(57)【要約】【課題】電極やセパレータへの電解液の供給を迅速に行うことができ、内部抵抗を低減できるアルカリ蓄電池用電極及びこの電極を備えたアルカリ蓄電池を提供する。【解決手段】電極１は、多数の山状部２１と、山状部２１同士の間に形成された多数の谷状部２２とを備えた金属箔２と、山状部２１及び谷状部２２に配置された活物質層３（３ｐ、３ｎ）とを有している。谷状部２２に配置された活物質層３の表面３１（３１ｐ、３１ｎ）は、当該谷状部２２の形状に沿った凹面状に湾曲している。また、谷状部２２の底２２１における活物質層３の厚みは、山状部２１の頂点２１１における活物質層３の厚みよりも厚くなっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の山状部と、上記山状部同士の間に形成された多数の谷状部とを備えた金属箔と、
上記山状部及び上記谷状部に配置された活物質層とを有し、
上記谷状部に配置された上記活物質層の表面は、当該谷状部の形状に沿った凹面状に湾曲しており、
上記谷状部の底における上記活物質層の厚みは、上記山状部の頂点における上記活物質層の厚みよりも厚い、アルカリ蓄電池用電極。
【請求項２】
上記谷状部は、一定のピッチで配置されている、請求項１に記載のアルカリ蓄電池用電極。
【請求項３】
上記谷状部は、上記山状部に取り囲まれている、請求項１または２に記載のアルカリ蓄電池用電極。
【請求項４】
上記活物質層は、上記金属箔の両面に設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルカリ蓄電池用電極。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のアルカリ蓄電池用電極と、セパレータとが交互に積層された電極組立体を有するアルカリ蓄電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルカリ蓄電池用電極及びアルカリ蓄電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルカリ蓄電池は、例えばフォークリフト、ハイブリッド自動車、電気自動車等の車両のバッテリーに用いられている。この種のアルカリ蓄電池は、複数の電極がセパレータを介して積層された電極組立体を有している。また、セパレータとしては不織布が使用されており、不織布を構成する繊維同士の隙間に電解液が保持されている。セパレータは、その内部に保持された電解液を迅速に電極に供給することができるように、電極に密着して配置されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１６４０３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
アルカリ蓄電池においては、充電中に正極が収縮し、負極が膨張する。このときの正極の収縮量は、負極の膨張量と厳密に同一ではないため、電極組立体の積層方向における電極間の距離は、充電率に応じて変動する。また、放電中には、充電中とは逆に、正極が膨張し、負極が収縮する。このときの正極の膨張量は、負極の収縮量と厳密に同一ではないため、充電時と同様に、電極組立体の積層方向における電極間の距離は、充電率に応じて変動する。
【０００５】
充放電中に電極間距離が狭くなった場合は、電極同士の間に配置されたセパレータが圧縮され、セパレータ内に保持された電解液が、セパレータの側周面を介して電極組立体の外部へ押し出される。一方、電極間距離が広くなった場合は、電極同士の距離の増大に伴ってセパレータの厚みが復元される。そして、セパレータの厚みの復元に伴って、セパレータから押し出された電解液がセパレータ内に吸収される。
【０００６】
このとき、セパレータ外に存在する電解液は、セパレータの側周面から吸収され、不織布における繊維同士の間の隙間を通ってセパレータの内側へ移動する。そのため、セパレータ内における側周面からの距離が比較的大きい部位は、当該距離が比較的小さい部位に比べて、電解液が到達するまでに長い時間を要する。また、場合によっては、セパレータ内に局所的に電解液の存在しない部分が生じ、内部抵抗の増大を招くおそれもある。
