JP3387314B2 - 水素吸蔵合金電極の製造方法 - Google Patents
水素吸蔵合金電極の製造方法Info
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Description
逆的に行うことのできる水素吸蔵合金を用いた水素吸蔵
合金電極の製造方法に関する。
池として、鉛蓄電池とアルカリ蓄電池がある。このうち
アルカリ蓄電池は高信頼性が期待でき、小形軽量化も可
能なことから小型蓄電池は各種ポータブル機器用に、大
型蓄電池は産業用として使われてきた。
は一部空気極や酸化銀極なども取り上げられているが、
ほとんどの場合水酸化ニッケルを用いたニッケル極であ
る。アルカリ蓄電池のニッケル極がポケット式から焼結
式に代わって電池特性が向上し、さらに密閉化が可能に
なったことからアルカリ蓄電池の用途も広がった。
鉛、鉄、水素などが対象となっている。そして一層の高
エネルギー密度を達成するために金属水素化物、つまり
水素吸蔵合金を使ったニッケル−水素蓄電池が注目さ
れ、製法などに多くの提案がされている。
合金を負極に使用するアルカリ蓄電池では、水素吸蔵合
金電極の理論容量密度がカドミウム極より大きいため、
高エネルギー密度を有するアルカリ蓄電池用負極として
期待できる。そのうえ、カドミウム極や亜鉛極のような
金属の酸化還元による溶解析出を伴わないため、極板の
変形やデンドライトの形成などが少ないことから、長寿
命が期待でき、かつ、無公害であるという特徴を有して
いる。
合金として、一般的にはTi−Ni系、Zr−Mn−N
i系およびLa(またはMm)−Ni系の多元系合金が
よく知られている。Ti−Ni系の多元系合金はABタ
イプ、Zr−Mn−Ni系合金はAB2 タイプとして分
類できるが、両タイプとも初期に高容量を示すが、寿命
特性が劣り、寿命特性を改善した合金では放電特性が非
常に劣るという問題を有している。
類されるLa(またはMm)−Ni系合金はABタイプ
やAB2タイプに比べ若干容量は低下するが、寿命特
性、放電特性に優れていることから近年電極材料として
多くの開発が進められ、実用化されている。
たニッケル−水素蓄電池でもニッケル−カドミウム蓄電
池に比べ低温等での高率放電特性が劣ることからさらな
るAB5タイプの合金の特性改善が要望されている。ま
た、AB5タイプの合金より高容量が期待できるABタ
イプやAB2タイプの合金では寿命特性を改善した合金
組成での放電特性の改善が要望されている。
処する方法の一つとして、水素吸蔵合金粉末もしくは水
素吸蔵合金電極をアルカリ溶液に浸漬して水素吸蔵合金
電極の放電特性を向上させる方法が提案されている。い
わゆるアルカリ処理と言われ、水素吸蔵合金粉末もしく
は水素吸蔵合金電極を水酸化カリウムを溶解したアルカ
リ水溶液に浸漬して処理する方法である。この処理によ
り合金表面のコバルト、マンガン、バナジウム、アルミ
ニウム、ミッシュメタル等のアルカリ水溶液に溶解し易
い金属元素が、アルカリ水溶液中に溶解し、このために
アルカリ水溶液に対して上記した金属元素より安定なニ
ッケルが合金の表面層に残り、相対的に表面層のニッケ
ル比率が高まり金属ニッケル微粒子が生成される。この
金属ニッケル微粒子は高活性な触媒としてよく知られて
いるラネ−ニッケル触媒と同等の活性を有していると考
えられている。このように、合金粉末もしくは合金電極
の電気化学的活性を向上させることにより、放電特性を
向上させていた。また、アルカリ水溶液に溶出する合金
粉末粒子表面や合金電極表面の成分元素を予め除去する
ことによって、電池寿命を向上させることが考えられて
いた。
蔵合金電極を上記のような水酸化カリウムだけを溶解し
