JP2001202957A - アルカリ二次電池用非焼結ニッケル電極 - Google Patents
アルカリ二次電池用非焼結ニッケル電極Info
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Abstract
電極に関する。 【解決手段】 電極は集電体と、水酸化ニッケルをベー
スとする粉末状活物質とリチウム及びコバルトを含む導
電材とバインダーを含むペーストを含む。活物質は少な
くとも部分的にβ構造オキシ水酸化物に酸化されたニッ
ケルを主体とする水酸化物の粒子から構成され、これら
の粒子はニッケル及びコバルトのリチオ化酸化物で少な
くとも部分的に被覆されている。
Description
属水素化物、ニッケル−カドミウム、ニッケル−鉄、ニ
ッケル−亜鉛、ニッケル−水素蓄電池等のアルカリ二次
電池で特に正極として使用される非焼結ニッケル電極及
び該電極を含むアルカリ二次電池に関する。本発明は更
にこの電極の製造方法にも関する。
る二次元担体(例えば無孔もしくは有孔ストリップ、金
属シート、網又は布)又は三次元担体(例えば発泡体又
はフェルト)から構成される。ニッケルをベースとする
水酸化物から構成される活物質とバインダーを含むペー
ストに多くの場合は導電材を加えてこの集電体に塗布す
る。実際に、水酸化ニッケルは低導電性化合物であるた
め、電気通過を良好にする材料を電極に加える必要があ
る。導電材は多くの場合は金属コバルトCo、水酸化コ
バルトCo(OH)2及び/又は酸化コバルトCoO等
のコバルト化合物である。
酸化されてオキシ水酸化コバルトCoOOHとなり、コ
バルトの酸化度は+3以上になる。オキシ水酸化コバル
トはニッケル正極の通常作動範囲で安定であり、アルカ
リ電解液に不溶性である。オキシ水酸化コバルトは電極
の電気通過を確保する。
形成を促進するために、米国特許第5,405,714
号は金属コバルトCo粉末に活物質であるオキシ水酸化
ニッケルNiOOHの粉末をコバルトの60重量%未満
の割合で加えて正極で使用することを提案している。蓄
電池は正極の電位がCo/Co(OH)2対の電位に達
するまで休止しており、この電位から充放電する。コバ
ルトCoの粒子はオキシ水酸化コバルト層CoOOHで
被覆され、一方オキシ水酸化ニッケルNiOOHが水酸
化物状態Ni(OH)2に還元される。
正負極で等しい電気量に対応する。更に、後続放電時に
正極は完全(酸化度2)には放電されず、ニッケル酸化
度2.2までしか放電されない。このため、負極の非放
電容量(プリチャージと言う)がサイクル毎に増加し、
この電極の有効容量を漸減させ、蓄電池の寿命を縮める
原因となる。
ッケル正極をもつアルカリ蓄電池は電圧が経時的に低下
する。保存期間が数カ月を越えると、その電圧は0Vに
近づく。これらの条件下でオキシ水酸化コバルトCoO
OHはゆっくりと還元される。コバルトはまずCo3O
4中の酸化度+2.66となり、その後、Co(OH)
2中の酸化度+2に達する。
電解液に溶け易い化合物である。数カ月の保存後に非焼
結電極の通過格子(percolation netw
ork)の部分的溶解により導電性が低下する。その結
果、不可逆的容量損失が生じる。
リウム0.1〜10重量%を含むコバルト化合物をコー
ティングした水酸化ニッケル粉末を使用することを提案
している。米国特許第5,672,447号及びヨーロ
ッパ特許第0798801号は原子価が+2を上回る不
規則コバルト化合物を水酸化ニツケル粉末にコーティン
グすることを提案している。このようなコーティングは
低電位保存時には不安定になる。
許出願第0866510号は主成分としての水酸化ニッ
ケルと、式LixCoO2(式中、xは0.2〜0.9
である)により表される導電材としてのコバルトとリチ
ウムの酸化物を含む電極を提案している。ペーストは水
酸化ニッケル粉末と粒子表面にコバルトリチウム酸化物
層を被覆した水酸化ニッケル粉末との混合物を活物質と
し、これに導電材としてコバルトとリチウムの酸化物を
加えたものでもよい。電池保存中にまだかなり高い不可
逆的容量損失が認められる。
態保存時の不可逆的容量損失を現在公知の電極よりも低
減した非焼結ニッケル電極を提案することである。
プリチャージを低減したニッケル蓄電池を提案すること
である。
