(57)【要約】【課題】高い圧力による圧延に耐え得る芯材を活用して活物質の占める体積比率を向上しつつ、電池の内部抵抗を上昇させないことを目的とする。【解決手段】本発明のアルカリ蓄電池用電極は、導電性の芯材を集電体とし、この芯材に複数の略矩形状の貫通孔を、芯材の長手方向に沿って平行する直線状に設け、芯材の幅方向における貫通孔の寸法を、芯材の長手方向における貫通孔の寸法よりも長いか、もしくは等しくした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の芯材を集電体とするアルカリ蓄電池用電極であって、
前記芯材に複数の貫通孔を、芯材の長手方向に沿って平行する直線状に設け、
前記貫通孔を略矩形状とし、
前記芯材の幅方向における前記貫通孔の寸法を、前記芯材の長手方向における前記貫通孔の寸法よりも長いか、もしくは等しいことを特徴とするアルカリ蓄電池用電極。
【請求項２】
前記貫通孔の開口率を２５〜５５％としたことを特徴とする請求項１記載のアルカリ蓄電池用電極。
【請求項３】
前記貫通孔を千鳥状に配置したことを特徴とする請求項１記載のアルカリ蓄電池用電極。
【請求項４】
正極板と負極板とをセパレータを介して円筒状に捲回、または積層した電極群と電解液とを備えるアルカリ蓄電池であって、
前記正極板または負極板に、請求項１〜３のいずれかのアルカリ蓄電池用電極を用いたことを特徴と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、アルカリ蓄電池に使用されるアルカリ蓄電池用電極およびそれを用いたアルカリ蓄電池に関し、より詳しくはこのアルカリ蓄電池用電極を使用した電池の反応抵抗を低減する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話、ＰＨＳ、ノート型コンピュータ等の情報機器のみならず電気自動車の急激な普及に伴い、付加価値が高く小型軽量化が可能な高エネルギー密度の新しい二次電池が開発されている。このような状況下において、市場からは、電池のさらなる小型化、高容量化が要望されている。特にアルカリ蓄電池においては、限られた容積の中で、いかに活物質の占める体積比率を向上させるかが課題となっている。
【０００３】
アルカリ蓄電池では通常、芯材に活物質を塗着した負極板が使用される。負極の芯材は図２に示すように、ニッケルメッキされた鋼板に多数の円形の貫通孔２２ａが形成されたパンチングメタルが使用されており、各貫通孔２２ａを介してパンチングメタルの表裏に配置された活物質が連なっている。なお各貫通孔２２ａは、芯材２２の長手方向および幅方向にそれぞれ沿った状態で千鳥状に配置されている。この芯材２２を使用した負極板と、正極板とを、セパレータを間に挟んで積層して渦巻き状に捲回し、その捲回物を円筒状のケース内に同心状態で収容するとともに、ケース内に水酸化カリウム等の電解液を充填して、アルカリ蓄電池としている。なお負極の活物質は、ニッケルカドミウム蓄電池の場合にはカドミウムであり、ニッケル水素蓄電池の場合には水素吸蔵合金である。
【０００４】
このアルカリ蓄電池の負極板は、活物質の占める体積比率を向上させる目的で、活物質を含むペーストを塗着した後に高い圧力により圧延する手段や、芯材の開口率を増加させて負極板における芯材の比率を低下させる手段が試みられている。しかし過度の圧延は電極の反りを増大させ、加工性を悪化させる。一方、過度の開口率の増加は、電極の強度を低下させるとともに、電子の流れる芯材部分の減少により電気抵抗の上昇を引き起こす。
【０００５】
