔混合机中放入150克颗粒状的石墨(乙炔碳黑)，以1000rpm的转速搅拌约3分钟，使颗粒状石墨充分分散，再在其中添加1000克的炉渣(垃圾焚烧灰在1500℃熔化之后冷却的产物)、100克碳纤维(商品名为“DONER-247”)，以1000rpm的转速搅拌混合约3分钟。另外，在加热到60℃的1000克二甲苯中添加150克乙烯醋酸乙烯共聚物，使其溶解。在加热到60℃的上述炉渣和导电性填料的混合物中添加溶解于加热的二甲苯中的树脂，加热到60℃一边保持该温度一边用亨舍尔混合机搅拌。接着，一边搅拌一边使亨舍尔混合机冷却，将混合物冷却粉碎形成粉末状。将该粉末倒入高速混合机中，用搅拌装置一边搅拌全部粉末一边用切碎机调节制成的颗粒的粒径。高速混合机是容量为2升的混合机，搅拌装置的转速为600rpm，切碎机的转速为1500rpm，以该条件一边搅拌一边把粉末的温度从常温升高到50℃。制造的颗粒生成之后，一边冷却一边停止搅拌。颗粒由于包含二甲苯，将该颗粒放入减压烘干机中，加热到50℃以去除二甲苯。将该颗粒冷却之后，用2.88mm目的筛子和1mm目的筛子过筛，得到粒径为1～2.88mm的造粒颗粒。
在剖面大小为100mm×100mm的型框底部预先敷设集电体(镍板)，再从其上充填所述造粒的颗粒。从上部一边加热一边施加0.1MPa的压力进行加压成型，在该状态下降低温度使树脂硬化。从型框取出该成型品，得到活性物质和集电体一体成型的电极材料。
实施例17
在容积为10升的亨舍尔混合机中放入150克颗粒状的石墨(乙炔碳黑)，以1000rpm的转速搅拌约3分钟，使颗粒状石墨充分分散，再在其中添加500克碳(对碳纤维以1100℃烧成得到的产物)，以1000rpm的转速搅拌混合约3分钟。另外，在加热到60℃的1000克二甲苯中添加150克乙烯醋酸乙烯共聚物，使其溶解。在加热到60℃的上述碳和导电性填料的混合物中添加溶解于加热的二甲苯中的树脂，加热到60℃一边保持该温度一边用亨舍尔混合机搅拌。接着，一边搅拌一边使亨舍尔混合机冷却，将混合物冷却粉碎形成粉末状。将该粉末倒入高速混合机中，用搅拌装置一边搅拌全部粉末一边用切碎机调节制成的颗粒的粒径。高速混合机是容量为2升的混合机，搅拌装置的转速为600rpm，切碎机的转速为1500rpm，以该条件一边搅拌一边把粉末的温度从常温升高到50℃。制造的颗粒生成之后，一边冷却一边停止搅拌。颗粒由于包含二甲苯，将该颗粒放入减压烘干机中，加热到50℃以去除二甲苯。将该颗粒冷却之后，用2.88mm目的筛子和1mm目的筛子过筛，得到粒径为1～2.88mm的颗粒作为产品。
在剖面大小为100mm×100mm的型框底部预先敷设集电体(镍板)，再从其上充填所述造粒的颗粒。从上部一边加热一边施加0.1MPa的压力进行加压成型，在该状态下降低温度使树脂硬化。从型框取出该成型品，得到活性物质和集电体一体成型的电极材料。
实施例18
用与实施例1相同的方法将氢氧化镍粉末、导电性填料与树脂混合搅拌得到氢氧化镍的混合物。又制作如图3、图4所示的带有突起的集电体(电池单元内尺寸100mm×100mm×10mm用的镍集电体：带有10mm间距、长度8mm的突起的集电体)。在剖面大小为100mm×100mm的型框底部预先敷设带有突起的上述集电体，再从其上充填所述氢氧化镍混合物。从上部一边加热一边施加0.1MPa的压力进行加压成型，在该状态下降低温度使树脂硬化。从型框取出该成型品，得到活性物质和集电体一体成型的电极材料。
实施例19
用与实施例1相同的方法将氢氧化镍粉末、导电性填料与树脂混合搅拌得到氢氧化镍的混合物。又制作如图5所示的有冷却结构的集电体(电池单元内尺寸100mm×100mm×10mm用的镍集电体：内部配置使冷却水等致冷剂等流通的传热管的集电体)。在剖面大小为100mm×100mm的型框底部预先敷设具有冷却结构的上述集电体，再从其上充填所述氢氧化镍混合物。从上部一边加热一边施加0.1MPa的压力进行加压成型，在该状态下降低温度使树脂硬化。从型框取出该成型品，得到活性物质和集电体一体成型的电极材料。
