JP3944237B2 - 低Co水素吸蔵合金 - Google Patents

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Description

本発明は、CaCu5型の結晶構造を有するAB5型水素吸蔵合金に関し、詳しくは、負極活物質として用いることにより優れた低温容量及び寿命特性を備えた電池を実現することができる低Co水素吸蔵合金に関する。
水素吸蔵合金は、水素と反応して金属水素化物となる合金であり、室温付近で多量の水素を可逆的に吸蔵・放出し得るため、電気自動車(EV:Electric Vehicle)、ハイブリッド電気自動車(HEV:Hybrid Electric Vehicle;電気モータと内燃エンジンという2つの動力源を併用した自動車)やデジタルスチルカメラに搭載されるニッケル・水素電池や燃料電池等、様々な分野で実用化が進められている。
水素吸蔵合金としては、LaNi5に代表されるAB5 型合金、ZrV0.4Ni1.5に代表されるAB2型合金、そのほかAB型合金やA2B型合金など様々な合金が知られている。その多くは、水素との親和性が高く水素吸蔵量を高める役割を果たす元素グループ(Ca、Mg、希土類元素、Ti、Zr、V、Nb、Pt、Pdなど)と、水素との親和性が比較的低く吸蔵量は少ないが、水素化反応が促進し反応温度を低くする役割を果たす元素グループ(Ni、Mn、Cr、Feなど)との組合せで構成されている。
これらの中で、CaCu5型の結晶構造を有するAB5 型水素吸蔵合金、例えばAサイトに希土類系の混合物であるMm(ミッシュメタル)を用い、BサイトにNi、Al、Mn、Co等の元素を用いてなる合金(以下、この種の合金を「Mm−Ni−Mn−Al−Co合金」と称する)は、他の合金組成に比べて、比較的安価な材料で負極を構成でき、しかもサイクル寿命が長く、過充電時の発生ガスによる内圧上昇が少ない密閉型ニッケル水素蓄電池を構成できるなどの特徴を備えている。
ところで、今後、水素吸蔵合金の用途として、電気自動車やハイブリッド電気自動車への普及拡大を図るためには、寿命特性及び出力特性をさらに向上させつつ安価に提供できるようにする必要があるが、上記のようなAB5型水素吸蔵合金においては、Coが合金の微粉化を抑制し、寿命特性を向上させる重要な役割を果たす反面、非常に高価であるため、Coの量を減らしつつ、何らかの方法によって寿命特性及び出力特性を高めることが研究課題となってきた。
かかる課題の解決手段として、従来、例えば特許文献1(特開2001−40442)には、一般式MmNiaMnbAlcCode(式中、Mmはミッシュメタル、XはFe及び/又はCu、3.7≦a≦4.2、0≦b≦0.3、0≦c≦0.4、0.2≦d≦0.4、0≦e≦0.4、5.00≦a+b+c+d+e≦5.20、但しb=c=0の場合を除く、また0<b≦0.3、かつ0<c≦0.4の場合は、b+c<0.5である)で表されるCaCu5型の結晶構造を有する水素吸蔵合金が提案されている。
また、特許文献2(特許第3493516)には、一般式MmNiaMnbAlcCod(式中、Mmはミッシュメタル、4.0<a≦4.3、0.25≦b≦0.4、0.25≦c≦0.4、0.3≦d≦0.5、5.05≦a+b+c+d≦5.25)若しくは一般式MmNiaMnbAlcCode(式中、Mmはミッシュメタル、XはCu及び/又はFe、4.0<a≦4.3、0.25≦b≦0.4、0.25≦c≦0.4、0.3≦d≦0.5、0<e≦0.1、5.05≦a+b+c+d+e≦5.25)で表されるCaCu5型の結晶構造を有するAB5型水素吸蔵合金であって、c軸の格子長が404.9pm以上であることを特徴とする水素吸蔵合金が提案されている。
特開2001−40442 特許第3493516
本発明は、例えばMm−Ni−Mn−Al−Co合金のようなAB5 型水素吸蔵合金において、Co量を低減し、具体的にはMmに対するCoのモル比率で0.5以下とした場合であっても、出力特性、特に低温での出力特性(低温容量)と寿命特性とをともに優れたものとし得る低Co水素吸蔵合金を提供せんとするものである。
