(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
短冊状の正極板および負極板をセパレータを介して捲回した極群を備え、前記正極板および負極板の少なくとも一方の極板は活物質を有する金属性基板を備えており、前記金属製基板の長辺長さは８０ｃｍ以上であり、前記金属製基板の長辺側の縁部分には金属薄板が重ねられて配置され、前記金属薄板は前記金属製基板の前記縁部分に複数箇所で溶接されている電池であって、前記金属薄板は引張強さが５９０Ｎ／ｍｍ2以下であり、前記金属薄板と金属製基板の縁部分との溶接箇所は、１ｃｍあたり４点以下の間隔で備えられており、前記電池はSub-Cサイズであることを特徴とする電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、捲回形の極群を備えた電池、とくにアルカリ蓄電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アルカリ蓄電池は、ハイブリッド形電気自動車（ＨＥＶ）の電源に適用するための開発が進められている。この用途の電源には、大きい容量と優れた高率放電性能との両方が要求される。大きい容量を得るため、正極板としては、高容量化に適していることからペースト式のものが採用される。そして、電池サイズとしてはＳｕｂ‐Ｃまたはそれよりも大きいサイズのものが有力候補である。
【０００３】
ペースト式の正極板は、正極板の活物質の層を薄くする設計することにより高率放電性能を高められることが知られている。そのような設計の正極板は、長尺の短冊状に成形されており負極板およびセパレータとともに捲回されたあとで電槽に収納されて電池を構成する。
【０００４】
たとえば、従来のアルカリ蓄電池で用いられている正極板の構造は、特許文献１にあるように、活物質を備えた短冊状の金属製基板と金属薄板とで構成されたものが一般的である。特許文献１では、金属製基板として短冊状の発泡ニッケルが用いられ、これに活物質が充填されている。金属薄板としては、幅１．５ｍｍのニッケルリボンが用いられている。前記金属製基板および前記金属薄板は長辺側の縁部分が互いに重ねられて配置され、複数箇所で溶着されたものが用いられている。この金属薄板は、正極板の縁部分を補強するために採用される部材である。
【０００５】
なお、特許文献１では、金属薄板のビッカーズ硬度を特定範囲とする技術が記載されている。この範囲内にすることによって、正極板に溶接された金属薄板と集電板との溶着を良好な状態にできることが説明されている。しかしながら、ビッカーズ硬度はかたさの度合いを示す指標であるので、この数値を変更しても、電極板の反りが抑制されることはない。
【特許文献１】特開２０００−２１３８４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者らは、活物質の層を薄くする仕様の正極板を用いて大容量の電池を製造するとき、極群に巻きずれや短絡が生じるという問題があることを発見した。この問題は、アルカリ蓄電池の耐短絡性能の低下をもたらすこととなっていた。調査の結果、この問題は、正極板の長辺長さが８０ｃｍ以上となったとき顕著となる現象であることがわかった。そして、そのメカニズムは、正極板に反りが生じたことに起因するものであることがわかった。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、正極板に生じる反りを防止することによって、巻きずれや短絡を抑制することである。
【０００８】
なお、ＨＥＶの電源に適用されるＳｕｂ‐Ｃまたはそれよりも大きいサイズのアルカリ蓄電池は、比較的低い電流密度で放電する用途に使用されることが一般的に認識されている。そのため、活物質の層が薄い設計のペースト式正極板を用いて大容量タイプの電池を量産する技術は確立されていないのが現状である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、短冊状の正極板および負極板をセパレータを介して捲回した極群を備え、前記正極板および負極板の少なくとも一方の極板は活物質を有する金属性基板を備えており、前記金属製基板の長辺長さは８０ｃｍ以上であり、前記金属製基板の長辺側の縁部分には金属薄板が重ねられて配置され、前記金属薄板は前記金属製基板の前記縁部分に複数箇所で溶接されている電池であって、前記金属薄板は引張強さが５９０Ｎ／ｍｍ2以下であり、前記金属薄板と金属製基板の縁部分との溶接箇所は、１ｃｍあたり４点以下の間隔で備えられており、前記電池はSub-Cサイズであることを特徴とする電池である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電極板の反りが抑制されて巻きずれあるいは製造時の溶接不良が抑制されるので、短絡の発生が大幅に抑制された電池が得られる。