JP3557043B2 - 電池の電極に活物質スラリーを充填する装置とこの装置を使用した電極の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極の芯体となる多孔質基体に、電池の活物質スラリーを充填して電極を製造する装置と、この装置を使用して多孔質基体に活物質スラリーを充填して電極を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルカリ電池に使用される電極の製造方法として、焼結式に代わって、多孔質基体に活物質粉末を充填して製造する非焼結式の電極の製造方法がある。この製法は、焼結式に比較すると、製造コストを低減して、電池のエネルギー密度を高くできる特長がある。この製造方法は、発泡ニッケル等の多孔質基体に、活物質を含むスラリーを充填し、乾燥した後、加圧して電極を製造する。
【０００３】
この製造方法において大切なことは、多孔質基体に多量の活物質スラリーを充填することにある。多量の活物質スラリーが充填された電極を使用する電池は、エネルギー密度が高くなるからである。多孔質基体に活物質スラリーを充填する改良された方法が、下記の公報に記載される。
(1) 特開昭６１−２０３５６０号公報
(2) 特公昭６２−１０５３６３号公報
(3) 特開平１−１０５４６７号公報
【０００４】
(1)の公報には、図１に示す装置を使用して、多孔質基体１に活物質スラリー２を充填する方法が記載される。この方法は、スラリー槽３に充填ローラー４を浸漬している。充填ローラー４は、移送される帯状の多孔質基体１に接近して配設され、多孔質基体１の移送方向と逆に回転されている。さらに、充填ローラー４の表面には、複数の縦溝を設けている。この方法は、回転する充填ローラー４で活物質スラリー２を多孔質基体１に向かって流動させる。流動する活物質スラリー２は、多孔質基体１の微細空隙に加圧して充填される。
【０００５】
(2)の公報には、活物質スラリーの粘度を１０００〜４０００ｃｐに制限して、図１に示す装置を使用して、活物質スラリーを多孔質基体に充填することが記載される。特定の粘度に調整された活物質スラリーは、充填ローラーで強制的に流動されて、多孔質基体の微細空隙に充填される。
【０００６】
さらに、(3)の公報には、図２に示す装置を使用して、多孔質基体１に活物質スラリー２を充填することが記載される。この公報に記載される装置は、充填ローラー４の下部を活物質スラリー２に浸漬し、上部を活物質スラリー２の外部に配設し、活物質スラリー２の外部で、充填ローラー４の縦溝から活物質スラリー２を多孔質基体１に充填する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
これ等の公報に記載される方法は、充填ローラーを回転させることによって、表面の縦溝に活物質スラリーを流入させ、縦溝から多孔質基体に向かって活物質スラリーを供給して、多孔質基体の微細空隙に充填することができる。このため、これ等の公報に記載される方法は、空気で活物質スラリーを加速して多孔質基体に圧入する方法に比較して、高密度に活物質を充填できる特長がある。
【０００８】
ただ、これ等の公報に記載される方法と装置は、活物質スラリーの粘度が高くなると、充填量が少なくなる。高粘度の活物質スラリーは、流動性が悪くなって、充填ローラーの縦溝で効率よく多孔質基体の微細空隙に充填できなくなるからである。このため、活物質スラリーの粘度を高くして、多量に充填することができなくなる。活物質スラリーの充填量を多くするには、活物質スラリーの粘度を低くする必要がある。このことは、多孔質基体に多量の活物質スラリーを充填して、しかも、乾燥時間を短くすることを阻害する。低粘度の活物質スラリーは多量の水分を含んでいるために、乾燥に時間がかかるからである。
【０００９】
理想的な方法と装置は、水分量の少ない高粘度の活物質スラリーを、効率よく多量に多孔質基体の微細空隙に充填し、さらに、乾燥時間を短縮して、能率よく高品質な電極を多量生産できることである。本発明は、このことを実現することを目的に開発されたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載される電池の電極に活物質スラリーを充填する装置は、活物質スラリー２を充填するスラリー槽３と、このスラリー槽３に多孔質基体１を連続して移送する移送ローラー５と、スラリー槽３に充填されている活物質スラリー２に全体あるいは一部が浸漬されると共に、多孔質基体１の表面に接触して回転される充填ローラー４とを備える。
