专利名称：制造电池电极的方法
技术领域：
本发明涉及一种制造在电池例如镍氢电池中所使用的电极的方法。
背景技术：
作为一种制造用于镍氢电池的电极的方法，一种通过用主要由氢氧化镍粉末、粘合剂和溶剂组成的涂料来对镍泡沫金属进行填充，该镍泡沫金属是由具有相互连通的三维多孔金属组成的电流集电器，对填充的电流集电器进行烘干，并且对其加压压缩来制造正电极的方法已经为人们所熟知。
这种用涂料来填充多孔金属的方法包括，例如，在日本专利公布号7-73049的文件中所揭示的方法。
并且，一种通过用主要由氢吸收合金、粘合剂和溶剂组成的涂料来对由含有厚度大约60微米镍的辗压镍穿孔金属组成的电流集电器两面进行涂层，对涂层的电流集电器进行烘干，并且对其加压压缩来制造负电极的方法已经为人们所熟知。这种用涂料对穿孔金属涂层并将涂层过的穿孔金属烘干的方法包括，例如，在日本专利公开号为9-117706的文件中所揭示的方法。
近年，具有优异轻便性的便携式电话和笔记本电脑因其实用而迅速普及，并且为了使得上述设备能够使用更长的时间周期，对设备中所使用的电池容量提高的需求也不断增长。然而，使用上述电流集电器，电流集电器与电极板的比例太大，以至于限制了可以增加的活性材料的数量，这就妨碍了电池容量的提高。
为了设法解决上述问题，可以考虑通过使得电流中和材料为一薄箔，来更好地减小电流中和材料与电极板的比例，然而，在使用上述镍泡沫金属的方法中，单纯地减少箔的厚度引起了在电流集电器的前面和后面所涂层和构成的活性材料层的变形，并且在加压处理期间由于拉长的偏差，明显破坏了电极板的平坦性。产生这种问题的原因可能在于金属箔由于其机械强度低受模喷射出的涂层压力就会变形，并且因而产生涂层厚度上的偏差。
进一步，在使用上述利用辗压镍的镍穿孔金属的方法中，在活性材料烘干期间由于进行加热就产生减小了厚度的金属箔的变形问题，并且在一些情况下，可能产生金属箔与模顶端接触这个电池制造中致命的问题，因而切断了电流集电器。
发明内容
本发明是针对上述问题而实现的；因此，本发明的一个目标是提供一种制造电池电极的方法，其中的薄箔电流集电器用活性材料涂料涂层，并且活性材料涂层以确保高生产率的方式来构成，并且能够实现对电池容量的提高。
本发明第1方面是一种制造电池电极的方法，其特征在于，包括下述步骤通过使用模对在电流集电器的两面施加活性材料，从而在其上形成活性材料层，电流集电器通过对金属箔进行三维处理获得，且其厚度大于金属箔厚度；烘干活性材料层；并且压制活性材料层。
本发明第2方面是一种根据第1方面制造电池电极的方法，其特征在于，金属箔的厚度范围在5到50微米。
本发明第3方面是一种根据第1方面制造电池电极的方法，其特征在于，当t1是电极板厚度，而t2是经过三维处理的电流集电器的厚度时，经过三维处理的电流集电器的厚度落在如方程式t1≥t2≥t1/4所示的范围内。
本发明第4方面是一种根据第1方面制造电池电极的方法，其特征在于，当d是所述模对顶端之间的间隙，而t2是所述经过三维处理的电流集电器的厚度时，所述经过三维处理的电流集电器的厚度落在如方程式d＞t2≥d/4所示的范围内。
本发明第5方面是一种根据第1方面制造电池电极的方法，其特征在于，所述金属箔是电解镍箔。
本发明第6方面是一种制造电池电极的方法，在所述电池中，用于镍-氢电池的活性材料涂料通过使用模施加在电流集电器上，以便形成活性材料层，其特征在于，活性材料涂料以500(1/秒)或更小的切变速率流入模和每个模顶端与电流集电器之间。
