JP2007234445A - 電池 - Google Patents

Abstract

【課題】金属薄板に活物質を含む合剤層を保持させた帯状の電極を用いる際に、金属薄板の露出部を折り曲げて構成する集電体との接合部の構造を適正化することによって、電池不良の誘発を抑制した良好な高出力タイプの電池を提供する。
【解決手段】本発明の電池は、金属薄板の上に活物質を含む合剤層を形成した帯状の電極を捲回して電極群を構成し、この電極群の上下面の少なくともいずれかに集電体を接合してなる電池であって、電極の長辺の少なくとも片方に沿って金属薄板の上に合剤層を形成しない露出部を設けてこの露出部を１回以上折り曲げて集電体と接合させる接合部を設ける際に、接合部の厚みをＴ、金属薄板の厚みをｔ、接合部における折り曲げ回数をｎとしてＴ=（ｎ＋１）×ｔ×α（１．１≦α≦１．５）なる関係を持たせたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は高出力タイプの電池に関し、より詳しくは電極と集電体とを課題なく溶合するための技術に関する。

電池、特にアルカリ蓄電池などの二次電池は、電気自動車用などの高出力用途への展開が進んでいる。このような電池を構成する電極は、集電を効率的に行うために、活物質を含む合剤ペーストを金属薄板上に塗着して合剤層を形成する際に、上端または下端に合剤層を形成しない露出部を形成するのが一般的である。その後、帯状に加工した正極板と負極板とを互いに上下方向にずらしてセパレータを介して捲回して渦巻状の電極群を構成し、この電極群の正極板上端縁の露出部に正極集電体を接合し、負極下端縁の露出部に負極集電体を接合している。

集電体と露出部とを接合する方法には抵抗溶接法やレーザー溶接法、あるいは超音波溶接法があるが、生産性やコストの観点から抵抗溶接法が一般的である。その際、電極群に対して一定の圧力を加えないと溶接強度が確保できないために電極の芯材である金属薄板にはある程度の強度が必要となり、一般的には芯材の厚みを６０μｍ以上として強度を確保していた。

一方、電池をより高容量化するためには金属薄板を薄くすることが効果的である。具体的に、厚みが６０μｍ未満の金属薄板を使用する場合には、例えば特許文献１に記載されているように、露出部を折り曲げることによって集電体との接合部を設け、この接合部に抵抗溶接時の加圧に対する強度を確保させる方法が有効と考えられる。
実開平０６−０７９０６６号公報

特許文献１の技術は電極よりはるかに幅が狭い短冊状のリードに対して開発されたものである。しかしながら帯状の長辺に沿った長い露出部を有する電極を用いた電池にこの技術を無作為に展開した場合、折り曲げ方が不均一であれば電極群構成時に曲率の差により接合部においてしわが発生し、このしわが接合部の厚みをばらつかせることにより、接合部の一部が対極と接触して短絡不良が発生するという課題があった。

本発明は上記課題を解決するためのものであり、金属薄板に活物質を含む合剤層を保持させた帯状の電極を用いる際に、金属薄板の露出部を折り曲げて構成する集電体との接合部の構造を適正化することによって、電池不良の誘発を抑制した良好な高出力タイプの電池を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために本発明の電池は、金属薄板の上に活物質を含む合剤層を形成した帯状の電極を捲回して電極群を構成し、この電極群の上下面の少なくともいずれかに集電体を接合してなる電池であって、電極の長辺の少なくとも片方に沿って金属薄板上に合剤層を形成しない露出部を設けてこの露出部を１回以上折り曲げて集電体と接合させる接合部を設ける際に、接合部の厚みをＴ、金属薄板の厚みをｔ、接合部における折り曲げ回数をｎとしてＴ=（ｎ＋１）×ｔ×α（１．１≦α≦１．５）なる関係を持たせたことを特徴とする。

上述した式におけるαは接合部における金属薄板間の隙間に相当するが、この隙間を適正化することにより、しわなどの歪みを発生させることなく接合部を形成できるので、電池不良を誘発しない良好な高出力型電池を具現化することが可能となる。

本発明によれば、高容量化を目的として薄い金属薄板を用い、この露出部を折り曲げて集電体との接合部を構成した場合でも電池不良の誘発が抑制できるので、高出力タイプの電池を歩留よく提供できる。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照しながら説明する。

本発明は、金属薄板の上に活物質を含む合剤層を形成した帯状の電極を捲回して電極群を構成し、この電極群の上下面の少なくともいずれかに集電体を接合してなる電池であって、電極の長辺の少なくとも片方に沿って金属薄板上に合剤層を形成しない露出部を設けてこの露出部を１回以上折り曲げて集電体と接合させる接合部を設ける際に、接合部の厚みをＴ、金属薄板の厚みをｔ、接合部における折り曲げ回数をｎとしてＴ=（ｎ＋１）×ｔ×α（１．１≦α≦１．５）なる関係を持たせたことを特徴とする。

