JP4126684B2

JP4126684B2 - ニッケル水素二次電池

Info

Publication number: JP4126684B2
Application number: JP2001140964A
Authority: JP
Inventors: 展安森下; 利史植田; 明宏谷口
Original assignee: Panasonic Corp; Toyota Motor Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Toyota Motor Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2021-05-11
Also published as: US20030003366A1; CN1303704C; EP1256994A2; JP2002343417A; EP1256994B1; EP1256994A3; DE60215253D1; DE60215253T2; US6835501B2; CN1385909A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はニッケル水素二次電池に関し、特にセパレータの改良によりその長寿命化を図ったニッケル水素二次電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アルカリ二次電池の一例であるニッケル水素二次電池の構成例を、図２を参照して説明する。図２において、水酸化ニッケルを正極活物質とする正極板と水素吸蔵合金を主たる負極構成材とする負極板をセパレータを介して積層してなる発電要素である極板群３を電解液と共に電槽２内に収容し、各電槽２の開口部を安全弁４を設けた蓋５で閉じ、極板群３を構成する各正極板の一側部上端から上方にリード６を引き出してその上部に正極端子７を接続し、また同様に各負極板の他側部上端から上方にリード６を引き出してその上部に負極端子８を接続し、これら正極端子７及び負極端子８を蓋５に取付けて構成したものが知られている。
【０００３】
この種のアルカリ二次電池において、その極板群の構成に際して電池容量を大きくするために、そのセパレータはその初期に必要な電解液を吸収するとともに短絡を防止するという機能を果たせる範囲でできるだけ薄く設定されており、通常極板群の体積の３０％未満の体積に設定されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、充放電を繰り返すと徐々に極板が膨張し、上記のようにセパレータの体積を極板群の体積の３０％未満に設定していると、充放電に伴う極板の膨張によりセパレータが押し潰されることによってセパレータ中の電解液が枯れ、電池の内部抵抗が上昇し、さらにこの内部抵抗の上昇により発熱が起こり、内圧上昇に伴い安全弁が作動し、発生したガスが電池外へ放出される結果、電解液が完全に枯れ、短期間に寿命に至るという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、セパレータの改良により長寿命化を図ったニッケル水素二次電池を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のニッケル水素二次電池は、正極板と負極板をそれらの間にセパレータを介装して積層した極板群を有するニッケル水素二次電池であって、少なくとも初充放電前（電池組立後、最初の充電を行うまでの期間をいう）のセパレータの体積を極板群の体積の３０〜６０％、初充放電前のセパレータの空孔率を５０〜７０％としたものである。極板群におけるセパレータの体積を３０％以上としたことにより、電池の寿命を決めるセパレータの圧縮を抑制することができる。一方、６０％より大きくすると、電池内で発生した熱を外部に放出することが困難になって寿命特性を悪化させる。かくして、３０〜６０％とすることにより、電池の総充放電可能な電気量が延び、電池としての寿命特性が向上し、長期間にわたって信頼性の高い電池を提供することができる。
【０００７】
また、初充放電前のセパレータの空孔率を５０〜７０％としたことにより、短絡を生じずに寿命特性が向上する。７０％を越えると、短絡を生じ易く、５０％未満では電解液を保液できる体積が減少し、寿命特性が悪化する。
【０００８】
また、初充放電前の極板群の体積の電槽の内容積に対する比率は８５〜９５％とするのが好適である。８５％未満では極板間の距離が大きくなるため、出力特性が悪化し、内部抵抗が大きくなって寿命特性も悪化し、９５％を越えるとセパレータが圧縮されて電解液の保液が困難になって寿命特性が低下する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のニッケル水素二次電池の一実施形態について、図１を参照して説明する。なお、ニッケル水素二次電池の構成そのものについては、図２を参照して説明したものと基本的に同一であり、その説明を援用する。
【００１０】
５ｍｍ幅の未充填部を端部に設けた発泡ニッケルに、水酸化ニッケルを主成分とする正極材料を充填し、未充填部にニッケルリードを配し、容量が１Ａｈ、反応面積が３９．３ｃｍ²の正極板を形成した。また、５ｍｍ幅の無地部を端部に設けたパンチングメタルに、平均粒径２０μｍの水素吸蔵合金を主成分とする負極材料を塗着し、無地部にニッケルリードを配し、容量が１．２５Ａｈ、反応面積が３９．３ｃｍ²の負極板を形成した。
【００１１】
正極板に、比重０．９１のポリプロピレン繊維で構成された厚み０．１８ｍｍの不織布で形成された袋状セパレータを被せ、これら正極板７と負極板８とを交互に重ね合わせて極板群３を形成し、合成樹脂製の電槽２に収容配置した。また、外部端子との接続は各極板に配したニッケルリード６を集め、上部で抵抗溶接を用いて正極と負極の極端子７、８と接合し、水酸化カリウムを主成分とする電解液を２０ｇ注液して電槽２を安全弁４を有する蓋５で封止してニッケル水素蓄電池１を構成した。その後、活性化のため０．１Ｃで充放電を行った。容量は約７Ａｈである。
【００１２】
このような基本構成のニッケル水素二次電池を用いて寿命試験を行った。寿命試験条件は、充電はまず１Ａで５時間充電し、２サイクル目からは放電は１Ａで４時間、充電は１Ａで４時間４分行うという条件とした。
【００１３】
（実験例１）
セパレータとして、その厚みを０．１０、０．１４、０．１８、０．２７、０．４１、０．６２、０．９６ｍｍとした電池を構成した。これは、極板群中の初充放電前のセパレータ体積では、２０、２５、３０、４０、５０、６０、７０％に値する。セパレータ体積の算出は、初充放電前の電池を極板群に対して直角方向に切断し、断面におけるセパレータの厚みを計測し、これを基に電極群に対するセパレータ体積を算出した。これら各電池の寿命特性を測定した。寿命特性としてはサイクル中の容量比率を用い、それぞれの電池の初期容量に対する容量が６５％以下になったところを寿命とし、セパレータ体積比率が３０％の電池設計時の寿命特性を１００として相対評価した。その結果を図１に示す。また、図１に合わせて体積容量密度も同様に示した。
【００１４】
この結果から、セパレータの体積が２０又は２５％では寿命特性が極端に悪化することが明らかになった。これは充放電による極板膨張によりセパレータが圧縮され、電解液を保持できなくなって寿命に至ったと考えられる。また、７０％ではセパレータ体積が大きいため、容量密度がセパレータ体積３０％時に対して８０％以下と低く、電池内で発熱した熱を系外へ放出が困難となり、寿命特性でも６０％時に対して低下している。よって、セパレータの体積比率は３０〜６０％が好適であることが分かった。
【００１５】
（実験例２）
電池に用いられるセパレータの厚みを０．１８ｍｍ、初充放電前の極板群に対する体積比率を３０％とし、空孔率を、４５、５０、６０、７０、７５％と変化させたセパレータを用いた電池を作成した。実験例１と同様の寿命試験を行った。また、各電池の出力特性を測定した。出力特性は各電池をＳＯＣ６０％に調整後、大電流放電し、１Ｖに至るまでの時間が１０秒以上維持できる電流値に１Ｖを乗じて出力とした。単位はＷである。また、測定値は１０個（ｎ＝１０）の電池についての平均値である。その試験結果を、表１に示す。
【００１６】
【表１】

