JP5909683B2 - 電極用合金粉末、それを用いたアルカリ蓄電池用負極およびアルカリ蓄電池 - Google Patents
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Description
本発明は、電極用合金粉末、それを用いたアルカリ蓄電池用負極およびアルカリ蓄電池に関し、詳しくはMgを含む水素吸蔵合金を含む電極用合金粉末の改良に関する。
負極活物質として水素吸蔵合金を含む負極を用いるアルカリ蓄電池は、出力特性に優れる上、耐久性(寿命特性および/または保存特性など)も高い。そのため、このようなアルカリ蓄電池は、乾電池の代替品、および電気自動車などの動力電源などとして注目を集めている。一方で、近年は、リチウムイオン二次電池もこの用途に用いられているため、アルカリ蓄電池の利点を際立たせる観点から、出力特性および耐久性などの電池特性をさらに向上させることが望まれている。
水素吸蔵合金としては、主にCaCu5型の結晶構造を有する水素吸蔵合金が用いられている。高い合金容量が必要とされる場合などには、Ce2Ni7型またはCeNi3型の結晶構造を含む水素吸蔵合金が用いられている。アルカリ蓄電池の電池特性を向上させるために、水素吸蔵合金粉末の性能を最適化する試みがなされている。
例えば、特許文献1では、アルカリ二次電池の負極に、LaおよびMgなどの元素Aと、CoおよびNiなどの元素Bとを含む水素吸蔵合金を用いることが提案されている。元素Bとしては、GeおよびSnなども例示されている。
特許文献2には、ニッケル水素蓄電池の水素吸蔵合金を用いた負極に、Geの酸化物または水酸化物を、水素吸蔵合金中のGeの量が0.01〜2重量%の範囲になるように添加することが開示されている。
特許文献3には、アルカリ二次電池において、負極が、水素を吸蔵および放出する非晶質相を含むMg−Ni合金を主成分として含み、Mg−Ni合金表面が、MgとGeなどとを含む水和物または水酸化物を含む絶縁体の層で覆われていることが開示されている。
特許文献1の水素吸蔵合金に含まれるGeおよびSnなどの元素Bは、理論的には、比較的安定な共有結合性水素化物を形成できると考えられる。また、GeおよびSnなどは、環境に対する負荷も小さい。しかしながら、特許文献1からは、GeまたはSnを含む水素吸蔵合金の具体的な組成を選定することは困難である。また、Snを含む水素吸蔵合金は、実施例および比較例のいずれにも記載されており、これらの元素Bを含むことによる効果も不明である。
特許文献2では、負極に含まれる金属Geが溶出して負極の放電特性が低下するのを防ぐために、Geを水酸化物または酸化物の形態で負極に添加している。しかし、Geの酸化物または水酸化物は、金属Geに比べて活性が低いため、負極の反応性が不十分となる場合がある。
特許文献3では、Mg−Ni合金表面をGe水酸化物などの層で覆うため、電解液による合金の劣化をある程度抑制できると考えられる。しかし、Ge水酸化物などの層は、電池反応には寄与しない。
なお、水素吸蔵合金の活性が低くなると、特に、低温での電池反応が進行し難くなるため、低温放電特性が低下する。また、水素吸蔵合金の劣化は、高温において顕著である。
なお、水素吸蔵合金の活性が低くなると、特に、低温での電池反応が進行し難くなるため、低温放電特性が低下する。また、水素吸蔵合金の劣化は、高温において顕著である。
本発明の目的は、アルカリ蓄電池において、優れた放電特性と、高い寿命特性とを両立できる電極用合金粉末を提供することにある。
本発明の一局面は、水素吸蔵合金を含み、水素吸蔵合金が、元素L、Mg、Ni、Alおよび元素Maを含み、元素Lが、周期表第3族元素および第4族元素からなる群より選択される少なくとも1種(ただし、Yを除く)であり、元素Maが、Ge、YおよびSnからなる群より選択される少なくとも2種であり、元素LとMgの合計に占めるMgのモル比xが、0.008≦x≦0.54であり、元素LとMgの合計に対するNiのモル比yが、1.6≦y≦4であり、元素LとMgの合計に対するAlのモル比αが、0.008≦α≦0.32であり、元素LとMgの合計に対する元素Maのモル比βが、0.01≦β≦0.12である、電極用合金粉末に関する。電極用合金粉末は、下記の(i)または(ii)を満たす。
(i)水素吸蔵合金が、さらに元素M c を含み、元素M c が、SrおよびBaからなる群より選択される少なくとも1種を含み、元素LとMgの合計に対する元素M c のモル比wおよびMgのモル比xが、0.01≦x+w≦0.5を充足する。
(ii)水素吸蔵合金が、さらにNを含み、元素LとMgの合計に対するNのモル比vが、0.001≦v≦0.01である。
(i)水素吸蔵合金が、さらに元素M c を含み、元素M c が、SrおよびBaからなる群より選択される少なくとも1種を含み、元素LとMgの合計に対する元素M c のモル比wおよびMgのモル比xが、0.01≦x+w≦0.5を充足する。
(ii)水素吸蔵合金が、さらにNを含み、元素LとMgの合計に対するNのモル比vが、0.001≦v≦0.01である。
本発明の他の一局面は、上記の電極用合金粉末を、負極活物質として含むアルカリ蓄電池用負極に関する。
本発明のさらに他の一局面は、正極と、負極と、正極および負極の間に介在するセパレータと、アルカリ電解液とを具備し、負極が、上記のアルカリ蓄電池用負極である、アルカリ蓄電池に関する。
本発明のさらに他の一局面は、正極と、負極と、正極および負極の間に介在するセパレータと、アルカリ電解液とを具備し、負極が、上記のアルカリ蓄電池用負極である、アルカリ蓄電池に関する。
本発明によれば、水素吸蔵合金が、元素L、Mg、NiおよびAlに加え、Ge、YおよびSnからなる群より選択される少なくとも2種を含むことにより、アルカリ蓄電池に使用したときに、合金表面の活性を高めることができる。よって、アルカリ蓄電池において、高い放電特性を得ることができる。また、合金の劣化を抑制することができるため、優れた寿命特性が得られる。従って、本発明によれば、高い放電特性と、優れた寿命特性とを両立することができる。
本発明の新規な特徴を添付の請求の範囲に記述するが、本発明は、構成および内容の両方に関し、本発明の他の目的および特徴と併せ、図面を照合した以下の詳細な説明によりさらによく理解されるであろう。
(電極用合金粉末)
本発明の電極用合金粉末は、水素吸蔵合金を含み、水素吸蔵合金は、元素L、Mg、Ni、Alおよび元素Maを含む。ここで、元素Lは、周期表第3族元素および第4族元素からなる群より選択される少なくとも1種(ただし、Yを除く)であり、元素Maは、Ge、YおよびSnからなる群より選択される少なくとも2種である。そして、元素LとMgの合計に占めるMgのモル比xは、0.008≦x≦0.54であり、元素LとMgの合計に対して、Niのモル比yは、1.6≦y≦4であり、Alのモル比αは、0.008≦α≦0.32であり、元素Maのモル比βは、0.01≦β≦0.12である。
本発明の電極用合金粉末は、水素吸蔵合金を含み、水素吸蔵合金は、元素L、Mg、Ni、Alおよび元素Maを含む。ここで、元素Lは、周期表第3族元素および第4族元素からなる群より選択される少なくとも1種(ただし、Yを除く)であり、元素Maは、Ge、YおよびSnからなる群より選択される少なくとも2種である。そして、元素LとMgの合計に占めるMgのモル比xは、0.008≦x≦0.54であり、元素LとMgの合計に対して、Niのモル比yは、1.6≦y≦4であり、Alのモル比αは、0.008≦α≦0.32であり、元素Maのモル比βは、0.01≦β≦0.12である。