このような課題を解決するため、芯材の貫通孔を略矩形状にし、芯材の長手方向にそれぞれ平行で、かつ一定の間隔を開けた直線状に配置して芯材の引っ張り強度を向上させ、高い圧力による圧延に耐えうる形態とした上で、活物質の占める体積比率を向上させる方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−３４３３６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記先行例の実施例及び図によると、略矩形状の貫通孔は長手方向寸法が幅方向寸法よりも長いことが明白である。しかしこのような、長手方向寸法が幅方向寸法よりも長い略矩形状貫通孔をもつ芯材からなる電極を用いてアルカリ蓄電池を作成すると、従来の丸形状の貫通孔をもつ芯材を使用した電極と比較してアルカリ蓄電池の反応抵抗が上昇するという問題があった。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決するものであり、高い圧力による圧延に耐え得る芯材を活用して活物質の占める体積比率を向上しつつ、電池の反応抵抗を低減することにより高出力の電池を供給する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を鑑みて、本発明のアルカリ蓄電池用電極は、導電性の芯材を集電体とするアルカリ蓄電池用電極であって、前記芯材に複数の貫通孔を、芯材の長手方向に沿って平行する直線状に設け、前記貫通孔を略矩形状とし、前記芯材の幅方向における前記貫通孔の寸法を、前記芯材の長手方向における前記貫通孔の寸法よりも長いか、もしくは等しいことを特徴とする。
【０００９】
これにより、アルカリ蓄電池用電極の幅方向の電気の流れがスムーズになり、結果的にアルカリ蓄電池の反応抵抗を低減できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、アルカリ蓄電池用電極に高い圧力による圧延に耐え得る芯材を活用して活物質の占める体積比率を向上でき、なおかつアルカリ蓄電池の反応抵抗を低減できるので、アルカリ蓄電池の高エネルギー密度化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
第１の発明は、導電性の芯材を集電体とし、この芯材に複数の略矩形状の貫通孔を、芯材の長手方向に沿って平行する直線状に設け、貫通孔の、幅方向寸法が長手方向寸法よりも長いか、もしくは等しくしたアルカリ蓄電池用電極に関する。
【００１３】
図１は、本発明のアルカリ蓄電池用電極に用いる芯材１２ｂの展開図である。帯状の芯材１２ｂには、多数の略矩形状の貫通孔１２ａが設けられており、この芯材１２ｂに水素吸蔵合金などの活物質を含むペーストが塗着されてアルカリ蓄電池用電極が構成される。本発明は、帯状の芯材１２ｂの幅方向における貫通孔の寸法が、長手方向における貫通孔の寸法よりも長いか、もしくは等しくしたことを特徴とする。
【００１４】
芯材の貫通孔を略矩形状にする場合、貫通孔の長手方向寸法を幅方向寸法よりも長くする構成が一般的であった。しかしこの貫通孔では、従来の丸形状の貫通孔をもつ芯材を使用したアルカリ蓄電池用電極と比較して、アルカリ蓄電池の反応抵抗が上昇するという問題があった。
【００１５】
この傾向は、負極板の端面に集電板を接合した場合に特に顕著である。負極板の端面に集電板を接合するためには、正・負極板を渦巻き状に捲回、または積層する際に正・負極板の幅方向にずらすことにより端面を露出させ、かつその端面は活物質が塗布されていない芯材露出部とし、その負極板の端面に集電板を抵抗溶接あるいはレーザー溶接等により接合させる方法が一般的である。この構造の場合、充電時、あるいは放電時において負極板を流れる電流は、端面に接合された集電板に集約される。その際、負極板内の各所において、電流はセパレータを介して正極板との間で授受されるが、電子は負極板の表面から厚み方向に移動して芯材へと移り、芯材を通って集電板へと移動する。即ち、負極の芯材における電流は、負極板の幅方向が支配的である。
【００１６】
