JP3710755B2 - 袋状セパレータを用いた電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極活物質を袋状セパレータに充填したものと負極活物質を袋状セパレータに充填したものとを交互に重ねることで、容易に電池として組み立てることができる袋状セパレータを用いた電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特許第３０５１４０１号公報には、活物質を粉体又は粒子にして構成した、いわゆる三次元電池が開示されている。また、積層化された三次元電池についても既に特許出願がなされている（特願平１１−３０９６２７）。また、粒子状活物質を充填して固定層とした三次元電池についても、本出願人が特許出願している（特願２０００−３３２２８１、特願２０００−３３２５０３）。
【０００３】
一方、従来の構造の電池において、ニッケル水素二次電池の正極である水酸化ニッケルは電気伝導性がないので、電気伝導性のあるコバルト化合物で水酸化ニッケルの表面をコーティングした後、これを形状支持と電気伝導を目的として発泡ニッケルシートに塗り込み、アルカリ電解液中では発泡ニッケルシートと水酸化ニッケルの接着は不可能なので、外部からの物理的圧力により剥離を防止するようにしている。また、発泡ニッケルシートと水酸化ニッケルとの間の電気抵抗を下げるために、発泡ニッケルシートを薄くする必要があるので、水酸化ニッケルのペースト状のものを塗り込んだ１．１mm程度の発泡ニッケルシートを０．６mm程度に圧密している。また、イオン拡散をスムーズにするため、正極と負極はできるだけ近距離にする必要があるので、正極＋セパレータ＋負極の電池構造が２mm以下となるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来構造のニッケル水素二次電池において、上述の必要条件を満たした状態で大型化するためには、発泡ニッケルシートの厚みは同じとし、正極、負極の面積を大きくするしかなく、シート１枚当たりの面積を大きくするのも限度があるので、発泡ニッケルシートの枚数を増やして接続する方法をとっている。この場合、接続方法としては、導線（ニッケル板など）の溶接接続を行っているが、電気抵抗が増大するので、大型化した電池は性能が低下している。
【０００５】
また、従来の乾電池の構造では、薄く圧密した平面状活物質シートをセパレータを挟んで巻物状として電池セルに装填している。例えば、ニッケル水素二次電池では、電池セルに直接接触している最外面の平面状活物質（ニッケル水素電池の場合は負極である水素吸蔵合金を塗り込んだシート）は集電体（電池セルが負極集電体と共用）との接触面積が大きいが、正極活物質（水酸化ニッケル）を塗り込んだシートは、微小な導線（ニッケル板など）と溶接し、さらに外部端子に溶接している。ここで問題になるのは、溶接部分が２カ所あることと、活物質と外部端子を接続している導線（ニッケル板など）の断面積が小さいことである。
すなわち、溶接部分があることにより、電気抵抗の増大と製造コスト、製作時間の増大が発生する。また、活物質と外部端子を接続している導線（ニッケル板など）の断面積が小さいため、大電流を流したとき電気抵抗と発熱量の導大が避けられない。
【０００６】
また、従来の産業用電池の構造は、例えば、ニッケルカドミウム二次電池では、薄く圧密した平面状活物質シートを、正極＋セパレータ＋負極＋セパレータ＋正極＋…と積層していき、それぞれの平面状活物質シートに微小な導線（ニッケル板など）を溶接して、正極は正極同士、負極は負極同士一つにまとめて、外部端子に溶接している。ここで問題になるのは、複数の平面状活物質シートを溶接して接続しているので、電気抵抗の増大と製造コスト、製作時間の増大が発生することである。
【０００７】
単一型乾電池は良好な性能を持っているが、大容量の電池を必要とするとき、単一型電池を複数個並列／直列に接続すると、外部端子の接触抵抗のため電圧が降下して、性能が低下したものしか得られない。また、産業用電池のように初めから大型の電池とした場合、上述したように、溶接接続の箇所が多いという基本的な構造上の問題があるので、高性能な電池は得られない。
【０００８】
また、本出願人は、セパレータを蛇腹状にして、その折れ目に正極活物質と負極活物質を交互に重ねて製造する電池について特許出願しているが（特願２００１−２８４４９１）、長いセパレータを蛇腹状にして組み立てるのは作業性が悪く、連続的に低コストで電池を製作することができない。また、蛇腹状セパレータを使用した電池を解体するときは、正極活物質と負極活物質の分離が困難で、リサイクルに手間がかかる。
【０００９】
本発明は上記の諸点に鑑みなされたもので、本発明の目的は、正極活物質を袋状セパレータに充填したものと負極活物質を袋状セパレータに充填したものとを交互に重ねることで、容易に電池として組み立てることができ、かつ、作業性が良好で製造コストを低減でき、しかも、リサイクルが容易である袋状セパレータを用いた電池を提供することにある。
【００１０】
【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、本発明の袋状セパレータを用いた電池は、電池セルに対向して設けられた正極集電体と負極集電体の間に、正極活物質を少なくとも１辺が開口した袋状セパレータに充填したものと、負極活物質を少なくとも１辺が開口した袋状セパレータに充填したものとが、正極集電体側に正極活物質を充填した袋状セパレータの開口部が位置し、負極集電体側に負極活物質を充填した袋状セパレータの開口部が位置するように交互に重ね合わせて電解液とともに装填された構成である。
【００１１】
上記の構成において、正極活物質を袋状セパレータに充填したものと負極活物質を袋状セパレータに充填したものとを交互に重ねて構成した単位ユニットを、正極集電体と負極集電体の間に形成されるセルに並列に組み込むことで、高出力化を図ることができる。
また、正極活物質を袋状セパレータに充填したものと負極活物質を袋状セパレータに充填したものとを交互に重ねた上記の電池を、隔壁を介して直列に積層して、高電圧を得ることができる。
また、上記の単位ユニットを並列に組み込んだ電池を、隔壁を介して直列に積層して、高電圧を得ることができる。
【００１２】
また、上記の構成においては、正極活物質を袋状セパレータに充填したものと負極活物質を袋状セパレータに充填したものとを交互に重ねて構成した単位ユニットを、圧縮し圧密状態として電池セルに組み込むことができる。
この場合、単位ユニットを多孔性又は無孔性の絶縁体からなる帯状体、紐状体などで縛り圧密状態としたものを使用することができる。また、単位ユニットを融解性又は非融解性の絶縁体からなる帯状体、紐状体などで縛り圧密状態としたものを使用することができる。
【００１３】
また、上記の構成においては、正極活物質及び負極活物質の形態として、粉末状、粒状、板状、ブロック状、棒状、粉末もしくは粒子をペースト状にしたもの等が用いられる。なお、ペースト状にする場合は、粉末等を分散させる溶媒として、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等が使用可能である。また、一次粒子を板状、ブロック状、棒状、粒状、プリーツ形状等に二次成形したものが用いられる。また、これらの活物質の表面に、金属粉末をコーティングするか、金属メッキした粉末、フレークもしくは糸をコーティングするか、又は金属メッキを施して使用することができる。
【００１４】
また、上記の構成において、正極活物質及び／又は負極活物質の表面の任意の面をイオン通過型集電体で被覆することが好ましい。この場合、活物質の表面をイオン通過型集電体で被覆して一体成形したものを使用することができる。
