JP2010118285A - アルカリ電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 重負荷放電特性が良好であり、かつ電池内でのガス発生を抑制し得るアルカリ電池を提供する。
【解決手段】 正極、亜鉛合金粉末を含有するゲル状負極、およびアルカリ水溶液からなる電解液を有するアルカリ電池であって、前記亜鉛合金が、Ａｌを１００〜２０００ｐｐｍ、Ｂｉを５０〜１２５ｐｐｍ、並びにＣａおよびＭｇの少なくとも一方を合計で１〜５０ｐｐｍ含有し、電池系内の水分量が、正極活物質１ｇあたり０．２５０〜０．３００ｇであるか、または前記亜鉛合金粉末１ｇあたり０．６００〜０．７００ｇであることを特徴とするアルカリ電池により、前記課題を解決する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、重負荷放電特性を高く維持しつつ、未放電時および過放電時における電池内でのガス発生量が少ないアルカリ電池に関するものである。

亜鉛を負極活物質とするアルカリ電池は、各種電子機器の電源として用いられ、その用途に応じて種々の特性が要求されている。特に、近年普及が著しいデジタルカメラにおいては、撮影可能枚数をできるだけ多くするためには、電池の高容量化と大電流放電特性などの負荷特性のさらなる向上が必要であり、その要求を満たすことのできる電池設計が検討されている。

電池の高容量化のためには、活物質の充填量の増加が必要であるが、活物質が放電に有効に利用されなければ容量増に結びつかないため、単に、活物質の充填量を多くするのみでは目的を達することはできない。放電容量は活物質の利用率との兼ね合いで決定されるものであるから、放電反応がスムーズに進行するように、正極、負極および電解液の設計がなされることが必要となる。

例えば、二酸化マンガンを正極活物質とし、亜鉛を負極活物質とするアルカリ電池の放電反応は、以下の式（１）に従い進行する。
２ＭｎＯ_２ ＋ Ｚｎ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＭｎＯＯＨ ＋ ＺｎＯ （１）

前記の式（１）より明らかなように、アルカリ電池においては放電時に水が消費されるため、放電反応の面からは、電池内にできるだけ多くの水分が存在することが望ましい。このことは、オキシ水酸化ニッケルを正極活物質とし、亜鉛を負極活物質とするアルカリ電池においても当てはまる。

ところで、近年では、アルカリ電池の過放電時における内部でのガス発生による電解液の漏出が問題視されている。例えば、放電を終えたアルカリ電池を使用機器から比較的早期に取り出せば特に問題は生じないが、放電を終えた後も長期にわたって使用機器内に放置すると、アルカリ電池が過放電状態となり、その際に内部でガスが発生して、漏液が生じてしまうのである。

前記のように、放電反応を重視して、例えば重負荷放電特性を高めるために電池内の水分量を多くしたアルカリ電池では、放電反応終了後において余剰の水分が残存するため、放電終了後のガス発生を抑制できないという問題を抱えている。

例えば、アルカリ電池内部でのガス発生を防止するために、水素過電圧を上昇させ得るＢｉやＩｎなどの合金元素を含有させることが一般に行われており（例えば、特許文献１）、例えば、亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金におけるＢｉの含有量としては、亜鉛合金全量に対して１５０〜３００ｐｐｍ程度とするのが効果的であることが知られている。また、実際に上市されているアルカリ電池においても、負極に水銀を添加しない亜鉛合金粉末を用いる場合には、Ｂｉを１５０ｐｐｍ以上含有する亜鉛合金の粉末を使用することが一般的である。

ところが、前記のような水素過電圧を上昇させ得る合金元素を含む亜鉛合金の粉末を負極に使用する技術では、アルカリ電池の未放電時における内部でのガス発生抑制に関しては一定の効果が認められる一方で、過放電時における内部でのガス発生抑制については、十分な効果が得られない。

また、電池内の水分量が多い場合に過放電時のガス発生を抑制する方法として、放電効率を向上させて、放電時に水分を消費させることも考えられる。具体的には、例えば、アルカリ電池の有する電解液において、水酸化カリウムなどのアルカリ金属の水酸化物の濃度を高め、電解質を増量することで、放電反応時に電池内の水分を効率よく反応させる方法が挙げられる。

しかしながら、前記の方法では、電解液中のアルカリ金属の水酸化物濃度が一定水準以上となると、電解液の導電性が低下するため、寧ろ電池の重負荷放電特性が低下するといった問題が生じる。

特開２００６−３０２７７４号公報

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、重負荷放電特性が良好であり、かつ電池内でのガス発生を抑制し得るアルカリ電池を提供することにある。

前記目的を達成し得た本発明のアルカリ電池（アルカリ一次電池）は、正極、亜鉛合金粉末を含有するゲル状負極、およびアルカリ水溶液からなる電解液を有するアルカリ電池であって、前記亜鉛合金が、Ａｌを１００〜２０００ｐｐｍ、Ｂｉを５０〜１２５ｐｐｍ、並びにＣａおよびＭｇの少なくとも一方を合計で１〜５０ｐｐｍ含有し、電池系内の水分量が、正極活物質１ｇあたり０．２５０〜０．３００ｇであることを特徴とするものである。

また、本発明のアルカリ電池（アルカリ一次電池）の別の態様は、正極、亜鉛合金粉末を含有するゲル状負極、およびアルカリ水溶液からなる電解液を有するアルカリ電池であって、前記亜鉛合金が、Ａｌを１００〜２０００ｐｐｍ、Ｂｉを５０〜１２５ｐｐｍ、並びにＣａおよびＭｇの少なくとも一方を合計で１〜５０ｐｐｍ含有し、電池系内の水分量が、前記亜鉛合金粉末１ｇあたり０．６００〜０．７００ｇであることを特徴とするものである。

