DE102014219597A1

DE102014219597A1 - Alkalischer Akkumulator und Verfahren zur Herstellung eines alkalischen Akkumulators

Info

Publication number: DE102014219597A1
Application number: DE102014219597.7A
Authority: DE
Inventors: c/o GS Yuasa International Ltd. Kanemoto Manabu; c/o GS Yuasa International Ltd. Kakeya Tadashi; c/o GS Yuasa International Lt Kodama Mitsuhiro
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2015-04-02
Also published as: CN104518183B; US20150093618A1; US9899653B2; JP6103307B2; JP2015069887A; CN104518183A

Abstract

Es wird ein alkalischer Akkumulator bereitgestellt, welcher exzellent hinsichtlich der Kapazitätserhaltungseffizienz ist, selbst mit einer geringen Menge an Sulfongruppen enthaltenden Regionen. Der alkalische Akkumulator enthält eine spiralförmige Elektrodengruppe mit einer positiven Platte und einer negativen Platte, welche spiralig gewickelt sind, mit einem dazwischen eingefügten Separator. Der Separator beinhaltet eine Vielzahl von Sulfongruppen enthaltenden Regionen. Die Vielzahl von Sulfongruppen enthaltenden Regionen sind voneinander in einer Wickelrichtung getrennt und derart angeordnet, der positiven Platte oder der negativen Platte gegenüberzuliegen.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen alkalischen Akkumulator und ein Verfahren zur Herstellung eines alkalischen Akkumulators.
HINTERGRUND
In letzter Zeit sind alkalische Hochleistungsakkumulatoren wie Nickel-Metall-Hydrid-Akkumulatoren und Nickel-Cadmium-Akkumulatoren als Energiequellen für elektrische Fahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Fahrräder mit Hilfsmotor („power assisted bicycles”), elektrische Leistungswerkzeuge, usw. verwendet worden.
Als Separator, der in alkalischen Akkumulatoren verwendet wird, wird beispielsweise ein Vliesstoff aus Polyolefin-basierten Fasern, die hervorragend in Alkalibeständigkeit sind, verwendet. Jedoch sind Polyolefin-basierte Fasern schlecht in der Affinität mit einer alkalischen Elektrolytlösung, und müssen daher einer hydrophilen Behandlung unterzogen werden, um die Hydrophilität zu verbessern. Daher wird der Vliesstoff aus Polyolefin-basierten Fasern als Separator für einen alkalischen Akkumulator benutzt, nachdem er einer Hydrohilierungsbehandlung wie einer Sulfonierungsbehandlung, einer Fluorgasbehandlung, einer Koronaentladungsbehandlung und einer Propfpolymerisationsbehandlung unterzogen wird.
Ein Separator, in den Sulfongruppen durch eine Sulfonierungsbehandlung oder Ähnliches eingefügt wurden, ist dafür bekannt, dass er Selbstentladung unterdrückt und zur Beibehaltung der Kapazität beiträgt, indem er Stickstoff-basierte Verunreinigungen (Ammoniumsalze), die in einem positiven Aktivmaterial verbleiben, einfängt.
Jedoch ist die Sulfonierungsbehandlung zum Einführen von Sulfongruppen kompliziert und braucht Zeit, da ein Separator in konzentrierter Schwefelsäure eingetaucht wird, dann neutralisiert wird, mit einer großen Menge Wasser gewaschen wird, und getrocknet wird. Daher wird ein Separator, in den Sulfongruppen durch eine Sulfonierungsbehandlung oder Ähnlund iches eingeführt werden, mit hohen Produktionskosten hergestellt.
Wenn eine Sulfonierungsbehandlung durchgeführt wird, werden Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Polyolefin-basierten Fasern getrennt, so dass die mechanische Stärke eines Separators mit Sulfongruppen leicht herabgesetzt wird.
Weiterhin ist es schwierig, das Innere von Fasern selbst durch eine Sulfonierungsbehandlung ausreichend zu sulfonieren, und daher hat ein Separator mit Sulfongruppen ein geringes Flüssigkeitsrückhaltevermögen und zeigt schlechtes Verhalten hinsichtlich der Lebensdauer und der Entladung in hohen Raten ( JP-A-2005-310625 ).
ZUSAMMENFASSUNG
Angesichts des obigen gegenwärtigen Stands stellt die vorliegende Erfindung einen alkalischen Akkumulator mit exzellenter Beibehaltung der Kapazität selbst mit einer geringen Menge an Sulfongruppen enthaltenden Regionen und ein Verfahren zur Herstellung eines alkalischen Akkumulators bereit.
Die vorliegenden Erfinder haben intensive Untersuchungen vorgenommen und als Ergebnis gefunden, dass durch Verteilen von Sulfongruppen enthaltenden Regionen in einem Separator gute Kapazitätsbeibehaltungseigenschaften selbst mit einer geringen Menge an Sulfongruppen enthaltenden Regionen erhalten werden.
