JP3446539B2 - アルカリ蓄電池とその電極の製造法 - Google Patents

アルカリ蓄電池とその電極の製造法

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  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はアルカリ蓄電池とそ
の電極の製造法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】アルカリ蓄電池はその利用機器である通
信機、パーソナルコンピュータなどの携帯化が進むにつ
れて市場規模を拡大してきた。これらの分野においては
最近では軽量かつ高容量な電池への需要が急激に伸びて
いる。また、電動工具、補助動力など大電流での充放電
が必要な用途においても、アルカリ蓄電池の需要は高ま
っている。
【0003】アルカリ蓄電池用電極の製造法は大別し
て、パンチングメタルなどの導電性芯材にニッケル粉末
と増粘剤とを混練したペーストを塗着し、これを焼結し
た基板に活物質を含浸することによって得られる焼結式
と、発泡メタルやニッケル不織布などの金属多孔体ある
いはパンチングメタル、エキスパンドメタルなどの導電
性芯材に、活物質を含むペーストを充填または塗着して
得られるペースト式とがある。
【0004】本発明に類似したものとしては、先に公開
された特開昭61−293618号公報において、ステ
ンレス鋼網に繊維状ニッケルを植毛し、これを圧延し、
焼結した基板が提案されている。これは、上述したよう
な焼結式極板において焼結されたニッケル基板の亀裂発
生や、基板厚みの制御が不可能となるといった不都合を
解決するものである。
【0005】また、特開平8−144153号公報で
は、炭素繊維を含む糸条からなる基布層と基布層より起
毛した立毛部からなる炭素繊維パイル布帛が提案されて
いる。これは、二次電池、特にナトリウム−硫黄電池の
電極導電材(基板)として使用することをねらいとした
ものであり、アルカリ蓄電池用基板としては不向きであ
った。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】焼結式電極は大電流で
の充放電特性はペースト式より優れているが、ペースト
式で用いられている基板と比べて基板の空孔率が低く、
また多孔体の厚みを厚くすることが困難であるため単位
体積当たりの電池容量はペースト式より低い。さらに焼
結式の空孔径はペースト式のそれより小さいため、必要
量の活物質を充填するためには溶液の含浸を数回くり返
す必要があるなど製法が繁雑であるという課題もある。
【0007】ペースト式電極の基板としては、活物質の
導電性が低いニッケル極では発泡メタルやニッケル不織
布などの金属多孔体が使用されている。これらの基板
は、基板中央部に導電性芯材が通っている焼結式基板と
比較して、活物質から電流出入口としての電極端子まで
の集電経路が長いため大電流での充放電特性が劣る。ま
た、焼結式基板と比較して総じて基板の空孔径が大きい
ため基板強度や活物質の保持力も劣る。ニッケル極にお
いては充放電を繰り返すと活物質の体積が大きく変化
し、電解液を吸収して極板が膨潤する。その際、活物質
の保持力が低いと、基板と活物質粒子との接触性が低下
しやすく集電能力の劣化が大きい。
【0008】一方、活物質の導電性が比較的高いカドミ
ウム極、水素吸蔵合金極では基板としてパンチングメタ
ルなどの二次元の導電性芯材を使用し、さらに導電性を
補うためにカーボン粉末あるいはその繊維などの導電
材、活物質保持力を補うための結着剤などを添加した電
極が普及している。しかし、導電材の添加によっても大
電流で充放電する場合には集電能力がなお不足してい
た。
【0009】なお、ニッケル極についても電極製造コス
トの低廉化のため、パンチングメタルなどの二次元の導
電性芯材を使用した電極の検討が従来からなされている
が、適当な導電材、結着剤が得られていないため、充放
電特性、充放電サイクル寿命特性が劣るため、まだ実用
