JP4706163B2 - Hydrogen storage alloy electrode and nickel metal hydride storage battery using the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素吸蔵合金電極、及び、これを用いたニッケル水素蓄電池に関し、さらに詳しくは、高率放電性能及び充放電サイクル性能に優れたニッケル水素蓄電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、電気自動車、電動工具を始めとする大電流放電が必要な電動機器が急速に増加する傾向にある。これらの機器の電源として、密閉型ニッケル水素蓄電池はニッケルカドミウム蓄電池や鉛蓄電池等よりも単位体積および単位質量当たりのエネルギが高い上、環境にクリーンな電源として最近特に注目されている。また、ニッケル水素蓄電池は、過充電時に正極で発生する酸素を水素吸蔵合金を含有する負極で吸収する事が可能であるため、充電制御方式がリチウムイオン電池に比べて単純でよく、充電回路も簡単になる利点を有している。
【0003】
しかしながら、水素吸蔵合金は合金表面での電荷移動が遅いため、ニッケルカドミウム電池に比較して高率放電性能が劣るという欠点を有していた。また、希土類元素とニッケルと他の遷移金属元素とを主成分として構成された、水素を吸蔵脱離する水素吸蔵合金が知られており、この水素吸蔵合金を含有する電極を備える電池は、充分な放電特性を発揮するまでの初期の活性化に時間がかかり、数十回から場合によっては数百回の活性化のための充放電が必要となっている。
【0004】
これらの問題点のうち、水素吸蔵合金の活性化が遅く、高率放電に優れない点を解決するため、多くの提案がなされている。例えば、水素吸蔵合金に対して表面処理を行い、前記活性化のための充放電サイクル数の低減、及び、高率放電性能の向上を図ろうとする方法が知られている。しかしながら、この方法では、前記表面処理に要するコストが高いのみならず、高率放電特性を充分に向上させることができない。
【0005】
このため、優れた高率放電性能を有する電池を得るべく、特性の異なる水素吸蔵合金を2種類以上含有する負極が提案されている。
より具体的には、負極が、一定温度下で互いに異なるプラトー圧(水素平衡解離圧)を有する3種類以上の水素吸蔵合金を含むことが開示されている(従来例1:特許文献1参照)。
また、負極は45℃での水素吸蔵量0.5重量%時の水素平衡解離圧が異なる少なくとも2種類の水素吸蔵合金a,bを含有し、45℃での水素吸蔵量0.5重量%時の水素平衡解離圧が水素吸蔵合金aが0.35MPa、水素吸蔵合金bが0.02MPaである例が記載されている(従来例2:特許文献2参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開平10−199522号公報(段落[0009]〜[0011])
【特許文献2】
特開2000−149933号公報(段落[0020])
【特許文献3】
特開昭53−103541号公報
【特許文献4】
特公昭58−46827号公報
【特許文献5】
特開昭61−64069号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例1,2の負極を有するニッケル水素蓄電池は、高い水素平衡解離圧を有する水素吸蔵合金によって、高率放電性能が改善される傾向とはなるものの充分ではなく、また、活性化に必要とされる充放電サイクル数も十分に低減されない。これは、水素吸蔵合金が高い水素解離圧を有するため水素脱離しやすくなるものの、水素吸蔵合金が反応に必要とされる活性場を充分に有していないためと考えられる。
また、従来例1,2の負極を有するニッケル水素蓄電池は、充放電サイクル性能も不充分である。これは、前記したように、水素吸蔵合金が反応に必要とされる活性場を充分に有していないことに加え、一般に、高い水素平衡解離圧の合金は低い水素平衡解離圧の合金より充放電容量が少なく、また、Coの含有比率が小さく、高い水素平衡解離圧の合金は、耐食性に優れないためと考えられる。
【0008】
また、一般に、水素吸蔵合金粉末は導電性が低く、また電極の活物質として使用した場合、作用面積が小さい欠点がある。このため水素吸蔵合金電極を負極とするニッケル水素蓄電池は高率放電性能が劣る欠点があった。電極の導電性を向上させる為の手段としては、水素吸蔵合金粉末へのカーボンブラック添加が提案されているが(前記特許文献3参照)、十分な効果が得られない。また、水素吸蔵合金粉末にニッケル粉末を添加して焼結する方法(前記特許文献4参照)、水素吸蔵合金表面をニッケルで被覆する方法(前記特許文献5参照)が提案されているが、導電性は向上するものの、高率放電性能の向上には効果が得られない。これは、これら添加物が合金の接触抵抗を低減するものの、合金中の水素の拡散速度が遅いため、活性場としての効果を十分に発揮できないことが考えられる。このような欠点は水素吸蔵合金粉末そのものの改良や活性場としての添加物のみの改良では困難であり、別の解決手段が必要とされながら、従来有効な提案がなされていなかった。
【0009】
本発明は、上記問題点を解決するためなされたものであって、その目的は、高率放電性能に優れたニッケル水素蓄電池を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、密閉型ニッケル水素蓄電池の高率放電の抵抗成分を行うことによって、高率放電時の抵抗の大きな部分を負極が占めることを確認した。そこで、本発明者らは、高率放電時において、負極に含有される水素吸蔵合金の表面における、電荷移動速度を向上するべく、鋭意検討した結果、それぞれ特定の値とされた水素平行解離圧が異なる2種類以上の水素吸蔵合金粉末とニッケル粉末とを混合して負極を得た場合に、驚くべきことに、高率放電性能及び充放電サイクル性能に優れたニッケル水素蓄電池が得られることを見出し、本発明に至った。
【0011】
すなわち、本発明の技術的構成および作用効果は以下の通りである。ただし、作用機構については推定を含んでおり、その作用機構の正否は、本発明を制限するものではない。
【0012】
すなわち、本発明に係る水素吸蔵合金電極は、ニッケル粉末と“希土類元素と遷移元素とを主成分とする、水素を吸蔵脱離可能な水素吸蔵合金粉末”とを含有するとともに、水素吸蔵合金粉末は、水素平衡解離圧が異なる2種以上の水素吸蔵合金粉末からなり、水素平衡解離圧が最も高い高平衡圧水素吸蔵合金粉末は、60℃,水素吸蔵量が0.5重量%の条件において、水素平衡解離圧が0.65MPa以上であり、水素平衡解離圧が最も低い低平衡圧水素吸蔵合金粉末は、60℃,水素吸蔵量が0.5重量%の条件において、水素平衡解離圧が0.1MPa以下であることを特徴としている。
【0013】
このような構成によれば、水素吸蔵合金電極を、例えばニッケル水素蓄電池の負極として使用すれば、前記水素平衡解離圧が0.65MPa以上の高平衡圧水素吸蔵合金粉末を含有することによって、水素を水素吸蔵合金から脱離しやすくできるとともに、水素吸蔵合金電極がニッケル粉末を含有することによって、反応に必要とされる活性場を充分に供給して充放電容量を向上でき、高平衡圧水素吸蔵合金粉末に起因する充放電容量の低下を補うことができるので、優れた高率放電性能を発現できる。また、前記水素平衡解離圧が0.1MPa以下の低平衡圧水素吸蔵合金粉末を含有することよって、充分な負極容量を得ることができるせいか、優れた充放電サイクル性能を発現できる。以上により、高率放電性能及び充放電サイクル性能に優れたニッケル水素蓄電池を得ることのできる水素吸蔵合金電極とすることができる。なお、高率放電特性を向上させる為に前記ニッケル粉末に替えて水素吸蔵合金粉末にPd,Pt等の貴金属元素を加えることもできるが高価になる欠点がある。
【0014】
本発明に係る水素吸蔵合金電極は、ニッケル粉末の比表面積が1.5m2/g以上、ニッケル粉末のかさ密度が0.8g/ml以下であることが好ましい。なお、ここでいう比表面積は、BET法(窒素吸着法)によって測定した値であり、かさ密度は、A.S.T.MスペシィフィケーションB329に定められた粉体の見掛け密度の標準測定法によって測定した値である。
【0015】
このような構成によれば、ニッケル粉末の比表面積が1.5m2/g以上であり、ニッケル粉末の単位重量に対して前記活性場が充分に存在するので、より確実に、高率放電性能を優れたものにできる。また、ニッケル粉末のかさ密度が0.8g/ml以下であることによって、電極内部でニッケル粉末が高度に分散できるせいか、優れた高率放電性能を発現できる。
以上により、特に、高率放電性能に優れたニッケル水素蓄電池を得ることのできる水素吸蔵合金電極とすることができる。
【0016】
本発明に係る水素吸蔵合金電極は、水素吸蔵合金粉末100重量部に対して、ニッケル粉末を2重量部以上10重量部以下で含有してなることが好ましい。
【0017】
このような構成によれば、水素吸蔵合金電極を例えばニッケル水素蓄電池の負極として使用すれば、水素吸蔵合金粉末100重量部に対してニッケル粉末を2重量部以上で含有しているので、前記活性場を充分に存在させることができ、より確実に高率放電性能を優れたものにできるとともに、ニッケル粉末を10重量部超過とならないように含有しているので、水素吸蔵合金電極を充分に含有でき、充分な負極容量を得ることができるせいか、優れた充放電サイクル性能を発現できる。
以上により、特に、高率放電性能及び充放電サイクル性能に優れたニッケル水素蓄電池を得ることのできる水素吸蔵合金電極とすることができる。
【0018】
本発明に係る水素吸蔵合金電極は、高平衡圧水素吸蔵合金粉末、及び、低平衡圧水素吸蔵合金粉末は、希土類元素としてLaを主成分とし、Ni,Co,Mn及びAlからなる群から選択される1種以上の元素を含有するとともに、高平衡圧水素吸蔵合金粉末の含有量は、水素吸蔵合金電極の全重量に対して10重量%以上30重量%以下であり、高平衡圧水素吸蔵合金粉末は、Ni元素に対してLaが5mol%以上、Ni元素に対してMnとAlとの総モル量が5mol%以下となるように構成されたことが好ましい。
【0019】
高平衡圧水素吸蔵合金粉末、及び、低平衡圧水素吸蔵合金粉末が、希土類元素としてLaを主成分とし、遷移元素としてNi,Co,Mn及びAlからなる群から選択される1種以上の元素を主成分とすることによって、充分な放電容量を確実に発現して高率放電性能が優れる傾向となるとともに、充放電サイクル性能が優れる傾向にもなる。また、高平衡圧水素吸蔵合金粉末は、Ni元素に対してLaが5mol%以上、Ni元素に対してMnとAlとの総モル量が5mol%以下となるように構成されるので、高い水素平衡解離圧を確実に達成でき、優れた高率放電性能を確実に発現できるとともに、耐食性(特にアルカリ電解液に対する耐食性)に優れることから、優れた充放電サイクル性能を確実に発現できる。
【0020】
また、高平衡圧水素吸蔵合金粉末の含有量は、水素吸蔵合金電極の全重量に対して10重量%以上であるので、優れた高率放電性能を発現できるとともに、30重量%超過とならないように含有しているので、低平衡圧水素吸蔵合金粉末を充分に含有でき、充分な負極容量を得ることができるせいか、優れた充放電サイクル性能を発現できる。
以上により、特に、高率放電性能及び充放電サイクル性能に優れたニッケル水素蓄電池を得ることのできる水素吸蔵合金電極とすることができる。
【0021】
本発明に係る水素吸蔵合金電極は、高平衡圧水素吸蔵合金粉末の平均粒径が25μm以下であり、低平衡圧水素吸蔵合金粉末の平均粒径が30μm以上であることが好ましい。
【0022】
このような構成によれば、平均粒径の大きい低平衡圧水素吸蔵合金粉末を、平均粒径の小さい高平衡圧水素吸蔵合金粉末で包み込み、水素吸蔵合金間の水素移動を速やかに実施できる。また、低平衡圧水素吸蔵合金粉末の平均粒径が小さくなりすぎず、合金の比表面積が大きくなりすぎないので、耐食性(特にアルカリ電解液に対する耐食性)を充分に確保できる。
以上により、特に、高率放電性能及び充放電サイクル性能に優れたニッケル水素蓄電池を得ることのできる水素吸蔵合金電極とすることができる。
【0023】
本発明に係るニッケル水素蓄電池は、正極活物質を含有する正極、本発明に係る水素吸蔵合金電極からなる負極、及び、電解液を具備している。
このような構成によれば、本発明に係る水素吸蔵合金電極を負極として使用するので、高率放電性能及び充放電サイクル性能に優れたニッケル水素蓄電池とすることができる。
【0024】
本発明に係るニッケル水素蓄電池は、前記正極活物質が水酸化ニッケルを主成分とし、前記電解液がアルカリ金属水酸化物水溶液を主成分とすることが好ましい。
このような構成によれば、より確実に、高率放電性能及び充放電サイクル性能に優れたニッケル水素蓄電池とすることができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る水素吸蔵合金電極は、ニッケル粉末と“希土類元素と遷移元素とを主成分とする、水素を吸蔵脱離可能な水素吸蔵合金粉末”とを含有している。ここで、水素吸蔵合金粉末は、水素平衡解離圧が異なる2種以上の水素吸蔵合金粉末からなっている。水素平衡解離圧が最も高い高平衡圧水素吸蔵合金粉末は、60℃,水素吸蔵量が0.5重量%の条件において、水素平衡解離圧が0.65MPa以上であり、水素平衡解離圧が最も低い低平衡圧水素吸蔵合金粉末は、60℃,水素吸蔵量が0.5重量%の条件において、水素平衡解離圧が0.1MPa以下である。
【0026】
ここで、水素平衡解離圧は、試料である水素吸蔵合金の粉末0.5グラムを0.1ミリグラムの精度で精秤し、サンプルホルダーに充填して東洋紡エンジニアリング(株)製、PCT測定用自動高圧ジーベルツ装置(PCT-A02型)を用いて、水素を水素吸蔵合金100重量部に対して、0.5重量部含有せしめて測定した値とすることができる(実施例はこの方法に準じて測定した。)。