(2)解决第2课题用的发明的实施形态
图6表示本发明的高输出型三维电池的第1实施形态的一个例子。本实施形态是只用基本组合构成电池的情况。在引起电池反应的活性物质中添加树脂和导电性填料使其成型、硬化，制作颗粒状、板状、块状、棒状等形状的活性物质成型体。在这种情况下，粉末状的活性物质材料既可以以原来的样子使用，也可以二次成型为颗粒状活性物质使用。又可以用PVA等将粉末状或微颗粒状的活性物质做成糊状使用。作为引起电池反应的活性物质，不管电池的种类和正负极都可以使用所有的活性物质，但是在镍氢二次电池的情况下，作为一个例子，可以在将2000克氢氧化镍粉末、200克EVA树脂、300克导电性填料(碳黑和碳纤维)混合之后用0.1MPa的压力加压成型，制作100mm×30mm×3mm厚的板状的正极活性物质40。同样，在镍氢二次电池的情况下，作为一个例子，可以在将6000克吸氢合金粉末、200克EVA树脂、300克导电性填料(碳黑和碳纤维)混合之后用0.1MPa的压力加压成型，制作100mm×30mm×2mm厚的板状的负极活性物质42。
正极活性物质40、负极活性物质42的表面用离子通过型集电体44覆盖。在板状的正极活性物质40、负极活性物质42的情况下，1～6面中的任意面可以用离子通过型集电体44覆盖。还有，在上述活性物质的形成工序中，也可以用离子通过型集电体覆盖活性物质进行一体成型。又，在粉末状、糊状的状态下使用活性物质的情况下，将活性物质充填于离子通过型集电体形成的袋中即可。本实施形态中，作为一个例子，板状的正极活性物质40、负极活性物质42的4个面上用离子通过型集电体44(发泡镍片)覆盖着。作为离子通过型集电体，可以使用内部有空隙，离子能够通过，有导电性的材料，例如除了上述发泡的金属镍外，还可以使用例如镍金属网、镀镍冲孔金属、钢板网等金属、镀镍聚氨酯等发泡树脂、镀镍聚乙烯、聚丙烯、尼龙(nylon)、棉、碳纤维等多孔材料、二氧化硅、氧化铝等无机纤维的镀镍材料、有机纤维镀镍的材料、毛毡镀镍材料以及云母等无机箔材镀镍材料等。
将碱性电解液中不被腐蚀变质，能够实现电气绝缘，离子能够通过的材料构成的隔离层46蛇状配置，在充填于电池单元时，与正极集电体48接触的一侧夹着隔离层46组装正极活性物质40，同样，与负极集电体50接触的一侧夹着隔离层46组装负极活性物质42，而且将正极活性物质40和负极活性物质42交叉组装。将这样得到的基本组合与电解质(KOH、NaOH、LiOH等)溶液一起充填于电池单元的正极集电体48和负极集电体50之间构成电池。作为隔离层46，可使用四氟乙烯树脂、聚乙烯、聚丙烯、及尼龙等的织物或无纺布或膜滤器等。正极集电体48、负极集电体50可以使用镍金属板、镍金属箔、碳素、镀镍的铁或不锈钢等、镀镍碳素等。
作为基本组合的蛇状单位单元，不限于图6所示的正极、负极活性物质2组形成的结构，可以在图7所示的最小单位的物质到到任意组数的物质中适当选定制作。
下面对本实施形态的电池的充电和放电进行详细说明。
充电
在电池上施加电压，由发电手段(未图示)对负极集电体50提供电子。电子从负极集电体50向负极活性物质42移动，发生反应。由于反应而发生的离子通过隔离层46，与正极活性物质40发生反应，释放出电子。该电子向正极集电体48移动，被输送到发电手段。
放电
从负载向正极集电体48提供电子。电子从正极集电体48向正极活性物质40移动，发生反应。由于反应而发生的离子通过隔离层46，与负极活性物质42发生反应，释放出电子。该电子向负极集电体50移动，被输送到负载。
夹着蛇状的隔离层46配置正极活性物质40和负极活性物质42的电池中，由于正极活性物质40和负极活性物质42相距较近，电子的移动距离短，能够得到高输出，而且离子的扩散距离短，能够得到良好的离子扩散。同时，在由于过充电等原因活性物质发生气体的情况下，气体容易向其相反电极移动、消耗掉，容易密封。
