JPH1140126A

JPH1140126A - 密閉型電池

Info

Publication number: JPH1140126A
Application number: JP9191341A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Tsuga; 裕都賀; Toshiji Yunokizono; 利治柚木園; Yoshihiro Morifuji; 義広森藤
Original assignee: Toshiba Battery Co Ltd
Current assignee: FDK Twicell Co Ltd
Priority date: 1997-07-16
Filing date: 1997-07-16
Publication date: 1999-02-12

Abstract

(57)【要約】【課題】高レート放電特性の低下や内圧上昇を招くこ
となく、電極群の捲回時における内部短絡の発生を防止
することが可能な密閉型電池を提供する。【解決手段】正極および負極をそれらの間にセパレー
タを挟んで渦巻き状に捲回した電極群を具備し、前記セ
パレータは、合成樹脂繊維からなる主セパレータと、少
くとも一方の電極の巻き始め部に接する前記主セパレー
タ部分に融着された前記主セパレータより長さの短い補
助セパレータとからなり、かつ前記主セパレータに対す
る前記補助セパレータの融着面積はそれ自体の面積の３
０〜７０％であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、正極、負極および
セパレータを渦巻き状に捲回した構造の電極群を有する
密閉型電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】正極および負極をそれらの間にセパレー
タを挟んで渦巻き状に捲回した電極群を備えた密閉型電
池は、近年、携帯用電気機器等の電源として用いられて
いる。前記構造の密閉型電池において、１枚のセパレー
タのみを用いて正極および負極と共に捲回すると、一方
の電極先端のエッジや捲回時に曲率の小さな巻き始め部
に生じるクラックに伴うバリ等によってセパレータを貫
通して他方の電極に接触して短絡に至る問題があった。
前記バリ発生は、電極の導電性基板として金属ネット、
パンチドメタルのように二次元基板、発泡メタル、金属
繊維を積層した三次元基板を用いるニッケル水素二次電
池、ニッケルカドミウム二次電池において起こりやす
い。

【０００３】このような短絡を防止するために、合成樹
脂繊維からなる主セパレータの少くとも一方の電極の巻
き始め部に接する部分にその主セパレータより短い長さ
を有する補助セパレータを熱融着または超音波融着等に
より二重化することが行われている。しかしながら、補
助セパレータが融着された部分はフィルム化されるた
め、電池反応に関与する電極群の領域が低下するために
高レート放電時の電圧および容量が低下したり、ガスの
透過性が低下して電池内圧が上昇するという問題があっ
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、高レート放
電特性の低下や内圧上昇を招くことなく、電極群の捲回
時における内部短絡の発生を防止することが可能な密閉
型電池を提供しようとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる円筒型電
池は、正極および負極をそれらの間にセパレータを挟ん
で渦巻き状に捲回した電極群を具備し、前記セパレータ
は、合成樹脂繊維からなる主セパレータと、少くとも一
方の電極の巻き始め部に接する前記主セパレータ部分に
融着された前記主セパレータより長さの短い補助セパレ
ータとからなり、かつ前記主セパレータに対する前記補
助セパレータの融着面積はそれ自体の面積の３０〜７０
％であることを特徴とするものである。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる密閉型電
池、例えば円筒型ニッケル水素二次電池を図１および図
２を参照して説明する。有底円筒状の容器１内には、ペ
ースト式正極２とセパレータ３とペースト式負極４とを
積層して渦巻き状に捲回することにより作製された電極
群５が収納されている。前記負極４は、前記電極群５の
最外周に配置されて前記容器１と電気的に接触してい
る。前記セパレータ３は、図２に示すように主セパレー
タ３ａと、少くとも一方の電極の巻き始め部に接する前
記主セパレータ３ａに融着された前記主セパレータ３ａ
より長さの短い補助セパレータ３ｂとからなる。アルカ
リ電解液は、前記容器１内に収容されている。中央に穴
６を有する円形の第１の封口板７は、前記容器１の上部
開口部に配置されている。リング状の絶縁性ガスケット
８は、前記封口板７の周縁と前記容器１の上部開口部内
面の間に配置され、前記上部開口部を内側に縮径するカ
シメ加工により前記容器１に前記封口板７を前記ガスケ
ット８を介して気密に固定している。正極リード９は、
一端が前記正極２に接続、他端が前記封口板７の下面に
接続されている。帽子形状をなす正極端子１０は、前記
封口板７上に前記孔６を覆うように取り付けられてい
る。ゴム製の安全弁１１は、前記封口板７と前記正極端
子１０で囲まれた空間内に前記孔６を塞ぐように配置さ
れている。中央に穴を有する絶縁材料からなる円形の押
え板１２は、前記正極端子１０上に前記正極端子１０の
突起部がその押え板１２の前記穴から突出されるように
配置されている。外装チューブ１３は、前記押え板１２
の周縁、前記容器１の側面及び前記容器１の底部周縁を
被覆している。

