JP2015125841A - アルカリ蓄電池用の負極及びこの負極を用いたアルカリ蓄電池 - Google Patents

Abstract

【課題】アルカリ蓄電池の内部短絡の発生を防止することができるアルカリ蓄電池用の負極を提供する。【解決手段】円筒状の電極群２２を形成すべく、セパレータ２８を介して正極２４と重ね合わされて渦巻き状に巻回されるアルカリ蓄電池用の負極２６において、この負極２６は、一枚の金属製の薄板からなる負極芯体４０と、負極芯体４０の両面に設けられた負極合剤層４８と、を備え、負極合剤層４８には、電極群２２を形成したときに正極２４の巻き終わり端部６０と相対する位置に第１凹溝６２及び第２凹溝６４が設けられている。【選択図】図４

Description

本発明は、アルカリ蓄電池用の負極及びこの負極を用いたアルカリ蓄電池に関する。

アルカリ蓄電池の一つとして、円筒形のニッケル水素蓄電池が知られている。このニッケル水素蓄電池は、有底円筒形状の外装缶内に円柱状の電極群がアルカリ電解液とともに収容され、封口体により外装缶の上端開口が封口されることにより製造される。上記した電極群は、それぞれ帯状の正極、負極及びセパレータからなり、詳しくは、正極と負極とが、間にセパレータを挟み込んだ状態で渦巻き状に巻回されて形成される。上記したセパレータは、多数の空隙を含んだ絶縁材料からなり、正極及び負極の間に介在し、両者の短絡を防止するとともに、上記した空隙内にアルカリ電解液を保持し、充放電反応の円滑な進行に寄与する。

ここで、正極は、その中間製品が所定寸法に切断されることにより形成される。この切断の際、正極の端縁にはバリが発生する。このように端縁にバリを有する正極を含む電極群においては、正極の巻き終わり端部のバリがセパレータを突き抜けて負極と接触し内部短絡を発生させることがある。このような内部短絡は、電極群に圧縮力がかかることにより引き起こされる。ここで、電極群へは、例えば、以下のような場合に圧縮力がかかる。すなわち、上記したように正極及び負極を巻回して電極群を形成する場合、組み立てられた電池へ外径絞り加工を行う場合、電池の充放電の繰り返しにより正極が膨張するいわゆる正極膨化が起こった場合などである。

上記したような圧縮力は、電極群の内周部よりも外周部の方にかかり易い。このため、電極群の外周部に位置する正極の巻き終わり端部に圧縮力がかかり、正極の巻き終わり端部のバリがセパレータを突き抜けて内部短絡を発生させてしまう。つまり、正極の巻き終わり端部は、内部短絡の発生し易い箇所となっている。

以上のようなことから、正極の巻き終わり端部での内部短絡の発生を抑制すべく様々な研究がなされている。そして、内部短絡の発生を抑制した電池の開発が種々行われている。このような内部短絡の発生を抑制した電池としては、例えば、特許文献１に示されるアルカリ蓄電池が知られている。この特許文献１のアルカリ蓄電池は、正極の巻き終わり端部に傾斜面を設けることにより、巻回の際などに生じる圧縮力が正極の巻き終わり端部に伝わる強さを緩和するとともに、巻き終わり端部に保護部材を配設して正極のバリがセパレータを突き抜けることを抑制することにより内部短絡の発生を防止するというものである。

特開２００５−０５６６７６号公報

ところで、特許文献１のアルカリ蓄電池においては、保護部材を配設する作業に手間がかかるとともに、保護部材が別途必要となるので、製造コストも嵩む。また、正極の端部を傾斜面にするための加工は比較的難しく手間がかかる。しかも、正極の巻き終わり端部に傾斜面を設ける際には、やはりバリは発生してしまう。そして、保護部材で補強していてもバリの突き抜けを確実に防止することは困難である。したがって、特許文献１の態様であっても十分に内分短絡の発生を抑制することができていないのが現状である。

このため、内部短絡の発生をより簡便に且つ十分に抑制することができるアルカリ蓄電池の開発が望まれている。

本発明は、上記の事情に基づいてなされたものであり、その目的とするところは、アルカリ蓄電池の内部短絡の発生を防止することができるアルカリ蓄電池用の負極及びこの負極を用いたアルカリ蓄電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、円筒状の電極群を形成すべく、セパレータを介して正極と重ね合わされて渦巻き状に巻回されるアルカリ蓄電池用の負極において、一枚の金属製の薄板からなる負極芯体と、前記負極芯体の両面に設けられた負極合剤層と、を備え、前記負極合剤層には、前記電極群を形成したときに前記正極の巻き終わり端部と相対する位置に凹部が設けられている、アルカリ蓄電池用の負極が提供される。

