JPH10131012A - 多孔質の金属シートおよびこれを用いた電池用の電極材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】巾方向の一方の端縁から他方の端縁に向かって
金属材の密度を変化させることにより、特に電池用の電
極材として好適に用いうる多孔質の金属シート、及びこ
れを用いてなる電池の電極材に関する。 【解決手段】金属材からなる多孔質の金属シートであっ
て、金属シートの単位体積当たりの前記金属材の密度
が、巾方向一方の端縁の高密度部から他方の端縁の低密
度部に向かって変化する勾配の密度分布を有するととも
に、該金属シートの厚さを、前記一方の端縁から他方の
端縁まで実質的に同じ厚さとしたことを特徴とする多孔
質の金属シート。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、巾方向の一方の端
縁から他方の端縁に向かって金属材の密度を変化させる
ことにより、特に電池用の電極材として好適に用いうる
多孔質の金属シート、及びこれを用いてなる電池の電極
材に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】多孔質
の金属シートは、耐熱性、機械特性、耐食性に優れ、各
種のフィルター、触媒材料、電池用電極材として多く用
いられている。とり分け金属繊維を一体化した金属シー
トは、高い精度の空隙率、孔径分布などを具えるため
に、ポリマー等の高温流体の濾過用の精密フィルター、
高性能の二次電池用の電極材などとして広く使用されて
いる。なお、金属繊維をシート状に一体化するものとし
て、例えば米国特許第３５０５０３８号が開示するよう
に加圧焼結による方法、又本出願人の提案に係る特開平
４−１１０５８号公報が開示するように、導電性の芯材
からなるウエブ状体に、芯材を覆う外周金属層と芯材間
を結合する結合部とをともにメッキなどによって形成し
たものなどが知られている。

【０００３】しかしながら、これらの提案を含めて、従
来の多孔質金属シートは、いずれも主としてフィルタへ
の用途を出発点としていたため、シート全面に亘る金属
材の密度分布の均一化を意図している。

【０００４】他方、二次電池用の電極材としても用いら
れる金属シートにおいては、まず第１に、電流取出し用
の端子金具を溶着等により取付けるため、端子金具取付
け側の金属シートの端縁部分を強固にすることが望まれ
る。

【０００５】このため、端子金具と接合される側の端縁
部を圧縮させかつ折曲げることにより端縁部の密度、強
度を増加しようとする提案が特開昭５７−８０６７２号
公報によってなされているが、この方法では、折曲げや
圧縮などのコストアップとなり、かつ成形に際してのワ
レ発生の危険がある。

【０００６】第２に、近年の電気自動車の駆動用として
用いられる二次電池用の電極材にあっては、機械的強
度、電気伝導性、効率放電性が良好であること、殊にス
タート時に大電流を取出すため、内部抵抗による電圧低
下を防止する必要上、特に電流が集まる取り出し部分で
の電気伝導性が良好であることが望まれる。これは、大
電流が求められる例えばＮｉ−ＭＨ電池などにおいて重
要な特性となる。

【０００７】第３に、電池用の活物質の充填効率を高
め、電池容量を増すことも肝要となる。

【０００８】本発明者は、金属シートについて、かかる
観点から種々研究を行った結果、電極材において電流
は、端子金具の取付け側の端縁に向かって電流が増大す
るため、取付け側端縁において高密度部とし、他端縁に
おいて低密度部とするとき、高密度部では強度が増し、
端子金具などの溶着などによる取付けを容易とし、かつ
電気伝導性を良好として、大電流の取り出しを可能とす
るとともに、低密度部において、空隙率を増して活物質
の充填効率を高め電池容量の改善しうることを見出し、
本発明を完成した。

【０００９】従って、本発明は、端子金具を強固に取付
けでき、かつ大電流の取出しを可能とししかも電池容量
の増大にも役立ちせることができ、電池用の電極材とし
て好適に用いうる多孔質の金属シート、およびそれを用
いる電池用の電極材の提供を目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、金属
材からなる多孔質の金属シートであって、金属シートの
単位体積当たりの前記金属材の密度が、一方の端縁の高
密度部からその反対側の他方の端縁の低密度部に向かっ
て変化する勾配の密度分布を有するとともに、該金属シ
ートの厚さを、前記一方の端縁から他方の端縁まで実質
的に同じ厚さとしたことを特徴とする多孔質の金属シー
トである。

