JP2000208144A - 電池用電極基板とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２種類以上の素材を用いず、所要の活物質を
十分に担持でき、且つ、集電した電気を低抵抗で集中し
て流せる低コストの電池用電極基板を提供する。 【解決手段】 発泡金属体に活物質３が充填された電池
用電極基板１であって、その発泡金属体の厚み方向の片
側は活物質３が充填されており、加圧変形度が小さいＡ
層５で、他の側は活物質３が充填されずに、加圧変形度
が大きいＢ層６である。これにより、電気を集電するＡ
層５と、その電気を流す内部電気抵抗ロスの少ないＢ層
６の２層構造となっているので、集電効果は大きく、大
電流の充放電が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、携帯用電子機器、
電気自動車等に使用する充放電可能な２次電池に用いる
電池用電極基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】充放電可能な２次電池には、古くは自動
車用バッテリーとして鉛畜電池があるが、最近では、ニ
ッケル−カドミウム電池、ニッケル−水素電池、リチウ
ム電池等の軽量で高電気容量の２次電池が開発され、主
に携帯用電子機器に使用されている。このような２次電
池は、その電極基板に金属を用い、それに担持された活
物質とセパレータを介しての対極との間で電気が蓄積さ
れているが、活物質の量と極板間の距離により、充放電
量が決まる。そこで電極基板に金属多孔体を用い多孔体
中に活物質を詰め込んだり、電極基板、セパレータ及び
対極をシート状に重ね合わすことにより、限られたスペ
ースの中でより多くの活物質を担持し、且つ、電極基板
と対極との距離を縮める方法が採用されている。

【０００３】ここで用いられる電極基板の金属は、使わ
れる活物質により、その素材範囲が決められる。通常、
ニッケル−カドミウム電池やニッケル−水素電池ではニ
ッケルが、リチウム電池ではアルミニウムが、現在多く
使用されている。これは電池の充放電による化学反応
が、活物質をイオン化したり、非イオンに戻したりする
際、電極基板がイオンにより腐食されたり、金属イオン
となって電池性能の障害となることを防ぐためである。

【０００４】そして電極基板の金属の形状は、活物質と
の密着性をよくし、且つ、活物質を担持できる能力が大
きい程よい。そこから、金属多孔体が用いられるように
なったが、金属多孔体でも、金属粉の焼結によるもの
は、気孔率が大きくとれず、従って活物質の担持率が低
い。又、金属繊維を不織布として用いるものは、使用す
る繊維の太さにより、大きな気孔率を得ることも可能
で、活物質の担持率を大きくとれるが、金属繊維同士の
密着性は、繊維間の接点によるため、活物質において発
生した電気を集電する役割である電極骨格としては不利
である。現在よく用いられているものは、発泡ウレタン
等を骨格にし、これに導電化処理をした後、メッキによ
り金属被覆し、その後、ばい焼炉で発泡ウレタン等の樹
脂分を除くことで得られる発泡金属体が主流である。そ
の他、樹脂の不織布に導電化処理をした後、メッキによ
り金属被覆し、ばい焼炉で樹脂を除去する金属不織布も
用いられている。

【０００５】こうした金属多孔体を電極基板とする場
合、シート状の金属極板に水酸化ニッケル等の活物質を
ペースト状にして刷り込み、気孔の中に活物質を充填す
るが、充填後に加圧して所定の厚みにするのと同時に、
活物質と金属骨格の密着性を高める。活物質は電池とな
った時に、充放電を繰り返す度に、イオン化したり、非
イオンに戻ったりすることで、イオンを取り込んだり、
放出したりするのであるが、その経路として金属多孔体
がイオンの供給と回収の役割をする。従って、活物質の
間に金属骨格が血管のように入り込んでいる構造が望ま
しく、しかもその金属骨格は、集電体として、電池の電
極につながる方向へより太い経路を持たせるのが理想的
である。

