JP4759900B2

JP4759900B2 - アルカリ亜鉛電池

Info

Publication number: JP4759900B2
Application number: JP2001319858A
Authority: JP
Inventors: 昭夫高橋; 賢太山本; 一良本田; 邦泰大矢
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-10-17
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2021-10-17
Also published as: JP2003123747A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、正極活物質としてベータ型オキシ水酸化ニッケル、またはベータ型オキシ水酸化ニッケルと二酸化マンガンを用いたアルカリ亜鉛電池に関する。詳しくは、正極活物質として、平均粒子径が所定の範囲にある化学酸化法で得られるベータ型オキシ水酸化ニッケル、あるいはこのベータ型オキシ水酸化ニッケルと平均粒子径が所定の範囲にある二酸化マンガンを用いることによって、大電力放電でも長時間作動できる重負荷放電特性に優れるようにしたアルカリ亜鉛電池に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、小型の携帯用電子機器、とりわけ、携帯用ゲーム機、デジタルカメラの普及は非常にめざましい。今後もますますその普及が予想され、それに伴って、電源となる電池の需要も急速に拡大すると考えられる。現在、これらの機器には単三サイズの円筒形電池が主に使用されているが、こうした電子機器は一般に作動電圧が高く、かつ大電流を必要とするため、その電源としては重負荷での放電特性に優れていなければならない。
【０００３】
この要求を満たす電池の中で最も普及しているのは、二酸化マンガンを正極、亜鉛を負極に使用し、電解液に高濃度アルカリ性水溶液を使用したアルカリマンガン電池である。この電池は二酸化マンガン、亜鉛ともに安価であり、また、単位重量当たりのエネルギー密度が高いことから、小型携帯用電子機器用の電源を始め、幅広く用いられている。
【０００４】
こうした小型携帯用機器での使用を鑑み、アルカリマンガン電池は更なる重負荷放電特性の向上を目指すべく、電池材料からその電池構成に至るまで、現在までに数多くの改良がなされてきた。しかしながらこの電池系は、正極活物質である二酸化マンガンの放電が均一固相反応であるために、放電によって電圧が徐々に低下し、右下がりの放電曲線を描く。
【０００５】
このため、上述したような、高電圧、大電流を必要とする小型携帯用電子機器においては、こういったアルカリマンガン電池の放電挙動では基本的に僅かしか許容できず、機器の使用可能時間は、様々な改良がなされた現在においてもごく僅かでしかない。加えて、小型携帯用電子機器は、いずれもその市場投入初期は比較的高電圧、大電流で作動する傾向があり、今後そういった新規の機器にも対応可能な、より重負荷特性に優れた電池が必要不可欠である。
【０００６】
このような要求を満たす電池として、ニッケル亜鉛電池が従来より提案されてきた。この電池は、正極にオキシ水酸化ニッケル、負極に亜鉛を使用した電池であり、アルカリマンガン電池よりも作動電圧の高い、重負荷特性に優れた電池である。しかしその反面、正極活物質であるオキシ水酸化ニッケルは、酸素発生が生じやすく、自己放電が大きいという問題を抱えていた。
