JP2010118286A - アルカリ電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 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えることができ、内部短絡の発生を抑制可能で、放電特性が良好な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、セパレータ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、Ｂｉを５０〜１２５ｐｐｍ、Ａｌを１００〜２０００ｐｐｍ、並びにＣａおよびＭｇの少なくとも一方を合計で１〜５０ｐｐｍ含有しており、前記セパレータの通気度が、５〜２５ｃｍ^３／ｃｍ^２・ｓｅｃ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。前記セパレータは、フィブリル化処理されたセルロース繊維を含有していることが好ましい。
【選択図】 図２

Description

本発明は、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く、かつ内部短絡の発生が抑制され、放電特性も良好な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においては、近年の使用機器の高機能化などに伴って、高容量化や信頼性の向上による電池寿命の長期化や、放電特性の向上が求められていると共に、漏液を防止すべく、電池内でのガス発生を抑制することが求められている。

アルカリ電池の負極に使用される亜鉛合金粉末には、未放電時における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。

特開２００６−３０２７７４号公報

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。

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、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えることができ、内部短絡の発生を抑制可能で、放電特性が良好な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、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、Ｂｉを５０〜１２５ｐｐｍ、Ａｌを１００〜２０００ｐｐｍ、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、前記セパレータの通気度が、５〜２５ｃｍ^３／ｃｍ^２・ｓｅｃであることを特徴とするものである。

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と、Ｃａおよび／またはＭｇとを特定量で含有させることによって、過放電時のガス発生を更に抑制することに加えて、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。

ところが、前記のように、亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金中のＡｌ量を多くすると、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、これがセパレータを貫通することで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ことが、本発明者らの更なる検討により判明した。

そこで、本発明では、負極と正極とを仕切るセパレータに、特定の通気度を有するものを使用し、その遮蔽性を高めてデンドライトの貫通を抑え、内部短絡の発生の抑制を可能としつつ、優れた放電特性（特に重負荷放電特性）も確保し得るようにした。

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。

本発明によれば、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えることができ、内部短絡の発生も抑制可能で、放電特性が良好な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。

＜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、Ｂｉを５０ｐｐｍ以上１２５ｐｐｍ以下、Ａｌを１００ｐｐｍ以上２０００ｐｐｍ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中のＢｉ含有量は、過放電時におけるガス発生を抑制する観点から、１２５ｐｐｍ以下であり、１００ｐｐｍ以下であることが好ましい。ただし、亜鉛合金中のＢｉ量が少なすぎると、未放電時におけるガス発生抑制作用が小さくなりすぎる虞があることから、亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金中のＢｉ含有量は、５０ｐｐｍ以上であり、７５ｐｐｍ以上であることが好ましい。

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。

亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金中のＡｌ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。

また、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）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。前記の通り、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、例えば軽負荷で放電させた場合、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。本発明では、前記の通り、特定の通気度を有するセパレータを使用することで、前記の内部短絡の発生を抑制しているが、負極にインジウム化合物を含有させることで、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が偏析して、前記の内部短絡の発生を更に良好に抑制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。

＜セパレータ＞
本発明のアルカリ電池では、通気度が、２５ｃｍ^３／ｃｍ^２・ｓｅｃ以下、好ましくは１８ｃｍ^３／ｃｍ^２・ｓｅｃ以下のセパレータを使用する。このような通気度を有するセパレータを用いることで、放電時に生成するデンドライトによる内部短絡の発生を抑制して、電池寿命の短期化を防止できる。ただし、セパレータの通気度が小さすぎると、セパレータのイオン透過性が低下して、電池の放電特性（特に重負荷放電特性）の低下を引き起こす虞がある。よって、本発明のアルカリ電池に係るセパレータの通気度は、５ｃｍ^３／ｃｍ^２・ｓｅｃ以上であり、８ｃｍ^３／ｃｍ^２・ｓｅｃ以上であることが好ましい。

なお、本明細書でいうセパレータの通気度は、ＪＩＳ Ｌ １０９６の８．２７．１項に規定のＡ法（フラジール形法）に従って測定される値である。

なお、セパレータとしては、フィブリル化処理されたセルロース繊維を含むものが好ましい。このような繊維を含むセパレータであれば、遮蔽性を高めてデンドライトの貫通を防止しつつ、イオン透過性を良好に保ち得るため、電池の放電特性も高く維持できる。