イオン通過型集電体としては、例えば、発泡ニッケル金属、ニッケル金属網、ニッケルメッキしたパンチングメタル、エキスパンドメタル等の金属、ニッケルメッキしたウレタン等の発泡樹脂、ニッケルメッキしたポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、綿、カーボン繊維等の多孔質材料、シリカ、アルミナ等の無機繊維にニッケルメッキしたもの、有機繊維にニッケルメッキしたもの、フェルトにニッケルメッキしたもの、及び雲母など無機物の箔にニッケルメッキしたもの等が使用可能である。
【００１５】
本発明の電池用袋状セパレータは、活物質が充填できるように少なくとも１辺が開口した袋状となっていることを特徴としている。セパレータとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロンなどの織物や不織布又はメンブランフィルター等が使用可能である。
【００１６】
本発明の電池用袋状セパレータの製造方法は、平面状のセパレータを２つに折り、１辺を融着もしくは縫合して２辺が閉じた袋状とするか、又は２辺を融着もしくは縫合して３辺が閉じた袋状とすることを特徴としている。
また、本発明の電池用袋状セパレータの製造方法は、平面状のセパレータを２枚重ね、隣り合う２辺を融着もしくは縫合して２辺が閉じた袋状とするか、又は３辺を融着もしくは縫合して３辺が閉じた袋状とすることを特徴としている。
セパレータの閉じ方は、熱や超音波による融着、絶縁性の糸による縫合など、方法は問わない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能なものである。
図１は、本発明の実施の第１形態による袋状セパレータを用いた電池の一例を示している。本実施の形態は、基本ユニットのみで電池を構成した場合である。
活物質としては、電池反応を起こす活物質材料に導電性フィラーと樹脂を加えて硬化させたものが使用できる。電池反応を起こす活物質材料としては、電池の種類や正極、負極を問わず、全ての活物質材料を用いることが可能であるが、ニッケル水素二次電池の場合、一例として、水酸化ニッケル粉末２０００gとＥＶＡ樹脂２００gと導電性フィラー（カーボンブラックとカーボン繊維）３００gを混合した後、０．１MPaの圧力で加圧成形して、１００mm×３０mm×３mmＴのプレート状の正極活物質１０をつくることができる。同様に、ニッケル水素二次電池の場合、一例として、水素吸蔵合金粉末６０００gとＥＶＡ樹脂２００gと導電性フィラー（カーボンブラックとカーボン繊維）３００gを混合した後、０．１MPaの圧力で加圧成形して、１００mm×３０mm×２mmＴのプレート状の負極活物質１２をつくることができる。
【００１８】
正極活物質１０、負極活物質１２の表面はイオン通過型集電体１４で被覆する。例えば、プレート状の正極活物質１０、負極活物質１２の場合、１〜６面の任意の面をイオン通過型集電体１４で被覆することができる。なお、上述した活物質の成形工程において、活物質をイオン通過型集電体で覆って一体成形することも可能である。また、活物質を粉末状、ペースト状で使用する場合は、イオン通過型集電体を袋状等としたものに、活物質を充填すればよい。本実施の形態では、一例として、プレート状の正極活物質１０、負極活物質１２の４面をイオン通過型集電体１４（発泡ニッケルシート）で覆っている。
【００１９】
つぎに、イオン通過型集電体１４で被覆した正極活物質１０、負極活物質１２をそれぞれ袋状セパレータ１６に充填する。袋状セパレータ１６は、平面状のセパレータを２つに折り、１辺を融着もしくは縫合して２辺が閉じた袋状とするか、２辺を融着もしくは縫合して３辺が閉じた袋状とする方法でも製造できるし、平面状のセパレータを２枚重ねて、隣り合う２辺を融着もしくは縫合して２辺が閉じた袋状とするか、３辺を融着もしくは縫合して３辺が閉じた袋状とする方法でも製造でき、セパレータの閉じ方は、熱や超音波による融着、絶縁性の糸による縫合など、方法は問わない。本実施の形態では、一例として、平面状のセパレータを二つに折り、二方を熱融着させて三方が閉じた袋状セパレータ１６を製作している。なお、図１では、袋状セパレータ１６の形状を模式的に描いているが、実際は、上述したプレート状の活物質などが充填できる２辺ないし３辺が閉じた袋状となっている。
【００２０】
正極活物質１０を袋状セパレータ１６に充填したものと、負極活物質１２を袋状セパレータ１６に充填したものとを、交互に重ね合わせて電池セルに組み込む。具体的には、正極集電体１８側に正極活物質１０を充填した袋状セパレータ１６の開口部が位置し、負極集電体２０側に負極活物質１２を充填した袋状セパレータ１６の開口部が位置するように交互に重ね合わせて組み込む。さらに、電池セルに電解質（ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨ等）溶液を充填して電池が構成される。なお、正極集電体１８、負極集電体２０としては、ニッケル金属板、ニッケル金属箔、炭素、鉄やステンレスなどにニッケルメッキしたもの、炭素にニッケルメッキしたもの等が使用可能である。
本実施の形態は、基本ユニットだけを装填した場合であるが、基本ユニットに含まれる活物質の数は、図１に示す正極、負極活物質２組からなる構成に限定されず、正極、負極活物質１組の最小単位のものから任意の組数のものまで適宜選定して製作することが可能である。
また、袋状セパレータと集電体が接触する箇所が過度に圧密されショートする場合は、その箇所を熱や超音波などによりセパレータ自体を融着させる、あるいはセパレータ側に絶縁体の樹脂を塗る、あるいは活物質に絶縁体の樹脂を塗るなどによりショートを防止する。
【００２１】
なお、上述した導電性フィラーとしては、炭素繊維、炭素繊維にニッケルメッキしたもの、炭素粒子、炭素粒子にニッケルメッキしたもの、有機繊維にニッケルメッキしたもの、シリカ、アルミナ等の無機繊維にニッケルメッキしたもの、雲母など無機物の箔にニッケルメッキしたもの、繊維状ニッケル、ニッケル粒子、ニッケル箔を単独又は組み合わせて用いることができる。
また、活物質に加える樹脂としては、軟化温度１２０℃までの熱可塑性樹脂、硬化温度が常温から１２０℃までの樹脂、蒸発温度１２０℃以下の溶剤に溶解する樹脂、水に可溶な溶剤に溶解する樹脂、又はアルコールに可溶な溶剤に溶解する樹脂を用いることができる。例えば、活物質として水酸化ニッケルを使用する場合は、１３０℃以上でその活性を失うため、１３０℃未満で各種処理を行うことが必要である。また、活物質をアルカリ電解液中で使用するため耐アルカリ性が必要である。
熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン酢酸ビニルコーポリマー（ＥＶＡ）などが使用可能である。硬化温度が常温から１２０℃までの樹脂としては、反応硬化型樹脂（エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂など）、熱硬化型樹脂（フェノール樹脂など）などが使用可能である。蒸発温度が低い溶剤に溶解する樹脂としては、上記の熱可塑性樹脂が使用可能である。溶剤に可溶性の樹脂は、溶剤に溶解させて活物質材料に添加し、その溶剤を蒸発、抽出などで除去する方法で使用する。また、水に可溶で抽出可能な溶剤に溶解する樹脂としては、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）樹脂、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリアミド、ポリイミド等が使用できる。また、アルコールに可溶で抽出可能な溶剤に溶解する樹脂としては、酢酸セルロース、オキサイドフェニレンエーテル（ＰＰＯ）等が使用できる。
【００２２】
つぎに、本実施形態の電池について充電及び放電の詳細を説明する。
（充電）
