JP2001266930A - 円筒形ニッケル・水素二次電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大電流放電が可能な円筒形ニッケル・水素二
次電池を提供する。 【解決手段】 セパレータ３を介して正極シート１と負
極シート２を重ね合わせたシート積層体を巻回して成る
渦巻状電極群Ｐが電解液と一緒に電池缶５に封入されて
いる円筒形ニッケル・水素二次電池において、正極シー
ト１と負極シート２の全対向面積が、電池缶５の缶胴部
内壁面の３〜５倍の値になっている円筒形ニッケル・水
素二次電池。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は円筒形ニッケル・水
素二次電池に関し、更に詳しくは、従来のニッケル・水
素二次電池に比べて大電流を取り出すことができる円筒
形ニッケル・水素二次電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種の電動工具や電動補助付き自転車、
また最近開発が進められている電気自動車などの駆動電
源としては、充放電が可能でかつ携帯可能という点で各
種の二次電池が使用されている。上記用途に適合する二
次電池には、大電流放電が可能であるという特性が必要
事項とされ、従来からは、ニッケル・カドミウム二次電
池を採用するケースが多い。これは、つぎのような理由
による。

【０００３】すなわち、ニッケル・カドミウム二次電池
は、その内部抵抗が低く、放電率は大きく、また過充放
電した場合であっても電池特性の劣化を起こしにくいと
いう特性を備えているからである。一方、ノート型パソ
コンや携帯電話などの小型電子機器の駆動電源として
は、前記したニッケル・カドミウム二次電池よりもニッ
ケル・水素二次電池が広く使用されている。これはつぎ
の理由による。

【０００４】すなわち、ニッケル・水素二次電池は、同
一寸法形状のニッケル・カドミウム二次電池に比べてエ
ネルギー密度が高く、形状が小型であっても、微小電流
で駆動可能な電子機器を長時間に亘って駆動せしめるこ
とができるからである。このニッケル・水素二次電池に
は円筒形と角形の形状のものが製造されているが、ここ
では、円筒形のものについて説明する。

【０００５】まず、後述する正極シートと、同じく後述
する負極シートの間に、保液性と電気絶縁性を備えた例
えばポリオレフィン系不織布のようなセパレータを挟ん
で所定厚みのシート積層体を製造し、このシート積層体
を、巻き芯の周りに前記負極シートが外側となるように
渦巻状に巻回したのち巻き芯を脱抜して所定外径の渦巻
状電極群を１個成形する。

【０００６】この渦巻状電極群の成形に際しては外側に
位置する負極シートの長さを正極シートの長さよりも長
くして、巻回開始点と巻回終了点で正極シートと負極シ
ートの各端部にずれが生じないような処置が採られる。
すなわち、渦巻状電極群の成形に用いる正極シートと負
極シートの間では、負極シートの方が長くなっているの
である。

【０００７】そして、この渦巻状電極群を所定内径の電
池缶の中に挿入し、かつ所定の電解液を注液したのち、
電池缶の開口を正極端子が取り付けられている封口体で
密閉する。渦巻状電極群の負極シートは電池缶の缶胴部
内壁と接触するので電池缶それ自体は負極端子として機
能し、また封口体の密閉時にはその正極端子と正極シー
トとを例えばタブ端子を介して電気的に接続することに
より電池が組み立てられる。

【０００８】したがって、渦巻状電極群の外径は前記電
池缶の中に挿入できるような値であることが必要である
が、同時に、最外層の負極シートが電池缶の缶胴部内壁
と確実に接触できるような値であることが必要である。
通常、この渦巻状電極群の外径は、電池缶の内径の９５
〜１０５％の値（緊束度と呼ばれている）に設定され、
上記した２つの条件が満たされている。

【０００９】ところで、上記した正極シートは、一般
に、次のようにして製造されている。すなわち、まず、
活物質である水酸化ニッケルの粉末を主成分とする正極
合剤のペーストを調製し、このペーストの所定量を、３
次元網状構造を有する長尺なニッケル発泡体シート（集
電体）に充填したのち、乾燥、圧延処理を順次行い、更
に裁断などを行って、所定の厚み，幅、および長さを有
する正極シートにし、その端部に例えばＮｉ製のタブ端
子を取り付けて製造される。

