JP2004127567A - Current collector component for battery, and battery using the same - Google Patents

Current collector component for battery, and battery using the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a current collector component for batteries, having proper current collection properties and a battery, especially the current collector component for batteries having high capacity and improved current collection properties and the battery. <P>SOLUTION: The current collection component for batteries comprises a plating nonwoven cloth that forms pores only on the surface, includes a surface porous plating fiber, having a plated surface on the surface, and is made of a plating fiber having a plated layer on the surface. The total surface area of fiber per unit volume in the plated non-woven cloth is preferably 500 cm<SP>2</SP>/cm<SP>3</SP>or larger. In the battery, the current collector component for batteries is used. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は電池用集電材及びこれを用いた電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電池、特にアルカリニ次電池は、高信頼性でかつ小型軽量化が可能であるため、ポータブル機器から産業用大型設備までの各種装置の電源として多用されている。このアルカリニ次電池には、ほとんどの場合正極として、水酸化ニッケル電極が使用される。水酸化ニッケル電極は、集電機能を分担する集電材に、電池反応を生起させるための正極活物質を担持させた構造からなる。その場合の集電材としては、従来からニッケル粉末を焼結した焼結ニッケル板やパンチングニッケル板などが広く用いられてきた。電池の容量はこのようなニッケル板の空隙中に充填させる活物質の量によって決定され、当該活物質の充填量はニッケル板の空隙率によって決定されるため、ニッケル板の空隙率をできるだけ大きくすることが望ましい。
【0003】
ところが焼結ニッケル板はパンチングニッケル板を基材としており、この基材は空隙率が75〜80%と低い上、硝酸塩溶液中のニッケル含有量が少ないため、活物質を所定量充填するためには含浸及び中和の充填サイクルを数回以上繰り返す必要があり、充填サイクルを繰り返すに従って硝酸塩溶液のニッケル板内部への浸透が悪化するため、活物質を高密度に充填することが困難であった。そこで、最近では、電池の小型化、高容量化の要請に伴い、集電材の活物質の充填密度を高めるために、空隙率が大きく、活物質の充填密度を高めることができる三次元網状構造体からなる集電材が採用されている。
【0004】
この三次元網状構造の集電材として、例えば、「繊維からなりウエブに水流絡合処理を施した後に無電解ニッケルメッキを施したニッケルメッキ不織布電極」が提案されている(特開平5−290838号)。
【0005】
【特許文献1】
特開平5−290838号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報に開示されているニッケルメッキ不織布電極は集電性が悪いため、活物質の利用率が低く、ハイレート放電できないものであった。特に、高容量化するために厚さを厚くすると集電性の悪いものであった。
【0007】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、集電性に優れる電池用集電材及び電池、特には高容量かつ集電性に優れる電池用集電材及び電池を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、「表面のみに細孔が形成されており、かつ表面にメッキ層を有する表面多孔メッキ繊維を含む、表面にメッキ層を有するメッキ繊維のみから構成されているメッキ不織布からなることを特徴とする電池用集電材」である。このように表面のみに細孔が形成されており、かつ表面にメッキ層を有する表面多孔メッキ繊維は、表面積が広いばかりでなく、活物質との密着性に優れているため、この表面多孔メッキ繊維を含む電池用集電材(以下、単に「集電材」ということがある)は集電性に優れている。また、このように表面多孔メッキ繊維は集電性に優れているため、集電材を構成する繊維量を減らすことが可能となり、集電材の空隙率を高めることができ、結果として活物質の充填量を多くすることができるため、高容量の電池を製造することができる。なお、特開平5−290838号に開示されているような従来の表面に空隙をもつ繊維は、表面のみに細孔が形成されたものではなく、内部にも細孔が形成されたもので、表面積は広いものの、活物質の繊維との密着性が低いため、十分な集電性能を得られないものである。
【0009】
請求項2に係る発明は、「前記細孔の開孔部の形状が略円形又は略多角形であり、前記開孔部の平均径が0.5〜15μmであることを特徴とする、請求項1記載の電池用集電材」である。前記細孔がこのような形状及び大きさであると、活物質と表面多孔メッキ繊維との密着性に特に優れているため、結果として集電性に優れ、高容量の電池をより製造しやすい。
【0010】
請求項3に係る発明は、「前記細孔の平均深さが0.1〜15μmであることを特徴とする、請求項1又は請求項2記載の電池用集電材」である。前記細孔がこのような深さであると、活物質と表面多孔メッキ繊維との密着性に特に優れているため、結果として集電性に優れ、高容量の電池をより製造しやすい。
【0011】
請求項4に係る発明は、「前記細孔の個数が繊維表面10000μmあたり10〜55000個であることを特徴とする、請求項1〜請求項3のいずれかに記載の電池用集電材」である。このように多くの細孔が存在していることによって、活物質と表面多孔メッキ繊維との密着点も多くなるため、集電性に優れ、高容量の電池をより製造しやすい。
【0012】
請求項5に係る発明は、「前記メッキ不織布の単位体積当たりにおける繊維総表面積が500cm/cm以上であることを特徴とする、請求項1〜請求項4のいずれかに記載の電池用集電材」である。このように、繊維総表面積が広いため、活物質と表面多孔メッキ繊維との接触点が多くなるため、集電性に優れ、高容量の電池をより製造しやすい。
【0013】
請求項6に係る発明は、「請求項1〜請求項5のいずれかに記載の電池用集電材を用いている電池」である。このように、上記集電材を用いた電池であるため、集電性能に優れ、高容量の電池であることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の集電材は、表面のみに細孔が形成されており、かつ表面にメッキ層を有する表面多孔メッキ繊維を含んでおり、表面積が広いばかりでなく、活物質との密着性に優れているため、集電性に優れている。また、表面多孔メッキ繊維は集電性に優れているため、集電材を構成する繊維量を減らすことが可能となり、集電材の空隙率を高めることができ、結果として活物質の充填量を多くすることができるため、高容量の電池を製造することができる。
【0015】
このような本発明の集電材は、例えば、次のようにして製造することができる。
【0016】
まず、非多孔質繊維を用意する。この非多孔質繊維は少なくとも表面が熱可塑性樹脂を主としてなる、繊維表面に細孔のない繊維であり、繊維表面に、加熱(例えば、温度50℃以上の加熱、好ましくは温度80℃以上の加熱)により溶融する熱可塑性樹脂を備えた繊維であれば良い。
【0017】
このような非多孔質繊維としては、例えば、従来の繊維の製法である溶融紡糸法により得られる合成繊維、従来の不織布の製法であるスパンボンド法、メルトブロー法、若しくはフラッシュ紡糸法などによって得られる繊維、又は、芯部分が天然繊維若しくは無機繊維からなり鞘部分が熱可塑性樹脂からなる繊維、などを挙げることができる。
【0018】
前記合成繊維としては、例えば、熱可塑性樹脂(例えば、ポリオレフィン系繊維、ポリエステル系繊維、又はポリアミド系繊維など)からなる合成繊維を挙げることができ、前記合成繊維は、1種類の熱可塑性樹脂からなる合成繊維であっても、異なる2種類以上の熱可塑性樹脂が複合又は混合された複合繊維であっても良い。後者の複合繊維としては、融点の異なる2種類以上の熱可塑性樹脂が複合された複合繊維を挙げることができ、例えば、共重合ポリエステル/ポリエステル、共重合ポリプロピレン/ポリプロピレン、ポリプロピレン/ポリアミド、ポリエチレン/ポリプロピレン、ポリプロピレン/ポリエステル、又はポリエチレン/ポリエステルなどの樹脂の組み合わせからなる複合繊維を挙げることができる。なお、芯に高融点樹脂を有し、鞘に低融点樹脂を有する芯鞘型複合繊維であると、繊維の収縮や糸切れを生じることなく表面多孔繊維(表面多孔メッキ繊維のメッキ層を備えていない繊維、以下同様)を製造することができるため好適である。
【0019】
また、非多孔質繊維は繊維全体が繊維形成性の熱可塑性樹脂のみからなるのが好ましいが、芯部分が融点を有せずに分解温度を有するような繊維、例えば、レーヨン繊維、アセテート繊維、羊毛繊維、又は炭素繊維などの繊維からなり、鞘部分が熱可塑性樹脂からなる繊維も用いることができる。また、非多孔質繊維は芯部分が、例えば、ガラス繊維、セラミック繊維、又は金属繊維などの無機繊維からなり、鞘部分が熱可塑性樹脂からなる繊維も用いることができる。これら繊維の鞘成分は、例えば、コーティングなどにより塗布して得ることができる。
【0020】
この「少なくとも表面が熱可塑性樹脂を主としてなる」非多孔質繊維は、熱可塑性樹脂の繊維表面に占める面積が、繊維表面積の50%以上(好ましくは60%以上、より好ましくは70%以上、特に好ましくは90%以上、最も好ましくは100%)であることを意味する。
【0021】
なお、非多孔質繊維の断面形状は円形である必要はなく、非円形(例えば、三角形などの多角形、長円、楕円、T状などアルファベット形状など)でも良い。また、外力によってフィブリル状に分割された状態にあっても良い。
【0022】
この非多孔質繊維の平均径及び長さは特に限定されるものではないが、繊維の平均径は1μm以上であるのが好ましく、より好ましくは30μm〜55μmである。ここで、繊維の「平均径」とは、繊維の断面形状が円以外の場合には、繊維の断面積と同じ面積の円の直径とし、繊維の任意の500箇所以上からのサンプリングによる数平均繊維径とする。なお、市販されている繊維の場合、カタログや仕様書に数平均繊維径が明示されている場合は、その値を繊維の平均径としてもよいし、カタログや仕様書に繊度が明示されている場合には、繊度から換算した値を平均径としてもよい。
【0023】
次いで、上述のような非多孔質繊維の表面に固体粒子を固着させて固体粒子固着繊維を形成する。
【0024】
この固体粒子は、前記非多孔質繊維の表面を構成する熱可塑性樹脂の融点より高い融点又は分解温度を有し、かつ固着後に除去することができる固体粒子である限り、無機質又は有機質のいずれであることもできる。このような固体粒子としては、例えば、非多孔質繊維の表面を構成する熱可塑性樹脂を実質的に溶解しない溶媒(例えば、水、水溶液、酸、アルカリ性水溶液など)に対して溶解する固体粒子(例えば、水溶性無機物、金属塩、水溶性樹脂、金属など)がある。このような固体粒子は前記溶媒を用いて抽出除去することができる。また、抽出除去以外に、振動、超音波洗浄、繊維の収縮、若しくは繊維表面の剥離性向上加工などによって、除去できる固体粒子であっても良い。より具体的には、塩化ナトリウム、塩化カルシウム、炭酸カルシウム、その他各種金属塩、水溶性樹脂、金属粒子、セラミックス、ゼオライト、その他各種無機物など、を挙げることができる。
【0025】
