JP5856056B2 - 希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金の製造方法 - Google Patents
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Description
ニッケル水素二次電池の負極材料として、AB5型結晶を主相とするLaNi5系水素吸蔵合金、ラーベス相を主相とする水素吸蔵合金、BCC(体心立方格子)相を主相とする水素吸蔵合金などが使用または開発されている。
近年、希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金が実用化され、この合金を使用したニッケル水素二次電池は高容量であることが知られている。
特許文献2には、Mg、Ca、Li、Zn、MnおよびSrのいずれか1種以上を含有する合金をヘリウム含有ガス雰囲気下、溶解する合金の製法が開示されている。また、実施例において、MgNi2等の合金の製法が開示されている。
特許文献3には、Mgを含有する体心立方格子構造を有する水素吸蔵合金と同合金をメカニカルアロイング法で合金化する製造方法が開示されている。
このような問題があるため、特許文献3に開示されるようにMgを含有する合金をメカニカルアロイング法で作製することが検討されてきた。しかし、この方法によると均質な組成の合金を作製することは困難であり、とりわけMgの含有量の少ない合金を均質な組成で作製することは困難である。
本発明の別の課題は、高い電池特性のニッケル水素二次電池の実現を可能とする、本発明の方法により得られる希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金を用いたニッケル水素二次電池用負極の製造方法、及びニッケル水素二次電池の製造方法を提供することにある。
A元素が、Sc、Yを含む希土類元素から選ばれる少なくとも1種のR元素と、任意元素としてZr、Hf及びCaから選ばれる少なくとも1種からなり、B元素が、Niと、任意元素としてA元素及びMgを除く元素から選ばれる少なくとも1種からなり、
A元素とB元素とからなる合金(以下、AB合金と略すことがある)と、金属Mg及び/又は融点が金属Mgの融点以下であるMg含有合金(以下低融点Mg含有合金と略すことがある)とを混合する第一工程と、
第一工程で得られた混合物を、得られる希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金の融点より5〜250℃低い温度で、0.5〜240時間熱処理する第二工程とを含む希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金の製造方法(以下、本発明の方法と略すことがある)が提供される。
また本発明によれば、本発明の方法により得られた希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金(以下、本発明の合金と略すことがある)を用いるニッケル水素二次電池用負極の製造方法、及び該負極を備えたニッケル水素二次電池の製造方法が提供される。
本発明の方法は、A元素、Mg及びB元素を含む希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金の製造方法である。
A元素は、Sc、Yを含む希土類元素から選ばれる少なくとも1種のR元素と、任意元素としてZr、Hf及びCaから選ばれる少なくとも1種からなる。
R元素の含有量は、A元素中の70〜100mol%が好ましく、さらに好ましくは95〜100mol%、最も好ましくは99〜100mol%である。A元素における上記任意元素の含有量は、A元素中の0〜30mol%が好ましく、さらに好ましくは0〜5mol%、最も好ましくは0〜1mol%である。
R元素としては、La、Ce、Nd、Pr、Sm、Gd、Y、Eu及びYbから選ばれる少なくとも1種を含有することが好ましい。また、任意元素としては、Zrを含有することが好ましい。Laは、得られる合金の水素吸蔵放出時の平衡圧を低くする傾向があり、Nd、Pr、Sm又はZrは高くする傾向がある。
B元素において、Ni量が少ない場合、微粉化が進行しやすい。逆にNi量が多い場合、十分な水素吸蔵量が得られない傾向がある。Ni量は、B元素中の90〜100mol%が好ましく、さらに好ましくは93〜98mol%である。B元素における上記任意元素の含有量は、B元素中の0〜10mol%が好ましく、さらに好ましくは2〜7mol%である。
B元素中の上記任意元素は、電池の用途により特性の微調整が必要な場合に任意に含有させる。具体的な任意元素としては、例えば、Al、Ti、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、B、Ga、Sn、Sb、In、Si、C及びPから選ばれる少なくとも1種が挙げられる。好ましくは、例えば、Al、Ti、Nb、Mo、W、Mn、Fe、Co、Cu、B及びSnから選ばれる少なくとも1種である。
Alは、耐食性に影響し、Alを含有させることで耐食性を更に向上させることができるが、逆にAl量が多い場合、十分な水素吸蔵量が得られず、Alの偏析により十分な耐食性も得られなくなるおそれがあるので、上記任意元素の好ましい含有量の範囲で用いることが好ましい。またAlは合金の水素吸蔵放出時の平衡圧を低くする傾向がある。Fe、Cu、Sn、Ti、Nb、Mo、W又はBは、微粉化を抑制、もしくは電解液へのAl、Co及びMnから選択される少なくとも1種の溶出を抑制する傾向がある。