化ニッケルをベースとする粉末状活物質とリチウム及び
コバルトを含む導電材とバインダーを含むペーストを含
むアルカリ二次電池用非焼結ニッケル電極に関し、前記
活物質が少なくとも部分的にβ構造オキシ水酸化物に酸
化されたニッケルを主体とする水酸化物の粒子から構成
され、前記粒子がニッケル及びコバルトのリチオ化酸化
物である前記導電材で少なくとも部分的に被覆されてい
ることを特徴とする。
は、前記導電材の導電率が少なくとも1充電/放電サイ
クル(電気化学的化成と言う)後に10−2ジーメン
ス.cm−1を上回るようにする。
ルトのリチオ化酸化物は式LixNiyCo1−yO2
(式中、0.1≦x≦1且つ0<y≦0.9、好ましく
は0.02≦y≦0.9である)により表される。
は少なくとも3、好ましくは3.2以上である。
コバルトのリチオ化酸化物はナトリウムを含む。このリ
チオ化酸化物は式LixNazNiyCo1−yO
2(式中、x+zは0.1〜1であり、zは0〜0.5
であり、即ち0.1≦x+z≦1且つ0≦z≦0.5で
ある)により表されることが好ましい。
量は前記活物質に対して3〜9重量%であることが好ま
しい。
記ニッケル及びコバルトのリチオ化酸化物の粉末を含
む。
粒子の表面微孔を少なくとも部分的に占める。これは電
解液が接近可能な微孔であり、水酸化物の電気化学的活
性表面に寄与する。
発明を変更することなしにほぼ球形から不規則形状に至
る種々の形状をとることができる。
化ニッケルNi(OH)2の5〜35重量%、好ましく
は5〜20重量%、より好ましくは10〜20重量%は
β構造オキシ水酸化物に酸化されている。
いので、オキシ水酸化物γ−NiOOHを形成しないこ
とが重要である。γ相のこの特徴はコーティングの破断
や部分的破壊をもたらし、電極の性能、特に保存時の容
量維持に有害である。
「水酸化ニッケルを含む電気化学的活物質」なる用語は
水酸化ニッケル、ニッケルを主体とする水酸化物以外
に、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、マグネシウム
(Mg)及びアルミニウム(Al)から選択される元素
の少なくとも1種の同時晶出水酸化物や、コバルト(C
o)、マンガン(Mn)、アルミニウム(Al)、イッ
トリウム(Y)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム
(St)、ジルコニウム(Zr)及び銅(Cu)から選
択される元素の少なくとも1種の同時晶出水酸化物を含
む水酸化ニッケルも含む。
物は水酸化ニッケルと固溶体を形成する水酸化物、即ち
水酸化ニッケルの結晶格子により規定される原子部位を
連続可変割合で占める水酸化物である。
ッケル発泡体が有利である。
るバインダーを含む。
結晶性ポリマーとエラストマーの混合物である。前記結
晶性ポリマーの割合は前記バインダーの40〜75重量
%、前記エラストマーの割合は前記バインダーの25〜
60重量%が好ましい。
ピレンコポリマー(FEP)、ポリヘキサフルオロプロ
ピレン(PPHF)又はポリテトラフルオロエチレン
(PTFE)等のフルオロポリマーと、ポリエチレン
(PE)等のポリオレフィンから選択することができ
る。
レン/スチレン(SEBS)コポリマー、スチレン/ブ
タジエン/ビニルピリジン(SBVR)ターポリマー及
びスチレン/ブタジエン(SBR)コポリマーから選択
することができる。
ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフルオロ
ポリマーから選択される第1の成分と、カルボキシメチ
ルセルロース(CMC)、ヒドロキシプロピルメチルセ
ルロース(HPMC)、ヒドロキシエチルセルロース
(HEC)及びヒドロキシプロピルセルロース(HP
C)等のセルロース化合物、ポリフッ化ビニリデン(P
VDF)等のフッ素化合物、並びにスチレン/ブタジエ
ン(SBR)コポリマー等のエラストマーから選択され
る少なくとも1種の第2の成分を含む。
カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシプ
ロピルメチルセルロース(HPMC)、ヒドロキシプロ
ピルセルロース(HPC)及びヒドロキシエチルセルロ
ース(HEC)から選択されるセルロース化合物等の増
粘剤を更に含むことができる。
