JP2000003706A - アルカリ蓄電池用正極および正極活物質 - Google Patents

アルカリ蓄電池用正極および正極活物質

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高エネルギー密度で、かつサイクル安定性の
高いアルカリ蓄電池用正極活物質を提供することを目的
とする。 【解決手段】 少なくともMnを固溶または共晶状態で
含み、前記Mnの平均価数が3.3以上である、β−N
i(OH)2型のニッケル酸化物からなる粒子表面に、
コバルト酸化物からなる被覆層が形成されたアルカリ蓄
電池用正極活物質で、前記被覆層には、NiおよびMn
の少なくとも1種の元素が固溶または共晶状態で含まれ
ている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ニッケルを主たる
金属元素とする金属酸化物を主材料とする高容量のアル
カリ蓄電池用正極活物質および同活物質を用いた正極に
関する。
【0002】
【従来の技術】近年の半導体技術の進歩に伴い電子機器
の小型軽量化、および多機能化が進み、携帯電話、ノー
トパソコンなどに代表される小型ポータブル機器のパー
ソナル化が急速に進んでいる。そのため、それらの電源
として広く採用されているアルカリ蓄電池に対しても、
益々小型軽量化の要求が高まってきている。現在に至る
まで、アルカリ蓄電池用正極においては、活物質にはニ
ッケル酸化物(NiOOH)が用いられているが、電極
基板は従来の焼結基板に代えて、より高多孔度(95
%)の3次元構造の発泡ニッケル多孔体が用いられ、こ
れにニッケル酸化物粉末を高密度充填した電極(発泡メ
タル式電極)が工業化され(米国特許No.42516
03など)、これによってニッケル正極のエネルギー密
度は飛躍的に向上した。
【0003】前記ニッケル正極が高エネルギー密度化を
達成するには、活物質であるニッケル酸化物粉末の製造
方法の改良も重要な技術の一つであった。従来のニッケ
ル酸化物粉末の製造方法には、ニッケル塩水溶液に水酸
化ナトリウムなどのアルカリ水溶液中を作用させて水酸
化ニッケルを沈殿させ、次いで熟成して結晶成長させた
のち、機械的な方法で粉砕する方法が採用されていた。
この方法は、工程が煩雑であるとともに、得られる水酸
化ニッケル粉末の形状が不定形であることから、高い充
填密度の電極が得られにくいという問題があった。その
後、特公平4−80513号公報に示されているよう
に、改良された製造方法として、ニッケル塩水溶液にア
ンモニアを作用させてニッケルのアンモニウム錯体を形
成させ、この錯体にアルカリを反応させて水酸化ニッケ
ルを生成させる反応を繰り返すことにより水酸化ニッケ
ルを成長させる方法、すなわち生成する水酸化ニッケル
上にさらに水酸化ニッケルを生成させる方法が提案され
た。この方法によって、連続的にニッケル酸化物を製造
することが可能となり低廉化が図られるとともに、得ら
れる酸化物の粒子形状が球状に近いことから高密度充填
が可能となった。
【0004】しかし、このようにして得られるニッケル
酸化物活物質は、粒径が数十μmにまで成長した大粒径
の高密度粒子であるため、活物質自身の電子伝導度が低
いことが原因で、電極の充放電効率が低下するという問
題があった。これに対しては、金属コバルトやその酸化
物あるいは金属ニッケル等を添加することにより、電子
伝導性を補う提案(特公昭61−37733号公報な
ど)、さらには、活物質自身にコバルトやニッケル以外
の金属元素を固溶させることにより、充放電効率を向上
する提案がなされた。前述のように充放電効率を向上す
るために、ニッケル酸化物の結晶内部に導入する異種金
属元素としては、Power Sources,12,
p203(1988)などに示されているように、C
d、Coなどが知られている。しかし、環境面から、カ
ドミウム・フリーの電池が要望され、カドミウムに代わ
