JP6686789B2 - 積層型アルカリ二次電池 - Google Patents

Description

本開示は、積層型アルカリ二次電池に関する。

特開２００２−１７５８３３号公報（特許文献１）は、正極合材が金属多孔質シートに保持されているニッケル正極を開示している。

特開２００２−１７５８３３号公報

アルカリ二次電池とは、電解液がアルカリ水溶液である二次電池の総称である。たとえば、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、ニッケル鉄電池等のアルカリ二次電池が知られている。これらのアルカリ二次電池では、いずれもニッケル正極が使用される。

二次電池の電極構成は、巻回型と積層型とに大別される。積層型は、放熱性に優れる等の利点を有している。積層型では、電圧が高く、コンパクトなバイポーラ構造を実現することもできる。

しかしながら、積層型アルカリ二次電池は、高容量化が困難である。厚いニッケル正極を形成することが困難であるためである。ニッケル正極は、正極活物質として水酸化ニッケルを含有する。水酸化ニッケルは、導電性が低い。そのため、ニッケル正極が厚くなると、厚さ方向の電気抵抗が増加し、所望の電池性能が得られない。

従来、民生用のアルカリ二次電池では、ニッケル正極の厚さ方向の導電性を確保するために、発泡ニッケル基材が使用されている。すなわち、三次元網目構造を有する発泡ニッケル基材に、正極活物質が保持されることにより、ニッケル正極が製造される。しかしながら発泡ニッケル基材は高価である。発泡ニッケル基材を構成するニッケル繊維が、針状のバリとなり、内部短絡の原因になることもある。

そこで本開示は、高容量化が可能な積層型アルカリ二次電池の提供を目的とする。

〔１〕本開示の積層型アルカリ二次電池は、正極層および負極層を備える。正極層および負極層は、交互に積層されている。
正極層は、複数の単位層が積層されて構成されている。単位層は、集電板および正極合材を含む。集電板は、貫通孔を有する。正極合材は、集電板の両面に保持されている。

上記の構成において、単位層に含まれる集電板は、貫通孔を有している。集電板の表裏に保持されている正極合材は、貫通孔を通じて連絡している。このような単位層が積層されることにより、複数の集電板が一体となって、三次元導電ネットワークが形成される。換言すれば、高価な発泡ニッケル基材に拠らずに、正極層の厚さ方向の導電性を高めることができる。これにより、積層型アルカリ二次電池の高容量化が可能となる。

〔２〕集電板は、好ましくは凹凸を有する。
集電板が凹凸を有することにより、隣接する集電板同士の間で距離の近い部分が形成される。これにより、正極層の厚さ方向の導電性が向上することが期待される。

〔３〕正極層は、好ましくは、単位層同士の間に導電層をさらに含む。
これにより、正極層の厚さ方向の導電性が向上することが期待される。

本開示の実施形態に係る積層型アルカリ二次電池の構成の一例を示す概略断面図である。 集電板の一例を示す概略平面図である。 導電層を含む正極層を示す概略断面図である。 金属針を含む正極層を示す概略断面図である。 本開示の実施形態に係るバイポーラ型ニッケル水素電池の構成の一例を示す概略断面図である。

以下、本開示の実施形態（以下「本実施形態」と記される）が説明される。ただし、以下の説明は、本開示の発明の範囲を限定するものではない。

＜積層型アルカリ二次電池＞
本実施形態の積層型アルカリ二次電池は、たとえば、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、ニッケル鉄電池等であり得る。本実施形態の積層型アルカリ二次電池は、たとえば、電動車両（ＥＶ）およびハイブリッド車両（ＨＶ）等の電源に適用され得る。ただし、本実施形態の積層型アルカリ二次電池の用途は、こうした車載用途に限られない。本実施形態の積層型アルカリ二次電池は、あらゆる用途に適用可能である。以下では、積層型アルカリ二次電池が「積層型電池」と略記されることがある。

図１は、本実施形態に係る積層型アルカリ二次電池の構成の一例を示す概略断面図である。積層型電池１０００は、正極層１００および負極層２００を含む。正極層１００および負極層２００は、交互に積層されている。

図１においては、Ｚ軸方向が、正極層１００および負極層２００の厚さ方向、ならびに、正極層１００および負極層２００の積層方向に相当する。Ｘ軸方向およびＹ軸方向は、正極層１００および負極層２００の面内方向に相当する。

正極層１００と負極層２００との間には、セパレータ３００が配置されている。セパレータ３００は、たとえば、ポリオレフィン製の不織布等でよい。セパレータ３００には、電解液が含浸されている。電解液は、たとえば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液等でよい。

