JP2002358956A - ニッケル・水素蓄電池用負極板およびその製造方法ならびにそれを用いたニッケル・水素蓄電池 - Google Patents
ニッケル・水素蓄電池用負極板およびその製造方法ならびにそれを用いたニッケル・水素蓄電池Info
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Abstract
ることを防止できるとともに、大電流充放電特性に優れ
たニッケル・水素蓄電池を形成できるニッケル・水素蓄
電池用負極板およびその製造方法、ならびにニッケル・
水素蓄電池を提供する。 【解決手段】 導電性の支持体11と、水素吸蔵合金を
含み支持体11に支持された層12と、層12の表面に
配置されたニッケル粒子13と、ニッケル粒子13の間
に配置された黒鉛粒子14とを含む。
Description
電池用負極板およびその製造方法、ならびにそれを用い
たニッケル・水素蓄電池に関する。
く、エネルギー密度が高いという特徴を有しており、近
年需要が拡大している。このニッケル・水素蓄電池は、
各種のコードレス機器や、電子機器、電動工具、電気自
動車などの電源に採用され、商品化されている。近年、
ニッケル・水素蓄電池の用途が拡大するとともに、充放
電の大電流化、高容量化、長寿命化がさらに望まれてい
る。
ケル・水素蓄電池では、充電末期または過充電時に、反
応式(1)に示す反応によって酸素ガスが正極において
発生する。
到達し、反応式(2)および反応式(3)に示す反応に
よって消費される。
いと、即ち、負極側における酸素ガスと水素吸蔵合金中
の水素との反応が速やかに進行しないと、正極における
酸素ガスの発生速度が負極における酸素ガスの消費速度
を上回るため、電池の内圧が上昇することになる。そし
て、電池の内圧が安全弁の作動圧以上になると、安全弁
が作動して電池内のガスが放出される。このとき、ガス
放出と同時に電解液も電池外に放出される場合があり、
電解液の不足が起こりやすくなる。その結果、電池のサ
イクル寿命が低下してしまうという問題がある。このよ
うな問題は、急速充電を行った場合に特に顕著となる。
場合、急速充電時に負極においても反応式(4)に示す
ような水素ガス発生反応が生じ、電池の内圧が上昇す
る。
にNi層を形成した負極が提案されている(特開平11
−120999号公報参照)。この負極では、Niメッ
キによって負極の表面に略球形のNi粒子を形成してい
る。その結果、この負極では、負極表面の導電性が向上
することによって充電受け入れ性が向上し、負極自体の
水素ガス発生が抑制される。また、この負極では、負極
の表面付近の合金中に水素が存在しやすくなる。さら
に、ニッケルは酸素ガス還元の触媒性を有し、反応式
(2)に示される酸素ガス還元反応を促進させる。この
ようにして、酸素ガスの消費の促進、および水素ガス発
生の抑制を行い、内圧の上昇を抑制する。
表面に炭素粉末層を形成した負極が提案されている(特
開昭63−195960号公報参照)。この負極では、
負極表面の導電性が向上することによって充電受け入れ
性が向上する。その結果、この負極では、負極自体の水
素ガス発生が抑制されるとともに、負極の表面付近の合
金中に水素が存在し易くなることになる。このようにし
て、酸素ガスの消費の促進、および水素ガス発生の抑制
を行い、内圧の上昇を抑制する。
によってNi粒子を析出させる前者の負極では、Ni粒
子層の連続性が不十分であり、特に、負極板の表面にあ
る微小な亀裂の部分で不連続性が顕著となる。このた
め、前者の負極では、負極表面の導電性のさらなる向上
が求められていた。
は、炭素粉末層の導電性が前者のニッケルメッキ層の導
電性より低い。このため、後者の負極では、酸素ガス消
費能力および大電流充放電特性のさらなる向上が求めら
れていた。
過充電時に電池の内圧が高くなりすぎることを防止でき
るとともに、大電流充放電特性に優れたニッケル・水素
蓄電池を形成できるニッケル・水素蓄電池用負極板およ
びその製造方法、ならびにそれを用いたニッケル・水素
蓄電池を提供することを目的とする。
に、本発明のニッケル・水素蓄電池用負極板は、導電性
の支持体と、水素吸蔵合金を含み前記支持体に支持され
た層と、前記層の表面に配置されたニッケル粒子と、前
