JP3393978B2 - アルカリ二次電池 - Google Patents

アルカリ二次電池

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JP3393978B2
JP3393978B2 JP14015297A JP14015297A JP3393978B2 JP 3393978 B2 JP3393978 B2 JP 3393978B2 JP 14015297 A JP14015297 A JP 14015297A JP 14015297 A JP14015297 A JP 14015297A JP 3393978 B2 JP3393978 B2 JP 3393978B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、水素を活物質とす
る負極及びセパレータを改良したアルカリ二次電池に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】アルカリ二次電池、例えばニッケル水素
二次電池は、水酸化ニッケルを活物質として含むペース
ト式正極と水素吸蔵合金を含むペースト式負極との間に
セパレータを介装して作製した電極群をアルカリ電解液
と共に容器内に収納した構造を有する。このようなニッ
ケル水素二次電池は、前記水素吸蔵合金を含む負極の代
わりにカドミウムを含む負極を用いたニッケルカドミウ
ム二次電池に比べて高容量化、高エネルギー密度化が可
能であるため、有用である。
【0003】前記アルカリ二次電池に用いられる負極と
しては、水素吸蔵合金、導電材及び高分子結着剤を水の
存在下で混練してペーストを調製し、このペーストをパ
ンチドメタル、フェルト状金属多孔体などの導電性基板
に充填したペースト式負極が用いられている。なお、水
素吸蔵合金としては、LaNi5 、La,Ce,Pr,
Nd,Smなどのランタン系元素の混合物であるミッシ
ュメタル(以下、Mmという)とNiとの合金、すなわ
ちMmNi5 、Laを含む希土類元素の混合物とNiと
の合金、すなわちLnNi5 、またはNiの一部をA
l,Mn,Coのような元素で置換した多元素系などの
希土類−ニッケル系水素吸蔵合金が使用されている。中
でも、LaNi5 や、LnNi5 のNiの一部をAl,
Mn,Coのような元素で置換した多元素系の水素吸蔵
合金は、LaNi5 に比べて負極容量及び充放電サイク
ル寿命を高めることができ、有用である。
【0004】しかしながら、Niの一部がMnで置換さ
れたLaNi5 を含む負極から得られたニッケル水素二
次電池は、充放電サイクル寿命が低下することがあっ
た。これは、充放電サイクルの進行に伴って前記負極の
合金中のMnがアルカリ電解液に溶出し、内部抵抗が上
昇することによるものである。このようなMn溶出は高
温環境下で使用する際に顕著に生じるため、前記二次電
池は高温環境下でのサイクル寿命の劣化が著しかった。
【0005】このようなことから、前記合金中のMn含
有量を少なくすることが検討されている。しかしなが
ら、前記合金中のMn含有量を少なくすると、充放電サ
イクル時に内部短絡を生じるという新たな問題が生じ
た。
【0006】特開平5−182688号公報には、Lm
Ni3.8 Co0.7 Al0.5 (ここで、LmはLaリッチ
ミッシュメタル)で表される水素吸蔵合金の表面に水酸
化マンガンを析出させることによって、ニッケル水素二
次電池の自己放電及びサイクル寿命を改善することが開
示されている。
【0007】しかしながら、このように水素吸蔵合金と
は別にマンガン化合物を添加するのは、添加量の調整が
困難であるため、サイクル寿命の向上と、サイクル時の
内部短絡防止の両者を満足させるのが難しかった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、充放電サイ
クル寿命が向上され、かつサイクル時の内部短絡が防止
されたアルカリ二次電池を提供しようとするものであ
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明に係るアルカリ二
次電池は、正極と、負極と、前記正極と前記負極の間に
介在されたセパレータと、アルカリ電解液とを具備する
アルカリ二次電池であって、前記負極は、希土類系水素
吸蔵合金及びマンガン系粒子を含有し、前記負極のマン
