JP3664952B2 - 水素吸蔵合金負極及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ニッケル水素化物電池に使用される水素吸蔵合金負極及びその製造方法に係り、特に、充放電サイクルの初期での放電特性、充電時におけるガス吸収性、及びサイクル寿命初期特性に優れた水素吸蔵合金負極及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、繰り返し充電が可能な二次電池が多く使用されている。二次電池の代表種であるニッケル水素化物電池は、電池容器中に充填されたアルカリ電解液と、水素吸蔵合金を主成分とする水素吸蔵合金負極と、金属酸化物を主成分とする正極と、水素吸蔵合金負極と正極との間に配設されたセパレータとから構成されている。
【０００３】
このようなニッケル水素化物電池に求められる特性として、充放電サイクルの初期での放電特性、充電時におけるガス吸収性、及びサイクル寿命が優れていることが挙げられある。
【０００４】
これらの特性を改良するために多くの提案がなされている。例えば、特開平６−２９０７７５号公報には、水素吸蔵合金粉末をアルカリ溶液に浸漬して表面を改質し、さらに水素吸蔵合金負極を構成した状態で再びより高い温度でアルカリ処理し、これにより、初期放電特性、充電時のガス吸収性、サイクル寿命を向上させた水素吸蔵合金極の製造方法が記載されている。
【０００５】
しかしながら、この公報に記載された水素吸蔵合金負極は、複数回に渡ってアルカリ処理する必要があるため製造に手間がかかりすぎるという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このため、複雑な製造工程を要せずに、初期放電特性、充電時のガス吸収性、サイクル寿命について優れた性能を有する水素吸蔵合金極が望まれていた。
【０００７】
そこで本発明の目的は、上記従来技術の有する問題を解消し、複雑な製造工程を必要とせずに、充放電サイクルの初期での放電特性、充電時におけるガス吸収性、及びサイクル寿命のいずれにおいても優れた水素吸蔵合金負極及びその製造方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、負極板の表面部が所定の撥水率を有するとともに複数の凸部を有するようにすることに着目し、この知見に基づいて完成したものである。
【０００９】
すなわち、上記目的を達成するために、本発明の水素吸蔵合金負極は、ニッケル水素化物電池に使用される水素吸蔵合金負極であって、基板と、水素吸蔵合金粉末と導電剤と結着剤と分散剤とを有する水素吸蔵合金組成物を前記基板に塗着して形成される負極板とを備え、前記負極板は、所定の撥水率を有するとともに複数の凸部が形成されてなる表面部を有し、前記凸部は、前記水素吸蔵合金組成物における前記水素吸蔵合金粉末と前記導電剤と前記結着剤と前記分散剤との間の比重差に基づいて形成されており、前記所定の撥水率は、４０％より大きくあり、前記凸部は、１５〜５５μｍの高さを有し、隣接する前記凸部の間の距離が１．３〜４．８ｍｍであることを特徴とする。
【００１０】
前記表面部は、充放電サイクルの繰り返しに伴い生じる体積膨張分を吸収し前記凸部を消失して平坦化可能であることを特徴とする。
【００１３】
前記導電剤はカーボン粉であり、前記結着剤はポリテトラフルオロエチレンであり、前記分散剤は水であることを特徴とする。
【００１４】
前記凸部は、主に前記導電剤と前記結着剤とからなることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の水素吸蔵合金負極の製造方法は、ニッケル水素化物電池に使用される水素吸蔵合金負極の製造方法であって、塗布台上に基板を載置する工程と、水素吸蔵合金粉末と導電剤と結着剤と分散剤とを有するペースト状の水素吸蔵合金組成物を生成する工程と、前記水素吸蔵合金組成物を前記基板に塗布し、乾燥させ、その後プレスして負極板を形成する工程と、を備え、前記水素吸蔵合金組成物を生成する工程では、前記負極板は、撥水性を有するとともに複数の凸部が形成されてなる表面部を有するように、前記分散剤の前記水素吸蔵合金粉末に対する重量部が所定重量部に設定されていることを特徴とする。
【００１７】
前記分散剤は水であり、前記所定重量部は、水素吸蔵合金粉末が１００重量部に対し、３０乃至６０重量部であることを特徴とする。
【００１８】
前記塗布台上に基板を載置する工程において、前記基板は前記塗布台上に水平に載置されていることを特徴とする。
【００１９】
上述の発明において、負極板の表面部は、所定の撥水率を有するとともに複数の凸部が形成されてなる。このように、負極板の表面部が所定の撥水率を有するとともに複数の凸部が形成されてなるようにすることは、水素吸蔵合金組成物を構成する構成物質の間の比重差を利用し、分散剤の水素吸蔵合金粉末に対する重量部が所定重量部に設定することによって、複雑な製造工程を要せずに、水素吸蔵合金負極を提供することができる。
【００２０】
充電の最終段階と過充電時には正極で酸素ガスが生成されるが、この酸素ガスはセパレータを通って水素吸蔵合金負極に向かって拡散される。この場合、水素吸蔵合金負極の表面部が高い撥水性を有することによって、表面部は酸素ガスをトラップしやすくなり、表面部にトラップされた酸素ガスは水素吸蔵合金負極に吸蔵された水素原子と再結合して水を生成し、電池容器中の内圧の上昇を抑制する。
【００２１】
また、充電を開始すると時間とともに電圧が上昇するが、充電の最終段階では、最大充電電圧に達し充電電圧の上昇は止まる。ここで、水素吸蔵合金負極において酸素ガスと水素原子との再結合が有効に生じる場合には、発熱し電池容器中の温度は上昇することによって、最大充電電圧に達した直後に充電電圧が降下するという現象が生じる。この現象を利用することにより、最大充電電圧に達する充電時間を検出することが極めて確実で容易になる。従って、水素吸蔵合金負極において酸素ガスと水素原子との再結合を有効に生じさせることにより、最大充電電圧を確実に検出してタイムリーに充電の終了制御を行うことができ、この結果、過充電を回避でき、サイクル寿命を長くすることができる。
【００２２】
また、充放電サイクルを繰り返して水素吸蔵合金中に放電に寄与しない多量の水素原子が蓄積されるようになるが、水素吸蔵合金負極の表面部に存在する複数の微細な凸部によって、体積膨張を吸収し、電極厚さが増加しないようになり、電池容器中においてセパレータはその厚み方向に押圧されてつぶされることが抑制され、正極と水素吸蔵合金負極との間に介在する電解液の量、すなわちセパレータ中に含まれる電解液の量が減少しないようにでき、この結果、放電電圧の低下を抑制できサイクル寿命を長くすることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２４】
ニッケル水素化物電池は、電池容器中に充填されたアルカリ電解液と、水素吸蔵合金を主成分とする水素吸蔵合金負極負極と、金属酸化物を主成分とする正極と、水素吸蔵合金負極と正極との間に配設されたセパレータとから構成されている。図３に示すように水素吸蔵合金負極負極１と、セパレータ２１と、正極２２とは積層されている。このように積層されたものが渦巻き状に巻かれて電池容器中に配設される。
【００２５】
図１は、充放電サイクルを繰り返す前の初期の水素吸蔵合金負極１の一例を示す部分断面図である。図１に示すように、水素吸蔵合金負極１は、間断的に貫通孔の形成されたパンチングメタルからなるＮｉ基板２と、Ｎｉ基板２の両側にペースト状の水素吸蔵合金組成物を塗布して形成される負極板３とから構成されている。
【００２６】
