JP3189361B2 - アルカリ蓄電池 - Google Patents
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-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はアルカリ蓄電池に関し、
特に活物質である水素を電気化学的に吸収・放出可能な
水素吸蔵合金を電極に用いたアルカリ蓄電池の改良に関
する。
特に活物質である水素を電気化学的に吸収・放出可能な
水素吸蔵合金を電極に用いたアルカリ蓄電池の改良に関
する。
【0002】
【従来の技術】各種の電源として広く使われている蓄電
池として鉛蓄電池とアルカリ蓄電池がある。このうちア
ルカリ蓄電池は高信頼性が期待でき、小形軽量化も可能
なので、小形電池として各種ポータブル機器用に、大型
電池として産業用にそれぞれ使われてきた。このアルカ
リ蓄電池において、正極として一部空気極や酸化銀極な
ども採用されているが、ほとんどの場合ニッケル極であ
る。この種のアルカリ蓄電池、ポケット式から焼結式に
変わって特性が向上し、さらに密閉化が可能になると共
に用途も広がった。
池として鉛蓄電池とアルカリ蓄電池がある。このうちア
ルカリ蓄電池は高信頼性が期待でき、小形軽量化も可能
なので、小形電池として各種ポータブル機器用に、大型
電池として産業用にそれぞれ使われてきた。このアルカ
リ蓄電池において、正極として一部空気極や酸化銀極な
ども採用されているが、ほとんどの場合ニッケル極であ
る。この種のアルカリ蓄電池、ポケット式から焼結式に
変わって特性が向上し、さらに密閉化が可能になると共
に用途も広がった。
【0003】他方、負極としてはカドミウムの他に亜
鉛,鉄,水素などが対象となっている。最近、一層の高
エネルギー密度を達成するために水素吸蔵合金を使った
アルカリ蓄電池が注目され、製法などに多くの提案がな
されている。
鉛,鉄,水素などが対象となっている。最近、一層の高
エネルギー密度を達成するために水素吸蔵合金を使った
アルカリ蓄電池が注目され、製法などに多くの提案がな
されている。
【0004】その中で、水素吸蔵合金負極の改善とし
て、たとえば水素吸蔵合金粉末の特に耐酸化性、また利
用率や成形性を改善するために合金粒子表面をニッケル
や銅でメッキして多孔性の金属層を形成する技術が知ら
れている。また特性向上のために合金製作後真空で熱処
理したり、合金粉末をアルカリ溶液に浸漬するなどの工
程が提案されている。さらに密閉形に適用する際には特
に過充電時に正極から発生する酸素ガスの吸収性を改良
するためにふっ素樹脂や触媒の添加が試みられている。
て、たとえば水素吸蔵合金粉末の特に耐酸化性、また利
用率や成形性を改善するために合金粒子表面をニッケル
や銅でメッキして多孔性の金属層を形成する技術が知ら
れている。また特性向上のために合金製作後真空で熱処
理したり、合金粉末をアルカリ溶液に浸漬するなどの工
程が提案されている。さらに密閉形に適用する際には特
に過充電時に正極から発生する酸素ガスの吸収性を改良
するためにふっ素樹脂や触媒の添加が試みられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】この水素吸蔵合金を用
いた電池のさらなる特性向上のために、特に過充電時の
電池内圧を低下させること、高率放電特性の向上、充放
電サイクル初期での充放電特性すなわち初期活性の改善
が課題として挙げられる。たとえば、La0.8Nd0.2N
i2.5Co2.4Si0.1の性能向上のために、La0.8Nd
0.2Ni2.9Co2 .4Si0.1などの化学量論組成からずれ
た合金を製造することにより、LaNi5ベース合金の
粒界にMoCo3を析出させ、これが良好な電気化学反
応を呈することが知られている(P,H,L,Nott
em and P,Hookeling,J・Elec
trochem.Soc.,137(7),199
1.)。
いた電池のさらなる特性向上のために、特に過充電時の
電池内圧を低下させること、高率放電特性の向上、充放
電サイクル初期での充放電特性すなわち初期活性の改善
が課題として挙げられる。たとえば、La0.8Nd0.2N
i2.5Co2.4Si0.1の性能向上のために、La0.8Nd
0.2Ni2.9Co2 .4Si0.1などの化学量論組成からずれ
た合金を製造することにより、LaNi5ベース合金の
粒界にMoCo3を析出させ、これが良好な電気化学反
応を呈することが知られている(P,H,L,Nott
em and P,Hookeling,J・Elec
trochem.Soc.,137(7),199
1.)。
【0006】しかしこの方法は電気化学的に水素を吸蔵
放出する水素吸蔵合金と第二相としてのMoCo3とを
合金合成時に同時に形成するものであり、LaNi5ベ