記ニッケル粒子の間に配置された黒鉛粒子とを含むこと
を特徴とする。この負極板によれば、電池の過充電時に
電池の内圧が高くなりすぎることを防止できるととも
に、大電流充放電特性に優れたニッケル・水素蓄電池を
形成できる。
形(略球形とは、球形、ほぼ球形、楕円形、鶏卵形など
を含む形状である)で且つその粒径が3.0μm以下で
あり、前記黒鉛粒子の粒径が2.0μm以下であっても
よい。特に、ニッケル粒子の粒径が0.1μm〜3.0
μmの範囲内であり、黒鉛粒子の粒径が0.05μm〜
2.0μmの範囲内であることが好ましい。ニッケル粒
子の粒径を0.1μm以上とすることによって、ニッケ
ル粒子の略球形のニッケル粒子を容易に製造できる。ま
た、ニッケル粒子の粒径を3.0μm以下とすることに
よって、比表面積が小さくなることによるガス吸収効果
の低下を防止できる。また、黒鉛粒子の粒径が0.05
μmよりも小さい場合、黒鉛粒子を負極表面に固定する
ための結着剤の量が増えるため、水素吸蔵合金の粒子の
表面に接触しにくくなって酸素ガスの吸収効果が低下す
る。また、黒鉛粒子の粒径が2.0μmよりも大きい場
合、ニッケル粒子間または負極板表面の亀裂に黒鉛粒子
が入りにくくなり、負極表面の導電性が低下する。した
がって、黒鉛粒子の粒径は、0.05μm〜2.0μm
の範囲内であることが好ましい。
極板の製造方法は、(i)導電性の支持体上に水素吸蔵
合金を含む層を形成する工程と、(ii)前記支持体をカ
ソードとして電気メッキを行うことによって、前記層上
にニッケル粒子を析出させる工程と、(iii)前記(i
i)の工程を経た前記層上に黒鉛粒子を塗布する工程と
を含み、前記(ii)の工程において、電流密度が100
mA/cm2〜300mA/cm2(すなわち、メッキさ
れる負極板面積の1cm2あたり100mA〜300m
Aの電流値。)の範囲内の条件で6秒間〜180秒間の
あいだ電気メッキを行うことを特徴とする。この製造方
法によれば、本発明の負極板を容易に製造できる。
球形で且つその粒径が3.0μm以下であり、前記黒鉛
粒子の粒径が2.0μm以下であってもよい。特に、ニ
ッケル粒子の粒径が0.1μm〜3.0μmの範囲内で
あり、黒鉛粒子の粒径が0.05μm〜2.0μmの範
囲内であることが好ましい。
正極板と負極板とセパレータと電解液とを含むニッケル
・水素蓄電池であって、前記負極板が、上記本発明のニ
ッケル・水素蓄電池用負極板であることを特徴とする。
て説明する。
ニッケル・水素蓄電池用負極板について説明する。実施
形態1のニッケル・水素蓄電池用負極板10(以下、負
極板10という場合がある)について、断面図を図1に
模式的に示す。
素吸蔵合金(図示せず)を含み支持体11に支持された
層12と、層12の表面全体に分散して配置された略球
形のニッケル粒子13と、ニッケル粒子13の間に配置
された黒鉛粒子14とを含む。
iメッキをした鉄からなるパンチングメタルなどを用い
ることができる。
ックなどの導電剤とを少なくとも含む。水素吸蔵合金と
しては、ニッケル・水素蓄電池に一般的に用いられる合
金を用いることができ、たとえば、Mm(ミッシュメタ
ル:希土類元素の混合物)とNiとを含む合金を用いる
ことができる。層12の表面には、小さな亀裂12aが
形成されている場合がある。層12は、実施形態2で説
明する方法で形成できる。
が3.0μm以下(好ましくは、0.1μm〜3.0μ
mの範囲内)である。ニッケル粒子13は、実施形態2
で説明する方法で形成できる。ニッケル粒子13の量
は、負極板1cm2あたり0.0001g〜0.003
gの範囲内であることが好ましい。
天然黒鉛や人工黒鉛などを用いることができる。黒鉛粒
子14の粒径は、2.0μm以下(好ましくは、0.0
5μm〜2.0μmの範囲内)である。黒鉛粒子14の
平均粒径は、ニッケル粒子13の平均粒径よりも小さ
い。黒鉛粒子14の量は、負極板1cm2あたり0.0
001g〜0.002gの範囲内であることが好まし
い。黒鉛粒子14は、ニッケル粒子13の粒子間にのみ
存在することが好ましいが、ニッケル粒子13の表面
(上)に少量存在してもよい。
ケル粒子13を配置し、ニッケル粒子13の間に黒鉛粒
子14を配置している。このため、負極板10では、極