水素吸蔵合金組成物は水素吸蔵合金粉末と導電剤と結着剤と分散剤とを混練して形成される。負極板３の表面部４は撥水性を有する物質から形成されており、また、表面部４には複数の微細な凸部５が形成されている。表面部４は撥水性を有する物質から形成されているため、表面部４は所定の高い撥水性を有する。ここで、表面部４を形成する撥水性を有する物質としては、主に導電剤と結着剤からなるものであり、例えば結着剤してのカーボン粉と結着剤としてのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）である。
【００２７】
このように、本発明においては、表面部４が撥水性を有するように形成され、かつ表面部４が複数の微細な凸部５を有するように形成されているのであり、このような表面部４は、後述するように、ペースト状の水素吸蔵合金組成物をＮｉ基板２に塗布する工程で、水素吸蔵合金粉末と導電剤と結着剤と分散剤との間に存在する比重差を利用して形成することができるのである。
【００２８】
表面部４は後述するように４０％より大きい高い撥水性、好ましくは５０％以上、さらに好ましくは６０％以上の撥水率を有する。一般的に、充電の最終段階と過充電時には正極２２で酸素ガスが生成されるが、この酸素ガスはセパレータ２１を通って水素吸蔵合金負極１に向かって拡散される。この場合、水素吸蔵合金負極１の表面部４が高い撥水性を有することによって、表面部４は酸素ガスをトラップしやすくなる。表面部４にトラップされた酸素ガスは、水素吸蔵合金負極１において反応し、水素吸蔵合金負極１に吸蔵された水素原子と再結合して水を生成する。このように、表面部４に酸素ガスがトラップされやすいことによって、充電の最終段階と過充電時において、電池容器中の内圧の上昇を抑制することが可能になる。
【００２９】
また、充電を開始すると時間とともに電圧が上昇するが、充電の最終段階では、最大充電電圧に達し充電電圧の上昇は止まる。ここで、水素吸蔵合金負極において酸素ガスと水素原子との再結合が有効に生じる場合には、発熱し電池容器中の温度は上昇することによって、最大充電電圧に達した直後に充電電圧が降下するという現象が生じる。この現象を利用することにより、最大充電電圧に達する充電時間を検出することが可能であるが、本願発明においては酸素ガスと水素原子との再結合が有効に生じるので、最大充電電圧に達した直後に充電電圧が降下するという現象が極めて確実に生じるので、最大充電電圧を確実に検出してタイムリーに充電の終了制御を行うことができ、過充電を確実に回避することが可能になる。
【００３０】
図２は、充放電サイクルを繰り返して水素吸蔵合金中に不可逆的に多量の水素が吸蔵されてサイクル寿命を迎えた水素吸蔵合金負極１０を示す部分断面図である。図２に示すように、サイクル寿命を迎えた水素吸蔵合金負極１０の表面には、水素吸蔵合金負極１の表面部４に存在していた複数の微細な凸部５が消失して表面部４が平坦化された平坦化部８が形成されている。一般的に、充放電サイクルを繰り返えすと水素吸蔵合金負極の水素吸蔵合金中に放電に寄与しない多量の水素原子が蓄積されるようになり、水素吸蔵合金粉末微粒子が割れたりし体積膨張が生じ、電極厚さが増加し、電池容器中において水素吸蔵合金負極負極１のひび割れが生じ得る。これに対し、本発明においては、充放電サイクルの初期においては図３に示すように水素吸蔵合金負極１の表面部４とセパレータ２１の表面との間には複数の微細な凸部５によって隙間２３が形成されており、これらの隙間２３によって、充放電サイクルの繰り返えしに伴う体積膨張を吸収することができる。この結果、電池容器中においてセパレータはその厚み方向に押圧されてつぶされることが抑制され、正極と水素吸蔵合金負極との間に介在する電解液の量、すなわちセパレータ中に含まれる電解液の量が減少しないようにでき、この結果、放電電圧の低下を抑制できサイクル寿命を長くすることができる。
【００３１】
次に、水素吸蔵合金負極１の製造方法について説明する。
まず図示しない塗布台上にＮｉ基板２を水平に載置する。次に、水素吸蔵合金粉と、導電剤としてのカーボン粉と、結着剤としてのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と、必要に応じて用いられる増粘剤と、分散剤としての水とを混練してペースト状の水素吸蔵合金組成物を生成する。次に、この水素吸蔵合金組成物をＮｉ基板２上に塗布し、乾燥させ、負極板３を形成する。その後、負極板３をロールプレスして圧延することにより、表面部４に複数の微細な凸部５が形成される。
【００３２】
ペースト状の水素吸蔵合金組成物をＮｉ基板２上に塗布する過程及び乾燥する過程において、分散剤としての水の量を適量に調整することによってカーボン粉とＰＴＦＥを水素吸蔵合金との比重差を用いて負極板３の表面に偏在させる。導電剤としてのカーボン粉と結着剤としてのＰＴＦＥとはともに高い撥水性を有する物質であるので、負極板３の表面にカーボン粉とＰＴＦＥを偏在させることによって、負極板３の表面に高い撥水性を持たせることが可能になる。
【００３３】
カーボン粉及びＰＴＦＥを表面部４に偏在させることは、カーボン粉及びＰＴＦＥと水素吸蔵合金との間の比重差を用いて行われる。カーボン粉及びＰＴＦＥの偏在の程度は、ペースト状の水素吸蔵合金組成物を調製する時の分散剤としての水分量を調節することによって行われる。ペースト状の水素吸蔵合金組成物を調製する時の水分量は、水素吸蔵合金粉末１００重量部に対し、３０〜６０重量部であることが好ましい。
【００３４】
また、カーボン粉及びＰＴＦＥの偏在の程度は、ペースト状の水素吸蔵合金組成物を塗布方法を調節することによっても調整することができる。塗布方法には、例えば、水平塗りと垂直塗りとがある。ここで、水平塗りとは塗布台に対し水平方向にＮｉ基板２を載置してペーストを塗布する方法であり、垂直塗りとは塗布台に対し垂直方向にＮｉ基板２を載置してペーストを塗布する方法である。
【００３５】
後述するように、水平塗りでペーストを塗布する方が、表面部４に凸部５を分布形成させるのにより有効である。但し、垂直塗りでもペースト状の水素吸蔵合金組成物を調製する時の水分量を水素吸蔵合金粉末１００重量部に対し、５０％〜６０％重量部にすることによって、表面部４に凸部５を分布形成させるとともに高い撥水性を持たせることが可能である。
【００３６】
凸部５は、その高さＨが１５〜５５μｍであることが好ましく、より好ましくは１５〜４０μｍであることが好ましく、隣接する凸部５間の距離Ｌが１．３〜４．８ｍｍであることが好ましく、より好ましくは１．５〜３．５ｍｍであることが好ましい。高さＨが１５μｍ未満である場合、又は５５μｍを超える場合、距離Ｌが１．３ｍｍ未満である場合、又は４．８ｍｍを超える場合であると、実験結果によれば、表面部４には充分な撥水性が得られないか、または表面部４とセパレータ２１の表面との間の隙間２３は充放電サイクルの繰り返えしに伴う電極板３の体積膨張を十分には吸収することができなくなることがわかっている。ここで、凸部５の高さとは、電極板３の平坦部から凸部５頂点までの長さであり、凸部５間の距離とは、隣り合った凸部５の頂点間の距離を示す。このような凸部５は、実験結果によれば、高い撥水性と効率的な体積膨張分の吸収性を得る上で、負極板３の表面部４に５０〜７０個／ｃｍ２ の面積密度で形成されることが好ましい。
【００３７】
また、ここでいう撥水性（％）は、表面部４の表面に後述するように電解液を滴下して球状の液滴を形成し、この液滴に対して球形の高さと球形の直径を測定して得た比、（球形の高さ／球形の直径）をいう。
【００３８】
上述の実施の形態の水素吸蔵合金負極１によれば、凸部５の形成されている表面部４を除いた負極版３の内部では、水素吸蔵合金粉粒子の充填密度が高くまた導電剤としてのカーボン粉と結着剤としてのＰＴＦＥが最適量になるため、水素吸蔵合金粉同士の結着性や水素吸蔵合金粉とＮｉ基板２との結着性が良好になり、接触電気抵抗が小さくなる。また、負極版３の内部では、高い撥水性を有するカーボン粉及びＰＴＦＥが過剰に局在したりすることがなくなるため、ＰＴＦＥ等の有する高い撥水性によって負極版３が電解液と接触しにくくなることがなく、負極版３は電解液中の水素イオンを有効にとりこむことができる。これらの結果、充放電サイクルの初期での放電特性が良好になる。