ガン系粒子の含有量は、前記水素吸蔵合金100重量部
に対して3重量部以下の範囲であり、前記希土類系水素
吸蔵合金は、マンガン原子の含有量が0重量%〜2.6
重量%の範囲であり、前記セパレータは、アクリル酸
グラフト共重合されたポリオレフィン系繊維製シートか
らなることを特徴とするものである。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係わるアルカリ二
次電池(例えば円筒形アルカリ二次電池)を図1を参照
して詳細に説明する。有底円筒状の容器1内には、正極
2とセパレータ3と負極4とを積層してスパイラル状に
捲回することにより作製された電極群5が収納されてい
る。前記負極4は、前記電極群5の最外周に配置されて
前記容器1と電気的に接触している。アルカリ電解液
は、前記容器1内に収容されている。中央に孔6を有す
る円形の第1の封口板7は、前記容器1の上部開口部に
配置されている。リング状の絶縁性ガスケット8は、前
記封口板7の周縁と前記容器1の上部開口部内面の間に
配置され、前記上部開口部を内側に縮径するカシメ加工
により前記容器1に前記封口板7を前記ガスケット8を
介して気密に固定している。正極リード9は、一端が前
記正極2に接続、他端が前記封口板7の下面に接続され
ている。帽子形状をなす正極端子10は、前記封口板7
上に前記孔6を覆うように取り付けられている。ゴム製
の安全弁11は、前記封口板7と前記正極端子10で囲
まれた空間内に前記孔6を塞ぐように配置されている。
中央に穴を有する絶縁材料からなる円形の押え板12
は、前記正極端子10上に前記正極端子10の突起部が
その押え板12の前記穴から突出されるように配置され
ている。外装チューブ13は、前記押え板12の周縁、
前記容器1の側面及び前記容器1の底部周縁を被覆して
いる。
【0011】以下、前記負極4、正極2、セパレータ3
およびアルカリ電解液について詳細に説明する。 (1)負極4 この負極4は、希土類系水素吸蔵合金と、マンガン系粒
子を含有する。前記負極のマンガン系粒子の含有量は、
前記水素吸蔵合金100重量部に対して3重量部以下で
ある。また、前記希土類系水素吸蔵合金は、マンガン原
子(Mn)の含有量が0重量%〜2.6重量%の範囲で
ある。
【0012】前記合金におけるマンガン原子の含有量を
前記範囲にすることによって、充放電サイクル時に合金
からアルカリ電解液へ溶出するマンガンの量を少なくす
ることができる。前記合金のマンガン原子の含有量が少
ない程、アルカリ電解液への溶出量を低減することがで
きるため、前記合金のうちより好ましいのはマンガン原
子を含んでいない合金である。
【0013】前記合金がコバルト原子を含むことによっ
て、前記合金の充放電サイクルに伴う微粉化の進行を抑
制することができる。前記合金のコバルト含有量は、5
重量%〜15重量%の範囲にすることが好ましい。これ
は次のような理由によるものである。前記含有量を5重
量%未満にすると、微粉化の進行を抑制する効果を十分
に得ることが困難になる恐れがある。一方、前記含有量
が15重量%を越えると、合金の容量が低下する恐れが
ある。また、コバルトは高価であるため、製造コストが
高くなる。コバルト原子の含有量のより好ましい範囲
は、10重量%〜12重量%である。
【0014】前記合金の希土類成分は、ランタン(L
a)を含む希土類元素から選ばれる1種以上からなると
良い。特に、前記合金は、ランタン(La)を含んでい
るとよい。
【0015】前記合金は、合金1g当たりの水素吸蔵量
を所期量にする観点から、ニッケル原子(Ni)を含ん
でいることが望ましい。前記合金のニッケル原子の含有
量は、45重量%〜60重量%の範囲にすることが好ま
しい。
【0016】前記合金としては、例えば、一般式LmN
x Mnyz (但し、Lmは、Laを含む希土類元素
から選ばれる少なくとも1種であり、AはAl及びCo
から選ばれる少なくとも1種の金属からなり、原子比x
は3.1≦x≦4.6、原子比yは0≦y≦0.1、原
子比zは0.1≦y≦1.4で、かつ原子比x,y,z
の合計値は4.8≦x+y+z≦5.4である)で表さ
れる組成の希土類系水素吸蔵合金等を挙げることができ
る。このような水素吸蔵合金において、原子比の合計を
前記範囲にするのは次のような理由によるものである。
前記原子比の合計を4.8未満にすると、サイクル寿命
が低下する恐れがある。一方、前記原子比の合計が5.
