JPH0690934B2 - 二次電池およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［従来の技術］ 従来、薄形電池のほどんどは一次電池である。薄形二次
電池としては、最近市販された薄形シール鉛電池、およ
びボタン型ニッケル・カドミウム電池などがある。

ここで、第11図（一部破断斜視図）および第12図（縦断
面図）を参照すると、従来の薄形二次電池の構造は、一
般に平板構造を有する正極板２および負極板３が、それ
らの主表面が相対向するように電池ケース１内に配設さ
れている。電極２および３の間には、セパレータ４が配
設されている。また、電池ケース１内には、電解質５が
収容されている。なお、電池ケース１には、ガス抜き用
安全弁６、正極端子７および負極端子８が設けられてい
る。

このように、従来の薄形二次電池は、電池の主要構成要
素である正極板２、負極板３およびセパレータ４が、そ
の厚さ方向に配置されている構造をとっている。

［発明が解決しようとする課題］ このような構造の電池の薄形化を図るためには、正極板
２、負極板３等を薄くすればよいが、それには以下述べ
るように、限界がある。

上記構造の従来の二次電池においては、電池の寿命は、
電極板（正極板）の厚さに大きく依存している。すなわ
ち、当該分野でよく知られているように、電極板の厚さ
が薄くなるにつれ、電池の寿命が短くなるのである。ち
なみに、上記構造を有する従来の鉛電池を例にとって、
電極板の厚さと、トリクル充電使用下での電池寿命との
関係を調べた結果を第13図に示す。この図から明らかな
ように、従来の電池の寿命は、電極板の厚さの減少とと
もに急激に低下し、電極板の厚さが1mm以下になると、
二次電池として繰返し使用することがほとんど不可能と
なる。これは、従来の二次電池構造においては、充放電
に伴なって生じる電池反応の場が、第12図中矢印で示す
ように、電極板主表面に対して垂直な方向（厚さ方向）
に進展してゆくことに起因している。つまり、電池が二
次電池として機能するためには、電極中に電池反応に関
与しない部分、すなわち集電部が常に存在していること
が必要であるが、電極板の厚さが薄くなると、充放電に
伴ない、この集電部が消失（腐食）してしまうため、電
池として機能できなくなる。この事情は、電池をサイク
ル使用するときにも全く同じである。

これらの理由から、従来の薄形シール鉛蓄電池において
は、電池全体の厚さは４〜5mmまでが薄形化の限界であ
る。

また、上記従来の二次電池の製造には、電極板の鋳造、
切断、圧延などの加工、さらには活物質の塗布などの工
程が必要であり、かななり煩雑である。加えて、このよ
うな製造方法によると、電極板の形状や電池電圧の異な
る電池を製造する場合には、それぞれ異なる電池毎に個
別の製造装置や製造ラインが必要となる。そのため、電
池の種類に対する多様な要求に即応することが困難であ
る。

したがって、この発明の目的は、電池性能を低下させる
ことなく薄形化し得る二次電池およびその製造方法を提
供することである。

［課題を解決するための手段］ 上記目的は、この発明によれば、 それぞれ端面が離間対向するように、実質的に同一平面
内に配置された正極部材および負極部材、 該正極および負極部材を固定支持する基板、 該正極および負極部材を含む密閉室を該基板とともに規
定するカバー部材、および 少なくとも該正極および負極部材の対向端面間に存在す
るように該密閉室内に収容された、該正極部材と負極部
材との電池反応に関与する電解質 を包含する二次電池によって達成される。

両電極部材の対向端面の面積（すなわち、実効電極面
積）を大きくするために、平面で見て両電極部材の対向
エッジは、それぞれ対応する波形（三角波、矩形波形
等）状、または渦巻状であることが好ましい。

また、この発明の二次電池の製造方法は、 基板上に、正極活物質を含む正極材料、および負極活物
質を含む負極材料を適用して、互いに端面が離間対向す
る正極および負極部材を形成する工程、 該正極および負極部材を含む密閉室を該基板とともに規
定するようにカバー部材を該基板に結合する工程、およ
び 少なくとも該正極および負極部材の対向端面間に存在す
るように、該正極部材と負極部材との電池反応に関与す
る電解質を該密閉室内に充填する工程を包含する。

