JP5224581B2 - Nickel metal hydride storage battery - Google Patents

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JP5224581B2 JP2008000619A JP2008000619A JP5224581B2 JP 5224581 B2 JP5224581 B2 JP 5224581B2 JP 2008000619 A JP2008000619 A JP 2008000619A JP 2008000619 A JP2008000619 A JP 2008000619A JP 5224581 B2 JP5224581 B2 JP 5224581B2
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Description

本発明は、水素吸蔵合金を負極材料に使用してなるニッケル水素蓄電池に関する。   The present invention relates to a nickel metal hydride storage battery using a hydrogen storage alloy as a negative electrode material.

水素吸蔵合金を負極材料に使用したニッケル水素蓄電池は、(a)高容量であること、(b)過充電及び過放電に強いこと、(c)高効率充放電が可能であること、(d)クリーンであることなどの特長を有しており、種々の用途において使用されている。   Nickel metal hydride storage batteries using a hydrogen storage alloy as a negative electrode material are (a) high capacity, (b) strong against overcharge and overdischarge, (c) capable of high-efficiency charge / discharge, (d ) It has features such as cleanliness and is used in various applications.

このようなニッケル水素蓄電池の負極材料として、優れたサイクル特性を発揮するCaCu5型結晶構造を有するAB5系希土類−Ni系合金が実用化されている。しかし、該AB5系希土類−Ni系合金を電極材料として用いた場合には、放電容量は約300mAh/gが上限となっており、該合金を用いた放電容量の更なる改善は困難な状況となっている。 As a negative electrode material for such a nickel metal hydride storage battery, an AB 5 rare earth-Ni alloy having a CaCu 5 type crystal structure that exhibits excellent cycle characteristics has been put into practical use. However, when the AB 5 rare earth-Ni alloy is used as an electrode material, the discharge capacity is about 300 mAh / g, and it is difficult to further improve the discharge capacity using the alloy. It has become.

一方、新たな水素吸蔵合金として希土類−Mg−Ni系合金が注目されており、このような希土類−Mg−Ni系合金を電極材として使用することにより、AB5系合金を上回る放電容量が得られることが報告されている(特許文献1等)。
特開平11−323469号公報
On the other hand, attention has been focused on rare -Mg-Ni-based alloy as a new hydrogen absorbing alloy, the use of such a rare earth--Mg-Ni based alloy as an electrode material, the discharge capacity obtained above the AB 5 type alloy (Patent Document 1 etc.).
JP-A-11-323469

本発明者らの研究によれば、このような希土類−Mg−Ni系合金のうち、特に、該合金を構成する結晶相が、結晶構造のC軸方向に積層されてなる構成(以下、単に「C軸積層構成」ともいう)を備えた水素吸蔵合金が、C軸積層構成を有しない希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金よりも、高い放電容量を発揮しうることを見出した。   According to the researches of the present inventors, among such rare earth-Mg—Ni-based alloys, in particular, a structure in which the crystal phase constituting the alloy is laminated in the C-axis direction of the crystal structure (hereinafter simply referred to as “rear structure”). It has been found that a hydrogen storage alloy having a “C-axis laminated structure” can exhibit a higher discharge capacity than a rare earth-Mg—Ni-based hydrogen storage alloy having no C-axis laminated structure.

しかるに、このようなC軸積層構成を備えた特殊な希土類−Mg−Ni系合金について更なる研究を行った結果、該合金が水素を放出する圧力(以下、水素平衡圧ともいう)は、該合金中に吸蔵された水素量(以下、吸蔵水素量ともいう)に依存し、該吸蔵水素量が変化するにつれて水素平衡圧も大きく変動するという問題点が見出された。つまり、ニッケル水素蓄電池では利用しうる水素平衡圧の範囲が限られるため、水素平衡圧の変動が大きい水素吸蔵合金を備えたニッケル水素蓄電池では、電極反応に利用できる吸蔵水素量が減少してしまい、放電容量の小さい電池となってしまう。   However, as a result of further research on a special rare earth-Mg-Ni alloy having such a C-axis laminated structure, the pressure at which the alloy releases hydrogen (hereinafter also referred to as hydrogen equilibrium pressure) A problem has been found that, depending on the amount of hydrogen occluded in the alloy (hereinafter also referred to as occluded hydrogen amount), the hydrogen equilibrium pressure varies greatly as the occluded hydrogen amount changes. In other words, since the range of the hydrogen equilibrium pressure that can be used in the nickel-metal hydride storage battery is limited, the amount of stored hydrogen that can be used for the electrode reaction is reduced in the nickel-metal hydride battery that has a hydrogen storage alloy with a large fluctuation in the hydrogen equilibrium pressure. It becomes a battery with a small discharge capacity.

そこで本発明は、C軸積層構成を備えた希土類−Mg−Ni系合金を用いたニッケル水素蓄電池において、吸蔵水素量に依存して水素平衡圧が変動することを可及的に抑制し、電気化学的容量の大きなニッケル水素蓄電池を提供することを一の目的とする。   Therefore, the present invention suppresses, as much as possible, the fluctuation of the hydrogen equilibrium pressure depending on the amount of stored hydrogen in a nickel-metal hydride storage battery using a rare earth-Mg—Ni alloy having a C-axis stacking structure. One object is to provide a nickel metal hydride storage battery having a large chemical capacity.

上記課題を解決するべく、本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、C軸積層構成を備えた希土類−Mg−Ni系の水素吸蔵合金に対し、3B族元素(Alを除く)、4B族元素又は5B族元素の何れかを添加することにより、吸蔵水素量に依存する水素平衡圧の変動が大幅に低減されるとともに、水素吸蔵容量も高めうることを見出し、本発明を想到するに至った。   As a result of intensive studies by the present inventors to solve the above problems, 3B group elements (excluding Al) and 4B group are compared with rare earth-Mg-Ni based hydrogen storage alloys having a C-axis stacked structure. By adding either the element or the group 5B element, it was found that the fluctuation of the hydrogen equilibrium pressure depending on the amount of stored hydrogen can be greatly reduced and the hydrogen storage capacity can be increased, and the present invention has been conceived. It was.

