JP2011204539A - 円筒型アルカリ蓄電池 - Google Patents

Abstract

【課題】円筒型アルカリ蓄電池において、電極群中心部の電解液保液量を低減することにより、正極および負極に直接面したセパレータの電解液量を増加させ充放電サイクル寿命性能を向上させる。
【解決手段】正極、負極およびセパレータを捲廻した構造の電極群を有する円筒型アルカリ蓄電池において、熱溶着などの方法により前記電極群の中心部に位置し正極および負極に直接面していないセパレータの保液率が、正極および負極に直接面しているセパレータの保液率の６０％以下であることを特徴とする構造とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、円筒型アルカリ蓄電池に関する。さらに詳しくは、本発明は主にセパレータの改良に関する。

円筒型アルカリ蓄電池は、携帯型端末、デジタルスチルカメラなどのポータブル電子機器、ハイブリッド自動車、バックアップ機器などの電源として広く用いられている。

円筒型アルカリ蓄電池は、電池ケース、電極群、封口板、正極リード、絶縁リングなどを含んでいる。電池ケースは、長手方向の一端部が開口する円筒形容器であり、その内部に電極群などを収容する。電極群は、正極板と負極板とをセパレータを介して捲回することにより得られる捲回型電極群である。封口板は、電池ケースの開口を封口する。正極は三次元網目構造を有する導電性基板に水酸化ニッケルのような活物質を含む合剤が充填されている。正極リードは正極の導電性基板に溶接などにより固定され、電極群の正極板と封口板とを導通させる。負極板はパンチングメタルのような導電性基板に水素吸蔵合金を含む合剤が塗着されている。セパレータはポリプロピレンなどを主体とした絶縁性の不織布やシートを用い正極と負極を絶縁するとともに正負極間の反応を媒体する電解液を保持している。絶縁リングは、電池ケース内において、電極群と封口板との間に装着され、主に電池ケースと電極群および正極リードとを絶縁保護する。

従来のセパレータはたとえば特許文献１のように、充放電サイクルのくり返し時にセパレータの電解液枯渇により電池が寿命になることを遅延させるために、セパレータ全体にわたり均一に保液性の高いセパレータが提案されている。

特許第２８２２７０１号公報

しかしながら、円筒型アルカリ蓄電池の電極群構造をみると、中心部分には直接正極、負極に接触しないセパレータが存在する。電池製造時、この部分のセパレータは電極群を捲廻、構成するときに構成機の巻芯にセパレータを巻きつけるために必要な部分である。電極群は、２分割された巻芯の中央に挟みこまれたセパレータを巻芯の周りに１周ないし数周捲廻したのち、正極および負極の捲廻が始まる構造になっている。

ここで従来のセパレータではセパレータ全体にわたり均一に保液性をもっているために、直接反応に寄与しにくいこの中心部分のセパレータも、正極および負極に直接面している部分のセパレータと同等に電解液を保持してしまう。電池内に注液できる電解液量の上限は電池ケースの内容積と電極群材料体積および絶縁リングなどの内蔵部品の体積により決まっており、中心部分のセパレータにも同等に電解液が保持される分、正極および負極に直接面している部分のセパレータで保持できる電解液量は相対的に少なくなってしまう。その結果充放電を繰り返す中で劣化により膨潤する正極や負極の活物質に電解液が取り込まれることで正負極間のセパレータ中に存在する電解液が減少し電池寿命が十分に確保できなくなってしまうという課題があった。

本発明は上記の課題を解決するものであり、正極および負極に直接面するセパレータ中
の電解液量を確保することで充放電サイクル寿命性能の高い円筒型アルカリ蓄電池を提供することを目的とする。

上述した従来の課題を解決するために、本発明の円筒型アルカリ蓄電池は 正極、負極およびセパレータを捲廻した構造の電極群を有する円筒型アルカリ蓄電池において、前記電極群の中心部に位置し正極および負極に直接面していないセパレータの保液率が、電極群中の正極および負極に直接面しているセパレータの保液率の６０％以下であることを特徴とする。中心部に位置し正極および負極に直接面していないセパレータを熱溶着や加熱圧縮などにより厚みを圧縮しセパレータ内の空孔を減少させ、保液率を正極および負極に直接面した部分のセパレータより低下させることで、反応に必要な電解液を優先的に正極および負極の近傍に配置することが可能となる。

本発明の円筒型アルカリ蓄電池は、電解液が正極および負極に直接面した部分のセパレータに優先的に保持されるため充放電のくり返しを行った場合に正極および負極に直接面した部分のセパレータ中の電解液枯渇が起こりにくい。したがって、本発明の円筒型アルカリ蓄電池は充放電サイクル寿命性能に優れた特徴を有している。

