JP3652597B2

JP3652597B2 - 乾式軟化処理装置

Info

Publication number: JP3652597B2
Application number: JP2000341992A
Authority: JP
Inventors: 伸幸川口; 仁三栗谷; 雅也杉崎; 孝博福岡
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2020-11-09
Also published as: JP2002151062A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はニッケル水素二次電池等の電池用電極板を乾式軟化処理する乾式軟化処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子部品の高集積化や実装技術の進歩により電子機器のポータブル化、コードレス化が進んでいる。これに伴い、電子機器を駆動するための電池に対する高容量化の要求が高まってきている。中でも、充電が可能なニッケル水素二次電池といった二次電池は、携帯電話、ノートパソコン、ビデオカメラ等を始めとして、近年ではハイブリッド電気自動車などにも用いられ、ますますその市場を広げつつある。
【０００３】
円筒型のニッケル水素二次電池のケース内には、渦巻状に捲回された電極群が挿入されている。この電極群は、一般に、ニッケルを含む活物質が芯板に塗着し乾燥されてなる正極板と、水素吸蔵合金を含む活物質が芯板に塗着し乾燥されてなる負極板と、セパレータとの３者を重ね合わせて円形渦巻状に捲回して形成される。
【０００４】
上記正極板や負極板、すなわち電極板は乾燥処理によって水分が除去されるので、その活物質の層は硬く脆くなっており、柔軟性に欠けている。このため渦巻状に捲回するとき、電極板の活物質層の外周側が３〜５ｍｍの間隔を置いて間欠的に折損し、半径方向に走る大きなクラックが発生し、その結果真円度が低下して渦巻状の電極群のケース内への収納が困難になるという問題が生じ、また内部抵抗が増大したり、極端な場合、クラックの先端がセパレータを突き破って反対極の電極板と接触しショートするという問題がある。
【０００５】
このような問題を解決するため、特開平５−４１２０９号公報に掲載されるように、電極板の活物質層に、むしろ積極的に微細なクラック（マイクロクラック）を狭い間隔で発生させて電極板を軟化し、電極群の捲回動作を円滑に行わせることにより前記真円度の向上を図り、かつ大きなクラックの発生を防止して内部抵抗を低下させると共にショート等の発生を防ぐ技術が提案されている。
【０００６】
この公報には、図４に示すように、芯板に活物質を塗着し乾燥してなる長尺状の電極板４０を２枚のエンドレスベルト４１で挟持し、これを波状となるように上下交互にずらして配列させた複数のローラ４２間を通過させて、前記電極板４０を前記複数のローラ４２間で折り曲げることによりマイクロクラック４３を形成する乾式軟化処理装置（第１従来例）が記載されている。
【０００７】
またこの公報には、図５に示すように、ゴムローラ５０と、ゴムローラ５０に比較し極めて小径の金属ローラ５１とを上下方向に配置し、両ローラ５０、５０の間に電極板５２を通過させ、前記金属ローラ５１を前記電極板５２に向けて押圧してゴムローラ５０の表面を凹状に変形させることによりマイクロクラック５３を形成する乾式軟化処理装置（第２従来例）が記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第１従来例においては、単に電極板に曲率半径の大きな波状の変形が与えられるだけであるので、マイクロクラックの発生量が不十分であって、電極板を十分に軟化できないという問題点があった。従って、上述した真円度の問題や、捲回時の大きなクラックの発生という問題の解決には不十分であった。