［作用］ 先に述べたように、この発明の二次電池は、正極部材お
よび負極部材が、従来におけるようにその厚さ方向に配
置されるのではなく、同一平面上に並設されており、両
電極部材の端面は互いに離間対向しているという点に第
１の重要な特徴を有する。この特徴によって、電極部材
を薄くしないでも、すなわち電池寿命を損うことなく、
従来の電池に比べその厚さを1/3程度に薄くすることが
できる。しかも、この発明の二次電池の特徴は、これに
とどまるものではなく、正極および負極部材は電池ケー
スを構成する前記基板上に密着、固定されており、両電
極部材と基板との間には電解液が浸入せず、両電極部材
の非対向面（電極板主表面）に電解質と接触しない、す
なわち電池反応に関与しない電極面が存在することを最
も重要な第２の特徴としている。電池がこのような構造
をとることによって、充放電に伴なう電池反応の場の進
展方向が、電極面と平行な方向となるので、薄い電極部
材を用いても、集電部が充放電によって消失（腐食）す
ることがなくなり、これによって従来の電池に比べ、電
池寿命を損うことなく、電極部材をはるかに薄くするこ
とが可能となり、例えば電池の厚さを1mm以下にまで薄
くするこができる。

また正極および負極部材が前記基板上に固定支持されて
いるため、従来の電池には必ず必要であった正極部材と
負極部材の短絡を防止するためのセパレーター（隔離
板）が不要となった点が、この発明の二次電池の第３の
重要な特徴である。

さらに、電池製造については、この発明では、スクリー
ン印刷法や蒸着法等のような膜形成法により電池基板上
に電極部材（正極部材、負極部材）を直接形成させるこ
と、並びに電極形成時にスクリーンパターンまたはマス
クパターンを用いて電極部材の形状および電池電圧を決
定して電池を製造するので、パターンを変更するだけで
種々の電池の製造に対応することができる。また、この
発明では、電極部材や電解質等の電池構成部品が、電池
ケースを構成する基板上に順次形成あるいは固定される
ので、これら構成部品を一枚のシートとして一体化して
扱え、また、多数の電池の構成部品を一枚のシート上で
扱えるので、従来の二次電池の様に、多数の電池構成部
品を個別に扱うという製造上の煩雑さがなくなり、製造
工程を簡易化、自動化することができる。

［実施例］ 以下第１図ないし第10図を参照して、この発明をより具
体的に説明する。これら図において、同一符号は、同一
部分を示す。

第１図ないし第３図は、この発明の第１の態様による二
次電池を示している。第１図に示すように、平板状基板
11aの一方の表面（平面）上には、以後詳述するように
それぞれ櫛状の正極部材12および負極部材13が、並設固
定され、正極部材12と負極部材13との間の空間には、電
池反応に関与する電解質15が充填されている。

正極部材12は、正極活物質を含む正極材料により形成さ
れ、また負極部材13は、負極活物質を含む負極材料によ
り形成されている。鉛蓄電池の場合には、正極活物質は
二酸化鉛であり、負極活物質は鉛である。また、電解質
15としては、硫酸等の液体電解質を用いることができ
る。

電極部材12,13を覆って、カバー部材11bが基板11aに結
合されている。カバー部材11bは基板11aとともに、密閉
室を規定する電池ケース11を構成している。

基板11aおよびカバー部材11bは、少なくとも表面が絶縁
性を示すものであり、例えば、アクリロニトリル−ブタ
ジエン−スチレン樹脂（ABS樹脂）、フッ素系樹脂等の
耐酸性ポリマー材料、プラスチック材料、あるいはガラ
ス繊維強化プラスチック材料で形成することができる。
さらに、硫酸等液体電解質に含まれる水分の透湿を防止
するために、アルミニウム等の金属層を絶縁性高分子材
料で被覆したラミネート材や、ポリ塩化ビニリデン樹脂
（PVDC）で基板11aおよびカバー部材11bを形成してもよ
い。

なお、電池ケース11には、電極部材12と13との間の空間
に連通するガス抜き用安全弁16、並びに正極端子17およ
び負極端子18が付設されている。

第２図によく示されているように、正極部材12は、櫛状
であり、櫛骨12bから、実質的に同一形状の複数個の矩
形歯12aが、所定の間隔で延出している。また、負極部
材13も櫛状であり、櫛骨13bから、実質的に同一形状の
複数個の矩形歯13aが、所定の間隔で延出している。正
極部材の歯12aは、それぞれ、負極部材の歯13aと接触す
ることなく、それら歯13aの間に入り込んでいる。かく
して、正極部材12と負極部材13とは、それらの端面が互
いに対向するように配置されることとなる。