即ち、本発明は、La−Mg−Ni系の水素吸蔵合金を含む負極を備えたニッケル水素蓄電池であって、前記水素吸蔵合金は、複数の結晶相が結晶構造のC軸方向に積層された積層構造を有し、且つ、前記水素吸蔵合金は、3B族元素(Alを除く)、4B族元素および5B族元素からなる群より選択される1種又は2種以上の元素を含有してなることを特徴とするニッケル水素蓄電池を提供するものである。   That is, the present invention is a nickel metal hydride storage battery including a negative electrode containing a La—Mg—Ni-based hydrogen storage alloy, wherein the hydrogen storage alloy has a plurality of crystal phases stacked in the C-axis direction of the crystal structure. The hydrogen storage alloy has a laminated structure, and contains one or more elements selected from the group consisting of group 3B elements (excluding Al), group 4B elements, and group 5B elements. A nickel-metal hydride storage battery is provided.

また、本発明は、前記3B族元素がインジウムであり、前記4B族元素がスズであり、前記5B族元素がアンチモン及びビスマスの何れか一方又は両方であることを特徴とする前記ニッケル水素蓄電池を提供するものである。
Further, the present invention is pre-SL group 3B element is indium, the Group 4B element is tin, the nickel-metal hydride storage battery, wherein the group 5B element is either one or both of antimony and bismuth Is to provide.

尚、La−Mg−Ni系の水素吸蔵合金とは、希土類元素、Mg、およびNiを含み、且つ、Ni原子の数が、希土類元素の数およびMg原子の数の合計の3倍より大きく5倍未満である合金を意味するものであるが、本発明では、3B族元素(Alを除く)、4B族元素および5B族元素からなる群より選択される1種又は2種以上の元素を添加するため、Niの一部がこれらの添加元素に置換されたものである。
特に、複数の結晶相が結晶構造のC軸方向に積層された積層構造を有するLa−Mg−Ni系の水素吸蔵合金であって、3B族元素(Alを除く)、4B族元素および5B族元素からなる群より選択される1種又は2種以上の元素を含有してなるものは、組成が、下記一般式
R1vR2xR3yR4z
(ここで、R1はYおよび希土類元素からなる群より選択される1種又は2種以上の元素、R2はMg、Ca、Sr、およびBaからなる群より選択される1種又は2種以上の元素、R3はNi、Co、Cu、Mn、Al、Cr、Fe、Zn、V、Nb、Ta、Ti、ZrおよびHfからなる群より選択される1種又は2種以上の元素、R4はAlを除く3B族元素、4B族元素および5B族元素からなる群より選択される1種又は2種以上の元素、v、x、yおよびzは、それぞれ15≦v≦19、2≦x≦6、76≦y≦80、0.5≦z≦2.5、およびv+x+y+z=100を満たす数である。)
で表される合金を好適に用いることができる。
The La—Mg—Ni-based hydrogen storage alloy includes rare earth elements, Mg, and Ni, and the number of Ni atoms is larger than three times the total of the number of rare earth elements and the number of Mg atoms. In the present invention, one or more elements selected from the group consisting of group 3B elements (excluding Al), group 4B elements and group 5B elements are added. Therefore, a part of Ni is substituted with these additive elements.
In particular, it is a La—Mg—Ni-based hydrogen storage alloy having a stacked structure in which a plurality of crystal phases are stacked in the C-axis direction of the crystal structure, and includes a group 3B element (excluding Al), a group 4B element, and a group 5B The composition containing one or more elements selected from the group consisting of elements has a composition of the following general formula R1 v R2 x R3 y R4 z
(Where R1 is one or more elements selected from the group consisting of Y and rare earth elements, and R2 is one or more elements selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, and Ba) Element, R3 is one or more elements selected from the group consisting of Ni, Co, Cu, Mn, Al, Cr, Fe, Zn, V, Nb, Ta, Ti, Zr and Hf, and R4 is Al One or more elements selected from the group consisting of Group 3B elements, Group 4B elements and Group 5B elements, and v, x, y and z are 15 ≦ v ≦ 19 and 2 ≦ x ≦ 6, respectively. 76 ≦ y ≦ 80, 0.5 ≦ z ≦ 2.5, and v + x + y + z = 100.)
The alloy represented by can be used suitably.

また、本発明において、原子パーセントとは、存在する原子の全数に対する特定の原子の数の百分率をいう。従って、例えばカルシウムを1原子パーセント含む合金は、合金の原子100個のうちカルシウム原子を1個含むような比率を意味するものである。   In the present invention, the atomic percent refers to the percentage of the number of specific atoms with respect to the total number of atoms present. Thus, for example, an alloy containing 1 atomic percent of calcium means a ratio that includes 1 calcium atom out of 100 atoms in the alloy.

本発明によれば、複数の結晶相が結晶構造のC軸方向に積層された積層構造を有するLa−Mg−Ni系水素吸蔵合金において、3B族元素(Alを除く)、4B族元素および5B族元素からなる群より選択される1種又は2種以上の元素を含有するようにしたことにより、C軸方向に積層された異なる結晶相間における水素占有エネルギーの差が小さくなり、吸蔵水素量の変化による水素平衡圧の変動が抑制された結晶構造になったものと推測される。
吸蔵水素量の変化による水素平衡圧の変動が抑制されると、合金内に吸蔵された水素を有効に利用することが可能となるため、結果として、該合金を用いた電池の電気化学的容量を増大させることができる。
According to the present invention, in a La—Mg—Ni-based hydrogen storage alloy having a stacked structure in which a plurality of crystal phases are stacked in the C-axis direction of the crystal structure, a 3B group element (excluding Al), a 4B group element, and a 5B By including one or more elements selected from the group consisting of group elements, the difference in hydrogen occupancy energy between different crystal phases stacked in the C-axis direction is reduced, and the amount of occluded hydrogen is reduced. It is presumed that the crystal structure has a suppressed fluctuation of the hydrogen equilibrium pressure due to the change.
If the fluctuation of the hydrogen equilibrium pressure due to the change in the amount of stored hydrogen is suppressed, the hydrogen stored in the alloy can be used effectively. As a result, the electrochemical capacity of the battery using the alloy is reduced. Can be increased.

