JPH0624147B2 - 電解液溜を有するニッケル―カドミウム電池 - Google Patents
電解液溜を有するニッケル―カドミウム電池Info
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- JPH0624147B2 JPH0624147B2 JP58502737A JP50273783A JPH0624147B2 JP H0624147 B2 JPH0624147 B2 JP H0624147B2 JP 58502737 A JP58502737 A JP 58502737A JP 50273783 A JP50273783 A JP 50273783A JP H0624147 B2 JPH0624147 B2 JP H0624147B2
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- electrode
- electrolyte
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/34—Gastight accumulators
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、ニッケルおよびカドミウムの電極と水酸化カ
リウムの電解質を有する電池であるアルカリ電池の構造
に関するものである。
リウムの電解質を有する電池であるアルカリ電池の構造
に関するものである。
背景技術 １．発明の分野 本発明の概要は、高性能の電解液を保有し、従来の大容
量の電解液貯蔵部を有する電池と比較して電極間の方向
においてより厚い、複数の細孔を有するセパレータを具
備し、それによって、セパレータおよび電極が電解液量
の不足により乾いて露出する問題を減少し、電極間の距
離を大きくして電極間でカドミウムのブリッジが形成さ
れて短絡する問題を解消し、また電極間の距離を大きく
して電極の膨張による圧縮割合を小さくすることによっ
て、電極間隙を減らすところのセパレータの圧密化を少
なくするというものである。
量の電解液貯蔵部を有する電池と比較して電極間の方向
においてより厚い、複数の細孔を有するセパレータを具
備し、それによって、セパレータおよび電極が電解液量
の不足により乾いて露出する問題を減少し、電極間の距
離を大きくして電極間でカドミウムのブリッジが形成さ
れて短絡する問題を解消し、また電極間の距離を大きく
して電極の膨張による圧縮割合を小さくすることによっ
て、電極間隙を減らすところのセパレータの圧密化を少
なくするというものである。
アルカリ電池は、その価値をよく知られ検討されている
が、特にセパレータについては、ハング・エス・リム等
による米国特許第４，２３３，３４７号、ホワード・エ
ッチ・ロジャーズによる米国特許第４，２４２，０６１
号、そしてスコット・エー・ベルズイベルトによる米国
特許第４，３０８，３２５号に見い出すことができる。
これに加えて種々の資料が刊行されており、例えば、米
国機械協会により１９８１年８月９年に刊行された、
“Proceedings of the Sixtenth Intersociety Energy
Conversion Engineering Confenence ”第１巻、第１８
２頁−１８６頁には、エッチ・エス・リム等による「ニ
ッケル−カドミウム電池の新しいセパレータ」と題する
ものがある。
が、特にセパレータについては、ハング・エス・リム等
による米国特許第４，２３３，３４７号、ホワード・エ
ッチ・ロジャーズによる米国特許第４，２４２，０６１
号、そしてスコット・エー・ベルズイベルトによる米国
特許第４，３０８，３２５号に見い出すことができる。
これに加えて種々の資料が刊行されており、例えば、米
国機械協会により１９８１年８月９年に刊行された、
“Proceedings of the Sixtenth Intersociety Energy
Conversion Engineering Confenence ”第１巻、第１８
２頁−１８６頁には、エッチ・エス・リム等による「ニ
ッケル−カドミウム電池の新しいセパレータ」と題する
ものがある。
ニッケル−カドミウム電池の寿命に関する多くの問題
は、（１）セパレータ内およびニッケル電極内の電解液
量が不足状態（液枯れ）になること、および（２）カド
ミウム電極からセパレータ内へのカドミウムの移動に起
因するセパレータ内におけるカドミウムの付着による短
絡を生じることにある。
は、（１）セパレータ内およびニッケル電極内の電解液
量が不足状態（液枯れ）になること、および（２）カド
ミウム電極からセパレータ内へのカドミウムの移動に起
因するセパレータ内におけるカドミウムの付着による短
絡を生じることにある。
セパレータおよび電極の部分的な露出は、ニッケル電極
のゆっくりした膨張の原因となり、それによって電極内
に亀裂が入る。
のゆっくりした膨張の原因となり、それによって電極内
に亀裂が入る。
宇宙船で、従来用いられていたニッケル−カドミウム電
池の代表的なニッケル電極は、その寿命の終期には本来
の厚みに比して３０％−４０％膨張する。このため電池
は当初から多めの電解液を保有することになる。このよ
うに電解液を増加させるとしてもその量には限界があ
る。すなわち、（１）電極間は比較的狭い間隙しかない
ため、電解液溜りとしてのセパレータには限られた空所
しか得られないこと、（２）セパレータの中に酸素ガス
通路が設けられているため、セパレータを電解液で完全
に満たしておくことはできないこと等の事情があるから
である。もしも酸素ガス通路が妨げられると、酸素ガス