第３図（ここでは、説明の都合上、正極の櫛歯12aおよ
び負極の櫛歯13aの厚さｄは、その幅に比べて極端に拡
大して示してあるが、実際は、厚さｄは、歯12aおよび1
3aの幅ｌよりも極めて小さいものである）を参照する
と、電極部材12および13は基板11aに密着固定されてお
り、またカバー部材11bは、電極部材12および13の表面
を密着して覆っており、電解質15は、電極部材12,13と
基板11aおよびカバー部材11bとの接触面間に侵入してこ
の面を浸すことがない。したがって、この面は電池反応
に関与しない電極面として働き、電極部材12と13の対向
端面のみが電解質と接触し、電池反応を行なう。

さて、上に説明したように、この発明の二次電池では、
正極部材12と負極部材板13とは、基板11aの表面上、す
なわち同一平面上に並設されている。これら部材をそれ
らの厚さ方向に配設した第11図および第12図に示す従来
の二次電池と比べると、従来の電池と同一厚さの電極部
材を用いた場合でも、この発明の二次電池にあってはそ
の厚さを従来の電池の厚さの1/3程度にすることができ
る。

また、第３図に矢印で示すように、この発明の二次電池
においては、充放電時の電池反応の場の進展方向は、従
来の電池とは異なり、電極部材の厚さ方向と直交する方
向（すなわち、電極の歯の幅方向と平行な方向）であ
る。そのため、櫛歯（単位電極）12a,13aの幅ｌは、１
〜2mm以上（３〜4mmでもよい）を確保する必要がある
が、そのようにすれば、電極の厚さｄは1mm以下、例え
ば0.1mmであっても、従来市販の薄形二次電池と同等あ
るいはそれ以上の電池寿命を確保することができる。す
なわち、この発明の二次電池においては、厚さｄの薄い
電極部材を用いても、幅ｌを充分に大きくすることによ
り、充放電による集電部の消失（腐食）を抑制すること
ができる。したがって、この発明の二次電池は、電池寿
命を損うことなく、従来の電池に比べ電極部材をはるか
に薄くすることが可能となり、これにより電池の厚さを
極めて薄くすることができ、例えば、全体の厚さを1mm
以下にすることができる。

次に、以上説明したこの発明の二次電池をスクリーン印
刷法によりの製造する方法の一例を第4A図ないし第4E図
を参照して説明する。

まず、第4A図に示すように、基板11aを準備する。

つぎに、第4B図に示すように、所定のパターン（この場
合、櫛状）を有するスクリーン71を通して、活物質を含
む電極材料例えば鉛ペースト72をローラ73を用いて基板
11aに塗布する。正極部材パターンおよび負極部材パタ
ーンは同時に塗布することができる。鉛ペーストの塗布
厚は、例えば0.1mmである。

なお、鉛ペーストと基板11aとの結合力が弱い場合に
は、基板11a表面に接着剤を予め塗布しておくか、ある
いは接着剤を混入した鉛ペーストを使用すればよい。

ついで、第4C図に示すように、正極部材パターン12と負
極部材パターン13との間に、電解質注入ノズル74から電
解質液15を注入する。電解質として、例えば、濃度30〜
50％（通常、40〜45％）の硫酸を用いる。それから、正
極端子17および負極端子18を有するカバー部材11bを接
着材例えばエポキシ接着剤を用いて基板11aに接着す
る。

なお、電解質15の注入は、カバー部材11bを基板11aに結
合した後におこなうこともできる。

しかる後、第4D図に示すように、直流電源75を用いて、
電極の化成処理をおこなう。この処理により、正極活物
質は二酸化鉛に変換され、負極活物質は鉛に変換され
る。必要に応じ、この化成処理の後に電解質をさらに注
入してもよい。

こうして、第4E図に示すように二次電池が完成し、その
後、性能チェックをおこなう。

なお、化成処理は、カバー部材11bの取着前におこなっ
てもよい。その場合は、第4C図に示す構成の基板11aを
複数個、別の化成処理用硫酸中に浸漬し、化成処理をお
こなうことができる。このような手法は、電池の大量生
産に適している。

なお、上記例では、正極活物質および負極活物質原料と
していずれも鉛ペーストを用いたが、正極用に二酸化鉛
ペーストを、負極用に鉛ペーストを用いてもよい。その
場合、正極および負極パターンは別々のスクリーンを用
いて順次形成する。この手法によれば、上記化成処理を
不要とすることができるので、不要とした場合には電池
の製造工程が簡略化される。なお、この場合であって
も、化成処理をおこなった方が電池の特性は良好とな
る。

