JP2002348693A - 電解二酸化マンガン粉末及びその製造法 - Google Patents
電解二酸化マンガン粉末及びその製造法Info
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Abstract
活物質として使用される電解二酸化マンガン粉末がアル
カリ電解液中で高いアルカリ電位を有し、またはアルカ
リ電解液中で高い電位を有しかつ高い充填性を有する電
解二酸化マンガン粉末とその製造法を提供することを目
的とするものである。 【解決手段】粒子径が100μm以下、1μm以下の粒
子の個数が15%未満で、かつそのメジアン径が20μ
m以上60μm以下の範囲にある電解二酸化マンガン粉
末であって、該粉末を、40%KOH水溶液中で水銀/
酸化水銀参照電極を基準として測定した時の電位が27
0mV以上である電解二酸化マンガン粉末、及び、粒子
径が74μm以上の粒子の重量割合が4.5%以下であ
る当該の電解二酸化マンガン粉末、並びに、当該電解二
酸化マンガン粉末を成形圧が3トン/cm2で成形した
成形体の密度(ρ)が、3.20≦ρ≦3.35である
請求項1〜3記載の電解二酸化マンガン粉末。
Description
乾電池、特にアルカリマンガン乾電池において、正極活
物質として使用される電解二酸化マンガンの特定性状を
有する電解二酸化マンガン粉末およびその製造法に関す
る。
ンガン乾電池またはアルカリマンガン乾電池の正極活物
質として知られており、保存性に優れかつ安価であると
いう利点を有する。
質として用いるアルカリマンガン乾池は、重負荷での放
電特性に優れていることから電子カメラ、携帯用テープ
レコーダー、携帯情報機器、さらにはゲーム機や玩具に
まで幅広く使用され、近年急速にその需要が伸びてきて
いる。しかしながら、アルカリマンガン乾電池は、放電
電流が大きくなるに従い正極活物質である電解二酸化マ
ンガン粉末の利用される量が低下し、また放電電圧が低
下するために放電容量が大きく損なわれるという課題が
ある。言い換えると、大電流を使用する機器にアルカリ
マンガン乾電池を用いると充填されている正極活物質で
ある電解二酸化マンガンが十分に使用されず使用時間が
短くなるという欠点を有している。
段は、電池が放電される際の電圧を高くするために、電
解二酸化マンガン粉末を40%KOH水溶液中で水銀/
酸化水銀参照電極を基準として測定した時の電位(以下
アルカリ電位)が高いものほど、実際の使用に際して許
容しうる放電電圧までの放電時間をより長くできる。ま
た、電池内への電解二酸化マンガン粉末を十分な量充填
することにより、実質的な電池容量を増加させることで
実際の使用に際して許容しうる放電電圧までの放電時間
をより長くできる。すなわち、特にアルカリマンガン乾
電池用途の電解二酸化マンガン粉末は、十分に高いアル
カリ電位または高いアルカリ電位と併せて高い充填性が
要求される。
粉末ではそのアルカリ電位は十分ではなく、また、高い
充填性を得ることも困難であった。
電解液中での電位は、水銀/酸化水銀参照電極を基準と
して測定した場合250mVであり、これは特に金属亜
鉛を負極活物質として用いるアルカリマンガン乾電池の
電圧では1.55Vとなる。また、1Aの電流を取り出
した場合アルカリマンガン乾電池の電池電圧は350m
V低下して1.20Vとなる。一般に、アルカリマンガ
ン乾電池が機器を駆動するのに必要な最低電圧は0.9
Vまでであるため、電解二酸化マンガン粉末のアルカリ
電解液中での電位が最大でも250mVであり、使用可
能な放電区間は1.20Vから0.9Vまでの高々30
0mV程度しか利用できない。
マンガン乾電池の正極活物質として使用される際には、
電解二酸化マンガン粉末を円盤状またはリング状に加圧
成形した粉末成形体として電池正極とする。