4を越えると、合金の水素吸蔵量が少なくなる恐れがあ
る。
【0017】前記マンガン系粒子は、マンガン原子を含
む粒子であればよい。中でも、マンガン原子の含有量が
多いものは、添加量を少なくすることができ、水素吸蔵
合金の充填量があまり下がらないため、好ましい。前記
マンガン系粒子としては、例えば、マンガンからなる粒
子、マンガン化合物粒子(例えば、水酸化マンガン粒
子、二酸化マンガン粒子、塩化マンガン粒子)等を挙げ
ることができる。マンガン系粒子は、これらから選ばれ
る1種、あるいは2種以上を用いることができる。
【0018】前記負極のマンガン系粒子の含有量は、水
素吸蔵合金100重量部に対して3重量部以下にする。
前記含有量が3重量部を越えると、充放電サイクル時、
特に高温環境下で使用する際にアルカリ電解液中のマン
ガン量が多くなるため、サイクル特性が劣化する。前記
含有量が少なくなるほどマンガン溶出量が減少するもの
の、充放電時の短絡を防止することが困難になる恐れが
あるため、前記含有量の下限値は0.1重量部にすると
良い。前記含有量のうちより好ましい範囲は、0.1〜
2重量部で、さらに好ましい範囲は0.5〜1重量部で
ある。
【0019】前記負極は、例えば、前述した特定量のマ
ンガン原子を含む希土類系水素吸蔵合金粉末100重量
部に対して3重量部以下の割合で前記マンガン系粒子を
添加し、これらに導電剤、結着剤及び水を添加し、混練
してペーストを調製し、前記ペーストを導電性基板に充
填し、乾燥させた後、プレス成形することにより製造さ
れる。なお、前記マンガン系粒子は、予め前記合金粉末
表面に付着させておいても良い。
【0020】前記導電剤としては、例えばカーボンブラ
ック、黒鉛等を挙げることができる。前記結着剤として
は、例えばポリアクリル酸ソーダ、ポリアクリル酸カリ
ウム等のポリアクリル酸塩、ポリテトラフルオロエチレ
ン(PTFE)などのフッ素系樹脂、またはカルボキシ
メチルセルロース(CMC)等を挙げることができる。
【0021】前記導電性基板としては、例えばパンチド
メタル、エキスパンデッドメタル、穿孔鋼板、ニッケル
ネット等の二次元基板や、フェルト状の金属多孔体や、
スポンジ状金属多孔体などの三次元基板を挙げることが
できる。
【0022】(2)正極2 この正極2は、水酸化ニッケル粒子及び結着剤を含む正
極材料が集電体に担持されたものから形成される。
【0023】水酸化ニッケル粒子としては、例えば単一
の水酸化ニッケル粒子、または亜鉛および/またはコバ
ルトが金属ニッケルと共沈された水酸化ニッケル粒子を
用いることができる。後者の水酸化ニッケル粒子を含む
正極は、高温状態における充電効率を更に向上すること
が可能になる。
【0024】前記アルカリ蓄電池の充放電効率を向上す
る観点から、前記水酸化ニッケル粒子のX線粉末回折法
による(101)面のピーク半価幅は、0.8゜/2θ
(Cu−Kα)以上にすることが好ましい。より好まし
い水酸化ニッケル粉末の粉末X線回折法による(10
1)面のピークの半価幅は、0.9〜1.0゜/2θ
(Cu−Kα)である。
【0025】前記結着剤としては、例えば、ポリテトラ
フルオロエチレン、カルボキシメチルセルロース、メチ
ルセルロース、ポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコー
ルを挙げることができる。
【0026】前記集電体としては、例えばニッケル、ス
テンレス等の金属や、ニッケルメッキが施された樹脂な
どからなるスポンジ状、繊維状、フェルト状の多孔質構
造を有するものを挙げることができる。
【0027】前記正極は、例えば、水酸化ニッケル粒
子、導電助剤、結着剤および水を含むペーストを調製
し、前記ペーストを集電体に充填し、これを乾燥、加圧
成形した後、所望のサイズに切断することにより水酸化
ニッケル粒子及び結着剤を含む正極材料が集電体に担持