このように、本発明に係るニッケル水素蓄電池によれば、La−Mg−Ni系水素吸蔵合金の優れた特性が発揮されると同時に、従来、該La−Mg−Ni系水素吸蔵合金の欠点であった水素平衡圧の変動が低減され、吸蔵された水素を効率良く使用しうる高効率の電池が提供されることとなる。   As described above, according to the nickel metal hydride storage battery of the present invention, the excellent characteristics of the La—Mg—Ni based hydrogen storage alloy are exhibited, and at the same time, due to the disadvantages of the La—Mg—Ni based hydrogen storage alloy. The fluctuation of the existing hydrogen equilibrium pressure is reduced, and a highly efficient battery capable of efficiently using the stored hydrogen is provided.

本発明に係るニッケル水素蓄電池は、La−Mg−Ni系の水素吸蔵合金粒子を含む負極を備えたニッケル水素蓄電池であって、複数の結晶相が結晶構造のC軸方向に積層された積層構造を有し、且つ、前記水素吸蔵合金は、3B族元素(Alを除く)、4B族元素および5B族元素からなる群より選択される1種又は2種以上の元素(以下、添加元素ともいう)を含有してなることを特徴とする。   The nickel-metal hydride storage battery according to the present invention is a nickel-metal hydride storage battery including a negative electrode containing La—Mg—Ni-based hydrogen storage alloy particles, in which a plurality of crystal phases are stacked in the C-axis direction of the crystal structure. And the hydrogen storage alloy is one or more elements selected from the group consisting of group 3B elements (excluding Al), group 4B elements and group 5B elements (hereinafter also referred to as additive elements). ).

本発明において、C軸方向に積層される結晶相としては、六方晶Pr5Co19型結晶構造を有する結晶相(以下、単にPr5Co19相ともいう)、菱面体晶Ce5Co19型結晶構造を有する結晶相(以下、単にCe5Co19相ともいう)、六方晶Ce2Ni7型の結晶構造を有する結晶相(以下、単にCe2Ni7相ともいう)、およびGd2Co7型結晶構造を有する結晶相などが挙げられる。 In the present invention, the crystal phase stacked in the C-axis direction includes a crystal phase having a hexagonal Pr 5 Co 19 type crystal structure (hereinafter also simply referred to as Pr 5 Co 19 phase), a rhombohedral Ce 5 Co 19 type. A crystal phase having a crystal structure (hereinafter also simply referred to as Ce 5 Co 19 phase), a crystal phase having a hexagonal Ce 2 Ni 7 type crystal structure (hereinafter also simply referred to as Ce 2 Ni 7 phase), and Gd 2 Co Examples thereof include a crystal phase having a 7- type crystal structure.

ここで、Pr5Co19型結晶構造とは、A24ユニット間に、AB5ユニットが3ユニット挿入された結晶構造であり、Ce5Co19型結晶構造とは、A24ユニット間に、AB5ユニットが3ユニット挿入された結晶構造であり、Ce2Ni7型の結晶構造とは、A24ユニット間に、AB5ユニットが2ユニット挿入された結晶構造であり、Gd2Co7形結晶構造とは、A24ユニット間に、AB5ユニットが2ユニット挿入された結晶構造である。
尚、A24ユニットとは、六方晶MgZn2型結晶構造(C14構造)又は六方晶MgCu2型結晶構造(C15構造)を持つ結晶格子であり、AB5ユニットとは、六方晶CaCu5型結晶構造を持つ結晶格子である。
また、一般に、Aは、希土類元素とMgからなる群より選択される何れかの元素を表し、Bは、遷移金属元素とAlからなる群より選択される何れかの元素を表すものである。
Here, the Pr 5 Co 19 type crystal structure is a crystal structure in which three AB 5 units are inserted between A 2 B 4 units, and the Ce 5 Co 19 type crystal structure is an A 2 B 4 unit. In the meantime, it is a crystal structure in which 3 units of AB 5 units are inserted, and the Ce 2 Ni 7 type crystal structure is a crystal structure in which 2 units of AB 5 units are inserted between A 2 B 4 units, The Gd 2 Co 7 type crystal structure is a crystal structure in which two AB 5 units are inserted between A 2 B 4 units.
The A 2 B 4 unit is a crystal lattice having a hexagonal MgZn 2 type crystal structure (C14 structure) or a hexagonal MgCu 2 type crystal structure (C15 structure), and the AB 5 unit is a hexagonal CaCu 5 unit. It is a crystal lattice with a type crystal structure.
In general, A represents any element selected from the group consisting of rare earth elements and Mg, and B represents any element selected from the group consisting of transition metal elements and Al.

また、前記各結晶構造を有する結晶相は、例えば、粉砕した合金粉末についてX線回折測定を行い、得られたX線回折パターンをリートベルト法により解析することによって結晶構造を特定することができる。   The crystal phase having each crystal structure can be identified by, for example, performing X-ray diffraction measurement on the pulverized alloy powder and analyzing the obtained X-ray diffraction pattern by the Rietveld method. .

前記アルミニウム(Al)以外の3B族元素としては、インジウム(In)を用いる。
インジウム(In)を用いた場合には、他の3B族元素を用いた場合と比較して、吸蔵水素量による水素平衡圧の変動が、より一層有効に抑制されることとなる。
尚、本発明で用いる3B族元素として、アルミニウム以外の元素を挙げているが、アルミニウムが含まれることを排除する意図ではない。アルミニウムは、従来より水素吸蔵合金の構成元素として利用されているが、本発明でも同様に、アルミニウムを含有した水素吸蔵合金を使用することができる。
Examples of the group 3B element other than aluminum (Al), Ru with Lee indium (an In).
When indium (In) is used, fluctuations in the hydrogen equilibrium pressure due to the amount of occluded hydrogen are more effectively suppressed than when other 3B group elements are used.
In addition, although elements other than aluminum are mentioned as a 3B group element used by this invention, it is not the intention which excludes aluminum. Although aluminum has been conventionally used as a constituent element of a hydrogen storage alloy, a hydrogen storage alloy containing aluminum can be used in the present invention as well.