電池に電圧をかけ、発電手段（図示せず）から負極集電体２０へ電子を供給する。電子は負極集電体２０より負極活物質１２に移動して反応する。反応によって発生したイオンはセパレータ１６を通過し、正極活物質１０と反応して電子を放出する。この電子は正極集電体１８に移動して発電手段に送られる。
（放電）
負荷から正極集電体１８へ電子が供給される。電子は正極集電体１８より正極活物質１０に移動し反応する。反応によって発生したイオンはセパレータ１６を通過し、負極活物質１２と反応して電子を放出する。この電子は負極集電体２０に移動して負荷に送られる。
【００２３】
正極活物質１０を袋状セパレータ１６に充填したものと負極活物質１２を袋状セパレータ１６に充填したものとを交互に重ねることで、容易に電池として組み立てることができる。また、セパレータ１６の厚みを任意に変更し、複数の種類のセパレータ１６を同一の電池に組み込むことが可能であり、電池設計が柔軟に行える。
また、電池を解体した場合、集電体１８、２０と正極活物質１０、負極活物質１２がすぐに分かれるので、再利用しやすい。
また、正極活物質１０と負極活物質１２の距離が近いので、電子の移動距離が短くなって高出力が得られ、かつ、イオンの拡散距離が短くなって良好なイオン拡散が得られる。同時に、過充電などにより活物質から気体が発生した場合には、気体がその反対極へ移動し消費されやすく、密閉化が容易である。
また、正極活物質１０、負極活物質１２それぞれを多孔性ニッケルなどのイオン通過型集電体１４で覆ったものを使用することで、活物質と集電体の距離が近くなって電子の移動距離が短くなると同時に、集電面積が多くなり、電気抵抗が小さい高性能な電池となる。
また、電池セル内にセパレータ１６とイオン通過型集電体１４が比較的多く存在するので、単位体積当たりの正極活物質１０、負極活物質１２の充填量が少なく、セル内に多くの電解液を確保することが可能であり、電解液が枯渇して固液反応（電池反応）が起こらなくなるドライアウト現象が発生しにくい。
【００２４】
図２、図３は、本発明の実施の第２形態による袋状セパレータを用いた電池の一例を示している。本実施の形態は、基本ユニットのみで電池を構成した場合であり、基本ユニットを圧密して電池セルに組み込んだものである。例えば、ニッケル水素二次電池の場合、一例として、水酸化ニッケル粉末２０００gとＥＶＡ樹脂２００gと導電性フィラー（カーボンブラックとカーボン繊維）３００gを混合した後、０．１MPaの圧力で加圧成形して、１００mm×３０mm×３mmＴのプレート状の正極活物質１０をつくる。同様に、一例として、水素吸蔵合金粉末６０００gとＥＶＡ樹脂２００gと導電性フィラー（カーボンブラックとカーボン繊維）３００gを混合した後、０．１MPaの圧力で加圧成形して、１００mm×３０mm×２mmＴのプレート状の負極活物質１２をつくる。実施の第１形態の場合と同様に、正極活物質１０、負極活物質１２の表面（一例として、４面）をイオン通過型集電体１４（一例として、発泡ニッケルシート）で被覆する。
【００２５】
つぎに、イオン通過型集電体１４で被覆した正極活物質１０、負極活物質１２をそれぞれ袋状セパレータ１６に充填する。袋状セパレータ１６としては、一例として、平面状のセパレータを二つに折り、二方を熱融着させて三方が閉じた袋状のものを使用することができる。
正極活物質１０を袋状セパレータ１６に充填したものと負極活物質１２を袋状セパレータ１６に充填したものとを交互に重ね合わせ、図２に示すように、ポリプロピレンバンド２１で強く縛って圧密し、ブロック状とする。基本ユニットは多孔性あるいは無孔性の絶縁体、又は融解性あるいは非融解性の絶縁体で縛り圧密状態とすることができるが、例えば、多孔性の絶縁体としては不織布、無孔性で非融解性の絶縁体としては上記のポリプロピレン、ポリエチレン、融解性の絶縁体としてはポリビニルアルコール等が使用可能である。なお、図２では、セパレータ、イオン通過型集電体の図示を省略している。
【００２６】
そして、ブロック状に圧密した基本ユニット２２を電池セルに組み込む。図３では、ポリプロピレンバンドの図示を省略している。なお、本実施の形態は、基本ユニットだけを装填した場合であるが、基本ユニットに含まれる活物質の数は、図３に示す正極、負極活物質２組からなる構成に限定されず、正極、負極活物質１組の最小単位のものから任意の組数のものまで適宜選定して製作することが可能である。
また、袋状セパレータと集電体が接触する箇所が過度に圧密されショートする場合は、その箇所を熱や超音波などによりセパレータ自体を融着させる、あるいはセパレータ側に絶縁体の樹脂を塗る、あるいは活物質に絶縁体の樹脂を塗るなどによりショートを防止する。
本実施の形態のように、基本ユニットを圧縮し、多孔性あるいは無孔性の絶縁体、又は融解性あるいは非融解性の絶縁体で縛り圧密状態としたものを使用すれば、さらなる作業性の向上が図れる。
他の構成及び作用等は、実施の第１形態の場合と同様である。
【００２７】
図４は、本発明の実施の第３形態による袋状セパレータを用いた電池の一例を示している。本実施の形態は、基本ユニットを複数個（図４では、一例として４個）並列に組み込んで電池を構成した場合である。基本ユニット２２として、実施の第１形態又は第２形態で説明したような単位ユニットを製作する。４セットの基本ユニット２２を並列に、電池セルにおける正極集電体１８と負極集電体２０の間に装填して電池を構成する。
【００２８】
図５は、本発明の実施の第４形態による袋状セパレータを用いた電池の一例を示している。本実施の形態は、基本ユニットを複数個（図５では、一例として４個）並列に組み込んだものを複数層（図５では、一例として４層）積層して電池を構成した場合である。基本ユニット２２として、実施の第１形態又は第２形態で説明したような単位ユニットを製作する。４セットの基本ユニット２２を並列に電池セルに装填し、これを隔壁２４を介して４層積層して電池を構成する。セルを直列に積層することで高電圧の電池となる。隔壁２４としては、ニッケル金属板、ニッケル金属箔、炭素、鉄やステンレスなどにニッケルメッキしたもの、炭素にニッケルメッキしたもの等が使用可能である。
【００２９】
上記の実施の第３、第４形態のように、電池セルに、正極活物質を袋状セパレータに充填したものと負極活物質を袋状セパレータに充填したものとを交互に重ねた基本ユニットを複数個装填することにより、容易に大型化が可能であり、かつ、電気抵抗を増大させる溶接箇所が無いので、大型化による性能低下が起こらない。また、作業性が向上し製造コストや製作時間を低減することができる。
【００３０】
図６は、本発明の実施の第５形態による袋状セパレータを用いた電池の一例を示している。本実施の形態は、基本ユニットのみで電池を構成した場合であり、実施の第１形態のときよりも活物質の厚みを増やして、体積エネルギー密度の大きな電池としたものである。例えば、ニッケル水素二次電池の場合、一例として、水酸化ニッケル粉末２０００gとＥＶＡ樹脂２００gと導電性フィラー（カーボンブラックとカーボン繊維）３００gを混合した後、０．１MPaの圧力で加圧成形して、１００mm×３０mm×１２mmＴのプレート状の正極活物質１０ａをつくる。
同様に、一例として、水素吸蔵合金粉末６０００gとＥＶＡ樹脂２００gと導電性フィラー（カーボンブラックとカーボン繊維）３００gを混合した後、０．１MPaの圧力で加圧成形して、１００mm×３０mm×８mmＴのプレート状の負極活物質１２ａをつくる。実施の第１形態の場合と同様に、正極活物質１０ａ、負極活物質１２ａの表面（一例として、４面）をイオン通過型集電体１４で被覆した後、袋状セパレータ１６に正極活物質１０ａ、負極活物質１２ａをそれぞれ充填し、正極活物質１０ａを袋状セパレータ１６に充填したものと負極活物質１２ａを袋状セパレータ１６に充填したものとを交互に重ね合わせて電池セルに組み込む。
【００３１】