《正極層》
正極層１００は、複数（２層以上）の単位層１０が積層されて構成されている。単位層１０の積層数は、電池仕様に応じて適宜変更される。単位層１０の積層数は、たとえば、２〜１０層程度である。単位層１０は、集電板１および正極合材２を含む。

（集電板）
集電板１は、たとえば、ニッケル板およびニッケルメッキ鋼板等の金属板、ニッケル箔等の金属シートでよい。集電板１は、たとえば、５〜１５０μｍ程度の厚さを有する。集電板１は、複数の貫通孔３を有する。貫通孔３により、両面の正極合材２が連絡される。これにより、正極層１００において厚さ方向の導電性が高まる。

集電板１は、好ましくは凹凸を有する。たとえば、集電板１は、２次元平面において、所定方向に連続した凹凸を有する波板でもよい。あるいは、集電板１は、２次元平面において、２方向に連続した凹凸を有するエンボス板でもよい。凹凸の高さ（ｈ）は、たとえば、集電板１の厚さの１．５倍以上５倍以下程度でよい。凹凸の高さ（ｈ）は、Ｚ軸方向における最高山頂と最低谷底との距離を示している。なお図１では、凹部および凸部の頂点に貫通孔３が形成されているが、凹部および凸部と、貫通孔３との位置関係はこれに限定されない。貫通孔３は、集電板１を貫通している限り、いかなる位置に形成されていてもよい。

図２は、集電板の一例を示す概略平面図である。図２には、図１のＸＹ平面（Ｘ軸方向およびＹ軸方向を含む平面）が示されている。凹凸のピッチ（ｐ）は、たとえば、１０μｍ以上２００μｍ以下である。ピッチ（ｐ）は、隣接する凹部（谷底）同士の平均間隔、または隣接する凸部（山頂）同士の平均間隔を示している。

Ｘ軸方向において、集電板１の端部には、露出部９が形成されている。露出部９は、正極合材２から露出している。すなわち露出部９には、正極合材２が保持されていない。露出部９は、凹凸を有していてもよいし、平坦であってもよい。露出部９は、たとえば、集電リードとして利用できる。たとえば、複数の露出部９同士が溶接されることにより、複数の単位層１０が電気的に接続されてもよい。

図１および図２では、露出部９がＸ軸方向の一方の端部にのみ形成されているが、露出部９はＸ軸方向の両方の端部に形成されていてもよい。あるいは、露出部９はＹ軸方向の端部にも形成されていてもよい。さらにＸＹ平面において、露出部９は、正極合材２を取り囲むように形成されていてもよい。ＸＹ平面において、複数の位置で露出部９が溶接されることにより、単位層１０間の導電性が向上することが期待される。

（正極合材）
正極合材２は、集電板１の両面に保持されている。本実施形態では、正極合材２の厚さにより、隣接する集電板１間の距離、すなわち厚さ方向の導電性を調整することができる。正極合材２が薄い程、隣接する集電板１間の距離が近くなり、厚さ方向の導電性が向上する。ただし、正極合材２が薄い程、体積あたりの容量密度が低くなる。正極合材２は、好ましくは５μｍ以上１００μｍ以下（より好ましくは５μｍ以上５０μｍ以下）の厚さを有する。

集電板１が凹凸を有する場合、正極合材２は、集電板１の凹凸を埋めるように保持されることが望ましい。この場合、正極合材２が凹凸からはみ出る部分の厚さは、好ましくは、０μｍを超えて１００μｍ以下（より好ましくは５０μｍ以下、最も好ましくは１０μｍ以下）である。

正極合材２は、８０〜９９ｍａｓｓ％程度の正極活物質を含有する。正極活物質は、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）₂）である。水酸化ニッケルは、充電により、オキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）に変化する。オキシ水酸化ニッケルは、放電により、水酸化ニッケルに戻る。すなわち、正極合材２は、水酸化ニッケルおよびオキシ水酸化ニッケルの少なくとも一方を含有する。

正極合材２は、正極活物質の他、導電材およびバインダを含有してもよい。正極合材２は、たとえば、０．５〜１０ｍａｓｓ％程度の導電材を含有してもよい。導電材は、たとえば、酸化コバルト（ＣｏＯ）、水酸化コバルト（Ｃｏ（ＯＨ）₂）等でよい。正極合材２は、たとえば、０．５〜１０ｍａｓｓ％程度のバインダを含有してもよい。バインダは、たとえば、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等でよい。

（導電層）
図３は、導電層を含む正極層を示す概略断面図である。正極層１０１は、単位層１０同士の間に導電層４をさらに含む。これにより、正極層１０１の厚さ方向の導電性が向上することが期待される。導電層４は、たとえば、ニッケル板等の金属板、ニッケル箔等の金属シートでよい。