る金属元素の一例としてZnが提案されたり、さらにC
o、ZnおよびBaなどの3元素を固溶させる提案がさ
れている(米国特許第5366831号)。なお、この
ような充放電特性の高効率化を目的としてニッケル酸化
物へ異種金属元素を固溶させる技術は、古くから知られ
ており、例えば特開昭51−122737号公報に記載
されている。
【0005】以上のような基板の構造、活物質の粒子形
状、活物質の組成および添加物などの改良により、正極
のエネルギー密度は飛躍的に向上し、現在ではエネルギ
ー密度600mAh/cc程度の正極が実用化されてい
る。しかし、前述のように、小型ポータブル機器用の電
源としてのエネルギー密度向上に対する要望は益々拡大
傾向にある。電池のエネルギー密度の向上を図るために
は、正・負極、電解液、セパレータおよびそれらの構成
法などの面からのアプローチが考えられる。負極に関し
ては、従来のカドミウム負極に代わり、高エネルギー密
度の金属水素化物の実用化(Power Source
s 12,p.393(1988))などにより、正極
の倍以上の体積エネルギー密度にまで達している。ま
た、電池構成法に関しても、セパレータの薄膜化、極板
の高密度充填などの技術的進歩によって急速な高エネル
ギー密度化が進められてきており、現在においては、ほ
ぼ限界にまで達しつつある。
【0006】そこで、エネルギー密度の一層の向上を実
現するためには、電池内のほぼ半分の体積比率を占める
正極の一層の高エネルギー密度化が最も効果的な要素技
術として重要な位置づけにされてきた。正極のエネルギ
ー密度の向上を図るためには、活物質粒子のタップ密度
の向上、添加物量の低減、発泡ニッケル基板の金属量の
低減などといった電極充填密度向上のアプローチが挙げ
られるが、これらの技術はほぼ限界に達しつつある。従
って、活物質自体の改質を図り、反応性の向上、反応次
数の向上を試みる必要がある。現状の正極活物質である
ニッケル酸化物は、電極基板へ充填する時には、β型の
Ni(OH)2(2価の酸化物)である。そして、この
β型のNi(OH)2は、通常は、β型のNiOOH
(3価)との間で、1個の電子交換を伴う充放電反応
(利用率:100%)が進行すると言われている。しか
し、充電状態のβ−NiOOHは、過充電によって一部
がより高次に酸化されたγ−NiOOH(3.5〜3.
8価)にまで酸化される。γ−NiOOHは、非可逆量
論的な材料で、結晶的にみても無秩序(disorde
r)であることが知られている(J.Power So
urces、8、p229(1982)など)。このγ
−NiOOHは、電気化学的に不活性であり、電圧低下
や容量低下を引き起こすばかりでなく、層間が広がるこ
とによって、電極の体積膨脹を生じこれにより活物質の
導電剤や基板との接触不良、基板からの脱落、水分子を
取り込むことによる電解液の枯渇など、多くの弊害を引
き起こすことから、従来より、γ−NiOOHの生成を
抑制する工夫がなされてきた。
【0007】しかし、ニッケル酸化物をベースにした活
物質を用いて、さらに高エネルギー密度化を図るために
は、高次酸化物であるγーNiOOHを使いこなすこと
が極めて重要である。このために、Niの一部をMn
(III)、Al(III)、Fe(III)などの異種金属元
素で置換し、層間にアニオンと水分子を取り込んだ、α
型の水酸化物に類似した構造の材料が提案されている
(米国特許第5348822号、米国特許第55695
62号など)。この酸化物は、γ−NiOOHと類似し
た構造の高次酸化物との間で容易に充放電が進行すると
言われている。しかし、実際には、この酸化物は、層間
が広く材料自身の密度(真密度)が低くなることから、
高密度充填が困難であり、実用性は乏しいものと考えら
れる。
【0008】これに対して本発明者らは、電極充填時に
βタイプの結晶構造をもち、かつ、高次酸化物であるγ
