JPH05325980A - 三次元網目状基体電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧延機により加圧圧縮しても伸び率が小さい
三次元網目状基体電極を得る。 【構成】 ニッケル発泡金属からなる金属多孔体１の内
部に加圧圧縮に対する引張り強度を高める補強用構造体
２を金属多孔体１の骨格部１１に連結させた状態で配置
する。補強用構造体２として、マルチニッケル繊維を織
布状に織って形成した導電性を有する多孔シートを用い
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電池の極板に用いる三次
元網目状基体電極に関するものであり、特に活物質充填
後に圧延機によって加圧圧縮される三次元網目状基体電
極に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に三次元網目状基体電極は、骨格部
が網目をなす三次元網目状構造を有する金属多孔体を電
極基体として構成されており、この三次元網目状構造に
より活物質を充填保持する多孔部が形成されている。例
えば、ニッケル−水素電池のニッケル電極または水素電
極に用いる三次元網目状基体電極では、ニッケルを主原
料とする発泡金属からなる金属多孔体を電極基体として
構成されている。この電極では、水素吸蔵合金と結着剤
溶液とを混合したスラリを三次元網目状基体電極に充填
し、これを乾燥してから厚み方向に加圧圧縮して活物質
（乾燥されたスラリ）の高密度化を図っている。また、
水酸化ニッケル粉末と結着剤溶液とを混合したスラリを
前述の三次元網目状基体電極に充填し、これを乾燥して
から厚み方向に加圧圧縮すればニッケル電極ができる。

【０００３】活物質を充填した三次元網目状基体電極を
加圧圧縮する場合は、一対のロールを備えた圧延機の該
一対のロールの間に活物質を充填した三次元網目状基体
電極を通過させて加圧圧縮する。そして、その後これを
所定の長さに切断して所望の電極を得ている。このよう
に加圧圧縮に圧延機を用いると、圧力を受ける面を小さ
くできるため、基体電極に高い圧力を加えながら連続的
に基体電極を加圧圧縮することができる。例えば、２ｇ
／ｃｃの嵩密度を有する平均粒径１５μm の水酸化ニッ
ケル粉末を充填した三次元網目状基体電極を加圧圧縮し
た場合、加圧力に対して水酸化ニッケル粉末の充填密度
は図５に示す曲線のような変化特性を示す。本図より水
酸化ニッケル粉末の充填密度を２．７g/ccにするには
３，０００kgf/cm² の圧力が必要になるのが判る。これ
は三次元網目状基体電極の表面積が２０cm² であれば６
０，０００kgf の加圧力が必要になる計算である。もし
平板の油圧プレス機を用いて表面積２０cm² の電極に６
０，０００kgf の加圧力を加えて圧縮を行うとするとそ
の生産性は著しく低下してしまう。

【０００４】圧延機を用いて三次元網目状基体電極を加
圧圧縮すると前述のような利点がある反面、平板の油圧
プレス機を用いて加圧圧縮を行う場合に比べて、圧縮さ
れた基体電極の面積が拡大する率（伸び率）が大きくな
るという問題がある。例えば充填密度が２．３g/ccにな
るまで水酸化ニッケル粉末を充填した基体電極を加圧圧
縮する場合、平板の油圧プレスを用いて加圧すると基体
電極は元の面積に対して１．１％だけ伸びるのに対し、
ロール径５０mmの圧延機を用いて加圧圧縮すると基体電
極は１６．７％も伸びてしまう。このように基体電極の
伸び率が大きいと加圧圧縮により基体電極の厚みを薄く
しても基体電極の体積は大幅に小さくならず、結局電極
の活物質の充填密度をあまり高めることができない。ま
た、活物質の充填密度を高めるために加圧力を高めて
も、基体電極の引張強度を越えて基体電極が伸びると、
基体電極に亀裂が発生する。例えば、図５に示す基体電
極では充填密度を３．３ｇ／ｃｃになるように基体電極
を加圧圧縮すると電極に亀裂が生じることが判った。ま
たこのように加圧圧縮時に電極に亀裂が生じない場合で
も、捲回型電極を作るために電極を捲回すると、電極に
亀裂が生じて電極が破断するという問題が起きる。

