JP3151801B2 - 電池用電極基板及びその製造方法 - Google Patents

電池用電極基板及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】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−水素電池な
どのアルカリ蓄電池などに用いる電池用電極基板に関す
る。
【0002】
【従来の技術】各種の電源として使われる蓄電池として
鉛蓄電池とアルカリ蓄電池がある。このうちアルカリ蓄
電池は高信頼性が期待でき、小型軽量化も可能などの理
由で小型電池は各種ポータブル機器用に、大型は産業用
として広く使われてきた。このアルカリ電池において負
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。しかし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。
【0003】一方、90%以上の高気孔率を持つ発泡状
もしくは繊維状のNi基板が電池用電極として採用さ
れ、電池の高容量化に貢献している。このような高気孔
率を有するNi多孔体基板の製造方法としては、特開昭
57−174484号公報に開示されているメッキ法に
よるものと、特公昭38−17554号公報等に開示さ
れている焼結法によるものがある。メッキ法ではウレタ
ンフォームなどの発泡樹脂の骨格表面にカーボン粉末等
を塗着することにより導電化処理を行い、その上に電気
メッキ法によりNiを電析させ、その後発泡樹脂及びカ
ーボンを消失させ、金属多孔体を得ている。一方、焼結
法ではスラリー化したNi粉末をウレタンフォームなど
の発泡樹脂の骨格表面に含浸塗布し、その後加熱するこ
とによりNi粉末を焼結している。
【0004】
【発明が解決しょうとしている課題】従来技術に示した
通りNi多孔体を電池用極板として適用することによ
り、電池の高容量化に果たした寄与は大きい。しかしな
がら、Ni金属が高価であること、また将来電気自動車
用などにこれらのアルカリ蓄電池が採用される場合、そ
の使用量は膨大なものとなることが予想され、資源的に
も問題がある。
【0005】本発明ではFe/Ni2層構造をとること
によって、上記課題を解決するものである。
【0006】Fe/Ni2層構造よりなる金属多孔体構
造については、例えば従来技術として特開平2−930
06号公報には殺菌用としての開示がある。骨格にウレ
タンフォームを用い、これにFeの粉末を塗着した後、
さらにNi、Cr、Cuの金属粉末の混練物を上塗り塗
着し、熱処理炉で加熱し、Fe骨格部の上にNi、C
r、Cuの耐食被覆層を得ている。そしてさらにその上
に殺菌力を有する金属(Au、Cu、Ag)をメッキ、
どぶ付け、溶射等で被覆する。この場合は、目的が殺菌
用であるが故、Feと殺菌力を有する金属の2層かある
いはFeと耐食被覆層と殺菌力を有する金属層の3層構
造をとっており、本発明の目的である電池用基板とは異
なる仕様であり、そのまま電池用基板に適用することは
できない。
【0007】Fe/Ni2層構造よりなる金属多孔体構
造については、例えば従来技術として特開平2−930
06のような殺菌用としての開示があるが、電池用電極
基板として適用するためには従来技術をそのまま適用す
ることはできない。すなわち、電池用電極基板としてF
e/Ni2層金属多孔体に要求される特性として、(1)
電池の充放電容量を決定する活物質材料の充填量に大き
く影響する気孔率が大であること、(2)活物質材料の集
電性能を左右する電気抵抗が低いこと、(3)強アルカリ
の電解液中において腐食溶出するFeの電池性能への影
響を抑えること、等々が挙げられるが、これらの諸特性
を厳密に制御した金属多孔体でなければ、電池用極板と
しての適用は不可能である。殺菌用途を主目的とした引
例技術では、(1)に対応する気孔率に規定が無く、(2)に
対しては骨格金属の純度が極めて重要であり、特に主要
骨格部となるFe部には高い純度が必要なのに対して、
従来技術では原料粉末にC、O量を多く含んでいること
から、電池用極板に要求される低電気抵抗値は得られな
い。また、(3)に関する規定も全くないことから、従来
技術をそのまま適用しても電池として所望の性能は得ら
れない。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、電池用集電体
に用いる活物質保持体であって、気孔率90%以上の連
通気孔を有し、1cm当たりの気孔数が10個以上であ
る金属多孔体構造をなし、多孔体骨格内部が98wt%
以上のFeで、その表面部がFe露出部分を除いて0.