ース合金のような金属間化合物の組成範囲が比較的狭い
合金系においては第二相を析出させることは有効である
と考えられるが、広い組成範囲で安定な金属間化合物を
形成する合金系に対しては必ずしも有効でなく種々の合
金にこの技術を適用することは困難であった。まして電
池特性との関連でMoCo3の粒径を制御することは非
常な困難を伴ったものであった。
放出する水素吸蔵合金と第二相としてのMoCo3とを
合金合成時に同時に形成するものであり、LaNi5ベ
ース合金のような金属間化合物の組成範囲が比較的狭い
合金系においては第二相を析出させることは有効である
と考えられるが、広い組成範囲で安定な金属間化合物を
形成する合金系に対しては必ずしも有効でなく種々の合
金にこの技術を適用することは困難であった。まして電
池特性との関連でMoCo3の粒径を制御することは非
常な困難を伴ったものであった。
【0007】また、従来これらの特性を改善する目的で
触媒材料として良く知られているPdブラックなどの添
加が試みられ、ある程度の効果が認められたが、さらな
る特性向上が望まれていた。Ni粉末を水素吸蔵合金粉
末に混合あるいはメッキするという試みもなされている
が、高率放電特性向上には若干の効果はあるものの初期
活性向上、電池内圧低下に対しては特筆すべき効果は認
められなかった。
触媒材料として良く知られているPdブラックなどの添
加が試みられ、ある程度の効果が認められたが、さらな
る特性向上が望まれていた。Ni粉末を水素吸蔵合金粉
末に混合あるいはメッキするという試みもなされている
が、高率放電特性向上には若干の効果はあるものの初期
活性向上、電池内圧低下に対しては特筆すべき効果は認
められなかった。
【0008】本発明はこのような課題を解決するもの
で、より効果的にしかも安価に過充電時の電池内圧特
性、高率放電特性、充放電サイクル初期における充放電
特性すなわち初期活性を向上させたアルカリ蓄電池を提
供することを目的とする。
で、より効果的にしかも安価に過充電時の電池内圧特
性、高率放電特性、充放電サイクル初期における充放電
特性すなわち初期活性を向上させたアルカリ蓄電池を提
供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明のアルカリ蓄電池は、負極の主構成材料であり平
均粒径が10〜40μmである水素吸蔵合金粉末の表面
に、平均粒径が10μm以下、好ましくは2μm以下で
ある一般式MoM3(M=Co,Niまたはその混合
物)で表される六方晶構造を持つ合金、Pd,Pt,炭
素に担持されたPd,炭素に担持されたPtなどの触媒
粉末を一体化させる。なおこのとき用いる水素吸蔵合金
としては一般式ABa(ただし、AはZr単独もしくは
30原子%以下のTi,Hf,Ta,Y,Ca,Mg,
La,Ce,Nd,Nb,Mo,Al,Siを含むZ
r、BはNiおよびMg,Ca,Ti,Hf,V,N
b,Cr,Mo,Mn,Fe,Co,Pd,Cu,A
g,Zn,Cd,Al,Si,La,Ce,Pr,Nd
から選ばれる少なくとも一種の元素、α=1.5〜2.
5、AとBとは異種元素)で表され、金属間化合物のL
aves相に属し、六方対称のC14型および立方対称
のC15型の少なくとも一方の結晶構造を持ち、格子定
数がC14型の場合はa=4.8〜5.2Å,c=7.
9〜8.3Å、C15型の場合はa=6.92〜7.3
0Åである合金又は一般式MmNiX-Y-ZCoYMZ(式
中、4.8≦X≦5.2,0<Y≦2,0<Z≦1.5
でありMはMn,Al,Cr,Fe,Cu,Sn,S
b,Mo,V,Nb,Ta,Zn,Mg,Zr,Tiの
うち少なくとも一種であり、Mmは少なくとも3種以上
の希土類金属の混合物を示す)で表わされ、CaCu5
型構造を有しLa含有量が2〜25wt%である合金が
好ましい。
本発明のアルカリ蓄電池は、負極の主構成材料であり平
均粒径が10〜40μmである水素吸蔵合金粉末の表面
に、平均粒径が10μm以下、好ましくは2μm以下で
ある一般式MoM3(M=Co,Niまたはその混合
物)で表される六方晶構造を持つ合金、Pd,Pt,炭
素に担持されたPd,炭素に担持されたPtなどの触媒
粉末を一体化させる。なおこのとき用いる水素吸蔵合金
としては一般式ABa(ただし、AはZr単独もしくは
30原子%以下のTi,Hf,Ta,Y,Ca,Mg,
La,Ce,Nd,Nb,Mo,Al,Siを含むZ
r、BはNiおよびMg,Ca,Ti,Hf,V,N
b,Cr,Mo,Mn,Fe,Co,Pd,Cu,A
g,Zn,Cd,Al,Si,La,Ce,Pr,Nd
から選ばれる少なくとも一種の元素、α=1.5〜2.
5、AとBとは異種元素)で表され、金属間化合物のL
aves相に属し、六方対称のC14型および立方対称
のC15型の少なくとも一方の結晶構造を持ち、格子定
数がC14型の場合はa=4.8〜5.2Å,c=7.