本发明第7方面是一种根据第1或第6方面制造电池电极的方法，其特征在于，在每个模顶端和电流集电器之间的活性材料涂料的压力为0.5MPa或更小。
本发明第8方面是一种根据第1或第6方面制造电池电极的方法，其特征在于，所述电流集电器前面的活性材料层和其后面的活性材料层之间的厚度差异限制在±30％内。
本发明第9方面是一种根据第6或第6方面制造电池电极的方法，其特征在于，所述电流集电器前面的活性材料层和其后面的活性材料层之间的厚度差异限制在±10％内。
图1是本发明的一实施例所适用的涂料器的结构图。
图2是本发明的一实施例所适用的涂料器的结构图。
图3是根据本发明一实施例获得的电流集电器结构图。
图4是根据本发明一实施例获得的电极板的截面图。
图5是示出根据本发明一实施例的涂层的粘度特性的曲线图。
图6是示出根据本发明一实施例获得的电池的循环寿命的曲线图。
图7是示出根据本发明一实施例获得的电池工作容量特性的曲线图。
具体实施例方式
下面，本发明将根据较佳实施例来描述。
图1是本发明制造电池电极的方法的实施例所适用的涂料器的示意图。
电流集电器2通过对厚度为t0(5到10微米)的电解镍箔203的前面和后面进行处理来构成，以便在规定维度具有凸出并在X方向相互平行排列的矩形立方体部分201和202，如图3所示。作为没有在图中示出的处理电流集电器2的装置，可以使用模压印。这种三维处理允许电流集电器2具有比箔片更加厚的厚度。电流集电器2的厚度应该如后所述，指定为t2。
当将电流集电器2穿过在模对3之间构成间隙的几乎中间部分时进行电流集电器2上的涂层处理，如图1和2所示。对于模对3，活性材料涂料5(在下文中简称为涂料)用泵(图中没有示出)提供。涂料5首先提供给在模3涂层的横向方向中其压力均匀的支管301的内侧，允许在槽302中流动，从模3顶端压出，并且同时、均匀地施加在电流集电器2两个面上。
施加的涂料厚度落在如方程式t1≥t2≥t1/4所示的范围，t1是具有活性材料涂层的电极板厚度，而t2是经过三维处理的电流集电器的厚度。这些是电流能充分流动的条件。
用于电流集电器来引导电流集电器2进入间隙的几乎中部的位置调节装置4可能在相对于模3的上游方提供，并且如果必要，也在相对于模3的下游方提供。位置调节装置4由滚筒和杆组成。
具有施加的涂料5和形成其上的活性材料层1的电流集电器在图中没有示出的烘干处理中烘干，并且随后拉紧。在这以后，电流集电器经过图中没有示出的压加工处理中进行加压压缩处理，以便制成电极板。
本实施例的第一特征在于因为其通过两个模的顶端，故经过三维处理的电流集电器2在两个模的顶端构成的间隙中间行进。因此，在电流集电器2的前后面上的活性材料层1的涂料量偏差将变得很小，因此，经过压加工后的电极板的平整度变得很优异。
特别地，如图2所示，当电流集电器的厚度在如方程式d＞t2≥d/4所示的范围内，其中d是两个模顶端之间的间隙，而t2是经过三维处理的电流集电器的厚度，电流集电器2的每个凸起部分顶端和每个模顶端304之间的间隙g会变得很小。具体地说，通常d≥0.05mm并≤3mm。例如，当d为0.6mm，t2为0.4mm时，电流集电器2的每个凸起部分顶端和每个模顶端304之间的间隙d变得很小。如0.1毫米一样小。因此，存在于间隙g中的涂料5的粘力防止了电流集电器移动到不合适的位置，因此，允许电流集电器在两个模之间间隙d的中间行进。
