專利名稱：制造電池電極的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造在電池例如鎳氫電池中所使用的電極的方法。
背景技術(shù)：
作為一種制造用于鎳氫電池的電極的方法，一種通過用主要由氫氧化鎳粉末、粘合劑和溶劑組成的涂料來對鎳泡沫金屬進行填充，該鎳泡沫金屬是由具有相互連通的三維多孔金屬組成的電流集電器，對填充的電流集電器進行烘干，并且對其加壓壓縮來制造正電極的方法已經(jīng)為人們所熟知。
這種用涂料來填充多孔金屬的方法包括，例如，在日本專利公布號7-73049的文件中所揭示的方法。
并且，一種通過用主要由氫吸收合金、粘合劑和溶劑組成的涂料來對由含有厚度大約60微米鎳的輾壓鎳穿孔金屬組成的電流集電器兩面進行涂層，對涂層的電流集電器進行烘干，并且對其加壓壓縮來制造負電極的方法已經(jīng)為人們所熟知。這種用涂料對穿孔金屬涂層并將涂層過的穿孔金屬烘干的方法包括，例如，在日本專利公開號為9-117706的文件中所揭示的方法。
近年，具有優(yōu)異輕便性的便攜式電話和筆記本電腦因其實用而迅速普及，并且為了使得上述設(shè)備能夠使用更長的時間周期，對設(shè)備中所使用的電池容量提高的需求也不斷增長。然而，使用上述電流集電器，電流集電器與電極板的比例太大，以至于限制了可以增加的活性材料的數(shù)量，這就妨礙了電池容量的提高。
為了設(shè)法解決上述問題，可以考慮通過使得電流中和材料為一薄箔，來更好地減小電流中和材料與電極板的比例，然而，在使用上述鎳泡沫金屬的方法中，單純地減少箔的厚度引起了在電流集電器的前面和后面所涂層和構(gòu)成的活性材料層的變形，并且在加壓處理期間由于拉長的偏差，明顯破壞了電極板的平坦性。產(chǎn)生這種問題的原因可能在于金屬箔由于其機械強度低受模噴射出的涂層壓力就會變形，并且因而產(chǎn)生涂層厚度上的偏差。
進一步，在使用上述利用輾壓鎳的鎳穿孔金屬的方法中，在活性材料烘干期間由于進行加熱就產(chǎn)生減小了厚度的金屬箔的變形問題，并且在一些情況下，可能產(chǎn)生金屬箔與模頂端接觸這個電池制造中致命的問題，因而切斷了電流集電器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對上述問題而實現(xiàn)的；因此，本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供一種制造電池電極的方法，其中的薄箔電流集電器用活性材料涂料涂層，并且活性材料涂層以確保高生產(chǎn)率的方式來構(gòu)成，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對電池容量的提高。
本發(fā)明第1方面是一種制造電池電極的方法，其特征在于，包括下述步驟通過使用模對在電流集電器的兩面施加活性材料，從而在其上形成活性材料層，電流集電器通過對金屬箔進行三維處理獲得，且其厚度大于金屬箔厚度；烘干活性材料層；并且壓制活性材料層。
本發(fā)明第2方面是一種根據(jù)第1方面制造電池電極的方法，其特征在于，金屬箔的厚度范圍在5到50微米。
本發(fā)明第3方面是一種根據(jù)第1方面制造電池電極的方法，其特征在于，當(dāng)t1是電極板厚度，而t2是經(jīng)過三維處理的電流集電器的厚度時，經(jīng)過三維處理的電流集電器的厚度落在如方程式t1≥t2≥t1/4所示的范圍內(nèi)。
本發(fā)明第4方面是一種根據(jù)第1方面制造電池電極的方法，其特征在于，當(dāng)d是所述模對頂端之間的間隙，而t2是所述經(jīng)過三維處理的電流集電器的厚度時，所述經(jīng)過三維處理的電流集電器的厚度落在如方程式d＞t2≥d/4所示的范圍內(nèi)。
本發(fā)明第5方面是一種根據(jù)第1方面制造電池電極的方法，其特征在于，所述金屬箔是電解鎳箔。
本發(fā)明第6方面是一種制造電池電極的方法，在所述電池中，用于鎳-氫電池的活性材料涂料通過使用模施加在電流集電器上，以便形成活性材料層，其特征在于，活性材料涂料以500(1/秒)或更小的切變速率流入模和每個模頂端與電流集電器之間。