水素吸蔵合金は、水素を電気化学的に吸蔵および放出可能であり、このような機能により、アルカリ蓄電池の電極活物質として使用されている。水素の吸蔵および放出性を高めるためには、水素吸蔵合金の表面が活性である必要がある。その一方、合金表面の活性が高いと、合金の構成元素が溶出して、合金が劣化することにより、電池の寿命が短くなる。つまり、アルカリ蓄電池において、放電特性(または充放電特性)と、寿命特性とは、トレードオフの関係にあり、両者を高いレベルで両立することは難しい。
水素吸蔵合金の活性が低いと、特に低温では、充放電が起こりにくくなるため、低温放電特性(または低温充放電特性)が低下し易くなる。また、合金からの構成元素の溶出は、特に高温において顕著である。そのため、水素吸蔵合金の活性が高すぎると、電池を高温保存した後に、サイクル寿命が低下し易くなる。従って、従来のアルカリ蓄電池では、高い低温放電特性と、優れた高温寿命特性とを両立し難い。
本発明では、元素L、Mg、NiおよびAlに加え、Ge、YおよびSnからなる群より選択される少なくとも2種の元素Maを特定量含むことにより、合金表面の活性を高めることができるとともに、構成元素の溶出を抑制することができる。これらの理由は定かではないが、合金表面の活性が高まるのは、合金表面に、Geなどの元素Maの少なくとも一部の元素を含む触媒層が形成されるためと考えられる。なお、触媒層は、元素Maを含むクラスタを含む場合がある。また、構成元素の溶出が抑制されるのは、合金表面に、元素Maを含む成分の保護被膜(例えば、複合酸化物および/または複合水酸化物の被膜)が形成されるためと考えられる。
このように、本発明では、水素吸蔵合金表面の活性を高めることができるため、低温放電特性などの放電特性を向上できる。また、水素吸蔵合金の構成元素の耐溶出性が向上することにより、合金の劣化を抑制できるため、高温保存後でも、寿命特性を向上できる。従って、電池の長期信頼性を向上できる。
また、本発明では、水素吸蔵合金中の元素のモル比を上記のような範囲とすることにより、電極を高容量化することができ、その結果、電池を高容量化することができる。
また、本発明では、水素吸蔵合金中の元素のモル比を上記のような範囲とすることにより、電極を高容量化することができ、その結果、電池を高容量化することができる。
水素吸蔵合金において、元素Lのうち、周期表第3族元素としては、Yを除く元素が挙げられ、具体的には、Sc、ランタノイド元素、およびアクチノイド元素が含まれる。ランタノイド元素には、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuが含まれる。アクチノイド元素としては、例えば、Ac、Th、Pa、Npなどが挙げられる。
元素Lのうち、周期表第4族元素としては、Ti、Zr、Hfが挙げられる。
元素Lのうち、周期表第4族元素としては、Ti、Zr、Hfが挙げられる。
これらの元素のうち、Sc、ランタノイド元素、Ti、Zrなどが好ましい。ランタノイド元素の中では、La、Ce、Pr、Nd、およびSmが好ましく、特に、LaおよびSmが好ましい。元素Lは、少なくともランタノイド元素(特に、少なくともLa)を含むことが好ましく、ランタノイド元素と、Scおよび/または周期表第4族元素とを含んでもよい。
元素LとMgの合計に占めるMgのモル比xは、0.008以上、好ましくは0.009以上、さらに好ましくは0.01以上または0.25以上である。また、モル比xは、0.54以下、好ましくは0.52以下、さらに好ましくは0.5以下または0.35以下である。これらの下限値と上限値とは適宜選択して組み合わせることができる。モル比xは、例えば、0.008≦x≦0.52、0.01≦x≦0.5、または0.25≦x≦0.35であってもよい。
元素LとMgの合計に対するNiのモル比yは、1.6以上、好ましくは1.8以上、さらに好ましくは2以上である。また、モル比yは、4以下、好ましくは3.5以下、さらに好ましくは3.3以下である。これらの下限値と上限値とは適宜選択して組み合わせることができる。モル比yは、例えば、1.6≦y≦4または2≦y≦3.5であってもよい。
元素LとMgの合計に対するAlのモル比αは、0.008以上、好ましくは0.01以上、さらに好ましくは0.015以上または0.02以上である。モル比αは、0.32以下、好ましくは0.3以下、さらに好ましくは0.15以下または0.1以下(もしくは0.07以下)である。これらの下限値と上限値とは適宜選択して組み合わせることができる。モル比αは、例えば、0.008≦α≦0.3、0.01≦α≦0.15、または0.01≦α≦0.07であってもよい。
x、yおよびαが、上記の範囲から外れると、低温放電特性および/または高温寿命特性が低下する。
x、yおよびαが、上記の範囲から外れると、低温放電特性および/または高温寿命特性が低下する。
元素Maとしては、Geと、Yおよび/またはSnとの組み合わせ、YとSnとの組み合わせが挙げられる。元素Maは、少なくともYおよび/またはSnを含むことが好ましい。元素M a に占めるYおよびSnの合計は、例えば、80〜100mol%、好ましくは90〜100mol%であってもよい。元素MaをYおよびSnのみで構成してもよい。元素Maが、少なくともGeを含む場合も好ましい。この場合、合金表面を活性化し易く、保護被膜が形成され易いと考えられる。なお、合金表面に形成される保護被膜は、元素Maを含んでおり、具体的には、元素Maを含む成分(酸化物、水酸化物など)を含んでいる。このような成分は、元素Maとして使用された複数の元素を含む複合酸化物または複合水酸化物であってもよい。
元素Maのうち、Yは、酸素に対する親和性が強く、周辺の酸化物を還元する能力を有する。そのため、元素MaがYを含む場合、水素吸蔵合金の腐食、特に高温での腐食を、より効果的に抑制できる。また、元素Maが、GeおよびYを少なくとも含む場合、これらの元素を含む複合水酸化物が形成され易いため、合金の劣化をより効果的に抑制できる。
なお、Yの還元能は、Paulingの電気陰性度で説明できる。原子が電子を引き付ける傾向を示す尺度として、Paulingの電気陰性度がある。元素の結合エネルギーは、Paulingの電気陰性度の差の二乗に関連する。電気陰性度の差が大きいほど、結合エネルギーは大きい。上記の水素吸蔵合金に含まれる元素のPaulingの電気陰性度は、Yが1.2、Niが1.8、Coが1.8、Alが1.5である。一方、Oは3.5であり、酸素との差が最も大きいのは、Yであり、Yが、酸素に対して、強い結合エネルギーを有する。すなわち、酸素に対して強い親和性があることが分かる。
元素Maのうち、Snは、水素を吸蔵および放出する際の膨張収縮を抑制する能力を有する。そのため、元素MaがSnを含む場合、特に高温で水素を吸蔵および放出する際に、必要以上に膨張収縮することが抑制され、これにより水素吸蔵合金の腐食を抑制することができる。
