JP4635285B2

JP4635285B2 - 蓄電池用電極

Info

Publication number: JP4635285B2
Application number: JP33377899A
Authority: JP
Inventors: 克博岡本; 祐司岩上; 光弘武野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-11-25
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2019-11-25
Also published as: JP2001155738A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は蓄電池用電極に関し、特にペースト式蓄電池用電極の芯材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種ポータブル電気機器の電源として、アルカリ蓄電池やリチウム電池が大量に生産され市場に供給されているが、これらの電池の電極としては、パンチングメタルなどの２次元的構造の導電性多孔体、または、発泡メタルなどの３次元的構造の導電性多孔体から成る芯材に、活物質を直接充填、または塗着するペースト式が、比較的製法が簡単且つ能率的であり、安価に生産可能なために一般的に採用されている。
【０００３】
しかし、２次元的構造の導電性芯材を用いる場合には、３次元的構造の芯材を用いる場合と比較して、活物質と導電性芯材との距離が広がる傾向にあり、両者の接触状態が不十分となり、電池としての内部抵抗が大きくなる傾向にあり好ましくない。
【０００４】
この解決策として、特開平８−２９８１２４号公報には、金属箔、金属板、またはこれらに機械的加工法により穿孔した導電性芯材に活物質を主成分とするペーストを塗着、または充填して成る蓄電池用電極の改善に関する提案として、図７に示すように導電性芯材の表面に、まず樹脂製繊維を接着剤を用いて植毛し、この植毛した導電性芯材に対してニッケル粉末と結着剤を混練したニッケルペーストを塗着乾燥の後、この塗着した導電性芯材を焼成して、前記樹脂繊維、接着剤、結着剤などを熱分解除去し、前記ニッケル粉末間およびニッケル粉末と前記導電性芯材とを焼結する２次電池用電極の構造と製造方法が開示されている。
【０００５】
ところで、このペースト式電極においては、導電性電極芯材に活物質を主成分とするペーストを均一で、しかも高密度に充填し、且つ、その状態を保持した状態で電池ケース内に組み込み、その後も繰り返される充放電に耐えて脱落を防ぎ、長時間にわたり安定的に維持させることが大切である。
【０００６】
従来から、電極芯材に対して活物質を主成分とするペースト状合剤を均一、且つ高密度に充填し、その状態を長時間安定的に保持させるために、ペースト練合時に、活物質、電池特性向上のための各種添加剤、溶剤などのほかにも、結着剤としてＳＢＲ（ポリスチレンブタジェン共重合ゴム）、ＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）、テトラフルオロエチレンなどが添加されたペーストを充分に撹拌して均一に分散させ、その状態で導電性芯材に充填を行い、その後乾燥工程を通してペースト中の溶剤を除去する。
【０００７】
この後さらに、前記ペースト状活物質を充填された電極芯材に対して、プレス加工により加圧力を加えて、溶剤の蒸発により電極板内部に発生した空洞などの低密度部分を押しつぶして、活物質の充填密度を高めると共に極板の厚さを調節する。さらに、所定の寸法、形状に切断し、セパレーターを介して正負の両極板を渦巻状に巻回して電極とするのが一般的な蓄電池の製造方法である（図８参照）。
【０００８】