この結果から、空孔率が７５％以上であると、試験途中で短絡してしまい、信頼性が確保できない。また、４５％以下では保液できる体積が減少し、さらに極板の膨張により保液量が減少し、寿命特性が悪化した。よって、セパレータの空孔率は５０〜７０％が適切であることが分かる。
【００１７】
（実験例３）
正極板、負極板及びセパレータを組み合わせた極板群において、セパレータの厚みを０．１８ｍｍ、初充放電前の極板群に対する体積比率を３０％とし、極板群の体積と、電槽の内容積との比率（以下、緊縛率と称す）が８３、８５、９０、９５、９７％の電池を用いて実験例１と同様に構成し、実験例１と同様の寿命試験を行った。また、各電池の出力特性を実験例２と同様に測定した。その試験結果を、表２に示す。
【００１８】
【表２】

この結果から、緊縛率が９７％以上であると、極板膨張によりセパレータの体積が圧縮され、電解液の保持が困難になって寿命が短くなった。８３％であると、極板が充放電により膨張した後もセパレータが潰れるに至らず、極板間の距離が大きくなるため、電子の移動がスムーズに行われないため、出力特性が悪化し、また内部抵抗が高くなって寿命特性も悪化した。これらの事から緊縛率が８５〜９５％が適切であることが分かった。
【００１９】
なお、本発明が、適用される電池は、角形電池に限らず、円筒形電池にも同様に適用可能である。
【００２０】
【発明の効果】
本発明のニッケル水素二次電池によれば、以上の説明から明らかなように、少なくとも初充放電前のセパレータの体積を極板群の体積の３０〜６０％としたので、電池の寿命を決めるセパレータの圧縮を抑制することができるとともに、電池内で発生した熱を外部に放出することが困難になって寿命特性を悪化させるということがなく、電池の総充放電可能な電気量が延び、電池としての寿命特性が向上し、また初充放電前のセパレータの空孔率を５０〜７０％としたことにより、短絡を生じずに寿命特性が向上し、長期間にわたって信頼性の高い電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態及び従来例のニッケル水素二次電池の寿命試験結果を示すグラフである。
【図２】ニッケル水素二次電池の構成例の部分破断外観斜視図である。

Claims

正極板と負極板をそれらの間にセパレータを介装して積層した極板群を有するニッケル水素二次電池であって、少なくとも初充放電前のセパレータの体積が極板群の体積の３０〜６０％、初充放電前のセパレータの空孔率が５０〜７０％であることを特徴とするニッケル水素二次電池。
初充放電前の極板群の体積の電槽の内容積に対する比率が８５〜９５％であることを特徴とする請求項１記載のニッケル水素二次電池。