元素Maが、YとSnとの組み合わせである場合、YとSnとの原子比(Y:Sn)は、1:0.5〜2、好ましくは1:0.7〜1.5、さらに好ましくは1:0.8〜1.2の範囲から選択できる。また、元素Maが、Geと、他の1つの元素(YまたはSn)との組み合わせである場合、Geと、他の1つの元素との原子比(Ge:YまたはSn)は、例えば、1:0.5〜10、好ましくは1:0.7〜5、さらに好ましくは1:0.8〜2の範囲から選択できる。
元素Maが、GeとYとSnとの組み合わせである場合、これらの元素の原子比(Ge:Y:Sn)は、例えば、1:0.5〜10:0.5〜10、好ましくは1:0.7〜5:0.7〜5、さらに好ましくは1:0.8〜2:0.8〜2の範囲から選択できる。
元素LとMgの合計に対する元素Maのモル比βは、0.01以上、好ましくは0.015以上である。また、モル比βは、0.12以下、好ましくは0.11以下、さらに好ましくは0.1以下である。これらの下限値と上限値とは適宜選択して組み合わせることができる。モル比βは、例えば、0.01≦β≦0.11、または0.01≦β≦0.1であってもよい。
モル比βがこのような範囲である場合、元素Ma以外の合金の構成元素が、必要以上に置換され、容量が低下したり、および/または格子欠陥が導入されることにより耐久性が劣化したりすることが抑制される。よって、結果的に、高温保存時などの高温環境下でも、サイクル寿命および/または保存特性が低下するのをより効果的に抑制できる。また、元素MaがSnを含む場合でも、Snの過度な偏析を抑制できるとともに、低温下での電導性の低下を抑制できる。
電解液に対する水素吸蔵合金の構成元素の溶出性は、水素吸蔵合金の結晶構造にも影響される場合がある。水素吸蔵合金は、例えば、AB2型、AB3型(つまり、CeNi3型)、AB5型、A2B7型(つまり、Ce2Ni7型)などの結晶構造を有してもよい。これらのうち、AB3型またはA2B7型(特に、AB3型)の水素吸蔵合金は、水素吸蔵能が高いため、電極を高容量化するのに適している。
なお、本発明の水素吸蔵合金は、金属性結合を有するものであり、このような合金は、水素親和性の高い元素と水素親和性の低い元素とを組み合わせて含む。水素親和性の低い元素は、Bサイトに位置し易く、水素の吸蔵および放出により合金が膨張収縮する際に、顕著な結晶欠陥を生成させないような働きを担う。例えば、AB3型またはA2B7型の水素吸蔵合金では、元素LおよびMgがAサイトに存在し、Ni、Al、Geなどは、Bサイトに存在する。
なお、AB3型またはA2B7型の結晶構造を有する水素吸蔵合金は、結晶構造が複雑で比較的不安定であるため、Mgなどの水素吸蔵合金の構成元素が溶出し易くなる場合がある。ところが、本発明では、元素Maを添加することにより、AB3型またはA2B7型の結晶構造を有する水素吸蔵合金を用いる場合であっても、構成元素の溶出を効果的に抑制することができる。
水素吸蔵合金は、さらに、元素L、Mg、Ni、Alおよび元素Maとは異なる、遷移金属元素、周期表第12〜16族元素(ただし、Nを除く)などの元素Mbを含むことができる。AB3型またはA2B7型の水素吸蔵合金では、このような元素Mbは、Bサイトに存在する。
元素Mbとしては、Niを除く遷移金属元素;Znなどの周期表第12族元素;Alを除く周期表第13族元素(B、Ga、Inなど);GeおよびSnを除く周期表第14族元素(Siなど);Nを除く周期表第15族元素(P、Sb、Biなど);周期表第16族元素(Sなど)などが挙げられる。
上記遷移金属元素としては、例えば、周期表第5族元素(V、Nb、Ta)、第6族元素(Cr、Mo、W)、第7族元素(Mnなど)、第8族元素(Feなど)、第9族元素(Coなど)、第10族元素(Pdなど)、第11族元素(Cu、Agなど)が挙げられる。これらの遷移金属元素のうち、第5族元素、第6族元素、第7〜9族および第11族の第4周期元素(Mn、Fe、Co、Cu)、ならびにAgが好ましい。遷移金属元素以外の元素では、Zn、B、Ga、In、周期表第14〜16族の第3周期元素(Si、P、S)が好ましい。
元素Mbは、上記元素のうちの一種であってもよく、二種以上の組み合わせであってもよい。
元素Mbの中でも、上記遷移金属元素(特に、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Cu、Ag)、Zn、B、Ga、In、Si、およびPからなる群より選択される少なくとも1種が好ましい。水素吸蔵合金が、このような元素Mbを含む場合、水素の吸蔵および放出に伴って、顕著な結晶欠陥が生成するのを、より有効に抑制できる。また、高い充放電特性が得られ易いことに加え、コストを低減し易い。
元素Mbの中でも、上記遷移金属元素(特に、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Cu、Ag)、Zn、B、Ga、In、Si、およびPからなる群より選択される少なくとも1種が好ましい。水素吸蔵合金が、このような元素Mbを含む場合、水素の吸蔵および放出に伴って、顕著な結晶欠陥が生成するのを、より有効に抑制できる。また、高い充放電特性が得られ易いことに加え、コストを低減し易い。
元素Mbは、少なくともCoを含むことが好ましい。元素MbがCoを含む場合、定量的な詳細は明らかではないが、CoがBサイトに入ることによりCoの周囲の元素との結合が強化されるため、水素が吸蔵および放出される際に、合金の膨張収縮に伴って結晶欠陥が生成するのをより効果的に抑制できる。従って、充放電を繰り返しても、合金の割れをより有効に抑制でき、これにより、寿命劣化をより効果的に抑制できる。
元素LとMgの合計に対する元素Mbのモル比zは、0以上であり、好ましくは0.01以上または0.05以上、さらに好ましくは0.1以上または0.2以上である。モル比zは、好ましくは0.8以下、さらに好ましくは0.75以下である。これらの下限値と上限値とは適宜選択して組み合わせることができる。モル比zは、例えば、0.01≦z≦0.8、または0.2≦z≦0.75であってもよい。
元素MbがCoを含む場合、元素LとMgの合計に対するCoのモル比z1は、例えば、0.2≦z1≦0.8であることが好ましく、0.25≦z1≦0.75であることがより好ましい。
元素Mbのモル比zおよびCoのモル比z1が、上記のような範囲である場合、水素の吸蔵および放出時の結晶欠陥の生成をより有効に抑制できるとともに、水素吸蔵サイトを確保し易いため、容量を高め易い。
元素Mbのモル比zおよびCoのモル比z1が、上記のような範囲である場合、水素の吸蔵および放出時の結晶欠陥の生成をより有効に抑制できるとともに、水素吸蔵サイトを確保し易いため、容量を高め易い。
水素吸蔵合金は、Mg以外のアルカリ土類金属元素Mcを含んでもよい。このような元素Mcとしては、Ca、Sr、Baなどが例示できる。このような元素Mcは、イオン結合性の水素化物を形成し易いため、元素Mcを含む水素吸蔵合金では、さらなる高容量化が期待できる。
元素Mcは、上記のアルカリ土類金属元素を一種含んでいてもよく、二種以上含んでもよい。
元素Mcは、SrおよびBaからなる群より選択される少なくとも一種を含むことが好ましい。AB3型またはA2B7型の水素吸蔵合金では、元素Mcは、Aサイトに存在する。
元素Mcは、SrおよびBaからなる群より選択される少なくとも一種を含むことが好ましい。AB3型またはA2B7型の水素吸蔵合金では、元素Mcは、Aサイトに存在する。
