JP2638624B2 - マンガン電池用正極合剤の製造方法 - Google Patents

マンガン電池用正極合剤の製造方法

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JP2638624B2 JP63236260A JP23626088A JP2638624B2 JP 2638624 B2 JP2638624 B2 JP 2638624B2 JP 63236260 A JP63236260 A JP 63236260A JP 23626088 A JP23626088 A JP 23626088A JP 2638624 B2 JP2638624 B2 JP 2638624B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明はマンガン電池用の正極合剤を製造する方法に
関し、更に詳しくは、放電中における電池の内部抵抗の
上昇を抑制し、かつ軽負荷放電,中負荷放電時のパルス
放電特性を向上せしめるに有効な正極合剤の製造方法に
関する。
(従来の技術) マンガン乾電池の正極合剤は、通常、活物質である二
酸化マンガンの粉末と導電材粉末と電解液とを所定の量
比で混合して調製されている。そして、二酸化マンガン
としては、電解二酸化マンガン,化学合成二酸化マンガ
ン,天然二酸化マンガン,活性化化学二酸化マンガンな
どが使用されている。
これらの二酸化マンガンのうち、活性化化学二酸化マ
ンガンは、それを活物質とする電池の重負荷放電特性が
電解二酸化マンガンを活物質とする電池のそれに近似し
ており、しかも製造コストが低くなるということから広
く注目を集めている。
この活性化化学二酸化マンガンは、各種のマンガン酸
化物鉱石を例えば自成雰囲気中で焙焼して熱分解せしめ
三二酸化マンガン,四三酸化マンガンを主成分とする焙
焼物にし、この焙焼物を粉砕したのち得られた粉末を硫
酸,硝酸,塩酸のような鉱酸で処理して活性化された二
酸化マンガンである。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、この活性化化学二酸化マンガンを活物
質とし電解質が塩化亜鉛を主成分とする電解液とする電
池においては、重負荷放電特性は比較的良好であるが、
しかし、軽負荷放電または中負荷放電時にあっては電池
の内部抵抗が上昇し、その結果、パルス放電特性が低下
するという問題が生じている。このパルス放電特性は、
ポケットベルや各種音響製品のリモコンなどの分野で重
要な特性であるため、上記した電池はこれらの分野にお
ける電源として必ずしも満足すべきものではない。
このような内部抵抗の上昇を抑制するために、従来か
ら、正極合剤の調製時において、配合する電解液の量を
多くしたりまたは導電材粉末の配合量を増加したりする
処置が講じられている。しかしながら、電解液の配合量
を増量することは、電池の漏液現象を多発せしめること
となる。また導電材粉末の配合量を増量することは、そ
れだけ正極合剤中の活性化化学二酸化マンガン粉末の配
合量を減少せしめることになり、結果として電池の重負
荷放電特性の低下を招くことになる。
一般にこの活性化化学二酸化マンガン粉末はそのタッ
プ密度が1.6〜2.2g/cm3と電解二酸化マンガンの2.2〜2.