かかる課題解決のため、本発明は、一般式MmNiaMnbAlcCodFee(式中、MmはLaを含むミッシュメタル、0.2≦d≦0.5、5.025≦a+b+c+d+e≦5.200)で表すことができるCaCu5型結晶構造を有する低Co水素吸蔵合金であって、Laの含有量が水素吸蔵合金中13〜27wt%であり、X線回折測定と共に格子定数の精密化を行って得られる、CaCu5型結晶構造の格子体積が88.70×106(pm3)以下であって、且つ、(002)面の半値全幅が0.29(°)以下であることを特徴とする水素吸蔵合金を提案する。
本発明の低Co水素吸蔵合金によれば、Co量を低減し、具体的にはMmに対するCoのモル比率で0.5以下とした場合であっても、低温での出力特性(低温容量)と寿命特性とがともに優れた電池を実現することができる。中でも、低温での出力特性(低温容量)については、上記特許文献2の実施例では201〜229mAh/gのレベルであったものを(表1〜表4)、本発明の実施例では、250mAh/g以上とすることができる。しかもこの際、寿命特性についても、100サイクル後の容量維持率を90%以上とすることができる。このように、本発明の低Co水素吸蔵合金は、出力特性及び寿命特性に優れた水素吸蔵合金を安価に提供することができ、電気自動車やハイブリッド電気自動車に使われる電池の負極活物質として有効に利用することができる。
本明細書において、「X〜Y」(X,Yは任意の数字)と記載した場合、特にことわらない限り「X以上Y以下」の意を示し、同時に「好ましくはXより大きく、Yより小さい」の意を包含するものである。
また、本明細書において数値範囲を特定した場合、特にことわらない限り、四捨五入してその数値範囲に属するものを包含する意である。
実施例及び比較例で得た水素吸蔵合金についての測定結果を、横軸:半値全幅、縦軸:100サイクル容量維持率からなる座標中にプロットした図である。 実施例及び比較例で得た水素吸蔵合金についての測定結果を、横軸:格子体積、縦軸:低温容量からなる座標中にプロットした図である。 実施例及び比較例で得た水素吸蔵合金についての測定結果を、横軸:低温容量、縦軸:100サイクル容量維持率からなる座標中にプロットした図である。 試験で作製した開放型試験セルの構成を説明した側断面図である。
発明を実施するための形態
以下に本発明の実施形態について詳細に述べるが、本発明の範囲が以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
本実施形態の水素吸蔵合金(以下「本水素吸蔵合金」という)は、一般式MmNiaMnbAlcCod又は一般式MmNiaMnbAlcCodFeeで表すことができCaCu5型結晶構造を有する低Co水素吸蔵合金である。
(ABx)
本水素吸蔵合金は、ABx組成におけるAサイトを構成する元素の合計モル数に対するBサイトを構成する元素の合計モル数の比率a+b+c+d又はa+b+c+d+e(この比率を「ABx」「B/A」或いは「a+b+c+d(+e)」と称する)が、5.025≦ABx≦5.200であることが重要である。Bサイトリッチの非化学量論組成からなるものであり、この範囲のABxであれば、出力特性、特に低温での出力特性(低温容量)及び寿命特性(容量維持率)の低下を抑制することができる。このような観点から、ABxは5.050以上であるのがより好ましく、また5.150以下であるのがより好ましい。
なお、有効数字を小数点第2位までとすると、5.03≦ABx≦5.20であることが重要であり、5.05≦ABxがより好ましく、またABx≦5.15であるのがより好ましいと言える。
(格子体積)
本水素吸蔵合金においては、出力特性、特に低温での出力特性(低温容量)を高め、同時に寿命特性、特に100サイクル容量維持率を90%以上にする観点から、上記の条件のほか、X線回折測定と共に格子定数の精密化を行って得られる、CaCu5型結晶構造の格子体積が、88.70×106(pm3)以下であることが重要である。