前記固体粒子の融点又は分解温度は、加熱した固体粒子の熱によって非多孔質繊維の表面が溶けて又は変形して、固体粒子が繊維表面に固着されるように、非多孔質繊維表面を構成する熱可塑性樹脂の中で、最も低い融点を有する樹脂の融点よりも高いことが必要である。
【0026】
前記固体粒子の平均粒子径は特に限定するものではないが、活物質との密着性に優れる細孔を形成できるように、固体粒子の平均粒子径は0.1〜20μmであるのが好ましく、5〜15μmであるのがより好ましい。この固体粒子の平均粒子径は、固体粒子の数平均粒子径をいう。なお、この「数平均粒子径」は、固体粒子を走査型電子顕微鏡等で拡大して撮影し、任意の500個以上の固体粒子の粒子径を測定し、測定した個数で除することにより得られる値をいう。この際に固体粒子が球形でない場合には、撮影した固体粒子の映像で確認しうる個々の固体粒子の外接円の直径を個々の粒子の粒子径とする。なお、市販されている固体粒子の場合、カタログや仕様書に数平均粒子径が明示されている場合はその値を固体粒子の平均粒子径としてもよい。
【0027】
非多孔質繊維の表面に固体粒子を固着させて固体粒子固着繊維を形成するが、固体粒子を固着させる方法としては、例えば、前述のような固体粒子を、非多孔質繊維の表面を構成する熱可塑性樹脂の融点以上、固体粒子の融点又は分解温度未満の温度までの、固体としての形状を保持する範囲の温度で加熱した固体粒子を非多孔質繊維と接触させて、非多孔質繊維表面の融着又は変形により固着させる方法がある。また、非多孔質繊維表面を前記熱可塑性樹脂の融点以上の高い温度に加熱した状態で、前記のような固体粒子を接触させることにより、非多孔質繊維表面の融着又は変形により固着させる方法でも良い。前者の方法によると、固体粒子が埋没してしまうことがなく、確実に細孔を形成できるためより好適である。
【0028】
この非多孔質繊維への固体粒子の接触方法は、非多孔質繊維に固体粒子を固着させることができる限り、特に限定されるものではないが、例えば、(1)加熱した固体粒子を含有する気流を非多孔質繊維に吹き付ける方法、(2)加熱した固体粒子を非多孔質繊維に対して自然落下させる方法、(3)加熱した固体粒子と非多孔質繊維とを装入した容器を振盪する方法、(4)加熱した固体粒子の中に非多孔質繊維を浸漬する方法、あるいは(5)加熱した固体粒子の流動層中に非多孔質繊維を曝す方法、などを挙げることができる。
【0029】
このように形成した固体粒子固着繊維の固体粒子を除去して、表面多孔繊維を得ることができる。
【0030】
この固体粒子固着繊維の固体粒子を除去する方法は、固体粒子固着繊維の固体粒子を除去することができる限り特に限定されず、例えば、非多孔質繊維表面を構成する熱可塑性樹脂を実質的に溶解しない溶媒で溶解する固体粒子を、前記溶媒を用いて固体粒子を除去する方法がある。例えば、固体粒子として、水溶性無機物、金属塩、水溶性樹脂、金属などを用い、溶媒として、例えば、水、水溶液、酸、アルカリ性水溶液などを用いて固体粒子を除去できる。特に、固体粒子として金属塩又は水溶性樹脂を用い、水で除去する方法は、生産コストの負担が少なく好適である。このような金属塩としては、例えば、塩化ナトリウム、塩化カルシウム、塩化アンモニウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウムなどがある。また、このような水溶性樹脂として、例えば、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリアクリル酸などがある。
【0031】
固体粒子固着繊維の固体粒子を除去する他の方法として、例えば、固体粒子固着繊維を振動させて固体粒子を剥離させる方法、固体粒子固着繊維を超音波洗浄によって固体粒子を剥離させる方法、或いは固体粒子固着繊維の繊維を伸長又は収縮させて、固体粒子を剥離させる方法などを挙げることができる。
【0032】
このような製造方法により表面多孔繊維を製造すると、非多孔質繊維が本来有する繊維強度などの諸物性を保持したまま、繊維表面のみに細孔を形成することができる。また、固体粒子の形状及び大きさに応じた細孔を形成できるため、固体粒子として電極に使用する活物質の形状及び大きさに相当するものを使用することにより、活物質との密着性に優れる表面多孔繊維を製造することができる。
【0033】
次いで、このようにして得た表面多孔繊維を用いて、不織布を形成する。なお、表面多孔繊維だけではなく、表面多孔繊維以外に、表面以外にも細孔を有する繊維や細孔を全く備えていない非多孔質繊維などを併用して不織布を形成しても良い。
【0034】
この不織布を製造する方法としては、まず、カード法やエアレイ法のような乾式法、或いは湿式法により繊維ウエブを形成する。特に、湿式法により得られた繊維ウエブは目付及び厚さのばらつきが小さいので、均一な集電材を得ることができる。その結果、この集電材を使用すると厚さが均一な電極を形成することができ、その電極を巻回すると密着性に優れた極群が形成できるため、充放電特性に優れた電池を得ることができる。
【0035】
次いで、繊維ウエブをそのまま不織布として使用してもよいが、交絡処理や熱処理を行って強度特性を高めて不織布とするのが好ましい。交絡処理としては、例えば、水流交絡処理やニードルパンチによる交絡処理などを採用することができる。交絡処理を施すと、繊維が互いに絡み合って繊維同士の接触点数が増加して強度特性が向上し、また空隙率を適正な値に調整することができる。
【0036】
熱処理は、繊維ウエブ構成繊維の互いの接触点を融着させて、全体の強度特性を高めることができる。熱処理の温度は表面多孔繊維の細孔を塞がないように適宜調整する必要がある。この熱処理温度は実験的に適宜決定することができる。
【0037】
この交絡処理と熱処理はどちらか一方だけでも良いが、交絡処理を行った後に熱処理を行うと、得られる不織布の強度特性を著しく向上させることができるため好適である。
【0038】
次いで、この不織布にメッキ処理を施して、表面多孔メッキ繊維を含むメッキ不織布、つまり集電材を形成しても良いが、メッキ処理を施す前に、不織布を親水化処理することによって、メッキ液の浸透性を向上させ、強固に金属イオンと結合させることにより、導電性の向上と繊維表面に形成される金属メッキとの密着性を向上させるのが好ましい。
【0039】
このような親水化処理としては、例えば、スルホン化処理、フッ素ガス処理、ビニルモノマーのグラフト重合、界面活性化剤処理、或いは親水性樹脂付与処理などを挙げることができる。特に、スルホン化処理、フッ素ガス処理、又はビニルモノマーのグラフト処理は、長期間におけるメッキ膜の脱落が生じにくく、表面抵抗が上昇しにくいため好適である。
【0040】
より具体的には、スルホン化処理は、発煙硫酸、硫酸、三酸化イオウ、クロロ硫酸、又は塩化スルフリルなどの溶液中に不織布を浸漬して実施することができる。これらの中でも発煙硫酸によるスルホン化処理は、反応性が高く、比較的容易にスルホン化できるため好適である。
【0041】
フッ素ガス処理は、例えば、不活性ガス(例えば窒素ガス、アルゴンガス等)で希釈したフッ素ガスと、酸素ガス、二酸化炭素ガス、及び二酸化イオウガスなどの中から選ばれる少なくとも一種類のガスとの混合ガスと、不織布を接触させて実施することができる。なお、不織布に二酸化イオウガスを予め付着させた後に、フッ素ガスと接触させる方法は、効率的で恒久的な親水化処理方法である。
【0042】
ビニルモノマーのグラフト処理は、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、ビニルピリジン、或いはスチレンの中から選んだ少なくとも1種類のグラフト重合液を不織布に含侵し、紫外線を照射する処理を挙げることができる。これらの中でも、アクリル酸は長時間におけるメッキ膜の脱落や表面抵抗の上昇がないため好適である
次いで、不織布又は親水化処理を施した不織布に対してメッキ処理を行い、表面多孔繊維の表面にメッキ層を形成して表面多孔メッキ繊維を形成すると同時にメッキ不織布、つまり集電材を製造することができる。
【0043】
このメッキ方法は特に限定するものではないが、無電解メッキ法によりニッケルメッキするのが好ましい。必要に応じて、無電解メッキ法により形成された無電解メッキ膜の上に更に電解メッキ法により電解メッキ膜を形成するのが好ましい。
【0044】
より具体的には、「無電解メッキ法」は触媒付与化工程と無電解メッキ工程とからなる。触媒付与化工程は、塩化第一錫の塩酸水溶液で処理した後に塩化パラジウムの塩酸水溶液で触媒化する方法と、硬化剤のアミノ基を含む塩化バラジウムの塩酸溶液のみで固定化する方法などがあるが、前者による方法によると、メッキ膜厚の均一性に優れるので好ましい。
【0045】
無電解メッキ工程は、一般的に硝酸ニッケル、塩化ニッケル、硫酸ニッケル等のニッケル塩を含有する水溶液中でニッケルを還元剤により還元する方法であり、必要に応じて錯化剤、pH調整剤、緩衝剤、安定化剤等が投入される。特に純度の高いニッケル皮膜を得るために、還元剤として水和ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、酸化ヒドラジン等のヒドラジン誘導体を使用するのが好ましい。
【0046】
「電解メッキ法」はメッキ浴を用いて行われる。メッキ浴としては、ワット浴、塩化浴、スルファミン酸浴を用いることができる。これら浴中に、pH緩衝剤、界面緩衝剤等の添加剤が使用する場合もある。この浴に無電解メッキした不織布を陰極に接続し、ニッケル対極板を陽極に接続した後、直流或いはパルス断続電流を通電させることにより、無電解メッキ層の上に、更に電解メッキ層を形成することができる。
【0047】
例えばこのようにして製造される本発明の表面多孔メッキ繊維は、表面のみに細孔が形成されており、しかも表面にメッキ層が形成されている。本発明の表面多孔メッキ繊維について、表面多孔メッキ繊維の断面映像模式図である図1(a)、(b)をもとに説明すると、表面多孔メッキ繊維10の表面12のみに、細孔11が形成されている。ここで、「繊維の表面のみ」とは、実質的に、表面から見える(例えば、走査型電子顕微鏡で繊維の表面を撮影した映像で見える)細孔のみが、表面多孔メッキ繊維の表面に形成されていることを意味する。この細孔11は図1(a)、(b)から明らかなように、繊維表面側から細孔を観察した際に、細孔の繊維の厚さ方向における最深部を、細孔の開孔部から確認できる状態にある。別の見方をすると、細孔は繊維表面が陥没した、又は繊維表面の一部をくりぬいたような形状にある。例えば、繊維形成性熱可塑性樹脂に、ある溶媒で抽出可能な粒子状物質を混入させて紡糸した繊維から、粒子状物質を抽出除去し、メッキ層を形成した場合には、繊維表面に開孔を有しているものの、繊維表面から細孔の繊維の厚さ方向における最深部を観察することができないため、本発明の表面多孔メッキ繊維には相当しない。このような繊維は表面積が広いものの、活物質との密着性が不十分で、十分な集電性能を得ることが困難である。
【0048】
本発明の表面多孔メッキ繊維の細孔の形状は、細孔の概念から外れない限り(細孔の概念から外れるものとしては、例えば、筋状、線状、帯状、山脈状、溝状、又は皺状などがある)、特に限定されるものではなく、半円球状であるのが好ましい。この「半円球状」とは、略半円球、略半楕円球、又は半多面体である形状を含み、更に略半円球、略半楕円球、又は半多面体を形成する面に凹凸を有する形状も含む。また、前述のような製造方法で使用した固体粒子の体積の1割〜9割、好ましくは3割〜7割が非多孔質繊維の表面に固着した固体粒子が非多孔質繊維の表面から抜けたときに形成されるような窪み又は細孔の形状も含む。
【0049】
本発明の表面多孔メッキ繊維の細孔の繊維表面における開孔部の形状は、略円形又は略多角形であることが好ましい。細孔がこのような形状であると、活物質との密着性に優れており、結果として集電性に優れ、高容量の電池をより製造しやすいためである。ここで、開孔部13とは、図1(a)、(b)に示すように、表面多孔メッキ繊維の表面12に形成されている細孔11の開孔によって形成される輪郭をいう。
【0050】
また、前記開孔部の平均径は0.5〜15μmであることが好ましく、1〜15μmであることがより好ましく、5〜15μmであることがより好ましい。前記開孔部の平均径が0.5〜15μmであることによって、活物質との密着性が更に高まるためである。ここで、「開孔部の平均径」とは、繊維の側面を走査型電子顕微鏡等で拡大して撮影し、その繊維の映像で確認しうる開孔部の外接円の直径について、繊維側面の任意の500箇所以上からのサンプリングによる数平均開孔部径をいう。
【0051】