ば電池内に電解二酸化マンガン粉末の充填量を上げるこ
とができ電池容量が大きくなる。しかしながら従来の電
解二酸化マンガン粉末にあっては、電解二酸化マンガン
粉末5gを成形圧3トン/cm2で直径2cmの円盤状
に成形した場合の粉末成形体密度ρは高々3.2g/c
m3であり、充分な充填性を得ることができないという
欠点を有していた。
(特許番号WO00/37714)において示されてい
る電解二酸化マンガン粉末は、その粒子構成が低電流密
度電解で製造されるため、粒子径で74μm以上のもの
が9%も含まれており粗大粒子の存在は大きな電流での
放電において利用率が低下を引き起こす。また、必要な
充填密度を得るために4.5トン/cm2の成形圧を必
要とし電解二酸化マンガン粉末の放電に必要な水分の正
極合剤中への浸入が不十分となり、充分な利用率が得ら
れない。また、低電流密度での電解のために生産性の低
下を引き起こす等の課題を有している。
リマンガン乾電池の正極活物質として使用される電解二
酸化マンガン粉末がアルカリ電解液中で高いアルカリ電
位を有し、またはアルカリ電解液中で高い電位を有しか
つ高い充填性を有する電解二酸化マンガン粉末とその製
造法を提供することを目的とするものである。
重ねた結果、アルカリ電解液中で高い電位を有し、また
はアルカリ電解液中で高い電位を有しかつ高い充填性を
有する電解二酸化マンガン粉末の発明を完成するに至っ
た。さらに、この電解二酸化マンガン粉末を製造するに
当たっては、電解二酸化マンガンの電解工程において電
解温度、電解液濃度の電解条件を検討した結果その製造
法を完成するに至った。
末はアルカリ電解液中で高い電位を有し、またはアルカ
リ電解液中で高い電位を有しかつ高い充填性を有し、最
大粒子径が100μm以下、1μm以下の粒子の個数が
15%未満で、かつそのメジアン径が20μm以上60
μm以下の範囲にある電解二酸化マンガン粉末であっ
て、該粉末を、40%KOH水溶液中で水銀/酸化水銀
参照電極を基準として測定した時の電位が270mV以
上である電解二酸化マンガン粉末であって、さらに該粉
末を3ton/cm2の加圧成形した際の成形体密度
(ρ)が、3.20≦ρ≦3.35の範囲にある電解二
酸化マンガン粉末である。
は、2価マンガンの濃度が35g/l〜60g/l、硫
酸の濃度が35g/l〜60g/l、温度が90℃以上
である硫酸マンガンと硫酸の水溶液を電解液として、陽
極と陰極を備えた電解槽内で、電解電流密度が70A/
m2〜100A/m2の範囲で電解を行い、陽極上に電析
固着した電解二酸化マンガン析出物を剥離して得られる
塊状の電解二酸化マンガンを粉砕した後、分級すること
による。
る。
マンガン乾電池の正極活物質として使用される際には、
電解二酸化マンガン粉末に導電性を付与するためにカー
ボン等を加えた混合粉末を円盤状またはリング状に加圧
成形した粉末成形体として電池正極とする。これをさら
に、電池を構成する円筒状のニッケル鍍金を施した鉄製
の電池缶に挿入して電池を構成する。
の最大粒子径、1μm以下の粒子の個数、メジアン径を
定めているのは以下に述べる理由による。
ンガン粉末では、100μmを越えるサイズの粉末が存
在すると、電池缶内を傷つける結果、電池缶に施した鍍
金を破損し露出した鉄と反応してガス発生などの原因と
なる。さらに電池負極となる亜鉛と、電池正極となる電
解二酸化マンガン粉末を加圧成形してなる粉末成形体
を、電気的に絶縁するためのセパレータの破損を招き、
正極活物質である電解二酸化マンガン粉末と電池負極で
ある亜鉛が直接接触することになり電池の保存中に自己
放電を生じ容量低下を招く。
するためのカーボンとの接触が不十分となりその個数が
15%以上では利用できる電解二酸化マンガンの量が大
きく損なわれることになる。