9〜8.3Å、C15型の場合はa=6.92〜7.3
0Åである合金又は一般式MmNiX-Y-ZCoYMZ(式
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でありMはMn,Al,Cr,Fe,Cu,Sn,S
b,Mo,V,Nb,Ta,Zn,Mg,Zr,Tiの
うち少なくとも一種であり、Mmは少なくとも3種以上
の希土類金属の混合物を示す)で表わされ、CaCu5
型構造を有しLa含有量が2〜25wt%である合金が
好ましい。
【0010】また負極の主構成材料である水素吸蔵合金
粉末をあらかじめ塩基性溶液に浸漬したのちその表面に
触媒粒子をメカノケミカル的な反応により一体化させる
ことによりさらに良い結果が得られる。
粉末をあらかじめ塩基性溶液に浸漬したのちその表面に
触媒粒子をメカノケミカル的な反応により一体化させる
ことによりさらに良い結果が得られる。
【0011】
【作用】この構成により、過充電時に負極より発生した
水素ガスはガス反応して水素吸蔵合金内に吸収される
が、このとき水素吸蔵合金表面に触媒粒子が一体化され
ていると水素吸蔵合金表面での水素化物形成反応の活性
化エネルギーが小さくなる。つまりガス吸収反応速度が
加速され電池内の水素ガスが速やかに吸収される。これ
により電池内圧を低く保つことができるのである。この
ことは触媒粒子自身はあまり水素を吸収しないが水素を
水素吸蔵合金へ効果的に拡散させることによると思われ
る。その際触媒粒子の粒径を小さくすることが極めて重
要となる。なぜなら水素ガス吸収反応の触媒として働く
ためには表面積が大きいことおよび水素吸蔵合金との接
触面積が大きいことが必要だからである。また触媒の添
加量を制御することも大切である。これは添加量が少な
すぎると効果が充分に発揮されず、多すぎると負極の容
量を減少させ、その結果として電池特性を低下させるか
らである。
水素ガスはガス反応して水素吸蔵合金内に吸収される
が、このとき水素吸蔵合金表面に触媒粒子が一体化され
ていると水素吸蔵合金表面での水素化物形成反応の活性
化エネルギーが小さくなる。つまりガス吸収反応速度が
加速され電池内の水素ガスが速やかに吸収される。これ
により電池内圧を低く保つことができるのである。この
ことは触媒粒子自身はあまり水素を吸収しないが水素を
水素吸蔵合金へ効果的に拡散させることによると思われ
る。その際触媒粒子の粒径を小さくすることが極めて重
要となる。なぜなら水素ガス吸収反応の触媒として働く
ためには表面積が大きいことおよび水素吸蔵合金との接
触面積が大きいことが必要だからである。また触媒の添
加量を制御することも大切である。これは添加量が少な
すぎると効果が充分に発揮されず、多すぎると負極の容
量を減少させ、その結果として電池特性を低下させるか
らである。
【0012】触媒の作用により交換電流密度が増大する
ために高率放電時の放電電圧が上昇し、放電容量も増大
する。さらに充放電サイクル初期での充放電特性、すな
わち初期活性が向上する。
ために高率放電時の放電電圧が上昇し、放電容量も増大
する。さらに充放電サイクル初期での充放電特性、すな
わち初期活性が向上する。
【0013】
【実施例】(実施例1) 以下、本発明の実施例のアルカリ蓄電池について図面を
参照して説明する。水素吸蔵合金として、主たる合金相
がC15型Laves相合金であるZrMn0.5V0.2C
o0.1Ni1.2触媒としてMoCo3を用いた。まず、電
極作製について説明する。MoCo3組成の合金をアー
ク溶解で作製しガスアトマイズ法でMoCo3相を主体
とする合金粉を得、これを粉砕、篩別して平均粒径を5
μmとした。平均粒径が20μmである水素吸蔵合金粉
末を温度80℃に保った比重1.3のKOH水溶液に1
時間浸漬した後、上記のMoCo3を2wt%加え、ア
ルゴン雰囲気中メカノフュージョン法によりMoCo3
粉末を水素吸蔵合金粉末上と一体化させた。ここで水素
吸蔵合金母粒子をKOH水溶液に浸漬するのは、母粒子
表面に故意に凹凸を生じさせることにより子粒子を母粒
子の凹部に擦り込むように一体化させ、可能な限り強固
な結合を持たせるためである。この状態を電子顕微鏡で
観察したところ、水素吸蔵合金の表面にMoCo3が点
在している様子が認められた。またその平均粒径は24
μmになっていた。その後これを水と練合しペースト状
にした。このペーストを多孔度95%厚さ0.8mmの発
泡状ニッケル板に充填し0.6wt%カルボキシメチル
セルロース水溶液に浸漬し、真空乾燥したのち加圧し電
極を得た。得られた電極を幅39mm、長さ97mm、厚さ
0.33mmにして負極とし、正極、セパレータと組み合
わせて三層の渦巻状にしてAAサイズの円筒状の電槽に
収納した。このときの正極は公知の発泡式ニッケル極を
選び、幅39mm、長さ77mm、厚さ0.70mmとしてリ
ード板を取りつけて用いた。またセパレータは親水性を
