JP4556397B2 - アルカリ蓄電池およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電池の特性改良に関するもので、特に電池内部セパレータへの電解液の分布を制御することにより長寿命化や高出力化を可能にしたアルカリ蓄電池に関する。

近年、各種ポータブル型の電気機器の発達に伴い、その駆動電源となる電池が重要なキーデバイスの１つとして、その開発が重要視されている。その電池の中でも充電可能なニッケル−水素蓄電池やリチウムイオン電池といった二次電池は、携帯電話やノートパソコンを始め、電動工具、電気自動車等へも普及し、その駆動電源として長寿命化が要望されている。

一般に、アルカリ蓄電池、特にニッケル−水素蓄電池では使用している間に、内部抵抗が上昇して所望とする容量が出なくなったり、出力が低下して寿命が訪れたりしている。この内部抵抗の上昇は、電池内のセパレータが保液している電解液がなくなることにより起こる現象であり、一般的には電解液のドライアウトと呼ばれている。

この問題に対して、セパレータの製造工程においてカレンダー処理した不織布にコロナ放電処理やスルフォン化処理を施すことにより、電解液への濡れ性を向上させた上で、電解液を保液させる方法などが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−１４２０４７号公報

しかしながら、上記のコロナ放電やスルフォン化処理を行ったセパレータを用いて、正極板と、負極板と、その両者間にセパレータを挟み、捲回して電池ケースに挿入後、電解液をケース中に注液しても、セパレータに均一に電解液が浸透しないという問題点を有していた。これは正極板と負極板に挟まれたセパレータが、極板捲回方向に平行な極板中央部で圧縮の応力が強くなるため、セパレータの中央部が押しつぶされたり、伸ばされたりして電解液を保持する空隙が減ってしまうためである。

本発明は上記問題点に鑑み、電解液のセパレータへの吸液均一性を向上させた電池の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、正極板と、負極板と、その両者間にセパレータを介在させた電極群を有する電池において、セパレータの長手方向に平行な中央部が圧縮されないように、セパレータの長手方向と平行な中央部の極板とローラが接触しなくなるような凹部を設け、このローラで加圧しながら電極群を捲回することを特徴とした電池である。

これにより、電解液のセパレータ中への吸液スピードを加速させることが出来るとともに吸液均一性を向上させたものである。

正極板と、負極板と、その両者間にセパレータを介在させた電極群を有する電池において、捲回後でもセパレータの長手方向に平行な中央部のつぶれや伸びを起こさせることなく、長手方向に平行な中央部に凸部を形成することにより、電池製造工程においてセパレータ中の電解液の均一性が図られ、内部抵抗の低い長寿命な電池が得られる。

本発明は、正極板と、負極板と、その両者間にセパレータを介在させて捲回した渦巻き状電極群と、電池ケースと、アルカリ電解液と、前記ケースの上部を密閉する封口板とからなるアルカリ蓄電池において、前記セパレータは、捲回方向と平行する方向において、幅方向の中央部の厚みが上下端部の厚みより、２％〜１０％厚く、前記セパレータの幅方向の長さをＬ、中央部をＬ／２の位置としたとき、上下端部の幅をそれぞれＬ／４以内とすることを特徴とするアルカリ蓄電池とした。

そして本発明の製造法は、正極板と、負極板と、その両者間にセパレータを介在させて電極群を捲回して渦巻き状電極群を構成する工程と、前記電極群を電池ケースに収納する工程と、電解液を前記ケースに注入する工程と、前記ケースの上部を封口板で密閉する工程とを備えたニッケル−水素蓄電池の製造方法において、前記渦巻き状電極群を構成する工程において、前記電極群の捲回方向と平行する方向に凹部を設けたローラで加圧しながら前記電極群を捲回して渦巻き状電極群を構成することを特徴とするアルカリ蓄電池の製造方法である。