本發(fā)明第7方面是一種根據(jù)第1或第6方面制造電池電極的方法，其特征在于，在每個模頂端和電流集電器之間的活性材料涂料的壓力為0.5MPa或更小。
本發(fā)明第8方面是一種根據(jù)第1或第6方面制造電池電極的方法，其特征在于，所述電流集電器前面的活性材料層和其后面的活性材料層之間的厚度差異限制在±30％內(nèi)。
本發(fā)明第9方面是一種根據(jù)第6或第6方面制造電池電極的方法，其特征在于，所述電流集電器前面的活性材料層和其后面的活性材料層之間的厚度差異限制在±10％內(nèi)。


圖1是本發(fā)明的一實施例所適用的涂料器的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明的一實施例所適用的涂料器的結(jié)構(gòu)圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明一實施例獲得的電流集電器結(jié)構(gòu)圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明一實施例獲得的電極板的截面圖。
圖5是示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的涂層的粘度特性的曲線圖。
圖6是示出根據(jù)本發(fā)明一實施例獲得的電池的循環(huán)壽命的曲線圖。
圖7是示出根據(jù)本發(fā)明一實施例獲得的電池工作容量特性的曲線圖。
具體實施例方式
下面，本發(fā)明將根據(jù)較佳實施例來描述。
圖1是本發(fā)明制造電池電極的方法的實施例所適用的涂料器的示意圖。
電流集電器2通過對厚度為t0(5到10微米)的電解鎳箔203的前面和后面進行處理來構(gòu)成，以便在規(guī)定維度具有凸出并在X方向相互平行排列的矩形立方體部分201和202，如圖3所示。作為沒有在圖中示出的處理電流集電器2的裝置，可以使用模壓印。這種三維處理允許電流集電器2具有比箔片更加厚的厚度。電流集電器2的厚度應(yīng)該如后所述，指定為t2。
當(dāng)將電流集電器2穿過在模對3之間構(gòu)成間隙的幾乎中間部分時進行電流集電器2上的涂層處理，如圖1和2所示。對于模對3，活性材料涂料5(在下文中簡稱為涂料)用泵(圖中沒有示出)提供。涂料5首先提供給在模3涂層的橫向方向中其壓力均勻的支管301的內(nèi)側(cè)，允許在槽302中流動，從模3頂端壓出，并且同時、均勻地施加在電流集電器2兩個面上。
施加的涂料厚度落在如方程式t1≥t2≥t1/4所示的范圍，t1是具有活性材料涂層的電極板厚度，而t2是經(jīng)過三維處理的電流集電器的厚度。這些是電流能充分流動的條件。
用于電流集電器來引導(dǎo)電流集電器2進入間隙的幾乎中部的位置調(diào)節(jié)裝置4可能在相對于模3的上游方提供，并且如果必要，也在相對于模3的下游方提供。位置調(diào)節(jié)裝置4由滾筒和桿組成。
具有施加的涂料5和形成其上的活性材料層1的電流集電器在圖中沒有示出的烘干處理中烘干，并且隨后拉緊。在這以后，電流集電器經(jīng)過圖中沒有示出的壓加工處理中進行加壓壓縮處理，以便制成電極板。
本實施例的第一特征在于因為其通過兩個模的頂端，故經(jīng)過三維處理的電流集電器2在兩個模的頂端構(gòu)成的間隙中間行進。因此，在電流集電器2的前后面上的活性材料層1的涂料量偏差將變得很小，因此，經(jīng)過壓加工后的電極板的平整度變得很優(yōu)異。
特別地，如圖2所示，當(dāng)電流集電器的厚度在如方程式d＞t2≥d/4所示的范圍內(nèi)，其中d是兩個模頂端之間的間隙，而t2是經(jīng)過三維處理的電流集電器的厚度，電流集電器2的每個凸起部分頂端和每個模頂端304之間的間隙g會變得很小。具體地說，通常d≥0.05mm并≤3mm。例如，當(dāng)d為0.6mm，t2為0.4mm時，電流集電器2的每個凸起部分頂端和每個模頂端304之間的間隙d變得很小。如0.1毫米一樣小。因此，存在于間隙g中的涂料5的粘力防止了電流集電器移動到不合適的位置，因此，允許電流集電器在兩個模之間間隙d的中間行進。
