JP2017212059A - ニッケル水素電池 - Google Patents

Abstract

【課題】クリープ現象を抑制すること。【解決手段】ニッケル水素電池は、筐体、筐体内に収容されている電解液、筐体内に収容されている電極群、筐体を貫通している電極端子、および、電極端子と筐体との間に介在しているシール材、を備える。電極端子４の表面に、不導体層６が形成されている。不導体層６上に、金属層７が積層されている。金属層７は、ニッケルおよびニッケル鉄合金の少なくとも一方を含有する。【選択図】図４

Description

本開示は、ニッケル水素電池に関する。

特開２０１３−０１２４２８号公報（特許文献１）は、筐体と電極端子との間に、樹脂シール材が配置された電池構造を開示している。この電池構造によれば、電解液の漏出を抑制できるとされている。

特開２０１３−０１２４２８号公報

ニッケル水素電池の電解液は、強アルカリ性である。ニッケル水素電池は、電解液を漏出させない構造を有する必要がある。電解液が漏出すると、漏出した電解液が電池周囲の部材を腐食する可能性があるためである。

ニッケル水素電池は、車載用途にも使用されている。車両用途では、高温、多湿および振動等の過酷環境が想定される。このような過酷環境でも、電解液の漏出を抑制できる密閉構造の開発が求められている。

過酷環境において、電解液の漏出を促進する現象として、「クリープ現象」が知られている。クリープ現象とは、電極端子の表面を、電解液が這い上がる現象である。電極端子は、筐体を貫通している。クリープ現象により、電解液は電極端子を伝って外部に漏出することになる。

本開示のニッケル水素電池は、筐体；筐体内に収容されている電解液；筐体内に収容されている電極群；筐体を貫通している電極端子；および；電極端子と筐体との間に介在しているシール材；を備える。
電極端子の表面に、不導体層が形成されている。不導体層上に、金属層が積層されている。金属層は、ニッケルおよびニッケル鉄合金の少なくとも一方を含有する。

電極端子と筐体との間に介在するシール材は、筐体の内部から電解液が漏出することを抑制するための部材である。シール材は、電解液が透過し難い材料とされる。またシール材は、絶縁性である必要がある。そのためシール材は、通常、樹脂材料とされる。従来、シール材のガスバリア性には、注意が払われていない。

しかし本開示の新たな知見によれば、筐体の外部からの酸素および水蒸気の侵入がクリープ現象を推進している。図１は、クリープ現象を説明するための図である。電極端子４の表面は、負に帯電している。すなわち、電極端子４の表面近傍には、電子（ｅ^-）が集まっている。電解液１は、たとえば、濃厚な水酸化カリウム水溶液〔Ｃｏｎｃ．ＫＯＨ（ａｑ）〕である。電解液１は、電極端子４の表面に沿ってせり上がる液面（メニスカス）を形成している。

大気中の酸素〔Ｏ₂（ｇ）〕および水蒸気〔Ｈ₂Ｏ（ｇ）〕は、僅かながら、シール材（樹脂材料）を透過する。シール材を透過した酸素および水蒸気は、電極端子４に到達する。酸素は、電解液１に溶解することにより、溶存酸素〔Ｏ₂（ａｑ）〕となる。水蒸気は、電解液１と混和する。電極端子４は、電解液１に電子を供給する。これにより、酸化還元反応［２Ｈ₂Ｏ＋Ｏ₂＋４ｅ^-→４ＯＨ^-］が生起する。この反応により、メニスカスの周囲では、局所的にＯＨ^-イオンの濃度が高くなる。このＯＨ^-イオンの濃度勾配が、液面を押し上げるドライビングフォースとなる。すなわち、ＯＨ^-イオンの濃度勾配を緩和するために、電解液１内に物質移動が生じる。これにより、電解液１が電極端子４の表面を這い上がることになる。

本開示のニッケル水素電池では、上記のクリープ現象が抑制される。すなわち、ニッケル水素電池では、電極端子の表面に不導体層が形成されている。さらに不導体層上に、金属層が積層されている。

不導体層は、電極端子の濡れ、すなわち電極端子と電解液との接触を抑制する。さらに不導体層は、電極端子が電解液に電子を提供することを抑制する。

金属層は、大気中の酸素および水蒸気が電極端子に到達することを抑制する。金属層は、ニッケル（Ｎｉ）およびニッケル鉄合金（Ｎｉ−Ｆｅ）の少なくとも一方を含有する。ＮｉおよびＮｉ−Ｆｅは、酸素および水蒸気に対して、優れたガスバリア性を発揮する。さらにＮｉおよびＮｉ−Ｆｅは、耐アルカリ性を有するため、電解液と接触しても腐食し難い。