【０００５】そこで基体電極の伸びを押さえて電極の充
填密度を高めるために、圧延機のロール径を大きくした
り、ロールの回転速度を変えることが検討された。しか
しながら、圧延機のロール径を大きくしたり、ロールの
回転速度を変えて基体電極を加圧圧縮しても、平板の油
圧プレス機を用いて基体電極を加圧圧縮した際に発生す
る伸び程に基体電極の伸びを抑えることはできなかっ
た。

【０００６】そして特開昭５４−１６６３２号公報に示
される電極のように水素吸蔵合金粉末を内蔵した金属多
孔体の両面にそれぞれ金属網を配置して加圧により金属
網を金属多孔体の表面に加圧圧着させた後、水素吸蔵合
金粉末の焼結処理と並行して熱処理により金属網を金属
多孔体に結合した電極が提案された。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この電
極では金属多孔体に加圧圧縮する際に、その圧縮力で金
属多孔体の両面に金属網を圧着しているため、ロ―ルを
備えた圧延機を用いて加圧圧縮を行うと、２枚の金属網
の間に位置する金属多孔体は金属網がない場合と同様に
伸びてしまう。したがってこの公報に示された電極も、
圧延機で加圧圧縮した場合には、基体電極の延びを充分
に抑制することができない。なおこの金属網を用いた電
極では、金属多孔体の両面に金属網が配置されるため、
金属網の厚み分だけ電極が厚くなる上に電極の重量が増
加して、単位重量、または単位体積あたりの電池の充放
電容量が低下する。またこの電極では熱処理により金属
網を一体に最終的に結合するため、活物質材料が水素吸
蔵合金等のように焼結可能な金属に限られてしまい、ニ
ッケル粉末等を活物質材料に用いる電極にはこのような
従来の電極構造を適用することができない。

【０００８】本発明の目的は、圧延機により加圧圧縮し
ても基体電極の伸びを抑制して、活物質の充填密度を高
めることができる三次元網目状基体電極を提供すること
にある。

【０００９】本発明の他の目的は、圧延機により加圧圧
縮後に捲回しても破断を防止できる三次元網目状基体電
極を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明では、三
次元網目状構造を有する金属多孔体を電極基体として構
成されて加圧圧縮される三次元網目状基体電極を対象と
して、金属多孔体の内部に加圧圧縮に対する引張り強度
を高める補強用構造体を金属多孔体の骨格部に連結した
状態で配置する。

【００１１】請求項２の発明では、金属多孔体の骨格部
よりも引張り強度が強く耐熱性及び耐電解液性を有する
繊維材料を網状、織布状または不織布状にしたものを補
強用構造体として用いる。

【００１２】請求項３の発明では、補強用構造体が導電
性を有している。

【００１３】請求項４の発明では、補強用構造体を金属
多孔体を厚み方向に二分する仮想平面から厚み方向に変
位して配置する。

【００１４】

【作用】請求項１の発明のように、加圧圧縮に対する引
張り強度を高める補強用構造体を金属多孔体の骨格部に
連結した状態で金属多孔体の内部に配置すると、金属多
孔体の多孔部を形成する骨格部の一部分どうしが補強用
構造体を介して連結されるため、基体電極を圧延機によ
り加圧圧縮しても基体電極の圧縮方向（厚み方向）と直
交する方向への伸びが抑制され、電極の伸び率を小さく
することができる。しかも補強用構造体は金属多孔体の
内部に配置されているので、活物質充填後の熱処理を必
ずしも必要としない。また２枚の金属網を用いる従来の
基体電極と比べれば電極の単位体積または単位重量当り
の容量を低くすることなく活物質の充填率を高めること
ができる。更に本発明によれば、補強用構造体が金属多
孔体の内部にあるため、仮に電極に亀裂が生じても、電
極の破断に至ることがない。請求項２の発明のように、
金属多孔体の骨格部よりも引張り強度が強く耐熱性及び
耐電解液性を有する繊維材料を網状、織布状または不織
布状にしたものを補強用構造体として用いると、補強用
構造体と金属多孔体の骨格部との連結箇所が増え、圧延
機による加圧圧縮時における基体電極の伸びを全体的に
抑えることができる。

