JPH10144310A - 電極活物質の充填方法及び充填装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】熱の発生なく多孔質金属基板の空孔内へのペー
ストの充填密度を高めるとともに、乾燥時の体積収縮を
抑制して空隙の生成を防止する。 【解決手段】活物質粉末と溶媒とを含むペースト１００
を多孔質金属基板４の一表面に接触させ、一表面側から
他表面側に向かって加圧し、他表面側から溶媒のみを吸
引して活物質粉末を多孔質金属基板４の空孔に充填す
る。空孔内に充填されたペーストからは溶媒のみが除去
され、体積収縮により生成した空隙には加圧により新た
なペーストが充填されるため、空孔内には溶媒が少ない
状態でペーストが密に充填される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ニッケル・カドミ
ウム蓄電池やＮｉ−ＭＨ蓄電池などのアルカリ電池の電
極の製造時に、多孔質金属基板に電極活物質を高密度で
充填する方法と、その充填方法を実施するための充填装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】アルカリ蓄電池は、信頼性が高いこと、
小型軽量化及び高容量化が可能であることなどの理由に
より、各種ポータブル機器や産業用の電源として広く用
いられている。このアルカリ蓄電池の正極には、主とし
て水酸化ニッケルからなる活物質をもつ水酸化ニッケル
電極が用いられている。

【０００３】この水酸化ニッケル電極は、例えば集電体
となる多孔質金属基材を硝酸ニッケルなどの酸性ニッケ
ル塩の水溶液中に浸漬し、次いでアルカリ水溶液中に浸
漬する方法で製造されている。この方法は、一般に浸漬
法と称されている。この製造方法によれば、多孔質金属
基材の空孔中に含浸したニッケル塩がアルカリと接触す
ることで水酸化ニッケルが生成し、活物質を多孔質金属
基材の空孔中に充填することが可能となる。

【０００４】しかし上記浸漬法では、一度の処理で活物
質を充分に充填することが困難であるため、所望の容量
とするには上記処理を何度か繰り返す必要があり、工数
が多大となるという不具合があった。そこで活物質の充
填方法の別の方法として、例えば特開平４−１０３５５
号公報などには、水酸化ニッケルを主とする活物質材料
をカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）などのバイン
ダー及び溶媒とともにペーストとし、そのペーストをへ
らやアプリケータなどを用いて多孔質金属基材に物理的
に充填する方法が記載されている。この方法はペースト
充填法と称され、上記浸漬法に比べて多くの活物質を空
孔中に簡単に充填でき、高容量の電極を容易に製造する
ことができる。ところが上記ペースト充填法において
は、多孔質金属基材の空孔中にペーストを物理的に充填
する際に、空孔中の空気とペーストとを完全に置換する
ことが困難である。またペースト中に空気が混入してい
たり、充填時に空気を巻き込むこともある。このように
してペーストの充填後に気泡が残留すると、活物質と多
孔質金属基材との接触が不十分となり、内部抵抗が上昇
して電池の出力特性が低下するという不具合がある。ま
た、集電ネットワークが切断されることで、活物質から
の集電効率が低下し、活物質の利用率の低下も発生す
る。

【０００５】またペーストが多孔質金属基材の空孔内に
充填された後に乾燥工程が行われ、ペースト中に含まれ
ていた溶媒が蒸発により除去されるが、溶媒の離脱によ
り充填されたペーストには体積収縮が生じ、活物質粉末
どうしの界面や活物質と多孔質金属基板との界面に亀裂
が生じたり、活物質と多孔質電極基材との間に空隙が生
じる場合がある。したがって活物質の充填密度を十分に
高くすることが困難であり、また活物質と多孔質金属基
材との接触が不十分となって、気泡が残留した場合と同
様の不具合が生じる。

【０００６】さらに、ペーストをへらなどを用いて充填
しているために、ペーストの粘度や充填速度、あるいは
へらなどの加圧力によって充填密度が変動し、またへら
などには磨耗が生じるため、工程の管理工数が多大とな
る。そして管理を完全に行うことも困難であるため、製
造される電極の品質にばらつきが大きいという不具合が
あった。

