JP6629039B2 - 二次電池 - Google Patents

Description

本発明は二次電池に関する。

特許文献１−３には二次電池の集電体が記載されている。かかる集電体はメッシュ板からなる。メッシュ板は穿孔された金属板からなる。

特開平０６−０４１０５５号公報 特開平０９−１２０８１９号公報 特開２００３−３１７７２３号公報

発明者らは以下の課題を見出した。すなわち上記集電体に設けられた孔は隣の孔との間に間隔を有する。このため孔に対向する活物質は、孔の周囲の残余の金属板に対向する活物質に比べて、集電体からの距離が遠くなる。集電体からの距離は活物質の働きに影響を与える。このため、集電体に並行する活物質の層において活物質の働きにむらが生じる。

本発明は貫通孔を有する金属板からなる正極集電体及び負極集電体の少なくともいずれか一方を備える二次電池を提供する。本発明は、正極及び負極の少なくともいずれか一方の電極の集電体に並行する他方の電極の活物質の層において活物質の働きのむらを抑制することを目的とする。

本発明の一態様はプレート状の正極集電体を有する正極と、プレート状の負極集電体を有する負極と、を備える二次電池である。複数の前記正極及び複数の前記負極が一枚ずつ交互に積層されている。前記正極集電体及び前記負極集電体の少なくともいずれか一方は貫通孔を有する金属板からなる。前記貫通孔は前記金属板上で所定の整列方向に対して、一定の間隔で設けられている。

前記二次電池では少なくとも以下のいずれか一方を満たす；前記正極を挟んで互いに隣接する前記負極の組において、各前記負極に前記設けられている前記貫通孔は、前記整列方向において互い違いになっている；及び前記負極を挟んで互いに隣接する前記正極の組において、各前記正極に前記設けられている前記貫通孔は、前記整列方向において互い違いになっている。

本発明により、正極及び負極の少なくともいずれか一方の電極の集電体に並行する他方の電極の活物質の層において活物質の働きのむらを抑制することを目的とする。

実施形態に係る正極及び負極の拡大断面図である。 実施形態に係る正極及び負極の断面図である。 実施例１に係る二次電池の斜視図である。 実施例１に係る金属板の平面図である。 比較例に係る正極及び負極の拡大断面図である。 実施例２に係る金属板の平面図である。 実施例３に係る金属板の平面図である。 実施例４に係る金属板の平面図である。 実施例５に係る金属板の平面図である。 実施例６に係る金属板の平面図である。 実施例７に係る金属板の平面図である。 シミュレーション解析に係る要素分割図である。 シミュレーション解析で導き出した抵抗値を表すグラフである。

以下の説明において同等の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は正極２１ａ及び負極２２ａ，ｂの拡大断面図である。本実施形態に係る二次電池は正極２１ａ及び負極２２ａ，ｂを備える。負極２２ａ，ｂの組は正極２１ａを挟んで互いに向かい合う。負極２２ａ，ｂの組は正極２１ａを挟んで互いに隣接する。

図１に示す二次電池はさらにセパレータ２３ａ，ｂを備える。セパレータ２３ａは正極２１ａ及び負極２２ａを隔離する。セパレータ２３ｂは正極２１ａ及び負極２２ａを隔離する。

図１に示す正極２１ａの有する正極集電体は金属多孔体からなる。正極２１ａ，ｂは正極活物質１７ａ，ｂに代表される正極活物質を有する。正極活物質１７ａ，ｂは金属多孔体の空孔に充填されている。正極活物質１７ａ，ｂは例えば水酸化ニッケルでもよいがこれに限定されない。

図１に示す負極２２ａ，ｂはそれぞれ負極集電体２５ａ，ｂを有する。負極集電体２５ａ，ｂはそれぞれ貫通孔１５ａ−ｄを有する金属板からなる。金属板は例えばニッケルでメッキした鉄の板でもよいがこれに限定されない。貫通孔１５ａ−ｄはパンチング加工により形成してもよいがこれに限定されない。貫通孔１５ａ−ｄは角型でも丸型でもよい。