4g/cm3に比べて低いため、所定の放電特性を維持するた
めには一定量以上の配合が必要になるが、しかし、内部
抵抗を低下せしめるために導電材粉末の配合量を増量す
るという処置を施すことは上記した問題に逆行すること
に外ならない。
本発明は、これらの問題を解消し、電池の内部抵抗の
上昇を抑制し、もってパルス放電特性の低下を防止する
に有効な正極合剤の製造方法の提供を目的とする。
(課題を解決するための手段) 本発明のマンガン電池用正極合剤の製造方法は、 マンガン酸化物鉱石を焙焼して焙焼物とし、ついで該
焙焼物を粉砕して粉末としたのち、該粉末を鉱酸で処理
して活性化化学二酸化マンガン粉末にする工程(第1工
程); 該活性化化学二酸化マンガン粉末のうち、平均粒径が
20μm以下である粉末に水洗もしくは中和処理を施した
のち、得られた処理粉末と炭素材粉末とアルミニウム
塩,ガリウム塩,チタン塩の群から選ばれる少なくとも
1種の塩の水溶液とを混合する工程(第2工程); 前記工程で得られた混合物を乾燥したのち圧縮成形
し、得られた成形体を粉砕して粉末とする工程(第3工
程);および、 前記工程で得られた粉末と導電材粉末と電解液とを混
合したのち、得られた混合物を成形する工程(第4工
程); とを具備することを特徴とする。
本発明の製造方法における第1の工程は、マンガン酸
化物から活性化化学二酸化マンガンの粉末を製造する工
程である。用いる鉱石としては各地で産出される軟マン
ガン鉱,菱マンガン鉱を挙げることができる。このよう
な鉱石を所定粒度に粗粉砕し、得られた粉末を焙焼炉に
より自成雰囲気中で焙焼する。焙焼温度は鉱石の種類に
よって変化させることが必要であるが、通常は550〜100
0℃である。この焙焼過程で、鉱石中の二酸化マンガン
は400〜500℃付近から三二酸化マンガンに転化し、更に
800〜1000℃付近の温度から四三酸化マンガンに転化す
る。焙焼する時間は格別限定されるものではないが、通
常、0.5〜5時間程度である。
このようにして得られた焙焼物を更に粉砕して微粉末
とし、ついでこの微粉末を鉱酸で処理して活性化化学二
酸化マンガンの粉末にする。
用いる鉱酸としては、例えば、硫酸,硝酸,塩酸など
をあげることができる。
この処理により、下記のように例えば鉱酸として硫酸
を用いたときの反応式でみられるように、二酸化マンガ
ンが生成する。
Mn2O3+H2SO4→MnO2+MnSO4+H2O Mn3O4+2H2SO4→MnO2+2MnSO4+2H2O 第2の工程は本発明方法における最大の特徴をなす工
程であって、第1工程で得られた活性化化学二酸化マン
ガン粉末に所望する特性を付与する工程である。
この工程においてはまず、第1工程で得られた粉末を
分級して平均粒径が20μm以下の粉末を採取する。平均
粒径が20μmより大きい粉末は、後述の粒子の凝集性が
劣り正極合剤に成形したときの配合量が低下して、期待
する放電特性を得ることが困難になるからである。
つぎに、この平均粒径20μm以下の粉末に水洗もしく
は中和処理を施す。中和処理は、所定濃度の例えば水酸
化ナトリウム水溶液,水酸化カリウム水溶液,水酸化ア
ンモニウム水溶液のようなアルカリ水溶液中に粉末を浸
漬・攪拌すればよい。このような処理を施すことによ
り、第1工程において粉末の表面に残存する鉱酸が除去
される。
得られた処理粉末を充分に水洗したのち乾燥し、次い
でこの粉末と炭素材粉末と後述する塩の水溶液とを所定
量比で混合する。
炭素材粉末としては、従来から導電材として用いられ
ているものであれば何であってもよいが、例えばアセチ
レンブラック,黒鉛粉末をあげることができる。
また塩の水溶液としては、アルミニウム,ガリウム,
チタンのような金属元素の塩の水溶液の1種または2種
以上を適宜に組合わせたものをあげることができる。と
くに高原子価でイオン半径が小さく、水和数も多いアル
ミニウムの塩の水溶液は有効である。このようなアルミ
ニウム塩としては、例えば、硫酸アルミニウム(Al2(S
O4・14〜16H2O),カリ明バン(AlK(SO4・12H
2O),アンモニウム明バン(AlNH4(SO4・12H
