JPH11191440A - 空気極及びこれを用いた空気電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 重負荷特性に優れた空気極及び空気電池を提
供する。 【解決手段】 少なくとも金属集電体と触媒層と撥水膜
とを有する空気極、及びこれを用いた空気電池におい
て、上記金属集電体には、少なくとも黒鉛と合成ゴムと
を含有する導電性塗料が塗布されてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気中の酸素を活
物質として用いる空気極及びこれを用いた空気電池に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】空気中の酸素を活物質として用いる空気
電池は、環境への負荷が小さく、取り出せる電気容量が
大きいという点で優れており、補聴器用、ページャー用
等の電源としてコイン形、ボタン形等の小型電池が流通
している。

【０００３】しかし、これらの小型電池タイプでは用途
が限定されるため、より広い用途に対応できる筒形電池
が注目されている。

【０００４】一般に筒形電池に用いられる空気極は、中
空筒状に形成された金属集電体、触媒層、撥水膜とから
構成されている。上記金属集電体には、一般にステンレ
ス線や鉄線を編んだ金属ネットが母材として用いられ、
これら母材にニッケル鍍金を施されたものが導電性及び
電解液安定性の点から好ましく用いられている。そし
て、この金属集電体に、酸素還元触媒能を有する金属酸
化物例えば二酸化マンガンと、カーボンブラックと、結
着剤とからなる混合物を充填することにより、触媒層が
構成されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
筒形空気極の作製方法では、金属集電体と触媒層混合物
とを機械的に圧着するだけであり、金属集電体と触媒層
との電気的接触が十分とれておらず、内部抵抗の高い空
気電池が作製されていた。

【０００６】小型電池のように大電流を必要としない電
池においては問題が少ないが、単３形のような筒形電池
に適用する場合には大電流を必要とするため、内部抵抗
を下げ重負荷特性を向上させる必要があった。

【０００７】本発明は、このような問題を解決するため
に提案されたものであり、金属集電体と触媒層との電気
的接触を高め、内部抵抗の小さい空気極を提供するとと
もに、重負荷特性に優れた空気電池を提供することを目
的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る空気極は、少なくとも金属集電体と触
媒層と撥水膜とを有する空気極において、上記金属集電
体に少なくとも黒鉛と合成ゴムとを含有する導電性塗料
が塗布されてなることを特徴とする。

【０００９】また、本発明に係る空気電池は、少なくと
も金属集電体と触媒層と撥水膜とを有する空気極を正極
として備える空気電池において、上記金属集電体に、少
なくとも黒鉛と合成ゴムとを含有する導電性塗料が塗布
されてなることを特徴とする。

【００１０】本発明に係る空気極及びこれを用いた空気
電池は、黒鉛の撥水性により電池の保存中に電解液が金
属集電体表面に浸透しにくくなり、表面酸化を抑制する
ために、金属集電体と触媒層との電気的接触が良好な状
態で保たれる。また、合成ゴムにより、金属集電体と触
媒層との接着性が高められ、電気的接触が良好な状態で
保たれる。

【００１１】さらに、合成ゴムは、ポリテトラフルオロ
エチレンとの接着性に優れることから、触媒層のバイン
ダーには、ポリテトラフルオロエチレンを用いるとよ
い。

【００１２】このように、本発明に係る空気極及び空気
電池によれば、金属集電体と触媒層との電気的接触が良
好な状態で保たれることによって、電池の内部抵抗が低
減され重負荷特性に優れたものとなる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した空気極に
ついて図面を参照しながら詳細に説明する。

【００１４】本発明を適用した筒形空気極は、図１に示
すように、中空筒状の金属集電体１に圧着された触媒層
２と撥水膜３とが上下の開口端を金属封止板４，５によ
り封止されている。

【００１５】上記金属集電体１には、導電性を有する金
属ネット、エキスパンドメタル、パンチングメタル等が
用いられる。金属ネットは、例えば、ステンレス線、鉄
線、ニッケル線、或いはステンレス線、鉄線にニッケル
鍍金を施したものを編んだものが用いられる。また、エ
キスパンドメタル、パンチングメタルには、例えば、ス
テンレス、鉄、ニッケル、或いはステンレス、鉄にニッ
ケル鍍金を施したものが用いられる。

