JPH10154515A

JPH10154515A - アルカリ二次電池用電極基体及び該電極基体に活物質を充填してなる電極を用いたアルカリ二次電池

Info

Publication number: JPH10154515A
Application number: JP8314686A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Oka; 良雄岡
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1996-11-26
Filing date: 1996-11-26
Publication date: 1998-06-09
Anticipated expiration: 2016-11-26
Also published as: JP3900568B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】従来の開口金属板を波板状に形成した電極基
体では、電極基体の面方向の外力が加わった場合に、伸
び変形が起しやすく、このような電極基体を用いた電池
は活物質の利用度が低く、さらに寿命を延ばすには限界
があったので外力が加わった際にも伸び変化しにくい電
極基体を提供し、その電極基体に活物質を充填した電極
は活物質の電極基体からの脱落は防止でき、かつ利用率
が向上すると共に、その電極を正極として、寿命の優れ
たアルカリ二次電池を提供する。【解決手段】多数の開口（孔）を有する金属板または
金属箔からなり、横断面形状が波形またはひだ形であっ
て該波形またはひだ形の各山部及び谷部が縦方向に平行
に列なって形成され、その断面形状において谷部の幅が
左右の互いに隣接する山部の間隙よりも小さい形状すな
わち口の萎まった壺状をなしている電極基体を提供す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はアルカリ二次電池用
電極基体および該電極基体に活物質を充填してなる電極
を正極に用いたアルカリ二次電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種の電源としてニッケル−カドミウム
電池、ニッケル−亜鉛電池、ニッケル−水素電池などの
アルカリ二次電池が使われている。アルカリ二次電池
は、高信頼性で、小型化、軽量化も可能であることか
ら、各種ポータブル機器用の小型のものから、産業設備
用の大型のものまで広く使われてきた。このアルカリ二
次電池において、正負両極の組合せによって多数の種類
があるが、ほとんどの場合、正極としてはニッケル電極
が使用される。また、負極としてカドミウム電極、亜鉛
電極、鉄電極、水素電極等があり、これらのうちカドミ
ウム電極が一般的である。また、活物質として水素吸蔵
合金を使用した水素電極も、高容量化と低公害化が可能
であるため注目されている。

【０００３】上記正極のうちニッケル電極としては、最
初いわゆるポケット式が使用されていたが、いわゆる焼
結式、すなわちニッケル粉末を焼結して得られる焼結多
孔質ニッケル金属板の細孔中に復極剤などを生成させて
極板としたものに代わってからは、電池の特性が向上
し、さらに密閉化が可能になるとともに電池としての用
途も広がった。さらに高容量化のために焼結式に代わり
発泡式ニッケル極が広く使われるようになってきた。す
なわち、発泡式ニッケルは、たとえばポリウレタンの発
泡体等の空隙率の大きな３次元網目状構造を有する絶縁
性の芯材の表面を金属化、特にニッケル化した後、その
芯材を除去して製造されるもので、焼結体よりも活物質
の充填量を多くできる。

