JP4388426B2 - アルカリ乾電池 - Google Patents

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Description

本発明は、アルカリ乾電池に関し、さらに詳しくは電池の構成部材に関する。

従来より、アルカリ乾電池では、放電性能を向上させるため、電池内での、正極活物質、負極活物質、および電解液の使用量について種々の検討が行われている。
例えば、特許文献1では、電解液である水酸化カリウム水溶液1g当たり負極活物質である亜鉛の量を2.8g以上とし、負極の容量に対する正極の容量比を1:1〜1.1:1とすることが提案されている。また、特許文献2では、電解液中の水酸化カリウムの濃度を35〜45重量%とし、負極活物質である亜鉛1g当たり電解液量を0.9〜1.1gとすることが提案されている。

ところで、市場で使用される機器の使用形態の変化に伴い、IECで設定された新規な放電モードとして定電流間欠放電における性能向上が求められている。しかし、このような放電条件では依然として十分な放電性能は得られていない。
特開平8−509095号公報 特開平7−122276号公報

そこで、本発明は、上記の問題を解決するために、定電流間欠放電性能に優れたアルカリ乾電池を提供することを目的とする。

本発明のアルカリ乾電池は、正極活物質として二酸化マンガンを含む正極、負極活物質として亜鉛を含む負極、前記正極と負極との間に配されるセパレータ、ならびに前記正極、負極、およびセパレータに含まれるアルカリ水溶液からなる電解液を具備するアルカリ乾電池であって、前記電解液中に含まれる水分量は、二酸化マンガン100重量部に対して3032重量部であり、かつ亜鉛100重量部に対して72〜76重量部であり、前記電解液が水酸化カリウムを33〜36重量%含み、前記正極の容量に対する前記負極の容量の比が、1.05〜1.12であることを特徴とする。

本発明によれば、正極活物質および負極活物質に対する電池内の総水分量、ならびに電解液の濃度を適宜設定することにより、定電流間欠放電性能に優れたアルカリ乾電池を提供することができる。

本発明者らは、アルカリ乾電池における正極活物質および負極活物質に対する電池内の水分量、ならびに電解液の濃度について種々検討した。
その結果、電池内に含まれる水分量の合計、すなわち正極、負極およびセパレータ中にアルカリ電解液として含まれる水分量の合計が、二酸化マンガン100重量部に対して27〜34重量部であり、かつ亜鉛100重量部にに対して72〜80重量部であり、さらに前記電解液が水酸化カリウムを33〜36重量%含む場合に、優れた定電流間欠放電性能が得られることを見出した。

正・負極活物質量と水分量とのバランスを適宜設定することにより、間欠放電時の放電休止中に電解液のバルクから正極および負極の反応界面に水がスムーズに供給される。このため、正極では二酸化マンガンの固相内にプロトン(H+)が、負極では反応生成物である水酸化亜鉛が電解液中に拡散する。さらに、放電中にも電解液から順次水が供給されるため、放電反応が進行しやすくなる。すなわち、放電休止中や放電末期においても、電解液から十分な水を供給することができる。

水分量が二酸化マンガン100重量部に対して27重量部未満では、水分量が不充分となり、放電休止中や放電末期において水の供給が不充分となり、放電性能が低下する。また、水分量が二酸化マンガン100重量部に対して34重量部を超えると、水分量が多くなりすぎて、電池内に充填することのできる活物質量が減少するため、放電性能が低下する。

水分量が亜鉛100重量部に対して72重量部未満では、水分量が不充分となり、放電休止中や放電末期において水の供給が不充分となり、放電性能が低下する。また、水分量が亜鉛100重量部に対して80重量部を超えると、水分量が多くなりすぎて、電池内に充填することのできる活物質量が減少するため、放電性能が低下する。

電解液中の水酸化カリウムの濃度が33重量%未満では、イオン伝導に寄与するカリウム量が極端に少なくなるため放電性能が低下する。一方、水酸化カリウムの濃度が36重量%を超えると、水分量が不十分となり放電休止中や放電末期において水の供給が不十分となるため放電性能が低下する。

以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
下記に示す手順で図1に示す単1形アルカリ乾電池(LR20)を作製した。
(1)正極合剤の作製
正極活物質として二酸化マンガンと、導電剤として黒鉛とを90:10の重量比で混合した。この混合物と、アルカリ電解液とを100:3の重量比で混合し、充分に攪拌した後、フレーク状に圧縮成形した。ついで、フレーク状の正極合剤を粉砕して顆粒状とし、これを篩によって分級し、10〜100メッシュのものを中空円筒状に加圧成形してペレット状の正極合剤2を得た。

(2)アルカリ乾電池の組み立て
この正極合剤2を電池ケース1内に3個挿入し、加圧治具により正極合剤2を再成形して電池ケース1の内壁に密着させた。正極合剤2の内壁にセパレータ4を配し、電池ケース1の底部に底紙19をそれぞれ配置した。セパレータ4には、ポリビニルアルコール繊維およびレーヨン繊維を主体として混抄した不織布を用
いた。