【００３９】
また、表面部４は高い撥水性を有するので、充電時におけるガス吸収性がよくなり、充電時の水素ガス吸収速度及び過充電時の酸素ガス消費速度を向上させることができる。そして、表面部４は効率的に酸素ガスをトラップすることができ、水素吸蔵合金負極１に吸蔵された水素原子との間で効率的に再結合させることができ、電池容器中の内圧の上昇を抑制することが可能になる。また、再結合による発熱によって、最大充電電圧を確実に検出してタイムリーに充電の終了制御を行うことができる。
【００４０】
また、表面部４には複数の微細の凸部５が形成されているので、表面部４とセパレータ２１の表面との間に形成される隙間２３によって充放電サイクルの繰り返えしに伴う負極板３の体積膨張を吸収することができ、負極板３の厚さには殆ど変化がないようにすることができる。このため、充電時にセパレータ２１が潰れて電解液が枯渇するようなことを防止することができ、サイクル寿命を非常に良好にすることができる。
【００４１】
さらに、負極板３の厚さには殆ど変化がないようにすることができるので、従来の水素吸蔵合金負極における場合のように、負極板の膨張を見越して負極とセパレータと正極とを巻き付けるときの緊圧を下げて巻き付ける必要もなくなり、緊圧を下げることによって生じていた負極板のひび割れを無くすることもできる。この結果、電池容器中において水素吸蔵合金負極負極１が圧迫されてひび割れが生じることを回避でき、サイクル寿命を長くすることができる。
【００４２】
【実施例】
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によって限定されるものではない。
【００４３】
実施例１
Ｍｍ（ミッシュメタル），Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ａｌの各試料を所定量秤量し、混合した後、アーク溶解法にて溶解して、合金組成がＭｍＮｉ４．０ ＣＯ０．４ Ｍｎ０．３ Ａｌ０．３ の水素吸蔵合金を作製した。この合金を１０００℃のＡｒ雰囲気中で、１０時間加熱処理を施し、機械粉砕によって平均粒径３４μｍの粉体とした。この水素吸蔵合金粉末１００重量部に対し、導電剤としてカーボン粉１重量部、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウム塩（ＣＭＣ）を適当量、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）５重量部、及び分散媒として水を６０重量部添加、混練して水素吸蔵合金組成物のペーストを作製した。
【００４４】
ここで、水素吸蔵合金粉末、導電剤としてカーボン粉、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウム塩（ＣＭＣ）、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、及び分散媒として水のうち、水素吸蔵合金粉末等に比べてカーボン粉及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）は小さい比重を有する。また、前述したように、カーボン粉及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）は固化したときに高い撥水性を有する物質である。
【００４５】
このようなペーストを、導電性支持体であるパンチングメタルのＮｉ基板２（孔径１．０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ）の両面に水平塗りで塗布した。そして、８０℃の温度環境で乾燥した。これによって、負極板の表面部４にカーボン粉及びＰＴＦＥが比重差により偏在させられる。この段階で、乾燥した負極板の表面部４には、カーボン粉及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる多数の凸部５が形成されているが、同時に、分散剤としての水が抜けることによって生じる孔も形成されている。次に、乾燥した負極板の表面部４にロールプレス機によって圧延する。これによって、分散剤としての水が抜けることによって生じた孔を埋め、負極板３の表面部４に６０個／ｃｍ２ の面積密度で凸部５を分布形成し、厚さ０．３７ｍｍの水素吸蔵合金負極を作製した。凸部の高さは１５〜４０μｍ、凸部間の距離は１．５〜３．５ｍｍであった。また水素吸蔵合金密度は５．０ｇ／ｃｃであった。
【００４６】
次に、水素吸蔵合金組成物の合金密度と、得られた水素吸蔵合金負極の表面の撥水率を測定し、表１に示した。表１において、電極厚さ（ｍｍ）は凸部５の高さをも考慮した見掛け上の厚さであり、また、合金密度（ｇ／ｃｃ）は見掛け上の合金密度である。
【００４７】
なお、負極板３の表面部４の撥水率を以下のようにして測定した。
【００４８】
水素吸蔵合金負極の負極板３の表面部４に８ＮＫＯＨ溶液を滴下した。このとき表面部４上の液滴の形状は、表面部４の撥水性が高いほど、液滴の径に対する高さの比率が大きくなるため、液滴の高さ（ａ）及び径（ｂ）を測定し、
撥水率＝〔（ａ）／（ｂ）〕×１００％とした。
【００４９】
得られた表面部４に分布形成された凸部５の数、凸部５の高さ、凸部５間の距離、電極厚さ、合金密度、撥水率を測定した結果を表１に示す。
【００５０】
比較例１
実施例１においてペースト状の水素吸蔵合金組成物を水平塗りしたのに代えて、垂直塗りで塗布し、それ以外は、実施例１の場合と同様にして水素吸蔵合金負極を作製した。実施例１の場合と同様にして得られた負極の凸部５の数、凸部５の高さ、凸部５間の距離、電極厚、合金密度、及び撥水率を測定した結果を表１に示す。
【００５１】
比較例２
分散媒の水の量を３０重量部としてペーストを作製しペーストを垂直塗りで塗布した以外は、実施例１における場合と同様にして水素吸蔵合金負極を作製した。得られた負極には凸部が形成されていることは見られず平坦であった。実施例１における場合と同様にして、得られた負極の電極厚、合金密度、撥水率を測定した結果を表１に示す。
【００５２】
比較例３
比較例２における場合と同様に分散媒の水の量を３０重量部と少なくした。ただし、比較例２における場合と比べて、合金密度（ｇ／ｃｃ）を６にし１．２倍の合金粉末を含有させたペーストを塗布した。分散媒である水の量を３０重量部と同じであるので、合金密度が大きい分だけ、比較例２に比べて比較例３の方が、カーボン粉及びＰＴＦＥが相対的に比重差により偏在させられやすいとも考えられるが、実際は、得られた負極板には凸部が形成されていることは認められず、表面部は平坦であった。従って、分散媒の水の重量部を３０重量部と少なくした場合には、合金密度を多少、高くしたとしても有効でないといえる。実施例１と同様にして、得られた負極の電極厚、合金密度、撥水率を測定した結果を表１に示す。
【００５３】
比較例４
実施例１における場合と比べて、分散媒である水の量を４０重量部とした以外は、同様にして水素吸蔵合金負極を作製した。得られた負極には凸部が形成されておらず表面部は平坦であった。実施例１と同様にして、得られた負極の電極厚、合金密度、撥水率を測定した結果を表１に示す。
【００５４】
比較例５
比較例４における場合と比べて、ペーストを垂直塗りで塗布した以外は同様にして水素吸蔵合金負極を作製した。 凸部５の程度が小さく、また撥水性がより低いのは、比較例４における水平塗りとの差異がでたためと思われる。実施例１と同様にして、得られた負極の電極厚、合金密度、撥水率を測定した結果を表１に示す。
【００５５】
【表１】
表１に示した結果からわかるように、ペースト調製時に分散剤である水の分量を合金粉末１００重量部に対して６０重量部とした実施例１と比較例１の場合に、表面部４に凸部５が充分に形成された。
【００５６】
