JP2981538B2 - アルカリ電池用電極 - Google Patents

アルカリ電池用電極

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nickel
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alkaline battery
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哲男 境
勉 岩城
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  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ニッケル−カドミウム
電池、ニッケル−亜鉛電池、ニッケル−水素電池等のア
ルカリ蓄電池及び該電池に用いられる電極に関する。
【0002】
【従来の技術及びその問題点】各種の電源として使われ
る蓄電池として鉛電池とアルカリ電池がある。このうち
アルカリ蓄電池は高い信頼性が期待でき、小型軽量化も
可能などの理由で、小型アルカリ電池は各種ポータブル
機器用に、大型アルカリ電池は産業用として広く使用さ
れてきた。
【0003】このアルカリ蓄電池において、正極として
は、一部空気極や酸化銀極なども取り上げられている
が、ほとんどの場合ニッケル極である。ポケット式から
焼結式に代わって電極の特性が向上し、さらに密閉化が
可能になるとともに用途も広がった。電極容量をさらに
高容量化するために、発泡式や繊維式支持体を用いたニ
ッケル極が広く使われるようになった。
【0004】一方、負極としてはカドミウムの他に亜
鉛、鉄、水素などが対象となっている。
【0005】最も広く普及しているのはカドミウム極で
あり、ニッケル−カドミウム蓄電池がポータブル機器か
ら産業用まで二次電池の主役になっている。次に普及し
ている亜鉛は、電位と容量と価格の点では申し分ない
が、アルカリ性電解液に可溶性であるため寿命に問題が
あり、広く使われるまでには至っていない。一方、水素
吸蔵合金極は高容量と低公害を特徴に、ニッケル−水素
蓄電池が商品化され、小型を中心に需要が伸びている。
【0006】ところで、一般のニッケル粉末を用いた焼
結式基板では、多孔度を85%以上にすると、強度が大
幅に低下するため活物質の充填量、すなわち高容量化に
限界があり、90%以上のような一層高多孔度の基板と
して焼結基板に代えて前述のように発泡状基板や繊維状
基板が取り上げられ、実用化されている。一方、発泡状
樹脂にニッケルペーストを塗着し、これを焼結すること
で高多孔度の焼結体を得ることが古くから提案されてい
る。例えば特願昭36−45195号では、ニッケル粉
末を泥状にしてウレタンフォームに含浸して水素中で樹
脂を炭化した後、ニッケルを半融状態にして多孔体を製
造している。また、特願昭48−55274号では、ア
ルミナ粉末、シリカ粉末などをボールミルで粉砕後、や
はりウレタンフォームに含浸して空気中で焼いて焼結体
を得ている。特願昭49−64529号では、水酸化ニ
ッケル陽電極用としてポリエーテルフォームをモンドニ
ッケル粉の緩い粉末床に浸漬し、これを加熱して支持体
としている。またフォームの代わりに不織布も例示され
ている。
【0007】芯材を用いた粉末充填−焼結、ペースト−
焼結の方式の焼結体では基板の多孔度を85%以上にす
ると、強度が大幅に低下するので高容量化に限界があ
る。そこで90%以上のような一層高多孔度の基板とし
て発泡状樹脂にニッケルペーストを塗着しこれを焼結す
ることで高多孔度の焼結体を得ることが古くから提案さ
れている。しかし焼結の操作を行うこと、原料のニッケ
ルが高価なことなどからパンチングメタル、スクリー
ン、エキスパンドメタルなどを支持体としたペースト式
よりも高価になる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、より高容量
且つ安価なアルカリ電池用の電極基板、電極及びその製
造法並びにアルカリ電池を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、多孔性の樹脂
芯体の骨格に、鉄粉末と結着剤とを主成分としたペース
トを被覆し、ついで鉄粉末が焼結する温度以上に非酸化
性雰囲気中で加熱して三次元スポンジ状焼結体とし、こ
れにニッケルメッキを施し、活物質粉末を充填してニッ
ケルメッキが施された鉄製の三次元スポンジ状焼結体に
活物質を充填して得られることを特徴とするアルカリ電
池用電極を提供するものである。