上記のように、活物質の厚みを増やすことにより、相対的にセパレータ１６とイオン通過型集電体１４の割合が少なくなるので、電池の容積当りの出力は低下するが、体積エネルギー密度が大きな電池を得ることができる。一方、電池性能として高出力が必要な場合は、上述した実施形態において、活物質の厚みを減らすことにより、相対的にセパレータ１６とイオン通過型集電体１４の割合が多くなるので、体積エネルギー密度は低下するが、高出力の電池を得ることができる。このように、活物質の厚さ等を増減するだけで、任意に電池仕様を変更することができ、容易に所望の電池仕様を得ることができる。
他の構成及び作用等は、実施の第１形態の場合と同様である。
【００３２】
図７は、本発明の実施の第６形態による袋状セパレータを用いた電池の一例を示している。本実施の形態は、基本ユニットのみで電池を構成した場合であり、薄型活物質と厚型活物質を混合したタイプの電池である。例えば、ニッケル水素二次電池の場合、一例として、水酸化ニッケル粉末２０００gとＥＶＡ樹脂２００gと導電性フィラー（カーボンブラックとカーボン繊維）３００gを混合した後、０．１MPaの圧力で加圧成形して、１００mm×３０mm×３mmＴのプレート状の正極活物質１０と、１００mm×３０mm×１２mmＴのプレート状の正極活物質１０ａをつくる。同様に、一例として、水素吸蔵合金粉末６０００gとＥＶＡ樹脂２００gと導電性フィラー（カーボンブラックとカーボン繊維）３００gを混合した後、０．１MPaの圧力で加圧成形して、１００mm×３０mm×２mmＴのプレート状の負極活物質１２と、１００mm×３０mm×８mmＴのプレート状の負極活物質１２ａをつくる。実施の第１、第５形態の場合と同様に、正極活物質１０、１０ａ、負極活物質１２、１２ａの表面（一例として、４面）をイオン通過型集電体１４で被覆した後、袋状セパレータ１６に正極活物質１０、１０ａ、負極活物質１２、１２ａをそれぞれ充填する。そして、図７に示すように、正極活物質１０を袋状セパレータ１６に充填したもの、負極活物質１２を袋状セパレータ１６に充填したもの、正極活物質１０ａを袋状セパレータ１６に充填したもの、負極活物質１２ａを袋状セパレータ１６に充填したものを交互に重ね合わせて電池セルに組み込む。
他の構成及び作用等は、実施の第１、第５形態の場合と同様である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成されているので、つぎのような効果を奏する。
（１） 正極活物質を袋状セパレータに充填したものと負極活物質を袋状セパレータに充填したものとを交互に重ねることで、容易に電池として組み立てることができる。また、セパレータの厚みを任意に変更し、複数の種類のセパレータを同一の電池に組み込むことが可能であり、電池設計が柔軟に行える。
（２） 電池セルに、正極活物質を袋状セパレータに充填したものと負極活物質を袋状セパレータに充填したものとを交互に重ねた基本ユニットを複数個装填することにより、容易に大型化が可能であり、かつ、電気抵抗を増大させる溶接箇所が無いので、大型化による性能低下が起こらない。また、作業性が向上し製造コストや製作時間を低減することができる。
（３） 電池を解体した場合、集電体と正極活物質、負極活物質がすぐに分かれるので、再利用しやすい。
（４） 単位ユニットを圧縮し、多孔性あるいは無孔性の絶縁体、又は融解性あるいは非融解性の絶縁体で縛り圧密状態としたものを使用すれば、さらなる作業性の向上が図れる。
（５） 正極活物質と負極活物質の距離が近くなるので、電子の移動距離が短くなって高出力が得られ、かつ、イオンの拡散距離が短くなって良好なイオン拡散が得られる。また、過充電などにより活物質から気体が発生した場合は、気体がその反対極へ移動して消費されやすいので、密閉化が容易である。
（６） 正極活物質、負極活物質それぞれを多孔性ニッケルなどのイオン通過型集電体で覆ったものを使用することで、活物質と集電体の距離が近くなって電子の移動距離が短くなると同時に、集電面積が多くなり、電気抵抗が小さい高性能な電池となる。
（７） 電池セル内にセパレータとイオン通過型集電体が比較的多く存在するので、単位体積当たりの正極活物質、負極活物質の充填量が少なく、セル内に多くの電解液を確保することが可能であり、電解液が枯渇して固液反応（電池反応）が起こらなくなるドライアウト現象が発生しにくい。
（８） 電池性能として高出力が必要な場合は、活物質の厚みを減らすことにより、相対的にセパレータとイオン通過型集電体の割合が多くなり、体積エネルギー密度は低下するが、高出力の電池を得ることができる。
（９） 電池性能として高出力が不要な場合は、活物質の厚みを増やすことにより、相対的にセパレータとイオン通過型集電体の割合が小さくなり、体積エネルギー密度が大きな電池を得ることができる。
（１０） 活物質の厚さ等を増減するだけで、任意に電池仕様を変更することができ、容易に所望の電池仕様を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態による袋状セパレータを用いた電池の一例（基本ユニットのみ）を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の第２形態におけるブロック状に圧密した基本ユニットの一例を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の第２形態による袋状セパレータを用いた電池の一例（基本ユニットのみで圧密した場合）を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の第３形態による袋状セパレータを用いた電池の一例（基本ユニットを４個並列に装填）を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の第４形態による袋状セパレータを用いた電池の一例（基本ユニットを４個並列に装填、４層直列に積層）を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の第５形態による袋状セパレータを用いた電池の一例（基本ユニットのみ、厚型活物質）を示す模式図である。
【図７】本発明の実施の第６形態による袋状セパレータを用いた電池の一例（基本ユニットのみ、薄型厚型活物質混合タイプ）を示す模式図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ 正極活物質
１２、１２ａ 負極活物質
１４ イオン通過型集電体
１６ 袋状セパレータ
１８ 正極集電体
２０ 負極集電体
２１ ポリプロピレンバンド
２２ 基本ユニット
２４ 隔壁
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極活物質を袋状セパレータに充填したものと負極活物質を袋状セパレータに充填したものとを交互に重ねることで、容易に電池として組み立てることができる袋状セパレータを用いた電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特許第３０５１４０１号公報には、活物質を粉体又は粒子にして構成した、いわゆる三次元電池が開示されている。また、積層化された三次元電池についても既に特許出願がなされている（特願平１１−３０９６２７）。また、粒子状活物質を充填して固定層とした三次元電池についても、本出願人が特許出願している（特願２０００−３３２２８１、特願２０００−３３２５０３）。
【０００３】