たアルカリ水溶液を用いた処理を行っても、低温におけ
る放電特性の向上や、高温におけるアルカリ水溶液に対
する耐食性の向上ができない。
電特性の改善と、高温におけるアルカリ水溶液に対する
耐食性の改善によって、アルカリ蓄電池負極として優れ
た水素吸蔵合金電極を提供することを目的とする。
するために、水素吸蔵合金粉末をコバルトイオンおよび
/または銅イオンを含み、かつ、水酸化リチウム・一水
塩を10〜150g/l含む水溶液中に80〜150℃
のアルカリ溶液中に浸漬する工程を有する。
トイオンおよび/または銅イオンを含み、かつ、水酸化
リチウム・一水塩を10〜150g/l含む水溶液中に
80〜150℃のアルカリ溶液中に浸漬する工程を有す
る。
化コバルト、酸化コバルト、塩化コバルト、硝酸コバル
ト等をアルカリ溶液に添加して、また銅イオンを含むア
ルカリ溶液は水酸化銅、酸化銅、塩化銅、硝酸銅等をア
ルカリ水溶液に添加してそれぞれ調整するものである。
銅イオンを含むアルカリ水溶液は、酒石酸またはクエン
酸を加えることが好ましい。
合金電極のアルカリ処理は、不活性ガス雰囲気中や大気
を遮断した状態など、アルカリ水溶液への酸素の溶解が
抑制された、実質的に酸素ガスとの接触を断たれた状態
において行われることが好ましい。
nNixAy(Lnはランタノイド元素の少なくとも2
種、AはMn,Co,Al,Fe,Si,Cr,および
Cuよりなる群から選択される少なくとも1種の元素で
あり、4.5<x+y<5.5、3.0<x、0<y<
2.5)で表される合金である。また、一般式Zr1.2-
aTiaMnwVxNiyMZ(ただし、MはB,Al,S
i,Cr,Fe,Co,Cu,Zn,Nb,Mo,Ta
およびWよりなる群から選択される少なくとも1種の元
素であり、0≦a<1.2,0.1≦w≦1.2,0≦
x≦0.4,0.8≦y≦1.6,0<z≦1.2、
1.7≦(v+w+x+y+z)≦2.7)で表される
合金であり、その合金相の主成分がC14(MgZ
n2)およびC15(MgCu2)型ラーベス相である。
ド元素の少なくとも1種)とNiを主成分とする合金相
を30重量%以下含有させた合金でもよい。
一般式ZrTi0.2Mn0.6V0.1Cr0.3Co0.1Ni1.2
で表される合金粉末を用いた。
コバルト量に相当する水酸化コバルトを含む31重量%
KOH水溶液200mlに所定量の水酸化リチウム・一
水塩を入れてアルカリ処理液とした。
に入れ、120℃に加熱した。120℃のアルカリ処理
液中に合金粉末を投入し、蓋をして撹拌し、4時間処理
した。処理終了後、冷却、静置して上澄み液を除去後、
水洗、液のpHを下げ、ろ過、乾燥して合金粉末を作成
した。
度を高くすることにより処理時間を短縮することができ
る。 (1)単電池試験 各合金試料についてアルカリ蓄電池用負極としての電極
特性、特に、0℃における放電特性を評価するために単
電池試験を行った。
3gについて結着剤のポリエチレン微粉末0.15gを
十分混合撹拌し、これにカルボキシメチルセルロースの
希釈水溶液(1重量%水溶液)と水を加えてペースト状
にし、平均ポアサイズ150μm、多孔度95%、縦4
0mm、横25mm、厚さ1.0mmの発泡状ニッケル
シートに充填した。これを130℃で真空乾燥し、総圧
100トンでプレス加工して試験用合金電極板を作成し
た。
リードを取り付けて負極とし、正極として過剰の容量を
有する焼結式ニッケル電極を、セパレータとしてポリア
ミド不織布をそれぞれ用い、比重1.30の水酸化カリ
ウム水溶液を電解液として試験電池を作成した。
電サイクルを20〜50サイクル繰り返して試験用合金
電極の活性化を行った。なお、充放電条件は、水素吸蔵
