JP5102970B2 - アルカリ乾電池 - Google Patents
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Description
本発明は、負極活物質としての亜鉛のゲル状化体である負極ゲルを用いたアルカリ乾電池であって、とくにその負極ゲルが亜鉛紛を用いて作製されたものに関する。
亜鉛を負極活物質とするアルカリ乾電池は、その亜鉛をゲル状化した負極ゲルを負極材料に用いる。負極ゲルは、亜鉛紛にアルカリ電解液および若干量のゲル化剤などを混合して作製される。その亜鉛紛としては、ガスアトマイズ法または遠心ディスクアトマイズ法のいずれかで作製されたものが使用されていることが多い。
ガスアトマイズ法は、亜鉛溶融体（溶湯）を高圧ガスで噴霧することにより粉体化を行う。遠心ディスクアトマイズ法は、亜鉛溶融体を高速回転しているディスクで飛散させることにより粉体化を行う（たとえば特許文献１参照）。
アルカリ乾電池の特性は、負極ゲルの作製に用いる上記亜鉛粉（亜鉛または亜鉛合金の粉末、以下同じ）の状態、たとえば添加金属の有無、種類、添加量、粉体の粒度状態などに依存するところが大きい。したがって、アルカリ乾電池では、負極ゲルの作製に用いる亜鉛粉の粒度状態や組成などの工夫による改善が試みられている。
特開平７−２４５１０３
特許第３４３４９６１
亜鉛粉あるいは金属粉は一般に、その粒状などの性状が粉体製法に大きく依存する。たとえば、ガスアトマイズ法で粉体化された亜鉛紛と、遠心ディスクアトマイズ法で粉体化された亜鉛紛はそれぞれ、その粉体製法に特有の粒状形成が行われている。
したがって、同じ亜鉛紛であっても、ガスアトマイズ法で粉体化および粒状形成されたガスアトマイズ亜鉛紛と、遠心ディスクアトマイズ法で粉体化および粒状形成されたディスクアトマイズ亜鉛粉とは、互いに異種の亜鉛紛として区別される。
アルカリ乾電池の負極ゲルには、ほとんど前述のように、ガスアトマイズ亜鉛紛または遠心ディスクアトマイズ亜鉛紛のいずれかが使用されていた。
亜鉛負極ゲルを用いるアルカリ乾電池では、活物質である亜鉛紛の表面積を増大させること、および負極ゲルの亜鉛含有率を高めることが、放電性能を向上させる上で要求される。
その亜鉛紛としてガスアトマイズ亜鉛粉を用いたアルカリ乾電池において、放電性能を上げる目的で表面積を増やそうとした場合、その亜鉛紛の粒度を細かくすることが一般的に行われる。しかし、粒度を細かくすると、負極ゲルの亜鉛含有率を増やした場合に、その負極ゲルの流動性が悪くなってしまう。流動性が悪くなると、負極ゲルの充填作業に支障が生じて、アルカリ乾電池の生産性が阻害されてしまう、という問題が生じる。
一方、上記亜鉛紛としてディスクアトマイズ亜鉛粉を用いた場合は、その亜鉛粉の粒子形状が噴霧法に由来して細長くなっていることにより、粒度が粗くても表面積を稼ぐことが可能となる。しかし、そのディスクアトマイズ亜鉛粉に特有の形状に起因し、ゲル負極の亜鉛含有率を増やすことが困難である、という問題があった。
このように、従来のアルカリ乾電池は、放電性能を向上させるために、負極ゲルの亜鉛粉の表面積を増し、且つ負極ゲルの亜鉛含有率を高めようとすると、負極ゲルの流動性が損なわれて生産性が阻害されてしまう、という問題があった。
本発明は以上のような問題を解決するものであって、その目的は、負極活物質としての亜鉛のゲル状化体である負極ゲルを用いたアルカリ乾電池において、放電性能を向上させるために、負極ゲルの亜鉛粉の表面積を増し、且つ負極ゲルの亜鉛含有率を高めることを可能にするとともに、負極ゲルの流動性を良好にして生産性を確保できるようにすることにある。