一方、従来の構造の電池において、ニッケル水素二次電池の正極である水酸化ニッケルは電気伝導性がないので、電気伝導性のあるコバルト化合物で水酸化ニッケルの表面をコーティングした後、これを形状支持と電気伝導を目的として発泡ニッケルシートに塗り込み、アルカリ電解液中では発泡ニッケルシートと水酸化ニッケルの接着は不可能なので、外部からの物理的圧力により剥離を防止するようにしている。また、発泡ニッケルシートと水酸化ニッケルとの間の電気抵抗を下げるために、発泡ニッケルシートを薄くする必要があるので、水酸化ニッケルのペースト状のものを塗り込んだ１．１mm程度の発泡ニッケルシートを０．６mm程度に圧密している。また、イオン拡散をスムーズにするため、正極と負極はできるだけ近距離にする必要があるので、正極＋セパレータ＋負極の電池構造が２mm以下となるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来構造のニッケル水素二次電池において、上述の必要条件を満たした状態で大型化するためには、発泡ニッケルシートの厚みは同じとし、正極、負極の面積を大きくするしかなく、シート１枚当たりの面積を大きくするのも限度があるので、発泡ニッケルシートの枚数を増やして接続する方法をとっている。この場合、接続方法としては、導線（ニッケル板など）の溶接接続を行っているが、電気抵抗が増大するので、大型化した電池は性能が低下している。
【０００５】
また、従来の乾電池の構造では、薄く圧密した平面状活物質シートをセパレータを挟んで巻物状として電池セルに装填している。例えば、ニッケル水素二次電池では、電池セルに直接接触している最外面の平面状活物質（ニッケル水素電池の場合は負極である水素吸蔵合金を塗り込んだシート）は集電体（電池セルが負極集電体と共用）との接触面積が大きいが、正極活物質（水酸化ニッケル）を塗り込んだシートは、微小な導線（ニッケル板など）と溶接し、さらに外部端子に溶接している。ここで問題になるのは、溶接部分が２カ所あることと、活物質と外部端子を接続している導線（ニッケル板など）の断面積が小さいことである。
すなわち、溶接部分があることにより、電気抵抗の増大と製造コスト、製作時間の増大が発生する。また、活物質と外部端子を接続している導線（ニッケル板など）の断面積が小さいため、大電流を流したとき電気抵抗と発熱量の導大が避けられない。
【０００６】
また、従来の産業用電池の構造は、例えば、ニッケルカドミウム二次電池では、薄く圧密した平面状活物質シートを、正極＋セパレータ＋負極＋セパレータ＋正極＋…と積層していき、それぞれの平面状活物質シートに微小な導線（ニッケル板など）を溶接して、正極は正極同士、負極は負極同士一つにまとめて、外部端子に溶接している。ここで問題になるのは、複数の平面状活物質シートを溶接して接続しているので、電気抵抗の増大と製造コスト、製作時間の増大が発生することである。
【０００７】
単一型乾電池は良好な性能を持っているが、大容量の電池を必要とするとき、単一型電池を複数個並列／直列に接続すると、外部端子の接触抵抗のため電圧が降下して、性能が低下したものしか得られない。また、産業用電池のように初めから大型の電池とした場合、上述したように、溶接接続の箇所が多いという基本的な構造上の問題があるので、高性能な電池は得られない。
【０００８】
また、本出願人は、セパレータを蛇腹状にして、その折れ目に正極活物質と負極活物質を交互に重ねて製造する電池について特許出願しているが（特願２００１−２８４４９１）、長いセパレータを蛇腹状にして組み立てるのは作業性が悪く、連続的に低コストで電池を製作することができない。また、蛇腹状セパレータを使用した電池を解体するときは、正極活物質と負極活物質の分離が困難で、リサイクルに手間がかかる。
【０００９】
本発明は上記の諸点に鑑みなされたもので、本発明の目的は、正極活物質を袋状セパレータに充填したものと負極活物質を袋状セパレータに充填したものとを交互に重ねることで、容易に電池として組み立てることができ、かつ、作業性が良好で製造コストを低減でき、しかも、リサイクルが容易である袋状セパレータを用いた電池を提供することにある。
【００１０】
【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、本発明の袋状セパレータを用いた電池は、電池セルに対向して設けられた正極集電体と負極集電体の間に、正極活物質を少なくとも１辺が開口した袋状セパレータに充填したものと、負極活物質を少なくとも１辺が開口した袋状セパレータに充填したものとが、正極集電体側に正極活物質を充填した袋状セパレータの開口部が位置し、負極集電体側に負極活物質を充填した袋状セパレータの開口部が位置するように交互に重ね合わせて電解液とともに装填された構成である。
【００１１】
上記の構成において、正極活物質を袋状セパレータに充填したものと負極活物質を袋状セパレータに充填したものとを交互に重ねて構成した単位ユニットを、正極集電体と負極集電体の間に形成されるセルに並列に組み込むことで、高出力化を図ることができる。
また、正極活物質を袋状セパレータに充填したものと負極活物質を袋状セパレータに充填したものとを交互に重ねた上記の電池を、隔壁を介して直列に積層して、高電圧を得ることができる。
また、上記の単位ユニットを並列に組み込んだ電池を、隔壁を介して直列に積層して、高電圧を得ることができる。
【００１２】
また、上記の構成においては、正極活物質を袋状セパレータに充填したものと負極活物質を袋状セパレータに充填したものとを交互に重ねて構成した単位ユニットを、圧縮し圧密状態として電池セルに組み込むことができる。
この場合、単位ユニットを多孔性又は無孔性の絶縁体からなる帯状体、紐状体などで縛り圧密状態としたものを使用することができる。また、単位ユニットを融解性又は非融解性の絶縁体からなる帯状体、紐状体などで縛り圧密状態としたものを使用することができる。
【００１３】
また、上記の構成においては、正極活物質及び負極活物質の形態として、粉末状、粒状、板状、ブロック状、棒状、粉末もしくは粒子をペースト状にしたもの等が用いられる。なお、ペースト状にする場合は、粉末等を分散させる溶媒として、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等が使用可能である。また、一次粒子を板状、ブロック状、棒状、粒状、プリーツ形状等に二次成形したものが用いられる。また、これらの活物質の表面に、金属粉末をコーティングするか、金属メッキした粉末、フレークもしくは糸をコーティングするか、又は金属メッキを施して使用することができる。
【００１４】
また、上記の構成において、正極活物質及び／又は負極活物質の表面の任意の面をイオン通過型集電体で被覆することが好ましい。この場合、活物質の表面をイオン通過型集電体で被覆して一体成形したものを使用することができる。
イオン通過型集電体としては、例えば、発泡ニッケル金属、ニッケル金属網、ニッケルメッキしたパンチングメタル、エキスパンドメタル等の金属、ニッケルメッキしたウレタン等の発泡樹脂、ニッケルメッキしたポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、綿、カーボン繊維等の多孔質材料、シリカ、アルミナ等の無機繊維にニッケルメッキしたもの、有機繊維にニッケルメッキしたもの、フェルトにニッケルメッキしたもの、及び雲母など無機物の箔にニッケルメッキしたもの等が使用可能である。
【００１５】
本発明の電池用袋状セパレータは、活物質が充填できるように少なくとも１辺が開口した袋状となっていることを特徴としている。セパレータとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロンなどの織物や不織布又はメンブランフィルター等が使用可能である。
【００１６】
本発明の電池用袋状セパレータの製造方法は、平面状のセパレータを２つに折り、１辺を融着もしくは縫合して２辺が閉じた袋状とするか、又は２辺を融着もしくは縫合して３辺が閉じた袋状とすることを特徴としている。
また、本発明の電池用袋状セパレータの製造方法は、平面状のセパレータを２枚重ね、隣り合う２辺を融着もしくは縫合して２辺が閉じた袋状とするか、又は３辺を融着もしくは縫合して３辺が閉じた袋状とすることを特徴としている。
