JP2980000B2 - アルカリ電池用電極 - Google Patents

アルカリ電池用電極

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JP2980000B2 JP7157791A JP15779195A JP2980000B2 JP 2980000 B2 JP2980000 B2 JP 2980000B2 JP 7157791 A JP7157791 A JP 7157791A JP 15779195 A JP15779195 A JP 15779195A JP 2980000 B2 JP2980000 B2 JP 2980000B2
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健 坂本
崇文 上宮
徹也 西
彩生 假家
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ニッケル−カドミウム
電池、ニッケル−亜鉛電池、ニッケル−水素電池などの
アルカリ蓄電池に用いる電極、特にニッケル極の電極基
板に関する。
【0002】
【従来の技術】各種電源として使われる蓄電池としてア
ルカリ電池がある。アルカリ蓄電池は高信頼性が期待で
き、小型軽量化も可能などという理由で小型電池は各種
ポータブル機器用に、大型は産業用として広く使われて
きた。
【0003】このアルカリ電池において、負極としては
カドミウムの他に亜鉛、鉄、水素などが対象となってい
る。最も広く普及しているのはカドミウム極であり、亜
鉛は電位と容量の点では申し分ないが、可溶性なので寿
命に問題点があり広く使われるまでには至っていない。
それに対して、水素吸蔵合金極は高容量と低公害を特徴
にニッケル水素蓄電池が商品化され、小型を中心に需要
が伸びている。
【0004】一方、正極としては、一部空気極や酸化銀
電極なども取り上げられているが、ほとんどの場合ニッ
ケル極である。ポケット式から、焼結式に変わり、特性
が向上し、さらに密閉化が可能になるとともに用途も広
がった。さらに高容量化のために特公昭55−3910
9のように多孔体金属支持体を用いたニッケル極が広く
使われるようになってきた。
【0005】ところで、このニッケル極において詳しく
述べると、一般の芯材を用いた粉末充填−焼結、ペース
ト−焼結の方式の焼結式では基板の多孔体を85%以上
にすると強度が大幅に低下するので高容量化に限界があ
る。そこで、90%以上のような一層高多孔度の基板と
して発泡状樹脂にニッケルめっきし、これを熱処理によ
り樹脂などを除去して高多孔度の支持体を得る。ニッケ
ルめっきは、樹脂に予め導電性を付与しておいてから電
解めっきする。その手段として、たとえば特公昭57−
39317のように炭素層の形成が採用され、高容量の
ニッケル極が普及した。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、一層高容量に
するためには炭素は嵩高い。また、ニッケルの蒸着では
高価になるのと電極の大量生産時に蒸着層を迅速にしか
も精度よく形成することに問題がある。この問題を解決
するために、芯材にニッケルの無電解めっきを行ない、
その後で電解ニッケルめっきを行なうことが考えられ
る。この方法で得られた電極基板を用いた電池のサイク
ル特性について、さらなる向上が求められている。
【0007】本発明の目的は、無電解めっきを用いて作
製した金属多孔体(発泡金属、金属不織布など)を用い
る電極において、比較的高温である環境下において、サ
イクル特性が向上できるアルカリ電池用電極を提供する
ことにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、ニッケル
無電解めっきを用いて作製した金属多孔体を含む電極を
採用した場合、電池のサイクル特性を向上すべく検討を
重ねた。その結果、金属多孔体の特定の組成においてサ
イクル特性に優れた電極を提供することが可能になり、
本発明に至った。
【0009】すなわち第1の発明に従うアルカリ電池用
電極は、金属多孔体からなる集電体に活物質を充填して
なるアルカリ電池用電極であって、金属多孔体が、無電
解めっきを少なくとも用いて作製したものであり、かつ
リンの重量濃度が50〜1000ppmであるニッケル
−リン合金からなることを特徴とする。
【0010】また、本発明者らは、上述した課題に対
し、無電解めっきの触媒を構成するPdおよび/または
Snの濃度を高くしていくことによっても、電池のサイ
クル特性を向上できる電極を作製できることを見出し
た。そして、触媒から金属多孔体中に移行するPdおよ
