JP4025929B2 - 電池用電極 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、発泡状金属や不織布状金属等の三次元金属多孔体に活物質を担持させた電池用電極の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電池用電極には、活物質充填密度を向上させて電池容量の増大を図るために、発泡状金属や不織布状金属等の三次元金属多孔体を用いる場合がある。例えばニッケル水素二次電池の正極には、発泡ニッケル(発泡状金属)やニッケル繊維フェルト(不織布状金属)等が用いられる。発泡ニッケルは、カーボンを含有させて導電性を持たせたウレタンフォームにニッケルメッキを行った後に、これを焼成してウレタンやカーボンの成分を飛ばし発泡状の金属ニッケルのみを残したもの等であり、多数のニッケルの骨格が互いに三次元的にネットワーク状(網状)に結合した多孔度の極めて大きい三次元金属多孔体を構成する。また、ニッケル繊維フェルトは、びびり振動等によって製造したニッケルの細い繊維をフェルト状(不織布状)に焼き固めたもの等であり、この場合にも多数のニッケルの繊維片が互いに三次元的にネットワーク状に結合した多孔度の極めて大きい三次元金属多孔体を構成する。従って、これらの三次元金属多孔体に、例えば活物質である水酸化ニッケルの粉末(不溶性)を水等の分散媒に分散して塗布し乾燥させれば、ネットワーク状に結合した多数の骨格や繊維の隙間に大量の活物質を確実に担持させて活物質充填密度を向上させることができるので、電池容量が大幅に増大する。
【0003】
上記三次元金属多孔体を電極に用いた電池の一例として、巻回型のニッケル水素二次電池について説明する。このニッケル水素二次電池は、図6に示すように、電池缶1内に発電素子2を収納し電解液を充填して、絶縁体を介した電池蓋3により内部を密閉したものである。発電素子2は、図7に示すように、帯状の正極4と負極5を帯状のセパレータ6を介して巻回することにより構成される。また、これらの正極4と負極5は、セパレータ6に対してそれぞれ少しずつ上下にずらした状態で巻回することにより、発電素子2の上端側に正極4の上縁部のみを突出させ、下端側には負極5の下縁部のみを突出させるようにしている。そして、図6に示したように、この発電素子2の上端側に突出した正極4の上縁部には上部集電板7が溶接接続され、下端側に突出した負極5の下縁部には下部集電板8が溶接接続される。これらの集電板7,8は、それぞれリード片等を介して電池蓋3の裏面と電池缶1の内側底面に接続され、これによって電池蓋3の中央の突起が正極端子となり、電池缶1の底面が負極端子となる。なお、この電池蓋3には、ガス抜きのためのゴム弁体3aが取り付けられる。
【0004】
上記正極4は、図8に示すように、帯状のパンチングメタル9の表面に接合された帯状の三次元金属多孔体であるニッケル繊維フェルト10に、水酸化ニッケルを主体とした正極活物質を担持させたものである。パンチングメタル9は、図9に示すように、ニッケルの薄板にプレス加工により多数の開口孔9aを穿設したものである。ただし、ニッケル繊維フェルト10は、少なくともこのパンチングメタル9における上部集電板7に溶接する側の辺縁部9bを除いた面にのみ接合される。このように、パンチングメタル9の辺縁部9bにニッケル繊維フェルト10を接合しないようにすると、このニッケル繊維フェルト10に担持された正極活物質が上部集電板7との溶接を阻害するおそれがなくなるので、パンチングメタル9と上部集電板7との溶接を確実なものにすることができる。
【0005】
正極4は、この正極4の幅を有する帯状のパンチングメタル9を用いて1枚ずつ製造することもできるが、図10に示すように、幅広のパンチングメタル9に幅広のニッケル繊維フェルト10を接合して正極活物質を担持させた後に切断することにより、複数枚の正極4を並行して製造することもできる。ただし、この場合には、図11に示すように、接合した幅広のニッケル繊維フェルト10の切断部Aをある程度の幅でプレスしてプレス部分10aを形成し、この後に正極活物質を担持させて切断する。ニッケル繊維フェルト10のプレス部分10aは、多数の繊維片が押し潰されてニッケル板状となり、正極活物質がほとんど担持されない。従って、この場合には、パンチングメタル9を切断して形成された辺縁部9bの端までニッケル繊維フェルト10が接合されることになるが、この辺縁部9bのニッケル繊維フェルト10はプレス部分10aとなり正極活物質が担持されないので、上部集電板7との溶接が阻害されるようなことがなくなる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図8に示したように、正極4のパンチングメタル9における辺縁部9bに開口孔9aが設けられていると、この開口孔9aによる切り欠き部分でパンチングメタル9が上部集電板7に接触できないので、溶接による接続が部分的にしか行われないことになる。そして、この開口孔9aによる切り欠き部分が辺縁部9bに占める割り合いが大きくなると、パンチングメタル9と上部集電板7との溶接による接続面積が減少し、これに応じて集電効率が低下して電池の内部抵抗も大きくなる。このため、従来は、正極4のパンチングメタル9の辺縁部9bに設けられた開口孔9aによって電池性能にバラツキが生じ、平均的な電池性能も低下するという問題があった。
