JP2004071335A - 電池用電極板、電池、電池用電極板の製造方法、および電池用電極板の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デジタルカメラやノートパソコン等の携帯機器に用いられる電池には、ますます高容量化と高出力化とが望まれている。そして、そのような要求に応じるために、電極板の芯材が薄型化される傾向にある。しかしながら、電極板の芯材を薄くすることにより、電池の電極体と集電体との溶接部の剥離が発生しやすいという課題があった。
【解決手段】ロール状に巻回されて略円筒形を有する外装缶１に収納される長尺状の正極電極板１１であって、長尺状の長手方向の正極リード部１１Ｌを除く部分の面に活物質が付着されている長尺状の薄板状芯材を備え、正極リード部１１Ｌは、長手方向に実質上直交する断面の形状が波形状であるように成形されている正極電極板１１である。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ニッケル水素電池などの電池に使用される電池用電極板、電池、電池用電極板の製造方法、および電池用電極板の製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ニッケル水素電池などの円筒形電池に使用される代表的な電極体は、長尺状の正極電極板と負極電極板とがセパレータを介して巻回された渦巻状電極体によって形成されている。
【０００３】
正極電極板は、活物質となる水酸化ニッケル粉末、バインダー、および溶媒を主とした塗料を、厚みとして約１ｍｍの三次元的な空孔を有する金属多孔体からなる発泡メタルに充填、乾燥した後、加圧圧縮するものが一般的に知られている。
【０００４】
また、負極電極板は、活物質となる水素吸蔵合金、バインダー、および溶媒を主とした塗料を、厚みとして約６０μｍの少なくとも最表面にニッケルを含んだパンチングメタルからなる芯材の両面に塗布形成、乾燥した後、加圧圧縮するものが一般的に知られている。
【０００５】
渦巻電極体から電気を取り出すために外部端子と接続する方式として、活物質が付着された各電極板の端縁部を剥離して露出させ、セパレータを介して巻回された渦巻電極体の端縁部に円板状の集電体を押し当てつつ、その集電体に露出された端縁部を溶接で接合する方式がある。
【０００６】
近年は、デジタルカメラやノートパソコン等の携帯機器、電動工具や掃除機等のコードレス機器が、その利便性から急速に普及しており、これらに用いられる電池には、上記機器の長時間使用と高電圧化を可能にさせるべく、ますます高容量化と高出力化とが望まれている。そして、そのような要求に応じるために、電極板の芯材が薄型化される傾向にある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように電極板の芯材を薄くすることにより、電池の落下時や他の物体との激突時に加わる振動や衝撃力が最も接合強度の低い芯材と集電体の溶接部に集中してしまい、溶接部の剥離が発生し易くなることがあった。
【０００８】
上記のように各電極板の端縁部が露出している渦巻電極体の端縁部に集電体を溶接するタイプの電池においては、電極板の芯材を薄くすると、溶接の際に、芯材の露出している部分が溶接に伴って加えられる押圧力によって容易に座屈し、溶接不良が発生することもある。なお、溶接不良が発生すると、電池の内部抵抗が上昇し、機器使用時における電圧低下の原因となる。特に、高電圧で使用する電動工具の電源として用いる場合などには、電池の内部抵抗上昇は致命的である。
【０００９】
より具体的に述べると、例えば、特開２００１―２６６８９９号公報に開示されているように、長尺状芯材の露出している端縁部に外周側主表面から外方に突起するバリを形成する技術を用いると、集電体溶接時の押圧力に対する座屈強度が大きくなるため、溶接不良を抑制できる。しかし、溶接強度が低いと振動や衝撃力が集中した時に剥離が発生し易い。