【００１５】請求項３の発明のように、補強用構造体に
導電性を持たせると基体電極の集電性を向上させること
ができる。

【００１６】捲回型電極を作るために電極を捲回する
と、基体電極を厚み方向に破断しようとする破断力が基
体電極に加わる。この破断力は、基体電極の捲回外周面
側に向うに従って大きくなり、基体電極の捲回内周面側
に向かに従って小さくなる。そのため、補強用構造体を
金属多孔体を厚み方向に二分する仮想平面から厚み方向
に変位して配置した請求項４の発明の基体電極を捲回内
周面側に補強用構造体が位置するようにして捲回する
と、補強用構造体に加わる破断力は比較的小さいものと
なる。その結果、電極を捲回する際に、仮に捲回外周面
側から亀裂が生じても補強用構造体によってその亀裂を
止めることができ、基体電極の破断を確実に防止するこ
とができる。

【００１７】

【実施例】以下、ニッケル−水素電池に用いるニッケル
極に用いる三次元網目状基体電極に本発明を適用した実
施例について図面を参照して詳細に説明する。図１は本
発明の実施例の三次元網目状基体電極を厚み方向に切断
した概略断面図である。本図において、１はニッケル発
泡金属からなる金属多孔体であり、２は補強用構造体で
ある。金属多孔体１は骨格部１１が三次元の網目をなす
三次元網目状構造を有しており、この三次元網目状構造
により活物質を充填する多孔部が形成されている。また
補強用構造体２は、導電性を有するマルチニッケル繊維
２１を網状に織って作った導電性多孔シートにより構成
されている。金属多孔体１の内部に配置された補強用構
造体２は、金属多孔体１を厚み方向に二分する仮想平面
Ｈから厚み方向に変位した位置に配置されており、各マ
ルチニッケル繊維２１は金属多孔体１の骨格部１１に連
結されている。

【００１８】次に本実施例の三次元網目状基体電極の製
造方法について説明する。まず単繊維径が２８μm のニ
ッケル線を複数本収束した外径９５μm のマルチニッケ
ル繊維２１を網目間隔が０．５mmになるように網状して
補強用構造体２を作った。次に所定の形状の成形容器内
に発泡前の発泡樹脂を入れ、さらに発泡樹脂を厚み方向
に二分する仮想平面から厚み方向のいずれか一方の方向
に０．６mm変位した位置にこの仮想平面と平行になるよ
うにして補強用構造体２を発泡樹脂内に挿入して固定し
た。次にこの発泡樹脂を発泡させ、発泡終了後の発泡体
に金属ニッケルを電気メッキしてマルチニッケル繊維２
１と連結した平均太さ７０μm の骨格部１１を有する金
属多孔体１を形成した。次に発泡体を焼失させて三次元
網目状基体電極を完成した。このようにして製造した金
属多孔体は、１．３mmの厚みを有しており、その多孔度
は９６％であった。

【００１９】本実施例の三次元網目状基体電極に活物質
用スラリを充填した後に、このスラリから水分を蒸発さ
せ、これを図２に示すように、所定のロール間隔に設定
した圧延ロール３，３に通過させて金属多孔体１を加圧
圧縮すれば、ニッケル電極を作ることができる。またこ
のニッケル電極を捲回内周面側に補強用構造体が位置す
るようにして捲回すればニッケル捲回型電極を作ること
ができる。