の圧力は許容できないまでに上昇する（例えば、高い圧
力のためにケースが破裂する。）。
池の代表的なニッケル電極は、その寿命の終期には本来
の厚みに比して３０％−４０％膨張する。このため電池
は当初から多めの電解液を保有することになる。このよ
うに電解液を増加させるとしてもその量には限界があ
る。すなわち、（１）電極間は比較的狭い間隙しかない
ため、電解液溜りとしてのセパレータには限られた空所
しか得られないこと、（２）セパレータの中に酸素ガス
通路が設けられているため、セパレータを電解液で完全
に満たしておくことはできないこと等の事情があるから
である。もしも酸素ガス通路が妨げられると、酸素ガス
の圧力は許容できないまでに上昇する（例えば、高い圧
力のためにケースが破裂する。）。
従来の宇宙船の電池におけるニッケルとカドミウム電極
との間のセパレータ（ナイロンまたはポリプロピレンの
フェルト）の厚みは通常１５０乃至２００ミクロンで、
同時に電極の厚みは６５０乃至１０００ミクロンであ
る。したがって、例えば、ニッケル電極が２０％膨張す
ると、電極の亀裂の容積は十分に大きくなり、電解液の
分布を実質的に変えるほどになり、またセパレータを圧
縮し、その結果電極間のスペースが十分に取れなくな
る。
との間のセパレータ（ナイロンまたはポリプロピレンの
フェルト）の厚みは通常１５０乃至２００ミクロンで、
同時に電極の厚みは６５０乃至１０００ミクロンであ
る。したがって、例えば、ニッケル電極が２０％膨張す
ると、電極の亀裂の容積は十分に大きくなり、電解液の
分布を実質的に変えるほどになり、またセパレータを圧
縮し、その結果電極間のスペースが十分に取れなくな
る。
このようなセルの電池が宇宙船に用いられている。宇宙
船は周期的に太陽の光が失なわれるので、宇宙船に電源
の供給を継続するために電池を必要とし、宇宙船用の長
寿命の太陽電池とともに用いられている。さらにまた宇
宙船では軌道へ上昇させる重量に対するコストは極めて
高価なために出力を極限まで高め、かつ重量は重量視さ
れる、宇宙船の電池は電極およびセパレータを薄くして
重量を軽くするために開発がなされている。長寿命のニ
ッケル−カドミウム電池は、静止通信衛星のような長寿
命の宇宙船で望まれている。過去においては往々にして
電池の寿命が人工衛星の寿命であった。
船は周期的に太陽の光が失なわれるので、宇宙船に電源
の供給を継続するために電池を必要とし、宇宙船用の長
寿命の太陽電池とともに用いられている。さらにまた宇
宙船では軌道へ上昇させる重量に対するコストは極めて
高価なために出力を極限まで高め、かつ重量は重量視さ
れる、宇宙船の電池は電極およびセパレータを薄くして
重量を軽くするために開発がなされている。長寿命のニ
ッケル−カドミウム電池は、静止通信衛星のような長寿
命の宇宙船で望まれている。過去においては往々にして
電池の寿命が人工衛星の寿命であった。
発明の開示 本発明の理解を助けるために実質的な要約を述べると、
本発明は、電極間な大きな間隙を備え、かつ該内部電極
間隙にこれに対応する従来よりもより厚いセパレータを
備えたアルカリ電池セルに関するものである。
本発明は、電極間な大きな間隙を備え、かつ該内部電極
間隙にこれに対応する従来よりもより厚いセパレータを
備えたアルカリ電池セルに関するものである。
このようにセパレータが収納される間隙を大きくするこ
とは、従来のセパレータが収納される間隙を最小とした
手法とは逆にセパレータを横切る際の抵抗要素を減少す
る。従来技術では抵抗要素は、セパレータが収納される
間隙の増加に正比例する。さらにまた、従来技術の電池
の設計は、セパレータの空洞を満たす電池の電解液の重
量を減じるためにセパレータが収納される間隙を最小と
するようにしている。
とは、従来のセパレータが収納される間隙を最小とした
手法とは逆にセパレータを横切る際の抵抗要素を減少す
る。従来技術では抵抗要素は、セパレータが収納される
間隙の増加に正比例する。さらにまた、従来技術の電池
の設計は、セパレータの空洞を満たす電池の電解液の重
量を減じるためにセパレータが収納される間隙を最小と
するようにしている。
すなわち、ジルコニアを基礎とするセパレータの構造
は、従来技術のナイロン、ポリプロピレン等の材料より
も抵抗の低いことを証明した。
は、従来技術のナイロン、ポリプロピレン等の材料より
も抵抗の低いことを証明した。
本発明の目的は、激しい放電サイクル中での作動による
加圧を減少させたアルカリ電池を供給すること、および
電池セルおよび該セルに結合することができる電池の寿
命を増大させることにある。本発明のこのような目的
は、電解液を高度に保有し、かつ電解液の貯量を高める
ために電池の電極間に多孔構造を有する、従来よりより
厚いセパレータを備えることにより達成される。その結
果、セパレータが乾いて露出する度合が減少し、かつ電
極間の距離が増大するためカドミウムの移動による短絡
が減少し、また電極の膨張によるセパレータの圧縮の度
合が減少するという効果を奏するのである。セパレータ
の多孔構造はセパレータ中の酸素ガス通路を封鎖するこ
となくセパレータに最大量の電解液を保有するために必
要なものである。
加圧を減少させたアルカリ電池を供給すること、および
電池セルおよび該セルに結合することができる電池の寿
命を増大させることにある。本発明のこのような目的
は、電解液を高度に保有し、かつ電解液の貯量を高める
ために電池の電極間に多孔構造を有する、従来よりより
厚いセパレータを備えることにより達成される。その結
果、セパレータが乾いて露出する度合が減少し、かつ電
極間の距離が増大するためカドミウムの移動による短絡
