JP2015141889A - Alkali battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アルカリ電池の放電性能、とくに重負荷放電性能を向上する技術に関する。 The present invention relates to a technique for improving discharge performance, particularly heavy load discharge performance, of an alkaline battery.
昨今、デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話機、スマートフォン等の電子機器の高性能化及び小型化が進んでおり、こうした電子機器の電源として用いられるアルカリ電池に対する性能向上の要求が高まっている。 In recent years, electronic devices such as digital cameras, video cameras, mobile phones, smartphones and the like have been improved in performance and size, and demands for improving the performance of alkaline batteries used as power sources for such electronic devices are increasing.
アルカリ電池の性能改善に関し、特許文献1には、特別なバインダーは添加せずに放電性能を維持し、正極ペレットの強度を向上させて円筒形アルカリ電池の歩留まりを向上すべく、正極合剤用アルカリ電解液の濃度を注液用アルカリ電解液のそれより高濃度とし、とくに正極合剤用電解液の濃度を45〜50wt%、注液用電解液の濃度を35〜40wt%とし、前者を後者より5wt%以上高濃度とすることが記載されている。 Regarding the improvement of the performance of alkaline batteries, Patent Document 1 discloses that a positive binder is used for maintaining discharge performance without adding a special binder and improving the yield of cylindrical alkaline batteries by improving the strength of positive electrode pellets. The concentration of the alkaline electrolyte is higher than that of the alkaline electrolyte for pouring, particularly the concentration of the electrolyte for positive electrode mixture is 45 to 50 wt%, the concentration of the electrolytic solution for pouring is 35 to 40 wt%, It is described that the concentration is 5 wt% or more higher than the latter.
また特許文献2には、負荷特性に優れ、電解液との反応によるガス発生や貯蔵性の低下を防止する一方で、異常発生時の発熱挙動を抑制したアルカリ電池を提供すべく、二酸化マンガンまたはニッケル酸化物と導電剤と水酸化カリウムを溶解したアルカリ電解液(A)とを含有する正極合剤、セパレータ、亜鉛合金粉末とゲル化剤と水酸化カリウムを溶解したアルカリ電解液(B)とを含有する負極合剤、および水酸化カリウムを溶解したアルカリ電解液(C)を外装体内部に封入することにより作製されるアルカリ電池であって、電池組み立て後に、電池系内のアルカリ電解液の水酸化カリウム濃度が平均して30〜37質量%となるように、電解液(A)〜(C)の水酸化カリウム濃度を調整し、負極に200メッシュのふるい目を通過する粉末の割合が4〜40質量%である亜鉛合金粉末を用いることが記載されている。 In Patent Document 2, manganese dioxide or manganese dioxide is provided in order to provide an alkaline battery that has excellent load characteristics and prevents gas generation and storage stability from being reduced by reaction with an electrolytic solution, while suppressing heat generation behavior when an abnormality occurs. A positive electrode mixture containing nickel oxide, a conductive agent and an alkaline electrolyte (A) in which potassium hydroxide is dissolved; a separator; an alkaline electrolyte (B) in which zinc alloy powder, a gelling agent and potassium hydroxide are dissolved; An alkaline battery prepared by encapsulating an alkaline electrolyte (C) in which potassium hydroxide is dissolved in an exterior body, and after the battery is assembled, the alkaline electrolyte in the battery system The potassium hydroxide concentration of the electrolytes (A) to (C) is adjusted so that the average potassium hydroxide concentration is 30 to 37% by mass, and a 200 mesh sieve is passed through the negative electrode. That the ratio of the powders is describes the use of zinc alloy powder is 4-40 weight%.
