JP4403594B2 - Cathode active material for alkaline storage battery and method for producing the same - Google Patents

Cathode active material for alkaline storage battery and method for producing the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Niを主たる金属元素とする金属酸化物を主材料とする高容量のアルカリ蓄電池用正極活物質およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の半導体技術の進歩に伴い電子機器の小型、軽量、多機能化が進み、携帯電話、ノートパソコンなどに代表される小型ポータブル機器のパーソナル化が急速に進んでいる。そのため、その電源として広く採用されているアルカリ蓄電池二次電池に対しても、益々の小型、軽量化の要求が高まってきている。
【0003】
現在に至るまで、アルカリ蓄電池用正極の主活物質はニッケル酸化物(NiOOH)が用いられているが、電極基体は従来の焼結基板を用いた焼結式電極に代えて、より高多孔度(約95%)の3次元の発泡ニッケル多孔体にニッケル酸化物粉末を高密度充填した電極(発泡メタル式電極)が工業化され(例えば特公昭62−54235号公報、米国特許No.4251603号)、これによってニッケル正極のエネルギー密度は飛躍的に向上した。
【0004】
上記ニッケル正極の高エネルギー密度化においては、活物質であるニッケル酸化物粉末の製造方法の改良も重要な技術の一つであった。従来のニッケル酸化物粉末の製造方法は、ニッケル塩水溶液に水酸化ナトリウムなどのアルカリ水溶液中に作用させて沈殿させ、次いで熟成して結晶成長させたのち機械的な方法で粉砕する方法が採用されていたが、製法が煩雑であるとともに粉末形状が不定形であることから高い充填密度が得られにくい問題があった。しかし、特公平4−80513号公報に示されているように、他の製造方法として、ニッケル塩水溶液にアンモニアを作用させてニッケルのアンモニウム錯体を形成させ、アルカリ水溶液中で水酸化ニッケルを成長させる方法が提案され、連続製法が可能となり低廉化が図れるとともに、粒子形状が球状に近いことにより高密度充填が可能となった。
【0005】
しかし、この進歩においては、数10μmにまで成長した大粒径の高密度粒子を活物質として用いるため、活物質自身の電子伝導度の低下が影響して充放電効率が低下するという問題があった。これに対しては、Coやその酸化物およびNi等を添加することで電子伝導性を補い(特公昭61−37733号公報、電気化学,Vol.54,No.2,p.159(1986)、Power Sources 12,p203(1988))、さらに、活物質自身においてもCoなどのNi以外の金属元素を固溶させることで充放電効率の向上が図られた。
【0006】
また、前述のような結晶内部に異種金属元素を固溶させて充放電効率の向上を図る試みは、特公平3−26903号公報、特公平3−50384号公報、電気化学,Vol.54,No.2,p164(1986),Power Sources,12,p203(1988)に示されているように、従来より活物質の内部にCd、Coを添加する方法が採用されているが、環境面から、カドミウム・フリーの電池が要望され、カドミウムに代わる金属元素の一例としてZnが提案されたり、更にCo、ZnおよびBaなどの3元素の固溶体も提案されている(米国特許No.5366831号)。なお、このような充放電特性の高効率化を目的としたニッケル酸化物への異種金属固溶は、古くになされた技術であり、特開昭51−122737号公報などでも公知である。
【0007】
以上のような基板形状、活物質形状、活物質組成および添加物などの改良により、正極のエネルギー密度は飛躍的に向上し、現在ではエネルギー密度600mAh/cc程度の正極が実用化されている。しかし、前述のように、小型ポータブル機器用の電源としてのエネルギー密度向上に対する要望は益々拡大傾向にある。電池のエネルギー密度の向上を図るためには、正・負極、電解液、セパレータおよびそれらの構成法などの面からのアプローチが考えられるが、負極に関しては、従来のカドミウム負極に代わり、高エネルギー密度の金属水素化物の実用化(Power Sources 12,p.393(1988))などにより、正極の倍以上の体積エネルギー密度にまで達している。また、電池構成法に関してもセパレータの薄膜化、極板の高密度充填などの技術進歩によって急速な高エネルギー密度化が進められてきており、現在においては、ほぼ限界にまで達しつつある。そこで、エネルギー密度の一層の向上を実現するためには、電池内のほぼ半分の体積比率を占める正極の一層の高エネルギー密度化が最も効果的な要素技術として重要な位置づけになりつつある。
【0008】
正極のエネルギー密度の向上を図るためには、活物質のタップ密度向上、添加物量の低減、発泡ニッケル基体の金属量の低減などといった電極充填密度向上のアプローチが考えられるが、これらの技術はほぼ限界に達しつつある。そのため、活物質自体の改質を図り、反応性の向上、反応次数の向上を試みる必要がある。現状の正極活物質であるニッケル酸化物は、充填時にβ型のNi(OH)2(2価の酸化物)であり、通常の充放電ではβ型のNiOOH(3価)との間で1電子反応(利用率:100%)が進行すると言われている。しかし、この充電状態のβ−NiOOHは、過充電によって一部が高次酸化物であるγ−NiOOH(3.5〜3.8価)にまで酸化される。なお、少なくともγ−NiOOH は非化学量論的な材料で、結晶的にみても無秩序(disorder)であることが知られている(J.Power Sources、8、p229(1982)など)。従来より、このγ−NiOOHは電気化学的に不活性であり電圧低下や容量低下を引き起こすばかりでなく、層間が広がることで電極の体積膨脹による導電剤、基板との接触不良、脱落、また、水分子を取り込むことによる電解液の枯渇など多くの弊害を引き起こすことから、生成を抑制する工夫がなされてきた。
【0009】
しかし、ニッケル酸化物をベースにした活物質を用いて、さらに高エネルギー密度化を図るためには、高次酸化物であるγーNiOOHを使いこなすことが極めて重要である。このために、Niの一部をMn(III)、Al(III)、Fe(III)などの異種金属を固溶させ、層間にアニオンと水分子を取り込んだα型の水酸化物に類似した構造の材料が提案されている(Solid State Ionics,32/33,p.104(1989)、J.Power Sources,35,p.249(1991)、米国特許No.5348822号(1994)、米国特許No.5569562号(1996)、特開平8−225328号公報など)。この酸化物は、γ−NiOOHと類似した構造の高次酸化物との間で容易に充放電が進行すると言われている。しかし、実際にはこの酸化物は層間が広く材料自身が極めて嵩高くなることから、高密度充填が困難であり実用性は乏しいものと考えられる。
【0010】
これに対して我々は、電極充填時にβタイプの結晶構造をもち、かつ、高次酸化物であるγ−NiOOHとの間で充放電が進行する活物質に注目している。その一例として、高密度でかつ高次反応を目的とした異種金属固溶によるニッケル酸化物の改質を提案している。また、固溶する異種金属としては、特にMnを主成分とした組成が有望であることが提案されている(例えば、特開平8−222215号公報、特開平8−222216号公報、特開平9−115543号公報)。前記提案はMnをニッケル酸化物に固溶させることで、プロトンの移動度、電子伝導性が向上し、利用率が向上することを開示している。なお、Mnを固溶したニッケル酸化物は、特開昭51−122737号公報、特開平4−179056号公報、特開平5−41212号公報などに既に提案されている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、異種金属を固溶することでニッケル酸化物の改質を図り、充放電効率を向上させる試みがいくつか提案されている。しかし、固溶する異種金属の種類、固溶量によって、その効果が十分に得られない場合がある。これに対して、前記のようにMnを固溶したニッケル酸化物においては、充放電効率、反応次数の向上の効果が極めて大きく、エネルギー密度の向上が期待できる。しかしながら、特開平4−179056号公報、特開平5−41212号公報においては、主にサイクル寿命向上を目的としているため、反応次数の向上を目的としたものではない。
【0012】
また、特開平8−222215号公報、特開平8−222216号公報、特開平9−115543号公報においては、電池特性に大きく影響を及ぼすMn価数、結晶構造、細孔分布等の適正値が開示されておらず、一層の高エネルギー密度化のためには改善の余地がある。また、前記のMnを固溶したニッケル酸化物を製造するにあたっては、Mn(II)が不安定で酸化されやすいため、高密度な粒子に成長させることが極めて困難である。しかしながら、前記提案の中には、この課題に対する改善方法に関する記述がなく、高エネルギー密度化を実現することは困難である。また、米国特許No.5637423号においても、Mnを含むNi(OH)2に関しての提案がなされているが、その製造法としてはシンター式の極板に関してのみ記載されており、高エネルギー密度化を目的とした粉末状の金属酸化物の製造法に関する開示はない。
【0013】
以上のことから、本発明は、飛躍的な高エネルギー密度化を実現するとともに充放電効率および寿命特性の優れたアルカリ蓄電池用正極活物質とその製造方法を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明では、少なくともMnを固溶、または、共晶状態で有するニッケル酸化物の諸物性、すなわち、Mnの平均価数、タップ密度、CuKα線を使用するX線回折におけるピーク強度比などを適正化している。
【0015】
そして、アルカリ蓄電池用正極活物質として上記のような、良好な諸物性を有するニッケル酸化物の製造方法を具現化する。
【0016】
以上の構成のニッケル酸化物をアルカリ蓄電池用正極活物質として用いることで、飛躍的な高エネルギー密度化、サイクル安定性の向上、高率放電特性の向上を図ることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明は、少なくともMnを固溶または共晶状態で含む、β−Ni(OH)2型のニッケル酸化物を主体とするアルカリ蓄電池用正極活物質であって、前記Mnの平均価数が3.3価以上であり、タップ密度が1.7g/cc以上であり、CuKα線を使用するX線回折の2θ=37〜40゜付近に位置するピークの半価幅が1.2deg.以下であることを特徴としたものであり、ニッケル酸化物に固溶する異種金属としては、高反応次数化のために顕著な効果を有するMnが好ましい。また、Mnの平均価数は3.3価以上が望ましく、3.3価より低い場合、電子伝導性の低下あるいはγ生成効率の低下により、初期サイクルにおける充放電効率が著しく低下する。また、タップ密度としては1.7g/cc以上が好ましく、1.7g/cc以下では電極への充填密度が低下し高エネルギー密度を図ることが困難である。また、CuKα線を使用するX線回折の2θ=37〜40゜付近に位置するピークの半価幅が1.2deg.以下であることがとくに望ましい。すなわち、半価幅が小さく結晶性が高いものにおいて充放電効率の著しい向上を図ることができる。
【0018】
なお、前記ニッケル酸化物は、通常ニッケル水酸化物を意味する。
【0019】
また、本発明は、少なくともMnを固溶または共晶状態で含む、β−Ni(OH)2型のニッケル酸化物を主体とするアルカリ蓄電池用正極活物質であって、前記Mnの平均価数が3.3価以上で、タップ密度が1.7g/cc以上であり、CuKα線を使用するX線回折の2θ=37〜40゜付近に位置するピークの積分強度Aに対する、2θ=18〜21゜付近に位置するピークの積分強度Bの比B/Aが1.25以下であることを特徴とする。
【0020】
前記ピーク強度比B/Aが1.25以下の場合、その作用効果は明らかではないが、サイクル末期のγ相の放電効率が著しく向上しサイクル安定性が向上する。
【0021】
さらに、本発明は、少なくともMnを固溶または共晶状態で含む、β−Ni(OH)2型のニッケル酸化物を主体とするアルカリ蓄電池用正極活物質であって、前記Mnの平均価数が3.3価以上で、タップ密度が1.7g/cc以上であり、40Å以下の細孔半径を有する空間体積が全細孔体積に対して60%以上であることを特徴としたものであり、40Å以下の細孔(結晶子間の粒界)が多く存在することで、結晶構造の膨張収縮に伴う応力の緩和を図ることが可能となる。また、これらの細孔は比表面積に大きく影響を及ぼし、高率充放電時の充放電効率を著しく向上させることができる。また、その割合は全細孔に対して60%以上でないと充分な効果が得られない。
【0022】
本発明の請求項に記載の発明は、少なくともMnを固溶または共晶状態で含む、β−Ni(OH)2型のニッケル酸化物を主体とするアルカリ蓄電池用正極活物質であって、前記Mnの平均価数が3.3価以上で、タップ密度が1.7g/cc以上であり、CuKα線を使用するX線回折の2θ=37〜40゜付近に位置するピークの半価幅が1.2deg.以下であり、2θ=37〜40゜付近に位置するピークの積分強度Aに対する、2θ=18〜21゜付近に位置するピークの積分強度Bの比B/Aが1.25以下であり、40Å以下の細孔半径を有する空間体積が全細孔体積に対して60%以上であり、前記ニッケル酸化物の粉末は、導電性を有する金属酸化物もしくは金属により、その表面層が被覆されていることを特徴としたものであり、これにより、高密度で、かつ、高次酸化物との充放電効率が向上することから、高エネルギー密度化を図ることができる。さらに、前述のようにサイクル安定性の向上、高率放電特性の向上も同時に図ることができる。
【0023】
また、前記Niを主たる金属元素とする酸化物粉末は、主に粉末の表面に導電性を有する金属酸化物もしくは金属による表面層で被覆されていることを特徴としたものであり、これにより、金属酸化物もしくは金属といった導電材の分布がより均一になり導電性が向上することから、導電材の充填量を減らすことが可能となる。また、導電性の向上により、高率放電特性を向上させることができる。さらに、導電材が均一に分布していることで水溶液中での安定性が向上し、放電後の保存特性を著しく向上させることができる。
【0024】
本発明の請求項に記載の発明は、本発明によるニッケル酸化物中に固溶または共晶状態で有する該Mn含有量が、全金属元素合計に対して1モル%以上12モル%以下であることを特徴とするものである。1モル%より少ないと効果が小さく、また、12モル%より多いと、NiとMnのイオン半径の違いから結晶に歪みが生じやすくなり高密度に成長することが困難になる。従って、Mn含有量としては1モル%以上12モル%以下であることが好ましい。
【0025】
本発明の請求項に記載の発明は、本発明によるニッケル酸化物は、球状もしくはそれに類似した形状の粉末であることを特徴としたものであり、これにより電極への充填密度の向上を図ることができる。
【0026】
本発明の請求項に記載の発明は、上記Niを主たる金属元素とする酸化物には、NiとMnのほかに、少なくともAlが含まれていることを特徴としたものである。請求項1の発明により、Mnを固溶したニッケル酸化物は高次反応が進行し、かつ、高密度充填が可能であることから、エネルギー密度の向上を図ることができる。しかし、その一方で放電時の電圧が若干低いという課題を有していた。これに対して、同酸化物にAlを固溶することで放電電圧を向上させることができる。
【0027】
本発明の請求項に記載の発明は、上記Niを主たる金属元素とする酸化物には、NiとMnのほかに、少なくともCa、Mg、Ti、Zn、Sr、Ba、Y、Cd、Co、Cr、希土類金属、Biから選ばれた一種以上の元素が含まれていることを特徴としたものであり、前記金属元素を固溶することで酸素過電圧が増加し、充電効率を向上させる効果がある。
【0028】
本発明の請求項に記載の発明は、少なくともMnを固溶または共晶状態で含む、β−Ni(OH)2型のニッケル酸化物を主体とするアルカリ蓄電池用正極活物質であって、前記Mnの平均価数が3.3価以上で、タップ密度が1.7g/cc以上であるアルカリ蓄電池正極活物質を製造する方法であって、反応槽内の水溶液中の溶存酸素濃度を5mg/l以下に保持した状態で、Ni塩が主成分であり、少なくともMn塩を含む金属塩水溶液と、アルカリ水溶液とを連続的に作用させてニッケル酸化物を成長させた後、酸化することで前記正極活物質を得ることを特徴としたものである。ここで、溶存酸素が5mg/lより多いと金属酸化物の成長過程においてMnの酸化反応が進行し、Mnイオン半径の著しい低下により結晶格子に積層不整等の歪みが生じ、高密度成長が困難になる。そこで、反応槽内の溶存酸素濃度を5mg/l以下とすることでMnの酸化反応を抑制することができ、高密度成長が可能となる。また、少なくともMn塩を含むNi塩を主とする水溶液と、アルカリ水溶液とを連続的に作用させることで、少なくともMnを固溶したNiを主とする酸化物を高密度に成長させることができる。また、成長した該金属酸化物粉末を取り出した後に酸化させることで、Mnの平均価数を3.3価以上に引き上げることができ、高密度でかつ高い充放電効率の活物質を得ることができる。
【0029】