【０００７】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、電極やセパレータへの電解液の供給を迅速に行うことができ、内部抵抗を低減できるアルカリ蓄電池用電極及びこの電極を備えたアルカリ蓄電池を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、多数の山状部と、上記山状部同士の間に形成された多数の谷状部とを備えた金属箔と、
上記山状部及び上記谷状部に設けられた活物質層とを有し、
上記谷状部に配置された上記活物質層の表面は、当該谷状部の形状に沿った凹面状に湾曲しており、
上記谷状部の底における上記活物質層の厚みは、上記山状部の頂点における上記活物質層の厚みよりも厚い、アルカリ蓄電池用電極にある。
【発明の効果】
【０００９】
上記アルカリ蓄電池用電極（以下、単に「電極」という。）は、多数の山状部と、多数の谷状部とを備えた金属箔を有している。また、谷状部に配置された活物質層の表面は、当該谷状部の形状に沿った凹面状に湾曲している。そのため、上記電極とセパレータとを交互に積層した際に、活物質層の表面とセパレータとの間に隙間を形成することができる。
【００１０】
このように、活物質層の表面とセパレータとの間に隙間を形成することにより、充放電時に圧縮されたセパレータから押し出された電解液を当該隙間に保持することができる。また、セパレータの厚みが復元する際に、上記隙間に保持された電解液を再びセパレータや電極の各部に供給することができる。
【００１１】
また、上記電極においては、谷状部の底における活物質層の厚みが山状部の頂点における活物質の厚みよりも厚くなっているため、比較的厚みの厚い谷状部により多くの電解液を供給する必要がある。これに対し、上記隙間は、上記電極における谷状部に対応する位置に形成される。そのため、上記隙間に保持された電解液を、谷状部上に配置された活物質層に迅速かつ円滑に供給することができる。
【００１２】
以上のように、上記電極によれば、電極やセパレータへの電解液の供給を迅速に行うことができ、アルカリ蓄電池の内部抵抗を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１における、電極の平面図である。
【図２】図１のII−II線一部矢視断面図である。
【図３】図２に相当する断面のＳＥＭ像である。
【図４】実施例１の金属箔における、山状部及び谷状部の拡大斜視図である。
【図５】実施例２における、金属箔の断面が波状を呈する電極の一部断面図である。
【図６】実施例２の金属箔における、曲面から構成された山状部及び谷状部の拡大斜視図である。
【図７】実施例３における、電極を備えたアルカリ蓄電池の要部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
上記電極は、集電体としての金属箔上に正極活物質層が配置された正極として構成されていてもよく、金属箔上に負極活物質層が配置された負極として構成されていてもよい。また、上記電極を、金属箔の一方の面上に正極活物質層を有するとともに、他方の面上に負極活物質層を有するバイポーラ電極として構成することもできる。
【００１５】
バイポーラ電極を電極組立体に組み込む場合には、セパレータを介して複数枚のバイポーラ電極を積層するという単純な構成により、正極活物質層と負極活物質層とがセパレータを介して対面した単セルを直列に接続することができる。その結果、アルカリ蓄電池の起電力をより高くすることができる。
【００１６】
また、バイポーラ電極を用いる場合には、単極性の電極を用いる場合に比べて、電極の総数に対する単セルの数を増やすことができる。それ故、電極の総数が同じ場合には、単極性の電極を用いる場合に比べて単セルの数を多くすることができる。また、単セルの数が同じ場合には、単極性の電極を用いる場合に比べて電極の総数を少なくし、積層方向におけるアルカリ蓄電池の寸法をより小さくすることができる。
【００１７】
集電体としての金属箔は、多数の山状部と、山状部同士の間に形成された多数の谷状部とを有している。このような凹凸形状は、例えば、表面に凹凸を形成した圧延ロール等を用い、金属箔に当該ロール等の表面形状を転写することにより容易に形成することができる。
