JP2016528669A - ニッケル鉄電池 - Google Patents

Abstract

密閉式セル間接続を有するセルを有するモノブロックハウジングを用いるニッケル鉄電池。セル間接続は、セル間の流体移動を防ぐために、圧縮グロメットを用いる。各セルは、電荷を発生させ、必要に応じて直列または並列に接続することができる。セルは、高効率、高スループットおよび極めて低い電池コストをもたらす製造工程を可能にする電極板を用いる。セルのアノード組成物は、カソードの利用性を向上させることにより、カソード物質の使用量低減および製造費用の低下をもたらすために鉄粉を有する。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１３年６月２０日に出願された特許文献１および２０１４年６月１８日に出願された特許文献２の優先権を主張するものであり、両出願の全体を参照により本明細書に援用する。

本開示は、電池に関する。より詳細には、本開示は、ニッケル鉄モノブロック電池を扱う。

本項の記述は、本開示に関連する背景情報を提供するにすぎない。したがって、当該記述は、先行技術の自認を構成するものではない。

ニッケル鉄電池は、堅固で、乱用時の耐久性があり、大規模用途にも安全である。他の電池に比べ、極めて長いカレンダー寿命およびサイクル寿命を有することが知られている。ニッケル鉄電池は、あらゆる他の電池化学作用と比較して、深い放電および過充電での高電圧の複数セル使用における電気的乱用に対する耐久性が極めて優れているため、繰り返し用途にて、再生可能エネルギーならびにフォークリフトおよび機関車推進用の牽引力のための主補助電源として良好に機能する。

米国仮通常出願第６１／８３７２０９号 米国非仮通常出願第１４／３０８４４１号

一実施形態において、本開示のニッケル鉄電池は、１つまたは複数のセルに仕切る隔壁を有するハウジングを含み、セルがセル間接続を用いて接続され、さらに、それぞれのセルが、複数の正極板であって、それぞれの正極板が、複数の正極ペレットを収める多孔集電体および正極集電体タブから構成される正極板；複数の負極板であって、それぞれの負極板が、複数の負極ペレットを収める多孔集電体および負極集電体タブから構成される負極板；正極板と負極板との間に配置されたセパレータ；ならびにセルを統合アセンブリに保持するように構成された複数のバンドを含み、当該ハウジング内に配置された電解質を含む。

ハウジングは、上述した他の電池要素を収容することができる。ハウジング構造材料は、プラスチック、プラスチック被覆金属またはアルカリ電解質に適合する任意の他の材料であり得る。

セル間接続は、鋼鉄、ニッケル、ニッケルめっき鋼などの導電性である構造材料を有し得る。セル間接続は、金属圧着、リベット、ナットおよびボルト、溶接などを用いる固着方法を有し得る。

正極板は、ニッケルめっき鋼などである構造材料を有し得る。１つまたは複数のペレットを含み得る。

多孔集電体は、鋼鉄、ニッケル、ニッケルめっき鋼などの導電性である構造材料を有し得る。

正極ペレットは、水酸化ニッケル、酸化マンガンなどである構造材料を有し得る。

正極集電体は、ニッケル、ニッケルめっき鋼などである構造材料を有し得る。

負極ペレットは、酸化鉄などである構造材料を有し得る。

負極集電体は、ニッケル、ニッケルめっき鋼などである構造材料を有し得る。

セパレータは、繊維もしくは不織布のナイロン、ポリプロピレンまたはアルカリ電解質に適合する任意の他の材料である構造材料を有し得る。

バンドは、ポリプロピレンプラスチックなどの構造材料を有し得る。

電解質は、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウムなどを含有する溶液であり得る。

本発明の範囲は、特許請求の範囲で定義され、当該特許請求は参照により本項に組み込まれる。以下の１つまたは複数の実施形態についての詳細な説明を検討することで、本開示に関する実施形態のより完全な理解およびさらなる利点の実現が当業者にもたらされるであろう。まず簡単に説明される添付の図面について言及する。