本発明の態様の負極によれば、負極合剤層において、正極の巻き終わり端部と相対する位置に凹部が設けられているので、正極の巻き終わり端部を挟んで電極群の径方向の内側及び外側に空間が確保される。このため、電極群に圧縮力が加えられる状況となっても、正極の巻き終わり端部に圧縮力が伝わることを回避させることができ、正極の巻き終わり端部のバリがセパレータを突き抜けることを抑制することができる。また、仮に正極のバリがセパレータを突き抜けたとしても、そこには空間があるので、当該バリが負極と接触することを避けることができる。これにより、内部短絡の発生は有効に防止される。また、本発明の態様の負極においては、負極合剤層の所定箇所に凹部を設ける作業は比較的簡便であり、保護部材を別途用意する必要もない。よって、本発明の態様によれば、内部短絡の発生を十分に抑制しつつ、従来よりも製造効率を高くするとともに製造コストを低く抑えることができる負極を提供することができる。

また、本発明によれば、上端開口が気密に封口された有底円筒状の外装缶と、前記外装缶内にアルカリ電解液とともに収容された電極群とを備え、前記電極群は、正極及び負極がこれらの間にセパレータを介在させて渦巻き状に巻回されてなり、前記負極は、上記した本発明の負極であることを特徴とするアルカリ蓄電池が提供される。

この態様によるアルカリ蓄電池は、上記したような内部短絡を抑制することができる負極を備えているので、短絡不良の少ない優れた電池となる。

本発明によれば、アルカリ蓄電池の内部短絡の発生を防止することができるアルカリ蓄電池用の負極を得ることができるとともに、内部短絡が発生し難いアルカリ蓄電池を得ることができる。

本発明の一実施形態に係るニッケル水素蓄電池を部分的に破断して示した斜視図である。 本発明の一実施形態に係る負極を示した斜視図である。 本発明の一実施形態に係るニッケル水素蓄電池の横断面図である。 図３中の円ＩＶ内を拡大して示した断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る負極を組み込んだアルカリ蓄電池について説明する。
本発明が適用されるアルカリ蓄電池としては特に限定されないが、例えば、図１に示すＡＡサイズの円筒形のニッケル水素蓄電池２（以下、単に電池２という）に本発明を適用した場合を例に説明する。

図１に示すように、電池２は、上端が開口した有底円筒形状をなす外装缶１０を備えている。外装缶１０は導電性を有し、その底壁３５は負極端子として機能する。外装缶１０の開口には、封口体１１が固定されている。この封口体１１は、蓋板１４及び正極端子２０を含み、外装缶１０を封口するとともに正極端子２０を提供する。蓋板１４は、導電性を有する円板形状の部材である。外装缶１０の開口内には、蓋板１４及びこの蓋板１４を囲むリング形状の絶縁パッキン１２が配置され、絶縁パッキン１２は外装缶１０の開口縁３７をかしめ加工することにより外装缶１０の開口縁３７に固定されている。即ち、蓋板１４及び絶縁パッキン１２は互いに協働して外装缶１０の開口を気密に閉塞している。

ここで、蓋板１４は中央に中央貫通孔１６を有し、そして、蓋板１４の外面上には中央貫通孔１６を塞ぐゴム製の弁体１８が配置されている。更に、蓋板１４の外面上には、弁体１８を覆うようにしてフランジ付き円筒形状をなす金属製の正極端子２０が電気的に接続されている。この正極端子２０は弁体１８を蓋板１４に向けて押圧している。なお、正極端子２０には、図示しないガス抜き孔が開口されている。

通常時、中央貫通孔１６は弁体１８によって気密に閉じられている。一方、外装缶１０内にガスが発生し、その内圧が高まれば、弁体１８は内圧によって圧縮され、中央貫通孔１６を開き、この結果、外装缶１０内から中央貫通孔１６及び正極端子２０のガス抜き孔を介して外部にガスが放出される。つまり、中央貫通孔１６、弁体１８及び正極端子２０は電池のための安全弁を形成している。

外装缶１０には、アルカリ電解液（図示せず）とともに電極群２２が収容されている。ここで、アルカリ電解液はセパレータ２８に含浸され、正極２４と負極２６との間での充放電反応を進行させる。このアルカリ電解液の種類としては、特に限定されないが、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化リチウム水溶液、水酸化カリウム水溶液を挙げることができる。これらの水溶液は、それぞれ単独で用いることができるが、これらのうち２つ以上を混合した混合水溶液として用いることもできる。