【0007】
また、図11に示したように、幅広のパンチングメタル9を幅広のニッケル繊維フェルト10のプレス部分10aで切断することにより複数枚の正極4を並行して製造する場合にも、図10に示すパンチングメタル9の切断部Aが開口孔9aに掛かることにより、辺縁部9bに開口孔9aが形成されることになる。そして、この切断後の辺縁部9bを上部集電板7に溶接すると、パンチングメタル9と上部集電板7との溶接による接続面積が減少し、これに応じて集電効率が低下して電池の内部抵抗も大きくなるので、電池性能にバラツキが生じ平均的な電池性能も低下するという問題が生じる。
【0008】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、電極の導電性薄板の辺縁部に開口孔を形成しないようにすることにより、集電板との十分な接続を可能にし電池性能を向上させることができる電池用電極を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
【0010】
【0011】
請求項1の電池用電極は、少なくとも一方の辺縁部を除いた板面に多数の開口孔が穿設された導電性薄板と、この導電性薄板の表面及び/又は裏面における一方の辺縁部を含む面に接合されると共に、この一方の辺縁部への接合部分がプレスされたシート状の三次元金属多孔体とからなる接合体に活物質を担持させ、前記シート状の三次元金属多孔体のプレス部分と接合された前記導電性薄板には開口孔がないことを特徴とする。
【0012】
請求項1の発明によれば、導電性薄板に三次元金属多孔体を接合して一部をプレスし、活物質を担持させた後にプレス部分を切断して製造した電極の場合にも、この切断による導電性薄板の辺縁部に開口孔が穿設されないので、この辺縁部全体を集電板に接続することができるようになり、集電効率を高めて電池の内部抵抗を小さくすることができる。
【0013】
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【0015】
図1〜図4は本発明の一実施形態を示すものであって、図1は正極の構造を示す分解斜視図、図2は正極の斜視図、図3は負極の斜視図、図4は複数の正極を製造する場合の製造工程の途中の状態を示す分解斜視図である。なお、図6〜図11に示した従来例と同様の機能を有する構成部材には同じ番号を付記する。
【0016】
本実施形態は、図6に示したものと同様の構成のニッケル水素二次電池の巻回型の発電素子2に用いられる正極4について説明する。この正極4は、図2に示すように、帯状のパンチングメタル9の表面に帯状のニッケル繊維フェルト10を接合し、このニッケル繊維フェルト10に水酸化ニッケルを主体とした正極活物質を担持させたものである。パンチングメタル9は、図1に示すように、ニッケルの薄板にプレス加工により多数の開口孔9aを穿設したものである。ただし、パンチングメタル9の長手方向に沿った一方の辺縁部9bには、この開口孔9aが形成されないので、端部に切り欠きが生じることがない。この辺縁部9bは、図6に示した正極4の上端側となり、上部集電板7が溶接されることになる。なお、図1では、帯状のパンチングメタル9の全ての辺の周縁部に開口孔9aを形成しないようにしているが、少なくとも上部集電板7が溶接される辺縁部9bに開口孔9aが形成されないようにすれば足りる。
【0017】
上記正極4の製造方法を説明する。まず図1に示したような帯状のパンチングメタル9の表面に帯状のニッケル繊維フェルト10を張り合わせて軽く圧接させておき、850〜1000°C程度に加熱することによりこのニッケル繊維フェルト10をパンチングメタル9の表面に焼結させる。この焼結により、ニッケル繊維フェルト10は、接触面で極めて多数の繊維片がニッケルの表面拡散や部分的な溶融によりパンチングメタル9の表面や開口孔9aの開口縁等に付着して接合される。この際、ニッケル繊維フェルト10は、パンチングメタル9の幅よりもわずかに狭いものを用いることにより、図2に示したように、このパンチングメタル9の少なくとも辺縁部9bにある程度の隙間を開けて接合される。このようにしてニッケル繊維フェルト10がパンチングメタル9の表面に焼結接合されると、次に、このニッケル繊維フェルト10に、水酸化ニッケルを主体とする粉末に水を加えてペースト状としたものを塗布し乾燥させることにより正極活物質を担持させる。この正極活物質は、ニッケル繊維フェルト10の多数の繊維片の隙間に入り込むことにより、大量に付着して担持される。ただし、この場合、正極活物質は、ニッケル薄板であるパンチングメタル9にはほとんど担持されないので、ニッケル繊維フェルト10が焼結されない辺縁部9bにも付着しない。従って、上記のようにこのパンチングメタル9の辺縁部9bに上部集電板7が溶接される場合に、正極活物質がこの溶接を阻害するようなことがない。
