專利名稱：用于電池的電極及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電池的電極，具體來說涉及用于堿性蓄電池的鎳電極，本發(fā)明還涉及制造這種電極的方法。
用于電池的電極粗略分為3個大組，即糊型電極、燒結(jié)型電極、和小型(pocket)電極。近來，作為用于堿性蓄電池的鎳電極的一種新的制造方法，一種制造糊型電極的方法已投入實際使用，并且現(xiàn)在仍頻繁地使用。該方法包括在具有三維連通空間的諸如泡沫金屬或鎳?yán)w維的非編織織物之類的襯底內(nèi)形成的空間中填充主要由有效物質(zhì)粉末構(gòu)成的糊狀混合物(以下稱之為“糊劑”)。
由于這樣一些金屬襯底的孔隙率(即這些空間相對于整個襯底所占的比例)高達(dá)95％，并且空間的最大直徑為幾百個μm，因此有可能把有效物質(zhì)粉末或糊劑直接填入空間內(nèi)。結(jié)果，可用簡單的方法把這些金屬襯底加工成電極。
在金屬襯底的空間內(nèi)填充有效物質(zhì)的常規(guī)的實用具體方法包括振動糊劑使其填入空間的方法；用手術(shù)刀之類的工具涂抹糊劑使其填入空間的方法，使糊劑與金屬襯底的一個面接觸同時使襯底的另一個面減壓以迫使糊劑進入空間的方法；以及，通過一個噴嘴向金屬襯底的空間噴灑糊劑的方法。
在這些方法當(dāng)中，從均勻填充有效物質(zhì)進入金屬襯底的空間的觀點出發(fā)，涂抹方法和噴灑方法更為優(yōu)越。對這兩種方法進行比較，結(jié)果表明，從填充所用的設(shè)備的耐用性、設(shè)備的操作和維護簡便的觀點出發(fā)，噴灑方法比涂抹方法更為優(yōu)越。
噴灑方法除了具有上述的優(yōu)越性以外還具有缺點，即難以把糊劑均勻地填入例如泡沫多孔金屬襯底之類的襯底的空間中。即，該噴灑方法包括以一定的速率向泡沫多孔金屬襯底的兩面噴灑糊劑，讓糊劑通過噴嘴噴出，迫使糊劑填入襯底的空間。因此，這個方法的缺點就是，先進入靠近襯底表面的空間的部分糊劑在隨后噴灑的其余部分糊劑的沖擊作用下有時又從這里被沖擊掉。該方法的另一個缺點是，已經(jīng)擊中金屬襯底表面的糊劑本身有時又從這里彈回來。
因此，從在多孔金屬襯底的空間內(nèi)均勻填充預(yù)先調(diào)定的數(shù)量的糊劑的觀點出發(fā)，這種噴灑方法是不能令人滿意的，有許多有待改進的地方。即，從實用觀點出發(fā)強烈地期望進一步減小糊劑填充量的偏差(散布)，從而減小電池容量的偏差。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種用于電池的電極，它包括具有三維連通空間的一個片狀或帶狀的多孔金屬襯底，具體來說是一個具有最小的有效物質(zhì)填充量偏差的鎳電極，并且提供一種具有較小放電容量偏差的大容量電池。
本發(fā)明提供一種用于電池的電極，它包括具有三維連通空間的一片多孔金屬襯底，用于包含由第一主面和第二主面確定的有效物質(zhì)。
其中，該襯底具有連到第一主面的占據(jù)空間的絕大部分的一個較大孔隙率層和連到第二主面的占據(jù)空間的其余部分的一個較低孔隙率層；
較低孔隙率層的厚度比較大孔隙率層的厚度要足夠??；并且有效物質(zhì)基本上填充在較大孔隙率層中。
在上述用于電池的電極中，最好不用有效物質(zhì)覆蓋多孔金屬襯底的第二主面。
多孔金屬襯底最好是泡沫鎳、由鎳?yán)w維制成非編織織物、或鎳粉末的燒結(jié)板這三者中的任何一個。
多孔金屬襯底的第二主面最好設(shè)有多個平行的溝槽。
最好將上述用于電池的電極中的任何一個電極應(yīng)用到堿性蓄電池的鎳電極上。