（金属針）
図４は、金属針を含む正極層を示す概略断面図である。正極層１０２は、隣接する集電板１同士を、その厚さ方向に貫通する金属針５をさらに含む。これにより、正極層１０２の厚さ方向の導電性が向上することが期待される。金属針５は、たとえば、ニッケル針等でよい。

＜正極層の形成方法＞
本実施形態の正極層は、以下のようにして形成される。
まず、金属板または金属シート等が準備される。次いで金属板等に、貫通孔３が形成される。貫通孔３は、たとえば、打ち抜き加工等により、形成され得る。

さらに金属板等に凹凸が付与されてもよい。たとえば、表面に凹凸を有するエンボスローラに、金属板が通されることにより、金属板が形成され得る。

凹凸のピッチ（ｐ）等は、エンボスローラの表面形状により制御される。たとえば、剣山状の表面を有するエンボスローラ、表面がブラスト加工されたエンボスローラ等が使用され得る。あるいは、凹凸面の上に、金属板等が配置され、その状態で金属板がローラプレスされてもよい。凹凸面は、たとえば、平坦面にボール状の硬質粒子が散布されることにより、簡易的に形成され得る。

正極活物質、導電材、バインダおよび溶媒が混合されることにより、正極合材ペーストが調製される。溶媒は、たとえば、水等でよい。正極合材ペーストが集電板１の両面に塗工される。これにより単位層１０が形成される。さらに正極合材２（正極合材ペースト）が乾燥する前に、単位層１０が積層される。積層後、正極合材２が乾燥される。これにより、単位層１０同士が接着し、一体化する。以上より、複数の単位層１０を含む正極層１００が形成される。

＜バイポーラ型ニッケル水素電池＞
本実施形態の積層型アルカリ二次電池は、バイポーラ型ニッケル水素電池であってもよい。以下では、バイポーラ型ニッケル水素電池が「バイポーラ型電池」と略記されることがある。

図５は、本実施形態に係るバイポーラ型ニッケル水素電池の構成の一例を示す概略断面図である。バイポーラ型電池１００１は、バイポーラ電極板４００を含む。バイポーラ型電池１００１は、複数のバイポーラ電極板４００が積層されて構成されている。バイポーラ電極板４００同士の間には、セパレータ３００が配置されている。

《バイポーラ電極板》
バイポーラ電極板４００は、バイポーラ板５０、正極層１００および負極層２００を含む。正極層１００および負極層２００は、バイポーラ板５０の表裏に配置されている。バイポーラ板５０は、たとえば、ニッケル板、ニッケルメッキ鋼板等でよい。

バイポーラ型電池１００１においても、正極層１００および負極層２００は、交互に積層されている。バイポーラ型電池１００１では、バイポーラ電極板４００の積層枚数に応じて、電圧が増大する。

正極層１００は、前述された積層型電池１０００の正極層１００と同じ構成を有する。すなわち、正極層１００は、複数の単位層１０を含み、厚く形成され得る。したがって、バイポーラ型電池１００１は、高容量化が可能である。正極層１００は、たとえば、露出部９において、バイポーラ板５０と溶接されていてもよい。

《負極層》
負極層２００は、水素吸蔵合金を含む。水素吸蔵合金は、負極活物質である。水素吸蔵合金は、たとえば、ＡＢ５型合金等でよい。ＡＢ５型合金としては、たとえば、ＬａＮｉ₅、ＭｍＮｉ₅等が挙げられる。ここで「Ｍｍ」はミッシュメタルと称される希土類金属の混合物を示している。負極層２００は、水素吸蔵合金の成形体であってもよいし、水素吸蔵合金が基材に保持されたものであってもよい。基材としては、たとえば、パンチングメタル等が挙げられる。

今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の発明の範囲は、上記の説明ではなくて、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 集電板、２ 正極合材、３ 貫通孔、４ 導電層、５ 金属針、９ 露出部、１０ 単位層、５０ バイポーラ板、１００，１０１，１０２ 正極層、２００ 負極層、３００ セパレータ、４００ バイポーラ電極板、１０００ 積層型電池、１００１ バイポーラ型電池。

Claims (3)

1. 正極層および
   負極層
   を備え、
   前記正極層および前記負極層は、交互に積層されており、
   前記正極層は、複数の単位層が積層されて構成されており、
   前記単位層は、集電板および正極合材を含み、
   前記集電板は、貫通孔を有し、
   前記正極合材は、前記集電板の両面に保持されている、
   積層型アルカリ二次電池。
2. 前記集電板は、凹凸を有する、
   請求項１に記載の積層型アルカリ二次電池。
3. 前記正極層は、前記単位層同士の間に導電層をさらに含む、
   請求項１または請求項２に記載の積層型アルカリ二次電池。

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