JPWO2013094383A1 - 積層電池、積層電池を含む組電池、および、積層電池の組立て方法 - Google Patents
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Abstract
Description
H+ + e- → 1/2H2 (1)
負極 1/2H2 → H+ + e-
正極 NiOOH+e-+H+ → Ni(OH)2 (2)
全体 NiOOH+1/2H2 → Ni(OH)2
圧縮状態を保持したまま前記丸棒を引き抜く第4工程と、前記丸棒の代わりに前記集電体を回転させながら前記電極群に押し込み、その後、前記集電体を前記押板の中央に設けたネジ穴に螺合させて前記電極群の圧縮状態を保ちつつ電極集合体を組立てる第5工程と、前記電極集合体を、外装体の内部に圧入する第6工程と、前記外装体の空気抜きを行う第7工程と、前記外装体に電解液を注入する第8工程と、第8工程に続き、前記外装体に蓋を取付けて密閉化する第9工程と、を備えている。
負極は、水素吸蔵合金、例えばランタン・ニッケル、を主要な物質として含んでいる。正極の活物質としては、オキシ水酸化ニッケルを用いた。セパレータに保持される電解液としては、ニッケル水素電池で一般的に用いられているアルカリ系水溶液、KOH水溶液を用いた。
負極は、水素吸蔵合金を含んでいる。正極は、活物質として二酸化マンガンを含んでいる。正極および負極は、活物質、導電性フィラーおよびバインダに溶剤を加えてペースト状にしたものを、ニッケル基板上に塗布して板状に成形し硬化させたものを使用した。導電性フィラー、バインダー、セパレータおよび電解液はニッケル水素電池と同じものを用いた。
負極は、チタン酸リチウム、カルボキシメチルセルロース(CMC)、およびケッチェンブラック(KB)を混合し、スラリー状合剤を調整した。この合剤をステンレス鋼箔上に塗布し、仮乾燥した後、加熱処理して負極を得た。
正極は、リン酸鉄リチウム、CMC、活性炭、およびKBを混合し、スラリー状合剤を調整した。この合剤をステンレス鋼箔上に塗布し、仮乾燥した後、加熱処理して正極を得た。
セパレータとしてポリプロピレンの微多孔膜を用いた。電解液として1mol/LのLiPF6/EC:DECを用いた。導電剤としては、KBを用いた。
バインダーとしては、CMCを用いた。集電体としては、ステンレス鋼を用いた。
ニッケル亜鉛電池は、亜鉛または亜鉛化合物を含む負極と、酸化ニッケル、水酸化ニッケルまたはオキシ水酸化ニッケルを含む正極と、0.025M〜0.25Mの範囲のリン酸塩と、4M〜9Mの範囲の遊離アルカリとを含む電解液とを備えた電池とした。
図1に本発明の第一実施形態に係る円筒型積層電池(以下、単に積層電池という)の軸方向の概略断面図を示す。図1に示す積層電池11は、外装体15と集電体17と外装体内部に収納される電極体13とを主な構成要素として備えている。外装体15は、有底の円筒缶12と、円筒缶の開口部12cに取付けられた円盤状の蓋部材16とから構成されている。円筒缶12と蓋部材16は鉄でできているが、他の金属であってもよい。蓋部材16の外径は円筒缶の開口部12cの内径より少し大きい。蓋部材16は、電極体13を収納後に、円筒缶の開口部12cにおいて密に嵌合されている。
正極の外縁部13abは円筒缶の内面12aに強く押し当てられ、密に接触している。正極13aで発生した熱は直接円筒缶12に伝えられる。また、負極13bで発生した熱はセパレータ13cを介して正極13aに伝えられる。セパレータ13cは薄く、1枚であるので、熱の伝導に大きな妨げとならない。以上のようにして、電極13a、13bで発生した熱は小さな熱抵抗で円筒缶12に伝えられ、積層電池内部の温度上昇は抑制される。
t = 0.5mm , t+ = t- = ts = 10μm , k = k+ = k- = 40Wm-2 deg-1
h0 = 100 Wm-2 deg-1 , h1 = 1 Wm-2 deg-1 , ks = 1 Wm-2 deg-1 ,
n = 9/0.03 = 300
となり、これらの値を数1に代入して、U1 =0.0011 Wm-2 deg-1を得る。
h0 = 100 Wm-2 deg-1 , t = 0.5mm , k = 40Wm-2 deg-1
h1 = 10000 Wm-2 deg-1 , t* = 0.009m , k* = 40Wm-2 deg-1
であるので、これらの値を数2に代入して、U2 =100 Wm-2 deg-1を得る。
図2Aに、袋状に形成したセパレータに内包された電極の断面図を示す。図2Aには、簡単のため、正極13aおよび負極13bが各1つ示されている。正極13aは袋状セパレータ13caに、外縁部分を除きその周囲が包まれている。また、負極13bは袋状セパレータ13cbに、集電体が貫通する穴の周縁部分を除きその周囲が包まれている。