【００１６】上記触媒層２は、酸素還元能を有する種々
の金属酸化物、例えば二酸化マンガンに、活性炭、カー
ボンブラック、ポリテトラフルオロエチレン（以下、Ｐ
ＴＦＥと称する。）分散液を加えて混合した触媒層混合
物をシート状に成形し、これを筒状の金属集電体１に圧
着することにより形成される。

【００１７】上記触媒層２の外側に配置された撥水膜３
は、酸素透過能を有する撥水性の膜であり、空気極の内
側に充填される電解液が外部に漏れるのを防止する。

【００１８】本発明は、上記金属集電体１に上記触媒層
２を圧着するに際して、金属集電体１に黒鉛と合成ゴム
とを含有する導電性塗料を塗布することを特徴とするも
のである。

【００１９】この導電性塗料が塗布された金属集電体１
においては、黒鉛の撥水性により電池の保存中に電解液
が金属集電体１表面に浸透しにくくなり、表面酸化を抑
制するために、触媒層２との電気的接触状態が良好に保
たれる。

【００２０】さらに、この導電性塗料は、バインダーと
して、金属集電体１に対する接着性に優れる合成ゴムを
含有していることから、金属集電体１と触媒層２との電
気的接触を高める。

【００２１】一般に、触媒層２に含有されるＰＴＦＥ
は、非粘着性であるため、金属集電体１への接着能力は
低い。そのため、金属集電体１と触媒層２との電気的接
触能も低いと考えられる。これに対して、導電性塗料に
含有される合成ゴムは、金属集電体１に対する接着性が
ＰＴＦＥより高い。さらに、合成ゴムとＰＴＦＥは互い
に接着性がよいことから、金属集電体１と触媒層２とが
合成ゴム及びＰＴＦＥを介して良好な状態で接着され、
電気的接触状態が高められる。

【００２２】このように、黒鉛と合成ゴムとを含有する
導電性塗料が塗布された金属集電体１においては、内部
抵抗が低減され、保存による内部抵抗の増加が防止され
る。

【００２３】この合成ゴムとしては、例えば、スチレン
−ブタジエンゴム、ブタジエンアクリロニトリルゴム、
クロロスルホン化ポリエチレン等が挙げられる。

【００２４】また、これら導電性塗料の塗布量は、金属
集電体１に対して０．０５〜０．９５ｍｇ／ｃｍ²が好
ましい。導電性塗料の塗布量が上記範囲より少ない場合
には、内部抵抗低減の効果が少ない。一方、導電性塗料
の塗布量が上記範囲を越える場合には、金属ネットが目
詰まりをおこし、正極活物質と金属ネットとの接触面積
が低減するため好ましくない。

【００２５】以下、上述した空気極を用いた空気電池に
ついて、図面を参照しながら詳細に説明する。

【００２６】本発明を適用した空気電池は、図１に示す
ように、上述した空気極が、側面に空気取り入れ孔６を
有し、正極端子７ａを兼ねる正極缶７内に、不織布から
なる空気拡散紙８を介して収納されている。そして、空
気極の内側には、有底筒状のセパレータ９が触媒層２に
当接するように挿入され、さらにセパレータ９の内側に
ゲル状の負極合剤１０が充填されている。そして、上述
した正極缶７の開口部が、ガスケット１１、釘状の負極
集電体１２が溶接された負極端子１３により封止され、
金属封止板４，５が正極缶７の内壁に強く圧接される。

【００２７】これにより、正極の集電は、金属集電体１
と正極端子７ａとが金属封止板４，５を介して接続され
ることで確保されている。また、負極の集電は、負極端
子１３に溶接された釘状の負極集電体１２がガスケット
１１の中央部に形成された貫通孔に圧入されて負極合剤
１０に達することで確保されている。

【００２８】このように構成される空気電池において
は、上述したように、金属集電体１に黒鉛と合成ゴムと
を含有する導電性塗料が塗布されてなることから、内部
抵抗が低減され、保存による内部抵抗の増加が防止さ
れ、重負荷特性に優れたものとなる。

