(57)【要約】  【課題】充填式電極の未充填部から集電体への導電性を高め、集電効率を向上させて大電流用途に適合させたアルカリ水素蓄電池を提供する。  【解決手段】長辺の少なくとも一方に沿って活物質の存在しない未充填部を設けた帯状の正負極板を、セパレータを介して捲回し、平板状の集電体をその両端面に溶接してなる渦巻状電極群を備えたアルカリ蓄電池であって、正負極板のうち少なくとも一方は三次元金属多孔体を芯材とする充填式電極であり、この充填式電極の未充填部が渦巻状電極群の端面において互いに接するよう成型されており、集電体は充填式電極の端面に溶接される面には固定刃が備えられていることを特徴とするアルカリ蓄電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長辺の少なくとも一方に沿って活物質が存在しない未充填部を設けた帯状の正負極を、セパレータを介して捲回し、平板状の集電体をその両端面に溶接してなる渦巻状電極群を備えたアルカリ蓄電池であって、
前記正負極板のうち少なくとも一方は、三次元金属多孔体を芯材とする充填式電極であり、
前記充填式電極の未充填部は前記渦巻状電極群の端面において、互いに接するように成型されており、
前記集電体は前記充填式電極の端面に溶接される面には固定刃が備えられていることを特徴とするアルカリ蓄電池。
【請求項２】
前記充填式電極成型後の未充填部の厚みをＡ、前記充填式電極充填部の厚みをＢ、他方の電極の厚みをＣ、前記セパレータの厚みをＤとしたとき、（Ｂ＋Ｃ＋２Ｄ）≦Ａ≦１．２×（Ｂ＋Ｃ＋２Ｄ）の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載のアルカリ蓄電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大電流充放電可能なニッケル水素蓄電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ニッケル−カドミウム蓄電池またはニッケル水素蓄電池等のアルカリ蓄電池は各種電源として広く使用されてきた。特に、近年ニッケル水素蓄電池は電動車両、ハイブリッド自動車、電動工具等のように大電流の充放電が必要な分野から更なる高率放電特性の向上が望まれている。
【０００３】
このなかで最も普及している電動工具でもニッケル−カドミウム蓄電池からニッケル水素蓄電池が用いられるようになってきている。ニッケル水素蓄電池では、正負極板の少なくとも一方の芯材には、発泡ニッケル基板のような三次元金属多孔体を用い、この芯材に活物質を詰めた充填式電極である。正極を充填式電極とした場合、活物質である水酸化ニッケル粉末を高密度で充填することができるため高容量化が可能になる上、製造方法も容易なため、広範に展開されている。
【０００４】
ただし前記の三次元金属多孔体は、多孔体を形成する骨格が数十μｍから百μｍ程度であり、その骨格が三次元に絡み合っているため体積当りの導電性が低くなる。
【０００５】
大電流用アルカリ蓄電池は一般的に集電構造としてタブレス構造（帯状電極の長辺に沿って活物質の存在しない未充填部を設けて捲回し、ここに平板状の集電体を溶接する構造）を採るが、電極端面と集電体との溶接強度すなわち溶接点面積の確保が電池性能を左右する。そこで特許文献１では、電極の未充填部を幅方向に圧縮した上で先端に凹凸を設け、導電性を向上させつつ溶接点数を増して溶接強度を確保する方法が提案されている。
【特許文献１】特開平１０−２２８９０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら特許文献１の方法は、電極と集電体との溶接強度は確保できるものの、充填式電極は三次元金属多孔体１枚分の断面積のみで集電するため、集電体との接触面積をそれ以上大きくすることが出来ず、溶接強度とは関係なく導電性の向上には限度がある。
【０００７】
本発明はこのような課題を解決するものであり、充填式電極の未充填部から集電体への導電性を高め、集電効率を向上させて大電流用途に適合させたアルカリ水素蓄電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を踏まえ、本発明は、長辺の少なくとも一方に沿って活物質の存在しない未充填部を設けた帯状の正負極板を、セパレータを介して捲回し、平板状の集電体をその両端面に溶接してなる渦巻状電極群を備えたアルカリ蓄電池であって、正負極板のうち少なくとも一方は三次元金属多孔体を芯材とする充填式電極であり、この充填式電極の未充填部が渦巻状電極群の端面において互いに接するよう成型されており、集電体は充填式電極の端面に溶接される面には固定刃が備えられていることを特徴とするアルカリ蓄電池に関する。