另外，因为间隙g也可由涂料粘力来保持，每个模的顶端304和电流集电器2不可能彼此接触；因此，即使是箔片厚度如5到50微米薄因而机械强度较低的电流集电器，也可以在不引起切断的情况下稳定制造。
本实施例的第二特征在于电流集电器的厚度落在如方程式t1≥t2≥t1/4所示的范围，t1是电极板厚度，而t2是经过三维处理的电流集电器的厚度。如果涂层的活性材料的厚度太厚，以至于使得电流集电器的厚度超出了上述范围，就会产生电流很难通过的问题。
本实施例的第三特征在于使用电解镍箔。作为电流集电器使用的箔片可以分为两种主要类别辗压镍箔和电解镍箔，在活性材料层烘干处理期间与使用辗压镍箔的电流集电器相比，用电解镍箔可以防止由加热而引起的箔片变形。特别是，辗压镍箔具有在辗压处理期间所引起的应力变形，并且当箔片加热时，应力变形依次引起箔片中的扭曲。
电解镍箔的使用导致了电极板平整度精确性的提高，这将使其很容易依次卷起正负极和隔板，导致电池的品质和产量显著提高。
如果电流集电器的厚度大于50微米，就很难提高电池的容量，但另一方面，如果电流集电器的厚度小于5微米，就会产生在涂层期间电流集电器不能承受其工作所必需的张力等问题，并会切断电流集电器。因此，在本发明中，电流集电器厚度较佳的范围在5到50微米内。从上述观点看出，电流集电器厚度更佳的范围在10到30微米。
本实施例的第四特征在于流入模和每个模顶端与电流集电器之间的活性材料涂料的切变速率是500(1/秒)或更低。这里所使用的“切变速率”术语定义为V/g，其中g是每个模顶端与电流集电器之间的间隙，而V是电流集电器运行的速度。
图5示出本实施例中使用的涂料的粘度特性。测量是通过使用由ReometrixCo.，Ltd制造的装备有锥形板型测量头的RF-2电流计来得出。
在图5中，测量时间由横坐标表示，而粘度(Pa·s)由纵坐标表示。粘度的变化是在当每个30秒改变切变速率；1(1/秒)、10(1/秒)、100(1/秒)和1000(1/秒)时测量的。图5示出两次测量的结果。
从图5中可以看出，在切变速率为1000(1/秒)时，当每次进行测量时粘度都发生了变化，粘度值是不稳定的。
在进行深入研究之后，发明者发现在含有更高比重的粉末，例如氢氧化镍和氢吸收合金作为主要成分的粉末；占有3％或更小比例的粘合剂例如CMC和SBR；以及50％或更多比例的固体含量的涂料系统中可以观察到这样的现象，也就是说在用于镍-氢电池的涂料系统。
通过用涂料填充泡沫金属来制成电极板的制造电极的已有方法中，因为孔的直径在50到200微米范围内，所以涂料粘度进入不稳定范围所达到的最大切变速率为1000(1/秒)。在粘度高的部分，孔被阻塞，导致不完善的涂料填充。因此，涂料填充在泡沫金属内变得不均匀，引起对于电池特性来说是致命的问题，例如电池容量和电池循环寿命变化的产生。在本发明中，只要切变速率在500(1/秒)或更低，涂料的粘度就能保持稳定；因此，在电流集电器上可以施加和形成均匀的活性材料层。
本发明的第五特征在于间隙处的压力最好保持固定。在深入研究之后，发明者发现间隙处的压力与不稳定的粘度现象密切相关。当间隙处的压力为0.5MPa或更低，更佳为0.3MPa或更低时，不会发生不稳定的粘度现象。这种现象可以归因于间隙处高压力所引起的粉末和溶剂的分离。