本発明の方法およびシステムを例示する添付の図面を参照することで、上記に概要を示した本発明の主な特徴についての明瞭な理解が得られるであろう。ただし、当該図面が本発明の好ましい実施形態を示すものであり、本発明により企図が可能な他の実施形態に関して、その範囲を限定するものとみなされないことは理解されるであろう。

内部にセル間接続を有するモノブロックニッケル鉄電池のハウジング設計の断面図である。 圧着させたセル間接続の断面図である。 圧着させたセル間接続の拡大断面図である。 圧着させたセル間接続の断面展開図である。 穿孔領域および非穿孔領域を有する電極板を示す。 電極板の分解斜視図である。 電極板の側面断面図である。 電極板の正面図である。 穿孔鋼板の片側ルーバ実施形態の断面図である。 穿孔鋼板の片側ルーバ実施形態の斜視図である。 穿孔鋼板の両側ルーバ実施形態の断面図である。 穿孔鋼板の両側ルーバ実施形態の斜視図である。 セルスタックの斜視図である。 セルスタックの断面図である。 折りたたみ式セパレータの断面図である。 代替のセルスタック実施形態を示す。 代替のセルスタック実施形態の断面図である。 代替の折りたたみ式セパレータ実施形態の断面図である。 鉄粉の事前添加なしのアノード性能を示す。 鉄粉の事前添加ありのアノード性能を示す。 鉄粉の添加ありおよび添加なしの両方におけるニッケル鉄セル性能の比較を示す。

以下の本発明の詳細な説明は、本質的に例示にすぎず、本発明または本発明の適用および使用を限定するものではない。さらに、上記の本発明の背景または以下の本発明の詳細な説明において記載するいかなる理論にも拘束されるものではない。

他の電池技術に優る多数の性能上の利点があるが、ニッケル鉄電池は、極板製造工程が極めて複雑であり、そのため、製造コストが極めて高い。

本開示は、上述した製造上の限界を克服しつつ、記載の利点を活用する新規かつ非自明のニッケル鉄電池について記載する。ニッケル鉄電池に関する本開示の発明は、３つの異なる領域にて、現況技術に優る改善点がある。すなわち、１）密閉式セル間接続を備える、高電圧のニッケル鉄モノブロック設計；２）高効率、高スループットおよび極めて低い電池コストをもたらす電極板設計法および製造工程；ならびに３）カソードの利用性を向上させることにより、カソード物質の使用量低減および製造費用の低下をもたらすために鉄粉を有するアノード組成物である。

現況技術のニッケル鉄電池は、カソード；アノード；セパレータ；電解質；およびハウジングを含む。

本開示は、図１に示すように、内部にセル間接続を有する、ニッケル鉄電池のモノブロックハウジング設計を提供する。本モノブロック設計は、電池内に密閉式セル間接続を備える。

本モノブロック設計では、電力要件に応じて、電池電圧を１Ｖから６Ｖ、１２Ｖ、４８Ｖまたはそれ以上に設定することができる。モノブロックニッケル鉄の利点には、下記の表１に示す通り、電池のエネルギー密度が高いこと、物質消費量が小さいこと、これにより製造費用が低いことが挙げられる。

信頼性の高いモノブロックニッケル鉄電池には、密閉式セル接続が必要とされる。アルカリ電解質は、導電性金属表面に沿って流れる傾向がある。本モノブロック設計の発明は、図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃに示す密閉式セル間接続について開示する。

本開示は、モノブロック電池における低費用の恒久的な密閉性セル間接続を提供する。セル間接続は、正極タブと負極タブの間のプラスチック製グロメットの圧縮を介して達成され、これによりグロメットがセル間隔壁中の穴の体積に適合することになる。セル間隔壁穴の内部でのグロメット材料の捕捉および圧縮により、液体電解質の通過を恒久的に密閉する静水圧がグロメット内に生じる（すなわち、液体が隔壁穴を通過しない）。また、本設計により、グロメットが完全に捕捉されて、グロメットにかかる静水圧を低減させ得る継続的な塑性クリープならびにグロメットと正極タブ突出部および／またはセル間隔壁との間の密閉性の損失が生じないため、長期間の密閉接続がもたらされる。

