JP2000113894A

JP2000113894A - 電池用電極

Info

Publication number: JP2000113894A
Application number: JP10285496A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Shichimoto; 克哉七元; Toshio Murata; 利雄村田
Original assignee: Japan Storage Battery Co Ltd; GS Melcotec Co Ltd
Current assignee: Japan Storage Battery Co Ltd; Sanyo GS Soft Energy Co Ltd
Priority date: 1998-10-07
Filing date: 1998-10-07
Publication date: 2000-04-21

Abstract

(57)【要約】【課題】三次元金属多孔体を有する電池極板につい
て、得られる電池容量を低下させることなく、製造時の
搬送や巻回の取り扱いを容易にする。【解決手段】三次元金属多孔体１０に支持体として接
合させる多孔性導電性薄板９の厚みを１０〜１００μｍ
未満、開口率を３０％〜７０％に、開口孔径を０．５〜
３．０ｍｍ、に設定し、製造時に極板の一部に圧縮応力
が作用するような曲げ応力が生じた際に、極板の支持体
自体が伸長し圧縮応力を緩和するような構造とする。。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電池用電極、より
詳しくは三次元金属多孔体に活物質を担持させた電池用
電極に関する。

【０００２】

【従来の技術】電池の電池容量を増大させるためには、
電極の活物質充填密度を向上させることが効果的であ
る。その具体的手段として、電極に発泡状金属や不織布
状金属などの三次元金属多孔体を用いることが行われて
いる。例えば、ニッケル水素二次電池の正極の基板とし
ては、発泡状金属である発泡ニッケルや、不織布状金属
であるニッケル繊維フェルトなどが使用されている。こ
れらは何れも多孔度の極めて高い三次元金属多孔体を構
成するため、例えば活物質として水酸化ニッケルの粉末
を、導電剤や結着材とともに水などの分散媒に分散して
塗布し乾燥させれば、ネットワーク状の骨格や繊維の隙
間に大量の活物質を確実に担持させて、活物質充填密度
を向上させることができ、電池容量を大幅に増大させる
ことができる。

【０００３】上記三次元多孔体は、電池の端子に接続す
るために、金属板などからなる集電体を介して集電を行
う必要がある。しかし、活物質を担持させた三次元多孔
体に直接集電体を溶接して接続することは、活物質が溶
着を妨げたり、三次元多孔体の骨格や繊維の機械的強度
が低いために困難である。

【０００４】そこで、従来から、三次元多孔体を導電性
薄板と組み合わせて用いることが行われている。例え
ば、特開平１０−１２５３３２には、多数の開口孔を備
えた導電性薄板の表面又は表裏面に、シート状の三次元
多孔体を貼り合わせて焼結させ、その後に活物質を担持
させた電池用電極に関する製造方法が開示されている。
すなわち、導電性パンチングメタルの薄板と、発泡ニッ
ケルなどの三次元金属多孔体とを、三次元金属多孔体の
空隙を損なわないような温度及び圧力条件において加熱
一体化した後、水酸化ニッケルなどを分散させたスラリ
ーを塗布して活物質を空隙中に充填し、次いでプレスし
活物質を完全に担持させるのである。この方法によれ
ば、三次元多孔体と導電性薄板との接触面に極めて多数
の繊維片や骨格が接合された状態となり、確実な電気的
接続を得ることができる。また、導電性薄板に焼結接合
された状態で三次元多孔体に活物質を担持させるため
に、導電性薄板が支持体の役割を果たし、搬送や巻回な
どの取り扱いが容易となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、三次元
金属多孔体に導電性薄板を接合させ、導電性薄板を支持
体とすることで、三次元金属多孔体の単体よりも扱いが
容易になるとはいえ、三次元多孔体に活物質を担持させ
る工程や、その他の処理を行う工程、及び、巻回型の発
電素子の場合にはこの三次元多孔体を巻回する工程など
では、引き続き慎重な取り扱いが必要であった。三次元
多孔体は、わずかな押圧力を加えるだけで骨格が潰れた
り繊維同士が密接し、三次元金属多孔体中の空隙が圧潰
されるために、活物質の充填量が低下し、ひいては電池
容量の低下を招くという問題を生じるためである。