【０００７】またへらなどによる充填では、多孔質金属
基板に局部的に大きな力が作用するため、空孔が部分的
に潰れるなどの変形が生じる場合もある。そこで特開平
１−２８１６６９号公報には、多孔質金属基板をペース
ト液面にフロートさせた状態でペースト液に超音波振動
を印加しながら充填する方法が開示されている。この方
法によれば、多孔質金属基板のフィルター効果によるペ
ースト液の粘度の上昇が抑制され、かつ気泡の抜けが良
くなるため、ペーストの充填密度が向上する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら超音波振
動を印加する方法では、振動時に発生する熱によって溶
媒が蒸発してペーストの粘度が上昇し、空孔内への高密
度充填が困難となるという問題がある。またその熱によ
って活物質の性能が低下するという不具合もある。

【０００９】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、熱の発生なく多孔質金属基板の空孔内への
ペーストの充填密度を高めるとともに、乾燥時の体積収
縮を抑制して空隙の生成を防止することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する請求
項１に記載の充填方法の特徴は、活物質粉末と溶媒とを
含むペーストを多孔質金属基板の一表面に接触させ、ペ
ーストを一表面側から一表面と反対側の他表面側に向か
って加圧し、他表面側から溶媒のみを吸引して活物質粉
末を多孔質金属基板の空孔に充填することにある。

【００１１】また上記充填方法を実施するための請求項
２に記載の充填装置の特徴は、多孔質金属基板の一表面
に接して配置され一表面側から一表面と反対側の他表面
側に向かって活物質粉末と溶媒とを含むペーストを加圧
する加圧手段と、多孔質金属基板の他表面側に設けられ
溶媒が透過する溶媒透過膜と、溶媒透過膜を介して多孔
質金属基板の空孔内に充填されたペーストから溶媒を吸
引除去する吸引手段と、よりなることにある。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の充填方法では、多孔質金
属基板の一表面にペーストを加圧している。加圧された
ペーストは、加圧力により強制的に多孔質金属基板の空
孔中に充填され、空孔内の空気と置換されるので、ペー
ストは高い充填密度で充填される。しかし、高い充填密
度で充填されても、乾燥時に溶媒が抜けることによる体
積収縮によって空隙が生成する場合が考えられる。そこ
で本発明では、多孔質金属基板の一表面側から加圧する
とともに、他表面側から溶媒のみを吸引している。これ
により空孔内に充填されたペーストからは溶媒のみが除
去され、体積収縮により生成した空隙には一方側からの
加圧により新たなペーストが充填される。したがって、
この作用の繰り返しにより、空孔内には溶媒が少ない状
態でペーストが密に充填されるので、乾燥時の体積収縮
がきわめて少なくなり、空隙の生成が防止される。

【００１３】この加圧力としては、１．０〜２．０ＭＰ
ａ程度が適当である。加圧力がこの範囲より小さいとペ
ーストの強制的な空孔内への充填が困難となり、気泡が
残留した状態で充填が終了する場合がある。また加圧力
がこの範囲より大きくなると、多孔質金属基板に変形が
生じる場合がある。一方、溶媒のみを吸引するには、溶
媒のみを透過する溶媒透過膜を用いるのが便利である。
そして吸引力としては溶媒透過膜が破損しない程度であ
れば特に制限がないが、あまり小さい吸引力では溶媒の
吸引が困難となり、多量の溶媒が残留した状態で充填が
終了するため、乾燥時の体積収縮が大きくなって空隙が
発生する場合がある。このような観点から、吸引するた
めの負圧としては−５０〜−１００ＫＰａの範囲が特に
好ましい。

【００１４】加圧と吸引とは同時進行で行うこともでき
るが、加圧初期には吸引を停止し、ある程度空孔内が充
填された後に吸引を開始することも好ましい。これによ
り空孔の大部分が充填される前に溶媒のみが吸引される
のが防止され、ペーストの粘度上昇を抑制して充填効率
を高く維持することができる。用いられる多孔質金属基
材としては、繊維形状や粉末形状の金属の焼結体、ある
いは発泡金属などからなる多孔質金属基材を用いること
ができる。また、多孔質金属基材の材質としては、集電
体として機能する導電性のものであれば特に制限されな
いが、アルカリ電池用電極の場合には活物質として主に
水酸化ニッケルが用いられるので、活物質との親和性に
優れるニッケルを用いることが好ましい。