【０００７】
この問題を解決する方法としては、例えば特開平１０−２１４６２１号公報などにおいて、自己放電の少ない、ガンマ型オキシ水酸化ニッケル（γ−ＮｉＯＯＨ）を正極活物質に使用した、インサイドアウト構造の電池が提案されている。また、比較的密度が高いベータ型オキシ水酸化ニッケル（β−ＮｉＯＯＨ）を正極活物質に使用した、インサイドアウト構造の電池が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ガンマ型オキシ水酸化ニッケルは比較的密度が低いため、これを用いて構成する電池は、確かに自己放電が少なく、アルカリマンガン電池と比較して高い作動電位が得られるものの、放電容量はかなり小さくなってしまうという難点がある。
【０００９】
また、ベータ型オキシ水酸化ニッケルはガンマ型オキシ水酸化ニッケルより密度が高いため、これを用いて構成する電池は、放電容量が改良されたが、重負荷放電特性の改善が課題となっている。
そこで、この発明は、大電力放電でも長時間作動できる重負荷放電特性に優れたアルカリ亜鉛電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るアルカリ亜鉛電池は、ベータ型オキシ水酸化ニッケルと二酸化マンガンを正極活物質として含有する正極合剤と、亜鉛を主な負極活物質とする負極合剤と、電解液としてのアルカリ性水溶液とを備え、ベータ型オキシ水酸化ニッケルは、水酸化ニッケルを化学酸化することにより得られたものであって、上記正極活物質全体に占めるベータ型オキシ水酸化ニッケルの質量％は、少なくとも、３０％〜５０％の範囲にあり、ベータ型オキシ水酸化ニッケルの粒子の平均粒子径は５〜５０μｍの範囲にあり、かつ上記二酸化マンガンの粒子の平均粒子径は１０〜７０μｍの範囲にあり、正極合剤は、ベータ型オキシ水酸化ニッケルと二酸化マンガンを正極活物質として含有した材料が加圧成形されてなることを特徴とするものである。例えば、ベータ型オキシ水酸化ニッケルの粒子は球状である。
例えば、ベータ型オキシ水酸化ニッケルの粒子は球状である。ここで、球状とは、球状に近い状態のものを含む概念である。以下においても同様である。
【００１４】
この発明においては、化学酸化法で製作されたベータ型オキシ水酸化ニッケルと二酸化マンガンとを混合した正極活物質が使用される。そして、ベータ型オキシ水酸化ニッケル粒子の平均粒子径が５〜５０μｍの範囲とされる。二酸化マンガン粒子の平均粒子径が１０〜７０μｍの範囲とされる。
【００１５】
この場合、正極活物質の粒度分布が小粒子径（ベータ型オキシ水酸化ニッケル粒子の平均粒子径が５μｍより小さい、二酸化マンガン粒子の平均粒子径が１０μｍより小さい）の場合には、正極を加圧成形する際に粒子間の反発力が強くなるため、電池１個あたりに活物質の量を多く充填することが困難であり、重負荷放電特性が低下する。一方、大粒子径の部分（ベータ型オキシ水酸化ニッケル粒子の平均粒子径が５０μｍより大きい、二酸化マンガン粒子の平均粒子径が７０μｍより大きい）の場合は、放電容量が小さくなり、重負荷放電特性が低下する。
【００１６】