另外，因為間隙g也可由涂料粘力來保持，每個模的頂端304和電流集電器2不可能彼此接觸；因此，即使是箔片厚度如5到50微米薄因而機械強度較低的電流集電器，也可以在不引起切斷的情況下穩(wěn)定制造。
本實施例的第二特征在于電流集電器的厚度落在如方程式t1≥t2≥t1/4所示的范圍，t1是電極板厚度，而t2是經(jīng)過三維處理的電流集電器的厚度。如果涂層的活性材料的厚度太厚，以至于使得電流集電器的厚度超出了上述范圍，就會產(chǎn)生電流很難通過的問題。
本實施例的第三特征在于使用電解鎳箔。作為電流集電器使用的箔片可以分為兩種主要類別輾壓鎳箔和電解鎳箔，在活性材料層烘干處理期間與使用輾壓鎳箔的電流集電器相比，用電解鎳箔可以防止由加熱而引起的箔片變形。特別是，輾壓鎳箔具有在輾壓處理期間所引起的應(yīng)力變形，并且當(dāng)箔片加熱時，應(yīng)力變形依次引起箔片中的扭曲。
電解鎳箔的使用導(dǎo)致了電極板平整度精確性的提高，這將使其很容易依次卷起正負極和隔板，導(dǎo)致電池的品質(zhì)和產(chǎn)量顯著提高。
如果電流集電器的厚度大于50微米，就很難提高電池的容量，但另一方面，如果電流集電器的厚度小于5微米，就會產(chǎn)生在涂層期間電流集電器不能承受其工作所必需的張力等問題，并會切斷電流集電器。因此，在本發(fā)明中，電流集電器厚度較佳的范圍在5到50微米內(nèi)。從上述觀點看出，電流集電器厚度更佳的范圍在10到30微米。
本實施例的第四特征在于流入模和每個模頂端與電流集電器之間的活性材料涂料的切變速率是500(1/秒)或更低。這里所使用的“切變速率”術(shù)語定義為V/g，其中g(shù)是每個模頂端與電流集電器之間的間隙，而V是電流集電器運行的速度。
圖5示出本實施例中使用的涂料的粘度特性。測量是通過使用由ReometrixCo.，Ltd制造的裝備有錐形板型測量頭的RF-2電流計來得出。
在圖5中，測量時間由橫坐標(biāo)表示，而粘度(Pa·s)由縱坐標(biāo)表示。粘度的變化是在當(dāng)每個30秒改變切變速率；1(1/秒)、10(1/秒)、100(1/秒)和1000(1/秒)時測量的。圖5示出兩次測量的結(jié)果。
從圖5中可以看出，在切變速率為1000(1/秒)時，當(dāng)每次進行測量時粘度都發(fā)生了變化，粘度值是不穩(wěn)定的。
在進行深入研究之后，發(fā)明者發(fā)現(xiàn)在含有更高比重的粉末，例如氫氧化鎳和氫吸收合金作為主要成分的粉末；占有3％或更小比例的粘合劑例如CMC和SBR；以及50％或更多比例的固體含量的涂料系統(tǒng)中可以觀察到這樣的現(xiàn)象，也就是說在用于鎳-氫電池的涂料系統(tǒng)。
通過用涂料填充泡沫金屬來制成電極板的制造電極的已有方法中，因為孔的直徑在50到200微米范圍內(nèi)，所以涂料粘度進入不穩(wěn)定范圍所達到的最大切變速率為1000(1/秒)。在粘度高的部分，孔被阻塞，導(dǎo)致不完善的涂料填充。因此，涂料填充在泡沫金屬內(nèi)變得不均勻，引起對于電池特性來說是致命的問題，例如電池容量和電池循環(huán)壽命變化的產(chǎn)生。在本發(fā)明中，只要切變速率在500(1/秒)或更低，涂料的粘度就能保持穩(wěn)定；因此，在電流集電器上可以施加和形成均勻的活性材料層。
本發(fā)明的第五特征在于間隙處的壓力最好保持固定。在深入研究之后，發(fā)明者發(fā)現(xiàn)間隙處的壓力與不穩(wěn)定的粘度現(xiàn)象密切相關(guān)。當(dāng)間隙處的壓力為0.5MPa或更低，更佳為0.3MPa或更低時，不會發(fā)生不穩(wěn)定的粘度現(xiàn)象。這種現(xiàn)象可以歸因于間隙處高壓力所引起的粉末和溶劑的分離。
