JPH11283662A - 円筒形ニッケル・水素二次電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大電流放電が可能な円筒形ニッケル・水素二
次電池を提供する。 【解決手段】 セパレータ３を介して正極シート１と負
極シート２を重ね合わせたシート積層体を巻回して成る
渦巻状電極群が電解液と一緒に電池缶５に封入されてい
る円筒形ニッケル・水素二次電池において、正極シート
１の長さが、電池缶５の内径の８〜１５倍の値になって
いる円筒形ニッケル・水素二次電池。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は円筒形ニッケル・水
素二次電池に関し、更に詳しくは、従来のニッケル・水
素二次電池に比べて大電流を取り出すことができる円筒
形ニッケル・水素二次電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種の電動工具や電動補助付き自転車、
また最近開発が進められている電気自動車などの駆動電
源としては、充放電が可能でかつ携帯可能という点で各
種の二次電池が使用されている。上記用途に適合する二
次電池には、大電流放電が可能であるという特性が必要
事項とされ、従来からは、ニッケル・カドミウム二次電
池を採用するケースが多い。これは、つぎのような理由
による。

【０００３】すなわち、ニッケル・カドミウム二次電池
は、その内部抵抗が低く、放電率は大きく、また過充放
電した場合であっても電池特性の劣化を起こしにくいと
いう特性を備えているからである。一方、ノート型パソ
コンや携帯電話などの小型電子機器の駆動電源として
は、前記したニッケル・カドミウム二次電池よりもニッ
ケル・水素二次電池が広く使用されている。これはつぎ
の理由による。

【０００４】すなわち、ニッケル・水素二次電池は、同
一寸法形状のニッケル・カドミウム二次電池に比べてエ
ネルギー密度が高く、形状が小型であっても、微小電流
で駆動可能な電子機器を長時間に亘って駆動せしめるこ
とができるからである。このニッケル・水素二次電池に
は円筒形と角形の形状のものが製造されているが、ここ
では、円筒形のものについて説明する。

【０００５】まず、後述する正極シートと、同じく後述
する負極シートの間に、保液性と電気絶縁性を備えた例
えばポリオレフィン系不織布のようなセパレータを挟ん
で所定厚みのシート積層体を製造し、このシート積層体
を、巻き芯の周りに前記負極シートが外側となるように
渦巻状に巻回したのち巻き芯を脱抜して所定外径の渦巻
状電極群を１個成形する。

【０００６】この渦巻状電極群の成形に際しては外側に
位置する負極シートの長さを正極シートの長さよりも長
くして、巻回開始点と巻回終了点で正極シートと負極シ
ートの各端部にずれが生じないような処置が採られる。
すなわち、渦巻状電極群の成形に用いる正極シートと負
極シートの間では、負極シートの方が長くなっているの
である。

【０００７】そして、この渦巻状電極群を所定内径の電
池缶の中に挿入し、かつ所定の電解液を注液したのち、
電池缶の開口を正極端子が取り付けられている封口体で
密閉する。渦巻状電極群の負極シートは電池缶の内壁と
接触するので電池缶それ自体は負極端子として機能し、
また封口体の密閉時にはその正極端子と正極シートとを
例えばタブ端子を介して電気的に接続することにより電
池が組み立てられる。

【０００８】したがって、渦巻状電極群の外径は前記電
池缶の中に挿入できるような値であることが必要である
が、同時に、最外層の負極シートが電池缶の内壁と確実
に接触できるような値であることが必要である。通常、
この渦巻状電極群の外径は、電池缶の内径の９５〜１０
５％の値（緊束度と呼ばれている）に設定され、上記し
た２つの条件が満たされている。

【０００９】ところで、上記した正極シートは、一般
に、次のようにして製造されている。すなわち、まず、
活物質である水酸化ニッケルの粉末を主成分とする正極
合剤のペーストを調製し、このペーストの所定量を、３
次元網状構造を有する長尺なニッケル発泡体シート（集
電体）に充填したのち、乾燥、圧延処理を順次行い、更
に裁断などを行って、所定の厚み，幅、および長さを有
する正極シートにし、その端部に例えばＮｉ製のタブ端
子を取り付けて製造される。

【００１０】一方、負極シートは、ＬａＮｉ₅，ＭｍＬ
ｉ₅（Ｍｍはミッシュメタル）などの水素吸蔵合金の粉
末を主成分とする負極合剤のペーストを調製し、このペ
ーストの所定量を、例えば長尺なニッケルパンチングシ
ート（集電体）に塗着したのち、乾燥、圧延処理を順次
行い、更に例えば打ち抜きプレスすることにより、所定
の厚み，幅、および長さを有する負極シートにし、必要
に応じてはその端部にタブ端子を取り付けて製造されて
いる。