元素LとMgの合計に対するMcのモル比wは、例えば、0≦w≦0.5または0.002≦w≦0.5の範囲から選択することができる。
元素LとMgの合計に対するMcのモル比wおよびMgのモル比xの合計が、上記モル比xの範囲となるように、モル比wを調節することが好ましい。モル比の合計(x+w)は、0.01≦x+w≦0.54であることが好ましく、0.01≦x+w≦0.5であることがより好ましい。x+wがこのような範囲である場合、水素を吸蔵し易くなるため、容量を高めることができるとともに、水素の放出性の低下が抑制されるため、電池の放電特性(特に、低温での放電特性)の低下を抑制し易い。
元素LとMgの合計に対するMcのモル比wおよびMgのモル比xの合計が、上記モル比xの範囲となるように、モル比wを調節することが好ましい。モル比の合計(x+w)は、0.01≦x+w≦0.54であることが好ましく、0.01≦x+w≦0.5であることがより好ましい。x+wがこのような範囲である場合、水素を吸蔵し易くなるため、容量を高めることができるとともに、水素の放出性の低下が抑制されるため、電池の放電特性(特に、低温での放電特性)の低下を抑制し易い。
水素吸蔵合金は、さらにNを含んでもよい。従来より、水素吸蔵合金にNを導入すると、窒化物が過度に形成され、これにより、合金の容量が低下すると考えられている。ところが、詳細は定かではないが、水素吸蔵合金に少量のNを導入することにより、水素の固体内移動度が増加する傾向を見出した。これは、水素吸蔵合金結晶内に、Nを起点とした水素の通過パスが形成されることによるものと推測される。水素の固体内拡散係数が向上することにより、放電特性(特に、低温での放電特性)が向上する。よって、Nを含む水素吸蔵合金を用いることにより、高い充放電特性を維持しながらも、コストを低減できる。
元素LとMgの合計に対するNのモル比vは、例えば、0≦v≦0.01、好ましくは0.001≦v≦0.01、さらに好ましくは0.003≦v≦0.01である。Nもモル比vがこのような範囲である場合、放電特性を向上し易くなることに加え、高い容量を確保し易くなる。
水素吸蔵合金としては、例えば、組成式:L1-xMgxNiyAlαMa βMb zMc wNv(式中、L、Ma、Mb、Mc、x、y、α、β、z、wおよびvは、前記に同じ。)で表される合金が例示できる。
電極用合金粉末は、
(i)水素吸蔵合金の構成元素の単体から合金を形成する工程A、
(ii)工程Aで得られた合金を粒状化する工程B、および
(iii)工程Bで得られた粒状物を活性化処理する工程C、
を得ることにより、得ることができる。
(i)水素吸蔵合金の構成元素の単体から合金を形成する工程A、
(ii)工程Aで得られた合金を粒状化する工程B、および
(iii)工程Bで得られた粒状物を活性化処理する工程C、
を得ることにより、得ることができる。
(i)工程A(合金化工程)
工程Aでは、例えば、公知の合金化方法を利用することにより、構成成分の単体から合金を形成できる。このような合金化方法としては、例えば、プラズマアーク溶融法、高周波溶融(金型鋳造)法、メカニカルアロイング法(機械合金法)、メカニカルミリング法、急冷凝固法(具体的には、金属材料活用事典(産業調査会、1999)などに記載されているロールスピニング法、メルトドラッグ法、直接鋳造圧延法、回転液中紡糸法、スプレイフォーミング法、ガスアトマイズ法、湿式噴霧法、スプラット法、急冷凝固薄帯粉砕法、ガス噴霧スプラット法、メルトエクストラクション法、回転電極法など)を用いることができる。これらの方法は、単独で用いてもよく、複数の方法を組み合わせてもよい。
工程Aでは、例えば、公知の合金化方法を利用することにより、構成成分の単体から合金を形成できる。このような合金化方法としては、例えば、プラズマアーク溶融法、高周波溶融(金型鋳造)法、メカニカルアロイング法(機械合金法)、メカニカルミリング法、急冷凝固法(具体的には、金属材料活用事典(産業調査会、1999)などに記載されているロールスピニング法、メルトドラッグ法、直接鋳造圧延法、回転液中紡糸法、スプレイフォーミング法、ガスアトマイズ法、湿式噴霧法、スプラット法、急冷凝固薄帯粉砕法、ガス噴霧スプラット法、メルトエクストラクション法、回転電極法など)を用いることができる。これらの方法は、単独で用いてもよく、複数の方法を組み合わせてもよい。
工程Aでは、各構成元素の単体を混合し、得られた混合物を、上記の方法などにより合金化することができる。混合物を、加熱により溶融して、構成元素を合金化してもよい。このような合金化には、例えば、プラズマアーク溶融法、高周波溶融(金型鋳造)法、急冷凝固法が適している。また、急冷凝固法とメカニカルアロイング法とを組み合わせてもよい。
工程Aにおいて、各構成元素の単体を混合する際には、水素吸蔵合金が所望の組成となるように、各単体のモル比、質量比などを調整する。なお、Nを含む水素吸蔵合金は、工程A、または工程Aに含まれるサブ工程(例えば、後述の合金の固化工程、インゴットの加熱工程など)を、窒素雰囲気下で行うことにより得ることができる。
溶融状態の合金は、工程Bでの粒状化に先立って固化される。合金の固化は、溶融状態の合金を、必要に応じて鋳型などに供給し、鋳型内で冷却することにより行うことができる。合金中での構成元素の分散性を高める観点から、供給速度などを適宜調整してもよい。
得られた固化状態の合金(インゴット)は、必要に応じて、加熱処理してもよい。加熱処理を行うことにより、水素吸蔵合金中での構成元素の分散性を調整し易くなり、構成元素の溶出および/または偏析をより効果的に抑制できるとともに、水素吸蔵合金を活性化し易くなる。
加熱は、特に制限されず、例えば、900〜1100℃の温度で、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下で行うことができる。
加熱は、特に制限されず、例えば、900〜1100℃の温度で、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下で行うことができる。
(ii)工程B(粒状化工程)
工程Bでは、工程Aで得られた合金(具体的には、インゴット)を粒状化する。合金の粒状化は、湿式粉砕、乾式粉砕などにより行うことができ、これらを組み合わせてもよい。粉砕は、ボールミルなどにより行うことができる。湿式粉砕では、水などの液体媒体を用いてインゴットを粉砕する。なお、得られた粒子は、必要に応じて分級してもよい。
工程Bでは、工程Aで得られた合金(具体的には、インゴット)を粒状化する。合金の粒状化は、湿式粉砕、乾式粉砕などにより行うことができ、これらを組み合わせてもよい。粉砕は、ボールミルなどにより行うことができる。湿式粉砕では、水などの液体媒体を用いてインゴットを粉砕する。なお、得られた粒子は、必要に応じて分級してもよい。
得られる合金粒子の平均粒径は、例えば、5〜50μm、好ましくは5〜30μmである。平均粒径がこのような範囲である場合、水素吸蔵合金の表面積を適度な範囲に維持することができ、より有効に、耐食性の低下を抑制できるとともに、水素吸蔵反応の低下を抑制できる。なお、本明細書中、平均粒径とは、体積基準のメディアン径を意味する。
また、工程Bで得られる合金粒子を、電極用合金粉末の原料粉末と称する場合がある。
また、工程Bで得られる合金粒子を、電極用合金粉末の原料粉末と称する場合がある。
(iii)工程C(活性化工程)
