JP2008041522A

JP2008041522A - 電池

Info

Publication number: JP2008041522A
Application number: JP2006216642A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Tsutsumi; 香津雄堤; Kazuya Nishimura; 和也西村
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-08-09
Filing date: 2006-08-09
Publication date: 2008-02-21

Abstract

【課題】簡単な構造でありながら、高い出力を達成することができる電池を提供すること。
【解決手段】正極集電体と１、電解質溶液を有する正極側セル５と、略蛇腹状のセパレータ４と、電解質溶液を有する負極側セル６と、負極集電体２とをこの順序で配置する。正極側セル５内にセパレータ４に接する正極活物質を含有する略蛇腹状の成形体７を配し、負極側セル６内にセパレータ４に接する負極活物質を含有する略蛇腹状の成形体８を配している。
【選択図】図１

Description

本発明は電池に関し、特に、高い出力を達成することができる電池に関する。

従来から、電池の正極と負極とを分離して短絡を防止するとともに電解質溶液を保持して電池反応を円滑に行わせるために、正極と負極との間には、正極活物質と負極活物質が反対側の電極へ移動することがないようにこれらの両極を完全に分離し、電池の内部短絡を防止することができるイオン透過性の良好なセパレータが設置されている。近年、電子機器の小形軽量化に伴って、電池の占めるスペースも狭くなっているにも関わらず、電池には従来以上の性能を要求されることがあるため、電池の高出力化が必要である。

そのためには、電極の活物質量を増やす必要がある。理論的には１グラム当量の活物質は９６５００クーロンまたは２６．８Ａｈの電気量を発生する（グラム当量とは、反応に１モル量の電子が関与する際の活物質原子または分子の重量である）。電気化学反応に関与する電極活物質に基づく電池の理論容量は、反応物質の当量によって算出でき、例えば、Ｚｎ／Ｃｌ₂電池の理論容量は、次式で示される。

Ｚｎ（1.22g/Ah)＋Ｃｌ₂(1.32g/Ah) → ＺｎＣｌ₂(2.54g/Ah)
従って、電極活物質量を増やすことは電池の出力を増加する上において好ましいことであり、その結果、必然的にセパレータの占める体積を小さくせざるを得ず、そのために厚みの薄いセパレータが必要である。しかし、セパレータを薄くすることについては次のような問題がある。

すなわち、セパレータは電気化学反応に寄与しない電池材料であるという観点から、現実には、厚さ１１０〜１７０μｍ程度、特に厚さが１２０〜１５０μｍ程度のポリオレフィン不織布が用いられることが多く（例えば、特許文献１参照）、これより薄いものは用いられていない。これは次のような理由による。

不織布のような構造のセパレータでは、薄くすると強度が低下し、破断等により短絡する危険性がある。そこで、薄くしても十分な強度を有するためには、重量を増加することが考えられる。ところが、重量を増加することは多孔度を低下することを意味し、多孔度の低下によりイオン透過に対する抵抗が増加し、高出力の電池とすることができない。

また、活物質の充填量を一定以上に増加させることにより活物質が過密充填状態になると、所定量の電解質溶液を注入することができず、電池反応を円滑に行うことができなくなる。
特開２００５−７１７８８号公報

以上のように、電池の容量を向上する上においてセパレータの厚みを薄くするだけでは限界がある。そこで、本発明者は以下の考察を試みた。

そもそも、電池や燃料電池のような電気化学的エネルギー変換反応は定温で進行して熱サイクルを含まず、ギブス自由エネルギー基準の理論変換効率は１００％となり、高い変換効率が期待できる。化石燃料を使用する場合にも、将来の太陽エネルギーなどの再生可能なエネルギー源を利用することを考えても、エントロピー生産の最も少ない効率の高いエネルギー変換・貯蔵システムである。すなわち、一次エネルギー源がどのように変わろうとも、原理的に環境負荷を最も低減できるシステムである。

このように高い効率が期待されるシステムであるが、課題もある。その最も基本的なものは、電気化学反応が電極／電解質界面で進行することに起因するが、不均一界面で進行する反応であるから、全体の反応速度を律する上において、反応サイトである界面を増大させることが重要であると考えた。また、一般に電子に比べて大きなイオンの移動は遅いので、イオンの移動が反応の律速過程となることも考えられる。

本発明は従来の技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、簡単な構造でありながら反応界面を増大させることにより、高い出力を達成することができる電池を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、正極集電体と、電解質溶液を有する正極側セルと、略蛇腹状のセパレータと、電解質溶液を有する負極側セルと、負極集電体とをこの順序で配置してなる電池において、正極側セル内に上記セパレータに接する正極活物質を含有する略蛇腹状の成形体を配し、負極側セル内に上記セパレータに接する負極活物質を含有する略蛇腹状の成形体を配したことを特徴としている。

