JP2000510279A - コイル式電極組立体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、導電タブを有するコイル式電極組立体と、コイル式電極に導電タブを接着する方法と、かかる組立体を使用している電気化学的電池とに関する。本発明の処理においては、活性物質が塗布された電極板（１）の導電タブ領域が、対向する、軸のずれた穿孔板（２）で穿孔される。この穿孔板は、導電タブ領域を貫通する隆起面探針（３）を備えている。その結果として生じた領域は、活性物質が除去され、導電タブはそのように処理された領域に溶接され、その結果、電極板は強固な統合タブ組立体を備えることとなる。

Description

【発明の詳細な説明】 コイル式電極組立体及びその製造方法 本発明は、導電タブを有するコイル式電極組立体と、導電タブをコイル式電極 に接着する方法と、かかる組立体を使用している電気化学的電池とに関する。 コイル式電極組立体を使用している電気化学的電池は、その技術分野では周知 である。これらの電池構造においては、通常、コイル式電極組立体が、電池の電 流導電端子として機能する複合ハウジングに挿入されている。この種の電池を組 み立てる際には、最初に、溶接等の適切な手段により導電タブを電極に固定しな ければならない。 電極組立体を使用する電池は、水素化ニッケル合金、ニッケルカドミウム、ニ ッケル亜鉛等の様々な電気化学系を用いて製造することができる。水素化ニッケ ル合金電池を用いる場合、水素化ニッケル合金電池の負電極は、通常、水素化金 属の形態の水素蓄電極である。正電極は、通常、水酸化ニッケルである。本技術 分野では周知のように、これらの電池には、隔離板及び電解液も含まれている。 正電極片は、通常、水素化ニッケル合金の最外部に巻かれた電極であり、一方 側の端部が容器の選択領域に、反対側の端部が電池のハウジングに固定されてい る導電タブを備えている。導電タブを電極に固着する前に、導電性容器の選択領 域からいかなる活性電極物質も除去しなければならない。従来、この除去は、空 気噴射、削り落とし、吸引、超音波除去等の処理により実行される。しかし、こ れらの方法を使用すると、基板からの活性物質の除去効率及び基板への導電タブ の結果的な溶接接続の強度は、容器（基板）に依存することになる。 フェルト製、発泡体、及び、他のもろい基板から作られた導電性容器を開発す る際には、基板から活性物質を除去し、導電タブを接着する作業が一層困難にな る。望ましい領域からの活性物質の超音波除去、電極の全端部に沿った基板から の活性物質の除去、タブ領域を補強するための「ｔ」又は「ｖ」又は「ｈ」の形 状の導電タブの接続等、基板から活性物質を分離し遊離するために様々な方法が 使用されている。 電極の全長にわたって活性物質を除去するとこれらの種類の電池の製造効率に 寄与するが、今日の傾向は、電気化学的電池に存在する活性物質の可能な限り多 くを反応させて容量を最大化させることである。基板を弱体化させたり損傷させ ることなくもろい基板から活性物質の極めて小さな領域だけを十分に取り除き、 その結果活性物質が除去された基板に導電タブを接着可能にするコイル式電極組 立体の製造方法が依然として必要とされている。 本発明は、コイル式電極組立体及びその製造方法に関する。具体的には、本発 明は、導電タブを接着したコイル式電極組立体に使用されている電極板に関する 。本明細書に記載された方法においては、活性物質により被覆された電極板の導 電タブ領域を処理することで、超音波清浄化に続く工程により、その領域にある 活性物質のすべてが十分に除去される。このように処理された領域に導電タブを 超音波溶接した結果、電極板は強固な統合型タブ組立体を備えることになる。 本発明の第１工程は、穿孔工程である。この工程では、軸をずらして対向する 穿孔板が、導電タブ領域の電極板に押し付けられる。穿孔板は隆起面探針を有し 、これらの探針は活性物質を貫通し、処理領域にピンホールのパターンを形成す る。処理領域を清浄化する次の工程の結果、導電タブ領域から活性物質が十分に 除去される。本発明の処理を用いることにより、様々な種類の導電タブが清浄化 領域に接着可能になり、その結果、強固な統合型タブ組立体が形成される。 本発明の処理により準備された電極は、タブ領域が比較的平坦であるために、 電気化学的電池に使用されるコイル式組立体として組み立てることが容易になる ことも判明している。さらに、この処理により、完成した電気化学的電池に一層 活性化した物質を編入することが可能になり、その結果容量が拡大することにな る。 