【0018】
なお、パンチングメタル9とニッケル繊維フェルト10の接合は、必ずしも上記のような焼結によるものには限定されない。
【0019】
上記構成の正極4は、パンチングメタル9の辺縁部9bを上向きにして、図7に示したように、負極5と共にセパレータ6を介して巻回することにより発電素子2を構成する。また、この正極4は、セパレータ6に対して負極5とは逆の上方にずらして巻回するので、発電素子2の上端側に突出した正極4の辺縁部9bに図6に示した上部集電板7が溶接される。この際、パンチングメタル9の辺縁部9bには開口孔9aが形成されないので、この辺縁部9bの全体が上部集電板7に溶接接続される。従って、辺縁部9bに開口孔9aが形成されて切り欠き部が生じる場合と異なり、パンチングメタル9と上部集電板7とが常に最大の接続面積で接続されるので、正極4から上部集電板7を介した正極端子(電池蓋3)への集電効率を高めて電池の内部抵抗を小さくすることができる。
【0020】
この結果、本実施形態の正極4を発電素子2に用いたニッケル水素二次電池は、パンチングメタル9と上部集電板7との間の集電効率を高めて内部抵抗を小さくできるので、電池性能をコンスタントに高めることができるようになる。
【0021】
なお、上記負極5は、図3に示すように、パンチングメタル11の表裏両面に水素吸蔵合金の粉末とバインダーを混練してペースト状とした負極活物質12を塗布し乾燥させることにより製造される。この際、負極活物質12も、パンチングメタル11の長手方向に沿った一方の辺縁部11bには付着しないようにする。従って、このパンチングメタル11の辺縁部11bを負極5の下端側にすれば、図6に示した下部集電板8の溶接が容易となる。また、この負極5のパンチングメタル11の辺縁部11bにも、開口孔を形成しないようにして、下部集電板8による集電効率を高めることが好ましい。
【0022】
上記正極4は、ロールから帯状のパンチングメタル9とニッケル繊維フェルト10を順次供給するライン加工により、連続的にニッケル繊維フェルト10の接合と正極活物質の担持を行い、適宜の長さごとに切断することにより製造することもできる。また、この際、幅広のパンチングメタル9と幅広のニッケル繊維フェルト10を供給して複数枚の正極4を並行して製造することもできる。即ち、図4に示すように、幅広のパンチングメタル9に幅広のニッケル繊維フェルト10を焼結等により接合させた後に、ニッケル繊維フェルト10の一部を長手方向に沿ってプレスしてプレス部分10aを形成し(図4では既にプレス部分10aを形成したニッケル繊維フェルト10を示す)、このニッケル繊維フェルト10に正極活物質を担持させてから、プレス部分10aに沿って1点鎖線で示す切断部Aを切断すれば、複数枚の正極4を並行して効率よく製造できる。ただし、ここで用いるパンチングメタル9は、切断部Aの付近に開口孔9aを形成しないようにする。従って、プレス部分10aが切断部Aによって切断されることによりパンチングメタル9の辺縁部9bとなる部分には開口孔9aが形成されないので、この辺縁部9bに図6に示した上部集電板7を溶接した場合にも、この上部集電板7の集電効率を高めて電池の内部抵抗を小さくすることができる。
【0023】
なお、本発明は、上記実施形態における正極4以外の構成は特に限定しない。即ち、負極5の構成や、これら正極4と負極5を集電板7,8を介して電池蓋3の正極端子と電池缶1の負極端子に接続する構成も、本実施形態のものに限定されず任意である。
【0024】
また、上記実施形態では、正極4のパンチングメタル9の表面にのみニッケル繊維フェルト10を接合させたが、このパンチングメタル9の表裏両面にそれぞれニッケル繊維フェルト10を接合させることもできる。この場合、パンチングメタル9の裏面側でも電解液がニッケル繊維フェルト10に担持された正極活物質に容易に接触できるようになる。しかも、表裏のニッケル繊維フェルト10の繊維片がパンチングメタル9の開口孔9aを介して互いに絡み合うので、これらのニッケル繊維フェルト10の接合強度を高めることができる。
【0025】
さらに、上記実施形態では、ニッケル水素二次電池の正極4について説明したが、本発明は、三次元金属多孔体を用いる電極であればいずれにも同様に実施可能であり、電池の種類も問わない。
【0026】
さらに、上記実施形態では、三次元金属多孔体としてニッケル繊維フェルト10を用いたが、三次元的に多孔性の導電体であればこれに限らず、例えば発泡ニッケル等を用いることもできる。しかも、この三次元金属多孔体の導電体の種類も、ニッケルに限らず、電池や電極の種類に応じて任意に選択することができる。
【0027】
さらに、上記実施形態では、導電性薄板としてニッケルの薄板によるパンチングメタル9を用いたが、任意形状及び任意の大きさの多数の開口孔を備えた導電性の薄板であればどのようなものを用いることもできる。ただし、薄板に用いる導電材は、電池や電極の種類に応じて選択する。
【0028】