又，通过使用对正极活性物质40、负极活性物质42分别用多孔性镍等离子通过型集电体44覆盖得到的材料，形成活性物质与集电体的距离变近，电子的移动距离变短，同时集电面积变大，电阻小的高性能电池。
又，在电池单元内存在的隔离层46和离子通过型集电体44比较多，因此每单位体积的正极活性物质40、负极活性物质42的充填量少，能够确保在单元内填充较多的电解液，不容易发生电解液干枯、固液反应(电池反应)停止的无水(dry out)现象。
图8是本发明的高输出型三维电池的实施形态2之一例。本实施形态表示将多个基本组合(在图8中作为一个例子采用4个)并列组装于其中以构成电池的情况。制作在第1实施形态说明过的蛇状的单位单元作为基本组合52。4个基本组合52并列填充于电池单元的正极集电体48和负极集电体50之间以构成电池。
图9是本发明的高输出型的三维电池的实施形态3的一个例子。本实施形态是多个基本组合(在图9中作为一个例子采用4个)并列组装于其中的构件多个(在图9中作为一个例子采用4个)层叠以构成电池的情况。制作在第1实施形态说明过的蛇状的单位单元作为基本组合52。4个基本组合52并列填充于电池单元中，隔着隔板54将其4层叠层构成电池。将单元串联叠层构成高压电池。作为隔板54，可使用镍金属板、镍金属箔、碳素、镀镍的铁或不锈钢等、镀镍碳素等。
如上述实施形态2、实施形态3所述，通过在电池单元中充填多个蛇状单位单元，容易实现大型化，而且由于不存在使电阻增大的焊接处，不会发生由于大型化而导致性能下降。又可以减少制造成本和制作时间。
图10是本发明的高输出型的三维电池的实施形态4的一个例子。本实施形态是仅用基本组合构成电池的情况，比第1实施形态时增加了活性物质的厚度，形成体积能量密度大的电池。例如在镍氢二次电池的情况下，作为一个例子，将2000克氢氧化镍粉末、200克EVA树脂、300克导电性填料(碳黑和碳纤维)混合之后用0.1MPa的压力加压成型，制作100mm×30mm×12mm厚的板状的正极活性物质40。同样，作为一个例子，将6000克吸氢合金粉末、200克EVA树脂、300克导电性填料(碳黑和碳纤维)混合之后用0.1MPa的压力加压成型，制作100mm×30mm×8mm厚的板状的负极活性物质42。与第1实施形态的情况相同，在用离子通过型集电体44覆盖正极活性物质40、负极活性物质42的表面(作为一个例子，是4个)之后，夹着隔离层46蛇状地将正极活性物质40、负极活性物质42组装于其中。这样制得的基本组合与电解质溶液一起充填于电池单元中的正极集电体48和负极集电体50之间以构成电池。
如上所述使活性物质的厚度增加，隔离层46和离子通过型集电体44的比例因此相对减少，因此电池的每单位容积的输出下降，但是能够得到体积能量密度大的电池。另一方面，在要求电池具有高输出性能的情况下，在上述实施形态中，通过减少活性物质的厚度，隔离层46和离子通过型集电体44的比例相对增加，因此体积能量密度下降，但是能够得到高输出的电池。这样，仅通过活性物质厚度的增减，就能够任意变更电池规格，容易得到所希望的规格的电池。
图11、图12是本发明的高输出型三维电池的第5实施形态的一个例子。本实施形态是在作为基本组合的蛇状单位单元中，夹着隔离层组装于其中的正极活性物质和负极活性物质中的任意一方多一个，多的一方的活性物质配置于单位单元的两端部的情况。
图11中，作为一个例子，表示夹着蛇状的隔离层46在正极活性物质40的两侧配置负极活性物质42的基本组合。其他结构和作用与第1实施形态的情况相同。还有，本实施形态的蛇状单位单元可以在图11所示的最小单位的单元到任意数目的单元中适当选择制作。
在将图11所示的蛇状单位单元并列充填实现大型化的情况下，必须如图12所示组装。