また、本発明は、前記合成槽内のpH値が11〜12.5であることを特徴としたものであり、pH値が11より小さいとMnの均一固溶が困難となり、また、12.5より大きいと微少粒子の凝集体となり高密度成長が困難となる。また、pH値が12.5より小さくすることで、CuKα線を使用するX線回折の2θ=37〜40゜付近に位置するピークの半価幅を1.2deg.以下にすることができる。従って、pH値は11〜12.5が適している。
【0030】
そして、本発明は、前記合成槽内の温度が20〜60℃であることを特徴としたものであり、20℃より低温においては反応槽の壁面にスケールが生成しやすく、また、60℃より高温においては微少粒子の凝集体となりやすく、いずれも高密度成長が困難となる。また、60℃以下で合成することにより、CuKα線を使用するX線回折の2θ=37〜40゜付近に位置するピークの積分強度Aに対する2θ=18〜21゜付近に位置するピークの積分強度Bの比A/Bを1.25以下とすることができ、サイクル寿命の向上を図ることが可能となる。従って、合成槽内の温度は20〜60℃が適している。
【0031】
さらに、本発明は、前記金属塩水溶液に含まれる全金属イオンの供給速度が2×10 -4 〜2×10 -2 mol/minとなるように、前記水溶液を供給することを特徴としたものであり、供給速度が2×10 -2 mol/minより速いと高密度にまで成長することができず、また、2×10 -4 mol/minより遅いと粒子表面の微細孔がなくなり表面積の著しい低下を引き起こす。また、2×10 -4 mol/minより速く供給することで、40Å以下の細孔半径を有する空間体積が全細孔体積に対して60%以上とすることが可能となり、高率充放電時の充放電効率を著しく向上させることが可能となる。従って、全金属イオンの供給速度が2×10 -4 〜2×10 -2 mol/minとなるように金属塩水溶液を供給することが好ましい。
【0032】
本発明の請求項に記載の発明は、前記反応槽内に不活性ガス、および/または、還元剤を連続的に供給することを特徴としたものであり、これにより、反応槽内の溶存酸素濃度を低くすることができ、高密度な該金属酸化物粉末を安定に取り出すことができる。
【0033】
本発明の請求項に記載の発明は、前記不活性ガスは、窒素、ヘリウム、アルゴンから選ばれる少なくとも一つを用いることを特徴としたものであり、これにより、比較的容易に反応槽内の溶存酸素濃度を低くすることができ、高密度な該金属酸化物粉末を安定に取り出すことができる。
【0034】
本発明の請求項記載の発明は、請求項における還元剤としてヒドラジンを用いることを特徴とするものであり、これにより、Mnの酸化反応を抑制することができ、高密度な該金属酸化物粉末を安定に取り出すことができる。
【0035】
本発明の請求項10記載の発明は、前記アルカリ水溶液として水酸化ナトリウム水溶液、または、水酸化ナトリウム水溶液にアンモニウムイオンを含む水溶液を用いることを特徴としたもので、少なくともMn塩を含むNi塩を主とする金属塩水溶液と連続的に作用させることで、該酸化物粒子を高密度に成長させることができる。
【0036】
本発明の請求項11記載の発明は、本発明による製造法における酸化の方法として、大気雰囲気中に保持することを提案するものであって、これにより該金属酸化物のMnの平均価数を3.3価以上に容易に引き上げることができる。
【0037】
本発明の請求項12記載の発明は、前記大気雰囲気下においては、20〜110℃で1時間以上保持する条件を特徴としたものであり、20℃より低温においてはMnの酸化反応が十分に進行せず、平均3.3価以上に引き上げることができない。また、110℃より高温においては酸化物の分解反応が進行し充放電効率の低下をもたらす。また、同酸化処理の時間に関しては、1時間以下では金属酸化物粒子内部まで酸化させることが困難である。
【0038】
本発明の請求項13記載の発明は、酸化させる方法として、酸素、または、酸化剤と作用させる方法を提案するものであって、該金属酸化物のMnの平均価数を3.3価以上に短時間で引き上げることができる。
【0039】
本発明の請求項14記載の発明は、前記酸化剤には、過酸化水素、過塩素酸塩から選ばれる少なくとも一つを用いることを特徴とするもので、これにより該金属酸化物のMnの平均価数を3.3価以上に引き上げることが可能である。
【0040】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図1から図を用いて説明する。
【0041】
(実施の形態1)
図1は本発明の一実施の形態による正極活物質を用いた円筒型密閉ニッケル・水素蓄電池を示す。図1において、極板群10は負極板11と正極板12の間にセパレータ13を介挿して渦巻き状に捲回して構成される。負極11は、水素吸蔵合金MmNi3.55Co0.75Mn0.4Al0.3を活物質としている。正極12は、ニッケル酸化物を活物質としている。電解液はK+、Na+、Li+の水酸化物からなるトータル10mol/lの高濃度のアルカリ水溶液からなる。セパレータ13はスルフォン化ポリプロピレン製で、負極板11と正極板12とを隔離している。極板群10は、ニッケルメッキされた鋼製の電池ケース14に挿入され、電解液を保持している。電池ケース14の開口部は、正極端子を兼ねるキャップ19との間に安全弁18を装着した封口板16、およびガスケット17により密閉されている。15は極板群10と電池ケース14の底部との間に介在させた絶縁板である。20は正極板12を封口板16に接続するニッケル製リード片である。安全弁18は、電池内で酸素ガスもしくは水素ガスが発生した場合に、電池ケース外へ放出し、電池の破裂を防止するもので、弁作動圧は15〜20kgf/cm2程度である。負極板のリード片は、図示しないが、電池ケース14に接続されている。
【0042】
この例では、負極をMmNi系AB5水素吸蔵合金で構成したが、LaNi5などの他のAB5系水素吸蔵合金、Zr−Ti−Mn−Ni系などのAB2系水素吸蔵合金、Mg−Ni系などのA2B系水素吸蔵合金、あるいはカドミウム負極や亜鉛負極を用いた場合にも同様に実施することができる。また、ここでは円筒型密閉電池について説明したが、角形密閉電池、あるいは電気自動車用や据え置き型の大型密閉電池であっても同様に実施可能である。
【0043】
図2は、本発明による正極の一例として、発泡状ニッケル基板に活物質混合物を充填した電極を模式的に表している。基板1は発泡状ニッケルから構成されている。基板空孔部2には活物質粉末3が充填されている。前記活物質粉末3は、平均価数3.3価以上のMnを原子比でNi:Mn=9:1の割合で固溶させたニッケル酸化物粒子である。導電性金属酸化物層4は、高い導電性を有すCo酸化物によって構成されており、活物質粒子表面および/または活物質粒子間、活物質と基体間に存在して、活物質の粉末間および活物質と基板間の導電性を補償する作用をもたせている。5は空隙部を示す。
【0044】
以上の説明では、基板を発泡ニッケルで構成したが、その他ニッケルフェルトなどの三次元金属多孔体あるいはパンチングメタルなどの二次元的な金属多孔板を用いても同様に実施可能である。また、活物質粉末としては、Niを主たる金属元素とする酸化物であって、NiとMnのほかに、Al、Ca、Ti、Zn、Sr、Ba、Y、Cd、Co、Cr、希土類金属、Biから選ばれた少なくとも一種以上の元素を固溶させた複数金属元素の金属酸化物粉末を用いた場合でも同様に実施可能である。
【0045】
図3は、本発明の正極活物質の製造方法を実施する反応装置の一例を示しており、反応槽21には、ニッケル塩とマンガン塩からなる金属塩水溶液供給ライン22と、アンモニウムイオン供給ライン23と、NaOH水溶液供給ライン24が導入されており、NaOH供給ライン24にはpHスタット25が備えられており、NaOH水溶液の供給量を調整している。
【0046】
金属塩水溶液供給ライン22は、ニッケル塩とマンガン塩以外に、Al、および/またはCa、Ti、Zn、Sr、Ba、Y、Cd、Co、Cr、希土類金属、Biから選ばれた一種以上の金属塩水溶液を供給するラインとしてもよい。
【0047】
反応槽21には恒温槽26が備えられており、反応槽21内の温度を一定に保っている。上部には成長した金属酸化物粒子含有液を取り出すライン27が備えられており、オーバーフローさせて、連続的に取り出せるようになっている。
【0048】
反応槽下部には不活性ガス供給ライン28が導入されており、窒素を連続的に供給でき溶存酸素を除去することが可能になっている。
【0049】
なお、前記不活性ガス供給ライン28によって、アルゴンガス、ヘリウムガスを連続的に供給しても構わない。また、不活性ガス供給ライン28以外に、還元剤供給ラインを設け、ヒドラジン等を連続的に供給できるようにしても構わない。
【0050】
反応槽21の内部には攪拌装置29に接続されている、攪拌翼30が備えられており、反応槽21内の諸条件を均一に保っている。
【0051】
なお、反応装置の構成としては前記の攪拌槽型装置に属するタイプ以外に、分級機能を有す部分を設けたマグマ型装置に属するタイプを採用しても構わない。
【0052】
以上の反応装置を用い成長させた金属酸化物粉末に、酸化処理を施したものを本発明によるアルカリ蓄電池用正極活物質とした。
【0053】
【実施例】
次に、本発明による製造法の諸条件を変化させることにより得られた具体的な実験例を説明する。
【0054】
実験例1)
まず、NiSO4およびMnSO4を含む混合水溶液、NaOH水溶液、NH3水溶液を準備し、50℃に保持された図3と同様の構成の反応装置内に、それぞれ0.5ml/minの流量で連続的に供給した。また、同時にArガスを800ml/minの流量で連続的に供給し、装置内の溶存酸素濃度を0.05mg/lに保持した。ここで、前記水溶液の濃度は、NiSO4濃度を2.2mol/l、MnSO4濃度を0.2mol/l、NH3濃度を5mol/lとし、NaOH濃度は4.2〜7mol/lの範囲内で変化させた。なお、前記NaOH濃度の違いにより、pH値は11〜13の範囲で異なる値を示した。また、このときのNiとMnイオンの供給速度は、前記水溶液濃度と供給流量から1.2×10-3mol/minと算出された。
【0055】
続いて、反応装置内のpHが一定となり、金属塩濃度と酸化物粒子濃度のバランスが一定となり、定常状態になったところで、オーバーフローにて得られた懸濁液を採取し、デカンテーションにより沈殿物を分離した。これを水洗させた後、水で湿った状態の金属酸化物粉末を大気中で保持することで、乾燥させるのと同時に酸化処理を施した。ここで、酸化処理条件は、大気中で20〜130℃の範囲で、20分〜24時間一定に保持した。このようにして、平均粒径10μmの粉末を得た。
【0056】
組成分析を実施した結果、得られた金属酸化物のMn固溶量はいずれも約8モル%であった。また、XRDパターンを記録したところ、いずれもβ−Ni(OH)2型の単相であることが確かめられた。図4に、典型的なXRDパターンを示す。また、タップ密度を測定したところ、いずれも1.7g/cc以上を示し、高エネルギー密度化のために適した材料(電極支持体への充填性に優れた材料)であることが確かめられた。
【0057】
さらに、ヨードメトリー法により全金属のトータル価数を求め、その値よりMnの平均価数を算出したところ、前記酸化処理の温度、時間によって2.8価〜3.7価の範囲でばらついた。すなわち、20℃で20分保持した場合2.8価を示し、130℃で24時間保持した場合3.7価を示した。また、Mnの平均価数または含有量と格子定数との間に相関関係(Vegardの法則)が認められたことから、MnはNiの一部と置換固溶していることが確認された。
【0058】
また、CuのKα線を用いたX線回折パターンを記録したところ、反応装置内のpHの違いにより2θ=37〜40゜付近のピークの半価幅が異なり、0.85〜1.34deg.であった。すなわち、pHが高いほど半価幅が大きくなる傾向があり、pHが11の場合の半価幅は0.85deg.となり、pHが13の場合は1.34deg.となった。
【0059】
このように種々の製造条件で得られた金属酸化物粉末100gに、10gのCo(OH)2粉末、40gの水を加え、混練してペースト状にした。このペーストを多孔度95%の発泡ニッケル基板に充填し、乾燥後、加圧成形することによって、ニッケル正極板を得た。このようにして得られた正極板を切断し、電極リードをスポット溶接し、理論容量1200mAhのニッケル正極を得た。ただし、ここで示すニッケル電極の容量密度は、活物質中のNiが一電子反応をするとして計算したものである。
【0060】
また、負極には、公知のアルカリ蓄電池用負極を用いた。ここでは、水素吸蔵合金MmNi3.55Co0.75Mn0.4Al0.3からなる負極を用いた。所望の割合で混合したMm、Ni、Co、Mn、およびAlをアーク溶解炉にて溶解して所望の組成の水素吸蔵合金を得た。この合金塊を不活性雰囲気中で機械的に粉砕し、粒径30μmの粉末とした。これに水と結着剤のカルボキシメチルセルロースを加えてペースト状に混練した。このペーストを電極支持体に加圧充填して、水素吸蔵合金負極板を得た。この負極板を切断し、容量1920mAhの負極とした。
【0061】
上記の正極と負極を厚さ0.15mmのスルフォン化ポリプロピレン不織布からなるセパレータを間に介して渦巻状の電極群を構成した。この電極群を電池ケース内に挿入し、10mol/lのKOH水溶液を2.2ml注入した後、作動弁圧約20kgf/cm2の安全弁を持つ封口板により電池ケースの開口部を密閉し、AAサイズの円筒密閉型ニッケル−水素蓄電池を作製した。
【0062】
まず、上記Mn平均価数の異なるサンプルを活物質として円筒密閉型電池を作製し、それらの電池特性を評価した。20℃において、120mAの電流で18時間充電し、240mAの電流で電池電圧1.0Vまで放電する充放電サイクルを繰り返し、放電容量が安定した後、測定された放電容量から活物質の利用率を求めた。なお、利用率は、活物質中のNiが一電子反応したときの理論電気量に対して算出した。
【0063】
図5は、これらの実験の結果を表す図であって、Mnの平均価数に対する利用率との関係を示す特性図である。この図から、Mnの平均価数が3.3価より低い範囲において、Mn価数の上昇に伴い利用率が向上する傾向があり、3.3価以上でほぼ頭打ちすることがわかる。従って、Mnの平均価数としては、3.3価以上が適切であると考えられる。次に、前記のCukα線を使用するX線回折パターンの2θ=38.5゜付近のピークの半価幅が種々異なるサンプルを活物質として円筒密閉型電池を作製し、それらの電池特性を評価した。評価方法は前記と同様にして利用率を求めた。
【0064】
図6は、これらの実験結果を表す図であって、半価幅に対する利用率との関係を示す特性図である。この図から、半価幅が1.2より大きい範囲において、半価幅の上昇に伴い利用率が低下する傾向があり、1.2以下で高い利用率を示すことがわかる。従って、Cukα線を使用するX線回折パターンの2θ=38.5゜付近のピークの半価幅としては、1.2以下が好ましい。
【0065】
実験例2)
実験例1に記載のニッケル酸化物製造条件において、NaOH水溶液の濃度を5.5mol/lとし、pH値を12.0付近で一定になるように制御し、反応装置内の温度を20〜80℃の範囲内で変化させて合成した。また、酸化処理条件は大気中80℃で24時間保持するものとした。これ以外は実験例1と同様にして金属酸化物粉末を得た。
【0066】
得られた金属酸化物粉末は、いずれも平均粒径10μmの球状粉末であり、タップ密度1.7g/cc以上であった。また、いずれもβ−Ni(OH)2型の単相であり、Mn固溶量は約8モル%であった。また、実験例1と同様にしてMnの平均価数を算出したところ、いずれも3.6価であった。また、CuKα線を用いたX線回折パターンを記録したところ、反応装置内の温度の違いにより、2θ=37〜40゜付近に位置するピークの積分強度Aに対する、2θ=18〜21゜付近に位置するピークの積分強度Bの比B/Aの値が異なり、B/A=1.1〜1.3の範囲内でばらついた。すなわち、反応槽内の温度が高いほどB/Aが高くなる傾向があり、20℃のとき、1.1となり、80℃のとき1.3となった。
【0067】
前記のCukα線を使用するX線回折パターンのピークの積分強度比B/Aが種々異なるサンプルを活物質として、実験例1と同様にして円筒密閉型電池を作製し、それらの電池特性を評価した。評価方法は、まず20℃において、120mAの電流で18時間充電し、240mAの電流で電池電圧1.0Vまで放電する充放電サイクルを10サイクル繰り返し、放電容量が安定した後、45℃において、0.6Aの電流で3時間充電し、0.6Aの電流で電池電圧0.8Vまで放電する充放電サイクルを繰り返した。前記の45℃での充放電サイクルの1サイクル目の利用率U(1st)と、300サイクル目の利用率U(300th)との比率U(300th)/U(1st)(以下では容量維持率と称する)を求めることで、サイクル安定性(寿命特性)を評価した。
【0068】
図7は、前記実験の結果を表す図であって、積分強度の比B/Aに対する容量維持率(U(300th)/U(1st))との関係を示す特性図である。この図から、積分強度の比B/Aが1.25以下で高い容量維持率を示すことがわかる。従って、サイクル安定性を高めるためには、CuKα線を使用するX線回折の2θ=37〜40゜付近に位置するピークの積分強度Aに対する、2θ=18〜21゜付近に位置するピークの積分強度Bとの比B/Aは、1.25以下であることが好ましい。
【0069】
実験例3)
実験例1に記載の製造上件において、NaOH水溶液の濃度を5.5mol/lとし、pH値を12.0付近で一定になるように制御し、NiとMnイオンの供給速度を5×10-5〜2×10-2mol/minの範囲内で変化させた。酸化処理条件は大気中80℃で24時間保持するものとした。これ以外は実験例1と同様にして金属酸化物粉末を得た。
【0070】