Ein alkalischer Akkumulator gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist daher ein alkalischer Akkumulator mit einer spiralförmigen Elektrodengruppe mit einer positiven Platte und einer negativen Platte, die spiralig gewickelt sind, mit einem dazwischen eingefügten Separator, wobei der Separator eine Vielzahl von Sulfongruppen enthaltenden Regionen aufweist, und die Vielzahl von Sulfongruppen enthaltenden Regionen voneinander getrennt in Wickelrichtung sind, und derart angeordnet sind, dass sie der positiven Platte oder der negativen Platte gegenüberliegen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt (a) eine Frontalansicht und eine Seitenansicht in verlängertem Zustand eines Separators gemäß einer ersten Ausführungsform, und (b) ein Verfahren zur Herstellung einer spiralförmigen Elektrodengruppe unter Verwendung des Separators;
2 ist eine Querschnittsansicht einer Batterie, die den Separator gemäß der ersten Ausführungsform verwendet;
3 zeigt (a) eine Frontalansicht und eine Seitenansicht in verlängertem Zustand eines Separators gemäß einer zweiten Ausführungsform, und (b) ein Verfahren zur Herstellung einer spiralförmigen Elektrodengruppe unter Verwendung des Separators;
4 ist eine Querschnittsansicht einer Batterie, die den Separator gemäß der zweiten Ausführungsform verwendet;
5 zeigt (a) eine Frontalansicht und eine Seitenansicht in verlängertem Zustand eines Separators gemäß einer dritten Ausführungsform, und (b) ein Verfahren zur Herstellung einer spiralförmigen Elektrodengruppe unter Verwendung des Separators;
6 ist eine Querschnittsansicht einer Batterie, die den Separator gemäß der dritten Ausführungsform verwendet;
7 zeigt eine Frontalansicht und eine Seitenansicht in verlängertem Zustand eines Separators gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
8 zeigt eine Frontalansicht und eine Seitenansicht in verlängertem Zustand eines Separators, der in einer Batterie verwendet wird, die einer Untersuchung des Verhältnisses der verbleibenden Kapazitätsbeibehaltung unterzogen wird.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Der alkalische Akkumulator gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein alkalischer Akkumulator beinhaltend eine spiralförmige Elektrodengruppe mit einer positiven Platte und einer negativen Platte, die spiralig gewickelt sind, mit einem dazwischen eingefügten Separator, wobei der Separator eine Vielzahl von Sulfongruppen enthaltenden Regionen/Bereichen aufweist, und die Vielzahl von Sulfongruppen enthaltenden Regionen voneinander getrennt in Wickelrichtung sind, und derart angeordnet sind, dass sie der positiven Platte oder der negativen Platte gegenüberliegen. Hierbei betrifft die „Sulfongruppen enthaltende Region” eine Region, in der eine Sulfongruppe detektiert wird mit beispielsweise einer Analyse mit IR oder Ähnlichem, und eine Sulfonierungsbehandlung oder andere Methoden können verwendet werden für einen Prozess zum Binden von Sulfongruppen.
Es ist besonders bevorzugt dass zumindest eine der Vielzahl von Sulfongruppen enthaltenden Regionen zwischen dem äußeren Umfang der Elektrodengruppe und einer Hülle, in der die Elektrodengruppe untergebracht ist, angeordnet ist.
Es ist bevorzugt, dass der Separator ein blattförmiger Artikel ist und eine Vielzahl von Sulfongruppen enthaltenden Regionen enthält, die voneinander in einer Längsrichtung des blattförmigen Artikels getrennt sind.
Zumindest eine der Vielzahl von Sulfongruppen enthaltenden Regionen kann auf einer Oberfläche des Separators gebildet sein, wobei die Region, die auf der einen Oberfläche gebildet ist, derart angeordnet ist, dass sie der positiven Platte oder der negativen Platte gegenüberliegt.
Einige der Vielzahl der Sulfongruppen enthaltenden Regionen können derart angeordnet sein, dass sie sowohl der positiven Platte als auch der negativen Platte gegenüberliegen.
Zumindest eine der Vielzahl der Sulfongruppen enthaltenden Regionen, welche nicht das Ende ist, kann auf einer Seite mit im Wesentlichen dem Zentrum des Separators in Längsrichtung als Grenze angeordnet sein.
Es ist besonders bevorzugt, dass zumindest eine der Vielzahl der Sulfongruppen enthaltenden Regionen, welche anders als das Ende ist, derart angeordnet ist, dass sie einer inneren Umfangsseite der positiven Platte gegenüberliegt.
Die Gesamtfläche der Vielzahl der Sulfongruppen enthaltenden Regionen kann weniger als 30% der Fläche der positiven Platte sein.
Ein Verfahren zur Herstellung eines alkalischen Akkumulators gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren sein, in dem eine positiven Platte, eine negative Platte und ein Separator umfassend eine Vielzahl von Sulfongruppen enthaltenden Regionen, die voneinander getrennt sind, derart aufeinander gelegt werden, dass die Vielzahl der Sulfongruppen enthaltenden Regionen derart angeordnet sind, dass sie der positiven Platte oder der negativen Platte gegenüberliegen.
Für ein Verfahren zur Herstellung eines alkalischen Akkumulators ist es bevorzugt, dass die positive Platte, die negative Platte und der Separator spiralig/spiralförmig gewickelt und aufeinanderliegend sind.
