JP2001210300A

JP2001210300A - アルカリ電池用セパレータおよびその製造方法

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Publication number: JP2001210300A
Application number: JP2000020399A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yamamura; 隆山村; Akira Otani; 彰大谷; Satoshi Uda; 敏宇田; Nobuyasu Morishita; 展安森下; Munehisa Ikoma; 宗久生駒
Original assignee: Nitto Denko Corp; Toyota Motor Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Nitto Denko Corp; Toyota Motor Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2001-08-03
Anticipated expiration: 2020-01-28
Also published as: JP4713702B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ＪＩＳＫ７２１５のデュロメータ硬さＡ
を４０以上にし、かつ動摩擦係数を０．２以下にするこ
とにより、電極のバリのひっかかりがないアルカリ電池
用セパレータを提供する。【解決手段】粘度平均分子量５０万から１５００万の
超高分子量ポリエチレン粉末を保形具に充填し、陰圧条
件下、その融点以上の温度の水蒸気で焼結し、この焼結
体をシート状に切削して多孔性シートを作製する。この
多孔性シートを、圧延ロールを用いて、前記融点以下の
温度で圧延することにより、アルカリ電池用セパレータ
を作製する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルカリ電池用セ
パレータおよびその製造方法並びにそれを用いたアルカ
リ電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、アルカリ二次電池としては、ニッ
ケルカドミウム電池が主流であったが、高容量で安全性
が高く、しかもカドミウムを使用しないという利点か
ら、ニッケル水素電池がそれに代わりつつある。例え
ば、ニッケル水素電池は、円筒型や角型の小型二次電池
として、携帯電話やノートブックパソコンに汎用されて
いる。また、ニッケル水素電池は、体積エネルギー密度
が高いことから、電気自動車用電池や電力貯蔵用二次電
池としての用途が期待されている。

【０００３】アルカリ電池において、正負両極の短絡を
防止するために、電池用セパレータが使用されている。
アルカリ電池用セパレータとしては、ポリプロピレン繊
維等の樹脂繊維製不織布が使用されている。また、その
使用形態としては、例えば、シート状正極（又は負
極）、シート状電池用セパレータ、シート状負極（又は
正極）およびシート状電池用セパレータをこの順序で積
層した積層体を捲回し、これを電池缶に挿入する形態が
ある。この他に、集電部のみを露出させた状態で袋状セ
パレータに正極（又は負極）を収納し、２つの前記袋状
セパレータの間に負極（又は正極）を配置して電極群を
形成し、これを電池缶に挿入する形態もある。

【０００４】しかし、従来の不織布製のセパレータを用
いた場合、以下に示すように、導通不良の問題があっ
た。すなわち、電極には、いわゆるバリがあり、電極と
電池用セパレータとを積層したり、または袋状電池用セ
パレータに電極を収納する際に、不織布を構成する繊維
にバリがひっかかり、これが電池用セパレータ上に残さ
れてしまうことがある。バリが小さい場合、特に問題と
ならないが、例えば、２００μｍ以上の長さの巨大なバ
リがひっかかり、それが起きてしまうと電池用セパレー
タを突き破る可能性があり、これに起因して導通不良が
発生する場合がある。多くの電極を作製する場合、生産
効率から電極および電池用セパレータの取り扱い速度を
速くする必要があるが、これにつれてバリがひっかかる
割合も増え、歩留まりが悪くなるおそれがある。したが
って、電気自動車用電池等のような大型電池は、非常に
多くの電極群を必要とし、また高い信頼性も要求されて
いるから、この電極のバリの問題は解決すべき重要課題
となっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、電極のバリのひっかかりが防止されたアルカリ電池
用セパレータを提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明のアルカリ電池用セパレータは、ＪＩＳＫ
７２１５によるデュロメータ硬さＡが４０以上であり、
動摩擦係数が０．２以下であるという構成を有する。

【０００７】本発明のアルカリ電池用セパレータは、前
記物性を有することにより、例えば、電極と積層して
も、または袋状にしてその中に電極を挿入しても、電極
のバリがひっかかることがなく、導通不良の発生を防止
できる。なお、従来のアルカリ電池用セパレータは、前
記デュロメータ硬さＡが４０以上かつ動摩擦係数が０．
２以下という物性を有しない。また、本発明のアルカリ
電池用セパレータは、アルカリ二次電池に使用すること
が好ましく、特に好ましくは、多くの電極群を必要とす
る電気自動車用電池などの大型アルカリ二次電池に使用
することである。