次に、本発明の具体例について以下に説明する。

（実施例１）
セパレータは、ポリプロピレンの繊維径が５μｍの繊維を水に分散してスラリーとし、このスラリーを湿式抄造法により抄紙してウェブを形成し、水流交絡処理により目付重量７２ｇ／ｍ²の交絡不織布を作製した。

次にステンレス製の熱カレンダーロールで、セパレータの厚みを２００μｍに調整した。

正極板は、後に集電体を溶接するための芯材露出部を設けるため、１ｍｍの未焼結部を形成し、ついで化学含浸方法にて水酸化ニッケルを充填した焼結式ニッケル正極を作製した。この正極の寸法は、厚み４７０μｍ、長さ６６０ｍｍ、幅５０ｍｍとした。

また、負極板は８０μｍの厚みのパンチングメタル芯材に水素吸蔵合金を主成分とする負極活物質ペーストを、後に集電体を溶接するための芯材露出部を設けるため、１ｍｍの未焼結部を設けて塗布し、乾燥させた後、厚み２７０μｍになるまで圧延し、幅５０ｍｍ、長さ７３５ｍｍになるように切断して作製した。

上記のように作製した正極板と、負極板と、その両者間に、セパレータを介在させて、正極板の芯材が露出した部分を上方に、負極板の芯材の露出した部分を下方に突出させながら捲回させて、電極群を作製した。

このとき使用した捲回機を図１に示す。

ここでの巻芯は棒状の金属で出来ており、セパレータを挟み込むためのスリットが入っている。４，５は捲回時に極板を巻き中央に抑える込む役割の加圧ローラで、これにより群に対しては、いつも同じ圧力がかかるようになっている。また、この加圧ローラ４，５は、極板を巻き終えると矢印の方向に移動するので、電極群の取り外しが容易に行える。

図２は、巻芯を回転させることにより正極板と、負極板と、その両者間にセパレータを挟んだ群が形成される。その途中の工程図である。

図３は加圧ローラ４，５の加圧面の模式図である。加圧面には溝７を設けてある。溝７の幅は１５ｍｍとし溝の深さを５，１０，１５，２０，２５，３０，３５μｍの７種類を用意した。

加圧面に溝７をつけることによって、上下から加圧ローラにより群を押しながら捲回する際に、溝の部分は群に対し圧力がかからないため、特に正極板や、負極板のように硬度が高くないセパレータが押しつぶされることがなくなる。従ってセパレータの巻き方向の中央部は、加圧ローラによって圧力がかけられた部分と比較すると凸状となっている。

確認のために捲回後の電極群を分解し、セパレータの厚みを測定したところ、ローラの溝深さが２５μｍのもので加圧したものは、セパレータの厚みは、中央部が１９５μｍで、上下端部が１９０μｍとなっていた。また加圧ローラの円周方向と垂直に付けた溝を設けることにより、電解液を注液する際に電解液を群の上部から入れた場合でも、注液し易くする効果を得ることも出来る。

ついで、上方の正極板の芯材露出部に正極集電体を溶接し、下方の負極板の芯材露出部に負極集電体を溶接する。集電体が溶接された電極群を電池ケースに収納した後、比重１．３ｇ／ｃｃのＫＯＨを主成分とする電解液を遠心注液法（回転数９００ｒｐｍ）を用いて、１３ｃｃ注液して、標準容量６０００ｍＡｈでＤサイズの本発明のニッケル−水素蓄電池Ｘを作製した。加圧ローラの溝深さが５，１０，１５，２０，２５，３０，３５μｍのもので電極群を捲回した電池をそれぞれＸ１〜Ｘ７とする。

更に、比較電池として、電極群を構成する際に、加圧ローラの面に溝をつけない平面のローラで加圧しながら構成した以外は、電池Ｘと同様な比較電池Ｚを作製した。

つづいて、これを周囲温度２５℃で１２時間放置後、初充放電（充電は０．１Ｉｔ（６００ｍＡ）の電流値で１５時間、放電は０．２Ｉｔ（１２００ｍＡ）の電流値で４時間）を行った。この初充放電後に、電池の内部抵抗を測定した結果を（表１）に示す。内部抵抗については、四端子法で１ＫＨｚの交流インピーダンス法で測定した。

