JP5116076B2 - 電池用電極基板、およびそれを用いた電池用電極、および電池 - Google Patents

Description

本発明は、アルカリ二次電池などに用いられる電池用電極基板に関するものである。

これまでに開発されてきたアルカリ二次電池などに用いられる集電体としては、例えば以下のようなものがある。
特許文献１では、ウェブに水流交絡処理を施した後に無電解ニッケルめっきを施すことを特徴としたニッケルめっき不織布電極の製造方法を提案し、これによって有機溶剤系の接着剤を使用することなく引っ張り強度特性を向上させ、かつ繊維の抜けを抑えることができるとしている。
特許文献２では、スルホン化処理等の表面処理を施した不織布材にニッケルめっきしたものをアルカリ二次電池用集電材に適用している。樹脂製不織布を芯材として残すことで柔軟性と強度を確保することができるとされている。

特許文献３では、不織布表面のめっき量を断面積で規定することで高容量かつハイレート充放電が可能な集電材が開示されている。
特許文献４では、不織布の表面にニッケルめっきを施し、単位体積当りの比表面積が０．１３ｍ²／ｃｍ³〜０．３５ｍ²／ｃｍ³である集電材に粘度が０．３Ｐａ・ｓ以下の活物質ペーストを充填し、乾燥して得ることを特徴としている。これにより高出力化が可能なアルカリ電池が得られるとしている。

上記特許文献に記載の発明は、いずれもポリオレフィン系繊維による不織布にニッケルめっきを施したものを電極基板として使用している。しかしながらこれらの発明は、高容量でかつ高電圧（高出力）な電池を提供するまでには至っていない。

特開平５−２９０８３８ 特開２００１−３１３０３８ 特開２００３−１０９６００ 特開２００５−３４７１７７

本発明は上記問題点を解決すること目的とするものであり、すなわち、高容量でかつ高電圧の電池を製造することが可能な電池用電極基板を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、電池用電極基板に用いられる不織布の繊維の繊度が２ｄＴｅｘ以上４ｄＴｅｘ以下であり、不織布の厚さが０．９ｍｍ以上であり、被覆されたニッケル量が、１５０〜２５０ｇ／ｍ ^２ であることが有効であることを見出し、本発明を完成させた。すなわち本発明は以下の構成を採用する。

（１）樹脂からなる織布又は不織布の繊維表面にニッケルを被覆した電池用電極基板であって、不織布を構成する繊維の繊度が２ｄＴｅｘ以上４ｄＴｅｘ以下であり、元の不織布の厚さが０．９ｍｍ以上であり、被覆されたニッケル量が、１５０〜２５０ｇ／ｍ ^２ であることを特徴とする電池用電極基板。
（２）上記樹脂からなる織布又は不織布の繊維が、ポリプロピレン（ＰＰ）とポリエチレン（ＰＥ）から成る繊維であることを特徴とする上記（１）に記載の電池用電極基板。
（３）上記繊維のＰＰ／ＰＥ重量比が、０．２５以上であることを特徴とする上記（１）
又は（２）に記載の電池用電極基板。
（４）上記ニッケルめっき後の電池用電極基板の厚さが０．９ｍｍ以上であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれか一に記載の電池用電極基板。

（５）上記（１）〜（４）のいずれか一に記載の電池用電極基板の多孔度が９５〜９８％であることを特徴とする電池用電極基板。
（６）上記（１）〜（５）のいずれか一に記載の電池用電極基板に、水酸化ニッケルを主体とする活物質合剤が担持されていることを特徴とする電池用電極。
（７）上記（１）〜（５）のいずれか一に記載の電池用電極基板を使用したことを特徴とする電池。