合金1gあたり100mAの電流で5時間充電し、同様
に合金1gあたり50mAの電流で放電し、放電終止電
圧は0.8Vとした。
たり20mAの電流で30時間充電し、合金1gあたり
50mAで放電し、0.8Vまでの放電容量を測定し
た。つぎに、再度、25℃において合金1gあたり20
mAの電流で30時間充電し、充電終了後、0℃におい
て合金1gあたり250mAの電流で放電し、放電容量
を測定した。図1に各試験用合金電極板の25℃、50
mA/合金1gの放電容量と0℃、250mA/合金1
gの放電容量比を示した。また、各試験用合金粉末の飽
和磁化を小型全自動振動試料型磁力計により求め、その
値より試料中の金属ニッケル量として換算した結果を図
2に示した。
・一水塩と水酸化コバルトだけを溶解した水溶液で処理
した場合の結果である。この結果より水酸化リチウム・
一水塩と水酸化コバルトだけを溶解した水溶液では合金
粉末を十分に活性化することはできなかった。合金を処
理するアルカリ溶液は水酸化カリウム、水酸化ナトリウ
ム、水酸化ルビジウム等を溶解させておく必要があるこ
とがわかった。
カリ処理水溶液に水酸化リチウムを溶解することにより
合金表面の磁性を有する金属ニッケルやコバルトの生成
量が増加し、合金電極の高率放電特性が向上することが
わかった。これは水酸化リチウムが存在することにより
合金の溶存酸素、または水酸化コバルトによる酸化溶解
が促進され、合金表面に活性な金属ニッケルやコバルト
が生成されるためであると推測される。しかし、水酸化
リチウム・一水塩の溶解量が100gを越える領域は放
電特性は低下傾向であった。これは合金表面の腐食が大
きくなり過ぎて合金粒子間の接触抵抗が増大したためで
ある。 (2)密閉形電池試験 次に、電池特性を調べるために密閉形電池を試作した。
にカルボキシメチルセルロースの希水溶液(1重量%水
溶液)と水を加え、混合撹拌してペースト状にし、平均
ポアサイズ150μm、多孔度95%、厚さ1.0mm
の発泡状ニッケルシートに充填した。これを120℃で
乾燥し、ローラプレスで加圧し、さらにその表面にフッ
素樹脂粉末をコーティングして電極を作成した。
m、厚さ0.4mmに調整し、リード板を所定の2カ所
に取り付けた。そして、正極(容量1.5Ah)および
セパレータと組み合わせて渦巻状に捲回して4/5Aサ
イズの電池ケースに収納した。これら電池の正極には公
知の発泡式ニッケル電極を用い、セパレータには親水性
を付与したポリプロピレン不織布を用いた。比重1.3
の水酸化カリウム水溶液に水酸化リチウムを30g/l
溶解した電解液を注入後、電池ケースを封口して密閉形
電池を作成した。
いて0.1C(10時間率)で150%まで充電し、
0.2Cで終止電圧0.8Vまで放電する充放電を10
サイクル行い、電池化成を行った。電池化成後、20
℃、1Cで120%充電後、0.2Cで0.8Vまで放
電し、0.8Vまでの放電容量を測定した。再度、20
℃、1Cで120%充電し、0℃における1C放電、
0.8Vまでの放電容量を測定した。図3に0℃、1C
における放電容量の20℃、0.2Cにおける放電容量
に対する比率を示した。
ケル量が約2%以上で電池の0℃,1C放電特性が大き
く向上することがわかった。この結果から、本実施例に
よる処理により特性に優れた電極を得ることができるこ
とがわかった。
5μm以下の一般式ZrMn0.55V0.15Cr0.2Co0.1
Ni1.15で表される合金粉末を用い、銅イオンを含むア
ルカリ水溶液で処理を行った。このアルカリ水溶液は合
金粉末100gに対して1gの金属銅量に相当する水酸
化銅を含む31重量%KOH水溶液200mlに所定量
の水酸化リチウム一水塩を入れたものである。