−NiOOHとの間で充放電が進行する活物質に注目し
ている。その一例として、高密度でかつ1個を越える電
子の交換反応を伴う充放電反応を目的とした異種金属元
素の固溶によるニッケル酸化物の改質を提案した。ま
た、固溶する異種金属元素としては、特にMnを主成分
とした組成が有望であることも提案されている(特開平
9−115543号公報)。前記提案は、Mnをニッケ
ル酸化物に固溶させることにより、プロトンの移動度、
電子伝導性が向上し、利用率が向上することを開示して
いる。Mnを固溶したニッケル酸化物は、特開昭51−
122737号、特開平4−179056号、特開平5
−41212号においても既に提案されている。また、
本発明者らもMnを固溶したニッケル酸化物に注目して
いる。このニッケル酸化物は、固溶されたMn価数を制
御することによって、充電により容易にγ相まで酸化さ
れ、かつ放電も可能である1.2価以上の高次反応が可
能であることを明らかにし、その高密度化のための合成
方法も提案した。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】前述のように、Mnを
固溶または共晶状態で含むニッケル酸化物を正極活物質
として用いることにより、充放電効率および反応次数を
向上しようとする試みがなされている。しかし、前記材
料においては、γ−NiOOHは、通常の充電時に生成
することが可能であり、可逆的に充放電することが可能
であることから、電極内での活物質の膨張、収縮によっ
て、コバルト化合物による導電性ネットワークが破壊さ
れやすいという問題があった。従って、γ相の生成を抑
制し、約1電子反応が進行している従来のニッケル酸化
物と比べ、サイクル安定性が若干劣るという問題を有し
ていた。本発明は、γ相をも充放電反応に有効に利用す
ることにより、飛躍的な高エネルギー密度化を実現する
とともに、寿命特性の優れたアルカリ蓄電池正極活物質
を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明のアルカリ蓄電池
用正極活物質は、少なくともMnを固溶または共晶状態
で含み、前記Mnの平均価数が3.3以上である、β−
Ni(OH)2型のニッケル酸化物からなる粒子、およ
びその表面に形成されたコバルト酸化物の被覆層からな
り、前記被覆層のコバルト酸化物が、NiおよびMnの
少なくとも1種の元素を固溶または共晶状態で含んでい
ることを特徴とする。ここで、前記被覆層におけるNi
およびMnの少なくとも1種の元素の含有割合は、被覆
層における全金属元素の0.5モル%以上20モル%以
下であることが好ましい。前記正極活物質は、タップ密
度1.7g/cc以上の球状または球状に近い形状の粉
末であることが好ましい。本発明は、また上記の活物質
を含むアルカリ蓄電池用正極を提供する。前記の正極
は、さらに、イットリウム酸化物粒子を含むことが好ま
しい。
【0011】
【発明の実施の形態】本発明者らは、少なくともMnを
固溶または共晶状態で含み、Mnの平均価数が3.3以
上のニッケル酸化物においては、1個を越える電子の交
換を伴う充放電反応が進行することを見い出した。すな
わち、機構の詳細は明らかではないが、この酸化物は、
充電により高い酸化状態のγ相にまで酸化され、されが
容易に放電できるのである。これは、ニッケル酸化物中
に、Niとは価数の異なるMnを導入させることによ
り、ニッケル酸化物のプロトンの移動度および電子伝導
性が向上することによるものと考えられる。さらに、前
記酸化物は、放電状態で高密度のβ−Ni(OH)2
であるため、充填性に優れ、正極の高エネルギー密度化
が可能となる。
【0012】また、本発明の活物質は、コバルト酸化物
からなる被覆層がNiおよびMnの少なくとも1種の元
素を含んでいる。このNiおよび/またはMnが、前記
コバルト酸化物の物理的および化学的安定性を高め、こ