付与したポリプロピレン不織布を用いた。電解液として
は、比重1.30の水酸化カリウム水溶液に水酸化リチ
ウムを40g/l溶解したものを2.2cc使用した。こ
れを封口して密閉形電池とした。これが本発明の実施例
1であり、電池Aとする。
参照して説明する。水素吸蔵合金として、主たる合金相
がC15型Laves相合金であるZrMn0.5V0.2C
o0.1Ni1.2触媒としてMoCo3を用いた。まず、電
極作製について説明する。MoCo3組成の合金をアー
ク溶解で作製しガスアトマイズ法でMoCo3相を主体
とする合金粉を得、これを粉砕、篩別して平均粒径を5
μmとした。平均粒径が20μmである水素吸蔵合金粉
末を温度80℃に保った比重1.3のKOH水溶液に1
時間浸漬した後、上記のMoCo3を2wt%加え、ア
ルゴン雰囲気中メカノフュージョン法によりMoCo3
粉末を水素吸蔵合金粉末上と一体化させた。ここで水素
吸蔵合金母粒子をKOH水溶液に浸漬するのは、母粒子
表面に故意に凹凸を生じさせることにより子粒子を母粒
子の凹部に擦り込むように一体化させ、可能な限り強固
な結合を持たせるためである。この状態を電子顕微鏡で
観察したところ、水素吸蔵合金の表面にMoCo3が点
在している様子が認められた。またその平均粒径は24
μmになっていた。その後これを水と練合しペースト状
にした。このペーストを多孔度95%厚さ0.8mmの発
泡状ニッケル板に充填し0.6wt%カルボキシメチル
セルロース水溶液に浸漬し、真空乾燥したのち加圧し電
極を得た。得られた電極を幅39mm、長さ97mm、厚さ
0.33mmにして負極とし、正極、セパレータと組み合
わせて三層の渦巻状にしてAAサイズの円筒状の電槽に
収納した。このときの正極は公知の発泡式ニッケル極を
選び、幅39mm、長さ77mm、厚さ0.70mmとしてリ
ード板を取りつけて用いた。またセパレータは親水性を
付与したポリプロピレン不織布を用いた。電解液として
は、比重1.30の水酸化カリウム水溶液に水酸化リチ
ウムを40g/l溶解したものを2.2cc使用した。こ
れを封口して密閉形電池とした。これが本発明の実施例
1であり、電池Aとする。
【0014】この電池の特性を比較するために従来の方
法による電池も併せて作製した。すなわち従来の方法と
しては同様にZrMn0.6V0.2Co0.1Ni1.2の組成の
平均粒径が20μmである水素吸蔵合金をMoCo3を
一体化させずに先と同様の方法で電池とした。これを従
来法として電池Bとする。
法による電池も併せて作製した。すなわち従来の方法と
しては同様にZrMn0.6V0.2Co0.1Ni1.2の組成の
平均粒径が20μmである水素吸蔵合金をMoCo3を
一体化させずに先と同様の方法で電池とした。これを従
来法として電池Bとする。
【0015】さらに添加するMoCo3の添加量、粒径
が電池性能におよぼす効果を検討するために比較用電池
を作製した。すなわち電池Aに準じた製法においてMo
Co 3の添加量を全合金量の0.01wt%にしたも
の、20wt%にしたものを作製しそれぞれ電池C、電
池Dとした。また電池Aに準じた製法においてMoCo
3の平均粒径を20μmしたものを作製し電池Eとし
た。これらA〜Eの電池は、正極容量規制で容量は12
87mAhである。
が電池性能におよぼす効果を検討するために比較用電池
を作製した。すなわち電池Aに準じた製法においてMo
Co 3の添加量を全合金量の0.01wt%にしたも
の、20wt%にしたものを作製しそれぞれ電池C、電
池Dとした。また電池Aに準じた製法においてMoCo
3の平均粒径を20μmしたものを作製し電池Eとし
た。これらA〜Eの電池は、正極容量規制で容量は12
87mAhである。
【0016】これらの電池を通常の充放電サイクル試験
によって評価した。その結果を表1に示す。
によって評価した。その結果を表1に示す。
【0017】
【表1】
【0018】まず初期の放電電圧と容量を比較した。2
0℃において5時間率で容量の150%定電流充電した
のち5時間率で1.0Vまでの定電流放電を5サイクル
行ったところ、電池Aの平均放電電圧は1.29Vであ
り、放電容量は2サイクル以降ほぼ1287mAhであ
った。ところが電池Bでは平均放電電圧が1.22Vで
あり、放電容量は2サイクルで1287mAhに達せ
ず、サイクル数の増加とともに放電容量が増大し、ほぼ
一定になるまでに4サイクルを必要とした。電池Cにお
いては結果は電池Bの場合と同様でMoCo3添加の効
果は顕著には見られなかった。電池Dでは放電容量が2
サイクル以降ほぼ1200mAhで一定であった。つま
りMoCo3添加の効果によって初期活性は向上したも
のの添加量が多すぎたために負極容量が低下しその結果
電池の放電特性が悪化したのである。電池A,C,Dの
結果よりMoCo3の添加量には最適値が存在すること
がわかる。電池Eの結果では平均放電電圧が1.26