【０００６】その工夫の一つが、特公昭６３―２７８２
３号公報に開示されており、その内容を図３に示す。発
泡状樹脂２１と多孔性繊維状樹脂２２とを一体にし、こ
れに金属被覆した後、樹脂をばい焼して除去することに
より、２層構造の金属多孔体を作製し、発泡メタル層に
活物質を担持させ、繊維状メタル層は集電体と補強の役
割をする電極基板である。このような構造を電池とした
場合、活物質を担持する発泡メタル層は、活物質が金属
骨格の細部にまで入り込み、そして、集電された電気は
繊維状メタル層の金属骨格を経て、電極に集まることに
なり好都合である。

【０００７】また、特開昭６２―１４０３５９号公報で
は、図４に示すように、連続した三次元網目模様の発泡
メタルで、片面が高多孔度の発泡メタル２３、他面が低
多孔度の発泡メタル２４であり、これに活物質を充填し
た電極基板を開示している。この片面が高多孔度、他面
が低多孔度である発泡メタルは、通常は、カーボンを塗
布した発泡ウレタンの両面にアノードを配置してメッキ
を行うのに対して、片側にのみアノードを配置してメッ
キを行い、アノードを配置した側のメッキ量を多く(低
多孔度)、反対側のメッキ量を少なく(高多孔度)して製
造されたものである。その目的は、高多孔度の発泡メタ
ル２３の面を上にして活物質を充填し、乾燥、加圧工程
までこの姿勢を維持することにより、活物質を脱落させ
ず、その充填密度を高めようとするものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】特公昭６３―２７８２
３号公報に記載の２層構造の電極基板は、製造上におい
て、品質の安定性の面で非常に難しい。即ち、素材とな
る発泡状樹脂と、他の多孔性繊維状樹脂における品質バ
ラツキがあり、特に多孔性繊維状樹脂では、繊維の分布
が、樹脂発泡体のように安定せず、部分的に粗密が発生
し易い。又、これらに導電化処理を一緒に行った場合に
は、骨格となる樹脂素材の種類と、骨格の太さ等の違い
から、必ずしも均一に導電化処理が出来ず、その後の金
属のメッキ工程においても一様なメッキ処理を得ること
は、困難である。

【０００９】又、特開昭６２―１４０３５９号公報の片
面が高多孔度の発泡メタル、他面が低多孔度の発泡メタ
ルである電極基板は良い発明であるが、製造に長時間を
要し、コスト高になるのは避けられない。即ち、片面の
みにアノードを配置してのメッキで、その面に多量のメ
ッキを付け、且つ、他面にも所要量のメッキを付けるた
めには、低速度の送りでメッキせざるを得ず、生産性が
低くなるからである。

【００１０】そこで、本発明は、所要の活物質を十分に
担持でき、且つ、集電した電気を低抵抗で集中して流せ
る電極基板を、低コストで提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、２種類以上の
素材を用いず、単一の発泡金属体から金属骨格が連続し
た状態で２層構造の電極基板を提供するものである。即
ち、発泡金属体に活物質を充填してなる電極基板であっ
て、ほゞ一様に作製された発泡金属体の片側に活物質が
充填され、加圧変形度の小さい層と、他の側は、活物質
が充填されずに加圧変形度が大きい層とからなることを
特徴とする電池用電極基板である。ここに用いる発泡金
属体は、ニッケルを主体としたものが好ましいが、他に
アルミニウム、金、銀、銅、白金、モリブデン、マンガ
ン、コバルト、チタンでもよい。そして、活物質は、水
酸化ニッケルを主体とする組成になるものが好ましい。

【００１２】又、発泡金属体は、その金属の骨格が２重
構造であり、骨格の内側が鉄、骨格の外側がニッケル、
若しくはコバルトで被覆されているものも好ましい。そ
して、活物質は、水酸化ニッケルとコバルト若しくはコ
バルト化合物の粉末を主体とする組成になるものでも、
好結果を得る。