【0027】
水素吸蔵合金電極が、前記高平衡圧水素吸蔵合金粉末とニッケル粉末とを含有することによって、優れた高率放電性能を発現できる。これは、高率放電時に高平衡圧水素吸蔵合金粉末が、活性場としてのニッケル粉末を十分な量を得ることによって優先的に放電することができ、高率放電特性を向上することのほかに、低平衡圧水素吸蔵合金粉末中の水素が、高平衡圧水素吸蔵合金粉末へ移動し、高い水素平衡解離圧を得て高速に、高平衡圧水素吸蔵合金から解離し、充分な量で存在する活性場としてのニッケル粉末にて、放電反応を実施できるためであるものと考えられる。
【0028】
また、水素吸蔵合金電極が、前記低平衡圧水素吸蔵合金粉末を含有することよって、充分な負極容量を得ることができる。
【0029】
水素平衡解離圧が最も高い高平衡圧水素吸蔵合金粉末の水素平衡解離圧が0.65MPa未満となると、水素が水素吸蔵合金から脱離しにくくなって、優れた高率放電性能を得ることができない。
水素吸蔵合金電極がニッケル粉末を含有しないと、高平衡圧水素吸蔵合金粉末に起因する充放電容量の低下が顕在化し、優れた高率放電性能を得ることができない。
また、水素平衡解離圧が最も低い低平衡圧水素吸蔵合金粉末の水素平衡解離圧が0.1MPa超過となると、充分な負極容量を得ることができなくなって、優れた充放電サイクル性能を得ることができない。
【0030】
ニッケル粉末は、比表面積が1.5m2/g以上であり、かつ、かさ密度が0.8g/ml以下であるのが好ましく、これにより、特に、優れた高率放電性能を発現できる。ニッケル粉末のかさ密度は、ニッケルの分散状態に寄与していると考えられ、比表面積が1.5m2/g以上であっても、かさ密度が0.8g/mlを越える場合、電極中でも塊状の粒子となりやすく、ニッケルが高度に分散できにくいせいか、高率放電特性に優れない傾向となる。
【0031】
ニッケル粉末は、比表面積が4.0m2/g以上、かつ、かさ密度が0.8g/ml以下であるのがより好ましく、これにより、極めて優れた高率放電性能を発現できる。ニッケル粉末は、反応活性場触媒として作用できるので、比表面積が大きいほど高率放電特性を改善できるものと考えられる。
【0032】
水素吸蔵合金電極は、水素吸蔵合金粉末100重量部に対して、ニッケル粉末を2重量部以上10重量部以下で含有してなるのが好ましい。水素吸蔵合金電極が、水素吸蔵合金粉末100重量部に対して、ニッケル粉末を2重量部以上含有していることによって、より確実に高率放電性能を優れたものにできるとともに、ニッケル粉末を10重量部超過とならないように含有しているので、優れた充放電サイクル性能を発現できる。
【0033】
また、ニッケル粉末の物性及び量を前記のようにすることによって、活性化の工程(充放電サイクル工程)を簡略化しても、初期から高率放電特性に密閉型ニッケル水素電池を得ることができる。なお、ニッケル粉末は、カルボニルニッケル法により得られたものを好適に使用できる。
【0034】
高平衡圧水素吸蔵合金粉末、及び、低平衡圧水素吸蔵合金粉末は、希土類元素としてLa(ランタン)を主成分とし、Ni(ニッケル),Co(コバルト),Mn(マンガン)及びAl(アルミニウム)からなる群から選択される1種以上の元素を含有するのが好ましい(Ni,Co,Mnは遷移金属)。
ここで、Laは、希土類元素の内、60mol%以上を占めるのが好ましく、また、通常、90mol%以下とされる。La以外の希土類元素としては、Ce,Pr,Nd等を挙げることができる。
また、Ni,Co,Mn及びAlからなる群から選択される1種以上の元素は、希土類元素以外の元素の内、Niが60mol%〜85mol%、Coが10mol%〜30mol%、Mnが0mol%〜10mol%、Alが0mol%〜10mol%とされるのが好ましい。Ni、Co、Mn、Al以外の元素(希土類元素以外の元素)としては、Fe、Cu等を挙げることができる。
水素吸蔵合金粉末の水素平衡解離圧は、合金を構成する元素の種類及び重量比を変更することによって調整できる。
【0035】
「60℃,水素吸蔵量が0.5重量%の条件において、水素平衡解離圧が0.65MPa以上」の水素吸蔵合金粉末(高平衡圧水素吸蔵合金粉末)としては、特に限定されるものではないが、Ni元素に対してLaが5mol%以上、Ni元素に対してMnとAlとの総モル量が5mol%以下となるように構成された合金粉末を好適に例示することができる。より詳細には、以下の組成範囲を満たす合金粉末を好適に例示することができる。ここで、各元素の量は、希土類元素以外の元素の総量を100mol%とした場合のmol%である。
La:5mol%〜20mol%
Ni:70mol%〜85mol%
Co:15mol%〜30mol%
Mn:0mol%〜5mol%
Al:0mol%〜5mol%
【0036】
「60℃,水素吸蔵量が0.5重量%の条件において、水素平衡解離圧が0.1MPa以下」の水素吸蔵合金粉末(低平衡圧水素吸蔵合金粉末)としては、以下の組成範囲を満たす合金粉末を好適に例示することができる。ここで、各元素の量は、希土類元素以外の元素の総量を100mol%とした場合のmol%である。
La:5mol%〜20mol%
Ni:65mol%〜75mol%
Co:10mol%〜20mol%
Mn:5mol%〜10mol%
Al:5mol%〜10mol%
【0037】
水素吸蔵合金粉末の製造方法は、特に限定されるものではないが、水素吸蔵合金を構成する各金属(前記した所定のモル比とされている)をアルゴン雰囲気下で、アーク溶解して鋳型に鋳込んだ後、900℃〜1050℃にて30分の熱処理(熟成)を行い、除冷を行って、水中でアトライタボールミルなどを用いて機械的に湿式粉砕するのが好ましい。この際、急冷法などの他の方法を使用すると、合金内の偏析が減少して、同等かそれ以上の充放電サイクル性能が得られやすい。
【0038】
高平衡圧水素吸蔵合金粉末、及び、低平衡圧水素吸蔵合金粉末が、前記したように、希土類元素としてLaを主成分とし、Ni,Co,Mn及びAlからなる群から選択される1種以上の元素を含有するとともに、高平衡圧水素吸蔵合金粉末の含有量は、水素吸蔵合金電極の全重量に対して10重量%以上30重量%以下であり、高平衡圧水素吸蔵合金粉末は、Ni元素に対してLaが5mol%以上、Ni元素に対してMnとAlとの総モル量が5mol%以下となるように構成された水素吸蔵合金電極を特に好ましい形態としてあげることができ、特に、優れた高率放電性能と充放電サイクル性能とを発現できる。
【0039】
これは、高平衡圧水素吸蔵合金粉末と低平衡圧水素吸蔵合金粉末の組成が類似していることによって、“合金粉末間における水素の移動が速やかであること”、“Laが、優れた放電性能と充放電サイクル性能とを発現できること”、“高平衡圧水素吸蔵合金粉末に関し、Mnの量とAlの量とが抑制されていることによって、高率放電時において極めて優れた高率放電性能を発現できる傾向となること”、“高平衡圧水素吸蔵合金粉末に関し、Laの量、及び、MnとAlとの総量が前記のように規定されることによって、耐食性(特にアルカリ電解液に対する耐食性)が優れ、充放電サイクル性能を確実に発現できること”によるものと考えられる。
【0040】
また、前記した特に好ましい形態では、高平衡圧水素吸蔵合金粉末の含有量が、水素吸蔵合金電極の全重量に対して10重量%以上とされることにより、優れた高率放電性能を発現できるとともに、30重量%超過とならないように含有することによって、低平衡圧水素吸蔵合金粉末を充分に含有でき、充分な負極容量を得ることができるせいか、優れた充放電サイクル性能を発現できる。
【0041】
また、高平衡圧水素吸蔵合金粉末の平均粒径を25μm以下とした場合、優れた高率放電特性を得ることができる。これは、高平衡圧水素吸蔵合金粉末を小粒径とすることで、低平衡圧水素吸蔵合金粉末を高平衡圧水素吸蔵合金粉末の合金で包み込み、合金間の水素移動を速やかに行われるものと考えられる。なお、高平衡圧水素吸蔵合金粉末の平均粒径は、通常、小さいほど高率放電性能は優れているが、充放電サイクル性能は低下する傾向となり、また、水素吸蔵合金粉末の粉砕が困難となるから、10μm以上とされるのが好ましい。
低平衡圧水素吸蔵合金粉末の平均粒径を30μm以上にした場合、優れた充放電サイクル性能を得ることができる。ここで、この平均粒径が30μm未満となると、合金の比表面積が大きいために、低平衡圧水素吸蔵合金粉末のアルカリ電解液による腐食が早くおこる傾向となる。なお、低平衡圧水素吸蔵合金粉末の平均粒径は、通常、50μm以下とされるのが好ましい。
そして、それぞれ異なる粒径を有する高平衡圧水素吸蔵合金粉末と低平衡圧水素吸蔵合金粉末とを用いた場合、高率放電特性と充放電サイクル性能とをより優れたものにできる。
【0042】
以上に説明した本発明の実施形態に係る水素吸蔵合金電極は、原料コストが高くないことから、安価に得ることができるという利点も有する。
【0043】
本発明の実施形態に係るニッケル水素蓄電池は、正極活物質を含有する正極、本発明の実施形態に係る水素吸蔵合金電極からなる負極、及び、電解液を具備している。
【0044】
正極が含有する正極活物質としては、水酸化ニッケルを主成分とするものが好ましく、より具体的には、水酸化ニッケルに水酸化亜鉛、水酸化コバルトを混合したものが用いられるが、これらを共沈法によって均一に分散せしめて得た水酸化ニッケル複合水酸化物の使用が特に好ましい。水酸化ニッケル複合酸化物以外の添加物には、導電性改質剤として水酸化コバルト、酸化コバルト等を用いるが、前記水酸化ニッケル複合酸化物に水酸化コバルトを被覆したものや、これらの水酸化ニッケル複合酸化物の一部を酸素または含酸素気体、または、K2S2O8、次亜塩素酸などの薬剤を用いて酸化したものを用いることができる。さらに、添加剤としては酸素過電圧を向上させる物質としてY、Yb等の希土類元素の酸化物や水酸化物を用いることができる。
正極活物質の総重量に対する水酸化ニッケルの重量割合は、多いほどエネルギー密度に優れるが、Co(OH)2、Zn(OH)2の含有量が少ないと高温での充電効率が低くなる傾向となり、充電時のγ水酸化ニッケルの生成の抑制すべく、Co(OH)2、Zn(OH)2等を含有する必要が生じる傾向となるので、82重量%〜90重量%であるのが好ましい。
ここで、正極活物質に含有される遷移金属元素の平均酸化数は、酸化剤により化学的に酸化されてなるか、電気分解により電気化学的に酸化されてなることにより、2.03〜2.4とされるのが好ましい。これにより、特に、正極の不可逆な反応分の容量を初回充電時に充電することがないため、負極に、正極の不可逆な反応分に対応する充電容量が形成されにくく、負極の充電可能な容量を多くすることができるので、充放電サイクル性能を向上できる。
【0045】
負極(本発明の実施形態に係る水素吸蔵合金電極)は、防蝕添加剤として、イットリウム、イッテルビウム、エルビウムの他に、ガドリニウム、セリウムの酸化物や水酸化物を含有することができる。また、予め前記した水素吸蔵合金にこれらの元素を金属として含有させてもよい。
【0046】
正極活物質は、平均粒径50μm以下の粉末であるのが好ましく、また、負極の構成部材である水素吸蔵合金粉末及びニッケル粉末の好ましい平均粒径は前記した通りである。粉末を所定の形状で得るためには各種の粉砕機や分級機が用いられる。例えば乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、遊星ボールミル、ジェットミル、カウンタージェトミル、旋回気流型ジェットミル等が用いられる。粉砕時には水、あるいはアルカリ金属水酸化物の水溶液を用いて湿式粉砕を用いることもできる。分級方法としては、特に限定はなく、篩や風力分級機などが使用でき、また、乾式、湿式ともに必要に応じて用いられる。
【0047】
また、正極及び負極は、さらに、導電剤、結着剤、増粘剤、フィラー等を含有してもよい。
【0048】
導電剤としては、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば限定されない。導電剤としては、通常、鱗状黒鉛,鱗片状黒鉛,土状黒鉛等の天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウイスカー、炭素繊維、気相成長炭素、金属(銅,ニッケル,金等)粉、金属繊維等の導電性材料を1種またはそれらの混合物を挙げることができる。
【0049】
これらの導電剤の中では、電子伝導性及び塗工性の観点よりアセチレンブラックが望ましい。導電剤の添加量は、正極または負極の総重量に対して0.1重量%〜10重量%が好ましい。特にアセチレンブラックを0.1μm〜0.5μmの超微粒子に粉砕して用いると必要炭素量を削減できるため望ましい。これらの混合方法は、物理的な混合であり、その理想とするところは均一混合である。そのため、V型混合機、S型混合機、擂かい機、ボールミル、遊星ボールミルといったような粉体混合機を乾式、あるいは湿式で使用することが可能である。
【0050】
前記結着剤としては、通常、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE),ポリエチレン,ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー(EPDM),スルホン化EPDM,スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム等のゴム弾性を有するポリマーを1種または2種以上の混合物として用いることができる。結着剤の添加量は、正極または負極の総重量に対して0.1〜3重量%が好ましい。
【0051】
前記増粘剤としては、通常、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース等の多糖類等を1種または2種以上の混合物として用いることができる。増粘剤の添加量は、正極または負極の総重量に対して0.1〜3重量%が好ましい。