また、前記4B族元素としては、スズ(Sn)を用いる。
スズ(Sn)を用いた場合には、他の4B族元素を用いた場合と比較して、吸蔵水素量による水素平衡圧の変動が、より一層有効に抑制されることとなる。
Further, examples of the Group 4B elements, Ru using the scan's (Sn).
When tin (Sn) is used, fluctuations in the hydrogen equilibrium pressure due to the amount of occluded hydrogen are more effectively suppressed as compared with the case where other group 4B elements are used.

また、前記5B族元素としては、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)を用いる。
アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)を用いた場合には、他の5B族元素を用いた場合と比較して、吸蔵水素量による水素平衡圧の変動が、より一層有効に抑制されることとなる。
Further, examples of the Group 5B elements, A Nchimon (Sb), Ru using bismuth (Bi).
When antimony (Sb) and bismuth (Bi) are used, fluctuations in the hydrogen equilibrium pressure due to the amount of occluded hydrogen are more effectively suppressed than when other 5B group elements are used. Become.

これら添加元素の添加量は、前記一般式において、R4の含有割合を意味するzとしても述べたように、0.5原子%以上2.5原子%以下であることが好ましく、0.7原子%以上2.1原子%以下とすることがより好ましい。
添加量を0.5原子%以上とすることによって、該添加元素による水素平衡圧の変動抑制作用がより一層発揮されやすくなり、また、2.5原子%以下とすることによって、CaCu5型結晶構造相の生成量を減らし、放電容量を高めることができる。
The addition amount of these additive elements is preferably 0.5 atomic percent or more and 2.5 atomic percent or less, as described above as z meaning the content ratio of R4 in the general formula, and 0.7 atomic percent. % To 2.1 atomic% or more is more preferable.
By making the addition amount 0.5 atomic% or more, the effect of suppressing the fluctuation of the hydrogen equilibrium pressure by the additive element can be more easily exerted, and by making the addition amount 2.5 atomic% or less, the CaCu 5 type crystal The generation amount of the structural phase can be reduced and the discharge capacity can be increased.

また、前記添加元素を合金中に固溶させやすくするという観点から、Mgの添加量は6.0原子%以下とすることが好ましく、2.5原子%以上4.2原子%以下とすることがより好ましい。   Further, from the viewpoint of facilitating solid solution of the additive element in the alloy, the amount of Mg added is preferably 6.0 atomic percent or less, and 2.5 atomic percent or more and 4.2 atomic percent or less. Is more preferable.

さらに、本発明で用いられるLa−Mg−Ni系の水素吸蔵合金は、好ましくは0.67以上0.82以下の電子濃度、より好ましくは0.72以上0.80以下、さらに好ましくは0.72以上0.76以下の電子濃度となるように、元素が配合されたものとしうる。
電子濃度が上記範囲であれば、Mgや上記添加元素の偏析が抑制され、積層構造を構成する格子が安定して生成され、放電容量が増大するという効果がある。
Furthermore, the La—Mg—Ni-based hydrogen storage alloy used in the present invention preferably has an electron concentration of 0.67 to 0.82, more preferably 0.72 to 0.80, and still more preferably 0.8. Elements may be blended so as to have an electron concentration of 72 or more and 0.76 or less.
If the electron concentration is in the above range, the segregation of Mg and the above additive elements is suppressed, the lattice constituting the laminated structure is stably generated, and the discharge capacity is increased.

尚、電子濃度とは、結晶格子に含まれる原子の価電子数の平均値を意味し、各原子の価電子数としては、次の値を用いて求められるものである。即ち、Yおよび希土類元素=3、Mg、Ca、SrおよびBa=2、Ni,Co,Mn,Fe=0、Cu=1、Zn=2、Cr=6、V,Nb,Ta=5、Ti,Zr,Hf=4、3B族元素=3、4B族元素=4、5B族元素=5である。   The electron concentration means an average value of the number of valence electrons of atoms contained in the crystal lattice, and the number of valence electrons of each atom is obtained using the following values. That is, Y and rare earth elements = 3, Mg, Ca, Sr and Ba = 2, Ni, Co, Mn, Fe = 0, Cu = 1, Zn = 2, Cr = 6, V, Nb, Ta = 5, Ti , Zr, Hf = 4, Group 3B element = 3, Group 4B element = 4, Group 5B element = 5.

本発明で用いられるLa−Mg−Ni系の水素吸蔵合金は、希土類元素、Mg、Ni及び前記添加元素を含み、且つ、Ni原子及び添加元素の合計数が、希土類元素の数およびMg原子の数の合計の3倍より大きく5倍未満である合金を意味するものである。   The La—Mg—Ni-based hydrogen storage alloy used in the present invention contains a rare earth element, Mg, Ni and the additive element, and the total number of Ni atoms and additive elements is the number of rare earth elements and Mg atoms. It means an alloy that is greater than 3 times the total number and less than 5 times.

該合金の組成は、下記一般式
R1vR2xR3yR4z
で表される合金が好適である。
ここで、上記一般式中、R1は、Yおよび希土類元素からなる群より選択される1種又は2種以上の元素であり、好ましくは、La、Ce、Pr、Nd、SmおよびYからなる群より選択される1種又は2種以上の元素である。
R2は、Mg、Ca、Sr、およびBaからなる群より選択される1種又は2種以上の元素、好ましくは、Mg又はCaの少なくとも何れか1つの元素である。
R3は、Ni、Co、Cu、Mn、Al、Cr、Fe、Zn、V、Nb、Ta、Ti、ZrおよびHfからなる群より選択される1種又は2種以上の元素、好ましくは、Ni、CoおよびAlからなる群より選択される1種又は2種以上の元素である。
R4はAlを除く3B族元素、4B族元素および5B族元素からなる群より選択される1種又は2種以上の元素であって、In、Sn、Sb及びBiからなる群より選択される1種又は2種以上の元素である。
The composition of the alloy has the following general formula R1 v R2 x R3 y R4 z
An alloy represented by
Here, in the above general formula, R1 is one or more elements selected from the group consisting of Y and rare earth elements, preferably a group consisting of La, Ce, Pr, Nd, Sm and Y One or more elements selected from the above.
R2 is one or more elements selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, and Ba, preferably at least one element of Mg or Ca.
R3 is one or more elements selected from the group consisting of Ni, Co, Cu, Mn, Al, Cr, Fe, Zn, V, Nb, Ta, Ti, Zr and Hf, preferably Ni , One or more elements selected from the group consisting of Co and Al.
R4 is, 3B group elements except Al, be one or more elements selected from the group consisting of Group 4B elements and Group 5B elements are selected from the group consisting of an In, Sn, Sb and Bi One or more elements.