に入れ、120℃に加熱した。120℃のアルカリ処理
液中に合金粉末を投入し、蓋をして撹拌し、6時間処理
した。処理終了後、冷却、静置して上澄み液を除去後、
水洗、液のpHを下げ、ろ過、乾燥して合金粉末を得
た。 (1)単電池試験 実施例1と同様に試験用合金電極板を作成し、同様の試
験をおこなった。図4に各試験用合金電極板の25℃、
50mA/合金1gの放電容量と0℃、250mA/合
金1gの放電容量比を示した。また、各試験用合金粉末
の飽和磁化を測定し、その値より試料中の金属ニッケル
としての換算量を求めた。その結果を図5に示した。
触媒としての活性が低いことから図4の結果は図1に比
べ低い値を示した。また、図5の合金中の飽和磁化換算
ニッケル量も金属銅が磁性を有していないことから図2
に比べ低い値を示した。しかし、合金粉末を処理する銅
イオンを溶解したアルカリ水溶液に、さらに水酸化リチ
ウム・一水塩を溶解することで合金電極の放電特性を向
上させることができた。
金表面の金属ニッケルによる活性化と合金の腐食により
還元された金属銅による各合金粒子間の接触抵抗が減少
したことにより放電特性が向上した。
gを越える領域では合金電極の放電特性および飽和磁化
換算ニッケル量も向上しなかった。 (2)密閉形電池試験 次に、電池特性を調べるために密閉形電池を試作した。
を用いて実施例1と同様に密閉型電池を作成した。
いて0.1C(10時間率)で150%まで充電し、
0.2Cで終止電圧0.8Vまで放電する充放電を10
サイクル行い、電池化成を行った。電池化成後、20
℃、1Cで120%充電後、0.2Cで0.8Vまで放
電し、0.8Vまでの放電容量を測定した。再度、20
℃、1Cで120%充電し、0℃における1C放電、
0.8Vまでの放電容量を測定した。図6に0℃、1C
における放電容量の20℃、0.2Cにおける放電容量
に対する比率を示した。
水酸化銅を溶解したアルカリ処理水溶液で合金粉末を処
理することにより0℃,1C放電特性が向上することが
わかった。この結果から、本実施例による処理により特
性に優れた電極を得ることができる。
5μm以下の一般式MmNi3.6Co0.65Mn0.4Al
0.2Cr0.15で表される合金粉末を用いた。
量%を添加し、平均ポアサイズ150μm、多孔度95
%、縦40mm、横25mm、厚さ1.0mmの発泡状
ニッケルシートに充填した。このシートを総圧100ト
ンでプレスした後真空乾燥機中において130℃で熱処
理して合金2g含む電極を作成した。
属コバルト量に相当する水酸化コバルトを含む31重量
%KOH水溶液200mlに所定量の水酸化リチウム・
一水塩を入れた水溶液中に浸漬してアルカリ処理を行っ
た。アルカリ処理は100℃で1時間行った。処理後、
アルカリ処理液より取り出し、水洗、乾燥して各試験用
合金電極板を作成した。 (1)単電池試験 実施例1と同様の単電池試験を行った。図7に各試験用
合金電極板の25℃、50mA/合金1gの放電容量と
0℃、250mA/合金1gの放電容量比を示した。ま
た、各試験用合金電極より合金粉末を取り出し、その飽
和磁化を測定し、その値より試料中の金属ニッケルとし
ての換算量を求めた。その結果を図8に示した。
水酸化コバルトを溶解したアルカリ水溶液でよりするこ
とにより合金電極の放電特性が向上することがわかっ
た。図8の結果で合金中の飽和磁化換算ニッケル量が図
2に比べ少ないのは、極板状態でアルカリ水溶液での活
性化処理を行っているために極板内部の合金腐食がほと
んど起こっていないためである。
理に比べ特性は低いが、過度の処理条件による特性の低
下が少ない。 (2)密閉形電池試験 次に、電池特性を調べるために密閉形電池を試作した。
