JP5718006B2 - Hydrogen storage alloy and nickel metal hydride secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、水素吸蔵合金に関し、具体的には、Mg,Al含有希土類ニッケル系超格子型水素吸蔵合金およびその水素吸蔵合金を負極の活物質として用いたニッケル水素二次電池に関するものである。   The present invention relates to a hydrogen storage alloy, and more particularly to a Mg, Al-containing rare earth nickel-based superlattice hydrogen storage alloy and a nickel metal hydride secondary battery using the hydrogen storage alloy as an active material for a negative electrode.

水素吸蔵合金は、常温常圧で安全かつ容易に水素を貯蔵できることから、新しいエネルギー貯蔵材料やエネルギー変換材料として注目されており、例えば、水素の分散輸送・貯蔵、熱の貯蔵・輸送、熱−機械エネルギーの変換、水素の精製・分離、水素同位体の分離、水素を活物質とする電池、合成化学における触媒、温度センサーなどのいろいろな用途の機能性新素材として広い分野での応用が進められている。   Hydrogen storage alloys are attracting attention as new energy storage materials and energy conversion materials because they can store hydrogen safely and easily at normal temperature and pressure. For example, hydrogen transport and storage, heat storage and transport, heat- Mechanical energy conversion, hydrogen purification / separation, hydrogen isotope separation, hydrogen-based batteries, synthetic chemistry catalysts, temperature sensors, etc. It has been.

とりわけ、水素吸蔵合金を負極の活物質に用いたニッケル水素二次電池は、クリーンで、ニッケル・カドミウム二次電池に比べて高容量で、過充電・過放電に強く、高率充放電が可能で、しかも、ニッケル・カドミウム二次電池と作動電圧に関して互換性がある、などの様々な特長を有するため、民生用二次電池として、その応用・実用化が活発に行われている。また最近では、ハイブリッド自動車用のバッテリーとしても実用化されたことから、より一層の性能向上が期待されている。   In particular, nickel-metal hydride secondary batteries using hydrogen storage alloys as the negative electrode active material are clean, have higher capacity than nickel-cadmium secondary batteries, are resistant to overcharge / overdischarge, and can be charged and discharged at a high rate. In addition, since it has various features such as compatibility with the nickel-cadmium secondary battery in terms of operating voltage, its application and practical use are actively performed as a consumer secondary battery. Recently, since it has been put into practical use as a battery for hybrid vehicles, further improvement in performance is expected.

上記ニッケル水素二次電池の負極の活物質に用いられている水素吸蔵合金としては、従来、La,Ce,Pr,Nd,Sm,Gdまたはこれらの混合元素(Mm(ミッシュメタル))等の希土類金属をAサイトに、Ni,Co,Mn,Al等の遷移金属をBサイトに用いたCaCu型の結晶構造を持つAB型の合金が主に用いられてきた(例えば、特許文献1参照。)。この系の合金は、常温における水素吸蔵・放出の平衡圧力が0.5〜5気圧程度であるため、ニッケル水素二次電池の負極用活物質として実用に供し易いという特徴を有している。 Conventionally, rare earth materials such as La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd or mixed elements thereof (Mm (Mish metal)) have been used as the hydrogen storage alloy used for the negative electrode active material of the nickel-hydrogen secondary battery. An AB 5 type alloy having a CaCu 5 type crystal structure using a metal at the A site and a transition metal such as Ni, Co, Mn, or Al at the B site has been mainly used (for example, see Patent Document 1). .) Since this type of alloy has an equilibrium pressure of hydrogen absorption / desorption at room temperature of about 0.5 to 5 atm, it has a feature that it can be easily put into practical use as an active material for a negative electrode of a nickel-hydrogen secondary battery.

しかし、AB型の希土類金属−ニッケル系合金は、初期の水素吸蔵・放出時の特性(活性化特性)に問題があり、初期化のためには数回以上の充放電を行わなければ、良好な電池特性が得られないという問題点がある。 However, the AB 5 type rare earth metal-nickel alloy has a problem in the initial hydrogen storage / release characteristics (activation characteristics). For initialization, if charging and discharging are not performed several times, There is a problem that good battery characteristics cannot be obtained.

一方、近年における二次電池に対する高容量化への要求に応えるため、希土類金属に対するニッケルを主成分とする遷移金属の含有量を少なくした合金組成とすることで電池容量を向上した、希土類およびNiを主体とする水素吸蔵合金が開発されている(例えば、特許文献2参照。)。しかし、この水素吸蔵合金は、結晶粒を微細化したことによる効果は得られるものの、Niの原子割合を4.5以下、即ち、ABより大幅に希土類リッチの組成とした場合には、電池容量の増加が得られなかったり、サイクル特性が悪化したりする等の問題がある。この理由は、希土類元素は水素との親和力が強いため、希土類リッチの組成では、水素吸蔵時に金属水素化物(または水素誘起アモルファス相)が形成される結果、水素がトラップされて水素の放出が困難になり、実質容量が減少するためであると考えられる。 On the other hand, in order to meet the demand for higher capacity for secondary batteries in recent years, rare earth and Ni have improved battery capacity by using an alloy composition in which the content of transition metals mainly composed of nickel with respect to rare earth metals is reduced. Has been developed (see, for example, Patent Document 2). However, although this hydrogen storage alloy has the effect of making the crystal grains finer, when the atomic ratio of Ni is 4.5 or less, that is, when the composition is much richer in rare earth than AB 5 , the battery There is a problem that the capacity cannot be increased or the cycle characteristics are deteriorated. The reason for this is that rare earth elements have a strong affinity for hydrogen, so in rare earth-rich compositions, metal hydrides (or hydrogen-induced amorphous phases) are formed when hydrogen is absorbed, and hydrogen is trapped, making it difficult to release hydrogen. This is considered to be because the real capacity decreases.

そこで、上記問題点を解決する技術として、特許文献3には、(R1−x)(Ni1−y(ただし、Rは、La、Ce、Pr、Nd、またはこれらの混合元素を示し、LはGd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Sc、Mg、Ca、またはこれらの混合元素を示し、Mは、Co、Al、Mn、Fe、Cu、Zr、Ti、Mo、Si、V、Cr、Nb、Hf、Ta、W、B、C、またはこれらの混合元素を示す。x、yおよびzは、0.05≦x≦0.4、0≦y≦0.5、3.0≦z<4.5である。)で表される組成を有し、合金中の結晶粒のC軸と垂直に存在する逆位相境界がC軸方向に20nm当たり5本以上、25本未満含まれる結晶を30容量%以上、95容量%未満含有し、且つ上記Lで示される元素を、逆位相領域にその添加量の60%以上、95%未満配置した希土類金属−ニッケル系水素吸蔵合金が開示されている。 Therefore, as a technique for solving the above problems, Patent Document 3 discloses (R 1−x L x ) (Ni 1−y M y ) z (where R is La, Ce, Pr, Nd, or these) L represents Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y, Sc, Mg, Ca, or a mixed element thereof, and M represents Co, Al, Mn, Fe , Cu, Zr, Ti, Mo, Si, V, Cr, Nb, Hf, Ta, W, B, C, or a mixed element thereof, where x, y, and z are 0.05 ≦ x ≦ 0. 4, 0 ≦ y ≦ 0.5, 3.0 ≦ z <4.5), and the antiphase boundary existing perpendicular to the C axis of the crystal grains in the alloy is C Contains at least 30% and less than 95% by volume of crystals containing 5 or more and less than 25 per 20 nm in the axial direction. There is disclosed a rare earth metal-nickel-based hydrogen storage alloy in which an element to be added is disposed in an antiphase region in an amount of 60% or more and less than 95% of the addition amount.

特開平09−050807号公報Japanese Patent Laid-Open No. 09-050807 特開平06−145851号公報JP-A-06-145851 特許第3688716号公報Japanese Patent No. 3688716

しかしながら、特許文献2に記載された、希土類金属に対してニッケルを主成分とする遷移金属の含有量を少なくした組成の合金は、前述したように、化学組成によっては水素吸蔵量がAB型合金に比べて大きいにもかかわらず、水素吸蔵時に水素誘起アモルファス相が形成され易いことに起因して、サイクル特性が劣化し、実質的な水素吸蔵量はAB型合金より劣ってしまうという問題点がある。 However, as described above, the alloy having a composition in which the content of transition metal containing nickel as a main component with respect to the rare earth metal described in Patent Document 2 has a hydrogen storage amount of AB type 5 depending on the chemical composition. In spite of being larger than the alloy, the hydrogen-induced amorphous phase is likely to be formed at the time of hydrogen occlusion, so that the cycle characteristics are deteriorated and the substantial hydrogen occlusion amount is inferior to the AB type 5 alloy. There is a point.

また、上記問題点を改善した特許文献3に記載された水素吸蔵合金は、主相の割合が30vol%以上95vol%未満となっており、最大で70vol%、最小でも5vol%程度の主相以外の相が存在しているため、この相が起点となって微粉化し、水素吸蔵・放出サイクルを繰り返して行った際の容量劣化が大きくなるという問題があることが明らかとなってきた。   In addition, the hydrogen storage alloy described in Patent Document 3 that has improved the above problems has a main phase ratio of 30 vol% or more and less than 95 vol%, and other than the main phase of about 70 vol% at the maximum and 5 vol% at the minimum. Therefore, it has been clarified that there is a problem that the capacity is deteriorated when the phase is pulverized and the hydrogen storage / release cycle is repeated.

そこで、本発明の目的は、AB型合金に比べて高容量で活性化特性に優れ、かつ同等以上の電池寿命(サイクル特性)を有する水素吸蔵合金を提供すると共に、その水素吸蔵合金を用いた高容量でサイクル特性に優れるニッケル水素二次電池を提供することにある。本発明の具体的な開発目標は、初期の放電容量が320mAh/g以上で、100サイクル充放電を繰り返した後の容量維持率が90%以上である、ニッケル水素二次電池の負極活物質用水素吸蔵合金を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a hydrogen storage alloy having a high capacity and excellent activation characteristics as compared with an AB type 5 alloy and having a battery life (cycle characteristics) equal to or higher than that, and uses the hydrogen storage alloy. The object is to provide a nickel-metal hydride secondary battery with high capacity and excellent cycle characteristics. A specific development target of the present invention is for an anode active material of a nickel-metal hydride secondary battery having an initial discharge capacity of 320 mAh / g or more and a capacity retention ratio of 90% or more after 100 cycles of charge and discharge are repeated. The object is to provide a hydrogen storage alloy.