然るに、従来のように、略矩形状の貫通孔の長手方向寸法を幅方向寸法よりも長くすると、幅方向の電気の流れを貫通孔が妨げることになり、芯材の通電経路が事実上長くなり、結果的に電池としての反応抵抗が増大する。
【００１７】
本発明では上記課題を解決するために、図１のように貫通孔の幅方向寸法を長手方向寸法よりも長くする事により極板の幅方向の電気の流れを極力妨げず、通電経路を短くした事で、丸形状の貫通孔をもった芯材を用いたアルカリ蓄電池と同等の反応抵抗を得ることができる。
【００１８】
第２の発明は、第１の発明において、貫通孔１２ａの開口率を２５〜５５％としたことを特徴とする。
【００１９】
電極中で活物質の占める体積比率を向上させるためには、高い圧力による圧延に耐え得る範囲で貫通孔１２ａの開口率を高めるのが好ましい。上述した観点に立てば開口率は２５〜５５％が好適範囲である。なお本発明が定義する開口率とは、貫通孔１２ａが穿孔されている部分の面積から計算したものであり、具体的には図１の左端のように貫通孔１２ａが穿孔されていない箇所を除いて計算したものである。
【００２０】
第３の発明は、第１の発明において、貫通孔１２ａを千鳥状に配置したことを特徴とする。
【００２１】
貫通孔１２ａを千鳥状に配置することにより、芯材１２ｂを穿孔する時に発生する歪みが隣りあう貫通孔１２ａの列間で打ち消しあうため、貫通孔１２ａを格子状に穿孔した場合と比較して芯材１２ｂの波状の変形度合が小さく、活物質の塗工性に優れる。また、芯材の長手方向の引っ張り強度に優れる効果が得られる。これは貫通孔１２ａ間に、芯材の長手方向に連続した無地部があり、芯材が延びにくいためと考えられる。
【００２２】
図３はアルカリ蓄電池の一部切り欠き斜視図である。
【００２３】
ニッケル水素蓄電池などのアルカリ蓄電池１０は、帯状の負極板１２と正極板１３とをセパレータ１４を間に挟んで、それぞれの長手方向に沿って渦巻き状に捲回した電極群が、円筒状のケース１１内に同心状態で収容されている。この電極群は正・負極板が幅方向にずらして捲回されており、上部は正極板の端面が露出し、下部は負極板の端面が露出している。下部の負極板が露出した端面には、負極集電板１６が抵抗溶接により接合されている。ケース１１は、一方の端面１１ａが閉鎖されており、その閉鎖された内面に、負極板１２の端面に接合された負極集電板１６が接触または溶接されている。ケース１１の他方の端面は開放されており、その開放された開口部は封口板１５によって封口されている。封口板１５には、正極板１３の一方の側縁部が接触されており、封口板１５が、正極側の集電部になっている。ケース１１内には、水酸化カリウムを主成分とするアルカリ水溶液からなる電解液が充填されている。
【００２４】
本発明のアルカリ蓄電池用電極およびアルカリ蓄電池について、さらに詳述する。
【００２５】
負極板１２は、上述した芯材１２ｂのほかに、ニッケル水素蓄電池の場合は活物質として水素吸蔵合金が用いられ、ニッケルカドミウム蓄電池の場合は活物質としてカドミウムが用いられる。
【００２６】
芯材１２ｂは、鋼板やニッケル板などからなる。なお芯材１２ｂの材質として鉄を用いる場合、その表面をニッケルなどでメッキ処理して耐食性を向上させるのが好ましい。
【００２７】
貫通孔１２ａのそれぞれの面積は、芯材１２ｂに塗着されるペーストが離脱しないように、それぞれの開口面積が１０ｍｍ2以下とするのが好ましい。なお略矩形状の角部をＲカットしたもの、あるいは角部にカット加工を施したものであってもよい。
【００２８】
正極板１３は、発泡ニッケルのような三次元金属多孔体からなる芯材に、活物質として水酸化ニッケルが充填されたものが一般的である。なお芯材にニッケル粉末を主成分とするペーストを塗着して焼結した後に水酸化ニッケル活物質を含浸させる形態（いわゆるシンター式正極）をとる場合、芯材として負極板１２と同様の芯材１２ｂを用いて本発明のアルカリ蓄電池用電極に該当する正極板１３が構成可能であることはいうまでもない。