また、活物質の密着性に優れているように、前記開孔部の長径は短径の5倍以下であるのが好ましく、3倍以下であるのがより好ましく、2倍以下であるのが更に好ましい。なお、「開孔部の長径」とは、繊維側面の走査型電子顕微鏡等による映像上に現れる細孔において、開孔部の輪郭上の任意の2点間を結ぶ直線のうち最も長い直線の長さを指し、「開孔部の短径」とは、前記開孔部の長径に直交する直線と開孔部の輪郭とが交わる2点を結ぶ任意の直線のうち最も長い直線の長さを指す。なお、前記開孔部の長径に直交する1つの直線に対して、開孔部の輪郭とが交わる点が3点以上存在する場合は、それらの点のうち任意の2点を結ぶ直線のうち最も長い直線を前記2点を結ぶ直線とする。また、前記開孔部の長径と短径との比較値は、任意の500箇所以上の細孔からのサンプリングによる数平均比較値とする。
【0052】
前記細孔の深さは、繊維の表面のみに細孔が形成されている限り特に限定されるものではないが、活物質との密着性が優れているように、前記細孔の平均深さは0.1〜15μmであるのが好ましく、3〜10μmであるのがより好ましく、5〜10μmであるのが更に好ましい。ここで、「細孔の平均深さ」は、表面多孔メッキ繊維の断面をレーザー顕微鏡等で拡大して撮影し、その表面多孔メッキ繊維の映像で確認しうる各細孔の最も深い部分の深さについて、繊維断面の任意の500箇所以上の細孔からのサンプリングによる数平均細孔深さをいう。ここで、「細孔の最も深い部分の深さ」とは、図1(a)、(b)に示すように、繊維断面の映像上に現れる繊維表面を表す直線12に対して垂線を引いた時に、この垂線と細孔の内壁が交わる交点と、この垂線と繊維表面を表す直線12とが交わる交点とを結ぶ直線のうち最も長い直線の長さ(図1(a)、(b)におけるbの長さ)を指す。
【0053】
なお、繊維軸方向の繊維断面の走査型電子顕微鏡等による映像上に現れる細孔において、活物質との密着性が優れているように、細孔の長さは開孔巾の0.6〜3倍であるのが好ましく、0.7〜2倍であるのがより好ましい。この「細孔の長さ」とは、図1(c)、(d)に示すように、開孔部の輪郭を表す両端の点(図1(c)、(d)におけるA、B)の一方の点から、細孔の内壁を表す線に沿って、もう一方の点へ至るまでの道のりの長さの半分を指し、「開孔巾」は前記開孔部の輪郭を表す両端の点を結ぶ直線の長さ(図1(c)、(d)におけるa)を指す。なお、開孔の長さと開孔巾との比較値は、任意の500箇所以上の細孔からのサンプリングによる数平均比較値とする。
【0054】
また、前記細孔の個数は繊維の表面10000μmあたり10〜55000個であることが好ましく、10〜1000個であることがより好ましく、50〜1000個であることが更に好ましい。前記細孔の個数が、繊維の表面10000μmあたり10個以上であることによって、活物質との密着箇所を多くできるため、集電性に優れ、高容量の電池をより製造しやすい。また、繊維の表面10000μmあたり55000個以下であることによって、細孔の形状や大きさが均一であることができ、活物質との密着性に優れている。
【0055】
本発明のメッキ不織布は上述のような表面多孔メッキ繊維を含むものであるが、その量は特に限定されるものではない。しかしながら、メッキ不織布の単位体積当たりにおける繊維総表面積が500cm/cm以上であるように、表面多孔メッキ繊維を含んでいるのが好ましい。このように単位体積当たりにおける繊維総表面積が広いと、活物質と繊維(特に表面多孔メッキ繊維)との接触箇所が多いため、結果として集電性に優れ、高容量の電池をより製造しやすいためである。この単位体積当たりにおける繊維総表面積が広ければ広いほど、前記効果に優れているため、600cm/cm以上であるのがより好ましい。
【0056】
なお、この「単位体積当たりにおける繊維総表面積」は、次のようにして得られる値をいう。
(1)BET法によりメッキ不織布の比表面積A(m/g)を測定する。
(2)この比表面積Aをもとに、単位目付あたりにおける表面積Suを算出する。
Su=A×W
ここで、Suは単位目付あたりにおける表面積(m/m)、Aは比表面積(m/g)、Wは目付(g/m)を示す。
(3)この単位目付あたりにおける表面積Suをもとに、単位体積当たりにおける繊維総表面積Svを算出する。
Sv=Su/t
ここで、Svは単位体積当たりにおける繊維総表面積(cm/cm)、Suは単位目付あたりにおける表面積(cm/cm)、tはメッキ不織布の厚さ(cm)をそれぞれ示す。
【0057】
本発明の集電材を構成するメッキ不織布は、上述のような表面多孔メッキ繊維を含む、表面にメッキ層を有するメッキ繊維のみから構成されている。表面多孔メッキ繊維以外のメッキ繊維として、例えば、表面以外にも細孔を有し、かつ表面にメッキ層を有する繊維や、細孔を全く備えておらず、かつ表面にメッキ層を有する繊維などを含んでいることができる。
【0058】
なお、メッキ不織布を構成するメッキ繊維は繊維表面全体にメッキ層を備えている必要はないが、集電性に優れるように、メッキ層を備えていない表面が露出していない状態にあるのが好ましい。例えば、メッキ不織布を構成するメッキ繊維同士の接点の表面にはメッキ層を備えていなくても、その接点の表面は露出していないため、メッキ不織布(集電材)の集電性能に影響をほとんど与えない。このように接点の表面にメッキ層を備えていないメッキ繊維は、不織布を形成した後にメッキ処理を施した場合に形成されやすい。
【0059】
本発明のメッキ不織布は空隙率が70%以上であることが好ましい。この「空隙率」はメッキ不織布全体の容積に対する空孔の百分率をいう。空隙率が70%以上であれば、活物質合成ペーストの充填密度を高くすることができ、結果として高容量電池の電極用集電材としての性能向上に寄与できるためである。他方、空隙率があまりにも高いと、大幅な強度の低下が引き起こされるので、空隙率は80〜98%であるのが好ましい。
【0060】
なお、メッキ不織布には一方の表面から他方の表面に貫通する複数の細孔が散在しているのが好ましい。メッキ不織布に複数の細孔が散在していると、これらの細孔にも活物質が充填され、活物質の充填量が増大して電池の高容量化を図ることができるためである。このような細孔はメッキ前の不織布を打ち抜くことにより形成するパンチ加工、熱やレーザー加工等により局部的に溶解又は消失させて形成できる。
【0061】
以上は、非多孔質繊維から表面多孔繊維を形成した後に、不織布の形成、場合により親水化処理、及びメッキ処理を順に実施するメッキ不織布、つまり集電材の製造方法であるが、本発明の集電材はこの製造方法に限定されず、例えば、順に(1)非多孔質繊維から表面多孔繊維の形成−親水化処理−不織布の形成−メッキ処理、(2)非多孔質繊維から表面多孔繊維の形成−親水化処理−メッキ処理−不織布の形成、(3)非多孔質繊維を用いた不織布の形成−非多孔質繊維から表面多孔繊維の形成−親水化処理−メッキ処理、(4)非多孔質繊維を用いた不織布の形成−親水化処理−非多孔質繊維から表面多孔繊維の形成−メッキ処理、(5)非多孔質繊維を用いた不織布の形成−親水化処理−メッキ処理−非多孔質繊維から表面多孔繊維の形成、(6)非多孔質繊維の親水化処理−非多孔質繊維から表面多孔繊維の形成−不織布の形成−メッキ処理、(7)非多孔質繊維の親水化処理−非多孔質繊維から表面多孔繊維の形成−メッキ処理−不織布の形成、(8)非多孔質繊維の親水化処理−不織布の形成−非多孔質繊維から表面多孔繊維の形成−メッキ処理、(9)非多孔質繊維の親水化処理−不織布の形成−メッキ処理−非多孔質繊維から表面多孔繊維の形成、(10)非多孔質繊維の親水化処理−メッキ処理−非多孔質繊維から表面多孔繊維の形成−不織布の形成、(11)非多孔質繊維の親水化処理−メッキ処理−不織布の形成−非多孔質繊維から表面多孔繊維の形成、などを挙げることができる。これらの中でも、(1)〜(4)又は(6)〜(8)のように、非多孔質繊維から表面多孔繊維を形成した後にメッキ処理を施す方法であると、表面多孔繊維の表面における細孔とメッキ層とがアンカー効果によって強固に接着し、メッキ層の表面多孔メッキ繊維からの剥離を抑制することができ、内部抵抗の低い電池を製造することができるため、好適な製造方法である。
【0062】
次に、本発明による集電材を用いた電池の例として、アルカリ二次電池を図2及び図3に基いて説明する。
【0063】
図2に示すように、電池101は、表面多孔メッキ繊維を含むメッキ不織布からなる集電材を用いたアルカリニ次電池であり、この集電材からなる帯状の正極102と帯状の負極103を備える。そして正極102と負極103との間には第1セパレータ104aが介装されており、正極102の内側に第2セパレータ104bが介装されたロール状発電体106を備えている(図2)。そしてこの電池101は発電体106を収容し負極を兼ねる導電性の電池ケース107と、この電池ケース107を封止し正極を兼ねる封入板108を備えている。
【0064】
正極102は、上述した集電材10を帯状に形成し、端子を取り付ける箇所を押しつぶした後、集電材全体の空隙部に正極活物質を含む正極ペーストを充填し、その後乾燥及び圧延する。そして押しつぶした箇所に集電用外部端子としてのニッケル片102aをスポット溶接することにより作られる。また、負極103は上述の集電材を帯状に形成し、端子を取り付ける箇所を押しつぶした後、集電材全体の空隙部に負極活物質を含む負極ペーストを充填し、その後乾燥及び圧延する。そしてその押しつぶした箇所に集電用外部端子としてのニッケル片(図示せず)をスポット溶接することにより作られる。一方、セパレータ104は多孔質シートにより帯状に形成され、上記正極102及び負極103間に介装された第1セパレータ104aと、正極102の内面に積層された第2セパレータ104bとを有する。第1及び第2セパレータ104a、104bは正極102及び負極103の短絡を防止し、かつ電解液を保持するように構成される。
【0065】
導電性の電池ケース107は缶底107aを有する筒状に形成され、封入板108はこの電池ケース107の上端の開口部を塞ぐように構成される。電池ケース107はその内周面に負極103が接触するように発電体106が収容可能に構成される。また、封入板108の中央には電池の正極端子を形成する突起108aが形成される。また、缶底107aと発電体106との間にはロア絶縁体109aが介装される。発電体106はロア絶縁体109aが挿入された電池ケース107に挿入され、発電体106の上端にはアッパ絶縁体109bが配置される。
【0066】
ロア絶縁体109aには負極103にスポット溶接されたニッケル片が挿通可能なスリットが形成され、アッパ絶縁体109bには正極102にスポット溶接されたニッケル片102aが挿通可能なスリットが形成される。負極103にスポット溶接されたニッケル片はロア絶縁体109aに形成されたスリットを挿通して缶底107a側に突出し、正極102にスポット溶接されたニッケル片102aはアッパ絶縁体109bに形成されたスリットを挿通して封入板108側に突出するように構成される。ロア絶縁体109aのスリットから突出したニッケル片は缶底107aに接続され、アッパ絶縁体109bのスリットから突出したニッケル片102aは封入板108に接続される。
【0067】
アッパ絶縁体109bが電池ケース107に挿入された状態で、電池ケース107の開口部近傍の上部にリング状のくびれ部107bが形成され、次いで電解液が注入される。その後、正極102のニッケル片102aが接続された封入板108がそのくびれ部107bにリング状の絶縁用パッキン111を介して配置される。その後電池ケース107の上端縁を折返して封入板108の外周縁に絶縁用パッキン111とともに被せることにより封入板108が電池ケース107と電気的に絶縁され、電池ケースはその封入板108により封止される。
【0068】
このように構成された電池101では、第2セパレータ104b、正極102、第1セパレータ104a、負極103の順に積層する。このように積層された状態で、負極103が外側となるようにロール状に巻回することにより発電体106は製造されるが、表面多孔メッキ繊維を含む集電材は、従来のニッケルからなる網状骨格からなる集電材に比較して比較的柔軟であるため、この集電材を用いた正極102及び負極103も比較的柔軟なものになり、ロール状に巻回することが比較的容易であり、電池101自体の組み立てが容易になる。
【0069】
また、表面多孔メッキ繊維を含む集電材は集電性に優れているため、集電材を構成する繊維量を減らすことが可能となり、集電材の空隙率を高めることができ、結果として活物質の充填量を多くすることができるため、高容量の電池を製造することができる。
【0070】
なお、上述した実施の形態では円筒状の電池ケース107にロール状に巻かれた発電体106が挿入された電池を説明したが、電池ケースは角筒状のものであっても良く、発電体は図4に示すように正極102及び負極103を渦巻き角状に巻回したもの、又は図5に示すように蛇腹状に屈曲積層したものであっても良い。