2O),塩化アルミニウム(AlCl3),水酸化アルミニウ
ム(Al(OH)),ポリ塩化アルミニウム,高塩基性塩
化アルミニウム(Al2(OH)5Cl・nH2O)をあげることが
できる。また、ガリウム塩としては、塩化ガリウム,水
酸化ガリウム、チタン塩としては、塩化チタン,水酸化
チタンなどを挙げることができる。
3者の配合割合は、活性化化学二酸化マンガン粉末1g
に対し、導電材粉末は0.15〜0.18g,塩の水溶液は全体を
スラリー状にできる量であることが好ましい。ただし、
配合する塩の水溶液の場合、この塩を構成する金属元素
(例えばアルミニウム)が上記1gの活性化化学二酸化マ
ンガン粉末に吸着される量は20mg以下となるように、水
溶液の塩濃度,使用量を設定することが好ましい。金属
元素の吸着量が上記値よりも多い場合は、内部抵抗の上
昇は抑制できても放電持続時間が短くなったり、二酸化
マンガンの放電利用の低下といった問題が生ずるからで
ある。
3者の混合時において、混合後のスラリーのpHを3〜
6に調整することが好ましい。スラリーのpHが3より低
い場合は、例えば塩の水溶液としてアルミニウム塩の水
溶液を用いたとすると、アルミニウムが活性化化学二酸
化マンガンの表面でイオン交換を起さないで溶液中に残
存し、またpHが6より大きい場合は、スラリー中に水酸
化アルミニウムが生成して活性化化学二酸化マンガン表
面に存在する水素イオンとイオン交換しにくくなるから
である。
このようにして、活性化化学二酸化マンガン粉末と炭
素材粉末とが均質に混合し、しかもこれら両者の表面に
所定量のアルミニウムイオンのような金属イオンが吸着
されている混合物が得られる。
第3の工程は、第2工程で得られた混合物から正極合
剤の調製に適した粉末を製造する工程である。
すなわち、第2工程のスラリーで水が過多の場合は
過処理を施し、得られたケーキを例えば90℃の温度で2
時間程度乾燥したのち、これをロールプレスなどを用い
て成形する。得られる成形体は、配合されている炭素材
粉末の働きにより稠密となり、その結果、活性化化学二
酸化マンガン粉末と炭素材粉末との相互接触状態は向上
する。
ついで得られた成形体を粉砕してふるいにかけて所定
粒度の粉末(二次粒子)とする。通常、平均粒径を150
μm以下とする。
第4の工程は正極合剤を成形する工程である。すなわ
ち、第3工程で得られた粉末と導電材粉末と電解液とを
所定の量比で混合し、これを所定形状に成形する工程で
ある。
導電材粉末,電解液の種類は、この種の電池の正極合
剤に用いられているものであれば何であってもよく格別
限定されるものではない。
また、導電材粉末,電解液の配合量も格別限定される
ものではなく、従来の場合と同等であってよい。
3者を混合した混合物を成形する際に適用する圧は一
般に1〜10ton/cm2程度でよい。
このようにして得られた正極合剤を常法に従って電池
に組込んで本発明にかかるマンガン乾電池が製造され
る。
(作用) 本発明の正極合剤の場合、例えばアルミニウムイオン
が活性化化学二酸化マンガンの表面に吸着しているとす
ると、二酸化マンガンの電位−pH直線の交点が酸性側に
移行し、広いpH範囲において小さい電位変化(−0.059V
/pH)を示すのでpH緩衝能が大きくなる。
また第2工程を経て得られた混合物において、アルミ
ニウムイオンの吸着は活性化化学二酸化マンガン粉末と
炭素材粉末との両方に対し同時に進行し、活性化化学二
酸化マンガン粉末の内部へのアルミニウムイオンの拡散
も良好であるため、第3工程で圧縮成形して得られた粉
末(二次粒子)においてはこの粉末内部にも導電性の炭
素材粉末が介在ししかもこの炭素材粉末と活性化化学二
酸化マンガン粉末との接触抵抗は著しく小さくなってお
り、その結果、活性化化学二酸化マンガンの利用率は従
来に比べて一段と高まり、かつ電池の内部抵抗を小たら
しめることが可能となる。
(発明の実施例) 実施例 MnO2含有量84重量%のマンガン酸化物鉱石を粉砕して
粒度60メッシュ(タイラー篩)下の粉末にした。この粉
末を約850℃の自成雰囲気中で焙焼し、α−Mn2O3粉末を