希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金の組成比を表す、B元素のモル数/(A元素のモル数+Mgのモル数)は、2.5〜5.5が好ましい。水素吸蔵量を大きくするためには、3.0〜4.5が好ましい。Mgのモル数/(A元素のモル数+Mgのモル数)は、0.01〜0.30が好ましい。B元素のモル数/(A元素のモル数+Mgのモル数)が3.0〜4.5の場合、Mgのモル数/(A元素のモル数+Mgのモル数)は0.05〜0.25が好ましく、さらに好ましくは0.10〜0.20である。B元素のモル数/(A元素のモル数+Mgのモル数)が3.0〜4.5、かつMgのモル数/(A元素のモル数+Mgのモル数)が0.05〜0.25の場合、得られる合金の結晶構造が、AB5型結晶構造の単位格子のBサイトの原子(本発明に係るB元素)の一部がAサイトの原子(本発明に係るA元素及び/又はMg)で置き換わることで一種の積層欠陥が生じ、CeNi3型結晶構造、PuNi3型結晶構造、Ce2Ni7型結晶構造、Gd2Co7型結晶構造、Ce5Ni19型結晶構造、Pr5Co19型結晶構造およびこれらに類似する結晶構造のいずれかが主相となり、AB5型結晶構造を主相とする合金と比較し、水素吸蔵量が大きくなる。
具体的には、まずA元素とB元素を所定の組成となるように配合した原料を準備する。原料はA元素とB元素とを構成する元素単体の金属またはこれらを含有する合金を用いることができる。R元素として、La、Ce、Nd、Pr、Sm等を含有するMm(ミッシュメタル)も使用できる。
次いで不活性ガス雰囲気下、配合した原料を加熱溶解して合金溶融物とした後、例えば、溶湯急冷法の一種であるストリップキャスト法では、該合金溶融物を銅製水冷ロールに注湯し、急冷・凝固して合金鋳片を得る。一方、金型鋳造法では、前述同様の方法で得られた合金溶融物を水冷銅鋳型に注湯し、冷却・凝固して鋳塊を得る。偏析が少なく組成分布が均一な合金は、Mgの拡散・反応が均一に行えるため、冷却速度が速い溶湯急冷法により得たAB合金が好ましい。
鋳造したままのAB合金は、AB5型結晶相を多く含有する場合があり、B元素のモル数/A元素のモル数が3.50〜4.80の場合にそのような合金を用いるとMgの拡散・反応が進みにくいので、熱処理を行って、AB5型結晶相を低減しておくことが好ましい場合がある。
該熱処理は、鋳造後室温まで冷却したAB合金を再度加熱して行う方法や、特許第4224453号公報に記載の装置等により、鋳造後室温まで冷却される前に加熱・保持を行う方法等公知の方法により行うことができる。AB5型結晶相を低減するには、上述した溶湯急冷法と熱処理を組み合わせて行うことが最も好ましい。AB合金の熱処理は、通常、900〜1100℃にて、0.5〜24時間行う。AB合金中のAB5型結晶相の含有量は60%以下が好ましく、さらに好ましくは30%以下である。本発明のB元素のモル数/A元素のモル数が3.50〜4.80の場合おいて、AB5型結晶相の含有量は、AB合金の粉末をX線回折装置にて、下記の条件で測定を行った場合の2θが29.5〜31°に現れる最大ピークの強度(IA)と2θが42〜43°に現れる最大ピークの強度(IB)の比、IA/IB×100(%)の値とした。
線源:CuKα、管電圧:40kV、電流:300mA、測定範囲2θ:20〜50°、走査軸:2θ/θ、スキャンステップ:0.02°、スキャンスピード:2°/分、発散スリット:1/2°、受光スリット:0.15mm。
低融点Mg含有合金の製造方法および合金形態については、上述のAB合金と同様に行うことができる。
前述の通り、低融点Mg含有合金の使用は可能である。しかし、低融点Mg含有合金におけるMgとMg以外の元素との、AB合金への拡散・反応速度が異なる点を鑑みると、Mgを含め各成分の蒸発を避けながら、均一な組成の合金を得るには、低融点Mg含有合金の使用は反応が煩雑な場合がある。このため、金属Mgのみを使用することが特に好ましい。
得られる希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金の融点より5℃低い温度より高い温度で熱処理を行うと、AB合金の結晶相の分解が生じ、均質な組成の合金が得られない。また、得られる希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金の融点より250℃低い温度より低い温度で行うと、Mgの拡散・反応が十分に行われず、均質な組成の合金が得られない。Mgは酸化しやすいため、熱処理を行う雰囲気は真空又は不活性ガス雰囲気であることが好ましい。さらに好ましくは不活性ガス雰囲気で、且つ加圧した雰囲気である。この場合、Mgの酸化を防ぐと同時に蒸発も防止できる。
本発明のニッケル水素二次電池用負極は、本発明の合金と、他の水素吸蔵合金、例えばLaNi5系水素吸蔵合金の混合物を含んでいても良い。
導電剤としては、既知のものが使用でき、アセチレンブラック、ファーネスブラック等のカーボンブラック、黒鉛等の炭素質材料、銅、ニッケル、コバルト等が挙げられる。
結着剤としては、既知のものが使用でき、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンオキサイド、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、4−フッ化エチレン−6−フッ化プロピレン共重合体(FEP)等が挙げられる。
本発明のニッケル水素二次電池の形状は、円筒型、積層型、コイン型等、種々のものとすることができる。いずれの形状であっても、ニッケル水素二次電池は、負極とセパレータと正極とを積層した電極群をステンレス等からなる缶体に収納する。円筒形状の場合、通常、缶体を負極端子とするため、負極を外側にして電極群を渦巻き状に巻いて缶体に挿入することにより負極と負極端子は接続される。正極は通常、リードにより正極端子に接続される。
正極は、ニッケル酸化物を含むものであり、例えば、非焼結式ニッケル電極などが用いられる。非焼結式ニッケル電極は、水酸化ニッケルと必要に応じて添加される水酸化コバルト、一酸化コバルト、金属コバルトなどを結着剤とともに、水を溶媒として混合し、ペースト状とし、このペーストを発泡メタル等の集電体に充填、乾燥した後、ローラープレスなどを施すことにより作製される。
実施例1