これら一連の加工工程では、前記導電性芯材に塗着された活物質を主成分とする合剤と芯材の両者には大きな力が加えられており、さらに電池使用時に於いても、充放電の度に合剤は膨脹と収縮を繰り返し、極板用の芯材から合剤は脱落し易くなるため、合剤を強固に保持させる必要があり、結着剤の添加を必要としていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、極板からの活物質の脱落防止を目的として、活物質を主成分とするペースト中には結着剤を添加しているが、結着剤が活物質の表面を覆うと、活物質としての本来の電気化学的機能を損なうことになり、また導電性芯材の表面を覆うと導電性を損ない、電池としての内部抵抗を高める有害な作用をもたらす。そのうえ、結着剤は充電中には酸素と反応し、ガス発生の原因ともなるので、使用量を可能な限り少なくすることが望ましい。このような理由で、活物質中への結着剤の添加量は必要最小限度に制限を受けているため、実用化されている一般的電池においては、活物質と導電性芯材との結合力はいくぶん不足気味である。
【００１０】
また、二次電池用の導電性電極芯材として、ニッケルを主成分とする３次元的な発泡メタルを用いる場合や、２次元的な穿孔した金属板の表面に、短く切断した金属繊維状のものを高密度、且つ不規則に植えつけ、３次元的な構造に近づけて、活物質と導電性芯材との距離を接近させ、電池の内部抵抗を小さくするための試みと同時に、前記植毛された金属繊維と活物質の絡み合いによって結合力を高め、ペースト中に添加する結着剤の量を出来る限り少なくしようとする試みがなされている。
【００１１】
本発明もこのような試みに沿って、さらに発展させたものであり、結着剤の使用量を極めて微量に制限して、活物質の持つ本来の特性を損なうことなく、しかも活物質の導電性芯材に対する結合力については、従来以上に確保した蓄電池用電極を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
二次電池用の導電性芯材としては、薄い穿孔された金属板の表面にエンボス加工により凹凸を設けたもの、さらにその表面に繊維状、または針状の金属片を固定したものや、３次元形状の発泡メタルなどを用いるのが一般的である。
【００１３】
本発明に於いては、前記の各種二次電池用の導電性芯材に、活物質を含むペーストを電極芯材に塗着または充填してなる蓄電池用電極であって、前記電極芯材は薄い金属板の表裏両面に金属繊維を植えつけた導電性芯材の前記金属繊維の先端部に非導電性繊維を集中的に植毛する。
【００１４】
また、ニッケル水素蓄電池及びニッケルカドミウム蓄電池にあっては、植毛する樹脂繊維がポリアミド、ポリエステル、ポリプロピレン等の熱可塑性合成繊維とし、電解液による化学的変質を防ぎ電池寿命を向上させる。
【００１５】
上記のような電極芯材に対して、活物質を主成分とするペーストを充填し、乾燥後プレス加工を加えて活物質を高密度の固体状に硬化させた場合には、ペースト状合剤中に結着剤を微量に添加しておくだけで、導電性芯材の表面に植毛された樹脂繊維の一部が合剤層の中に入り込み、種々雑多な方向を向いた状態で閉じ込められた状態となるために、活物質は電極芯材に対して、柔軟でしかも強固に拘束され、残りの大部分はペースト層の表面を覆うことになり、電極芯材からの活物質の脱落を、電池用極板の製造工程、電池の組立工程、電池完成後に於いても防止することが出来る。
【００１６】
また仮に活物質が電極芯材から多少脱落したとしても、電極表面に高密度に集中して存在する非導電性樹脂繊維により活物質が直接対極に接触することを効果的に防止することができる。さらに活物質が脱落した部分に於ける導電性芯材の突起部や、シヤープコーナー部を覆いセパレーターを保護する機能をも有することとなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明に基づく電極芯材１の一実施例についての斜視図を示し、薄い金属板４ａの表裏両面に、短く切断した金属繊維４ｂをほぼ直立する状態に固定し、それぞれの金属繊維の先端部に対して５〜１０本程度の樹脂繊維３が高密度に集中的に植毛された状態を拡大して示している。