【００２９】
セパレータ１４は、通常のアルカリ蓄電池のセパレータとして使用されるものであれば特に限定されないが、スルホン化処理されたポリプロピレン不織布を用いるのが好ましい。
【００３０】
ケース１１は、鋼板やニッケル板などからなる。なお芯材１２ｂの材質として鉄を用いる場合、その表面をニッケルなどでメッキ処理して耐食性を向上させるのが好ましい。
【００３１】
以下、本発明のアルカリ蓄電池用電極およびアルカリ蓄電池の実施例について説明する。
【実施例】
【００３２】
実施例は、下記の表１に示す実施例１〜１０であり、下記表１に示す比較例と併せ、図４、図５をも参照しながら説明する。
【００３３】
【表１】
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（実施例１）
負極板１２の芯材１２ｂとして、ニッケルをメッキした鋼板（厚さ６０μｍ）に、開口面積が１．５ｍｍ2の略矩形状の貫通孔１２ａを穿孔したものを用いた。具体的には、芯材１２ｂに、芯材の幅方向における貫通孔の寸法（幅方向寸法）が１．５ｍｍ、芯材の長手方向における貫通孔の寸法（長手方向寸法）が１．０ｍｍである貫通孔１２ａを、開口率が４０％となるように図１のように千鳥状に配置した。
【００３４】
芯材１２ｂの一部を幅１０ｍｍ、長さ１００ｍｍのサンプルとして切り出し、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４１に従って幅方向の引っ張り強度を測定したところ、６２ＭＰａであった。
【００３５】
この芯材１２ｂに、水素吸蔵合金（組成式ＭｍＮｉ3.55Ｃｏ0.75Ａｌ0.3Ｍｎ0.4（Ｍｍは軽希土類元素の混合物）、ボールミルにより平均粒径が２０μｍとなるように粉砕）と結着剤との混合物からなるペーストを塗着して乾燥した。さらに総厚みが０．３０ｍｍとなるようにロールプレス機（線圧４００ｔ／ｃｍ）で圧延して、芯材１２ｂの長手方向が長径となるように帯状に切断し、理論容量が１０Ａｈの負極板１２を作製した。
【００３６】
この負極１２を、スルホン化処理されたポリプロピレン不織布（厚み０．２ｍｍ）からなるセパレータ１４を介して、発泡ニッケルに水酸化ニッケルを充填した帯状の正極板１３（厚み０．３ｍｍ、理論容量６．５Ａｈ）と対峙させ、５ｍｍの芯棒を用いて帯状の長径に沿って渦巻き状に捲回し、ケース１１（内径３１ｍｍ、高さ６３ｍｍ）の中に収容した。さらに電解液として、水酸化カリウムを主成分とする比重１．３のアルカリ水溶液を注入して、ケース１１の開口部を封口板によって封口することにより、Ｄサイズのニッケル水素蓄電池（理論容量６．５Ａｈ）を作製した。
【００３７】
このニッケル水素蓄電池の充放電サイクル抵抗の関係を測定した結果を図４に示す。このニッケル水素蓄電池の作製当初の内部抵抗は４．０ｍΩ程度であったが、５００サイクル終了時点でもほぼ同様の内部抵抗であった。
【００３８】
（実施例２）
芯材１２ｂにおける貫通孔１２ａの幅方向寸法を２．５ｍｍ、長手方向寸法を０．５ｍｍ、開口率を４０％としたこと以外は、実施例１と同様にして負極板１２を作製した。
【００３９】
実施例１と同様の方法に従って芯材１２ｂの幅方向の引っ張り強度を測定したところ、５５ＭＰａであった。この負極板１２を用いて、実施例１と同様にしてニッケル水素蓄電池を作製した。
【００４０】
このニッケル水素蓄電池の充放電サイクル抵抗の関係を測定した結果を図４に示す。このニッケル水素蓄電池の作製当初の内部抵抗は３．５ｍΩ程度であったが、５００サイクル終了時点でもほぼ同様の内部抵抗であった。
【００４１】
なお、貫通孔１２ａの長手方向寸法を０．４ｍｍにて加工することを試みたが、開孔部端面のバリが大きく、開孔することが不可能であった。
【００４２】
（実施例３）
芯材１２ｂにおける貫通孔１２ａの幅方向寸法を１．２ｍｍ、長手方向寸法を１．２ｍｍ、開口率を４０％としたこと以外は、実施例１と同様にして負極板１２を作製した。
