JP4617632B2

JP4617632B2 - アルカリ蓄電池の製造方法

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Publication number: JP4617632B2
Application number: JP2002276495A
Authority: JP
Inventors: 充浩児玉; 学金本; 誠二郎落合; 実黒葛原; 隆伊藤
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2022-09-24
Also published as: JP2004119020A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等のアルカリ蓄電池に適用する負極を用いたアルカリ蓄電池の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アルカリ蓄電池は、耐過充電、耐過放電特性に優れ、一般ユーザーにとって使い易い電池であるところから、携帯電話、小型電動工具および小型パーソナルコンピュータ等の携帯用小型電子機器類用の電源として広く利用されており、これらの小型電子機器類の普及とともに需要が飛躍的に増大している。また、ハイブリッド型電気自動車（ＨＥＶ）の駆動用電源としても実用化されている。そして、アルカリ蓄電池に対してはさらなる容量アップ、充放電サイクル性能の向上が求められている。
【０００３】
前記アルカリ電池の負極は、活物質となる水素吸蔵合金や水酸化カドミウムを主成分とするペーストを、鉄、ニッケルや銅等、耐アルカリ性で良導電性金属の多孔性基板に担持させたものである。
【０００４】
前記負極板の基板となる多孔性の基板には、ニッケルやニッケルメッキを施した鋼板からなる金属製の板に機械的に孔を穿ったパンチングメタル、金属繊維をフェルト状に成形した繊維式基板、金属をスポンジ状に成形した発泡メタル等がある。従来のアルカリ蓄電池においてはこれら基板の表面に加工を施すことなくそのまま用いていた。前記基板のうち、低価格で入手が容易であるところからアルカリ蓄電池の負極用基板にはパンチングメタルが重用されている。しかし、該パンチングメタルを基板に用いた負極板は活物質粉末と基板との密着が十分でなく、改良が求められていた。
【０００５】
前記ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池においては、正極に何れもニッケル電極を適用する。該ニッケル電極は、活物質である水酸化ニッケルを主成分とする活物質ペーストを発泡ニッケルなどの多孔性のニッケル基板に充填したものである。
【０００６】
アルカリ蓄電池は前記正極と負極を組み合わせて電池とし、充電によって正極であるニッケル電極においては水酸化ニッケルを酸化してオキシ水酸化ニッケルに変え、負極である水素吸蔵合金電極においては水素吸蔵合金内に水素を吸蔵させ、またカドミウム電極においては水酸化カドミウムを還元して金属カドミウムに変える。
【０００７】
ところで、前記ニッケル電極においては活物質である水酸化ニッケル粉末の他に、電極内の導電性を高めるために一酸化コバルトや水酸化コバルトを添加し、電池を充電することによって水酸化コバルトを導電性の高次コバルト化合物（オキシ水酸化コバルトともいう）に変えている。前記、充電によって高次コバルト化合物が生成する時の反応は、不可逆反応であり、充電によって高次コバルト化合物生成のために消費した電気量に相当する分の電気量を、負極に放電リザーブとして潜在的に蓄えることになる。
【０００８】
放電リザーブの生成量が大きくなると、充電リザーブ量が低減するために充放電サイクル寿命の低下に繋がる虞があった。充電リザーブ量の減少を防ぐためには、電池を設計する際に、負極に放電リザーブを形成するための活物質の充填を見込む必要がある。該放電リザーブ形成を見込んで負極活物質を余分に充填すると、正極活物質の充填量を減じ、結果として電池の放電容量が低下することになる。