【0071】
以下、本発明の集電材の実施例を記載するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【0072】
【実施例】
(実施例1)
芯成分がポリプロピレンからなり、鞘成分が高密度ポリエチレン(融点:135℃)からなる、繊度が11dtex(繊維径:39μm)で繊維長が5mmの芯鞘型複合繊維(繊維表面全部を鞘成分が占める、横断面形状:円形)100重量%を分散させたスラリーを、湿式抄造法により繊維ウエブを形成した。この繊維ウエブを温度135℃に設定されたドライヤーにより熱処理し、芯鞘型複合繊維の鞘成分を融着させて、目付が120g/cmで厚さが1.5mmの不織布を製造した。
【0073】
次いで、この不織布を温度80℃の発煙硫酸に浸漬することによりスルホン化処理を行い、スルホン化度が2.0×10−3のスルホン化不織布を製造した。
【0074】
次に、塩化ナトリウム(和光純薬製)を粉砕機にかけて粉砕して、一次粒子の平均粒子径が8.0μmである塩化ナトリウム微粒子を得た。
【0075】
次いで、この塩化ナトリウム微粒子100gを直径15cmのシャーレに入れ、蓋をした状態で温度140℃に設定されたドライヤ中で30分以上加熱し、ドライヤからシャーレを取り出した直後に、上記スルホン化不織布(10cm角)をシャーレに入れ、そのまま素早くシャーレを30秒間振動させ、塩化ナトリウム微粒子をスルホン化不織布全体に固着させ、塩化ナトリウム微粒子固着スルホン化不織布を製造した。その後、塩化ナトリウム微粒子固着スルホン化不織布を水洗することにより塩化ナトリウム微粒子を除去して、表面のみに細孔が形成された表面多孔繊維からなるスルホン化不織布を製造した。
【0076】
次いで、精錬剤が注液されたビーカーへ表面多孔繊維からなるスルホン化不織布を投入し、スルホン化不織布を前記精錬剤が透過するようにスターラーにより撹拌した後、スルホン化不織布を水洗いした。
【0077】
次いで、塩化第一スズ10g/L、塩酸20mL/Lを含む水溶液が注液されたビーカーへ前記スルホン化不織布を投入し、スルホン化不織布を前記水溶液が透過するようにスターラーにより撹拌した後、スルホン化不織布を水洗いした。その後、塩化パラジウム1g/L、塩酸20mL/Lを含む水溶液が注液されたビーカーへ前記スルホン化不織布を投入し、スルホン化不織布を前記水溶液が透過するようにスターラーにより撹拌して、スルホン化不織布の触媒化を行った。
【0078】
そして、触媒化したスルホン化不織布を水洗した後、硫酸ニッケル18g/L、クエン酸ナトリウム10g/L、水和ヒドラジン50mL/L、25%アンモニア水100mL/Lに各濃度となる無電解ニッケルメッキ液を注液したビーカーへ投入し、温度80℃に加熱しながら、前記触媒化したスルホン化不織布を前記メッキ液が透過するようにスターラーにより1時間撹拌して、無電解メッキを実施した。
【0079】
その後、メッキ工程を経たスルホン化不織布を取り出し、水洗し、更に乾燥して、メッキ比率が50%のメッキ不織布、つまり集電材(目付:240g/m、厚さ:1.5mm、空隙率:91%、メッキ不織布の単位体積当たりにおける繊維総表面積:600cm/cm、半円球状、開孔部の形状:略多角形、開孔部の平均径:5.0μm、開孔部の長径/開孔部の短径=1.2、細孔の平均深さ:3.0μm、細孔長さ:開孔巾の1.4倍、細孔の個数:500個/10000μm)を得た。なお、メッキ比率(R)は次の式により得られる値である。
R={(Wa−Wb)/Wa}×100
ここで、Rはメッキ比率(%)を意味し、Waはメッキ後の重量、つまり集電材の目付(g/m)を意味し、Wbはメッキ前の重量、つまり表面多孔繊維からなるスルホン化不織布の目付(g/m)を意味する。
【0080】
(比較例1)
実施例1と同様にして製造したスルホン化不織布を、芯鞘型複合繊維の表面多孔化処理を行うことなくメッキ処理を施して、メッキ比率が50%のメッキ不織布、つまり集電材(目付:240g/m、厚さ:1.5mm、空隙率:90%、メッキ不織布の単位体積当たりにおける繊維総表面積:400cm/cm)を得た。
【0081】
(実施例2)
シャーレ中における振動時間を5秒としたこと以外は、実施例1と全く同様にして、表面多孔繊維からなるスルホン化不織布を製造した。
【0082】
次いで、この表面多孔繊維からなるスルホン化不織布に実施例1と全く同様にしてメッキ処理を施して、メッキ比率が50%のメッキ不織布、つまり集電材(目付:240g/m、厚さ:1.5mm、空隙率:91%、メッキ不織布の単位体積当たりにおける繊維総表面積:500cm/cm、半円球状、開孔部の形状:略多角形、開孔部の平均径:5.0μm、開孔部の長径/開孔部の短径=1.2、細孔の平均深さ:3.0μm、細孔長さ:開孔巾の1.4倍、細孔の個数:400個/10000μm)を得た。
【0083】
(比較例2)
芯成分がポリプロピレンからなり、鞘成分が高密度ポリエチレン(融点:135℃)からなる、繊度が6.6dtex(繊維径:30μm)で繊維長が5mmの芯鞘型複合繊維(繊維表面全部を鞘成分が占める、横断面形状:円形)100重量%を分散させたスラリーを、湿式抄造法により繊維ウエブを形成した。この繊維ウエブを温度135℃に設定されたドライヤーにより熱処理し、芯鞘型複合繊維の鞘成分を融着させて、目付が120g/cmで厚さが1mmの不織布を製造した。
【0084】
次いで、この不織布を温度80℃の発煙硫酸に浸漬することによりスルホン化処理を行い、スルホン化度が2.0×10−3のスルホン化不織布を製造した。
【0085】
次いで、このスルホン化不織布を、芯鞘型複合繊維の表面多孔化処理を行うことなく実施例1と同様にメッキ処理を行い、メッキ比率が50%のメッキ不織布、つまり集電材(目付:240g/m、厚さ:1mm、空隙率:83%、メッキ不織布の単位体積当たりにおける繊維総表面積:600cm/cm)を得た。
【0086】
(比較例3)
固体粒子を混合して繊維を紡糸した後に、前記固体粒子を抽出除去して製造した、繊維表面及び繊維内部に細孔を有する全体多孔繊維(繊度:11dtex、繊維長:5mm)を用意した。
【0087】
次いで、前記全体多孔繊維80mass%と、芯成分がポリプロピレンからなり、鞘成分が高密度ポリエチレン(融点:135℃)からなる、芯鞘型複合繊維(繊度:2.2dtex、繊維長:10mm)20mass%とを分散させたスラリーを、湿式抄造法により繊維ウエブを形成した。この繊維ウエブを温度135℃に設定されたドライヤーにより熱処理し、芯鞘型複合繊維の鞘成分を融着させて、目付が120g/cmで厚さが1.2mmの不織布を製造した。
【0088】
次いで、この不織布を実施例1と同様にスルホン化処理及びメッキ処理を行い、メッキ比率が50%のメッキ不織布、つまり集電材(目付:240g/m、厚さ:1.2mm、空隙率:85%、メッキ不織布の単位体積当たりにおける繊維総表面積:500cm/cm、スポンジ状、開孔部の形状:略円形、開孔部の平均径:1μm、開孔部の長径/開孔部の短径=1.1、細孔の平均深さ:15μm超、細孔長さ:開孔巾の3倍超、細孔の個数:8000個/10000μm)を得た。
【0089】
(剥離試験)
各集電材に粘着テープ(日東電工(株)社製、ニットー31B)を貼り付け、指で強く押し付けた後に、粘着テープの一端を引張り、粘着テープを集電材から引き離した後に、集電材におけるニッケルメッキの剥離の有無を観察した。この結果は表1に示す通りであった。
【0090】
(利用率の測定)
正極に実施例および比較例の集電材をそれぞれ使用し、負極に発泡ニッケルを使用して、AA(単三)型電池(実施例1〜3及び比較例1の電池の理論容量:1200mAh、比較例2の電池の理論容量:950mAh、比較例3の電池の理論容量:1000mAh)をそれぞれ作製した。
【0091】
次いで、温度20℃、0.1C(120mAh)での充放電により電池をそれぞれ活性化させた後、更に0.1Cで5サイクル充放電させ、5サイクルの放電容量の平均から、0.1C利用率を計算した。
【0092】
次に、試験電流を4.0C(4800mAh)として5サイクル充放電させ、5サイクルの放電容量の平均から4.0C利用率を計算した。なお、利用率(U、単位:%)は次の式により算出した。
U=(C/Ct)×100
ここで、Uは利用率(%)を表し、Cは5サイクルの放電容量の平均(mAh)を表し、Ctは理論容量(mAh)を表す。
【0093】
【表1】

Figure 2004127567
【0094】
この表1の電池理論容量の結果から明らかなように、本発明の表面多孔メッキ繊維を含む集電材は高容量化が可能で、しかも集電性能に優れるものであった。また、4.0C利用率の結果から明らかなように、本発明の集電材はハイレート放電での集電性能に優れるものであった。
【0095】
【発明の効果】
本発明の集電材は集電性に優れている。また、高容量の電池を製造できるものである。
【0096】
本発明の電池は集電性能に優れ、高容量の電池であることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a) 本発明の表面多孔メッキ繊維の断面映像模式図
(b) 本発明の別の表面多孔メッキ繊維の断面映像模式図
(c) 本発明の表面多孔メッキ繊維の繊維軸方向における断面映像模式図
(d) 本発明の別の表面多孔メッキ繊維の繊維軸方向における断面映像模式図
【図2】本発明のアルカリ二次電池の一部を切り欠いた斜視図
【図3】集電体が渦巻き円状に巻回された図2のA−A線断面図
【図4】集電体が渦巻き角状に巻回された図3に対応する断面図
【図5】集電体が蛇腹状に屈曲積層された図3に対応する断面図
【符号の説明】
10 表面多孔メッキ繊維
11 細孔
12 繊維表面
13 開孔部
101 電池
102 正極
102a ニッケル片
103 負極
104 セパレータ
104a 第1セパレータ
104b 第2セパレータ
106 発電体
107 電池ケース
107a 缶底
107b くびれ部
108 封入板
108a 突起
109a ロア絶縁体
109b アッパ絶縁体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a current collector for a battery and a battery using the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, batteries, particularly alkaline secondary batteries, are highly reliable and can be reduced in size and weight, and thus are often used as power sources for various devices from portable devices to large-scale industrial equipment. In this alkaline secondary battery, in most cases, a nickel hydroxide electrode is used as a positive electrode. The nickel hydroxide electrode has a structure in which a positive electrode active material for causing a battery reaction is supported on a current collecting material sharing a current collecting function. As a current collecting material in that case, a sintered nickel plate obtained by sintering nickel powder, a punched nickel plate, and the like have been widely used. The capacity of the battery is determined by the amount of the active material to be filled in the gaps of the nickel plate, and the amount of the active material is determined by the porosity of the nickel plate, so that the porosity of the nickel plate is made as large as possible. It is desirable.
