JP2018163837A - 電解液及び亜鉛電池 - Google Patents
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Abstract
Description
(正極)2NiOOH+2H2O+2e− → 2Ni(OH)2+2OH−
(負極)Zn+2OH− → Zn(OH)2+2e−
また、亜鉛電池では、長期間使用した場合に電解液中の溶媒量が減少し、電解質濃度が高くなることがある。この場合、電解質濃度を高濃度に調整すると、デンドライトが発生しやすくなり、亜鉛電池が早期に寿命に至りやすい。
そのため、従来の亜鉛電池では、優れた寿命性能及び高率放電性能を両立することは困難であった。これに対し、本発明者らは、電解液の含有成分及び電解質の濃度を調整することにより、優れた寿命性能及び高率放電性能を両立可能であることを見出した。
すなわち、本発明に係る電解液を用いる場合、負極の反応活性点にカチオン性有機化合物が吸着し、有効電極面積が減少する。これにより、電極反応に必要な過電圧が増大し、負極材から電解液中に溶出した亜鉛酸イオンが電解液中の負極近傍で均一に分散される。その結果、負極上での充電反応の分布に偏りが生じにくくなり、デンドライト状の亜鉛の析出及び成長が抑制され、デンドライトによる短絡の発生が抑制される。以上の理由から、優れた寿命性能が得られると推察される。
また、本発明に係る電解液では、電解質の濃度が前記所定範囲であることにより、負極材のZn(OH)2の溶解度が十分となり、放電反応時に、絶縁体であるZn(OH)2が負極内に蓄積して抵抗成分となることによる抵抗の増加が緩和されるため、優れた高率放電性能が得られると推察される。
[式(1)中、R1、R2、R3及びR4は、それぞれ独立にアルキル基又はアリール基を表し、X−は、カウンターアニオンを表す。]
本実施形態に係るニッケル亜鉛電池(例えばニッケル亜鉛二次電池)は、カチオン性有機化合物、電解質及び溶媒を含有する電解液を備えており、電解質の濃度が、電解液の全質量を基準として11〜52質量%である。本実施形態に係る電解液は、ニッケル亜鉛電池用の電解液である。本実施形態に係るニッケル亜鉛電池の基本構成としては、従来のニッケル亜鉛電池と同様の構成を用いることができる。例えば、ニッケル亜鉛電池は、電解液に加えて電槽及び電極群(極板群等)を備えている。電極群及び電解液は、電槽内に収容されている。
本実施形態に係る電解液は、カチオン性有機化合物を含有している。「カチオン性有機化合物」とは、電解液(例えば塩基性水溶液)中で陽電荷を帯びる有機化合物であり、例えば、カチオン性基を有する有機化合物である。カチオン性有機化合物は、カチオン性基を複数有していてもよい。複数のカチオン性基は、互いに同一であっても異なっていてもよい。
電極群は、例えば、セパレータと、当該セパレータを介して対向する正極(正極板等)及び負極(負極板等)によって構成されている。電極群において、正極同士及び負極同士は、例えば、ストラップで連結されている。
本実施形態に係るニッケル亜鉛電池の製造方法は、例えば、電極(正極及び負極)を得る電極製造工程と、電極を含む構成部材を組み立ててニッケル亜鉛電池を得る組立工程と、を備える。
イオン交換水にテトラデシルトリメチルアンモニウムブロミド(TTAB)、水酸化カリウム(KOH)及び水酸化リチウム(LiOH)を加えた後に混合することにより、表1に示す成分(濃度の基準は電解液の全質量基準。残部はイオン交換水)を含有する電解液を調製した。
正極集電体として空隙率90%の発泡ニッケルを用意した。次いで、水酸化ニッケル粉末、金属コバルト、水酸化コバルト、CMC、PTFE、イオン交換水を所定量秤量して混合し、混合液を攪拌することにより、正極材ペーストを作製した。この際、固形分の質量比は、水酸化ニッケル:金属コバルト:水酸化コバルト:CMC:PTFE=85:8:5:1:1となるように調整し、正極材ペーストの水分量は、正極材ペーストの全質量基準で27.5質量%となるように調整した。次いで、正極材ペーストを正極集電体上に塗布した後、80℃で30分乾燥した。その後、ロールプレスにて加圧成形し、正極材層を有する正極を得た。