【００１０】一方、負極シートの場合は、ＬａＮｉ₅，
ＭｍＬｉ₅（Ｍｍはミッシュメタル）などの水素吸蔵合
金の粉末を主成分とする負極合剤のペーストを調製し、
このペーストの所定量を、例えば長尺なニッケルパンチ
ングシート（集電体）に塗着したのち、乾燥、圧延処理
を順次行い、更に例えば打ち抜きプレスすることによ
り、所定の厚み，幅、および長さを有する負極シートに
し、必要に応じてはその端部にタブ端子を取り付けて製
造されている。

【００１１】このようにして製造された渦巻状電極群
は、したがって、外径が電池缶の内径の９５〜１０５％
程度になっていて、中心部には巻き芯の抜き穴が上下方
向に貫通しており、またその断面構造は、複数層の正極
シートと負極シートがセパレータを介して交互に積層さ
れている多層構造になっている。そして、各正・負極間
の相互対向面で電池反応が進行していく。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記したニ
ッケル・カドミウム二次電池は、大電流を取り出すこと
ができるにもかかわらず、電極中のカドミウムが環境に
悪影響を及ぼす虞があるとのことから最近では前記した
電動工具などの駆動電源としては敬遠されはじめ、無公
害でエネルギー密度が高いニッケル・水素二次電池と置
換することが検討されている。

【００１３】しかしながら、従来のニッケル・水素二次
電池は、その内部抵抗が高く、大電流放電を行うと、閉
回路電圧が急激に低下して１５Ａ以上の放電では実用レ
ベルに適合する容量が得られず、大電流で駆動させる電
動工具や電気自動車などの電源としては事実上使用でき
ないという問題があった。本発明は従来のニッケル・水
素二次電池における上記した問題を解決し、１５〜２５
Ａ程度の大電流も取り出せるようにした円筒形ニッケル
・水素二次電池の提供を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記した目的
を達成するために鋭意研究を重ねる過程で、ニッケル・
水素二次電池の放電時には、その正極であるニッケル極
においては活物質（水酸化ニッケル）と集電体との接触
界面に導電率の低い層が形成され、この層は放電電流が
大きいほど形成されやすいという事実に着目した。そこ
で、円筒形ニッケル・水素二次電池の内部抵抗とその作
動電圧との関係を調査したところ、電池の内部抵抗が上
昇するにつれて電池の作動電圧は低下していき、結局は
放電電流が減少するという事実を見出した。

【００１５】すなわち、大きな放電電流を取り出すため
には、放電時に電池の内部抵抗が上昇することを抑制す
ればよいことになる。したがって、前記した渦巻状電極
群の多層構造において、その外径が一定であるとした場
合には、正極と負極との対向面積を大きくすればするほ
ど、両極間における電流密度は小さくなるので、大電流
放電時の内部抵抗の上昇が抑制され、閉回路電圧の低下
も起こりづらくなって電池容量の確保を実現できるもの
と考えられる。

【００１６】そして、上記した着想に基づき、、渦巻状
電極群における正極シートと負極シートの全対向面積
と、その渦巻状電極群が挿入される電池缶の缶胴部内壁
の面積との関係を調べたところ、両者の間に後述する関
係が成立していると、その電池は高い放電率での放電が
可能であるとの事実を見出し、本発明の円筒形ニッケル
・水素二次電池を開発するに至った。

【００１７】すなわち、本発明の円筒形ニッケル・水素
二次電池は、セパレータを介して正極シートと負極シー
トを重ね合わせたシート積層体を巻回して成る渦巻状電
極群が電解液と一緒に電池缶に封入されている円筒形ニ
ッケル・水素二次電池において、前記正極シートと前記
負極シートの全対向面積が、前記電池缶の缶胴部内壁面
積の３〜５倍になっていることを特徴とする。とくに、
本発明においては、１kHzの周波数で測定したときの内
部抵抗が１５ｍΩ以下である円筒形ニッケル・水素二次
電池が提供される。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の電池は、渦巻状電極群を
構成している正極シートと負極シートの全対向面積が、
当該渦巻状電極群が収容される電池缶の缶胴部内壁面積
の３〜５倍になっていることを最大の特徴とし、それ以
外の要素は従来からの円筒形ニッケル・水素二次電池と
変わることはない。

