JP4757369B2 - 角形アルカリ蓄電池、並びにこれを用いた単位電池及び組電池 - Google Patents
角形アルカリ蓄電池、並びにこれを用いた単位電池及び組電池Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ニッケル・カドミウム蓄電池やニッケル・水素蓄電池で代表されるアルカリ蓄電池、特に角形アルカリ蓄電池に関する。さらに詳細には、発熱量、放熱量及び蓄熱量のバランスを最適化する電極群、電解液及び電槽の設計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ニッケル・カドミウム蓄電池やニッケル・水素蓄電池で代表されるアルカリ蓄電池は、エネルギー密度が高く、信頼性に優れていることから、例えば、ビデオテープレコーダー、ノートパソコン、携帯電話等のポータブル機器の電源として数多く使用されている。実際の使用においては、数個から十数個の単電池を樹脂ケースやチューブの中に収納して使用されるのが一般的である。
【０００３】
また、これらのアルカリ蓄電池は、電池容量が０．５Ａｈ〜３Ａｈ程度であること、使用される機器が消費する電力も小さいことから、充放電時における単電池当たりの発熱量は小さい。従って、樹脂ケースやチューブの中に収納して使用する場合であっても、発熱と放熱がバランス良く行われ、電池の温度上昇に関する顕著な課題はなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近、家電製品から電気自動車や電気モータで動力をアシストするハイブリッド自動車等の電動車輌に至る移動体用電源として、エネルギー密度が高く、高出力で高信頼性の蓄電池が要望されている。このような用途で電池が使用される場合、数Ａｈ〜１００Ａｈ程度の電池容量が必要となる。また、車輌の十分な駆動力を確保するためには、電池電圧を大きくする必要がある。従って、数個から数百個の単電池を直列に接続すること、数十Ａ〜数百Ａの負荷電流の入出力を可能にすることが必要となる。
【０００５】
電池には、充放電に伴って、電極反応による反応熱やジュール熱が発生し、温度上昇が生ずるが、単電池の電池容量や負荷電流値が増大すると、発生する熱量が増加して、電池外部への放熱が遅れ、発生した熱が電池内部に蓄積されてしまう。その結果、従来の小型電池よりも電池温度が上昇する。また、このような単電池を電気的に直列に接続した単位電池や、単位電池を電気的に直列あるいは並列に接続した組電池は、数十セルから数百セルを隣接させて配置されるため、さらに放熱が遅れ、電池温度の上昇が促進される。そして、このように充電時及び放電時の電池の温度上昇が大きくなると、充電効率の低下、及び電池内に配置されたセパレータや電極内の結着剤などの分解が促進され、電池のサイクル寿命が短くなるという問題が生じる。
【０００６】
本発明者等は、電池の発熱量、放熱量及び蓄熱量の関係について検討を行った結果、以下の知見を得た。
【０００７】
電池の発熱量は、直流電流を印加した場合の電圧降下によって求められる電池の内部抵抗（Ｒ：電極の反応抵抗と集電部抵抗との総和）により支配され、この内部抵抗値と負荷電流値（Ｉ）の二乗との積（ＲＩ2 ）によって表される。電池の放熱量は、電池内部で発生した熱の外部への移動、すなわち熱伝導性によって支配されるため、極板の厚みや、複数枚の極板とセパレータとにより構成される電極群の厚みが重要な因子となる。また、電池の放熱量は、電池から熱を奪うための手段（電池外部に流通させる空気や水等の冷媒種やその量）に著しく影響される。また、電池の蓄熱量は、最も熱容量の大きい電解液の量に支配される。
【０００８】
電池の温度上昇は、これらの発熱量、放熱量及び蓄熱量のバランスで決定される。すなわち、電池に電流が印加されると、その電流の大きさと電池状態（充電量）に従った電池の内部抵抗とによって熱が発生する。そして、発生した熱は、電池の蓄熱量の大きさに応じて電池温度を上昇させる。また、電池内部で発生した熱は、外部へと伝達し、電池外部との温度差に応じた量の熱が放出される。このような電力の入出力が所定の電池状態の近傍で繰り返されると、発熱量、放熱量及び蓄熱量のそれぞれの大きさとそのバランスに応じた割合で電池温度が上昇し、見かけ上電池温度が一定となる。
【０００９】
従って、電池の温度上昇を抑制し、高出力で長寿命のアルカリ蓄電池を得るためには、電池の発熱量、放熱量及び蓄熱量のバランスの最適化を図った電極群、電解液及び電槽の設計が必要となる。
【００１０】
本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであり、発熱量、放熱量及び蓄熱量のバランスを最適化し、高出力で、充放電の繰り返しや長期間の使用においても優れた電池特性を有する角形アルカリ蓄電池、並びにこれを用いた単位電池及び組電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に係る角形アルカリ蓄電池の構成は、正極板と負極板とが厚みが０．１〜０．３ｍｍであるセパレータによって隔離され、イオン伝導度が４００〜６００ｍＳ／ｃｍであるアルカリ電解液とともに、熱伝導度が０．１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、厚みが０．５〜１．５ｍｍである樹脂製の電槽内に収納された角形アルカリ蓄電池であって、前記正極板と前記負極板とが前記セパレータを介して交互に積層されて電極群が構成され、前記電極群の幅方向の両端に前記正極板のリードと前記負極板のリードにそれぞれ端面溶接された、ニッケルメッキを施した鉄製の正極と負極の集電板を備え、各集電板を前記電槽の短側面に固定して前記電極群を前記電槽内に収納し、内部抵抗が５ｍΩ以下であり、前記電極群の厚みが３０ｍｍ以下であり、放熱面積が６０ｃｍ2以上であり、電解液量が１．３〜８．０ｇ／Ａｈであることを特徴とする。この角形アルカリ蓄電池の構成によれば、発熱量、放熱量及び蓄熱量のバランスが最適化され、高出力で、充放電の繰り返しや長期間の使用においても優れた電池特性を有する角型アルカリ蓄電池を実現することができる。
【００１２】
また、前記本発明の角形アルカリ蓄電池の構成においては、電槽材料が、ポリフェニレンエーテル樹脂とポリオレフィン樹脂を主体とするポリマーアロイであるのが好ましい。
また、前記本発明の角形アルカリ蓄電池の構成においては、電槽の形状が、幅の狭い短側面と幅の広い長側面とを有する直方体状であるのが好ましい。
【００１３】
また、前記本発明の角形アルカリ蓄電池の構成においては、正極板がニッケル酸化物を主体とする正極板であり、負極板が電気化学的に水素の吸蔵放出が可能な水素吸蔵合金を含む負極板であるのが好ましい。
【００１６】
熱伝導度が０．１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるという条件を満たす電槽材料としては、例えば、ポリフェニレンエーテル樹脂とポリオレフィン樹脂を主体とするポリマーアロイ等の樹脂材料を挙げることができる。
【００１７】
また、本発明に係る単位電池の構成は、３〜４０個の単電池を電気的に直列に接続した単位電池であって、前記単電池として前記本発明の角形アルカリ蓄電池を用いたことを特徴とする。
【００１８】
また、前記本発明の単位電池の構成においては、幅の狭い短側面と幅の広い長側面とを有する複数の直方体状の電槽をその短側面を隔壁として共用して一体的に成形した一体電槽の各電槽内に電極群を収納して各電槽ごとに単電池を構成すると共に、これらの単電池を電気的に直列に接続するのが好ましい。
【００１９】
また、前記本発明の単位電池の構成においては、単位電池当たりの熱伝導度が０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるのが好ましい。
【００２０】