【００１１】密度分布が勾配を有し、一方の端縁を高密
度部とし、他方の端縁を低密度部としているため、高密
度部を電流取り出し側とすることにより、その端縁での
電気伝導性を向上し、内部抵抗を減じて、例えば自動車
用として用いるＮｉ−ＭＨ電池用の電極材として用いる
ことによりスタート時の大電流の取り出しが可能とな
る。又密度分布を変化していることにより、電流特性と
ともに、低密度部に至る範囲において、電池用の活物質
の充填効率を向上でき、電池容量の増大に寄与できる。

【００１２】さらに、金属シートは厚さが実質的に、同
一であることから、例えば電極材を渦巻き状に巻き付け
る丸形電池として用いる場合においてもその巻きつけ形
状を直円筒状に保つことができる。

【００１３】また、高密度部に端子金具を取りつけるこ
とにより、割れなどの危険を減じてその取付けを容易、
確実とする他、機械強度強度をも高めうる。

【００１４】このように、金属シートは電極材として優
れた機械的強度、高率放電特性を持つ電極材として非常
に有利である。

【００１５】請求項２の発明は、金属材は平均外径を５
０μｍ以下とした金属繊維からなるとともに、この金属
繊維は外周部分に金属外周層を有する中空状金属繊維又
は芯材の外周部分に金層外周層を被覆した複合繊維が用
いられ、かつ外周金属層の厚さを高密度部の金属繊維か
ら低密度部の金属繊維に亘り減じることにより、前記密
度分布に勾配を付与した多孔質の金属シートである。

【００１６】金属繊維を、外周金属層を有する中空状金
属繊維とすることによって、全体重量を低下させ、又芯
材として例えば炭素繊維などの異種材料と複合させた複
合繊維を用いることによって全体強度を向上させること
などもできる。さらに外周金属層の厚さ変化は、例えば
メッキ厚さを変化することにより形成することにより、
生産性を高めうる。

【００１７】請求項３の発明は、前記金属外周層が、こ
の金属外周層をなす金属と同じ金属の結合部により結合
されることにより金属繊維不織布状体をなすことを特徴
とする多孔質の金属シートである。金属繊維不織布の１
つである金属繊維フェルト状体自体は、本出願人の提案
に係る前記特開平４−１１０５８号公報が開示したもの
であり、その一体化は、金属外周層と結合部とを同時に
形成する、例えばメッキ法、金属蒸着法等によって形成
する。独立した各金属繊維を焼結のみによって結合した
ものに比して、結合面積を増し、しかもその結合部は滑
らかであって切欠き状のものはなく、従って、電気伝導
特性とともに強度を増大でき、空隙率の増加にも役立
つ。

【００１８】さらに、請求項４、５の発明は、前記した
金属シートを電池用の電極材に用いること、高密度部に
端子金具を取りつけることを要件とし、前記のように、
電池強度、電流特性の改善などに役立ち、又端子金具の
取付けを強固とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面に
基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例を示し、
本実施例では、多孔質の金属シート１は、金属材２とし
て、金属繊維３…が用いられているとともに、この金属
繊維３…が不織布状、フェルト状に絡み合わされた金属
繊維不織布状体をなしている。さらに、図２、３に示す
ごとく、金属繊維３…は、その外周部に金属外周層４を
有する空洞部５が連続して形成された中空状金属繊維３
Ａであり、かつ複数の金属繊維３…がこの金属外周層４
が同じ金属の結合部６により結合され、全体として相互
に結合され一体化することによって金属繊維不織布状体
を構成している。なお、空洞部５は金属繊維３、３間で
連通することも、独立することもできる。

【００２０】金属材２として、金属繊維３の金属外周層
４、結合部６はニッケルを用いているが、他の金属、例
えば、クロム、アルミニウム、銅、白金など種々のもの
を採用でき、さらに、これらの合金等も使用できる。ニ
ッケル材料は、触媒作用、強度、耐食性、電気伝導性に
優れていることから、電池用の電極材、特にＮｉ−Ｃｄ
電池、Ｎｉ−ＭＨ電池など二次電池用の電極材としては
好適に利用できる。

