專利名稱：次級電池用極板材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及次級電池用極板材料。更具體地說，本發(fā)明涉及使表面面積增大的三維結(jié)構(gòu)的次級電池用的極板材料。
現(xiàn)有技術(shù)近年來，隨著電器設(shè)備特別是便攜式電話等各種小型電子設(shè)備的普及，對作為其電源的次級電池需求也不斷擴(kuò)大，同時也要求提高作為次級電池的性能，這些領(lǐng)域正在積極地進(jìn)行各種研究與開發(fā)。特別是最近，正在開發(fā)追求高輸出、高容量的各種材料。
這里，作為次級電池的極板，考慮Ni-氫電池的負(fù)極和正極，還有Ni-Cd電池用的基板等，例如以作為這種次級電池的極板的代表例的Ni-氫電池的正極為例進(jìn)行說明時，可以分為燒結(jié)式電極與非燒結(jié)式電極(糊式電極)。此外由于正極比負(fù)極容量密度低，在電池內(nèi)占的體積大，所以，進(jìn)行高容量開發(fā)的余地較大。
1)燒結(jié)式電極燒結(jié)式電極是一種在沖孔金屬上形成Ni粉末燒結(jié)層，填充以氫氧化鎳為主體的活性物質(zhì)的電極。
燒結(jié)式電極是將用鎳粉末、水等進(jìn)行混練制成的漿料涂布在沖孔金屬的兩面上，然后在1000℃左右進(jìn)行燒結(jié)制成。然后，一般將這種燒結(jié)式電極浸漬在鎳鹽的水溶液中，進(jìn)而再浸漬在堿的水溶液中，把鎳變成氫氧化鎳。
燒結(jié)層的孔徑在10微米左右時，其集電性能優(yōu)異，但其多孔度很低，約為75％，不利于進(jìn)行活性物質(zhì)的高密度填充。
2)非燒結(jié)式電極(糊式電極)這是一種向由海綿狀鎳結(jié)構(gòu)體(發(fā)泡鎳)構(gòu)成的基板內(nèi)填充活性物質(zhì)(氫氧化鎳)制成的電極。
這種糊式電極將以氫氧化鎳為主體的活性物質(zhì)粉末混練成糊狀填充到基板內(nèi)，干燥，壓制，加工成規(guī)定的尺寸制成。
為了制造這種發(fā)泡鎳基板，將發(fā)泡聚氨酯加工成平面、帶狀之后，浸入到碳粉的混濁液中，干燥，在發(fā)泡聚氨酯的表面上附著可以進(jìn)行電鍍的導(dǎo)電性碳。在進(jìn)行電鍍鎳的加工之后，燃燒除去聚氨酯，根據(jù)需要在還原氣氛中退火，制成發(fā)泡鎳基板。發(fā)泡鎳基板多孔度很大，約達(dá)95％，但反之，由于其多孔度高，所以存在著機(jī)械強(qiáng)度差的缺點(diǎn)。
這種發(fā)泡鎳基板的多孔度約高達(dá)95％，但其孔徑約100～500微米，很大，因此對有效的活性物質(zhì)集電方法需要想一定的辦法。
非燒結(jié)式電極(糊式)作為高容量電極是目前的主流產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
這里，本發(fā)明的課題是提供一種可以制造比現(xiàn)有技術(shù)的電極材料具有更高的輸出及高容量的電池的次級電池用的極板材料。
進(jìn)而，本發(fā)明的課題是提供一種比現(xiàn)有技術(shù)的電極材料更容易制造、廉價且機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)異的次級電池用極板材料。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的發(fā)明人等對于現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題進(jìn)行了整理。
首先，考慮“利用率”。這里，所謂利用率，是指進(jìn)行電子反應(yīng)時相對于假定的情況下的理論值289mAh/g的比例。
燒結(jié)式電極的利用率幾乎是100％，但只填充活性物質(zhì)粉末的非燒結(jié)式電極只能獲得65％左右的利用率。