上記によれば、クリープ現象が抑制される。

クリープ現象を説明するための図である。 本開示の実施形態に係るニッケル水素電池の構成の一例を示す概略図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における概略断面図である。 図３のＩＶ領域を示す概略断面図である。

以下、本開示の実施形態（以下「本実施形態」と記される。）が説明される。ただし、以下の説明は、本開示の発明を限定するものではない。以下、ニッケル水素電池は、単に「電池」と記されることがある。

＜ニッケル水素電池＞
図２は、ニッケル水素電池の構成の一例を示す概略図である。電池１０は、筐体２、電解液（図２では図示されず）、電極群３、電極端子４、およびシール材（図２では図示されず）を備える。

《筐体》
図２では、一例として、角形（直方体）の筐体２が示されている。ただし、筐体２の形状は、角形に限定されるべきではない。筐体２は、たとえば、円筒形であってもよい。筐体２は、たとえば、金属製でよい。筐体２は、複数の部材から構成されていてもよい。筐体２は、たとえば、蓋および本体を含んでもよい。

《電解液》
電解液は、筐体２内に収容されている。電解液は、アルカリ水溶液である。電解液は、溶質として、たとえば、ＫＯＨ、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）および水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）等を含有してもよい。電解液の濃度は、たとえば、１〜１０ｍоｌ／ｌでよい。

《電極群》
電極群３は、筐体２内に収容されている。図２では、一例として、積層式の電極群３が示されている。ただし、電極群３は、積層式に限定されるべきではない。電極群３は、たとえば、巻回式であってもよい。電極群３は、正極と負極とが交互に積層されて構成されている。正極と負極との間には、セパレータが介在している。

正極は、正極集電体および正極活物質を含む。正極集電体は、たとえば、金属発泡体（発泡ニッケル等）、パンチングメタル等でよい。正極活物質は、正極集電体に支持されている。正極活物質は、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）₂）およびオキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）の少なくとも一方を含有する。水酸化ニッケルは、充電状態の正極活物質である。オキシ水酸化ニッケルは、放電状態の正極活物質である。正極活物質は、たとえば、コバルト（Ｃｏ）等をさらに含有してもよい。

負極は、負極集電体および負極活物質を含む。負極集電体は、たとえば、ニッケルメッシュ等でよい。負極活物質は、水素吸蔵合金である。水素吸蔵合金は、水素の吸蔵および放出が可能である限り、その組成は限定されるべきではない。水素吸蔵合金は、たとえば、Ｍｍ−Ｎｉ−Ｍｎ−Ａｌ−Ｃｏ系合金等でよい。「Ｍｍ」は、ミッシュメタルと称される希土類元素の混合物を示す。

セパレータは、たとえば、合成繊維の不織布でよい。合成繊維は、たとえばポリプロピレン（ＰＰ）繊維、ナイロン繊維等でよい。セパレータは、その表面に親水化処理等が施されていてもよい。親水化処理としては、たとえば、スルホン化処理、プラズマ処理、アクリル酸グラフト重合処理等が挙げられる。

《電極端子》
電極端子４は、筐体２を貫通している。電極端子４は、筐体２内で電極群３と接続されている。電極端子４は、正極に接続されていてもよいし、負極に接続されていてもよい。すなわち、電極端子４は、正極端子であってもよいし、負極端子であってもよい。負極端子の表面は、負に帯電しやすい。したがって、少なくとも負極端子側には、本開示の構成が適用されることが望まれる。

電極端子４は金属製である。電極端子４を構成する金属は、特に限定されるべきではない。電極端子４を構成する金属は、たとえば、Ｎｉ、Ｆｅ、銅（Ｃｕ）等であってもよい。ただし、電極端子４は、後述の金属層７（ＮｉおよびＮｉ−Ｆｅの少なくとも一方）と、体積膨張率が近似していると都合がよい。これらの体積膨張率が近似していることにより、電極端子４とシール材５との間に隙間が生じることが抑制され得る。電極端子４は、たとえば、Ｎｉメッキが施されたＦｅ等であってもよい。