本発明はこのように、正極活物質を含有する成形体とセパレータならびに負極活物質を含有する成形体とセパレータが互いに略蛇腹状の反応界面で接触しているので、反応サイトが増大され、増大された反応サイトを通して正極から負極へ、あるいは負極から正極へ多量のイオンが移動し、次に説明するように充電または放電を行い、高出力を達成することができる。

例えば、充電時には、電池が発電手段と接続されると、発電手段から負極集電体を通して負極側に電子が供給され、負極活物質が電子を受容することによって発生した陰イオンはセパレータを通過して正極活物質と反応して電子を放出する。この電子は正極集電体に移動して発電手段に供給される。

一方、放電時には、電池が負荷手段と接続されると、負荷手段から正極集電体を通して正極側に電子が供給され、正極活物質が電子を受容することによって発生した陰イオンはセパレータを通過して負極活物質と反応して電子を放出する。この電子は負極集電体に移動して負荷手段に供給される。

そして、本発明は、正極活物質を含有する成形体とセパレータならびに負極活物質を含有する成形体とセパレータが互いに略蛇腹状の反応界面で接触しているので、反応サイトが増大し且つイオン拡散距離が短くなって良好なイオン拡散が得られるとともに多量に電子が放出されることによって高出力が得られる。

本発明は簡単な構造でありながら反応界面を増大させるという巧みな手段により高い出力を達成することができる電池を提供しうる。

以下に本発明を実施するための形態について説明するが、本発明は下記実施形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能なものである。

図１は、本発明の電池の一実施形態の概略構成を示す断面図である。１は正極集電体、２は負極集電体、３は絶縁体である。これらで囲まれたセル内には電解質溶液（ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨなど）が満たされ、そのセルはイオン透過性の略蛇腹状のセパレータ４によって正極側セル５と負極側セル６に２分割され、正極側セル５内に正極集電体１とセパレータ４の両方に接する正極活物質を含有する略蛇腹状のニッケルフォームからなる成形体７が配され、負極側セル６内に負極集電体２とセパレータ４の両方に接する負極活物質を含有する略蛇腹状のニッケルフォームからなる成形体８が配されている。９は負荷手段（電池が放電の場合）または発電手段（電池が充電の場合）であり、正極集電体１と配線１０により接続され、負極集電体２と配線１１により接続されている。

本発明において、略蛇腹状の成形体とは、ひだ（折り目）を有する成形体をいい、図１に示す形状のものに限定されない。

正極集電体１および負極集電体２としては、アルカリ電解液中で腐食など変質せず、イオンが通過しなくて電気伝導性があるもの、例えば、ニッケル金属板、ニッケル金属箔、炭素板、鉄やステンレス鋼にニッケルメッキした鋼板、炭素板にニッケルメッキしたものなどが使用可能である。

セパレータ４としては、アルカリ電解液中で腐食など変質せず、電気的絶縁が可能で、イオンが通過するもの、例えば、四フッ化エチレン樹脂、ポリエチレン、ポルプロピレン、ナイロンなどの織物や不織布またはメンブレンフィルターなどが使用可能である。

正極活物質を含有する略蛇腹状の成形体７と負極活物質を含有する略蛇腹状の成形体８は、ともにニッケルフォーム製である。

活物質の材料としては、電池の種類や正極・負極を問わず、すべての活物質材料を使用することができる。一例として、ニッケル水素二次電池の正極活物質である水酸化ニッケル、同電池の負極活物質である水素吸蔵合金などを用いることができる。水素吸蔵合金の一例としては、Ｌａ_0.8（Ｃｅ、Ｎｄ）_0.15Ｚｒ_0.05Ｎｉ_3.8Ｃｏ_0.8Ａｌ_0.5を用いることができる。