発明者らは、従来のAB型水素吸蔵合金および特許文献2および3に記載された水素吸蔵合金が抱える上記問題点を解決するべく、鋭意検討を重ねた。
その結果、水素吸蔵合金の主相を、A相、A19相またはそれらの混合相とし、かつ、その主相の存在比率を95vol%以上の割合に高めることで高容量を実現できること、さらには、従来の水素吸蔵合金には見られない主相の結晶構造のC軸に垂直な方向にAB相をインターグロウス型に整合な界面を有した状態で極薄い層状に、主相に対して20vol%以下の量を析出させることで、サイクル特性すなわち容量維持率をも向上できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
The inventors have made extensive studies to solve the above-described problems of conventional AB 5 type hydrogen storage alloys and the hydrogen storage alloys described in Patent Documents 2 and 3.
As a result, the main phase of the hydrogen storage alloy is the A 2 B 7 phase, the A 5 B 19 phase or a mixed phase thereof, and the main phase is increased to a ratio of 95 vol% or higher by increasing the abundance ratio of the main phase. In addition, the AB 2 phase has an interface that is intergrowth-matched in the direction perpendicular to the C axis of the crystal structure of the main phase, which is not found in conventional hydrogen storage alloys, in an extremely thin layered state, By precipitating 20 vol% or less with respect to the main phase, it has been found that the cycle characteristics, that is, the capacity retention ratio can be improved, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明は、(RE1−aMg)(Ni1−b−cAl(式中、REはLa,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Zrまたはこれらの混合元素、MはCo,Mnまたはこれらの混合元素であり、a、b、cおよびxは、それぞれ0.06<a<0.25、0.01≦b<0.20、0.00≦c<0.4、3.2<x<3.9)で表される組成(原子比)を有し、CeNi型またはGdCo型の結晶構造を有するA相、PrCo19型またはCeCo19型の結晶構造を有するA19相またはそれらの混合相のいずれかからなる主相が全組織の95vol%以上である金属組織を有し、かつ、上記主相の結晶構造のC軸に垂直な方向に整合な界面を有する(RE,Mg)(Ni,Al)組成のAB相が、主相に対して1〜20vol%の範囲で、インターグロウス型に析出してなることを特徴とする水素吸蔵合金である。 That is, the present invention provides (RE 1-a Mg a ) (Ni 1-bc Al b Mc ) x (wherein RE is La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Zr or a mixture thereof) Element, M is Co, Mn or a mixed element thereof, and a, b, c and x are 0.06 <a <0.25, 0.01 ≦ b <0.20, 0.00 ≦ c, respectively. <0.4, 3.2 <x <3.9) A 2 B 7 phase having a composition (atomic ratio) represented by Ce 2 Ni 7 type or Gd 2 Co 7 type crystal structure, The main phase consisting of either the A 5 B 19 phase having a crystal structure of Pr 5 Co 19 type or Ce 5 Co 19 type or a mixed phase thereof has a metal structure that is 95 vol% or more of the total structure, and (RE, Mg) (N) having an interface aligned in a direction perpendicular to the C-axis of the crystal structure of the main phase , Al) AB 2 phases 2 composition, in the range of 1~20Vol% with respect to the main phase, a hydrogen-absorbing alloy characterized by being deposited on the inter-Grouse type.

また、本発明は、上記の水素吸蔵合金を負極の活物質に用いてなることを特徴とするニッケル水素二次電池である。   The present invention also provides a nickel-metal hydride secondary battery using the hydrogen storage alloy described above as an active material for a negative electrode.

本発明のニッケル水素二次電池は、初期の放電容量が320mAh/g以上で、100サイクル充放電を繰り返した後の容量維持率が90%以上であることを特徴とする。   The nickel metal hydride secondary battery of the present invention is characterized in that the initial discharge capacity is 320 mAh / g or more and the capacity retention rate after repeating 100 cycles of charge and discharge is 90% or more.

本発明によれば、従来のCaCu型の水素吸蔵合金に比較して、高容量でかつ初期活性化特性に優れ、しかも、サイクル特性に優れる長寿命な水素吸蔵合金を安価に提供することが可能となる。 According to the present invention, compared with a conventional CaCu 5 type hydrogen storage alloy, it is possible to provide a hydrogen storage alloy having a high capacity, excellent initial activation characteristics, and excellent long-life characteristics at low cost. It becomes possible.

本発明合金の特徴である主相の透過型電子顕微鏡写真である。It is a transmission electron micrograph of the main phase which is the characteristic of this invention alloy. 主相の割合が95%未満である比較例9および10の合金のX線回折プロファイルである。It is a X-ray-diffraction profile of the alloy of the comparative examples 9 and 10 whose ratio of a main phase is less than 95%. 主相の割合が95%未満である比較例9および10の合金の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the alloys of Comparative Examples 9 and 10 in which the proportion of the main phase is less than 95%. Alの原子比bの値が0である比較例3の合金の透過型電子顕微鏡写真である。It is a transmission electron micrograph of the alloy of the comparative example 3 whose value of the atomic ratio b of Al is 0. Alの原子比bの値が0.2以上である比較例4の合金の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the alloy of the comparative example 4 whose value of the atomic ratio b of Al is 0.2 or more. 発明例6および7の合金の透過型電子顕微鏡写真である。It is a transmission electron micrograph of the alloys of Invention Examples 6 and 7. 発明例8の合金の透過型電子顕微鏡写真である。4 is a transmission electron micrograph of an alloy of Invention Example 8. 発明例1〜4の合金のX線回折プロファイルである。4 is an X-ray diffraction profile of alloys of Invention Examples 1 to 4. 発明例1〜4の合金の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the alloys of Invention Examples 1 to 4. 発明例1の合金の透過型電子顕微鏡写真である。2 is a transmission electron micrograph of the alloy of Invention Example 1. Mgの原子比aの値が0.06以下である比較例1の合金のX線回折プロファイルである。It is an X-ray diffraction profile of the alloy of the comparative example 1 whose value of the atomic ratio a of Mg is 0.06 or less. Mgの原子比aの値が0.25以上である比較例2の合金のX線回折プロファイルである。It is an X-ray-diffraction profile of the alloy of the comparative example 2 whose value of the atomic ratio a of Mg is 0.25 or more. Mgの原子比aの値が0.25以上である比較例2の合金の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the alloy of the comparative example 2 whose value of the atomic ratio a of Mg is 0.25 or more. Alの原子比bの値が0.2以上である比較例5の合金のX線回折プロファイルである。It is an X-ray-diffraction profile of the alloy of the comparative example 5 whose value of the atomic ratio b of Al is 0.2 or more. Alの原子比bの値が0.2以上である比較例5の合金の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the alloy of the comparative example 5 whose value of the atomic ratio b of Al is 0.2 or more. M元素の原子比cの値が0.4以上である比較例6の合金のX線回折プロファイルである。It is an X-ray-diffraction profile of the alloy of the comparative example 6 whose value of the atomic ratio c of M element is 0.4 or more. M元素の原子比cの値が0.4以上である比較例6の合金の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the alloy of the comparative example 6 whose value of the atomic ratio c of M element is 0.4 or more. AB比xの値が3.2以下である比較例7の合金のX線回折プロファイルである。It is an X-ray-diffraction profile of the alloy of the comparative example 7 whose value of AB ratio x is 3.2 or less. AB比xの値が3.2以下である比較例7の合金の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the alloy of the comparative example 7 whose value of AB ratio x is 3.2 or less. AB比xの値が3.9以上である比較例8の合金のX線回折プロファイルである。It is an X-ray-diffraction profile of the alloy of the comparative example 8 whose value of AB ratio x is 3.9 or more. AB比xの値が3.9以上である比較例8の合金の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the alloy of the comparative example 8 whose value of AB ratio x is 3.9 or more. 発明例9〜11の合金のX線回折プロファイルである。3 is an X-ray diffraction profile of alloys of Invention Examples 9 to 11. 発明例9〜11の合金の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the alloys of Invention Examples 9-11. 冷却速度を1000℃/秒以上とした比較例11の合金の透過型電子顕微鏡写真である。It is a transmission electron micrograph of the alloy of the comparative example 11 which made the cooling rate 1000 degrees C / second or more. 熱処理温度を900℃未満とした比較例12の合金のX線回折プロファイルである。It is an X-ray-diffraction profile of the alloy of the comparative example 12 which made heat processing temperature less than 900 degreeC. 熱処理温度を900℃未満とした比較例12の合金の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the alloy of the comparative example 12 which made heat processing temperature less than 900 degreeC. 熱処理温度をインターグロウス相の融点以上とした比較例13の合金のX線回折プロファイルである。It is an X-ray-diffraction profile of the alloy of the comparative example 13 which made heat processing temperature more than melting | fusing point of an intergrowth phase. 熱処理温度をインターグロウス相の融点以上とした比較例13の合金の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the alloy of the comparative example 13 which made heat processing temperature more than melting | fusing point of an intergrowth phase. 熱処理時間が3時間未満である比較例14の合金のX線回折プロファイルである。It is an X-ray-diffraction profile of the alloy of the comparative example 14 whose heat processing time is less than 3 hours. 熱処理時間が3時間未満である比較例14の合金の走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of the alloy of the comparative example 14 whose heat processing time is less than 3 hours.

以下、本発明の実施の形態について、具体的に説明する。
まず、本発明の水素吸蔵合金は、その組成(原子比)が、(RE1−aMg)(Ni1−b−cAl)で表されるものである。ここで、上記式中におけるREは、La,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Zrまたはこれらの混合元素、Mは、Co,Mnまたはこれらの混合元素であり、a,b,cおよびxは、それぞれ0.06<a<0.25、0.01≦b<0.20、0.00≦c<0.4、3.2<x<3.9を満たす数値であることが必要である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described.
First, the hydrogen storage alloy of the present invention, the composition (atomic ratio) is represented by (RE 1-a Mg a) (Ni 1-b-c Al b M c) x. Here, RE in the above formula is La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Zr or a mixed element thereof, M is Co, Mn or a mixed element thereof, and a, b, c and x Must be numerical values satisfying 0.06 <a <0.25, 0.01 ≦ b <0.20, 0.00 ≦ c <0.4, and 3.2 <x <3.9, respectively. It is.