【０００９】
放電リザーブの生成を抑制するため、ニッケル電極の活物質である水酸化ニッケルの表面に配置した水酸化コバルト等のコバルト化合物を、予め化学的な方法によって酸化して高次コバルト化合物に変える方法が提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平３−７８９６５号公報（第３頁、左上欄、１４〜１６行）
【特許文献２】
特開平４−２６０５８号公報（第２頁、右上欄、９〜１０行）
【００１１】
また、負極に水素吸蔵合金やカドミウムの粉末等の活物質以外に一酸化コバルトや水酸化コバルトを添加しておき、以下の反応に従って前記不可逆反応に消費される電気量を相殺し、放電リザーブの生成を防ぐ方法も考えられる。
正極Ｃｏ（ＯＨ）₂＋（ＯＨ）^- → ＣｏＯＯＨ＋Ｈ₂Ｏ＋ｅ^-
負極１/２ＣｏＯ＋１/２Ｈ₂Ｏ＋ｅ^- → １／２Ｃｏ＋（ＯＨ）^-
【００１２】
前記のように負極活物質である水素吸蔵合金粉末に一酸化コバルトを添加しておき、充電によって負極の表面に金属コバルトを生成させる方法が提案されている（例えば、特許文献３および特許文献４）。
【００１３】
【特許文献３】
特開平６−１５０９２１号公報（第２頁、第０００９段落）
【特許文献４】
特開平１０−３９３９号公報（第２頁、第０００４段落）
【００１４】
また、負極の表面に水酸化コバルトの層を形成させる方法（例えば、特許文献５参照）の他、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｐｄその他の金属から選ばれた１種以上の金属の酸化物または水酸化物を添加する方法（特許文献６参照）が提案されている。
【００１５】
【特許文献５】
特開平４−３４８５０号公報（第２頁、右下欄、１２〜１４行）
【特許文献６】
特開平９−２２３５００号公報（第２〜第３頁、第００１０段落、第００１１段落）
【００１６】
しかし、前記負極の表面に水酸化コバルトを配置したり、負極の活物質粉末に金属の酸化物や水酸化物等の化合物を添加する方法では、添加した化合物の一部しか負極の集電体である基板に直に接触していない。基板に接触してない化合物は、充電した後も還元されずに残ってしまう虞があるため、放電リザーブ生成抑制効果が十分でない欠点があった。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記従来技術の欠点に鑑みなされたものであって、水素吸蔵合金電極やカドミウム電極を負極に適用したアルカリ蓄電池であって、活物質利用率を低下させることなく、充放電サイクル性能および過充電時の電池内圧上昇抑制機能の優れたアルカリ蓄電池を製造するに際し、該アルカリ蓄電池の放電リザーブ生成量を正確に制御することのできる製造方法を提供せんとするものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、本発明に係るアルカリ蓄電池の製造方法は、活物質粉末を基板に担持させたアルカリ蓄電池用負極を用いたアルカリ蓄電池の製造方法であって、前記基板の耐アルカリ電解液性の金属からなる芯材の表面に耐アルカリ電解液性の遷移金属および鉛のうちから選択した少なくとも１種の金属からなる層を形成し、当該金属からなる層に対して酸化処理を施して前記遷移金属または鉛を酸化物または水酸化物に変えた後、前記基板上に前記活物質粉末を担持させて負極を作製し、該負極を電池に組み込んだ後に、電池を充電して前記遷移金属または鉛の酸化物または水酸化物を還元することによって前記芯材の表面に前記耐アルカリ電解液性の遷移金属および鉛のうちから選択した少なくとも１種の金属からなる層を形成する。
【００１９】
前記負極の基板表面に配した金属の層に含まれる金属の量を芯材の単位面積当たり０．０２ミリモル／ｃｍ^２〜０．３５ミリモル／ｃｍ^２とすることが望ましい。なお、ここでいう芯材の単位面積の面積とは、芯材の開孔を含む見かけの大きさを意味し、例えば、大きさが１０ｍｍ×１０ｍｍのパンチングメタルや金属発泡体の面積は１ｃｍ^２である。
【００２０】