僅用于參考，對于用于鎳-氫電池的活性材料涂料的粘度，在切變速率為1(1/秒)時粘度η1的范圍在1到100(Pa·s)，并且在切變速率為100(1/秒)時粘度η2在1(Pa·s)或更低的范圍內(nèi)。低于1(Pa·s)的粘度η1允許涂層后的涂料在其烘干之前能夠流動，導(dǎo)致活性材料層的厚度不均。而高于100(Pa·s)的粘度η1也不是最佳的粘度，也是因為這樣的粘度不允許涂料很好地流動，而且當(dāng)切變速率在1000(1/秒)時，就會產(chǎn)生明顯的粘度不穩(wěn)定現(xiàn)象，如上所述。如果當(dāng)切變速率在100(1/秒)時，粘度η2高于1(Pa·s)，在用模進行涂層處理期間，存在于電流集電器和模之間的間隙的涂層壓力變?yōu)榇笥?.5MPa，這就意味著用模進行涂層處理是不可能的。
根據(jù)上述的特征，本實施例提供了一種精確的電極板，電流集電器前面的活性材料層和其后面的活性材料層之間的厚度差異限制在±30％至±10％之內(nèi)?；钚圆牧蠈舆@樣小的厚度差異導(dǎo)致在烘干期間所引起的在電流集電器前后面的涂層之間收縮的較小差異。這就能夠制造平坦的電路板，而且在加壓壓縮處理期間能夠提高電極板的平整度。
已有的制造電池電極方法僅提供精確度在±3毫米內(nèi)的平整度；但另一方面，本發(fā)明的采用的方法提供了改善的平整度，使其精確度高達±1毫米內(nèi)，并使得提高電池容量和電池的循環(huán)特性成為可能。進一步，具有上述活性材料層厚度差異，電極板曲率的度數(shù)可以限制在1000毫米的曲率半徑內(nèi)。這也使得電極板的卷曲更加容易，并且可能提高電池的品質(zhì)。
本實施例將通過進一步給出具體的實例來進行詳細描述。使用由兩個為保持模間預(yù)定的狹長間隙而按彼此面向方式放置的模組成的涂布頭，在電流集電器兩邊同時施加一種活性材料，這種電流集電器是如圖3所示經(jīng)過處理的25微米厚500毫米寬的電解鎳箔，以便在其上形成活性材料層。為了做比較，使用如上所述相同的涂布頭在在電流集電器兩邊同時施加這種活性材料，這種電流集電器是沒有經(jīng)過任何處理的25微米厚的鎳箔，以便在其上形成活性材料層。
用于負電極的涂料，在設(shè)定方式為切變速率1(1/秒)時給定粘度η1為50(Pa·s)以及在切變速率100(1/秒)時給定粘度η2為0.5(Pa·s)的揉合條件及加水量下，將氫吸收合金、SBR、CMC和水揉合來完成。為了做比較，準(zhǔn)備了在設(shè)定方式為切變速率1(1/秒)時給定粘度η1為0.5(Pa·s)以及在切變速率100(1/秒)時給定粘度η2為0.5(Pa·s)的條件下，粘度范圍與本發(fā)明不同的涂料。
用于正電極的涂料，在設(shè)定方式為切變速率1(1/秒)時給定粘度η1為30(Pa·s)以及在切變速率100(1/秒)時給定粘度η2為0.7(Pa·s)的揉合條件及加水量下，將氫氧化鎳、電解傳導(dǎo)劑、碳氟樹脂、CMC和水揉合來完成。為了做比較，準(zhǔn)備了在設(shè)定方式為切變速率1(1/秒)時給定粘度η1為0.8(Pa·s)以及在切變速率100(1/秒)時給定粘度η2為0.7(Pa·s)的條件下，粘度范圍與本發(fā)明不同的涂料。
通過使用上述涂料獲得的電極經(jīng)過加壓壓縮并裁剪成預(yù)定的寬度，以便形成鎳氫電池。對每個獲得的電池要進行評價來驗證本發(fā)明的優(yōu)點。
(1)涂層的均勻性每個電流集電器的前后之間的厚度差異用測微計檢驗，并且涂層后出現(xiàn)的涂層凹陷進行目測。在上述涂料粘度與本發(fā)明相同的實例中，厚度差異在±18％；但另一方面，在比較實例中，厚度差異在±56％。
(2)涂層后出現(xiàn)的凹陷在實例的涂層中，沒有觀測到有凹陷，并且它們的狀態(tài)令人滿意；但另一方面，在比較實例的涂層中，發(fā)生凹陷，并且明顯破壞了它們的平整度。
(3)電極板的平整度在加壓實例所獲得的電極板的時候，它們的平整度在±0.5毫米范圍內(nèi)；但另一方面，在比較實例中獲得的電極板中，它們的平整度達到±3.5毫米。因此，在實例的電極板中，當(dāng)將它們卷起以便插入電池殼就不會產(chǎn)生任何問題，并且其成品率在98％。然而在比較實例中的電極板中，將它們卷曲是十分困難的，而且其成品率只有50％。