また、図１から明らかなように、内部短絡防止のため、外装缶１０内には、電極群２２と蓋板１４との間に円形の上部絶縁部材３２が配置されており、電極群２２と外装缶１０の底壁３５との間にも円形の下部絶縁部材３４が配置されている。

電極群２２は、それぞれ帯状の正極２４、負極２６及びセパレータ２８からなり、これらは正極２４と負極２６との間にセパレータ２８が挟み込まれた状態で渦巻状に巻回されている。即ち、セパレータ２８を介して正極２４及び負極２６が互いに重ね合わされている。電極群２２の外周面は負極２６の一部により形成され、外装缶１０の内周壁と接触している。これにより、負極２６と外装缶１０とは互いに電気的に接続されている。

一方、正極２４には、正極リード３０が取り付けられており、この正極リード３０の先端が蓋板１４に接続されている。この蓋板１４には、上記したように正極端子２０が接続されているので、正極端子２０と正極２４とは、正極リード３０及び蓋板１４を介して互いに電気的に接続されている。ここで、図１から明らかなように、正極リード３０は上部絶縁部材３２に設けられたリード通し孔３９を通して延びている。

ここで、上記した正極２４としては、公知のニッケル水素蓄電池に用いられる正極が好適に用いられる。このような正極２４は、例えば、三次元網目状構造のニッケルフォームからなる正極基材に正極合剤が保持されることにより形成されている。上記した正極合剤は、正極活物質である水酸化ニッケル粒子、導電剤としてのコバルト、結着剤としての親水性若しくは疎水性のポリマー等を含んでいる。

正極２４は、例えば、以下のようにして製造される。
まず、水酸化ニッケル粒子、コバルト粒子、親水性ポリマー粒子、水を混練し、正極合剤スラリーを調整する。そして、この正極合剤スラリー中にニッケルフォームのシートを通し、ニッケルフォームの連通孔内及び表面に正極合剤スラリーを保持させる。次いで、乾燥工程において正極合剤スラリーを乾燥させて正極合剤層としたのち、ロール圧延を行い、所定厚さの正極の中間製品を形成する。得られた中間製品は、所定長さのところで切断され、これにより正極２４が得られる。

次に、セパレータ２８は、公知のニッケル水素蓄電池に用いられるセパレータが好適に用いられ、例えば、ポリアミド繊維製不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン繊維製不織布等が用いられる。なお、これら不織布には親水性官能基を付与することが好ましい。

負極２６は、図２に示すように、帯状をなす導電性の負極芯体４０と、この負極芯体４０の両面に設けられた負極合剤層４８とを備えている。

負極合剤層４８は、水素吸蔵合金粒子、導電剤、及び結着剤を含む。ここで、水素吸蔵合金粒子は、負極活物質としての水素を吸蔵及び放出可能な材料であり、ニッケル水素蓄電池の重要な構成要素の一つである。また、結着剤としては親水性若しくは疎水性のポリマー等を用いることができ、導電剤としては、黒鉛等を用いることができる。

水素吸蔵合金粒子における水素吸蔵合金としては、特に限定されるものではないが、希土類−Ｍｇ−Ｎｉ系水素吸蔵合金を用いることが好ましい。

負極芯体４０は、多数の貫通孔が分布された一枚の金属製の薄板からなり、例えば、パンチングメタルシートを用いることができる。この負極芯体４０は、第１面４２及びこの第１面４２とは反対側の第２面４４を有している。
負極合剤層４８は、負極芯体４０の貫通孔内に保持されるばかりでなく、負極芯体４０の第１面４２及び第２面４４上にも層状にして保持されている。

ここで、負極２６の構造について詳しく説明する。
まず、負極２６においては、電極群２２に組み込まれた状態で、電極群２２の径方向内側の面を内面５０、電極群２２の径方向外側の面を外面５２とする（図１参照）。そして、かかる内面５０は、負極芯体４０の第１面４２側に位置し、かかる外面５２は、負極芯体４０の第２面４４側に位置している。