V、放電容量が2サイクル以降ほぼ1270mAhであ
った。MoCo3の粒径が水素吸蔵合金粉末のそれに対
して充分小さくないため、MoCo3と水素吸蔵合金と
の接触面積が電池Aと比べて小さくなりかつMoCo3
粉末の表面積が小さいためにMoCo3触媒としての効
果が少ないものと思われる。その後、充電を1時間率で
200%まで、放電は1時間率で終止電圧1.0Vまで
とし20℃での充放電サイクルを繰り返した。電池が充
分に活性かされたと思われる10サイクル目の放電電圧
を前出の表1に、充電電圧および電池内圧を図1に、放
電曲線を図2に、それぞれ示す。電池A,Dは平均放電
電圧1.25Vで過充電時の最大電池内圧がそれぞれ1
0および14Kgcm-2であったのに対し電池B,Cでは平
均放電電圧1.14V、最大電池内圧約30Kgcm-2、電
池Eでは平均放電電圧1.21V、最大電池内圧25Kg
cm-2であり、休憩充放電でも電池Aは優れた充放電特性
を示すことがわかった。なおMoCo3の平均粒径を2
μm以下とし電池Aと同様の方法で作成したものにおい
てさらに優れた結果が得られた。
0℃において5時間率で容量の150%定電流充電した
のち5時間率で1.0Vまでの定電流放電を5サイクル
行ったところ、電池Aの平均放電電圧は1.29Vであ
り、放電容量は2サイクル以降ほぼ1287mAhであ
った。ところが電池Bでは平均放電電圧が1.22Vで
あり、放電容量は2サイクルで1287mAhに達せ
ず、サイクル数の増加とともに放電容量が増大し、ほぼ
一定になるまでに4サイクルを必要とした。電池Cにお
いては結果は電池Bの場合と同様でMoCo3添加の効
果は顕著には見られなかった。電池Dでは放電容量が2
サイクル以降ほぼ1200mAhで一定であった。つま
りMoCo3添加の効果によって初期活性は向上したも
のの添加量が多すぎたために負極容量が低下しその結果
電池の放電特性が悪化したのである。電池A,C,Dの
結果よりMoCo3の添加量には最適値が存在すること
がわかる。電池Eの結果では平均放電電圧が1.26
V、放電容量が2サイクル以降ほぼ1270mAhであ
った。MoCo3の粒径が水素吸蔵合金粉末のそれに対
して充分小さくないため、MoCo3と水素吸蔵合金と
の接触面積が電池Aと比べて小さくなりかつMoCo3
粉末の表面積が小さいためにMoCo3触媒としての効
果が少ないものと思われる。その後、充電を1時間率で
200%まで、放電は1時間率で終止電圧1.0Vまで
とし20℃での充放電サイクルを繰り返した。電池が充
分に活性かされたと思われる10サイクル目の放電電圧
を前出の表1に、充電電圧および電池内圧を図1に、放
電曲線を図2に、それぞれ示す。電池A,Dは平均放電
電圧1.25Vで過充電時の最大電池内圧がそれぞれ1
0および14Kgcm-2であったのに対し電池B,Cでは平
均放電電圧1.14V、最大電池内圧約30Kgcm-2、電
池Eでは平均放電電圧1.21V、最大電池内圧25Kg
cm-2であり、休憩充放電でも電池Aは優れた充放電特性
を示すことがわかった。なおMoCo3の平均粒径を2
μm以下とし電池Aと同様の方法で作成したものにおい
てさらに優れた結果が得られた。
【0019】(実施例2)以上はAB2型Laves相
合金の場合であるが、実施例2として、MmNi5ベー
ス合金であるMmNi3.7Mn0.4Al0.3Co0.6(La
含有量14wt%)について次に説明する。
合金の場合であるが、実施例2として、MmNi5ベー
ス合金であるMmNi3.7Mn0.4Al0.3Co0.6(La
含有量14wt%)について次に説明する。
【0020】水素吸蔵合金として、主たる合金相がCa
Cu5型構造であるMmNi3.7Mn 0.4Al0.3C
o0.6、触媒としてMoCo3を用いた。まず、電極作製
について説明する。MoCo3組成の合金をアーク溶解
で作成しガスアトマイズ法でMoCo3相を主体とする
合金粉を得、これを粉砕、篩別して平均粒径を5μmと
した。平均粒径が20μmである水素吸蔵合金粉末を温
度80℃に保った比重1.3のKOH水溶液に1時間浸
漬した後、上記のMoCo3を2wt%加え、アルゴン
雰囲気中メカノフュージョン法によりMoCo3粉末を
水素吸蔵合金粉末上に一体化させた。ここで水素吸蔵合
金母粒子をKOH水溶液に浸漬するのは、母粒子表面に
故意に凹凸を生じさせることにより子粒子を母粒子表面
の凹部に擦り込むように一体化し、可能な限り強固な結
合を持たせるためである。この状態を電子顕微鏡で観察
したところ、水素吸蔵合金の表面にMoCo3が点在し
ている様子が認められた。またその粒径は約23μmに
なっていた。その後これを水と練合しぺースト状にし
た。このペーストを多孔度95%厚さ0.8mmの発泡状
ニッケル板に充填し0.6wt%カルボキシメチルセル
ロース水溶液に浸漬し、真空乾燥したのち加圧し電極を
得た。得られた電極を幅39mm、長環97mm、厚さ0.