また、出力特性、特に低温での出力特性(低温容量)と寿命特性とをさらに高める観点から、CaCu5型結晶構造の格子体積は、87.00×106(pm3)〜88.70×106(pm3)であるのが好ましく、中でも88.00×106(pm3)〜88.70×106(pm3)であるのがさらに好ましい。
なお、CaCu5型結晶構造の格子体積を制御する手段の好ましい一例として、鋳造後の熱処理条件と共に熱処理後の降温速度を適宜調整することを挙げることができるが、かかる手段に限定されるものではない。
(半値全幅)
本水素吸蔵合金においては、X線回折測定において、(002)面の半値全幅が0.29(°)以下であることが重要であり、好ましくは0.13〜0.29(°)、中でも好ましくは0.13〜0.27(°)、その中でも好ましくは0.20〜0.24(°)である。
(組成)
Coについては、その量を低減すれば安価に提供できるが、その寿命特性を維持することが難しくなるため、本水素吸蔵合金におけるCoの割合(d)は、0.2≦d≦0.5に設定することが重要である。
Co以外の合金組成、すなわちNi、Mn、Al及びFeの組成割合に関しては、上述のように5.025≦ABx(;a+b+c+d(+e))≦5.200の範囲内で適宜調整すればよい。
Co量を特定し、a+b+c+d(+e)、すなわちABxを特定した上で、格子体積及び半値全幅を所定範囲にすれば本発明における効果、特に低温容量及び寿命特性(容量維持率)を高める効果を得ることができるが、さらに次に示す観点でNi、Mn、Al、Feの各量を調整するのがより一層好ましい。この際、組成割合を決定する手順の一例として、Co、Fe、Niの順に組成割合(モル比)を調整し、次いでMn、Alの割合およびABxを調整するとともに製造条件を調整することによって、格子体積及び半値全幅を調整する手順を挙げることができる。
Coの割合(d)は、上述のように0.2≦d≦0.5とすることが重要であり、好ましくは0.2≦d≦0.4の範囲内で調整するのがよい。なお、小数点第2位までを有効数字としてCoの割合(d)を検討すると、0.18≦d≦0.50が好ましく、中でも0.18≦d≦0.45、その中でも0.18≦d≦0.40が好ましいと言える。
Feは、必須の合金元素ではないが、Feを適当量添加することにより微粉化の抑制、すなわち寿命特性を高めることができる。本水素吸蔵合金におけるFeの割合(e)は、0≦e≦0.1であるのが好ましく、中でも0.01≦e≦0.1、その中でも0.02≦e≦0.1の範囲内で調整するのが好ましい。小数点第2位までを有効数字としてFeの割合(e)を検討すると、0.01≦e≦0.10、その中でも0.02≦e≦0.10の範囲内で調整するのが好ましいと言える。
Niの割合(a)は、3.70≦a≦4.30、好ましくは3.70≦a≦4.25、更に好ましくは3.70≦a≦4.20の範囲内で調整する。3.70≦a≦4.30の範囲内であれば、出力特性を維持し易く、しかも微粉化特性や寿命特性を格別に悪化させることもない。
Mnの割合(b)は、0≦b≦0.7の範囲内で調整するのがよい。Mnの割合が0≦b≦0.7の範囲であれば、微粉化を抑制することができる。小数点第2位までを有効数字としてMnの割合(b)を検討すると、0≦b≦0.70の範囲内で調整するのがよいと言える。
Alの割合(c)は、0.1≦c≦0.5の範囲内で調整するのがよい。0.1≦c≦0.5の範囲内であれば、プラトー圧力が必要以上に高くなって充放電のエネルギー効率を悪化させるのを抑えることができ、しかも水素吸蔵量が低下するのを抑えることもできる。小数点第2位までを有効数字としてAlの割合(c)を検討すると、0.10≦c≦0.50の範囲内で調整するのがよいと言える。
上記組成において「Mm」は、少なくともLa及びCeを含む希土類系の混合物(ミッシュメタル)であればよい。通常のMmは、La及びCeのほかにPr、Nd、Sm等の希土類を含んでいる。例えばCe(40〜50%)、La(20〜40%)、Pr、Ndを主要構成元素とする希土類混合物を挙げることができるが、本水素吸蔵合金においては、Laの含有量が水素吸蔵合金中13〜27wt%を占めることが重要であり、15〜27wt%、特に17〜27wt%であるのが好ましい。
