JP2011171112A

JP2011171112A - アルカリ亜鉛蓄電池

Info

Publication number: JP2011171112A
Application number: JP2010033687A
Authority: JP
Inventors: Tsudoi Imazato; 集今里
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2011-09-01

Abstract

【課題】アルカリ亜鉛蓄電池を繰り返して充放電させた場合に、負極活物質に用いた亜鉛のデンドライト等によって、負極と正極との間でショートが発生するのを適切に防止する。
【解決手段】亜鉛を含む負極活物質を用いた負極1と正極2との間にセパレータ3を介在させて捲回させた電極体10を電池缶20内に収容させたアルカリ亜鉛蓄電池において、少なくとも、織布又は不織布からなる第１セパレータ3aと、微多孔膜と半透膜とイオン透過膜とから選択される少なくとも１種の第２セパレータ3bとが重ねられたセパレータを用い、少なくとも第２セパレータを捲回された電極体における負極及び正極の幅方向両側に延出させて、負極及び正極の幅方向両側の端部を被覆させた。
【選択図】図３

Description

本発明は、負極に亜鉛を含む負極活物質を用い、この負極と正極との間にセパレータを介在させて捲回させた電極体とアルカリ電解液とを電池缶内に収容させたアルカリ亜鉛蓄電池に関するものである。特に、上記のアルカリ亜鉛蓄電池を繰り返して充放電させた場合に、負極活物質に用いた亜鉛のデンドライト等が負極に発生し、これにより、負極と正極との間、特に、捲回された電極体における負極と正極の幅方向両側の端部においてショートが発生するのを適切に防止できるようにした点に特徴を有するものである。

従来からアルカリ蓄電池としては、負極にカドミウムを含む負極活物質を用いたニッケル・カドミウム蓄電池や、負極に水素吸蔵合金からなる負極活物質を用いたニッケル・水素蓄電池や、負極に亜鉛を含む負極活物質を用いたアルカリ亜鉛蓄電池等の様々な種類のアルカリ蓄電池が使用されている。

ここで、負極にカドミウムを含む負極活物質を用いたニッケル・カドミウム蓄電池の場合、ニッケル・水素蓄電池等と比べると、エネルギー密度が低い点で問題があり、また負極に水素吸蔵合金からなる負極活物質を用いたニッケル・水素蓄電池の場合、水素吸蔵合金が比較的高価でコストが高くつく点で問題があった。

一方、負極に亜鉛を含む負極活物質を用いたアルカリ亜鉛蓄電池の場合には、前述したニッケル・カドミウム蓄電池やニッケル・水素蓄電池のような問題はない。そして、例えばニッケル・カドミウム蓄電池やニッケル・水素蓄電池に用いられるのと同様のニッケル正極を用いてニッケル・亜鉛蓄電池とした場合、亜鉛負極の充放電電位が低いので、ニッケル・カドミウム蓄電池やニッケル・水素蓄電池よりも高い電池電圧が得られて、高エネルギー密度を有する蓄電池を提供することが可能である。また、亜鉛は、水素吸蔵合金に比べると材料が比較的安価なため、蓄電池の製造コストを低く抑えることができるという利点がある。

しかし、アルカリ亜鉛蓄電池の場合、負極活物質に用いた亜鉛がアルカリ電解液に解けやすく、このアルカリ亜鉛蓄電池を充放電させた場合、アルカリ電解液に溶解された負極活物質の亜鉛が樹状に析出する、いわゆるデンドライト等が生じ、これにより負極と正極との間でショートが発生しやすくなるという問題があった。

このため、従来においては、亜鉛を含む負極活物質を用いた負極と正極との間に介在させるセパレータとして、特許文献１に示されるように、微多孔性フィルムと不織布又は織布とを積層させた多層セパレータを用いるようにしたものや、特許文献２に示されるように、ニッケル層を表面に形成した微孔性フィルムセパレータを用いるようにしたものや、特許文献３に示されるように、疎水性の微多性フィルムと不織布又は織布とを積層させた多層セパレータを用いるようにしたもの等が提案されている。

ここで、上記の特許文献１〜３に示されるようなセパレータを負極と正極との間に介在させた場合、負極と正極とが対面する部分においては、負極と正極との間でショートが発生するのが防止されるようになる。

しかし、負極と正極とが対面する面積を大きくして、このアルカリ亜鉛蓄電池における電池特性を高めるため、セパレータを負極と正極との間に介在させて捲回させた電極体をアルカリ電解液と一緒に電池缶内に収容させたアルカリ亜鉛蓄電池の場合、捲回された電極体における負極及び正極の幅方向両側、すなわち捲回された電極体の軸方向両側の部分において、負極活物質の亜鉛が樹状に析出したデンドライト等が生じ、負極と正極との間でショートが発生するという問題があった。

