JP3661439B2 - 電池用電極とその製造方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池などの２次電池等に用いられる電極に関するものであり、より具体的には、多孔性の金属支持体内に活物質を充填して渦巻状に巻いて構成する電池用電極の製造方法、製造装置、及び、この発明の加工法によって製造された電極に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
２次電池の電極は、高多孔度を有する連続した三次元的な網目構造を持った、発泡メタルを支持体に使用し、これに活物質を充填したものが比較的、放電容量の面で優れている為に、大量に使用されている。さらに、最近では高率放電特性の向上が強く求められており、その対応策として、電極の長手方向に沿った一辺に、活物質を充填しないで芯材部を露出させた部分を造り、セパレーターを介して、正負の電極を交互に重ね合わせて渦巻状に巻き付けて、略円筒状の電極群を形成して、前記の略円筒状の電極群の端面を、活物質を充填しない芯材部分のみで構成することにより、溶接に適した金属の露出部を形成させて、この部分にリード片を溶接するタブレス方式により、集電特性を向上させ、前記の要望に対応しようとしている。
【０００３】
しかし、芯剤に発泡メタルを使用する電極の場合には、芯剤部にリード片を直接溶接することの出来る強固な金属部分が存在しない。この対策として、さらに芯材部の電気伝導率の改善の為に、タブレス方式を採用する場合には、リード片を溶接する電極の一辺に金属溶射層を設ける方法や、あらかじめ金属箔を溶着して補強する方法などが開示されている。また、特開昭６２−１３９２５１号公報に於いては、芯材のリード片溶着部の補強策として、発泡メタルの薄板を用いた電極芯材の活物質を充填されていない部分を電極の幅方向に圧縮して、金属部分の密度と強度を高め、リード片を溶接可能とすることが開示されている。
【０００４】
しかしこの場合には、図４に示すように細長い長方形をした電極１の表面全体を平らな面で左右両側から挟み込み、強い力Ｆ₁ で加圧力を加えることにより、電極面に曲がりや凹凸、厚さ変化などの変形が生じることを防止しながら、且つ、下側から電極１の一辺を支えた状態で、電極の活物質を充填されていない方の辺の側から電極の幅方向に、プレスを利用して強い力Ｐで加圧力を加えて、電極の長手方向の一辺を形成する発泡メタルの、活物質非充填部を圧縮して、発泡により生じた空隙を押しつぶすことにより、電極芯材の活物質が充填されていない側の辺に於ける、金属部の強度と密度を高めて、溶接の容易化と品質向上に対処しようとしていた。
【０００５】
但し、電極面に対する活物質の充填量の、場所によるバラツキにより電極面は厚さがいくぶん不安定である為に、電極の両側から硬度の高い金属製平面で電極面を均等に支えることは困難であり、さらに電極１の長手方向における、活物質の充填幅のバラツキもあり、電極板の支え方が長手方向に関しても場所により変化する為に、プレスで電極板の長手方向に均等な加圧力を加えようとしても、プレスの加圧力を受け止める電極板側の状態と電極板の支持状態が変化する為、リード片溶接部となる電極の辺の強度や密度にバラツキが生じ易く、品質的に十分に満足出来る電極の製造は困難であった。電極１の幅方向に加える、プレスの加圧力Ｐを高めて、電極の溶接部の強度や密度を高めることを優先すると、その場合には電極幅全体に加圧力の影響が及び、電極幅が全長にわたり狭くなる傾向が認められたり、局部的に強い加圧力を受けて電極が変形をするなどの悪影響があり、電極の全長に渡り、電極幅の一辺にのみ局部的に、幅が狭く溶接に適するような高密度の金属部を形成し、その他の部分には発泡メタルの優れた特徴を完全に残すようにすることは困難であった。