上記のように、REは、La,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Zrまたはこれらの元素の混合物のうちから選択することができる。中でも、水素吸蔵・放出サイクル特性を向上させる効果の大きいPr,NdおよびSmは、好適に用いることができる。また、コストを低減する観点から、LaやCeおよび希土類の混合物であるミッシュメタル(Mm)等を用いることが好ましい。また、Zrは、希土類元素に加えると、微量でも合金の電解液に対する耐腐食性を向上する働きがあるため、MgとREの合計に対して5at%以下の範囲で添加するのが好ましい。   As described above, RE can be selected from La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Zr or a mixture of these elements. Among these, Pr, Nd, and Sm, which have a large effect of improving the hydrogen storage / release cycle characteristics, can be preferably used. From the viewpoint of reducing costs, it is preferable to use Misch metal (Mm), which is a mixture of La, Ce, and rare earth. Further, when Zr is added to the rare earth element, it has a function of improving the corrosion resistance of the alloy to the electrolytic solution even in a small amount. Therefore, it is preferable to add Zr in a range of 5 at% or less with respect to the total of Mg and RE.

本発明の水素吸蔵合金は、上記REサイトをMgで置換すると、主相となるA相およびA19相の生成を促進し、超格子構造を安定化させることができる。A相およびA19相は、どちらもABブロックとABブロックの積層で形成された超格子構造を有している。また、生成したA相およびA19相のREサイトがMgで置換固溶されることで、水素吸蔵・放出サイクル特性(具体的には容量維持率)が飛躍的に向上する。従って、本発明の水素吸蔵合金においては、Mgは必須の元素である。 In the hydrogen storage alloy of the present invention, when the RE site is substituted with Mg, the generation of A 2 B 7 phase and A 5 B 19 phase as main phases can be promoted, and the superlattice structure can be stabilized. Both the A 2 B 7 phase and the A 5 B 19 phase have a superlattice structure formed by stacking AB 2 blocks and AB 5 blocks. In addition, the generated A 2 B 7 phase and A 5 B 19 phase RE sites are substituted and dissolved by Mg, so that the hydrogen storage / release cycle characteristics (specifically, capacity retention ratio) are dramatically improved. . Therefore, Mg is an essential element in the hydrogen storage alloy of the present invention.

また、本発明の水素吸蔵合金は、NiサイトをAlで置換することで、主相内にAlを構成元素とし、化学組成が(RE,Mg)(Ni,Al)で表されるインターグロウス型AB相が析出するようになる。したがって、本発明の水素吸蔵合金は、Alの添加を必須とする。また、インターグロウス型AB相の析出には、後述する適切な条件の熱処理が必須である。さらに、NiサイトをM元素、すなわちCo,Mnまたはこれらの混合元素で置換することで、主相の機械的特性を塑性変形が起こり易くさせる、即ち、ダクタイル化することが可能となる。その結果、主相が水素吸蔵・放出時の膨張・収縮によって微粉化することを抑制でき、ニッケル水素二次電池内での電解液のドライアップやマイクロショートを抑制することが可能となるので、サイクル特性の向上にもなる。 In addition, the hydrogen storage alloy of the present invention has an intergrowth in which the Ni site is substituted with Al so that Al is a constituent element in the main phase and the chemical composition is represented by (RE, Mg) (Ni, Al) 2. Type AB 2 phase will precipitate. Therefore, the hydrogen storage alloy of the present invention requires the addition of Al. In addition, heat treatment under appropriate conditions described later is indispensable for precipitation of the intergrow type AB two phase. Furthermore, by replacing the Ni site with M element, that is, Co, Mn, or a mixed element thereof, the mechanical properties of the main phase can be easily caused by plastic deformation, that is, it can be made ductile. As a result, it is possible to suppress the main phase from being pulverized by expansion / contraction during hydrogen storage / release, and it is possible to suppress dry-up and micro short circuit of the electrolyte in the nickel-hydrogen secondary battery, It also improves cycle characteristics.

また、上記元素の原子比を表すa,b,cおよびxは、それぞれ0.06<a<0.25、0.01≦b<0.20、0.00≦c<0.4、3.2<x<3.9を満たすことが必要である。aが0.06以下では、水素を吸蔵した時に、合金が希土類水素化物とその他の合金に分解してしまい、可逆的な水素の吸蔵・放出が困難になってしまう。一方、aが0.25以上では、平衡水素吸蔵・放出圧力の実用域以下への低下や均質な合金の製造が困難になる等の問題が発生するため好ましくない。また、bが0.01未満では、インターグロウス相の形成に必要なAlが不足するため、インターグロウス相の生成が抑制されたり、生成量が不足したりする等の問題が起こるため好ましくない。一方、bが0.20以上では、反対に、Alを含んだ不純物相が生成し易くなるため好ましくない。また、cが0.4以上では、CoもしくはMnを含んだ不純物相の生成が起こってしまうため好ましくない。また、xが3.20以下では、インターグロウス型に主相中に析出するAB相以外に、主相と不整合な界面を有する粗大な不純物相としてのAB相もしくはAB相が生成し、主相の割合が少なくなってしまう。一方、3.90以上では、不純物相であるAB相の割合が多くなるので好ましくない。 Further, a, b, c and x representing the atomic ratio of the above elements are 0.06 <a <0.25, 0.01 ≦ b <0.20, 0.00 ≦ c <0.4, 3 .2 <x <3.9 must be satisfied. When a is 0.06 or less, when hydrogen is occluded, the alloy is decomposed into a rare earth hydride and other alloys, making reversible hydrogen occlusion / release difficult. On the other hand, when a is 0.25 or more, problems such as a decrease in the equilibrium hydrogen storage / release pressure to below the practical range and the production of a homogeneous alloy become difficult. On the other hand, when b is less than 0.01, Al necessary for the formation of the intergrowth phase is insufficient, and therefore problems such as generation of the intergrowth phase being suppressed and generation amount being insufficient are not preferable. On the other hand, if b is 0.20 or more, on the contrary, an impurity phase containing Al is easily generated, which is not preferable. Moreover, when c is 0.4 or more, an impurity phase containing Co or Mn occurs, which is not preferable. In addition, when x is 3.20 or less, an AB 2 phase or an AB 3 phase as a coarse impurity phase having an interface inconsistent with the main phase is generated in addition to the AB 2 phase precipitated in the main phase in an intergrow type. However, the proportion of the main phase is reduced. On the other hand, if it is 3.90 or more, the ratio of the AB 5 phase which is an impurity phase increases, which is not preferable.

また、本発明の水素吸蔵合金は、その主相が、CeNi型またはGdCo型の結晶構造を有するA相、PrCo19型またはCeCo19型の結晶構造を有するA19相またはそれらがミクロに混合した相のいずれかであり、かつ、その存在比率が全組織の95vol%以上であることが必要である。95vol%未満の場合には、容量の低下やサイクル特性の劣化が起こる。 In addition, the hydrogen storage alloy of the present invention has an A 2 B 7 phase, Pr 5 Co 19 type or Ce 5 Co 19 type crystal whose main phase has a crystal structure of Ce 2 Ni 7 type or Gd 2 Co 7 type. It is necessary that either the A 5 B 19 phase having a structure or a phase in which they are mixed microscopically and the abundance ratio thereof is 95 vol% or more of the entire structure. When it is less than 95 vol%, the capacity is lowered and the cycle characteristics are deteriorated.

主相をA相、A19相またはそれらの混合相のいずれかに限定する理由は、これらの相がABやAB相に比べてサイクル特性が良好であることや、AB相に比べて高容量が得られること等からである。また、A相、A19相は、その結晶構造が非常に類似しており、ミクロな混合相となった場合でも、結晶粒内でミクロに整合性をもって混合しているため、単一の主相として扱えるものである。さらに、その主相の存在比率を全組織の95vol%以上に限定する理由は、より高容量化が可能となることや、水素吸蔵・放出サイクルを繰り返したときの微粉化の起点となる不純物相の割合を極力減らすことで、微粉化を抑制してサイクル特性の向上を図るためである。 The reason why the main phase is limited to any one of the A 2 B 7 phase, the A 5 B 19 phase or a mixed phase thereof is that these phases have better cycle characteristics than the AB 2 and AB 3 phases, This is because a high capacity can be obtained as compared with the AB 5 phase. In addition, the A 2 B 7 phase and the A 5 B 19 phase are very similar in crystal structure, and even when they become a micro mixed phase, they are mixed with micro consistency in the crystal grains. It can be treated as a single main phase. Furthermore, the reason for limiting the abundance ratio of the main phase to 95 vol% or more of the entire structure is that the capacity can be increased and the impurity phase that becomes the starting point of pulverization when the hydrogen storage / release cycle is repeated. This is because, by reducing the ratio as much as possible, pulverization is suppressed and cycle characteristics are improved.

本発明の水素吸蔵合金における上記主相以外のわずかな残部は、MgNi型またはMgCu型またはMgZn型の結晶構造を有するAB相、PuNi型またはCeNi型の結晶構造を有するAB相およびCaCu型の結晶構造を有するAB相などの不純物相から構成されている。これらの相は、主相に比べて、水素吸蔵量が少ない、サイクル特性が悪い、水素を吸蔵しない等の好ましくない特徴があるだけでなく、主相の微粉化を引き起こす起点となる場合もあることから、できるだけ少ないことが望ましい。 A slight remainder other than the main phase in the hydrogen storage alloy of the present invention is AB 2 phase having a crystal structure of MgNi 2 type, MgCu 2 type or MgZn 2 type, AB having a crystal structure of PuNi 3 type or CeNi 3 type. It is composed of an impurity phase such as an AB 5 phase having a three- phase and CaCu 5 type crystal structure. These phases have not only unfavorable characteristics such as a small amount of hydrogen occlusion, poor cycle characteristics, and no occlusion of hydrogen compared to the main phase, but may also be a starting point for causing pulverization of the main phase. Therefore, it is desirable that it is as small as possible.

なお、主相や、AB相等の不純物相の割合は、走査型電子顕微鏡で観察して算出した値と、X線回折測定結果をリートベルト解析することで求めた値とでは良い一致が得られており、従っていずれの方法を用いて測定してもよい。また、反射電子像を観察する際、合金を酸で腐食することで、各相の化学組成の違いをより明確に識別することができる。 Note that the ratio of the main phase and the impurity phase such as AB 2 phase is in good agreement between the value calculated by observation with a scanning electron microscope and the value obtained by Rietveld analysis of the X-ray diffraction measurement result. Therefore, any method may be used for measurement. Moreover, when observing a backscattered electron image, the difference in the chemical composition of each phase can be identified more clearly by corroding the alloy with an acid.