セパレータ4および底紙19に、所定量のアルカリ電解液を注入した。所定時間経過した後、ゲル状負極3をこのセパレータ4および底紙19の内側に充填した。なお、ゲル状負極3には、ゲル化剤としてポリアクリル酸ナトリウムと、アルカリ電解液と、負極活物質として亜鉛粉末とを1:33:66の重量比で混合したものを用いた。
負極集電子6をゲル状負極3の中央に差し込んだ。なお、負極集電子6には、ガスケット5および負極端子を兼ねた底板7を一体化させた。そして、電池ケース1の開口端部を、ガスケット5の端部を介して底板7の周縁部にかしめつけ、電池ケース1の開口部を封口した。外装ラベル8で電池ケース1の外表面を被覆した。

《比較例1〜11》
上記のアルカリ乾電池の作製において、電解液には水酸化カリウムおよび酸化亜鉛を含む水溶液を用いた。なお、電解液中の水酸化カリウム、酸化亜鉛、および水の重量比を38:2:60とした。
そして、正極活物質、負極活物質、電解液、または水分を表1に示すように増量した。なお、比較例2〜4では、表1のように比較例1に対して正極活物質量を増量した。比較例5〜7では、表1のように比較例1に対して負極活物質量を増量した。比較例8〜9では、電池内の水分量が表1のようになるように電解液を増量した。比較例10〜11では、電池内部の水分量が表1のようになるように水分量を増量した。このとき、電池内の部材が占める体積は、それぞれ増量した分だけ増えた。

《比較例12〜14》
上記のアルカリ乾電池の作製において、正・負極活物質量を一定にし、電解液中の水酸化カリウムの濃度を表2に示すように変えた。なお、電解液中の酸化亜鉛の濃度は2重量%とした。

《実施例1〜4、参考例1〜3、および比較例15〜20》
上記のアルカリ乾電池の作製において、電解液には、水酸化カリウムおよび酸化亜鉛を含む水溶液を用いた。なお、電解液中の水酸化カリウム、酸化亜鉛、および水の重量比を34:2:64とした。すなわち、水酸化カリウムの濃度を34重量%とした。
そして、電池内の部材が占める体積が一定になるように、表3に示すように、正極活物質および負極活物質量を変えて、活物質量に対する電池内の総水分量の比を変えた。

《実施例5〜8および比較例21〜22》
上記のアルカリ乾電池の作製において、電解液中の水酸化カリウムの濃度を表4に示すように変えた。なお、電解液中の酸化亜鉛の濃度は2重量%とした。
そして、電池内の部材が占める体積が一定になるように、表4に示すように、正極活物質量および負極活物質量を変えて、活物質量に対する電池内の総水分量の比を変えた。

なお、表1〜4中の正・負極活物質量は、従来の条件である比較例1の正・負活物質量をそれぞれ100とした指数で表した。
そして、上記の実施例1〜8、参考例1〜3、および比較例1〜22のアルカリ乾電池を用いて、以下の評価を行った。

[評価]
(イ)定電流間欠放電試験
アルカリ乾電池を20℃の環境下において電池電圧が0.9Vに達するまで、1日当たり600mAの電流値で2時間連続放電し、放電時間を測定した。なお、電池の試験数は3個とし、その放電時間の平均値を求めた。
(ロ)過放電試験
アルカリ乾電池4個と、40Ωの抵抗とを直列に接続した。これを5セット準備し、常温で6週間放置した後、漏液した電池の数を調べた。

これらの結果を表5〜8に示す。なお、表5〜8中の放電性能指数は比較例1の放電時間を100とした指数として示す。

表5に示すように、比較例1〜11では、活物質や電解液の増量により放電性能が向上したが、電池内に占める部材の体積が増えて、電池内の空間が減少したため、漏液する電池がみられ、過放電特性が低下した。また、表6に示すように、比較例12〜14では、電解液中の水酸化カリウムの濃度を低くすることにより、正極活物質量100重量部に対する電池内の水分量は27〜34重量部、負極活物質量100重量部に対する電池内の水分量は72〜80重量部であるが、放電性能の大幅な向上はみられなかった。

表7および8に示すように、正極活物質量100重量部に対する電池内の水分量が27〜34重量部、負極活物質量100重量部に対する電池内の水分量が72〜80重量部、および電解液中の水酸化カリウムの濃度が33〜36重量%を満たす実施例1〜8および参考例1〜3の場合に、比較例15〜22の場合よりも放電性能指数が大幅に向上し、かついずれの電池も過放電時に漏液しなかった。

本発明のアルカリ乾電池は、高性能の小型電子機器や携帯機器用の電源等に適用することができる。

本発明のアルカリ乾電池の一例の一部を断面にした正面図である。

符号の説明

1 電池ケース
2 正極合剤
3 ゲル状負極
4 セパレータ
5 ガスケット
6 負極集電子
7 底板
8 外装ラベル
19 底紙

Claims (1)

  1. 正極活物質として二酸化マンガンを含む正極、負極活物質として亜鉛を含む負極、前記正極と負極との間に配されるセパレータ、ならびに前記正極、負極、およびセパレータに含まれるアルカリ水溶液からなる電解液を具備するアルカリ乾電池であって、
    前記電解液中に含まれる水分量は、二酸化マンガン100重量部に対して3032重量部であり、かつ亜鉛100重量部に対して72〜76重量部であり、
    前記電解液が水酸化カリウムを33〜36重量%含み、
    前記正極の容量に対する前記負極の容量の比が、1.05〜1.12であることを特徴とするアルカリ乾電池。
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