【００１１】
充填ローラー４は、軸方向に延長して表面に複数の縦溝８を有する。充填ローラー４が回転されると、縦溝８に活物質スラリー２が流入される。縦溝８の活物質スラリー２は、充填ローラー４と多孔質基体１との接触部分で縦溝８から多孔質基体１の微細空隙に充填される。
【００１２】
さらに、本発明の装置は、充填ローラー４の縦溝８が、回転方向における前面８Ａを充填ローラー４の中心から外周に向かって回転方向に傾斜する独特の構成をしている。
【００１３】
さらにまた、本発明の請求項３に記載する電池の電極の製造方法は、連続する微細空隙を有する多孔質基体１を連続して移送し、移送される多孔質基体１の表面に接触して、一部あるいは全体を活物質スラリー２に浸漬した充填ローラー４を回転させ、回転する充填ローラー４の表面に設けた複数の縦溝８に活物質スラリー２を流入させて、多孔質基体１と充填ローラー４の接触部分で、充填ローラー４の縦溝８から多孔質基体１の微細空隙に活物質スラリー２を供給し、活物質スラリー２の供給された電極を乾燥して電極を製造する。
【００１４】
さらに、本発明の製造方法は、多孔質基体１の微細空隙に活物質スラリー２を供給する充填ローラー４に、下記の独特の構造のものを使用する。
（ａ） 充填ローラー４は、軸方向に延長する複数本の縦溝８を有する。
（ｂ） 縦溝８の回転方向における前面８Ａを、充填ローラー４の中心から外周に向かって半径方向から回転方向に傾斜させている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置と方法を例示するものであって、本発明は装置と方法を下記のものに特定しない。
【００１６】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解し易いように、実施の形態に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。
【００１７】
本発明の実施の形態において、活物質スラリーは、全体的な構造は図２に示す従来の装置と同じものを使用して、多孔質基体１に充填できる。ただし、充填ローラー４には独特の縦溝を設けたものを使用する。図２に示す装置は、充填ローラー４の下部を活物質スラリー２に浸漬しているが、充填ローラー４は、図１に示すように、全体を活物質スラリー２に浸漬して、活物質スラリー２を多孔質基体１に充填することもできる。
【００１８】
以下、充填ローラーの一部を活物質スラリーに浸漬する図２の装置を使用する実施の形態を具体的に詳述する。この図の装置は、活物質スラリー２を充填しているスラリー槽３と、このスラリー槽３に多孔質基体１を連続して移送する移送ローラー５と、移送ローラー５で連続的に搬送される多孔質基体１の微細空隙に活物質スラリー２を充填する充填ローラー４と、多孔質基体１の表面に付着する余分の活物質スラリー２を除去するスクレーパー６とを備えている。
【００１９】
スラリー槽３は、活物質スラリー２の液面下に、移送ローラー５である反転ローラー５Ｂを水平に回転できるように配設している。スラリー槽３の液面には、充填ローラー４を水平に配設している。充填ローラー４は、下部を活物質スラリー２に浸漬して、上部を活物質スラリー２の外部に表出させて配設している。
【００２０】
移送ローラー５は、ガイドローラー５Ａと、反転ローラー５Ｂと、駆動ローラー５Ｃとを備える。ガイドローラー５Ａは、多孔質基体１の供給側に水平に配設されて、液面よりも上方で、多孔質基体１を充填ローラー４の側部に接触させる。駆動ローラー５Ｃは、活物質スラリー２の充填された多孔質基体１を２本のローラーで挟着して、一定の速度で移送する。したがって、駆動ローラー５Ｃは、いずれか、あるいは両方が、モーター（図示せず）等に連結されて、一定の速度で回転される。
【００２１】
スクレーパー６は、活物質スラリー２から排出される多孔質基体１の表面に接触して、その表面に付着する余剰の活物質スラリー２を掻きとって除去する。スクレーパー６は板状で、その先端を軽く多孔質基体１の表面に押圧している。
【００２２】