【００１３】電極基板の製造方法は、発泡金属体の片側
から水酸化ニッケル等の活物質を均一に充填し、その発
泡金属体の厚み方向の全部に充填される前に充填操作を
停止し、乾燥後、厚み方向に加圧することにより、発泡
金属体の片側には活物質が充填され、他の側は未充填の
ままの状態として製造する。ここで用いる発泡金属体
は、樹脂発泡体を導電化処理した後、ニッケルメッキす
ることにより得られるものであると好ましく、アルミニ
ウム、金、銀、銅、白金、モリブデン、マンガン、コバ
ルト、チタンにおいても同様の方法で得られる。又、樹
脂発泡体に鉄粉、若しくは酸化鉄粉末を主体とするペー
ストを塗布、焼成、ばい焼して得た鉄骨格の発泡金属体
に、ニッケル、若しくはコバルトをメッキすることによ
り得られる２重構造の発泡金属体も好ましい。

【００１４】このように作製した金属骨格が連続した状
態で活物質充填層と未充填層からなる２層構造の電極基
板は、電極基板を渦巻状に巻き円筒型電池を製造する場
合も、又、渦巻状に巻いたあと半径方向に加圧し、角型
電池を製造する場合でも活物質未充填層の金属骨格の破
断が極めて少ない。これは、活物質充填層の金属骨格に
曲げ外力が加わると、活物質の存在により金属骨格に曲
げ応力と引張り応力が掛かり金属骨格が破断し易いのに
対して、活物質未充填層の金属骨格に曲げ外力が加わっ
ても、活物質の存在がないので自由度をもち金属骨格に
引張り応力は殆ど掛からないため、金属骨格は破断し難
いからである。このように作製してなる２層構造の電極
基板は、活物質充填層の集電骨格と電気を流す活物質未
充填層の骨格が一体の発泡金属体であるため、内部電気
抵抗ロスが少なく電池としての性能に優れ、且つ、低コ
ストで安定した製造品質のものを、容易に製造できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１に、本発明の厚み方向に加圧
変形された２層構造の電極基板１の拡大した断面模式図
を示す。図の上側の発泡金属体には活物質３が充填され
ており、発泡金属体の骨格２の加圧変形度が小さいＡ層
５である。そして、下側の発泡金属体には活物質３が充
填されず、発泡金属体の骨格２の加圧変形度は大きいＢ
層６である。

【００１６】この極板の活物質３の充填されているＡ層
５から発生する電気は、発泡金属体の骨格２を経て気孔
のつぶされた状態で存在するＢ層６に伝わり、電池の電
極(図示せず)に伝わる。この活物質が充填されていない
Ｂ層６は、ほゞ金属のみであり、プレス時の発泡金属体
の骨格２の破断が少ないため電気抵抗の上昇が抑えられ
る。即ち、電気を集電するＡ層５とその電気を流す内部
電気抵抗ロスの少ないＢ層６の２層構造となっているの
で集電効果は大きく、大電流の充放電が可能となる。

【００１７】図２にその製造工程の一例を示す。準備す
る発泡金属体７は、樹脂発泡体にカーボン粉末を塗布し
て導電化処理を行いメッキする方法と、別の方法とし
て、樹脂発泡体に金属粉、若しくは金属酸化物粉をペー
スト状にして塗布、乾燥、ばい焼後にメッキする方法が
ある。板状の発泡金属体７を水平に置き、これに水酸化
ニッケル、又は、水酸化ニッケルとコバルト粉を水溶性
樹脂(カルボキシメチルセルロース等)と水でペースト状
にし、上から刷り込んでいく。即ち、一定の速度で矢印
方向へ送られる発泡金属体７の気孔４に、ペースト状に
した活物質３を、一定圧力のポンプ８で所定の深さまで
充填し、発泡金属体７の面積当たりに充填するペースト
量を制御し、発泡金属体厚みに対する活物質３の充填域
を調節する。

