JP2008098099A - 電池用負極材および電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池特性とくに重負荷放電特性の向上に有効な電池用負極材および重負荷放電特性にすぐれた電池を提供する。
【解決手段】負極作用物質として亜鉛また亜鉛合金を用いる電池において、消失可能な多孔質基材に亜鉛または亜鉛合金を電解メッキして製造される固体発泡亜鉛を負極材２３に用い、この負極材２３に負極集電体２５を直接接触させる。
【選択図】図１

Description

本発明は電池用負極材および電池に関し、とくに、負極作用物質として亜鉛または亜鉛合金を用いるアルカリ電池に適用して有効である。

アルカリ電池は重負荷放電特性が概ね良好であるとともに、放電開始後の電圧変化が比較的緩やかなことから、重負荷の電池応用機器では標準的な電池としてその使用が推奨されている。

従来の典型的なアルカリ電池は、正極作用物質として二酸化マンガンを用い、負極作用物質として亜鉛または亜鉛合金を用いて構成されている（たとえば、特許文献１）。このアルカリ電池の開路電圧は１．６２Ｖ付近にあるが、放電電圧もその開路電圧１．６２Ｖに近い電圧で安定に推移する。このため、多くの電池応用機器はその付近の電圧で動作するように設計されている。

図４は、従来のＬＲ型アルカリ電池１０１の構成例を示す。同図において、（ａ）は電池の縦断面図、（ｂ）はその横断面図をそれぞれ示す。同図に示すアルカリ電池１０１は、正極端子および正極集電体を兼ねる有底円筒状の金属製正極缶１５内に、正極合剤２１１、セパレータ２２１、ゲル状負極材２３１およびアルカリ電解液からなる発電要素２０１を装填するとともに、その正極缶１５の開口を、負極端子板２６と樹脂製の封口ガスケット３０を用いて密閉封止することにより形成される。

正極合剤２１１は二酸化マンガン等の正極作用物質を黒鉛等の導電助剤とともに筒状に成形したものであって、正極缶１５の内側面に圧接状態で装填される。負極材２３１は、負極作用物質である亜鉛または亜鉛合金の粉末をアルカリ電解液とゲル化剤でゲル状化したものであって、セパレータ２２１の内側空間部に注入により充填される。

負極端子板２６には棒状の負極集電体２５がスポット溶接等により固定接続されている。この負極集電体２５は封口ガスケット３０を貫通して負極材２３１中に挿入されることにより、負極材２３１からの集電を行う。
特開平９−３５７２０号公報

近年の電池応用機器は、デジタルスチールカメラに代表されるデジタル機器が多くなってきたが、これらのデジタル機器は概して消費電力が大きいため、重負荷での放電特性にすぐれたアルカリ電池でないと、機器の性能を引き出すことが難しい。

しかし、従来のアルカリ電池ではその機器の性能を十分に引き出すことが難しくなってきた。最近は、そのデジタル機器に適した電池として、正極作用物質にニッケル化合物を用いたアルカリ電池が市場提供されるようになってきたが、この電池は開路電圧が１．７Ｖを超えるため、機器によっては使用できない場合がある。

従来のアルカリ電池は開路電圧が１．６２Ｖ付近に統一され、電池応用機器もそのアルカリ電池の使用を前提としたものが多い。１．７Ｖを超える高開路電圧の電池は、電圧変換インバータを内蔵するデジタル機器で使用する限りは支障がないが、たとえば電池式ライトなどの電池応用機器では、電球が切れたり、あるいは寿命が短くなったりなどの不具合が生じやすい。

そこで、本発明者らは、正極作用物質の種類に依存せず、それとは別の解決手段によって電池の特性、とくにデジタル機器での使用にも好適に適応できるよう、重負荷放電時の特性を向上させることを研究し、本発明をなすに至った。

