JP7441092B2 - ニッケル亜鉛二次電池 - Google Patents
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Description
・正極: NiOOH+H2O+e-→Ni(OH)2+OH-
・負極: Zn+2OH-→ZnO+H2O+2e-
・正極: NiOOH+1/2H2O→Ni(OH)2+1/4O2↑
・負極: Zn+H2O→ZnO+H2↑
前記密閉容器が、前記正極、前記負極、前記セパレータ及び前記電解液の上方に上部余剰空間を有し、前記上部余剰空間(ただし前記負極と電気的に接続する位置を除く)に、Ag2O、AgNiO2、及びAgxCoyNizO2(式中、x+y+z=2)からなる群から選択される水素吸収剤が配置された、ニッケル亜鉛二次電池が提供される。
・Ag2O+H2→2Ag+H2O
・AgNiO2+2H2→Ag+Ni+2H2O
に従って反応することで、水素ガスを吸収して水に変換することができる。Ag2OやAgNiO2が正極で用いられた例は知られているが(例えば特許文献5及び6を参照)、LDHセパレータのような緻密性の高いセパレータ16はH2ガスが透過しないため、負極14で発生したH2ガスが負極14の上方に抜けていくことになる。そこで、密閉容器20の上部余剰空間22(すなわち正極12、負極14、セパレータ16及び電解液18で占有されていない空間)を設け、その上部余剰空間22の負極14と電気的に接続しない位置に水素吸収剤24を配置することで、発生したH2ガスを電池の水素吸収剤24によって酸化してH2Oに戻すことができる。ニッケル亜鉛二次電池10では水系の電解液18が使用されるところ、自己放電時にH2Oが失われているため、水素吸収剤24で生成したH2Oは電池系に何ら悪影響を与えない。また、水素吸収剤24は、上部余剰空間22の負極14と電気的に接続しない位置に配置することで、水素吸収剤24が負極14の電位(例えば-1.2V)によって反応して分解ないし変質してしまうのを避けることができる。
(1)ニッケル亜鉛二次電池の作製
以下に示される正極構造体(ニッケル正極板の外周1辺から正極集電タブが延出したもの)、負極構造体(亜鉛負極板の外周1辺から負極集電タブが延出したもの)、セパレータ、箱型ケース、及び電解液を用意した。
<正極構造体>
・ニッケル正極板:ペースト式水酸化ニッケル正極(容量密度:約700mAh/cm3)
・正極集電体:発泡ニッケル板
・正極集電タブ:発泡ニッケル板をプレスして圧縮したもの
<負極構造体>
・亜鉛負極板:ZnO粉末、金属Zn粉末、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)及びプロピレングリコールを含むペーストを集電体(銅エキスパンドメタル)に圧着したもの
・負極集電タブ:銅エキスパンドメタル
<その他>
・LDHセパレータ:ポリエチレン微多孔膜の孔内及び表面にNi-Al-Ti-LDH(層状複水酸化物)を水熱合成により析出させてロールプレスしたもの
・密閉容器:変性ポリフェニレンエーテル樹脂製の筐体(ケース内で発生したガスを放出可能とする放圧弁を備える)
・電解液:0.4mol/LのZnOを溶解させた5.4mol/LのKOH水溶液
こうして得られた電池に対して、内部発生ガスの定量測定を図4A~4Cに示されるガス量測定系30を用いて55℃で以下のとおり行った。測定系30は、箱型の本体容器32(外寸:幅250mm×高さ230mm×奥行90mm、内寸:幅240mm×高さ220mm×奥行80mm)と、本体容器32の上蓋に連通して設けられる透明なシリンダー34(直径50mm、高さ200mm、体積392.7cm3)とを備えている。
12枚の正極集電タブから以下のいずれか1つの条件に従い1枚を選択し、その正極集電タブ13の片面のみに図1及び2に示されるようにペースト状の1.2gの水素吸収剤24(例2~4ではAg2O、例5~7ではAgNiO2)を塗布したこと以外は、例1と同様にしてガス発生量の評価を行った。ガス発生量は例1で測定されたガス発生量を1とし、それに対する相対値として算出した。
<条件>
・条件1-1(例2及び5):12枚の正極集電タブのうち1枚目
・条件1-2(例3及び6):12枚の正極集電タブのうち3枚目
・条件1-3(例4及び7):12枚の正極集電タブのうち6枚目
<結果>
表1に結果を示す。表1に示される結果から以下のことが分かる。
・AgNiO2及びAg2Oのいずれも水素吸収能力を示したが、AgNiO2の方がAg2Oよりも水素吸収能力が高い。