【００１０】
また、特開２００１―２５６９５４号公報に開示されているように、リチウムイオン電池の場合であるが、負極集電体の一部に切り欠きを入れる等して剛性を低くして弾性を付与すると、外部から加わる振動や衝撃力を吸収できるため、負極集電体と外装缶内面との接合部での剥離を抑制できる。しかし、集電体と芯材の接合部の強度が低すぎる場合、吸収しきれない。
【００１１】
このように、電池の電極体と集電体との溶接部が剥離しやすいという課題があった。
【００１２】
本発明は、上記従来のこのような課題を考慮し、電池の電極体と集電体との溶接部の剥離が抑制された電池用電極板、電池、電池用電極板の製造方法、および電池用電極板の製造装置を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明は、ロール状に巻回されて略円筒形を有する外装缶に収納される長尺状の電池用電極板であって、
前記長尺状の長手方向の一方の端縁部分を除く部分の面に活物質が付着されている前記長尺状の芯材を備え、
前記端縁部分は、前記長手方向に実質上直交する断面の形状が波形状であるように成形されている電池用電極板である。
【００１４】
第２の本発明は、前記活物質が付着されている部分の厚みｔ（ｍｍ）と前記波形状の高さｈ（ｍｍ）との差ｔ−ｈ（ｍｍ）は、実質的に０．０５（ｍｍ）と０．１（ｍｍ）との間にある第１の本発明の電池用電極板である。
【００１５】
第３の本発明は、前記波形状とは、折り曲がりの角度が実質的に２０（°）と４０（°）との間にある三角波形状である第１の本発明の電池用電極板である。
【００１６】
第４の本発明は、前記端縁部分の内の端縁の近傍部分は、前記巻回されて前記略円筒形を有する外装缶に収納された際に、その略円筒形の底部と平行になるように成形されている第１の本発明の電池用電極板である。
【００１７】
第５の本発明は、前記端縁部分の内の端縁の近傍部分は、前記巻回されて前記略円筒形を有する外装缶に収納された際に、前記端縁がその略円筒形の外側を向くように成形されている第４の本発明の電池用電極板である。
【００１８】
第６の本発明は、第１の本発明の電池用電極板と、
前記端縁部分が電気的に接続される集電体とを備えた電池である。
【００１９】
第７の本発明は、第１の本発明の電池用電極板の製造方法であって、
外周面に前記波形状に応じた凹凸が設けられた一対のローラを利用して前記成形を行う成形ステップを備えた電池用電極板の製造方法である。
【００２０】
第８の本発明は、前記一対のローラは、前記成形と同時に、前記活物質が付着されている部分を前記ロール状の巻回がより行われやすいように湾曲させることが可能な第７の本発明の電池用電極板の製造方法である。
【００２１】
第９の本発明は、前記一対のローラは、前記巻回の際に内側にくる側を押圧するための第１のローラと、前記巻回の際に外側にくる側を押圧するための第２のローラとを備え、
前記第１のローラの直径は、前記第２のローラの直径の実質的に半分である第８の本発明の電池用電極板の製造方法である。
【００２２】
第１０の本発明は、第１の本発明の電池用電極板の製造装置であって、
外周面に前記波形状に応じた凹凸が設けられた、前記成形を行うための一対のローラを備えた電池用電極板の製造装置である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる実施の形態について、図面を参照しつつ説明を行う。
【００２４】
（実施の形態１）
はじめに、図１を主として参照しながら、本実施の形態の円筒形電池１００の構成および作用について説明する。なお、図１は、本発明にかかる実施の形態１の円筒形電池１００の構成の説明図である。
【００２５】
外装缶１の中には、長尺状の正極電極板１１と長尺状の負極電極板１２とがセパレータ１３を介して巻芯軸３に渦巻状に巻回されてなる渦巻電極体２にアルカリ電解液が含浸されてなる発電素体が収納されている。