【００２１】また、金属繊維３…は、柔軟性及び空隙率
を高め活物質充填量を増すために、平均外径が５０μｍ
以下となるよう設定している。好ましくは２〜４０μ
ｍ、さらに好ましくは２〜３０μｍとする。ここで平均
径とは、金属繊維の長さ方向の一定位置における最大直
径、最小直径の平均値であって、しかも金属繊維３の長
手方向の複数個所を測定し、それのさらに平均値として
定義される。

【００２２】このような、空洞部５を有する中空状金属
繊維３Ａからなる金属繊維不織布状体は、前記特開平４
−１１０５８号公報が開示するように、大略、炭素繊
維、導電性を付与した有機繊維などの芯材９であって、
好ましくは平均径１〜２５μｍ程度の炭素繊維からなる
芯材９を絡み合わせてフエルト状体１３としたのち、そ
れにメッキなどにより金属材２を付着し、芯材９の外周
部の金属外周層４とともにそれらを結合する結合部６を
形成して一体化する。これにより金属繊維３が、図６に
示すごとく芯材４の外周部を外周金属層４により覆った
複合繊維３Ｂを用いてなる金属繊維不織布状体が形成さ
れていることになる。

【００２３】そののち、脱炭することにより芯材９を除
去し、空洞部５とすることにより、図３に示すような、
金属繊維３を中空状金属繊維３とする。なお、金属繊維
３は、滑らかな外周面を具える金属外周層６を具えると
ともに、途切れ端は球頭状に形成される。これは後処理
の際の加工性、フイルタとして用いるときの異物の引っ
掛かりを除く効果がある。空洞部５は互いに連通した連
通孔となり、芯材９を除去する際に脱炭時間を短縮させ
る。

【００２４】さらに、本例では、金属シート１の例えば
巾方向の一方の端部１Ａから他方の端部１Ｂまでシート
厚さを実質的に変化することなく、しかも金属材の単位
体積当たりの密度を、巾方向の一方の端部１Ａの高密度
部１０から、他方の端部１Ｂの低密度部１１に向かう図
４、又は図５に例示する勾配の密度分布を具える。この
ため、本例の金属繊維３において、前記外周金属層４の
厚さを高密度部１０の金属繊維から低密度部１１に変化
させている。

【００２５】この密度分布は、金属シート１の厚さがほ
ぼ均一であるとき、単位面積当たりの金属材２の重さ、
即ち目付密度（ｇ／ｍ² ）としても算出できる。このた
めの金属外周層３の厚さＴは、前記平均径Ｄの１／２〜
１／２０倍に設定され、この範囲内で厚さを変化させ、
密度分布に勾配を与える。なお、高密度部１０と低密度
部１１との密度の比（高密度部密度／低密度部密度）
は、１．１〜５倍（好ましくは２．０〜３．０倍）程度
とし、その間で比較的なだらかに変化したものとするの
が好ましい。この密度分布によって、高密度部１０では
溶接性と強度とを高め、一方低密度部１１側の範囲部分
では活物質の充填量を高めうる。

【００２６】また前記結合部６は、図２、３に示すよう
に、長さＬは、前記金属外周層４の厚さＴを前記範囲に
規制することにより、平均径Ｄの０．７倍以上、好まし
くは０．８〜２倍、さらに好ましくは１〜1.５倍とな
る。しかも結合部６は全体的に内側に向かってなめらか
に湾曲した凹型弧状外面を有している。なお又結合部６
の長さＬは、交差する金属繊維３、３の最短距離を結ぶ
線分の中間位置を挟んで、結合部６の向き合う弧状面間
の距離の内の最小の長さをいう。

【００２７】又前記結合長さＬが平均径Ｄの０．７倍以
下では、前記結合部３の外面が先鋭の凹状となりやす
く、異物などが嵌入しやすくなるとともに、また結合強
度的にも劣り、２倍をこえることは、一般に不必要であ
って、従って、前記範囲とする。

【００２８】その結果、結合部での切裂き現象（結合部
剥離）が防止でき、繊維同士は強固に結合され、また低
密度部１１では空隙率を９９％程度までも高めることも
できる。

【００２９】このような金属シート１は、図７に略示す
るような、芯材９をランダムに絡み合わせた長尺の不織
布状体１３を導入し、前記芯材９の外周面を覆う金属外
周層４、結合部６を設けることにより金属繊維不織布状
体を形成する表面処理槽１５、金属繊維不織布状体を洗
浄する洗浄処理１７、乾燥処理１９などを備えた装置に
よって形成する。