得た。この粉末を90℃において濃度3Mの硫酸水溶液中に
2時間浸漬した。ついで粉末を取り出し、充分に水洗
し、これを濃度1Mの水酸化ナトリウム水溶液中に投入し
て攪拌したのち90℃で2時間乾燥した。得られた乾燥粉
末の平均粒径は約10μmであった。
この粉末4.00gと、平均粒径約1μmの黒鉛粉末0.04g
とを混合し、更にここに高塩基性塩化アルミニウム(Al
2(OH)5Cl)を含む水酸化アンモニウムの水溶液20mlを
添加した。このとき、活性化化学二酸化マンガンの粉末
1gに対しアルミニウムの量は5mgとなるように水溶液の
アルミニウム濃度を調製した。
全体を攪拌・混合し、混合後のスラリーのpHが5.5と
なるようにアンモニウム水溶液を添加した。
スラリーの上澄み液を取し、得られたケーキを90℃
で2時間乾燥したのち、ローラプレス機にかけて3ton/c
m2の圧で圧縮成形した。得られた成形体を粉砕し100メ
ッシュ(タイラー篩)下の粉末を得た。
この粉末4.2g,アセチレンブラック0.65g,および25%
塩化亜鉛と2.5%塩化アンモニウムを含む電解液3.33gを
混合し、得られた混合物を3ton/cm2の圧で成形して正極
合剤を製造した。
この正極合剤を組込んでR6形マンガン乾電池を製作し
た。
比較例1 アルミニウム塩の水溶液を用いなかったことを除いて
は実施例1と同様にして正極合剤を製造し、これを用い
て同じくR6形マンガン乾電池を製作した。
比較例2 活性化化学二酸化マンガン粉末にアセチレンブラック
を添加しなかったことを除いては実施例1と同様にして
正極合剤を製造し、これを用いて同じくR6形マンガン乾
電池を製作した。
比較例3 活性化化学二酸化マンガン粉末の平均粒径が25μm以
上であったことを除いては実施例1と同様にして正極合
剤を製造し、これを用いて同じR6形マンガン乾電池を製
作した。
以上4種類の電池につき、5Ωの重負荷放電を行な
い、端子電圧が0.9Vに到るまでの放電持続時間(分)を
測定した。その結果を表に示した。
また、各電池に1.2KΩの負荷抵抗を接続して連続放電
を行なったときの端子電圧の経時変化,電池の内部抵抗
の経時変化を測定した。その結果を第1図に示した。図
中、実線は端子電圧の経時変化,点線は内部抵抗の経時
変化を表わす。
更に、1.2KΩの負荷抵抗を接続した連続放電の過程
で、1日1回、10Ω,3秒間のパルス放電を重畳したとき
の各電池の端子電圧の経時変化を測定した。その結果を
第2図に示した。
[発明の効果] 以上の説明で明らかなように、本発明方法で製造され
た正極合剤は、それを組込んだマンガン乾電池の重負荷
放電特性を向上せしめ、内部抵抗の上昇を小たらしめ、
パルス放電特性を向上せしめるのでその工業的価値は大
である。
【図面の簡単な説明】
第1図は各電池の1.2KΩ連続放電時における端子電圧,
内部抵抗の経時変化を示す図であり、第2図は1.2KΩの
連続放電中に1日1回10Ωで3秒間のパルス放電を重畳
したときの各電池の端子電圧の経時変化を示す図であ
る。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】マンガン酸化物鉱石を焙焼して焙焼物と
    し、ついで該焙焼物を粉砕して粉末としたのち、該粉末
    を鉱酸で処理して活性化化学二酸化マンガン粉末にする
    工程; 該活性化化学二酸化マンガン粉末のうち、平均粒径が20
    μm以下である粉末に水洗もしくは中和処理を施したの
    ち、得られた処理粉末と炭素材粉末とアルミニウム塩,
    ガリウム塩,チタン塩の群から選ばれる少なくとも1種
    の塩の水溶液とを混合する工程; 前記工程で得られた混合物を乾燥したのち圧縮成形し、
    得られた成形体を粉砕して粉末とする工程;および、 前記工程で得られた粉末と導電材粉末と電解液とを混合
    したのち、得られた混合物を成形する工程; とを具備することを特徴とするマンガン電池用正極合剤
    の製造方法。
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