なお、本水素吸蔵合金は、Ti,Mo,W,Si,Ca,Pb,Cd,Mgのいずれかの不純物を0.05重量%程度以下であれば含んでいてもよい。
本水素吸蔵合金の好ましい一態様として、一般式MmNiaMnbAlcCod又は一般式MmNiaMnbAlcCodFeeで表すことができるCaCu5型結晶構造を有する水素吸蔵合金であって、前記一般式中、0.18≦d≦0.45、5.050≦a+b+c+d+e≦5.200で表すことができ、Laの含有量が水素吸蔵合金中15〜27wt%であり、X線回折測定と共に格子定数の精密化を行って得られる、CaCu5型結晶構造の格子体積が87.00×106(pm3)〜88.70×106(pm3)であって、且つ、(002)面の半値全幅が0.13〜0.29(°)であるものを挙げることができる。
また、好ましい別の一態様として、一般式MmNiaMnbAlcCod又は一般式MmNiaMnbAlcCodFeeで表すことができるCaCu5型結晶構造を有する水素吸蔵合金であって、前記一般式中、0.18≦d≦0.50、5.025≦a+b+c+d+e≦5.150で表すことができ、Laの含有量が水素吸蔵合金中13〜27wt%であり、X線回折測定と共に格子定数の精密化を行って得られる、CaCu5型結晶構造の格子体積が88.17×106(pm3)〜88.69×106(pm3)であって、且つ、(002)面の半値全幅が0.20〜0.29(°)であるものを挙げることができる。
(低Co水素吸蔵合金の製造方法)
本水素吸蔵合金の製造方法は、例えば、一般式MmNiaMnbAlcCodFee(3.70≦a≦4.30、0≦b≦0.7、0.1≦c≦0.5、0.2≦d≦0.5、0≦e≦0.1、5.025≦a+b+c+d+e≦5.200、La含有量は水素吸蔵合金中13〜27wt%)の合金組成となるように、各水素吸蔵合金原料を秤量及び混合し、例えば誘導加熱による高周波加熱溶解炉を用いて上記水素吸蔵合金原料を溶解して溶湯となし、これを鋳型、例えば水冷型の鋳型に流し込んで1350〜1550℃の鋳湯温度で鋳造し、所定の冷却速度(所定の冷却水量)で冷却し、次いで不活性ガス雰囲気中、例えばアルゴンガス中で、1040〜1080℃、3〜6時間で熱処理した後、所定の降温速度で急冷することにより、得ることができる。
この際、ABx、熱処理の条件と共に熱処理後の降温速度は、格子体積及び(002)面の半値全幅を制御するための重要な要素の一つである。すなわち、ABx、熱処理の温度及び時間を調整すると共に、熱処理後の降温速度を変化させることにより、格子体積を調整することができる。好ましい一例としては、熱処理温度(維持温度)から15〜25℃/min、特に20〜25℃/minの降温速度で500℃前後まで急冷し、その後は自然冷却させるのが好ましい。
上記の製造方法は、本水素吸蔵合金の製造方法の一例であって、これに限定されるものではない。
例えば鋳造条件(鋳造方法、鋳造温度、冷却速度など)、熱処理条件などの製造条件は、合金組成に合わせて適宜選択、制御するのが好ましい。
鋳造方法についても、鋳型鋳造法は好ましい鋳造方法の一つであるが、例えばツインロール法(具体的には特開2004−131825号の段落[0013]〜[0016]参照)、その他の鋳造法でも製造可能である。
得られた水素吸蔵合金(インゴット)は、必要に応じて、粗粉砕、微粉砕により必要な粒度の水素吸蔵合金粉末とする。例えば500μmの篩目を通過する粒子サイズ(−500μm)まで粉砕を行い水素吸蔵合金粉末とすることができる。
また、必要に応じて、金属材料や高分子樹脂等により合金表面を被覆したり、酸性水溶液やアルカリ性水溶液で表面を処理したりするなど適宜表面処理を施し、各種の電池の負極活物質として用いることができる。
(低Co水素吸蔵合金の利用)
本水素吸蔵合金(インゴット及び粉末を含む)は、公知の方法により、電池用負極を調製することができる。すなわち、公知の方法により結着剤、導電助剤などを混合、成形すれば水素吸蔵合金負極を製造できる。