この単位電池の構成によれば、温度上昇を抑制して、高出力で、充放電の繰り返しや長期間の使用においても優れた電池特性を有する単位電池を実現することができる。
【００２１】
また、本発明に係る組電池の構成は、単位電池を複数個電気的に直列及び／又は並列に接続し、隣接する前記単位電池間に冷却媒体が通過可能な通路が設けられた組電池であって、前記単位電池として前記本発明の単位電池を用いたことを特徴とする。この組電池の構成によれば、温度上昇を抑制して、高出力で、充放電の繰り返しや長期間の使用においても優れた電池特性を有する組電池を実現することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、角形アルカリ蓄電池の代表的な電池である角形ニッケル・水素蓄電池を例に挙げて説明する。
【００２３】
本実施の形態で用いたニッケル正極及び水素吸蔵合金負極は、以下のようにして作製した。
【００２４】
すなわち、ニッケル正極の活物質である水酸化ニッケル固溶体としては、平均粒径１０μｍ、嵩密度約２．０ｇ／ｃｃのＣｏ及びＺｎを固溶した粒子を使用した。そして、水酸化ニッケル固溶体粒子の１００重量部に水酸化コバルト７．０重量部と適量の純水とを加えて混合分散させ、活物質スラリとした。この活物質スラリを多孔度９５％、厚み１．３ｍｍの発泡ニッケル多孔体基板に充填し、８０℃の乾燥機内で乾燥させた。その後、ロールプレスを用いて厚みが０．４ｍｍとなるように圧延した。そして、これを、下記（表１）に示す長方形状の所定の寸法に切断して、ニッケル正極とした。
【００２５】
また、合金組成がＭｍＮｉ3.5 Ｃｏ0.75Ａｌ0.3 Ｍｎ0.4 の水素吸蔵合金をボールミルによって粉砕して平均粒径２０μｍ程度とした合金粉末を結着剤と共にパンチングメタルに塗着し、乾燥させた。その後、厚みが０．２８ｍｍとなるように圧延した。そして、これを、下記（表１）に示す長方形状の所定の寸法に切断して、水素吸蔵合金負極とした。
【００２６】
【表１】
【００２７】
図１は本発明の一実施の形態における角形ニッケル・水素蓄電池の電極群の構成を示す斜視図である。
【００２８】
図１に示すように、上記（表１）に示す正極板１及び負極板２を、同じく長方形状の親水化処理を施したポリプロピレン繊維不織布からなるセパレータ３を介して交互に積層し、電極厚みの異なる電極群を構成した。この電極群の幅方向両端のリード１ａ、２ａに、鉄にニッケルメッキを施した集電板４、５を端面溶接し、正極、負極の電極端子とした。これらの電極群は、水酸化カリウムを主成分とする電解液と共にポリプロピレン樹脂とポリフェニルエーテル樹脂を主体とするポリマーアロイ製の角形電槽に各集電板４、５を電槽の短側面に固定して収納した。これにより、電池容量８Ａｈの角形ニッケル・水素蓄電池が得られた。
【００２９】
以上のような構成を備えた角形ニッケル・水素蓄電池（単電池）の内部抵抗、電極群の厚み、放熱面積、電解液量、電解液のイオン伝導度、電槽の厚み、電槽材料の熱伝導度をそれぞれ変化させ、それらと充放電時の電池の温度上昇及びサイクル寿命との関係について調べた。
【００３０】
内部抵抗は、電極の反応抵抗、電解液のイオン導電性に関わる抵抗、集電部及び電極芯材の抵抗の総和である。そのため、電池容量、極板面積、集電部や電極芯材の材質や厚み、形状に大きく影響される。しかし、本実施の形態において行った実験では、電池容量及び電池内の極板面積はほぼ一定となるように行ったことから、これらの影響は無視されると考えられる。そのため、ニッケルメッキを施した鉄製の集電板４、５の厚み及びニッケルメッキの厚みを変化させることによって、電池の内部抵抗を変化させた。
【００３１】
また、内部抵抗の測定は、以下に示す方法によって行った。すなわち、後述する利用率の測定に用いた測定方法により、作製した電池の実容量［Ａｈ］を求めた。そして、放電状態の電池に実容量に対して５０％の充電を施した後、環境温度を２５℃として、３時間放置した。その後、下記（表２）に示す条件で電流を印加し、１０秒後の電池電圧を測定した。印加した電流値を横軸に、測定した電池電圧を縦軸にプロットした図を作成した。この図から求められる傾きは、オームの法則（Ｖ＝Ｒ×Ｉ）より、電池の内部抵抗を示していると考えられる。従って、電池の内部抵抗は、上記の方法により最小二乗法を用いて算出した。
【００３２】
【表２】
【００３３】
また、電極群の厚みとは、正極板１と負極板２とセパレータ３とからなる集合体の厚みを意味している（単位：ｍｍ）。放熱面積とは、電池外側面で冷却媒体と直接接する面積のことである（単位：ｃｍ2 ）。電解液量は、電池の１Ａｈ容量当たりの電解液の重量である（単位：ｇ／Ａｈ）。電解液のイオン伝導度は、電解液比重に支配される。
【００３４】
サイクル寿命は、初期容量の８０％以下となったサイクル数のことである。
（１）内部抵抗と温度上昇、サイクル寿命との関係
下記（表３）に、電極群の厚みを２０ｍｍ、放熱面積を１００ｃｍ2 、電解液量を３ｇ／Ａｈ、セパレータの厚みを０．２ｍｍ、電解液のイオン伝導度を５００ｍＳ／ｃｍとし、内部抵抗を３〜６ｍΩと変化させたときの、充放電時の電池の温度上昇とサイクル寿命の測定結果を示す。下記（表３）中の『利用率』は、以下のようにして算出される。すなわち、電池を充電レート０．１ＣｍＡで１５時間充電し、放電レート０．２ＣｍＡで電池電圧が１．０Ｖになるまで放電させるサイクルを５サイクル繰り返し、５サイクル目の容量を測定する。このようにして測定した電池容量を理論容量（正極中に充填した水酸化ニッケルの重量に、水酸化ニッケルが１電子反応するとしたときの電気容量２８９ｍＡｈ／ｇを乗じて得た値）で除することにより、利用率が算出される。
【００３５】
【表３】
【００３６】
上記（表３）に示すように、内部抵抗が３ｍΩ、４ｍΩ、５ｍΩのとき、充放電時の電池の温度上昇はそれぞれ５℃、５℃、７℃、サイクル寿命はそれぞれ１０００、１０００、９００であった。一方、内部抵抗が６ｍΩのとき、充放電時の電池の温度上昇は１４℃と高くなり、電池のサイクル寿命は３００と短くなっている。内部抵抗が大きくなると、充放電時の電池の発熱量、ひいては電池の温度上昇が大きくなると考えられる。そして、電池の温度上昇が大きくなると、充電効率の低下、及び電池内に配置されたセパレータや電極内の結着剤などの分解が促進され、電池のサイクル寿命が短くなると考えられる。
【００３７】
従って、電池の内部抵抗は、５ｍΩ以下であるのが望ましい。
（２）電極群の厚みと温度上昇、サイクル寿命との関係
下記（表４）に、電池の内部抵抗を４ｍΩ、放熱面積を１００ｃｍ2 、電解液量を３ｇ／Ａｈ、セパレータの厚みを０．２ｍｍ、電解液のイオン伝導度を５００ｍＳ／ｃｍとし、電極群の厚みを１０〜３５ｍｍと変化させたときの、充放電時の電池の温度上昇とサイクル寿命の測定結果を示す。尚、電極群の厚みが異なる電池について放熱面積を一定の値（１００ｃｍ2 ）に調整するために、各電池の電槽外表面に断熱シートを貼った。
【００３８】
【表４】
【００３９】
上記（表４）に示すように、電極群の厚みが１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍのとき、充放電時の電池の温度上昇はそれぞれ７℃、５℃、７℃、サイクル寿命はそれぞれ９００、１０００、９００であった。一方、電極群の厚みが３５ｍｍのとき、充放電時の電池の温度上昇は１２℃と高くなり、電池のサイクル寿命は４００と短くなっている。電極枚数が多く、電極群の厚みが大きい場合には、熱拡散速度が小さくなり、電池内部での熱伝導度が小さくなるために、電池の温度上昇が大きくなると考えられる。そして、電池の温度上昇が大きくなると、充電効率の低下、及び電池内に配置されたセパレータや電極内の結着剤などの分解が促進され、電池のサイクル寿命が短くなると考えられる。
【００４０】
従って、電極群の厚みは、３０ｍｍ以下であるのが望ましい。
（３）放熱面積と温度上昇、サイクル寿命との関係