【０００９】
また、第２従来例においては、ゴムローラの凹状変形部に食い込む電極板の変形部の曲率半径が極端に小さくなるので、活物質層に大きな力が作用し、クラックが深く入って、クラックにより活物質層が剥離しやすいという問題や、内部抵抗を減少させるのには不十分であるという問題があった。さらに局部的な歪による電極板の反りが生じてしまうという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑み、電極板の軟化に必要十分なマイクロクラックを発生させると共に、反りのない捲回動作に優れた電極板を作製できる乾式軟化処理装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、芯板に活物質を塗着・乾燥してなる電極板をローラ群によって搬送する間に前記活物質の層にマイクロクラックを発生させる乾式軟化処理装置において、金属ローラと、金属軸芯にゴムを被覆したゴムローラとを上下方向に圧接状態で配置してなるローラ対を、複数組水平方向に所定間隔をおいて配置して構成されるローラ群と、長尺状態で供給された電極板を上下から挟んで複数組のローラ対の上下ローラ間を通過する上下一対のエンドレスベルトと、各ローラ対の少なくとも一方のローラを回転駆動する駆動手段とを備え、前記金属ローラと前記ゴムローラとがほぼ同径で、複数組のローラ対の上側のローラが隣り合うもの同士で一方が金属ローラ、他方がゴムローラとなっており、かつ、前記ローラ群の搬送方向下流側に金属軸芯にゴムを被覆した一対のゴムローラを上下方向に圧接状態で配置してなるゴムローラ対を備え、このゴムローラ対の間に前記上下１対のエンドレスベルトを通過させるように構成したことを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、ローラ対の金属ローラとゴムローラをほぼ同径に形成することで、ゴムローラ表面のくい込み凹部の曲率半径を第２従来例に比較して大きくできるため、局所的に過度に大きな力が活物質層に加わることが回避できる。またローラ対の金属ローラとゴムローラの上下関係が、隣り合うローラ対ごとに交互に変わっているため、活物質層に形成されるマイクロクラックを電極板の表面において、ほどんど差がないように均等に形成することができる。本発明は上記のように構成されているため、マイクロクラックを深く入り過ぎることなく狭い間隔で均等に形成することができ、活物質層の剥離や内部抵抗の減少等の防止をすることができる。また電極板の反りの発生を防止することもできる。他方、第１従来例と比較して、ゴムローラ表面の適切なくい込み凹部でマイクロクラックを形成するため、その発生量は十分で軟化や真円度等の問題を解決することができる。また本発明によれば、ローラ群の搬送方向下流側にゴムローラ対を備えることで、電極板の歪除去を行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
本実施形態では、ニッケル水素二次電池の正極板を軟化処理する乾式軟化処理装置に係るものである。
【００１５】
前記正極板は、芯板に活物質を塗着・乾燥して得られるものであって、前記芯板としては、厚さ２．０ｍｍ、多孔度９８％、平均孔径２００μｍの帯状のスポンジ状ニッケル金属多孔体を用意した。また前記活物質としては、水酸化ニッケル、水酸化コバルト、バインダー樹脂、水を重量比で１００：１０：０．５：３０の割合で混合、攪拌してペースト状活物質を用意した。
【００１６】
前記正極板の製造工程としては、図１に示すように、芯板１１の厚みを調節する加圧工程（工程▲１▼）と、芯板１１に活物質を塗着する塗着工程（工程▲２▼）と、活物質を乾燥させる乾燥工程（工程▲３▼）と、活物質を塗着した芯板１１を圧延させる圧延工程（工程▲４▼）とを経て正極板１０を作製し、続いて、図２に示す乾式軟化処理装置１にて正極板１０に軟化処理を施すことによって、捲回動作に優れた正極板１０を得ることができる。
