JP6561915B2 - Nickel metal hydride battery - Google Patents
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Description
本開示は、ニッケル水素電池に関する。 The present disclosure relates to nickel metal hydride batteries.
特開2013−012428号公報(特許文献1)は、筐体と電極端子との間に、樹脂シール材が配置された電池構造を開示している。この電池構造によれば、電解液の漏出を抑制できるとされている。 Japanese Patent Laying-Open No. 2013-012428 (Patent Document 1) discloses a battery structure in which a resin sealing material is disposed between a housing and an electrode terminal. According to this battery structure, it is said that leakage of the electrolyte can be suppressed.
ニッケル水素電池の電解液は、強アルカリ性である。ニッケル水素電池は、電解液を漏出させない構造を有する必要がある。電解液が漏出すると、漏出した電解液が電池周囲の部材を腐食する可能性があるためである。 The electrolyte of the nickel metal hydride battery is strongly alkaline. The nickel metal hydride battery needs to have a structure that does not allow the electrolytic solution to leak. This is because when the electrolyte leaks, the leaked electrolyte may corrode the members around the battery.
ニッケル水素電池は、車載用途にも使用されている。車両用途では、高温、多湿および振動等の過酷環境が想定される。このような過酷環境でも、電解液の漏出を抑制できる密閉構造の開発が求められている。 Nickel metal hydride batteries are also used for in-vehicle applications. In vehicle applications, severe environments such as high temperature, high humidity, and vibration are assumed. There is a demand for the development of a sealed structure that can suppress leakage of the electrolyte even in such a harsh environment.
過酷環境において、電解液の漏出を促進する現象として、「クリープ現象」が知られている。クリープ現象とは、電極端子の表面を、電解液が這い上がる現象である。電極端子は、筐体を貫通している。クリープ現象により、電解液は電極端子を伝って外部に漏出することになる。 A “creep phenomenon” is known as a phenomenon that promotes leakage of electrolyte in a harsh environment. The creep phenomenon is a phenomenon in which the electrolyte crawls up on the surface of the electrode terminal. The electrode terminal penetrates the housing. Due to the creep phenomenon, the electrolytic solution leaks outside through the electrode terminal.
本開示のニッケル水素電池は、筐体;筐体内に収容されている電解液;筐体内に収容されている電極群;筐体を貫通している電極端子;および;電極端子と筐体との間に介在しているシール材;を備える。
電極端子の表面に、不導体層が形成されている。不導体層上に、金属層が積層されている。金属層は、ニッケルおよびニッケル鉄合金の少なくとも一方を含有する。
The nickel-metal hydride battery of the present disclosure includes: a housing; an electrolytic solution housed in the housing; an electrode group housed in the housing; an electrode terminal penetrating the housing; and an electrode terminal and the housing A sealing material interposed therebetween.
A nonconductive layer is formed on the surface of the electrode terminal. A metal layer is laminated on the non-conductive layer. The metal layer contains at least one of nickel and nickel iron alloy.
電極端子と筐体との間に介在するシール材は、筐体の内部から電解液が漏出することを抑制するための部材である。シール材は、電解液が透過し難い材料とされる。またシール材は、絶縁性である必要がある。そのためシール材は、通常、樹脂材料とされる。従来、シール材のガスバリア性には、注意が払われていない。 The sealing material interposed between the electrode terminal and the housing is a member for suppressing leakage of the electrolyte from the inside of the housing. The sealing material is a material that is difficult for the electrolyte to pass therethrough. Further, the sealing material needs to be insulative. Therefore, the sealing material is usually a resin material. Conventionally, attention is not paid to the gas barrier property of the sealing material.