が減少し、また電極の膨張によるセパレータの圧縮の度
合が減少するという効果を奏するのである。セパレータ
の多孔構造はセパレータ中の酸素ガス通路を封鎖するこ
となくセパレータに最大量の電解液を保有するために必
要なものである。
本発明の他の目的および利点は、以下の明細書、請求の
範囲および添付図面により明らかにされよう。
範囲および添付図面により明らかにされよう。
図面の簡単な説明 第１図は、ケースを部分的に破断した本発明の電池の斜
視図、 第２図は、電池内の電極とセパレータとの配置関係を示
す側面図、 第３図は、ケースを除いて電池の電極、セパレータおよ
び電極とケースとの間の電解液貯留部を示す本発明の好
ましい態様を示す側面図、 である。
視図、 第２図は、電池内の電極とセパレータとの配置関係を示
す側面図、 第３図は、ケースを除いて電池の電極、セパレータおよ
び電極とケースとの間の電解液貯留部を示す本発明の好
ましい態様を示す側面図、 である。
発明を実施するための最良の形態 本発明によるアルカリ電池セルの概要は第１図に１０で
示す。電池セル１０は完全に封止され活性で電蓄のエレ
メントの組立体を内蔵したケース１２からなる。カバー
１４は端子１６，１８を設けている。端子１６はカバー
１４に接続している。端子１８は絶縁筒２０に装着され
ているので、端子１８はカバーを貫通し、絶縁して保持
される。端子１８は正極性の端子である。管２２はカバ
ー１４の平面に接続している。この管はセル内へ電解液
を満たすために使用する。
示す。電池セル１０は完全に封止され活性で電蓄のエレ
メントの組立体を内蔵したケース１２からなる。カバー
１４は端子１６，１８を設けている。端子１６はカバー
１４に接続している。端子１８は絶縁筒２０に装着され
ているので、端子１８はカバーを貫通し、絶縁して保持
される。端子１８は正極性の端子である。管２２はカバ
ー１４の平面に接続している。この管はセル内へ電解液
を満たすために使用する。
第１図ではケース１２内に複数の電極とセパレータが有
るのが見える。本発明の最良の実施例の電池では負極性
の電極はニッケルと錫からなる板に活性な物質であるカ
ドミウムを埋め込んでなり、正極性の電極はニッケル焼
結体からなる板に活性な物質であるニッケルを埋め込ん
でなり、そして電解液は水酸化カリウム溶液に添加剤を
加えまたは加えないものである。第１図は電極の重なり
を示す。本発明の説明を助けるための第２図では少なく
とも幾つかの電極の重なりの断面が拡大されて示されて
いる。負極性の電極２４，２６，２８が示され、そして
交互に正極性の電極３０，３２が示される。セパレータ
３４，３６，３８，４０は電極の間に位置する。
るのが見える。本発明の最良の実施例の電池では負極性
の電極はニッケルと錫からなる板に活性な物質であるカ
ドミウムを埋め込んでなり、正極性の電極はニッケル焼
結体からなる板に活性な物質であるニッケルを埋め込ん
でなり、そして電解液は水酸化カリウム溶液に添加剤を
加えまたは加えないものである。第１図は電極の重なり
を示す。本発明の説明を助けるための第２図では少なく
とも幾つかの電極の重なりの断面が拡大されて示されて
いる。負極性の電極２４，２６，２８が示され、そして
交互に正極性の電極３０，３２が示される。セパレータ
３４，３６，３８，４０は電極の間に位置する。
ニッケル電極は電気的に活性な酸化ニッケルによって包
まれている。個々の電極はその頂部付近から接続母線に
より端子に接続する。各母線はまとめて端子に接続す
る。第１図，第２図に示す電極の頂端の如くである。
まれている。個々の電極はその頂部付近から接続母線に
より端子に接続する。各母線はまとめて端子に接続す
る。第１図，第２図に示す電極の頂端の如くである。
本発明において使用される有機重合体で補強されたジル
コニアの織物は、第１の電解液貯留部のセパレータの物
質として理想的な種類のものである。この有機重合体で
補強されたジルコニアの織物は，エッチ・エス・リム、
エッチ・エッチ・ロジャーズおよびエス・エー・ベルズ
イベルトの米国特許第４，２３３，３４７号明細書およ
びスコット・エー・ベルズイベルトの米国特許第４，３
０８，３２５号明細書およびホワード・エッチ・ロジャ
ーズの米国特許第４，２６２，０６１号明細書に開示さ
れている。なかでも、上記米国特許第４，２６２，０６
１号明細書には上記織物に関するすべての情報が取りま
とめられている。また、米国特許第４，２６９，９１３
号明細書の特許請求の範囲第１項には、本発明で使用す
る有機重合体で補強されたジルコニアの織物の製造方法
が詳細に記載されている。
コニアの織物は、第１の電解液貯留部のセパレータの物
質として理想的な種類のものである。この有機重合体で
補強されたジルコニアの織物は，エッチ・エス・リム、
エッチ・エッチ・ロジャーズおよびエス・エー・ベルズ
イベルトの米国特許第４，２３３，３４７号明細書およ
びスコット・エー・ベルズイベルトの米国特許第４，３
０８，３２５号明細書およびホワード・エッチ・ロジャ
ーズの米国特許第４，２６２，０６１号明細書に開示さ
れている。なかでも、上記米国特許第４，２６２，０６
１号明細書には上記織物に関するすべての情報が取りま
とめられている。また、米国特許第４，２６９，９１３
号明細書の特許請求の範囲第１項には、本発明で使用す
る有機重合体で補強されたジルコニアの織物の製造方法
が詳細に記載されている。
セパレータは、直径数百ミクロン以下の開口をもつ織物
構造を有し、かつ該開口は織物を横切って広がってい
る。該織物は同様に１０ミクロン以下の微細孔を有す
る。該微細孔は、この材料に電解液を強力に保持させ、