【０００７】次に、前記ペースト式正極２、ペースト式
負極４、セパレータ３および電解液について説明する。１）ペースト式正極２このペースト式正極２は、活物質である水酸化ニッケル
粉末に導電材を添加し、結着剤および水と共に混練して
ペーストを調製し、このペーストを金属多孔体からなる
三次元構造の基板に充填し、乾燥した後、成形すること
により作製される。

【０００８】前記水酸化ニッケルにおいて、Ｃｏ、Ｃ
ｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｓｉのよう
な金属を共沈することを許容する。前記導電材料として
は、例えば金属コバルト、コバルト酸化物、コバルト水
酸化物等を挙げることができる。

【０００９】前記結着剤としては、例えばカルボキシメ
チルセルロース、メチルセルロース、ポリアクリル酸ナ
トリウム、ポリテトラフルオロエチレン等を挙げること
ができる。

【００１０】前記金属多孔体としては、例えばスポンジ
状、繊維状、もしくはフェルト状のものを挙げることが
できる。２）ペースト式負極４このペースト式負極４は、水素吸蔵合金粉末に導電材を
添加し、結着剤および水と共に混練してペーストを調製
し、このペーストを導電性基板に充填し、乾燥した後、
成形することにより製造される。

【００１１】前記水素吸蔵合金としては、格別制限され
るものではなく、電解液中で電気化学的に発生させた水
素を吸蔵でき、かつ放電時にその吸蔵水素を容易に放出
できるものであればよい。この水素吸蔵合金としては、
例えばＬａＮｉ₅ 、ＭｍＮｉ₅ （Ｍｍ；ミッシュメタ
ル）、ＬｍＮｉ₅ （Ｌｍ；ランタン富化したミッシュメ
タル）、またはこれらのＮｉの一部をＡｌ、Ｍｎ、Ｃ
ｏ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｂのような元素で
置換した多元素系のもの、もしくはＴｉＮｉ系、ＴｉＦ
ｅ系のものを挙げることができる。中でも、一般式Ｌｍ
Ｎｉ_x Ｍｎ_y Ａ_z （ただし、ＡはＡｌ，Ｃｏから選ばれ
る少なくとも一種の金属、原子比ｘ，ｙ，ｚはその合計
値が４．８≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦５．４を示す）で表されるも
のを用いることが好ましい。

【００１２】前記結着剤としては、前記正極２で用いた
のと同様なものを挙げることができる。前記導電材とし
ては、例えばカーボンブラック等を用いることができ
る。

【００１３】前記導電性基板としては、パンチドメタ
ル、エキスパンデッドメタル、穿孔剛板、ニッケルネッ
トなどの二次元基板や、フェルト状金属多孔体や、スポ
ンジ状金属基板などの三次元基板を挙げることができ
る。

【００１４】３）セパレータ３このセパレータ３は、前述した図２に示すように主セパ
レータ３ａと、少くとも一方の電極の巻き始め部に接す
る前記主セパレータ３ａ部分に融着された前記主セパレ
ータ３ａより長さの短い補助セパレータ３ｂとからな
る。また、前記主セパレータ３ａに対する前記補助セパ
レータ３ｂの融着面積はそれ自体の面積の３０〜７０％
を占める。

【００１５】前記セパレータは、例えばポリオレフィン
繊維やナイロン繊維からなる不織布、同繊維からなる織
布もしくはこれら不織布および織布で複合化された複合
シートから作られる。特に、前記セパレータはポリオレ
フィン系合成樹脂繊維を含むシート状物から形成され、
かつ前記シート状物がカルボキシル基を有するビニルモ
ノマーでグラフト共重合された物から形成されることが
好ましい。

【００１６】前記ポリオレフィン系合成樹脂繊維として
は、ポリオレフィン単一繊維、ポリオレフィン繊維から
なる芯材表面に前記ポリオレフィン繊維とは異なるポリ
オレフィン繊維が被覆された芯鞘構造の複合繊維、互い
に異なるポリオレフィン繊維同士が円形に接合された分
割構造の複合繊維等を挙げることができる。前記ポリオ
レフィンとしては、例えばポリエチレン、ポリプロピレ
ンなどを挙げることができる。