【0052】
フィラーとしては、電池性能に悪影響を及ぼさない材料であれば特に制限はない。通常、ポリプロピレン,ポリエチレン等のオレフィン系ポリマー、炭素等が用いられる。フィラーの添加量は、正極または負極の総重量に対して添加量は5重量%以下が好ましい。
【0053】
正極および負極は、主要構成材料(正極においては正極活物質、負極においてはニッケル粉末と水素吸蔵合金粉末)、導電剤および結着剤を、水やアルコール、トルエン等の有機溶媒に混合させた後、得られた混合物を下記に詳述する集電体の上に塗布し、乾燥することによって、好適に作製される。前記塗布方法については、例えば、アプリケーターロールなどのローラーコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレード方式、スピンコーティング、バーコータ等の手段を用いて任意の厚みおよび任意の形状に塗布することが望ましいが、これらに限定されるものではない。
【0054】
正極の集電体としては、構成された電池に悪影響を及ぼさない電子伝導体であれば特に選ぶところはない。例えば、ニッケルやニッケルメッキを行った鋼板を好適に用いることができ、発泡体、繊維群の形成体、凸凹加工を施した3次元機材の他に、パンチング鋼板等の2次元機材が用いられる。厚さの限定は特にないが、5〜700μmのものが用いられる。これら集電体の中で、正極としては、アルカリに対する耐食性と耐酸化性に優れているNiを、集電性に優れた構造である多孔体構造の発泡体としたものを使用することが好ましい。
【0055】
負極の集電体としては、安価で、且つ電導性に優れる鉄または鋼の箔ないし板をパンチング加工し、耐還元性向上のためにNiメッキを施した、多孔板を使用することが好ましい。鋼板のパンチングの孔径は1.7mm以下、開口率40%以上であることが好ましく、これにより少量の結着剤でも水素吸蔵合金粉末と集電体との密着性は優れたものとなる。焼成炭素繊維、導電性高分子の他に、接着性、導電性および耐酸化性向上の目的で集電体のニッケルの表面をNi粉末やカーボンや白金等を付着させて処理したものを用いることができる。これらの材料については表面を酸化処理することも可能である。
【0056】
負極(本発明の実施形態に係る水素吸蔵合金電極)に含まれる水素吸蔵合金粉末は、合金粉末同士の接触部により、水素の移動が行われていると考えられる。このため、負極全体に対する水素吸蔵合金粉末の空間密度は、高い方が好ましいが、高すぎると巻き込み時に割れが発生して短絡を多発してしまう。ここで、水素吸蔵合金粉末の密度は、合金の比重やフィラーの密度によって変動するため、残存する空間で表記するのが適切であり、負極は、残存する空間を集電体を除く全負極空間の25%以下にするのが好ましく、前記載の短絡発生を抑制するため15%以上とするのが好ましい。
【0057】
また、ニッケル水素蓄電池としては、正極と負極との間にニッケル水素電池用セパレータが介装された形態を好適に例示でき、このようなニッケル水素電池用セパレータとしては、既知の優れた高率放電特性を示す多孔膜や不織布等を、単独あるいは併用することができる。セパレータを構成する材料としては、例えばポリエチレン,ポリプロピレン等に代表されるポリオレフィン系樹脂や、ナイロンを挙げることができる。セパレータの空孔率は強度、ガス透過性の観点から80体積%以下が好ましい。また、充放電特性の観点から空孔率は20体積%以上が好ましい。セパレータは親水化処理を施す事が好ましい。例えば、ポリエチレンなどのポリオレフィン系樹脂繊維の表面に親水基のグラフト重合処理、スルフォン化処理、コロナ処理、PVA処理を施したり、これらの処理を既に施された繊維を混合したシートを用いても良い。
【0058】
電解液としては、一般にアルカリ電池等への使用が提案されているものが使用可能である。水を溶媒とし、溶質としてはカリウム,ナトリウム,リチウム等のアルカリ金属の水酸化物の単独またはそれら2種以上の混合物を溶解したもの等を挙げることができるがこれらに限定されるものではない。水素吸蔵合金粉末への防食剤や、正極での過電圧向上のためや、負極の耐食性の向上や、自己放電向上の為の電解液への添加剤として、イットリウム、イッテルビウム、エルビウム、カルシウム、硫黄、亜鉛等の化合物を単独またはそれら2種以上混合して添加することができる。
【0059】
電解液中の電解質塩の濃度としては、高い電池特性を有する電池を確実に得るためには、水酸化カリウムを5〜7mol/l、水酸化リチウムを0.5〜0.8mol/l含む水溶液が好ましい。
【0060】
本発明の実施形態に係る電池は、正極活物質が水酸化ニッケルを主成分とし、電解液がアルカリ金属水酸化物水溶液を主成分とする形態が好ましく、これにより、より確実に、高率放電性能及び充放電サイクル性能に優れたニッケル水素蓄電池とすることができる。
【0061】
本発明の実施形態に係るニッケル水素蓄電池は、電解液を、例えば、ニッケル水素蓄電池用セパレータと正極と負極とを積層する前または積層した後に注液し、最終的に、外装材で封止することによって、密閉型ニッケル水素蓄電池として製造するのが好適である。また、正極と負極とがニッケル水素蓄電池用セパレータを介して積層された発電要素を巻回してなるニッケル水素蓄電池においては、電解液は、前記巻回の前後に発電要素に注液されるのが好ましい。注液法としては、常圧で注液することも可能であるが、真空含浸方法や加圧含浸方法や遠心含浸法も使用可能である。
【0062】
ニッケル水素蓄電池の外装体の材料としては、ニッケルメッキした鉄やステンレススチール、ポリオレフィン系樹脂等またはこれらの複合体が挙げられる。
【0063】
ニッケル水素蓄電池の構成、形状については特に限定されるものではなく、正極、負極および単層又は複層のセパレータを有するコイン電池やボタン電池、角型電池、扁平型電池、さらに、ロール状の正極、負極およびセパレータを有する円筒型電池等が一例として挙げられる。
円筒型電池としては、例えば、図1の破断斜視図に示すように、ニッケル水素蓄電池1は、正極3と負極4とがニッケル水素蓄電池用セパレータ5を介して積層された発電要素を巻回してロール状物とし、これを円筒状のケース2の中に収容してなる形態を例示できる。ここで、ケース2には絶縁ガスケット6を介して上部開口部2aが設けられており、上部開口部2aの略中央部には、正極端子8が設けられている。また、ロール状物の上面には集電体9が設けられており、集電体9と上部開口部2aとの間には封口板7が設けられている。
【0064】
【実施例】
以下に、実施例に基づき本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の記載により限定されるものではなく、試験方法や構成する電池の正極活物質、負極材料、正極、負極、電解質、セパレータ並びに電池形状等は任意である。
【0065】
<実施例1>
[正極の作成]
(水酸化ニッケル粒子の合成)
硫酸ニッケルと硫酸亜鉛と硫酸コバルトとを、それぞれの金属の水酸化物の重量比(すなわち、水酸化ニッケル:水酸化亜鉛:水酸化コバルト)が93:5:2となるように溶解した水溶液に、硫酸アンモニウムと苛性ソーダ水溶液とを添加してアンミン錯体を生成させた。反応系を激しく撹拌しながら更に苛性ソーダを滴下し、反応系の温度を45±2℃、pHを12±0.2に制御して芯層母材となる球状高密度水酸化ニッケル粒子を合成した。
【0066】
(水酸化ニッケル粒子表面への表面層の形成)
前記高密度水酸化ニッケル粒子を、温度を45±2℃、苛性ソーダでpH12±0.2に制御したアルカリ性水溶液に投入した。該溶液を撹拌しながら、所定濃度の硫酸コバルト、アンモニアを含む水溶液を滴下した。この間、苛性ソーダ水溶液を適宜滴下して反応浴のpHを12±0.2の範囲に維持した。約1時間、温度を45±2℃、pHを12±0.2の範囲に保持し、水酸化ニッケル表面にコバルトを含む混合水酸化物から成る表面層を形成させた。該混合水酸化物の表面層の比率は芯層母粒子(以下単に芯層と記述する)に対して7重量%であった。
【0067】
(正極活物質粒子の酸化処理)
前記混合水酸化物から成る表面層を有する水酸化ニッケル粒子100gを、温度60℃、濃度10wt%のNaOH水溶液400g中に投入し、充分に撹拌した。続いて次亜塩素酸ナトリウム溶液(和光純薬工業株式会社製)45mlを添加し、30分間撹拌を続けた。活物質粒子をろ過し、水洗、乾燥した。得られた活物質粒子に濃度30wt%、温度80℃のNaOH水溶液20gを加えて、温度80℃に2時間保持した後水洗、乾燥した。得られた活物質粒子に含まれる遷移金属元素(Ni,Co)の平均酸化数を公知の方法(活物質粒子を硫酸第1鉄アンモニウムと反応させた後、過マンガン酸カリウムを用いて酸化還元滴定を行う)で測定した。その結果は、遷移金属元素(Ni,Co)の平均酸化数が2.15であった。
【0068】
(正極板の作製)
前記活物質粒子にカルボキシメチルセルローズ(CMC)水溶液を添加して前記活物質粒子:CMC溶質=99.5:0.5のペースト状とし、該ペーストを450g/m2のニッケル多孔体(住友電工社製、商品名ニッケルセルメット#8)に充填した。その後、80℃で乾燥した後、所定の厚みにプレスし、表面にテフロン(登録商標)コーティングを行い幅34mm(内、無塗工部1mm)長さ260mmの容量3000mAhのニッケル正極板を製造した。
【0069】
[負極の作製]
粒径20μmのAB5型希土類系のLaNi5の組成を有する水素吸蔵合金20重量部と粒径30μmのAB5型希土類系のMmNi3.75Co0.6Al0.3Mn0.35の組成(Mm:ミッシュメタル)を有する水素吸蔵合金80重量部とを30分間混合し、得られた合金混合粉末を95重量部とカルボニルニッケル法によって製造したニッケル粉末5重量部を30分間混合して、合金粉末混合体を得た。前記2種の水素吸蔵合金の「60℃,水素吸蔵量が0.5重量%の条件における水素平衡解離圧」は、それぞれ、0.65Mpa、0.10Mpaであった。また、ニッケル粉末のBET法による比表面積は1.5m2/g、かさ密度は0.8g/mlであった。
【0070】
このようにして得られた合金粉末混合体とスチレンブタジエン共重合体エマルジョンとを乾量基準の質量比で99.35:0.65の割合で混合し、水で分散してペースト状にし、ブレードコーターを用いて、鉄にニッケルメッキを施した穴直径1.0mm、開口率42.5%のパンチング鋼板に塗布した後、80℃で乾燥し、所定の厚みにプレスして幅34mm(内、無塗工部1mm)長さ260mmの容量4800mAhの水素吸蔵合金負極板を製造した。
【0071】
前記の水素吸蔵合金負極板と、スルフォン化処理を施した厚み120μmのポリプロピレンの不織布状セパレータと、前記ニッケル正極板とを組み合わせてロール状に巻回し、6.8Nの水酸化カリウム水溶液に0.8mol/lの水酸化リチウムを溶解したアルカリ電解液を注液し、開弁圧2.4Mpaの逆止弁を具備するsubC形の密閉型ニッケル水素蓄電池を作製した。この電池を実施例1のニッケル水素蓄電池とする。
【0072】
<実施例2>
ボールミルによって粉砕して得られたニッケル粉末を用いたこと以外は実施例1と同様にすることによって、実施例2のニッケル水素蓄電池を製造した。負極中のニッケル粉末のBET法による比表面積は1.0m2/g、かさ密度は1.2g/mlであった。
【0073】
<実施例3>
合金粉末混合体を90重量部と、カルボニルニッケル法によって製造したニッケル粉末10重量部とを30分間混合したこと以外は、実施例1と同様にすることによって、実施例3のニッケル水素蓄電池を製造した。
【0074】
<実施例4>
カルボニルニッケル法によって製造したニッケル粉末のBET法による比表面積が4.0m2/g、かさ密度は0.8g/mlであること以外は、実施例1と同様にすることによって、実施例4のニッケル水素蓄電池を製造した。
【0075】
<実施例5>
合金粉末混合体を98重量部と、カルボニルニッケル法によって製造したニッケル粉末2重量部とを30分間混合したこと以外は、実施例1と同様にすることによって、実施例5のニッケル水素蓄電池を製造した。
【0076】
<実施例6>
粒径20μmのAB5型希土類系のLaNi5の組成を有する水素吸蔵合金20重量部と粒径30μmのAB5型希土類系のMmNi3.60Co0.6Al0.3Mn0.35の組成を有する水素吸蔵合金80重量部とを30分間混合したこと以外は、実施例1と同様にすることによって、実施例6のニッケル水素蓄電池を製造した。
MmNi3.60Co0.6Al0.3Mn0.35の組成を有する水素吸蔵合金の「60℃,水素吸蔵量が0.5重量%の条件における水素平衡解離圧」は0.07Mpaであった。
【0077】
<実施例7>
合金混合粉末を80重量部と、カルボニルニッケル法によって製造したニッケル粉末20重量部とを30分間混合したこと以外は、実施例1と同様にすることによって、実施例7のニッケル水素蓄電池を製造した。
【0078】
<実施例8>
粒径20μmのAB5型希土類系のMmNi4.11Co0.685Al0.091Mn0.114の組成を有する水素吸蔵合金20重量部と粒径30μmのAB5型希土類系のMmNi3.75Co0.6Al0.3Mn0.35の組成を有する水素吸蔵合金80重量部とを30分間混合したこと以外は、実施例1と同様にすることによって、実施例8のニッケル水素蓄電池を製造した。MmNi4.11Co0.685Al0.091Mn0.114の組成を有する水素吸蔵合金の「60℃,水素吸蔵量が0.5重量%の条件における水素平衡解離圧」は0.70Mpaであった。
【0079】
<実施例9>
粒径20μmのAB5型希土類系のMmNi4.19Co0.698Al0.058Mn0.058の組成を有する水素吸蔵合金20重量部と粒径30μmのAB5型希土類系のMmNi3.75Co0.6Al0.3Mn0.35の組成を有する水素吸蔵合金80重量部とを30分間混合したこと以外は、実施例1と同様にすることによって、実施例9のニッケル水素蓄電池を製造した。MmNi4.19Co0.698Al0.058Mn0.058の組成を有する水素吸蔵合金の「60℃,水素吸蔵量が0.5重量%の条件における水素平衡解離圧」は0.90Mpaであった。
