JP2001155738A

JP2001155738A - 蓄電池用電極

Info

Publication number: JP2001155738A
Application number: JP33377899A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Okamoto; 克博岡本; Yuji Iwagami; 祐司岩上; Mitsuhiro Takeno; 光弘武野
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-11-25
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2001-06-08
Anticipated expiration: 2019-11-25
Also published as: JP4635285B2

Abstract

(57)【要約】【課題】蓄電池用電極に於いて、極板からの活物質の
脱落防止を目的として、活物質を主成分とするペースト
中に入れる結着剤の添加量を極めて微量に制限して、電
池特性を向上した蓄電池用電極を提供する。【解決手段】導電性芯材にペーストを塗着または充填
するに先立つて、導電性芯材の表面に、樹脂製の短く切
断した非導電性繊維を高密度に植毛することによって、
導電性芯材の表面を多数の短い非導電性繊維で覆った電
極芯材を用いる。また導電性芯材をあらかじめ高温に加
熱昇温させておき、短い非導電性の熱可塑性樹脂繊維と
の間に静電気による吸引力を働かせて、熱可塑性樹脂繊
維との接触部を溶融させて導電性芯材の突起部に対し
て、高密度で集中的に樹脂繊維を植毛した電極とするこ
とにより、芯材から活物質の脱落を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は蓄電池用電極に関
し、特にペースト式蓄電池用電極の芯材に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種ポータブル電気機器の電源と
して、アルカリ蓄電池やリチウム電池が大量に生産され
市場に供給されているが、これらの電池の電極として
は、パンチングメタルなどの２次元的構造の導電性多孔
体、または、発泡メタルなどの３次元的構造の導電性多
孔体から成る芯材に、活物質を直接充填、または塗着す
るペースト式が、比較的製法が簡単且つ能率的であり、
安価に生産可能なために一般的に採用されている。

【０００３】しかし、２次元的構造の導電性芯材を用い
る場合には、３次元的構造の芯材を用いる場合と比較し
て、活物質と導電性芯材との距離が広がる傾向にあり、
両者の接触状態が不十分となり、電池としての内部抵抗
が大きくなる傾向にあり好ましくない。

【０００４】この解決策として、特開平８−２９８１２
４号公報には、金属箔、金属板、またはこれらに機械的
加工法により穿孔した導電性芯材に活物質を主成分とす
るペーストを塗着、または充填して成る蓄電池用電極の
改善に関する提案として、図７に示すように導電性芯材
の表面に、まず樹脂製繊維を接着剤を用いて植毛し、こ
の植毛した導電性芯材に対してニッケル粉末と結着剤を
混練したニッケルペーストを塗着乾燥の後、この塗着し
た導電性芯材を焼成して、前記樹脂繊維、接着剤、結着
剤などを熱分解除去し、前記ニッケル粉末間およびニッ
ケル粉末と前記導電性芯材とを焼結する２次電池用電極
の構造と製造方法が開示されている。

【０００５】ところで、このペースト式電極において
は、導電性電極芯材に活物質を主成分とするペーストを
均一で、しかも高密度に充填し、且つ、その状態を保持
した状態で電池ケース内に組み込み、その後も繰り返さ
れる充放電に耐えて脱落を防ぎ、長時間にわたり安定的
に維持させることが大切である。

【０００６】従来から、電極芯材に対して活物質を主成
分とするペースト状合剤を均一、且つ高密度に充填し、
その状態を長時間安定的に保持させるために、ペースト
練合時に、活物質、電池特性向上のための各種添加剤、
溶剤などのほかにも、結着剤としてＳＢＲ（ポリスチレ
ンブタジェン共重合ゴム）、ＣＭＣ（カルボキシメチル
セルロース）、テトラフルオロエチレンなどが添加され
たペーストを充分に撹拌して均一に分散させ、その状態
で導電性芯材に充填を行い、その後乾燥工程を通してペ
ースト中の溶剤を除去する。

【０００７】この後さらに、前記ペースト状活物質を充
填された電極芯材に対して、プレス加工により加圧力を
加えて、溶剤の蒸発により電極板内部に発生した空洞な
どの低密度部分を押しつぶして、活物質の充填密度を高
めると共に極板の厚さを調節する。さらに、所定の寸
法、形状に切断し、セパレーターを介して正負の両極板
を渦巻状に巻回して電極とするのが一般的な蓄電池の製
造方法である（図８参照）。

