JP2754800B2 - ニッケルカドミウム蓄電池 - Google Patents

ニッケルカドミウム蓄電池

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JP2754800B2
JP2754800B2 JP1300467A JP30046789A JP2754800B2 JP 2754800 B2 JP2754800 B2 JP 2754800B2 JP 1300467 A JP1300467 A JP 1300467A JP 30046789 A JP30046789 A JP 30046789A JP 2754800 B2 JP2754800 B2 JP 2754800B2
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    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
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    • H01M4/246Cadmium electrodes
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/46Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ニッケルカドミウム蓄電池の改良に関する
ものであり、さらに詳しくは、ニッケルカドミウム蓄電
池に使用されるペースト式カドミウム負極の改良によ
り、ニッケルカドミウム蓄電池の充電性能、寿命性能の
改良をはかるものである。
従来の技術 ニッケルカドミウム蓄電池に使用されるカドミウム負
極は、一般に焼結式のものとペースト式のものがある。
ペースト式カドミウム負極は、焼結式に比べ製造工程が
簡単であり、高エネルギー密度が得られる等の利点があ
る。ペースト式カドミウム負極は、一般に酸化カドミウ
ムあるいは水酸化カドミウムを主体とし、これにカーボ
ニルニッケル、グラファイト等の導電性粉末、ポリビニ
ルアルコール、カルボキシメチルセルロース等の結着剤
及び水やエチレングリコール等の溶媒を加え、混練して
ペーストとし、これをニッケルメッキした開孔鋼板等の
導電性芯材に塗着し、乾燥した後、アルカリ溶液中で化
成することによって製造される。
前記の化成工程の目的は、活物質材料に用いる酸化カ
ドミウム、水酸化カドミウムなどの放電状態のカドミウ
ム化合物の一部または全部を充電状態の金属カドミウム
に変換し、負極内に予備充電部分を付与することにあ
る。
発明が解決しようとする課題 このようにペースト式カドミウム負極は、焼結式に比
べて製造が容易で、高い容量密度が得られる利点を有す
るが、焼結式のような導電性マトリクスが存在しないた
め、電池充電時に生成する金属カドミウムの成長が芯材
近傍で起こり、極板表面層まで達しにくい。このため過
充電時に正極から発生する酸素ガスとの反応が効率的に
行われず、密閉形電池に使用すると、電池の内圧が高く
なるという欠点がある。
また、ニッケルカドミウム蓄電池で充放電を繰り返す
と、カドミウム負極のカドミウム活物質は、部分的に溶
解析出反応を起こし、活物質結晶の成長を生じる。この
場合、焼結式のような三次元的な活物質保持体を有しな
いペースト式カドミウム負極では、活物質の結晶成長
が、焼結式に比べて大きく成長した活物質結晶が、セパ
レータを通過して正極に達することによる正負極の短絡
による充放電寿命特性が、焼結式負極を用いた場合より
も、悪いという欠点がある。
本発明は、このようなペースト式カドミウム負極の課
題を解決することにより、充電性能、及び寿命特性が良
好な高エネルギー密度を有するニッケルカドミウム蓄電
池を提供するものである。
課題を解決するための手段 本発明は、ニッケルカドミウム蓄電池のカドミウム負
極として、導電性芯体上に塗着されたカドミウム活物質
上に、耐アルカリ性の導電性ホウ化物層を形成したペー
スト式カドミウム負極を用いることにより、高エネルギ
ー密度が得られるペースト式カドミウム負極の利点を生
かすとともに、その欠点である酸素ガス吸収性の改良に
よる電池充電性能の改良、及び充放電によるカドミウム
活物質の結晶成長を抑制することにより、寿命特性の改
良を行うものである。
作用 カドミウム蓄電池、特に密閉形蓄電池では、過充電時
に正極から発生する酸素ガスを負極で効率的に吸収する
ことが重要である。正極から発生する酸素ガスは、負極
に存在する金属カドミウムと反応して消費されるが、ペ
ースト式カドミウム負極では、焼結式のような導電性マ
トリクスが存在しないため、電池充電時に生成する金属
カドミウムの成長が芯材近傍で起こり、極板表面層まで
達しにくい。このため過充電時に正極から発生する酸素