本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
本発明は次のような解決手段を提供する。
（１）負極活物質としての亜鉛のゲル状化体である負極ゲルを用いたアルカリ乾電池において、
上記負極ゲルは、ガスアトマイズ法で粉体化および粒状形成されたガスアトマイズ亜鉛紛と遠心ディスクアトマイズ法で粉体化および粒状形成されたディスクアトマイズ亜鉛粉とを混合した混合亜鉛紛をゲル状化したものであり、
前記ガスアトマイズ亜鉛粉には、１５０μｍ以下の粒度のものが９５ｗｔ％以上含まれ、
前記ディスクアトマイズ亜鉛粉には、７５〜２５０μｍの粒度のものが８５ｗｔ％以上含まれている、
ことを特徴とするアルカリ乾電池。
（２）上記手段（１）において、前記負極ゲルの亜鉛含有率が６７ｗｔ％以上であることを特徴とするアルカリ乾電池。
（３）上記手段（１）または（２）において、前記混合亜鉛紛は、前記ガスアトマイズ亜鉛紛と前記ディスクアトマイズ亜鉛紛の混合比率が３：７〜７：３であることを特徴とするアルカリ乾電池。
（４）上記手段（３）において、前記負極ゲルの亜鉛含有率が７０ｗｔ％以上であることを特徴とするアルカリ乾電池。
（５）上記手段（４）において、前記混合亜鉛紛は、前記ガスアトマイズ亜鉛紛と前記ディスクアトマイズ亜鉛紛の混合比率が４：６〜６：４であることを特徴とするアルカリ乾電池。
（１）負極活物質としての亜鉛のゲル状化体である負極ゲルを用いたアルカリ乾電池において、
上記負極ゲルは、ガスアトマイズ法で粉体化および粒状形成されたガスアトマイズ亜鉛紛と遠心ディスクアトマイズ法で粉体化および粒状形成されたディスクアトマイズ亜鉛粉とを混合した混合亜鉛紛をゲル状化したものであり、
前記ガスアトマイズ亜鉛粉には、１５０μｍ以下の粒度のものが９５ｗｔ％以上含まれ、
前記ディスクアトマイズ亜鉛粉には、７５〜２５０μｍの粒度のものが８５ｗｔ％以上含まれている、
ことを特徴とするアルカリ乾電池。
（２）上記手段（１）において、前記負極ゲルの亜鉛含有率が６７ｗｔ％以上であることを特徴とするアルカリ乾電池。
（３）上記手段（１）または（２）において、前記混合亜鉛紛は、前記ガスアトマイズ亜鉛紛と前記ディスクアトマイズ亜鉛紛の混合比率が３：７〜７：３であることを特徴とするアルカリ乾電池。
（４）上記手段（３）において、前記負極ゲルの亜鉛含有率が７０ｗｔ％以上であることを特徴とするアルカリ乾電池。
（５）上記手段（４）において、前記混合亜鉛紛は、前記ガスアトマイズ亜鉛紛と前記ディスクアトマイズ亜鉛紛の混合比率が４：６〜６：４であることを特徴とするアルカリ乾電池。
（６）上記手段（１）〜（５）のいずれかにおいて、前記ディスクアトマイズ亜鉛粉中のＢｉ品位が９０ｗｔｐｐｍ以下であり、且つ前記ガスアトマイズ亜鉛粉中のＢｉ品位が１００ｗｔｐｐｍ以上であることを特徴とするアルカリ乾電池。
負極活物質としての亜鉛のゲル状化体である負極ゲルを用いたアルカリ乾電池において、放電性能を向上させるために、負極ゲルの亜鉛粉の表面積を増し、且つ負極ゲルの亜鉛含有率を高めることができるとともに、負極ゲルの流動性を良好にして生産性を確保することができる。
上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