【００１７】前記ポリオレフィン系合成樹脂繊維を含む
シート状物としては、例えば前述したポリオレフィン系
合成樹脂繊維からなる不織布、同繊維からなる織布もし
くはこれら不織布および織布で複合化された複合シート
を挙げることができる。前記不織布は、例えば乾式法、
湿式法、スパンボンド法、メルトブロー法等によって作
製される。前記ポリオレフィン系合成樹脂繊維の平均繊
維径は、機械的強度、正極と負極の間のショート防止の
観点から１〜２０μｍにすることが好ましい。前記合成
樹脂繊維の平均繊維径を１μｍ未満にすると、前記セパ
レータの機械的強度が低下して電池の組み立てが困難に
なる恐れがある。一方、前記合成樹脂繊維の平均繊維径
が２０μｍを越えると前記セパレータの被覆率が低下し
て正負極間の短絡が多発する恐れがある。より好ましい
前記合成樹脂繊維の平均繊維径は、３〜１５μｍであ
る。

【００１８】前記カルボキシル基を有するビニルモノマ
ーとしては、例えばアクリル酸、メタクリル酸、前記ア
クリル酸や前記メタクリル酸のエステル類を挙げること
ができる。前記ビニルモノマーの中でも、アクリル酸が
好適である。

【００１９】前記補助セパレータ３ｂは、前記主セパレ
ータ３ａの長さの５〜２０％の長さにすることが好まし
い。前記主セパレータ３ａ、補助セパレータ３ｂは、厚
さが同じであっても、異なってもよい。特に、電池容量
を増大させる観点から、補助セパレータ３ｂは主セパレ
ータ３ａに比べて厚さが薄く、かつ目付け量が小さいこ
とが好ましい。具体的には、主セパレータ３ａとして厚
さが１４０〜２２０μｍ、目付け量が４０〜６０ｇ／ｍ
² のものを用い、補助セパレータ３ｂとして厚さが９０
〜１５０μｍ、目付け量が２０〜４０ｇ／ｍ² のものを
用いことが好ましい。

【００２０】前記主セパレータ３ａに対する前記補助セ
パレータ３ｂの融着は、例えば図３の（Ａ）に示すよう
に複数の菱型融着部１４を市松模様に配列する形態、図
３の（Ｂ）に示すように複数の帯状融着部１４を所望の
間隔をあけて前記補助セパレータ３ｂの長さ方向に配列
する形態を採用することができる。特に、図３の（Ａ）
に示す形態では前記主セパレータ３ａに前記補助セパレ
ータ３ｂを良好に融着することが可能になる。このよう
な融着部は、スポット加熱治具を用いたスポット加熱法
や超音波融着法により形成することができる。

【００２１】前記主セパレータ３ａに対する前記補助セ
パレータ３ｂの融着面積を前記範囲に規定したのは、次
のような理由によるものである。前記融着面積を３０％
未満にすると、前記主セパレータ３ａに対する前記補助
セパレータ３ｂの貼着強度を十分に高めることが困難に
なる。一方、前記融着面積が７０％を越えると、主セパ
レータ３ａのフィルム化される部分が広くなって、正負
極間の電池反応効率の低下等を招く。より好ましい前記
主セパレータ３ａに対する前記補助セパレータ３ｂの融
着面積４０〜６０％である。

【００２２】４）アルカリ電解液このアルカリ電解液としては、例えば水酸化ナトリウム
（ＮａＯＨ）と水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）の混合液、
水酸化カリウム（ＫＯＨ）とＬｉＯＨの混合液、ＫＯＨ
とＬｉＯＨとＮａＯＨの混合液等を用いることができ
る。これらの電解液の中でＫＯＨの濃度は、２．０Ｎ〜
６．０Ｎにすることが望ましい。ＮａＯＨの濃度は、
１．０Ｎ〜６．０Ｎ、より好ましくは２．０Ｎ〜５．０
Ｎの範囲にすることが望ましい。ＬｉＯＨの濃度は、
０．３Ｎ〜２．０Ｎ、より好ましくは０．５Ｎ〜１．５
Ｎの範囲にすることが望ましい。

【００２３】以上説明した本発明に係わる円筒型電池
は、正極および負極をそれらの間にセパレータを挟んで
渦巻き状に捲回した電極群を具備し、前記セパレータが
合成樹脂繊維からなる主セパレータと、少くとも一方の
電極の巻き始め部に接する前記主セパレータ部分に融着
された前記主セパレータより長さの短い補助セパレータ
とからなり、かつ前記主セパレータに対する前記補助セ
パレータの融着面積がそれ自体の面積の３０〜７０％で
ある。