板の表面の導電性が高く、極板の表面付近の合金中に水
素が存在しやすくなる。そのため、負極板10を用いる
ことによって、負極における酸素ガスの消費反応を促進
することができる。また、負極表面の導電性が向上する
ことによって、充放電時における電流密度のムラが低減
され、過充電時に負極から水素ガスが発生することを抑
制できる。また、同時に、大電流充放電特性が向上す
る。したがって、負極板10によれば、過充電時に電池
の内圧が高くなりすぎることを防止できるとともに、大
電流充放電特性に優れたニッケル・水素蓄電池が得られ
る。
ニッケル・水素蓄電池用負極板の製造方法について説明
する。なお、実施形態1で説明した部分と同様の部分に
ついては、同一の符号を用いて重複する説明を省略す
る。
の支持体11上に、水素吸蔵合金を含む層12を形成す
る(工程(i))。層12は、水素吸蔵合金を含むペー
ストを支持体11上に塗布したのち、乾燥および圧延す
ることによって形成できる。このペーストは、導電剤や
増粘剤などとともに水素吸蔵合金と水とを混練すること
によって形成できる。
ッキ液に浸漬し、支持体11をカソードとして電気メッ
キを行う。これにより、層12上にニッケル粒子13を
析出させる(工程(ii))。メッキ液には、たとえば、
硫酸ニッケルや塩化ニッケルと、ホウ酸とを含むメッキ
液を用いることができる。電気メッキは、100mA/
cm2〜300mA/cm2の範囲内の電流値で、6秒間
〜180秒間のあいだ行うことが好ましい。このような
条件で電気メッキを行うことによって、好ましい粒径の
ニッケル粒子を析出させることができる。
黒鉛粒子を塗布する(工程(iii))。工程(iii)は、
たとえば、黒鉛粉末が分散された液体を層12上にスプ
レーすることによって行うことができる。黒鉛粉末が分
散された液体は、黒鉛粉末の他に、結着剤としてポリビ
ニルアルコール(PVA)や、ポリビニルピロリド(P
VP)や、ポリエチレンオキシド(PEO)や、スチレ
ン−ブタジエンゴム系ポリマ(SBR)などを含むこと
が好ましい。最後に、得られた極板を必要に応じて乾燥
したり切断したりすることによって、負極板を得る。
1で説明した負極板10を容易に製造できる。
ニッケル・水素蓄電池について説明する。実施形態3の
ニッケル・水素蓄電池20について、一部分解斜視図を
図2に示す。
と、ケース21内に封入された正極板22、負極板2
3、電解液(図示せず)、および正極板22と負極板2
3との間に配置されたセパレータ24と、安全弁を備え
る封口板25とを備える。
や実施形態2の製造方法で製造される負極板を用いるこ
とができる。上記ケース21、正極板22、セパレータ
24、および電解液には、アルカリ蓄電池に一般的に用
いられているものを用いることができる。たとえば、正
極板22には、水酸化ニッケルを活物質の主成分とする
正極を用いることができる。セパレータ24には、スル
ホン化したポリプロピレン不織布などを用いることがで
きる。また、電解液には、水酸化カリウムを主な溶質と
した比重が1.3程度の電解液を用いることができる。
極板を用いているため、電池の過充電時に電池の内圧が
高くなりすぎることを防止できるとともに、大電流充放
電特性に優れている。
説明する。
製造方法で実施形態1の負極板を製造した一例、および
それを用いてニッケル・水素蓄電池を製造した一例につ
いて説明する。
ず、組成がMmNi3.55Co0.75Mn 0.4Al0.3で表さ
れる水素吸蔵合金を用意し、この水素吸蔵合金をボール
ミルで粉砕して平均粒径24μmの粉末を得た。その
後、この水素吸蔵合金の粉末100質量部(重量部)
と、増粘剤として機能するカルボキシメチルセルロース
0.15質量部と、導電剤として機能するカーボンブラ
ック0.3質量部と、結着剤として機能するスチレン−
ブタジエン共重合体0.8重量部とを、分散媒である水
と混合してペーストを作製した。このペーストを、支持
体であるパンチングメタルに塗着し、乾燥および圧延を
行い、厚さが0.33mmの極板(以後、ベース極板と
いう場合がある)を作製した。
とするメッキ液と、ニッケル板からなる対極とを用いて
ベース極板に電気メッキ(ニッケルメッキ)を行った。
このとき、析出する略球形のニッケル粒子の粒径が0.