Mgを除く原料を秤量し、高周波溶解炉にてアルゴンガス雰囲気中で溶解し、合金溶融物とした。続いて、この溶融物の注湯温度を1400℃として、銅製水冷ロールの単ロール鋳造装置を用いたストリップキャスト法にて急冷・凝固し、平均の厚みが0.4mmである鋳片を得た。得られた鋳片をボールミルにて、予備粉砕を行い、平均粒径(D50)が75μmの粒度の合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、La0.60Sm0.16Zr0.04Ni3.45Al0.10であった。得られた合金を、前記条件でX線回折装置にて測定したIA/IB×100の値は50%であった。
熱処理後の水素吸蔵合金粉末をEPMA(日本電子製、商品名JXA8800)により観察した。Mgの元素マッピング像を図1に示す。Mgは合金全体に均一に分布していた。
得られた水素吸蔵合金の電池特性を下記の通り測定した。電池特性の評価結果を表1に示す。
(最大放電容量)
得られた水素吸蔵合金をボールミルにて粉砕し、平均粒径(D50)が約60μmの合金粉末を得た。合金粉末0.15gとカルボニルニッケル粉末0.45gを乳鉢でよく混合し、混合物を2000kgf/cm2で加圧プレスすることで直径10mmのペレットを作製した。次いで、ペレットをニッケル製金網の間に挟み込み、周辺をスポット溶接して圧接し、さらにニッケル製リードを前記金網にスポット溶接することで負極を作製した。得られた負極を対極の焼結式ニッケル電極と共に8N−KOH水溶液に浸漬し、25℃の温度下にて充放電サイクル試験を行った。
充放電は、充放電装置(計測器センター製、商品名BS2500−05R1)を使用し、水素吸蔵合金1g当たり150mAの電流で170分間充電し、10分間休止した後、水素吸蔵合金1g当たり150mAの電流で酸化水銀電極に対して−0.7Vになるまで放電を行うサイクルを繰り返し、最大の放電容量をこの水素吸蔵合金の最大放電容量とした。
初期活性として、上記最大放電容量、及び3サイクル時の放電容量を基に、以下で定義した。
初期活性=(3サイクル時の放電容量/最大放電容量)×100
サイクル特性として、上記最大放電容量、及び100サイクル時の放電容量を基に、以下で定義した。
サイクル特性=(100サイクル時の放電容量/最大放電容量)×100
原料の配合を変更した以外は、実施例1と同様にしてMgを含有しない合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、La0.72Nd0.10Sm0.06Ni3.38Al0.10であった。
上記で得られた合金と平均粒径(D50)が110μmの金属Mg粉末とを乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、700℃、30分間保持した後、昇温して940℃、12時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.72Nd0.10Sm0.06Mg0.12Ni3.38Al0.10であった。Mgの歩留りは99.5%であった。得られた合金の融点は、約990℃であった。
この合金のMgの元素マッピング像を図2に示す。Mgは合金の中心部より表層部に多く分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
原料の配合を変更した以外は、実施例1と同様にしてMgを含有しない合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、La0.55Ce0.05Sm0.20Ni2.85Al0.15であった。
上記で得られた合金と平均粒径(D50)が110μmの金属Mg粉末とを乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、700℃、30分間保持した後、昇温して940℃、12時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.55Ce0.05Sm0.20Mg0.20Ni2.85Al0.15であった。Mgの歩留りは100%であった。得られた合金の融点は、約950℃であった。
EPMAで確認したところMgは合金全体に均一に分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
原料の配合を変更した以外は、実施例1と同様にしてMgを含有しない合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、La0.85Ni4.80Al0.20であった。
上記で得られた合金と平均粒径(D50)が110μmの金属Mg粉末とを乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、700℃、30分間保持した後、昇温して900℃、24時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.85Mg0.15Ni4.80Al0.20であった。Mgの歩留りは99.5%であった。得られた合金の融点は、約1000℃であった。
EPMAで確認したところMgは合金の中心部より表層部に多く分布していた。実施例1と同様に行った電池特性の評価結果を表1に示す。
原料の配合を変更した以外は、実施例1と同様にしてMgを含有しない合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、La0.85Ni3.60Al0.20であった。
上記で得られた合金と平均粒径(D50)が110μmの金属Mg粉末とを乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、700℃、30分間保持した後、昇温して920℃、16時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.85Mg0.15Ni3.60Al0.20であった。Mgの歩留りは99.5%であった。得られた合金の融点は、約960℃であった。