負極２６は、図３から明らかなように、電極群２２の最外周においては、外面５２を露出させ、内面５０のみがセパレータ２８を介して正極２４と対向している。なお、電極群２２の最外周における負極２６の外面５２は、外装缶１０の内周壁と接している。更に、負極２６は、電極群２２の最外周よりも一巻き分だけ内側の部分においては、外面５２及び内面５０のそれぞれがセパレータ２８を介して正極２４と対向している。つまり、電極群２２の最外周の部分に位置する負極２６の内面５０と、電極群２２の最外周よりも一巻き分だけ内側の部分に位置する負極２６の外面５２とでセパレータ２８を介して正極２４の巻き終わり端部６０を挟む形となっている。そして、負極２６においては、正極２４の巻き終わり端部６０に相対する位置（以下、終端対応位置６６，６８という）に、この巻き終わり端部６０に沿うようにして凹溝（凹部）が設けられている。詳しくは、図３の円ＩＶ内を拡大して示した図４から明らかなように、負極２６の最外周の内面５０における終端対応位置６６に正極２４側に向かって開いた第１凹溝６２と、負極２６の最外周よりも一巻き分だけ内側の外面５２における終端対応位置６８に正極２４側に向かって開いた第２凹溝６４とが設けられている。

より詳しくは、負極２６を展開して示した図２から明らかなように、第１凹溝６２は、負極２６の内面５０で且つ負極２６の先端に近い部分にて、矢印Ａで示される負極２６の幅方向に沿った方向の全体に延びている。一方、第２凹溝６４は、負極２６の外面５２で且つ第１凹溝６２よりも一巻き分だけ負極２６の基端側の部分にて、矢印Ａで示される負極２６の幅方向に沿った方向の全体に延びている。

このような負極２６を、セパレータ２８を介在させた状態で正極２４とともに巻回すると、図３及び図４に示すように、正極２４の巻き終わり端部６０に対し、一方側（電極群２２の径方向内側）に負極２６の第２凹溝６４が位置付けられ、他方側（電極群２２の径方向外側）に負極２６の第１凹溝６２が位置付けられる。

このように、負極２６においては、正極２４の巻き終わり端部６０を挟むようにして第１凹溝６２及び第２凹溝６４が存在するため、正極２４の巻き終わり端部６０の厚さ方向の両側には空間が形成される。正極２４の巻き終わり端部６０に対応する部分（終端対応位置６６，６８）に空間が存在していると、電極群２２に圧縮力が加えられても、正極２４の巻き終わり端部６０へ圧縮力が伝わることは抑制され、正極２４の巻き終わり端部６０のバリがセパレータ２８を突き抜けることは抑えられる。また、仮に正極２４の巻き終わり端部６０のバリがセパレータ２８を突き抜けたとしても、上記した空間により突き抜けたバリが負極２６と接触することは回避される。よって、正極２４が負極２６と接触して内部短絡を起こすことは有効に防止される。

ここで、正極２４の巻き終わり端部に生じるバリの長さは、通常、０．０８ｍｍ程度であるので、上記した空間を確保するために、第１凹溝６２及び第２凹溝６４の深さは、それぞれ０．１０ｍｍ以上とすることが好ましい。また、第１凹溝６２及び第２凹溝６４の底は、負極合剤層４８内に位置付けられてもよいし、負極芯体４０にまで到達した位置に位置付けられていてもよい。

次に、負極２６の製造方法の第１例について、以下に説明する。

まず、水素吸蔵合金粒子からなる水素吸蔵合金粉末、導電剤、結着剤及び水を混練して負極合剤スラリーを調製する。

得られた負極合剤スラリーは、負極芯体４０としてのパンチングメタルシート４０に塗着される。このとき、負極合剤スラリーが塗着されたパンチングメタルシート４０は、ヒーターを備えた乾燥装置に導入され、この乾燥装置内を通過することにより、負極合剤スラリーは乾燥させられて、負極合剤層４８となる。

負極合剤層４８を保持したパンチングメタルシート４０は、一対の圧延ローラーの間を通過させられることにより、負極合剤層４８の密度が高められるとともに負極合剤層４８の厚さが所望する厚さに調整された帯状体となる。その後、この帯状体は、切断装置により切断され、所定長さの中間製品となる。

得られた中間製品は、所定箇所の負極合剤層４８が所定幅で且つ所定深さだけ削り取られる。これにより、中間製品には、第１凹溝６２及び第２凹溝６４が設けられ、中間製品は負極２６となる。