また、v、x、yおよびzは、v+x+y+z=100を満たす数であり、
vは、15.0≦v≦19.0を満たし、好ましくは16.7≦v≦18.6を満たす数であり、xは、2.0≦x≦6.0を満たし、好ましくは2.5≦x≦4.2を満たす数であり、yは、76.0≦y≦80.0を満たし、好ましくは76.0≦y≦79.3を満たす数であり、zは、0.5≦z≦2.5を満たし、好ましくは0.7≦z≦2.1を満たす数である。
V, x, y and z are numbers satisfying v + x + y + z = 100,
v satisfies 15.0 ≦ v ≦ 19.0, preferably 16.7 ≦ v ≦ 18.6, and x satisfies 2.0 ≦ x ≦ 6.0, preferably 2 0.5 ≦ x ≦ 4.2, y satisfies 76.0 ≦ y ≦ 80.0, preferably 76.0 ≦ y ≦ 79.3, and z is 0 0.5 ≦ z ≦ 2.5, preferably 0.7 ≦ z ≦ 2.1.

特に、本発明においては、前記組成において3.3≦(y+z)/(v+x)≦3.9を満たす合金をより好適に用いることができる。斯かる組成の合金を用いることにより、常温常圧付近で可逆的に水素を吸蔵放出することができ、高い水素吸蔵容量を示すという効果がある。さらに、3.58≦(y+z)/(v+x)≦3.82とすることがより好ましく、係る組成の合金を用いることにより、上記効果がより一層顕著となる。   In particular, in the present invention, an alloy satisfying 3.3 ≦ (y + z) / (v + x) ≦ 3.9 in the composition can be used more suitably. By using an alloy having such a composition, hydrogen can be reversibly occluded and released near normal temperature and pressure, and there is an effect that a high hydrogen storage capacity is exhibited. Furthermore, it is more preferable to satisfy 3.58 ≦ (y + z) / (v + x) ≦ 3.82, and by using an alloy having such a composition, the above effect becomes more remarkable.

次に、本発明に係るニッケル水素蓄電池の製造方法について説明する。
まず、一実施形態としての水素吸蔵合金の製造方法は、上述のような所定の組成比となるように配合された合金原料を溶融する溶融工程と、溶融した合金原料を1000K/秒以上の冷却速度で急冷凝固する冷却工程と、冷却された合金を加圧状態の不活性ガス雰囲気下で860℃以上1000℃以下の温度範囲で焼鈍する焼鈍工程とを備えるものである。
Next, the manufacturing method of the nickel hydride storage battery which concerns on this invention is demonstrated.
First, a method for producing a hydrogen storage alloy as one embodiment includes a melting step of melting an alloy raw material blended to have a predetermined composition ratio as described above, and cooling the molten alloy raw material at 1000 K / second or more. A cooling step of rapidly solidifying at a rate, and an annealing step of annealing the cooled alloy in a pressurized inert gas atmosphere in a temperature range of 860 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.

より具体的に説明すると、まず、目的とする水素吸蔵合金の化学組成に基づいて、原料インゴッド(合金原料)を所定量秤量する。
溶融工程においては、前記合金原料をルツボに入れ、不活性ガス雰囲気中又は真空中で高周波溶融炉を用い、例えば、1200℃以上1600℃以下に加熱して合金原料を溶融させる。
More specifically, first, a predetermined amount of raw material ingot (alloy raw material) is weighed based on the chemical composition of the target hydrogen storage alloy.
In the melting step, the alloy raw material is put in a crucible and heated to, for example, 1200 ° C. or higher and 1600 ° C. or lower in an inert gas atmosphere or in a vacuum to melt the alloy raw material.

冷却工程においては、溶融した合金原料を冷却して固化させる。冷却速度は、1000K/秒以上(急冷ともいう)が好ましい。1000K/秒以上で急冷することにより、合金組成が微細化し、均質化するという効果がある。また、該冷却速度は、1000000K/秒以下の範囲に設定することができる。   In the cooling step, the molten alloy material is cooled and solidified. The cooling rate is preferably 1000 K / second or more (also called rapid cooling). By rapidly cooling at 1000 K / second or more, there is an effect that the alloy composition is refined and homogenized. The cooling rate can be set in a range of 1000000 K / second or less.

該冷却方法としては、具体的には、冷却速度が100000K/秒以上であるメルトスピニング法、冷却速度が10000K/秒程度であるガスアトマイズ法などを好適に用いることができる。   As the cooling method, specifically, a melt spinning method having a cooling rate of 100,000 K / second or more, a gas atomizing method having a cooling rate of about 10,000 K / second, or the like can be preferably used.

焼鈍工程においては、不活性ガス雰囲気下の加圧状態において、例えば、電気炉等を用いて860℃以上1000℃以下に加熱する。加圧条件としては、0.2MPa(ゲージ圧)以上1.0MPa(ゲージ圧)以下が好ましい。また、該焼鈍工程における処理時間は、3時間以上50時間以下とすることが好ましい。   In the annealing step, heating is performed at 860 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower using, for example, an electric furnace in a pressurized state under an inert gas atmosphere. The pressurizing condition is preferably 0.2 MPa (gauge pressure) or more and 1.0 MPa (gauge pressure) or less. Moreover, it is preferable that the processing time in this annealing process shall be 3 hours or more and 50 hours or less.