しかし本開示の新たな知見によれば、筐体の外部からの酸素および水蒸気の侵入がクリープ現象を推進している。図1は、クリープ現象を説明するための図である。電極端子4の表面は、負に帯電している。すなわち、電極端子4の表面近傍には、電子(e-)が集まっている。電解液1は、たとえば、濃厚な水酸化カリウム水溶液〔Conc.KOH(aq)〕である。電解液1は、電極端子4の表面に沿ってせり上がる液面(メニスカス)を形成している。
However, according to the new knowledge of the present disclosure, the penetration of oxygen and water vapor from the outside of the housing promotes the creep phenomenon. FIG. 1 is a diagram for explaining the creep phenomenon. The surface of the
大気中の酸素〔O2(g)〕および水蒸気〔H2O(g)〕は、僅かながら、シール材(樹脂材料)を透過する。シール材を透過した酸素および水蒸気は、電極端子4に到達する。酸素は、電解液1に溶解することにより、溶存酸素〔O2(aq)〕となる。水蒸気は、電解液1と混和する。電極端子4は、電解液1に電子を供給する。これにより、酸化還元反応[2H2O+O2+4e-→4OH-]が生起する。この反応により、メニスカスの周囲では、局所的にOH-イオンの濃度が高くなる。このOH-イオンの濃度勾配が、液面を押し上げるドライビングフォースとなる。すなわち、OH-イオンの濃度勾配を緩和するために、電解液1内に物質移動が生じる。これにより、電解液1が電極端子4の表面を這い上がることになる。
Oxygen [O 2 (g)] and water vapor [H 2 O (g)] in the atmosphere slightly permeate the sealing material (resin material). Oxygen and water vapor that have passed through the sealing material reach the
本開示のニッケル水素電池では、上記のクリープ現象が抑制される。すなわち、ニッケル水素電池では、電極端子の表面に不導体層が形成されている。さらに不導体層上に、金属層が積層されている。 In the nickel hydride battery of the present disclosure, the creep phenomenon is suppressed. That is, in the nickel metal hydride battery, a nonconductive layer is formed on the surface of the electrode terminal. Furthermore, a metal layer is laminated on the nonconductive layer.
不導体層は、電極端子の濡れ、すなわち電極端子と電解液との接触を抑制する。さらに不導体層は、電極端子が電解液に電子を提供することを抑制する。 The nonconductive layer suppresses the wettability of the electrode terminal, that is, the contact between the electrode terminal and the electrolytic solution. Further, the non-conductive layer suppresses the electrode terminal from providing electrons to the electrolytic solution.
金属層は、大気中の酸素および水蒸気が電極端子に到達することを抑制する。金属層は、ニッケル(Ni)およびニッケル鉄合金(Ni−Fe)の少なくとも一方を含有する。NiおよびNi−Feは、酸素および水蒸気に対して、優れたガスバリア性を発揮する。さらにNiおよびNi−Feは、耐アルカリ性を有するため、電解液と接触しても腐食し難い。 The metal layer suppresses atmospheric oxygen and water vapor from reaching the electrode terminals. The metal layer contains at least one of nickel (Ni) and nickel iron alloy (Ni-Fe). Ni and Ni-Fe exhibit excellent gas barrier properties against oxygen and water vapor. Furthermore, since Ni and Ni-Fe have alkali resistance, they are unlikely to corrode even when in contact with the electrolytic solution.
上記によれば、クリープ現象が抑制される。 According to the above, the creep phenomenon is suppressed.
以下、本開示の実施形態(以下「本実施形態」と記される。)が説明される。ただし、以下の説明は、本開示の発明を限定するものではない。以下、ニッケル水素電池は、単に「電池」と記されることがある。 Hereinafter, an embodiment of the present disclosure (hereinafter referred to as “the present embodiment”) will be described. However, the following description does not limit the invention of the present disclosure. Hereinafter, the nickel metal hydride battery may be simply referred to as “battery”.