このようにして得られる水素吸蔵合金負極は、二次電池のほか一次電池(燃料電池含む)にも利用することができる。例えば、水酸化ニッケルを活物質とする正極と、アルカリ水溶液よりなる電解液と、セパレータからニッケル―MH(Metal Hydride)二次電池を構成することができ、小型又は携帯型の各種電気機器、電動工具、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、燃料電池(リチウム電池など他の電池と組み合わせて使用するハイブリッド型の燃料電池も含む)などの電源用途に好適に利用することができる。「ハイブリッド電気自動車」とは、電気モータと内燃エンジンという2つの動力源を併用した自動車の意味であり、この際「内燃エンジン」にはガソリンエンジンばかりでなく、ディ−ゼルエンジン、その他のエンジンも含まれる。
また、ヒートポンプ、太陽・風力などの自然エネルギーの貯蔵、水素貯蔵、アクチュエータなどに使用される水素吸蔵合金への利用も可能である。
本水素吸蔵合金は、電動工具やデジタルカメラなどの電池のように充放電深度の限界域間で充放電される電池ではなく、電気自動車やハイブリッド電気自動車用電池など、充放電深度の中心領域で充放電される電池の負極活物質に用いた場合に、寿命特性(サイクル特性)に優れた性能を発揮するため、このような充放電深度の中心領域で充放電される電池の負極活物質として特に好ましい。
ハイブリッド電気自動車においては、電池は満充電と完全放電を行なわないよう制御され、常にエネルギーを出し入れできる状態に維持される。
ここで、「充放電深度の中心領域で充放電される電池」とは、充放電深度の限界域には満たない水素吸蔵量領域で主に充放電される電池を意味し、例えば充電深度(SOC:state of charge)が40〜100%、特に60〜85%、さらに70〜85%、また55〜65%など、極めて限定的な幅を主な使用領域とする電池が好ましく、具体的には電気自動車及びハイブリッド電気自動車などの自動車に搭載される電池を挙げることができる。
以下、本発明を実施例に基づき具体的に説明する。
(実施例1)
Mm(La13%)Ni3.70Al0.30Mn0.50Co0.50Fe0.025(ABx=5.025、MmはLa、Ce、Nd、Prの希土類金属の混合物であるミッシュメタル)の組成の水素吸蔵合金が得られるように、各元素の重合比率で、Mm:33.0%、Ni:51.3%、Mn:6.5%、Al:1.9%、Co:7.0%、Fe:0.3%となるように秤量し、混合した。
この混合物をルツボに入れて高周波溶解炉に固定し、炉内雰囲気を10-4〜10-5Torrまで減圧にした後、アルゴンガス雰囲気中で1450℃まで加熱溶解し、溶湯を水冷式銅鋳型に流し込み合金を得た。
得られた合金塊をステンレス鋼製容器に入れて真空熱処理装置(日新技研製)にセットし、アルゴンガス雰囲気中で1060℃で3時間熱処理を行った後、真空熱処理装置の外側に配設された冷却水道管に冷却水を流通させて20℃/minの降温速度で500℃まで冷却し、それ以降は冷却水の流通を止めて室温まで自然冷却した。
得られた合金をジョークラッシャー(Fuji Paudal社製:model1021−B)を用いて粗砕し、さらに横型ブラウン粉砕機(吉田製作所製)で500μmの篩目を通過する粒子サイズ(−500μm)まで粉砕を行い、水素吸蔵合金粉末を得た。
(実施例2−8、比較例1−4)
水素吸蔵合金の組成が表1に示した組成となるようにした以外は、実施例1と同様に水素吸蔵合金粉末を製造した。
(実施例9、比較例6)
表1に示した組成となるように各原料を秤量及び混合し、この混合物をルツボに入れて高周波溶解炉に固定し、炉内雰囲気を10-4〜10-5Torrまで減圧にした後、アルゴンガス雰囲気中で1450℃まで加熱溶解し、溶湯を水冷式銅鋳型に流し込み合金を得た。
得られた合金(インゴット)をジョークラッシャー(Fuji Paudal社製:model1021−B)を用いて粗砕し、さらに横型ブラウン粉砕機(吉田製作所製)で500μmの篩目を通過する粒子サイズ(−500μm)まで粉砕を行った。
得られた合金粉末を、ステンレス鋼製容器に入れて真空熱処理装置(日新技研製)にセットし、表1に示した熱処理温度で3時間熱処理を行った後、真空熱処理装置の外側に配設された冷却水道管に冷却水を流通させて20℃/minの降温速度で500℃まで冷却し、それ以降は冷却水の流通を止めて室温まで自然冷却した。