フィブリル化処理されたセルロース繊維は、セルロースを化学的に変化させずに溶剤（有機溶剤）に溶解した溶液を用いて紡糸することにより得られるセルロース繊維（いわゆる精製セルロース繊維）に、叩解処理を施すことでフィブリル化したものである。なお、前記の精製セルロース繊維としては、例えば、リヨセルが挙げられ、レンチング社から「テンセル（登録商標）」の名称で市販されているものを入手することができる。

また、セパレータは、フィブリル化処理されたセルロース繊維以外に、耐アルカリ性を有する合成繊維、マーセル化パルプおよびバインダを含有し、これらの成分により構成されたものであることが好ましい。

耐アルカリ性を有する合成繊維としては、例えば、ポリオレフィン繊維（ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレン−ポリプロピレン複合繊維など）、ポリアミド繊維、ポリアミド−変性ポリアミド複合繊維、ポリビニルアルコール繊維、ビニロン繊維、エチレン−ビニルアルコール共重合体繊維などが挙げられる。

マーセル化パルプとしては、広葉樹パルプ、針葉樹パルプ、ユーカリパルプ、コットンリンターパルプ、エスパルトパルプ、パイナップルパルプ、麻パルプ（マニラ麻パルプ、サイザル麻パルプなど）などのパルプをマーセル化処理したものが挙げられる。

バインダとしては、電池内において、アルカリ性の電解液に対して耐性があり、また、放電反応時に変性せず、セパレータを構成する前記の各繊維同士を良好に結着できるものであれば特に制限はないが、例えば、ポリビニルアルコール、ビニロンが好ましい。

セパレータにおいて、フィブリル化処理されたセルロース繊維の含有量は、例えば、５〜６０質量％であることが好ましい。なお、セパレータを構成するフィブリル化処理されたセルロース繊維以外の成分は、例えば、前記の耐アルカリ性を有する合成繊維、マーセル化パルプおよびバインダのうちの少なくとも１種が挙げられる。

また、セパレータが、フィブリル化処理されたセルロース繊維と共に、耐アルカリ性を有する合成繊維、マーセル化パルプおよびバインダを含有する場合、耐アルカリ性を有する合成繊維の含有量は、３０〜６０質量％であることが好ましく、マーセル化パルプの含有量は、３０〜５０質量％であることが好ましく、バインダの含有量は、２〜２０質量％であることが好ましく、また、この場合のセパレータ中のフィブリル化処理されたセルロース繊維の含有量は、５〜３８質量％であることが好ましい。

セパレータは、例えば、前記の構成繊維およびバインダなどを含有する不織布などのシート状物１枚で構成してもよく、前記のシート状物を複数枚（２枚、３枚、４枚など）重ねて構成してもよい。セパレータの厚み（前記のシート状物を複数枚重ねて構成した場合は、全シート状物の総厚み）は、例えば、２５０〜３５０μｍであることが好ましい。

本発明のアルカリ電池は、前述のゲル状負極およびセパレータ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、電池の負荷特性が低下する虞がある。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より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。

＜正極容量に対する負極容量の比＞
前記の通り、過放電時における電池内でのガス発生は、電池の放電が終了した後の負極において、放電反応に関与していない未反応のＺｎ（亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金中のＺｎ成分）が存在する場合に起こる。よって、本発明の電池においては、正極容量に対する負極容量の比（負極容量／正極容量）が、１．２５以下であることが好ましく、１．２０以下であることがより好ましく、１．１０以下であることが更に好ましい。このように正極容量に対する負極容量の比を小さくすることで、放電終了時における未反応のＺｎ量を可及的に低減し、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。

なお、正極容量に対する負極容量の比が小さすぎると、正極容量と負極容量とのバランスが悪くなって電池の放電容量が低下することがあるため、本発明の電池においては、正極容量に対する負極容量の比が、１．００以上であることが好ましく、１．０５以上であることがより好ましい。