本発明により、高容量でかつ高電圧の電池を製造することが可能な電池用電極基板を提供することが可能となる。

本発明に係る電池用電極基板は、樹脂からなる織布又は不織布の繊維表面にニッケルを被覆した電池用電極であって、不織布を構成する繊維の繊度が２ｄＴｅｘ以上４ｄＴｅｘ以下かつ、電池用電極基板の元の不織布の厚さが０．９ｍｍ以上であることを特徴とする。電池の電圧を高くするためには不織布を構成する繊維の繊度が２ｄＴｅｘ以上４ｄＴｅｘ以下であることが好ましい。これにより導電経路の数を多くすることができるため、電池の電圧を向上させることが可能となる。更に、電池の容量を確保するためには元の不織布の厚さが０．９ｍｍ以上であることが好ましく、より好ましくは１．１ｍｍ以上、さらに好ましくは１．２ｍｍ以上である。繊度が２ｄＴｅｘ以上４ｄＴｅｘである樹脂繊維から成る不織布の厚さを０．９ｍｍ以上にすることにより、電池の容量と電圧を両立させることが可能となる。不織布の繊維の繊度が２ｄＴｅｘ未満であると繊維のコシが弱くなるため不織布の厚みが減り、逆に４ｄＴｅｘ超であると導電経路の数が減少し電池電圧を高くすることができなくなるため好ましくない。また、元の不織布の厚さが０．９ｍｍ未満であると電池容量が低下するため好ましくない。元の不織布の厚さが厚すぎるとニッケルをめっきした後の電池用電極基板も厚いものとなり、後述のように基板を調厚する必要が生じるため、元の不織布の厚さは５ｍｍ以下であることが好ましい。

本発明に係る電池用電極基板は、樹脂からなる織布又は不織布の繊維が、ポリプロピレン（以下、ＰＰとも記す）とポリエチレン（以下、ＰＥとも記す）から成る繊維であることを特徴とする。特に、ＰＰを芯、ＰＥを鞘とした芯鞘複合繊維構造であることが好ましい。ＰＰ／ＰＥ芯鞘複合繊維構造であれば、鞘部分のＰＥは芯部のＰＰより低融点であるため、織布若しくは不織布を熱処理することにより、多孔体構造を維持した状態で鞘部のＰＥ層を溶融することができる。これにより樹脂繊維間の接着を強固なものにすることができるため、強度特性を良好なものとすることが可能となる。また、ニッケル膜を高率に被覆することができるようになるため、被覆した時の繊維間の導電パスが充分に確保され、電池用電極基板の導電性の向上を図ることができる。
またこのときの繊維のＰＰ／ＰＥ重量比は、０．２５以上であると、電池用電極基板の厚みを確保することができるため好ましい。より好ましくは０．４以上、更に好ましくは０．５以上である。また、鞘部分のＰＥが少なすぎると繊維間の接着がうまくできないため、ＰＰ／ＰＥ重量比は０．８以下であることが好ましい。更に、電池中の強アルカリ中で溶出や分解の無い材質が必要であるから、不織布を構成する繊維はオレフィン系化合物であることが好ましい。

本発明に係る電池用電極基板は、ニッケルめっき後の厚さが０．９ｍｍ以上であることを特徴とする。これにより電池用電極基板の電気抵抗を小さくすることができると同時に、充分量の活物質合剤を保持させることができるため、電池容量を向上させることが可能となるため好ましい。より好ましい電池用電極基板の厚さは１．１ｍｍ以上であり、更に好ましくは１．２ｍｍ以上である。電池用電極基板が厚すぎると活物質を均一に充填することが困難となる。このため、厚い基板は調厚する必要があるが、調厚工程において骨格が損傷する危険がある。したがって電池用電極基板の厚さは１．６ｍｍ以下であることが好ましい。
また、本発明に係る電池用電極基板は、被覆されたニッケル量が１５０〜２５０ｇ／ｍ²であることが好ましい。被覆されるニッケル量が１５０ｇ／ｍ²未満であると電池電圧が低下し、２５０ｇ／ｍ²超であると電池用電極基板を製造するコスト増となるため好まし
くない。

本発明の電池用電極基板は、基板の多孔度が９５〜９８％であることが好ましい。これにより充分量の活物質合剤を保持させることができるため、電池容量を向上させることが可能となる。電池用電極基板に担持させる活物質合剤としては、水酸化ニッケルを主体とするものが好ましい。
このような本発明に係る電池用電極基板は、アルカリ二次電池等の電池に好ましく利用することが可能である。