等の亜鉛化合物、Y2O3又はY(OH)3等のイット
リウム化合物及びCaO、Ca(OH)2又はCaF2
等のカルシウム化合物から選択される少なくとも1種の
別の化合物を含むことができる。この化合物は粉末形態
で加えることが好ましい。
にも関する。本方法は、 −酸化剤を含む溶液を調製する段階と、 −前記導電材を被覆した水酸化ニッケル粒子を前記溶液
に浸漬する段階と、 −前記粒子を前記溶液と接触させる段階と、 −酸化粒子を前記溶液から分離する段階と、 −前記酸化粒子を洗浄及び乾燥する段階を含む。
塩素酸カルシウムから選択することが好ましい。酸化剤
溶液は次亜塩素酸ナトリウム又は次亜塩素酸カルシウム
の水溶液が好ましい。
化に必要な化学量論量の1〜3倍が好ましい。
上げても得られる製品の特性は変わらない。溶液の温度
は40℃以下が好ましい。
時間〜3時間で十分であるが、それ以上でも支障ない。
100℃である。
二次電池にも関し、該二次電池は、上記のような本発明
の正極と、セパレーターと、充電すると水素化物を形成
することが可能な金属間化合物を電気化学的活物質と
し、総負容量が過容量と呼ぶ容量だけ総正容量を上回る
ように前記電気化学的活物質の総量が前記正極の電気化
学的活物質の総量を上回るようにし、前記正極を完全に
放電させると、プリチャージと呼ぶ前記過容量の一部が
部分的に充電状態になり、前記プリチャージが前記総負
容量の12%未満となるように構成した負極と、アルカ
リ水性電解液を含む。
る以下の記載に明示されるが、以下の記載は例示を目的
とし、発明を制限するものではない。
ル粉末を活物質とする電極Xを次のように作製した。
粉末の水中懸濁液に硫酸コバルトCoSO4溶液と水酸
化ナトリウムNaOH溶液を加えた。コバルト化合物層
が水酸化ニッケル粒子に堆積した。水酸化ニッケルに対
するコバルト化合物の割合は10モル%とした。
に酸化した。濃度25重量%の水酸化ナトリウムNaO
H水溶液に粉末を加えた。全体を酸素ガスの存在下に1
00℃で熱処理した。水洗及び乾燥後、不規則構造をも
つ原子価2.9のコバルト化合物を被覆した水酸化ニッ
ケル粒子から構成される活物質粉末が得られた。
表す)のペーストを使用して電極Xを下記のように作製
した。 −活物質:コバルト化合物層を被覆した水酸化ニッケル 98.7% −バインダー:ポリテトラフルオロエチレン(PTFE) 1% −増粘剤:カルボキシメチルセルロース(CMC) 0.3%。
95%のニッケル発泡体である集電体にペーストを導入
した。その後、全体を乾燥後、圧延し、電極Xを得た。
ター及び電解液と共にこの電極を正極として使用した。
が可能な金属間化合物を電気化学的活物質とした。その
容量は正極の容量よりも大きくした。ポリプロピレン不
織布から構成したセパレーターを介して各正極を負極に
並置し、電気化学的スタックを形成した。螺旋状に巻い
たスタックを金属缶に挿入し、7.4N水酸化カリウム
KOH、0.5N水酸化リチウムLiOH及び0.4N
水酸化ナトリウムNaOHの水溶液であるアルカリ電解
液を含浸させた。
的損失を下記条件下で評価した。
cで充電し(Icは蓄電池の公称容量Cを1時間で放電
させるために必要な電流である)、1Vの終止電圧まで
0.2 Icで放電する。
cで充電し、1Vの終止電圧までIcで放電する。
存した。約2カ月後に蓄電池の電圧はオキシ水酸化コバ
ルトの安定電圧(1.05V)よりも低下していた。
測定した。
で充電し、1VまでIcで放電する。
表1に示す。
ル粉末を活物質とする電極Yを次のように作製した。
ル粉末の水中懸濁液に硫酸コバルトCoSO4溶液と水
酸化ナトリウムNaOH溶液を加えた。水酸化コバルト
Co(OH)2層が水酸化ニッケル粒子を被覆した。こ
の生成物を120℃で48時間熱処理し、水酸化コバル
トCo(OH)2をオキシ水酸化物CoOOHに変換し
た。次に、得られた生成物を水酸化リチウムLiOHの
アルカリ溶液に導入し、全体を撹拌下に48時間80℃
に維持した。粒子がコバルトのリチオ化酸化物LiCo
O2で被覆された水酸化ニッケル粉末が得られた。コバ
ルトのリチオ化酸化物は活物質の5重量%であった。
で表す)のペーストを使用して電極Yを下記のように作
製した。 −活物質:コバルトのリチウム酸化物層を被覆した水酸化ニッケル 98.7% −バインダー:PTFE 1% −増粘剤:CMC 0.3%。