【００１８】これを乾燥後、発泡金属体の厚み方向に加
圧し、所定の厚みにする。この結果、活物質が充填され
ている球形に近い発泡空間を形成する金属骨格部分は、
厚み方向に押され楕円球状になる。そして、活物質が充
填されていない金属骨格部分は、ほゞ空間を失い偏平と
なり、金属板状につぶされる。

【００１９】この２層構造の電極基板は、製造上の品質
も安定し低コストで容易に製作でき、且つ、活物質が充
填され電気を集電するＡ層５と電気を流すＢ層６とが、
一体の発泡金属でできているため内部電気抵抗ロスの少
ないものとなる。即ち、活物質を担持するＡ層５は、活
物質が金属骨格の細部にまで入り込み、そこで集電した
電気を他の側の偏平な金属板状のＢ層６を経て、電極に
集まることになり、大電流の放電が可能となる。

【００２０】（実施例１） ニッケルが主体の厚み３．
０ｍｍのほゞ一様に作製された発泡金属体を一定の速度
で送り、それに、ポンプで一定の圧力を掛けながら水酸
化ニッケルを主体としたペースト状の活物質を刷り込
み、充填部分の厚みを１．４ｍｍ、未充填部分の厚みを
１．６ｍｍとした。これを０．７ｍｍの厚みとなるよう
に加圧し、片側は活物質が充填され、他の側は未充填の
金属板状である電極基板を得た。これを縦３５ｍｍ、横
７５ｍｍに裁断し、リード板をスポット溶接で取付け
た。

【００２１】このニッケル極と相手極として公知のＭｍ
Ｎｉ(ミッシュメタルニッケル)系水素吸蔵合金極と、こ
の両者の間に親水処理を施したポリプロピレン不織布セ
パレータを介して渦巻状に巻いて電極基板群を構成し、
これを外装缶に挿入し電解液を注入後、封口板により外
装缶を密封し、円筒型ニッケル−水素電池を得た。これ
をＮｏ．１Ｂとする。尚、電解液には、比重１．３の苛
性カリウム水溶液に３０ｇ／ｌの水酸化リチウムを添加
して用いた。

【００２２】（実施例２） 発泡金属体の骨格が２重構
造で、骨格の内側が鉄、骨格の外側がニッケルで被覆さ
れた厚み３．０ｍｍの発泡金属体に、ペースト状の活物
質を刷り込み、充填部分の厚みを１．４ｍｍ、未充填部
分の厚みを１．６ｍｍとした。これを０．７ｍｍの厚み
となるように加圧し、片側は活物質が充填され、他の側
は未充填の金属板状である電極基板を得た。これを縦３
５ｍｍ、横７５ｍｍに裁断し、リード板をスポット溶接
で取付けた。そして、この電極基板を用い、実施例１と
同じ手順で円筒型ニッケル−水素電池を得た。これをＮ
ｏ．２Ｂとする。

【００２３】比較例として、ニッケルが主体の厚み３．
０ｍｍの発泡金属体を１．４ｍｍの厚みに加圧した後、
全厚みに亘りペースト状の活物質を刷り込み、これを
０．７ｍｍの厚みとなるように加圧した。この電極基板
を用いて、実施例と同様にして比較例の円筒型ニッケル
−水素電池を得た。これをＮｏ．３Ｂとする。そして、
Ｎｏ．１Ｂ〜Ｎｏ．３Ｂの３種類の電池の放電電流１
Ａ、５Ａ、１０Ａの際の放電電圧と容量を調べた。結果
を表１に示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】この結果より、比較例の電池Ｎｏ．３Ｂと
比べ、実施例の電池Ｎｏ．１Ｂ，２Ｂでは大電流放電に
なるに従い大幅に容量(ｍＡｈ)が向上していることが解
かる。又、同様に比較例の電池Ｎｏ．３Ｂと比べ、実施
例の電池Ｎｏ．１Ｂ，２Ｂでは大電流放電になるに従い
放電電圧(Ｖ)が向上している。これは、活物質が充填さ
れている層からの集電、その電気が活物質が充填されず
に加圧変形されている層を経て電極へ流れることによ
り、電極基板の内部電気抵抗ロスを下げることが可能に
なったからである。

