JP4880113B2

JP4880113B2 - 電池用セパレータおよびそれを用いた電極群

Info

Publication number: JP4880113B2
Application number: JP2000354557A
Authority: JP
Inventors: 隆山村; 彰大谷; 敏宇田; 展安森下; 宗久生駒; 正宜岩瀬; 俊幸関森
Original assignee: Panasonic Corp; Nitto Denko Corp; Toyota Motor Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Nitto Denko Corp; Toyota Motor Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-11-21
Filing date: 2000-11-21
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2020-11-21
Also published as: JP2002157990A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池用セパレータおよびそれを用いた電極群に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、二次電池としては、ニッケルカドミウム電池が主流であったが、高容量で安全性が高く、しかもカドミウムを使用しないという理由から、ニッケル水素電池が、それに代わりつつある。特に、ニッケル水素電池は、円筒型や角型の小型二次電池として、携帯電話、ノートブック型パソコン等に汎用されている。また、ニッケル水素電池は、体積エネルギー密度が高いことから、電気自動車用電池（走行用電池）や電力貯蔵用二次電池としての使用が期待されている。
【０００３】
電池では、正極および負極の短絡を防止するために、前記両極間に電池用セパレータを介在させている。前記電池用セパレータの使用方法としては、例えば、シート状正極または負極の上にシート状電池用セパレータを積層し、この上にシート状負極または正極を積層し、さらにこの上にシート状電池用セパレータを積層し、この４層のシート状積層体を捲回し、この捲回体を電池缶に挿入する方法がある。この他に、袋状の電池用セパレータに、その集電部が露出する状態で正極または負極を挿入し、この袋と袋の間に、前記袋に挿入された電極とは異なる電極を配置して積層し、電極群を構成するという方法もある。このなかで、大型電池の場合は、電池体積を小さくできるという理由から、前記捲回体よりも前記電極群の方が適している。
【０００４】
前記袋状電池用セパレータは、通常、シート状電池用セパレータを折り曲げて、開口部を残しその縁部をヒートシールすることにより作製できるが、この作業は、極めて煩雑である。また、電極を袋状電池用セパレータに挿入する作業や、２つの袋状電池用セパレータの間に電極を挟み、これらを積層する工程も煩雑な工程である。このため、電極群の生産効率は、極めて低く、特に大型電池では、多数の電極群を必要とするため、この電極群に起因する生産性の問題とコストの問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、電極群を効率良く製造できる電池用セパレータ、それを用いた電極群を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の電池用セパレータは、プリーツ状に屈曲した形状を有するという構成である。このような形状の本発明の電池用セパレータを用いれば、後述のように、簡単に電極群を製造できる。
【０００７】
前記プリーツ形状を好ましく維持でき、また本発明の電極群の製造時において必要となる剛性を有するという理由から、本発明の電池用セパレータは、超高分子量ポリオレフィンから形成されていることが好ましい。特に好ましくは、超高分子量ポリオレフィン粒子が相互に連結し、前記粒子間の空隙により多孔構造が形成された電池用セパレータである。なお、従来、アルカリ二次電池の電池用セパレータとして使用されていたポリオレフィン繊維不織布は、プリーツ状に加工することができず、加工してもその直後にプリーツ形状を消失し、また剛性も低い。前記超高分子量ポリオレフィンとしては、例えば、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＰＥ）または超高分子量ポリプロピレンがあるが、粘度平均分子量が５０万以上のＵＨＰＥが好ましく、特に好ましくは、粘度平均分子量が５０万〜１６００万の範囲のＵＨＰＥである。本発明の電池用セパレータは、アルカリ二次電池に使用することが好ましい。