多孔質の電極に適合させるのに有効である。このように
該材料は電解液を保有する高い機能を有する。さらに加
えて大きな開口は酸素ガスの気泡がセパレータを通過す
ることを許容する。セパレータはこのように電解液を保
有しかつ要求により放出する第１の圧縮可能な多孔質材
料として作用する。また、セパレータは酸素の通過を阻
げることなく、セル中での物理的変化の作動のための充
分な電解液を保有することができる第１の電解液貯留部
として作用する。
構造を有し、かつ該開口は織物を横切って広がってい
る。該織物は同様に１０ミクロン以下の微細孔を有す
る。該微細孔は、この材料に電解液を強力に保持させ、
多孔質の電極に適合させるのに有効である。このように
該材料は電解液を保有する高い機能を有する。さらに加
えて大きな開口は酸素ガスの気泡がセパレータを通過す
ることを許容する。セパレータはこのように電解液を保
有しかつ要求により放出する第１の圧縮可能な多孔質材
料として作用する。また、セパレータは酸素の通過を阻
げることなく、セル中での物理的変化の作動のための充
分な電解液を保有することができる第１の電解液貯留部
として作用する。
ジルコニアの織物は望まれる物理的な性質を提供するこ
とができるが、強く振動する用途には極めて弱い。ジル
コニアの織物を、ポリスルホン（Ｚ−ＰＳ）で補強され
たもの、あるいはポリペンズイミダゾール（Ｚ−ＰＢ
Ｉ）または他の有機補強材料で補強されたものは、宇宙
船で見られるような振動の問題に対して本発明の最良の
実施例の電池である。ポリスルホン、ポリベンズイミダ
ゾールは試験によってジルコニアの補強材として有用性
が見い出された。ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＥ
Ｅ）のような他のポリフッ化炭化水素（フッ素樹脂）も
有用な補強材として用いることができ、水酸化カリウム
電解液において安定であり、乾燥した積重ねた状態で従
来用いられていたナイロンのセパレータよりも充分な電
解液を保有することができる。乾燥した積重ねた状態
は、個々のニッケル電極が充放電サイクルの反復によっ
て膨張する時に生じる物理的な状態である。このような
膨張は、毛細管現象によってセパレータから電解液を運
び去る細孔を電極に発生させる。試験によれはニッケル
電極に化学的に付着した水酸化ニッケルは約３０００回
の充放電サイクルの後は厚みは３０％膨張し、電池の容
量は６０％となる。ニッケル電極のような膨張は、セパ
レータを押しつぶし電解液を絞り出す原因となる。その
上、ニッケル電極の細孔の分布は変化し、寿命が尽き
る。新しい電極、特にニッケルを電気的に付着した電極
では、直径０．２ミクロン乃至１０ミクロンの範囲の細
孔の高い分布を示した。３０００サイクルの充放電後、
この範囲の細孔は急激に減少し、同時に０．０１乃至
０．１ミクロンの範囲の細孔の分布は著しく増大した。
小さな細孔は電解液の高い保有能を持つので、充放電サ
イクルの間に細孔から電解液を放出することはより困難
になる。
とができるが、強く振動する用途には極めて弱い。ジル
コニアの織物を、ポリスルホン（Ｚ−ＰＳ）で補強され
たもの、あるいはポリペンズイミダゾール（Ｚ−ＰＢ
Ｉ）または他の有機補強材料で補強されたものは、宇宙
船で見られるような振動の問題に対して本発明の最良の
実施例の電池である。ポリスルホン、ポリベンズイミダ
ゾールは試験によってジルコニアの補強材として有用性
が見い出された。ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＥ
Ｅ）のような他のポリフッ化炭化水素（フッ素樹脂）も
有用な補強材として用いることができ、水酸化カリウム
電解液において安定であり、乾燥した積重ねた状態で従
来用いられていたナイロンのセパレータよりも充分な電
解液を保有することができる。乾燥した積重ねた状態
は、個々のニッケル電極が充放電サイクルの反復によっ
て膨張する時に生じる物理的な状態である。このような
膨張は、毛細管現象によってセパレータから電解液を運
び去る細孔を電極に発生させる。試験によれはニッケル
電極に化学的に付着した水酸化ニッケルは約３０００回
の充放電サイクルの後は厚みは３０％膨張し、電池の容
量は６０％となる。ニッケル電極のような膨張は、セパ
レータを押しつぶし電解液を絞り出す原因となる。その
上、ニッケル電極の細孔の分布は変化し、寿命が尽き
る。新しい電極、特にニッケルを電気的に付着した電極
では、直径０．２ミクロン乃至１０ミクロンの範囲の細
孔の高い分布を示した。３０００サイクルの充放電後、
この範囲の細孔は急激に減少し、同時に０．０１乃至
０．１ミクロンの範囲の細孔の分布は著しく増大した。
小さな細孔は電解液の高い保有能を持つので、充放電サ
イクルの間に細孔から電解液を放出することはより困難
になる。
このようないくつかの理由により、従来のセパレータよ
りも厚いセパレータを有し、かつ従来のセルよりも電解
液の保有量の多い電池セルが提供されることが望まれて
いる。近時のニッケル−カドミウム電池の電極間の間隙
は１５０乃至２００ミクロンで近代的なナイロンのセパ
レータを用いている。本発明における構成では、電極間
の間隙は、２５０ミクロンあるいはそれ以上である。こ
の間隙は充分に大きいので、通常のニッケル電極（約６
８０ミクロンの厚み）が３０％の膨張をしてもなお、電
極間の間隙は１５０乃至２００ミクロンである。
りも厚いセパレータを有し、かつ従来のセルよりも電解
液の保有量の多い電池セルが提供されることが望まれて
いる。近時のニッケル−カドミウム電池の電極間の間隙
は１５０乃至２００ミクロンで近代的なナイロンのセパ