（表１）から明らかなように、本発明のニッケル−水素蓄電池Ｘ５〜Ｘ７よりも、セパレータの表面に凸を設けない比較電池ＺやＸ１〜Ｘ４ニッケル−水素蓄電池の方が、内部抵抗が高いことが分かる。

これらの電池を分解してセパレータの表面状態を観察したところ、比較電池Ｚのセパレータ表面には、電解液が浸透していない部分が存在していることが分かった。特にセパレータの巻き方向の中心部が帯状に電解液がなくなっていた。またさらに、この部分のセパレータの厚みを測定したところ、中央部が１６０μｍで、上下端部が１８０μｍであったのに対し、本発明の電池Ｘ５〜Ｘ７では、セパレータの電解液の分布が均一であり、どの部分の電解液量も同じであった。またセパレータの厚みを測定すると、中央部は１９０μｍ、上下端部は１８０μｍとなっていた。

以上のことから、本発明を用いることにより、セパレータの一部を凸状にすることができ、電池を製造する際のセパレータの電解液分布を均一にすることができる為、内部抵抗を低減させることが可能となる。

この内部抵抗の減少により、電池の出力を向上させる事ができる。また、さらに充放電を繰り返す寿命試験を行ったところ、本発明の電池Ｘ５〜Ｘ７は、従来の電池と比較して１．５倍の寿命となった。

これは、従来の方法で作製した電池では、セパレータ中の電解液の分布が不均一で、特にセパレータの中央付近の電解液が少なくなってしまうことから、電池の寿命が訪れ、セパレータの電解液枯渇、すなわちドライアウトが起こりやすいためである。

なお、上記実施例ではニッケル−水素蓄電池のＤサイズに関して説明したが、本願発明は、セパレータの電解液が均一になる方法を述べており、電極の寸法や、電解液の種類、セパレータの種類等本趣旨を変えない範囲で特に限定されるものでないことは言うまでもない。

本発明にかかる加圧ローラは、電池の特性改良に関して有用であり、特に電池内部セパレータへの電解液の分布を制御することにより長寿命化や高出力化を可能にしたアルカリ蓄電池に適している。

本発明の一実施例である捲回機で極板を捲回する際の工程模式図 本発明の一実施例である捲回機で極板を捲回している途中の工程模式図 本発明の一実施例である加圧ローラの概観図

符号の説明

１ 正極板
２ 負極板
３ セパレータ
４，５ 加圧ローラ
６ 巻芯
７ 溝

Claims (2)

1. 正極板と、負極板と、その両者間にセパレータを介在させて捲回した渦巻き状電極群と、電池ケースと、アルカリ電解液と、前記ケースの上部を密閉する封口板とからなるアルカリ蓄電池において、前記セパレータは、捲回方向と平行する方向において、幅方向の中央部の厚みが上下端部の厚みより、２％〜１０％厚く、前記セパレータの幅方向の長さをＬ、中央部をＬ／２の位置としたとき、上下端部の幅をそれぞれＬ／４以内とすることを特徴とするアルカリ蓄電池。
2. 正極板と、負極板と、その両者間にセパレータを介在させて捲回し、渦巻き状電極群を構成する工程と、前記電極群を電池ケースに収納する工程と、電解液を前記ケースに注入する工程と、前記ケースの上部を封口板で密閉する工程とを備えたアルカリ蓄電池の製造方法において、前記渦巻き状電極群を構成する工程において、前記電極群の捲回方向と平行する方向に凹部を設けたローラで加圧しながら前記電極群を捲回して渦巻き状電極群を構成することを特徴とするアルカリ蓄電池の製造方法。