び/またはSnの重量濃度を、リンの濃度に対してある
割合以上とすると、得られる電極のサイクル特性が改善
されることを見出し本発明に至った。
【0011】すなわち、第2の発明に従うアルカリ電池
用電極は、金属多孔体からなる集電体に活物質を充填し
てなるアルカリ電池用電極であって、金属多孔体が、無
電解めっきを少なくとも用いて作製したものであり、か
パラジウムおよび錫を微量成分として含むニッケル−
リン合金からなり、かつパラジウムおよび錫のいずれか
の重量濃度が、ニッケル−リン合金におけるリンの重量
濃度の30%以上であることを特徴とする。
【0012】また、第3の発明に従うアルカリ電池用電
極は、金属多孔体からなる集電体に活物質を充填してな
るアルカリ電池用電極であって、金属多孔体が、無電解
めっきを少なくとも用いて作製したものであり、かつ
ラジウムおよび錫を微量成分として含むニッケル−リン
合金からなり、かつパラジウムおよび錫の重量濃度がと
もに、ニッケル−リン合金におけるリンの重量濃度の2
0%以上であることを特徴とする。
【0013】また、第4の発明に従うアルカリ電池用電
極は、金属多孔体からなる集電体に活物質を充填してな
るアルカリ電池用電極であって、金属多孔体が、無電解
めっきを少なくとも用いて作製したものであり、かつ
ラジウムおよび錫を微量成分として含むニッケル−リン
合金からなり、かつパラジウムおよび錫の重量濃度の合
計がニッケル−リン合金におけるリンの重量濃度の35
%以上であることを特徴とする。
【0014】第1の発明の金属多孔体を形成するニッケ
ル−リン合金において、リンの重量濃度は50〜100
0ppmである。リン濃度が1000ppm以下の電極
の場合、この電極を備える電池において、比較的高温で
の充放電サイクル特性の向上効果が顕著になる。一方、
リンを含む還元剤を用いる無電解めっきにより適切な厚
みの被膜を形成しようとすれば、最終的に得られる多孔
体のリン濃度を50ppmより低くすることは困難にな
ってくる。
【0015】50〜1000ppmの範囲のリン濃度
は、たとえば、無電解めっきによるNi被膜の厚みを制
御することにより達成することができる。一般に被膜を
薄くすることによってリン濃度を低下させることができ
る。ただし、Ni被膜が薄くなるに従って、割れやすく
なり、取扱いが困難になってくる。たとえば、リン濃度
が50ppmを下回るよう被膜を薄くしていくと、得ら
れた被膜は、無電解めっき後の水洗、乾燥およびその後
の電気めっきに際し、取扱いが実質的に不可能になる。
【0016】一方、多孔体を構成するニッケル−リン合
金のリン濃度を下げずに本発明の目的を達成することも
できる。第2、第3および第4の発明では、Pdおよび
/またはSnを意図的に金属多孔体に含有させることに
よって、サイクル寿命特性が向上できる。この場合、多
孔体を形成する被膜の厚みを薄くする必要もなく、比較
的厚い被膜によって金属多孔体を構成することができ
る。
【0017】第2の発明では、ニッケル−リン合金多孔
体において、PdおよびSnのいずれかの重量濃度は、
リンの重量濃度の30%以上、たとえば30〜100
%、好ましくは30〜70%である。第3の発明では、
PdおよびSnの重量濃度はともに、リンの重量濃度の
20%以上、たとえば20〜100%、好ましくは20
〜50%である。第4の発明では、ニッケル−リン合金
多孔体において、PdおよびSnの重量濃度の合計は、
リンの重量濃度の35%以上、たとえば35〜100
%、好ましくは35〜70%である。Pdおよび/また
はSnの濃度の制御によって、目的を達成する場合、ニ
ッケル−リン合金中のリンの濃度は500ppm以上と
することができ、たとえば500〜1000ppm程度
にすることができる。
【0018】金属多孔体に含まれるPdおよびSnの濃
度は、無電解めっきに用いられるPd/Sn触媒のコロ
イド粒子の量を増やし、めっき基体への吸着量を増加さ
せることによって上昇させることができる。また、合金
中のPdまたはSnの含有量を増やすため、無電解めっ
き、または次いで行なわれる電気めっきの後に、Pdお
よび/またはSnを、めっき、蒸着、スパッタ等によっ
てめっき被膜上に堆積させてもよい。Pd/Snコロイ
ド粒子を用いる場合、PdおよびSnの濃度比を変える
には、たとえば、コロイド粒子の吸着量および酸による
Snの溶解除去の工程において、その吸着量および溶解
除去量をそれぞれ変えてゆけばよい。
【0019】本発明において、多孔体である集電体に
は、内部に三次元連続孔を有するものであれば、あらゆ
る形態のものを用いることができ、たとえば、スポンジ
