JP6335531B2

JP6335531B2 - アルカリ電池

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Publication number: JP6335531B2
Application number: JP2014016169A
Authority: JP
Inventors: 秀典都築; 賢大遠藤; 武男野上; 祐紀夏目
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2034-01-30
Also published as: JP2015141888A

Description

本発明は、ゲル状の負極を備えたアルカリ電池に関する。

昨今、デジタルカメラやビデオカメラ、携帯電話機、スマートフォンなどの電子機器の高性能化及び小型化が進んでおり、こうした電子機器の電源として用いられるアルカリ電池に対する放電性能や耐衝撃性に関して性能向上の要求が高まっている。

アルカリ電池の性能改善に関し、例えば、特許文献１には、高負荷放電特性や漏液の発生を抑制すべく、亜鉛合金粉末を含む負極と、正極と、負極と正極との間に配されるセパレータと、電解液とを具備した亜鉛アルカリ電池において、上記亜鉛合金粉末として粒径７５μｍ以下の微粉末を２０〜５０重量％含むものを用いることが記載されている。

また特許文献２には、アルカリ電池の陰極に用いるゲル化剤を改良することにより、アルカリ電池の放電性能や耐衝撃性の向上、アルカリ電解液の高速充填への対応、電解液の充填量のバラツキの抑制、電池内部の圧力の上昇による電解液の流出や電池の破損防止等を図ることが記載されている。

特開２００７−２９４４２４号公報特開２００６−４９３０６号公報

上記のように、特許文献１では、負極材料の亜鉛合金粉末として比表面積の大きな微粉末を用いることにより高負荷放電特性の向上を図っているが、微粉末を用いることで亜鉛粒子同士が接触しにくくなるため耐衝撃性は低下する。また、耐衝撃性の低下を補完すべく、特許文献２のようにゲル化剤（吸水樹脂）を添加すれば亜鉛の流動性が低下して放電性能に影響が生じる。

本発明はこうした観点に基づきなされたものであり、アルカリ電池の性能向上を図ることを目的としている。

上記目的を達成するための本発明の一つは、有底円筒状の正極缶に、アルカリ電解液、ゲル化剤、及び亜鉛を主成分とする粉末を含むゲル状の負極が収容されてなるアルカリ電池であって、前記粉末は、粒度が７５μｍ以下の粒子を２５〜４０質量％の範囲で含み、前記ゲル化剤は、前記アルカリ電解液の吸水倍率（４０質量％水酸化カリウム水溶液の吸水倍率）が３７倍以上である吸水樹脂を含み、前記正極缶の軸方向が地面と水平になるように１ｍの高さに支持し、当該支持位置からコンクリートの床に自由落下させた後の短絡時最大電流が１５Ａ以上であることを特徴としている。

また本発明の他の一つは、上記アルカリ電池であって、前記アルカリ電解液は、前記吸水樹脂を０．７〜１．７質量％の範囲で含むことを特徴としている。

また本発明の他の一つは、上記アルカリ電池であって、前記ゲル状の負極は、亜鉛を６５〜７０質量％の範囲で含むことを特徴としている。

その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、アルカリ電池の性能を向上することができる。

一般的な円筒形アルカリ電池の構造を示す図である。

図１に本発明の適用の対象となる一般的な円筒形アルカリ電池（ＬＲ６型（単三形）アルカリ電池）の構成（以下、アルカリ電池１と称する。）を例示している。尚、同図ではアルカリ電池１を縦断面図（円筒軸の延長方向を上下（縦）方向としたときの断面図）として示している。

同図に示すように、アルカリ電池１は、有底筒状の金属製の電池缶（以下、正極缶１１と称する。）、正極缶１１に挿入される正極合剤２１、正極合剤２１の内周側に設けられる有底円筒状のセパレータ２２、セパレータ２２の内周側に充填される負極合剤２３、正極缶１１の開口部に樹脂製の封口ガスケット３５を介して嵌着される負極端子板３２、及び負極端子板３２の内側にスポット溶接等によって固設される、真鍮等の素材からなる棒状の負極集電子３１を備えている。正極合剤２１、セパレータ２２、及び負極合剤２３は、アルカリ電池１の発電要素２０を構成している。