1〜10μmの被覆厚みでNiが被覆されているFe/
Ni2層構造よりなり、該Fe/Ni2層構造におい
て、ニッケル被覆層の厚みT Ni とニッケル被覆層中への
鉄の拡散層の厚みD Fe との間に式(1)で表される関係
があることを特徴とする電池用電極基板である。0<D Fe /T Ni ≦0.65……(1)
【0009】Fe/Ni2層構造を90%以上の連通気
孔でかつ1cm当りの気孔数が10個以上という微細な
孔径からなる金属多孔体構造とすることにより、電池活
物質の保持性が向上し、より多くの活物質を充填可能と
し、電池としての充放電サイクル寿命および電池容量を
向上させることができる。
【0010】FeにNiを被覆する際、電気メッキによ
る手段が最適であるが、NiメッキがFeの多孔体に均
一にメッキされるのが良く、露出しているFe部の表面
積が多孔体全表面積の10%以下であることが好まし
い。本来Feの露出部はゼロであるべきであるが、実際
の作製ではゼロにするのは難しく、ある程度Feは露出
するのは避けがたい。しかしながら、Feの露出部は電
池内のアルカリ電解液中で腐食されることにより、Fe
の溶出による自己放電の発生や、寿命特性の劣化、不動
態被膜の形成による集電特性の劣化、などを引き起こし
電池特性の低下を招く。本発明者らは、多孔体表面積中
のFe露出部の面積と電池特性への影響を調べた結果、
露出部面積が10%以内であれば、電池特性が大きく低
下しないことを見出したものである。Feの露出部面積
が3%以下であるとFe溶出量も押さえられさらに好ま
しい結果を得る。
【0011】また、本発明はFeにNiを被覆するもの
で、Fe/Ni2層構造において、ニッケル被覆層の厚
みTNiとニッケル被覆層中への鉄の拡散層の厚みDFe
の間に0<DFe/TNi≦0.65で表される関係がある
と好ましい。これは、Feの上にNiを被覆した後、熱
処理条件によってコントロールされる。単にFe/Ni
2層にしたのでは、Ni被覆層が硬くて伸びが無く、従
って電池組立て工程での活物質の充填、電極の巻きあげ
等の加工で破断等の問題を生じ、その対策として熱処理
が必要となる。ところが、熱処理を行うと必然的にFe
がNi層に拡散をする。この拡散によりNi中にFeが
合金化すると、電気抵抗の上昇を招く。熱処理は必要で
あるが、Ni層の厚みに対する鉄の拡散層の厚みの比が
65%を越えると、電気抵抗の増加、Ni−Fe合金化
による機械的特性の低下や耐食性の低下を招く。ニッケ
ル被覆層への鉄の拡散を制御するには、熱処理時の温度
と時間による制御がしやすい。ニッケル被覆層の厚みに
よりその条件は異なるが、熱処理温度を700℃以下と
し、1分から30分の時間とするのが良い。
【0012】そして、Ni中に存在するFeの含有量が
多くなると、合金化により電気抵抗の上昇を招くと同時
に機械的特性としてののび特性が低下し、さらにはFe
の含有量が多くなると、耐食性も低下することからNi
被覆層中のFe含有量は10wt%以下にするのが好ま
しい。さらに好ましくはFeの含有量を4wt%以下に
するのが良い。
【0013】本発明に用いるFeは電池用極板になった
時、電流の通路となるものであるから、電気抵抗が小さ
い方が良く、このためFe骨格内部が98wt%以上の
Feであることが好ましい。また、不純物が多いと、F
e骨格部の強度特性のうち、のび特性が低下して極板の
組立性が著しく損なわれることからもFe骨格内部が9
8wt%以上のFeであることが好ましい。
【0014】さらに、ニッケル被覆層の厚みがFe露出
部分をのぞいて0.1〜10μmであると経済的である
と同時に、耐食性の充分な金属多孔体が得られる。0.