得られた酸化物粉末は、いずれも平均粒径10μmの球状粉末であり、タップ密度1.7g/cc以上であった。また、いずれもβ−Ni(OH)2型の単相であり、Mn固溶量は約8モル%であった。また、実験例1と同様にしてMnの平均価数を算出したところ、いずれも3.6価であった。また、窒素ガス吸着による細孔分布測定を実施したところ、前記NiとMnイオンの供給速度の違いにより、全細孔体積に対する40Å以下の細孔半径を有する空間体積の割合(以下では、40Å以下の細孔体積比率と称する)が40〜80%の範囲でばらついた。
【0071】
すなわち、供給速度が速いほど、前記細孔体積比率が高くなる傾向が有り、5×10-5mol/minのとき40%を示し、2×10-2mol/minのとき80%を示した。
【0072】
前記の40Å以下の細孔体積比率が種々異なるサンプルを活物質として、実験例1と同様にして円筒密閉型電池を作製し、それらの電池特性を評価した。評価方法は、まず20℃において、120mAの電流で18時間充電し、240mAの電流で電池電圧1.0Vまで放電する充放電サイクルを10サイクル繰り返し、放電容量が安定した後、20℃において、120mAの電流で18時間充電した後、電流値を240mAおよび1.2Aとして電池電圧0.8Vまで放電した。前記の240mAで放電したときの利用率U(240mA)と、1.2mAで放電したときの利用率U(1.2A)との比率U(1.2A)/U(240mA)(以下では放電容量比率と称する)を求めることで、高率放電特性を評価した。
【0073】
図8は、前記実験の結果を表す図であって、40Å以下の細孔体積比率に対する放電容量比率(U(1.2A)/U(240mA))との関係を示す特性図である。この図から、細孔体積比率が60%以上で高い放電容量比率を示すことがわかる。従って、高率放電特性を向上させるためには、全細孔体積に対する40Å以下の細孔半径を有する空間体積の割合は、60%以上であることが好ましい。
【0074】
実験例4)
実験例1に記載の製造条件において、NaOH水溶液の濃度を5.5mol/lとし、pH値を12.0付近で一定になるように制御し、酸化処理条件を大気中80℃で24時間保持するものとした。これ以外は実験例1と同様にして金属酸化物粉末を得た。
【0075】
得られた金属酸化物粉末は、いずれも平均粒径10μmの球状粉末であり、タップ密度1.7g/cc以上であった。そして、いずれもβ−Ni(OH)2型の単相であり、Mn固溶量は約8モル%であった。実験例1と同様にして、この金属酸化物中のMnの平均価数を測定したところ、3.6価を示した。また、CuのKα線を用いたX線回折パターンを記録したところ、2θ=37〜40゜付近のピークの半価幅が0.75deg.であり、2θ=37〜40゜付近に位置するピークの積分強度Aに対する2θ=18〜21゜付近に位置するピークの積分強度Bとの比B/Aの値は1.15であった。さらに、窒素ガス吸着による細孔分布測定を実施したところ、全細孔体積に対する40Å以下の細孔半径を有する空間体積の割合は、68%を示した。
【0076】
前記サンプルを用い、実験例1と同様にして円筒密閉型ニッケル−水素蓄電池を作製し電池特性を評価した。評価内容は、実験例1、2、3と同様にして、利用率、放電容量比率(U(1.2A)/U(240mA))および容量維持率(U(300th)/U(1st))を測定した。なお、比較のために現行品にて採用されているCo1重量%、Zn4重量%を固溶している公知のニッケル酸化物粉末を活物質として用い、同様にして円筒密閉型ニッケル−水素蓄電池を作製し、比較例1として電池特性を評価した。
【0077】
これらの実験結果を表1に示す。この表から、本発明の金属酸化物は、現行Ni(OH)2と比べ高利用率を示し、かつ、高率放電特性、寿命特性もほぼ同等レベルであることがわかる。
【0078】
【表1】

Figure 0004403594
【0079】
実験例5)
実験例4における金属酸化物の製造において、NiSO4とMnSO4の濃度比を変えた混合液を用い、Mn固溶量を0〜16モル%となるように合成した。
【0080】
得られたMn固溶の金属酸化物粉末は、いずれも平均粒径10μmの球状粉末であり、タップ密度1.7g/cc以上であった。また、いずれもβ−Ni(OH)2型の単相であり、Mnの平均価数は3.5〜3.6価の範囲内であった。また、CuのKα線を用いたX線回折パターンを記録したところ、2θ=37〜40゜付近のピークの半価幅は0.6〜0.9deg.の範囲内であり、2θ=37〜40゜付近に位置するピークの積分強度Aに対する2θ=18〜21゜付近に位置するピークの積分強度Bとの比B/Aの値は1.0〜1.2の範囲内であった。さらに、窒素ガス吸着による細孔分布測定を実施したところ、全細孔体積に対する40Å以下の細孔半径を有する空間体積の割合は、65〜73%の範囲内の値を示した。
【0081】
これらの金属酸化物を活物質として用い、実験例4と同様にして円筒密閉型電池を作製し、20℃で240mAでの放電電気量から利用率を求めた。さらに、それぞれの電極充填密度と前記利用率から、電極の体積エネルギー密度(実容量密度)を求めた。なお、電極充填密度については電極の体積と、充填した活物質および添加剤の真比重から計算した空間体積比率(多孔度)が25%になるよう、電極作製時の圧延率を調整した。
【0082】
図9は、これらの実験の結果を表す図であって、Mn固溶量に対する利用率および電極の体積エネルギー密度との関係を示す特性図である。この図から、Mn固溶量が1.0モル%以上で著しく高い利用率を示すことがわかる。また、Mn固溶量が1.0モル%以上で高い体積エネルギー密度を示し、12.0モル%より多くなると逆に低下することがわかる。体積エネルギー密度は、利用率以外に電極充填密度とも大きく関係し、また、充填密度は活物質のタップ密度に大きく影響する。そのため、Mn固溶量が多いと、NiとMnのイオン半径の違いから結晶中に歪みが生じやすく、タップ密度が減少し、電極充填密度が低下する。そのことが起因して体積エネルギー密度が減少したものと考えられる。従って、Mn固溶量としては、1.0モル%以上12.0モル%以下が適切であると考えられる。
【0083】
実験例6)
実験例4の製造法において、出発原料として、2.1mol/lのNiSO4
および0.2mol/lのMnSO4および0.1mol/lのAl2(SO43を含む混合水溶液を用いた以外は、同様にしてNiを主としMnとAlを含む金属酸化物を合成した。
【0084】
得られた金属酸化物は、平均粒径10μmの球状粉末であった。また、組成分析を実施した結果、得られた金属酸化物のMn、Al固溶量はそれぞれ8モル%、4モル%であり、β−Ni(OH)2型の単相であった。また、ヨードメトリー法により全金属のトータル価数を求め、その値よりMnの平均価数を算出したところ3.6価であった。また、CuのKα線を用いた粉末X線回折パターンを記録したところ、2θ=37〜40゜付近のピークの半価幅は0.81deg.であり、2θ=37〜40゜付近に位置するピークの積分強度Aに対する、2θ=18〜21゜付近に位置するピークの積分強度Bとの比B/Aの値は1.22であった。さらに、窒素ガス吸着による細孔分布測定を実施したところ、全細孔体積に対する40Å以下の細孔半径を有する空間体積の割合は、65%を示した。
【0085】
この金属酸化物を活物質として用い、実験例4と同様にして円筒密閉型電池を作製し、電池特性を評価した。その評価結果については、下記実験例7においていっしょにまとめる。
【0086】
実験例7)
実験例4の製造法において、出発原料として、2.1mol/lのNi(NO32および0.2mol/lのMn(NO32および0.1mol/lのCa(NO32を含む混合水溶液を用いた以外は、同様にしてNiを主としMnとCaを含む金属酸化物を合成した。
【0087】
得られた金属酸化物は、平均粒径10μmの球状粉末であった。また、組成分析を実施した結果、得られた金属酸化物のMn、Ca固溶量はそれぞれ8モル%、4モル%であり、β−Ni(OH)2型の単相であった。また、ヨードメトリー法により全金属のトータル価数を求め、その値よりMnの平均価数を算出したところ3.6価であった。また、CuのKα線を用いた粉末X線回折パターンを記録したところ、2θ=37〜40゜付近のピークの半価幅は0.73deg.であり、2θ=37〜40゜付近に位置するピークの積分強度Aに対する2θ=18〜21゜付近に位置するピークの積分強度Bとの比B/Aの値は1.17であった。さらに、窒素ガス吸着による細孔分布測定を実施したところ、全細孔体積に対する40Å以下の細孔半径を有する空間体積の割合は、71%を示した。
【0088】
この金属酸化物を活物質として用い、実験例4と同様にして円筒密閉型電池を作製し、電池特性を評価した。
【0089】
また、同様に比較のため、実験例4の製造法において、出発原料として、2.4mol/lのNiSO4を用いた以外は、同様にしてニッケル酸化物を合成した。得られたニッケル酸化物は、平均粒径10μmの球状粉末であった。
【0090】
このように得られたニッケル酸化物粉末を用い、実験例4と同様にして第2の比較例として円筒密閉型電池を作製した。
【0091】
実験例4、6、7および比較例2として作製した円筒密閉型電池を用い、実験例1と同様にして活物質の利用率を求めた。また、同実験における放電時において、実放電容量の1/2の電気量に相当する放電深度(DOD=50%)にて電圧を測定した。また、同実験における充電時において、試験温度を45℃に設定し、それ以外は同様にして活物質の利用率を求めた。表2に、それらの結果を示す。
【0092】
【表2】
Figure 0004403594
【0093】
表2から明らかなように、Alを固溶させることで、放電電圧の向上を図ることができ、また、Caを固溶させることで、高温における充電効率を向上させることができる。
【0094】
ここでは、NiとMnのほかに、Caが含まれた酸化物の例を示したが、Ca以外に、Mg、Ti、Zn、Sr、Ba、Y、Cd、Co、Cr、希土類金属、Biにおいても同様に高温における充電効率を向上させることができた。また、前記固溶元素とAlを組み合わせた酸化物においては、放電電圧の向上と充電効率の向上の相乗効果を確認することができた。
【0095】
実験例8)
実験例4の製造法において、酸化処理後に得られた金属酸化物粉末を水中に入れて攪拌しながら、20重量%の硫酸コバルト水溶液と、25重量%の水酸化ナトリウム水溶液とを滴下することで、Co酸化物による表面層で被覆されている金属酸化物粉末を合成した。
【0096】
得られた酸化物は、平均粒径10μmの球状粉末であった。組成分析を実施した結果、粉末内部層の金属酸化物と表面層のCo酸化物との比は10:1重量%であった。
【0097】
このようにして得られた金属酸化物粉末を用い、実験例4と同様にして円筒密閉型電池を作製した。
【0098】
実験例4および実験例8にて作製した円筒密閉型電池を用い、実験例4と同様にして活物質の利用率を測定した。さらに、同実験における放電時の電流を1200mAとしたときの利用率を測定した。表3に、それらの結果を示す。
【0099】
【表3】
Figure 0004403594
【0100】
表3から明らかなように、Co酸化物による表面層で被覆されている金属酸化物を用いた場合においても、同様に高い利用率を示し、特に、高率放電時において利用率を向上させる効果があることを確認することができた。
【0101】
なお、Co酸化物以外に、他の導電性を有する金属酸化物もしくは金属による表面層で被覆されている金属酸化物を用いた場合においても、同様な効果が得られた。
【0102】
実験例9)
実験例4の製造法において、Arガス流量を0〜1200ml/minとし、溶存酸素濃度を0.03〜9.00mg/lに変化させた以外は、同様にして金属酸化物粉末を得た。
【0103】
このときの溶存酸素濃度に対する得られた金属酸化物粉末のタップ密度との関係を図10に示す。この図から溶存酸素濃度が5mg/l以下で高いタップ密度を示すことがわかる。従って、溶存酸素濃度は5mg/l以下が適切であると考えられる。
【0104】
なお、ここではArガスを供給したが、窒素、ヘリウム等の他の不活性ガスを用いても同様に溶存酸素濃度を5mg/l以下に保つことができ、同様な特性の金属酸化物を得ることができた。また、これらを組み合わせた場合においても、あるいは、ヒドラジン等の還元剤を用いても同様な結果が得られた。
【0105】
比較のため実験例9の製造法において、金属酸化物を水洗させた後、真空下で乾燥させることで、酸化を抑制した以外は、同様にして金属酸化物粉末を得た。
【0106】
得られた金属粉末のMnの平均価数を測定したところ、2.4価を示した。また、同活物質の利用率は92%と著しく低かった。従って、酸化処理を施すことでMn価数を高める必要がある。
【0107】
実験例10)
実験例4の製造法において、大気中で0〜130℃で、20分〜24時間保持し酸化処理を施した以外は、同様にして金属酸化物粉末を得た。
【0108】
このときの各酸化温度での酸化時間に対する金属酸化物のMnの平均価数との関係を図11に示す。この図から、Mnの平均価数3.3価以上の金属酸化物を得るためには、20℃以上で1時間以上保持することが適切であると考えられる。しかし、110℃より高い温度で酸化処理を施した場合、利用率が低下する傾向があった。これは、同処理により金属酸化物の分解反応が進行したためと考えられる。従って、酸化温度としては20℃〜110℃が適切であると考えられる。
【0109】
なお、ここでは酸化処理を行うために大気中にて保持したが、酸素、または、過酸化水素、過塩素酸ナトリウム、過塩素酸カリウム等の酸化剤においても同様に、Mnの平均価数を3.3価以上とすることができた。
【0110】
実験例11)
実験例4の製造法において、合成槽内のpH値が10〜13の範囲内で変化させて合成した以外は、同様にして金属酸化物粉末を得た。
【0111】
これらの金属酸化物において、CuKα線を使用するX線回折測定を実施したところ、2θ=37〜40゜付近に位置するピークの半価幅を1.2deg.以下とするためには、pH値が12.5以下となるようにする必要があった。また、pH値が11より低いとき、高密度に成長させることが困難となり、タップ密度が1.7g/ccより小さくなった。
【0112】
実験例12)
実験例4の製造法において、合成槽内の温度が10〜80℃の範囲内で変化させて合成した以外は、同様にして金属酸化物粉末を得た。
【0113】
これらの金属酸化物において、CuKα線を使用するX線回折測定を実施したところ、2θ=37〜40゜付近に位置するピークの積分強度Aに対する、2θ=18〜21゜付近に位置するピークの積分強度Bとの比B/Aの値を1.25以下にするためには、温度を60℃以下に保持する必要であった。また、温度が20℃より低くなると温度制御が困難になるばかりでなく、スケールの生成が著しくなることから、高密度に成長させることが困難となり、タップ密度が1.7g/ccより小さくなった。
【0114】
実験例13)
実験例4の製造法において、金属塩水溶液に含まれる全金属イオンの供給速度が5×10-5〜5×10-2mol/minの範囲内で変化させて合成した以外は、同様にして金属酸化物粉末を得た。
【0115】
これらの金属酸化物において、窒素ガス吸着による細孔分布測定を実施したところ、全細孔体積に対する40Å以下の細孔半径を有する空間体積の割合を60%以上にするためには、全金属イオンの供給速度を2×10-4以上にすることが必要であった。また、供給速度が2×10-2より速くなると、滞留時間の著しい低下により、高密度に成長させることが困難となり、タップ密度が1.7g/ccより小さくなった。
【0116】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、正極活物質の利用率を高めることができ、エネルギー密度を大きく向上させることができる。さらに、寿命特性、高率放電特性の向上を図ることができる。
【0117】
これによって、エネルギー密度の優れたアルカリ蓄電池を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態における密閉アルカリ蓄電池の一部を切り欠いた斜視図
【図2】 本発明の一実施の形態による金属酸化物粉末を充填したニッケル正極のを模式的図
【図3】 本発明の一実施の形態による金属酸化物製造装置を示す図
【図4】 本発明の一実験例によるNiを主たる元素とする金属酸化物のXRDチャート
【図5】 本発明の実験例による金属酸化物のMn平均価数に対する利用率の変化を示す図
【図6】 本発明の実験例による金属酸化物のCuKα線を使用するX線回折の2θ=37〜40゜付近のピーク半価幅に対する利用率の変化を示す図
【図7】本発明の実験例による金属酸化物のCuKα線を使用するX線回折の2θ=37〜40゜付近に位置するピークの積分強度Aに対する、2θ=18〜21゜付近に位置するピークの積分強度Bの比B/Aの変化に伴う容量維持率の変化を示す図
【図8】本発明の実験例による金属酸化物の全細孔体積に対する40Å以下の細孔半径を有する空間体積の割合に対する、放電容量比率の変化を示す図
【図9】 本発明の実験例による金属酸化物のMn固溶量に対する利用率、体積エネルギー密度の変化を示す図
【図10】 同金属酸化物の製造課程において、反応槽内の溶存酸素濃度に対する合成物のタップ密度の変化を示す図
【図11】 本発明による製造過程において、大気雰囲気下での各温度(酸化温度)における保持時間(酸化時間)に対するMnの平均価数の変化を示す図
【符号の説明】
1 基板
2 基板空孔部
3 活物質粉末
4 導電性金属酸化物層
5 空隙部
10 極板群
11 負極板
12 正極板
13 セパレータ
14 電池ケース
15 絶縁板
16 封口板
17 ガスケット
18 安全弁
19 キャップ
20 正極リード片
21 反応槽
22 金属塩水溶液供給ライン
