JP2015210865A - 水素吸蔵合金粒子 - Google Patents

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Abstract

【課題】アルカリ蓄電池の負極中に使用したときに、アルカリ水溶液へのバナジウムの溶出を複数回の充放電にわたって低減することができる、バナジウムを含む新規な水素吸蔵合金粒子を提供する。
【解決手段】チタン及びバナジウムを主成分として含み、かつ酸化チタンを含有する酸化層を表面に有しており、前記酸化層の厚みが6.2nm以上である、水素吸蔵合金粒子を提供する。
【選択図】図1

Description

本発明は、新規な水素吸蔵合金粒子に関する。
水素吸蔵合金は、一般に、合金の結晶構造中に水素が侵入すること、又は結晶を構成する原子と水素とが置換すること等によって、水素を保持することができる合金である。特にバナジウムを含む水素吸蔵合金粒子は水素吸蔵能力が高く、例えばアルカリ蓄電池の負極中において負極活物質として用いられている。
上記のアルカリ蓄電池とは、一般に、電解質として水酸化カリウム水溶液などのアルカリ水溶液を使用した二次電池である。アルカリ蓄電池は鉛蓄電池等と比較して起電力が高く、低温特性に優れ、長寿命であるなどの利点を有しており、車両用バッテリー等に使用されている。
しかしながら、バナジウムを含む水素吸蔵合金粒子を負極活物質として含む負極を、アルカリ蓄電池に使用した場合、充放電時にバナジウムがアルカリ水溶液中に溶出して電池性能が低下することがある。そのため、バナジウムの溶出を低減する試みが行われている。
例えば、特許文献1には、バナジウムを主成分として含む水素吸蔵合金粒子を負極中において用いたアルカリ蓄電池であって、少なくとも1サイクル目の放電時における放電終止電圧が1.05V以上になるようにして放電させることを特徴とするアルカリ蓄電池が記載されている。
特開2003−017116号公報
しかしながら、バナジウムを含む従来の水素吸蔵合金粒子はアルカリ蓄電池の負極中において用いた場合、アルカリ水溶液へのバナジウムの溶出を複数回の充放電にわたって低減することは困難であることが分かった。
本発明は、アルカリ蓄電池の負極中に使用したときに、アルカリ水溶液へのバナジウムの溶出を複数回の充放電にわたって低減することができる、バナジウムを含む新規な水素吸蔵合金粒子を提供することを目的とする。
本発明は、例えば以下の実施形態によって上記課題を解決する。
〈1〉チタン及びバナジウムを主成分として含み、かつ酸化チタンを含有する酸化層を表面に有しており、上記酸化層の厚みが6.2nm以上である、水素吸蔵合金粒子。
〈2〉項目1に記載の水素吸蔵合金粒子を含む負極活物質層を集電体上に有する、負極。
〈3〉項目2に記載の負極を有する、アルカリ蓄電池。
〈4〉放電終止電圧が1.0V以上である、項目3に記載のアルカリ蓄電池。
〈5〉チタン及びバナジウムを主成分として含む水素吸蔵合金粒子を、アルカリ水溶液に接触させて、上記水素吸蔵合金粒子の表面から上記バナジウムの少なくとも一部を溶出させ、その後、上記水素吸蔵合金粒子の表面に残留するチタンを酸化させることを含む、水素吸蔵合金粒子の製造方法。
〈6〉チタン及びバナジウムを主成分として含む水素吸蔵合金粒子を含む負極活物質層を集電体上に形成し、上記負極活物質層をアルカリ水溶液に接触させて、上記水素吸蔵合金粒子の表面から上記バナジウムの少なくとも一部を溶出させ、その後、上記水素吸蔵合金粒子の表面に残留するチタンを酸化させることを含む、負極の製造方法。
アルカリ蓄電池の負極に使用したときに、アルカリ水溶液へのバナジウムの溶出を複数回の充放電にわたって低減することができる、バナジウムを含む新規な水素吸蔵合金粒子が提供される。