そのため、本発明の電池は品質的に安定しており量産するのに適している。したがって、従来の技術では達成できなかったレベルの高率放電性能および放電容量を備えた電池が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、正極板および負極板をセパレータを介して捲回した極群を用いた電池に適用することができる。本発明は、アルカリ蓄電池等の電解液が水溶液のものでもリチウムイオン電池等の非水電解液のものでも有効である。とりわけ、高率放電および容量の両方を高めた設計のアルカリ蓄電池において短絡発生を抑制する効果が顕著である。
【００１３】
本発明で使用する正極板および負極板の少なくとも一方の極板は、活物質を有する金属製基板を備えたものである。活物質を有する金属製基板は、短冊状の金属製基板に活物質を充填することによって製作することができる。金属製基板としては、アルカリ蓄電池の正極板に用いる場合は、多孔性金属板を用いることができ、たとえば、スポンジ状ニッケル、フェルト状ニッケル、繊維状ニッケルなどの三次元構造の網状ないし多孔状のものを用いることができる。この場合、多孔性金属板の目付け量は、導電性を確保しつつ所定の多孔度を達成できることから、３５０ｇ／ｍ２以上６００ｇ／ｍ２以下、厚さは１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることが好ましい。なお、活物質を備えた後の電極の厚さは、高率放電性能を高めるため０．２ｍｍ以上０．４０ｍｍ以下とするのが好ましい。
【００１４】
本発明で使用する金属製基板の長辺長さは、８０ｃｍ以上であることが好ましい。長辺長さがこの範囲のときに本発明の効果が顕著に求められるようになる。この長さを８０ｃｍ以上とすることによって、Ｓｕｂ−Ｃサイズの電池の放電容量を高いレベルとすることができ、ＨＥＶ電源用途に適した容量を達成することができる。この長辺長さは、さらに長くすることによって単位面積あたりの電流密度を低減することができる。Ｃサイズの電池とする場合は、９０ｃｍ以上が好ましく、Ｄサイズの場合は１２０ｃｍ以上が好ましい。他方、短辺の長さは、電池缶の高さ寸法に応じて設計される値が用いられる。具体的には、容量を高める観点から好ましい短辺長さの範囲は、Ｓｕｂ−Ｃサイズの場合は３８ｍｍ以下、Ｃサイズの場合は４５ｍｍ以下、Ｄサイズの場合は５５ｍｍ以下である。
【００１５】
なお、金属製基板が長方形以外の短冊状の場合、上述の長辺長さは、捲回時の巻き始め側の端部から巻き終わり側の端部までの距離を捲回軸と垂直な方向に沿って測定したときの長さで定義される。そして、上述の短辺長さは、捲回軸と平行な方向に測定したときの幅で定義される。
【００１６】
本発明で使用する正極板は、金属製基板の一方の長辺側の縁部分に金属薄板が重ねられて配置されており、重ねられた両部材は、所定の間隔で溶接されている。金属薄板は、極群と集電板との接続を良好にするための部材である。金属薄板は、短冊状のものを用いるのが好ましい。金属薄板の長辺長さは、金属製基板の長辺長さの１００％以下とすることが好ましい。重ねられた部分の短辺方向の寸法は、１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
なお、上記の金属薄板が長方形以外の形状の場合、金属薄板の長辺長さおよび短辺長さは、上述の金属製基板が長方形以外の場合と同じように定義される。
【００１８】
本発明において、金属薄板は、引張強さが５９０Ｎ／ｍｍ２以下のものが用いられる。引張強さが５９０Ｎ／ｍｍ２以下のものを用いることによって、電極板の反りを極めて少ない水準とすることができる。この効果は、金属薄板が十分なのびやすさを備えているためと考えられる。このように十分なのびやすさが備えられた場合、金属製基板と金属薄膜とを溶接する際に生じる金属製基板の変形に応じて金属薄膜も変形できるようになり、電極の反りが抑制される。また、金属薄板の引張強さは３４５Ｎ／ｍｍ２以上であることが好ましい。３４５Ｎ／ｍｍ２以上のものを用いることによって、製造工程中に金属薄膜が破断する問題が改善されて作業性が向上する。また、金属薄板の引張強さは、材料となる金属の種類・組成、材料の質別または材料の厚さを制御することによって調節することができる。
