JP2013114888A - アルカリ蓄電及びこのアルカリ蓄電池を用いたアルカリ蓄電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水酸化ニッケルを主正極活物質とするニッケル正極と水素吸蔵合金を負極活物質とする水素吸蔵合金負極とセパレータとからなる電極群を、アルカリ電解液とともに外装缶内に備えたアルカリ蓄電池であって、前記ニッケル正極は、主正極活物質となる水酸化ニッケルに亜鉛が、前記正極活物質中のニッケル質量に対して8質量%以下添加されており、かつ前記水素吸蔵合金は、一般式がLaxReyMg1−x−yNin−aMa(ReはLaを除く希土類元素から選択される少なくとも1種の元素、MはAl、Co、Mn、Znから選択される少なくとも1種の元素)で表され、x/yが0.4以上であり、かつ前記アルカリ電解液は、タングステン等の化合物が、前記正極活物質の質量に対し0.5質量%以上で2.0質量%以下添加されている。
【選択図】 図1
Description
ており、前記化合物の添加量を前記正極活物質の質量に対し0.5質量%以上で2.0質量%以下としている。(請求項1)
加えて、前記アルカリ蓄電池の電解液のアルカリ濃度が7mol/L以下であって、前記電解液中のナトリウム量が0.4mol/L以上、4.2mol/L以下であることが望ましい。(請求項2)
さらに、正極活物質中で電気抵抗成分となる亜鉛の添加量を削減し、ニッケル質量に対して8質量%以下とすることで、更なる高出力化を図り、所望の初期電池出力を得ることが可能となった。
一方、部分充放電耐久後の出力維持率に関して、正極活物質中の亜鉛添加量がニッケル質量に対して8質量%より大きい従来の範囲では、水素吸蔵合金組成のLa比率を増大させても、顕著な出力維持率の低下は見られなかった。
しかしながら、正極活物質中の亜鉛添加量がニッケル質量に対して8質量%以下の範囲では、La比率の増大に伴い、部分充放電耐久後の出力維持率が顕著に低下することを確認した。
詳細調査を行なった結果、正極活物質中の亜鉛添加量がニッケル質量に対して8質量%以下であって、前記一般式で表される水素吸蔵合金においてx/yが0.4以上の範囲において、部分充放電耐久後の出力維持率が急激に低下するという課題が顕在化することを見出した。
上記範囲においては、ニオブ化合物、タングステン化合物、モリブデン化合物から選択されたいずれか1種以上の化合物を電解液中に添加することで、高温充電効率特性が向上し、部分充放電耐久後の出力維持率が改善されることを確認した。
したがって、上記構成のアルカリ蓄電池であると、高出力(回生特性)及び高耐久性能の両立が可能となる。
なお、負極合金組成中のLaは比較的安価なことから、本発明の範囲では上記特長を有するアルカリ蓄電池を低コストで供給することが可能となる。
特に、アルカリ蓄電池の電解液のアルカリ濃度が7mol/L以下であって、前記電解液中のナトリウム量が0.4mol/L以上、4.2mol/L以下であると、高温充電効率特性がさらに改善されることから、アルカリ蓄電池の高耐久性能を特に高めることが可能となる。
本発明のニッケル正極11は、基板となるニッケル焼結基板の多孔内に水酸化ニッケルを主成分とし、水酸化亜鉛、水酸化コバルト、水酸化イットリウムから選択したいずれかの化合物とが所定の充填量となるように充填されて形成されている。
この場合、ニッケル焼結基板は以下のようにして作製されたものを用いている。例えば、ニッケル粉末に、増粘剤となるメチルセルロース(MC)と高分子中空微小球体(例えば、孔径が60μmのもの)と水とを混合、混練してニッケルスラリーを作製する。ついで、ニッケルめっき鋼板からなるパンチングメタルの両面にニッケルスラリーを塗着した後、還元性雰囲気中で1000℃で加熱して、増粘剤や高分子中空微小球体を消失させるとともにニッケル粉末同士を焼結することにより作製されている。
水素吸蔵合金負極12は、パンチングメタルからなる負極芯体に水素吸蔵合金スラリーが充填されて形成されている。この場合、まず、ランタン(La)、ネオジム(Nd)、マグネシウム(Mg)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)を所定のモル比の割合で混合し、この混合物を高周波誘導炉で溶解させ、これを溶融急冷して、A5B19型構造の結晶構造を有し、一般式がLaxReyMg1−x−yNin−aMa(ReはLaを除く希土類元素から選択される少なくとも1種の元素:Nd、Sm、Y等、MはAl、Co、Mn、Znから選択される少なくとも1種の元素)で表される水素吸蔵合金のインゴットを作製した。ついで、得られた水素吸蔵合金の融点よりも30℃だけ低い温度で所定時間(この場合は10時間)の熱処理を行った。
電解液は水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウムを所定のモル比、アルカリ濃度となるよう調整した混合水溶液に、ニオブ化合物、タングステン化合物及びモリブデ
ン化合物から選択されたいずれか1種以上の化合物を添加した。この場合、ニオブ、タングステン及びモリブデンが前記正極活物質の質量に対し所定量となるよう添加した。