<ニッケル水素電池>
図2は、ニッケル水素電池の構成の一例を示す概略図である。電池10は、筐体2、電解液(図2では図示されず)、電極群3、電極端子4、およびシール材(図2では図示されず)を備える。
<Nickel metal hydride battery>
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of the configuration of a nickel metal hydride battery. The battery 10 includes a
《筐体》
図2では、一例として、角形(直方体)の筐体2が示されている。ただし、筐体2の形状は、角形に限定されるべきではない。筐体2は、たとえば、円筒形であってもよい。筐体2は、たとえば、金属製でよい。筐体2は、複数の部材から構成されていてもよい。筐体2は、たとえば、蓋および本体を含んでもよい。
<Case>
In FIG. 2, a rectangular (rectangular)
《電解液》
電解液は、筐体2内に収容されている。電解液は、アルカリ水溶液である。電解液は、溶質として、たとえば、KOH、水酸化ナトリウム(NaOH)および水酸化リチウム(LiOH)等を含有してもよい。電解液の濃度は、たとえば、1〜10mоl/lでよい。
<Electrolyte>
The electrolytic solution is accommodated in the
《電極群》
電極群3は、筐体2内に収容されている。図2では、一例として、積層式の電極群3が示されている。ただし、電極群3は、積層式に限定されるべきではない。電極群3は、たとえば、巻回式であってもよい。電極群3は、正極と負極とが交互に積層されて構成されている。正極と負極との間には、セパレータが介在している。
<Electrode group>
The electrode group 3 is accommodated in the
正極は、正極集電体および正極活物質を含む。正極集電体は、たとえば、金属発泡体(発泡ニッケル等)、パンチングメタル等でよい。正極活物質は、正極集電体に支持されている。正極活物質は、水酸化ニッケル(Ni(OH)2)およびオキシ水酸化ニッケル(NiOOH)の少なくとも一方を含有する。水酸化ニッケルは、充電状態の正極活物質である。オキシ水酸化ニッケルは、放電状態の正極活物質である。正極活物質は、たとえば、コバルト(Co)等をさらに含有してもよい。 The positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material. The positive electrode current collector may be, for example, a metal foam (foamed nickel or the like), a punching metal, or the like. The positive electrode active material is supported by the positive electrode current collector. The positive electrode active material contains at least one of nickel hydroxide (Ni (OH) 2 ) and nickel oxyhydroxide (NiOOH). Nickel hydroxide is a positive electrode active material in a charged state. Nickel oxyhydroxide is a positive electrode active material in a discharged state. The positive electrode active material may further contain, for example, cobalt (Co).
負極は、負極集電体および負極活物質を含む。負極集電体は、たとえば、ニッケルメッシュ等でよい。負極活物質は、水素吸蔵合金である。水素吸蔵合金は、水素の吸蔵および放出が可能である限り、その組成は限定されるべきではない。水素吸蔵合金は、たとえば、Mm−Ni−Mn−Al−Co系合金等でよい。「Mm」は、ミッシュメタルと称される希土類元素の混合物を示す。 The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material. The negative electrode current collector may be, for example, a nickel mesh. The negative electrode active material is a hydrogen storage alloy. The composition of the hydrogen storage alloy should not be limited as long as hydrogen can be stored and released. The hydrogen storage alloy may be, for example, an Mm—Ni—Mn—Al—Co alloy. “Mm” indicates a mixture of rare earth elements called misch metal.
セパレータは、たとえば、合成繊維の不織布でよい。合成繊維は、たとえばポリプロピレン(PP)繊維、ナイロン繊維等でよい。セパレータは、その表面に親水化処理等が施されていてもよい。親水化処理としては、たとえば、スルホン化処理、プラズマ処理、アクリル酸グラフト重合処理等が挙げられる。 The separator may be, for example, a synthetic fiber nonwoven fabric. The synthetic fiber may be, for example, polypropylene (PP) fiber or nylon fiber. The separator may be subjected to a hydrophilic treatment or the like on its surface. Examples of the hydrophilic treatment include sulfonation treatment, plasma treatment, and acrylic acid graft polymerization treatment.
《電極端子》
電極端子4は、筐体2を貫通している。電極端子4は、筐体2内で電極群3と接続されている。電極端子4は、正極に接続されていてもよいし、負極に接続されていてもよい。すなわち、電極端子4は、正極端子であってもよいし、負極端子であってもよい。負極端子の表面は、負に帯電しやすい。したがって、少なくとも負極端子側には、本開示の構成が適用されることが望まれる。
<Electrode terminal>
The
