JP2008218066A - 電池 - Google Patents

Abstract

【課題】理論容量が大きく、さらに利用率が高い電池を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の電池は、電池ケース内に正極活物質または負極活物質を柱状に成型した正極または負極と、この正極または負極の周囲に配置したセパレータを介して負極活物質または正極活物質を中空の筒状に成型した負極または正極と、アルカリ水溶液からなる電解液を収納してなり、正極および／または負極に、電解液の含浸性を向上させる吸液材料を添加したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は電池に関し、より詳しくはエネルギー密度の高いアルカリ蓄電池の構成に関する。

近年、電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源としての電池、特にアルカリ蓄電池は更なる高性能が求められている。

中でもニッケル水素蓄電池は、エネルギー密度が高く、信頼性に優れた二次電池として普及している。ニッケル水素蓄電池は、水酸化ニッケルを含む正極と、水素吸蔵合金を含む負極とを具備する。正極には、正極活物質の導電性を高めるために、一般にコバルト等が添加されている。負極には、一般にコバルトを含む水素吸蔵合金が用いられている。正極と負極との間には、セパレータが介在しており、セパレータによって、正極と負極とが絶縁されている。セパレータには、不織布等が用いられている。

一般的にニッケル水素蓄電池は、発泡ニッケル基板に水酸化ニッケルを充填した帯状の正極板と、パンチングメタル基板に水素吸蔵合金を塗着した帯状の負極板を、不織布セパレータを介して渦巻状に捲回し、金属製のケースに挿入し、その上部に正極集電体を介して封口板で密封した構造を有している。

近年の高容量化の要求に応えるためには電池の正極活物質と負極活物質を高密度に充填しなければならないが、従来の帯状正極板、帯状負極板、帯状セパレータを捲回した構造では、電池容器の内容積に占める電池反応に直接関与しない材料（セパレータや極板の基板など）の割合が大きく、そのため高容量化が困難という欠点を有している。

正極活物質と負極活物質を高密度に充填するには、アルカリ乾電池で採用されている、有底円筒状の金属製電池缶の中に中空円筒状の正極を配置し、その中央部にセパレータを介して負極を配置した構造が優れている。しかし単純に正極に水酸化ニッケル、負極に水素吸蔵合金を用いて、この構造を有するニッケル水素蓄電池を作製した場合、水素吸蔵合金粒子どうしの接触抵抗が大きいため、電極の内部抵抗が大きいという問題がある。

この問題を解決するために、例えば電極の内部抵抗を低減する目的で、水素吸蔵合金とポリテトラフルオロエチレンパウダーとを含有した負極合剤を成型した円柱状部材の負極を用いることが提案されている（特許文献１参照）。この提案によれば、円柱状部材の成形性が良いとともに、弾力性に富み、負極に集電ピンを挿入したときに、集電ピンと水素吸蔵合金との間に十分な電気的接触が得られると述べられている。
特開２００３−３１７７９８号公報

しかしながら、特許文献１に提案されているような技術を用いても、捲回式電極に比べて電極厚さが厚いために電解液が電極に浸透しにくく、利用率（理論容量に対する実際の充放電容量の比率）が低くなるという課題を有していた。本発明は上述した課題を解決するものであり、理論容量が大きく、さらに利用率が高い電池を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の電池は、電池ケース内に正極活物質または負極活物質を柱状に成型した正極または負極と、この正極または負極の周囲に配置したセパレータを介して負極活物質または正極活物質を中空の筒状に成型した負極または正極と、アルカリ水溶液からなる電解液を収納してなり、正極および／または負極に、電解液の含浸性を向上させる吸液材料を添加したことを特徴とする。

本発明の電極を用いることによって、電極への電解液の含浸性が向上し、活物質と電解液が接触する面積が増加することにより、電池の充放電特性が向上し、利用率が向上する。

また吸液材料として、樹脂製の繊維を用いると、この材料自体の吸液性が活用できるだけでなく、活物質粒子間に適度の間隙を形成することができるので、電解液の浸透をさらに促進することができる。

本発明のように、ペレット構造の正極および／または負極に電解液の含浸性を向上させる吸液材料を混入することにより、電極への電解液の含浸性が向上し、活物質と電解液が接触する面積が増加することにより、利用率が高い、充放電特性の優れたアルカリ蓄電池を提供することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図を用いて説明する。

第１の発明は、電池ケース内に正極活物質を柱状に成型した正極と、この正極の周囲に配置したセパレータを介して負極活物質を中空の筒状に成型した負極と、アルカリ水溶液からなる電解液を収納してなり、正極および／または負極に、電解液の含浸性を向上させる吸液材料を添加したことを特徴とする電池に関する。また第２の発明は、電池ケース内に負極活物質を柱状に成型した負極と、この負極の周囲に配置したセパレータを介して正極活物質を中空の筒状に成型した正極と、アルカリ水溶液からなる電解液を収納してなり、正極および／または負極に、電解液の含浸性を向上させる吸液材料を添加したことを特徴とする電池に関する。