【0010】ニッケルメッキの厚みは、特に限定されな
いが通常20〜100μm程度、好ましくは20〜50
μm程度である。
【0011】「三次元スポンジ状」とは、焼結体の空隙
部分の比率、すなわち多孔度は90〜96%程度、好ま
しくは94〜96%程度である。また、空隙部分の平均
直径は円形に換算して100〜300μm、好ましくは
150〜250μm程度である。この空隙部分に電極活
物質が充填される。
【0012】ニッケルメッキが施された本発明の電極基
板に充填される活物質は、公知の活物質がいずれも用い
られ、特に限定されないが、例えば水酸化ニッケル、水
素吸蔵合金等が例示され、好ましくは水酸化ニッケルが
例示される。これらの活物質の充填は、特に限定されな
いが、例えばその粉末と適当な結着剤を混合してペース
ト状とし、上記三次元焼結体に含浸して充填することが
できる。この含浸の後、乾燥される。
【0013】本発明において、多孔性の樹脂芯体の樹脂
としては、焼結時に分解除去される限り特に限定されな
いが例えばポリウレタン、ポリスチロール等が挙げられ
る。ここで芯体樹脂は、鉄製の3次元スポンジ状焼結体
の多孔度が上記の範囲内に入るのに必要な多孔度乃至多
孔性を有している。鉄物質粉末の粒径は、1〜10μm
程度である。他の主成分である結着剤としては、公知の
結着剤が挙げられ、特に限定されないが、例えばカルボ
キシメチルセルロース(CMC)、カルボキシプロピル
メチルセルロース、メチルセルロース、デンプン、ポリ
ビニルアルコール(PVA)等が挙げられ、好ましくは
CMC、PVAが挙げられる。結着剤は、水、アルコー
ルなどの溶媒に溶解等して用いることができる。ペース
ト全体を100重量部としたとき、鉄粉末は94〜99
重量部程度、結着剤は1〜6重量部程度含まれる。上記
結着剤は、電極活物質の充填時にも必要に応じ同様なも
のが用いられる。
【0014】本発明でペーストを「被覆」するとは、多
孔性の樹脂芯体の表面にペーストが付着した状態を示
す。ペーストを被覆させる方法としては、特に限定され
ないが、例えば常圧又は加圧下にペースト中に多孔性の
樹脂芯体を浸漬ないし含浸し、次いで該芯体をペースト
中から取り出すことにより被覆することができる。本発
明でペーストとは、鉄物質粉末及び結着剤が多孔性の樹
脂芯体に一様ないしほぼ一様に分布することができ、芯
体表面の鉄物質粉末及び結着剤が付着し、流出等しない
程度の流動性を有するものを意味する。
【0015】本発明の製造法で、焼結は鉄物質の粉末が
焼結する以上の温度は、鉄粉末の粒径等によっても異な
り特に限定されないが通常850〜1150℃、好まし
くは950〜1050℃の温度である。該焼結は、特に
限定されないが例えば窒素、水素、分解アンモニアなど
の非酸化性雰囲気中で行われる。
【0016】焼結により得られたスポンジ状焼結体と
は、焼結中に多孔性の樹脂芯体が分解除去され、鉄が残
った状態のものをいう。
【0017】
【作用】先ず多孔性の芯体の骨格として、還元鉄、カー
ボニル鉄、電解鉄などの鉄粉末と結着剤とを主成分とし
たペーストを被覆し、ついで鉄粉末が焼結する温度以上
に非酸化性雰囲気中で加熱して三次元スポンジ状焼結体
とする。このことで単に鉄粉末を焼結した場合と異なり
高多孔度の支持体が得られる。
【0018】ところで鉄は安価であるが、電解液の苛性
アルカリ中で酸素発生電位になるとニッケルと異なり一
部酸化する。そこでこの焼結体にニッケルメッキを施
し、耐電解液性や耐酸化性を向上させる。すなわち、支
持体が酸化する心配はなく、高容量の電極の活物質支持
体として用いられることを見出した。なお、鉄物質とし
ては、鉄電極用のように高純度の粉末は必要でなく、強
度の大きい焼結体になればよく、安価な還元鉄が用いら
れる。その他、やや高価になるが電解鉄やカーボニル鉄
などでも良く種類に限定されない。ニッケルメッキは、
ピンホールの少ない公知の電解ニッケルメッキがよい。
【0019】
【実施例】以下、本発明を実施例を用いてより詳細に説
明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。
【0020】市販の見掛け比重2.5g/cc、平均粒
径1〜3μmの還元鉄粉にカルボキメチルセルロース3
%水溶液を280cc加え、これを厚さ1.5mm、平
均孔径0.3mm、多孔度97%のポリウレタン発泡体
を支持体として含浸し、付着させる。ローラを通して基
本的に発泡体に付着している以外のペーストを除く。こ
れを90℃で乾燥後、1150℃で30分間水素中で焼
結する。この間に発泡体とカルボキメチルセルロースは
分解して除去される。得られた鉄の焼結体は、厚さ1.