特許文献1には、放電性能の維持並びに正極ペレットの強度向上を目的として正極合剤用アルカリ電解液の濃度を注液用アルカリ電解液の濃度を調整することが記載されているが、放電性能の向上、とくに活物質の利用率が低下する重負荷放電時の性能改善については考慮されていない。また特許文献2には、アルカリ電池の負荷特性を向上すべく、電池系内のアルカリ電解液の水酸化カリウム濃度を調整することが記載されているが、重負荷放電性能の改善についてはとくに言及されていない。 Patent Document 1 describes that the concentration of the alkaline electrolyte for positive electrode mixture is adjusted for the purpose of maintaining the discharge performance and improving the strength of the positive electrode pellet. In particular, improvement in performance at the time of heavy load discharge in which the utilization factor of the active material decreases is not considered. Patent Document 2 describes that the potassium hydroxide concentration of the alkaline electrolyte in the battery system is adjusted in order to improve the load characteristics of the alkaline battery, but particularly mentions the improvement of heavy load discharge performance. It has not been.
本発明はアルカリ電池の放電性能の向上を目的としてなされたものであり、とくに重負荷放電性能に優れたアルカリ電池を提供することを目的としている。 The present invention has been made for the purpose of improving the discharge performance of an alkaline battery, and particularly has an object of providing an alkaline battery excellent in heavy load discharge performance.
上記目的を達成するための本発明の一つは、有底筒状の正極缶内に装填される正極合剤と、前記正極合剤の内周側に設けられるセパレータと、前記セパレータの内周側に充填される、亜鉛を主成分とする粉末を含む負極合剤と、前記負極合剤に挿入される負極集電体と、前記正極缶の開口部を封口する負極端子板と、水酸化カリウムを含む電解液と、を備えて構成されるアルカリ電池であって、前記正極合剤に含まれている前記水酸化カリウムの濃度が前記負極合剤に含まれている前記水酸化カリウムの濃度よりも大きく、前記粉末に粒度が75μm以下の粒子が25〜40質量%の範囲で含まれていることを特徴としている。 One aspect of the present invention for achieving the above object is that a positive electrode mixture loaded in a bottomed cylindrical positive electrode can, a separator provided on the inner peripheral side of the positive electrode mixture, and an inner periphery of the separator A negative electrode mixture containing zinc-based powder, a negative electrode current collector inserted into the negative electrode mixture, a negative electrode terminal plate that seals the opening of the positive electrode can, and hydroxylation An alkaline battery comprising an electrolyte containing potassium, wherein the concentration of the potassium hydroxide contained in the cathode mixture is the concentration of the potassium hydroxide contained in the anode mixture It is characterized in that the powder contains particles having a particle size of 75 μm or less in a range of 25 to 40% by mass.
また本発明の他の一つは、上記アルカリ電池であって、前記正極合剤に含まれている前記水酸化カリウムの濃度が35〜50質量%であり、前記負極合剤に含まれている前記水酸化カリウムの濃度が30〜45質量%の範囲であることを特徴としている。 Moreover, another one of this invention is the said alkaline battery, Comprising: The density | concentration of the said potassium hydroxide contained in the said positive electrode mixture is 35-50 mass%, and is contained in the said negative electrode mixture. The potassium hydroxide concentration is in the range of 30 to 45% by mass.
また本発明の他の一つは、上記アルカリ電池であって、前記粉末には、ビスマスが0.01〜0.03質量%の範囲で含まれていることを特徴としている。 Another aspect of the present invention is the alkaline battery, wherein the powder contains bismuth in a range of 0.01 to 0.03% by mass.
その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。 In addition, the subject which this application discloses, and its solution method are clarified by the column of the form for inventing, and drawing.
本発明によれば、放電性能、とくに重負荷放電性能に優れたアルカリ電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the alkaline battery excellent in discharge performance, especially heavy load discharge performance can be provided.
図1に本発明の適用対象となる一般的な円筒形アルカリ電池(LR6型(単三形)アルカリ電池)の構成(以下、アルカリ電池1と称する。)を示している。尚、同図ではアルカリ電池1を縦断面図(円筒軸の延長方向を上下(縦)方向としたときの断面図)として示している。 FIG. 1 shows a configuration of a general cylindrical alkaline battery (LR6 type (AA) alkaline battery) (hereinafter referred to as alkaline battery 1) to which the present invention is applied. In the figure, the alkaline battery 1 is shown as a vertical cross-sectional view (a cross-sectional view when the extending direction of the cylindrical shaft is the vertical (vertical) direction).