EPMAで確認したところMgは合金全体に均一に分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
実施例5と同様のMgを含有しない合金と平均粒径(D50)が110μmの金属Mg粉末とを乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、700℃、30分間保持した後、昇温して910℃、6時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.85Mg0.15Ni3.60Al0.20であった。Mgの歩留りは99.5%であった。得られた合金の融点は、約960℃であった。
EPMAで確認したところMgは合金の中心部より表層部に多く分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
原料の配合を変更した以外は、実施例1と同様にしてMgを含有しない合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、La0.49Nd0.15Pr0.15Hf0.01Ni3.37Al0.18であった。
上記で得られた合金と平均粒径(D50)が110μmの金属Mg粉末とを乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、700℃、30分間保持した後、昇温して920℃、12時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.49Nd0.15Pr0.15Hf0.01Mg0.16Ni3.37Al0.18であった。Mgの歩留りは99.7%であった。得られた合金の融点は、約1020℃であった。
EPMAで確認したところMgは合金全体に均一に分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
原料の配合を変更した以外は、実施例1と同様にしてMgを含有しない合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、La0.78Y0.02Ni3.45Al0.20Mn0.07であった。
上記で得られた合金と平均粒径(D50)が110μmの金属Mg粉末とを乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、700℃、30分間保持した後、昇温して900℃、16時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.78Y0.02Mg0.20Ni3.45Al0.20Mn0.07であった。Mgの歩留りは99.5%であった。得られた合金の融点は、約945℃であった。
EPMAで確認したところMgは合金の中心部より表層部に多く分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
原料の配合を変更した以外は、実施例1と同様にしてMgを含有しない合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、La0.55Pr0.06Nd0.19Ni3.30Al0.15であった。
上記で得られた合金と平均粒径(D50)が110μmの金属Mg粉末とを乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、700℃、30分間保持した後、昇温して970℃、12時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.55Pr0.06Nd0.19Mg0.20Ni3.30Al0.15であった。Mgの歩留りは99.2%であった。得られた合金の融点は、約1010℃であった。
EPMAで確認したところMgは合金全体に均一に分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
実施例9で得られたMgを含有しない合金と平均粒径(D50)が110μmの金属Mg粉末とを乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、700℃、30分間保持した後、昇温して950℃、12時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.55Pr0.06Nd0.19Mg0.20Ni3.30Al0.15であった。Mgの歩留りは99.5%であった。得られた合金の融点は、約1010℃であった。
EPMAで確認したところMgは合金全体に均一に分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
原料の配合を変更した以外は、実施例1と同様にしてMgを含有しない合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、La0.60Pr0.25Ni3.50Al0.15であった。
上記で得られた合金と平均粒径(D50)が110μmの金属Mg粉末とを乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、700℃、30分間保持した後、昇温して930℃、6時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.60Pr0.25Mg0.15Ni3.50Al0.15であった。Mgの歩留りは99.4%であった。得られた合金の融点は、約980℃であった。
EPMAで確認したところMgは合金の中心部より表層部に多く分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