充填ローラー４は、回転して活物質スラリー２を多孔質基体１に充填する。充填ローラー４は、モーター（図示せず）に連結されて、矢印の方向に回転される。充填ローラー４の回転速度は、多孔質基体１の移送速度よりも速く、たとえば、多孔質基体１の移送速度の２〜６倍、好ましくは約４倍に設定される。充填ローラー４の回転速度が遅いと、活物質スラリー２を効率よく流動できなくなって、充填効率は低下する。反対に、充填ローラー４の回転速度が速すぎても、充填効率は低下する。高速回転する充填ローラー４も、活物質スラリー２を効率よく流動できなくなるからである。
【００２３】
図２に示す充填ローラー４は、上端よりも多少右側に下がった位置で、多孔質基体１を接触させている。この位置で充填ローラー４と多孔質基体１とを接触させると、多孔質基体１と充填ローラー４との間に、多少下向きで、次第に隙間の狭くなる貯溜部７ができる。貯溜部７には、充填ローラー４の表面に付着して運ばれるてくる活物質スラリー２が蓄えられる状態となる。貯溜部７に蓄えられる活物質スラリー２は、充填ローラー４で強制的に多孔質基体１の微細空隙に充填される。このため、この位置に配設される充填ローラー４は、活物質スラリー２を効率よく多孔質基体１の微細空隙に充填できる特長がある。
【００２４】
ただ、本発明は充填ローラーの回転方向を図２に示す方向に特定しない。充填ローラーは、図２の方向とは逆向きに回転させることもできる。この方向に回転される充填ローラーは、表面に膜状に活物質スラリーを付着して移送する。充填ローラーの表面に付着して移送される活物質スラリーは、多孔質基体との接触部分で、多孔質基体の微細空隙に強制的に充填される。
【００２５】
充填ローラー４は、効率よく活物質スラリー２を移送するために、表面に、軸方向に延長して、複数の縦溝８を設けている。参考に、従来の充填ローラー４の縦溝８を図３に示し、本発明の充填ローラー４の縦溝８を図４に示す。従来の充填ローラー４は、縦溝８の対向面、すなわち、回転方向の前面８Ａと背面８Ｂをほぼ平行としている。本発明の装置と方法に使用する充填ローラー４は、図４に示すように、回転方向における前面８Ａを、充填ローラー４の中心から外周に向かって、半径方向から回転方向に傾斜させている。前面８Ａの対向面である背面８Ｂは、半径方向を向いている。
【００２６】
さらに、図５に示す充填ローラー４は、縦溝８の横断面をＶ字状として、前面８Ａを回転方向に傾斜させて、その対向面である背面８Ｂを半径方向に向けている。さらに、図６に示す充填ローラー４は、縦溝８の前面８Ａと背面８Ｂの両方を、回転方向に傾斜させている。
【００２７】
図４と図５において、縦溝８の前面８Ａが半径方向となす角度、すなわち、前面８Ａの傾斜角αは、０以上で９０度よりも小さく設計できるが、好ましくは、傾斜角αは、１０〜８０度、より好ましくは２０〜７０度、最適には約６０度に設計される。
【００２８】
さらに、充填ローラー４の縦溝８は、図７に示すように、充填ローラー４の表面に近付くにしたがって傾斜角αを大きくすることもできる。この形状の充填ローラー４は、よりスムーズに活物質スラリーを縦溝８に流入して、多孔質基体の微細空隙に充填できる特長がある。
【００２９】
【実施例】
（実施例１）
［活物質スラリーを調整する工程］
下記の(1)〜(3)を混合した粉末に、(4)を添加混合して活物質スラリーを作製し、この活物質スラリーは、(4)のヒドロキシプロピルセルロース０．２ｗｔ％水溶液濃度を調整して、活物質スラリーの含水率と粘度を表１に示す値に調整する。
(1) 共沈成分として亜鉛を２．５ｗｔ％、コバルトを１ｗｔ％含有する水酸化ニ ッケル粉末（レーザー方式で測定した平均粒径が約１５μｍ）を９０重量部
(2) 水酸化コバルトを１０重量部
(3) 酸化亜鉛粉末を３重量部
(4) ヒドロキシプロピルセルロースの０．２ｗｔ％水溶液
【００３０】
【表１】

【００３１】
［活物質スラリーを集電体に充填するする工程］
得られた活物質スラリーを、幅を約５００ｍｍとする帯状の発泡ニッケル基体の多孔質基体の微細空隙に充填する。発泡ニッケル基体は、多孔度を９５％、厚みを約１．６ｍｍ、面密度を６００ｇ／ｍ^２とする。
【００３２】