【００４３】
実施例１と同様の方法に従って芯材１２ｂの幅方向の引っ張り強度を測定したところ、５２ＭＰａであった。この負極板１２を用いて、実施例１と同様にしてニッケル水素蓄電池を作製した。
【００４４】
このニッケル水素蓄電池の充放電サイクル抵抗の関係を測定した結果を図４に示す。このニッケル水素蓄電池の作製当初の内部抵抗は４．５ｍΩ程度であったが、５００サイクル終了時点でもほぼ同様の内部抵抗であった。
【００４５】
（実施例４）
芯材１２ｂにおける貫通孔１２ａの幅方向寸法を１．５ｍｍ、長手方向寸法を１ｍｍ、開口率を２０％としたこと以外は、実施例１と同様にして負極板１２を作製した。
【００４６】
実施例１と同様の方法に従って芯材１２ｂの幅方向の引っ張り強度を測定したところ、１０２ＭＰａであった。この負極板１２を用いて、実施例１と同様にしてニッケル水素蓄電池を作製した。
【００４７】
このニッケル水素蓄電池の作製当初の内部抵抗は２．４ｍΩ程度であったが、５００サイクル終了時点では５．８ｍΩ程度の内部抵抗となった。
【００４８】
（実施例５）
芯材１２ｂにおける貫通孔１２ａの幅方向寸法を１．５ｍｍ、長手方向寸法を１ｍｍ、開口率を２５％としたこと以外は、実施例１と同様にして負極板１２を作製した。
【００４９】
実施例１と同様の方法に従って芯材１２ｂの幅方向の引っ張り強度を測定したところ、８８ＭＰａであった。この負極板１２を用いて、実施例１と同様にしてニッケル水素蓄電池を作製した。
【００５０】
このニッケル水素蓄電池の作製当初の内部抵抗は２．８ｍΩ程度であったが、５００サイクル終了時点では５．１ｍΩ程度の内部抵抗であったが、５００サイクル終了時点でもほぼ同様の内部抵抗であった。
【００５１】
（実施例６）
芯材１２ｂにおける貫通孔１２ａの幅方向寸法を１．５ｍｍ、長手方向寸法を１ｍｍ、開口率を３０％としたこと以外は、実施例１と同様にして負極板１２を作製した。
【００５２】
実施例１と同様の方法に従って芯材１２ｂの幅方向の引っ張り強度を測定したところ、７９ＭＰａであった。この負極板１２を用いて、実施例１と同様にしてニッケル水素蓄電池を作製した。
【００５３】
このニッケル水素蓄電池の作製当初の内部抵抗は３．１ｍΩ程度であったが、５００サイクル終了時点では４．２ｍΩ程度の内部抵抗あったが、５００サイクル終了時点でもほぼ同様の内部抵抗であった。
【００５４】
（実施例７）
芯材１２ｂにおける貫通孔１２ａの幅方向寸法を１．５ｍｍ、長手方向寸法を１ｍｍ、開口率を５０％としたこと以外は、実施例１と同様にして負極板１２を作製した。
【００５５】
実施例１と同様の方法に従って芯材１２ｂの幅方向の引っ張り強度を測定したところ、５０ＭＰａであった。この負極板１２を用いて、実施例１と同様にしてニッケル水素蓄電池を作製した。
【００５６】
このニッケル水素蓄電池の作製当初の内部抵抗は５．０ｍΩ程度であったが、５００サイクル終了時点でもほぼ同様の内部抵抗であった。
【００５７】
（実施例８）
芯材１２ｂにおける貫通孔１２ａの幅方向寸法を１．５ｍｍ、長手方向寸法を１ｍｍ、開口率を５５％としたこと以外は、実施例１と同様にして負極板１２を作製した。
【００５８】
実施例１と同様の方法に従って芯材１２ｂの幅方向の引っ張り強度を測定したところ、４０ＭＰａであった。この負極板１２を用いて、実施例１と同様にしてニッケル水素蓄電池を作製した。
【００５９】
このニッケル水素蓄電池の作製当初の内部抵抗は５．３ｍΩ程度であったが、５００サイクル終了時点でもほぼ同様の内部抵抗であった。
【００６０】
（実施例９）
芯材１２ｂにおける貫通孔１２ａの幅方向寸法を１．５ｍｍ、長手方向寸法を１ｍｍ、開口率を６０％としたこと以外は、実施例１と同様にして負極板１２を作製した。
【００６１】