原料の配合を変更した以外は、実施例1と同様にしてMgを含有しない合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、La0.70Pr0.15Ni3.55Al0.15であった。
上記で得られた合金と平均粒径(D50)が110μmの金属Mg粉末とを乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、700℃、30分間保持した後、昇温して930℃、16時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.70Pr0.15Mg0.15Ni3.55Al0.15であった。Mgの歩留りは99.6%であった。得られた合金の融点は、約970℃であった。
EPMAで確認したところMgは合金全体に均一に分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
原料の配合を変更した以外は、実施例1と同様にしてMgを含有しない合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、La0.80Pr0.10Ni3.50Al0.17であった。
上記で得られた合金と平均粒径(D50)が110μmの金属Mg粉末とを乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、700℃、30分間保持した後、昇温して910℃、12時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.80Pr0.10Mg0.10Ni3.50Al0.17であった。Mgの歩留りは99.8%であった。得られた合金の融点は、約955℃であった。
EPMAで確認したところMgは合金の中心部より表層部に多く分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
原料の配合を変更した以外は、実施例1と同様にしてMgを含有しない合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、La0.85Pr0.10Ni3.50Al0.17であった。
上記で得られた合金と平均粒径(D50)が110μmの金属Mg粉末とを乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、700℃、30分間保持した後、昇温して890℃、20時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.85Pr0.10Mg0.05Ni3.50Al0.17であった。Mgの歩留りは100%であった。得られた合金の融点は、約950℃であった。
EPMAで確認したところMgは合金の中心部より表層部に多く分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
原料の配合を変更した以外は、実施例1と同様にしてMgを含有しない合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、La0.60Pr0.25Ni3.50Al0.15であった。
上記で得られた合金と平均粒径(D50)が150μmのMg9Al粉末(融点約600℃)とを乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、700℃、30分間保持した後、昇温して930℃、6時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.60Pr0.25Mg0.15Ni3.50Al0.17であった。Mgの歩留りは99.2%であった。得られた合金の融点は、1005℃であった。
EPMAで確認したところMgは合金の中心部より表層部に多く分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
原料の配合を変更した以外は、実施例1と同様にしてMgを含有しない合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、Pr0.35Nd0.50Ni3.40Al0.15であった。
上記で得られた合金と平均粒径(D50)が110μmの金属Mg粉末とを乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、700℃、30分間保持した後、昇温して1030℃、16時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところPr0.35Nd0.50Mg0.15Ni3.40Al0.15であった。Mgの歩留りは99.5%であった。得られた合金の融点は、1080℃であった。
EPMAで確認したところMgは合金全体に均一に分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
原料の配合を変更した以外は、実施例1と同様にしてMgを含有しない合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、La0.70Pr0.15Ni3.40Co0.15Al0.15であった。
上記で得られた合金と平均粒径(D50)が110μmの金属Mg粉末とを乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、700℃、30分間保持した後、昇温して920℃、12時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.70Pr0.15Mg0.15Ni3.40Co0.15Al0.15であった。Mgの歩留りは99.7%であった。得られた合金の融点は、965℃であった。
EPMAで確認したところMgは合金全体に均一に分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