【０００８】これら一連の加工工程では、前記導電性芯
材に塗着された活物質を主成分とする合剤と芯材の両者
には大きな力が加えられており、さらに電池使用時に於
いても、充放電の度に合剤は膨脹と収縮を繰り返し、極
板用の芯材から合剤は脱落し易くなるため、合剤を強固
に保持させる必要があり、結着剤の添加を必要としてい
た。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、極板か
らの活物質の脱落防止を目的として、活物質を主成分と
するペースト中には結着剤を添加しているが、結着剤が
活物質の表面を覆うと、活物質としての本来の電気化学
的機能を損なうことになり、また導電性芯材の表面を覆
うと導電性を損ない、電池としての内部抵抗を高める有
害な作用をもたらす。そのうえ、結着剤は充電中には酸
素と反応し、ガス発生の原因ともなるので、使用量を可
能な限り少なくすることが望ましい。このような理由
で、活物質中への結着剤の添加量は必要最小限度に制限
を受けているため、実用化されている一般的電池におい
ては、活物質と導電性芯材との結合力はいくぶん不足気
味である。

【００１０】また、二次電池用の導電性電極芯材とし
て、ニッケルを主成分とする３次元的な発泡メタルを用
いる場合や、２次元的な穿孔した金属板の表面に、短く
切断した金属繊維状のものを高密度、且つ不規則に植え
つけ、３次元的な構造に近づけて、活物質と導電性芯材
との距離を接近させ、電池の内部抵抗を小さくするため
の試みと同時に、前記植毛された金属繊維と活物質の絡
み合いによって結合力を高め、ペースト中に添加する結
着剤の量を出来る限り少なくしようとする試みがなされ
ている。

【００１１】本発明もこのような試みに沿って、さらに
発展させたものであり、結着剤の使用量を極めて微量に
制限して、活物質の持つ本来の特性を損なうことなく、
しかも活物質の導電性芯材に対する結合力については、
従来以上に確保した蓄電池用電極を提供するものであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】二次電池用の導電性芯材
としては、薄い穿孔された金属板の表面にエンボス加工
により凹凸を設けたもの、さらにその表面に繊維状、ま
たは針状の金属片を固定したものや、３次元形状の発泡
メタルなどを用いるのが一般的である。

【００１３】本発明に於いては、前記の各種二次電池用
の導電性芯材に、ペーストを塗着または充填するに先立
って、導電性芯材の表面に、樹脂製の短く切断した非導
電性繊維を高密度に植毛することによって、導電性芯材
の表面を多数の短い非導電性繊維で覆った電極芯材とす
る。また導電性芯材をあらかじめ高温に加熱昇温させて
おき、短い非導電性の熱可塑性樹脂繊維との間に静電気
による吸引力を働かせて吸着させ、熱可塑性樹脂繊維の
導電性芯材との接触部を溶融させて、導電性芯材の突起
部に対して、高密度で集中的に樹脂繊維を植毛した電極
芯材とする。

【００１４】また、ニッケル水素蓄電池及びニッケルカ
ドミウム蓄電池にあっては、植毛する樹脂繊維がポリア
ミド、ポリエステル、ポリプロピレン等の熱可塑性合成
繊維とし、電解液による化学的変質を防ぎ電池寿命を向
上させる。

【００１５】上記のような導電性芯材の表面に、非導電
性繊維を植毛した電極芯材に対して、活物質を主成分と
するペーストを充填し、乾燥後プレス加工を加えて活物
質を高密度の固体状に硬化させた場合には、ペースト状
合剤中に結着剤を微量に添加しておくだけで、導電性芯
材の表面に植毛された樹脂繊維の一部が合剤層の中に入
り込み、種々雑多な方向を向いた状態で閉じ込められた
状態となるために、活物質は電極芯材に対して、柔軟で
しかも強固に拘束され、残りの大部分はペースト層の表
面を覆うことになり、電極芯材からの活物質の脱落を、
電池用極板の製造工程、電池の組立工程、電池完成後に
於いても防止することが出来る。