下記（表５）に、電池の内部抵抗を４ｍΩ、電極群の厚みを２０ｍｍ、電解液量を３ｇ／Ａｈ、セパレータの厚みを０．２ｍｍ、電解液のイオン伝導度を５００ｍＳ／ｃｍとし、放熱面積を５０〜１２０ｃｍ2 と変化させたときの、充放電時の電池の温度上昇とサイクル寿命の測定結果を示す。尚、放熱面積は、電槽外表面に断熱シートを貼ることにより、所定の面積に調整した。
【００４１】
【表５】
【００４２】
上記（表３）に示すように、放熱面積が６０ｃｍ2 、８０ｃｍ2 、１００ｃｍ2 、１２０ｃｍ2 のとき、充放電時の電池の温度上昇はそれぞれ７℃、５℃、５℃、４℃、サイクル寿命はそれぞれ９００、１０００、１０００、１０００であった。一方、放熱面積が５０ｃｍ2 のとき、充放電時の電池の温度上昇は１３℃と高くなり、電池のサイクル寿命は３００と短くなっている。放熱面積が小さい場合には、放熱量が小さくなるために、電池の温度上昇が大きくなると考えられる。そして、電池の温度上昇が大きくなると、充電効率の低下、及び電池内に配置されたセパレータや電極内の結着剤などの分解が促進され、電池のサイクル寿命が短くなると考えられる。
【００４３】
従って、放熱面積は、６０ｃｍ2 以上であるのが望ましい。
（４）電解液量と温度上昇、サイクル寿命との関係
下記（表６）に、電池の内部抵抗を４ｍΩ、電極群の厚みを２０ｍｍ、放熱面積を１００ｃｍ2 、セパレータの厚みを０．２ｍｍ、電解液のイオン伝導度を５００ｍＳ／ｃｍとし、電解液量を１．２〜８．１ｇ／Ａｈと変化させたときの、充放電時の電池の温度上昇とサイクル寿命の測定結果を示す。
【００４４】
【表６】
【００４５】
上記（表６）に示すように、電解液量が１．３ｇ／Ａｈ、３ｇ／Ａｈ、６ｇ／Ａｈ、８ｇ／Ａｈのとき、充放電時の電池の温度上昇はそれぞれ７℃、５℃、５℃、４℃、サイクル寿命はそれぞれ９００、１０００、１０００、９００であった。一方、電解液量が１．２ｇ／Ａｈのとき、充放電時の電池の温度上昇は１２℃と高くなり、電池のサイクル寿命は４００と短くなっている。また、電解液量が８．１ｇ／Ａｈのとき、充放電時の電池の温度上昇は４℃であるが、電池のサイクル寿命は５００と短くなっている。電解液量が少ない場合には、蓄熱量が小さくなるために、充放電時の電池の発熱量、ひいては電池の温度上昇が大きくなると考えられる。そして、電池の温度上昇が大きくなると、充電効率の低下、及び電池内に配置されたセパレータや電極内の結着剤などの分解が促進され、電池のサイクル寿命が短くなると考えられる。また、電解液量が多い場合には、蓄熱量が大きくなるために、充放電時の電池の発熱量、ひいては電池の温度上昇は小さくなるが、その一方で、充電効率が低下して電池の内圧が上昇するために、電池のサイクル寿命は短くなると考えられる。
【００４６】
従って、電解液量は、１．３〜８．０ｇ／Ａｈであるのが望ましい。
【００４７】
以上（１）〜（４）の結果をまとめると、内部抵抗が５ｍΩ以下、電極群の厚みが３０ｍｍ以下、放熱面積が６０ｃｍ2 以上、電解液量が１．３〜８．０ｇ／Ａｈである場合に、発熱量、放熱量及び蓄熱量のバランスが最適化され、高出力で、充放電の繰り返しや長期間の使用においても優れた電池特性を有する角形ニッケル・水素蓄電池が実現される。
（５）セパレータの厚みと温度上昇、サイクル寿命との関係
下記（表７）に、電池の内部抵抗を４ｍΩ、電極群の厚みを２０ｍｍ、放熱面積を１００ｃｍ2 、電解液量を３ｇ／Ａｈ、電解液のイオン伝導度を５００ｍＳ／ｃｍとし、セパレータの厚みを０．０８〜０．３２ｍｍと変化させたときの、充放電時の電池の温度上昇とサイクル寿命の測定結果を示す。
【００４８】
【表７】
【００４９】
上記（表７）に示すように、セパレータの厚みが０．１ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．２ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．３ｍｍのとき、充放電時の電池の温度上昇はそれぞれ７℃、４℃、４℃、４℃、７℃、サイクル寿命はそれぞれ９００、１０００、１０００、１０００、９００であった。一方、セパレータの厚みが０．０８ｍｍのとき、充放電時の電池の温度上昇は７℃であるが、電池のサイクル寿命は４００と短くなっている。また、セパレータの厚みが０．３２ｍｍのとき、充放電時の電池の温度上昇は１２℃と高くなり、電池のサイクル寿命は５００と短くなっている。セパレータの厚みが小さい場合には、セパレータの吸収する電解液量が少ないことから、結果として電極内の電解液量が多くなり、蓄熱量が大きくなるため、充放電時の電池の発熱量、ひいては電池の温度上昇は小さくなるが、その一方で、充電効率が低下して電池の内圧が上昇するために、電池のサイクル寿命は短くなると考えられる。また、セパレータの厚みが大きい場合には、セパレータの吸収する電解液量が多いことから、結果として電極内の電解液量が少なくなり、電極の反応抵抗が大きくなるために、充放電時の電池の発熱量、ひいては電池の温度上昇が大きくなると考えられる。そして、電池の温度上昇が大きくなると、充電効率の低下、及び電池内に配置されたセパレータや電極内の結着剤などの分解が促進され、電池のサイクル寿命が短くなると考えられる。
【００５０】
従って、セパレータの厚みは、０．１〜０．３ｍｍであるのが望ましい。
（６）電解液のイオン伝導度と温度上昇、サイクル寿命との関係
下記（表８）に、電池の内部抵抗を４ｍΩ、電極群の厚みを２０ｍｍ、放熱面積を１００ｃｍ2 、電解液量を３ｇ／Ａｈ、セパレータの厚みを０．２ｍｍとし、電解液のイオン伝導度を３７０〜６５０ｍＳ／ｃｍと変化させたときの、充放電時の電池の温度上昇とサイクル寿命の測定結果を示す。尚、電解液のイオン伝導度は、電解液の比重を変えることにより、所定の値に調整した。
【００５１】
【表８】
【００５２】
上記（表８）に示すように、電解液のイオン伝導度が４００ｍＳ／ｃｍ、５００ｍＳ／ｃｍ、６００ｍＳ／ｃｍのとき、充放電時の電池の温度上昇はそれぞれ７℃、５℃、７℃、サイクル寿命はそれぞれ９００、１０００、９００であった。一方、電解液のイオン伝導度が３７０ｍＳ／ｃｍのとき、充放電時の電池の温度上昇は１２℃と高くなり、電池のサイクル寿命は４００と短くなっている。また、電解液のイオン伝導度が６５０ｍＳ／ｃｍのとき、充放電時の電池の温度上昇は１３℃と高くなり、電池のサイクル寿命は４００と短くなっている。電解液のイオン伝導度が小さい場合には、電解液比重が小さく、液量（ｃｃ）過多となって、電極の反応抵抗が大きくなるために、充放電時の電池の発熱量、ひいては電池の温度上昇が大きくなると考えられる。また、電解液のイオン伝導度が大きい場合には、電解液比重が大きく、液量（ｃｃ）が少なくなって、放熱性が同じであっても蓄熱量は最も熱容量の大きい電解液によって支配されるために、蓄熱量も少なくなり、電池の温度上昇が大きくなると考えられる。そして、電池の温度上昇が大きくなると、充電効率の低下、及び電池内に配置されたセパレータや電極内の結着剤などの分解が促進され、電池のサイクル寿命が短くなると考えられる。
【００５３】
従って、電解液のイオン伝導度は、４００〜６００ｍＳ／ｃｍであるのが望ましい。
（７）電槽材料の熱伝導度と温度上昇、サイクル寿命との関係
下記（表９）に、電池の内部抵抗、電極群の厚み、放熱面積、電解液量、セパレータの厚み、電解液のイオン伝導度を上記（１）〜（６）において説明した望ましい値に設定し、電槽の厚みを１．０ｍｍに設定して、電槽材料の熱伝導度を０．１３〜０．１８Ｗ／ｍ・Ｋと変化させたときの、充放電時の電池の温度上昇とサイクル寿命の測定結果を示す。電槽材料の熱伝導度は、使用する樹脂の熱伝導性に支配され、ポリマーアロイ樹脂ではその配合比に支配される。
【００５４】
【表９】
【００５５】