レータを用いている。本発明における構成では、電極間
の間隙は、２５０ミクロンあるいはそれ以上である。こ
の間隙は充分に大きいので、通常のニッケル電極（約６
８０ミクロンの厚み）が３０％の膨張をしてもなお、電
極間の間隙は１５０乃至２００ミクロンである。
本発明において使用されるニッケル電極の好ましい厚み
は、約６５０〜１，０００ミクロンである。
は、約６５０〜１，０００ミクロンである。
本発明の設計によれば、多孔構造を有するセパレータ
は、酸素ガス通路をふさぐことなく最大量の電解液を保
有するために用いられる。その結果は、本発明の電池セ
ルの寿命はナイロンのセパレータを有する従来技術のニ
ッケル−カドミウム電池セルに対して３倍にまで及ぶほ
どの寿命の増大である。寿命を制限する大きな原因は、
ニッケル電極の膨張による構成要素の露出およびセルの
繰り返し使用によって起こるカドミウムの移動による短
絡の形成である。膨張は、小さな寸法の範囲の細孔をニ
ッケル電極に大量に生じさせ、電極よりも大きな寸法の
細孔を有するセパレータから毛細管現象によって水酸化
カリウム電解液を吸収する。この結果、電解液は移動
し、従来の電池のセパレータでは乾燥してセルの機能は
退化する。より大きな電解液容量をもつより厚い最初の
セパレータの厚みは、ニッケル電極の膨張に対して付加
的な電解液貯留部としての能力を備えるので電池の寿命
が増大するのである。さらにまた、新世代のジルコニア
のセパレータは、多孔構造を有するので、その細孔は従
来のナイロン、ポリプロピレンのセパレータの細孔より
も小さい。この小さな細孔の構造はニッケル電極と電解
液に好都合に適応する。ジルコニアを基礎としたセパレ
ータはナイロンやポリプロピレンのセパレータに比し
て、より良好なことが実験的に証明された。
は、酸素ガス通路をふさぐことなく最大量の電解液を保
有するために用いられる。その結果は、本発明の電池セ
ルの寿命はナイロンのセパレータを有する従来技術のニ
ッケル−カドミウム電池セルに対して３倍にまで及ぶほ
どの寿命の増大である。寿命を制限する大きな原因は、
ニッケル電極の膨張による構成要素の露出およびセルの
繰り返し使用によって起こるカドミウムの移動による短
絡の形成である。膨張は、小さな寸法の範囲の細孔をニ
ッケル電極に大量に生じさせ、電極よりも大きな寸法の
細孔を有するセパレータから毛細管現象によって水酸化
カリウム電解液を吸収する。この結果、電解液は移動
し、従来の電池のセパレータでは乾燥してセルの機能は
退化する。より大きな電解液容量をもつより厚い最初の
セパレータの厚みは、ニッケル電極の膨張に対して付加
的な電解液貯留部としての能力を備えるので電池の寿命
が増大するのである。さらにまた、新世代のジルコニア
のセパレータは、多孔構造を有するので、その細孔は従
来のナイロン、ポリプロピレンのセパレータの細孔より
も小さい。この小さな細孔の構造はニッケル電極と電解
液に好都合に適応する。ジルコニアを基礎としたセパレ
ータはナイロンやポリプロピレンのセパレータに比し
て、より良好なことが実験的に証明された。
寿命を制限するもう一つの原因は、負極性のカドミウム
電極からセパレータへのカドミウムの移動により発生す
る内部短絡である。カドミウムの移動が起こり、セパレ
ータ中にカドミウムが十分に蓄積して正極性と負極性と
の電極間にカドミウムの橋絡が形成されるほどになると
セルは短絡する。このような短絡が形成されるのに必要
な時間は、温度およびセパレータの厚みである電極の間
隔に依存する。宇宙船内で普通にみられる１０℃の周囲
温度では、通常カドミウムの橋絡は寿命の限界の要因と
はならない。３０℃の周囲温度で用いた場合は短絡が原
因となる。本発明のセルでは、電極の間隙を広げること
によって、セルの寿命をかなり延ばすことができる。
電極からセパレータへのカドミウムの移動により発生す
る内部短絡である。カドミウムの移動が起こり、セパレ
ータ中にカドミウムが十分に蓄積して正極性と負極性と
の電極間にカドミウムの橋絡が形成されるほどになると
セルは短絡する。このような短絡が形成されるのに必要
な時間は、温度およびセパレータの厚みである電極の間
隔に依存する。宇宙船内で普通にみられる１０℃の周囲
温度では、通常カドミウムの橋絡は寿命の限界の要因と
はならない。３０℃の周囲温度で用いた場合は短絡が原
因となる。本発明のセルでは、電極の間隙を広げること
によって、セルの寿命をかなり延ばすことができる。
以下の表は、セパレータ材料、ニッケル電極の製造方法
および種々の温度および放電状態の深さ等について現在
のニッケル−カドミウム電池セルで得られる寿命を、ナ
イロンセパレータの寿命と比較したものである。
および種々の温度および放電状態の深さ等について現在
のニッケル−カドミウム電池セルで得られる寿命を、ナ
イロンセパレータの寿命と比較したものである。
本発明による種々のセルタイプを含めて試験した。ＣＤ
は化学的に付着したニッケル電極、ＥＤは電気化学的に
付着したニッケル電極、Ｚ−ＰＳはポリスルホンで補強
したジルコニアのセパレータおよびＺ−ＰＢＩはポリベ
ンズイミダゾールで補強したジルコニアのセパレータを
表す。本発明によるセルは、最初の電極の間隔は３００
および２５０ミクロンで種々の温度の試験状態でかつ４
０％，６０％および８０％深さに放電した。表の最後の
欄は、最初の電極の間隔が１５０乃至２００ミクロンの
従来技術のナイロンを用いたセルの一例における予想寿
命を示している。
は化学的に付着したニッケル電極、ＥＤは電気化学的に
付着したニッケル電極、Ｚ−ＰＳはポリスルホンで補強
したジルコニアのセパレータおよびＺ−ＰＢＩはポリベ
