JP2695684B2 - 電気化学セルのための巻回した電極組立て体 - Google Patents

電気化学セルのための巻回した電極組立て体

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の概要 本発明は、電気化学セルのための巻回した電極組立て
体に関する。さらに言えば、電極組立て体の最も外側の
あるいは外側の層即ちラップを形成する、電極板の部分
の基層の外面、即ちグリッドの部分が、密閉された電気
化学セル内に集積されるように、十分露出され、また容
器の少なくとも一部分で接触している、巻回した電極組
立て体に関する。
従来では、電気化学セルのための巻回した電極組立て
体は、介挿した分離材料の層を備える対立する極性の、
２つの分割された電極板から形成されていた。ネガティ
ブ電極板は、圧延され、あるいは、ペイストされた設計
にすることができる。電気化学的活性物質の水溶混合物
及びバインダーを、電気的導電性、多孔基層の各々の面
に与え、そして、例えばローラーの間を基層を通過させ
ることにより、基層上へとプレスされた。基層は、基層
と電気化学的活性物質との間の付着を改善するように、
点刻されることが出来る。あるいは、ポジティブ電極及
びネガティブ電極の両方を焼結された設計にすることが
出来る。例えば２、3milsの厚さの多孔のあるいはワイ
アメッシュ鋼基層は、例えば20〜30milsの厚さの多孔性
電極板を形成するため、カルボニルニッケルパウダー層
あるいはその複数の層で焼結される。その結果できる、
従来の多孔性板は、電気化学的活性物質の溶液で含侵さ
れていた。電気化学的活性物質は、板内の溶液から析出
される。
さらに、超高多孔性のポジティブ電極板は、電気化学
的活性物質を、高多孔性メタルフォームのような多孔性
の基層に接続するのに利用されることができ、これは例
えば、活性物質を備えるスライあるいはペイストを、基
層の隙間の上に及びその中にプレスすることによる。基
層は、その後、所望の厚さを備えるポジティブ電極板を
形成するように圧縮される。
円筒形セルを製造するための１つの方法は、ネガティ
ブ電極板、ポジティブ電極板、そして２つのセパレイタ
ーを、ポジティブ電極とネガティブ電極の表面がセル全
体に渡って並列されるように、螺旋状に巻回するという
ものである。これらのセル要素は、可動性アーバーの周
りに巻回され、その可動性アーバーは、化学セルの容器
直径と近似した直径を有するネスト内に配置されてい
る。このような従来の製造方法では、電極組立て体の外
部ラップは、隔離物質の層であり、その層は、セルを製
造する間に組立て体が容器内に詰められる際に、電極組
立て体の外部周囲上の電気化学的活性物質が、削り落と
されてしまうのを防いでいるのである。
電極板と巻回した電気化学セルのセル容器との間の電
気接続は、電極板の内の１つをセル容器、即ちハウジン
グの側壁あるいは底に接触させることにより成され、一
方、反対極性の電極板は、その底面あるいは側壁から電
気的に絶縁されている容器、即ちハウジングの頂部に電
気的に接続されている。電極板が、セルの底面に電気的
に接続される時、電極板の中に完全に形成されることが
出来、また例えば溶剤によって電極板に付着される、電
流コレクタタブは、タブを底に接合するため、溶接チッ
プを電極組立て体の中央を通じて挿入することによっ
て、セル底に固着される。そのような組立て体は、比較
的困難であり、また時間のかかるものである。またコレ
クタタブは、米国特許第4,049,882号に開示されている
ように、容器、即ちハウジングに圧力接続するために、
巻回した電極組立て体上に折り返すことができる。
外部ラップ、即ち電極組立て体の周囲を形成する電極
板は、接続によりセル容器即ちハウジングの側壁に電気
的に接続されている。そのような接触は、隔離物質の外
部層即ちラップの少なくとも一部分を移動することによ
り成され、それによって、電極板の外部ラップを容器の
側壁に接触するよう露出するのである。このように、露
出された電極板の電気化学的活性物質の最も外側の層
は、容器の側壁と接触し、電極板の外側のラップと側壁
との間の電気通信を提供してくれる。米国特許4,663,24
7号には封入電池が開示されており、そこでは、コイル
に巻かれた電極組立て体の外部に露出された電極が、容
器の壁と電気接続されており、その容器の中では、組立
て体が外部隔離層の開口を通じて配置されている。米国
特許第,259,416号は、螺旋状電極に関するもので、その
螺旋状電極は、バッテリ容器の中に収められ、ポジティ
ブ板を備えており、そのポジティブ板は、接点圧力によ
り容器に電気的に接続されている、螺旋状電極の最も外
側の円周に配置されているポジティブ板を持っている。
しかしながら、従来の巻回した電極組立て体の層、即ち