此外，本發(fā)明還涉及一種制造用于電池的電極的方法，該方法包括如下步驟提供一個片狀或板狀的、具有由第一主面和第二主面確定的三維連通空間的、多孔金屬襯底，并且設(shè)置直接面對多孔金屬襯底的第一主表面的并用于噴出有效物質(zhì)的一個噴嘴；以及使有效物質(zhì)通過噴嘴噴出，同時使襯底和噴嘴之一相對于另一個作相對運動，從而將有效物質(zhì)填入多孔金屬襯底的三維連通空間，并且對噴灑操作進行調(diào)節(jié)，以使有效物質(zhì)只穿入空間而不會抵達(dá)多孔金屬襯底的所說第二主面。
作為制造用于電池的電極的一種優(yōu)選的特殊方法，提供一種包括如下步驟的方法沿襯底的縱向傳送具有三維連通空間的帶狀多孔金屬襯底；向多孔金屬襯底的三維連通空間內(nèi)填充主要由有效物質(zhì)構(gòu)成的糊狀混合物，為此要通過一個噴嘴向多孔金屬襯底的一個面上噴灑糊狀混合物，以使糊狀混合物能從多孔金屬襯底的一個面向另一個面穿入空間，同時傳送多孔金屬襯底并調(diào)節(jié)該噴灑操作，以使糊狀混合物不會抵達(dá)多孔金屬襯底的另一個面；以及然后，壓緊兩個主面之間的多孔金屬襯底以減小襯底的厚度。
在上述制造用于電池的電極的方法中，最好保持多孔金屬襯底和噴嘴尖端之間的距離為1.0mm或者更小些。
上述制造用于電池的電極的方法最好還包括如下步驟在多孔金屬襯底的一個面上沿平行于襯底的縱向方向提供多個溝槽或切割線。
糊狀混合物包含的用作彌散介質(zhì)的水最好占整個糊狀混合物的重量的20-30％。
雖然在所附的權(quán)利要求書中具體地提出了本發(fā)明的新穎特征，但從下述結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中將會更好地理解和體會本發(fā)明的構(gòu)成和內(nèi)容以及本發(fā)明的其它目的和特征。


圖1是表示按本發(fā)明的制造電極的方法的示意透視圖；圖2是表示制造常規(guī)實例電極的方法的示意圖；圖3是表示按本發(fā)明的制造方法的多孔金屬襯底和噴嘴之間的距離與放電容量的偏差間的相互關(guān)系的曲線圖；圖4是表示按本發(fā)明的糊狀混合物的水含量和放電容量密度之間的關(guān)系的曲線圖；圖5是表示按本發(fā)明制造電極的另一種方法的示意透視圖；圖6是表示按本發(fā)明的一個矩形電池實例的部分分解的剖面圖。
按照本發(fā)明，通過噴嘴只向多孔金屬襯底的一個面噴灑糊劑，不讓糊劑穿過靠近該多孔金屬襯底的另一個面的空間，就可能有效地避免先進入襯底表面附近空間的一部分糊劑在隨后噴灑的糊劑的其余部分的沖擊作用下有時又從該空間被沖掉的現(xiàn)象。通過充分調(diào)節(jié)在多孔金屬襯底的空間中的填充量，進一步還可能減小糊劑填充量的偏差，借此可在一個電極板上產(chǎn)生具有理想導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的電極并加大電池的容量。
讓多孔金屬襯底和靠近多孔金屬襯底的一個面設(shè)置的噴嘴尖之間的距離在通過噴嘴噴灑糊劑并使糊劑填入多孔金屬襯底空間的操作期間為1mm或更小，還有可能減小已擊中金屬襯底表面的糊劑本身又從這里彈回的可能性，從而可穩(wěn)定地供給糊劑，并可減小糊劑填充量的偏差。適當(dāng)減小糊劑的水含量，可能增大多孔金屬襯底空間中的有效材料粉末的實際填充密度，從而進一步加大了電池容量。
