JP4589550B2 - ニッケル水素蓄電池の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素吸蔵合金を用いたニッケル水素蓄電池の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、アルカリ蓄電池は、ポータブル機器や携帯機器などの電源として、また電気自動車やハイブリッド電気自動車等に至る移動用電源として注目されており、従来にも増して高性能化が要請されている。特にニッケル・水素蓄電池は、水酸化ニッケルを主体とした活物質からなる正極と、水素吸蔵合金を主材料とした負極とを備える二次電池であり、エネルギー密度が高く、信頼性に優れた二次電池として急速に普及している。
【0003】
上記ニッケル水素二次電池では、電池組立直後における水素吸蔵合金の活性が低いため、初期の電池出力が低くなるという問題がある。この問題を解決するため、電池組立後に、水素吸蔵合金を活性化する方法が提案されている。
【0004】
たとえば、電池組立後に、水素吸蔵合金が水素を吸蔵した状態で半日から5日間放置(エージング)する方法が報告されている(特開平1−267966号公報参照)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の方法では、エージングに長期間を要するため、生産性を向上させることができないという問題があった。
【0006】
上記問題を解決するため、本発明は、生産性よく安価にニッケル水素蓄電池を製造できるニッケル水素蓄電池の製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のニッケル水素蓄電池の製造方法は、水酸化ニッケルを含む正極と水素吸蔵合金を含む負極とを備えるニッケル水素蓄電池の製造方法であって、正極、負極、セパレータおよび電解液をケースに封入して電池を組み立てる第1の工程と、電池を0.05C〜0.2C(ここで、1C=(電池の定格容量/1時間)の電流値)の範囲内の電流でSOC(State Of Charge:充電状態。標準容量に対する充電量の割合である。)が10%〜30%になるまで充電する第2の工程と、第2の工程を経た電池を0.2C〜1Cの範囲内の電流で過充電したのち、SOCが10%以下になるまで放電する第3の工程と、第3の工程を経た電池を、0.2C〜5Cの範囲内の電流でSOCが60%〜95%になるまで充電したのち、電池電圧が0.70V〜1.05Vになるまで放電を行う充放電サイクルを複数回繰り返す第4の工程とを含み、第4の工程の際に、電池を30℃〜60℃の冷媒で冷却することを特徴とする。上記製造方法によれば、エージングをすることなく、電池を活性化できるため、生産性よく安価にニッケル水素蓄電池を製造できる。
【0008】
上記製造方法では、第4の工程において、充放電サイクルを5回〜60回の範囲内で行うことが好ましい。上記構成によれば、活性化が十分に進んだニッケル水素蓄電池を製造できる。
【0009】
上記製造方法では、第4の工程において、電池を30℃〜45℃の冷媒で冷却することが好ましい。上記構成によれば、樹脂製のケースを用いることができる。
【0010】
上記製造方法では、冷媒は水であることが好ましい。水は、上記冷媒温度範囲での管理が容易であり、冷媒としても安価であるためである。
【0011】
上記製造方法では、上記第4の工程において、冷却用の治具を用いて電池を冷却することが好ましい。上記構成によれば、電池を容易に冷却することができる。
【0012】
【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。
【0013】
本発明のニッケル水素蓄電池の製造方法では、まず、正極、負極、セパレータおよび電解液をケースに封入して電池を組み立てる(第1の工程)。上記第1の工程において、正極、負極、セパレータ、電解液およびケースには、ニッケル水素蓄電池に一般に用いられるものを使用できる。具体的には、正極として、たとえば、水酸化ニッケルを主成分とする活物質を充填した発泡ニッケルを用いることができる。負極としては、たとえば、Mm(ミッシュメタル)、ニッケル、アルミニウム、コバルトおよびマンガンを含む水素吸蔵合金を用いることができる。セパレータとしては、たとえば、スルホン化したポリプロピレンセパレータを用いることができる。電解液としては、水酸化カリウムを主成分とするアルカリ水溶液を用いることができる。なお、複数の単電池を組み合わせたモジュール電池についても同様である。