【0080】
<実施例10>
粒径20μmのAB5型希土類系のMmNi4.11Co0.685Al0.091Mn0.114の組成を有する水素吸蔵合金30重量部と粒径30μmのAB5型希土類系のMmNi3.75Co0.6Al0.3Mn0.35の組成を有する水素吸蔵合金70重量部とを30分間混合したこと以外は、実施例1と同様にすることによって、実施例10のニッケル水素蓄電池を製造した。
【0081】
<実施例11>
粒径20μmのAB5型希土類系のMmNi4.11Co0.685Al0.091Mn0.114の組成を有する水素吸蔵合金10重量部と粒径30μmのAB5型希土類系のMmNi3.75Co0.6Al0.3Mn0.35の組成を有する水素吸蔵合金90重量部とを30分間混合したこと以外は、実施例1と同様にすることによって、実施例11のニッケル水素蓄電池を製造した。
【0082】
<実施例12>
粒径20μmのAB5型希土類系のMmNi4.11Co0.685Al0.091Mn0.114の組成を有する水素吸蔵合金50重量部と粒径30μmのAB5型希土類系のMmNi3.75Co0.6Al0.3Mn0.35の組成を有する水素吸蔵合金50重量部とを30分間混合したこと以外は、実施例1と同様にすることによって、実施例12のニッケル水素蓄電池を製造した。
【0083】
<実施例13>
粒径30μmのAB5型希土類系のLaNi5の組成を有する水素吸蔵合金20重量部と粒径20μmのAB5型希土類系のMmNi3.75Co0.6Al0.3Mn0.35の組成を有する水素吸蔵合金80重量部とを30分間混合したこと以外は、実施例1と同様にすることによって、実施例13のニッケル水素蓄電池を製造した。
【0084】
<実施例14>
粒径25μmのAB5型希土類系のLaNi5の組成を有する水素吸蔵合金20重量部と粒径30μmのAB5型希土類系のMmNi3.75Co0.6Al0.3Mn0.35の組成を有する水素吸蔵合金80重量部とを30分間混合したこと以外は、実施例1と同様にすることによって、実施例14のニッケル水素蓄電池を製造した。
【0085】
<比較例1>
粒径30μmのAB5型希土類系のMmNi3.75Co0.6Al0.3Mn0.35の組成を有する水素吸蔵合金のみを用いて30分間混合し、得られた合金粉末にニッケル粉末を加えることなく30分間混合したこと以外は、実施例1と同様にすることによって、比較例1のニッケル水素蓄電池を製造した。
【0086】
<比較例2>
粒径30μmのAB5型希土類系のMmNi3.75Co0.6Al0.3Mn0.35の組成を有する水素吸蔵合金のみを用いて30分間混合したこと以外は、実施例1と同様にすることによって、比較例2のニッケル水素蓄電池を製造した。
【0087】
<比較例3>
ニッケル粉末を加えることなく30分間混合したこと以外は、実施例1と同様にすることによって、比較例3のニッケル水素蓄電池を製造した。
【0088】
<比較例4>
粒径20μmのAB5型希土類系のMmNi3.75Co0.6Al0.3Mn0.35の組成を有する水素吸蔵合金20重量部と粒径30μmのAB5型希土類系のMmNi3.60Co0.6Al0.3Mn0.35の組成を有する水素吸蔵合金80重量部とを30分間混合したこと以外は、実施例1と同様にすることによって、比較例4のニッケル水素蓄電池を製造した。前記2種の水素吸蔵合金の「60℃,水素吸蔵量が0.5重量%の条件における水素平衡解離圧」はそれぞれ、0.10Mpa、0.07Mpaであった。
【0089】
<電池の評価>
実施例及び比較例のニッケル水素蓄電池を40℃,12時間の保管処理の後、20℃,0.02ItAにて600mAh充電し、さらに0.1ItAで12時間充電した。さらに0.2ItAで1Vまで放電した後、0.1ItAで12時間充電、0.2ItAで1Vまで放電する操作を4回繰り返した。4回目の放電容量を20℃での初期放電量とする。
【0090】
その後、この電池を0.1ItAで12時間充電した後、5℃に5時間放置して十分冷却したのち、0.8Vまで10ItA放電を行った時の放電容量を、前記20℃での初期放電量100%に対する5℃10ItA放電容量として表1に示す。この5℃10ItA放電容量が高いほど、高率放電性能に優れることを意味する。
【0091】
さらに、25℃で2ItAでΔV5mVまで充電し、10分間休止し、2ItAで1.0Vまで放電し、10分間休止するサイクルを行い、放電容量の80%に到達したサイクル数を表1に示す。このサイクル数が多いほど、充放電サイクル性能に優れることを意味する。
【0092】
表1中、水素吸蔵合金粉末において、“平衡圧”は、「60℃,水素吸蔵量が0.5重量%の条件における水素平衡解離圧」を示し、その単位はMpa、“粒径”の単位はμm、“含有率”は水素吸蔵合金電極の全重量に対する重量割合を示す。また、ニッケル粉末において、“比表面積”の単位はm2/g、“かさ密度”の単位はg/ml、“合金粉末に対する量”は、水素吸蔵合金粉末100重量部に対する量を示し、その単位は重量部である。
【0093】
【表1】
【0094】
高平衡圧水素吸蔵合金粉末の水素平衡解離圧が0.65MPa以上であり、低平衡圧水素吸蔵合金粉末の水素平衡解離圧が0.1MPa以下であり、さらにニッケル粉末を含有する水素吸蔵合金電極を負極として有する実施例1〜14のニッケル水素蓄電池は、前記条件を満たさない比較例1〜4のニッケル水素蓄電池と比較して高率放電性能に優れた。
【0095】
比較例3のように、高平衡圧水素吸蔵合金粉末と低平衡圧水素吸蔵合金粉末とを混合したのみでは、優れた高率放電性能を得ることはできないのに対して、実施例1のように、これらの水素吸蔵合金粉末にニッケル粉末を添加した場合には優れた高率放電性能を得ることができた。
これは、比較例3にても高平衡圧水素吸蔵合金粉末が低平衡圧水素吸蔵合金粉末の水素を受け取り、速やかに合金の活性面に移動せしめることが出来るものの、活性場そのものが不足していることによって、高率放電特性が不十分であるのに対して、実施例1では、ニッケル粉末の添加によって、活性場が充分に存在し、高率放電特性が大幅に向上したものと推定される。
【0096】
また、比較例4と実施例6と実施例9とを比較して分かるように、優れた高率放電性能を得るためには、高平衡圧水素吸蔵合金粉末は、0.65Mpa以上の水素平衡解離圧を有する必要があり、0.9Mpa以上である場合は、極めて高い高率放電特性を示すことが確認された。
これは、より高い水素平衡解離圧を有する合金を添加することによって、水素を速やかに活性場に移動させる駆動力を高めることができ、高率放電特性が向上するものと推定される。
なかでも、実施例1、実施例2、実施例4を比較して分かるように、ニッケルが金属ニッケルの粉末で構成され、その比表面積が1.5m2/g以上、嵩密度が0.8g/ml以下である場合、特に優れた高率放電特性が得られた。ニッケルの活性はニッケルの量だけではなく、表面場の多さ、即ち、表面積にも大きく依存するものと考えられ、表面積を大きく有するニッケル粉末を添加することによって、高率放電特性の大幅な改善が出来た。
【0097】
また、比較例3、実施例1,5,3,7を比較してわかるように、水素吸蔵合金を100重量部に対してニッケル粉末の含有量が、2重量部以上10重量部以下で有る場合、特に、優れた高率放電性能と、優れた充放電サイクル性能とを合わせ持つことが確認された。ニッケル粉末は、2重量部添加すれば十分であり、多く添加しすぎると水素吸蔵合金の存在割合が低下することによって、充放電サイクル性能が低下するものと考えられる。
【0098】
また、実施例1と実施例8とを比較して分かるように、高平衡圧水素吸蔵合金粉末、及び、低平衡圧水素吸蔵合金粉末に関して、希土類元素としてLaを主成分とし、Ni,Co,Mn及びAlからなる群から選択される1種以上の元素を含有し、さらに、高平衡圧水素吸蔵合金粉末を、Ni元素に対してLaが5mol%以上、Ni元素に対してMnとAlとの総モル量が5mol%以下となるように構成することによって、優れた高率放電性能を示しながら、より優れた充放電サイクル性能を示した。
なかでも、実施例8,10,11,12を比較して分かるように、高平衡圧水素吸蔵合金粉末が、水素吸蔵合金電極の全重量に対して10重量%以上30重量%以下である場合、極めて優れた充放電サイクル性能が得られた。
【0099】
希土類元素としてLaを主成分とし、遷移元素としてNi,Co,Mn及びAlからなる群から選択される1種以上の元素を主成分とする水素吸蔵合金粉末を用いると、優れた充放電サイクル性能を示す。また、特に高平衡圧水素吸蔵合金粉末が前記水素吸蔵合金粉末とされることによって、高い水素平衡解離圧を有することができたとともに、さらに、高い水素平衡解離圧を得るための方策として、Ni元素に対して(Niを100mol%とした時)、Laを5mol%以上とし、かつ、MnとAlの総含有量が5mol%以下とした場合、高い水素平衡圧を有しながら耐食性に優れた水素吸蔵合金を得ることができ、これによって、優れた高率放電特性に加えて、極めて優れた充放電サイクル性能が得られたものと考えられる。
【0100】
また、高平衡圧水素吸蔵合金粉末と低平衡圧水素吸蔵合金粉末との混合比に関し、高平衡圧水素吸蔵合金粉末の量が多すぎる場合、充放電電圧曲線が、高平衡圧水素吸蔵合金と低平衡圧水素吸蔵合金の有する個別の電位を示して2段階のカーブとなって、電池性能が所望のものに制御されにくいばかりでなく、高平衡圧水素吸蔵合金粉末の利用率が低下してしまう。高平衡圧水素吸蔵合金粉末の含有量が、水素吸蔵合金電極の全重量に対して30重量%以下の場合、高平衡圧水素吸蔵合金粉末を有する合金の利用率は単独で用いる合金の利用率よりも非常に高いものと考えられる。これは、高平衡圧水素吸蔵合金粉末を単独で用いる場合の利用率の低下は、充電を行なうことができないことによるのに対し、高平衡圧水素吸蔵合金粉末と低平衡圧水素吸蔵合金とを混合して用いた場合における、高平衡圧水素吸蔵合金粉末の利用率の向上は、高平衡圧水素吸蔵合金粉末が低平衡圧水素吸蔵合金粉末より水素を貰うことによって充電を行なうことができるとともに、ニッケル粉末が共存することによるものと考えられる。
【0101】
また、実施例1,13,14を比較して分かるように、高平衡圧水素吸蔵合金粉末の平均粒径が大きくなると高率放電性能が低下する傾向となるため、25μm以下が好ましく、低平衡圧水素吸蔵合金粉末の平均粒径が小さくなると、充放電サイクル性能が低下する傾向となるため、30μm以上が好ましいことが確認された。水素吸蔵合金は粒径が大きいほど反応場が減少するため、高率放電性能に優れないが、充放電サイクル性能が優れることが一般に知られている。低平衡圧水素吸蔵合金粉末の平均粒径を大きくする事によって、優れた充放電サイクル性能を維持しつつ、高率放電性能の向上に必要とされる高平衡圧水素吸蔵合金粉末の平均粒径を25μm以下とすることによって、優れた高率放電特性と優れた充放電サイクル性能とを両立することが出来た。
【0102】
本発明に係る水素吸蔵合金電極によれば、高率放電性能に優れたニッケル水素蓄電池を提供できる。このようなニッケル水素蓄電池によれば、大電流放電性能に優れた電池とすることができるので、電気自動車や電動工具に対する電源として利用できる。
【0103】
ニッケル粉末の比表面積が1.5m 2 /g以上、ニッケル粉末のかさ密度が0.8g/ml以下である本発明に係る水素吸蔵合金電極によれば、特に、高率放電性能に優れたニッケル水素蓄電池を提供できる。
また、水素吸蔵合金粉末100重量部に対して、ニッケル粉末を2重量部以上10重量部以下で含有してなる本発明に係る水素吸蔵合金電極によれば、特に、高率放電性能及び充放電サイクル性能に優れたニッケル水素蓄電池を提供できる。
【0104】
高平衡圧水素吸蔵合金粉末、及び、低平衡圧水素吸蔵合金粉末は、希土類元素としてLaを主成分とし、Ni,Co,Mn及びAlからなる群から選択される1種以上の元素を含有するとともに、高平衡圧水素吸蔵合金粉末の含有量は、水素吸蔵合金電極の全重量に対して10重量%以上30重量%以下であり、高平衡圧水素吸蔵合金粉末は、Ni元素に対してLaが5mol%以上、Ni元素に対してMnとAlとの総モル量が5mol%以下となるように構成されたこと、及び、高平衡圧水素吸蔵合金粉末の平均粒径が25μm以下であり、低平衡圧水素吸蔵合金粉末の平均粒径が30μm以上であることに係る本発明の水素吸蔵合金電極によれば、耐食性が優れ、特に良好な充放電サイクル性能を得ることができるとともに、高率放電特性にも優れた密閉型ニッケル水素蓄電池が提供できる。よって、この電池を電源とする機器の性能が向上し、それらの用途をさらに広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るニッケル水素蓄電池の破断斜視図である。
【符号の説明】
1 ニッケル水素蓄電池
2 ケース
2a 上部開口部
3 正極
4 負極
5 ニッケル水素蓄電池用セパレータ
6 絶縁ガスケット
7 封口板
8 正極端子
9 集電体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hydrogen storage alloy electrode and a nickel metal hydride storage battery using the same, and more particularly to a nickel metal hydride storage battery excellent in high rate discharge performance and charge / discharge cycle performance.