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung und aufgrund der oben beschriebenen Konfiguration kann ein alkalischer Akkumulator mit exzellenten Kapazitätsbeibehaltungseigenschaften erhalten werden, selbst wenn der Separator eine kleine Menge an Sulfongruppen enthaltenden Regionen hat.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Detail nachfolgend beschrieben. Ein Separator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht aus einem langen blattförmigen Artikel.
Ein Beispiel des blattförmigen Artikels ist ein Vliesstoff bestehend aus Fasern, die aus einem Polyolefin-basierten Harz wie einem Polyethylen-basierten Harz oder einem Polypropylen-basierten Harz hergestellt sind. Der Vliesstoff kann beispielsweise durch ein Trockenverfahren, ein Nassverfahren, ein Spinnvliesverfahren, ein Meltblow-Verfahren oder Ähnlichem hergestellt werden, aber bezüglich einer Dichtheit ist eine Herstellung des Vliesstoffes durch ein Nassverfahren bevorzugt.
Der Separator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Separator enthaltend Sulfongruppen in einer Vielzahl von Regionen, die voneinander in dem blattförmigen Artikel getrennt sind.
Solch ein Separator wird mit im Separator verteilten Sulfongruppen enthaltenden Regionen gebildet, und kann daher effizient Stickstoff-basierte Verunreinigungen, die in einer Elektrolytlösung gelöst sind, einfangen.
Der Separator gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist in die Fasern des Vliesstoffs eingebrachte Sulfonsäuregruppen (-SO₃H) durch Behandlung des Vliesstoffes, etc., mit Schwefelsäure, rauchender Schwefelsäure oder dergleichen auf. Ob eine Region eine Sulfongruppe enthält kann durch Analyse jeder Region durch Fourier-Transform Infrarotspektroskopie (FT-IR) überprüft werden. Es kann also bestätigt werden, dass eine Region eine Sulfongruppe enthält, wenn sie einen Infrarotlicht-Absorptionspeak in der obigen Analyse aufweist, der von der S=O-Streckschwingung bei 1090 cm^–1 bis 1130 cm^–1 herrührt.
Der Separator gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist derart ausgestaltet, dass eine Vielzahl von Sulfongruppen enthaltenden Regionen voneinander in einer Wickelrichtung getrennt sind, wenn ein geschichtetes Produkt beinhaltend den Separator, eine positive Platte und eine negative Platte zu einer spiralförmigen Elektrodengruppe gewickelt wird und die spiralförmige Elektrodengruppe in einer zylindrischen Batteriehülle gelagert wird. Wenn ein Separator, der Regionen mit verschiedener Behandlung enthält, in einer oben beschriebenen Batterie angeordnet ist, werden Niveauunterschiede und Flächen mit verschiedener Stärke an Grenzen zwischen den Behandlungen erzeugt. Wenn Regionen mit unterschiedlicher Behandlung voneinander in einer Wickelachsenrichtung beim Wickeln der spiralförmigen Elektrodengruppe getrennt sind, werden die Grenzen durch die Elektrode durch in der Wickelrichtung erzeugt, so dass Defekte wie eine Reduzierung in der Stärke/Festigkeit („strength”) des Separators und das Auftreten von einem ungenügendem Abstand zwischen den Elektroden wegen des Auftretens von Niveauunterschieden auftreten, und die Herstellung daher nicht einfach ist. Andererseits werden solche Grenzen in dem Separator gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nur in einem Teil der Elektrode in Wickelrichtung erzeugt, so dass die vorangegangenen Defekte kaum auftreten und die Herstellung relativ einfach ist.
In dem Separator gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass eine Sulfongruppen enthaltende Region an einem Ende des blattförmigen Artikels in Längsrichtung gebildet wird.
Wenn ein geschichtetes Produkt beinhaltend einen Separator, eine positive Platte und eine negative Platte zu einer spiralförmigen Elektrodengruppe gewickelt wird und die spiralförmige Elektrodengruppe in einer zylindrischen Batteriehülle gelagert wird, wird eine geringe Lücke zwischen der Elektrodengruppe und der Batteriehülle gebildet, um die Bewegung einer Elektrolytlösung an der Umfangskante im Vergleich zum Zentrum des Inneren der Batteriehülle zu erleichtern. Wenn dann eine Sulfongruppen enthaltende Region an einem Ende des Separators in Längsrichtung gebildet wird, wird das Ende, an dem die Sulfongruppen enthaltende Region gebildet ist, an der Umfangskante des Inneren der Batteriehülle gebildet wenn der Separator zur Hälfte gefaltet wird und in eine spiralförmige Elektrodengruppe gewickelt wird. Als Folge kommt die Sulfongruppen enthaltende Region in angemessenen Kontakt mit einer Elektrolytlösung, die in einer Lücke zwischen der spiralförmigen Elektrodengruppe und der Batteriehülle beibehalten wird, so dass Stickstoff-basierte Verunreinigungen, die in der Elektrolytlösung gelöst sind, effizient eingefangen werden können.