実施例１と比較例１とでは、ペースト塗布方法が水平塗りか垂直塗りかの違いによるものであるが、比較例１の表面部４には実施例１の場合に比べ凸部５の数が少なく形成され、凸部５の高さもより低く形成された。これは、ペーストの塗布時と乾燥時に、実施例１における場合のようにペーストを水平塗りで塗布する方が、垂直塗りに比べて、ペースト中における構成成分の比重差が顕在化しやすく、比重の小さいカーボン粉及びポリテトラフルオロエチレンが負極板３の表面部４に浮き出て偏在しやすいことによる。
【００５７】
また、ペースト調製時の水分量を合金粉末１００重量部に対して４０重量部とした比較例４の場合、実施例１に比べ、凸部５が形成されたものの凸部５の数が少なく形成され、凸部５の高さもより低く形成された。これは、ペースト中の各構成成分間の比重差に基づいてカーボン粉及びＰＴＦＥを表面部に偏在させようとする場合に、実施例１における場合と比べて分散媒である水の重量部を少なくしたため、偏在化の程度が低くなったためと思われる。
【００５８】
負極板３の表面部４の撥水率については、水素吸蔵合金の密度が同一である実施例１、比較例１、２、４及び５のうちの凸部５の高さがより高い実施例１の場合が、比較例１、２、４及び５の場合に比べて、より高い撥水率を示している。
【００５９】
これは、高い撥水性を示すことは乾燥して固化した場合に高い撥水性を有するカーボン粉及びＰＴＦＥが表面部４により多く偏在していることを示すとともに、表面部４にカーボン粉及びＰＴＦＥがより多く偏在すると凸部５がより形成しやすくなる、と考えることができる。
【００６０】
また、比較例３の場合は水素吸蔵合金の密度が実施例１の場合に比べより高いものの凸部を有しない。この一方、実施例１の場合は、比較例３の場合に比べてより高い撥水率を有することを示している。このことは、合金密度を大きくすることよりも、分散媒の水の重量部を多くするとともに水平塗りにして、ペースト中の構成成分間の比重差を顕在化させることが有効であることを示す。
【００６１】
次に、実施例１及び比較例１〜３の各負極をセパレータを介してペースト式正極２枚で挟んで一定の圧力を加えて固定し、８ＮＫＯＨ溶液に浸漬し、水素吸蔵合金負極に対し、単極評価を行った。単極試験の内容は、充放電を繰り返すサイクル数に対する放電容量を測定する初期活性試験及び電流密度に対する放電容量を測定する高率放電試験である。それぞれの結果を図４、図５に示す。
【００６２】
図４に示すように、初期活性試験の結果では、水素吸蔵合金の密度が同じ実施例１、比較例１、比較例２の各負極を比較した場合、実施例１の負極が最も活性化が早く初期特性が優れていた。これは、負極板３の表面部４にカーボン及びＰＴＦＥの偏在量が多くなり、負極板３の内部では導電剤であるカーボンが適量だけ存在して水素吸蔵合金粉同士の結着性及び水素吸蔵合金粉とＮｉ基板２との結着性が良好になって接触電気抵抗が小さくなり、負極板３の内部抵抗が低くなったためである。
【００６３】
図５に示す高率放電試験の結果では、実施例１の負極は、水素吸蔵合金の密度の高い比較例３の電極に比べ放電率は低いものの、水素吸蔵合金の密度が同じ比較例１、比較例２の電極より高い放電率を示している。これは、負極板３の内部では水素吸蔵合金粉同士の結着性や水素吸蔵合金粉とＮｉ基板２との結着性が良好になり、負極板３の内部抵抗が低くなったことことによる。また、ＰＴＦＥ等は負極板３の表面部に局在するので負極板３の内部ではＰＴＦＥ等の有する高い撥水性によって負極板３が電解液と接触しにくくなることがなくなり、負極板３は電解液中の水素イオンを有効にとりこむことができ負極板３の内部抵抗が低くなったことによる。
【００６４】
次に、実施例１、比較例１〜３の各負極をセパレータを介して対向させ電極を巻き取り、円筒型容器に入れリードを接続して８ＮＫＯＨ溶液を注入して密閉し、円筒電池によるサイクル特性試験を行った。充放電のサイクルに伴う電池内圧変化、内部抵抗、電池重量減、利用率の結果を図６〜図９に示す。
【００６５】
図６に示すように、実施例１の場合がサイクルに対する内圧上昇は最も小さい。これは、実施例１の負極板３の表面部４は、他の負極に比べて最も高い撥水性を有することと、実施例１の負極板３の表面部４は、他の負極に比べて最も適正に凸部５を有する（表１参照）こととによる。
【００６６】
すなわち、表面部４が高い撥水性を有するので、充電の最終段階と過充電時には正極２２で生成されセパレータ２１を通って水素吸蔵合金負極１に向かって拡散されるが、表面部４は高い撥水性を有するため効率的に酸素ガスをトラップでき、トラップされた表面部４の酸素ガスは水素原子と再結合して水を生成し、電池容器中の内圧の上昇することを抑制することができるからである。
【００６７】
また、充放電サイクルの繰り返えしに伴い水素吸蔵合金粉末粒子中に放電に寄与しない水素原子が蓄積されて次第に体積膨張するが、表面部４には複数の微細の凸部５が形成されているので、表面部４とセパレータ２１の表面との間に形成される隙間２３によって充放電サイクルの繰り返えしに伴う体積膨張を吸収することができ、負極板３の厚さが変化しないので、セパレーター２１中の電解液を押し出すことがなく、電池容器中においてセパレータ２１はその厚み方向に押圧されてつぶされることが抑制されるからである。
【００６８】
同様の理由により、図７に示す内部電気抵抗の変化、及び図８に示す電池重量減の変化に関しては、実施例１の負極が最も低い。また、図９に示す利用率の変化に関しては、実施例１の負極が最も高く優れた特性を示していた。
【００６９】
サイクル特性試験において、試験前後の負極の厚さを測定した。その結果を表２に示す。
【００７０】
【表２】
表２に示したように、実施例１の負極は、比較例１、２の負極と同様に充放電サイクル前後で負極板の厚みにほとんど変化がなかった。凸部の形成されていない比較例２の負極では体積膨張による極板のゆるみは極板内部で吸収されたのに対して、実施例１では、図２で示したように平坦化されて表面８に吸収されたと考えることができる。凸部の形成されていない比較例３では合金密度が高すぎたため、体積膨張による極板のゆるみが吸収されず、従って負極版の厚みが厚くなったと考えることができる。
【００７１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の構成によれば、負極板の表面部は、所定の撥水率を有するとともに複数の凸部が形成されてなるので、複雑な製造工程を要せずに、初期放電特性、充電時のガス吸収性、サイクル寿命について優れた性能を有する水素吸蔵合金極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素吸蔵合金負極の一実施形態を示す断面図であり、サイクル寿命を迎える前のものを示す図。
【図２】本発明の水素吸蔵合金負極の一実施形態を示す断面図であり、充放電サイクルを繰り返してサイクル寿命を迎えたものを示す図。
【図３】本発明の水素吸蔵合金負極とセパレータと正極とを積層した状態を示す断面図。
【図４】実施例の初期活性試験における、サイクル数に対する放電率の関係を示す図である。
【図５】実施例の高率放電試験における、電流密度に対する放電率の関係を示す図である。
【図６】実施例の高率充電試験における、電池内部圧力変化を示す図である。
【図７】実施例のサイクル特性試験における、電池内部抵抗変化を示す図である。
【図８】実施例のサイクル特性試験における、電池重量変化を示す図である。
【図９】実施例のサイクル特性試験における、電池利用率変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 水素吸蔵合金負極
２ Ｎｉ基板
３ 負極版
４ 表面部
５ 凸部
８ 平坦化部
１０ サイクル寿命を迎えた水素吸蔵合金負極
２１ セパレータ
２２ 正極
２３ 隙間
【発明の属する技術分野】