本発明の実施形態の１つである円筒型アルカリ蓄電池の構成を簡略化して示す構造図 本発明の実施形態の１つである電極群中心部の構成を簡略化して示す平面図

以下、本発明を実施するための最良の形態について、詳細に記す。

第１の発明は、正極、負極およびセパレータを捲廻した構造の電極群を有する円筒型アルカリ蓄電池において、前記電極群の中心部に位置し正極および負極に直接面していないセパレータの保液率が、電極群中の正極および負極に直接面しているセパレータの保液率の６０％以下になっている。セパレータの保液率を低減させる方法としては過熱圧縮によりセパレータ厚みを低減させ、セパレータ内の空間を減少させることにより行うことができる。またそれ以外にもセパレータに撥水剤を塗布する方法や、ポリプロピレンテープなどを表面に貼り付ける電解液の吸液を妨げる構造としても良い。またあらかじめ該当部分のみ親水化処理を行っていない、もしくは親水化処理の程度を小さくし単位面積当たりの親水基量を減らしたセパレータを使用しても良い。

第２の発明は、第１の発明において、電極群の中心部に位置し正極および負極に直接面していないセパレータの厚みが、電極群中の正負極に直接面しているセパレータの厚みの２０％〜７０％とすることを特徴とする。正極および負極に直接面していないセパレータの厚みが、正負極に直接面しているセパレータの厚みの７０％以上であると、セパレータ中の空間を小さくし電解液の保持量を十分に少なくすることができず寿命特性の効果的な向上を行うことができない。また正極および負極に直接面していないセパレータの厚みは薄ければ薄いほど良いが厚みが２０％以下になるとセパレータの引張強度の低下が起こり電極群捲廻時にセパレータの断絶などの不具合が生じる可能性が高くなり好ましくない。

第３の発明は、第１の発明および第２の発明において、電極群の中心部に位置し正極および負極に直接面していない２枚以上のセパレータが熱溶着されて一体化していることを特徴とする。電極群の中心部に位置し正極および負極に直接面していない２枚以上のセパレータがある場合、これらのセパレータ間の空隙にも電解液が保持されやすい状態になる
。２枚以上のセパレータを熱溶着により一体化し空隙を小さくすることで電極群中心部での電解液の保持量を少なくすることが可能となる。また２枚以上のセパレータを溶着することで圧延により厚みを薄くしたセパレータの引張強度を高くすることができ、電極群の中心部での電解液の保液量が少なくかつ生産性も良好なセパレータを得ることが可能となる。

以下に実施例および比較例を挙げ、本発明をさらに具体的に説明する。

（実施例１）
コバルト化合物を表面コートした水酸化ニッケル（正極活物質）、ポリテトラフルオロエチレン（結着剤）、カルボキシルメチルセルロース（増粘剤）を水に分散させ、正極合剤スラリーを調製した。このスラリーを、三次元網目構造を有する発泡ニッケル多孔体（導電性基板）に充填、乾燥し０．８ｍｍの厚みに圧延した。圧延後、縦３８ｍｍ、横５０ｍｍに切断し、正極リードとなるニッケル板を溶接し溶接部の表裏両面をポリプロピレン製絶縁テープにより被覆した。以上の構成により正極を得た。
一方、水素吸蔵合金（負極活物質）、カーボンブラック（導電剤）、スチレン−ブタジエンゴム共重合体微粒子（結着剤）およびカルボキシメチルセルロース（増粘剤）を水に分散させ、負極合剤ペーストを調製した。このペーストをパンチングメタルに塗着し、０．３５ｍｍに圧延した。圧延後、縦３８ｍｍ、横９５ｍｍの寸法に切断し負極を作製した。

セパレータはポリプロピレンとポリエチレンを原料とする繊維を交絡させた目付け重量６４g/m2、厚み０．１８ｍｍ、幅４１ｍｍ、の不織布を使用した。この不織布セパレータの保液率を測定したところ、保液率１５０％であった。保液率は以下に説明する方法で測定される。セパレータより縦３０ｍｍ、横３０ｍｍの試験片を切り出す。試験片の重量（Ｗ）を測定した後、純水に１時間浸漬する。次いで、試験片を取り出し、この試験片の重量（Ｗ１）を測定し、下記（１）式により保液率を算出する。
保液率（％）＝｛（Ｗ１−Ｗ）／Ｗ｝×１００ （１）
この不織布から長さ１３０ｍｍ（長セパレータ）と１１０ｍｍ（短セパレータ）の２枚のセパレータを切り出し、それぞれ長さ方向の一方の端面から３０ｍｍまでを加熱圧縮により厚み０．０７ｍｍに圧縮した。