ルロースの希水溶液を加え、混合撹拌してペースト状に
し、平均ポアサイズ150μm、多孔度95%、厚さ
1.0mmの発泡状ニッケルシートに充填した。これを
120℃で乾燥し、ローラプレスで加圧して電極を作成
した。この電極板を上記電極板処理と同様の処理を行っ
た。電極板処理後、電極板表面にフッ素樹脂粉末をコー
ティングした。
閉型電池を作成した。このようにして作成した電池を2
5℃において0.1C(10時間率)で150%まで充
電し、0.2Cで終止電圧0.8Vまで放電する充放電
を10サイクル行い、電池化成を行った。電池化成後、
20℃、1Cで120%充電後、0.2Cで0.8Vま
で放電し、0.8Vまでの放電容量を測定した。再度、
20℃、1Cで120%充電し、0℃における1C放
電、0.8Vまでの放電容量を測定した。図9に0℃、
1Cにおける放電容量の20℃、0.2Cにおける放電
容量に対する比率を示した。図9の結果より水酸化リチ
ウム・一水塩と水酸化コバルトを溶解したアルカリ処理
水溶液で合金電極板を処理することにより0℃、1C放
電特性が向上することがわかった。この結果から、本実
施例による処理により特性に優れた電極を得ることがで
きる。
5μm以下の一般式MmNi3.2Co0.85Mn0.6Al
0.2Cr0.15で表される合金粉末を用いた。
方法で合金2gを含む電極板を作成した。この試験電極
を合金に対して0.6重量%の金属銅量に相当する水酸
化銅を含む31重量%KOH水溶液200mlに所定量
の水酸化リチウム・一水塩を入れた水溶液中に浸漬して
アルカリ処理を行った。アルカリ処理は100℃で1時
間行った。処理後、アルカリ処理液より取り出し、水
洗、乾燥して各試験用合金電極板を作成した。 (1)単電池試験 実施例1と同様の単電池試験を行った。図10に各試験
用合金電極板の25℃、50mA/合金1gの放電容量
と0℃、250mA/合金1gの放電容量比を示した。
また、各試験用合金電極より合金粉末を取り出し、その
飽和磁化を測定し、その値より試料中の金属ニッケルと
しての換算量を求めた。その結果を図11に示した。
と水酸化銅を溶解したアルカリ水溶液で合金電極板を活
性化することにより合金電極の放電特性は向上した。 (2)密閉形電池試験 次に、電池特性を調べるために密閉形電池を試作した。
ルロースの希水溶液を加え、混合撹拌してペースト状に
し、平均ポアサイズ150μm、多孔度95%、厚さ
1.0mmの発泡状ニッケルシートに充填した。これを
120℃で乾燥し、ローラプレスで加圧して電極を作成
した。この電極板を上記電極板処理と同様の処理を行っ
た。電極板処理後、電極板表面にフッ素樹脂粉末をコー
ティングした。
閉型電池を作成した。このようにして作成した電池を2
5℃において0.1C(10時間率)で150%まで充
電し、0.2Cで終止電圧0.8Vまで放電する充放電
を10サイクル行い、電池化成を行った。電池化成後、
20℃、1Cで120%充電後、0.2Cで0.8Vま
で放電し、0.8Vまでの放電容量を測定した。再度、
20℃、1Cで120%充電し、0℃における1C放
電、0.8Vまでの放電容量を測定した。図12に0
℃、1Cにおける放電容量の20℃、0.2Cにおける
放電容量に対する比率を示した。図12の結果より水酸
化リチウム・一水塩と水酸化銅を溶解したアルカリ処理
水溶液で合金電極板を処理することにより0℃、1C放
電特性が向上することがわかった。この結果から、本実
施例による処理により特性に優れた電極を得ることがで
きる。
水酸化カリウムを溶解したものについて述べたが、水酸
化ナトリウム、水酸化ルビジウムを溶解したアルカリ水
溶液についても同様の効果を得ることができる。
て電極を形成し、これをアルカリ処理しても同様の効果