Zumindest eine der Vielzahl von Sulfongruppen enthaltenden Regionen gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann auf einer Oberfläche des Separators gebildet sein, wobei die Region, die auf der einen Oberfläche gebildet ist, derart angeordnet ist, dass sie der positiven Platte oder der negativen Platte gegenüberliegt. In der vorliegenden Ausführungsform können Stickstoff-basierte Verunreinigungen eingefangen werden, indem Sulfongruppen enthaltende Regionen auf einer Oberfläche des Separators angeordnet sind, und daher gute Kapazitätsbeibehaltungseigenschaften beibehalten werden können. Da Sulfongruppen enthaltende Regionen nur auf einer Oberfläche angeordnet sind, kann der Separator einfacher hergestellt werden als in einem Fall, in dem Sulfongruppen enthaltende Regionen auf beiden Oberflächen angeordnet sind.
Einige der Vielzahl von Sulfongruppen enthaltenden Regionen gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindungen können derart angeordnet sein, dass sie sowohl der positiven Platte als auch der negativen Platte gegenüberliegen. In der vorliegenden Ausführungsform können Stickstoff-basierte Verunreinigungen von jeder der positiven und negativen Platten eingefangen werden, wenn die Sulfongruppen enthaltenden Regionen derart angeordnet sind, dass sie sowohl der positiven Platte als auch der negativen Platte gegenüberliegen.
Im Separator gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass Sulfongruppen enthaltende Regionen, welche nicht das Ende sind, nur auf einer Seite mit im Wesentlichen dem Zentrum des Separators in Längsrichtung als Grenze angeordnet sind. Es ist weiter bevorzugt, dass die Sulfongruppen enthaltenden Regionen, welche anders als das Ende sind, derart angeordnet sind, dass sie der innere Umfangsseite der positiven Platte der spiralförmigen Elektrodengruppe gegenüberliegen.
Wenn Sulfongruppen enthaltende Regionen, welche gering in Stärke sind, an der äußeren Umfangsseite der positiven Platte der spiralförmigen Elektrodengruppe gebildet sind, dringen Fragmente und Pulver, welche auf Brüchen und Graten der positiven Elektrodenplatte und Absplittern und Beschädigungen des aktiven Materials, etc., basieren, leicht durch den Separator, um einen Kurzschluss zu verursachen. Auf der anderen Seite kann, obwohl Brüche und Grate der positiven Elektrodenplatte und Absplittern und Beschädigungen des aktiven Materials auftreten, das Auftreten eines damit assoziierten Kurzschlusses verhindert werden, indem der Separator gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung halbiert gefaltet wird, die positive Platte in die Mitte des gefalteten Separators eingelegt wird, eine Seite, auf der Sulfongruppen enthaltende Regionen gebildet sind, auf der Innenseite der positiven Platte angeordnet wird, und eine Seite, die keine Sulfongruppen aufweist, auf der Außenseite der positiven Platte angeordnet wird, wenn Sulfongruppen enthaltende Regionen nur auf einer Seite mit im Wesentlichen dem Zentrum des Separators in Längsrichtung als Grenze angeordnet sind.
Der Anteil an Sulfongruppen enthaltenden Regionen in dem Separator gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann 30% oder weniger der Oberfläche des blattförmigen Artikels sein. In der vorliegenden Ausführungsform sind Sulfongruppen enthaltende Regionen im Separator verteilt, und daher können Stickstoff-basierte Verunreinigungen effizient eingefangen werden, obwohl der Anteil an Sulfongruppen enthaltenden Regionen 30% oder weniger der Oberfläche des blattförmigen Artikels ist, so dass eine hohe Kapazitätsbeibehaltungsleistung aufrechterhalten werden kann. Weiterhin kann die Herabsetzung der Stärke/Festigkeit („strength”) des Separators verhindert werden, wenn der Anteil an Sulfongruppen enthaltenden Regionen 30% oder weniger der Oberfläche des blattförmigen Artikels ist, und die Herabsetzung der Flüssigkeitszurückhaltung kann verhindert werden, um die Lebensdauerleistung zu verbessern. Weiterhin können die Herstellungskosten reduziert werden.
Bevorzugt ist der Separator gemäß der vorliegenden Erfindung in seiner Gesamtheit einschließlich der Sulfongruppen enthaltenden Regionen hydrophil. Daher ist es bevorzugt, wenn ein Material mit geringer Hydrophilität wie ein aus einem Polyolefin-basierten Harz hergestellter Vliesstoff als blattförmiger Artikel verwendet wird, dass andere als die Sulfongruppen enthaltende Regionen einer anderen hydrophilen Behandlung unterzogen werden. Die hydrophile Behandlung, die anders als die Sulfonierungsbehandlung ist, ist bevorzugt eine Behandlung mit Fluorgas im Hinblick auf die mechanische Stärke, Flüssigkeitsabsorption, Lebensdauerleistung usw.
Die Behandlung mit Fluorgas kann beispielsweise durch Behandeln des Vliesstoffs unter Verwendung eines Mischgases, welches durch Mischen von Sauerstoffgas, Kohlendioxidgas, Schwefeldioxidgas, usw. mit Fluorgas, welches mit Inertgas verdünnt ist, erhalten wurde, durchgeführt werden. Hydrophile Gruppen wie OH, COOH, und SO₃H werden in die Fasern des Vliesstoffs durch die Behandlung mit Fluorgas eingefügt.