同図に示すように、アルカリ電池1は、有底筒状の金属製の電池缶(以下、正極缶11と称する。)、正極缶11に挿入される正極合剤21、正極合剤21の内周側に設けられる有底円筒状のセパレータ22、セパレータ22の内周側に充填される負極合剤23、正極缶11の開口部に樹脂製の封口ガスケット35を介して嵌着される負極端子板32、及び負極端子板32の内側にスポット溶接等によって固設される、真鍮等の素材からなる棒状の負極集電子31を備える。正極合剤21、セパレータ22、及び負極合剤23は、アルカリ電池1の発電要素20を構成する。
As shown in FIG. 1, the alkaline battery 1 includes a bottomed cylindrical metal battery can (hereinafter referred to as a positive electrode can 11), a
正極缶11は導電性の材質からなり、例えば、ニッケルメッキ鋼板等の金属材をプレス加工したものが用いられる。正極缶11は、正極集電体と正極端子の機能を兼ねており、その底部に凸状の正極端子部12が一体形成されている。
The positive electrode can 11 is made of a conductive material. For example, a material obtained by pressing a metal material such as a nickel-plated steel plate is used. The positive electrode can 11 also functions as a positive electrode current collector and a positive electrode terminal, and a convex positive
正極合剤21は、正極活物質としての電解二酸化マンガン(EMD)、導電材としての黒鉛、及び水酸化カリウム(KOH)を主成分とする電解液を、ポリアクリル酸などのバインダーとともに混合し、その混合物を圧延、解砕、造粒、分級等の工程にて処理した後、圧縮して環状に成形したものである。同図に示すように、正極缶11内には、複数の環状の正極合剤21が、正極缶11の円筒軸と同軸になるように、上下方向に積層されて圧入されている。図1のアルカリ電池1では、正極缶11内に3つの正極合剤21を圧入している。
The
負極合剤23は、負極活物質としての亜鉛合金粉末をゲル化したものである。亜鉛合金粉末は、ガスアトマイズ法や遠心噴霧法によって造粉されたものであり、亜鉛、ガスの発生の抑制(漏液防止)等を目的として添加される合金成分(ビスマス、アルミニウム、インジウム等)、及び電解液としての水酸化カリウムを含む。負極集電子31は、負極合剤23の中心部に貫入されている。
The
以上の構成からなるアルカリ電池1について、放電性能、とくに重負荷放電性能の改善効果を検証すべく以下の試験1〜3を行った。 About the alkaline battery 1 which consists of the above structure, the following tests 1-3 were performed in order to verify the improvement effect of discharge performance, especially heavy load discharge performance.
