JP2019145446A - ニッケル水素電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ニッケル水素電池において、負極合材とニッケルとの接触面積を増加させること。【解決手段】ニッケル水素電池は、正極、負極、セパレータ、およびアルカリ電解液を少なくとも含む。負極は、負極集電体、および負極合材を少なくとも含む。負極合材は、負極活物質を少なくとも含む。負極集電体は、その表面の十点平均粗さが４μｍ以上である。負極集電体は、その表面の少なくとも一部においてニッケルが露出している。負極活物質は、水素吸蔵合金である。【選択図】なし

Description

本開示はニッケル水素電池に関する。

特開２００２−０４２８００号公報（特許文献１）には、水素吸蔵合金粉末にニッケル（Ｎｉ）粉末が添加された水素吸蔵合金電極が開示されている。

特開２００２−０４２８００号公報

特許文献１に開示された水素吸蔵合金電極においては、ニッケル粉末が添加された水素吸蔵合金粉末が、負極活物質としてペースト状の負極合材に含まれ得る。すなわち、特許文献１における負極活物質は、水素吸蔵合金粉末に加えてニッケル粉末を含む。ペースト状の負極合材は、負極集電体の表面に塗布される。ニッケル粉末は水素吸蔵合金粉末の導電性の不足を補うと共に、水素を酸化還元する触媒としても機能すると考えられる。ニッケル粉末の表面は、水素が電気化学的に酸化還元される場となると考えられる。

ニッケルの触媒能が向上された、ニッケル水素電池が求められている。ニッケルの触媒能は、負極合材とニッケルとの接触面積の増加に伴い、増加するものと考えられる。特許文献１においては、負極集電体として穿孔金属板（パンチングメタル）が用いられている。そのため、負極合材とニッケルとの接触面積の確保に改善の余地がある。

本開示の目的は、ニッケル水素電池において、負極合材とニッケルとの接触面積を増加させることにある。

〔１〕ニッケル水素電池は、正極、負極、セパレータ、およびアルカリ電解液を少なくとも含む。負極は、負極集電体、および負極合材を少なくとも含む。負極合材は、負極活物質を少なくとも含む。負極集電体は、その表面の十点平均粗さが４μｍ以上である。負極集電体は、その表面の少なくとも一部においてニッケルが露出している。負極活物質は、水素吸蔵合金である。

本開示のニッケル水素電池において、負極活物質は水素吸蔵合金である。すなわち、負極活物質は水素吸蔵合金であり、他の添加剤が含まれていない。そのため、負極活物質（水素吸蔵合金）を含む負極の単位重量当たりの電池容量低下が抑制されるものと考えられる。

本開示のニッケル水素電池においては、負極集電体の表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）は４μｍ以上である。すなわち、負極集電体の表面は粗面化されている。また、負極集電体は穿孔部を有さない。負極集電体はその表面の少なくとも一部においてニッケルが露出している。負極集電体の表面が粗面化されているため、アンカー効果によりニッケルが負極集電体の表面に保持されると考えられる。これにより、負極集電体の表面に露出しているニッケルと負極合材との接触面積を十分に確保することが可能になると考えられる。すなわち、ニッケル水素電池において、負極合材とニッケルとの接触面積を増加させ得ると期待される。

図１は、本実施形態の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は、本実施形態の電極群の構成の第１例を示す断面概念図である。 図３は、本実施形態の電極群の構成の第２例を示す断面概念図である。

以下、本開示の実施形態（以下「本実施形態」とも記される）が説明される。ただし以下の説明は特許請求の範囲を限定するものではない。以下、ニッケル水素電池が「電池」と略記され得る。

＜ニッケル水素電池＞
図１は、本実施形態の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１００は、外装材９０を含む。外装材９０は、たとえば金属材料、樹脂材料等により形成され得る。外装材９０は角形（扁平直方体）である。ただし外装材９０は円筒形であってもよい。外装材９０は正極端子９１および負極端子９２を備える。外装材９０は電極群５０およびアルカリ電解液を収納している。