ガスとの反応が効率的に行われず、密閉形電池に使用す
ると、電池の内圧が高くなる。
このような欠点を改善するため、ペースト式負極の表
面に炭素粉末層を形成し、表面部の導電性を向上するこ
とが提案されている(特開昭60−63875号公報)。
負極表面に導電層が存在すると、電池充電時に負極内
に生成する金属カドミウムは、その導電層に沿って極板
表面層に多く生成するようになり、酸素の吸収反応が効
率的に進行する。
本発明では、極板表面に耐アルカリ性の導電性ホウ化
物層を形成することにより、極板表面に導電層を付与
し、過充電時の酸素吸収反応を効率的に行うものであ
る。
カドミウム負極の充放電反応は、一般に次式で表わさ
れる。
Cd(OH)+2e-←→Cd+2OH- しかし実際は水酸化カドミウムと金属カドミウムの固
相反応ではなく、カドミ酸イオンのような中間体を経由
する溶解析出反応であることが知られており、充放電の
繰り返しにより、活物質結晶の変形や成長を伴う。この
ような活物質結晶の成長が、負極外部への成長として進
行し、セパレータを通過して正極へ達すると、正負極の
短絡を生じ、電池の充放電が不能となる。
このように、負極活物質が正極まで移行して電池の短
絡を生じる原因には、充放電による負極活物質の成長
と、溶解析出時に生成するコロイド状の負極活物質微粉
末の電気泳動による正極への移動が考えられている。い
ずれの場合も、負極活物質が溶解してカドミ酸イオン等
を生じやすい状態、すなわち、高温での使用や、電池電
解液のアルカリ濃度が高い場合に促進される。電池電解
液へのホウ酸塩の添加が、上記の負極活物質の結晶成長
や電気泳動による負極活物質の正極への移動を抑制する
ことが知られている。これらは、ホウ酸塩の添加がカド
ミウム活物質の溶解を防止することに基づくと考えられ
るが、その詳細は明確でない。
本発明では、アルカリ中で比較的安全なホウ化物、例
えばWB,LaB6の粉末層をペースト式カドミウム負極表面
に形成することで、カドミウム活物質結晶の成長を物理
的に抑制するとともに、ホウ化物中のホウ素の効果によ
り、電解液中にホウ酸塩を添加した場合と同様の効果に
より、負極活物質の正極への移動を抑制するものであ
る。上記のホウ化物は、アルカリ中で比較的安定なた
め、電池の充放電繰り返し後も、初期の形体を維持し、
負極活物質の成長を物理的に抑制すると同時に、若干量
溶出するホウ素は、電解液中にホウ酸塩を添加した場合
と同様の効果を発揮し、負極から正極への活物質の移動
を抑制する。
従って、ペースト式カドミウム負極の表面に耐アルカ
リ性、導電性のホウ化物粉末層を形成した負極を用いる
ことにより、ニッケルカドミウム蓄電池の充電性、特に
密閉形での急速充電性と寿命特性が改良され、高エネル
ギー密度が得られるペースト式カドミウム負極の利点を
生かした高エネルギー密度のニッケルカドミウム蓄電池
が得られる。
実 施 例 以下、本発明の実施例を説明する。
平均粒径約1μmの酸化カドミウム粉末をポリビニル
アルコールのエチレングリコール溶液で練合してペース
トとし、これをニッケルメッキした開孔鉄板に塗着し、
乾燥して約0.5mm厚の極板とした。次にPVAの1wt%水溶
液に平均粒径約0.5μのホウ化タングステン粉末を20wt
%を分散させた溶液に上記塗着極板を浸漬し、乾燥して
極板表面上に、ホウ化タングステン層を形成した。
次に前記塗着極板をアルカリ液中で陰電解することに
より、酸化カドミウムの一部を金属カドミウムに変換
し、予備充電量を付与する化成を行い、水洗乾燥し、こ
の極板を所定の寸法に切断し、焼結式ニッケル正極と組
み合わせて公称容量1200mAh相当の密閉型ニッケルカド
ミウム蓄電池(A)を試作した。
また同様な方法で、ホウ化タングステンの代わりに炭
素粉末層を形成した負極を使用した比較例の電池
(B)、また別の比較例として同様な方法で、極板の表
面にホウ化タングステン、炭素粉末層等の導電層を一切
形成しない従来の負極を用いた電池(C)を試作した。
また、電池(A)及び(B)に使用した負極表面のホ
ウ化タングステン粉末層及び炭素粉末層の厚さは、極板
表面の電子顕微鏡での観察によると約5μであった。
これらの電池について、負極の酸素ガス吸収性を評価
するための過充電時の電池内圧試験及び、負極の寿命特
性を評価するための電池充放電サイクル試験を行った。
電池内圧試験は、20℃において、1〜3CmAの電池で充
電した時の電池内ピーク圧力で評価した。サイクル特性
は20℃で1/3C相当の電流で4.5時間充電し、1CmA相当の
電流を流す抵抗負荷で完全放電を繰返し、サイクルによ
る容量劣化で評価した。
第1図は、充電レートと電池内ピーク圧力の関係を示
す図であり、図中の(a)は、本発明の電池(A)の特
性を示し、(b),(c)は、同様に比較例(B),
(C)の電池の特性を示す。