このようにして得られた水素吸蔵合金は、複数の結晶相が結晶構造のC軸方向に積層された積層構造を有する傾向にあり、特に、上記のような合金原料を用いることにより、前記水素吸蔵合金は、3B族元素(Alを除く)、4B族元素および5B族元素からなる群より選択される1種又は2種以上の元素を含有するものとなる。   The hydrogen storage alloy thus obtained tends to have a stacked structure in which a plurality of crystal phases are stacked in the C-axis direction of the crystal structure. In particular, by using the alloy raw material as described above, the hydrogen storage alloy The occlusion alloy contains one or more elements selected from the group consisting of group 3B elements (excluding Al), group 4B elements and group 5B elements.

本発明に係る水素吸蔵合金電極は、例えば上述のようにして作製した水素吸蔵合金を水素吸蔵媒体として備えたものである。水素吸蔵合金を水素吸蔵媒体として電極に使用する際には、該水素吸蔵合金を粉砕して使用することが好ましい。
電極製作時の水素吸蔵合金の粉砕は、焼鈍の前後のどちらで行ってもよいが、粉砕により表面積が大きくなるため、合金の表面酸化を防止する観点から、焼鈍後に粉砕するのが望ましい。粉砕は、合金表面の酸化防止のために不活性雰囲気中で行うことが好ましい。
前記粉砕には、例えば、機械粉砕、水素化粉砕などが用いられる。
The hydrogen storage alloy electrode according to the present invention comprises, for example, a hydrogen storage alloy produced as described above as a hydrogen storage medium. When the hydrogen storage alloy is used for an electrode as a hydrogen storage medium, the hydrogen storage alloy is preferably used after being pulverized.
The hydrogen storage alloy may be pulverized at the time of electrode fabrication either before or after annealing, but since the surface area is increased by pulverization, it is desirable to pulverize after annealing from the viewpoint of preventing surface oxidation of the alloy. The pulverization is preferably performed in an inert atmosphere to prevent oxidation of the alloy surface.
For the pulverization, for example, mechanical pulverization or hydrogenation pulverization is used.

水素吸蔵合金電極は、上述のようにして得られた水素吸蔵合金粉末を樹脂組成物やゴム組成物などの結着剤と混合し、所定形状に加圧成形することにより作製することができる。そして、該水素吸蔵合金電極を負極とし、別途作製した水酸化ニッケル製電極等を正極とし、電解液として水酸化カリウム水溶液等を充填することにより、本発明に係るニッケル水素蓄電池を作製することができる。   The hydrogen storage alloy electrode can be produced by mixing the hydrogen storage alloy powder obtained as described above with a binder such as a resin composition or a rubber composition and press-molding it into a predetermined shape. Then, by using the hydrogen storage alloy electrode as a negative electrode, a separately prepared nickel hydroxide electrode or the like as a positive electrode, and filling a potassium hydroxide aqueous solution or the like as an electrolyte, a nickel metal hydride storage battery according to the present invention can be manufactured. it can.

以下、実施例および比較例を用いて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.

(実施例1)
La−Mg−Ni系水素吸蔵合金の作製
化学組成がLa13.8Pr4.2Mg2.9Ni70.8Al3.1In1.0となるように原料インゴットを所定量秤量してルツボに入れ、減圧アルゴンガス雰囲気下で高周波溶融炉を用いて1500℃に加熱し、材料を溶融した。溶融後、メルトスピニング法を適用して急冷し、合金を固化させた。
次に、得られた合金を0.2MPa(ゲージ圧、以下同じ)に加圧されたアルゴンガス雰囲気下で、910℃にて熱処理を行った後、得られた水素吸蔵合金を粉砕して平均粒径(D50)が20μmの水素吸蔵合金粉末とした。
Example 1
Preparation of La-Mg-Ni-based hydrogen storage alloy The raw material ingot was weighed into a crucible so that the chemical composition would be La 13.8 Pr 4.2 Mg 2.9 Ni 70.8 Al 3.1 In 1.0, and high-frequency melted in a reduced pressure argon gas atmosphere The material was melted by heating to 1500 ° C. using a furnace. After melting, it was quenched by applying a melt spinning method to solidify the alloy.
Next, after heat-treating the obtained alloy at 910 ° C. in an argon gas atmosphere pressurized to 0.2 MPa (gauge pressure, the same applies hereinafter), the obtained hydrogen storage alloy was pulverized and averaged A hydrogen storage alloy powder having a particle size (D50) of 20 μm was obtained.

結晶構造の測定及び存在割合の算出
得られた水素吸蔵合金粉末をX線回折装置(BrukerAXS社製、品番M06XCE)を用いて、40kV、100mA(Cu管球)の条件下で測定を行った。さらに、構造解析として、リートベルト法(解析ソフト:RIETAN2000)による解析を行い、C軸積層体であるか否かの確認を行った。
Measurement of crystal structure and calculation of existence ratio The obtained hydrogen storage alloy powder was measured under the conditions of 40 kV, 100 mA (Cu tube) using an X-ray diffractometer (manufactured by Bruker AXS, product number M06XCE). Further, as a structural analysis, an analysis by a Rietveld method (analysis software: RIETRAN 2000) was performed to confirm whether or not it was a C-axis laminate.

ニッケル水素蓄電池(開放形セル)による電気化学的容量の測定
1)電極の作製
前記水素吸蔵合金粉末を負極に用いることによって開放形のニッケル水素蓄電池を製作した。具体的には、上記のようにして得られた水素吸蔵合金粉末100重量部に、ニッケル粉末(INCO社製、#210)3重量部を加えて混合した後、増粘剤(メチルセルロース)を溶解した水溶液を加え、さらに、結着剤(スチレンブタジエンゴム)を1.5重量部加えてペースト状にしたものを厚み45μmのニッケルめっきした穿孔鋼板(開口率60%)の両面に塗布して乾燥させた後、厚さ0.36mmにプレスし、負極とした。一方、正極としては、容量過剰のシンター式水酸化ニッケル電極を用いた。
Measurement of electrochemical capacity using nickel-metal hydride storage battery (open-type cell) 1) Preparation of electrode An open-type nickel-metal hydride storage battery was manufactured by using the hydrogen storage alloy powder as a negative electrode. Specifically, after adding 3 parts by weight of nickel powder (INCO, # 210) to 100 parts by weight of the hydrogen storage alloy powder obtained as described above, the thickener (methylcellulose) is dissolved. Then, 1.5 parts by weight of a binder (styrene butadiene rubber) is added to form a paste, which is applied to both sides of a nickel plated perforated steel plate (opening ratio 60%) having a thickness of 45 μm and dried. Then, it was pressed to a thickness of 0.36 mm to obtain a negative electrode. On the other hand, as the positive electrode, an excess capacity sintered nickel hydroxide electrode was used.