したがって、ベータ型オキシ水酸化ニッケル粒子の平均粒子径の範囲が５〜５０μｍとされ、かつ二酸化マンガン粒子の平均粒子径が１０〜７０μｍの範囲とされることにより、重負荷放電特性に優れたアルカリ亜鉛電池が得られる。また、正極活物質としてベータ型オキシ水酸化ニッケルと二酸化マンガンとを混合して用いることにより、正極／負極の反応面積を減少させることなく、正極の充填容量を大きくでき、放電容量を高めることが可能となる。なお、ベータ型オキシ水酸化ニッケルの粒子の形状を球状とすることで、ベータ型オキシ水酸化ニッケルがより高密度となり、より大きな放電容量（電池容量）を得ることが可能となる。また、二酸化マンガンを使用することにより、電池のコストを削減することが可能となる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について説明する。図１はアルカリ亜鉛電池１Ａの構成を示している。このアルカリ亜鉛電池１Ａは、正極活物質として、化学酸化法で製作された球状のベータ型オキシ水酸化ニッケルと、二酸化マンガンを使用したものである。
【００４３】
このアルカリ亜鉛電池１Ａは、電池缶２と、正極合剤３Ａと、セパレータ４と、負極合剤５と、集電ピン６と、負極端子部材７とから構成されている。
電池缶２は、例えばニッケルメッキが施された金属板をプレス加工して成形したものである。この電池缶２はアルカリ亜鉛電池１Ａの正極端子も兼ねている。
【００４４】
正極合剤３Ａは、中空円筒状をしており、電池缶２の内部に配される。この正極合剤３Ａは、正極活物質としての、化学酸化で作成され、粒子の形状が球状であるベータ型オキシ水酸化ニッケルおよび二酸化マンガン、導電剤としての炭素粉および電解質としてのアルカリ性水溶液を混合し、中空円筒状に成型してなるものである。
導電剤として用いる炭素粉には黒鉛粉が用いられる。アルカリ性水溶液には、例えば水酸化カリウム水溶液が使用されるが、水酸化リチウム、水酸化ナトリウムなどの水溶液も使用可能である。
セパレータ４は、有底円筒状をしており、正極合剤３Ａの内側に配される。例えば、セパレータ４には、吸液性、保液性がよく、耐アルカリ性の優れた合成繊維の不繊布が使用される。
負極合剤５は、ゲル状であり、セパレータ４の中に充填される。この負極合剤５は、負極活物質となる粒状亜鉛と酸化亜鉛を、ゲル化剤を用いて電解液である水酸化カリウム水溶液に均一に分散混合させたものである。
負極端子部材７は、負極端子板８、絶縁体のガスケット９および安全弁１０とから構成されている。負極端子板８には、黄銅製の集電ピン６が溶接されている。この負極端子部材７は電池缶２の開口部を封口する封口部材としても機能する。
【００４５】
図１に示すアルカリ亜鉛電池１Ａは、以下のようにして製作される。まず、中空円筒状に加圧成型された正極合剤３Ａを、電池缶２に装入する。次に、有底円筒状のセパレータ４を正極合剤３Ａの中心部に挿入し、該セパレータ４の中にゲル状の負極合剤５を充填する。最後に、電池缶２に負極端子部材７を挿入し、電池缶２の開口部の縁部を内部に折り曲げ、この負極端子部材７を固定する。電池缶２に負極端子部材７を挿入する際、負極端子板８に溶接された集電ピン６は、ゲル状の負極合剤５に差し込まれる。
【００４６】
図１に示すアルカリ亜鉛電池１Ａにおいて、負極の集電は、負極端子板８に溶接された集電ピン６が負極合剤５に差し込まれることで確保されている。また、正極の集電は、正極合剤３Ａと電池缶２とが接続されることで確保されている。
なお、電池缶２の外周面は、図示しない外装ラベルによって覆われており、電池缶２の底の凸部（図示のアルカリ亜鉛電池１の上部）に正極端子が位置している。
【００４７】
このアルカリ亜鉛電池１Ａにおける放電反応および理論起電力は以下の通りである。
ＮｉＯＯＨ−Ｚｎの放電反応：
２ＮｉＯＯＨ＋Ｚｎ＋Ｈ₂Ｏ→２Ｎｉ（ＯＨ）₂＋ＺｎＯ
理論起電力：Ｅ₀＝１．７４Ｖ
ＭｎＯ₂−Ｚｎの放電反応：
２ＭｎＯ₂＋Ｚｎ＋２Ｈ₂Ｏ→２ＭｎＯＯＨ＋Ｚｎ（ＯＨ）₂
