JP4251688B2 - アルカリ蓄電池用電極及びアルカリ蓄電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動工具や電気自動車等の大電流放電を必要とする用途に適したアルカリ蓄電池用電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルカリ蓄電池に使用される電極としてはパンチングメタル等の芯体にニッケル粉末を焼結して形成した多孔性基板に含浸により活物質、例えば水酸化ニッケルよりなる活物質を含浸充填させる、いわゆる焼結式ニッケル電極と、三次元ニッケル多孔体からなる基体に正極活物質である水酸化ニッケル粉末を直接充填した、いわゆる非焼結式ニッケル電極がある。
【０００３】
前者の焼結式ニッケル電極は、高率放電特性に優れる特徴を有する反面、エネルギー密度が低い、活物質の充填工程を何度も繰り返す必要があり、生産工程が煩雑等の問題点を有していた。
【０００４】
一方、後者の非焼結式ニッケル電極は、焼結式基体に比べて基体の多孔度が高い発泡ニッケル等の３次元金属多孔体を使用しているため、エネルギー密度が高く、活物質充填工程も水酸化ニッケル粉末を直接充填するために生産工程が簡素化できる利点がある反面、導電性を担う基体の密度が低いために高率放電特性に劣るという欠点を有していた。
【０００５】
特に、電池の大型化に伴い極板面積が広くなっていくと、極板端部に配置する正極端子に接続するための集電体との距離が遠い部分の活物質との間での分極が大きくなり、電池電圧が低下する。 更に、電気自動車等に使用される大型電池では、大電流放電が要求されるために、前記のような極板内の分極が顕著になり、電池としての電圧低下が著しいという問題点を有していた。
【０００６】
その結果、一定電圧で放電を終了させてしまうような制御を行った場合、十分に放電しきる前に放電終止電圧に達し、放電を終了してしまういわゆる早切れになる場合が多くなる。また、定電力で放電する場合などでは、電圧が低くなる分、電流値を大きく取るようになり、電流値が大きくなるとさらに電池電圧が低下するというような悪循環に陥る。
【０００７】
また、極板内での分極が大きいということは集電部に近い部分の極板の活物質は遠い部分の極板の活物質に比較して深い放電を受けることになり、局地的に劣化が進行していく。
【０００８】
例えば電気自動車等の大型の動力源として使用する場合、数百Ａ程度の大電流が流れることになる。そういった場合、電池の放電終了の目安となる放電深度80%時点で数百Ａ程度の電流を流せることが必要である。
【０００９】
一般に電池の放電終了制御はニッケル水素蓄電池やニッケルカドミウム蓄電池の場合、各々のセルが１Ｖ以下に達した時点で放電終了となる。それ以下になると、過放電に陥るおそれがあるからである。
【００１０】
以上のことから、動力用に使用される大型電池は放電深度８０％の時点で数百Ａの大電流を通電しても１Ｖ以上の電池電圧を有することが望ましいこととなる。
【００１１】
従来、非焼結式ニッケル正極板中の３次元ニッケル多孔体の占める密度は特開昭61-133563号公報にあるような0.6〜1.2g/cc程度の密度のものが利用されていた。
【００１２】
しかしながら、このような正極板では数百Ａ程度の電流を通電した場合、放電深度が0〜80%にわたって、１Ｖ以上の電池電圧を保つことができず、容量を残して早切れの状態となった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、大電流で放電した時であっても、放電容量及び作動電圧が高く、容量を残して早切れの状態となりにくいアルカリ蓄電池用電極及びその電極を備えたアルカリ蓄電池を提供しようとすることを本発明の課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のアルカリ蓄電池用電極は、３次元ニッケル多孔体から成る基体に活物質を充填した電極であって、前記電極中における３次元ニッケル多孔体の密度が1.25〜1.75g/ccであって、３次元ニッケル多孔体の単位距離内における空孔の数が45〜55ケ／inchであることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明のアルカリ蓄電池用電極は、３次元ニッケル多孔体から成る基体に活物質を充填したアルカリ蓄電池用電極であって、前記電極中における３次元ニッケル多孔体の密度が1.40〜1.60g/ccであって、３次元ニッケル多孔体の単位距離内における空孔の数が45〜60ケ／inchであることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
[実験１]