実施例5で得られたMgを含有しない合金と平均粒径(D50)が110μmの金属Mg粉末とを乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、700℃、30分間保持した後、昇温して840℃、12時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.85Mg0.15Ni3.60Al0.20であった。Mgの歩留りは99.6%であった。得られた合金の融点は、960℃であった。
EPMAで確認したところMgは合金の中心部より表層部に多く分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
実施例2で得られたMgを含有しない合金に900℃、6時間の熱処理を施した。
上記で得られた合金と平均粒径(D50)が110μmの金属Mg粉末とを乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、700℃、30分間保持した後、昇温して960℃、12時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.72Nd0.10Sm0.06Mg0.12Ni3.38Al0.10であった。Mgの歩留りは99.5%であった。得られた合金の融点は、990℃であった。
EPMAで確認したところMgは合金全体に均一に分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
Mgを除く原料を秤量し、高周波溶解炉にてアルゴンガス雰囲気中で溶解し、合金溶融物とした。続いて、この溶融物の注湯温度を1400℃として、銅製水冷ロールの単ロール鋳造装置を用いたストリップキャスト法にて急冷・凝固し、連続して加熱ドラムにてアルゴンガス雰囲気中で900℃、10分間の熱処理を施し、平均の厚みが0.4mmである鋳片を得た。得られた鋳片をボールミルにて、予備粉砕を行い、平均粒径(D50)が75μmの粒度の合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、La0.72Nd0.10Sm0.06Ni3.38Al0.10であった。
上記で得られた合金と平均粒径(D50)が110μmの金属Mg粉末とを乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、700℃、30分間保持した後、昇温して(940℃、12時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.72Nd0.10Sm0.06Mg0.12Ni3.38Al0.10であった。Mgの歩留りは99.6%であった。得られた合金の融点は、約990℃であった。
EPMAで確認したところMgは合金の中心部より表層部に多く分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
Mgを除く原料を秤量し、高周波溶解炉にてアルゴンガス雰囲気中で溶解し、合金溶融物とした。続いて、この溶融物の注湯温度を1400℃として、厚み40mmの銅製水冷銅鋳型に鋳込み、鋳塊を得た。得られた鋳塊をボールミルにて、予備粉砕を行い、平均粒径(D50)が75μmの粒度の合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、La0.70Pr0.15Ni3.55Al0.15であった。
上記で得られた合金と平均粒径(D50)が110μmの金属Mg粉末とを乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、700℃、30分間保持した後、昇温して930℃、16時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.70Pr0.15Mg0.15Ni3.55Al0.15であった。Mgの歩留りは99.6%であった。得られた合金の融点は、約970℃であった。
EPMAで確認したところMgは合金全体に均一に分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
実施例1の合金と同じ組成の合金が得られるように、金属Mgを含むすべての原料を同時に配合し、実施例1と同様にストリップキャスティング法にて鋳片を得た。得られた鋳片をアルゴンガス雰囲気中、950℃で6時間熱処理を行った。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.60Sm0.16Zr0.04Mg0.20Ni3.45Al0.10であった。Mgの歩留りは80%であった。
EPMAで確認したところMgは合金全体に均一に分布していた。実施例1と同様に行った電池特性の評価結果を表1に示す。
実施例2の合金と同じ組成の合金が得られるように、原料の配合を変更した以外は比較例1と同様に行った。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.72Nd0.10Sm0.06Mg0.12Ni3.38Al0.10であった。Mgの歩留りは72%であった。
EPMAで確認したところMgは合金全体に均一に分布していた。実施例1と同様に行った電池特性の評価結果を表1に示す。
原料の配合を変更した以外は、実施例1と同様にしてMgを含有しない合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、La0.60Sm0.16Zr0.04Ni3.35Al0.10であった。
次いで、金属Mg粉末の替わりに平均粒径110μmのMg2Ni粉末(融点約820℃)を、上記で得られた合金と乳鉢でよく混合し、アルゴンガス雰囲気中、870℃、30分間保持した後、昇温して970℃、24時間保持した。得られた合金の組成をICPで分析したところLa0.60Sm0.16Zr0.04Mg0.20Ni3.45Al0.10であった。