された構造の正極を作製する。
【0028】前記導電助剤は、例えば三酸化二コバルト
(Co23 )、コバルト金属(Co)、一酸化コバル
ト(CoO)、水酸化コバルト{Co(OH)2 }等か
ら形成することができる。
【0029】(3)セパレータ3 このセパレータ3は、酸、あるいは塩基と反応して塩の
型になる官能基を有するビニルモノマーがグラフト共重
合されたポリオレフィン系繊維製シートからなる。
【0030】前記セパレータは、正極や負極の活物質充
填量を増加させる観点から、繊維径を細く、目付量を小
さめにして薄膜とするのが良い。このため、前記セパレ
ータの目付量は、60g/m2 以下にすることが好まし
い。特に、繊維径が0.1〜15μmで、目付量が30
〜55g/m2 のセパレータは、緻密性が高いため、好
ましい。
【0031】ポリオレフィン系繊維としては、特に限定
されるものではなく、例えば、ポリエチレン繊維、ポリ
プロピレン繊維、もしくはこれらポリオレフィン繊維が
芯鞘構造や、分割構造をなしているものを挙げることが
できる。
【0032】ポリオレフィン系繊維製シートとしては、
ポリオレフィン系繊維製不織布、ポリオレフィン系繊維
製織布等を挙げることができる。前記不織布の製造方法
は、特に限定されるものではなく、通常良く用いられて
いる乾式法、湿式法、スパンボンド法、メルトブロー法
などを採用することができる。前記製造方法のうち、ス
パンボンド法、メルトブロー法は、繊維径を細くできる
ため、有用である。
【0033】前記官能基を有するビニルモノマーとして
は、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸
や、メタクリル酸のエステル類、ビニルピリジン、ビニ
ルピロリドン、スチレンスルフォン酸等を挙げることが
できる。
【0034】(4)アルカリ電解液 前記アルカリ電解液としては、例えば、水酸化ナトリウ
ム(NaOH)の水溶液、水酸化リチウム(LiOH)
の水溶液、水酸化カリウム(KOH)の水溶液、NaO
HとLiOHの混合液、KOHとLiOHの混合液、K
OHとLiOHとNaOHの混合液等を用いることがで
きる。
【0035】なお、前述した図1では負極4および正極
2の間にセパレータ3を介在して渦巻状に捲回し、有底
円筒状の容器1内に収納したが、複数の負極および複数
の正極の間にセパレータをそれぞれ介在して積層物と
し、この積層物を有底矩形筒状の容器内に収納してもよ
い。
【0036】以上詳述したように本発明に係るアルカリ
二次電池は、正極と、負極と、前記正極と前記負極の間
に介在されたセパレータと、アルカリ電解液とを具備
し、前記負極は、希土類系水素吸蔵合金及びマンガン系
粒子を含有し、前記負極のマンガン系粒子の含有量は前
記水素吸蔵合金100重量部に対して3重量部以下であ
り、前記希土類系水素吸蔵合金はマンガン原子の含有量
が0重量%〜2.6重量%の範囲であり、前記セパレー
タは、酸、あるいは塩基と反応して塩の型になる官能基
を有するビニルモノマーがグラフト共重合されたポリオ
レフィン系繊維製シートからなることを特徴とするもの
である。このような二次電池は、充放電サイクル寿命を
向上することができると共に、充放電時に内部短絡が発
生するのを防止することができる。これは以下のような
メカニズムによるものと推測される。
【0037】すなわち、前述したようなマンガン原子の
含有量が少ない水素吸蔵合金は、マンガン成分が電解液
へ溶出するのを抑制することができるものの、充放電時
に内部短絡が起こりやすい。これは、マンガン成分の電
解液への溶出が全く起こらないか、もしくは微量である
と、前記正極中に含まれるコバルト化合物や、前記合金
中に概ね含まれているコバルト成分が電解液に溶出し、
これがセパレータに析出し、この析出物を介して正極と
負極が電気的に接続されるためであると考えられる。前