図１は、隆起面探針を有する穿孔板に接触する電極板の側面図である。 図２は、隆起面探針を有する穿孔板の正面図である。 図２ａは、穿孔板の隆起面探針の拡大側面図である。 図３は、本発明の穿孔工程後の電極板導電タブ領域を示す写真である。 図４は、本発明の穿孔工程及びその結果として生じた領域の清浄化後の電極板 タブ領域を示す写真である。 図５は、本発明の穿孔工程を行うことなくタブ領域の超音波清浄化を行った後 の比較用電極板タブ領域を示す写真である。 本発明の処理の第１工程では、電極板の導電タブ領域が、隆起面探針を有し、 軸をずらして対向する穿孔板により穿孔される。次の工程では、穿孔された領域 から活性物質が除去されて、活性物質を十分に除去した基層をなす多孔性基板が 露出される。次に、露出した基層の多孔性基板に導電タブが接着される。 本発明により作られた電気化学的電池における正電極の準備に使用される基板 には、発泡体、フェルト等の機械的強度の低い高多孔性基板が含まれている。望 ましい電気化学的システムのために、これらの基板は活性物質で被覆される。 水素化ニッケル合金の場合には、正電極の活性物質は、水酸化ニッケル等のニ ッケル化合物の１つ又は複数の混合物からなる。活性物質は、本技術分野では周 知のように、酸化コバルト等の高導電性物質と、カーボンブラック等の導電性物 質と、濃化剤と、接着剤等を含む。金属粉と他の構成材料とを水で混合して湿潤 スラリーを形成する。この湿潤スラリーは、ドクターブレード、ローラ塗布、ス プレー塗布等の周知の方法により多孔性基板に塗布される。次いで、塗布された 基板は、乾燥されてカレンダー加工処理され、本技術分野で周知の手段により滑 らかで固い電極板を形成する。電極板の厚さは最終的には約０．６乃至０．７ｍ ｍとなる。中でも０．６３乃至０．６７ｍｍが好ましい。次いで、電極板は望ま しいサイズに切断されて、電気化学的電池で使用される。 軸をずらして対向する穿孔板により導電タブ領域に穿孔することにより、基層 をなす多孔性のもろい基板に損傷を与えることなく、導電タブ領域から活性物質 を十分に除去できることが判明している。活性物質が除去された導電タブ領域は 、清浄化領域に接着される導電タブの幅よりやや大きい。 図１は、穿孔工程において対向する穿孔板（２）に接触した電極板（１）の正 面図を示す。電極板（１）は、最終的に点になる軸のずれた隆起面探針（３）を 有する対向する穿孔板（２）から約２０乃至１１０ｐｓｉの圧力を受ける。対向 する穿孔板が電極板に接触すると、隆起面探針の軸はずれており、隆起面探針（ ３）の先端が互いに接触することなく、基層をなす多孔性基板の表面を貫通する 。最も好ましい実施例においては、隆起面探針は、基層をなす基板を介して電極 板を貫通するが、電極板の反対側の面からは出ない。 図２は、軸のずれた隆起面探針（３）を有する穿孔板（２）の正面図を示す。 面探針は距離（４）だけ隣接する探針からずれ、距離（５）だけ面探針の次の行 からずれており、対向する面探針が電極板に対して圧接したときに、互いに接触 しないようになっている。１つの面探針の拡大側面図である図２ａに示すように 、好ましくは、面探針は、面探針の底辺から頂点に垂直に引かれた線から２０度 未満、望ましくは１８乃至２２度の鋭角（６）に形成される。面探針の底辺（７ ）は約０．４ｍｍであり、高さ（８）は約０．６ｍｍである。これは電極板の厚 さに左右される。基層をなす多孔性基板に損傷を与えないように、面探針の底辺 及び高さは様々な寸法に変更可能である。例えば、より細い面探針が使用される 場合、基層をなす多孔性基板に損傷を与えることなく、探針は電極板の反対側の 面から出ることができる。より幅広の面探針が使用される場合、電極板への面探 針の貫通深度は、基層をなす多孔性基板に損傷を与えないようにすべきである。 図３は、本発明の上記穿孔工程により処理された電極板導電タブの写真である 。結果として生じた領域は、電極板の表面上のピンホール、即ちダイヤモンド形 状のパターンを有する。基板の種類と付加される活性物質の厚さに応じて、次の 清浄化工程中のこの領域からの活性物質の十分な除去を容易にするために１つ又 は複数の穿孔工程を使用できる。 処理の次の工程では、従来の手段を用いて、導電タブ領域から活性物質が取り 除かれる。好ましい実施例においては、超音波処理を使用して活性物質を除去す る。本発明の穿孔工程では、処理された領域から活性物質を十分に除去するのに 必要な超音波の量も少なく、その結果、基層をなすもろい基板への損傷を低下さ せるものと考えられる。