【００２６】
渦巻状電極体２の上部には、正極集電体１４が設けられており、正極電極板１１の芯材（厚さ０．０２ｍｍ程度の薄板状を有する電解ニッケル箔で形成されている）の露出している端縁部である正極リード部１１Ｌは、その最上部が正極集電体１４と溶接によって接合されている。正極リード部１１Ｌは、長尺状の正極電極板１１の長手方向に実質上直交する断面の形状が三角波形状であるように成形されており、バネのように三回だけ折り曲げられている。
【００２７】
渦巻状電極体２の下部には、負極集電体１５が設けられており、負極電極板１２の芯材（厚さ０．０２ｍｍ程度の薄板状を有する電解ニッケル箔で形成されている）の露出している端縁部である負極リード部１２Ｌも、その最下部が負極集電体１５と溶接によって接合されている。負極リード部１２Ｌは、長尺状の負極電極板１２の長手方向に実質上直交する断面の形状が三角波形状であるように成形されており、バネのように三回だけ折り曲げられている。
【００２８】
つぎに、図２を主として参照しながら、本実施の形態の正極電極板１１の構成および作用について説明する。なお、図２は、本発明にかかる実施の形態１の正極電極板１１の正極リード部１１Ｌの拡大断面図である。
【００２９】
正極電極板１１は、薄板状芯材２１の両面に正極活物質が付着された正極活物質付着部１１Ａと正極電極板１１の薄板状芯材２１が露出した端縁部である正極リード部１１Ｌとから構成されている。
【００３０】
もちろん、負極電極板１２に関しても同様である。
【００３１】
本実施の形態の特徴は、正極リード部１１Ｌや負極リード部１２ＬをこのようなＶ溝状の複数の凹凸が形成されるように折り曲げ、これらに弾性を付与したことにある。
【００３２】
正極リード部１１Ｌに弾性を付与することにより、円筒形電池１００（図１参照）の外部からの振動や落下時の衝撃を吸収し、正極リード部１１Ｌと正極集電体１４（図１参照）との接合部での剥離を抑制することができる。つまり、Ｖ溝形状の凹凸に折り曲げることにより、薄板状芯材２１が保有するバネ性を発揮させ、正極リード部１１Ｌの弾性を増幅させることができる。そして、正極リード部１１Ｌをバネのように伸縮させることにより、円筒形電池１００の外部から接合部に伝わる振動や衝撃により発生する引張応力や圧縮応力を減衰したり、渦巻電極体２に伝わる慣性力自体も減衰できる。
【００３３】
もちろん、渦巻集電体２の上部（正極側）に当たる正極リード部１１Ｌだけではなく、下部（負極側）に当たる負極リード部１２Ｌにも弾性を付与したことにより、振動や衝撃により発生する引張応力や圧縮応力を減衰させる効果が増大される。また、これとともに、円筒形電池１００の負極端子側からの衝撃にも耐えられることとなる。
【００３４】
なお、外装缶１は本発明の外装缶に対応し、薄板状芯材２１は本発明の芯材に対応し、正極電極板１１は本発明の電池用電極板に対応し、負極電極板１２は本発明の電池用電極板に対応し、正極リード部１１Ｌは本発明の一方の端縁部分に対応し、負極リード部１２Ｌは本発明の一方の端縁部分に対応し、正極集電体１４は本発明の集電体に対応し、負極集電体１５は本発明の集電体に対応する。
【００３５】
このように、本発明者は、薄板状芯材２１をＶ溝状の凹凸に折り曲げ成形して弾性を付与するという簡単な原理の応用で、円筒形電池１００に対する外部からの振動や衝撃を効率よく吸収できることに想到したものであるが、薄板状芯材２１は極めて軽薄であるため、これに対して積極的な成形加工を行う試みは、これまで知られていなかった（成形加工の一実施例については、つぎの実施の形態２において説明する）。
【００３６】
▲１▼なお、Ｖ溝の折り曲がりの角度θは、２０°〜４０°の範囲（より好ましくは２５°〜３５°の範囲）にあることが望ましい。
【００３７】