亜鉛を負極活物質とするアルカリ電池では、前記の通り、放電特性（特に重負荷放電特性）を重視して、電池系内での水分量を多くすると、前記電池が過放電状態になった際に、電池内でガスが発生して電解液の漏出を引き起こす虞がある。

そこで、本発明では、負極に係る亜鉛合金粉末を構成する亜鉛合金に、Ａｌを前記のように高い量で含有させており、これによって電池の放電時における水分の利用効率を高めた。これにより、前記のように電池系内の水分量を多くしつつ、放電終了時における残存水分量を可及的に低減できる。よって、電池の重負荷放電特性を良好にすると同時に、残存水分量が多い場合に生じ得る過放電時におけるガス発生の抑制を可能とした。

ところで、亜鉛合金粉末を負極に用いたアルカリ電池では、未放電時において、亜鉛合金粉末に係るＺｎ（亜鉛）の腐食によってガスが発生する。前記の通り、従来のアルカリ電池では、例えば、負極に使用する亜鉛合金に、合金元素としてＢｉなどを含有させることで、未放電時における亜鉛合金粉末に係るＺｎの腐食を抑えて、ガス発生を抑制していた。しかしながら、このようなアルカリ電池では、放電終了後に過放電状態となった際に、亜鉛合金粉末において、放電反応に関与せず残存しているＺｎ成分とＢｉの反応によってガス発生が促されることが、本発明者らの検討により明らかとなった。

そこで、本発明では、亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金中のＢｉ量を制限して、亜鉛合金中のＢｉ量が多い場合に生じ得る過放電時におけるガス発生を抑制した。また、亜鉛合金の合金成分として、Ａｌを前記のように高い量で含有させることに加えて、Ｃａおよび／またはＭｇとを特定量で含有させ、これにより、過放電時のガス発生を更に抑制し、かつＢｉ量を制限したことに伴って低下する虞のある未放電時のガス発生抑制作用を補い、未放電時においてもガス発生を良好に抑制できるようにした。

本発明では、以上の各作用によって、重負荷放電特性を良好にしつつ、未放電時および過放電時における電池内でのガス発生抑制を可能とした。

なお、本明細書でいう亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金中の各元素の含有量は、質量基準である。また、本発明でいう「重負荷放電特性」とは、単３形の電池サイズにおいて、ピーク時の電流が１０００ｍＡ以上となる大電流での放電特性をいう。

本発明によれば、重負荷放電特性が良好であり、かつ電池内でのガス発生を抑制し得るアルカリ電池を提供することができる。

以下、本発明のアルカリ電池を詳細に説明する。

＜電池系内の水分量＞
本発明のアルカリ電池では、電池系内の水分量を、正極活物質（詳しくは後述する）１ｇあたり、０．２５０ｇ以上、好ましくは０．２６０ｇ以上とするか、または、負極の有する亜鉛合金粉末１ｇあたり、０．６００ｇ以上、好ましくは０．６１５ｇ以上とする。本発明のアルカリ電池では、前記のように電池系内の水分量を多くすることで、重負荷放電特性を高めている。ただし、電池系内の水分量が多すぎると、電池内でのガス発生（特に過放電時における電池内でのガス発生）を十分に抑制することが困難となる。そのため、電池系内の水分量は、正極活物質１ｇあたり、０．３００ｇ以下、好ましくは０．２９０ｇ以下とするか、または、負極の有する亜鉛合金粉末１ｇあたり、０．７００ｇ以下、好ましくは０．６８５ｇ以下とする。

なお、本発明では、電池系内の水分量が、正極活物質１ｇあたりの量で前記の量を満足し、かつ、負極の有する亜鉛合金粉末１ｇあたりの量で前記の量を満足することが更に好ましい。

なお、本発明のアルカリ電池における電池系内の水分量は、後記の実施例で用いた方法により測定される値である。

＜負極＞
本発明のアルカリ電池に係る負極には、亜鉛合金粉末と、電解液と、ゲル化剤とを有するゲル状の負極合剤（ゲル状負極）が使用される。亜鉛合金の粉末中のＺｎ成分が、負極活物質として作用する。

亜鉛合金粉末は、合金元素として、Ａｌを１００ｐｐｍ以上２０００ｐｐｍ以下、Ｂｉを５０ｐｐｍ以上１２５ｐｐｍ以下、ＣａおよびＭｇの少なくとも一方を１ｐｐｍ以上５０ｐｐｍ以下で、それぞれ含有する亜鉛合金により構成されている。本発明のアルカリ電池では、前記の組成を有する亜鉛合金の粉末を負極に用いることにより、未放電時および過放電時における内部でのガス発生を抑制している。

亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金の合金元素としてＡｌを用いることによって、未放電時および過放電時におけるガス発生抑制を達成し得るのは、以下の理由によるものと推測される。亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金がＡｌを含有することによって粉末表面の平滑性が向上する。そのため、未反応時における亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金中のＺｎ成分の腐食反応が生じ難くなってガス発生が抑制されると考えられる。また、亜鉛合金がＡｌを含有することで、放電に伴って生成する酸化亜鉛の結晶中に存在するＺｎが、Ｚｎよりも一つ価数の高いＡｌで部分的に置換され、前記結晶内に多くの伝導電子が生成し得るようになる。これにより、酸化亜鉛の導電性が高まることから、亜鉛合金粉末に係るＺｎの利用率が向上し、過放電時におけるガス発生の要因となる未反応のＺｎ量を低減することができるため、過放電時におけるガス発生が抑制されると考えられる。