図２は、本実施形態の電極群の構成の第１例を示す断面概念図である。
電極群５０は、正極１０、負極２０、およびセパレータ３０を含む。セパレータ３０は、正極１０および負極２０の間に配置されている。セパレータ３０にはアルカリ電解液が含浸されている。すなわち電池１００は、正極１０、負極２０、セパレータ３０、およびアルカリ電解液を少なくとも含む。

電極群５０は積層（スタック）型であってもよい。すなわち電極群５０は、正極１０および負極２０が交互に積層されることにより形成されていてもよい。正極１０および負極２０の各間には、セパレータ３０がそれぞれ配置される。

電極群５０は巻回型であってもよい。すなわち電極群５０は、正極１０、セパレータ３０および負極２０がこの順序で積層され、さらにこれらが渦巻状に巻回されることにより形成されていてもよい。

《負極》
負極２０はシート状であり得る。負極２０は、負極集電体２１および負極合材２２を少なくとも含む。負極集電体２１は、穿孔部を有さない。負極合材２２は、負極活物質を少なくとも含む。負極集電体２１は負極端子９２に電気的に接続されている。負極集電体２１は負極合材２２からの集電を担う。負極集電体２１は負極２０の基材でもある。

（負極集電体）
負極集電体２１は、穿孔部を有さない限り特に限定されるべきではない。負極集電体２１は、たとえばニッケル板、鋼板、ステンレス板、ニッケル箔、ステンレス箔等であってもよい。負極集電体２１の表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）は、４μｍ以上である。すなわち、負極集電体２１の表面は粗面化されている。負極集電体２１は、表面の少なくとも一部においてニッケルが露出している。なお、本明細書における「ニッケルが露出している」とは、「ニッケルが配置されている」や「ニッケルが付着している」と同様の意味を有する。負極集電体２１においては、少なくとも粗面化された表面においてニッケルが露出している。負極集電体２１の表面が粗面化されているため、アンカー効果によりニッケルが負極集電体２１の表面に保持されると考えられる。負極集電体２１の表面にニッケルが保持されるため、負極合材とニッケルとの接触面積が増加するものと考えられる。

Ｒｚは、ＪＩＳ Ｂ ００３１（１９９４）に準拠した形で測定を行うことにより測定され得る。負極集電体２１のＲｚを４μｍ以上とすることにより、負極集電体２１と負極合材２２との接触面積が増加するものと考えられる。Ｒｚが４μｍ未満の場合、負極集電体２１と負極合材２２との接触面積、および負極集電体２１と負極合材２２との接着が不十分になる可能性がある。

本実施形態の負極集電体２１は、Ｒｚが４μｍ以上である。また、負極集電体２１の表面の少なくとも一部においてニッケルが露出している。そのため、負極集電体２１と負極合材２２との接触面積を増加させ、負極合材２２と負極集電体２１の表面の少なくとも一部に露出しているニッケルとの接触面積を十分に確保することが可能になると考えられる。すなわち、負極合材とニッケルとの接触面積を増加させ得るものと考えられる。

負極集電体２１の製造方法は、特に限定されるべきではない。負極集電体２１は、たとえばニッケル板、鋼板、およびステンレス板等の表面に粗化ニッケルメッキを施すことにより製造されてもよいし、ニッケル板やニッケル箔の表面をエッチングすることにより製造されてもよいし、予めエッチング等で表面を粗面化した鋼板やステンレス板の表面にニッケルメッキを施すことにより製造されてもよい。これらの製造方法により、負極集電体２１の表面を粗面化しつつ負極集電体２１の表面の少なくとも一部にニッケルを露出させ得る。

負極集電体２１は、穿孔部を有さない。穿孔部を有さない負極集電体２１を用いることにより、電気抵抗が低減され得ると期待される。加えて、電池製造時におけるプレス時において、負極の密度を均一にすることが可能であるとも期待される。

（負極合材）
負極合材２２は、負極集電体２１の表面に塗着されている。負極合材２２は負極集電体２１の表裏両面に塗着されていてもよい。すなわち負極集電体２１の表裏両面に塗布層が形成されていてもよい。塗布層は負極合材２２を含む。負極合材２２は負極活物質少なくとも含む。負極活物質は水素吸蔵合金である。