【００２０】次に本実施例の三次元網目状基体電極の特
性を調べるために２種類の三次元網目状基体電極ａ，ｂ
を用いてニッケル電極を製造し、各種の測定を行った。
基体電極ａは本実施例の基体電極である。基体電極ｂは
補強用構造体を有しない従来の基体電極であり、補強用
構造体がない点を除いては基体電極ａと同じ構造を有し
ている。これらの基体電極ａ，ｂを用いて、次のように
してニッケル電極を製造した。まず、平均粒径１５μm
の水酸化ニッケル粉末にコバルトからなる活性化剤５wt
％を加えた混合粉末を作り、この混合粉末に対して０．
００４の重量比のカルボキシルメチルセルロースナトリ
ウムからなる増粘剤と、混合粉末に対して０．４の重量
比の水とを混合粉末に加えて混練してスラリを作った。
次に、このスラリを基体電極ａ，ｂの多孔部にそれぞれ
圧入した後に、これを８０℃の気流中を通過させて水分
を蒸発させた。これを一対のロールの対向面間の間隔を
０．５mmに設定したロール径１５０mmの圧延機で加圧圧
縮し、ニッケル電極を完成した。そしてこれらニッケル
電極のそれぞれの伸び率を測定した。測定結果は、本実
施例の基体電極ａを用いたニッケル電極の伸び率は約５
％であったのに対して、従来の基体電極ｂを用いたニッ
ケル電極の伸び率は約１１％であった。また、各ニッケ
ル電極の活物質充填密度を測定すると、本実施例の基体
電極ａを用いたニッケル電極の充填密度が２．８５g/cc
であったのに対して、従来の基体電極ｂを用いたニッケ
ル電極の充填密度は２．６１g/ccであった。従来の基体
電極ｂは補強用構造体を内部に配置していないため、加
圧圧縮前の活物質充填量は本実施例の基体電極ａに比べ
て約２％多かったが、加圧圧縮を行うと本実施例の基体
電極ａを用いたニッケル電極の方が従来の基体電極ｂを
用いたニッケル電極に比べて活物質充填密度が約９％高
くなった。

【００２１】次に各基体電極ａ，ｂを活物質を充填した
後に種々の圧力で加圧圧縮して、活物質の充填密度が異
なるニッケル電極を作った。そしてこれらのニッケル電
極を捲回して、各ニッケル電極に長さ２mm以上の亀裂が
発生する率を測定し、活物質の充填密度と捲回時の亀裂
の発生率との関係を調べた。尚、本実施例の基体電極ａ
は捲回内周面側に補強用構造体が位置するように捲回し
た。図３はその測定結果を示している。本図から本実施
例の基体電極ａを用いたニッケル電極Ａは従来の基体電
極ｂを用いたニッケル電極Ｂに比べて活物質の充填密度
を高めても亀裂が発生しにくいのが判る。

【００２２】次に図３に示す試験に用いた各捲回型電極
を用いてニッケル−水素電池を製造して、各電池に０．
１CmＡで１５０％の充電（周囲温度２０℃）を行った後
に、各電池を０．２CmＡと１CmＡとでそれぞれ放電し
た。そして各電池の放電利用率を測定して、活物質の充
填密度と各電池の放電利用率との関係を調べた。図４は
その測定結果を示している。本図においてＡ1 及びＡ2
は本実施例の基体電極ａを用いたニッケル電極Ａを備え
た電池をそれぞれ０．２CmＡと１CmＡとで放電したとき
の放電利用率の変化を示す特性曲線である。またＢ1 及
びＢ2 は従来の基体電極ｂを用いたニッケル電極Ｂを備
えた電池をそれぞれ０．２CmＡと１CmＡとで放電したと
きの放電利用率の変化を示す特性曲線である。本図より
従来の基体電極ｂを用いたニッケル電極Ｂを備えた電池
では、亀裂発生率が急激に高くなる充填密度（２．７g/
cc）で放電利用率が低下しているが、本発明の基体電極
ａを用いたニッケル電極Ａを備えた電池では、亀裂発生
率が高くなる充填密度においても、放電利用率の低下が
少ないのが判る。