処理された領域に超音波を当てるために使用する機器は 種々あり、通常は、平滑面又は隆起面を有する超音波ホーンや、平滑面又は隆起 面をもつ金敷である。本発明の最も好ましい実施例においては、超音波ホーンは 平滑な表面を有し、金敷は、基板への損傷を防ぐためにダイヤモンド形状の鈍点 を有する隆起面を備えた可動ホイールから構成される。当てられた超音波の量は 、通常、少なくとも約２０ｋＨｚの範囲における１００パーセント振幅（約２０ キロジュールのエネルギ）で、約０．５乃至１．０秒の期間である。 図４は、本発明の穿孔工程とその後に続く超音波清浄化工程で処理された導電 タブ領域の写真であり、導電タブ領域の活性物質を十分に除去した基層をなす多 孔性基板を示す。写真には、鋭敏なままのもろい基板の完全な状態が示されてい る。 図５は、比較方法による写真であり、この方法では、本発明の穿孔工程なしに 超音波清浄化だけを用いて導電タブ領域の清浄化が行われており、基層をなすも ろい多孔性基板の繊維の損傷を示している。本発明の少なくとも１つの穿孔工程 も使用することなく導電タブ領域の超音波清浄化を行うと、基板の超音波清浄化 された導電タブ領域に導電タブを溶接できる可能性が破壊されてしまう。 処理領域から活性物質を取り除くと、超音波又は抵抗溶接を用いて導電タブが 基板に接着される。導電タブはニッケル又はニッケルメッキされた鉄鋼であり、 ２重層タブ（ｖ字形状又はｈ字形状）や矩形の平坦な単一層タブ等の任意の望ま しい形状にすることができる。本発明の好ましい実施例においては、超音波溶接 により矩形形状の単一層タブが基板に接着されている。超音波溶接は、本技術分 野において周知の手段により実施される。好ましい実施例においては、超音波ホ ーンは隆起面を有し、金敷は平坦面を有している。基板と導電タブとの間の摩擦 溶接を形成するためには、超音波振動を、溶接する表面に平行な方向に（１８０ 度）、２０ｋＨｚで１００パーセントの振幅で当て、溶接圧力は約３０ｐｓｉと する。使用する導電タブの種類に応じて、溶接エネルギは、単一層タブの約１８ ジュールから２重層タブの４５ジュールの範囲にわたり、溶接時間は約０．５乃 至１秒である。 本発明の最も好ましい実施例においては、隆起面を有する超音波ホーンと平坦 面を有する金敷とを用いて、清浄化されたもろい基板に単一層導電タブが接着さ れる。単一層導電タブともろい基板とでは、平坦な金敷を使用して十分な摩擦溶 接を形成することは期待できない。通常、導電タブのもろい基板への超音波溶接 には、ｈ字型タブやｖ字型タブ等の２重層タブが使用される。これらの２重層タ ブは、隆起面を有する金敷や隆起面を有する超音波ホーンの使用を容易にする、 というのは、基板は２つの金属層間に挟まれており超音波ホーン又は金敷には接 触してないからである。隆起面を有する金敷を使用すると、単一層導電タブを溶 接するときに、基板の露出したもろい繊維が壊れる。本発明の方法を使用するこ とにより、平坦な金敷を用いて、あらゆる形状のタブがもろい多孔性基板の導電 性タブ領域に首尾よく溶接可能であることが判明している。 次に、上述のように接着された導電タブを備えた正の電極は、従来の工程によ り処理可能である。これらの工程には、柔軟性を改良しタブの電池キャップへの 接着を容易にするために電極端の上方のタブにパンチホールを形成する工程、及 び／又は、溶接の追加強度を保証し内部の短絡を防ぐために導電タブと導電タブ 領域とをテープで留める工程が含まれる。 ２重層導電タブに対して単一層導電タブを使用する可能性は、通常、２重層タ ブ（即ち、厚みが２重）を備えたコイル式電極組立体に接続されている隆起領域 を除去することより、商業面での製造処理過程を改善する。この隆起領域を除去 することにより、内部短絡の可能性を低下させて、コイル式電極組立体に統合さ れる電極の追加層を使用することもできる。 以下に示す例は、本発明の方法を用いて、超音波溶接と従来の抵抗溶接との結 果を比較する。正の電極は、Ｅｌｔｅｃ社のＥｌｔｅｃ４００発泡材料等の約３ ２０ｍ²／ｇ乃至約５００ｍ²／ｇの重さのニッケル鍍金発泡性基板上に望ましい 材料（水酸化ニッケル、酸化コバルト、ゲル化剤、接着剤及びカーボンブラック ）の湿潤スラリーを塗布して準備されている。次に、塗布基板を約１１０乃至１ ２０℃で乾燥して、約３０乃至４０トンの圧力を用いてカレンダー処理して、正 の電極板を形成する。次に、正電極板を望ましいサイズに切り取る。