【００１５】活物質粉末としては、水酸化ニッケル（Ｎ
ｉ（ＯＨ）2）が一般に用いられる。またペースト中に
は、活物質とともに金属コバルト、酸化コバルト（Ｃｏ
Ｏ）あるいはフッ化コバルト（ＣｏＦ）などのコバルト
化合物を含ませることも好ましい。金属コバルトあるい
はコバルト化合物の存在により、充放電を繰り返した時
に水酸化コバルト及びＣｏＯＯＨが生成し、多孔質金属
電極基材と活物質との電気的接触性が向上するため、い
わゆる導電性ネットワークの形成により活物質の利用効
率が向上する。

【００１６】なおペーストには、流動性を与えるための
アルコールや水などの溶媒が混合され、他にカーボンブ
ラックなどの充填剤を、必要に応じて適量混合して用い
ることができる。ペーストを多孔質金属基材に加圧充填
するには、従来のペースト塗布法と同様にへらやアプリ
ケータを用いて塗布した後加圧する方法、あるいはペー
スト容器内に多孔質金属基材を配置してペースト容器内
のペーストを加圧する方法などを用いることができる。

【００１７】また本発明の充填装置は、ペーストを加圧
する加圧手段と、溶媒が透過する溶媒透過膜と、溶媒透
過膜を介して多孔質金属基板の空孔内に充填されたペー
ストから溶媒を吸引除去する吸引手段とを有している。
したがって加圧手段により加圧されたペーストは、多孔
質金属基板の空孔内に強制的に押圧され、空気と置換し
て空孔内に高密度で充填される。一方、多孔質金属基材
の加圧手段と反対側表面には溶媒透過膜と吸引手段が配
置されているので、空孔内に充填されたペースト中の溶
媒は溶媒透過膜を透過して除去される。

【００１８】また充填されたペーストに体積収縮が生じ
ても、形成された空隙には加圧手段から新たなペースト
が供給されて充填される。この繰り返しにより空孔内に
は溶媒濃度の僅かなペーストが密に充填されるので、乾
燥時の体積収縮がきわめて少なくなり、空隙の生成が防
止される。この場合、ペーストが塗布された多孔質金属
基板を加圧雰囲気に置いてもよいし、ペースト自体を加
圧して非加圧雰囲気にある多孔質金属基板に供給するこ
ともできる。したがって加圧手段としては、加圧雰囲気
にあり多孔質金属基板を配置できる容器や部屋、あるい
はペースト自体を加圧できる容器などが例示される。

【００１９】また溶媒透過膜としては、溶媒の種類に応
じて種々選択でき、例えば溶媒が水の場合にはポリアミ
ド、ニトロセルロースなどを利用できる。また溶媒がア
ルコールの場合には、ＰＴＦＥ、シリコーンなどを利用
できる。吸引手段としては、溶媒透過膜の多孔質金属基
板に向かう表面と反対側の表面側を負圧にするものであ
れば、真空ポンプなど一般に用いられている吸引手段を
利用できる。ただし真空ポンプでは、その接続部や装置
に気密性が求められるため、複雑かつ大がかりな装置と
なる。したがって実施例にも示すようなベルヌーイの法
則を利用した負圧源などを用いることが好ましい。

【００２０】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。図１に本実施例の充填装置を示す。この充填装置
は、下方に開口１０をもち上方から加圧可能なペースト
タンク１と、開口１０を覆う水浸透膜２と、水浸透膜２
に接して設けられた空気流路３とから構成されている。

【００２１】水浸透膜２はポリアミドからなり、水のみ
を透過可能である。そして開口１０は、水浸透膜２によ
って全体を覆われ、ペーストタンク１内のペースト１０
０は開口１０から漏れ出さないように構成されている。
空気流路３は、全体が気密性の管からなるが、水浸透膜
２の部分に開口３０が設けられ、開口３０は水浸透膜２
によって覆われている。また空気流路３には、開口３０
の部分に断面積が他より小さな小径部３１が形成されて
いる。この空気流路３内には、予め乾燥機により水分を
除去された乾燥空気が１〜３ｍ³ ／ｈｒの流速で供給さ
れる。そして小径部３１で流路が急激に狭くなるため、
乾燥空気の速度が急激に増大し、ベルヌーイの法則によ
り負圧が発生するように構成されている。