理論起電力：Ｅ₀≒１．５〜１．６５Ｖ
【００４８】
このように、放電反応によって、オキシ水酸化ニッケルから、水酸化ニッケルが生成される。また、二酸化マンガンから、オキシ水酸化マンガンが生成される。図１に示すアルカリ亜鉛電池１Ａを、上述した試験条件で特性評価を行った。
ここで、本実施の形態における正極活物質としてのベータ型オキシ水酸化ニッケルについてさらに説明する。このベータ型オキシ水酸化ニッケルは、水酸化ニッケルを化学酸化により作製したものである。例えば、このベータ型オキシ水酸化ニッケルは、水酸化ニッケルを、適当な酸化剤、例えば次亜塩素酸ナトリウムと、適当なアルカリ種、例えば水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムとを含む液相中で酸化させることで得ることができる。このときの酸化反応は、以下の通りである。
２Ｎｉ（ＯＨ） ₂ ＋ＣｌＯ ^- →２ＮｉＯＯＨ＋Ｃｌ ^- ＋Ｈ ₂ Ｏ
このようにベータ型オキシ水酸化ニッケルを化学酸化により作製することで、その過程において、ＮＯ ₃ ^- ，ＣＯ ₃ ^2- 等といった不純物イオンが液相中に流出して結晶内からある程度除去される。その結果、自己放電のより少ない、一次電池用の活物質に、より適したベータ型オキシ水酸化ニッケルを得ることができる。因に、オキシ水酸化ニッケルの自己放電は、その結晶中に含まれるＮＯ ₃ ^- ，ＣＯ ₃ ^2- 等といった不純物イオンが電池内で分解して起こると考えられている。
なお、液相中のｐＨにより、生成するオキシ水酸化ニッケルの結晶構造が異なる。すなわち、ｐＨがある値以下では高密度のベータ型オキシ水酸化ニッケル（理論密度：４．６８ｇ／ｃｍ ³ ）が生成され、一方ｐＨがそれより大きな値では低密度のガンマ型オキシ水酸化ニッケル（理論密度：３．７９ｇ／ｃｍ ³ ）が生成される。
またこの際、出発原料となる水酸化ニッケルとしては、粒子の形状が球状である、高密度水酸化ニッケルを呼ばれるものが用いられる。これにより、本実施の形態における正極活物質であるベータ型オキシ水酸化ニッケルは、粒子の形状が球状となる。
通常の水酸化ニッケルは非球状で、タップ（Ｔａｐ）密度１．４〜１．８（ｇ／ｃｍ ³ ）、バルク（Ｂｕｌｋ）密度１．０〜１．４（ｇ／ｃｍ ³ ）なのに対し、上述の高密度水酸化ニッケルと呼ばれるものは粒子が球状であり、タップ（Ｔａｐ）密度２．０〜２．５（ｇ／ｃｍ ³ ）、バルク（Ｂｕｌｋ）密度１．４〜１．８（ｇ／ｃｍ ³ ）と、通常品に比べ高密度である。
タップ（Ｔａｐ）密度とバルク（Ｂｕｌｋ）密度（「かさ密度」ともいう）の測定方法は次の通りである。すなわち、対象となる粉末を特定の容器に自然落下充填し、このときの質量をＡ（ｇ）、体積をＢ（ｃｍ ³ ）、容器を持ち上げて容器の底を机などに２００回軽くぶつけた（タッピング）後の体積をＣ（ｃｍ ³ ）とすると以下の式で定義される。
バルク（Ｂｕｌｋ）密度＝Ａ／Ｂ（ｇ／ｃｍ ³ ）
タップ（Ｔａｐ）密度＝Ａ／Ｃ（ｇ／ｃｍ ³ ）
また、本実施の形態における正極活物質としてのベータ型オキシ水酸化ニッケルのタップ（Ｔａｐ）密度とバルク（Ｂｕｌｋ）密度は次の範囲内にあることが望ましい。すなわち、ベータ型オキシ水酸化ニッケルのタップ（Ｔａｐ）密度は２．２〜２．７ｇ／ｃｍ ³ の範囲にあることが望ましい。また、ベータ型オキシ水酸化ニッケルのバルク（Ｂｕｌｋ）密度は１．６〜２．２ｇ／ｃｍ ³ の範囲にあることが望ましい。タップ密度およびバルク密度がこれらの範囲の下限値よりも小さいと、放電容量を大きくすることが困難になるからである。また、タップ密度およびバルク密度がこれらの範囲の上限値よりも大きなベータ型オキシ水酸化ニッケルは製造することが困難だからである。