【０００４】このような発泡式支持体に対して、さらな
る低コスト化をめざし、パンチングメタルやエキスパン
ドメタル等のような多数の開口を有する金属板からなる
いわゆる二次元構造の導電性多孔体に支持体すなわち基
体としたニッケル極が試みられている。このような電極
は、構造が簡単でありかつ製造が容易で、しかも低コス
トである等の利点を有していることから、例えばボタン
型電池等の小型密閉式のアルカリ二次電池用の電極とし
て、種々の検討がなされている。例えば、特開昭５２−
１１８５３２号公報には、複数の開口（孔）を設けた金
属板を断面がジグザグの波板状に形成した電極基板を用
いて、当該電極基体と活物質との接触面積を増大させる
ことで、活物質の電極基体からの脱落を防止し、活物質
の利用率を向上させることが提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
開公報に開示された発明において、波板状の電極基体は
基体面に沿った外力が加わった場合に、ジグザグまたは
図６に示すような正弦波形では波の形状が基体面に沿う
方向（図６中、白矢印）に伸び変形しやすい。このよう
な伸び変形が発生すると、活物質が脱落して波板状の電
極基体の備わっている効果を充分に発揮することができ
なくなることが、発明者らの検討によって明らかとなっ
た。そのため、かかるジグザグまたは波板状の電極基体
は、結果として、活物質の保持性が悪く、利用率が上が
らず、寿命が短くなる可能性がある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明の目的は、上記
課題を解決するためになされたもので、電極基体の横断
面形状が波形またはひだ形をなしており該波形またはひ
だ形の各山部及び谷部が縦方向に平行に列なっている
が、波またはひだの谷部の底部分の幅が左右の隣接する
山部の間隙よりも大きい形状をなしていること、すなわ
ち、横断面における一つの波またはひだに注目すると壺
型をなしていることを特徴とするものである。換言すれ
ば、本発明の電極基体は、波形またはひだ形の断面形状
において、壺型の口が萎まり、その奥の底部分の幅が該
口の部分より大きくなっていることを特徴とするアルカ
リ二次電池用電極基体である。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の電極基体を断面図をもっ
て説明する。図１は代表的な形状を示し、図１ａは基体
の平面図、図１ｂは横断面図を示す。図１ｂから分かる
ように、電極基体の横断面形状が波形またはひだ形をな
しており、波またはひだの谷部の底２の幅が左右の互い
に隣接する山部の間隙１よりも大きい形状をなしてい
る。一つの波またひだに注目すると壺型を形成してい
る。つまり、萎んだ壺の口の部分１の長さＡよりその奥
の底の部分２の幅Ｂの方が大きくなっている。そのた
め、壺の中にある活物質は口の部分１から出ることがな
く保持性が向上する。また、図１ａから分かるよう、基
体は複数の開口（すなわち孔）４を有し、波形またはひ
だ形の各山部及び谷部が縦方向に平行に列なっている。

【０００８】上記のようにいわゆる壺型に連続的に形成
加工された金属板は、ジグザグまたは正弦波形に加工さ
れた金属板よりも伸び変形が起きにくい。なぜならば、
断面壺形をなす波形またはひだ形では、壺の内壁３が金
属板の面方向と逆方向に傾いており、伸びにかかる力は
壺の内壁に沿って配分されるが、内壁３の逆方向の傾き
が大きいほど、伸び変形につながる厚さ（振幅）を広げ
る力としては働かなくなるからであり、また、伸び変形
する際に壺の内壁が一旦金属板の面に対して垂直になら
なければならなず、特に電池に納めたときに両面からの
圧力に抗して波形金属板の厚さ（振幅）が一旦厚くなら
なければならないからと考えられる。

【０００９】電極基体を製造する場合に複数の開口を有
する長尺の金属板を連続的に波形またはひだ形に形成加
工するが、この場合、波形またはひだ形の尾根線は長尺
の金属板の縦（長手）方向に平行に形成されており、そ
の尾根線の方向と長手方向を一致させることにより、生
産時に長手方向の引っ張り力に対し、なお一層、伸びの
少ない均一な電極基体の素材を得ることができる。ま
た、この素材を切断加工して所定形状の電極基体とした
場合に、基体の平面を示す図７（ａ）のように波形また
はひだ形の尾根線６の方向を該基体の幅方向に一致させ
ることによって、その側面を示す図７（ｂ）のように巻
き取りリール７に巻き付けても塑性変形が起きにくくな
り、変形の少ない電極基体を得ることができる。

【００１０】本発明の電極基板の断面形状は、さらに、
波またはひだの谷部の底の幅が左右の隣接する山部間の
距離よりも大きい形状をなしていること、すなわち、断
面が口が萎ぼまり、その奥の底の部分の幅が該口の部分
より大きいいわゆる壺型をなしている限り、図２に示す
ものであってもよい。断面形状が図３に示すよう左右非
対称であっても同様の機能を発揮することができる。ま
た、断面形状が図４に示すように表裏が異なるものであ
っても良い。また、図５に示すように波またはひだのピ
ッチを周期的に変えてもよく、周期性がある場合は、一
周期が１．０ｍｍ〜１０ｍｍ程度が好ましい、１０ｍｍ
より小さい周期だと、活物質の大きさや形状にもよるが
活物質の保持性が一層よくなり、１．０ｍｍより大きい
と波形またはひな形の成形加工が容易になり生産速度を
早くすることができるからである。