<試験1>
試験1では、正極合剤21の水酸化カリウムの濃度および負極合剤23の水酸化カリウムの濃度をいずれも30〜50質量%の範囲で変化させるとともに、負極合剤23の亜鉛合金粉末として粒度が75μm以下の粒子を10質量%含むものと30質量%含むものの夫々を用いて複数種のアルカリ電池1を作製し、夫々の放電性能を比較した。放電性能の比較は、デジタルカメラの使用時等における重負荷放電を想定したサイクル放電試験(1500mWで2秒放電、650mWで28秒放電のサイクルを1時間当たり10回(1時間当たりの休止時間55分))を行い、終止電圧(1.05V)に至るまでのサイクル数を計数し、これを比較することにより行った。
<Test 1>
In Test 1, the concentration of potassium hydroxide in the
表1に各アルカリ電池1の放電性能を比較した結果を示す。尚、放電性能を表す表中の数値は、正極合剤21の水酸化カリウムの濃度を40質量%、負極合剤23の水酸化カリウムの濃度を40質量%、負極合剤23の亜鉛合金粉末として粒度が75μm以下の粒子を40質量%含むものを用いて作製したアルカリ電池1の放電性能を100(下線を付した数値)としたときの相対値である。改善効果が比較的高い数値については枠線を付してある。
Table 1 shows the result of comparing the discharge performance of each alkaline battery 1. The numerical values in the table showing the discharge performance are 40% by mass of the potassium hydroxide concentration of the
表1に示すように、正極合剤21の水酸化カリウムの濃度 (35〜50質量%)が負極合剤23の水酸化カリウムの濃度 (30〜45質量%)よりも大きい場合に放電性能が高くなることが確認された。また粒径の小さな亜鉛合金粉末をより多く用いた場合(同表では粒度が75μm以下の粒子を30質量%含むもの)にとくに放電性能が高くなることが確認された。このように放電性能が向上するのは、負極合剤23に粒径の小さな亜鉛合金粉末を用い、かつ、負極合剤23の水酸化カリウムの濃度を低減することによって電解液(水)の供給がスムーズになり、パルス放電性能が向上するためであると考えられる。
As shown in Table 1, when the potassium hydroxide concentration (35 to 50% by mass) of the
尚、正極合剤21の水酸化カリウムの濃度を35質量%未満とした場合には正極合剤21の強度が低下し、正極合剤21を正極缶11に挿入する工程で正極合剤21に割れが発生した。また正極合剤21の水酸化カリウムの濃度が50質量%を超えた場合は常温下で水酸化カリウムが析出し、均一な正極合剤21を作製することが困難となった。
When the concentration of potassium hydroxide in the
また負極合剤23の水酸化カリウムの濃度を30質量%未満とした場合は負極ゲルの酸化が進みやすくなり、均一な負極ゲルを作製することが困難となった。また負極合剤23の水酸化カリウムの濃度が45質量%を超えた場合は負極合剤23の粘度が高くなり過ぎ、負極合剤23をセパレータ22の内部に注入する工程で負極合剤23の流動性が不十分となった。
Further, when the concentration of potassium hydroxide in the
<試験2>
続いて、負極合剤23の亜鉛合金粉末の粒度として適切な範囲を検証すべく、負極合剤23の亜鉛合金粉末の粒度を変えた(粒度が75μm以下の粒子の含有率を24〜41質量%の範囲で変化させた)複数種のアルカリ電池1を作製し、夫々の放電性能並びに電池内ガスの発生量を比較した。また正極合剤21の水酸化カリウムの濃度と負極合剤23の水酸化カリウムの濃度との組み合わせを変えた(但し、「正極合剤21の水酸化カリウムの濃度>負極合剤23の水酸化カリウムの濃度」の関係は維持)複数種のアルカリ電池1を作製し、夫々について負極合剤23の亜鉛合金粉末の粒度を変化させたときの放電性能並びに電池内ガスの発生量を比較した。更に従来例として、正極合剤21の水酸化カリウムの濃度と負極合剤23の水酸化カリウムの濃度を一致させ(いずれも40質量%とした)、負極合剤23の亜鉛合金粉末として粒度が75μm以下の粒子を10質量%含むものを用いてアルカリ電池1を作製し、これについて放電性能並びに電池内ガスの発生量を比較した。尚、放電性能については前述と同様の方法で求めた。また電池内ガスの発生量については、作製したアルカリ電池1を90℃下で15日間保存した後における電池内ガスの発生量を測定した。
<Test 2>
Subsequently, in order to verify an appropriate range as the particle size of the zinc alloy powder of the
表2に各アルカリ電池1の放電性能並びに電池内ガスの発生量を比較した結果を示す。尚、表中の放電性能並びに電池内ガスの発生量を表す数値は、正極合剤21の水酸化カリウムの濃度を40質量%、負極合剤23の水酸化カリウムの濃度を40質量%、負極合剤23の亜鉛合金粉末として粒度が75μm以下の粒子を10質量%含むものを用いて作製したアルカリ電池1の放電性能並びに電池内ガスの値をいずれも100(下線を付した数値)としたときの相対値である。改善効果が比較的高い数値については枠線を付してある。