【００１７】
前記工程▲１▼では、厚さ２．０ｍｍの芯板１１を二つの鉄製調圧ロール２０の間を通して厚さ１．８ｍｍの厚みに調整する。
【００１８】
前記工程▲２▼では、芯板１１を走行させながら、芯板１１の一方面にノズル２１を用いて活物質を塗着する。このときノズル２１と芯板１１との接近距離を０．１ｍｍに保つようにし、ノズル２１からは一定量の活物質を吐出するようにした。なお、活物質の芯板１１への塗着に当たって、その塗着面とは反対側である他方面に、活物質が貫通しないようにするため、芯板１１の走行速度を７ｍ／分と設定している。
【００１９】
前記工程▲３▼では、芯板１１に塗着された活物質を乾燥手段２２により乾燥させる。
【００２０】
前記工程▲４▼では、活物質を塗着・乾燥した芯板１１に、圧延ローラ２３によってローラプレスを行い、その最終的な厚みを０．６ｍｍに圧延する。
【００２１】
上記工程▲１▼〜工程▲４▼を経ることで、長尺状態の正極板１０を作製することができる。
【００２２】
次に、作製した正極板１０が円滑な捲回動作を行えるようにするため、その表面にマイクロクラックを発生させる乾式軟化処理を施す。
【００２３】
この軟化処理を施すための乾式軟化処理装置１は、図２に示すように、上下一対のエンドレスベルト２、２と、４組のローラ対５（５ａ〜５ｄ）からなるローラ群５５と、ゴムローラ対６とから構成されている。
【００２４】
前記上下一対のエンドレスベルト２、２は、長尺状態で供給された正極板１０を上下から挟み各ローラ間に導くものである。各エンドレスベルト２、２は厚さ１．６ｍｍで幅２８０ｍｍに形成されている。なお、正極板１０の搬送方向は、図面に向かって左手から右手方向（図に示す矢印方向）である。また、図に示す８はエンドレスベルト２、２に張力を与えてガイドするガイドローラである。
【００２５】
前記ローラ対５は、直径５０ｍｍの金属製円柱体から形成された金属ローラ３と、直径３０ｍｍの金属軸芯４ａ（図３参照）にビッカース硬度が５０°のウレタンゴム４ｂを厚さ１０ｍｍで被覆して、直径５０ｍｍに形成されたゴムローラ４とを組み合わせて構成されており、前記金属ローラ３と前記ゴムローラ４とは上下方向に圧接状態で配置されている。なお、ローラ群５５の４組のローラ対５をそれぞれ、図に示すように、前記搬送方向上流側から下流側に向かって第１ローラ対５ａ、第２ローラ対５ｂ、第３ローラ対５ｃ、第４ローラ対５ｄとする。
【００２６】
このようにローラ対５は、金属ローラ３とゴムローラ４との間に正極板１０を圧接させて、これをゴムローラ４に食い込ませながら金属ローラ３の曲周面形状に沿って曲げ変形を与えるため、正極板１０の表面には搬送方向と直交する方向にマイクロクラック３０（図３参照）を連続的に狭い間隔で形成することができる。
【００２７】
このように金属ローラ３とゴムローラ４とは同径に形成されているが、金属ローラ３の径がゴムローラ４の径の８０％〜１２０％となるように形成してもよく、９０％〜１１０％に形成するとより好ましい。これは金属ローラ３の径がゴムローラ４の径の９０％を著しく下回った径に形成された場合、金属ローラ３の食い込みにより、過度にゴムローラ４の曲周面を変形させ、極度な凹状変形部を形成することとなるので、正極板１０の活物質層に大きな力が作用し、マイクロクラック３０が深く入って、活物質層の剥離が生じる等の問題が生じるからであり、他方、１１０％を著しく越えた径の場合、金属ローラ３の食い込みによるゴムローラ４の曲周面の変形が少なくなり、微細なマイクロクラック３０を得ることができないからである。
【００２８】