本発明は、ニッケル水素化物電池に使用される水素吸蔵合金負極及びその製造方法に係り、特に、充放電サイクルの初期での放電特性、充電時におけるガス吸収性、及びサイクル寿命初期特性に優れた水素吸蔵合金負極及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、繰り返し充電が可能な二次電池が多く使用されている。二次電池の代表種であるニッケル水素化物電池は、電池容器中に充填されたアルカリ電解液と、水素吸蔵合金を主成分とする水素吸蔵合金負極と、金属酸化物を主成分とする正極と、水素吸蔵合金負極と正極との間に配設されたセパレータとから構成されている。
【０００３】
このようなニッケル水素化物電池に求められる特性として、充放電サイクルの初期での放電特性、充電時におけるガス吸収性、及びサイクル寿命が優れていることが挙げられある。
【０００４】
これらの特性を改良するために多くの提案がなされている。例えば、特開平６−２９０７７５号公報には、水素吸蔵合金粉末をアルカリ溶液に浸漬して表面を改質し、さらに水素吸蔵合金負極を構成した状態で再びより高い温度でアルカリ処理し、これにより、初期放電特性、充電時のガス吸収性、サイクル寿命を向上させた水素吸蔵合金極の製造方法が記載されている。
【０００５】
しかしながら、この公報に記載された水素吸蔵合金負極は、複数回に渡ってアルカリ処理する必要があるため製造に手間がかかりすぎるという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このため、複雑な製造工程を要せずに、初期放電特性、充電時のガス吸収性、サイクル寿命について優れた性能を有する水素吸蔵合金極が望まれていた。
【０００７】
そこで本発明の目的は、上記従来技術の有する問題を解消し、複雑な製造工程を必要とせずに、充放電サイクルの初期での放電特性、充電時におけるガス吸収性、及びサイクル寿命のいずれにおいても優れた水素吸蔵合金負極及びその製造方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、負極板の表面部が所定の撥水率を有するとともに複数の凸部を有するようにすることに着目し、この知見に基づいて完成したものである。
【０００９】
すなわち、上記目的を達成するために、本発明の水素吸蔵合金負極は、ニッケル水素化物電池に使用される水素吸蔵合金負極であって、基板と、水素吸蔵合金粉末と導電剤と結着剤と分散剤とを有する水素吸蔵合金組成物を前記基板に塗着して形成される負極板とを備え、前記負極板は、所定の撥水率を有するとともに複数の凸部が形成されてなる表面部を有し、前記凸部は、前記水素吸蔵合金組成物における前記水素吸蔵合金粉末と前記導電剤と前記結着剤と前記分散剤との間の比重差に基づいて形成されており、前記所定の撥水率は、４０％より大きくあり、前記凸部は、１５〜５５μｍの高さを有し、隣接する前記凸部の間の距離が１．３〜４．８ｍｍであることを特徴とする。
【００１０】
前記表面部は、充放電サイクルの繰り返しに伴い生じる体積膨張分を吸収し前記凸部を消失して平坦化可能であることを特徴とする。
【００１３】
前記導電剤はカーボン粉であり、前記結着剤はポリテトラフルオロエチレンであり、前記分散剤は水であることを特徴とする。
【００１４】
前記凸部は、主に前記導電剤と前記結着剤とからなることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の水素吸蔵合金負極の製造方法は、ニッケル水素化物電池に使用される水素吸蔵合金負極の製造方法であって、塗布台上に基板を載置する工程と、水素吸蔵合金粉末と導電剤と結着剤と分散剤とを有するペースト状の水素吸蔵合金組成物を生成する工程と、前記水素吸蔵合金組成物を前記基板に塗布し、乾燥させ、その後プレスして負極板を形成する工程と、を備え、前記水素吸蔵合金組成物を生成する工程では、前記負極板は、撥水性を有するとともに複数の凸部が形成されてなる表面部を有するように、前記分散剤の前記水素吸蔵合金粉末に対する重量部が所定重量部に設定されていることを特徴とする。
【００１７】
前記分散剤は水であり、前記所定重量部は、水素吸蔵合金粉末が１００重量部に対し、３０乃至６０重量部であることを特徴とする。
【００１８】
前記塗布台上に基板を載置する工程において、前記基板は前記塗布台上に水平に載置されていることを特徴とする。
【００１９】
上述の発明において、負極板の表面部は、所定の撥水率を有するとともに複数の凸部が形成されてなる。このように、負極板の表面部が所定の撥水率を有するとともに複数の凸部が形成されてなるようにすることは、水素吸蔵合金組成物を構成する構成物質の間の比重差を利用し、分散剤の水素吸蔵合金粉末に対する重量部が所定重量部に設定することによって、複雑な製造工程を要せずに、水素吸蔵合金負極を提供することができる。
【００２０】
充電の最終段階と過充電時には正極で酸素ガスが生成されるが、この酸素ガスはセパレータを通って水素吸蔵合金負極に向かって拡散される。この場合、水素吸蔵合金負極の表面部が高い撥水性を有することによって、表面部は酸素ガスをトラップしやすくなり、表面部にトラップされた酸素ガスは水素吸蔵合金負極に吸蔵された水素原子と再結合して水を生成し、電池容器中の内圧の上昇を抑制する。
【００２１】
また、充電を開始すると時間とともに電圧が上昇するが、充電の最終段階では、最大充電電圧に達し充電電圧の上昇は止まる。ここで、水素吸蔵合金負極において酸素ガスと水素原子との再結合が有効に生じる場合には、発熱し電池容器中の温度は上昇することによって、最大充電電圧に達した直後に充電電圧が降下するという現象が生じる。この現象を利用することにより、最大充電電圧に達する充電時間を検出することが極めて確実で容易になる。従って、水素吸蔵合金負極において酸素ガスと水素原子との再結合を有効に生じさせることにより、最大充電電圧を確実に検出してタイムリーに充電の終了制御を行うことができ、この結果、過充電を回避でき、サイクル寿命を長くすることができる。
【００２２】
また、充放電サイクルを繰り返して水素吸蔵合金中に放電に寄与しない多量の水素原子が蓄積されるようになるが、水素吸蔵合金負極の表面部に存在する複数の微細な凸部によって、体積膨張を吸収し、電極厚さが増加しないようになり、電池容器中においてセパレータはその厚み方向に押圧されてつぶされることが抑制され、正極と水素吸蔵合金負極との間に介在する電解液の量、すなわちセパレータ中に含まれる電解液の量が減少しないようにでき、この結果、放電電圧の低下を抑制できサイクル寿命を長くすることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２４】
ニッケル水素化物電池は、電池容器中に充填されたアルカリ電解液と、水素吸蔵合金を主成分とする水素吸蔵合金負極負極と、金属酸化物を主成分とする正極と、水素吸蔵合金負極と正極との間に配設されたセパレータとから構成されている。図３に示すように水素吸蔵合金負極負極１と、セパレータ２１と、正極２２とは積層されている。このように積層されたものが渦巻き状に巻かれて電池容器中に配設される。
【００２５】
図１は、充放電サイクルを繰り返す前の初期の水素吸蔵合金負極１の一例を示す部分断面図である。図１に示すように、水素吸蔵合金負極１は、間断的に貫通孔の形成されたパンチングメタルからなるＮｉ基板２と、Ｎｉ基板２の両側にペースト状の水素吸蔵合金組成物を塗布して形成される負極板３とから構成されている。
【００２６】
水素吸蔵合金組成物は水素吸蔵合金粉末と導電剤と結着剤と分散剤とを混練して形成される。負極板３の表面部４は撥水性を有する物質から形成されており、また、表面部４には複数の微細な凸部５が形成されている。表面部４は撥水性を有する物質から形成されているため、表面部４は所定の高い撥水性を有する。ここで、表面部４を形成する撥水性を有する物質としては、主に導電剤と結着剤からなるものであり、例えば結着剤してのカーボン粉と結着剤としてのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）である。