工程Cにおいて、粉砕物(原料粉末)の活性化は、粉砕物を、アルカリ水溶液と接触させることにより行うことができる。アルカリ水溶液と原料粉末との接触は、特に制限されず、例えば、アルカリ水溶液中に、原料粉末を浸漬させたり、アルカリ水溶液中に原料粉末を添加して撹拌したり、またはアルカリ水溶液を原料粉末に噴霧したりすることにより行うことができる。活性化は、必要に応じて、加熱下で行ってもよい。
工程Cにおいて、粉砕物(原料粉末)の活性化は、粉砕物を、アルカリ水溶液と接触させることにより行うことができる。アルカリ水溶液と原料粉末との接触は、特に制限されず、例えば、アルカリ水溶液中に、原料粉末を浸漬させたり、アルカリ水溶液中に原料粉末を添加して撹拌したり、またはアルカリ水溶液を原料粉末に噴霧したりすることにより行うことができる。活性化は、必要に応じて、加熱下で行ってもよい。
アルカリ水溶液としては、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウムなどのアルカリ金属水酸化物などを、アルカリとして含む水溶液が使用できる。これらのうち、水酸化ナトリウムおよび/または水酸化カリウムなどを用いることが好ましい。
活性化の効率、生産性、工程の再現性などの観点から、アルカリ水溶液中のアルカリの濃度は、例えば、5〜50質量%、好ましくは10〜45質量%である。
活性化の効率、生産性、工程の再現性などの観点から、アルカリ水溶液中のアルカリの濃度は、例えば、5〜50質量%、好ましくは10〜45質量%である。
アルカリ水溶液による活性化処理の後、得られる合金粉末を水洗してもよい。合金粉末の表面に不純物が残存するのを低減するため、水洗は洗浄に用いた水のpHが9以下になってから終了することが好ましい。
活性化処理後の合金粉末は、通常、乾燥される。
活性化処理後の合金粉末は、通常、乾燥される。
本発明の電極用合金粉末は、このような工程を経ることにより得ることができ、高温寿命特性などの寿命特性と、低温放電特性などの放電特性とを両立させることができるため、アルカリ蓄電池の負極活物質として使用するのに適している。
(アルカリ蓄電池)
アルカリ蓄電池は、正極と、負極と、正極および負極の間に介在するセパレータと、アルカリ電解液とを具備する。
負極は、上記の電極用合金粉末を、負極活物質として含む。
アルカリ蓄電池は、正極と、負極と、正極および負極の間に介在するセパレータと、アルカリ電解液とを具備する。
負極は、上記の電極用合金粉末を、負極活物質として含む。
アルカリ蓄電池の構成を、図1を参照しながら以下に説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るアルカリ蓄電池の構造を模式的に示す縦断面図である。アルカリ蓄電池は、負極端子を兼ねる有底円筒型の電池ケース4と、電池ケース4内に収容された電極群および図示しないアルカリ電解液とを含む。電極群では、負極1と、正極2と、これらの間に介在するセパレータ3とが、渦巻き状に巻回されている。電池ケース4の開口部には、絶縁ガスケット8を介して、安全弁6を備える封口板7が配置され、電池ケース4の開口端部が内側にかしめられることにより、アルカリ蓄電池が密閉されている。封口板7は、正極端子を兼ねており、正極リード9を介して、正極2と電気的に接続されている。
このようなアルカリ蓄電池は、電極群を、電池ケース4内に収容し、アルカリ電解液を注液し、電池ケース4の開口部に絶縁ガスケット8を介して封口板7を配置し、電池ケース4の開口端部を、かしめ封口することにより得ることができる。このとき、電極群の負極1と、電池ケース4とは、電極群と電池ケース4の内底面との間に配置された負極集電板を介して電気的に接続させる。また、電極群の正極2と、封口板7とは、正極リード9を介して電気的に接続させる。
本発明では、上記のような電極用合金粉末を、負極活物質として用いる。そのため、アルカリ蓄電池のうち、特に、ニッケル水素蓄電池が好ましい。
以下に、ニッケル水素蓄電池の構成要素をより具体的に説明する。
(負極)
負極は、上記の電極用合金粉末を負極活物質として含む限り特に制限されず、他の構成要素としては、ニッケル水素蓄電池において使用される公知のものが使用できる。
(負極)
負極は、上記の電極用合金粉末を負極活物質として含む限り特に制限されず、他の構成要素としては、ニッケル水素蓄電池において使用される公知のものが使用できる。
負極は、芯材と、芯材に付着した負極活物質とを含んでもよい。このような負極は、芯材に少なくとも負極活物質を含む負極ペーストを付着させることにより形成できる。
負極芯材としては、公知のものが使用でき、ステンレス鋼、ニッケルまたはその合金などで形成された多孔性または無孔の基板が例示できる。芯材が多孔性基板の場合、活物質は、芯材の空孔に充填されていてもよい。
負極芯材としては、公知のものが使用でき、ステンレス鋼、ニッケルまたはその合金などで形成された多孔性または無孔の基板が例示できる。芯材が多孔性基板の場合、活物質は、芯材の空孔に充填されていてもよい。
負極ペーストには、通常、分散媒が含まれ、必要に応じて、負極に使用される公知の成分、例えば、導電剤、結着剤、増粘剤などを添加してもよい。
負極は、例えば、芯材に負極ペーストを塗布した後、乾燥により分散媒を除去し、圧延することにより形成できる。
分散媒としては、公知の媒体、例えば、水、有機媒体、これらの混合媒体などが使用できる。
負極は、例えば、芯材に負極ペーストを塗布した後、乾燥により分散媒を除去し、圧延することにより形成できる。
分散媒としては、公知の媒体、例えば、水、有機媒体、これらの混合媒体などが使用できる。
導電剤としては、電子伝導性を有する材料であれば特に限定されない。例えば、天然黒鉛(鱗片状黒鉛など)、人造黒鉛、膨張黒鉛などのグラファイト;アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカ−ボンブラック;炭素繊維、金属繊維などの導電性繊維;銅粉などの金属粒子;ポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料などが例示できる。これらの導電剤は、一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて用いてもよい。これらのうち、人造黒鉛、ケッチェンブラック、炭素繊維などが好ましい。
導電剤の量は、電極用合金粉末100質量部に対して、例えば、0.01〜50質量部、好ましくは0.1〜30質量部、さらに好ましくは0.1〜10質量部である。
導電剤の量は、電極用合金粉末100質量部に対して、例えば、0.01〜50質量部、好ましくは0.1〜30質量部、さらに好ましくは0.1〜10質量部である。
導電剤は、負極ペーストに添加し、他の成分とともに混合して用いてもよい。また、電極用合金粉末の表面に、導電剤を予め被覆させてもよい。導電剤の被覆は、公知の方法、例えば、電極用合金粉末の表面に、導電剤をまぶしたり、導電剤を含む分散液を付着させて乾燥させたり、またはメカノケミカル法などにより機械的に被覆させたりすることにより行うことができる。