また、亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金の合金元素にＡｌを用いることで、前記の通り、亜鉛合金粉末に係るＺｎの利用率が向上するため、それに伴って電池系内の水分の放電反応による消費量、すなわち、水分の利用率も向上する。よって、本発明のアルカリ電池では、前記のように電池系内の水分量を多くして重負荷放電特性を高めつつ、放電終了時の残存水分量を可及的に低減できるため、かかる作用によっても過放電時におけるガス発生を抑制できる。

亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金中のＡｌの含有量は、Ａｌを含有させることによる前記の効果（未放電時および過放電時におけるガス発生抑制効果）を確保する観点から、１００ｐｐｍ以上であり、２００ｐｐｍ以上であることが好ましく、５００ｐｐｍ以上であることがより好ましい。ただし、亜鉛合金中のＡｌ量が多すぎると、効果が飽和し、また、亜鉛合金粉末の製造が困難になる傾向にあることから、亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金中のＡｌの含有量は、２０００ｐｐｍ以下であり、１５００ｐｐｍ以下であることが好ましく、１２００ｐｐｍ以下であることがより好ましい。

亜鉛合金粉末を構成する亜鉛合金は、合金成分としてＢｉを含有している。亜鉛合金粉末を構成する亜鉛合金に、合金元素としてＢｉを含有させることで、未放電時における亜鉛合金粉末に係るＺｎの腐食を抑えて、電池内でのガス発生を抑制することができる。なお、亜鉛合金中のＢｉ量が多いと、前記の通り、電池が放電終了後に過放電状態となった際に、亜鉛合金粉末において、放電反応に関与せず残存しているＺｎ成分とＢｉの反応によって、ガス発生が促される虞がある。よって、亜鉛合金粉末を構成する亜鉛合金中のＢｉ量は、１２５ｐｐｍ以下であり、１００ｐｐｍ以下であることが好ましい。

一方、亜鉛合金にＢｉを含有させることによる前記の効果を良好に確保する観点から、亜鉛合金粉末を構成する亜鉛合金中のＢｉの含有量は、５０ｐｐｍ以上であり、７５ｐｐｍ以上であることが好ましい。

更に、亜鉛合金粉末を構成する亜鉛合金は、合金元素として、ＣａおよびＭｇの少なくとも一方を含有しており、これによっても未放電時および過放電時の電池内でのガス発生を抑制することができる。

亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金にＣａおよびＭｇの少なくとも一方を含有させることによって、未放電時および過放電時におけるガス発生抑制を達成し得るのは、以下の理由によるものと推測される。前記の通り、亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金がＡｌを含有していると、粉末表面の平滑性が向上し、未放電時におけるガス発生が抑制できると考えられるが、亜鉛合金がＡｌと共にＣａおよび／またはＭｇを含有していると、粉末表面の平滑性がより向上しやすくなり、未放電時におけるガス発生が更に良好に抑制できると推測される。また、ＣａおよびＭｇは、Ａｌと同様の機構によって放電に伴って生成する酸化亜鉛の導電性を高め得るため、亜鉛合金粉末に係るＺｎの利用率が向上し、過放電時におけるガス発生が抑制されると考えられる。

亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金は、ＣａおよびＭｇのいずれか一方のみを含有していてもよく、両方を含有していてもよい。亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金中のＣａおよびＭｇの含有量は、これらを含有させることによる前記の効果（未放電時および過放電時におけるガス発生抑制効果）を確保する観点から、両者の合計（ＣａおよびＭｇのいずれか一方のみを含有する場合は、その一方の量。ＣａおよびＭｇの含有量について、以下同じ。）で、１ｐｐｍ以上であり、４ｐｐｍ以上であることが好ましい。ただし、亜鉛合金中のＣａおよびＭｇの量が多すぎると、効果が飽和するばかりか、ＣａまたはＭｇが偏析することにより電池の放電特性が低下する虞があることから、亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金中のＣａおよびＭｇの含有量は、両者の合計で、５０ｐｐｍ以下であり、２０ｐｐｍ以下であることが好ましい。

なお、亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金は、典型的には、前記合金元素以外の部分が、Ｚｎおよび不可避不純物であるが、本発明の効果を損なわない範囲で、他の合金元素を含有していてもよい。

亜鉛合金に係る前記合金元素以外の合金元素としては、例えばＩｎが挙げられる。Ｉｎを含有させることで、亜鉛合金の水素過電圧をより高め、未放電時におけるガス発生抑制作用を更に向上させることができる。亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金中のＩｎの含有量は、１００〜１０００ｐｐｍであることが好ましい。

また、亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金中の亜鉛合金は、９８質量％以上であることが好ましい。

負極に係る亜鉛合金粉末は、２００メッシュの篩い目を通過し得るものの割合が、１０質量％以上であることが好ましく、２０質量％以上であることがより好ましい。亜鉛合金粉末が、このように微細な形態を有する場合には、亜鉛合金粉末全体の比表面積が大きくなり、負極での反応を効率よく進めることができるため、電池の負荷特性がより良好となる。また、亜鉛合金粉末の表面から中心までの距離が小さくなるため、比較的負荷の小さな放電（軽負荷放電）時においても、Ｚｎの利用率が向上する。そのため、放電終了時において、未反応のＺｎ量（亜鉛合金粉末中のＺｎ成分量）や残存水分量を低減して、過放電時におけるガス発生を更に抑制することができるようになる。

