JP2007005044A - 電池用金属多孔体 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂シートを基材として作られる金属多孔体の厚さの均一性、機械的特性の均一性を保ち、作られる電池の特性を均一化させる。
【解決手段】発泡樹脂のブロック体をシート状にスライスして得られたフープ状の発泡樹脂シート基材に金属材料をメッキすることにより得られ、電池の電極材として使用される金属多孔体において、金属多孔体シートの側面断面の平均金属骨格数が、５個／ｍｍ²以上、１４個／ｍｍ²以下であることを特徴とする電池用金属多孔体である。
【選択図】なし

Description

本発明は、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池などの二次電池に用いられる電池用電極材に適した金属多孔体に関する。

従来、電池用電極にはNｉの金属多孔体シートを基材として、これに活物質を充填し、セパレータと対極のシートとを重ね合わせて、捲回することにより、円筒状の電池が作られている。金属多孔体は、主として樹脂発泡体に導電処理を施し、これを電気めっきすることにより、所定の金属を付着させた後、焙焼・還元処理することによって得られる。（例えば，特許文献１、特許文献２参照）
樹脂発泡体は主として図3に示す発泡ポリウレタン７が使われているが、発泡工程での問題からシート状の発泡体を直接得ることは難しく、大きなブロックで発泡体を作った後、これをスライスして発泡状のポリウレタンシート８を得ている。

上記の発泡ポリウレタンシートを基材として作られる金属多孔体は、電池用電極材として使用される場合、調厚後、活物質を充填し、圧延工程、捲回工程を経て、電池として組立てられる。
特開平３−２２６９６９号公報 特開平９−１５３３６５号公報

上記の発泡ポリウレタンシートを基材として作られる金属多孔体は、電池の特性を均一化させるため、活物質を均一に充填させる必要があり、そのためには、金属多孔体の厚さの均一性、機械的特性の均一性等が要求される。

前記課題の解決のため、活物質の充填性や機械的特性の均一性を確保するには、シート状に形成された金属多孔体の側断面と骨格数が特定の範囲内であり、又、そのバラツキが一定以下であることが重要であることが分った。

即ち、本発明は下記の構成よりなる。
（１）発泡樹脂のブロック体をシート状にスライスして得られたフープ状の発泡樹脂シート基材に金属材料をメッキすることにより得られ、電池の電極材として使用される金属多孔体において、金属多孔体シートの側面断面の平均金属骨格数が、５個／ｍｍ²以上、１４個／ｍｍ²以下であることを特徴とする電池用金属多孔体。
（２）上記金属多孔体シートの側面断面の金属骨格数が、シートの長手方向のバラツキで３０％以内であることを特徴とする前記（１）記載の電池用金属多孔体。

まず、骨格数は金属多孔体を調厚する前の段階、即ち、金属多孔体をめっきした後、又は、熱処理を行った後において、５〜１４個／ｍｍ²である必要がある。骨格数が５個／ｍｍ²未満の場合、シートの骨格強度が不足し、金属多孔体生産工程で破断を起し、安定して生産できないか、又は、生産できた場合、長手方向に伸びが発生し、均一性に劣る。骨格数が１４個／ｍｍ²を越える場合、骨格が邪魔をして活物質の充填性が著しく低下し、活物質の充填量が減少する。これにより、電池の特性が大きくばらつくという問題が発生する。

なお、上記の骨格数の値は、金属多孔体を樹脂に埋め込み、断面を研磨し、その研磨面の平面上に現れる金属骨格数を顕微鏡で拡大し、単位面積当りの個数を数えて求める。また、この骨格数は、金属多孔体のめっき後もしくは熱処理後の値であり、金属多孔体を調厚した場合、その圧縮率に応じてこの値は高くなる。即ち、熱処理後に５０％の厚さに調厚した場合には、１０〜２８個／ｍｍ²となる。

又、金属多孔体シートの側面断面の金属骨格数がばらつくと、金属多孔体の調厚工程で厚さのばらつきが発生し、これにより活物質の充填量がばらつく。この骨格数のばらつき量は、１ｍｍ²当りの骨格数換算で、３０％以下であることが望ましい。この場合、調厚時の厚さばらつきが、ほぼ無視できる程度に減少する。

なお、ここでの骨格数のばらつきは、３ｍｍ²以上の面積において骨格数を数えて１ｍｍ²当りの骨格数を換算し、このような測定を１０箇所以上で行い、その測定値の標準偏差の3倍を骨格数の平均値で割って割合を出し、この値をばらつきと定義した。