れによって、充放電の繰り返しに伴い被覆層が溶解した
り、粒子が膨脹および収縮により物理的に破壊したりす
るのを防止すると考えられる。この作用によって、長期
にわたり充放電サイクルを繰り返しても、コバルト酸化
物からなる被覆層による導電性ネットワークを保つこと
ができ、活物質利用率を向上する効果を維持することが
できる。コバルト酸化物からなる被覆層における、Ni
およびMnの少なくとも1種の元素の含有量は、被覆層
における全金属元素の0.5モル%以上で前記効果がと
くに良好に認められる。また、20モル%より多いと、
導電性が若干低下するため、反応次数の低下を引き起こ
す可能性がある。従って、20モル%以下が好ましい。
前記活物質を用いる正極において、イットリウム酸化物
の粒子を添加することにより、高温での充電効率が著し
く向上する。正極の高エネルギー密度化を図るために
は、反応次数の向上を図るばかりでなく、電極の充填密
度も従来品と同等以上にする必要がある。従って、充填
性を従来品と同等またはそれ以上のレベルにするために
は、活物質粒子は、少なくともタップ密度1.7g/c
c以上の球状もしくは球状に近い形状の粉末とする必要
がある。
【0013】
【実施例】次に、本発明の実施例を説明する。
【0014】《実施例1》まず、活物質の合成法につい
て説明する。2.16mol/lのNiSO4および
0.24mol/lのMnSO4を含む水溶液、5.5
2mol/lのNaOH水溶液、および4.8mol/
lのNH3水溶液を準備し、これらを40℃に保持され
た反応槽内に連続的に供給した。このとき、反応槽内で
混合された溶液のpHが11.5〜12.5の範囲内と
なるように各溶液の供給速度を制御した。同時に、Ar
ガスを800ml/minの流量で反応槽内の溶液中に
連続的に供給し、溶液内の溶存酸素濃度を0.05mg
/l以下に保持した。また、これらの水溶液およびガス
が反応槽内で常に均一に混合されるように、反応槽内に
セットした撹拌翼を一定の回転速度で回転させた。な
お、反応槽に供給されるNiイオンとMnイオンの全供
給速度は、前記水溶液の濃度と供給速度とから1.2×
10-3mol/minと算出された。続いて、反応装置
内の溶液のpHが一定となり、金属塩濃度と生成する酸
化物粒子濃度スがほぼ一定の定常状態になったところ
で、反応槽をオーバーフローする懸濁液を採取し、デカ
ンテーションにより沈殿物を分離した。水洗した後、水
で湿った状態の沈殿物金属酸化物粉末を大気中において
80℃で72時間乾燥した。
【0015】得られた金属酸化物粒子aは、平均粒径1
0μmの球状粒子であった。ICP発光分光分析によ
り、粒子中の金属元素比は、Ni:Mn=9:1(原子
比)であることが確認された。また、ヨードメトリー法
により全金属のトータル価数を求め、その値よりMnの
平均価数を算出したところ、3.5価を示した。また、
XRDパターンから、ニッケル酸化物は単相のβ−Ni
(OH)2であることが確認された。Mnの平均価数ま
たは含有量と格子定数との間に相関関係(Vegard
の法則)が認められたことから、MnはNiの一部と置
換し固溶していることが確認された。
【0016】次に、この金属酸化物粒子aを水中に入れ
て撹拌しながら、0.09mol/lのCoSO4およ
び0.01mol/lのNiSO4を含む混合水溶液、
0.23mol/lのNaOH水溶液、および0.4m
ol/lのNH3水溶液を並行して滴下し、金属酸化物
粒子aの表面にNiを含むコバルト酸化物を徐々に析出
させた。このとき、反応槽内にArガスを供給し、溶存
酸素によるCoの酸化を抑制した。その後、前記粒子を
含む懸濁液を濾過して、水洗し、乾燥することによって
活物質Aを得た。活物質Aにおける粒子aを被覆してい
る被覆層の量および組成は、ICP発光分光分析の結果
と粒子aの組成から算出した。その結果、被覆層の金属
元素比は、Co:Ni=9:1(原子比)であり、被覆