[0003]
However, the sintered nickel plate has a punched nickel plate as a base material, and the base material has a low porosity of 75 to 80% and a low nickel content in a nitrate solution. It was necessary to repeat the filling cycle of impregnation and neutralization several times or more, and as the filling cycle was repeated, the penetration of the nitrate solution into the inside of the nickel plate became worse, so it was difficult to fill the active material with high density. . Therefore, recently, with the demand for smaller and higher capacity batteries, a three-dimensional network structure that has a large porosity and can increase the packing density of the active material in order to increase the packing density of the active material of the current collector. A current collector made of a body is employed.
[0004]
As a current collector having a three-dimensional network structure, for example, a “nickel-plated nonwoven fabric electrode made of fibers and subjected to a hydroentanglement process on a web and then subjected to electroless nickel plating” has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 5-290838). ).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-5-29038
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the nickel-plated nonwoven fabric electrode disclosed in the above publication has a poor current collecting property, so that the utilization rate of the active material is low and high-rate discharge cannot be performed. In particular, when the thickness is increased to increase the capacity, the current collecting property is poor.
[0007]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and has an object to provide a battery current collector and a battery having excellent current collecting properties, and in particular, to provide a battery current collector and a battery having a high capacity and excellent current collecting properties. And
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is directed to a plated non-woven fabric comprising only plated fibers having a plated layer on the surface, including surface porous plated fibers having pores formed only on the surface and having a plated layer on the surface. A current collector for a battery, comprising: Porous surface-coated fibers having pores formed only on the surface and having a plating layer on the surface have not only a large surface area but also excellent adhesion to the active material. A current collector for a battery containing fibers (hereinafter sometimes simply referred to as “current collector”) is excellent in current collection. In addition, since the surface porous plated fiber has excellent current collecting properties, the amount of fibers constituting the current collecting material can be reduced, and the porosity of the current collecting material can be increased. Since the amount can be increased, a high-capacity battery can be manufactured. In addition, the conventional fiber having voids on the surface as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-290838 is not a fiber having pores formed only on the surface, but also having pores formed inside. Although the surface area is large, sufficient current collecting performance cannot be obtained due to low adhesion of the active material to the fibers.
[0009]
The invention according to claim 2 is characterized in that the shape of the opening of the pore is substantially circular or substantially polygonal, and the average diameter of the opening is 0.5 to 15 μm. Item 1. A current collector for a battery according to item 1. " When the pores have such a shape and size, the adhesion between the active material and the surface porous plating fibers is particularly excellent, and as a result, the current collection is excellent, and a high-capacity battery is more easily manufactured. .
[0010]
The invention according to claim 3 is “the current collector for a battery according to claim 1 or 2, wherein the average depth of the pores is 0.1 to 15 μm”. When the pores have such a depth, the adhesiveness between the active material and the surface porous plating fibers is particularly excellent, and as a result, the current collection is excellent and a high-capacity battery is more easily manufactured.
[0011]
The invention according to claim 4 is that the number of the pores is 10,000 μm on the fiber surface. 2 The current collector for a battery according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the number is 10 to 55000 pieces per battery. The presence of such a large number of pores increases the number of points of adhesion between the active material and the surface porous plating fibers, so that the current collection is excellent and a high-capacity battery is more easily manufactured.
[0012]
The invention according to claim 5 is characterized in that a total fiber surface area per unit volume of the plated nonwoven fabric is 500 cm. 2 / Cm 3 The current collector for a battery according to any one of claims 1 to 4, characterized by the above. As described above, since the total surface area of the fibers is large, the number of contact points between the active material and the surface porous plating fibers is increased, so that the current collecting property is excellent and a high-capacity battery is more easily manufactured.
[0013]
The invention according to claim 6 is "a battery using the battery current collector according to any one of claims 1 to 5". As described above, since the battery uses the current collecting material, the battery has excellent current collecting performance and can have a high capacity.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The current collector of the present invention has pores formed only on the surface, and includes surface porous plating fibers having a plating layer on the surface, and not only has a large surface area, but also has excellent adhesion to the active material. Therefore, it has excellent current collecting properties. In addition, since the surface porous plated fibers have excellent current collecting properties, the amount of fibers constituting the current collecting material can be reduced, the porosity of the current collecting material can be increased, and as a result, the active material filling amount can be increased. Therefore, a high-capacity battery can be manufactured.
[0015]
Such a current collector of the present invention can be manufactured, for example, as follows.
[0016]
First, a non-porous fiber is prepared. The non-porous fiber is a fiber having at least a surface mainly composed of a thermoplastic resin and having no pores on the fiber surface, and is heated (for example, heated at a temperature of 50 ° C. or more, preferably at a temperature of 80 ° C. or more) to the fiber surface. Any fiber may be used as long as the fiber includes a thermoplastic resin that is melted by the method (1).
[0017]
Such non-porous fibers can be obtained, for example, by a synthetic fiber obtained by a melt spinning method, which is a conventional fiber manufacturing method, by a spun bond method, a melt blow method, or a flash spinning method, which is a conventional nonwoven fabric manufacturing method. Fiber or a fiber whose core part is made of a natural fiber or inorganic fiber and whose sheath part is made of a thermoplastic resin can be used.
[0018]
Examples of the synthetic fiber include a synthetic fiber made of a thermoplastic resin (for example, a polyolefin fiber, a polyester fiber, or a polyamide fiber), and the synthetic fiber is made of one type of thermoplastic resin. Or a composite fiber in which two or more different thermoplastic resins are conjugated or mixed. Examples of the latter conjugate fiber include conjugate fibers in which two or more kinds of thermoplastic resins having different melting points are conjugated. For example, copolymer polyester / polyester, copolymer polypropylene / polypropylene, polypropylene / polyamide, polyethylene / polypropylene , A composite fiber made of a combination of resins such as polypropylene / polyester or polyethylene / polyester. In the case of a core-sheath type composite fiber having a high melting point resin in the core and a low melting point resin in the sheath, the surface porous fiber (with a plating layer of the surface porous plating fiber provided without causing fiber shrinkage or thread breakage). Fibers, which are not described below).
[0019]
Further, the non-porous fiber is preferably composed entirely of fiber-forming thermoplastic resin, but such a fiber that the core portion has a decomposition temperature without a melting point, for example, rayon fiber, acetate fiber, A fiber made of a fiber such as a wool fiber or a carbon fiber, and a sheath part made of a thermoplastic resin can also be used. As the non-porous fiber, a fiber whose core portion is made of, for example, an inorganic fiber such as glass fiber, ceramic fiber, or metal fiber, and whose sheath portion is made of a thermoplastic resin can also be used. The sheath component of these fibers can be obtained, for example, by coating with a coating or the like.
[0020]
In the non-porous fiber “at least the surface of which is mainly composed of a thermoplastic resin”, the area occupied by the thermoplastic resin on the fiber surface is 50% or more of the fiber surface area (preferably 60% or more, more preferably 70% or more, particularly Preferably 90% or more, and most preferably 100%).
[0021]
The cross-sectional shape of the non-porous fiber does not need to be circular, and may be non-circular (for example, polygon such as triangle, ellipse, ellipse, T-shaped alphabet, etc.). Further, it may be divided into fibrils by an external force.
[0022]
The average diameter and length of the non-porous fibers are not particularly limited, but the average diameter of the fibers is preferably 1 μm or more, more preferably 30 μm to 55 μm. Here, the “average diameter” of the fiber is, when the cross-sectional shape of the fiber is other than a circle, the diameter of a circle having the same area as the cross-sectional area of the fiber, and the number average by sampling from any 500 or more points of the fiber. Fiber diameter. In the case of commercially available fibers, when the number average fiber diameter is specified in the catalog or specification, the value may be used as the average diameter of the fiber, and the fineness is specified in the catalog or specification. In this case, a value converted from the fineness may be used as the average diameter.
[0023]
Next, solid particles are fixed to the surface of the non-porous fiber as described above to form solid particle fixed fibers.
[0024]
The solid particles have a melting point or a decomposition temperature higher than the melting point of the thermoplastic resin constituting the surface of the non-porous fiber, and are either inorganic or organic as long as the solid particles can be removed after fixing. There can be. As such solid particles, for example, solid particles that dissolve in a solvent (eg, water, an aqueous solution, an acid, an alkaline aqueous solution, etc.) that does not substantially dissolve the thermoplastic resin constituting the surface of the non-porous fiber ( For example, there are water-soluble inorganic substances, metal salts, water-soluble resins, and metals. Such solid particles can be extracted and removed using the solvent. In addition to the extraction and removal, solid particles that can be removed by vibration, ultrasonic cleaning, fiber shrinkage, or processing for improving the releasability of the fiber surface may be used. More specifically, examples thereof include sodium chloride, calcium chloride, calcium carbonate, other various metal salts, water-soluble resin, metal particles, ceramics, zeolite, and other various inorganic substances.
[0025]
The melting point or decomposition temperature of the solid particles is such that the surface of the non-porous fiber is melted or deformed by the heat of the heated solid particles, and the solid particles are fixed to the fiber surface so that the non-porous fiber surface is formed. It is necessary that the melting point of the thermoplastic resin is higher than the melting point of the resin having the lowest melting point.
[0026]
The average particle diameter of the solid particles is not particularly limited, but the average particle diameter of the solid particles is preferably 0.1 to 20 μm so that pores having excellent adhesion with the active material can be formed, More preferably, it is 5 to 15 μm. The average particle diameter of the solid particles refers to the number average particle diameter of the solid particles. The “number average particle size” is obtained by taking an image of a solid particle by enlarging it with a scanning electron microscope or the like, measuring the particle size of any 500 or more solid particles, and dividing the measured value by the measured number. Value. At this time, when the solid particles are not spherical, the diameter of the circumcircle of each solid particle that can be confirmed in the captured image of the solid particle is defined as the particle size of each particle. In the case of commercially available solid particles, if the number average particle diameter is specified in a catalog or specification, that value may be used as the average particle diameter of the solid particles.
[0027]
The solid particles are fixed to the surface of the non-porous fiber to form the solid particle-fixed fiber. As a method of fixing the solid particles, for example, the solid particles as described above are formed on the surface of the non-porous fiber. The solid particles heated at a temperature within the range of maintaining the shape as a solid, up to the melting point of the thermoplastic resin or higher and lower than the melting point or the decomposition temperature of the solid particles, are brought into contact with the non-porous fibers, and the surface of the non-porous fibers is There is a method of fixing by fusion or deformation. Further, a method of fixing the non-porous fiber surface by fusing or deforming the non-porous fiber surface by contacting the solid particles as described above while heating the non-porous fiber surface to a temperature higher than the melting point of the thermoplastic resin. But it's fine. The former method is more preferable because the solid particles are not buried and pores can be reliably formed.
[0028]
The method of contacting the solid particles with the non-porous fibers is not particularly limited as long as the solid particles can be fixed to the non-porous fibers. For example, (1) containing the heated solid particles A method of blowing an airflow onto non-porous fibers; (2) a method of allowing heated solid particles to fall naturally onto non-porous fibers; and (3) shaking a vessel containing heated solid particles and non-porous fibers. (4) dipping the non-porous fibers in the heated solid particles, or (5) exposing the non-porous fibers in the fluidized bed of the heated solid particles.
[0029]
By removing the solid particles of the solid particle-fixed fibers thus formed, surface porous fibers can be obtained.