本発明の電池における正極容量に対する負極容量の比は、以下のようにして求められる値である。電池組み立て後の正極および負極の活物質の含有量を、正極活物質（二酸化マンガンまたはオキシ水酸化ニッケル）については、その質量と、その中のＭｎ含有率やＮｉ含有率の分析値とから算出し、負極活物質（亜鉛合金中のＺｎ成分）については、ゲル状の負極合剤を回収し、水洗した上で、Ｚｎ含有率を分析して算出する。正極活物質中のＭｎ含有率やＮｉ含有率、負極活物質中のＺｎ含有率は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）分析により求める。そして、二酸化マンガンの容量を３０８ｍＡｈ／ｇとし、オキシ水酸化ニッケルの容量を２９２ｍＡｈ／ｇとして、前記の正極活物質含有量（二酸化マンガン量やオキシ水酸化ニッケル量）から正極容量を算出し、亜鉛の容量を８２０ｍＡｈ／ｇとして、前記の負極活物質含有量（Ｚｎ量）から負極容量を算出し、正極容量に対する負極容量の比を求める。

なお、前記の二酸化マンガン、オキシ水酸化ニッケルおよび亜鉛の容量は、「電池便覧 第３版（丸善株式会社）」の第２７頁に記載の表１・４・１「種々の電池活物質の単位電気量当たりの質量および体積」におけるＺｎ、ＭｎＯ_２およびＮｉＯＯＨの単位電気量当たりの質量（１．２２０、３．２４４、および３．４２２）の逆数を取り、単位を整えた数値を用いた。

＜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、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。

＜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、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。

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、フィブリル化処理されたセルロース繊維：１０質量％、アセタール化ビニロン繊維：４０質量％、マーセル化パルプ：３５質量％、ビニロン（バインダ）：１５質量％を含有する不織布（厚み１００μｍ、目付が３０ｇ／ｍ^２）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（厚み３００μｍ）とした。なお、セパレータ３の通気度は、１５ｃｍ^３／ｃｍ^２・ｓｅｃであった。

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、電池系内の水分量の合計は正極活物質１ｇ当たり０．２６１ｇで、正極容量に対する負極容量の比は１．１０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
セパレータを構成する不織布１枚あたりの厚みを１１０μｍに変更した（すなわち、セパレータの厚みを３３０μｍ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。なお、実施例２の電池に使用したセパレータの通気度は、５ｃｍ^３／ｃｍ^２・ｓｅｃであった。

実施例３
セパレータを構成する不織布１枚あたりの厚みを９０μｍに変更した（すなわち、セパレータの厚みを２７０μｍ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。なお、実施例３の電池に使用したセパレータの通気度は、２５ｃｍ^３／ｃｍ^２・ｓｅｃであった。

比較例１
セパレータを構成する不織布１枚あたりの厚みを８０μｍに変更した（すなわち、セパレータの厚みを２４０μｍ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。なお、比較例１の電池に使用したセパレータの通気度は、３５ｃｍ^３／ｃｍ^２・ｓｅｃであった。

比較例２
セパレータを構成する不織布１枚あたりの厚みを１２０μｍに変更した（すなわち、セパレータの厚みを３６０μｍ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。なお、比較例２の電池に使用したセパレータの通気度は、２ｃｍ^３／ｃｍ^２・ｓｅｃであった。

比較例３
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、セパレータを構成する不織布を、アセタール化ビニロン繊維とテンセル（フィブリル化処理を施していないセルロース繊維）とからなり、厚みが１００μｍで目付けが３０ｇ／ｍ^２のものに変更した以外は、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４
亜鉛合金粉末を、Ａｌを３０ｐｐｍ、Ｂｉを１００ｐｐｍ、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、比較例３と同様にして筒形アルカリ電池を作製した。

比較例５
亜鉛合金粉末を、Ａｌを３０ｐｐｍ、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、比較例３と同様にして筒形アルカリ電池を作製した。

比較例６
亜鉛合金粉末を、Ａｌを１０００ｐｐｍ、Ｂｉを１００ｐｐｍ、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、比較例３と同様にして筒形アルカリ電池を作製した。

比較例７
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、比較例３と同様にして筒形アルカリ電池を作製した。

比較例８
亜鉛合金粉末を、Ａｌを１０００ｐｐｍ、Ｂｉを３０ｐｐｍ、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、比較例３と同様にして筒形アルカリ電池を作製した。