在以下各段，參照本發(fā)明的優(yōu)選實施例，更加具體地描述本發(fā)明。例1將10份(按重量計)鎳金屬粉末(顆粒直徑約2-3μm)和5份(按重量計)氧化鈷粉末(顆粒直徑約2-3μm)加到100份(按重量計)氫氧化鎳(在粉末狀態(tài)的平均顆粒直徑為10μm)，在它們的粉末狀態(tài)下然后將水作為彌散介質(zhì)加到所獲得的混合物上，使水在整個糊劑中所占比例為20％(按重量計)，隨后再攪拌最終的混合物，從而制備出一種糊劑。
圖1示意地表示出按本發(fā)明制造電極的一種方法。在圖1中，使噴嘴3面對帶狀泡沫多孔鎳襯底1的一個面，襯底1的寬度為100mm、厚度為2.5mm、孔隙率為98％、平均孔徑為200μm，這些數(shù)值對應(yīng)于襯底1的三維連通空間的大小。并且，讓按上述方式制備的糊劑通過噴嘴3填入多孔鎳襯底1的三維連通空間，與此同時沿襯底1的縱向傳送多孔鎳襯底1。在圖1中，標(biāo)號5和6代表傳送多孔鎳襯底的滾輪。
在填充過程中，使噴嘴3的尖端和多孔金屬襯底1之間的距離保持在0.1mm，并使通過噴嘴3噴出的糊劑量維持在30-33克/秒的速率。在將糊劑填入多孔金屬襯底的空間時，要調(diào)節(jié)多孔鎳襯底的傳送速度，以使糊劑從多孔金屬襯底的一個面穿過該空間，但不得抵達(dá)多孔金屬襯底1的另一個面。具體來說，借助于多孔鎳襯底的傳送速度來調(diào)節(jié)填充過程，使糊劑穿過的空間部分對應(yīng)于多孔金屬襯底的厚度的80％左右，糊劑不得抵達(dá)多孔金屬襯底的其余20％。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多孔金屬襯底的優(yōu)選傳送速度是7米/分鐘。
盡管為了簡潔起見在圖1中作了省略，但是在多孔金屬襯底1的另一個面上還要提供支撐多孔金屬襯底的皮帶或滾輪，以便即使在噴出的糊劑的作用下給多孔金屬襯底施加了壓力時也能維持噴嘴3的尖端和多孔金屬襯底1之間的距離恒定。
然后壓緊按此方式填充了糊劑的多孔金屬襯底，使其厚度減小到1.0mm。通過壓緊過程，幾乎完全用糊劑填充了多孔金屬襯底的三維連通空間。在沒有面對噴嘴的那一面上，壓扁了多孔金屬襯底的三維空間，因此減小了多孔金屬襯底的孔隙率。結(jié)果，加大了占據(jù)襯底的金屬結(jié)構(gòu)的比例。使糊劑不能從這一側(cè)的表面上突出出來，或者說糊劑不能在這個表面上露出來。
把上述填充了糊劑的多孔金屬襯底1切割成35mm寬、87mm長的矩形片，如圖1中的虛線所示。在切割成的矩形片4的一個預(yù)定位置點焊上一個引線，從而產(chǎn)生一個電極板“a”。在電極板“a”中填充的有效物質(zhì)數(shù)量范圍為9至10克。
將3片按上述方式產(chǎn)生的鎳電極7，按U形形式包圍每一個鎳電極的公知的隔離片8、以及金屬氫化物負(fù)電極9的兩個U形彎片裝配成一個電極組，其中的負(fù)電極9由包含稀土金屬混合物和鎳的儲氫合金構(gòu)成。然后把裝配好的電極組插入電池外殼10。在外殼10中注入預(yù)定數(shù)量的堿性電解液，并用密封板11密封外殼的開口端后，從而構(gòu)成了如圖6所示的一個長方形的鎳金屬氫化物蓄電池。
如圖6所示，將裝配好的電極組裝在電池外殼10中，外殼10由鍍鎳鋼制成并通過密封板11密封，密封板11由鍍鎳鋼制成并焊接到電池外殼10的開口端上。為密封板11提供與該密封板11和安全閥(末示出)絕緣的正電極端12。將負(fù)電極9連接到用作負(fù)電極端的電池外殼10上。
為了進行比較，大體上遵循上述步驟構(gòu)成一個電池B，只是使用了由常規(guī)的糊劑噴灑過程產(chǎn)生的鎳電極b，其中通過設(shè)在移動中的多孔襯底的兩側(cè)的兩個噴嘴3噴灑糊劑，兩個噴嘴3面對移動中的多孔襯底的兩個面(如圖2所示)，從而用糊劑填充了泡沫鎳多孔襯底。