化されていない。
【0010】本発明は、このような課題を解決するもの
で、アルカリ蓄電池において基板の集電機能を改良する
ことで優れた充放電特性を持ち、かつ高容量な電極を提
供するものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明ではその開孔部の全てもしくは一部がニッケ
ル薄膜によって覆われているパンチングメタル、ネット
等の多孔性素材からなる導電性芯材と、この導電性芯材
およびニッケル薄膜の両表面より起毛しているニッケル
繊維とが一体化していている基板を用いた電極とこれを
用いたアルカリ蓄電池を提供するものである。
【0012】また、この電極の製造法は、パンチングメ
タル等の多孔性芯材の両面に、開孔部の全てもしくは一
部に接着剤の膜を形成するようにして塗布した後、樹脂
繊維を静電植毛工法などにより植毛する工程と、導電性
芯材および樹脂繊維の表面に例えば無電解メッキや電気
メッキによって所望の厚みまでニッケルを被覆する工程
と、次いで樹脂繊維と接着剤を熱分解除去し、導電性芯
材の表面および樹脂繊維表面を被覆しているニッケルと
芯材とを焼結する工程から得られた基板に活物質を充填
する工程とからなるものである。
【0013】
【発明の実施の形態】請求項1に記載の発明は、アルカ
リ蓄電池について規定したものであり、正極と負極とセ
パレータとアルカリ電解液とからなるアルカリ蓄電池で
あって、正・負極のうちの少なくとも一方の電極は、そ
の開孔部の全てもしくは一部がニッケル薄膜によって覆
われているパンチングメタル、ネット等の多孔性素材か
らなる導電性芯材と、この導電性芯材およびニッケル薄
膜の両表面より起毛しているニッケル繊維とが一体化し
ている基板に活物質が充填されているものである。
【0014】また、請求項3に記載の発明は、この電極
の製造法について規定したものである。
【0015】樹脂繊維は静電気を利用した静電植毛工法
によって、接着剤が塗布されているパンチングメタルな
どの導電性芯材表面に、ほぼ当間隔をおいて直立した構
造に植毛される。その間隔は繊維の長さ、直径によって
規制され、繊維長さが短くなるほど、直径が細くなるほ
ど狭くなる。この植毛間隔が狭くなるにともないニッケ
ル被覆後に形成されるニッケル繊維の密度も高まって活
物質から基板までの集電経路が短くなるため、電極とし
ての充放電特性が向上する。
【0016】導電性芯材の軽量化および電極の高容量密
度化のために開孔部を設けたパンチングメタル等の多孔
性芯材を使用する場合、この開孔部には導電骨格である
ニッケル繊維が存在しないため、電極内のこの部分の集
電性は低くなる。これを解決するためには導電性芯材に
開孔部のない金属板を使用することが考えられる。この
場合、電極内の集電性は均一になるが、基板重量が増加
するため充填できる活物質量が低下する。基板重量を低
下させるには薄い金属板を使用する必要があるが、基板
の強度が低下するため連続生産性が低下する。また、電
極の両面に連通する穴がないため、電解液の分布が不均
一になりやすく、電解液量を規制している密閉式電池に
おいては充放電特性が若干低下する。
【0017】そこで、この開孔部の全部または一部を接
着剤の膜でふさぎ、その表面にも樹脂繊維を植毛した
後、ニッケル被覆、熱処理工程を経て作製した基板の重
量は、開孔部をふさがないで作製した基板とほぼ同じ重
量であるため、基板に充填できる活物質量は低下しな
い。そして、電極内部の集電性が均一になるため、活物
質の利用率が向上するため放電容量は増加する。また、
開孔部に形成した接着剤の膜の多くには、乾燥すると両
面に連通した微孔が開く。そのため電極内部での電解液
の分布も均一に保つことができる。
【0018】
【実施例】
(実施例)厚さ60μm、パンチング孔径1mm、開孔
率42%のニッケルメッキした鉄製パンチングメタルの
両面にフェノール系接着剤(固形分20%)を、パンチ
ングメタルの開孔部のほぼ全てに膜が形成するようにス
プレーで塗布した。このとき塗布量は50g/m2であ
