JP4479136B2 - ニッケル電極材料の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルカリ蓄電池のニッケル電極に用いる電極材料を製造する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、アルカリ蓄電池は、携帯電話、ノートパソコン、ハンディービデオカメラなどの携帯機器の普及に伴って、稼動時間の延長が要求されており、高容量化が強く望まれている。特に、ニッケル水素蓄電池は、水酸化ニッケルを主成分とする正極活物質を有するニッケル電極と、水素吸蔵合金を主材料とする負極と、を備えた二次電池であり、高容量且つ高信頼性の二次電池として、急速に普及してきている。
【0003】
アルカリ蓄電池のニッケル電極には、焼結式電極と非焼結式電極の2種類がある。焼結式電極は、活物質保持体としての多孔性ニッケル焼結基板を、硝酸ニッケルなどの酸性ニッケル塩水溶液に浸漬し、該基板の孔中にニッケル塩を含漬させ、その後、該ニッケル塩をアルカリ中で水酸化ニッケルに変化させる、という充填操作を繰り返し行うことにより得られる。しかるに、焼結式電極では、基板の多孔度を80%程度以上に大きくすることが困難であるため、充填される活物質量を増加させることができず、高容量化に限界がある。
【0004】
一方、非焼結式電極は、硫酸ニッケルなどの酸性ニッケル塩水溶液と水酸化ナトリウム水溶液とから生成された水酸化ニッケル粒子に、カルボキシメチルセルロースなどの結着剤を水に溶解してなる粘調液を加えて、ペーストを作製し、該ペーストを、多孔度95%以上の発泡基板又は繊維基板に、直接に充填することにより得られる。非焼結式電極によれば、高容量化を望むことができる。
【0005】
ところで、水酸化ニッケル自体は導電性に乏しいため、非焼結式電極においては、一般に、活物質粒子間の集電を改善する目的で、水酸化コバルトのような、コバルトの酸化数が2価のコバルト化合物が使用されている。2価のコバルト化合物は、それ自身導電性を有しないが、電池内での初期充電によって電気化学的に酸化されて導電性を有する高次コバルト化合物となり、導電性ネットワークとして有効に機能するようになる。特に、水酸化ニッケルからなる正極活物質の表面が水酸化コバルトで被覆されてなる正極材料を使用すれば、導電性ネットワークがより形成されやすくなり、高密度に充填した活物質の利用率を大幅に高めることが可能となる。なお、高次コバルト化合物とは、コバルトの酸化数が2価以上であるコバルト化合物のことであり、具体的には、オキシ水酸化コバルト(CoOOH)であると考えられる。
【0006】
初期充電による水酸化コバルトの酸化は不可逆反応であり、放電時に還元されないため、この不可逆分に相当する負極活物質が放電されずに残ってしまう。この放電されずに残る電気量を放電リザーブと言う。放電リザーブが生成すると、充電末期において、負極の未充電容量即ち充電リザーブが減少し、水素ガス発生が促進され、電池の内圧が増加し、サイクル寿命が短くなる。
【0007】
また、ニッケル水素蓄電池においては、負極合金の腐食によっても放電リザーブが生成する。更に、正極活物質である水酸化ニッケルの酸化還元において生じる不可逆生成物によっても、放電リザーブが生成する。
【0008】
従って、放電リザーブを削減できれば、充電末期における電池内圧の低下、サイクル寿命の向上、及び電池の高容量化、を図ることができる。
【0009】
そこで、特開平8−148146では、水酸化ニッケル粒子表面に予め高次コバルト化合物を偏在させることによって、初期充電による酸化によって放電リザーブが生成するのを抑制している。しかしながら、上述のように、放電リザーブ生成の原因は水酸化コバルトの不可逆容量だけではないので、これだけでは十分ではない。
【0010】