1μm未満では耐食性が充分でなく、10μmを越える
とNi使用量が多くなり、本発明の目的である経済的で
資源問題を解決することからかけ離れたものになる。よ
り好ましくは0.1〜5μmのNi厚みがよい。
【0015】以上のようなFe/Ni2層の金属多孔体
は多孔体樹脂を基体に用いて、鉄からなる金属多孔体を
形成し、これにニッケルメッキを施し、その後熱処理に
よりニッケル層の厚みと、ニッケル被覆層中への鉄の拡
散層の厚みとの比が0.65以下に調節すると良い。本
発明で用いる鉄からなる金属多孔体の製法として、Fe
金属粉末を多孔体樹脂に塗布、焼結することにより得ら
れるものが最適である。もちろん、多孔体樹脂にはウレ
タンフォームを用いるのが最適であるが、不織布を用い
ることも可能であり、さらにこれらの基体にカーボン等
を塗布し、導電性を付与した後、鉄をメッキすることも
可能である。基体にカーボンファイバーからなる不織布
を使用しても良い。
【0016】
【発明の実施の形態】金属多孔体の母層となるFeは安
価で資源的に豊富であることから、電池用電極基板とし
て安価にかつ大量に供給することが可能である。Fe表
面のNi被膜はアルカリ電池における強アルカリ溶液中
での耐食性が極めて良いために重要であり、Feの表面
がNiですべて遮蔽されているのが良い。製造上、Fe
の多孔体骨格表面全部にNiメッキをしても、多孔体内
部にはNiが入り込みにくく、またFe多孔体の表面に
焼結時の汚れ等が残っている場合もNiがメッキされに
くい。解決手段としては、電気メッキによりNi皮膜を
形成することから、被メッキ体であるFe骨格部は緻密
かつ平滑な骨格部組織であることが重要である。従っ
て、Fe粉末をウレタンフォーム上に塗着後熱処理する
ことにより焼結Fe多孔体を形成する場合には、原料粉
末の粒径として20μm以下より好ましくは3μm以下
の粉末原料を用いることが好ましい。すなわち、骨格部
の緻密化のためにはFe粉末の焼結時の固相拡散を促進
する必要があり、そのためには粉末同士の接触面積が大
きい微粒粉末が有効である。また、焼結のための熱処理
温度としては1100℃以上が好ましい。これは110
0℃以下では十分な固相拡散が生じないため、骨格部の
緻密/平滑化が得られないためである。又、数%濃度の
無機酸で洗浄することにより、汚れを除去すると共にF
e表面を親水化し、Niメッキ液が多孔体内部に入りや
すくする。無機酸の濃度は数%が適当であり、かつ浸漬
時間も数分が良く、酸の濃度が濃すぎても、浸漬時間が
長すぎてもFe骨格の溶解に結びつくので好ましくな
い。このような操作で、Feの露出面積を10%以下に
押さえることが出来る。骨格をなすFeの純度が下がる
と電気抵抗は大きくなるため純度が高いことが必要であ
る。98%以上の純度であれば、電極基板としてほぼ実
用に耐え得る電気抵抗が得られる。
【0017】そしてNi被覆層についてはアルカリ電解
液中での耐食性と電気抵抗の2点から、母層となるFe
の拡散が小さいことが必要であり、Feの拡散が多い
と、耐食性が劣ると同時に電気抵抗も上昇する。前記し
たように、Ni被覆層中へのFeの拡散はNiメッキ後
のNiの硬くてもろい状態を熱処理によって改善する目
的があるが、この熱処理によりNi層中へのFeの拡散
を進行させる。Feの拡散層がNiの層全体すなわち1
00%となると、NiとFeの合金化により電気抵抗の
増加と、機械強度の低下および耐食性劣化を生ずること
になる。
【0018】そこで本発明者らは多孔体の骨格である鉄
のニッケル被覆層への拡散の程度と電気抵抗、機械的特
性ならびにアルカリ電解液への耐食性について詳細に調
べた結果、少なくとも35%以上の純Ni層を確保する
必要があり、Niメッキが1.0μm以下の場合は、少