【００１６】また仮に活物質が電極芯材から多少脱落し
たとしても、電極表面に高密度に集中して存在する非導
電性樹脂繊維により活物質が直接対極に接触することを
効果的に防止することができる。さらに活物質が脱落し
た部分に於ける導電性芯材の突起部や、シヤープコーナ
ー部を覆いセパレーターを保護する機能をも有すること
となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図を参照しながら本発明の
実施の形態について説明する。図１は本発明に基づく電
極芯材１の一実施例についての斜視図を示し、薄い金属
板４ａの表裏両面に、短く切断した金属繊維４ｂをほぼ
直立する状態に固定し、それぞれの金属繊維の先端部に
対して５〜１０本程度の樹脂繊維３が高密度に集中的に
植毛された状態を拡大して示している。芯材の金属板と
しては厚さ４０μｍの鉄板を使用し、金属繊維としては
太さ５０μｍで、長さ０．６ｍｍに切断したニッケル繊
維を、縦横共に０．７ｍｍピッチでほぼ直立する状態に
植え付けた。金属繊維４ｂを金属板４ａに直立状態に植
え付ける技術は既存の技術であり、本発明とは無関係で
あるのでごく簡単な説明に止めるが、金属板の表面に、
ニッケル粉末を混ぜ合わせた接着剤を薄くスプレーなど
の方法で塗着した後、金属板の裏面近くに電磁石を配置
し、表面には植え付けようとする金属繊維の径に見合っ
た孔を所定のピッチで設けたフィルターを介して、短く
切断したニッケル、鉄などの強磁性体繊維からなる金属
繊維を供給する。こうして供給された金属繊維は電磁石
の吸引力により、金属板の表面に直立状態となっている
ので、この状態で接着剤により仮固定され、その後高温
に加熱し焼結することにより、図６の断面図に示すよう
な導電性芯材が得られる。

【００１８】図４は本発明に基づいて、上記の導電性芯
材に対して、非導電性の樹脂繊維３を植毛して、図１に
示す電極芯材１を製造する方法の原理図を示すものであ
り、以下で簡単に説明する。

【００１９】薄い金属板４ａの表裏両面に金属繊維４ｂ
を植えつけた導電性芯材を、移送用ローラー８を利用し
て右上から下向きに、所定の速度で連続的に搬送する。
その搬送途中において、導電性芯材の両側に接近して配
設した高周波加熱コイル２を用いて電磁誘導加熱により
導電性芯材を加熱する。加熱温度は、適宜非接触式の温
度計により測定し、４５０±５０℃程度にコントロール
する、その際金属繊維４ｂの先端部分は金属板部分より
も高めの温度となる傾向がある。その後引き続き、熱風
または赤外線加熱なども適宜併用して補助的に加熱し、
芯材が冷却しないうちに、芯材を挟んで両側に設けた植
毛用樹脂繊維収容籠９の中間部分に送り込む。

【００２０】植毛用樹脂繊維収容籠９内部には、短く切
断された熱可塑性樹脂から成る非導電性樹脂繊維３が収
容されているが、乾燥した圧縮空気を籠の周囲から吹き
込むなどの方法により撹拌されると浮遊状態となり、芯
材に向き合う開口部からその一部が飛び出す。植毛用樹
脂繊維収容籠９と導電性芯材の間には５０ＫＶ程度の静
電気が、移送用ローラー８、導線１１などを介して掛け
られているため、前記籠９を飛び出した植毛用樹脂繊維
３は導電性芯材をめがけて飛んで行き、主として金属繊
維４ｂの先端部に吸着される。

【００２１】前記の高温に加熱された導電性芯材の金属
繊維先端部に、熱可塑性樹脂繊維３が吸着され接触する
と、そこに集中的に溶着する。アンカー効果により付着
力を一層強くするために、金属繊維４ｂの表面にエッチ
ングなどの化学的な表面処理、または表面のざらついた
ニッケル鍍金などを事前に施しておくことが望ましい。
また、前記籠９と導電性芯材４ａの間には、孔の有効面
積を調節可能なコントロール板１９が設けられて、植毛
用樹脂繊維３の供給量が時間的に大きく変化することを
防止する役割を受け持つ。

【００２２】図２と図３はそれぞれ、３次元的な構造の
発泡メタル５と、薄い金属板に対して機械的加工法によ
り凹凸と穿孔を施した導電性芯材６の表面に、非導電性
樹脂繊維３を植毛した状態を示すための断面図である。
また、図５は本発明により製造した電極芯材１に、ペー
スト状活物質７を充填、乾燥後、ロールプレス加工によ
り、溶剤が気化したあとの空隙を押し潰し、活物質７を
高密度化し、且つ極板の厚さ調整をした状態を示す断面
図である。

【００２３】活物質７を充填された電極板１の表面付近
に、非導電性樹脂繊維３が集中的に分布し、しかも樹脂
繊維の方向は金属繊維４ｂと比べて、比較的ランダムな
方向を向くので、固形化した活物質中に非導電性樹脂繊
維が閉じ込められ場合には、非常に有効に芯材に対して
活物質７を拘束する。特に樹脂繊維３は金属繊維よりも
優れた柔軟性や伸縮機能を合わせ持つので、充放電に伴
う活物質の膨脹収縮にも無理なく対応でき、芯材からの
活物質の脱落を有効に防止する機能を有する。