すなわち、本発明は、電池特性とくに重負荷放電特性の向上に有効な電池用負極材および重負荷放電特性にすぐれた電池を提供することを目的とする。

本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。

本発明が提供する解決手段は以下のとおりである。
（１）消失可能な多孔質基材に亜鉛または亜鉛合金を電解メッキして製造される固体発泡亜鉛からなることを特徴とする電池用負極材。
（２）負極作用物質として亜鉛または亜鉛合金を用いた電池において、上記手段（１）に記載の電池用負極材を用い、この負極材に負極集電体を直接接触させたことを特徴とする電池。
（３）上記手段（２）において、正極作用物質として二酸化マンガンを用い、電解液としてアルカリ性電解液を用いたことを特徴とする電池。
（４）上記手段（２）または（３）において、上記電池用負極材としてシート状に作製されたものが使用され、このシート状負極材が屈曲および／または巻回により所定形状に加工されているとともに、上記負極材に負極集電体が直接接触させられていることを特徴とする電池。
（５）上記手段（２）〜（４）のいずれかにおいて、負極材が非円形の異形断面を有する柱状をなすとともに、この負極材の外側面にセパレータを介して正極合剤が対向し、この正極合剤が円筒状の金属製正極缶に嵌合状態で収容されていることを特徴とする電池。

電池特性とくに重負荷放電特性の向上に有効な電池用負極材および重負荷放電特性にすぐれた電池を提供することができる。

上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面にてあきらかにする。

図１は本発明の第１実施形態をなすアルカリ電池を示す。同図において、（ａ）は電池の縦断面図、（ｂ）はその横断面図をそれぞれ示す。同図に示すアルカリ電池１０はＬＲ型のアルカリ乾電池をなすものであって、正極端子および正極集電体を兼ねる有底円筒状の金属製正極缶１５内に、正極合剤２１、セパレータ２２、負極材２３およびアルカリ電解液からなる発電要素２０を装填するとともに、その正極缶１５の開口を、負極端子板２６と樹脂製の封口ガスケット３０を用いて密閉封止することにより形成される。

負極材２３には固体発泡亜鉛が使用されている。この固体発泡亜鉛は、導電性を付与された発泡ウレタンなどの消失可能な多孔質基材に、亜鉛または亜鉛合金を電気メッキした後、その多孔質基材だけを溶解等によって選択的に消失させることにより製造される。この発泡亜鉛は三次元の多孔質構造および自己保形性を有する。

多孔質金属は粉末冶金等の他の方法によっても製造されるが、本発明で使用する発泡亜鉛はそれらとは異なり、上記製造方法に特有の多孔構造と物理的特性を有している。たとえば、粉末冶金法で製造された発泡金属は、金属粒子同士が部分的に融着することによって多孔質構造が形成され、粒状組織を有するが、消失可能な多孔質基材と電気メッキによって製造された発泡亜鉛にはその粒状組織がなく、金属亜鉛が三次元方向に網目状に連続する多孔質構造を有する。その網目の間には電解液を移動自由度の高い状態で包含させることができる。また、加工の自由度が高く、薄いシート状に形成すること、アニール処理によって曲げやすくすること、および屈曲や巻回によって任意の形に二次加工するのにも適している。これらの特性により、上記発泡亜鉛はゲル化剤を用いることなく、そのままで電池用負極材として好適に使用することができる。

図示の第１実施形態では、薄いシート状に形成された発泡亜鉛をアニール処理によって折り曲げ加工しやすくした後、巻回してロール状の負極材２３を形成している。そして、そのロールの中心軸に棒状の負極集電体２５が挿入されて発泡亜鉛と直接接触している。

上述したアルカリ電池１０は負極材２３に上記発泡亜鉛を用いたことで、従来のゲル状亜鉛を用いたアルカリ電池に比べて、内部抵抗を大幅に低減させることが可能になった。これにより、重負荷放電時の特性を向上させて、正極作用物質の種類に依存せずとも、デジタル機器での使用にも好適に適応できる電池を提供することができる。

図２は本発明の第２の実施形態によるＬＲ型アルカリ電池の横断面図、図３は第３実施形態によるＬＲ型アルカリ電池の横断面図をそれぞれ示す。

上記第１実施形態との相違に着目すると、図２および図３にそれぞれ示すアルカリ電池１０はいずれも、負極材２３が非円形の異形断面を有する柱状をなすとともに、この負極材２３の外側面にセパレータ２２を介して正極合剤２１が対向し、この正極合剤２１が円筒状の金属製正極缶１５に嵌合状態で収容されている。

この第２および第３の実施形態のアルカリ電池１０では、負極材２３と正極合剤２１との対向面積が大きく確保されることにより、放電性能とくに大電流放電性能をさらに大幅に向上させることができる。