は電解二酸化マンガン粉末の全表面積が低下し反応性が
悪くなる。さらにメジアン径が20μm未満の電解二酸
化マンガン粉末は充填性が大きく損なわれる。
ンガン粉末は、最大粒子径は100μm以下、1μm以
下の粒子の個数が15%未満、メジアン径は20μm以
上60μm以下であることが必要である。さらに1μm
以下の粒子個数が10%未満、74μm以上の粒子の重
量割合が4.5%未満であればその効果がさらに顕著と
なることは言うまでもない。
ンガン粉末では、最大粒子径と1μm以下の粒子の個
数、さらにはメジアン径の規定が重要であり、また高い
アルカリ電位を示すことが重要である。本発明の電解二
酸化マンガン粉末の粒度については以下に述べる方法に
より測定した。 (最大粒子径、1μm以下の粒子の個数、メジアン径の
測定法)本発明の製造法で製造された電解二酸化マンガ
ン粉末を分散懸濁した溶液にレーザー光を照射し、その
散乱光により測定する光散乱法(日機装社製、商品名:
マイクロトラック)を用いて電解二酸化マンガン粉末の
粒子径と個数の測定を行った。この方法では、分散懸濁
した電解二酸化マンガン粉末の粒子径を測定し、電解二
酸化マンガンの最大粒子径と1μm以下の粒子の個数お
よびメジアン径を測定した。
ン乾電池には、電解二酸化マンガン粉末のアルカリ電解
液中で高い電位が必要であり、本発明における電解二酸
化マンガン粉末の、40%KOH水溶液中での電位の測
定法について述べる。 (40%KOH水溶液中での電解二酸化マンガン粉末の
電位の測定法)本発明における40%KOH水溶液中で
の電解二酸化マンガン粉末の電位の測定は、電解二酸化
マンガン粉末2gに40%KOH水溶液5mlを加え、
電解二酸化マンガン粉末とKOH水溶液の混合物スラリ
ーとし、この混合物スラリーの電位を水銀/酸化水銀参
照電極を基準として測定し電解二酸化マンガン粉末のア
ルカリ電位として評価した。
いては、電解二酸化マンガン粉末の高い充填性が必要で
ある。本発明の電解二酸化マンガン粉末は高い充填性を
備えており、以下に述べる本発明の電解二酸化マンガン
粉末の成形体密度ρを測定する方法により確認した。 (粉末成形体密度ρの測定法)本発明の製造法で製造さ
れた電解二酸化マンガン粉末を5g採取し、直径2cm
の円筒状の金型に入れて、上下方向より3ton/cm
2の圧力で加圧し得られたそれぞれの粉末成形体の厚み
を測定し、さらに円盤状粉末成形体の直径から粉末成形
体体積を算出し、粉末成形体の体積と重量から粉末成形
体密度ρを求める方法により測定した。
は、3ton/cm2の成形圧力で円盤状粉末成形体を
作成し粉末成形体ρを求めた結果、成形体密度ρが3.
2g/cm3以上3.5g/cm3以下の粉末成形体密度
ρを有する電解二酸化マンガン粉末である。
マンガン(Mn2+)の濃度が35g/l〜60g/
l、硫酸の濃度が35g/l〜60g/l、温度が90
℃以上である硫酸マンガンと硫酸の水溶液を電解液とし
て、陽極と陰極を備えた電解槽内で、電解電流密度が7
0A/m2〜100A/m2の範囲で電解を行い、陽極上
に電析固着した電解二酸化マンガン析出物を剥離して得
られる塊状の電解二酸化マンガンを粉砕した後、分級す
ることにより電解二酸化マンガン粉末を製造する。これ
は以下に述べる理由による。
(1)に従い電解により陽極上に析出する。
ない場合は、少ない場合は、陽極上へのMn2+供給不足
が発生する結果、電解電圧の上昇を引き起こし陽極上で
酸素発生を招き効率が低下する。
合には電解二酸化マンガン中にアルカリ電位の低いβ−
MnO2が生成する。
硫酸濃度が35g/lより低い場合には電解二酸化マン
ガン中にアルカリ電位の低いβ−MnO2が生成する。
さらに硫酸濃度60g/lより高い場合においては電解
電圧の上昇を引き起こし陽極上で酸素発生を招き効率が