電極端子4は金属製である。電極端子4を構成する金属は、特に限定されるべきではない。電極端子4を構成する金属は、たとえば、Ni、Fe、銅(Cu)等であってもよい。ただし、電極端子4は、後述の金属層7(NiおよびNi−Feの少なくとも一方)と、体積膨張率が近似していると都合がよい。これらの体積膨張率が近似していることにより、電極端子4とシール材5との間に隙間が生じることが抑制され得る。電極端子4は、たとえば、Niメッキが施されたFe等であってもよい。
The
電極端子4の表面には、後述の不導体層6が形成される。そのため、電極端子4の表面は、平滑であることが望まれる。電極端子4の表面は、たとえば、所定の研磨、エッチング等により、平滑化され得る。
On the surface of the
《シール材》
図3は、図2のIII−III線における概略断面図である。図3中の矢印は、クリープ現象における電解液の漏出経路を示している。電極端子4と筐体2との間には、シール材5が介在している。シール材5が、電極端子4および筐体2から圧力を受けることにより、筐体2が密閉される。シール材5は、たとえば、PP製、ポリエチレン(PE)製等でよい。
<Seal material>
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along line III-III in FIG. The arrows in FIG. 3 indicate the electrolyte leakage path in the creep phenomenon. A
《不導体層》
図4は、図3のIV領域を示す概略断面図である。不導体層6は、電極端子4の表面に形成されている。不導体層6は、不導体により構成される層である。本明細書の「不導体」は、20℃において、1×104Ω・m以上1×1020Ω・m以下の抵抗率を有する物体を示す。不導体層6は、電極端子4と電解液との接触を抑制する。不導体層6は、電極端子4が電解液に電子を供給することを抑制する。不導体層6は、たとえば、5〜30μmの厚さを有する。
《Nonconductive layer》
4 is a schematic cross-sectional view showing a region IV in FIG. The
不導体層6は、耐アルカリ性を有してもよい。耐アルカリ性の観点から、不導体層6は、たとえば、PP、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を含有してもよい。不導体層6は、ガスバリア性を有してもよい。ガスバリア性の観点から、不導体層6は、たとえば、ポリビニルアルコール(PVOH)等を含有してもよい。さらにガスバリア性の観点から、不導体層6は、酸素捕捉剤(たとえば、Fe粒子、多価フェノール等)等を含有してもよい。
The
不導体層6の形成方法は、特に限定されるべきではない。不導体層6は、たとえば、射出成形、ホットメルトスプレー塗布、溶液塗布等により、電極端子4の表面に形成され得る。
The formation method of the
《金属層》
金属層7は、不導体層6上に積層されている。金属層7は、たとえば、不導体層6の表面に直接形成されていてもよい。あるいは、金属層7と不導体層6との間に、たとえば、接着剤(エポキシ樹脂)等が介在してもよい。金属層7は、たとえば、5〜50μmの厚さを有する。
《Metallic layer》
The
金属層7は、大気中の酸素および水蒸気が電極端子4に到達することを抑制する。すなわち、金属層7は、酸素ガスバリア性および水蒸気バリア性を有する。金属層7は、NiおよびNi−Feの少なくとも一方を含有する。NiおよびNi−Feは、酸素および水蒸気に対して、優れたガスバリア性を発揮する。さらにNiおよびNi−Feは、耐アルカリ性を有するため、電解液と接触しても腐食し難い。Ni−Feにおいて、NiとFeとの元素比は特に限定されない。Ni−Feは、従来公知のあらゆる元素比を有することができる。
The
金属層7は、たとえば、単一の層であってもよい。金属層7は、たとえば、複数の層を含んでもよい。金属層7は、たとえば、金属箔(Ni箔等)であってもよい。金属層7は、たとえば、Ni箔と、Ni−Fe箔とが積層されて構成されていてもよい。
The
金属層7は、NiおよびNi−Feの少なくとも一方を含有する限り、その他の金属等を含有してもよい。金属層7は、たとえば、シリコン(Si)、ジルコニウム(Zr)、タングステン(W)、タンタル(Ta)およびCuからなる群より選択される少なくとも1種を含有してもよい。これらの金属等も、酸素ガスバリア性および水蒸気バリア性を有し、かつ耐アルカリ性を有する。
The
金属層7を不導体層6上に積層する方法は、特に限定されるべきではない。ただし、金属層7と不導体層6との間に隙間が生じ難い方法であることが望まれる。金属層7は、たとえば、溶液塗布、メッキ加工等により、不導体層6上に積層され得る。
The method for laminating the
今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be thought that embodiment disclosed this time is an illustration and restrictive at no points. The scope of the present disclosure is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 電解液、2 筐体、3 電極群、4 電極端子、5 シール材、6 不導体層、7 金属層、10 電池。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記筐体内に収容されている電解液、
前記筐体内に収容されている電極群、
前記筐体を貫通している電極端子、および、
前記電極端子と前記筐体との間に介在しているシール材、
を備え、
前記電極端子の表面に、不導体層が形成されており、
前記不導体層上に、金属層が積層されており、
前記金属層は、ニッケルおよびニッケル鉄合金の少なくとも一方を含有する、
ニッケル水素電池。 Housing,
An electrolyte contained in the housing,
An electrode group housed in the housing;
An electrode terminal penetrating the housing; and
A sealing material interposed between the electrode terminal and the housing;
With
A nonconductive layer is formed on the surface of the electrode terminal,
A metal layer is laminated on the non-conductive layer,
The metal layer contains at least one of nickel and nickel iron alloy,
Nickel metal hydride battery.
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