更に、放電リザーブを削減するために、正極活物質である水酸化ニッケルの一部を酸化する試みがなされている。例えば、特開2000−223119では、水酸化ニッケル粒子表面に高次コバルト化合物を保持させ、アルカリ水溶液中で水酸化ニッケルを部分酸化する方法が、示されている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の方法を、高濃度のアルカリ水溶液中で行った場合には、水酸化ニッケルの一部がγ−オキシ水酸化ニッケル(γ−NiOOH)まで酸化されて、粒子のタップ密度が低下し、高容量化に反する恐れがある。逆に、低濃度のアルカリ水溶液中で行った場合には、不活性なニッケル酸化物の副生成を生じ、水酸化ニッケル自体の活性が損なわれて、活物質利用率が低下する恐れがある。
【0012】
本発明は、放電リザーブを削減できると共に、高い活物質利用率を得ることができる、ニッケル電極材料、を得ることのできる製造方法を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、水酸化ニッケル又は異種元素が固溶された水酸化ニッケル固溶体からなる正極活物質粒子の表面に、コバルトの酸化数が2価以下である低次コバルト化合物からなる被覆層が形成されている、正極材料を、酸化剤の水溶液と30〜40重量%のアルカリ水溶液とで、又は、酸化剤を含有した30〜40重量%のアルカリ水溶液で、湿潤状態とし、該湿潤状態にて、70〜120℃の温度で加熱する、酸化処理工程、を備えており、上記酸化剤として、いずれも、ペルオキソ二硫酸カリウム、ペルオキソ二硫酸ナトリウム、ペルオキソ二硫酸アンモニウム、及び次亜塩素酸ナトリウムの内の、1種以上を用いる、ことを特徴とするニッケル電極材料の製造方法である。
【0014】
請求項1記載の発明においては、アルカリ水溶液の濃度が30〜40重量%であり、加熱温度が70〜120℃であるので、アルカリ水溶液中への低次コバルト化合物の溶解性が高く維持され、酸化反応が円滑に進行し、従って、低次コバルト化合物が酸化されて、コバルトの酸化数が2価より大きい高次コバルト化合物に変化すると共に、水酸化ニッケルの一部が酸化される。
【0015】
しかも、湿潤状態にて酸化処理するので、上記濃度のアルカリ水溶液で処理しても、不活性なニッケル酸化物の生成が抑制され、従って、水酸化ニッケル自体の活性は損なわれず、また、γ−NiOOHの生成も抑制され、従って、タップ密度の低下が防止される。
【0016】
従って、請求項1記載の製造方法によれば、正極活物質の水酸化ニッケルの一部が酸化されており、被覆層が高次コバルト化合物からなっており、タップ密度が高く、更に、正極活物質の活性が損なわれていない、ニッケル電極材料が得られる。このようなニッケル電極材料は、ニッケル電極、ひいてはニッケル水素蓄電池に用いた場合、次の(1)〜(3)に示す作用効果を奏する。
【0017】
(1) 正極活物質の水酸化ニッケルの一部が酸化されているので、その分だけ、電池組立後の初期充電による不可逆電気量の生成が防止される。また、被覆層が高次コバルト化合物からなっているので、その分だけ、電池組立後の初期充電による不可逆電気量の生成が防止される。従って、このニッケル電極材料を用いた電池においては、放電リザーブが充分に削減される。
【0018】
そして、放電リザーブを削減できるので、負極容量を実質的に増大させることができ、それ故、電池のサイズを同じに維持しながら高容量化を図ることができ、或いは、電池の容量を同じに維持しながら小型化を図ることができ、従って、小型化及び高容量化を共に図ることができる。
【0019】
また、放電リザーブを削減できるので、充電リザーブを増大でき、それ故、過充電時に発生するガスを充電リザーブによって効果的に吸収でき、従って、内圧上昇を抑制でき、充放電サイクル寿命を改善できる。
【0020】
(2) タップ密度が高いので、集電体に対して電極材料を高密度に充填できる。従って、高容量化を図ることができる。
【0021】
(3) 正極活物質の活性が損なわれることなく維持されているので、活物質利用率を向上できる。
【0022】