状、フェルト状のものを用いることができる。
【0020】集電体としての多孔体は、多孔性ポリマか
らなる基体上に、無電解めっきにより導電層を析出さ
せ、得られた導電層を熱処理することによって形成する
ことができる。無電解めっきにおいてニッケルを析出さ
せるが、このときリンを含む還元剤を用いる。基体とな
る多孔性ポリマとして、たとえばウレタンフォーム、ま
たは、ポリエチレンもしくはポリプロピレン等からなる
ポリマ不織布などを用いることができる。無電解めっき
のための還元剤としては、次亜リン酸などのリンを含む
還元剤が用いられる。基体上にPd/Sn触媒が吸着さ
れた後、触媒を活性化し、還元剤を含むめっき液に基体
を浸漬して無電解めっきが行なわれる。無電解めっきの
後、必要に応じて、めっき重量やリン濃度を調節する目
的で、電気ニッケルめっきを行なってもよい。基体上に
形成された被膜は、酸素雰囲気中での熱処理による基材
除去または、水素などの還元性雰囲気における熱処理の
後、集電体としての金属多孔体をもたらす。
【0021】電極形成のため、集電体としての多孔体に
は活物質が充填される。活物質には、たとえば、水酸化
ニッケルを主成分とする混合物が用いられる。混合物に
おける他の成分としては、たとえばコバルト3〜15重
量%、水酸化コバルト1〜5重量%、酸化亜鉛1〜5重
量%を挙げることができる。その他に、ポリビニルアル
コールやカルボキシメチルセルロースなどを水に加えて
なる結着剤等を用いてもよい。
【0022】本発明に従う電極は、ニッケル−カドミウ
ム電池、ニッケル−水素電池などアルカリ蓄電池に適用
される。
【0023】
【発明の作用効果】本発明によれば、無電解ニッケルめ
っきによっても、優れたサイクル特性、特に高温での優
れたサイクル特性をアルカリ蓄電池において発揮させる
電極を提供することができる。以下の実施例において明
らかなように、本発明の電極を用いたアルカリ蓄電池
は、特に高温での充放電サイクル特性を向上させること
が可能となる。
【0024】
【実施例】以下に実施例を示すが、これらは本発明を何
ら限定するものではない。
【0025】実施例1 1インチあたり50個の連続気孔を有する厚さ1.4m
m、幅200mm、長さ300mmのウレタン発泡体
に、塩化パラジウムと塩化錫からなるコロイド触媒を吸
着させた。硫酸によってSnを除去し、触媒を活性化し
た後、次亜リン酸を還元剤とするニッケルめっき液に浸
漬し、ニッケル無電解めっきを行なった。このときのめ
っき重量は、ウレタン発泡体1m2 あたりに換算して、
4.3g/m2 であり、Ni被膜中に含まれるリンの濃
度は4.3重量%であった。
【0026】次に、この発泡体にNi電気めっきを施し
た。無電解めっきおよび電気めっきが施された多孔体
を、H2 気流中1000℃で熱処理することにより、3
70g/m2 の発泡金属を得た。
【0027】得られた金属多孔体に、水酸化ニッケル8
8重量%、金属コバルト7重量%、水酸化コバルト2重
量%、酸化亜鉛3重量%からなる活物質を充填し、アル
カリ蓄電池用の正極を得た。
【0028】実施例2 無電解めっき重量を7.0g/m2 とした他は、実施例
1と同様にして発泡金属を作製し、正極を得た。
【0029】比較例1 無電解めっき重量を10.5g/m2 とした他は、実施
例1と同様にして発泡金属を作製し、正極を得た。
【0030】実施例3 コロイド触媒液の濃度を実施例1の場合の4倍とし、そ
の吸着時間を2倍とした。一方、硫酸との反応時間を
1.5倍とした。これによりPdの吸着量を増加させ、
10.5g/m2 のNi無電解めっきを施した。その
後、実施例1と同様にして正極を得た。
【0031】実施例4 コロイド触媒液の濃度を実施例1の場合の2倍とし、硫
酸との反応時間を0.7倍とすることによりSnの吸着
量を増やし、10.5g/m2 のNi無電解めっきを施
した。その後、実施例1と同様にして正極を得た。
【0032】実施例5 コロイド触媒液の濃度を実施例1の4倍にし、Ni無電
解めっき量を10.5g/m2 にした他は、実施例1と
同様にして正極を得た。
【0033】実施例6 コロイド触媒液の濃度を実施例1の場合の3倍とした。
一方、硫酸との反応時間も同じとした。これによりPd
の吸着量を増加させ、10.5g/m2 のNi無電解め
っきを施した。その後、実施例1と同様にして正極を得
た。
【0034】以上に示した実施例1〜6ならびに比較例
1で形成された発泡金属に含まれるP、Pd、Snの重
量濃度を表1に示す。また、Pdおよび/またはSnの
Pに対する重量割合(%)をあわせて表1に示す。
【0035】
【表1】