【０００６】例えば、ロールを極板が周回するなど、電
極作製工程において、極板に曲げ応力が作用する状況が
生じても良いとすれば、三次元多孔体をラインにより連
続的に搬送して加工するなどの方法で電極の製造の生産
性を向上させることができ、さらには製造ラインのレイ
アウトに関する自由度が高まり、ラインのコンパクト化
を図るなど、生産性を高めることが可能である。しか
し、上記のような曲げ応力が生じる状況においては、特
に、図１に示すように導電性薄板９の表裏面に三次元金
属多孔体１０が位置するような構造とした場合に、ロー
ル１３に対して外周側には引張応力が、内周側には圧縮
応力が作用し、圧縮応力の影響により三次元金属多孔体
中の空隙が圧潰して、電池容量の低下を招く問題が生じ
る。

【０００７】本発明は、かかる問題の解決法を提示する
ものであり、製造時にロール上などで三次元金属多孔体
に作用する、曲げによる部分的な圧縮応力を緩和するこ
とにより、電池容量の低下を招くことなく生産性を高め
るべく考案されたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段および作用】本発明は、上
記課題を解決すべく、以下の構成を有する。すなわち、
ニッケル薄板又は鉄薄板の表面にニッケル層を設けてな
り多数の開口孔が穿設された導電性薄板と、この導電性
薄板に重ね合わされて活物質を担持するためのシート状
の三次元金属多孔体とからなる電池用電極において、前
記導電製薄板の厚さを１０〜１００μｍ未満、開口率を
３０〜７０％、開口孔径を０．５〜３．０ｍｍに設定し
たことを特徴とする電池用電極板である。このように、
極板作製工程において支持体の役割を果たす導電性薄板
について、予め厚さ、開口率、開口孔径を適正範囲に調
整しておくことで、極板の一部に圧縮応力が作用するよ
うな曲げ応力が生じた際に、導電性薄板自体が伸長し三
次元金属多孔体に作用する圧縮応力を緩和することが可
能であり、三次元金属多孔体中の空隙の圧潰を回避する
ことができるのである。

【０００９】導電性薄板の厚みを薄くすると、工程中で
の伸長率が増大し圧縮応力を緩和する作用が大きくなる
が、一方で、薄くしすぎると十分な強度が維持できなく
なる。従って、上記構成における導電性薄板の厚みは、
１０〜１００μｍ未満、より好ましくは、４０〜８０μ
ｍの範囲にあることが望ましい。

【００１０】また、導電性薄板に穿設される開口孔率が
高くなるにつれ、工程中での伸長率が増大し圧縮応力緩
和作用も大きくなる。しかし、開口率があまりに高すぎ
ると、工程中で破断する恐れがあるため、３０〜７０
％、より好ましくは４０〜５０％の範囲にあることが望
ましい。

【００１１】開口孔の孔径についても、開口孔径が大き
くなるほど工程中での伸長率は増大し、圧縮応力緩和作
用も大きくなるが、十分な極板強度を確保するためには
最大孔径は３．０ｍｍ以下であることが望ましい。すな
わち、両者のバランスから、開口孔径は０．５〜３．０
ｍｍ、より好ましくは１．０〜２．０ｍｍの範囲にある
ことが望ましい。