【００１８】
山状部は、金属箔の厚み方向から視た平面視において、点在していてもよいし、直線状に延在していてもよい。前者の場合には、山状部は、角錐状、円錐状、錐台状等の種々の形態を採り得る。また、後者の場合には、山状部は、延在方向に垂直な断面において、三角形状、台形状、弧状等の種々の断面形状を採り得る。
【００１９】
谷状部は、山状部同士の間に形成されている。谷状部は、一定のピッチで配置されていることが好ましい。この場合には、電極とセパレータの間の隙間を、電極の全面に均等に設けることができる。これにより、電解液の局所的な消失をより効果的に抑制し、アルカリ蓄電池の内部抵抗をより低減することができる。
【００２０】
谷状部は、山状部に取り囲まれていることが好ましい。この場合には、電極とセパレータとの間の隙間が山状部上に配置された活物質層によって区画されるため、各隙間から当該隙間に隣接する隙間への電解液の移動を抑制することができる。その結果、電解液を各隙間に保持し、谷状部に配置された活物質層に電解液をより確実に供給することができる。
【００２１】
上記電極において、活物質層は、集電体としての金属箔の片面に設けられていてもよく、両面に設けられていてもよい。金属箔を裏側から視た場合に上述した山状部と谷状部とによって形成される金属箔の凹凸は、金属箔を表側から視た場合の凹凸を反転させた形状となる。即ち、金属箔を表側から視た場合の谷状部は、裏側から視たときの山状部となる。同様に、金属箔を表側から視たときの山状部は、裏側から視たときの谷状部となる。
【００２２】
このように、金属箔は、表側及び裏側のいずれから視ても、多数の山状部と多数の谷状部とを有している。それ故、活物質層を金属箔の両面に設ける場合には、いずれの面においても、上記特定の形状を有する活物質層を形成することができる。その結果、各活物質層に電解液を迅速かつ円滑に供給することができる。
【００２３】
活物質層は、通常、活物質とバインダとを含んでいる。活物質としては、例えば、水酸化ニッケルや水素吸蔵合金等の、アルカリ蓄電池用として公知の活物質を採用することができる。
【００２４】
山状部の頂点における活物質層の厚みは１０〜５０μｍの範囲で適宜設定することができる。また、谷状部の底における活物質層の厚みは５０〜１５０μｍの範囲で適宜設定することができる。活物質層の厚みを上記特定の範囲とすることにより、セパレータから押し出された電解液を活物質層とセパレータとの隙間に保持するとともに、谷状部上に配置された活物質層に電解液を迅速かつ円滑に供給することができる。
【００２５】
上記電極とセパレータとを交互に積層することにより、アルカリ蓄電池に組み込まれる電極組立体を作製することができる。セパレータとしては、例えば、親水性官能基を有する不織布等の、ニッケル水素蓄電池用として公知のセパレータを使用することができる。この不織布を構成する樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体等のポリオレフィン系樹脂を採用することができる。
【実施例】
【００２６】
（実施例１）
上記アルカリ蓄電池用電極の実施例を、図を用いて説明する。図１〜図３に示すように、電極１は、多数の山状部２１と、山状部２１同士の間に形成された多数の谷状部２２とを備えた金属箔２と、山状部２１及び谷状部２２に配置された活物質層３（３ｐ、３ｎ）とを有している。図２及び図３に示すように、谷状部２２に配置された活物質層３の表面３１（３１ｐ、３１ｎ）は、当該谷状部２２の形状に沿った凹面状に湾曲している。また、谷状部２２の底２２１における活物質層３の厚みは、山状部２１の頂点２１１における活物質層３の厚みよりも厚くなっている。
【００２７】
図２及び図３に示すように、本例の電極１は、金属箔２の一方の面上に正極活物質層３ｐが配置され、他方の面上に負極活物質層３ｎが配置されたバイポーラ電極として構成されている。図１に示すように、正極活物質層３ｐは、金属箔２の周縁部２３よりも内側に配置されている。また、図には示さないが、負極活物質層３ｎも、正極活物質層３ｐと同様に、金属箔２の周縁部２３よりも内側に配置されている。以下において、便宜上、電極１及び金属箔２の表裏方向に関して、正極活物質層３ｐが配置されている側を「表側」といい、負極活物質層３ｎが配置されている側を「裏側」ということがある。