本発明の金属多孔体は、金属多孔体シートの長手方向に対して側断面の骨格数が５個／ｍｍ²以上、１４個／ｍｍ²以下のものは、活物質の充填が安定しており、かつ、安定して金属多孔体の製作を行うことができる。又、金属多孔体シートの側面断面の金属骨格数が、シートの長手方向のばらつきで３０％以内である場合、電池の特性ばらつきに影響を与える引張強度や厚さばらつきを小さく抑えることができる。

以下、実施例に基いて本発明を具体的に説明する。
実施例１
図１に示すようなポリウレタン発泡体ブロック１を製造した。このブロックの上面部２を切断線４のところで切断除去して、底面側のみで底面１１００ｍｍ×１１００ｍｍ、高さ５５０ｍｍのポリウレタンブロック３を２つ作り、それらのポリウレタンブロック３を図2に示す如く、２段に積層し、その接合面５において、界面の柔軟性を高め、ポリウレタン発泡体との接合性を高めるためにウレタン樹脂を配合した熱硬化性のエポキシ系の接着剤で接合した。その後、図２に示す軸（縦軸）を中心に外周部よりピーリングを行い発泡ポリウレタンシート６を切出した。

こうして作製したポリウレタンシートの厚みは１．８ｍｍで、幅が１１００ｍｍ、平均気孔径は５００μｍであった。これに導電性カーボンを塗布した。この塗布工程において、ポリウレタンシートには、長手方向に２０．５Nの張力を加え、長手方向に引き伸ばしながら導電化処理を行った。その後、ニッケルを電気めっきにより、５５０ｇ／ｍｍ²付着させた。
これを水洗し、７００℃の酸化雰囲気中でウレタンと黒鉛塗料を燃焼除去し、１０００℃の水素雰囲気中で加熱してニッケルを還元するとともにアニールして、金属多孔体を得た。

このニッケル金属多孔体を顕微鏡で観察し、金属多孔体シートの側面断面５．４ｍｍ²当りの骨格数を測定し、これを基に１ｍｍ²当りの骨格数に換算した。この測定は長手方向２ｍで１０箇所に対して行った。測定結果を表１に示す。なお、表１には図３に示す従来の製造法で製作したポリウレタンシートを用いて作製した金属多孔体の値を比較例として示す。すなわち、従来法では、製造したポリウレタン発泡体ブロックを、そのまま横軸を中心にしてピーリングを行い、ポリウレタン発泡体シートを作製した。

この従来法のものは、以下に述べるように本発明に比べて、骨格数、引張強度、厚さ共にばらつきが大きかった。

まず、幅２０ｍｍの試験片で引張強度を測定した。この測定は、上記測定と同様に２ｍに対して１０箇所で実施した。測定結果を表２に示す。

更に、初期の状態で１．８ｍｍの厚さである金属多孔体シートを調厚工程で１．４ｍｍに調厚した段階での厚さばらつきを測定した結果を表３に示す。又、長手方向のばらつきを骨格数のばらつきが大きい比較サンプルと併せ図４と図５に示す。この測定は、長手方向２ｍに対して２０箇所で実施した。
図４には従来法の、又、図５には本発明実施例１のそれぞれ長手方向位置と厚さの関係を測定したグラフ１及びグラフ２を示す。

実施例の様に、金属多孔体の側面骨格数のばらつきが３０％以下と小さいものでは、電池の特性の均一化に重要な引張強度や厚さばらつきが小さくなった。

実施例２
図１に示すようなポリウレタン発泡体ブロック１を製造した。このブロック１の底面部から３０ｍｍと上面部２を切断除去して、底面１０５０ｍｍ×１０５０ｍｍ、高さ３５０ｍｍのポリウレタンブロック３を３つ作り、それらを３段に積層し、その界面をアクリル系の接着剤で接合した。
その後、実施例１と同様に上下方向を軸とする方向で外周部よりピーリングを行い発泡ポリウレタンシ−ト６を切出した。