図１（ａ）は本発明の電池に用いる電極に接合部を設ける前の概略断面図、図１（ｂ）は接合部を設けた後の概略断面図、図２（ａ）は図１の電極を捲回して構成した電極群の部分概略図、図２（ｂ）は集電体を接合した電極群の部分概略図である。金属薄板１の上に活物質を含む合剤層２を形成して帯状の電極を作製する際に、電極の長辺の少なくとも片方に沿って金属薄板１の上に合剤層２を形成しない露出部３を設け、この露出部３を１回以上折り曲げて集電体６と接合させる接合部４を設ける。ここで接合部４の厚みをＴ、金属薄板１の厚み（露出部３の厚みと同義）をｔ、接合部４における折り曲げ回数をｎとしたときに、Ｔ=（ｎ＋１）×ｔ×α（１．１≦α≦１．５）なる関係を持たせている。

上述した式におけるαは接合部４における金属薄板１どうしの隙間に相当するが、この隙間を適正化することにより、しわなどの歪みを発生させることなく接合部４を形成できる。仮に上述した式においてαを１．１未満とした場合、金属薄板１どうしの隙間を極小化するために接合部４に過剰な応力が加わるため、電極の片側のみが伸びることで電極が湾曲して電極群が巻きずれを起こし、セパレータ５が極性の異なる電極どうしを隔てられなくなるので、短絡不良が発生する。逆に上述した式においてαが１．５を超えるようにした場合、金属薄板１どうしの隙間が大きすぎるため、図３に示すように電極群を構成する際に接合部４の折りしろを境に金属薄板１の曲率半径差に端を発するしわが発生し、部分的にセパレータ５が極性の異なる電極どうしを隔てられなくなるので、短絡不良が発生する。よって上述した式において１．１≦α≦１．５なる関係を満たすことが必須となる。なお図１では露出部３を１回折り曲げた態様を示したが、折り曲げ回数ｎは１以上の任意の整数を選択できる。

本発明の電池についてさらに詳述する。本発明はあらゆる電池に展開可能であるが、特にアルカリ蓄電池やリチウム二次電池など、図２（ｂ）のように集電体６を活用する方が有利な高出力タイプの二次電池に有効である。以下、高出力タイプの二次電池として一般的なニッケル水素蓄電池を例に、本発明の電池の構成について詳述を進める。

正極は活物質を含む合剤とニッケルなどからなる三次元金属多孔体とから構成される。活物質である水酸化ニッケルと、結着剤であるポリテトラフルオロエチレンなどの樹脂材料と、増粘剤であるカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）やポリビニルアルコール（ＰＶＡ）など適度な粘性を付与できる樹脂材料とを用いて合剤ペーストを作製する。合剤ペ
ースト中には導電剤として、一酸化コバルトや金属コバルトなどのコバルト化合物をさらに添加する。この合剤ペーストを三次元金属多孔体に充填することにより、正極が構成される。

負極は負極活物質を含む合剤と金属薄板１とから構成される。活物質である水素吸蔵合金と、導電剤であるカーボンブラックなどの炭素材料と、結着剤であるスチレン−ブタジエン共重合体（ＳＢＲ）などの樹脂材料と、増粘剤としてＣＭＣやＰＶＡなど適度な粘性を付与できる樹脂材料とを用いて合剤ペーストを作製する。この合剤ペーストを穿孔加工した鋼板にニッケルなどのメッキを施したパンチングメタルなどの金属薄板１（露出部３を除く）に塗布することにより、負極が構成される。

セパレータ５にはポリエチレン（ＰＰ）などのポリオレフィン系樹脂からなる不織布にスルホン化処理などの親水化処理を施したものなどを用いることができる。上述した帯状の正極と負極との間にこのセパレータ５を配置して、渦巻状に捲回することにより電極群が構成される。この電極群の上下面の少なくともいずれかに集電体６を接合し、その後にこの電極群を円筒型などの金属ケースに挿入し、さらにＫＯＨなどのアルカリ水溶液からなる電解液を注入して蓋をすることにより、本発明の電池が構成される。なおここで集電体６と接合される電極の接合部分には接合部４が設けられていることは云うまでもない。