更に、請求項1記載の発明においては、湿潤状態で処理しているので、浸漬処理に比して、処理に用いる水溶液の量が少なくて済む。従って、製造コストが低減される。
【0023】
固溶される異種元素としては、コバルト、亜鉛、マグネシウム、カドミウム、アルミニウム、及びマンガンの内の1種以上が好ましい。コバルトが固溶された場合には、ニッケル電極材料における充電電位を卑側にシフトでき、充電電位と酸素発生電位との電位差を大きく設定できるので、電池における高温下での充電効率を向上できる。亜鉛、マグネシウム、及びカドミウムのいずれかが固溶された場合には、特に充電末期におけるγ−NiOOHの生成を抑制でき、ニッケル電極の膨潤を抑制できるので、電解液がニッケル電極に偏在するのを防止して充放電サイクル寿命を改善できる。
【0024】
例えば亜鉛及びコバルトが固溶された水酸化ニッケル固溶体からなる正極活物質粒子の製造は、次のように行う。
硫酸ニッケル、硫酸亜鉛、及び硫酸コバルトからなる混合水溶液に、硫酸アンモニウム水溶液を加え、更にpHをアルカリ側へ調整することにより、ニッケル、亜鉛、及びコバルトのアンミン錯イオンを生成させ、この水溶液を反応浴中の水酸化ナトリウム水溶液に撹拌しながら供給するとともに、反応浴のpHを11〜13及び温度を40〜50℃に維持する。これにより、水酸化亜鉛及び水酸化コバルトが固溶された水酸化ニッケル固溶体粒子即ち正極活物質粒子が生成する。
なお、硫酸亜鉛及び硫酸コバルトを省けば、水酸化ニッケルからなる正極活物質粒子が生成する。
【0025】
低次コバルト化合物からなる被覆層の形成は、次のように行う。
反応浴中の硫酸コバルト水溶液に上記正極活物質粒子を浸漬させて撹拌しながら、反応浴に水酸化ナトリウム水溶液を加えてpH11〜13を維持する。これにより、上記正極活物質粒子の表面に水酸化コバルトからなる被覆層が形成される。即ち、正極材料粒子が生成する。
【0026】
低次コバルト化合物としては、コバルト単体、一酸化コバルト、水酸化コバルトなどが挙げられる。特に、オキシ水酸化コバルトを生成しやすい点から、水酸化コバルトが好ましい。
【0027】
アルカリ水溶液としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムの内の1種以上が溶解された水溶液を用いるのが好ましい。
【0028】
酸化剤としては、ペルオキソ二硫酸カリウム(K2S2O8)、ペルオキソ二硫酸ナトリウム(Na2S2O8)、ペルオキソ二硫酸アンモニウム((NH4)2S2O8)、及び次亜塩素酸ナトリウム(NaOCl)の内の1種以上を用いる。これらの酸化剤は、2価のコバルト及び2価のニッケルを酸化できるものであるので、低次コバルト化合物だけでなく、水酸化ニッケルも確実に酸化される。
【0029】
【発明の実施の形態】
{ニッケル電極材料の製造}
(実施例1)
【0030】
[正極活物質の生成]
硫酸ニッケル、硫酸亜鉛、及び硫酸コバルトからなる混合水溶液に、硫酸アンモニウム水溶液を加え、更にpHをアルカリ側へ調整することにより、ニッケル、亜鉛、及びコバルトのアンミン錯イオンを生成させ、この水溶液を反応浴中の水酸化ナトリウム水溶液に撹拌しながら供給するとともに、反応浴のpHを11〜13及び温度を40〜50℃に維持した。これにより、水酸化亜鉛及び水酸化コバルトが固溶された水酸化ニッケル固溶体粒子即ち正極活物質粒子が生成した。正極活物質におけるニッケル、亜鉛、及びコバルトの含有割合は、それぞれ、58重量%、3.7重量%、及び1.2重量%とした。
【0031】
[正極材料の生成(水酸化コバルトの被覆)]
次に、反応浴中の硫酸コバルト水溶液に上記正極活物質粒子を浸漬させて撹拌しながら、反応浴に水酸化ナトリウム水溶液を加えてpH11〜13を維持した。これにより、上記正極活物質粒子の表面に水酸化コバルトからなる被覆層が形成された。即ち、正極材料粒子が生成した。この正極材料における、水酸化コバルトからなる被覆層の含有割合は、7重量%とした。
【0032】
[酸化処理工程]