【0036】実施例1で用いたウレタンに特公昭57−
39317号公報に記載されるとおり、カーボン粉末を
塗布した後、給電ロールに接触させながら、ニッケル電
気めっきを施した。次いで、ニッケルを析出させたウレ
タンを、水素気流下1000℃で熱処理することによ
り、スポンジ状純ニッケル多孔体を得た。次に、MmN
3.5 Mn0.4 Al0.3 Co0.5 (Mmはメッシュメタ
ルを示す)からなる水素吸蔵合金を主成分とする活物質
を、得られた純ニッケル発泡金属に充填して負極を作製
した。この負極と、実施例1〜6、ならびに比較例1で
それぞれ作製した正極とを組合わせ、スルホン化処理を
行なったポリプロピレン不織布からなるセパレータおよ
び比重1.2の水酸化カリウム水溶液である電解液を用
いて、直径22.5mm、高さ49.2mmのニッケル
−水素電池を作製した。それぞれの電極を用いた6種類
の電池について、45℃において1Cの充放電サイクル
を行ない、容量の変化を調査した。結果を図1に示す。
図において容量には初期容量を1.0として規格化され
たものが示されている。
【0037】図から明らかなように、P濃度を1000
ppm以下とした電極を備える電池においては、良好な
充放電サイクル特性が得られている。また、P濃度に対
しPdもしくはSnの濃度を30%以上とした電極、ま
たはP濃度に対しPdおよびSnの濃度をともに20%
以上とした電極を電池に用いることによっても、改善さ
れた充放電サイクル特性が得られている。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1〜6ならびに比較例1で得られた正極
を用いる電池の充放電サイクル特性を比較する図であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西 徹也 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住 友電気工業株式会社 伊丹製作所内 (72)発明者 假家 彩生 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住 友電気工業株式会社 伊丹製作所内 (72)発明者 寺尾 徹 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住 友電気工業株式会社 伊丹製作所内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 4/66 - 4/80

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属多孔体からなる集電体に活物質を充
    填してなるアルカリ電池用電極において、 前記金属多孔体が、無電解めっきを少なくとも用いて作
    製したものであり、かつリンの重量濃度が50〜100
    0ppmであるニッケル−リン合金からなることを特徴
    とする、アルカリ電池用電極。
  2. 【請求項2】 金属多孔体からなる集電体に活物質を充
    填してなるアルカリ電池用電極において、 前記金属多孔体が、無電解めっきを少なくとも用いて作
    製したものであり、かつパラジウムおよび錫を微量成分
    として含むニッケル−リン合金からなり、かつ前記パラ
    ジウムおよび錫のいずれかの重量濃度が、前記ニッケル
    −リン合金におけるリンの重量濃度の30%以上である
    ことを特徴とする、アルカリ電池用電極。
  3. 【請求項3】 金属多孔体からなる集電体に活物質を充
    填してなるアルカリ電池用電極において、 前記金属多孔体が、無電解めっきを少なくとも用いて作
    製したものであり、かつパラジウムおよび錫を微量成分
    として含むニッケル−リン合金からなり、かつ前記パラ
    ジウムおよび錫の重量濃度がともに、前記ニッケル−リ
    ン合金におけるリンの重量濃度の20%以上であること
    を特徴とする、アルカリ電池用電極。
  4. 【請求項4】 金属多孔体からなる集電体に活物質を充
    填してなるアルカリ電池用電極において、 前記金属多孔体が、無電解めっきを少なくとも用いて作
    製したものであり、かつパラジウムおよび錫を微量成分
    として含むニッケル−リン合金からなり、かつ前記パラ
    ジウムおよび錫の重量濃度の合計が前記ニッケル−リン
    合金におけるリンの重量濃度の35%以上であることを
    特徴とする、アルカリ電池用電極。
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