【００２２】さて、上記のように構成された充填装置で
は、ペーストタンク１の開口１０に多孔質金属基板４が
配置される。この多孔質金属基板４は発泡ニッケルより
なり、三次元網目構造をなして多数の空孔を有してい
る。そしてペーストタンク１にはペースト１００が入れ
られ、圧縮空気が導入される。なお、このペースト１０
０は、活物質である水酸化ニッケル粉末６０重量部と、
カルボキシメチルセルロース２重量部と、酸化コバルト
４重量部と、カーボンブラック０．０７重量部と、水３
３．３重量部とから構成され、その粘度は１２０Ｐａ・
ｓ（２５℃）である。

【００２３】圧縮空気の圧力により、ペースト１００は
空気と置換されて多孔質金属基板４の空孔内に押し込ま
れる。またペーストタンク１内の圧力は均一であるた
め、多孔質金属基板４にはペーストが均一に充填され
る。そして小径部３１内の負圧により、空孔内に充填さ
れたペースト１００中の水分は水浸透膜２を透過して小
径部３１内に表出し、内部を流れる乾燥空気によって系
外へ排出される。このように乾燥空気を用いることによ
り、水浸透膜２から滲出する水を速やかに除去すること
ができるので、水浸透膜２に水が吸着することによる能
力低下が防止されている。

【００２４】したがって多孔質金属基板４の空孔内で
は、充填されたペースト１００中の水分が次第に除去さ
れるため、充填されたペースト１００には体積収縮が生
じる。しかしペーストタンク１内の加圧は続行されてい
るため、生じた空隙には直ちにペースト１００が充填さ
れ、その水分は水浸透膜２を通して除去される。つまり
多孔質金属基板４の空孔内には水分がほとんど含まれな
い、あるいは含まれてもごく僅かなペーストが次々に充
填され、充填密度がきわめて高くなる。このようにして
ペースト１００が充填された多孔質金属基板４は、６０
℃で１２０分間加熱されることにより乾燥され、次いで
所定厚さにプレス成形されて電極が形成される。空孔内
のペーストに含まれる溶媒量はきわめて少ないので、乾
燥時の体積収縮による空隙の生成が防止されている。

【００２５】（比較例）実施例で用いた多孔質金属基板
４とペースト１００を用い、アプリケータを用いてペー
スト１００を多孔質金属基板４内に充填した。充填量は
実施例と同様となるようにした。そして６０℃で１２０
分間加熱して乾燥し、比較例の極板を製造した。

【００２６】（評価）実施例と比較例の極板を用いてそ
れぞれアルカリ蓄電池を作製し、それぞれの電池の比容
量を測定した結果を図２に示す。図２より、実施例の電
極を用いた電池の方が比較例より高い比容量を示してい
ることがわかる。つまり実施例で製造された極板は、比
較例に比べて活物質の充填密度が高く、空隙の残存が少
ないために活物質の利用率が高くなっていることが明ら
かである。

【００２７】

【発明の効果】すなわち本発明の電極活物質の充填方法
及び充填装置によれば、多孔質金属基板への充填密度が
向上し、小さな工数で高密度にペーストを充填すること
ができる。したがって得られた電極を用いた電池では、
活物質の利用率が増大し、高い電池容量を確保すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に用いた充填装置の概略構成
説明図である。

【図２】実施例と比較例の電極を用いた電池の比容量を
示す棒グラフである。

【符号の説明】

１：ペーストタンク ２：水浸透膜 ３：
空気流路 ４：多孔質金属基板 １０，３０：開口 ３１：
小径部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 活物質粉末と溶媒とを含むペーストを多
   孔質金属基板の一表面に接触させ、該ペーストを該一表
   面側から該一表面と反対側の他表面側に向かって加圧
   し、該他表面側から該溶媒のみを吸引して該活物質粉末
   を該多孔質金属基板の空孔に充填することを特徴とする
   電極活物質の充填方法。
2. 【請求項２】 多孔質金属基板の一表面に接して配置さ
   れ該一表面側から該一表面と反対側の他表面側に向かっ
   て活物質粉末と溶媒とを含むペーストを加圧する加圧手
   段と、 該多孔質金属基板の該他表面側に設けられ該溶媒が透過
   する溶媒透過膜と、 該溶媒透過膜を介して該多孔質金属基板の空孔内に充填
   された該ペーストから該溶媒を吸引除去する吸引手段
   と、よりなることを特徴とする電極活物質の充填装置。