なお、亜鉛合金粉末における２００メッシュの篩い目を通過し得るものの割合が増加するに従って、亜鉛合金粉末全体の比表面積が増大するが、これにより亜鉛合金粉末と電解液との反応性がより高まるため、亜鉛表面からのガス発生量が増大し、未放電時における内部でのガス発生が大きくなる。また、亜鉛合金粉末中に占める微細な粉末の割合が大きくなると、亜鉛合金粉末全体が嵩高くなって電池製造時の亜鉛合金粉末の取り扱いが困難となる。よって、本発明の電池では、前記の未放電時における内部でのガス発生を抑え、更に、電池製造時の亜鉛合金粉末の取り扱い性を高める観点から、亜鉛合金粉末における２００メッシュの篩い目を通過し得るものの割合は、８０質量％以下であることが好ましく、４０質量％以下であることがより好ましい。

更に、２００メッシュの篩い目を通過し得るものの割合が、前記好適値を満足する亜鉛合金粉末を用いることで、未放電時の電解液との反応による腐食に伴うガス発生量をより少なくすることができ、また、均質で流動性が良好な負極合剤を調製することもできる。

なお、電池製造時の取り扱い性を考慮すると、負極が有する亜鉛合金粉末は、その最小粒径が７μｍ程度であることが望ましい。また、亜鉛合金粉末は、例えば、その全体が８０メッシュの篩い目を通過し得るものであることが好ましい。

更に、本発明に係る負極は、インジウム化合物を含有していることが好ましい。Ａｌ含有量が高い亜鉛合金で構成される亜鉛合金粉末を負極に用いた電池では、放電途中に導電性の反応生成物（デンドライト）が異常析出し、これが電池缶体と接触して内部短絡を引き起こし、電池の放電時間、すなわち電池の寿命が異常に短くなることがある。

しかしながら、負極にインジウム化合物を含有させておくと、インジウム化合物のイオン交換反応により、亜鉛合金粉末の表面にＩｎが偏析し、前記の内部短絡による放電特性の低下を防止することが可能となる。これは、亜鉛合金粉末の表面に偏析したＩｎが、亜鉛合金粉末からのデンドライト生成を抑制するためであると推測される。また、インジウム化合物を負極に含有させておくことで、電池内でのガス発生を更に抑えることもできる。

前記のインジウム化合物としては、例えば、酸化インジウム、水酸化インジウムなどが挙げられる。

本発明のアルカリ電池に係る負極はゲル状負極であり、前記亜鉛合金粉末やインジウム化合物以外に、ゲル化剤および電解液を含有している。

ゲル化剤については特に制限はなく、従来から知られているアルカリ電池に使用されているゲル化剤、例えば、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸などの各種高分子ゲル化剤が使用できる。ゲル状負極中のゲル化剤の含有量は、例えば、１．５〜３質量％であることが好ましい。

また、負極に係る電解液としては、特に制限は無く、従来から知られているゲル状負極を有するアルカリ電池に使用されている電解液と同様のもの（例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどのアルカリ金属の水酸化物の水溶液などのアルカリ水溶液）が使用できるが、電池の放電特性を高める観点からは、水酸化カリウム水溶液を使用することがより好ましい。

電解液中のアルカリ濃度も特に制限は無く、従来から知られているアルカリ電池と同程度とすればよいが、例えば、電解液に水酸化カリウム水溶液を用いる場合、その水酸化カリウム濃度を、２８〜３８質量％とすることが好ましい。

ゲル状負極は、例えば、亜鉛合金粉末と、予め前記のゲル化剤を用いてゲル状にしておいた電解液とを混合する方法などにより調製できる。前記のインジウム化合物を使用する場合には、例えば、予め亜鉛合金粉末と混合しておき、その後、ゲル状の電解液と混合してもよく、また、亜鉛合金粉末とゲル状の電解液との混合の際に添加しても構わない。更に、これら以外の方法で、ゲル状負極を調製しても構わない。

なお、ゲル状負極における前記亜鉛合金粉末の含有量は、例えば、６０質量％以上であることが好ましく、６５質量％以上であることがより好ましく、また、７５質量％以下であることが好ましく、７０質量％以下であることがより好ましい。また、負極にインジウム化合物を含有させる場合には、その含有量は、０．００３〜０．０５質量％であることが好ましい。

本発明のアルカリ電池は、前述のゲル状負極を有していればよく、その他の構成・構造については特に制限は無く、従来から知られているアルカリ電池（アルカリ一次電池）で採用されている各構成・構造を適用することができる。

＜正極＞
本発明のアルカリ電池に係る正極は、例えば、活物質である二酸化マンガン、オキシ水酸化ニッケル、および導電助剤、更には成形のための電解液およびバインダを混合して正極合剤とし、この正極合剤をリング状などに加圧成形することにより形成される。

正極活物質は、そのＢＥＴ比表面積が、４０ｍ^２／ｇ以上１００ｍ^２／ｇ以下であることが好ましい。正極活物質のＢＥＴ比表面積が小さすぎると、成形性は良好であるものの、反応面積が小さくなるために反応効率が悪くなり、前記の負荷特性向上効果が小さくなる虞がある。また、正極活物質のＢＥＴ比表面積が大きすぎると、反応効率は向上するが、かさ密度が低下するために成形性が悪化することがある。正極活物質の成形性を高めて、正極合剤の成形体の強度をより向上させるには、正極活物質のＢＥＴ比表面積は６０ｍ^２／ｇ以下であることがより好ましく、また、４５ｍ^２／ｇ以上であることがより好ましい。