正極タブは、球放射状部分に囲まれた円筒形部分を有する成形突出部を有する。球状部分は、圧着の際に平らにされリベットヘッドに類似した「ヘッド」となる。この「ヘッド」は、アセンブリを圧縮状態に保持するアノードタブへのサポートを提供する。本実施形態における正極タブの材料は、ニッケルめっきが施された冷間圧延鋼である。使用することができる代替の材料には、ステンレス鋼およびニッケルまたは対象の化学作用に適合する任意の他の材料が挙げられる。

本実施形態におけるグロメットはフランジを有するが、フランジなしで作製し、同様の密閉特性を変わらずにもたらすようにしてもよい。本実施形態の材料はＰＴＦＥである。代替材料には、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアミドまたは本用途に適した他のポリマーが挙げられる。

負極タブは、正極タブ成形突出部を受け、かつ成形正極タブ突出部の「ヘッド」を保持する大きさに形成された穴を有する。本実施形態において、負極タブは、球放射状部分に囲まれた円筒形部分を有する。この特徴は、負極タブの位置決めを補助するために、アセンブリ工程にて使用される。代替の実施形態では、この特徴をなくしてもよいし、特徴の種類を変えてもよい。

本開示は、正極タブ自体および負極タブ自体を用いることによって、密閉性の恒久的に封止されたセル間接続を提供する。可能な限り低価格のより簡易なアセンブリには追加の密封柱は必要とされない。

ニッケル鉄ポケット式極板電池向けの従来の設計は、電極板を製造するための製造工程が複雑なため、製造費用が極めて高い。ポケット式極板製造工程の従来技術では、個々の鋼鉄ストリップを形成、穴開けまたは穿孔し、次いで電極板に連結させる。これは、複雑で費用のかかる極板製造工程である。

対照的に、本開示のニッケル鉄電池は、単一構成要素中に特定の形状および寸法ならびに電極板ポケットを有する完全な電極板を形成することによって、高効率かつ高スループットの電極製造工程を提供する。図３に示すように、本電池は、電極板の寸法に適合する鋼鉄板を使用する。穿孔およびポケットは、水圧または機械的圧力によって複数の板に施すことができる。特定の形状および寸法を有する板の形成作業ならびに穿孔作業は、双方を同時に行うことができる。代替法では、同等の結果を有するすでに穿孔が施された板を使用することができる。すでに穿孔された鋼鉄板は、エキスパンドメタル剪断プレスまたは回転成形ダイにより製造されたエキスパンドメタルを含み得る。図３は、電極ポケット４０２を構成する各穿孔部分３０１の間に非穿孔部分３０２を示すが、連続的な穿孔パターンを有する代替の実施形態も可能である。

電極板は、複数の電極ペレットおよび集電体である穿孔鋼鉄板から構成される。図４Ａおよび図４Ｂに示す、複数の電極ポケット４０２を有する２つの個別の穿孔鋼板要素および電極ペレット４０４は、高効率で高スループットの費用対効果の高いアセンブリによる堅固な電極製造工程をもたらすことができる。この構造体は、クリンチング、抵抗溶接などを含めた複数の製造方法によって接合することができる。集電体サイドレール４０５および集電体タブ４０３が最終工程として加えられる。集電体４０１、集電体サイドレール４０５および集電体タブ４０３は、本実施形態では、抵抗溶接によって接合される。別の実施形態において、接合工程を機械的クリンチング法によって行うこともできる。

正極板および負極板の双方のアセンブリは、電極ペレットの化学的組成および集電体材料の穿孔の点を除き、類似している。図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃに示す実施形態において、複数の電極ペレット４０４が、集電体４０１に形成された電極ポケット４０２中に収容される。

一実施形態において、カソード極板集電体の穿孔開口部の寸法は、高さ４０〜６０ミクロン×幅０．３０〜０．５０ｍｍであるが、これらの寸法の許容範囲は、高さ２０〜２００ミクロン×幅０．１０〜４．００ｍｍである。