セパレータの閉じ方は、熱や超音波による融着、絶縁性の糸による縫合など、方法は問わない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能なものである。
図１は、本発明の実施の第１形態による袋状セパレータを用いた電池の一例を示している。本実施の形態は、基本ユニットのみで電池を構成した場合である。
活物質としては、電池反応を起こす活物質材料に導電性フィラーと樹脂を加えて硬化させたものが使用できる。電池反応を起こす活物質材料としては、電池の種類や正極、負極を問わず、全ての活物質材料を用いることが可能であるが、ニッケル水素二次電池の場合、一例として、水酸化ニッケル粉末２０００gとＥＶＡ樹脂２００gと導電性フィラー（カーボンブラックとカーボン繊維）３００gを混合した後、０．１MPaの圧力で加圧成形して、１００mm×３０mm×３mmＴのプレート状の正極活物質１０をつくることができる。同様に、ニッケル水素二次電池の場合、一例として、水素吸蔵合金粉末６０００gとＥＶＡ樹脂２００gと導電性フィラー（カーボンブラックとカーボン繊維）３００gを混合した後、０．１MPaの圧力で加圧成形して、１００mm×３０mm×２mmＴのプレート状の負極活物質１２をつくることができる。
【００１８】
正極活物質１０、負極活物質１２の表面はイオン通過型集電体１４で被覆する。例えば、プレート状の正極活物質１０、負極活物質１２の場合、１〜６面の任意の面をイオン通過型集電体１４で被覆することができる。なお、上述した活物質の成形工程において、活物質をイオン通過型集電体で覆って一体成形することも可能である。また、活物質を粉末状、ペースト状で使用する場合は、イオン通過型集電体を袋状等としたものに、活物質を充填すればよい。本実施の形態では、一例として、プレート状の正極活物質１０、負極活物質１２の４面をイオン通過型集電体１４（発泡ニッケルシート）で覆っている。
【００１９】
つぎに、イオン通過型集電体１４で被覆した正極活物質１０、負極活物質１２をそれぞれ袋状セパレータ１６に充填する。袋状セパレータ１６は、平面状のセパレータを２つに折り、１辺を融着もしくは縫合して２辺が閉じた袋状とするか、２辺を融着もしくは縫合して３辺が閉じた袋状とする方法でも製造できるし、平面状のセパレータを２枚重ねて、隣り合う２辺を融着もしくは縫合して２辺が閉じた袋状とするか、３辺を融着もしくは縫合して３辺が閉じた袋状とする方法でも製造でき、セパレータの閉じ方は、熱や超音波による融着、絶縁性の糸による縫合など、方法は問わない。本実施の形態では、一例として、平面状のセパレータを二つに折り、二方を熱融着させて三方が閉じた袋状セパレータ１６を製作している。なお、図１では、袋状セパレータ１６の形状を模式的に描いているが、実際は、上述したプレート状の活物質などが充填できる２辺ないし３辺が閉じた袋状となっている。
【００２０】
正極活物質１０を袋状セパレータ１６に充填したものと、負極活物質１２を袋状セパレータ１６に充填したものとを、交互に重ね合わせて電池セルに組み込む。具体的には、正極集電体１８側に正極活物質１０を充填した袋状セパレータ１６の開口部が位置し、負極集電体２０側に負極活物質１２を充填した袋状セパレータ１６の開口部が位置するように交互に重ね合わせて組み込む。さらに、電池セルに電解質（ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨ等）溶液を充填して電池が構成される。なお、正極集電体１８、負極集電体２０としては、ニッケル金属板、ニッケル金属箔、炭素、鉄やステンレスなどにニッケルメッキしたもの、炭素にニッケルメッキしたもの等が使用可能である。
本実施の形態は、基本ユニットだけを装填した場合であるが、基本ユニットに含まれる活物質の数は、図１に示す正極、負極活物質２組からなる構成に限定されず、正極、負極活物質１組の最小単位のものから任意の組数のものまで適宜選定して製作することが可能である。
また、袋状セパレータと集電体が接触する箇所が過度に圧密されショートする場合は、その箇所を熱や超音波などによりセパレータ自体を融着させる、あるいはセパレータ側に絶縁体の樹脂を塗る、あるいは活物質に絶縁体の樹脂を塗るなどによりショートを防止する。
【００２１】
なお、上述した導電性フィラーとしては、炭素繊維、炭素繊維にニッケルメッキしたもの、炭素粒子、炭素粒子にニッケルメッキしたもの、有機繊維にニッケルメッキしたもの、シリカ、アルミナ等の無機繊維にニッケルメッキしたもの、雲母など無機物の箔にニッケルメッキしたもの、繊維状ニッケル、ニッケル粒子、ニッケル箔を単独又は組み合わせて用いることができる。
また、活物質に加える樹脂としては、軟化温度１２０℃までの熱可塑性樹脂、硬化温度が常温から１２０℃までの樹脂、蒸発温度１２０℃以下の溶剤に溶解する樹脂、水に可溶な溶剤に溶解する樹脂、又はアルコールに可溶な溶剤に溶解する樹脂を用いることができる。例えば、活物質として水酸化ニッケルを使用する場合は、１３０℃以上でその活性を失うため、１３０℃未満で各種処理を行うことが必要である。また、活物質をアルカリ電解液中で使用するため耐アルカリ性が必要である。
熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン酢酸ビニルコーポリマー（ＥＶＡ）などが使用可能である。硬化温度が常温から１２０℃までの樹脂としては、反応硬化型樹脂（エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂など）、熱硬化型樹脂（フェノール樹脂など）などが使用可能である。蒸発温度が低い溶剤に溶解する樹脂としては、上記の熱可塑性樹脂が使用可能である。溶剤に可溶性の樹脂は、溶剤に溶解させて活物質材料に添加し、その溶剤を蒸発、抽出などで除去する方法で使用する。また、水に可溶で抽出可能な溶剤に溶解する樹脂としては、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）樹脂、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリアミド、ポリイミド等が使用できる。また、アルコールに可溶で抽出可能な溶剤に溶解する樹脂としては、酢酸セルロース、オキサイドフェニレンエーテル（ＰＰＯ）等が使用できる。
【００２２】
つぎに、本実施形態の電池について充電及び放電の詳細を説明する。
（充電）
電池に電圧をかけ、発電手段（図示せず）から負極集電体２０へ電子を供給する。電子は負極集電体２０より負極活物質１２に移動して反応する。反応によって発生したイオンはセパレータ１６を通過し、正極活物質１０と反応して電子を放出する。この電子は正極集電体１８に移動して発電手段に送られる。
（放電）
負荷から正極集電体１８へ電子が供給される。電子は正極集電体１８より正極活物質１０に移動し反応する。反応によって発生したイオンはセパレータ１６を通過し、負極活物質１２と反応して電子を放出する。この電子は負極集電体２０に移動して負荷に送られる。
【００２３】
正極活物質１０を袋状セパレータ１６に充填したものと負極活物質１２を袋状セパレータ１６に充填したものとを交互に重ねることで、容易に電池として組み立てることができる。また、セパレータ１６の厚みを任意に変更し、複数の種類のセパレータ１６を同一の電池に組み込むことが可能であり、電池設計が柔軟に行える。
また、電池を解体した場合、集電体１８、２０と正極活物質１０、負極活物質１２がすぐに分かれるので、再利用しやすい。
また、正極活物質１０と負極活物質１２の距離が近いので、電子の移動距離が短くなって高出力が得られ、かつ、イオンの拡散距離が短くなって良好なイオン拡散が得られる。同時に、過充電などにより活物質から気体が発生した場合には、気体がその反対極へ移動し消費されやすく、密閉化が容易である。