なお、ここでいう正極活物質のＢＥＴ比表面積は、多分子層吸着の理論式であるＢＥＴ式を用いて、表面積を測定、計算したもので、活物質の表面と微細孔の比表面積である。具体的には、窒素吸着法による比表面積測定装置（Ｍｏｕｎｔｅｃｈ社製 Ｍａｃｓｏｒｂ ＨＭ ｍｏｄｅｌｅ−１２０１）を用いて、ＢＥＴ比表面積として得た値である。

また、正極活物質として二酸化マンガンを用いる場合、二酸化マンガンはチタンを０．０１〜３．０質量％含有していることが望ましい。この程度の量のチタンを含有する二酸化マンガンでは、比表面積が大きくなって反応効率が向上するため、アルカリ電池の負荷特性を更に高めることができる。

正極に係る導電助剤としては、例えば、黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラックなどを用いることができる。正極合剤中の導電助剤量は、例えば、正極活物質１００質量部に対して、３〜８．５質量部とすることが好ましい。

正極に係るバインダとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエンゴムなどを用いることができる。正極合剤中のバインダ量は、例えば、０．１〜１質量％とすることが好ましい。

正極に用いる電解液としては、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウムなどのアルカリ金属の水酸化物を水に溶解させたアルカリ水溶液や、それに酸化亜鉛などを添加したものなどが用いられるが、後述するように、電池の放電特性を高める観点からは、水酸化カリウム水溶液がより好ましい。電解液中のアルカリ金属の水酸化物の濃度としては、例えば水酸化カリウムの場合、４０〜６０質量％であることが好ましく、また、酸化亜鉛を使用する場合、その濃度は、１．０〜４．０質量％であることが好ましい。

＜電解液＞
正極および負極に使用する以外に電池内に注入するための電解液としては、前記の正極や負極に係る電解液と同様に、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウムなどのアルカリ金属の水酸化物の水溶液からなるアルカリ水溶液や、それに酸化亜鉛を添加したものなどを用いることができる。電解液中のアルカリ金属の水酸化物の濃度としては、例えば水酸化カリウムの場合、２８〜３８質量％であることが好ましく、また、酸化亜鉛を使用する場合、その濃度は、１．０〜４．０質量％であることが好ましい。

なお、電池の放電特性を高める観点からは、正極用の電解液、負極用の電解液、正極および負極に使用する以外に電池内に注入するための電解液のいずれにおいても、水酸化カリウム水溶液を使用し、電池系内の電解液中における水酸化カリウム濃度が、平均して、好ましくは３８質量％以下、より好ましくは３５質量％以下となるように、前記の各電解液の濃度を調整することが望ましい。

電池系内の電解液中における水酸化カリウム濃度が高い場合には電解液のイオン伝導性が低く、このような電解液を、例えば前記のように微細な形態の亜鉛合金粉末を有する負極と併用すると、亜鉛合金粉末表面に形成される放電生成物の電気抵抗が高くなると推測される。そのため、電池の短絡時における温度が非常に高くなり、安全性を損なう虞があると共に、亜鉛合金粉末中のＺｎ成分の利用率も低下し、放電終了時において未反応のＺｎ成分量が増大したり残存水分量が増大したりして、過放電時におけるガス発生抑制効果が小さくなる虞がある。

そこで、電池系内の電解液中における水酸化カリウム濃度の平均値を前記のように低く設定すれば、電解液の電気抵抗を低くして、抵抗の低い放電生成物を亜鉛合金粉末表面に生成させることが可能となり、電池の短絡時における温度上昇を低減して安全性を高めることができ、また、亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金中のＺｎ成分の利用率を更に向上させて、放電終了時における未反応のＺｎ成分量や残存水分量を更に低減することも可能となる。

ただし、電解液中における水酸化カリウム濃度を低くしすぎると、却って電解液のイオン伝導性が低下する傾向にあるため、電池系内の電解液中における水酸化カリウム濃度は、平均して、好ましくは２８質量％以上、より好ましくは３０質量％以上となるように、正極用の電解液、負極用の電解液、正極および負極に使用する以外に電池内に注入するための電解液の各水酸化カリウム濃度を調整することが望ましい。

＜セパレータ＞
本発明のアルカリ電池に係るセパレータについては特に制限は無く、例えば、ビニロンとレーヨンを主体とする不織布、ビニロン・レーヨン不織布（ビニロン・レーヨン混抄紙）、ポリアミド不織布、ポリオレフィン・レーヨン不織布、ビニロン紙、ビニロン・リンターパルプ紙、ビニロン・マーセル化パルプ紙などを用いることができる。また、親水処理された微孔性ポリオレフィンフィルム（微孔性ポリエチレンフィルムや微孔性ポリプロピレンフィルムなど）とセロファンフィルムとビニロン・レーヨン混抄紙のような吸液層とを積み重ねたものをセパレータとしてもよい。

