JP3067928B2 - アルカリ二次電池用のペースト式電極 - Google Patents

アルカリ二次電池用のペースト式電極

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はアルカリ二次電池用のペ
ースト式電極に関する。
【0002】
【従来の技術】アルカリ二次電池用の電極、例えば正極
(負極についてもほぼ同様なので、以下正極について説
明する)は、従来より焼結式正極が用いられている。こ
の焼結式正極は、例えば穿孔鋼板又はニッケル・ネット
等の芯金にニッケル粉末を焼結し、焼結体の十数μm の
孔にニッケル塩水溶液を含浸し、次いで、これをアルカ
リ処理することによって前記含浸ニッケル塩を水酸化ニ
ッケルに変化させて得ていた。しかし、この焼結式正極
は、製造の際にニッケル塩の含浸及びアルカリ処理とい
った複雑な操作が必要であり、かつ所定量の活物質を含
浸させるためには上記操作を通常4〜10回程度繰り返
し行わなければならないので、製造コストが高くなると
いう問題があった。更に、ニッケル粉末焼結体の機械的
強度を維持できる多孔度が80%程度で限界となるた
め、活物質の充填量そのものにも限界があるという問題
もあった。
【0003】これらの問題を解決するために、水酸化ニ
ッケル粉末に導電粉末、結着剤及び水を混合してペース
ト状にした後、平均多孔度が95%以上で、平均孔径が
数十〜数百μm の三次元スポンジ状金属多孔体や金属繊
維マット等の耐アルカリ性金属多孔体に前記ペーストを
直接充填して、正極を製造する方法が提案されている。
この方法は焼結式に対して非焼結式又はペースト式と呼
ばれている。
【0004】このペースト式電極は、金属多孔体の多孔
度及び平均孔径が大きいので、活物質の充填工程が容易
であり、充填量を多くできるという利点を有する。しか
し、金属多孔体の細孔の孔径が焼結式の場合より大きい
ために、活物質から集電体バルクまでの距離が大きくて
集電性を悪くしており、その結果、活物質の利用率が焼
結式電極の95%に対して60%程度というように低
く、実用化にまで至らなかった。
【0005】このペースト式電極の活物質の利用率を向
上させる手段として、一般的にはコバルト酸化物、コバ
ルト水酸化物等のコバルト化合物、及び金属コバルトの
うちの2種以上を組合せて活物質ペースト中に添加する
方法がある。しかし、このコバルト化合物等の添加によ
っても活物質利用率は最大85%程度であり、しかも1
0%程度のばらつきがあるので、焼結式電極の活物質利
用率のレベルには達していない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の問題
点を解決するためになされたもので、活物質利用率を向
上させ、かつその活物質利用率をばらつきの少ない安定
したものとすることが可能なアルカリ二次電池用のペー
スト式電極を提供するものである。
【0007】本発明は、アルカリ二次電池用のペースト
式電極であって、該電極の活物質合剤として用いる酸
化コバルト粉末の水酸化カリウム溶液中の溶解度が20
0mg/l以上であり、かつ該酸化コバルト粉末のJIS
M 8233.4に規定する方法によって測定されるC
23 含有量が8重量%以下であること、更には該
酸化コバルト粉末の水酸化カリウム溶液中の溶解度が2
30mg/l以上であり、かつ該酸化コバルト粉末のJIS
M 8233.4に規定する方法によって測定される
Co23 含有量が5重量%以下であること、を特徴と
する。
【0008】従来の方法において、活物質中にコバルト
化合物を添加すれば活物質の利用率を向上できることが
わかっているにもかかわらず、まだ85%程度の利用率
しか達成されていない。このように、焼結式の利用率ま
でに至らない理由の一つは、コバルト化合物そのものが
不安定で、貯蔵中に酸化反応が進行して微妙に異なる酸
化コバルトに変化してしまうためである。一般に、酸化
コバルトの添加によって活物質利用率を向上させるメカ
ニズムは、アルカリ電解液中で酸化コバルトが溶解し、
2価のいわゆるブルーコンプレックスイオン(HCoO
2 -)を生成し、その後、活物質表面にまとわりつくよう
に水酸化コバルト(Co(OH)2)として吸着し、より
高い電位において導電性の高いオキシ水酸化コバルト
(CoOOH)に変化し、活物質表面をコーティングす
るからとされている。これに基づけば、先ずアルカリ溶
液中で速やかに溶解するような酸化コバルトであること
が絶対条件であるし、さらにそれ以前の活物質を主体と
するペースト調製時に、この酸化コバルト粒子が活物質
粒子によく混ざるものでなければならない。
【0009】酸化コバルトがアルカリ蓄電池用電極の活
物質利用率を従来(85%程度)を超えてより向上さ
せ、安定させるためには、酸化コバルトが主として、
(1)アルカリ溶液に速やかに溶解すること、(2)ペ
ースト調製時に活物質とよく混ざること、(3)保存安
定性に優れていること、の3点を満たしていることが重
要である。
【0010】本発明では、(1)のアルカリ溶液への溶