正極活物質を含有する略蛇腹状のニッケルフォームからなる成形体７と負極活物質を含有する略蛇腹状のニッケルフォームからなる成形体８は次のようにして製造することができる。
（１）ウレタン発泡体（ウレタンフォーム）へのニッケルメッキ
まず、ウレタンフォームを公知の製法に従って製造し、そのウレタンフォームにパラジウムを付着し、さらに、そのパラジウムを付着したウレタンフォームに電解ニッケルメッキを施すと、ニッケルメッキウレタンフォームが得られる。
（２）ニッケルの発泡体（ニッケルフォーム）の製造
そして、そのニッケルメッキウレタンフォームを焼成すると、ウレタンを構成する有機物である炭素と水素はＣＯ₂とＨ₂Ｏに熱分解されるので、ニッケルの発泡体（ニッケルフォーム）が得られる。そのニッケルフォームをさらに水素で還元すると、約９０〜９５％の気孔率の多孔ニッケルフォームが得られる。
（３）活物質の含浸
正極活物質を含有する略蛇腹状の成形体７を得る場合であれば、水酸化ニッケル粉末を含有するスラリーに多孔ニッケルフォームを浸漬することにより、多孔ニッケルフォームに水酸化ニッケルを含浸させることができる。また、負極活物質を含有する略蛇腹状の成形体８を得る場合であれば、水素吸蔵合金粉末を含有するスラリーに多孔ニッケルフォームを浸漬することにより、多孔ニッケルフォームに水素吸蔵合金を含浸させることができる。
（４）ロール状ニッケルフォームの製造
さらに、水酸化ニッケルまたは水素吸蔵合金を含浸したニッケルフォームを乾燥させ、次いで、乾燥後のニッケルフォームを上下２段のロールから構成される圧延機などにより圧延した後にロール状に巻き取って、ロール状ニッケルフォームを得る。
（５）プリーツ加工
ロール状ニッケルフォームを適切な加工機でプリーツ状に加工することにより、図１に示すような正極活物質を含有する略蛇腹状のニッケルフォームからなる成形体７または負極活物質を含有する略蛇腹状のニッケルフォームからなる成形体８を得ることができる。

負極活物質を含有する略蛇腹状の成形体８をパンチングメタル（孔あき鋼板）を素材として製造する場合、公知の製法により得たパンチングメタルに水素吸蔵合金粉末を含有するニッケルメッキ液による電解メッキを施すことにより、水素吸蔵合金含有ニッケルメッキ層をパンチングメタルの表面に形成し、次いで、そのパンチングメタルを適切な加工機でプリーツ状に加工することにより、図１に示すような負極活物質を含有する略蛇腹状のパンチングメタルからなる成形体８を得ることができる。

以上のように構成される電池について、充電および放電の機構を説明する。
（充電）
充電時には、図１において、発電手段９から配線１１を経て負極集電体２に電子が供給される。電子は、負極集電体２から直接負極活物質を含有する成形体８に移動するか、または負極側セル６の電解質溶液を経由して負極活物質を含有する成形体８に移動する。成形体８の負極活物質が電子を受容することによって発生した陰イオンは略蛇腹状のセパレータ４を通過して正極活物質を含有する成形体７に移動して正極活物質と反応して電子を放出する。この電子は直接正極集電体１に移動するか、または正極側セル５の電解質溶液を経由して正極集電体１に移動する。この電子は配線１０を経由して発電手段９に供給される。
（放電）
放電時には、図１において、負荷手段９から配線１０を経て正極集電体１に電子が供給される。電子は、正極集電体１から直接正極活物質を含有する成形体７に移動するか、または正極側セル５の電解質溶液を経由して正極活物質を含有する成形体７に移動する。成形体７の正極活物質が電子を受容することによって発生した陰イオンは略蛇腹状のセパレータ４を通過して負極活物質を含有する成形体８に移動して負極活物質と反応して電子を放出する。この電子は直接負極集電体２に移動するか、または負極側セル６の電解質溶液を経由して負極集電体２に移動する。この電子は配線１１を経由して負荷手段９に供給される。

以上で明かなように、正極活物質を含有する成形体７とセパレータ４ならびに負極活物質を含有する成形体８とセパレータ４が略蛇腹状の反応界面で接触しているので、反応サイトが増大し且つイオン拡散距離が短くなって良好なイオン拡散が得られるとともに多量に電子が放出されることによって高出力が得られる。

本発明は簡単な構造にして、高い出力を達成することができる電池であるから、工具、玩具、電灯、カメラ、ラジオ、パソコン、ビデオ、携帯電話などの電源として利用することができる。

本発明の電池の一実施形態の概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１正極集電体
２負極集電体
３絶縁体
４セパレータ
５正極側セル
６負極側セル
７正極活物質を含有する略蛇腹状の成形体
８負極活物質を含有する略蛇腹状の成形体
９負荷手段（電池が放電の場合）又は発電手段（電池が充電の場合）
１０配線
１１配線

Claims

正極集電体と、電解質溶液を有する正極側セルと、略蛇腹状のセパレータと、電解質溶液を有する負極側セルと、負極集電体とをこの順序で配置してなる電池において、正極側セル内に上記セパレータに接する正極活物質を含有する略蛇腹状の成形体を配し、負極側セル内に上記セパレータに接する負極活物質を含有する略蛇腹状の成形体を配したことを特徴とする電池。
正極活物質を含有する成形体がニッケルフォームからなり、負極活物質を含有する成形体がニッケルフォームまたはパンチングメタルからなる請求項１記載の電池。