【０００９】
充填式電極の未充填部を略直角状に折り曲げた場合は実質的に集電体の厚みが増し、多重に折り曲げた場合は未充填部自体の抵抗が減少し、何れの場合も充填式電極の未充填部
から集電体への導電性が向上するとともに未充填部自身が集電体と同様な機能が付加される。またこの未充填部が多孔体であるために集電体の固定刃が食い込み、溶接点数が確保できるので板状芯材を用いた場合と同等以上の溶接強度を得ることができる。この２つの効果の相乗により、大電流用途に好適な集電効率を得ることができるというものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の集電構造を採ることにより、従来の課題であった充填式電極の未充填部から集電体への導電性が向上できることに加え、板状芯材と同等以上の溶接強度が得られるので、高い集電効率を有する高性能な大電流用ニッケル水素蓄電池を提供するものことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しながら説明する。
【００１２】
図１および図４は本発明のアルカリ蓄電池の部分断面構造図、図２および図５は正極の概略斜視図、図３および図６は極板群の断面構造図である。活物質充填部１と未充填部１１あるいは１２とからなる正極は三次元金属多孔体を芯材とする充填式電極であり、セパレータ４を介して負極３とともに捲回され、渦巻状電極群となる。この渦巻状電極群の端面において、正極の未充填部１１あるいは１２は互いに接しており、平板状の正極集電体５に溶接される。この正極集電体の充填式電極の端面に溶接される面には固定刃が備えられているが、詳細については後述する。この電極群は負極端子を兼ねるケース１０に挿入される。
【００１３】
一方負極３は板状芯材を用いており、負極活物質の未充填部が負極集電体９に溶接される。正極集電体５はリード８を介して正極端子を兼ねる封口板７と電気的に接続され、負極集電体９はケース１０と電気的に接続される。この後に電解液を注入し、封口板７とケース１０とをかしめることにより、本発明のアルカリ蓄電池が構成される。
【００１４】
ここで本発明に用いる三次元金属多孔体の多孔度（空隙部分の比率）は特に限定されないが活物質充填前で７０〜９８％程度、好ましくは９４〜９８％程度である。この場合の空隙部分の平均直径は、円形に換算して１００〜３００μｍである。また材質がニッケルである場合、目付重量（単位面積辺りの金属重量）は２００〜７００ｇ／ｍ2である。
【００１５】
また本発明に用いる三次元金属多孔体に充填される活物質は、公知の活物質がいずれも用いられ特に限定されないが、例えば正極の場合水酸化ニッケルが挙げられる。この活物質は特に限定されない限り、その粉末と適当な導電材や結着剤を混合してペースト状にされる。
【００１６】
さらに未充填部１１あるいは１２の作製法については特に限定されないが、最終的な電極の形状（帯状）における長辺の少なくとも一方に沿って、予め活物質が詰まらないように加圧圧縮するのが好ましい。この後で上記ペーストを三次元金属多孔体に充填し、乾燥後、極板を加圧プレスして所定の厚みとし、その後に所定寸法に切断して充填式電極を作製する。
【００１７】
本発明の未充填部１１あるいは１２は、渦巻状電極群を構成した際に互いに接するように成型する。充填式電極の未充填部どうしが強固に密着することにより、未充填部から集電体への導電性が向上する。具体的には図１のように未充填部１１を圧縮成型する場合と、図４のように未充填部１２を略直角状に曲げる場合とに大別できる。未充填部１１の場合は、未充填部１１どうしの接触面積密度が増加することにより抵抗が減少する。未充填部１２の場合は、実質的に正極集電体５の厚みが増すことになる。これら何れの場合も、
正極から正極集電体５への導電性が向上するので好ましい。
【００１８】
ここで正極集電体５を溶接する際の未充填部１１あるいは１２の厚みをＡ、正極の厚みをＢ、負極３の厚みをＣ、セパレータ４の厚みをＤとしたとき、（Ｂ＋Ｃ＋２Ｄ）≦Ａ≦１．２×（Ｂ＋Ｃ＋２Ｄ）の関係を満たすことが、隣接する未充填部１１あるいは１２どうしを強固に密着させる観点から好ましい。Ａ＜（Ｂ＋Ｃ＋２Ｄ）の場合は隣接する未充填部１１あるいは１２どうしの密着性が低下し、本発明の効果が現れにくい。またＡ＞１．２×（Ｂ＋Ｃ＋２Ｄ）の場合、未充填部１１あるいは１２どうしを密着させる際の斥力が過剰となり、電極群が変形しやすくなる。
【００１９】