【００１１】このようにして製造された渦巻状電極群
は、したがって、外径が電池缶の内径の９５〜１０５％
程度になっていて、中心部には巻き芯の抜き穴が上下方
向に貫通しており、またその断面構造は、複数層の正極
シートと負極シートがセパレータを介して交互に積層さ
れている多層構造になっている。そして、各正・負極間
の相互対向面で電池反応が進行していく。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記したニ
ッケル・カドミウム二次電池は、大電流を取り出すこと
ができるにもかかわらず、電極中のカドミウムが環境に
悪影響を及ぼす虞があるとのことから最近では前記した
電動工具などの駆動電源としては敬遠されはじめ、無公
害のニッケル・水素二次電池と置換することが検討され
ている。

【００１３】しかしながら、従来のニッケル・水素二次
電池は、その内部抵抗が高く、大電流放電を行うと、閉
回路電圧が急激に低下して１５Ａ以上の放電では実用レ
ベルに適合する容量が得られず、大電流で駆動させる電
動工具や電気自転車などの電源としては事実上使用でき
ないという問題があった。本発明は従来のニッケル・水
素二次電池における上記した問題を解決し、３０〜５０
Ａ程度の大電流も取り出せるようにした円筒形ニッケル
・水素二次電池の提供を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記した目的
を達成するために鋭意研究を重ねる過程で、ニッケル・
水素二次電池の放電時には、その正極であるニッケル極
においては活物質（水酸化ニッケル）と集電体との接触
界面に導電率の低い層が形成され、この層は放電電流が
大きいほど形成されやすいという事実に着目した。そこ
で、円筒形ニッケル・水素二次電池の内部抵抗とその作
動電圧との関係を調査したところ、電池の内部抵抗が上
昇するにつれて電池の作動電圧は低下していき、結局は
放電電流が減少するという事実を見出した。

【００１５】すなわち、大きな放電電流を取り出すため
には、放電時に電池の内部抵抗が上昇することを抑制す
ればよいことになる。したがって、前記した渦巻状電極
群の多層構造において、その外径が一定であるとした場
合には、正極と負極との対向面積を大きくすればするほ
ど、両極間における電流密度は小さくなるので、大電流
放電時の内部抵抗の上昇が抑制され、閉回路電圧の低下
も起こりづらくなって電池容量の確保を実現できるもの
と考えられる。

【００１６】そして本発明者は、正極と負極との対向面
積を大きくするためには、渦巻状電極群の前記緊束度を
９５〜１０５％の範囲内に設定した状態で当該渦巻状電
極群の成形のために巻回する正極シートの長さを長くす
れば、それを組み込んだ電池の放電率は高くなるとの着
想を抱き、正極シートの長さと電池缶の内径との関係を
調べたところ、両者の間に後述する関係が存在している
とその電池は高い放電率での放電が可能であるとの事実
を見出し、本発明の円筒形ニッケル・水素二次電池を開
発するに至った。

【００１７】すなわち、本発明の円筒形ニッケル・水素
二次電池は、セパレータを介して正極シートと負極シー
トを重ね合わせたシート積層体を巻回して成る渦巻状電
極群が電解液と一緒に電池缶に封入されている円筒形ニ
ッケル・水素二次電池において、前記正極シートの長さ
が、前記電池缶の内径の８〜１５倍の値になっているこ
とを特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の電池は、渦巻状電極群の
製造に用いる正極シートの長さが、当該渦巻状電極群が
収容される電池缶の内径の８〜１５倍の値になっている
ことを最大の特徴とし、それ以外の要素は従来からの円
筒形ニッケル・水素二次電池と変わることはない。

【００１９】正極シートの長さが電池内径の８倍値より
も短い場合には、高い放電率での放電を実現することが
困難になる。これは、電池缶に挿入する渦巻状電極群の
外径は組立対象の電池サイズに規定されて一定である
が、その場合、当該渦巻状電極群における正極と負極と
の多層構造の総数が減少して正極と負極間の全体として
の対向面積は小さくなり、組み立てた電池の内部抵抗が
高くなってしまうからである。

【００２０】このようなことからすれば、正極シートの
長さは長ければ長いほど好適のはずであるが、その場合
には次のような不都合が引き起こされる。組み立てる電
池の種類に対応して電池缶に挿入される渦巻状電極群の
外径は緊束度９５〜１０５％の範囲内の値になるので、
その緊束度を前記範囲内で満たす状態で正極シートの長
さを長くするということは、その厚みをそれだけ薄くす
るということである。

【００２１】しかしながら、正極シートが薄くなるとそ
の強度は低くなるので、その正極シートとセパレータと
負極シートとから成るシート積層体を巻回して渦巻状電
極群を製造するときに、当該正極シートにワレや亀裂な
どが発生して不良品率が高くなってしまう。また、巻回
する正極シートの長さが長くなると、それに対応して巻
回されるセパレータの長さも長くなってその体積が増加
するので、例えば所定容量の渦巻状電極群を製造しよう
とした場合、セパレータの体積増加分が電極の容量低下
を引き起こし、場合によっては渦巻状電極群の外径がそ
の緊束度の上限よりも大きくなり、当該渦巻状電極群を
電池缶に挿入することができなくなってしまう。