また、特に、生産性の面からみて満足できるものではなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の技術に於いては、電極板に対する活物質の充填状況は、局部的に微妙に変化してバラつく為に、電極の長手方向の一辺全長に渡り、タブレスリードの溶接に適する高密度な金属部分を均等で高品質に形成することは困難であったが、本発明はこのような課題を解決するものであり、電極面の活物質充填部分の厚さや幅などのような、充填状況のバラツキには全く影響されないで、薄板状の発泡メタルからなる電池用電極の芯材に加圧力を加えて、タブレスリードの溶接に耐えるように、電極の溶接部として利用する電極の長手方向の一辺を、金属部の強度と密度を電極の全長にわたって均一に高め、タブレスリ−ドの溶接品質を向上させると同時に、電極の幅を狭くするような悪影響を及ぼさないものである。さらに、上記のように、発泡メタルに対して、高度な塑性加工を加えると、押しつぶされて、高密度となった発泡メタル部分が加工硬化して脆くなり、後工程において、セパレーターを介して正負の両極板を重ね合わせ、渦巻状に巻き上げて円筒形状を形成する際に、ひび割れを生じ易くなるという心配もあるが、この問題にも同時に対処可能な対策を提供することにより、電池性能の向上と、電極製造工程の生産性の両者を併せて向上させることが可能な電極、電極の製造方法、電極製造装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は電極芯材として、発泡メタルを用いた電極の、長さ方向の一辺に、幅の狭い活物質の充填されていない部分を設け、この活物質の非充填部分を通り、電極の長さ方向と平行な直線に沿って、電極の主要部である活物質充填部に対して直角に折り曲げた部分を形成し、この部分を座屈しないように支えた状態で、この折り曲げ部に、活物質の充填部に対して垂直な方向の加圧力を加えて、前記折り曲げ部の背丈を押しつぶして、ほぼ電極の芯材の厚さに成るまで圧縮することにより、電極の長手方向の一辺に高密度な金属部分を形成する。この高密度な金属部分を利用することにより、従来は困難であったタブレス方式のリード線を、電極端面に直接溶接することが可能となる。なお、前記の活物質の非充填部の一部を折り曲げた後、この部分の背丈を押しつぶして高密度金属部分を形成する理由は、押しつぶすために加える加圧力の影響が、折り曲げ部以外の部分に及ばないようにする為である。
【０００８】
さらに、前記の幅が狭く、芯材の活物質非充填部を活物質充填部に対して直角に折り曲げた部分の背丈を、２個の同一の周速を有し反対方向に回転するローラーを主要な構成要素とする本発明の装置を利用して、芯材の厚さにほぼ等しく成るまで押しつぶすことにより、タブレスリードの溶接に適した高密度な金属部分を容易に製造可能である。
【０００９】
また、前記の電極板の長さ方向の一辺に形成された、幅が狭く高密度な金属部分の表面に、電極板の長さ方向と直交する方向を有する溝状の凹凸を設けることにより、セパレーターを介して正負の電極板を重ね合わせて、渦巻状に巻き上げ、円筒形状を形成する際に、電極板の高密度金属部分に生じ易い傾向のあった、クラックの発生を減少させることが可能となる。溝状の凹凸を高密度金属部分の片側表面に設けるのみでも効果が認められるが、裏表両側表面に設ける場合には、一層大きな効果が認められた。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図１を参照しながら説明する。本発明の電極製造工程を左側から図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）と工程順に従って図示する。