【００２７】
このように、本発明においては、表面部４が撥水性を有するように形成され、かつ表面部４が複数の微細な凸部５を有するように形成されているのであり、このような表面部４は、後述するように、ペースト状の水素吸蔵合金組成物をＮｉ基板２に塗布する工程で、水素吸蔵合金粉末と導電剤と結着剤と分散剤との間に存在する比重差を利用して形成することができるのである。
【００２８】
表面部４は後述するように４０％より大きい高い撥水性、好ましくは５０％以上、さらに好ましくは６０％以上の撥水率を有する。一般的に、充電の最終段階と過充電時には正極２２で酸素ガスが生成されるが、この酸素ガスはセパレータ２１を通って水素吸蔵合金負極１に向かって拡散される。この場合、水素吸蔵合金負極１の表面部４が高い撥水性を有することによって、表面部４は酸素ガスをトラップしやすくなる。表面部４にトラップされた酸素ガスは、水素吸蔵合金負極１において反応し、水素吸蔵合金負極１に吸蔵された水素原子と再結合して水を生成する。このように、表面部４に酸素ガスがトラップされやすいことによって、充電の最終段階と過充電時において、電池容器中の内圧の上昇を抑制することが可能になる。
【００２９】
また、充電を開始すると時間とともに電圧が上昇するが、充電の最終段階では、最大充電電圧に達し充電電圧の上昇は止まる。ここで、水素吸蔵合金負極において酸素ガスと水素原子との再結合が有効に生じる場合には、発熱し電池容器中の温度は上昇することによって、最大充電電圧に達した直後に充電電圧が降下するという現象が生じる。この現象を利用することにより、最大充電電圧に達する充電時間を検出することが可能であるが、本願発明においては酸素ガスと水素原子との再結合が有効に生じるので、最大充電電圧に達した直後に充電電圧が降下するという現象が極めて確実に生じるので、最大充電電圧を確実に検出してタイムリーに充電の終了制御を行うことができ、過充電を確実に回避することが可能になる。
【００３０】
図２は、充放電サイクルを繰り返して水素吸蔵合金中に不可逆的に多量の水素が吸蔵されてサイクル寿命を迎えた水素吸蔵合金負極１０を示す部分断面図である。図２に示すように、サイクル寿命を迎えた水素吸蔵合金負極１０の表面には、水素吸蔵合金負極１の表面部４に存在していた複数の微細な凸部５が消失して表面部４が平坦化された平坦化部８が形成されている。一般的に、充放電サイクルを繰り返えすと水素吸蔵合金負極の水素吸蔵合金中に放電に寄与しない多量の水素原子が蓄積されるようになり、水素吸蔵合金粉末微粒子が割れたりし体積膨張が生じ、電極厚さが増加し、電池容器中において水素吸蔵合金負極負極１のひび割れが生じ得る。これに対し、本発明においては、充放電サイクルの初期においては図３に示すように水素吸蔵合金負極１の表面部４とセパレータ２１の表面との間には複数の微細な凸部５によって隙間２３が形成されており、これらの隙間２３によって、充放電サイクルの繰り返えしに伴う体積膨張を吸収することができる。この結果、電池容器中においてセパレータはその厚み方向に押圧されてつぶされることが抑制され、正極と水素吸蔵合金負極との間に介在する電解液の量、すなわちセパレータ中に含まれる電解液の量が減少しないようにでき、この結果、放電電圧の低下を抑制できサイクル寿命を長くすることができる。
【００３１】
次に、水素吸蔵合金負極１の製造方法について説明する。
まず図示しない塗布台上にＮｉ基板２を水平に載置する。次に、水素吸蔵合金粉と、導電剤としてのカーボン粉と、結着剤としてのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と、必要に応じて用いられる増粘剤と、分散剤としての水とを混練してペースト状の水素吸蔵合金組成物を生成する。次に、この水素吸蔵合金組成物をＮｉ基板２上に塗布し、乾燥させ、負極板３を形成する。その後、負極板３をロールプレスして圧延することにより、表面部４に複数の微細な凸部５が形成される。
【００３２】
ペースト状の水素吸蔵合金組成物をＮｉ基板２上に塗布する過程及び乾燥する過程において、分散剤としての水の量を適量に調整することによってカーボン粉とＰＴＦＥを水素吸蔵合金との比重差を用いて負極板３の表面に偏在させる。導電剤としてのカーボン粉と結着剤としてのＰＴＦＥとはともに高い撥水性を有する物質であるので、負極板３の表面にカーボン粉とＰＴＦＥを偏在させることによって、負極板３の表面に高い撥水性を持たせることが可能になる。
【００３３】
カーボン粉及びＰＴＦＥを表面部４に偏在させることは、カーボン粉及びＰＴＦＥと水素吸蔵合金との間の比重差を用いて行われる。カーボン粉及びＰＴＦＥの偏在の程度は、ペースト状の水素吸蔵合金組成物を調製する時の分散剤としての水分量を調節することによって行われる。ペースト状の水素吸蔵合金組成物を調製する時の水分量は、水素吸蔵合金粉末１００重量部に対し、３０〜６０重量部であることが好ましい。
【００３４】
また、カーボン粉及びＰＴＦＥの偏在の程度は、ペースト状の水素吸蔵合金組成物を塗布方法を調節することによっても調整することができる。塗布方法には、例えば、水平塗りと垂直塗りとがある。ここで、水平塗りとは塗布台に対し水平方向にＮｉ基板２を載置してペーストを塗布する方法であり、垂直塗りとは塗布台に対し垂直方向にＮｉ基板２を載置してペーストを塗布する方法である。
【００３５】
後述するように、水平塗りでペーストを塗布する方が、表面部４に凸部５を分布形成させるのにより有効である。但し、垂直塗りでもペースト状の水素吸蔵合金組成物を調製する時の水分量を水素吸蔵合金粉末１００重量部に対し、５０％〜６０％重量部にすることによって、表面部４に凸部５を分布形成させるとともに高い撥水性を持たせることが可能である。
【００３６】
凸部５は、その高さＨが１５〜５５μｍであることが好ましく、より好ましくは１５〜４０μｍであることが好ましく、隣接する凸部５間の距離Ｌが１．３〜４．８ｍｍであることが好ましく、より好ましくは１．５〜３．５ｍｍであることが好ましい。高さＨが１５μｍ未満である場合、又は５５μｍを超える場合、距離Ｌが１．３ｍｍ未満である場合、又は４．８ｍｍを超える場合であると、実験結果によれば、表面部４には充分な撥水性が得られないか、または表面部４とセパレータ２１の表面との間の隙間２３は充放電サイクルの繰り返えしに伴う電極板３の体積膨張を十分には吸収することができなくなることがわかっている。ここで、凸部５の高さとは、電極板３の平坦部から凸部５頂点までの長さであり、凸部５間の距離とは、隣り合った凸部５の頂点間の距離を示す。このような凸部５は、実験結果によれば、高い撥水性と効率的な体積膨張分の吸収性を得る上で、負極板３の表面部４に５０〜７０個／ｃｍ２ の面積密度で形成されることが好ましい。
【００３７】
また、ここでいう撥水性（％）は、表面部４の表面に後述するように電解液を滴下して球状の液滴を形成し、この液滴に対して球形の高さと球形の直径を測定して得た比、（球形の高さ／球形の直径）をいう。
【００３８】
上述の実施の形態の水素吸蔵合金負極１によれば、凸部５の形成されている表面部４を除いた負極版３の内部では、水素吸蔵合金粉粒子の充填密度が高くまた導電剤としてのカーボン粉と結着剤としてのＰＴＦＥが最適量になるため、水素吸蔵合金粉同士の結着性や水素吸蔵合金粉とＮｉ基板２との結着性が良好になり、接触電気抵抗が小さくなる。また、負極版３の内部では、高い撥水性を有するカーボン粉及びＰＴＦＥが過剰に局在したりすることがなくなるため、ＰＴＦＥ等の有する高い撥水性によって負極版３が電解液と接触しにくくなることがなく、負極版３は電解液中の水素イオンを有効にとりこむことができる。これらの結果、充放電サイクルの初期での放電特性が良好になる。
【００３９】
また、表面部４は高い撥水性を有するので、充電時におけるガス吸収性がよくなり、充電時の水素ガス吸収速度及び過充電時の酸素ガス消費速度を向上させることができる。そして、表面部４は効率的に酸素ガスをトラップすることができ、水素吸蔵合金負極１に吸蔵された水素原子との間で効率的に再結合させることができ、電池容器中の内圧の上昇を抑制することが可能になる。また、再結合による発熱によって、最大充電電圧を確実に検出してタイムリーに充電の終了制御を行うことができる。