【００２６】次に、厚みの異なる発泡金属体に、面積当
たり一定量の活物質を充填した。これにより活物質の充
填されている層と気孔がつぶされた状態で存在する層の
比率を変えることが出来る。即ち、厚み２．０、３．
０、４．０ｍｍのニッケルを主体とした発泡金属体を準
備して、実施例と同様に活物質を刷り込み、充填層の厚
みを各々１．４ｍｍとなるようにした。これらを厚み
０．７ｍｍに圧縮した。これにより、活物質の充填され
ている層と気孔がつぶされた状態で存在する層の比率を
変えた電極基板を製作した。これら３種類の電極基板を
表２に示す。

【００２７】

【表２】

【００２８】表２の３種類の電極基板を用い、実施例と
同様の手順で円筒型ニッケル−水素電池を製作し、１
Ａ、５Ａ、１０Ａの放電時における放電電圧と容量を調
べた結果を表３に示す。

【００２９】

【表３】

【００３０】この結果、未充填層が大きくなり電極基板
の内部電気抵抗ロスが小さくなると、大電流の放電特性
が電圧(Ｖ)、容量(ｍＡｈ)ともに上昇し内部電気抵抗の
低下の効果が現れている。これらから放電電流に応じて
金属多孔体の厚みを変えることにより、必要な電流量に
応じた電極基板を得ることが出来る。

【００３１】

【発明の効果】本発明の電極基板は、一体に作られた発
泡金属体を活物質の充填の仕方で２層構造に仕上げられ
ているので、金属骨格が連続しており、集電性能が良
い。従って、内部電気抵抗による発熱を抑え、大きなパ
ワーを充放電できる電極基板を、低コストで得ることが
出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電池用電極基板の断面模式図である。

【図２】本発明の製造方法の一例の概要を示す図であ
る。

【図３】従来技術の発泡状樹脂と多孔性繊維状樹脂の断
面模式図である。

【図４】従来技術の電極基板用発泡メタルの断面該略図
である。

【符号の説明】

１．電極基板 ２．発泡金属体の骨格 ３．活物質 ４．気孔 ５．Ａ層 ６．Ｂ層 ７．発泡金属体 ８．ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山中 正策 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 Ｆターム(参考） 5H016 AA06 BB05 BB08 CC09 EE01 EE05 HH10 5H017 AA02 AA03 AS02 BB06 BB08 CC01 CC28 DD03 DD05 EE01 EE04 HH09

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発泡金属体に活物質が充填された電池用
   電極基板であって、ほゞ一様に作製された発泡金属体の
   厚み方向の片側は活物質が充填され、加圧変形度が小さ
   く、他の側は活物質が充填されずに、加圧変形度が大き
   く、その発泡金属体の金属骨格が連続した状態で２層構
   造になっていることを特徴とする電池用電極基板。
2. 【請求項２】 前記発泡金属体がニッケルを主体とし、
   前記活物質が水酸化ニッケルを主体とする組成であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の電池用電極基板。
3. 【請求項３】 前記発泡金属体の骨格が２重構造で、骨
   格の内側が鉄、骨格の外側がニッケル若しくはコバルト
   で被覆されており、前記活物質が水酸化ニッケルとコバ
   ルト若しくはコバルト化合物の粉末を主体とする組成で
   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。
4. 【請求項４】 ほゞ一様に作製された発泡金属体に、厚
   み方向の片側から活物質を充填し、全厚みに充填する前
   に充填操作を停止し、その後、その発泡金属体を厚み方
   向に加圧することを特徴とする電池用電極基板の製造方
   法。