【００２４】このような構成によれば、正極および負極
をセパレータを挟んで捲回する際、一方の電極先端のエ
ッジや捲回時に曲率の小さな巻き始め部に生じるクラッ
クに伴うバリ等が発生しても、前記セパレータは少くと
も一方の電極の巻き始め部に接する合成樹脂繊維からな
る主セパレータに補助セパレータを融着して二重化され
ているため、前記バリ等がセパレータを貫通して他方の
電極に接触して短絡するのを防止することができる。

【００２５】また、前記主セパレータに対する前記補助
セパレータの融着面積をそれ自体の面積の３０〜７０％
にすることによって、前記融着により前記セパレータ
（主セパレータ）がフィルム化される面積を低減できる
ため、前記補助セパレータの全ての面を主セパレータに
融着する場合に比べて電池反応に関与する電極群の領域
を増大できる。その結果、高レート放電時の電圧および
容量を増大できる。しかも、前記補助セパレータの全て
の面を主セパレータに融着する場合に比べてガスの透過
性を増大できるため、電池内圧の上昇を抑制することが
できる。したがって、高信頼性で電池特性の優れた円筒
型ニッケル水素二次電池のような密閉型電池を提供でき
る。

【００２６】なお、本発明の密閉型電池は正極および負
極をそれらの間にセパレータを挟んで渦巻き状に捲回し
た電極群をを備えた構造であれば、前述した円筒型ニッ
ケル水素二次電池に限らず、前記電極群を有する円筒型
ニッケルカドミウム電池、円筒型もしくは角型のリチイ
ムイオン二次電池等に適用できる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を前述した図
１および図２を参照して詳細に説明する。（実施例１〜３）＜ペースト式正極の作製＞まず、水酸化ニッケル粉末１
００重量部および一酸化コバルト粉末５重量部、カルボ
キシメチルセルロース０．３重量部を純水３０重量部と
共に混練することによりペーストを調製した。つづい
て、このペーストをスポンジ状ニッケル多孔体からなる
基板内に充填した後、乾燥、圧延、リード溶接を行うこ
とによってペースト式正極を作製した。

【００２８】＜ペースト式負極の作製＞市販のランタン
富化したミッシュメタルＬｍおよびＮｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、
Ａｌを用いて高周波炉によって、ＬｍＮｉ_4.0 Ｃｏ_0.4
Ｍｎ_0.3 Ａｌ_0.3 の組成からなる水素吸蔵合金を作製し
た。前記水素吸蔵合金を機械粉砕し、これを２００メッ
シュの篩を通過させた。得られた水素吸蔵合金粉末１０
０重量部に対してポリアクリル酸ナトリウム０．５重量
部、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）０．１２５
重量部、ポリテトラフルオロエチレンのディスパージョ
ン（比重１．５，固形分６０ｗｔ％）２．５重量部およ
び導電材としてカーボン粉末１．０重量部を水５０重量
部と共に混合することによって、ペーストを調製した。
このペーストをパンチドメタルに塗布、乾燥した後、加
圧成型することによってペースト式負極を作製した。

【００２９】＜セパレータの作製＞図３の（Ａ）に示す
ように長さ１８０ｍｍ、目付け量５０ｇ／ｍ² 、厚さ１
９０μｍのポリプロピレン製繊維からなる主セパレータ
３ａの電極との巻き始め端部上に、長さ２０ｍｍ、目付
け量３０ｇ／ｍ² 、厚さ１２０μｍのポリプロピレン製
繊維からなる補助セパレータ３ｂを超音波融着により複
数の菱型融着部１４が市松模様に配列するように融着す
ることによりセパレータ３を作製した。この時、前記補
助セパレータ３ｂの融着部１４は、その補助セパレータ
３ｂの全面積に対して３０％とした。

【００３０】次いで、前記セパレータを前記正極と前記
負極の間に巻き始め端部に融着された前記補助セパレー
タが位置するように介装し、渦巻状に捲回して電極群を
作製した。このような電極群を有底円筒状容器に収納し
た後、ＫＯＨ水溶液からなる電解液を前記容器内に注入
し、封口等を行うことにより前述した図１および図２に
示す構造を有するＡＡサイズ、公称容量１２００ｍＡｈ
の円筒形ニッケル水素二次電池を組み立てた。