本発明の製造方法により製造されるアルカリ蓄電池は、放電リザーブ量を定格容量の０．５〜１８％とすることが望ましい。ここでいう放電リザーブ量とは、化成も含めて数サイクル（２ないし３サイクル）〜３０サイクルの充放電サイクルを経過した電池について測定した結果を指す。該アルカリ蓄電池は、電池の構成において前記負極の芯材の表面に前記金属の層を設けて放電リザーブ量を低く抑えた点以外に従来のアルカリ蓄電池と相違せず、従来電池に近い構成で活物質利用率を低下させることなく、電池を過充電した時の内圧上昇抑制機能およびサイクル性能に優れたアルカリ蓄電池である。本発明の製造方法によれば、このような優れたアルカリ蓄電池を正確に制御して製造することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明に係るアルカリ蓄電池用負極は、水素吸蔵合金電極、カドミウム電極などである。そしてこれらの電極は鉄、ニッケル、銅などの耐アルカリ金属を芯材とする基板に水素吸蔵合金、カドミウムなどの負極活物質を担持させたものである。
【００２３】
本発明に適用する前記基板の芯材は、鉄、ニッケル、銅等のパンチングメタル、これらの金属の繊維を成形してなる繊維式芯材、あるいはスポンジ状に成形した発泡メタル等である。
【００２４】
本発明においては、前記芯材の表面に遷移金属または鉛（Ｐｂ）を含む金属の層を配置する。該遷移金属には６〜８モル／ｄｍ³の苛性カリや苛性ソーダに対して化学的に安定なものを適用する。具体的には、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、テクチニウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）が適用できる。本発明に適用する遷移金属は、その酸化物がアルカリ電解液に微量溶解するものが望ましい。ここでいう微量の溶解とは、溶解量が１０^-2〜１０^-5モル／ｄｍ³をいう。そして、金属材料が入手容易で安価であることが望ましい。このような点から、本発明に適用する金属元素としては、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、ＡｇおよびＰｂが好適である。
【００２５】
本発明に係る芯材表面の遷移金属あるいは鉛の層は、芯材の表面に遷移金属または鉛の層を形成した後、酸化処理を施して一旦当該遷移金属や鉛の酸化物の層とし、該芯材を適用した基板を備えた負極を電池に組込んだ後に化成工程における初回の充電によって還元することによって形成する。
【００２６】
芯材の表面に最初に遷移金属の層を形成する方法には蒸着や無電解メッキ等の方法も適用できる。しかし、遷移金属の析出量を正確に制御できるところから、電解メッキが好適である。具体的には、前記遷移金属の塩を溶解させた電解浴を用意し、該電解浴を用い芯材を負極として電解を行い、芯材の表面に遷移金属をメッキする。
【００２７】
次いで、前記芯材表面に析出させた遷移金属を化学的な反応で酸化物に変える。具体的には酸素やオゾンの雰囲気で加熱したり、過マンガン酸塩、塩素酸塩、亜塩素酸塩、過硫酸塩等の酸化剤を用いて酸化処理する方法が適用できる。あるいは、前記遷移金属を水酸化物に変える方法も適用できる。具体的には前記遷移金属を酸化物に変えた後に苛性アルカリ中に浸漬処理したり、芯材表面に遷移金属を析出させた後にアルカリ電解液中で電解酸化することによって遷移金属の水酸化物を生成させる。
【００２８】
前記芯材の表面に遷移金属の酸化物層を形成した基板に水素吸蔵合金粉末や水酸化カドミウム粉末を主成分とする活物質ペーストを塗工充填する。活物質ペーストを充填した極板を乾燥後、ロールを通して押圧し活物質充填密度を高める。
【００２９】
基板の表面に生成させた遷移金属の酸化物や水酸化物は、硬度が低いため、前記ロールを通して押圧する過程で充填した活物質粉末の一部が前記遷移金属の酸化物や水酸化物の層に食い込む傾向が認められる。このため、本発明は、基板と活物質粉末の密着がさらに向上する効果を奏するものと考えられる。