厚み1.5mmで単位面積あたりの重量を示す目付が1200g/m2で空孔密度が50ケ／inchの３次元ニッケル多孔体に水酸化ニッケル活物質を充填し、乾燥後、圧延を行って厚さ0.63mm、３次元ニッケル多孔体密度1.90g/ccの正極板aを作製した。同様に厚み1.5mmで単位面積あたりの重量を示す目付が1100g/m2, 900g/m2, 800g/m2, 700g/m2, 600g/m2の各３次元ニッケル多孔体に水酸化ニッケル活物質を充填し、乾燥後、圧延を行って厚さ0.63mm,３次元ニッケル多孔体密度が、1.75g/cc, 1.43g/cc, 1.26g/cc,1.11g/cc, 0.91g/ccである各正極板b,c,d,e,fを作製した。
【００１７】
前記のように作製した正極板a〜fを100×120mmの大きさに切断し、集電タブを抵抗溶接にて溶接したもの２０枚と同サイズのパンチングメタルからなる集電体に水素吸蔵合金を塗布して制作した水素吸蔵合金負極２１枚とをポリオレフィン不織布を介して積層し、プラスチックケースに挿入後、31重量％の水酸化カリウム電解液を150g注液した後、封口して、公称容量85Ahの角形ニッケル水素蓄電池Ａ〜Ｆを試作した。
【００１８】
この時、電池Ａの重量は1.63kg、電池Ｂの重量は1.57kg、電池Ｃの重量は1.53kg、電池Ｄの重量は1.52kg、電池Ｅの重量は1.51kg、電池Ｆの重量は1.49kgであった。
【００１９】
前記のように作製した角形ニッケル水素蓄電池各々を、8.5Aで16時間充電し、1時間の休止後、28.3Aで電池電圧が0.8Vになるまで放電するというサイクルを10サイクル繰り返すことにより活性化処理を行った。
【００２０】
次に、活性化処理を終了した電池を25℃雰囲気下で8.5Aで12時間充電し、1時間の休止後、放電深度0%から90%までの間で10%毎に30秒間255Aで放電したときの10秒目の電池電圧を測定した。
【００２１】
その結果を図１に示す。
【００２２】
図１から明らかなように、３次元ニッケル多孔体密度が0.91g/ccである正極板fを備えた電池Ｆは放電深度約65%、1.11g/ccである正極板eを使用した電池は放電深度約75%程度で電池電圧が１Ｖを割っている。これは、これらの電池は公称容量は85Ahを有するが、実用上はその65%や75%程度までしか使用できないことを意味し、いわゆる電池の早切れ状態となる。
【００２３】
一方、３次元ニッケル多孔体密度が1.25g/cc以上である正極板を備えた電池Ａ〜Ｄは放電深度80%であっても、電池電圧が1.0V以上維持していることがわかる。
【００２４】
従って、公称容量の80%以上の容量を大電流放電した際に確保するためには、３次元ニッケル多孔体密度を1.25g/cc以上にすることが必要である。
【００２５】
[実験２]
前記実験１と同様の実験条件で、即ち、各電池の放電深度80%時において、255Aで３０秒間放電したときの１０秒後の電池電圧と、その電池電圧に電流値255Aをかけたものを電池重量で割った出力エネルギー密度をプロットしたものを図２に示す。
【００２６】
この図２から明らかなように、ニッケル多孔体密度を上げていくと、電圧が上がっていく反面、ある程度以上を超えると、同じ放電容量を維持するためには電池重量が大きくなっていき、電池の出力エネルギー密度は低下していく。また、活物質の充填も困難になり、ニッケル多孔体密度が1.8g/ccを越えるあたりから製造工程での極板のひび割れや剥離などの不良が発生してくる。
【００２７】
以上のことから、ニッケル多孔体密度が1.75g/cc以下であることが好ましい。
【００２８】
[実験３]
この実験では、３次元ニッケル多孔体の単位距離内における空孔の数と極板中の３次元多孔体の密度を種々変化させた極板を作製し、その極板を所定値に圧延したときにおける極板のひび割れと剥離及び活物質利用率を測定した。その結果を図３に示す。
【００２９】
この図３より明らかなように、３次元ニッケル多孔体密度が約1.8g/cc以下で、空孔のきめの細かさを示す値である単位距離内における空孔の数が55ケ／inch程度以下である発泡ニッケルを備えた極板がひび割れ、剥離、容量低下などの製造不良等の問題を起こさないことがわかる。また、活物質利用率の観点から、即ち、活物質利用率を70%以上にするためには単位距離内における空孔の数が45ケ／inch以上であることが好ましい。
【００３０】
尚、前記実験２における図２より、出力エネルギー密度の最も好ましいニッケル多孔体密度の範囲は、1.4g/cc〜1.6g/ccであり、この範囲で、極板のひび割れ、剥離、容量低下などの製造不良を起こさないためには、実験３における図３より、３次元ニッケル多孔体の単位距離内における空孔の数が45〜60ケ／inchであることが必要である。
【００３１】
【発明の効果】
３次元ニッケル多孔体から成る基体に活物質を充填した電極であって、電極中における３次元ニッケル多孔体の密度を1.25〜1.75g/ccにすることで、電極内の電流経路が拡大され、分極を抑制することができ、電池の作動電圧を上げることができる。
【００３２】
その結果、数百Ａの大電流放電時においても電池電圧が１Ｖ以下の電圧まで低下して、実際の放電容量を残して放電を終了してしまう早切れになることを抑制することができる。