また、上記アルカリ電池１０は、負極材２３に金属酸化物または金属塩化物を添加することによってその放電特性を改善することができる。つまり、添加物による放電性能の改善を有効に行うことができる。添加物としては、Ｉｎ、Ｂｉ、Ａｌ、Ｃａ、Ｐｂの少なくとも１つを含む酸化物あるいは塩化物がとくに好適である。

以下、本発明の具体的実施例を示す。

＜＜実施例＞＞
本発明の実施例として、図１に示した構成のＬＲ６型アルカリ電池を以下のように作製した。

既存のＬＲ６型アルカリ電池と同様、有底筒状の金属製正極缶を使用し、その内側に導電膜を形成した後、正極作用物質として二酸化マンガンを用いた筒状の正極合剤を装填した。その正極合剤の内側にセパレータを配置し、さらにセパレータの内側に、シート状発泡亜鉛をロール状に巻回した負極材を配置した。アルカリ電解液を注入した後、正極缶を封口して、図１に示した構成のＬＲ６型アルカリ電池を作製した。発泡亜鉛は、発泡ウレタンなどの消失可能な多孔質基材に亜鉛または亜鉛合金を電気メッキして製造したものを用いた。

＜＜比較例＞＞
図４に示した構成のＬＲ６型アルカリ電池を以下のように作製した。
上記実施例と同様、有底筒状の金属製正極缶を使用し、その内側に導電膜を形成した後、正極作用物質として二酸化マンガンを用いた筒状の正極合剤を装填した。その正極合剤の内側にセパレータを配置し、さらにセパレータの内側に負極材を配置した。この場合、負極材にはゲル状化亜鉛を用いた。この後、アルカリ電解液を注入して正極缶を封口し、図４に示した構成のＬＲ６型アルカリ電池を作製した。

実施例の電池と比較例の電池について、開路電圧、内部抵抗（１ＫＨｚ法にて測定）、ＤＳＣ相当放電性能（３００ｍＡ／０．５秒と２０００ｍＡ／５９．５秒の放電サイクルを繰り返したときに、出力電圧が１．０Ｖに低下するまでの繰り返し回数）をそれぞれ測定したところ、表１に示すような結果が得られた。

表１に示す結果からも明らかなように、実施例の電池は、比較例の電池と同じ開路電圧を持つことにより、ほとんどの電池応用機器に使用できる高い汎用性を備えている一方、内部抵抗と放電性能についてはいずれも、比較例のものよりも大幅に高い性能を持つことができた。

以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。

電池特性とくに重負荷放電特性の向上に有効な電池用負極材および重負荷放電特性にすぐれた電池を提供することができる。

本発明の第１実施形態による電池の縦断面図および横断面図である。 本発明の第２実施形態による電池の横断面図である。 本発明の第３実施形態による電池の横断面図である。 従来のアルカリ電池の縦断面図および横断面図である。

符号の説明

１０ 電池（本発明）
１０１ 電池（従来）
１５ 正極缶
２０ 発電要素
２１ 正極合剤
２２ セパレータ
２３ 負極材（発泡亜鉛）
２３１ 負極材（ゲル状亜鉛）
２５ 負極集電体
２６ 負極端子板
３０ 封口ガスケット

Claims (5)

1. 消失可能な多孔質基材に亜鉛または亜鉛合金を電解メッキして製造される固体発泡亜鉛からなることを特徴とする電池用負極材。
2. 負極作用物質として亜鉛または亜鉛合金を用いた電池において、請求項１に記載の電池用負極材を用い、この負極材に負極集電体を直接接触させたことを特徴とする電池。
3. 請求項２において、正極作用物質として二酸化マンガンを用い、電解液としてアルカリ性電解液を用いたことを特徴とする電池。
4. 請求項２または３において、上記電池用負極材としてシート状に作製されたものが使用され、このシート状負極材が屈曲および／または巻回により所定形状に加工されているとともに、上記負極材に負極集電体が直接接触させられていることを特徴とする電池。
5. 請求項２〜４のいずれかにおいて、負極材が非円形の異形断面を有する柱状をなすとともに、この負極材の外側面にセパレータを介して正極合剤が対向し、この正極合剤が円筒状の金属製正極缶に嵌合状態で収容されていることを特徴とする電池。

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