Alle Regionen außer den Sulfongruppen enthaltenden Regionen können der Behandlung mit Fluorgas unterzogen werden, aber es können auch einige Regionen der Behandlung mit Fluorgas unterzogen werden, während andere Regionen einer anderen hydrophilen Behandlung unterzogen werden können.
Spezifische Beispiele des Separators gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen einen Separator gemäß einer ersten Ausführungsform, der in 1 und 2 gezeigt ist, einen Separator gemäß einer zweiten Ausführungsform, der in 3 und 4 gezeigt ist, und einen Separator gemäß einer dritten Ausführungsform, der in 5 und 6 gezeigt ist, etc.
Im Separator 1 der ersten Ausführungsform sind, wie in 1(a) gezeigt, Sulfongruppen enthaltende Regionen S an beiden Enden des Separators in Längsrichtung durch eine Sulfonierungsbehandlung, etc., gebildet, und andere Regionen F werden einer Behandlung mit Fluorgas unterzogen. Die Sulfongruppen enthaltenden Regionen S und die mit Fluorgas behandelten Regionen F sind als verschiedene Körper gebildet und werden dann durch Ultraschallschweißen etc. zusammengekoppelt. Ein ergänzender Separator 11 ist am Zentrum des Separators 1 in Längsrichtung laminiert, und der ergänzende Separator wird einer Behandlung mit Fluorgas unterzogen, um exzellente Stärke zu verleihen. Es wurde bestätigt, dass die Sulfongruppen enthaltenden Regionen einen Absorptionspeak von Infrarotlicht bei 1090 cm^–1 bis 1130 cm^–1 in einem Fourier-Transform-Infrarotspektrometer (Frontier, hergestellt durch PerkinElmer Co., Ltd.) in allen Ausführungsformen in der Beschreibung der vorliegenden Anmeldung aufweisen.
Wie in 1(b) gezeigt ist der Separator 1 der ersten Ausführungsform bei im Wesentlichen dem Zentrum in Längsrichtung halbiert gefaltet, eine positive Platte 2 ist in die Mitte des gefalteten Separators eingebracht, eine negative Platte 3 ist auf der Außenseite des Separators überlagert, und ein so erhaltenes geschichtetes Produkt 10 ist spiral gewickelt, so dass die negative Platte 3 auf der äußeren Umfangsseite liegt, wodurch eine Spiralelektrodengruppe 4 gebildet wird. Ein zylindrischer alkalischer Akkumulator kann erhalten werden, indem die Spiralelektrodengruppe 4 in einer zylindrischen Batteriehülle 5 untergebracht wird, wie in 2 gezeigt.
Hierbei ist die Sulfongruppen enthaltende Region S auf der Umfangskante des Inneren der Batteriehülle 5 angeordnet und kommt daher in geeigneten Kontakt mit einer Elektrolytlösung, die in einer Spalte zwischen der Spiralelektrodengruppe 4 und der Batteriehülle 5 behalten ist, so dass Stickstoff-basierte Verunreinigungen, die in der Elektrolytlösung vorhanden sind, effektiv eingefangen werden.
Aufgrund des ergänzenden Separators 11, der am Zentrum des Separators 1 in Längsrichtung vorgesehen ist, kann eine Situation verhindert werden, in der der Separator 1 durch Ecken, Grate und Ähnlichem der positiven Platte 2, die in der Mitte eingebracht ist, beschädigt wird, was zum Auftreten eines Kurzschlusses führt.
Der Separator der zweiten Ausführungsform wird nunmehr beschrieben, wobei besonders auf die Punkte eingegangen wird, die sich vom Separator der ersten Ausführungsform unterscheiden.
Wie in 3(a) gezeigt weist der Separator 1 der zweiten Ausführungsform zusätzlich zu der Sulfongruppen enthaltenden Region S an einem Ende des Separators 1 in Längsrichtung weiter zwei Sulfongruppen enthaltende Regionen S auf derselben Seite mit im Wesentlichen dem Zentrum in Längsrichtung als Grenze auf. Diese insgesamt drei Sulfongruppen enthaltenden Regionen S sind durch mit Fluorgas behandelte Regionen F getrennt, welche jeweils zwischen den Regionen S eingebracht sind. In der zweiten Ausführungsform wird nur eines der Enden des Separators 1 in Längsrichtung einer Sulfonierungsbehandlung unterzogen, und das andere Ende wird keiner Sulfonierungsbehandlung unterzogen.
Wie in 3(b) gezeigt wird der Separator 1 der zweiten Ausführungsform bei im Wesentlichem dem Zentrum in Längsrichtung zur Hälfte gefaltet, eine positive Platte 2 wird in die Mitte des gefalteten Separators eingebracht, eine Seite, welche nur mit Fluorgas behandelte Regionen F umfasst, ist auf der Außenseite, und eine negative Platte 3 ist darauf überlagert. Ein geschichtetes Produkt 10, dass so erhalten wird, wird spiralförmig gewickelt, so dass die negative Platte 3 auf der äußeren Umfangsseite liegt, wodurch eine Spiralelektrodengruppe 4 gebildet wird. Wenn die Spiralelektrodengruppe 4 in einer Batteriehülle 5 untergebracht wird, sind die Sulfongruppen enthaltenden Regionen S in Richtung des Durchmessers des Inneren der Batteriehülle 5 verteilt, so dass Stickstoff-basierte Verunreinigungen, die in einer Elektrolytlösung gelöst sind, effizient eingefangen werden können.