【００３０】表面処理槽１５が、メッキ槽であるときに
は、芯材９として、導電性繊維、例えば炭素繊維、導電
処理をした有機繊維などを用いることができる。又メッ
キ槽には、下地処理用の無電解メッキ槽を併用すること
もできる。なお被覆手段として、電気メッキ、化学メッ
キなどの他、蒸着、浸漬処理などの方法であってもよ
い。

【００３１】さらにメッキに際しては、巾方向の一方の
端部１Ａから他方の端部１Ｂに向かって高密度部１０か
ら低密度部１１に密度分布に勾配を付与し、そのため、
前記のように、外周金属層４の厚さを変化するために、
図８に概略を示すごとく、アノードであるメッキ用電極
（例えばＴｉバスケット）２１に対して、カソードであ
る被処理材（不織布状体１３）を傾け、高密度部１０と
なる側をメッキ用電極２１に近づけ、他方、低密度部１
１となる側を離間させる。

【００３２】これにより、高密度部１０側では、迂回電
流も加わって厚いメッキ層が形成でき、低密度部１１側
では電極との距離が大きくなって電流も弱くなることか
ら薄厚さの外周金属層４が形成され、厚さに勾配が付与
される。なお、本例では、低密度部１１側から電極２１
の面と平行に電解液を流過させることにより、被処理材
を傾斜させているが、適宜の絶縁体でフエルト状体１３
を支持することもできる。

【００３３】さらに、メッキ用電極と被処理材との間に
メッキ電流の流れを遮り、電流に勾配を与える適宜の邪
魔板を用いるのもよい。さらに、被処理材が最終製品よ
りも複数倍の広幅であるとき、電極２１を山形状に折り
曲げ、又は鋸歯状に配置し、かつ邪魔板を併用するなど
により、同時に目的の金属シートを形成できる。

【００３４】前記した脱炭は、前記芯材９を除去する工
程であり、例えばカーボン繊維を芯材９として用いると
ともに、メッキによってニッケルからなる外周金属層４
を形成した場合にあっては、８００〜１３００℃、１０
分〜４時間程度の加熱処理を行うことによって、前記芯
材９のみを除去でき。さらに、加圧、燒結により、薄肉
化と同時に焼結による結合部を追加し、強度を高めるこ
とができる。

【００３５】なお、本発明の金属シートは、前記のよう
に、芯材９の外周部分に金層外周層４を被覆した複合繊
維３Ｂの状態で用いることができ、これにより、芯材９
として例えば炭素繊維などの異種材料と複合させた付勢
を用いることによって全体強度などを向上させることも
できる。

【００３６】前記金属シートは、前記した電池用の電極
として、あるいは積層用フィルターの為の濾過材料等と
して用いることができる。特に電池用の電極として用い
る場合には中空状のものが好ましく、そのために芯材９
としては除去が容易な炭素繊維が好適に採用できる。例
えば濾過材料として用いるときには、たとえば高密度部
を順次反対側にして積層することにより、濾液を蛇行流
とし、捕集性能を向上することができる。

【００３７】さらに、金属繊維として、全体が金属から
なる中実かつ細径の微細繊維を用いることができ、また
金属シートにおいて、金属繊維の前記不織布状体が好ま
しいが、例えば織りクロスも利用できる。さらに金属材
として、ニッケルなどの金属発泡シート、金属粉の燒結
シートなどとして構成することも可能である。

【００３８】

【実施例】

試験例−１ 繊維径１３μｍ、長さ１５mmの炭素繊維を用いたフエル
ト状の厚さ５ｍｍ、巾２４０ｍｍかつ長尺の不織布に、
ニツケルを被覆し、複合繊維体からなる金属繊維フエル
ト状体を形成した。なお被覆処理は電気メッキにより、
平均２０００Ａ／ｍ² の電流密度で、１６分間処理し
た。不織布１１の一端が、アノード電極２１から液流に
よって離れるように傾斜させながらメッキ処理を行っ
た。

