JP4555222B2 - 電極、電極の製造方法及びバイポーラ電池 - Google Patents

Description

本発明は、活物質粉末から製せられた活物質及びキャリアーからなるバイプレート積層体のための電極に関する。また本発明は、キャリアー上に活物質粉末を圧縮することからなるバイプレート積層体のための電極の製造方法に関する。さらに本発明は、バイプレートと、正電極と、負電極とからなり、正電極はバイプレートを介して負電極と向かい合って設けられているバイプレート積層体及び活物質粉末を非金属キャリアー上に圧縮することによって形成されたバイプレート積層体のための電極を少なくとも一つ含んだバイポーラ電池に関する。

従来から、バイポーラ電池の電極がバイプレート積層体の電極とバイプレートとの間の導電率を増加させるため及び移送及び組み立て中に電極を支持するために金属グリッドまたは金属メッシュのいくつかのタイプの導電性キャリアーを用いて製せられてきている。また、適切な厚み及び密度を達成するために圧縮された粉末状の活物質が用いられてきている。

平面状の電極はどのような形状であっても良いが、支持金属構造体及び圧縮された粉末を切断することにより所望の形状に形成されなければならない。切断を行う際、金属キャリアーの切断による振動が原因で電極が損傷するという危険性が大きい。またこのように電極を形成することにより、導電性の縁部が鋭くなる場合がある。

容易に形成でき、バイプレート及びバイポーラ電池の組み立て時に取り扱いが安全な電極が必要とされている。

本発明の目的は、従来技術と比べて容易に所望の形状に製造することが可能な電極を提供することである。

この目的は、キャリアーが非金属キャリアーであることを特徴とする電極と、その上に活物質粉末が圧縮される非金属のキャリアーを供する工程からなることを特徴とするバイプレート積層体のための電極の製造方法とにより達成される。

本発明の更なる目的は、容易に製造でき、さらに組み立て中に取り扱いが容易な電極からなるバイプレート積層体とバイポーラ電池を提供することである。

更にこの目的は、正及び負電極が非金属キャリアーからなることを特徴とするバイプレート積層体と、活物質粉末を非金属キャリアー上に圧縮することによって形成されたバイプレート積層体のための電極を少なくとも一つ含んだバイポーラ電池とにより達成される。

本発明の利点は、電極が従来の電極と比べてより容易に製造ができることである。

本発明の別の利点は、支持キャリアーを有した従来の電極よりも電極の製造コストが安いということである。

また、電極内に導電性の支持構造体が必要ないので、電極の重量が減るという別の利点がある。

更に、金属支持構造体を有する電極を切断した際に生じるような導電性の鋭い縁部を有さない電極を形成することができるという別の利点もある。

更に、活物質粉末を圧縮する間に変形してしまう金属キャリアーを有した電極と比べて活物質粉末を圧縮して平面状の電極をより容易に得ることができるという別の利点がある。

本発明の更なる目的と利点は、バイポーラ電気化学電池及びバイプレート積層体を以下に詳細に記載することで、当業者に明示される。

図１は所定の幅ｗと任意の長さを有した、例えば炭素繊維織物のような導電性材料かまたは例えば好ましくはポリプロピレンから製せられたポリマーのような非導電性材料から製せられた非金属キャリアー１０を示す。そのキャリアー１０は、ロール状に配置されることが好ましい（図４参照）。圧縮された活物質粉末１１が非金属キャリアー１０上に配され、電極１３の所望の形状を図中破線１２で示している。圧縮された活物質粉末１１及び非金属キャリアー１０は電極１３を形成するために破線１２に沿って切断される。

圧縮された活物質粉末を利用することが、本願と同じ出願人による下記特許文献１に開示されている。ここでは、活物質粉末は活物質を少なく抑えた薄い電極を得るために直接バイプレート上に圧縮される。非金属キャリアー上に活物質粉末を圧縮することにより、製造工程はさらに簡単になる。
ＰＣＴ出願 ＰＣＴ／ＳＥ０２／０１３５９号；発明の名称「バイプレート積層体の製造方法、バイプレート積層体及びバイポーラ電池」

ＮｉＭＨ（ニッケル水素）バイポーラ電池の場合には、電極を製造するために２種類の活物質が必要である。本発明により製せられるＮｉＭＨ電池の好ましい正極活物質は、球状の水酸化ニッケル（フィンランド、ＯＭＧ社製）；商品番号２１０のニッケルファイバー（米国、ＩＮＣＯ社製）；及び粉末コバルト（種々の供給会社から入手可能）から製せられるものである。好ましい負極活物質は、金属水素化物（オーストリア、Treibacher社製）；及び商品番号２５５のニッケルファイバー（米国、ＩＮＣＯ社製）から製せられるものである。これらの材料を全て提供する数多くの供給会社があり、そのような会社は特に現在ニッケル金属水素化物セルの大部分が製造されている日本と中国に多い。