【００１２】三次元金属多孔体としては、三次元的に多
孔性の導電体であれば制約なく用いることができるが、
発泡状ニッケルもしくはニッケル繊維フェルトなどの使
用が好ましい。ニッケル繊維フェルトとは、びびり振動
などによって製造したニッケルの細い繊維をフェルト状
（不織布状）に焼き固めたものなどであり、この場合に
も多数のニッケルの繊維片が互いに三次元的にネットワ
ーク状に結合した多孔度の極めて大きい三次元金属多孔
体を構成する。また、発泡ニッケルは、カーボンを含有
させて導電性を持たせた連続気孔を有する軟質ウレタン
フォームにニッケルメッキを行い、これを焼成してウレ
タンやカーボンの成分を除去（カーボンは微量残留）
し、発泡状の金属ニッケルのみを残すメッキ法、或いは
ニッケル粉末スラリーを発泡・固化した後に、焼結法に
より合成する。何れの方法によっても、多数のニッケル
骨格が互いに三次元的にネットワーク状（網目状）に結
合した、多孔度の極めて大きい三次元金属多孔体を構成
する。本発明への適用を想定する場合、ニッケル繊維フ
ェルトよりも発泡ニッケルの使用の方が、より望まし
い。発泡ニッケルでは、骨格断面がほぼ三角形を形成し
ており、圧縮に対する耐性が強いからである。また、発
泡ニッケルの中でも粉末焼結法により合成した発泡ニッ
ケルの方が、骨格内部の空孔体積が小さく接着強度を得
やすいため、より適している。

【００１３】これらの三次元金属多孔体について、密度
が低すぎると十分な強度が得られず、曲げにより生じる
圧縮応力によって空隙が圧潰し、充填される活物質量が
減少して電池性能の低下を招く。一方で、密度が高すぎ
ると、最初から多孔体内部の空隙量が小さく、電池全体
の活物質充填量が低くなり、高い電池性能が得られなく
なる。こうした観点から、三次元金属多孔体として発泡
ニッケルを用いた場合には、見かけ密度が０．１５〜
１．２０ｇ／ｃｍ³であることが好ましい。

【００１４】上記のような三次元金属多孔体と導電性薄
板からなる基板に充填する活物質としては、例えば、粒
状の水酸化ニッケルを主体としたスラリーなどを用いる
ことができる。具体的には、水酸化ニッケル粉末に導電
性材料を添加し、これに高分子結着剤および水を加えて
混練してスラリーを作製し、これを基板に塗布・充填し
て、乾燥、成形する。この際、導電材料として、グラフ
ァイトや金属ニッケル、コバルト化合物などを、高分子
結着剤として、ＰＦＤやＰＴＦＥなどを用いることがで
きる。また、ＣＭＣ、ＭＣなどの増粘剤や、電池特性改
善のためのオキシ水酸化ニッケル粉末など、副成分を添
加しても良い。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、製造時にロール上など
で三次元金属多孔体に作用する曲げによる圧縮応力を緩
和することにより、電池容量の低下を招くことなく製造
工程の自由度を高め、生産性を向上させることができ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。本発明による電極を用いた電
池の一例として、巻回型のニッケル水素二次電池を例示
する。このニッケル水素二次電池は、図２に示すよう
に、電池缶１内に発電素子２を収納し電解液を充填し
て、絶縁体を介した電池蓋３により内部を密閉したもの
である。発電素子２は、図３に示すように、帯状の正極
４と負極５を、帯状のセパレータ６を介して巻回するこ
とにより構成される。これらの正極４と負極５は、セパ
レータ６に対してそれぞれ少しずつ上下にずらした状態
で巻回することにより、発電素子２の上端側に正極４の
上縁部のみを突出させ、下端側には負極５の下端のみを
突出させるようにしている。そして、図２に示したよう
に、この発電素子２の上端側に突出した正極４の上縁部
には上部集電板７が溶接接続され、下端側に突出した負
極５の下縁部には下部集電板８が溶接接続される。これ
らの集電板７、８は、それぞれリード片などを介して電
池蓋３の裏面と電池缶１の内側底面に接続され、これに
よって電池蓋３の中央の突起が正極端子となり、電池缶
１の底面および側面が負極端子となる。尚、この電池蓋
３には、ガス抜きのためのゴム弁体３ａが取り付けられ
る。

【００１７】上記正極４は、図４に示すように、帯状の
パンチングメタル９の表面に接合された帯状の三次元金
属多孔体である発泡ニッケル１０に、水酸化ニッケルを
主体とした正極活物質１１を担持させたものである。パ
ンチングメタル９は、図５に示すように、ニッケル薄板
あるいは鉄の表裏面にニッケルをコーティングした薄板
に、プレス加工により多数の開口孔９ａを穿設したもの
である。