正極材料粒子100gに、10重量%次亜塩素酸ナトリウム(NaClO)水溶液70ml及び30重量%水酸化ナトリウム水溶液10mlを噴霧し、それによって、正極材料粒子を湿潤状態とし、その状態にて、70℃の温度で加熱処理した。その後、正極材料粒子を水洗し乾燥した。
こうして得られた正極材料を実施例1のニッケル電極材料とした。
【0033】
なお、ニッケル電極材料におけるニッケル及びコバルトの平均酸化数は、2.20であった。この平均酸化数は、以下の方法により求めた。
[平均酸化数の求め方]
まず、所定量の正極材料粒子と硫酸第一鉄アンモニウム(Fe(NH4)2(SO4)2)とを20体積%の酢酸水溶液に溶解させ、過マンガン酸カリウム溶液を用いた酸化還元滴定を行う。そして、得られた滴定値から、2価以上のニッケル及びコバルトの量を求め、その値と、所定量の正極材料中に含まれるニッケル及びコバルトの総量とから、ニッケル及びコバルトの平均酸化数を求める。
【0034】
{ニッケル電極の作製}
ニッケル電極材料と、0.6重量%CMC(カルボキシメチルセルロース)溶液と、40重量%PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)とを、重量比76.7:22.9:0.4で混合して、電極材料ペーストを得た。そして、その電極材料ペーストを多孔性発泡ニッケル基体に充填し、乾燥した後、圧延して、電極材料充填密度2.6g/cc、正極容量1450mAhの、ニッケル電極を作製した。
【0035】
{アルカリ蓄電池の作製}
ニッケル電極と、組成式Mm1.0Ni4.0Co0.7Mn0.3Al0.3で表される水素吸蔵合金を主材料とする負極とを、厚さ100μmのポリプロピレン製不織布を介して渦巻き状に巻き込み、電池ケースに挿入し、水酸化カリウム及び水酸化リチウムの水溶液からなる電解液を注入し、封口し、これにより、理論容量1450mAhのAAサイズニッケル水素蓄電池を作製した。
【0036】
(比較例1)
実施例1と同様にして、正極活物質、更には正極材料を生成し、その後の酸化処理工程は省略した。得られた正極材料を比較例1のニッケル電極材料とした。
【0037】
(比較例2)
実施例1と同様にして、正極活物質、更には正極材料を生成した。そして、その後の酸化処理工程においては、水酸化ナトリウム水溶液の使用を省略し、その他は実施例1と同様とした。即ち、酸化処理工程では次亜塩素酸ナトリウム水溶液のみで湿潤状態とした。得られた正極材料を比較例2のニッケル電極材料とした。
【0038】
(比較例3)
実施例1と同様にして、正極活物質、更には正極材料を生成した。そして、その後の酸化処理工程においては、次亜塩素酸ナトリウム水溶液の使用を省略し、その他は実施例1と同様とした。即ち、酸化処理工程では水酸化ナトリウム水溶液のみで湿潤状態とした。得られた正極材料を比較例3のニッケル電極材料とした。
【0039】
(比較例4)
実施例1と同様にして、正極活物質、更には正極材料を生成した。そして、その後の酸化処理工程においては、正極材料を、10重量%次亜塩素酸ナトリウム水溶液350g及び30重量%水酸化ナトリウム水溶液50gからなる混合溶液400g中に浸漬させ、その状態にて、70℃の温度で加熱処理した。その後、正極材料粒子を水洗し乾燥した。即ち、酸化処理工程では、湿潤状態ではなく、浸漬状態とした。得られた正極材料を比較例4のニッケル電極材料とした。
【0040】
(比較例5)
実施例1と同様にして、正極活物質、更には正極材料を生成した。そして、その後の酸化処理工程においては、次亜塩素酸ナトリウム水溶液の代わりに過マンガン酸カリウム(KMnO4)水溶液を使用し、その他は実施例1と同様とした。即ち、酸化処理工程では酸化剤として過マンガン酸カリウムを用いた。得られた正極材料を比較例5のニッケル電極材料とした。
【0041】
(比較例6)