【００４９】
図１に示すアルカリ亜鉛電池１Ａを、放電条件として、電池製造後に、２０゜Ｃの雰囲気で１．５Ｗの定電力放電で放電終止電圧１．０Ｖに達するまでの放電時間を測定した。
ここでは、以下の実施例２３〜１２２のアルカリ亜鉛電池１Ａを検討した。実施例２３〜６２は、正極合剤３Ａに使用するベータ型オキシ水酸化ニッケルに、化学酸化法により製作され、かつ粒子の形状が球状であり、粒子の平均粒子径を５〜５０μｍの範囲で変化させたものを用いた。これに対し混合する二酸化マンガンに、粒子の平均粒子径を８〜８０μｍの範囲で変化させたものを用いた。そして、ベータ型オキシ水酸化ニッケルと二酸化マンガンの配合比は、正極活物質全体に対してベータ型オキシ水酸化ニッケルが質量％で３０％の配合比とした。上述した作製手順に従い電池をそれぞれ作製した。これら実施例２３〜６２を上述の試験条件で測定した結果を表２に示す。
【００５０】
【表２】

【００５１】
実施例６３〜９２は、正極活物質全体に占めるベータ型オキシ水酸化ニッケルの割合を質量％で５０％とした以外は実施例２３〜６２と同一の仕様で上述した作製手順に従い電池をそれぞれ作製した。
これら実施例６３〜９２を上述の試験条件で測定した結果を表３に示す。
【００５２】
【表３】

【００５３】
実施例９３〜１２２は、正極活物質全体に占めるベータ型オキシ水酸化ニッケルの割合を質量％で１０％とした以外は実施例２３〜６２と同一の仕様で上述した作製手順に従い電池をそれぞれ作製した。
これら実施例９３〜１２２を上述の試験条件で測定した結果を表４に示す。
【００５４】
【表４】

【００５５】
表２〜表４の測定結果により、図２の二酸化マンガンの平均粒子径と、放電時間との関係曲線が得られる。この場合、正極活物質中ベータ型オキシ水酸化ニッケルの配合比は５０質量％、３０質量％、１０質量％であり、また粒子の平均粒子径は５０μｍである。図２により電池の放電時間が長くなる二酸化マンガンの平均粒子径は、図中のＢの範囲、即ち、１０〜７０μｍの範囲である。従って、二酸化マンガンの平均粒子径が１０μｍ未満の場合、正極を加圧成形する際に粒子間の反発力が強くなるため、電池１個あたりに活物質の量を多く充填することが困難であり、放電時間が短く、重負荷放電特性が低下する。また７０μｍを超える場合も、放電容量が小さくなり、重負荷放電特性が大幅に低下する。
【００５６】
上述した図２は、ベータ型オキシ水酸化ニッケルの粒子の平均粒子径が５０μｍの場合の結果であるが、ベータ型オキシ水酸化ニッケルの粒子の平均粒子径が５〜５０μｍの範囲の他の場合も、同様な結果が得られる。
【００５７】
また、図２により、ベータ型オキシ水酸化ニッケルの配合比を５０％（質量％）の場合、配合比を３０％、１０％の場合より放電時間が長くなることを確認した。
【００５８】
このように、化学酸化法で製作されたベータ型オキシ水酸化ニッケルと二酸化マンガンを混合した正極活物質を使用し、ベータ型オキシ水酸化ニッケル粒子の平均粒子径を５〜５０μｍの範囲とし、かつ二酸化マンガン粒子の平均粒子径を１０〜７０μｍの範囲とすることで、重負荷放電特性に優れたアルカリ亜鉛電池を得ることができる。また、正極活物質としてベータ型オキシ水酸化ニッケルと二酸化マンガンとを混合して用いることにより、正極／負極の反応面積を減少させることなく、正極の充填容量を大きくすることが可能となる。また、安価な二酸化マンガンを使用することにより、電池のコストを削減することが可能となる。また、ベータ型オキシ水酸化ニッケルの粒子の形状を球状としたので、ベータ型オキシ水酸化ニッケルがより高密度となり、より大きな放電容量（電池容量）を得ることが可能となる。