【００１９】ここで、本発明がいう電池缶の缶胴部内壁
面積とは次のような値のことをいう。すなわち、電池缶
の内径をｒとし、また電池缶の内底面から上部の開口ま
での高さをｈとしたとき、ｒ×ｈとして算出される値の
ことである。ところで、渦巻状電極群における正極シー
トと負極シートの全対向面積の大小は、当該渦巻状電極
群の外径が一定であるとすれば、各シートの巻回される
長さの長短で規定されるし、また各シートの厚みの大小
によって規定されることになる。すなわち、巻回される
正・負極シートの長さが長ければ、得られる渦巻状電極
群における両シートの全対向面積は大きくなる。そし
て、巻回するシートの長さを長くするためには、シート
の厚みを薄くすればよいという関係にある。

【００２０】本発明の電池においては、渦巻状電極群を
構成する正極シートと負極シートの全対向面積が、電池
缶の缶胴部面積の３〜５倍値の範囲内に規制される。こ
の全対向面積が３倍値より小さい場合には、渦巻状電極
群の外径が緊束度との関係である一定値に設定されるこ
とを考えると、正極シートや負極シートが巻回されてい
る長さが短いことを意味し、したがってその厚みが厚く
なっていることを意味するので、大電流放電時の電流密
度が高くなり、結局、電池の内部抵抗は１５ｍΩより大
きくなって大電流の取り出しが困難になる。

【００２１】そこで、正・負極シートの厚みを薄くし、
巻回できる長さを長くすればするほど、製造された渦巻
状電極群における両者の全対向面積は大きくなっていく
ので、内部抵抗の低下と大電流放電が可能になるが、そ
の場合には、主要には正極シートに次のような不都合が
生じてくる。すなわち、正極シートが薄くなるとその強
度は低くなるので、その正極シートとセパレータと負極
シートとから成るシート積層体を巻回して渦巻状電極群
を製造するときに、当該正極シートにワレや亀裂などが
発生して不良品率が高くなってしまう。

【００２２】また、巻回する正極シートの長さが長くな
ると、それに対応して巻回されるセパレータの長さも長
くなってその体積が増加するので、例えば所定容量の渦
巻状電極群を製造しようとした場合、セパレータの体積
増加分が電極の容量低下を引き起こし、また場合によっ
ては渦巻状電極群の外径がその緊束度の上限よりも大き
くなり、当該渦巻状電極群を電池缶に挿入することがで
きなくなってしまう。

【００２３】更には、正極シートには、元来、所定厚み
の集電体が組み込まれているので、その厚みよりも薄く
することは基本的にはできないが、強制的に圧延する
と、得られた正極シートの中央部や縁部にクラックなど
が発生して使用不能になる。このようなことから、渦巻
状電極群における正極シートと負極シートの全対向面積
の上限は規制を受けざるを得ず、本発明においては、そ
の上限は電池缶の缶胴部内壁面積の５倍値とする。

【００２４】

【実施例】実施例１〜３，比較例１，２ 図１で示した４／３Ａサイズの円筒形ニッケル・水素二
次電池を次のようにして組み立てた。この電池缶１の内
径は１６mmであり、内底面から開口までの高さは６３mm
である。すなわち、この電池缶の缶胴部内壁面積は約３
１６６mm²になっている。

【００２５】目付け３７０ｇ／ｍ²，厚み約１.５mmの長
尺なＮｉ発泡体シートを用意し、その上端を幅１.０mm
に亘って長さ方向に加圧して緻密化することにより集電
板取り付け箇所１ａを設けた。ついで、上記集電板取り
付け箇所１ａを除いた部分のＮｉ発泡体シートに、水酸
化ニッケル粉末を主成分とする正極合剤ペーストを充填
し、温度８０℃で０.５時間乾燥したのち裁断し、更に
圧延して長さ・厚みが異なる各種の正極シートにした。

【００２６】一方、水素吸蔵合金粉末を主成分とする負
極合剤ペーストをパンチングニッケルシートに塗着し、
温度８０℃で０.５時間乾燥したのち裁断し、更に圧延
し、厚みと長さが異なる負極シートにした。そして、そ
の下端部の合剤ペーストを除去して集電板取り付け箇所
２ａを表出せしめた。正極シート１と負極シート２のそ
れぞれの集電板取り付け箇所１ａ，２ａが反対向きとな
るように、長さ・厚みが異なる正極シート１と負極シー
ト２を配置し、これらシートの間に厚み０.１２５mmの
ポリオレフィン不織布をセパレータ４として挟んでシー
ト積層体とし、負極シート２が外側になるようにシート
積層体を巻回して外径１６mmの渦巻状電極群を各５０本
製造した。