4mm、空隙部分の平均孔径0.25mm、多孔度95
%であった。ニッケルワット浴を用いて、この鉄製焼結
体に平均メッキ厚60μmの電解メッキを行い、水洗
し、乾燥した。
【0021】上記で得たニッケルメッキを施した鉄の焼
結体を支持体として用いたニッケル極の製造例を以下に
詳述する。
【0022】市販の球状水酸化ニッケル粉末75部、コ
バルト3部、酸化コバルト粉末4部の混合物に、2重量
%のポリビニルアルコール水溶液を加えてペーストとし
て加圧充填する。表面を平滑化し、その後120℃で1
時間乾燥した。得られた電極はエンボス加工を施したロ
ーラプレス機を3回通して厚さ0.75mmに調整し
た。このようにして得られたペースト式ニッケル極を幅
33mm、長さ180mmに裁断し、リード板をスポッ
ト溶接により取り付けた。公称容量は2.7Ahであ
る。
【0023】相手極として公知の水素吸蔵合金LaNi
5の一種であるMmNi3.7Mn0.4Al0.3Co0.6を用
いた。公知の発泡状ニッケルに充填し、厚さ0.5m
m、幅33mm、長さ220mmに裁断し、リード板を
スポット溶接により取り付けた。また、親水処理したポ
リプロピレン不織布をセパレータとし、密閉形ニッケル
−水素蓄電池を構成した。電解液として、比重1.28
の苛性カリ水溶液に30g/lの水酸化リチウムを溶解
して用いた。電池はSubC型とした。この電池をAと
する。
【0024】ニッケル極として公知の発泡式ニッケルに
実施例2と同じ水酸化ニッケルを充填して用いた電池を
Bとして加えた。
【0025】電池の性能試験 化成終了後の各電池(A及びB)の放電電流1Aで終止
電圧0.95Vと10Aで終止電圧0.85Vの際の平
均放電電圧と容量及び5時間率で容量の120%定電流
充電し、1.2Aで終止電圧0.9Vまでの条件での寿
命特性を調べた。これらの試験結果を一括して表1に示
す。
【0026】
【表1】 電池 1A放電 10A放電 700サイクル V Ah V Ah 容量維持率(%) A 1.24 2.67 1.15 2.23 91B 1.24 2.67 1.15 2.23 91 上記表1の結果から明らかなように、放電特性はニッケ
ル発泡体支持体の場合と全く差がない。なお、鉄を支持
体として本実施例のようなニッケル極を用いると過充電
時では正極に酸素発生が生じ、鉄の酸化が懸念される
が、ニッケルメッキによりこのような現象は全くなく、
寿命も問題がなかった。
【0027】
【発明の効果】本発明により、安価で放電特性、寿命と
もに優れたアルカリ電池用電極が得られる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 4/24 - 4/26 H01M 4/80 B22F 5/00

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】多孔性の樹脂芯体の骨格に粒径が1〜10
    μmの鉄粉末と結着剤とを主成分とするペーストを被覆
    し、ついで非酸化性雰囲気中で鉄粉末が焼結する温度以
    上に加熱して三次元スポンジ状焼結体を得た後、これに
    ニッケルメッキを施し、得られたニッケルメッキ層を備
    えた三次元スポンジ状鉄焼結体に活物質を充填してな
    り、焼結体の多孔度が90〜96%であり、焼結体の空
    隙部分の平均直径(円形換算)が100〜300μmであり、
    ニッケルメッキの厚みが20〜100μmである密閉型
    アルカリ電池用電極。
  2. 【請求項2】多孔性の樹脂がポリウレタン又はポリスチ
    ロールである請求項1記載の密閉型アルカリ電池用電
    極。
  3. 【請求項3】鉄が還元鉄、カーボニル鉄、電解鉄のいず
    れかである請求項1記載の密閉型アルカリ電池用電極。
  4. 【請求項4】活物質が水酸化ニッケルである請求項1記
    載の密閉型アルカリ電池用電極。
  5. 【請求項5】ニッケルメッキの厚みが20〜50μmで
    ある請求項1記載の密閉型アルカリ電池用電極。
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JPH07335210A JPH07335210A (ja) 1995-12-22
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KR100250414B1 (ko) * 1995-06-19 2000-04-01 구라우치 노리타카 전지용전극기판 및 그 제조방법
US5851599A (en) * 1995-09-28 1998-12-22 Sumitomo Electric Industries Co., Ltd. Battery electrode substrate and process for producing the same

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