この合金のMgの元素マッピング像を図3に、Niの元素マッピング像を図4に示す。MgおよびNiは、ほとんど合金内部に拡散していなかった。したがって、Mgの融点650℃より高いMg含有合金を用いた場合、組成が均一な合金が得られないことがわかった。また、実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
Mgを含有しない合金とMg2Ni粉末の混合物の熱処理を870℃、30分間保持した後、昇温して1000℃、24時間保持した以外は比較例3と同様にして合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、La0.60Sm0.16Zr0.04Mg0.20Ni3.45Al0.10であった。
得られた合金は、比較例3の合金と比較して粉末間の焼結は進んでいたものの、EPMAで確認したところ比較例3と同様にMgおよびNiはほとんど合金内部に拡散していなかった。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
Mgを含有しない合金と金属Mg粉末の混合物の熱処理を700℃、30分間保持した後、昇温して945℃、12時間保持した以外は実施例8と同様にして合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、La0.78Y0.02Mg0.20Ni3.45Al0.20Mn0.07であった。
EPMAで確認したところMgは合金の中心部より表層部に多く分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
Mgを含有しない合金と金属Mg粉末の混合物の熱処理を700℃、24時間保持した以外は実施例9と同様にして合金を得た。得られた合金の組成をICPで分析したところ、La0.55Pr0.06Nd0.19Mg0.20Ni3.30Al0.15であった。
EPMAで確認したところMgは合金の中心部より表層部に多く分布していた。実施例1と同様に行ったMgを含有しない合金のIA/IB×100の値、電池特性の評価結果を表1に示す。
Claims (13)
- A元素、Mg及びB元素を含む希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金の製造方法であって、
A元素が、Sc、Yを含む希土類元素から選ばれる少なくとも1種のR元素と、任意元素としてZr、Hf及びCaから選ばれる少なくとも1種からなり、B元素が、Niと、任意元素としてA元素及びMgを除く元素から選ばれる少なくとも1種からなり、
A元素とB元素とからなる合金と、金属Mg及び/又は融点が金属Mgの融点以下であるMg含有合金とを混合する第一工程と、
第一工程で得られた混合物を、得られる希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金の融点より5〜250℃低い温度で、0.5〜240時間熱処理する第二工程とを含む希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金の製造方法。 - A元素とB元素とからなる合金の平均粒径(D50)が、20〜1000μmである請求項1記載の製造方法。
- 金属Mg及び/又は融点が金属Mgの融点以下であるMg含有合金の平均粒径(D50)が、20〜2000μmである請求項1又は2記載の製造方法。
- 融点が金属Mgの融点以下であるMg含有合金が、Mgと、Al、Cu、Zn、Ga、Sn及びInの少なくとも1種からなる請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
- 第一工程において、A元素とB元素からなる合金と、金属Mgとを混合する請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
- 第二工程において、前記混合物を得られる希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金の融点より20〜120℃低い温度で、1〜24時間熱処理する請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法。
- A元素とB元素からなる合金は、B元素のモル数/A元素のモル数が3.50〜4.80である請求項1〜6のいずれかに記載の製造方法。
- A元素とB元素からなる合金を、液体急冷法で作製することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の製造方法。
- 第一工程に供するA元素とB元素からなる合金は、熱処理を施した合金である請求項1〜8のいずれかに記載の製造方法。
- 第二工程より得られる希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金を、解砕もしくは粉砕する第三工程を含む請求項1〜9のいずれかに記載の製造方法。
- A元素とB元素からなる合金中のAB5型結晶相の含有量が60%以下であることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の製造方法。
- 請求項1〜11のいずれかに記載の製造方法で希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金を製造する工程と、
前記希土類−Mg−Ni系水素吸蔵合金、結着剤及び水を有するペーストを製造する工程と、
前記ペーストを集電体に塗付して乾燥させる工程と、を備える、
ニッケル水素二次電池用負極の製造方法。 - 請求項12に記載の製造方法でニッケル水素二次電池用負極を製造する工程と、
該ニッケル水素二次電池用負極、セパレータ、及び正極を積層状に有する電極群を缶体に収納する工程と、を備える、
ニッケル水素二次電池の製造方法。
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