また、正極活物質１０、負極活物質１２それぞれを多孔性ニッケルなどのイオン通過型集電体１４で覆ったものを使用することで、活物質と集電体の距離が近くなって電子の移動距離が短くなると同時に、集電面積が多くなり、電気抵抗が小さい高性能な電池となる。
また、電池セル内にセパレータ１６とイオン通過型集電体１４が比較的多く存在するので、単位体積当たりの正極活物質１０、負極活物質１２の充填量が少なく、セル内に多くの電解液を確保することが可能であり、電解液が枯渇して固液反応（電池反応）が起こらなくなるドライアウト現象が発生しにくい。
【００２４】
図２、図３は、本発明の実施の第２形態による袋状セパレータを用いた電池の一例を示している。本実施の形態は、基本ユニットのみで電池を構成した場合であり、基本ユニットを圧密して電池セルに組み込んだものである。例えば、ニッケル水素二次電池の場合、一例として、水酸化ニッケル粉末２０００gとＥＶＡ樹脂２００gと導電性フィラー（カーボンブラックとカーボン繊維）３００gを混合した後、０．１MPaの圧力で加圧成形して、１００mm×３０mm×３mmＴのプレート状の正極活物質１０をつくる。同様に、一例として、水素吸蔵合金粉末６０００gとＥＶＡ樹脂２００gと導電性フィラー（カーボンブラックとカーボン繊維）３００gを混合した後、０．１MPaの圧力で加圧成形して、１００mm×３０mm×２mmＴのプレート状の負極活物質１２をつくる。実施の第１形態の場合と同様に、正極活物質１０、負極活物質１２の表面（一例として、４面）をイオン通過型集電体１４（一例として、発泡ニッケルシート）で被覆する。
【００２５】
つぎに、イオン通過型集電体１４で被覆した正極活物質１０、負極活物質１２をそれぞれ袋状セパレータ１６に充填する。袋状セパレータ１６としては、一例として、平面状のセパレータを二つに折り、二方を熱融着させて三方が閉じた袋状のものを使用することができる。
正極活物質１０を袋状セパレータ１６に充填したものと負極活物質１２を袋状セパレータ１６に充填したものとを交互に重ね合わせ、図２に示すように、ポリプロピレンバンド２１で強く縛って圧密し、ブロック状とする。基本ユニットは多孔性あるいは無孔性の絶縁体、又は融解性あるいは非融解性の絶縁体で縛り圧密状態とすることができるが、例えば、多孔性の絶縁体としては不織布、無孔性で非融解性の絶縁体としては上記のポリプロピレン、ポリエチレン、融解性の絶縁体としてはポリビニルアルコール等が使用可能である。なお、図２では、セパレータ、イオン通過型集電体の図示を省略している。
【００２６】
そして、ブロック状に圧密した基本ユニット２２を電池セルに組み込む。図３では、ポリプロピレンバンドの図示を省略している。なお、本実施の形態は、基本ユニットだけを装填した場合であるが、基本ユニットに含まれる活物質の数は、図３に示す正極、負極活物質２組からなる構成に限定されず、正極、負極活物質１組の最小単位のものから任意の組数のものまで適宜選定して製作することが可能である。
また、袋状セパレータと集電体が接触する箇所が過度に圧密されショートする場合は、その箇所を熱や超音波などによりセパレータ自体を融着させる、あるいはセパレータ側に絶縁体の樹脂を塗る、あるいは活物質に絶縁体の樹脂を塗るなどによりショートを防止する。
本実施の形態のように、基本ユニットを圧縮し、多孔性あるいは無孔性の絶縁体、又は融解性あるいは非融解性の絶縁体で縛り圧密状態としたものを使用すれば、さらなる作業性の向上が図れる。
他の構成及び作用等は、実施の第１形態の場合と同様である。
【００２７】
図４は、本発明の実施の第３形態による袋状セパレータを用いた電池の一例を示している。本実施の形態は、基本ユニットを複数個（図４では、一例として４個）並列に組み込んで電池を構成した場合である。基本ユニット２２として、実施の第１形態又は第２形態で説明したような単位ユニットを製作する。４セットの基本ユニット２２を並列に、電池セルにおける正極集電体１８と負極集電体２０の間に装填して電池を構成する。
【００２８】
図５は、本発明の実施の第４形態による袋状セパレータを用いた電池の一例を示している。本実施の形態は、基本ユニットを複数個（図５では、一例として４個）並列に組み込んだものを複数層（図５では、一例として４層）積層して電池を構成した場合である。基本ユニット２２として、実施の第１形態又は第２形態で説明したような単位ユニットを製作する。４セットの基本ユニット２２を並列に電池セルに装填し、これを隔壁２４を介して４層積層して電池を構成する。セルを直列に積層することで高電圧の電池となる。隔壁２４としては、ニッケル金属板、ニッケル金属箔、炭素、鉄やステンレスなどにニッケルメッキしたもの、炭素にニッケルメッキしたもの等が使用可能である。
【００２９】
上記の実施の第３、第４形態のように、電池セルに、正極活物質を袋状セパレータに充填したものと負極活物質を袋状セパレータに充填したものとを交互に重ねた基本ユニットを複数個装填することにより、容易に大型化が可能であり、かつ、電気抵抗を増大させる溶接箇所が無いので、大型化による性能低下が起こらない。また、作業性が向上し製造コストや製作時間を低減することができる。
【００３０】
図６は、本発明の実施の第５形態による袋状セパレータを用いた電池の一例を示している。本実施の形態は、基本ユニットのみで電池を構成した場合であり、実施の第１形態のときよりも活物質の厚みを増やして、体積エネルギー密度の大きな電池としたものである。例えば、ニッケル水素二次電池の場合、一例として、水酸化ニッケル粉末２０００gとＥＶＡ樹脂２００gと導電性フィラー（カーボンブラックとカーボン繊維）３００gを混合した後、０．１MPaの圧力で加圧成形して、１００mm×３０mm×１２mmＴのプレート状の正極活物質１０ａをつくる。
同様に、一例として、水素吸蔵合金粉末６０００gとＥＶＡ樹脂２００gと導電性フィラー（カーボンブラックとカーボン繊維）３００gを混合した後、０．１MPaの圧力で加圧成形して、１００mm×３０mm×８mmＴのプレート状の負極活物質１２ａをつくる。実施の第１形態の場合と同様に、正極活物質１０ａ、負極活物質１２ａの表面（一例として、４面）をイオン通過型集電体１４で被覆した後、袋状セパレータ１６に正極活物質１０ａ、負極活物質１２ａをそれぞれ充填し、正極活物質１０ａを袋状セパレータ１６に充填したものと負極活物質１２ａを袋状セパレータ１６に充填したものとを交互に重ね合わせて電池セルに組み込む。
【００３１】
上記のように、活物質の厚みを増やすことにより、相対的にセパレータ１６とイオン通過型集電体１４の割合が少なくなるので、電池の容積当りの出力は低下するが、体積エネルギー密度が大きな電池を得ることができる。一方、電池性能として高出力が必要な場合は、上述した実施形態において、活物質の厚みを減らすことにより、相対的にセパレータ１６とイオン通過型集電体１４の割合が多くなるので、体積エネルギー密度は低下するが、高出力の電池を得ることができる。このように、活物質の厚さ等を増減するだけで、任意に電池仕様を変更することができ、容易に所望の電池仕様を得ることができる。
他の構成及び作用等は、実施の第１形態の場合と同様である。
【００３２】
図７は、本発明の実施の第６形態による袋状セパレータを用いた電池の一例を示している。本実施の形態は、基本ユニットのみで電池を構成した場合であり、薄型活物質と厚型活物質を混合したタイプの電池である。例えば、ニッケル水素二次電池の場合、一例として、水酸化ニッケル粉末２０００gとＥＶＡ樹脂２００gと導電性フィラー（カーボンブラックとカーボン繊維）３００gを混合した後、０．１MPaの圧力で加圧成形して、１００mm×３０mm×３mmＴのプレート状の正極活物質１０と、１００mm×３０mm×１２mmＴのプレート状の正極活物質１０ａをつくる。同様に、一例として、水素吸蔵合金粉末６０００gとＥＶＡ樹脂２００gと導電性フィラー（カーボンブラックとカーボン繊維）３００gを混合した後、０．１MPaの圧力で加圧成形して、１００mm×３０mm×２mmＴのプレート状の負極活物質１２と、１００mm×３０mm×８mmＴのプレート状の負極活物質１２ａをつくる。実施の第１、第５形態の場合と同様に、正極活物質１０、１０ａ、負極活物質１２、１２ａの表面（一例として、４面）をイオン通過型集電体１４で被覆した後、袋状セパレータ１６に正極活物質１０、１０ａ、負極活物質１２、１２ａをそれぞれ充填する。そして、図７に示すように、正極活物質１０を袋状セパレータ１６に充填したもの、負極活物質１２を袋状セパレータ１６に充填したもの、正極活物質１０ａを袋状セパレータ１６に充填したもの、負極活物質１２ａを袋状セパレータ１６に充填したものを交互に重ね合わせて電池セルに組み込む。