【００３０】
このようにして作製した負極板と正極板となるニッケル電極を組み合わせてアルカリ蓄電池とする。該電池を充電することによって前記遷移金属の酸化物層を還元し金属に変える。前記のように本発明で適用する遷移金属の酸化物は、アルカリ電解液に微量溶解する。そのため、負極を電池に組み込んだ後、前記遷移金属の酸化物の一部分がアルカリ電解液中に溶解し、充電の過程で負極に金属として析出する。負極に析出する金属の一部は、活物質粉末と基板の境界に析出して、活物質粉末と基板との繋ぎの役目をするので活物質粉末と基板が強固に密着する。金属の一部は負極内に析出すると考えられる。該金属は、負極の活物質粉末同士を結び付けると同時に導電剤として作用する。
【００３１】
また、前記芯材の表面に生成させた遷移金属の酸化物は、その殆ど全てが集電体である基板の芯材に接触している。このことによって、電池を充電した時に、生成させた遷移金属の酸化物の還元がほぼ完全に進み、未反応の酸化物が残ることがない。その結果生成させた遷移金属の酸化物量に相当する分、電池の充電時に負極に放電リザーブを生成させる電気量を相殺することができる。従って、前記従来の負極活物質に金属酸化物を添加する方法に比べて放電リザーブ生成量を正確に制御することができる。
【００３２】
本発明においては、前記遷移金属あるいは鉛の配置量を芯材の単位面積当たり、０．０２ミリモル／ｃｍ²〜０．３５ミリモル／ｃｍ²とすることが望ましい。遷移金属あるいは鉛の配置量を芯材の単位面積当たり、０．０５ミリモル／ｃｍ²〜０．３５ミリモル／ｃｍ²とすることがさらに望ましい。遷移金属あるいは鉛の量を０．０２ミリモル／ｃｍ²以上とすることによって、優れた放電リザーブ生成抑制効果を得ることができる。
【００３３】
放電リザーブの生成量が過少だと、放電を行った時に放電容量が負極の性能によって制約される（負極規制）。電池の放電容量が負極規制になると活物質利用率が低くなる欠点が生じる。本発明においては、負極基板の芯材表面に生成させる遷移金属あるいは鉛の生成量を０．３５ミリモル／ｃｍ²以下にすることが望ましい。このことによって、放電において放電容量が負極規制になるのを避けることができる。
【００３４】
以下、遷移金属としてコバルトを適用した例を中心に実施例に基づき本発明の詳細な説明を行う。
（実施例１）
（負極基板芯材表面の一酸化コバルト層の生成）
ニッケル鍍金を施した厚さ６０μｍ、開孔率４０％の鋼板製パンチングメタルを芯材として用いた。１モル/ｄｍ³の塩化コバルトと１モル/ｄｍ３の塩酸を含む水溶液を電解浴とし、該電解浴中の中心に前記パンチングメタルを、両側にコバルト板を配置し、パンチングメタルを負極、コバルト板を正極として電解を行った。パンチングメタルの単位面積に対する電解の電流密度を０．５ｍＡ/ｃｍ²とした。５水準の通電電気量により電解を行い。パンチングメタルの単位面積当たりのコバルト析出量が０．１ミリモル/ｃｍ²の基板材料を作製した。
【００３５】
前記基板材料を雰囲気炉内にセットした。炉内を酸素雰囲気とし、温度３００℃において２時間加熱による酸化処理を行い、芯材の表面に析出させたコバルトを一酸化コバルトに変え、負極用基板を得た。
【００３６】
（水素吸蔵合金電極の作製）
ＣａＣｕ₅型結晶構造を有し、ＭｍＮｉ_3.6Ａｌ_0.29Ｃｏ_0.75Ｍｎ_0.36（Ｍｍはミッシュメタルであり、Ｌａ、Ｃｅ、ＰｒおよびＮｄからなる希士類元素の混合物である）の組成で示され、平均粒径約５０μｍの水素吸蔵合金粉末１００重量部に対して、増粘剤であるメチルセルロース（ＭＣ）の１ｗｔ％水溶液２０重量部と、結着剤であるスチレンブタジエンゴム１重量部とを加えて混練してペーストを調製した。該ペーストを前記基板の両面に塗布した後乾燥し厚さ１．１ｍｍの極板を得た。乾燥後の極板をロールを通してプレスし、厚さを０．５ｍｍに調整し、水素吸蔵合金電極用原板を得た。該原板を所定の寸法に裁断して水素吸蔵合金電極とした。
【００３７】
（ニッケル電極活物質粉末の作製）
