JPS6243305B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、電池、特に薄型の電池に関する。 近年各種電池応用機器の小型軽量化に伴い、電
池も小型、軽量化が指向され、コイン形のリチウ
ム電池やシート状のルクランシエ型電池などが発
表されている。 一般に、厚さ2000μｍ（２mm）以下の電池を構
成するには、従来の小型電池、ボタン型電池の製
法では、精度、信頼性、歩留り、コスト等の面で
限界があり、小型、薄型電池には新しい電池製法
の導入が必要である。 本発明者らは特にシート状の薄型電池を製造す
るに必要な要素技術として、プラズマ溶射技術を
種々検討した結果、極めて効果的であることを見
出した。 溶射法にはガス溶射、プラズマ溶射、爆裂溶射
と線爆溶射とがあるが、後二者は装置コストが高
く、不経済である。一方ガス溶射とプラズマ溶射
とは、装置も経済的で、機能的にも有利である。
ガス溶射法は、熱源として、酸素−アセチレン炎
か酸素−プロパン炎のいずれかを用い、火炎温度
は2500〜3000℃で、熱源速度は300m／秒程度で
ある。溶射材料は棒状溶射材を用いるものと、粉
末を線状に加工したものとがあるが、通常傍状の
溶射材を用いている。 一方プラズマ溶射法は、昭和51年以降になつて
工業用に導入され初めた溶射法で、それまでは主
として宇宙産業、航空産業に降られていた新技術
である。 このプラズマ溶射法は、プラズマ炎として
Ar，Ar−He，Ar−H₂，N₂−H₂のプラズマ炎を
用い、プラズマ炎の温度は10000〜15000℃の高温
であり、熱源速度は3000m／秒、溶射材の飛行速
度は平均610m／秒で音速の約２倍のスピードを
有している。プラズマ溶射法で用いる溶射材は粉
末状である。 本発明の目的にはガス溶射法よりプラズマ溶射
法の方が種々の観点から最も好ましい方法であ
る。 プラズマ溶射法では、還元炎か不活性ガス炎を
用いるので、電池材料が溶射時に酸化される心配
はなく、また粉末溶射材を用いるため、溶射層の
厚み、粒度、多孔度、精度等の面で、加工精度が
高く、また溶射材の粉末の粒子が10000〜15000℃
の高温で溶解され、さらに音速の約２倍の運動エ
ネルギーを有するので、基材と溶射材、溶射材と
溶射材との結合強度が著しく優れている。基材の
上に電池活物質を溶射するのにプラズマ溶射法は
最適である。 一方基材として紙、プラスチツク上に蒸着やイ
オンメツキ法で金属性電池活物質を物理的に析出
させることは可能であるが、このような方法では
基板と電池活物質との充分な接合強度が得られ
ず、電池系の中で電解質と共存すると活物質が基
材から剥離、脱落する様になる。しかし同じ基材
上にプラズマ溶射法で付着させたものは、電池系
の中で長期間保存されても基材と電池活物質とが
剥離するような現象は認められなかつた。 次に本発明に用いる基材、電池の構成法などに
ついて述べる。 (1) 基材 本発明で用いる基材は目的とする電池の形
状、大きさ、容量、電池構成等によつても異な
るが、基材には金属薄板、クラツドメタル等基
材の目的にかなう機械的強度、集電性、電池の
電極や活物質を形成するに必要な化学的安定性
を有するものは溶射層を形成する基材として用
いることが可能である。 (2) 電極および活物質層の溶射形成法 第１図は金属基材に電池活物質の溶射層を形
成した構成例を示した断面図である。 (a)は基材１の片面に電池活物質となる亜鉛、
鉛、鉄などの粉末の溶射被覆層２を形成した例
を示す。この場合、基材１は電池の集電体を構
成する金属や合金の板または箔などを用いる。 (b)は基材１としてクラツドメタルを用いた例
で、鉄板１ａ、ニツケル１ｂ、銅板１ｃからな
り、銅板側に活物質、例えば亜鉛の溶射被覆層
２が形成してある。 (c)は基材１として、ニツケル板１ｄと亜鉛板
１ｅとからなるクラツドメタルを用い、亜鉛板
側に亜鉛のような活物質の溶射被覆層２を形成
した例である。 (d)は基材１の両者に活物質の溶射被覆層２，
２′を形成した例で、基材１として集電体材料
を用い、被覆層２，２′の一方を負極活物質、
他方を正極活物質とすれば、例えば積層電池を
構成する双極子電極となる。 (3) 溶射被覆の製造工程 第２図に目的機能にかなつて選択された任意
の材質、形状の基材上に、電池活物質を溶射形
成するための製造工程図を示した。 基材は適当な大きさに裁断した後に必要に応
じて基材の表面を洗滌する。基材の性質によ
り、酸洗、アルカリ洗滌、脱脂、エアー吹きつ
け、溶剤洗滌等が選択され使用される。 工程ｃの表面拡大化処理では、基材が金属
板、クラツド板等のように基材自体が適当な機
械的強度を有するものは、基材の表面にサンド
ブラストにより表面拡大化処理を行なう。この
表面粗度の程度はタリサーフ表面粗度計で５〜
30μ程度が好ましい。ブラスト処理に必要なブ
ラスト材は、アルミナ、コランダム、カーボラ
ンダム等が適当で、その粒度は15〜100メツシ
ユのものが好ましい。 次の洗滌工程、乾燥工程、マスキング工程は
必要に応じて実施する。 溶射工程であるがプラズマ溶射法は、本発明
のすべての基材に応用し得る溶射法である。プ
ラズマ溶射法が本発明の目的に最も適した溶射
法である理由は、先ず前記の如く、プラズマ炎
が高温で、かつ還元炎または不活性ガス炎であ
るため、電池活物質の化学的変化が極めて小で
あること、また電池活物質が粉体で供給され、
火花の様に溶射されるので、溶射層の付着強
度、溶射皮膜の均一性、溶射層の多孔度、活物
質の電気伝導度等の溶射皮膜のあらゆる性質が
均一であり、溶射皮膜のコントロールが自由自
在に制御できることにある。 次に溶射の完了した基材は目的に応じて裁断
し、プレスを行い、製品としての電池の構成部
材となる。 なお溶射時には必要に応じてマスキング手法
を適用する。先ず基材の表面に目的とする電池
活物質のパターンを形成できるようにマスキン
グを行ない、ついで溶射を行なうと、必要なと
ころのみに電池活物質の溶射が可能である。 (4) 溶射時の粉体の粒度 電極や電池活物質となる溶射皮膜は、電池が
小型化、薄型化すればする程溶射皮膜の精度が
要求されることになる。精度の高い溶射を行な
うためには電池部材となる粉粒体の粒度管理が
重要である。本発明の目的にかなう溶射用粉粒
体の平均粒度は10〜100μｍが好ましく、最適
値は25〜65μｍである。 これは電池放電特性ならびに生産性の観点か
ら決定されるものである。すなわち、この粒径
は電池活物質層の多孔度ならびに量産性に大き
く影響を及ぼす。例えば、電池活物質として亜
鉛を通常の溶射条件（Ar−H₂ガス、41V−
600A）で溶射して活物質層を形成すると、そ
の粒径によつて次のような結果となる。