一実施形態において、孔表面あたりの開口部の総面積をカソードペレットの主要面の表面積で除算したものとして定義される、開口領域の割合は、５〜７％であるが、許容範囲は２〜２０％である。

一実施形態において、アノード極板集電体の穿孔開口部の寸法は、高さ１２０〜１５０ミクロン×幅１．００〜２．００ｍｍであるが、これらの寸法の許容範囲は、高さ２０〜２００ミクロン×幅０．１０〜４．００ｍｍである。

一実施形態において、孔表面あたりの開口部の総面積をアノードペレットの主要面の表面積で除算したものとして定義される、開口領域の割合は、５〜７％であるが、許容範囲は２〜２０％である。

セルスタック６００は、複数の電極板６０２、セパレータ６０１、導電性タブ６０４および圧縮バンド６０３から構成される。本実施形態では、セパレータ６０１材料が正極板６０６と負極板６０５の間に編み込まれるように配置される。本実施形態の場合、図６、７Ａおよび７Ｂは、不織のスパンボンドナイロン材料で製造されるセパレータ材料を示すが、ポリプロピレン、ポリエチレンおよび対象の化学作用に適合する任意の他の材料などの代替の材料も用いることができる。

図８、９Ａおよび９Ｂの代替のセルスタック実施形態８００は、セパレータ材料の使用ではなく、電極板６０２の間の空隙に必要な電解質が入り込めるようにしながら、電極板６０２の間に必要な絶縁体をもたらすためのポリマーフレーム８０３の使用を示す。本代替実施形態の材料は、ポリプロピレンであるが、ポリアミド、ポリエチレンおよび対象の化学作用に適合する任意の他の材料などの代替の材料も用いることができる。さらに、複数のバンド６０３を使用して、効率的な導電性およびイオン伝導性のために必要である、代替のセルスタック実施形態８００に圧力を加えることによって、代替のセルスタック実施形態８００を締め付ける。本実施形態８００において、バンド６０３はポリプロピレン製であるが、ゴム、ポリエチレンおよび対象の化学作用に適合する任意の他の材料などの代替の材料も用いることができる。

一実施形態において、セルスタックは、７枚の負極板および６枚の正極板を有する１３枚の極板から構成される。電極板の総数は、セルの目的のアンペア時容量による。代替の実施形態は、セルの所要容量に応じた任意の数の電極板を有し得る。

鉄アノードの放電効率は、ニッケルカソードの放電効率ほどよくない。酸化鉄アノードのファラデー利用率は理論値の約３０％であるが、水酸化ニッケルカソードのファラデー利用率は約１００％である。電池放電容量が酸化鉄アノードによって制限されるため、最初の生成サイクル中に、相当量の高価な水酸化ニッケルが無駄になる。図１０は、鉄粉の添加なしおよび添加ありのカソード放電深度を示す。セルの可逆容量は、鉄粉を添加すると、より大きくなる。

酸化鉄アノードに使用される鉄粉の好ましい量は、５％〜３５％である。より好ましくは、１０％〜２０％である。鉄粉を用いる酸化鉄アノードの好ましい実施形態は、以下を含み得る。
マグネタイト酸化鉄粉 ５０％〜８７．５％
硫黄 ０．５％〜１％
グラファイト伝導体 ５％〜１０％
結合剤 ２％〜４％
鉄粉 ５％〜３５％

鉄粉は、電気化学的に活性であり、したがって、酸化鉄アノードにおける効率損失を補填する放電容量をもたらすことができ、これによりカソード容量を完全に利用することができる。良好な放電効率のために好ましい鉄粉の粒径は、０．５〜５ミクロンであるが、より好ましくは１〜２ミクロンである。この方法により、十分に活用されていない水酸化ニッケルに比べて、電池エネルギーコストがより下がる。図１１は、鉄粉の添加ありおよび添加なしのセル性能を示す。本開示における鉄粉には、アトマイズ鉄粉、カルボニル鉄粉、分散した炭素粉上に鉄化合物を液相から還元することによって合成した鉄粉−炭素複合体などを挙げることができる。これらの種類の鉄粉は極めて高い純度で製造することができ、充電中のガス発生の低下をもたらし、これにより高いサイクル効率をもたらすことができる。