95%のニッケル発泡体である集電体にペーストを導入
した。その後、全体を乾燥後、圧延し、電極Yを得た。
電池AYで正極として使用した。
失を実施例1に記載した条件下で評価した。
表1に示す。
た水酸化ニッケル粉末を活物質とする電極Z1を次のよ
うに作製した。
た濃度4Mの硫酸コバルトCoSO 4と濃度0.2Mの
硫酸ニッケルNiSO4の溶液に懸濁した。水酸化ナト
リウムNaOH溶液をゆっくりと加え、溶液のpHを9
〜11に維持した。次に、得られた粉末を洗浄後、乾燥
した。
水酸化コバルトニッケル層を被覆した水酸化ニッケル粒
子が得られた。次に粉末を濃度5Nの水酸化リチウムL
iOH溶液に溶かし、酸素の存在下に90℃に24時間
維持した。次に、粉末を洗浄及び乾燥した。
のニッケルとコバルトのリチオ化酸化物を被覆した水酸
化ニッケル粉末が得られた。分光分析によると、x=
0.95であった。得られた粉末の粒径をレーザー粒度
測定により測定した処、11μmであった。水酸化ニッ
ケル粉末上に堆積したニッケルとコバルトのリチオ化酸
化物の量は6%であった。
覆した水酸化ニッケル粉末を次に下記条件下で化学的に
酸化した。13%の酸化度を得るために化学量論量の次
亜塩素酸ナトリウムNaOClを含む酸化溶液と粉末を
接触させた。粒子を温度20℃で1時間懸濁状態に維持
した。次に、粉末を周囲温度で蒸留水で洗浄した後、約
70℃の温度で5時間乾燥した。
β−NiOOHに酸化されており、表面層の結晶特性は
変化していないことがX線回折により確認された。得ら
れた粉末の粒径をレーザー粒度測定により測定した処、
11μmであった。分光分析によると、リチオ化酸化物
コーティングは式LixNi0.05Co0.95O 2
(式中、x=0.93)で表されることが確認された。
で表す)のペーストを使用して電極Z1を下記のように
作製した。 −活物質:ニッケルとコバルトのリチオ化酸化物を被覆した水酸化ニッケル 9 8.7% −バインダー:PTFE 1% −増粘剤:CMC 0.3%。
95%のニッケル発泡体である集電体にペーストを導入
した。その後、全体を乾燥後、圧延し、電極Z1を得
た。
電池AZ1で正極として使用した。
損失を実施例1に記載した条件下で評価した。
比容量を下表1に示す。
%と同時晶出水酸化亜鉛約5%を含み、粒子にニッケル
とコバルトのリチオ化酸化物層を被覆した水酸化ニッケ
ル粉末を活物質とした以外は、実施例3と同様の電極Z
2を作製した。作製方法は実施例2に準じた。
に組立てた。
の放電状態保存時の不可逆的損失を評価した処、蓄電池
AZ1と同一結果が得られた。
Claims (29)
- 【請求項1】 集電体、並びに、水酸化ニッケルをベー
スとする粉末状活物質とリチウム及びコバルトを含む導
電材とバインダーとを含むペーストを含んでなるアルカ
リ二次電池用非焼結ニッケル電極であって、前記活物質
が少なくとも部分的にβ構造オキシ水酸化物に酸化され
たニッケルを主体とする水酸化物の粒子から構成され、
前記粒子がニッケル及びコバルトのリチオ化酸化物であ
る前記導電材で少なくとも部分的に被覆されていること
を特徴とする前記電極。 - 【請求項2】 前記導電材の導電率が少なくとも1充電
/放電サイクル後に10−2ジーメンス.cm−1を上
回る請求項1に記載の電極。 - 【請求項3】 前記ニッケル及びコバルトのリチオ化酸
化物が式LixNi yCo1−yO2(式中、0.1≦
x≦1且つ0<y≦0.9である)により表される請求
項1又は2に記載の電極。 - 【請求項4】 0.02≦y≦0.9である請求項3に
記載の電極。 - 【請求項5】 前記リチオ化酸化物中のコバルトの酸化
度が少なくとも3である請求項1から4のいずれか一項
に記載の電極。 - 【請求項6】 前記リチオ化酸化物がナトリウムを含む
請求項1から5のいずれか一項に記載の電極。 - 【請求項7】 前記リチオ化酸化物が式LixNazN
iyCo1−yO2(式中、x+zは0.1〜1であ
り、zは0〜0.5である)により表される請求項6に
記載の電極。 - 【請求項8】 前記リチオ化酸化物の量が前記活物質に
対して3〜9重量%である請求項1から7のいずれか一
項に記載の電極。 - 【請求項9】 前記ペーストが更に前記リチオ化酸化物
の粉末を含む請求項1から8のいずれか一項に記載の電
極。 - 【請求項10】 前記水酸化ニッケルの5〜35重量%