5μm〜1.5μmの範囲内で平均粒径が1.0μmに
なるように、且つ、ベース極板1cm2あたり0.00
1g析出するように、メッキ液の温度が30℃、pHが
4.0、電流密度が100mA/cm2の条件で60秒
間メッキを行った。その後、得られた極板を水洗し、8
0℃の温度で乾燥させることによってニッケルメッキさ
れたベース極板(以後、ニッケルメッキ極板という場合
がある)を得た。
囲内であり平均粒径が0.8μmの天然黒鉛粉末と、結
着剤として機能するポリビニルアルコールとに、分散剤
である水を添加してスラリーを作製した。そして、この
スラリーをニッケルメッキ極板の両面に、極板1cm2
あたり黒鉛粒子が0.0005gになるようにスプレー
で吹き付けた。その後、乾燥し、幅3.5cm、長さ3
1cmに切断することによって本発明の負極板(以後、
負極板Aという場合がある)を作製した。負極板Aの断
面図は、図1に模式的に示されるような状態であった。
SEM写真によって負極板Aの表面に析出したニッケル
粒子の形状を確認したところ、Ni粒子は略球形になっ
ていた。
電池を作製した。まず、負極板Aを、正極およびセパレ
ータと組み合わせて渦巻き状に巻回させて電極群を構成
し、正極および負極の集電体を所定の場所に付け、SC
サイズの電池ケースに収納した。ここで、正極板には、
公知のペースト式ニッケル正極板(幅3.5cm、長さ
26cm、厚さ0.57mm)を用いた。セパレータに
は、親水基を付与したポリプロピレン製不織布を用い
た。電解液には、比重1.30の水酸化カリウム水溶液
に40g/Lの割合で水酸化リチウムを溶解した電解液
を用いた。
上部を封口板で密閉し、公称容量3000mAhの本発
明のニッケル・水素蓄電池(以後、電池Aという場合が
ある)を作製した。
電池Aとは異なるニッケル・水素蓄電池(以後、電池B
という場合がある)を作製した。具体的には、負極板と
して、実施例1で説明したニッケルメッキ極板(黒鉛粒
子を吹き付ける前の極板)を用いた。このニッケルメッ
キ極板の断面図を図3(a)に模式的に示す。図3
(a)のニッケルメッキ極板は、支持体11と、層12
と、層12上に配置されたニッケル粒子13とを備え
る。層12には、微小な亀裂12aが存在している。
電池Aとは異なるニッケル・水素蓄電池(以後、電池C
という場合がある)を作製した。具体的には、負極板と
して、実施例1で説明したベース極板に実施例1で説明
した方法で黒鉛粒子を吹き付けた極板(ニッケルメッキ
していない極板)を用いた。この負極板の断面図を図3
(b)に模式的に示す。図3(b)の負極板は、支持体
11と、層12と、層12上に配置された黒鉛粒子14
とを備える。層12には、微小な亀裂12aが存在して
いる。
A、B、およびCについて、電池組み立て後に25℃で
一日放置した。その後、20℃において300mAで1
5時間充電したのち、電池の端子電圧が1.0Vになる
まで600mAで放電する充放電を1サイクルとし、こ
の充放電を2サイクル行った。このようにして、電池
A、B、およびCの初期活性化を行った。これらの電池
について、過充電時の内圧特性および大電流放電特性を
評価した。
おいて3000mAの電流で1.2時間充電して、電池
内圧を測定することによって評価した。また、大電流放
電特性については、以下の方法で評価した。まず、20
℃において3000mAで1.2時間充電し、電池の端
子電圧が1.0Vになるまで3000mAで放電する充
放電サイクルを10サイクル行った。その後、20℃に
おいて3000mAで1.2時間充電した後、電池の端
子電圧が0.8Vになるまで大電流(30A)で放電を
行った。この大電流放電時の平均放電電圧を求めた。ま
た、20℃において3000mAで1.2時間充電した
後、600mAで電池電圧が1.0Vになるまで放電し
たときの放電容量を100%とし、これに対する大電流