負極集電体として空隙率60%のスズメッキを施した鋼板パンチングメタルを用意した。次いで、酸化亜鉛、金属亜鉛、PTFE、イオン交換水を所定量秤量して混合し、混合液を攪拌することにより、負極材ペーストを作製した。この際、固形分の質量比は、酸化亜鉛:金属亜鉛:PTFE=80:15:5となるように調整し、負極材ペーストの水分量は、負極材ペーストの全質量基準で32.5質量%となるように調整した。次いで、負極材ペーストを負極集電体上に塗布した後、80℃で30分乾燥した。その後、ロールプレスにて加圧成形し、負極材層を有する負極を得た。
セパレータには、微多孔膜として、Celgard2500、不織布として、VL100(ニッポン高度紙工業製)を、それぞれ用いた。微多孔膜は、電池組立て前に、界面活性剤Triton−X100(ダウケミカル株式会社製)で、親水化処理した。親水化処理は、Triton−X100が1質量%の量で含まれる水溶液に、微多孔膜を24時間浸漬し、室温で1時間乾燥する方法で行った。さらに、微多孔膜は、所定の大きさに裁断し、それを半分に折り、側面を熱溶着することで袋状に加工した。袋状に加工した微多孔膜に、正極又は負極を1枚収納した。不織布は、所定の大きさに裁断したものを使用した。
袋状の微多孔膜に収納された正極と、袋状の微多孔膜に収納された負極と、不織布とを積層した後、同極性の極板同士をストラップで連結させて極板群を作製した。極板群は、正極1枚及び負極2枚で、正極と負極の間に不織布を配置した構成とした。この極板群を電槽内に配置した後、電槽の上面に蓋体を接着して未化成のニッケル亜鉛電池を得た。次いで、電解液を未化成のニッケル亜鉛電池の電槽内に注入した後、24時間放置した。その後、60mA、15時間の条件で充電を行い、公称容量が600mAhのニッケル亜鉛電池を作製した。
前記ニッケル亜鉛電池を用いてサイクル寿命性能及び高率放電性能の評価を行った。
25℃、30mA(0.5C)、1.9Vの定電圧で10時間保持することによりニッケル亜鉛電池の充電を行った後、電池電圧が1.1Vに到達するまで120mA(0.2C)の定電流でニッケル亜鉛電池の放電を行うことを1サイクルとする試験を、最大で50サイクル行った。充電末端の電流値が1サイクル目の充電末端の電流値に対して200%を超えた場合には、短絡が発生したものとして試験を終了し、試験終了までに行ったサイクル数によってサイクル寿命性能を評価した。試験終了までに行ったサイクル数を表1に示す。短絡がない場合を良好であると判断した。
25℃、30mA(0.5C)、1.9Vの定電圧で10時間保持することによりニッケル亜鉛電池の充電を行った後、電池電圧が1.1Vに到達するまで120mA(0.2C)又は3000mA(5C)の定電流でニッケル亜鉛電池の放電を行った。これにより、0.2C放電容量及び5C放電容量を測定した。0.2C放電容量に対する5C放電容量の割合を比較することにより高率放電性能を評価した。0.2C放電容量に対する5C放電容量の割合(単位:%)を表1に示す。50%以上の割合である場合を良好であると判断した。
Claims (7)
- カチオン性有機化合物、電解質及び溶媒を含有し、
前記電解質の濃度が、電解液の全質量を基準として11〜52質量%である、亜鉛電池用の電解液。 - 前記カチオン性有機化合物が、第四級アンモニウム基及びアミノ基からなる群より選択される少なくとも一種の基を有する、請求項1に記載の電解液。
- 前記カチオン性有機化合物の濃度が、電解液の全質量を基準として0.001〜5質量%である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の電解液。
- 前記電解質が水酸化カリウムを含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電解液。
- ニッケル亜鉛電池用である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の電解液。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の電解液を備える、亜鉛電池。
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