[0002]
[Prior art]
In recent years, electric devices such as electric vehicles and electric tools that require large current discharge tend to increase rapidly. As a power source for these devices, a sealed nickel-metal hydride storage battery has recently attracted particular attention as a clean power source for the environment in addition to higher energy per unit volume and unit mass than a nickel cadmium storage battery or a lead storage battery. In addition, the nickel-metal hydride storage battery can absorb oxygen generated at the positive electrode during overcharge by the negative electrode containing the hydrogen storage alloy, so the charge control method is simpler than the lithium ion battery, and the charging circuit is also Has the advantage of being simplified.
[0003]
However, since the hydrogen storage alloy has a slow charge transfer on the surface of the alloy, it has a disadvantage that the high rate discharge performance is inferior to that of the nickel cadmium battery. Also known is a hydrogen storage alloy that contains rare earth elements, nickel, and other transition metal elements as a main component and absorbs and desorbs hydrogen, and a battery equipped with an electrode containing this hydrogen storage alloy is sufficient. It takes a long time for the initial activation until a satisfactory discharge characteristic is exhibited, and charging / discharging for activation from several tens of times to several hundred times is necessary.
[0004]
Among these problems, many proposals have been made in order to solve the problem that the activation of the hydrogen storage alloy is slow and is not excellent in high rate discharge. For example, a method is known in which surface treatment is performed on a hydrogen storage alloy to reduce the number of charge / discharge cycles for the activation and to improve high-rate discharge performance. However, in this method, not only the cost required for the surface treatment is high, but also the high rate discharge characteristics cannot be sufficiently improved.
[0005]
For this reason, in order to obtain a battery having excellent high rate discharge performance, a negative electrode containing two or more types of hydrogen storage alloys having different characteristics has been proposed.
More specifically, it is disclosed that the negative electrode includes three or more types of hydrogen storage alloys having different plateau pressures (hydrogen equilibrium dissociation pressures) at a constant temperature (refer to Conventional Example 1: Patent Document 1). .
The negative electrode contains at least two types of hydrogen storage alloys a and b having different hydrogen equilibrium dissociation pressures when the hydrogen storage amount at 45 ° C. is 0.5% by weight, and the hydrogen storage amount at 45 ° C. is 0.5% by weight. An example is described in which the hydrogen equilibrium dissociation pressure is 0.35 MPa for hydrogen storage alloy a and 0.02 MPa for hydrogen storage alloy b (conventional example 2: refer to Patent Document 2).
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-10-199522 (paragraphs [0009] to [0011])
[Patent Document 2]
JP 2000-149933 A (paragraph [0020])
[Patent Document 3]
JP-A-53-103541
[Patent Document 4]
Japanese Examined Patent Publication No. 58-46827
[Patent Document 5]
JP-A 61-64069
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the nickel-metal hydride storage batteries having the negative electrodes of Conventional Examples 1 and 2 are not sufficient, although the high-rate discharge performance tends to be improved by the hydrogen storage alloy having a high hydrogen equilibrium dissociation pressure. The number of charge / discharge cycles required is not sufficiently reduced. This is presumably because the hydrogen storage alloy has a high hydrogen dissociation pressure, so that hydrogen is easily desorbed, but the hydrogen storage alloy does not have sufficient active fields required for the reaction.
Moreover, the nickel hydride storage battery which has the negative electrode of the prior art examples 1 and 2 is also inadequate charge / discharge cycle performance. This is because, as described above, in addition to the fact that the hydrogen storage alloy does not have enough active fields required for the reaction, in general, an alloy having a high hydrogen equilibrium dissociation pressure is charged more than an alloy having a low hydrogen equilibrium dissociation pressure. It is considered that an alloy having a low discharge capacity, a small Co content ratio, and a high hydrogen equilibrium dissociation pressure is not excellent in corrosion resistance.
[0008]
Further, in general, the hydrogen storage alloy powder has low conductivity, and when used as an active material for an electrode, there is a drawback that the working area is small. For this reason, the nickel-metal hydride storage battery having a hydrogen storage alloy electrode as a negative electrode has a drawback that the high rate discharge performance is inferior. As means for improving the conductivity of the electrode, addition of carbon black to the hydrogen storage alloy powder has been proposed (see Patent Document 3), but a sufficient effect cannot be obtained. Further, a method of adding nickel powder to a hydrogen storage alloy powder and sintering (see Patent Document 4) and a method of coating the surface of the hydrogen storage alloy with nickel (see Patent Document 5) have been proposed. However, no effect is obtained for improving the high rate discharge performance. Although these additives reduce the contact resistance of the alloy, it is considered that the effect as an active field cannot be sufficiently exhibited because the diffusion rate of hydrogen in the alloy is slow. Such drawbacks are difficult by improving the hydrogen-absorbing alloy powder itself or improving only the additive as an active field, and yet another effective solution has been required, but no effective proposal has been made.
[0009]
The present invention has been made to solve the above problems, and its purpose is to provide high-rate discharge.NohThe object is to provide an excellent nickel metal hydride storage battery.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have confirmed that the negative electrode occupies a large portion of resistance during high rate discharge by performing a high rate discharge resistance component of the sealed nickel-metal hydride battery. Therefore, the present inventors have conducted intensive studies to improve the charge transfer rate on the surface of the hydrogen storage alloy contained in the negative electrode during high rate discharge, and as a result, the hydrogen parallel dissociation pressures each having a specific value are obtained. Surprisingly, when a negative electrode is obtained by mixing two or more types of hydrogen storage alloy powders and nickel powders having different valences, a nickel-metal hydride storage battery with excellent high-rate discharge performance and charge / discharge cycle performance can be obtained. The headline, the present invention has been reached.
[0011]
That is, the technical configuration and operational effects of the present invention are as follows. However, the action mechanism includes estimation, and the correctness of the action mechanism does not limit the present invention.
[0012]
That is,The present inventionThe hydrogen storage alloy electrode according to the present invention contains nickel powder and “hydrogen storage alloy powder containing rare earth elements and transition elements as main components and capable of storing and desorbing hydrogen”. A high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder consisting of two or more types of hydrogen storage alloy powders with different dissociation pressures, and having the highest hydrogen equilibrium dissociation pressure, is hydrogen equilibrium dissociation under the conditions of 60 ° C and hydrogen storage capacity of 0.5 wt%. The low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder having a pressure of 0.65 MPa or more and the lowest hydrogen equilibrium dissociation pressure has a hydrogen equilibrium dissociation pressure of 0.1 MPa or less at 60 ° C. and a hydrogen storage amount of 0.5 wt%. It is characterized by being.
[0013]
According to such a configuration, when the hydrogen storage alloy electrode is used as, for example, a negative electrode of a nickel metal hydride storage battery, the hydrogen equilibrium dissociation pressure contains a high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder of 0.65 MPa or more. Can be easily desorbed from the hydrogen storage alloy, and the hydrogen storage alloy electrode contains nickel powder, so that the active field required for the reaction can be sufficiently supplied to improve the charge / discharge capacity, and the high storage pressure hydrogen storage Since the decrease in charge / discharge capacity caused by the alloy powder can be compensated, excellent high rate discharge performance can be exhibited. In addition, by including the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder having a hydrogen equilibrium dissociation pressure of 0.1 MPa or less, an excellent charge / discharge cycle performance can be exhibited, probably because a sufficient negative electrode capacity can be obtained. By the above, it can be set as the hydrogen storage alloy electrode which can obtain the nickel hydride storage battery excellent in the high-rate discharge performance and charging / discharging cycling performance. In order to improve the high rate discharge characteristics, a noble metal element such as Pd or Pt can be added to the hydrogen storage alloy powder instead of the nickel powder, but there is a disadvantage that it is expensive.
[0014]
The present inventionThe hydrogen storage alloy electrode according to the present invention has a specific surface area of nickel powder of 1.5 m.2/ G or more and the bulk density of the nickel powder is 0.8 g / ml or lessIs preferred. Here, the specific surface area is a value measured by the BET method (nitrogen adsorption method), and the bulk density is A.D. S. T.A. It is a value measured by the standard measurement method of the apparent density of the powder defined in M specification B329.
[0015]
According to such a configuration, the specific surface area of the nickel powder is 1.5 m.2Since the active field is sufficiently present with respect to the unit weight of the nickel powder, the high-rate discharge performance can be more reliably improved. Further, when the bulk density of the nickel powder is 0.8 g / ml or less, an excellent high rate discharge performance can be exhibited because the nickel powder can be highly dispersed inside the electrode.
By the above, it can be set as the hydrogen storage alloy electrode which can obtain the nickel hydride storage battery excellent in especially high rate discharge performance.
[0016]
The present inventionThe hydrogen storage alloy electrode according to the present invention comprises nickel powder in an amount of 2 to 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the hydrogen storage alloy powder.Is preferred.
[0017]
According to such a configuration, if the hydrogen storage alloy electrode is used as, for example, a negative electrode of a nickel metal hydride storage battery, nickel powder is contained in 2 parts by weight or more with respect to 100 parts by weight of the hydrogen storage alloy powder. It is possible to have a sufficient field, more reliably high rate discharge performance can be ensured, and nickel powder is contained so as not to exceed 10 parts by weight. It is possible to obtain an excellent charge / discharge cycle performance because a sufficient negative electrode capacity can be obtained.
By the above, it can be set as the hydrogen storage alloy electrode which can obtain the nickel hydride storage battery excellent in especially high rate discharge performance and charging / discharging cycling performance.
[0018]
The present inventionIn the hydrogen storage alloy electrode according to the present invention, the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder and the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder are selected from the group consisting of La as a main component, Ni, Co, Mn and Al as a rare earth element. In addition to containing one or more elements, the content of the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is 10% by weight to 30% by weight with respect to the total weight of the hydrogen storage alloy electrode. Is configured such that La is 5 mol% or more with respect to Ni element and the total molar amount of Mn and Al is 5 mol% or less with respect to Ni element.Is preferred.
[0019]
The high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder and the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder are one or more elements selected from the group consisting of La as a rare earth element and Ni, Co, Mn and Al as transition elements. As a main component, the sufficient discharge capacity is surely expressed and the high-rate discharge performance tends to be excellent, and the charge / discharge cycle performance tends to be excellent. Further, the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is configured so that La is 5 mol% or more with respect to Ni element and the total molar amount of Mn and Al is 5 mol% or less with respect to Ni element. Equilibrium dissociation pressure can be reliably achieved, excellent high-rate discharge performance can be reliably expressed, and corrosion resistance (particularly corrosion resistance to alkaline electrolyte) is excellent, so that excellent charge / discharge cycle performance can be reliably expressed.
[0020]
Further, since the content of the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is 10% by weight or more with respect to the total weight of the hydrogen storage alloy electrode, it is possible to exhibit excellent high rate discharge performance and not to exceed 30% by weight. Therefore, it is possible to sufficiently contain the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder and to obtain a sufficient negative electrode capacity, so that excellent charge / discharge cycle performance can be exhibited.
By the above, it can be set as the hydrogen storage alloy electrode which can obtain the nickel hydride storage battery excellent in especially high rate discharge performance and charging / discharging cycling performance.
[0021]
The present inventionIn the hydrogen storage alloy electrode according to the present invention, the average particle size of the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is 25 μm or less, and the average particle size of the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is 30 μm or more.Is preferred.
[0022]
According to such a configuration, the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder having a large average particle diameter can be encased in the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder having a small average particle diameter, and hydrogen transfer between the hydrogen storage alloys can be quickly performed. In addition, since the average particle size of the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder does not become too small and the specific surface area of the alloy does not become too large, corrosion resistance (particularly corrosion resistance against alkaline electrolyte) can be sufficiently secured.
By the above, it can be set as the hydrogen storage alloy electrode which can obtain the nickel hydride storage battery excellent in especially high rate discharge performance and charging / discharging cycling performance.
[0023]
The present inventionThe nickel metal hydride storage battery according to the present invention includes a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode composed of a hydrogen storage alloy electrode according to the present invention, and an electrolyte.
According to such a configuration, since the hydrogen storage alloy electrode according to the present invention is used as the negative electrode, a nickel-metal hydride storage battery excellent in high rate discharge performance and charge / discharge cycle performance can be obtained.
[0024]
The present inventionIn the nickel metal hydride storage battery according to the present invention, the positive electrode active material is mainly composed of nickel hydroxide, and the electrolytic solution is mainly composed of an alkali metal hydroxide aqueous solution.Is preferred.