為了提高利用率，提出了在基板內(nèi)填充Co化合物作為添加劑，在氫氧化鎳粉末的表面上涂布Co(OH)2層，進(jìn)一步提高該氧化物層的導(dǎo)電率的方法，可以獲得100％以上的利用率，但希望得到更高的數(shù)值。
其次是如何使填充到基板內(nèi)的活性物質(zhì)更有效地進(jìn)行充放電的問題。由于充放電受到集電體界面處的集電體與活性物質(zhì)的接觸面積以及從集電體到活性物質(zhì)的距離的影響，所以考慮采取以下的對策。
(1)增大基板的單位長度的表面面積。這意味著增加與活性物質(zhì)的接觸面積。
(2)縮小基板穿孔的孔徑，縮短距圓周的距離。但是，由于基板的穿孔孔徑與開孔率對于活性物質(zhì)的保持力也有很大的影響，所以不能過小，必須適當(dāng)選擇。
本發(fā)明的發(fā)明人等基于上述見解，利用對于沖孔板進(jìn)行進(jìn)一步壓力加工的材料構(gòu)成次級電池的正極，可以大幅度地改善其特性，完成了本發(fā)明。
進(jìn)而，根據(jù)本發(fā)明的極板材料作為正極使用，不言而喻，也可以將其作為負(fù)極材料使用，例如，可以作為鎳-氫次級電池的負(fù)極使用。即，在氫吸收合金粉末中添加導(dǎo)電劑、粘合劑制成糊狀，涂布到?jīng)_孔板上進(jìn)行壓制。使用這樣構(gòu)成的負(fù)極的電池，可以確認(rèn)，其容量約300～330mAh/g，達(dá)到理論值372mAh/g的80～90％。
這里，本發(fā)明的發(fā)明人等通過增大上述沖孔板的表面面積進(jìn)一步改善了電池的特性，完成了本發(fā)明。
本發(fā)明如下所述。
(1)由在表面上設(shè)置突起部的沖孔板材構(gòu)成的次級電池用極板材料。
(2)將前述突起部僅設(shè)置在沖孔板材的一個面上的上述(1)中所述的次級電池用極板材料。
(3)將前述突起部設(shè)置在沖孔板材的兩面上的上述(1)所述的次級電池用極板材料。
(4)在由鋼板制成的沖孔板主體上設(shè)置鍍鎳層的上述(1)至(3)中任何一個所述的次級電池用極板材料。
(5)前述突起部是通過壓花加工設(shè)置的上述(1)至(4)中任何一個所述的次級電池用極板材料。
(6)利用壓花加工設(shè)置的突起部具有至少一部分開裂部的上述(5)中所述的次級電池用極板材料。
(7)具有由上述(1)至(6)中任何一個所述的極板材料制成的電極的次級電池。


圖1是本發(fā)明的次級電池用電極材料的制造工藝流程圖。
圖2是本發(fā)明中形成的突起物的截面形狀的示意說明圖，圖2(a)表示波形，圖2(b)為凹凸形狀。
圖3(a)、(b)分別是本發(fā)明中形成的突起物及穿破型突起物的截面形狀的說明圖。
圖4(a)是根據(jù)實(shí)施例所獲得的極板材料的平面圖，圖4(b)是其剖面圖。
圖5(a)是進(jìn)行了壓花加工的沖孔板的剖面圖，圖5(b)是突起部上可以看到一部分開裂部的情況下的相同的剖面圖。
如圖所示，優(yōu)選地，在作為厚度0.035～0.1mm的鋼板的基材上利用沖床沖孔。這時的沖孔的形狀、數(shù)目、尺寸沒有特定的限制，只要能夠滿足作為極板所要求的特性，可以是任意的。一般，沖孔面積/原板面積的比率，可以為30～50％。
這樣獲得的沖孔板由于是鋼板制成的，所以接下來進(jìn)行鍍鎳。鍍鎳可以采用電鍍、熱噴涂、濺射鍍敷等方法，但從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，優(yōu)選采用電鍍。由于這種鍍鎳的鍍覆處理本身是公知的，所以省略對它們的進(jìn)一步說明。
此外，也可以在沖孔之前進(jìn)行鍍鎳。但是，作為極板材料，從實(shí)用的角度出發(fā)，在沖孔后進(jìn)行鍍鎳較好。在其它方式中，也可以采用鋼板與鎳箔的包敷材料。