図１に示す負極２２ａには貫通孔１５ａ，ｂに代表される貫通孔が設けられている。金属板上で、貫通孔１５ａ，ｂは、図中の上下方向を表す、整列方向２０に対して、一定の間隔で設けられている。金属板の残余部分１６ａ−ｃは、負極２２ａの有する貫通孔１５ａ，ｂの周囲に位置する。

図１に示す負極２２ｂには貫通孔１５ｃ，ｄに代表される貫通孔が設けられている。金属板上で、貫通孔１５ｃ，ｄは、整列方向２０に対して、一定の間隔で設けられている。金属板の残余部分１６ｄ−ｆは、負極２２ｂの有する貫通孔１５ｃ，ｄの周囲に位置する。

図１に示す負極活物質２４ａ，ｂはそれぞれ負極集電体２５ａ，ｂを被覆する。負極活物質２４ａ，ｂはそれぞれ貫通孔１５ａ―ｄ内に充填されている。負極活物質２４ａ，ｂは水素吸蔵合金であることが好ましい。

図２は正極２１ａ，ｂに代表される正極及び負極２２ａ，ｂに代表される負極の断面図である。正極及び負極は互いに平行に積層されている。複数の正極及び複数の負極が一枚ずつ交互に積層されている。正極と負極の間にはセパレータ２３ａ，ｂに代表されるセパレータが配置されている。

図３は本実施形態の二次電池４０を示す。図中において電解液やケースなどは記載が省略されている。二次電池４０の各負極はプレート状の負極集電体２５ａ，ｂ及びその他のプレート状の負極集電体でそれぞれ構成される。図示されえていない正極集電体もプレート状である。これらの集電体の厚みは特に制限されない。負極及び正極ともにプレート状である。これらの電極の厚みは特に制限されない。

図３に示すように二次電池４０はプレート状の電極を積層してなるものであることが好ましい。本実施形態に二次電池は捲回型の電池ではないことが好ましい。また二次電池は一枚の正極集電体と一枚の負極集電体を重ね合わせただけの単層シート型の電池ではないことが好ましい。

図１に戻る。図１に示すように負極２２ａ，ｂの組において、貫通孔１５ａ，ｂと貫通孔１５ｃ，ｄとは、整列方向２０において互い違いになっている。図２，３に示す他の負極の組において同様であることが好ましい。例えば奇数番目の負極と偶数番目の負極との間で貫通孔が互いに違いになっていてもよい。

図１に示すように一方の負極２２ａの有する貫通孔１５ａ，ｂは、他方の負極２２ｂの有する残余部分１６ｅ，ｆにそれぞれ対向する。同様に貫通孔１５ｃ，ｄは、残余部分１６ａ，ｂにそれぞれ対向する。

図１に示す負極２２ａ，ｂのそれぞれにおいて、貫通孔１５ａ，ｂに代表される貫通孔の間隔と、貫通孔１５ｃ，ｄに代表される貫通孔の間隔とは互いに等しい。一方の負極２２ａの有する貫通孔１５ａ，ｂと、他方の負極２２ｂの有する貫通孔１５ｃ，ｄとのずれは、かかる間隔の半分であることが好ましい。

図２，３に示す他の負極の組において同様であることが好ましい。例えば奇数番目の負極と偶数番目の負極との間で貫通孔の間隔が等しくてもよい。また貫通孔のずれは、かかる間隔の半分であってもよい。また貫通孔の間隔を位相360°と見立てた場合、貫通孔のずれは位相180°と考えることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