を得ることができる。
できるため、作業高率が向上し、また低温における放電
容量の電極特性に優れた水素吸蔵合金電極を得ることが
できる。
塩の溶解量に対する低温における高率放電容量比を示す
図
塩の溶解量に対する電極中の金属ニッケルの重量比を示
す図
塩の溶解量に対する低温における放電容量比を示す図
塩の溶解量に対する低温における高率放電容量比を示す
図
塩の溶解量に対する電極中の金属ニッケルの重量比を示
す図
塩の溶解量に対する低温における放電容量比を示す図
塩の溶解量に対する低温における高率放電容量比を示す
図
塩の溶解量に対する電極中の金属ニッケルの重量比を示
す図
塩の溶解量に対する低温における放電容量比を示す図
水塩の溶解量に対する低温における高率放電容量比を示
す図
水塩の溶解量に対する電極中の金属ニッケルの重量比を
示す図
水塩の溶解量に対する低温における放電容量比を示す図
Claims (7)
- 【請求項1】 水素吸蔵合金粉末を、水酸化リチウム・
一水塩を10〜150g/l含み、かつコバルトイオン
を存在させた温度80〜150℃のアルカリ溶液中に浸
漬する工程と、前記の処理を施した水素吸蔵合金粉末を
用いて電極を形成する工程を有する水素吸蔵合金電極の
製造方法。 - 【請求項2】 水素吸蔵合金粉末を用いて形成した電極
を、水酸化リチウム・一水塩を10〜150g/l含
み、かつコバルトイオンを存在させた温度80〜150
℃のアルカリ溶液中に浸漬する工程を有する水素吸蔵合
金電極の製造方法。 - 【請求項3】 水素吸蔵合金に対して10重量%以下の
金属コバルトに相当するコバルトイオンを用いて前記の
処理がなされる請求項1または2記載の水素吸蔵合金電
極の製造方法。 - 【請求項4】 水素吸蔵合金粉末を、水酸化リチウム・
一水塩を10〜150g/l含み、かつ銅イオンを存在
させた温度80〜150℃のアルカリ溶液中に浸漬する
工程と、前記の処理を施した水素吸蔵合金粉末を用いて
電極を形成する工程を有する水素吸蔵合金電極の製造方
法。 - 【請求項5】 水素吸蔵合金粉末を用いて形成した電極
を、水酸化リチウム・一水塩を10〜150g/l含
み、かつ銅イオンを存在させた温度80〜150℃のア
ルカリ溶液中に浸漬する工程を有する水素吸蔵合金電極
の製造方法。 - 【請求項6】 水素吸蔵合金に対して10重量%以下の
金属銅に相当する銅イオンを用いて前記処理がなされる
請求項4または5記載の水素吸蔵合金電極の製造方法。 - 【請求項7】 アルカリ処理溶液が水酸化カリウム、水
酸化ナトリウムおよび水酸化ルビジウムのうちの少なく
とも1つを溶解したものである請求項1〜6記載の水素
吸蔵合金電極の製造方法。
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JP10671996A JP3387314B2 (ja) | 1996-04-26 | 1996-04-26 | 水素吸蔵合金電極の製造方法 |
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JP10671996A JP3387314B2 (ja) | 1996-04-26 | 1996-04-26 | 水素吸蔵合金電極の製造方法 |
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-
1996
- 1996-04-26 JP JP10671996A patent/JP3387314B2/ja not_active Expired - Lifetime
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