導電性の添加物やバインダーなどの他の材料は、通常は含まれない。ニッケルファイバーＩＮＣＯ２１０及び２５５は導電性の添加物として機能しさらに導電性のバイプレートと接触し活物質から直接導電性バイプレートに電流を伝える。

図２は、図１中のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、破線１２が電極１３の望ましい最終形状を示している。圧縮された活物質粉末１１は、主に非金属キャリアー１０の表側に位置している。活物質粉末を圧縮する間、非金属キャリアー１０の構造により若干の活物質粉末が非金属キャリアー１０の裏面に移動する場合がある。ランダム構造のポリマーが利用された場合は、非金属キャリアー１０を介した活物質粉末の移動はほとんどないが、グリッド構造のポリマーが用いられた場合は、ランダム構造を用いたときよりもより多くの活物質粉末が非金属キャリアー１０の裏面に移動するので、したがって非金属キャリアー１０は電極１３の中央部に位置する場合もありえる。符号１３は破線１２に沿って切断した後の電極を示す。

図３は、正極端子１６及び負極端子１７を有した、好ましくはＮｉＭＨ電池であるバイポーラ電池１５を示す。バイプレート積層体２０が、バイプレート２１と、非金属キャリアー１０上に配された正極活物質２２の正電極２７と、非金属キャリアー１０上に配された負極活物質２３の負電極２８と、からなり供される。活物質２２，２３はキャリアー１０の上に圧縮された活物質粉末である。バイポーラ電池は本例示ではバイプレート積層体を１つしか含んでいないが、当然のことながらバイポーラ電池にいくつかのバイプレート積層体を含んでもよい。

正極端子１６は正電極２７を有し、負極端子１７は負電極２８を有する。電解質を含んでいるセパレーター２４が、隣り合った正電極２７及び負電極２８の間に配されている。各電極２７，２８の非金属キャリアー１０は、図３に示すように、セパレーター２４の側に配されることが好ましい。バイプレート２１のそれぞれの表面２５と２６は、製造中及び操作中に、定位置に電極を支持するためにわずかに粗いことが好ましい。端子の表面もまた同様の目的で粗くてもよい。

本願と同じ出願人による下記特許文献２に開示されているように、疎水性バリヤー１８が、隣接するセル間の電解質の移動を防ぐために正電極２７及び負電極２８それぞれの周囲に配されている。ハウジング２９が電池１５を密封する。このように電池を構成することによって、各セルに対する疎水性バリヤー１８による電解質シールと電池内の全セルに対するハウジング２９によるガスシールがバイポーラ電池１５に提供される。
ＰＣＴ出願 ＰＣＴ／ＳＥ０２／０１６４５号；発明の名称「バイポーラ電池、バイポーラ電池の製造方法及びバイプレート積層体」

本発明による非金属キャリアー１０、好ましくは非導電性キャリアーを含んでいる電極２７及び２８は、当然のことながら別々に造られた電極を有するどのような形式のバイポーラ電池において用いられてもよい。

図４は、本発明による非金属キャリアー１０を有した電極を製造するための装置３０を示す。バネなどの張力手段を有するロール３１が装置に非金属キャリアー１０を供給し、ローラー３２と３３が回転して非金属キャリアー１０を引っ張り状態で装置内へ引き込む。分配器３７が非金属キャリアー１０上に活物質粉末３８を配し、さらに活物質粉末３８がローラー３２と３３の間で圧縮される前にスプレッダ３９が活物質粉末３８をならす。その粉末３８は、連続的に又は図４に示すように非連続的に非金属キャリアー１０上に配してもよい。

圧縮された活物質粉末１１がしたがって非金属キャリアー１０上に配され、カッター３４が電極を望ましい形状に形成する。切断後のスクラップ材は非金属キャリアーを用いることによって粉砕しリサイクルすることが可能である。

アジテーター３６が粉末容器内に備えられており、均一な密度の活物質粉末を分配器３７に供給し、この分配器は均一な量の活物質粉末を集めそれを非金属キャリアー１０に供給する。この工程を図５を参照して下記に詳述する。

粉末容器にはレベルセンサー４０が備え付けられ、粉末容器内の活物質粉末の量が非常に少なくなったときに、レベル制御ユニット４１が粉末補給器４３から更なる活物質粉末を容器に追加するためにバルブ４２を開く。