実施例１と同様の方法に従って芯材１２ｂの幅方向の引っ張り強度を測定したところ、３２ＭＰａであり、塗工時やや波打ちを生じた。この負極板１２を用いて、実施例１と同様にしてニッケル水素蓄電池を作製した。
【００６２】
このニッケル水素蓄電池の作製当初の内部抵抗は５．８ｍΩ程度であった。
【００６３】
（実施例１０）
芯材１２ｂにおける貫通孔１２ａの幅方向寸法を１．５ｍｍ、長手方向寸法を１ｍｍ、開口率を４０％としたこと以外は、実施例１と同様にして負極板１２を作製した。
【００６４】
実施例１と同様の方法に従って芯材１２ｂの幅方向の引っ張り強度を測定したところ、６０ＭＰａであったが、塗工時やや波打ちを生じた。この負極板１２を用いて、実施例１と同様にしてニッケル水素蓄電池を作製した。
【００６５】
このニッケル水素蓄電池の作製当初の内部抵抗は３．２ｍΩ程度であったが、５００サイクル終了時点でもほぼ同様の内部抵抗であった。
【００６６】
（比較例１）
図２に示すように、芯材１２ｂにおける貫通孔１２ａの幅方向寸法を１．０ｍｍ、長手方向寸法を１．５ｍｍ、開口率を４０％としたこと以外は、実施例１と同様にして負極板１２を作製した。
【００６７】
実施例１と同様の方法に従って芯材１２ｂの幅方向の引っ張り強度を測定したところ、７５ＭＰａであった。この負極板１２を用いて、実施例１と同様にしてニッケル水素蓄電池を作製した。
【００６８】
このニッケル水素蓄電池の充放電サイクル抵抗の関係を測定した結果を図５に示す。このニッケル水素蓄電池の内部抵抗は作製当初から９．２ｍΩ程度という高い水準であった。
【００６９】
（比較例２）
図２に示すように、芯材１２ｂにおける貫通孔１２ａの幅方向寸法を１．０ｍｍ、長手方向寸法を１．５ｍｍ、開口率を２５％としたこと以外は、実施例１と同様にして負極板１２を作製した。
【００７０】
実施例１と同様の方法に従って芯材１２ｂの幅方向の引っ張り強度を測定したところ、１２３ＭＰａであった。この負極板１２を用いて、実施例１と同様にしてニッケル水素蓄電池を作製した。
【００７１】
このニッケル水素蓄電池の充放電サイクル抵抗の関係を測定した結果を図５に示す。このニッケル水素蓄電池の内部抵抗は作製当初から７．８ｍΩ程度という高い水準であるが、500サイクル終了時点では１０．２ｍΩ程度というさらに高い水準となった。
【００７２】
以上の結果から、本発明を構成するアルカリ蓄電池用電極の芯材１２ｂは、芯材の貫通孔における幅方向寸法が長手方向寸法よりも長いか、または等しいことが必要であることがわかった。
【００７３】
また、貫通孔１２ａの開口率を２５〜５５％とするのが好ましいことがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明のアルカリ蓄電池用電極は、高い圧力による圧延に耐え得る芯材を活用できる上に、内部抵抗の小さいアルカリ蓄電池の構成要素となり得る。よって複数個のアルカリ蓄電池を電源に用いる電気自動車などの電源として利用可能性が高く、効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明のアルカリ蓄電池用電極に用いる芯材の展開図
【図２】比較例のアルカリ蓄電池用電極に用いる芯材の展開図
【図３】本発明のアルカリ蓄電池の一部切り欠き斜視図
【図４】実施例１〜３に係るアルカリ蓄電池の充放電サイクル数と内部抵抗の関係を示すグラフ
【図５】比較例１、２に係るアルカリ蓄電池の充放電サイクル数と内部抵抗の関係を示すグラフ
【符号の説明】
【００７６】
１１    ケース
１２    負極板
１２ａ  貫通孔
１２ｂ  芯材
１３    正極板
１４    セパレータ
１５    封口板
１６    負極集電板
【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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