さらに、上記実施形態では、円筒型電池に用いる巻回型の発電素子2を示したが、楕円型電池に用いる楕円形に巻回した発電素子2や角柱型電池に用いる積層型の発電素子2等にも同様に実施することができる。積層型とする場合、パンチングメタル9やニッケル繊維フェルト10は、帯状(長尺なシート状)ではなく平板状(短いシート状)のものを用いる。
【0029】
【実施例】
図2に示した辺縁部9bに開口孔9aが形成されない正極4を用いた実施例のニッケル水素二次電池と、図8に示した辺縁部9bに開口孔9aが形成された正極4を用いた比較例のニッケル水素二次電池とを10個ずつ作製し、それぞれの電池について放電率を変えて放電中間電圧を測定した結果を図5に示す。図5は、実施例及び比較例の電池の試験結果がそれぞれの範囲内にあったことを示しており、この結果から実施例の電池は、放電率が高くなっても、比較例の電池より放電中間電圧が高くバラツキも小さいことが認められた。即ち、一般に電池の放電率が高くなると、電池の内部抵抗による電圧降下が大きくなるので、放電中間電圧は低下する。ただし、実施例の電池は、放電率が高くなっても比較的放電中間電圧の低下の割合が少なく、コンスタントに高い電池性能を得ることができた。しかし、比較例の電池では、正極4のパンチングメタル9における辺縁部9bの開口孔9aが上部集電板7の集電効率を悪くして内部抵抗を大きくするので、放電率が高くなったときの放電中間電圧が大きく低下して電池性能が悪化する。しかも、電池ごとに辺縁部9bの開口孔9aによる切り欠き部分の大きさが異なるので、この電池性能のバラツキも大きくなる。
【0030】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の電池の電極によれば、導電性薄板の辺縁部全体を集電板に接続することができるので、集電効率を高めて内部抵抗を小さくし、電池性能をコンスタントに高めることができるようになる。
【0031】
また、導電性薄板に三次元金属多孔体を接合して一部をプレスし、活物質を担持させた後にプレス部分を切断することにより電極を製造する場合にも、この切断による導電性薄板の辺縁部全体を集電板に接続することができるので、集電効率を高めて内部抵抗を小さくし、電池性能をコンスタントに高めることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態を示すものであって、正極の構造を示す分解斜視図である。
【図2】 本発明の一実施形態を示すものであって、正極の斜視図である。
【図3】 本発明の一実施形態を示すものであって、負極の斜視図である。
【図4】 本発明の一実施形態を示すものであって、複数の正極を製造する場合の製造工程の途中の状態を示す分解斜視図である。
【図5】 実施例と比較例の放電率と放電中間電圧の関係を示す図である。
【図6】 ニッケル水素二次電池の構造を示す縦断面図である。
【図7】 発電素子の構造を説明する斜視図である。
【図8】 従来例を示すものであって、正極の斜視図である。
【図9】 従来例を示すものであって、正極の構造を示す分解斜視図である。
【図10】 従来例を示すものであって、複数の正極を製造する場合の製造工程の第1段階の状態を示す分解斜視図である。
【図11】 従来例を示すものであって、複数の正極を製造する場合の製造工程の第2段階の状態を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
9 パンチングメタル
9b 辺縁部
9a 開口孔
10 ニッケル繊維フェルト
10a プレス部分
Claims (1)
- 少なくとも一方の辺縁部を除いた板面に多数の開口孔が穿設された導電性薄板と、この導電性薄板の表面及び/又は裏面における一方の辺縁部を含む面に接合されると共に、この一方の辺縁部への接合部分がプレスされたシート状の三次元金属多孔体とからなる接合体に活物質を担持させ、前記シート状の三次元金属多孔体のプレス部分と接合された前記導電性薄板には開口孔がないことを特徴とする電池用電極。
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---|---|---|---|
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US08/954,824 US6025095A (en) | 1996-10-21 | 1997-10-21 | Battery electrode and manufacturing method thereof |
EP97118275A EP0840387B1 (en) | 1996-10-21 | 1997-10-21 | Method for manufacturing a battery electrode |
DE69719911T DE69719911T2 (de) | 1996-10-21 | 1997-10-21 | Verfahren zur Herstellung einer Batterieelektrode |
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