芯材の金属板としては厚さ４０μｍの鉄板を使用し、金属繊維としては太さ５０μｍで、長さ０．６ｍｍに切断したニッケル繊維を、縦横共に０．７ｍｍピッチでほぼ直立する状態に植え付けた。金属繊維４ｂを金属板４ａに直立状態に植え付ける技術は既存の技術であり、本発明とは無関係であるのでごく簡単な説明に止めるが、金属板の表面に、ニッケル粉末を混ぜ合わせた接着剤を薄くスプレーなどの方法で塗着した後、金属板の裏面近くに電磁石を配置し、表面には植え付けようとする金属繊維の径に見合った孔を所定のピッチで設けたフィルターを介して、短く切断したニッケル、鉄などの強磁性体繊維からなる金属繊維を供給する。こうして供給された金属繊維は電磁石の吸引力により、金属板の表面に直立状態となっているので、この状態で接着剤により仮固定され、その後高温に加熱し焼結することにより、図６の断面図に示すような導電性芯材が得られる。
【００１８】
図４は本発明に基づいて、上記の導電性芯材に対して、非導電性の樹脂繊維３を植毛して、図１に示す電極芯材１を製造する方法の原理図を示すものであり、以下で簡単に説明する。
【００１９】
薄い金属板４ａの表裏両面に金属繊維４ｂを植えつけた導電性芯材を、移送用ローラー８を利用して右上から下向きに、所定の速度で連続的に搬送する。その搬送途中において、導電性芯材の両側に接近して配設した高周波加熱コイル２を用いて電磁誘導加熱により導電性芯材を加熱する。加熱温度は、適宜非接触式の温度計により測定し、４５０±５０℃程度にコントロールする、その際金属繊維４ｂの先端部分は金属板部分よりも高めの温度となる傾向がある。その後引き続き、熱風または赤外線加熱なども適宜併用して補助的に加熱し、芯材が冷却しないうちに、芯材を挟んで両側に設けた植毛用樹脂繊維収容籠９の中間部分に送り込む。
【００２０】
植毛用樹脂繊維収容籠９内部には、短く切断された熱可塑性樹脂から成る非導電性樹脂繊維３が収容されているが、乾燥した圧縮空気を籠の周囲から吹き込むなどの方法により撹拌されると浮遊状態となり、芯材に向き合う開口部からその一部が飛び出す。植毛用樹脂繊維収容籠９と導電性芯材の間には５０ＫＶ程度の静電気が、移送用ローラー８、導線１１などを介して掛けられているため、前記籠９を飛び出した植毛用樹脂繊維３は導電性芯材をめがけて飛んで行き、主として金属繊維４ｂの先端部に吸着される。
【００２１】
前記の高温に加熱された導電性芯材の金属繊維先端部に、熱可塑性樹脂繊維３が吸着され接触すると、そこに集中的に溶着する。アンカー効果により付着力を一層強くするために、金属繊維４ｂの表面にエッチングなどの化学的な表面処理、または表面のざらついたニッケル鍍金などを事前に施しておくことが望ましい。また、前記籠９と導電性芯材４ａの間には、孔の有効面積を調節可能なコントロール板１９が設けられて、植毛用樹脂繊維３の供給量が時間的に大きく変化することを防止する役割を受け持つ。
【００２２】
図２と図３はそれぞれ、３次元的な構造の発泡メタル５と、薄い金属板に対して機械的加工法により凹凸と穿孔を施した導電性芯材６の表面に、非導電性樹脂繊維３を植毛した状態を示すための断面図である。また、図５は本発明により製造した電極芯材１に、ペースト状活物質７を充填、乾燥後、ロールプレス加工により、溶剤が気化したあとの空隙を押し潰し、活物質７を高密度化し、且つ極板の厚さ調整をした状態を示す断面図である。
【００２３】
活物質７を充填された電極板１の表面付近に、非導電性樹脂繊維３が集中的に分布し、しかも樹脂繊維の方向は金属繊維４ｂと比べて、比較的ランダムな方向を向くので、固形化した活物質中に非導電性樹脂繊維が閉じ込められ場合には、非常に有効に芯材に対して活物質７を拘束する。特に樹脂繊維３は金属繊維よりも優れた柔軟性や伸縮機能を合わせ持つので、充放電に伴う活物質の膨脹収縮にも無理なく対応でき、芯材からの活物質の脱落を有効に防止する機能を有する。
【００２４】