ンズイミダゾールで補強したジルコニアのセパレータを
表す。本発明によるセルは、最初の電極の間隔は３００
および２５０ミクロンで種々の温度の試験状態でかつ４
０％，６０％および８０％深さに放電した。表の最後の
欄は、最初の電極の間隔が１５０乃至２００ミクロンの
従来技術のナイロンを用いたセルの一例における予想寿
命を示している。
第３図に示す本発明の電池セル４２の構成において、第
２の電解液溜貯留部（貯蔵用スポンジ４６、４８）はセ
パレータから離れた位置に配置されている。もし望むな
らば最小の厚みよりも厚いセパレータを使用してもよい
が、セル４２では追加する電解液の供給、および膨張す
るニッケル電極を収容する能力は電極の積層体の外側で
達成される。ケース４４は、電池セル１０に関する第２
図に示されたものと同じ電極とセパレータとの積み重ね
を有している。該電極と該セパレータは同一の番号が付
されている。負極性のカドミウム電極２４，２８の外側
とケース４４との間にそれぞれ貯蔵用スポンジ４６，４
８が位置する。もしケース４２が負極性の電極２４およ
び２８の外側とは異なるポテンシャルで動作させること
を望むらなば絶縁シート５０を設ければよい。絶縁シー
ト５０は貯蔵用スポンジおよび電極のまわりにスリーブ
状に巻き付けるように成形されている。ポリプロピレン
は好適な材料である。このようなシートまたは同様な目
的で電池セル１０に使用する。
２の電解液溜貯留部（貯蔵用スポンジ４６、４８）はセ
パレータから離れた位置に配置されている。もし望むな
らば最小の厚みよりも厚いセパレータを使用してもよい
が、セル４２では追加する電解液の供給、および膨張す
るニッケル電極を収容する能力は電極の積層体の外側で
達成される。ケース４４は、電池セル１０に関する第２
図に示されたものと同じ電極とセパレータとの積み重ね
を有している。該電極と該セパレータは同一の番号が付
されている。負極性のカドミウム電極２４，２８の外側
とケース４４との間にそれぞれ貯蔵用スポンジ４６，４
８が位置する。もしケース４２が負極性の電極２４およ
び２８の外側とは異なるポテンシャルで動作させること
を望むらなば絶縁シート５０を設ければよい。絶縁シー
ト５０は貯蔵用スポンジおよび電極のまわりにスリーブ
状に巻き付けるように成形されている。ポリプロピレン
は好適な材料である。このようなシートまたは同様な目
的で電池セル１０に使用する。
貯蔵用スポンジ４６，４８はニッケル電極の膨張時に圧
縮を許容する圧縮性を有する水酸化カリウム電解液に適
合する構造のものであり、そして電極の膨張時に電解液
を放出し、かつ電解液をセルに充満させることなく保留
する多孔構造を有し、第２の電解液貯留部として作用す
る。適切な第２の圧縮可能な多孔質材料は、ポリプロピ
レン発泡体、ニッケル発泡体又は焼結体、ポリプロピレ
ンのフエルト、又はジルコニアの織物等である。このよ
うな材料は、８０％の空隙を有し、ニッケル電極の膨張
による気泡の圧縮に対する耐圧縮性は低い。
縮を許容する圧縮性を有する水酸化カリウム電解液に適
合する構造のものであり、そして電極の膨張時に電解液
を放出し、かつ電解液をセルに充満させることなく保留
する多孔構造を有し、第２の電解液貯留部として作用す
る。適切な第２の圧縮可能な多孔質材料は、ポリプロピ
レン発泡体、ニッケル発泡体又は焼結体、ポリプロピレ
ンのフエルト、又はジルコニアの織物等である。このよ
うな材料は、８０％の空隙を有し、ニッケル電極の膨張
による気泡の圧縮に対する耐圧縮性は低い。
このような第２の圧縮可能な多孔質材料は２つの機能を
有する。その１つの機能は、電池セル内の電極面に対す
る直角な方向からの応力を緩和することである。この応
力はニッケル電極が膨張する時貯蔵用スポンジの気泡を
破砕し、電極間のセパレータは小さな歪を生じるだけ
で、より少ししか圧縮されないことになる。材料に応じ
て、破砕は回復されたり、されなかったりする。もう１
つの機能は、電池内の第２の電解液貯留部としての機能
である。貯留部の発泡体の細孔は最初は電解液で満たさ
れ、そして電解液はニッケル電極の膨張により少しづつ
絞り出される。その絞り出された電解液は膨張によりニ
ッケル電極内に形成された空隙を満たす。このようなメ
カニズムによって、電解液が失われることによって生じ
るセパレータの露出を防ぐ。セパレータにおける電解液
量の不足によるセパレータの露出の減少とともに、セパ
レータ中へのカドミウムの移動が減じられ、それによっ
て寿命の限界も減じられる。
有する。その１つの機能は、電池セル内の電極面に対す
る直角な方向からの応力を緩和することである。この応
力はニッケル電極が膨張する時貯蔵用スポンジの気泡を
破砕し、電極間のセパレータは小さな歪を生じるだけ
で、より少ししか圧縮されないことになる。材料に応じ
て、破砕は回復されたり、されなかったりする。もう１
つの機能は、電池内の第２の電解液貯留部としての機能
である。貯留部の発泡体の細孔は最初は電解液で満たさ
れ、そして電解液はニッケル電極の膨張により少しづつ
絞り出される。その絞り出された電解液は膨張によりニ
ッケル電極内に形成された空隙を満たす。このようなメ
カニズムによって、電解液が失われることによって生じ
るセパレータの露出を防ぐ。セパレータにおける電解液
量の不足によるセパレータの露出の減少とともに、セパ
レータ中へのカドミウムの移動が減じられ、それによっ
て寿命の限界も減じられる。
本発明は、現在考え得る最良のものについて述べたが、
本発明をこのまま限定して実行することなく、当業者に
おいて可能な限り多数の変形、方式および態様が可能な
ことは明らかである。よって、本発明の範囲は次の請求