Der Separator der dritten Ausführungsform wird nunmehr beschrieben, wobei besonders auf die Punkte eingegangen wird, die sich vom Separator der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform unterscheiden.
Im Separator 1 der dritten Ausführungsform wird, wie in 5(a) gezeigt, eine Region F, die einer Behandlung mit Fluorgas unterzogen wurde, auf einer gesamten Endoberfläche des Separators gebildet, und Sulfongruppen enthaltende Regionen S, die einer Sulfonierungsbehandlung unterzogen wurden, sind auf beiden Enden der anderen Endoberfläche des Separators gebildet. Die Sulfongruppen enthaltenden Regionen S und die mit Fluorgas behandelten Regionen F sind als verschiedene Körper gebildet und werden dann durch Ultraschallschweißen, etc. zusammengekoppelt. Ein ergänzender Separator 11 ist am Zentrum des Separators 1 in Längsrichtung laminiert, und der ergänzende Separator 11 wird einer Behandlung mit Fluorgas unterzogen, um exzellente Stärke zu verleihen. Der ergänzende Separator kann aus jeglichem Material gemacht sein und kann oder kann nicht einer hydrophilen Behandlung unterzogen werden, so lange er die Dicke des Separators erhöht und die Stärke davon verbessert. Das heißt, dass ein aus einem Polyolefinharz hergestellter Separator, der nicht einer hydrophilen Behandlung unterzogen wird, oder ein aus einem Polyolefinharz hergestellter Separator, der einer hydrophilen Behandlung wie einer Sulfonierungsbehandlung, einer Behandlung mit Fluorgas und einer Behandlung mit Koronaentladung unterzogen wird, verwendet werden kann.
Wie in 5(b) gezeigt ist der Separator 1 der dritten Ausführungsform bei im Wesentlichen dem Zentrum in Längsrichtung halbiert gefaltet, eine positive Platte 2 ist in die Mitte des gefalteten Separators eingebracht, eine negative Platte 3 ist an der Außenseite des Separators überlagert, und ein geschichtetes Produkt 10, das so erhalten wird, ist spiralförmig gewunden, so dass die negative Platte 3 sich auf der äußeren Umfangsseite befindet, wodurch eine Spiralelektrodengruppe 4 gebildet wird. Ein zylindrischer alkalischer Akkumulator 100 kann erhalten werden, indem die Spiralelektrodengruppe 4 in einer zylindrischen Batteriehülle 5 untergebracht wird.
Hierin ist, wie in 6 gezeigt, die Sulfongruppen enthaltende Region S auf der Umfangsseite des Inneren der Batteriehülle 5 angeordnet, und kommt daher in geeigneten Kontakt mit einer Elektrolytlösung, die in einer Spalte zwischen der Spiralelektrodengruppe 4 und der Batteriehülle 5 zurückgehalten wird, so dass Stickstoff-basierte Verunreinigungen, die in der Elektrolytlösung vorhanden sind, effizient eingefangen werden können.
Aufgrund des ergänzenden Separators 11, der am Zentrum des Separators 1 in Längsrichtung vorgesehen ist, kann eine Situation verhindert werden, in der der Separator 1 durch Ecken, Grate und Ähnlichem der positiven Platte 2, die in der Mitte eingebracht ist, beschädigt wird, was zum Auftreten eines Kurzschlusses führt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorangegangenen Ausführungsformen beschränkt.
Beispielsweise kann, wie in 8(a) gezeigt, die Sulfongruppen enthaltende Region nicht an dem Ende des Separators 1 in Längsrichtung gebildet sein, sondern nur an einem inneren Teil gebildet sein, der näher zum Zentrum ist.
Alternativ können, wie in 8(b) gezeigt, die Sulfongruppen enthaltende Region S, die am Ende des Separators 1 in Längsrichtung gebildet ist, und die Sulfongruppen enthaltende Region S, die an einem inneren Teil näher zum Zentrum gebildet ist, auf gegenüberliegenden Seiten mit im Wesentlichen dem Zentrum in Längsrichtung als Grenze gebildet sein.
Weiterhin ist der Separator von jedem der vorangegangenen Ausführungsformen zur Hälfte gefaltet, aber beispielsweise kann der Separator von jedem der vorangegangenen Ausführungsformen in zwei Separatoren getrennt sein: einen Separator (A), der zwischen der inneren Umfangsseite der positiven Platte und der äußeren Umfangsseite der negativen Platte eingebracht ist, und einen Separator (b), der zwischen der äußeren Umfangsseite der positiven Platte und der inneren Umfangsseite der negativen Platte eingebracht ist.