【００４０】
また、表面部４には複数の微細の凸部５が形成されているので、表面部４とセパレータ２１の表面との間に形成される隙間２３によって充放電サイクルの繰り返えしに伴う負極板３の体積膨張を吸収することができ、負極板３の厚さには殆ど変化がないようにすることができる。このため、充電時にセパレータ２１が潰れて電解液が枯渇するようなことを防止することができ、サイクル寿命を非常に良好にすることができる。
【００４１】
さらに、負極板３の厚さには殆ど変化がないようにすることができるので、従来の水素吸蔵合金負極における場合のように、負極板の膨張を見越して負極とセパレータと正極とを巻き付けるときの緊圧を下げて巻き付ける必要もなくなり、緊圧を下げることによって生じていた負極板のひび割れを無くすることもできる。この結果、電池容器中において水素吸蔵合金負極負極１が圧迫されてひび割れが生じることを回避でき、サイクル寿命を長くすることができる。
【００４２】
【実施例】
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によって限定されるものではない。
【００４３】
実施例１
Ｍｍ（ミッシュメタル），Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ａｌの各試料を所定量秤量し、混合した後、アーク溶解法にて溶解して、合金組成がＭｍＮｉ４．０ ＣＯ０．４ Ｍｎ０．３ Ａｌ０．３ の水素吸蔵合金を作製した。この合金を１０００℃のＡｒ雰囲気中で、１０時間加熱処理を施し、機械粉砕によって平均粒径３４μｍの粉体とした。この水素吸蔵合金粉末１００重量部に対し、導電剤としてカーボン粉１重量部、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウム塩（ＣＭＣ）を適当量、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）５重量部、及び分散媒として水を６０重量部添加、混練して水素吸蔵合金組成物のペーストを作製した。
【００４４】
ここで、水素吸蔵合金粉末、導電剤としてカーボン粉、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウム塩（ＣＭＣ）、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、及び分散媒として水のうち、水素吸蔵合金粉末等に比べてカーボン粉及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）は小さい比重を有する。また、前述したように、カーボン粉及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）は固化したときに高い撥水性を有する物質である。
【００４５】
このようなペーストを、導電性支持体であるパンチングメタルのＮｉ基板２（孔径１．０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ）の両面に水平塗りで塗布した。そして、８０℃の温度環境で乾燥した。これによって、負極板の表面部４にカーボン粉及びＰＴＦＥが比重差により偏在させられる。この段階で、乾燥した負極板の表面部４には、カーボン粉及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる多数の凸部５が形成されているが、同時に、分散剤としての水が抜けることによって生じる孔も形成されている。次に、乾燥した負極板の表面部４にロールプレス機によって圧延する。これによって、分散剤としての水が抜けることによって生じた孔を埋め、負極板３の表面部４に６０個／ｃｍ２ の面積密度で凸部５を分布形成し、厚さ０．３７ｍｍの水素吸蔵合金負極を作製した。凸部の高さは１５〜４０μｍ、凸部間の距離は１．５〜３．５ｍｍであった。また水素吸蔵合金密度は５．０ｇ／ｃｃであった。
【００４６】
次に、水素吸蔵合金組成物の合金密度と、得られた水素吸蔵合金負極の表面の撥水率を測定し、表１に示した。表１において、電極厚さ（ｍｍ）は凸部５の高さをも考慮した見掛け上の厚さであり、また、合金密度（ｇ／ｃｃ）は見掛け上の合金密度である。
【００４７】
なお、負極板３の表面部４の撥水率を以下のようにして測定した。
【００４８】
水素吸蔵合金負極の負極板３の表面部４に８ＮＫＯＨ溶液を滴下した。このとき表面部４上の液滴の形状は、表面部４の撥水性が高いほど、液滴の径に対する高さの比率が大きくなるため、液滴の高さ（ａ）及び径（ｂ）を測定し、
撥水率＝〔（ａ）／（ｂ）〕×１００％とした。
【００４９】
得られた表面部４に分布形成された凸部５の数、凸部５の高さ、凸部５間の距離、電極厚さ、合金密度、撥水率を測定した結果を表１に示す。
【００５０】
比較例１
実施例１においてペースト状の水素吸蔵合金組成物を水平塗りしたのに代えて、垂直塗りで塗布し、それ以外は、実施例１の場合と同様にして水素吸蔵合金負極を作製した。実施例１の場合と同様にして得られた負極の凸部５の数、凸部５の高さ、凸部５間の距離、電極厚、合金密度、及び撥水率を測定した結果を表１に示す。
【００５１】
比較例２
分散媒の水の量を３０重量部としてペーストを作製しペーストを垂直塗りで塗布した以外は、実施例１における場合と同様にして水素吸蔵合金負極を作製した。得られた負極には凸部が形成されていることは見られず平坦であった。実施例１における場合と同様にして、得られた負極の電極厚、合金密度、撥水率を測定した結果を表１に示す。
【００５２】
比較例３
比較例２における場合と同様に分散媒の水の量を３０重量部と少なくした。ただし、比較例２における場合と比べて、合金密度（ｇ／ｃｃ）を６にし１．２倍の合金粉末を含有させたペーストを塗布した。分散媒である水の量を３０重量部と同じであるので、合金密度が大きい分だけ、比較例２に比べて比較例３の方が、カーボン粉及びＰＴＦＥが相対的に比重差により偏在させられやすいとも考えられるが、実際は、得られた負極板には凸部が形成されていることは認められず、表面部は平坦であった。従って、分散媒の水の重量部を３０重量部と少なくした場合には、合金密度を多少、高くしたとしても有効でないといえる。実施例１と同様にして、得られた負極の電極厚、合金密度、撥水率を測定した結果を表１に示す。
【００５３】
比較例４
実施例１における場合と比べて、分散媒である水の量を４０重量部とした以外は、同様にして水素吸蔵合金負極を作製した。得られた負極には凸部が形成されておらず表面部は平坦であった。実施例１と同様にして、得られた負極の電極厚、合金密度、撥水率を測定した結果を表１に示す。
【００５４】
比較例５
比較例４における場合と比べて、ペーストを垂直塗りで塗布した以外は同様にして水素吸蔵合金負極を作製した。 凸部５の程度が小さく、また撥水性がより低いのは、比較例４における水平塗りとの差異がでたためと思われる。実施例１と同様にして、得られた負極の電極厚、合金密度、撥水率を測定した結果を表１に示す。
【００５５】
【表１】
【００５６】
実施例１と比較例１とでは、ペースト塗布方法が水平塗りか垂直塗りかの違いによるものであるが、比較例１の表面部４には実施例１の場合に比べ凸部５の数が少なく形成され、凸部５の高さもより低く形成された。これは、ペーストの塗布時と乾燥時に、実施例１における場合のようにペーストを水平塗りで塗布する方が、垂直塗りに比べて、ペースト中における構成成分の比重差が顕在化しやすく、比重の小さいカーボン粉及びポリテトラフルオロエチレンが負極板３の表面部４に浮き出て偏在しやすいことによる。
【００５７】