記負極中に前記マンガン系粒子を前述したような割合で
添加することによって、少量のマンガンが電解液に溶出
し、これが正極に達した時に正極表面に付着することで
正極の導電材料であるコバルト化合物の溶出を抑制する
ことができる。
【0038】また、前記セパレータは、電解液と接する
ことにより前記官能基(例えば、COOH)が塩の型
(例えば、COOK)になっており、かつ前記官能基が
極性を持つため、電解液中に溶出したマンガンイオンを
引きつけやすい。その結果、前記セパレータに前述した
コバルトの析出が生じる際に、このマンガンイオンの析
出が同時に生じるためにセパレータを介して正極と負極
が電気的に接続されにくくなることから、内部短絡の発
生を抑制することができる。ただし、マンガン系粒子の
添加量が多すぎると、電解液へのマンガン溶出量が多く
なり、正極表面やセパレータ中のマンガン析出量も多量
となるために、電池内部抵抗が高くなり、サイクル寿命
を低下させてしまう。
【0039】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。 (実施例1〜5及び参照例) <負極の作製>LmNi4.3 Al0.3 Co0.4 (Lm
は、La富化したミッシュメタル)の組成からなる希土
類系水素吸蔵合金粉末100重量部に対し、Mn粉末を
下記表1に示す割合でそれぞれ添加し、さらに、ポリア
クリル酸ナトリウム0.5重量部、カルボキシメチルセ
ルロース(CMC)0.125重量部、ポリテトラフル
オロエチレンのディスパージョン(比重1.5,固形分
60重量%)を固形分換算で2.5重量部及びカーボン
ブラック1.0重量部を添加し、水50重量部と共に混
合することによってペーストを調製した。このペースト
を導電性基板としてのパンチドメタルに塗布し、乾燥
し、プレスすることにより6種類の負極を作製した。
【0040】得られた各負極から以下に説明するように
して6種類のニッケル水素二次電池を組み立てた。 <正極の作製>水酸化ニッケル粉末90重量部および一
酸化コバルト粉末10重量部からなる混合粉末に、カル
ボキシメチルセルロース0.3重量部およびポリテトラ
フルオロエチレンのディスパージョンを固形分換算で
0.5重量部添加し、これらに純水45重量部添加して
混練することによりペーストを調製した。このペースト
を導電性基板としてのニッケルメッキ金属多孔体内に充
填し、乾燥した後、ローラプレスして圧延成形すること
により正極を作製した。 <セパレータの作製>ポリプロピレン樹脂からメルトブ
ロー法により目付量が50g/m2 のポリプロピレン製
不織布を作製した。この不織布に紫外線を照射した後、
アクリル酸水溶液に浸漬し、アクリル酸モノマーをグラ
フト共重合させて親水性を付与し、セパレータを作製し
た。
【0041】次いで、前記各負極及び前記正極の間に前
記セパレータを介在し、これらを渦巻状に捲回して電極
群を作製した。このような電極群を有底円筒状容器に収
納し、7NのKOH及び1NのLiOHからなるアルカ
リ電解液を収容し、前述した図1に示す構造を有し、理
論容量が1200mAhで、AAサイズの円筒形ニッケ
ル水素二次電池を組み立てた。なお、各種類につき30
個ずつ組み立てた。 (比較例1)負極にMn粉末を添加しなかったこと以
外、実施例1〜5と同様にしてニッケル水素二次電池を
組み立てた。 (比較例2〜7)ポリプロピレンをポリエチレンで被覆
した芯鞘型複合繊維と、ポリプロピレンをエチレンビニ
ルアルコール共重合体で被覆した芯鞘型複合繊維を混合
し、乾式法によって作製した不織布をセパレータとして
用いること以外は、実施例1〜5と同様にしてニッケル
水素二次電池を組み立てた。 (比較例8)負極にMn粉末を添加しなかったこと以
外、比較例2〜7と同様にしてニッケル水素二次電池を
組み立てた。
【0042】実施例1〜5、参照例及び比較例1〜8の