実施例1と同様にして、正極活物質、更には正極材料を生成した。そして、その後の酸化処理工程においては、正極材料粒子100gを、30重量%水酸化ナトリウム水溶液20gによって湿潤状態とし、120℃で加熱して、被覆している水酸化コバルトを酸化処理し、その後、正極材料粒子を反応浴中の15重量%水酸化ナトリウム水溶液に投入し、浴温度60℃で撹拌しながら、次亜塩素酸ナトリウム溶液10mlを反応浴に加えて、正極活物質中の水酸化ニッケルを酸化処理した。その後、正極材料粒子を水洗し乾燥した。得られた正極材料を比較例6のニッケル電極材料とした。
【0042】
(比較例7)
比較例6の15重量%水酸化ナトリウム水溶液の代わりに30重量%水酸化ナトリウム水溶液を用い、その他は比較例6と同様にした。得られた正極材料を比較例7のニッケル電極材料とした。
【0043】
そして、比較例1〜7のニッケル電極材料を用いて、実施例1の場合と同様にして、ニッケル電極、ひいてはニッケル水素蓄電池を作製した。なお、比較例4、7のニッケル電極材料を用いた場合は、正極容量を1250mAhとした。
【0044】
(タップ密度の測定)
実施例1及び比較例1〜7のニッケル電極材料のタップ密度を測定した。タップ密度は、具体的には、所定量の電極材料粒子をメスシリンダーに投入し、約10cmの高さから落下させる動作を100〜200回繰り返した後に、電極材料粒子の占める容積を測定することにより、求めた。その結果を表1に示す。なお、表1では、実施例1のタップ密度を100として相対値を示した。
【0045】
(活物質利用率の測定)
実施例1及び比較例1〜7のニッケル電極材料を用いた電池について、活物質利用率を測定した。具体的には、次のようにして測定した。即ち、電池において、20℃にて、充電電流145mA(0.1C)で15時間充電した後、290mA(0.2C)で放電し、電池電圧1.0Vで放電を終了した。この終了時の放電容量を求め、その求めた容量と、電池公称容量である1450mAhとから、次式によって求めた。その結果を表1に示す。
(活物質利用率)=100×(0.2C放電の放電容量)/正極充填容量
【0046】
(過放電後の利用率の測定)
実施例1及び比較例1〜7のニッケル電極材料を用いた電池について、過放電後の利用率を測定した。具体的には、次のようにして測定した。即ち、電池において、0.1C充電及び0.2C放電を3サイクル繰り返した後、放電後の電池を、4Ωの抵抗を介して外部短絡させ、60℃にて3日間放置した。過放電後、抵抗を外し、20℃にて、充電電流145mA(0.1C)で15時間充電した後、290mA(0.2C)で放電し、電池電圧1.0Vで放電を終了した。この終了時の放電容量を求め、その求めた容量と、電池公称容量である1450mAhとから、次式によって求めた。その結果を表1に示す。
(過放電後の利用率)=100×(過放電後の放電容量)/正極充填容量
【0047】
【表1】
【0048】
(サイクル特性の測定)
実施例1と比較例3のニッケル電極材料を用いた電池について、活物質利用率のサイクル特性を測定した。その結果を図1に示す。活物質利用率は上述と同様に測定した。
【0049】
(検討)
表1からわかるように、実施例1は、比較例1、2、5と比較して、活物質利用率が高く、過放電後の利用率も高い。また、実施例1は、比較例6と比較しても、活物質利用率が高い。これは、比較例6においては、水酸化ニッケルの酸化処理で用いたアルカリ水溶液の濃度が低いために、不活性なニッケル酸化物が生成したからである、と考えられる。
【0050】
実施例1は、比較例4、7と比較して、タップ密度が大きい。これは、比較例4では、アルカリ水溶液の濃度が高いために、また、比較例7では、水酸化ニッケルの酸化処理で用いたアルカリ水溶液の濃度が高いために、γ−NiOOHが生成したからである、と考えられる。なお、タップ密度が低い比較例4、7のニッケル電極材料を用いた電池では、所定量の電極材料を充填することができず、容量が低下した。
【0051】