図1は、チタン及びバナジウムを主成分として含む水素吸蔵合金粒子(図1a)、アルカリ水溶液に接触させた水素吸蔵合金粒子(図1b)、並びに酸化チタンを含有する酸化層を表面に有する本発明の水素吸蔵合金粒子(図1c)の断面を示す模式図である。 図2は、実施例に基づいて作製した負極の水素吸蔵合金粒子についての、エネルギー分散型X線分光法(EDX)による表面組成の分析結果である。 図3は、比較例1に基づいて作製した負極の水素吸蔵合金粒子についての、エネルギー分散型X線分光法(EDX)による表面組成の分析結果である。 図4は、実施例に基づいて作製した負極の水素吸蔵合金粒子についての、X線光電子分光法(XPS)による表面組成の分析結果である。 図5は、比較例1に基づいて作製した負極の水素吸蔵合金粒子についての、X線光電子分光法(XPS)による表面組成の分析結果である。
《水素吸蔵合金粒子》
本発明の水素吸蔵合金粒子は、チタン及びバナジウムを主成分として含み、かつ酸化チタンを含有する酸化層を表面に有しており、この酸化層の厚みが6.2nm以上である。
驚くべきことに、本発明の水素吸蔵合金粒子は上記のような構成を有することにより、アルカリ蓄電池の負極に使用したときに、アルカリ水溶液へのバナジウムの溶出を複数回の充放電にわたって低減することができ、かつ水素吸蔵能力を著しく低下させることがない。
〈酸化チタンを含有する酸化層〉
本発明の水素吸蔵合金粒子は、表面に、酸化チタンを含有する酸化層を有する。
本発明において、酸化チタンを含有する酸化層とは、X線光電子分光法(XPS)を用いて水素吸蔵合金粒子の表面から中心に向かって組成分析をしたときに、酸化チタンTiOのピーク、すなわち結合エネルギー457〜460eV及び463〜466eVの範囲にピークを確認することができる部分をいう。
酸化チタンを含有する酸化層は、水素吸蔵合金粒子の全表面を覆っている必要はなく、水素吸蔵合金粒子をアルカリ蓄電池の負極中に使用したときに、アルカリ水溶液へのバナジウムの溶出を複数回の充放電にわたって低減することができる程度に、水素吸蔵合金粒子の表面の少なくとも一部を覆っていればよい。
酸化層の厚みの下限は、例えば6.2nm以上、10nm以上、30nm以上、又は90nm以上とすることができ、上限は、例えば200nm以下、150nm以下、又は100nm以下とすることができる。
〈合金組成等〉
本発明の水素吸蔵合金粒子は、チタン及びバナジウムを主成分として含む。
本発明において、チタン及びバナジウムを主成分として含むとは、水素吸蔵合金粒子が、水素吸蔵合金粒子の合金組成を基準に、25mol%以上のチタン、及び25mol%以上のバナジウムを含むことを意味する。
チタンとバナジウムとのモル比は任意に設定することができる。例えば、チタンのモル数を1としたときの、バナジウムのモル数の上限は、例えば3以下、又は2.5以下とすることができ、下限は、例えば0.5以上、1以上、又は2以上とすることができる。
水素吸蔵合金粒子は、チタン及びバナジウムに加えて、任意に他の元素、例えば金属元素、例えばアルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、遷移金属元素、典型金属元素、及びこれらの組合せを含んでいてもよい。アルカリ金属元素としては、例えばマグネシウム、及びカリウムが挙げられる。遷移金属元素としては、例えばクロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、及びニオブ等が挙げられる。
水素吸蔵合金粒子は、任意の結晶構造、例えば体心立方格子構造(BCC構造)、六方最密充填構造(HCP構造)、又は面心立方格子構造(FCC構造)を有することができる。
水素吸蔵合金粒子の体積平均径の上限は、例えば200nm以下、100nm以下、70nm以下、又は50nm以下とすることができ、下限は、例えば1nm以上、10nm以上、20nm以上、又は30nm以上とすることができる。
《水素吸蔵合金粒子の製造方法》
水素吸蔵合金粒子を製造する本発明の方法は、チタン及びバナジウムを主成分として含む水素吸蔵合金粒子をアルカリ水溶液に接触させて、水素吸蔵合金粒子の表面からバナジウムの少なくとも一部を溶出させ、その後、水素吸蔵合金粒子の表面に残留するチタンを酸化させることを含む。