【００２４】本発明の電極芯材１に活物質７を充填した
二次電池用電極に於いては、結着剤をほとんど添加しな
い状態のものでも、１０回の充放電後に於ける活物質の
脱落状態が、機種により幾分異なるが、ほとんどの機種
において、従来の活物質塗着式電極を使用した電池と比
べて、１／１０以下に改善されたデーターが得られた。

【００２５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、活物質を
主成分とするペースト中に結着剤を全く、または、ほと
んど添加しなくても、電極板の加工工程、電池完成後の
充放電テスト、実用テストなどを通じて、電極芯材から
の活物質の脱落を防止することが出来る。従って、ペー
スト中に結着剤を添加する必要が全くないか、極微量に
制限することが可能なために、結着剤が活物質の電気化
学的な反応を阻害することがなくなり、電池性能を向上
させることが可能となる。また、結着剤をほとんど電池
に使用しないので、結着剤が導電性芯材の表面に付着し
て、導電性を低下させることもなく、また電池中の酸素
と反応して出来る二酸化炭素などの発生による電池寿命
の低下を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による薄い金属板表面に金属繊
維を植え付け、その金属繊維の先端部に集中的に非導電
性樹脂繊維を植毛した電極芯材の拡大斜視図

【図２】本発明の別の実施例による、発泡メタルの表層
部に樹脂繊維を植毛した電極芯材の拡大断面図

【図３】本発明の第３の実施例による、薄い金属板に機
械的に凹凸と孔の両者を加工した後、主としてその凸部
表面に対して樹脂繊維を植毛した状態を示す断面図

【図４】本発明の実施例による、導電性芯材の表面に樹
脂繊維を植毛する工程の植毛原理の概略図

【図５】図１に示す電極芯材に、活物質を主成分とする
ペーストを充填し、乾燥した後、ローラープレスにより
圧縮して活物質の充填密度を高めた状態を示す断面図

【図６】薄い金属板の両面に対して、金属繊維をほぼ直
立する状態に植毛した導電性芯材の断面図

【図７】薄い金属板の表面に、繊維状の金属繊維を不規
則な状態に固定した、従来の電極芯材を拡大した斜視図

【図８】本発明による電極芯材用いた二次電池の構成の
一例を示す分解斜視図

【符号の説明】

１電極芯材２高周波誘導加熱コイル３非導電性樹脂繊維４ａ薄い金属板芯材４ｂ金属繊維５発泡メタル６薄い金属板に機械的に凹凸と穿孔の両方の加工
を施したもの７活物質８極板移送用ローラー９植毛用樹脂繊維収容籠１０静電気発生装置１１導線１２電池ケース１３セパレーター１４高周波電源１５ガスケット１６封口板１７ゴム弁１８プラス端子１９樹脂繊維供給量調整板２０孔

フロントページの続き (72)発明者武野光弘大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5H014 AA04 BB00 BB01 BB08 5H016 AA06 BB01 BB08 CC03 CC06 5H017 AA02 AA03 BB00 BB01 BB08 BB13 CC01 CC03 CC05 CC28 DD01 DD08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】活物質を含むペーストを電極材に塗着ま
たは充填してなる蓄電池用電極であって、前記電極材は
導電性芯材の表面に非導電性繊維を植毛したことを特徴
とする蓄電池用電極。
【請求項２】金属箔または孔を設けた金属箔の表面に
直立させた状態で金属繊維を植毛した導電性芯材を用い
る請求項１記載の蓄電池用電極。
【請求項３】導電性芯材が金属箔に、機械加工により
凹凸を設けたか、それにさらに孔を設けたものである請
求項１記載の蓄電池用電極。
【請求項４】導電性芯材が発泡メタルである請求項１
記載の蓄電池用電極。
【請求項５】植毛する非導電性繊維が熱可塑性合成樹
脂繊維であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか
に記載の蓄電池用電極。
【請求項６】導電性芯材を、あらかじめ高温に加熱昇
温させておき、前記導電性芯材の表面に供給された熱可
塑性樹脂繊維の前記導電性芯材との接触部分を溶融させ
て、電極芯材表面に繊維を付着させる熱溶着法により、
導電性芯材の表面に植毛したことを特徴とする請求項５
記載の蓄電池用電極。
【請求項７】導電性芯材表面に非導電性繊維を供給す
る際に、前記芯材と非導電性繊維の間に静電気による吸
引力を働かせたことを特徴とする請求項１〜６のいずれ
かに記載の蓄電池用電極。