図3に本発明の第二実施形態に係るパイプ型積層電池(以下、単に積層電池という)の軸方向の概略断面図を示す。図3に示す積層電池21は、図1に示した積層電池11と、外装体の一部および集電体の一部を除き、ほぼ同じ構造を有している。すなわち、外装体25は、円管22と、円管22の両端にある開口部22bに取付けられた円盤状の蓋部材26とから構成されている。集電体27は、蓋部材26を貫通しており、蓋部材26により支持されている。
以下、積層電池11との相違点を中心に説明する。
図5に本発明の第三実施形態に係るカプセル型積層電池(以下、単に積層電池という)の軸方向の概略断面図を示す。積層電池31は、外装体35と集電体37と外装体内部に収納される電極体33とを主な構成要素として備えている。外装体35は、有底円筒の外構体32と、外構体32の開口部32cに取付けられた蓋部材36とから構成されている。外構体32と蓋部材36は鉄にニッケルメッキを施したものであるが、アルミニウムまたはチタン等の金属であってもよい。
本発明の実施形態に係る積層電池において、正極容量は1000mAhである。負極容量は正極容量の80%となっている。
本発明の第四実施形態に係る角型積層電池(以下、単に積層電池という)について、図6Aの軸方向断面図を用いて説明する。積層電池71は、外装体75と集電体77と外装体内部に収納される電極体74とを主な構成要素として備えている。外装体75は、胴部材72と蓋部材73から構成されている。胴部材72は、有底の角型の容器である。胴部材72の開口部72cを蓋部材73で覆うことにより、胴部材72の内方に密閉空間を形成可能にしている。胴部材72と蓋部材73は鉄でできている。図6Bの平面図に示すように、積層電池71は全体として角型形状を有している。
図7に、積層電池71を用いて組電池70を構成したときの概略構成図を示す。積層電池71の蓋部材の平板部73aと、隣接する積層電池の胴部材の底部72bとを対向させて面接させることにより、複数の積層電池71を直列に接続する。直列接続された積層電池71は正極端子板78aと負極端子板78bとにより挟持され、組電池70を構成する。すなわち、筐体70aの内部に、胴部材72に面接する正極端子板78aと、蓋部材73に面接する負極端子板78bとを配置して、正極端子板78aと負極端子板78bの間に、複数の積層電池71を収納して組電池70を構成する。吸引ファン79aと押し込みファン79bにより、外部から冷却空気を筐体内70aに供給して、組電池70の冷却を図る。組電池70の出力は正極端子板78aと負極端子板78bから、図示しないケーブルで外部に取り出される。
<第五実施形態>
電極体93は、集電体97下方に位置する押板98bの上に順次積み重ねるように配されていて、押板98bは電極体93が集電体97の端部から脱落するのを防いでいる。押板98bは円盤状の鋼板にニッケルメッキを施したものである。積み重ねた電極体93の最上部には押板98aが配されていて、押板98a、bにより電極体93が圧縮可能になっている。
蓋部材96の中央に設けた突起96aは正極端子として機能する。また、円筒缶92は、負極端子として機能する。
図9は、集電体97と電極体93の関係を模式的に表した部分断面図である。図9に示すように、集電体97の側面には、谷の径がdであり、山の径がDであるネジ溝を施したネジ部97cを有している(d<D)。
そして、電極集合体Bを円筒缶92内部に圧入して、空気抜きを行い、電解液を注入する。電解液の注入後に円筒缶92の開口部に蓋部材96を取り付けて、円筒缶92の開口部をかしめて、積層電池の密閉化を図る。
本発明の第五実施形態の積層電池を、0.5C〜8Cで充電を行い、満充電後に積層電池の内部温度と表面温度を調べた。温度計測は、内部温度については集電体の中央部に熱電対を取付けて計測し、表面温度については積層電池の外装体の表面に熱電対を取付けて行った。なお、室温は15℃で、積層電池にはファンで1m/sの送風のもとで計測した。
12 円筒缶(a:側部内面)
13 電極体(a:正極、b:負極、c:セパレータ)
14 絶縁板
15 外装体
16 蓋部材
17 集電体(a:軸部、b:止め部、c:正極端子)
19 水素貯蔵室
20 組電池
21 パイプ型積層電池
22 円管
23 電極体
24 絶縁部材
25 外装体
26 蓋部材
27 集電体
29 接続金具
31 カプセル型電池
32 外構体(a:側部、b:膨出部)
33 電極体(a:正極、b:負極、c:セパレータ)
35 外装体
36 蓋部材
37 集電体(a:軸部、b:止め部、c:端部)
38 絶縁シール部材
39 水素貯蔵室
70 組電池
71 角型積層電池
72 胴部材
73 蓋部材
74 電極体
75 外装体
76 絶縁板
77 集電体
79 ファン
91 接続板
92 円筒缶
93 電極体
94 絶縁シート