這時，對于鍍層的厚度，由于設(shè)置鍍層的目的是賦予耐腐蝕性、改善導(dǎo)電性能，使表面特性均勻化，所以只要能滿足這些要求，沒有特別的限制，一般而言，約1.5～5.0μm就足夠了。
進(jìn)行過鍍鎳處理的沖孔板被送往壓制工序，進(jìn)行在其單面或表里兩面形成突起物的加工。
這種突起物的形狀、數(shù)目及尺寸沒有特別的限制。可根據(jù)所需表面面積決定。如果可能的話，優(yōu)選在未用沖床打孔的部分設(shè)置突起物，但在需要進(jìn)一步增大表面面積或者為了易于模具的設(shè)計(jì)，可以不必考慮沖孔區(qū)而設(shè)置突起物。
作為所述壓力加工，例如，可以如圖1所示，進(jìn)行壓花加工。為了確保作為極板的強(qiáng)度，優(yōu)選地采用壓花加工。但是，在利用壓力加工時的加工硬化的情況下，優(yōu)選地采用后面將要描述的可以確保充分的加工量的穿破加工。
圖2表示另外一種形式，在進(jìn)行壓力加工時，不用前述壓花加工，而是加工成波紋狀(參見圖2(a))，凹凸?fàn)?參見圖2(b))等截面形狀，其截面形狀有波紋狀、凹凸?fàn)畹刃螤?，至于采用哪種截面形狀，根據(jù)作為極板材料的電池的特性適當(dāng)確定。根據(jù)這種方式可以增大單位長度的表面面積，但由于不像壓花加工那樣伴隨有拉深加工，所以加工不夠穩(wěn)定。
在本發(fā)明的另外一種形式中，也可以代替圖1所示的壓花加工，利用壓力加工進(jìn)行穿破加工。在這種加工中，與壓花加工不同，不會過分地增大表面面積，可以提高電極活性物質(zhì)的保持效果。
圖3表示進(jìn)行穿破加工時的截面形狀的例子，當(dāng)比較僅僅為突起物時的情況(圖3(a))與穿破型突起物的情況(圖3(b))時，由于在穿破型突起物的情況下，加工硬化的程度大，所以可以增大賦予沖孔板剛性的效果。但是，當(dāng)殘留毛刺等時，存在著需要在后續(xù)工序進(jìn)行處理的問題。
所述突起物可以設(shè)在沖孔板的任何一個表面上，一般，通過在表面和背面利用壓花加工設(shè)置突起物，可以更加有效地利用表面面積增大的效果。而且，使所述突起物具有一部分開裂部時，作為三維結(jié)構(gòu)體的效果會更明顯。
通過使用本發(fā)明的極板材料作為電極，由于可以利用沖孔板在表面上形成突起物，特別是可以利用壓花加工增大電極基板的表面面積，所以可以獲得以下優(yōu)異的作用和效果。
1)通過把活性物質(zhì)設(shè)置在電極基板的左右，可以使這些活性物質(zhì)通過沖孔緊密結(jié)合。
2)通過增大電極基板的表面面積，可以增加電極基板與活性物質(zhì)的接觸面積，提高導(dǎo)電性能。
此外，在特開平10-106580號公報(bào)中公開了僅僅進(jìn)行壓花加工的極板材料。在該公報(bào)中，沖孔金屬、鋼絲(ラス)網(wǎng)、金屬篩網(wǎng)，其活性物質(zhì)保持力低，特別是，對于沖孔金屬，由于其開孔率高，達(dá)到50％，所以，即使在各孔的周緣上設(shè)置毛刺，活性物質(zhì)的保持力也不夠。
下面利用實(shí)施例進(jìn)一步具體說明本發(fā)明的作用效果。
實(shí)施例本實(shí)施例中，作為Ni-氫電池的正極材料，制作下述形式的三維結(jié)構(gòu)的沖孔板。
在本例中進(jìn)行過壓花加工的沖孔板如下所述。
1)基材SPCC材料2)板厚0.035mm3)鍍鎳厚度2.5μm4)沖孔直徑直徑1.0mm5)壓花直徑直徑1.0mm在本例中，將預(yù)先準(zhǔn)備的基材根據(jù)圖1所述的流程進(jìn)行沖孔。
鍍鎳通過電鍍來進(jìn)行，在電鍍、退火后，進(jìn)行壓花加工。
圖4(a)是所獲得的極板的示意平面圖，圖4(b)是其剖面圖。壓花加工從表面和內(nèi)面進(jìn)行，另外也以沖孔部分作為對象進(jìn)行壓花加工。
在圖示的例子中，可以確認(rèn)，與僅僅是沖孔板時的情況相比，極板材料的表面面積增加約12％。由于電池特性例如電池容量及輸出等由極板的表面反應(yīng)決定，所以通過這種表面面積的增大，可以獲得高容量及高輸出，僅從計(jì)算來看，可以改善約12％。