詳しくは、中間製品においては、切削装置により、一方の面（内面５０）の負極合剤層４８ａの終端対応位置６６に相当する部分が所定範囲に亘って切削されて第１凹溝６２が形成さられ、他方の面（外面５２）の負極合剤層４８ｂの終端対応位置６８に相当する部分が所定範囲に亘って切削されて第２凹溝６４が形成される。これにより、中間製品は、本発明に係る負極２６となる。より詳しくは、負極２６は、展開された状態で、図２に示すように、第１凹溝６２が、負極２６の先端部近傍に設けられ、第２凹溝６４が、第１凹溝６２とは反対側の面（外面５２）において、第１凹溝６２よりも負極２６の基端側に設けられている。そして、図３から明らかなように、第２凹溝６４は、負極２６と正極２４とをセパレータ２８を介して重ね合わせて電極群２２を形成した際に、負極２６の外面５２において、正極２６の巻き終わり端部６０に対応する箇所（終端対応位置６８）に位置付けられる。一方、第１凹溝６２は、負極２６の内面５０において、負極２６が電極群２２の最外周部を形成すべく一巻きされたのち、正極２４の巻き終わり端部６０に対応する箇所（終端対応位置６６）に位置付けられる。

これら第１凹溝６２及び第２凹溝６４は、ほぼ同じ形状をなしており、電極群２２内では、セパレータ２８を介在させた状態で正極２４の巻き終わり端部６０を間に挟んで対向するように位置付けられる。

また、負極２６の製造方法の第２例について以下に説明する。なお、この第２例については、上記した第１例と同様な部分については詳しい説明を省略し、異なる部分のみ詳しく説明する。

まず、パンチングメタルシート４０に対して、第１凹溝６２の形成予定領域及び第２凹溝６４の形成予定領域にマスキングテープを貼付する。マスキングテープが貼付されたパンチングメタルシート４０に第１例で準備した負極合剤スラリーを塗着させる。その後、第１例と同様に乾燥工程、圧延工程、切断工程を経て負極２６の中間製品を得る。そして、この中間製品からマスキングテープを外し、マスキングテープ上の負極合剤層４８を除去することにより、第１凹溝６２及び第２凹溝６４を形成する。これにより、負極２６が得られる。

上記した正極２４及び負極２６は、上記したセパレータ２８を介在させた状態で、渦巻き状に巻回され、電極群２２に形成される。

このようにして得られた電極群２２は、外装缶１０内に挿入される。そして、当該外装缶１０内にはアルカリ電解液が所定量注入される。その後、電極群２２及びアルカリ電解液を収容した外装缶１０は、正極端子２０、蓋板１４等を備えた封口体１１により封口される。これにより、本発明に係る電池２が得られる。

電池２に含まれる本発明に係る負極２６は、正極２４の巻き終わり端部６０に対応する箇所に第１凹溝６２及び第２凹溝６４を含んでいるので、これら第１凹溝６２及び第２凹溝６４により空間が形成されている。従って、電極群２２に圧縮力が加えられたとしても、正極２４の巻き終わり端部６０に対応する箇所に圧縮力が伝わることは回避することができる。このため、正極２４の巻き終わり端部６０のバリがセパレータ２８を突き抜けることは抑制される。また、仮にかかるバリがセパレータ２８を突き抜けたとしても第１凹溝６２及び第２凹溝６４により形成される空間により、バリの先端は負極２６まで到達しない。よって、内部短絡の発生は防止される。このように、本発明に係る負極２６及びこの負極２６を用いたアルカリ蓄電池２においては、正極２４の端部に傾斜部を形成したり、保護部材を別途組み込むといった面倒な作業を行わなくても、負極２６に凹溝を設けるといった簡便な態様をとるだけで内部短絡の発生を十分に防止することができる。

２ ニッケル水素蓄電池
１０ 外装缶
１１ 封口体
１２ 絶縁パッキン
１４ 蓋板
２０ 正極端子
２２ 電極群
２４ 正極
２６ 負極
２８ セパレータ
４０ 負極芯体（パンチングメタルシート）
４２ 第１面
４４ 第２面
４８ 負極合剤層
５０ 内面
５２ 外面
６０ 巻き終わり端部
６２ 第１凹溝
６４ 第２凹溝

Claims (2)

1. 円筒状の電極群を形成すべく、セパレータを介して正極と重ね合わされて渦巻き状に巻回されるアルカリ蓄電池用の負極において、
   一枚の金属製の薄板からなる負極芯体と、
   前記負極芯体の両面に設けられた負極合剤層と、を備え、
   前記負極合剤層には、前記電極群を形成したときに前記正極の巻き終わり端部と相対する位置に凹部が設けられている、アルカリ蓄電池用の負極。
2. 上端開口が気密に封口された有底円筒状の外装缶と、
   前記外装缶内にアルカリ電解液とともに収容された電極群とを備え、
   前記電極群は、正極及び負極がこれらの間にセパレータを介在させて渦巻き状に巻回されてなり、
   前記負極は、請求項１に記載の負極であるアルカリ蓄電池。

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