すなわち、図1(a)〜(c)に模式的に示すように、チタン及びバナジウムを主成分として含む合金(1)である水素吸蔵合金粒子(10、図1a)を、アルカリ水溶液に接触させて、水素吸蔵合金粒子の表面からバナジウムの少なくとも一部を溶出させる。これによって、用いた合金組成と比較してチタンの存在割合が高くなった表面チタン層(2)を表面に有する水素吸蔵合金粒子(20、図1b)を得る。その後、水素吸蔵合金粒子の表面に残留するチタン、すなわち表面チタン層(2)に含まれるチタンの少なくとも一部を酸化させることによって、酸化チタンを含有する酸化層(3)を表面に有する本発明の水素吸蔵合金粒子(30、図1c)を製造することができる。
〈バナジウムの溶出〉
水素吸蔵合金粒子を製造する本発明の方法では、チタン及びバナジウムを主成分として含む水素吸蔵合金粒子を、アルカリ水溶液と接触させて、水素吸蔵合金粒子の表面からバナジウムの少なくとも一部を溶出させる。
本発明において、用いた合金組成と比較して、水素吸蔵合金粒子の表面におけるチタンの存在割合が高くなった場合、バナジウムが溶出したということができる。
水素吸蔵合金粒子をアルカリ水溶液に接触させる方法は、用いた合金組成と比較して、水素吸蔵合金粒子の表面におけるチタンの存在割合を高くすることができれば特に限定されない。このような方法としては、例えば、チタン及びバナジウムを主成分として含む水素吸蔵合金粒子を、アルカリ水溶液中に任意の温度で含浸することが挙げられる。
アルカリ水溶液としては、アルカリ源、例えばアルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物又は塩を含む水溶液が挙げられる。アルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物としては、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、水酸化カルシウム、及びこれらの組合せが挙げられる。
アルカリ水溶液の温度及び含浸時間等の条件は任意に設定することができる。例えば、アルカリ水溶液の温度の上限は、例えば100℃以下、90℃以下、又は80℃以下とすることができ、下限は、例えば0℃以上、30℃以上、50℃以上、又は60℃以上とすることができる。
表面チタン層の厚み、すなわち用いた合金組成と比較してチタンの存在割合が高くなっている部分の厚みは、任意に設定することができる。表面チタン層の厚みの下限は、例えば6.2nm以上、30nm以上、又は90nm以上とすることができ、上限は、例えば500nm以下、200nm以下、又は100nm以下とすることができる。
〈チタンの酸化〉
表面チタン層に含まれるチタンの酸化は、例えば、アルカリ水溶液と接触させた水素吸蔵合金粒子を、酸素などの酸化源が存在する雰囲気、例えば大気中に、任意の温度で曝露することにより行うことができる。
チタンの酸化においては、表面チタン層に含まれるチタンの全てを酸化する必要はなく、水素吸蔵合金粒子をアルカリ蓄電池の負極中に使用したときに、アルカリ水溶液へのバナジウムの溶出を複数回の充放電にわたって低減することができる程度に、表面チタン層に含まれるチタンの少なくとも一部を酸化すればよい。
このような酸化における温度は、チタンの酸化が進行し、かつ合金粒子同士が溶着しない程度に任意に設定することができる。このときの温度の上限は、例えば500℃以下、200℃以下、又は100℃以下とすることができ、下限は、例えば30℃以上、50℃以上、又は60℃以上とすることができる。
《負極》
本発明の負極は、本発明の水素吸蔵合金粒子を含む負極活物質層を集電体上に有する。
本発明の負極は、このような構成を有することにより、アルカリ蓄電池に使用したときのアルカリ電解質へのバナジウムの溶出を複数回の充放電にわたって低減することができる。