【００１８】上記正極４の製造方法を詳細に説明する。
まず、パンチングメタル９の表面に、帯状の発泡ニッケ
ル１０を貼り合わせて軽く圧接し、８５０〜１０００℃
程度に加熱する（三次元多孔体焼結工程）。次いで、上
記接合体基板４をロール１２に巻回して次工程へ搬送
し、図６に示すように、ターンロール１３を介して活物
質ペースト１１を保持した貯槽に浸漬、過剰に付着した
ペーストを調節器１４で除去した後に、加熱乾燥器１５
により乾燥し、ターンロール１３を介して巻き取る。こ
れら一連の操作により、発泡ニッケル１０中の空隙内に
水酸化ニッケルを主体とする正極活物質１１が大量に付
着して担持される（活物質担持工程）。尚、パンチング
メタル９の厚み、開口率、開口孔径などの属性を適正化
しておくことで、ターンロール１３などを極板が周回す
るために三次元多孔体に圧縮応力が働いて空隙が圧潰す
ることによる、活物質担持量の低下を防ぐことができ
る。

【００１９】上記方法により製造された正極４は、図３
に示すように負極５と共にセパレータ６を介して巻回さ
れて、巻回型の発電素子２となる。

【００２０】次に、図７を参照しながら、複数枚の正極
４を並行して製造する方法について示す。この場合に
は、ロールから幅広の帯状パンチングメタル９と発泡ニ
ッケル１０を順次供給するライン加工により製造する。
すなわち、幅広のパンチングメタル９に幅広の発泡ニッ
ケル１０を接合（三次元多孔体焼結工程）し、接合した
幅広の発泡ニッケル１０の切断線Ａ近傍をある程度の幅
でプレス（プレス工程）してプレス部分１０ａを形成し
た後に、正極活物質１１を担持させ（活物質担持工
程）、切断線Ａに沿って切断する（切断工程）。発泡ニ
ッケル１０のプレス部分１０ａは、骨格が圧潰されてニ
ッケル板状となっており、正極活物質１１はほとんど担
持されないため、集電板７との溶接を活物質に阻害され
ることなく行うことができるのである。本発明によれ
ば、例えば、図６に活物質担持工程について示したよう
に、三次元多孔体焼結工程から活物質担持工程、切断工
程に至るまで、ロールなどを用いて一貫して正極板４を
搬送することができ、また、各工程のラインも自由にレ
イアウトすることが可能となるため、生産効率を向上さ
せることができる。

【００２１】導電性薄板としては、開口率５０％、開口
孔径１．５ｍｍ、厚さ６０μｍの鉄の表裏面に、各３μ
ｍの厚みでニッケルをコーティングしたパンチングメタ
ル９を用い、この表裏面にメッキ法により調製した厚さ
０．５５ｍｍ、みかけ密度０．４５ｇ／ｃｍ³の発泡ニ
ッケル１０を焼結接合した後に、活物質１１として水酸
化ニッケルを主体とするスラリーを塗布し、乾燥および
プレスした。なお、パンチングメタル９以外の条件を一
定にしてパンチングメタル９の厚みを適宜かえて正極板
を調製し、エネルギー密度を測定した結果を図８に示
す。

【００２２】図８から、パンチングメタル９の厚みが１
００μｍ未満であれば、市販のニッケル水素電池との競
合が可能なレベル（６５０ｍＡｈ／ｃｃ以上）のエネル
ギー密度を維持できることが分かる。これはすなわち、
１００μｍ未満と薄く、従って、工程中でそれ自体が伸
長しやすいパンチングメタル９を用いた極板は、ロール
を周回させながら搬送しても、圧縮による三次元金属多
孔体１０の圧潰が緩和され、電池性能の低下が抑制され
たものと推定される。