【００３１】（実施例２）セパレータとして、主セパレ
ータに補助セパレータをその補助セパレータの融着面積
比率が４０％になるように超音波融着したものを用いた
以外、実施例１と同様な方法により円筒形ニッケル水素
二次電池を組み立てた。

【００３２】（実施例３）セパレータとして、主セパレ
ータに補助セパレータをその補助セパレータの融着面積
比率が５０％になるように超音波融着したものを用いた
以外、実施例１と同様な方法により円筒形ニッケル水素
二次電池を組み立てた。

【００３３】（実施例４）セパレータとして、主セパレ
ータに補助セパレータをその補助セパレータの融着面積
比率が６０％になるように超音波融着したものを用いた
以外、実施例１と同様な方法により円筒形ニッケル水素
二次電池を組み立てた。

【００３４】（実施例５）セパレータとして、主セパレ
ータに補助セパレータをその補助セパレータの融着面積
比率が７０％になるように超音波融着したものを用いた
以外、実施例１と同様な方法により円筒形ニッケル水素
二次電池を組み立てた。

【００３５】（比較例１）セパレータとして、主セパレ
ータに補助セパレータをその補助セパレータの融着面積
比率が２０％になるように超音波融着したものを用いた
以外、実施例１と同様な方法により円筒形ニッケル水素
二次電池を組み立てた。

【００３６】（比較例２）セパレータとして、主セパレ
ータに補助セパレータをその補助セパレータの融着面積
比率が８０％になるように超音波融着したものを用いた
以外、実施例１と同様な方法により円筒形ニッケル水素
二次電池を組み立てた。

【００３７】前記実施例１〜５および比較例１、２の二
次電池について、１．０ＣｍＡで１５０％充電し、３０
分間休止した後、１．０ＣｍＡで０．８Ｖまで放電する
充放電を３回繰り返した後の電池電圧および電池内圧を
測定した。その結果を図４に示す。

【００３８】また、前記実施例１〜５および比較例１、
２に用いたセパレータにおける主セパレータに対する補
助セパレータの引張り強度（融着強度）を測定した。そ
の結果を図５に示す。

【００３９】図４から明らかなように主セパレータに補
助セパレータを融着した際の補助セパレータ融着面積比
率が３０〜７０％であるセパレータを用いた実施例１〜
５の二次電池は、前記補助セパレータ融着面積比率が８
０％であるセパレータを用いた比較例２の二次電池に比
べて電池電圧が高く、かつ内圧上昇も抑制できることが
わかる。また、図５から明らかなように実施例１〜５の
ように主セパレータに補助セパレータを融着した際の補
助セパレータ融着面積比率が３０〜７０％であるセパレ
ータは、比較例１のように補助セパレータ融着面積比率
が２０％であるセパレータに比べて引張り強度（融着強
度）が高くできることがわかる。このため、前述したセ
パレータを正極と負極の間に介装し、渦巻状に捲回して
電極群を作製する際、巻き始め端部に融着された補助セ
パレータが剥離するのを防止することができた。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、高
レート放電特性の低下や内圧上昇を招くことなく、電極
群の捲回時における内部短絡の発生を防止することが可
能な高性能、高信頼性のニッケル水素二次電池等の密閉
型電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる密閉型電池の一例であるニッケ
ル水素二次電池を示す斜視図。

【図２】図１の二次電池の横断面図。

【図３】本発明に係わる密閉型電池に用いられるセパレ
ータを示す平面図。

【図４】セパレータの補助セパレータにおける融着面積
比率と電池電圧および電池内圧との関係を示す特性図。

【図５】セパレータの補助セパレータにおける融着面積
比率とこの補助セパレータの主セパレータに対する引張
り強度（融着強度）との関係を示す特性図。

【符号の説明】

１…容器、２…正極、３…セパレータ、３ａ…主セパレータ、３ｂ…補助セパレータ、４…負極、５…電極群、７…封口板、８…絶縁ガスケット、１４…融着部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正極および負極をそれらの間にセパレー
タを挟んで渦巻き状に捲回した電極群を具備し、前記セパレータは、合成樹脂繊維からなる主セパレータ
と、少くとも一方の電極の巻き始め部に接する前記主セ
パレータ部分に融着された前記主セパレータより長さの
短い補助セパレータとからなり、かつ前記主セパレータ
に対する前記補助セパレータの融着面積はそれ自体の面
積の３０〜７０％であることを特徴とする密閉型電池。
【請求項２】前記主セパレータに対する前記補助セパ
レータの融着部は、市松模様になるように分散されてい
ることを特徴とする請求項１記載の密閉型電池。