負極活物質層は、本発明の水素吸蔵合金粒子を含んでおり、任意に他の添加剤、例えば導電助剤、及びバインダー等を更に含んでいてもよい。
集電体の材料としては、ニッケル、銅、アルミニウム等の任意の金属又は合金が挙げられる。集電体の形態としては、例えば箔状、不織布状、及び多孔質体等が挙げられる。
本発明の負極を製造する方法としては、本発明の水素吸蔵合金粒子、及び任意の導電助剤等の材料を、任意の分散媒中に分散及び混合してペーストを得て、これを集電体上に塗工及び乾燥させることによって、集電体上に負極活物質層を形成する方法が挙げられる。
本発明の負極を製造する他の方法としては、チタン及びバナジウムを主成分として含む水素吸蔵合金粒子を含む負極活物質層を集電体上に形成する。形成された負極活物質層をアルカリ水溶液と接触させて、水素吸蔵合金粒子の表面からバナジウムの少なくとも一部を溶出させ、その後、水素吸蔵合金粒子の表面に残留するチタンを酸化させる方法が挙げられる。
この方法では、負極活物質層の表面付近に存在する水素吸蔵合金粒子が酸化チタンを含有する酸化層を有し、これに対して負極活物質層の内部に存在する水素吸蔵合金粒子は酸化チタンを含有する酸化層を有しないようにすることができる。したがって、この方法で作製された本発明の負極は、予め酸化層を有する水素合金粒子を使用して負極を作製する方法よりも効果的に、負極からのバナジウムの溶出を低減しつつ、水素吸蔵能力の低下を低減することができる。
負極活物質層を形成した後におけるバナジウムの溶出及びチタンの酸化の詳細は、水素吸蔵合金粒子の製造方法における説明を援用することができる。
《アルカリ蓄電池》
本発明のアルカリ蓄電池は、本発明の負極を有する。
本発明のアルカリ蓄電池は、複数回の充放電にわたってアルカリ水溶液へのバナジウムの溶出を低減することができ、電池性能をより長期間維持することができる。
本発明においてアルカリ蓄電池とは、電解質としてアルカリ水溶液を使用した二次電池を意味する。
本発明のアルカリ蓄電池は、放電終止電圧が1.0V以上であってよい。
理論に限定されないが、放電終止電圧を1.0V以上にすることによって、放電の際に負極の電位がバナジウムの酸化還元電位を超えて上昇することが少なくなり、アルカリ水溶液へのバナジウムの溶出が更に低減されると考えられる。
〈正極〉
正極としては、アルカリ水溶液及び本発明の負極と組み合わせて電池を構成することができれば任意の正極を使用することができ、例えば水酸化ニッケル(Ni(OH))を含む正極、又は空気極等が挙げられる。
本発明のアルカリ蓄電池は、水酸化ニッケル(Ni(OH))を含む正極と、電解質としてのアルカリ水溶液と、本発明の負極とを有するニッケル水素電池であってもよい。
〈アルカリ水溶液〉
アルカリ水溶液は、任意の正極及び本発明の負極と組み合わせて電池を構成することができれば特に限定されない。
アルカリ水溶液としては、アルカリ源、例えばアルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物又は塩を含む水溶液が挙げられる。アルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物としては、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、水酸化カルシウム、及びこれらの組合せが挙げられる。
《実施例》
実施例では、以下の手順1〜7で本発明の負極を作製した。更に、手順8〜10で本発明のアルカリ蓄電池を作製した。なお、以下の実施例は本発明の実施形態を説明するためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
〈手順1〉