【００２３】尚、本実施例では、補強用構造体としてマ
ルチニッケル繊維を網状にしたシートを用いたが、圧延
機を用いた電極の加圧圧縮に対する引張り強度を高める
ものであれば、材質及び形状は任意である。例えば、カ
ーボン繊維、高強度カーボン繊維、または骨格部より線
径の太い金属繊維等の繊維材料を織布状または不織布状
にしたものや、糸状の繊維を補強用構造体として用いて
も構わない。また本実施例では補強用構造体として導電
性を有するものを用いたが、金属多孔体の集電性能が損
なわれることがないような形状に形成すれば、エンジニ
アリングプラスチック繊維等の非導電性物質を補強用構
造体として用いても構わない。また、上記実施例はニッ
ケル基体電極に本発明を適用した例であるが、三次元網
目状構造を有する金属多孔体を用いる基体電極であれ
ば、水素基体電極、カドミウム基体電極等の他の極性及
び材質の基体電極にも本発明を適用できるのは勿論であ
る。

【００２４】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、補強用構造体
を金属多孔体の骨格部に連結した状態で配置するため、
加圧圧縮時の電極の伸び率を小さくして、活物質の充填
密度を高めることができる。しかも補強用構造体は金属
多孔体の内部に配置されているので、活物質の熱処理を
必ずしも必要としない上、２枚の金属網を用いる従来の
基体電極と比べれば電極の単位体積または単位重量当り
の容量を低くすることなく活物質の充填率を高めること
ができる。したがって、本発明の基体電極を用いると放
電利用率及び効率放電性能の高い電池を得ることができ
る。また本発明によれば、補強用構造体が金属多孔体の
内部にあるため、仮に電極に亀裂が生じても、電極の破
断に至ることがない。

【００２５】請求項２の発明によれば、金属多孔体の骨
格部よりも引張り強度が強く耐熱性及び耐電解液性を有
する繊維材料を網状、織布状または不織布状にしたもの
を補強用構造体として用いるので、加圧圧縮時における
基体電極の伸びを全体的に抑えることができる。

【００２６】請求項３の発明によれば、補強用構造体に
導電性を持たせるので基体電極の集電性を向上させるこ
とができる。

【００２７】請求項４の発明の基体電極を捲回内周面側
に補強用構造体が位置するようにして捲回すると、仮に
捲回外周面側から亀裂が生じても補強用構造体によって
その亀裂を止めることができ、電極の破断を確実に防止
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本実施例の三次元網目状基体電極の概略断面
図である。

【図２】 基体電極を圧延機により加圧圧縮して電極を
作る態様を示す図である。

【図３】 試験に用いた基体電極の活物質の充填密度と
捲回時の亀裂の発生率との関係を示す図である。

【図４】 試験に用いた電池の活物質の充填密度と放電
利用率との関係を示す図である。

【図５】 一般的な三次元網目状基体電極における、圧
延機による加圧圧力と活物質の充填密度との関係を示す
図である。

【符号の説明】

１ 金属多孔体 １１ 骨格部 ２ 補強用構造体

フロントページの続き (72)発明者 高橋 健司 東京都新宿区西新宿二丁目１番１号 新神 戸電機株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】三次元網目状構造を有する金属多孔体を電
   極基体として構成されて加圧圧縮される三次元網目状基
   体電極であって、 前記金属多孔体の内部に前記加圧圧縮に対する引張り強
   度を高める補強用構造体が前記金属多孔体の骨格部に連
   結された状態で配置されていることを特徴とする三次元
   網目状基体電極。
2. 【請求項２】前記補強用構造体は、前記金属多孔体の骨
   格部よりも引張り強度が強く耐熱性及び耐電解液性を有
   する繊維材料を網状、織布状または不織布状にしてなる
   請求項１に記載の三次元網目状基体電極。
3. 【請求項３】前記補強用構造体は導電性を有する請求項
   ２に記載の三次元網目状基体電極。
4. 【請求項４】前記補強用構造体は前記金属多孔体を厚み
   方向に二分する仮想平面から厚み方向に変位して配置さ
   れている請求項１に記載の三次元網目状基体電極。