定法に従いコバルトおよび亜鉛をそれぞれ水酸化物換算で３重量％および５重量％固溶状態で含有させた高密度水酸化ニッケルを核とし、表面に水酸化コバルトの被覆層を形成させた平均粒径が１０μｍの水酸化ニッケルを主成分とするニッケル電極活物質粉末を用意した。なお、該活物質粉末の表面に形成させた前記水酸化コバルトの被覆層の比率を６重量％とした。
【００３８】
（ニッケル電極の作製）
得られたニッケル電極活物質紛末８０重量部に、濃度が１重量％のカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）水溶液２０重量部を添加混練して、ニッケル電極活物質ペーストを作製した。該ペーストを厚さ１．４ｍｍ、目付量５００ｇ／ｍ²の発泡ニッケル製多孔体基板に充填して乾燥した後、プレスして厚さを０．８ｍｍに調整し、長尺帯状のニッケル電極用原板を得た。該原板を所定の寸法に裁断してニッケル電極とした。活物質充填量から算定されるニッケル電極の容量は、１７００ｍＡｈであった。
【００３９】
（ニッケル水素蓄電池の作製）
前記ニッケル電極と水素吸蔵合金電極とを、親水化処理を施したポリプロピレン樹脂繊維の不織布からなる厚さ０．１２ｍｍのセパレータを挟んで渦巻状に巻き取り、極板群を製造した。該極板群の水素吸蔵合金電極とニッケル電極の活物質充填容量の比率を１．６とした。該電極群を円筒状金属ケース内に収納し、７モル／ｄｍ³の水酸化カリウム水溶液と１モル／ｄｍ³の水酸化リチウム水溶液とからなる電解液を所定量注入した。次いで、安全弁を備えた金属製蓋体を用いて金属ケースを封口しＡＡサイズの密閉型ニッケル水素蓄電池を得た。
【００４０】
（化成）
得られたニッケル水素蓄電池を温度４０℃において１２時間エージングした後、以下に記述する条件にて化成をおこなった。初回の充電は、１／５０ＩｔＡ（３４ｍＡ）の充電電流で１０時間充電し、その後、０．１ＩｔＡ（１７０ｍＡ）の充電電流にて１０時間充電した。次いで０．２ＩｔＡ（３４０ｍＡ）の放電電流にて放電終止電圧を１．０Ｖとして放電した。２サイクル目以降は、充電を０．１ＩｔＡの充電電流にて１２時間充電、０．２ＩｔＡの放電電流にて放電終止電圧を１．０Ｖとして放電した。該サイクルを１サイクルとし、初回の充放電を含めて１０サイクル充放電を繰り返し実施した。
【００４１】
（実施例２）
実施例１において負極活物質ペーストをコ−トする以前の負極基板の芯材表面に酸化ニッケル（ＮｉＯ）を生成させた。それ以外は、実施例１と同じ条件でニッケル水素電池を作製した。
【００４２】
（実施例３）
実施例１において負極活物質ペーストをコ−トする以前の負極基板の芯材表面に酸化銅（ＣｕＯ）を生成させた。それ以外は、実施例１と同じ条件でニッケル水素電池を作製した。
【００４３】
（実施例４）
実施例１において負極活物質ペーストをコ−トする以前の負極基板の芯材表面に酸化銀（ＡｇＯ）を生成させた。それ以外は、実施例１と同じ条件でニッケル水素電池を作製した。
【００４４】
（実施例５）
実施例１において負極活物質ペーストをコ−トする以前の負極基板の芯材表面に酸化鉛（ＰｂＯ）を生成させた。それ以外は、実施例１と同じ条件でニッケル水素電池を作製した。
【００４５】
（実施例６）
実施例１において負極基板の芯材表面に析出させるＣｏの量を０．０２ミリモル／ｃｍ²とした。それ以外は、実施例１と同じ条件でニッケル水素電池を作製した。
（実施例７）
実施例１において負極基板の芯材表面に析出させるＣｏの量を０．０５ミリモル／ｃｍ²とした。それ以外は、実施例１と同じ条件でニッケル水素電池を作製した。
（実施例８）
実施例１において負極基板の芯材表面に析出させるＣｏの量を０．３５ミリモル／ｃｍ²とした。それ以外は、実施例１と同じ条件でニッケル水素電池を作製した。
【００４６】
（実施例９）
実施例１において負極基板の芯材表面に析出させるＣｏの量を０．４ミリモル／ｃｍ²とした。それ以外は、実施例１と同じ条件でニッケル水素電池を作製した。
【００４７】
（比較例１）
負極基板の芯材表面に遷移金属の層を形成せず、芯材をそのまま負極基板として適用した。その他は、実施例１と同じ条件でニッケル水素電池を作製した。