33mmにして負極とし、正極、セパレータと組み合わせ
て三層の渦巻状にしてAAサイズの円筒状の電槽に収納
した。このときの正極は公知の発泡式ニッケル極を選
び、幅39mm、長さ77mm、厚さ0.70mmとしてリー
ド板を取りつけて用いた。またセパレータは親水性を付
与したポリプロピレン不織布である。電解液としては、
比重1.30の水酸化カリウム水溶液に水酸化リチウム
を40g/1溶解したものを2.2cc使用した。これを
封口して密閉形電池とした。これが本発明の実施例2で
あり、電池aとする。
Cu5型構造であるMmNi3.7Mn 0.4Al0.3C
o0.6、触媒としてMoCo3を用いた。まず、電極作製
について説明する。MoCo3組成の合金をアーク溶解
で作成しガスアトマイズ法でMoCo3相を主体とする
合金粉を得、これを粉砕、篩別して平均粒径を5μmと
した。平均粒径が20μmである水素吸蔵合金粉末を温
度80℃に保った比重1.3のKOH水溶液に1時間浸
漬した後、上記のMoCo3を2wt%加え、アルゴン
雰囲気中メカノフュージョン法によりMoCo3粉末を
水素吸蔵合金粉末上に一体化させた。ここで水素吸蔵合
金母粒子をKOH水溶液に浸漬するのは、母粒子表面に
故意に凹凸を生じさせることにより子粒子を母粒子表面
の凹部に擦り込むように一体化し、可能な限り強固な結
合を持たせるためである。この状態を電子顕微鏡で観察
したところ、水素吸蔵合金の表面にMoCo3が点在し
ている様子が認められた。またその粒径は約23μmに
なっていた。その後これを水と練合しぺースト状にし
た。このペーストを多孔度95%厚さ0.8mmの発泡状
ニッケル板に充填し0.6wt%カルボキシメチルセル
ロース水溶液に浸漬し、真空乾燥したのち加圧し電極を
得た。得られた電極を幅39mm、長環97mm、厚さ0.
33mmにして負極とし、正極、セパレータと組み合わせ
て三層の渦巻状にしてAAサイズの円筒状の電槽に収納
した。このときの正極は公知の発泡式ニッケル極を選
び、幅39mm、長さ77mm、厚さ0.70mmとしてリー
ド板を取りつけて用いた。またセパレータは親水性を付
与したポリプロピレン不織布である。電解液としては、
比重1.30の水酸化カリウム水溶液に水酸化リチウム
を40g/1溶解したものを2.2cc使用した。これを
封口して密閉形電池とした。これが本発明の実施例2で
あり、電池aとする。
【0021】この電池の特性を比較するために従来の方
法による電池も併せて作製した。すなわち従来の方法と
しては同様にMmNi3.7Mn0.4Al0.3Co0.6の組成
で平均粒径が20μmである水素吸蔵合金MoCo3を
一体化させずに先と同様の方法で電池とした。これを従
来法として電池bとする。
法による電池も併せて作製した。すなわち従来の方法と
しては同様にMmNi3.7Mn0.4Al0.3Co0.6の組成
で平均粒径が20μmである水素吸蔵合金MoCo3を
一体化させずに先と同様の方法で電池とした。これを従
来法として電池bとする。
【0022】さらに添加するMoCo3の添加量、粒径
が電池性能に及ぼす効果を検討するために比較用電池を
作製した。すなわち電池aに準じた製法においてMoC
o3の添加量を全合金量の0.01wt%としたもに、
20wt%にしたものを作製しそれぞれ電池c、電池d
とした。また電池aに準じた製法においてMnCo3の
平均粒径を20μmにしたものを作製し電池eとしたこ
れらa〜eの電池は、正極容量規制で容量は1287m
Ahである。
が電池性能に及ぼす効果を検討するために比較用電池を
作製した。すなわち電池aに準じた製法においてMoC
o3の添加量を全合金量の0.01wt%としたもに、
20wt%にしたものを作製しそれぞれ電池c、電池d
とした。また電池aに準じた製法においてMnCo3の
平均粒径を20μmにしたものを作製し電池eとしたこ
れらa〜eの電池は、正極容量規制で容量は1287m
Ahである。
【0023】これらの電池を通常の充放電サイクル試験
によって評価した。その結果を表2に示す。
によって評価した。その結果を表2に示す。
【0024】
【表2】
【0025】まず初期の放電電圧と容量を比較した。2
0℃において5時間率で容量の150%定電流充電した
のち5時間率で1.0Vまでの定電流放電を5サイクル
行ったところ、電池aの平均放電電圧は1.30Vであ
り、放電容量は2サイクル以降ほぼ1287mAhであ
った。ところが電池bでは平均放電電圧が1.23Vで
あり、放電容量は2サイクルで1287mAhに達せ
ず、サイクル数の増加とともに放電容量が増大し、ほぼ
一定になるまでに4サイクルを必要とした。電池cにお
いては結果は電池bの場合と同様でMoCo3添加の効
果は顕著には見られなかった。電池dでは放電容量が2
サイクル以降ほぼ1200mAhで一定であった。つま
りMoCo3添加の効果によって初期活性は向上したも
のの添加量が多すぎたために負極容量が低下しその結果
電池の放電特性が悪化したのである。電池a,c,dの
結果よりMoCo3の添加量には最適値が存在すること
がわかる。電池eの結果では平均放電電圧が1.27
V、放電容量が2サイクル以降ほぼ1271mAhであ
った。MoCo3の粒径が水素吸蔵合金粉末のそれに対