特許第２７５５６３４号公報特開平５−３４３０９６号公報特開平７−６５８１４号公報

本発明は、負極に亜鉛を含む負極活物質を用い、この負極と正極との間にセパレータを介在させて捲回させた電極体とアルカリ電解液とを電池缶内に収容させるようにしたアルカリ亜鉛蓄電池における上記のような問題を解決することを課題とするものである。

すなわち、本発明においては、上記のアルカリ亜鉛蓄電池を繰り返して充放電させた場合に、負極活物質に用いた亜鉛のデンドライト等が負極に発生し、これにより、負極と正極との間、特に、捲回された電極体における負極と正極の幅方向両側の端部においてショートが発生するのを適切に防止できるようにすることを課題とするものである。

本発明においては、上記のような課題を解決するため、負極に亜鉛を含む負極活物質を用い、この負極と正極との間にセパレータを介在させて捲回させた電極体とアルカリ電解液とを電池缶内に収容させたアルカリ亜鉛蓄電池において、上記のセパレータに、少なくとも、織布又は不織布からなる第１セパレータと、微多孔膜と半透膜とイオン透過膜とから選択される少なくとも１種の第２セパレータとが重ねられたものを用い、このセパレータにおける少なくとも第２セパレータを、上記の捲回された電極体における負極及び正極の幅方向両側に延出させ、両側に延出されたセパレータにより電極体における負極及び正極の幅方向両側の端部を被覆させるようにした。

ここで、上記のように捲回された電極体における負極及び正極の幅方向両側に延出されたセパレータによって、電極体における負極及び正極の幅方向両側の端部を被覆させるにあたっては、電極体における負極及び正極の幅方向両側に延出されたセパレータを圧縮させて変形させ、電極体における負極及び正極の幅方向両側の端部を変形されたセパレータによって被覆させるようにすることができる。

また、上記のように捲回された電極体における負極及び正極の幅方向両側に延出されたセパレータによって、電極体における負極及び正極の幅方向両側の端部を被覆させるにあたり、上記の織布又は不織布からなる第１セパレータと、微多孔膜と半透膜とイオン透過膜とから選択される少なくとも１種の第２セパレータとの両方のセパレータを負極及び正極の幅方向両側に延出させるようにすることも可能であるが、この場合、両側に延出された上記のセパレータにより電極体における負極及び正極の幅方向両側の端部を被覆させる際に、セパレータが嵩張って、アルカリ亜鉛蓄電池における体積効率が低下する。このため、捲回された電極体における負極及び正極の幅方向両側にセパレータを延出させるにあたっては、デンドライト等によるショートの発生に対して耐性がある微多孔膜と半透膜とイオン透過膜とから選択される少なくとも１種の第２セパレータだけを、負極及び正極の幅方向両側に延出させるようにすることが好ましい。

また、織布又は不織布からなる第１セパレータと、微多孔膜と半透膜とイオン透過膜とから選択される少なくとも１種の第２セパレータとが重ねられたセパレータを上記の負極と正極との間に介在させるにあたっては、デンドライト等によるショートの発生に対して耐性がある上記の第２セパレータを、亜鉛を含む負極活物質を用いた負極に接触させるようにすることが好ましい。そして、この第２セパレータとしては、デンドライト等によるショートの発生に対して耐性の高いセルロース製の半透膜を用いることがより好ましい。

本発明においては、負極に亜鉛を含む負極活物質を用い、この負極と正極との間にセパレータを介在させて捲回させた電極体とアルカリ電解液とを電池缶内に収容させたアルカリ亜鉛蓄電池において、セパレータに、少なくとも、織布又は不織布からなる第１セパレータと、微多孔膜と半透膜とイオン透過膜とから選択される少なくとも１種の第２セパレータとが重ねられたものを用いたため、負極と正極とが対面する部分において、負極と正極との間でショートが発生するのが防止される。

また、本発明においては、上記のセパレータにおける少なくとも第２セパレータを、上記の捲回された電極体における負極及び正極の幅方向両側に延出させ、このように両側に延出されたセパレータにより、電極体における負極及び正極の幅方向両側の端部を被覆させたため、捲回された電極体における負極と正極の幅方向両側の端部においてもショートが発生するのが適切に防止されるようになる。