正極リード部１１Ｌの弾性は、Ｖ溝の折り曲がりの角度θを変更することで変化する。より具体的には、折り曲がりの角度θが小さくなりすぎると、折り曲げの程度が弾性領域から塑性領域に入ってしまうために弾性力が低下し、効果が低減してしまう。また、折り曲がりの角度θが大きくなりすぎると、正極集電体１４と電極板の正極活物質付着部１１Ａとの距離（１〜３ｍｍ程度であることが通常である）が大きくなって正極リード部１１Ｌが長くなり、円筒形電池１００の内部抵抗が上昇してしまうからである。
【００３８】
もちろん、このようなＶ溝の折り曲がりの角度θは、正極集電体１４と正極活物質付着部１１Ａとの距離や、正極リード部１１Ｌの長さ、および折り曲げの回数などの寸法的な設計特性はもちろんのこと、薄板状芯材２１を形成する電解ニッケル箔の弾性係数などの材料特性も考慮して決定されることが望ましい。
【００３９】
▲２▼また、前述したようにＶ溝状の凹凸に成形されている正極リード部１１Ｌにおいて、その凹凸の幅に当たる三角波形状の高さｈ（ｍｍ）と、正極活物質付着部１１Ａと薄板状芯材２１との総厚みに当たる活物質が付着されている部分の厚みｔ（ｍｍ）との間には、
【００４０】
【数１】
０．０５≦ｔ−ｈ≦０．１
の関係が成立することが望ましい。
【００４１】
正極電極板１１と負極電極板１２との間にあるセパレータ１３（図１参照）と正極リード部１１Ｌが接触してしまうと、合成樹脂フィルムであるセパレータ１３が破断する危険性がある。そのため、幅ｈが厚みｔを越えてはならず、差ｔ−ｈは最低でも０．０５ｍｍ程度が確保されている必要がある。しかし、正極電極板１１の厚みｔは通常０．３〜０．６ｍｍ程度しかなく、Ｖ溝状の凹凸の幅ｈを小さくするには限界がある。より具体的には、薄板状芯材２１の厚みや材料の延伸性との兼ね合いもあるが、凹凸の幅が０．１ｍｍ以下になるＶ溝状に成形してしまった場合には、スプリングバックと呼ばれる現象により元の平坦形状に戻ってしまい塑性変形が困難になることが多い。このため、差ｔ−ｈは最大でも０．１ｍｍ程度までに押さえられている必要がある。
【００４２】
▲３▼また、正極リード部１１Ｌの内の端縁の近傍部分は、巻回されて外装缶１（図１参照）に収納された際に、外装缶１の底部と平行になるように成形されていることが望ましい。
【００４３】
正極リード部１１Ｌの内の端縁の近傍部分を外装缶１の底部と平行になるように成形することで、正極集電体１４との接触面積が大幅に拡大するため、溶接強度が向上する。円筒形電池１００の外部から接合部に伝わる振動や衝撃によって発生する引張力以上の溶接強度が得られるので、上述のような剥離は発生しにくくなる。また、集電体の接触面積が大幅に拡大するので、溶接の信頼性も向上する。
【００４４】
▲４▼また、正極リード部１１Ｌの内の端縁の近傍部分は、巻回されて外装缶１（図１参照）に収納された際に、その端縁が外装缶１の外側を向くように成形されていることが望ましい。
【００４５】
正極リード部１１Ｌの内の端縁の近傍部分の折り曲げ方向を外方に向けたことで、正極集電体１４側から加わる荷重が渦巻電極体２（図１参照）の外側に掛かるために、正極リード部１１Ｌが座屈しにくくなる。つまり、円筒状の薄板は外側に掛かる外力に対しては非常に強靱である性質を利用するものである。
【００４６】
もちろん、端縁とは反対側にある部分の折り曲げ方向は、端縁の近傍部分の折り曲げ方向が外側に向くように決定する（端縁とは反対側にある部分の折り曲げ方向自体は、内側であっても外側であってもよい）。
【００４７】
なお、上述した本実施のｌにおいては、薄板状芯材２１の厚みが１０〜３０μｍの範囲であることが望ましい。
【００４８】
（実施の形態２）
はじめに、図３を主として参照しながら、本実施の形態の電池用電極板の製造装置の構成について説明する。なお、図３は、本発明にかかる実施の形態２の正極電極板１１の製造装置の斜視図である。
【００４９】