【００４８】
（比較例２）
負極基板の表面にはＣｏの層を生成させずに、実施例と同一の負極活物質ペーストに一酸化コバルト粉末を添加した。負極活物質ペースト中の水素吸蔵合金に対する一酸化コバルトの添加比率を６ｗｔ％として水素吸蔵合金電極を作製した。該電極に含まれる一酸化コバルトの量は、前記実施例１の水素吸蔵合金電極の基板の芯材表面に生成させた一酸化コバルトの量と同じである。その他は、前記実施例と同じ条件でニッケル水素電池を作製した。
【００４９】
（放電リザーブ生成量の測定）
化成終了後の実施例電池および比較例電池を前記２サイクル目以降の充放電条件にて１０サイクル充放電を行った。該充放電サイクルを経過した放電終了後の電池を解体して。負極を回収した。該負極を水中に浸漬しその時発生する水素ガスを水上置換報法によって回収した。回収した水素ガス量から、放電リザーブ量を算定した。
【００５０】
（活物質利用率評価）
化成終了後の実施例電池および比較例電池を、温度２０℃において前記条件にて充電し、０．２ＩｔＡの電流で放電試験に供し、該０．２ＩｔＡ放電における放電容量の正極活物質充填容量に対する比率を活物質利用率とした。
【００５１】
（正極内のγ-ＮｉＯＯＨ生成調査）
化成終了後の実施例１および実施例９の電池を温度４０℃において０．１ＩｔＡで１５時間充電、０．２ＩｔＡの電流で放電終止電圧を１．０Ｖとして放電、該充電放電を１サイクルとして１０サイクル繰り返した後、電池を解体して回収した正極活物質を粉末Ｘ線回折にかけ、γ-ＮｉＯＯＨの（００１）面とβ-Ｎｉ（ＯＨ）₂の（１００）面の回折強度比を求めた。
【００５２】
（過充電時の内圧上昇測定）
化成終了後の実施例電池および比較例電池に電池の内圧を測定するための圧力計を取り付けた後、該電池を1ＩｔＡ（１７００ｍＡ）で２時間充電を行った。充電中の電池内圧の経時的変化を測定した。
【００５３】
（充放電サイクル試験）
化成終了後の実施例電池および比較例電池を、温度２０℃において充放電サイクル試験に供した。充電はＩｔＡの電流で１．２時間行い、放電はＩｔＡの電流にて放電終止電圧を１．０Ｖとして実施した。該充放電サイクルを１サイクルとして、サイクルを繰り返し実施した。
【００５４】
図１は、化成後の実施例電池１〜実施例電池９と比較例電池１、比較例電池２の放電リザーブ量を示すグラフである。因みに、実施例電池１〜実施例電池９における放電リザーブ量の電池の定格容量（１７００ｍＡｈ）に対する比率は、それぞれ５．４％、５．５％、６．８％、７．０％、６．３％、１８％、９％、０．５％、０％である。また、比較例電池１および比較例電池２の放電リザーブ量の比率は、それぞれ２０％、１１％である。
【００５５】
図１に示す如く、いずれの実施例電池も比較例電池１に比べて放電リザーブの生成量が少ない。これは、負極の基板の芯材表面に生成させた遷移金属酸化物が放電リザーブ生成を抑制しているためである。また、実施例電池１〜実施例電池５に示したように、基板の芯材表面に析出させたＣｏＯ、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＡｇＯ、ＰｂＯのいずれもが放電リザーブ生成抑制に対して有効に機能したことを示している。
【００５６】
実施例電池１の負極基板の芯材表面に生成させたＣｏＯ量と比較例電池２の活物質粉末に混合添加したＣｏＯ量は同等量である。にも拘わらず実施例電池１の放電リザーブ量は、比較例電池２のそれに比べて約１／２と小さい。このことは、負極の基板表面に生成させた遷移金属酸化物が、活物質粉末に混合添加した遷移金属酸化物と比較して効率良く放電リザーブの生成を抑制することを示している。
【００５７】
実施例電池１、実施例電池６〜実施例電池９は、負極基板の芯材表面にいずれもＣｏＯを生成させたものであるが、ＣｏＯの生成量が多い程放電リザーブ生成量が小さく、ＣｏＯの生成量と放電リザーブ生成量との間に相関性があることを示唆している。このことは、本発明のように負極基板の芯材表面に生成させる遷移金属の酸化物の量を規定したアルカリ電池用負極を適用することによって、アルカリ蓄電池の放電リザーブ量を自在に制御することができることを示している。