仅用于参考，对于用于镍-氢电池的活性材料涂料的粘度，在切变速率为1(1/秒)时粘度η1的范围在1到100(Pa·s)，并且在切变速率为100(1/秒)时粘度η2在1(Pa·s)或更低的范围内。低于1(Pa·s)的粘度η1允许涂层后的涂料在其烘干之前能够流动，导致活性材料层的厚度不均。而高于100(Pa·s)的粘度η1也不是最佳的粘度，也是因为这样的粘度不允许涂料很好地流动，而且当切变速率在1000(1/秒)时，就会产生明显的粘度不稳定现象，如上所述。如果当切变速率在100(1/秒)时，粘度η2高于1(Pa·s)，在用模进行涂层处理期间，存在于电流集电器和模之间的间隙的涂层压力变为大于0.5MPa，这就意味着用模进行涂层处理是不可能的。
根据上述的特征，本实施例提供了一种精确的电极板，电流集电器前面的活性材料层和其后面的活性材料层之间的厚度差异限制在±30％至±10％之内。活性材料层这样小的厚度差异导致在烘干期间所引起的在电流集电器前后面的涂层之间收缩的较小差异。这就能够制造平坦的电路板，而且在加压压缩处理期间能够提高电极板的平整度。
已有的制造电池电极方法仅提供精确度在±3毫米内的平整度；但另一方面，本发明的采用的方法提供了改善的平整度，使其精确度高达±1毫米内，并使得提高电池容量和电池的循环特性成为可能。进一步，具有上述活性材料层厚度差异，电极板曲率的度数可以限制在1000毫米的曲率半径内。这也使得电极板的卷曲更加容易，并且可能提高电池的品质。
本实施例将通过进一步给出具体的实例来进行详细描述。使用由两个为保持模间预定的狭长间隙而按彼此面向方式放置的模组成的涂布头，在电流集电器两边同时施加一种活性材料，这种电流集电器是如图3所示经过处理的25微米厚500毫米宽的电解镍箔，以便在其上形成活性材料层。为了做比较，使用如上所述相同的涂布头在在电流集电器两边同时施加这种活性材料，这种电流集电器是没有经过任何处理的25微米厚的镍箔，以便在其上形成活性材料层。
用于负电极的涂料，在设定方式为切变速率1(1/秒)时给定粘度η1为50(Pa·s)以及在切变速率100(1/秒)时给定粘度η2为0.5(Pa·s)的揉合条件及加水量下，将氢吸收合金、SBR、CMC和水揉合来完成。为了做比较，准备了在设定方式为切变速率1(1/秒)时给定粘度η1为0.5(Pa·s)以及在切变速率100(1/秒)时给定粘度η2为0.5(Pa·s)的条件下，粘度范围与本发明不同的涂料。
用于正电极的涂料，在设定方式为切变速率1(1/秒)时给定粘度η1为30(Pa·s)以及在切变速率100(1/秒)时给定粘度η2为0.7(Pa·s)的揉合条件及加水量下，将氢氧化镍、电解传导剂、碳氟树脂、CMC和水揉合来完成。为了做比较，准备了在设定方式为切变速率1(1/秒)时给定粘度η1为0.8(Pa·s)以及在切变速率100(1/秒)时给定粘度η2为0.7(Pa·s)的条件下，粘度范围与本发明不同的涂料。
通过使用上述涂料获得的电极经过加压压缩并裁剪成预定的宽度，以便形成镍氢电池。对每个获得的电池要进行评价来验证本发明的优点。
(1)涂层的均匀性每个电流集电器的前后之间的厚度差异用测微计检验，并且涂层后出现的涂层凹陷进行目测。在上述涂料粘度与本发明相同的实例中，厚度差异在±18％；但另一方面，在比较实例中，厚度差异在±56％。
(2)涂层后出现的凹陷在实例的涂层中，没有观测到有凹陷，并且它们的状态令人满意；但另一方面，在比较实例的涂层中，发生凹陷，并且明显破坏了它们的平整度。