【００１１】また、本発明の電極基体の波形またはひな
形の断面形状が、いわゆる壺型をなしているから、図１
および図２において、壺の口の幅に相当するＡと底の幅
に相当するＢとの比についてはＡ＜Ｂであれば良く、好
ましくはＡ＜１／２Ｂである。Ａについてはゼロすなわ
ち、すぼめた口の部分が閉じられたものでも良い。

【００１２】また、金属板（または箔）に複数設けられ
る開口（孔）の大きさについては、特に限定しないが使
用される活物質の大きさや形状、電池の種類、電極の厚
み等により適宜選択すればよく、０．０１ｍｍ²〜１０
ｍｍ²が好ましい。０．０１ｍｍ²以上にすると電解液の
移動がよくなり、壺型の底の部分ある活物質の利用率が
向上し、１０ｍｍ²以下にすると活物質が開口から出る
ことがなく、保持性が向上し、電池としての寿命を伸ば
すことができるからである。また、開口の形状は円形、
楕円形、菱形など特に限定されない。

【００１３】波形またはひだ形の山部に当たる尾根線
は、長尺の金属板の縦（長手）方向、つまり、開口を有
する長尺の金属板また箔に波形またはひだ形を形成加工
する際に送る方向に沿っている。また、開口を有する金
属基体として、エキスパンドメタルを適用すると、その
平面は図１（ａ）に示すようになり、一つの開口を拡大
した平面図は図８（ａ）であり、図８（ｂ）は図８
（ａ）におけるＡ−Ａ’の断面図である。キスパンドメ
タルの骨格５は図８（ｂ）に示すように金属板の方向Ｃ
に対し傾きを有している。そのため、活物質の保持性が
さらに良くなる。

【００１４】電極基体として用いられ金属板または金属
箔の厚みは１０〜２００μｍが好ましい。２００μｍこ
れより薄いと波形またはひだ形への加工がなお容易にな
り、逆に１０μｍ以上であれば集電体としての形状の保
持が可能になるからである。開口をあける方法として、
通常のエキスパンドメタルやパンチングメタルの作製方
法が生産性の面で好ましいが、突起のついたプレス機械
やドリル状のものでの加工、エッチングによる加工など
でも可能である。プレス機械で開口を設けると、開口の
周辺にバリが形成されるが、バリの出ている方を波形ま
たはひだ形で形成されたいわゆる壺型の内部側にあれ
ば、活物質の保持性が向上する。

【００１５】金属板の材料としては、ニッケル電気メッ
キした鉄が好ましく用いられる。その理由は、鉄に比べ
て高価なニッケルの使用量を減らすことができ、また、
めっきの欠陥などより生じたアルカリ電解液への鉄の露
出に関しては鉄の不働態被膜が形成されるので、アルカ
リ電解液中への鉄の溶解はほとんど生じないからであ
る。

【００１６】また、電極基体の表面を粗面化することに
より、電極基体は活物質との接触面積が増えるので活物
質の利用率がよくなる。なお、粗面化処理する方法とし
て、エッチング、サンドブラストなどが用いられる。

【００１７】電極基体の表面層には、さらにコバルト層
を設けることが好ましい。そうすることにより、活物質
と電極基体との電気的な接触がよくなり、活物質の利用
率が一層向上するからである。

【００１８】また、活物質としては、例えば、球状（平
均粒径５〜２０μｍ）の水酸化ニッケルを用いることが
できる。その活物質を電極基体に充填する場合は、充填
される量の活物質を電極基体の端部付近上に置き、ロー
ラープレスを尾根線方向に沿って行う。これにより、ロ
ーラープレス時の伸びを抑制することができるため、活
物質を比較的強い圧力で充填でき、活物質の利用率が高
い電極が得られる。

【００１９】該電極基体に活物質を充填した電極、対極
及び隔膜を巻回しする際に、該電極基体の波形またはひ
だ形の尾根線方向に巻くことにより、波形またはひだ形
で形成された断面壺状の口に当たる部分が巻回したとき
に開きにくいため、活物質の脱落が抑制され、活物質利
用率の高い電池が得られる。