【０００８】本発明のアルカリ電池用セパレータにおい
て、前記デュロメータ硬さＡの好ましい範囲は、４０〜
７０であり、特に好ましくは４０〜６０であり、前記動
摩擦係数の好ましい範囲は、０．０３〜０．２であり、
特に好ましくは０．０５〜０．２である。前記動摩擦係
数は、以下の方法により測定できる。

【０００９】（動摩擦係数の測定方法）動摩擦係数は、
ＪＩＳＫ７１２５の方法により測定することができ
る。但し、本発明では、滑り片の接触面に、フェルトに
代えて、厚み５０μｍのポリエチレンテレフタレートフ
ィルム（Ｓ−１０、東レ社製）を接着した。

【００１０】また、本発明のアルカリ電池用セパレータ
の気孔率は、２０〜９０体積％の範囲が好ましく、特に
好ましくは３０〜７０体積％である。前記気孔率は、電
池用セパレータの片面の面積Ｓ（ｃｍ²）、厚みｄ（ｃ
ｍ）および重量ｍ（ｇ）と、その形成材料の比重ｒ（ｇ
／ｃｍ³）とから、以下の式（数１）により算出でき
る。

【００１１】（数１）気孔率（体積％）＝［１−（（ｍ／ｒ）／（Ｓ×
ｄ））］×１００

【００１２】また、本発明のアルカリ電池用セパレータ
において、その厚みは２０〜２５０μｍであることが好
ましく、特に好ましくは５０〜２００μｍの範囲であ
り、ＪＩＳＰ８１１７にしたがって測定される通気
度は、２０ｓｅｃ／１００ｍｌ以下が好ましく、特に好
ましくは０．１〜５ｓｅｃ／１００ｍｌの範囲であり、
長さ方向（ＭＤ方向）の引張強度は５０ｋｇ／ｃｍ²以
上が好ましく、特に好ましくは８０〜３００ｋｇ／ｃｍ
²の範囲である。前記厚みおよび引張強度は常法により
測定できる。

【００１３】本発明のアルカリ電池用セパレータは、超
高分子量ポリオレフィン製多孔性シートからなることが
好ましい。従来のアルカリ電池用セパレータは、不織布
であったため、それを構成する繊維にバリがひっかかり
やすかった。しかし、超高分子量ポリオレフィン製多孔
性シートからなるアルカリ電池用セパレータは、繊維を
有しないため、バリがひっかかることがない。なお、繊
維を有しないことによりバリのひっかかりがないという
ことから、本発明のアルカリ電池用セパレータは、前記
超高分子量ポリオレフィン製多孔性シートからなるもの
に限定されず、前記デュロメータ硬さＡおよび動摩擦係
数の条件を具備すれば、ポリエチレン、ポリプロピレン
等の一般の樹脂製であってもよい。しかし、超高分子量
ポリオレフィン製多孔性シートは、優れた摺動性および
低摩擦性を有するため、これからなるアルカリ電池用セ
パレータが好ましい。また、本発明において、超高分子
量ポリオレフィン製多孔性シートは、超高分子量ポリオ
レフィン以外の成分を含有してもよい。そのような成分
としては、例えば、超高分子量ポリオレフィン以外の樹
脂、酸化防止剤、紫外線防止剤、帯電防止剤、着色剤、
難燃剤等がある。これらの配合割合は、超高分子量ポリ
オレフィン製多孔性シートの特性に支障がなければ、特
に制限されない。

【００１４】前記超高分子量ポリオレフィン製多孔性シ
ートは、複数の超高分子量ポリオレフィン粒子が連結
し、前記粒子間の空隙により多孔構造が形成されている
シートであることが好ましい。また、前記超高分子量ポ
リオレフィンとしては、粘度平均分子量が５０万〜１５
００万の範囲の超高分子量ポリエチレン（ＵＨＰＥ）が
好ましい。この他の超高分子量ポリオレフィンとして、
粘度平均分子量５０万〜１５００万の超高分子量ポリプ
ロピレン（ＵＨＰＰ）が使用できる。

【００１５】つぎに、本発明のアルカリ電池用セパレー
タは、超高分子量ポリオレフィン製多孔性シートを、そ
の融点以下の温度で、平滑面を有する部材を用いて圧縮
することにより、前記シートの前記デュロメータ硬さＡ
を４０以上にし、かつ動摩擦係数を０．２以下にすると
いう方法である。

【００１６】つぎに、本発明のアルカリ電池は、正極お
よび負極の間に介在する電池用セパレータとして、前記
本発明のセパレータを用いた電池である。この電池は、
導通不良のおそれもなく、またその製造において、電極
および電池用セパレータの取り扱いを高速で行うことが
できるため、製造効率に優れる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明のアルカリ電池用セパレー
タは、例えば、以下に示すようにして作製することがで
きる。