チタン(Ti、純度99.9%、株式会社高純度化学研究所製)と、バナジウム(V、純度99.9%、株式会社高純度化学研究所製)と、クロム(Cr、純度99.9%、株式会社高純度化学研究所製)と、ニッケル(Ni、純度99.9%、株式会社高純度化学研究所製)とを、Ti:V:Cr:Niのモル比がこの順に26:56:8:10となるように混合し、アーク溶解によって溶解させることによって、TiVCrNi合金を作製した。
〈手順2〉
得られた合金を250℃に加熱しながら1Pa以下に減圧し、2時間保持した。合金を30MPaの水素ガス雰囲気下に曝露した後、再び合金を1Pa以下に減圧した。
〈手順3〉
手順2を更に2回繰り返した。
〈手順4〉
得られた合金を機械粉砕し、分級して、体積平均径40nmのTiVCrNi水素吸蔵合金粒子を得た。
〈手順5〉
得られた合金粒子と、導電助剤としてのニッケル(Ni、福田金属箔粉工業株式会社製)と、バインダーとしてのカルボキシメチルセルロース(CMC、第一工業株式会社製)と、バインダーとしてのポリビニルアルコール(PVA、和光純薬工業株式会社製)とを、合金粒子:Ni:CMC:PVAの質量比がこの順に49:49:1:1となるように混合し、ペースト状の組成物を得た。得られた組成物を、集電体としての多孔質ニッケル上に塗布して80℃で乾燥させ、圧力5トンでロールプレスすることによって、集電体上に負極活物質層を形成した。
〈手順6:バナジウムの溶出〉
水酸化カリウム(KOH、ナカライテスク株式会社製)と純水とを混合して、濃度7.15mol/Lの水酸化カリウム水溶液を作製した。この水酸化カリウム水溶液に手順5で得られた負極を含浸して70℃に昇温し、70℃で1時間保持した。KOH水溶液から負極を取り出して純粋で洗浄し、自然乾燥させた。
〈手順7:チタンの酸化〉
手順6で得られた負極を、60℃に設定した乾燥機内で24時間保持することによって、実施例の負極を作製した。
〈手順8〉
水酸化ニッケル(Ni(OH)、株式会社田中化学研究所製)と、酸化コバルト(CoO、株式会社高純度化学研究所製)と、バインダーとしてのカルボキシメチルセルロース(CMC、第一工業株式会社製)と、バインダーとしてのポリビニルアルコール(PVA、和光純薬工業株式会社製)とを、Ni(OH):CoO:CMC:PVAの質量比がこの順に88:10:1:1となるよう混合して、ペースト状の組成物を得た。得られた組成物を、集電体としての多孔質ニッケル上に塗布して80℃で乾燥させ、圧力5トンでロールプレスすることによって、正極を作製した。
〈手順9〉
水酸化カリウム(KOH、ナカライテスク株式会社製)と純水とを混合して、濃度7.15mol/Lの電解液としての水酸化カリウム水溶液を作製した。
〈手順10〉
アクリル製の容器内に、手順9で得られた電解液を90mLと、手順8で得られた正極と、実施例の負極とを、正極と負極とが接触しないように入れ、実施例のアルカリ蓄電池を作製した。
《比較例1》
手順6及び7を行わないこと以外は実施例と同様の手順で、比較例1の負極を作製した。更に、比較例1の負極を用いて、手順8〜10により、比較例1のアルカリ蓄電池を作製した。
《比較例2》
手順7を行わないこと以外は実施例と同様の手順で、比較例12の負極を作製した。更に、比較例2の負極を用いて、手順8〜10により、比較例2のアルカリ蓄電池を作製した。
《バナジウム溶出量の評価》
以下の手順により、実施例、並びに比較例1及び2のアルカリ蓄電池についてバナジウム溶出量を評価した。
Bio―Logic社製の放充電サイクル試験機VMP3を使用し、電池評価環境温度25℃、電流レート0.1C、放電終止電圧1.0V以上になるように設定して、放充電サイクル試験を10サイクル実施した。
試験後のアルカリ蓄電池のアルカリ水溶液を取り出し、よく撹拌した後、希硫酸で希釈して希釈溶液を得た。希釈溶液中に含まれるバナジウム濃度を、高周波誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー社製、SPS4000)を使用して測定することにより、アルカリ水溶液中に溶出したバナジウムの量(mg/L)を測定した。結果を表1に示す。
Figure 2015210865