結着剤としては、樹脂材料、例えば、スチレン−ブタジエン共重合ゴム(SBR)などのゴム状材料;ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂;ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体などのフッ素樹脂;エチレン−アクリル酸共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体、エチレン−アクリル酸メチル共重合体などのアクリル樹脂およびそのNaイオン架橋体などが例示できる。これらの結着剤は、一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて使用できる。
結着剤の量は、電極用合金粉末100質量部に対して、例えば、0.01〜10質量部、好ましくは0.05〜5質量部である。
結着剤の量は、電極用合金粉末100質量部に対して、例えば、0.01〜10質量部、好ましくは0.05〜5質量部である。
増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)およびその変性体(Na塩などの塩も含む)、メチルセルロースなどのセルロース誘導体;ポリビニルアルコールなどの酢酸ビニルユニットを有するポリマーのケン化物;ポリエチレンオキシドなどのポリアルキレンオキサイドなどが挙げられる。これらの増粘剤は、一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて使用できる。
増粘剤の量は、電極用合金粉末100質量部に対して、例えば、0.01〜10質量部、好ましくは0.05〜5質量部である。
増粘剤の量は、電極用合金粉末100質量部に対して、例えば、0.01〜10質量部、好ましくは0.05〜5質量部である。
(正極)
正極は、芯材と、これに付着した活物質または活物質層とを含んでもよい。また、正極は、活物質粉末を焼結した電極であってもよい。
正極は、例えば、芯材に少なくとも正極活物質を含む正極ペーストを付着させることにより形成できる。より具体的には、正極は、芯材に正極ペーストを塗布した後、乾燥により分散媒を除去し、圧延することにより形成できる。
正極は、芯材と、これに付着した活物質または活物質層とを含んでもよい。また、正極は、活物質粉末を焼結した電極であってもよい。
正極は、例えば、芯材に少なくとも正極活物質を含む正極ペーストを付着させることにより形成できる。より具体的には、正極は、芯材に正極ペーストを塗布した後、乾燥により分散媒を除去し、圧延することにより形成できる。
正極芯材としては、公知のものが使用でき、ニッケル発泡体、焼結ニッケル板などのニッケルまたはニッケル合金などで形成された多孔性基板が例示できる。
正極活物質としては、例えば、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケルなどのニッケル化合物が使用される。
正極活物質としては、例えば、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケルなどのニッケル化合物が使用される。
正極ペーストには、通常、分散媒が含まれ、必要に応じて、正極に使用される公知の成分、例えば、導電剤、結着剤、増粘剤などを添加してもよい。分散媒、導電剤、結着剤および増粘剤およびその量としては、負極ペーストの場合と同様のものまたは範囲からそれぞれ選択できる。導電剤としては、水酸化コバルト、γ型のオキシ水酸化コバルトなどの導電性のコバルト酸化物を用いてもよい。また、正極ペーストは、添加剤として、酸化亜鉛、水酸化亜鉛などの金属化合物(酸化物、水酸化物など)などを含んでもよい。
(その他)
セパレータとしては、ポリエチレンおよびポリプロピレンなどのポリオレフィン製の微多孔フィルムまたは不織布などが使用できる。
セパレータとしては、ポリエチレンおよびポリプロピレンなどのポリオレフィン製の微多孔フィルムまたは不織布などが使用できる。
アルカリ電解液としては、例えば、アルカリ性の溶質を含む水溶液が使用される。このような溶質としては、水酸化リチウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどのアルカリ金属水酸化物が例示できる。これらは、一種を単独でまたは二種以上を組み合わせて使用できる。アルカリ電解液は、アルカリ性の溶質として、少なくとも水酸化カリウムを含むことが好ましく、さらに水酸化ナトリウムおよび/または水酸化リチウムを含むことが好ましい。
アルカリ電解液の比重は、例えば、1.03〜1.55、好ましくは1.11〜1.32である。
アルカリ電解液の比重は、例えば、1.03〜1.55、好ましくは1.11〜1.32である。
以下、本発明を実施例および比較例に基づいて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。
実施例1
(1)原料粉末の作製
元素LとしてのLa、Mg、Ni、Al、元素MaとしてのYおよびGe、ならびに元素MbとしてのCoの各単体を、表1に示す係数比となるような割合で混合し、高周波溶解炉で溶融した。なお、YとGeとの原子比は、Y:Ge=1:1とした。
溶融した金属を、鋳型へ流し込み、インゴットを作製した。得られたインゴットを、アルゴン雰囲気下、1060℃で10時間加熱した。加熱後のインゴットを、粗粒子に粉砕した。得られた粗粒子を、湿式ボールミルを用いて水の存在下で粉砕し、湿潤状態でメッシュ径が75μmの篩でふるい、平均粒径20μmの水素吸蔵合金を含む原料粉末を得た。
(1)原料粉末の作製
元素LとしてのLa、Mg、Ni、Al、元素MaとしてのYおよびGe、ならびに元素MbとしてのCoの各単体を、表1に示す係数比となるような割合で混合し、高周波溶解炉で溶融した。なお、YとGeとの原子比は、Y:Ge=1:1とした。
溶融した金属を、鋳型へ流し込み、インゴットを作製した。得られたインゴットを、アルゴン雰囲気下、1060℃で10時間加熱した。加熱後のインゴットを、粗粒子に粉砕した。得られた粗粒子を、湿式ボールミルを用いて水の存在下で粉砕し、湿潤状態でメッシュ径が75μmの篩でふるい、平均粒径20μmの水素吸蔵合金を含む原料粉末を得た。
(2)電極用合金粉末の作製
上記(1)で得られた原料粉末と、水酸化ナトリウムを40質量%の濃度で含む温度が100℃のアルカリ水溶液とを混合し、50分間撹拌を続けた。得られた粉末を回収し、温水で洗浄し、脱水後、乾燥した。洗浄は、使用後の温水のpHが9以下になるまで行った。その結果、不純物が除去された状態の電極用合金粉末を得た。電極用合金粉末の水素吸蔵合金は、組成式:La1-xMgxNiyAlαMa βCoz1で表すことができる。水素吸蔵合金の結晶構造をX線回折により確認したところ、AB3型の結晶構造を有することが確認された。
上記(1)で得られた原料粉末と、水酸化ナトリウムを40質量%の濃度で含む温度が100℃のアルカリ水溶液とを混合し、50分間撹拌を続けた。得られた粉末を回収し、温水で洗浄し、脱水後、乾燥した。洗浄は、使用後の温水のpHが9以下になるまで行った。その結果、不純物が除去された状態の電極用合金粉末を得た。電極用合金粉末の水素吸蔵合金は、組成式:La1-xMgxNiyAlαMa βCoz1で表すことができる。水素吸蔵合金の結晶構造をX線回折により確認したところ、AB3型の結晶構造を有することが確認された。
(3)負極の作製