＜アルカリ電池の構造、およびその他の構成要素＞
本発明のアルカリ電池では、その形状などについては特に制限は無いが、例えば、筒形（円筒形や角筒形など）の形状のものが挙げられる。以下、図面を用いて、本発明の電池の構造を説明する。図１は、本発明のアルカリ電池の一例を示す断面図である。図１のアルカリ電池は、金属製（Ｎｉメッキを施した鉄、ステンレス鋼など）の外装缶１内に、リング状に成形された正極２（正極合剤成形体）が配置されており、その内側にコップ状のセパレータ３が配置され、アルカリ電解液（図示しない）がセパレータ３の内側から注入されている。更にセパレータ３の内側には亜鉛合金粉末を含む負極４（ゲル状の負極合剤）が充填されている。外装缶１における１ｂは正極端子である。外装缶１の開口端部１ａには、金属製（Ｎｉメッキを施した鉄、ステンレス鋼など）の負極端子板７が配されており、樹脂製の封口体６の外周縁部６２を介して前記開口端部１ａが内側に折り曲げられて封口されている。負極端子板７には、金属製（Ｓｎメッキなどを施した真鍮など）の負極集電棒５が、その頭部で溶接されており、負極集電棒５は、封口体６の中央部６１に設けられた透孔６４を通じて負極４内に挿入されている。また、封口時の負極端子板７の変形を防ぎ、かつ封口体６を内側から支える支持手段として、金属ワッシャ９（円板状の金属板）が配置されている。そして、樹脂製の封口体６には、防爆用の薄肉部６３が形成されている。短絡時に電池内においてガスが発生した場合、封口体６の薄肉部６３が優先的に開裂し、生じた裂孔からガスが金属ワッシャ９側に移動する。金属ワッシャ９および負極端子板７にはガス抜き孔が設けられており（図示しない）、電池内のガスは、これらのガス抜き孔を通じて電池外に排出される。樹脂製の封口体６を構成する樹脂としては、例えば、ナイロン６６などが挙げられる。

図２に、本発明のアルカリ電池の他の例の断面図を示す。図２中、図１と同じ作用を有する要素は同じ符号を付して、重複説明を避ける。図２中、８は、外装缶１と負極端子板７とを絶縁するための絶縁板であり、２０は、発電要素を収納している胴部分である。

図１に示すアルカリ電池では、金属ワッシャ９を使用している関係上、封口部分（図１中、１０）の占める体積が大きくなってしまう。これに対し、この図２の電池のように金属ワッシャをなくし、封口体６を内側から支える支持手段として負極端子板７を利用することで、封口部分１０の占める体積を減少させて発電要素を収容できる胴部分２０の体積を大きくすることができ、正極２および負極４の各合剤の充填量を、図１の電池よりも高めることができる。

本発明のアルカリ電池は、大電流での放電が要求される用途（例えば、デジタルカメラの電源用途など）を始めとして、従来から知られているアルカリ電池が用いられている各種用途と同じ用途に適用することができる。

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではない。

なお、各実施例および比較例の電池における正極活物質１ｇあたりの電池系内の水分量、および負極の有する亜鉛合金粉末１ｇあたりの水分量は、以下の方法により測定した。まず、電池の外装ラベル、糊剤および絶縁樹脂を取り除き、質量を測定した［質量（１）］。次に、別途秤量した容器上で電池を開封し、吐出する電解液を回収した。更に電池を分解して封口体と負極端子板、集電棒が一体となったユニットを取り除き、外装缶、正極合剤、セパレータおよび負極へと区分した。これらの各部品および前記の電解液を、それぞれ１２０℃で４８時間乾燥した後に、これらの総質量を測定した［質量（２）］。そして、前記の質量（１）から質量（２）を引き、これを電池内の正極活物質の質量または亜鉛合金粉末の質量で除して、正極活物質１ｇあたりの電池系内の水分量、および亜鉛合金粉末１ｇあたりの電池系内の水分量を求めた。

実施例１
水分を１．６質量％含有する二酸化マンガン、黒鉛、ポリテトラフルオロエチレン粉末および正極合剤調製用のアルカリ電解液（酸化亜鉛を２．９質量％含有する５６質量％水酸化カリウム水溶液）を８７．６：６．７：０．２：５．５の質量比で、５０℃の温度下で混合して正極合剤を調製した。なお、この正極合剤中、二酸化マンガン１００質量部に対して、黒鉛は７．６質量部であった。また、正極合剤が含有する電解液の水酸化カリウム濃度は、二酸化マンガンの含有水分を考慮すると４４．６質量％となった。

次に、Ａｌを１０００ｐｐｍ、Ｂｉを１００ｐｐｍ、Ｉｎを５００ｐｐｍ、Ｍｇを５ｐｐｍの割合で含有する亜鉛合金からなる粉末、ポリアクリル酸ソーダ、ポリアクリル酸および負極合剤調製用のアルカリ電解液（酸化亜鉛を２．２質量％含有する３３．５質量％水酸化カリウム水溶液）を３９：０．２：０．２：１８の質量比で混合し、ゲル状の負極合剤を調製した。なお、前記亜鉛合金粉末は、平均粒径が１０９μｍで、８０メッシュの篩い目を全て通過し、かつ２００メッシュの篩い目を通過する亜鉛合金粉末が、全亜鉛合金粉末量に対して２５質量％であって、そのかさ密度は２．６３ｇ／ｃｍ^３であった。

更に、外装缶として、表面に無光沢Ｎｉメッキを施したキルド鋼板製で、図２に示す形状の単３形アルカリ電池用外装缶１を用意した。この外装缶１は、封口部分１０の厚みが０．２５ｍｍで、胴部分２０の厚みが０．１６ｍｍに加工され、また、電池を落下させたときに正極端子１ｂのへこみを防ぐために、正極端子部分の缶厚を胴部分２０より多少厚くしている。この外装缶１を用いて、以下のようにしてアルカリ電池を作製した。