為了在單電池放電時針對電池放電容量進行檢驗，構(gòu)成了100個電池A和100個電池B。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于電池A的電池容量是從1.80安時至1.87安時，對于電池B的電池容量是從1.80安時至2.01安時。這清楚表明，電池A的放電容量偏差小于電池B的放電容量偏差。例2對于電池的制造及其放電容量的測量，大體上遵循和例1相似的步驟，其中采用了和例1相同的帶狀多孔鎳襯底、相同的糊劑配方、相似的填充過程、和相同的電池制造過程。但在填充過程中，改變了噴嘴3的尖端和多孔金屬襯底1之間的距離，同時保持噴嘴3噴灑糊劑的速率不變。
圖3是表示噴嘴尖端和多孔金屬襯底之間的距離與所得電池的放電容量的偏差的相互關(guān)系的曲線圖。由此曲線顯然可以看出，通過保持噴嘴尖端和多孔金屬襯底之間的距離為1.0mm或者更小些，就能夠穩(wěn)定地提供糊劑并且減小放電容量的偏差。例3在和例1相同的條件下，只是其中的糊劑的水含量相對于例1所用的整個糊劑組分而言從20％改變到50％(按重量計)，噴嘴靠近沿襯底縱向移動的襯底的一個面，通過噴嘴噴出糊劑，用糊劑填充帶狀多孔鎳襯底。
圖4是表示糊劑的水含量和所得電池的放電容量密度之間的關(guān)系的曲線圖。由圖4可以清楚看出，通過減小糊劑的水含量就可能增加電極的放電容量密度，即放電容量密度反比于糊劑的水含量。
如果考慮到糊劑穿過噴嘴所需的流動性、通過噴嘴噴灑糊劑的平穩(wěn)性、以及有效物質(zhì)粉末本身作為一個整體在多孔襯底空間中的實際填充量，那么可以得出結(jié)論作為彌散介質(zhì)加到糊劑中的水的數(shù)量相對于整個糊劑而言最好為20％-30％(按重量計)。例4在例4中使用和例1相同的帶狀多孔鎳襯底、以及和例1相同的糊劑配方。并且，如圖5所示，在上述的多孔鎳襯底的一個面(下側(cè))上沿襯底長度方向設(shè)置多個約0.3mm深、約1mm寬的溝槽2。如圖5所示，在位于襯底一個面(下側(cè))上的帶肋的滾輪5a和位于襯底的另一個面(上側(cè))上的從動輪6a之間傳送襯底，并且用兩個滾輪從襯底的兩側(cè)壓緊襯底1，實際上即可得到這些溝槽。然后，按和例1相同的方式，讓糊劑通過噴嘴3噴向多孔襯底1的另一面(上側(cè))，從而將糊劑填入襯底的空間。
除了提供溝槽外，在制造電極板過程中大體上遵循和例1相同的步驟。在本發(fā)明中，將這個電極板叫作電極“c”。在電極“c”的一個面上，以相等的間隔提供5個溝槽2。
使用電極“c”作為電池的正極、并且使用一個公知的隔離片、和一個金屬氫化物電極的負(fù)電極，并且按照和例1相同的步驟，構(gòu)成如圖6所示的另一個電池。這個電池稱之為電池C。在電池C中，在電極“C”上的溝槽2是垂直設(shè)置的。
對于1000個電池C和1000個電池B(在例1中為進行比較而提供的)的放電容量偏差進行測量。從測量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，電池C和B的放電容量的偏差的情況和上述的電池A和B的放電容量的偏差的情況相差不大。
可以肯定，和電池B相比，按例4的電池C能夠減小由于糊劑填充量偏差而造成的電池放電容量偏差，這是因為只從多孔金屬襯底的一個面用糊劑填充電極“c”、糊劑不會抵達(dá)多孔金屬襯底的另一個面、而電極“b”是用糊劑從多孔金屬的兩個面進行填充的緣故。