さらに、本発明の水素吸蔵合金は、主相の結晶構造のC軸に垂直な方向に、化学組成が(RE,Mg)(Ni,Al)で表されるAB相がインターグロウス型に、つまり主相と整合な界面を有した状態で、しかも厚みが10数nm以下、好ましくは10nm以下の極めて薄い層状で、主相に対して20vol%以下の量で析出していることが特徴である。このAB組成のインターグロウス型析出物は、従来の水素吸蔵合金には認められない、本発明の水素吸蔵合金に特有のものであり、この特殊な形態で主相の中に微細に析出していることにより、ニッケル水素二次電池のサイクル特性すなわち容量維持率を大幅に向上することが可能となる。 Furthermore, in the hydrogen storage alloy of the present invention, the AB 2 phase whose chemical composition is represented by (RE, Mg) (Ni, Al) 2 is in an intergrous type in the direction perpendicular to the C axis of the crystal structure of the main phase. That is, it is characterized in that it has an interface that is consistent with the main phase and is a very thin layer with a thickness of 10 nm or less, preferably 10 nm or less, and is deposited in an amount of 20 vol% or less with respect to the main phase. It is. Inter Grouse type precipitates of the AB 2 composition, not found in conventional hydrogen storage alloy, it is specific to the hydrogen storage alloy of the present invention, finely precipitated in the special form in the main phase Therefore, it becomes possible to greatly improve the cycle characteristics of the nickel hydride secondary battery, that is, the capacity retention rate.

上記の効果が得られる理由は、インターグロウス型のAB相が主相中に整合な界面を有する状態で極めて薄い層状に析出していることで、主相の機械的特性が変化し、水素吸蔵・放出による膨張・収縮への耐力が増加し、その結果、微粉化が抑制され、また、微粉化しても粒怪が数μmオーダーまで小さくならないため、サイクル特性が向上するためであると考えられる。 The reason why the above effect can be obtained is that the intergrowth type AB 2 phase is deposited in a very thin layer with a consistent interface in the main phase, and the mechanical properties of the main phase change, resulting in hydrogen The resistance to expansion / contraction due to occlusion / release is increased, and as a result, pulverization is suppressed, and even if pulverized, grain damage does not become as small as several μm, which improves cycle characteristics. It is done.

また、主相中に、AB相がインターグロウス型に極めて薄い層状に分散して析出することで、第2相としてのAB相、AB相およびAB相の析出が抑制されることも、サイクル特性の向上の理由と考えられる。つまり、主相が単相になり得る化学組成の範囲を広げる効果がある。例えば、熱処理条件やAl,Mgの添加量を考慮せずに、単に鋳造時の組成がAB3.7の合金を作製しただけでは、理論的には主相である87%のAB3.5相(=A相)と不純物相である13%のAB相の2相の金属組織となってしまい、本発明における主相量の不足による容量低下や、主相と多量に析出したAB相との境界における膨張・収縮量の違いにより発生する歪によってサイクル特性の劣化が起こってしまう。しかし、熱処理条件やAl,Mgの添加量をインターグロウス型AB相の生成を考慮して調整し、AB3.7の合金を作製した場合には、主相が、結晶構造が非常に類似なAB3.5相(=A相)とAB3.8相(=A19相)のミクロな混合相の中にインターグロウス型のAB相が析出した相となるため、恰も単相の金属組織のようになり、不純物相による容量低下やサイクル劣化を抑制することが可能となる。なお、通常のX線解析や走査型電子顕微鏡では、インターグロウス相は確認できない。それは、インターグロウス型析出物が10数nm以下、好ましくは10nm以下の極めて薄い層状で存在しているためである。 In addition, the AB 2 phase is dispersed and deposited in an extremely thin layer in an intergrow type in the main phase, thereby suppressing the precipitation of the AB 5 phase, the AB 3 phase and the AB 2 phase as the second phase. This is considered to be the reason for improving the cycle characteristics. That is, there is an effect of widening the range of chemical compositions in which the main phase can be a single phase. For example, without considering the heat treatment conditions and the addition amounts of Al and Mg, simply producing an alloy having a composition of AB 3.7 at the time of casting is theoretically 87% of AB 3.5 which is the main phase. Phase (= A 2 B 7 phase) and an impurity phase of 13% AB 5 phase, resulting in a two-phase metal structure, resulting in a decrease in capacity due to a shortage of the main phase amount in the present invention, and a large amount of precipitation with the main phase. The cycle characteristics are deteriorated by the strain generated due to the difference in the amount of expansion / contraction at the boundary with the AB 5 phase. However, when the heat treatment conditions and the addition amounts of Al and Mg are adjusted in consideration of the formation of the intergrowth type AB 2 phase to produce an alloy of AB 3.7 , the main phase has a very similar crystal structure. Because the intergrowth type AB 2 phase is precipitated in the micro mixed phase of AB 3.5 phase (= A 2 B 7 phase) and AB 3.8 phase (= A 5 B 19 phase)恰 also becomes a single-phase metal structure, and it is possible to suppress capacity reduction and cycle deterioration due to the impurity phase. Note that the intergrowth phase cannot be confirmed by ordinary X-ray analysis or scanning electron microscope. This is because the intergrowth type precipitate is present in a very thin layer form of several tens nm or less, preferably 10 nm or less.

なお、上記の効果は、あくまでもAB相が、主相のC軸に垂直な方向にインターグロウス型に整合性をもって析出しているときにのみ得られるものである。したがって、主相と非整合な界面を有して析出した数μm以上の大きなサイズのAB相、いわゆる第2相もしくは不純物相としてのAB相では、このような効果は得られず、むしろ反対に、AB相が水素吸蔵時に分解もしくは非晶質化し、可逆的な水素の吸蔵・放出反応が困難になり、結果としてサイクル特性の低下を招いてしまう。また、上記のAB相は、主相の微粉化の起点となることでも、サイクル特性に悪影響を与えてしまう。 Note that the above-described effect can be obtained only when the AB 2 phase is deposited in a coherent manner in an intergrow type in a direction perpendicular to the C axis of the main phase. Therefore, such an effect cannot be obtained in the AB 2 phase having a large size of several μm or more deposited with an interface inconsistent with the main phase, that is, the so-called second phase or AB 2 phase as an impurity phase. On the contrary, the AB 2 phase decomposes or becomes amorphous when hydrogen is occluded, making reversible hydrogen occlusion / release reaction difficult, resulting in a decrease in cycle characteristics. In addition, the AB 2 phase has a bad influence on the cycle characteristics even if it is the starting point for the pulverization of the main phase.

また、本発明は、サイクル特性向上に最適なインターグロウス相の量を検討した結果、主相に対して1〜20vol%の範囲であるときにサイクル特性に優れた合金となることを見出した。1vol%%未満では、上記の効果を十分に得ることができず、一方、20vol%を超えると、主相と非整合な界面を有する独立したAB組成の不純物相が生成するようになるからである。好ましくは、5〜15vol%の範囲である。 In addition, as a result of examining the optimum amount of the intergrowth phase for improving the cycle characteristics, the present invention has found that the alloy has excellent cycle characteristics when it is in the range of 1 to 20 vol% with respect to the main phase. If it is less than 1 vol%, the above effect cannot be sufficiently obtained. On the other hand, if it exceeds 20 vol%, an independent AB 2 composition impurity phase having an interface inconsistent with the main phase is generated. It is. Preferably, it is the range of 5-15 vol%.

次に、本発明の水素吸蔵合金の製造方法について説明する。
本発明の水素吸蔵合金は、主成分として融点が低く高蒸気圧のMgを含有しているため、全合金成分の原料を一度に溶解すると、Mgが蒸発し、目標とする化学組成の合金を得ることができない。そこで、本発明の水素吸蔵合金を溶解法により製造するに当たっては、まず、Mgを除いた他の合金成分を溶解した後、その溶湯内に金属Mgおよび/またはMg合金からなるMg原料を投入するのが好ましい。また、この溶解工程は、アルゴンまたはヘリウム等の不活性ガス雰囲気下で行うのが望ましく、具体的には、アルゴンガスを80vol%以上含有した不活性ガスを0.05〜0.2MPaに調整した雰囲気下で行うのが好ましい。
Next, the manufacturing method of the hydrogen storage alloy of this invention is demonstrated.
Since the hydrogen storage alloy of the present invention contains Mg having a low melting point and a high vapor pressure as a main component, when the raw materials of all the alloy components are dissolved at once, Mg evaporates and an alloy having a target chemical composition is formed. Can't get. Therefore, in producing the hydrogen storage alloy of the present invention by the melting method, first, other alloy components except for Mg are melted, and then Mg raw material made of metal Mg and / or Mg alloy is put into the molten metal. Is preferred. Moreover, it is desirable to perform this dissolution step in an inert gas atmosphere such as argon or helium. Specifically, the inert gas containing 80 vol% or more of argon gas was adjusted to 0.05 to 0.2 MPa. It is preferable to carry out under an atmosphere.

上記条件にて溶解した合金は、その後、水冷の鋳型に鋳造し、凝固させて水素吸蔵合金のインゴットとするのが好ましい。この際の冷却速度は、1000℃/秒以下とするのが好ましい。冷却速度が1000℃を超えると、急冷による溶体化処理効果のために、インターグロウス相が析出しなくなるからである。   The alloy melted under the above conditions is then preferably cast into a water-cooled mold and solidified to form a hydrogen storage alloy ingot. The cooling rate at this time is preferably 1000 ° C./second or less. This is because if the cooling rate exceeds 1000 ° C., the intergrowth phase will not precipitate due to the effect of solution treatment by rapid cooling.