【００２８】
金属箔２は、厚み１０μｍのニッケル箔から構成されている。金属箔２における正極活物質層３ｐ及び負極活物質層３ｎが配置される部分には、多数の山状部２１と、山状部２１同士の間に形成された多数の谷状部２２とが設けられている。図１及び図２に示すように、表側、即ち、正極活物質層３ｐが配置される側から視た金属箔２の平面視において、山状部２１は格子状に配置されている。また、図４に示すように、これらの山状部２１によって区画された部分には、四角錐状を呈する谷状部２２が形成されている。このように、本例の谷状部２２は、山状部２１に取り囲まれている。本例における谷状部２２の一辺の長さは０．５ｍｍであり、谷状部２２の深さは０．４ｍｍである。
【００２９】
図には示さないが、金属箔２を裏側から視た場合には、上述した山状部２１と谷状部２２とが入れ替わっている。即ち、裏側から視た金属箔２の平面視においては谷状部が格子状に配置されており、谷状部によって区画された部分に四角錐状を呈する山状部が形成されている。
【００３０】
図１〜図３に示すように、正極活物質層３ｐは、金属箔２の表側面上に配置され、山状部２１及び谷状部２２の両方を覆っている。図２及び図３に示すように、金属箔２を表側から視た場合において、谷状部２２に配置された正極活物質層３ｐの表面３１ｐは、谷状部２２の形状に沿った凹面状を呈している。
【００３１】
本例の正極活物質層３ｐは、水酸化ニッケルを含む正極活物質３２ｐと、正極活物質３２ｐ同士を接着するバインダ（図示略）とを有している。正極活物質層３ｐの目付は、例えば２０〜５０ｍｇ／ｃｍ2の範囲で適宜設定することができる。本例における正極活物質層３ｐの目付は２３ｍｇ／ｃｍ2である。また、山状部２１の頂点２１１における正極活物質層３ｐの厚みは２５μｍであり、谷状部２２の底２２１における正極活物質層３ｐの厚みは１３５μｍである。
【００３２】
また、負極活物質層３ｎは、金属箔２の裏側面上に配置され、山状部及び谷状部の両方を覆っている。図２及び図３に示すように、金属箔２を裏側から視た場合において、谷状部に配置された負極活物質層３ｎの表面３１ｎは、谷状部の形状に沿った凹面状を呈している。
【００３３】
本例の負極活物質層３ｎは、水素吸蔵合金からなる負極活物質３２ｎと、負極活物質３２ｎ同士を接着するバインダ（図示略）とを有している。負極活物質層３ｎの目付は、例えば２０〜６０ｍｇ／ｃｍ2の範囲で適宜設定することができる。本例における負極活物質層３ｎの目付は４８ｍｇ／ｃｍ2である。また、山状部２１の頂点２１１における負極活物質層３ｎの厚みは４５μｍであり、谷状部２２の底２２１における負極活物質層３ｎの厚みは１４５μｍである。
【００３４】
本例の電極１は、例えば、以下の方法により作製することができる。まず、表面に四角錐状の突起を多数有する圧延ロールを準備し、この圧延ロールの表面形状を凹凸のない金属箔に転写する。これにより、図４に示すように、金属箔２に山状部２１と谷状部２２とを形成することができる。
【００３５】
次に、活物質３２（３２ｐ、３２ｎ）、バインダ及び溶媒を含むスラリーを準備し、バーコーターやロールコーター等の公知の方法を用いてスラリーを金属箔２の両面に塗布する。このとき、バーコーター等を用いてスラリーを塗布する場合には、金属箔２上のスラリーの液面が平坦になる。また、ロールコーター等を用いてスラリーを塗布する場合にも、金属箔２上のスラリーの液面が表面張力によって平坦になる。それ故、谷状部２２上のスラリーの厚みを山状部２１上のスラリーの厚みよりも厚くすることができる。
【００３６】
その後、スラリーを乾燥させて溶媒を除去することにより、金属箔２上に正極活物質層３ｐ及び負極活物質層３ｎを形成することができる。上述したように、谷状部２２に塗布されたスラリーの厚みは、山状部２１に塗布されたスラリーの厚みよりも厚いため、スラリーを乾燥させることにより、谷状部２２の底２２１における各活物質層３の厚みを、山状部２１の頂点２１１における各活物質層３の厚みよりも厚くすることができる。