図１は、第１の発明の構成を示す模式図である。なお第２の発明は、この第１の発明の同様の構成なので図は割愛する。電池ケース４の中に、正極活物質１ａを柱状に成型した正極１と、正極１の周囲に配置したセパレータ３を介して負極活物質２ａを中空の筒状に成型した負極２と、アルカリ水溶液からなる電解液（図示せず）を収納しており、正極１および／または負極２に、電解液の含浸性を向上させる吸液材料１ｂおよび／または２ｂを添加したことを特徴とする。

第１および第２の発明の構成を採ることによって、吸液材料１ｂおよび／または２ｂを介して正極１および／または負極２への電解液の含浸性が向上し、正極活物質１ａおよび／または負極活物質２ａと電解液とが接触する面積が増加して電池の充放電特性が向上し、利用率が高くなる。

第３の発明は、第１および第２の発明において、吸液材料１ｂおよび／または２ｂとして、樹脂製の繊維を用いたことを特徴とする。樹脂製の繊維は単に吸液性が高いだけでなく、正極活物質１ａおよび／または負極活物質２ａの粒子間に適度の間隙を形成することができるので、電解液の浸透をさらに促進することができる。なお樹脂製の繊維としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、セルロース、ポリオレフィン、レーヨンなどがあげられる。中でもポリプロピレン、ポリエチレン、ポリオレフィンは耐アルカリ性が高いので
より好ましい。

第４の発明は、第１および第２の発明において、吸液材料１ｂおよび／または２ｂを、１００重量部の正極活物質１ａおよび／または負極活物質２ａ当たり０．５〜２重量部添加したことを特徴とする。この量が０．５重量部未満になると本発明の効果が発揮しにくくなり、２重量部を超えると吸液材料１ｂおよび／または２ｂの増加に伴って正極活物質１ａおよび／または負極活物質２ａの占有率が減る上に正極１および／または負極２の内部の導電性が低下するため利用率が若干低下する。

第５の発明は、第１および第２の発明において、正極活物質１ａおよび負極活物質２ａを充放電可能なもので構成したことを特徴とする。本発明の構成は充放電可能な材料にも適用できるので、繰返し使用できる二次電池へ展開するのが好ましい。

本発明の電池は、正極１および／または負極２の構成に特徴を有するものであり、他の構成要素は特に制限されない。以下に、アルカリ蓄電池の構成を例にとって、本発明を実施するための最良の形態についてさらに説明する。

正極１は、正極活物質１ａと吸液材料１ｂ、導電材および結着剤とを円柱状または円筒状に圧縮した一体成型物として構成される。

正極活物質１ａは特に限定されず、例えば水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、水酸化ニッケルの固溶体、オキシ水酸化ニッケルの固溶体などが用いられる。固溶体には、例えば第二金属であるコバルト、マンガンなどが含まれてもよい。

正極１に添加する導電材は特に限定されず、例えばグラファイトなどの炭素質材料やコバルト、コバルト化合物などが用いられ、正極活物質１ａをコバルトやコバルト化合物で被覆した複合材料がより好ましい形態として用いられる。コバルト化合物としては、水酸化コバルト、オキシ水酸化コバルトなどが用いられる。

正極１に添加する結着剤は特に限定されず、例えばカルボキシメリツセルロース（ＣＭＣ）やポリテトラフルオロエチレンが用いられる。

負極２は、正極活物質２ａと吸液材料２ｂ、導電材および結着剤とを円柱状または円筒状に圧縮した一体成型物として構成される。

負極活物質２ａは特に限定されず、ニッケル水素蓄電池の場合は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カドミウムやカドミウム化合物が用いられ、ニッケル亜鉛蓄電池の場合は亜鉛や亜鉛化合物が用いられる。

ニッケル水素蓄電池の負極活物質２ａとして用いられる水素吸蔵合金として、例えばＭｍＮｉ_3.55Ｃｏ_0.75Ｍｎ_0.4Ａｌ_0.3（Ｍｍは希土類元素の混合物を表す）、ＭｍＮｉ_3.7Ｃｏ_0.8Ｍｎ_0.4Ａｌ_0.3等が挙げられる。水素吸蔵合金は、粉末状であることが好ましい。水素吸蔵合金粉末の平均粒径は、例えば１０〜３０μｍが好ましく、１５μｍ近傍であることがより好ましい。