さらに、本発明の水素吸蔵合金は、上記鋳造後のインゴットを、アルゴンまたはヘリウム等の不活性ガスまたは窒素ガスのいずれか、あるいはそれらの混合ガス雰囲気下で、900℃以上でかつインターグロウス相の融点以下の温度で3〜50時間保持する熱処理を施すことが必要である。この熱処理により、水素吸蔵合金中における、CeNi型またはGdCo型の結晶構造を有するA相、PrCo19型またはCeCo19型の結晶構造を有するA19相のいずれかの相またはそれらのミクロな混合相からなる主相の割合を95vol%以上に成長させると同時に、不純物相であるAB相、AB相、AB相を減少あるいは消滅させることができる。また上記条件で熱処理を施すことで、主相の中に整合な界面を持った状態でC軸に垂直な方向に層状のAB相を、インターグロウス型に主相に対して1〜20vol%の範囲の量で析出させることができる。さらに、主相の化学成分の均質化や、空孔、転位等の欠陥の除去も充分に進行する。 Furthermore, in the hydrogen storage alloy of the present invention, the ingot after casting is made at 900 ° C. or higher and in an intergrowth phase in an inert gas such as argon or helium, nitrogen gas, or a mixed gas atmosphere thereof. It is necessary to perform a heat treatment for 3 to 50 hours at a temperature below the melting point. By this heat treatment, A 5 having in the hydrogen-absorbing alloy, A 2 B 7 phase having a Ce 2 Ni 7 type or Gd 2 Co 7 type crystal structure, the Pr 5 Co 19 type or Ce 5 Co 19 type crystal structure The proportion of the main phase consisting of any one of the B 19 phases or their micro mixed phase is grown to 95 vol% or more, and at the same time, the AB 2 phase, AB 3 phase, and AB 5 phase, which are impurity phases, are reduced or eliminated. Can be made. In addition, by performing heat treatment under the above conditions, a layered AB 2 phase in a direction perpendicular to the C axis with a consistent interface in the main phase is formed, and the intergrow type is 1 to 20 vol% with respect to the main phase. It can be deposited in an amount in the range of. Furthermore, homogenization of the main phase chemical components and removal of defects such as vacancies and dislocations proceed sufficiently.

上記熱処理温度が900℃未満では、元素の拡散が不十分であるため、不純物相が残留してしまい、安定して主相の比率を95vol%以上とすることができなくなり、容量の低下やサイクル特性の劣化を招いてしまう。一方、熱処理温度がインターグロウス相の融点を超えると、インターグロウス相の分解、拡散が起こり、主相より高融点の不純物相であるAB相の生成が促進されてしまう。なお、融点をわずかに下回る温度では、過剰なインターグロウス相の成長・肥大化が起こり、微細分散による主相の機械的特性の改善効果が得られなくなるおそれがある。さらに、主相の結晶粒の肥大化や、Mg成分の蒸発が生じる結果、微粉化や化学組成の変化による吸蔵量の低下が起こってしまうおそれもある。したがって、熱処理温度は、好ましくは900℃〜(インターグロウス相の融点−10℃)の範囲とするのが望ましい。 If the heat treatment temperature is less than 900 ° C., the diffusion of the elements is insufficient, so that the impurity phase remains and the ratio of the main phase cannot be stably increased to 95 vol% or more. It will cause deterioration of the characteristics. On the other hand, when the heat treatment temperature exceeds the melting point of the inter Growth phase decomposition of inter Growth phase diffusion takes place, the generation of AB 5 phase which is a refractory phase of impurities than the main phase from being promoted. Note that, at a temperature slightly below the melting point, excessive intergrowth phase growth and enlargement may occur, and the effect of improving the mechanical properties of the main phase due to fine dispersion may not be obtained. Furthermore, as a result of enlargement of crystal grains of the main phase and evaporation of the Mg component, there is a possibility that the occlusion amount may decrease due to pulverization or chemical composition change. Therefore, the heat treatment temperature is preferably in the range of 900 ° C. to (the melting point of the intergrous phase−10 ° C.).

また、熱処理の保持時間が3時間以下では、安定的に主相の比率を95vol%以上とすることができず、しかも、主相中のインターグロウス相の生成や、主相中の空孔や転位等の欠陥の除去も不十分となる。また、主相の化学成分の均質化が不十分であるため、水素吸蔵・放出時の膨張・収縮が不均一に起こり、発生する歪みや欠陥量が増大してサイクル特性にも悪影響を与える。なお、上記熱処理の保持時間は、インターグロウス相の生成の観点からは5時間以上とするのが好ましく、また、主相の均質化や結晶性向上の観点からは8時間以上とするのが好ましい。ただし、保持時間が50時間を超えると、Mgの蒸発量が多くなって化学組成が変化してしまい、その結果、AB型の不純物相の生成が起こってしまう。さらに、製造コストの上昇や、蒸発したMg微粉末による粉塵爆発を招くおそれもあるため好ましくない。 In addition, when the heat treatment holding time is 3 hours or less, the ratio of the main phase cannot be stably set to 95 vol% or more, and moreover, the generation of intergrowth phase in the main phase, vacancies in the main phase, Removal of defects such as dislocations is also insufficient. In addition, since the homogenization of the chemical components of the main phase is insufficient, expansion / contraction during hydrogen storage / release occurs non-uniformly, increasing the amount of generated strain and defects and adversely affecting cycle characteristics. The heat treatment holding time is preferably 5 hours or more from the viewpoint of the formation of the intergrowth phase, and is preferably 8 hours or more from the viewpoint of homogenization of the main phase and improvement of crystallinity. . However, if the holding time exceeds 50 hours, the amount of Mg evaporated increases and the chemical composition changes, resulting in the generation of an AB 5 type impurity phase. Further, it is not preferable because it may cause an increase in manufacturing cost and dust explosion due to evaporated Mg fine powder.

水素吸蔵合金を構成する成分からMgを除いた他の成分を、高周波誘導溶解炉を用いて、アルゴンガスを満たした減圧雰囲気下で溶解し、次いで、その溶湯内に金属Mg原料を添加して、表1に示した成分組成に調整したのち、その水素吸蔵合金の溶湯を水冷鋳型に鋳造し、冷却速度を変化させて凝固させた。次いで、その水素吸蔵合金を、アルゴンガス雰囲気下で900℃〜インターグロウス相の融点の間の種々の温度で2〜75hr保持する熱処理を施した後、粉砕して所定の粒度(平均粒径:50〜500μm)の水素吸蔵合金粉末を得た。   The other components excluding Mg from the components constituting the hydrogen storage alloy were melted in a reduced-pressure atmosphere filled with argon gas using a high-frequency induction melting furnace, and then the metal Mg raw material was added into the molten metal. After adjusting to the component composition shown in Table 1, the hydrogen storage alloy melt was cast into a water-cooled mold and solidified by changing the cooling rate. Next, the hydrogen storage alloy was subjected to heat treatment for 2 to 75 hours at various temperatures between 900 ° C. and the melting point of the intergrowth phase in an argon gas atmosphere, and then pulverized to obtain a predetermined particle size (average particle size: 50 to 500 μm) of hydrogen storage alloy powder was obtained.

上記のようにして得た水素吸蔵合金粉末について、以下の測定に供した。
<化学成分分析>
溶解後のインゴットおよび熱処理後の合金の化学成分をICP法により測定し、溶解による化学成分の変化および熱処理時のMg蒸発による成分組成の変化を確認した。
<X線回折>
水素吸蔵合金を構成する相の結晶構造とその割合を、粉末X線回折法を用いて測定した。X線回折測定は、得られた合金をアルゴンガス中で乳鉢を用いて75μm以下に粉砕した後、40kV、40mA(X線管球:Cu)の条件で行い、各相の割合および各相の構造は、X線回折で得られたプロファイルをリートベルト法で解析して求めた。
なお、主相と不純物相の割合を、走査型電子顕微鏡で反射電子像を観察することによっても算出した結果、X線回折結果をリートベルト解析した結果と矛盾しない結果が得られたため、本実施例では、主としてX線回折結果をリートベルト解析することで主相や不純物相の同定や割合の測定を行うこととした。
<走査透過型電子顕微鏡による高角散乱環状暗視野法による観察>
上記の粉砕した粉末を、走査透過型電子顕微鏡(STEM)を用いて高角散乱環状暗視野法で観察し、Zコントラスト像を20ヶ所で撮像することによって、主相の結晶粒内にインターグロウス型にAB相が分散析出しているか否かを確認した。また、得られた像中の析出相(インターグロウス相)のC軸に垂直な面方向の厚みを、X線回折結果より求めた主相の格子定数の値を基準にして算出した。
The hydrogen storage alloy powder obtained as described above was subjected to the following measurement.
<Chemical component analysis>
The chemical components of the ingot after melting and the alloy after heat treatment were measured by the ICP method, and changes in the chemical components due to melting and changes in the component composition due to Mg evaporation during heat treatment were confirmed.
<X-ray diffraction>
The crystal structure and the ratio of phases constituting the hydrogen storage alloy were measured using a powder X-ray diffraction method. The X-ray diffraction measurement was carried out under the conditions of 40 kV and 40 mA (X-ray tube: Cu) after the obtained alloy was pulverized to 75 μm or less in an argon gas using a mortar. The structure was obtained by analyzing the profile obtained by X-ray diffraction by the Rietveld method.
The ratio of the main phase and impurity phase was also calculated by observing the reflected electron image with a scanning electron microscope. As a result, the results consistent with the Rietveld analysis of the X-ray diffraction results were obtained. In the example, the identification of the main phase and the impurity phase and the measurement of the ratio were performed mainly by Rietveld analysis of the X-ray diffraction results.
<Observation by high-angle scattering annular dark field method with scanning transmission electron microscope>
The above pulverized powder is observed by a high-angle scattering annular dark field method using a scanning transmission electron microscope (STEM), and Z-contrast images are taken at 20 locations. It was confirmed whether or not the AB 2 phase was dispersed and precipitated. Further, the thickness in the plane direction perpendicular to the C-axis of the precipitated phase (intergrowth phase) in the obtained image was calculated based on the value of the lattice constant of the main phase obtained from the X-ray diffraction result.