【００２９】

【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
る。

【００３０】実施例１ 本実施例１の空気極及び空気電池の構成を図１に示す。

【００３１】（円筒形空気極の作製）この空気極は、以
下のように作製されるものである。

【００３２】先ず始めに、酸素還元触媒能を有するマン
ガン酸化物と活性炭、さらに固形分６０％のポリテトラ
フルオロエチレンの分散液とカーボンブラックとを各々
の固形分比で３５：３０：２５：１０となるように混合
し、ペースト状の触媒層混合物を得る。

【００３３】次に、ニッケルメッキを施した中空円筒形
ステンレスネットよりなる金属集電体１に、黒鉛とスチ
レンブタジエンゴムとが混合された導電性塗料を約０．
５ｍｇ／ｃｍ²塗布する。そして、この導電性塗料が塗
布された金属集電体１に上記触媒層混合物を圧着し、乾
燥及びプレスロール工程を経て厚さが０．４ｍｍの円筒
形触媒層２を作製する。

【００３４】さらに、円筒形触媒層２の側面にフッ素樹
脂分散液を塗布し乾燥させる。これは、後述するＰＴＦ
Ｅ膜３と触媒層２との接触を強化し、電解液が触媒層２
とＰＴＦＥ膜３との間に膜を形成して酸素の透過を妨げ
ないようにするためにである。

【００３５】次に、上記触媒層２を、撥水機能を有する
厚さ０．１５ｍｍの円筒状の多孔性ＰＴＦＥ膜３の内側
に挿入し、プレスロール工程を用いてＰＴＦＥ膜３と触
媒層２を圧着する。

【００３６】そして、円筒形積層体の下部開口端に断面
コの字状の金属封止板４を配置し、さらにこの金属封止
板４を開口端の円周に沿って圧縮する方向にカシメるこ
とで強固に金属封止板４を装着する。次に、上部開口端
を固定するために、下部開口端の封止方法と同様に、上
部開口端に断面コの字状の金属封止板５を配置し、さら
にこの金属封止板５を開口端の円周に沿って圧縮する方
向にカシメることで強固に金属封止板５を固定する。こ
の時、開口端に現れている金属集電体１は、金属集電体
１の円周部で金属封止板４，５と直接接触するように配
置されている。

【００３７】（円筒形空気電池の作製）本実施例１の円
筒形空気電池は、以下のように作製されるものである。

【００３８】上述した空気極の外側に不織布からなる空
気拡散紙８を巻き付け、側面に空気取り入れ孔６を有し
正極端子７ａを兼ねる正極缶７内に、金属封止板５が正
極端子７ａ側になるように挿入する。そして、空気極の
内側に天然パルプ材の不織布よりなる有底円筒状のセパ
レータ９を触媒層２に当接するように挿入し、さらに、
セパレータ９の内側に粒状亜鉛と水酸化カリウム水溶液
及び増粘材等からなるゲル状負極合剤１０を充填する。

【００３９】次に、この正極缶７の開口部にガスケット
１１と釘状の負極集電体１２が溶接された負極端子板１
３とを順次組み込み、正極缶７の開口部をカシメ冶具を
用いてカシメ封口する。このとき、金属封止板４，５
は、正極缶７の内壁面に強く圧接される。これにより、
正極の集電は、金属集電体１と正極端子７ａとが金属封
止板４，５を介して接続されることにより確保される。
また、負極の集電は、針状の負極集電体１２がガスケッ
ト１１の中央部に形成された貫通孔に圧入されて負極合
剤１０に達することで確保されている。本発明の実施例
１の円筒形空気電池は、電池外径１４ｍｍ、電池総高寸
法５０ｍｍの単３サイズの電池とした。