上記（表９）に示すように、電槽材料の熱伝導度が０．１５Ｗ／ｍ・Ｋ、０．１８Ｗ／ｍ・Ｋのとき、充放電時の電池の温度上昇はそれぞれ７℃、５℃、サイクル寿命はそれぞれ９００、１０００であった。一方、電槽材料の熱伝導度が０．１３Ｗ／ｍ・Ｋ、０．１４Ｗ／ｍ・Ｋのとき、充放電時の電池の温度上昇はそれぞれ１４℃、１１℃と高く、電池のサイクル寿命はそれぞれ４００、５００と短くなっている。電槽材料の熱伝導度が小さい場合には、電池の温度上昇が大きくなり、充電効率の低下、及び電池内に配置されたセパレータや電極内の結着剤などの分解が促進されて、電池のサイクル寿命も短くなると考えられる。
（８）電槽の厚みと温度上昇、サイクル寿命との関係
下記（表１０）に、電池の内部抵抗、電極群の厚み、放熱面積、電解液量、セパレータの厚み、電解液のイオン伝導度を上記（１）〜（６）において説明した望ましい値に設定し、電槽材料の熱伝導度を０．２Ｗ／ｍ・Ｋに設定して、電槽の厚みを０．４〜１．６ｍｍと変化させたときの、充放電時の電池の温度上昇とサイクル寿命の測定結果を示す。
【００５６】
【表１０】
【００５７】
上記（表１０）に示すように、電槽の厚みが０．５ｍｍ、０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．５ｍｍのとき、充放電時の電池の温度上昇はそれぞれ４℃、５℃、５℃、５℃、７℃、サイクル寿命はそれぞれ９００、１０００、１０００、１０００、９００であった。一方、電槽の厚みが０．４ｍｍのとき、充放電時の電池の温度上昇は４℃であるが、電池のサイクル寿命は４００と短くなっている。また、電槽の厚みが１．６ｍｍのとき、充放電時の電池の温度上昇は１２℃と高くなり、電池のサイクル寿命は５００と短くなっている。電槽の厚みが小さい場合には、放熱性が良好となるために、充放電時の電池の発熱量、ひいては電池の温度上昇は小さくなるが、電池内圧に対して電槽の厚みが不足するために、電槽が変形し、電池のサイクル寿命が短くなると考えられる。また、電槽の厚みが大きい場合には、放熱性が悪くなるために、充放電時の電池の発熱量、ひいては電池の温度上昇が大きくなると考えられる。そして、電池の温度上昇が大きくなると、充電効率の低下、及び電池内に配置されたセパレータや電極内の結着剤などの分解が促進され、電池のサイクル寿命が短くなると考えられる。
【００５８】
従って、（７）、（８）の結果から、電槽材料の熱伝導度が０．１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、電槽の厚みが０．５〜１．５ｍｍであるのが望ましい。
【００５９】
この条件を満たす電槽材料としては、例えば、ポリフェニレンエーテル樹脂とポリオレフィン樹脂を主体とするポリマーアロイ等の樹脂材料を挙げることができる。
【００６０】
次に、上記のような構成を備えた３〜４０個の角形ニッケル・水素蓄電池（単電池）を電気的に直列に接続して単位電池を作製した。
【００６１】
図２に、６個の角形ニッケル・水素蓄電池（単電池）を電気的に直列に接続して単位電池を構成したときの一体電槽の斜視図を示す。図２に示すように、幅の狭い短側面と幅の広い長側面とを有する６個の直方体状の電槽６を、その短側面を隔壁７として共用して一体的に成形した一体電槽８の各電槽６内に電極群（図示せず）が収納されている。すなわち、隣接する単電池同士が隔壁７の上部で電気的に直列に接続されている。両端の端壁９の上部には、上記単位電池の極端子（図示せず）がそれぞれ設けられている。一体電槽８の上部解放面は、上部カバー（図示せず）によって一体的に閉塞されている。また、一体電槽８の長側面には、隣接する単位電池との間に冷却媒体が通過可能な通路を形成するためのリブ状突起１０が設けられている。
（９）単位電池当たりの熱伝導度と温度上昇、サイクル寿命との関係
下記（表１１）に、６個の角形ニッケル・水素蓄電池（単電池）を電気的に直列に接続して構成した単位電池において、各単電池の内部抵抗、電極群の厚み、放熱面積、電解液量、セパレータの厚み、電解液のイオン伝導度を上記（１）〜（６）において説明した望ましい値に設定し、単位電池当たりの熱伝導度を０．２〜０．４Ｗ／ｍ・Ｋと変化させたときの、充放電時の単位電池の温度上昇とサイクル寿命の測定結果を示す。尚、単位電池当たりの熱伝導度は、電槽樹脂材料の配合比、電槽の厚みを変えることにより、所定の値に調整した。
【００６２】
【表１１】
【００６３】
上記（表１１）に示すように、単位電池当たりの熱伝導度が０．３Ｗ／ｍ・Ｋ、０．４Ｗ／ｍ・Ｋのとき、充放電時の単位電池の温度上昇はそれぞれ６℃、５℃、サイクル寿命はそれぞれ９００、１０００であった。一方、単位電池当たりの熱伝導度が０．２Ｗ／ｍ・Ｋのとき、充放電時の単位電池の温度上昇は１３℃と高く、単位電池のサイクル寿命は４００と短くなっている。単位電池当たりの熱伝導度が小さい場合には、放熱性が悪くなるために、充放電時の単位電池の発熱量、ひいては単位電池の温度上昇が大きくなると考えられる。そして、単位電池の温度上昇が大きくなると、充電効率の低下、及び単電池内に配置されたセパレータや電極内の結着剤などの分解が促進され、単位電池のサイクル寿命が短くなると考えられる。
【００６４】
従って、単位電池当たりの熱伝導度は、０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるのが望ましい。
【００６５】
このように、上記（１）〜（９）において説明した望ましい値に設定された角形ニッケル・水素蓄電池（単電池）を用いて単位電池を構成し、かつ、単位電池当たりの熱伝導度を０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以上に設定することにより、温度上昇を抑制して、高出力で、充放電の繰り返しや長期間の使用においても優れた電池特性を有する単位電池を実現することができる。
【００６６】
次に、上記のような構成を備えた単位電池を複数個電気的に直列及び／又は並列に接続して組電池を作製した。隣接する単位電池間には、冷却媒体が通過可能な通路が設けられている。この場合にも、（９）において説明した望ましい値に設定された単位電池を用いて組電池を構成することにより、温度上昇を抑制して、高出力で、充放電の繰り返しや長期間の使用においても優れた電池特性を有する組電池を実現することができた。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、発熱量、放熱量及び蓄熱量のバランスを最適化し、高出力で、充放電の繰り返しや長期間の使用においても優れた電池特性を有する角形アルカリ蓄電池を実現することができる。また、本発明の角形アルカリ蓄電池を用いることにより、温度上昇を抑制して、高出力で、充放電の繰り返しや長期間の使用においても優れた電池特性を有する単位電池及び組電池を実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における電極群構成を示す斜視図
【図２】本発明の一実施の形態における単位電池を構成する一体電槽を示す斜視図
【符号の説明】
１ 正極板
２ 負極板
３ セパレータ
４ 集電板
５ 集電板
６ 電槽
７ 隔壁
８ 一体電槽
９ 端壁
１０ リブ状突起
【発明の属する技術分野】
本発明は、ニッケル・カドミウム蓄電池やニッケル・水素蓄電池で代表されるアルカリ蓄電池、特に角形アルカリ蓄電池に関する。さらに詳細には、発熱量、放熱量及び蓄熱量のバランスを最適化する電極群、電解液及び電槽の設計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ニッケル・カドミウム蓄電池やニッケル・水素蓄電池で代表されるアルカリ蓄電池は、エネルギー密度が高く、信頼性に優れていることから、例えば、ビデオテープレコーダー、ノートパソコン、携帯電話等のポータブル機器の電源として数多く使用されている。実際の使用においては、数個から十数個の単電池を樹脂ケースやチューブの中に収納して使用されるのが一般的である。
【０００３】