また金属ローラ３とゴムローラ４の上下配置関係は、図２に示すように、第１ローラ対５ａにおいては、上側に金属ローラ３、下側にゴムローラ４が配置され、第２ローラ対５ｂにおいては、上側にゴムローラ４、下側に金属ローラ３が配置され、続く第３ローラ対５ｃは第１ローラ対５ａと同様、第４ローラ対５ｄは第２ローラ対５ｂと同様に配置されるように、金属ローラ３とゴムローラ４の上下関係が隣り合うローラ対５ごとに交互に入れ替わっている。このような配置により電極板１０の表裏両面に均等にマイクロクラック３０を形成することができる。
【００２９】
さらに、各ローラ対５の配置関係は、図に示すように、４組のローラ対５の各圧接点７の高さ位置が正極板１０の搬送方向に向かって上下交互になるように配置されている。なお、隣り合う圧接点７を結ぶ線の水平に対する傾斜角θは、１４°に設定されている。また各ローラ対５の間隔ｈ１、ｈ２、ｈ３は、同一間隔で、それぞれ２６０ｍｍに配置されている。このように各ローラ対５を上下交互配置することで、正極板１０が各ローラ対５の圧接点７を通過する際に、折り返し曲げ加工を受けることができ、より微細なマイクロクラック３０を確実に形成することができる。
【００３０】
なお、隣り合う圧接点７を結ぶ線の水平に対する傾斜角θにおいては、５°〜２５°であることが好ましい。これは傾斜角が５°未満であると正極板１０に対する折り返し曲げ加工による効果が不十分なため、マイクロクラック３０を確実に形成することが不十分となり、また傾斜角が２５°を超えると電極板に負荷がかかりすぎて、クラックが深く入り過ぎることにより、活物質層の剥離等が発生するからである。
【００３１】
この乾式軟化処理装置１は、正極板１０を搬送するために、ローラ群５５の各ゴムローラ４を回転駆動させる駆動手段が備えられている。この駆動手段は、前記各ゴムローラ４をそれぞれ独立に回転できるように構成されており、各ゴムローラ４ごとに速度調整できるものである。第１ローラ対５ａにおける回転速度は２０．０ｍ／ｍｉｎとなるように設定されており、第２ローラ対５ｂでは２０．４ｍ／ｍｉｎ、第３ローラ対５ｃは２０．８ｍ／ｍｉｎ、第４ローラ対５ｄは２１．２ｍ／ｍｉｎとなるように、各ローラ４の回転速度を正極板１０の搬送方向に漸次速く（それぞれ０．０２％増速）なるように設定されている。このように回転速度を各ローラ対５ごとに変えることで電極板１０に適正なテンションを与えることができる。なお、第１ローラ対５ａの回転速度と、第４ローラ対５ｄの回転速度が０．０１％〜０．１０％増速する範囲であれば好適である。
【００３２】
また乾式軟化処理装置１は、正極板１０を各ローラ対５で圧接して、その表面にマイクロクラック３０を形成するために、ローラ群５５の各金属ローラ３が対向するゴムローラ４に向かって加圧する加圧手段が備えられている。この加圧手段は、前記した各金属ローラ３をそれぞれ単独に加圧できるように構成されており、各金属ローラ３ごとに加圧調整できるものである。第１ローラ対５ａにおける圧接力は６ｋｇｆ／ｃｍ²となるように設定されており、第２ローラ対５ｂでは６ｋｇｆ／ｃｍ²、第３ローラ対５ｃは１０ｋｇｆ／ｃｍ²、第４ローラ対５ｄは１０ｋｇｆ／ｃｍ²となるように、各ローラを加圧調整されている。
【００３３】
前記ゴムローラ対６は、正極板１０の歪除去作用を施すものであって、前記ローラ群５５の正極板１０の搬送方向下流側に配置され、一対のゴムローラ１４、１５を上下方向に圧接状態に組合わせて構成されている。このゴムローラ１４、１５は上述したゴムローラ４と同様に金属軸芯４ａにウレタンゴム４ｂを被覆して形成されている。
【００３４】
またゴムローラ対６は、前記ローラ群５５の各ローラ対５の配置関係と同様に、前記第４ローラ対５ｄの圧接点７とこのゴムローラ対６の圧接点７を結ぶ線の水平に対する傾斜角θは１４°に設定されると共に、第４ローラ対５ｄとの間隔ｈ４は２６０ｍｍとなるように配置されている。
【００３５】