【００５８】
図２に実施例電池１，実施例電池８および実施例電池９の活物質利用率を示した。前記のように、放電リザーブ量の電池の定格容量に対する比率は、実施例電池１が５．４％、実施例電池８が０．５％、実施例電池９が０％である。図２に示すように、実施例電池１と実施例電池８が共に活物質利用率が１００％なのに対して、実施例電池９は、利用率が７６％と低い。これは、放電リザーブの削減量が大きく、放電リザーブ量が小さ過ぎて放電容量が負極規制に陥ったためと考えられる。
【００５９】
図３に実施例電池１、実施例電池９におけるγ-ＮｉＯＯＨの（００１）面とβ-Ｎｉ（ＯＨ）₂の（１００）面の回折強度比を示した。実施例電池９においては回折強度比が高く、実施例電池１と比較してγ-ＮｉＯＯＨの生成量が多いことを示している。前記の如く実施例電池９は、負極規制に陥っているので、各サイクル毎に正極がフルに放電されずに過充電になる。そのため、充放電サイクルの進行に伴い、累積の過充電電気量が増大してγ-ＮｉＯＯＨの生成量が多くなったものと考えられる。以上の結果から、放電リザーブ量の電池の定格容量に対する比率を０．５％以上にすることが望ましい。
【００６０】
図４に実施例電池１、実施例電池６〜実施例電池８、および比較例電池１を過充電した時の電池の内圧を示す。いずれの実施例電池も比較例電池に比べて内圧の上昇が小さい。特に、実施例電池１、実施例電池７および実施例電池８の内圧の上昇が小さい。実施例電池においては、放電リザーブの生成量が少ないために過充電時に負極で発生する水素量が少なく、電池の内圧の上昇が抑えられたものと考えられる。また、負極の基板上に生成させた遷移金属酸化物が負極における酸素の吸収反応を促進する触媒作用によって、酸素の吸収が促進されたことによっても電池の内圧の上昇が抑えられたと考えられる。
【００６１】
図４に示した実施例電池の放電リザーブ量の比率は、実施例電池８の０．５％〜実施例電池６の１８％であり、放電リザーブ量の比率が小さい程電池の内圧の上昇が抑えられる傾向が認められる。放電リザーブ量の比率が９％である実施例７においては電池の内圧上昇が顕著に抑制されている。以上の結果をまとめると放電リザーブ量が１８％以下であれば過充電をした時電池の内圧上昇を抑制する機能に対して効果があり、放電リザーブ量の比率が９％以下とした時にさらに顕著な効果が得られることが判る。
【００６２】
図５は、実施例電池１〜実施例電池８および比較例電池１の充放電サイクル性能を示すグラフである。実施例電池のサイクル性能は、いずれも比較例電池のサイクル性能と比べて優れている。実施例電池の場合は、前記のように負極の水素吸蔵合金粉末と基板の密着性が優れており、さらに放電リザーブの生成が抑制されて好ましい範囲に入るよう制御されている。実施例電池の場合は、これら二つのことが相俟ってサイクル性能が優れるという結果に繋がっていると考えられる。放電リザーブ生成が抑制された場合に、優れたサイクル性能が得られるのは、十分な量の充電リザーブが確保されていることによると考えられる。
【００６３】
以上記述した結果から、優れたサイクル性能を得るためには放電リザーブの電池の定格容量に対する比率を１８％以下にするのが好ましく、放電において負極規制になり活物質利用率が低下するのを防ぐには、放電リザーブの比率を０．５％以上にするのが好ましい。さらに、電池を過充電した時の電池の内圧上昇抑制機能において優れた効果を得ようとすれば、放電リザーブの比率を１８％以下にするのが望ましく、９％以下にするのがさらに望ましいことが判る。
【００６４】
前記のように、本発明によれば負極基板の芯材表面に生成させる遷移金属の酸化物の量を制御したアルカリ電池用負極を適用することによって、アルカリ蓄電池の放電リザーブ量を自在に制御することができる。そして、図１に示した試作結果によれば、放電リザーブ量を、好ましい値である電池の定格容量の０．５〜１８％に制御するためには、負極基板の芯材表面に生成させるＣｏＯの量を芯材の単位面積当たり０．０２〜０．３５ミリモル／ｃｍ²にすればよく、放電リザーブを、さらに望ましい値である０．５〜９％に制御するためには、負極基板の芯材表面に生成させるＣｏＯの量を芯材の単位面積当たり０．０５〜０．３５ミリモル／ｃｍ²にすればよいことが判る。