<電池特性の評価>
上記のようにして得た各種水素吸蔵合金粉末を活物質として用い、ニッケル水素二次電池を作製し、電池特性(容量、高率放電容量、容量維持率)を以下の要領で調査した。
表1に示した成分組成と製造条件によって得られた各合金粉末を負極の活物質とし、これに導電助剤としてニッケル粉末を、結合剤として2mass%のポリビニルアルコール(PVA)水溶液を、活物質:導電助剤:結合材=80:5:15の割合となるよう添加し、活物質のスラリーとし、発泡状のニッケル基材に充填し、負極電極とした。充填されたスラリーの重量は約1.4gであった。なお、基材のサイズは25mm×30mmで30mm側を5mm潰しマスキングし、集電体ニッケルリード線をスポット溶接する部分とした。従って、活物質が充填される面積は25mm×25mmとなる。充填後の負極電極は、その後、80℃で2時間乾燥し、PVA水溶液の水分を飛ばして活物質と導電助剤を結合させた後、ニッケルリードをスポット溶接するために貼ったマスキングテープを剥がしてから、ロールプレスを用いて圧延し、圧延後の電極に、5mm幅のニッケルリードをスポット溶接し、集電リードとした。
<Evaluation of battery characteristics>
Various hydrogen storage alloy powders obtained as described above were used as active materials to prepare nickel-metal hydride secondary batteries, and the battery characteristics (capacity, high rate discharge capacity, capacity retention rate) were investigated as follows.
Each alloy powder obtained according to the component composition and production conditions shown in Table 1 is used as an active material for the negative electrode, and nickel powder is used as a conductive auxiliary agent, and 2 mass% polyvinyl alcohol (PVA) aqueous solution is used as a binder. : Conductive auxiliary agent: Binder = 80: 5: 15 was added to form a slurry of the active material, filled in a foamed nickel base material, and used as a negative electrode. The weight of the filled slurry was about 1.4 g. In addition, the size of the substrate was 25 mm × 30 mm, and the 30 mm side was crushed and masked by 5 mm, and the current collector nickel lead wire was used as a spot welded portion. Therefore, the area filled with the active material is 25 mm × 25 mm. After filling, the negative electrode is dried at 80 ° C. for 2 hours. After the moisture of the PVA aqueous solution is blown off, the active material and the conductive auxiliary agent are combined, and then the masking tape attached for spot welding the nickel lead is peeled off. After that, it was rolled using a roll press, and a nickel lead having a width of 5 mm was spot-welded to the rolled electrode to obtain a current collecting lead.

セルの構造は、負極を中央に配し、その両側を30mm×40mmサイズ(負極に対して十分な電気容量を持つ)の焼結式水酸化ニッケル電極を対極(正極)として、ポリプロピレン不織布のセパレータを介して配した構造とした。焼結式水酸化ニッケル電極は、予め、30mass%水酸化カリウム溶液(30g/L水酸化リチウムを含む)中で、対極にニッケルプレートを用いて120%充電を行って活性化後、蒸留水を用いてアルカリ溶液を水洗後60℃のヒーターで1時間乾燥後、負極と同様に、5mm幅のニッケルリードをスポット溶接し、集電リードとした。次いで、負極をポリプロピレン不織布のセパレータで挟み、対極の焼結式水酸化ニッケル電極で両側から挟み、さらにアクリル板で挟んだものを最終的な電極とした。電解液は、30mass%水酸化カリウム溶液(30g/L水酸化リチウムを含む)を用い、これを上記アクリル容器に十分な量を満たして開放型のセルとした。   The structure of the cell is a polypropylene nonwoven fabric separator with a negative electrode in the center and a sintered nickel hydroxide electrode of 30 mm x 40 mm size (having sufficient electric capacity for the negative electrode) on both sides as a counter electrode (positive electrode). It was set as the structure arranged through. The sintered nickel hydroxide electrode was activated in advance by charging 120% using a nickel plate as a counter electrode in a 30 mass% potassium hydroxide solution (including 30 g / L lithium hydroxide), and then adding distilled water. The alkaline solution was washed with water and dried with a heater at 60 ° C. for 1 hour, and a nickel lead having a width of 5 mm was spot welded in the same manner as the negative electrode to obtain a current collecting lead. Next, the negative electrode was sandwiched between polypropylene nonwoven fabric separators, sandwiched from both sides with a counter electrode sintered nickel hydroxide electrode, and further sandwiched between acrylic plates was used as the final electrode. As the electrolytic solution, a 30 mass% potassium hydroxide solution (containing 30 g / L lithium hydroxide) was used, and this was filled in a sufficient amount into the acrylic container to obtain an open cell.

電池特性の評価は、まず、負極の活性化および容量評価のために、0.2C(充填された合金の電気容量を350mAh/gと仮定して計算)の電流値で電圧2Vまで6hrの充電(120%充電)を行い、15minの休止後、0.3Cで1Vまで4hrの放電(120%放電)を行い、これを5回繰り返して活性化し、初期の電池容量を求めた。なお、試験は25℃の恒温槽内にて行った。その後、0.5Cでの充放電を100サイクル繰り返して行い、(100サイクル時の放電容量/初期の放電容量)×100(%)を容量維持率として算出した。   The battery characteristics were evaluated by charging for 6 hours up to a voltage of 2 V at a current value of 0.2 C (calculated assuming the electric capacity of the filled alloy was 350 mAh / g) for the activation and capacity evaluation of the negative electrode. (120% charge) was performed, and after a pause of 15 min, discharge was performed at 0.3 C to 1 V for 4 hr (120% discharge). This was repeated 5 times to activate, and the initial battery capacity was determined. In addition, the test was done in a 25 degreeC thermostat. Thereafter, charge and discharge at 0.5 C were repeated 100 cycles, and (discharge capacity at 100 cycles / initial discharge capacity) × 100 (%) was calculated as a capacity retention rate.

上記水素吸蔵合金の測定結果および電池特性の評価結果を表2に示した。表1および表2から、本発明に適合する成分組成を有し、かつ適正な条件(冷却速度、熱処理条件)で製造された本発明例の水素吸蔵合金は、主相がAおよび/またはA19相で構成され、その合計割合が95vol%以上であり、かつ、主相の結晶構造のC軸に垂直な方向にAB相がインターグロウス型に整合な界面を有して適正量析出していることが確認された。そして、これらの本発明例の合金を用いて作製したニッケル水素二次電池は、初期の放電容量および100サイクル後の容量維持率ともに目標とする特性(放電容量:320mAh/g以上、容量維持率:90%以上)を満たしていることがわかる。
これに対して、本発明の条件の全てを満たしていない比較例の水素吸蔵合金は、初期の放電容量または100サイクル後の容量維持率のいずれかが、上記目標特性と比べて劣っていることがわかる。
Table 2 shows the measurement results of the hydrogen storage alloy and the evaluation results of the battery characteristics. From Table 1 and Table 2, the hydrogen storage alloy of the present invention example having a component composition suitable for the present invention and manufactured under appropriate conditions (cooling rate, heat treatment condition) has a main phase of A 2 B 7 and And / or A 5 B 19 phase, the total proportion of which is 95 vol% or more, and the AB 2 phase has an intergrowth-type interface in the direction perpendicular to the C-axis of the main phase crystal structure It was confirmed that an appropriate amount was deposited. The nickel metal hydride secondary battery produced using these alloys according to the examples of the present invention has target characteristics (discharge capacity: 320 mAh / g or more, capacity maintenance ratio) in both initial discharge capacity and capacity maintenance ratio after 100 cycles. : 90% or more).
On the other hand, the hydrogen storage alloy of the comparative example that does not satisfy all of the conditions of the present invention is inferior to the target characteristics in either the initial discharge capacity or the capacity retention rate after 100 cycles. I understand.

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まず、本発明の水素吸蔵合金の特徴である主相について説明する。
図1は、合金の主相であるA相およびA19相が、完全に整合な界面を有した状態で単一の主相を形成していることがわかる、走査透過型電子顕微鏡で観察した結果(以降、「透過型電子顕微鏡写真」という)である。また、この写真の中には、不規則にA相およびA19相が混在した部分も確認できる。これからわかるように、A相およびA19相は非常に結晶構造が類似しており、整合な界面を有して隣接することが可能である。これが正に、本発明がこれらの相を単一の主相として取り扱っている理由である。また、この主相の結晶構造のC軸に垂直な方向に整合な界面を有した、インターグロウス型の析出相が存在していることも、本発明合金の特徴である。
First, the main phase that is a feature of the hydrogen storage alloy of the present invention will be described.
FIG. 1 shows that the main phases of the alloy, the A 2 B 7 phase and the A 5 B 19 phase, form a single main phase with a perfectly matched interface. It is the result (henceforth "a transmission electron micrograph") observed with the electron microscope. Further, among this photo, it can also be confirmed irregularly portion A 2 B 7 phase and A 5 B 19 phase are mixed. As can be seen, the A 2 B 7 phase and the A 5 B 19 phase are very similar in crystal structure and can be adjacent with a consistent interface. This is precisely why the present invention treats these phases as a single main phase. It is also a feature of the alloy of the present invention that there is an intergrowth type precipitation phase having an interface aligned in a direction perpendicular to the C axis of the crystal structure of the main phase.

以下、表1および表2に示した発明例の合金と比較例の合金とを比較して、個別具体的に説明する。
図2は、AB比xの値が本発明の範囲を外れている比較例9および10の合金をX線回折した結果(以降、「X線回折プロファイル」という)を、また、図3は、同じく比較例9および10の合金を走査型電子顕微鏡で観察した結果(以降、「走査型電子顕微鏡写真」という)を示したものであり、いずれの合金も主相であるA相およびA19相の割合の合計が本発明範囲より低い70,80vol%となっている。その結果、表2に記したように、発明例5の合金と比較して、初期の放電容量は同等であるが、サイクル特性に劣り、実用に供することはできないものとなっている。
Hereinafter, the alloys of the inventive examples shown in Table 1 and Table 2 will be compared with the alloys of the comparative examples, and will be described individually and specifically.
FIG. 2 shows the results of X-ray diffraction (hereinafter referred to as “X-ray diffraction profile”) of the alloys of Comparative Examples 9 and 10 in which the value of the AB ratio x is outside the range of the present invention, and FIG. Similarly, the results of observation of the alloys of Comparative Examples 9 and 10 with a scanning electron microscope (hereinafter referred to as “scanning electron micrographs”) are shown, and both alloys are the main phase A 2 B 7 phase and The sum of the proportions of the A 5 B 19 phase is 70, 80 vol%, which is lower than the range of the present invention. As a result, as shown in Table 2, compared with the alloy of Invention Example 5, the initial discharge capacity is the same, but the cycle characteristics are inferior and cannot be put to practical use.