図１は、内部にセル間接続を有するモノブロックニッケル鉄電池のハウジング設計の断面図である。セルスタック１０１、電槽１０２、電池蓋１０３、液口栓１０４、電池端子１０５およびセル間接続１０６が示されている。セル間接続１０６は、セルスタック１０１間の流体流れを防ぐように構成される。

図２Ａは、圧着させたセル間接続２００の断面図である。セル間隔壁２０１、負極タブ２０２、グロメット２０３、負極タブ２０４および圧着突出部２０５が示されている。グロメット２０３は、圧縮され、圧着させたセル間接続２００を流体が通過しないように構成される。

図２Ｂは、圧着させたセル間接続２００の拡大断面図である。セル間隔壁２０１、負極タブ２０２、グロメット２０３、正極タブ２０４および圧着突出部２０５が示されている。グロメット２０３は、圧縮され、圧着させたセル間接続２００を流体が通過しないように構成される。

図２Ｃは、圧着させたセル間接続２００の断面展開図である。セル間隔壁２０１、負極タブ２０２、グロメット２０３および正極タブ２０４が示されている。

図３は、穿孔領域３０１および非穿孔領域３０２を有する電極板を示す。また、穿孔領域３０１内の電極ポケット４０２を示す。

図４Ａは、電極板の分解斜視図である。集電体４０１、電極ポケット４０２、集電体タブ４０３、電極ペレット４０４および集電体サイドレール４０５が示されている。

図４Ｂは、電極板の側面断面図である。集電体４０１、集電体タブ４０３、電極ペレット４０４および集電体サイドレール４０５が示されている。

図４Ｃは、電極板の正面図である。電極板の接合位置４０６が示されている。電極板は、接合位置４０６の間にポケット４０２が形成されるように対にされ、合わせられる。ポケットは電極ペレット４０４を保持する。

図５Ａは、穿孔鋼板の片側ルーバ実施形態の断面図である。片側ルーバ５０１が示されている。片側ルーバ５０１は、単一の開口部がある半円錐の形状を有し得る。

図５Ｂは、穿孔鋼板の片側ルーバ実施形態の斜視図である。片側ルーバ５０１が示されている。片側ルーバ５０１は、単一の開口部がある半円錐の形状を有し得る。

図５Ｃは、穿孔鋼板の両側ルーバ実施形態の断面図である。両側ルーバ５０２が示されている。両側ルーバ５０２は、２つの開口部がある台形の形状を有し得る。

図５Ｄは、穿孔鋼板の両側ルーバ実施形態の斜視図である。両側ルーバ５０２が示されている。両側ルーバ５０２は、２つの開口部がある台形の形状を有し得る。

図６は、セルスタック６００の斜視図である。セパレータ６０１、電極板６０２、バンド６０３および導電性タブ６０４が示されている。

図７Ａは、セルスタックの断面図である。セパレータ６０１、負極板６０５、正極板６０６およびバンド６０３が示されている。

図７Ｂは、折りたたみ式セパレータの断面図である。負極板６０５、正極板６０６および折りたたみ式セパレータ７０１が示されている。

図８は、代替のセルスタック実施形態８００を示す。ポリマーフレーム８０３、電極板６０２、バンド６０３および導電性タブ６０４が示されている。

図９Ａは、代替のセルスタック実施形態の断面図である。ポリマーフレーム８０３、負極板６０５、正極板６０６およびバンド６０３が示されている。

図９Ｂは、代替の折りたたみ式セパレータ実施形態の断面図である。負極板６０５、正極板６０６およびポリマーフレーム８０３が示されている。

図１０Ａは、鉄粉の事前添加なしのアノード性能を示す。

図１０Ｂは、鉄粉の事前添加ありのアノード性能を示す。

図１１は、鉄粉の添加ありおよび添加なしの両方におけるニッケル鉄セル性能の比較を示す。

従来技術にて言及したすべての特許および公表物は、本発明が属する技術分野の当業者の水準を示すものである。すべての特許および公表物は、本開示と矛盾しない限り、それぞれ個々の公表物が参照により援用されることが明確にかつ個別に示された場合と同様に、参照により本明細書に援用される。