【0014】
その後、組み立てた電池を、0.05C〜0.2Cの範囲内の電流でSOCが10%〜30%になるまで充電する(第2の工程)。
【0015】
その後、第2の工程を経た電池を、0.2C〜1Cの範囲内の電流で過充電したのち、SOCが10%以下(好ましくは5%〜0%)になるまで放電する(第3の工程)。過充電の際には、SOCが100%〜130%になるまで充電することが好ましい。また、上記第3の工程における充放電は、30℃〜45℃の冷媒で冷却しながら行うことが好ましい。
【0016】
その後、第3の工程を経た電池を、0.2C〜5C(好ましくは、1C〜4C)の範囲内の電流でSOCが60%〜95%(好ましくは、80%〜90%)になるまで充電したのち、電池電圧が0.70V〜1.05V(好ましくは、0.90V〜1.00V)になるまで放電を行う充放電サイクルを複数回(好ましくは、5回〜60回の範囲内)繰り返す(第4の工程)。そして、第4の工程において上記電池を充放電する際に、上記電池は30℃〜60℃の冷媒で冷却される。このとき、30℃〜45℃の冷媒で冷却することが特に好ましい。
【0017】
上記冷媒には、水やエチレングリコール、シリコンオイルなど、様々な冷媒を用いることができる。なお、電池を冷媒で冷却する際には、冷却用の治具を用いて冷却することが好ましい。冷却用の治具は、アルミニウムなどの熱伝導性が高い材質からなることが好ましい。
【0018】
このように、本発明のニッケル水素蓄電池の製造方法は、上記第1から第4の工程を含む。上記第2の工程によって、正極中に含まれているコバルトや水酸化コバルトをオキシ水酸化コバルトに酸化することができ、正極活物質間の電気的ネットワークを形成すると同時に、負極の充電を行い過放電時の転極を防止する放電リザーブを負極に形成する。また、上記第3の工程によって、十分に活性化されていない初期の正極中の活物質を効率よく活性化することができる。また、上記第4の工程によって、比較的短時間で負極中の活物質を活性化することができる。
【0019】
上記本発明のニッケル水素蓄電池の製造方法によれば、エージングすることなく水素吸蔵合金を活性化できるため、生産性よく安価にニッケル水素蓄電池を製造できる。
【0020】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。
【0021】
まず、本実施例で製造されたニッケル水素蓄電池について説明する。実施例1では、複数の単電池(ニッケル水素蓄電池)を連結したモジュール電池10を作製した。
【0022】
モジュール電池10の上面図および側面図を、それぞれ図1(a)および(b)に模式的に示す。また、モジュール電池10の垂直方向の断面図を図2に模式的に示す。
【0023】
図1を参照して、モジュール電池10は、一体電槽11と蓋20とを含むケース30を備える。一体電槽11の側面には、正極端子12と負極端子13とが形成されている。蓋20には、安全弁21と、内部の温度を検出するためのセンサを装着するセンサ装着孔22とが形成されている。なお、一体電槽11および蓋20は、その表面に使用時における放熱性を高めるための凹凸を備えるが、図1および図2では図示を省略している。
【0024】
一体電槽11は、ポリプロピレンとポリエチレンとからなり、内部に形成された仕切り11aを備える。すなわち、一体電槽11は、仕切り11aによって、複数の電槽11bに区切られている。それぞれの電槽11bには、極板群14と電解液(図示せず)とが封入されている。
【0025】
仕切り11aは、上方に開口部を備える。各電槽11bに収納された極板群14の集電体15(ハッチング省略)と、隣接する極板群14の集電体16(ハッチング省略)とは、開口部に配置された接続金具17によって電気的に接続されている。両端に位置する接続金具17は、正極端子12と負極端子13とに接続されている。