《EDX及びXPS分析》
実施例、及び比較例1の負極の水素吸蔵合金粒子について、エネルギー分散型X線分光分析(EDX分析)を行い、それぞれの表面付近の断面を調査した。実施例のEDX分析結果を図2に、比較例1のEDX分析結果を図3に示す。図中の矢印は解析の深さ方向を示す。また、図中のモル分率は、検出された全原子のモル数を基準とする。
図2及び図3は、実施例の水素吸蔵合金粒子は、バナジウムを溶出させたことによって、用いた合金組成と比較してチタンの存在割合が高くなっている層を有しており、これに対して比較例1の水素吸蔵合金粒子はこれを有しないことを示す。
実施例、及び比較例1の負極の水素吸蔵合金粒子について、X線光電子分光分析(XPS分析)を行い、それぞれの表面付近の断面を調査した。実施例のXPS分析結果を図4に、比較例1のXPS分析結果を図5に示す。図中の矢印は解析の深さ方向を示す。測定は、まず表面(深さ=0nm)を2回測定し、その後深さ方向に向かって6.2nmずつ測定した。したがって、図中、深さ方向の1目盛は、測定点の間隔である6.2nmに相当する。
図4及び図5において、結合エネルギー457〜460eV及び463〜466eVの範囲に存在するピークは、酸化チタン(TiO)のピークを示す。また、453〜456eVの範囲に存在するピークは、酸化されていないチタン(Ti)のピークを示す。
図4を参照すると、深さ0nm〜約93nmで酸化チタン(TiO)のピークを確認することができる。したがって、実施例の水素吸蔵合金粒子は、酸化チタンを含有する酸化層を表面に有しており、この酸化層の厚みは約93nmであることが分かる。
これに対して比較例の水素吸蔵合金粒子では、図5を参照すると、表面(深さ=0nm)における2回の測定で酸化チタン(TiO)のピークが確認された。しかしながら、6.2nm以上の深さにおいては、酸化チタン(TiO)のピークは確認されず、酸化されていないチタン(Ti)のピークが確認された。したがって、比較例の水素吸蔵合金粒子における酸化チタンを含有する酸化層の厚みは、6.2nm未満であることが分かる。
図2〜5の結果、及びバナジウム溶出量の評価結果から、実施例の水素吸蔵合金粒子は、比較例の水素吸蔵合金粒子と比較して、アルカリ蓄電池の負極活物質として使用したときのアルカリ水溶液へのバナジウムの溶出を、複数回の充放電にわたって大幅に低減することができたことが分かる。
1 チタン及びバナジウムを主成分として含む合金
2 表面チタン層
3 酸化層
10 チタン及びバナジウムを主成分として含む水素吸蔵合金粒子
20 アルカリ水溶液と接触させた水素吸蔵合金粒子
30 酸化チタンを含有する酸化層を表面に有する本発明の水素吸蔵合金粒子

Claims (6)

  1. チタン及びバナジウムを主成分として含み、かつ酸化チタンを含有する酸化層を表面に有しており、前記酸化層の厚みが6.2nm以上である、水素吸蔵合金粒子。
  2. 請求項1に記載の水素吸蔵合金粒子を含む負極活物質層を集電体上に有する、負極。
  3. 請求項2に記載の負極を有する、アルカリ蓄電池。
  4. 放電終止電圧が1.0V以上である、請求項3に記載のアルカリ蓄電池。
  5. チタン及びバナジウムを主成分として含む水素吸蔵合金粒子をアルカリ水溶液に接触させて、前記水素吸蔵合金粒子の表面から前記バナジウムの少なくとも一部を溶出させ、その後、前記水素吸蔵合金粒子の表面に残留するチタンを酸化させることを含む、水素吸蔵合金粒子の製造方法。
  6. チタン及びバナジウムを主成分として含む水素吸蔵合金粒子を含む負極活物質層を集電体上に形成し、前記負極活物質層をアルカリ水溶液に接触させて、前記水素吸蔵合金粒子の表面から前記バナジウムの少なくとも一部を溶出させ、その後、前記水素吸蔵合金粒子の表面に残留するチタンを酸化させることを含む、負極の製造方法。
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