23 アンモニウムイオン供給ライン
24 NaOH水溶液供給ライン
25 pHスタット
26 恒温槽
27 金属酸化物粒子含有液取り出しライン
28 不活性ガス供給ライン
29 攪拌装置
30 攪拌翼[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  TECHNICAL FIELD The present invention relates to a high-capacity positive electrode active material for alkaline storage batteries mainly composed of a metal oxide containing Ni as a main metal element and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
With recent advances in semiconductor technology, electronic devices are becoming smaller, lighter and more multifunctional, and personalization of small portable devices such as mobile phones and laptop computers is rapidly progressing. For this reason, there is an increasing demand for smaller and lighter alkaline storage battery secondary batteries widely used as power sources.
[0003]
  To date, nickel oxide (NiOOH) has been used as the main active material of the positive electrode for alkaline storage batteries, but the electrode base has a higher porosity instead of a conventional sintered electrode using a sintered substrate. An electrode (foamed metal electrode) in which nickel oxide powder is densely packed in a three-dimensional foamed nickel porous body (about 95%) is industrialized (for example, Japanese Examined Patent Publication No. 62-54235, US Pat. No. 4,251,603) As a result, the energy density of the nickel positive electrode was dramatically improved.
[0004]
  In order to increase the energy density of the nickel positive electrode, improvement of a method for producing a nickel oxide powder as an active material has been one of important techniques. The conventional nickel oxide powder manufacturing method employs a method in which a nickel salt aqueous solution is allowed to act in an alkaline aqueous solution such as sodium hydroxide to cause precipitation, and then ripened to grow crystals and then pulverized by a mechanical method. However, there is a problem that it is difficult to obtain a high packing density because the manufacturing method is complicated and the powder shape is irregular. However, as disclosed in Japanese Patent Publication No. 4-80513, as another production method, ammonia is allowed to act on a nickel salt aqueous solution to form an ammonium complex of nickel, and nickel hydroxide is grown in an alkaline aqueous solution. A method has been proposed, and a continuous production method can be realized, and the cost can be reduced. Further, since the particle shape is close to a spherical shape, high-density filling is possible.
[0005]
  However, in this advancement, since high-density particles having a large particle size grown to several tens of μm are used as the active material, there is a problem that the charge / discharge efficiency is lowered due to the decrease in the electronic conductivity of the active material itself. It was. For this, Co, its oxide, Ni and the like are added to supplement the electron conductivity (Japanese Patent Publication No. 61-37733, Electrochemistry, Vol. 54, No. 2, p. 159 (1986). , Power Sources 12, p203 (1988)), and also in the active material itself, the charge / discharge efficiency was improved by dissolving a metal element other than Ni such as Co.
[0006]
  In addition, attempts to improve the charge / discharge efficiency by dissolving different metal elements in the crystal as described above are disclosed in Japanese Patent Publication Nos. 3-26903 and 3-50384, Electrochemistry, Vol. 54, no. 2, p164 (1986), Power Sources, 12, p203 (1988), a method of adding Cd and Co into the active material has been conventionally employed. However, from the environmental aspect, cadmium is used. A free battery is demanded, Zn is proposed as an example of a metal element replacing cadmium, and a solid solution of three elements such as Co, Zn and Ba is also proposed (US Pat. No. 5,366,681). It is to be noted that the dissimilar metal solid solution in nickel oxide for the purpose of improving the efficiency of the charge / discharge characteristics is an old technique, and is also known in Japanese Patent Application Laid-Open No. 51-122737.
[0007]
  By improving the substrate shape, active material shape, active material composition, additive, and the like as described above, the energy density of the positive electrode has been dramatically improved, and a positive electrode having an energy density of about 600 mAh / cc is now in practical use. However, as described above, the demand for improving the energy density as a power source for small portable devices is increasing. In order to improve the energy density of the battery, approaches from the aspects of positive / negative electrode, electrolyte, separator, and their constitution method can be considered, but for the negative electrode, instead of the conventional cadmium negative electrode, high energy density As a result of the practical application of metal hydrides (Power Sources 12, p. 393 (1988)), volume energy density more than double that of the positive electrode has been reached. In addition, with regard to the battery construction method, rapid high energy density has been promoted by technological progress such as thinning of the separator and high-density filling of the electrode plate, and now it is almost reaching its limit. Therefore, in order to realize further improvement in energy density, higher energy density of the positive electrode occupying almost half the volume ratio in the battery is becoming an important position as the most effective elemental technology.
[0008]
  In order to improve the energy density of the positive electrode, approaches for improving the electrode packing density such as improving the tap density of the active material, reducing the amount of additive, and reducing the amount of metal in the foamed nickel base can be considered. The limit is being reached. Therefore, it is necessary to attempt to improve the reactivity and the reaction order by modifying the active material itself. Nickel oxide, the current cathode active material, is β-type Ni (OH) when filled2It is said that a one-electron reaction (utilization rate: 100%) proceeds with β-type NiOOH (trivalent) in normal charging and discharging. However, β-NiOOH in this charged state is oxidized to γ-NiOOH (valence of 3.5 to 3.8), which is partially a high-order oxide, by overcharging. Note that at least γ-NiOOH is a non-stoichiometric material and is known to be disordered in terms of crystallinity (J. Power Sources, 8, p229 (1982), etc.). Conventionally, this γ-NiOOH is electrochemically inactive and causes not only a voltage drop and a capacity drop, but also a conductive agent due to the volume expansion of the electrode due to the expansion of the layers, contact failure with the substrate, dropout, Since it causes many harmful effects such as depletion of the electrolyte due to the incorporation of water molecules, attempts have been made to suppress the production.
[0009]
  However, in order to further increase the energy density using an active material based on nickel oxide, it is extremely important to make full use of the higher-order oxide γ-NiOOH. For this reason, a part of Ni is similar to α-type hydroxide in which dissimilar metals such as Mn (III), Al (III), Fe (III) are dissolved, and anion and water molecules are taken in between layers. Structural materials have been proposed (Solid State Ionics, 32/33, p. 104 (1989), J. Power Sources, 35, p. 249 (1991), US Pat. No. 5,348,822 (1994), US Patent No. 5569562 (1996), JP-A-8-225328, etc.). This oxide is said to be easily charged and discharged with a higher-order oxide having a structure similar to that of γ-NiOOH. However, in reality, this oxide has a wide interlayer and the material itself becomes very bulky, so that high density filling is difficult and practicality is considered to be poor.