【０００８】
つぎに、本発明の電極群は、プリーツ状に屈曲された電池用セパレータの一面の凹部に一方の電極（正極または負極）が配置され、前記電池用セパレータの他面の凹部に他方の電極（負極または正極）が配置されているという構成である。
【０００９】
このような構成の本発明の電極群は、袋状電池用セパレータを使用した従来の電極群に比べ、効率良く生産できる。
【００１０】
本発明の電極群において、電池用セパレータの凹部への前記電極の配置が、前記電極の集電部が前記凹部から突出し、かつ前記電極のその他の部分が前記電池用セパレータからはみ出ない状態での配置であることが好ましい。また、前記電池用セパレータの各凹部の折り目方向両端が封止されていることが好ましい。前記両端が封止されていれば、正極および負極が固定され、信頼性に優れるようになる。また、前述と同様の理由により、前記電池用セパレータは、超高分子量ポリオレフィンで形成されていることが好ましく、これの好ましい例は前述と同様である。また、本発明の電極群は、アルカリ二次電池に使用することが好ましい。
【００１１】
つぎに、本発明の電極群の製造方法は、プリーツ状に屈曲している電池用セパレータを準備する工程と、前記電池用セパレータの一面の凹部に一方の電極を配置し、前記電池用セパレータの他面の凹部に他方の電極を配置する工程とを有する方法である。
【００１２】
このように、プリーツ状に屈曲した電池用セパレータを用いれば、その凹部に電極を挿入することにより、電極群が簡単に製造できる。
【００１３】
本発明の電極群の製造方法は、前記電池用セパレータの各凹部の折り目方向両端を封止する工程を有することが好ましい。また、本発明の電極群の製造方法は、プリーツ状に屈曲している前記電池用セパレータの各凹部の折り目方向一端を封止し、他端を広げる工程を有していてもよい。このようにすると、電池用セパレータの広がった方向から電極を容易に挿入することができ、生産効率がさらに良くなる。
【００１４】
また、前記電池用セパレータの一面の凹部に一方の電極を配置し、前記電池用セパレータの他面の凹部に他方の電極を配置する工程において、前記両電極を、前記電極の集電部が前記凹部から突出し、かつ前記電極のその他の部分が前記電池用セパレータからはみ出ない状態で配置することが好ましい。
【００１５】
つぎに、本発明の電池は、電極群として、前記本発明の電池を有する。前述のように、本発明の電極群は、生産効率が高いため、これを用いれば、電池の生産効率の向上およびコストの低減に寄与できる。なお、本発明の電池は、アルカリ二次電池であることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の電極群は、例えば、以下に示すようにして製造できる。
【００１７】
まず、図１に示すようなプリーツ状に屈曲した形状の電池用セパレータ１を準備する。この電池用セパレータは、例えば、つぎのようにして作製できる。
【００１８】
まず、超高分子量ポリオレフィン粉末を加熱焼結して焼結体を作製し、この焼結体を切削旋盤等で切削して多孔性シートを製造する。この多孔性シートでは、複数の超高分子量ポリオレフィン粒子が相互に連結し、前記粒子間の空隙により多孔構造が形成されている。前記超高分子量ポリオレフィン粉末の平均粒径は、特に制限されないが、例えば、１０〜２００μｍの範囲である。また、前記加熱焼結は、予め、減圧した状態に超高分子量ポリオレフィン粉末を置き、ここに前記超高分子量ポリオレフィンの融点以上に加熱された水蒸気を導入することによって行うことが好ましい。前記加熱焼結温度は、例えば、１３０〜２００℃の範囲である。前記多孔性シートは、帯状に成形するが、その幅は、電極幅よりも大きくする。また、その全長は、配置する電極数等により適宜決定される。
【００１９】