外部ラップを形成する電極板の上に存在する電気的活性
物質は、セルの能率の低下につながる生まれながらにも
つ電気抵抗を形成する。さらに、そのような活性物質
は、充電及び放電サイクルの間中、セル内部のポジティ
ブ電極板とネガティブ電極板の相反する面と面の間で発
生する電気化学反応には従事しない。
このように本発明の目的は、密閉された電気化学的セ
ル内で有用な、巻回した電極組立て体を提供することで
あり、それは、その１つの電極板の基層即ちグリッドの
部分と、セル容器の部分との間の、直接の電気接続を提
供する。
本発明の他の目的は、容器に製造できる巻回した電極
組み立て体を提供することであり、密閉された電気化学
セルの中に組み立てられるので、その結果、十分に高い
クローンセル容量や、改善されたセル性能特性となる。
さらに本発明の目的は、密閉された電気化学セル内
で、容易に組立てられる巻回した電極組立て体を提供す
ることであり、それは、電気化学セルの構成を容易にし
て組み立てるからである。
発明の概要 以上の目的や他の目的を達成するため、またさらに本
発明の目的に従う、またここに広く記述し具現化したよ
うな、本発明の１つの特徴は、容器の中に配置された巻
回した電極組立て体を有する、密閉された電気化学セル
からなる。巻回した電極組立て体は、電気的導電基層を
備える少なくとも１つの電極と、基層の少なくとも１つ
の面に固着されている電気化学的活性物質とを有する。
この１つの電極は、電極組立て体のために外部ラップを
形成している。外部ラップ内の基層の少なくとも一部分
は、容器と接触している。
また本発明の他の特徴は、密閉された電気化学セル内
で有用な、巻回した電極組立て体を提供することにあ
り、それは、電気的導電基層及び第１の基層の少なくと
も１つの面に固着されている第１の電気化学的活性物質
とを有する第１の電極板と、第２の電気的導電基層及び
第２の基層の少なくとも１つの面に固着されている電気
化学的活性物質とを有する第２の電極板と、前記組立て
体に全体に渡って第１の電極プレーンを第２の電極プレ
ーンから電気的に絶縁するために、第１の電極板と第２
の電極板との間に介挿されている隔離物質とを備えてい
る。第１の電極板、第２の電極板、それに隔離物質は、
第１の電極板が電極組み立て体のための外部ラップを形
成するように、巻回されている。電気化学的活性物質は
電極組立て体の外部ラップの外側の少なくとも一部分で
は存在していない。
また本発明の他の特徴としては、密閉された電気化学
的セルを提供しているということにあり、それは容器
と、容器内に配置された巻回した電極組立て体とを備え
ている。巻回した電極組立て体は、第１の電気的導電、
多孔性基層と、第１の基層の少なくとも１つの表面に固
着されている第１の電気化学的活性物質とを備えてい
る。第１の電極板は、電極組立て体のための外部ラップ
を形成している。電気化学的活性物質は、第１の基層
に、容器の少なくとも一部分に接触させるのを許すた
め、外部ラップの外部面の少なくとも一部分では存在し
ていない。
実施例 第１図内で、10で示されている密閉された電気化学セ
ルは一般に、容器12と、巻回した電極組立て体20を備え
ており、その巻回した電極組立て体20は、容器12内に配
置され、また容器12の内部側壁14に接触するように、大
きさを測られかつ形成されている。容器12は、適当な電
気的導電物質ならどんなものによっても、例えばおよ
そ.010からおよそ.015インチの厚さをもつニッケルメッ
キ鋼、構成することが可能である。
電極組立て体20は、第１の電極板30と、反対極性の第
２の電極板40、それに２つの別々になった多孔性の分離
層、それに可とう性隔離物質を備えており、その可とう
性隔離物質は、電極板30を電極板40から電気的に絶縁す
るように、セル全体に渡って、第１の電極30の各々の面
上に配置されている。２つの隔離物質50、51の層は、第
１図、第２図に示すように、単一の物質のシートから、
あるいは２つの分離シートから形成することが出来る。
本発明では、適当な隔離物質、例えば、織っていないナ
イロンやポリプロピレンであるが、そのようなものなら
ばどのようなものでも用いることが可能である。電極組
立て体20は、構成要素を巻き付けることにより構成さ
れ、ネスト内の可動性アーバー（図示されていない）に
ついては、参考に本明細書に記載した米国特許第4,203,
206号の中でより完全に述べられている。
図に示しているように、ネガティブ電極板30は、適当
な電気化学的活性物質32の層を、多孔性基層34の各々の
面や側面に接合しそして付着することにより形成されて
いる。多孔性基層34は、例えば穴が空けられている、ニ
ッケルメッキされた鋼のような、適当な電気的導電物質
なら、どのようなものによっても形成されることが可能