前記正極合剤：約１１ｇを、前記外装缶１に挿入してボビン状（中空円筒状）に加圧成形し、内径：９．１ｍｍ、外径：１３．７ｍｍ、高さ：１３．９ｍｍの３個の正極合剤成形体（密度：３．２１ｇ／ｃｍ^３）が積み重なった状態とした。次に、外装缶１の開口端から高さ方向において３．５ｍｍの位置にグルーブを施し、外装缶１と封口体６との密着性を向上させるために、このグルーブ位置まで外装缶１の内側にピッチを塗布した。

次に、厚みが１００μｍで目付が３０ｇ／ｍ^２のアセタール化ビニロンとテンセルからなる不織布を三重に重ねて筒状に巻き、底部になる部分を折り曲げてこの部分を熱融着し、一端が閉じられたコップ状のセパレータ３とした。このセパレータ３を、外装缶１内に挿入された正極１の内側に装填し、注入用のアルカリ電解液（酸化亜鉛を２．２質量％含有する３３．５質量％水酸化カリウム水溶液）１．３５ｇをセパレータの内側に注入し、さらに、前記負極合剤：５．７４ｇをセパレータ３の内側に充填して負極４とした。このとき、電池系内の水分量は、正極活物質１ｇあたり０．２６４ｇ、負極の有する亜鉛合金粉末１ｇあたり０．６３９ｇであった。また、電池系内における電解液の水酸化カリウム濃度は、３４．５質量％となるように調整した。

前記発電要素の充填の後、表面がスズメッキされた真鍮製であり、ナイロン６６製の封口体６と組み合わされた負極集電棒５を、負極４の中央部に差し込み、外装缶１の開口端部１ａの外側からスピニング方式によりかしめることにより、図２に示す単３形アルカリ電池を作製した。ここで、前記負極集電棒５は、打ち抜き・プレス加工により形成された厚みが０．４ｍｍのニッケルメッキ鋼板製の負極端子板７に、あらかじめ溶接により取り付けられたものを用いた。また、外装缶１の開口端と負極端子板７との間には、短絡防止のために絶縁板８を装着した。以上のようにして実施例１の筒形アルカリ電池を作製した。

実施例２
亜鉛合金粉末を、Ａｌを３００ｐｐｍ、Ｂｉを１００ｐｐｍ、Ｉｎを５００ｐｐｍ、Ｍｇを５ｐｐｍの割合で含有する亜鉛合金からなる粉末に変更した以外は、実施例１と同様にして筒形アルカリ電池を作製した。なお、実施例２で使用した亜鉛合金粉末は、その平均粒径、２００メッシュの篩い目を通過する粉末の割合、およびかさ密度が、実施例１で使用したものと同じである（後記の実施例３、４、比較例１〜４も同様である。）。また、実施例２の電池における正極活物質１ｇあたりの電池系内の水分量、負極の有する亜鉛合金粉末１ｇあたりの電池系内の水分量、および電池系内における電解液の水酸化カリウム濃度は、実施例１の電池と同じである。

実施例３
亜鉛合金粉末を、Ａｌを１０００ｐｐｍ、Ｂｉを１００ｐｐｍ、Ｉｎを５００ｐｐｍ、Ｃａを５ｐｐｍの割合で含有する亜鉛合金からなる粉末に変更した以外は、実施例１と同様にして筒形アルカリ電池を作製した。実施例３の電池における正極活物質１ｇあたりの電池系内の水分量、負極の有する亜鉛合金粉末１ｇあたりの電池系内の水分量、および電池系内における電解液の水酸化カリウム濃度は、実施例１の電池と同じである。

実施例４
電池内に注入するアルカリ電解液量を１．６０ｇとした以外は、実施例１と同様にして筒形アルカリ電池を作製した。実施例４の電池における電池系内の水分量は、正極活物質１ｇあたり０．２８１ｇ、負極の有する亜鉛合金粉末１ｇあたり０．６８１ｇであり、電池系内における電解液の水酸化カリウム濃度は、実施例１の電池と同じである。

比較例１
亜鉛合金粉末を、Ａｌを３０ｐｐｍ、Ｂｉを１５０ｐｐｍ、Ｉｎを５００ｐｐｍの割合で含有する亜鉛合金からなる粉末に変更した以外は、実施例１と同様にして筒形アルカリ電池を作製した。比較例１の電池における正極活物質１ｇあたりの電池系内の水分量、負極の有する亜鉛合金粉末１ｇあたりの電池系内の水分量、および電池系内における電解液の水酸化カリウム濃度は、実施例１の電池と同じである。

比較例２
亜鉛合金粉末を、Ａｌを１０００ｐｐｍ、Ｂｉを１５０ｐｐｍ、Ｉｎを５００ｐｐｍ、Ｍｇを５ｐｐｍの割合で含有する亜鉛合金からなる粉末に変更した以外は、実施例１と同様にして筒形アルカリ電池を作製した。比較例２の電池における正極活物質１ｇあたりの電池系内の水分量、負極の有する亜鉛合金粉末１ｇあたりの電池系内の水分量、および電池系内における電解液の水酸化カリウム濃度は、実施例１の電池と同じである。

比較例３
正極合剤の量を１０．６ｇとし、電池内に注入するアルカリ電解液量を１．８０ｇとした以外は、実施例１と同様にして筒形アルカリ電池を作製した。比較例３の電池における電池系内の水分量は、正極活物質１ｇあたり０．３０４ｇ、負極の有する亜鉛合金粉末１ｇあたり０．７１０ｇであり、電池系内における電解液の水酸化カリウム濃度は、実施例１の電池と同じである。