また、表3は、合金の成分組成が本発明に適合し、かつ適正な条件で製造された発明例6〜8の合金を、走査透過型電子顕微鏡を用いてインターグロウス相を観察し、その量を測定するとともに、エネルギー分散型の分光器EDS(Energy Dispersive X−ray Spectrometer)にて分析してインターグロウス相の成分組成を分析した結果を示したものである。この結果から、本発明例の合金では、主相中に化学組成が(RE,Mg)(Ni,Al)でAB型のインターグロウス相が、主相に対して1〜20vol%の範囲内で生成していることがわかる。なお、表3には、Alの原子比が本発明外である比較例3と比較例4の合金のインターグロウス相の量と成分組成の分析結果も示したが、インターグロウス相の生成に必要なAlを含まない比較例3の合金は、図4に示した透過型電子顕微鏡写真からわかるように、インターグロウス相が生成せず、一方、Alの原子比bが0.22とAlを過剰に含む比較例4の合金は、インターグロウス相が本発明の適正範囲を超えて多量に生成して肥大化し、図5に示した走査型電子顕微鏡写真からわかるように、主相と非整合な界面を有する不純物AB相に変化している。 Table 3 also shows alloys of Invention Examples 6 to 8 manufactured under appropriate conditions in which the composition of the alloy complies with the present invention, and the intergrowth phase is observed using a scanning transmission electron microscope. It shows the result of analyzing the component composition of the intergrowth phase by measuring the amount and analyzing with an energy dispersive spectroscope EDS (Energy Dispersive X-ray Spectrometer). From this result, in the alloy of the present invention example, the chemical composition is (RE, Mg) (Ni, Al) 2 in the main phase and the AB 2 type intergrowth phase is in the range of 1 to 20 vol% with respect to the main phase. It can be seen that it is generated within. Table 3 also shows the results of analysis of the amount and composition of the intergrowth phase of the alloys of comparative examples 3 and 4 in which the atomic ratio of Al is outside the present invention, but is necessary for the generation of the intergrowth phase. As can be seen from the transmission electron micrograph shown in FIG. 4, the alloy of Comparative Example 3 that does not contain any Al does not produce an intergrowth phase, while the Al atomic ratio b is 0.22 and Al is excessive. In the alloy of Comparative Example 4 included in FIG. 5, the intergrowous phase is produced in a large amount exceeding the proper range of the present invention and becomes enlarged, and as can be seen from the scanning electron micrograph shown in FIG. Impurity AB having an interface is changed to a two- phase.

Figure 0005718006
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また、図6は、発明例6および7の合金におけるインターグロウス相を観察した透過型電子顕微鏡写真を、また、図7は、発明例8の合金を走査透過型電子顕微鏡で観察し、EDS分析によりインターグロウス相の成分組成を分析した結果を示したものである。これらの結果からわかるように、本発明の水素吸蔵合金では、インターグロウス型に析出したAB相と主相との境界は整合な界面であり、かつ、界面を挟んだ両側の相がまったく別の結晶構造を有し、配列パターンも異なるところに特徴がある。これに対して、特許文献3に記載された結晶の逆位相境界は、境界を挟んで両側の相が同一でかつ同一の規則配列を持っているものである。したがって、本発明におけるインターグロウス型析出相と主相との境界は、逆位相境界とは全く別のものであることがわかる。 6 shows a transmission electron micrograph of the intergrowth phase observed in the alloys of Invention Examples 6 and 7, and FIG. 7 shows the EDS analysis of the alloy of Invention Example 8 observed with a scanning transmission electron microscope. The result of having analyzed the component composition of the intergrowth phase by is shown. As can be seen from these results, in the hydrogen storage alloy of the present invention, the boundary between the AB 2 phase and the main phase precipitated in the intergrowth type is a consistent interface, and the phases on both sides sandwiching the interface are completely different. The crystal structure is characterized in that the arrangement pattern is different. On the other hand, the antiphase boundary of the crystal described in Patent Document 3 is that the phases on both sides are the same and have the same regular arrangement across the boundary. Therefore, it can be seen that the boundary between the intergrowth type precipitation phase and the main phase in the present invention is completely different from the antiphase boundary.

次に、本発明の水素吸蔵合金の特性に及ぼす成分組成の影響について説明する。
本発明に適合する合金の成分組成を有し、かつ適正な条件で製造された発明例1〜4の合金のX線回折プロファイルおよび走査型電子顕微鏡写真をそれぞれ図8および9に示した。また、発明例1の合金を、走査透過型電子顕微鏡でインターグロウス相を観察した結果を図10に示した。これらの結果から、水素吸蔵合金の成分組成を本発明に合わせて調整すること、および、製造条件を適正範囲に制御することで、主相の割合が95vol%以上で不純物相がほとんど存在せず、さらに、所定量のインターグロウス相を析出させることができ、ひいては、表2に示したように、初期容量およびサイクル特性に優れた水素吸蔵合金が得られることがわかる。
Next, the influence of the component composition on the characteristics of the hydrogen storage alloy of the present invention will be described.
FIGS. 8 and 9 show the X-ray diffraction profiles and scanning electron micrographs of the alloys of Invention Examples 1 to 4 having the composition of the alloy suitable for the present invention and manufactured under appropriate conditions, respectively. Moreover, the result of having observed the intergrowth phase of the alloy of invention example 1 with the scanning transmission electron microscope was shown in FIG. From these results, by adjusting the component composition of the hydrogen storage alloy in accordance with the present invention and controlling the manufacturing conditions within an appropriate range, the ratio of the main phase is 95 vol% or more and there is almost no impurity phase. Furthermore, it can be seen that a predetermined amount of intergrowth phase can be precipitated, and as a result, as shown in Table 2, a hydrogen storage alloy having excellent initial capacity and cycle characteristics can be obtained.

これに対して、比較例1は、Mgの原子比aが本発明範囲外の0.04の合金例であり、この合金を用いたニッケル水素二次電池は、表2に示したように、初期の放電容量が低く、100サイクル時の容量維持率も28%でしかない。図11は、この合金の水素吸蔵前後におけるX線回折プロファイルを比較して示したものであり、Mg量が少ない合金では、水素を吸蔵することによって超格子構造が容易に分解してしまうことがわかる。この結果は、可逆的に水素を吸蔵・放出を行わせるためには、所定量のMgが必要であることを示している。   On the other hand, Comparative Example 1 is an alloy example in which the atomic ratio a of Mg is 0.04 outside the scope of the present invention, and the nickel metal hydride secondary battery using this alloy is as shown in Table 2, The initial discharge capacity is low, and the capacity retention rate at 100 cycles is only 28%. FIG. 11 shows a comparison of X-ray diffraction profiles before and after hydrogen storage of this alloy. In an alloy with a small amount of Mg, the superlattice structure can be easily decomposed by storing hydrogen. Recognize. This result shows that a predetermined amount of Mg is required to reversibly store and release hydrogen.

また、比較例2は、Mgの原子比aが本発明範囲外の0.30の合金例であり、初期の放電容量は高いものの、100サイクル時の容量維持率は64%でしかない。この原因は、表2に示したように、この合金のX線回折プロファイル(図12)をリートベルト解析して求めたAB相の値が10%もあることから、REと置換できない過剰なMgが、不純物相であるAB相となって合金内に析出し、サイクル特性の劣化を招いたものと推察される。なお、図13は、比較例2の合金の走査型電子顕微鏡写真であり、AB相が多く析出していることがわかる。 Comparative Example 2 is an alloy example in which the atomic ratio a of Mg is 0.30 outside the scope of the present invention, and although the initial discharge capacity is high, the capacity retention rate at 100 cycles is only 64%. This is because, as shown in Table 2, since the AB 2 phase value obtained by Rietveld analysis of the X-ray diffraction profile (FIG. 12) of this alloy is 10%, it cannot be replaced with RE excessively. It is presumed that Mg becomes an AB 2 phase, which is an impurity phase, and precipitates in the alloy, resulting in deterioration of cycle characteristics. FIG. 13 is a scanning electron micrograph of the alloy of Comparative Example 2, and it can be seen that many AB 2 phases are precipitated.

また、比較例3は、Alを含有しない合金例であり、初期の放電容量は高いものの、100サイクル時の容量維持率は58%でしかない。この原因は、インターグロウス相の生成に必要なAlを含まないために、インターグロウス相が生成されず、微粉化が促進された結果であると推察される(先述した表3、図4参照)。   Comparative Example 3 is an alloy example that does not contain Al, and although the initial discharge capacity is high, the capacity retention rate at 100 cycles is only 58%. It is surmised that this is because Al is not necessary for the generation of the intergrowth phase, so that the intergrowth phase is not generated and the pulverization is promoted (see Table 3 and FIG. 4 described above). .

また、比較例4は、Alの原子比bが0.2以上の0.22である合金例であり、初期の放電容量が低く、100サイクル時の容量維持率も84%でしかない。この原因は、過剰に含まれるAlによって、インターグロウス相が多量に生成し、主相と非整合な界面を有する独立したAB組成の不純物相が生成したためと考えられる(先述した表3、図4参照)。また、比較例5は、Alの原子比bがさらに高い0.27の合金例であり、X線回折プロファイル(図14)および走査型電子顕微鏡写真(図15)からわかるように、インターグロウス相が異常成長して、主相と非整合な界面を有した不純物相ABを形成した結果、比較例4の合金よりさらに特性が低下している。 Comparative example 4 is an alloy example in which the atomic ratio b of Al is 0.22 which is 0.2 or more, the initial discharge capacity is low, and the capacity retention rate at 100 cycles is only 84%. This is thought to be due to the fact that an excessive amount of intergrowth phase is generated due to excessively contained Al, and an independent AB 2 composition impurity phase having an interface inconsistent with the main phase is generated (see Table 3 and FIG. 4). Further, Comparative Example 5 is an alloy example of 0.27 in which the atomic ratio b of Al is further higher. As can be seen from the X-ray diffraction profile (FIG. 14) and the scanning electron micrograph (FIG. 15), the intergrowth phase As a result of abnormal growth and formation of the impurity phase AB 2 having an interface inconsistent with the main phase, the characteristics are further deteriorated as compared with the alloy of Comparative Example 4.

また、比較例6は、M原子(Co,Mn)の原子比cが0.4以上の0.42である合金例であり、初期の放電容量は若干低めで、100サイクル時の容量維持率は74%でしかない。この原因は、この合金のX線回折プロファイル(図16)および走査型電子顕微鏡写真(図17)からわかるように、M原子を多量に添加した結果、不純物相であるAB相が過剰に析出し、主相の割合が低下したためと考えられる。 Comparative Example 6 is an alloy example in which the atomic ratio c of M atoms (Co, Mn) is 0.42 which is 0.4 or more, the initial discharge capacity is slightly lower, and the capacity retention rate at 100 cycles. Is only 74%. As can be seen from the X-ray diffraction profile (FIG. 16) and scanning electron micrograph (FIG. 17) of this alloy, the AB 5 phase, which is an impurity phase, is precipitated excessively as a result of adding a large amount of M atoms. It is thought that the ratio of the main phase has decreased.