【００１８】まず、超高分子量ポリオレフィン製多孔性
シートを準備する。このシートは、特に制限されず、例
えば、超高分子量ポリオレフィン粉末を保形具に充填
し、前記超高分子量ポリオレフィンの融点以上に加熱さ
れた水蒸気雰囲気中で前記粉末を焼結し、前記焼結体を
冷却後、所定の厚みに切削することにより得られる。前
記焼結温度は、超高分子量ポリオレフィンの種類によっ
て異なるが、ＵＨＰＥの場合、通常、１３０〜２００℃
であり、好ましくは１５０〜１８０℃であり、ＵＨＰＰ
の場合、通常、１５０〜２２０℃であり、好ましくは１
７０〜２００℃である。このようにして得られた多孔性
シートは、複数の超高分子量ポリオレフィン粒子が、相
互に連結し、前記粒子間の空隙により多孔構造が形成さ
れたものである。前記超高分子量ポリオレフィン粒子の
平均粒径は、通常、１０〜３００μｍの範囲であり、好
ましくは２０〜２００μｍの範囲である。前記平均粒径
を変化させることにより、得られる多孔性シートの平均
孔径を調整できる。

【００１９】この他に、超高分子量ポリオレフィン粉末
を溶媒に分散させたペーストを、耐熱性キャリアシート
に塗布し、前記超高分子量ポリオレフィン粉末を焼結
し、得られた焼結体を前記耐熱性キャリアシートから剥
離し、前記溶媒を除去するという方法によっても、超高
分子量ポリオレフィン製多孔性シートを得ることができ
る。この方法により得られた多孔性シートは、複数の超
高分子量ポリオレフィン粒子が、相互に連結し、前記粒
子間の空隙により多孔構造が形成されたものである。ま
た、このシートにおいて、耐熱性キャリアシートに接し
ていた面は、平滑であるが、これと反対側の面には、凹
凸がある。

【００２０】前記超高分子量ポリオレフィン粉末の平均
粒径は、前述の方法と同様であり、これを変化させるこ
とによって、得られるシートの平均孔径を調整できるこ
とも同じである。前記溶媒は、特に制限されず、例え
ば、流動パラフィン等が使用できる。前記ペースト中の
超高分子量ポリオレフィン粉末の濃度は、通常、１０〜
９０重量％であり、好ましくは３０〜７０重量％であ
る。前記塗布の厚みは、特に制限されないが、通常、１
００〜３００μｍの範囲である。前記耐熱性キャリアシ
ートは、前記超高分子量ポリオレフィンの融点以上の温
度で加熱されるから、そのような高温であっても変形な
どしないものを使用することが好ましい。そして、前記
ペーストの溶媒除去は、例えば、ヘプタン、ヘキサンな
どの溶媒を用いた抽出法等により実施できる。また、前
記ペーストの焼結温度は、前述のシートの製造方法と同
様である。

【００２１】つぎに、超高分子量ポリオレフィン製多孔
性シートを、前記デュロメータ硬さＡが４０以上で動摩
擦形成が０．２以下となるように、その融点以下の温度
で平滑面を有する部材を用いて圧縮する。前記部材は、
特に制限されないが、例えば、圧延ロールを使用でき
る。前記平滑面の平滑性は、例えば表面粗さで表すこと
ができ、この場合、表面粗さＲａ．１〜１０μｍの範囲
が好ましく、特に好ましくはＲａ．１〜５μｍの範囲で
ある。前記圧縮の圧力条件は、通常、５〜５０ｋｇ／ｃ
ｍ²の範囲であり、好ましくは１０〜３０ｋｇ／ｃｍ²の
範囲である。また、圧縮時の温度は、樹脂の種類などに
より異なるが、ＵＨＰＥの場合、通常、１００〜１４０
℃の範囲であり、好ましくは１２０〜１３５℃の範囲で
あり、ＵＨＰＰの場合、通常、１２０〜１６０℃の範囲
であり、好ましくは、１４０〜１５５℃の範囲である。
なお、前記切削により得られる多孔性シートにおいて、
前記圧縮処理を行うと、切削不良に起因する毛羽立ちな
どがなくなるという利点もある。

【００２２】このようにして得られた多孔性シートは、
そのままアルカリ電池用セパレータとして使用できる
が、親水化処理をすることが好ましい。前記親水化処理
としては、例えば、界面活性剤溶液への含浸処理、コロ
ナ処理、プラズマ処理、スルホン化処理、親水性モノマ
ーグラフト重合処理等の従来の方法を使用できる。