図２に示す正極２１ａ，ｂの有する正極集電体は、負極集電体２５ａ，ｂと同様に、貫通孔を有する金属板からなっていてもよい。したがって正極集電体及び負極集電体の少なくともいずれか一方が貫通孔を有する金属板からなっていてもよい。正極２１ａ，ｂの組は負極２２ｂを挟んで互いに隣接する。かかる組において、正極の貫通孔は、図１に示す貫通孔１５ａ−ｄと同様に、上下方向において互い違いになっていてもよい。

本実施形態では、正極及び負極のいずれか一方で集電体の貫通孔を互い違いにすることで、これに並行する他方の電極の活物質の層において活物質の働きのむらが抑制される。

［実施例１］
図３は実施例１に係る二次電池４０の斜視図である。二次電池４０は正極、負極及びセパレータを備える。図中では負極集電体２５ａ，ｂに代表される負極集電体のみ描かれている。二次電池４０はさらに正極の集電部２９及び負極の集電部３０を備える。集電部３０は負極集電体と接続される。集電部は集電体に比べてより厚くなっており、集電部には集電体を流れる電流が集約される。

図３に示す貫通孔１５ａ，ｂに代表される貫通孔は縦横に規則的に配列されている。これらの貫通孔によりメッシュ１８が形成される。メッシュ１８は格子状である。メッシュ１８は後述するように千鳥状でもよい。負極集電体２５ａは長方形である。

図４は負極集電体２５ａ，ｂを構成する金属板２６ａ，２７ａを示す。上段左側に示す金属板２６ａは負極集電体２５ａを構成する。上段右側に示す金属板２７ａは負極集電体２５ｂを構成する。下段は金属板２６ａ，２７ａの重ね合わせを表す。

図４に示す負極集電体２５ａ，ｂの一端には集電部３０が設けられる。金属板２６ａ，２７ａは長方形であることが好ましい。かかる長方形の一辺に集電部３０が設けられる。集電部３０は帯状であることが好ましい。集電部３０はニッケルからなるものでもよいがこれに限定されない。

図４に示す集電部３０から遠ざかる方向と平行な軸をＸ軸とする。Ｘ軸と直交する軸をＹ軸とする。以下においてＸ軸は集電部３０の延在方向と直交する。Ｙ軸は集電部３０の延在方向と平行である。

図４に示すように貫通孔が互い違いになっている整列方向２０はＸ軸と平行な方向である。集電部３０は整列方向２０と平行であることが好ましい。貫通孔１５ａ，ｂと貫通孔１５ｃ，ｄとは整列方向２０に沿って互いにずれている。各貫通孔はＹ軸方向に細長い長方形である。

［比施例１］
図５は正極２１ａ及び負極５２ａ，ｂの拡大断面図である。負極５２ａ，ｂの組は正極２１ａを挟んで互いに隣接する。図１と異なり、負極５２ａ，ｂはいずれも同等の負極集電体２５ａを有する。負極５２ａ，ｂの組において、各貫通孔は互いに正対している。さらに負極集電体２５ａを他の負極においても用いる。このため全ての負極間において各貫通孔は互いに正対している。

［実施例１と比較例１との対比］
図５に示すように比較例１に係る正極活物質１７ｂは正極活物質１７ａに比べて負極５２ａ，ｂの各残余部分１６ａに対して遠い。したがって正極活物質１７ｂは正極活物質１７ａに比べて反応しづらい。

図１に示すように、実施例１に係る正極活物質１７ｂは、正極活物質１７ａに比べて、負極２２ａの各残余部分１６ａに対して遠い。しかしながら正極活物質１７ｂは、正極活物質１７ａに比べて、負極２２ｂの各残余部分１６ｅに対して近い。これは負極集電体２５ａ，ｂの貫通孔が互い違いに配置されていることによる。

図１に示すように貫通孔１５ａ−ｄが互い違いであるから、残余部分１６ａ−ｄも互い違いとなる。結果として、任意の地点の正極活物質は負極集電体２５ａ，ｂのいずれかに対して近くなる。したがって正極活物質１７ａと正極活物質１７ｂとの間で反応のしやすさに違いが出にくい。このため正極活物質の働きのムラを抑制することができる。