得られた熱処理後の合金を再度ジョークラッシャー(Fuji Paudal社製:model1021−B)を用いて粗砕し、さらに横型ブラウン粉砕機(吉田製作所製)で500μmの篩目を通過する粒子サイズ(−500μm)まで粉砕を行い、水素吸蔵合金粉末を得た。
(実施例10−12、比較例5)
表1に示した組成となるように各原料を秤量及び混合し、熱処理温度を表1に示した温度とした以外は、実施例1と同様に水素吸蔵合金粉末を製造した。
(比較例7)
表1に示した組成となるように各原料を秤量及び混合し、熱処理後に500℃まで降温する速度を5℃/minとした以外は、実施例1と同様に水素吸蔵合金粉末を製造した。
[特性及び物性評価]
上記実施例及び比較例で得られた水素吸蔵合金粉末について、下記に示す方法によって諸物性値を測定し、結果を表1及び図1及び図2に示した。
<PCT測定>
実施例及び比較例で得た−500μm(500μmφの篩目を通過する粒子)の水素吸蔵合金粉末20gをサイクロミル((型式1033−200)株式会社吉田製作所製)で1分間粉砕し、目開き45μmの篩で分級して−45μm(45μmφの篩目を通過する粒子)の水素吸蔵合金粉末(サンプル)を得た。
得られたサンプル4gをPCT装置サンプルホルダーに投入し、PCT特性測定装置((株)鈴木商館製)に接続した。
PCT測定の前に次のような操作を実施した。
1)合金付着水分処理:マントルヒーター(250℃)中、PCT装置サンプルホルダーを加熱した状態で1.7MPaの水素圧を導入し、10分間放置後、真空引きを行う一連の操作を2回実施した。
2)合金活性化処理(合金の水素吸蔵特性を出現させる処理):マントルヒーターからPCT装置サンプルホルダーを取り出し、3MPaの水素圧を導入し、10分間保持をした。その後、マントルヒーター(250℃)中でPCT装置サンプルホルダーを加熱した状態で10分間真空引きを行った。この一連の操作を2回実施した。
マントルヒーターからPCT装置サンプルホルダーを取り出し、45℃に設定した恒温槽内にホルダーを移動させた後、真空引きを30分行い、その後、吸蔵終了圧力1.7MPaまでPCT測定を行った。得られた45℃におけるPCT曲線から、H/M=0.5のときの平衡水素圧をP0.5(MPa)として求め、平衡水素圧力が0.5MPaのときの水素吸蔵量を(H/M)0.5として求めた。
<a軸長、c軸長、格子体積の測定>
実施例及び比較例で得た−500μm(500μmφの篩目を通過する粒子)の水素吸蔵合金粉末20gをサイクロミル(株式会社吉田製作所製:型式1033−200)で1分間粉砕し、目開き20μmの篩で分級して−20μm(20μmφの篩目を通過する粒子)の水素吸蔵合金粉末を得た。こうして得られた水素吸蔵合金粉末100重量部に対し10重量部のSi粉を内部標準として混合し、X線回折用のサンプルとした。
ガラスサンプルホルダーに上記サンプルを充填し、RINT−2200V((株)リガク製)を使用し、下記条件で測定すると共に、所定の精密化を行なってa軸長、c軸長および格子体積を求めた。
この際の精密化は、上記RINT−2200V附属のアプリケーションソフト(ソフト名:格子定数の精密化)を用いて実施し、添加したSiから内部標準法による角度補正を行い、最小二乗法により格子定数の精密化を行った。念のために測定及び解析時の詳細な設定条件を以下に示す。
(平滑化)
・ 平滑化方法:加重平均
・ 平滑化点数:15
・ 高調波:128
(バックグラウンド除去)
・ バックグラウンド除去方法:両端に接する直線
・ 低角側平均点数:3
・ 高角側平均点数:3
(Kα2除去)
・ 強度比(Kα2 /Kα1):0.500
(ピークサーチ方法)
・ ピークトップ法
(重み関数)
・ sin(2θ)×sin(2θ)×r(θ)× r(θ)
(系統誤差補正関数)
・ sin(2θ)×sin(2θ)×(1 / sin(θ) + 1 /θ)
(管球)CuKα線
(管電圧)40kV
(管電流)40mA
(発散スリット)1deg.