量は水酸化物換算で7wt%であった。
【0017】《実施例2》CoSO4およびNiSO4
混合水溶液の代わりに0.09mol/lのCoSO4
および0.01mol/lのMnSO4を含む混合水溶
液を用いた他は、実施例1の活物質Aの被覆層を析出さ
せる方法と同様にして、金属酸化物粒子aの表面にMn
を含むコバルト酸化物の被覆層を形成した活物質Bを得
た。前記と同様にして求めた被覆層の金属元素比は、C
o:Mn=9:1(原子比)であり、被覆量は水酸化物
換算で7wt%であった。
【0018】《比較例》実施例1において、CoSO4
およびNiSO4を混合水溶液の代わりに0.1mol
/lのCoSO4を用いた他は、活物質Aの被覆層を析
出させる方法と同様にして、金属酸化物粒子aの表面に
コバルト酸化物を被覆した活物質Xを得た。
【0019】次に、上記のようにして作製した活物質
A、B、およびXを用いて、それぞれ電池を作製した。
まず、これらの活物質粉末100gに、2gの酸化イッ
トリウム粉末、および30gの水を加え、混練してペー
スト状にした。このペーストを多孔度95%の発泡ニッ
ケル基板に充填し、乾燥後、加圧成形することによっ
て、ニッケル正極板を得た。得られた正極板を所定のサ
イズに切断し、電極リードをスポット溶接して、理論容
量1300mAhのニッケル正極を得た。ただし、ここ
で示すニッケル電極の容量密度は、活物質中のNiが一
電子反応するとして計算したものである。負極には、公
知のアルカリ蓄電池用負極を用いた。ここでは、水素吸
蔵合金MmNi3.55Co0.75Mn0.4Al0.3からなる負
極を用いた。所望の割合で混合したMm、Ni、Co、
Mn、およびAlをアーク溶解炉にて溶解して所望の組
成の水素吸蔵合金を得た。この合金塊を不活性雰囲気中
で機械的に粉砕し、粒径30μmの粉末とした。これに
水と結着剤のカルボキシメチルセルロースを加えてペー
スト状に混練した。このペーストを電極支持体に加圧充
填して、水素吸蔵合金負極板を得た。この負極板を所定
のサイズに切断し、容量2000mAhの負極とした。
【0020】上記の正極と負極を厚さ0.15mmのス
ルフォン化ポリプロピレン不織布からなるセパレータを
間に介して渦巻状の電極郡を構成した。この電極郡を電
池ケース内に挿入し、9mol/lのKOH水溶液から
なる電解液を2.2ml注入した後、作動弁圧約20K
gf/cm2の安全弁を持つ封口板により電池ケースの
開口部を密閉し、AAサイズの円筒密閉型ニッケル−水
素蓄電池を作製した。
【0021】実施例1の活物質A、実施例2の活物質
B、及び比較例の活物質Xからなる電極を正極とした密
閉型電池の特性を次のようにして評価した。まず、20
℃において、130mAの電流で18時間充電し、26
0mAの電流で電池電圧1.0Vまで放電する充放電サ
イクルを繰り返し、放電容量が安定した後、20℃にお
いて、1.3Aの電流で1.5時間充電し、1.3Aの
電流で電池電圧0.8Vまで放電する充放電サイクルを
繰り返した。このときの放電容量を測定し、充放電サイ
クルと活物質利用率との関係を調べた。活物質利用率
は、ニッケルが1電子反応したときの容量を理論容量と
して、理論容量に対する実放電容量から算出した。図1
は、この結果を表すものであって、各正極についての充
放電サイクルと活物質利用率の関係を示す特性図であ
る。この図より、比較例の活物質Xを用いた電池では、
300サイクルを越えると利用率が低下しているのに対
して、実施例1および2の活物質AおよびBを用いた電
池では、400サイクルでも活物質利用率の低下はほと
んど認められないことがわかる。
【0022】《実施例3》実施例1において、活物質A
の被覆層を析出させる際、Co塩とNi塩の混合比を変
えることにより、被覆層中の全金属元素に対するNiの
割合だけを変化させた活物質を作製した。Niの含有割
合は、被覆層に含まれる全金属元素に対して、0、0.
