(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マンガン酸化物、活性炭、導電材、ポリテトラフルオロエチレンおよび水を混練して水分含有率が２０〜４０重量％となる混合物とし、この混合物を湿潤状態のまま１．０〜５．０ｍｍ径の大きさに造粒する工程と、この造粒物を湿潤状態のまま２本の回転ロール間に通してシート状にする工程と、得られたシート状物を集電体と共に２本の回転ロール間に通してシート状物を集電体に充填する工程からなることを特徴とする空気電池用正極の製造方法。
【請求項２】
ポリテトラフルオロエチレンの量が、マンガン酸化物、活性炭、導電材およびポリテトラフルオロエチレンの総重量の１０〜４０重量％である請求項１記載の空気電池用正極の製造方法。
【請求項３】
マンガン酸化物、活性炭、導電材、ポリテトラフルオロエチレンおよび水を混練して水分含有率が２０〜４０重量％となる混合物とし、この混合物を湿潤状態のまま１．０〜５．０ｍｍ径の大きさに造粒する工程と、この造粒物を湿潤状態のまま集電体と共に２本の回転ロール間に通して集電体に充填する工程からなることを特徴とする空気電池用正極の製造方法。
【請求項４】
ポリテトラフルオロエチレンの量が、マンガン酸化物、活性炭、導電材およびポリテトラフルオロエチレンの総重量の１０〜４０重量％である請求項３記載の空気電池用正極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は空気電池用正極の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気電池は、金属集電体に触媒層が圧着成形されたものを含む正極組み立て体（正極）と、亜鉛粉および電解液を含むゲル状の負極作用物質層（負極）との間で、空気中の酸素を利用して電力を得るもので、すでに実用に供されている。空気電池では、空気を利用して正極および負極で次のような電極反応が行われ、１．４Ｖ程度の起電力を得ている。
負極側：Ｚｎ＋２ＯＨ- →ＺｎＯ＋Ｈ2 Ｏ＋２ｅ- 
正極側： 1/2Ｏ2 ＋Ｈ2 Ｏ＋２ｅ- →２ＯＨ- 
【０００３】
図２は従来の空気電池の一例を示すもので、その要部断面図である。図２において、１は底壁面に空気孔２を有する開口型の正極ケースであり、正極ケース１内には、その内底壁面上に拡散紙３、撥水膜４、金属集電体５を支持体として圧着成形された触媒層６およびセパレータ７が順次積層配置されて正極組立体８を形成している。９は亜鉛粉および電解液を含有したゲル状の負極作用物質で、前記セパレータ７の上に積層配置されている。１０は負極ケースで、その内壁面が負極作用物質９に電気的に接する一方、正極ケース１の開口部を封止している。１１は負極ケース１０と正極ケース１との間に介挿配置された絶縁ガスケットであり、１２は空気孔２を封止するためのシールテープである。
【０００４】
上記の空気電池において、触媒層６は従来次のように製造されていた。例えば、マンガン酸化物、活性炭、導電材を含有するペースト状の混合物（合剤ペースト）を集電体の両側に一定厚さで塗着し、溶媒を飛散させた後、これを２本の回転ロール間に通して充填するか（ペースト法）、あるいは溶媒を用いずに混合粉末（合剤粉末）をシート状に成形した後、集電体と共に２本の回転ロール間に通し、充填を行っていた（ロール法）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、触媒層合剤を集電体に圧着するにはバインダーとしてポリテトラフルオロエチレンを用いている。このバインダーとしての結着性は、ポリテトラフルオロエチレンの繊維化によって生じた複雑に絡み合った網状構造内に前記マンガン酸化物、活性炭、導電材からなる合剤が捕捉されやすいことと、ポリテトラフルオロエチレン粒子同士が結着しやすいこと、に依存している。なお、ここでいう「繊維化」とは、ポリテトラフルオロエチレン同士のこすり合わせ、またはポリテトラフルオロエチレンとマンガン酸化物、活性炭、導電材とのこすり合わせにより、剪断力が生じてポリテトラフルオロエチレン粒子同士が引き伸ばされ、互いに絡み合い網状になることをいう。この繊維化を高めるためには、ポリテトラフルオロエチレン粒子にいかに効率的に剪断力を与えるかが重要となる。
【０００６】
しかし、「ペースト法」の場合は、ペースト製造段階で６０ｗｔ％もの水分が存在するため、合剤粒子間に存在する多量の水分の影響でポリテトラフルオロエチレン粒子に剪断力が掛かりにくい状態となっており、十分に繊維化した合剤ペーストが得られない。また、これに続く回転ロール間に通す工程でも剪断力による繊維化が不充分となる。
【０００７】