[0010]
  On the other hand, we are paying attention to an active material which has a β-type crystal structure at the time of electrode filling and which is charged and discharged with a higher-order oxide γ-NiOOH. As an example, we have proposed the modification of nickel oxide by solid solution of different metals aiming at high density and higher order reactions. In addition, it has been proposed that a dissimilar metal that dissolves in particular has a promising composition mainly composed of Mn (for example, JP-A-8-222215, JP-A-8-222216, and JP-A-9). -115543). The above proposal discloses that Mn is dissolved in nickel oxide to improve proton mobility and electron conductivity and improve utilization. Nickel oxides in which Mn is dissolved are already proposed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 51-122737, 4-17956, and 5-41212.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
  As described above, several attempts have been proposed to improve the charge / discharge efficiency by reforming nickel oxide by dissolving different kinds of metals in solid solution. However, the effect may not be sufficiently obtained depending on the type and amount of dissimilar metals to be dissolved. On the other hand, in the nickel oxide in which Mn is dissolved as described above, the effect of improving the charge / discharge efficiency and the reaction order is extremely large, and the improvement of the energy density can be expected. However, in JP-A-4-179056 and JP-A-5-41212, since the purpose is mainly to improve the cycle life, it is not intended to improve the reaction order.
[0012]
  In JP-A-8-222215, JP-A-8-222216, and JP-A-9-115543, appropriate values such as Mn valence, crystal structure, pore distribution and the like that greatly affect the battery characteristics are set. This is not disclosed, and there is room for improvement in order to further increase the energy density. Further, in producing the nickel oxide in which Mn is dissolved, since Mn (II) is unstable and easily oxidized, it is extremely difficult to grow into high-density particles. However, the proposal does not include a description on an improvement method for this problem, and it is difficult to realize a high energy density. U.S. Pat. No. 5637423 also includes Ni (OH) containing Mn.2However, there is no disclosure regarding a method for producing a powdered metal oxide for the purpose of increasing the energy density.
[0013]
  In light of the above, an object of the present invention is to provide a positive electrode active material for an alkaline storage battery that achieves a dramatic increase in energy density and is excellent in charge / discharge efficiency and life characteristics, and a method for producing the same.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve this problem, in the present invention, various physical properties of nickel oxide having at least Mn as a solid solution or in a eutectic state, that is, an average valence of Mn, a tap density, and an X-ray diffraction using CuKα rays. The peak intensity ratio is optimized.
[0015]
  And the manufacturing method of the nickel oxide which has the above various favorable physical properties as a positive electrode active material for alkaline storage batteries is embodied.
[0016]
  By using the nickel oxide having the above configuration as a positive electrode active material for an alkaline storage battery, it is possible to dramatically increase energy density, improve cycle stability, and improve high rate discharge characteristics.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  The present inventionΒ-Ni (OH) containing at least Mn in a solid solution or eutectic state2Type positive electrode active material for alkaline storage batteries mainly composed of nickel oxide, wherein Mn has an average valence of 3.3 or more, a tap density of 1.7 g / cc or more, and uses CuKα radiation The half width of the peak located in the vicinity of 2θ = 37 to 40 ° of X-ray diffraction is 1.2 deg. As the dissimilar metal that is solid-dissolved in the nickel oxide, Mn having a remarkable effect for increasing the reaction order is preferable. Further, the average valence of Mn is preferably 3.3 or more. When the average valence is lower than 3.3, the charge / discharge efficiency in the initial cycle is remarkably lowered due to a decrease in electron conductivity or a decrease in γ production efficiency. Further, the tap density is preferably 1.7 g / cc or more, and if it is 1.7 g / cc or less, the filling density of the electrode is lowered and it is difficult to achieve a high energy density. Further, the half width of a peak located in the vicinity of 2θ = 37 to 40 ° of X-ray diffraction using CuKα ray is 1.2 deg. It is particularly desirable that That is, the charge / discharge efficiency can be significantly improved in the case where the half width is small and the crystallinity is high.
[0018]
  The nickel oxide usually means nickel hydroxide.
[0019]
  The present invention also provides:Β-Ni (OH) containing at least Mn in a solid solution or eutectic state2A positive electrode active material for alkaline storage batteries mainly composed of nickel oxide, wherein the Mn has an average valence of 3.3 or more, a tap density of 1.7 g / cc or more, and uses CuKα radiation. The ratio B / A of the integrated intensity B of the peak located in the vicinity of 2θ = 18 to 21 ° to the integrated intensity A of the peak located in the vicinity of 2θ = 37 to 40 ° of X-ray diffraction is 1.25 or less. Features.
[0020]
  When the peak intensity ratio B / A is 1.25 or less, the effect is not clear, but the discharge efficiency of the γ phase at the end of the cycle is remarkably improved and the cycle stability is improved.
[0021]
  Furthermore, the present invention providesΒ-Ni (OH) containing at least Mn in a solid solution or eutectic state2A positive electrode active material for an alkaline storage battery mainly composed of a nickel oxide, wherein the Mn has an average valence of 3.3 or more, a tap density of 1.7 g / cc or more, and a pore size of 40 mm or less The space volume having a radius is characterized by 60% or more of the total pore volume, and the presence of many pores (grain boundaries between crystallites) of 40 mm or less, It becomes possible to alleviate the stress accompanying expansion and contraction. Moreover, these pores have a great influence on the specific surface area, and can significantly improve the charge / discharge efficiency during high rate charge / discharge. Further, sufficient effects cannot be obtained unless the ratio is 60% or more with respect to all pores.
[0022]
  Claims of the invention1The invention described in [3] includes at least Mn in a solid solution or eutectic state, β-Ni (OH)2A positive electrode active material for alkaline storage batteries mainly composed of nickel oxide, wherein the Mn has an average valence of 3.3 or more, a tap density of 1.7 g / cc or more, and uses CuKα radiation. The half width of a peak located in the vicinity of 2θ = 37 to 40 ° of X-ray diffraction is 1.2 deg. The ratio B / A of the integrated intensity B of the peak located in the vicinity of 2θ = 18 to 21 ° to the integrated intensity A of the peak located in the vicinity of 2θ = 37 to 40 ° is 1.25 or less, and 40Å The space volume having the following pore radius is 60% or more with respect to the total pore volume.The surface of the nickel oxide powder is coated with a conductive metal oxide or metal.This improves the charge / discharge efficiency with the high-order oxide with a high density, and thus a high energy density can be achieved. Furthermore, as described above, it is possible to simultaneously improve cycle stability and high rate discharge characteristics.
[0023]
  The oxide powder containing Ni as a main metal element is characterized in that the surface of the powder is mainly coated with a conductive metal oxide or metal surface layer. Since the distribution of the conductive material such as metal oxide or metal becomes more uniform and the conductivity is improved, the filling amount of the conductive material can be reduced. In addition, the high-rate discharge characteristics can be improved by improving the conductivity. Furthermore, since the conductive material is uniformly distributed, stability in an aqueous solution is improved, and storage characteristics after discharge can be remarkably improved.
[0024]
  Claims of the invention2The invention described in (2) is characterized in that the Mn content in a solid solution or a eutectic state in the nickel oxide according to the present invention is 1 mol% or more and 12 mol% or less with respect to the total of all metal elements. Is. If the amount is less than 1 mol%, the effect is small. If the amount is more than 12 mol%, the crystal tends to be distorted due to the difference in ionic radius between Ni and Mn, making it difficult to grow at a high density. Accordingly, the Mn content is preferably 1 mol% or more and 12 mol% or less.
[0025]
  Claims of the invention3In the invention described in (2), the nickel oxide according to the present invention is characterized in that it is a powder having a spherical shape or a shape similar thereto, whereby the packing density of the electrode can be improved.
[0026]
  Claims of the invention4The invention described in 1 is characterized in that the oxide containing Ni as a main metal element contains at least Al in addition to Ni and Mn. According to the first aspect of the present invention, the nickel oxide containing Mn as a solid solution undergoes a higher order reaction and can be filled with high density, so that the energy density can be improved. However, on the other hand, it has a problem that the voltage during discharge is slightly low. On the other hand, the discharge voltage can be improved by dissolving Al in the oxide.
[0027]
  Claims of the invention5In the invention described in the above, in addition to Ni and Mn, the oxide containing Ni as a main metal element includes at least Ca, Mg, Ti, Zn, Sr, Ba, Y, Cd, Co, Cr, rare earth metal, One or more elements selected from Bi are included, and by dissolving the metal element in solid solution, the oxygen overvoltage is increased and the charging efficiency is improved.
[0028]
  Claims of the invention6The invention described in [3] includes at least Mn in a solid solution or eutectic state, β-Ni (OH)2A positive electrode active material for alkaline storage batteries mainly composed of a nickel oxide type, wherein the Mn has an average valence of 3.3 or more and a tap density of 1.7 g / cc or more A method of manufacturing, wherein a dissolved oxygen concentration in an aqueous solution in a reaction vessel is maintained at 5 mg / l or less, an Ni salt is a main component, and an aqueous metal salt solution containing at least an Mn salt and an alkaline aqueous solution. The positive electrode active material is obtained by oxidizing after continuously acting to grow nickel oxide. Here, if the dissolved oxygen is more than 5 mg / l, the oxidation reaction of Mn proceeds during the growth process of the metal oxide, and the crystal lattice is distorted due to the remarkable decrease in the Mn ion radius, making it difficult to grow at high density. become. Therefore, by setting the dissolved oxygen concentration in the reaction vessel to 5 mg / l or less, the oxidation reaction of Mn can be suppressed and high-density growth is possible. Further, by continuously acting an aqueous solution mainly containing Ni salt containing at least Mn salt and an alkaline aqueous solution, an oxide mainly containing Ni containing at least Mn as a solid solution can be grown at a high density. . Further, by taking out the grown metal oxide powder and oxidizing it, the average valence of Mn can be increased to 3.3 or more, and an active material having high density and high charge / discharge efficiency can be obtained. it can.
[0029]
  Further, the present invention is characterized in that the pH value in the synthesis tank is 11 to 12.5, and if the pH value is smaller than 11, it becomes difficult to uniformly dissolve Mn. If it is larger than 5, it becomes an aggregate of fine particles and high density growth becomes difficult. Further, by making the pH value smaller than 12.5, the half width of the peak located in the vicinity of 2θ = 37 to 40 ° of X-ray diffraction using CuKα ray is 1.2 deg. It can be: Accordingly, a pH value of 11 to 12.5 is suitable.
[0030]
  And this invention is characterized by the temperature in the said synthesis tank being 20-60 degreeC, and it is easy to produce | generate a scale on the wall surface of a reaction tank in temperature lower than 20 degreeC, and more than 60 degreeC. At high temperatures, it tends to be agglomerates of fine particles, and high density growth is difficult in all cases. Further, by synthesizing at 60 ° C. or lower, the integrated intensity of the peak located in the vicinity of 2θ = 18 to 21 ° with respect to the integrated intensity A of the peak located in the vicinity of 2θ = 37 to 40 ° of X-ray diffraction using CuKα ray. The ratio A / B of B can be 1.25 or less, and the cycle life can be improved. Therefore, 20-60 degreeC is suitable for the temperature in a synthesis tank.
[0031]
  Further, according to the present invention, the supply rate of all metal ions contained in the aqueous metal salt solution is 2 × 10. -Four ~ 2x10 -2 The aqueous solution is supplied so as to be mol / min, and the supply rate is 2 × 10. -2 If it is faster than mol / min, it cannot grow to a high density, and 2 × 10 -Four When it is slower than mol / min, the fine pores on the particle surface disappear and the surface area is remarkably lowered. 2 × 10 -Four By supplying faster than mol / min, the space volume having a pore radius of 40 mm or less can be made 60% or more with respect to the total pore volume, and the charge / discharge efficiency at the time of high rate charge / discharge is remarkably improved. It becomes possible to make it. Therefore, the supply rate of all metal ions is 2 × 10. -Four ~ 2x10 -2 It is preferable to supply the metal salt aqueous solution so as to be mol / min.
[0032]
  Claims of the invention7The invention described in (3) is characterized in that an inert gas and / or a reducing agent is continuously supplied into the reaction vessel, thereby reducing the dissolved oxygen concentration in the reaction vessel. The metal oxide powder having a high density can be taken out stably.
[0033]
  Claims of the invention8In the invention described in item 3, the inert gas is characterized by using at least one selected from nitrogen, helium, and argon, so that the dissolved oxygen concentration in the reaction vessel can be lowered relatively easily. And the metal oxide powder having a high density can be taken out stably.
[0034]
  Claims of the invention9The described invention is claimed.7In this method, hydrazine is used as the reducing agent in the metal oxide, whereby the oxidation reaction of Mn can be suppressed and the high-density metal oxide powder can be taken out stably.
[0035]
  Claims of the invention10The invention described is characterized in that an aqueous sodium hydroxide solution or an aqueous solution containing ammonium ions in the aqueous sodium hydroxide solution is used as the alkaline aqueous solution, and an aqueous metal salt solution mainly comprising an Ni salt containing at least a Mn salt. Thus, the oxide particles can be grown at a high density.
[0036]
  Claims of the invention11The described invention proposes to keep in the air atmosphere as an oxidation method in the production method according to the present invention, whereby the average valence of Mn of the metal oxide is increased to 3.3 or more. Can be pulled up easily.
[0037]
  Claims of the invention12The described invention is characterized in that it is maintained at 20 to 110 ° C. for 1 hour or more in the air atmosphere, and the oxidation reaction of Mn does not proceed sufficiently at a temperature lower than 20 ° C., and an average of 3 .It cannot be increased to more than 3 valences. In addition, at a temperature higher than 110 ° C., the decomposition reaction of the oxide proceeds and the charge / discharge efficiency is lowered. In addition, regarding the time of the oxidation treatment, it is difficult to oxidize the inside of the metal oxide particles within 1 hour or less.
[0038]
  Claims of the invention13The described invention proposes a method of reacting with oxygen or an oxidizing agent as a method of oxidizing, and raising the average valence of Mn of the metal oxide to 3.3 or more in a short time. Can do.