【００２２】更には、正極シートには、元来、所定厚み
の集電体が組み込まれているので、その厚みよりも薄く
することは基本的にはできないが、強制的に圧延する
と、得られた正極シートの中央部や縁部にクラックなど
が発生して使用不能になる。このようなことから、正極
シートの長さの上限は、電池缶内径の１５倍値までに規
制することが必要である。

【００２３】なお、本発明では正極シートの長さを上記
したような長さとして規定するので、この正極シートと
一緒に用いられる負極シートの長さは、自動的に電池缶
の内径の１０〜１８倍に設定され、両シートの巻回開始
点と巻回終了点で両シートの端部にずれが生じないよう
な処置が施される。

【００２４】

【実施例】実施例１〜５，比較例１，２ 図１で示した４／５Ａサイズの円筒形ニッケル・水素二
次電池を次のようにして組み立てた。この電池の場合、
電池缶１の内径は１６.１mmである。長尺なＮｉ発泡体
シートを用意し、その上端を幅２.０mmに亘って長さ方
向に加圧して緻密化することにより集電板取り付け箇所
１ａを設けた。

【００２５】ついで、上記集電板取り付け箇所１ａを除
いた部分のＮｉ発泡体シートに、水酸化ニッケル粉末を
主成分とする正極合剤ペーストを充填し、温度１００℃
で１時間乾燥したのち裁断して、圧延して表１で示した
ように長さが異なる正極シートにした。そして、集電板
取り付け箇所２ａに集電板５ｂを抵抗溶接法で取り付け
た。

【００２６】一方、水素吸蔵合金粉末を主成分とする負
極合剤ペーストをパンチングニッケルシートに塗着し、
温度８０℃で１時間乾燥したのち圧延して長尺な負極シ
ートにしたのちそれを裁断し、表１で示したような長さ
の負極シートにした。そして、その下端部の合剤ペース
トを除去して集電板取り付け箇所２ａを表出せしめた。

【００２７】正極シート１と負極シート２のそれぞれの
集電板取り付け箇所１ａ，２ａが反対向きとなるよう
に、正極シート１と負極シート２を表１で示したように
組み合わせて配置し、これらシートの間に厚み０.１２m
mのポリオレフィン不織布をセパレータ４として挟んで
シート積層体とし、負極シート２が外側になるようにシ
ート積層体を巻回して外径１６.１mmで正極シートの長
さが異なっている表１で示した各渦巻状電極群を各５０
本製造した。

【００２８】ついで、電池缶５に溶接されたリード４ａ
を介して直径１５.５mmのＮｉ板を集電板４として配置
し、ここに、上記渦巻状電極群を挿入し、ＫＯＨを主成
分とする電解液を注入したのち、渦巻状電極の上に直径
１４mmのＮｉ板を集電板６として配置し、この集電板６
に正極端子７を備えている封口板８をリード６ａを介し
て溶接し、封口板８で電池缶５を密閉した。

【００２９】

【表１】

【００３０】なお、比較例２の正極シートで製造した渦
巻状電極群Ｈは電池缶へ挿入することはできなかった。
したがって、比較例１，実施例１〜６の正極シートを用
いた渦巻状電極群Ａ〜Ｇが封入されている各電池につ
き、所定の初期充填を行ったのち、放電率を変えて放電
を行い、そのときの電池容量を測定した。その結果を図
２に示した。

【００３１】図２から明らかなように、正極シートの長
さが長くなっていくにつれて、それを用いた電池は、高
い放電率の放電時にも高い容量を示している。すなわ
ち、大電流を取り出す電池になっている。しかし、正極
シートの長さが電池缶内径の１５倍値にしたものＦは、
１４倍値のものＥに比べて容量が若干減少している。こ
れはセパレータの体積が増加したことに基づく結果であ
る。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
電池は、大電流放電を行っても容量を確保することがで
きる円筒形ニッケル・水素二次電池である。このこと
は、電池に組み込む正極シートの長さと電池缶の内径と
の関係を規定したことがもたらす効果である。本発明の
電池は、電動工具や電気自転車などの電源として大電流
放電を必要とする分野に使用することができ、その工業
的価値は大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の円筒形ニッケル・水素二次電池の１例
を示す断面図である。

【図２】放電率と電池容量との関係を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１ 正極シート １ａ 集電板取り付け箇所 ２ 負極シート ２ａ 集電板取り付け箇所 ３ セパレータ ４，６ 集電板 ４ａ，６ａ リード ５ 電池缶 ７ 正極端子 ８ 封口板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セパレータを介して正極シートと負極シ
   ートを重ね合わせたシート積層体を巻回して成る渦巻状
   電極群が電解液と一緒に電池缶に封入されている円筒形
   ニッケル・水素二次電池において、 前記正極シートの長さが、前記電池缶の内径の８〜１５
   倍の値になっていることを特徴とする円筒形ニッケル・
   水素二次電池。
2. 【請求項２】 前記負極シートの長さが、前記電池缶の
   内径の１０〜１８倍の値になっている請求項１の円筒形
   ニッケル・水素二次電池。