2)開放形電池の作製
上述のようにして作製した電極をセパレータを介して正極で挟み込み、これらの電極に1kgf/cm2の圧力がかかるようにボルトで固定し、開放形セルに組み立てた。電解液としては、6.8mol/LのKOH溶液および0.8mol/LのLiOH溶液からなる混合液を使用した。
2) Production of open-type battery The electrodes produced as described above were sandwiched between positive electrodes via separators, and these electrodes were fixed with bolts so that a pressure of 1 kgf / cm 2 was applied, and assembled into an open-type cell. As the electrolytic solution, a mixed solution composed of a 6.8 mol / L KOH solution and a 0.8 mol / L LiOH solution was used.

3−1)水素平衡圧の測定
作製した開放形電池について、P(平衡水素圧)−C(水素濃度)−T(温度)曲線を測定することにより、水素平衡圧を求めた。具体的には、容量法或いはジーベルツ法と呼ばれる手法により、一定温度の状態で試料にかかる水素ガス圧力を変化させ、平衡圧力を測ると共に、ガスの体積と圧力変化から反応した水素量を測る手法で行った。該測定法は、JIS H7201(1991)「水素吸蔵合金の圧力−組成等温線(PCT曲線)の測定方法」に規定されたものである。尚、実際の測定に際しては、鈴木商館製のPCT装置(自動ジーベルツ装置)を用い、80℃にて圧力−組成等温線図(PCT曲線)を測定した。測定結果を表1に示す。
3-1) Measurement of hydrogen equilibrium pressure The hydrogen equilibrium pressure was determined by measuring a P (equilibrium hydrogen pressure) -C (hydrogen concentration) -T (temperature) curve for the produced open battery. Specifically, a technique called volumetric method or Siebelz method is used to change the hydrogen gas pressure applied to the sample at a constant temperature, measure the equilibrium pressure, and measure the amount of hydrogen reacted from the gas volume and pressure change. I went there. The measurement method is defined in JIS H7201 (1991) “Measurement Method of Pressure-Composition Isotherm (PCT Curve) of Hydrogen Storage Alloy”. In actual measurement, a pressure-composition isotherm (PCT curve) was measured at 80 ° C. using a PCT device (automatic Siebelz device) manufactured by Suzuki Shokan. The measurement results are shown in Table 1.

3−2)水素平衡圧による評価
吸蔵水素量がH/M(合金金属1原子当りに吸蔵される水素原子数)=0.1の場合の水素平衡圧(MPa)をPeq1とし、H/M=0.8の場合の水素平衡圧をPeq2とし、吸蔵素量がH/M=0.1〜H/M=0.8まで変化する際の水素平衡圧の変化量、即ち、水素平衡圧の傾きをlog(Peq2/Peq1)として算出した。算出結果を表1に示す。
3-2) Evaluation by Hydrogen Equilibrium Pressure The hydrogen equilibrium pressure (MPa) when the amount of occluded hydrogen is H / M (number of hydrogen atoms occluded per atom of alloy metal) = 0.1 is defined as P eq1 and H / M The hydrogen equilibrium pressure when M = 0.8 is P eq2, and the amount of change in the hydrogen equilibrium pressure when the amount of occlusion changes from H / M = 0.1 to H / M = 0.8, that is, hydrogen The slope of the equilibrium pressure was calculated as log (P eq2 / P eq1 ). The calculation results are shown in Table 1.

4)電気化学的容量の測定
作製した開放形電池を20℃の水槽中に入れ、0.1ItAで150%の充電と、0.2ItAで終止電圧が0.6V(対Hg/HgO)となる放電とを、10サイクル繰り返した。そして、最大となる放電容量を電気化学的容量 [mAh/g]とした。測定結果を表1に示す。
4) Measurement of electrochemical capacity The produced open-type battery is put in a 20 ° C. water tank, charged at 150% at 0.1 ItA, and the final voltage becomes 0.6 V (vs. Hg / HgO) at 0.2 ItA. Discharging was repeated 10 cycles. The maximum discharge capacity was defined as electrochemical capacity [mAh / g]. The measurement results are shown in Table 1.

(実施例2〜16および比較例1〜20)
下記表1に示すような原料組成の水素吸蔵合金粒子、具体的には、C軸積層構造を有するLa−Mg−Ni系水素吸蔵合金と、C軸積層構造を有さないLa−Mg−Ni系水素吸蔵合金と、AB5系水素吸蔵合金とをそれぞれ作成し、実施例1と同様にしてニッケル水素蓄電池の水素平衡圧と電気化学的容量とを測定した。得られた結果を表1に示す。
(Examples 2-16 and Comparative Examples 1-20)
Hydrogen storage alloy particles having a raw material composition as shown in Table 1 below, specifically, a La—Mg—Ni-based hydrogen storage alloy having a C-axis stacked structure, and La—Mg—Ni not having a C-axis stacked structure A hydrogen storage alloy and an AB 5 hydrogen storage alloy were prepared, and the hydrogen equilibrium pressure and electrochemical capacity of the nickel metal hydride storage battery were measured in the same manner as in Example 1. The obtained results are shown in Table 1.

Figure 0005224581
Figure 0005224581

また、各水素吸蔵合金について、R4元素の添加量と電気化学的容量との関係をグラフ上にプロットした。該グラフを図1に示す。   For each hydrogen storage alloy, the relationship between the amount of R4 element added and the electrochemical capacity was plotted on a graph. The graph is shown in FIG.