・水素吸収剤をどの正極集電タブに塗布するかは重要ではない(ガス発生量の違いは殆ど見られない)。
12枚の正極集電タブ13の各々の片面又は両面に、以下の条件に従いかつ図1及び2に示されるようにペースト状の合計1.2g(1枚当たり0.1g)の水素吸収剤24(例8及び9ではAg2O、例10及び11ではAgNiO2)を塗布したこと以外は、例1と同様にしてガス発生量の評価を行った。ガス発生量は例1で測定されたガス発生量を1とし、それに対する相対値として算出した。
<条件>
・条件2-1(例8及び10):12枚の正極集電タブの各々の片面に0.1gずつ塗布
・条件2-2(例9及び11):12枚の正極集電タブの各々の両面に0.1gずつ塗布(片面当たりの塗布量0.05g)
<結果>
表1に結果を示す。表1に示される結果から以下のことが分かる。
・AgNiO2及びAg2Oのいずれも水素吸収能力を示したが、AgNiO2の方がAg2Oよりも水素吸収能力が高い。
・水素吸収剤の合計塗布量が同じかぎり、何枚の正極集電タブに塗布するか、及び正極集電タブの塗布面を片面とするか両面とするかは重要ではない(ガス発生量の違いは見られない)。
12枚の正極集電タブ13の各々の片面又は両面に、以下の条件に従いかつ図1及び2に示されるようにペースト状の合計0.12g、0.60g、1.20g、2.40g又は4.80gの水素吸収剤24(例12~16ではAg2O、例17~21ではAgNiO2)を塗布したこと以外は、例1と同様にしてガス発生量の評価を行った。ガス発生量は例1で測定されたガス発生量を1とし、それに対する相対値として算出した。
<条件>
・条件3-1(例12及び17):合計0.12gの水素吸収剤を塗布(12枚の正極集電タブの各々に0.01gずつ塗布)
・条件3-2(例13及び18):合計0.60gの水素吸収剤を塗布(12枚の正極集電タブの各々に0.05gずつ塗布)
・条件3-3(例14及び19):合計1.20gの水素吸収剤を塗布(12枚の正極集電タブの各々に0.10gずつ塗布)
・条件3-4(例15及び20):合計2.40gの水素吸収剤を塗布(12枚の正極集電タブの各々に0.20gずつ塗布)
・条件3-5(例16及び21):合計4.80gの水素吸収剤を塗布(12枚の正極集電タブの各々に0.40gずつ塗布)
<結果>
表1に結果を示す。表1に示される結果から以下のことが分かる。
・AgNiO2及びAg2Oのいずれも水素吸収能力を示したが、AgNiO2の方がAg2Oよりも水素吸収能力が高い。
・水素吸収能力は水素吸収剤量に概ね比例する。水素吸収剤量が最も多い条件3-5が最も多い量の水素を吸収した。
・条件3-5は水素吸収剤量が多いが故に高コストとなるため、コスト面も考慮した場合、条件3-3を採用するのが好ましい。条件3-3の量で使用期間分の水素吸収可能と推測されるためである。
12枚の正極集電タブ13の各々の両面に、以下の条件に従いかつ図1及び2に示されるようにペースト状の合計1.20gの水素吸収剤24(例22~24ではAg2O、例25~27ではAgNiO2)を塗布したこと以外は、例1と同様にしてガス発生量の評価を行った。ガス発生量は例1で測定されたガス発生量を1とし、それに対する相対値として算出した。
<条件>
・条件4-1(例22及び例25):合計1.20gの水素吸収剤を塗布(12枚の正極集電タブの各々の片面に0.05gずつ(正極集電タブ1枚当たり0.10g)、横10mm×縦10mm×厚さ0.2mmで塗布)
・条件4-2(例23及び例26):合計1.20gの水素吸収剤を塗布(12枚の正極集電タブの各々の片面に0.05gずつ(正極集電タブ1枚当たり0.10g)、横20mm×縦10mm×厚さ0.1mmで塗布)
・条件4-3(例24及び例27):合計1.20gの水素吸収剤を塗布(12枚の正極集電タブの各々の片面に0.05gずつ(正極集電タブ1枚当たり0.10g)、横30mm×縦10mm×厚さ0.067mmで塗布)
<結果>
表2に結果を示す。表2に示される結果から以下のことが分かる。
・AgNiO2及びAg2Oのいずれも水素吸収能力を示したが、AgNiO2の方がAg2Oよりも水素吸収能力が高い。
・水素吸収能力は水素吸収剤量に比例するため、全量が1.2gに固定されている条件4-1~4-3で水素吸収能力の差は殆ど無い。
・水素吸収剤をどのような厚さやサイズで正極集電タブに塗布するか、すなわち塗布形状の相異は重要ではない(ガス発生量の違いは殆ど見られない)。したがって、塗布しやすい厚さ及びサイズを適宜採用すればよい。