なくとも50%以上の純Ni層を残すことが電気抵抗と
耐食性に関して優れた特性を示す条件となる。ニッケル
メッキ被覆層の厚みは電池の使用条件によって選択すれ
ば良く、急速充放電、高温使用、極めて長寿命などの厳
しい条件で使われる用途には一般的にはメッキ層を厚く
する。
【0019】実施例A表1に示す厚さ及び気孔数のポリ
ウレタンフォームを出発原料として、平均粒径2μmの
Fe粉末とアクリル樹脂エマルジョン、CMC(分散
媒)、水をそれぞれ60wt%、10wt%(固形
分)、1wt%、29wt%の比率で混合したスラリー
液をウレタンフォームに含浸塗着した後、120℃10
分間乾燥させ、Fe粉末をポリウレタンフォームに塗着
した。次いでH2ガス中で1250℃20分間加熱焼結
し、Fe多孔体を得た。
【0020】この時のFe粉末には、表1に示す不純物
元素が含まれている。
【0021】得られたFe多孔体をワット浴を用いて1
0A/dm2の電流密度で表1に示す時間のNiメッキ
を行った後、N2ガス雰囲気中で表1の熱処理温度を用
いて10分間の熱処理を行いFe/Ni2層構造の金属
多孔体を作製した。表1に示す9サンプルの特性評価結
果を表2に示す。ここで、気孔率は水置換法により計
測、Fe骨格部の純度は化学分析により、Ni被覆層の
厚みは骨格部の断面を電子顕微鏡で観察し、10カ所の
平均厚みを示す。また、Ni層中のFe含有量について
は、オージェ電子分光法(空間分解能0.1μm)を用
いて骨格部の断面のライン分析により求めた。電気抵抗
値は長さ100mm、幅10mmでの値を採用してい
る。
【0022】
【表1】
【0023】
【表2】
【0024】なお、表1において、サンプルの目付量
(面密度)は全て約600g/m2としているが、サン
プル5はウレタンの厚みが1mmのため、Fe粉末を含
むスラリー液を多層コートして、面密度調整した。その
結果、気孔率は小さくなっている。メッキ後の熱処理温
度が高いとNi被覆層のFe含有量が増加し、電気抵抗
が大きくなる傾向になる(サンプル3と8)。またFe
粉末中の不純物の量が多いと同様に電気抵抗値が大きく
なる。さらにNi被覆層の厚みが小さいと、Feより電
気抵抗の小さいNiの断面比率の減少により、電気抵抗
が増大する。サンプル8のようにNi中のFe含有量が
多いと電気抵抗値が大きくなる。
【0025】表2で得られた金属多孔体サンプル1〜9
を用いて、ニッケル極を作製した。水酸化ニッケルを主
とする活物質を充填した後表面を平滑化し、その後12
0℃で1時間乾燥した。得られた電極は1トン/cm2
の圧力で加圧して、縦長さ250mm、横幅150m
m、厚さ0.7mmとした。
【0026】このニッケル極をそれぞれ5枚と相手極と
して公知のMmNi(ミッシュメタルニッケル)系水素
吸蔵合金極5枚と親水処理ポリプロピレン不織布セパレ
ータを用いて角型密閉形ニッケル−水素電池を構成し
た。電解液として比重1.25の苛性カリ水溶液に25
g/lの水酸化リチウムを溶解して用いた。表2の金属
多孔体のサンプルNo.と対応してそれぞれの電池N
o.を1B、2B、3B--とする。また、参考例1とし
て従来のNi多孔体によるニッケル極を用いた電池も同
じ手順で作製した。
【0027】各電池の放電電流10Aと150Aの際の
放電電圧と容量を調べた。また寿命試験として、10A
放電において500サイクルの充放電後の容量維持率を
評価した。結果を表3に示す。
【0028】
【表3】
【0029】表3の結果から明らかなように本発明の電
池用電極基板を用いた電池は従来のNi多孔体を用いた
電池(参考例1)とほぼ同等の電池性能を示した。
【0030】実施例B表4に示す厚さ及び気孔率のポリ
ウレタンフォームを出発原料として、平均粒径1μmの
Fe粉末とフェノール樹脂エマルジョン、CMC(分散