解の程度を表す指標として、水酸化カリウム溶液中での
コバルトイオンの溶解度を用いる。これは、酸化コバル
トがアルカリ溶液中で生成するブルーコンプレックスイ
オン(HCoO2 -)の量に対応する。この溶解度は以下
の方法に従って測定する。100mlのビーカーに酸化コ
バルト0.35g を採り、これに窒素をバブリングして
脱酸素処理した6規定の水酸化カリウム水溶液50mlを
ホールビペットにより静かに加える。次いで、水酸化カ
リウム水溶液が酸素を吸収しないように、空気をしゃ断
した後、25℃±1℃に保たれた恒温水槽中に30分間
放置する。この溶液のほとんどを遠心分離管に移して遠
心分離した後、上澄液の1mlを分取して50mlのメスフ
ラスコで定容とする。この溶液中のコバルトイオン濃度
を、原子吸光光度法又は誘導結合プラズマ発光分析法に
より定量し、下記の計算式から水酸化カリウム溶液中の
コバルトイオンの溶解度を算出する。
【0011】
【数1】 ここでAは分析したコバルトイオンの濃度(mg/l)を表
わす。
【0012】以上の方法により、水酸化カリウム溶液中
でのコバルトイオンの溶解度が得られる。この数値が2
00mg/l以上の酸化コバルトを用いたアルカリ二次電池
のペースト式電極は、アルカリ電解液中でのブルーコン
プレックスイオン(HCoO2 -)の生成量が多く、オキ
シ水酸化コバルト(CoOOH)へ変化するその後の反
応が活発に行われ、活物質へのオキシ水酸化コバルトの
コーティング量が多くなるため、電極自体の導電性が向
上する。
【0013】本発明は、先ずかかる見地に基づいて見い
出されたものであり、酸化コバルトのアルカリ電解液へ
の溶解度の指標として、水酸化カリウム溶液中でのコバ
ルトイオンの溶解度を規定し、かかる溶解度が少なくと
も200mg/lの酸化コバルトを用いることで、該酸化コ
バルトのアルカリ電解液への溶解性に起因する活物質の
利用率の低下を防止できるため、活物質利用率を焼結式
電極と同程度あるいはそれ以上に向上させ、かつその活
物質利用率をばらつきの少ない安定したものとすること
が可能となる。
【0014】ここでいう酸化コバルトには、CoO、C
23 、Co34 がある。このうちCo34 は、
極めて安定であることからアルカリ電解液中で2価のブ
ルーコンプレックスイオン(HCoO2 -)を生成せず、
電導性のCoOOHを得ることができないため、活物質
の利用率を向上させることができない。
【0015】ところで、これら酸化コバルトのいずれか
一種を完全に純粋な状態で得ることは困難であると言わ
れている。例えば、Co(OH)2を不活性ガス中で加熱
することにより、酸素の含有量が最も少ないCoOを得
ることができるが、完全に純粋なCoOではなく、少量
のCo23 、Co34 が含まれる。この酸化コバル
ト中のCo23 とCo34 との割合は、Co23
が大部分であり、Co34 は極く微量である。
【0016】このCo23 は、CoOと同様にアルカ
リ電解液に溶解され、2価のブルーコンプレックスイオ
ン(HCoO2 -)を生成し、導電性のCoOOHを得て
活物質の利用率を向上させることができるが、CoOよ
りもアルカリ電解液への溶解性が低い。このため、添加
した酸化コバルト中のCo23 含有量が多くなると該
酸化コバルトが完全にCoOOHに変化せず、活物質利
用率の低下を招く。したがって、活物質利用率を高め、
かつその活物質利用率のばらつきを少なくするために
は、コバルト酸化物中のCo23 量の管理が非常に重
要となる。
【0017】本発明は、更にかかる見地に基づいて見い
出されたものであり、水酸化カリウム溶液中でのコバ
ルトイオンの溶解度が200mg/l以上において、前記酸
化コバルト粉末中のCo23 量を8重量%以下、好
ましくは該水酸化カリウム溶液中でのコバルトイオンの
溶解度が230mg/l以上において、該酸化コバルト粉末
中のCo23 量を5重量%以下に限定することによっ
て、該酸化コバルト粉末のアルカリ電解液への溶解性に
起因する活物質の利用率の低下をよりよく防止できるた
め、活物質利用率を焼結式電極と同程度あるいはそれ以
上に向上させ、かつその活物質利用率をばらつきの少な
い安定したものとすることが可能となる。
【0018】前記酸化コバルト粉末中のCo23
は、JIS M8233.4に規定する方法により測定
されるものである。この方法による酸化コバルト粉末中
のCo23 量の測定は、次のような原理によって行な
われる。すなわち、酸化コバルト粉末を硫酸酸性の硫酸
鉄(II)水溶液に溶解するとCoOによるCo(II)イ
オンとCo23 によるCo(III)イオンが生成し、下
記の反応式に示すように、Co(III)イオンがFe(I
I)イオンにより還元される。
【0019】
【化1】 この時に生成したFe(III)イオンを過マンガン酸カリ
ウム水溶液で定量することにより、Co(III)イオンが
間接的に定量されるため、酸化コバルト中のCo23
量を測定することができる。