3、0.5、10、20、25モル%とした。上記活物
質からなる正極を用いて実施例1と同様の円筒密閉電池
を作製し、同様の条件で、充放電サイクル数と活物質利
用率の関係を調べた。図2は、この結果を表すものであ
って、各正極についての充放電サイクル数と活物質利用
率の関係を示す特性図である。この図より、Niの含有
割合が0.5モル%以上のとき、400サイクルで活物
質利用率の低下はほとんど認められないことがわかる。
しかし、20モル%より多くなると、初期から利用率が
若干低くなっていることがわかる。これは、被覆層中の
Co含有割合が極端に低下したことにより、被覆層の導
電性が低下したことによるものと考えられる。従って、
被覆層中のNi含有割合は、0.5モル%以上20モル
%以下が適していることが確認された。また、実施例2
の活物質Bにおいても前記と同様な結果が得られ、被覆
層中のMnの含有割は、0.5モル%以上20モル%以
下が適していることが確認された。
【0023】上記の実施例では、被覆層中にNiまたは
Mnのそれぞれ1種のみが含まれる例を示したが、Ni
とMnの2種が含まれる場合においても同様な効果が得
られた。また、水酸化コバルトを主成分とする被覆層の
例を示したが、これを酸化させたコバルト化合物層につ
いても同様の効果が得られ、被覆層中のNi、Mnの含
有割合は0.5モル%以上20モル%以下が適切である
と考えられる。上記の実施例では、正極の基板に発泡ニ
ッケルを用いたが、その他ニッケルフェルトなどの三次
元金属多孔体、パンチングメタルなどの二次元的な金属
多孔板を用いても同様な効果が認められる。
【0024】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、長期にわ
たって高い利用率を維持するアルカリ蓄電池用正極活物
質をうることができる。従って、エネルギー密度および
サイクル特性の向上したアルカリ蓄電池を提供すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による正極活物質を用いたニッ
ケルー水素蓄電池の充放電サイクル数と活物質利用率と
の関係を示す特性図である。
【図2】Niの含有割合の異なる被覆層を有する活物質
を用いたニッケルー水素蓄電池の充放電サイクル数と活
物質利用率との関係を示す特性図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 和泉 陽一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5H003 AA04 BB02 BB04 BC01 BC05 BD03 BD05 5H016 AA02 EE05 HH01 HH08

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくともMnを固溶または共晶状態で
    含み、前記Mnの平均価数が3.3以上である、β−N
    i(OH)2型のニッケル酸化物からなる粒子、および
    その表面に形成されたコバルト酸化物の被覆層からな
    り、前記被覆層のコバルト酸化物が、NiおよびMnの
    少なくとも1種の元素を固溶または共晶状態で含んでい
    ることを特徴とするアルカリ蓄電池用正極活物質。
  2. 【請求項2】 前記被覆層におけるNiおよびMnの少
    なくとも1種の元素の含有割合は、被覆層における全金
    属元素の0.5モル%以上20モル%以下である請求項
    1に記載のアルカリ蓄電池用正極活物質。
  3. 【請求項3】 前記正極活物質が、タップ密度1.7g
    /cc以上の球状または球状に近い形状の粉末である請
    求項1または2に記載のアルカリ蓄電池用正極活物質。
  4. 【請求項4】 請求項1、2または3記載の活物質を含
    むアルカリ蓄電池用正極。
  5. 【請求項5】 さらに、イットリウム酸化物粒子を含む
    請求項4に記載のアルカリ蓄電池用正極。
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