[0039]
  Claims of the invention14The invention described is characterized in that at least one selected from hydrogen peroxide and perchlorate is used as the oxidizing agent, whereby the average valence of Mn of the metal oxide is 3. It is possible to raise it to 3 or more.
[0040]
  Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.3Will be described.
[0041]
  (Embodiment 1)
  FIG. 1 shows an embodiment of the present invention.Embodiment2 shows a cylindrical sealed nickel-hydrogen storage battery using a positive electrode active material by In FIG. 1, the electrode plate group 10 is configured by winding a separator 13 between a negative electrode plate 11 and a positive electrode plate 12 in a spiral shape. The negative electrode 11 is a hydrogen storage alloy MmNi3.55Co0.75Mn0.4Al0.3Is an active material. The positive electrode 12 uses nickel oxide as an active material. Electrolyte is K+, Na+, Li+It consists of a high concentration alkaline aqueous solution of 10 mol / l in total consisting of hydroxides of The separator 13 is made of sulfonated polypropylene and separates the negative electrode plate 11 and the positive electrode plate 12. The electrode plate group 10 is inserted into a nickel-plated steel battery case 14 and holds an electrolytic solution. The opening of the battery case 14 is sealed with a sealing plate 16 and a gasket 17 each having a safety valve 18 between the cap 19 serving also as a positive electrode terminal. An insulating plate 15 is interposed between the electrode plate group 10 and the bottom of the battery case 14. A nickel lead piece 20 connects the positive electrode plate 12 to the sealing plate 16. The safety valve 18 releases the battery case when oxygen gas or hydrogen gas is generated in the battery and prevents the battery from bursting. The valve operating pressure is 15 to 20 kgf / cm.2Degree. The lead piece of the negative electrode plate is connected to the battery case 14 (not shown).
[0042]
  In this example, the negative electrode is MmNi-based AB.FiveMade of hydrogen storage alloy, but LaNiFiveOther ABs such asFive-Based hydrogen storage alloy, Zr-Ti-Mn-Ni-based AB, etc.2-Based hydrogen storage alloy, Mg-Ni type A, etc.2The same can be done when a B-based hydrogen storage alloy, a cadmium negative electrode, or a zinc negative electrode is used. Although the cylindrical sealed battery has been described here, the present invention can be similarly applied to a rectangular sealed battery or a large sealed battery for an electric vehicle or a stationary type.
[0043]
  FIG. 2 schematically shows an electrode in which a foamed nickel substrate is filled with an active material mixture as an example of the positive electrode according to the present invention. The substrate 1 is made of foamed nickel. The substrate hole portion 2 is filled with an active material powder 3. The active material powder 3 is nickel oxide particles in which Mn having an average valence of 3.3 or higher is solid-solved at an atomic ratio of Ni: Mn = 9: 1. The conductive metal oxide layer 4 is made of a highly conductive Co oxide, and is present on the surface of the active material particles and / or between the active material particles, between the active material and the substrate, and is a powder of the active material. And has an effect of compensating for conductivity between the active material and the substrate. Reference numeral 5 denotes a gap.
[0044]
  In the above description, the substrate is made of foamed nickel. However, the present invention can be similarly implemented by using a three-dimensional metal porous body such as nickel felt or a two-dimensional metal porous plate such as punching metal. The active material powder is an oxide containing Ni as a main metal element. In addition to Ni and Mn, Al, Ca, Ti, Zn, Sr, Ba, Y, Cd, Co, Cr, rare earth metal The present invention can be similarly applied even when a metal oxide powder of a plurality of metal elements in which at least one element selected from Bi is dissolved is used.
[0045]
  FIG. 3 shows an example of a reaction apparatus for carrying out the method for producing a positive electrode active material of the present invention. In a reaction vessel 21, a metal salt aqueous solution supply line 22 made of nickel salt and manganese salt, and an ammonium ion supply line are shown. 23 and a NaOH aqueous solution supply line 24 are introduced, and the NaOH supply line 24 is provided with a pH stat 25 to adjust the supply amount of the NaOH aqueous solution.
[0046]
  In addition to nickel salt and manganese salt, the metal salt aqueous solution supply line 22 includes at least one selected from Al and / or Ca, Ti, Zn, Sr, Ba, Y, Cd, Co, Cr, rare earth metal, and Bi. A line for supplying an aqueous metal salt solution may be used.
[0047]
  The reaction tank 21 is provided with a thermostatic chamber 26, and the temperature in the reaction tank 21 is kept constant. The upper part is provided with a line 27 for taking out the grown metal oxide particle-containing liquid, and it can be continuously taken out by overflowing.
[0048]
  An inert gas supply line 28 is introduced at the lower part of the reaction tank, so that nitrogen can be continuously supplied and dissolved oxygen can be removed.
[0049]
  Note that argon gas and helium gas may be continuously supplied through the inert gas supply line 28. In addition to the inert gas supply line 28, a reducing agent supply line may be provided so that hydrazine or the like can be continuously supplied.
[0050]
  A stirring blade 30 connected to a stirring device 29 is provided inside the reaction tank 21, and various conditions in the reaction tank 21 are kept uniform.
[0051]
  In addition, as a structure of a reaction apparatus, you may employ | adopt the type which belongs to the magma type | mold apparatus which provided the part which has a classification function other than the type which belongs to the said stirring tank type | mold apparatus.
[0052]
  A metal oxide powder grown using the above reaction apparatus was subjected to an oxidation treatment to obtain a positive electrode active material for an alkaline storage battery according to the present invention.
[0053]
【Example】
  Next, it was obtained by changing various conditions of the production method according to the present invention.Specific experimental exampleWill be explained.
[0054]
  (Experimental example1)
  First, NiSOFourAnd MnSOFourMixed aqueous solution, NaOH aqueous solution, NHThreeAn aqueous solution was prepared and continuously supplied at a flow rate of 0.5 ml / min into a reactor having the same configuration as that shown in FIG. At the same time, Ar gas was continuously supplied at a flow rate of 800 ml / min, and the dissolved oxygen concentration in the apparatus was maintained at 0.05 mg / l. Here, the concentration of the aqueous solution is NiSO.FourConcentration is 2.2 mol / l, MnSOFourConcentration 0.2 mol / l, NHThreeThe concentration was 5 mol / l, and the NaOH concentration was changed within the range of 4.2 to 7 mol / l. In addition, the pH value showed the different value in the range of 11-13 by the difference in the said NaOH density | concentration. Further, the supply rate of Ni and Mn ions at this time is 1.2 × 10 4 from the concentration of the aqueous solution and the supply flow rate.-3It was calculated as mol / min.
[0055]
  Subsequently, the pH in the reaction apparatus becomes constant, the balance between the metal salt concentration and the oxide particle concentration becomes constant, and when it reaches a steady state, the suspension obtained by overflow is collected and precipitated by decantation. The thing was separated. After this was washed with water, the metal oxide powder moistened with water was kept in the atmosphere to be dried and oxidized at the same time. Here, the oxidation treatment conditions were kept constant in the range of 20 to 130 ° C. for 20 minutes to 24 hours in the atmosphere. In this way, a powder having an average particle size of 10 μm was obtained.
[0056]
  As a result of conducting the composition analysis, the Mn solid solution amount of the obtained metal oxide was about 8 mol% in all cases. Also, when XRD patterns were recorded, both were β-Ni (OH)2It was confirmed to be a single phase of the mold. FIG. 4 shows a typical XRD pattern. Moreover, when the tap density was measured, all showed 1.7 g / cc or more, and it was confirmed that it was a material suitable for high energy density (a material excellent in filling property to the electrode support). .
[0057]
  Furthermore, when the total valence of all metals was obtained by the iodometry method and the average valence of Mn was calculated from the value, it varied in the range of 2.8 to 3.7 depending on the temperature and time of the oxidation treatment. . That is, when it was held at 20 ° C. for 20 minutes, it showed 2.8 valence, and when it was kept at 130 ° C. for 24 hours, it showed 3.7 valence. Further, since a correlation (Vegard's law) was observed between the average valence or content of Mn and the lattice constant, it was confirmed that Mn was substituted and dissolved in a part of Ni.
[0058]
  Further, when an X-ray diffraction pattern using Cu Kα rays was recorded, the half width of the peak around 2θ = 37 to 40 ° was different depending on the pH in the reactor, and 0.85 to 1.34 deg. Met. That is, as the pH is higher, the half width tends to be larger, and when the pH is 11, the half width is 0.85 deg. When the pH is 13, 1.34 deg. It became.
[0059]
  Thus, 10 g of Co (OH) was added to 100 g of the metal oxide powder obtained under various production conditions.2Powder and 40 g of water were added and kneaded into a paste. This paste was filled in a foamed nickel substrate having a porosity of 95%, dried and then pressure-molded to obtain a nickel positive electrode plate. The positive electrode plate thus obtained was cut, and the electrode lead was spot welded to obtain a nickel positive electrode having a theoretical capacity of 1200 mAh. However, the capacity density of the nickel electrode shown here is calculated assuming that Ni in the active material has a one-electron reaction.
[0060]
  Moreover, the well-known negative electrode for alkaline storage batteries was used for the negative electrode. Here, hydrogen storage alloy MmNi3.55Co0.75Mn0.4Al0.3The negative electrode which consists of was used. Mm, Ni, Co, Mn, and Al mixed at a desired ratio were melted in an arc melting furnace to obtain a hydrogen storage alloy having a desired composition. This alloy lump was mechanically pulverized in an inert atmosphere to obtain a powder having a particle size of 30 μm. Water and a binder carboxymethylcellulose were added thereto and kneaded into a paste. This paste was pressure filled into the electrode support to obtain a hydrogen storage alloy negative electrode plate. This negative electrode plate was cut into a negative electrode having a capacity of 1920 mAh.
[0061]
  A spiral electrode group was formed with the positive electrode and the negative electrode interposed between separators made of a sulfonated polypropylene nonwoven fabric having a thickness of 0.15 mm. After inserting this electrode group into the battery case and injecting 2.2 ml of 10 mol / l KOH aqueous solution, the operating valve pressure was about 20 kgf / cm.2The opening of the battery case was sealed with a sealing plate having a safety valve, and an AA size cylindrical sealed nickel-hydrogen storage battery was produced.
[0062]
  First, cylindrical sealed batteries were produced using samples having different average Mn valences as active materials, and their battery characteristics were evaluated. At 20 ° C., the battery was charged with a current of 120 mA for 18 hours and discharged at a current of 240 mA to a battery voltage of 1.0 V. After the discharge capacity was stabilized, the utilization rate of the active material was determined from the measured discharge capacity. Asked. In addition, the utilization factor was calculated with respect to the theoretical amount of electricity when Ni in the active material reacted with one electron.
[0063]
  FIG. 5 is a characteristic diagram showing the results of these experiments and showing the relationship between the average valence of Mn and the utilization rate. From this figure, it can be seen that, in the range where the average valence of Mn is lower than 3.3, the utilization rate tends to improve as the Mn valence increases, and almost reaches the peak at 3.3 or more. Therefore, it is considered that the average valence of Mn is 3.3 or more. Next, cylindrical sealed batteries were fabricated using samples with different half-value widths of peaks near 2θ = 38.5 ° of the X-ray diffraction pattern using the above-mentioned Cukα rays as active materials, and the battery characteristics were evaluated. did. In the evaluation method, the utilization rate was obtained in the same manner as described above.
[0064]
  FIG. 6 is a diagram showing the results of these experiments, and is a characteristic diagram showing the relationship between the half-value width and the utilization rate. From this figure, it can be seen that in the range where the half-value width is larger than 1.2, the utilization rate tends to decrease as the half-value width increases, and a high utilization rate is exhibited at 1.2 or less. Therefore, the half width of the peak around 2θ = 38.5 ° of the X-ray diffraction pattern using the Cukα ray is preferably 1.2 or less.
[0065]
  (Experimental example2)
  Experimental example1, the NaOH aqueous solution concentration is 5.5 mol / l, the pH value is controlled to be constant around 12.0, and the temperature in the reactor is 20 to 80 ° C. It was synthesized by changing within the range. Further, the oxidation treatment conditions were maintained in the atmosphere at 80 ° C. for 24 hours. Other than thisExperimental exampleIn the same manner as in Example 1, metal oxide powder was obtained.
[0066]
  All of the obtained metal oxide powders were spherical powders having an average particle diameter of 10 μm and had a tap density of 1.7 g / cc or more. In both cases, β-Ni (OH)2It was a single phase of the mold, and the Mn solid solution amount was about 8 mol%. Also,Experimental exampleWhen the average valence of Mn was calculated in the same manner as in Example 1, all were 3.6. Further, when an X-ray diffraction pattern using CuKα rays was recorded, it was found that 2θ = 18 to 21 ° with respect to the integrated intensity A of the peak located near 2θ = 37 to 40 ° due to the temperature difference in the reactor. The value of the ratio B / A of the integrated intensity B of the peak located was different and varied within the range of B / A = 1.1 to 1.3. That is, the higher the temperature in the reaction tank, the higher the B / A tends to be, and it was 1.1 at 20 ° C. and 1.3 at 80 ° C.
[0067]
  Samples having different integrated intensity ratios B / A of the peaks of the X-ray diffraction pattern using the above-mentioned Cukα rays are used as active materials.Experimental exampleIn the same manner as in Example 1, cylindrical sealed batteries were produced and their battery characteristics were evaluated. The evaluation method was as follows. First, charging and discharging cycles were repeated for 10 hours at 20 ° C. with a current of 120 mA and discharged to a battery voltage of 1.0 V with a current of 240 mA. After the discharge capacity was stabilized, The battery was charged at a current of 6 A for 3 hours, and a charge / discharge cycle of discharging at a current of 0.6 A to a battery voltage of 0.8 V was repeated. Ratio U (300th) / U (1st) between the utilization rate U (1st) of the first cycle of the charge / discharge cycle at 45 ° C. and the utilization rate U (300th) of the 300th cycle (hereinafter referred to as capacity maintenance rate) Cycle stability (lifetime characteristics) was evaluated.
[0068]
  FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the capacity retention ratio (U (300th) / U (1st)) with respect to the ratio B / A of the integrated intensity. From this figure, it can be seen that a high capacity retention ratio is exhibited when the ratio B / A of the integrated intensity is 1.25 or less. Therefore, in order to improve cycle stability, the integration of the peak located in the vicinity of 2θ = 18 to 21 ° with respect to the integrated intensity A of the peak located in the vicinity of 2θ = 37 to 40 ° of the X-ray diffraction using the CuKα ray. The ratio B / A with the strength B is preferably 1.25 or less.