Table 2 shows the results of comparing the discharge performance of each alkaline battery 1 and the amount of gas generated in the battery. The numerical values representing the discharge performance and the amount of gas generated in the battery are 40% by mass of the potassium hydroxide concentration of the
表2に示すように、負極合剤23の亜鉛合金粉末として粒度が75μm以下の粒子を25〜40質量%の範囲で含むものを用いて作製したアルカリ電池1(実施例A1〜A3,B1〜B3,C1〜C3)については、放電性能が従来例よりも10%以上向上し、かつ、電池内ガスの発生量は従来例と同程度であることが確認された。また負極合剤23の亜鉛合金粉末として粒度が75μm以下の粒子の含有率が25質量%未満であるものを用いて作製したアルカリ電池1(比較例A1,B1,C1)については、放電性能の改善効果が不充分であることが確認された。また負極合剤23の亜鉛合金粉末として粒度が75μm以下の粒子の含有率が40質量%を超えるものを用いて作製したアルカリ電池1(比較例A2,比較例B2,比較例C2)については、電池内ガスの発生量が多く耐漏液性能が低下することが確認された。
As shown in Table 2, alkaline batteries 1 (Examples A1 to A3, B1 to B1) prepared using zinc alloy powder of the
<試験3>
続いて、負極合剤23として用いる亜鉛合金粉末の組成(ビスマス含有量)について検証すべく、亜鉛合金粉末の組成(ビスマス含有量)を変える(ビスマスの含有量を0.009〜0.031質量%の間で変化させる)とともに、亜鉛合金粉末の粒度を変えた(粒度が75μm以下の粒子の含有率を25〜40質量%の間で変化させた)複数種のアルカリ電池1を作製し、夫々の放電性能並びに電池内ガスの発生量を比較した。尚、これらについてはいずれも「正極合剤21の水酸化カリウムの濃度(50質量%)>負極合剤23の水酸化カリウムの濃度(30質量%)」の関係とした。また従来例として、正極合剤21の水酸化カリウムの濃度と負極合剤23の水酸化カリウムの濃度を一致(いずれも40質量%)させ、負極合剤23の亜鉛合金粉末として粒度が75μm以下の粒子の含有率が10質量%であるものを用い、ビスマスの含有量を0.007質量%としたアルカリ電池1を作製し、これについても放電性能並びに電池内ガスの発生量を比較した。尚、放電性能並びに電池内ガスの発生量については前述と同様の方法で求めた。
<Test 3>
Subsequently, in order to verify the composition (bismuth content) of the zinc alloy powder used as the
表3に各アルカリ電池1の放電性能並びに電池内ガスの発生量を比較した結果を示す。尚、表中の放電性能並びに電池内ガスを表す数値は、正極合剤21の水酸化カリウムの濃度を40質量%、負極合剤23の水酸化カリウムの濃度を40質量%、亜鉛合金粉末として粒度が75μm以下の粒子を10質量%含むものを用いて作製したアルカリ電池1の放電性能並びに電池内ガスの値をいずれも100(下線を付した数値)としたときの相対値である。改善効果が比較的高い数値については枠線を付してある。
Table 3 shows the results of comparing the discharge performance of each alkaline battery 1 and the amount of gas generated in the battery. The numerical values representing the discharge performance and the gas in the battery in the table are as follows: the concentration of potassium hydroxide in the
表3に示すように、負極合剤23の亜鉛合金粉のビスマス含有量が0.0010〜0.030質量%の範囲のアルカリ電池1(実施例A1〜A8)については電池内ガスの発生量は従来例と同程度であり、かつ、放電性能が従来例より10%以上向上することを確認できた。また亜鉛合金粉のビスマス含有量が0.010質量%未満(従来例並びに比較例、A3,A5,A7)では、電池内ガスの発生を抑制する効果が不充分であるため耐漏液性能が低下し、とくにビスマス含有量が0.030質量%を超えると放電性能が低下することが確認できた。
As shown in Table 3, for alkaline battery 1 (Examples A1 to A8) in which the bismuth content of the zinc alloy powder of
<効果>
以上の通り、正極合剤21の水酸化カリウムの濃度が負極合剤23の水酸化カリウムの濃度よりも大きい場合にアルカリ電池1の放電性能が高くなり、更に負極合剤23の亜鉛合金粉末として粒度が75μm以下の粒子を25〜40質量%の範囲で含むものを用いることでアルカリ電池1の放電性能が大きく向上することを確認できた。
<Effect>
As described above, when the concentration of potassium hydroxide in the
また正極合剤21の水酸化カリウムの濃度が35〜50質量%、かつ、負極合剤23に含まれている水酸化カリウムの濃度が30〜45質量%の範囲において高い放電性能が得られることを確認できた。
Further, high discharge performance can be obtained when the concentration of potassium hydroxide in the