実施例１〜３および比較例１〜２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１および２を行った。これらの結果をセパレータの通気度と共に表１に示す。

＜放電特性確認試験１＞
実施例１〜３および比較例１〜２の筒形アルカリ電池について、２０℃で、３．９Ωで５分間放電させ、その後１１時間５５分休止する一連の操作を１サイクルとして、電圧が０．８Ｖになるまでのサイクル数を測定した。なお、表１では、実施例１の電池におけるサイクル数を１００とした場合の相対値で示しており、この試験における値が大きいほど、放電時に生成するデンドライトに起因する内部短絡が良好に抑制できていることを意味している。

＜放電特性確認試験２＞
実施例１〜３および比較例１〜２の筒形アルカリ電池（前記の放電特性確認試験１を行ったものとは別の電池）について、２０℃でベース放電電流０．６５Ｗとし、３０秒間隔で１．５Ｗのパルス電流が流れた時点の電圧が１．０５Ｖ以下に低下するまでに要するパルス放電の回数を測定した。なお、表１では、実施例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、好適な通気度を有するセパレータを用いた実施例１〜３の筒形アルカリ電池は、放電特性確認試験１、２のいずれの結果も良好であり、放電に伴って生成するデンドライトに起因する内部短絡が抑制できており、また、パルス放電特性（重負荷放電特性）も優れている。

これに対し、通気度が大きすぎるセパレータを用いた比較例１の電池では、放電特性確認試験１の結果が劣っており、放電に伴って生成するデンドライトに起因する内部短絡が十分に抑制できていない。また、通気度が小さすぎるセパレータを用いた比較例２の電池では、放電特性確認試験１の結果は良好であり、放電に伴って生成するデンドライトに起因する内部短絡は抑制できているが、放電特性確認試験２の結果が劣っており、パルス放電特性（重負荷放電特性）が低い。

次に、実施例１〜３および比較例１〜８の筒形アルカリ電池について、下記のガス量確認試験を行った。これらの結果を表２に示す。

＜ガス量確認試験＞
実施例１〜３および比較例１〜８の筒形アルカリ電池（実施例１〜３および比較例１〜２の電池については、前記の放電特性確認試験１、２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１〜３および比較例１〜８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２では、実施例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２から明らかなように、合金組成が適正な亜鉛合金で構成された亜鉛合金粉末を負極に用いた実施例１〜３の筒形アルカリ電池は、過放電時および未放電時のガス発生量が少ない。また、比較例１、２の電池も、実施例１〜３の電池と同様に負極の亜鉛合金粉末に係る亜鉛合金の合金組成が適正であるため、過放電時および未放電時のガス発生量が少ない。

これに対し、Ａｌ量が少なく、ＭｇおよびＣａを含ま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３、４の電池、およびＭｇを含有しているが、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５の電池は、ＩｎやＢｉの含有量によらず、実施例１〜３の電池よりも未放電時および過放電時におけるガス発生量が多い。他方、Ａｌ量は適切であるが、ＭｇおよびＣａを含ま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６の電池は、過放電時におけるガス発生は抑制できているものの、未放電時におけるガス量が多い。また、Ｂｉ量が多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７の電池は、過放電時におけるガス量が多く、Ｂｉ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８の電池は、未放電時におけるガス量が多い。よって、比較例３〜８の電池では、未放電時または過放電時において、電解液の漏出の虞がある。

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 (8)

1. 正極、亜鉛合金粉末を含有するゲル状負極、セパレータ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、Ｂｉを５０〜１２５ｐｐｍ、Ａｌを１００〜２０００ｐｐｍ、並びにＣａおよびＭｇの少なくとも一方を合計で１〜５０ｐｐｍ含有しており、
   前記セパレータの通気度が、５〜２５ｃｍ^３／ｃｍ^２・ｓｅｃであることを特徴とするアルカリ電池。
2. セパレータは、フィブリル化処理されたセルロース繊維を含有している請求項１に記載のアルカリ電池。
3. セパレータは、耐アルカリ性を有する合成繊維、マーセル化パルプおよびバインダを更に含有している請求項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. 正極容量に対する負極容量の比が、１．００〜１．２５である請求項１〜６のいずれかに記載のアルカリ電池。
8. 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１〜７のいずれかに記載のアルカリ電池。

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