以上述べた製造工程は、自動化された処理ライン上でお
こなうことができる。

第５図には、この発明の第２の態様による二次電池の縦
断面図が示されている（ここでも、説明の都合上、正極
の櫛歯12aおよび負極の櫛歯13aの厚さｄは、その幅方向
に比べて極端に拡大して示してあるが、実際は、厚さｄ
は、歯12aおよび13aの幅ｌよりも極めて小さいものであ
る）。この第２の態様の二次電池は、カバー部材11bが
電極部材12および13の上表面と離間して配設されている
点においてのみ第１の態様の二次電池においても、電極
部材12および13の非対向面（電極板主表面）に電池反応
に関与しない電極面が存在するため、従来の電池に比
べ、電極部材をはるかに薄くしても、充分な電池寿命を
確保することができる。この第２の態様の二次電池は、
第１の態様の二次電池と比べ、カバー部材11bを電極12,
13に密着させる必要がないので、製造がより簡単であ
る。なお、この二次電池も従来の電池に比べて、厚さを
第１の態様と同様にまで薄くできる。

実験例 第５図に示す構造の鉛蓄電池を作製した。電池の寸法は
厚さ0.65mm、縦50mm,横78mmであり、重さは4.7g、体積
は2.5cmであった。電極部材12および13の厚さは0.4mmで
あった。この鉛蓄電池の放電特性を第10図に示す。図か
ら明らかなように、放電カーブは、鉛蓄電池特有の電圧
経時変化を示すとともに、電池容量としては約40mAhの
値が得られた。また、耐久性も充分であり、本発明の二
次電池は、充分に実用に供し得る特性を有していた。

第６図は、この発明の第３の態様による二次電池の水平
断面図を示している。この二次電池においては、離間対
向する正極部材91aと負極部材92aとが１つの単セルを構
成し、離間対向する正極部材91bと負極部材92bとが１つ
の単セルを構成し、並びに離間対向する正極部材91cと
負極部材92cとが１つの単セルを構成している。薄板状
の正極部材91a〜91cおよび薄板状の負極部材92a〜92c
は、基板11a上に配設されている。負極部材92aと正極部
材91b、および負極部材92bと正極部材91cとは互いに接
して設けられ、それらの間では、電池反応は生じない。
かくして、この二次電池は、３個の単セルが直列に接続
された構造となっている。この構成の二次電池において
は、第１の態様による二次電池の効果の外に、それに比
べて３倍の電池電圧を得ることができるという効果を奏
する。

第７図、第８図および第９図は、それぞれ異なる形状の
電極部材を有するこの発明の二次電池の水平断面図を示
している。

第７図において、正極部材101および負極部材102は、そ
れぞれ、厚さの薄い略正弦波状のパターンに形成されて
いる。

第８図において、正極部材111および負極部材112は、そ
れぞれ、厚さの薄いのこぎり歯形状（三角波状）に形成
されている。

第９図において、正極部材121および負極部材122は、そ
れぞれ、厚さの薄い渦巻き形状を有する。

なお、以上説明したこの発明の二次電池においては、正
極部材と負極部材とは基板上に固定されているのでのそ
れら間には、従来必要であったセパレータを設ける必要
がないが、必要により設けてもよい。その場合、セパレ
ータは正極部材と負極部材との間に設ける。

以上、この発明を特定の態様について説明したが、この
発明はそれに限定されるものではない。例えば、第１お
よび第２の態様の二次電池において、櫛歯12a,13aは矩
形であるが、これを蛇行させてもよい。

また、この発明の二次電池の製造方法として、先にスク
リーン印刷法を用いた例を説明したが、製造方法はこれ
に限られるものではない。スクリーン印刷法の外に、金
属溶射法、メッキ法、蒸着法、スパッタ法、イオンプレ
ーティング法およびプラズマCVD法のうちのいずれか一
つの方法あるいはこれらの組合せによる方法を、電極部
材の形成に用いてもよいことがいうまでもない。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明においては、電池の主要
構成部品である正極部材、電解質、負極部材を電池ケー
ス基板上の同一平面上に横並びに配置し、これにより充
放電時の電池反応場の進展方向を電極面と平行な方向と
しているので、耐久性に優れ、かつ二次電池の厚さを薄
くすることができるという効果がある。