また、これらのアルカリ蓄電池は、電池容量が０．５Ａｈ〜３Ａｈ程度であること、使用される機器が消費する電力も小さいことから、充放電時における単電池当たりの発熱量は小さい。従って、樹脂ケースやチューブの中に収納して使用する場合であっても、発熱と放熱がバランス良く行われ、電池の温度上昇に関する顕著な課題はなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近、家電製品から電気自動車や電気モータで動力をアシストするハイブリッド自動車等の電動車輌に至る移動体用電源として、エネルギー密度が高く、高出力で高信頼性の蓄電池が要望されている。このような用途で電池が使用される場合、数Ａｈ〜１００Ａｈ程度の電池容量が必要となる。また、車輌の十分な駆動力を確保するためには、電池電圧を大きくする必要がある。従って、数個から数百個の単電池を直列に接続すること、数十Ａ〜数百Ａの負荷電流の入出力を可能にすることが必要となる。
【０００５】
電池には、充放電に伴って、電極反応による反応熱やジュール熱が発生し、温度上昇が生ずるが、単電池の電池容量や負荷電流値が増大すると、発生する熱量が増加して、電池外部への放熱が遅れ、発生した熱が電池内部に蓄積されてしまう。その結果、従来の小型電池よりも電池温度が上昇する。また、このような単電池を電気的に直列に接続した単位電池や、単位電池を電気的に直列あるいは並列に接続した組電池は、数十セルから数百セルを隣接させて配置されるため、さらに放熱が遅れ、電池温度の上昇が促進される。そして、このように充電時及び放電時の電池の温度上昇が大きくなると、充電効率の低下、及び電池内に配置されたセパレータや電極内の結着剤などの分解が促進され、電池のサイクル寿命が短くなるという問題が生じる。
【０００６】
本発明者等は、電池の発熱量、放熱量及び蓄熱量の関係について検討を行った結果、以下の知見を得た。
【０００７】
電池の発熱量は、直流電流を印加した場合の電圧降下によって求められる電池の内部抵抗（Ｒ：電極の反応抵抗と集電部抵抗との総和）により支配され、この内部抵抗値と負荷電流値（Ｉ）の二乗との積（ＲＩ2 ）によって表される。電池の放熱量は、電池内部で発生した熱の外部への移動、すなわち熱伝導性によって支配されるため、極板の厚みや、複数枚の極板とセパレータとにより構成される電極群の厚みが重要な因子となる。また、電池の放熱量は、電池から熱を奪うための手段（電池外部に流通させる空気や水等の冷媒種やその量）に著しく影響される。また、電池の蓄熱量は、最も熱容量の大きい電解液の量に支配される。
【０００８】
電池の温度上昇は、これらの発熱量、放熱量及び蓄熱量のバランスで決定される。すなわち、電池に電流が印加されると、その電流の大きさと電池状態（充電量）に従った電池の内部抵抗とによって熱が発生する。そして、発生した熱は、電池の蓄熱量の大きさに応じて電池温度を上昇させる。また、電池内部で発生した熱は、外部へと伝達し、電池外部との温度差に応じた量の熱が放出される。このような電力の入出力が所定の電池状態の近傍で繰り返されると、発熱量、放熱量及び蓄熱量のそれぞれの大きさとそのバランスに応じた割合で電池温度が上昇し、見かけ上電池温度が一定となる。
【０００９】
従って、電池の温度上昇を抑制し、高出力で長寿命のアルカリ蓄電池を得るためには、電池の発熱量、放熱量及び蓄熱量のバランスの最適化を図った電極群、電解液及び電槽の設計が必要となる。
【００１０】
本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであり、発熱量、放熱量及び蓄熱量のバランスを最適化し、高出力で、充放電の繰り返しや長期間の使用においても優れた電池特性を有する角形アルカリ蓄電池、並びにこれを用いた単位電池及び組電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に係る角形アルカリ蓄電池の構成は、正極板と負極板とが厚みが０．１〜０．３ｍｍであるセパレータによって隔離され、イオン伝導度が４００〜６００ｍＳ／ｃｍであるアルカリ電解液とともに、熱伝導度が０．１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、厚みが０．５〜１．５ｍｍである樹脂製の電槽内に収納された角形アルカリ蓄電池であって、前記正極板と前記負極板とが前記セパレータを介して交互に積層されて電極群が構成され、前記電極群の幅方向の両端に前記正極板のリードと前記負極板のリードにそれぞれ端面溶接された、ニッケルメッキを施した鉄製の正極と負極の集電板を備え、各集電板を前記電槽の短側面に固定して前記電極群を前記電槽内に収納し、内部抵抗が５ｍΩ以下であり、前記電極群の厚みが３０ｍｍ以下であり、放熱面積が６０ｃｍ2以上であり、電解液量が１．３〜８．０ｇ／Ａｈであることを特徴とする。この角形アルカリ蓄電池の構成によれば、発熱量、放熱量及び蓄熱量のバランスが最適化され、高出力で、充放電の繰り返しや長期間の使用においても優れた電池特性を有する角型アルカリ蓄電池を実現することができる。
【００１２】
また、前記本発明の角形アルカリ蓄電池の構成においては、電槽材料が、ポリフェニレンエーテル樹脂とポリオレフィン樹脂を主体とするポリマーアロイであるのが好ましい。
また、前記本発明の角形アルカリ蓄電池の構成においては、電槽の形状が、幅の狭い短側面と幅の広い長側面とを有する直方体状であるのが好ましい。
【００１３】
また、前記本発明の角形アルカリ蓄電池の構成においては、正極板がニッケル酸化物を主体とする正極板であり、負極板が電気化学的に水素の吸蔵放出が可能な水素吸蔵合金を含む負極板であるのが好ましい。
【００１６】
熱伝導度が０．１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるという条件を満たす電槽材料としては、例えば、ポリフェニレンエーテル樹脂とポリオレフィン樹脂を主体とするポリマーアロイ等の樹脂材料を挙げることができる。
【００１７】
また、本発明に係る単位電池の構成は、３〜４０個の単電池を電気的に直列に接続した単位電池であって、前記単電池として前記本発明の角形アルカリ蓄電池を用いたことを特徴とする。
【００１８】
また、前記本発明の単位電池の構成においては、幅の狭い短側面と幅の広い長側面とを有する複数の直方体状の電槽をその短側面を隔壁として共用して一体的に成形した一体電槽の各電槽内に電極群を収納して各電槽ごとに単電池を構成すると共に、これらの単電池を電気的に直列に接続するのが好ましい。
【００１９】
また、前記本発明の単位電池の構成においては、単位電池当たりの熱伝導度が０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるのが好ましい。
【００２０】
この単位電池の構成によれば、温度上昇を抑制して、高出力で、充放電の繰り返しや長期間の使用においても優れた電池特性を有する単位電池を実現することができる。
【００２１】
また、本発明に係る組電池の構成は、単位電池を複数個電気的に直列及び／又は並列に接続し、隣接する前記単位電池間に冷却媒体が通過可能な通路が設けられた組電池であって、前記単位電池として前記本発明の単位電池を用いたことを特徴とする。この組電池の構成によれば、温度上昇を抑制して、高出力で、充放電の繰り返しや長期間の使用においても優れた電池特性を有する組電池を実現することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、角形アルカリ蓄電池の代表的な電池である角形ニッケル・水素蓄電池を例に挙げて説明する。
【００２３】
本実施の形態で用いたニッケル正極及び水素吸蔵合金負極は、以下のようにして作製した。
【００２４】
すなわち、ニッケル正極の活物質である水酸化ニッケル固溶体としては、平均粒径１０μｍ、嵩密度約２．０ｇ／ｃｃのＣｏ及びＺｎを固溶した粒子を使用した。そして、水酸化ニッケル固溶体粒子の１００重量部に水酸化コバルト７．０重量部と適量の純水とを加えて混合分散させ、活物質スラリとした。この活物質スラリを多孔度９５％、厚み１．３ｍｍの発泡ニッケル多孔体基板に充填し、８０℃の乾燥機内で乾燥させた。その後、ロールプレスを用いて厚みが０．４ｍｍとなるように圧延した。そして、これを、下記（表１）に示す長方形状の所定の寸法に切断して、ニッケル正極とした。