前記多孔性シートにおいて、例えば、気孔率は２０〜９０体積％の範囲であり、ＪＩＳＰ８１１７に従って測定される通気度は２０ｓｅｃ／１００ｍｌ以下であり、好ましくは、気孔率は３０〜７０体積％の範囲であり、前記通気度は０．１〜２０ｓｅｃ／１００ｍｌの範囲である。前記気孔率（体積％）は、前記多孔性シートの片面の面積Ｓ、厚みｄおよび重量ｍと、前記超高分子量ポリオレフィンの比重ｒとから、下記の式（数１）により算出できる。また、前記多孔性シートは、プリーツ加工における折り目部分に割れを生じたりすると、これが短絡の原因となるから、十分な強度を有することが好ましく、例えば、長手方向の引張強度が４．９ＭＰa（５０ｋｇ／ｃｍ²）以上であることが好ましく、特に好ましくは長手方向の引張強度が７．８４〜２９．４ＭＰa（８０〜３００ｋｇ／ｃｍ²）の範囲である。
【００２０】
（数１）
気孔率（体積％）＝［１−（（ｍ／ｒ）／（Ｓ×ｄ））］×１００
【００２１】
つぎに、前記多孔性シートを、プリーツ状に加工し、これを電池用セパレータとする。前記プリーツ加工は、通常のプリーツ加工機を用いて実施できる。この時の折幅は、電極の集電部が突出するように、電極の高さ（全長）よりも小さくする。
【００２２】
つぎに、図２に示すように、前記プリーツ状に屈曲した電池用セパレータ１の一面の各凹部に負極２を、その集電部２ａが前記凹部から突出し、かつ前記負極２が前記電池用セパレータ１の幅方向にはみ出ない状態で配置する。同様に、図３に示すように、前記電池用セパレータ１の他面の各凹部に、正極３を、その集電部３ａが前記凹部から突出し、かつ前記正極３が前記電池用セパレータ１の幅方向にはみ出ない状態で配置する。これらの電極の配置は、容易にできるので、機械によって実施してもよい。
【００２３】
所定枚数の電極を配置後、前記電池用セパレータを、その長手方向に圧縮して前記電池用セパレータと電極とを密着させる。そして、前記電池用セパレータの幅方向の両縁部を、前記超高分子量ポリオレフィンの融点以上の温度で加熱して溶融させることにより、電極が配置されている各凹部の折り目方向両端を封止する。この封止は、例えば、前記融点以上に加熱したプレートに前記電池用セパレータの幅方向の両縁部を接触させることにより実施できる。前記加熱温度は、例えば、９０〜２００℃の範囲である。このようにして、目的とする電極群を得ることができる。図４に、この電極群の一例を示す。同図において、図１から図３と同一部分には同一符号を付しており、１ａは、電池用セパレータの幅方向の一方の縁部を示す。また、前記電池用セパレータに電池複数個分の電極を配置し、前記電池用セパレータの幅方向両縁部を溶融して複数の電極群を一体として作製し、それから、電極群ごとに切断してもよい。
【００２４】
つぎに、この他の電極群の製造方法の一例について説明する。
【００２５】
前述と同様にして、プリーツ状に屈曲した電池用セパレータを準備する。そして、この電池用セパレータにおいて、その幅方向の一方の縁部を溶融して各凹部の折り目方向の一端を封止する。また、前記電池用セパレータの幅方向の他方の縁部を広げ、前記電池用セパレータを扇状に広げる。このようにすれば、広げた方から電極を容易に挿入することができる。図５に、扇状に広げた状態の電池用セパレータ１を示す。この電池用セパレータ１の一面の各凹部には、集電部２ａが突出した状態で負極２が配置されている。そして、前記電池用セパレータの両面の各凹部に電極を配置した後、前記電池用セパレータを、その長手方向に圧縮して扇が閉じた状態にする。この状態で、前記電池用セパレータの幅方向の他方の縁部を溶融して各凹部の折り目方向の他端を封止する。このようにしても、目的とする電極群を得ることができる。なお、前記各溶融封止は、前述と同様の方法により実施できる。
【００２６】
このようにして得られた電極群は、通常の方法によって電池に組み込むことができる。
【００２７】
【実施例】
つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。
【００２８】
（実施例１）