由于按例4的電池C設(shè)有垂直于正電極的一個面的溝槽，所以這些溝槽可用作排出在過量充電時產(chǎn)生的氧氣的通道，并且有助于在負(fù)電極的氣體吸附?？梢蕴鎿Q上述溝槽的切割線以確保排放氧氣的通路。
在上述例中，描述僅限于使用泡沫鎳作為多孔金屬襯底；不消說，如果使用鎳?yán)w維的非編織織物和沒有框架結(jié)構(gòu)的鎳粉末燒結(jié)板(這些襯底也具有三維連通空間)，那么，也能夠獲得和使用泡沫鎳類似的技術(shù)方面的優(yōu)點。
如先前所述，在使用按本發(fā)明的電極的情況下，或者說在使用按本發(fā)明的制造方法獲得的電極的情況下，可能減小由于有效物質(zhì)實際填充量的偏差引起的電池放電容量的偏差，并且可能保證在整個電極上都有理想的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而可提供具有高放電容量和極好可靠性的蓄電池。
盡管借助于上述優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)該認(rèn)識到，這一公開不應(yīng)被理解為是限制性的。在閱讀了上述公開的內(nèi)容后，各種各樣的替換和改進對于本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說無疑都是顯而易見的。因此，我們的愿望是，所附的權(quán)利要求書應(yīng)該被理解為覆蓋了所有的已落入本發(fā)明的真正構(gòu)思和范圍的替換和改進。
權(quán)利要求
1.一種用于電池的電極，包括具有三維連通空間的一片多孔金屬襯底，用于包含由第一主面和第二主面確定的有效物質(zhì)，其中，所說襯底具有連到所說第一主面的占據(jù)所說空間絕大部分的一個較高孔隙率層和連到所說第二主面的占據(jù)所說空間的其余部分的一個較低孔隙率層；所說較低孔隙率層的厚度比所說較大孔隙率層的厚度要足夠??；以及所說有效物質(zhì)基本上填充在所說較大孔隙率層中。
2.如權(quán)利要求1的用于電池的電極，其中所說較低孔隙率層中沒有明顯數(shù)量的有效物質(zhì)，并且該層中的金屬比例大于所說較大孔隙率層中的金屬比例。
3.如權(quán)利要求2的用于電池的電極，其中所說多孔金屬襯底的所說第二主面沒有用有效物質(zhì)覆蓋。
4.如權(quán)利要求1的用于電池的電極，其中的多孔金屬襯底是泡沫鎳。
5.如權(quán)利要求1的用于電池的電極，其中的多孔金屬襯底是鎳?yán)w維的非編織織物。
6.如權(quán)利要求1的用于電池的電極，其中的多孔金屬襯底是鎳粉末的燒結(jié)板。
7.如權(quán)利要求1的用于電池的電極，其中的所說有效物質(zhì)是氫氧化鎳。
8.一種用于電池的電極，包括具有三維連通空間的一片多孔金屬襯底，用于包含由第一主面和第二主面確定的有效物質(zhì)，并且在所說第二主面上設(shè)置多個平行溝槽，其中，所說襯底具有連到所說第一主面的占據(jù)所說空間絕大部分的一個較高孔隙率層和連到所說第二主面的占據(jù)所說空間的其余部分的一個較低孔隙率層；所說較低孔隙率層的厚度比所說較大孔隙率層的厚度要足夠?。灰约八f有效物質(zhì)基本上填充在所說較大孔隙率層中。
9.如權(quán)利要求8的用于電池的電極，其中所說有效物質(zhì)是氫氧化鎳。
10.一種制造用于電池的電極的方法，該方法包括如下步驟提供一個片狀或板狀的、具有由第一主面和第二主面確定的三維連通空間的、多孔金屬襯底，并且設(shè)置直接面對所說多孔金屬襯底的所說第一主表面的、用于噴出有效物質(zhì)的一個噴嘴；以及使所說有效物質(zhì)通過所說噴嘴噴出，同時使所說襯底和所說噴嘴之一相對于另一個作相對運動，從而將所說有效物質(zhì)填入所說多孔金屬襯底的所說三維連通空間，并且對噴灑操作進行調(diào)節(jié)，以使所說有效物質(zhì)只穿入所說空間而不會抵達(dá)所說多孔金屬襯底的所說第二主面。