【００３３】
また、単位距離内における空孔の数が45〜55ケ/inchとすることにより、電極中における３次元ニッケル多孔体の密度が1.25〜1.75g/ccの範囲内において、放電容量を低下させずに、製造時の極板のひび割れや剥離等の発生を抑制することができ、その工業的価値は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】３次元ニッケル多孔体密度を種々変化させて作製した電極を備えた電池について、放電深度10%毎に255Aで30秒間放電したときの10秒後の電池電圧をプロットしたものである。
【図２】３次元ニッケル多孔体密度を種々変化させて作製した各電池について、各電池の放電深度80%時における電池電圧と、出力エネルギー密度の関係を示す図である。
【図３】３次元ニッケル多孔体の極板密度と単位距離内における空孔の数（多孔度）を種々変化させて作製した電極の良品領域及び不良品領域の範囲を示した図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動工具や電気自動車等の大電流放電を必要とする用途に適したアルカリ蓄電池用電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルカリ蓄電池に使用される電極としてはパンチングメタル等の芯体にニッケル粉末を焼結して形成した多孔性基板に含浸により活物質、例えば水酸化ニッケルよりなる活物質を含浸充填させる、いわゆる焼結式ニッケル電極と、三次元ニッケル多孔体からなる基体に正極活物質である水酸化ニッケル粉末を直接充填した、いわゆる非焼結式ニッケル電極がある。
【０００３】
前者の焼結式ニッケル電極は、高率放電特性に優れる特徴を有する反面、エネルギー密度が低い、活物質の充填工程を何度も繰り返す必要があり、生産工程が煩雑等の問題点を有していた。
【０００４】
一方、後者の非焼結式ニッケル電極は、焼結式基体に比べて基体の多孔度が高い発泡ニッケル等の３次元金属多孔体を使用しているため、エネルギー密度が高く、活物質充填工程も水酸化ニッケル粉末を直接充填するために生産工程が簡素化できる利点がある反面、導電性を担う基体の密度が低いために高率放電特性に劣るという欠点を有していた。
【０００５】
特に、電池の大型化に伴い極板面積が広くなっていくと、極板端部に配置する正極端子に接続するための集電体との距離が遠い部分の活物質との間での分極が大きくなり、電池電圧が低下する。 更に、電気自動車等に使用される大型電池では、大電流放電が要求されるために、前記のような極板内の分極が顕著になり、電池としての電圧低下が著しいという問題点を有していた。
【０００６】
その結果、一定電圧で放電を終了させてしまうような制御を行った場合、十分に放電しきる前に放電終止電圧に達し、放電を終了してしまういわゆる早切れになる場合が多くなる。また、定電力で放電する場合などでは、電圧が低くなる分、電流値を大きく取るようになり、電流値が大きくなるとさらに電池電圧が低下するというような悪循環に陥る。
【０００７】
また、極板内での分極が大きいということは集電部に近い部分の極板の活物質は遠い部分の極板の活物質に比較して深い放電を受けることになり、局地的に劣化が進行していく。
【０００８】
例えば電気自動車等の大型の動力源として使用する場合、数百Ａ程度の大電流が流れることになる。そういった場合、電池の放電終了の目安となる放電深度80%時点で数百Ａ程度の電流を流せることが必要である。
【０００９】
一般に電池の放電終了制御はニッケル水素蓄電池やニッケルカドミウム蓄電池の場合、各々のセルが１Ｖ以下に達した時点で放電終了となる。それ以下になると、過放電に陥るおそれがあるからである。
【００１０】
以上のことから、動力用に使用される大型電池は放電深度８０％の時点で数百Ａの大電流を通電しても１Ｖ以上の電池電圧を有することが望ましいこととなる。
【００１１】
従来、非焼結式ニッケル正極板中の３次元ニッケル多孔体の占める密度は特開昭61-133563号公報にあるような0.6〜1.2g/cc程度の密度のものが利用されていた。
【００１２】
しかしながら、このような正極板では数百Ａ程度の電流を通電した場合、放電深度が0〜80%にわたって、１Ｖ以上の電池電圧を保つことができず、容量を残して早切れの状態となった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、大電流で放電した時であっても、放電容量及び作動電圧が高く、容量を残して早切れの状態となりにくいアルカリ蓄電池用電極及びその電極を備えたアルカリ蓄電池を提供しようとすることを本発明の課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のアルカリ蓄電池用電極は、３次元ニッケル多孔体から成る基体に活物質を充填した電極であって、前記電極中における３次元ニッケル多孔体の密度が1.25〜1.75g/ccであって、３次元ニッケル多孔体の単位距離内における空孔の数が45〜55ケ／inchであることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明のアルカリ蓄電池用電極は、３次元ニッケル多孔体から成る基体に活物質を充填したアルカリ蓄電池用電極であって、前記電極中における３次元ニッケル多孔体の密度が1.40〜1.60g/ccであって、３次元ニッケル多孔体の単位距離内における空孔の数が45〜60ケ／inchであることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