上記(2)で得られた電極用合金粉末100質量部に対して、CMC(エーテル化度0.7、重合度1600)0.15質量部、アセチレンブラック0.3質量部およびSBR0.7質量部を加え、さらに水を添加して練合することにより、負極ペーストを調製した。得られた負極ペーストを、ニッケルメッキを施した鉄製パンチングメタル(厚み60μm、孔径1mm、開孔率42%)からなる芯材の両面に塗布した。ペーストの塗膜は、乾燥後、芯材とともにローラでプレスした。こうして、厚み0.4mm、幅35mm、容量2200mAhの負極を得た。負極の長手方向に沿う一端部には、芯材の露出部を設けた。
上記(2)で得られた電極用合金粉末100質量部に対して、CMC(エーテル化度0.7、重合度1600)0.15質量部、アセチレンブラック0.3質量部およびSBR0.7質量部を加え、さらに水を添加して練合することにより、負極ペーストを調製した。得られた負極ペーストを、ニッケルメッキを施した鉄製パンチングメタル(厚み60μm、孔径1mm、開孔率42%)からなる芯材の両面に塗布した。ペーストの塗膜は、乾燥後、芯材とともにローラでプレスした。こうして、厚み0.4mm、幅35mm、容量2200mAhの負極を得た。負極の長手方向に沿う一端部には、芯材の露出部を設けた。
(4)正極の作製
多孔性焼結基板からなる正極芯材に、正極合剤を充填させて得られた容量1500mAhの焼結式正極を準備した。正極合剤は、約90質量部のNi(OH)2(正極活物質)、添加剤として約6質量部のZn(OH)2、および導電剤として約4質量部のCo(OH)2を含む。正極芯材の長手方向に沿う一方の端部には、活物質を保持しない芯材の露出部を設けた。
多孔性焼結基板からなる正極芯材に、正極合剤を充填させて得られた容量1500mAhの焼結式正極を準備した。正極合剤は、約90質量部のNi(OH)2(正極活物質)、添加剤として約6質量部のZn(OH)2、および導電剤として約4質量部のCo(OH)2を含む。正極芯材の長手方向に沿う一方の端部には、活物質を保持しない芯材の露出部を設けた。
(5)ニッケル水素蓄電池の作製
上記で得られた負極および正極を用いて、図1に示すような4/5Aサイズで公称容量1500mAhのニッケル水素蓄電池を作製した。具体的には、正極2と負極1とを、セパレータ3を介して捲回し、円柱状の極板群を作製した。極板群では、正極芯材の露出部と、負極芯材の露出部とを、それぞれ反対側の端面に露出させた。セパレータ3には、スルホン化処理したポリプロピレン製の不織布(厚み100μm)を用いた。正極芯材が露出する極板群の端面には正極リード9を溶接した。
上記で得られた負極および正極を用いて、図1に示すような4/5Aサイズで公称容量1500mAhのニッケル水素蓄電池を作製した。具体的には、正極2と負極1とを、セパレータ3を介して捲回し、円柱状の極板群を作製した。極板群では、正極芯材の露出部と、負極芯材の露出部とを、それぞれ反対側の端面に露出させた。セパレータ3には、スルホン化処理したポリプロピレン製の不織布(厚み100μm)を用いた。正極芯材が露出する極板群の端面には正極リード9を溶接した。
負極芯材が露出する極板群の端面には、負極集電板を溶接した。正極リード9を介して封口板7と正極2とを電気的に接続させた。その後、負極集電板を下方にして、極板群を円筒形の有底缶からなる電池ケース4に収容した。負極集電板と接続された負極リードを、電池ケース4の底部と溶接した。電池ケース4に電解液を注液した後、周縁にガスケット8を具備する封口板7で、電池ケース4の開口部を封口し、ニッケル水素蓄電池を完成させた。
なお、電解液には、アルカリとして、水酸化カリウム1質量%、水酸化ナトリウム15質量%、および水酸化リチウム0.1質量%を含む、アルカリ水溶液(比重:1.23)を用いた。
実施例2〜20および比較例1〜8
実施例1の工程(1)において、各構成元素の単体を、表1に示す係数比となるような割合で混合する以外は、実施例1と同様に原料粉末を得た。得られた原料粉末を用いる以外は、実施例1と同様にして負極、およびニッケル水素蓄電池を作製した。
実施例1の工程(1)において、各構成元素の単体を、表1に示す係数比となるような割合で混合する以外は、実施例1と同様に原料粉末を得た。得られた原料粉末を用いる以外は、実施例1と同様にして負極、およびニッケル水素蓄電池を作製した。
実施例21〜23および比較例9〜11
実施例1の工程(1)において、元素Maとして、表1に示すものを使用する以外は、実施例1と同様に原料粉末を得た。得られた原料粉末を用いる以外は、実施例1と同様にして負極、およびニッケル水素蓄電池を作製した。なお、元素Maが2種の元素を含む場合には、両者の原子比は1:1とし、3種の元素を含む場合には、各元素の原子比は、1:1:1とした。
実施例1の工程(1)において、元素Maとして、表1に示すものを使用する以外は、実施例1と同様に原料粉末を得た。得られた原料粉末を用いる以外は、実施例1と同様にして負極、およびニッケル水素蓄電池を作製した。なお、元素Maが2種の元素を含む場合には、両者の原子比は1:1とし、3種の元素を含む場合には、各元素の原子比は、1:1:1とした。
実施例および比較例で得られた電極合金粉末およびニッケル水素蓄電池について、下記の評価を行った。
(a)高温寿命特性
各実施例および比較例のニッケル水素蓄電池を、40℃環境下にて10時間率(150mA)で15時間充電し、5時間率(300mA)で電池電圧が1.0Vになるまで放電した。この充放電サイクルを100回繰り返した。2サイクル目の放電容量に対する100サイクル目の放電容量の比率を、容量維持率として百分率で求めた。
(a)高温寿命特性
各実施例および比較例のニッケル水素蓄電池を、40℃環境下にて10時間率(150mA)で15時間充電し、5時間率(300mA)で電池電圧が1.0Vになるまで放電した。この充放電サイクルを100回繰り返した。2サイクル目の放電容量に対する100サイクル目の放電容量の比率を、容量維持率として百分率で求めた。
(b)低温放電特性
ニッケル水素蓄電池を、20℃にて、電流値0.75Aで、容量が理論容量の120%になるまで充電し、20℃にて、電流値1.5Aで電池電圧が1.0Vに低下するまで放電し、このときの容量(初期放電容量)を測定した。
さらに、ニッケル水素蓄電池を、20℃にて、電流値0.75Aで、容量が理論容量の120%になるまで充電し、0℃にて、電流値1.5Aで電池電圧が1.0Vに低下するまで放電し、このときの容量(低温放電容量)を測定した。
低温放電容量を初期放電容量で除して百分率で表し、この値を低温放電特性の指標とした。
ニッケル水素蓄電池を、20℃にて、電流値0.75Aで、容量が理論容量の120%になるまで充電し、20℃にて、電流値1.5Aで電池電圧が1.0Vに低下するまで放電し、このときの容量(初期放電容量)を測定した。
さらに、ニッケル水素蓄電池を、20℃にて、電流値0.75Aで、容量が理論容量の120%になるまで充電し、0℃にて、電流値1.5Aで電池電圧が1.0Vに低下するまで放電し、このときの容量(低温放電容量)を測定した。
低温放電容量を初期放電容量で除して百分率で表し、この値を低温放電特性の指標とした。
表1から明らかなように、Mg、Ni、Alおよび元素Maの係数(モル比)が、特定の範囲である実施例では、高温寿命特性および低温放電特性のいずれも高く、これらの特性が高いレベルで両立できている。それに対し、上記元素のモル比が、特定の範囲を外れる比較例では、高温寿命特性および/または低温放電特性が低下し、両者を両立できなかった。