【0020】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明
する。
【0021】(実施例1)まず、金属コバルトを硫酸水
溶液に溶解させた後、水酸化ナトリウム水溶液を徐々に
加えて中和することにより、α−水酸化コバルト(α−
Co(OH)2)の結晶を得た。更にこれを熟成させるこ
とにより、空気中でも比較的安定なβ−水酸化コバルト
(β−Co(OH)2)に変換した。
【0022】次いで、前記β−水酸化コバルトを不活性
ガス雰囲気中(場合によっては還元性雰囲気中)、温度
範囲を200〜600℃にとり、それぞれの温度で20
〜25時間の範囲の各種時間焼成することにより、Co
23 を含み、残部がCoOからなる種々の酸化コバル
ト粉末を得た。こうして得られた各酸化コバルト粉末中
のコバルトイオンの水酸化カリウム溶液中への溶解度を
測定した。
【0023】得られた各酸化コバルト粉末を水酸化ニッ
ケル粉末100重量部に対して10重量部添加し、カル
ボキシメチルセルロースなどの増粘剤及び水とともに混
練してペースト状とした。つづいて、このペーストを多
孔度95%、平均孔径200μm のニッケルメッキ金属
多孔体(耐アルカリ性金属多孔体)に充填し、乾燥した
後、成形することにより、ペースト式ニッケル正極を作
製した。
【0024】こうして得られた各ペースト式ニッケル正
極に、ペースト式カドミウム負極、ナイロン不織布から
なるセパレータ、水酸化カリウムを主体とするアルカリ
電解液、金属電池容器及び金属蓋の各パーツを組合わせ
ることにより、ニッケル・カドミウム二次電池を組立て
た。なお、電池組立から初充電までのエージング条件
は、25℃、19時間とした。
【0025】前記各電池を0.5C の電流で150%の
深度まで充電し、1C の電流で放電することを10サイ
クル繰り返し、放電容量が十分に安定した10サイクル
目のペースト式ニッケル正極の活物質利用率を調べた。
前記の方法により測定した酸化コバルト粉末中のコバル
トイオンの水酸化カリウム溶液中への溶解度に対するペ
ースト式ニッケル正極の上記活物質利用率の関係を図1
に示す。
【0026】(実施例2)実施例1の処理条件の範囲に
おいて、酸化コバルト粉末中のCo23 量をJIS
M8233.4に規定する方法により測定した以外は、
実施1と同様にして行った。結果を表1に示す。
【0027】
【表1】
【0028】表1は、前記JIS M8233.4に規
定する方法により測定された酸化コバルト粉末中のCo
23 量及び酸化コバルト粉末のコバルトイオンの水酸
化カリウム溶液への溶解度(mg/l)と、ペースト式ニッ
ケル正極の活物質利用率の関係を示したものである。
【0029】
【発明の効果】本発明により、活物質利用率が高く、か
つその利用率のばらつきの少ない安定したアルカリ二次
電池用のペースト電極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】水酸化カリウム溶液中のコバルトイオンの溶解
度と電極利用率の関係を示すグラフである。
フロントページの続き (72)発明者 寺岡 浩仁 東京都品川区南品川3丁目4番10号 東 芝電池株式会社内 (72)発明者 千葉 信昭 東京都品川区南品川3丁目4番10号 東 芝電池株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−196167(JP,A) 特開 平3−77271(JP,A) 特開 昭64−59766(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/24 - 4/26 H01M 4/32,4/52,4/62

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アルカリ二次電池用のペースト式電極に
    おいて、活物質合剤として用いる酸化コバルト粉末(粒
    子の表面にOH基の被覆層を設けたCoO粉末を除く)
    の水酸化カリウム溶液中の溶解度が230mg/l以上であ
    り、かつ該酸化コバルト粉末のJIS M 8233.
    4に規定する方法によって測定されるCo23含有量が
    5重量%以下であることを特徴とするアルカリ二次電池
    用のペースト式電極。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のアルカリ二次電池用の
    ペースト式電極の製造方法であって、活物質合剤として
    用いる酸化コバルト粉末が、金属コバルトを酸性液に溶
    解させた後、アルカリ水溶液にて中和して得られるα−
    水酸化コバルトを熟成させることによってβ−水酸化コ
    バルトを得、次いで該β−水酸化コバルトを不活性ガス
    雰囲気又は還元性雰囲気中、200〜600℃で焼成す
    ることによって得られるものであることを特徴とする方
    法。
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