According to such a configuration, a nickel-metal hydride storage battery excellent in high-rate discharge performance and charge / discharge cycle performance can be obtained more reliably.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The hydrogen storage alloy electrode according to the embodiment of the present invention contains nickel powder and “hydrogen storage alloy powder capable of occluding and desorbing hydrogen containing a rare earth element and a transition element as main components”. Here, the hydrogen storage alloy powder is composed of two or more kinds of hydrogen storage alloy powders having different hydrogen equilibrium dissociation pressures. The high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder with the highest hydrogen equilibrium dissociation pressure has a hydrogen equilibrium dissociation pressure of 0.65 MPa or more at 60 ° C. and a hydrogen storage amount of 0.5 wt%, and the hydrogen equilibrium dissociation pressure is the highest. The low low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder has a hydrogen equilibrium dissociation pressure of 0.1 MPa or less at 60 ° C. and a hydrogen storage amount of 0.5 wt%.
[0026]
Here, the hydrogen equilibrium dissociation pressure was measured by accurately weighing 0.5 gram of the sample hydrogen storage alloy powder with an accuracy of 0.1 milligram, filled in the sample holder, and manufactured by Toyobo Engineering Co., Ltd. PCT-A02 type) can be measured by adding 0.5 parts by weight of hydrogen to 100 parts by weight of the hydrogen storage alloy (Examples were measured according to this method). .
[0027]
When the hydrogen storage alloy electrode contains the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder and the nickel powder, excellent high rate discharge performance can be exhibited. This is because the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder during high rate discharge can be preferentially discharged by obtaining a sufficient amount of nickel powder as an active field, in addition to improving the high rate discharge characteristics. The hydrogen in the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder moves to the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder, dissociates from the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy at high speed with high hydrogen equilibrium dissociation pressure, and exists in a sufficient amount. This is considered to be because the discharge reaction can be carried out with nickel powder as an active field.
[0028]
In addition, since the hydrogen storage alloy electrode contains the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder, a sufficient negative electrode capacity can be obtained.
[0029]
When the hydrogen equilibrium dissociation pressure of the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder having the highest hydrogen equilibrium dissociation pressure is less than 0.65 MPa, it becomes difficult for hydrogen to desorb from the hydrogen storage alloy, and excellent high rate discharge performance cannot be obtained. .
If the hydrogen storage alloy electrode does not contain nickel powder, a decrease in charge / discharge capacity due to the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder becomes obvious, and excellent high rate discharge performance cannot be obtained.
Moreover, when the hydrogen equilibrium dissociation pressure of the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder having the lowest hydrogen equilibrium dissociation pressure exceeds 0.1 MPa, sufficient negative electrode capacity cannot be obtained, and excellent charge / discharge cycle performance is obtained. I can't.
[0030]
Nickel powder has a specific surface area of 1.5m2/ G and a bulk density of 0.8 g / ml or less is preferable, and in particular, excellent high rate discharge performance can be exhibited. The bulk density of nickel powder is thought to contribute to the dispersed state of nickel, and the specific surface area is 1.5 m.2Even when the bulk density exceeds 0.8 g / ml, even if the bulk density exceeds 0.8 g / ml, it tends to be agglomerated particles even in the electrode, and nickel tends not to be highly dispersible, so that the high rate discharge characteristics tend not to be excellent.
[0031]
Nickel powder has a specific surface area of 4.0 m2/ G and a bulk density of 0.8 g / ml or less is more preferable, and thereby an extremely excellent high rate discharge performance can be exhibited. Since nickel powder can act as a reaction active field catalyst, it is considered that the higher the specific surface area, the higher the rate of discharge characteristic can be improved.
[0032]
The hydrogen storage alloy electrode preferably contains 2 to 10 parts by weight of nickel powder with respect to 100 parts by weight of the hydrogen storage alloy powder. When the hydrogen storage alloy electrode contains 2 parts by weight or more of nickel powder with respect to 100 parts by weight of the hydrogen storage alloy powder, the high-rate discharge performance can be more reliably improved, and the nickel powder is reduced to 10 parts. Since it contains so that it may not exceed weight part, the outstanding charge / discharge cycle performance can be expressed.
[0033]
In addition, by making the physical properties and amount of nickel powder as described above, a sealed nickel-metal hydride battery can be obtained with high rate discharge characteristics from the beginning even if the activation step (charge / discharge cycle step) is simplified. . In addition, what was obtained by the carbonyl nickel method can be used conveniently for nickel powder.
[0034]
The high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder and the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder are mainly composed of La (lanthanum) as a rare earth element, and include Ni (nickel), Co (cobalt), Mn (manganese), and Al (aluminum). It is preferable to contain one or more elements selected from the group consisting of (Ni, Co, and Mn are transition metals).
Here, La preferably occupies 60 mol% or more of rare earth elements, and is usually 90 mol% or less. Examples of rare earth elements other than La include Ce, Pr, and Nd.
In addition, one or more elements selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, and Al, among elements other than rare earth elements, Ni is 60 mol% to 85 mol%, Co is 10 mol% to 30 mol%, and Mn is 0 mol. % To 10 mol%, and Al is preferably 0 to 10 mol%. Examples of elements other than Ni, Co, Mn, and Al (elements other than rare earth elements) include Fe and Cu.
The hydrogen equilibrium dissociation pressure of the hydrogen storage alloy powder can be adjusted by changing the type and weight ratio of elements constituting the alloy.
[0035]
The hydrogen storage alloy powder (high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder) having a hydrogen equilibrium dissociation pressure of 0.65 MPa or more under the conditions of 60 ° C. and hydrogen storage amount of 0.5 wt% is not particularly limited. However, an alloy powder configured such that La is 5 mol% or more with respect to Ni element and the total molar amount of Mn and Al with respect to Ni element is 5 mol% or less can be preferably exemplified. More specifically, an alloy powder that satisfies the following composition range can be suitably exemplified. Here, the amount of each element is mol% when the total amount of elements other than rare earth elements is 100 mol%.
La: 5 mol% to 20 mol%
Ni: 70 mol% to 85 mol%
Co: 15 mol% to 30 mol%
Mn: 0 mol% to 5 mol%
Al: 0 mol% to 5 mol%
[0036]
As a hydrogen storage alloy powder (low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder) having a hydrogen equilibrium dissociation pressure of 0.1 MPa or less at 60 ° C. and a hydrogen storage amount of 0.5 wt%, the following composition range is satisfied. An alloy powder can be preferably exemplified. Here, the amount of each element is mol% when the total amount of elements other than rare earth elements is 100 mol%.
La: 5 mol% to 20 mol%
Ni: 65 mol% to 75 mol%
Co: 10 mol% to 20 mol%
Mn: 5 mol% to 10 mol%
Al: 5 mol% to 10 mol%
[0037]
The method for producing the hydrogen storage alloy powder is not particularly limited, but each metal constituting the hydrogen storage alloy (the above-mentioned predetermined molar ratio) is arc-melted in an argon atmosphere to form a mold. After casting, it is preferable to perform heat treatment (aging) at 900 ° C. to 1050 ° C. for 30 minutes, perform cooling, and mechanically wet pulverize in water using an attritor ball mill or the like. At this time, if another method such as a rapid cooling method is used, segregation in the alloy is reduced, and an equivalent or higher charge / discharge cycle performance is easily obtained.
[0038]
As described above, the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder and the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder are one or more selected from the group consisting of La, a rare earth element, and Ni, Co, Mn, and Al. And the content of the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is 10% by weight or more and 30% by weight or less based on the total weight of the hydrogen storage alloy electrode. A hydrogen storage alloy electrode configured such that La is 5 mol% or more with respect to the element and the total molar amount of Mn and Al with respect to the Ni element is 5 mol% or less can be mentioned as a particularly preferable form, Excellent high rate discharge performance and charge / discharge cycle performance can be realized.
[0039]
This is because the composition of the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder and that of the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder are similar so that “the hydrogen moves quickly between the alloy powders” and “La has an excellent discharge. Performance and charge / discharge cycle performance can be expressed "," High-rate discharge performance extremely high during high-rate discharge by suppressing the amount of Mn and the amount of Al for high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder "With regard to the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder, the amount of La and the total amount of Mn and Al are defined as described above, thereby providing corrosion resistance (particularly corrosion resistance to alkaline electrolyte). ) Is excellent, and the charge / discharge cycle performance can be reliably expressed.
[0040]
Further, in the particularly preferred embodiment described above, the content of the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is 10% by weight or more based on the total weight of the hydrogen storage alloy electrode, whereby excellent high rate discharge performance can be expressed. At the same time, by containing it so as not to exceed 30% by weight, the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder can be sufficiently contained, and a sufficient negative electrode capacity can be obtained, so that excellent charge / discharge cycle performance can be exhibited.
[0041]
Further, when the average particle size of the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is 25 μm or less, excellent high rate discharge characteristics can be obtained. This is because the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder has a small particle size, so that the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is encased in the alloy of the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder and the hydrogen transfer between the alloys can be performed quickly. it is conceivable that. In addition, the average particle size of the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is generally higher, the higher rate discharge performance is better, but the charge / discharge cycle performance tends to decrease, and the hydrogen storage alloy powder is difficult to grind. Therefore, it is preferably 10 μm or more.
When the average particle size of the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is 30 μm or more, excellent charge / discharge cycle performance can be obtained. Here, when the average particle size is less than 30 μm, the specific surface area of the alloy is large, so that the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder tends to be corroded quickly by the alkaline electrolyte. The average particle size of the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is usually preferably 50 μm or less.
When the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder and the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder having different particle sizes are used, the high rate discharge characteristics and the charge / discharge cycle performance can be further improved.
[0042]
The hydrogen storage alloy electrode according to the embodiment of the present invention described above has an advantage that it can be obtained at low cost since the raw material cost is not high.
[0043]
A nickel metal hydride storage battery according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode composed of a hydrogen storage alloy electrode according to an embodiment of the present invention, and an electrolyte.
[0044]
As the positive electrode active material contained in the positive electrode, a material mainly composed of nickel hydroxide is preferable. More specifically, a material obtained by mixing nickel hydroxide with zinc hydroxide and cobalt hydroxide is used. The use of nickel hydroxide composite hydroxide obtained by uniformly dispersing by coprecipitation is particularly preferred. For additives other than nickel hydroxide composite oxide, cobalt hydroxide, cobalt oxide or the like is used as a conductive modifier, but the nickel hydroxide composite oxide is coated with cobalt hydroxide, or these water. Part of the nickel oxide composite oxide is oxygen or oxygen-containing gas, or K2S2O8Those oxidized with a chemical such as hypochlorous acid can be used. Further, as an additive, an oxide or hydroxide of rare earth elements such as Y and Yb can be used as a substance for improving oxygen overvoltage.
The higher the weight ratio of nickel hydroxide to the total weight of the positive electrode active material, the better the energy density, but Co (OH)2Zn (OH)2If there is little content of Co, there is a tendency that the charging efficiency at high temperature tends to be low, and in order to suppress the formation of γ nickel hydroxide at the time of charging, Co (OH)2Zn (OH)2Therefore, it is preferable to be 82% by weight to 90% by weight.
Here, the average oxidation number of the transition metal element contained in the positive electrode active material is 2.03 to 2 by being chemically oxidized by an oxidizing agent or electrochemically oxidized by electrolysis. .4 is preferred. As a result, in particular, since the capacity of the irreversible reaction of the positive electrode is not charged during the initial charge, a charge capacity corresponding to the irreversible reaction of the positive electrode is not easily formed on the negative electrode, and the chargeable capacity of the negative electrode is Since it can be increased, charge / discharge cycle performance can be improved.
[0045]
The negative electrode (hydrogen storage alloy electrode according to an embodiment of the present invention) can contain gadolinium, cerium oxide or hydroxide in addition to yttrium, ytterbium, and erbium as a corrosion-resistant additive. Moreover, you may make these hydrogen storage alloys contain these elements as a metal previously.
[0046]
The positive electrode active material is preferably a powder having an average particle size of 50 μm or less, and the preferable average particle sizes of the hydrogen storage alloy powder and the nickel powder which are constituent members of the negative electrode are as described above. Various pulverizers and classifiers are used to obtain the powder in a predetermined shape. For example, a mortar, a ball mill, a sand mill, a vibrating ball mill, a planetary ball mill, a jet mill, a counter jet mill, a swirling air flow type jet mill, or the like is used. At the time of pulverization, wet pulverization may be used using water or an aqueous solution of an alkali metal hydroxide. The classification method is not particularly limited, and a sieve or an air classifier can be used. Both dry and wet methods are used as necessary.
[0047]
Further, the positive electrode and the negative electrode may further contain a conductive agent, a binder, a thickener, a filler, and the like.
[0048]
The conductive agent is not limited as long as it is an electron conductive material that does not adversely affect battery performance. As the conductive agent, natural graphite such as scaly graphite, scaly graphite, earthy graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon whisker, carbon fiber, vapor grown carbon, metal (copper, (Nickel, gold, etc.) One type of conductive material such as powder or metal fiber or a mixture thereof may be mentioned.
[0049]
Among these conductive agents, acetylene black is desirable from the viewpoints of electron conductivity and coatability. The addition amount of the conductive agent is preferably 0.1% by weight to 10% by weight with respect to the total weight of the positive electrode or the negative electrode. In particular, it is desirable to use acetylene black after being pulverized into ultrafine particles of 0.1 μm to 0.5 μm because the necessary carbon amount can be reduced. These mixing methods are physical mixing, and the ideal is uniform mixing. Therefore, a powder mixer such as a V-type mixer, an S-type mixer, a grinder, a ball mill, or a planetary ball mill can be used in a dry or wet manner.
[0050]
As the binder, usually, thermoplastic resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluorine rubber Such polymers having rubber elasticity can be used as one kind or a mixture of two or more kinds. The addition amount of the binder is preferably 0.1 to 3% by weight with respect to the total weight of the positive electrode or the negative electrode.