Durch Einbringen einer Elektrodengruppe, die durch spiralförmiges Wickeln des Separators (umfassend den Separator (A) und den Separator (B), die durch Trennen des Separators in zwei Separatoren erhalten wurden) gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erhalten wird, während dieser mit der positiven Platte und der negativen Platte überlagert ist, in eine zylindrische Batteriehülle kann ein zylindrischer alkalischer Akkumulator gebildet werden. Solch ein alkalischer Akkumulator stellt auch einen Teil der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Wenn der alkalische Akkumulator gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Nickel-Metallhydrid-Akkumulator ist, wird die positive Platte beispielsweise gebildet, indem in einem positiven Elektrodensubstrat wie in einem porösen Material aus geschäumtem Nickel ein positives Aktivmaterial enthaltend Nickelhydroxid gehalten wird, und die negative Platte wird gebildet, indem beispielsweise ein negatives Elektrodensubstrat, bestehend aus einer perforierten Stahlplatte, mit einem negativen Aktivmaterial enthaltend eine Wasserstoffspeicherlegierung beschichtet wird.
BEISPIELE
Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend im Detail durch Beispiele beschrieben, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt.
<Herstellung einer positiven Platte für einen Nickel-Metallhydrid-Akkumulator>
Die Oberfläche von Nickelhydroxid, welches 3 Massenprozent Zink und 0,6 Massenprozent Kobalt enthält, im Zustand einer festen Lösung wurde mit 7 Massenprozent Kobalthydroxid beschichtet, und danach wurde eine Oxidationsbehandlung mit Luft bei 110°C für 1 Stunde unter Verwendung einer 18 M wässrigen Natriumhydroxidlösung durchgeführt, um ein positives Aktivmaterial zu erhalten. Weiterhin wurden 2 Massenprozent Yb₂O₃ mit dem positiven Aktivmaterial gemischt und eine wässrige Lösung mit einem darin gelösten Verdicker (Carboxymethylcellulose) wurde zur Herstellung einer Paste zugegeben. Geschäumter Nickel mit einer Oberflächendichte des Substrats von 300 g/m² wurde mit der Paste gefüllt, getrocknet und dann zu einer vorbestimmten Dicke gepresst, um eine positive Platte von 2000 mAh herzustellen.
<Herstellung einer negativen Platte für einen Nickel-Metallhydrid-Akkumulator>
Eine wässrige Lösung mit einem darin gelösten Verdicker (Methylcellulose) wurde zu 100 Masseteilen eines Wasserstoffspeicherlegierungspulvers (Zusammensetzung: MmNi_3,80Co_0,80Mn_0,30Al_0,25) zugefügt, zerkleinert, um eine durchschnittliche Partikelgröße D₅₀ von 50 μm zu haben, und 1 Masseprozent eines Bindemittels (Styrol-Butadien-Kautschuk) wurde weiterhin zum Bilden einer Paste zugegeben. Die Paste wurde auf beiden Oberflächen einer perforierten Stahlplatte mit einer Dicke von 35 μm aufgebracht und getrocknet, und wurde dann auf eine vorbestimmte Dicke gepresst, um eine negative Platte mit 2600 mAh zu bilden.
<Herstellung eines verschlossenen Nickel-Metallhydrid-Akkumulators>
Fünf in 7(a) bis 7(e) gezeigte Separatoren (Nummern 1 bis 5) wurden bereitgestellt. Die Separatoren wurden von im Wesentlichen dem Zentrum in Längsrichtung zur Hälfte gefaltet, die positive Platte wurde in die Mitte des gefalteten Separators eingebracht, die negative Platte wurde auf der Außenseite des Separators überlagert, und ein so erhaltenes geschichtetes Produkt wurde gewickelt, so dass die negative Platte auf der äußeren Umfangsseite liegt, wodurch eine Elektrodengruppe gebildet wurde. Die erhaltene Elektrodengruppe wurde in einer zylindrischen Batteriehülle untergebracht, 2,45 g einer Elektrolytlösung enthaltend 4 M KOH, 3 M NaOH und 0,8 M LiOH wurden eingespritzt, und die Batteriehülle wurde mit einem Metalldeckel, der mit einem Sicherheitsventil ausgestattet ist, verschlossen. Auf diesem Weg wurden fünf Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren der Größe AA mit 2000 mAh als Probebatterien hergestellt.
<Anfängliche Formation>
Für jede Probebatterie wurde die anfängliche Formation gemäß der folgenden Prozedur durchgeführt. Bei 20°C wurde die Batterie mit 200 mA für 16 Stunden geladen und dann auf 1 V bei 400 mA entladen. Dieser Zyklus wurde zweimal wiederholt. Danach wurde die Batterie bei 40°C für 48 h gehalten. Bei 20°C wurde die Batterie mit 200 mA für 16 Stunden geladen, für 1 Stunde stehengelassen, und auf 1 V bei 400 mA entladen. Dieser Zyklus wurde zweimal wiederholt, um die Formation abzuschließen.
<Messung des verbleibenden Kapazitätserhaltungsverhältnisses>
Zunächst wurde die Batterie bei 20°C und 200 mA für 16 Stunden geladen, für 1 Stunde stehengelassen, und auf 1 V bei 400 mA entladen, und eine anfängliche Entladungskapazität wurde gemessen. Anschließend wurde die Batterie bei 200 mA und 20°C für 16 Stunden geladen, und dann bei 45°C für 14 Tage gehalten.