【００２３】

【実施例】つぎに、実施例について比較例と併せて説明
する。

【００２４】（実施例１）ＵＨＰＥ粉末（粘度平均分子
量５００万、融点１３５℃、平均粒径１５０μｍ、メッ
シュ分級品）を有機溶媒（流動パラフィン）に分散させ
て濃度５０重量％のペーストを調製した。このペースト
を耐熱性キャリアシート（ポリイミドフィルム）に約２
００μｍの厚みで塗布し、温度１６０℃で焼結し、得ら
れた焼結体を前記耐熱性キャリアシートから剥離し、ヘ
プタンで前記有機溶媒を抽出除去し、多孔性シートを得
た。そして、圧延ロール（表面粗さＲａ．３μｍ）を用
い、温度１３０℃および圧力２０ｋｇ／ｃｍ²の条件
で、前記多孔性シートを圧縮して、アルカリ電池用セパ
レータを作製した。このアルカリ電池用セパレータにお
いて、厚みは１８０μｍ、気孔率は５７体積％、前記デ
ュロメータ硬さＡは４６、動摩擦係数は０．０８、長手
方向の引張強度は１００ｋｇ／ｃｍ²であった。このア
ルカリ電池用セパレータについて、電極のバリのひっか
かりを以下に示す方法で調べた。

【００２５】すなわち、まず、水酸化ニッケル製の正極
と水素吸蔵合金（ミッシュメタル）製の負極を準備し
た。前記両電極の大きさは、５０×１００ｍｍである。
そして、前記各電極の上にアルカリ電池用セパレータを
積層し、５０ｇの荷重をかけた。この状態で、前記アル
カリ二次電池用セパレータを前記電極上で移動させた。
そして、前記移動の際のひっかかりの有無と、ひっかか
った場合のアルカリ電池用セパレータの表面状態を調べ
た。

【００２６】前記試験の結果、この実施例のアルカリ電
池用セパレータは、両表面ともスムーズに前記各電極上
を移動させることができ、また、その表面にバリが残る
ことがなかった。

【００２７】（実施例２）ＵＨＰＥ粉末ａ（粘度平均分
子量７５０万、融点１３５℃、平均粒径１２０μｍ）と
ＵＨＰＥ粉末ｂ（粘度平均分子量３００万、融点１３５
℃、平均粒径３５μｍ）を重量比１：１で混合し、これ
を保形具に充填した。この保形具は、内周面にポリテト
ラフルオロエチレン多孔質フィルムが貼着された多数の
孔を有する金属製円筒状外型と、この外型の底部に配置
され、前記外型を固定する固定型とから構成される。こ
の保形具を、金属製耐圧耐熱性容器（水蒸気の導入管お
よびその開閉バルブを備える）に入れ、真空ポンプによ
り、内部雰囲気圧を１０Ｔｏｒｒにした。これに要した
時間は、３０分であった。そして、前記ポンプを停止
後、前記バルブを開き、水蒸気（温度１６５℃、圧力５
ｋｇ／ｃｍ²）を導入し、このまま１０時間加熱焼結し
た後、冷却し、円筒状のＵＨＰＥ多孔質体を得た。この
多孔質体を切削旋盤により、厚み１７５μｍのシート状
に切削し、多孔性シートを得た。そして、圧延ロール
（表面粗さＲａ．２μｍ）を用い、温度１３０℃および
圧力１０ｋｇ／ｃｍ²の条件で、前記多孔性シートを圧
縮して、アルカリ電池用セパレータを作製した。このア
ルカリ電池用セパレータにおいて、厚みは１７０μｍ、
気孔率は５０体積％、前記デュロメータ硬さＡは５０、
動摩擦係数は０．１、長手方向の引張強度は１３０ｋｇ
／ｃｍ²であった。また、このアルカリ電池用セパレー
タには、切削不良による毛羽立ちがなかった。

【００２８】このアルカリ電池用セパレータについて、
電極のバリのひっかかりを前記方法で調べた。その結
果、この実施例のアルカリ電池用セパレータは、両表面
ともスムーズに前記各電極上を移動させることができ、
また、その表面にバリが残ることがなかった。