また、元素Maが、YおよびSn、Y、GeおよびSn、もしくはGeおよびSnである場合にも、YおよびGeを用いた場合と同様の効果が得られた。それに対して、元素MaがGeのみである比較例9では、低温放電特性は、ある程度の値を示したが、高温寿命特性は低くなった。また、元素MaがSnまたはYである場合、低温放電特性および高温寿命特性の双方の向上効果が不十分であった(比較例10および11)。
実施例24および25
実施例1の原料粉末の作製工程(1)において、さらに、元素Mcとして、表2に示すものを添加した以外は、実施例1と同様に原料粉末を得た。得られた原料粉末を用いる以外は、実施例1と同様にして負極、およびニッケル水素蓄電池を作製し、上記と同様の評価を行った。
実施例1の原料粉末の作製工程(1)において、さらに、元素Mcとして、表2に示すものを添加した以外は、実施例1と同様に原料粉末を得た。得られた原料粉末を用いる以外は、実施例1と同様にして負極、およびニッケル水素蓄電池を作製し、上記と同様の評価を行った。
実施例26
実施例1の原料粉末の作製工程(1)において、溶融した金属を鋳型中で冷却する際に窒素ガス雰囲気下で行った以外は、実施例1と同様に原料粉末を得た。得られた原料粉末を用いる以外は、実施例1と同様にして負極、およびニッケル水素蓄電池を作製し、上記と同様の評価を行った。なお、電極用合金粉末中のNのモル比vを、不活性ガス溶融―熱伝導度法(熱伝導度検出器(Thermal Conductivity Detector:TCD))により測定したところ、モル比率で0.008であった。
実施例24〜26の結果を表2に示す。
実施例1の原料粉末の作製工程(1)において、溶融した金属を鋳型中で冷却する際に窒素ガス雰囲気下で行った以外は、実施例1と同様に原料粉末を得た。得られた原料粉末を用いる以外は、実施例1と同様にして負極、およびニッケル水素蓄電池を作製し、上記と同様の評価を行った。なお、電極用合金粉末中のNのモル比vを、不活性ガス溶融―熱伝導度法(熱伝導度検出器(Thermal Conductivity Detector:TCD))により測定したところ、モル比率で0.008であった。
実施例24〜26の結果を表2に示す。
表2に示されるように、実施例24〜26のいずれにおいても、高い高温寿命特性および優れた低温放電特性が得られた。元素Mcとして、SrまたはBaを含む水素吸蔵合金を用いた実施例24および25では、容量増加の点でも高い効果が得られた。
本発明を現時点での好ましい実施態様に関して説明したが、そのような開示を限定的に解釈してはならない。種々の変形および改変は、上記開示を読むことによって本発明に属する技術分野における当業者には間違いなく明らかになるであろう。したがって、添付の請求の範囲は、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、すべての変形および改変を包含する、と解釈されるべきものである。
本発明では、アルカリ蓄電池の高い放電特性(低温放電特性など)と優れた寿命特性(高温寿命特性など)とを両立できる電極用合金粉末を得ることができる。このような電極用合金粉末は、広い温度範囲で高い電池特性を得ることができる。そのため、乾電池の代替品の他、各種機器の電源としての利用が期待されるとともに、過酷な環境下で使用されるハイブリッド自動車用電源などの用途にも期待できる。
1 負極
2 正極
3 セパレータ
4 電池ケース
6 安全弁
7 封口板
8 絶縁ガスケット
9 正極リード
2 正極
3 セパレータ
4 電池ケース
6 安全弁
7 封口板
8 絶縁ガスケット
9 正極リード
Claims (9)
- 水素吸蔵合金を含み、
前記水素吸蔵合金が、元素L、Mg、Ni、Al、元素Maおよび元素Mcを含み、
前記元素Lが、周期表第3族元素および第4族元素からなる群より選択される少なくと
も1種(ただし、Yを除く)であり、
前記元素Maが、Ge、YおよびSnからなる群より選択される少なくとも2種であり、
前記元素Mcが、SrおよびBaからなる群より選択される少なくとも1種を含み、
前記元素LとMgの合計に占めるMgのモル比xが、0.008≦x≦0.54であり、
前記元素LとMgの合計に対するNiのモル比yが、1.6≦y≦4であり、
前記元素LとMgの合計に対するAlのモル比αが、0.008≦α≦0.32であり、
前記元素LとMgの合計に対する元素Maのモル比βが、0.01≦β≦0.12であり、
前記元素LとMgの合計に対する元素Mcのモル比wおよびMgのモル比xが、0.01≦x+w≦0.5を充足する、電極用合金粉末。 - 水素吸蔵合金を含み、
前記水素吸蔵合金が、元素L、Mg、Ni、Al、元素Ma、およびNを含み、
前記元素Lが、周期表第3族元素および第4族元素からなる群より選択される少なくとも1種(ただし、Yを除く)であり、
前記元素Maが、Ge、YおよびSnからなる群より選択される少なくとも2種であり、
前記元素LとMgの合計に占めるMgのモル比xが、0.008≦x≦0.54であり、
前記元素LとMgの合計に対するNiのモル比yが、1.6≦y≦4であり、
前記元素LとMgの合計に対するAlのモル比αが、0.008≦α≦0.32であり、
前記元素LとMgの合計に対する元素Maのモル比βが、0.01≦β≦0.12であり、
前記元素LとMgの合計に対するNのモル比vが、0.001≦v≦0.01である、電極用合金粉末。 - 前記水素吸蔵合金が、さらに、元素Mcを含み、
前記元素Mcが、SrおよびBaからなる群より選択される少なくとも1種を含み、
前記元素LとMgの合計に対するMcのモル比wおよび前記Mgのモル比xが、0.01≦x+w≦0.5を充足する、請求項2に記載の電極用合金粉末。 - 前記水素吸蔵合金が、さらに、元素Mbを含み、
前記元素Mbが、少なくともCoを含み、
前記元素LとMgの合計に対する元素Mbのモル比zが、0.01≦z≦0.8である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電極用合金粉末。 - 前記元素LとMgの合計に対するCoのモル比z1が、0.25≦z1≦0.75である、請求項4に記載の電極用合金粉末。
- 前記Mgのモル比xが、0.25≦x≦0.35である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電極用合金粉末。
- 前記水素吸蔵合金が、CeNi3型またはCe2Ni7型の結晶構造を有する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電極用合金粉末。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の電極用合金粉末を負極活物質として含む、アルカリ蓄電池用負極。
- 正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に介在するセパレータと、アルカリ電解液とを具備し、
前記負極が、請求項8に記載のアルカリ蓄電池用負極である、アルカリ蓄電池。
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