図１は、本発明の好適な適用例である筒状アルカリ乾電池の概略構成を示す。同図に示す電池１０は単三型（ＬＲ６）であって、正極集電体および正極端子を兼ねる有底円筒状の金属製電池缶１１内に、正極合剤２１、セパレータ２２、負極合剤２３からなる発電要素２０をアルカリ電解液と共に収容した後、負極端子板３３および封口ガスケット３５で電池缶１１を封口して作製される。
正極合剤２１は、二酸化マンガンおよび／またはオキシ水酸化ニッケルなどの正極活物質に黒鉛等の導電助剤を混入して所定の合剤形状に成型したものが使用される。セパレータ２２は、不職布などの透液性および保液性を有するフィルム状素材を用いて作製されている。負極合剤２３はゲル状亜鉛（負極ゲル）が使用される。電解液には高濃度のＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液が使用される。
負極端子板３３の内側面（電池内側面）には棒状の負極集電子３１の基端がスポット溶接されている。この負極集電子３１の先端側はゲル状の負極合剤２３中に挿入されている。負極端子板３３は電池缶１１の開口部を塞ぎ、封口ガスケット３５はその負極端子板３３と電池缶１１の開口部との間の環状隙間に被圧状態で介在することにより電池缶１１を気密封止している。
電池缶１１は、その外底面に凸状の正極端子部１２がプレス加工等により一体形成されている。また、その開口部は上記封口ガスケット３５を挟圧しながら内方にカール加工されている。
上記負極合剤２３にはゲル状の亜鉛が使用されている。このゲル状亜鉛いわゆる負極ゲルは、亜鉛または亜鉛合金の粉末をアルカリ電解液および若干量のゲル化剤と混合して作製される。
この負極ゲルの作製に用いる亜鉛粉については、前述したように、放電性能を向上させるために、負極ゲルの亜鉛粉の表面積を増し、且つ負極ゲルの亜鉛含有率を高めようとすると、負極ゲルの流動性が損なわれて生産性が阻害されてしまうという背反が生じるが、本発明は、その背反する問題を次のような手段によって克服した。
すなわち、本発明のアルカリ乾電池１０では、負極合剤２３として使用されている負極ゲルが、ガスアトマイズ亜鉛紛とディスクアトマイズ亜鉛粉を混合した混合亜鉛紛を用いて作製されている。
図２は、ガスアトマイズ亜鉛紛５１、ディスクアトマイズ亜鉛粉５２、混合亜鉛紛５３の各粒子形態をそれぞれ拡大および模式化して示す。ガスアトマイズ亜鉛紛５１は、同図の（ａ）に示すように、平均的にアスペクト比（縦／横比）の小さな短粒状をなしている。これはガスアトマイズ法で粉体化および粒状形成された亜鉛紛に特有の形態的特徴である。
ディスクアトマイズ亜鉛粉５２は、同図の（ｂ）に示すように、平均的にアスペクト比（縦／横比）の大きな長粒状をなしている。これは遠心ディスクアトマイズ法で粉体化および粒状形成された亜鉛紛に特有の形態的特徴である。
本発明では、同図の（ｃ）に示すように、上記２種類の亜鉛紛５１，５２を混合した混合亜鉛紛５３を用いて負極ゲルを作製するが、この混合亜鉛５３を用いることにより、負極ゲルの亜鉛粉の表面積を増やすことと、負極ゲルの亜鉛含有率を高めることが共に両立して可能になった。
さらに、注目すべきことは、負極ゲルの亜鉛含有率を高めてもゲルの流動性を良好に保ちやすいということである。これは、上記混合亜鉛紛５３を用いたことではじめて可能になったことである。これは、細長い亜鉛紛の間に丸い亜鉛紛が入ることで流動性が維持されるようになったためと考えられる。