った。その後、直径30μm、長さ2mmのレーヨン繊
維を電極を備えたふるいから振り落としつつ、ふるい内
の電極とパンチングメタルとの間に70kVの電圧を印
加してレーヨン繊維を帯電させて静電植毛を行た。この
ときの繊維量は50g/m2とした。
【0019】次いで接着剤を硬化させるため120℃で
10分間乾燥させた後、無電解メッキによりレーヨン繊
維およびパンチングメタルの表面に厚さ0.5μmのニ
ッケル−リン合金を被覆した。その後、電気メッキ用ワ
ット浴中で電流密度10A/dm2でニッケルメッキ重
量が300g/m2になるように電気ニッケルメッキを
施した。
【0020】この後、先のフェノール系接着剤とレーヨ
ン繊維とを熱分解して除去するために大気中で700℃
で5分間の焼成をおこなった。続いて、窒素−水素気流
中において1000℃でパンチングメタルとニッケル繊
維の焼結を行い、本発明による基板aを作製した。な
お、この課程でパンチングメタルの開孔部に形成された
ニッケル薄膜には両表面に連通する微孔が形成されるこ
とがある。得られた基板aの厚みは4mmであった。
【0021】図1はこの基板aの拡大概略図である。図
中1はニッケルメッキした鉄製パンチングメタルであ
り、2はパンチングメタルの開孔部に形成されたニッケ
ル薄膜3はコアであるレーヨン繊維が熱分解して中空と
なって起毛しているニッケル繊維を示している。
【0022】次に得られた基板aを加圧して厚さ1.4
mmに調整した後、所定の位置に5mm四方の金型で厚
さ約0.2mmまで圧縮して活物質が充填されないリー
ド取付部分を形成した。
【0023】続いて市販の水酸化ニッケル90部と水酸
化コバルト10部にペースト中の水分率が30%となる
量の水を加えて混練したペーストを基板aに充填し、9
0℃で30分間乾燥した後、加圧して厚さ0.7mmに
調整した。このようにして得られたニッケル電極を幅3
5mm、長さ110mmに裁断した。このニッケル電極
の容量は約1600mAhである。そして活物質が充填
されていない所定の位置にニッケルリード板をスポット
溶接してニッケル極4とした。
【0024】負極には水素吸蔵合金極を用いた。これは
MmNi3.55Mn0.4Al0.3Co0. 75からなる組成の水
素吸蔵合金を粉砕して50μm以下の粉末を用意し、こ
れを80℃の31%KOH水溶液に1時間入れて、合金
粉末表面の酸化被膜を取り除く活性化処理を行った。こ
の粉末に1.5wt%カルボキシメチルセルロース水溶
液を加えたペーストを発泡状ニッケル板に充填し、90
℃で30分間乾燥した後、加圧して厚さ0.4mmに調
整した。その後5wt%のフッ素樹脂ディスパージョン
でコーティングし、乾燥した後、幅35mm、長さ14
5mmに裁断して水素合金極5とした。
【0025】このニッケル極4と水素吸蔵合金極5との
間にスルホン化処理したポリプロピレン製不織布セパレ
ータ6を介在させて渦巻状に捲回し、4/5Aサイズの
電池ケース7に収納した。その後、比重1.30の水酸
化カリウム水溶液に30g/lの水酸化リチウムを溶解
した電解液を所定量注入し、正極端子を固定した封口板
8でケース開口部を封口して図2に示すような密閉型ニ
ッケル−水素蓄電池を構成した。このようにして本発明
の電池Aを作製した。
【0026】(比較例)厚さ60μm、パンチング孔径
1mm、開孔率42%のニッケルメッキした鉄製パンチ
ングメタルの両面にフェノール系接着剤(固形分20
%)を、パンチングメタルの開孔部に膜が形成しないよ
うにスプレーで塗布した。このときの塗布量は50g/
2であった。続いて、接着剤が乾燥する前に、直径3
0μm、長さ2mmのレーヨン繊維を電極を備えたふる
いから振り落としつつ、ふるい内の電極とパンチングメ
タルとの間に70kVの電圧を印加してレーヨン繊維を
帯電させて静電植毛を行った。このときの繊維量は50
g/m2であった。この後、引き続いて実施例と同様に
ニッケル被覆、熱処理工程を経て比較のための基板bを
作製した。この基板bを用いて実施例と同様にして電池