また、比較例7は、AB比xの値が3.2以下の3.0である合金例であり、初期の放電容量は高いものの、100サイクル時の容量維持率は69%でしかない。この原因は、この合金のX線回折プロファイル(図18)および走査型電子顕微鏡写真(図19)からわかるように、不純物相であるAB型の結晶構造を有する相が多量に析出して主相の割合が低下し、サイクル特性の劣化を招いたものと推察される。 Comparative example 7 is an alloy example in which the value of AB ratio x is 3.0 which is 3.2 or less. Although the initial discharge capacity is high, the capacity retention rate at 100 cycles is only 69%. As can be seen from the X-ray diffraction profile (FIG. 18) and scanning electron micrograph (FIG. 19) of this alloy, a large amount of a phase having an AB 3 type crystal structure, which is an impurity phase, is precipitated. It is inferred that the ratio of phases decreased and the cycle characteristics deteriorated.

また、比較例8は、AB比xの値が3.9以上の4.1の合金例であり、初期の放電容量は若干低めで、100サイクル時の容量維持率は76%でしかない。この原因は、この合金のX線回折プロファイル(図20)および走査型電子顕微鏡写真(図21)からわかるように、AB相が多量に析出して主相の割合が低下し、容量の低下を招いたものと推察された。 Comparative Example 8 is an alloy example of 4.1 with an AB ratio x value of 3.9 or more. The initial discharge capacity is slightly lower, and the capacity retention rate at 100 cycles is only 76%. As can be seen from the X-ray diffraction profile (FIG. 20) and scanning electron micrograph (FIG. 21) of this alloy, the AB 5 phase precipitates in large quantities, the ratio of the main phase decreases, and the capacity decreases. It was inferred that

次に、本発明の水素吸蔵合金の特性に及ぼす製造条件(鋳造条件、熱処理条件)の影響について説明する。
発明例9は、溶解時の成分組成が本発明に適合するPr0.85Mg0.15Ni3.45Al0.25の成分組成を有する合金を、本発明に適合する条件で鋳造し、熱処理した合金例であり、表2に示したように、初期の放電容量が347mAh/gで、100サイクル時の容量維持率が93%という優れた特性を有している。同様に、上記発明例9とは異なる本発明に適合する成分組成を有する発明例10および11の合金も、本発明に適合する条件で製造された場合には、同様の結果が得られている。なお、図22および23には、発明例9〜11の合金の、走査型電子顕微鏡写真およびX線回折プロファイルを示した。
Next, the influence of manufacturing conditions (casting conditions, heat treatment conditions) on the characteristics of the hydrogen storage alloy of the present invention will be described.
Invention Example 9 casts an alloy having a component composition of Pr 0.85 Mg 0.15 Ni 3.45 Al 0.25 suitable for the present invention in terms of the composition at the time of melting under conditions suitable for the present invention, This is an example of heat-treated alloy. As shown in Table 2, the initial discharge capacity is 347 mAh / g, and the capacity retention rate at 100 cycles is 93%. Similarly, the alloys of Inventive Examples 10 and 11 having component compositions suitable for the present invention different from Inventive Example 9 described above show similar results when manufactured under conditions suitable for the present invention. . 22 and 23 show scanning electron micrographs and X-ray diffraction profiles of the alloys of Invention Examples 9 to 11.

これに対して、比較例11は、発明例9と同じ成分組成の合金を、鋳造時の冷却速度を1000℃/秒を超える2000℃/秒で急冷して製造した合金例であり、容量維持率が77%と、サイクル特性が劣っている。この原因は、この合金の透過型電子顕微鏡写真(図24)からわかるように、急冷凝固法した場合には、インターグロウス相が主相内に生成することができないためと考えられる。   On the other hand, Comparative Example 11 is an example of an alloy produced by rapidly cooling an alloy having the same composition as that of Invention Example 9 at a cooling rate of 2000 ° C./second exceeding 1000 ° C./second at the time of casting. The rate is 77% and the cycle characteristics are inferior. As can be seen from the transmission electron micrograph (FIG. 24) of this alloy, the cause is considered to be that the intergrowth phase cannot be formed in the main phase in the case of rapid solidification.

また、比較例12は、発明例9の合金の熱処理を、900℃未満の850℃の温度で行った合金例であり、初期の放電容量が若干低めで、100サイクル時の容量維持率は82%でしかない。この原因は、この合金のX線回折プロファイル(図25)に、ブロードなピークや不純物相由来のピークが確認されていることから、低温の熱処理では、主相の歪除去や不純物相の除去が不十分であったためと考えられる。なお、図26には、同合金の走査型電子顕微鏡写真を示した。   Comparative Example 12 is an alloy example in which the heat treatment of the alloy of Invention Example 9 was performed at a temperature of 850 ° C. below 900 ° C. The initial discharge capacity was slightly lower, and the capacity retention rate at 100 cycles was 82 It is only%. This is because a broad peak or a peak derived from the impurity phase has been confirmed in the X-ray diffraction profile of this alloy (FIG. 25). This is probably because it was insufficient. FIG. 26 shows a scanning electron micrograph of the same alloy.

また、比較例13は、発明例9の合金の熱処理を、インターグロウス相の融点以上の温度で行った合金例であり、初期の放電容量が若干低めで、100サイクル時の容量維持率は79%でしかない。この原因は、この合金のX線回折プロファイルおよび走査型電子顕微鏡写真をそれぞれ図27および図28に示したように、インターグロウス相の融点以上の熱処理では,インターグロウス相が異常に成長して粗大化し、主相と非整合な界面を有するAB型の不純物相に変化したためと推察される。 Comparative Example 13 is an alloy example in which the heat treatment of the alloy of Invention Example 9 was performed at a temperature equal to or higher than the melting point of the intergrowth phase. The initial discharge capacity was slightly lower, and the capacity retention rate at 100 cycles was 79. It is only%. The cause of this is that the X-ray diffraction profile and scanning electron micrograph of this alloy are shown in FIGS. 27 and 28, respectively. This is presumably because it changed to an AB 2 type impurity phase having an interface inconsistent with the main phase.

また、比較例14は、発明例9の合金の熱処理時間を3時間未満とした合金例であり、初期の放電容量が若干低めで、100サイクル時の容量維持率は79%でしかない。この合金の場合、X線回折プロファイル(図29)にブロードなピークや不純物相由来のピークや主相の割合の低下が確認できることから、主相の歪みの除去や不純物相の除去が充分ではないことが原因と考えられる。なお、図30には、同合金の走査型電子顕微鏡写真を示した。   Comparative Example 14 is an alloy example in which the heat treatment time of the alloy of Invention Example 9 is less than 3 hours, the initial discharge capacity is slightly lower, and the capacity retention rate at 100 cycles is only 79%. In the case of this alloy, since a broad peak, a peak derived from the impurity phase, and a decrease in the ratio of the main phase can be confirmed in the X-ray diffraction profile (FIG. 29), removal of distortion of the main phase and removal of the impurity phase are not sufficient. This is thought to be the cause. In addition, in FIG. 30, the scanning electron micrograph of the same alloy was shown.

逆に、比較例15は、発明例9の合金に、50時間以上の熱処理を施した合金例であり、100サイクル時の容量維持率は81%でしかない。この原因は、長時間の熱処理によってMgが蒸発し、合金の組成が、鋳造後の「Pr0.85Mg0.15Ni3.45Al0.25」から、「Pr0.95Mg0.05Ni3.68Al0.21」に変化し、主相の割合が大きく低下したためと考えられる。   On the contrary, Comparative Example 15 is an alloy example in which the alloy of Invention Example 9 was heat-treated for 50 hours or more, and the capacity retention rate at 100 cycles was only 81%. The cause of this is that Mg evaporates by long-time heat treatment, and the composition of the alloy changes from “Pr0.85Mg0.15Ni3.45Al0.25” after casting to “Pr0.95Mg0.05Ni3.68Al0.21”, This is probably because the ratio of the main phase has greatly decreased.

本発明の水素吸蔵合金は、二次電池の負極活物質としての用途に限定されるものではなく、水素の分散輸送・貯蔵用にも適用・利用することができる。   The hydrogen storage alloy of the present invention is not limited to the use as a negative electrode active material of a secondary battery, and can be applied and used for hydrogen transport and storage.

Claims (3)

(RE1−aMg)(Ni1−b−cAl)
(式中、REは、La,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd,Zrまたはこれらの混合元素、Mは、Co,Mnまたはこれらの混合元素であり、a、b、cおよびxは、それぞれ0.06<a<0.25、0.01≦b<0.20、0.00≦c<0.4、3.2<x<3.9)で表される組成(原子比)を有し、
CeNi型またはGdCo型の結晶構造を有するA相、PrCo19型またはCeCo19型の結晶構造を有するA19相、またはそれらの混合相のいずれかからなる主相が全組織の95vol%以上である金属組織を有し、かつ、
上記主相の結晶構造のC軸に垂直な方向に整合な界面を有する(RE,Mg)(Ni,Al)組成のAB相が、主相に対して1〜20vol%の範囲で、インターグロウス型に析出してなることを特徴とする水素吸蔵合金。
(RE 1-a Mg a) (Ni 1-b-c Al b M c) x
(Wherein RE is La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Zr or a mixed element thereof, M is Co, Mn or a mixed element thereof, and a, b, c and x are respectively The composition (atomic ratio) represented by 0.06 <a <0.25, 0.01 ≦ b <0.20, 0.00 ≦ c <0.4, 3.2 <x <3.9) Have
A 2 B 7 phase having a Ce 2 Ni 7 type or Gd 2 Co 7 type crystal structure, an A 5 B 19 phase having a Pr 5 Co 19 type or Ce 5 Co 19 type crystal structure, or a mixed phase thereof The main phase composed of any one has a metal structure that is 95 vol% or more of the entire structure, and
The AB 2 phase of (RE, Mg) (Ni, Al) 2 composition having an interface aligned in the direction perpendicular to the C axis of the crystal structure of the main phase is in the range of 1 to 20 vol% with respect to the main phase, Hydrogen storage alloy characterized by being deposited in an intergrowth type.
請求項1に記載の水素吸蔵合金を負極の活物質に用いてなることを特徴とするニッケル水素二次電池。 A nickel metal hydride secondary battery comprising the hydrogen storage alloy according to claim 1 as an active material for a negative electrode. 上記ニッケル水素二次電池は、初期の放電容量が320mAh/g以上で、100サイクル充放電を繰り返した後の容量維持率が90%以上であることを特徴とする請求項2に記載のニッケル水素二次電池。 The nickel metal hydride secondary battery according to claim 2, wherein the nickel metal hydride secondary battery has an initial discharge capacity of 320 mAh / g or more and a capacity retention ratio of 90% or more after 100 cycles of charge and discharge are repeated. Secondary battery.
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