負極２に添加する導電材は特に限定されず、例えばアセチレンブラックやケッチェンブラックなどのカーボンブラック等が用いられる。

負極２に添加する結着剤は特に限定されず、例えばスチレン−ブタジエン共重合体（ＳＢＲ）やＣＭＣが用いられる。

セパレータ３には、スルホン化処理したポリプロピレン製不織布、ポリオレフィン製不織布等を用いることができる。

電解液は、アルカリ水溶液であれば特に限定されず、例えば水酸化カリウム水溶液が用いられる。溶質である水酸化カリウムの濃度は１０〜３０重量％であるのが好ましい。電解液には、さらに水酸化リチウムや水酸化ナトリウム等を含んでもよい。水酸化リチウム、水酸化ナトリウムともに、溶質として電解液中にそれぞれ１〜５重量％含まれることが好ましい。

（実施例１）
負極活物質２ａである水素吸蔵合金（ＭｍＮｉ_3.55Ｃｏ_0.75Ｍｎ_0.4Ａｌ_0.3（Ｍｍは希土類元素の混合物）、平均粒径約１５μｍ）１００重量部に対し、吸液材料２ｂであるポリエチレン繊維（長さ４ｍｍ、幅２ｍｍ、厚さ０．１８ｍｍ）を１重量部、ケッチェンブラックを２重量部秤量し、攪拌により混合して負極合剤とし、これを内径１０ｍｍ、外径１３ｍｍ、高さ１３ｍｍの中空円筒状のペレットにプレス成型し、この３個を負極２として電池ケース４に挿入した。

その後、負極２の内側に、セパレータ３であるポリオレフィン不織布（厚さ０．１８ｍｍ）を配置した。

正極活物質１ａである水酸化ニッケル活物質粒子１００重量部に対し、吸液材料１ｂであるポリエチレン繊維（長さ４ｍｍ、幅２ｍｍ、厚さ０．１８ｍｍ）を１重量部、グラファイトを８重量部、水酸化カリウム水溶液（比重１．３ｇ／ｃｍ³）を５重量部秤量し、攪拌により混合して正極合剤とし、これを直径９ｍｍ、高さ３９ｍｍの円柱状のペレットにプレス成型し、この１個を正極１として、円筒状のセパレータ３の中に挿入し、さらに正極１の略中央に集電ピンを差し込んだ。

さらに電解液としてＫＯＨ：ＬｉＯＨ：ＮａＯＨ＝７７：８：１５（モル比率）で混合した溶質を純水に溶かしたアルカリ水溶液（比重１．２６ｇ／ｃｍ³）を調製し、電池ケース４に２．０ｇ注入して封口し、電池Ａを作製した。

（実施例２）
正極活物質１ａである水酸化ニッケル活物質粒子１００重量部に対し、吸液材料１ｂであるポリエチレン繊維（長さ４ｍｍ、幅２ｍｍ、厚さ０．１８ｍｍ）を１重量部、グラファイトを８重量部、水酸化カリウム水溶液（比重１．３ｇ／ｃｍ³）を５重量部秤量し、攪拌により混合して正極合剤とし、これを内径９．４ｍｍ、外径１３ｍｍ、高さ１３ｍｍの中空円筒状のペレットにプレス成型し、この３個を正極１として電池ケース４に挿入した。

その後、正極１の内側に、セパレータ３であるポリオレフィン不織布（厚さ０．１８ｍｍ）を配置した。

負極活物質２ａである水素吸蔵合金（実施例１に同じ）１００重量部に対し、吸液材料２ｂであるポリエチレン繊維（長さ４ｍｍ、幅２ｍｍ、厚さ０．１８ｍｍ）を１重量部、ケッチェンブラックを２重量部秤量し、攪拌により混合して負極合剤とし、これを直径８．３ｍｍ、高さ３９ｍｍの円柱状のペレットにプレス成型し、この１個を負極２として、円筒状のセパレータ３の中に挿入し、さらに負極２の略中央に集電ピンを差し込んだ。

さらに電解液としてＫＯＨ：ＬｉＯＨ：ＮａＯＨ＝７７：８：１５（モル比率）で混合した溶質を純水に溶かしたアルカリ水溶液（比重１．２６ｇ／ｃｍ³）を調製し、電池ケース４に２．０ｇ注入して封口し、電池Ｂを作製した。

（実施例３〜６）
正極および負極中の樹脂繊維の量を０．４重量部（実施例３）、０．５重量部（実施例４）、２重量部（実施例５）および２．２重量部（実施例６）としたこと以外、電池Ｂと同様にして作製した電池を電池Ｃ（実施例３）、電池Ｄ（実施例４）、電池Ｅ（実施例５）および電池Ｆ（実施例６）とした。