【0026】
安全弁21は、一体電槽11内の内部圧力が閾値以上になったときに、内部圧力が閾値以下になるまで内部のガスを放出するための弁である。なお、蓋20には、隣接する電槽11bを接続する貫通孔(図示せず)が形成されており、各電槽11bの内圧は略等しい。
【0027】
極板群14の水平方向の断面図を図3に模式的に示す。図3を参照して、極板群14は、交互に配置された正極31および負極32と、袋状のセパレータ33と、集電体15および16とを備える。正極31は袋状のセパレータ33(ハッチング省略)に挿入されている。正極31は集電体15に溶接されており、負極32は集電体16に溶接されている。また、極板群14の側面には、外周セパレータ34(ハッチング省略)が配置されている。
【0028】
このように、モジュール電池10は、極板群14を備える単電池が6セル直列接続されたものである。
【0029】
以下に、モジュール電池10の製造方法について説明する。
【0030】
正極31は、発泡ニッケルに正極活物質ペーストを充填したのち、乾燥、圧延、切断することによって作製した。正極活物質には、水酸化ニッケル、金属コバルト、および水酸化コバルトを用いた。また、負極32は、ニッケルからなるパンチングメタルに負極構成材料からなるペーストを塗布したのち、乾燥、圧延、切断することによって作製した。負極構成材料には、AB5系水素吸蔵合金(組成がMmNi3.55Mn0.4Al0.3Co0.75)を用いた。セパレータ33には、スルホン化処理したポリプロピレンを用いた。また、電解液には、水酸化カリウムを主成分とした電解液を用いた。
【0031】
上記正極31を袋状のセパレータ33に挿入し、正極31と負極32とを交互に積層した。そして、正極31を集電体15に溶接し、負極32を集電体16に溶接することによって、極板群14を形成した。この極板群14を各電槽11bに挿入し、接続金具17によって隣接する極板群14を直列接続した。その後、電解液を注液し、蓋20によって一体電槽11を封口した。このようにして、定格容量6.5Ahのモジュール電池10を組み立てた。
【0032】
上記モジュール電池10について、0.08C(1C=6.5A)相当の電流で、2時間充電を行った。この充電によって、正極31に含まれているCoやCo(OH)2をCoOOHにまで酸化すると同時に負極を還元し、放電リザーブを形成した。
【0033】
続いて、初期充放電を行った。具体的には、まず、0.5C相当の電流でSOCが110%相当になるまで充電したのち、0.5C相当の電流でSOCが0%相当になるまで放電した。この初期充放電によって、正極31に含まれている水酸化ニッケルをオキシ水酸化ニッケルにまで酸化したのち、再び水酸化ニッケルに還元し、活性化を高めた。
【0034】
その後、図4に示すように、初期充放電が終了したモジュール電池10をアルミニウム製の冷却治具41に装着した。冷却治具41は、コの字状の形状をしており、その側部には、貫通孔41aを備える。冷却治具41の側部上面41bは、正極端子12および負極端子13に触れないような位置に形成した。冷却治具41はコの字状であるため、モジュール電池10の着脱が容易である。なお、冷却治具10は、モジュール電池10と接する面にモジュール電池10の表面の凹凸形状と嵌合するような凹凸形状を備えることが好ましい。
【0035】
その後、図5に示すように、モジュール電池10が装着された複数の冷却治具41を連結した。このとき、冷却治具41の側部に設けられた貫通孔41aにボルト51を通すことによって容易に固定できた。また、連結された冷却治具41の一方の端には、エンドプレート52を配置した。なお、活性化充放電の際に、モジュール電池10が若干膨張するため、冷却治具41のサイズは、膨張分を考慮したサイズとした。
【0036】
その後、連結した冷却治具41を水槽に入れ、37℃の流水(冷媒)によって冷却治具41およびモジュール電池10を冷却した。この際、流水は、モジュール電池10の正極端子12および負極端子13に接触しない高さで、かつ冷却治具41の側部上面41bを覆う高さにコントロールした。流水の流速は、30L/分(30000cm3/分)とした。