である。電気化学的活性物質32は、適当なペイストをプ
レスすることにより、多孔性基層34に添付されることが
可能であり、そのペイストは、主として活性物質の混合
物であり、例えば酸化カドミウム、金属カドミウム、そ
れに各々の多孔性基層の穴の上へまたその中へといれる
結合剤である。あるいは、より好ましくは、活性物質
は、クロスヘッドダイ（cross−head die）から、基層
の両サイドに鹸濁した活性物質を備える有機スラリを同
時に押し出すことによって基層に接着され、それによっ
て基層に浸透し、そして各々の面の層を形成する。エラ
ストマー結合剤もまた、電気化学的活性物質を有機溶剤
中に鹸濁しておくため、有機スラリー中に注入される。
バインダとして好ましいものは、B.F.Goodrich Compa
nyによって、AMERIPOLという商号で製造されている、ス
チレンブタジエン共重合体（styrene−butadiene copol
ymer）や、Shell Chmical Co.によってKRATONという商
号のもとに製造されている、スチレン／ブチレン−スチ
レンブロック共重合体である。そのような有機スラリを
作り出すキャリアとして有用な適用な有機溶剤は、ナフ
トールアルコール（naphthol spirits）や、ストッダー
ド溶剤（Stoddard solvent）、デカン、キシレン、イソ
パラフィンそしてその混合物である。基層上へと押し出
した後、有機スラリは、有機溶剤を取り除き、そして基
層上に微小孔な可とう性コーティングを形成するために
乾かされ、その基層上では、電気化学的活性物質の粒子
がエラスメトリックバインダによって、基層と共にまた
基層へと接着されている。
これもまた図示したように、ポジティブ電極板40は、
好ましいものでは、低密度金属パウダー、例えば、カル
ボニルニッケルパウダー、を、多孔性基層44の各々の面
上に、焼結することにより形成されるのであり、その多
孔性基層は、適当な電気導電物質、例えば穴をあけられ
たニッケルメッキされた鋼、ならばどのようなものでも
よい。従来は、このように形成された電極板は、電気化
学的活性物質を含む水溶液で、含侵することによって装
着されており、その電気化学的活性物質はその後水溶液
を析出され、それによって、基層44の個々の面上の領
域、及び電気化学活性物質42を含む基層中の穴の中を、
形成するのである。
このような製造過程をへて、電極組立て体20は、容器
12の中へ挿入され、あるいはその中に収められる。電極
板40を、側壁から電気的に絶縁されている容器12の部分
に電気的に接続するには、例えば、カバー（図示されて
はいない）、電気的導電タブ（図示されていない）が、
基層40の端部46に接合されるのであり、ここでこの端部
は、活性物質で覆われておらず、基層40以上の大きさに
なるよう拡張されており、そしてレーザー溶接のよう
な、よく知られているなんらかの適当な手段によって覆
いをされて安全なものにされている。この端部は、第１
図と第２図に示すような巻回した電極40のどちらかの端
である。あるいは、電気的導電タブは基層40の外側に形
成される。
本発明によれば、電極板30の最も外側あるいは周囲の
基層34の外面、即ちラップは、露出されており、かつ、
電極板30の最も外側あるいは周囲の層、即ちラップを、
直接側壁14に電気的に接続するため、容器12の側壁14に
接触している。電極板30の層の最も外側あるいは周囲の
層、即ちラップの基層34の外面を露出するため、隔離物
質50、51の外側の層や、活性物質32の層が、電極板30の
最も外側あるいは周囲の層、即ちラップから取り除かれ
る。可動性アーバーについての本発明の電極組立て体の
構成要素は、巻回しているが、隔離物質の外部層は、取
り除かれる。隔離物質の外部層の部分52は、露出された
基層34と重なり合うようにするために取り除かれること
なく、それによって電極板の間の電気的な関係を断つこ
とを確実にしている。巻付ける前に、活性物質32の層を
電極板30の最も外側あるいは周囲の層、即ち外側からそ
ぎ落として接合することが可能であり、それにより基層
34を露出し、そうして、電気接触が、露出された基層34
や、容器12の側壁14の外面全体で充分なされることにな
る。この活性物質32の層は、例えば、ブレードのような
適当な方法によって、外側の層、即ちラップ36内の基層
34の外面を、削り落とすすることにより、スカーフ継ぎ
されることが可能である。また、電極板30は、好ましく
は、基層34の外部ラップ、即ち層36がその外部表面上に
形成された表面活性物質32の層を持たないように形成さ
れる。基層34の外側ラップあるいは層36は、殆ど穴があ
いておらず（第２図に図示しているように）、その内部