図１（ａ）に示すような、細長い長方形をした電極１の長さ方向に沿って活物質充填部２と、幅が狭く活物質を充填しない芯材のみからなる活物質非充填部３との境界線４を設け、芯材となる発泡メタルの活物質非充填部３を通り、前記の境界線４に平行な直線７上に於いて、活物質の非充填部３の一部を図１（ｂ）に示すように、活物質充填部２を含む電極１の主要部に対して直角に折りまげた後、前記の幅の狭い直角に折り曲げた部分５の発泡メタルを、座屈しないように両側から支えた状態で、強制的に加圧力Ｆ₂ を矢印方向に加えて、折り曲げ部５の背丈Ｈを圧縮して、活物質充填部２の電極面と略同一厚さになるように、前記の直角折り曲げ部５が埋没するまで成形することにより、図１（ｃ）に示すような、電極芯材の発泡による空隙を押しつぶした高密度な金属層６を電極１の長手方向の一辺に、均一に形成する電極１の製造方法である。
【００１１】
なお、芯材の活物質非充填部３の一部を直角に折り曲げる目的は、この部分に加圧力Ｆ₂ を加えて芯材の発泡による空隙を押しつぶして、高密度の金属部６を形成する際に加圧力Ｆ₂ による悪影響が電極１の他の部分に及ぶのを防止する為である。なお、本発明の電極製造方法を、電池の製造工程に採用する場合には、電池の品質と生産性を同時に大幅に向上させることが可能であるが、特に図２、図３にその概略を示すような電極製造装置を用いることが望ましい。
【００１２】
図２は本発明の電極製造装置の正面断面図であり、電極１を２個のローラー１０と１１の外径ではさみ、それぞれのローラーが矢印の方向に回転して、電極１を右方向に送りながら、本発明の加工をしている様子を示す。図３は本発明の電極製造装置の側面断面図を示す。ここで、電極１の活物質非充填部３の一部を、予備加工として事前に直角に折り曲げて、折り曲げ部５を作る方法と装置については、一般的に広く知られていると考えられるので説明は割愛し、以下では、発泡メタルからなる芯材の折り曲げ部５を能率良く押しつぶし、電極１の長手方向の一辺に、機械的な強度も大きく高密度の金属部６を形成する本発明の装置について、主要部の概略を、図３を参照しつつ説明する。
【００１３】
図３に於いて、上下に配設された２個のローラー１０と１１及び、２枚のギアー１３と１４は、それぞれシャフト１５と１６に固定され、さらにこれらのシャフトは軸受け１８、１９、２０、２１により支持されて回転可能であるが、スラスト方向の遊びは無いように製作されている。また、図６に示すようにローラー１０の左側端面と段付ローラー１１の端面１２は相互に端面を接触させながら、隙間の無い状態で回転可能に製作される。また、２枚のギアー１３と１４のピッチ円は、それぞれローラー１０の外径と段付ローラー１１の小径部外径にほぼ等しい寸法に設定され、前記の両ギアーは直接噛み合っているので、前記の２個のローラー外径は同一の周速で、互いに反対方向に、電極１の厚さに応じて狭い隙間を保ちながら、回転するようになっている。
【００１４】
また、電極１の活物質充填部２の表面を、圧縮ばね２３及びボルト２４の力を利用して上下の両側から２個のローラー１０とローラー１１の外径で挟み込み、ローラーの回転に連れて、電極１の折り曲げ部５を圧縮加工位置に確実に一定速度で送り込む。これら２個のローラーの外径間の隙間は、電極１の活物質充填部２の厚さとほぼ等しい間隔に保たれている為に、２個のローラーの間に電極１が送り込まれるにつれて、これらの２個のローラーの外径の間の間隔が次第に狭まるので、前記電極１の折り曲げ部５の高さＨは、上下より押しつぶされて、電極の活物質充填部２と略同一厚さになる。これにより、発泡メタル製芯材からなる電極の長手方向の一辺に、強度と密度が高く電気抵抗の小さな金属層が形成されることになる。なお、ローラー１０と１１の外周表面に筋目状の溝を加工しておけば、図７に示すように、この筋目状の溝が電極板１の一辺に設けられた高密度金属部の表面に転写されて、電極の長さ方向と直交する方向を有する溝状の凹凸を付けることも可能であり、セパレーターを介して正負の電極板を重ね合わせて渦巻状に巻き上げ、小径の円筒状に形成する際に、高密度金属部にクラックが生じ難くなるというメリットがある。さらに、折り曲げ部５の背丈に相当する寸法だけ、加工前より電極幅は狭くなっているので、電池の小形化を図る上でも効果がある。