[0069]
  (Experimental example3)
  Experimental example1, the NaOH aqueous solution concentration is 5.5 mol / l, the pH value is controlled to be constant around 12.0, and the supply rate of Ni and Mn ions is 5 × 10 5.-Five~ 2x10-2It was changed within the range of mol / min. The oxidation treatment conditions were maintained at 80 ° C. for 24 hours in the atmosphere. Other than thisExperimental exampleIn the same manner as in Example 1, metal oxide powder was obtained.
[0070]
  All of the obtained oxide powders were spherical powders having an average particle diameter of 10 μm and had a tap density of 1.7 g / cc or more. In both cases, β-Ni (OH)2It was a single phase of the mold, and the Mn solid solution amount was about 8 mol%. Also,Experimental exampleWhen the average valence of Mn was calculated in the same manner as in Example 1, all were 3.6. Moreover, when the pore distribution measurement by nitrogen gas adsorption was performed, the ratio of the space volume having a pore radius of 40 mm or less with respect to the total pore volume (hereinafter referred to as 40 mm or less) due to the difference in the supply rate of the Ni and Mn ions. (Referred to as pore volume ratio) of 40-80%.
[0071]
  That is, the higher the supply rate, the higher the pore volume ratio tends to be, and 5 × 10 5-Five40% when mol / min, 2 × 10-2When mol / min, it was 80%.
[0072]
  Samples having different pore volume ratios of 40 mm or less are used as active materials.Experimental exampleIn the same manner as in Example 1, cylindrical sealed batteries were produced and their battery characteristics were evaluated. The evaluation method is as follows. First, a charge / discharge cycle of charging at 120 ° C. for 18 hours at 20 ° C. and discharging to a battery voltage of 1.0 V at a current of 240 mA is repeated 10 cycles. After the discharge capacity has stabilized, 120 mA at 20 ° C. Then, the battery was discharged to a battery voltage of 0.8 V with current values of 240 mA and 1.2 A. Ratio U (1.2 A) / U (240 mA) between the utilization rate U (240 mA) when discharged at 240 mA and the utilization rate U (1.2 A) when discharged at 1.2 mA (hereinafter referred to as discharge) The high rate discharge characteristic was evaluated by obtaining a capacity ratio).
[0073]
  FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the discharge capacity ratio (U (1.2 A) / U (240 mA)) with respect to the pore volume ratio of 40 μm or less. From this figure, it can be seen that a high discharge capacity ratio is exhibited when the pore volume ratio is 60% or more. Therefore, in order to improve the high rate discharge characteristics, the ratio of the space volume having a pore radius of 40 mm or less to the total pore volume is preferably 60% or more.
[0074]
  (Experimental example4)
  Experimental exampleIn the production conditions described in 1, the concentration of the NaOH aqueous solution is 5.5 mol / l, the pH value is controlled to be constant around 12.0, and the oxidation treatment conditions are maintained at 80 ° C. in the atmosphere for 24 hours. It was. Other than thisExperimental exampleIn the same manner as in Example 1, metal oxide powder was obtained.
[0075]
  All of the obtained metal oxide powders were spherical powders having an average particle diameter of 10 μm and had a tap density of 1.7 g / cc or more. And both are β-Ni (OH)2It was a single phase of the mold, and the Mn solid solution amount was about 8 mol%.Experimental exampleIn the same manner as in Example 1, when the average valence of Mn in the metal oxide was measured, it showed 3.6. Further, when an X-ray diffraction pattern using Cu Kα ray was recorded, the half width of the peak around 2θ = 37 ° to 40 ° was 0.75 deg. The ratio B / A of the peak integrated intensity B located near 2θ = 18 to 21 ° to the integrated intensity A of the peak located near 2θ = 37 to 40 ° was 1.15. Furthermore, when pore distribution measurement by nitrogen gas adsorption was performed, the ratio of the space volume having a pore radius of 40 mm or less to the total pore volume was 68%.
[0076]
  Using the sample,Experimental exampleIn the same manner as in Example 1, a cylindrical sealed nickel-hydrogen storage battery was produced and the battery characteristics were evaluated. Evaluation contentsExperimental exampleIn the same manner as in 1, 2, and 3, the utilization rate, the discharge capacity ratio (U (1.2 A) / U (240 mA)) and the capacity maintenance ratio (U (300 th) / U (1 st)) were measured. For comparison, a known nickel oxide powder in which Co 1% by weight and Zn 4% by weight used in the current product are dissolved is used as an active material, and a cylindrical sealed nickel-hydrogen storage battery is similarly manufactured. As a comparative example 1, battery characteristics were evaluated.
[0077]
  Table 1 shows the results of these experiments. From this table, the metal oxide of the present invention is the current Ni (OH)2It can be seen that it has a high utilization rate as compared with the above, and that the high rate discharge characteristics and life characteristics are almost the same level.
[0078]
[Table 1]
Figure 0004403594
[0079]
  (Experimental example5)
  Experimental exampleIn the production of the metal oxide in No. 4, NiSOFourAnd MnSOFourUsing a mixed solution in which the concentration ratio was changed, the Mn solid solution amount was synthesized to be 0 to 16 mol%.
[0080]
  Each of the obtained Mn solid-solution metal oxide powders was a spherical powder having an average particle diameter of 10 μm and had a tap density of 1.7 g / cc or more. In both cases, β-Ni (OH)2It was a single phase of the mold, and the average valence of Mn was in the range of 3.5 to 3.6. Further, when an X-ray diffraction pattern using Cu Kα rays was recorded, the half width of the peak around 2θ = 37 ° to 40 ° was 0.6 to 0.9 deg. The ratio B / A of the peak integrated intensity B located in the vicinity of 2θ = 18 to 21 ° to the integrated intensity A of the peak located in the vicinity of 2θ = 37 to 40 ° is 1.0 to It was within the range of 1.2. Furthermore, when the pore distribution measurement by nitrogen gas adsorption was performed, the ratio of the space volume having a pore radius of 40 mm or less to the total pore volume showed a value in the range of 65 to 73%.
[0081]
  Using these metal oxides as active materials,Experimental exampleA cylindrical sealed battery was produced in the same manner as in No. 4, and the utilization factor was determined from the amount of electricity discharged at 240 mA at 20 ° C. Furthermore, the volume energy density (actual capacity density) of the electrode was determined from each electrode packing density and the utilization factor. In addition, about the electrode packing density, the rolling rate at the time of electrode preparation was adjusted so that the space volume ratio (porosity) calculated from the volume of the electrode and the true specific gravity of the filled active material and additive may be 25%.
[0082]
  FIG. 9 is a diagram showing the results of these experiments, and is a characteristic diagram showing the relationship between the utilization rate with respect to the Mn solid solution amount and the volume energy density of the electrode. From this figure, it can be seen that when the Mn solid solution amount is 1.0 mol% or more, the utilization rate is extremely high. Also, it can be seen that when the Mn solid solution amount is 1.0 mol% or more, a high volume energy density is exhibited, and when it exceeds 12.0 mol%, the volume decreases. The volume energy density is greatly related to the electrode packing density in addition to the utilization factor, and the packing density greatly affects the tap density of the active material. Therefore, if the Mn solid solution amount is large, distortion is likely to occur in the crystal due to the difference in ionic radius between Ni and Mn, the tap density is reduced, and the electrode filling density is lowered. It is considered that the volume energy density has decreased due to this. Accordingly, it is considered that the Mn solid solution amount is suitably 1.0 mol% or more and 12.0 mol% or less.
[0083]
  (Experimental example6)
  Experimental exampleIn the production method of No. 4, 2.1 mol / l NiSO as a starting materialFour
And 0.2 mol / l MnSOFourAnd 0.1 mol / l Al2(SOFour)ThreeA metal oxide mainly containing Ni and containing Mn and Al was synthesized in the same manner except that a mixed aqueous solution containing was used.
[0084]
  The obtained metal oxide was a spherical powder having an average particle size of 10 μm. Moreover, as a result of conducting the composition analysis, the Mn and Al solid solution amounts of the obtained metal oxide were 8 mol% and 4 mol%, respectively, and β-Ni (OH)2It was a single phase of the mold. Moreover, when the total valence of all metals was calculated | required by the iodometry method and the average valence of Mn was computed from the value, it was 3.6 valence. Further, when a powder X-ray diffraction pattern using Cu Kα rays was recorded, the half width of the peak around 2θ = 37 ° to 40 ° was 0.81 deg. The ratio B / A of the peak integrated intensity B located near 2θ = 18 to 21 ° to the integral intensity A of the peak located near 2θ = 37 ° to 40 ° was 1.22. . Furthermore, when pore distribution measurement by nitrogen gas adsorption was performed, the ratio of the space volume having a pore radius of 40 mm or less to the total pore volume was 65%.
[0085]
  Using this metal oxide as an active material,Experimental exampleA cylindrical sealed battery was produced in the same manner as in Example 4, and the battery characteristics were evaluated. About the evaluation result, the followingExperimental examplePut together in 7.
[0086]
    (Experimental example7)
  Experimental exampleIn the production method of No. 4, 2.1 mol / l Ni (NOThree)2And 0.2 mol / l Mn (NOThree)2And 0.1 mol / l Ca (NOThree)2A metal oxide mainly containing Ni and containing Mn and Ca was synthesized in the same manner except that a mixed aqueous solution containing was used.
[0087]
  The obtained metal oxide was a spherical powder having an average particle size of 10 μm. Moreover, as a result of conducting the composition analysis, the Mn and Ca solid solution amounts of the obtained metal oxide were 8 mol% and 4 mol%, respectively, and β-Ni (OH)2It was a single phase of the mold. Moreover, when the total valence of all metals was calculated | required by the iodometry method and the average valence of Mn was computed from the value, it was 3.6 valence. Further, when a powder X-ray diffraction pattern using Cu Kα rays was recorded, the half width of the peak around 2θ = 37 ° to 40 ° was 0.73 deg. The ratio B / A of the peak integrated intensity B located near 2θ = 18 to 21 ° to the integrated intensity A of the peak located near 2θ = 37 to 40 ° was 1.17. Furthermore, when pore distribution measurement by nitrogen gas adsorption was performed, the ratio of the space volume having a pore radius of 40 mm or less to the total pore volume was 71%.
[0088]
  Using this metal oxide as an active material,Experimental exampleA cylindrical sealed battery was produced in the same manner as in Example 4, and the battery characteristics were evaluated.
[0089]
  Similarly, for comparison,Experimental exampleIn the production method of No. 4, 2.4 mol / l NiSO as a starting materialFourA nickel oxide was synthesized in the same manner except that was used. The obtained nickel oxide was a spherical powder having an average particle size of 10 μm.
[0090]
  Using the nickel oxide powder obtained in this way,Experimental exampleIn the same manner as in Example 4, a cylindrical sealed battery was produced as a second comparative example.
[0091]
  Experimental exampleUsing the cylindrical sealed battery produced as 4, 6, 7 and Comparative Example 2,Experimental exampleThe utilization factor of the active material was determined in the same manner as in 1. Further, during the discharge in the same experiment, the voltage was measured at a discharge depth (DOD = 50%) corresponding to a half of the actual discharge capacity. Further, at the time of charging in the same experiment, the test temperature was set to 45 ° C., and otherwise the utilization rate of the active material was determined in the same manner. Table 2 shows the results.
[0092]
[Table 2]
Figure 0004403594
[0093]
  As is apparent from Table 2, the discharge voltage can be improved by dissolving Al, and the charging efficiency at a high temperature can be improved by dissolving Ca.
[0094]
  Here, an example of an oxide containing Ca in addition to Ni and Mn is shown, but in addition to Ca, Mg, Ti, Zn, Sr, Ba, Y, Cd, Co, Cr, rare earth metal, Bi Similarly, the charging efficiency at high temperatures could be improved. Moreover, in the oxide which combined the said solid solution element and Al, the synergistic effect of the improvement of discharge voltage and the improvement of charging efficiency was able to be confirmed.
[0095]
  (Experimental example8)
  Experimental exampleIn the production method of No. 4, the metal oxide powder obtained after the oxidation treatment was placed in water and stirred, and then a 20 wt% aqueous solution of cobalt sulfate and a 25 wt% aqueous solution of sodium hydroxide were added dropwise, whereby Co A metal oxide powder coated with an oxide surface layer was synthesized.
[0096]
  The obtained oxide was a spherical powder having an average particle size of 10 μm. As a result of the composition analysis, the ratio of the metal oxide in the powder inner layer to the Co oxide in the surface layer was 10: 1% by weight.
[0097]
  Using the metal oxide powder thus obtained,Experimental exampleIn the same manner as in Example 4, a cylindrical sealed battery was produced.
[0098]
  Experimental example4 andExperimental exampleUsing the cylindrical sealed battery produced in 8,Experimental exampleThe utilization factor of the active material was measured in the same manner as in Example 4. Furthermore, the utilization factor was measured when the current during discharge in the experiment was 1200 mA. Table 3 shows the results.
[0099]
[Table 3]
Figure 0004403594
[0100]
  As is apparent from Table 3, even when a metal oxide coated with a surface layer of Co oxide is used, it shows a high utilization factor, and in particular, an effect of improving the utilization factor during high-rate discharge. I was able to confirm that there is.
[0101]
  In addition to the Co oxide, the same effect was obtained when using another metal oxide having conductivity or a metal oxide coated with a surface layer of metal.
[0102]
  (Experimental example9)
  Experimental exampleA metal oxide powder was obtained in the same manner except that the Ar gas flow rate was changed to 0 to 1200 ml / min and the dissolved oxygen concentration was changed to 0.03 to 9.00 mg / l in the production method of No. 4.
[0103]
  FIG. 10 shows a relationship between the tap density of the obtained metal oxide powder and the dissolved oxygen concentration at this time. From this figure, it can be seen that a high tap density is exhibited when the dissolved oxygen concentration is 5 mg / l or less. Therefore, it is considered that the dissolved oxygen concentration is appropriately 5 mg / l or less.
[0104]
  Although Ar gas was supplied here, the dissolved oxygen concentration can be kept at 5 mg / l or less similarly using other inert gases such as nitrogen and helium, and a metal oxide having similar characteristics can be obtained. I was able to. Similar results were obtained when these were combined or when a reducing agent such as hydrazine was used.
[0105]
  For comparisonExperimental exampleIn the production method of 9, the metal oxide powder was obtained in the same manner except that the metal oxide was washed with water and then dried under vacuum to suppress oxidation.