また、ペースト調製時の水分量を合金粉末１００重量部に対して４０重量部とした比較例４の場合、実施例１に比べ、凸部５が形成されたものの凸部５の数が少なく形成され、凸部５の高さもより低く形成された。これは、ペースト中の各構成成分間の比重差に基づいてカーボン粉及びＰＴＦＥを表面部に偏在させようとする場合に、実施例１における場合と比べて分散媒である水の重量部を少なくしたため、偏在化の程度が低くなったためと思われる。
【００５８】
負極板３の表面部４の撥水率については、水素吸蔵合金の密度が同一である実施例１、比較例１、２、４及び５のうちの凸部５の高さがより高い実施例１の場合が、比較例１、２、４及び５の場合に比べて、より高い撥水率を示している。
【００５９】
これは、高い撥水性を示すことは乾燥して固化した場合に高い撥水性を有するカーボン粉及びＰＴＦＥが表面部４により多く偏在していることを示すとともに、表面部４にカーボン粉及びＰＴＦＥがより多く偏在すると凸部５がより形成しやすくなる、と考えることができる。
【００６０】
また、比較例３の場合は水素吸蔵合金の密度が実施例１の場合に比べより高いものの凸部を有しない。この一方、実施例１の場合は、比較例３の場合に比べてより高い撥水率を有することを示している。このことは、合金密度を大きくすることよりも、分散媒の水の重量部を多くするとともに水平塗りにして、ペースト中の構成成分間の比重差を顕在化させることが有効であることを示す。
【００６１】
次に、実施例１及び比較例１〜３の各負極をセパレータを介してペースト式正極２枚で挟んで一定の圧力を加えて固定し、８ＮＫＯＨ溶液に浸漬し、水素吸蔵合金負極に対し、単極評価を行った。単極試験の内容は、充放電を繰り返すサイクル数に対する放電容量を測定する初期活性試験及び電流密度に対する放電容量を測定する高率放電試験である。それぞれの結果を図４、図５に示す。
【００６２】
図４に示すように、初期活性試験の結果では、水素吸蔵合金の密度が同じ実施例１、比較例１、比較例２の各負極を比較した場合、実施例１の負極が最も活性化が早く初期特性が優れていた。これは、負極板３の表面部４にカーボン及びＰＴＦＥの偏在量が多くなり、負極板３の内部では導電剤であるカーボンが適量だけ存在して水素吸蔵合金粉同士の結着性及び水素吸蔵合金粉とＮｉ基板２との結着性が良好になって接触電気抵抗が小さくなり、負極板３の内部抵抗が低くなったためである。
【００６３】
図５に示す高率放電試験の結果では、実施例１の負極は、水素吸蔵合金の密度の高い比較例３の電極に比べ放電率は低いものの、水素吸蔵合金の密度が同じ比較例１、比較例２の電極より高い放電率を示している。これは、負極板３の内部では水素吸蔵合金粉同士の結着性や水素吸蔵合金粉とＮｉ基板２との結着性が良好になり、負極板３の内部抵抗が低くなったことことによる。また、ＰＴＦＥ等は負極板３の表面部に局在するので負極板３の内部ではＰＴＦＥ等の有する高い撥水性によって負極板３が電解液と接触しにくくなることがなくなり、負極板３は電解液中の水素イオンを有効にとりこむことができ負極板３の内部抵抗が低くなったことによる。
【００６４】
次に、実施例１、比較例１〜３の各負極をセパレータを介して対向させ電極を巻き取り、円筒型容器に入れリードを接続して８ＮＫＯＨ溶液を注入して密閉し、円筒電池によるサイクル特性試験を行った。充放電のサイクルに伴う電池内圧変化、内部抵抗、電池重量減、利用率の結果を図６〜図９に示す。
【００６５】
図６に示すように、実施例１の場合がサイクルに対する内圧上昇は最も小さい。これは、実施例１の負極板３の表面部４は、他の負極に比べて最も高い撥水性を有することと、実施例１の負極板３の表面部４は、他の負極に比べて最も適正に凸部５を有する（表１参照）こととによる。
【００６６】
すなわち、表面部４が高い撥水性を有するので、充電の最終段階と過充電時には正極２２で生成されセパレータ２１を通って水素吸蔵合金負極１に向かって拡散されるが、表面部４は高い撥水性を有するため効率的に酸素ガスをトラップでき、トラップされた表面部４の酸素ガスは水素原子と再結合して水を生成し、電池容器中の内圧の上昇することを抑制することができるからである。
【００６７】
また、充放電サイクルの繰り返えしに伴い水素吸蔵合金粉末粒子中に放電に寄与しない水素原子が蓄積されて次第に体積膨張するが、表面部４には複数の微細の凸部５が形成されているので、表面部４とセパレータ２１の表面との間に形成される隙間２３によって充放電サイクルの繰り返えしに伴う体積膨張を吸収することができ、負極板３の厚さが変化しないので、セパレーター２１中の電解液を押し出すことがなく、電池容器中においてセパレータ２１はその厚み方向に押圧されてつぶされることが抑制されるからである。
【００６８】
同様の理由により、図７に示す内部電気抵抗の変化、及び図８に示す電池重量減の変化に関しては、実施例１の負極が最も低い。また、図９に示す利用率の変化に関しては、実施例１の負極が最も高く優れた特性を示していた。
【００６９】
サイクル特性試験において、試験前後の負極の厚さを測定した。その結果を表２に示す。
【００７０】
【表２】
【００７１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の構成によれば、負極板の表面部は、所定の撥水率を有するとともに複数の凸部が形成されてなるので、複雑な製造工程を要せずに、初期放電特性、充電時のガス吸収性、サイクル寿命について優れた性能を有する水素吸蔵合金極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素吸蔵合金負極の一実施形態を示す断面図であり、サイクル寿命を迎える前のものを示す図。
【図２】本発明の水素吸蔵合金負極の一実施形態を示す断面図であり、充放電サイクルを繰り返してサイクル寿命を迎えたものを示す図。
【図３】本発明の水素吸蔵合金負極とセパレータと正極とを積層した状態を示す断面図。
【図４】実施例の初期活性試験における、サイクル数に対する放電率の関係を示す図である。
【図５】実施例の高率放電試験における、電流密度に対する放電率の関係を示す図である。
【図６】実施例の高率充電試験における、電池内部圧力変化を示す図である。
【図７】実施例のサイクル特性試験における、電池内部抵抗変化を示す図である。
【図８】実施例のサイクル特性試験における、電池重量変化を示す図である。
【図９】実施例のサイクル特性試験における、電池利用率変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 水素吸蔵合金負極
２ Ｎｉ基板
３ 負極版
４ 表面部
５ 凸部
８ 平坦化部
１０ サイクル寿命を迎えた水素吸蔵合金負極
２１ セパレータ
２２ 正極
２３ 隙間
Claims (4)
- ニッケル水素化物電池に使用される水素吸蔵合金負極であって、基板と、水素吸蔵合金粉末と導電剤と結着剤と分散剤とを有する水素吸蔵合金組成物を前記基板に塗着して形成される負極板とを備え、
前記負極板は、所定の撥水率を有するとともに複数の凸部が形成されてなる表面部を有し、
前記凸部は、前記水素吸蔵合金組成物における前記水素吸蔵合金粉末と前記導電剤と前記結着剤と前記分散剤との間の比重差に基づいて形成されており、
前記所定の撥水率は、４０％より大きくあり、
前記凸部は、１５〜５５μｍの高さを有し、隣接する前記凸部の間の距離が１．３〜４．８ｍｍである
ことを特徴とする水素吸蔵合金負極。 - 前記表面部は、充放電サイクルの繰り返しに伴い生じる体積膨張分を吸収し前記凸部を消失して平坦化可能であることを特徴とする請求項１に記載の水素吸蔵合金負極。
- 前記導電剤はカーボン粉であり、前記結着剤はポリテトラフルオロエチレンであり、前記分散剤は水であることを特徴とする請求項１に記載の水素吸蔵合金負極。
- 前記凸部は、主に前記導電剤と前記結着剤とからなることを特徴とする請求項１に記載の水素吸蔵合金負極。
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