【００２５】
また、合金組成がＭｍＮｉ3.5 Ｃｏ0.75Ａｌ0.3 Ｍｎ0.4 の水素吸蔵合金をボールミルによって粉砕して平均粒径２０μｍ程度とした合金粉末を結着剤と共にパンチングメタルに塗着し、乾燥させた。その後、厚みが０．２８ｍｍとなるように圧延した。そして、これを、下記（表１）に示す長方形状の所定の寸法に切断して、水素吸蔵合金負極とした。
【００２６】
【表１】
図１は本発明の一実施の形態における角形ニッケル・水素蓄電池の電極群の構成を示す斜視図である。
【００２８】
図１に示すように、上記（表１）に示す正極板１及び負極板２を、同じく長方形状の親水化処理を施したポリプロピレン繊維不織布からなるセパレータ３を介して交互に積層し、電極厚みの異なる電極群を構成した。この電極群の幅方向両端のリード１ａ、２ａに、鉄にニッケルメッキを施した集電板４、５を端面溶接し、正極、負極の電極端子とした。これらの電極群は、水酸化カリウムを主成分とする電解液と共にポリプロピレン樹脂とポリフェニルエーテル樹脂を主体とするポリマーアロイ製の角形電槽に各集電板４、５を電槽の短側面に固定して収納した。これにより、電池容量８Ａｈの角形ニッケル・水素蓄電池が得られた。
【００２９】
以上のような構成を備えた角形ニッケル・水素蓄電池（単電池）の内部抵抗、電極群の厚み、放熱面積、電解液量、電解液のイオン伝導度、電槽の厚み、電槽材料の熱伝導度をそれぞれ変化させ、それらと充放電時の電池の温度上昇及びサイクル寿命との関係について調べた。
【００３０】
内部抵抗は、電極の反応抵抗、電解液のイオン導電性に関わる抵抗、集電部及び電極芯材の抵抗の総和である。そのため、電池容量、極板面積、集電部や電極芯材の材質や厚み、形状に大きく影響される。しかし、本実施の形態において行った実験では、電池容量及び電池内の極板面積はほぼ一定となるように行ったことから、これらの影響は無視されると考えられる。そのため、ニッケルメッキを施した鉄製の集電板４、５の厚み及びニッケルメッキの厚みを変化させることによって、電池の内部抵抗を変化させた。
【００３１】
また、内部抵抗の測定は、以下に示す方法によって行った。すなわち、後述する利用率の測定に用いた測定方法により、作製した電池の実容量［Ａｈ］を求めた。そして、放電状態の電池に実容量に対して５０％の充電を施した後、環境温度を２５℃として、３時間放置した。その後、下記（表２）に示す条件で電流を印加し、１０秒後の電池電圧を測定した。印加した電流値を横軸に、測定した電池電圧を縦軸にプロットした図を作成した。この図から求められる傾きは、オームの法則（Ｖ＝Ｒ×Ｉ）より、電池の内部抵抗を示していると考えられる。従って、電池の内部抵抗は、上記の方法により最小二乗法を用いて算出した。
【００３２】
【表２】
また、電極群の厚みとは、正極板１と負極板２とセパレータ３とからなる集合体の厚みを意味している（単位：ｍｍ）。放熱面積とは、電池外側面で冷却媒体と直接接する面積のことである（単位：ｃｍ2 ）。電解液量は、電池の１Ａｈ容量当たりの電解液の重量である（単位：ｇ／Ａｈ）。電解液のイオン伝導度は、電解液比重に支配される。
【００３４】
サイクル寿命は、初期容量の８０％以下となったサイクル数のことである。
（１）内部抵抗と温度上昇、サイクル寿命との関係
下記（表３）に、電極群の厚みを２０ｍｍ、放熱面積を１００ｃｍ2 、電解液量を３ｇ／Ａｈ、セパレータの厚みを０．２ｍｍ、電解液のイオン伝導度を５００ｍＳ／ｃｍとし、内部抵抗を３〜６ｍΩと変化させたときの、充放電時の電池の温度上昇とサイクル寿命の測定結果を示す。下記（表３）中の『利用率』は、以下のようにして算出される。すなわち、電池を充電レート０．１ＣｍＡで１５時間充電し、放電レート０．２ＣｍＡで電池電圧が１．０Ｖになるまで放電させるサイクルを５サイクル繰り返し、５サイクル目の容量を測定する。このようにして測定した電池容量を理論容量（正極中に充填した水酸化ニッケルの重量に、水酸化ニッケルが１電子反応するとしたときの電気容量２８９ｍＡｈ／ｇを乗じて得た値）で除することにより、利用率が算出される。
【００３５】
【表３】
上記（表３）に示すように、内部抵抗が３ｍΩ、４ｍΩ、５ｍΩのとき、充放電時の電池の温度上昇はそれぞれ５℃、５℃、７℃、サイクル寿命はそれぞれ１０００、１０００、９００であった。一方、内部抵抗が６ｍΩのとき、充放電時の電池の温度上昇は１４℃と高くなり、電池のサイクル寿命は３００と短くなっている。内部抵抗が大きくなると、充放電時の電池の発熱量、ひいては電池の温度上昇が大きくなると考えられる。そして、電池の温度上昇が大きくなると、充電効率の低下、及び電池内に配置されたセパレータや電極内の結着剤などの分解が促進され、電池のサイクル寿命が短くなると考えられる。
【００３７】
従って、電池の内部抵抗は、５ｍΩ以下であるのが望ましい。
（２）電極群の厚みと温度上昇、サイクル寿命との関係
下記（表４）に、電池の内部抵抗を４ｍΩ、放熱面積を１００ｃｍ2 、電解液量を３ｇ／Ａｈ、セパレータの厚みを０．２ｍｍ、電解液のイオン伝導度を５００ｍＳ／ｃｍとし、電極群の厚みを１０〜３５ｍｍと変化させたときの、充放電時の電池の温度上昇とサイクル寿命の測定結果を示す。尚、電極群の厚みが異なる電池について放熱面積を一定の値（１００ｃｍ2 ）に調整するために、各電池の電槽外表面に断熱シートを貼った。
【００３８】
【表４】
上記（表４）に示すように、電極群の厚みが１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍのとき、充放電時の電池の温度上昇はそれぞれ７℃、５℃、７℃、サイクル寿命はそれぞれ９００、１０００、９００であった。一方、電極群の厚みが３５ｍｍのとき、充放電時の電池の温度上昇は１２℃と高くなり、電池のサイクル寿命は４００と短くなっている。電極枚数が多く、電極群の厚みが大きい場合には、熱拡散速度が小さくなり、電池内部での熱伝導度が小さくなるために、電池の温度上昇が大きくなると考えられる。そして、電池の温度上昇が大きくなると、充電効率の低下、及び電池内に配置されたセパレータや電極内の結着剤などの分解が促進され、電池のサイクル寿命が短くなると考えられる。
【００４０】
従って、電極群の厚みは、３０ｍｍ以下であるのが望ましい。
（３）放熱面積と温度上昇、サイクル寿命との関係
下記（表５）に、電池の内部抵抗を４ｍΩ、電極群の厚みを２０ｍｍ、電解液量を３ｇ／Ａｈ、セパレータの厚みを０．２ｍｍ、電解液のイオン伝導度を５００ｍＳ／ｃｍとし、放熱面積を５０〜１２０ｃｍ2 と変化させたときの、充放電時の電池の温度上昇とサイクル寿命の測定結果を示す。尚、放熱面積は、電槽外表面に断熱シートを貼ることにより、所定の面積に調整した。
【００４１】
【表５】
上記（表３）に示すように、放熱面積が６０ｃｍ2 、８０ｃｍ2 、１００ｃｍ2 、１２０ｃｍ2 のとき、充放電時の電池の温度上昇はそれぞれ７℃、５℃、５℃、４℃、サイクル寿命はそれぞれ９００、１０００、１０００、１０００であった。一方、放熱面積が５０ｃｍ2 のとき、充放電時の電池の温度上昇は１３℃と高くなり、電池のサイクル寿命は３００と短くなっている。放熱面積が小さい場合には、放熱量が小さくなるために、電池の温度上昇が大きくなると考えられる。そして、電池の温度上昇が大きくなると、充電効率の低下、及び電池内に配置されたセパレータや電極内の結着剤などの分解が促進され、電池のサイクル寿命が短くなると考えられる。
【００４３】
従って、放熱面積は、６０ｃｍ2 以上であるのが望ましい。
（４）電解液量と温度上昇、サイクル寿命との関係
下記（表６）に、電池の内部抵抗を４ｍΩ、電極群の厚みを２０ｍｍ、放熱面積を１００ｃｍ2 、セパレータの厚みを０．２ｍｍ、電解液のイオン伝導度を５００ｍＳ／ｃｍとし、電解液量を１．２〜８．１ｇ／Ａｈと変化させたときの、充放電時の電池の温度上昇とサイクル寿命の測定結果を示す。