正極缶１１は導電性であり、例えば、ニッケルメッキ鋼板等の金属材をプレス加工することにより形成したものである。正極缶１１は、正極集電体と正極端子の機能を兼ねており、その底部に凸状の正極端子部１２が一体形成されている。

正極合剤２１は、正極活物質としての電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）、導電材としての黒鉛、及び水酸化カリウム（ＫＯＨ）を主成分とするアルカリ電解液を、ポリアクリル酸などのバインダーとともに混合し、その混合物を圧延、解砕、造粒、分級等の工程にて処理した後、圧縮して中空円筒状（環状）に成形したものである。同図に示すように、正極缶１１内には、中空円筒状のペレットからなる複数の正極合剤２１が、正極缶１１の円筒軸と同軸になるように、上下方向に積層されて圧入されている。図１のアルカリ電池１では、正極缶１１内に３つの正極合剤２１を圧入している。

負極合剤２３は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を主成分とするアルカリ電解液とゲル化剤とを含むゲル状の電解液に、負極活物質としての亜鉛合金粉末を分散させたものである。ゲル化剤は、耐アルカリ性の高吸水性高分子からなる吸水樹脂を含む。本実施形態のアルカリ電池１においては、ゲル化剤として、架橋型のポリアクリル酸塩（例えば、特開２００６−４９３３０６号公報を参照）を用いている。亜鉛合金粉末は、ガスアトマイズ法や遠心噴霧法によって造粉されたものであり、亜鉛、ガスの発生の抑制（漏液防止）等を目的として添加される合金成分（ビスマス、アルミニウム、インジウム等）を含む。負極集電子３１は負極合剤２３の中心部に貫入されている。

以上の構成からなるアルカリ電池１について、放電性能（重負荷放電性能）並びに耐衝撃性の改善効果を検証すべく、以下の試験１〜４を行った。

＜試験１＞
試験１では、負極合剤２３（以下、「ゲル状の負極」とも称する。）の亜鉛合金粉末の粒度として適切な範囲を検証すべく、負極合剤２３の亜鉛合金粉末の粒度を変えた（粒度が７５μｍ以下の粒子の含有率を２３〜４３質量％の範囲で変化させた）複数種のアルカリ電池１を作製し、夫々の放電性能を比較した。放電性能の比較は、デジタルカメラの使用時等における重負荷放電を想定したサイクル放電試験（１５００ｍＷで２秒放電、６５０ｍＷで２８秒放電のサイクルを１時間当たり１０回（１時間当たりの休止時間５５分））を室温（２０℃）下で行い、終止電圧（１．０５Ｖ）に至るまでのサイクル数を計数し、これを比較することにより行った。尚、アルカリ電池１は種類ごとに５個ずつ作成し、サイクル数の比較は夫々について計数したサイクル数の平均値を比較することにより行った。

ゲル化剤の吸水樹脂としてはいずれのアルカリ電池１についても吸水倍率（＝（吸水後質量−吸水前質量）/（吸水前質量））が４０倍（４０質量％水酸化カリウム水溶液の吸水倍率）のものを用いた。ゲル状の電解液における吸水樹脂とアルカリ電解液との比（吸水樹脂／アルカリ電解液（質量％））はいずれのアルカリ電池１についても１．２質量％とした。亜鉛の含有率、即ち、負極合剤２３（ゲル状の負極）に含まれる亜鉛とゲル状の負極合剤２３（ゲル状の負極）との比（亜鉛／ゲル状の負極（質量％））は、いずれのアルカリ電池１についても６７質量％とした。

表１に各アルカリ電池１の放電性能を比較した結果を示す。尚、表中の「判定」には、サイクル数が１２０サイクル以上であれば「○」を、１２０サイクル未満であれば「×」を記載した。

表１に示すように、負極合剤２３の亜鉛合金粉末として粒度が７５μｍ以下の粒子を２５〜４０質量％の範囲で含むものを用いて作製したアルカリ電池１（試作No.２〜４）については良好な放電性能が得られた。これは負極合剤２３に粒径の小さな亜鉛合金粉末を用いることによりアルカリ電解液の供給がスムーズになるためと考えられる。