【００２３】尚、正極のエネルギー密度は活物質充填密
度と比例する。また、パンチングメタル９における活物
質充填密度は、三次元金属多孔体１０における活物質充
填密度に比べて小さいため、パンチングメタル９の厚み
の増大に伴って、エネルギー密度は低下する。さらに、
パンチングメタルが厚くなりすぎると、ロールを通過す
る工程において、基板がなめらかに曲がらず、三次元多
孔体１０が折れて裂け目ができたり、角張った凹凸がで
きたりして、多孔体中に充填される活物質の密度が低下
してしまう。１００μｍ未満という厚さは、このような
現象を防ぐことのできる厚さなのである。

【００２４】この例のように、パンチングメタル９の両
面に三次元多孔体１０を接合すると、パンチングメタル
９の裏面側でも電解液が発泡ニッケル１０に担持された
正極活物質に容易に接触できるようになり、電池性能の
面で有利である。この場合、三次元多孔体が極板の最表
裏面に位置することになるため、極板に曲げなどが生じ
た時に三次元多孔体に圧縮などの応力が作用し易いとい
う問題点があったが（図１）、本発明の適用により、こ
れを克服することが可能である。

【００２５】尚、上記はあくまでも発明の実施態様の例
として示したもので、本発明の範囲を限定するものでは
なく、例えば、三次元多孔体の導電性薄板への接合手段
も、焼結に限定されるものではない。また、実施形態に
記載する正極４以外の構成は特に限定しない。即ち、負
極５の構成や、これら正極４と負極５を集電板７，８を
介して電池蓋３の正極端子と電池缶１の負極端子に接続
する構成も、本実施形態のものに限定されず任意であ
る。また、上記実施形態では、ニッケル水素二次電池に
ついて説明したが、本発明は、三次元多孔体を電極に利
用できる電池であれば、いずれにも同様に実施すること
ができる。さらに、上記実施形態では、円筒型電池に用
いる巻回型発電素子２を示したが、本発明は角柱型電池
に用いる積層型の発電素子２などにも同様に実施するこ
とができる。積層型とする場合、パンチングメタル９や
発泡ニッケル１０は、帯状ではなく平板状のものを用い
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】正極がロールを巻回した場合の、正極に作用す
る応力を示す図である。

【図２】ニッケル水素二次電池の構造を示す縦断面図で
ある。

【図３】発電素子の構造を説明する斜視図である。

【図４】正極の斜視図である。

【図５】正極の構造を示す分解斜視図である。

【図６】正極の活物質担持工程における、ロールによる
極板の搬送の様子を示す概略図である。

【図７】複数の正極を同時に製造する場合の、プレス工
程後の状態を示す斜視図である。

【図８】正極の帯鋼（パンチングメタル）の厚みとエネ
ルギー密度の関係を示す図である。

【符号の説明】

２発電素子４正極板９導電性薄板（パンチングメタル）９ａ開口孔１０三次元金属多孔体（発泡ニッケル）１０ａプレス部分Ａ切断線１１活物質（ペースト）１２基板送り出しロール１３ターンロール１４塗着量調節器１５加熱乾燥器１６極板巻取りロール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村田利雄京都市南区吉祥院西ノ庄猪之馬場町１番地日本電池株式会社内Ｆターム(参考） 5H014 AA04 BB01 BB03 BB04 BB05 BB08 BB17 CC04 EE05 HH01 HH06 HH08 5H016 AA05 BB01 BB03 BB04 BB05 BB08 BB19 CC03 EE01 HH01 HH08 HH13 5H017 AA02 AS10 BB01 BB06 BB08 BB13 BB14 BB15 BB19 CC05 CC25 CC28 EE04 HH01 HH03 HH06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ニッケル薄板又は鉄薄板の表面にニッケル
層を設けてなり多数の開口孔が穿設された導電性薄板
と、この導電性薄板に重ね合わされて活物質を担持する
ためのシート状の三次元金属多孔体とからなる電池用電
極において、前記導電製薄板の厚さを１０〜１００μｍ
未満、開口率を３０〜７０％、開口孔径を０．５〜３．
０ｍｍに設定したことを特徴とする電池用電極。
【請求項２】請求項１に記載の電池用電極において、三
次元金属多孔体が、見かけ密度が０．１５〜１．２０ｇ
／ｃｍ³の発泡状ニッケルであることを特徴とする電池
用電極。