(4)電池特性上述實例和比較實例中所獲得的每個電池的循環(huán)壽命如圖6所示，并且它們的工作容量率如圖7所示。在上述實例的電池中，與比較實例的電池相比，其循環(huán)壽命提高了20％。并且與比較實例的電池相比，其工作容量率也提高了20％。
上述效能并不僅限于在上述實例中獲得，而是只要是處于由附加權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的范疇中的實施例都能獲得相同的效能。如迄今為止的討論所述，根據(jù)這個實例，涂料可以以確保電池高生產(chǎn)率的方式、并且同時以確保提高電極板平整度的均勻性、提高工作容量和防止其變化，以及提高循環(huán)壽命的特定方式施加在由電解鎳箔組成的電流集電器上。
如迄今為止所的討論所表現(xiàn)的，電流集電器的涂層可以以確保電池高生產(chǎn)率的方式、并且同時以確保提高電極板平整度的均勻性、提高工作容量和防止其變化，以及提高循環(huán)壽命的特定方式進行。這樣，這種發(fā)明就提供了很多優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種制造電池電極的方法，其特征在于，包括下述步驟通過使用模對在電流集電器的兩面施加活性材料，從而在其上形成活性材料層，所述電流集電器通過對金屬箔進行三維處理獲得，且其厚度大于所述金屬箔厚度；烘干活性材料層；并且壓制所述活性材料層。
2.如權(quán)利要求1所述的制造電池電極的方法，其特征在于，所述金屬箔的厚度范圍在5到50微米。
3.如權(quán)利要求1所述的制造電池電極的方法，其特征在于，當(dāng)t1是所述電極板厚度，而t2是所述經(jīng)過三維處理的電流集電器的厚度時，所述經(jīng)過三維處理的電流集電器的厚度落在如方程式t1≥t2≥t1/4所示的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的制造電池電極的方法，其特征在于，當(dāng)d是所述模對頂端之間的間隙，而t2是所述經(jīng)過三維處理的電流集電器的厚度時，所述經(jīng)過三維處理的電流集電器的厚度落在如方程式d＞t2≥d/4所示的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的制造電池電極的方法，其特征在于，所述金屬箔是電解鎳箔。
6.一種制造電池電極的方法，其中，用于鎳-氫電池的活性材料涂料通過使用模施加在電流集電器上，以便形成活性材料層，其特征在于，活性材料涂料以500(1/秒)或更小的切變速率流入模和每個模頂端與電流集電器之間。
7.如權(quán)利要求1或6所述的制造電池電極的方法，其特征在于，在每個模頂端和電流集電器之間的活性材料涂料的壓力為0.5MPa或更小。
8.如權(quán)利要求1或6所述的制造電池電極的方法，其特征在于，所述電流集電器前面的活性材料層和其后面的活性材料層之間的厚度差異限制在±30％內(nèi)。
9.如權(quán)利要求1或6所述的制造電池電極的方法，其特征在于，所述電流集電器前面的活性材料層和其后面的活性材料層之間的厚度差異限制在±10％內(nèi)。
全文摘要
一種制造電池電極的方法,其特征在于,包括下述步驟:通過使用模對在電流集電器的兩面施加活性材料,從而在其上形成活性材料層,電流集電器通過對金屬箔進行三維處理獲得,且其厚度大于金屬箔厚度;烘干活性材料層;并且壓制活性材料層。
文檔編號H01M4/70GK1353468SQ0113787
公開日2002年6月12日 申請日期2001年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月7日
發(fā)明者渡邊勝, 上山康博, 上木原伸幸, 竹內(nèi)一郎 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社