また、センサー４４がスプレッダ３９の場所に備え付けられており、このセンサーは活物質粉末をならし圧縮する前の非金属キャリアー１０上に配された活物質粉末の量を監視する。センサー４４は制御ユニット４５を経由して信号を分配器に送り回転速度を変更しそれによって非金属キャリアー１０へ分配される活物質粉末の量を変更する。

図５は非金属キャリアー１０上に活物質粉末５０を分配する機構の詳細を示す。アジテーター３６の目的は、均一な密度の活物質粉末を分配器３７に提供すること及び粉末供給容器内で起こる可能性のある「ブリッジ」すなわち空隙を避けることである。分配器３７には均一な体積を有した溝５１が設けられており、回転することによってこれらの溝には活物質粉末５０が充填され、その後活物質粉末は適量を非金属キャリアー１０に配される。

好ましい方法では、圧縮されていない活物質粉末を圧縮するために圧延装置内に運ぶためのフィルムとして非金属キャリアー１０を用い、その工程を室内周囲条件（room ambient conditions）で行うことである。製造の時間または速度は、粉末ならし機構及びロールの直径に最も依存する。許容範囲の製造速度では、１分間あたり１．５から３メートルの好ましい速度で動く直径４インチ（約１０ｃｍ）のロールを必要とする。その許容範囲よりも製造速度をより遅くすることが可能であるが経済的ではない。最大速度が、電極サイズにストリップを切断し組み立てる工程などの次の工程に運ぶための材料の取り扱いを含んだ設備に依存する。

完成品（電極）の物理的形状は上述の設備に依存する。最終的な電池の熱伝達を考慮した場合に、装置は6インチ（約15ｃｍ）幅の電極を製造するように制限される。電極の厚みの範囲は0.002から0.050インチ（約0.05から1.3ｍｍ）、好ましくは0.010から0.035インチ（約0.25から0.90ｍｍ）である。最終的な電極は通常、長方形の形状をしているが、他の形状であってもよい。

電極の厚みは、必要電力と必要エネルギーの比率に依存する。より高い電力用途には、より薄い電極を必要とする。非金属キャリアーは、活物質粉末をふるい落とさずにロール内に搬送しなければならない。非金属キャリアー材料の最終位置は、電極の範囲内であればどこでもよいが、電極が接触して配されるセパレーターに近い側であることが好ましい。そのキャリアー材料は、圧縮力により粉末を密に固め、非金属キャリアーが非導電性である場合は、非導電性キャリアーをフィルム状に形成しないように十分な粒子を侵入させるようなものでなければならない。

添付図に示したそれぞれの態様は、倍率や比率が違っているが、これは重要な特徴の違いを誇張して示すことで、それらをより明確にするためである。
本発明による非導電性キャリアーが配されている電極の平面図。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図。 本発明による電極を有するバイプレート積層体を含んだバイポーラ電池の断面図。 本発明による電極を製造するための装置図。 非導電性キャリアーの上に活物質粉末を配するための手段の詳細図。

符号の説明

１０……キャリアー
１１……圧縮された粉末
１５……バイポーラ電池
２０……バイプレート積層体
２１……バイプレート
２２……第一活物質，正極活物質
２３……第二活物質，負極活物質
２４……セパレーター
２７……第一電極，正電極
２８……第二電極，負電極
３４……カッター

Claims (22)