ＵＨＰＥ粉末（粘度平均分子量５００万、融点１３５℃、平均粒径１５０μｍ、メッシュ分級品）を保形具に充填した。この保形具は、金属製円筒状金型と、この金型の底部に配置され、これを固定する固定型とから構成される。前記金属製円筒状金型は、多数の孔を有し、またその内周面には、ポリテトラフルオロエチレン多孔質フィルムが貼着されている。この保形具を、金属製耐熱耐圧容器（水蒸気の導入管とその開閉バルブを備える）に入れ、真空ポンプにより内部雰囲気圧を１０Ｔｏｒｒとした。この時要した時間は３０分であった。そして、真空ポンプを停止後、前記バルブを開き、水蒸気（温度１６０℃、圧力０．４９ＭＰａ（５ｋｇ／ｃｍ²））を導入し、このまま１時間加熱焼結した後、冷却し、円柱状のＵＨＰＥ多孔質体を得た。この多孔質体を切削旋盤により厚み１７５μｍのシート状に切削し、気孔率５７体積％のＵＨＰＥ多孔性シートを得た。このＵＨＰＥ多孔性シートを帯状にカットし、これをプリーツ加工機によりプリーツ加工し、目的とする電池用セパレータを作製した。
【００２９】
前記電池用セパレータにおいて、その一面の各凹部に正極を配置し、その他面の各凹部に負極を配置した。この時、各電極が前記電池用セパレータからはみ出ないように注意し、また各電極の集電部が前記電池用セパレータの凹部から突出するようにした。そして、この状態の前記電池用セパレータを、その長手方向に圧縮し、その幅方向の両縁部を約１７０〜１８０℃に加熱したプレートに接触させて溶融し、前記各凹部の折り目方向両端を封止して、目的とする電極群を作製した。この電極群の製造は、効率よく簡単に行うことができた。
【００３０】
（実施例２）
実施例１と同じ方法により、プリーツ状に屈曲した電池用セパレータを作製した。そして、この電池用セパレータを長手方向に圧縮し、その幅方向の一方の縁部を約１７０〜１８０℃に加熱したプレートに接触させて溶融させて各凹部の折り目方向の一端を封止した。そして、前記電池用セパレータの幅方向の他方を広げて扇状にし、その一面の各凹部に正極を配置し、その他面の各凹部に負極を配置した。そして、この電池用セパレータを長手方向に圧縮して扇が閉じた状態にし、前記幅方向の他方の縁部を前述と同様にして溶融して各凹部の折り目方向他端を封止した。このようにして、目的とする電極群を作製した。この電極群の製造は、実施例１よりもさらに効率よく簡単に行うことができた。
【００３１】
（比較例１）
ポリプロピレン不織布製の電池用セパレータ（厚み約２２０μｍ、市販品）を準備した。これについて、実施例１と同様にしてプリーツ加工を行ったが、プリーツ形状を保持できなかった。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、本発明の電池用セパレータは、その形状がプリーツ状に屈曲した形状であり、これを用いれば、本発明の電極群を効率よく簡単に製造できる。そして、本発明の電極群を用いれば、種々の電池、特に、多数の電極群を必要とする大型電池（例えば、電気自動車の走行用電池）の生産効率の向上およびコストの低減に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電池用セパレータの一例の斜視図である。
【図２】前記電池用セパレータの一面の各凹部に負極を配置した状態を示す斜視図である。
【図３】前記電池用セパレータの他面の各凹部に正極を配置した状態を示す斜視図である。
【図４】前記電池用セパレータの各凹部の折り目方向両端を封止した状態を示す斜視図である。
【図５】本発明の電池用セパレータのその他の例において、各凹部の折り目方向の一端を封止し、他端を広げた状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１電池用セパレータ
１ａ電池用セパレータの幅方向の一方の縁部
２負極
２ａ負極の集電部
３正極
３ａ正極の集電部

Claims

プリーツ状に屈曲した形状を保持している電池用セパレータを準備する工程と、
前記電池用セパレータの一面の凹部に一方の電極を配置し、前記電池用セパレータの他面の凹部に他方の電極を配置する工程と、
前記電池用セパレータの各凹部の折り目方向一端を封止し、他端を広げる工程を有する電極群の製造方法。
電池用セパレータの各凹部の折り目方向両端を封止する工程を有する請求項１記載の電極群の製造方法。
電池用セパレータの一面の凹部に一方の電極を配置し、前記電池用セパレータの他面の凹部に他方の電極を配置する工程において、前記両電極の配置が、前記電極の集電部が前記凹部から突出し、かつ前記電極のその他の部分が前記電池用セパレータからはみ出ない状態での配置である請求項１または２に記載の電極群の製造方法。