面上だけに押し出されている表面活性物質32の層を備え
ているというのが好ましい。
本発明の巻回した電極組立て体のポジティブ電極板と
ネガティブ電極板30、40は、特別な電極構成として図示
されそして述べられてきたが、電極板は、本発明の意図
するところや本発明の範囲から離れることなく、他の方
法により形成することが可能である。例えば、ネガティ
ブ電極30は、ここで述べたネガティブ電極板40に関連し
た方法により焼結することにより形成することが可能で
ある。ポジティブ電極板40は、電気化学的活性物質42を
含むスラリあるいはペイストを、高多孔性メタルフォウ
ム基層中へと押しつけ、そして基層を所望の電極板の厚
さに固めることにより形成することが可能である。また
本発明の巻回した電極組立て体20の外部層、即ちラップ
は、ネガティブ電極板30の部分により形成されるものと
して図示され述べられてきたが、外部層、即ちラップも
また、ポジティブ電極40の部分により形成することが可
能であり、このポジティブ電極40の部分は、所望の電気
化学セルの設計上の制約により許されている。ポジティ
ブ電極板40が、電極組立て体20の外部層、即ちラップを
形成するために利用され、且つ、メタルフォーム基層を
利用して構成されているところでは、基層は、例えばテ
ープで、電極組み立て体20の外部層、即ちラップを形成
している板40の部分の外面をマスクすることにより、本
発明に従って、セル容器、即ちハウジングと接触するよ
う露出されることができる。本発明によるセル容器、即
ちハウジングに接触するよう、露出されることが可能で
ある。そのようなマスキングは、電気化学的活性物質を
含み、板40の部分の内部面に用いられているスラリやペ
イストが、その外部面中やその上へと拡がるのを防ぐも
のである。ペイストした後、テープが取り除かれ、基層
の外側の部分が露出される。
本発明の電極組立て体は、１つの電極板と電気化学セ
ルの容器との間の接触を改善させた。更に言えば、一般
的には隔離物質や活性物質によって従来の巻回型電極ア
センブリの外部ラップの外側表面上で占められていたボ
リュームを、同じボリュームの付加的なポジティブ、及
び／又は、ネガティブ電極活性物質を導入するために利
用することができるようになった。設定された電気化学
セルの電気容量における、付加的な電気化学的活性物質
や付随的な増加の総量は、本発明の巻回した電極組立て
体の各々の構成要素の厚さや、組立て体が配置されてい
る容器の大きさの働きによるものである。第３図には、
ニッケルカドミウムセルのための本発明の巻回した電極
組立て体により得られたセル容量の増加をグラフで表し
たものである。計算結果は、厚さ.030インチ、幅1.575
インチのポジティブ板、厚さ.021インチのネガティブ
板、それに.187インチの大きさの軸を基礎としている。
第３図のカーブＡは、ニッケルカドミウムにより製造さ
れた従来の電気容量を表しており、カーブＢは、本発明
の巻回した電極組立て体を利用したニッケルカドミウム
セルの電気容量を表しており、カーブＣは、本発明の巻
回した電極組立て体の利用により得られたセル容量の増
加のパーセンテージを示している。本発明の巻回した電
極組立て体を利用することにより得られたセル容量の増
加は、より小さな大きさのセルにとっては、より偉大な
ものである。図で示したように、AAサイズのセルの容量
での増加は、20％より大きなものである。
以下の例は、本発明を行いまた使用する、方法あるい
は処理について述べており、また本発明を実行する発明
者により考察された最高の方法を記述しているわけであ
るが、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべ
きものではない。
例１ 幾つかの円筒形の密閉されたニッケルカドミウムAAサ
イズセルは各々、ニッケル水酸化物で浸されている、従
来の焼結されたポジティブ電極板及び酸化カドミウムネ
ガティブ電極板に接合されたエラストマで覆われている
押し出しから、0.187インチの軸の上に本発明に従っ
て、巻回されている。ポジティブ電極板とネガティブ電
極板とは、織っていないナイロンセパレータで介挿され
ている。ネガティブ電極板は、その外部層の外部表面、
即ちラップカドミウム水酸化物に接合されたエラストマ
からほぼ独立するように形成されており、隔離の外部層
は、外部層、即ちラップが露出されるような大きさにさ
れている。その結果出来上がる巻回した電極組立て体
は、露出されたネガティブ電極板の外部層、即ちラップ
の基層が容器側壁に接触するように円筒形セル容器の中
に配置される。セルを密閉する前に、1.95ミリメーター
の27重量パーセントKOHが、それに加えられる。セルは
その後密閉され、そして24時間の間、70ミリアンペアで
作られ、700ミリアンペアで放電される。これらのセル