【００４４】
【表６】
上記（表６）に示すように、電解液量が１．３ｇ／Ａｈ、３ｇ／Ａｈ、６ｇ／Ａｈ、８ｇ／Ａｈのとき、充放電時の電池の温度上昇はそれぞれ７℃、５℃、５℃、４℃、サイクル寿命はそれぞれ９００、１０００、１０００、９００であった。一方、電解液量が１．２ｇ／Ａｈのとき、充放電時の電池の温度上昇は１２℃と高くなり、電池のサイクル寿命は４００と短くなっている。また、電解液量が８．１ｇ／Ａｈのとき、充放電時の電池の温度上昇は４℃であるが、電池のサイクル寿命は５００と短くなっている。電解液量が少ない場合には、蓄熱量が小さくなるために、充放電時の電池の発熱量、ひいては電池の温度上昇が大きくなると考えられる。そして、電池の温度上昇が大きくなると、充電効率の低下、及び電池内に配置されたセパレータや電極内の結着剤などの分解が促進され、電池のサイクル寿命が短くなると考えられる。また、電解液量が多い場合には、蓄熱量が大きくなるために、充放電時の電池の発熱量、ひいては電池の温度上昇は小さくなるが、その一方で、充電効率が低下して電池の内圧が上昇するために、電池のサイクル寿命は短くなると考えられる。
【００４６】
従って、電解液量は、１．３〜８．０ｇ／Ａｈであるのが望ましい。
【００４７】
以上（１）〜（４）の結果をまとめると、内部抵抗が５ｍΩ以下、電極群の厚みが３０ｍｍ以下、放熱面積が６０ｃｍ2 以上、電解液量が１．３〜８．０ｇ／Ａｈである場合に、発熱量、放熱量及び蓄熱量のバランスが最適化され、高出力で、充放電の繰り返しや長期間の使用においても優れた電池特性を有する角形ニッケル・水素蓄電池が実現される。
（５）セパレータの厚みと温度上昇、サイクル寿命との関係
下記（表７）に、電池の内部抵抗を４ｍΩ、電極群の厚みを２０ｍｍ、放熱面積を１００ｃｍ2 、電解液量を３ｇ／Ａｈ、電解液のイオン伝導度を５００ｍＳ／ｃｍとし、セパレータの厚みを０．０８〜０．３２ｍｍと変化させたときの、充放電時の電池の温度上昇とサイクル寿命の測定結果を示す。
【００４８】
【表７】
上記（表７）に示すように、セパレータの厚みが０．１ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．２ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．３ｍｍのとき、充放電時の電池の温度上昇はそれぞれ７℃、４℃、４℃、４℃、７℃、サイクル寿命はそれぞれ９００、１０００、１０００、１０００、９００であった。一方、セパレータの厚みが０．０８ｍｍのとき、充放電時の電池の温度上昇は７℃であるが、電池のサイクル寿命は４００と短くなっている。また、セパレータの厚みが０．３２ｍｍのとき、充放電時の電池の温度上昇は１２℃と高くなり、電池のサイクル寿命は５００と短くなっている。セパレータの厚みが小さい場合には、セパレータの吸収する電解液量が少ないことから、結果として電極内の電解液量が多くなり、蓄熱量が大きくなるため、充放電時の電池の発熱量、ひいては電池の温度上昇は小さくなるが、その一方で、充電効率が低下して電池の内圧が上昇するために、電池のサイクル寿命は短くなると考えられる。また、セパレータの厚みが大きい場合には、セパレータの吸収する電解液量が多いことから、結果として電極内の電解液量が少なくなり、電極の反応抵抗が大きくなるために、充放電時の電池の発熱量、ひいては電池の温度上昇が大きくなると考えられる。そして、電池の温度上昇が大きくなると、充電効率の低下、及び電池内に配置されたセパレータや電極内の結着剤などの分解が促進され、電池のサイクル寿命が短くなると考えられる。
【００５０】
従って、セパレータの厚みは、０．１〜０．３ｍｍであるのが望ましい。
（６）電解液のイオン伝導度と温度上昇、サイクル寿命との関係
下記（表８）に、電池の内部抵抗を４ｍΩ、電極群の厚みを２０ｍｍ、放熱面積を１００ｃｍ2 、電解液量を３ｇ／Ａｈ、セパレータの厚みを０．２ｍｍとし、電解液のイオン伝導度を３７０〜６５０ｍＳ／ｃｍと変化させたときの、充放電時の電池の温度上昇とサイクル寿命の測定結果を示す。尚、電解液のイオン伝導度は、電解液の比重を変えることにより、所定の値に調整した。
【００５１】
【表８】
上記（表８）に示すように、電解液のイオン伝導度が４００ｍＳ／ｃｍ、５００ｍＳ／ｃｍ、６００ｍＳ／ｃｍのとき、充放電時の電池の温度上昇はそれぞれ７℃、５℃、７℃、サイクル寿命はそれぞれ９００、１０００、９００であった。一方、電解液のイオン伝導度が３７０ｍＳ／ｃｍのとき、充放電時の電池の温度上昇は１２℃と高くなり、電池のサイクル寿命は４００と短くなっている。また、電解液のイオン伝導度が６５０ｍＳ／ｃｍのとき、充放電時の電池の温度上昇は１３℃と高くなり、電池のサイクル寿命は４００と短くなっている。電解液のイオン伝導度が小さい場合には、電解液比重が小さく、液量（ｃｃ）過多となって、電極の反応抵抗が大きくなるために、充放電時の電池の発熱量、ひいては電池の温度上昇が大きくなると考えられる。また、電解液のイオン伝導度が大きい場合には、電解液比重が大きく、液量（ｃｃ）が少なくなって、放熱性が同じであっても蓄熱量は最も熱容量の大きい電解液によって支配されるために、蓄熱量も少なくなり、電池の温度上昇が大きくなると考えられる。そして、電池の温度上昇が大きくなると、充電効率の低下、及び電池内に配置されたセパレータや電極内の結着剤などの分解が促進され、電池のサイクル寿命が短くなると考えられる。
【００５３】
従って、電解液のイオン伝導度は、４００〜６００ｍＳ／ｃｍであるのが望ましい。
（７）電槽材料の熱伝導度と温度上昇、サイクル寿命との関係
下記（表９）に、電池の内部抵抗、電極群の厚み、放熱面積、電解液量、セパレータの厚み、電解液のイオン伝導度を上記（１）〜（６）において説明した望ましい値に設定し、電槽の厚みを１．０ｍｍに設定して、電槽材料の熱伝導度を０．１３〜０．１８Ｗ／ｍ・Ｋと変化させたときの、充放電時の電池の温度上昇とサイクル寿命の測定結果を示す。電槽材料の熱伝導度は、使用する樹脂の熱伝導性に支配され、ポリマーアロイ樹脂ではその配合比に支配される。
【００５４】
【表９】
上記（表９）に示すように、電槽材料の熱伝導度が０．１５Ｗ／ｍ・Ｋ、０．１８Ｗ／ｍ・Ｋのとき、充放電時の電池の温度上昇はそれぞれ７℃、５℃、サイクル寿命はそれぞれ９００、１０００であった。一方、電槽材料の熱伝導度が０．１３Ｗ／ｍ・Ｋ、０．１４Ｗ／ｍ・Ｋのとき、充放電時の電池の温度上昇はそれぞれ１４℃、１１℃と高く、電池のサイクル寿命はそれぞれ４００、５００と短くなっている。電槽材料の熱伝導度が小さい場合には、電池の温度上昇が大きくなり、充電効率の低下、及び電池内に配置されたセパレータや電極内の結着剤などの分解が促進されて、電池のサイクル寿命も短くなると考えられる。
（８）電槽の厚みと温度上昇、サイクル寿命との関係
下記（表１０）に、電池の内部抵抗、電極群の厚み、放熱面積、電解液量、セパレータの厚み、電解液のイオン伝導度を上記（１）〜（６）において説明した望ましい値に設定し、電槽材料の熱伝導度を０．２Ｗ／ｍ・Ｋに設定して、電槽の厚みを０．４〜１．６ｍｍと変化させたときの、充放電時の電池の温度上昇とサイクル寿命の測定結果を示す。
【００５６】
【表１０】
上記（表１０）に示すように、電槽の厚みが０．５ｍｍ、０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．５ｍｍのとき、充放電時の電池の温度上昇はそれぞれ４℃、５℃、５℃、５℃、７℃、サイクル寿命はそれぞれ９００、１０００、１０００、１０００、９００であった。一方、電槽の厚みが０．４ｍｍのとき、充放電時の電池の温度上昇は４℃であるが、電池のサイクル寿命は４００と短くなっている。また、電槽の厚みが１．６ｍｍのとき、充放電時の電池の温度上昇は１２℃と高くなり、電池のサイクル寿命は５００と短くなっている。電槽の厚みが小さい場合には、放熱性が良好となるために、充放電時の電池の発熱量、ひいては電池の温度上昇は小さくなるが、電池内圧に対して電槽の厚みが不足するために、電槽が変形し、電池のサイクル寿命が短くなると考えられる。また、電槽の厚みが大きい場合には、放熱性が悪くなるために、充放電時の電池の発熱量、ひいては電池の温度上昇が大きくなると考えられる。そして、電池の温度上昇が大きくなると、充電効率の低下、及び電池内に配置されたセパレータや電極内の結着剤などの分解が促進され、電池のサイクル寿命が短くなると考えられる。