低下する。
解液濃度よりさらに広い範囲で電解生成可能であるが、
本発明の電解二酸化マンガン粉末が高い充填性を有し、
または高い充填性とアルカリ電解液中で高い電位を併せ
もつ電解二酸化マンガン粉末を得るためには、電解液中
のMn2+濃度と硫酸濃度を規定する必要があり、その範
囲は2価マンガンMn2+の濃度が35g/l〜60g/
l、硫酸の濃度が35g/l〜60g/lである。
以上、及び電解電流密度は70A/m2〜100A/m2
で行うことが必須である。この理由は、電解温度が90
℃未満、および電解電流密度が70A/m2未満の場合
あるいは100A/m2より大きい場合は電解二酸化マ
ンガン粉末のアルカリ電解液中での電位が低くなりかつ
充填性が不十分となり、本発明の目的を達成することが
できないからである。
酸化マンガンの電解製造における陽極板はチタンを用い
ているが、他のチタン合金、鉛板、黒鉛板であっても適
用できることはいうまでもない。また電極上に析出した
電解二酸化マンガンは衝撃により剥離することから、耐
衝撃性の優れたチタンあるいはチタン合金がより望まし
い。
粗粉砕としてジョークラッシャーにより1辺が3cmか
ら5cmの塊状物に粉砕し、さらに微粉砕を行うために
ロール粉砕機により粉砕を行う。その後乳鉢によりさら
に粉砕を行った。さらに必要に応じて乾式ボールミル粉
砕も併用した。
ッシャー以外にジャイレートクラッシャー等での粉砕も
可能である。さらに乳鉢による粉砕の他に湿式ボールミ
ル粉砕、臼(ミル)粉砕などが適用可能であることは言
うまでもない。また分級方法においてはふるいによる他
に粉砕して得られた電解二酸化マンガン粉末をさらに純
水中に分散し沈降粉末をろ過し70℃気流中で乾燥を行
うことにより微粉末をさらに除去することが出来るので
より好ましい。さらに、特にアルカリマンガン乾電池用
途に限っては、電解二酸化マンガン粉末をさらにNa2
CO3あるいはNaOH水溶液中にて中和し水洗・乾燥
が行われるがそのような操作が行われる場合であっても
本発明が適用でき、これらに限定されるものではない。
説明する。
た内容積20リットルの電解槽に陽極としてチタン板、
陰極として黒鉛板をそれぞれ向かい合うように懸垂せし
め、電解槽上部より硫酸マンガン溶液を補給する為の管
を設けたものを使用した。
い、この溶液を前記電解槽に注入しながら、電解するに
際して、電解中の電解液の組成が2価マンガン濃度35
g/l、硫酸濃度40g/lとなるように調整し、電解
槽の温度を95℃に保ち、電流密度80A/m2で行っ
た。
電着した陽極チタン板を取りだし純水にて洗浄後、陽極
チタン板上に析出固着した電解二酸化マンガンを打撃に
より剥離し、得られた塊状物をジョークラッシャーによ
り粗粉砕しさらにロールミル粉砕機により細かく粉砕
し、その後乳鉢により粉砕を行った後、目開き200メ
ッシュのふるいにて分級し、電解二酸化マンガン粉末を
得た。
ン粉末の粒度は、溶媒を純水として粉末を懸濁しそこに
レーザー光を照射する光散乱法(日機装社製、商品名:
マイクロトラック)を用いて測定した結果、最大粒子径
が90μmでかつ1μm以下の粒子の個数が5%で、か
つそのメジアン径が50μmであった。また、74μm
以上の粒子割合は3.2%であった。この電解二酸化マ
ンガン粉末2gを採取しこれに40%KOH5mlを加
え、水銀/酸化水銀参照電極を基準として電解二酸化マ
ンガン粉末のアルカリ電位を測定した。結果は320m
Vであった。
採取し、直径2cmの円筒金型に入れ上下より3ton
/cm2で加圧して成形した粉末成形体の厚さを測定
し、粉末成形体密度ρを算出した。この電解二酸化マン
ガン粉末の粉末成形体密度ρは、3.35g/cm3で
あった。
子径、1μm以下の粒子の個数、メジアン径、粉末成形
体密度、アルカリ電位の測定結果を表1に示す。