(散乱スリット)1deg
(受光スリット)0.3mm
(ゴニオメータ)RINT2000縦型ゴニオメータ
(アタッチメント)ASC−43(縦型)
(スリット)全自動広角ゴニオメータスリット
(モノクロメータ)全自動モノクロメータ
(カウンター)シンチレーションカウンター
(開始角度)20°
(終了角度)90°
(ステップ幅)0.010°
(スキャンスピード)2°/min
(走査軸)2θ/θ
(測定方法)連続
(スピンスピード)30
また、格子定数の精密化を行う際に使用したピークは、以下の通りである。
・22°付近にあるミラー指数(001)で指数付けされるピーク
・30°付近にあるミラー指数(101)で指数付けされるピーク
・36°付近にあるミラー指数(110)で指数付けされるピーク
・42°付近にあるミラー指数(200)で指数付けされるピーク
・43°付近にあるミラー指数(111)で指数付けされるピーク
・45°付近にあるミラー指数(002)で指数付けされるピーク
・59°付近にあるミラー指数(112)で指数付けされるピーク
・61°付近にあるミラー指数(211)で指数付けされるピーク
・63°付近にあるミラー指数(202)で指数付けされるピーク
・65°付近にあるミラー指数(300)で指数付けされるピーク
・69°付近にあるミラー指数(301)で指数付けされるピーク
なお、内部標準として格子定数の精密化に用いたSiのピークについても、念のために下記に示す。
・28°付近にあるミラー指数(111)で指数付けされるピーク
・47°付近にあるミラー指数(220)で指数付けされるピーク
・56°付近にあるミラー指数(311)で指数付けされるピーク
・88°付近にあるミラー指数(422)で指数付けされるピーク
<半値全幅>
格子体積の測定同様に調整したサンプルを使用し、下記条件のみ変更して(002)面の半値全幅(°)の測定および解析を実施した。
(軸長測定との変更部分)
・ 開始角度:40°
・ 終了角度:46°
・ スキャンスピード:0.25°/min
・ ステップ幅:0.002°
(平滑化)
・ 平滑化方法:加重平均
・ 平滑化点数:15
・ 高調波:128
(バックグラウンド除去)
・ バックグラウンド除去方法:両端に接する直線
・ 低角側平均点数:3
・ 高角側平均点数:3
(Kα2除去)
・ 強度比(Kα2/Kα1):0.500
<低温容量・100サイクル容量維持率>
実施例及び比較例で得た−500μm(500μmφの篩目を通過する粒子)の水素吸蔵合金粉末20gをサイクロミル((型式1033−200)株式会社吉田製作所製)で1分間粉砕し、目開き45μmの篩で分級して−45μm(45μmφの篩目を通過する粒子)の水素吸蔵合金粉末(サンプル)を得た。
得られたサンプル1gに、導電材としてのNi粉末を3gと、結着材としてのポリエチレン粉末0.12gを加えて混合し、得られた混合粉1.24gを発泡Ni上に加圧成形し、直径15mm、厚さ1.8mmのペレット型とし、150℃×1時間真空焼成を行って結着させてペレット電極を作製した。
このペレット電極を負極とし、十分な容量の正極(焼結式水酸化ニッケル)でセパレータ(日本バイリーン製)を介して挟み込み、30wt%のKOH水溶液中に浸漬させて開放型試験セル(図4参照)を作製し、装置(TOSCAT3000(東洋システム))を使用して下記条件下で充放電試験を行なった。
(充放電条件-活性化)
・ 充電0.2C−120%;放電0.2C−0.7Vカット
・ サイクル:1−15サイクル
・ 温度:20℃
(低温サイクル)
・ 充電1.0C−120%;放電1.0C−0.7Vカット
・ サイクル:16、17サイクル
・ 温度:0℃
(サイクル試験)
・ 充電1.0C−120%;放電1.0C−0.7Vカット
・ サイクル:18−116サイクル
・ 温度:20℃
なお、117及び118サイクル目は、活性化と同様の測定条件で実施した。
17サイクル目の値を低温容量として表に記載した。また、100サイクル容量維持率は下記の式により求めた。
100サイクル容量維持率(%)=(118サイクル目容量)/(15サイクル目容量)×100
Figure 0003944237
Figure 0003944237
なお、表2は、表1中のMn、Al、Coの割合を小数点第2位まで有効数字として示したものであり、実施例1〜12、比較例1〜7のMn、Al、Coの量自体は表1と変わりはない。