他の構成及び作用等は、実施の第１、第５形態の場合と同様である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成されているので、つぎのような効果を奏する。
（１） 正極活物質を袋状セパレータに充填したものと負極活物質を袋状セパレータに充填したものとを交互に重ねることで、容易に電池として組み立てることができる。また、セパレータの厚みを任意に変更し、複数の種類のセパレータを同一の電池に組み込むことが可能であり、電池設計が柔軟に行える。
（２） 電池セルに、正極活物質を袋状セパレータに充填したものと負極活物質を袋状セパレータに充填したものとを交互に重ねた基本ユニットを複数個装填することにより、容易に大型化が可能であり、かつ、電気抵抗を増大させる溶接箇所が無いので、大型化による性能低下が起こらない。また、作業性が向上し製造コストや製作時間を低減することができる。
（３） 電池を解体した場合、集電体と正極活物質、負極活物質がすぐに分かれるので、再利用しやすい。
（４） 単位ユニットを圧縮し、多孔性あるいは無孔性の絶縁体、又は融解性あるいは非融解性の絶縁体で縛り圧密状態としたものを使用すれば、さらなる作業性の向上が図れる。
（５） 正極活物質と負極活物質の距離が近くなるので、電子の移動距離が短くなって高出力が得られ、かつ、イオンの拡散距離が短くなって良好なイオン拡散が得られる。また、過充電などにより活物質から気体が発生した場合は、気体がその反対極へ移動して消費されやすいので、密閉化が容易である。
（６） 正極活物質、負極活物質それぞれを多孔性ニッケルなどのイオン通過型集電体で覆ったものを使用することで、活物質と集電体の距離が近くなって電子の移動距離が短くなると同時に、集電面積が多くなり、電気抵抗が小さい高性能な電池となる。
（７） 電池セル内にセパレータとイオン通過型集電体が比較的多く存在するので、単位体積当たりの正極活物質、負極活物質の充填量が少なく、セル内に多くの電解液を確保することが可能であり、電解液が枯渇して固液反応（電池反応）が起こらなくなるドライアウト現象が発生しにくい。
（８） 電池性能として高出力が必要な場合は、活物質の厚みを減らすことにより、相対的にセパレータとイオン通過型集電体の割合が多くなり、体積エネルギー密度は低下するが、高出力の電池を得ることができる。
（９） 電池性能として高出力が不要な場合は、活物質の厚みを増やすことにより、相対的にセパレータとイオン通過型集電体の割合が小さくなり、体積エネルギー密度が大きな電池を得ることができる。
（１０） 活物質の厚さ等を増減するだけで、任意に電池仕様を変更することができ、容易に所望の電池仕様を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態による袋状セパレータを用いた電池の一例（基本ユニットのみ）を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の第２形態におけるブロック状に圧密した基本ユニットの一例を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の第２形態による袋状セパレータを用いた電池の一例（基本ユニットのみで圧密した場合）を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の第３形態による袋状セパレータを用いた電池の一例（基本ユニットを４個並列に装填）を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の第４形態による袋状セパレータを用いた電池の一例（基本ユニットを４個並列に装填、４層直列に積層）を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の第５形態による袋状セパレータを用いた電池の一例（基本ユニットのみ、厚型活物質）を示す模式図である。
【図７】本発明の実施の第６形態による袋状セパレータを用いた電池の一例（基本ユニットのみ、薄型厚型活物質混合タイプ）を示す模式図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ 正極活物質
１２、１２ａ 負極活物質
１４ イオン通過型集電体
１６ 袋状セパレータ
１８ 正極集電体
２０ 負極集電体
２１ ポリプロピレンバンド
２２ 基本ユニット
２４ 隔壁
Claims (9)
- 電池セルに対向して設けられた正極集電体と負極集電体の間に、正極活物質を少なくとも１辺が開口した袋状セパレータに充填したものと、負極活物質を少なくとも１辺が開口した袋状セパレータに充填したものとが、正極集電体側に正極活物質を充填した袋状セパレータの開口部が位置し、負極集電体側に負極活物質を充填した袋状セパレータの開口部が位置するように交互に重ね合わせて電解液とともに装填され、正極活物質及び／又は負極活物質の表面の任意の面がイオン通過型集電体で被覆されたことを特徴とする袋状セパレータを用いた電池。
- 正極活物質を袋状セパレータに充填したものと負極活物質を袋状セパレータに充填したものとを交互に重ねて構成した単位ユニットが、正極集電体と負極集電体の間に形成されるセルに並列に組み込まれた請求項１記載の袋状セパレータを用いた電池。
- 請求項１又は２記載の電池を隔壁を介して直列に積層したことを特徴とする袋状セパレータを用いた電池。
- 正極活物質を袋状セパレータに充填したものと負極活物質を袋状セパレータに充填したものとを交互に重ねて構成した単位ユニットを、圧縮し圧密状態として電池セルに組み込んだ請求項１、２又は３記載の袋状セパレータを用いた電池。
- 単位ユニットを多孔性又は無孔性の絶縁体からなる帯状体又は紐状体で縛り圧密状態とした請求項４記載の袋状セパレータを用いた電池。
- 単位ユニットを融解性又は非融解性の絶縁体からなる帯状体又は紐状体で縛り圧密状態とした請求項４記載の袋状セパレータを用いた電池。
- 正極活物質及び負極活物質の形態が、粉末状、粒状、板状、ブロック状、棒状もしくはペースト状、又は粒子を板状、ブロック状、棒状、粒状もしくはプリーツ形状に二次成形したものである請求項１〜６のいずれかに記載の袋状セパレータを用いた電池。
- 正極活物質及び／又は負極活物質の表面に、金属粉末をコーティングするか、金属メッキした粉末、フレークもしくは糸をコーティングするか、又は金属メッキを施した請求項７記載の袋状セパレータを用いた電池。
- イオン通過型集電体が、発泡ニッケル金属、ニッケル金属網、ニッケルメッキしたパンチングメタル、エキスパンドメタル等の金属、ニッケルメッキしたウレタン等の発泡樹脂、ニッケルメッキしたポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、綿、カーボン繊維等の多孔質材料、シリカ、アルミナ等の無機繊維にニッケルメッキしたもの、有機繊維にニッケルメッキしたもの、フェルトにニッケルメッキしたもの、及び雲母など無機物の箔にニッケルメッキしたものの少なくともいずれかである請求項８記載の袋状セパレータを用いた電池。
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