【００３７】
スラリーを乾燥させた後、活物質層３ｐ、３ｎを厚み方向にプレスし、正極活物質層３ｐ及び負極活物質層３ｎを金属箔２に密着させることにより、電極１を得ることができる。
【００３８】
次に、本例の作用効果を説明する。電極１は、多数の山状部２１と、多数の谷状部２２とを備えた金属箔２を有している。また、谷状部２２に配置された活物質層３の表面３１は、当該谷状部２２の形状に沿った凹面状に湾曲している。そのため、電極１とセパレータ４とを交互に積層した際に、図２に示すように、活物質層３の表面３１とセパレータ４との間に隙間Ｃを形成することができる。
【００３９】
そして、活物質層３の表面３１とセパレータ４との間に隙間Ｃを形成することにより、充放電時に圧縮されたセパレータ４から押し出された電解液を当該隙間Ｃに保持することができる。また、セパレータ４の厚みが復元する際に、隙間Ｃに保持された電解液を再びセパレータ４や電極１の各部に供給することができる。
【００４０】
また、電極１とセパレータ４との間の隙間Ｃは、電極１における谷状部２２に対応する位置に形成される。そのため、隙間Ｃに保持された電解液を、谷状部２２上に配置された活物質層３に迅速かつ円滑に供給することができる。
【００４１】
本例の谷状部２２は、一定のピッチで配置されているため、電極１とセパレータ４の間の隙間Ｃを、電極１の全面に均等に設けることができる。これにより、電解液の局所的な消失をより効果的に抑制し、アルカリ蓄電池の内部抵抗をより低減することができる。
【００４２】
また、電極１の表側において、各谷状部２２が格子状の山状部２１に取り囲まれている。そのため、電極１とセパレータ４との間の隙間Ｃを山状部２１上に配置された活物質層３によって区画することができる。その結果、各隙間Ｃから当該隙間Ｃに隣接する隙間Ｃへの電解液の移動を抑制し、谷状部２２に配置された活物質層３に電解液をより確実に供給することができる。
【００４３】
以上のように、電極１によれば、電極１やセパレータ４への電解液の供給を迅速に行うことができ、アルカリ蓄電池の内部抵抗を低減することができる。
【００４４】
（実施例２）
本例は、山状部２４及び谷状部２５の形状を変更した例である。なお、本実施例以降において用いる符号のうち、既出の実施例において用いた符号と同一のものは、特に説明のない限り、既出の実施例における構成要素等と同様の構成要素等を表す。
【００４５】
図５及び図６に示すように、本例の電極１０２における金属箔２０２は、表側から視た平面視において格子状に配置された山状部２４を有している。そして、これらの山状部２４によって区画された部分には、滑らかな曲面からなる谷状部２５が形成されている。その他は実施例１と同様である。
【００４６】
図５に示すように、本例の電極１０２においては、実施例１と同様に、谷状部２５に配置された活物質層３の表面３１が谷状部２５の形状に沿った凹面状を呈している。また、谷状部２５の底２５１における活物質層３の厚みは、山状部２４の頂点２４１における活物質層３の厚みよりも厚くなっている。それ故、本例の電極１０２は、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
【００４７】
（実施例３）
本例は、バイポーラ電極１１と、セパレータ４とが交互に積層された電極組立体５１を有するアルカリ蓄電池５の例である。
【００４８】
図７に示すように、本例のアルカリ蓄電池５は、複数の電極１１、１２がセパレータ４を介して積層された電極組立体５１を有している。電極組立体５１は、その積層方向の両端にそれぞれ配置された終端電極１２（１２ｐ、１２ｎ）と、これらの終端電極１２ｐ、１２ｎの間に配置されたバイポーラ電極１１とを有している。電極組立体５１の積層方向における各端部には拘束部材５２が当接している。電極組立体５１の側周面はシール部５３により覆われている。
【００４９】
バイポーラ電極１１は、実施例１の電極１と同様の構成を有している。なお、図７においては、便宜上、金属箔２の形状を簡略化したが、バイポーラ電極１１の金属箔２は、山状部２１及び谷状部２２を有している。
【００５０】