[0106]
  When the average valence of Mn of the obtained metal powder was measured, it showed 2.4. Moreover, the utilization factor of the active material was remarkably low at 92%. Therefore, it is necessary to increase the Mn valence by performing oxidation treatment.
[0107]
  (Experimental example10)
  Experimental exampleA metal oxide powder was obtained in the same manner except that the oxidation treatment was carried out in the production method of 4 at 0 to 130 ° C. in the atmosphere for 20 minutes to 24 hours.
[0108]
  FIG. 11 shows the relationship between the average valence of Mn of the metal oxide and the oxidation time at each oxidation temperature. From this figure, in order to obtain a metal oxide having an average valence of 3.3 or more of Mn, it is considered appropriate to hold at 20 ° C. or more for 1 hour or more. However, when the oxidation treatment is performed at a temperature higher than 110 ° C., the utilization rate tends to decrease. This is presumably because the decomposition reaction of the metal oxide progressed by the same treatment. Therefore, it is considered that an oxidation temperature of 20 ° C. to 110 ° C. is appropriate.
[0109]
  Note that although the oxidation treatment is performed in the atmosphere here, oxygen or an oxidizing agent such as hydrogen peroxide, sodium perchlorate, or potassium perchlorate similarly has an average valence of Mn. 3. It could be more than 3 valences.
[0110]
  (Experimental example11)
  Experimental exampleA metal oxide powder was obtained in the same manner except that the synthesis was carried out by changing the pH value in the synthesis tank within the range of 10 to 13 in the production method of No. 4.
[0111]
  When X-ray diffraction measurement using CuKα rays was performed on these metal oxides, the half width of a peak located near 2θ = 37 to 40 ° was 1.2 deg. In order to make it below, it was necessary to make the pH value 12.5 or less. Further, when the pH value was lower than 11, it was difficult to grow at a high density, and the tap density was smaller than 1.7 g / cc.
[0112]
  (Experimental example12)
  Experimental exampleA metal oxide powder was obtained in the same manner except that the synthesis was carried out by changing the temperature in the synthesis tank in the range of 10 to 80 ° C. in the production method of No. 4.
[0113]
  When X-ray diffraction measurement using CuKα rays was performed on these metal oxides, the peak of the peak located near 2θ = 18 to 21 ° with respect to the integrated intensity A of the peak located near 2θ = 37 to 40 °. In order to make the value of the ratio B / A with the integrated intensity B 1.25 or less, it was necessary to keep the temperature at 60 ° C. or less. Further, when the temperature is lower than 20 ° C., not only temperature control becomes difficult, but also scale generation becomes remarkable, so that it is difficult to grow at a high density, and the tap density becomes smaller than 1.7 g / cc. .
[0114]
  (Experimental example13)
  Experimental exampleIn the production method of No. 4, the supply rate of all metal ions contained in the aqueous metal salt solution is 5 × 10-Five~ 5x10-2A metal oxide powder was obtained in the same manner except that the synthesis was carried out by changing within the range of mol / min.
[0115]
  In these metal oxides, pore distribution measurement by nitrogen gas adsorption was carried out. In order to increase the ratio of the space volume having a pore radius of 40 mm or less to the total pore volume to 60% or more, the total metal ions Supply speed of 2 × 10-FourIt was necessary to do more. Also, the supply speed is 2 × 10-2At higher speeds, it was difficult to grow at a high density due to a significant decrease in residence time, and the tap density was less than 1.7 g / cc.
[0116]
【The invention's effect】
  As described above, according to the present invention, the utilization factor of the positive electrode active material can be increased, and the energy density can be greatly improved. Further, the life characteristics and high rate discharge characteristics can be improved.
[0117]
  Thus, an alkaline storage battery having an excellent energy density is provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is one of the present inventionEmbodimentThe perspective view which notched some sealed alkaline storage batteries in
FIG. 2 is one of the present inventionEmbodimentSchematic diagram of nickel positive electrode filled with metal oxide powder by
FIG. 3 is a diagram showing a metal oxide production apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows one aspect of the present invention.Experimental exampleXRD chart of metal oxides with Ni as the main element
FIG. 5 shows the present invention.Experimental exampleOf change in utilization rate with respect to Mn average valence of metal oxides
FIG. 6 of the present inventionExperimental exampleOf change in utilization rate with respect to the peak half-value width in the vicinity of 2θ = 37 ° to 40 ° in X-ray diffraction using CuKα ray of a metal oxide by means of
FIG. 7 shows the present invention.Experimental exampleOf the integrated intensity B of the peak located near 2θ = 18 to 21 ° to the integrated intensity A of the peak located near 2θ = 37 to 40 ° of X-ray diffraction using CuKα ray of the metal oxide by B / The figure which shows the change of the capacity maintenance rate accompanying the change of A
FIG. 8 shows the present invention.Experimental exampleOf the discharge capacity ratio with respect to the ratio of the space volume having a pore radius of 40 mm or less to the total pore volume of the metal oxide by
FIG. 9 shows the present invention.Experimental exampleOf change in utilization rate and volumetric energy density with respect to Mn solid solution of metal oxide
FIG. 10 is a graph showing changes in the tap density of the composite with respect to the dissolved oxygen concentration in the reaction vessel in the production process of the metal oxide.
FIG. 11 is a graph showing a change in average valence of Mn with respect to holding time (oxidation time) at each temperature (oxidation temperature) in an air atmosphere in the manufacturing process according to the present invention.
[Explanation of symbols]
    1 Substrate
    2 Substrate hole
    3 Active material powder
    4 Conductive metal oxide layer
    5 gap
  10 plate group
  11 Negative electrode plate
  12 Positive electrode plate
  13 Separator
  14 Battery case
  15 Insulation plate
  16 Sealing plate
  17 Gasket
  18 Safety valve
  19 cap
  20 Positive lead piece
  21 reaction tank
  22 Metal salt aqueous solution supply line
  23 Ammonium ion supply line
  24 NaOH aqueous solution supply line
  25 pH stat
  26 Thermostatic bath
  27 Metal oxide particle-containing liquid removal line
  28 Inert gas supply line
  29 Stirrer
  30 Stirring blade

Claims (14)

少なくともMnを固溶または共晶状態で含む、β−Ni(OH)2型のニッケル酸化物を主体とするアルカリ蓄電池用正極活物質であって、前記Mnの平均価数が3.3価以上で、タップ密度が1.7g/cc以上であり、CuKα線を使用するX線回折の2θ=37〜40゜付近に位置するピークの半価幅が1.2deg.以下であり、2θ=37〜40゜付近に位置するピークの積分強度Aに対する、2θ=18〜21゜付近に位置するピークの積分強度Bの比B/Aが1.25以下であり、40Å以下の細孔半径を有する空間体積が全細孔体積に対して60%以上であり、前記ニッケル酸化物の粉末は、導電性を有する金属酸化物もしくは金属により、その表面層が被覆されていることを特徴とするアルカリ蓄電池用正極活物質。A positive electrode active material for an alkaline storage battery mainly containing β-Ni (OH) 2 type nickel oxide containing at least Mn in a solid solution or eutectic state, wherein the average valence of Mn is 3.3 or more The peak half-width of the peak located in the vicinity of 2θ = 37 to 40 ° of X-ray diffraction using CuKα rays is 1.2 deg. Or less, 2 [Theta] = relative integrated intensity A of a peak located 37-40 near °, the ratio B / A of integrated intensity B of a peak located in the vicinity of 2 [Theta] = 18 to 21 ° is 1.25 or less, 40 Å The space volume having the following pore radius is 60% or more based on the total pore volume , and the surface layer of the nickel oxide powder is coated with a conductive metal oxide or metal. A positive electrode active material for an alkaline storage battery. 固溶または共晶状態で有するMn含有量はニッケル酸化物における全金属元素合計に対して1モル%以上12モル%以下であることを特徴とする請求項1に記載のアルカリ蓄電池用正極活物質。2. The positive electrode active material for an alkaline storage battery according to claim 1, wherein the Mn content in a solid solution or eutectic state is 1 mol% or more and 12 mol% or less with respect to the total of all metal elements in the nickel oxide. . ニッケル酸化物が球状もしくはそれに類似した形状の粉末であることを特徴とする請求項1に記載のアルカリ蓄電池用正極活物質。The positive electrode active material for an alkaline storage battery according to claim 1, wherein the nickel oxide is a powder having a spherical shape or a shape similar thereto. ニッケル酸化物には、NiとMnのほかに、少なくともAlが含まれていることを特徴とする請求項1に記載のアルカリ蓄電池用正極活物質。Nickel oxide, in addition to Ni and Mn, a positive electrode active material for an alkaline storage battery according to claim 1, characterized in that it contains at least Al. ニッケル酸化物には、NiとMnのほかに、Ca、Mg、Ti、Zn、Sr、Ba、Y、Cd、Co、Cr、希土類金属、Biから選ばれた少なくとも一種以上の元素が含まれていることを特徴とする請求項に記載のアルカリ蓄電池用正極活物質。In addition to Ni and Mn, the nickel oxide contains at least one element selected from Ca, Mg, Ti, Zn, Sr, Ba, Y, Cd, Co, Cr, rare earth metal, and Bi. The positive electrode active material for an alkaline storage battery according to claim 1 , wherein: 少なくともMnを固溶または共晶状態で含む、β−Ni(OH)2型のニッケル酸化物を主体とするアルカリ蓄電池用正極活物質であって、前記Mnの平均価数が3.3価以上で、タップ密度が1.7g/cc以上であり、CuKα線を使用するX線回折の2θ=37〜40゜付近に位置するピークの半価幅が1.2deg.以下であり、2θ=37〜40゜付近に位置するピークの積分強度Aに対する、2θ=18〜21゜付近に位置するピークの積分強度Bの比B/Aが1.25以下であり、40Å以下の細孔半径を有する空間体積が全細孔体積に対して60%以上であり、前記ニッケル酸化物の粉末は、導電性を有する金属酸化物もしくは金属により、その表面層が被覆されているアルカ
リ蓄電池用正極活物質を製造する方法であって、
反応槽内の水溶液中の溶存酸素濃度を5mg/l以下に保持し、反応槽内のpH値が11〜12.5であり、反応槽内の温度が20〜60℃である状態で、Ni塩が主成分であり、少なくともMn塩を含む金属塩水溶液と、アルカリ水溶液とを、前記金属塩水溶液に含まれる全金属イオンの供給速度が2×10 -4 〜2×10 -2 mol/minとなるように、前記水溶液を供給することにより、連続的に作用させてニッケル酸化物を成長させた後、酸化することを特徴とするアルカリ蓄電池用正極活物質の製造方法。
A positive electrode active material for an alkaline storage battery mainly containing β-Ni (OH) 2 type nickel oxide containing at least Mn in a solid solution or eutectic state, wherein the average valence of Mn is 3.3 or more The peak half-width of the peak located in the vicinity of 2θ = 37 to 40 ° of X-ray diffraction using CuKα rays is 1.2 deg. The ratio B / A of the integrated intensity B of the peak located in the vicinity of 2θ = 18 to 21 ° to the integrated intensity A of the peak located in the vicinity of 2θ = 37 to 40 ° is 1.25 or less, and 40Å The space volume having the following pore radius is 60% or more based on the total pore volume, and the surface layer of the nickel oxide powder is coated with a conductive metal oxide or metal. A method for producing a positive electrode active material for an alkaline storage battery, comprising:
In a state where the dissolved oxygen concentration in the aqueous solution in the reaction vessel is maintained at 5 mg / l or less, the pH value in the reaction vessel is 11 to 12.5, and the temperature in the reaction vessel is 20 to 60 ° C. The supply rate of the total metal ions contained in the metal salt aqueous solution is 2 × 10 −4 to 2 × 10 −2 mol / min. The method for producing a positive electrode active material for an alkaline storage battery is characterized in that, by supplying the aqueous solution, the nickel oxide is grown by continuous action and then oxidized.
反応槽内に不活性ガス、および/または、還元剤を連続的に供給することを特徴とする請求項記載のアルカリ蓄電池用正極活物質の製造方法。The method for producing a positive electrode active material for an alkaline storage battery according to claim 6 , wherein an inert gas and / or a reducing agent is continuously supplied into the reaction vessel. 不活性ガスは、窒素、ヘリウム、アルゴンから選ばれる少なくとも一つを用いることを特徴とする請求項記載のアルカリ蓄電池正極活物質の製造方法。The method for producing a positive electrode active material for an alkaline storage battery according to claim 7 , wherein the inert gas is at least one selected from nitrogen, helium, and argon. 還元剤には、ヒドラジンを用いることを特徴とする請求項記載のアルカリ蓄電池正極活物質の製造方法。The method for producing a positive electrode active material for an alkaline storage battery according to claim 7 , wherein hydrazine is used as the reducing agent. アルカリ水溶液として水酸化ナトリウム水溶液、または、水酸化ナトリウム水溶液とアンモニウムイオンを含む水溶液を用いることを特徴とする請求項記載のアルカリ蓄電池用正極活物質の製造方法。The method for producing a positive electrode active material for an alkaline storage battery according to claim 6 , wherein an aqueous sodium hydroxide solution or an aqueous solution containing an aqueous sodium hydroxide solution and ammonium ions is used as the alkaline aqueous solution. 大気雰囲気中に保持することで酸化することを特徴とする請求項記載のアルカリ蓄電池用正極活物質の製造方法。The method for producing a positive electrode active material for an alkaline storage battery according to claim 6 , wherein the material is oxidized by being held in an air atmosphere. 大気雰囲気下においては、20〜110℃で1時間以上保持することを特徴とする請求項11記載のアルカリ蓄電池用正極活物質の製造方法。The method for producing a positive electrode active material for an alkaline storage battery according to claim 11 , wherein the positive electrode active material is held at 20 to 110 ° C. for 1 hour or longer in an air atmosphere. 酸素または酸化剤と作用させることで酸化することを特徴とする請求項記載のアルカリ蓄電池用正極活物質の製造方法。The method for producing a positive electrode active material for an alkaline storage battery according to claim 6 , wherein oxidation is performed by acting with oxygen or an oxidizing agent. 酸化剤には、過酸化水素、過塩素酸塩から選ばれる少なくとも一つを用いることを特徴とする請求項13記載のアルカリ蓄電池正極活物質の製造方法。The method for producing a positive electrode active material for an alkaline storage battery according to claim 13 , wherein the oxidizing agent is at least one selected from hydrogen peroxide and perchlorate.
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