JP3141140B2 - 電池用水素吸蔵合金の製造方法 - Google Patents

電池用水素吸蔵合金の製造方法

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JP3141140B2 JP03185116A JP18511691A JP3141140B2 JP 3141140 B2 JP3141140 B2 JP 3141140B2 JP 03185116 A JP03185116 A JP 03185116A JP 18511691 A JP18511691 A JP 18511691A JP 3141140 B2 JP3141140 B2 JP 3141140B2
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  • Powder Metallurgy (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、アルカリ蓄電池などの
負極に用いる水素吸蔵合金粉末の製造方法に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術とその課題】水素吸蔵電極は、水素の可逆
的な吸蔵および放出が可能な水素吸蔵合金を電極に用い
るもので、その水素の電気化学的な酸化還元反応をアル
カリ蓄電池の負極の起電反応に利用する。水素吸蔵電極
に用いられる水素吸蔵合金には、LaNi5 、Laves 相のZr
Ni2 、あるいはTiNiなどの金属間化合物や、これらの構
成元素を、そのほかの金属で置換して、水素吸蔵電極と
しての性能を改良したものなどがある。
【0003】そして、これらの水素吸蔵合金を用いる水
素吸蔵電極の工業的な製造方法には次のようなものがあ
った。その1つは、水素吸蔵合金の粉末を、フッ素樹脂
などの結着剤によって、パンチングメタルや発泡ニッケ
ルなどの耐アルカリ性導電性支持体に保持させる方法で
ある。もう1つは、水素吸蔵合金の粉末を焼結する方法
である。
【0004】これらの電極の製造方法では、いずれも粉
末状の水素吸蔵合金を用いる。この水素吸蔵合金の粉末
は、粒径が数10μm以下のものが望ましい。その理由の
1つは、粒径が数10μmよりも大きいと、電極中の合金
粉末の充填密度が低下して、電極の放電容量が小さくな
ることにある。もう1つの理由は、水素吸蔵電極の充放
電サイクルの進行にともなって、合金の微粉化が進行す
ると、この微粉末が電極から脱落して放電容量の減少を
招くが、電極に用いる水素吸蔵合金粉末の粒径が数10μ
mよりも小さいと、微粉化の進行が顕著でなくなって、
微粉末の脱落が抑制される点にある。
【0005】このような電池用水素吸蔵合金粉末は、工
業的には、まず真空中や不活性雰囲気中で水素吸蔵合金
の成分金属を溶解し、次にこれを鋳造して機械的に粉砕
するか、あるいはその溶解物を噴霧して(ガスアトマイ
ズ法)粉末を製造されていた。
【0006】しかし、このような従来の水素吸蔵合金粉
末の製造方法では、次のような問題点があった。
【0007】すなわち、合金の溶湯から合金粉末を直接
製造するガスアトマイズ法では、粒径が比較的大きい粉
末が得られるので、水素吸蔵電極を製造するために有用
な数10μm以下の粒径の粉末の収率が低いという問題点
があった。一方、溶湯を鋳造してから機械的に粉砕する
方法では、溶湯から粉末を直接製造するガスアトマイズ
法と比較すれば、その粉砕工程そのものが余分の工程で
あり、合金粉末の製造コストを高くする原因の1つであ
った。
【0008】また、これらの水素吸蔵合金粉末の製造方
法では、いずれも、合金を高温で溶解する工程が必要で
あるから、溶解工程での揮発性成分元素の蒸発による合
金組成の偏移が起こりやすい。そこで、揮発性成分を予
め余分に投入してから溶解するという方法が行われてい
たが、蒸発量は溶解炉の大きさ、溶解量、昇温速度など
の条件の影響を受けやすいので、揮発性成分の揮発分を
補うための余分の投入量は経験に頼ることが多くなり、
その結果、合金成分のばらつきが大きいという問題があ
った。そして、合金組成が偏移すると、水素吸蔵電極の
充放電サイクル寿命の低下をもたらすので、このような
合金組成のばらつきが大きいと、水素吸蔵電極の充放電
サイクル寿命のばらつきが大きくなり、その結果、この
電極を用いるアルカリ蓄電池の放電容量や充放電サイク
ル寿命のばらつきが大きくなるという不都合があった。
【0009】従って、合金組成の偏移が小さくて、しか
も粒径が小さい電池用水素吸蔵合金粉末の製造方法が望
まれていた。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、上述の問題点
を解決するために、水素吸蔵合金の成分金属もしくはそ
の成分金属を含有する合金の粉末混合物を材料として、
メカニカルアロイング法によって非晶質状態の合金粉末
を製作してから、この合金粉末を融解することなく加熱
して結晶化する蓄電池用水素吸蔵合金粉末の製造方法を
提供する。
【0011】