水素吸蔵合金は、プロチウム（原子状水素）を可逆的に吸蔵放出する。本実施形態では負極活物質は水素吸蔵合金である。すなわち、負極活物質として水素吸蔵合金以外の添加剤等が含まれていない。そのため、負極における負極活物質密度の低下が抑制され、電池容量低下が抑制されると考えられる。

本実施形態の水素吸蔵合金は、特に限定されるべきではない。水素吸蔵合金は、たとえば、ＡＢ型合金（たとえばＴｉＦｅ等）、ＡＢ_２型合金（たとえばＺｒＶ_２、ＺｒＮｉ_２等）、Ａ_２Ｂ型合金（たとえばＭｇ_２Ｎｉ、Ｍｇ_２Ｃｕ等）、ＡＢ_５型合金（たとえばＬａＮｉ_５、ＭｍＮｉ_５等）、Ａ_２Ｂ_７型合金（たとえばＬａ_２Ｎｉ_７、ＲＥ_０．９Ｍｇ_０．１Ｎｉ_３．５等）等であってもよい。「Ｍｍ」はミッシュメタル（ＣｅおよびＬａが主成分である希土類元素の混合物）を示す。「ＲＥ」は希土類元素を示す。ＲＥは、たとえばＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ等である。１種の水素吸蔵合金が単独で使用されてもよい。２種以上の水素吸蔵合金が組み合わされて使用されてもよい。

《正極》
正極１０はシート状であり得る。正極１０は正極集電体１１および正極合材１２を少なくとも含む。正極集電体１１は正極端子９１に電気的に接続されている。正極集電体１１は正極合材１２からの集電を担う。正極集電体１１は正極１０の基材でもある。正極集電体１１は、ニッケル箔またはニッケルメッキ金属箔であってもよい。ニッケルメッキ金属箔は、たとえばニッケルメッキ鋼箔であってもよい。正極集電体１１は、たとえば５μｍ以上３５μｍ以下の厚さを有してもよい。正極集電体１１は貫通孔を有してもよい。正極集電体１１は、その表面に凹凸を有してもよい。

正極１０はペースト式正極であってもよい。すなわち正極１０は塗布層を含んでもよい。塗布層は、正極合材１２を含むペーストが正極集電体１１の表面に塗布され、乾燥されることにより形成され得る。

塗布層は正極集電体１１の表面に形成されている。塗布層は正極集電体１１の表裏両面に形成されていてもよい。塗布層は正極合材１２を含む。塗布層は実質的に正極合材１２のみから形成されていてもよい。すなわち塗布層は正極合材１２からなるものであってもよい。

塗布層は、たとえば、片面で０．０２ｇ／ｃｍ²以上０．０３５ｇ／ｃｍ²以下の目付を有してもよい。正極合材１２は、正極活物質および正極バインダを少なくとも含む。正極活物質は水酸化ニッケル（ＩＩ）〔Ｎｉ（ＯＨ）_２〕であってもよい。

正極合材１２は導電材をさらに含んでもよい。導電材は、たとえば、オキシ水酸化コバルト（ＣｏＯＯＨ）、水酸化コバルト（ＩＩ）〔Ｃｏ（ＯＨ）_２〕、酸化コバルト（ＩＩ）〔ＣｏＯ〕等であってもよい。導電材の含量は、１００質量部の正極活物質に対して、たとえば０．１質量部以上１０質量部以下であってもよい。導電材は正極活物質の表面を被覆していてもよい。本実施形態においては、オキシ水酸化コバルトで被覆された水酸化ニッケルが正極活物質として用いられる。

正極バインダは正極活物質同士を結着する。正極バインダは正極合材１２および正極集電体１１を結着する。正極バインダの含量は、１００質量部の正極活物質に対して、たとえば０．１質量部以上１０質量部以下であってもよい。

バインダは、たとえば、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ヒドロキシプロピルセルロース（ＨＰＣ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等であってもよい。１種のバインダが単独で使用されてもよいし、２種以上のバインダが組み合わされて使用されてもよい。