上述のようにして作製されたニッケル正極11と、水素吸蔵合金負極12とを用い、これらの間に、目付が55g/m2のポリオレフィン製不織布からなるセパレータ13を介在させて渦巻状に巻回して渦巻状電極群を作製した。なお、このようにして作製された渦巻状電極群の上部にはニッケル正極11の芯体露出部11cが露出しており、その下部には水素吸蔵合金電極12の芯体露出部12cが露出している。ついで、得られた渦巻状電極群の下端面に露出する芯体露出部12cに負極集電体14を溶接するとともに、渦巻状電極群の上端面に露出するニッケル電極11の芯体露出部11cの上に正極集電体15を溶接して、電極体とした。
(1)電池活性化
比較例1〜19、および実施例1〜8記載の電池において、25℃の温度雰囲気で、1
Itの充電電流でSOC(State Of Charge:充電深度)の120%まで充電し、1時間休止させた。ついで、60℃の温度雰囲気で24時間放置した後、30℃の温度雰囲気で、1Itの放電電流で電池電圧が0.9Vになるまで放電させるサイクルを2サイクル繰り返して、電池を活性化した。
活性化終了後の各電池において、25℃の温度雰囲気で、1Itの充電電流でSOC(State Of Charge:充電深度)の120%まで充電し、1時間休止させた。ついで、25℃の温度雰囲気で、1Itの放電電流で電池電圧が1.0Vになるまで放電させるサイクルを2サイクル繰り返して各電池の初期電池容量を求めた。
活性化終了後の各電池において、10Itの充電電流にて、55℃の温度雰囲気で、上記で求めた初期の電池容量に対するSOCが40%から60%の間を充放電させるというサイクルを繰り返す部分充放電サイクル試験を行った。この時、放電電気量の積算値が50kAhとなるまでサイクルを繰り返した。
活性化後の各電池において、1.0Itの充電電流で電池容量の50%までを充電を行った後、25℃の温度雰囲気で3時間保管した。この3時間保管後の電池電圧をE0とした。ついで、20Itの充電電流で10秒間充電を行った。このときの10秒後の電池電圧をE1とした。前記E0及びE1を充電電流に対し直線近似し、1.6Vまで外挿したときの充電電流を初期電池出力とした。また、積算放電電気量が50kAhになった後、上述同様にして耐久後電池出力を算出した。この時、「出力維持率(%)=耐久後電池出力/初期電池出力×100」により出力維持率を算出した。
上述のようにして得られた各評価結果を表3に示す。
動電圧が低下するためと考えられる。ただし、正極活物質中の亜鉛添加量がニッケル質量に対して10質量%においては、十分な初期電池出力を得ることができなかった(比較例1〜5)。
率が改善することを確認した(実施例7、8)。ただし、ナトリウム量が5.0mol/Lでは、抵抗増大に伴う初期電池出力が低下した(比較例19)。
以上より、本発明のアルカリ電解液は、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウムのいずれか一つ以上を含有するとともに、前記アルカリ電解液のアルカリ濃度が7mol/L以下であって、かつナトリウム量が0.4mol/L以上、4.2mol/L以下であることが望ましい。
ついで、上述のようにして作製したニッケル−水素蓄電池10を複数個組み合わせて構成されるアルカリ蓄電池システム100を、図2に基づいて以下に説明する。ここで、図2に示すように、本発明のアルカリ蓄電池システム100は、電源101と、上述したニッケル−水素蓄電池10からなる単電池が8個直列接続された電池モジュールを30個直列接続して形成された組電池102とを備えている。
Claims (3)
- 水酸化ニッケルを主正極活物質とするニッケル正極と水素吸蔵合金を負極活物質とする水素吸蔵合金負極とセパレータとからなる電極群を、アルカリ電解液とともに外装缶内に備えたアルカリ蓄電池であって、
前記ニッケル正極は、主正極活物質となる水酸化ニッケルに亜鉛が添加されているとともに、前記亜鉛の添加量は前記正極活物質中のニッケル質量に対して8質量%以下であり、かつ前記水素吸蔵合金は、一般式がLaxReyMg1−x−yNin−aMa(ReはLaを除く希土類元素から選択される少なくとも1種の元素、MはAl、Co、Mn、Znから選択される少なくとも1種の元素)で表され、x/yが0.4以上であり、かつ前記アルカリ電解液は、タングステン化合物、モリブデン化合物、ニオブ化合物から選択されたいずれか1種以上の化合物が添加されており、前記ニオブ化合物、タングステン化合物、モリブデン化合物から選択されたいずれか1種以上の化合物の添加量は、前記正極活物質の質量に対し0.5質量%以上で2.0質量%以下であることを特徴とするアルカリ蓄電池。 - 前記請求項1記載のアルカリ蓄電池であって、前記アルカリ電解液は、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウムのいずれか一つ以上を含有するとともに、前記アルカリ電解液のアルカリ濃度が7mol/L以下であって、かつナトリウム量が0.4mol/L以上、4.2mol/L以下であることを特徴とするアルカリ蓄電池。
- 前記請求項1または前記請求項2に記載のアルカリ蓄電池を備えているとともに、当該アルカリ蓄電池を部分充放電制御するようにされていることを特徴とするアルカリ蓄電池システム。
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