[0051]
As said thickener, polysaccharides, such as carboxymethylcellulose and methylcellulose, can be normally used as 1 type, or 2 or more types of mixtures. The addition amount of the thickener is preferably 0.1 to 3% by weight with respect to the total weight of the positive electrode or the negative electrode.
[0052]
The filler is not particularly limited as long as it does not adversely affect battery performance. Usually, olefinic polymers such as polypropylene and polyethylene, carbon and the like are used. The addition amount of the filler is preferably 5% by weight or less with respect to the total weight of the positive electrode or the negative electrode.
[0053]
The positive electrode and the negative electrode are mixed with main constituent materials (positive electrode active material in the positive electrode, nickel powder and hydrogen storage alloy powder in the negative electrode), a conductive agent and a binder in an organic solvent such as water, alcohol and toluene. The obtained mixture is applied on a current collector described in detail below, and dried, and is preferably produced. About the application method, for example, it is desirable to apply to any thickness and any shape using means such as roller coating such as applicator roll, screen coating, doctor blade method, spin coating, bar coater, etc. Is not to be done.
[0054]
As the positive electrode current collector, there is no particular choice as long as it is an electronic conductor that does not adversely affect the constructed battery. For example, nickel or a nickel-plated steel plate can be suitably used, and a two-dimensional device such as a punched steel plate can be used in addition to a foam, a formed fiber group, and a three-dimensional device subjected to uneven processing. The thickness is not particularly limited, but a thickness of 5 to 700 μm is used. Among these current collectors, it is preferable to use, as the positive electrode, a porous structure foam made of Ni, which has excellent corrosion resistance and oxidation resistance against alkali, and has a structure excellent in current collection. .
[0055]
As the current collector for the negative electrode, it is preferable to use a porous plate which is punched with an iron or steel foil or plate which is inexpensive and excellent in electrical conductivity and plated with Ni for improving reduction resistance. The punching hole diameter of the steel sheet is preferably 1.7 mm or less and the opening ratio is 40% or more, so that the adhesion between the hydrogen storage alloy powder and the current collector is excellent even with a small amount of binder. In addition to the calcined carbon fiber and conductive polymer, the nickel surface of the current collector should be treated with Ni powder, carbon, platinum, etc. attached for the purpose of improving adhesion, conductivity and oxidation resistance. Can do. The surface of these materials can be oxidized.
[0056]
In the hydrogen storage alloy powder contained in the negative electrode (hydrogen storage alloy electrode according to the embodiment of the present invention), it is considered that hydrogen is transferred by the contact portion between the alloy powders. For this reason, although the one where the space density of the hydrogen storage alloy powder with respect to the whole negative electrode is higher is preferable, when it is too high, a crack will generate | occur | produce at the time of entrainment and frequent short circuit will occur. Here, since the density of the hydrogen storage alloy powder varies depending on the specific gravity of the alloy and the density of the filler, it is appropriate to represent the remaining space. The negative electrode is the entire negative electrode space excluding the current collector. Is preferably 25% or less, and is preferably 15% or more in order to suppress the occurrence of the short circuit described above.
[0057]
Further, as a nickel metal hydride storage battery, a form in which a nickel metal hydride battery separator is interposed between a positive electrode and a negative electrode can be suitably exemplified, and as such a nickel metal hydride battery separator, a known excellent high rate discharge can be used. A porous film or a non-woven fabric exhibiting characteristics can be used alone or in combination. Examples of the material constituting the separator include polyolefin resins typified by polyethylene and polypropylene, and nylon. The porosity of the separator is preferably 80% by volume or less from the viewpoint of strength and gas permeability. Further, the porosity is preferably 20% by volume or more from the viewpoint of charge / discharge characteristics. The separator is preferably subjected to a hydrophilic treatment. For example, a hydrophilic group graft polymerization treatment, sulfonation treatment, corona treatment, PVA treatment may be applied to the surface of a polyolefin resin fiber such as polyethylene, or a sheet obtained by mixing fibers that have already undergone these treatments may be used. .
[0058]
As the electrolytic solution, those generally proposed for use in alkaline batteries and the like can be used. Examples of solutes that use water as a solvent and solutes such as potassium, sodium, lithium, and other alkali metal hydroxides or a mixture of two or more of these include, but are not limited to. Yttrium, ytterbium, erbium, calcium, sulfur Compounds such as zinc can be added alone or in admixture of two or more.
[0059]
The concentration of the electrolyte salt in the electrolyte solution is an aqueous solution containing 5 to 7 mol / l potassium hydroxide and 0.5 to 0.8 mol / l lithium hydroxide in order to reliably obtain a battery having high battery characteristics. Is preferred.
[0060]
The battery according to the embodiment of the present invention preferably has a mode in which the positive electrode active material is mainly composed of nickel hydroxide and the electrolytic solution is mainly composed of an alkali metal hydroxide aqueous solution. It can be set as the nickel hydride storage battery excellent in performance and charging / discharging cycle performance.
[0061]
The nickel metal hydride storage battery according to the embodiment of the present invention, for example, injects the electrolyte before or after stacking the nickel metal hydride battery separator, the positive electrode, and the negative electrode, and finally seals with an exterior material. Therefore, it is preferable to manufacture as a sealed nickel-metal hydride storage battery. Further, in a nickel metal hydride storage battery in which a power generation element in which a positive electrode and a negative electrode are stacked via a nickel hydrogen storage battery separator is wound, the electrolyte is injected into the power generation element before and after the winding. preferable. As the injection method, it is possible to inject at normal pressure, but a vacuum impregnation method, a pressure impregnation method, and a centrifugal impregnation method can also be used.
[0062]
Examples of the material of the exterior body of the nickel-metal hydride battery include nickel-plated iron, stainless steel, polyolefin resin, and the like, or a composite thereof.
[0063]
The configuration and shape of the nickel-metal hydride storage battery are not particularly limited, and a coin battery, a button battery, a square battery, a flat battery, and a roll-shaped positive electrode having a positive electrode, a negative electrode, and a single-layer or multi-layer separator. An example is a cylindrical battery having a negative electrode and a separator.
As a cylindrical battery, for example, as shown in a broken perspective view of FIG. 1, a nickel-metal hydride storage battery 1 is formed by winding a power generation element in which a
[0064]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail on the basis of examples. However, the present invention is not limited to the following description, and the positive electrode active material, the negative electrode material, the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte of the test method and constituting battery are not limited thereto. The separator and battery shape are arbitrary.
[0065]
<Example 1>
[Creation of positive electrode]
(Synthesis of nickel hydroxide particles)
In an aqueous solution in which nickel sulfate, zinc sulfate, and cobalt sulfate are dissolved so that the weight ratio of the hydroxides of the respective metals (ie, nickel hydroxide: zinc hydroxide: cobalt hydroxide) is 93: 5: 2. Then, ammonium sulfate and an aqueous caustic soda solution were added to form an ammine complex. Caustic soda was further added dropwise with vigorous stirring of the reaction system, and the temperature of the reaction system was controlled to 45 ± 2 ° C. and the pH was controlled to 12 ± 0.2 to synthesize spherical high density nickel hydroxide particles as the core layer base material. .
[0066]
(Formation of surface layer on nickel hydroxide particle surface)
The high-density nickel hydroxide particles were put into an alkaline aqueous solution whose temperature was controlled to 45 ± 2 ° C. and pH 12 ± 0.2 with caustic soda. While stirring the solution, an aqueous solution containing cobalt sulfate and ammonia at predetermined concentrations was added dropwise. During this time, an aqueous caustic soda solution was appropriately added dropwise to maintain the pH of the reaction bath in the range of 12 ± 0.2. For about 1 hour, the temperature was maintained in the range of 45 ± 2 ° C. and the pH in the range of 12 ± 0.2, and a surface layer made of a mixed hydroxide containing cobalt was formed on the nickel hydroxide surface. The ratio of the surface layer of the mixed hydroxide was 7% by weight with respect to the core layer mother particles (hereinafter simply referred to as the core layer).
[0067]
(Oxidation treatment of positive electrode active material particles)
100 g of nickel hydroxide particles having a surface layer made of the mixed hydroxide was put into 400 g of NaOH aqueous solution having a temperature of 60 ° C. and a concentration of 10 wt%, and sufficiently stirred. Subsequently, 45 ml of a sodium hypochlorite solution (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added and stirring was continued for 30 minutes. The active material particles were filtered, washed with water and dried. To the obtained active material particles, 20 g of an aqueous NaOH solution having a concentration of 30 wt% and a temperature of 80 ° C. was added, kept at a temperature of 80 ° C. for 2 hours, washed with water and dried. The average oxidation number of the transition metal elements (Ni, Co) contained in the obtained active material particles is determined by a known method (the active material particles are reacted with ferrous ammonium sulfate and then redox using potassium permanganate. Titration). As a result, the average oxidation number of the transition metal elements (Ni, Co) was 2.15.
[0068]
(Preparation of positive electrode plate)
A carboxymethyl cellulose (CMC) aqueous solution is added to the active material particles to form a paste of the active material particles: CMC solute = 99.5: 0.5, and the paste is 450 g / m.2Of nickel porous material (trade name:
[0069]
[Production of negative electrode]
AB5-type rare earth LaNi with a particle size of 20 μmFive20 parts by weight of a hydrogen storage alloy having the following composition: AB5 type rare earth MmNi with a particle size of 30 μm3.75Co0.6Al0.3Mn0.3580 parts by weight of a hydrogen storage alloy having the following composition (Mm: Misch metal) was mixed for 30 minutes, and 95 parts by weight of the obtained alloy mixed powder and 5 parts by weight of nickel powder produced by the carbonyl nickel method were mixed for 30 minutes. Thus, an alloy powder mixture was obtained. The “hydrogen equilibrium dissociation pressure under the conditions of 60 ° C. and a hydrogen storage amount of 0.5% by weight” of the two types of hydrogen storage alloys were 0.65 Mpa and 0.10 Mpa, respectively. The specific surface area of nickel powder by BET method is 1.5m.2/ G, bulk density was 0.8 g / ml.
[0070]
The alloy powder mixture thus obtained and the styrene-butadiene copolymer emulsion were mixed in a mass ratio of 99.35: 0.65 on a dry basis, dispersed in water to form a paste, and blade Using a coater, it was applied to a punched steel plate having a hole diameter of 1.0 mm and an aperture ratio of 42.5%, which was nickel-plated on iron, dried at 80 ° C., pressed to a predetermined thickness, and a width of 34 mm (inside, A hydrogen-absorbing alloy negative electrode plate having a coating length of 1 mm and a length of 260 mm and a capacity of 4800 mAh was produced.
[0071]
The hydrogen storage alloy negative electrode plate, a sulfonated polypropylene nonwoven separator with a thickness of 120 μm, and the nickel positive electrode plate were combined and wound in a roll shape. An alkaline electrolytic solution in which 8 mol / l lithium hydroxide was dissolved was injected to produce a subC-type sealed nickel-metal hydride storage battery having a check valve with a valve opening pressure of 2.4 Mpa. This battery is referred to as a nickel-metal hydride storage battery of Example 1.
[0072]
<Example 2>
A nickel metal hydride storage battery of Example 2 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that nickel powder obtained by pulverization by a ball mill was used. Specific surface area of nickel powder in negative electrode by BET method is 1.0m2/ G, bulk density was 1.2 g / ml.
[0073]
<Example 3>
The nickel-metal hydride storage battery of Example 3 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that 90 parts by weight of the alloy powder mixture and 10 parts by weight of nickel powder manufactured by the carbonyl nickel method were mixed for 30 minutes. did.
[0074]
<Example 4>
Specific surface area of nickel powder produced by carbonyl nickel method by BET method is 4.0m2The nickel-metal hydride storage battery of Example 4 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the bulk density was 0.8 g / ml.
[0075]
<Example 5>
The nickel-metal hydride storage battery of Example 5 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that 98 parts by weight of the alloy powder mixture and 2 parts by weight of nickel powder manufactured by the carbonyl nickel method were mixed for 30 minutes. did.
[0076]
<Example 6>
AB5-type rare earth LaNi with a particle size of 20 μmFive20 parts by weight of a hydrogen storage alloy having the following composition: AB5 type rare earth MmNi with a particle size of 30 μm3.60Co0.6Al0.3Mn0.35A nickel-metal hydride storage battery of Example 6 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that 80 parts by weight of a hydrogen storage alloy having the following composition was mixed for 30 minutes.
MmNi3.60Co0.6Al0.3Mn0.35The hydrogen storage alloy having the following composition had a hydrogen equilibrium dissociation pressure of 60 ° C. and a hydrogen storage amount of 0.5% by weight: 0.07 MPa.
[0077]
<Example 7>
A nickel-metal hydride storage battery of Example 7 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that 80 parts by weight of the alloy mixed powder and 20 parts by weight of nickel powder manufactured by the carbonyl nickel method were mixed for 30 minutes. .
[0078]
<Example 8>
AB5 type rare earth MmNi with particle size of 20μm4.11Co0.685Al0.091Mn0.11420 parts by weight of a hydrogen storage alloy having the following composition: AB5 type rare earth MmNi with a particle size of 30 μm3.75Co0.6Al0.3Mn0.35A nickel-metal hydride storage battery of Example 8 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that 80 parts by weight of a hydrogen storage alloy having the following composition was mixed for 30 minutes. MmNi4.11Co0.685Al0.091Mn0.114The “hydrogen equilibrium dissociation pressure under the conditions of 60 ° C. and a hydrogen storage amount of 0.5 wt%” of the hydrogen storage alloy having the following composition was 0.70 MPa.