２つの終端電極１２のうち一方の終端電極１２ｐは、平坦な金属箔１２１と、金属箔１２１の片面に設けられた正極活物質層３ｐとを有している。また、他方の終端電極１２ｎは、平坦な金属箔１２１と、金属箔１２１の片面に設けられた負極活物質層３ｎとを有している。
【００５１】
本例の電極組立体５１において、各電極１１、１２は、正極活物質層３ｐと負極活物質層３ｎとが積層方向において交互に並ぶように配置されている。これにより、セパレータ４と、当該セパレータ４に面した正極活物質層３ｐ及び負極活物質層３ｎとにより構成される複数の単セルが電気的に直列に接続されている。
【００５２】
電極組立体５１の積層方向における両端には、金属製の拘束部材５２が配置されている。拘束部材５２は、図示しない保持板により、終端電極１２の金属箔１２１に当接した状態で保持されている。また、拘束部材５２は、ケース外に配置された電極端子と電気的に接続されている。これにより、電極組立体５１と電極端子とが、拘束部材５２を介して電気的に接続されている。
【００５３】
電極組立体５１の側周面は、シール部５３により覆われている。また、シール部５３には、バイポーラ電極１１における金属箔２の周縁部２３、及び、終端電極１２における金属箔１２１の周縁部１２２が保持されている。
【００５４】
本例のアルカリ蓄電池５は、バイポーラ電極１１における正極活物質層３ｐとセパレータ４との間、及び、負極活物質層３ｎとセパレータ４との間に多数の隙間Ｃ（図３参照）を有している。そのため、充放電時に圧縮されたセパレータ４から押し出された電解液を当該隙間Ｃに保持することができる。また、セパレータ４の厚みが復元する際に、隙間Ｃに保持された電解液を再びセパレータ４や電極１の各部に供給することができる。その結果、アルカリ蓄電池５の内部抵抗を低減することができる。
【００５５】
また、アルカリ蓄電池５は、セパレータ４を介して複数枚のバイポーラ電極１１が積層された電極組立体５１を有している。これにより、正極活物質層３ｐと負極活物質層３ｎとがセパレータ４を介して対面した単セルを直列に接続することができる。その結果、アルカリ蓄電池５の起電力をより高くすることができる。
【００５６】
また、バイポーラ電極１１を用いることにより、単極性の電極を用いる場合に比べて、電極の総数に対する単セルの数を増やすことができる。それ故、電極の総数が同じ場合には、単極性の電極を用いる場合に比べて単セルの数を多くすることができる。また、単セルの数が同じ場合には、単極性の電極を用いる場合に比べて電極の総数を少なくし、積層方向におけるアルカリ蓄電池５の寸法をより小さくすることができる。
【００５７】
本発明に係るアルカリ蓄電池用電極及びアルカリ蓄電池の態様は、上述した実施例１〜３の態様に限定されるものではなく、その趣旨を損なわない範囲で適宜構成を変更することができる。例えば、実施例１及び実施例２においては、谷状部２２、２５が一定のピッチで配置された金属箔２、２０２の例を示したが、谷状部を無秩序に形成することもできる。
【００５８】
また、実施例１及び実施例２では、表側から視た場合に山状部２１、２４が格子状を呈し、谷状部２２、２５が点在している金属箔２、２０２の例を示したが、山状部及び谷状部の両方を直線状とし、山状部と谷状部とを交互に配置することもできる。
山状部２１、２４の頂部は平坦になっていてもよい。同様に、谷状部２２、２５の底も平坦になっていてもよい。
電極１は、バイポーラ電極に限定されることはなく、金属箔２、２０２の両面に正極活物質層３ｐが配置された正極や、金属箔２、２０２の両面に負極活物質層３ｎが配置された負極であってもよい。また、電極１の片面のみに活物質層３を配置することも可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１、１１、１０２  アルカリ蓄電池用電極
２、２０２  金属箔
２１、２４  山状部
２１１、２４１  頂点
２２、２５  谷状部
２２１、２５１  底
３  活物質層
３１  活物質層の表面
【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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