JP5754802B2 - ニッケル水素二次電池用の負極及びこの負極を用いたニッケル水素二次電池 - Google Patents
ニッケル水素二次電池用の負極及びこの負極を用いたニッケル水素二次電池 Download PDFInfo
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Description
本発明が適用される電池としては特に限定されないが、例えば、図1に示すAAサイズの円筒型電池2に本発明を適用した場合を例に説明する。
このような正極基板としては、例えば、ニッケルめっきが施された網状、スポンジ状若しくは繊維状の金属体を用いることができる。
正極活物質粒子は、水酸化ニッケル粒子又は高次水酸化ニッケル粒子である。なお、これら水酸化ニッケル粒子は、コバルト、亜鉛、カドミウム等を含む固溶体の形態をなすものであってもよい。
まず、水酸化ニッケル粒子からなる正極活物質粉末、水、導電剤及び結着剤を含む正極合剤スラリーを調製する。正極合剤スラリーは例えばスポンジ状のニッケル製金属体に充填され、乾燥させられる。乾燥後、水酸化ニッケル粒子等が充填された金属体は、ロール圧延されてから裁断され、正極24が製造される。
負極芯体60は、貫通孔が分布されたシート状の金属材からなり、例えば、パンチングメタルシートや、金属粉末を型成形して焼結した焼結基板を用いることができる。負極合剤62は、負極基板の貫通孔内に充填されるばかりでなく、負極基板の両面上にも層状にして保持されている。
まず、所定の組成となるよう金属原材料を秤量して混合し、この混合物を例えば誘導溶解炉で溶解してインゴットにする。得られたインゴットに、900〜1200℃の不活性ガス雰囲気下にて5〜24時間加熱する熱処理を施し均質化する。この後、インゴットを粉砕し、水素吸蔵合金粒子を製造する。その後、得られた水素吸蔵合金粒子は、篩分けにより分級し、粒径の異なる2種類のグループを選別する。このとき、1種類は、平均粒径が比較的小さい粒子(以下、第1粒子という)とし、もう1種類は、第1粒子よりも平均粒径が大きい粒子(以下、第2粒子という)とすることが好ましい。例えば、第1粒子は、平均粒径が40〜50μmの粒子であり、第2粒子は、平均粒径が50〜125μmの粒子である。ここで、第1粒子と第2粒子との粒径の比は、1:1.25〜1:2.5の範囲とすることが好ましく、より好ましくは、1:1.25〜1:2.0の範囲とする。
まず、水素吸蔵合金の第1粒子からなる水素吸蔵合金粉末、導電剤、結着剤及び水を混練して負極合剤スラリー(以下、第1スラリーという)を調製する。また、水素吸蔵合金の第2粒子からなる水素吸蔵合金粉末、導電剤、結着剤及び水を混練して負極合剤スラリー(以下、第2スラリーという)を調製する。
第1スラリーの乾燥後、本体部56に対応する箇所を除いた部分、すなわち、最外周部50及び最内周部58に対応する箇所の両面に均等に且つ厚さが一定となるように第2スラリーを塗布する。その後、第2スラリーを乾燥させる。
ここで、第2スラリーの単位体積当たりに含まれる水素吸蔵合金粒子の量は、第1スラリーの単位体積当たりに含まれる水素吸蔵合金粒子の量の半分にすることが好ましい。
詳しくは、乾燥した負極合剤62を保持したパンチングメタルシート60は、一対の圧延ロール間のギャップに通され、その厚み方向両側から圧縮される。この圧延を行う際、ロールの押圧力は、本体部56に対応する部分に比べて最外周部50及び最内周部58に対応する部分で小さくなるように可変制御し、得られる負極26において、最外周部50及び最内周部58に含まれる水素吸蔵合金粒子の平均粒径が、本体部56に含まれる水素吸蔵合金粒子の平均粒径に比べて大きくなるようにする。また、本体部56と、最外周部50及び最内周部58との厚さの比は、1:1〜1:0.85とすることが好ましい。最外周部50及び最内周部58にあまり高い押圧力をかけて最外周部50及び最内周部58を薄くすると、そこに含まれる水素吸蔵合金が破砕され、負極26に含まれる水素吸蔵合金粉末の比表面積が増大し、負極全体として電解液との腐食反応の進行度合いを増加させてしまい、また、負極芯体にもダメージを与えるので負極の形状的品質の低下を招いてしまう。
参考例1
(1)負極の作製
60%のLa、20%のCe、5%のPr、15%のNdとなるように調整した希土類成分を準備した。そして、この希土類成分、Ni、Co、Mn及びAlをモル比で1.00:3.80:0.70:0.25:0.35の割合で混合した後、誘導溶解炉に投入して溶解させ、これを冷却してインゴットを作製した。
なお、上記した孔あき板は60μmの厚みを有し、その表面にはニッケルめっきが施されている。
金属ニッケルに対して、亜鉛3.0質量%、コバルト1質量%となるように、硫酸ニッケル、硫酸亜鉛、硫酸コバルトの混合水溶液を攪拌しながら、1mol/lの水酸化ナトリウム水溶液を徐々に滴下して反応させ、ここでの反応中、pHが13〜14に維持されるようにして沈殿物を生成させた。ついで、生成した沈殿物を濾別して、10倍量の純水で3回洗浄した後、脱水、乾燥することにより、正極活物質としての水酸化ニッケル粉末を得た。
得られた正極24及び負極26をこれらの間にセパレータ28を挟んだ状態で渦巻状に巻回し、電極群22を作製した。ここでの電極群22の作製に使用したセパレータ28はポリプロピレン繊維製不織布から成り、その厚みは0.1mm(目付量40g/m2)であった。