95 丸棒
96 蓋部材
97 集電体
98 押板
99 絶縁材
Claims (13)
- 筒状の外装体と、
正極と、
負極と、
前記正極と前記負極との間に配されたセパレータと、
前記正極、前記負極および前記セパレータを、前記外装体の軸方向に沿って貫通している、導電性を有する集電体と、を備えており、
前記正極、前記負極および前記セパレータが、前記外装体の軸方向に沿って積層されており、
前記正極および前記負極のいずれか一方の電極である第1電極が、前記外装体の内面に当接して、前記外装体の内面と電気的に接続されている一方、前記集電体と接触しておらず、
前記正極および前記負極のいずれか他方の電極である第2電極が、前記外装体の内面に接触していない一方、前記集電体に当接して、前記集電体と電気的に接続されており、
前記第2電極の外縁が、前記セパレータにより覆われており、
前記第1電極における前記集電体が貫通する穴の周縁が、前記セパレータにより覆われている、積層電池。 - 前記第1電極が、前記第1電極の外縁が袋状に形成した第1セパレータの外部に露出する態様で、前記第1セパレータに内包されており、
かつ、前記第2電極が、前記第2電極の前記集電体が貫通する穴の周縁が袋状に形成した第2セパレータの外部に露出する態様で、前記第2セパレータに内包されている、
請求項1に記載の積層電池。 - 前記集電体は側面に溝を有しており、
前記集電体の最も細い部分の径が、前記第2電極に設けられた、前記集電体が貫通する穴の径より大きく、
前記集電体の最も太い部分の径が、前記第1電極に設けられた、前記集電体が貫通する穴の径より小さい、請求項1に記載の積層電池。 - 前記負極が水素吸蔵合金を含んでいる請求項1に記載の積層電池。
- 前記正極および前記負極が充放電を行なう電極であり、かつ、外部から供給された電流を用いて積層電池内に保持された電解液を電気分解する電極である請求項4に記載の積層電池。
- 前記負極の充電容量が、前記正極の充電容量よりも小さい、請求項4または5のいずれか一項に記載の積層電池。
- 前記外装体の内部に配置され、前記負極で発生する水素ガスを貯蔵する水素貯蔵室をさらに備えている、請求項6に記載の積層電池。
- 前記負極に含まれる水素吸蔵合金が、前記水素貯蔵室に貯蔵された水素ガスを吸蔵することによって、前記負極が充電されるように構成されている、請求項7に記載の積層電池。
- 前記正極が二酸化マンガンを含んでいる請求項4または5のいずれか一項に記載の積層電池。
- 前記外装体の側部が、円筒形状を有しており、かつ、
前記外装体が、その軸方向両端に、ドーム状に膨出する膨出部を備えており、
当該膨出部に前記水素貯蔵室が備えられている、請求項7に記載の積層電池。 - 請求項1に記載の積層電池が柱状金属製の接続金具により接続された組電池であって、
前記積層電池は、前記外装体が、円筒状の金属性の胴部と、当該胴部の軸方向の両端開口部を覆う蓋部とを有していて、前記集電体が、前記蓋部を貫通しており、
前記接続金具の上面および底面に接続穴が設けられていて、
前記接続金具の上面に設けられた接続穴には、一の積層電池の集電体の端部が嵌合可能であり、
前記接続金具の底面に設けられた接続穴には、前記一の積層電池に隣接する他の一の積層電池の集電体の端部が、絶縁体を介して嵌合可能であり、かつ、
前記接続金具の底面が、前記他の一の積層電池の外装体に、電気的に接続されている、積層電池を含む組電池。 - 請求項1に記載の積層電池を複数含む組電池であって、
当該積層電池は、前記外装体が、矩形の断面を有する有底の容器と、前記容器の開口部を覆う蓋部材とを備えていて、
一の積層電池の前記容器と、一の積層電池に隣接する他の一の積層電池の前記蓋部材とが面接するように接続されている、積層電池を含む組電池。 - 側面にネジ溝を備えた集電体と、前記集電体のネジ溝の谷の径と同じ外径を有する丸棒を予め準備する第1工程と、
前記丸棒に、正極と負極の間に前記セパレータが介在するように順次挿入して、電極を積み重ねて電極群を組立てる第2工程と、
第2工程に続き、前記電極群の両端に押板を配して前記電極群を保持し、前記押板に圧力をかけて前記電極群を圧縮する第3工程と、
圧縮状態を保持したまま前記丸棒を引き抜く第4工程と、
前記丸棒の代わりに前記集電体を回転させながら前記電極群に押し込み、その後、
前記集電体を前記押板の中央に設けたネジ穴に螺合させて前記電極群の圧縮状態を保ちつつ電極集合体を組立てる第5工程と、
前記電極集合体を、外装体の内部に圧入する第6工程と、
前記外装体の空気抜きを行う第7工程と、
前記外装体に電解液を注入する第8工程と、
第8工程に続き、前記外装体に蓋を取付けて密閉化する第9工程と、を備えた積層電池の組立て方法。
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