【００１５】
こうして得られた電極の正負２枚をセパレ−タを介して渦巻状に捲回した後、高密度金属部６の端面にリ−ド片８を備えた集電体を溶接し、図５に示すような密閉型ニッケル水素電池を組み立てた。
【００１６】
なお、電極材として、事前に電池１個分の長さに切断した材料を用いる場合には、電極材を最初に２個のローラー間に送り込む際に、折り曲げ部５がまず最初に前記の２個のローラーの外径に当たり、材料送りの障害になるので、電極を渦巻状に巻いて電極群とする際に、中心部に巻き込まれる側となる方の折り曲げ部５の一部を、図１（ｂ）の左下にも示すように削除しておくほうが、加工が容易である。但し、フープ状の長く連なった材料を使用する場合には、最初の１回のみはやや不便であるが、必ずしも削除を必要とするわけではない。また、長方形断面をしたガイドバー２２の左側面は、電極材を前記の２個のローラーの間に送り込む際に、電極材の蛇行による左右方向への位置ずれを防止すると同時に、電極の折り曲げ部５を押しつぶす際には、ローラー１１の端面１２と共に、折り曲げ部５が不都合な方向に倒れるのを防止する為に支えの役目を果たす。
【００１７】
本装置においては、図示しない駆動源から、スプロケット１７、シャフト１６、ギアー１４、ギアー１３、シャフト１５などを経由して、加工に必要となる所定のトルクと速度をもった回転駆動力がローラー１０、ローラー１１に伝達されるが、電極材の形状は、長尺の連続したフープ状であっても、電池１個分ごとに短く切断した状態であっても差し支えなく利用可能である。なお、この加工法を適用出来る電池の電極に用いられる芯材の一例として、高純度のニッケル製発泡メタルが最も一般的であるが、展延性に富むアルミ、銅、純鉄製などの発泡メタルにも適用可能と考えられる。
【００１８】
【実施例】
ニッケル水素電池の電極に対して、本発明を実施した一例について、図１を参照しながら説明する。まず図１（ａ）に示すように、電極芯材としてニッケル製の発泡メタルで厚さ１．３mmの長尺材を用い、活物質を充填後、圧縮して厚さｔ＝０．５mmとしたものを、電極幅２８mm、活物質充填幅２４mmになるように切断し、さらに、電池１個の電極長さに相当する３００mmに切断し、本発明の電極１の材料とした。引き続いて図１（ｂ）に示すように、電極１の活物質を充填していない側の端から３mmの所を通る、電極の長手方向に平行な直線７に沿って直角に折り曲げた後（この実施例に於いては、電極の一部５の折り曲げ工程を、本発明の主要部を構成する折り曲げ部の背丈圧縮工程とは別の装置に分割したが、一連の工程として同一装置内に設けることも可能である。）、図２および図３に示す本発明の装置に、電極１の発泡メタル芯材からなる折り曲げ部５を下側に向け、ガイドバー２２と２７に添わせて、左側から右方向に向けて電極材を送り込んだ（電極材の先端となる部分の、折り曲げ部５の一部は削除）。最初のみ、強制的に電極加工用ローラー１０と１１の間に電極材を押し込む必要があるが、電極面が２個のローラー１０と１１の外径の間に挟まれると、電極材料はローラーの矢印方向の回転により自動的に右方向に送られるが、右方向に進むにつれて、２個のローラーの外径の間の隙間は狭まるので、折り曲げ部５は、上下から圧縮されて、徐々に背丈Ｈを低くして、２個のローラーの中心間を結ぶ線を通過して右側に出ると、折り曲げ部５は完全に押しつぶされて、電極の活物質充填面２とほぼ同一厚さとなる。
【００１９】