【００４０】比較例１ 比較例１は、金属集電体１に導電性塗料を塗布しない以
外は、実施例１と同様の構成とする空気極及び空気電池
である。

【００４１】比較例２ 比較例２は、金属集電体１に黒鉛と水ガラスとを含有す
る導電性塗料を塗布する以外は、実施例１と同様の構成
とする空気極及び空気電池である。

【００４２】比較例３ 比較例３は、金属集電体１に黒鉛とポリアミドイミド樹
脂とを含有する導電性塗料を塗布する以外は、実施例１
と同様の構成とする空気極及び空気電池である。

【００４３】比較例４ 比較例４は、金属集電体１に黒鉛とエポキシ樹脂とを含
有する導電性塗料を塗布する以外は、実施例１と同様の
構成とする空気極及び空気電池である。

【００４４】比較例５ 比較例５は、金属集電体１に黒鉛とポリ塩化ビニル樹脂
とを含有する導電性塗料を塗布する以外は、実施例１と
同様の構成とする空気極及び空気電池である。

【００４５】比較例６ 比較例６は、金属集電体１に黒鉛とアクリル樹脂とを含
有する導電性塗料を塗布する以外は、実施例１と同様の
構成とする空気極及び空気電池である。

【００４６】特性評価 実施例及び比較例で作製された空気電池の内部抵抗と、
２Ωの重負荷で放電したときの放電容量（終止電圧を
０．９Ｖとする。）を調べた。その結果を表１に示す。

【００４７】

【表１】

【００４８】表１の結果から、黒鉛と合成ゴムとを含有
する導電性塗料を塗布した集電体を用いた実施例１で
は、導電性塗料を塗布しない比較例１に比べて、内部抵
抗が大幅に小さくなり、重負荷放電容量が増加している
ことがわかる。さらに、バインダーとして合成ゴムを用
いた実施例１では、バインダーとして水ガラス、ポリア
ミドイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、
アクリル樹脂を用いた比較例２〜比較例６に比べて、内
部抵抗が小さく、重負荷放電容量が増加していることが
わかる。

【００４９】このことから、金属集電体１に黒鉛と合成
ゴムとを含有する導電性塗料を塗布することにより、金
属集電体１と触媒層２との電気的接触が高められて内部
抵抗が小さく抑えられ、重負荷放電特性が向上すること
がわかる。

【００５０】なお、本実施例では、金属集電体に、ステ
ンレス線にニッケル鍍金を施した金属メッシュを用いた
が、ニッケル線やステンレス線でも同様の効果が得られ
る。

【００５１】また、本実施例では、円筒形空気電池につ
いて説明したが、角筒形空気電池でも同様の効果が得ら
れる。さらに、本発明は、大電流を必要とする筒形電池
について言及したが、ボタン形、コイン形の小型電池に
適用してもよいことはもちろんである。

【００５２】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明によれば、黒鉛と合成ゴムとを含有する導電性塗料が
塗布される金属集電体を用いてなることから、金属集電
体と触媒層との電気的接触が高められる。その結果、内
部抵抗が低減され、重負荷特性に優れた空気極及び空気
電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した空気極及び空気電池の構成を
示す部分断面図である。

【符号の説明】

１ 集電体、２ 触媒層、３ フッ素樹脂多孔膜（ＰＴ
ＦＥ膜）、４，５ 金属封止板、６ 空気取り入れ孔、
７ 正極缶、８ 空気拡散紙、９ セパレータ、１０
負極合剤、１１ ガスケット、１２ 負極集電体、１３
負極端子板、

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも金属集電体と触媒層と撥水膜
   とを有する空気極において、 上記金属集電体には、少なくとも黒鉛と合成ゴムとを含
   有する導電性塗料が塗布されてなることを特徴とする空
   気極。
2. 【請求項２】 上記触媒層は、ポリテトラフルオロエチ
   レンを含有することを特徴とする請求項１記載の空気
   極。
3. 【請求項３】 少なくとも金属集電体と触媒層と撥水膜
   とを有する空気極を正極として備える空気電池におい
   て、 上記金属集電体には、少なくとも黒鉛と合成ゴムとを含
   有する導電性塗料が塗布されてなることを特徴とする空
   気電池。
4. 【請求項４】 上記触媒層は、ポリテトラフルオロエチ
   レンを含有することを特徴とする請求項３記載の空気電
   池。