（比較例１）
電池Ａと同様の水素吸蔵合金１００重量部に対し、ＳＢＲを０．７重量部、ＣＭＣを０．１５重量部、ケッチェンブラックを０．３重量部、水を適量秤量し、練合してペースト状にし、発泡ニッケル基板に充填した。さらにこれを乾燥したのち加圧および切断を行い、厚さ０．３３ｍｍ、幅３９ｍｍ、長さ９７ｍｍの負極を得た。また電池Ａと同様の水酸化ニッケル１００重量部に対し、ＣＭＣを０．１重量部、Ｙ₂Ｏ₃を１．０重量部秤量して混合し、これを発泡状ニッケル基板に充填し、加圧、切断して幅３９ｍｍ、長さ７７ｍｍ、厚さ０．７ｍｍの正極を得た。この正極および負極にリード板を取り付け、ポリオレフィン不織布からなるセパレータ（厚さ０．１８ｍｍ、幅４３ｍｍ、長さ１９０ｍｍ）を介して捲回し、電池Ａと同じ電池ケースに挿入した後、電池Ａと同様の電解液を２．３ｇ注入して封口し、図３に示すＡＡサイズの円筒形電池を構成した。これを電池Ｇとする。

（比較例２）
正極１および負極２にポリエチレン繊維を添加しなかったこと以外、電池Ｂと同様にして作製した電池を電池Ｈとする。

（電池の評価）
以上のようにして得られた電池Ａ〜Ｈを用い、電池の放電容量を測定した。電流０．２ＣｍＡ（（表１）に示した理論容量を５時間で除した電流値）で８時間の定電流充電を行った後、１ＣｍＡ（（表１）に示した理論容量を１時間で除した電流値）、放電終止電圧１．０Ｖの定電流放電を行った。得られた放電容量を（表１）に示す。

（表１）に示されるように、本発明の電池Ａ〜Ｆは比較例の電池Ｇと比べて理論容量が大きく、比較例の電池Ｈと比べて放電容量が大きいことが分かる。ペレット状の電極構成は理論容量が大きい上に、本発明の電池Ａ〜Ｆのように吸液材料である樹脂製の繊維（ポリエチレン繊維）を適量混合することにより電解液の含浸性が高まって正極および負極の活物質の濡れ性が向上して利用率（放電容量）が向上したと考えられる。

しかしながら電池Ｃのようにポリエチレン繊維を過度に少なくしたり、電池Ｆのように
ポリエチレン繊維を過度に多くしたりすると、放電容量は若干低下する。電池Ｃはポリエチレン繊維が不足して正極および負極の活物質が電解液に対して濡れにくくなったことが原因と考えられ、電池Ｆは理論容量が低下したことに加えて過剰のポリエチレン繊維が正極および負極の活物質どうしの接触（導電性の確保）を妨げたことが原因と考えられる。よって、吸液材料であるポリエチレン繊維は、正極活物質および／または負極活物質１００重量部当たり０．５〜２重量部添加するのが好ましい。

なお、上記実施例では円筒型の電池を用いたが、角型などの形状の異なる電池を用いても同様の効果が得られる。また正極および負極の活物質を、アルカリ乾電池の構成とし、一次電池を作製しても同様の効果が得られる。

本発明の電池をアルカリ蓄電池の構成として用いると、正極および負極の基板を用いることなく実用的な放電特性を得ることができる。したがってこのアルカリ蓄電池は、ノートパソコン、携帯電話、デジタルスチルカメラなどの電子機器の駆動源として有用である。

本発明の電池の構成を示す模式図 従来の電池の構成を示す模式図

符号の説明

１ 正極
１ａ 正極活物質
１ｂ 吸液材料
２ 負極
２ａ 負極活物質
２ｂ 吸液材料
３ セパレータ
４ 電池ケース

Claims (5)

1. 電池ケース内に正極活物質を柱状に成型した正極と、この正極の周囲に配置したセパレータを介して負極活物質を中空の筒状に成型した負極と、アルカリ水溶液からなる電解液を収納してなる電池であって、
   前記正極および／または前記負極に、前記電解液の含浸性を向上させる吸液材料を添加したことを特徴とする電池。
2. 電池ケース内に負極活物質を柱状に成型した負極と、この負極の周囲に配置したセパレータを介して正極活物質を中空の筒状に成型した正極と、アルカリ水溶液からなる電解液を収納してなる電池であって、
   前記正極および／または前記負極に、前記電解液の含浸性を向上させる吸液材料を添加したことを特徴とする電池。
3. 前記吸液材料として、樹脂製の繊維を用いたことを特徴とする請求項１および２記載の電池。
4. 前記吸液材料を、前記正極活物質および／または前記負極活物質１００重量部当たり０．５〜２重量部添加したことを特徴とする、請求項１および２記載の電池。
5. 前記正極活物質および前記負極活物質を充放電可能なもので構成したことを特徴とする、請求項１および２記載の電池。

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