［実施例２］
以下の実施例２〜７では負極集電体２５ａ，ｂの構成が実施例１のものと異なる二次電池を説明する。図６は実施例２に係る負極集電体２５ａ，ｂを構成する金属板２６ｂ，２７ｂを示す。金属板２６ｂは負極集電体２５ａを構成する。金属板２７ｂは負極集電体２５ｂを構成する。金属板２６ｂ，２７ｂは千鳥状配置になっている点が金属板２６ａ，２７ａ（図４）と異なる。

［実施例３］
図７は実施例３に係る負極集電体２５ａ，ｂを構成する金属板２６ｃ，２７ｃを示す。左側上段の金属板２６ｃは負極集電体２５ａを構成する。左側下段の金属板２７ｃは負極集電体２５ｂを構成する。右側は金属板２６ｃ，２７ｃの重ね合わせを表す。

図７に示すように貫通孔が互い違いになっている整列方向２０はＹ軸と平行な方向である。集電部３０は整列方向２０に対して直角であることが好ましい。貫通孔１５ａ，ｂと貫通孔１５ｃ，ｄとは整列方向２０に沿って互いにずれている。

［実施例４］
図８は実施例３に係る負極集電体２５ａ，ｂを構成する金属板２６ｄ，２７ｄを示す。左側上段の金属板２６ｄは負極集電体２５ａを構成する。右側下段の金属板２７ｄは負極集電体２５ｂを構成する。

図８に示す金属板２６ｄと金属板２７ｄとの間で、貫通孔はＸ方向にもＹ方向にもずれている。言い換えれば本実施例において貫通孔が互い違いになっている整列方向はＸ軸と平行な方向及びＹ軸と平行な方向の両方である。金属板２７ａ，２７ｃは、金属板２７ｄの貫通孔のずれがＸ方向にもＹ方向に生じていることを理解しやすくするために便宜的に描かれている。

実施例１，３及び４に示されるように貫通孔が互い違いになっている整列方向は、Ｘ軸と平行な方向及びＹ軸と平行な方向の内、少なくともいずれか一方であることが好ましい。

［実施例５］

図９は負極集電体を構成する金属板３１，３２を示す。上段左側に示す金属板３１は整列方向２０と平行に並ぶ貫通孔３３ａ，ｂを備える。上段右側に示す金属板３２は整列方向２０と平行に並ぶ貫通孔３４ａ，ｂを備える。下段に示す負極集電体の組は金属板３１と金属板３２とを重ね合わせてなるものである。

図９に示すように、本実施例も実施例１と同様、貫通孔が互い違いになっている整列方向２０がＹ軸と平行な方向である。本実施例ではＸ軸と平行な方向に対して、集電部３０から遠くなるにつれて、貫通孔が前記金属板に占める割合が大きくなる。

図９は集電部３０からの距離が小さいほど貫通孔に係る開口が疎になることを示している。また集電部３０からの距離が大きいほど貫通孔に係る開口が密になることを示している。集電体では一般的に集電部３０に近いほど電流が過密化するが、本実施例では集電部近傍での電流の過密化を抑制できることから、電池出力を増加させることが容易である。

［実施例６］
図１０は負極集電体を構成する金属板３６，３７を示す。上段左側に示す金属板３６は整列方向２０と平行に並ぶ貫通孔３８ａ，ｂを備える。上段右側に示す金属板３７は整列方向２０と平行に並ぶ貫通孔３９ａ，ｂを備える。下段に示す負極集電体の組は金属板３６と金属板３７とを重ね合わせてなるものである。

図１０に示すように、実施例１と同様、貫通孔が互い違いになっている整列方向２０がＹ軸と平行な方向である。実施例６ではＸ軸と平行な方向に対して、金属板３６，３７の両側から、金属板３６，３７の中央に向かうにつれて、貫通孔が金属板３６，３７に占める割合が大きくなる。言い換えればＸ軸方向において、金属板の両端から金属板の中心に向かうほど貫通孔の開口面積が金属板３６，３７の表面積に占める割合が大きくなる。