また、図1からわかるように、実施例1は、比較例3よりも、サイクル特性が優れている。これは、実施例1のニッケル電極材料によれば、水酸化ニッケルが酸化されていることにより、放電リザーブを削減でき、それ故、充電リザーブの減少を抑制して内圧特性を改善できるからである、と考えられる。
【0052】
(アルカリ水溶液の濃度と活物質利用率との関係の検討)
実施例1の酸化処理工程における水酸化ナトリウム水溶液の濃度を種々設定し、その他は実施例1と同様にして、ニッケル電極材料を得、該ニッケル電極材料を用いて、上述と同様にしてニッケル水素蓄電池を作製し、活物質利用率を上述と同様にして測定した。なお、設定した濃度は、重量%で、10、20、30、40、50とした。その結果を図2に示す。
【0053】
図2からわかるように、水酸化ナトリウム水溶液の濃度即ちアルカリ濃度は、30〜40重量%が好ましい。30重量%未満の場合には、アルカリ水溶液中への水酸化コバルトの溶解性が低くなり、そのために処理効果が認められなかった、と考えられる。40重量%を越える場合には、水酸化ナトリウム水溶液の粘度が高くなり、正極活物質中への水酸化ナトリウムの浸透が低下し、そのために処理効果が認められなかった、と考えられる。
【0054】
なお、アルカリの種類については、水酸化カリウム水溶液についても同様の作用効果が認められた。また、水酸化ナトリウム水溶液又は水酸化カリウム水溶液に、水酸化リチウムを含有させてなるものについても、同様の作用効果が認められた。
【0055】
(加熱温度と活物質利用率との関係の検討)
実施例1の酸化処理工程における加熱温度を種々設定し、その他は実施例1と同様にして、ニッケル電極材料を得、該ニッケル電極材料を用いて、上述と同様にしてニッケル水素蓄電池を作製し、活物質利用率を上述と同様にして測定した。なお、設定した加熱温度は、45℃、70℃、95℃、120℃、145℃とした。その結果を図3に示す。
【0056】
図3からわかるように、加熱温度は70〜120℃が好ましい。70℃未満の場合には、アルカリ水溶液中への水酸化コバルトの溶解性が低くなり、そのために処理効果が認められなかった、と考えられる。また、120℃を越える場合には、酸化処理工程の処理水溶液における水分の気化が著しくなり、処理水溶液の粘度が向上して酸化反応が抑制され、そのために活物質利用率が低下した、と考えられる。
【0057】
なお、上述した実施例及び比較例では、処理に用いる水溶液として、酸化剤の水溶液とアルカリ水溶液との2種類の水溶液を用いているが、酸化剤をアルカリ水溶液に溶解してなる1種類の水溶液を用いてもよい。
【0058】
【発明の効果】
請求項1記載の発明によれば、放電リザーブを削減できると共に、高い活物質利用率を得ることができる、ニッケル電極材料、を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例1と比較例3との充放電サイクルと活物質利用率との関係を示す図である。
【図2】 本発明の製造方法における水酸化ナトリウム水溶液濃度と活物質利用率との関係を示す図である。
【図3】 本発明の製造方法における加熱温度と活物質利用率との関係を示す図である。
Claims (2)
- 水酸化ニッケル又は異種元素が固溶された水酸化ニッケル固溶体からなる正極活物質粒子の表面に、コバルトの酸化数が2価以下である低次コバルト化合物からなる被覆層が形成されている、正極材料を、酸化剤の水溶液と30〜40重量%のアルカリ水溶液とで、又は、酸化剤を含有した30〜40重量%のアルカリ水溶液で、湿潤状態とし、該湿潤状態にて、70〜120℃の温度で加熱する、酸化処理工程、を備えており、
上記酸化剤として、いずれも、ペルオキソ二硫酸カリウム、ペルオキソ二硫酸ナトリウム、ペルオキソ二硫酸アンモニウム、及び次亜塩素酸ナトリウムの内の、1種以上を用いる、ことを特徴とするニッケル電極材料の製造方法。 - 上記酸化剤として、いずれも、次亜塩素酸ナトリウムを用いる、請求項1記載のニッケル電極材料の製造方法。
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