圧縮部分を重ねるように配置した２枚のセパレータと、上記で得られた正極と負極を、直径６．５ｍｍの巻芯を介して捲回し、ニッケル水素蓄電池の電極群を作製した。セパレータの圧縮部分は電極群の中心部分に位置し正極および負極に直接面しない部分に相当している。この電極群を表面にニッケルめっきを施した鉄製電池ケース（高さ５１ｍｍ、直径１４．０ｍｍ）に収納した。この状態でポリプロピレン樹脂製絶縁リングを電極群の封口板側端部に装着した。次いで、電池ケースにその周方向に延びる幅１．５ｍｍの環状溝部を形成し、電池ケース内に水酸化カリウムと水酸化ナトリウムの水溶液（電解液）を２．４ｇ注入した。さらに、封口板に正極用リード線の他端を溶接接続した後、封口板を電池ケースの開口に装着し、電池ケースの開口端部を封口板に向けてかしめ付けることにより電池ケースを封口した。次いで０．１Ａの電流で１６時間充電した後、１．０Ａの電流で４０分間放電するサイクルを２回繰り返し、ＡＡサイズの本発明の円筒型ニッケル水素蓄電池（公称容量１．０Ａｈ）を得た。

（実施例２）
厚みを０．０７ｍｍに圧縮した２枚のセパレータを、圧縮した部分全面にわたり熱溶着して一体化した以外は、実施例１と同様にして、本発明の円筒型ニッケル水素蓄電池（公称容量１．０Ａｈ）を得た。

（実施例３）
加熱圧縮により厚みを０．０９ｍｍに圧縮した以外は、実施例１と同様にして、本発明の円筒型ニッケル水素蓄電池（公称容量１．０Ａｈ）を得た。

（実施例４）
加熱圧縮により厚みを０．１２ｍｍに圧縮した以外は、実施例１と同様にして、本発明の円筒型ニッケル水素蓄電池（公称容量１．０Ａｈ）を得た。

（比較例１）
加熱圧縮を行わずに厚み０．１８ｍｍのままの２枚のセパレータを使用している以外は、実施例１と同様にして、従来の円筒型ニッケル水素蓄電池（公称容量１．０Ａｈ）を得た。

（比較例２）
加熱圧縮により厚みを０．１４ｍｍに圧縮した以外は、実施例１と同様にして、円筒型ニッケル水素蓄電池（公称容量１．０Ａｈ）を得た。

（試験例１）
実施例１〜４および比較例１〜２で得られた電池について、１．０Ａの電流で−ΔＶ（５ｍＶ）の充電制御で充電した後、１．０Ａの電流で１．０Ｖまで放電する充放電サイクル寿命試験を実施した。電池容量が初期の電池容量の６０％になった段階を寿命と判定し、寿命にいたった充放電回数を測定した。結果を、電池を作成する前にあらかじめ測定しておいた電極群の中心部分（正負極に直接面しない圧縮部分に相当）のセパレータの保液率と一緒に表１に示す。

表１に示すように、電極群の中心部に位置し正極および負極に直接面していないセパレータの保液率が、正負極に直接面したセパレータの保液率の７０％未満でセパレータ厚みが２０％〜７０％の間にある実施例１、実施例２、実施例３、実施例４は、比較例１および比較例２に対してサイクル寿命が２０％以上向上している。また特に圧縮部分の２枚のセパレータを熱溶着で一体化している実施例２ではサイクル寿命が５０％以上大きく向上している。これは圧縮や熱溶着により、電極群の中心部分に存在する電解液が減少し、それに相当する電解液が正極および負極に直接面しているセパレータに保持されている効果と推測され、本発明の優位性が確認された。

なお本発明は、本実施例に限定されず、請求項１〜請求項３に記載される構成をとる円筒型アルカリ蓄電池では、同様の効果を得ることができる。

本発明によれば、充放電サイクル性能に優れた円筒型アルカリ蓄電池が提供される。本発明の円筒型アルカリ蓄電池は、くり返し使用される回数の多い、たとえば携帯用ゲーム機や音楽機器などの携帯機器用電源として好適に使用できる。

１ 正極板
２ 負極板
３ セパレータ
４ ケース
５ 絶縁リング
６ 封口板
７ 安全弁
８ 正極リード
９ 長セパレータ（中心部）
１０ 短セパレータ（中心部）
１１ 長セパレータ（正負極対面部）
１２ 短セパレータ（正負極対面部）

Claims (3)

1. 正極、負極およびセパレータを捲廻した構造の電極群を有する円筒型アルカリ蓄電池において、前記電極群の中心部に位置し正極および負極に直接面していないセパレータの保液率が、電極群中の正極および負極に直接面しているセパレータの保液率の６０％以下であることを特徴とする円筒型アルカリ蓄電池。
2. 電極群の中心部に位置し正極および負極に直接面していないセパレータの厚みが、電極群中の正負極に直接面しているセパレータの厚みの２０％〜７０％であることを特徴とする請求項１に記載の円筒型アルカリ蓄電池。
3. 電極群の中心部に位置し正極および負極に直接面していない２枚以上のセパレータが熱溶着されて一体化していることを特徴とする請求項１から２に記載の円筒型アルカリ蓄電池。