【表】 上表からも明らかなように、粒度が10μｍよ
りも小径では、高率放電特性が悪くなる。この
理由は粒径が細かくなればなるほど、電池活物
質層がち密となり、活物質層への電解質の含浸
が少なくなるためと思われる。 逆に粒径を大きくしずぎると、粉粒供給ホツ
パーとプラズマ溶射ガンをつないでいるホース
に粉末がつまり、量産性が極端に悪くなる。本
願発明における最適な平均粒度は、活物質層の
ち密性と、量産性の両面を考慮すると、前述の
25〜65μｍと云える。 (5) 溶射皮膜の厚さ 目的とする電池の種類、大きさ、形状、用途
に応じて、電池容量、電池放電電流、内部抵抗
等が異なるが、本発明は小型電池、薄型電池を
指向しているので、使用機器はIC，LSI等の小
電力用が主であるから、先ず電気容量は小でよ
い。 通常溶射皮膜は５〜1000μｍ程度の厚みを有
し、基材の強度が充分であれば、200〜1000μ
ｍ程度は充分可能である。 電気容量は小であつても、電池の場合、活物
質層の厚さは自己放電特性、基材との密着強度
の観点から選択される。第２表は前述の第１表
のものと同条件で皮膜を形成して、その特性を
調べたものである。

【表】 すなわち、厚さが極端に薄いと自己放電によ
つて、寿命特性が悪くなる。逆に厚さを極端に
厚くすると、基材との密着性が悪くなる。本発
明の最適な膜厚は上記の２点から考察して200
〜1000μｍである。 (6) 溶射形成層の多孔度 溶射形成層の多孔度は５〜80％に任意に可変
できる。溶射形成層を電池の活物質として用い
る場合には、多孔度を10〜70％、好ましくは15
〜30％程度がよい。多孔度が10％以下では電池
活物質層への電解質の含浸が少ないので比較的
に高率放電に弱くなる。一方多孔度が70％以上
では溶射皮膜の機械的強度が弱くなり、放電が
進行するにつれて皮膜が金属基材から脱落して
電池としての特性を示さなくなる。放電特性、
活物質層の脱落を多孔度との関係から求めたと
ころ、第３表のとおりの結果であつた。

【表】 したがつて、本発明の有効な多孔度は10〜70
％である。 次に具体的な実施例を説明する。 実施例 １ 基材としてNi−Fe−Cuからなる厚さ350μｍの
クラツドメタルの銅板側にマスキングを行ない、
平均粒度45μｍの亜鉛粉末をアルゴン−水素のプ
ラズマ炎で厚さ800μｍのプラズマ溶射層を形成
する。なおプラズマ溶射には米国プラズマダイン
社製40KWシステムを用い、プラズマ溶射条件は
アルゴン−水素ガスを用い、41V、600Aで行なつ
た。これを裁断し、プレスする。これを負極とし
てＨ−Ｄ型水銀電池を構成して放電したところ、
125Ω定抵抗放電で持続時間32時間の結果を得
た。 また実施例の溶射形成法で銀電池のWL−１
型、WL−10型用の負極を調整して電池を試作し
たところ、水銀電池の場合と同様にすぐれた放電
特性が得られた。 電池製法上でプラズマ溶射法を導入するメリツ
トは小型化、薄型化に有利であるだけでなく、特
に負極活物質と負極集電体との接触抵抗が著しく
減少されるので、IC，LSI等の微小電流を必要と
する用途に、内部抵抗の安定した高品質の電池を
得ることが可能となる。 以上の如く、本発明によれば薄型電池の様な超
小型電池や柔軟性を有する電池の工業的な量産化
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ〜ｄは基材に電池活物質の溶射被覆層
を形成した例を示す縦断面略図、第２図は溶射法
による活物質層の製造工程を示す図である。 １……基材、２，２′……溶射被覆層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 金属または合金からなる電池構成部材の表面
   に、平均粒度10〜100μｍの活物質粉粒をプラズ
   マ溶射して、厚さ200〜1000μｍ、多孔度10〜70
   ％の活物質被覆層を形成した電池。