がβ構造オキシ水酸化物に酸化されている請求項1から
9のいずれか一項に記載の電極。 - 【請求項11】 前記水酸化ニッケルの5〜20重量%
がβ構造オキシ水酸化物に酸化されている請求項10に
記載の電極。 - 【請求項12】 前記水酸化ニッケルの10〜20重量
%がβ構造オキシ水酸化物に酸化されている請求項10
又は11に記載の電極。 - 【請求項13】 前記水酸化ニッケルがニッケルと、亜
鉛、カドミウム、マグネシウム及びアルミニウムから選
択される元素の少なくとも1種の同時晶出水酸化物を含
む請求項1から12のいずれか一項に記載の電極。 - 【請求項14】 前記水酸化ニッケルが更にコバルト、
マンガン、アルミニウム、イットリウム、カルシウム、
ストロンチウム、ジルコニウム及び銅から選択される元
素の少なくとも1種の同時晶出水酸化物を含む請求項1
3に記載の電極。 - 【請求項15】 前記集電体がニッケル発泡体である請
求項1から14のいずれか一項に記載の電極。 - 【請求項16】 前記バインダーが結晶性ポリマーとエ
ラストマーの混合物である請求項1から15のいずれか
一項に記載の電極。 - 【請求項17】 前記結晶性ポリマーの割合が前記バイ
ンダーの40〜75重量%であり、前記エラストマーの
割合が前記バインダーの25〜60重量%である請求項
16に記載の電極。 - 【請求項18】 前記結晶性ポリマーがフルオロポリマ
ーとポリオレフィンから選択される請求項16又は17
に記載の電極。 - 【請求項19】 前記エラストマーがスチレン/エチレ
ン/ブチレン/スチレンコポリマー、スチレン/ブタジ
エン/ビニルピリジンターポリマー及びスチレン/ブタ
ジエンコポリマーから選択される請求項16から18の
いずれか一項に記載の電極。 - 【請求項20】 前記バインダーがポリテトラフルオロ
エチレンをベースとする第1の成分と、カルボキシメチ
ルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、
ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセル
ロース、ポリフッ化ビニリデン及びスチレン/ブタジエ
ンコポリマーから選択される第2の成分を含む請求項1
から15のいずれか一項に記載の電極。 - 【請求項21】 請求項1から20のいずれか一項に記
載の正極と、セパレーターと、充電したときに水素化物
を形成することが可能な金属間化合物を電気化学的活物
質とする負極であって、総負容量が過容量と呼ぶ容量だ
け総正容量を上回るように前記電気化学的活物質の総量
が前記正極の電気化学的活物質の総量を上回るように
し、前記正極を完全に放電したときに、前記過容量の一
部(プリチャージと呼ぶ)が部分的に充電状態であり、
前記プリチャージが前記負容量の12%未満となるよう
に構成した前記負極と、アルカリ水性電解液とを含む二
次電池。 - 【請求項22】 請求項1から20のいずれか一項に記
載の電極の製造方法であって、 −酸化剤を含む溶液を調製する段階と、 −前記導電材を被覆した水酸化ニッケル粒子を前記溶液
に浸漬する段階と、 −前記粒子を前記溶液と接触させる段階と、 −酸化された粒子を前記溶液から分離する段階と、 −前記酸化された粒子を洗浄及び乾燥する段階と を含む前記方法。 - 【請求項23】 前記酸化剤が次亜塩素酸ナトリウムと
次亜塩素酸カルシウムから選択される請求項22に記載
の方法。 - 【請求項24】 前記酸化剤の量が前記水酸化ニッケル
の酸化に必要な化学量論量の1〜3倍である請求項22
又は23に記載の方法。 - 【請求項25】 溶液の温度が20℃〜90℃である請
求項22から24のいずれか一項に記載の方法。 - 【請求項26】 溶液の温度が20℃〜40℃である請
求項25に記載の方法。 - 【請求項27】 水酸化ニッケル粒子と溶液の接触時間
が1時間〜3時間である請求項22から26のいずれか
一項に記載の方法。 - 【請求項28】 乾燥温度が40℃〜100℃である請
求項22から27のいずれか一項に記載の方法。 - 【請求項29】 乾燥時間が12時間〜48時間である
請求項22から28のいずれか一項に記載の方法。
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