[0030]
The method for removing the solid particles of the solid particle-fixed fibers is not particularly limited as long as the solid particles of the solid particle-fixed fibers can be removed, and for example, substantially removes the thermoplastic resin constituting the non-porous fiber surface. There is a method in which solid particles that are dissolved in a solvent that does not dissolve are removed using the solvent. For example, a water-soluble inorganic substance, a metal salt, a water-soluble resin, a metal, or the like can be used as the solid particles, and the solid particles can be removed using, for example, water, an aqueous solution, an acid, or an alkaline aqueous solution as a solvent. In particular, a method of using a metal salt or a water-soluble resin as the solid particles and removing the solid particles with water is preferable because the production cost is less burdened. Examples of such a metal salt include sodium chloride, calcium chloride, ammonium chloride, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, and the like. Examples of such a water-soluble resin include polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, and polyacrylic acid.
[0031]
Other methods for removing the solid particles of the solid particle fixed fibers include, for example, a method of vibrating the solid particle fixed fibers to separate the solid particles, a method of ultrasonically cleaning the solid particle fixed fibers to separate the solid particles, or a method of removing the solid particles. A method of extending or shrinking the fibers of the particle-fixing fibers to exfoliate the solid particles can be used.
[0032]
When surface porous fibers are produced by such a production method, pores can be formed only on the fiber surface while maintaining various properties such as fiber strength inherent of the non-porous fibers. In addition, since pores can be formed in accordance with the shape and size of the solid particles, the use of solid particles having a shape and size corresponding to the shape and size of the active material used for the electrode improves adhesion to the active material. Excellent surface porous fibers can be produced.
[0033]
Next, a nonwoven fabric is formed using the surface porous fibers thus obtained. The nonwoven fabric may be formed using not only the surface porous fiber but also a fiber having pores other than the surface or a non-porous fiber having no pore at all other than the surface porous fiber.
[0034]
As a method for producing this nonwoven fabric, first, a fiber web is formed by a dry method such as a card method or an air lay method, or a wet method. In particular, since the fiber web obtained by the wet method has a small variation in the basis weight and thickness, a uniform current collector can be obtained. As a result, an electrode having a uniform thickness can be formed by using the current collector, and an electrode group having excellent adhesion can be formed by winding the electrode, so that a battery having excellent charge / discharge characteristics can be obtained. Can be.
[0035]
Next, the fibrous web may be used as it is as a nonwoven fabric, but it is preferable to perform a entanglement treatment or a heat treatment to increase the strength characteristics to form a nonwoven fabric. As the confounding process, for example, a hydroentanglement process or a confounding process using a needle punch can be adopted. When the confounding treatment is performed, the fibers are entangled with each other, the number of contact points between the fibers is increased, the strength characteristics are improved, and the porosity can be adjusted to an appropriate value.
[0036]
The heat treatment can enhance the overall strength characteristics by fusing the contact points of the fiber web constituent fibers with each other. It is necessary to appropriately adjust the temperature of the heat treatment so as not to block the pores of the surface porous fiber. This heat treatment temperature can be appropriately determined experimentally.
[0037]
Either of the entanglement treatment and the heat treatment may be performed, but it is preferable to perform the heat treatment after the entanglement treatment because the strength characteristics of the obtained nonwoven fabric can be significantly improved.
[0038]
Next, the nonwoven fabric may be subjected to a plating treatment to form a plated nonwoven fabric containing surface porous plating fibers, that is, a current collector. It is preferable to improve the conductivity and the adhesion to the metal plating formed on the fiber surface by improving the permeability and firmly binding the metal ions.
[0039]
Examples of such a hydrophilic treatment include a sulfonation treatment, a fluorine gas treatment, a graft polymerization of a vinyl monomer, a surfactant treatment, and a treatment for imparting a hydrophilic resin. In particular, a sulfonation treatment, a fluorine gas treatment, or a graft treatment with a vinyl monomer is preferable because the plating film hardly falls off for a long period of time and the surface resistance hardly increases.
[0040]
More specifically, the sulfonation treatment can be performed by immersing the nonwoven fabric in a solution such as fuming sulfuric acid, sulfuric acid, sulfur trioxide, chlorosulfuric acid, or sulfuryl chloride. Among these, sulfonation treatment with fuming sulfuric acid is preferred because it has high reactivity and can be relatively easily sulfonated.
[0041]
In the fluorine gas treatment, for example, a mixture of a fluorine gas diluted with an inert gas (eg, a nitrogen gas, an argon gas, or the like) and at least one gas selected from an oxygen gas, a carbon dioxide gas, a sulfur dioxide gas, and the like is used. It can be carried out by contacting the gas with the nonwoven fabric. In addition, the method of preliminarily adhering the sulfur dioxide gas to the nonwoven fabric and then bringing it into contact with the fluorine gas is an efficient and permanent hydrophilization treatment method.
[0042]
The graft treatment of the vinyl monomer impregnates the nonwoven fabric with at least one kind of graft polymerization liquid selected from acrylic acid, methacrylic acid, acrylic acid ester, methacrylic acid ester, vinylpyridine, or styrene, and irradiates ultraviolet rays. Processing can be mentioned. Among these, acrylic acid is preferred because it does not cause the plating film to fall off or increase in surface resistance for a long time.
Next, a plating process is performed on the nonwoven fabric or the nonwoven fabric subjected to the hydrophilization treatment to form a plated layer on the surface of the surface porous fiber to form the surface porous plated fiber, and at the same time to manufacture a plated nonwoven fabric, that is, a current collector. it can.
[0043]
Although this plating method is not particularly limited, nickel plating is preferably performed by an electroless plating method. If necessary, it is preferable to further form an electrolytic plating film by an electrolytic plating method on the electroless plating film formed by the electroless plating method.
[0044]
More specifically, the “electroless plating method” includes a catalyst application step and an electroless plating step. The catalyst application step includes a method of treating with a stannous chloride aqueous hydrochloric acid solution and then catalyzing with a palladium chloride aqueous hydrochloric acid solution, and a method of immobilizing only a hydrochloric acid solution of barium chloride containing an amino group of a curing agent. However, the former method is preferable because the plating film has excellent uniformity in film thickness.
[0045]
The electroless plating step is generally a method of reducing nickel with a reducing agent in an aqueous solution containing a nickel salt such as nickel nitrate, nickel chloride, and nickel sulfate.If necessary, a complexing agent, a pH adjuster, A buffer, a stabilizer and the like are added. In particular, in order to obtain a nickel film having high purity, it is preferable to use a hydrazine derivative such as hydrazine hydrate, hydrazine sulfate, or hydrazine oxide as a reducing agent.
[0046]
The “electrolytic plating method” is performed using a plating bath. As a plating bath, a Watt bath, a chloride bath, and a sulfamic acid bath can be used. Additives such as a pH buffer and an interfacial buffer may be used in these baths. An electroless plated non-woven fabric is connected to the cathode in this bath, the nickel counter electrode is connected to the anode, and then a direct current or pulsed intermittent current is applied to further form an electrolytic plated layer on the electroless plated layer. be able to.
[0047]
For example, the surface porous plating fiber of the present invention produced in this manner has pores formed only on the surface, and has a plating layer formed on the surface. The surface porous plating fiber of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A and 1B, which are schematic cross-sectional images of the surface porous plating fiber. Is formed. Here, “only the surface of the fiber” means that substantially only pores visible from the surface (for example, visible in an image of the surface of the fiber taken with a scanning electron microscope) are formed on the surface of the surface porous plated fiber. Means that it is. As is clear from FIGS. 1 (a) and 1 (b), when the pores are observed from the fiber surface side, the deepest portion of the pores 11 in the thickness direction of the fibers is opened. It can be confirmed from the department. From another perspective, the pores are shaped such that the fiber surface is depressed or a part of the fiber surface is hollowed out. For example, when a particulate material that can be extracted with a certain solvent is mixed into a fiber-forming thermoplastic resin and spun from the fiber, the particulate material is extracted and removed to form a plating layer. However, since the deepest part of the pores in the thickness direction of the fiber cannot be observed from the fiber surface, it does not correspond to the surface porous plated fiber of the invention. Although such a fiber has a large surface area, it has insufficient adhesion to an active material, and it is difficult to obtain sufficient current collecting performance.
[0048]
The shape of the pores of the surface porous plated fiber of the present invention does not deviate from the concept of the pores (as deviating from the concept of the pores, for example, streak, line, band, mountain range, groove, or There is no particular limitation, and a semi-spherical shape is preferable. The term “semi-spherical” includes a shape that is a substantially semi-spherical, substantially semi-elliptical, or semi-polyhedral, and further has irregularities on a surface forming the substantially semi-spherical, substantially semi-elliptical, or semi-polyhedral. Including shape. Further, 10% to 90%, preferably 30% to 70%, of the volume of the solid particles used in the above-described production method is fixed to the surface of the non-porous fiber, and the solid particles are removed from the surface of the non-porous fiber. And the shape of depressions or pores as formed when the
[0049]
The shape of the opening on the fiber surface of the pores of the surface porous plating fiber of the present invention is preferably substantially circular or substantially polygonal. When the pores have such a shape, the pores have excellent adhesion to the active material, and as a result, have excellent current collecting properties, so that a high-capacity battery is more easily manufactured. Here, the opening 13 refers to a contour formed by the opening of the pores 11 formed on the surface 12 of the surface porous plating fiber as shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b).
[0050]
The average diameter of the opening is preferably 0.5 to 15 μm, more preferably 1 to 15 μm, and even more preferably 5 to 15 μm. When the average diameter of the opening is 0.5 to 15 μm, the adhesion to the active material is further increased. Here, the "average diameter of the aperture" means that the diameter of the circumcircle of the aperture, which can be confirmed in an image of the fiber by photographing the side of the fiber by enlarging it with a scanning electron microscope or the like, Means the number-average opening diameter obtained by sampling from 500 or more locations.
[0051]
In addition, the major axis of the opening is preferably 5 times or less the minor axis, more preferably 3 times or less, and more preferably 2 times or less so that the active material has excellent adhesion. More preferred. The “major axis of the opening” refers to the longest straight line connecting any two points on the contour of the opening in the pores appearing on the image of the fiber side surface by a scanning electron microscope or the like. Refers to the length, "the minor axis of the aperture" is the length of the longest straight line of any straight line connecting two points where the straight line orthogonal to the major axis of the aperture and the contour of the aperture intersect Point to. When there are three or more points where the outline of the opening intersects with one straight line perpendicular to the major axis of the opening, the straight line connecting any two of these points The longest straight line is a straight line connecting the two points. The comparison value between the major axis and the minor axis of the opening is a number average comparison value obtained by sampling from arbitrary 500 or more pores.
[0052]
The depth of the pores is not particularly limited as long as the pores are formed only on the surface of the fiber, but the average depth of the pores is excellent so that the adhesiveness with the active material is excellent. Is preferably from 0.1 to 15 μm, more preferably from 3 to 10 μm, even more preferably from 5 to 10 μm. Here, the “average depth of pores” refers to the depth of the deepest portion of each pore that can be confirmed by taking an image of the cross-section of the surface porous plating fiber by enlarging it with a laser microscope or the like, and checking the image of the surface porous plating fiber. As for the length, it refers to the number average pore depth obtained by sampling from arbitrary 500 or more pores in the fiber cross section. Here, “the depth of the deepest part of the pore” refers to a line perpendicular to the straight line 12 representing the fiber surface appearing on the image of the fiber cross section, as shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b). In this case, the length of the longest straight line among the straight lines connecting the intersection of the perpendicular and the inner wall of the pore and the intersection of the perpendicular and the straight line 12 representing the fiber surface (FIGS. 1 (a) and 1 (b)). Length of b).
[0053]
In the pores that appear on the image of the fiber cross section in the fiber axis direction by a scanning electron microscope or the like, the length of the pores is 0.6 to less than the opening width so that the adhesion to the active material is excellent. It is preferably three times, more preferably 0.7 to 2 times. As shown in FIGS. 1 (c) and 1 (d), the “length of the pores” means both ends points (A and B in FIGS. 1 (c) and 1 (d)) representing the contour of the opening. Refers to half the length of the path from one point to the other point along the line representing the inner wall of the pore, and the `` opening width '' is the width of both ends representing the contour of the opening. It indicates the length of a straight line connecting the points (a in FIGS. 1C and 1D). The comparison value between the opening length and the opening width is a number average comparison value obtained by sampling from arbitrary 500 or more pores.