【００１９】
本発明で使用する金属薄板の材料となる金属としては、アルカリ蓄電池の場合、ニッケルまたはニッケルめっき鋼板を用いることができる。これらの金属の板を用いる場合、その質別はＯ、１／８Ｈ、１／４Ｈおよび１／２Ｈのいずれかであることが好ましい。なぜなら、当該金属を用いた金属薄板は、引張強さが３４５Ｎ／ｍｍ２以上５９０Ｎ／ｍｍ２以下とするのが容易だからである。また、ニッケルまたはニッケルめっき鋼板を金属薄板として用いる場合、厚さは０．０５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下で用いることができるが、とくに厚さは０．１mm以下である事が好ましい。なぜなら、溶接部の厚さが低減されて短絡が回避されるからである。なお、本発明において、引張強さはＪＩＳＺ２２４１に規定されているものである。そして、質別はＪＩＳＨ４５０１で規定されているものである。
【００２０】
本発明において、金属製基板と金属薄板との溶接は、これらの部材が重ねられた部分を抵抗溶接することによりおこなうことができる。抵抗溶接としては、量産性に優れていることから、回転式の円盤端子を用いて加圧しかつ通電しながら円盤端子を回転させ母体を連続的に溶接するシーム溶接が好ましい。円盤端子を回転させ母体を連続的に溶接するシーム溶接によれば、溶接箇所が一本の直線に沿って設けられる。前記円盤端子が母体に接触する面は、球面またはそれに近い曲面とすることができる。
【００２１】
本発明において、金属製基板と金属薄板との溶接は、溶接点の間隔が、１ｃｍあたり４点以下となるようにおこなわれることが好ましい。この間隔とすることによって、電極板の反りが大幅に抑制される。この効果がさらに顕著となることから、溶接点の間隔が１ｃｍあたり３点以下とすることが好ましい。溶接強度を高められることから、３点以上とするが好ましい。なお、溶接点の間隔は、溶接点の数を溶接されている部分の長さで割ることによって溶接点の間隔を計算することができる。ここで溶接されている部分の長さとは、金属製基板の長辺方向に沿って計測した長さのことである。
【００２２】
本発明で使用する正極板の活物質としては、高率放電性能が優れていることから、コバルトを含む被覆層を備えた水酸化ニッケル粒子を用いることが好ましい。この被覆層中のコバルトは、平均酸化数が２価を超えていることがさらに好ましい。高容量化をはかるという観点から、Ｙｂ２Ｏ３が活物質と混合して用いられていることが好ましい。
【００２３】
本発明で使用する負極板としては、ニッケル水素蓄電池を構成する場合には、ＡＢ５形あるいはＬａ−Ｍｇ−Ｎｉ形の水素吸蔵合金を活物質として備えた電極を用いることができる。
【００２４】
本発明で使用するセパレータは、ポリプロピレンあるいはポリオレフィンの不織布を用いることができる。
【実施例】
【００２５】
以下、実施例及び比較例によって、本発明を更に詳細に説明する。なお、本発明は実施例によって限定されるものではない。
（実施例１）
ペースト式の正極板および水素吸蔵合金を備えた負極板をセパレータを介して捲回して極群を製作し、これを電槽に収納してから密閉することによってＳｕｂ−Ｃサイズのニッケル水素蓄電池を製造した。
【００２６】
正極板は、金属製基板としてスポンジ状ニッケルを用い、活物質を付着させたのちに金属薄板を溶接することによって正極板を製作した。詳細な製造手順はつぎのとおりである。目付け量４５０ｇ／ｍ2、厚さ１．３ｍｍのスポンジ状ニッケルを加圧して厚さ０．３ｍｍになるまで圧縮したのちに、活物質ペーストを充填してから乾燥した。活物質ペーストは、水酸化ニッケル９０重量部、水酸化コバルト１０重量部の混合物をカルボキシメチルセルロース０．２重量部と水３０重量部でペースト状に混練したものを用いた。ついでローラープレスにより、厚さが０．３ｍｍになるまで圧延した後、長さ８０ｃｍ、幅５０ｍｍに裁断した。更に、その端部に付着している活物質ペーストを、超音波振動を加える事によって幅２ｍｍ除去して電極とした。金属薄板としては、幅1．５ｍｍ、厚み０．１ｍｍ、質別１／２Ｈのニッケル鋼板を用いた。金属薄板の引張強さは５９０Ｎ／ｍｍ２であった。この金属薄板を上記の電極板の活物質除去部にあてがい、両者を円盤端子状のモリブデン電極２枚を用いて挟み込み、溶接間隔を１ｃｍ当り４点として溶接した。