【0037】
そして、流水を流したままの状態で、4C相当の電流でSOCが90%になるまで充電し、4C相当の電流でSOCが0%になるまで放電を行う充放電サイクルを20回繰り返した。この際、センサ装着孔22に装着したセンサで測定したモジュール電池10の内部温度は、50℃まで上昇した。
【0038】
このようにして、モジュール電池10の活性化が終了した。上記方法による活性化に要したトータルの時間は12時間であった。一方、比較例として、活性化の方法を変えて以下のように電池を作製した。まず、上記実施例と同様の構成からなる定格容量6.5Ahのモジュール電池10を組み立て、0.08C相当の電流で2時間充電を行った。次いで、上記実施例と同様に、0.5C相当の電流でSOCが110%になるまで充電したのち、0.5C相当の電流でSOCが0%相当になるまで放電した。その後、45℃で3日間エージングを行ってモジュール電池の活性化を終了した。この比較例による活性化方法によっても、上記実施例の電池と同程度の出力を得ることができたが、活性化に74時間を要した。
【0039】
このように、本発明の製造方法を用いることによって、生産性よく安価にニッケル水素蓄電池を製造できた。
【0040】
以上、本発明の実施の形態について例を挙げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用することができる。
【0041】
たとえば、本発明の製造方法は、上記実施例で説明した電池を製造する方法に限定されない。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のニッケル水素蓄電池の製造方法によれば、短時間で電池の活性化を行うことができるため、生産性よく安価にニッケル水素蓄電池を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のニッケル水素蓄電池で製造されたニッケル水素蓄電池の一例を示す(a)上面図および(b)側面図である。
【図2】 図1に示したニッケル水素蓄電池の垂直方向断面図である。
【図3】 図1に示したニッケル水素蓄電池の極板群の水平方向断面図である。
【図4】 本発明のニッケル水素蓄電池の製造方法について一工程の一例を示す斜視図である。
【図5】 本発明のニッケル水素蓄電池の製造方法について一工程の一例を示す平面図である。
【符号の説明】
10 モジュール電池
11 一体電槽
11b 電槽
12 正極端子
13 負極端子
14 極板群
30 ケース
31 正極
32 負極
33 セパレータ
41 冷却治具
Claims (5)
- 水酸化ニッケルを含む正極と水素吸蔵合金を含む負極とを備えるニッケル水素蓄電池の製造方法であって、
前記正極、前記負極、セパレータおよび電解液をケースに封入して電池を組み立てる第1の工程と、
前記電池を0.05C〜0.2Cの範囲内の電流でSOC(充電状態)が10%〜30%になるまで充電する第2の工程と、
前記第2の工程を経た前記電池を0.2C〜1Cの範囲内の電流で過充電したのち、SOCが10%以下になるまで放電する第3の工程と、
前記第3の工程を経た前記電池を、0.2C〜5Cの範囲内の電流でSOCが60%〜95%になるまで充電したのち、電池電圧が0.70V〜1.05Vになるまで放電を行う充放電サイクルを複数回繰り返す第4の工程とを含み、
前記第4の工程の際に、前記電池を30℃〜60℃の冷媒で冷却することを特徴とするニッケル水素蓄電池の製造方法。 - 前記第4の工程において、前記充放電サイクルを5回〜60回の範囲内で行う請求項1に記載のニッケル水素蓄電池の製造方法。
- 前記第4の工程において、前記電池を30℃〜45℃の冷媒で冷却する請求項1または2に記載のニッケル水素蓄電池の製造方法。
- 前記冷媒は水である請求項1ないし3のいずれかに記載のニッケル水素蓄電池の製造方法。
- 前記第4の工程において、冷却用の治具を用いて前記電池を冷却する請求項1ないし4のいずれかに記載のニッケル水素蓄電池の製造方法。
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