[0054]
The number of the pores is 10,000 μm on the fiber surface. 2 The number is preferably 10 to 55,000, more preferably 10 to 1,000, and even more preferably 50 to 1,000. The number of the pores is 10,000 μm on the fiber surface. 2 When the number is 10 or more per unit, the number of contact portions with the active material can be increased, so that a current collector is excellent and a high-capacity battery is more easily manufactured. In addition, the surface of the fiber is 10,000 μm 2 When the number of pores is 55,000 or less, the shape and size of the pores can be uniform, and the adhesion to the active material is excellent.
[0055]
The plated nonwoven fabric of the present invention contains the above-mentioned surface porous plated fibers, but the amount is not particularly limited. However, the total fiber surface area per unit volume of the plated nonwoven fabric is 500 cm. 2 / Cm 3 As described above, it is preferable to include surface porous plating fibers. When the total fiber surface area per unit volume is large, there are many contact points between the active material and the fibers (particularly, surface porous plating fibers). That's why. The larger the total fiber surface area per unit volume is, the more excellent the effect is. 2 / Cm 3 More preferably.
[0056]
The "total fiber surface area per unit volume" refers to a value obtained as follows.
(1) Specific surface area A (m 2 / G).
(2) Based on the specific surface area A, the surface area Su per unit weight is calculated.
Su = A × W
Here, Su is the surface area (m 2 / M 2 ), A is the specific surface area (m 2 / G) and W is the basis weight (g / m 2 ).
(3) Based on the surface area Su per unit weight, the total fiber surface area Sv per unit volume is calculated.
Sv = Su / t
Here, Sv is the total fiber surface area per unit volume (cm 2 / Cm 3 ), Su is the surface area per unit weight (cm 2 / Cm 2 ) And t indicate the thickness (cm) of the plated nonwoven fabric, respectively.
[0057]
The plated nonwoven fabric constituting the current collector of the present invention is composed of only plated fibers having a plated layer on the surface, including the surface porous plated fibers as described above. As plating fibers other than surface porous plating fibers, for example, fibers having pores other than the surface and having a plating layer on the surface, fibers having no pores at all and having a plating layer on the surface, etc. Can be included.
[0058]
The plated fibers that make up the plated non-woven fabric do not need to have a plating layer on the entire fiber surface, but the surface without the plating layer should not be exposed so that the current collecting property is excellent. preferable. For example, even if there is no plating layer on the surface of the contact point between the plated fibers that make up the plated nonwoven fabric, the surface of the contact is not exposed, so that the current collection performance of the plated nonwoven fabric (current collector) is hardly affected. Do not give. As described above, the plating fiber having no plating layer on the surface of the contact is likely to be formed when plating is performed after forming the nonwoven fabric.
[0059]
The porosity of the plated nonwoven fabric of the present invention is preferably 70% or more. This “porosity” refers to the percentage of pores with respect to the volume of the entire plated nonwoven fabric. When the porosity is 70% or more, the packing density of the active material synthesis paste can be increased, and as a result, the performance as a current collector for an electrode of a high capacity battery can be improved. On the other hand, if the porosity is too high, a significant decrease in strength is caused, so the porosity is preferably 80 to 98%.
[0060]
Preferably, the plated nonwoven fabric has a plurality of fine pores penetrating from one surface to the other surface. This is because, when a plurality of pores are scattered in the plated nonwoven fabric, these pores are also filled with the active material, and the filling amount of the active material is increased, so that the capacity of the battery can be increased. Such pores can be formed by punching, punching, or heat or laser processing, etc., formed by punching a non-woven fabric before plating, and locally dissolving or disappearing.
[0061]
The above is a method of manufacturing a plated nonwoven fabric, that is, a current collector, in which a nonwoven fabric is formed from nonporous fibers, and then a nonwoven fabric is formed, and in some cases, a hydrophilic treatment and a plating treatment are sequentially performed. The electric material is not limited to this manufacturing method. For example, (1) formation of surface porous fiber from non-porous fiber-hydrophilization treatment-formation of nonwoven fabric-plating treatment, and (2) formation of non-porous fiber to surface porous fiber Formation-hydrophilic treatment-plating treatment-formation of non-woven fabric, (3) formation of non-woven fabric using non-porous fiber-formation of surface porous fiber from non-porous fiber-hydrophilic treatment-plating treatment, (4) non-porous Of nonwoven fabric using porous fiber-hydrophilic treatment-formation of surface porous fiber from nonporous fiber-plating treatment, (5) formation of nonwoven fabric using nonporous fiber-hydrophilic treatment-plating treatment-nonporous Porous fiber to porous fiber (6) Hydrophilization treatment of non-porous fiber-formation of surface porous fiber from non-porous fiber-formation of nonwoven fabric-plating treatment, (7) hydrophilization treatment of non-porous fiber-from non-porous fiber Formation of surface porous fiber-plating treatment-formation of nonwoven fabric; (8) hydrophilic treatment of nonporous fiber-formation of nonwoven fabric-formation of surface porous fiber from nonporous fiber-plating treatment; (9) nonporous fiber (10) Hydrophilization treatment of non-porous fiber-plating treatment-formation of surface porous fiber from non-porous fiber-non-woven fabric (11) hydrophilic treatment of non-porous fibers-plating treatment-formation of nonwoven fabric-formation of surface porous fibers from non-porous fibers. Among these, the method of plating after forming the surface porous fiber from the non-porous fiber as in (1) to (4) or (6) to (8), the surface of the surface porous fiber Since the pores and the plating layer are firmly adhered to each other by the anchor effect, the peeling of the plating layer from the surface porous plating fiber can be suppressed, and a battery having low internal resistance can be manufactured. is there.
[0062]
Next, an alkaline secondary battery will be described with reference to FIGS. 2 and 3 as an example of a battery using the current collector according to the present invention.
[0063]
As shown in FIG. 2, the battery 101 is an alkaline secondary battery using a current collector made of a plated nonwoven fabric containing surface porous plated fibers, and includes a band-shaped positive electrode 102 and a band-shaped negative electrode 103 made of the current collector. A first separator 104a is interposed between the positive electrode 102 and the negative electrode 103, and a roll-shaped power generator 106 in which a second separator 104b is interposed is provided inside the positive electrode 102 (FIG. 2). The battery 101 includes a conductive battery case 107 that houses a power generator 106 and also serves as a negative electrode, and an enclosing plate 108 that seals the battery case 107 and also serves as a positive electrode.
[0064]
In the positive electrode 102, the above-described current collector 10 is formed in a belt shape, and a portion where a terminal is to be attached is crushed. Then, a positive electrode paste containing a positive electrode active material is filled in the voids of the entire current collector, and then dried and rolled. It is made by spot welding a nickel piece 102a as a current collecting external terminal to the crushed portion. In addition, the negative electrode 103 is formed in a strip shape with the above-described current collector, and after crushing a place where a terminal is to be attached, a gap of the entire current collector is filled with a negative electrode paste containing a negative electrode active material, and then dried and rolled. Then, a nickel piece (not shown) as a current collecting external terminal is spot-welded to the crushed portion. On the other hand, the separator 104 is formed in a strip shape from a porous sheet, and has a first separator 104a interposed between the positive electrode 102 and the negative electrode 103, and a second separator 104b laminated on the inner surface of the positive electrode 102. The first and second separators 104a and 104b are configured to prevent a short circuit between the positive electrode 102 and the negative electrode 103 and to hold the electrolyte.
[0065]
The conductive battery case 107 is formed in a cylindrical shape having a can bottom 107a, and the enclosing plate 108 is configured to close the opening at the upper end of the battery case 107. The battery case 107 is configured to be able to accommodate the power generator 106 such that the negative electrode 103 contacts the inner peripheral surface. Further, a projection 108a that forms a positive electrode terminal of the battery is formed at the center of the enclosing plate 108. In addition, a lower insulator 109a is interposed between the can bottom 107a and the power generator 106. The power generator 106 is inserted into the battery case 107 in which the lower insulator 109a is inserted, and an upper insulator 109b is disposed at the upper end of the power generator 106.
[0066]
A slit through which a nickel piece spot-welded to the negative electrode 103 can be inserted is formed in the lower insulator 109a, and a slit through which the nickel piece 102a spot-welded to the positive electrode 102 can be inserted is formed in the upper insulator 109b. The nickel piece spot-welded to the negative electrode 103 penetrates a slit formed in the lower insulator 109a and protrudes toward the can bottom 107a, and the nickel piece 102a spot-welded to the positive electrode 102 is a slit formed in the upper insulator 109b. And projecting toward the sealing plate 108 side. The nickel piece protruding from the slit of the lower insulator 109a is connected to the can bottom 107a, and the nickel piece 102a protruding from the slit of the upper insulator 109b is connected to the enclosing plate.
[0067]
With the upper insulator 109b inserted into the battery case 107, a ring-shaped constriction 107b is formed in the upper portion near the opening of the battery case 107, and then the electrolyte is injected. After that, the enclosing plate 108 to which the nickel piece 102a of the positive electrode 102 is connected is placed in the constricted portion 107b via a ring-shaped insulating packing 111. After that, the upper end edge of the battery case 107 is turned over, and the outer peripheral edge of the enclosing plate 108 is covered with the insulating packing 111 so that the encapsulating plate 108 is electrically insulated from the battery case 107, and the battery case is sealed by the enclosing plate 108. You.
[0068]
In the battery 101 configured as described above, the second separator 104b, the positive electrode 102, the first separator 104a, and the negative electrode 103 are sequentially stacked. In this stacked state, the power generator 106 is manufactured by winding the negative electrode 103 into a roll so that the negative electrode 103 is on the outside, but the current collector including the surface porous plating fiber is a conventional mesh made of nickel. Since the current collector is relatively flexible as compared to a skeleton current collector, the positive electrode 102 and the negative electrode 103 using the current collector are also relatively flexible, and are relatively easy to be wound into a roll. The battery 101 itself can be easily assembled.
[0069]
In addition, since the current collector containing the surface porous plating fibers has excellent current collecting properties, the amount of fibers constituting the current collector can be reduced, and the porosity of the current collector can be increased. Since the filling amount can be increased, a high-capacity battery can be manufactured.
[0070]
In the above-described embodiment, the battery in which the power generator 106 wound in a roll shape is inserted into the cylindrical battery case 107 has been described. However, the battery case may be a rectangular tube. May be formed by winding a positive electrode 102 and a negative electrode 103 in a spiral angle as shown in FIG. 4 or by bending and laminating them in a bellows shape as shown in FIG.
[0071]
Hereinafter, examples of the current collector of the present invention will be described, but the present invention is not limited to the following examples.
[0072]
【Example】
(Example 1)
A core-sheath composite fiber having a core component of polypropylene, a sheath component of high-density polyethylene (melting point: 135 ° C.), a fineness of 11 dtex (fiber diameter: 39 μm) and a fiber length of 5 mm (the sheath component covers the entire fiber surface) The fiber web was formed by a wet papermaking method using a slurry in which 100% by weight of the occupied cross section was circular. This fiber web was heat-treated with a drier set at a temperature of 135 ° C. to fuse the sheath component of the core-sheath composite fiber, and the basis weight was 120 g / cm. 2 To produce a nonwoven fabric having a thickness of 1.5 mm.
[0073]
Next, this nonwoven fabric is subjected to sulfonation treatment by immersing it in fuming sulfuric acid at a temperature of 80 ° C. -3 Was produced.
[0074]
Next, sodium chloride (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was pulverized with a pulverizer to obtain sodium chloride fine particles having an average primary particle diameter of 8.0 μm.