(考察)
図1は、実施例及び比較例で得た水素吸蔵合金についての上記測定結果に基づき、横軸:半値全幅、縦軸:100サイクル容量維持率からなる座標中にプロットした図であり、図2は、実施例及び比較例で得た水素吸蔵合金についての上記測定結果に基づき、横軸:格子体積、縦軸:低温容量からなる座標中にプロットした図であり、図3は、上記測定結果に基づき、横軸:低温容量、縦軸:100サイクル容量維持率からなる座標中にプロットした図であり、図3中の直線はそれぞれ、実施例のプロット群(「実施例群」という)及び比較例のプロット群(「比較例群」という)を最小二乗法から得られる近似式で結んだ直線である。
図1の結果を見ると、実施例群及び比較例群を総合して、(002)面の半値全幅が0.29°以下であれば、100サイクル容量維持率が90%以上になる傾向があることが判明した。
また、図2の結果を見ると、実施例群及び比較例5−7が示す低温容量と、比較例1−4が示す低温容量とは明らかに異なっており、実施例群及び比較例5−7の方が低温容量が高いことが分る。
さらに、図1、図2から判明した結果を、図3に低温容量と寿命特性の関係でまとめなおしたところ、実施例群は、比較例群の延長線上にはなく、図中の矢印で示した様に予想してもいない位置にあることが判明した。これは、La%と格子体積と半値全幅の最適範囲を組み合わせたことによる相乗効果によるものと考えられる。

Claims (10)

  1. 一般式MmNiaMnbAlcCodFee(式中、MmはLaを含むミッシュメタル、0.2≦d≦0.5、5.025≦a+b+c+d+e≦5.200)で表すことができるCaCu5型結晶構造を有する水素吸蔵合金であって、
    Laの含有量が水素吸蔵合金中13〜27wt%であり、
    X線回折測定と共に格子定数の精密化を行って得られる、CaCu5型結晶構造の格子体積が88.70×106(pm3)以下であって、且つ、(002)面の半値全幅が0.29(°)以下であることを特徴とする水素吸蔵合金。
  2. 上記一般式中、0.18≦d≦0.50であることを特徴とする請求項1記載の水素吸蔵合金。
  3. 上記一般式中、0.18≦d≦0.45、5.050≦a+b+c+d+e≦5.200で表すことができるCaCu5型結晶構造を有する水素吸蔵合金であって、Laの含有量が水素吸蔵合金中15〜27wt%であり、X線回折測定と共に格子定数の精密化を行って得られる、CaCu5型結晶構造の格子体積が87.00×106(pm3)〜88.70×106(pm3)であって、且つ、(002)面の半値全幅が0.13〜0.29(°)であることを特徴とする請求項1又は2記載の水素吸蔵合金。
  4. 上記一般式中、0.18≦d≦0.50、5.025≦a+b+c+d+e≦5.150で表すことができるCaCu5型結晶構造を有する水素吸蔵合金であって、Laの含有量が水素吸蔵合金中13〜27wt%であり、X線回折測定と共に格子定数の精密化を行って得られる、CaCu5型結晶構造の格子体積が88.17×106(pm3)〜88.69×106(pm3)であって、且つ、(002)面の半値全幅が0.20〜0.29(°)であることを特徴とする請求項1又は2記載の水素吸蔵合金。
  5. Laの含有量が水素吸蔵合金中17〜27wt%であることを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載の水素吸蔵合金。
  6. (002)面の半値全幅が0.20〜0.24(°)であることを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載の水素吸蔵合金。
  7. 上記一般式において、3.70≦a≦4.30、0≦b≦0.7、0.1≦c≦0.5、0≦e≦0.1である請求項1乃至6の何れかに記載の水素吸蔵合金。
  8. 上記一般式において、3.70≦a≦4.25、0≦b≦0.7、0.1≦c≦0.5、0≦e≦0.1である請求項1乃至6の何れかに記載の水素吸蔵合金。
  9. 電気自動車或いはハイブリッド電気自動車に搭載する電池の負極活物質として用いることを特徴とする請求項1乃至8の何れかに記載の水素吸蔵合金。
  10. 請求項1乃至9の何れかに記載の水素吸蔵合金を負極活物質として備えた電池。
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