图13～图17是本发明的高输出型三维电池的第6实施形态的一个例子。本实施形态是在正极活性物质、负极活性物质的任意处所设置离子通过型集电体的产物。图13是以离子通过型集电体44覆盖板状的负极活性物质42的3个面的例子，表示可以用离子通过型集电体44覆盖正极活性物质40、负极活性物质42的任意面。图14～图17是在负极活性物质42表面和内部设置离子通过型集电体44的情况的例子，表示可以将离子通过型集电体44设置于正极活性物质40、负极活性物质42的任意处所。将离子通过型集电体设置于正极活性物质、负极活性物质内部的情况下，也是活性物质与集电体的距离变近，电子的移动距离变短，同时集电面积变大，能够实现电阻小的高性能电池。
其他结构和作用与第1实施形态～第5实施形态的情况相同。
工业应用性
本发明如上所述构成，因此能够实现电池组装用的零部件数目少，减少了组装时间，降低了组装成本的三维电池及其电池结构，而且容易实现大型化，能够得到不因大型化而性能下降的高输出的三维电池。

Claims (12)

1.一种高输出型三维电池，其特征在于，在相对设置的正极集电体和负极集电体之间配置蛇状的隔离层，并使其交互接近两集电体，在蛇状的隔离层与正极集电体形成的空间中充填电解液，同时充填正极活性物质的粉末或成型体，在蛇状的隔离层与负极集电体形成的空间中充填电解液，同时充填负极活性物质的粉末或成型体，正极活性物质与负极活性物质夹着隔离层交叉装入。
2.根据权利要求1所述的高输出型三维电池，其特征在于，夹着蛇状的隔离层交叉充填的至少一种正极活性物质和至少一种负极活性物质构成的单位单元，并联装入形成于正极集电体和负极集电体之间的单元中。
3.一种高输出型三维电池，其特征在于隔着隔板将权利要求1或2所述的电池串联叠层。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的高输出型三维电池，其特征在于，充填的正极活性物质和负极活性物质的形态是粉末状或颗粒状、板状、块状或棒状的成型体、或将颗粒二次成型为块状或板状的成型体、或是将粉末或颗粒做成糊状的形态。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的高输出型三维电池，其特征在于，夹着蛇状隔离层装入的活性物质的任意处设置离子通过型集电体。
6.根据权利要求1～4中的任一项所述的高输出型三维电池，其特征在于，夹着蛇状隔离层装入的活性物质的表面的任意面用离子通过型集电体覆盖。
7.根据权利要求6所述的高输出型三维电池，其特征在于，夹着蛇状的隔离层装入的正极活性物质和负极活性物质是用离子通过型集电体覆盖活性物质形成一体的材料。
8.根据权利要求5、6或7所述的高输出型三维电池，其特征在于，离子通过型集电体是内部具有空隙，离子能通过具有导电性的材料，是发泡的金属镍、镍金属网、镀镍冲孔金属、钢板网等金属、镀镍聚氨酯等发泡树脂、镀镍聚乙烯、聚丙烯、尼龙(nylon)、棉、碳纤维等的多孔材料、二氧化硅、氧化铝等无机纤维的镀镍材料、有机纤维镀镍的材料、毛毡镀镍材料以及云母等无机箔材镀镍材料中的至少任意一种。
9.根据权利要求1～8中的任一项所述的高输出型三维电池，其特征在于，隔离层是在碱性电解液中不变质，能够实现电绝缘而且离子能通过的材料，是四氟乙烯树脂、聚乙烯、聚丙烯、及尼龙等至少任意一种构成的织物、无纺布或膜滤器等。
10.根据权利要求1～9中的任一项所述的高输出型三维电池，其特征在于，正极集电体和负极集电体是在碱性电解液中不变质，离子不能通过而具有导电性的材料，是镍金属板、镍金属箔、碳素、镀镍的铁、镀镍的不锈钢以及镀镍碳素中的至少任意一种。
11.根据权利要求3所述的高输出型三维电池，其特征在于，隔板是在碱性电解液中不变质，离子不能通过而具有导电性的材料，是镍金属板、镍金属箔、碳素、镀镍的铁、镀镍的不锈钢以及镀镍碳素中的至少任意一种。
12.根据权利要求1～11中的任一项所述的高输出型三维电池，其特征在于，活性物质是使电池反应发生的材料中添加导电性填料和树脂，使其硬化的材料。
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