【作用】メカニカルアロイング法は、純金属の粉体を適
当な合金組成に混合し、その混合粉を振動ミルやアトラ
イタミルなどの粉砕ミルによって、機械的強加工と強制
的混合とを長時間続けることにより、非晶質合金を得る
方法である。
【0012】この方法によれば、投入した純金属の粉体
の混合比のままの組成の非晶質合金の微粉末が得られ
る。しかし、この非晶質合金のままでは、水素の吸蔵放
出特性を代表するPCT (平衡水素圧−水素吸蔵量 等温
線)特性の平坦部がほとんど得られないので、電池用の
電極に使用した場合には、電位平坦部の容量が少なくな
って、極めて少ない放電容量しか得られない。
【0013】そこで、本発明では、この非晶質合金の粉
末が融解しない温度範囲で加熱することによって結晶化
して、電池用の水素吸蔵合金粉末を得る。結晶質の水素
吸蔵合金のPCT 特性は、溶解し、鋳造して得た結晶質の
水素吸蔵合金と同様の広い平坦部を有するので、この合
金を電池用の電極に用いる場合には、溶解鋳造品と同様
の大きい放電容量が得られる。
【0014】しかも、本発明の方法で得られた結晶質の
水素吸蔵合金粉末は、合金が融解することのない低い温
度で調製したものであるから、揮発成分がある場合にも
合金組成の偏移が起こらない。従って、水素吸蔵合金の
組成のばらつきが小さくなり、これを負極に用いる電池
の放電容量や充放電サイクル寿命のばらつきが小さくな
る。
【0015】また、本発明の方法によれば、そのままで
粒径が数10μm 以下の微粉末が得られるので、別途の
粉砕工程を必要としない点で、合金を溶解して作る方法
よりも有利である。
【0016】
【実施例】本発明を好適な実施例によって説明する。 [本発明の方法による水素吸蔵合金粉末A]モル比でLa
0.8 Ce0.2 Ni3.8 Co0.7 Al0.3 Mn0.2 の組成になるよう
に、粒径が325メッシュ以下の粒径のLa、Ce、Ni、C
o、AlおよびMnの粉末を、合計で10g秤取し、Spe
x社製8000型実験室用ボールミル/ミキサーの効果
処理した鋼製の容器に、直径が6mmのステンレス鋼製
のボール55個とともに投入した。そして、容器内をア
ルゴンガスで置換して容器を密封し、粉砕すなわちメカ
ニカルアロイングを24時間おこなった。このようにし
て得た非晶質合金粉末を、真空下で800℃にて2時間
熱処理して結晶質の水素吸蔵合金粉末を得た。この合金
粉末は弱く焼結されていたので、軽く突き崩すだけで平
均粒径が約30μm の水素吸蔵合金粉末を得た。この方
法で、水素吸蔵合金Aを50回調製した。 [比較例の方法による水素吸蔵合金粉末B]水素吸蔵合
金粉末Aの製造方法において、熱処理を行うことなく、
そのほかは同じにするという比較例の方法で、水素吸蔵
合金粉末Bを50回調製した。平均粒径は約30μm で
あった。 [従来の方法による水素吸蔵合金粉末C]水素吸蔵合金
粉末Aの製造方法と同じ原料粉末の混合物50gを、水
冷した銅製の坩堝中に入れ、アルゴン雰囲気のアーク溶
解炉で溶解し、合金の組成を均一にするために、冷却固
化した合金塊を反転して再度溶解するという操作を3回
繰り返した。そして、この合金塊を超硬合金製の乳鉢と
乳棒で粉砕し分級して、平均粒径が約30μm の水素吸
蔵合金粉末Cを調製した。この方法で水素吸蔵合金粉末
Cを50回調製した。
【0017】以上のようにして調製した水素吸蔵合金の
成分では、加熱した場合にMnが最も揮発しやすい。水素
吸蔵合金粉末Cは、加熱溶解して調製するので、Mnが最
も揮発しやすい。そこで、以上の3種類の合金粉末50
サンプルの組成を分析してMnの含有率を調べた。それぞ
れ50個のサンプルのMnの含有率の平均値および標準偏
差を表1に示す。
【0018】
【表1】 表1から、本発明の方法で製作した水素吸蔵合金粉末A
および比較例の方法で製作した水素吸蔵合金粉末Bは、
従来の方法で製作した水素吸蔵合金Cと比較して、Mnの
含有率の平均値が目標の化学量論数0.3 に近く、またMn
の含有率の標準偏差が小さいことがわかる。
【0019】次に、上記の水素吸蔵合金粉末1サンプル
を1個の電池の負極に用い、水酸化ニッケル電極を正極
に用いて、金属水素化物アルカリ蓄電池を次のようにし
て製作した。
【0020】負極板は、ペースト式のものを5枚用い
た。この電極は次のようにして製作した。
【0021】各サンプルの水素吸蔵合金粉末を、増粘剤
かつ結着剤の機能を果たすポリビニルアルコールの水溶
液に分散してペースト状にした。そしてニッケルメッキ
を施した鉄製のパンチングメタルの両面にこのペースト
を塗着し、乾燥し、プレスし、切断して水素吸蔵電極を
製作した。
【0022】この電池1個の負極板5枚に含まれる水素
吸蔵合金の重量は、約5.3gである。
【0023】正極には、公知の焼結式水酸化ニッケル電
極4枚を用いた。
【0024】正極の水酸化ニッケル電極の4枚に含まれ
る水酸化ニッケルの合計の重量は、1セル当たり3.9
gである。従って、水酸化ニッケルが1電子反応に従う
ことを仮定すると、電池1個の正極の理論容量は約1.