【００２０】活物質を充填した後、ローラープレスを行
う場合には、波形またはひだ形の尾根線方向に沿って行
うのが好ましい。また、本発明の基体を用いて、例え
ば、円筒型アルカリ二次電池を作製する場合には、図９
に示すように該電極基体を用いた電極と対極と隔膜を巻
回しする際に、波形またはひだ形の尾根線６の方向が、
巻く方向であることが好ましい。巻く際にかかる力の方
向と波形またはひだ形が平坦に広がり伸び変形の方向と
が直角をなすから、巻く際に巻く方向の力がかかって
も、その力によって基体の伸び変形が起きることはなく
なる。図９において、８は正極板、９はセパレータ、１
０は負極板、１１は絶縁リング、１２は封口板、１３は
キャップ、１４は絶縁ガスケット、１５はケース、１６
は絶縁板をそれぞれ示す。

【００２１】

【実施例】

実施例１５０μｍ厚の鉄箔を送りピッチ０．２ｍｍ、開口ピッチ
（縦）０．８ｍｍ、開口ピッチ（横）１．４ｍｍにて重
量２５０ｇ／ｍ²の図８に示す形状のエキスパンドメタ
ルを得た。これを断面方向については図１（ｂ）のよう
にＡ＝０．５ｍｍ、Ｂ＝1.５ｍｍとして波形状またはひ
だ形状に加工して厚み１.５ｍｍにした。その平面は図
１（ａ）に示すものであり、波形またはひだ形の尾根線
は図８（ａ）におけるＡ−Ａ’の方向とした。さらにニ
ッケル電気メッキを行いアルカリ二次電池用電極基体を
得た。

【００２２】実施例２５０μｍ厚のニッケル箔を半径１ｍｍの円形の開口が
２．７ｍｍ間隔で開いているパンチングメタルを得、こ
れを用いた以外は、実施例１と同様にアルカリ二次電池
用電極基体を得た。

【００２３】実施例３断面形状を図２にした以外は実施例１と同様にアルカリ
二次電池用電極基体を得た。

【００２４】実施例４波形またはひだ形の尾根線方向と該電極基体の長手方向
を直角にした以外は、実施例１と同様にアルカリ二次電
池用電極基体を得た。

【００２５】実施例５断面形状を図３にした以外は実施例１と同様にアルカリ
２次電池用電極を得た。

【００２６】実施例６断面形状を図４にした以外は実施例１と同様にアルカリ
２次電池用電極を得た。

【００２７】実施例７断面形状を図５にした以外は実施例１と同様にアルカリ
２次電池用電極を得た。なお、周期Ｔ＝３．０ｍｍ、
Ｔ’＝１．５ｍｍとした。

【００２８】実施例８実施例１の電極基体について硝酸にてエッチングを行
い、十分に洗浄してアルカリ２次電池用電極基体を得
た。

【００２９】実施例９実施例１の電極基体についてコバルトを電気めっき（１
ｇ／ｍ²）を行い、十分に洗浄して、アルカリ２次電池
用電極基体を得た。

【００３０】比較例１断面形状については図６のような形状にし、厚み１.５
ｍｍ、Ａ＝１.０ｍｍ、に加工した以外は実施例１と同
様なアルカリ二次電池用電極基体を得た。

【００３１】（電池試験）実施例１〜９と比較例１の電
極基体を市販の球状水酸化ニッケル粉末７５重量部、コ
バルト３部、酸化コバルト粉末４部の混合物に２重量％
のポリビニルアルコール水溶液を加えてペーストとして
加圧充填する。表面を平滑化し、その後、１２０℃１時
間乾燥した。得られた電極を波形またはひだ形の尾根
線方向をローラープレスの方向と同一にしたもの、波
形またはひだ形の尾根線とローラープレスの方向を直角
にしたものの２種類を作製し、厚さ０．７０ｍｍに調整
した。

【００３２】（円筒型電池試験）得られた電極を尾根
線方向に長さ１８０ｍｍ、幅３３ｍｍに裁断したもの、
尾根線方向に幅３０ｍｍ、長さ１８０ｍｍに裁断した
ものの２種類の電極にリード板をスポット溶接により取
り付けた。活物質の量から計算による公称容量は２．７
Ａｈである。相手極として水素吸蔵合金ＬａＮｉ5の１
種であるＭｍＮｉ3.7Ｍｎ0.4Ａｌ0.3Ｃｏ0.6を用いた。
これを公知の発泡状ニッケルに充填し、厚さ０．５ｍ
ｍ、幅３３ｍｍ、長さ２２０ｍｍに裁断し、リード板を
スポット溶接により取り付けた。また、親水処理したポ
リプロピレン不織布をセパレータとして、上記電極と負
極との間に、挟持し、巻き取りを行い、サブＣ型電池に
挿入し、円筒型ニッケル水素二次電池を作製した。なお
電解液として比重１．２６の苛性カリ水溶液に３０ｇ／
Ｌの水酸化リチウムを溶解して用いた。電池として各５
個作製した。