また負極合剤23として用いる亜鉛合金粉末としてビスマスを0.01〜0.03質量%の範囲で含むものを用いることで高い放電性能が得られ、耐漏液性能も確保されることを確認できた。
Moreover, it was confirmed that by using a zinc alloy powder used as the
尚、以上の説明は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。 In addition, the above description is for making an understanding of this invention easy, and does not limit this invention. It goes without saying that the present invention can be changed and improved without departing from the gist thereof, and that the present invention includes equivalents thereof.
1 アルカリ電池、11 正極缶、12 正極端子部、20 発電要素、21 正極合剤、22 セパレータ、23 負極合剤、31 負極集電子、32 負極端子板、35 封口ガスケット DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Alkaline battery, 11 Positive electrode can, 12 Positive electrode terminal part, 20 Power generation element, 21 Positive electrode mixture, 22 Separator, 23 Negative electrode mixture, 31 Negative electrode current collector, 32 Negative electrode terminal plate, 35 Sealing gasket
Claims (3)
前記正極合剤に含まれている前記水酸化カリウムの濃度が前記負極合剤に含まれている前記水酸化カリウムの濃度よりも大きく、
前記粉末に粒度が75μm以下の粒子が25〜40質量%の範囲で含まれている
ことを特徴とするアルカリ電池。 A positive electrode mixture loaded in a bottomed cylindrical positive electrode can; a separator provided on an inner peripheral side of the positive electrode mixture; and a powder containing zinc as a main component, which is filled on the inner peripheral side of the separator. An alkali comprising: a negative electrode mixture comprising: a negative electrode current collector inserted into the negative electrode mixture; a negative electrode terminal plate sealing the opening of the positive electrode can; and an electrolyte containing potassium hydroxide. A battery,
The concentration of the potassium hydroxide contained in the positive electrode mixture is greater than the concentration of the potassium hydroxide contained in the negative electrode mixture;
An alkaline battery, wherein the powder contains particles having a particle size of 75 μm or less in a range of 25 to 40% by mass.
前記正極合剤に含まれている前記水酸化カリウムの濃度が35〜50質量%であり、前記負極合剤に含まれている前記水酸化カリウムの濃度が30〜45質量%の範囲である
ことを特徴とするアルカリ電池。 The alkaline battery according to claim 1,
The concentration of the potassium hydroxide contained in the positive electrode mixture is 35-50% by mass, and the concentration of the potassium hydroxide contained in the negative electrode mixture is in the range of 30-45% by mass. An alkaline battery.
前記粉末には、ビスマスが0.01〜0.03質量%の範囲で含まれている
ことを特徴とするアルカリ電池。 The alkaline battery according to claim 1 or 2,
The alkaline powder characterized in that the powder contains bismuth in a range of 0.01 to 0.03% by mass.
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