放電時の放電容量比率を求めた。過充電時の電池の内
圧、大電流放電時の放電容量比率、および大電流放電時
の平均放電電圧の結果を、表1に示す。
Aは、比較例1の電池Bおよび比較例2の電池Cに比べ
て、過充電時における電池の内部圧力の上昇が抑制され
ていた。また、電池Aは、電池BおよびCに比べて、大
電流放電時の放電容量比率と放電電圧が格段に高かっ
た。
明した効果に基づくものである。これに対して、比較例
1の電池Bは、内圧上昇の抑制効果はあるが、略球形の
ニッケル粒子層は不連続性があって特に負極板表面にあ
る微小な亀裂のところの不連続性が顕著となるため、負
極表面の導電性が不十分である。そのため、大電流充放
電特性が十分ではなかった。また、比較例2の電池C
は、負極表面に黒鉛粉末層を形成することによって負極
表面の導電性を向上させることができるが、黒鉛粉末層
はニッケルメッキ層より導電性が劣っているため、十分
な酸素ガス消費能力が得られず、大電流充放電特性が十
分ではなかった。
げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定され
ず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用する
ことができる。
・水素蓄電池用負極板およびその製造方法によれば、電
池の過充電時に電池の内圧が高くなりすぎることを防止
できるとともに、大電流充放電特性に優れたニッケル・
水素蓄電池を形成できるニッケル・水素蓄電池用負極板
が得られる。
れば、電池の過充電時に電池の内圧が高くなりすぎるこ
とを防止できるとともに、大電流充放電特性に優れたニ
ッケル・水素蓄電池が得られる。
いて一例を示す模式断面図である。
を示す一部分解斜視図である。
(b)他の一例を示す模式断面図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 導電性の支持体と、水素吸蔵合金を含み
前記支持体に支持された層と、前記層の表面に配置され
たニッケル粒子と、前記ニッケル粒子の間に配置された
黒鉛粒子とを含むことを特徴とするニッケル・水素蓄電
池用負極板。 - 【請求項2】 前記ニッケル粒子が略球形で且つその粒
径が3.0μm以下であり、前記黒鉛粒子の粒径が2.
0μm以下である請求項1に記載のニッケル・水素蓄電
池用負極板。 - 【請求項3】 ニッケル・水素蓄電池用負極板の製造方
法であって、 (i)導電性の支持体上に水素吸蔵合金を含む層を形成
する工程と、 (ii)前記支持体をカソードとして電気メッキを行うこ
とによって、前記層上にニッケル粒子を析出させる工程
と、 (iii)前記(ii)の工程を経た前記層上に黒鉛粒子を
塗布する工程とを含み、 前記(ii)の工程において、電流密度が100mA/c
m2〜300mA/cm2の範囲内の条件で6秒間〜18
0秒間のあいだ電気メッキを行うことを特徴とするニッ
ケル・水素蓄電池用負極板の製造方法。 - 【請求項4】 前記ニッケル粒子が略球形で且つその粒
径が3.0μm以下であり、前記黒鉛粒子の粒径が2.
0μm以下である請求項3に記載のニッケル・水素蓄電
池用負極板の製造方法。 - 【請求項5】 正極板と負極板とセパレータと電解液と
を含むニッケル・水素蓄電池であって、 前記負極板が、請求項1または2に記載のニッケル・水
素蓄電池用負極板であることを特徴とするニッケル・水
素蓄電池。
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- 2001-06-01 JP JP2001167011A patent/JP4334783B2/ja not_active Expired - Fee Related
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