【００５９】
なお、ベータ型オキシ水酸化ニッケルの粒子の形状は球状でない場合、放電容量が低下するが、上述と同様な粒度分布特定による重負荷放電特性の改善効果が得られる。
【００６０】
また、上述の発明の実施の形態では、一次電池であるニッケル亜鉛電池について説明したが、これに限定されるものではない。例えば二次電池にもこの発明を適用できる。
【００６１】
また、上述の実施の形態では、円筒形のニッケル亜鉛電池について説明したが、この円筒形電池に限定されるわけではなく、このほか扁平形など他の形状のニッケル亜鉛電池にもこの発明を適用できる。
【００６２】
また、上述の実施の形態においては、軽負荷放電の条件で測定した場合も、上述と同様な粒度分布特定による効果が考えられる。
【００６４】
【発明の効果】
この発明に係るアルカリ亜鉛電池によれば、化学酸化法で製作されたベータ型オキシ水酸化ニッケルと二酸化マンガンを混合した正極活物質を使用し、ベータ型オキシ水酸化ニッケル粒子の平均粒子径を５〜５０μｍの範囲とし、かつ二酸化マンガン粒子の平均粒子径を１０〜７０μｍの範囲とするものである。正極活物質全体に占めるベータ型オキシ水酸化ニッケルの質量％は少なくとも３０％〜５０％の範囲にあり、正極合剤はベータ型オキシ水酸化ニッケルと二酸化マンガンを正極活物質として含有した材料が加圧成形されてなる。よって、重負荷放電特性に優れたアルカリ亜鉛電池を得ることができ、また、正極／負極の反応面積を減少させることなく、正極の充填容量を大きくでき、さらに、二酸化マンガンを使用することにより、電池のコストを削減できる。
【００６５】
また、この発明に係るアルカリ亜鉛電池によれば、正極活物質としてのベータ型オキシ水酸化ニッケルの粒子形状を球状とすることで、ベータ型オキシ水酸化ニッケルがより高密度となり、より大きな放電容量（電池容量）を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態としてのアルカリ亜鉛電池の構成例を示す図である。
【図２】二酸化マンガンの平均粒子径と、放電時間との関係を示す図である。
【符号の説明】
１，１Ａ・・・アルカリ亜鉛電池、２・・・電池缶、３，３Ａ・・・正極合剤、４・・・セパレータ、５・・・負極合剤、６・・・集電ピン、７・・・負極端子部材、８・・・負極端子板、９・・・ガスケット、１０・・・安全弁

Claims

ベータ型オキシ水酸化ニッケルと二酸化マンガンを正極活物質として含有する正極合剤と、
亜鉛を主な負極活物質とする負極合剤と、
電解液としてのアルカリ性水溶液とを備え、
上記ベータ型オキシ水酸化ニッケルは、水酸化ニッケルを化学酸化することにより得られたものであって、
上記正極活物質全体に占めるベータ型オキシ水酸化ニッケルの質量％は、少なくとも、３０％〜５０％の範囲にあり、
上記ベータ型オキシ水酸化ニッケルの粒子の平均粒子径は５〜５０μｍの範囲にあり、かつ上記二酸化マンガンの粒子の平均粒子径は１０〜７０μｍの範囲にあり、
上記正極合剤は、
上記ベータ型オキシ水酸化ニッケルと二酸化マンガンを正極活物質として含有した材料が加圧成形されてなる、アルカリ亜鉛電池。
上記ベータ型オキシ水酸化ニッケルは、粒子の形状が球状である、請求項１に記載のアルカリ亜鉛電池。