図１０は極板群の構成と固定刃付き集電体の概略斜視図である。本発明の集電体（図１〜６中の正極集電体５）には固定刃１４が設けられている必要がある。具体的には図１０に示すような形状以外でも、多孔体である未充填部１１あるいは１２に食い込むことが可能な形状であればよく、両者の接触面積が増すことにより、高い導電性を得ることができる。
【００２０】
なおここまでは正極のみを充填式電極として説明したが、負極のみが充填式電極の場合、あるいは正負極ともに充填式電極の場合も、本発明の効果が同等に現出することは言うまでもない。さらに正極集電体５は固定刃１４さえ備えていればよいので、上述した円板状（円筒形電池用）のほか矩形状（角形電池用）であってもよい。
【００２１】
以下、本発明を渦巻状電極群で構成する円筒型ニッケル水素蓄電池を例にとり、図面とともに説明する。
【実施例１】
【００２２】
（電池Ａ１）
厚みが０．４ｍｍ、幅５４ｍｍ、長さ１０００ｍｍ、ニッケル目付重量が４５０ｇ／ｍ２である発泡式ニッケル基板に、活物質として球状水酸化ニッケル粉末（平均粒子径１０〜２０μｍ）１００重量部と、水酸化コバルト粉末（平均粒子径０．２μｍ）１０重量部と酸化亜鉛粉末（平均粒子径０．２μｍ）２重量部とを混練してペースト状にしたものを、未充填部となる部分（幅４ｍｍ）に活物質が詰まらないように充填し乾燥した。乾燥した後、充填部が０．２７ｍｍの厚みになるようにロールプレス機で加圧成形した。その後、図２のように未充填部を加圧成型加工し、活物質充填部よりも未充填部が厚くなるように（平均厚み０．７９ｍｍ）した。この正極にと公知の水素吸蔵合金を活物質とした塗着式負極（厚み０．１９ｍｍ）３を、それぞれの未充填部が上方または下方に突出するように位置をずらして、親水化処理をしたポリプロピレン製セパレータ（厚み０．１ｍｍ）を介して捲回し、電極群を構成した。
【００２３】
次に、正負極板の各無地部に、その上方から平坦な円板状の集電体を電気抵抗溶接した。ここで正極の集電体は図１０に示す固定刃を装備したものを用いた。
【００２４】
ここで各部位の厚みは、正極未充填部Ａ＝０．７９、正極充填部Ｂ＝０．２７、負極Ｃ＝０．１９、セパレータＤ＝０．１であるので、その関係は（式１）のとおりであった。０．７９＝１．２×（０．２７＋０．１９＋２×０．１）・・・（式１）
前記電極群をケースに挿入した後、負極集電体をケースの内底部と抵抗溶接し、正極集電体と封口板とをリードを用いて電気的に接続し、アルカリ電解液を注液して安全弁を備えた封口板で密閉し、容量６．５Ａｈの円筒型ニッケル水素蓄電池を構成した。これを電池Ａ１とする。
【００２５】
（電池Ｂ１）
正極集電体の形状を固定刃のない図１１のようにした以外は電池Ａ１のように構成したものを、電池B１とする。
【００２６】
（電池Ａ０、Ａ２〜４、Ｂ０、Ｂ２〜４）
未充填部となる部分の幅を５ｍｍ、３．５ｍｍ、３．０ｍｍ、２．５ｍｍとし、これを多重に折り返し、未充填部の平均厚みをそれぞれ０．９２ｍｍ、０．７３ｍｍ、０．６６ｍｍ、０．５９ｍｍとした以外は、電池Ａ１およびＢ１と同様の充填式正極を作製した。
【００２７】
ここで正極未充填部を除く各部位の厚みは、未正極充填部Ｂ＝０．２７、負極Ｃ＝０．１９、セパレータＤ＝０．１である。よって正極未充填部Ａ＝０．９２の場合、各部位の厚みの関係は（式２）のとおりであった。
０．９２＝１．４×（０．２７＋０．１９＋２×０．１）・・・（式２）
正極未充填部Ａ＝０．７３の場合、各部位の厚みの関係は（式３）のとおりであった。０．７３＝１．１×（０．２７＋０．１９＋２×０．１）・・・（式３）
正極未充填部Ａ＝０．６６の場合、各部位の厚みの関係は（式４）のとおりであった。０．６６＝１．０×（０．２７＋０．１９＋２×０．１）・・・（式４）
正極未充填部Ａ＝０．５９の場合、各部位の厚みの関係は（式５）のとおりであった。
０．５９＝０．９×（０．２７＋０．１９＋２×０．１）・・・（式５）
これらの電極群に対し、図１０に示す固定刃のついた正極集電体を溶接した以外は電池Ａ１と同様に構成したものを、それぞれ電池Ａ０（Ａ＝０．９２）、Ａ２（Ａ＝０．７３）、Ａ３（Ａ＝０．６６）、Ａ４（Ａ＝０．５９）とする。
【００２８】
またこれらの電極群に対し、固定刃のない正極集電体（図１１参照）を溶接した以外は電池Ｂ１と同様に構成したものを、それぞれ電池Ｂ０（Ａ＝０．９２）、Ｂ２（Ａ＝０．７３）、Ｂ３（Ａ＝０．６６）、Ｂ４（Ａ＝０．５９）とする。
【００２９】
ただし、電池Ａ０、Ｂ０は極板群を捲回した際に未充填部の径が大きくなりすぎて、ケース挿入時に電極群が変形する不良が多発した。
【００３０】
（電池Ｒ１、Ｒ２）