負極合剤２３の亜鉛合金粉末として粒度が７５μｍ以下の粒子を４３質量％含むもの（試作No.５）については負極合剤２３の流動性が低下しアルカリ電池１を作製することができなかった。

＜試験２＞
続いて、ゲル化剤の吸水樹脂の吸水倍率として適切な範囲を検証すべく、吸水樹脂の吸水倍率を変化させた（吸水倍率を３５〜４３倍の範囲で変化させた）複数種のアルカリ電池１を作製し、夫々の耐衝撃性を比較した。耐衝撃性の比較は、アルカリ電池１の正極缶１１の軸方向が地面と水平になるように１ｍの高さに支持し、その位置からコンクリートの床に自由落下させた後、短絡時最大電流を計測し、これを比較することにより行った。尚、アルカリ電池１は種類ごとに１０個ずつ作成し、短絡時最大電流の比較は夫々について計測した短絡時最大電流の平均値を比較することにより行った。

負極合剤２３の亜鉛合金粉末としては、いずれのアルカリ電池１についても粒度が７５μｍ以下の粒子を３３質量％含むものを用いた。ゲル状の電解液における吸水樹脂とアルカリ電解液との比（吸水樹脂／アルカリ電解液（質量％））はいずれのアルカリ電池１についても１．２質量％とした。負極合剤２３（ゲル状の負極）に含まれる亜鉛とゲル状の負極合剤２３との比（亜鉛／ゲル状の負極（質量％））はいずれのアルカリ電池１についても６７質量％とした。

表２に各アルカリ電池１の耐衝撃性を比較した結果を示す。尚、表中の「判定」には、短絡時最大電流が１５Ａ以上であれば「○」を、１５Ａ未満であれば「×」を記載した。

表２に示すように、吸水樹脂の吸水倍率を３７〜４３倍の範囲としたアルカリ電池１（試作No.７〜９）は、吸水樹脂の吸水倍率を３５倍としたアルカリ電池１（試作No.６）と比較して耐衝撃性が高くなった。このように吸水樹脂の吸水倍率が３７倍以上において耐衝撃性として良好な結果となるのは、吸水倍率が高いと吸水樹脂が柔軟になり、大きく膨らむことにより落下時の衝撃を吸収するからであると考えられる。

＜試験３＞
続いて、ゲル状の電解液における吸水樹脂とアルカリ電解液との比（吸水樹脂／アルカリ電解液（質量％））として適切な範囲を検証すべく、上記比を変化させた（０．５〜２．０質量％の範囲で変化させた）複数種のアルカリ電池１を作製し、夫々の耐衝撃性を比較した。耐衝撃性の比較は試験２と同様の方法で行った。試験２と同様にアルカリ電池１は種類ごとに５個ずつ作成し、サイクル数の比較は夫々について計数したサイクル数の平均値を比較することにより行った。

負極合剤２３の亜鉛合金粉末としては、いずれのアルカリ電池１についても粒度が７５μｍ以下の粒子を３３質量％含むものを用いた。ゲル化剤の吸水樹脂としてはいずれのアルカリ電池１についても吸水倍率が４０倍のものを用いた。負極合剤２３（ゲル状の負極）に含まれる亜鉛とゲル状の負極合剤２３との比（亜鉛／ゲル状の負極（質量％））はいずれのアルカリ電池１についても６７質量％とした。

表３に各アルカリ電池１の放電性能を比較した結果を示す。尚、表中の「判定」には、短絡時最大電流が１５Ａ以上であれば「○」を、１５Ａ未満であれば「×」を記載した。

表３に示すように、ゲル状の電解液における吸水樹脂とアルカリ電解液との比（吸水樹脂／アルカリ電解液（質量％））を０．７〜１．７質量％の範囲としたアルカリ電池１（試作No.１１〜１３）については、上記比を０．５質量％としたアルカリ電池１（試作No.１０）と比較して耐衝撃性が高くなった。