【００６５】
前記芯材の単位面積当たりのＣｏＯ生成量が０．０２ミリモル／ｃｍ²未満では放電リザーブ生成の抑制効果が極めて小さく、０．３５ミリモル／ｃｍ²を超えると放電リザーブ量が過少になり放電性能が負極規制となって活物質利用率が低下すると同時に充放電サイクルを行った時に正極（ニッケル電極）が過充電になりニッケル電極にγ-ＮｉＯＯＨが生成する欠点が生じる。以上の結果から、芯材の単位面積当たりのＣｏＯ生成量は、０．０２〜０．３５ミリモル／ｃｍ²が望ましく、０．０５〜０．３５ミリモル／ｃｍ²にすることが更に望ましい。
【００６６】
なお、以上水素吸蔵合金電極およびそれを用いたニッケル水素蓄電池を例に採って説明したが、本発明はこれに限定されるものではなくカドミウム電極およびそれを用いたニッケルカドミウム蓄電池にも適用できる。また、負極基板の芯材表面に生成させる金属元素は、前記Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｂに限定されるものではなくアルカリ電解液に安定な遷移金属を適用できる。また、負極基板の芯材表面に生成させる金属化合物は、酸化物のみでなく水酸化物であっても同様の効果が得られる。さらに、前記実施例においてはＣｏＯについてのみ芯材表面上の遷移金属の生成量を変化させた例を示し、芯材の単位面積当たりのＣｏＯ生成量は、０．０２〜０．３５ミリモル／ｃｍ²が望ましく、０．０５〜０．３５ミリモル／ｃｍ²にすることが更に望ましいとしたが、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｂ等Ｃｏ以外の酸化物や水酸化物についても適用できる。
【００６７】
前記実施例では、化成終了後さらに前記２サイクル目以降の充放電条件にて１０サイクル充放電を行った電池を対象として、放電リザーブ量を測定し、放電リザーブ量の好ましい範囲を定めたが、該放電リザーブ量は、化成も含めて充放電サイクル数が、数サイクル〜３０サイクルの電池について測定すればよい。
【発明の効果】
【００７２】
本発明に係るアルカリ蓄電池の製造方法は、放電リザーブの生成量を抑制することができ、放電リザーブの生成量を抑制することによって電池内圧上昇抑制機能に優れ、且つ、充放電サイクル性能に優れたアルカリ蓄電池を製造することのできる製造方法である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施例電池および比較例電池の放電リザーブ生成量を示すグラフである。
【図２】本発明に係る実施例電池の活物質の利用率を示すグラフである。
【図３】本発明に係る実施例電池の正極のγ-ＮｉＯＯＨの（００１）面とβ-Ｎｉ（ＯＨ）₂の（１００）面のＸ線回折強度比を示すグラフである。
【図４】本発明に係る実施例電池および比較例電池を過充電した時の電池内圧を示すグラフである。
【図５】本発明に係る実施例電池と比較例電池の充放電サイクル性能を示すグラフである。

Claims

活物質粉末を基板に担持させたアルカリ蓄電池用負極を用いたアルカリ蓄電池の製造方法であって、前記基板の耐アルカリ電解液性の金属からなる芯材の表面に耐アルカリ電解液性の遷移金属および鉛のうちから選択した少なくとも１種の金属からなる層を形成し、当該金属からなる層に対して酸化処理を施して前記遷移金属または鉛を酸化物または水酸化物に変えた後、前記基板上に前記活物質粉末を担持させて負極を作製し、該負極を電池に組み込んだ後に、電池を充電して前記遷移金属または鉛の酸化物または水酸化物を還元することによって前記芯材の表面に前記耐アルカリ電解液性の遷移金属および鉛のうちから選択した少なくとも１種の金属からなる層を形成したことを特徴とするアルカリ蓄電池の製造方法。