媒)、水をそれぞれ60wt%、10wt%(固形
分)、1wt%、29wt%の比率で混合したスラリー
液をウレタンフォームに含浸塗着した後、120℃10
分間乾燥させ、Fe粉末をポリウレタンフォームに塗着
した。次いでH2ガス中で1200℃20分間加熱焼結
し、Fe多孔体を得た。この時用いたFe粉末には表4
に示す不純物元素が含まれている。
【0031】得られたFe多孔体を、Niメッキする前
に表4に示す酸処理条件で酸処理を行い、その後ワット
浴を用いて10A/dm2の電流密度で表4に示す時間
Niメッキした後、N2ガス雰囲気中で表4に示す温度
で10分間の熱処理を行い、Fe/Ni2層構造の金属
多孔体を作製した。表4に示す11サンプルの特性評価
結果を表5に示す。なお、この実施例においても目付
(面密度)は全て約600g/m2としている。また、
データは実施例Aと同じ手段で採取したが、露出面積比
については、簡易的な手法として、1%塩酸水溶液中に
5分浸漬いたときに溶出したFe量をICP(誘導結合
高周波プラズマ分光分析)法により測定し、全表面積と
Fe露出部が既知の標準サンプルを用いて求めた溶出量
とFe部面積のデータを基に算出した。
【0032】
【表4】
【0033】
【表5】
【0034】表5の金属多孔体を用いてニッケル極を製
造した。実施例Aと同様に水酸化ニッケルを主とする活
物質を充填した後表面を平滑化し、その後120℃で1
時間乾燥した。得られた電極を1トン/cm2の圧力で
加圧して、縦長さ250mm、横幅150mm、厚さ
0.7mmとした。以下、実施例Aで実施したように角
型密閉形ニッケル−水素電池を構成した。表5の金属多
孔体のサンプルNo.と対応してそれぞれの電池No.
を10B、11B、12B--とする。また、参考例2と
して従来のNi多孔体によるニッケル極を用いた電池も
同じ手順で作製した。そして、実施例Aと同様に各電池
の放電電流10Aと150Aの際の放電電圧と容量を調
べた。また寿命試験として、10A放電において。充放
電500サイクル後の容量維持率を評価した。結果を表
6に示す。
【0035】
【表6】
【0036】表6で示すように、本発明になる電池用電
極基板を用いた電池は、従来のNi多孔体を用いた電池
(参考例2)と同等の性能を示す。鉄露出部の比率の大
きい13B、18Bは容量維持率において低下率が大き
くなり、Feの溶出が寿命に影響することを示す。特に
鉄露出部を低減する効果は、表4と表5に示すように、
Niメッキの前に酸処理を施すことで効果があり、さら
にNiメッキの時間にも影響することがわかる。
【0037】実施例C実施例Bのサンプル10で用いた
鉄多孔体を、Niメッキまで同一工程で処理しメッキ時
間のみ短縮したためメッキ厚みは1.3μmであった。
その後、メッキ後の熱処理を表7に示す5条件で実施し
た。各条件の異なるサンプル集団をサンプルNo.21
〜25に分類した。
【0038】できあがったFe/Ni2層構造の金属多
孔体の特性を調べると表7のようになる。ここで、鉄拡
散層の厚みはニッケル中に鉄が1.0%以上含まれてい
る領域とし、その厚みはオージェ電子分光法(空間分解
能0.1μm)によるニッケル/鉄2層からなる多孔体
の骨格断面のライン分析より求めた。また、機械的特性
は幅15mmのサンプルから、電気抵抗は幅10mm、
長さ100mmのサンプルを用いて測定した。
【0039】
【表7】
【0040】表7の結果から、Fe露出部の面積は機械
的特性に影響する程の差はない状況である。鉄拡散層の
厚みが厚くなると機械的特性が低下(強度の値が小、伸
びが小)となる傾向にある。また、電気抵抗も大きくな
る傾向になる。この結果より、電池用極板として使用で
きる範囲を求め、その条件として、熱処理を温度700