図１０に示すように正極の集電部２９を、負極の集電部３０に対して、正極及び負極の積層部分を挟んで反対側に配置する場合がある。本実施例では正極及び負極の双方の集電部からの距離が小さいほど開口が疎になる。また双方の集電部からの距離が大きいほど開口が密になる。本実施例では正負双方の集電部近傍での電流の過密化を抑制できることから、電池出力や電池容量を増加させることが容易である。

［実施例７］
図１１は負極集電体を構成する金属板４１，４２の重ね合わせを示す。表側に示す金属板４１はそれぞれ貫通孔４３に代表される貫通孔からなる複数の列を備える。隣り合う列は金属板４１の中心で互いに交わる。交わる角度は角度Ａで表される。

金属板４１に隠れている金属板４２は貫通孔４４に代表される貫通孔からなる複数の列を備える。隣り合う列は金属板４２の中心で互いに交わる。交わる角度は金属板４１と同一である。金属板４１，４２のそれぞれの貫通孔の列は所定の角度Ｂだけずれている。角度Ｂは０より大きく、角度Ａより小さい。角度Ｂは角度Ａの半分であることが好ましい。

［シミュレーション解析］
実施例１及び３並びに比較例１に係る二次電池の抵抗値をコンピュータシミュレーションで解析した。シミュレーションと解析モデルの詳細は後述する。

図１２は解析モデルの要素分割図を示す。かかる要素分割図は、負極集電体２５ａ，ｂを初めとする負極集電体及び、これらと接続する一の集電部３０を複数の要素に分割したものである。要素分割図は節点も表す。各例における節点数及び要素数を表１に表す。

表１はさらに抵抗値を表す。抵抗値とは正極集電体及び負極集電体を、セパレータを介して積層したものに集電部を接続して電解液とともにケースに収容し単電池を作製した時の、かかる単電池の直流内部抵抗（ＤＣＩＲ）の値である。また比較例１の内部抵抗を１００としたときの抵抗値の比（抵抗比）を表１の最下段に表す。

図１３は抵抗比を表すグラフである。表及び図に示されるように比較例に比べて実施例では抵抗値が低下していた。かかる解析結果は貫通孔を互い違いにすることが電流の過密化を抑制し、電池出力の向上をもたらすことを示す。これらの結果は負極間で貫通孔を互い違いにすることで、負極集電体に並行する正極の活物質の層において活物質の働きのむらが抑制されることを示唆する。

また実施例３では実施例１に比べてさらに抵抗値が低下していた。このことは、集電部に対して平行な方向に貫通孔を互い違いにするよりも、集電部に対して直角な方向に貫通孔を互い違いにする方が電流密度の向上の効果が高いことを示す。

シミュレーションについて詳細を説明する。上記シミュレーションはパンチングメタルからなる負極導電体における貫通孔の開口分布、すなわち開口の部位が、貫通孔の残余部分における電流の分布に与える影響をシミュレートするものである。有限要素法シミュレーションにより開口分布の好ましい態様を導き出す。ソフトウェアとしてScryu/tetra（登録商標）を用いた。

解析モデルについて詳細を説明する。解析モデルにおける、負極集電体の幅Ｗ（図３）は２５．５ｍｍとした。図３に示すように負極集電体を６枚とした結果、負極集電体に挟まれた正極の数は５枚とした。したがって負極−正極−負極の組は５個ある。二次電池を構成する各部材の物性値を表２に示す。

セパレータはポリプロピレン（ＰＰ）とした。

解析モデルに対応する現物モデルの負極集電体の幅を80mmとした。負極−正極−負極の組は12個とした。 (80/25.5)×（5/12）=1.31を抵抗値の換算倍率（現物モデル／解析モデル）とした。なお表１の抵抗値は解析モデルの抵抗値に基づき計算された現物モデルの抵抗値を表す。