の範囲によって定められる。
本発明をこのまま限定して実行することなく、当業者に
おいて可能な限り多数の変形、方式および態様が可能な
ことは明らかである。よって、本発明の範囲は次の請求
の範囲によって定められる。
フロントページの続き (72)発明者 ヴエルズイベルト・スコツト・エ− アメリカ合衆国カリフオルニア州91320ニ ユ−ベリ−・パ−ク・ロツヂウツド・スト リ−ト3086 (56)参考文献 特開 昭50−64739（ＪＰ，Ａ) 特公 昭54−35653（ＪＰ，Ｂ２) 米国特許4269913（ＵＳ，Ａ) 米国特許3333986（ＵＳ，Ａ)
Claims (5)
- 【請求項１】複数の交互に間隔をおいて配置され、かつ
電極間の間隙が規定されるニッケルおよびカドミウムの
電極を収容したケースと、 それぞれの電極の間隙に収容された第１の電解液貯留部
と、 それぞれの電極にさらされるそれぞれの電解液貯留部内
の電解液と、 ２５０ミクロン以上の電極間の間隙と、 ニッケル電極の膨脹後においても電極間の間隙が少なく
とも１５０ミクロンあるように選択された適切な厚みの
ニッケル電極と、 を具備するニッケル−カドミウム電池であって、 前記第１の電解液貯留部は、水酸化カリウム電解液を保
持し、かつ酸素ガスを通過させる機能を有する多孔構造
を持つ第１の圧縮可能な多孔質材料により形成された圧
縮可能なセパレータの形態であり、 前記第１の多孔質材料は、有機重合体で補強されたジル
コニアの織物からなり、 更に、第２の電解液貯留部は、前記複数の交互に間隔を
おいて配置された電極と前記ケースとの間に配置され、 前記第２の電解液貯留部は、ポリプロピレンのフェルト
またはジルコニアの織物からなる第２の圧縮可能な多孔
質材料から形成され、 前記第１および第２の多孔質材料は、電池の充放電の間
のニッケル電極の膨張に適応するように厚さを減らすこ
とができるものとしたことを特徴とするニッケル−カド
ミウム電池。 - 【請求項２】前記セパレータがポリスルホンで補強され
たジルコニアからなる請求の範囲第１項記載のニッケル
−カドミウム電池。 - 【請求項３】前記セパレータがポリベンズイミダゾール
で補強されたジルコニアからなる請求の範囲第１項記載
のニッケル−カドミウム電池。 - 【請求項４】前記セパレータがポリフッ化炭化水素で補
強されたジルコニアからなる請求の範囲第１項記載のニ
ッケル−カドミウム電池。 - 【請求項５】前記第２の電解液貯留部がポリプロピレン
のフェルトまたはジルコニアの織物のかわりに、ニッケ
ルの発泡体またはニッケルの焼結体からなる請求の範囲
第１項乃至第４項のいずれか１項記載のニッケル−カド
ミウム電池。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US40661182A | 1982-08-09 | 1982-08-09 | |
| US406611FREGB | 1982-08-09 | ||
| US406611 | 1982-08-09 | ||
| PCT/US1983/001236 WO1984000853A1 (en) | 1982-08-09 | 1983-08-09 | Nickel-cadmium battery cell with improved electrolyte reservoir |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59501428A JPS59501428A (ja) | 1984-08-09 |
| JPH0624147B2 true JPH0624147B2 (ja) | 1994-03-30 |
Family
ID=23608740
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58502737A Expired - Lifetime JPH0624147B2 (ja) | 1982-08-09 | 1983-08-09 | 電解液溜を有するニッケル―カドミウム電池 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0115525B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0624147B2 (ja) |
| CA (1) | CA1197285A (ja) |
| DE (1) | DE3380618D1 (ja) |
| WO (1) | WO1984000853A1 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4301549C1 (de) * | 1993-01-21 | 1994-09-29 | Emmerich Christoph Gmbh Co Kg | Gasdichter Metallhydrid-Akkumulator |
| US5688613A (en) * | 1996-04-08 | 1997-11-18 | Motorola, Inc. | Electrochemical cell having a polymer electrolyte |
| US5693434A (en) * | 1996-07-22 | 1997-12-02 | Motorola, Inc. | Electrochemical cell having a polymer electrolyte |
| FR2766973B1 (fr) * | 1997-08-04 | 1999-09-24 | Alsthom Cge Alcatel | Accumulateur ouvert de type industriel sans maintenance |