さらにゴムローラ対６は、一方の上側ゴムローラ１４に前記加圧手段が設けられ、前記第３、４ローラ対５ｃ、５ｄと同様の１０ｋｇｆ／ｃｍ²に加圧調整されている。他方、下側ゴムローラ１５には前記駆動手段が備えられ、その回転速度は前記第４ローラ対５ｄより０．０２％増速した２１．６ｍ／ｍｉｎとなるように設定されている。
【００３６】
上述したような乾式軟化処理装置１において、長尺状態の正極板１０をエンドレスベルト２、２に挟持させ、第１ローラ対５ａからゴムローラ対６まで、搬送することにより、正極板１０の表面にマイクロクラック３０を有した、捲回動作に優れた正極板１０を得ることができる。
【００３７】
このようにして得られた正極板１０を柔軟性及びクラック発生数、クラック幅、クラック深さ、歪・ソリ量を測定した。なお、柔軟性は作製された正極板を１１０ｍｍ×６０ｍｍに裁断した後、これを１００ｍｍの間隔をあけて配置した２つの支持治具上（図示せず）に載置し、正極板１０の中央にロードセルで２００ｇｆの加重を加え、このときの曲げ深度を測定することにより求めた。また、歪・ソリ量は前記裁断した正極板１０をフラットの面に置き、一方の端面部を押さえ、他方の端面部がフラット面から上昇した量を測定することにより求めた。
【００３８】
この結果、柔軟性は９．８ｍｍ／２００ｇｆ、クラック発生数は１００本／２０ｍｍ、クラック幅は０．１６ｍｍ、クラック深さは０．２０ｍｍ、歪・ソリ量は０．１ｍｍであった。
【００３９】
次に上記正極板１０を用いたニッケル水素二次電池の作製について説明する。
【００４０】
負極板としては、市販のＭｍ（ミッシュメタル）Ｌａ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌから構成される試料を秤量し、混合後アーク溶解法により加熱溶解し、合金組成としてＭｍ_3.55Ｃｏ_0.75Ｍｎ_0.4Ａｌ_0.8の組成からなる水素吸蔵合金を作製した。前記水素吸蔵合金を機械粉砕し、合金粉末１００重量部に対してカルボキシメチルセルロースのナトリウム塩（以下ＣＭＣと称す）を０．１５重量部、カーボンブラックを０．３重量部、スチレンーブタジエン共重合体（以下ＳＢＲと称す）を０．８重量部、分散媒として水を添加した後、混練して活性質を作製した。この活性質を芯材に塗着・乾燥をし、加圧プレスを行うことで、負極板素材を製作できる。この負極板素材を上述した乾式軟化処理装置１にて、軟化処理を施した後、これを裁断することによって負極板を得ることができる。
【００４１】
次いで、軟化処理を施された正極板１０と負極板とを、ポリプロピレン樹脂繊維の不織布からなるセパレータを介して重ね合わせた後、渦巻状に捲回することにより電極群をそれぞれ作製した。これら電極群と７ＮのＫＯＨおよび１ＮのＬｉＯＨからなる電解液を有底円筒状容器に収納することによりＡサイズの円筒形ニッケル水素二次電池を組み立てた。
【００４２】
このニッケル水素二次電池を５０００個用意し、短絡不良率を調べた。その結果、短絡不良率は０．７％であることがわかった。
【００４３】
なお本発明は上記実施形態に示すほか、種々の態様に構成することができる。
【００４４】
例えば、ローラ対５の配置関係において、複数のローラ対５の圧接点７が水平に一直線上に位置するように構成してもよい。
【００４５】
このように構成した乾式軟化処理装置において、正極板１０の表面にマイクロクラック３０を形成した後、その柔軟性及びクラック発生数、クラック幅、クラック深さ、歪・ソリ量を測定した。この結果、柔軟性は８．０ｍｍ／２００ｇｆ、クラック発生数は８０本／２０ｍｍ、クラック幅は０．１９ｍｍ、クラック深さは０．２３ｍｍ、歪・ソリ量は０．１ｍｍであった。また、この正極板１０を用いてニッケル水素二次電池を作製し、その短絡不良率を調べたところ、１．０％であることがわかった。
【００４６】