活物質スラリーは、図２の装置で多孔質基体１に充填する。この装置の充填ローラー４の縦溝８は、図４に示す形状をしている。さらに、充填ローラー４は、直径を１６０ｍｍ、縦溝８の深さを５ｍｍ、材質をＳＵＳ３０４とするステンレス製である。図４において、縦溝８の傾斜角αは３０度、縦溝８のピッチを示すピッチ角ａは８度、縦溝底部の幅を示す幅角ｂは３度である。充填ローラー４の回転速度は、多孔質基体１の移送速度の４倍とする。
【００３３】
以上のようにして、活物質スラリー２を充填した多孔質基体１は、乾燥した後、２本の圧延ロールの間を通過させて圧延し、所定の形状に切断して電極とする。
【００３４】
（実施例２）
充填ローラー４に設けた縦溝８の傾斜角αを３０度から６０度に変更する以外、実施例１と同様にして多孔質基体１に活物質スラリー２を充填する。
【００３５】
（実施例３）
充填ローラー４を、図５の断面図に示すＶ溝状の縦溝８を有するものに変更する以外、実施例１と同様にして、多孔質基体１に活物質スラリー２を充填する。ただし、縦溝８の傾斜角αは３０度とする。
【００３６】
（実施例４）
充填ローラー４を、図５の断面図に示すＶ溝状の縦溝８を有するものに変更する以外、実施例１と同様にして、多孔質基体１に活物質スラリー２を充填する。ただし、縦溝８の傾斜角αは６０度とする。
【００３７】
（比較例）
充填ローラー４を、図３の断面図に示す溝状の縦溝８を有するものに変更する以外、実施例１と同様にして、多孔質基体１に活物質スラリー２を充填する。
【００３８】
以上の実施例で製作した電極が、どの程度に活物質を充填しているかを下記の方法で測定した。
(1) 電極を１００ｍｍ×１００ｍｍの大きさに切断する。
(2) 電極全体の重量を測定する。
(3) 水中でホモジナイザーを用いて活物質を多孔質基体から脱落させる。
(4) 活物質の脱落した多孔質基体の重量を測定する。
(5) 電極全体の重量と、活物質の脱落した多孔質基体の重量との差で、充填さ れた活物質重量を計算する。ただし、糊量は少ないので無視する。
【００３９】
以上の方法で、多孔質基体に充填された活物質量を測定すると、図８〜図１１に示すようになった。図８は実施例１、図９は実施例２、図１０は実施例３、図１１は実施例４で試作した電極の活物質充填量を示している。これ等の図は、活物質スラリーの含水率に対する、活物質の充填量を示している。これ等の図において、鎖線は、比較例の方法で試作した電極の活物質充填量を示している。図８〜図１１に示すように、本発明の方法と装置で試作された電極は、含水率の低い活物質スラリー、いいかえると、水分量の少ない活物質スラリーを使用して、活物質の充填量を多くできることが明示される。
【００４０】
以上の実施例は、アルカリ電池に使用する電極の製造方法について詳述した。ただし、本発明の活物質スラリーを充填する装置と電極の製造方法は、活物質スラリーを前述のものに特定しない。活物質スラリーには、水分や溶媒量が少なくなると粘度が高くなる全てのペースト状のものが使用できる。さらに、多孔質基体にも、活物質スラリーを充填できる無数の微細な空隙のある全てのもの、たとえば、金属繊維を立体的に方向性なく集合してシート状として、金属繊維の間に微細空隙を設けたニッケルマット等も使用できる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の電極に活物質スラリーを充填する装置と、この装置を使用した電極の製造方法は、水分量の少ない高粘度の活物質スラリーを、効率よく多量に多孔質基体の微細空隙に充填できる特長がある。それは、本発明が、独特の形状をしている縦溝の充填ローラーを使用して、活物質スラリーを多孔質基体に充填するからである。本発明の装置と方法に使用される充填ローラーは、回転方向における縦溝の前面を、充填ローラーの中心から外周に向かって、半径方向から回転方向に傾斜している。この形状の縦溝は、充填ローラーが活物質スラリーの中で回転されるときに、活物質スラリーを速やかに効率よく流入できる。とくに、縦溝全体に隙間なく充分な量の活物質スラリーが流入される。縦溝に流入された充分な量の活物質スラリーは、多孔質基体に接触する部分で接線方向に加速して強制的に流動されて、多孔質基体の微細空隙に効率よく充填される。
【００４２】
含水率の低い活物質スラリーを能率よく充填できることは、活物質スラリーの水分量を少なくして、充填後の乾燥時間を短縮できる。このことは、能率よく多量生産して、しかも、高品質な電極を多量生産できる特長を実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の多孔質基体に活物質スラリーを充填する装置を示す断面図