して充分小さくないため、MoCo3と水素吸蔵合金と
の接触面積が電池aと比べて小さくなりかつMoCo3
粉末の表面積が小さいためにMoCo3の触媒としての
効果が少ないものと思われる。その後、充電を1時間率
で200%まで、放電は1時間率で終止電圧1.0Vま
でとし20℃での充放電サイクルを繰りした。電池が充
分に活性化されたと思われる10サイクル目の放電電圧
および放電容量を前出の表2に、充電電圧および電池内
圧を図3に、放電曲線を図4に、それぞれ示す。電池
a,bは平均放電電圧1.26Vで過充電時の最大電池
内圧がそれぞれ12および17Kgcm-2であったのに対し
電池b,cでは平均放電電圧1.15V、最大電池内圧
約36Kgcm-2、電池eでは平均放電電圧1.22V、最
大電池内圧30Kgcm-2であり、急速充放電でも電池aは
優れた充放電特性を示すことがわかった。なおMoCo
3の平均粒径を2μm以下とし電池aと同様の方法で作
成したものにおいてさらに優れた結果が得られた。
0℃において5時間率で容量の150%定電流充電した
のち5時間率で1.0Vまでの定電流放電を5サイクル
行ったところ、電池aの平均放電電圧は1.30Vであ
り、放電容量は2サイクル以降ほぼ1287mAhであ
った。ところが電池bでは平均放電電圧が1.23Vで
あり、放電容量は2サイクルで1287mAhに達せ
ず、サイクル数の増加とともに放電容量が増大し、ほぼ
一定になるまでに4サイクルを必要とした。電池cにお
いては結果は電池bの場合と同様でMoCo3添加の効
果は顕著には見られなかった。電池dでは放電容量が2
サイクル以降ほぼ1200mAhで一定であった。つま
りMoCo3添加の効果によって初期活性は向上したも
のの添加量が多すぎたために負極容量が低下しその結果
電池の放電特性が悪化したのである。電池a,c,dの
結果よりMoCo3の添加量には最適値が存在すること
がわかる。電池eの結果では平均放電電圧が1.27
V、放電容量が2サイクル以降ほぼ1271mAhであ
った。MoCo3の粒径が水素吸蔵合金粉末のそれに対
して充分小さくないため、MoCo3と水素吸蔵合金と
の接触面積が電池aと比べて小さくなりかつMoCo3
粉末の表面積が小さいためにMoCo3の触媒としての
効果が少ないものと思われる。その後、充電を1時間率
で200%まで、放電は1時間率で終止電圧1.0Vま
でとし20℃での充放電サイクルを繰りした。電池が充
分に活性化されたと思われる10サイクル目の放電電圧
および放電容量を前出の表2に、充電電圧および電池内
圧を図3に、放電曲線を図4に、それぞれ示す。電池
a,bは平均放電電圧1.26Vで過充電時の最大電池
内圧がそれぞれ12および17Kgcm-2であったのに対し
電池b,cでは平均放電電圧1.15V、最大電池内圧
約36Kgcm-2、電池eでは平均放電電圧1.22V、最
大電池内圧30Kgcm-2であり、急速充放電でも電池aは
優れた充放電特性を示すことがわかった。なおMoCo
3の平均粒径を2μm以下とし電池aと同様の方法で作
成したものにおいてさらに優れた結果が得られた。
【0026】また、先の実施例においてMoCo3の代
わりにMoNi3,Pb,Pt,炭素に担持されたP
b,炭素に担持されたPtを用いても優れた結果が得ら
れた。MoCo3の合成はガスアトマイズ法で行ったが
急冷ロール法でも同様の結果であった。さらに、先の実
施例では水素吸蔵合金粉末とMoCo3粉末の一体化は
メカノフュージョン法によったが、高速気流中衝撃法に
よっても同様の結果を得ることができた。本実施例では
電池のサイズはAAであったがその他のサイズや大形ア
ルカリ蓄電池および開放系電池においても大きな効果が
認められた。
わりにMoNi3,Pb,Pt,炭素に担持されたP
b,炭素に担持されたPtを用いても優れた結果が得ら
れた。MoCo3の合成はガスアトマイズ法で行ったが
急冷ロール法でも同様の結果であった。さらに、先の実
施例では水素吸蔵合金粉末とMoCo3粉末の一体化は
メカノフュージョン法によったが、高速気流中衝撃法に
よっても同様の結果を得ることができた。本実施例では
電池のサイズはAAであったがその他のサイズや大形ア
ルカリ蓄電池および開放系電池においても大きな効果が
認められた。
【0027】
【発明の効果】以上の実施例の説明により明らかなよう
に本発明のアルカリ蓄電池によれば、従来から問題であ
った過充電時の電池内圧を低下させ、高率充放電特性、
充放電サイクル初期における充放電特性も安価に改善し
た高性能なアルカリ蓄電池を提供することが可能であ
る。
に本発明のアルカリ蓄電池によれば、従来から問題であ
った過充電時の電池内圧を低下させ、高率充放電特性、
充放電サイクル初期における充放電特性も安価に改善し
た高性能なアルカリ蓄電池を提供することが可能であ
る。
【図1】本発明の実施例1のアルカリ蓄電池の電池A〜
Eの10サイクル目の充電電圧および電池内圧を示す充
電特性を示すグラフ
Eの10サイクル目の充電電圧および電池内圧を示す充
電特性を示すグラフ
【図2】同、高率放電特性を示すグラフ
【図3】同、実施例2のアルカリ蓄電池の電池a〜eの
10サイクル目の充電電圧および電池内圧を示す充電特
性を示すグラフ