以下に本発明の実施例を示す。なお本実施例ではニッケル・水素蓄電池の負極のみを用いて擬似電極群を捲回構成し、本発明の効果を明確化させた。

（実施例１）
一般式ＭｍＮｉ_3.55Ｃｏ_0.75Ｍｎ_0.4Ａｌ_0.3（Ｍｍは軽希土類の混合物であるミッシュメタル）で表される水素吸蔵合金を用い、これを湿式ボールミルにより水中で平均粒径３０μｍに粉砕して合金粉末を得た。この合金粉末を、導電剤としてケッチェンブラック、増粘剤としてＣＭＣ、結着剤としてＳＢＲを用い、分散媒である水と混合して合剤ペーストを作製した。

この合剤ペーストを厚さ５０μｍ、パンチング孔径１ｍｍ、開孔率４２％のニッケルめっきを施した穿孔鋼板（パンチングメタル）に塗布し、乾燥した。なおパンチングメタルには塗布方向に沿って合剤ペーストが塗布されないようにシーリングし、露出部を設けた。塗布速度２ｃｍ／秒で５時間（２８８ｍ）連続塗布乾燥し、できあがった塗着フープを圧延した後、幅３５ｍｍ、長さ１０００ｍｍ、厚さ０．４ｍｍの寸法に切断し、負極を作製した。幅３５ｍｍのうち３２ｍｍに合剤層を設け、３ｍｍを露出部とした。この露出部のうち先端から１ｍｍ部分を折りしろにして圧縮しながら該１８０°折り曲げ、厚みが１３０μｍである接合部を設けた。これを実施例１とする。

（実施例２、３）
露出部を折り曲げる時の圧縮度合を変え、接合部の厚みを１１０μｍ（実施例２）および１５０μｍ（実施例３）とした以外は実施例１と同様に負極を作製した。これを実施例２および３とする。

（比較例１〜４）
露出部を折り曲げる時の圧縮度合を変え、接合部の厚みを１０２μｍ（比較例１）、１０６μｍ（比較例２）、１７０μｍ（比較例３）および２００μｍ（比較例４）とした以外は実施例１と同様に負極を作製した。これを比較例１〜４とする。

できあがった負極について、以下の評価を行った。

（湾曲量）
各例の負極を水平な台の上に置き、芯材を折り曲げた辺の片側を定規に押し当て、反対側が定規から離れた距離を湾曲量とし、各例ごとにそれぞれ５０枚づつ測定し、平均値を（表１）に記した。

（巻きずれ量）
切断後の負極を２枚用い、各例ともに５０個ずつ直径が３５ｍｍとなるように捲回して擬似電極群を構成し、その理論高さ３５ｍｍからのずれ値の最大値を巻きずれ量として（表１）に記した。

（短絡不良率）
巻きずれ量をの測定と同じ容量で擬似電極群を構成した。ただし２枚の負極の間にはスルホン化処理したＰＰ不織布を介在させた。このような擬似電極群を各例ごとに５００個ずつ作製した。２枚の負極の間に２００Ｖの電圧を付加し、１ｋΩ以下の抵抗値を示したものを短絡不良としてその数を確認し、短絡不良率を算出して（表１）に記した。

比較例１および２のようにαが１．１未満になると、急激に湾曲量は大きくなった。その結果巻きずれ量も増加し、短絡不良も増大した。また、比較例３および４のようにαが１．５を超えると、電極群を構成した際に接合部のしわが顕著化し、これが対極と接触するために短絡不良率が増大した。短絡不良率は接合部の厚みが増しαが大きくなるに従って増大した。

これら比較例に対し、実施例１〜３は湾曲量が小さく電極群構成時のしわも抑制されたために短絡不良は発生しなかった。

本発明の製造方法は、電池用電極の金属薄板を薄くしても安定した品質を提供できるので、高容量と高出力の双方が求められる電源分野に寄与するものである。

（ａ）本発明の電池に用いる電極に接合部を設ける前の概略断面図、（ｂ）接合部を設けた後の概略断面図 （ａ）図１の電極を捲回して構成した電極群の部分概略図、（ｂ）集電体を接合した電極群の部分概略図 αが１．５を超えた場合の不具合を示す電極群の部分概略図

符号の説明

１ 金属薄板
２ 合剤層
３ 露出部
４ 接合部
５ セパレータ
６ 集電体

Claims (1)

1. 金属薄板の上に活物質を含む合剤層を形成した帯状の電極を捲回して電極群を構成し、この電極群の上下面の少なくともいずれかに集電体を接合してなる電池であって、
   前記電極の長辺の少なくとも片方に沿って前記金属薄板の上に前記合剤層を形成しない露出部を設けて、この露出部を１回以上折り曲げて前記集電体と接合させる接合部を設ける際に、
   前記接合部の厚みをＴ、前記露出部の厚みをｔ、前記接合部における前記露出部の折り曲げ回数をｎとして、Ｔ=（ｎ＋１）×ｔ×α（１．１≦α≦１．５）なる関係を持たせたことを特徴とする電池。