この実施例においては、２個のローラー１０と１１の外径に、電極折り曲げ部５の圧縮加工と電極材の送りの２役を兼務させたが、材料送りの手段を別途設けることも可能である。もちろん、折り曲げ部５が材料送り方向と垂直な方向に倒れることの無いように、ガイドバー２２の側面と段付ローラー１１の端面は支える役目をする必要があるので、これらの間の隙間は、電極芯材の厚さｔより僅かに広く、０．５mm程度に設定した。また、この隙間の寸法が電極板の一辺に設けられる高密度金属部の幅と密度に、密接に関係するので、慎重にタブレスリードの溶接条件に適した設定をする必要がある。
【００２０】
また、ローラー１０と１１の外径の周速（電極材の送り速度）は２０ｍ／分に設定したが、電極材料としてフープ状の長尺材料を使用する場合には、連続的に加工を続けることが可能であり、非常に能率的に本発明の加工を行うことが出来る。このようにして、本発明の加工法と装置により加工された電極の一辺には、図１（ｃ）に示すように、電極の幅は加工前より３mmだけ狭くなり、電極の一辺には幅約０．５mmの高密度の金属部が形成され、金属光沢を放っていた。この部分の密度としては、本装置で加工前の発泡メタルの密度の約３〜４倍になっていると推定された。
【００２１】
また、この電極を利用した電極群の端面にタブレスリードの集電体をシリーズスポット溶接した結果、溶接強度は従来方法により高密度金属部を形成したものよりも安定して強いものが得られ、生産性の面でもはるかに従来方法よりも優れていることが確認できた。
【００２２】
また、一部の電極については、図１（ｃ）に示す様な電極板に一旦加工した後、さらに、外周にローラーの軸芯と平行な方向を有する筋目ローレット状の凹凸を設けた２個のローラーの間に挟んで両側から加圧力を加えることにより、図７に示すような、電極の長さ方向の一辺に形成した高密度金属部分の表面に凹凸を追加工した。高密度金属部分の表面に凹凸を加工すると、表面が平坦な場合よりも、電極板を小さな径に巻き上げる場合にも、柔軟性が増して高密度金属部分にクラックなどが生じ難くなり、電池としての品質や信頼性を高められることが判った。特に、凹凸は片面よりも両面に設けるほうが良く、ピッチｐを１．５mm、溝深さｄを０．１〜０．１５mmとした場合の効果は顕著であった。
【００２３】
【発明の効果】
本発明を用いると、非常にシンプルで安価な設備により、発泡メタルを芯材として用いる電池用電極の一辺に、機械的な強度も密度も高く、電気伝導率も良好で、品質の安定した金属部分を連続的に能率よく生産出来、安定した供給が出来るので、タブレスリードの溶接品質が安定する。従って、電池の小形化と品質の安定、さらに製造コストの低減に貢献するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電池用電極製造工程を実施例の電極形状にて示す図
（ａ）本発明の加工を行う前の電池電極材料の斜視図
（ｂ）本発明の電池用電極材料である発泡メタル芯剤の活物質非充填部に予備加工としての、折り曲げ部を加工した様子を示す斜視図
（ｃ）本発明の加工を施したあとの電極形状を示す斜視図
【図２】本発明の電極製造装置の正面断面（Ｃ−Ｄ断面）を示す図
【図３】本発明の電極製造装置の側面断面（Ａ−Ｂ断面）を示す図
【図４】従来の電極加工法を示す図
【図５】タブレスリードの溶接をした電池を示す図
【図６】本発明の電極加工装置の主要部断面拡大図（図２（ａ）Ｅ−Ｆ断面）
【図７】本発明の電極の長さ方向と直交する方向を有する溝状の凹凸を高密度金属部分の両面に設けた電極板の一例、
（ａ） 電極板の正面図
（ｂ） 電極板の側面図
（ｃ） 電極板の平面図
【符号の説明】
１ 電極
２ 活物質充填部
３ 活物質非充填部
４ 活物質の充填部と非充填部との境界線
５ 電極芯材折り曲げ部
６ 高密度金属部
７ 折り曲げ位置を示す直線
８ リード片
９ セパレーター
１０ 加圧ローラー
１１ 段付加圧ローラー
１２ 段付加圧ローラー端面
１３ ギアー
１４ ギアー
１５ シャフト
１６ シャフト
１７ スプロケット