11.一種制造用于電池的電極的方法，該方法包括如下步驟沿襯底的縱向傳送具有三維連通空間的帶狀多孔金屬襯底；向所說多孔金屬襯底的所說三維連通空間內(nèi)填充主要由有效物質(zhì)構(gòu)成的糊狀混合物，為此要通過一個噴嘴向所說多孔金屬襯底的一個面上噴灑所說糊狀混合物，以使所說糊狀混合物能從所說多孔金屬襯底的一個面向另一個面穿入所說空間，同時傳送所說多孔金屬襯底并調(diào)節(jié)該噴灑操作，以使所說糊狀混合物不會抵達(dá)所說多孔金屬襯底的另一個面；以及然后，壓緊所說多孔金屬襯底以減小襯底的厚度。
12.一種制造用于電池的電極的方法，該方法包括如下步驟沿襯底的縱向傳送具有三維連通空間的帶狀多孔金屬襯底；以及向所說多孔金屬襯底的所說三維連通空間內(nèi)填充主要由有效物質(zhì)構(gòu)成的糊狀混合物，為此要通過一個噴嘴向所說多孔金屬襯底的一個面上噴灑所說糊狀混合物，以使所說糊狀混合物能充填所說多孔金屬襯底的所說空間，同時向傳送所說多孔金屬襯底，調(diào)節(jié)該噴灑操作以使所說糊狀混合物不會抵達(dá)所說多孔金屬襯底的另一個面；并且保持所說多孔金屬襯底和所說噴嘴尖端之間的距離為1.0mm或者更小些。
13.一種制造用于電池的電極的方法，該方法包括如下步驟在具有三維連通空間的帶狀多孔金屬襯底的一個面上沿平行于襯底縱向的方向設(shè)置多個溝槽或切割線，同時沿襯底的縱向方向傳送所說帶狀多孔金屬襯底；以及向所說多孔金屬襯底的所說三維連通空間內(nèi)填充主要由有效物質(zhì)構(gòu)成的糊狀混合物，為此要通過一個噴嘴向所說多孔金屬襯底的一個面上噴灑所說糊狀混合物，以使所說糊狀混合物能充填所說多孔金屬襯底的所說空間，同時沿其垂直方向傳送所說多孔金屬襯底，調(diào)節(jié)該噴灑操作以使所說糊狀混合物充填所述空間但不會抵達(dá)所說多孔金屬襯底的另一個面。
14.如權(quán)利要求11的制造用于電池的電極的方法，其中所說的糊狀混合物包括的用作彌散介質(zhì)的水占整個粘狀混合物的重量的20-30％。
15.如權(quán)利要求12的制造用于電池的電極的方法，其中所說的糊狀混合物包括的用作彌散介質(zhì)的水占整個粘狀混合物的重量的20-30％。
16.如權(quán)利要求13的制造用于電池的電極的方法，其中所說的糊狀混合物包括的用作彌散介質(zhì)的水占整個粘狀混合物的重量的20-30％。
全文摘要
公開了一種放電容量偏差很小并且可靠性優(yōu)異的用于電池的電極，它包括具有三維連通空間的一片多孔金屬襯底和一種有效物質(zhì)。該基片具有連到第一主面的占據(jù)該空間絕大部分的一個較大孔隙率層和連到第二主面的占據(jù)該空間的其余部分的一個較低孔隙率層；較低孔隙率層的厚度比較大孔隙率層的厚度要足夠小；并且有效物質(zhì)基本上都填充在較大孔隙率層中。
文檔編號H01M4/02GK1147701SQ9610188
公開日1997年4月16日 申請日期1996年3月12日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月9日
發(fā)明者松村潤, 大村有功, 河西力, 橫尾定顯, 三栗谷仁 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社