図７〜９に示すように、正極未充填部１３が多重に折り重ねることなく単に圧縮成型されていること以外は、電池Ａ１と同様に構成したものを電池Ｒ１、電池Ｂ１と同様に構成したものを電池Ｒ２とする。
【００３１】
以上のように構成された各電池について、２０℃６５０ｍＡで１６時間充電後、１３００ｍＡで放電し、公称容量を確認した。いずれの電池とも容量は６５００ｍＡｈであった。次に電池の動的抵抗を測定するため、電池公称容量の５０％にあたる２０℃２Ａで３時間２５分充電した。充電後１時間静置し電圧を測定した所１．３６Ｖであった。これら各電池を１５Ａ、３０Ａ、６０Ａでそれぞれ１０秒間放電しその時の電圧を測定した。１０秒間の放電と放電の間は５秒間とした。
【００３２】
この電池の動的抵抗をオームの法則（ＩＲ＝Ｅ）より求めた。ここでＩは電流（Ａ）、Ｒは動的抵抗（一般的にはＤＣ抵抗と呼ばれている）、Ｅは充電状態で静置している時の開回路電圧と１０秒後の閉回路電圧の差であり、電流を流した時に電圧降下が小さければ小さいほどＤＣ抵抗が小さく、高出力化が達成されていることになる。計算結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】
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未充填部どうしが互いに接するように成型されていない電池Ｒ１〜Ｒ２およびＡ４や、正極集電体に固定刃を設けていない電池Ｂ０〜Ｂ４と比較し、本発明の各電池（Ａ０〜Ａ３）においては、未充填部が渦巻状電極群の端面において互いに接しており、その箇所に正極集電体の固定刃が食い込んでいるため、極板の集電性と導電性が各段に向上し、その結果ＤＣ抵抗が２０％近く低減することが可能となり、高率放電特性が飛躍的に向上した。
【実施例２】
【００３４】
図２のように未充填部を加圧成型加工した以外は、各部位の厚みを含め、電池Ａ０〜Ａ４と同様に構成したものを電池Ｘ０〜Ｘ４、電池Ｂ０〜Ｂ４と同様に構成したものを電池Ｙ０〜Ｙ４とする。ただし、電池Ｘ０、Ｙ０は極板群を捲回した際に未充填部が上下に折れ曲がり群端面の凹凸が顕著化し、集電体を溶接する際のスパーク不良が多発した。
【００３５】
以上のように構成された各電池について、実施例１と同様の評価と計算を行った。その結果を表２に示す。
【００３６】
【表２】
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実施例１と同様、未充填部どうしが互いに接するように成型されていない電池Ｒ１〜Ｒ２およびＸ４や、正極集電体に固定刃を設けていない電池Ｙ０〜Ｙ４と比較し、本発明の各電池（Ｘ０〜Ｘ３）においては、未充填部が渦巻状電極群の端面において互いに接しており、その箇所に正極集電体の固定刃が食い込んでいるため、極板の集電性と導電性が各段に向上し、その結果ＤＣ抵抗が２０％近く低減することが可能となり、高率放電特性が飛躍的に向上した。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明によれば、ＤＣ抵抗を下げることができるので、大電流充放電が必要な、電動工具、電動車両、ハイブリッド自動車や瞬時に大電流放電が必要なバックアップ電源等の電池として適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例におけるアルカリ蓄電池の構成を示す部分断面構造図
【図２】本発明の実施例における未充填部成形後の正極板を示す概略斜視図
【図３】本発明の実施例における極板群の構成を示す断面構造図
【図４】本発明の実施例におけるアルカリ蓄電池の構成を示す部分断面構造図
【図５】本発明の実施例における未充填部成形後の正極板を示す概略斜視図
【図６】本発明の実施例における極板群の構成を示す断面構造図
【図７】従来例におけるアルカリ蓄電池の構成を示す部分断面構造図
【図８】従来例における未充填部成形後の正極板を示す概略斜視図
【図９】従来例における極板群の構成を示す断面構造図
【図１０】（ａ）本発明の実施例における極板群の構成と固定刃付き集電体の溶接前概略斜視図（ｂ）同溶接後概略斜視図
【図１１】（ａ）従来例における極板群の構成と集電体の溶接前概略斜視図（ｂ）同溶接後概略斜視図
【符号の説明】
【００３９】
１  正極活物質充填部
２  ケース
３  負極
４  セパレータ
５  正極集電体
７  封口板
８  リード
９  負極集電体
１１、１２，１３  未充填部
１４  固定刃
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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