10サイクル目の充電電圧および電池内圧を示す充電特
性を示すグラフ
【図4】同、高率放電特性を示すグラフ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森脇 良夫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 松本 功 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平1−267955(JP,A) 特開 昭63−195961(JP,A) 特開 平2−256161(JP,A) 特開 昭62−291862(JP,A) 特開 昭63−284758(JP,A) 特開 平2−223150(JP,A) 特開 昭64−57568(JP,A) 特開 平3−269952(JP,A) 特開 平5−234590(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 10/24 - 4/30 H01M 10/34 H01M 4/24 - 4/26 H01M 4/38 H01M 4/62
Claims (9)
- 【請求項1】 金属酸化物を主体とする正極と、活物質
である水素を電気化学的に吸収・放出することが可能な
水素吸蔵合金粉末を主構成材料とする負極と、セパレー
タと、アルカリ電解液とからなる発電要素を備えた電池
であって、前記負極に用いる水素吸蔵合金母粒子が平均
粒径10〜40μmであり、その母粒子表面に平均粒径
10μm以下で触媒機能を有する子粒子がメカノケミカ
ル的な反応によって部分的に融合して強固に一体化さ
れ、前記水素吸蔵合金母粒子よりも平均粒径を大きくし
たアルカリ蓄電池。(但し、触媒機能を有する子粒子が
MoCo 3 で表される六方晶構造を持つ合金である場合
を除く。) - 【請求項2】 触媒機能を有する子粒子の平均粒径が2
μ以下である請求項1記載のアルカリ蓄電池。 - 【請求項3】 触媒機能を有する子粒子の量が電池重量
に対して0.1〜10wt%である請求項1または2に
記載のアルカリ蓄電池。 - 【請求項4】 触媒機能を有する子粒子が、一般式Mo
M3(M=NiまたはCoとNiの混合物)で表される
六方晶構造を持つ合金を主成分とする請求項1〜3のい
ずれかに記載のアルカリ蓄電池。 - 【請求項5】 触媒機能を有する子粒子がPd,Ptか
ら選ばれた少なくとも一種である請求項1〜3のいずれ
かに記載のアルカリ蓄電池。 - 【請求項6】 触媒機能を有する子粒子が炭素に担持さ
れたPd,炭素に担持されたPtから選ばれた少なくと
も一種である請求項1〜3のいずれかに記載のアルカリ
蓄電池。 - 【請求項7】 主たる水素吸蔵合金は一般式ABa(た
だし、AはZr単独もしくは30原子%以下のTi,H
f,Ta,Y,Ca,Mg,La,Ce,Nd,Nb,
Mo,Al,Siを含むZr,BはNiおよびMg,C
a,Ti,Hf,V,Nb,Cr,Mo,Mn,Fe,
Co,Pb,Cu,Ag,Zn,Cd,Al,Si,L
a,Ce,Pr,Ndから選ばれる少なくとも一種の元
素、a=1.5〜2.5、AとBとは異種元素)で表さ
れ、合金相が実質的に金属間化合物のLaves相に属
し、その結晶構造が六方対象のC14型および立方対象
のC15型の少なくとも一方であり、格子定数がC14
型の場合はa=4.8〜5.2Å,c=7.9〜8.3
Å,C15型の場合はa=6.92〜7.30Åである
請求項1〜6のいずれかに記載のアルカリ蓄電池。 - 【請求項8】 主たる水素吸蔵合金はCaCu5型構造
を有し、一般式MmNiX-Y-ZCoY M Z (式中、4.8≦
X≦5.2,0<Y≦2,0<Z≦1.5であり、MはM
n,Al,Cr,Fe,Cu,Sn,Sb,Mo,V,
Nb,Ta,Zn,Mg,Zr,Tiのうち少なくとも
1種であり、Mmは少なくとも三種以上の希土類金属の
混合物を示す)で表される合金であって、合金中のLa
含有量が2〜25wt%である請求項1〜6のいずれか
に記載のアルカリ蓄電池。 - 【請求項9】 触媒機能を有する子粒子を水素吸蔵合金
母粒子と一体化させる前に、この水素吸蔵合金母粒子を
塩基性溶液に浸漬し母粒子表面に多くの凹凸を生じさせ
た請求項1〜8のいずれかに記載のアルカリ蓄電池。
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---|---|---|---|---|
US9765707B2 (en) | 2009-04-20 | 2017-09-19 | Dgc Industries Pty Ltd | Dual fuel supply system for an indirect-injection system of a diesel engine |
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1992
- 1992-03-17 JP JP05995292A patent/JP3189361B2/ja not_active Expired - Fee Related
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