以下に実施例をもとに本発明を更に詳しく説明する。
ＰＰの周囲をＰＥで覆った芯鞘構造で、そのＰＰ／ＰＥ重量比が５／５、繊度がそれぞれ２．２ｄＴｅｘと３．３ｄＴｅｘの繊維を用いて、繊維目付が４５ｇ／ｍ²になるよう
に、サーマルボンド方式で不織布を作成する。この不織布にスパッタリング法、あるいは無電解めっき法にてニッケルを８ｇ／ｍ²つけ、その後に電気ニッケルめっきで合計のニ
ッケル目付量が２００ｇ／ｍ²になるように電池用電極基板を作成した。
この基板をローラープレスによって調厚してその厚さを１．４ｍｍとしたあとに、主たる成分として水酸化ニッケルと水酸化コバルトを含むニッケル水素電池用の正極活物質合材を充填した。充填後に電極表面を平滑化して、８０℃で３０分乾燥させ、その後ローラープレスを用いてニッケル水素電池用正極を作成した。この電極の詳細を表１に示す。

比較例として、ＰＰの周囲をＰＥで覆った芯鞘構造で、そのＰＰ／ＰＥ重量比が５／５、繊度がそれぞれ１．１ｄＴｅｘと６．７ｄＴｅｘの繊維を用いて、繊維目付が４５ｇ／ｍ²になるように、サーマルボンド方式で不織布を作成する。これらを用いて実施例と同
様の方法で作製した電極の詳細も表１にあわせて示す。表１の容量密度は正極に充填された活物質合剤の重量から計算した容量密度を示す。また、厚さの測定は３．０ｇ重／ｃｍ²（５ｃｍ×５ｃｍ範囲に７５ｇ荷重をかける）で行った。

表１から、実施例１、２及び比較例２の電極は容量密度の大きな電池を作製することができる。しかし、比較例１では厚さ不足により活物質合剤充填量が少なくなり、電極が薄くなった。これは、繊度が小さい繊維を使用したために不織布の厚みを厚くすることができなかったためである。また、容量密度も若干小さいため、電池容量は小さくなる。電極の厚さが薄いために捲回数が多くなるが、電池内に占める正極以外（セパレーターと負極）の割合が多くなるため、これによっても電池の容量が小さくなる。なお、めっき後の厚さが元の厚さよりも上昇するのは、繊維がニッケルで被覆されたために不織布の厚み方向の強度が上がり、厚さを測定するための加重に対して不織布が圧縮される割合が減ったためである。

これらの電極の電池特性を調べるため、負極として公知の水素吸蔵合金負極、セパレーターを用いて密閉型円筒電池を作成した。電解液として、３０ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液に３０ｇ／リットルの水酸化リチウムを溶解して用いた。化成処理のため低率で数回充放電を行った後、表２に示す電流率でそれぞれ充電／放電を行って利用率を調べた。利用率は、計算容量に対する放電容量の割合で計算した。充電は計算容量の１２０％まで、放電終止電圧は０．８Ｖとした。結果を表２に示す

表２から、実施例１，２及び比較例１の電極を使用した電池は２Ｃ放電においても９０％以上の利用率を示した。しかし、比較例２の電極を使用した電池は放電率が上がると放電電圧が大きく下がり、十分な利用率が得られなかった。これは、繊度が大きい繊維を使ったために、十分な数の導電経路ができず電気抵抗が高くなったためと考えられる。
以上の結果から、本発明によって高い電池容量と電池電圧を両立することのできる電池用の基材を提供できる。

Claims (7)

1. 樹脂からなる織布又は不織布の繊維表面にニッケルを被覆した電池用電極基板であって、不織布を構成する繊維の繊度が２ｄＴｅｘ以上４ｄＴｅｘ以下であり、元の不織布の厚さが０．９ｍｍ以上であり、被覆されたニッケル量が、１５０〜２５０ｇ／ｍ ^２ であることを特徴とする電池用電極基板。
2. 前記樹脂からなる織布又は不織布の繊維が、ポリプロピレン（ＰＰ）とポリエチレン（ＰＥ）から成る繊維であることを特徴とする請求項１に記載の電池用電極基板。
3. 前記繊維のＰＰ／ＰＥ重量比が、０．２５以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池用電極基板。
4. 前記ニッケルを被覆した後の電池用電極基板の厚さが、０．９ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の電池用電極基板。
5. 請求項１〜４のいずれか一に記載の電池用電極基板の多孔度が、９５〜９８％であることを特徴とする電池用電極基板。
6. 請求項１〜５のいずれか一に記載の電池用電極基板に、水酸化ニッケルを主体とする活物質合剤が担持されていることを特徴とする電池用電極。
7. 請求項１〜５のいずれか一に記載の電池用電極基板を使用したことを特徴とする電池。