℃以下で1〜30分としている。
【0041】表7に記載したNo.21〜25の金属多
孔体サンプルを用いて実施例Aで作製したと同様の電池
を作製した。サンプルNo.に合わせて電池サンプルを
21B〜25Bとした。
【0042】この時、サンプル24Bは活物質充填時及
び加圧加工時に多数の箇所で骨格の破断が見られた。他
のサンプルには異常は見られなかった。
【0043】この結果より明らかなように、ニッケルメ
ッキ後の熱処理によって、表層のNiの加工性を得る
が、過度の熱処理は、電気抵抗を大きくし、また機械強
度の低下を招く。
【0044】上記サンプルと同様に従来のNi多孔体に
よるニッケル極を用いた電池も作製し、これを参考例3
とした。
【0045】各電池の放電電流10Aと150Aの際の
放電電圧と容量を調べた。また、寿命試験として、10
A放電において500サイクル後の容量維持率を評価し
た。結果を表8に示す。
【0046】
【表8】
【0047】この結果から明らかなように、本発明のニ
ッケル被覆層の厚みTNiとニッケル被覆層中への鉄の拡
散層の厚みDFeとの関係が0<DFe/TNi≦0.65と
なるように熱処理した電極基板が従来のNi多孔体を用
いた電池(参考例3)とほぼ同等の電池性能を示す。
【0048】
【発明の効果】本発明になるFe/Ni2層構造の金属
多孔体を用いた電池用電極基板は、その特性がNiを用
いた電極基板に見劣りせず、資源として豊富な鉄を用い
ているところで需要の増大する電池産業において画期的
な素材を供給出来るものである。又、本発明の製造法で
は、ニッケル被覆層の厚みと、ニッケル被覆層中への鉄
の拡散層の厚みとの比を所望割合に調節して、電気抵
抗、機械的特性、耐食性の点で優れた基板を容易に得る
ことができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−85276(JP,A) 特開 昭61−76686(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/66 - 4/80 B22F 3/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電池用集電体に用いる活物質保持体であ
    って、気孔率90%以上の連通気孔を有し、1cm当た
    りの気孔数が10個以上である金属多孔体構造をなし、
    多孔体骨格内部が98wt%以上のFeで、その表面部
    がFe露出部分を除いて0.1〜10μmの被覆厚みで
    Niが被覆されているFe/Ni2層構造よりなり、該
    Fe/Ni2層構造において、ニッケル被覆層の厚みT
    Ni とニッケル被覆層中への鉄の拡散層の厚みD Fe との間
    に式(1)で表される関係があることを特徴とする電池
    用電極基板。0<D Fe /T Ni ≦0.65……(1)
  2. 【請求項2】 前記Fe/Ni2層構造において、露出
    しているFe部の表面積が多孔体全表面積の10%以下
    である請求項1に記載の電池用電極基板。
  3. 【請求項3】 前記Ni被覆層中に含まれるFe含有量
    が、10wt%以下であることを特徴とする請求項1又
    は2に記載の電池用電極基板。
  4. 【請求項4】 多孔体樹脂を基体に用いて、鉄からなる
    金属多孔体を形成し、これにニッケルメッキを施し、そ
    の後熱処理により、ニッケル被覆層の厚みと、ニッケル
    被覆層中への鉄の拡散層の厚みとの比が0.65以下に
    調節することを特徴とする電池用電極基板の製造方法。
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