また、上記比を２．０質量％とした場合（試作No.１４）は負極合剤２３の流動性が低くアルカリ電池１を作製することができなかった。

＜試験４＞
続いて、亜鉛の含有率、即ち、負極合剤２３（ゲル状の負極）に含まれる亜鉛とゲル状の負極合剤２３との比（亜鉛／ゲル状の負極（質量％））として適切な範囲を検証すべく、上記比を変化させた（６３〜７２質量％の範囲で変化させた）複数種のアルカリ電池１を作製し、夫々の放電性能を比較した。放電性能の比較は試験１と同様の方法で行った。

負極合剤２３の亜鉛合金粉末としては、いずれのアルカリ電池１についても粒度が７５μｍ以下の粒子を３３質量％含むものを用いた。ゲル化剤の吸水樹脂としてはいずれのアルカリ電池１についても吸水倍率が４０倍のものを用いた。ゲル状の電解液における吸水樹脂とアルカリ電解液との比（吸水樹脂／アルカリ電解液（質量％））はいずれのアルカリ電池１についても１．２質量％とした。

表４に各アルカリ電池１の放電性能を比較した結果を示す。尚、表中の「判定」には、サイクル数が１２０サイクル以上であれば「○」を、１２０サイクル未満であれば「×」を記載した。

表４に示すように、負極合剤２３（ゲル状の負極）に含まれる亜鉛とゲル状の負極合剤２３との比（亜鉛／ゲル状の負極（質量％））が６５〜７０質量％の範囲のアルカリ電池１（試作No.１６〜１８）については、上記比を６３質量％（試作No.１５）としたアルカリ電池１に比べて良好な放電性能が得られた。

上記比を７２質量％としたアルカリ電池１（試作No.１９）については負極合剤２３の流動性が低下し、アルカリ電池１を作製することができなかった。

＜効果＞
試験１より、負極合剤２３の亜鉛合金粉末として粒度が７５μｍ以下の粒子を２５〜４０質量％の範囲で含むものを用いることで良好な放電性能を有するアルカリ電池１が得られることがわかった。また、試験２より、吸水樹脂の吸水倍率を３７倍以上とすることでアルカリ電池１の耐衝撃性が高くなることがわかった。このため、負極合剤２３の亜鉛合金粉末として粒度が７５μｍ以下の粒子を２５〜４０質量％の範囲で含み、かつ、吸水樹脂の吸水倍率を３７倍以上とすることで、放電性能及び耐衝撃性に優れたアルカリ電池１が得られることがわかった。また試験３より、ゲル状の電解液における吸水樹脂とアルカリ電解液との比（吸水樹脂／アルカリ電解液（質量％））を０．７〜１．７質量％の範囲とすることで、アルカリ電池１の耐衝撃性が向上することがわかった。また、試験４より、負極合剤２３（ゲル状の負極）に含まれる亜鉛とゲル状の負極合剤２３（ゲル状の負極）との比（亜鉛／ゲル状の負極（質量％））を６５〜７０質量％の範囲とすることで、良好な放電性能が得られることがわかった。

尚、以上の説明は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

１アルカリ電池、１１正極缶、１２正極端子部、２０発電要素、２１正極合剤、２２セパレータ、２３負極合剤、３１負極集電子、３２負極端子板、３５封口ガスケット

Claims

有底円筒状の正極缶に、アルカリ電解液、ゲル化剤、及び亜鉛を主成分とする粉末を含むゲル状の負極が収容されてなるアルカリ電池であって、
前記粉末は、粒度が７５μｍ以下の粒子を２５〜４０質量％の範囲で含み、
前記ゲル化剤は、前記アルカリ電解液の吸水倍率（４０質量％水酸化カリウム水溶液の吸水倍率）が３７倍以上である吸水樹脂を含み、
前記正極缶の軸方向が地面と水平になるように１ｍの高さに支持し、当該支持位置からコンクリートの床に自由落下させた後の短絡時最大電流が１５Ａ以上である
ことを特徴とするアルカリ電池。
前記アルカリ電解液は、前記吸水樹脂を０．７〜１．７質量％の範囲で含む
ことを特徴とする請求項１に記載のアルカリ電池。
前記ゲル状の負極は、亜鉛を６５〜７０質量％の範囲で含む
ことを特徴とする請求項１または２に記載のアルカリ電池。