[実験１]
厚み1.5mmで単位面積あたりの重量を示す目付が1200g/m2で空孔密度が50ケ／inchの３次元ニッケル多孔体に水酸化ニッケル活物質を充填し、乾燥後、圧延を行って厚さ0.63mm、３次元ニッケル多孔体密度1.90g/ccの正極板aを作製した。同様に厚み1.5mmで単位面積あたりの重量を示す目付が1100g/m2, 900g/m2, 800g/m2, 700g/m2, 600g/m2の各３次元ニッケル多孔体に水酸化ニッケル活物質を充填し、乾燥後、圧延を行って厚さ0.63mm,３次元ニッケル多孔体密度が、1.75g/cc, 1.43g/cc, 1.26g/cc,1.11g/cc, 0.91g/ccである各正極板b,c,d,e,fを作製した。
【００１７】
前記のように作製した正極板a〜fを100×120mmの大きさに切断し、集電タブを抵抗溶接にて溶接したもの２０枚と同サイズのパンチングメタルからなる集電体に水素吸蔵合金を塗布して制作した水素吸蔵合金負極２１枚とをポリオレフィン不織布を介して積層し、プラスチックケースに挿入後、31重量％の水酸化カリウム電解液を150g注液した後、封口して、公称容量85Ahの角形ニッケル水素蓄電池Ａ〜Ｆを試作した。
【００１８】
この時、電池Ａの重量は1.63kg、電池Ｂの重量は1.57kg、電池Ｃの重量は1.53kg、電池Ｄの重量は1.52kg、電池Ｅの重量は1.51kg、電池Ｆの重量は1.49kgであった。
【００１９】
前記のように作製した角形ニッケル水素蓄電池各々を、8.5Aで16時間充電し、1時間の休止後、28.3Aで電池電圧が0.8Vになるまで放電するというサイクルを10サイクル繰り返すことにより活性化処理を行った。
【００２０】
次に、活性化処理を終了した電池を25℃雰囲気下で8.5Aで12時間充電し、1時間の休止後、放電深度0%から90%までの間で10%毎に30秒間255Aで放電したときの10秒目の電池電圧を測定した。
【００２１】
その結果を図１に示す。
【００２２】
図１から明らかなように、３次元ニッケル多孔体密度が0.91g/ccである正極板fを備えた電池Ｆは放電深度約65%、1.11g/ccである正極板eを使用した電池は放電深度約75%程度で電池電圧が１Ｖを割っている。これは、これらの電池は公称容量は85Ahを有するが、実用上はその65%や75%程度までしか使用できないことを意味し、いわゆる電池の早切れ状態となる。
【００２３】
一方、３次元ニッケル多孔体密度が1.25g/cc以上である正極板を備えた電池Ａ〜Ｄは放電深度80%であっても、電池電圧が1.0V以上維持していることがわかる。
【００２４】
従って、公称容量の80%以上の容量を大電流放電した際に確保するためには、３次元ニッケル多孔体密度を1.25g/cc以上にすることが必要である。
【００２５】
[実験２]
前記実験１と同様の実験条件で、即ち、各電池の放電深度80%時において、255Aで３０秒間放電したときの１０秒後の電池電圧と、その電池電圧に電流値255Aをかけたものを電池重量で割った出力エネルギー密度をプロットしたものを図２に示す。
【００２６】
この図２から明らかなように、ニッケル多孔体密度を上げていくと、電圧が上がっていく反面、ある程度以上を超えると、同じ放電容量を維持するためには電池重量が大きくなっていき、電池の出力エネルギー密度は低下していく。また、活物質の充填も困難になり、ニッケル多孔体密度が1.8g/ccを越えるあたりから製造工程での極板のひび割れや剥離などの不良が発生してくる。
【００２７】
以上のことから、ニッケル多孔体密度が1.75g/cc以下であることが好ましい。
【００２８】
[実験３]
この実験では、３次元ニッケル多孔体の単位距離内における空孔の数と極板中の３次元多孔体の密度を種々変化させた極板を作製し、その極板を所定値に圧延したときにおける極板のひび割れと剥離及び活物質利用率を測定した。その結果を図３に示す。
【００２９】
この図３より明らかなように、３次元ニッケル多孔体密度が約1.8g/cc以下で、空孔のきめの細かさを示す値である単位距離内における空孔の数が55ケ／inch程度以下である発泡ニッケルを備えた極板がひび割れ、剥離、容量低下などの製造不良等の問題を起こさないことがわかる。また、活物質利用率の観点から、即ち、活物質利用率を70%以上にするためには単位距離内における空孔の数が45ケ／inch以上であることが好ましい。