いても、電解二酸化マンガン製造条件および測定結果を
同様に表1に示す。
の方法で電解二酸化マンガン粉末を得た。測定結果を表
1に示す。
な方法でおこない、さらにボールミルによる乾式粉砕を
12時間おこない電解二酸化マンガン粉末を得た。その
結果を表1に示す。
の方法で電解二酸化マンガン粉末を得た。測定結果を表
1に示す。
でおこない、さらにボールミルによる乾式粉砕を24時
間おこない電解二酸化マンガン粉末を得た。その結果を
表1に示す。
で電解二酸化マンガン粉末を得た。その結果を表1に示
す。
でおこない、さらにボールミルによる乾式粉砕を12時
間おこない電解二酸化マンガン粉末を得た。その結果を
表1に示す。
で電解二酸化マンガン粉末を得た。その結果を表1に示
す。
製された電解二酸化マンガン粉末はいずれも、最大粒子
径が100μm以下、1μm以下の粒子の個数が15%
未満、メジアン径が20μm以上60μm以下であり、
電解二酸化マンガン粉末のアルカリ電位はいずれも27
0mV以上であることが分かる。
電解二酸化マンガン粉末は、いずれも最大粒子径が10
0μm以下であるが、比較例1は1μm以下の粒子の個
数が21%であり、またそのメジアン径が15μmであ
り、さらにそれら粉末のアルカリ電位はいずれも270
mV以下である。さらに、比較例2では最大粒子径10
0μm以下、1μm以下の個数が7%、メジアン径が5
5μmであるが、本発明の製造法の範囲外にある場合に
は、同様に粉末のアルカリ溶液中の電位は270mV以
下であり十分な電位が得られないということは明らかで
ある。
電解二酸化マンガン粉末のアルカリ電位が270mV以
上あるためには電解温度として95℃以上であることが
より望ましい。
二酸化マンガン粉末及びその製造法により得られた電解
二酸化マンガン粉末は、従来にないアルカリ電解液中で
高い電位を有しかつ高い充填性を有する顕著で特有の電
解二酸化マンガン粉末であって、特にアルカリマンガン
乾電池に用いることによってアルカリマンガン乾電池の
電池容量を著しく向上することが期待出来る。またその
製造法は経済性にすぐれ、著しく生産性を向上すること
が出来る。
Claims (6)
- 【請求項1】粒子径が100μm以下、1μm以下の粒
子の個数が15%未満で、かつそのメジアン径が20μ
m以上60μm以下の範囲にある電解二酸化マンガン粉
末であって、該粉末を、40%KOH水溶液中で水銀/
酸化水銀参照電極を基準として測定した時の電位が27
0mV以上である電解二酸化マンガン粉末。 - 【請求項2】1μm以下の粒子の個数が10%未満であ
る請求項1記載の電解二酸化マンガン粉末。 - 【請求項3】粒子径が74μm以上の粒子の重量割合が
4.5%以下である請求項1又は請求項2記載の電解二
酸化マンガン粉末。 - 【請求項4】請求項1記載の電解二酸化マンガン粉末を
成形圧が3トン/cm 2で成形した成形体の密度(ρ)
が、3.20≦ρ≦3.35である請求項1〜3のいず
れかに記載の電解二酸化マンガン粉末。 - 【請求項5】電位が300mV以上である請求項1〜4
のいずれかに記載の電解二酸化マンガン粉末。 - 【請求項6】電解二酸化マンガン粉末を製造するに際
し、2価マンガンの濃度が35〜60g/l,硫酸濃度
が35〜60g/l,温度が90℃以上である電解液と
して、70〜100A/m2の電流密度で電解を行い、
陽極上に電析固着した電解二酸化マンガン析出物を剥離
して得られる塊状の電解二酸化マンガンを粉砕した後、
分級することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記
載の電解二酸化マンガン製造方法。
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