本発明の実施形態に係るアルカリ亜鉛蓄電池において、織布又は不織布からなる第１セパレータと、微多孔膜と半透膜とイオン透過膜とから選択される少なくとも１種の第２セパレータとが重ねられたセパレータを、亜鉛を含む負極活物質を用いた負極と正極との間に介在させ、上記の第２セパレータが負極及び正極の幅方向両側に大きく延出するようにして捲回させる状態を示した部分説明図である。上記の実施形態に係るアルカリ亜鉛蓄電池において、上記の第２セパレータが負極及び正極の幅方向両側に大きく延出するようにして、第１セパレータと第２セパレータとが重ねられたセパレータを、上記の負極と正極との間に介在させて捲回させた電極体を示した概略側面図である。上記の実施形態に係るアルカリ亜鉛蓄電池を示し、上記の電極体を電池缶内に収容させ、負極及び正極の幅方向両側に大きく延出された第２セパレータを圧縮させて変形させた状態を示した概略断面説明図である。

次に、本発明の実施形態に係るアルカリ亜鉛蓄電池を添付図面に基づいて具体的に説明する。なお、本発明におけるアルカリ亜鉛蓄電池は、下記の実施形態に示したものに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものである。

この実施形態のアルカリ亜鉛蓄電池においては、図１に示すように、亜鉛を含む負極活物質を用いた長尺状の負極１と、非焼結式ニッケル極等のアルカリ蓄電池において一般に使用されている長尺状の正極２とを用い、上記の負極１の適当な位置に、その幅方向に突出するようにして負極リード１ａを取り付けると共に、上記の正極２の適当な位置に、その幅方向で負極リード１ａとは逆方向に突出するようにして正極リード２ａを取り付けている。ここで、上記の負極活物質に用いる亜鉛としては、金属亜鉛や亜鉛酸化物や亜鉛水酸化物等を用いることができる。

また、上記の負極１と正極２との間に介在させるセパレータ３としては、織布又は不織布からなる長尺状の第１セパレータ３ａと、デンドライト等によるショートの発生に対して耐性がある微多孔膜と半透膜とイオン透過膜とから選択される長尺状の第２セパレータ３ｂとを重ね合わせたものを用いるようにしている。

ここで、上記の第１セパレータ３ａとしては、上記の負極１や正極２よりも少し幅広になったものを用い、また上記の第２セパレータ３ｂとしては、第１セパレータ３ａよりもさらに幅広で、上記の負極１や正極２よりもかなり幅広になったものを用いるようにしている。

そして、上記の第１セパレータ３ａと第２セパレータ３ｂとを重ね合わせたセパレータ３を２枚用い、各セパレータ３を負極１及び正極２の幅方向両側に延出させると共に、デンドライト等によるショートの発生に対して耐性のある上記の第２セパレータ３ｂを負極１に接触させるようにして、この２枚のセパレータ３をそれぞれ上記の負極１と正極２との間に介在させるようにしている。

次いで、上記のように２枚のセパレータ３を上記の負極１と正極２との間に介在させた状態で、負極１における負極リード１ａと正極２における正極リード２ａとがそれぞれセパレータ３から突出するようにして、長尺の長さ方向に捲回し、図２に示す電極体１０を作製するようにしている。

ここで、この電極体１０においては、捲回された負極１及び正極２の幅方向両側に、セパレータ３、特に上記の第２セパレータ３ｂが大きく延出された状態になっている。

そして、この実施形態のアルカリ亜鉛蓄電池を作製するにあたっては、上記のように作製した電極体１０を、上記の負極１における負極リード１ａが電池缶２０の底部に位置するようにして電池缶２０内に収容させ、上記のセパレータ３から突出された負極１における負極リード１ａを電池缶２０の底部に接続させる一方、正極２における正極リード２ａを、絶縁板２１を通して上方に導き、この正極リード２ａを正極蓋２２に接続させ、この電池缶２０内にアルカリ電解液（図示せず）を注液させるようにしている。

また、上記のように電池缶２０内に収容させた電極体１０を上記の絶縁板２１を介して押圧し、負極１及び正極２の幅方向両側に延出された上記の第２セパレータ３ｂの部分を圧縮させて変形させ、このように変形された第２セパレータ３ｂによって、電極体１０における負極１及び正極２の幅方向両側の端部を被覆させるようにしている。

そして、上記の電池缶２０と正極蓋２２との間に絶縁パッキン２３を介して封口し、上記の絶縁パッキン２３により電池缶２０と正極蓋２２とを電気的に分離させ、また上記の正極蓋２２に設けられたガス放出口２４を閉塞させるようにして、この正極蓋２２と正極外部端子２５との間にコイルスプリング２６によって付勢された閉塞板２７を設け、電池の内圧が異常に上昇した場合には、このコイルスプリング２６が圧縮されて、電池内部のガスが大気中に放出されるようにしている。