【００３０】
尚、前記実験２における図２より、出力エネルギー密度の最も好ましいニッケル多孔体密度の範囲は、1.4g/cc〜1.6g/ccであり、この範囲で、極板のひび割れ、剥離、容量低下などの製造不良を起こさないためには、実験３における図３より、３次元ニッケル多孔体の単位距離内における空孔の数が45〜60ケ／inchであることが必要である。
【００３１】
【発明の効果】
３次元ニッケル多孔体から成る基体に活物質を充填した電極であって、電極中における３次元ニッケル多孔体の密度を1.25〜1.75g/ccにすることで、電極内の電流経路が拡大され、分極を抑制することができ、電池の作動電圧を上げることができる。
【００３２】
その結果、数百Ａの大電流放電時においても電池電圧が１Ｖ以下の電圧まで低下して、実際の放電容量を残して放電を終了してしまう早切れになることを抑制することができる。
【００３３】
また、単位距離内における空孔の数が45〜55ケ/inchとすることにより、電極中における３次元ニッケル多孔体の密度が1.25〜1.75g/ccの範囲内において、放電容量を低下させずに、製造時の極板のひび割れや剥離等の発生を抑制することができ、その工業的価値は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】３次元ニッケル多孔体密度を種々変化させて作製した電極を備えた電池について、放電深度10%毎に255Aで30秒間放電したときの10秒後の電池電圧をプロットしたものである。
【図２】３次元ニッケル多孔体密度を種々変化させて作製した各電池について、各電池の放電深度80%時における電池電圧と、出力エネルギー密度の関係を示す図である。
【図３】３次元ニッケル多孔体の極板密度と単位距離内における空孔の数（多孔度）を種々変化させて作製した電極の良品領域及び不良品領域の範囲を示した図である。
Claims (3)
- ３次元ニッケル多孔体から成る基体に活物質を充填したアルカリ蓄電池用電極であって、前記電極中における３次元ニッケル多孔体の密度が1.25〜1.75g/ccであって、３次元ニッケル多孔体の単位距離内における空孔の数が45〜55ケ／inchであることを特徴とするアルカリ蓄電池用電極。
- ３次元ニッケル多孔体から成る基体に活物質を充填したアルカリ蓄電池用電極であって、前記電極中における３次元ニッケル多孔体の密度が1.40〜1.60g/ccであって、３次元ニッケル多孔体の単位距離内における空孔の数が45〜60ケ／inchであることを特徴とするアルカリ蓄電池用電極。
- 請求項１または請求項２に記載されたアルカリ蓄電池用電極を備えたアルカリ蓄電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27585198A JP4251688B2 (ja) | 1998-09-29 | 1998-09-29 | アルカリ蓄電池用電極及びアルカリ蓄電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27585198A JP4251688B2 (ja) | 1998-09-29 | 1998-09-29 | アルカリ蓄電池用電極及びアルカリ蓄電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000106191A JP2000106191A (ja) | 2000-04-11 |
| JP4251688B2 true JP4251688B2 (ja) | 2009-04-08 |
Family
ID=17561329
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27585198A Expired - Fee Related JP4251688B2 (ja) | 1998-09-29 | 1998-09-29 | アルカリ蓄電池用電極及びアルカリ蓄電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4251688B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5147190B2 (ja) * | 2006-03-27 | 2013-02-20 | 三洋電機株式会社 | アルカリ蓄電池、それに用いる正極の製造方法 |
-
1998
- 1998-09-29 JP JP27585198A patent/JP4251688B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000106191A (ja) | 2000-04-11 |
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