[0079]
<Example 9>
AB5 type rare earth MmNi with particle size of 20μm4.19Co0.698Al0.058Mn0.05820 parts by weight of a hydrogen storage alloy having the following composition: AB5 type rare earth MmNi with a particle size of 30 μm3.75Co0.6Al0.3Mn0.35A nickel-metal hydride storage battery of Example 9 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that 80 parts by weight of a hydrogen storage alloy having the following composition was mixed for 30 minutes. MmNi4.19Co0.698Al0.058Mn0.058The “hydrogen equilibrium dissociation pressure under the conditions of 60 ° C. and a hydrogen storage amount of 0.5 wt%” of the hydrogen storage alloy having the following composition was 0.90 MPa.
[0080]
<Example 10>
AB5 type rare earth MmNi with particle size of 20μm4.11Co0.685Al0.091Mn0.11430 parts by weight of a hydrogen storage alloy having the following composition: AB5 type rare earth MmNi with a particle size of 30 μm3.75Co0.6Al0.3Mn0.35A nickel-metal hydride storage battery of Example 10 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that 70 parts by weight of a hydrogen storage alloy having the following composition was mixed for 30 minutes.
[0081]
<Example 11>
AB5 type rare earth MmNi with particle size of 20μm4.11Co0.685Al0.091Mn0.11410 parts by weight of a hydrogen storage alloy having the following composition: AB5 type rare earth MmNi with a particle size of 30 μm3.75Co0.6Al0.3Mn0.35A nickel-metal hydride storage battery of Example 11 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that 90 parts by weight of a hydrogen storage alloy having the following composition was mixed for 30 minutes.
[0082]
<Example 12>
AB5 type rare earth MmNi with particle size of 20μm4.11Co0.685Al0.091Mn0.11450 parts by weight of a hydrogen storage alloy having the following composition: AB5 type rare earth MmNi with a particle size of 30 μm3.75Co0.6Al0.3Mn0.35A nickel-metal hydride storage battery of Example 12 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that 50 parts by weight of a hydrogen storage alloy having the following composition was mixed for 30 minutes.
[0083]
<Example 13>
AB5 type rare earth LaNi with a particle size of 30 μmFive20 parts by weight of a hydrogen storage alloy having the following composition: AB5 type rare earth MmNi with a particle size of 20 μm3.75Co0.6Al0.3Mn0.35A nickel-metal hydride storage battery of Example 13 was produced in the same manner as in Example 1 except that 80 parts by weight of a hydrogen storage alloy having the following composition was mixed for 30 minutes.
[0084]
<Example 14>
AB5 type rare earth LaNi with a particle size of 25 μmFive20 parts by weight of a hydrogen storage alloy having the following composition: AB5 type rare earth MmNi with a particle size of 30 μm3.75Co0.6Al0.3Mn0.35A nickel-metal hydride storage battery of Example 14 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that 80 parts by weight of a hydrogen storage alloy having the following composition was mixed for 30 minutes.
[0085]
<Comparative Example 1>
AB5 type rare earth MmNi with particle size of 30μm3.75Co0.6Al0.3Mn0.35Comparative Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1, except that the mixture was mixed for 30 minutes using only a hydrogen storage alloy having the following composition and mixed for 30 minutes without adding nickel powder to the obtained alloy powder. A nickel metal hydride storage battery was manufactured.
[0086]
<Comparative example 2>
AB5 type rare earth MmNi with particle size of 30μm3.75Co0.6Al0.3Mn0.35A nickel-metal hydride storage battery of Comparative Example 2 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that only a hydrogen storage alloy having the composition of 30 was used and mixed for 30 minutes.
[0087]
<Comparative Example 3>
A nickel-metal hydride storage battery of Comparative Example 3 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that mixing was performed for 30 minutes without adding nickel powder.
[0088]
<Comparative example 4>
AB5 type rare earth MmNi with particle size of 20μm3.75Co0.6Al0.3Mn0.3520 parts by weight of a hydrogen storage alloy having the following composition: AB5 type rare earth MmNi with a particle size of 30 μm3.60Co0.6Al0.3Mn0.35A nickel-metal hydride storage battery of Comparative Example 4 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that 80 parts by weight of a hydrogen storage alloy having the following composition was mixed for 30 minutes. The “hydrogen equilibrium dissociation pressures under the conditions of 60 ° C. and 0.5% by weight of hydrogen storage” of the two types of hydrogen storage alloys were 0.10 Mpa and 0.07 Mpa, respectively.
[0089]
<Battery evaluation>
The nickel-metal hydride storage batteries of Examples and Comparative Examples were stored at 40 ° C. for 12 hours, charged at 600 ° C. at 20 ° C. and 0.02 ItA, and further charged at 0.1 ItA for 12 hours. Further, after discharging to 0.2V at 1 It, charging for 12 hours at 0.1 ItA and discharging to 0.2V at 0.2 ItA were repeated 4 times. The discharge capacity at the fourth time is defined as the initial discharge amount at 20 ° C.
[0090]
After that, the battery was charged at 0.1 ItA for 12 hours, allowed to cool at 5 ° C. for 5 hours, and then discharged at 10 It to 0.8 V. The discharge capacity was the initial discharge at 20 ° C. It shows in Table 1 as 5 degreeC 10 ItA discharge capacity with respect to 100% of quantity. It means that it is excellent in high rate discharge performance, so that this 5 degreeC10ItA discharge capacity is high.
[0091]
Further, a cycle of charging at 25 ° C. at 2 ItA to ΔV 5 mV, resting for 10 minutes, discharging to 1.0 V at 2 ItA, resting for 10 minutes, and the number of cycles reaching 80% of the discharge capacity is shown in Table 1. The greater the number of cycles, the better the charge / discharge cycle performance.
[0092]
In Table 1, in the hydrogen storage alloy powder, “equilibrium pressure” indicates “hydrogen equilibrium dissociation pressure under the conditions of 60 ° C. and hydrogen storage amount of 0.5 wt%”, the unit of which is Mpa, “particle size”. The unit is μm, and “content” indicates the weight ratio with respect to the total weight of the hydrogen storage alloy electrode. In nickel powder, the unit of “specific surface area” is m.2/ G, unit of “bulk density” is g / ml, “amount relative to alloy powder” indicates an amount relative to 100 parts by weight of hydrogen storage alloy powder, and the unit is parts by weight.
[0093]
[Table 1]
[0094]
Hydrogen equilibrium dissociation pressure of high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is 0.65 MPa or more, hydrogen equilibrium dissociation pressure of low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is 0.1 MPa or less, and further a hydrogen storage alloy electrode containing nickel powder The nickel hydride storage batteries of Examples 1 to 14 having the negative electrode as a negative electrode were excellent in high rate discharge performance as compared with the nickel hydride storage batteries of Comparative Examples 1 to 4 that did not satisfy the above conditions.
[0095]
As in Comparative Example 3, excellent high rate discharge performance cannot be obtained only by mixing the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder and the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder. In addition, when nickel powder was added to these hydrogen storage alloy powders, excellent high rate discharge performance could be obtained.
This is because, even in Comparative Example 3, the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder can receive the hydrogen of the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder and quickly move to the active surface of the alloy, but the active field itself is insufficient. Therefore, in Example 1, it is estimated that in Example 1, the active field was sufficiently present by the addition of nickel powder, and the high rate discharge characteristics were greatly improved. The
[0096]
Further, as can be seen by comparing Comparative Example 4, Example 6 and Example 9, in order to obtain an excellent high rate discharge performance, the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder has a hydrogen equilibrium of 0.65 Mpa or more. It was necessary to have a dissociation pressure, and when it was 0.9 Mpa or more, it was confirmed that extremely high rate discharge characteristics were exhibited.
This is presumed that by adding an alloy having a higher hydrogen equilibrium dissociation pressure, the driving force for rapidly moving hydrogen to the active field can be increased, and the high rate discharge characteristics are improved.
Among them, as can be seen by comparing Example 1, Example 2, and Example 4, nickel is composed of metallic nickel powder, and its specific surface area is 1.5 m.2When the bulk density is 0.8 g / ml or less, particularly excellent high rate discharge characteristics are obtained. The activity of nickel is considered to depend not only on the amount of nickel but also on the surface area, that is, the surface area. By adding nickel powder with a large surface area, the high-rate discharge characteristics are greatly improved. I was able.
[0097]
Further, as can be seen by comparing Comparative Example 3 and Examples 1, 5, 3, and 7, the content of nickel powder is 2 parts by weight or more and 10 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the hydrogen storage alloy. In particular, it was confirmed that it has both excellent high rate discharge performance and excellent charge / discharge cycle performance. It is considered sufficient to add 2 parts by weight of nickel powder. If too much nickel powder is added, it is considered that the charge / discharge cycle performance is lowered due to a decrease in the proportion of the hydrogen storage alloy.
[0098]
Further, as can be seen from a comparison between Example 1 and Example 8, with respect to the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder and the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder, the rare earth element is mainly composed of La, Ni, Co, One or more elements selected from the group consisting of Mn and Al are contained. Further, the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is made of 5 mol% or more of La with respect to the Ni element, and Mn and Al with respect to the Ni element. By configuring so that the total molar amount of the water was 5 mol% or less, the battery exhibited better charge / discharge cycle performance while exhibiting excellent high rate discharge performance.
In particular, as can be seen by comparing Examples 8, 10, 11, and 12, when the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is 10 wt% or more and 30 wt% or less with respect to the total weight of the hydrogen storage alloy electrode An extremely excellent charge / discharge cycle performance was obtained.
[0099]
Excellent charge-discharge cycle performance when using a hydrogen storage alloy powder containing La as a main component as a rare earth element and one or more elements selected from the group consisting of Ni, Co, Mn and Al as a transition element It is shown. Further, in particular, the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder was used as the hydrogen storage alloy powder, so that it was possible to have a high hydrogen equilibrium dissociation pressure, and as a measure for obtaining a high hydrogen equilibrium dissociation pressure, Ni With respect to the element (when Ni is 100 mol%), when La is 5 mol% or more and the total content of Mn and Al is 5 mol% or less, the corrosion resistance is excellent while having a high hydrogen equilibrium pressure. It is considered that a hydrogen storage alloy can be obtained, and in this way, in addition to excellent high rate discharge characteristics, extremely excellent charge / discharge cycle performance is obtained.
[0100]
In addition, regarding the mixing ratio of the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder and the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder, when the amount of the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is too large, the charge / discharge voltage curve is the same as that of the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder. It shows the individual electric potential of the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy to form a two-stage curve, which not only makes it difficult to control the battery performance to the desired level, but also reduces the utilization rate of the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder. put away. When the content of the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is 30% by weight or less based on the total weight of the hydrogen storage alloy electrode, the utilization rate of the alloy having the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is the utilization rate of the alloy used alone. Is considered to be much higher. This is because, when the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is used alone, the decrease in the utilization rate is due to the fact that charging cannot be performed, whereas the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder and the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy When the mixture is used, the utilization rate of the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder can be improved by allowing the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder to charge more hydrogen than the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder. It is considered that the nickel powder coexists.
[0101]
Further, as can be seen by comparing Examples 1, 13, and 14, since the high rate discharge performance tends to decrease as the average particle size of the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder increases, it is preferably 25 μm or less, and low equilibrium. When the average particle size of the pressurized hydrogen storage alloy powder is reduced, the charge / discharge cycle performance tends to be reduced, and therefore it was confirmed that 30 μm or more is preferable. It is generally known that the hydrogen storage alloy is not excellent in high-rate discharge performance because the reaction field decreases as the particle size increases, but the charge / discharge cycle performance is excellent. By increasing the average particle size of the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder, the average particle size of the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder required to improve the high rate discharge performance while maintaining excellent charge / discharge cycle performance. By controlling the thickness to 25 μm or less, it was possible to achieve both excellent high rate discharge characteristics and excellent charge / discharge cycle performance.
[0102]
According to the hydrogen storage alloy electrode according to the present invention, high rate discharge performance.NohAn excellent nickel metal hydride storage battery can be provided. According to such a nickel-metal hydride storage battery, it can be used as a power source for an electric vehicle or an electric tool because it can be a battery having excellent large current discharge performance.
[0103]
The specific surface area of nickel powder is 1.5m 2 / G or more and the bulk density of the nickel powder is 0.8 g / ml or lessAccording to the hydrogen storage alloy electrode according to the present invention, it is possible to provide a nickel metal hydride storage battery particularly excellent in high rate discharge performance.
Also,Nickel powder is contained in an amount of 2 to 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the hydrogen storage alloy powder.The hydrogen storage alloy electrode according to the present invention can provide a nickel-metal hydride storage battery that is particularly excellent in high-rate discharge performance and charge / discharge cycle performance.
[0104]
The high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder and the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder contain La as a main component as a rare earth element and contain one or more elements selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, and Al. At the same time, the content of the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is 10% by weight or more and 30% by weight or less with respect to the total weight of the hydrogen storage alloy electrode. Is 5 mol% or more, the total molar amount of Mn and Al with respect to Ni element is 5 mol% or less, and the average particle size of the high equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is 25 μm or less, The average particle size of the low equilibrium pressure hydrogen storage alloy powder is 30 μm or more.According to theOf the present inventionAccording to the hydrogen storage alloy electrode, it is possible to provide a sealed nickel-metal hydride storage battery having excellent corrosion resistance, particularly good charge / discharge cycle performance, and excellent high-rate discharge characteristics. Therefore, the performance of a device using this battery as a power source is improved, and the applications can be further expanded.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cutaway perspective view of a nickel metal hydride storage battery according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Nickel metal hydride storage battery
2 case
2a upper opening
3 positive
4 negative
5 Nickel metal hydride battery separator
6 insulating gasket
7 sealing plate
8 positive terminal
9 current collector
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