下面，評價在壓花加工中改變壓花深度時的表面積增大的效果。
結(jié)果示于表1。當(dāng)壓花深度為0.52mm時，觀察到利用壓花加工形成的突起部上的一部分開裂。
表1試樣壓花深度(mm) 表面積增大(％)
1 0.20 8.772 0.40 16.923 0.52 23.71(注)表面積增大，是相對于未進(jìn)行壓花加工的沖孔板的增大的百分?jǐn)?shù)。
試樣4的情況下，壓花加工時，沖孔板不沖孔，觀察到一部分足部有開裂現(xiàn)象，稱其為開裂部。
圖5(a)是進(jìn)行壓花加工后的沖孔板的剖面圖，圖中，高h(yuǎn)稱為壓花深度(mm)，如圖5(b)所示，當(dāng)壓花深度超過極限深度hc時，一部分壓花加工部的側(cè)面部分(稱之為足部)開裂。此時的壓花加工部的深度成為最大深度(hm)。
利用這種壓花加工，足部的一部分?jǐn)嚅_，高度或起伏很大而且很復(fù)雜，所以作為三維結(jié)構(gòu)體的效果更突出，進(jìn)行這種加工的沖孔板的表面積顯著增大，與此同時，不僅提高了活性物質(zhì)的填充密度，而且提高了其的保持強(qiáng)度。
從而，使用本發(fā)明的電極材料構(gòu)成的次級電池，即使其具體結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)的產(chǎn)品相同，例如，和現(xiàn)有的Ni-氫次級電池，Ni-Cd次級電池一樣，電池特性也大幅度改善。
這樣，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種表面面積增大即電池特性改善的極板材料，而且，可以用現(xiàn)有技術(shù)的鎳材作為鍍鎳材料，可以大大改善其經(jīng)濟(jì)性，本發(fā)明由于改善了電池特性，在工業(yè)上有很大的利用價值。
權(quán)利要求
1.一種次級電池用極板材料，所述材料由在表面上設(shè)置突起部的沖孔板材構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的次級電池用極板材料，其中，前述突起部只設(shè)置在沖孔板材的一個面上。
3.如權(quán)利要求1所述的次級電池用極板材料，其中，前述突起部設(shè)置在沖孔板材的兩個面上。
4.如權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)所述的次級電池用極板材料，其中，在由鋼板構(gòu)成的沖孔板的主體上設(shè)置鍍鎳層。
5.如權(quán)利要求1至4中任何一項(xiàng)所述的次級電池用極板材料，其中，前述突起部是通過壓花加工設(shè)置的。
6.如權(quán)利要求5所述的次級電池用極板材料，其中，利用壓花加工設(shè)置的突起部具有至少一部分開裂部。
7.一種次級電池，具有由權(quán)利要求1至6中任何一項(xiàng)所述的極板材料構(gòu)成的電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可以改善電池特性且經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異的次級電池用極板材料，其制法如下對鋼板進(jìn)行沖孔、鍍鎳之后，進(jìn)行在表面上設(shè)置突起物的壓力加工，最好設(shè)計(jì)開裂部，成為三維結(jié)構(gòu)體。
文檔編號H01M10/30GK1438721SQ02140218
公開日2003年8月27日 申請日期2002年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月15日
發(fā)明者千田速雄, 渡邊民浩 申請人:株式會社巖手東京線材制作所