のセル容量は、表１に簡潔に示されている。
例２ 高エネルギ密度ポジティブ電極板は、高多孔性ニッケ
ルフォーム構造をニッケル水酸化物及び他の活性物質で
満たし、乾燥させ、そして電極板を表１の前の方で設定
してある厚さに圧縮することにより製造される。その結
果出来るポジティブ電極板には、複数のセルを形成する
ために、巻回され、活性化された、例１の構成要素が使
用されている。そのようなセルのセル容量は、表２の簡
潔に示されている。
例３ カドミウムオキサイド及び隔離が、従来の慣行による
ネガティブ電極板の外部層、即ちラップの基層の外部上
に存在することなく、複数のセルが、例２に従って構成
され、活性化され、そして形成される。ネガティブ電極
板は、セル容器の底に接合されている前記の端の取り付
けられている、ニッケルタブを備えている。
例１、２、３の結果は、表１に簡潔に示されている。
セル容量は、測定値の標準の値と、“C"レートスケール
（rate scale）、つまり１時間当たりで定められた値、
それら両方として記述されている。
上記の結果から明らなように、本発明による例１、例
２の電極組立て体を形成するのに必要な隔離の厚さは、
例３の従来のセルを形成するのに必要なものより十分に
小さなものである。これは、本発明による、巻回した電
極組立て体内のポジティブ電極層とネガティブ電極板そ
れらの両方の長さ、及びそのような電極組立て体を使用
するセルの容量が、大きく増加したこと、それら両方の
結果である。
本発明の巻回した電極組立て体は、ニッケルカドミウ
ム、金属水素化物、リチウム二次電池のような様々な電
気化学的セルに使用可能である。さらに本発明の巻回し
た電極組立て体は、螺旋状に巻回されているものとして
示されているが、本発明は、同じように、他の巻回形
態、例えば曲がりくねったあるいは平らな巻回形態にも
適用可能である。本発明は、巻回した電極組立て体と電
気的導電セルとの間の改善された電気接続のような、特
別なバッテリ適用分野で有用であり、セル容量を増加さ
せることが要求される。
本発明の本質を説明するという目的のため、より好ま
しい実施例を十分に記述し叙述したわけであるが、本発
明の請求項の範囲から逸脱することなく、当業者によっ
て様々な変調及び変化が成されることは明らかであろ
う。
【図面の簡単な説明】
本明細書に組み入れられ、実施例の１部を形成している
添付図は、本発明の実施例を示しており、本明細書の記
載とともに、本発明の本質を説明するのに役立つもので
ある。 図において、 第１図は、密閉された電極組立て体の容器内に設置され
ている、本発明の巻回した電極組立て体の１つの実施例
の断面図 第２図は、密閉された電極組立て体の容器内に設置され
ている、本発明の巻回した電極組立て体の１つの実施例
の断面図 第３図は、密閉されたニッケルカドミウムセルのため
の、本発明の巻回した電極組立て体により得られた、電
気セル容量の増加をグラフで示している。 32……電気化学的活性物質 10……密閉電気化学セル 34、44……多孔性基層 30……電極板 12……容器 14……内部側壁 20……電極組立て体 50、51……可とう性隔離物質 36……ラップ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭57−57063（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−44759（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭46−15397（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】容器中に巻回した電極組立て体を配置し、
    前記電極組立て体は、電気的導電性基層及び該基層の少
    なくとも１つの面に固着された電気化学的活性物質を備
    える少なくとも１つの電極を有しており、前記１つの電
    極は、前記電極組立て体のための外部ラップを形成して
    いるような電気化学セルにおいて、 前記基層のその一方の側面上の部分は、前記外部ラップ
    の実質的に全ての長さに渡る部分において、電気化学的
    活性物質を持たずに前記容器の部分と直接接触してお
    り、前記基層と接触している部分以外の前記容器の部分
    は、前記電気化学的活性物質と接触しており、前記電気
    化学的活性物質は、容器と接触している前記一方の側面
    と正反対のもう一方の側面上で、前記外部ラップの基層
    の部分に固着されていることを特徴とする密閉された電
    気化学セル。
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