本発明の電極芯材１に活物質７を充填した二次電池用電極に於いては、結着剤をほとんど添加しない状態のものでも、１０回の充放電後に於ける活物質の脱落状態が、機種により幾分異なるが、ほとんどの機種において、従来の活物質塗着式電極を使用した電池と比べて、１／１０以下に改善されたデーターが得られた。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、活物質を主成分とするペースト中に結着剤を全く、または、ほとんど添加しなくても、電極板の加工工程、電池完成後の充放電テスト、実用テストなどを通じて、電極芯材からの活物質の脱落を防止することが出来る。従って、ペースト中に結着剤を添加する必要が全くないか、極微量に制限することが可能なために、結着剤が活物質の電気化学的な反応を阻害することがなくなり、電池性能を向上させることが可能となる。また、結着剤をほとんど電池に使用しないので、結着剤が導電性芯材の表面に付着して、導電性を低下させることもなく、また電池中の酸素と反応して出来る二酸化炭素などの発生による電池寿命の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による薄い金属板表面に金属繊維を植え付け、その金属繊維の先端部に集中的に非導電性樹脂繊維を植毛した電極芯材の拡大斜視図
【図２】本発明の別の実施例による、発泡メタルの表層部に樹脂繊維を植毛した電極芯材の拡大断面図
【図３】本発明の第３の実施例による、薄い金属板に機械的に凹凸と孔の両者を加工した後、主としてその凸部表面に対して樹脂繊維を植毛した状態を示す断面図
【図４】本発明の実施例による、導電性芯材の表面に樹脂繊維を植毛する工程の植毛原理の概略図
【図５】図１に示す電極芯材に、活物質を主成分とするペーストを充填し、乾燥した後、ローラープレスにより圧縮して活物質の充填密度を高めた状態を示す断面図
【図６】薄い金属板の両面に対して、金属繊維をほぼ直立する状態に植毛した導電性芯材の断面図
【図７】薄い金属板の表面に、繊維状の金属繊維を不規則な状態に固定した、従来の電極芯材を拡大した斜視図
【図８】本発明による電極芯材用いた二次電池の構成の一例を示す分解斜視図
【符号の説明】
１電極芯材
２高周波誘導加熱コイル
３非導電性樹脂繊維
４ａ薄い金属板芯材
４ｂ金属繊維
５発泡メタル
６薄い金属板に機械的に凹凸と穿孔の両方の加工を施したもの
７活物質
８極板移送用ローラー
９植毛用樹脂繊維収容籠
１０静電気発生装置
１１導線
１２電池ケース
１３セパレーター
１４高周波電源
１５ガスケット
１６封口板
１７ゴム弁
１８プラス端子
１９樹脂繊維供給量調整板
２０孔

Claims

活物質を含むペーストを電極芯材に塗着または充填してなる蓄電池用電極であって、前記電極芯材は薄い金属板の表裏両面に金属繊維を植えつけた導電性芯材の前記金属繊維の先端部に非導電性繊維を集中的に植毛したことを特徴とする蓄電池用電極。
金属箔または孔を設けた金属箔の表面に直立させた状態で金属繊維を植毛した導電性芯材を用いる請求項１記載の蓄電池用電極。
導電性芯材が金属箔に、機械加工により凹凸を設けたか、それにさらに孔を設けたものである請求項１記載の蓄電池用電極。
導電性芯材が発泡メタルである請求項１記載の蓄電池用電極。
植毛する非導電性繊維が熱可塑性合成樹脂繊維であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の蓄電池用電極。
導電性芯材を、あらかじめ高温に加熱昇温させておき、前記導電性芯材の前記金属繊維の先端部に、熱可塑性樹脂繊維を溶融させることを特徴とする請求項５記載の蓄電池用電極。
導電性芯材の金属繊維の先端部に非導電性繊維を供給する際に、前記導電性芯材の前記金属繊維の先端部と非導電性繊維の間に静電気による吸引力を働かせたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の蓄電池用電極。