【００５８】
従って、（７）、（８）の結果から、電槽材料の熱伝導度が０．１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、電槽の厚みが０．５〜１．５ｍｍであるのが望ましい。
【００５９】
この条件を満たす電槽材料としては、例えば、ポリフェニレンエーテル樹脂とポリオレフィン樹脂を主体とするポリマーアロイ等の樹脂材料を挙げることができる。
【００６０】
次に、上記のような構成を備えた３〜４０個の角形ニッケル・水素蓄電池（単電池）を電気的に直列に接続して単位電池を作製した。
【００６１】
図２に、６個の角形ニッケル・水素蓄電池（単電池）を電気的に直列に接続して単位電池を構成したときの一体電槽の斜視図を示す。図２に示すように、幅の狭い短側面と幅の広い長側面とを有する６個の直方体状の電槽６を、その短側面を隔壁７として共用して一体的に成形した一体電槽８の各電槽６内に電極群（図示せず）が収納されている。すなわち、隣接する単電池同士が隔壁７の上部で電気的に直列に接続されている。両端の端壁９の上部には、上記単位電池の極端子（図示せず）がそれぞれ設けられている。一体電槽８の上部解放面は、上部カバー（図示せず）によって一体的に閉塞されている。また、一体電槽８の長側面には、隣接する単位電池との間に冷却媒体が通過可能な通路を形成するためのリブ状突起１０が設けられている。
（９）単位電池当たりの熱伝導度と温度上昇、サイクル寿命との関係
下記（表１１）に、６個の角形ニッケル・水素蓄電池（単電池）を電気的に直列に接続して構成した単位電池において、各単電池の内部抵抗、電極群の厚み、放熱面積、電解液量、セパレータの厚み、電解液のイオン伝導度を上記（１）〜（６）において説明した望ましい値に設定し、単位電池当たりの熱伝導度を０．２〜０．４Ｗ／ｍ・Ｋと変化させたときの、充放電時の単位電池の温度上昇とサイクル寿命の測定結果を示す。尚、単位電池当たりの熱伝導度は、電槽樹脂材料の配合比、電槽の厚みを変えることにより、所定の値に調整した。
【００６２】
【表１１】
上記（表１１）に示すように、単位電池当たりの熱伝導度が０．３Ｗ／ｍ・Ｋ、０．４Ｗ／ｍ・Ｋのとき、充放電時の単位電池の温度上昇はそれぞれ６℃、５℃、サイクル寿命はそれぞれ９００、１０００であった。一方、単位電池当たりの熱伝導度が０．２Ｗ／ｍ・Ｋのとき、充放電時の単位電池の温度上昇は１３℃と高く、単位電池のサイクル寿命は４００と短くなっている。単位電池当たりの熱伝導度が小さい場合には、放熱性が悪くなるために、充放電時の単位電池の発熱量、ひいては単位電池の温度上昇が大きくなると考えられる。そして、単位電池の温度上昇が大きくなると、充電効率の低下、及び単電池内に配置されたセパレータや電極内の結着剤などの分解が促進され、単位電池のサイクル寿命が短くなると考えられる。
【００６４】
従って、単位電池当たりの熱伝導度は、０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるのが望ましい。
【００６５】
このように、上記（１）〜（９）において説明した望ましい値に設定された角形ニッケル・水素蓄電池（単電池）を用いて単位電池を構成し、かつ、単位電池当たりの熱伝導度を０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以上に設定することにより、温度上昇を抑制して、高出力で、充放電の繰り返しや長期間の使用においても優れた電池特性を有する単位電池を実現することができる。
【００６６】
次に、上記のような構成を備えた単位電池を複数個電気的に直列及び／又は並列に接続して組電池を作製した。隣接する単位電池間には、冷却媒体が通過可能な通路が設けられている。この場合にも、（９）において説明した望ましい値に設定された単位電池を用いて組電池を構成することにより、温度上昇を抑制して、高出力で、充放電の繰り返しや長期間の使用においても優れた電池特性を有する組電池を実現することができた。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、発熱量、放熱量及び蓄熱量のバランスを最適化し、高出力で、充放電の繰り返しや長期間の使用においても優れた電池特性を有する角形アルカリ蓄電池を実現することができる。また、本発明の角形アルカリ蓄電池を用いることにより、温度上昇を抑制して、高出力で、充放電の繰り返しや長期間の使用においても優れた電池特性を有する単位電池及び組電池を実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における電極群構成を示す斜視図
【図２】本発明の一実施の形態における単位電池を構成する一体電槽を示す斜視図
【符号の説明】
１ 正極板
２ 負極板
３ セパレータ
４ 集電板
５ 集電板
６ 電槽
７ 隔壁
８ 一体電槽
９ 端壁
１０ リブ状突起
Claims (8)
- 正極板と負極板とが厚みが０．１〜０．３ｍｍであるセパレータによって隔離され、イオン伝導度が４００〜６００ｍＳ／ｃｍであるアルカリ電解液とともに、熱伝導度が０．１５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、厚みが０．５〜１．５ｍｍである樹脂製の電槽内に収納された角形アルカリ蓄電池であって、
前記正極板と前記負極板とが前記セパレータを介して交互に積層されて電極群が構成され、
前記電極群の幅方向の両端に前記正極板のリードと前記負極板のリードにそれぞれ端面溶接された、ニッケルメッキを施した鉄製の正極と負極の集電板を備え、各集電板を前記電槽の短側面に固定して前記電極群を前記電槽内に収納し、
内部抵抗が５ｍΩ以下であり、前記電極群の厚みが３０ｍｍ以下であり、放熱面積が６０ｃｍ2以上であり、電解液量が１．３〜８．０ｇ／Ａｈであることを特徴とする角形アルカリ蓄電池。 - 電槽材料が、ポリフェニレンエーテル樹脂とポリオレフィン樹脂を主体とするポリマーアロイである請求項１に記載の角形アルカリ蓄電池。
- 電槽の形状が、幅の狭い短側面と幅の広い長側面とを有する直方体状である請求項１に記載の角形アルカリ蓄電池。
- 正極板がニッケル酸化物を主体とする正極板であり、負極板が電気化学的に水素の吸蔵放出が可能な水素吸蔵合金を含む負極板である請求項１に記載の角形アルカリ蓄電池。
- ３〜４０個の単電池を電気的に直列に接続した単位電池であって、
前記単電池として請求項１〜４のいずれかに記載の角形アルカリ蓄電池を用いたことを特徴とする単位電池。 - 幅の狭い短側面と幅の広い長側面とを有する複数の直方体状の電槽をその短側面を隔壁として共用して一体的に成形した一体電槽の各電槽内に電極群を収納して各電槽ごとに単電池を構成すると共に、これらの単電池を電気的に直列に接続した請求項５に記載の単位電池。
- 単位電池当たりの熱伝導度が０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以上である請求項５又は６に記載の単位電池。
- 単位電池を複数個電気的に直列及び／又は並列に接続し、隣接する前記単位電池間に冷却媒体が通過可能な通路が設けられた組電池であって、前記単位電池として請求項５〜７のいずれかに記載の単位電池を用いたことを特徴とする組電池。
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