表1及び図1に示すように、C軸積層構造を有するLa−Mg−Ni系水素吸蔵合金においては、前記R4元素を添加して合金を作製することにより、該合金を用いたニッケル水素蓄電池の電気化学的容量を増大させうる傾向を有することが認められる。これは、C軸積層構造を有するLa−Mg−Ni系水素吸蔵合金において、吸蔵水素量に対して水素平衡圧が変化し難くなったことによるものと考えられる。   As shown in Table 1 and FIG. 1, in a La—Mg—Ni-based hydrogen storage alloy having a C-axis stacked structure, a nickel-metal hydride storage battery using the alloy is prepared by adding the R4 element to produce the alloy. It can be seen that it has a tendency to increase the electrochemical capacity of This is considered to be due to the fact that in the La—Mg—Ni-based hydrogen storage alloy having a C-axis stacked structure, the hydrogen equilibrium pressure hardly changes with the amount of stored hydrogen.

より具体的には、前記表1によると、吸蔵水素量の変動に対する水素平衡圧の変化の度合いを示すlog(Peq2/Peq1)の値が1未満である場合に、ニッケル水素蓄電池の電気化学的容量が大きな値となっていることが認められる。
これは、吸蔵水素量の変動に伴う水素平衡圧の変化の度合いがlog(Peq2/Peq1)<1である場合に、電気化学的容量の増大が顕著であることを意味するものである。
さらに、前記表1によると、Peq1の値が0.03以上である場合に、ニッケル水素蓄電池の電気化学的容量が大きな値となっていることが認められる。この現象は、Peq1を0.03MPa以上とすることで電気化学的に利用可能な圧力範囲が広がったことに起因するものである。このように、本発明においては、吸蔵水素量の変動に伴う水素平衡圧の変化の度合いを抑制することに加えて、Peq1の値を0.03以上とすることにより、電気化学的容量をさらに増大させることができる。
尚、上述のように、水素平衡圧の変動の度合いをlog(Peq2/Peq1)<1とし、且つPeq1≧0.03とした場合は、従来と比べ、充放電反応の期間を通して水素平衡圧が高い状態に維持されるので、従来よりも高効率な放電性能が発揮されることとなる。
More specifically, according to Table 1, when the value of log (P eq2 / P eq1 ) indicating the degree of change in the hydrogen equilibrium pressure with respect to the change in the amount of stored hydrogen is less than 1, the electric power of the nickel-metal hydride storage battery It can be seen that the chemical capacity is large.
This means that when the degree of change in the hydrogen equilibrium pressure accompanying the change in the amount of stored hydrogen is log (P eq2 / P eq1 ) <1, the increase in electrochemical capacity is significant. .
Further, according to Table 1, it is recognized that the electrochemical capacity of the nickel-metal hydride storage battery is large when the value of P eq1 is 0.03 or more. This phenomenon is due to the fact that the pressure range that can be used electrochemically is expanded by setting P eq1 to 0.03 MPa or more. As described above, in the present invention, in addition to suppressing the degree of change in the hydrogen equilibrium pressure accompanying the change in the amount of stored hydrogen, the electrochemical capacity is reduced by setting the value of P eq1 to 0.03 or more. It can be further increased.
As described above, when the degree of fluctuation of the hydrogen equilibrium pressure is log (P eq2 / P eq1 ) <1, and P eq1 ≧ 0.03, the hydrogen is maintained throughout the charge / discharge reaction period compared to the conventional case. Since the equilibrium pressure is maintained at a high level, the discharge performance is more efficient than the conventional one.

ここで、C軸積層構造を有するLa−Mg−Ni系水素吸蔵合金にSbを添加した実施例3と、同じくBiを添加した実施例4と、同じく何も添加しない比較例1について、吸蔵水素量に対する水素平衡圧の変化を測定した。結果を図2に示す。   Here, in Example 3 in which Sb was added to a La—Mg—Ni-based hydrogen storage alloy having a C-axis laminated structure, Example 4 in which Bi was also added, and Comparative Example 1 in which nothing was added, the storage hydrogen The change in hydrogen equilibrium pressure with respect to quantity was measured. The results are shown in FIG.

図2に示すように、何も添加しない比較例1に対し、前記R4元素であるSbやBiを添加した実施例では、水素平衡圧の傾斜が小さくなっており、吸蔵水素量の変動に対して水素平衡圧が変化し難くなっていることが認められる。
また、H/M=0.1における実施例の水素平衡圧が、比較例の水素平衡圧よりも大きな値となっていることも認められる。
As shown in FIG. 2, in comparison with Comparative Example 1 in which nothing is added, in the example in which Sb or Bi as the R4 element is added, the slope of the hydrogen equilibrium pressure is small, and the fluctuation of the amount of occluded hydrogen is reduced. It can be seen that the hydrogen equilibrium pressure is difficult to change.
It is also recognized that the hydrogen equilibrium pressure of the example at H / M = 0.1 is larger than the hydrogen equilibrium pressure of the comparative example.

R4元素の添加量と電気化学的容量との関係をプロットしたグラフ。The graph which plotted the relationship between the addition amount of R4 element, and electrochemical capacity | capacitance. C軸積層構造を有するLa−Mg−Ni系水素吸蔵合金にSbを添加した実施例3と、同じくBiを添加した実施例4と、同じく何も添加しない比較例1について、吸蔵水素量に対する水素平衡圧の測定結果を示したグラフ。Example 3 in which Sb was added to a La—Mg—Ni-based hydrogen storage alloy having a C-axis laminated structure, Example 4 in which Bi was also added, and Comparative Example 1 in which nothing was added, The graph which showed the measurement result of equilibrium pressure.

Claims (1)

La−Mg−Ni系の水素吸蔵合金を含む負極を備えたニッケル水素蓄電池であって、
前記水素吸蔵合金は、複数の結晶相が結晶構造のC軸方向に積層された積層構造を有し、且つ、前記水素吸蔵合金は、インジウム、スズ、並びに、アンチモン及びビスマスの何れか一方又は両方からなる群より選択される1種又は2種以上の元素を含有してなることを特徴とするニッケル水素蓄電池。
A nickel-metal hydride storage battery comprising a negative electrode containing a La-Mg-Ni-based hydrogen storage alloy,
The hydrogen storage alloy has a laminated structure in which a plurality of crystal phases are laminated in the C-axis direction of the crystal structure, and the hydrogen storage alloy is indium, tin, and one or both of antimony and bismuth. A nickel-metal hydride storage battery comprising one or more elements selected from the group consisting of:
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