本発明による電池は、負極表面に導電性を有するホウ
化タングステン粉末層を形成しているため、充電時に金
属カドミウムが極板表面に分布しやすいため、負極表面
に導電層を有しない従来の電池(C)に比べ酸素吸収能
力が高く、電池内圧が低くなり、大電流充電、すなわち
急速充電が可能となる。また同様な理由で負極表面に炭
素粉末層で導電性を付与した負極を用いた比較例(B)
の電池も、酸素吸収能力が向上するが、本発明の電池
(A)よりも電池内圧がやや高くなるのは、炭素粉末の
方が、ホウ化タングステンよりも導電性が低いため、負
極表面の金属カドミウム量が少なくなるためと考えられ
る。
第2図は、1サイクル目の容量を100とした時の容量
維持率と充放電サイクル数との関係を示す。(a)は本
発明による電池(A)の特性、(b)、(c)は同様に
比較例(B)、(C)の電池の特性を示す。
負極表面に炭素粉末層を設けた負極を用いた電池
(B)は、従来の電池(C)に比べ大幅に寿命特性が向
上している。これは、電池(B)の負極表面上の炭素粉
末層により充放電サイクルによる負極表面からの活物質
の成長が抑制され、正負極の短絡による寿命劣化が抑制
されたためと考えられる。また、さらに本発明による電
池(A)は、上記比較例(B)の電池よりも良好な寿命
特性が得られている。これは、先に述べた通り、充放電
による負極の変形や活物質成長は、電解液中へのホウ酸
塩の添加により抑制されることが知られており、本発明
では、負極表面のホウ化タングステン粉末層が物理的
に、負極活物質の変形あるいは成長を抑制するととも
に、ホウ化タングステン中のホウ素が若干分離、溶解す
ることにより、ホウ酸と同様の効果を発揮するため、化
学的に負極活物質の変形、あるいは成長を抑制する効果
も得られるためであると考えられる。
次に、ホウ化タングステンの適正被膜厚さを検討する
ために、実施例(A)と同様な方法で、PVA水溶液中に
添加するホウ化タングステン粉末量を変化させ、ホウ化
タングステン層の厚さを0.5μから30μ程度まで変化さ
せた負極を試作し、実施例(A)と同様な電池を試作
し、電池内圧特性、及び充放電サイクル寿命試験を行っ
た。下表にその結果を示す。試験条件は、実施例(A)
と同様であり、表には、3CmA充電時の電池ピーク内圧値
と、容量維持率が初期の80%になる時の充放電サイクル
数を示した。
ホウ化タングステン粉末層の厚さが1μ以下となると
負極板表面の導電性が低下するとともに、負極の変形及
び活物質の成長を抑制する効果が十分発揮されなくなる
ため、その厚さの下限は約1μ程度と考えられ、またそ
の厚さが20μ以上になると逆にサイクル寿命特性が劣化
する。
充放電を繰り返すと、負極表面のホウ化タングステン
層中にカドミウム活物質が移動し、ホウ化タングステン
層の多孔度を低下させ、充放電に必要な電解液の移動性
を低下させる。負極表面のホウ化タングステン層の厚さ
が厚すぎる場合、充放電の繰り返しによる上記の現象が
顕著になり、放電特性の劣化を起こすものと考えられ、
従ってその厚さの上限は約20μ程度と考えられる。
本実施例では、ホウ化タングステンについて説明した
が、耐アルカリ性と、導電性を有するホウ化ランタンを
用いた場合、あるいはこれらの混合物を用いても、同様
な効果が得られる。使用するホウ化物については、上記
のように耐アルカリ性の良好なものが望ましいが、例え
ば、ホウ化チタンのように耐アルカリ性はやや劣るもの
も、寿命特性向上に対する効果はやや劣るが、使用は可
能である。
発明の効果 以上のように、本発明によれば、カドミウム負極の簡
単な処理によってニッケルカドミウム蓄電池の性能を大
幅に改良することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、ニッケルカドミウム蓄電池の充電レートと電
池ピーク内圧の関係を示す図、第2図は、充放電サイク
ル寿命特性を示す図である。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】導電性芯体に塗着したカドミウム活物質の
    表面に導電性ホウ化物の粉末層を有するペースト式カド
    ミウム負極を用いたことを特徴とするニッケルカドミウ
    ム蓄電池。
  2. 【請求項2】導電性ホウ化物粉末が、WB,LaB6のうちい
    ずれか1種、あるいはこれらの混合物であることを特徴
    とする特許請求の範囲第1項記載のニッケルカドミウム
    蓄電池。
  3. 【請求項3】カドミウム活物質表面の導電性ホウ化物粉
    末層の厚さが1〜20μであることを特徴とする特許請求
    の範囲第1項又は第2項記載ののニッケルカドミウム蓄
    電池。
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