【図２】従来および本発明の多孔質基体に活物質スラリーを充填する装置を示す断面図
【図３】従来の充填ローラーの縦溝を示す断面図
【図４】本発明の実施の形態にかかる充填ローラーの縦溝の一例を示す断面図
【図５】本発明の実施の形態にかかる充填ローラーの縦溝の他の一例を示す断面図
【図６】本発明の実施の形態にかかる充填ローラーの縦溝の他の一例を示す断面図
【図７】本発明の実施の形態にかかる充填ローラーの縦溝の他の一例を示す断面図
【図８】本発明の実施例１における活物質スラリーの含水率に対する活物質の充填量を示すグラフ
【図９】本発明の実施例２における活物質スラリーの含水率に対する活物質の充填量を示すグラフ
【図１０】本発明の実施例３における活物質スラリーの含水率に対する活物質の充填量を示すグラフ
【図１１】本発明の実施例４における活物質スラリーの含水率に対する活物質の充填量を示すグラフ
【符号の説明】
１…多孔質基体
２…活物質スラリー
３…スラリー槽
４…充填ローラー
５…移送ローラー ５Ａ…ガイドローラー ５Ｂ…反転ローラー
５Ｃ…駆動ローラー
６…スクレーパー
７…貯溜部
８…縦溝 ８Ａ…前面 ８Ｂ…背面

Claims (4)

1. 活物質スラリー(2)が充填されてなるスラリー槽(3)と、このスラリー槽(3)に多孔質基体(1)を連続して移送する移送ローラー(5)と、スラリー槽(3)に充填されている活物質スラリー(2)に全体あるいは一部が浸漬されると共に、多孔質基体(1)の表面に接触して回転される充填ローラー(4)とを備え、
   この充填ローラー(4)は、軸方向に延長して表面に複数の縦溝(8)を有し、充填ローラー(4)が回転されて縦溝(8)に活物質スラリー(2)が流入され、縦溝(8)の活物質スラリー(2)が、充填ローラー(4)と多孔質基体(1)との接触部分で縦溝(8)から多孔質基体(1)の微細空隙に供給されるように構成されてなる電池の電極に活物質スラリーを充填する装置において、
   充填ローラー (4) の回転速度を多孔質基体 (1) の移送速度よりも速く、あるいは充填ローラー (4) を多孔質基体 (1) の移送方向と逆向きに回転させることに加えて、充填ローラー(4)の縦溝(8)が、回転方向における前面(8A)を充填ローラー(4)の中心から外周に向かって、半径方向から回転方向に傾斜してなることを特徴とする電池の電極に活物質スラリーを充填する装置。
2. 縦溝 (8) の前面 (8A) が半径方向となす角度である前面 (8A) の傾斜角 ( α ) は、１０〜８０度である請求項１に記載される電池の電極に活物質スラリーを充填する装置。
3. 連続する微細空隙を有する多孔質基体(1)を連続して移送し、移送される多孔質基体(1)の表面に接触して、一部あるいは全体を活物質スラリー(2)に浸漬した充填ローラー(4)を回転させ、回転する充填ローラー(4)の表面に設けた複数の縦溝(8)に活物質スラリー(2)を流入させ、多孔質基体(1)と充填ローラー(4)の接触部分で、充填ローラー(4)の縦溝(8)から多孔質基体(1)の微細空隙に活物質スラリー(2)を供給し、活物質スラリー(2)の供給された電極を乾燥する電極の製造方法において、
   充填ローラー (4) の回転速度を多孔質基体 (1) の移送速度よりも速く、あるいは充填ローラー (4) を多孔質基体 (1) の移送方向と逆向きに回転させることに加えて、多孔質基体(1)の微細空隙に活物質スラリー(2)を供給する充填ローラー(4)に下記の構造のものを使用することを特徴とする電池の電極の製造方法。
   （ａ） 充填ローラー(4)は、軸方向に延長する複数本の縦溝(8)を有する。
   （ｂ） 縦溝(8)の回転方向における前面(8A)を、充填ローラー(4)の中心から外周に向かって半径方向から回転方向に傾斜させている。
4. 縦溝 (8) の前面 (8A) が半径方向となす角度である前面 (8A) の傾斜角 ( α ) は、１０〜８０度である請求項３に記載される電池の電極に活物質スラリーを充填する電極の製造方法。

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