一方、「ロール法」の場合は、マンガン酸化物、活性炭、導電材およびポリテトラフルオロエチレンを攪拌する際に、各材料のこすり合わせによりポリテトラフルオロエチレンの繊維化がある程度行われるが、高速で長時間攪拌しなければ十分な剪断力は得られない。したがって、繊維化が不充分であり、また、繊維化されても不均一であるため、シート作成時にシートが途中で切れてしまい、生産効率を著しく低下させる。さらに、不均一な繊維化で撥水性の低下を招き、過放電耐漏液特性の低下という問題が起こる。
【０００８】
本発明は上記問題に対処してなされたもので、品質特性の優れた電極を製造することができ、しかも生産性が高い空気電池用電極の製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、▲１▼マンガン酸化物、活性炭、導電材、ポリテトラフルオロエチレンおよび水を混練して水分含有率が２０〜４０重量％となる混合物とし、この混合物を湿潤状態のまま１．０〜５．０ｍｍ径の大きさに造粒する工程と、この造粒物を湿潤状態のまま２本の回転ロール間に通してシート状にする工程と、得られたシート状物を集電体と共に２本の回転ロール間に通してシート状物を集電体に充填する工程と、からなるか、▲２▼上記造粒物を湿潤状態のまま集電体と共に２本の回転ロール間に通して集電体に充填する工程からなることを特徴とする空気電池用正極の製造方法に関する。
【００１０】
本発明では合剤水分含有率を２０〜４０重量％とすることで摩擦力を増大させ、剪断力を高めてポリテトラフルオロエチレンの繊維化を促進した。しかしながら、水分が少ないためペースト状とはならず湿潤状態の大きな塊状となるので、従来のペースト法やロール法は適用できない。そこで造粒することでシート成形を可能にした。造粒は粒子が１．０〜５．０ｍｍ径になるように行う。１．０ｍｍ未満の場合は流動性が悪く扱いが困難となり、５．０ｍｍより大きいとシート成型時に２本のロールの間に入りにくいためシート成形が困難となる。
【００１１】
また、水分含有率は、２０重量％未満の場合は均一な混練ができず、逆に４０重量％より多い場合はポリテトラフルオロエチレン粒子に十分な剪断力が与えられないので、繊維化が不充分となる。
【００１２】
混合物に加えるポリテトラフルオロエチレンの量は、マンガン酸化物、活性炭、導電材およびポリテトラフルオロエチレンの総重量の１０〜４０重量％が好ましい。１０重量％未満の場合は、撥水効果が低下して過放電耐漏液特性が悪くなり、バインダーとしての結着力も不充分であるので電極からの合剤粉の脱落という問題も生ずる。４０重量％より多い場合は触媒量の減少により放電特性に悪影響が出る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図２に示すボタン型空気電池（ＪＩＳ規格ＰＲ４４型）に適用して説明する。図２において、各符号は先に説明した通りであるが、さらに詳しく述べると、拡散紙３はクラフト紙、撥水膜４はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フィルムからなっており、ゲル状の負極作用物質９は３０〜３６重量％の水酸化カリウム水溶液（電解液）にポリアクリル酸（ゲル化剤）、亜鉛合金粉末を配合して調製したものである。また、負極ケース１０はニッケル、ステンレス鋼および銅の三層クラッド製であり、絶縁ガスケット１１はポリアミド樹脂系のものである。
【００１４】
上記において、触媒層６は以下のようにして製造した。
図１は正極シートを成形するための成形機の説明図である。マンガン酸化物、活性炭、導電材、ポリテトラフルオロエチレンおよび水を混練して水分含有率が２０〜４０ｗｔ％となるようにし、得られた混合物を湿潤状態のまま、１．０〜５．０ｍｍ径の大きさに造粒する。図１（ａ）に示すように、得られた造粒物を湿潤状態のまま、２本の回転ロールＲ１の間に通すと、上記混合物はシート状に成形される。次にこのシート状になったもの（触媒層６）を集電体５とともに２本の回転ロールＲ２の間に通して集電体にこれを充填させ、その後１５０℃の熱風で乾燥させる。
【００１５】
別の方法は、図１（ｂ）に示すように、得られた造粒物を湿潤状態のまま集電体５とともに２本の回転ロールＲ１の間に通した後、１５０℃の熱風で乾燥させ、次に厚さを均一にするため２本の回転ロールＲ２の間を通す方法である。
【００１６】
これらの方法において、水分添加率および造粒後の粒径を以下に示すように種々変えて、正極シートを製造した。
【００１７】
（実施例１）
触媒層６の構成を、マンガン酸化物、活性炭、導電材、ポリテトラフルオロエチレンおよび水を混練して水分含有率が２０ｗｔ％となる混合物とし、この混合物を湿潤状態のまま、３．０ｍｍ径の大きさになるように造粒した。これを用い、上記成形法で正極シートを作成した。