【００２７】
得られた正極板を負極板およびセパレータとともに捲回して極群を製作し、これを円筒状金属ケースに収納したのちに電解液を注液した後、安全弁を備えた金属製蓋体で封口することによって製作した。容量およびサイズは２０００ｍＡｈＳｕｂ−Ｃサイズサイズとした。電極群は、正極容量に対し１．２５倍の容量を有する負極と正極とをセパレータを介して渦巻き状に捲回して製作した。なお、負極板は、水素吸蔵合金粉末、ニッケル粉末、増粘剤（メチルセルロース）および結着剤（スチレンブタジエンゴム）のペーストを厚さ４５μｍの穿孔鋼板の両面に塗布して乾燥させた後、厚さ０．３６ｍｍにプレスすることによって製造した。
（実施例２）
金属製基板と金属薄板との溶接間隔を１ｃｍあたり３点としたこと以外は実施例１と同様にしてニッケル水素蓄電池を製作した。
（実施例３）
金属製基板と金属薄板との溶接間隔を１ｃｍあたり５点としたこと以外は実施例１と同様にしてニッケル水素蓄電池を製作した。  
（実施例４）
金属薄板として、質別がＯのニッケル鋼板を用いたこと以外は実施例１と同様にしてニッケル水素蓄電池を製作した。金属薄板の引張強さは３４５Ｎ／ｍｍ２であった。なお、この実施例では、金属製基板として目付け量４２０ｇ／ｍ2、厚み１．３ｍｍのスポンジ状ニッケルを用いた。
（比較例１〜３）
金属薄板として、質別がＨのニッケル鋼板を用いたこと以外は実施例２、実施例１および実施例３と同様にしてそれぞれニッケル水素蓄電池を製作した。金属薄板の引張強さは６００Ｎ／ｍｍ２であった。
【００２８】
実施例および比較例の電池について、正極板の反り量を測定した結果および巻きずれまたは短絡が生じた割合を表１にし示す。測定したサンプル数は３とした。反り量は、正極板１２０ｍｍあたりの反り量で評価した。巻きずれまたは短絡が生じた割合は、巻きずれまたは短絡が生じたサンプル数を全サンプル数で割ることによって求めた。巻きずれがあるとの判定基準は、正極板の長辺のうち金属薄板を取り付けた側の反対の長辺の一部がセパレータからはみ出したこととした。巻きずれまたは短絡についての測定については、サンプル数を少なくとも７２０個とした。なお、巻きずれまたは短絡が生じた割合の測定の際、実施例１および比較例１の電池は、スポンジ状ニッケルとして目付け量４００ｇ／ｍ2のものを使用した。
【００２９】
【表１】
0005396702.tif 000002
【００３０】
表１から、１ｃｍあたりの溶接点数が少なくなるにしたがって反り量が少なくなる傾向のあることがわかる。この傾向は、金属薄板の引張強さが５９０Ｎ／ｍｍ２の場合でも６００Ｎ／ｍｍ２の場合でも認められるものである。ところが、引張強さが６００Ｎ／ｍｍ２の場合は、反り量の低減は５．５ｍｍまでが限度である。これに対して、金属薄板の引張強さが５９０Ｎ／ｍｍ２の場合では溶接間隔４点／ｃｍで１．６７ｍｍ、３点／ｃｍでは０．６７ｍｍと大幅に低減されていることがわかる。以上のことは、金属薄板の引張強さが５９０Ｎ／ｍｍ２以下であることによって、正極板の反り量が大幅に抑制されることを示すものであり、とくに、溶接点数が４以下のときには極めて低いレベルの反り量を達成できることを意味するものである。さらに、表１からこの低いレベルの反り量は、引張強さが３４５Ｎ／ｍｍ２の場合でも得られていることがわかる。このことは、反り量低減の効果が３４５Ｎ／ｍｍ２以上５９０Ｎ／ｍｍ２以下の範囲で生じることを示すものである。
【００３１】
さらに、表１から、巻きずれまたは短絡が生じた割合は、実施例の電池でゼロであり、比較例の電池で０．０７以上であることがわかる。この結果は、実施例の電池では巻きずれが大幅に抑制されたことを意味するものであり、実施例の電池は耐短絡性能が優れた状態となっていることを示すものである。このような効果は、正極板の反り量が大幅に抑制されたことに起因するものである。以上のことから、本発明によれば、製造時の正極板の反りが抑制されるので、耐短絡性能に優れ、品質的に安定したアルカリ蓄電池が得られることが明らかである。しかも、なお、極群の巻きずれが抑制された場合、極群と集電板との溶接状態が良好になるので電池の内部抵抗が小さくなる。
【００３２】
なお、電池缶のサイズ、電極の大きさを変更してＣサイズまたはＤサイズのニッケル水素蓄電池としたこと以外は実施例１と同様にして製作した電池についても、上述の効果と同様の効果が認められた。