これにより、負極活物質としての亜鉛のゲル状化体である負極ゲルを用いたアルカリ乾電池において、放電性能を向上させるために、負極ゲルの亜鉛粉の表面積を増し、且つ負極ゲルの亜鉛含有率を高めることが可能になるとともに、負極ゲルの充填作業性を良好にして生産性を確保することが可能になった。
具体的には、上記混合亜鉛紛を用いることにより、負極ゲルの流動性を損なうことなく、負極ゲルの亜鉛含有率を６７ｗｔ％以上に高めることができた。
上記混合亜鉛紛の混合割合については、ガスアトマイズ亜鉛紛とディスクアトマイズ亜鉛紛の混合比率が３：７〜７：３であることが好ましく、この場合は、負極ゲルの流動性を損なうことなく、その亜鉛含有率を７０ｗｔ％以上にすることができた。
また、ガスアトマイズ亜鉛紛とディスクアトマイズ亜鉛紛の混合比率を４：６〜７：４とした場合は、負極ゲルの亜鉛含有率をさらに高めることができる。
図３は、ディスクアトマイズ亜鉛粉とガスアトマイズ亜鉛紛の粒度分布別アスペクト比を示す。同図に示すように、ディスクアトマイズ亜鉛粉とガスアトマイズ亜鉛紛は粉体製法の違いによって平均的なアスペクト比が異なるが、そのアスペクト比は粒度分布によっても変化する。
ガスアトマイズ亜鉛紛は粒度が細かくなるほどアスペクト比が小さくなるのに対し、ディスクアトマイズ亜鉛粉は粒度が細かくなるほどアスペクト比が大きくなる。このため、負極ゲルの特性は、ガスアトマイズ亜鉛紛およびディスクアトマイズ亜鉛粉のそれぞれの粒度分布にも依存する。
この場合、ディスクアトマイズ亜鉛粉は粒度が７５〜２５０μｍのものが８５ｗｔ％以上であることが望ましい。また、ガスアトマイズ亜鉛粉は粒度が１５０μｍ以下のものが９５ｗｔ％以上であることが望ましい。
さらに、ディスクアトマイズ亜鉛粉は粒度が７５〜２５０μｍのものが８５ｗｔ％以上であり、且つガスアトマイズ亜鉛粉は粒度が１５０μｍ以下のものが９５ｗｔ％以上とすることにより、上記効果が一層顕著に得られることが判明した。
また、負極ゲルの亜鉛粉にＢｉ（ビスマス）を添加することで耐漏液性を高めることができる。しかし、Ｂｉ品位が高い場合、過放電漏液性能が劣る結果となる。そこで、ディスクアトマイズ亜鉛粉中のＢｉ品位を９０ｗｔｐｐｍ以下とし、且つガスアトマイズ亜鉛粉中のＢｉ品位を１００ｗｔｐｐｍ以上とすることが、耐漏液性および過放電耐漏液性能の両立が可能であることが判明した。
以下、本発明の代表的な実施例を、本発明者等が数々の実験で得た中から抽出したサンプルデータを例示しながら示す。
サンプル電池として、負極ゲルに用いる亜鉛粉の種類ごとにＬＲ６型アルカリ乾電池を試作した。サンプル電池には１個あたり６．０ｇのゲル状負極を注入した。そして、実際に注入できた負極ゲル量のバラツキ度合いを、サンプル数１００個（ｎ＝１００）の標準偏差（ｇ）で評価した。このバラツキは、負極ゲルの流動性による充填作業性を反映するものであって、負極ゲルの流動性が悪くなるほど、バラツキも大きくなる。
また、亜鉛紛のＢｉ品位を変えたサンプル電池について、未放電および過放電後の耐漏液性試験を行った。未放電の耐漏液性試験は、６０℃／９０％ＲＨ（ｎ＝１００）にて行った。過放電の耐漏液性試験は、１０Ωで４８時間放電後、６０℃／９０％ＲＨ（ｎ＝１０）にて行った。
バラツキ（標準偏差）と、未放電および過放電後の耐漏液性試験の結果は、表１に示す判定基準により、良い方から悪い順に「◎」「○」「×」の階級分けで示す。
まず、負極ゲルの亜鉛含有率と放電性能の関係について調べた。この結果、表２に示すように、亜鉛含有率が高いほど放電性能は良好であることが確認された。