一連の電極 板が、導電タブ領域を処理し形成するように、本発明の１つ又は複数の穿孔工程 を用いて準備される。導電タブ領域は、平滑な表面を有する超音波ホーンと隆起 面を有する可動ホイール金敷とにより超音波清浄化を用いて清浄化される。 次いで、単一層導電タブが超音波溶接により清浄化領域に接着される。超音波 溶接は、隆起面を有する超音波ホーンと平滑な表面を有する金敷とを用いて実施 される。従来の抵抗溶接を用いると、２重層導電タブが上述のように準備された 第２の連続する電極板に接着される。 タブ溶接の強度は、Ｌｌｏｙｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社のＭｏｄｅｌ Ｌ ＸＲの引っ張り試験器での標準的な引っ張り試験を用いて測定される。この試験 は、テスタ組立体の一端で導電タブを、他端で電極板の底部を締めつけることで 実施される。次いで、タブと電極板との接続が、導電タブ／基板溶接が弱体化す る直前の最大の力に到達するまで、毎分５ｍｍの速度でこれらの締めつけが反対 方向に引っ張られる。その結果は表１に報告されている。 本発明の穿孔工程を使用することなく超音波により清浄化された電極板を用い て、比較例を実行した。基層をなす基板が損傷したり導電タブ領域からの活性物 質の除去が不完全であるために、超音波溶接を用いては単一層導電タブをこの電 極板に溶接することができなかった。その結果は表１に示してある。各サンプル は、同一の処理工程を用いた５つの異なるロットからの５つのサンプルの平均結 果を表す。 表１ 引っ張り試験 サンプル 超音波溶接 抵抗溶接 ｗ／ｔａｐｅ ｗ／ｔａｐｅ （Ｋｇ） （Ｋｇ） Ａ ０．７ ０．７１ Ｂ ０．７１ ０．６６ Ｃ ０．７７ ０．６２ Ｄ ０．７ ０．８４ 比較 溶接不可能 この結果は、本発明の処理を用いることにより単一層導電タブを接着するとき の一貫した溶接力を示している。さらに、本発明の処理は、２重層タブ／基板抵 抗溶接のものに匹敵する単一層タブ／基板溶接力を提供している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 導電タブ領域を有する電極板を製造する処理であって、 ａ． 隆起面探針を有し、対向する軸のずれた穿孔板で電極板の領域を穿孔す る工程と、 ｂ． その結果として生ずる領域を清浄化し、基層をなす多孔性基板を露出さ せて、導電タブ領域を形成する工程と、 ｃ． 前記露出した基層をなす多孔性基板に導電タブを接着させる工程と、か ら構成されることを特徴とする電極板を製造する処理。 ２． ２以上の穿孔工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の処理 。 ３． 前記清浄化工程は、前記穿孔結果領域に超音波を当てることによるもの であることを特徴とする請求項１に記載の処理。 ４． 前記超音波は、平滑な表面を有する超音波ホーンと隆起した表面を有す る金敷とにより当てられることを特徴とする請求項３に記載の処理。 ５． 前記金敷は、可動ホイール金敷からなることを特徴とする請求項４に記 載の処理。 ６． 前記露出した基層をなす多孔性基板は、前記清浄化工程の後は活性物質 が十分に除去されていることを特徴とする請求項１に記載の処理。 ７． 前記接着工程は、超音波を当てることにより行われることを特徴とする 請求項１に記載の処理。 ８． 隆起した表面を有する超音波ホーンと平坦な表面を有する金敷とにより 前記超音波が当てられることを特徴とする請求項７に記載の処理。 ９． 前記導電タブは、ニッケル又はニッケル鍍金鉄鋼により形成されること を特徴とする請求項１に記載の処理。 １０． 前記導電タブは、単一層導電タブであることを特徴とする請求項１に 記載の処理。 １１． 前記導電タブは、２重層導電タブであることを特徴とする請求項１に 記載の処理。 １２． 前記導電タブに穴を開ける工程をさらに含むことを特徴とする請求項 １に記載の処理。 １３． 前記導電タブと導電領域とをテープで留める工程をさらに含むことを 特徴とする請求項１に記載の処理。 １４． 電気化学的活性物質が塗布され、基層をなす多孔性基板を有し、前記 活性物質が十分に除去された導電タブ領域と前記導電タブ領域に接着された導電 タブとを含む電極板。 １５． 正電極、負電極、隔離板及び電解液を含み、前記正電極は、電気化学 的活性物質が塗布され、基層をなす多孔性基板を含み、前記電極板は、前記活性 物質が十分に除去された導電タブ領域と前記導電タブ領域に接着された導電タブ とを含む電気化学的電池。