電極端子４の表面には、後述の不導体層６が形成される。そのため、電極端子４の表面は、平滑であることが望まれる。電極端子４の表面は、たとえば、所定の研磨、エッチング等により、平滑化され得る。

《シール材》
図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における概略断面図である。図３中の矢印は、クリープ現象における電解液の漏出経路を示している。電極端子４と筐体２との間には、シール材５が介在している。シール材５が、電極端子４および筐体２から圧力を受けることにより、筐体２が密閉される。シール材５は、たとえば、ＰＰ製、ポリエチレン（ＰＥ）製等でよい。

《不導体層》
図４は、図３のＩＶ領域を示す概略断面図である。不導体層６は、電極端子４の表面に形成されている。不導体層６は、不導体により構成される層である。本明細書の「不導体」は、２０℃において、１×１０⁴Ω・ｍ以上１×１０²⁰Ω・ｍ以下の抵抗率を有する物体を示す。不導体層６は、電極端子４と電解液との接触を抑制する。不導体層６は、電極端子４が電解液に電子を供給することを抑制する。不導体層６は、たとえば、５〜３０μｍの厚さを有する。

不導体層６は、耐アルカリ性を有してもよい。耐アルカリ性の観点から、不導体層６は、たとえば、ＰＰ、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等を含有してもよい。不導体層６は、ガスバリア性を有してもよい。ガスバリア性の観点から、不導体層６は、たとえば、ポリビニルアルコール（ＰＶＯＨ）等を含有してもよい。さらにガスバリア性の観点から、不導体層６は、酸素捕捉剤（たとえば、Ｆｅ粒子、多価フェノール等）等を含有してもよい。

不導体層６の形成方法は、特に限定されるべきではない。不導体層６は、たとえば、射出成形、ホットメルトスプレー塗布、溶液塗布等により、電極端子４の表面に形成され得る。

《金属層》
金属層７は、不導体層６上に積層されている。金属層７は、たとえば、不導体層６の表面に直接形成されていてもよい。あるいは、金属層７と不導体層６との間に、たとえば、接着剤（エポキシ樹脂）等が介在してもよい。金属層７は、たとえば、５〜５０μｍの厚さを有する。

金属層７は、大気中の酸素および水蒸気が電極端子４に到達することを抑制する。すなわち、金属層７は、酸素ガスバリア性および水蒸気バリア性を有する。金属層７は、ＮｉおよびＮｉ−Ｆｅの少なくとも一方を含有する。ＮｉおよびＮｉ−Ｆｅは、酸素および水蒸気に対して、優れたガスバリア性を発揮する。さらにＮｉおよびＮｉ−Ｆｅは、耐アルカリ性を有するため、電解液と接触しても腐食し難い。Ｎｉ−Ｆｅにおいて、ＮｉとＦｅとの元素比は特に限定されない。Ｎｉ−Ｆｅは、従来公知のあらゆる元素比を有することができる。

金属層７は、たとえば、単一の層であってもよい。金属層７は、たとえば、複数の層を含んでもよい。金属層７は、たとえば、金属箔（Ｎｉ箔等）であってもよい。金属層７は、たとえば、Ｎｉ箔と、Ｎｉ−Ｆｅ箔とが積層されて構成されていてもよい。

金属層７は、ＮｉおよびＮｉ−Ｆｅの少なくとも一方を含有する限り、その他の金属等を含有してもよい。金属層７は、たとえば、シリコン（Ｓｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）およびＣｕからなる群より選択される少なくとも１種を含有してもよい。これらの金属等も、酸素ガスバリア性および水蒸気バリア性を有し、かつ耐アルカリ性を有する。

金属層７を不導体層６上に積層する方法は、特に限定されるべきではない。ただし、金属層７と不導体層６との間に隙間が生じ難い方法であることが望まれる。金属層７は、たとえば、溶液塗布、メッキ加工等により、不導体層６上に積層され得る。

今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 電解液、２ 筐体、３ 電極群、４ 電極端子、５ シール材、６ 不導体層、７ 金属層、１０ 電池。

Claims (1)

1. 筐体、
   前記筐体内に収容されている電解液、
   前記筐体内に収容されている電極群、
   前記筐体を貫通している電極端子、および、
   前記電極端子と前記筐体との間に介在しているシール材、
   を備え、
   前記電極端子の表面に、不導体層が形成されており、
   前記不導体層上に、金属層が積層されており、
   前記金属層は、ニッケルおよびニッケル鉄合金の少なくとも一方を含有する、
   ニッケル水素電池。

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