解析モデルの負極活物質の導電率を3.0×10⁵（S/m）としたところ、上記換算倍率で抵抗値（ｍΩ）を換算した時1.96（ｍΩ）となり、現物モデルの負極活物質の抵抗値約2.0ｍΩに近かった。これに基づき表2に示すように負極活物質の導電率を3.0×10⁵（S/m）とした。

正極集電体は金属多孔体であり、正極集電体中に正極活物質が分散している。解析モデルでは正極集電体及び正極活物質からなる正極を一様なものとして捉えている。また正極自体の電気抵抗値及び導電率を負極活物質と同一として解析している。

１５ａ−ｄ 貫通孔、１６ａ−ｆ 残余部分、１７ａ，ｂ 正極活物質、１８ メッシュ、２０ 整列方向、２１ａ，ｂ 正極、２２ａ，ｂ 負極、２３ａ，ｂ セパレータ、２４ａ，ｂ 負極活物質、２５ａ，ｂ 負極集電体、２６ａ−ｄ，２７ａ−ｄ 金属板、２９，３０ 集電部、３１，３２ 金属板、３３ａ，ｂ，３４ａ，ｂ 貫通孔、３６，３７ 金属板、３８，３９ 金属板、４０ 二次電池、４１，４２ 金属板、４３，４４ 貫通孔、５２ａ 負極

Claims (8)

1. ニッケル金属水素化物電池である二次電池であって、
   金属多孔体を材質とするプレート状の正極集電体及び前記金属多孔体の空孔に充填されていることで前記正極集電体中に分散している正極活物質を有する正極と、
   貫通孔を有する金属板からなるプレート状の負極集電体を有する負極と、を備え、
   複数の前記正極及び複数の前記負極がセパレータを介して一枚ずつ交互に積層されており、
   前記貫通孔は前記金属板上で所定の整列方向に対して、一定の間隔で設けられており、
   前記正極を挟んで互いに隣接する前記負極の組において、各前記負極に前記設けられている前記貫通孔は、前記整列方向において互い違いになっている、
   二次電池。
2. 前記正極集電体の前記金属多孔体は発泡ニッケルであり、
   水素吸蔵合金からなる負極活物質が前記負極集電体を被覆するとともに前記貫通孔に充填されている、
   請求項１に記載の二次電池。
3. 一方の前記負極の有する前記貫通孔は、他方の前記負極の有する前記貫通孔の周囲の残余の金属板に対向する、
   請求項１又は２に記載の二次電池。
4. 前記負極の前記組において前記貫通孔の前記間隔は互いに等しく、
   一方の前記負極が有する前記貫通孔と、他方の前記負極が有する前記貫通孔との間のずれは、前記間隔の半分である、
   請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池。
5. 前記負極集電体の一端に設けられた集電部を有し、
   前記集電部から遠ざかる方向と平行な軸をＸ軸とし、
   前記Ｘ軸と直交する軸をＹ軸としたとき、
   前記貫通孔が互い違いになっている前記整列方向は、前記Ｘ軸と平行な方向及び前記Ｙ軸と平行な方向の内、少なくともいずれか一方である、
   請求項１〜４のいずれかに記載の二次電池。
6. 前記貫通孔が互い違いになっている前記整列方向は前記Ｙ軸と平行な方向である、
   請求項５に記載の二次電池。
7. 前記Ｘ軸と平行な方向に対して、前記集電部から遠くなるにつれて、前記貫通孔が前記金属板に占める割合が大きくなる、
   請求項６に記載の二次電池。
8. 前記Ｘ軸と平行な方向において、前記金属板の両側から、前記金属板の中央に向かうにつれて、前記貫通孔が前記金属板に占める割合が大きくなる、
   請求項６に記載の二次電池。

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