本発明について、例示的な実施形態を参照して説明してきたが、当業者には、本発明が開示したまたは例示した実施形態に限定されるものではなく、反対に、多数の他の修正、置換、変形および幅広い同等の構成も含むことが意図されていることが明らかであろう。

Claims (17)

1. ニッケル鉄電池であって、
   １つまたは複数のセルに仕切る隔壁を有するハウジングを含み、
   前記セルがセル間接続を用いて接続され、さらに、それぞれのセルが、
   複数の正極板であって、それぞれの正極板が、１つまたは複数の正極ペレットを収める多孔集電体および正極集電体タブから構成される正極板；
   複数の負極板であって、それぞれの負極板が、１つまたは複数の負極ペレットを収める多孔集電体および負極集電体タブから構成される負極板；
   前記正極板と前記負極板との間に配置されたセパレータ；ならびに
   前記セルを統合アセンブリに保持するように構成された複数のバンドを含み、
   前記ハウジング内に配置された電解質を含む、電池。
2. 前記負極ペレットが、５重量％〜５０重量％の鉄粉からなる酸化鉄アノードを含む、請求項１に記載の電池。
3. 前記負極ペレットが、１０重量％〜２０重量％の鉄粉からなる酸化鉄アノードを含む、請求項１に記載の電池。
4. 正極拡張タブおよび負極拡張タブをさらに含み、前記正極拡張タブが前記正極集電体タブに接続され、前記負極拡張タブが前記負極集電体タブに接続される、請求項１に記載の電池。
5. 拡張タブと隣接セル間に存在するセル間隔壁との間を密閉するために圧縮されたプラスチック製グロメットを用いて、前記セル間接続が達成される、請求項４に記載の電池。
6. 前記正極拡張タブが、球放射状部分に囲まれた円筒形部分を有する所定の突出部を有し、前記円筒形部分の外径が２〜３０ｍｍであり、前記円筒形部分の長さが前記セル間隔壁の厚さの１００〜３００％である、請求項４に記載の電池。
7. 前記圧縮されたグロメット封止が、前記正極拡張タブ突出部を成形ヘッドに形成することによって達成され、前記ヘッドの直径が前記円筒形部分の外径の１０５〜２００％である、請求項５に記載の電池。
8. それぞれの正極板集電体が片側ルーバの形状で穿孔を有し、前記穿孔が２０〜２００ミクロンの長さで、０．１〜４．０ｍｍの幅である、請求項１に記載の電池。
9. それぞれの正極板集電体が両側ルーバの形状で穿孔を有し、前記穿孔が２０〜２００ミクロンの長さで、０．１〜４．０ｍｍの幅である、請求項１に記載の電池。
10. それぞれの正極板集電体が２〜２０％の開口領域を有する、請求項１に記載の電池。
11. それぞれの正極板集電体が非穿孔領域を有する、請求項１に記載の電池。
12. それぞれの正極板集電体が連続した穿孔を有する、請求項１に記載の電池。
13. それぞれの負極板集電体が片側ルーバの形状で穿孔を有し、前記穿孔が２０〜２００ミクロンの長さで、０．１０〜４．０ｍｍの幅である、請求項１に記載の電池。
14. それぞれの負極板集電体が両側ルーバの形状で穿孔を有し、前記穿孔が２０〜２００ミクロンの長さで、０．１０〜４．０ｍｍの幅である、請求項１に記載の電池。
15. それぞれの負極板集電体が２〜２０％の開口領域を有する、請求項１に記載の電池。
16. それぞれの負極板集電体が非穿孔領域を有する、請求項１に記載の電池。
17. それぞれの負極板集電体が連続した穿孔を有する、請求項１に記載の電池。

Images