比較例４
電池内に注入するアルカリ電解液量を１．１０ｇとした以外は、実施例１と同様にして筒形アルカリ電池を作製した。比較例４の電池における電池系内の水分量は、正極活物質１ｇあたり０．２４７ｇ、負極の有する亜鉛合金粉末１ｇあたり０．５９８ｇであり、電池系内における電解液の水酸化カリウム濃度は、実施例１の電池と同じである。

実施例１〜４および比較例１〜４の筒形アルカリ電池について、下記のようにして放電特性確認試験およびガス量確認試験を行った。これらの結果を、電池系内の水分量および負極の亜鉛合金粉末の構成と共に表１に示す。

＜放電特性確認試験＞
実施例１〜４および比較例１〜４の筒形アルカリ電池を、２０℃で、５００ｍＡで放電させ、終止電圧を０．７Ｖとしたときの放電時間を測定した。なお、表１では、比較例１の電池での放電時間を１００とした場合の相対値で示しており、これらの値が大きいほど、放電特性（重負荷放電特性）が良好であることを意味している。

＜ガス量確認試験＞
実施例１〜４および比較例１〜４の筒形アルカリ電池（前記の放電特性確認試験を行ったものとは別の電池）を、２０℃、１０Ωで４８時間放電させて過放電状態とし、その後２０℃で１２０時間保持した後の電池内部のガス量を測定した。また、前記のガス量測定を行ったものとは別の電池について、６０℃にて２４０時間保持した後に電池内部のガス量を測定し、未放電のガス量とした。ガス量の測定に当たっては、水中で電池を分解し、電池内のガスを捕集する水上置換法を採用した。また、前記の各ガス量測定は、実施例１〜４および比較例１〜４の電池をそれぞれ５個ずつ用い、これらの結果の平均値を求めた。なお、表１では、比較例１の電池での結果を１００とした場合の相対値で示している。

表１から明らかなように、Ａｌ量を増加した亜鉛合金で構成された亜鉛合金粉末を負極に用い、電池系内の水分量を多くした実施例１〜４の筒形アルカリ電池は、放電特性（重負荷放電特性）が良好であり、かつ過放電時および未放電時におけるガス量が少ない。そのため、実施例１〜４の筒形アルカリ電池では、過放電時および未放電時における電解液の漏出を防止できる。

これに対し、Ａｌ量が少ない亜鉛合金で構成された亜鉛合金粉末を負極に用いた比較例１の筒形アルカリ電池は、放電特性は実施例の電池と同等であるものの、過放電時および未放電時におけるガス量が多い。また、亜鉛合金中のＢｉ量が多い亜鉛合金粉末を負極に用いた比較例２の筒形アルカリ電池は、過放電時のガス量が多い。更に、電池系内の水分量が多すぎる比較例３の筒形アルカリ電池は、放電特性は優れているが、過放電時のガス量が非常に多い。また、電池系内の水分量が少なすぎる比較例４の筒形アルカリ電池は、過放電時および未放電時のガス量は非常に少ないが、放電特性が劣っている。

本発明のアルカリ電池の一例を示す断面図である。 本発明のアルカリ電池の他の例を示す断面図である。

符号の説明

１ 外装缶
２ 正極
３ セパレータ
４ 負極
５ 負極集電棒
６ 樹脂製の封口体
７ 負極端子板
８ 絶縁板
９ 金属ワッシャ
６３ 防爆用の薄肉部

Claims (7)

1. 正極、亜鉛合金粉末を含有するゲル状負極、およびアルカリ水溶液からなる電解液を有するアルカリ電池であって、
   前記亜鉛合金が、Ａｌを１００〜２０００ｐｐｍ、Ｂｉを５０〜１２５ｐｐｍ、並びにＣａおよびＭｇの少なくとも一方を合計で１〜５０ｐｐｍ含有し、
   電池系内の水分量が、正極活物質１ｇあたり０．２５０〜０．３００ｇであることを特徴とするアルカリ電池。
2. 正極、亜鉛合金粉末を含有するゲル状負極、およびアルカリ水溶液からなる電解液を有するアルカリ電池であって、
   前記亜鉛合金が、Ａｌを１００〜２０００ｐｐｍ、Ｂｉを５０〜１２５ｐｐｍ、並びにＣａおよびＭｇの少なくとも一方を合計で１〜５０ｐｐｍ含有し、
   電池系内の水分量が、前記亜鉛合金粉末１ｇあたり０．６００〜０．７００ｇであることを特徴とするアルカリ電池。
3. 電池系内の水分量が、正極活物質１ｇあたり０．２５０〜０．３００ｇである請求項２に記載のアルカリ電池。
4. 亜鉛合金は、Ｉｎを１００〜１０００ｐｐｍ含有している請求項１〜３のいずれかに記載のアルカリ電池。
5. 亜鉛合金粉末は、２００メッシュの篩い目を通過し得るものの割合が、１０〜８０質量％である請求項１〜４のいずれかに記載のアルカリ電池。
6. 亜鉛合金粉末は、２００メッシュの篩い目を通過し得るものの割合が、４０質量％以下である請求項５に記載のアルカリ電池。
7. 電解液が水酸化カリウム水溶液であり、電池系内における電解液の水酸化カリウム濃度が、平均して３０〜３５質量％である請求項１〜６のいずれかに記載のアルカリ電池。

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