1Ahである。この電極には、水酸化ニッケル1グラム
当たり水酸化コバルト0.04グラムを添加してある。
【0025】試験用の電池は、ポリプロピレンとポリス
チレンとの混合物の繊維からなる不織布のポリスチレン
をスルフォン化して親水性を付与したセパレータを介し
て、これらの負極および正極を、交互に積層し、この極
板群を角形の密閉式金属電槽に収納して製作した。
【0026】電解液は、20g/lのLiOHを溶解した6
MのKOH水溶液を用いた。
【0027】これらの電池を、正極の理論容量を基準と
して10時間率の電流で15時間充電し、5時間率の電
流で端子電圧が1Vになるまで放電するという条件で化
成充放電をおこなった。次に、10時間率の電流で15
時間充電し、5時間率の電流で端子電圧が1Vになるま
で放電するという条件で、放置の前の放電容量を測定し
た。次に、同じ充放電の条件で、充放電サイクル試験を
行い、放電容量が最初の放電容量の80%に低下するま
での充放電サイクル数を充放電サイクル寿命と定義し、
各電池の充放電サイクル寿命を測定した。充放電および
充電後の放置は、全て25℃の周囲温度においておこな
った。
【0028】このようにして測定した電池の充放電サイ
クルの初期の放電容量、充放電サイクル寿命の平均値お
よび標準偏差を表2に示す。
【0029】
【表2】 表2から、水素吸蔵合金粉末Bを用いる電池の初期の放
電容量が著しく低いことがわかる。これは、この電池に
用いた水素吸蔵合金のPCT 特性に平坦部がないことに起
因している。
【0030】また、水素吸蔵合金粉末AおよびCを用い
る電池では、電池の放電が正極の放電容量で制限されて
いるので、水素吸蔵合金の放電容量の差異の影響が電池
の初期の放電容量に現れていない。しかし、水素吸蔵合
金粉末Cを用いる電池は、水素吸蔵合金粉末Aを用いる
電池と比較して、充放電サイクル寿命が短く、その標準
偏差も大きい。このように、充放電サイクル寿命が短く
なったのは、従来の方法で製作した水素吸蔵合金粉末C
のMnの含有率の平均値が化学量論比よりも小さくなっ
て、水素吸蔵合金の組成がLaリッチになり、種種の金属
間化合物が粒界等へ析出して、合金の寿命が短くなった
ことに起因し、充放電サイクル寿命のばらつきが大きく
なったのは、合金中のMn含有率のばらつきが大きいこと
に起因するものと推察される。
【0031】なお、上記の実施例は、特定の組成の稀土
類系合金の場合について述べたが、そのほかの組成の稀
土類系水素吸蔵合金、Laves 相水素吸蔵合金、TiNi合金
等の電池に用いられる水素吸蔵合金においても同様の作
用効果を奏する。
【0032】また、上記の実施例では、メカニカルアロ
イングを行う材料として、成分金属の粉末を用いて水素
吸蔵合金粉末を調製したが、この材料として、成分金属
の一部もしくは全部を、その成分金属を含有する合金に
置き換えても全く同じ作用効果が得られる。
【0033】
【発明の効果】本発明によれば、合金組成の偏移が小さ
くて、しかも粒径が小さい蓄電池用水素吸蔵合金粉末が
得られる。そして、この水素吸蔵合金を負極に用いる電
池の充放電サイクル寿命が長くなるとともに、そのばら
つきが小さくなる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−323335(JP,A) 特開 平4−67566(JP,A) 特開 平2−12766(JP,A) 特開 平3−10001(JP,A) 特開 平5−101819(JP,A) M.Y.Songら”hydridi ng and dehydriding characteristics o f mechanically all oyed mixtures Mg−x wt%Ni(X=5,10,25and 55)”Journal of the Less−Common Metal s,,131(1987)P.71−79 R.Sundaresanら”Mec hanical Alloying o f Light Metals”Met Powder Rep Vol.44, No.3,P.195−200(1989) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/24,4/26,4/38 B22F 1/00 C22C 1/00,1/04 C22C 14/00,19/00 JICSTファイル

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】水素吸蔵合金の成分金属もしくはその成分
    金属を含有する合金の粉末混合物を材料として、メカニ
    カルアロイング法によって非晶質状態の合金粉末を製作
    し、 次いで、該合金粉末を融解することなく加熱して結晶化
    することを特徴とする電池用水素吸蔵合金の製造方
    法。
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JP5713289B2 (ja) 2011-05-09 2015-05-07 Smc株式会社 流体圧機器のケース構造
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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M.Y.Songら"hydriding and dehydriding characteristics of mechanically alloyed mixtures Mg−xwt%Ni(X=5,10,25and 55)"Journal of the Less−Common Metals,,131(1987)P.71−79
R.Sundaresanら"Mechanical Alloying of Light Metals"Met Powder Rep Vol.44,No.3,P.195−200(1989)

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