本実施の形態の正極電極板１１の製造装置は、外周面に前述の三角波形状（図２参照）に応じた凹凸が設けられた、成形を行うための上部成形ローラー３１および下部成形ローラー３２を備えている。上部成形ローラー３１は上部成形ローラー平坦部３１Ａおよび前述の凹凸をもつ上部成形ローラーＶ溝部３１Ｂを有しており、下部成形ローラー３２は下部成形ローラー平坦部３２Ａおよび前述の凹凸をもつ下部成形ローラーＶ溝部３２Ｂを有している。
【００５０】
より具体的に述べると、本実施の形態の正極電極板１１の製造装置は、正極電極板１１の正極リード部１１Ｌを成形するための装置であって、正極電極板１１を保持し矢印Ａで示された方向に走行させる機構（図示省略）とともに、矢印Ａで示されたその走行方向と垂直に交差する位置に設けられた、（１）順方向に回転する上部成形ローラー３１と、（２）上部成形ローラー３１の直下に配置された、上部成形ローラー３１と所定の間隔を保ちつつ、順方向に回転する下部成形ローラー３２とを備えている。
【００５１】
また、上部成形ローラー３１の直径Ｒ１は、下部成形ローラー３２の直径Ｒ２の実質的に半分であって、上部成形ローラー３１と下部成形ローラー３２との間を通過した正極電極板１１には、湾曲（後段におけるロール状の巻回をより行いやすくするためのいわゆる巻き癖）が付与されるものである。
【００５２】
また、本実施の形態の正極電極板１１の製造装置は、このような湾曲が付与された正極電極板１１が上部成形ローラー３１に巻き付くことを防止するためのガイドロール３３（後述の図４参照）を備えている。
【００５３】
なお、上部成形ローラー３１は本発明の第１のローラに対応し、下部成形ローラー３２は本発明の第２のローラに対応する。
【００５４】
つぎに、図４〜５を主として参照しながら、本実施の形態の電池用電極板の製造装置の動作について説明する（本実施の形態の電池用電極板の製造装置の動作について説明しながら、本発明の電池用電極板の製造方法の一実施の形態についても説明する）。なお、図４は本発明にかかる実施の形態２の正極電極板１１の成形時の側面図であり、図５は本発明にかかる実施の形態２の正極電極板１１の正極リード部１１Ｌの成形時の拡大断面図である。
【００５５】
上部成形ローラー３１と下部成形ローラー３２とは、所定の間隔を保ちつつ、順方向に回転する。
【００５６】
正極電極板１１は、矢印Ａの方向に走行させられ、正極電極板１１の正極リード部１１Ｌが上部成形ローラーＶ溝部３１Ｂおよび下部成形ローラーＶ溝部３２Ｂに倣うように上部成形ローラー３１と下部成形ローラー３２との間に挿入される。
【００５７】
上部成形ローラー３１と下部成形ローラー３２とは、その押圧力によって挿入された正極電極板１１を成形する。
【００５８】
正極電極板１１は、（１）上部成形ローラーＶ溝部３１Ｂおよび下部成形ローラーＶ溝部３２Ｂによって、正極リード部１１Ｌが三角波形状に成形されるとともに、（２）上部成形ローラー平坦部３１Ａおよび下部成形ローラー平坦部３２Ａによって、正極活物質付着部１１Ａにも押圧力が加えられるために、全体的に湾曲され、巻付き防止用のガイドロール３３（図４参照）を介して排出される。なお、排出されてきた正極電極板１１は、所定寸法に切断され、巻芯軸３（図１参照）を軸にしてロール状に巻回される。
【００５９】
なお、上部成形ローラー３１と下部成形ローラー３２との間隙Ｄ（ｍｍ）と、電解ニッケル箔の厚みに当たる正極リード部１１Ｌの厚みＴとの間には、
【００６０】
【数２】
０．００５≦Ｄ―Ｔ≦０．０１
の関係が成立することが望ましい（図５参照）。
【００６１】
ここまで主として正極電極板１１に関して説明を行ったが、負極電極板１２についても同様のことがいえることは、もちろんである。
【００６２】
以上においては、本実施の形態１〜２について詳細に説明した。
【００６３】
なお、本発明の芯材は、上述した本実施の形態においては、電解ニッケル箔で形成されていた。しかし、本発明の芯材は、これに限らず、たとえば、電解アルミニウム箔で形成されていてもよい。
【００６４】