【００２９】（比較例１）ポリプロピレン製不織布のア
ルカリ電池用セパレータ（市販品）を準備した。このア
ルカリ電池用セパレータは、厚みが２２０μｍであり、
前記デュロメータ硬さＡが２４であり、動摩擦係数が
０．３５である。このアルカリ電池用セパレータについ
て、電極のバリのひっかかりを前記方法で調べた。その
結果、ひっかかりが生じて電極上をスムーズに移動させ
ることができなかった。また、前記セパレータのひっか
かった部分を観察すると、長さ約２００μｍ太さ約４０
μｍの巨大なバリが立っていた。このアルカリ電池用セ
パレータの表面構造を顕微鏡で観察したところ、無数の
繊維がループを作った状態（ブリッジ状）で突出してお
り、電極のバリがひっかかりやすい構造であった。そこ
で、このアルカリ電池用セパレータに対し、実施例１と
同じ圧縮処理を行ったが、一時的に寝かせた繊維も、経
時的に起き上がり、再び電極のバリがひっかかりやすい
状態となった。

【００３０】（比較例２）ポリプロピレン（芯）とポリ
エチレン（鞘）の芯鞘構造の繊維からなる不織布のアル
カリ電池用電池セパレータ（市販品）を準備した。この
アルカリ電池用セパレータは、厚みが２００μｍであ
り、前記デュロメータ硬さＡが２６であり、動摩擦係数
が０．４である。このアルカリ電池用セパレータについ
て、電極のバリのひっかかりを前記方法で調べた。その
結果、ひっかかりが生じて電極をスムーズに移動させる
ことができなかった。また、前記セパレータのひっかか
った部分を観察すると、長さ約１ｍｍ太さ約８０μｍの
巨大なバリが立っていた。このアルカリ電池用セパレー
タの表面構造を顕微鏡で観察したところ、無数の繊維が
ループを作った状態（ブリッジ状）で突出しており、電
極のバリがひっかかりやすい構造であった。このアルカ
リ電池用セパレータに対し、実施例１と同じ圧縮処理を
行ったが、一時的に寝かせた繊維も、経時的に起き上が
り、再び電極のバリがひっかかりやすい状態となった。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、本発明のアルカリ電池用
セパレータは、前記デュロメータ硬さＡを４０以上に
し、動摩擦係数を０．２以下にすることにより、電極の
バリのひっかかりが防止されたものである。したがっ
て、本発明のアルカリ電池用セパレータを使用すること
により、電極バリに起因する導通不良を防止することが
可能となり、また電極および電池用セパレータの取り扱
い速度を速めることができるから、これを用いた電池の
製造効率および信頼性の向上に貢献できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山村隆大阪府茨木市下穂積１丁目１番２号日東電工株式会社内 (72)発明者大谷彰大阪府茨木市下穂積１丁目１番２号日東電工株式会社内 (72)発明者宇田敏静岡県湖西市境宿555番地パナソニックイーブイエナジー株式会社内 (72)発明者森下展安静岡県湖西市境宿555番地パナソニックイーブイエナジー株式会社内 (72)発明者生駒宗久静岡県湖西市境宿555番地パナソニックイーブイエナジー株式会社内Ｆターム(参考） 5H021 BB02 CC00 EE04 HH00 HH02 HH06 HH07 5H028 AA05 EE01 EE05 EE06 HH00 HH01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＪＩＳＫ７２１５によるデュロメー
タ硬さＡが４０以上であり、動摩擦係数が０．２以下の
アルカリ電池用セパレータ。
【請求項２】気孔率が２０〜９０体積％の範囲である
請求項１記載のアルカリ電池用セパレータ。
【請求項３】超高分子量ポリオレフィン製多孔性シー
トからなる請求項１または２記載のアルカリ電池用セパ
レータ。
【請求項４】超高分子量ポリオレフィン製多孔性シー
トが、複数の超高分子量ポリオレフィン粒子が連結し、
前記粒子間の空隙により多孔構造が形成されているシー
トである請求項３記載のアルカリ電池用セパレータ。
【請求項５】超高分子量ポリオレフィンが、粘度平均
分子量が５０万から１５００万の超高分子量ポリエチレ
ンである請求項３または４記載のアルカリ電池用セパレ
ータ。
【請求項６】超高分子量ポリオレフィン製多孔性シー
トを、その融点以下の温度で、平滑面を有する部材を用
いて圧縮することにより、前記シートのＪＩＳＫ７２
１５によるデュロメータ硬さＡを４０以上にし、かつ動
摩擦係数を０．２以下にするアルカリ電池用セパレータ
の製造方法。
【請求項７】正極および負極の間に介在する電池用セ
パレータとして、請求項１〜５のいずれか一項に記載の
電池用セパレータを用いたアルカリ電池。