【００２７】このとき、得られる渦巻状電極群の緊束度
が９５〜１０５％となる範囲内で、正極シート１と負極
シート２の巻回する長さを変化させることにより、電池
缶の缶胴部内壁面積（３１６６mm²）に対して表１で示
したような全対向面積となる渦巻状電極群Ｐにした。こ
のときの不良本数を調べた。ついで、電池缶５に溶接さ
れたリード４ａを介して直径１４mmのＮｉ板を集電板４
として配置し、ここに、上記渦巻状電極群Ｐを挿入し、
ＫＯＨを主成分とする電解液を注入したのち、渦巻状電
極の上に直径１４mmのＮｉ板を集電板６として配置し、
この集電板６に正極端子７を備えている封口板８をリー
ド６ａを介して溶接し、封口板８で電池缶５を密閉し
た。

【００２８】温度２５℃において、ＨＩＯＫＩ製３２２
５ＡＣ ｍΩ Ｈｉ−ＴＥＳＴＥＲを用い、１kHzの周波
数で各電池の内部抵抗を測定した。以上の結果を一括し
て表１に示した。

【００２９】

【表１】

【００３０】次に、各電池につき放電率を変えて放電を
行い、電池容量を測定した。その結果を平均値として図
２に示した。以上の結果から次のことが明らかである。 （１）電池缶の缶胴部内壁面積に対し、渦巻状電極群に
おける正極シートと負極シートの全対向面積が大きくな
ればなるほどそれを組み込んだ電池は、周波数１kHzで
測定したときの内部抵抗が低下し、高い放電率の放電時
にも高い容量を示している。すなわち、大電流を取り出
すことが可能な電池になっている。

【００３１】（２）比較例２の場合は、確かに大電流放
電は可能であるが、他方では電極群の製造時における不
良率は高くなっている。 （３）このようなことから、渦巻状電極群における正極
シートと負極シートの全対向面積は、電池缶の缶胴部内
壁面積に対し３〜５倍値に設定すべきであることがわか
る。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
電池は、大電流放電を行っても容量を確保することがで
きる円筒形ニッケル・水素二次電池である。このこと
は、電池缶の缶胴部内壁面積に対し、渦巻状電極群にお
ける正極シートと負極シートの全対向面積を３〜５倍値
と規定したことがもたらす効果である。本発明の電池
は、電動工具や電気自動車などの電源として大電流放電
を必要とする分野に使用することができ、その工業的価
値は大である。

【００３３】なお、電動工具や電動補助付き自転車の場
合、電源としては、電池を１０〜２０本程度組み合わせ
た組電池、また電気自動車の場合は２００本以上を組み
合わせた組電池が電源として使用されている。したがっ
て、電池の内部抵抗のわずかな上昇であっても組電池と
しては大きな抵抗になってしまい、また、１本の不良電
池が混入した場合には、組電池自体も不良電池になって
しまうことを考えると、本発明の電池の有用性が明らか
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の円筒形ニッケル・水素二次電池の１例
を示す断面図である。

【図２】放電率と電池容量との関係を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１ 正極シート １ａ 集電板取り付け箇所 ２ 負極シート ２ａ 集電板取り付け箇所 ３ セパレータ ４，６ 集電板 ４ａ，６ａ リード ５ 電池缶 ７ 正極端子 ８ 封口板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セパレータを介して正極シートと負極シ
   ートを重ね合わせたシート積層体を巻回して成る渦巻状
   電極群が電解液と一緒に電池缶に封入されている円筒形
   ニッケル・水素二次電池において、 前記正極シートと前記負極シートの全対向面積が、前記
   電池缶の缶胴部内壁面積の３〜５倍になっていることを
   特徴とする円筒形ニッケル・水素二次電池。
2. 【請求項２】 １kHzの周波数で測定したときの内部抵
   抗が１５ｍΩ以下である請求項１の円筒形ニッケル・水
   素二次電池。