次に、ガスアトマイズ亜鉛紛の割合、ディスクアトマイズ亜鉛粉の割合、亜鉛含有率について、その条件別に、標準偏差（バラツキ）、放電性能、および総合性能（Ｔｏｔａｌ）を調べる試験を行った。この結果を表３，４，５に示す。
さらに、ガスアトマイズ亜鉛紛の割合とＢｉ品位、ディスクアトマイズ亜鉛粉の割合とＢｉ品位について、その条件別に、未放電での耐漏液性と過放電後の耐漏液性を評価する試験を行った。この結果を表６に示す。
上記実施例からも明らかなように、本発明は、負極活物質としての亜鉛のゲル状化体である負極ゲルを用いたアルカリ乾電池において、ガスアトマイズ亜鉛紛とディスクアトマイズ亜鉛粉の混合亜鉛紛をゲル状化した負極ゲルを用いることにより、放電性能を向上させるために、負極ゲルの亜鉛粉の表面積を増し、且つ負極ゲルの亜鉛含有率を高めることができるとともに、負極ゲルの流動性を良好にして生産性を確保することができる。
負極活物質としての亜鉛のゲル状化体である負極ゲルを用いたアルカリ乾電池において、放電性能を向上させるために、負極ゲルの亜鉛粉の表面積を増し、且つ負極ゲルの亜鉛含有率を高めることができるとともに、負極ゲルの流動性を良好にして生産性を確保することができる。
１０ アルカリ乾電池
１１ 電池缶
１２ 正極端子部
２０ 発電要素
２１ 正極合剤
２２ セパレータ
２３ 負極合剤（負極ゲル）
３１ 負極集電子
３３ 負極端子板
３５ 封口ガスケット
５１ ガスアトマイズ亜鉛紛
５２ ディスクアトマイズ亜鉛粉
５３ 混合亜鉛紛
１１ 電池缶
１２ 正極端子部
２０ 発電要素
２１ 正極合剤
２２ セパレータ
２３ 負極合剤（負極ゲル）
３１ 負極集電子
３３ 負極端子板
３５ 封口ガスケット
５１ ガスアトマイズ亜鉛紛
５２ ディスクアトマイズ亜鉛粉
５３ 混合亜鉛紛
Claims (6)
- 負極活物質としての亜鉛のゲル状化体である負極ゲルを用いたアルカリ乾電池において、
上記負極ゲルは、ガスアトマイズ法で粉体化および粒状形成されたガスアトマイズ亜鉛紛と遠心ディスクアトマイズ法で粉体化および粒状形成されたディスクアトマイズ亜鉛粉とを混合した混合亜鉛紛をゲル状化したものであり、
前記ガスアトマイズ亜鉛粉には、１５０μｍ以下の粒度のものが９５ｗｔ％以上含まれ、
前記ディスクアトマイズ亜鉛粉には、７５〜２５０μｍの粒度のものが８５ｗｔ％以上含まれている、
ことを特徴とするアルカリ乾電池。 - 請求項１において、前記負極ゲルの亜鉛含有率が６７ｗｔ％以上であることを特徴とするアルカリ乾電池。
- 請求項１または２において、前記混合亜鉛紛は、前記ガスアトマイズ亜鉛紛と前記ディスクアトマイズ亜鉛紛の混合比率が３：７〜７：３であることを特徴とするアルカリ乾電池。
- 請求項３において、前記負極ゲルの亜鉛含有率が７０ｗｔ％以上であることを特徴とするアルカリ乾電池。
- 請求項４において、前記混合亜鉛紛は、前記ガスアトマイズ亜鉛紛と前記ディスクアトマイズ亜鉛紛の混合比率が４：６〜６：４であることを特徴とするアルカリ乾電池。
- 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記ディスクアトマイズ亜鉛粉中のＢｉ品位が９０ｗｔｐｐｍ以下であり、且つ前記ガスアトマイズ亜鉛粉中のＢｉ品位が１００ｗｔｐｐｍ以上であることを特徴とするアルカリ乾電池。
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