【００３３】（試験Ａ）これらの電池について、化成終
了後の各電池を５時間率（０.２Ｃ）で容量の１２０％
定電流充電し、放電電流１０時間率（０．１Ｃ）で終止
電圧０．９Ｖまでの条件で放電容量を調べた。

【００３４】（試験Ｂ）次に、各電池を５時間率で容量
の１２０％定電流充電し、放電電流５Ｃで終止電圧０．
９Ｖまでの条件で放電容量を調べた。

【００３５】（試験Ｃ）また、２時間率で容量の１２０
％定電流充電し、放電電流（０．２Ｃ）で終止電圧０．
９Ｖまでの条件で放電容量を調べる試験を繰り返すサイ
クル評価試験をおこなった。以上の結果を表１に示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】なお、実施例では正極にニッケル極を用い
た場合を示したが、負極としてカドミウム極を用いても
同じ効果を発揮し、そのほか鉄極や亜鉛極などにも同じ
効果が得られる。

【００３８】

【発明の効果】以上の実施例の説明で明らかなように、
本発明の構造を用いることにより、簡便な手段により、
電極基体面方向の外力による伸びに対し強度を有すると
共に、活物質の保持性に優れており電極基体を得ること
ができ、本発明の基体を用いた電極としたアルカリ二次
電池は、放電容量が高く、ハイレート放電特性に優れ、
サイクル特性に優れたものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】同図（ａ）はこの発明の波形またはひだ形に加
工された形状を摸式的に示す電極基体の平面図、同図
（ｂ）はその横断面図である。

【図２】同図は、本発明の電極基体の、実施の形態の他
の形状の例を模式的に示す断面図である。

【図３】同図は、本発明の電極基体の、実施の形態のさ
らに他の形状の例を模式的に示す断面図である。

【図４】同図は、本発明の電極基体の、実施の形態のさ
らに他の形状の例を模式的に示す断面図である。

【図５】同図は、本発明の電極基体の、実施の形態のさ
らに他の形状の例を模式的に示す断面図である。

【図６】同図は、従来の電極基体の、波形の形状を模式
的に示す断面図である。

【図７】同図（ａ）は、この発明の電極基体の波形また
はひだ形の尾根線が電極基体の長尺方向にであることを
示す平面図、同図（ｂ）は、この発明の電極基体を巻き
取りの状態を示す側面図である。

【図８】同図（ａ）は、エックスバンド金属板の開口部
分を拡大した平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）における
Ａ−Ａ’の断面図である。

【図９】同図は、この発明の電極基体に活物質を充填し
た正極を用いた円筒型アルカリ二次電池の一部を欠損さ
せた斜視図である。

【符号の説明】

１波形またはひだ形の山部の間隔２波形またはひだ形の谷部の幅３波形またはひだ形の壁部４金属板または金属箔に設けられた開口５エキスパンド金属の骨格６波形またはひだ形の尾根線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多数の開口を有する金属板または金属箔
からなり、横断面形状が波形またはひだ形であって該波
形またはひだ形の各山部及び谷部が縦方向に列なって形
成され、横断面形状における各谷部の底部分の幅が左右
の互いに隣接する山部の間隔よりも大きいことを特徴と
するアルカリ二次電池用電極基体。
【請求項２】上記多数の開口を有する金属板または金
属箔が、エキスパンドメタルである請求項１記載のアル
カリ二次電池用電極基体。
【請求項３】上記金属板または金属箔が、ニッケル電
気メッキした鉄である請求項１または請求項２記載のア
ルカリ二次電池用電極基体。
【請求項４】上記金属板または金属箔の表面にコバル
ト層を設けた請求項１ないし３のアルカリ二次電池用電
極基体。
【請求項５】請求項１ないし４の電極基体に活物質を
充填してなる電極を正極として用いたことを特徴とする
アルカリ二次電池。