【００１８】
（実施例２）
触媒層の水分含有率を４０ｗｔ％としたこと以外は実施例１と同様にして正極シートを作成した。
【００１９】
（実施例３）
触媒層の水分含有率を４０ｗｔ％とし、粒径を１．０ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にして正極シートを作成した。
【００２０】
（実施例４）
粒径を５．０ｍｍとしたこと以外は実施例３と同様にして正極シートを作成した。
【００２１】
（比較例１）
触媒層の水分含有率を１０ｗｔ％としたこと以外は実施例１と同様にして正極シートを作成した。
【００２２】
（比較例２）
触媒層の水分含有率を５０ｗｔ％としたこと以外は実施例１と同様にして正極シートを作成した。
【００２３】
（比較例３）
粒径を０．５ｍｍとしたこと以外は実施例３と同様にして正極シートを作成した。
【００２４】
（比較例４）
粒径を６．０ｍｍとしたこと以外は実施例３と同様にして正極シートを作成した。
【００２５】
（比較例５）
従来の「ロール法」で正極シートを作成した。すなわち、マンガン酸化物、活性炭、導電材、ポリテトラフルオロエチレンをドライ攪拌し、得られた混合物を２本の回転ロール間に通してシート状とし、得られたシートを集電体と共に２本の回転ロール間に通して正極シートを作成した。
【００２６】
これらの実施例および比較例で得た正極シートを用い、ＪＩＳ規格ＰＲ４４型の空気電池を各５０個づつ組み立てた。
上記各実施例および比較例の空気電池について、テトラフルオロエチレンの繊維化の度合いおよび電極シートの均一性を確認するために、過放電耐漏液試験（２５０Ω−３００ｈ）（ｎ＝１０）および引っ張り強度試験を実施した。その結果を表１に表示した。
【００２７】
【表１】
0004352187.tif 000002
【００２８】
表１から明らかなように、実施例１および２と比較例１および２とを比較すると、比較例１のように水分添加率が少なすぎると引っ張り強度が弱くなっている。このことから、ポリテトラフルオロエチレンの繊維化の進行具合が悪くなっていることがわかる。さらに、過放電耐漏液試験の結果から、触媒層の撥水性も比較例１の方が悪くなっていることから、ポリテトラフルオロエチレンの繊維化の均一性も悪いことがわかる。
【００２９】
一方、比較例２のように水分添加率が多すぎても引っ張り強度が弱くなっている。このことから、ポリテトラフルオロエチレンの繊維化の進行具合が悪くなっていることがわかる。さらに、過放電耐漏液試験の結果から、触媒層の撥水性も比較例２の方が悪くなっていることから、ポリテトラフルオロエチレンの繊維化の均一性も悪いことがわかる。
【００３０】
また、実施例３および４と比較例３および４とを比較すると、比較例３では造粒物の粒径が小さすぎるので、造粒物の流動性が悪く取り扱いが困難となり、正極シートを成形できなかった。また、比較例４では造粒物の粒径が大きいので、正極シート成形時に２本のロール間に入りにくく正極シート成形ができなかった。
【００３１】
さらに実施例１〜４と比較例５を比較すると従来の方法であるロール法を用いた比較例５では、実施例よりも引っ張り強度が弱くなっていることがわかる。このことから、従来の製造方法では、ポリテトラフルオロエチレンの繊維化の進行具合が本発明の製造方法よりも進んでいないことがわかる。また、過放電耐漏液試験の結果から、繊維化の均一性も悪いことがわかる。
【００３２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態をとることができる。たとえば、空気電池の形式はＪＩＳ規格ＰＲ４４以外であってもよい。また、ボタン型空気電池以外の円筒型空気電池であってもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の製造方法は生産性が高く、しかも過放電漏液のない品質特性の優れた電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）請求項１に記載された本発明の空気電池用正極の製造方法を示す図。（ｂ）請求項３に記載された本発明の空気電池用正極の製造方法を示す図。
【図２】ボタン型空気電池の要部構成を示す断面図。
【符号の説明】
１…正極ケース、２…空気孔、３…拡散紙、４…撥水膜、５…集電体、６…触媒層、７…セパレータ、８…正極組み立て体、９…負極活物質、１０…負極ケース、１１…絶縁性ガスケット、１２…シールテープ。
【図１】
0004352187.tif 000003
【図２】
0004352187.tif 000004