ここで、この実施形態のアルカリ亜鉛蓄電池においては、デンドライト等によるショートの発生に対して耐性がある第２セパレータ３ｂを負極１及び正極２の幅方向両側に延出させ、このように負極１及び正極２の幅方向両側に延出された第２セパレータ３ｂの部分を圧縮させて変形させ、この第２セパレータ３ｂによって電極体１０における負極１及び正極２の幅方向両側の端部を被覆させるようにしたため、このアルカリ亜鉛蓄電池を繰り返して充放電させた場合に、負極１に負極活物質に用いた亜鉛のデンドライト等が発生して、電極体１０における負極１と正極２の幅方向両側の端部においてショートが発生するのが、この第２セパレータ３ｂによって適切に防止されるようになる。

ここで、上記のように負極１及び正極２の幅方向両側に延出された第２セパレータ３ｂの部分を圧縮させて変形させ、この第２セパレータ３ｂによって電極体１０における負極１及び正極２の幅方向両側の端部を十分に被覆させるためには、この第２セパレータ３ｂが負極１及び正極２の幅方向端部から両側に延出されるそれぞれの長さｄを、（負極１の厚み＋正極２の厚み＋第１セパレータ３ａと第２セパレータ３ｂとを重ね合わせたセパレータ３の厚み×２）以上にすることが好ましい。

また、上記のように負極１及び正極２の幅方向両側から延出された第２セパレータ３ｂの部分を圧縮させて変形させ、電極体１０における負極１及び正極２の幅方向両側の端部を、変形させた第２セパレータ３ｂによって被覆させるにあたり、第２セパレータ３ｂの圧縮が不十分であると、アルカリ亜鉛蓄電池における体積効率が低下するため、負極１及び正極２の幅方向の端部から延出された第２セパレータ３ｂの部分の長さｄが、圧縮させた後において０．７ｄ以下になるようにすることが好ましい。

なお、この実施形態においては、第１セパレータ３ａと第２セパレータ３ｂとを重ね合わせたセパレータ３における第２セパレータ３ｂだけを、負極１及び正極２の幅方向両側から大きく延出させて圧縮させるようにしたが、上記の第１セパレータ３ａも第２セパレータ３ｂと同様に、負極１及び正極２の幅方向両側から大きく延出させて圧縮させるようにすることもできる。

１負極
１ａ負極リード
２正極
２ａ正極リード
３セパレータ
３ａ第１セパレータ
３ｂ第２セパレータ
１０電極体
２０電池缶
２１絶縁板
２２正極蓋
２３絶縁パッキン
２４ガス放出口
２５正極外部端子
２６コイルスプリング
２７閉塞板
ｄ負極及び正極の幅方向の端部から延出された第２セパレータの部分の長さ

Claims

負極に亜鉛を含む負極活物質を用い、この負極と正極との間にセパレータを介在させて捲回させた電極体とアルカリ電解液とを電池缶内に収容させたアルカリ亜鉛蓄電池において、上記のセパレータに、少なくとも、織布又は不織布からなる第１セパレータと、微多孔膜と半透膜とイオン透過膜とから選択される少なくとも１種の第２セパレータとが重ねられたものを用い、このセパレータにおける少なくとも第２セパレータを、上記の捲回された電極体における負極及び正極の幅方向両側に延出させ、両側に延出されたセパレータにより電極体における負極及び正極の幅方向両側の端部を被覆させたことを特徴とするアルカリ亜鉛蓄電池。
請求項１に記載のアルカリ亜鉛蓄電池において、電極体における負極及び正極の幅方向両側に延出されたセパレータを圧縮させて変形させ、電極体における負極及び正極の幅方向両側の端部を変形されたセパレータによって被覆させたことを特徴とするアルカリ亜鉛蓄電池。
請求項１又は請求項２に記載のアルカリ亜鉛蓄電池において、上記のセパレータにおける第２セパレータだけを、電極体における負極及び正極の幅方向両側に延出させたことを特徴とするアルカリ亜鉛蓄電池。
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のアルカリ亜鉛蓄電池において、上記の第２セパレータが電極体における負極と接触していることを特徴とするアルカリ亜鉛蓄電池。
請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のアルカリ亜鉛蓄電池において、上記の第２セパレータがセルロース製の半透膜であることを特徴とするアルカリ亜鉛蓄電池。