１８ 軸受け
１９ 軸受け
２０ 軸受け
２１ 軸受け
２２ ガイドバー
２３ 圧縮ばね
２４ 圧縮強度調整ねじ
２５ ローラー間隔調整用摺動部
２６ 軸受け押さえ板
２７ ガイドバー
２８ 本発明の装置フレーム
ｔ 電極板の活物質充填部厚さ
ｐ 高密度金属部分に加工した凹凸のピッチ（電極の長さ方向）
ｄ 高密度金属部分に加工した凹凸の溝深さ

Claims (6)

1. 発泡メタルからなる薄板状芯材に、活物質を充填した電池用電極の製造方法であって、細長い長方形をした電極の長さ方向に沿って、活物質充填部と幅の狭い活物質を充填しない部分からなる非充填部との境界線を設け、前記非充填部を通り、前記境界線に平行な直線上に於いて活物質の非充填部の一部を、電極の主要部である活物質充填部に対して直角に折りまげた後、座屈しないように支えた状態で、前記の幅の狭い直角に折り曲げた部分の発泡メタルの背丈を、活物質充填部に対して垂直な方向の力を加えて強制的に圧縮して、活物質充填部の電極面と略同一厚さになるように、前記の直角に折り曲げ部が埋没するまで圧縮することにより、発泡による空隙を押しつぶした高密度な金属部分を、電極の長手方向の一辺に形成する電極の製造方法。
2. 電極の長さ方向に沿って、活物質充填部と幅の狭い活物質を充填しない部分からなる非充填部との境界線を設け、前記非充填部を通り前記境界線に平行な直線上に於いて、活物質の非充填部の一部を電極主要部である活物質充填部分に対して直角に折りまげた後、前記の幅の狭い直角に折り曲げた部分の、発泡メタルからなる芯材の背丈を、２個の同一の周速を有し反対方向に回転するローラーの外周、および、電極材の送りをガイドするガイドバーの端面と回転するローラーの側面との間の隙間を利用して圧縮し、電極の長手方向の一辺に、芯材の発泡による空隙を押しつぶして高密度な金属部を形成することを特徴とする電池用電極の製造装置。
3. 互いに反対方向に回転する２個のローラーの周速を同一にそろえる手段として、前記ローラーと同一軸上に設けた一対として噛み合うギアーのピッチ円径のそれぞれを、前記ローラーの外径と同一寸法としたことを特徴とする請求項２記載の電池用電極の製造装置。
4. ２個の同一の周速を有し反対方向に回転するローラーの外周面に、前記ローラーの軸芯と平行な方向に筋目状の所定寸法のピッチ及び深さの凹凸を設け、電極芯材の発泡による空隙を押しつぶして形成する高密度な金属部の表面に、前記のローラーの表面に設けた筋目状の所定寸法のピッチ及び深さの凹凸を転写することを特徴とする請求項２または３に記載の電池用電極の製造装置。
5. 発泡メタルからなる薄板を芯材とする電池用電極の活物質を充填しない側と活物質充填部に境界線を設け、電極の長手方向の一辺に沿って、幅の狭い直角に折り曲げた部分の発泡メタルの背丈を、前記活物質充填部に対して垂直な方向に力を加えて強制的に前記活物質充填部の電極面と略同一厚さになるように圧縮することにより、発泡により生じた芯材の空隙を押しつぶして、前記境界線を持つ幅の狭い高密度な金属部を、電極の長手方向の一辺に設けたことを特徴とする電池用電極。
6. 発泡メタルからなる薄板を芯材とする電池用電極の活物質を充填しない側と活物質充填部に境界線を設け、電極の長さ方向の一辺に沿って、幅の狭い直角に折り曲げた部分の発泡メタルの背丈を、前記活物質充填部に対して垂直な方向に力を加えて強制的に前記活物質充填部の電極面と略同一厚さになるように圧縮することにより、電極の長さ方向に沿って電極の一辺に、発泡による空隙を押しつぶして前記境界線を持つ高密度な金属部分を設け、前記の高密度な金属部の片側、または、両側表面に電極の長さ方向と直交する方向を有する溝状の所定寸法のピッチ及び深さの凹凸を設けたことを特徴とする電池用電極。

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