| KR101946011B1 (ko) | 2011-09-22 | 2019-02-11 | 삼성전자주식회사 | 리튬 이차 전지용 전해질 및 이를 채용한 리튬 전지 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3333986A (en) * | 1964-06-26 | 1967-08-01 | Electric Storage Battery Co | Battery utilizing bibulous material wick means to feed electrolyte by capillary action |
| JPS5064739A (ja) * | 1973-10-12 | 1975-06-02 | ||
| JPS5435653A (en) * | 1977-08-25 | 1979-03-15 | Hitachi Ltd | Information transfer system |
| US4269913A (en) * | 1978-10-23 | 1981-05-26 | Hughes Aircraft Company | Novel inorganic-organic composite felt for use in alkaline storage cells and process for making same |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| BE543735A (ja) * | 1952-03-07 | 1900-01-01 | ||
| BE528433A (ja) * | 1952-11-10 | |||
| CA642289A (en) * | 1957-10-09 | 1962-06-05 | Union Carbide Corporation | Dry cell |
| NL273614A (ja) * | 1961-01-27 | |||
| GB1074998A (en) * | 1965-10-14 | 1967-07-05 | Zwickau Grubenlampenwerke | Improvements in or relating to permanently gas-tight sealed accumulators |
| US3764387A (en) * | 1972-01-28 | 1973-10-09 | Gates Rubber Co | Non treeing electrolyte wick |
| JPS5435653B2 (ja) * | 1974-12-04 | 1979-11-05 | ||
| JPS5626108B2 (ja) * | 1975-01-20 | 1981-06-16 |
-
1983
- 1983-08-09 WO PCT/US1983/001236 patent/WO1984000853A1/en active IP Right Grant
- 1983-08-09 CA CA000434175A patent/CA1197285A/en not_active Expired
- 1983-08-09 DE DE8383902680T patent/DE3380618D1/de not_active Expired
- 1983-08-09 EP EP83902680A patent/EP0115525B1/en not_active Expired
- 1983-08-09 JP JP58502737A patent/JPH0624147B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3333986A (en) * | 1964-06-26 | 1967-08-01 | Electric Storage Battery Co | Battery utilizing bibulous material wick means to feed electrolyte by capillary action |
| JPS5064739A (ja) * | 1973-10-12 | 1975-06-02 | ||
| JPS5435653A (en) * | 1977-08-25 | 1979-03-15 | Hitachi Ltd | Information transfer system |
| US4269913A (en) * | 1978-10-23 | 1981-05-26 | Hughes Aircraft Company | Novel inorganic-organic composite felt for use in alkaline storage cells and process for making same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA1197285A (en) | 1985-11-26 |
| DE3380618D1 (en) | 1989-10-26 |
| WO1984000853A1 (en) | 1984-03-01 |
| EP0115525B1 (en) | 1989-09-20 |
| JPS59501428A (ja) | 1984-08-09 |
| EP0115525A1 (en) | 1984-08-15 |
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