Schließlich wurde die Batterie bei 20°C für 3 Stunden gehalten und dann auf 1 V bei 400 mA entladen, und eine verbleibende Entladungskapazität wurde gemessen. Basierend auf der erhaltenen verbleibenden Entladungskapazität wurde ein verbleibendes Kapazitätserhaltungsverhältnis gemäß der folgenden Formel berechnet. Verbleibendes Kapazitätserhaltungsverhältnis (%) = verbleibende Entladungskapazität (mAh)/anfängliche Entladungskapazität (mAh)·100
Die erhaltenen Ergebnisse sind in nachfolgender Tabelle 1 gezeigt. In Tabelle 1 bedeutet das „Verhältnis von Sulfonierungsbehandlungsregionen” ein Verhältnis von der Fläche der Regionen, die einer Sulfonierungsbehandlung unterzogen wurden, zur Oberflächenfläche des Separators. [Tabelle 1]

Nr. Verhältnis von Sulfonierungsbehandlungsregionen (%) Verbleibendes Kapazitätserhaltungsverhältnis (%)

1 27,5 79,5

2 26,5 79,1

3 13,7 74,5

4 33,7 78,1

5 43,7 79,5
Ein Vergleich der Probebatterien der Nummern 1 und 2 mit der Probebatterie Nummer 4 in Tabelle 1 zeigt, dass die Probebatterien Nummern 1 und 2 ein höheres verbleibendes Kapazitätserhaltungsverhältnis hatten, obwohl die Fläche von Regionen, die einer Sulfonierungsbehandlung unterzogen wurden, kleiner war im Vergleich zur Probebatterie Nummer 4. Die Probebatterien der Nummern 1 und 2 zeigten ein verbleibendes Kapazitätserhaltungsverhältnis, das im Wesentlichen mit dem der Probebatterie Nummer 5 vergleichbar war, in der die Fläche von Regionen, die einer Sulfonierungsbehandlung unterzogen wurden, größer mit einem Faktor von ungefähr 1,6 war.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005-310625 A [0007]

Claims

Alkalischer Akkumulator, umfassend: eine Spiralelektrodengruppe mit einer positiven Platte und einer negativen Platte, die spiralig gewickelt sind, mit einem dazwischen eingefügten Separator, wobei der Separator eine Vielzahl von Sulfongruppen enthaltenden Regionen aufweist, und die Vielzahl von Sulfongruppen enthaltenden Regionen voneinander getrennt in Wickelrichtung sind, und derart angeordnet sind, der positiven Platte oder der negativen Platte gegenüberzuliegen.
Alkalischer Akkumulator gemäß Anspruch 1, wobei zumindest eine der Vielzahl von Sulfongruppen enthaltenden Regionen zwischen einem äußeren Umfang der Elektrodengruppe und einer Hülle, in der die Elektrodengruppe untergebracht ist, angeordnet ist.
Alkalischer Akkumulator gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Separator ein blattförmiger Artikel ist und eine Vielzahl von Sulfongruppen enthaltenden Regionen enthält, die voneinander in einer Längsrichtung des blattförmigen Artikels getrennt sind.
Alkalischer Akkumulator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zumindest eine der Vielzahl von Sulfongruppen enthaltenden Regionen auf einer Oberfläche des Separators gebildet ist, wobei die Region, die auf der einen Oberfläche gebildet ist, derart angeordnet ist, dass sie der positiven Platte oder der negativen Platte gegenüberliegt.
Alkalischer Akkumulator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei einige der Vielzahl der Sulfongruppen enthaltenden Regionen derart angeordnet sind, dass sie sowohl der positiven Platte als auch der negativen Platte gegenüberliegen.
Alkalischer Akkumulator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zumindest eine der Vielzahl der Sulfongruppen enthaltenden Regionen an einem Ende des Separators in der Längsrichtung bereitgestellt ist.
Alkalischer Akkumulator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zumindest eine der Vielzahl der Sulfongruppen enthaltenden Regionen, welche nicht das Ende ist, auf einer Seite mit im Wesentlichen dem Zentrum des Separators in Längsrichtung als Grenze angeordnet ist.
Alkalischer Akkumulator gemäß Anspruch 7, wobei eine der Vielzahl der Sulfongruppen enthaltenden Regionen, welche anders als das Ende ist, derart angeordnet ist, dass sie einer inneren Umfangsseite der positiven Platte gegenüberliegt.
Alkalischer Akkumulator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Gesamtfläche der Vielzahl der Sulfongruppen enthaltenden Regionen weniger als 30% der Fläche der positiven Platte ist.
Verfahren zur Herstellung eines alkalischen Akkumulators, das Verfahren umfassend: Schichten einer positiven Platte, einer negativen Platte und eines Separators umfassend eine Vielzahl von Sulfongruppen enthaltenden Regionen, die voneinander derart getrennt sind, dass die Vielzahl der Sulfongruppen enthaltenden Regionen derart angeordnet sind, dass sie der positiven Platte oder der negativen Platte gegenüberliegen.
Verfahren zur Herstellung eines alkalischen Akkumulators gemäß Anspruch 10, wobei die positive Platte, die negative Platte und der Separator spiralförmig gewickelt und geschichtet sind.