【００３９】その後、金属繊維不織布状体をさらに１１
５０℃の雰囲気炉中に挿入し、３０分の脱炭処理を行っ
た。なお繊維中のカーボンはほとんど消滅し、内部には
空洞が生まれた。この時の繊維を分析した結果、炭素残
留は0.００８％程度であった。そののち、長さ８ｍｍに
切断しかつ巾方向に１０ｍｍ毎に切断して８×１０ｍｍ
の試料の複数セットを製作した。

【００４０】インストロン型引張試験機に夫々セット
し、破断に至った時の破断荷重で表したものであって、
夫々３回の測定の平均値を示す。その結果を表１に示
す。また図４に、各試料について重量測定した結果を単
位面積当たりで示している。図４及び表１から理解され
るように、シートの密度分布、即ち目付分布はその一方
から他方に向かって連続的に減少する勾配を有してお
り、巾方向一端部で高密度部が、他端部で低密度部が形
成されている。それに伴って電気抵抗と強度が変化して
いることが判る。

【００４１】

【表１】

【００４２】即ち、高密度部では目付値が６３１ｇ／ｍ
² と最も大きく強度にも優れていることから、端子金具
の接合が容易となり、また電気抵抗も小さいことから高
電流の流れにも対応でき、高率放電に好適したものとな
る。又低密度部では、目付値が３２０〜３５０ｇ／ｍ²
程度と約半分程度と小さくなっていることからより多く
の活物質の充填が可能となる。

【００４３】試験例−２ 試験例−１と同様な試料を用いて金属不織布状体に電気
メッキを施し、そのときアノードとの間に電流流れが連
続的に変化する邪魔板を用い、かつメッキ時間を変化さ
せた場合の密度分布を図５に示している。高密度部から
低密度部に略連続して変化している。

【００４４】

【発明の効果】このように、金属シートは、その巾方向
において密度分布に勾配を形成したことから、高密度部
と低密度部とを使い分けすることができ、例えば電池用
の電極として用いる場合には端子金具を高密度部に接合
することによって、強固な接合が得られ、かつ高密度部
での内部抵抗を減じるとともに、低密度部では活物質の
充填量を大きくすることができ、高容量化を図りつつ高
率放電特性を有する効果的な電極材とすることができ
る。

【００４５】またシートは実質的に同一厚さとしている
ことから、巻き付け加工や積層処理を容易とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の金属シートを例示する斜視図である。

【図２】結合部を例示する斜視図である。

【図３】結合部を例示する一部を破断した斜視図であ
る。

【図４】密度分布の一例を示す線図である。

【図５】密度分布の他の例を示す線図である。

【図６】複合繊維体を例示する斜視図である。

【図７】製造ラインを略示する線図である。

【図８】メッキ方法の一例を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 金属シート ２ 金属材 ３ 金属繊維 ３Ａ 中空状繊維 ３Ｂ 複合繊維 ４ 外周金属層 ５ 空洞部 ６ 結合部 ９ 芯材 １０ 高密度部 １１ 低密度部 １３ フエルト状体

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属材からなる多孔質の金属シートであっ
   て、金属シートの単位体積当たりの前記金属材の密度
   が、一方の端縁の高密度部からその反対側の他方の端縁
   の低密度部に向かって変化する勾配の密度分布を有する
   とともに、該金属シートの厚さを、前記一方の端縁から
   他方の端縁まで実質的に同じ厚さとしたことを特徴とす
   る多孔質の金属シート。
2. 【請求項２】前記金属材は平均外径を５０μｍ以下とし
   た金属繊維からなるとともに、この金属繊維は外周部分
   に金属外周層を有する中空状金属繊維又は芯材の外周部
   分に金層外周層を被覆した複合繊維が用いられ、かつ外
   周金属層の厚さを高密度部の金属繊維から低密度部の金
   属繊維に亘り減じることにより、前記密度分布に勾配を
   付与したことを特徴とする請求項１記載の多孔質の金属
   シート。
3. 【請求項３】前記金属繊維は前記金属外周層が、この金
   属外周層をなす金属と同じ金属の結合部により結合され
   ることにより金属繊維不織布状体をなすことを特徴とす
   る請求項２記載の多孔質の金属シート。
4. 【請求項４】請求項１乃至３記載の多孔質の金属シート
   からなる電池用の電極材。
5. 【請求項５】高密度部に、端子金具を結合したことを特
   徴とする請求項４記載の電池用の電極材。