Bを作製した。
【0027】次に電池A,Bの放電特性を評価した。1
CmAで72分間充電した後、放電電流を0.2Cm
A,1CmA,3CmAとして1.0Vまで放電したと
きのそれぞれの電池の放電容量を(表1)に示す。
【0028】
【表1】
【0029】(表1)の結果に示すように、実施例によ
る電池Aは電池Bに比較して活物質と繊維との接触状態
が改良され、放電容量、放電平均電圧ともに向上した。
【0030】なお、実施例では導電性芯材にパンチング
メタルを使用したが、開孔部のない金属板、金網、エキ
スパンドメタルなどを使用しても同様な効果が得られ
る。樹脂繊維についてもレーヨン繊維以外にアクリル、
ナイロンなどの樹脂繊維を使用してもよい。
【0031】また、実施例では植毛型基板をニッケル極
に使用した場合について述べたが、カドミウム極、水素
吸蔵合金極に使用した場合についても同様な効果が得ら
れる。
【0032】
【発明の効果】本発明によれば、アルカリ蓄電池および
その電極において、基板の集電性が改善されるため、優
れた充放電特性を持ち、かつ高容量な電極が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例における基板の拡大模式図
【図2】同実施例における電池の断面概略図
【符号の説明】
1 ニッケルメッキした鉄製パンチングメタル 2 パンチングメタルの開孔部に形成されたニッケル薄
膜 3 ニッケル繊維 4 ニッケル極 5 水素吸蔵合金極 6 セパレータ 7 電池ケース 8 封口板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡本 克博 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平8−298124(JP,A) 特開 平8−130025(JP,A) 特開 昭61−295304(JP,A) 特開 平6−77511(JP,A) 特開 昭51−136145(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/32 H01M 4/80 H01M 10/24

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】正極と負極とセパレータとアルカリ電解液
    とからなり、正・負極のうちの少なくとも一方の電極
    は、開孔部の全てもしくは一部がニッケル薄膜によって
    覆われているネット等の多孔性素材からなる導電性芯材
    と、この導電性芯材および前記ニッケル薄膜の両表面よ
    り起毛しているニッケル繊維とが一体化した基板に活物
    質を充填したものであるアルカリ蓄電池。
  2. 【請求項2】前記ニッケル薄膜は、前記導電性芯材の両
    面に連通する微孔を有する請求項1記載のアルカリ蓄電
    池。
  3. 【請求項3】正極と負極とセパレータとアルカリ電解液
    とからなり、正・負極のうちの少なくとも一方の電極
    は、開孔部の全てもしくは一部がニッケル薄膜によって
    覆われているネット等の多孔性素材からなる導電性芯材
    と、この導電性芯材および前記ニッケル薄膜の両表面よ
    り起毛しているニッケル繊維とが一体化した基板に活物
    質を充填したものであり、この電極は、 前記導電性芯材の両面にその開孔部の全てもしくは一部
    に接着剤の膜を形成するようにして塗布した後、樹脂繊
    維を植毛する工程と、次いで前記導電性芯材および樹脂
    繊維の表面を所望の厚みのニッケルで被覆する工程と、
    前記樹脂繊維と接着剤を熱分解除去し、前記導電性芯材
    および樹脂繊維の表面を被覆しているニッケルと前記導
    電性芯材とを焼結する工程より得た基板に、活物質を充
    填して得られたものであるアルカリ蓄電池用電極の製造
    法。
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