こうして作製したポリウレタンシート６の厚みは１．４ｍｍで、幅が１０５０ｍｍ、平均気孔径は４５０μｍであった。これに導電性カーボンを塗布した後、ニッケルを電気めっきにより、４５０ｇ／ｍ²付着させた。この電気めっき工程の初期において、ポリウレタンシートには、長手方向に１７．０Ｎの張力を加え、長手方向に引き伸ばしながら電気めっきを行った。
これを水洗し、７００℃の酸化雰囲気中でウレタンと黒鉛塗料を燃焼除去し、１０００℃の水素雰囲気中で加熱してニッケルを還元するとともにアニールして、金属多孔体を得た。

この金属多孔体を顕微鏡で観察し、金属多孔体シートの側面断面４．２ｍｍ²当りの骨格数を測定し、これを基に１ｍｍ²当りの骨格数に換算した。この測定を長手方向２ｍに対して１０箇所に対して行った。測定結果を表４に示す。なお、表１〜３には図３に示す従来の製造法で製作したポリウレタンシートを用いて作製した金属多孔体の値を比較例として併記した。

又、幅２０ｍｍの試験片で引張強度を測定した。この測定は、上記測定と同様に２ｍに対して１０箇所で実施した。測定結果を表５に示す。

更に、初期の状態で１．４ｍｍである金属多孔体シートを調厚工程で０．９ｍｍに調厚した段階での厚さばらつきを測定した結果を表６に示す。又、長手方向のばらつきを骨格数のばらつきが大きい比較サンプルと併せ図６と図７に示す。この測定は、長手方向２ｍに対して２０箇所に対して実施した。
実施例のように、金属多孔体の側面骨格数のばらつきが３０％以下と小さいものでは、電池の特性の均一化に重要な引張強度や厚さばらつきが小さくなった。

図６には従来法の、又図７は本発明実施例２のそれぞれ長手方向位置と厚さとの関係を測定したグラフ３とグラフ４とを示す。

実施例３
実施例１の金属多孔体と同一の製法で作製し１ｍｍ²骨格数が４５個／ｍｍ²から１５個／ｍｍ²である金属多孔体（いずれも厚さ１．８ｍｍ、５５０ｇ／ｍ²）を作り、厚さ１．４に調厚し、これを４５ｍｍ×５５ｍｍに切断した後、水酸化ニッケルを主とする活物質を充填した。その後、表面を平滑化し、１２０℃で１時間乾燥した。得られた電極の活物質充填前後の質量差を測定することにより、この金属多孔体への活物質充填量を測定した。

このようにして、活物質充填量を測定した結果を表７に示す。表7では、各々の仕様に対し、各３個作製し、充填量の平均値を求めた。充填量は、製作した時の条件によりばらつきが生じるため、全てのものを同時期に作製した。又、骨格数６個／ｍｍ²の場合を１として比例計算した値を示す。

なお、骨格数が４．５個／ｍｍ²のものは、最終的な工程まで進めることはできたが、機械的強度が不足しており、導電性カーボンを塗布する導電処理工程もしくは電気めっき工程において、亀裂が多数発生したため、安定して作製できなかった。
又、１５個／ｍｍ²のものでは著しく充填性が低下し、十分に活物質を充填することができなかった。

樹脂発泡体シートを切出すための発泡体の説明図。 発泡樹脂シートの切出し工程の説明図。 従来の発泡樹脂シートの切出し工程の説明図。 実施例１に対応した従来例におけるシートの長手方向位置と厚さとの関係を測定したグラフ１を示す。 実施例１におけるシートの長手方向位置と厚さとの関係を測定したグラフ２を示す。 実施例２に対応した従来例におけるシートの長手方向位置と厚さとの関係を測定したグラフ３を示す。 実施例２におけるシートの長手方向位置と厚さとの関係を測定したグラフ４を示す。

符号の説明

１ ポリウレタン発泡体ブロック
２ 上面部
３ ポリウレタンブロック
４ 切断線
５ 接合面
６ 発泡ポリウレタンシート
７ 発泡ポリウレタン
８ ポリウレタンシート

Claims (2)

1. 発泡樹脂のブロック体をシート状にスライスして得られたフープ状の発泡樹脂シート基材に金属材料をメッキすることにより得られ、電池の電極材として使用される金属多孔体において、金属多孔体シートの側面断面の平均金属骨格数が、５個／ｍｍ²以上、１４個／ｍｍ²以下であることを特徴とする電池用金属多孔体。
2. 上記金属多孔体シートの側面断面の金属骨格数が、シートの長手方向のバラツキで３０％以内であることを特徴とする請求項１記載の電池用金属多孔体。
   
   

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