[0075]
Next, 100 g of the sodium chloride fine particles were placed in a petri dish having a diameter of 15 cm, heated in a dryer set at a temperature of 140 ° C. for 30 minutes or more with the lid covered, and immediately after the petri dish was taken out from the dryer, the above sulfonated nonwoven fabric ( (10 cm square) was placed in a Petri dish, and the Petri dish was immediately vibrated for 30 seconds to fix sodium chloride fine particles on the entire sulfonated nonwoven fabric, thereby producing a sodium chloride fine particle-fixed sulfonated nonwoven fabric. Thereafter, the sodium chloride fine particles were removed by washing the sodium chloride fine particle-fixed sulfonated nonwoven fabric with water to produce a sulfonated nonwoven fabric composed of surface porous fibers having pores formed only on the surface.
[0076]
Next, the sulfonated nonwoven fabric composed of surface porous fibers was charged into a beaker into which the refining agent had been injected, and the sulfonated nonwoven fabric was stirred with a stirrer so that the refining agent was permeated, and then the sulfonated nonwoven fabric was washed with water.
[0077]
Next, the sulfonated nonwoven fabric is put into a beaker into which an aqueous solution containing 10 g / L of stannous chloride and 20 mL / L of hydrochloric acid has been injected, and the sulfonated nonwoven fabric is stirred by a stirrer so that the aqueous solution permeates. The nonwoven fabric was washed with water. Thereafter, the sulfonated nonwoven fabric is put into a beaker into which an aqueous solution containing 1 g / L of palladium chloride and 20 mL / L of hydrochloric acid has been injected, and the sulfonated nonwoven fabric is stirred by a stirrer so that the aqueous solution permeates the sulfonated nonwoven fabric. Was catalyzed.
[0078]
Then, after washing the catalyzed sulfonated nonwoven fabric with water, an electroless nickel plating solution having various concentrations of nickel sulfate 18 g / L, sodium citrate 10 g / L, hydrated hydrazine 50 mL / L, and 25% ammonia water 100 mL / L. Was poured into a beaker, and the catalyzed sulfonated nonwoven fabric was stirred for 1 hour with a stirrer so as to allow the plating solution to pass therethrough while heating to a temperature of 80 ° C., thereby performing electroless plating.
[0079]
Thereafter, the sulfonated nonwoven fabric that has undergone the plating step is taken out, washed with water, and further dried. 2 , Thickness: 1.5 mm, porosity: 91%, total fiber surface area per unit volume of plated nonwoven fabric: 600 cm 2 / Cm 3 , Semi-spherical shape, shape of aperture: substantially polygonal, average diameter of aperture: 5.0 μm, major axis of aperture / minor axis of aperture = 1.2, average depth of pore: 3.0 μm, pore length: 1.4 times the opening width, number of pores: 500 / 10,000 μm 2 ) Got. The plating ratio (R) is a value obtained by the following equation.
R = {(Wa−Wb) / Wa} × 100
Here, R means the plating ratio (%), and Wa is the weight after plating, that is, the basis weight of the current collector (g / m2). 2 ), And Wb is the weight before plating, that is, the basis weight (g / m2) of the sulfonated nonwoven fabric composed of surface porous fibers. 2 ).
[0080]
(Comparative Example 1)
The sulfonated nonwoven fabric produced in the same manner as in Example 1 was subjected to plating treatment without subjecting the core-sheath type composite fiber to surface porosity treatment, and the plating ratio was 50%, that is, a current collector (basis weight: 240 g). / M 2 , Thickness: 1.5 mm, porosity: 90%, total fiber surface area per unit volume of plated nonwoven fabric: 400 cm 2 / Cm 3 ) Got.
[0081]
(Example 2)
A sulfonated nonwoven fabric made of surface porous fibers was produced in exactly the same manner as in Example 1 except that the vibration time in the petri dish was set to 5 seconds.
[0082]
Next, the sulfonated nonwoven fabric made of the surface porous fiber was subjected to plating treatment in exactly the same manner as in Example 1, and the plated nonwoven fabric having a plating ratio of 50%, that is, a current collector (basis weight: 240 g / m2) 2 , Thickness: 1.5 mm, porosity: 91%, total fiber surface area per unit volume of plated nonwoven fabric: 500 cm 2 / Cm 3 , Semi-spherical shape, shape of aperture: substantially polygonal, average diameter of aperture: 5.0 μm, major axis of aperture / minor axis of aperture = 1.2, average depth of pore: 3.0 μm, pore length: 1.4 times the opening width, number of pores: 400 / 10,000 μm 2 ) Got.
[0083]
(Comparative Example 2)
A core-sheath type composite fiber having a core component of polypropylene, a sheath component of high-density polyethylene (melting point: 135 ° C.), a fineness of 6.6 dtex (fiber diameter: 30 μm) and a fiber length of 5 mm (sheath the entire fiber surface) A fiber web was formed by a wet papermaking method using a slurry in which 100% by weight of the components occupied (cross-sectional shape: circular) was dispersed. This fiber web was heat-treated with a dryer set at a temperature of 135 ° C. to fuse the sheath component of the core-sheath type composite fiber to give a basis weight of 120 g / cm. 2 To produce a non-woven fabric having a thickness of 1 mm.
[0084]
Next, this nonwoven fabric is subjected to sulfonation treatment by immersing it in fuming sulfuric acid at a temperature of 80 ° C. -3 Was produced.
[0085]
Next, this sulfonated nonwoven fabric was plated in the same manner as in Example 1 without performing the surface-poration treatment of the core-sheath type conjugate fiber, and the plated nonwoven fabric having a plating ratio of 50%, that is, a current collector (basis weight: 240 g / m 2 , Thickness: 1 mm, porosity: 83%, total fiber surface area per unit volume of plated nonwoven fabric: 600 cm 2 / Cm 3 ) Got.
[0086]
(Comparative Example 3)
After spinning the fiber by mixing the solid particles, a whole porous fiber (fineness: 11 dtex, fiber length: 5 mm) having fine pores on the fiber surface and inside was prepared by extracting and removing the solid particle.
[0087]
Next, a core-in-sheath type composite fiber (fineness: 2.2 dtex, fiber length: 10 mm), 20 mass, in which the whole porous fiber 80 mass%, the core component is made of polypropylene, and the sheath component is made of high-density polyethylene (melting point: 135 ° C.). % Was dispersed to form a fiber web by a wet papermaking method. This fiber web was heat-treated with a drier set at a temperature of 135 ° C. to fuse the sheath component of the core-sheath composite fiber, and the basis weight was 120 g / cm. 2 To produce a non-woven fabric having a thickness of 1.2 mm.
[0088]
Next, this nonwoven fabric was subjected to a sulfonation treatment and a plating treatment in the same manner as in Example 1, and the plating ratio was 50%, that is, a current collector (basis weight: 240 g / m2). 2 , Thickness: 1.2 mm, porosity: 85%, total fiber surface area per unit volume of plated nonwoven fabric: 500 cm 2 / Cm 3 , Sponge-like, shape of aperture: substantially circular, average diameter of aperture: 1 μm, major axis of aperture / minor axis of aperture = 1.1, average depth of pore: more than 15 μm, fine Pore length: more than 3 times the opening width, number of pores: 8000/10000 μm 2 ) Got.
[0089]
(Peeling test)
After sticking an adhesive tape (Nitto 31B, manufactured by Nitto Denko Corporation) to each current collector, pressing strongly with a finger, pulling one end of the adhesive tape, separating the adhesive tape from the current collector, and removing nickel from the current collector. The presence or absence of peeling of the plating was observed. The results were as shown in Table 1.
[0090]
(Measurement of utilization rate)
An AA (AA) type battery (theoretical capacity of the batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 was 1200 mAh, using the current collectors of Examples and Comparative Examples for the positive electrode and foamed nickel for the negative electrode, respectively. The theoretical capacity of the battery of Example 2 was 950 mAh, and the theoretical capacity of the battery of Comparative Example 3 was 1000 mAh).
[0091]
Next, the battery was activated by charging and discharging at a temperature of 20 ° C. and 0.1 C (120 mAh), respectively, and further charged and discharged at 0.1 C for 5 cycles. The rate was calculated.
[0092]
Next, charging and discharging were performed for 5 cycles at a test current of 4.0 C (4800 mAh), and the 4.0 C utilization was calculated from the average of the discharge capacity for 5 cycles. The utilization rate (U, unit:%) was calculated by the following equation.
U = (C 5 / Ct) × 100
Here, U represents the utilization rate (%), and C 5 Represents the average (mAh) of the discharge capacity of 5 cycles, and Ct represents the theoretical capacity (mAh).
[0093]
[Table 1]
Figure 2004127567
[0094]
As is clear from the results of the theoretical capacity of the battery shown in Table 1, the current collector containing the surface perforated plating fiber of the present invention was able to increase the capacity and was excellent in current collection performance. Further, as is apparent from the results of the 4.0C utilization rate, the current collector of the present invention was excellent in current collection performance in high-rate discharge.
[0095]
【The invention's effect】
The current collecting material of the present invention has excellent current collecting properties. Also, a high-capacity battery can be manufactured.
[0096]
The battery of the present invention is excellent in current collection performance and can be a high capacity battery.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a schematic cross-sectional image of a surface porous plating fiber of the present invention.
(B) Cross-sectional image pattern diagram of another surface porous plating fiber of the present invention
(C) A schematic cross-sectional image of the surface porous plated fiber of the present invention in the fiber axis direction.
(D) Cross-sectional image schematic diagram of another surface porous plated fiber of the present invention in the fiber axis direction
FIG. 2 is a partially cutaway perspective view of the alkaline secondary battery of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view taken along line AA of FIG. 2 in which a current collector is wound in a spiral circle.
FIG. 4 is a sectional view corresponding to FIG. 3 in which a current collector is wound in a spiral angle;
FIG. 5 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 3 in which current collectors are bent and stacked in a bellows shape;
[Explanation of symbols]
10 Surface porous plating fiber
11 pores
12 Fiber surface
13 Opening
101 Battery
102 positive electrode
102a Nickel piece
103 Negative electrode
104 separator
104a first separator
104b second separator
106 generator
107 Battery case
107a Can bottom
107b Constriction
108 sealing plate
108a protrusion
109a Lower insulator
109b Upper insulator

Claims (6)

表面のみに細孔が形成されており、かつ表面にメッキ層を有する表面多孔メッキ繊維を含む、表面にメッキ層を有するメッキ繊維のみから構成されているメッキ不織布からなることを特徴とする電池用集電材。For a battery, characterized in that it is formed of a plated non-woven fabric that is formed only of plated fibers having a plated layer on the surface, and has pores formed only on the surface and includes surface porous plated fibers having a plated layer on the surface. Current collector. 前記細孔の開孔部の形状が略円形又は略多角形であり、前記開孔部の平均径が0.5〜15μmであることを特徴とする、請求項1記載の電池用集電材。2. The current collector for a battery according to claim 1, wherein the shape of the opening of the pore is substantially circular or substantially polygonal, and the average diameter of the opening is 0.5 to 15 [mu] m. 前記細孔の平均深さが0.1〜15μmであることを特徴とする、請求項1又は請求項2記載の電池用集電材。The current collector for a battery according to claim 1, wherein an average depth of the pores is 0.1 to 15 μm. 前記細孔の個数が繊維表面10000μmあたり10〜55000個であることを特徴とする、請求項1〜請求項3のいずれかに記載の電池用集電材。4. The current collector for a battery according to claim 1, wherein the number of the pores is 10 to 55000 per 10,000 μm 2 of the fiber surface. 5. 前記メッキ不織布の単位体積当たりにおける繊維総表面積が500cm/cm以上であることを特徴とする、請求項1〜請求項4のいずれかに記載の電池用集電材。It said fibers the total surface area per unit volume of the plating nonwoven, characterized in that it is 500 cm 2 / cm 3 or more, battery current collector according to any one of claims 1 to 4. 請求項1〜請求項5のいずれかに記載の電池用集電材を用いている電池。A battery using the battery current collector according to claim 1.
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