また、その製造方法についても、スクリーンパターンを
用いたスクリーン印刷法をはじめとする方法によって電
極部材を製造できるため、上述のパターンを変更するだ
けで、種々の電池の製造に対応することが可能であり、
また製造工程が簡単であるので、大幅な省力化を図るこ
とができるなどという極めて大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の第１の態様による二次電池の一部
破断斜視図、第２図は、第１図に示した二次電池の水平
断面図、第３図は、第２図の線III−IIIに沿う断面図、
第４図Ａ図ないし第4E図は、この発明の二次電池の製造
方法を説明する図、第５図は、この発明の第２の態様に
よる二次電池の縦断面図、第６図は、この発明の第３の
態様による二次電池の水平断面図、第７図は、この発明
の第４の態様による二次電池の水平断面図、第８図は、
この発明の第５の態様による二次電池の水平断面図、第
９図は、この発明の第６の態様による二次電池の水平断
面図、および第10図は、この発明の二次電池の放電特性
を示すグラフ図、第11図は、従来の薄形二次電池の一部
破断斜視図、第12図は、第11図に示した従来の二次電池
の縦断面図、第13図は、従来の二次電池の電極板厚と電
池寿命との関係を示すグラフ図。 11a……電池基板、11b……カバー部材、12,91a,91b,91
c,101,111,121……正極部材、13,91a,92b,92c,102,112,
122……負極部材、15……電解質

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】それぞれの端面が離間対向するように、実
   質的に同一平面内に配置された正極部材および負極部
   材、 該正極および負極部材を密着固定支持する基板、 該正極および負極部材を含む密閉室を該基板とともに規
   定するとともに、該正極および負極部材をカバーするカ
   バー部材、および 該正極部材と負極部材の対向端面間に実質的に存在する
   ように該密閉室内に収容された、該正極部材と負極部材
   との電池反応に関与する電解質 を包含し、該電池反応が実質的に該正極部材と該負極部
   材との対向端面間で生じ、それにより該電池反応の場が
   該正極および負極部材の厚さと直交する方向に実質的に
   進展する二次電池。
2. 【請求項２】正極部材および負極部材が、それぞれ、複
   数の歯を有する櫛形状を有する請求項１記載の二次電
   池。
3. 【請求項３】歯が、矩形である請求項２記載の二次電
   池。
4. 【請求項４】正極部材および負極部材が、それぞれ、波
   形状を有する請求項１記載の二次電池。
5. 【請求項５】正極部材および負極部材が、それぞれ渦巻
   き形状を有する請求項１記載の二次電池。
6. 【請求項６】正極活物質が二酸化鉛であり、負極活物質
   が鉛であり、電解質が希硫酸である請求項１記載の二次
   電池。
7. 【請求項７】正極部材および負極部材がそれぞれ1mm以
   下の厚さを有する請求項１記載の二次電池。
8. 【請求項８】基板上に、正極活物質を含む正極材料、お
   よび負極活物質を含む負極材料を適用して、それぞれの
   端面が離間対向するように該基板に密着固定され並設さ
   れた正極部材および負極部材を形成する工程、 該正極および負極部材を含む密閉室を該基板とともに規
   定するとともに、該正極および負極部材をカバーするカ
   バー部材を該基板に結合する工程、および 該正極部材と該負極部材との間の電池反応がそれらの対
   向端面間で実質的に生じるべく、該正極部材と負極部材
   の対向端面間に実質的に存在するように、該正極部材と
   負極部材との電池反応に関与する電解質を該密閉室内に
   充填する工程を包含する二次電池の製造方法。
9. 【請求項９】正極および負極部材をスクリーン印刷法、
   金属溶射法、メッキ法、蒸着法、スパッタ法、イオンプ
   レーティング法またはプラズマ化学気相被着法により基
   板上に形成する請求項８記載の製造方法。
10. 【請求項１０】正極部材および負極部材をそれぞれ1mm
    以下の厚さに形成する請求項８記載の製造方法。
11. 【請求項１１】基板上に適用された正極材料および負極
    材料を化成処理に供する工程をさらに含む請求項８記載
    の製造方法。
12. 【請求項１２】カバー部材が正極および負極部材と密着
    している請求項１記載の二次電池。
13. 【請求項１３】実質的に同一平面内に並設された複数の
    単位電池であって、各単位電池は、該平面内に端面が離
    間対向するように配置された一極性の第１の電極部材
    と、該第１の電極部材と反対極性の第２の電極部材とか
    らなり、相隣る２つの単位電池において、一方の単位電
    池の第１の電極部材と他方の単位電池の第２の電極部材
    とは、端面が接触して配置されているものと、 該複数の単位電池を固定支持する基板と、 該複数の単位電池を含む密閉室を該基板とともに規定
    し、かつ該複数の単位電池をカバーするカバー部材と、 各単位電池の第１および第２の電極部材の対向端面間に
    存在するように該密閉室内に収容された、各単位電池の
    第１および第２の電極部材との電池反応に関与する電解
    質 を備えた二次電池。