第1スラリーを本体部56及び最内周部58に塗布し、第2スラリーを最外周部50の全体に塗布し、ロール圧延の際、本体部56及び最内周部58にかかる押圧力が100kN、最外周部50にかかる押圧力が10kNとなるように調節してロール圧延を行ったこと以外は参考例1の電池Aと同様にしてニッケル水素二次電池(電池B)を組み立てた。
第1スラリーを本体部56及び最外周部50に塗布し、第2スラリーを最内周部58の全体に塗布し、ロール圧延の際、本体部56及び最外周部50にかかる押圧力が100kN、最内周部58にかかる押圧力が10kNとなるように調節してロール圧延を行ったこと以外は参考例1の電池Aと同様にしてニッケル水素二次電池(電池C)を組み立てた。
得られた負極26について、水素吸蔵合金粒子の粒径を測定したところ、本体部56及び最外周部50に含まれる合金粒子の粒径は32μmであり、最内周部58に含まれる合金粒子の粒径は58μmであった。また、水素吸蔵合金粒子の充填密度は、本体部56及び最外周部50で5.6g/cm3、最内周部58で3.2g/cm3であった。
第1スラリーを本体部56に塗布し、第2スラリーを最外周部50及び最内周部58の全体に塗布し、ロール圧延の際、本体部56にかかる押圧力が100kN、最外周部50及び最内周部58にかかる押圧力が10kNとなるように調節してロール圧延を行ったこと以外は参考例1の電池Aと同様にしてニッケル水素二次電池(電池D)を組み立てた。
第1スラリーを本体部56、最外周部50及び最内周部58の全ての部分に塗布し、ロール圧延の際、本体部56、最外周部50及び最内周部58にかかる押圧力が100kNとなるように調節してロール圧延を行ったこと以外は参考例1の電池Aと同様にしてニッケル水素二次電池(電池E)を組み立てた。
得られた負極26について、水素吸蔵合金粒子の粒径を測定したところ、粒径は32μmであり、水素吸蔵合金粒子の充填密度は、5.6g/cm3であった。
第2スラリーを本体部56、最外周部50及び最内周部58の全ての部分に塗布し、ロール圧延の際、本体部56、最外周部50及び最内周部58にかかる押圧力が100kNとなるように調節してロール圧延を行ったこと以外は参考例1と同様にして負極26を作製したが、圧延後の負極26は平坦にならず波打った形状となり、電池を組み立てることができなかった。
(1)初期活性化処理
電池A〜電池Eに対し、温度25℃の下にて、0.1Cの充電電流で16時間の充電を行った後に、0.2Cの放電電流で電池電圧が0.5Vになるまで放電させる操作を1サイクルとする充放電サイクルを合計2サイクル行うことにより各電池に対し初期活性化処理を行った。
初期活性化処理済みの電池A〜電池Eに対し、0.1Cの充電電流で16時間充電し、0.2Cの放電電流で電池電圧が0.8Vになるまで放電し、各電池につき容量の測定を行った。
ここで、比較例1の電池Eの容量を100として、各電池の容量との比を求め、その結果を電池容量比として表1に示した。
初期活性化処理済みの電池A〜電池Eに対し、25℃の雰囲気下にて、1.0Cの充電電流で電池電圧が最大値に達した後、10mV低下するまで充電し、その後、30分間放置した。
ついで、同一の雰囲気下にて1.0Cの放電電流で電池電圧が0.8Vになるまで放電した後、30分間放置した。
(1)表1より、電池A,B,C,Dと、電池Eとでは、電池容量に差がないことがわかる。つまり、本発明に係る電池A,B,C,Dは、電池Eのように負極全体において水素吸蔵合金の高密度化を図って高容量化された電池と同程度に高容量化が図られていると言える。これは、電池A,B,C,Dに含まれる負極では、部分的に水素吸蔵合金の粒径を大きくするとともに水素吸蔵合金の密度を低くしているが、このような部分は、正極と片面でしか対向しておらず電池の充放電反応に関与する割合が比較的低い最外周部あるいは最内周部であるので、電池反応への影響が小さいことと、電池の充放電反応に関与する割合が高い本体部では、電池Eと同様に水素吸蔵合金の密度が高められていることによりもたらされているものと考えられる。
10 外装缶
12 絶縁パッキン
14 蓋板
20 正極端子
22 電極群
24 正極
26 負極
28 セパレータ
50 最外周部
56 本体部
58 最内周部
Claims (2)
- ニッケル水素二次電池の外装缶内に収容されるべき電極群を正極及びセパレータとともに形成する帯状の負極であって、芯体と、この芯体の両面を覆い且つ多数の水素吸蔵合金粒子を含む負極合剤層とからなる負極において、
前記正極及び前記セパレータとともに前記電極群を形成する巻回状態でみて、両面が共に前記セパレータを介して前記正極と対向する本体部と、
前記本体部の端から巻回方向に延出し、前記両面のうちの一方の面のみが前記セパレータを介して前記正極と対向する延出領域と
を含み、
前記延出領域は、前記巻回状態でみて、前記外装缶の周壁に接すべき前記負極の最外周部と、前記負極の最内周部とを含み、
前記延出領域に含まれる前記水素吸蔵合金粒子の少なくとも一部は、前記本体部に含まれる前記水素吸蔵合金粒子の平均粒径よりも大きい平均粒径を有し、
前記延出領域に含まれる前記水素吸蔵合金粒子の密度は、前記本体部に含まれる前記水素吸蔵合金粒子の密度よりも低いことを特徴とするニッケル水素二次電池用の負極。 - 有底円筒状の外装缶と、
前記外装缶内に収容され、負極及び正極がこれらの間にセパレータを介在させて渦巻き状に巻回されてなる電極群と
を備え、
前記負極が前記請求項1に記載の負極であることを特徴とするニッケル水素二次電池。
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