ペレット状の1.2gの水素吸収剤24(例28~30ではAg2O、例31~33ではAgNiO2)を図3に一例が示されるように上蓋20a裏面の下記所定位置に貼り付けることにより、上部余剰空間22に配置したこと以外は、例1と同様にしてガス発生量の評価を行った。ガス発生量は例1で測定されたガス発生量を1とし、それに対する相対値として算出した。
<条件>
・条件5-1(例28及び例31):上蓋裏面の左側
・条件5-2(例29及び例32):上蓋裏面の中央
・条件5-3(例30及び例33):上蓋裏面の右側(図3に示される位置)
<結果>
表2に結果を示す。表2に示される結果から以下のことが分かる。
・AgNiO2及びAg2Oのいずれも水素吸収能力を示したが、AgNiO2の方がAg2Oよりも水素吸収能力が高い。
・水素吸収剤の配置位置によるガス発生量変化は殆ど見られない。
ペレット状の0.12g、0.60g、1.20g、2.40g又は4.80gの水素吸収剤24(例34~38ではAg2O、例39~43ではAgNiO2)を図3に一例が示されるように上蓋20a裏面の任意の場所に貼り付けることにより、上部余剰空間22に配置したこと以外は、例1と同様にしてガス発生量の評価を行った。ガス発生量は例1で測定されたガス発生量を1とし、それに対する相対値として算出した。
<条件>
・条件6-1(例34及び39):0.12gの水素吸収剤を配置
・条件6-2(例35及び40):0.60gの水素吸収剤を配置
・条件6-3(例36及び41):1.20gの水素吸収剤を配置
・条件6-4(例37及び42):2.40gの水素吸収剤を配置
・条件6-5(例38及び43):4.80gの水素吸収剤を配置
<結果>
表2に結果を示す。表2に示される結果から以下のことが分かる。
・AgNiO2及びAg2Oのいずれも水素吸収能力を示したが、AgNiO2の方がAg2Oよりも水素吸収能力が高い。
・水素吸収能力は水素吸収剤量に概ね比例する。水素吸収剤量が最も多い条件6-5が最も多い量の水素を吸収した。
・条件6-5は水素吸収剤量が多いが故に高コストとなるため、コスト面も考慮した場合、条件6-3を採用するのが好ましい。条件6-3の量で使用期間分の水素吸収可能と推測されるためである。
11 電池要素
12 正極
13 正極集電タブ
14 負極
15 負極集電体
15a 負極集電タブ
16 セパレータ
17 保液部材
18 電解液
20 密閉容器
20a 上蓋
22 上部余剰空間
24 水素吸収剤
26 正極端子
28 負極端子
Claims (10)
- 正極と、負極と、前記正極と前記負極とを水酸化物イオン伝導可能に隔離するセパレータと、電解液とを密閉容器中に備えた、ニッケル亜鉛二次電池であって、
前記密閉容器が、前記正極、前記負極、前記セパレータ及び前記電解液の上方に上部余剰空間を有し、前記上部余剰空間(ただし前記負極と電気的に接続する位置を除く)に、Ag2O、AgNiO2、及びAgxCoyNizO2(式中、x+y+z=2)からなる群から選択される水素吸収剤が配置された、ニッケル亜鉛二次電池。 - 前記水素吸収剤が、Ag2O又はAgNiO2である、請求項1に記載のニッケル亜鉛二次電池。
- 前記水素吸収剤が、AgNiO2である、請求項1又は2に記載のニッケル亜鉛二次電池。
- 前記正極の上端から正極集電タブが上方に延在しており、前記正極集電タブの片面又は両面に前記水素吸収剤が配置された、請求項1~3のいずれか一項に記載のニッケル亜鉛二次電池。
- 前記水素吸収剤がペーストの形態で前記正極集電タブに塗布されている、請求項4に記載のニッケル亜鉛二次電池。
- 前記密閉容器の上蓋の裏面に前記水素吸収剤が配置される、請求項1~5のいずれか一項に記載のニッケル亜鉛二次電池。
- 前記水素吸収剤がペレットの形態で前記上蓋の裏面に取り付けられている、請求項6に記載のニッケル亜鉛二次電池。
- 前記正極が水酸化ニッケル及び/又はオキシ水酸化ニッケルを含み、前記負極が亜鉛及び/又は酸化亜鉛を含む、請求項1~7のいずれか一項に記載のニッケル亜鉛二次電池。
- 前記セパレータが層状複水酸化物(LDH)セパレータである、請求項1~8のいずれか一項に記載のニッケル亜鉛二次電池。
- 前記LDHセパレータが多孔質基材と複合化されている、請求項1~9のいずれか一項に記載のニッケル亜鉛二次電池。
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