《セパレータ》
セパレータ３０は多孔質シートである。セパレータ３０は正極合材１２および負極合材２２の間に配置されている。セパレータ３０は、正極合材１２および負極合材２２を電気的に絶縁している。セパレータ３０は、たとえば５０μｍ以上１２０μｍ以下の厚さを有してもよい。セパレータ３０は、たとえば、ポリオレフィン製の不織布、ポリアミド製の不織布等であってもよい。本実施形態においては、ポリオレフィン製の不織布がセパレータ３０として用いられる。

《アルカリ電解液》
アルカリ電解液はセパレータ３０に含浸されている。アルカリ電解液は、支持電解質および水を含む。支持電解質は水に溶解している。アルカリ電解液は、たとえば１ｍоｌ／ｌ以上２０ｍоｌ／ｌ以下の支持電解質を含んでもよい。支持電解質は、たとえば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）等であってもよい。１種の支持電解質が単独で使用されてもよい。２種以上の支持電解質が組み合わされて使用されてもよい。

《バイポーラ構造》
図３は、本実施形態の電極群の構成の第２例を示す断面概念図である。
本実施形態のニッケル水素電池はバイポーラ構造を有してもよい。電極群１５０はバイポーラ電極１１０およびセパレータ１３０を含む。電極群１５０は、バイポーラ電極１１０およびセパレータ１３０が交互に積層されることにより形成されている。積層方向（図３のｙ軸方向）の両端に配置されるバイポーラ電極１１０には、集電リード１２１が接続されている。集電リード１２１は外部端子に電気的に接続されている。

バイポーラ電極１１０は、バイポーラ集電体１１１、正極合材１１２および負極合材１２２を含む。バイポーラ集電体１１１は第１主面および第２主面を有する。第２主面は第１主面の反対面である。正極合材１１２は第１主面に配置されている。負極合材１２２は第２主面に配置されている。正極合材１１２および負極合材１２２は、それぞれ塗布層であってもよい。

バイポーラ電極１１０において、バイポーラ集電体１１１は正極集電体および負極集電体の両方を兼ねる。すなわちバイポーラ電極１１０において、バイポーラ集電体１１１および正極合材１１２は正極に相当する。バイポーラ電極１１０において、バイポーラ集電体１１１および負極合材１２２は負極に相当する。セパレータ１３０には、アルカリ電解液が含浸されている。

したがって電池がバイポーラ構造であっても、電池は、正極、負極、セパレータ１３０およびアルカリ電解液を少なくとも含むことになる。正極は正極集電体（バイポーラ集電体１１１）および正極合材１１２を少なくとも含む。負極は負極集電体（バイポーラ集電体１１１）および負極合材１２２を少なくとも含む。セパレータ１３０は正極合材１１２および負極合材１２２の間に配置されている。

バイポーラ集電体１１１は、前述された負極集電体２１と同様の構成を有してもよい。負極集電体２１の詳細は、前述のとおりである。ここでは同じ説明が繰り返されない。

今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。特許請求の範囲の記載によって確定される技術的範囲は、特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。

１０ 正極、１１ 正極集電体、１２，１１２ 正極合材、２０ 負極、２１ 負極集電体、２２，１２２ 負極合材、３０，１３０ セパレータ、５０，１５０ 電極群、９０ 外装材、９１ 正極端子、９２ 負極端子、１００ 電池（ニッケル水素電池）、１１０ バイポーラ電極、１１１ バイポーラ集電体、１２１ 集電リード。

Claims (1)

1. 正極、負極、セパレータ、およびアルカリ電解液を少なくとも含み、
   前記負極は、負極集電体、および負極合材を少なくとも含み、
   前記負極合材は、負極活物質を少なくとも含み、
   前記負極集電体は、その表面の十点平均粗さが４μｍ以上であり、
   前記負極集電体は、その表面の少なくとも一部においてニッケルが露出しており、
   前記負極活物質は、水素吸蔵合金である、
   ニッケル水素電池。