また、本発明の波形状は、上述した本実施の形態においては、Ｖ溝状の複数の凹凸が形成されるような折り曲げによって形成された三角波形状であった。しかし、本発明の波形状は、これに限らず、たとえば、Ｕ溝状の一つの凹凸が形成されるような折り曲げによって形成された丸波形状であってもよい。
【００６５】
かくして、極板の平坦性の向上、放電容量の向上とバラツキ抑制、サイクル特性の向上等が図れ、その効果は大なるものである。
【００６６】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように、本発明は、電池の電極体と集電体との溶接部の剥離を抑制することができるという長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる実施の形態１の円筒形電池１００の構成の説明図である。
【図２】本発明にかかる実施の形態１の正極電極板１１の正極リード部１１Ｌの拡大断面図である。
【図３】本発明にかかる実施の形態２の正極電極板１１の製造装置の斜視図である。
【図４】本発明にかかる実施の形態２の正極電極板１１の成形時の側面図である。
【図５】本発明にかかる実施の形態２の正極電極板１１の正極リード部１１Ｌの成形時の拡大断面図である。
【符号の説明】
１　外装缶
２　渦巻電極体
３　巻芯軸
１１　正極電極板
１１Ｌ　正極リード部
１２　負極電極板
１２Ｌ　負極リード部
１３　セパレータ
１４　正極集電体
１５　負極集電体
２１　薄板状芯材
３１　上部成形ローラー
３１Ａ　上部成形ローラー平坦部
３１Ｂ　上部成形ローラーＶ溝部
３２　下部成形ローラー
３２Ａ　下部成形ローラー平坦部
３２Ｂ　下部成形ローラーＶ溝部
３３　ガイドロール
１００　円筒形電池

Claims (10)

1. ロール状に巻回されて略円筒形を有する外装缶に収納される長尺状の電池用電極板であって、
   前記長尺状の長手方向の一方の端縁部分を除く部分の面に活物質が付着されている前記長尺状の芯材を備え、
   前記端縁部分は、前記長手方向に実質上直交する断面の形状が波形状であるように成形されている電池用電極板。
2. 前記活物質が付着されている部分の厚みｔ（ｍｍ）と前記波形状の高さｈ（ｍｍ）との差ｔ−ｈ（ｍｍ）は、実質的に０．０５（ｍｍ）と０．１（ｍｍ）との間にある請求項１記載の電池用電極板。
3. 前記波形状とは、折り曲がりの角度が実質的に２０（°）と４０（°）との間にある三角波形状である請求項１記載の電池用電極板。
4. 前記端縁部分の内の端縁の近傍部分は、前記巻回されて前記略円筒形を有する外装缶に収納された際に、その略円筒形の底部と平行になるように成形されている請求項１記載の電池用電極板。
5. 前記端縁部分の内の端縁の近傍部分は、前記巻回されて前記略円筒形を有する外装缶に収納された際に、前記端縁がその略円筒形の外側を向くように成形されている請求項４記載の電池用電極板。
6. 請求項１記載の電池用電極板と、
   前記端縁部分が電気的に接続される集電体とを備えた電池。
7. 請求項１記載の電池用電極板の製造方法であって、
   外周面に前記波形状に応じた凹凸が設けられた一対のローラを利用して前記成形を行う成形ステップを備えた電池用電極板の製造方法。
8. 前記一対のローラは、前記成形と同時に、前記活物質が付着されている部分を前記ロール状の巻回がより行われやすいように湾曲させることが可能な請求項７記載の電池用電極板の製造方法。
9. 前記一対のローラは、前記巻回の際に内側にくる側を押圧するための第１のローラと、前記巻回の際に外側にくる側を押圧するための第２のローラとを備え、
   前記第１のローラの直径は、前記第２のローラの直径の実質的に半分である請求項８記載の電池用電極板の製造方法。
10. 請求項１記載の電池用電極板の製造装置であって、
    外周面に前記波形状に応じた凹凸が設けられた、前記成形を行うための一対のローラを備えた電池用電極板の製造装置。

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