なお、ローラ対やゴムローラ対の組数を増加して構成しても良い。また、金属ローラの径とゴムローラの径が若干異なるものを組み合わせた構成にしてもよい。さらに各ローラを圧接させる加圧手段の圧接力を同一のものとした構成にしてもよい。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、軟化に必要十分なマイクロクラックを発生させることにより、真円度、内部抵抗、内部短絡に関して優れた性質を持つと共に、反りのない捲回動作に優れた電極板を作製できる乾式軟化処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電極板素材を製造する工程を示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態の乾式軟化処理装置を示す構成図である。
【図３】そのローラ対の拡大図である。
【図４】第１従来例の乾式軟化処理装置を示す構成図である。
【図５】第２従来例の乾式軟化処理装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１乾式軟化処理装置
２エンドレスベルト
３金属ローラ
４ゴムローラ
４ａ金属軸芯
４ｂゴム
５、５ａ〜５ｄローラ対
６ゴムローラ対
７圧接点
１０正極板（電極板）
５５ローラ群

Claims

芯板に活物質を塗着・乾燥してなる電極板をローラ群によって搬送する間に前記活物質の層にマイクロクラックを発生させる乾式軟化処理装置において、
金属ローラと、金属軸芯にゴムを被覆したゴムローラとを上下方向に圧接状態で配置してなるローラ対を、複数組水平方向に所定間隔をおいて配置して構成されるローラ群と、
長尺状態で供給された電極板を上下から挟んで複数組のローラ対の上下ローラ間を通過する上下一対のエンドレスベルトと、
各ローラ対の少なくとも一方のローラを回転駆動する駆動手段とを備え、
前記金属ローラと前記ゴムローラとがほぼ同径で、複数組のローラ対の上側のローラが隣り合うもの同士で一方が金属ローラ、他方がゴムローラとなっており、
かつ、前記ローラ群の搬送方向下流側に金属軸芯にゴムを被覆した一対のゴムローラを上下方向に圧接状態で配置してなるゴムローラ対を備え、
このゴムローラ対の間に前記上下１対のエンドレスベルトを通過させるように構成した
ことを特徴とする乾式軟化処理装置。
金属ローラの径はこれと対をなすゴムローラの径の９０％〜１１０％である請求項１記載の乾式軟化処理装置。
前記複数組のローラ対の各圧接点が水平に一直線上に位置する請求項１又は２記載の乾式軟化処理装置。
前記複数組のローラ対の各圧接点の高さ位置が電極板の搬送方向に向かって上下交互に設定されている請求項１又は２記載の乾式軟化処理装置。
前記複数組のローラ対における隣り合うローラ対の圧接点を結ぶ線の水平に対する傾斜角が５°〜２５°である請求項４記載の乾式軟化処理装置。
前記複数組のローラ対における各ローラ対ごとに圧接力を設定できる加圧手段を設け、かつその圧接力は電極板の搬送方向の上流側に対して下流側が大となるように設定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の乾式軟化処理装置。
前記複数組のローラ対の回転速度が、電極板の搬送方向に漸次速くなっている請求項１〜６のいずれかに記載の乾式軟化処理装置。
前記複数組のローラ対におけるローラ群の搬送方向上流側に配された最初のローラ対と、下流側に配された最後のローラ対とでは、その回転速度が、０．０１％〜０．１０％増加している請求項７記載の乾式軟化処理装置。
前記複数組のローラ対におけるローラ群は４組のローラ対から形成されている請求項１〜８のいずれかに記載の乾式軟化処理装置。
電極板がニッケル水素二次電池の正極板である請求項１〜９のいずれかに記載の乾式軟化処理装置。
電極板の芯板はニッケルを含有した金属多孔体であって、活物質はニッケルを含有したものである請求項１０記載の乾式軟化処理装置。