(3)电极板的平整度在加压实例所获得的电极板的时候，它们的平整度在±0.5毫米范围内；但另一方面，在比较实例中获得的电极板中，它们的平整度达到±3.5毫米。因此，在实例的电极板中，当将它们卷起以便插入电池壳就不会产生任何问题，并且其成品率在98％。然而在比较实例中的电极板中，将它们卷曲是十分困难的，而且其成品率只有50％。
(4)电池特性上述实例和比较实例中所获得的每个电池的循环寿命如图6所示，并且它们的工作容量率如图7所示。在上述实例的电池中，与比较实例的电池相比，其循环寿命提高了20％。并且与比较实例的电池相比，其工作容量率也提高了20％。
上述效能并不仅限于在上述实例中获得，而是只要是处于由附加权利要求所定义的本发明的范畴中的实施例都能获得相同的效能。如迄今为止的讨论所述，根据这个实例，涂料可以以确保电池高生产率的方式、并且同时以确保提高电极板平整度的均匀性、提高工作容量和防止其变化，以及提高循环寿命的特定方式施加在由电解镍箔组成的电流集电器上。
如迄今为止所的讨论所表现的，电流集电器的涂层可以以确保电池高生产率的方式、并且同时以确保提高电极板平整度的均匀性、提高工作容量和防止其变化，以及提高循环寿命的特定方式进行。这样，这种发明就提供了很多优点。
权利要求
1.一种制造电池电极的方法，其特征在于，包括下述步骤通过使用模对在电流集电器的两面施加活性材料，从而在其上形成活性材料层，所述电流集电器通过对金属箔进行三维处理获得，且其厚度大于所述金属箔厚度；烘干活性材料层；并且压制所述活性材料层。
2.如权利要求1所述的制造电池电极的方法，其特征在于，所述金属箔的厚度范围在5到50微米。
3.如权利要求1所述的制造电池电极的方法，其特征在于，当t1是所述电极板厚度，而t2是所述经过三维处理的电流集电器的厚度时，所述经过三维处理的电流集电器的厚度落在如方程式t1≥t2≥t1/4所示的范围内。
4.如权利要求1所述的制造电池电极的方法，其特征在于，当d是所述模对顶端之间的间隙，而t2是所述经过三维处理的电流集电器的厚度时，所述经过三维处理的电流集电器的厚度落在如方程式d＞t2≥d/4所示的范围内。
5.如权利要求1所述的制造电池电极的方法，其特征在于，所述金属箔是电解镍箔。
6.一种制造电池电极的方法，其中，用于镍-氢电池的活性材料涂料通过使用模施加在电流集电器上，以便形成活性材料层，其特征在于，活性材料涂料以500(1/秒)或更小的切变速率流入模和每个模顶端与电流集电器之间。
7.如权利要求1或6所述的制造电池电极的方法，其特征在于，在每个模顶端和电流集电器之间的活性材料涂料的压力为0.5MPa或更小。
8.如权利要求1或6所述的制造电池电极的方法，其特征在于，所述电流集电器前面的活性材料层和其后面的活性材料层之间的厚度差异限制在±30％内。
9.如权利要求1或6所述的制造电池电极的方法，其特征在于，所述电流集电器前面的活性材料层和其后面的活性材料层之间的厚度差异限制在±10％内。
全文摘要
一种制造电池电极的方法,其特征在于,包括下述步骤:通过使用模对在电流集电器的两面施加活性材料,从而在其上形成活性材料层,电流集电器通过对金属箔进行三维处理获得,且其厚度大于金属箔厚度;烘干活性材料层;并且压制活性材料层。
文档编号H01M4/70GK1353468SQ0113787
公开日2002年6月12日 申请日期2001年11月7日 优先权日2000年11月7日
发明者渡边勝, 上山康博, 上木原伸幸, 竹内一郎 申请人:松下电器产业株式会社