二次電池それぞれ30個ずつについて、1Cで150%
充電し、1Cで電池電圧が1.0Vに達するまで放電す
るサイクルを1サイクルとして、繰り返し充放電を行
い、放電容量が1サイクル目の放電容量の80%に達し
たサイクル数を測定し、その結果をサイクル数比(実施
例2のサイクル数を100とする)として表し、下記表
1に示す。また、この測定に際し、充放電サイクルの途
中で容量が減少したものについては内部抵抗を測定し、
内部短絡により容量が急に減少したものを調査し、その
結果を表1に示す。なお、表1中のサイクル数は、試作
電池のうち短絡を生じない電池のサイクル数の平均値で
ある。
【0043】
【表1】
【0044】表1から明らかなように、マンガン原子の
含有量が0重量%〜2.6重量%である希土類系水素吸
蔵合金100重量部に対して3重量部以下のマンガン系
粒子を含む負極と、酸、あるいは塩基と反応して塩の型
になる官能基を有するビニルモノマーがグラフト共重合
されたポリオレフィン系繊維製シートからなるセパレー
タを備えた実施例1〜5の二次電池は、充放電の際の内
部短絡発生率を低減することができ、かつサイクル寿命
が長いことがわかる。
【0045】これに対し、マンガン系粒子の含有量が3
重量部を越える参照例の二次電池は、充放電中の内部短
絡発生率が低いものの、サイクル寿命が短いことがわか
る。また、マンガン系粒子が無添加の比較例1の二次電
池は、内部短絡発生率が著しく高いことがわかる。一
方、比較例2〜8の二次電池の結果から、エチレンビニ
ルアルコール共重合体を親水基として含むセパレータを
使用すると、合金中のマンガン量及び負極中のマンガン
系粒子の含有量を前述したような範囲にしても満足のゆ
く特性が得られないことがわかる。
【0046】なお、希土類系水素吸蔵合金粉末としてL
mNi4.2 Mn0.1 Al0.3 Co0.4 を用いて同様の評
価を行ったところ、前述したのとほぼ同様の結果が得ら
れた。また、Mn粉末の代わりにMnを主成分とする合
金粉末や、Mn化合物粉末を用いた場合も、前述したの
とほぼ同様な結果が得られた。
【0047】
【発明の効果】本発明によれば、自己放電の少ない、高
容量のアルカリ二次電池において、、サイクル時の短絡
を防止することができ、かつサイクル寿命を向上するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るアルカリ二次電池の一例を示す部
分切欠斜視図。
【符号の説明】
1…容器、2…正極、3…セパレータ、4…負極、5…
電極群、7…封口板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 10/30 H01M 2/16 H01M 4/24 H01M 4/62

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 正極と、負極と、前記正極と前記負極の
    間に介在されたセパレータと、アルカリ電解液とを具備
    するアルカリ二次電池であって、 前記負極は、希土類系水素吸蔵合金及びマンガン系粒子
    を含有し、 前記負極のマンガン系粒子の含有量は、前記水素吸蔵合
    金100重量部に対して3重量部以下の範囲であり、 前記希土類系水素吸蔵合金は、マンガン原子の含有量が
    0重量%〜2.6重量%の範囲であり、 前記セパレータは、アクリル酸がグラフト共重合された
    ポリオレフィン系繊維製シートからなることを特徴とす
    るアルカリ二次電池。
  2. 【請求項2】 前記負極のマンガン系粒子の含有量は、
    前記水素吸蔵合金100重量部に対して0.1〜2重量
    部の範囲であることを特徴とする請求項1記載のアルカ
    リ二次電池。
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