1. 活物質粉末（３８）から製せられた活物質及びキャリアーからなるバイプレート積層体のための電極（１３）であって、前記キャリアーは非金属キャリアー（１０）であり、前記電極（１３）は圧縮された活物質粉末（１１）を配するために前記活物質粉末（３８）を前記非金属キャリアー（１０）上に圧縮することによって形成され、前記非金属キャリアー（１０）は前記電極を形成する際にいくらかの活物質粉末（３８）を非金属キャリアー（１０）を介して前記活物質粉末（３８）が配される側の裏面側に移動させる構造を備えていることを特徴とする電極。
2. 圧縮された活物質粉末（１１）が主に非金属キャリアー（１０）の片面側に配され、それによって前記非金属キャリアー（１０）が実質的に電極の片面側に配されることを特徴とする、請求項１記載の電極。
3. 非金属キャリアー（１０）が非導電性キャリアーであることを特徴とする、請求項１または２記載の電極。
4. 非導電性キャリアー（１０）がポリマー材料から製せられることを特徴とする、請求項３記載の電極。
5. 非導電性キャリアー（１０）がポリマー繊維のグリッド構造を有することを特徴とする、請求項４記載の電極。
6. 非導電性キャリアー（１０）がポリマー繊維のランダム構造を有することを特徴とする、請求項４記載の電極。
7. 電極が０．０５から１．３ｍｍの範囲の厚みを有することを特徴とする、請求項１乃至６いずれか一項記載の電極。
8. 電極が０．２５から０．９０ｍｍの範囲の厚みを有することを特徴とする、請求項７記載の電極。
9. バイプレート（２１）と、
   正極活物質粉末から製せられた正極活物質（２２）とキャリアーからなる正電極（２７）と、
   負極活物質粉末から製せられた負極活物質（２３）とキャリアーからなる負電極（２８）と、
   からなり、前記正電極（２７）は前記バイプレート（２１）を介して前記負電極（２８）と向かい合って設けられているバイプレート積層体（２０）であって、
   前記正電極（２７）及び負電極（２８）を形成する前記キャリアーは、非金属キャリアー（１０）であり、前記正電極（２７）は、前記正極活物質粉末を前記非金属キャリアー（１０）上に圧縮することによって形成され、前記負電極（２８）は、前記負極活物質粉末を前記非金属キャリアー（１０）上に圧縮することによって形成されていることを特徴とするバイプレート積層体（２０）。
10. 非金属キャリアー（１０）がバイプレート（２１）と非接触状態であることを特徴とする、請求項９記載のバイプレート積層体。
11. バイプレート積層体（２０）がさらに電解質を供されたセパレーター（２４）からなり、前記セパレーターが非金属キャリアー（１０）と接触していることを特徴とする、請求項９または１０記載のバイプレート積層体。
12. 非金属キャリアー（１０）が非導電性キャリアーであることを特徴とする、請求項９乃至１１いずれか一項記載のバイプレート積層体。
13. 活物質を構成する活物質粉末（３８）をキャリアー上に圧縮することにより形成される、活物質粉末（３８）から製せられた活物質とキャリアーからなるバイプレート積層体のための電極（１３）の製造方法であって、
    さらに前記方法が、
    前記キャリアーを非金属キャリアー（１０）から選択する工程と、
    圧縮された活物質粉末（１１）を配するために活物質を構成する前記活物質粉末（３８）を前記非金属キャリアー（１０）上に圧縮し、それにより前記電極（１３）を形成する工程と、
    前記非金属キャリアー（１０）に、前記電極（１３）を形成する際にいくらかの活物質粉末（３８）を前記非金属キャリアー（１０）を介して前記活物質粉末（３８）が配される側の裏面側に移動させる構造を供する工程とからなることを特徴とする方法。
14. さらに、電極（１３）を所望の形状（１２）に形成する工程からなることを特徴とする、請求項１３記載の方法。
15. 電極を形成する工程がカッター（３４）によって活物質及び非金属キャリアーを切断することからなることを特徴とする、請求項１４記載の方法。
16. 活物質粉末（３８）が非金属キャリアー（１０）の片面側だけに配されることを特徴とする、請求項１３乃至１５いずれか一項記載の方法。
17. 活物質粉末（３８）が非金属キャリアー（１０）に連続的に配されることを特徴とする、請求項１３乃至１６いずれか一項記載の方法。
18. 活物質粉末（３８）が非金属キャリアー（１０）に非連続的に配されることを特徴とする、請求項１３乃至１６いずれか一項記載の方法。
19. 非金属キャリアー（１０）が非導電性になるように選択されることを特徴とする、請求項１３乃至１８いずれか一項記載の方法。
20. 活物質粉末（３８）を圧縮する工程が０．０５から１．３ｍｍの範囲の厚みを有する電極を得るために適切な量の活物質に圧縮力を加えることを含むことを特徴とする、請求項１３乃至１９いずれか一項記載の方法。
21. 電極が０．２５から０．９０ｍｍの範囲の厚みを有するように選択されることを特徴とする、請求項２０記載の方法。
22. ハウジング（２９）と、
    正電極（２７）を有する正極端子（１６）と、
    負電極（２８）を有する負極端子（１７）と、
    負電極（２８）と、バイプレート（２１）と、正電極（２７）とを含む少なくとも一つのバイプレート積層体と、
    隣接する正電極（２７）と負電極（２８）との間に配された電解液を保持しているセパレーター（２４）と、を含み、
    前記正電極（２７）または負電極（２８）の少なくとも１つが、請求項１乃至８いずれか一項記載の電極（２７，２８）であることを特徴とするバイポーラ電池（１５）。

Images